KR20140113913A

KR20140113913A - 분말 야금에 의한 다공체 및 입자상 물질의 야금 조성물의 제조방법

Info

Publication number: KR20140113913A
Application number: KR1020147016923A
Authority: KR
Inventors: 로베르토 바인더; 알로이시오 넬모 클라인; 아르칸조 렌치; 크리스티아노 바인더; 아이린 크리스티나 마그나보스코 모셀린; 로드리고 페레이라 베커; 파울로 엔리케 마레제
Original assignee: 유니베르시다데 페더랄 데 산타 카타리나
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-09-25
Also published as: ES2688296T3; BRPI1105355A2; CN104144760A; WO2013091055A1; US9969003B2; EP2794154A1; CN104144760B; JP2015505909A; SG11201403171VA; US20150023828A1; BRPI1105355B1; EP2794154B1

Abstract

본 발명의 방법은 세라믹 물질입자(10)가 서로 소결하는 접촉을 형성하고, 반면에, 스페이스 홀더입자(20)를 제거함으로써 개방형인 제2 형태의 구멍(II)을 형성하기 위하여 스페이스 홀더입자(20)를 소결 미디엄에서 산소와 반응하여 제거되도록, 흑연 및/또는 무정형의 탄소에 의해 특징지어지는 스페이스 홀더입자(20)의 로드(load)와 세라믹 산화물 물질입자(10)의 로드를 혼합하는 단계, 압축바디(E)를 형성하기 위하여 세라믹 물질입자(10) 및 스페이스 홀더입자(20)에 의해 형성된 혼합물을 압축하는 단계, 및 상기 압축바디(E)를 소결하는 단계를 포함한다. 본 발명의 야금 조성물은 스페이스 홀더입자(20)와 세라믹 물질입자(10)의 혼합물을 포함한다.

Description

분말 야금에 의한 다공체 및 입자상 물질의 야금 조성물의 제조방법 {PROCESS FOR MANUFACTURING A POROUS BODY BY POWDER METALLURGY AND METALLURGIC COMPOSITION OF PARTICULATE MATERIALS}

본 발명은 비교적 저렴한 비용으로 다양한 장치(예를 들어, 밀폐형 냉각 압축기)에 흡음성을 부가할 수 있도록 설계된 방음성 엘리먼트(element)를 제조하는데 사용되는 금속성 다공체 또는 구체적으로는 세라믹 다공체를 제조할 수 있도록 개발된 방법에 관한 것이다. 방음성 엘리먼트의 다공성 구조에서 음파를 흡수하고, 음파 에너지를 열로 전환함으로써 압축기뿐만 아니라 이외의 기타 기계 시스템에서 소음 수치를 줄일 수 있는 방음성 엘리먼트를 제조하는데 사용될 수 있는 다공체를 개발하였다. 이러한 방음성 엘리먼트용 다공체는 Ni, Cu, Sn, Zn, Mo 및 W, 및 이들의 혼합물의 산화물과 같은, 수소 또는 산소에 의해 용이하게 환원될 수 있는 형태의 세라믹 물질 분말을 가진 흑연 분말(탄소)의 혼합물로 특징지어지는 미립자 물질의 야금 조성물을 사용하여 예를 들어, "분말 야금 기술"로 제조된다. 필요할 경우, 상기 산화물은 소결(燒結) 공정 동안 금속으로 환원된다.

최근 들어서, 자동차, 항공기, 일반적인 장치 및 기계와 같은 가정에서 사용되는 전기제품의 소음을 줄이는 것에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 관심으로 인해, 소비자에게 편안함을 제공하기 위한 노력을 하게 되었으며, 나아가, 규제기관은 허용 가능한 소음 수치의 상한값을 좀 더 엄격하게 제한하기 위하여 기준 및 규칙을 확립하게 되었다.

다공성 물질 및 점탄성 물질은 음파를 흡수하면서 소음수치를 줄일 수 있다.

금속성(또는 구체적으로 세라믹) 물질에서 제조되는 흡음을 위한 다공성 엘리먼트의 적용은 높은 로드(load) 및 높은 작업 온도에서 더 효율적인 경향이 있는데, 이는 이러한 물질이 고분자에서 형성되는 일반적으로 사용되는 엘리먼트에 비해 기계적 강도 및 열 강도가 더 높기 때문이다. 나아가, 금속성 물질 및/또는 세라믹 물질 내의 이러한 방음성 엘리먼트는 일반적인 기계 시스템에 적용하는 것이 더 용이하다.

공학 기술 용어 "다공성 물질"은 작은 구멍에 의해 공학적인 기능을 갖게 되는 물질을 일컬을 때 사용된다. 이러한 작은 구멍은 제1 및 제2 형태 중 하나 일 수 있다. 제1 형태인 구멍은 분말 입자를 서로 소결한 후 존재하는 구멍이다. 제1 형태인 구멍의 크기 및 부피 퍼센트는 물질을 제조하는데 사용되는 분말 입자의 크기 및 사용되는 공정의 조건(다짐 압력, 소결 시간 및 온도)에 직접적인 영향을 받는다. 제2 형태인 구멍은 물질 제조단계 동안 매트릭스 분말에 혼합되는 스페이스 홀더를 제거함으로써 물질의 체적 내에 생성된다. 다공성 물질 내의 구멍은 폐쇄형인 구멍(물질 외부와 분리되어 있음)과 소통형인 구멍(구멍 간에 서로 소통하고 외부와도 소통함)으로 분류될 수도 있다.

단지 폐쇄형인 구멍만을 포함하고 있는 물질은 구조물의 지지체로서 사용되며, 소통형인 구멍을 가진 물질은 여과, 촉매 지지체, 단열, 소음 차단, 윤활유 증착(자체 윤활 부싱(self-lubricating bushing)의 경우), 등과 같은 액체가 통과하여야 하는 경우에 주로 사용된다. 다공성 물질을 제조하는데 사용되는 특정 공정은 다공성의 형태(소통형 또는 폐쇄형), 구멍의 부피 퍼센트, 구멍의 크기 및 모양, 구멍의 균일성 및 소통 가능성과 같은 물질의 특징 및 다공성 구조를 결정짓는다.

소통형 다공성을 가진 다공성 물질은 레플리카(replica), 물질의 증착 (INCOFOAM)과 같은 공정 과정에 의해 제조되거나, 또는 동질적으로 분산된 금속성 또는 세라믹 입자의 연속적인 매트릭스로 구성된 2 상의 합성물을 스페이스 홀더와 혼합하는 방법에 의해 제조되거나, 또는 쾌속 조형 기술에 의해 제조될 수 있다. 폐쇄형인 구멍을 가진 물질은 금속성 또는 세라믹 매트를 중공(hollow sphere)("합성 기포제")과 결합하거나, 합금 분말 혼합물을 기포제와 압축하거나, 다이(Die) 내에서 느슨한 상태의 분말(압축되지 않은 상태)을 소결하거나, 또는 액체 상태의 물질과 함께 액상 금속 내에 기체를 직접적으로 주입하거나 또는 구멍 형성제를 첨가함으로써 제조될 수 있다.

다공성 물질을 제조하는데 있어서 대안이 될 수 있는 몇 가지 공정들이 수년에 걸쳐 제시되었다. 그러나, 본 발명에서 목적하는 용도, 즉, 밀폐형 압축기와 같은 장치 또는 기계에서 흡음성을 부가하기 위해서, 완성된 다공성 제품은 저렴하게 대량 생산이 가능해야 하며, 비용 효율이 높아야 하고, 우수한 생산공정에 의해 제조되어야 한다. 또한, 사용되는 소재도 저렴해야 한다. 따라서, 분말 야금은 완성품 제공 공정에서 잠재력이 큰 것으로 고려된다. 그러나, 방음성 엘리먼트인 다공체에서 요구되는 소통성이 우수한 다공성은 단지 제1 형태인 구멍과 관련되는 다짐 압력, 소결 시간 및 온도와 같은 분말 제조공정만을 조절함으로써 획득할 수 있는 것이 아니다. 제2 형태인 소통형 구멍뿐만 아니라, 결국 소통형에 해당되는 제1 형태인 구멍(서로 소통하고 있고 외부와도 소통하고 있음)을 포함하면서 우수한 다공성 비율을 갖도록 하기 위하여서는 입자상 물질 조성물에 스페이스 홀더를 첨가하여 소결하는 것이 필요하다.

효율적인 흡음성을 가진 다공체를 개발하기 위하여, 방음 엘리먼트의 다공성 구조의 형태적 특징에 의해 결정되는 흡음 정도와 관련된 다공체의 특징을 고려하여야 한다. 다공체의 특징은 음파의 전파 분석 모델, 예를 들어, 다공성 물질에서의 음파의 전파와 관련된 Zwikker/Wilson 모델을 사용한 시뮬레이션에 의해 예측될 수 있다. 밀폐형 냉각 압축기의 토출(discharge)에 적용한 대표적인 예로, 서로 연결된 구멍의 직경이 20 ㎛ 내지 60 ㎛ 사이일 때, 서로 연결된(소통형) 구멍의 부피 퍼센트가 45% 내지 60%일 경우, 상기 시뮬레이션에서 금속성 다공체 내의 흡음 계수가 가장 높다. 이러한 정보는 이론적으로 좀 더 적절한 흡음성을 갖는 다공성 구조물을 목적으로 하는 본 발명의 물질을 실험적으로 개발하기 위한 시작점과 연관된다.

전술된 것처럼, 다공성 물질을 제조하는 모든 기술 중에서 밀폐형 압축에 적용되는 기술의 대표적인 구체예로서, 비용 효율과 대량생산의 가능성이 높은 기술은 분말 야금 기술이다. 분말 야금기술은 완성품 또는 반제품에서 "공급재료(feedstock)"의 형성 및 경화와 관련되는 매트릭스에서의 일축(uniaxial) 압축, 정수압(isostatic) 압축, 롤링(rolling), 분말의 분출 및 주입, 바르보틴 글루잉(barbotine gluing), 등과 같은 다양한 다른 기술들을 제시한다. 매트릭스를 일축 압축하는 방법에 의한 압축공정은 상기에서 전술된 방법 중 가장 적절한 것으로 고려되는데, 이러한 압축공정의 주된 특징은 최종 크기 및 기하학적 배열을 가진 엘리먼트(부품)를 우수한 비용 효율로 시리얼 프로덕션(serial production)이 가능하다는 것이다. 매트릭스를 일축 압축하는 방법에 의한 압축공정에서의 상기 특징은 압축공정이 용이하게 제어되고 자동화될 수 있으며, 나아가 금속성 또는 세라믹 매트릭스 분말에 분말의 형태로 스페이스 홀더를 혼합함으로써 원하는 미세 다공성 구조물을 생산할 수 있기 때문이다.

분말 야금으로 형성되고, 소통형의 제1 형태인 구멍 및 소통형의 제2 형태인 구멍을 갖도록 형성되는 금속성 다공성 엘리먼트을 제조하기 위하여, 전술된 것처럼, 본 발명에서 사용되는 세라믹 분말 대신에 매트릭스 상으로서 금속성 분말 형태의 원료물질을 사용한다. 그러나, 매우 미세한 분말이 요구될 때 사용되는 금속 분말은 고가이기 때문에 생필품에 적용되는 저가의 다공성 부품을 생산하는데 있어서는 경제적으로 효용성이 낮다.

단단한 금속성의 다공성 엘리먼트를 형성하기 위하여 거의 모든 방법에서 적용되는 물질들과 관련하여, 이미 알려진 종래의 기술에서 일반적으로 사용되는 물질은 예를 들어, 철, 구리, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 코발트 및 이들의 혼합물의 분말과 같은 우수한 금속성 물질 분말로 한정되는데, 이러한 금속성 물질 분말은 매우 고가인 것으로 알려져 있어서 일반적으로 경제적인 효용 가치가 낮다.

상기에서 언급한 어려움 및 현재의 기술 수준에도 불구하고, 본 발명은 소결에서 금속성 매트릭스를 형성할 수 있는 세라믹 분말, 및 세라믹 분말의 체적에 동질적으로 분포되고, 소결에서 상기 금속성 매트릭스의 체적에서 서로 소통하는 제2 형태의 구멍 구조를 형성할 수 있는 스페이스 홀더를 포함하는 야금 조성물로부터 제1 형태의 구멍 및 제2 형태의 구멍을 갖는 다공성 엘리먼트를 수용 가능한 비용으로 소결함으로써 제조하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기에서 정의된 야금 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적 및 기타 목적은 스페이스 홀더로서 입자의 로드를 가진 탄소 및 수소로부터 선택되고 흑연 및/또는 무정형의 탄소로부터 선택된 환원제에 의해 환원될 수 있는 세라믹 산화물 물질의 입자의 로드를 미리 결정된 용량으로 동질적으로 혼합하는 단계, 소결되는 다공성의 방음성 엘리먼트 형태를 가진 압축바디(미완성된 부분)를 형성하기 위하여 세라믹 물질 및 흑연입자에 의해 형성된 상기 혼합물을 압축하는 단계, 및 세라믹 물질입자가 서로 소결 접촉을 형성하는 반면, 흑연 입자의 탄소 및/또는 무정형 탄소의 탄소가 흑연 입자 및/또는 무정형의 탄소를 제거함으로써 개방형인 제2 형태의 구멍이 형성되도록 세라믹 산화물 물질의 입자에 존재하는 산소로서 O₂의 형태로 소결 미디엄에서 사용 가능한 산소와 반응하여 제거되도록 상기 압축바디를 소결하는 단계를 포함하는 분말 야금에 의해 다공체를 제조하는 방법에 의해 달성될 수 있다.

상기 스페이스 홀더는 압축이 완성되지 않은 상태에서 스페이스 홀더의 역할을 하면서, 제2 형태의 구멍을 형성하기 위하여 세리믹 분말에 혼합된다. 상기 스페이스 홀더는 홀더가 있던 위치에 제2 형태의 구멍을 남기면서 다음과 같은 두 가지의 다른 방식에 의해 물질로부터 제거될 수 있다. a) 이 후 단계가 대기에서 이루어질 때, 물질이 소결하는 동안 대기의 산소와 반응함으로써, b) 소결 동안, 매트릭스(자가 환원 물질)의 산화물 입자에 포함된 산소와 반응함으로써(이산화탄소 및 일산화탄소를 형성하면서), c) 수소를 포함하고 있는 소결 대기를 사용할 때, 수소와 반응시킴으로써, 그리고 d) 고습의 대기에서 처리될 때, 증기와 반응함으로써 제거될 수 있다.

소결이 대기에서 이루어질 때, 대기의 산소와 반응하여 흑연이 완전히 제거된 후에, 물질은 서로 소결된 산화물 입자에 의해 형성되는 다공성 골격을 갖게 된다. 그런 후, 산화물계 다공성 골격은 손상되지 않은 다공성 구조를 유지하면서 수소에서 열화학 처리함으로써 금속으로 환원된다. 형성하는데 있어서 낮은 자유 에너지를 가진(용이하게 환원될 수 있는) 본 발명에서 사용되는 산화물은 Fe, Ni, Cu, Sn, Zn, Mo, W, 및 이들의 혼합물의 산화물이다.

또한, 본 발명은 분말 야금에 의해서 방음성 엘리먼트의 압축되고 소결된 다공체를 형성하기 위한 입자상 물질의 야금 조성물 제공한다. 상기 야금 조성물은 흑연 및/또는 무정형의 탄소에 의해 특징지어지는 스페이스 홀더입자와 탄소 및 수소에서 선택된 환원제에 의해 환원될 수 있는 세라믹 산화물 물질의 입자 혼합물을 포함하고, 상기 세라믹 물질입자는 소결되는 압축바디의 매트릭스 상을 형성할 수 있는 0.01 ㎛ 내지 15 ㎛ 사이의 크기를 갖고, 흑연 및/또는 무정형의 탄소의 스페이스 홀더입자는 15 ㎛ 내지 150 ㎛사이의 크기를 갖고, 스페이스 홀더입자 및 세라믹 물질입자는 각각 추후의 소결 동안 바디로부터 제거되는 스페이스 홀더 부분을 특징지을 수 있다.

본 발명의 상기 목적 및 이점, 및 기타 목적 및 이점들은 본 발명의 구체예의 형태로 제시된 첨부된 도면을 참고할 때 더욱 명확하게 이해될 것이다.

도 1은 예를 들어, 스페이스 홀더를 사용하여 생성된 서로 소결된 분말 입자 사이에 있는 제1 형태의 작은 구멍 및 제2 형태의 큰 구멍을 갖는 방음성 엘리먼트의 형성에 사용되는 금속성 또는 구체적으로 세라믹체의 다공성 구조를 나타내는 도식이다.
도 2는 스페이스 홀더를 결정하는 흑연의 결정 조직의 도식이다.
도 3은 스페이스 홀더로 흑연을 사용하고, 탄소(흑연 형태임)를 제거하여 형성된 소통형의 서로 연결된 제2 형태의 구멍을 갖는, 방음 엘리먼트를 형성하기 위하여 다공체 내의 다공성 구조를 도시하는 현미경 사진이다.
도 4는 방음 엘리먼트 형성을 위하여 야금 조성물의 형성 단계 동안 스페이스 홀더로 흑연을 사용하고 흑연의 전단 가공에 의해 생성된 개방형인 제2 형태의 편평한 구멍을 갖는 상기와는 다른 다공성 구조를 나타내는 또 다른 다공체의 다공성 구조에 대한 현미경 사진을 도시한다.
도 5는 온도 작용으로서 부다(Boudouard) 평형 그래프를 도시한다.
도 6은 본 발명의 주요 물질 중 세가지 물질(구리, 철 및 니켈)에 대한 산화물의 안정을 보여주는 엘링검(Ellingham) 도표를 도시한다.
도 7은 공기 중에서 가열될 때 흑연을 함유하고 시료의 TG 곡선 그래프를 도시한 것으로, 산소와 반응하여 흑연이 제거되는 것을 도시한다.
도 8 내지 9는 방음성 엘리먼트를 형성하는 방음체의 일부 구조를 나타내는 도식으로, 소결된 구조물 내에 연결된(소통형) 제2 형태의 구멍이 생성되도록 매트릭스 상 내에서 스페이스 홀더가 분산되는 조건, 소결하기 전에 스페이스 홀더를 제거하는 조건을 도시한다.
도 10은 차우드론(Chaudron) 도표, 즉, 온도 작용으로서 Fe-O-H₂ 시스템의 안정성을 도시한다.
도 11은 Fe₂O₃/C에서 탄소를 제거하기 위하여 850 ℃로 대기에서 열처리한 후에 세라믹 다공성 구조를 금속성 다공성 구조로 줄이기 위하여 1050 ℃에서 열화학 처리한 Fe₂O₃/C의 압축된 야금 조성물의 주사전자현미경 사진을 도시한다.

전술된 것처럼, 본 발명의 공정은 형성하는데 있어서 낮은 자유 에너지를 가진 산화물로부터 획득되는 세라믹 물질입자(10)의 로드에 의해 결정되고, 방음성 엘리먼트의 압축되고 소결된 다공체(E)의 분말 야금에 의한 형성공정 동안 열에 의해 제거되도록 흑연 및/또는 무정형의 탄소로부터 선택된 스페이스 홀더입자(20)의 로드의 형태로 수소 또는 탄소, 및 스페이스 홀더(SH)로부터 선택된 환원제에 의해 용이하게 환원될 수 있는 매트릭스 상(MP) 유래의 2 상의 조성물의 준비 공정을 포함한다. 스페이스 홀더(SH)의 스페이스 홀더입자(20)는 매트릭스 상(MP)를 결정하는 세라믹 물질입자(10)의 로드에 의해 동질적으로 분산된다(미도시).

본 발명의 공정에 따라서, 탄소 및 수소로부터 선택된 환원제에 의해 용이하게 환원될 수 있는 세라믹 산화물 물질입자(10)의 로드는 동질적으로 그리고 미리 결정된 용량으로 스페이스 홀더입자(20)의 로드와 혼합된다.

그런 후, 본 발명의 공정은 세라믹 물질입자(10) 및 스페이스 홀더입자(20)에 의해 형성된 상기 혼합물을 압축하는 공정을 포함하는데, 이러한 공정은 소결되기 위하여 다공성 방음성 엘리먼트의 형태를 갖는 압축 입자의 바디(E)를 형성하기 위한 것이다.

스페이스 홀더(SH)의 탄소가 소결하는 열처리과정 동안 제거될 때, 탄소가 제거된 자리에 단지 소통형의(서로 연결된) 제2 형태의 구멍(II)이 형성되는데, 이는 탄소 비율이 매우 높고 구멍들은 서로 연결되어 있고, 이로 인해 구멍들이 서로 연결되고 다공성 엘리먼트의 외부와도 연결된 소통형인 구멍을 가진 다공성 구조가 생성되기 때문이다.

흑연 및/또는 무정형의 탄소에 의해 결정되는 스페이스 홀더(SH)의 스페이스 홀더입자(20)의 부피 퍼센트와 같은 처리 파라미터들의 조절, 스페이스 홀더입자(20)의 크기와 모양, 생산되는 방음성 엘리먼트 형성을 위하여 바디(E)의 모양을 만드는 단계에서의 다짐 압력, 소결 시간 및 온도는 공학적 기능(예를 들어, 소음 흡수)을 하는데 적절한 다공성 구조를 가진 금속성 엘리먼트을 수득하는데 중요한 기본적인 사항이다. 게다가, 본 발명의 방음성 엘리먼트는 특정용도로 사용하기에 충분하고 처리 조건들의 적절한 조합 및 사용되는 야금 조성물에 의해 결정되는 기계적인 강도를 필요로 한다.

동시에, 목적하는 용도에 충분한 기계적인 강도 및 효율적인 흡음성을 위하여 높은 부피 퍼센트의 소통형(서로 연결된)인 제2 형태의 구멍(II)를 갖는 다공체(E)를 포함하는 방음성 엘리먼트는 매트릭스 상(MP)에 의해 형성되는 연속적인 고체성 구조를 나타내는데, 이러한 구조는 세라믹 물질입자(10)를 서로 소결함으로써 생성된 것으로 개방형인 제2 형태의 구멍(II)를 나타낸다(도 1, 3 및 4).

도 4에서 설명된 구체예에서, 이러한 개방형인 제2 형태의 구멍(II)의 소통성과 이로 인한 다공성 물질의 방음 성능을 개선하기 위하여, 흑연에 있는 스페이스 홀더(SH)를 정의하는 스페이스 홀더입자(20)는 최초의 야금 조성물의 형성 동안에 전단 가공에 의해서 개질된 모양을 가지며, 이로 인해 가늘고 길며 편평만 모양의 방음성 엘리먼트의 바디(E)를 소결함으로써 형성되는 개방형인 제2 형태의 구멍(II)이 형성되고, 이러한 개방형인 제2 형태의 구멍(II)은 전단 가공의 조절 기능에 따라 다양하다. 전단 가공에 의한 스페이스 홀더(SH)의 스페이스 홀더입자(20)의 변형 정도에 의해서 얻게 되는 개방형인 제2 형태의 구멍(II)의 연속성은 수득되는 방음성 엘리먼트의 바디(E)에서 요구되는 방음성과 구조적인 강도 간의 균형을 위해 필요한 것임을 이해하여야 한다.

한편, 스페이스 홀더입자를 전단 가공하지 않을 때, 도 1 및 3에서 도시된 것처럼, 평균 직경이 더 크고, 덜 가늘고 길며, 덜 편평하고, 흡음성 효율이 더 낮은 제2 형태의 구멍이 형성된다.

매트릭스 상(MP)에 사용되는 세라믹 물질입자(10)의 분말은 매트릭스 고체상(금속성 골격을 만듬)과 중공 상(서로 연결된 구멍으로 나타나는 상), 즉, 두 개의 서로 교차하는 연속적인 상인 연속적으로 있는 다공성 엘리먼트를 형성하면서, 스페이스 홀더(SH)의 입자 사이에 매트릭스 전체적에 연속적인 얇은 입자막이 형성되도록 매우 미세(약 0.2 내지 15 마이크로미터임)해야 한다. 또한, 이러한 최초의 미세한 분말을 사용함으로써 연속적인 고체상을 형성하는 입자들을 효율적으로 소결하게 되는데, 이로 인해 추후에 기계적인 강도가 더 높은 다공성 엘리먼트가 생산된다.

매트릭스 상(MP)에 매우 미세한 입자를 사용해야 하는 또 다른 이유는 두 개의 연속되는 스페이스 홀더(SH)의 스페이스 홀더입자(20) 사이에 있는 매트릭스 상(MP)의 입자막이 더 얇기 때문에 고체상이 절반 이하의 체적을 차지하기 때문이다. 그러나, 사용되는 미세한 분말에 의해서, 훨씬 얇은 막이 두께 방향으로 많은 양(아주 많은 양)의 연속 입자로 구성되고, 이로 인해 충분한 강도를 가진 골격이 소결된다.

매우 작은 입자 크기(약 0.2 내지 15 마이크로미터)를 가진 철 또는 기타 금속의 금속성 입자(분말)는 특정 제조공정으로 인하여(예, 철 및 니켈이 사용될 때 카르보닐(carbonyl) 공정) 매우 고가이기 때문에, 예를 들어, 철 산화물 분말, 즉, Fe₂O₃와 같은 저렴하고, 풍부하며, 부서지기 쉬운 성질로 인해 기계적인 밀링(milling)으로 용이하게 분쇄될 수 있는 세라믹 물질 분말을 사용하는 것이 제안되었다. 그러나, 철 금속성 입자 대신에 철 산화물 입자 사용하기 위해서는 철 산화물 입자를 금속으로 줄이기 위한 열화학 처리 단계가 필요하다.

스페이스 홀더(SH)로, 도 2에서 도시된 것처럼 삼차원의 구조물을 구성할 수 있도록 배열된 육각형의 결정 격자모양으로 배치된 탄소 원자를 가진 층 형태의 물질인 흑연이 사용되었다. 탄소 원자는 sp2 하이브리다이제이션(hybridization)을 가지고 공유결합에 의해 결합되는데, 이로 인해 육각형 구조의 밑면에서 약 1.42 Å의 원자 간의 거리가 형성된다. 반데르발스 형태의 상호작용에 의해 서로 결합하게 되는 흑연 밑면을 분리하는 거리는 약 3.354 Å이다. 이러한 결합은 약한 결합에 해당하는 것으로, 전단 가공력에 의해서 비교적 용이하게 전단될 수 있으며, 환원될 수 있는 산화물로 특징지어지는 매트릭스 상(MP)의 입자를 가진 흑연에 스페이스 홀더(SH)의 스페이스 홀더입자(20)를 동질적으로 혼합하는 단계 동안 생산될 수 있다.

가공되는 입자(분말) 혼합물 내에 존재하는 스페이스 홀더입자(20)는 전단 가공에서의 낮은 기계적인 강도로 인하여 입자상 물질을 가공하는 단계를 방해한다. 이러한 현상은 혼합기 내에서 입자(분말)를 기계적으로 균질화하는 공정과 매트릭스 상(MP) 입자의 야금 조성물 및 형성되는 방음성 엘리먼트의 방음체(E)의 형태를 형성하기 위한 흑연내의 공간 홀더입자(20)의 압축(압착) 단계에서 발생한다. 흑연 내의 스페이스 홀더입자(20)는 전단가공에 의해 변형된 형태를 갖게 되는데, 이는 기계적인 힘에 의한 것으로, 이러한 기계적인 힘에 의하여 첨가된 입자는 원래의 모양을 유지할 수 없다. 전단가공에 의해서, 흑연은 퍼트려지는데, 퍼트려지는 흑연은 메트릭스상(MP)의 입자(매트릭스상의 파우더)사이에서 박막 형태를 취한다.

흑연에서 스페이스 홀더입자(20)를 용이하게 전단 가공하는 기술은 다른 경우에서도 유용하게 적용할 수 있다. 예를 들어, 철을 함유한 분말의 야금 분야에서 소결된 강철을 생산하고자 할 때, 스페이스 홀더입자(20)는 흑연 입자의 형태로 철을 함유한 매트릭스의 입자(분말)에 혼합되고, 입자 혼합물을 기계적으로 균질화하는 공정 동안, 전단 가공에 의해서, 흑연의 철 분말 입자와 접촉하는 흑연의 전체 면적은 점점 증가한다. 결과적으로, 강철을 소결하는 동안, 탄소의 분해가 촉진된다.

그러나, 고체 윤활유 상으로서 흑연이 첨가되는 합성물 물질에서, 탄소는 매트릭스에서 용해될 수 있고, 나아가 입자는 형태가 보존되어야 하며, 전단 가공에 의해 변형된 모양을 가지지 않으며, 이로 인해, 매트릭스 상의 입자 사이에 박막의 형태로 퍼져야 한다. 매트릭스 상의 분말입자 사이에 박막을 형성하는 전단가공에 의한 고체성 윤활유 상(및 기타 다른 비 용해성 상)의 재분산은 구조적으로 바람직하지 않은데, 이는 매트릭스 상(MP)의 입자 사이의 금속-금속 접촉을 환원시키기 때문이다. 매트릭스 상(MP)의 산화물 입자 사이의 접촉의 환원은 소결하는 동안 연속적인 매트릭스(연속적인 구조)의 형성을 방해할 수 있으며, 소결된 컴포넌트의 기계적인 강도가 저하될 수 있는데, 이는 상기 소결된 컴포넌트에 기계적인 강도를 부여하는 구조적인 상이 매트릭스 상(MP)이기 때문이다.

다공성 물질 제조와 관련하여, 스페이스 홀더입자(20)를 추후에 제거함으로써, 물질 내에서 개방형인 제2 형태의 구멍(II)과 연결되도록 제조하고자 스페이스 홀더(SH)로서 스페이스 홀더입자(20)을 사용할 때, 세라믹 물질입자(10)에 첨가되는 스페이스 홀더입자(20)의 모양에 유사한 모양을 갖는 구멍이 생성되도록 고안하는데 있어서, 낮은 전단 가공 스트레스가 문제가 될 수 있다. 그러나, 원하는 다공성 구조에 따라 달리하면서, 낮은 전단 가공 스트레스로 인한 문제점은 장점이 될 수 있는데, 전단 가공에 의해서, 서로 다른 다공성 구조, 예를 들어, 가늘고 길며 편평한 개방형인 제2 형태의 구멍(II)(도 4)을 제조하는 것이 가능하며, 이로 인해 다공성 구조 간의 소통이 더욱 원활하게 된다. 개방형인 제2 형태의 구멍(II)의 구체적인 형태는 야금 조성물에 적용되는 전단 가공력 및 혼합물 상에 사용되는 공정시간에 의해서, 전단가공의 강도를 조절함으로써 미세하게 조절될 수 있다. 사용되는 스페이스 홀더(SH), 즉, 흑연은 제2 형태의 구멍(II)의 분포 및 모양을 조절할 수 있는 전단 가공이 가능한 층 형태의 고체이기 때문에, 종래에 적용된 적이 없는 이러한 장점이 본 발명에서 처음으로 사용되었다.

그러나, 필요할 경우, 도 8에서 도시된 것처럼, 고분자 물질을 가진 흑연입자 위에 코팅(30)를 적용함으로써, 스페이스 홀더(SH)의 전단 가공이 감소하거나 또는 발생하지 않을 수 있다. 전단 가공을 감소시키는 코팅(30)의 효율은 사용되는 고분자의 종류 및 증착되는 고분자 필름의 두께에 따라 다르다. 스페이스 홀더(SH) 물질의 전단 가공을 제어하기 위하여 사용되는 고분자 코팅(30)은 본 발명에서 처음으로 적용된 것이다.

예를 들어, 스페이스 홀더입자(20)가 카본 블랙(carbon black) 또는 검댕(soot)과 같은 무정형의 탄소로 한정될 때, 이러한 스페이스 홀더입자(20)의 코팅(30)은 세라믹 물질입자(10)와 혼합하는 단계 및 소결되도록 바디(E)의 형태를 만들기 위한 압축 단계 중에서 어느 단계 동안에, 스페이스 홀더(SH) 입자의 변형 및 이들의 퍼짐을 줄이기 위해 부가적으로 사용될 수 있다.

가장 바람직한 고분자는 PVA와 같은 수용성 고분자이며, 전체 흑연에 대하여 중량비로 0.5% 내지 3%의 범위 내의 용량으로 첨가할 수 있다. 스페이스 홀더입자(20)는 철 산화물 분말(또는 본 발명에서 언급되는 다른 산화물)과 혼합하기 전에, 예를 들어, PVA로 코팅할 수 있다.

매트릭스의 환원 및 스페이스 홀더(SH)의 제거는 두 가지의 다른 방법으로 이루어질 수 있다. 제1 방법은, 매트릭스 상(MP)의 산화물을 줄임과 동시에 스페이스 홀더(SH), 즉, 스페이스 홀더입자(20)에서 탄소를 제거하는 방법이 있다. 제2 방법은, 소결 미디엄에 있는 스페이스 홀더입자(20)의 탄소를 대기로 제거한 후에, 이미 소결된 매트릭스 상(MP) 세라믹 골격의 산화물을 줄이고 서로 소통하는 개방형인 제2 형태의 구멍(II)를 생성하는 방법이 있다.

사용되는 상기 제1 방법은 압축되고 변형된 다공체의 세라믹 물질입자(분말)가 매트릭스 상(MP)을 형성하는 산화물 입자의 산소와 함께 스페이스 홀더입자(20)(즉, 스페이스 홀더)의 탄소 반응에 의해서 금속으로 변형되는 방법에 해당하는 자가-환원(self-reduction) 방법이다. 따라서, 상기 제1 방법에서, 매트릭스 상(MP)의 산화물의 환원과 동시에 세라믹 물질입자(10) 및 스페이스 홀더입자(20)에 의해 형성된 혼합물에 의해 결정되는 야금 조성물의 압축 및 변형에 의해 형성되는 서로 소통하는 개방형인 제2 형태의 구멍(II)이 형성된다.

매트릭스 상(MP)의 산화물의 환원과 함께, 예를 들어, 철 산화물은 고체 상태와 관련된 화학반응에 의해 금속 또는 순수한 철로 변형된다(탄소 직접 환원).

상기 제2 방법은, 제1 단계로, 압축된(변형된) 다공체의 소결 미디엄의 대기에 존재하는, 예를 들어, 산소 또는 증기와 같은 기체 상태에서 탈 탄소제를 사용하여, 스페이스 홀더(SH)의 탄소, 즉, 흑연 및/또는 무정형의 탄소 반응에 의해 서로 소통하는 제2 형태의 구멍(II)을 생산하는 방법에 관한 것이다. 제2 방법에서, 압축바디(E)(미완성된 부분)의 소결은 대기 기류가 있는 상태에서 750 ℃ 내지 1.100 ℃온도로 실시한다.

서로 소통하고 있고 외부와도 소통하고 있는 개방형인 제2 형태의 구멍(II)을 형성한 후에, 소결하는 동안, 세라믹 골격은 이미 소결된 방음성 엘리먼트 형성을 위하여, 바디(E)가 환원되는 미디엄 내의 대기를 의미하는 기체, 예를 들어, 수소를 환원시킴으로써 환원하는 산화물 매트릭스 상(MP)을 가진다.

상기 제2 방법에서, 제2 단계로, 기체 환원제에 의해 금속성 구조를 형성하면서 환원되는(간접적인 환원(H₂)) 세라믹 다공성 엘리먼트를 형성하면서, 탄소의 산화를 촉진하기 위하여 특정 기체 상태에서 시료를 소결하는데, 이로 인해 구멍들 간에 서로 소통하고 있고 외부와도 소통하고 있는 개방형인 제2 형태의 구멍(II)을 형성하고, 매트릭스 상(MP)의 산화물 입자 사이의 작은 접촉을 형성한다.

자가-환원에 의한 소결에서, 800 ℃ 내지 1000 ℃ 사이의 온도에서 금속성 구조물의 형성과 함께 두 개의 고체(산화물 및 탄소)의 상호작용을 설명하고자 많은 기작 및 방법들을 제안하였다.

L'VOV에 따라서, 산화물을 환원하는 가장 오래되고 가장 빈번하게 사용되는 방법은 하기 반응식 따라서 CO 및 CO₂와 같은 기체를 형성하는 방법이다.

MO_(s)+CO→M_(s)+CO₂

(1)

CO₂+C_(s)→2CO

(2)

상기 반응은 기체(CO 및 CO₂) 중간 생성물에 의해서, 탄소를 산화하는 이산화탄소(CO₂)를 형성하면서, 산화물이 금속성 물질로 환원되도록 하면서, 새로운 일산화탄소를 형성하면서, 바람직하게는, 일산화탄소(CO, 산소와 탄소의 직접적인 반응에 의해 순차적으로 생성됨)에 의해 제거된 철 산화물의 산소를 생성한다. L'VOV-부다 반응(2)은 철 산화물을 생성하는데 있어서 중요한 단계이다. 부다 평형에 의해 결정되는 CO 및 CO₂의 농도는 표 1에서 확인할 수 있듯이 온도에 따라서 다르다.

부다 평형

	450 ℃	600 ℃	800 ℃	1000 ℃	1100 ℃
CO₂(% vol)	98	77	6	0.7	0.2
CO(% vol)	2	23	94	99.3	99.8

온도에 대한 반응(2)의 의존성은 도 6에서도 확인할 수 있다. 높은 온도에서, 반응 평형은 CO 방출에 더 유리한 반면, 낮은 온도에서는 CO₂ 형성이 더 유리하다.

이러한 반응의 활성 에너지는 아레니우스 식에 의해 계산될 수 있다.

상기식에서, K_r은 속도 상수이고, K_o는 빈도 인자이고, R_g는 기체 상수이고, T는 절대온도이다. 초기의 환원 단계 동안 활성 에너지(E_a)의 값은 약 69 KJ/mol이고, 최총 단계에서 112 KJ/mol로 증가한다. 이것은 초기의 반응 단계가 접촉 영역의 화학 반응에 의해서 조절되고 최종 반응 단계가 고체 확산 방법에 의해 조절되는 것을 의미한다. 이러한 반응은 두 단계에서 서서히 발생하는데, L'VOV-부다 반응(C + CO₂→2CO)은 더 높은 컨트롤, 구체적으로 낮은 온도를 필요로 하는 단계인 반면, 고체 상태 반응의 효율은 대부분 높은 온도에서 나타난다.

탄소 및 수소에 의한 산화물 환원의 열역학(본 명세서에서 언급되는 모든 산화물에 대한 근거가 됨)은 도 6에서 도시된 엘링검 도표를 사용함으로써 좀 더 용이하게 이해할 수 있다.

일산화탄소(CO(g)) 및 이산화탄소(CO₂(g))를 형성하기 위한 탄소 산화의 표준 자유 에너지가 동일한 온도, 약 710 ℃에 있는 것을 도표에서 확인할 수 있다. 즉, 두 개의 탄소 산화물의 형성인 두 개의 선은 약 710 ℃에서 교차한다. 상기 온도보다 낮은 온도에서, CO₂(g)는 활성이 더 우수한 환원제로, 고체성 탄소와 평형상태에 있는 기체상인 우세한 기체엘리먼트이고, 높은 온도에서는 CO가 우세한 기체엘리먼트가 된다.

낮은 온도에서, H₂에 의한 산화물 환원(간접적인 환원) 및 열탄소(carbothermic) 환원(자가-환원)은 동시에 발생할 수 있으나, H₂O를 형성하기 위한 자유에너지는 CO₂를 형성할 때보다 더 부정적이다. 즉, 도 6의 엘링검도표에서 확인할 수 있듯이, 낮은 온도에서, H₂O는 CO₂ 보다 더 안정하다. 부다 반응에 의한 환원은 약 700 ℃에서 더 유리하게 된다.

스페이스 홀더(SH)를 열로 제거하기 위하여 제안되고 사용되는 제2 방법은 환원제로서 탄소 산화를 위해 주변 대기를 사용한다. 산화에 의한 탄소 제거는 도 7에서 확인할 수 있듯이 약 600 ℃에 시작하고 약 900 ℃에서 종결하며, 열 중량 분석에 의해 결정된 온도의 작용으로서 질량 손실을 보인다(탄소는 산화되는 원소이다-흑연은 sp² 결합에 의해 탄소와 형성되는 고체성 물질이다).

철 산화물은 탄소 산화가 일어나는 동안 온도에서 안정하기 때문에(참조. 도 6의 엘링검 도표), 스페이스 홀더를 열로 제거하는 단계 동안, 철 산화물 구조에서 어떤 변화도 일어나지 않으며, 단지 소결하는 접촉이 입자 사이에 발생하고, 이로 인해 철 산화물 매트릭스를 가진 다공성 물질이 생성된다.

다공성 피스(piece)를 목적하는 용도로 사용하기 위하여, 방음성 엘리먼트의 바디(E)에 대한 기계적인 강도를 고려하는 것이 필요하다. 왜냐하면, 구체예에서 순수한 철을 예를 들어 설명하였듯이, 금속성 상태에 있는 물질을 얻기 위하여 형성되는 피스의 매트릭스 상(MP)의 물질을 줄이는 것이 필요한 산화물, 예를 들어, 철 산화물의 형태로 여전히 존재하는 매트릭스인 세라믹 매트릭스를 가진 다공성 물질을 사용하는 것이 추천되지 않기 때문이다.

도 8은 본 발명의 야금 조성물의 샘플, 또는 형성되고, 이미 압축되고, 변형된 피스의 일부분의 샘플을 도시하는 것으로, 상기 샘플은 코팅(30)된 스페이스 홀더(SH)의 스페이스 홀더입자(20)를 가지며 소결 단계 전에 매트릭스 상(MP)을 구성하는 세라믹 물질입자(10)에 전단 가공 없이 동질적으로 분산된 것이다.

도 9는 소결 단계 후의 도 8과 동일한 샘플을 도시하는 것으로, 상기 샘플은 제2 형태의 구멍(II), 즉, 서로 소통하는 형태를 형성하기 위하여 주변 대기 기체와 이미 반응한 스페이스 홀더입자를 갖는 샘플이다.

도 9는 소결된 샘플을 도시하는 것으로, 산소와 반응하는 스페이스 홀더입자가 매트릭스 상의 조성물에서 유용함을 이해하여야 한다(자가-환원).

철 산화물에 있는 것으로서 본 발명에서 예시된 매트릭스 상(MP)을 고려하면서, 기체 환원제로서 수소를 사용하여 적철광 상으로부터 금속성 철을 획득하는 공정은 두 단계 또는 세 단계에서 이루어질 수 있는데, 상기 두 단계 또는 세 단계는 온도에 따라 다르다. 570℃ 보다 낮은 온도에서는 두 단계에서 환원이 일어나고, 570℃ 보다 높은 온도에서는 세 단계에서 환원이 일어난다.

H₂에 의한 철 환원은 하기 반응식에 따라서 가장 높은 철 산화 상태, 즉 적철광 상에서 일어난다.

1) 3Fe₂O₃+H₂→2Fe₃O₄+H₂O

2) Fe₃O₄+4H₂→3Fe+4H₂O

3) (1-x)Fe₃O₄+(1-4x)H₂→3Fe_(1-x)O+(1-4x)H₂O

4) Fe_(1-x)O+H₂→(1-x)Fe+H₂O

수소는 Fe, Ni, Cu, Mo, Sn, Zn, W의 산화물에 대한 훌륭한 환원제에 해당하는데, 일부 화합물이 예시된 도 6의 엘링검 도표에서 확인할 수 있듯이, Fe, Ni, Cu, Mo, Sn, Zn, W의 산화물이 매우 안정한 산화물에 해당하지 않기 때문이다. 소결 온도와 같은 높은 온도에서, 대기는 물질의 환원을 촉진하면서, 산화물의 안정성을 더 낮추는 작용을 하는 소결하는 대기가 된다. 이러한 마지막 주기는 두 단계에서 적용될 수 있는데, 산화물의 대부분이 "스페이스 홀더"로 사용되는 흑연의 탄소에 의해 환원되더라고, 자가-환원 단계에 의해 완전히 제거되지 않고 남아있는 흑연 잔여물 및 산화물 잔여물을 제거하기 위하여 수소에서 후속 처리가 필요하기 때문이다.

차우드론 도표로 알려진 도 10의 도표는 온도 작용으로서 철 산화물과 순수한 철의 생성 한계선에 대한 정보를 보여준다.

도 11에서 확인할 수 있듯이, 스페이스 홀더(SH)를 제거하고 매트릭스 상(MP)의 형성을 위해 사용되는 산화물을 환원한 후에, 형성된 다공성 구조는, 산화물의 출처에 따라, 하기와 같이 두 개의 다른 구멍을 포함한다.

a) 제1 형태의 구멍(I) - 매트릭스 상(MP)의 세라믹 물질입자(10), 예를 들어, Fe₂O₃.사이에 존재하는 구멍. 제1 형태의 구멍((I))의 크기는 사용되는 세라믹 물질입자(10)의 크기 분포 및 공정 파라미터(압축 압력, 공정 시간, 온도)에 따라 다르다.

b) 개방형인 제2 형태의 구멍(II) - 스페이스 홀더입자(20)의 탄소에 의해 특징지어지는 스페이스 홀더(SH)를 제거에 의해 소통할 수 있도록 형성됨. 제2 형태의 구멍(II)의 크기 및 모양은 스페이스 홀더(SH)의 스페이스 홀더입자(20)의 크기 및 모양에 따라 다르다.

Claims

분말 야금에 의해 개방형인 제1 형태의 구멍(I) 및 개방형인 제2 형태의 구멍(II)을 갖는 금속성 다공체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 형성하는데 있어서 낮은 자유 에너지를 갖는 산화물 세라믹 입자(10)의 로드(load)를 흑연 입자에 의해 특징지어지는 스페이스 홀더입자(20)의 로드와 미리 결정된 용량으로 동질적으로 혼합하는 단계; 소결되고 제1 형태인 구멍(I)을 갖는 압축바디(E)를 형성하기 위하여 산화물 세라믹 입자(10) 및 스페이스 홀더입자(20)에 의해 형성되는 혼합물을 압축하는 단계; 및 세라믹 산화물 입자(10)가 서로 소결 접촉을 형성하도록 상기 압축바디(E)를 소결하는 단계를 포함하고, 상기 스페이스 홀더입자(20)의 탄소는 스페이스 홀더입자(20)를 제거하면서 그리고 상기 개방형인 제2 형태의 구멍(II)을 형성하면서, 소결 미디엄에서 사용될 수 있는 산소와 반응하는 것을 특징으로 하는 금속성 다공체를 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 압축바디(E)의 소결은 상기 개방형인 제2 형태의 구멍(II)을 가진 세라믹 산화물 다공성 구조를 형성하고, 소결되는 압축바디(E)에서 스페이스 홀더입자(20)를 제거하면서, 소결 미디엄 내에 많이 존재하고 대기에서 적용 가능한 산소와 상기 스페이스 홀더입자(20)의 탄소와 반응하도록 600 ℃ 내지 900 ℃ 사이의 온도로 대기 기류 상태에서 이루어지고, 상기 세라믹 산화물 다공성 구조를 다공성 금속체로 변형하기 위하여, 570 ℃ 내지 1100 ℃ 사이로 결정된 온도에서 유지되는 환원 기체 내에서 상기 세라믹 산화물 다공성 구조물을 열화학 처리하는 후속 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속성 다공체를 제조하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 세라믹 산화물 다공성 구조의 열화학 처리는 탄소 및 수소에서 선택된 기체 환원제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속성 다공체를 제조하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스페이스 홀더 흑연입자(20)는 상기 세라믹 산화물 입자(10)와 혼합하기 전에, 스페이스 홀더 흑연입자(20) 및 세라믹 산화물 입자(10)를 혼합하고 압축하는 단계 동안 원래의 모양을 유지하면서 고분자 코팅(30)으로 코팅하는 것을 특징으로 하는 금속성 다공체를 제조하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 산화물 입자(10)는 Fe , Ni , Cu , Sn, Zn 및 이들의 혼합물의 산화물 중에서 어느 하나로부터 획득되는 것을 특징으로 하는 금속성 다공체를 제조하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 산화물 입자(10)는 0.01 ㎛ 내지 15 ㎛ (마이크로미터)의 크기를 가지고, 상기 스페이스 홀더 흑연 입자(20)는 15 ㎛ 내지 150 ㎛ (마이크로미터)의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 금속성 다공체를 제조하는 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공체(E)는 방음성 엘리먼트의 특징을 결정짓는 것을 특징으로 하는 금속성 다공체를 제조하는 방법.