KR20120027350A

KR20120027350A - 금속 기지 복합재를 제조하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20120027350A
Application number: KR20117029941A
Authority: KR
Inventors: 이자벨 부뤠쉬; 베르너 크뢰머
Original assignee: 빌란트-베르케악티엔게젤샤프트
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2012-03-21
Also published as: US20120077017A1; CN102458719A; WO2010139423A1; EP2437904A1; EP2261397A1; JP2012528934A; RU2536847C2; RU2011154031A; DE102009026655B3

Abstract

본 발명은 적어도 하나 이상의 금속 성분을 갖는 금속 기지(201, 211)와 금속 기지(201, 211) 내 배치되어 있는 적어도 하나 이상의 보강 성분(202)으로 구성된 금속 기지 복합재(200, 210)를 제조하기 위한 방법으로서, 상기 성분 중 적어도 하나 이상은 열분무 공정에 의해 기판(5) 위에 분무되고 나노튜브(202), 나노섬유, 그래핀, 플러렌, 박편 또는 다이아몬드 형태의 탄소를 포함하는 적어도 하나 이상의 보강 성분이 사용되는 방법을 제시한다. 또한 상기 방법에 따라 제조되는 재료로서 특히 코팅 형태의 재료 및 이러한 재료의 용도가 제시되어 있다.

Description

금속 기지 복합재를 제조하기 위한 방법{PROCESS FOR PRODUCING A METAL MATRIX COMPOSITE MATERIAL}

본 발명은 적어도 하나 이상의 금속 성분을 포함하는 금속 기지와 상기 금속 기지 내 배치되어 있는 적어도 하나 이상의 보강 성분을 갖는 금속 기지-복합재의 제조 방법, 상기 방법에 따라 제조되는 재료로서 특히 코팅 형태의 재료, 및 이러한 재료의 용도에 관한 것이다.

증가하는 미세화 경향, 재료비 상승과 동반한 비용 압력 및 전기 전자 분야와 전문기술급 베어링 제조에서 점점 까다로워지는 요구사항에 따라 새로운 재료와 코팅이 요구되고 있다.

금속 기지-복합재 및 금속 기지-복합체(금속 기지 복합체(MMC))는 이를 구성하는 개별 세라믹 또는 금속 재료에 비해 탁월한 조합 특성을 갖는다. 이러한 이유로 항공과 우주비행 및 군사기술용으로 개발된 MMC는 일련의 용도에서 매우 중요하게 사용되고 있다.

통상적으로 MMC이라는 명칭은 전적으로 보강 알루미늄에 적용되고, 특별한 경우에 보강 마그네슘 재료 및 구리 재료에도 적용된다. MMC의 금속 성분은 금속 원소 또는 합금 형태로 존재한다. 보강 상 또는 보강 성분으로서 세라믹 재료(SiC, Al₂O₃, B₄C, SiO₂) 또는 섬유 또는 흑연 형태의 탄소로 구성된 입자(보강 입자)(직경 0.01-150 ㎛), 단섬유(직경 1-6 ㎛, 길이 50-200 ㎛), 연속 섬유(직경 5-150 ㎛) 또는 개기공률을 가진 발포체가 일반적으로 사용된다(이에 대해 또한 이하에서 O. 베포르트 박사의 "금속 기지-복합재: 특성, 용도 및 가공", 6. 국제 IWF-학회, 18./19. 2002년 4월, 에게르킹겐, 스위스를 참조할 것).

MMC-벌크 재료를 제조하기 위한 종래기술로는 실질적으로 3개의 공정, 즉 금속 용탕 중에서 세라믹 입자를 교반하는 방법, 용융 함침법 및 분말 야금법이 알려져 있다. MMC-코팅을 제조하기 위한 종래기술로는 전기도금 증착법이 알려져 있다.

상기 교반법에서는 통상적으로 금속 용탕과 입자 사이의 습윤성 부족을 극복하여야 하고 이 두 가지 상 사이에서의 반응이 제한된다. 입자의 체적 함량은 점도로 인해 최대 30%까지 제한된다.

상기 함침법에서는 보강 성분을 다공성 예비 성형품("모재")으로 가공한 후 경우에 따라 압력을 가하여 금속 용탕에 함침시킨다. 이 경우 입자 외에 보강재로서 섬유와 보강 체적 함량이 매우 높은(약 80%까지) 발포체를 사용할 수 있다. 가장 높은 하중 영역에서 국소적인 보강이 가능하다. 그러나 이 방법에는 많은 비용이 소요된다.

MMC의 분말 야금법(PM)은 통상적으로 이용되고 있는 PM-법과 금속 분말 대신 세라믹 또는 보강 성분 및 금속 입자의 분말 혼합물을 사용한다는 점에서만 서로 구별된다. PM법에서는 기본적으로 미세 입자(입도 0.5-20 ㎛)만 사용된다. 게다가 보강 입자의 최대 체적 함량이 약 40%로 한정되도록 얻어진 MMC의 압출, 단조 또는 압연에 의한 후속의 성형성이 보장되어야 한다.

분산층의 전기도금 증착시 전해질 내 미세 분포된 입자는 현탁 상태로 유지되고 동시에 균일한 층을 얻기 위해 기지와 함께 증착되는 문제가 발생한다. 많은 경우, 입자와 기지의 서로 다른 전위로 인해 이들을 동시에 증착하는 것은 불가능하다.

탄소-나노튜브(탄소나노튜브, CNT)는 탁월한 특성이 있다. 이러한 특성으로 예를 들면 약 40 GPa의 기계적 인장 강도와 1 TPa(강철의 20-배 또는 5-배)의 강도를 포함한다. 도체 특성을 가진 CNT와 반도체 특성을 가진 CNT가 모두 존재한다. CNT는 플러렌 계열에 속하고 1 nm 내지 수백 nm의 직경을 갖는다. CNT의 벽은 풀러렌 또는 흑연의 면과 같이 탄소만으로 구성되어 있다. 특히 CNT와 다른 성분의 혼합물을 이용한 복합재와 코팅의 특성은 크게 향상될 것으로 기대된다.

기계적 특성과 전기적 특성을 향상시키기 위해 CNT를 종래의 합성수지와 혼합하는 것이 알려져 있다. 예를 들면 DE 10 2007 001 412 Al에서 처리한 바와 같이 금속을 기재로 하는 CNT-복합재는 금속 기지로서 예를 들면 Fe, Al, Ni, Cu 또는 이들의 합금과, 상기 기지 내 보강 성분으로서 탄소나노튜브를 포함한다. 금속과 CNT 사이의 밀도 차이가 크고 이로 인해 분리되는 경향이 강하고 금속과 CNT의 습윤성 결여로 인해 상기 금속-CNT-복합재 제조를 위해 용융 야금법을 적용하는데에는 문제가 있다. 이에 따라 DE 10 2007 001 412 Al에서는 증착시킬 금속 기지의 금속 양이온과 탄소나노튜브를 함유하는 전기도금액을 이용하여 기판 위에 전기도금으로 도포된 복합 코팅을 증착하는 것을 제안하고 있다. 따라서 상기 복합 코팅은 금속 기지를 포함하고 상기 기지 내 배치되는 탄소나노튜브를 포함하여 코팅의 기계적 특성과 마찰공학적 특성을 향상시킨다. 그러나 많은 영역에서 전기도금 도포를 수행하기 불가능하거나 곤란하다.

본 발명의 과제는 특히 보강 성분으로서 CNT를 갖는 금속 기지-복합재의 제조방법으로서, 기술적으로 단순한 방식으로 사용 성분들을 가능한 한 동시에 분포시킬 수 있고 특히 상기 보강 성분은 물리-화학적 특성이 최대한 변하지 않으면서 금속 기지-복합재 내 최대한 높은 백분율로 함유될 수 있도록 하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기 과제는 부품 자체로서 또는 부품의 코팅으로서 또는 부품의 제조를 위한 재료로서도 사용될 수 있고 청구범위 독립항의 특징부를 갖는 금속 기지-복합재의 제조방법 및 이러한 금속 기지-복합재를 통해 해결된다. 바람직한 실시형태들은 청구범위 각각의 종속항에 제공되어 있다.

본 발명은 적어도 하나 이상의 금속 성분을 포함하는 금속 기지와 상기 금속 기지 내 배치되어 있는 적어도 하나 이상의 보강 성분으로 구성되는 전기 소자, 전기 부품 또는 방열체용 금속 기지-복합재의 제조를 위해 상기 성분 중 적어도 하나 이상은 열분무 공정에 의해 기판 위에 분무되고 나노튜브, 나노섬유, 그래핀, 플러렌, 박편 또는 다이아몬드 형태의 탄소를 포함하는 적어도 하나 이상의 보강 성분이 사용되는 기술적 개시내용을 포함하고 있다.

본 발명에서는 길이가 0.2 내지 1000 ㎛, 바람직하게는 0.5 내지 500 ㎛이고 다발 크기가 5 내지 1200 nm, 바람직하게는 40 내지 900 nm인 단일벽 및 다중벽 CNT(단일벽/다중벽 CNT, SW-/MW-CNT로 약기)와 같은 복합-입자가 특히 유리한 것으로 증명되었다. SW-CNT- 또는 MW-CNT-냉가스 분무 입자는 특성 향상을 위해 화학적 방법에 의해 미리 Cu 또는 Ni과 같은 금속으로 둘러싸거나 코팅될 수 있다. 다른 유리한 변형예는 금속 분말을 CNT-분산액/현탁액과 혼합 및 건조시켜 금속 분말 입자를 CNT로 둘러싸는 것을 포함한다. 운반 가스 또는 분말 흐름 내 SW-CNT 또는 MW-CNT의 함량은 예를 들면 0.1 내지 30%, 바람직하게는 0.2 내지 10%이다.

공지의 분무법에 의해 단일벽 및 다중벽 CNT를 금속 기지 내 매립할 수 있다. 이렇게 제조되어 적어도 0.3%의 SW- 또는 MW-CNT를 갖는 MMC-코팅 또는 이에 따른 MMC-밴드는 출원인의 실험을 통해 이와 견줄만한 금속층의 지금까지 알려진 값보다 훨씬 낮은 마찰계수와 접촉저항 값을 갖는 우수한 마모 거동을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 보강 성분으로서 특별한 장점을 가진 탄소나노튜브, 풀러렌, 그래핀, 박편, 나노섬유, 다이아몬드 또는 다이아몬드와 유사한 구조 형태의 탄소가 사용될 수 있다. 본 발명에서는 길이가 0.2 내지 1000 ㎛, 바람직하게는 0.5 내지 500 ㎛이고 다발 크기가 5 내지 1200 nm, 바람직하게는 40 내지 900 nm인 단일벽 및 다중벽 CNT(단일벽/다중벽 CNT, SW-/MW-CNT로 약기)와 같은 복합-입자가 특히 유리한 것으로서 증명되었다. SW-CNT- 또는 MW-CNT-냉가스 분무 입자는 특성 향상을 위해 화학적 방법에 의해 미리 Cu 또는 Ni과 같은 금속으로 둘러싸거나 코팅될 수 있다. 다른 유리한 변형예는 금속 분말을 CNT-분산액/현탁액과 혼합 및 건조시켜 금속 분말 입자를 CNT로 둘러싸는 것을 포함한다. 운반 가스 또는 분말 흐름 내 SW-CNT 또는 MW-CNT의 함량은 예를 들면 0.1 내지 30%, 바람직하게는 0.2 내지 10%이다.

공지의 분무법에 의해 단일벽 및 다중벽 CNT를 금속 기지 내 매립할 수 있다. 이렇게 제조되어 적어도 0.3%의 SW- 또는 MW-CNT를 갖는 MMC-코팅 또는 이에 따른 MMC-밴드는 출원인의 실험을 통해 이와 견줄만한 금속층의 지금까지 알려진 값보다 훨씬 낮은 마찰계수와 접촉저항 값을 갖는 우수한 마모 거동을 나타내는 것으로 밝혀졌다.

소정의 분무법을 통해 예를 들면 CNT 또는 다른 세라믹 보강 성분과 같은 탄소 성분과 미리 혼합한 금속 분말을 사용할 수 있다. 운반 가스 내 금속 입자의 함량 범위는 예를 들면 0.1 내지 50%일 수 있다.

코팅 제조를 위한 종래기술로서 화염-, 플라즈마- 및 냉가스 분무법과 같은 분무법이 공지되어 있다. 화염 분무법은 분말-, 띠-, 막대- 또는 와이어 형태의 코팅 재료를 연소가스 화염으로 가열하고, 기재 재료 위에 추가로 운반 가스, 예를 들면 압축공기를 고속 이송시켜 분무할 수 있다. 플라즈마 분무법에서 분말을 플라즈마 제트에 주입하여 높은 플라즈마 온도에 의해 용융시킨다. 상기 플라즈마 흐름은 분말 입자를 동반하고 코팅할 부품에 충돌시킨다.

예를 들면 EP 0 484 533 Bl에 기재된 바와 같은 냉가스 분무법에서는 분무 입자를 비교적 저온의 운반 가스에서 고속으로 가속화시킨다. 상기 운반 가스의 온도는 단지 몇백 ℃로 분무된 성분 중 가장 낮은 용융 성분의 융점 이하이다. 코팅은 금속 밴드 또는 소자 위에 높은 운동에너지로 입자를 부딪치게 하여 형성되는데, 이때 저온의 운반 가스 내 용융되어 있지 않은 입자는 충격시 두꺼운 접착성 층을 형성한다. 이때 소성 변형과 그로부터 초래되는 국소 발열은 부품 위의 분무층에 매우 양호한 응집력과 부착력을 제공한다. 상대적으로 낮은 온도와 가능성 때문에 운반 가스로서 아르곤 또는 기타 불활성 가스를 이용하여 냉가스 분무시 코팅 재료의 산화 및/또는 상전이를 방지할 수 있다. 상기 분무 입자는 일반적으로 입자 크기가 1 내지 100 ㎛인 분말로서 제공된다. 라발(Laval)-노즐에서 운반 가스의 압력이 해제될 때 높은 운동에너지에 의해 분무 입자가 얻어진다.

본 발명에서는 성분 중 적어도 하나 이상을 냉가스 분무법, 화염 분무법, 특히 고속 화염 분무법(HVOF) 및/또는 플라즈마 분무법에 의해 분무하는 것이 바람직하다. 특히 냉가스 분무법에서는 상온 이하인 운반 가스를 이용함으로써 분무된 성분, 특히 보강 성분의 열 부하를 확실하게 회피할 수 있다는 것도 고려하고 있다. 상기 온도는 예를 들면 가장 낮은 용융 성분의 융점의 10% 이하일 수 있다. 상기 운반 가스는 또한 불활성이거나 나아가 분말 입자가 산화되는 것을 방지하고 전기전도성과 같은 후속 층 또는 재료 특성에 특히 나쁜 영향을 주지 않게 하기 위해 환원분위기를 조성하여야 한다. 특히 2가지 분무법을 조합하여 사용할 수도 있다. 경우에 따라 코팅 위치에 대해 적절한 성분의 혼합물과 함께 2개의 분무 노즐을 이용할 수 있다.

이렇게 제조되는 코팅과 재료의 특성은 공지의 처리법에 의해 크게 향상시킬 수 있다. 이에 따라 제조되는 제품은 내마모성이 증가되고 활주 거동이 향상되며 내마찰부식성이 높아 마찰계수가 개별 순수 금속의 마찰계수의 대략 10 분의 1까지 감소될 수 있다. 또한 재료의 전도성과 경도도 증가한다.

본 발명은 상술한 분무법에 의해 전도체, 리드프레임과 압착 스크린의 제조시 압연, 압착 또는 열처리와 같은 예비 제조 단계를 필요로 하지 않기 때문에 특히 유연하고 비용면에서 유리한 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 방법에서는 호일 또는 분말 분사에 의해 비습윤성인 기재를 기판으로서 사용할 수 있고 이 기판으로부터 그 위에 분무되는 금속 기지-복합재를 분리할 수 있다. 이를 통해 소자 또는 예를 들면 밴드 형태의 순수한 재료를 얻을 수 있으며, 이후 이 재료를 적절한 방법으로 추가 가공할 수 있다.

그러나 금속 기지-복합재에 의해 개선된 특성을 갖는 전자 기계 부품, 방열체, 베어링 및 부시와 같은 원하는 밴드형 재료와 소자는 접착 코팅될 수 있다. 본 발명의 의미상 코팅을 위해 바람직하게는 금속 밴드 또는 전자 기계 소자를 바람직하게는 세라믹, 티탄, 구리, 알루미늄 및/또는 철 및 이들의 합금으로 구성되는 부품으로서 사용한다. 반제품 또는 성형 회로 부품(MID)과 같은 3D-구조도 코팅을 위해 사용될 수 있다.

특히 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 방법은 적어도 하나 이상 표면 가공 단계를 포함한다. 이 경우, 예를 들면 금속성 재료로 구성된 금속 밴드 또는 부품 위에 활성화, 커플링 및/또는 분산 차단층을 도포한 후 그 위에 MMC를 분무할 수 있다. 접착 코팅이 아닌, 상술한 바와 같이 순수한 금속 기지-복합재를 얻고자 하는 경우, 커플링층 대신에 반-접착 코팅을 도포할 수 있다.

이후, MMC-밴드 또는 코팅의 표면을 평탄화하기 위해 편평화와 같은 추가 처리 또는 리플로우 처리/열처리를 실시할 수 있다. 이후, 변형을 위해 예를 들면 기지 금속의 융점의 약 0.4-배에서 약한 열처리 단계를 수행할 수도 있다. 재료의 표면 압축 및/또는 표면 기공률 감소를 위해 재료를 예를 들면 0.1 내지 10%의 변형도로 다시 압연할 수 있다.

적절한 방법으로 적어도 하나 이상의 금속 성분 및/또는 적어도 하나 이상의 보강 성분을 입자 형태로 제공하는 것이 유리하다. 입자의 구조, 배향, 크기와 형태 및 그의 양을 적절히 선택하면 기지 재료의 재료 특성에 긍정적인 영향을 줄 수 있다. 경우에 따라 적절한 상용성 조건을 통해 휘스커-결정의 형성을 촉진하거나 방지할 수 있다.

특히 유리한 방법으로 제1성분을 분무 전에 적어도 하나 이상의 추가 성분과 혼합할 수 있다. 예를 들면 냉가스 분무 입자를 조심스럽게 혼합하여 보강 입자를 함유하는 분산액 또는 현탁액으로 입자를 둘러싼 후 건조할 수 있다. 적어도 2개 이상의 서로 다른 성분을 보호 가스하 볼밀 또는 어트리터에서 입자의 경도에 따라 혼합하는 경우 입자 형태가 파괴되어 분말의 흐름 거동에 악영향을 준다.

유리한 실시형태의 범위 내에서 이러한 방법으로 적어도 하나 이상의 유기 성분 및/또는 적어도 하나 이상의 세라믹 보강 성분을 사용할 수 있다. 이 성분은 분무 혼합물로 제공되어 분무 또는 공-분무될 수 있다.

유리한 방법은 텅스텐, 탄화텅스텐, 탄화텅스텐-코발트, 붕소, 탄화붕소, 인바(Invar), 코바(Kovar), 니오븀, 몰리브덴, 크롬, 니켈, 질화티탄, 산화알루미늄, 산화구리, 산화은, 질화규소, 탄화규소, 산화규소, 텅스텐산 지르콘 및 산화지르콘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 보강 성분을 사용하는 것을 포함한다.

이때 보강 성분을 적어도 하나 이상의 다른 보강 성분과 함께 사용하고/또는 적절히 분무하거나 혼합할 수도 있다. 다른 보강 성분의 특성 외에 공지의 세라믹 성분을 사용하여 그의 유리한 특성을 추가로 이용할 수 있다. 붕소, 코발트, 텅스텐, 니오븀, 몰리브덴 및 이들의 합금 및 인바 또는 코바를 사용하는 경우 복합재의 열팽창계수에 좋은 영향을 줄 수 있다.

유리한 방법에 있어서, 금속 기지-복합재 또는 코팅은 주석, 구리, 은, 금, 니켈, 아연, 백금, 팔라듐, 철, 티탄 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 금속 및/또는 금속의 합금을 포함하는 금속 기지와 함께 사용할 수 있다. 이를 통해 예를 들면 특히 유리한 내마모성, 내부식성 및/또는 소정의 전기전도성 또는 열전도성과 조절된 팽창계수를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 의해 제조되어 적어도 하나 이상의 금속 성분을 포함하는 금속 기지와 상기 금속 기지 내 배치되어 있는 적어도 하나 이상 보강 성분으로 구성된 금속 기지-복합재도 경우에 따라 본 발명의 요지이다.

이 경우, 0.1 내지 20%, 바람직하게는 0.1 내지 5%, 바람직하게는 0.2 내지 5% 함량의 탄소-나노튜브를 포함하는 금속 기지-복합재가 특히 유리한 것으로 생각된다. 상기 함량은 위에서 언급한 바와 같이 실제로도 특히 유리한 것으로 입증되었다.

유리한 특성을 가진 금속 기지-복합재는 예를 들면 보강 성분에 대한 잔류 기공률 0.2 내지 20% 및/또는 금속 성분에 대한 잔류 기공률 0.2 내지 10%를 갖는다. 이후, 이러한 기공률을 가진 MMC는 예를 들면 베어링 또는 활주면에서 양호한 작동성 또는 예를 들면 전도체와 같이 높은 전기전도성이 요구될 때 장점으로 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 금속 기지-복합재는 특히 부품 코팅용으로 적합하다. 상기 코팅은 예를 들면 베어링과 평활 부재, 방열체, 커넥터, 압착 스크린 및 전도체, 특히 발열 부재로서 사용되는 전도체 위에 도포될 수 있다. 이러한 MMC-코팅은 0.1 내지 20%, 바람직하게는 0.2 내지 5%의 SW-CNT 또는 MW-CNT를 함유하는 Sn, Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Pt, Pd, Fe, Ti, W 및/또는 Al 및 땜납과 같은 이들의 합금으로 구성될 수 있다.

특히 예를 들면 계전기, 스위칭 접촉기용 전도체, 스프링과 같은 전자 기계 부품에 사용하기 위한 코팅된 밴드는 압착 스크린과 발열 부재에서 전도체 또는 방열체 및 방열 부재일 수 있다. 상기 금속 밴드는 바람직하게는 0.01 내지 5 mm, 특히 바람직하게는 0.06 내지 3.5 mm의 두께를 갖는다. 금속 기지-복합재로 구성된 밴드를 제조하기 위해 상술한 바와 같이 상기 성분들을 PEEK, 폴리이미드 또는 테플론과 같은 비습윤성 기재에 분무할 수 있다. 이에 따라 제조되는 압착 스크린, 전도체, 발열 부재 및 밴드는 Cu, Al, Ni, Fe 및 이들의 합금을 포함할 수 있다.

위에서 제조된 바와 같은 금속 기지-복합재를 적어도 하나 이상 포함하는 전도체는 예를 들면 백금, 특히 주형 위의 LSDS 또는 다른 열가소성 수지로 구성된 특히 MID(성형 회로 부품) 구조에 국소적으로 분무되거나 평면 코팅 형태로 제공된 후, 예를 들면 적절한 사진인쇄술을 통해 추가 가공될 수 있다.

MMC-밴드 또는 전도체를 SW-CNT 또는 MW-CNT의 함량이 0.1 내지 20%, 바람직하게는 0.1 내지 5%인 Cu, Ag, Al, Ni 및/또는 Sn과 이들의 합금으로 구성하는 것이 유리할 수 있다.

다른 특징과 장점들을 본 발명에 따른 제조방법의 관련 실시형태를 참조하여 명확하게 설명한다.

본 발명에 따른 방법에 따라 제조되는 금속 기지-복합재는 특별한 방법으로 부품, 특히 전자 기계 부품의 제조용으로 적합하게 사용된다. 이러한 용도로 금속 기지-복합재 만으로 제조되는 부품을 포함하거나 이러한 재료로 코팅할 수 있다.

이하, 본 발명과 그의 장점 및 본 발명의 다른 실시형태들을 도면에 도시되어 있는 실시예를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 특히 바람직한 실시형태에 따른 방법을 실시하기에 적합한 냉가스 분무 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 특히 바람직한 실시형태에 따른 방법에 의해 제조된 금속 기지-복합재 표면 구조의 현미경 단면 사진과 주사전자현미경 사진이다.

본 발명의 특히 바람직한 실시형태에 따른 방법을 실시하기에 적합한 냉가스 분무 장치가 도 1에 도시되어 있다. 상기 장치는 냉가스 분무 피스톨(3)의 노즐 전방에 예를 들면 코팅할 기판(5)이 위치할 수 있는 진공실(4)을 포함하고 있다. 그러나 이러한 분무방법은 대기압에서도 실시할 수 있는 것으로, 이 경우 진공실이 필요하지 않음은 물론이다. 예를 들면 간단명료하게 하기 위해 도 1에는 도시되어 있지 않은 고정장치를 이용하여 냉가스 피스톨(3) 전방에 부품(5)을 위치시킨다. 바람직하게는 기판(5)을 이동가능하게, 즉 위치이동과 회전 가능하도록 배치하여 여러 위치, 특히 밴드형 또는 평면으로 코팅을 수행할 수 있다. 이와 달리 또는 추가로 냉가스 분무 피스톨(3) 역시 이동가능하게 배치할 수 있다.

기판(5)을 코팅하기 위해 진공실(4)을 진공화하고 냉가스 분무 피스톨(3)을 이용하여 부품(5)의 코팅을 위한 입자를 공급하는 가스선을 발생시킨다.

이 경우, 주 가스 흐름, 예를 들면 약 40 부피%의 헬륨을 포함하는 헬륨-질소-혼합물은 가스 유입관(1)을 통해 진공실(4)로 유입된다. 분무입자, 예를 들면 혼합된 CNT를 포함하는 금속분말은 부 가스 흐름으로 유입관(2)을 통해 압력이 약 40 mbar로 조절되어 있는 진공실(4)에 유입되어 냉가스 분무 피스톨(3)에 도달하게 된다. 이를 위해 유입관(1, 2)은 진공실(4) 안으로 안내되어 냉가스 분무 피스톨(3)이나 기판(5)까지 이르게 된다. 다수 개의 부 가스 흐름을 통해 분무할 성분을 여러 번 유입시켜 공급할 수도 있다. 이에 따라 진공실(4)에서는 전체 냉가스 분무 공정이 수행된다. 냉가스 분사에 의해 입자는 강하게 가속되어 입자의 운동에너지가 열에너지로 전환됨으로써 코팅할 부품(5)의 표면에 부착될 수 있다. 상기 입자는 위에서 나타낸 최대 온도까지 추가로 가열될 수 있다.

냉가스 분무시 분무 피스톨(3)로부터 분무 입자와 함께 만나 분무 입자를 부품(5)으로 운반하는 운반 가스는 분무 공정 후 진공실(4)에 도달하게 된다. 사용된 운반 가스는 진공펌프(8)에 의해 가스 이송관(6)을 통해 진공실(4)로부터 제거된다. 진공실(4)과 진공펌프(8) 사이에는 예를 들면 입자 필터(7)가 작동되어 사용된 운반 가스로부터 유리된 분무 입자를 제거하여 분무 입자가 펌프(8)를 손상시키는 것을 방지한다.

도 2의 부분 도면인 2A 내지 2C에는 보강 성분이 첨가된 각각의 금속분말을 분무하여 얻어진 실험 결과가 도시되어 있다. 상기 도면에는 얻어진 층의 표면에 대한 단면 사진과 주사전자현미경 사진을 나타낸다. 실험에서는 상업적으로 구입한 Cu-, SnAg₃- 및 Sn-분말을 제조사 Ahwahnee의 적절한 MW-CNT(P/N ATI-BMWCNT-002)와 함께 사용하였다.

도 2A는 1.5% MW-CNT를 포함하는 순수 구리를 분무하여 형성되고 구리 기지(201)와 여기에 불연속적으로 분포된 CNT(202)를 갖는 층(200)의 구조의 단면을 1000배 확대한 도면이다. 코팅(200) 내 Cu-입자 위에는 혼합 공정 중 Cu-분말의 불가피한 산화에 의해 MWCNT와 함께 형성된 소위 산화 피막(203)을 볼 수 있다. 상기 층은 600℃의 노즐 출구 온도와 38 바아의 압력에서 N₂-가스의 분무에 의해 형성된다. 상기 층의 밀도는 99.5%이고, 두께는 280 ㎛이며, 경도는 1200 N/mm²이다. 상기 층은 양호한 마찰 거동으로 인해 베어링과 부시가 통과하는 표면으로서 적합하다. 기재 재료로부터 280 ㎛ 두께의 층을 분리하면 압착 스크린 또는 전자 기계 부품에서 전도체로서 사용할 수 있는 밴드가 얻어진다.

도 2B는 2.1% MW-CNT를 포함하는 순수-Sn을 분무하여 형성되고 주석 기지와 여기에 불연속적으로 분포된 CNT를 갖는 층(210)의 표면을 300배 확대한 도면이다. 도 2C는 도 2B를 10,000배 확대한 상세도이다. 층(210)은 구형의 Sn-입자(213)와 그 사이에 분포된 CNT(202)를 포함하고 있다. 상기 층의 밀도는 99.4%이다. 상기 층은 368 N/mm²의 경도를 갖고 마모시 마찰계수 0.5를 갖는다. 상기 층을 32 바아의 압력과 노즐 출구 온도 350℃에서 N₂-가스의 분무에 의해 형성시 두께 5 ㎛가 얻어진다. 노즐 출구 온도, 공정 속도와 압력을 변화시키면 층 두께, 층 경도를 변경시킬 수 있고, 분말의 CNT-함량과 조합하여 변화시키면 마찰계수를 실질적으로 변경(감소)시킬 수 있다. 이렇게 제조된 층은 편평화 또는 재용융(리플로우 처리)과 같은 후처리를 통해 그 표면 구조를 특정 용도에 맞게 더욱 최적화시킬 수 있다. Cu-합금 밴드 위에 상기 층을 부분 또는 전면 도포하면 플러그 커넥터와 같은 전자 기계 부품에서 고착력 및 인력을 감소시키기 위해 사용하거나 적절한 편평화 및 리플로우 단계 후 평베어링과 부시에서 마모 거동을 향상시키기 위해 사용할 수 있다.

Claims

적어도 하나 이상의 금속 성분을 포함하는 금속 기지(201, 211)와 금속 기지(201, 211) 내 배치되어 있는 적어도 하나 이상의 보강 성분(202)을 갖는 전기 소자, 전기 부품 또는 방열체용 금속 기지-복합재(200, 210)를 제조하기 위한 방법으로서,
상기 성분 중 적어도 하나 이상은 열분무 공정에 의해 기판(5) 위에 분무되고 나노튜브(202), 나노섬유, 그래핀, 플러렌, 박편 또는 다이아몬드 형태의 탄소를 포함하는 적어도 하나 이상의 보강 성분이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 분무방법으로서 냉가스 분무, 화염 분무 및/또는 플라스마 분무를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 기판(5)으로서 호일, 비습윤성 표면을 가진 기판, 또는 코팅할 부품, 반제품 및/또는 3D-구조가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 기판(5) 및/또는 금속 기지-복합재(200, 210) 중 적어도 하나 이상의 표면이 가공되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나 이상의 금속 성분 및/또는 적어도 하나 이상의 보강 성분(202)이 입자 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 분무 전에 제1성분이 적어도 하나 이상의 추가 성분과 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나 이상의 유기 성분 및/또는 적어도 하나 이상의 세라믹 보강 성분(202)이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 텅스텐, 탄화텅스텐, 탄화텅스텐-코발트, 코발트, 산화구리, 산화은, 질화티탄, 크롬, 니켈, 붕소, 탄화붕소, 인바, 코바, 니오븀, 몰리브덴, 산화알루미늄, 질화규소, 탄화규소, 산화규소, 텅스텐산 지르콘 및 산화지르콘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 보강 성분을 추가로 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 주석, 구리, 은, 금, 니켈, 아연, 백금, 팔라듐, 철, 티탄 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 금속 및/또는 이들 금속의 합금을 포함하는 금속 기지 성분이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
적어도 하나 이상의 금속 성분을 포함하는 금속 기지(201, 211)와 금속 기지(201, 211) 내 배치되어 있는 적어도 하나 이상의 보강 성분(202)을 갖는 금속 기지-복합재(200, 210)로서, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조되는 금속 기지-복합재(200, 210).
특히 제10항에 있어서, 상기 보강 성분으로서 탄소-나노튜브(202)를 0.1 내지 20%, 바람직하게는 0.1 내지 5%, 바람직하게는 0.2 내지 5%의 함량으로 포함하는 금속 기지-복합재(200, 210).
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 보강 성분에 대한 잔류 기공률 0.2 내지 20% 및/또는 상기 금속 성분에 대한 잔류 기공률 0.2 내지 10%을 갖는 금속 기지-복합재(200, 210).
부품을 제조하기 위한 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 금속 기지-복합재의 용도로서, 상기 부품은 금속 기지-복합재에 의해 코팅되고/또는 금속 기지-복합재로부터 형성되는 용도.