KR102024555B1

KR102024555B1 - 다공질 금속 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102024555B1
Application number: KR1020170173970A
Authority: KR
Inventors: 조규진; 이재화
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2019-09-24
Also published as: KR20190072862A

Abstract

본 발명은 고비용의 특수 설비를 요하지 않고 통상적인 강재 설비를 이용하여 제조한 다공질 금속과 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다공질 금속 제조방법은, 금속 또는 금속합금 판재를 냉간가공과 열처리를 통해 가공 모재로 제공하는 공정; 상기 가공 모재를 예민화 열처리 하는 공정; 상기 열처리된 상기 모재를 에칭하는 공정; 상기 에칭된 상기 모재를 압연하는 공정; 상기 압연된 상기 모재를 열처리하는 공정;을 포함하는 것을 통해 고비용의 특수설비를 필요하지 않아 생산성이 높고 설비비용을 낮출 수 있는 효과가 있다.

Description

다공질 금속 및 그 제조 방법{POROUS METAL AND MENUFACTURING METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 금속 또는 금속 합금 내에 다량의 기공이 형성된 다공질 금속 및 그 제조 방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로 고비용의 특수 설비를 요하지 않고 통상적인 금속 제조 설비를 이용하여 제조한 다공질 금속과 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 다공질 금속(porous metal)이란 금속 내부에 기공(pore)을 가지는 금속을 말한다.

상기 다공질 금속은 내열성을 필요로 하는 필터나 전지용 극판, 촉매의 지지체, 금속 복합재 등, 금속과 다공성이라는 재질의 특성이 필요한 여러 가지 용도에 이용되고 있다.

이와 같은 다공질 금속은 1948년 Sosnik이 용융 알루미늄에 수은을 넣어 기포를 발생시키는 방법으로 제조한 것을 시초로 하여, 현재는 다양한 방법들이 사용되고 있다.

이러한 방법들 중 대표적인 제조법으로는 용탕 가스 주입법(melt gas injection), 용탕 발포법(melt foaming), 반응고 금속 발포법(semi-solid foaming), 소실주형법(investment casting), 금속증착법(metal deposition)법 등 다양한 방법들이 사용되고 있다.

그러나 상기 방법들은 특수 설비나 가스 등을 활용하여 제조하는 방법들이므로, 생산 설비가 고가일 뿐만 아니라 공정 능력 또한 통상적인 금속의 제조 방법에 비해 생산성이 떨어지는 문제가 있다.

한편 다공질 금속에서 기공농도를 표시하는 데에는 기공의 체적비율을 나타내는 기공률이나 기공이 많은 재료의 밀도(ρ)를 기공이 없는 치밀한 재료의 밀도(ρ°)로 나눈 상대밀도가 주로 이용된다.

이 때 금속의 경우 상대밀도가 약 0.3 이하이며, 다시 말하면 기공률이 70% 이상이면 기공이 세포형 구조(cellular structure)를 가지므로, 이를 메탈 폼(metal foam)이라 부르기도 한다.

금속의 경우 기공률이 70% 이하인 경우, 다시 말하면 상대밀도가 0.3 이상이면, 다공성 구조(porous structure)로 이행하므로 다공질 금속으로 정의할 수 있다. 다만 기공률이 높은 세포형 구조의 금속을 포함하여 다공성 금속으로 지칭하는 것이 일반적이다.

그런데 이와 같은 다공성 금속의 경우 치밀한 금속 대비 기계적인 강도가 약하다는 본질적인 단점을 가진다. 특히 입자 상태를 이용하는 방법들의 경우, 입자 표면이 산화나 변질에 의해서 손상되기 때문에, 다공성 금속의 기계적인 강도는 통상적인 벌크(bulk) 금속 대비 더욱 저하된다.

따라서 본 발명에서는 위와 같이 종래의 다공성 금속의 제조 방법들의 문제점들을 해소하고 새로운 구조 및 성분의 다공성 금속을 발명하고자 한다.

관련된 선행기술로는 등록특허공보 10-1481170호가 있다.

본 발명은 고비용의 특수설비 없이도 통상적인 열처리와 압연 장비 및 방법을 통해 원하는 기공도와 기계적 특성을 가지는 다공질 금속 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 구조용 및 기능성 재료인 Fe-C-Cr 성분의 강재를 이용하여 새로운 미세조직을 가지며 원하는 기공도를 가질 수 있도록 제어 된 다공성 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다공질 금속 제조방법은, 금속 또는 금속합금 판재를 냉간가공과 소둔 열처리를 통해 가공 모재로 제공하는 공정; 상기 가공 모재를 예민화 열처리 하는 공정; 상기 열처리된 상기 모재를 에칭하는 공정; 상기 에칭된 상기 모재를 압연하는 공정; 상기 압연된 상기 모재를 열처리하는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다공질 금속 제조 방법이 제공될 수 있다.

바람직하게는 상기 판재는 중량 %로, C: 0.001~1.0%, Cr: 10.0~35.0%를 포함하는 것;을 특징으로 하는 다공질 금속 제조 방법이 제공될 수 있다.

또한, 상기 판재는 Ni 및/또는 Co를 추가로 포함하는 것;을 특징으로 하는 다공질 금속 제조 방법이 제공될 수 있다.

바람직하게는 상기 예민화 열처리는 500 내지 900℃에서 1분~500시간 열처리되는 것;을 특징으로 하는 다공질 금속 제조 방법이 제공될 수 있다.

바람직하게는 상기 에칭은 황산, 질산, 불산 또는 이들의 혼합 용액에서 수행되는 것;을 특징으로 하는 다공질 금속 제조 방법이 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 압연은 압하율이 1 ~ 20%인 냉간 압연인 것;을 특징으로 하는 다공질 금속 제조 방법이 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 다공질 금속 내의 형성된 기공의 종횡비(aspect ratio)는 3 이상인 것;을 특징으로 하는 다공질 금속 제조 방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 중량 %로, C: 0.001~1.0%, Cr: 10.0~35.0%를 포함하고; 제어된 분율의 기공이 입계 부위에 존재하는 것;을 특징으로 하는 다공질 금속이 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 금속은 Ni 및/또는 Co를 추가로 포함하는 것;을 특징으로 하는 다공질 금속이 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 기공은 결정립 입내를 관통하지 않는 것;을 특징으로 하는 다공질 금속이 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 기공의 종횡비(aspect ratio)는 3 이상인 것;을 특징으로 하는 다공질 금속이 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 다공질 금속 제조 방법은 가장 범용적인 철강 프로세스를 이용하여 다공질 금속을 제조할 수 있어, 고비용의 특수설비를 필요하지 않아 생산성이 높고 설비비용을 낮출 수 있는 효과를 가진다.

또한 본 발명에서는 냉간가공과 소둔 열처리를 통해 가공 모재 내에 변형을 주고 열처리를 통해 모재 내에 재결정을 발생시키며, 가공량과 재결정 조건을 조절함으로써 그 결과 가공 모재의 결정립 크기를 제어할 수 있다.

이를 통해 예민화 열처리 및 에칭 공정으로 인해 생성된 기공이 결정립계에 주로 발생되므로 그 결과 형성되는 기공의 크기를 원하는 크기로 제어할 수 있는 효과를 가진다.

또한 본 발명에서는 냉간 가공을 통해 형성되는 기공의 비율을 제어할 수 있고 열처리를 통해 다공성 금속의 강도를 제어할 수 있다.

그 결과 기공의 크기, 기공의 비율 및 강도의 제어가 가능하여, 원하는 기계적 특성을 가지는 다공성 금속의 제조 방법을 제공할 수 있다.

한편 본 발명에서의 제조 방법을 통해, 구조용 및 기능성 재료로 사용이 가능한 Fe-C-Cr 성분의 강재를 이용하여, 기공의 위치, 기공의 크기, 기공의 분율, 그리고 기계적 강도가 제어된 새로운 미세조직을 가지는 다공성 금속을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 다공성 금속 제조 방법의 전체적인 공정 순서도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에서의 가공 모재의 미세조직을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에서의 예민화 열처리 및 에칭 공정 후의 가공 모재의 미세조직을 나타낸 것이다.
도 4는 발명에서의 압연하는 공정에서 압하율에 따른 가공 모재의 미세조직을 나타낸 것이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.

본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 발명을 구현함에 있어서 설명의 편의를 위하여 구성요소를 세분화하여 설명할 수 있으나, 이들 구성요소가 하나의 장치 또는 모듈 내에 구현될 수도 있고, 혹은 하나의 구성요소가 다수의 장치 또는 모듈들에 나뉘어져서 구현될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 다공성 금속 제조 방법의 전체적인 공정 순서도를 도시한 것이다.

도 1에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에서의 다공성 금속 제조 방법은 먼저 금속 또는 금속 합금 판재를 이용하여 냉간가공과 소둔 열처리를 수행하여 가공 모재를 제공하는 공정(S1)을 통해 이루어진다.

이때, 상기 금속 또는 금속 합금 판재는 Fe를 기지로 하여, C와 Cr을 필수적으로 포함하는 것이 바람직하다.

탄소(C)

일반적으로 C(탄소)는, 강력한 오스테나이트 안정화 원소이며, 저가의 원소로서 강의 제조 비용 감소에 기여한다. 한편, C의 경우 N(질소) 고용도를 감소시키는 원소이나, 용탕의 응고시 δ-ferrite의 형성을 억제하므로 주괴의 냉각시 N의 손실을 방지할 수 있어 C의 활용을 통해 결과적으로 N의 고용량을 안정적으로 확보할 수 있다. 또한 C는 고용 강화에 의한 강도 증가와 함께 연신율 감소 억제 효과를 발휘한다. 또한, C는 고용 상태로 유지될 때 내공식성을 향상시킨다. 또한, C는 Ni와 함께 오스테나이트 상을 노블(noble)하게 함으로써 2상 간의 갈바닉 부식을 제어한다.

이러한 효과 이외에도 본 발명에서의 C는 Cr과 반응하여 Cr 탄화물의 결정립계 석출을 통해 결정립계 주위에 Cr 결핍층(Cr depletion zone)을 형성시키는 원소이다. 상술한 것처럼 본 발명에서는 결정립게에 Cr 결핍층 형성이 필수적이므로 하한을 0.001%로 한다.

반면 C의 과잉 첨가시에는, C의 고용강화 효과에 의하여 소재의 냉간 가공성이 저하될 뿐만 아니라 연성, 인성, 내식성 등에 악영향을 미칠 수 있다. 이로 인해 본 발명에서의 C의 상한은 1.0%로 한다.

크롬( Cr )

크롬(Cr)은 강 표면에 안정한 부동태 피막을 형성하는 원소로서, 내공식성 향상에 필수적인 역할을 한다. 특히 본 발명에서 크롬(Cr)은 C와 반응하여 Cr 탄화물의 입계 석출을 통해 결정립계 주위에 Cr 결핍층을 형성시키는 원소이다. 상술한 것처럼 본 발명에서는 결정립계에 Cr 결핍층 형성에 필수적이어서 그 하한을 10.0%로 한다.

한편, Cr의 함량이 35.0%를 초과할 경우, 열처리 온도 범위가 좁아지며, δ-ferrite의 형성으로 오스테나이트 상안정도를 저하시킬 수 있으며, 경질상인 시그마상(Cr-rich phase)을 형성할 수 있다.

본 발명의 금속 또는 금속 합금은 상기 성분 이외에 또 다른 성분들을 선택적으로 포함할 수 있다. 이 때, 첨가될 수 있는 성분들은 다음과 같다.

질소(N)

질소(N)는 C와 함께 저가의 원소이면서도 강력한 오스테나이트 안정화 원소이다. 또한 N은 고용강화에 의한 강도 증가 효과 및 연신율 감소 억제 효과에 기여하며, 고용 상태로 유지될 때 C에 비하여 보다 우수한 내공식성 향상 효과를 발휘한다. 다만, N이 과도하게 첨가될 경우 Cr 질화물 형성으로 인한 내식성 및 기계적 특성 저하, 고용화 열처리 온도 상승에 따른 결정립 조대화 문제가 발생할 수 있으며, 또한 N의 과량 첨가를 위해서는 가압제조공정, 분말야금 등 특수제조 공정이 요구된다.

니켈( Ni )

니켈(Ni)은 오스테나이트 안정화 원소로서, 오스테나이트상을 noble하게 하므로 오스테나이트와 페라이트간 갈바닉 부식 억제에 필수적인 요소이다. 또한 니켈은 강의 인성 개선에 필수적이다.

코발트(Co)

코발트(Co)는 내공식성 개선원소로서, 몰리브덴(Mo)을 대체하며, 열처리에 의한 경화능 증대 역할을 한다. 또한, 고온 내산화성 및 상안정성 측면에서 유리하지만 과량으로 첨가할 경우 연신율을 저하시켜 성형성을 떨어뜨리는 단점이 있다. 또한, 코발트(Co)는 매트릭스(모재) 내의 철(Fe)원소를 치환형 원소로 대체하는 역할을 하여 기지 내의 결합력을 강하게 함으로써, 고온에서의 단위 격자의 변형에대한 저항성이 높아질 수 있도록 하여 고온에서의 열-기계적 피로 특성이 향상되도록 한다.

텅스텐(W), 몰리브덴( Mo )

텅스텐(W)과 몰리브덴(Mo)은 페라이트 안정화 원소로서, 부동태화 촉진을 통하여 내공식성 향상에 기여하며, 아울러 일반 부식저항성 향상에도 기여한다.

특히, W의 경우, Mo에 비하여 시그마상 석출 위험이 적은 장점이 있다. 다만 W의 첨가량이 지나치게 많을 경우, W의 높은 용융온도로 인하여 합금화가 어려워질 수 있고 δ-ferrite의 형성 위험이 있다.

한편, Mo의 경우 함량이 지나치게 많을 경우, 시그마상 형성으로 인한 내식성 및 내충격성 이 저하될 수 있고, δ-ferrite의 형성 위험이 있다.

기타

본 발명에 따른 금속 또는 금속 합금은 불가피한 불순물로서, 인(P) : 0.01중량% 이하, 황(S) : 0.01% 이하, 실리콘(Si) : 0.4중량% 이하 등이 포함될 수 있다.

상기와 같은 금속 또는 금속 합금 판재는, 냉간가공과 소둔 열처리를 수행하여 가공 모재로 제공된다(S1).

본 발명에서는 상기 냉간가공을 통해 가공 모재 내에 변형을 가하여 모재 내의 내부 에너지를 높인다. 이와 같이 냉간가공된 재료 내에는 전위방(dislocation cell) 조직이 만들어지고, 상기 전위방 조직은 기계적으로는 안정하지만 열역학적으로는 불안정해진다.

결국 모재는 냉간가공 다음의 열처리에 의해 연화되고 변형이 없는 미세조직으로 변화한다. 이러한 전 과정을 소둔(annealing)이라 한다.

상기 어닐링 과정은 일반적으로 회복, 재결정, 결정립 성장의 3단계로 분류할 수 있다.

이 중 재결정은 냉간가공된 조직이 변형이 없는 새로운 결정립으로 치환되는 현상을 말한다. 이러한 재결정의 발생 유무는 통상 현미경 조직을 관찰함으로써 쉽게 알아낼 수 있다(도 2). 재결정이 일어나면 경도나 강도는 감소하고 연성이 증가하며, 전위밀도가 현저히 감소하고 냉간가공에 의한 가공경화의 모든 효과가 없어진다.

본 발명에서의 냉간가공과 열처리 공정이 기술적으로 가지는 중요한 의미는 재결정에 의해 최종 결정립크기를 제어할 수 있는데 있다.

일반적으로 재결정에 의한 최종 결정립크기는 주로 변형 정도에 따라 결정되며, 소둔 온도에 의해서는 영향을 덜 받는 것으로 알려져 있다. 구체적으로 변형 정도가 클수록, 다시 말하면 냉간가공량이 많을수록 재결정에 의해 최종적으로 형성되는 결정립의 크기는 작아지는 것으로 알려져 있다. 또한 소둔온도는 낮을수록 결정립 성장을 억제하여 최종적으로 형성되는 결정립의 크기가 작아지게 된다.

다음으로 도 1에서와 같이, 본 발명에서의 다공질 금속 제조 방법에서는 상기 냉간가공과 열처리 공정 다음으로 예민화 열처리(S2)를 수행한다.

본 발명에서의 예민화 열처리 공정은 일반적으로 스테인리스 강에서 알려진 예민화(sensitization)을 의미한다. 스테인리스강이 특정 온도의 범위에서 장시간 노출되거나 용접을 하게 되는 경우에, 결정립계에 크롬 탄화물(특히 Cr₂₃C₆)이 석출되면 결정립계 주위에는 Cr 탄화물 석출에 Cr이 많이 소비되게 된다. 그 결과 결정립계 주위의 Cr의 농도는 결정립 내부의 Cr의 평균 농도보다 낮아지고 상대적으로 기지인 Fe의 농도가 높은 Cr 결핍층(크롬고갈영역, Cr depletion zone)이 형성된다. 이러한 Cr 결핍층은 스테인리스 강의 내식성의 근원인 Cr 패시베이션 층 형성에 필요한 Cr 함량이 국부적으로 부족하게 된다. 이에 따라 결정립계를 따라 부식이 일어나는 임계부식 발생가능성이 높아지고, 더 나아가 결정립계에서의 응력부식에 의한 균열(stress corrosion cracking)이 발생할 가능성이 높아진다.

본 발명에서의 다공질 금속 제조 방법에서는 오히려 이와 같은 예민화 열처리를 발생시켜 기공(porosity)을 입계 부분에서 인위적으로 발생시키고자 하는 발명이다.

본 발명에서의 상기 예민화 열처리 공정은 열처리는 500 내지 900℃에서 1분~500시간 열처리되는 것이 바람직하다. 특히 짧은 공정 시간에 예민화 처리된 미세조직을 형성하기 위해서는 500 내지 700℃의 온도 범위에서 열처리하는 것이 더욱 바람직하다.

열처리 온도가 500℃보다 낮은 경우, 탄소의 낮은 확산 속도로 인해 탄화물 형성이 어려워지고 그로 인해 Cr 결핍층이 나타나지 않거나 반응속도가 지나치게 느린 문제점이 있다. 반면 열처리 온도가 900℃보다 높은 경우, 형성된 크롬 탄화물(특히 Cr₂₃C₆)이 분해되어 모상에 용해되므로, 그로 인해 생성된 Cr 결핍층이 사라지거나 나타나지 않는 문제점이 있다.

본 발명에 따른 다공질 금속의 제조 방법에 있어서, 상기 예민화 열처리된 모재의 미세조직 내에서 입계 지역의 Cr의 농도는 5 내지 13%인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 예민화 미세조직의 입계 Cr의 농도는 5 내지 10%인 것이 좋다. 결정립계의 Cr의 농도는 예민화 단계를 통해 낮출 수 있지만, 결정립 내부의 Cr 확산을 통해 결정립계 지역으로 Cr이 지속적으로 공급된다. 그러므로 예민화 열처리 후 미세조직의 입계 Cr의 농도는 5% 미만으로는 현실적으로 형성되기 어렵다는 문제가 있다. 반면, 예민화 미세조직의 입계 Cr의 농도가 13%를 초과하는 경우, 결정립계 영역에서의 내식성이 지나치게 높아 산성용액을 통해 입계응력부식 균열이 용이하게 형성되기 어렵다는 문제가 있다.

본 발명에서는 상기 예민화 열처리된 상기 모재를 에칭하는 공정(S3)을 수행한다.

본 발명에서의 상기 에칭 공정은 상기 예민화 열처리된 모재를 산성용액에 침적시켜, 도 3에서와 같이, 입계 부식에 의해 결정립계 균열을 형성하는 공정이다.

이때, 산성 용액으로는 황산, 질산, 불산 또는 이들의 혼합 산성 용액을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 입계 부식을 일으킬 수 있는 모든 용액이 본 발명에 따른 다공질 금속의 제조 방법에 사용될 수 있다.

도 3은 예민화 열처리 및 에칭 처리 후의 모재의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다. 도 3으로부터 본 발명의 모재에서는 결정립계를 따라 입계 부식이 일어났으며, 일부 결정립은 입계 부식의 결과 탈락된 흔적을 보여주고 있다.

그런데 본 발명에서의 기공은 상기 입계 부식의 결과 발생된 크랙이나 결정립계에 존재하는 크랙으로부터 생성된다. 반면 결정립 내부에서는 높은 Cr 함량으로 인한 뛰어난 내식성으로 인해, 에칭 공정에 의해서는 크랙이 발생하지 않는다. 이는 본 발명에서의 기공의 평균 크기는 결정립 크기에 의해 결정됨을 의미한다.

한편 앞에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서의 모재의 결정립 크기는 냉간가공과 소둔 열처리 공정(S1)에 의해 결정된다. 따라서 본 발명에서는 기공의 크기를 냉간가공에서의 가공량과 소둔 열처리 공정에서의 재결정 조건을 변화시켜 그로 인해 가공 모재의 결정립 크기를 조절하며, 이를 통해 에칭 공정에서 기공이 결정립계에 주로 형성되는 메커니즘을 이용하여 최종적으로 형성되는 기공의 크기를 제어할 수 있게 된다.

다음으로 에칭된 모재를 이용하여, 본 발명의 다공질 금속 제조 방법에서는 상기 모재를 압연하는 공정(S4)을 수행한다.

본 발명에서의 다공질 금속 제조 방법에서는, 상기 압연 공정을 통해 가공 모재의 결정립계를 균열시켜 기공율을 제어할 수 있다는 장점이 있다.

도 4는 본 발명에 의해 제조된 다공질 금속의 미세조직을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다. 도 4에서 도시된 바와 같이, 압하율이 증가함에 따라 다공질 금속 내부의 기공율이 증가되는 것을 확인할 수 있다.

본 발명에서의 압연 공정(S4)은 압하율이 1 ~ 20%인 냉간 압연인 것이 바람직하다. 만일 압하율이 1% 미만인 경우 형성되는 기공률이 너무 작아 다공질 금속의 기능을 담보할 수 없다. 반면 압하율이 20%를 초과하게 되면, 다공질 금속 의 결정립계의 균열이 지나치게 조장되어, 그로 인해 다공질 금속 내의 기공들의 폭과 길이가 지나치게 증가하여 다공질 금속의 기계적 특성을 확보할 수 없다는 문제가 있다.

한편, 본 발명에 의해 생성된 기공은 종래의 다른 방법들, 예를 들면 특수 설비나 가스 등을 활용하여 다공질 금속 제조 방법에서 생성된 기공과는 기공의 형상(morphology)가 다르다는 특징이 있다.

예를 들어, 용융상태에서 기체를 발생 또는 유동시키는 로터스 방법이나 미세한 분말을 활용하여 일정형태로 압착(pressing)한 후 소결(sintering)하는 분말 소결법에서 생성된 기공은, 표면 에너지를 줄이기 위해 3차원적(x, y, x축) 방위를 고려할 때 최소 1개 방위 이상에서 구형에 가까운 형상을 가지게 된다. 이 때 상기 방법들에 의한 기공들의 형상은 장축 대 단축의 비를 나타내는 종횡비(aspect ratio)가 3축(x, y, x축) 방위에 대해 대부분 3 보다 작은 값을 가진다.

반면 이와는 달리 본 발명에 의해 생성된 기공은 결정립계를 따르는 입계 부식의 결과 발생된 크랙이나 결정립계에 존재하는 크랙에 의해 형성되기 때문에 3차원적 방위 내에서 3축(x, y, x축) 방위에 대해 모두 종횡비(aspect ratio)가 3 이상인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서의 결정립 및 결정립계는 최초 공정인 냉간가공과 소둔 열처리를 통해 특정 방위를 가지지 않는 무질서한(random) 방위를 가진다. 따라서 무질서한 결정립 및 결정립계에 의해 입계에서 발생되는 크랙에 의해 생성된 본 발명의 기공은 방향성(orientation)과 관계없이 무질서한 형상으로 존재한다.

마지막으로, 본 발명에서의 다공질 금속 제조 방법에서는 상기 압연된 모재를 열처리하는 공정(S5)을 포함한다.

본 발명에서의 최종 열처리 공정은 이전 공정인 압연 공정에 의해 다공질 금속 내부에 지나치게 축적된 응력을 제거하는 기능과 함께 형성된 기공의 지나치게 뾰족하거나 날카로운 끝이나 모서리 부분을 확산을 통해 부드러운 형상으로 변화시켜 기계적 특성을 향상시키는 공정이다.

따라서 물질의 이동, 즉 확산이 적어도 기공 근처에서와 같이 국부적으로는 발생하여야 하므로 녹는점을 기준으로 하여 T/Tm(T: 열처리 온도, Tm: 녹는점)이 0.3 이상인 온도에서 열처리하는 것이 바람직하다. 반면, 열처리 온도가 지나치게 높으면 결정립 성장이 일어나 그로 인해 형성된 기공의 지나치게 커지거나 합체되는 문제가 있다. 따라서 열처리 온도의 상한은 T/Tm(T: 열처리 온도, Tm: 녹는점)이 0.7 이하인 온도에서 열처리하는 것이 바람직하다.

다시 도 4의 다공질 금속의 미세조직 사진으로부터, 본 발명에 따른 다공질 금속은 종래의 알루미늄 합금 등의 다공질 금속들의 성분과는 달리 Fe를 기지로 하여, C: 0.001~1.0%, Cr: 10.0~35.0%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명의 다공질 금속 특유의 조성적 특징은, 본 발명의 다공질 금속 제조 방법이 종래의 금속 분야에서는 바람직하지 않다고 알려진 예민화 열처리를 적극적으로 이용하였고, 이와 같은 예민화 열처리를 위해서는 조성적으로 C: 0.001~1.0%, Cr: 10.0~35.0%를 포함하여야 하기 때문이다.

또한 본 발명의 다공질 금속은 기공이 주로 입계 부위에 존재함을 도 4를 통해 알 수 있다. 본 발명에서의 기공은, 예민화 열처리 공정 및 에칭 공정에 의해 결정립계에 생성되는, 크랙에 의해 형성되기 때문이다.

그러나 비록 본 발명에서의 기공이 주로 결정립계 부위에 존재한다 하더라도 후속 열처리를 통해 응력 집중 부위를 완화시킴과 동시에 입내를 관통하는 기공은 존재하지 않으므로, 본 발명의 다공질 금속은 기계적 특성 저하가 발생하지 않는다.

특히 본 발명의 다공성 금속의 기공의 분율은 에칭 후 압연하는 단계에 의해 기공의 분율을 제어할 수 있다는 점에서, 종래의 스테인리스 강 등에서 발생을 억제하고자 하는 예민화 현상과는 근본적인 차이가 있다.

더 나아가 본 발명의 다공질 금속은 초기 냉간가공과 소둔 열처리 공정(S1)에 의해 미세한 결정립을 얻고, 예민화 열처리(S2) 및 에칭(S3)을 통해 미세한 결정립 입계 주위에 미세한 기공이 형성되므로, 조대한 기공 형성을 억제할 수 있어 기계적 특성 저하가 발생하지 않는다.

한편, 본 발명에 의해 생성된 기공은 결정립계를 따르는 입계 부식의 결과 발생된 크랙이나 결정립계에 존재하는 크랙에 의해 형성되기 때문에 3차원적 방위 내에서 3축(x, y, x축) 방위에 대해 모두 종횡비(aspect ratio)가 3 이상인 것을 특징으로 한다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims

Fe를 기지로 하고, 중량 %로, C: 0.001~1.0%, Cr: 10.0~35.0% 를 포함하는 금속합금 판재를 냉간가공과 소둔 열처리를 통해 가공 모재로 제공하는 공정;
상기 가공 모재를 예민화 열처리 하는 공정;
상기 열처리된 상기 모재를 에칭하는 공정;
상기 에칭된 상기 모재를 압연하는 공정;
상기 압연된 상기 모재를 열처리하는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다공질 금속 제조 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 판재는 Ni 및/또는 Co를 추가로 포함하는 것;
을 특징으로 하는 다공질 금속 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 예민화 열처리는 500 내지 900℃에서 1분~500시간 열처리되는 것;
을 특징으로 하는 다공질 금속 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 에칭은 황산, 질산, 불산 또는 이들의 혼합 용액에서 수행되는 것;
을 특징으로 하는 다공질 금속 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 압연은 압하율이 1 ~ 20%인 냉간 압연인 것;
을 특징으로 하는 다공질 금속 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 다공질 금속 내의 형성된 기공의 종횡비(aspect ratio)는 3 이상인 것;
을 특징으로 하는 다공질 금속 제조 방법.
Fe를 기지로 하고, 중량 %로, C: 0.001~1.0%, Cr: 10.0~35.0%를 포함하고;
제어된 분율의 기공이 입계 부위에 존재하는 것;
을 특징으로 하는 다공질 금속.
제8항에 있어서,
상기 금속은 Ni 및/또는 Co를 추가로 포함하는 것;
을 특징으로 하는 다공질 금속.
제8항에 있어서,
상기 기공은 결정립 입내를 관통하지 않는 것;
을 특징으로 하는 다공질 금속.
제8항에 있어서,
상기 기공의 종횡비(aspect ratio)는 3 이상인 것;
을 특징으로 하는 다공질 금속.