KR20090095055A

KR20090095055A - 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재, 이의 제조방법, 이를이용한 기계적 특성이 향상된 금속 재료

Info

Publication number: KR20090095055A
Application number: KR1020080020128A
Authority: KR
Inventors: 이창규; 이민구; 박진주; 이상훈
Original assignee: 한국원자력연구원; 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-09-09
Also published as: KR101136570B1

Abstract

본 발명은 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재, 이의 제조방법, 이를 이용한 기계적 특성이 향상된 금속재료에 관한 것으로, 구체적으로 구리, 주석, 비금속 분말을 함유하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재, 구리를 용융시켜 구리 용탕을 제조하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 용융된 구리 용탕에 비금속성 분말과 구리 분말의 혼합 분말을 첨가하여 교반하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2에서 제조된 혼합물에 주석을 첨가하여 교반하는 단계(단계 3)를 포함하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재의 제조방법 및 이를 이용한 기계적 특성이 향상된 금속재료에 관한 것이다. 본 발명에 따른 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재는 금속과 비금속성 분말이 균일하게 분산되어 있으며, 금속 재료에 첨가됨으로써 금속 재료의 내부 조직을 균일하고 미세하게 하며, 이에 의해 브리넬경도, 인장강도, 연신율 등의 금속 재료의 기계적 특성을 향상시켜 금속 재료의 사용에 유용하게 사용될 수 있다.

금속, 세라믹, 복합 비금속성 개량재, 구리, 주석, 금속 재료

Description

금속-세라믹 복합 비금속성 개량재, 이의 제조방법, 이를 이용한 기계적 특성이 향상된 금속 재료{Metal-ceramic composite non-metallic improvement agent, preparation method thereof and metal material improved mechanic property using the same}

본 발명은 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재, 이의 제조방법, 이를 이용한 기계적 특성이 향상된 금속 재료에 관한 것이다.

최근 산업의 고도화에 의해 기계부품에 요구되는 물성개량 및 기계적 특성의 향상을 위한 이종 재료간의 복합화가 진행되고 있으며, 이것과 연관하여 금속재료와 세라믹재료의 접목에 의해 기존의 특성들을 향상시키기 위한 연구가 다수 진행되어지고 있다. 또한 그 결과들이 산업계 전반에 걸쳐 그 응용이 점차 기대되고 있다. 그러나 금속재료와 세라믹재료로 구성되어진 복합재료의 경우에는 이종재료간의 이질성이 확연하게 존재하기 때문에 복합화가 상당히 어려운 실정이다.

따라서 상기 금속재료와 세라믹재료간의 복합화를 효과적으로 이루기 위한 여러가지 방법이 개발되고 있다.

선행기술로는 미국 등록특허 제6491423호에서는 용융금속 기지내에 세라믹 강화 입자를 액상 또는 반액상에서 믹싱하는 장치를 개시하고 있으며, 미국 등록특허 제6106588호에서는 비금속성 강화 입자를 용탕 또는 금속합금과 믹싱하는 방법 및 장치를 개시하고 있다.

또한, 일본 공개특허 제2000-247760호에서는 Al을 이용하여 금속-세라믹 복합재료를 결합하는 방법을 개시하였으며, 중국 공개특허 제1546712호에서는 크롬, 니켈, 티타늄, 니오븀, 텅스텐 등으로 조성된 세라믹 금속 강화재를 개시하고 있다.

그러나, 상기 금속재료와 세라믹재료간의 복합화를 더욱 효과적으로 이루어 금속재료의 기계적 강도를 향상시키기 위한 방법은 여전히 요구되고 있다.

이에 본 발명자들은 금속재료에 비금속성 재료가 균일하게 분산되어 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 비금속 개량재를 제조하기 위하여 연구하던 중, 용융시킨 구리에 비금속성 분말을 첨가하고 주석을 첨가한 후 구리와 주석의 반응고영역에서 일정시간 교반함으로써 금속 용탕 표면에 비금속성 분말이 고르게 분포한 개량재를 제조할 수 있으며, 이를 금속 재료에 혼합하여 내부 조직이 균일하고, 미세하며, 기계적 특성, 특히 경도, 강도, 연신율 등이 향상됨을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재를 이용하여 기계적 특성이 향상된 금속재료를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재의 제조방법을 제공한다.

나아가, 본 발명은 상기 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재를 이용하여 기계적 특성이 향상된 금속재료를 제공한다.

본 발명에 따른 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재는 금속과 비금속성 분말이 균일하게 분산되어 있으며, 금속 재료에 첨가됨으로써 금속 재료의 내부 조직을 균일하고 미세하게 하며, 이에 의해 브리넬경도, 인장강도, 연신율 등의 금속 재료 의 기계적 특성을 향상시켜 금속 재료의 사용에 유용하게 사용될 수 있다.

본 발명은 구리, 주석, 비금속 분말을 함유하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재를 제공한다.

본 발명에 따른 개량재의 형태는 스폰지 형태 또는 분말 형태일 수 있으며, 상기 형태는 반응혼합물의 교반 시간에 의해 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재에 있어서, 상기 구리는 주원료로 사용되며 비금속 분말과 균일하게 분산시키기 위하여 약 1200~1400 ℃의 고온에서 용융시켜 사용한다.

본 발명에 따른 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재에 있어서, 상기 비금속 분말은 세라믹 강화재로서 사용되며, 이때 사용되는 비금속 분말은 Y₂O₃, Al₂O₃, TiC, SiC 등을 사용할 수 있다. 이때 상기 구리와 비금속 분말의 함량은 중량비로 1:2~5인 것이 바람직하다. 만일, 상기 구리와 비금속 분말의 함량비가 1:2 미만이면 분말의 양이 많아져서 교반을 통한 혼합이 어려운 문제가 있고, 1:5를 초과하면 구리의 함량비가 높아져 개량재의 역할을 상실하는 문제가 있다.

본 발명에 따른 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재에 있어서, 상기 주석은 구리와 비금속 분말에 근본적으로 존재하는 비중차이에 의한 친화성(compatibility) 및 젖음성(wettability)의 저하를 감소시켜 친화성 및 젖음성을 향상시키는 역할을 한다. 이때, 구리와 비금속 분말의 효과적인 균일 분산을 위하여 개량재 내의 주석의 함량은 1~4 중량%인 것이 바람직하다. 만일 상기 주석의 첨가량이 1 중량% 미만이면 비금속성 분말의 친화성 및 젖음성이 저하되어 균일한 분산에 문제가 있고, 4 중량%를 초과하면 개량하고자 하는 재료의 합금조성에 영향을 미치는 문제가 있다.

또한 본 발명은

구리를 용융시켜 구리 용탕을 제조하는 단계(단계 1);

상기 단계 1에서 용융된 구리 용탕에 비금속성 분말과 구리 분말의 혼합 분말을 첨가하여 교반하는 단계(단계 2); 및

상기 단계 2에서 제조된 혼합물에 주석을 첨가하여 교반하는 단계(단계 3)를 포함하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.

먼저 단계 1은 구리를 용융시켜 구리 용탕을 형성하는 단계이다.

상기 단계에서는 구리를 고주파 유도로 등에 넣고 용융온도인 1200~1400 ℃에서 용융시킨다.

다음으로 단계 2는 상기 단계 1에서 형성된 구리 용탕에 비금속성 분말과 구리 분말의 혼합 분말을 첨가하여 교반하는 단계이다.

상기 비금속성 분말은 구리 분말과 혼합하여 구리 용탕에 첨가하는데, 이는 비금속성 분말에 구리 분말이 첨가됨으로써 구리 용탕 내에서 구리와의 젖음성이 향상되고 이로 인해 구리 용탕 내에서 상기 비금속성 분말이 균일하게 분산되도록 하기 위함이다. 상기 비금속성 분말과 구리 분말은 고에너지 밀링을 통하여 혼합되고, 이때 상기 비금속성 분말과 구리 분말의 혼합비는 1:1~2인 것이 바람직하다. 만일 상기 비금속성 분말과 구리 분말의 혼합비가 1:2를 초과하면 고에너지 밀링시 분말이 균일하게 혼합되지 않고 밀링 기계에 달라붙는 문제가 있다.

상기 구리 용탕에 첨가하는 비금속성 분말 및 구리 분말의 혼합 분말의 첨가비는 중량비로 혼합 분말:구리 용탕=1:2~5인 것이 바람직하다. 만일, 상기 혼합 분말:구리 용탕의 비가 1:2 미만이면 분말의 양이 많아져서 교반을 통한 혼합이 어려운 문제가 있고, 1:5를 초과하면 구리의 함량비가 높아져 개량재의 역할을 상실하는 문제가 있다.

이때, 사용되는 비금속 분말은 Y₂O₃, Al₂O₃, TiC, SiC 등을 사용할 수 있다.

다음으로, 단계 3은 상기 단계 2에서 제조된 혼합물에 주석을 첨가하여 교반하는 단계이다.

상기 단계에 있어서, 주석은 구리와 비금속성 분말의 친화성을 향상시키기 위하여 첨가되며, 효과적인 작용을 위하여 상기 주석의 첨가량은 1~4 중량%인 것이 바람직하다. 만일 상기 주석의 첨가량이 1 중량% 미만이면 비금속성 분말의 친화성 및 젖음성이 저하되어 균일한 분산에 문제가 있고, 4 중량%를 초과하면 개량하고자 하는 재료의 합금조성에 영향을 미치는 문제가 있다.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 교반은 구리-주석 합금의 반응고영역의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.

구리-주석 합금에 있어서, 고체와 액체가 공존하는 온도범위가 존재하며, 이를 반응고영역(semi-solid region)이라고 한다(도 1 참조). 이때 고체-액체 공존 구간은 액상에 가까운 슬러리(slurry) 영역과 고체상에 가까운 머쉬(mush) 영역으로 나누어지며, 슬러리 영역에서부터 머쉬 영역을 지나 완전 응고가 일어날 때까지 교반을 실시함으로써 구리 용탕 표면에 비금속성 분말이 고르게 분포한 개량재를 제조할 수 있다. 상기 반응고영역은 주석의 첨가량에 따라 달라지며, 도 1에 나타낸 바와 같이 주석이 4 중량%가 첨가될 때 구리-주석 합금의 반응고영역은 1000~1050 ℃에 나타난다.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 반응은 불활성 가스 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다. 만일 산소가 주입되면 부생성물이 발생하며, 이는 구리와 비금속 분말의 균일한 분산을 방해할 수 있다. 일례로 구리와 비금속성 분말로서 TiC를 혼합시킬 때 산소가 유입되면 부생성물로서 TiO₂가 생성되고, 이는 구리 용탕 내에서 부유함으로써 구리와 비금속성 분말의 균일한 분산을 방해한다. 따라 서 상기 반응은 불활성 가스 분위기의 조성이 필요하며, 이때 사용되는 불활성 가스로는 아르곤(Ar) 등을 사용할 수 있다.

나아가, 본 발명은 상기 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재를 이용하여 기계적 특성이 향상된 금속 재료를 제공한다.

본 발명에 따라 제조된 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재는 금속 재료의 용탕에 첨가하여 교반함으로서 금속 재료의 기계적 특성을 향상시킬 수 있으며, 이때 사용되는 금속 재료는 탄소강, 스테인레스 스틸, 캐스트 아이언(Cast Iron), 알루미늄-브론즈(Al-Bronze) 등을 사용할 수 있다. 일례로 스테인레스 스틸(STS 304)에 첨가시킬 경우, 첨가전의 스테인레스 스틸보다 브리넬경도가 약 9%, 인장강도가 약 8%, 연신율이 약 16% 향상되는 것으로 나타났다(표 1 참조).

또한, 금속 재료의 내부 조직을 광학현미경 및 주사전자현미경으로 관찰한 결과 개량재 첨가 전보다 금속 재료의 내부 조직이 더욱 균일하고 미세하게 분산되어 있음이 나타났다(도 4 및 도 5 참조).

따라서, 본 발명에 따른 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재는 금속과 비금속성 분말이 균일하게 분산되어 있으며, 금속 재료에 첨가됨으로써 금속 재료의 내부 조직을 균일하고 미세하게 하며, 이에 의해 브리넬경도, 인장강도, 연신율 등의 금속 재료의 기계적 특성을 향상시켜 금속 재료의 사용에 유용하게 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1> 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재 제조

구리 금속을 1300 ℃ 전기로에서 용융시킨 후, 상기 구리 금속 용탕에 TiC와 구리 분말을 1:1로 혼합한 분말을 투입하였다. 이때 구리 금속 용탕 내에 TiC와 구리 분말의 혼합 분말을 5:1의 중량비로 첨가한 후 혼합하였고, TiC가 산화하여 TiO₂가 되는 것을 방지하기 위하여 불활성 가스인 Ar 분위기에서 수행하였다. 이후 Sn을 4 중량% 첨가한 후 온도를 1040 ℃로 낮추어 교반하여 목적하는 비금속성 개량재를 제조하였다.

상기 제조된 비금속성 개량재를 X선 회절 분석기(Rigaku, Geigerflex D/MAX-3C)를 이용하여 X선 회절 분석한 그래프를 도 2에 나타내었다.

도 2에 나타낸 바와 같이, TiC 및 구리 금속의 피크가 관찰되었다. 그러나 공정중 유입되 약간의 산소와 TiC 분말이 반응하여 소량의 TiO₂가 생성된 것을 볼 수 있다. 생성된 TiO₂는 금속과 비금속성 분말의 균일한 분산을 어렵게 하므로, 반응시 완벽한 불활성 가스 분위기의 조성이 필요한 것을 알 수 있다.

< 실시예 2> 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재를 이용한 금속 재료의 제조

상기 실시예 1에서 제조한 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재를 스테인레스 스틸(STS304) 용탕 내에 첨가하고 교반시켜 개량된 스테인레스 스틸을 제조하였다.

< 비교예 >

상기 개량재를 첨가하지 않은 스테인레스 스틸(STS304)를 사용하였다.

< 실험예 1> 교반시간에 따른 개량재 형상 관찰

본 발명에 따른 개량재의 교반시간에 따른 형상의 변화를 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.

상기 실시예 1에서 용융된 금속(Cu, Sn)과 비금속성 분말을 혼합한 후, 교반 시간을 10분~30분으로 변화시키면서 개량재의 형상을 관찰하여 도 3에 나타내었다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 교반시간이 10분일 때에는 스폰지 형상의 개량재가 생성되며, 여기서 교반시간을 증가시키면(30분 후) 분말 형태의 개량재가 생성됨을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 개량재는 교반 시간을 조절함으로써 개량재의 형상을 제어할 수 있다.

< 실험예 2> 개량된 금속 재료의 조직 관찰

본 발명에 따른 개량재의 첨가에 따른 금속 재료의 내부 조직 변화를 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.

실시예 2 및 비교예에 따라 개량재가 첨가 또는 비첨가되어 제조된 스테인레스 스틸(STS304)의 미세조직을 광학현미경(OM)으로 관찰한 후, 그 결과를 도 4에 나타내었으며, 주사전자현미경으로 관찰한 후, 그 결과를 도 5에 나타내었다.

도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 개량재 첨가 전(a)보다 개량재 첨가 후(b)의 재료의 조직이 균일하게 미세해진 것을 알 수 있다.

< 실험예 3> 인장 실험

본 발명에 개량재의 첨가에 따른 금속 재료의 강도를 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.

실시예 2 및 비교예에 따라 개량재가 첨가 또는 비첨가되어 제조된 스테인레스 스틸(STS304)의 브리넬경도(HB), 인장강도(UTS) 및 연신율(Elongation)을 인장시험을 통하여 측정하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.

구분	브리넬경도(MPa)	인장강도(MPa)	연신율(%)
실시예2	167.1	456	16.5
비교예	153.2	422	14.2

표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 개량재가 금속 재료에 첨가됨으로써 브리넬경도는 9%, 인장강도는 8%, 연신율은 16% 향상되는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 개량재는 금속 재료에 첨가됨으로써 내부 조직을 미세화시키고 이에 의해 브리넬경도, 인장강도, 연신율 등의 금속 재료의 기계적 특성을 향상시켜 금속 재료의 사용에 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 구리(Cu)-주석(Sn)간 상태도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비금속성 개량제의 X선 회절 분석 패턴을 나타내는 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비금속성 개량재 제조방법에 있어서, 교반 시간에 따른 개량재의 형상을 나타내는 사진이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비금속성 개량제의 첨가 유무에 따른 스테인리스스틸(STS 304) 내부 미세조직을 나타내는 광학현미경(OM) 사진이다((a) 개량재 첨가 전, (b) 개량재 첨가 후).

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비금속성 개량제의 첨가 유무에 따른 스테인리스스틸(STS 304) 내부 미세조직을 나타내는 주사전자현미경(SEM) 사진이다((a) 개량재 첨가 전, (b) 개량재 첨가 후).

Claims

구리, 주석, 비금속 분말을 함유하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재.
제1항에 있어서, 상기 구리와 비금속 분말의 함유량은 중량비로 1:2~5이고, 주석은 1~4 중량%인 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재.
제1항에 있어서, 상기 개량재의 형태는 스폰지 형태 또는 분말 형태인 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재.
제1항에 있어서, 상기 비금속 분말은 세라믹 강화재로서 사용되는 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재.
제1항에 있어서, 상기 비금속 분말은 Y₂O₃, Al₂O₃, TiC 및 SiC로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재.
구리를 용융시켜 구리 용탕을 제조하는 단계(단계 1);

상기 단계 1에서 용융된 구리 용탕에 비금속성 분말과 구리 분말의 혼합 분말을 첨가하여 교반하는 단계(단계 2); 및

상기 단계 2에서 제조된 혼합물에 주석을 첨가하여 교반하는 단계(단계 3)를 포함하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 단계 1은 1200~1400 ℃에서 구리를 용융시키는 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재의 제조방법.
제6항에 있어서, 비금속성 분말과 구리 분말의 혼합 분말의 혼합 비율은 중량비로 1:1~2인 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 용융된 구리 용탕에 첨가되는 비금속성 분말과 구리 분말의 혼합 분말의 양은 중량비로 혼합 분말:구리=1:2~5인 것을 특징으로 하는 금 속-세라믹 복합 비금속성 개량재의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 비금속 분말은 Y₂O₃, Al₂O₃, TiC 및 SiC로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 단계 3의 주석은 구리와 비금속성 분말의 친화성을 향상시키기 위하여 첨가되는 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 주석의 첨가량은 1~4 중량%인 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 단계 3의 교반은 주석과 구리의 반응고영역의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재의 제조는 불활성 가스 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 불활성 가스는 Ar인 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재의 제조방법.
제1항의 금속-세라믹 복합 비금속성 개량재를 이용하여 기계적 특성이 향상된 금속 재료.
제16항에 있어서, 상기 금속 재료는 탄소강, 스테인레스스틸, 캐스트 아이언(Cast Iron) 또는 알루미늄-브론즈(Al-Bronze)인 것을 특징으로 하는 기계적 특성이 향상된 금속 재료.