KR102676331B1 - 알루미늄 발포체의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
낮은 발포온도에서도 충분한 기공이 균일하게 생성됨과 동시에 물성이 개선된 알루미늄 발포체의 제조방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예는 (S1) 알루미늄계 금속과 혼합 발포제를 포함하는 제1 혼합 분말을 제조하는 단계, (S2) 상기 제1 혼합 분말을 압출하여 성형체를 제조하는 단계 및 (S3) 상기 성형체를 발포시켜 알루미늄 발포체를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 혼합 발포제는, 제1 발포제 및 상기 제1 발포제와 상이한 제2 발포제를 포함하고, 상기 혼합 발포제의 함량은, 상기 제1 혼합 분말의 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 1.5 중량%인, 알루미늄 발포체의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 알루미늄 발포체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 낮은 발포온도에서도 충분한 수의 기공이 균일하게 생성되고, 물성이 개선된 알루미늄 발포체의 제조방법에 관한 것이다.
알루미늄 발포체는 알루미늄 잉곳(aluminum ingot)을 용해하거나, 분말형태의 알루미늄에 증점제와 발포 촉매제를 첨가한 후 이들을 스폰지 형상으로 발포시켜 제조된 초경량 금속이다.
이러한 알루미늄 발포체는 내부에 많은 기공구조를 가진 신개념 금속소재로서 벌크(bulk)한 금속소재에 비해 매우 경량이며, 에너지 흡수 능력이 탁월하고, 액상이나 공기의 투과성이 양호해 우수한 흡음특성을 가져, 건축물의 경량 구조재, 충격 흡수재, 흡음 및 방음재, 여과필터, 열 교환기용 특수필터, 엔진 소음 방지기 등 폭넓은 응용범위를 가지고 있다. 아울러, 알루미늄 발포체는 제조공정, 설치 및 폐기의 전체 과정에서 인체 무해물질이 전혀 발생하지 않는 친환경 소재로, 석면류와 같은 인체에 유해한 건축물 구조재를 대체할 수 있는 장점을 가진 100% 재활용 소재라는 점에서 큰 관심을 끌고 있다.
지금까지 알루미늄 발포체의 대부분은 비교적 낮은 융점을 가진 알루미늄을 용해하여 용탕을 제조하는 단계 및 상기 용탕에 증점제 및 발포촉매제를 소량 첨가하여 대량/대면적의 발포체를 형성하는 단계를 포함하는 용탕발포법을 통해 주로 제조되었다. 반면에 분말성형발포법(powder compact foaming)은 용탕발포법보다 다소 고비용이 소모되는 단점이 있지만, 보다 균일한 기공의 수 및 기공 분포를 가짐과 동시에 발포체의 강도가 용탕발포법에 의한 것보다 우수한 장점이 있다. 이로 인해, 분말성형발포법은 경량 구조재, 충격흡수재, 방음 흡음재, 엔진 소음 방지재, 열교환기 등에 폭 넓은 응용이 기대된다.
분말성형발포법은 발포제와 금속계 분말을 혼합 및 응집시켜 제조하는 방식이다. 용탕발포법과 마찬가지로 분말성형발포법의 발포제로 TiH2가 널리 사용되고 있다. 약 465℃에서 분해하기 시작하는 TiH2는 알루미늄 합금이나 순알루미늄의 녹는점인 660℃ 보다 낮은 온도에서 분해되므로, 알루미늄 발포체를 제조하는데 용이한 장점을 갖고 있다. 알루미늄계 금속 분말에 TiH2를 분산시키고 방전플라즈마소결(spark plasma sintering; SPS)과 같은 수직응력; 또는 압출(extrusion)과 같은 전단응력과 함께 온도를 상승시키면 부분적으로 또는 전체적으로 용융된 알루미늄계 금속 내에 가스가 발생 및 성장하면서 적정 크기의 기공들이 형성된 알루미늄 발포체를 제조할 수 있다. 즉, TiH2와 알루미늄계 금속을 혼합한 후 압분하는 단계, 압분된 결과물을 바(bar) 또는 플랫(flat)한 형태로 압출한 후 작은 크기로 잘라 원하는 형상의 틀 속에 장입하여 알루미늄 합금의 고상선 위까지 가열하는 단계, TiH2가 분해되고 내부에 고압을 가진 공간이 형성되며, 준고상의 팽창으로 알루미늄계 금속이 부풀게 되어 주형은 기공으로 가득 채워지게 되는 단계를 통해, 알루미늄 발포체가 제조된다. 이러한 방법에 의해 0.08의 낮은 상대밀도 및 1 내지 5mm의 지름을 가진 다공성 알루미늄 발포체가 구현될 수 있다.
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Ana Maria Medina Ramirez, Ramona Roxana Vintila and Robin A. L. Drew, Morphology of Aluminum Alloy Foams Produced with Dolomite via Partial Sintering of Precursors, Materials, 12 (2019) 1691
본 발명의 목적은 낮은 발포온도에서도 충분한 수의 기공이 균일하게 생성되는 알루미늄 발포체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 물성이 개선된 알루미늄 발포체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 알루미늄 발포체의 제조방법으로 제조된 알루미늄 발포체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 알루미늄 발포체를 포함하는 흡음재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 알루미늄 발포체를 포함하는 방음재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 알루미늄 발포체를 포함하는 여과필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 (S1) 알루미늄계 금속과 혼합 발포제를 포함하는 제1 혼합 분말을 제조하는 단계, (S2) 상기 제1 혼합 분말을 압출하여 성형체를 제조하는 단계 및 (S3) 상기 성형체를 발포시켜 알루미늄 발포체를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 혼합 발포제는, 제1 발포제 및 상기 제1 발포제와 상이한 제2 발포제를 포함하고, 상기 혼합 발포제의 함량은, 상기 제1 혼합 분말의 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 1.5 중량%인, 알루미늄 발포체의 제조방법을 제공한다.
구체적으로, 대기압에서 상기 제2 발포제의 분해온도는 상기 제1 발포제의 분해온도보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 발포제는 TiH2이고, 상기 제2 발포제는 MgH2이고, 상기 TiH2와 상기 MgH2의 중량비(TiH2:MgH2)는 5:5 내지 8:2일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 혼합 분말은 증점제를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 (S2) 단계는, 상기 제1 혼합 분말을 5:1 내지 9:1의 압출비로 압출하는 단계일 수 있다.
구체적으로, 상기 (S3) 단계는, 690℃이하의 발포 온도로 5 내지 15분 동안 수행되는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 낮은 발포온도에서도 충분한 수의 기공이 균일하게 생성된 알루미늄 발포체를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 강도가 높은 알루미늄 발포체를 제공할 수 있다. 이러한 알루미늄 발포체를 이용하여 저충격 및 초경량 고강도 프레임을 요구하는 경량 구조재 산업기기, 충격흡수재, 방음재, 흡음재, 엔진 소음 방지재, 열교환기 등의 다양한 기술분야에 널리 적용할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 발포체의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 열중량분석기(thermogravimetric analyzer; TGA)를 이용하여 알루미늄 발포체를 구현하기 위한 발포온도를 도출하였다.
도 3은 비교예 1 내지 3에 따른 알루미늄 발포체의 발포 특성을 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1, 7, 8 및 비교예 4에 따른 알루미늄 발포체의 발포 특성을 비교한 것이다.
도 5는 실시예 1 내지 4에 따른 알루미늄 발포체의 제조방법에 있어서, 압출비에 따른 기공 특성을 관찰한 결과이다.
도 6은 실시예 2, 5 및 6에 따른 알루미늄 발포체(발포온도: 670℃)와, 추가실시예 각각을 비교한 것이다.
도 2는 열중량분석기(thermogravimetric analyzer; TGA)를 이용하여 알루미늄 발포체를 구현하기 위한 발포온도를 도출하였다.
도 3은 비교예 1 내지 3에 따른 알루미늄 발포체의 발포 특성을 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1, 7, 8 및 비교예 4에 따른 알루미늄 발포체의 발포 특성을 비교한 것이다.
도 5는 실시예 1 내지 4에 따른 알루미늄 발포체의 제조방법에 있어서, 압출비에 따른 기공 특성을 관찰한 결과이다.
도 6은 실시예 2, 5 및 6에 따른 알루미늄 발포체(발포온도: 670℃)와, 추가실시예 각각을 비교한 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.
본 발명의 일 실시예는 (S1) 알루미늄계 금속과 혼합 발포제를 포함하는 제1 혼합 분말을 제조하는 단계, (S2) 상기 제1 혼합 분말을 압출하여 성형체를 제조하는 단계 및 (S3) 상기 성형체를 발포시켜 알루미늄 발포체를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 혼합 발포제는, 제1 발포제 및 상기 제1 발포제와 상이한 제2 발포제를 포함하고, 상기 혼합 발포제의 함량은, 상기 제1 혼합 분말의 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 1.5 중량%인, 알루미늄 발포체의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 낮은 발포온도에서도 충분한 수의 기공이 균일하게 생성되고, 물성이 개선된 알루미늄 발포체를 제공할 수 있다.
1. 알루미늄 발포체의 제조방법 및 그로부터 제조된 알루미늄 발포체
이하 도 1을 참고하여 본 발명의 구성을 간략히 정리한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 발포체의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 발포체의 제조방법은, 분말 형태의 알루미늄계 금속과 발포제를 혼합하여 제1 혼합 분말을 제조하는 단계, 상기 제1 혼합 분말을 가압하는 단계 및 가압된 결과물을 발포시키는 단계를 포함할 수 있다.
(S1) 단계: 제1 혼합 분말을 제조하는 단계;
본 발명에 따른 알루미늄 발포체의 제조방법은 (S1) 알루미늄계 금속과 혼합 발포제를 포함하는 제1 혼합 분말을 제조하는 단계를 포함한다. 상기 알루미늄계 금속은 예를 들어, 순알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다. 상기 알루미늄 합금은 예를 들어 알루미늄-실리콘 합금(Al-Si alloy), 알루미늄-마그네슘 합금(Al-Mg alloy), 알루미늄-구리 합금(Al-Cu alloy), 알루미늄-아연 합금(Al-Zn alloy) 및 그의 3원계 합금일 수 있다. 다만 본 발명의 기술사상이 이에 제한되는 것은 아니고 알루미늄 발포체를 구현할 수 있는 알루미늄 합금이면 모두 적용될 수 있다.
상기 순알루미늄 또는 알루미늄 합금의 평균크기는 예를 들어 325㎛(마이크로미터)이하, 구체적으로 100 내지 300㎛(마이크로미터)일 수 있다.
구체적으로, 상기 혼합 발포제의 함량은 상기 제1 혼합 분말의 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 1.5 중량%일 수 있고, 구체적으로 0.7 내지 1.2 중량%, 더욱 구체적으로 0.8 내지 1.1 중량%일 수 있다. 상기 혼합 발포제의 함량이 상기 수치 범위 미만일 경우 구동력이 부족하여 기공구조가 충분히 형성되지 않을 수 있고, 상기 수치 범위를 초과할 경우 발포 속도가 빨라 균일하면서 고강도의 기공이 포함된 알루미늄 발포체를 구현하기 어려울 수 있다.
본 발명에 따른 혼합 발포제는, 제1 발포제 및 상기 제1 발포제와 상이한 제2 발포제를 포함할 수 있다. 대기압에서 상기 제2 발포제의 분해온도는 상기 제1 발포제의 분해온도보다 낮을 수 있다. 대기압에서 상기 제2 발포제는 상기 제1 발포제의 분해온도보다 낮은 온도에서 분해되어, 기공의 수와 균일도가 크게 향상될 수 있고 기공의 연신 없이 구형 형상에 가까운 알루미늄 발포체를 구현할 수 있다.
상기 제1 발포제와 상기 제2 발포제의 중량비(제1 발포제: 제2 발포제)는 5:5 내지 9:1일 수 있고, 구체적으로 5:5 내지 8:2일 수 있고, 더욱 구체적으로 6:4 내지 8:2, 보다 구체적으로 7:3일 수 있다. 상기 제1 발포제와 상기 제2 발포제의 중량비가 상기 수치 범위를 만족함으로써, 690℃ 이하의 낮은 발포온도에서 알루미늄 발포체에 포함된 기공의 크기가 미세해지고 균일도가 향상될 수 있다. 종래 일반적인 분말성형법에 의해 알루미늄 발포체를 제조하기 위해서는 690℃ 이상의 발포온도가 요구되었지만, 본 발명의 일 실시예에 혼합 발포제를 이용하면 670℃의 낮은 온도에서도 알루미늄 발포체에 포함된 기공의 균일도를 크게 향상시킬 수 있다.
상기 제1 발포제는 예를 들어, TiH2일 수 있고, 상기 제2 발포제는 예를 들어, MgH2일 수 있다. 따라서 상기 TiH2와 상기 MgH2의 중량비(TiH2:MgH2)는 5:5 내지 9:1일 수 있고, 구체적으로 5:5 내지 8:2일 수 있고, 더욱 구체적으로 6:4 내지 8:2, 보다 구체적으로 7:3일 수 있다.
상기 혼합 발포제의 평균크기는 예를 들어, 325㎛(마이크로미터)이하, 구체적으로 100 내지 300㎛(마이크로미터)일 수 있다. 상기 혼합 발포제의 평균크기는 상기 알루미늄계 금속의 평균크기와 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 제1 혼합 분말을 제조하기 위한 방법으로 예를 들어, 믹서/밀 장비가 이용될 수 있다. 상기 믹서/밀 장비를 통해 상기 알루미늄계 금속과 상기 혼합 발포제가 효과적으로 분쇄 및 혼합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 혼합 분말은 증점제를 더 포함할 수 있다. 상기 증점제는 목표하는 기공의 형상으로 응고될 수 있도록 높은 점성을 부여할 수 있다. 상기 증점제는 예를 들어, CaO, CaAl2O4 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
(S2) 단계: 제1 혼합 분말을 압출하여 성형체를 제조하는 단계;
본 발명에 따른 알루미늄 발포체의 제조방법은 (S2) 상기 제1 혼합 분말을 압출하여 성형체를 제조하는 단계를 포함한다. 압출(extrusion)은 분말 빌렛을 챔버에 넣고 강한 소성력이 적용되는 다이 구멍을 통하여 밀어내는 가공방법을 의미한다.
본 발명에 따른 압출은 전단응력으로 제1 혼합 분말에 압력을 가함으로써, 기공의 수가 충분히 생기고 균일도가 우수한 알루미늄 발포체를 효과적으로 구현할 수 있다. 반면에, 압출이 아닌 수직응력이 작용하는 방전플라즈마소결(spark plasma sintering; SPS)에 의하면 300Mpa의 높은 압력이 적용될 경우에도 발포 특성이 전혀 관찰되지 않았고, 발포온도를 과도하게 높이더라도 적은 수의 기공이 형성되었고 기공의 분포도가 불균일한 문제점을 갖고 있었다. 즉, 가압방식으로 전단응력을 가하는 압출 방식이, 수직응력을 가하는 방전플라즈마소결보다 충분한 수의 기공과 기공의 균일도를 크게 향상시킬 수 있다.
본 명세서에서 '압출비'는 하기 식 1에서 R로 정의될 수 있다.
[식 1]
상기 식 1에서 R은 압출비이고, A 0 은 압출 전 소재의 단면적이고, A f 는 압출 후 소재의 단면적을 의미하며, 단면적은 길이로 치환될 수 있다.
상기 (S2) 단계는 상기 제1 혼합 분말을 3:1 내지 9:1의 압출비로 압출하는 단계일 수 있고, 구체적으로 5:1 내지 9:1의 압출비로 압출하는 단계일 수 있다. 상기 제1 혼합 분말을 상기 압출비 범위 내로 성형함으로써, 단위면적 당 평균크기가 작은 기공이 충분히 생성되고 기공 형성율이 높아질 수 있다. 즉, 압출 방식으로 압력을 가하는 것이, 방전플라즈마소결법으로 압력을 가하는 것보다 기공의 수 및 기공 균일도를 확보하는데 유리할 수 있다.
(S3) 단계: 성형체를 발포시켜 알루미늄 발포체를 제조하는 단계;
본 발명에 따른 알루미늄 발포체의 제조방법은 (S3) 상기 성형체를 발포시켜 알루미늄 발포체를 제조하는 단계를 포함한다. 구체적으로, 상기 (S3) 단계는, 690℃ 이하의 발포 온도로 5 내지 15분 동안 수행되는 단계일 수 있고, 더욱 구체적으로 660 내지 690℃의 낮은 온도에서 수행되는 단계일 수 있다. 일반적인 분말성형법에 의해 알루미늄 발포체를 제조하기 위해서는 690℃ 이상의 발포온도가 요구되는데, 본 발명에 따른 혼합 발포제를 이용하면 670℃의 낮은 온도에서도 알루미늄 발포체 내 기공의 크기 및 균일도가 크게 향상될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 상기 알루미늄 발포체의 제조방법으로 제조된 알루미늄 발포체를 제공할 수 있다. 구체적으로, 상기 알루미늄 발포체에 포함된 기공의 평균크기는 1.0 내지 2.0mm일 수 있다. 또한, 상기 알루미늄 발포체의 기공형성율은 70% 이상일 수 있다.
2. 알루미늄 발포체의 응용
본 발명의 또 다른 실시예는 상기 알루미늄 발포체의 제조방법으로 제조된 알루미늄 발포체를 포함하는 흡음재를 제공할 수 있다. 상기 흡음재는 소리를 흡수하며 인테리어 마감재에 적용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 상기 알루미늄 발포체의 제조방법으로 제조된 알루미늄 발포체를 포함하는 방음재를 제공할 수 있다. 상기 방음재는 흡음재와 함께 소리를 차단하며 인테리어 마감재에 적용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 상기 알루미늄 발포체의 제조방법으로 제조된 알루미늄 발포체를 포함하는 여과필터를 제공할 수 있다.
이외에, 본 발명에 따른 알루미늄 발포체는 내부에 많은 기공구조를 가진 신개념 금속소재로, 벌크(bulk)한 금속소재에 비해 매우 경량이며, 에너지 흡수 능력이 탁월하고, 액상이나 공기의 투과성이 양호해 우수한 흡음특성을 가져, 건축물의 경량 구조재, 충격 흡수재, 열 교환기용 특수필터, 엔진 소음 방지기 등에 널리 적용될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.
[제조준비예 1: TiH
2
:MgH
2
의 중량비가 5:5인 제1 혼합 분말의 제조]
제1 혼합 분말의 전체 중량을 기준으로 순알루미늄(325㎛ 이하) 99 중량%와, TiH2와 MgH2가 5:5의 중량비(TiH2:MgH2)로 혼합된 혼합 발포제(325㎛ 이하) 1 중량%를 SPEX Mixer/Mill로 30분 동안 혼합하여 제1 혼합 분말을 제조하였다.
[제조준비예 2: TiH
2
:MgH
2
의 중량비가 7:3인 제1 혼합 분말의 제조]
상기 제조준비예 1과 동일한 방법으로 제1 혼합 분말을 제조하되, TiH2와 MgH2의 중량비를 5:5 대신, 7:3으로 조절하였다.
[제조준비예 3: TiH
2
:MgH
2
의 중량비가 8:2인 제1 혼합 분말의 제조]
상기 제조준비예 1과 동일한 방법으로 제1 혼합 분말을 제조하되, TiH2와 MgH2의 중량비를 5:5 대신, 8:2로 조절하였다.
[실험준비예 1: TGA 분석으로 발포온도 도출]
도 2는 열중량분석기(thermogravimetric analyzer; TGA)를 이용하여 알루미늄 발포체를 구현하기 위한 발포온도를 도출하였다.
도 2를 참고하면, 열중량분석방법을 이용하여 상기 제조준비예 1에 따른 제1 혼합 분말의 주 질량 변화가 650 내지 690℃에서 나타나는 점을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 하기의 실험에서 상기 온도 범위에서 10분 동안 유지한 후 미세구조 변화를 관찰하였다.
[제조예 1: 알루미늄 발포체의 제조]
<비교예 1 내지 4: 방전플라즈마소결법에 의한 제조>
상기 제조준비예 2에 따른 제1 혼합 분말을 수직응력이 작용하는 방전플라즈마소결 장비(모델명: Sumitomo社의 SPS, Dr. SINTER SPS1050)에 넣은 후, 300℃에서 7MPa(비교예 1) 45MPa(비교예 2), 75MPa(비교예 3) 및 130MPa(비교예 4)의 압력을 각각 가하여 성형체를 제조하였다. 상기 성형체를 660℃의 발포온도에서 10분 동안 발포시켰다.
<실시예 1 내지 3: 압출에 의한 알루미늄 발포체의 제조>
상기 제조준비예 2에 따른 제1 혼합 분말을 알루미늄 캔에 장입하고 알루미늄 캔 뚜껑을 용접하여 밀봉한 후, 150℃의 온도에서 30분 동안 탈가스(degassing) 단계를 수행하였다. 이후, 압출 몰드를 300℃로 예열한 후, 3:1(실시예 1), 5:1(실시예 2) 및 9:1(실시예 3)의 압출비로 각각 성형체를 제조하였다. 상기 성형체를 670℃에서 10분 동안 발포시켜 알루미늄 발포체를 각각 제조하였다.
<실시예 4: 실시예 1과 달리 압출비가 2:1인 경우>
실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 발포체를 제조하되, 상기 압출비를 3:1에서 2:1로 변경하였다.
<실시예 5: 실시예 2와 달리 TiH
2
:MgH
2
의 중량비가 5:5인 제1 혼합 분말 사용>
실시예 2와 동일한 방법으로 알루미늄 발포체를 제조하되, 상기 제조준비예 2에 따른 제1 혼합 분말 대신, 상기 제조준비예 1에 따른 제1 혼합 분말을 사용하였다.
<실시예 6: 실시예 2와 달리 TiH
2
:MgH
2
의 중량비가 8:2인 제1 혼합 분말 사용>
실시예 2와 동일한 방법으로 알루미늄 발포체를 제조하되, 상기 제조준비예 2에 따른 제1 혼합 분말 대신, 상기 제조준비예 3에 따른 제1 혼합 분말을 사용하였다.
<실시예 7 및 8: 실시예 1과 달리 발포온도가 상이한 경우>
실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 발포체를 제조하되, 발포온도인 670℃를 각각 660℃(실시예 7) 및 680℃(실시예 8)로 변경하였다.
[실험예 1: 방전플라즈마소결법에 의한 성형체의 제조]
도 3은 비교예 1 내지 3에 따른 알루미늄 발포체의 발포 특성을 나타낸 것이다.
도 3을 참고하면, 비교예 1 내지 3에 따른 알루미늄 발포체의 발포 특성이 전혀 관찰되지 않음을 확인할 수 있었다. 비교예 1 내지 3과 달리, 300MPa의 높은 압력이 적용된 경우에도 발포 특성이 전혀 관찰되지 않았다.
[실험예 2: 실시예 1, 7 및 8 및 비교예 4에 따른 알루미늄 발포체의 발포특성 비교]
도 4는 실시예 1, 7, 8 및 비교예 4에 따른 알루미늄 발포체의 발포 특성을 비교한 것이다.
도 4를 참고하면, 수직응력이 가해지는 방전플라즈마소결법에 의해 제조된 비교예 4 보다 전단응력이 가해진 압출에 의해 제조된 실시예 1, 7 및 8에 따른 알루미늄 발포체가 기공의 수가 많을 뿐만 아니라 기공의 균일도가 우수함을 확인할 수 있다. 압출의 경우 소성 변형력이 커서 알루미늄 분말과 TiH2 사이의 결합력 및 반응성이 향상되면서 기공의 수와 균일성이 확보되는 발포특성이 얻어지는 반면, 방전플라즈마소결법의 경우 가열 및 고응력이 가해진 발포 성형체의 밀도를 현저하게 높이는 것이 어렵기 때문에 발포체 내 기공의 수를 증가시키기 어려웠음을 유추할 수 있었다.
[실험예 3: 압출공정에서 최적의 압출비를 도출하는 실험]
도 5는 실시예 1 내지 4에 따른 알루미늄 발포체의 제조방법에 있어서, 압출비에 따른 기공 특성을 관찰한 결과이다.
도 5를 참고하면, 압출비가 2:1이 이하인 실시예 4에서는 기공 형성이 거의 없거나 불규칙하여 발포 특성이 비교적 떨어졌음을 관찰할 수 있었다. 또한, 압출비가 3:1인 실시예 1에서는 기공이 생성되었지만 기공이 조대하고 기공 균일도가 떨어졌다. 반면에 압출비가 5:1인 실시예 2에서는 100mm2 면적 내에 평균크기가 1.65mm인 기공이 약 35개 정도 형성되고 기공 형성율이 70%에 해당하여 기공 특성이 우수한 알루미늄 발포체가 구현되었음을 확인할 수 있었고, 압출비가 9:1인 실시예 3에서는 알루미늄 발포체 내에 포함된 기공율과 기공의 크기가 더 이상 증가하지 않음을 확인할 수 있었다. 위의 실험결과를 종합하면 압출 분말성형법에 의한 발포 시 최적의 압출비는 5:1 이상이며, 압출 공정이 방전플라즈마소결 공정보다 기공 수 및 기공 균일도를 확보하는데 유리함을 확인할 수 있었다.
[실험예 4: TiH
2
:MgH
2
의 최적의 중량비를 도출하는 실험]
상기 실시예 2, 5 및 6에 따른 알루미늄 발포체(발포온도: 670℃)와 동일한 방법으로 각각 제조하되, 발포온도를 660℃, 680℃ 및 690℃로 각각 달리하여 알루미늄 발포체(이하, '추가실시예'라 한다)를 추가적으로 제조하였다.
도 6은 실시예 2, 5 및 6에 따른 알루미늄 발포체(발포온도: 670℃)와, 추가실시예 각각을 비교한 것이다.
도 6을 참고하면, TiH2가 100%인 발포제로 구현된 알루미늄 발포체 대비, TiH2와 MgH2가 혼합된 혼합 발포제로 구현된 알루미늄 발포체가 기공의 크기가 미세해지고 균일도가 크게 향상된 특성을 보임을 확인할 수 있었다. 특히 상기 TiH2와 MgH2의 중량비(TiH2:MgH2)가 7:3일 때 알루미늄 발포체에 포함된 기공의 크기가 미세해지고 균일도가 가장 우수함을 확인할 수 있었다.
또한, 일반적인 분말성형법에 의해 알루미늄 발포체를 제조하기 위해서는 690℃ 이상의 발포온도가 요구되는데, TiH2와 MgH2가 혼합된 혼합 발포제로 인해 670℃의 낮은 온도에서도 알루미늄 발포체에 포함된 기공의 균일도가 크게 향상되었음을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
Claims (4)
- (S1) 알루미늄계 금속과 혼합 발포제 및 증점제를 포함하는 제1 혼합 분말을 제조하는 단계;
(S2) 상기 제1 혼합 분말을 압출하여 성형체를 제조하는 단계; 및
(S3) 상기 성형체를 발포시켜 알루미늄 발포체를 제조하는 단계; 를 포함하고,
상기 혼합 발포제는,
제1 발포제 및 상기 제1 발포제와 상이한 제2 발포제를 포함하고,
상기 혼합 발포제의 함량은,
상기 제1 혼합 분말의 전체 중량을 기준으로 0.8 내지 1.1 중량%이고,
상기 제1 발포제는 TiH2이고, 상기 제2 발포제는 MgH2이고,
상기 TiH2와 상기 MgH2의 중량비(TiH2:MgH2)는 7:3이고,
상기 (S2) 단계는,
상기 제1 혼합 분말을 5:1 내지 9:1의 압출비로 압출하는 단계이고,
상기 (S3) 단계는,
660℃ 또는 670℃의 발포온도로 수행되는 단계이고,
상기 알루미늄 발포체에 포함된 기공의 평균크기는 1.0 내지 2.0mm인,
알루미늄 발포체의 제조방법.
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| KR1020220004710A KR102676331B1 (ko) | 2022-01-12 | 알루미늄 발포체의 제조방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009228027A (ja) * | 2008-03-19 | 2009-10-08 | Ykk Corp | 発泡金属成形体の製造方法、及び発泡金属成形体 |
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| JP2009228027A (ja) * | 2008-03-19 | 2009-10-08 | Ykk Corp | 発泡金属成形体の製造方法、及び発泡金属成形体 |
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