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산학연 공동기술개발사업 최종보고서

※ 다음 양식을 참고 작성하여 별책으로 제출함

※ 표지는 백색바탕, 흑색활자로 작성

※ A4 크기로 작성

( 뒷 면 ) ( 앞 면 )

이 보고서는 중소기업청

에 서 시 행 한 산 학 연

공 동 기 술 개 발 사 업 의

최종 보고서입니다.

(뒷면중앙에 표시)

위여백

산

학

연

컨

소

시

엄

사

업

주

관

기

관

명

아래

여백

위여백

산학연 공동기술개발

컨소시엄사업 최종보고서

20 . . .

주 관 기 관 명

아래 여백

(좌 철) (양면인쇄)

- 2 -

『산학연 공동기술개발사업』

최 종 보 고 서 제 출 서

2006 년 산학연 공동기술개발 컨소시엄사업 운영요령 및 세부지침

에 의하여 최종보고서를 제출합니다.

2007. 7. .

주관기관명 : 영남대학교 기 관 장 우 동 기 (직인)

총괄책임자 (인)

대구경북 지방중소기업청장 귀하

경상북도 지방자치단체장 귀하

(사)산학연전국협의회장 귀하

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□ 참여기업 최종보고서 제출내역

번호 과제명 과제책임자 참여기업명 대표자 비고

공동

1

2

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사업비 사용실적보고서

1. 과제별 비목집계 총괄표(단위:천원)

비 목 세 부 항 목 공동 8 … n 계

인건비◦내부인건비 ( )◦외부인건비

직접비

◦과제수행 직접비- 기자재 임차료

- 재료비 및 전산처리․관리비- 시작품 제작비

- 여비

- 수용비 및 수수료

◦연구활동비- 기술정보활동비

- 연구활동비 (과제관리비, 연구활동진흥비)

- 연구홍보비

◦기술혁신 지도비소 계

간접비◦간접경비◦지적재산권 출원․등록비

위탁연구개발비

-

계 실 사업비

사업비(미지급 내부인건비 포함)

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2. 공동운영비 세부 집행내역

Ⅰ. 총괄조성내역

(단위 : 천원)

비 목 세부항목 계 획 집 행 잔 액

직접비연구활동비

기술혁신 지도비

간접비

간접경비

지적재산권 출원‧등록비계

Ⅱ. 세부내역

1.직접비(단위 : 천원)

세부항목내역

(품명, 규격)단가 수량 금액

연구활동비

기술혁신지도비

합 계

2. 간접비(단위 : 천원)

세부항목내역

(품명, 규격)단가 수량 금액

간접경비

지적재산권 출원‧등록비

합 계

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3. 과제별 세부 집행내역(과제별 작성)

Ⅰ. 조성 금액(단위 : 천원)

과제번호 과제명

정부출연금

지자체지원금

기업부담금 총 계

현 금 현 물 소 계 과제개발비공동

운영비 계

14

알루미늄계 합금의

금속사출성형 기술

개발

Ⅱ. 과제개발비 집행내역

가. 세부 집행내역 요약표

(단위 : 천원)

비 목 세부항목계획 집행 잔액

현금 현물 계 현금 현물 계 현금 현물 계

인건비내부인건비

외부인건비

직접비

기자재 임차료

재료비 및 전산처리 ․ 관리비

시작품 제작비

여비

수용비 및 수수료

연구활동비

소 계

위탁연구개 발 비 위탁연구개발비

합 계

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나. 과제 ․ 비목별 세부 집행내역 1) 인건비

(단위 : 천원)

구분 소속기관 성명 직급 기본급 참여율(%)참여기간

(월) 금 액

내부 영남대학교 한관희 책임 20 12

외부 영남대학교 박지선연구

보조원37 6

외부 영남대학교 여문현연구

보조원48.7 12

외부 영남대학교 송인학연구

보조원37,5 12

외부 영남대학교 김번승연구

보조원50 6

합계 - - - - - -

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2) 직접비(단위 : 천원)

세부항목 내역(품명, 규격) 단가 수량금액

현금 현물 계

기자재 임차료

FE-SEM/EDS(2)FE-SEM/EDS(2) 외FE-SEM/EDS(2)FE-SEM/EDS(2) 외기기사용전동식 사출성형기대형 뱃치형 탈지로진공/분위기 흑연 소결로

재료비 및 전산처리․관리비

베어링실험용 장갑실험 소재료스댄레스 스틸 채알루미늄파우더알루미늄파우더 통관경비마그네슘파우더방진마스크진공필름PVC 외투명호스 외토너커팅시트지커팅 오일 외석면선킴 와이프스 외아연 ingot미니 이식삽접착제 외metsaw control boardHAKKE 수리비볼트 외금형보스벨브 외볼트 외방열판질소HP질소HPBA2. MKG질소HPglove면테이프크린지퍼백방향밸브 외드릴 날부품수정

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타이곤 진공 튜브아사클린질소HP질소HPEPOXY RESIN 외digital panelthermocouple R type질소HP라텍스 글러브m-wax샌도빅톱날바이오킵스건전지 외digital panel 관세비질소HPC-wax히터 외질소HP포켓용 온도계밀폐용기전기인두 외아사클린온도컨트롤러실험용 금형금형 JIG 및 보수질소HP주물히터질소HP테프굴에어건 외락카 외미니선반 외가공비질소HP알곤 용접HN 외부탄가스은납T/L2-4실험용 jig커터, 니쁠고순도 질소세라믹 판넬킴 와이프스 외

시작품 제작비 금형 제작

여비실험장비 견현 및 자료 수집열처리 공학회 참가연구협의(안동대-생기원방문)

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수용비 및 수수료

인쇄비노트우편요금링바인더 외파우더 통관 경비사무용품관세 운임비자료 복사자료 복사논문 제본복사비인쇄비인쇄비수입추천수수료복사비택배비택배비등기복사비택배비제본비청테이프 외

연구활동비

연구활동진흥비기술정보활동비회의-식대도서 구입회의-식대회의-식대회의-식대회의-식대열처리공학회 참가비회의-식대회의-식대회의-식대회의-식대고분자학회지회의-식대회의-식대powder metallugy stailess steels 학회지회의-식대회의-식대

합 계

3) 위탁연구개발비(없음)

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개 발 결 과 의 견 서

◈ 주관기관(대학/연구기관) : 영남대학교 산학협력단

개발과제명 알루미늄계 합금의 금속사출성형 기술 개발

사 업 비과제개발비

집행 내역계 현금 현물

주 관 기 관과제책임자

소속 : 영남대학교 직위(급) : 교수 성명 : 한관희

개발결과

(과제책임자 작성)

가) 공정개선 실적(개선내용 요약 작성)

◦ 알루미늄 분말사출성형에 효과적인 유기바인더 시스템 조성물 및 피드스탁 조성물 개발

◦ 알루미늄 분말사출성형체의 탈지-소결 공정 개발나) 특허(실용신안, 의장 등)출원 및 등록 : 1 건 예정 (PCT 출원)

① 출원(등록)명 및 번호(출원일자) : ② 출원(등록)명 및 번호(출원일자) :

※ 지적재산권명 및 출원, 등록 구분은 명확히 하고 건별로 모두 작성

다) 시제품 제작 및 상품화 실적 ◦ ◦ ※ 시제품(또는 상품화) 제작현황을 요약 작성하고, 관련사진 및 카탈로그 첨부

라) 기타 실적(신기술로 인정될 수 있는 각종 품질인증 마크 획득건수 및 내용)

◦ 상품화 후 산업자원부 신기술 (NT) 인증을 신청하고자 함. ◦

◎ 개발목표 달성도에 대한 종합의견(참여기관 대표가 작성)

개발목표

◦국내최초로 알루미늄용 바인더시스템 및 피드스탁 제조기술 개발 ◦결함 없는 사출성형체 제조기술 ◦결함 발생없는 탈지 기술 및 소결기술 개발

개발목표달성에

대한 종합의견(□에∨로 표기

하고 의견 작성)

□ 매우 만족 □ 만족 □ 보통 □ 미흡 □ 불만족

금속 불화염을 사용하지 않는 알루미늄분말사출성형 기술을 개발하

였으며, 특히 핵심기술인 유기바인더 시스템 조성물의 개발은 국내

외를 불문하고 매우 획기적이라고 사료되며 그 활용이 크게 기대됨.

확 인 업체명 : 한국 피아이엠(주) 직위(급) : 대표 성명 : 송준호 (인)

※ 주의사항) 1. 확인은 참여기관 대표가 수행하고 법인인 경우 직인을 날인 2. 과제개발비는 공동운영비를 제외한 총 금액 입력

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최 종 보 고 요 약 서 (초록)

과 제 명알루미늄계 합금의

금속사출성형기술 개발주관기관명 영남대학교

참여기업명 한국 피아이엠 (주)

대표자 송준호

사업자등록번호

법인등록번호

주 소전화번호

E-mail

과제책임자소 속 직 위 성 명 전 화

영남대학교 교수 한관희 E-mail

협약기간 20006 년 7 월 1일 ~ 2007 년 6월 30일

사 업 비과제개발비

집행 내역

계 현금 현물

1. 최종목표

알루미늄계 합금의 분말사출성형기술을 개발함.

2. 개발내용 및 결과

분말사출성형에 적합한 합금 조성물 및 원료금속에 관한 기술을 확보하였음.

알루미늄계 합금의 사출성형에 적합한 유기 바인더시스템을 개발하였음.

연속작업으로 탈지-소결 공정기술을 개발하였음.

3. 사업성과

○ (기술적 성과) 알루미늄계 합금의 분말 사출용 유기바인더 시스템과 피드스탁

제조기술, 사출 및 탈지-소결기술을 개발하였음.

○ (경제적 성과) 전자산업분야에서 수요가 높은 히트싱크, 히트파이프, IGBT

등 전력소자용 패키징 부품 등 방열부품의 제조로 신규 시장 확보가 가능함.

○ 본 사업을 통하여 알루미늄 합금 뿐만 아니라 알루미늄 합금에 세라믹입자가

보강된 금속기 복합재료의 분말사출성형 및 압축 몰딩기술을 개발하였음.

4. 향후추진계획

본 사업을 통해 개발되어진 알루미늄계 합금의 분말사출성형용 유기바인더

시스템 조성물과 그것을 이용하는 알루미늄계 합금의 분말사출성형기술을

PCT 국제출원, 상품화 이후에는 산업자원부 신기술 인증 신청을 할 예정이며,

다양한 제품 개발을 지속적으로 추진할 계획이다.

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목 차

제 1 장 서론

제 1 절 연구 배경

제 2 절 선행 기술

제 3 절 과제의 목표

제 2 장 과제개발 내용 및 방법

제 1 절 개요

제 2 절 원료금속분말의 준비

제 3 절 유기바인더 시스템의 개발

제 4 절 고상 충진율의 결정 및 피드스탁의 제조

제 5 절 사출 성형, 압출, 압축 몰딩

제 6 절 탈지 및 소결

제 3 장 사업성과

제 1 절 기술적 성과

제 2 절 경제적 성과 및 기타 성과

제 4 장 결론

제 1 절 결 론

제 2 절 향후 계획 및 활용 방안

참고 문헌

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제 1 장 서 론

제 1 절 연구 배경

알루미늄 및 그 합금은 철에 비해 밀도가 1/3 정도로 낮아 경량이면서 합금원소

첨가에 따라 상당한 수준의 강도를 얻을 수 있으며, 열 및 전기 전도도가 높고, 내식성

과 내후성이 양호하다는 등 공업용 소재금속으로 매우 매력적이 특성을 갖고 있다. 잘

알려진 바와 같이 알루미늄 및 그 합금은 가공성은 우수하나 내마멸성이나 절삭성은

상대적으로 그리 좋지 않은 특성을 또한 갖고 있다. 따라서, 특정한 형상을 갖는 부품

으로 제조하는 방법으로는 기계절삭가공보다는 용융상태로부터 원하는 형상으로 가공

하는 주조공정에 의한 주물방법이 많이 이용되고 있는 실정이다. 더구나 알루미늄 및

그 합금은 융점이 낮기 때문에 다이캐스팅에 적합하여 이 방법을 이용한 제품제조기술

이 발달되어 있다.

그러나, 주물에 의해 제품을 제조하는 경우에는 용융상태 금속의 유동성 확보가

매우 중요하며 이에 기준하여 합금성분이 결정된다. 따라서 제품의 특성을 충분히 발

현할 수 없는 한계점이 있으며 복잡성을 포함해서 제조할 수 있는 형상의 제약이 있

다. 나아가 상대적으로 그 표면이 거칠다는 문제점을 안고 있다. 이에 비하여 전통적인

분말야금방법에 의한 제품 제조의 경우에는 원료의 손실이나 후가공이 크게 생략되는

등의 장점이 있으나 일방향 압축성형에 의한 성형에 의존하므로 제조할 수 있는 형상

이 단순형상에 국한되는 단점을 갖는다.

이에 비하여, 분말사출성형공정을 도입하게 되면, 3차원적으로 복잡한 형상의 제

품을 제조할 수 있어 제품의 설계상 유연성이 부여되어 기능을 우선하는 설계를 가능

하게 되며, 제품 제조에 있어서도 원료의 낭비가 없는 실형상 제조기술로 후가공을 대

폭 축소하면서 대량으로 제품을 제조할 수 있다는 장점을 갖는다. 이미 국내에서도 새

로운 정밀형상 제품제조기술로서 분말사출성형기술이 알려져 있지만, 이 공법에서는

두 종류 이상의 저 융점의 유기화합물을 바인더로 하여 금속 또는 세라믹 분말과 혼합

하여 유기 바인더가 용융되는 약 200oC 이하의 온도에서 플라스틱 사출기와 동일한

기능의 사출기를 사용하여 사출하므로 복잡한 형상의 제품제조가 가능하다. 또한 이어

지는 공정에서 유기바인더 성분을 제거하고, 고온에서 소결하여 상대밀도 95% 이상의

고밀도 제품을 제조한다. 분말사출성형공법에서는 합금용 분말이 소성변형되고 기계적

으로 결합되어지는 전통 분말야금 압축성형체와는 달리, 사출성형하여 만들어지는 사

출체 상태에서 금속 분말들 간에는 접촉이 이루어지는 정도로 충진되므로, 사용하는

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분말의 소결성이 매우 중요하며 이를 위해 평균 입도가 20미크론 이하인 비교적 미세

한 분말을 사용하여야 한다.

그러나, 일반 철계 혹은 스테인레스강 분말의 경우에는 원료상태이던 사출체 상태

이던 혹은 탈지공정에서 분말표면이 산화가 되더라도 이후의 공정에서 환원이 가능하

지만 알루미늄 분말의 경우에는 환원이 거의 불가능하므로 이후의 소결공정을 거치더

라도 고밀도화 달성이 어려우므로 통상적인 분말사출성형공법에 비해 기술적으로 해결

해야 할 난제가 발생하게 된다. 더불어서, 철계 합금에 비해 융점이 낮아 저온에서 탈

지가 가능한 유기바인더시스템이 요구된다.

제 2 절 선행 기술

전통적인 분말야금 기술을 이용한 알루미늄계 합금의 분말성형 기술에 관해서는

상당한 연구가 이루어져 있으며, 공업적으로도 다양한 형태의 제품의 생산에 활용되고

있다. 그러나, 전통 분말야금 기술에서는, 알루미늄계 합금 분말이 상당히 소성변형 될

때까지 압축성형하여 생성형체의 밀도를 높인 후에 소결공정을 거치도록 하여 소결밀

도를 높이고 있다. 즉, 생성형체의 밀도에 의해 최종 소결밀도가 결정된다고 보아도 무

방하다. 다른 방법으로는 금속 캔에 합금분말을 장입한 후에 높은 단면 감소율로 열간

압출하여 고밀도 소결체를 얻는 방법 등이 이용되고 있다. 이에 비하여 충진되어지는

알루미늅 분말들이 단지 접촉되는 수준에서 성형체가 만들어지는 분말사출성형기술의

도입에 관해서는 많은 연구가 이루어지지 않은 상태이다. 그 이유는 아마도 알루미늄

분말의 취급자체가 용이하지 않으며 무엇보다도 알루미늄합금 분말의 소결성이 좋지

않기 때문으로 보인다.

알루미늄계 합금분말의 분말사출성형에 관련하여 알려진 선행기술로는 1991년도

에 발표된 Pinwill 등의 연구결과를 먼저 들 수 있다. 이들은 순도 99.6%의 알루미늄

분말과 유기바인더 시스템으로 철계 합금용을 사용하여 분말사출성형을 시도하였다.

철계 합금에서와 같이 공기 중에서 저온 탈지를 실시하고, 이후의 고온탈지를 진공

중에서 실시하였다. 그러나, 공기 중에서의 탈지과정에서 유기결합제의 산화에 의한 분

해와 함께 알루미늄 분말의 산화도 함께 진행된 것으로 보여 건전한 고밀도 소결체를

얻는 데에는 실패하였다. 미국의 Honeywell 사에서 2001년도에 등록한 미국 특허에

서는 한천과 같은 젤을 형성하는 다당류, 젤 강화제, 설탕, 물과 같은 용매 등을 함유

하는 수용성 유기바인더시스템을 이용하여 알루미늄계 합금 분말의 사출성형에 활용하

는 것을 제안하고 있다. 그렇지만, 알루미늄은 수분과 반응하여 수화물을 형성하거나

산화물을 형성할 수 있으므로 그들이 개발한 수용성 바인더시스템이 알루미늄계 합금

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의 분말사출성형에 적합한 유기바인더시스템이라고 평가하기는 어려울 것으로 보인다.

이에 반하여, 싱가포르의 AMT(Advanced Materials Technology, Pte) 사에서는 유

기바인더시스템으로 파라핀 왁스, 스테아린산, 고밀도 폴리에틸렌 등 비수용성 고분자

물질을 사용하고 있으며 NaF, CaF2, MgF2 등과 같은 금속불화염을 첨가하여 소결과

정 중에 알루미늄 분말표면상의 알루미나 피막을 용해 제거하고 소결성을 증가시키는

방법을 미국 특허로 등록하여 놓았다. 그러나, 이 방법에서 사용하는 금속불화염이 환

경문제를 유발할 수 있으며, 소결 후 금속불화염과 공정반응을 일으키는 알루미늄산화

물이 소결체의 외피를 덮는 것으로 알려져 있어 후가공이 필수적이라는 단점을 갖는

다.

이 이외에 국제특허 발표 제 2005-066380호에는 알루미늄과 알루미늄 합금 부

품을 소결하는 방법이 제시되어 있다. 이 방법에서는 특별히 금속 불화염의 사용 없이

질소분위기에서 소결하는 방법을 제공하고 있다. 알루미늄 분말성형체를 소결할 때 질

소개스를 분위기로 사용하는 경우에 고밀도 소결체 제조가 가능하다는 것은 1996년도

에 미국 특허 제 5525292호에서 밝히고 있다. 이 두 경우의 차이는 후자의 경우에는

Mg의 첨가로 질소개스에 의해 생성되는 Mg3N2 화합물이 기체상태로 알루미늄 분말

표면의 산화물 피막과 반응하여 알루미늄 산화물을 환원시켜 소결이 촉진된다는 설명

에 근거하고 있는 데 반하여 전자의 경우에는 그 이유는 밝혀져 있지 않지만 소량의

수분이 존재하게 함으로써 오히려 고밀도 소결이 가능하다는 점이 개발된 고유기술인

셈이다.

제 3 절 과제의 목표

제 2 절에서 기술한 바와 같이 비록 AMT 사에서 자체적으로 알루미늄계 합금의

분말사출성형기술을 개발하여 전자산업용 방열부품의 양산 제조에까지 이른 것으로 알

려져 있으나, 아직까지 알루미늄계 합금의 분말사출성형기술에 대해 그 기술이 확고하

게 확립되어 있다고 보여지지 않는다.

이에 따라 본 과제에서는 아직까지 국내에서는 시도되지 않은 알루미늄계 소재를

대상으로 하는 분말사출성형기술을 개발하고자 한다. 이에 따라 본 개발 사업에서는

알루미늄계 합금의 분말사출성형기술에 있어서 핵심 기술이라 할 수 있는

유기바인더 시스템 및 피드스탁의 개발

사출성형기술

탈지-소결 기술

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을 개발하고자 하였다.

특히, 국제적으로 지적소유권의 제약을 받지 않으면서 또한 환경문제를 야기시키

지 않도록, 기개발된 금속불화염과 같은 플럭스를 사용하는 방안 대신 새로운 유기바

인더 시스템과 피드스탁의 개발에 본 사업의 주안점을 두었다. 그리하여, 다양한 형상

의 제품제조에 활용될 수 있는 알루미늄계 합금의 분말사출성형기술을 개발하였다.

제 2 장 과제개발 내용 및 방법

제 1 절 개요

분말사출성형기술의 개발공정은 선행 관련기술과 경험을 바탕으로 하여 그림 에

나타낸 바와 같이 반복적인 많은 시행착오를 거쳐 이루어진다. 이 같은 일련의 공정은

크게 합금 성분, 원료금속분말, 유기 바인더 시스템 등 사출에 사용하는 출발원료가 되

는 피드스탁을 제조하는 기술, 사출성형기술, 탈지-소결의 일단계 고밀도화 기술 등으

로 나누어 고려된다. 이들 공정 간에는 상호 유기적인 연관성이 있으므로 공정별 기술

개발을 이룬 후에 다음 공정으로 넘어가는 순차적인 공정 개발이 이루어져야 한다. 뵨

과제에서는 알루미늄계 합금 분말사출성형을 위해 요구되는 제 공정별 기술을 그림 1

의 공정 흐름도에 따른 반복 연구를 통해 개발하였다.

제 2 절 원료 금속분말의 준비

분말사출성형용 금속분말은 1) 사출성과 2) 소결성을 고려하여 선정하였다. 두 종

류의 합금 성분은 전통적인 분말야금용 합금조성을 기본으로 선정하였다. 소결성만을

고려하면 가능한 평균입도가 작을수록 유리하나, 알루미늄 분말의 경우에는 필연적으

로 분말표면에 존재하는 산화물의 양이 증가되며 폭발의 위험성도 있다는 점도 고려해

야 한다. 또한 입도가 너무 크거나 작으면 사출성이 저하되므로 적합한 입도분포를 갖

는 분말이 유리하다.

분말야금용으로 사용되는 알루미늄 합금성분의 특징은 알루미늄과 공정반응을 일

으켜 소결성을 개선시키는 Mg, Cu, Si 등을 적어도 2종 이상 함유하는 것이며, 적합

한 열처리에 의해 경화되는 시효경화성을 갖는 것 등이다. 특히, Mg는 알루미늄 분말

의 외피에 수십내지 수백 옹스트롬 두께로 존재하는 필름상의 알루미늄 산화물을 단속

적인 덩어리 형태의 마그네슘 스피넬 (MgO·Al2O3)로 만들어 소결성을 개선하는 중요

한 원소로 알려져 있다. 따라서 본 개발사업에서는 Al-Mg-Si계 단련용 합금인

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그림 1. 알루미늄계 합금 분말의 사출성형기술개발의 흐름도.

AA6063 혹은 분말야금합금인 602AB 분말야금합금과 유사한 성분으로 구성된 Ecka

사의 혼합분말인 321분말의 조성을 기본 조성으로 하였으며, Al-Si 공정합금을 이용

하는 합금의 경우도 비교를 위한 실험으로 병행하였다. Ecka Alumix 321 합금분말은

Al-1Mg-0,5Si-0.25Cu 을 기본 성분으로 하고 있으며, 45미크론 이상 크기의 분말

이 0.1%미만이며 겉보기 밀도가 1.12 g/cm3 이다.

분말성형용 알루미늄 합금의 원료로서 미리 합금화된 합금분말을 사용하지 않고

원료금속상태의 것을 그대로 사용하였다. 그 이유는 원료금속상태로 첨가되어야 알루

미나 산화피막의 개질이 가능하며 아울러 가열과정에서 국부적으로 천이 용융상태가

만들어져 소결을 촉진하는 효과를 얻을 수 있기 때문이다.

본 과제에서는 미리 혼합된 상태로 판매되는 상용 분말인 Ecka 321 분말과 개별

순금속 분말을 구입하여 실험실적으로 혼합하여 제조한 것을 사용하였다. 표 1에는 본

과제에서 사용한 원료금속 분말의 특성을 수록하였다. 알루미늄 분말은 d50 = 5μm인

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그림 2. 본 과제에서 사용한 순수 알루미늄 분말의 입도분포.(분말공급처 자료.)

Table 1 Some physical properties of chemical used in this study

Chemicalmelting point

(oC)

boiling point

(oC)

decomposiiton

temp (oC)

density

(g/cm3)

Aluminum 660 2,327 - 2.70

Silicon 1,410 - 2.33

Magnesium 651 1,100 - 1.738

Copper 1,083 2,595 - 8.94

E-1# 700 800 ? 1.8~2.0

E-2 3,000 ? 2,700* 2.712

E-3 2,000 2,700 - 3.23

# Known to decompose in water.

순도 99.7%, 겉보기 밀도가 0.6g/cm3이며, 합금원소로 사용한 마그네슘, 동, 실리콘은

각각 순도 99.7%, 99.9%, 99.9% 이다. 그림 2에는 알루미늄 분말의 입도분포를 나

타내었으며, 표 2에는 본 과제에서 제조하여 사용한 알루미늄계 합금 분말의 조성을

나타내었다. 아울러, 표 3에는 바인더 성분과의 혼합 없이 약한 압력하에서 압축성형

한 성형체를 대상으로 수행한 예비실험의 결과를 수록하였다.

상용 혼합분말 그대로 혹은 순금속 분말을 목표조성에 맞게 평량한 후, 분말과 스

테인레스 볼, 그리고 윤활제를 섞은 후 진공펌프를 이용하여 탈개스 처리를 한 후 질

소 가스를 넣어 주어 밀봉하였다. 이때 스테인레스 볼과 금속분말과의 비율은 부피비

로 약 6:1 로 하였다. 이 상태로 약 2시간 동안 볼밀링 하여, 순금속 입자와 윤활제가

잘 혼합된 원료금속분말 준비하였다.

- 20 -

* In vacuum.

Table 2 Basic alloy compositions used in this study

Alloy

designation

Chemical composition, wt.%

Mg Si Cu E-1 E-2 E-33) Al

A1) 1.0 0.5 0.25 - - - bal.

B2) 1.0 0.5 - - - - bal.

C2) 0.5 0.5 - 0.6 - - bal.

D2) - 0.5 1.2 - - ba[.

E2) 1.0 0.5 0.25 - - - bal.

F2) 0.5 0.5 0.25 0.6 - - bal.

G2) - 0.5 0.25 1.2 - - ba[.

H - 2.0 - - - - ba[.

I - 2.0 - 0.6 - - bal.

J - 2.0 - 0.6 0.2 bal.

1) Ecka Alumix 321, 2) 99.7% purity Al, 2) Add proper amount if necessary.

Table 3 Response to light compaction of some experimental alloys

Alloy

designationAppearance and strength of compact

A good

B good

C fair1)

D bad; tends to break into powders2)

E good

F fair1)

G bad; tends to break into powders2)

H good

I fair1)

J fair1)

1) Their green strengths are lower than others' that contain no additive E-1. 2) The tendency of break-down for compact into powders increases with time.

- 21 -

제 3 절 유기바인더 시스템의 개발

3-1. 유기바인더 역할 및 속성

알루미늄 분말사출성형기술을 실현하기 위한 핵심 기술은 알루미늄계 합금에 적합

한 유기바인더시스템의 개발이다. 유기바인더는 금속분말이 형상을 이루고 유지하도록

하는 역할을 한다. 탈지 과정에서 형상이 유지되어야 하므로 적어도 두 종류 이상의

다성분으로 구성해야 한다. 즉, 한 성분은 저온에서 쉽게 제거되는 반면 다른 성분은

강도와 형상을 유지하도록 해야 한다. 일반적으로, 유기바인더시스템은 다음과 같은 속

성을 가지고 있어야 한다: 즉,

1) 점도가 낮을 것 (약 10 Pa-s)

2) 상온에서 취급하기에 적합하게 충분히 강도와 강성

3) 분자량이 가급적 작고 방향성을 갖지 않을 것

4) 알루미늄 외 금속 분말과의 젖음성이 좋을 것

5) 화학적으로 안정적일 것

6) 용이하게 분해될 것

7) 급격히 분해되지 않으며 분해산물이 없거나 해가되지 않을 것

8) 구입이 용이하며 저가이고, 상당기간 변질 없이 보관사용 가능할 것

9) 환경문제를 유발하지 않을 것: 독성이 없이 안전할 것

10) 리사이클이 가능할 것

등이 고려되어야 한다.

상용 유기바인더시스템은 위와 같은 조건들을 만족하도록 개발되어진 것으로 현장

에서도 그 효용성이 충분히 입증되어져 있다. 열가소성, 열경화성 수지 혹은 수용성 바

인더 시스템 등 여러 가지 종류의 다양한 상용 유기바인더 시스템이 알려져 있다. 그

러나 알루미늄계 합금 분말용으로 개발되어 상용화된 유기바인더시스템은 아직까지 그

유용성이 알려져 있지 않다.

따라서, 알루미늄계 합금의 분말사출성형기술을 개발하기 위해서는 자체적으로 알

루미늄계 합금 분말사출성형을 위한 유기바인더시스템의 개발을 수행하여야 한다. 합

금의 경우에는 습기와 대기에 노출될 경우 분말 표면에 수화물 형성 혹은 수분흡착 등

에 의해 이후의 공정에서 소결성이 저하될 소지가 있으므로, 본 과제에서는 파라핀 왁

스 등을 헥산 등의 용매를 이용하여 제거하는 용매추출 이후 가열에 의해 잔존하는 고

분자 성분을 제거하는 다단계 탈지 공정보다는 가열 분해 하나의 공정으로 탈지를 하

는 것을 고려하였다.

- 22 -

3-2 기존 유기바인더시스템을 이용한 예비 실험

앞서 언급한 바와 같이 아직까지도 상업적으로 알루미늄 분말사출성형을 위한 전

용 유기바인더 시스템은 유용하지 않은 것으로 보인다. 이 점은 최근 유기바인더시스

템을 판매하는 오랜 전통의 미국회사인 Advanced Metalworking Technology사의 대

표로 있는 Dr. Kulkarni를 통해서도 확인하였다. 따라서, 우선 철계 혹은 스테인레스

강의 분말사출성형에서 사용되고 있는 유기바인더시스템을 대상으로 알루미늄계 합금

분말사출성형에의 적용 가능성을 조사하였다.

이를 위해 철계 및 스테인레스강의 분말사출성형용 피드스탁 제조용으로 사용하고

있으며 POM 등의 성분을 포함하고 있는 상용 열가소성 유기바인더 시스템을 이용하

였다.(그림 3) 알루미늄 및 기타 합금원소의 금속분말과 부피비로 4:6 (1회 장입량:

총 부피 175cc)으로 혼합하여 하여 160oC에서 고무 혼련용 가압니더에서 혼련하여

실험용 피드스탁을 제조하는 예비실험을 실시하였다. 이렇게 제조된 피드스탁을 원료

로 하여 역시 160oC에서 사출성형하여 외형상으로 매끈한 표면을 갖는 만족할 만한

수준의 사출체를 제조하였다.

알루미늄의 산화를 방지하기 위하여 이슬점이 -60oC 이하인 고순도 질소가스를

분위기 및 캐리어 개스로 사용하여 탈지와 소결실험을 실시하였다. 탈지 및 소결 스케

쥴은 상용 유기바인더 제거에 사용되는 스케쥴과 동일하게 하였으며, 최종 소결온도를

640oC로 하였다. 그러나 알루미늄 분말의 소결이 전혀 이루어지지 않은 결과를 얻었

다. 따라서 이 예비실험을 통하여 알루미늄계 합금의 분말사출성형에 사용하는 유기바

인더시스템에는 상기의 요건 이외에 추가적인 고려가 더 필요하다는 점을 배울 수 있

었다.

3-3 새로운 열가소성 유기바인더 시스템 개발

예비실험을 통하여, 알루미늄 분말이 철계나 스테인레스강 등에 비해 산화성이 매

우 강하므로 유기바인더시스템의 성분으로는 가급적 산소의 함유량이 높은 고분자 원

료의 사용을 배제할 필요가 있음을 주목하였다. 이에 따라, 비교적 저온에서 탈지성이

우수한 것으로 알려진 POM, PMMA 등의 고분자 물질은 알루미늄계 합금의 분말사출

성형용 유기바인더 성분으로 고려하지 않았다.

아울러, 유의해야 할 점은 알루미늄 자체가 융점이 660oC로 철계합금이나 스테인

레스강에 비해 현저히 낮으므로, 유기바인더시스템의 분해 제거를 충분히 저온에서 이

루어야 한다는 점이다. 통상적으로 철계나 스테인레스강 분말의 금속사출성형에 사용

- 23 -

그림 3. 예비 실험에 사용하였던 상용 유기바인더 시스템의 열분석 곡선.

되는 대부분의 유기바인더시스템의 경우에는 열분해에 의한 제거를 위해서 600oC 정

도까지 가열해야 하는 것으로 알려져 있으며, 예비소결을 위해서 800~1000oC까지 가

열하는 것으로 알려져 있다.

알루미늄계 합금의 경우에는 소결성 개선과 고용강화, 시효경화를 위해 첨가하는

합금원소인 Mg, Si, Cu 등을 함유하고 있는데, 이들 원소들은 가열시 알루미늄과 반응

하여 저온에서 국부적으로 공정반응을 일으켜(Mg 450, Si 577, Cu 548oC) 잔류 유

기바인더시스템성분이 있을 경우 이의 제거를 어렵게 만들 수 있으며 이로 인해 소결

체 내부에 기공과 같은 내부결함이 유발될 수 있다.

따라서, 가급적이면 예컨대, 450oC 이하의 온도에서 탈지가 거의 종료되어야 내부

에서 잔류 유기물의 분해로 인한 기공 등 결함의 생성을 방지할 수 있을 것으로 기대

할 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 열가소성 유기바인더 시스템의 성분으로 가장 널

리 사용하고 있는 폴리올레핀계의 고분자인 LDPE (저밀도 폴리에틸렌), HDPE(고밀

도 폴리에틸렌), PP (폴리프로필렌) 등과 같은 고분자 원료는 분해온도가 비교적 높으

므로 그 사용을 배제하였다. 그리하여 비교적 융점이 낮은 왁스계통의 성분과 역시 융

점이 낮고 금속과의 접착성이 좋은 고분자를 구성 성분으로 하여 열가소성 바인더시스

템을 대상으로 개발하고자 하였다.

또한 본 과제에서는 스테인레스강을 재질로 하여 링 형태의 틀을 제작하여 바인더

- 24 -

성분들을 혼합하고 용해한 후 응고하는 거동을 관찰하는 데 이용하였다.

제 4 절 고상 충진률 결정 및 피드스탁 제조

4-1 고상 충진률의 결정

유기바인더시스템의 성분을 결정한 후에는, 가급적 금속분말의 고상 충진률이 높

으면서도 사출에 적합한 유동성을 갖는 유기바인더와 금속분말간의 혼합비 조건의 설

정이 요구된다. 이를 위해서 유기바인더시스템이 용융된 상태에서 금속분말의 충진률

에 따른 점도변화를 측정하여 분말사출성형에 적합한 최적의 고상 충진률을 결정하는

것이 필요하다. 본 과제에서는 독일의 Haake사의 Rhocord 90을 이용하여 고상 충진

률에 따른 토오크의 변화를 측정하여 최적 고상 충진률을 결정하고자 하였다. 그림 4

는 본 연구에서 이용한 토오크 레오미터의 작동 모습을 보여주고 있다.

4-2 피드스탁의 제조

최적 고상충진률을 결정한 후에는, 사출에 필요한 원료인 유기바인더시스템과 금

속분말과의 혼련이 필요하다. 내부에 기공이 없이 금속분말이 균일하게 분포하는 그런

균질한 혼합체인 피드스탁을 제조하는 과정은 유기바인더시스템의 개발 못지않게 매우

중요하다. 본 과제에서는 일본의 모리야마에서 제작한 가압 니더 (kneader)를 사용하

여 피드스탁을 제조하였다. 균질한 유기바인더시스템을 미리 제조하여 준비하지 않고

니더 내에서 유기바인더의 혼합과 금속분말의 혼련을 동시에 실시하는 경우에는 균질

한 피드스탁 제조를 위해 혼련 온도 등 혼련 조건의 설정이 중요하다.

가급적이면 미리 균질한 유기바인더시템을 제조한 후에 금속분말과 혼합하는 방법

이 균질한 피드스탁을 제조하는 데 유리하며 이후의 공정에서 불량 발생을 줄이는 효

과도 준다.

제 5 절 사출 성형, 압출 및 압축 몰딩

알루미늄은 다른 금속에 비해 비중이 낮으며 알루미늄계 합금을 위한 분말사출성

형용 유기바인더시스템 역시 철계 합금용으로 사용되는 기존의 유기바인더시스템에 비

해 용해온도가 낮으므로 이를 고려하여 사출속도, 사출압력, 배럴온도, 금형온도, 작업

사이클 시간 등의 적합한 사출조건을 결정하여야 한다. 본 연구에서는 형체력이 60톤

인 토요사의 전동식 사출기를 이용하여 사출조건을 도출하였다. 사출에 이용한 시편은

인장시험용 시험편 금형이었다. 그림 5에 그 도면과 금형 세트(고정측 코어, 가동측

코어)의 모습을 나타내었다.

- 25 -

그림 4. 고상률 변화에 따른 토오크 측정에 사용한 Haake Rheocord 90의 외관.

알루미늄계 합금 피드스탁을 이용하는 성형방법으로 사출성형과 함께 압출

(extrusion). 압축 몰딩 (compression molding) 을 병행하였다. 압출이나 압축 몰딩

은 그림 6에 나타낸 바와 같이 금속분말의 소성변형이 없이 재배열에 의해서 충진이

되는 성형하는 방법이다.

특히, 압축 몰딩 방법은 사출성형하기에는 유동성이 좋지 않은 상태의 피드스탁에

적용하기 유리한 성형법이다. 즉, 보다 조대한 금속분말을 사용하였거나 고상 충진률이

최적의 값을 상회하는 피드스탁을 이용하여 성형하는 방법으로 유리하다. 압축 몰딩을

위해 그림 7에 나타낸 것과 같은 가열이 가능한 금형을 제작하였다.

제 6 절 탈지 및 소결

사출성형체로부터 유기바인더 성분을 제거하는 탈지 공정에는 다양한 방법이 있으

나, 앞서 언급된 바와 같이 알루미늄 분말과 산소 혹은 수분과의 반응성을 고려하여

불활성 가스를 이용하는 가열탈지 방법을 고려하였다.

탈지공정에서는 결함발생을 방지하기 위해 가열 스케쥴 설정이 매우 중요하다. 즉,

승온 조건과 유지조건 등의 가열 조건을 조절하여 유기 바인더 성분 중에서 가장 연화

점 혹은 용융점이 낮은 성분부터 순차적으로 제거하되, 제거 과정에서 과도한 기포 발

생으로 표면이 부풀러 오르거나 크랙이 발생하는 등 결함이 발생하는 현상이 일어나지

않도록 하여야 한다. 또한, 사출시 발생한 사출체 내부의 잔류응력이 존재하는 조건하

에서 불균일한 가열이 일어나면 변형, 경우에 따라서는 표면에 크랙이 발생할 수 있다.

- 26 -

그림 5. 사출체 제작용 시험편 도면 및 금형 세트.

- 27 -

그림 7. 압출 성형 작업 과정 모습 (좌) 과 압축 몰딩 설비 (우).

그림 6. 압축 압력에 따른 압축 정도.

- 28 -

따라서 탈지시의 가열 스케쥴은 사용한 유기바인더의 열분해 과정을 조사하여 그

바탕하에 효율적인 탈지가 일어나도록 설정하여야 한다. 이를 위해 본 과제에서는 자

체적으로 개발한 유기바인더시스템에 대한 중량열분석을 실시하여 가열온도에 따른 분

해거동을 파악하고, 이 결과를 바탕으로 탈지 스케쥴을 설정하였다.

철계 합금이나 스테인레스 강 등의 분말사출성형기술에서는 탈지 공정과 소결 공

정을 별도로 실시하거나 연속적으로 한 단계의 공정으로 실시하기도 한다. 알루미늄계

분말사출성형체의 경우에는 사용하는 유기바인더 성분에 따라 달라질 수 있겠지만, 탈

지가 종료되는 온도조건과 소결이 일어나기 시작하는 온도가 중첩되거나 약간의 온도

차이가 있는 정도 밖에 되지 않는다. 이 같은 이유에서 알루미늄계 합금의 분말사출성

형기술에서는 탈지 공정과 소결공정을 하나의 과정으로 하는 일단계 가열을 채택하고

있으며, 본 과제에서도 이 방법을 채용하였다.

본 과제에서 사용한 탈지-소결용 가열로는 분위기 제어가 용이한 튜브형로이다.

제 3 장 사업 성과

제 1 절 기술적 성과

본 연구 사업을 통해서 도출한 기술적 성과는 알루미늄합금 분말의 사출성형기술

을 개발한 것이며, 그 중에서도 알루미늄 합금 분말 사출성형기술에 있어서 가장 중요

한 핵심기술인 적합한 유기 바인더 시스템 조성물을 개발한 것이다.

앞서 언급하였듯이 알루미늄계 합금의 분말사출성형기술에 적합한 유기바인더시스

템으로 상업적으로 활용되고 있는 것은 싱가포르의 AMT 사가 유일한 실정이다. 그렇

지만 AMT 사의 유기바인더시스템은 알루미늄 분말표면의 산화피막 제거를 위해 금속

불화염을 사용하고 있다는 점에서 근본적인 차이가 있다.

1-1 유기바인더 시스템

앞서 언급하였듯이 본 과제에서는 여러 탈지 방법 중에서 가열 탈지방법을 이용하

는 것을 목표로 하여 유기바인더시스템을 개발하고자 하였다. 또한 알루미늄의 융점을

고려하여 유기바인더 시스템을 구성하는 주된 성분으로는 파라핀 왁스 등 저융점의 왁

스류로 하고, 보다 융점이 높은 폴리올레핀 계열의 왁스류 혹은 스테아린산과 접착성

을 갖는 고분자 성분 등을 사용하였다.

첨가되는 왁스류는 사출체 형태를 만드는 역할을 주로 한다. 아울러 왁스류와 스

- 29 -

그림 8. 탈지-소결에 이용한 튜브

형 분위기 로

그림 9. 링 몰드에서 응고시킨 유기 바인더 성분의 모습. (a), (b), (c)는 각각

바인더 성분 (A)에 바인더 성분 (B)를 0, 10, 5%를 혼합한 것임. 바인더 성분

(A)에 바인더 성분 (B)를 첨가함에 따라 크랙 발생이 억제됨을 볼 수 있다.

테아린산 등은 금속분말입자간 혹은 입자와 사출기 중의 스크류, 바렐 및 금형벽과의

마찰시 윤활작용을 하기도 한다.

(1) 파라핀 왁스-왁스류의 경우

링 형태의 스테인레스 몰드를 이용해서 다양한 유기성분의 혼합 정도에 따른 응

고과정을 조사하였다. 그림 9는 파라핀 왁스 (바인더 성분 A)와 또다른 왁스(바인더

성분 B)를 용해 후 응고시킨 모습을 보여준다. 이 결과에서 파라핀 왁스에 비해 첨가

된 왁스 B의 응고수축이 매우 크게 일어나며 그 결과 크랙이 발생함을 볼 수 있다. 이

같이 수축률에 기인하여 발생하는 크랙은 방사형으로 나타났다.

(2) 왁스-고분자 물질의 경우

금속 몰드에 점착성이 있는 고분자 성분이 다량 첨가되는 경우에는 원주상의 크랙

- 30 -

그림 10. 링 몰드에서 응고시킨 (a) 유기 바인더 성분 (C)와 성분 (D)으 혼합

체, (b) 피드스탁, (c) 유기 바인더 성분 (C), (D)의 비율을 조정한 후의 모습.

(a)에서는 원주방향으로 크랙이 발생함을 볼 수 있으며, (b)에서도 원주 방향을

따라 크랙이 발생되어 있음을 볼 수 있다. (c)는 성분비율 조정으로 크랙발생이

억제됨을 보여준다.

이 발생하는 양상을 나타내었다.(그림 10) 응고수축이 발생하는 왁스류와 점착성이 있

는 고분자 성분의 비율이 부적합상태로 금속분말과 혼합할 경우에도 유사한 현상이 일

어남이 관찰되었다.

(3) 유기바인더 시스템

다양한 성분 조합 조성물에 대해 위와 같은 실험을 반복하여 파라핀 왁스를 주성

분으로 하고 윤활제, 계면활성제, 접착성 고분자 성분 등을 혼합하여 알루미늄계 합금

의 분말사출성형에 적합한 바인더 시스템을 개발하였다. 그림 11은 본 과제에서 개발

한 4 종류의 유기화합물로 제조된 유기바인더시스템 AB 3의 열중량 분석 곡선을 보

여준다. 320oC 이하의 저온측과 이 온도 이상의 고온측에서 중량감소가 단계별로 일

어남을 볼 수 있다.

피드스탁을 구성하는 유기바인더 시스템의 강도는 이후 사출체의 강도와 밀접한

관계를 갖는다. 따라서 사출체의 취급이나 필요한 경우 추가가공을 위해서는 유기바인

더시스템이 어느 정도의 강도를 지녀야 한다. 물론 이는 유기바인더성분과 금속분말간

의 접착이 충분히 잘 이루어지는 것을 전제로 하고 있으나, 본 과제의 유기바인더 성

분에는 접합성을 갖는 고분자성분이 들어 있어 이러한 전제 조건을 만족하고 있다고

볼 수 있다.

개발된 유기바인더 시스템의 굴곡강도 측정을 위해 그림 12에 나타낸 것과 같이

각형 시험편을 제조하였다. 인장시험기를 이용하여 3점 굴곡시험을 실시하였으며, 그

- 31 -

그림 12. 굴곡 강도(Flexural strength) 측정용 시험편.

AB 3

Temperature, oC

100 200 300 400 500 600

Wei

ght L

oss,

%

0

20

40

60

80

100

그림 11. 본 과제에서 개발한 유기바인더시스템 AB 3의 열중량 분석 결과.

림 13에 예시한 것과 같은 굴곡시험결과를 얻었다. 본 과제에서 개발된 유기바인더시

스템 AB 1과 AB 2의 굴곡 강도는 각각 9MPa, 11MPa로 나타났다. 이 값은 MDPE

(40MPa), PP (40MPa), PS (70MPa) 등에 비료해서 1/8 내지 1/4 정도의 값에 해

당된다. 그림 14에는 이들의 굴곡 강도를 막대그래프로 비교하여 나타내었다. 유기바

인더시스템에 첨가된 고분자 성분의 비율을 고려하면 매우 양호한 수준의 굴곡 강도를

가지고 있다고 판단된다.

- 32 -

Load-Diplacement Curve

Displacement, mm

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

Load

, kg f

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

그림 13. 굴곡강도 시험결과의 예.

1-2 최적 고상충진율의 결정 및 피드스탁의 제조

피드스탁을 제조하기 위해서는 사출성형에 적합한 금속분말의 고상 충진율을 결정

해야 한다. 첨가되는 금속분말의 고상 충진률이 낮을수록 유동성이 좋아지이므로 사출

성은 좋아지나 사출이후의 탈지-소결과정에서 많은 유기바인더성분으로 인하여 탈지

성이 떨어지며 소결과정에서도 발생하는 수축률이 커지므로 형상제어와 치수제어의 문

제를 야기 시킬 수 있다. 따라서 가급적이면 사출성이 확보되는 범위내에서 많은 양의

금속분말을 장입하도록 하는 것이 유리하다.

이를 위해서 본 과제를 통해 개발된 유기바인더시스템에 금속분말을 첨가해 가면

서 점성의 변화를 조사하였다. 점성의 척도로는 토오크를 측정하였으며 사용한 기종은

Haake사의 모델 Rheocord 90 토오크미터이다. 토오크 변화 측정실험은 로터의 회전

수를 30 rpm으로 하여 금속분말을 추가로 첨가하는 방법으로 실시하였다. 그림 15는

토오크 측정결과의 예시를 보여준다.

그림 15의 측정결과를 토오크-대-고상율의 그래프로 나타내면 그림 16과 같다.

측정 범위 내에서는 고상률이 64%이상 되면 급속히 토오크 값이 증가됨을 볼 수 있

- 33 -

그림 15. 토오크 측정결과.

0 5 10 15 20 25 30

Fexu

ral S

tren

gth,

MPa

0

20

40

60

80

MDPE PP PSAB 1 AB 2

그림 14. 본 과제에서 개발된 유기바인더 시스템, AB 1, AB 2의 굴곡 강도

와 중밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스틸렌의 굴곡 강도와의 비교. (비

교용 자료출처: http://www.matweb.com /reference/flexuralstrength.asp)는 데, 이 같은 현상은 금속 분말의 양이 증가해서 그들 사이에 충진되어 윤활제 역할

을 하는 유기바인더시스템이 상대적으로 부족해지기 때문이다. 금속 분말 양을 더 증

가시키면 유기바인더시스템의 부족으로 점성이 급속히 증가되어 측정이 불가능한 상태

에 이른다. 이 때의 고상률을 임계 고상 충진률 (critical solid loading)이라 한다. 그

림 15, 16의 결과에서는 임계 고상률이 대략 66-67% 범위로 추정된다.

피드스탁은 사출성 확보를 위해 임계 고상 충진률 보다 조금 낮은 고상 충진률이

되도록 유기바인더시스템과 금속분말의 장입비를 결정하여 제조한다. 본 과제에서는

그림 15의 결과를 참조하여 금속분말의 장입량을 62%(부피비)로 하여 피드스탁을

제조하였다. 고상 충진률이 이 보다 높은 피드스탁을 또한 제조하여 압축 몰딩에 의한

성형체 제조에 사용하였다.

피드스탁 제조에는 일본 모리야마사의 가압 니더 (용량 500cc)를 이용하였다. 로

터의 회전수를 40rpm으로 하여 100-160oC 온도에서 약 2시간에 걸쳐 혼련을 하였

다. 장입물을 장입한 후에 챔버 내를 질소개스로 채워 혼련 과정 중에 과도한 산화가

일어나는 것을 예방하도록 하였으며, 혼련을 마친 후에는 스테인레스강 재질의 트레이

에서 응고시킨 다음 파쇄기를 이용해서 직경 5mm 이내의 작은 알갱이 형태로 파쇄하

여 사출성형에 사용하였다. 그림 17은 본 과제에서 개발된 알루미늄 분말사출성형용

- 34 -

Solid Loading vs Torque

Solid Loading, vol.%

54 56 58 60 62 64 66 68

Torq

ue, a

rbitr

ary

unit

0

20

40

60

80

그림 16. 고상 충진률에 따른 토오크의 변화.

그림 17. 본 과제를 통해 개발

된 알루미늄계 합금 분말 사출

성형용 피드스탁.

피드스탁을 보여준다.

1-3 사출 성형, 압출 및 압축 성형

- 35 -

그림 18. 사출체의 x-선 투시검사 결과. 혼합 불량으로 인해 부분적으로 금속입

자들이 뭉쳐있는 불균질 결함과 흰색 줄무늬로 나타나는 내부 크랙을 볼 수 있다.

그림 5의 인장시험편을 대상으로 하여 사출성형을 실시하였다. 사출성형에 의해

만들어지는 제품은 외관만으로 그 품질을 판단할 수 없다. 즉, 사출성형체의 내부 결함

검사를 실시하여 외관으로 파악할 수 없는 결함의 유무 검사를 할 필요가 있다. 그림

18은 사출체를 x-선 투시기로 조사하여 촬영한 사진을 보여준다. 내부적으로 불균일

한 부위가 존재함을 볼 수 있으며, 중앙선을 따라 지그재그 형상에 가까운 형태로 존

재하는 내부 크랙을 주목할 수 있다. 이와 같은 시편을 탈지-소결하는 경우에는 기존

재하는 크랙을 따라 소결이 이루어지지 않은 불량품이 만들어 진다. 그림 18에 예시한

내부 결함 중 뷸균질한 결함은 피드스탁 제조시 혼련이 충분히 일어나지 않은 결과이

며, 내부 크랙은 사출조건의 설정이 잘못되어 발생된 것이 아니라 피드스탁을 구성하

는 유기바인더시스템 조성물의 잘못된 배합비 설정으로 발생한 것으로 추정된다.

이 같은 일련이 조사과정을 통하여 내부 결함이 없는 사출체를 제조하였으며 사출

조건은 다음과 같다: 사출속도 20-120mm, 사출압력 90-100MPa, 배럴온도

100-150oC, 금형온도 30-50oC. 압출 성형의 조건은 사출조건과 유사하다. 스크류의

회전수를 10-40rpm의 범위내에서 조정하여 미려한 표면을 갖는 압출체를 연속적으

- 36 -

로 안정되게 제조할 수 있었다.

압축 몰딩 역시 유사한 작업 온도에서 가능하였으며, 압축압력을 최대 약 8Pa 로

하여 실시하여 어렵지 않게 직경 1”디스크 형태의 시편으로 제작이 가능하였다. 피드

스탁은 고상충진률이 주로 64%-70% 범위의 것을 사용하였는데, 고상충진률에 관계

없이 단순 형상의 시편 제작이 가능하였다. 따라서 본 과제에서 개발한 고 고상충진률

의 피드스탁의 압축 몰딩 조건은 다음과 같다: 피드스탁 중 고상 충진률 70%이상까지

가능, 몰드 온도 100-150oC, 압축 압력 최대 10MPa 이내.

1-3 탈지 및 소결 공정

본 과제에서 개발한 알루미늄계 합금분말 피드스탁의 탈지 및 소결 공정은 하나의

연속된 공정으로 연구 개발되었다. 유기바인더시스템의 열중량분석 결과를 바탕으로

탈지 가열 스케쥴을 설정하였으며, 최종 소결온도를 630~640oC로 하여 전체 가열 조

건을 다양하게 변화시켜 가면서 설정하여 반복 실험을 실시하였다. 탈지-소결 공정은

질소 가스 등을 분위기로 하여 튜브형 로에서 실시하였다. 그 결과, 탈지 과정에서의

내부 불량 발생이 없는 고밀도의 소결체 제조가 가능하였다. 그림 19는 본 과제를 통

해 개발한 탈지-소결 공정의 가열 스케쥴이다.

그림 20은 피드스탁 (#6, #7)을 대상으로 실제 탈지-소결 공정과 동일한 가열

스케쥴로 가열함에 따른 열중량 분석 결과와 시차 열분석 결과를 나타낸 것이다.

그림 20의 결과에서 약 300oC 이하의 온도에서 중량 감소가 많이 일어나고 이후

의 온도에서는 잔존하는 유기바인더가 제거됨에 따라 중량 감소가 천천히 일어나는 것

을 알 수 있다. 흥미롭게도 약 500oC 이상의 온도에서는 오히려 중량이 증가함을 주

목할 수 있다. 이같은 결과는 탈지-소결체와 분위기 가스와의 반응에 기인되는 것으로

고려된다.

가열과정에서 발생하는 분위기 개스와 피가열체와의 반응이 발생하는 경우에는 밀

도 측정 보다는 미세조직 검사를 기공을 관찰하여 치밀화 정도를 조사하는 것이 유리

할 것이라는 판단하에 조직 검사를 실시하였다. 그림 21은 합금 A와 합금 E를 연마한

후 에칭하지 않은 상태로 관찰한 미세조직을 보여준다. 내부에 미세 기공이 극히 적은

치밀한 조직을 관찰 할 수 있다. 대략 상대밀도가 97% 이상 되는 수준의 치밀한 미세

조직에 해당된다고 볼 수 있다.

그러나, 피드스탁 제조에 사용한 유기바인더에 따라 소결체의 외피를 따라 소결이

제대로 이루어지지 않은 미소결 부위가 형성되는 현상이 관찰 되었다.(그림 22) 이 같

- 37 -

Time (arbitrary scale)

0 10 20 30 40 50

Tem

pera

ture

(arb

itrar

y sc

ale)

0

200

400

600

800

그림 19. 본 과제에서 개발한 탈지-소결 스케쥴.

Temperature, oC

100 200 300 400 500 600

Wei

ght C

hang

e, %

86

88

90

92

94

96

98

100

DTA

(uv)

-250

-200

-150

-100

-50

0

Feedstock #6, #7

그림 20. 탈지-소결 공정에 따른 열중량 분석 및 시차열분석 곡선.

은 현상은 소결시 액상이 형성되어 내부로 응집됨에 따라 외피 측에 스켈레톤 같이 충

진되지 않는 결과가 초래되어 발생되었을 가능성도 있으며 소결을 촉진하는 특정 성분

- 38 -

그림 21. 소결체의 미세조직: 합금 A (상), 합금 E (하).

그림 22. 외피를 따라

미소결 영역이 발생한

소결체의 단면 사진:

육안으로도 식별이 가

능하다.

이 외피측에 결핍되어 발생되었을 가능성도 배제할 수 없다. 그러나 본 과제의 합금은

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그림 23. 압축 몰딩에 의해 제조

한 원판형 성형체의 소결 후 외

관: 소결 상태 그대로 (상), 소결

체의 바닥면 (하).

합금원소의 첨가량이 많지 않고 소결 온도를 640oC 이하로 유지하였으므로 과잉의 액

상이 형성될 정도로 다량의 액상이 형성되는 액상소결이 발생하였다고 보기는 어렵다.

오히려, Mg 등 알루미늄의 소결을 촉진시키는 특정 합금원소 성분이 분위기 가스와

반응하여 소진됨에 따라 소결성이 저하된 것으로 보는 것이 타당할 것으로 생각된다.

즉, 알루미늄계 합금 분말의 소결과정에서 흔히 사용되는 질소가스는 합금 성분

중 마그네슘(Mg)과 반응하여 Mg3N2 화합물을 형성하는 것으로 알려져 있다. Mg은

그 자체로 알루미늄 분말 표면의 필름형 산화피막과 반응하여 불연속적인 형태로 스핀

넬을 형성하여 소결성을 증진시키는 원소로 알려져 있다. 따라서 국부적인 Mg 성분의

결핍은 국부적인 소결성의 저하를 초래하여 궁극적으로는 소결체의 외표면을 따라 미

소결 층이 형성되는 결과가 나타나는 것으로 사료된다. 실제로 분위기 가스와 접촉이

많도록 개방된 측의 시편표면에서 미소결 영역의 두께가 더 크게 관찰되는 결과는 이

같은 추론의 타당성을 뒷받침한다.

위와 같은 논리에 근거해서, 잉여분의 Mg을 소결체와 함께 장입함으로써 표면 부

위를 따라 미소결층 발생에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과, 잉여분의 Mg이 질화

물 형성을 우선하므로 합금 중의 Mg 성분의 손실을 억제하는 효과가 있음을 확인 할

수 있었으며 외표면의 미소결층의 형성을 상당히 감소시킬 수 있었다. 그림 23은 미소

결층이 존재하는 경우와 미소결 층의 형성이 미미하거나 거의 존재하지 않은 경우의

조직사진을 보여준다.

그림 24는 알루미늄에 탄화규소 (SiCp) 입자가 10 vol.% 첨가된 복합재료 소결

체의 미세조직을 보여준다. 균일하게 세라믹 입자가 분산된 복합재료가 제조될 수 있

음을 볼 수 있다. 그림 25는 본 과제에서 개발한 피드스탁을 이용하여 압축몰딩으로

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그림 24. 10vol.%SiCp를 함유하는 복합재료의 소결체 조직: 자체

제조 혼합분말 (상), Ecka 321 (하).

제조한 원판형 복합재료 소결체의 외관을 보여준다. 소결체의 표면이 비교적 깨끗하며

부풀음이나 변형이 없이 제조된 것을 볼 수 있다.

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그림 25. 소결체 표면 부위의 조직사진: 과도한 미소결층 (상), 미소결층

형성이 억제된 경우 (중), (하). 가운데 사진은 10 vol.% SiCp 가 첨가된

복합재료의 예임.

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제 2 절 경제적 성과 및 기타 성과

분말사출성형에 의한 알루미늄계 합금의 정밀 부품 제조는 아직까지 크게 활성화

되어 있지 못한 실정이다. 그 이유는 알루미늄계 합금의 분말사출성형기술이 까다로워

실용기술로 개발되어지지 못한 점에도 찾을 수 있고 상대적으로 다이캐스팅 등 경쟁

기술과의 우월성이 부각되지 못한 점 역시 한 요인이 될 것으로 사료된다. 즉, 복잡하

고 정밀한 형상의 알루미늄계 합금의 분말사출성형기술은 이제 시작단계로 향후의 경

제적인 성과는 다양한 제품을 대상으로 하는 상품화에 달려있다고 볼 수 있다.

정밀한 형상의 알루미늄계 합금으로 향후 많은 수요가 예상되고 있는 분야는 단연

전자부품의 열관리 부품 분야이다. 대표적인 예로는 마이크로프로세서용 히트싱크, 히

트 파이프 등의 부품 제조를 들 수 있으며 그 외에 자동화에 사용되는 정교한 형상의

부품 역시 가능성이 높은 분야이다. 현재 분말사출성형기술에 의한 상용화된 부품으로

는 알루미늄 히트싱크 정도이다.

전력 전자부품인 IGBT (Insulated gate power bipolar transistor, 절연 게이트

형 양극성 트랜지스터)의 방열 하우징에의 적용이 기대된다. 중출력에서 고출력에 이

르는 IGBT는 스위치 모드의 전력공급장치, 트랙션 모터 컨트롤, 유도가열 장치 등에

사용되고 있으며 대출력 IGBT 모듈은 다른 장치와 함께 사용되어 수백 암페어 정도의

고전류하에서 6천볼트를 제어할 수 있다. 반도체 소자로서는 비교적 최근에 개발된 이

소자는 전기자동차나 하이브리드 카의 전력계통에도 사용되고 있는 데, 토요타사의 제

2세대 하이브리드카인 프리우스 (Prius)는 직류 배터리 팩에 연결된 두 개의 모터/발

전기를 제어하는 50kW IGBT를 사용하고 있다. 또한 일본의 토시바사에서는 지난 20

여년간 오디오 앰프에 IGBT를 사용하고 있는 것으로 알려져 있다.

전력 전자부품 용도로서 알루미늄 사출성형 부품의 사용을 위해서는 열팽창계수의

조절이 매우 중요하다. 즉, 반도체인 실리콘하고 유사한 열팽창계수를 갖도록 알루미늄

계 합금의 성분 조절이 선행되어야 한다. 이런 점에서는 SiC 혹은 AlN 등과 같은 열

팽창계수가 낮되 열전도도성이 비교적 우수한 세라믹 입자의 함량이 본 과제에서의 첨

가량인 10 vol.%를 훨씬 상회하는 복합재료의 제조가 고려되어야 한다.

본 과제를 통해 개발된 기술은 국내외를 막론하고 금속 불화염을 사용하지 않으면

사 성공적인 소결체 제조를 입증한 유일한 기술이다. 따라서, 알루미늄계 합금의 분말

사출성형기술 제품의 시장 확보에 따라 그에 상응하는 상당한 경제적 효과를 거둘 수

있으리라 본다.

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제 4 장 결 론

제 1 절 결 론

본 과제를 통해 알루미늄계 분말 사출성형기술에 필요한 바인더 시스템, 탈지-소

결 공정 등 요소기술을 성공적으로 개발하였다. 현재까지 알려진 알루미늄계 합금용

바인더 시스템으로 스테아린산, 파라핀 왁스, 고밀도 폴리에틸렌 (Athalon)의 조성물

은 금속불화염을 첨가하는 알루미늄 피드스탁에 적합하게 이용될 수 있을 것으로 보인

다. 이 같은 조합은 알루미늄 분말 표면의 산화물피막을 용해하기 위해 상대적으로 높

은 온도에서 소결을 실시해야 하는 이유에서 상대적으로 탈지 온도가 높은 고밀도 폴

리에틸렌성분을 포함시킨 것으로 보인다.

그러나, 본 사업을 통해 개발된 유기바인더시스템은 알루미늄계 분말 피드스탁에

금속불화염을 첨가하지 않은 것을 전제로 하고 있어 보다 낮은 온도에서 탈지가 충분

히 일어날 수 있도록 제조된 조성물이다. 금속불화염을 사용하지 않으므로 이로 인해

발생할 수 있는 환경문제가 배제되므로 친환경적이라 할 수 있다.

본 사업을 통해 다음과 같은 성과를 얻었다.

1. 알루미늄계 합금의 분말사출성형, 압출, 압축 몰딩기술에 적합한 합금 조성물 및 원

료분말 준비기술을 개발하였다.

2. 파라핀 왁스를 주성분으로 하는 알루미늄계 합금의 분말사출성형, 압출, 압축 몰딩

기술에 적합한 용융점이 낮고 저온탈지가 가능한 유기바인더시스템을 개발하였다.

- 본 유기바인더시스템은 10MPa 전후의 굴곡강도를 갖는다.

- 개발된 유기바인더시스템은 열가소성 바인더로 재사용이 가능하며 장기 보관이

가능한 조성물이다.

3. 파라핀 왁스를 주성분으로 하는 유기바인더 시스템을 이용하여 알루미늄계 합금분

말과 혼련하여 제조하는 피드스탁 제조기술을 개발하였다.

- 별도의 진공장치가 부착된 혼련설비를 사용하지 않고 가압 혼련기 (kneader)

사용만으로도 소결성이 우수한 피드스탁 제조가 가능한 혼련기술을 개발하였다.

- 토오크 측정을 통하여 본 과제에서 개발된 유기바인더시스템을 대상으로 최적

고상 충진률을 결정하였다. 본 과제에서 사용한 금속/세라믹 분말을 사용할 경

우 최적 충진률은 약 62%이다.

- 탄화규소 등의 세라믹 입자를 함유하는 피드스탁 제조도 용이하며, 고상분말 중

부피분율로 20%까지 포함시킨 복합재료 피드스탁을 제조하였으나, 그 이상의

첨가도 가능할 것으로 보인다.

- 44 -

4. 본 과제에서 개발한 피드스탁을 이용한 분말성형기술인 분말사출성형기술, 압출, 압

축 몰딩 기술을 확보하였다.

5. 본 과제에서 개발한 피드스탁으로 제조한 사출성형체, 압출재, 압축 몰딩 성형체에

적합한 탈지-소결기술을 개발하였다.

- 가열탈지 방법을 채택하여 단일 공정으로 탈지-소결 공정을 마칠 수 있는 가열

스케쥴을 결정하였다.

- 본 과제에서 개발된 탈지-소결 기술은 진공로와 같은 고가의 설비를 이용하지

않고 질소 등 분위기가스를 사용하는 기술이므로 경제적인 기술이다.

- 전통 분말야금용 상용 혼합 분말에 비해 입도가 낮은 원료분말을 사용하여 자체

혼합한 분말을 사용할 경우 보다 유동성이 좋은 피드스탁이 제조되었으며 사출

성 역시 자체 혼합 분말이 우수하였다.

- 그러나, 압축 몰딩의 경우에는 양자의 경우 큰 차이를 보이지 않았으므로, 압축

몰딩에 의한 제품 제조의 경우에는 상대적으로 경제적인 상용 혼합 분말을 사용

하는 것이 유리할 것으로 판단된다.

- 유기바인더시스템의 성분비에 따라 소결과정에서 소결체 표면에 최대 1mm 정

도로 밀도가 낮은 미소결영역이 발생하는 경향이 관찰되었다. 이러한 경향은 표

면에서의 Mg 성분의 국부결핍과 유관한 것으로 판단되었으며, 유기바인더시스

템의 성분비 조정과 잉여분의 Mg 분말사용으로 억지가 가능함을 보였다.

- 탈지-소결과정에서 유기바인더시스템의 부산물 혹은 사용하는 분위기 가스와

의 반응이 발생하는 것으로 관찰되었다. 조직검사를 통해 본 과제를 통해 개발

한 피드스탁을 이용하여 기공률이 극히 낮은 상대밀도 95% 이상 수준의 고밀

도 소결체 제조가 가능함을 보였다.

- 따라서, 본 과제에서 개발된 알루미늄계 합금 분말 사출성형기술은 진공로 등의

고가 설비를 사용하지 않고도 고밀도 소결체 제조하는 데 유용할 것으로 판단된

다.

제 2 절 향후 계획

본 과제를 통해 확보된 금속불화염을 사용하지 않은 알루미늄계 합금 분말사출용

유기바인더시스템과 피드스탁 제조기술은 보다 환경친화적인 새로운 기술이다. 따라서

실험실적으로 개발된 본 기술을 현장적으로 적용하기 위한 보완 조사가 필요하다. 참

여기업과 공동으로 개발된 신기술을 적용함에 있어 공정 변수 및 사용 원료에 따른 영

향에 관해 보다 광범위하게 연구조사를 확대하여 본 기술에 대한 데이터 베이스를 구

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축하며 개발 기술의 현장 적용을 위한 노력을 지속할 예정이다.

앞서 언급되었지만, 싱가포르의 AMT사에서 세계에서 처음으로 알루미늄 합금 분

말사출성형 제품을 상용화한 분야는 마이크로프로세서 칩셋용 히트싱크 부품이다. 히

트싱크 분야에서는 매우 다양한 디자인으로 다양한 제품이 지속적으로 개발되고 있으

므로 분말사출성형기술의 특성상 박판 날개(fin)나 길이가 긴 핀 핀(pin fin)으로 설계

되는 제품의 생산에 있어서는 브레이징접합이나 마이크로 포징(microforging) 방법을

대체하는 데 한계가 있는 실정이다.

이에 따라, 분말사출성형기술로 제작하기에 적합한 알루미늄계 합금 부품으로는 재

질상 소성변형이나 절삭가공, 접합 등이 용이하지 않은 것을 대상으로 하는 것이 유리

할 것으로 판단된다. 난가공성으로 경량이면서도 우수한 열전도성이 요구되는 전자산

업의 방열부품 및 열관리부품 분야 또는 내마멸성이 요구되는 기계구조용 부품분야가

이에 해당될 것으로 판단되므로, 향후에는 이 분야에 대한 연구와 사업화를 모색할 계

획이다.

열관리 방열부품의 분야로는 마이크로프로세서 칩셋 방열판, 마이크로프로세서 리

드, 히트 파이프, 마이크웨이브 패키지, IGBT 등 전자산업분야에서 활용되고 있는 열

관리 방열부품 분야가 될 것으로 보인다. 이를 위해서는 열팽창계수가 큰 알루미늄의

단점을 보완할 수 있도록 열전도도는 양호하지만 열팽창계수가 작은 세라믹 분말이 첨

가된 복합재료의 형태로 제품을 제조하는 것이 유리하다. 마찬가지로 내마모 부품의

경우에도 내마멸성을 향상시킬 수 있는 경도가 높은 입자를 포함시키는 것이 유리하

다.

본 과제에서도 이미 탄화규소입자가 10 vol.% 까지 보강된 알루미늄계 합금의 분

말사출성형, 압출, 압축 몰딩에 의한 소결체 제조가 가능함을 보였다. 따라서, 앞으로

는 보다 많은 부피 분률로 세라믹 분말을 첨가하여 제조한 피드스탁을 이용한 소결체

제조기술에 관하여 분말 사출성형기술과 재질 특성 조사를 지속하고 관련 산업분야의

수요처를 발굴하고 제품화의 방안을 추진하고자 한다.

- 46 -

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표지최종보고서제출서 참여기업 최종보고서 제출내역 사업비 사용실적보고서 1. 과제별 비목집계 총괄표 2. 공동운영비 세부 집행내역 3. 과제별 세부 집행내역(과제별 작성)

개발결과의견서 최종보고요약서 (초록) 목 차 제 1 장 서론 제 1 절 연구 배경 제 2 절 선행 기술 제 3 절 과제의 목표

제 2 장 과제개발 내용 및 방법 제 1 절 개요 제 2 절 원료 금속분말의 준비 제 3 절 유기바인더 시스템의 개발 제 4 절 고상 충진률 결정 및 피드스탁 제조 제 5 절 사출 성형, 압출, 압축 몰딩 제 6 절 탈지 및 소결

제 3 장 사업성과 제 1 절 기술적 성과 제 2 절 경제적 성과 및 기타 성과

제 4 장 결론 제 1 절 결 론 제 2 절 향후 계획

참고 문헌