KR20190080219A - 우수한 내식성 및 경량성을 가지는 해상 cctv 하우징용 복합소재 제조방법 및 이에 의해 제조된 해상 cctv 하우징용 복합소재 - Google Patents
우수한 내식성 및 경량성을 가지는 해상 cctv 하우징용 복합소재 제조방법 및 이에 의해 제조된 해상 cctv 하우징용 복합소재 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 (a) 0.15 중량% 이하의 탄소(C); 15~20 중량%의 크롬(Cr); 및 8~12 중량%의 니켈(Ni)을 포함하는 스테인레스 강 분말; 및 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말을 밀링하여 혼합분말을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 제조한 혼합분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하는 단계를 포함하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법에 대한 것으로서, 본 발명에 의하면 우수한 내식성은 물론 뛰어난 기계적 물성 및 경량성 등 해상 CCTV 하우징과 같은 해양 기자재의 소재로서 최적의 성능을 가진 복합소재를 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 해상 CCTV 하우징용 복합소재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 복합소재에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 내식성 및 경량성을 가지는 해상 CCTV 하우징용 복합소재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 복합소재에 관한 것이다.
선박이나 해양 플랜트 등의 해양 구조물은 그 특성상 사람이 근접 관리하기 힘든 구역 또는 폭발 위험이 있는 구역 등에 폐쇄회로 텔레비젼(closed-circuit television, CCTV)의 설치 운영이 요구된다.
이러한 해상용 CCTV의 카메라, 렌즈, 전원 공급기 등을 보호하기 위한 부재인 하우징(housing)은 통상 금속으로 이루어지는데, 항시 해수 및 해양 대기환경에 노출되어 있어 금속의 부식에 따른 문제점이 항시 수반된다.
하지만, 현실적으로 해양 환경에서 사용되는 금속 부재의 부식을 완전히 방지하는 것은 불가능하므로 부식을 완화시키거나 또는 정해진 기간 내에 일정 정도 이상의 부식이 진행되지 않도록 하는 방법을 통해 금속의 부식을 방지하고 있다.
이와 같은 금속 해양 기자재의 부식 방지를 위한 공지의 방법으로 금속 기재의 표면에 방청제 등을 도장하는 표면 처리 방법과 금속 기재에 일정한 전위를 흘려주어 일종의 전지반응을 유도해 부식을 방지하는 전기 방식 방법을 대표적인 예로 들 수 있으며, 최근에는 주로 금속 기재의 표면에 방청제 등을 도장하는 표면 처리 방법을 많이 사용하고 있다.
그러나, 상기한 방청제 등을 도장하는 방법을 통해 형성된 금속 기재 표면의 코팅층은 시간이 지남에 따라 소실되어 금속 기재의 표면에 부식이 발생되므로, 반복해서 방청제 등을 도장하여 금속 기재의 표면에 코팅층을 형성시켜야만 한다.
일례로, 비철 금속으로 심해 해양 기자재 제조에 널리 사용되고 있는 알루미늄 으로 이루어진 금속 기재는 부식을 방지하기 위해 표면에 방청제를 코팅하여 사용되어 왔다.
하지만, 상기와 같이 알루미늄 기재의 표면에 방청제를 코팅한 경우, 알루미늄 기재와 방청제의 결합력이 떨어져 알루미늄 기재의 표면에 형성된 방청제 코팅층이 쉽게 소실되어 내식성이 떨어진다는 문제점이 있다.
따라서, 해수 및 해양 대기환경에 노출되어 있는 해상 CCTV 하우징의 소재로서 적합한 내식성을 가질 뿐만 아니라, 해상 CCTV의 운용 및 유지에 유리한 우수한 기계적 물성 및 경량성까지 구비한 소재에 대한 개발이 필요하다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 우수한 내식성은 물론, 뛰어난 경량성 및 기계적 강도를 가져 해상 CCTV 하우징으로서 적합한 복합소재를 제조하는 방법과 이에 의해 제조된 해상 CCTV 하우징용 복합소재에 관한 기술 내용을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, (a) 0.15 중량% 이하의 탄소(C); 15~20 중량%의 크롬(Cr); 및 8~12 중량%의 니켈(Ni)을 포함하는 스테인레스 강 분말; 및 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말을 밀링하여 혼합분말을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 제조한 혼합분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하는 단계를 포함하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 스테인레스 강은, 3 중량% 이하의 망간(Mn); 1.5 중량% 이하의 실리콘(Si); 0.05 중량% 이하의 황(S); 및 0.05 중량% 이하의 인(P)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 스테인레스 강은 SUS304인 것을 특징으로 하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 알루미늄 합금은 순수 알루미늄 합금계(1000계열), Al-Mn계, Al-Si계, Al-Cu계, Al-Mg계, Al-Mg-Si계, Al-Zn-Mg계, Al-Cu계 및 Al-Si-Cu-Mg계로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 혼합분말은 상기 스테인레스 강 분말 및 상기 알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말을 2 : 1 내지 1 : 1의 부피비로 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 단계 (a)는 볼 밀링(ball milling), 유성 밀링(planetary milling) 또는 어트리션 밀링(attrition milling)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 단계 (b)는 650 ℃의 온도 및 100 MPa의 압력 하에서 10 분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법을 제공한다.
그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 제조방법에 의해 제조된 해상 CCTV 하우징용 복합소재를 제공한다.
또한, SUS304 및 알루미늄을 1 : 1의 부피비로 포함하며, 비커스 경도(Hardness Vickers, HV)가 345인 것을 특징으로 하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재를 제공한다.
그리고, 본 발명은 발명의 또 다른 측면에서 상기 복합소재로 이루어진 해상 CCTV 하우징을 제안한다.
본 발명에 의하면, (a) 0.15 중량% 이하의 탄소(C); 15~20 중량%의 크롬(Cr); 및 8~12 중량%의 니켈(Ni)을 포함하는 스테인레스 강 및 알루미늄(또는 알루미늄 합금)의 혼합물을 이용해 방전 플라즈마 소결(SPS) 공정을 통해 우수한 내식성은 물론 뛰어난 기계적 물성 및 경량성 등 해상 CCTV 하우징과 같은 해양 기자재의 소재로서 최적의 성능을 가진 복합소재를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 경량 복합소재 제조방법의 각 단계를 나타낸 공정 흐름도이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법은, (a) 0.15 중량% 이하의 탄소(C); 15~20 중량%의 크롬(Cr); 및 8~12 중량%의 니켈(Ni)을 포함하는 스테인레스 강 분말; 및 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말을 밀링하여 혼합분말을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 제조한 혼합분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하는 단계를포함한다.
상기 단계 (a)에서는 0.15 중량% 이하의 탄소(C); 15~20 중량%의 크롬(Cr); 및 8~12 중량%의 니켈(Ni)을 포함하는 오스테나이트계 스테인레스 강 분말과 알루미늄 분말 또는 그 합금 분말을 밀링 공정을 통해 혼합해 이어지는 단계 (b)의 SPS 공정에 제공하기 위한 혼합분말을 제조하는 단계이다.
상기 스테인레스 강은 3 중량% 이하의 망간(Mn); 1.5 중량% 이하의 실리콘(Si); 0.05 중량% 이하의 황(S); 및 0.05 중량% 이하의 인(P)을 더 포함할 수 있으며, 가장 바람직하게는 SUS304로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 스테인레스 강 분말은 평균입경이 0.1 내지 1,000 ㎛인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 평균입경이 0.1 ㎛ 미만일 경우에는 알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말과의 과도한 합금화(alloying)가 야기될 수 있으며, 평균입경이 1,000 ㎛를 초과할 경우에는 기공률이 너무 높아져 알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말과의 복합화가 유도되기 힘든 문제점이 있기 때문이다. 보다 바람직하게는 상기 스테인레스 강 분말은 평균입경이 100 ㎛이하인 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 합금 분말은 공지의 소성가공용 합금(wrought alloy) 또는 주조용 합금(cast alloy)을 제한 없이 사용할 수 있으며, 이러한 알루미늄 합금 분말로는, 1000 계열의 순수 알루미늄 합금계, 3003, 3004 또는 3014 등의 Al-Mn계, 4032 또는 4043 등의 Al-Si계, 두랄루민으로 알려진 2017 또는 2024 등의 Al-Cu계, 5052 또는 5083 등의 Al-Mg계, 6061-T6, 6063 또는 6N01 등의 Al-Mg-Si계, 7N01 등의 Al-Zn-Mg계와 7075 등의 Al-Si-Cu-Mg계 알루미늄 합금 등을 대표적인 예로 들 수 있다.
그리고, 상기 알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말은 평균입경이 0.1 내지 1,000 ㎛인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 평균입경이 0.1 ㎛ 미만일 경우에는 스테인레스 강 분말과의 과도한 합금화(alloying)가 야기될 수 있으며, 평균입경이 1,000 ㎛를 초과할 경우에는 기공률이 너무 높아져 스테인레스 강 분말과의 복합화가 유도되기 힘든 문제점이 있기 때문이다. 보다 바람직하게는 상기 알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말은 평균입경이 75 ㎛이하인 것을 사용할 수 있다.
한편, 본 단계 (a)에서 스테인레스 강 분말과 알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말을 분쇄 및 혼합하기 위한 밀링(milling) 방법은, 상기 원료 분말들이 균일하게 분쇄 및 혼합되어 후술할 단계에서 방전 플라즈마 소결 공정을 통해 복합 재료를 형성할 수 있기만 하면 그 구체적인 방법이 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 볼 밀링(ball milling), 유성 밀링(planetary milling) 또는 어트리션 밀링(attrition milling) 등을 이용한 밀링(milling) 방법일 수 있다.
또한, 본 단계에서는 상기 혼합분말은 상기 스테인레스 강 분말 및 상기 알루미늄 분말을 각각 2 : 1 내지 1 : 1의 부피비로 포함하도록 구성해 최종적으로 얻어지는 복합소재에 해상 CCTV 하우징의 소재에 요구되는 내식성, 밀도 및 경도 등의 기계적 물성을 부여할 수 있다.
다음으로, 상기 단계 (b)에서는 전 단계에서 제조한 혼합분말을 이용해 방전 플라즈마 소결(SPS) 공정으로 복합소재 소결체를 제조하는 단계이다.
본 단계 (b)에서 스테인레스 강 분말 및 상기 알루미늄 분말의 복합화를 위해 사용되는 방전 플라즈마 소결은, 분말이나 판재를 1축으로 가압하면서 가압방향과 평행한 방향으로 직류펄스 전류를 인가하여 소결하는 방법으로서, 분말이나 판재에 압력과 저전압 및 대전류를 투입하고 이때 발생하는 스파크에 의해 순식간에 발생하는 플라즈마의 고에너지를 전계확산, 열확산 등에 응용하는 소결 방법이다. 이러한 방전 플라즈마 소결은 종래 주조법을 이용한 복합소재의 제조방법에 비해서, 소결 온도가 200 내지 500 ℃ 정도 더 낮고, 승온 및 유지시간을 포함하여 단시간에 소결을 완료할 수 있기 때문에, 전력소비를 크게 감소시킬 수 있으며, 취급이 간편하고, 운영비용이 저렴하다.
본 발명에서는 종래 주조법 등을 이용한 이종(異種) 금속 소재의 복합화 공정과는 달리 분말 형태의 원료를 방전 플라즈마 소결을 통해 치밀화시켜 복합소재를 제조함으로써 제조시간이 짧으며, 고밀도 복합소재의 제조가 가능해 스테인레스 강과 동등한 수준의 기계적 강도 및 내식성을 가질 뿐만 아니라, 알루미늄 또는 그 합금과 같이 가공성 및 경량성이 우수해 해상 CCTV 하우징용 소재로서 최적의 복합소재를 제조할 수 있다.
본 단계 (b)에서는 알루미늄의 융점 이하의 온도, 예를 들면 500 내지 650 ℃의 온도에서 100 내지 800 MPa의 압력을 가해 1 내지 20 분 동안 방전 플라즈마 소결 공정을 수행한다.
상기와 같이 방전 플라즈마 소결을 실시하면 스테인레스 강과 알루미늄 또는 알루미늄 합금 내 성분 원소의 상호 확산이 일어날만한 온도 및 시간이 충분하지 않기 때문에 계면 생성물의 범위가 매우 작고, 조성 변화의 범위가 극히 제한되어 합금 고유의 특성을 유지할 수 있는 효과가 있으며, 또한, 상기와 같은 방전 플라즈마 소결 공정을 이용하면, 기존의 합성온도보다 낮은 온도 및 짧은 시간 내에 복합소재의 제조가 가능해 제조원가를 절감할 수 있다.
앞서 상세히 설명한 본 발명에 따른 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법에 의하면, (a) 0.15 중량% 이하의 탄소(C); 15~20 중량%의 크롬(Cr); 및 8~12 중량%의 니켈(Ni)을 포함하는 스테인레스 강 및 알루미늄(또는 알루미늄 합금)의 혼합물을 이용해 방전 플라즈마 소결(SPS) 공정을 통해 우수한 내식성은 물론 뛰어난 기계적 물성 및 경량성 등 해상 CCTV 하우징과 같은 해양 기자재의 소재로서 최적의 성능을 가진 복합소재를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다.
제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예>
평균입경이 100 ㎛인 SUS304 분말 50 vol% 및 평균입경이 75 ㎛인 알루미늄 vol%를 200 rpm의 속도로 12 시간 동안 볼 밀링해 혼합분말을 제조한 후, 아래 표 1의 소결조건에 따라 방전 플라즈마 소결하여 복합소재를 제조하였다(실시예).
또한, 평균입경이 100 ㎛인 SUS304 분말 및 평균입경이 75 ㎛인 알루미늄 분말을 각각 200 rpm의 속도로 12 시간 동안 볼 밀링하고 건조시킨 후 아래 표 1의 소결조건에 따라 방전 플라즈마 소결하여 SUS304 또는 알루미늄으로만 이루어진 소결체를 제조하였다(비교예 1 및 비교예 2).
<실험예>
상기 실시예와 비교예 1 및 2 각각에 의해 제조된 소결체 시편의 밀도 및 비커스 경도를 측정하였으며, 그 결과를 상기 표 1에 나타내었다.
표 1에 따르면, 실시예에 따라 제조된 복합소재는 비교예 2에 따른 SUS304로 이루어진 시편과 비교해 약 30% 가량 밀도를 가져 현저한 경량화가 이루어졌음은 물론, 약 2.3배에 이르는 높은 경도를 나타냈다.
즉, 본 발명에 따라 제조된 복합소재는 우수한 내식성은 물론 뛰어난 기계적 물성 및 경량성을 가져 해상 CCTV 하우징과 같은 해양 기자재의 소재로서 최적의 성능을 가진 것으로 판명되었다.
Claims (10)
- (a) 0.15 중량% 이하의 탄소(C); 15~20 중량%의 크롬(Cr); 및 8~12 중량%의 니켈(Ni)을 포함하는 스테인레스 강 분말; 및 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말을 밀링하여 혼합분말을 제조하는 단계; 및
(b) 상기 단계 (a)에서 제조한 혼합분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하는 단계를 포함하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 스테인레스 강은, 3 중량% 이하의 망간(Mn); 1.5 중량% 이하의 실리콘(Si); 0.05 중량% 이하의 황(S); 및 0.05 중량% 이하의 인(P)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 스테인레스 강은 SUS304인 것을 특징으로 하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 순수 알루미늄 합금계(1000계열), Al-Mn계, Al-Si계, Al-Cu계, Al-Mg계, Al-Mg-Si계, Al-Zn-Mg계, Al-Cu계 및 Al-Si-Cu-Mg계로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 혼합분말은 상기 스테인레스 강 분말 및 상기 알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말을 2 : 1 내지 1 : 1의 부피비로 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (a)는 볼 밀링(ball milling), 유성 밀링(planetary milling) 또는 어트리션 밀링(attrition milling)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (b)는 650 ℃의 온도 및 100 MPa의 압력 하에서 10 분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재 제조방법. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 해상 CCTV 하우징용 복합소재.
- 제8항에 있어서,
SUS304 및 알루미늄을 1 : 1의 부피비로 포함하며, 비커스 경도(Hardness Vickers, HV)가 345인 것을 특징으로 하는 해상 CCTV 하우징용 복합소재. - 제9항에 기재된 복합소재로 이루어진 해상 CCTV 하우징.
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