KR100252279B1 - 복합재료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합재료의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 섬유보강제로 마그네슘 합금을 강화시키고 이를 고압주조하고 용체화처리 및 과시효, 그리고 열간압출가공하여 복합재료의 기지조직에 미세한 결정립을 형성시켜 2차 가공시 신율이 뛰어나고 소성가공성이 향상되어 이를 절단 후 단조, 프레스 가공을 통해 연결봉 등의 복잡한 형상의 부품을 소성가공하는 데 유용하게 사용할 수 있는 복합재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

복합재료의 제조방법

본 발명은 복합재료의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 섬유보강제로 알루미늄 합금을 강화시키고 이를 고압주조하고 용체화처리 및 과시효, 그리고 열간압출가공하여 복합재료의 기지조직에 미세한 결정립을 형성시켜 2차 가공시 신율이 뛰어나고 소성가공성이 향상되어 이를 절단 후 단조, 프레스 가공을 통해 연결봉 등의 복잡한 형상의 부품을 소성가공하는 데 유용하게 사용할 수 있는 복합재료의 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래 자동차의 복합재료 커넥팅 로드를 제조하는 방법으로는 일본특허 평 2-195012호, 미국특허 제 4,357,989 호 및 영국특허 2129342A 등에 개시되었는 바, 먼저 일본특허 평2-195012호에 개시된 방법은 대단부, 소단부, 본체로 이루어진 연결봉 전체를 탄화규소(SiC) 휘스커로 강화하는 형태이다. 그러나, 이와 같은 경우 휘스커 강화 복합재료의 취약점인 강도, 특히 고온강도가 낮은 단점이 있다.

그리고, 미국특허 제 4,357,989 호에 개시된 방법은 봉상의 파이프를 지지대로 사용하여 연속섬유를 일렬로 배열하여 연결봉의 본체만을 강화하는 것이다. 이와 같이 제조된 커넥팅 로드는 강도는 향상되나 강성의 향상효과가 적으며, 봉상의 파이프 지지대를 반드시 사용해야 하는 문제가 있다.

또한, 영국특허 2129342A의 경우는 특정 섬유를 석영관 내에 집어넣은 다음 소결해서 사용하며 성형체를 금형내에 고정시킬 수 있도록 특별한 지지대를 필요로 하고 있다. 이러한 석영관과 지지대는 복합재료에 있어서 강화제로서의 역할을 하지 못하고 이물질로 존재하게 되고, 연속섬유만을 사용하고 있기 때문에 강성의 향상효과가 적다.

그밖에 Ti-6Al-4V의 티타늄 합금을 형단조(stamp forging)하여 복합재료 커넥팅 로드를 제조하는 방법도 개시된 바 있는데, 이 방법은 고가로서 경제성이 없다. 그리고, 포드사와 토요타 사에서는 Fe-Cu-C-S 합금분말을 사용하여 소결단조하여 커넥팅 로드를 제조하는 방법이 개시되어 있으나, 철 분말을 사용하므로 중량이 무거운 문제가 있어 바람직하지 못하다.

본 발명은 상기와 같이 커넥팅 로드와 같은 연결봉을 제조하는 데 있어서의 복합재료 제조방법의 문제점을 해결하기 위하여 고압주조로 섬유보강제 예비성형체내에 알루미늄 합금을 용침시켜 주조하고 과시효시킨 다음 열간압출하여 복합재료의 기지조직에 미세결정립을 형성시킴으로써 신율이 높고 성형성이 우수한 복합재료를 제조하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 섬유보강제로 체적비 15~35%로 예비성형체를 제조하는 공정, 예비성형체 내에 알루미늄 합금을 용침시켜 고압주조하는 공정, 과시효시키는 공정, 열간압출하는 공정 및 재가공 공정으로 이루어진 복합재료의 제조방법에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 있어서 사용되는 섬유보강제는 SiC, Si₃N₄, K₂O·6TiO₂, 9Al₂O₃·2B₂O₃, Al₂O₃와 같은 세라믹 휘스커와 알루미늄, 탄소 또는 붕소와 같은 단섬유이며, 이들은 예비성형체로 제조하여 강화재료로 사용한다. 이때, 예비성형체의 체적비는 15~35%인 것이 바람직하다.

만일, 그 체적비가 15% 미만이면 결정입계에서 상호미끄럼 변형이 일어날만큼 기지조직의 결정립이 충분히 미세화되지 못하고, 체적비가 35%를 초과하는 경우 용융합금을 가압용침시 용침정도가 불건전해 복합재료의 내부에 주조결함이 발생하므로 목적하는 복합재료의 제조가 불가능하다. 섬유보강제의 체적비로 가장 바람직하기로는 22%인 바, 이때는 주조결함도 없고 결정입계에서 상호미끄럼 변형이 일어날만큼 기지조직이 충분히 미세화된다.

이와 같은 섬유보강제를 강화하는 기지조직으로는 알루미늄 합금을 사용하는 것이 미세 결정립 생성 및 기계적 특성면에서 바람직하다.

상기와 같은 섬유보강제강화 알루미늄 합금을 고압용침(Pressure Infiltration)시켜서 금속조직 조성의 주물덩어리(ingot)를 주조하고, 이를 용체화 처리 및 과시효시킨 다음 열간압출가공(hot extrusion)하여 복합재료 기지조직(matrix)에 매우 미세한 결정립을 형성시키도록 한다.

고압용침은 기지합금의 융점보다 150~230℃ 온도에서 50~100MPa의 압력으로 가압하는 방법으로 수행하는 데, 온도나 가압력이 너무 낮으면 용융합금이 침투도중에 응고되는 문제가 있다.

주조시에는 용융된 알루미늄 합금의 산화를 방지하기 위하여 SF₆와 CO₂가스를 1 : 1 용적비로 혼합한 가스를 사용하여 산화를 방지하도록 한다.

한편, 과시효는 고온에서도 열적 안정성이 있는 안전상(安全相) 석출조건에서 수행하는 바, 불안전 석출물이 많으면 고온에서 소성가공중 재고용(再固容) 되므로 재결정립의 성장억제 효과에 문제가 있다. 여기서, 과시효 조건은 종래의 알루미늄 합금의 열처리 조건과는 차이가 있다. 이와 같은 근거는 여러차례 시험을 통하여 복합재료는 기지금속보다 조기에 시효가 진행되는 것을 알게 되었기 때문으로, 이는 세라믹 섬유와 기지금속간의 열팽창계수 등의 물리적 성질에 차이가 있으므로 열처리시 복합재료의 내부응력이 증가되며 따라서 기지금속 중에는 전위밀도가 상승되어 이들 전위선상에서 석출물이 조기에 형성되기 때문에 기지금속보다 시효시간이 단축되기 때문이다.

이와 같은 점을 고려하여 과시효 처리는 160~170℃온도에서 12~14시간동안 수행되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 과시효 처리한 복합재료를 360℃에서 열간압출하고, 이때 기지금속에는 10㎛이하 크기의 미세한 결정립을 형성시키게 된다. 미세 결정립을 갖는 복합재료는 고온의 2차 형성 성형가공시 결정립계에서 상호미끄럼 변형을 일어나도록 할 수 있다. 만일, 결정립의 크기가 상기 범위를 벗어나는 경우 결정립계에서 상호미끄럼 변형이 일어나기 어려워 신율과 소성가공성이 떨어지게 된다.

이와 같은 미세결정립의 복합재료를 340~370℃의 온도에서 0.02~70/sec의 변형속도로 재가공하는 바, 이로인해 초소성(superplasticity) 변형이 일어나 소성가공성이 향상된다. 이때, 변형속도가 상기 범위를 벗어나면 결정립계에서 상호 미끄럼 변형이 일어나기 힘들기 때문에 소성가공성이 떨어지는 문제가 있다.

이와 같이 제조된 복합재료는 신율이 60~180%로서 보통 강(steel)의 신율이 40%이던 것과 종래 복합재료의 신율이 3~10%이었던 것에 비해 훨씬 우수하고, 따라서 소성가공성이 우수하여 본 발명의 재료를 절단 후 단조, 프레스 가공등으로 연결봉 등의 복잡한 형상의 부품 등을 소성가공할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

강화제로 입방결정구조의 탄화규소 휘스커(직경 0.1~1㎛, 길이 30~100㎛, 일본 동해카본사 제품)를 사용하여 직경 80mm이고, 높이 250mm인 원주형의 체적비가 25%인 예비성형체를 제조하여 강화재료로 사용하였다. 기지합금으로는 Al-Mg-Si계의 알루미늄 합금을 사용하였다.

400℃로 가열한 예비성형체를 320℃로 예열한 고압주조용 금형내에 설치한 후 720℃로 가열한 알루미늄 합금을 금형내에 주입하고 50 Mpa의 압력으로 가압하면서 성형체 내부로 용융합금을 침투시켜 복합재료로 주물덩어리를 주조하였다.

이때, 응고완료까지 1분간 가압력을 유지시켰으며, 가압속도는 2.5mm/sec의 속도로 하고 주조시 SF₆와 CO₂가스를 1 : 1로 혼합한 가스로 알루미늄 합금의 산화를 방지하였다.

주물덩어리를 410℃에서 8시간 용체화 처리 수냉시킨 후 170℃ 온도에서 14시간 과시효 처리를 한 후, 350℃에서 압출비 20 : 1로 1차 열간압출하였다. 그 다음 360℃에서 0.05/sec의 변형속도로 재가공하여 복합재료를 제조하였다.

[실시예 2]

상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 복합재료를 제조하되, 다만 강화재로서 Si₂N₄휘스커(직경 0.1~1.6㎛, 길이 20~200㎛, 일본 사국화성사 제품)을 사용하여 직경 80mm이고, 높이 250mm인 원주형의 체적비가 25%인 예비성형체를 사용하였다.

[실시예 3]

상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 복합재료를 제조하되, 다만 강화재로 9Al₂O₃·2B₂O₃휘스커(직경 0.5~1.0㎛, 길이 10~30㎛, 일본 사국화성사 제품)을 사용하여 직경 80mm이고, 높이 250mm인 원주형의 체적비가 25%인 예비성형체를 사용하였다.

[실시예 4]

상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 복합재료를 제조하되, 다만 강화재로서 Al₂O₃단섬유(직경 2.5~5.0㎛, 길이 50~200㎛, 영국 아이씨아이사 제품)을 사용하여 직경 80mm이고, 높이 250mm인 원주형의 체적비가 30%인 예비성형체를 사용하였다.

[비교예 1]

강화제로는 상기 실시예 1과 동일하며 휘스커의 체적비를 25%로 하고, 기지합금으로 알루미늄 합금을 사용하여 예비성형체를 800℃로 가열하고, 790℃로 가열한 알루미늄 합금을 금형내에 주입한 후 50MPa 압력, 가압속도 3mm/sec로 성형체 내부로 용융합금을 침투시켜 응고완료까지 1분간 가압력을 유지시키므로써 복합재료로 주물덩어리를 만들었다. 이 복합재료를 520℃에서 0.05/sec의 변형속도로 가공하였다.

[비교예 2]

강화제로는 상기 실시예 1과 동일하며 휘스커의 체적비를 20%로 하고, 기지합금으로 Al-Mg-Si계의 알루미늄 합금을 사용하여 예비성형체를 780℃로 가열하고, 790℃로 가열한 알루미늄 합금을 금형내에 주입한 후 30MPa의 압력, 가압속도 3mm/sec로 성형체 내부로 용융합금을 침투시켜 응고완료까지 1분간 가압력을 유지시키므로써 복합재료로 주물덩어리를 만들었다. 이 복합재료를 490℃에서 0.05/sec의 변형속도로 가공하였다.

[실험예 1]

상기 실시예 1~4 및 비교예 1~2에 따라 제조된 복합재료를 선반가공에 의해 평형부위 직경이 5mm, 평형부위 길이가 25mm인 인장시편을 제조하여 상온에서의 인장강도와 탄성계수 및 각 복합재료가 최대의 변형율을 나타내는 온도와 시험조건으로 신율을 측정하여 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.

여기서, 신율 인장강도 탄성계수는 일반적인 인장시험 방법으로 측정하였다.

[표 1]

본 발명에 따른 방법에 따라 제조된 복합재료는 신율이 매우 향상되어 이로 인해 소성가공성이 우수하므로 제조된 복합재료를 절단 후 단조, 프레스 가공 등에 의해 연결봉 등의 복잡한 형상을 부품제조에 용이하게 사용할 수 있다.

Claims (1)

1. SiC 휘스커, Si₃N₄휘스커, K₂O·6TiO₂휘스커, 9Al₂O₃·2B₂O₃휘스커, Al₂O₃휘스커, 알루미늄 탄소 섬유 또는 붕소 섬유 중에서 선택된 섬유보강제를 사용하여 체적비 15~35%로 예비성형체를 제조하는 공정,

   상기 예비성형체내에 기지합금으로서 알루미늄 합금 용탕을 붓은 다음, SF₆와 CO₂가스가 1 : 1(V/V)로 혼합된 가스 존재하에 그리고 사용된 기지합금의 융점 보다 150~230℃ 높은 온도에서 50~100MPa의 압력하에서 고압주조하는 공정,

   상기 주물을 160~170℃ 온도에서 과시효 처리하는 공정,

   상기 과시효 처리된 재료를 360℃에서 열간압출하여 미세결정립을 형성시키는 공정, 그리고

   상기 미세 결정립을 340~370℃ 온도에서 0.02~70/sec의 변형속도로 재가공하는 공정

   으로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합재료의 제조방법.