KR20190049255A - Method for manufacturing metallic structure with improved thermal resistance and metallic catalyst module using same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 금속 구조체의 제조방법 및 이를 이용한 금속 촉매 모듈에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 스테인레스강(Stainless steel)을 포함하는 기판에 금속간 화합물 층과 금속 분말을 포함하는 요철구조를 형성하고 열처리를 통해 내열특성이 우수한 금속 구조체의 제조방법 및 이를 이용한 금속 촉매 모듈에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a metal structure and a metal catalyst module using the same. More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing a metal structure having a concave-convex structure including an intermetallic compound layer and a metal powder on a substrate including stainless steel and having excellent heat resistance characteristics through heat treatment, .
금속판, 금속망 등의 금속 구조체의 표면상에 다공성 담체층 및 활성 촉매 성분을 부착하여 금속 촉매 모듈을 제조할 수 있다. 이러한 금속 촉매 모듈은 종래의 세라믹 구조체를 이용하는 허니콤(Honeycomb) 반응기에 비해, 열전도율이 높아서 빠른 온도 응답 특성을 가지고, 두께가 얇은 금속을 사용할 수 있기 때문에 단위 부피당 표면적을 증가시킬 수 있다. 또한, 금속 촉매 모듈의 압력강하를 줄일 수 있으며, 가공성이 우수하여 제작이 보다 용이하고, 기계적 강도가 높아 내구성이 향상되는 장점이 있다.A metal catalyst module may be prepared by attaching a porous support layer and an active catalyst component on the surface of a metal structure such as a metal plate or a metal mesh. Such a metal catalyst module can increase the surface area per unit volume because it can use a thin metal having a high thermal conductivity and a fast temperature response characteristic as compared with a honeycomb reactor using a conventional ceramic structure. In addition, the pressure drop of the metal catalyst module can be reduced, and the processability is improved, so that it is easier to manufacture, and the durability is improved due to high mechanical strength.
금속 구조체에 다공성 담체층 및 촉매를 피복하여 이를 고온에서 작동하는 촉매 반응기에 적용하는 경우 금속과 다공성 세라믹 담체와는 열팽창 계수 차이가 크기 때문에 다공성 담체층이 쉽게 박리되어 떨어지는 현상이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 금속구조물 표면에 요철을 형성하고 여기에 다공성 담체층을 코팅하는 방법이 연구되고 있다. When a metal structure is coated with a porous support layer and a catalyst and the catalyst is applied to a catalytic reactor operating at a high temperature, a difference in thermal expansion coefficient between the metal and the porous ceramic support is large, so that the porous support layer is easily peeled off. In order to solve such a problem, a method of forming irregularities on the surface of a metal structure and coating a porous carrier layer thereon has been studied.
한편, 금속을 700℃ 이상의 고온에서 사용하기 위해서는 금속 자체가 내열특성을 가져야 한다. 이때, 내열특성이 있는 대표적인 합금이 Fe-Cr-Al 합금이다. Fe-Cr-Al 합금에는 크롬(Cr)이 15~25중량%, 알루미늄(Al)과 실리콘(Si)이 3~8중량% 함유되어 있다. 내열특성 향상을 위해 소량의 이트륨(Y)이나 지르코늄(Zr)이 첨가될 수 있다. Fe-Cr-Al 합금은 고온의 대기 중에서 가열하면 표면에 알루미나(Alumina)층이 형성되어 내열특성을 가지게 된다. 이러한 이유로 고온 촉매 활성판의 원소재로 Fe-Cr-Al 합금이 사용될 수 있다. On the other hand, in order to use a metal at a high temperature of 700 ° C or more, the metal itself must have a heat-resistant property. At this time, a typical alloy having heat resistance characteristics is Fe-Cr-Al alloy. The Fe-Cr-Al alloy contains 15 to 25% by weight of chromium (Cr), and 3 to 8% by weight of aluminum (Al) and silicon (Si). A small amount of yttrium (Y) or zirconium (Zr) may be added to improve the heat resistance. When Fe-Cr-Al alloy is heated in a high-temperature atmosphere, an alumina layer is formed on the surface to have a heat-resistant property. For this reason, a Fe-Cr-Al alloy may be used as a raw material of the high-temperature catalytic active plate.
철(Fe)-크롬(Cr)-알루미늄(Al)계(Fe-Cr-Al) 내열 금속 판재 표면에 Fe-Cr-Al 분말을 뿌리고 이를 소결하여 요철이 있는 Fe-Cr-Al 판재를 만든 후 여기에 다공성 감마 알루미나(γ-Alumina, γ-Al2O3)를 워시 코팅(Wash coating)하여 촉매 활성판을 제조한다. 이렇게 제조된 촉매 활성판은 상온 ~ 700℃에서 열이력 시험을 1000회 반복하여도 다공성 감마 알루미나가 박리되지 않고 내구성을 가질 수 있다고 보고되고 있다 (대한민국 특허 제 10-1305451).Fe-Cr-Al powder was sprinkled on the surface of the iron (Fe) -chromium (Cr) -Al alloy (Fe-Cr-Al) here by a porous gamma-alumina (γ-alumina, γ-Al 2 O 3) wash coating (Wash coating) to prepare a catalytically active plate. It has been reported that porous activated gamma alumina can be durably durable even when the thermal activation test is repeated 1000 times at room temperature to 700 ° C (Korean Patent No. 10-1305451).
일반적으로 수백 마이크로미터 이하 크기의 분말이 판재 표면에 공급될 경우, 이동 중이나 취급 중에 판재를 기울이게 되면 분말이 판재표면에서 쉽게 떨어지는 문제가 발생한다. 이런 경우 요철이 판재 표면에 균일하게 형성되지 않는 단점이 있다. 또한 직경이 수백 마이크로미터 이하의 선재에 요철을 형성하고자 하는 경우에는, 선재의 단면이 원으로 되어 있어 요철 형성을 위해 뿌린 금속 분말을 선재의 표면에 부착시키는 것은 쉽지 않다고 판단된다. Generally, when a powder having a size of several hundreds of micrometers or less is supplied to the surface of the plate, there arises a problem that the powder easily falls off the plate surface when the plate is tilted during transportation or handling. In this case, unevenness is not uniformly formed on the surface of the plate. In addition, when it is desired to form concavities and convexities on a wire having a diameter of several hundreds of micrometers or less, it is considered that it is not easy to adhere the metal powder sprayed on the surface of the wire for forming the concavo-convex to the surface thereof.
또한, Fe-Cr-Al 합금은 일반 스테인레스강(Stainless steel)에 비하여 수 중량% 이상의 알루미늄(Al)을 첨가하기 때문에, 용해공정의 제어가 쉽지 않고, 고온 및 상온에서 가공성이 좋지 않아, 수백 마이크로미터(㎛) 이하의 두께를 갖는 판재 또는 수백 마이크로미터(㎛) 이하의 직경을 갖는 선재를 제조할 경우 가격이 스테인레스강 판재에 비해 수배 정도 비싸다는 단점이 있다. In addition, since Fe-Cr-Al alloy is added with aluminum (Al) in an amount of more than several percent by weight relative to general stainless steel, it is difficult to control the melting process, and workability at high temperature and room temperature is poor, There is a disadvantage in that a plate material having a thickness of less than a meter (占 퐉) or a wire material having a diameter of several hundreds of micrometers (占 퐉) or less is several times more expensive than a stainless steel plate.
또한, 대량 생산되어 시판되는 스테인레스 강은 Fe-Cr-Al합금에 비해 가격은 저렴하나, 고온 내열성이 떨어져 고온 촉매 모듈용 금속지지체로 직접 사용하는 것은 곤란한 문제가 있다.In addition, the commercially available stainless steel is inexpensive as compared with Fe-Cr-Al alloy, but has a high heat resistance and is difficult to use directly as a metal support for a high temperature catalyst module.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 스테인레스강을 포함하는 기판에 금속간 화합물층을 형성하고, 금속 분말을 포함하는 요철구조를 형성하고 열처리를 통해 내열특성이 우수한 금속 구조체를 제조하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device, which comprises forming an intermetallic compound layer on a substrate including stainless steel, It is an object of the present invention to produce an excellent metal structure.
또한, 본 발명은 상기 금속 구조체를 포함한 촉매 모듈을 제조하여, 다공성 담체층이 요철 구조에 의해 쉽게 탈리되지 않도록 부착력을 향상시키고, 급격한 열처리 환경에서도 촉매 모듈의 표면이 변화되지 않는 내열특성을 부여하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention provides a catalyst module including the metal structure, which improves the adhesion force so that the porous carrier layer is not easily separated by the concavo-convex structure, and provides the heat resistant property that the surface of the catalyst module does not change even in a rapid heat treatment environment .
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, (a) 금속 분말 및 할라이드(Halide) 분말을 포함하는 분말 혼합체를 준비하는 단계; (b) 철(Fe)을 포함하는 기판을 준비하는 단계; (c) 상기 분말 혼합체와 상기 기판을 접촉시키고 가열하는 단계; (d) 상기 기판의 상부에 금속간 화합물층을 형성하는 단계; (e) 상기 금속간 화합물층 상에 상기 금속 분말을 포함하는 요철 구조를 형성하는 단계; 및 (f) 상기 기판을 열처리하는 단계를 포함하는, 금속 구조체 제조방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a powder mixture comprising: (a) preparing a powder mixture including a metal powder and a halide powder; (b) preparing a substrate comprising iron (Fe); (c) contacting and heating the powder mixture and the substrate; (d) forming an intermetallic compound layer on the substrate; (e) forming an uneven structure including the metal powder on the intermetallic compound layer; And (f) heat treating the substrate.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 분말은, 철(Fe)-알루미늄(Al)합금 분말 또는 크롬(Cr)-알루미늄(Al)합금 분말을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the metal powder may include an iron (Fe) -aluminum (Al) alloy powder or a chromium (Cr) -aluminum (Al) alloy powder.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 철(Fe)-알루미늄(Al)합금 분말은, 상기 알루미늄(Al)이 45 내지 55 중량%, 상기 철(Fe)이 잔부를 구성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the amount of the aluminum (Al) alloy may be 45 to 55 wt% and the balance of the iron (Fe) may be constituted of the iron (Fe) -Al alloy.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 크롬(Cr)-알루미늄(Al)합금 분말은, 상기 알루미늄(Al)이 45 내지 55 중량%, 상기 크롬(Cr)이 잔부를 구성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the chromium (Cr) -aluminum (Al) alloy powder may comprise 45 to 55% by weight of the aluminum (Al) and the balance of the chromium (Cr).
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (c) 단계에서, 상기 기판을 상기 분말 혼합체에 디핑(deeping)하여 상기 기판과 상기 분말 혼합체를 접촉시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the step (c), the substrate and the powder mixture may be contacted by deepening the substrate with the powder mixture.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 할라이드(Halide)는, 염화리튬(LiCl), 염화나트륨(NaCl), 염화칼륨(KCl) 등의 알칼리금속 염화물, 염화칼슘(CaCl2), 염화바륨(BaCl2), 염화암모늄(NH4Cl), 불화나트륨(NaF), 불화칼륨(KF), 불화리튬(LiF), 불화마그네슘(MgF2), 불화칼슘(CaF2), 불화바륨(BaF2) 및 불화암모늄(NH4F), 요오드화나트륨(NaI), 요오드화칼륨(KI), 요오드화리튬(LiI), 요오드화마그네슘(MgI2), 요오드화칼슘(CaI2), 요오드화바륨(BaI2) 및 요오드화암모늄(NH4I)으로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.Further, according to one embodiment of the invention, the halide (Halide), the lithium chloride (LiCl), sodium chloride, alkali metal chlorides, calcium chloride, such as (NaCl), potassium chloride (KCl) (CaCl 2), barium chloride (BaCl 2 ), ammonium chloride (NH 4 Cl), sodium fluoride (NaF), potassium fluoride (KF), lithium fluoride (LiF), magnesium fluoride (MgF 2), calcium fluoride (CaF 2), barium fluoride (BaF 2) and hydrofluoric (NH 4 F), sodium iodide (NaI), potassium iodide (KI), lithium iodide (LiI), magnesium iodide (MgI 2 ), calcium iodide (CaI 2 ), barium iodide (BaI 2 ) and ammonium iodide 4 I). ≪ / RTI >
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분말 혼합체는, 상기 할라이드 분말 0.5 내지 3 중량%, 상기 금속 분말이 잔부를 구성할 수 있다.Also, according to an embodiment of the present invention, the powder mixture may comprise the remainder of the metal powder in an amount of 0.5 to 3% by weight of the halide powder.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (c) 단계에서, 가열은 700℃ 내지 1000℃에서, 4시간 내지36시간동안 수행할 수 있다.Further, according to an embodiment of the present invention, in the step (c), the heating may be performed at 700 ° C to 1000 ° C for 4 hours to 36 hours.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (d) 단계는, 상기 금속 분말과 상기 할라이드 분말이 반응하여 금속-할라이드(Aluminum halide)를 형성하고, 상기 금속-할라이드가 상기 기판과 반응하여 상기 기판의 상부에 상기 금속간 화합물층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the step (d), the metal powder reacts with the halide powder to form an aluminum halide, and the metal-halide reacts with the substrate, And forming the intermetallic compound layer on the substrate.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속간 화합물층은, 알루미나이드(Aluminide)를 포함할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the intermetallic compound layer may include aluminide.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (e) 단계는, 상기 금속간 화합물층이 상기 금속 분말과 결합하여 상기 요철 구조를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step (e) may include forming the concavo-convex structure by bonding the intermetallic compound layer with the metal powder.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (f) 단계에서, 가열은 700℃ 내지 1000℃에서, 10시간 내지 36시간동안 수행할 수 있다.Further, according to an embodiment of the present invention, in the step (f), the heating may be performed at 700 ° C to 1000 ° C for 10 hours to 36 hours.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (f) 단계에서, 가열온도와 가열시간은 하기의 [식 1]을 만족할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the step (f), the heating temperature and the heating time may satisfy the following expression (1).
[식 1][Formula 1]
h≥[exp(-234,000/(R*1273))]/[exp(-234,000/(R*T))]*(1/400)*(d)2.exp (-234,000 / (R * 1273))] / [exp (-234,000 / (R * T))] (1/400) * (d) 2 .
(여기서, h는 가열시간(단위는 시간), T는 가열온도(단위는 K), d는 금속 분말의 크기(10≤d≤106, 단위는 ㎛), R = 8.314J/(mol*K))D is the size of the metal powder (10 ≤ d ≤ 106, in units of ㎛), R = 8.314 J / (mol * K), where h is the heating time in hours, T is the heating temperature in K, ))
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (f) 단계에서, 상기 금속간 화합물층이 제거되고 상기 기판의 상부에 요철구조가 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the step (f), the intermetallic compound layer may be removed and a concave-convex structure may be formed on the substrate.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상기 (f) 단계에서, 열처리에 의해 상기 금속간 화합물층이 고용(solid solution)되어 상기 기판에 확산될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the step (f), the intermetallic compound layer may be solid solution and diffused into the substrate by heat treatment.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (f) 단계는, 불활성 가스 또는 환원성 가스 분위기에서 수행할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step (f) may be performed in an inert gas or a reducing gas atmosphere.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 금속 구조체를 포함하는, 금속 촉매 모듈이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a metal catalyst module including a metal structure.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면 스테인레스강을 포함하는 기판에 금속간 화합물층을 형성하고, 금속 분말을 포함하는 요철구조를 형성하고 열처리를 통해 내열특성이 우수한 금속 구조체를 제조할 수 있다.According to one embodiment of the present invention as described above, an intermetallic compound layer is formed on a substrate including stainless steel, a concavo-convex structure including metal powder is formed, and a metal structure having excellent heat- have.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 금속 구조체를 포함한 촉매 모듈을 제조하여, 다공성 담체층이 요철 구조에 의해 쉽게 탈리되지 않도록 부착력을 향상시키고, 급격한 열처리 환경에서도 촉매 모듈의 표면이 변화되지 않는 내열특성을 부여하는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible to manufacture a catalyst module including the metal structure, to improve the adhesion force so that the porous carrier layer can not easily be separated by the concavo-convex structure, and to improve the heat resistance characteristic that the surface of the catalyst module does not change even in a rapid heat treatment environment .
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 종래의 요철구조가 형성되어 있는 금속 촉매 모듈의 제조방법을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 구조체의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 구조체의 제조공법을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 비교예에 따른 열처리를 하기 전 금속간 화합물층이 형성되어 있는 금속 구조체의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 구조체의 단면도이다.
도 6는 본 발명의 일 실험예에 따른 Fe-50중량%Al 합금 분말의 입자 크기에 따라 요철구조가 형성된 SUS430 기판의 무게변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실험예에 따른, Fe-50중량%Al 합금 분말의 입자 크기에 따라 요철구조가 형성된 SUS430 기판의 표면을 나타내는 SEM 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 구조체를 포함하는 금속 촉매 모듈이다.
도 9는 본 발명의 일 비교예에 따른 SUS430 기판의 상부에 알루미나이드층과 Fe-50중량%Al 합금 분말의 요철구조와 다공성 담체층을 형성하고 있는 금속 구조체의 단면을 나타내는 광학현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실험예에 따른 SUS430 기판의 상부에 알루미나이드층이 제거되고, Fe-50중량%Al 합금 분말의 요철구조와 다공성 담체층을 형성하고 있는 금속 구조체의 단면을 나타내는 광학현미경 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실험예에 따른 금속 촉매 모듈의 내열특성 평가를 위한 열이력 시험 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실험예에 따른 Fe-50중량%Al 합금 분말의 크기와 금속간화합물층을 제거하기 위한 열처리 시간의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실험예 및 일 비교예에 따른 금속 촉매 모듈의 내열특성 평가 후 표면을 나타내는 SEM사진이다.1 is a schematic view showing a manufacturing method of a metal catalyst module in which a conventional uneven structure is formed.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a metal structure according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic view showing a manufacturing method of a metal structure according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view of a metal structure in which an intermetallic compound layer is formed before heat treatment according to a comparative example of the present invention.
5 is a cross-sectional view of a metal structure according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing a change in weight of a SUS430 substrate having a concavo-convex structure according to the particle size of an Fe-50 weight% Al alloy powder according to an experimental example of the present invention.
7 is a SEM photograph showing a surface of a SUS430 substrate having a concavo-convex structure according to the particle size of an Fe-50 weight% Al alloy powder according to an experimental example of the present invention.
8 is a metal catalyst module including a metal structure according to an embodiment of the present invention.
9 is an optical microscope photograph showing a cross-section of a metal structure having a concave-convex structure of an alumina layer and an Fe-50 weight% Al alloy powder and a porous carrier layer on an SUS430 substrate according to a comparative example of the present invention.
FIG. 10 is a graph showing the results of a comparison between a concavo-convex structure of an Fe-50 weight% Al alloy powder and an optical microscope showing a cross section of a metal structure forming a porous carrier layer, wherein an aluminide layer is removed on an SUS430 substrate according to an experimental example of the present invention It is a photograph.
11 is a graph of a thermal history test for evaluating the heat resistance characteristics of a metal catalyst module according to an experimental example of the present invention.
12 is a graph showing a correlation between the size of the Fe-50 weight% Al alloy powder and the heat treatment time for removing the intermetallic compound layer according to an experimental example of the present invention.
13 is a SEM photograph showing the surface of the metal catalyst module after evaluating the heat resistance characteristics according to one example of the present invention and one comparative example.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings, which illustrate, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views, and length and area, thickness, and the like may be exaggerated for convenience.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.
요철구조가 형성된 금속 구조체의 제조방법METHOD FOR MANUFACTURING METAL STRUCTURES CONSTRUCTED
도 1 내지 도 3을 참조하여, 요철구조가 형성된 금속 구조체의 제조방법에 대하여 설명한다.1 to 3, a method of manufacturing a metal structure having a concave-convex structure will be described.
도 1은 종래의 요철구조가 형성되어 있는 금속 촉매 모듈의 제조방법을 나타내는 개략도이다.1 is a schematic view showing a manufacturing method of a metal catalyst module in which a conventional uneven structure is formed.
도 1을 참조하면, 종래의 요철구조가 형성되어 있는 금속 촉매 모듈의 경우, 내열성이 우수한 철(Fe)-알루미늄(Al)-크롬(Cr)계 금속 기판상에, 금속 분말을 접촉시킨 후, 열처리하여 요철구조가 형성된 금속 구조체를 제조하였다. 그러나, 금속 분말을 금속 기판의 상부에 접촉시키는 단계에서, 금속 기판의 상부에 금속 분말이 균일하게 분산되기 어렵고, 금속 분말이 잘 접촉되지 않아 열처리 전 취급이 용이하지 않았다. 또한, 내열성이 우수한 Fe-Al-Cr계 금속 기판이 매우 고가여서, 종래의 제조방법은 효과적이지 못한 문제점이 있었다.1, in the case of a metal catalyst module having a conventional concavo-convex structure, a metal powder is brought into contact with an iron (Fe) -aluminum (Al) -chromium (Cr) Followed by heat treatment to produce a metal structure having a concavo-convex structure. However, in the step of bringing the metal powder into contact with the upper portion of the metal substrate, the metal powder is not uniformly dispersed in the upper portion of the metal substrate, and the metal powder is not in contact with the metal powder. In addition, since the Fe-Al-Cr based metal substrate having excellent heat resistance is very expensive, there is a problem that the conventional manufacturing method is not effective.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 구조체(1)의 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 구조체(2)의 제조공법을 나타내는 개략도이다.FIG. 2 is a flow chart showing a manufacturing method of a
본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 구조체(2) 제조방법은, (a) 금속 분말(31) 및 할라이드(Halide) 분말(32)을 포함하는 분말 혼합체(300)를 준비하는 단계(S10), (b) 철(Fe)을 포함하는 기판(10)을 준비하는 단계(S20), (c) 분말 혼합체(300)와 기판(10)을 접촉시키고 가열하는 단계(S30), (d) 기판(10)의 상부에 금속간 화합물층(20)을 형성하는 단계(S40), (e) 금속간 화합물층(20) 상에 금속 분말(31)을 포함하는 요철 구조(30)를 형성하는 단계(S50) 및 (f) 기판(10)을 열처리하는 단계(S60)를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a method of manufacturing a
먼저, (a) 금속 분말(31) 및 할라이드(Halide) 분말(32)을 포함하는 분말 혼합체(200)를 준비하는 단계(S10)에 대하여 설명한다.First, step (S10) of preparing the
금속 분말(31)을 도가니(F)에 넣고 철(Fe)를 포함하는 기판(10)을 잠기게 한 뒤, 불활성분위기로 유지하고 고온으로 가열하여 철(Fe)을 포함하는 기판(10)의 상부에 요철 구조(30)를 형성할 수 있다. 이때, 우선적으로 금속분말(31)과 철(Fe)를 포함하는 기판(10)의 접촉이 중요하다. 상호확산에 의한 접촉이 이루어지도록 하기 위해, 열처리 온도는 1000℃ 이상으로 높아야 하고, 유지시간 또한 길어야 한다. 그러나, 상기 조건에서는 금속 분말이 서로 소결되어, 금속 분말(31)이 부착된 금속 구조체(2)를 금속 분말(31)로부터 분리해 내는 것이 용이하지 않다.The
금속 분말(31)에 할라이드(Halide) 분말(32)을 수중량% 이하로 첨가하면 다른 반응이 일어나 금속 분말(31)의 기판(10)에의 접합이 용이해진다. 또한, 할라이드 분말(32)은 수용성이므로 반응 후 물에 용해시켜 제거할 수 있기 때문에 공정 후 분리하는 단계에서 취급이 용이한 이점이 있다.When the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 분말(31)은, 철(Fe)-알루미늄(Al)합금 분말 또는 크롬(Cr)-알루미늄(Al)합금 분말을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
알루미늄(Al)을 포함하는 합금 분말을 금속 구조체(2)의 제조에 사용하여, 기판(10)의 상부에 요철구조(30)를 형성함과 동시에, 알루미늄(Al) 또는 크롬(Cr)을 첨가하여 철(Fe)을 포함하는 기판(10)에 내열특성을 부여할 수 있다.An alloy powder containing aluminum (Al) is used in the production of the
한편, 철-알루미늄 합금 분말에서, 알루미늄의 함량은 철-알루미늄 합금분말의 크기, 철(Fe)을 포함하는 기판의 두께 등에 따라 조절할 수 있다.On the other hand, in the iron-aluminum alloy powder, the content of aluminum can be controlled depending on the size of the iron-aluminum alloy powder, the thickness of the substrate including iron (Fe), and the like.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 철(Fe)-알루미늄(Al)합금 분말은, 알루미늄(Al)이 45 내지 55중량%, 철(Fe)이 잔부를 구성할 수 있고, 크롬(Cr)-알루미늄(Al)합금 분말은, 알루미늄(Al)이 45 내지 55중량%, 크롬(Cr)이 잔부를 구성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the iron (Fe) -Al alloy powder may contain 45 to 55% by weight of aluminum (Al), the balance of iron (Fe) The aluminum (Al) alloy powder may comprise the balance of aluminum (Al) in an amount of 45 to 55% by weight and chromium (Cr).
금속 분말(31)이 기판(10)의 상부에 형성될 때, 금속 분말(31)의 크기가 커지면 요철구조(30)가 형성된 금속 구조체(2)의 무게증가도 커질 수 있다. 이때, 증가되는 무게와 금속 분말(31)의 철(Fe)-알루미늄(Al) 중량비율 또는 크롬(Cr)-알루미늄(Al) 중량비율에 기초하여 요철구조(30)가 형성된 금속 구조체(1)에 포함되는 알루미늄(Al) 또는 크롬(Cr)의 함량을 계산 할 수 있다. 또한, 기판(10)의 두께에 따라 알루미늄(Al) 또는 크롬(Cr)의 함량이 달라질 수 있다. 따라서, 요철구조(30)가 형성된 금속 구조체(2)의 내열특성을 조절하기 위해 금속 분말(31)의 철-알루미늄 중량비율 또는 크롬-알루미늄 중량비율과 기판(10)의 두께를 조절할 수 있다.When the
분말 혼합체(300)는 할라이드(Halide) 화합물(32)을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 할라이드(Halide)는, 염화물, 불화물 및 요오드화물로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 염화물로는 염화리튬(LiCl), 염화나트륨(NaCl), 염화칼륨(KCl) 등의 알칼리금속 염화물, 염화칼슘(CaCl2), 염화바륨(BaCl2) 등의 알칼리토금속 염화물, 염화암모늄(NH4Cl)으로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 불화물로는 불화나트륨(NaF), 불화칼륨(KF), 불화리튬(LiF), 불화마그네슘(MgF2), 불화칼슘(CaF2), 불화바륨(BaF2) 및 불화암모늄(NH4F)으로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 요오드화물로는 요오드화나트륨(NaI), 요오드화칼륨(KI), 요오드화리튬(LiI), 요오드화마그네슘(MgI2), 요오드화칼슘(CaI2), 요오드화바륨(BaI2) 및 요오드화암모늄(NH4I)으로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The
본 발명의 일 실시예에 따르면, 분말 혼합체(300)는, 할라이드 분말(32) 0.5 내지 3 중량%, 상기 금속 분말(31)이 잔부를 구성할 수 있다. 할라이드 분말(32)의 양이 0.5 중량% 보다 적으면 금속간 화합물층(20)의 형성속도가 느려지고, 3 중량% 보다 많으면 요철구조가 형성된 금속 구조체의 후처리가 용이하지 않을 수 있다. 따라서, 기판(10)의 상부에 형성되는 금속간 화합물층(20)의 형성속도를 조절하고 후처리 용이성을 위해 할라이드 분말(32)의 함량을 조절할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
다음으로, (b) 철(Fe)을 포함하는 기판(10)을 준비하는 단계(S20)는, 요철구조가 형성되는 기판(10)을 도가니(F)에 준비할 수 있다. 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)를 참조하면, 도가니(F)내에 기판(10)을 수직으로 세울 수도 있고, 1개 이상의 기판(10)을 동시에 준비할 수 있다. Next, step (S20) of preparing the
철을 포함하는 기판(10)은 SUS430 스테인리스강(Stainless steel)일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. SUS430 스테인리스강에는 16 내지 18중량%의 크롬(Cr) 원소가 함유되어 있어 SUS430 기판에 형상의 변화 없이 수 중량%의 알루미늄(Al) 원소를 포함하고, 두께가 100㎛ 이하인 금속간 화합물층(20)을 형성할 경우, 내열성이 있는 Fe-Cr-Al 금속 기판의 제조가 가능하다. The
다음으로, (c) 분말 혼합체(300)와 기판(10)을 접촉시키고 가열하는 단계(S30)는, 기판(10)을 분말 혼합체(300)에 디핑(deeping)하여 기판(10)과 분말 혼합체(300)를 접촉시킬 수 있다. 종래의 제조방법인 금속 기판에 금속 분말을 뿌려서 접촉 시키는 방법의 경우, 금속 분말의 균일한 분포와 접촉 여부에 문제가 있었다. 그러나, 본 발명의 경우, 기판(10)을 분말 혼합체(300)가 덮을 만큼 디핑하여 접촉시키기 때문에, 요철구조(30)가 형성되는 기판(10)과 금속 분말(31)이 포함되어 있는 분말 혼합체(300)가 균일하게 분산되고, 금속 분말(31)의 부착력이 향상될 수 있다.Next, (c) contacting and heating the
도 3의 (a) 및 도 3의 (b)를 참조하면, 분말 혼합체(300)가 도가니(F) 내에 준비되고, 기판(10)이 도가니(F) 내에서 분말 혼합체(300)에 덮힐 만큼 디핑되어 있다. 따라서, 기판(10)의 주위에 분말 혼합체(300)가 분산되어 있기 때문에, 분말 혼합체(300)에 포함되어 있는 금속 분말(31)과 할라이드 화합물(32)이 기판(10)에 균일하게 접촉될 수 있다. 3 (a) and 3 (b), when the
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, (c) 단계에서, 가열은 700℃ 내지 1000℃에서, 4시간 내지 36시간동안 수행할 수 있다.Meanwhile, according to one embodiment of the present invention, in the step (c), the heating may be performed at 700 ° C to 1000 ° C for 4 hours to 36 hours.
금속 구조체(2) 제조공법의 반응온도는 700℃ 내지 1,000℃ 에서 수행될 수 있다. 반응온도가 1,000℃보다 높아지면 금속간 화합물층(20)의 형성에는 유리하나 금속 분말(31) 간의 소결이 급속히 진행되어 반응 후 기판(10)의 분리가 어려운 문제가 발생할 수 있다. 그리고, 반응온도가 700℃ 보다 낮으면 금속간 화합물층(20)의 형성에 장시간이 소요되어 비효율적이다. The reaction temperature of the metal structure (2) production process may be performed at 700 캜 to 1,000 캜. If the reaction temperature is higher than 1,000 ° C., the formation of the
또한, 반응온도가 높은 경우, 유지시간을 단축할 수 있고, 반응온도가 낮은 경우, 유지시간을 증가시켜 금속간 화합물층(20)의 형성과 동시에 요철구조(30)를 형성할 수 있다. 유지시간은 4시간 내지 36시간동안 수행될 수 있다. 반응온도에 따라 유지시간이 달라질 수 있는데, 바람직하게는, 유지시간이 반응온도가 700℃일 경우에는 36시간 이하, 1,000℃일 경우에는 4시간 이하일 수 있다. In addition, when the reaction temperature is high, the holding time can be shortened, and when the reaction temperature is low, the holding time can be increased to form the concave-
다음으로, (d) 기판(10)의 상부에 금속간 화합물층(20)을 형성하는 단계(S40)에 대하여 설명한다.Next, (d) step (S40) of forming the
본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, (d) 단계는, 금속 분말(31)과 할라이드 분말(32)이 반응하여 금속-할라이드(Metalic halide)를 형성하고, 금속-할라이드가 기판(10)과 반응하여 기판의 상부에 금속간 화합물층(20)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step (d) comprises the steps of: reacting the
철을 포함하는 기판(10)과 금속 분말(31) 및 할라이드 분말(32)을 포함하는 분말혼합체(300)를 가열하면, 소량의 할라이드 분말(32)과 금속 분말(31)에 함유되어 있는 금속 원소(예를 들면, 알루미늄(Al))가 반응하여 금속-할라이드 화합물을 형성하고, 이들은 기상상태(gas phase)로 기판(10)의 상부로 이동한다. 이때 형성된 금속-할라이드가 기판(10)과 반응하여 기판의 상부에 금속간 화합물층(20)을 형성할 수 있다.When the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속간 화합물층(20)은, 알루미나이드(Aluminide)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 알루미나이드는 Fe-Al 금속간 화합물인 Fe3Al, FeAl, FeAl2와 Fe2Al5 등을 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the
금속 분말(31)이 알루미늄(Al)을 포함하는 철(Fe)-알루미늄(Al) 금속 분말 또는 크롬(Cr)-알루미늄(Al) 금속 분말을 포함하고, 할라이드 분말(32)이 염화물을 포함하면, 도가니(F)의 가열에 의해 염화물은 금속 분말(31) 중 알루미늄과 반응하여, AlCl, AlCl2, AlCl3 등의 알루미늄-염화물을 형성할 수 있다. 금속 분말(31) 표면의 알루미늄-염화물의 평형증기압이 기판(10)의 표면보다 높아 알루미늄-염화물은 증기상태로 기판(10)의 표면으로 이동하게 된다. 기판(10)의 표면에서 하기의 반응이 일어나 Al(s,l)이 기판(10)의 표면에 증착하게 된다.When the
3AlCl(g)→2Al(s,l)+AlCl3(g)3AlCl (g) → 2Al (s , l) + AlCl 3 (g)
3AlCl2(g)→Al(s,l)+2AlCl3(g)3AlCl 2 (g)? Al (s, l) + 2AlCl 3 (g)
한편, Fe-Al 이원계 상태도를 보면 안정한 알루미나이드(Aluminide) 화합물이 많음을 알 수 있고, 철을 포함하는 기판(10)의 표면에 증착된 알루미늄(Al)과의 반응으로 형성된 금속간 화합물층(20)은 알루미나이드(Aluminide)층을 포함할 수 있다.On the other hand, the Fe-Al binary phase diagram shows that there is a large amount of stable aluminide compound, and the
한편, 알루미나이드층의 두께는, 바람직하게 100㎛이하일 수 있다. 알루미나이드층의 두께가 100㎛이상일 경우, 열팽창계수가 철을 포함하는 금속 기판(10)과 달라 고온-상온 열이력 시험에서 취성이 큰 알루미나이드층에 균열(Crack)이 발생하고, 작은 조각들이 탈리되는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 도가니(F)의 가열시간 및 금속 분말(31)의 알루미늄 함량을 조절하여 알루미나이드층의 두께를 100㎛이하로 조절하는 것이 필요하다.On the other hand, the thickness of the aluminide layer may preferably be 100 mu m or less. When the thickness of the aluminide layer is 100 mu m or more, the thermal expansion coefficient is different from that of the
다음으로, (e) 금속간 화합물층(20) 상에 금속 분말(31)을 포함하는 요철 구조(30)를 형성하는 단계(S50)는, 금속간 화합물층(20)이 금속 분말(31)과 결합하여 요철 구조(30)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.Next, step (S50) of forming the concavo-
기판(10)의 표면에 존재하는 금속 분말(31)은 접촉 부위에서의 상호확산에 의해 서로 접합되어 요철 구조(30)를 형성할 수 있다. 또한, 금속간 화합물층(20)이 형성될 때 기판(10)의 표면에 있던 금속 분말(31)이 금속간 화합물층(20)에 붙잡히는 방법으로 요철구조(30)를 형성할 수 있다.The
도가니(F)의 가열 유지시간이 경과하면 금속간 화합물층(20)이 성장하면서기판(10)의 표면에 접촉되어 있던 금속 분말(31)이 금속간 화합물층(20)과 결합하여 요철구조(30)를 형성할 수 있다. When the heating and holding time of the crucible F has elapsed, the
금속 분말(31)은, 기판(10)의 상부에 형성된 금속간 화합물층(20)과 결합할 수 있다. 이때, 결합은 금속 분말(31)이 금속간 화합물층(20)과 화학적 결합(Chemical bonding)을 형성하는 것이 아닌, 물리적인 결합(Physical bonding)을 형성한다. 즉, 도가니(F)를 가열하여 금속간 화합물층(20)이 형성되면, 금속 분말(31)에 포함되어 있는 금속 원소(예를들어, 철(Fe), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 등)가 금속간 화합물층(20)에 포함된 원소와 물리적으로 부착되어 고정된다. 종래의 금속 구조체 제조방법에서 금속 분말을 금속 기판의 상부에 접촉시켜 소결 열처리할 때보다 금속간 화합물층(20)에 의해 더 강한 물리적 결합이 형성될 수 있다. 따라서, 금속간 화합물층(20)이 형성된 후 금속 구조체(1)는 골고루 분산된 금속 분말(32)에 의해 요철구조(30)가 균일하게 분포되고, 비교적 강한 세기로 금속 분말(31)이 금속간 화합물층(20)과 결합하여 요철 구조(30)의 부착력이 우수하고 쉽게 탈리 되지 않는 효과를 가진다.The
한편, 요철구조(30)가 형성된 금속 구조체(2)를 금속 분말(31) 및 할라이드분말(32)을 포함하는 분말 혼합체(300)로부터 분리하고 남은 분말 혼합체(300)는, 할라이드 분말(32)이 요철구조(30)의 형성에 의해 많은 부분이 소실되고 대부분의 금속 분말(31)이 잔부를 구성한다. 금속 분말(31)은 고온의 반응에 의해 부분적으로 소결된 상태로 남게 되는데, 이에 외력을 가해 파쇄하고 체분급하면 재사용이 가능하다. The
다음으로, (f) 상기 기판을 열처리하는 단계(S60)를 포함할 수 있다.Next, (f) heat-treating the substrate (S60) may be included.
도 4는 본 발명의 일 비교예에 따른 열처리를 하기 전 금속간 화합물층(20)이 형성되어 있는 금속 구조체(1)의 단면도, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 구조체(2)의 단면도이다.FIG. 4 is a cross-sectional view of a
(d) 단계에서 형성된 금속간 화합물층(20)은 취성이 크고, 열팽창계수가 기판(10)과 달라 급격한 열처리 환경에서 금속간 화합물층(20)에 균열(crack)이 형성되고 기판(10)의 상부에서 탈리되는 현상이 일어날 수 있다. 이는, 금속간 화합물층(20)이 형성되어 있는 금속 구조체(1)를 이용하여 촉매 모듈을 제조하였을 때, 급격한 온도가 변하는 환경에서 다공성 담체층의 분리와 더불어 금속간 화합물층(20)의 균열로 금속 촉매 모듈의 표면에 형성된 촉매 성분들이 탈리될 수 있음을 의미한다. 따라서, 금속간 화합물층(20)의 균열을 방지하기 위해 열처리 단계가 필요하다.the
본 발명의 일 실시예에 따르면, (f) 단계에서, 금속간 화합물층(20)이 제거되고, 기판(10)의 상부에 요철구조가 형성되는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in step (f), the step of removing the
급격한 온도변화 환경에서 금속간 화합물층(20)에 생기는 균열에 의해 촉매모듈의 표면에서 촉매 성분들이 탈리되는 것을 방지하기 위해, 금속간 화합물층(20)을 열처리하여 제거할 필요가 있다. 금속 분말(31) 또한 금속간 화합물층(20)(Fe 알루미나이드 또는 Cr 알루미나이드)으로 구성되어 있다. 금속 분말(31)과 금속간 화합물층(20)에서의 Al 또는 Cr의 농도가 기판(10)에서 보다 높고, Fe 농도는 기판(10)에서 보다 낮다. 따라서, 고온에서 기판(10)을 유지하면, Al, Cr, Fe는 농도구배에 의하여 상호확산하기 때문에, 금속간 화합물층(20) 및 금속 분말(31)은, 열처리를 통해 제거될 수 있다. 이때, 금속간 화합물층(20) 상에 형성되어 있는 요철 구조(30)는 거의 변화하지 않은 상태로 기판(10)의 상부에 존재할 수 있다. 즉, 기판(10)의 상부에 급격한 온도변화 환경에서 균열이 생길 수 있는 금속간 화합물층(20)을 제거하고, 기판(10)의 상부에 요철구조(30)를 형성한 금속 구조체(2)를 제조할 수 있다. 금속 구조체(2)는 열팽창 계수 차이에 의한 균열형성을 방지하고, 급격한 온도 변화 조건에서 촉매 모듈의 내열 특성을 향상시킬 수 있다. The
본 발명의 일 실시예에 따르면, (f) 단계에서, 열처리에 의해 금속간 화합물층(20)이 고용(Solid solution)되어 기판(10)에 확산될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in step (f), the
금속간화합물층(20)을 제거하기 위한 열처리 시간은 금속 분말(31)의 크기 및 열처리 온도에 따라 달라질 수 있다. 요철 구조(30)의 형성에 사용된 금속 분말(31)의 크기가 클수록, 열처리 온도가 낮을수록 열처리 시간은 길어진다.The heat treatment time for removing the
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, (f) 단계에서, 가열은 700℃ 내지 1000℃에서, 10시간 내지 36시간동안 수행할 수 있고, 다른 실시예에 따르면 (f) 단계는, 불활성 가스 또는 환원성 가스 분위기에서 수행할 수 있다. 다만, 이에 의해 본 발명의 실시예가 한정되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present invention, in the step (f), the heating may be performed at 700 ° C to 1000 ° C for 10 hours to 36 hours. According to another embodiment, the step (f) Or in a reducing gas atmosphere. However, the embodiments of the present invention are not limited thereto.
금속 분말(31)의 크기 및 합금 함량에 따라, 금속 분말(31)을 포함하는 요철구조(30)의 크기가 달라질 수 있다. 또한, 금속 분말(31)에 포함된 어느 한 원소가 금속간 화합물층(20)을 형성하므로, 금속간 화합물층(20)의 두께 및 조성이 달라질 수 있다. 따라서, 열처리 하는 단계(S60)는 금속간 화합물층(20)을 고용화 하여 제거하기 위해 금속간 화합물층(20)의 두께 및 조성에 따라 가열 온도 및 가열 시간이 달라질 수 있다. 금속 분말(31)의 크기가 커질수록, 금속간 화합물층(20)에 포함되어 있는 용질금속이 확산되어 용매금속에 스며들기 까지 긴 시간의 가열이 필요할 수 있다. 따라서, 금속 분말(31)의 입자의 크기가 클수록, 금속간 화합물층(20)의 제거를 위한 열처리 시간 및 온도가 증가할 수 있다. The size of the concave and
도 5에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 구조체(2)는 기판(10)의 상부에 형성되는 금속간 화합물층(20)을 열처리를 통해 기판(10)에 고용시키고, 기판(10)의 상부에 요철구조(30)를 형성할 수 있다. 요철구조(30)를 통해 기판(10)에 코팅될 수 있는 다공성 담체층과의 부착력을 향상시키고, 열팽창 계수 차이에 의한 금속간 화합물층(20)의 균열을 방지하여 금속 구조체(2)의 내열특성을 향상시킬 수 있다.5, a
다음으로, 금속간 화합물층(20)을 포함하고 요철구조(30)가 형성된 금속구조체(1)와 금속간 화합물층(20)이 제거되고 요철구조(30)가 형성된 금속구조체(2)에 대하여 설명한다.Next, the
실험예Experimental Example . . 금속간화합물층이The intermetallic compound layer 제거되고 요철구조가 형성된 금속 구조체 And a metal structure having a concavo-convex structure formed therein
도 6 및 도 7을 참조하여, Fe-50중량%Al 합금분말과 SUS430 기판을 이용하여 금속간 화합물층(20)이 제거되고 요철구조(30)가 형성된 금속구조체(2)에 대하여 설명한다.6 and 7, the
본 실험예에 있어서, 기판(10)은 스테인리스강인 SUS430을 사용할 수 있다. 다만, 본 발명이 본 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다. SUS430 스테인리스강은 16 내지 18중량%의 크롬(Cr) 원소가 함유되어 있어 SUS430 기판에 형상의 변화 없이 수 중량%의 알루미늄(Al) 원소를 첨가할 경우, 내열성이 있는 Fe-Cr-Al 금속 기판의 제조가 가능하다.In this experimental example, the
그리고, 금속 분말(31)은 알루미늄(Al)이 50중량%, 철(Fe)이 잔부를 구성하는 Fe-50중량%Al 합금 분말을, 할라이드 분말(32)은 염화암모늄(NH4Cl)를 사용하여, Fe-50중량%Al 100중량%, 염화암모늄(NH4Cl) 1중량%를 혼합한 분말 혼합체(200)를 준비한다. 도가니(F)에서 두께가 0.5mm인 SUS430 기판을 분말 혼합체(300)에 디핑하고 아르곤(Ar)분위기, 1,000℃에서 3 시간 반응하여 요철구조(30)가 형성된 금속 구조체(2)를 제조한다. 이때, Fe-50중량%Al에 포함되어 있는 알루미늄(Al)원소가 염화암모늄(NH4Cl)과 반응하여 알루미늄-염화물을 형성하고, 알루미늄-염화물은 SUS430 기판(10)의 상부에서 철(Fe)과 반응하여 알루미나이드층을 형성한다.The
한편, Fe-50중량%Al 합금 분말은 FeAl2와 Fe2Al5 2종의 금속간 화합물이 섞여 있는 상태이다. 이는 취성이 강해 잉곳(ingot)으로 만든 후 파쇄하여 분말로 만들기 용이하다. Fe-50중량%Al 합금분말을 사용할 수 있으나 알루미늄(Al)의 함량이 더 높은 FeAl3- 분말을 사용하거나 Al 함량이 더 낮은 FeAl합금분말을 사용할 수 있다. 또한, 크롬(Cr)과 알루미늄(Al)을 동시에 첨가하여 요철구조(30)를 형성하기 위해 Al-Cr 합금분말을 사용할 수 있다. Al-Cr 합금분말 내의 크롬(Cr)의 함량 및 Al-Cr 합금 분말의 크기는 SUS430 기판 내의 크롬(Cr)의 함량, SUS430 기판의 두께 등에 따라 달라진다. Al-Cr 합금분말의 조성 및 크기는 합금 분말의 제조조건을 변경함으로써 Al-Cr 합금분말 내의 크롬(Cr)의 함량을 조절할 수 있다.On the other hand, the Fe-50 weight% Al alloy powder is a state in which two intermetallic compounds of FeAl 2 and Fe 2 Al 5 are mixed. It is strong in brittleness and it is easy to make it into powder after it is made into ingot and crushed. Fe-50 weight% Al alloy powder can be used, but FeAl 3 powder having a higher content of aluminum (Al) or FeAl alloy powder having a lower Al content can be used. In addition, Al-Cr alloy powder can be used to form concave and
도 6은 본 발명의 일 실험예에 따른 Fe-50중량%Al 합금 분말의 입자 크기에 따라 요철구조(30)가 형성된 SUS430 기판(10)의 무게변화를 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing the weight change of the
도 6을 참조하면, Fe-50중량%Al 합금 분말의 크기가 커지면 무게 증가도 커지는 것을 알 수 있다. SUS430 기판(10)의 무게증가 범위는 4.37% 내지 8.95%이다. 요철구조(30)를 형성하는 Fe-50중량%Al 합금 분말에 포함되어 있는 알루미늄(Al)이 확산하여 전체에 균일하게 분포하게 된다면 SUS430 기판(10)과 Fe-50중량%Al 합금 분말로 이루어진 요철구조(30)가 형성된 금속 구조체(1)의 알루미늄(Al) 함량 범위는 2.18% 내지 4.48%으로 계산될 수 있다. SUS430 기판(10)의 두께를 절반으로 할 경우, 다른 실험 조건이 동일할 때, 알루미늄(Al)의 함량은 2배로 상승할 수 있다.Referring to FIG. 6, it can be seen that as the size of the Fe-50 weight% Al alloy powder increases, the weight increase also increases. The weight increase range of the
도 7은 본 발명의 일 실험예에 따른, Fe-50중량%Al 합금 분말의 입자 크기에 따라 요철구조(30)가 형성된 SUS430 기판(10)의 표면을 나타내는 SEM 사진이다.7 is a SEM photograph showing a surface of a
도 7의 (a), (b), (c) 및 (d)는 Fe-50중량%Al 합금 분말의 크기가 각각 45㎛이하, 45~63㎛, 63~90㎛, 90~106㎛일 때, 요철구조(30)가 형성되어 있는 SUS430 기판(10)의 표면을 나타낸다. Fe-50중량%Al 합금 분말의 크기가 작을수록 요철구조(30)의 밀도가 커져서 표면이 매우 거친 상태인 것을 확인할 수 있다. 반면에, Fe-50중량%Al 합금 분말의 크기가 클수록 요철구조(30)의 밀도는 낮아지지만 요철구조(30)의 크기와 깊이가 커지는 것을 확인할 수 있다. 7 (a), 7 (b), 7 (c) and 7 (d) show the sizes of Fe-50 weight% Al alloy powders of 45 μm or less, 45 to 63 μm, 63 to 90 μm, The surface of the
한편, 금속간화합물층(20)을 제거하기 위해 고온에서 장기간 열처리하는 과정이 필요하다. 열처리 온도는 높을수록 유리하나, 통상의 전기로에서 가능한 온도 범위인 1,000℃ 내지 1,200℃일 수 있다. 본 실험예에서는 열처리 온도는 1,000℃이고, 아르곤(Ar) 분위기에서 열처리 과정을 진행하였다.On the other hand, a process of heat treatment at a high temperature for a long period of time is required to remove the
기판(10)의 상부에는 알루미나이드를 포함하는 금속간화합물층(20)과 Fe-50중량%Al 합금분말이 형성되어 있다. Fe-50중량%Al 합금분말의 크기가 클수록 금속간화합물층(20)을 제거하기 위한 열처리 시간이 길어질 필요가 있다. 적절한 열처리 시간을 도출해내기 위해 Fe-50중량%Al 합금분말의 크기에 따른 요철구조(30)가 형성된 금속구조체(2) 시편을 제조하였다.An
도 7에 도시된 바와 같이, 금속 분말(31)의 크기별로 각각 45㎛이하, 45~63㎛, 63~90㎛, 90~106㎛의 Fe-50중량%Al 합금 분말을 사용하여 요철구조(30)가 형성된 SUS430 기판을 제조하고, 이를 1,000℃에서 10시간 열처리하여 시편을 제조하였다.As shown in FIG. 7, Fe-50 weight% Al alloy powders of 45 탆 or less, 45 to 63 탆, 63 to 90 탆, and 90 to 106 탆 were used for the size of the
또한, 금속 분말의 크기별로 각각 45㎛이하, 45~63㎛, 63~90㎛, 90~106㎛의 Fe-50중량%Al 합금 분말을 사용하고 이를 1,000℃에서 24시간 열처리하여 시편을 제조하고, 금속 분말(31)의 크기가 90~106㎛의 Fe-50중량%Al 합금 분말을 사용하고 이를 1,000℃에서 36시간 열처리하여 시편을 제조하였다.Fe-50 weight% Al alloy powders of 45 탆 or less, 45 to 63 탆, 63 to 90 탆 and 90 to 106 탆, respectively, were used for the size of the metal powder, and the specimens were heat treated at 1,000 캜 for 24 hours to prepare
금속 촉매 모듈 및 내열특성평가Metal catalyst module and heat resistance evaluation
다음으로, 도 8 내지 도10을 참조하여, 금속 촉매 모듈(3)에 대하여 설명한다.Next, the
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 금속 구조체(2)를 포함하는 금속 촉매 모듈(3)의 단면도이다. 8 is a cross-sectional view of a
본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 촉매 모듈(3)은, 요철구조(30)가 형성된 금속 구조체(2)를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
도 5 및 도 8을 참조하면, 금속 촉매 모듈(3)은 금속 기판(10)의 상부에 요철구조(30)가 형성된 금속 구조체(2)를 포함할 수 있다. 금속 촉매 모듈(3)은 금속 구조체(2)의 상부에 다공성 담체층(40)이 형성되고, 다공성 담체층(40)의 상부에 촉매 활성 성분(50)이 형성될 수 있다.5 and 8, the
금속 구조체(2) 표면에 요철구조(30)를 형성하고 다공성 담체층(40)을 코팅하는 공정을 수행한다. 다공성 담체층(40)의 성분으로는 감마 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 타이타니아(TiO2), 지올라이트, 세리아(Ce2O3), 마그네시아(MgO), 바나데이트(V2O5), 산화코발트(CoOx), 산화철(FeOx), 산화텅스텐(WO3), 산화몰리브데늄(MoO3), 산화안티몬(SbO2) 및 희토류산화물(Sc, Y, La계 원소 산화물)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.A step of forming a concave-
다공성 담체층(40)을 코팅하기 위해 다공성 담체 입자를 워시 코팅(wash coating)하는 방법을 사용할 수 있다. 워시 코팅에 사용하는 다공성 담체 성분의 입자 크기, 슬러리 농도 및 용매는 통상적인 공정에 따라 수행될 수 있다. 또한, 다공성 담체층(40)의 코팅 효과를 향상시키기 위해 다공성 담체 슬러리는 계면활성제, 점결제 등 보조제를 포함할 수 있다.To coat the porous carrier layer 40 A method of wash coating the porous carrier particles can be used. The particle size, slurry concentration and solvent of the porous carrier component used in the wash coating can be performed according to conventional processes. In order to improve the coating effect of the
한편, 다공성 담체층(40)을 코팅할 때는 요철구조(30)가 형성된 금속 구조체(2) 표면에 다공성 담체층(40)의 코팅막이 형성될 수 있을 정도로 치밀하게 코팅시킨다. 바람직하게 금속 구조체(2)의 표면에는 10㎛ 내지 100㎛ 두께 범위의 다공성 담체층(40)이 형성될 수 있다.On the other hand, when the
다음으로, 다공성 담체층(40)이 형성된 금속 구조체(2)를 가열하여 다공성 담체층(40)에 함유된 수분, 점결제 등의 성분을 제거한다. 이 과정에서 다공성 담체 성분이 부분적으로 소결되면서 금속 구조체(2)의 표면에 접착되며, 다공성 담체층(40)이 균열화 되어 수㎛에서 수백㎛의 간격으로 균열된 구조의 다공성 담체층(40)이 형성된다. 이때 가열온도가 너무 높으면 다공성 담체층(40) 자체에서 소결이 일어나 다공성 담체층(40)의 비표면적을 낮추게 되므로 바람직하게는 900℃이하의 온도에서 가열한다. 또한 그 온도가 너무 낮으면 수분이나 점결제 등의 첨가제의 제거가 곤란하므로 바람직하게는 150℃이상의 온도에서 가열한다.Next, the
도 9는 본 발명의 일 비교예에 따른 SUS430 금속 기판의 상부에 알루미나이드층과 Fe-50중량%Al 합금 분말의 요철구조와 다공성 담체층을 형성하고 있는 금속 구조체의 단면을 나타내는 광학현미경 사진이다. 9 is an optical microscope photograph showing a cross section of a metal structure having a concave-convex structure of an aluminide layer and an Fe-50 weight% Al alloy powder and a porous carrier layer on a SUS430 metal substrate according to a comparative example of the present invention .
도 9에 따르면, 금속분말(31)이 금속간 화합물층(20)에 고정되어 요철구조(30)를 형성하고 있고, 다공성 감마 알루미나를 포함하는 다공성 담체층(40)이 워시코팅되어 있는 것을 알 수 있다. 요철 구조(30)를 형성하기 위해, 크기가 90~106㎛의 Fe-50중량%Al 합금분말을 사용하였다.9, it can be seen that the
도 10은 본 발명의 일 실험예에 따른 SUS430 기판의 상부에 형성되어 있던 알루미나이드층이 제거되고, Fe-50중량%Al 합금 분말의 요철구조(30)와 다공성 담체층(40)을 형성하고 있는 금속 구조체(2)의 단면을 나타내는 광학현미경 사진이다.10, the alumina layer formed on the upper part of the SUS430 substrate according to an experimental example of the present invention is removed, and the concave-
도 10에 따르면, 금속간 화합물층(20)이 제거되고 요철구조(30)가 형성된 금속구조체(2)의 상부에 다공성 감마 알루미나를 포함하는 다공성 담체층(40)이 형성된 것을 알 수 있다. 도 9와 비교해 보면 기판(10)의 상부에 형성되어 있던 금속간 화합물층(20)이 제거되고, 금속분말(31)도 확산에 의해 형상이 일부 변화되었으나, 요철구조(30)는 그대로 유지되어 있음을 알 수 있다. 요철구조(30)를 형성하기 위해, 크기가 45~63㎛의 Fe-50중량%Al 합금 분말을 사용하고, 금속간화합물층(20)을 제거하기 위해 1,000℃에서 10시간 동안 아르곤(Ar)분위기에서 열처리하여 금속구조체(2)를 제조하였다.10, it can be seen that the
상기 공정을 통해 제조된 금속 구조체(2)는 상부에 형성된 다공성 담체층(40)이 요철구조(30)의 사이에 부착되어 있으므로, 고온의 촉매 사용 환경에 노출된 후에도 부착력이 견고하게 유지되며, 이후 촉매 활성 성분이 담지 되기에 바람직한 환경을 제공한다.Since the
다공성 담체층(40)을 형성한 후에는 촉매 활성 성분(50)을 담지하는 과정을 수행함으로써 금속 촉매 모듈(3)을 제조한다. 다공성 담체층(40)에 담지되는 촉매 활성 성분(50)은 귀금속 또는 전이원소 등 통상적으로 사용되는 금속 촉매 성분(50)일 수 있다. 다공성 담체층(40)에 촉매 활성 성분(50)을 담지하기 위해 촉매 활성 성분(50)이 용해된 용액에 다공성 담체층(40)이 형성된 금속 구조체(2)를 담그어 용액이 다공질 구조 속으로 침투할 수 있고, 촉매 활성 성분(50)이 분산된 슬러리 상에 다공성 담체층(40)이 형성된 금속 구조체(2)를 담그어 금속 촉매 입자(50)가 다공질 구조 속으로 들어갈 수 있다. 또는 촉매 활성 성분(50)이 균일하게 분포된 다공성 담체층(40)을 형성시키고, 이를 요철구조(30)가 형성된 금속 구조체(2)에 코팅하여 금속 촉매 모듈(3)을 제조할 수도 있다.After the
다음으로, 도 11 내지 도 13을 참조하여, 금속 촉매 모듈(3)의 내열특성평가에 대하여 설명한다.Next, the evaluation of the heat resistance characteristics of the
금속 구조체(2)를 포함하는 금속 촉매 모듈(3)이 고온의 사용 환경에 반복적으로 노출되었을 때 금속 구조체(2)로부터 다공성 담체층(40)이 이탈되는 현상은 열 변형 계수의 차이에 기인한다. 금속 구조체(2)의 기판(10)으로 사용할 수 있는 여러 합금의 열팽창계수는 다음과 같다.The phenomenon that the
알루미늄(Al)합금 22~24X10-6K-1, 구리(Cu)합금 17~19X10-6K-1, 마그네슘(Mg)합금 26~27X10-6K-1, 니켈(Ni)합금 12~14X10-6K-1, 티타늄(Ti)합금 8~10X10-6K-1, 지르코늄(Zr)합금 5~6X10-6K-1, 탄소강/저합금강/고합금강(ferritic) 10~14X10-6K-1, 오스테나이트(austenitic) 고합금강 14~18X10-6K-1.(Al) alloy 22 to 24 X 10 -6 K -1 , a copper alloy 17 to 19 X 10 -6 K -1 , a magnesium alloy 26 to 27 X 10 -6 K -1 , a nickel (Ni) alloy 12 to 14 X 10 -6 K -1 , titanium (Ti)
한편 상기의 합금중 하나 또는 그 이상으로 이루어진 금속 구조체(2)에 코팅되는 다공성 담체층(40)의 열팽창계수는 다음과 같다.On the other hand, the thermal expansion coefficient of the
산화지르코늄(ZrO2) 15.3X10-6K-1, Mullite 5.3X10-6K-1, 산화알루미늄(Al2O3) 8~9.6X10-6K-1, 산화세륨(CeO2) 13X10-6K-1, 산화티타늄(TiO2) 9.4X10-6K-1.Zirconium oxide (ZrO 2) 15.3X10 -6 K -1 , Mullite 5.3X10 -6 K -1, aluminum (Al 2 O 3) 8 ~ 9.6X10 -6 K -1, cerium (CeO 2) 13X10 -6 oxide K -1 , titanium oxide (TiO 2 ) 9.4X10 -6 K -1 .
예를 들어, 고온에서 사용 가능한 SUS430인 ferritic 스테인레스 강에 산화알루미늄(Al2O3) 다공성 담체층을 코팅하면, SUS430의 열팽창계수는 12X10-6K- 1정도이고, Al2O3는 8~9.6X10-6K-1 정도이다. 산화 알루미늄이 피복된 SUS430 기판에 온도차가 발생하면 두 물질의 열팽창계수 차에 기인한 열응력이 산화 알루미늄과 SUS430기판의 계면에 집중된다. 큰 열 변형 계수를 갖는 금속 구조체의 부피 변화에 비해 작은 열 변형 계수를 갖는 다공성 담체층은 부피 변화가 적으므로, 외부 온도의 급격한 변화가 발생한 경우 두 물질 계면에 열응력이 쌓여 층간 분리 현상이 발생하는 것이다. 즉, 계면에 쌓인 열응력이 두 물질간의 접합력 보다 커지면 박리가 일어나게 된다.For example, aluminum (Al 2 O 3) oxide coating layer on the porous carrier SUS430 of ferritic stainless steel usable at high temperatures, the thermal expansion coefficient of SUS430 is 12X10 -6 K - a 1 degree, Al 2 O 3 8 to 9.6X10 -6 K -1 . When a temperature difference occurs in the SUS430 substrate coated with aluminum oxide, the thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient of the two materials is concentrated on the interface between the aluminum oxide and the SUS430 substrate. Since the porous carrier layer having a small thermal deformation coefficient has less volume change than the volume change of the metal structure having a large thermal deformation coefficient, when a sudden change in the external temperature occurs, thermal stress builds up in the interface between the two materials, . That is, when the thermal stress accumulated at the interface becomes larger than the bonding force between the two materials, peeling occurs.
다공성 담체층(40)이 형성된 금속 촉매 모듈(3)의 내열특성을 평가하기 위해 다음과 같은 시험을 수행하였다.In order to evaluate the heat resistance characteristics of the
도 11은 본 발명의 일 실험예에 따른 금속 촉매 모듈(3)의 내열특성 평가를 위한 열이력 시험 그래프이다. 11 is a graph of a thermal history test for evaluating the heat resistance characteristics of the
상기 실험예에서 금속간 화합물층(20)을 제거하지 않은 금속 구조체(1)에 다공성 담체층(40)을 형성하여 금속 촉매 모듈 시편을 제조하고, 이를 700℃로 가열되어 있는 로의 중앙부에 위치시키고 10분간 유지한 후 꺼내어 상온으로 유지되어 있는 물에 넣어 급냉한다. 로의 고온부에 위치시키고 5분이 경과하면 금속 촉매 모듈 시편의 온도는 700℃까지 상승하는 것을 알 수 있다. 그 후 물에 급냉된 시편을 건조하고 무게변화를 측정한다. 내열특성 평가를 위한 열이력 시험은 10회 반복하여 수행하였으며, 매회마다 무게변화를 측정하여 그 결과를 다음 [표 1]로 정리하였다.The
[표 1]은 금속간 화합물층(20)이 형성되어 있는 금속 구조체(1)를 이용한 금속 촉매 모듈 시편의 Fe-50w%Al 합금 분말의 크기에 따른 열이력 시험 결과를 나타내는 표이다. 요철구조(30)를 형성할 때 사용된 Fe-50중량%Al 합금분말의 크기별로 결과를 정리하였다. [표 1]을 참조하면, Fe-50w%Al 합금 분말의 크기가 증가할 수록, 내열특성 평가시험에 의해 코팅되어 있던 감마 알루미나를 포함하는 다공성 담체층(40)이 보다 쉽게 박리되어 떨어진다는 것을 알 수 있다. Table 1 is a table showing the results of thermal history test according to the sizes of the Fe-50w% Al alloy powder of the metal catalyst module specimen using the
[표 1][Table 1]
(*) 상기 표에서 숫자는 감마 알루미나 다공성 담체층(40)의 무게손실백분율을 나타낸다.(*) The numbers in the above table represent the weight loss percentage of the gamma alumina
감마 알루미나 다공성 담체층(40)의 박리는 감마 알루미나 다공성 담체층(40)과 기판(10)간의 열팽창계수 차에 의한 것도 있지만, 기판(10)과 금속간 화합물층(20)의 열팽창계수 차에 의한 금속간 화합물층(20)의 뜯김에 의한 박리도 가능하다. 알루미나이드를 포함하는 금속간 화합물층(20)은 열팽창 계수가 SUS430 기판의 열팽창계수 보다 크기 때문에, 취성이 큰 금속간 화합물층(20)은 열이력이 존재할 때 크랙(Crack)이 발생하거나 기판(10)과 사이의 계면에서 뜯겨서 칩(chip) 형태로 탈리되는 현상이 발생할 수 있다.The delamination of the gamma alumina
이를 확인하기 위해 상기 실험예와 같은 방법으로 금속간 화합물층(20)이 제거된 금속구조체(2) 시편을 제조하고, 감마 알루미나 다공성 담체층(40)을 워시 코팅(Wash coating)하여 금속 촉매 모듈(3) 시편을 제조한다. 상기의 방법으로 제조된 금속 촉매 모듈(3) 시편으로 동일한 방법의 내열특성 평가시험을 수행한다. [표 2]는 본 발명의 일 실험예에 따른 금속 촉매 모듈(3) 시편의 내열특성 평가 시험 결과를 나타내는 표이다.In order to confirm this, a
[표 2][Table 2]
(*) 상기 표에서 숫자는 감마 알루미나 다공성 담체층(40)의 무게손실백분율을 나타낸다.(*) The numbers in the above table represent the weight loss percentage of the gamma alumina
[표 2]를 참조하면, 금속간 화합물층(20)의 제거로 인해, 열 이력시험에도 감마 알루미나 다공성 담체층(40)의 무게손실백분율이 줄어든 것을 알 수 있다. 특히, Fe-50w%Al 합금 분말의 크기가 63㎛ 이하인 경우, 열처리를 1,000℃에서 10시간만 수행하여도 다공성 담체층(40)의 탈리는 전혀 일어나지 않았고, 열처리를 1000℃에서 36시간할 경우, Fe-50w%Al 합금 분말의 크기가 106㎛이하이면 모두 다공성 담체층(40)이 탈리되지 않았다. 이는, 열처리에 의해 금속간 화합물층(20)을 제거하여 급격한 온도변화 환경에서 금속간 화합물층(20)의 표면에 형성될 수 잇는 크랙(Crack)의 발생이 줄어 다공성 담체층(40)의 탈리가 감소한 것을 의미한다.Referring to [Table 2], it can be seen that the weight loss percentage of the gamma alumina
금속간 화합물층(20)을 고온 확산으로 제거하는데 필요한 시간은 금속간 화합물층(20)의 두께 또는 금속분말(31)의 크기가 증가할수록 증가하게 된다. 이는 금속간 화합물층(20)이 고상에서의 확산을 통해 제거되므로 온도가 동일하다면 열처리 시간은 금속분말(31)의 크기(㎛)의 제곱에 비례하게 된다. The time required to remove the
도 12는 본 발명의 일 실험예에 따른 Fe-50중량%Al 합금 분말의 크기와 금속간 화합물층(20)을 제거하기 위한 열처리 시간의 상관관계를 나타내는 그래프이다. 열이력 시험을 10회 통과한 1,000℃에서의 열처리시간과 요철구조(30) 형성에 사용한 Fe-50중량%Al 합금분말의 크기와의 관계를 나타내었다. 12 is a graph showing a correlation between the size of the Fe-50 weight% Al alloy powder and the heat treatment time for removing the
상기 실험결과와 금속간 화합물의 확산거리는 시간의 제곱근에 비례한다는 원리를 고려하면 도 12의 직선 보다 우측에 속하는 영역에 해당하는 조건에서 1,000℃의 열처리 조건을 설정하면 금속간 화합물층(20)을 제거하기에 적절한 조건임을 알 수 있다. 그 기울기는 20(㎛/시간1/2)로 측정된다. 따라서 금속간 화합물층(20)을 제거하기 위한 열처리 시간은 하기의 [식 1]을 만족한다.Considering the principle that the diffusion distance of the intermetallic compound is proportional to the square root of the time, the
[식 1][Formula 1]
열처리 시간(시간)≥(1/400)*(금속분말의 크기(㎛))2.Heat treatment time (hours) ≥ (1/400) * (size of metal powder (탆)) 2 .
열처리 온도가 높아지면 그 열처리 시간은 줄어들 것이고, 온도가 낮아지면 열처리 시간은 더 증가할 것이다. 이는 고상확산의 온도의존성이 아레니우스 방정식(Arrhenius Equation)을 따른다는 점을 고려하면, Fe-Al 이원계 상호확산계수의 활성화에너지 값으로부터 추정할 수 있다. Fe-Al 이원계에서 Al함량이 0~52중량% 범위일 때, 상호확산계수의 활성화에너지는 234,000J/mol이다. 이를 고려하여 상기 식에 온도 변수를 추가하면 하기의 [식 2]로 나타낼 수 있다. As the heat treatment temperature increases, the heat treatment time will decrease. As the temperature decreases, the heat treatment time will increase more. This can be estimated from the activation energy value of the Fe-Al binary interdiffusion coefficient, considering that the temperature dependence of the solid phase diffusion follows the Arrhenius equation. When the Al content in the Fe-Al binary system is in the range of 0 to 52 wt%, the activation energy of the mutual diffusion coefficient is 234,000 J / mol. In consideration of this, the temperature variable is added to the above equation, which can be expressed by the following equation (2).
[식 2][Formula 2]
h≥[exp(-234,000/(R*1273))]/[exp(-234,000/(R*T))]*(1/400)*(d)2.exp (-234,000 / (R * 1273))] / [exp (-234,000 / (R * T))] (1/400) * (d) 2 .
(여기서, h는 가열시간(단위는 시간), T는 가열온도, d는 금속 분말의 크기(10≤d≤106, 단위는 ㎛), R = 8.314J/(mol*K))D is the size of the metal powder (10? D? 106, unit is μm), R is 8.314 J / (mol * K)),
여기서, 'R'은 기체상수로 그 값은 8.314 J/(mol*K)이고, 'T'는 가열온도(K)를 나타낸다. 금속 분말(31)의 크기는 10㎛ 내지 106㎛일 수 있다. 10㎛이하의 크기는 통상적인 방법으로 제조하는 데 어려움이 있기 때문에 그 이상의 크기는 가지는 금속분말을 사용한다. [식 2]를 이용하여 계산하면 열처리온도를 1,000℃에서 1,100℃로 상승시키면 열처리시간을 5배 정도 줄어드는 것을 알 수 있다. Here, 'R' is a gas constant whose value is 8.314 J / (mol * K), and 'T' represents the heating temperature (K). The size of the
도 13의 (a)는 본 발명의 일 비교예에 따른 금속간 화합물층(20)이 형성되어 있는 금속 구조체(1)를 이용한 금속 촉매 모듈의 내열특성 평가 시험후 표면을, 도 13의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 구초제(2)를 이용한 금속 촉매 모듈(3)의 내열특성 평가 시험 후 표면을 나타낸다. 13 (a) shows the surface after the heat resistance evaluation test of the metal catalyst module using the
도 13의 (a) 를 참조하면, 어두운 부분으로 나타나는 감마 알루미나 다공성 담체층(40)이 열 이력 시험에 의해 일부 탈리되어 표면이 매끄럽지 못하고 거친 부분이 있는 것을 알 수 있다. 반면에, 도 13의 (b)를 참조하면, 감마 알루미나 다공성 담체층(40)이 탈리되지 않고, 요철구조(30)와 함께 견고하게 부착되어 있는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 13 (a), it can be seen that the gamma alumina
따라서, 본 발명은 금속 구조체(2)를 포함하는 금속 촉매 모듈(3)은 금속 구조체(2)의 표면에 요철구조(30)를 형성하고, 열처리를 통해 금속간 화합물층(20)을 제거함으로써 금속 구조체(2)의 상부에 형성되는 다공성 담체층(40)의 부착력을 향상시키고 및 급격한 온도변화 환경에서도 표면의 변화가 작도록 내열특성을 향상시킬 수 있다. Therefore, the present invention is characterized in that the
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken in conjunction with the present invention. Variations and changes are possible. Such variations and modifications are to be considered as falling within the scope of the invention and the appended claims.
1: 금속간 화합물층이 형성되어 있는 금속 구조체
2: 금속 구조체
3: 금속 촉매 모듈
10: 기판
20: 금속간 화합물층
30: 요철구조
31: 금속 분말
32: 할라이드 분말
40: 다공성 담체층
50: 촉매 활성 성분
300: 분말 혼합체
F: 도가니1: Metal structure in which an intermetallic compound layer is formed
2: metal structure
3: Metal catalyst module
10: substrate
20: intermetallic compound layer
30: concave and convex structure
31: metal powder
32: halide powder
40: Porous carrier layer
50: Catalytically active component
300: powder mixture
F: Crucible
Claims (17)
(b) 철(Fe)을 포함하는 기판을 준비하는 단계;
(c) 상기 분말 혼합체와 상기 기판을 접촉시키고 가열하는 단계;
(d) 상기 기판의 상부에 금속간 화합물층을 형성하는 단계;
(e) 상기 금속간 화합물층 상에 상기 금속 분말을 포함하는 요철 구조를 형성하는 단계; 및
(f) 상기 기판을 열처리하는 단계를 포함하는, 금속 구조체 제조방법.(a) preparing a powder mixture comprising a metal powder and a halide powder;
(b) preparing a substrate comprising iron (Fe);
(c) contacting and heating the powder mixture and the substrate;
(d) forming an intermetallic compound layer on the substrate;
(e) forming an uneven structure including the metal powder on the intermetallic compound layer; And
(f) heat treating the substrate.
상기 금속 분말은, 철(Fe)-알루미늄(Al)합금 분말 또는 크롬(Cr)-알루미늄(Al)합금 분말을 포함하는, 금속 구조체 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the metal powder comprises an iron (Fe) -aluminum (Al) alloy powder or a chromium (Cr) -aluminum (Al) alloy powder.
상기 철(Fe)-알루미늄(Al)합금 분말은,
상기 알루미늄(Al)이 45 내지 55 중량%,
상기 철(Fe)이 잔부를 구성하는, 금속 구조체 제조방법.3. The method of claim 2,
The iron (Fe) -aluminum (Al)
45 to 55% by weight of the aluminum (Al)
And the iron (Fe) constitutes the remainder.
상기 크롬(Cr)-알루미늄(Al)합금 분말은,
상기 알루미늄(Al)이 45 내지 55 중량%,
상기 크롬(Cr)이 잔부를 구성하는, 금속 구조체 제조방법.3. The method of claim 2,
The chromium (Cr) -aluminum (Al)
45 to 55% by weight of the aluminum (Al)
And the chrome (Cr) constitutes the remainder.
상기 (c) 단계에서, 상기 기판을 상기 분말 혼합체에 디핑(deeping)하여 상기 기판과 상기 분말 혼합체를 접촉시키는, 금속 구조체 제조방법.The method according to claim 1,
In the step (c), the substrate and the powder mixture are contacted by deepening the substrate with the powder mixture.
상기 할라이드(Halide)는, 염화리튬(LiCl), 염화나트륨(NaCl), 염화칼륨(KCl) 등의 알칼리금속 염화물, 염화칼슘(CaCl2), 염화바륨(BaCl2), 염화암모늄(NH4Cl), 불화나트륨(NaF), 불화칼륨(KF), 불화리튬(LiF), 불화마그네슘(MgF2), 불화칼슘(CaF2), 불화바륨(BaF2) 및 불화암모늄(NH4F), 요오드화나트륨(NaI), 요오드화칼륨(KI), 요오드화리튬(LiI), 요오드화마그네슘(MgI2), 요오드화칼슘(CaI2), 요오드화바륨(BaI2) 및 요오드화암모늄(NH4I)으로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나를 포함하는, 금속 구조체 제조방법.The method according to claim 1,
The halide (Halide), the lithium chloride (LiCl), sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), such as the alkali metal chlorides, calcium chloride (CaCl 2), barium chloride (BaCl 2), ammonium chloride (NH 4 Cl), fluorinated sodium (NaF), potassium fluoride (KF), lithium fluoride (LiF), magnesium fluoride (MgF 2), calcium fluoride (CaF 2), barium fluoride (BaF 2) and ammonium fluoride (NH 4 F), sodium iodide (NaI ), potassium iodide (KI), lithium iodide (LiI), magnesium iodide (MgI 2), calcium iodide (CaI 2), at least one from the group consisting of barium iodide (BaI 2) and ammonium iodide (NH 4 I) ≪ / RTI >
상기 분말 혼합체는,
상기 할라이드 분말 0.5 내지 3 중량%,
상기 금속 분말이 잔부를 구성하는, 금속 구조체 제조방법.The method according to claim 1,
The powder mixture may contain,
0.5 to 3% by weight of the halide powder,
And the metal powder constitutes the remainder.
상기 (c) 단계에서, 가열은 700℃ 내지 1000℃에서, 4시간 내지 24시간동안 수행하는, 금속 구조체 제조방법.The method according to claim 1,
In the step (c), the heating is performed at 700 to 1000 占 폚 for 4 to 24 hours.
상기 (d) 단계는, 상기 금속 분말과 상기 할라이드 분말이 반응하여 금속-할라이드(Metalic halide)를 형성하고, 상기 금속-할라이드가 상기 기판과 반응하여 상기 기판의 상부에 상기 금속간 화합물층을 형성하는 단계를 포함하는, 금속 구조체 제조방법.The method according to claim 1,
In the step (d), the metal powder reacts with the halide powder to form a metal halide, and the metal-halide reacts with the substrate to form the intermetallic compound layer on the substrate ≪ / RTI >
상기 금속간 화합물층은, 알루미나이드(Aluminide)를 포함하는, 금속 구조체 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the intermetallic compound layer comprises aluminide.
상기 (e) 단계는, 상기 금속간 화합물층이 상기 금속 분말과 결합하여 상기 요철 구조를 형성하는 단계를 포함하는, 금속 구조체 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the step (e) includes the step of forming the concavo-convex structure by bonding the intermetallic compound layer with the metal powder.
상기 (f) 단계에서, 가열은 700℃ 내지 1000℃에서, 10시간 내지 36시간동안 수행하는, 금속 구조체 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein, in the step (f), the heating is performed at 700 캜 to 1000 캜 for 10 hours to 36 hours.
상기 (f) 단계에서, 가열온도와 가열시간은 하기의 [식 1]을 만족하는, 금속 구조체 제조방법.
[식 1]
h≥[exp(-234,000/(R*1273))]/[exp(-234,000/(R*T))]*(1/400)*(d)2
(여기서, h는 가열시간(단위는 시간), T는 가열온도(단위는 K), d는 금속 분말의 크기(10≤d≤106, 단위는 ㎛), R = 8.314J/(mol*K))The method according to claim 1,
In the step (f), the heating temperature and the heating time satisfy the following expression (1).
[Formula 1]
(d) 2 > [exp (-234,000 / (R * 1273))] / [exp (-234,000 / (R * T))]
D is the size of the metal powder (10 ≤ d ≤ 106, in units of ㎛), R = 8.314 J / (mol * K), where h is the heating time in hours, T is the heating temperature in K, ))
상기 (f) 단계에서, 상기 금속간 화합물층이 제거되고 상기 기판의 상부에 요철구조가 형성되는, 금속 구조체 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein, in the step (f), the intermetallic compound layer is removed and a concave-convex structure is formed on the substrate.
상기 (f) 단계에서, 열처리에 의해 상기 금속간 화합물층이 고용(solid solution)되어 상기 기판에 확산되는, 금속 구조체 제조방법.15. The method of claim 14,
In the step (f), the intermetallic compound layer is solid solution by heat treatment and is diffused into the substrate.
상기 (f) 단계는, 불활성 가스 또는 환원성 가스 분위기에서 수행하는, 금속 구조체 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the step (f) is performed in an inert gas or a reducing gas atmosphere.
17. A metal catalyst module comprising a metal structure produced by the method of any one of claims 1-16.
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KR20040039951A (en) * | 2002-11-05 | 2004-05-12 | 주식회사 엔비켐 | A Method for Coating Double-Layered Particles of Metal-Metal Oxide and Depositing Active Catalyst Particles onto Metal Substrates for Preparing Metal Monolith Catalyst Modules |
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