KR960001715B1 - 섬유강화금속 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

섬유강화금속

제1도, 제2도 및 제3도는 FRM단면의 섬유형상을 표시한 현미경사진(1000배)임.

본 발명은, 유리섬유강화금속에 관한 것이다. 섬유강화금속(FRM)은 금속에 섬유를 복합시키므로서 금속 단독으로는 달성할 수 없는 물성을 실현한다. 그러한 FRM로서는 종래 알루미늄합금을 탄소섬유, 세라믹섬유(SiC, Si-Ti-C-O(티타노섬유), 알루미나, 붕소), 유리섬유 등에 의해 강화한 것이 대표적이고, 금속매트릭스에 높은 인장강도나 강성 및 낮은 열팽창 계수를 부여한다.

그러나, 종래의 FRM에서는 예를 들면 강화섬유로서 탄소섬유를 사용했을 경우, 알루미늄용량과 강화섬유가 반응해서 탄화알루미늄 Al4C3를 형성해서 FRM의 강도나 충분히 향상되지 않는다. 또, 세라믹 섬유중 SiC, Si-Ti-C-O(티타노)섬유를 사용한 경우는, 알루미늄과의 습윤성이 나빠서 충분한 강도의 FRM을 얻을 수 없다. 또 알루미나섬유중 Al₂O₃에 SiO₂를 함유한 것은 알루미나 용탕과 반응하고, 한편 SiO₂를 함유하지 않는 알루미나 섬유에서는, 반응성이 없고 습윤성도 좋지만 강도가 낮다(1.38GPa). 또한, 붕소섬유는 섬유경이 크고 복잡한 형성으로 할수 없기 때문에 FRM용의 강화섬유로서 충분한 기능을 달할 수 없다는 등의 문제점을 가진다. 또 이들 세라믹섬유는 매우 고가라고 하는 코스트면의 문제도 크다. 또한, 고강도의 유기섬유는 퀘브라는 내열성이 낮고, 또한 일반적인 유리섬유는 합금용탕과 반응성을 가지고 탄성율, 강도도 낮다.

이와 같이, 종래의 강화섬유와 금속과의 조합에 의한 FRM은, 강화섬유와 매트릭스금속의 용탕이 경제면에서 반응하거나, 혹은 금속용탕에 대한 섬유의 습윤성이 나쁘다는 등의 문제점을 가진다. 즉, FRM의 제조시, 금속매트릭스와 강화섬유가 경계면에서 반응하면 얻어지는 FRM의 강도가 저하한다. 또, 매트릭스와 강화섬유와의 습윤성이 나쁘면 양자와 접착이 충분하지 않고, 그대로서는 얻어지는 FRM은 강도, 탄성을 다같이 복합칙이 성립되지 않고, 충분한 물성은 얻을 수 없다.

이 때문에, 종래 FRM을 제조하는데는, 강화섬유의 표면에 니켈등의 금속을 도금하거나, 혹은 SiC등의 무기화합물을 플라즈마 코우팅하는 등의 방법에 의해 표면처리를 행한후, 매트릭스금속을 함침하는 방법이 사용되고 있다. 그러나, 그러한 밥법은 많은 비용이 소요되고, 공정도 번잡해진다.

본 발명자들은, 상기 문제점에 비추어 고탕성 섬유인 옥시나이트라이드 유리를 FRM의 강화섬유로서 사용할 것을 검토하였던바, 소정이상의 질소를 함유하는 옥시나이트라이드 유리섬유는 도금등의 사전처리를 실시하지 않아도 용탕과의 반응이 없고, 또한 습윤성이 양호하고, 얻어진 FRM에 복합칙이 거의 성립되는 것을 발견하고 본 발명을 완성하였다.

본 발명은, 질소함유량 8∼23.4원자%의 유리섬유, 및 이 유리섬유에 함침된 매트릭스금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 섬유강화금속을 제공하는 것이다.

본 발명에서 강화용 섬유로서 질소함유량 8∼23.4원자%의 옥시나이트라이드 유리섬유를 사용한다. 질소의 함유량을 8∼23.4원자%로 하는 것은, 8이하로 하면 유리섬유의 강도가 낮아 강화재료로서 부적합하며, 23.4이상으로 하면 효과가 변하지 않기 때문이다. 특히 질소함유량이 12원자%이상의 경우는 금속에 대한 유리섬유의 습윤성이 양호하고, FRM의 강도가 높다. 또 원료인 Si₃N₄는 비교적 고가이고, 또 질소함유량이 많으면 방사성(紡薩性)이 저하하므로, 그와 같은 관점에서 질소함유량 8∼23.4원자%의 유리섬유를 사용한다.

본 발명 FRM에 사용되는 유리섬유는, 특히 Si-M₁-M₂-O-N계를 가진 옥시나이트 라이드 유리섬유로서, SiO₂, Si₃N₄및 M₁O를 물%로 아래식 :

65

(SiO₂+3Si₃N₄+M₁O)×100/(100+2Si₃N₄)＜100 ……………………(a)

0.7

(SiO₂+3Si₃N₄)/M₁O

2.3 …………………………………………………(b)

[식중, M₁은 Ca 또는 Ca+Mg이고, M₂는 Al, Sr, La, Ba, Y, Ti, Zr, Ce, Na, K, Sb, B, Cr, Pb, V 및 Sn로부터 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종이상의 금속을 의미한다.]를 만족하는 양 함유하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에서 사용되는 옥시나이트 라이드 유리는, Si-Ca-M₂-O-N 또는 Si-Ca-Mg-M₂-O-N 유리계를 가진다.

금속 M₂는 단독으로, 또는 2종이상을 조합해서 사용해도 좋다.

또, 이 유리는 SiO₂O∼40몰%, CaO 26∼70몰%, MgO 0∼20몰% 및 M₂22원자%이하를 함유한 것이 바람직하다.

따라서 본 발명에서 사용되는 강화섬유의 옥시나이트 라이트 유리의 바람직한 조성은, 물%로 다음식을 만족시킨다.

(SiO₂+3Si₃N₄+CaO+MgO)×100

/(100+2Si₃N₄)=65∼100 ………………………………………………………(a)'

(SiO₂+3Si₃N₄)/(CaO+MgO)=0.7∼2.3 ………………………………………(b)'

식중, CaO는 첨가한 CaO, 혹은 CaO로 변환될 수 있는 화합물의 물%, 또 MgO는 첨가한 MgO, 혹은 MgO로 변환될 수 있는 화합물의 물%이다.

그와 같은 유리섬유의 섬유경은 3∼50㎛, 또 연속섬유이거나 0.5∼100㎜의 단섬유라도 좋다.

또, 매트릭스 금속으로서는, 알루미늄, 티탄, 마그네슘, 니켈, 구리 및 이들 각 금속의 합금등이 사용된다.

매트릭스 금속을 강화섬유에 함침시키는데는 여러 가지 방법을 사용할 수 있지만, 옥시나이트 라이드 유리 섬유를 금형에 넣고, 이것에 매트릭스가 되는 금속의 용탕을 주입하고, 이어서 가압한 후, 응고시키는 것이 좋다. 구체적으로는, 예를들면 강화섬유를 500∼600℃로 가열한 금형속에 넣고, 800℃정도로 가열용융한 알루미늄 합금등을 유입해서 1∼수백 MPa정도로 가압하고, 냉각응고시켜 FRM을 얻는다. 그와 같은 방법에 의하면, 약 900℃의 고온까지 공기속에서 제조가 가능하다.

또한, 본 발명의 FRM을 제조하는데는, 상기 주조법외에 공지의 FRM제조법, 예를 들면 분말 아금법, 콤포지드와이어법, 플라즈마 스프레이법, 용사법, 증착법, 다이캐스트법, 호트프레스법등 어느 것이나 채용될 수 있고, 적당한 형상의 FRM을 제조할 수 있다.

본 발명에서는 강화섬유와 매트릭스 금속이 반응하지 않고, 또 강화섬유가 매트릭스 금속에 균일하게 젖는다.

다음 실시예에 의해 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 실시예중, %는 몰%를 의미한다.

[실시예 1]

[강화섬유의 제조]

유리의 원료분말(SiO₂: 8.6%, Si₃N₄: 19.4%, GaO : 59.8%, MgO : 6.9%, Al₂O₃: 5.2% , 질소함유량 23.4원자%, 식(a)=96.2, 식(b)=1.00)을 혼합해서 몰리부덴제 도가니에 넣고, 그래파이트제 히이터에서 가열해서 도가니 하루로부터 섬유를 꺼내서 방사하였다. 방사는 1780℃에서 시간 유리를 용융후, 1570℃로 유지하고, 도가니의 바닥에 설치한 노즐로부터 유리를 낙하시켜 섬유화하고, 감는 속도 약 1000m/분에서 와인더에 감았다 얻어진 섬유는, 연장탄성율 205GPa, 인장강도 : 3.62GPa, 섬유경 : 2㎛, 밀도 : 2.89g/㎤이였다.

[FRM의 제조]

금형(5㎜×5㎜×20㎜)를 550℃로 유지하고, 이것에 한쪽방향으로 가지런히 당겨진 상기 유리섬유다발 0.72g을 넣고, 10분간 유지하였다. 이것에 800℃에서 용해한 알루미늄합금 6061(Al-Mg-Si계의 모델재료)의 용량을 주입, 23MPa에서 가압하고, 가압된 그대도 냉각해서 응고시켰다. 제1도는 얻어진 FRM의 단면의 조직의 현미경사진이고, 섬유와 금속과의 경계면은 명료하고 반응을 인정되지 않고, 또 섬유사이에는 금속이 균일하게 침입되어 있어, 습윤성은 양호하다. 또, EPMA에서의 측정결과에서도 원소의 이동은 없고, 섬유와 매트릭스의 반응은 보이지 않고, 섬유에는 데미지는 보이지 않았다.

얻어진 FRM은 옥시나이트 라이드 유리섬유를 50체적%함유하고, 그 굽힘탄성율은 137GPa, 굽힘강도는 1.76GPa이였다. 또한, 매트릭스 금속인 알루미늄합금 6061자체의 인장탄성율은 68.6GPa, 인장강도 309MPa이다.

[실시예 2]

유리원료로서 SiO₂30.5%, Si₃N₄9.5%, CaO 49.4%, MgO 6.0%, Al₂O₃4.6%[질소함유량 12.6원자%식(a)=96.1, 식(b)=1.06]을 사용 실시예 1과 마찬가지로해서 유리섬유를 제조하였다. 단, 용융온도1700℃, 방사온도 1510℃로 하였다. 얻어진 유리섬유는, 인장 탄성율 113GPa, 인장강도 3.43GPa, 섬유경12㎛, 밀도 2.85g/㎤이였다.

상기 섬유 0.71g을 사용, 실시예 1과 마찬가지로해서 FRM을 제조하였다. 얻어진 FRM의 단면조직의 현미경사진을 제2도에 표시한다. 제1도와 마찬가지 섬유와 Al합금과의 경계면에는 반응층이 인정되지 않고, 또 섬유사이에 금속이 균일하게 침입되어 있고 습윤성도 양호하다. 또한, FRM속 강화섬유의 함유량은 50체적%이다. 얻어진FRM은, 굽힘탄성을 88.2GPa, 굽힘강도 1.67GPa이고, 불합칙이 성립되어 있다.

[비교예 1]

유리원료로서 SiO₂39.3%, Si₃N₄4.0%, GaO 46%, MgO 5.0%, Al₂O₃5.0%[질소함유량 5.6원자%식(a)=95.4, 식(b)=0.99]을 사용 실시예 1과 마찬가지로해서 유리섬유를 제조하였다. 단, 용융온도1600℃, 방사온도 1430℃로 하였다. 얻어진 유리섬유의 물성은, 인장탄성율 100GPa, 인장강도 3.43GPa, 섬유경 12㎛, 밀도 2.82g/㎤이였다.

상기 섬유 0.70g을 사용, 실시예 1과 마찬가지로해서 FRM을 제조하였다. 또한, FRM속 강화 섬유의 함유량은 50체적%이고, 얻게된 FRM은, 굽힘탄성율 66.6GPa, 굽힘강도 392MPa로, 알루미늄합금은 거의 강화되지 않았다.

[실시예 3]

[강화섬유의 제조]

유리의 원료분말[SiO₂: 35.92%, Si₃N₄: 10.38%, CaO : 36.23%, MgO : 6.04%, Al₂O₃: 12.08% : 질소함유량 8.1원자%식(a)=90, 식(b)=0.83]을 혼합해서, 몰리부덴재 도가니에 넣어 그라페이트제 히이터로 가열하고, 도가니하부로부터 유리섬유를 꺼내서 방사하였다. 방사는 1670℃에서 2시간 유리를 용융후, 1500℃로 유지하고, 도가니의 바닥에 설치한 노즐로부터 유리를 낙하시켜 섬유화하고, 감는속도 약 1000m/분으로 와인더에 감았다. 얻어진 섬유는, 인장 탄성율 103GPa, 인장강도: 3.43MPa, 섬유경 12㎛이였다.

[FRM의 제조]

니켈에서의 프레임(35㎜×20㎜×5㎜)로 한쪽방향으로 가지런히 당겨진 상기 유리섬유(약 5g)을 둘러싸고, 이 프레임마다 금형에 넣고 500℃에서 10분간 유지하였다. 이것에 800℃에서 용해한 1000계 알루미늄의 용탕을 주입, 가압한 그대로 냉각해서 응고 시켰다.

제3도는 얻어진 FRM단면의 조직의 현미경사진이고, 섬유와 금속과의 계면은 명료하고 반응은 인정되지 않고, 또 섬유사이에는 금속이 균일하게 침입해 있어 습윤성은 양호하였다.

얻어진 FRM은 옥시나이트 라이드 유리섬유를 30체적% 함유하고, 그 굽힘탄성율은 63.7GPa, 굽힘강도는 833MPa이였다. 또한, 매트릭스 금속인 알루미늄(1000계)의 굽힘탄성율은 49GPa, 굽힘강도는49MPa이였다.

본 발명의 FRM은, 강화섬유에 표면처리의 특별한 사전처리를 실시하는 일없는 높은 인장강도, 탄성율을 얻게 된다.

Claims (1)

1. 질소함유량 8∼23.4원자%의 유리섬유, 및 이 유리섬유에 함침된 매트릭스금속으로 이루어지고, 상기 매트릭스 금속은 알루미늄, 티타늄, 마그네슘 니켈, 구리 및 이들 각 금속의 합금으로 구성되는 그룹에서 선정되는 섬유강화금속.

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