KR0180104B1 - 알루미늄 합금기 복합재료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄(Al) 합금기 복합재료의 제조방법 좀더 상세하게는 탄화실리콘(SiC) 입자나 알루미나(Al₂O₃) 입자를 보강재로 사용하여 알루미늄 합금기 복합재료를 제조함에 있어 상기 보강재의 입자표면에 금속층을 피복하여 성형한 후 가압주조한 보강입자를 알루미늄 합금기지 내에 균일하게 분산시켜서 보강입자와 기지금속간에 결합력을 부여함으로서 내마모성 재료로 사용할 수 있도록 한 보강재 표면에 금속층을 피복한 알루미늄 합금기 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.

알루미늄 금속기지에 보강재로서 내마모성 입자인 탄화실리콘(SiC) 또는 알루미나(Al₂O₃) 등을 보강입자로 사용할 경우 보강입자에 무전해 도금법으로 Ni-P, Ag, Cu 등의 금속도금의 표면처리를 함으로써 700℃ 정도의 저온에서 기지금속과의 젖음성을 개선토록하여 기지금속과 보강재간의 결합력을 향상시키고 보강입자가 균일하게 분산토록하여 보강입자의 분산성을 향상시키고 젖음성을 개선하도록 한 알루미늄 합금기 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.

Description

알루미늄 합금기 복합재료의 제조방법

본 발명은 알루미늄(Al) 합금기 복합재료의 제조방법 좀더 상세하게는 탄화 실리콘(SiC) 입자나 알루미나(Al₂O₃) 입자를 보강재로 사용하여 알루미늄(Al) 합금기 복합재료를 제조함에 있서 상기 보강재의 입자표면에 금속층을 피복하여 성형한 후 가압주조한 보강입자를 알루미늄(Al) 합금기지내에 균일하게 분산시켜 보강입자와 기지금속간에 결합력을 부여함으로서 내마모성 재료를 사용할 수 있도록 한 보강재 표면에 금속층을 피복한 알루미늄 합금기 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.

복합재료는 기존 금속의 결점을 대폭 보완할 뿐만 아니라 금속재료가 갖지 못하는 새로운 기능을 부여할 수 있어 우주항공 및 정밀기계기구 등에 응용범위가 날로 확대되어 가고 있는 신소재이다. 이러한 입자 강화금속기 복합재료는 금속 기지의 연성과 보강입자의 고경도, 고강도 특성이 결합된 재료이므로 강화입자의 균일한 분산과 기지금속과의 젖음성(Wettability)이 재료의 성능을 결정하는 중요한 요인이 된다. 통상의 복합재료의 제조시 기지금속은 알루미늄(Al)이나 마그네슘(Mg) 합금 등이 주로 사용되고 있는바, 이러한 기지금속은 금속표면의 산화피막이 보강재와의 젖음성을 저해하는 문제가 있는 것으로 알려져 있다.

특히 알루미늄(Al) 합금기 복합재료에서 보강재로 탄화실리콘(SiC)을 사용한 경우 기지조직인 알루미늄 합금기와 보강재간의 원활한 결합은 충분한 젖음성(Wettability)을 전제로 하지만 실제로는 액상 알루미늄 또는 고상 알루미늄의 표면에 존재하는 산화 피막 때문에 탄화실리콘(SiC)과 잘 젖음되지 않거나 접촉되지 못하는 문제점이 있어 개선을 위한 여러가지 방법이 제안되었다. 일례로 알루미늄 기지금속과 탄화실리콘 보강입자간의 적절한 계면접촉과 충분한 젖음을 위하여 고온에서 장시간 유지하는 방법이 있으나, 이는 잠복시간이 길어지며 반응시간이 길어짐에 따라 계면반응에 의하여 계면에 불연속반응생성물인 탄화알루미늄(Al₄C₃)이 형성되고 이 생성물은 보강재의 물성을 저하시키는 단점이 있었다. 또, 기지금속과 보강재간의 과도한 반응을 피하면서 젖음성을 개선하기 위한 계면반응조절을 위하여 기지금속에 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 리튬(Li) 등의 활성원소를 첨가함으로서 젖음성을 개선시키는 방법이 제안되었으나 공정의 추가라는 문제가 있었다.

한편으로는 제조방법의 개선으로 산화피막의 영향을 배제하여 젖음성을 개선하는 방법이 연구되고 있었는바, 이러한 제조방법을 살펴보면, 분말야금법, 주조법 및 복합주조법 등을 들 수 있다.

그러나 분말야금법의 경우 기지금속과 보강입자를 미리 혼합 성형함으로서 보강입자의 균일한 분산성을 꾀할 수 있으나, 원료분말 입자표면의 산화피막 등으로 인하여 물성의 저하가 문제시되며, 또한 제조과정의 복잡성으로 제조단가가 상승되는 문제점이 있었다. 또, 주조법이나 복합주조법의 경우에는 제조시 반응온도가 800℃ 이상으로 높기 때문에 보강재의 물성이 저하되며 기지금속의 응고시 보강입자가 국부적으로 몰려 복합재료의 물성을 결정짓는 균일한 분산이 이루어지지 않았고, 또 이를 감안하여 복합재료 제조후에 2차가공 즉 압연 및 압출을 행하여 분산성을 개선하기 위한 방법이 안출되었으나 이것 역시 2차가공에 따른 제조공정의 증가로 생산비가 증가하며 가공시 입자의 파괴에 따른 물성감소 요인이 발생하였다.

제1도는 종래의 복합주조법에 의한 복합재료와 본 발명에 의한 복합재료의 미세 조직을 비교한 사진.

제2도는 보강재에 금속층을 도금하여 제조한 복합재료의 인장강도가 개선됨을 나타내는 도표.

제3도는 보강재에 금속층을 도금하여 제조한 복합재료의 계면강도가 개선됨을 나타내는 도표.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 보강재로서 내마모성 입자인 탄화실리콘(SiC) 또는 알루미나(Al₂O₃)등을 보강입자로 사용할 경우 보강입자에 무전해 도금법으로 금속도금의 표면처리를 함으로써 700℃정도의 저온에서 기지금속과의 젖음성을 개선토록 하여 알루미늄 기지금속과 보강재간의 결합력을 향상시키고 보강입자가 균일하게 분산토록하여 보강입자의 분산성을 향상시키는 젖음성을 개선하도록 한 알루미늄 합금기 복합재료의 제조방법에 관한 것으로 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 기지금속인 알루미늄 합금기는 Al, Al-Si합금, Al-Cu합금, Al-Cu-Si합금과 같은 것으로, 주로 Al-Si합금을 사용하고 보강재인 보강입자는 탄화실리콘(SiC) 또는 알루미나(Al₂O₃)를 사용하여 보강입자의 표면처리를 위한 금속도금은 Ni-p, Ag, Cu 등을 사용하게 된다.

[제1공정]

[보강재인 보강입자의 표면처리]

보강재인 탄화실리콘(SiC) 또는 알루미나(Al₂O₃)의 입자표면에 Ni-P, Ag, Cu 등을 일반적인 무전해 도금법을 사용하여 도금한다. 도금을 위한 탄화실리콘(SiC)입자는 표면의 이물질과 유기물질 제거를 위해 아세톤으로 10분간 초음파 세척한 후, 불산과 질산용액에 침지하여 표면을 거칠게 하고 (표면조화), 염화팔라듐으로 활성화 처리를 하여 사용한다. 도금에 사용되는 시약(도금액)의 조성은 다음 표와 같다. 특히 구리 도금의 경우에는 PH에 따른 석출속도 조절 및 자기분해 방지를 위해 수산화나트륨으로 PH를 항상 11.5~12.5 정도로 유지하였으며, 작업종료시에는 황산을 첨가하여 PH를 10.5 정도로 낮추어 Cu 석출을 최대한 억제한 상태를 유지한다.

상기 공정은 보강재가 탄화실리콘(SiC)인 경우나 알루미나(Al₂O₃)인 경우를 막론하고, 또 도금할 금속이 Ni-P, Ag, Cu 어느 것인 경우에나 거의 유사한 공정을 거쳐 금속층을 보강재표면에 도금할 수 있는 것이다.

[제2공정]

[예비 성형체 제조]

상기 금속층이 도금된 보강입자와 적당량의 알루미늄(Al) 합금분말을 혼합한 후 약 1MPa의 압력으로 성형한다. 즉, 탄화실리콘(SiC) 입자의 부피비를 달리하여 복합재료를 제조하기 위하여는 적정 조성비로 Al 합금 분말과 SiC 분말을 혼합한 후 이론 밀도의 40%로 성형하여 Al-8vo%SiC, Al-17vo%SiC, Al-25vo%SiC의 예비 성형체를 제작하였다. 또한 탄화실리콘(SiC) 입자의 크기를 10-100㎛로 달리하여 탄화실리콘(SiC) 입자만을 금형에 장입할 수도 있다. 이때의 Al합금분말의 양은 목적으로 하는 보강입자의 함량에 따라 적이하게 조절한다.

[제3공정]

[복합재료 제조를 위한 가압주조]

예비 성형체를 공기가 빠져나갈 수 있는 금속재 몰드에 넣어 99.999%의 고순도 아르곤 분위기 중에서 약 400℃, 바람직하게는 350~450℃의 범위 내에서 예열하고 한편 기지금속인 Al-Si 합금은 아르곤 분위기에서 약 700℃, 바람직하게는 700~750℃의 범위 내에서 용해한 후 탈가스 처리하여 상기 예열중인 예비 성형체에 주입하고 기지금속이 예비 성형체에 잘 스며들도록 하기 위하여 65MPa, 바람직하게는 60~70MPa의 범위 내에서 가압한 후 3분동안 유지한다. 상기에서 60~70MPa로 한 이유는 가압력이 이보다 낮을 경우에는 용탕이 예비성형체 내로 스며들지 않으며, 그 이상이 되면 예비성형체 중의 보강입자가 파괴되어 물성의 저하를 나타내기 때문이다.

또, 상기에서 예비성형체의 예열조건을 350~450℃로 하는 이유는 가압주조시 용탕이 예비성형체 내로 쉽게 스며들도록 하기 위함이며, 온도가 낮을 경우에는 잘 스며들지 못하고 온도가 높으면 산화 등의 문제가 발생하기 때문이다. 용탕의 용해온도를 700~750℃로 하는 이유는 온도가 낮으면 가압 도중 예비성형체 상부에서 응고하여 성형체에 용탕이 스며들지 못하며, 온도가 높으면 용탕의 유동성 증가로 용탕이 성형체 하부로 빠져나가기 때문이다.

복합재료 완성체의 발췌를 용이하게 하기 위하여 금형의 벽면에는 고온 윤활제인 보론니트라이트를 도포한다.

상기의 공정을 거친 복합재료의 미세조직은 종래의 복합주조법으로 제조한 복합재료에 비하여 균일성이 월등히 향상되었음이 관찰되었다. (제1도 사진참조)

또한, 본 발명에 의하여 제조된 복합재료의 인장강도를 측정한 결과 제2도에 도시한 바와 같이 보강재에 금속층을 도금하지 않은 경우에 비하여 인장강도가 훨씬 개선되었음을 알 수 있었다. 또, 보강재의 표면에 Ni-P, Cu 등의 금속층을 피복하여 670℃에서 유지 시간을 달리하여 복합재료를 제조한 후 유지 시간에 따른 계면 강도를 푸시아우트(push out) 법에 의하여 측정하였는바, 제3도 본 발명에 의한 복합재료의 유지 시간의 변경에 따른 계면강도의 변화와 금속층을 도금하지 않은 경우를 대비한 그림에서 알 수 있듯이 본 발명에 의한 복합재료의 계면강도가 월등하게 개선되었음이 관찰되었다.

상기와 같은 공정을 거쳐 제조된 알루미늄 합금기 복합재료는 금속피복층이 기지금속인 Al-Si 합금과 쉽게 반응하여 젖음성이 개선되어 이에 따른 결합력이 향상되며 보강입자가 균일한 분산을 보일 뿐만 아니라 제조온도가 낮고 제조시간이 짧아 보강입자와 기지금속간의 과도한 반응이 생기지 않기 때문에 물성이 좋은 복합재료를 제조할 수 있는 것이다.

Claims (4)

1. 알루미늄 합금기 복합재료에서 보강재로 사용되는 탄화실리콘(SiC) 입자표면에 염화니켈, 염화암모늄, 차아인산나트륨의 도금액을 이용하여 90℃에서 8~9PH 정도를 유지하는 무전해 도금법으로 Ni-P를 도금하는 제1공정과, 상기 금속층이 도금된 보강재입자와 적당량의 알루미늄(Al) 합금 분말을 1MPa로 가압하여 예비 성형하는 제2공정과, 상기 제2공정에 의하여 성형된 예비 성형체를 공기가 빠져나갈 수 있는 금속재 몰드에 넣어 아르곤 분위기 중에서 약 350~450℃로 예열하고 Al, Al-Si합금, Al-Cu합금, Al-Cu-Si합금에서 선택된 알루미늄 합금기를 아르곤 분위기 중에서 약 700~750℃로 용해한 후 탈가스 처리하여 상기 예열 중인 예비 성형체에 주입하고 60~70MPa로 가압주조함을 특징으로 하는 알루미늄 합금기 복합재료의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 보강재로 알루미나(Al₂O₃)를 사용함을 특징으로 하는 알루미늄 합금기 복합재료의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 보강재 입자표면에 Ag를, 초산은·암모니아수·주석산나트륨의 도금액을 이용하여 20℃에서 행하는 무전해 도금법으로 Ni-P를 대신하여 금속도금함을 특징으로 하는 알루미늄 합금기 복합재료의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 보강재입자 표면에 Cu를, 황산구리·탄산나트륨·포르말린의 도금액을 이용하여 24℃에서 11.5~12.5PH 정도를 유지하는 무전해 도금법으로 Ni-P를 대신하여 금속 도금함을 특징으로 하는 알루미늄 합금기 복합재료의 제조방법.