KR20080092235A - 금속복합재료의 제조방법 및 금속복합재료로 이루어지는부재 - Google Patents

금속복합재료의 제조방법 및 금속복합재료로 이루어지는부재 Download PDF

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타카유키 호리
노리히토 후토리
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Abstract

매트릭스 금속으로서 마그네슘, 알루미늄, 아연 또는 그것들의 합금을 사용하는 것, 다공질 프리폼은 연속기공을 가지고, 공극률이 80% 이상이며, 공극 사이즈의 평균직경이 0.1㎜ 이상인 것, 및 473K 이상으로 예열된 다공질 프리폼을 금형 내로 수용하고, 매트릭스 금속의 용탕을 다이캐스팅 주조법, 저압 주조법 또는 중력 금형주조법에 의해 다공질 프리폼의 공극 중에 충전하는 것에 의해, 금속제 다공질 프리폼과 그 공극 중에 충전된 매트릭스 금속으로 이루어지는 영율, 강성, 강도, 열전도성, 내크리프성이 향상되고 있고, 단조가공할 수 있는 금속복합재료의 제조방법, 및 금속복합재료로 이루어지는 부재가 달성된다.
다공질 프리폼, 공극율, 영율, 매트릭스 금속, 열전도성, 내크리프성

Description

금속복합재료의 제조방법 및 금속복합재료로 이루어지는 부재{PROCESS FOR THE PREPARATION OF METAL COMPLEX MATERIALS, AMD MEMBER CONSISTING OF THE METAL COMPLEX MATERIALS}
본 발명은 금속복합재료의 제조방법 및 금속복합재료로 이루어지는 부재에 관한 것으로, 구체적으로는 경량화를 필요로 하는 자동차, 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등의 민생전기ㆍ정보기기, 전동공구, 범용엔진 등의 산업기계 등의 부재의 제조에 사용할 수 있는 마그네슘, 알루미늄 또는 그것들의 합금으로 이루어지는 금속복합재료의 제조방법, 아연 또는 그 합금으로 이루어지는 금속복합재료의 제조방법, 및 금속복합재료로 이루어지는 부재에 관한 것이다.
알루미늄이나 알루미늄 합금은 경량화를 필요로 하는 자동차 등에 많이 사용되도록 되어 있지만, 그 물성에 대해서는 영율(Young's modulus)이 철 등과 비교해서 낮고, 또, 인장강도 등의 강도특성도 낮은 레벨에 있다. 이것에 의해, 알루미늄이나 알루미늄 합금의 용도가 한정되고, 혹은 설계상 두께를 두껍게 하거나, 리브를 설치하는 등 경량화 효과를 감소시키는 대응이 필요하다. 이것에 대한 대책으로서, 경량이고 강성이 높은 세라믹스와의 복합화가 수행되어, 실용화되어 있지만(예 를 들면, 특허문헌 1, 2 참조), 세라믹은 취성(脆性)이고, 고비용이므로 용도가 한정되어 있다.
마그네슘이나 마그네슘 합금은 알루미늄이나 알루미늄 합금보다 더욱 경량의 금속이지만, 그 물성에 대해서는 영율(Young's modulus)이 알루미늄이나 알루미늄 합금보다 더 작고, 인장강도도 알루미늄이나 알루미늄 합금보다 더 작다. 이러한 강성부족, 강도부족이 용도의 확대를 저해하고 있다. 또, 동일 경량금속인 알루미늄에 비해서 열전도성이나 내 크리프 특성이 떨어지는 것도 용도의 확대를 저해하고 있다.
아연이나 아연합금의 영율은 알루미늄이나 알루미늄 합금의 영율보다도 크지만, 철의 반 정도 이하이고, 용도에 따라서는 영율이 불충분하다.
상기와 같은 영율 부족, 강도부족의 해결책으로서, 수소화 가능한 금속으로 이루어지는 다공질 프리폼의 공극 중에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 매트릭스 금속을 함침시켜서 복합화한 금속기 복합재료(예를 들면, 특허문헌 3 참조)나, 금속ㆍ합금으로 이루어지는 다공질 프리폼의 외표면 및 공극 중 표면을 귀금속류 원소로 이루어지는 복합화 촉진재층에 의해 피복하고, 그 다공질 프리폼의 공극 중에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 매트릭스 금속을 함침시킨 금속기복합재료(예를 들면, 특허문헌 4 참조) 등이 제안되고 있다.
특허문헌 1; 일본 공개특허공보 2003-253308호
특허문헌 2; 일본 공개특허공보 2003-286525호
특허문헌 3; 일본 공개특허공보 2001-181814호
특허문헌 4; 일본 공개특허공보 2002-285205호
본 발명은 마그네슘, 알루미늄, 아연 또는 그것들의 합금의 영율(Young's modulus), 강성, 강도를 향상시킨 금속복합재료, 혹은 용도에 따른 요구특성, 예를 들면 열전도성이나 내크리프성을 향상시킨 금속복합재료로서, 단조가공할 수 있는 금속복합재료의 제조방법, 및 금속복합재료로 이루어지는 부재를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명자들은 상의 목적을 달성하기 위한 방책을 여러 가지로 검토한 결과, 다음 지견을 얻기에 이르렀다. 알루미늄 및 알루미늄 합금의 영율은 70GPa 정도이고, 마그네슘 및 마그네슘 합금의 영율은 45GPa 정도이고, 아연 및 아연합금의 영율은 97GPa 정도이다. 이에 대해서, 예를 들면 철 및 스테인리스스틸 등의 철계 합금의 영율은 210GPa 이상이므로, 철 또는 철계 합금을 용적률로 수% 복합화하는 것만으로도 상당량의 영율의 향상을 얻을 수 있다. 또, 철 또는 철계 합금에 다공질 프리폼 형상을 부여하고, 미세한 공극을 부여하는 것에 의해, 강성 상승, 강도 상승, 경우에 따라서는 내크리프성 상승의 효과는 커진다. 또, 열전도성이나 내크리프성이 용도에 따라서는 불충분한 마그네슘 및 마그네슘 합금을 열전도성이나 내크리프성이 우수한 알루미늄 및 알루미늄 합금제 다공질 프리폼과 복합화시키는 것에 의해 개선된다. 더욱이, 금속제 다공질 프리폼의 공극 중에 매트릭스 금속을 다이캐스팅 주조법, 저압 주조법 또는 중력 금형주조법에 의해 충전한 금속복합재료는 단조가공 할 수 있다.
즉, 본 발명의 금속복합재료의 제조방법은 금속제 다공질 프리폼과 그 공극 중에 충전된 매트릭스 금속으로 이루어지는 금속복합재료의 제조 방법에 있어서, 매트릭스 금속으로 마그네슘, 알루미늄, 아연 또는 그것들의 합금을 사용하는 것, 다공질 프리폼은 연속기공을 가지고, 공극률이 80%이상이며, 공극 사이즈의 평균 직경이 0.1㎜ 이상인 것, 및 473K 이상으로 예열된 다공질 프리폼을 금형 내로 수용하고, 매트릭스 금속의 용탕을 다이캐스팅 주조법, 저압 주조법 또는 중력 금형주조법에 의해 다공질 프리폼의 공극 중에 충전하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 금속복합재료의 제조방법에 의해 수득된 금속복합재료는 마그네슘, 알루미늄, 아연 또는 그것들의 합금의 영율, 강성, 강도를 향상시킨 금속복합재료, 혹은 용도에 따른 요구특성, 예를 들면 열전도성이나 내크리프성을 향상시킨 금속복합재료로서, 단조가공할 수 있는 것으로, 경량화를 필요로 하는 자동차, 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등의 민생전기ㆍ정보기기, 전동공구, 범용엔진 등의 산업기계 등의 부재의 제조에 사용할 수 있다.
본 발명은 마그네슘, 알루미늄 또는 그것들의 합금의 경량성을 손상시키지 않고, 마그네슘, 알루미늄, 아연 또는 그것들의 합금의 영율, 강성, 강도, 열전도성 내크리프성을 향상시킨 금속복합재료로서, 단조가공할 수 있는 금속복합재료를 제조하는 것을 목적으로 하고 있으므로, 매트릭스 금속으로 마그네슘, 알루미늄, 아연 또는 그것들의 합금, 특히 마그네슘, 알루미늄 또는 그것들의 합금을 사용하고, 다공질 프리폼을 구성하는 금속으로서 요구특성에 있어서 매트릭스 금속보다도 우수한 특성을 가지는 금속을 사용한다. 예를 들면, 다공질 프리폼을 구성하는 금속으로서 매트릭스 금속의 영율보다도 큰 영율을 가지는 금속, 바람직하게는 매트릭스 금속의 영율의 2배 이상의 영율을 가지는 금속을 사용하거나, 다공질 프리폼을 구성하는 금속으로서 매트릭스 금속의 열전도성, 내크리프성보다도 우수한 열전도성, 내크리프성을 가지는 금속을 사용한다.
그러한 금속으로서 철, 티탄, 동, 알루미늄, 코발트, 크롬, 니켈, 텅스텐, 몰리브덴, 지르코늄, 실리콘 및 그것들의 합금(예를 들면, 스테인리스스틸) 가운데서, 금속복합재료의 요구특성에 의해, 매트릭스 금속의 영율, 열전도계수보다도 큰 수치를 가지는 금속, 또는 매트릭스 금속보다 사용 온도조건에서의 내크리프성이 우수한 금속을 사용할 수 있다. 영율 및 단조가공성을 중요시하는 경우에는 다공질 프리폼을 구성하는 금속으로서 철, 동, 코발트, 크롬, 니켈, 텅스텐, 몰리브덴 또는 그것들의 합금을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 금속복합재료의 제조방법에 있어서는 연속기공을 가지고, 공극률이 80%이상이며, 공극 사이즈의 평균 직경이 0.1㎜ 이상인 금속제 다공질 프리폼을 준비한다. 공극을 가지는 다공질 프리폼의 제조방법으로서는 금속용탕에 발포제를 사용해서 제조하는 방법, 감압 플라즈마 용사법, 분말야금 소결법(프레스 성형법, 사출 성형법)등을 적용할 수 있다.
본 발명의 금속복합재료의 제조방법에 있어서는 다공질 프리폼의 공극 중에 매트릭스 금속의 용탕을 충전시키는 것이 필요하다. 그 점에서는, 소위 발포금속이라고 불리는 재료의 공극 사이즈보다도 큰 0.1㎜ 이상의 공극 사이즈의 연결된 공극(연속기공)이 필요하게 된다. 그러나, 공극 사이즈가 지나치게 크면 다공질 프리폼의 강도가 저하되고, 매트릭스 금속의 용탕을 다이캐스팅 주조에 의해서 그 공극 중에 충전할 때에 다공질 프리폼이 파손될 위험성이 있다. 그래서, 다공질 프리폼의 공극 사이즈의 평균 직경이 0.1∼5㎜ 정도인 것이 바람직하다.
본 발명의 제조방법에 의해서 수득된 금속복합재료는 마그네슘, 알루미늄 또는 그것들의 합금의 경량성을 손상시키지 않고, 영율, 강성, 강도, 열전도성, 내크리프성을 향상시킨 것임이 필요하다. 그래서, 금속복합재료 중에 차지하는 다공질 프리폼을 구성하는 금속의 용적률을 20% 이하, 바람직하게는 10% 이하로 한다. 바꾸어 말하면, 다공질 프리폼의 공극률을 80% 이상, 바람직하게는 90% 이상으로 한다.
본 발명의 금속복합재료의 제조방법에 있어서는 다공질 프리폼의 공극 중에 매트릭스 금속의 용탕을 충전할 필요가 있다. 본 발명의 제조방법에 있어서는 단조가공할 수 있는 금속복합재료를 제조하기 위해서, 473K 이상으로 예열된 다공질 프리폼을 금형 내로 수용하고, 매트릭스 금속의 용탕을 다이캐스팅 주조법, 저압 주조법 또는 중력 금형주조법에 의해 다공질 프리폼의 공극 중에 충전한다. 이 주조에 있어서, 금형 내를 80kPa 이하로 감압하여 다공질 프리폼의 공극 중으로의 매트릭스 금속의 용탕의 충전을 촉진시키는 것이 바람직하다.
또, 주조에 있어서, 주조압력 9.8MPa 이상, 다공질 프리폼으로의 매트릭스 금속의 용탕속도 1m/초 이상, 바람직하게는 용탕속도 3m/초 이상의 조건으로 다이캐스팅 주조를 실시하여 다공질 프리폼의 공극 중으로의 매트릭스 금속의 용탕의 충전을 실시하는 것, 또는 9.8kPa 이상의 압력조건하에서 저압 주조를 실시해서 다공질 프리폼의 공극 중으로의 매트릭스 금속의 용탕의 충전을 실시하는 것이 바람직하다.
또, 다공질 프리폼의 표면에 산화처리, 코팅처리 또는 도금처리를 실시하여, 다공질 프리폼의 표면에 매트릭스 금속의 용탕과의 합금화를 촉진시키는 금속, 산화물을 존재시키는 것이 유리하다.
본 발명의 금속복합재료의 제조방법은, 상기한 바와 같이 해서 제조한 금속복합재료를 추가로 단조가공하는 것도 포함한다. 단조가공하는 것에 의해 금속복합재료의 강도를 더욱 개선할 수 있다.
본 발명은 상기의 제조방법으로 수득된 금속복합재료로 이루어지는 부재도 포함한다.
본 발명의 금속복합재료의 제조방법에 있어서는 부재 전체를 복합화할 필요없이 강도, 강성이 필요한 부분에 한정해서 복합화하고, 강도가 필요한 부분에 추가로 단조 등의 소성가공을 부가해서 강도상승을 도모할 수도 있다.
이하에, 실시예에 의거하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
실시예 1
알루미늄합금(ADC6=Al-3.5%Mg)의 용탕을 973K로 유지하고, 그 용탕에 금속칼슘 0.2질량%를 첨가하여 점도를 상승시키고, 이것에 수소화 티탄의 분말을 첨가하여 강하게 교반하고, 즉시 금형주조에 의해서 φ70×50㎜의 다공질 프리폼을 제작하였다. 수득된 다공질 프리폼의 기공율은 90%이고, 기공 사이즈는 12개/□10㎜×10㎜이었다.
상기한 바와 같이 해서 제작한 다공질 프리폼을 523K로 가열하고, 500K로 유지한 금형에 세팅하였다. 마그네슘합금(AM50=Mg-5%Al-0.2%Mn)의 용탕을 953K로 유지하고, 주조압력 49MPa, 사출속도 4.5m/초(유동해석으로 프리폼으로의 용탕속도 13m/s)로 다이캐스팅 주조를 실시하였다. 사출 시에, 금형의 프리폼으로의 용탕유입측과는 반대측에서 가스배기를 실시하여 금형 내를 60kPa로 감압하였다.
제작한 금속복합재료의 비중은 1.87이고, 충전율은 98.9%이고, 영율은 46.4 GPa이고, 423K, 하중 50MPa에서의 크리프속도는 4.0×10-4%/시간이었다. 즉 알루미늄 다이캐스팅재(ADC12=Al-11%Si-2.5%Cu)와 같은 수준이었다. 덧붙여서 말하면, 마그네슘 다이캐스팅 AM50재의 크리프속도는 33×10-2%/시간이었다. 또, 열전도체(레이저 플래시법)은 75.3 W/mㆍK로, 마그네슘 다이캐스팅 AM50재의 58.5 W/mㆍK에 대해서 복합화율 이상으로 향상하고 있었다. 덧붙여서 말하면, 알루미늄 다이캐스팅 ADC12재의 열전도율은 95.9W/mㆍK이었다. 또, 이 복합재료를 업셋단조에 있어서 423K에서 두께 50㎜에서 25㎜까지의 50%의 압축가공이 가능하였다.
실시예 2
기공율이 92%, 기공 사이즈가 평균해서 500㎛인 오픈셀(통기성)을 가지는 φ70㎜×50㎜의 SUS304L 합금(Fe-19%Cr-9%Ni)제의 다공성 프리폼을 구입하였다. 이 SUS제 다공질 프리폼을 623K로 가열하고, 금형에 세팅하였다. 마그네슘합금 (AM50=Mg-5%Al-0.2%Mn)의 용탕을 953K로 유지하고, 주조압력 49MPa, 사출속도 4.5m/초(유동해석에서 프리폼으로의 용탕속도 13m/s)로 다이캐스팅 주조를 실시하였다. 사출 시에 금형의 프리폼으로의 용탕유입측과는 반대측에서 가스배기를 수행하여, 금형 내를 60kPa로 감압하였다.
제작한 금속복합재료의 비중은 2.25이고, 충전율은 99%이고, 영율은 78GPa이었다.

Claims (17)

  1. 금속제 다공질 프리폼과 그 공극 중에 충전된 매트릭스 금속으로 이루어지는 금속복합재료의 제조방법에 있어서, 　
    매트릭스 금속으로서 마그네슘, 알루미늄, 아연 또는 그것들의 합금을 사용하는 것,
    다공질 프리폼은 연속기공을 가지고, 공극률이 80%이상이며, 공극 사이즈의 평균 직경이 0.1㎜이상인 것, 및
    473K 이상으로 예열된 다공질 프리폼을 금형 내로 수용하고, 매트릭스 금속의 용탕을 다이캐스팅 주조법, 저압 주조법 또는 중력 금형주조법에 의해 다공질 프리폼의 공극 중에 충전하는 것을 특징으로 하는 금속복합재료의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    매트릭스 금속으로서 마그네슘, 알루미늄 또는 그것들의 합금을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속복합재료의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    다공질 프리폼을 구성하는 금속으로서 매트릭스 금속의 영율보다도 큰 영율을 가지는 금속을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속복합재료의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    다공질 프리폼을 구성하는 금속으로서 매트릭스 금속의 영율의 2배 이상의 영율을 가지는 금속을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속복합재료의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    다공질 프리폼을 구성하는 금속으로서 매트릭스 금속의 열전도성, 내크리프성보다도 우수한 열전도성, 내크리프성을 가지는 금속을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속복합재료의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    다공질 프리폼을 구성하는 금속으로서 철, 티탄, 동, 알루미늄, 코발트 크롬, 니켈, 텅스텐, 몰리브덴, 지르코늄, 실리콘 및 그것들의 합금 가운데서, 금속복합재료의 요구특성에 의해, 매트릭스 금속의 영율, 열전도계수보다도 큰 수치를 가지는 금속, 또는 매트릭스 금속보다 사용온도 조건에서의 내크리프성이 우수한 금속을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속복합재료의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    다공질 프리폼을 구성하는 금속으로서 철, 동, 코발트, 크롬, 니켈, 텅스텐, 몰리브덴 또는 그것들의 합금을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속복합재료의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    다공질 프리폼으로서 공극율이 90% 이상이고, 공극 사이즈의 평균 직경이 0.1∼5㎜인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속복합 재료의 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    다공질 프리폼으로서 공극률이 90%이상이고, 공극 사이즈의 평균 직경이 0.1∼5㎜인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속복합재료의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    다공질 프리폼이 산화처리, 코팅처리 또는 도금처리가 실시된 것임을 특징으로 하는 금속복합재료의 제조방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    다공질 프리폼이 산화처리, 코팅처리 또는 도금처리가 실시된 것임을 특징으로 하는 금속복합재료의 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    주조에 있어서, 금형 내를 80kPa 이하로 감압하여 다공질 프리폼의 공극 중으로의 매트릭스 금속의 용탕의 충전을 촉진하는 것을 특징으로 하는 금속복합재료 의 제조방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    주조에 있어서, 주조압력 9.8MPa 이상, 다공질 프리폼으로의 매트릭스 금속의 용탕속도 1m/초 이상의 조건으로 다이캐스팅 주조를 실시해서 다공질 프리폼의 공극 중으로의 매트릭스 금속의 용탕의 충전을 실시하는 것을 특징으로 하는 금속복합재료의 제조방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    주조에 있어서, 9.8kPa 이상의 압력조건하에서 저압주조를 실시해서 다공질 프리폼의 공극 중으로의 매트릭스 금속의 용탕의 충전을 실시하는 것을 특징으로 하는 금속복합재료의 제조방법.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법으로 수득된 금속복합재료를 추가로 단조가공하는 것을 특징으로 하는 금속복합재료의 제조방법.
  16. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법으로 수득된 금속복합재료로 이루어지는 부재.
  17. 제 15 항에 기재된 제조방법으로 수득된 금속복합재료로 이루어지는 부재.
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