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KR100436153B1 - 내열금속섬유소결체 - Google Patents

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KR100436153B1
KR100436153B1 KR1019960041889A KR19960041889A KR100436153B1 KR 100436153 B1 KR100436153 B1 KR 100436153B1 KR 1019960041889 A KR1019960041889 A KR 1019960041889A KR 19960041889 A KR19960041889 A KR 19960041889A KR 100436153 B1 KR100436153 B1 KR 100436153B1
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rem
roller
fiber
conveyor
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마사토 이마무라
키이치 나카지마
아키라 야나기사와
마사오 가네코
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신토고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 금속 섬유 소결체 특히, 고온 내구성을 구비한 금속 섬유 소결체에 관한 것이고, 이 소결체는 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 박판을 감은 코일재의 단면을 선삭하여 만들어진 섬유를 원료로 하고, 이 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유를 소정 두께로 집적하고, 소결되어 있다.
본 발명에 의한 금속 섬유 소결체는 500℃-1,000℃의 고온에서 양호하고 안정된 기계적 성질을 구비하며, 그 자체의 뛰어난 통전성에 의하여 고온 유지를 위한 특별한 열원을 필요로 하지 않고, 직접 통전만으로 그 자체의 발열에 의하여 고온 유지를 할 수 있다.

Description

내열 금속 섬유 소결체{HEAT RESISTING METAL FIBER SINTERED BODY}
본 발명은 금속 섬유 소결체 특히, 고온 내구성을 구비한 금속 섬유 소결체에 관한 것이다.
[발명의 배경]
금속 섬유 소결체는 소정 길이의 금속섬유(공업적으로는 신선법으로 제조되는 것이 많다)를 집적한 웨브(Web)를 가열 소결하여 만들어지고 있다. 이러한 금속 섬유 소결체는 여러 가지 용도에 사용되고 있지만; 특히 스테인레스강 섬유 소결체는 뛰어난 내식성을 지니고 있으므로 필터(Filter) 등 많은 용도에 사용되고 있다. 특히 최근에는 환경 보전의 요구 이외에 에너지 절약대책(열효율의 향상)으로서 고온 영역에서의 다공체(多孔)의 이용이 요구되어 오고 있고, 이 분야에서도 스테인레스강 섬유 소결체가 사용되고 있다.
그러나, 종래의 스테인레스강 섬유 소결체는 재질적으로 SUS 304나 SUS 316이었기 때문에 사용가능 온도는 겨우 약 500℃가 한계이고, 아직 내열성이 뒤떨어진다고 하는 문제가 있다.
이의 대책으로서 세라믹 압분(壓粉) 소결체가 이용되고 있지만 내열성은 뛰어나지만 기계적 강도가 낮고, 취약하고, 가격이 비싼 등의 결점이 있어 실용성이 부족하다.
[발명의 요약]
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 창안된 것으로서, 그 제 1의 목적은 560℃∼1,000℃의 고온 대기 분위기 조건하에서 양호하고 안정된 기계적 성질을 구비한 내열 금속 섬유 소결체를 제공함에 있다.
또, 본 발명의 제 2의 목적은 굽힘 가공에 의한 손상이 적고, 용도에 적합한 소망하는 형상으로 가공할 수가 있고, 표면적이 크고, 외력에 잘 견디며, 고온 가열시의 변형이 적은 내열 금속 섬유 소결체를 제공함에 있다.
상기 제 1의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 내열 금속 섬유 소결체는 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 박판을 감은 코일재의 끝면을 선삭(旋削)함에 의하여 제조된 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유를 소정의 두께로 집적하고, 가열소결하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강은 페라이트계(Ferritic)이므로 가공성이 나쁘고, 오스테나이트계(Austenitic) 스테인레스강의 경우와 같은 연속 인발에 의한 세선화는 곤란하다. 즉, 난섬유화재(難纖維化材)이다. 이 때문에 종래에는 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스의 섬유는 실제상으로 존재하지 않고 따라서, 이 섬유를 원료로 하는 섬유 소결체는 제조가 불가능시 되어 있었다.
그래서 본 발명자들은 시험삼아 이러한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 압연 박판을 코일상으로 타이트하게 감고, 그 코일재의 단면(端面)을 공구로 선삭해 보았다. 그랬더니 형상과 수치가 균일한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 장섬유가 능률있게 얻어졌다.
본 발명은 이 발견에 기초한 것으로서, 이러한 코일재 단면(端面) 절삭으로 제조한 FE-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유를 원료로 사용하여 이것을 집적하고 가열 소결하는 것으로 내열 금속섬유 소결체를 얻는 것에 성공한 것이다.
본 발명에서 Fe-Cl-Al-REM계 스테인레스강의 섬유는 바람직하게는 성분 조성이 중량비로 Cr : 17 - 21%, Al : 2.5-6.5%, REM : 0.02-0.25%를 갖고 있다.
보다 바람직한 조성은 C : 0.008%이하, Si : 1.0%이하, Mn : 1.0%이하, Cr : 19.9-21.0%, Al : 4.5-6.0%, REM : 0.06-0.12%, 철 및 불가피한 불순물의 잔부이다. 또한, 상기 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유는 5㎛/rev를 초과하는 공구 이동속도 바람직하게는 10-40㎛/rev의 공구 이동속도로 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 박판을 감은 코일재의 단면을 선삭하여 만들어진 것으로, 길이 방향과 직각의 단면이 구형상(矩形狀) 내지 이와 유사한 형상을 가지며, 폭 10-170㎛, 두께 7.5-180㎛의 박상(箔狀)의 것이 썩 알맞다.
본 발명에 의한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유는 직선상(直線狀)인 경우이외에 파상(波狀)의 요철(凹凸)이 연속된 이형상(異形狀)의 것도 포함한다. 후자의 경우 섬유끼리의 얽힘성이 좋아지므로 밀도가 균일화한 내열 금속 섬유 소결체로 할 수가 있다. 또한 요철에 의하여 표면적을 넓힐 수가 있다.
제 2의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 내열 금속섬유 소결체는 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 박판을 감은 코일재의 단면을 선삭(旋削)함에 의하여 제조된 Fe-Cr -Al-REM계 스테인레스강 섬유를 소정의 두께로 집적하고, 이것을 가열 소결한 것 이외에, 그 섬유 소결체가 두께 방향으로 파상(波狀)의 요철을 가지고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성에 의하면, 섬유의 단면적(섬유폭 x 섬유 두께)이 미소한 경우에도 섬유 소결체를 굽힘 가공하였을때에 섬유가 잘 꺽이지 않고 따라서, 섬유 소결체를 작은 반경으로 돌돌 말기도 하고, 예민한 각도로 굴곡하여 사용할 수가 있다. 또한, 요철에 의하여 겉보기 길이로 표면적을 늘릴수가 있고, 고온으로 가열하였을 때 요철에 의하여 신장(伸張)이 미세하게 분산되므로 팽창 등의 변형의 발생을 저감시킬 수가 있다. 그리고, 이 고온가열시에 요철에 수직인 방향으로부터 섬유 소결체에 외력이 작용한 경우에도 요철에 의하여 단위 평면당 접촉 면적이 증대되므로 외력에 견딜 수 있는 양호한 강도를 얻을 수 있다.
상기 본 발명에 의한 내열 금속 소결체는 다음의 공정으로 제조되는 것이다. 1) Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 박판을 감은 코일재의 단면을 선삭함에 의하여 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속(連續纖維束)을 만든다.
2) Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속을 롤러식 절단장치로 폭방향으로 당기면서 절단함에 의하여 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유를 만든다.
3) 롤러식 절단장치를 통과 직후 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스계 장섬유에 낙하 방향과 교차하는 방향으로 기류(氣流)를 작용시킴에 의하여 콘베어 위에 분산 낙하시켜 시트상 섬유 퇴적물을 만들고, 이 시트상 섬유 퇴적물을 콘베어로 이송하여 콘베어 출구측에 설치된 가압롤러로 압축하여 섬유 웨브(Web)를 만든다.
4) 상기 웨브를 소결(燒結)한다.
그리고, 제 2의 목적을 달성하기 위한 섬유 소결체는 상기 공정후 평탄상(平坦狀)의 소결체를 한쌍의 치형(齒形) 롤러 사이를 통과시키는 공정을 부가함에 의하여 만들어진다.
본 발명에 의한 내열 금속 섬유 소결체는 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 섬유로 되어 있으므로 고온의 대기중에서 표면이 크롬 산화물(Cr2O3)이나 알루미나(Al2O3)로 코팅된다.
즉, 700℃ 이하의 온도에서는
의 반응에 의하여,
또, 700℃ 이상의 온도에서는
의 반응에 의하여 각각 내구성 피막이 생성된다.
또, 조성으로서 REM (La, Y, Ce 등의 희토류 원소)가 첨가되어 있으므로 섬유폭(코일재의 판두께에 대응)이 1mm이하의 미소한 것이라도 고온에서의 알루미나피막의 안정성이 향상된다. 그리고, 섬유는 일정 두께의 코일재의 단면을 선삭하여 제조되기 때문에, 형상, 수치도 균일하고 개체차(個差)가 적은 금속 섬유 소결체로 할 수가 있다.
따라서, 본 발명의 내열 금속 섬유 소결체에 의하면 500℃ 이상 약 1,000℃까지의 고온 대기 분위기에서 양호한 다공성과 기계적 특성을 발휘할 수가 있다.
그외에, 본 발명의 내열 금속 섬유 소결체는 뛰어난 도전성을 가지고 있으므로 고온 유지를 위한 특별한 열원을 필요로 하지 않고, 직접 통전하는 것만으로 그 자체 발열에 의거 고온을 유지할 수 있는 이점이 있다.
특히, 성분 조성을 상기와 같은 범위로 한 경우에는 내열 피막을 확실하고 안정하게 할 수가 있다. 또한, 5㎛/rev를 넘는 공구 이송 속도로 단면 선삭 한 경우에는, 공구 이송속도에 대한 섬유폭의 증가비를 작게 할 수가 있으므로 인장강도가 뛰어난 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유가 되고, 이것을 사용함에 의하여 강도가 뛰어난 내열 금속 섬유 소결체로 할 수가 있다.
본 발명에 의한 내열 금속 섬유 소결체는 상기와 같은 고온에서의 뛰어난 각종 특성으로 인하여 하기와 같은 용도에 사용할 수가 있다.
① 여과(필터)용의 재료나 제품 즉, 압축공기나 각종 가스의 여과용 부재, 증기의 여과용 부재, 액체(예를들면 물, 수용액, 전해액, 유류, 합성수지 용해물, 금속 용해물)의 여과용 부재 등.
② 분리ㆍ농축용의 재료나 제품 즉, 기체(예를들면 혼합기체나 가스 동위체)의 분리ㆍ농축용 부재, 예를들면 역침투법 등에 의한 액체의 분리ㆍ농축용 부재등.
③ 통기용(通氣用)의 재료나 제품 즉, 분립체(粉粒) 수송기반(輸送基盤), 에어레이션(Diffusion Pipes), 에어 롤러(Air Rollers), 에어 베어링(Air Bearing)으로 대표되는 기체의 흡입용 부재, 통기재(通氣材), 벤트재(Vent Members), 진공 리크 밸브(Vacuum Leak Valves), 진공 척(Vacuum Chucks), 통기성 금형, 내구주형(耐久鑄型)으로 대표되는 기체 방출용 부재, 유체 분사 전극, 지립 혼합 슬러리 분출용 정반(Polishing prticle Mixture Slurry Spraying Platens)으로 대표되는 액체의 분출용 부재 등.
④ 충격 흡수용 재료나 제품 즉, 공압 기계의 소음ㆍ흡음재용 부재, 압축 가스의 맥동 방지를 위한 간섭재(干涉材)용 부재, 방진재, 압축 탄성체, 반응 촉매의 패킹재나 시일재, 충격 흡수재 등.
⑤ 고비 표면적(高比 表面積)을 이용한 재료나 제품 즉, 촉매나 촉매 담체로 대표되는 화학 반응용 부재, 센서, 전지(電池)의 전극재, 흡착재, 소염재 등의 열전도재, 열교환기 부재, 발열체 등.
⑥ 모세관 현상을 이용하는 재료나 제품 즉, 염심(炎芯), 흡수 롤러 등의 액체 이송용 부재, 발한 냉각재(發汗 冷却材)나 가습기 등으로 대표되는 액체 공급용 부재, 미스트 오일러(Mist Oilers), 잉크 롤러, 축수(軸受) 등.
⑦ 흐름 제어용 재료나 제품 즉, 분류판, 분산판 등 혹은, 기체 경계층(氣境界層) 제어용 부재 등.
이하, 본 발명의 대표적인 실시 태양을 설명하지만, 당업자는 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 여러 가지의 변경 및 수정이 가능하게 됨은 분명하다.
이와 같은 본 발명을 첨부도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 의한 내열 금속 섬유 소결체의 예를 나타내고, 도 4와 도 5는 본 발명에 의한 내열 금속 섬유 소결체를 부분적으로 확대한 것을 나타내고 있다.
부호 1은 내열 금속 섬유 소결체이고, 도 1은 평판상 내지 블록상으로 한 것, 도 2는 두께 방향으로 파상(波狀)의 요철(1a, 1b)을 연속 형성하여 파판(波板)으로 한것을 나타내고 있다.
도 3은 통상(筒狀)으로 한 것을 나타내고 있다. 이것은 웨브 상태에서 통으로 하여 소결한 것과, 도 1이나 도 2 형상의 소결판을 둥글게 하여 단부를 접합한 것의 어느것을 포함하고 있다.
원래 이들 내열 금속 섬유 소결체(1)의 형상은 어디까지나 예이고, 이들에 한정되는 것은 아니다. 부호 10은 내열 금속 섬유 소결체를 구성하는 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유이고, 각 섬유는 접촉부가 접합되어 있다.
도 4는 후술하는 직선상의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)를 이용한 경우를 나타내고 있고, 도 5는 후술하는 이형상(異形狀)의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)를 이용한 경우를 나타내고 있다. 후자의 경우는 섬유끼리의 입체적인 얽힘이 강해진다.
Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)는 어느쪽이나 전술한 바와 같은 내열 피막의 생성에 의한 내열 메카니즘을 발휘시키기 위하여 성분조성으로서, Cr :17.0-21.0 wt% Al : 2.5-6.0 wt%를 함유하고, REM : 0.02 - 0.25 wt%를 함유하고 있다.
Cr과 Al이 하한을 밑도는 함유량에서는 내열 피막의 형성이 불충분하게 되고, 상한을 넘은 함유량에서는 스테인레스강 조직의 결정구조가 불안정하게 된다. REM으로서는 La, Y, Ce의 1종 또는 2종 이상이 이용될 수 있다. 하한을 밑도는 첨가량으로는 산화피막의 안정성을 향상시킬 수가 없고, 상한을 초과하는 첨가량은 경제성이 없어 부적당하다.
대표적인 그리고, 바람직한 성분 조성례로서는 중량비로, C : 0.008% 이하, Si : 1.0%이하, Mn : 1.0%이하, Cr : 19.0 - 21.0%, Al : 4.5 - 6.0%, REM : 0.06 - 0.12%, 철 및 불가피한 불순물의 잔부이다.
도 6은 본 발명의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)의 일레를 나타내고 있고, 도 7은 본 발명의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)의 다른 바람직한 예를 나타내고 있다. 도 6에서는 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)는 거의 직선상으로 되어 있고, 도 7에서는 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)는 섬유 두께 방향으로 요철(10a, 10b)이 반복된 파상으로 되어 있다. 파(波)는 사다리꼴로 한정되지 않고, 원호상으로 되어 있어도 좋다. 또, 경우에 따라서는 파는 섬유폭 방향으로 형성되어 있어도 된다. 이러한 파모양의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)는 표면적이 커지는 이점 이외에 요철(10a, 10b)의 존재에 의하여 섬유끼리 얽히기 쉬워지므로, 밀도가 높게, 밀도 분포의 산포(Dispersion of Density Distribution)가 적은 웨브를 형성할 수 있는 이점이 있다.
어느 섬유 형상의 경우에도, 섬유축 방향과 직각의 단면 형상은 도 8과 같이 4각형 비슷한 단면 형상으로 되어 있고, 두께 방향의 한 면(후술하는 자유 생성면)(101)은 비교적 요철이 심한 거친면으로 되어 있고, 이에 의하여 표면적이 증가되어 있다.
Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)는 고온에서의 양호한 기계적 특성을 얻기 위하여 폭 W ; 10-170㎛, 두께 t : 7.5-180㎛ 의 범위{원(圖)으로 환산한 직경은 10-100㎛}에 있다. 또, 길이는 섬유의 얽힘을 좋게 하므로 20-200mm의 소위 장섬유가 바람직하다. 아스펙트 비(縱橫比)가 50-100의 단섬유는 섬유의 얽힘이 부족하므로 적당하다고는 말할 수 없기 때문이다.
본 발명의 내열 금속 섬유 소결체(1)는 이러한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)를 랜덤하게 또는, 여러층으로의 교차 등 소망하는 방향으로 집적시켜 목부량(目付量)(Metsuke) 150-4,000 g/㎡의 웨브로 하고, 이 웨브를 진공 혹은 불활성 분위기중에서 최고온도 800-1,300℃로 10분-10시간 가열함으로써 만들어진 것이다. 또, 소결?에 밀도 향상을 위하여 하중을 부하시켜도 좋다. 본 발명은 소결후 대기분위기 ?에서 온도 600-1,100℃로 2-10시간 가열처리하여 최종 제품으로 한 것을 포함하고 있다.
본 발명의 내열 금속 섬유 소결체(1)의 제조 공정에 대하여 더욱 상세히 설명하겠다.
도 3는 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)의 제 1 의 제조공정을 표시하고 있고, 판 두께가 예를들면 10-150㎛로부터 선택된 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 박판(箔)(110)을 선삭 주축(12)에 코일상으로 긴밀히 권회하고 얻어진 코일재(11)의 단면(端面)에 절삭 공구(13)의 날끝을 접촉시켜 이 절삭공구(13)에 선삭주축(12)과 평행한 이송을 부여하면서 선삭 주축(12)을 회전시키는 것이다.
이에 의하여, 다층으로 감겨있는 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 박판(110)의 각 판두께분(分)의 층이 절삭공구(13) 의하여 동시에 선삭된다. 이 때문에 3차원적으로 알맞게 말린 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스의 연속 섬유속(10′)이 공구 절삭면을 따라 후방으로 끊기지 않고 유출된다. 이 연속 섬유속(10′)을 폭방향으로 신장하여 소요길이로 절단함으로써 도 6의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)가 얻어진다.
일반적으로 금속재료의 섬유화에는 인발법, 용융 방사법이 있다. 인발법은 직경이 작고, 치수가 균일한 섬유를 제조할 수가 있지만, 비용이 고가인 것이 치명적인 문제이다. 용융 방사법은 적응하는 재료가 한정되고 설비 코스트와 제조 코스트가 높다. 또, 절삭법으로 선재를 절삭하는 방법은 섬유 현상이 특정되지 않고, 수율도 나쁘다. 채터 진동(Chatter-Vibration) 절삭법도 알려져 있지만, 단섬유 밖에 제조할 수가 없으므로 적절하지 않다. 본 발명에서 채용한 코일재 단면 절삭법은 이러한 섬유화 방법에 대하여 생산성, 섬유의 균일성, 코스트 면 등에서 뛰어나다.
상기 도 9의 공정에서, Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스 박판(110)의 두께와 절삭 깊이(공구 이송 속도)를 변화시키므로써 여러 가지 크기의 섬유를 제조할 수가 있다. 즉, 본 발명의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)는 도 8에 도시한 섬유폭 W가 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 박판(110)의 판 두께에 일치하고, 섬유 두께 t가 공구 이송속도(S)에 의하여 결정되기 때문이다.
상기 섬유 제조 조건은 구체적으로는, 공구 절삭각도 : 150-45°, 절삭 속도 : 30-95m/min, 공구 이송속도(S) : 5-40㎛/min로부터 선택하면 좋다. 이중, 가장 중요한 변수는 공구 이송속도(S)이다. 이것은 공구 이송속도(S)가 섬유의 두께 그리고 강도에 영향을 미치기 때문이다.
즉, 공구 이송속도(S)에 대한 섬유 두께(t)의 비율(섬유 두께(t)/공구 이송속도(S))을 섬유 두께의 증가비라고 하는데, 공구 이송속도가 일정이하 특히, 5㎛ 이하로 작은 경우에는 증가비가 극단적으로 커지는 경향을 보인다. 이 증가비가 큰 것은 가공시의 소재 변형이 큰 것을 의미하고, 이 때문에 섬유의 자유 생성면(101)에 홈(Notches)이 발생하여 섬유의 강도 저하를 초래하기 쉽다. 또, 섬유 두께를 얇게 할 수 없으므로 기공율 및 표면적이 큰 섬유 소결체를 얻을 수 없게 된다. 따라서, 공구 이송속도(S)는 5㎛/rev를 넘는 값으로 되어야 하고, 공업적으로는 8㎛/rev 이상이다.
Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)는 하나하나가 독립하여 있는 것이 바람직하다. 이의 대책으로서는 상기 선삭시에 섬유끼리의 응착(凝着)을 방지하는 것이 효과적이다. 이의 방법으로서는 선삭 주측에 감기 이전에 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 박판(?)의 표면에 폴리비닐 알콜이나 폴리 아크릴산 등으로 대표되는 수용성 수지로 피막을 입히고, 이 피막을 건조 고화시켜 복합 박판으로 한 것을 사용하는 것이 좋다. 이 경우에는 단면 선삭에 의하여 얻어진 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속(10′)을 용해액에 침지(浸漬)시켜 수용성 수지 피막을 용해 제거한 후 소요길이로 절단하여 웨브화 하면 좋다.
다음 공정으로, Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스의 연속 섬유속(10′)을 절단하여 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)를 만들고, 이것을 집적하여 시트상 내지 블록상의 웨브를 얻는다. 이 웨브의 제조는 종래 채용되고 있는 건식법이나 습식법을 채용할 수가 있다. 그러나, 이들 방법은 장섬유를 칼로 절단하는 공정과, 이 절단한 섬유를 분산하여 퇴적시키는 공정이 분리 독립되어 있는 점, 칼의 마모가 항상 따라다닌다는 점, 섬유를 분산하는 공정이 대규모라는 점 등으로 설비 코스트 및 금속 섬유 시트 제조 코스트가 높아지고, 장치도 대형으로 된다는 문제가 있다.
그래서, 본 발명에서는 롤러 절단과 에어 블로우(Air Blowing)를 병용한 새로운 방법을 이용하여 섬유 절단-웨브화의 연속화를 도모하고 있다.
도 10과 도 11은 이 방법을 도시하고 있고, 연속 섬유속(10′)의 속축(束軸) 방향과 교차하는 방향으로 롤러식 절단장치(A)를 배치하고 있다. 롤러식 절단 장치(A)의 하방에는 이와 교차하는 방향으로 콘베어(5)가 배치되어 있고, 이 콘베어(5)의 출구측 끝에는 웨브화 수단(6)이 배치되어 있다. 웨브화 수단(6)은 본 예에서는 상ㆍ하 한쌍의 가압 롤러가 이용되고 있다. 그리고 콘베어(5)와 제 3롤러(4) 사이에는 송풍 기초 대표되는 송풍 수단(7)이 배치되어 있다.
송풍 수단(7)은 송풍구가 콘베어(5)의 진행 방향과 같은 방향을 향하고 있다. 8은 기류가 효과적으로 작용하도록 송풍 수단(7)에 대향 설치된 충돌판이고, 스테인레스강 장섬유(10)를 사이에 두고 반대측에 배치되어 있다.
본 예에서는 롤러식 절단장치(A)를 2대 병열로 배치하고, 콘베어(5)의 이동 방향의 전ㆍ후에도 2대씩 배치되어 있다.
롤러식 절단 장치(A)는 적어도 3단의 롤러군으로 이루어져 있다.
예를들면, 제 1단 롤러(2)와, 이보다 하류에 배치된 제 2단 롤러(3) 및 제 3단 롤러(4)로 이루어져 있다. 이들 각 단 롤러는 연속 섬유속(10' )을 속축과 교차하는 방향으로 전ㆍ후에서 협지하도록 대치하는 적어도 한쌍의 롤러로 구성되어 있다. 이들 각 롤러는 단부(端部)가 도시되지 않은 프레임에 지지되어 있다.
제 1 단 롤러(2)는 제 2 단 롤러(3)와 협동하여 섬유속을 신장하기 위한 것이고 본 예에서는 쌍을 이루는 구동 롤러(2a)와 종동 롤러(2b)의 2조로 되어 있다. 제 1 단 롤러(2)는 섬유폭이 작은 경우에도 섬유속의 신장을 좋게 하므로, 1조 이상의 구동 롤러(2a)와 종동 롤러(2b)가 추가되어도 좋다. 그러나 섬유폭이 넓은 경우에는 제 1단 롤러(2)는 반대로 1조의 구동롤러(2a)와 종동롤러(2b) 만으로 구성하여도 좋다. 이 경우, 종동 롤러는 구동 롤러(2a)의 원호가 다른 부분에 당접 가능한 2개의 롤러이어도 좋다.
제 2단 롤러(3)와 제 3단 롤러(4)는 협동하여 섬유속을 절단하기 위한 것이고, 각각 1개의 구동 롤러(3a)(4a)와 이것과 쌍을 이루는 1개의 종동 롤러(3b)(4b)로 이루어져 있다.
상기 구동 롤러(2a)(3a)(4a)와 종동 롤러(2b)(3b)(4b)는 표면이 매끈 매끈한 원주상의 것도 좋다. 그러나, 바람직하게는 적어도 제 2단 롤러(3)와 제 3 단 롤러(4)의 구동 롤러(3a)(4a)와 종동 롤러(3b)(4b)는 도 12처럼 서로 맞물림 가능한 치부(齒部)(30)(40)가 형성되어 있는 치차롤러 내지 치형롤러가 적합하다.
그것은 연속섬유속(10′)을 확실하게 물고, 후술하는 롤러 축간 거리로 절단하기 때문이다. 또한, 절단시에 치부(30)(40)의 서로 맞물림 간극에 스테인레스강 장섬유(10)가 끼워짐에 의하여 요철(10a)(10b)이 연속하여 가공되고, 도 7과 같은 파상의 스테인레스강 장섬유(10)를 얻을 수 있기 때문이다. 치부(30)(40)는 너무 과도하게 큰 요철을 이루면 섬유를 손상할 위험이 있으므로 모듈(Module)은 적당한 범위 예를 들면, 1-3 정도에서 적의 선택된다. 또, 도시하는 것은 제 1단 롤러(2)는 평활한 롤러이지만 섬유폭이 작은 경우에는 제 1 단 롤러(2)도 표면에 치부를 갖는 치형 롤러로 하여도 좋음은 물론이다.
섬유 절단 - 웨브화에 임하여서는, 도 9의 장치로 제조된 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속섬유속(10′)은 도시하지 않은 권취 롤러 혹은, 도 9의 섬유 제조장치로부터 직접 복수속(複數束)이 평행상으로 제 1단 롤러(2)에 인도되어 순차로 하류의 롤러로 통과된다. 이 상태에서, 제 2단 롤러(3)의 회전속도를 제 1 단 롤러(2)의 회전속도 보다도 상대적으로 빠르게 한다.
그 결과, Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속(10′)은 잡아 ??진다. 이 하류에서는 제 3 단 롤러(4)를 제 2단 롤러(3)의 회전속도 보다도 상대적으로 빠른 회전속도로 회전시킨다. 이에 의하여 신장된 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속(10′)은 강제적으로 잡아 찢어져 절단되어, 소정 길이의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)가 동시에 다량으로, 연속적으로 만들어진다. 이들 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유군은 제 3단 롤러(4)의 하방에서 이동하고 있는콘베어(5)위에 분산 낙하된다.
그리고, 이 콘베어(5)에 낙하중인 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)에는 그 흐름 방향과 직각 방향으로부터 도 11과 같이 송풍수단(7)으로부터 기류가 내뿜어진다. 송풍수단(7)의 풍량은 일반적으로 0.5-2.0N㎥/sec에서 선택하면 좋다. 이렇게 하여 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)는 분산되어 콘베어(5)에 퇴적되면서 이동한다. 그리고, 콘베어 전방의 웨브화 수단(6)에 의하여 압축된다.
상기 제 1 단 롤러(2)와 제 2단 롤러(3)와 제 3단 롤러(4)의 회전속도는 제 1 단 롤러(2)의 회전속도 V1, 제 2단 롤러(3)의 회전속도 V2, 제 3단 롤러(4)의 회전속도 V3의 관계는, V1: V2를 1 : (1.5-5)로 하고, V2: V3를 1 : (5-25)로 하는 것이 바람직하다.
제 2단 롤러(3)의 회전 속도비의 하한을 1.5로 한 것은, 이것을 하회하는 속도에서는 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속(10′)을 충분하게 잡아 늘리거나 부분적으로 절단하는 효과를 얻을 수 없기 때문이고, 속도비의 상한을 5로 한 것은 이 이상의 속도차가 있으면, Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속(10′)이 거의 잡아 찢어져 버려 제 3단 롤러(4)에 인도되지 않기 때문이다. 또, 제 2단 롤러(3)에 대한 제 3 단 롤러(4)의 속도비의 하한을 5로 한 것은, 이 이하에서는 완전한 잡아 찢음 절단을 행할 수 없기 때문이고, 속도비의 상한을 25로 한 것은 찢음 속도가 너무 크면, 절단된 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유(10)가 너무 분산되어 콘베어(5)에 소기의 밀도로 퇴적되지 않게 되고, 롤러에 감겨버리기도 하기 때문이다.
또, 제 1단 롤러(2)가 복수조로 되어 있는 경우, 이들 각조의 롤러는 동등한 회전 속도이어도 좋고, 하류측의 롤러 만큼 적당히 속도가 빨라도 좋다. 예를 들면, 상류 롤러의 회전 속도에 대하여 하류 롤러의 회전속도를 적의 5-30% 정도 증가하면 좋다. 상기 제 1단 롤러(2)의 회전 속도 V1은 하류 롤러의 그것을 기준으로 한 것이다.
제 1 단 롤러(2)와 제 2단 롤러(3)와의 회전 속도비에 의하여 제 1 단 롤러(2)가 핀치롤러(Pinch Rollers)로 작용하므로 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속(10′)은 제 1단 롤러(2)로 클램프(Clamp)되고, 제 2단 롤러(1)의 상대적으로 빠른 회전에 의하여 제 1 단 롤러(2)와 제 2단 롤러(3) 사이에서 축방향으로 적당히 잡아 늘려진다.
이어서, Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속(10′)은 제 2단 롤러(3)에서 제 3단 롤러(4)에 이송되지만, 제 2단 롤러(3)와 제 3단 롤러(4)의 회전 속도비는 현저히 다르다. 이 때문에 이 단계에서는 제 2단 롤러(3)가 핀치 롤러로 작용하여 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 연속 섬유속(10′)을 클램프하고, 회전이 빠른 제 3단 롤러(4)가 상기 연속 섬유속(10′)을 강력하게 인장한다. 이 때문에 제 1단에서 잡아 늘려진 상태의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 연속 섬유속(10′)은 충격적인 인장을 받아 강제적으로 잡아 찢어진다.
제 1단 롤러(2)와 제 2단 롤러(3)와의 회전 속도비는 비교적 작기 때문에Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 연속 섬유속(10′)은 컬(Curls)이 퍼지기도 하고, 취약 부분에 크랙이 생기는 등 강도 저하가 촉진되기 때문에 제 3단 롤러(4)에 의하여 확실하게, 균일적인 절단이 이루어진다. 또, 제 2단 롤러(3)에 의한 인장 작용으로 펀치력이 충분히 걸린 부분에 대하여 부분적인 절단도 행할 수 있다.
절단 섬유길이는 기본적으로는 제 2단 롤러(3)와 제 3단 롤러(4)의 측간 거리 L이고, 이 거리 L을 설정함에 의하여 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유는 20mm정도의 비교적 짧은 치수의 것으로부터 100mm를 넘는 비교적 긴 치수의 것까지 자재로 얻을 수가 있다.
상기와 같이 절단된 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유군은 제 3단 롤러(4)의 빠른 회전에 의한 원심력으로 분산되면서 자유 낙하하므로, 랜덤한 배향으로 시트상 섬유 퇴적물(100)로서 콘베어(5)에 흩어진다.
더욱이, 상기 제 3단 롤러(4)와 콘베어(5) 사이에 설치되어 있는 송풍수단(7)을 작동시키면, Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)는 낙하하는 방향과 교차하는 방향으로부터의 기류를 받아 분산되고, 전방으로 날리어 충돌판(8)에 부딪친후 자유 낙하하므로 균일하게 분산된다.
롤러로서 도 12와 같은 치차 롤러를 사용하였을 때에는, 도 7과 같은 연속된 요철(10a)(10b)을 갖는 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)가 제 3단 롤러(4)로 부터 낙하하여 송풍기에 의하여 콘베어(5)에 흩어진다. 이 때문에 요철(10a)(10b)에 의하여 섬유끼리 잘 얽히고, 밀도가 높은 시트상의 섬유 퇴적물(100)로 된다. 이와 함께 시트상 섬유 퇴적물(100)의 양 사이드의 박층화(薄層化)가 억제된다.
이 때문에, 표면이 평활한 롤러를 이용한 경우에 비하여 밀도분포의 산포(Dispersion in the Metsuke Distribution)가 적어도 ±5%이상 ±10% 정도나 적게할 수가 있다. 예를들면, 평활한 롤러를 사용한 경우에 20%의 밀도 산포(Metsuke Dispersion)가 있었을 때에는 치형 롤러와 사용에 의하여 산포를 10%로 할 수가 있고, 밀도의 정도(精度)를 높은 것으로 할 수가 있다.
상기 시트상 섬유 퇴적물(100)의 두께는 콘베어(5) 이동 속도에 의하여 임의로 조정되고, 콘베어(5)의 출구에 도달한 순간 웨브화 수단(6)으로서의 가압 롤러로 두께 방향으로 압축되어 웨브(1′)로 된다. 이 웨브(1′)는 적당히 권취 롤러에 감기고, 이것으로부터 풀어내어 절단 가공하고, 혹은 절단 가공후 소망하는 모양으로 가공된다. 그리고, 소결로에 장입되어 무하중으로 또는 부하하면서 가열 소결된다. 또는, 웨브화 수단(6)의 하류에 직결한 연속 소결장치 예를 들면, 턴넬 소결로 혹은 직접 통전식 저항 가열장치에 장입함으로써 긴 연속 웨브로 소결된다. 직접 통전식 저항 가열장치는 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유(10)가 도전성을 갖는 이점을 생기게 할 수가 있다.
또, 도 11처럼 상기 롤러식 절단장치(A)(A)를 콘베어 이송 방향으로 적어도 2대를 직렬로 배치하였을 때에는, 각 절단장치(A)(A)에 소요 개수씩 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속(10′)(10′)이 공급되어 잡아 찢기어 절단되어 콘베어(5)상에 분산 낙하된다. 이에 의하여 최상류의 시트상 섬유 퇴적물(100) 위에 그것보다도 하류의 절단 장치(A)로 만들어진 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유군이 분산 퇴적되므로, 고밀도의 웨브를 능률적으로 얻을 수가 있다.
상기와 같은 섬유 제조법과 웨브화법을 채용하였을 때에는, Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 박판으로부터 일관되게 연속적으로 능률있게, 저렴한 값에, 랜덤 배향의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유 웨브를 제조할 수가 있고, 이 웨브를 그대로 또는, 절단하여 소결로에 장입함으로써 고온 특성이 뛰어난 내열 금속 섬유 소결체를 저렴하게 양산할 수가 있다.
또, 도 2와 같은 두께 방향으로 파상의 요철(1a(1b)이 연속 형성된 주름진 형태의 내열 금속 섬유 소결체(1)를 얻는데에는 도 13처럼 한쌍의 치차상 성형 롤러(9)(9)를 이용하여, 도 1과 같은 평판상의 내열 금속 섬유 소결체(1)를 상기 치차상 성형 롤러(9)(9)에 통과시키면 요철이 형성된다. 치차와 치는 인볼류트 치차와 같은 각에 날이 있는 것이 아니고, 곡률이 있는 둥근 치가 바람직하다. 상기 가공은 냉간으로 행하여져도 좋고, 열간으로 행하여져도 좋다.
어느것으로 하여도, 본 발명의 내열 금속 섬유 소결체(1)는 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 박판(110)의 코일재(11)를 단면 절삭하여 장섬유로 하고, 이것을 웨브로 하여 소결한 것이므로, 대기 분위기하에서 고온 가열함에 의하여 안정한 내구성 산화 피막이 생성되어, 1000℃ 이하의 고온도 범위에서 충분히 내구성이 유지된다.
이하 본 발명의 실시예를 설명한다.
실시예 1.
1) 본 발명을 적용하여 폭 300mm x 길이 500mm의 필터용 섬유 소결체를 얻었다. 두께는 0.7 mm-20.mm의 범위의 것을 여러 가지 만들었다.
소결체의 재료로서는 하기의 성분조성(wt%)의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 박판을 사용하였다.
C : 0.004%, Si : 0.14%, Mn : 0.13%, Cr : 20.03%, Al : 4.9%, La : 0.08%, 철 및 불가피한 불순물의 잔부.
Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 박판은 판 두께가 10㎛, 15㎛, 20㎛, 25㎛, 35㎛, 50㎛와 135㎛의 7종류를 사용하였다. 판 두께 50㎛의 박판은 미소둔재(末燒鈍材)이다. 모재의 인장 강도는 판 두께 50㎛의 경우, 이것이 미소둔재이므로 크로스 헤드 속도에 따라서 875-1056MPa로 되고, 판두께 135㎛의 경우에는 600MPa로 대략 일정하였다. 박판은 각각 선삭 주축에 긴밀히 권취하여 코일재로 하고, 그 단면을 절삭 공구로 연속 선삭하여 섬유화를 행하였다.
이 공정에서 얻어진 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속을 절단하여 장섬유를 얻고, 이 장섬유를 집적하여 목부량(밀도) 1,200g/㎡의 웨브를 작성하고, 불활성 가스로 분압을 제어한 진공 분위기 중에서 1,120-1,160℃, 2시간의 조건으로 소결하여 스테인레스강 섬유 소결체를 얻었다.
2) Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속의 절단과 목부(Metsuke) 및 웨브화는 롤러 절단 에어브로우잉 방법으로 행하였다. Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 연속 섬유속은 2개로 하고, 롤러 간격을 80mm로 하였다.
판 두께 50㎛와 135㎛의 박판을 원료로 하여 제조한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속에 대해서는 아래 조건으로 절단과 목부 및 웨브화를 행하였다.
즉, 롤러식 절단 장치의 롤러로서 각각 직경 70mm의 표면이 평활한 구동 롤러와 종동 롤러를 사용하였다. 제 1단 롤러는 2조의 롤러를 상류와 하류에 배치하고, 상류의 롤러 회전수를 23rpm, 하류의 롤러 회전수를 28rpm으로 하였다. 제 2단 롤러의 회전수는 56rpm, 제 3단 롤러의 회전수는 580rpm으로 하고, 제 2 롤러와 제 3 롤러의 거리 L을 80mm로 설정하고, 벨트 콘베어의 속도를 1-6m/min 의 범위로 조정하고, 벨트, 콘베어의 출구측에 가압 롤러를 설치하였다. 에어는 취출구 면적 33㎠의 블로우어로부터 중량 0.9N㎥/sec로 뿜어냈다.
그 결과, 섬유 길이가 거의 90mm인 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유가 제 3단 롤러로부터 랜덤한 배향으로 분산되어, 폭방향에서 목부량(밀도)이 거의 균일한 웨브를 얻었다. 일정 두께(결과적으로 섬유폭에 상당한다)의 박판 코일재를 일정속도로(결과적으로 섬유 두께에 상당한다) 절삭하므로, 스테인레스강 장섬유는 도 8에 도시된 장축방향과 직각의 단면이 장방형에 유사한 형상을 갖는, 전체 형상이 도 6에 도시하는 직선상의 것이었다.
3) 또, 판 두께 10㎛, 15㎛, 20㎛, 25㎛ 및 35㎛의 박판을 원료로 하여 제조한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속의 절단-웨브화에 대해해는, 롤러식 절단 장치로서 각각 직경이 30mm이고 외주에 모듈(2)의 치형을 설치한 치형 롤러를 사용하고, 제 1단 롤러는 2조를 상류와 하류에 배치하고, 제 2단 롤러와 제 3단 롤러의 축간 거리를 45mm로 설정하였다. 회전수와 콘베어 속도는 상기 조건으로 행하였다.
그 결과, 섬유 길이가 40mm이하인 단면이 장방 형상이고, 도 7처럼 높이 2mm의 사다리꼴에 유사한 요철이 교호로 반복된 형상의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유가 제 3 롤러로부터 랜덤한 배향으로 분산되어 목부 분포(Metsuke Distribution)가 매우 균일한 웨브가 얻어졌다. 이것은 스테인레스강 장섬유의 요철에 의하여 얽히기 쉬워졌기 때문이다.
4) 또, 제조한 섬유의 치수를 측정후 단섬유의 인장 강도를 측정하였다.
도 14는 박판 두께가 50㎛의 경우에 공구 이송 속도를 변화시켜 제조한 섬유 두께의 변화를 측정한 결과를 나타낸다. 도 15는 박판 두께 135㎛의 경우에 공구 이송 속도를 변화시켜 제조한 섬유 두께의 변화를 측정한 결과를 나타낸다.
섬유 두께는 공구 속도에 비례한다고 생각되어 지는데, 공구 이송속도가 일정 이하로 되면 증가하는 경향을 나타내었다. 즉, 증가비(섬유 두께 / 공구 이송 속도)를 50㎛ 미만의 섬유를 포함하여 실험치를 종합하여 도 16에 나타낸다.
도 16으로부터 분명한 바와 같이, 공구 이송속도가 15㎛/rev 이상인 때에는 증가비는 2.0-1.0으로 안정한 값을 나타내고 있지만, 공구 이송 속도가 그보다 작아지면 증가비가 급격히 커지고, 공구 이송속도가 5㎛/rev로 작은 경우에는 증가비가 극단적으로 커지고 있다.
이렇게 공구 이송속도가 작아지면 증가비가 커지게 되는 이유로서는, 공구 이송 속도에 의하여 피삭재(被削材)에 접하는 공구의 접촉 부분이 변화하기 때문에 공구날끝의 둥근 정도(날끝 각)의 영향이 크게 나타나, 날 끝에 대한 접촉 면적이 커져 실 절단각(Net Shear Angle)이 작아지기 때문이라고 생각된다.
제조된 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유는 박판 두께 50㎛, 공구 이송 속도 10㎛/rev의 경우, 섬유 두께는 평균 16㎛(원으로 환산한 직경은 34㎛)이었다. 마찬가지로 박판 두께 135㎛, 공구 이송속도 10㎛/rev의 경우에는, 섬유 두께는 평균 24㎛(원 환산 직경은 70㎛)이었다. 또, 판 두께 15㎛, 공구 이송속도 10㎛/rev인 경우, 섬유 두께는 평균 13㎛(원 환산 직경 16㎛)이었다.
5) 다음에, 판 두께 50㎛의 박판을 공구 이송 속도 10㎛/rev, 20㎛/rev, 30㎛/rev로 단면 선삭하여 제조한 3종류의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유의 신장과 인장 강도를 도 17과 도 18에 나타내었다.
크로스 헤드 속도 즉, 인장 시험시의 홀더의 이동 속도가 5mm/min의 경우, 공구 이송속도 20㎛/rev로 제조한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유는 인장 강도가 995MPa, 공구 이송속도 30㎛/rev의 경우에는 942MPa이고, 모재(母材)와 동등한 인장 강도를 얻을 수 있었다. 공구 이송속도 10㎛/rev로 제조한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 장섬유는 인장 강도 759MPa이고, 모재에 비하여 약 300MPa 낮아졌지만, 이 강도로도 충분히 사용 가능하다.
6) 다음에, 본 발명에 의한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유 소결체의 신장과 인장 강도를 측정한 결과를 도 19와 도 20에 도시하였다. 이 스테인레스강 섬유 소결체의 두께는 0.7mm이다.
도 19는 박판 두께 50㎛, 공구 이송속도 10㎛/rev의 조건으로 제조한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유를 이용한 경우를 나타내고 있고, 도 20은 박판 두께 135㎛, 공구 이송속도 10㎛의 조건으로 제조한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유를 이용한 경우를 나타내고 있다.
전자의 소결체인 경우, 유공율(有孔率) 약 78%이기 때문에, 모재의 인장 강고 4,056MPa(크로서 헤드 속도 5mm/min의 경우)에 대하여 소결체의 인장 강도는 27MPa이고, 후자의 경우, 유공율이 약 84%이기 때문에 인장 강도는 6-7MPa이다.
이것은, 본 발명의 스테인레스강 섬유 소결체도 다공질 소결체와 마찬가지로 강도가 유공율에 의존되기 때문에, 외관상 낮은 값을 나타낸 것이라고 생각된다. 이것은 측정치를 유공율 제로로 연장한 기재(基地材料)(Base Material)의 인장 강도 데이터가 SUS 316, SUS304 등과 비교하여 거의 동일 범위내에 있다는 사실로부터 확인되었다.
7) 다음에, 본 발명에 의한 스테인레스강 섬유 소결체의 사용 가능 온도 범위를 확인하는 실험을 행하였다. 이것은 박판 두께 50㎛, 공구 이송속도 10㎛/rev의 조건으로 제조한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유를 이용하여 제조한 스테인레스강 섬유 소결체를 대기 분위기중에서 600-1,300℃, 2-10시간 가열처리 한 경우의 중량 변화를 측정하는 것으로 행하였다. 이 결과를 도 21에 나타내었다.
도면중의 온도는 유지 온도를 말하며, 유지온도가 600℃와 900℃의 경우 중량 증가량은 0.01g 이하이고, 소결 섬유의 산화는 적고 안접되어 있다. 유지온도가 1,000℃, 1,100℃로 상승하면, 유지 시간이 길어짐에 따라서 급격히 중량이 증가하고, 약 8시간 유지로 거의 일정 상태를 나타내는 것이 확인되었다. 유지 온도가 1,300℃의 경우, 1,100℃나 1,000℃와는 달리, 급격한 중량 증가가 확인되었고, 그 값도 1,100℃와 비교하여 약 6배로 큰 값을 나타내고, 단시간으로 일정값을 나타내는 것이 확인되었다.
8) 열처리 후에 시험편을 채취하여 인장 강도 시험을 행한 결과(크로스 헤드 속도 5mm/min)를 22에 나타내었다.
이 결과로 부터, 유지온도를 600℃, 900℃, 및 1,000℃로 한 경우의 소결체의 인장 강도는 약 23MPa-19MPa의 범위이고, 열처리 전의 소결체의 인장 강도 즉, 약 26MPa와 비교하여 약 3MPa-6MPa의 저하로 끝나고, 충분한 강도를 가지고 있음을 알 수 있다.
그러나, 유지온도 1,100℃의 시험편의 인장 강도는 열처리 전의 소결체의 인장강도에 대하여 1/2 이하까지 저하한다. 또, 유지온도 1,300℃의 시험편도 시험하였는데, 이 경우에는 시험편이 현저히 취약하게 되어 인장 강도의 측정이 불가능하였다. 이것은, 고온에서의 기지 조직(基地組織)(Base Material Structure)의 산화가 심한 때문으로, 모재(母材)(Base Metal)는 원래 1,100℃에서 내열성이 있는 재료이지만, 절삭으로 두께가 작아짐에 의하여 특성이 변화한 것이라고 생각된다.
9) 열처리 후의 시험편을 X선 분석을 한 결과, 소결체 그대로 유지온도 600℃, 900℃의 처리 온도에서는 기지재료(基地材料)(Fe와 Cr)의 피크(Peak)가 확인되었으나, 처리 온도가 상승하여 1,100℃가 되면 기지재료(基地材料)(Fe와 Cr)의 피크가 작아졌다. 1,100"C에서는 Fe와 Al의 산화물 같은 것이 약간 확인되고, 1,300℃에서는 기지재료(基地材料)(Fe와 Cr)의 피크는 확인되지 않고, Fe의 산화물이 확인되었다.
10) 1,000℃에서 열처리한 시험편의 색은 백색을 띠고 있으므로, 알루미나가표면에 균일하고 엷게 생성되어 있다고 생각된다. 그래서, 시료 표면의 산화물 생성 상황을 EPRM(Electron Probe Micro Analizer)분석한 결과를 제 23-A도 내지 제 23-E도에 나타내었다.
제 23-A도의 열처리 하지 않은 소결체의 경우, Al은 모재(母材)(Base Meterial)중에 평균적으로 존재해 있다. 유지온도 600℃(제 23-B도)의 경우에도 모재중에 Al을 확인할 수 있고, 시험편 표면에는 알루미나 피막의 생성은 확인되지 않았다. 유지온도 900℃(제 23-C도)에서는 모재중의 Al은 약간 감소하고, 시험편 표면에 알루미나가 생성하기 시작하고 있다. 유지온도 1,100℃(제 23-D도)에서는 모재중의 Al은 거의 없어지고, 시험편 표면에 알루미나가 생성되고, 그 내측에 Cr 화합물이 생성되어 복합 산화 피막이 형성되어 알루미나 피막의 안정성이 변화하고 있는 것이 확인되었다. 유지온도 1,300℃(제 23-E도)에서는 시험편 전체가 균일하게 산화되어 금속 부분은 전혀 남아 있지 않은 것이 확인되었다. 이것으로부터, 이 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유 소결체는 1,000℃까지 대기 분위기중에서의 안정성이 나타난다고 생각된다.
11) 판 두께 15㎛, 공구 이송속도 10㎛/rev의 조건으로 제조한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유(섬유폭 15㎛)를 이용하여 제조한 두께 1.3mm의 스테인레스강 섬유 소결체를 대기 분위기중에서 600-1,300℃, 2-10시간 고온 산화 처리하였을 때의 처리 온도와 중량 변화의 관계를 측정한 결과를 도 24에 나타내었다.
이 도 24로부터 분명한 바와 같이, 온도가 올라가면, 중량 증가가 커지고, 이런 크기의 섬유 소결체에서는 현저한 중량 증가가 생기는 온도는 1,100℃이었다.이것은 섬유폭 50㎛의 섬유를 이용한 소결체의 경우가 1,300℃인 것과 비교하면 약 200℃ 저하하여 있다. 그 이유는 섬유가 미세화함에 의해 시험편층의 단위 면적당 섬유의 개수 및 표면적이 증가한 때문이라고 생각된다.
또, 인장 강도에 대하여는 섬유폭 15㎛의 섬유 소결체는 상온에서 18MPa이고, 섬유폭 50㎛의 경우 보다도 저하하였다. 이것은 기공이 증가하였기 때문에 외견상으로 강도 저하가 나타났기 때문이다.
따라서, 이상을 총합하면, 본 발명에 의한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유 소결체는 1,000℃까지의 고온 대기 분위기중에서 안정한 강도를 유지할 수 있음이 분명하다.
실시예 2
실시예 1의 박판 두께 15㎛, 공구 이송속도 10㎛/rev의 조건으로 제조한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유(섬유폭 15㎛)를 이용하여 두께 1.3mm의 평탄한 섬유 소결체를 만들었다.
이 섬유 소결체를 직경 70mm이고 표면에 모듈 1.5의 환치(丸齒)가 설치된 한쌍의 치형 롤러에 통과시켜 형성하고, 도 2와 같은 파상의 요철아 연속된 주름진 모양의 섬유 소결체를 얻었다. 이 섬유 소결체는 파고 약 4mm, 파의 파치(Pith) 약 2mm 이었다.
이 주름진 섬유 소결체와 평탄한 섬유 소결체를 곡율 반경 10mm로 구부림 가공하였을 때, 후자의 섬유 소결체는 크랙이 발생하였지만, 전자는 전혀 크랙이 발생되지 않았다. 또, 굽힘 가공 않은채 길이 방향의 일단면(파에 수직한 방향)을 아래로 하여 직립시키고, 상하를 구속하여 대기 분위기 조건에서 800℃로 4분간 1,000회(약 70시간) 반복하여 가열하였다. 그 결과, 주름진 모양의 섬유 소결체는 전혀 변형이 생기지 않았다. 이때 대하여, 평탄한 섬유 소결체는 중앙 부분이 크게 팽창 변형하였다.
이 결과로부터, 섬유의 요철과 소결체의 요철이 매우 유효하다는 것을 알 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 내열 금속 섬유 소결체의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 의한 내열 금속 섬유 소결체를 다른 예를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 내열 금속 섬유 소결체를 또다른 예를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 내열 금속 섬유 소결체의 부분적 확대도이다.
도 5는 본 발명에 의한 내열 금속 섬유 소결체의 부분적 확대도이다.
도 6은 본 발명에 이용되는 내열 금속 섬유의 일례를 나타내는 확대 사시도이다.
도 7은 본 발명에 이용되는 내열 금속 섬유의 다른 예를 나타내는 사시도이다.
도 8 은 도 6과 도 7의 내열 금속 섬유의 확대 단면도이다.
도 9 는 본 발명에 이용되는 내열 금속 섬유의 제조상태를 나타내는 설명도이다.
도 10은 본 발명의 내열 금속 섬유의 제조에 사용되는 웨브화 수단과 웨브화방법의 일례를 나타내는 부분 절결 정면도이다.
도 11은 본 발명의 내열 금속 섬유의 제조에 사용되는 웨브화 수단과 웨브화 방법의 일례를 나타내는 측면도이다.
도 12는 도 11의 일부 확대도이다.
도 13은 도 2 에 도시된 내열 금속 섬유 소결체의 제작방법을 나타내는 사시도이다.
도 14는 원료로서 판 두께 50㎛의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 박판을 이용한 경우의 공구 이송 속도에 대한 섬유 두께의 관계를 나타내는 선도이다.
도 15는 원료로서 판 두께 135㎛의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 박판을 이용한 경우의 공구 이송 속도에 대한 섬유 두께의 관계를 나타내는 선도이다.
도 16은 원료로서 각종 판 두께의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 박판을 이용한 경우의 공구 속도와 섬유 두께의 관계(증가비)를 나타내는 선도이다.
도 17은 각종 공구 속도로 제조한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유의 인장시험시의 크로스 헤드 속도와 신장의 관계를 나타내는 선도이다.
도 18은 각종 공구 속도로 제조한 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유의 인장시험시의 크로스 헤드 속도와 인장강도와의 관계를 나타내는 선도이다.
도 19는 섬유폭 50㎛의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유의 크로스 헤드 속도와 인장강도의 관계를 나타내는 선도이다.
도 20은 섬유폭 135㎛의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유의 크로스 헤드 속도와 인장강도의 관계를 나타내는 선도이다.
도 21은 섬유폭 50㎛의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유를 이용한 소결체의 고온 유지 시간과 중량 증가량과의 관계를 나타내는 선도이다.
도 22는 섬유폭 135㎛의 스테인레스강 섬유 소결체의 고온 유지시간과 인장 강도의 관계를 나타내는 선도이다.
도 23-A는 섬유폭 50㎛의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유 소결체의 열처리 전의 EPMA 분석선도이다.
도 23-B는 도 23-A의 스테인레스강 섬유 소결체를 600℃로 열처리 하였을 때의 EPMA 분석선도이다.
도 23-C는 마찬가지로 스테인레스강 섬유 소결체를 900℃로 열처리 하였을때의 EPMA 분석선도이다.
도 23-D는 마찬가지로 스테인레스강 섬유 소결체를 1,100℃로 열처리 하였을때의 EPMA 분석선도이다.
도 23-E는 마찬가지로 스테인레스강 섬유 소결체를 1,300℃로 열처리 하였을때의 EPMA 분석선도이다.
도 24는 섬유폭 15㎛의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유를 이용한 소결체의 고온 유지 시간과 중량 증가량과의 관계를 나타내는 선도이다.
* 도면중 주요부분에 대한 부호설명 *
1 : 내열 금속 섬유 소결체 10' : 연속 섬유속
1a, 1b : 파상의 요철 11 : 코일재
1' : 웨브 12 : 선삭 주축
2 : 제 1 단 롤러 13 : 절삭 공구
3 : 제 2 단 롤러 30,40 : 치부
4 : 제 3 단 롤러 100 : 섬유 퇴적물
5 : 콘베어 101 : 자유 생성면
6 : 웨브화 수단 110 : 스테인레스강의 박판
7 : 송풍수단 A : 롤러식 절단장치
10 : 스테인레스강 장섬유

Claims (13)

  1. (a) Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 박판을 감은 코일재의 단면을 5 내지 40㎛/rev의 공구 이송 속도로 선삭하여 길이 방향과 직각의 단면이 구형상인 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속을 제조하는 단계와,
    (b) 상기 (a) 단계에서 형성된 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속을 폭 방향으로 넓히면서 롤러식 절단 장치로 절단하여 길이가 20 내지 200mm로 되는 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 장섬유를 제조하는 단계와,
    (c) 상기 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유를 콘베이어 상에 낙하시키고 콘베이어로 이송하는 단계와,
    (d) 상기 (c) 단계에서 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유가 콘베이어 상으로 낙하하는 방향과 교차하는 방향으로 기류를 상기 스테인레스강 섬유에 작용시켜 상기 스테인레스강 섬유를 분산시켜서 상기 스테인레스강 섬유의 시트상 퇴적물을 콘베이어 상에 형성시키는 단계와,
    (e) 상기 콘베이어 상의 시트상 섬유 퇴적물을 이송시키고, 상기 콘베이어의 출구측에 설치된 가압 롤러로 상기 시트상 섬유 퇴적물을 압착하여 웨브로 제조하는 단계와,
    (f) 상기 웨브를 소결하는 단계로 이루어지고,
    상기 스테인레스강 섬유는, 중량으로, Cr: 17 내지 21%, Al: 2.5 내지 6.5%, Re; 0.02 내지 0.25% 및 철과 불가피한 불순물의 잔부를 포함하며, 두께가 7.5 내지 180㎛인 것을 특징으로 하는 내열 금속 섬유 소결체 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 롤러식 절단 장치는 각각이 연속 섬유속의 축방향과 교차하고 연속 섬유속을 전후방에서 끼우는 한 쌍의 롤러로 되는 제1단, 제2단 및 제3단을 포함하는 3단 이상의 롤러를 구비하고, 상기 제2단 롤러가 상기 제1단 롤러보다 상대적으로 빠른 회전 속도로 회전됨에 따라서 연속 섬유속이 잡아 당겨지고, 상기 제3단 롤러가 상기 제2단 롤러보다 상대적으로 빠른 회전 속도로 회전함에 따라서 연속 섬유속이 강제적으로 잡아 찢어져 절단되어 다수의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유가 동시에 제조되고, 상기 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유는 최하류의 롤러와 콘베이어 사이에 설치되어 있는 송풍 수단에 의하여 낙하 방향과 교차하는 방향으로부터 기류를 받아 분산되어 콘베이어 상에 낙하하는 것을 특징으로 하는 내열 금속 섬유 소결체 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 공구 공급 속도가 10 내지 40㎛/rev인 것을 특징으로 하는 내열 금속 섬유 소결체 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유 폭이 10 내지 170㎛인 것을 특징으로 하는 내열 금속 섬유 소결체 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유는, 중량으로, C:0.008% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 1.0% 이하, Cr: 19.0 내지 21.0%, Al: 4.5 내지 6.0%, REM: 0.06 내지 0.12%, 및 철과 불가피한 불순물의 잔부로 이루어진 것을 특징으로 하는 내열 금속 섬유 소결체 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유는 일직선의 장섬유인 것을 특징으로 하는 내열 금속 섬유 소결체 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유는 파상의 요철이 섬유 길이 방향으로 연속된 비직선형인 것을 특징으로 하는 내열 금속 섬유 소결체 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 소결체는 두께 방향으로 요철이 있는 판상인 것을 특징으로 하는 내열 금속 섬유 소결체 제조 방법.
  9. (a) Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 박판을 감은 코일재의 단면을 5 내지 40㎛/rev의 공구 이송 속도로 선삭하여 길이 방향과 직각의 단면이 구형상인 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속을 제조하는 단계와,
    (b) 상기 (a) 단계에서 형성된 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 연속 섬유속을 폭 방향으로 넓히면서 2개 이상의 롤러식 절단 장치로 절단하여 길이가 20 내지 200mm로 되는 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강의 장섬유를 제조하는 단계와,
    (c) 상기 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유를 콘베이어 상에 낙하시키고 콘베이어로 이송하는 단계와,
    (d) 상기 (c) 단계에서 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유가 콘베이어 상으로 낙하하는 방향과 교차하는 방향으로 기류를 상기 스테인레스강 섬유에 작용시키고 상기 스테인레스강 섬유를 분산시켜서 상기 스테인레스강 섬유의 시트상 퇴적물을 콘베이어 상에 형성시키는 단계와,
    (e) 상기 콘베이어 상의 시트상 섬유 퇴적물을 이송시키고 상기 콘베이어의 출구측에 설치된 가압 롤러로 상기 시트상 섬유 퇴적물을 압착하여 웨브로 제조하는 단계와,
    (f) 상기 웨브를 소결하는 단계로 이루어지고,
    상기 스테인레스강 섬유는, 중량으로, Cr: 17 내지 21%, Al: 2.5 내지 6.5%, REM: 0.02 내지 0.25%, 및 철과 불가피한 불순물의 잔부로 이루어지고, 두께가 7.5 내지 180㎛인 것을 특징으로 하는 내열 금속 섬유 소결체 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 2개 이상의 롤러식 절단 장치가 콘베이어 진행방향에서 직렬로 배치되고, 소정 개수의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유속이 상기 2개 이상의 롤러식 절단 장치의 각각에 이송되어서 잡아 찢어져 절단되고, 콘베이어 상의 최상류의 시트상 섬유 퇴적물 위에는 그보다 하류의 2개 이상의 롤러식 절단 장치로부터의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유가 분산 퇴적되는 것을 특징으로 하는 내열 금속 섬유 소결체 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 2개 이상의 롤러식 절단 장치는 각각이 연속 섬유속의 축방향과 교차하고 연속 섬유속을 전후방에서 끼우는 한 쌍의 롤러로 되는 제1단, 제2단 및 제3단을 포함하는 3단 이상의 롤러를 구비하고, 상기 제2단 롤러가 상기 제1단 롤러보다 상대적으로 빠른 회전 속도로 회전됨에 따라서 연속 섬유속이 잡아 당겨지고, 상기 제3단 롤러가 상기 제2단 롤러보다 상대적으로 빠른 회전 속도로 회전함에 따라서 연속 섬유속이 강제적으로 잡아 찢어져 절단되어 다수의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유가 동시에 제조되고, 상기 다수의 Fe-Cr-Al-REM계 스테인레스강 섬유는 최하류의 롤러와 콘베이어 사이에 설치되어 있는 송풍 수단에 의하여 낙하 방향과 교차하는 방향으로부터 기류를 받아 분산되어 콘베이어 상에 낙하하는 것을 특징으로 하는 내열 금속 섬유 소결체 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 적어도 상기 제2단 롤러 및 제3단 롤러는 치형 롤러인 것을 특징으로 하는 내열 금속 섬유 소결체 제조 방법.
  13. 제1항 또는 제9항에 따라서 제조되는 것을 특징으로 하는 내열 금속 섬유 소결체.
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