KR20180091164A

KR20180091164A - 높은 열전도성의 철-구리 합금 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20180091164A
Application number: KR1020170015982A
Authority: KR
Inventors: 이광춘; 장복현
Original assignee: (주)엠티에이
Priority date: 2017-02-06
Filing date: 2017-02-06
Publication date: 2018-08-16
Also published as: KR101910015B1

Abstract

본 발명은 높은 열전도성의 철-구리 합금(Fe-Cu Alloy) 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명은 철 55 ~ 95원자%; 및 구리 5 ~ 45원자%를 포함하는 철-구리 합금을 제공한다. 또한, 본 발명은 용해로를 준비하는 제1공정; 철-구리 합금의 중량 기준으로 철 55 ~ 95원자%와 구리 5 ~ 45원자%를 포함하도록, 상기 용해로에 철과 구리를 투입, 용해하여 용탕을 형성하는 제2공정; 상기 용탕을 안정화하는 제3공정; 및 상기 안정화된 용탕을 주조틀에 주입하여 주조하는 제4공정을 포함하는 철-구리 합금의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 철을 주성분으로 하는 철계 합금으로서, 높은 열전도성 및 기계적 물성과 함께 전자기파 차폐성 및 연자성 등을 가져 금형소재로는 물론 전자 부품 및 기계 부품 등에 범용적으로 사용될 수 있는 철-구리 합금을 제공한다.

Description

높은 열전도성의 철-구리 합금 및 그 제조방법 {IRON-COPPER ALLOY HAVING HIGH THERMAL CONDUCTIVITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 철(Fe) 베이스에 적량의 구리(Cu)를 포함하는 신규의 철-구리(Fe-Cu) 합금으로서, 높은 열전도성을 가지면서 우수한 기계적 물성, 전자기파 차폐성 및 연자성 등을 가지는 철-구리 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

금속 관련 제조산업은 철강 재료에서 알루미늄 합금과 같은 경량 재료로 대체되고 있다. 알루미늄 합금은, 경량성은 물론 열전도성, 내식성 및 연성 등이 우수하여 여러 산업 분야에서 다양한 용도로 폭넓게 사용되고 있다. 알루미늄 합금은 높은 열전도성으로 열을 신속히 냉각시켜 성형품의 변형과 휨을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 알루미늄 합금은 사출성형이나 다이캐스팅(die casting)용 금형소재로 유용하게 사용되고 있다.

예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0046014호 및 대한민국 등록특허공보 제10-1606525호 등에는 다이캐스트용 알루미늄 합금에 관한 기술이 제시되어 있다. 알루미늄 합금은 알루미늄(Al)을 베이스로 하되, 소량의 실리콘(Si), 철(Fe), 망간(Mn) 및 마그네슘(Mg) 등을 포함하고 있으며, 알루미늄-실리콘-마그네슘(Al-Si-Mg)형의 합금이 다이캐스트용 금형소재로 많이 사용되고 있다.

그러나 알루미늄 합금은 강도와 내마모성 등의 기계적 물성이 낮다. 이에, 높은 열전도성 및 내식성을 가짐은 물론 강도 및 내마모성 등의 기계적 물성이 우수한 베릴륨-동(Be-Cu) 합금이 금형소재로 각광을 받고 있다. 예를 들어, 일본 공개특허공보 JP2003-003246호, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0048287호, 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0053814호 등에는 베릴륨-동(Be-Cu) 합금에 관한 기술이 제시되어 있다.

베릴륨-동(Be-Cu) 합금은 고강도와 고열전도성 등을 가지는 실용 합금으로서, 이는 다이캐스트용 금형소재 등으로 유용하다. 베릴륨-동(Be-Cu) 합금은, 대부분의 경우 베릴륨(Be)과 구리(Cu)를 용해 주조한 후에 열간이나 냉간에 의한 소성 가공과 소둔 처리를 반복하는 방법으로 얻어지며, 기계적 물성의 향상을 위한 코발트(Co)가 첨가되고 있다. 그러나 베릴륨-동(Be-Cu) 합금은 연속 주조가 어렵고, 베릴륨(Be)과 구리(Cu)의 원료 자체의 가격이 높아 경제성이 떨어지는 문제점이 있다. 이에 따라, 베릴륨-동(Be-Cu) 합금은 고가(高價)로 인해 고급 제품에 제한적으로 사용되어 범용성이 떨어지는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0046014호 대한민국 등록특허공보 제10-1606525호 일본 공개특허공보 JP2003-003246호 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0048287호 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0053814호

이에, 본 발명은 기존의 베릴륨-동(Be-Cu) 합금을 대체할 수 있는 신규의 철계 합금 조성으로서, 개선된 특성을 가지는 철-구리(Fe-Cu) 합금, 그의 제조방법 및 용도를 제공하는 데에 목적이 있다.

구체적으로, 본 발명은 철(Fe) 베이스에 적량의 구리(Cu)를 포함하여 높은 열전도성 및 기계적 물성을 가지며, 이와 함께 전자기파 차폐성 및 연자성 등을 가지는 철-구리(Fe-Cu) 합금 및 그 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다. 또한, 본 발명은 상기 철-구리(Fe-Cu) 합금의 용도로서, 상기 철-구리(Fe-Cu) 합금을 포함하는 소재를 제공하는 데에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

철 55 ~ 95원자%; 및

구리 5 ~ 45원자%를 포함하는 철-구리 합금을 제공한다.

또한, 본 발명은,

철 80.5 ~ 95원자%; 및

구리 5 ~ 19.5원자%를 포함하고,

하기 (a) 내지 (c)의 물성을 가지는 철-구리 합금을 제공한다.

(a) 열전도율 70 W/mㆍK 이상

(b) 인장강도 300 N/㎟ 이상

(c) 경도 100 HB 이상

예시적인 실시형태에 따라서, 본 발명에 따른 철-구리 합금은 구형의 입자상이고, 0.1㎛ ~ 150㎛의 크기를 가질 수 있다.

또한, 본 발명은,

용해로를 준비하는 제1공정;

철-구리 합금에 철 55 ~ 95원자%와 구리 5 ~ 45원자%를 포함하도록, 상기 용해로에 철과 구리를 투입, 용해하여 용탕을 형성하는 제2공정;

상기 용탕을 안정화하는 제3공정; 및

상기 안정화된 용탕을 주조틀에서 주입하여 주조하는 제4공정을 포함하는 철-구리 합금의 제조방법을 제공한다.

하나의 실시형태에 따라서, 본 발명에 따른 철-구리 합금의 제조방법은, 상기 제4공정을 통해 얻어진 주조물을 재용해한 다음, 분사시켜 분말상의 철-구리 합금 입자를 얻는 제5공정을 더 포함한다.

바람직한 실시형태에 따라서, 상기 제1공정은 용해로의 내면에 다공성의 불순물 흡수층을 형성하는 표면 처리 단계를 포함한다. 이때, 상기 다공성의 불순물 흡수층은 규산지르코늄(Zirconium Silicate)을 포함하는 것이 좋다.

본 발명에 따르면, 기존의 베릴륨-동(Be-Cu) 합금을 대체할 수 있는 신규의 철계 합금이 제공된다. 본 발명은 철(Fe)에 적량의 구리(Cu)가 용융 합금된 비정질의 완전한 합금으로서, 열전도성 및 기계적 물성 등이 우수하면서 높은 생산성 및 경제성을 가지는 철-구리 합금을 제공하는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명은 높은 열전도성과 함께 전자기파 차폐성 및 연자성 등을 가져 금형소재로는 물론 전자 부품 및 기계 부품 등으로 범용적으로 사용될 수 있는 철-구리 합금을 제공하는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금의 B-H 곡선이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금 입자의 배율별 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과이다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과이다.
도 6은 비교예에 따른 입자 시편의 SEM 사진이다.

본 발명에서 사용되는 용어 "및/또는"은 전후에 나열한 구성요소들 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다. 본 발명에서 사용되는 용어 "하나 이상"은 하나 또는 둘 이상의 복수를 의미한다.

본 발명은 제1형태에 따라서, 철(Fe)을 주성분으로 하는 철계 합금으로서, 신규의 합금 조성을 가지는 철-구리 합금을 제공한다. 본 발명은 제2형태에 따라서 상기 철-구리 합금의 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 제3형태에 따라서, 상기 철-구리 합금의 용도로서, 상기 철-구리 합금을 적어도 포함하는 소재를 제공한다. 상기 소재는, 예를 들어 금형소재 및 3D 프린터용 소재 등으로부터 선택될 수 있다.

본 발명에 따른 철-구리 합금은 철(Fe)과 구리(Cu)를 포함하되, 구리(Cu)보다 철(Fe)의 함량이 높은 철계 합금으로서, 철(Fe)과 구리(Cu)의 전체 기준으로 철(Fe) 55 ~ 95원자%(atomic%)와 구리(Cu) 5 ~ 45원자%를 포함한다. 본 발명에서 사용되는 함량 단위 「원자%」는 철(Fe)과 구리(Cu)의 원자(atomic) 전체를 기준(Fe와 Cu의 합)으로 한 것이며, 이는 또한 당업계에서 주지된 바와 같이 「부피%」로 표현될 수 있다. 즉, 본 발명에서, 원자% = 부피%로 표현될 수 있다.

바람직한 실시형태에 따라서, 본 발명에 따른 철-구리 합금은 철과 구리 이외의 다른 금속원소는 포함하지 않는다. 또한, 본 발명에 따른 철-구리 합금은 불가피한 불순물로서 탄소(C)나 산소(O) 등의 불순물을 포함할 수 있으나, 이러한 불순물은 극소량이다. 불순물은, 예를 들어 0.1원자%(0.1부피%) 이하 또는 0.01원자% 이하로 불가피하게 포함될 수 있다.

본 발명에 따른 철-구리 합금은 철에 적량의 구리를 포함하여, 철의 장점과 구리의 장점이 잘 조율되어, 개선된 특성을 갖는다. 본 발명에 따른 철-구리 합금은, 적어도 높은 열전도성 및 기계적 물성 등을 갖는다. 구체적으로, 기존의 철 합금에 비하여 높은 열전도성 및 탄성 등을 갖는다. 또한, 기존의 구리 합금에 비하여, 높은 경도 및 내마모성 등을 갖는다. 아울러, 저가의 철을 베이스(주성분)으로 하여 높은 경제성을 가지며, 철과 구리의 적정 조성(함량)에 의해 전자기파 차폐성 및 연자성 등을 가져 다양한 용도로의 사용이 가능하다. 예를 들어, 솔레노이드 등의 정밀 부품, 전자기파 차폐재 및 3D 프린터용 소재 등으로 사용이 가능하다.

이하, 본 발명에 따른 철-구리 합금의 제조방법을 설명하면서, 본 발명에 따른 철-구리 합금의 실시형태를 함께 설명한다. 이하에서 설명되는 제조방법은 본 발명에 따른 철-구리 합금의 제조를 용이하게 구현한다. 그러나 본 발명에 따른 철-구리 합금은 이하에서 설명되는 제조방법에 의해 제조된 것으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 철-구리 합금의 제조방법(이하, "제조방법"으로 약칭한다.)은 용해로를 준비하는 제1공정, 상기 용해로에 철과 구리를 투입, 용해하여 용탕을 형성하는 제2공정, 상기 용탕을 안정화하는 제3공정, 및 상기 안정화된 용탕을 주조틀에 주입하여 주조하는 제4공정을 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 제조방법은 선택적인 공정으로서, 상기 제4공정을 통해 얻어진 주조물로부터 분말상의 철-구리 합금 입자를 얻는 제5공정을 더 포함할 수 있다. 각 공정별로 실시형태를 설명하면 다음과 같다.

[1] 용해로 준비(제1공정)

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 철-구리 합금은 철 55 ~ 95원자%와 구리 5 ~ 45원자%를 포함한다. 본 발명에서 특정하는 상기 합금 조성은 이론적인 용융 합금 조성이 아니다. 즉, 철의 함량이 이론적으로 합금될 수 있는 양을 초과하는 비율이다. 이러한 합금 조성은 소결을 통한 모합금의 제조시에는 구현이 가능할 수 있으나, 용해(용탕)를 통한 용융 방법에서는 비정질의 완전한 합금으로 이루어지기 어렵다. 일반적으로, 철과 구리는, 구리보다 철의 함량이 낮은 경우(예를 들어, Fe 함량 2.5부피% 미만)에 용융 합금이 이루어질 수 있다. 그러나 본 발명에서 특정하는 상기 합금 조성의 경우에는 용탕에서 Fe-rich상과 Cu-rich상의 2상 분리가 일어나고, 편석(어느 한 금속이 한곳에 편중됨)이 발생하여 균일한 분포의 완전한 용융 합금이 이루어지기 어렵다.

본 발명자는 철의 함량이 높으면서 완전한 용융 합금을 이루기 위한 수많은 연구를 거듭한 결과, 구리의 함량을 적정하고 불순물의 함량을 최소화한 경우, 및/또는 용해 과정을 달리한 경우에 편석(편중)없이 완전한 용융 합금이 이루어짐을 알 수 있었다. 본 발명에 따르면, 하나의 실시형태에 따라서 용해로의 개선 및/또는 용해 과정에서의 원료 투입방법을 개선한 경우에 완전한 용융 합금이 이루어짐을 알 수 있었다.

본 제1공정에서는, 위와 같은 과제를 해결하기 위한 하나의 실시형태를 제공한다. 본 제1공정에 따라서, 철과 구리의 용탕을 형성하기 위한 용해로를 준비하되, 상기 용해로는 급격한 승온을 통해 빠른 용해가 가능한 고주파 유도열의 용해로를 사용한다. 또한, 상기 용해로는 마그네슘을 주성분으로 하는 세라믹 용해로를 사용하는 것이 좋다. 상기 세라믹 용해로는, 예를 들어 산화마그네슘을 주성분으로 하는 세라믹을 고온, 소성을 통해 제조된 것을 사용할 수 있다.

바람직한 실시형태에 따라서, 상기 용해로는 내면에 다공성의 불순물 흡수층을 형성시켜 사용한다. 구체적으로, 본 제1공정은 고주파 유도열의 세라믹 용해로를 준비하되, 상기 세라믹 용해로의 내면에 다공성의 불순물 흡수층을 형성하는 표면 처리 단계를 포함한다. 이때, 상기 불순물 흡수층은 용해로의 내면 전체 또는 일부에 형성되며, 구체적으로는 용탕과 맞닿는 면으로서 용해로의 적어도 내부 바닥면 및/또는 벽체 내부면에 형성될 수 있다.

또한, 상기 불순물 흡수층은 적어도 불순물 흡수제를 포함한다. 구체적으로, 상기 표면 처리 단계에서는 불순물 흡수제, 수지 및 용매를 포함하는 흡수층 조성물을 용해로의 내면에 도포한 다음, 소성하여 다공성의 불순물 흡수층을 형성할 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 다공성의 불순물 흡수층에 의해, 철-구리의 용탕 내에 포함된 불순물(예를 들어, C, O 등)이 흡수, 제거되어, 상기 비-이론적인 합금 조성에서도 편석(편중)없이 완전한 합금이 이루어진다. 이러한 다공성의 불순물 흡수층은, 예를 들어 0.5mm ~ 2mm의 두께를 가질 수 있으나, 이에 의해 한정되는 것은 아니다.

상기 불순물 흡수제는 철-구리의 용탕 내에 포함된 불순물(예를 들어, C, O 등)을 흡수, 제거할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 불순물 흡수제는 분말상으로서, 이는 예를 들어 50 ~ 500㎛의 크기를 가지는 것을 사용할 수 있다. 상기 불순물 흡수제는 금속산화물 및/또는 금속으로부터 선택될 수 있으며, 이는 바람직하게는 규산지르코늄(Zirconium Silicate) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 좋다. 상기 불순물 흡수제는, 보다 바람직하게는 규산지르코늄과 알루미늄(Al) 둘 모두를 사용하는 것이 좋다. 이때, 상기 알루미늄(Al)은 99.8중량% 이상의 고순도를 가지는 것을 사용할 수 있다. 상기 불순물 흡수제로서 위와 같은 규산지르코늄과 알루미늄(Al)은 다른 금속산화물이나 금속에 비하여 용탕 내의 불순물을 완전히 효과적으로 제거할 수 있어 본 발명에 바람직하다. 상기 규산지르코늄과 알루미늄(Al)은, 구체적으로 용탕 내의 불순물을 완전히 제거하여 철과 구리만을 포함하는 고순도의 합금 용탕을 형성할 수 있다. 이는 하기 실시예에 의해서도 확인될 수 있다.

또한, 상기 수지는 접착성을 가지는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 이는 분말상의 불순물 흡수제 상호간을 결집시키면서 용해로 내면과 불순물 흡수층의 초기 접착력을 제공할 수 있는 것이면 좋다. 아울러, 상기 수지는 소성에 의한 고온의 열에 의해 제거되어, 불순물 흡수층에 다공성을 부여한다. 상기 수지는 합성수지 및/또는 천연수지 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 수지는 고상 및/또는 액상일 수 있으며, 이는 예를 들어 아크릴계, 비닐계, 에폭시계, 우레탄계, 실리콘계, 올레핀계, 에스테르계 및 고무계 등으로부터 선택된 하나 이상의 중합체 및/또는 이들의 공중합체 등으로 선택될 수 있다.

상기 수지는, 바람직하게는 부타디엔-스티렌-알킬 메타크릴레이트 공중합체(Butadiene-Styrene-Alkyl Methacrylate copolymer)를 사용할 수 있다. 상기 부타디엔-스티렌-알킬 메타크릴레이트 공중합체는, 구체적인 예를 들어 부타디엔-스티렌-메틸 메타크릴레이트 공중합체, 부타디엔-스티렌-에틸 메타크릴레이트 공중합체 및/또는 부타디엔-스티렌-부틸 메타크릴레이트 공중합체 등으로부터 선택될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 부타디엔-스티렌-알킬 메타크릴레이트 공중합체는 50nm ~ 500nm의 입자 크기를 가지는 것을 사용할 수 있다. 이와 같이 수지로서 부타디엔-스티렌-알킬 메타크릴레이트 공중합체를 선택하고, 나노 크기를 가지는 것을 사용하는 경우, 소성을 통해 빠르게 제거될 수 있고 분말상의 불순물 흡수제 간의 사이에 고르게 분산된다. 이에 따라, 불순물 흡수제 간의 결집력을 개선함은 물론 불순물 흡수층에 균질하고 미세한 다공구조를 형성시켜 불순물의 흡수 제거능이 향상된다.

상기 용매는 분산성과 도포성을 위한 것으로서, 이는 탄화수소계로부터 선택될 수 있다. 상기 용매는, 예를 들어 알코올류 및/또는 케톤류 등으로부터 선택될 수 있다.

또한, 상기 흡수층 조성물은 하나의 예시에서 불순물 흡수제 50 ~ 80중량%, 수지 5 ~ 20중량% 및 용매 15 ~ 40중량%를 포함할 수 있다. 이때, 불순물 흡수제의 함량이 50중량% 미만인 경우, 불순물의 흡수 제거능이 미미할 수 있고, 80중량%를 초과하는 경우 다공성과 도포성이 떨어질 수 있다. 아울러, 상기 수지의 함량이 5중량% 미만인 경우, 다공성과 접착성이 떨어질 수 있으며, 20중량%를 초과하는 경우 상대적으로 불순물 흡수제의 함량이 낮아져 불순물의 흡수 제거능이 미미해질 수 있다. 그리고 용매는 분산성과 도포성을 고려하여 상기 범위가 좋다.

위와 같이 본 제1공정을 통해 용해로의 내면에 다공성의 불순물 흡수층을 형성한 경우, 용해 과정에서 용탕 내에 포함된 불순물이 흡수, 제거되어 균질상의 완전한 철-구리 합금을 생성할 수 있으며, 이와 함께 불순물을 거의 포함하지 않은 고순도의 철-구리 합금을 효과적으로 얻을 수 있다.

[2] 용해(제2공정)

상기 용해로에 철과 구리의 합금 원료를 투입한다. 이때, 철은 고순도의 순철을 사용할 수 있으며, 상기 구리는 고순도의 전해동을 사용할 수 있다. 용해로는 전원 인가에 의한 고주파 유도열에 의해 가온될 수 있다. 용해로는, 철과 구리가 용해될 수 있는 온도로 유지하면 좋다. 예를 들어, 고주파 유도열을 통해 용해로를 빠르게 승온시켜 약 1,520℃ ~ 1,650℃로 유지하여 철과 구리를 용해하는 것이 좋다. 이러한 용해 과정에서는 교반이 진행될 수 있다.

또한, 본 제2공정에서는 최종 생성된 철-구리 합금의 전체 기준으로 철 55 ~ 95원자%(또는 부피%)와 구리 5 ~ 45원자%(또는 부피%)를 포함하도록, 상기 용해로에 철과 구리를 투입, 용해하여 용탕을 형성한다. 구체적으로, 용해로에 철과 구리의 총 투입량을 철 55 ~ 95부피%와 구리 5 ~ 45부피%(즉, 철 : 구리 = 55 ~ 95 : 5 ~ 45의 부피비)로 하는 경우에 상기 합금 조성을 갖게 할 수 있다. 이때, 구리의 함량이 5원자%(5부피%) 미만인 경우, 예를 들어 열전도성, 내식성 및/또는 전자기파 차폐성 등이 미미해질 수 있다. 그리고 구리의 함량이 45원자%(45부피%)를 초과하는 경우, 상대적으로 철의 함량이 낮아져 예를 들어 경도 및/또는 내마모성 등의 기계적 강도가 낮아질 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따라서, 위와 같은 점을 고려하여 본 제2공정에서는 최종 생성된 철-구리 합금의 전체 기준으로 철 80.5 ~ 95원자%와 구리 5 ~ 19.5원자%를 포함하도록, 상기 용해로에 철과 구리를 투입, 용해하여 용탕을 형성하는 것이 좋다. 즉, 용해로에 철과 구리의 총 투입량을 철 80.5 ~ 95부피%와 구리 5 ~ 19.5부피%(즉, 철 : 구리 = 80.5 ~ 95 : 5 ~ 19.5의 부피비)로 하는 경우에 상기 합금 조성을 갖게 하는 것이 바람직하다. 이러한 바람직한 합금 조성을 가지는 경우, 우수한 열전도성, 기계적 물성, 전자기파 차폐성 및/또는 연자성 등을 갖는다.

하나의 실시형태에 따라서, 상기 용해로에 철과 구리를 투입함에 있어서, 철과 구리를 초기에 1 : 1의 부피비로 투입하고, 교반을 진행하면서 빠르게 용해시킨 다음, 이후 철을 추가 투입하여 상기 합금 조성을 갖도록 할 수 있다. 즉, 한번의 투입을 통해 상기 합금 조성을 갖도록 하는 것보다는 초기에는 철과 구리를 1 : 1의 부피비로 투입하고, 이후 철을 추가 투입함으로써 상기 합금 조성을 갖도록 하는 것이 균질한 철-구리의 합금 조성에 바람직하다. 아울러, 철의 추가 투입 시에는 간헐적으로 조금씩 투입하는 것이 보다 바람직하다. 즉, 소량으로 수회에 걸쳐 철을 추가 투입하는 것이 균질한 합금 조성에 유리하다.

또한, 본 제2공정(용해 과정)에서는 용해로에 통상과 같이 탈산제를 첨가하여 탈산(산화 방지)시키면서 진행할 수 있다. 아울러, 본 제2공정(용해 과정)에서는 통상과 같이 플럭스를 더 첨가할 수 있다. 이때, 상기 탈산제와 플럭스는 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다. 상기 탈산제는, 예를 들어 99.8중량% 이상의 고순도 Al 및/또는 고순도 Ti 등을 사용할 수 있으며, 상기 플럭스는 Al₂O₃, CaO 및/또는 SiO₂ 등을 사용할 수 있다.

[3] 안정화(제3공정)

상기 용해를 통해 형성된 용탕을 안정화시킨다. 안정화는 용해로의 전원 공급을 차단하고, 용탕을 용해로에 소정 시간동안 방치하는 방법으로 진행할 수 있다. 이때, 안정화는 용탕 온도를 예를 들어 1,450℃ ~ 1,520℃로 유지하여 방치하는 방법으로 진행될 수 있다. 이러한 안정화에 의해, 철과 구리의 균질화가 이루어질 수 있다.

[4] 주조(제4공정)

상기 안정화된 용탕을 주조틀에 주입하여 일정 형태의 합금 주조물로 주조한다. 본 제4공정(주조)은 통상의 공정에 따른다. 상기 주조틀은 특별히 제한되지 않으며, 이는 주괴(ingot) 및 주조편의 형상을 갖거나, 경우에 따라서는 실제 적용 제품의 형상을 가질 수 있다. 아울러, 상기 주조틀은 통상과 같이 냉각 기능을 가질 수 있다.

또한, 본 제4공정을 통해 얻어진 주조물은 통상적인 열처리 및/또는 냉각 등의 공정을 통해 후처리될 수 있다. 상기 주조물은, 구체적인 예를 들어 소둔(Annealing), 불림(Normalizing), 담금질(Quenching) 및/또는 뜨임(Tempering) 등의 공정을 통해 후처리될 수 있다. 이러한 후처리는 적용 용도 및 제품에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 기계적 강도(인장강도 및 경도 등)가 요구되는 제품의 경우에는 담금질 및 뜨임이 진행될 수 있다. 아울러, 상기 주조물은 재용해 및/또는 후가공을 통해 다양한 형상을 가지며, 실제 적용 제품이나 반제품 등으로 가공될 수 있다.

[5] 입자화(제5공정)

본 제5공정은 선택적인 공정으로서, 이를 통해 분말상의 철-구리 합금을 얻을 수 있다. 본 제5공정에 따라서, 상기 제4공정(주조)을 통해 얻어진 주조물을 재용해한 다음, 분사시켜 분말상의 철-구리 합금 입자를 얻는다. 구체적으로, 본 제5공정은 상기 주조물을 재용해하는 재용해 단계와, 상기 재용해된 용해물을 분사시켜 분말상의 철-구리 합금 입자를 얻는 입자화 단계를 포함할 수 있다.

이때, 상기 재용해 단계에서는 제1공정에서와 같은 용해로를 사용할 수 있다. 또한, 본 제5공정의 재용해 단계에서는 철-구리 합금의 산화를 방지하기 위해, 진공의 용해로에서 재용해시키는 것이 좋다. 즉, 용해로는 진공로를 사용할 수 있다. 이러한 진공로에서 상기 주조물을 1,600℃~ 1,700℃에서 재용해할 수 있다. 상기 입자화 단계는 재용해된 용해물을 1,400℃~ 1,500℃에서 분사하여 분말상으로 입자화할 수 있다. 이때, 입자화된 분말은, 예를 들어 0.1㎛ ~ 150㎛의 크기를 가질 수 있다. 이와 같이 얻어진 분말상의 철-구리 합금 입자는, 바람직하게는 구형의 입자상을 가질 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 제조방법에 따르면, 철 55 ~ 95원자%와 구리 5 ~ 45원자%를 포함하는 비-이론적인 합금 조성임에도 편석(편중)없이 완전한 합금이 이루어진다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 철-구리 합금은 철의 장점과 구리의 장점이 잘 조율되어, 전술한 바와 같이 높은 열전도성 및 기계적 물성(인장강도, 경도 및 내마모성 등)을 가지며, 이와 함께 전자기파 차폐성 및 연자성 등을 가져 다양한 용도로의 사용이 가능하다.

바람직한 실시형태에 따라서, 본 발명에 따른 철-구리 합금은 철 80.5 ~ 95원자%(또는 부피%) 및 구리 5 ~ 19.5원자%(또는 부피%)를 포함한다. 보다 구체적으로는, 철 82.5 ~ 90.5원자% 및 구리 9.5 ~ 17.5원자%를 포함할 수 있다. 이와 같은 합금 조성을 가지는 경우 열전도성, 기계적 물성, 전자기파 차폐성 및/또는 연자성 등의 특성이 효과적으로 개선된다.

또한, 본 발명에 따른 철-구리 합금은 하기 (a) 내지 (c)의 물성을 가지는 것이 좋다. 하기 (a) 내지 (c)의 물성을 가지는 경우, 사출성형 및 다이캐스팅용 등의 금형소재로는 물론 3D 프린터용 소재 등으로 범용적인 사용이 가능하다.

(a) 열전도율 70 W/mㆍK 이상

(b) 인장강도 300 N/㎟ 이상

(c) 경도 100 HB 이상

상기 열전도율, 인장강도 및 경도는 통상의 측정방법에 따른다. 열전도율은, 예를 들어 ASTM E1461(Laser flash : Thru-plane)에 준하여 상온(20℃ ~ 25℃)에서 측정된 값일 수 있다. 그리고 인장강도는 KS B 0801에 준하여 측정되고, 경도는 KS B 0805에 준하여 측정된 것일 수 있다.

상기 열전도율은, 구체적인 예를 들어 70 ~ 150 W/mㆍK를 가질 수 있다. 또한, 상기 인장강도는, 구체적인 예를 들어 300 ~ 1,350 N/㎟를 가질 수 있다. 그리고 상기 경도는 브리넬 경도(Brinell Hardness)로서, 이는 구체적인 예를 들어 100 HB ~ 400 HB를 가질 수 있다. 이러한 각 물성은 적용 용도에 따라 최적화될 수 있다. 예를 들어, 인장강도 및 경도의 경우, 전술한 바와 같은 후처리(불림, 담금질 및 뜨임 등)를 통해 증가될 수 있으며, 이러한 후처리에 의해 인장강도는 500 N/㎟ 이상, 경도는 200 HB 이상을 가질 수 있다.

예시적인 실시형태에 따라서, 본 발명에 따른 철-구리 합금은 상기 (a) 내지 (c)의 물성과 함께 (d)45 ~ 650 m_m의 투자율(透磁率)을 가질 수 있다. 상기 투자율은 자성체(금속 등)에 대한 통상의 측정방법에 따르며, 이는 50 Hz의 저주파수에서 측정된 값이다.

또한, 본 발명에 따른 철-구리 합금은 구형의 입자상을 가지는 것이 바람직하다. 구형의 입자상은 상기 제5공정을 통해 구현될 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 철-구리 합금은 구형의 입자상을 가지되, 예를 들어 0.1㎛ ~ 150㎛의 크기를 가질 수 있다. 이와 같이, 구형의 입자상인 경우, 3D 프린터용 소재로 유용하게 사용될 수 있다. 본 발명에서, 「구형」은 완전한 구형만을 의미한 것은 아니며, 이는 완전한 구형(spherical)은 물론 준-구형(quasi-spherical)을 포함한다.

본 발명에서, 「구형의 입자」는, 철-구리의 합금이 비-이론적인 합금 조성임에도 편석(편중)됨이 없이 철과 구리가 합금 내에 균일하게 분포되고 완전한 용융 합금이 이루어졌음을 의미한다. 이러한 점에서 「구형의 입자」는 기술적 의의를 갖는다. 즉, 완전한 용융 합금이 이루어지 않는 경우, 분사를 통해 구형의 입자상을 갖기 어렵다. 아울러, 본 발명에서, 「구형의 입자」는 재용해를 통해 균일한 조성의 철-구리 합금 성형물을 가공할 수 있다는 점에서도 기술적 의의를 갖는다.

한편, 본 발명에 따른 철-구리 합금은 다양한 분야 및 용도로 사용될 수 있으며, 적용 분야 및 용도는 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에 따른 철-구리 합금은, 전술한 바와 같이 금형소재로는 물론 전자 부품, 정밀 기계 부품, 고열 기계 부품 및 3D 프린터용 소재 등으로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 철-구리 합금은 탄성재료, 차폐재료, 항균재료, 센서재료 및 수술용 의료 도구 등은 물론, 에너지 분야나 도료 분야 등에 폭넓게 적용될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기의 비교예는 종래 기술을 의미하는 것은 아니며, 이는 단지 실시예와의 비교를 위해 제공된다.

[실시예 1]

< 용해로 >

고주파 유도열 용해로로서 마그네슘을 주성분으로 하는 세라믹 용해로를 준비하였다. 이후, 준비된 용해로의 내부 벽면과 바닥에 다공성의 불순물 흡수층을 형성하였다. 상기 다공성의 불순물 흡수층은, 조성물 전체 중량 기준으로 불순물 흡수제 65중량%, 수지 15중량% 및 용매 30중량%을 혼합한 흡수층 조성물을 약 1mm의 두께로 도포한 다음, 약 1,150℃의 온도로 가열, 소성하여 형성하였다. 이때, 상기 불순물 흡수제로는 규산지르코늄(ZrSiO₄)과 Al 분말을 사용하고, 상기 수지로는 부타디엔-스티렌-메틸 메타크릴레이트 공중합체를 사용하였으며, 상기 용매로는 아이소프로필 알코올을 사용하였다.

< 용탕/안정화/주조 >

상기 용해로에 철(순도 약 99.9중량%의 순철)과 구리(순도 약 99.9중량%의 전해동)을 초기에 1 : 1의 부피비로 투입하고, 교반을 진행하면서 출력을 높여 빠르게 용해시켰다. 이때, 용해 과정에서는 탈산제(Al)를 간헐적으로 첨가하여 탈산시키면서 진행하였다. 또한, 육안 관찰을 통해 투입된 철과 구리의 완전한 용해를 확인한 다음, 철의 함량을 높이기 위해 용해로에 철을 조금씩 추가 투입하고 용탕 온도 약 1,550℃에서 완전히 용해시켰다. 이후, 용해로의 전원을 차단하고, 용탕 온도가 약 1,500℃가 될 때까지 방치하여 안정화시켰다. 다음으로, 안정화된 용탕을 주조틀에 주입한 후, 냉각시켜 Fe-Cu 합금 잉고트(ingot)를 얻었다.

[실시예 2 및 실시예 3]

상기 실시예 1과 대비하여, 최종 합금 조성(Fe와 Cu의 원자%)을 다르게 하기 위해, 용해 과정에서 철의 추가 투입량을 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 각 실시예에 따른 Fe-Cu 합금 잉고트(ingot)를 얻었다.

[비교예 1]

용해로의 내면에 다공성의 불순물 흡수층을 형성함에 있어, 불순물 흡수제의 종류를 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 구체적으로, 불순물 흡수제로서 규산지르코늄(ZrSiO₄)과 Al의 대신에 산화지르코늄(ZrO₂)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

[비교예 2]

상기 실시예 1과 비교하여, 용해로에 철과 구리를 투입함에 있어 9 : 1의 부피비로 한번에 투입하고, 또한 용해로의 내면에는 다공성의 불순물 흡수층을 형성하지 않고 용해하여 제조된 것을 본 비교예 2에 따른 시편으로 사용하였다.

위와 같이 얻어진 Fe-Cu 합금 시편에 대하여, 다음과 같이 성분을 분석하고, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다. 또한, 각 합금 시편에 대하여 열전도율, 인장강도, 경도 및 투자율(透磁率)을 평가하고, 그 결과를 하기 [표 1]에 함께 나타내었다. 열전도율은 금속 시료의 열전도도 측정방법으로서, 각 합금 시편의 밀도, 비열 및 열확산계수를 측정한 다음, ASTM E1461(Laser flash : Thru-plane)에 준하여 평가하였다. 이때, 모든 시험은 25℃의 온도에서 진행하였다. 또한, 인장강도는 KS B 0801에 준하여 평가하였으며, 경도는 KS B 0805에 준하여 브리넬 경도(Brinell Hardness)로 평가하였다. 그리고 투자율은 투자율 측정기(일본, 이연전자(주)의 제품, 모델명 BHU-60)를 이용하여 주파수 50 Hz에서 평가하였다.

< 성분 분석 >

무게를 측정한 합금 시편을 글래스(glass) 재질의 비커에 넣고 왕수(염산 + 황산 수용액) 10mL를 가하여 용해하였다. 그리고 아래의 측정조건에 따른 고주파 유도결합 플라즈마 발광분광분석(ICP-AES)을 통해 Fe와 Cu를 정량하여 시료중의 농도로 환산하여 분석하였다.

* ICP-AES의 측정조건

- 측정 장치 : PerkinElmer Optima 5300DV

- 측정파장 : 238.204nm(Fe), 327.393nm(Cu)

- 정량방법 : 내부표준법

< Fe-Cu 합금의 성분 분석 및 물성 평가 결과 >

비 고	불순물 흡수제	성분 조성 (원자%)		열전도율 [W/mㆍK]	인장강도 [N/㎟]	브리넬 경도 [HB]	투자율 [m_m]
비 고	불순물 흡수제	Fe	Cu	열전도율 [W/mㆍK]	인장강도 [N/㎟]	브리넬 경도 [HB]	투자율 [m_m]
실시예 1	ZrSiO₄ + Al	89.58	10.42	74.3	327	154	630
실시예 2	ZrSiO₄ + Al	88.32	11.68	76.6	323	143	613
실시예 3	ZrSiO₄ + Al	90.07	9.93	70.5	342	161	637
비교예 1	ZrO₂	편석 발생		56.1	크랙	-	-
비교예 2	-	편석 발생		47.3	크랙	-	-

상기 [표 1]에 보인 바와 같이, 실시예들에 따른 Fe-Cu 합금의 경우, 비교예들에 비하여 70 W/mㆍK 이상의 높은 열전도율을 가짐을 알 수 있었다. 또한, 실시예들에 따른 Fe-Cu 합금은 320 N/㎟ 이상의 인장강도 및 140 HB 이상의 경도를 가짐을 알 수 있었다. 이때, 320 N/㎟ 이상의 높은 인장강도는, Fe와 Cu가 편석(편중)됨이 없이 균일한 분포를 가지면서 완전한 합금이 이루어졌음을 의미한다. 아울러, 약 600 m_m 수준의 투자율을 보임을 알 수 있었으며, 이는 전자기파 차폐능을 가짐을 의미한다. 첨부된 도 1은 실시예 1에 따른 합금의 B-H 곡선(자화곡선 ; magnetization curve)을 보인 것으로서, 이는 연자성을 가짐을 의미한다.

이에 반하여, 비교예들의 경우 완전한 합금이 이루어지지 않고 편석이 발생됨을 알 수 있었다. 또한, 인장강도의 측정 시 편석으로 인해 크랙이 발생되어 인장강도의 측정이 불가능하였다. 아울러, 비교예들의 경우, 편석으로 인해 성분이 불균일하므로 정확히 평가할 수가 없어 [표 1]에 나타내지 않았다. 경도와 투자율의 경우도 위와 같은 이유로 나타내지 않았다.

하기 [표 2]는 후처리에 따른 물성 평가 결과로서, 이는 상기 실시예 2와 동일한 합금 시편에 대하여 처리 전과 처리 후의 결과를 보인 것이다. 후처리는 통상적인 방법에 따라 소둔(Annealing), 불림(Normalizing), 담금질(Quenching) 및 뜨임(Tempering)을 진행하였다.

< Fe-Cu 합금의 후처리에 따른 물성 변화 결과 >

비 고	처리 전 (실시예 2)	처리 후
비 고	처리 전 (실시예 2)	소둔	불림	담금질(900℃) + 뜨임	담금질(1,050℃) + 뜨임
인장강도 [N/㎟]	323	301	604	1,016	1,311
신율 [%]	10	30	15	3	1
브리넬 경도 [HB]	143	100	207	282	374

상기 [표 2]에 보인 바와 같이, Fe-Cu 합금은 후처리에 의해 물성이 변화됨을 알 수 있었다. 예를 들어, 온도 1,050℃에서 담금질(및 뜨임)을 진행한 경우 1,300 N/㎟ 이상의 인장강도와 370 HB 이상의 경도로서, 처리 전에 비해 기계적 강도가 향상됨을 알 수 있었다. 이와 같이, 일반 순수 단일 금속(순철 등)과 같이 열처리에 의해 기계적 강도가 향상되고 있음을 볼 때, 이는 완전한 합금이 이루어졌음을 의미한다.

[실시예 4 ~ 6]

상기 실시예 1과 대비하여, 최종 합금 조성(Fe와 Cu의 원자%)을 다르게 하기 위해, 용해 과정에서 철의 추가 투입량을 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 각 실시예(4 ~ 6)에 따른 Fe-Cu 합금 잉고트(ingot)를 얻었다. 또한, 본 실시예들에서는 주조를 통해 얻어진 Fe-Cu 합금 잉고트를 다음과 같이 입자화시켜 분말상의 Fe-Cu 합금 입자를 제조하였다.

먼저, 주조를 통해 얻어진 각 실시예(4 ~ 6)에 따른 Fe-Cu 합금 잉고트를 고주파 유도열의 용해로에 넣고, 최대 출력을 가하여 약 1,650℃의 온도에서 재용해시켰다. 이때, 용해로는 산화 방지를 위해 진공을 유지하였다. 다음으로, 분사기를 이용하여 상기 재용해된 용해물을 분사시켜 입자화시켰다. 이때, 분사 챔버는 산화 방지를 위해 아르곤(Ar) 가스 분위기로 유지하였으며, 상기 용해물을 1,450℃의 온도에서 분사시켜 제조하였다.

첨부된 도 2 내지 도 5는 상기 각 실시예들(4 ~ 6)에 따라 제조된 분말상의 Fe-Cu 합금 입자에 대한 SEM 사진과 EDS 분석 결과를 보인 것이다. 도 2은 실시예 4에 따른 Fe-Cu 합금 입자의 배율별 SEM 사진을 보인 것이고, 도 3은 실시예 4에 따른 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과를 보인 것이다. 그리고 도 4는 실시예 5에 따른 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과를 보인 것이고, 도 5는 실시예 6에 따른 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과를 보인 것이다.

도 2 내지 도 5에 보인 바와 같이, 각 실시예들(4 ~ 6)에 따라 제조된 Fe-Cu 합금 입자는 30㎛ 이하의 미립자로서 거의 완전한 구형의 형태를 가짐을 알 수 있다. 또한, 도 3의 하단에 보인 3개의 사진은 Fe과 Cu의 분포를 보인 것(Fe : 빨간색, Cu : 초록색)으로서, Fe과 Cu가 편석(편중)됨이 없이 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있다. 이때, 도 3의 하단에 보인 3개의 사진 중에서, 가운데 사진은 Fe의 분포(빨간색)을 보인 것이고, 맨 오른쪽 사진은 Cu의 분포(초록색)를 보인 것이며, 맨 왼쪽 사진은 Fe과 Cu의 분포를 보인 것이다. 이와 같이, Fe-Cu 합금 입자가 완전한 구형의 형태를 가지면서 균일한 분포를 보인다는 것은 Fe과 Cu가 완전한 합금을 이루고 있음을 의미한다.

한편, 첨부된 도 6은 비교예 2에 따른 잉고트를 이용하여 분사시킨 입자 시편의 SEM 사진이다. 도 6에 보인 바와 같이, 비교예 2의 경우에는 편석으로 인해 입자의 형상이 불균일한 조각 형태를 가졌다. 이는 완전한 합금이 이루어지지 않았음을 의미한다.

Claims

용해로를 준비하는 제1공정;
철-구리 합금에 철 55 ~ 95원자%와 구리 5 ~ 45원자%를 포함하도록, 상기 용해로에 철과 구리를 투입, 용해하여 용탕을 형성하는 제2공정;
상기 용탕을 안정화하는 제3공정; 및
상기 안정화된 용탕을 주조틀에 주입하여 주조하는 제4공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 철-구리 합금의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제4공정을 통해 얻어진 주조물을 재용해한 다음, 분사시켜 철-구리 합금 입자를 얻는 제5공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철-구리 합금의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제2공정은 용해로의 온도를 1,520℃ ~ 1,650℃로 유지하여 철과 구리를 용해하고,
상기 제3공정은 용해로의 온도를 1,450℃ ~ 1,520℃로 유지하여 안정화하는 것을 특징으로 하는 철-구리 합금의 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 제5공정은,
상기 제4공정을 통해 얻어진 주조물을 진공의 용해로에서 1,600℃~ 1,700℃로 재용해하는 재용해 단계; 및
상기 재용해된 용해물을 1,400℃~ 1,500℃에서 분사하여 0.1㎛ ~ 150㎛의 크기를 가지는 철-구리 합금 입자를 얻는 입자화 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철-구리 합금의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제1공정은 용해로의 내면에 다공성의 불순물 흡수층을 형성하는 표면 처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철-구리 합금의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 표면 처리 단계는 불순물 흡수제, 수지 및 용매를 포함하는 흡수층 조성물을 용해로의 내면에 도포한 다음, 소성하여 다공성의 불순물 흡수층을 형성하는 것을 특징으로 철-구리 합금의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 불순물 흡수제는 규산지르코늄 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 철-구리 합금의 제조방법.
철 55 ~ 95원자%; 및
구리 5 ~ 45원자%를 포함하는 것을 특징으로 하는 철-구리 합금.
철 55 ~ 95원자%; 및
구리 5 ~ 45원자%를 포함하고,
내면에 다공성의 불순물 흡수층이 형성된 용해로에서 철과 구리를 용해시켜 용융 합금한 것을 특징으로 하는 철-구리 합금.
제9항에 있어서,
상기 다공성의 불순물 흡수층은 규산지르코늄 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 철-구리 합금.
제8항에 있어서,
상기 철-구리 합금은,
철 80.5 ~ 95원자%; 및
구리 5 ~ 19.5원자%를 포함하고,
하기 (a) 내지 (c)의 물성을 가지는 것을 특징으로 하는 철-구리 합금.
(a) 열전도율 70 W/mㆍK 이상
(b) 인장강도 300 N/㎟ 이상
(c) 경도 100 HB 이상
제8항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 철-구리 합금은 구형의 입자상이고, 0.1㎛ ~ 150㎛의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 철-구리 합금.