알루미늄/세라믹 복합재료를 균열 없이 열간압연 할 수 있는
방법은?
ReSEAT 전문연구위원
김정태
속을 바탕으로 하고 세라믹 입자를 섞어 만든 복합재료 는 뛰어난 기계적 성질 및 내마모성 등 우수한 특성을 가 지고 있어, 통상 금속만으로 제조된 재료에 비교해 높은 잠재력 을 가진 재료다. 이 복합 재료의 성능을 최대한 활용하고 특성을 잘 이해하기 위해서는 최적의 제조 기술 연구가 필수적이다.
알루미늄 분말을 이용한 세라믹 복합 재료는 비중에 비교해 높은 강도를 보이며 여러 가지 우수한 기계적 특성을 가지고 있기 때문에,
주목받고 있다. 분말 야금 방법으로, 세라믹을 금속 분말에 혼합해서 제조하는 복합 재료는 세라믹이 주로 입자 형태로 되어 있다. 알루미늄 합금은 통상 고온 가열-급냉-시효 처리를 해서 금속 내에 미세한 제 2의 상이 석출하도록 하여 강도를 강화시킬 수 있는 재료이기 때문에, 가벼우면서 높은 강도를 요구하는 구조물에 널리 사용되는 매우 흥미 로운 재료이다.
내가 참여했던 연구는 1980년대 중반 미국의 세계적인 알루미늄 제조사인 ALCOA의 지원으로 수행한 알루미늄/세라믹 복합재료 특성 연구 프로젝트였다. 알루미늄과 세라믹간의 열팽창계수 차이에 의한 석출경화형 알루미늄 합금의 기지에서 일어날 수 있는 야금학적 특성을 연구하는데 고밀도 복합재료를 얻는 것이 매우 중요하며 이를 위해서는 알루미늄 기지와 세라믹 입자간 계면에 기공이나 간극이 없는 계면 형성이 중요했다.
그러나 기존의 고온에서 정수압 상태에서 소결시키는, 이른바 열간정 수압소결 만으로는 필요한 재료를 얻는데 한계가 있었다. 알루미늄 합금을 바탕으로 하는 세라믹 복합 재료는 고용열처리 후 석출경화 시효 처리 과정에서 알루미늄 기지의 성질이 상당히 바뀌는 특징이 있다. 이러한 현상은 세라믹 입자 강화가 고온에서 열처리 후 빠르게 냉각할 때 알루미늄 합금과 세라믹 간의 열팽창계수 차이에 의한 응력 발생으로 알루미늄 기지에 생성되는 전위(dislocation)와 잔류응력 (residual stress) 때문인 것으로 알려져 있다.
알루미늄/세라믹 복합재료를 균열 없이 열간압연 할 수 있는 방법은? •93
시편제조 방법을 소개하자면, 이미 합금 처리된 2024 알루미늄합금 분말을 SiC 세라믹과 잘 혼합한 후 높은 압력(3000psi)의 정수압조건 에서 고온에서 소결시키는 소위 열간정수압소결 방식으로 소결체를 얻는다. 이 소결체를 구리 튜브 속에 진공상태를 유지하면서 봉입하여 열간압연 시 구리 튜브가 균열이 발생하는 것을 억제하는 역할을 하도록 하자는 것이다.
소결된 소재는 혹시나 구리 튜브와 복합 재료 간에 발생할 수 있는 어떤 반응도 일어나지 않도록 알루미늄 박막으로 싸서 진공 분위기의 구리 튜브에 봉입한 후 열간압연을 위하여 고온으로 가열한다. 이때 가열 온도를 약간의 액체상이 존재하도록 설정하면 열간압연 후 고밀도 소재를 얻는 데 도움이 된다. 이러한 방법으로 균열 발생을 감싸고 있는 구리 튜브에 의해 억제시켜 열간압연을 가능케 하는 것이다.
이렇게 제조된 시편은 기공이 거의 없는, 특히 알루미늄 기지과 SiC 간의 계면이 거의 완전히 붙어있는 상태를 유지하게 한다. 이러한 계면 상태는 알루미늄과 SiC 간의 열팽창계수 차이에 의한 고온열처리 후 급랭 처리 시 발생하는 열응력(thermal stress)이 계면에서 알루 미늄 기지에 손실 없이 전달되게 하는 데 매우 중요하다.
열간압연된 알루미늄 합금과 SiC 세라믹 복합재료를 고온열처리 후 급랭시킨 다음, 투과전자현미경 시편을 제작해서 세라믹 주위의 알루 미늄 기지에 전위발생을 관찰해 보면 이러한 예측이 잘 증명된다.
실제로 직경이 7.4µm 인 SiC 세라믹 입자 주위의 알루미늄 기지에서
알루미늄/세라믹 복합재료를 균열 없이 열간압연 할 수 있는 방법은? •95 생기는 전위 발생 상태를 보면, 알루미늄과 SiC 간의 열팽창계수 차이로 야기된 열응력이 알루미늄 합금의 탄성변형 한계를 넘어 항복 응력보다 높아져 전위를 발생시키면서 일종의 소성이완이 일어나는 것을 확인할 수 있다.
이 결과는 열간압연을 통하여 고밀도 복합 재료를 제조할 수 있어, 알루미늄과 SiC 계면 상태가 발생한 열응력이 금속기지에 거의 손실 없이 전달하는 데 충분할 정도인 것을 증명한다.
이 방법을 통해 고밀도 알루미늄/SiC 복합재료를 얻을 수 있었고, 이런 계면 상태는 알루미늄과 SiC 간의 큰 열팽창계수 차이에 의해 발생한 열응력이 손실 없이 금속 기지에 전달되도록 하는데 중요한 역할을 한다. 또한 이 열응력이 금속기지의 항복응력 이상에 이르게 되어 전위 발생이 일어나면서 소성이완이 일어나는 것을 실험적으로 잘 증명하게 하는 데 큰 기여를 했다. 이러한 전위생성은 후속의 시효 열처리 과정에서 석출물의 석출과 성장속도를 촉진하는 것도 관찰할 수 있었다. 이렇게 알루미늄/세라믹 복합 재료의 야금학적 특성을 이해 하는데 큰 기여를 한 시편 제조 방법을 제시한 것이다.
연구 개발 과정에서 연구 목적에 맞는 시료를 준비하는 것은 연구 성패를 가늠하는 매우 중요한 부분이다. 경제적인 제조법을 찾기 위해 많은 시행착오를 거쳤지만, 실험 결과의 명확한 해석을 이끄는 데 큰 기여를 했다고 생각한다.