기계화학적 공정으로 제조된 Mo 나노분말의 Two-step 소결 거동에 관한 연구

Abstract

최근 나노 기술에 대한 중요성이 부각되면서 내열재료 분야에서도 나노분말 재료와 벌크 나노 재료에 대한 연구가 활발히 수행되고 있으나 나노분말은 제조과정의 어려움과 소결시 수반되는 입자성장으로 인해 나노 크기의 결정립을 가지는 벌크 재료를 제조하는데 한계가 있다. 이에 나노 벌크재료 및 submicrometer(d < 1μm)의 결정립을 가지는 초미세 결정립 재료(Ultra Fine Grained Materials, UFG)의 제조에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 2610℃의 높은 융점을 가지는 고온 고강도 재료인 몰리브데늄(Mo)은 고출력 스퍼터타겟 재료 및 성형작약탄의 라이너 재료 등에 사용되고 있다. 기술의 발달과 더불어 내열재료 분야에서도 고온 고강도 특성이 요구 되면서 나노 혹은 초미세 결정립 재료의 제조를 위한 많은 연구가 이루어지고 있으나 Mo의 난소결성과 나노분말의 저온 입자성장으로 인해 초미세 결정립 재료의 제조에 대한 성과는 미진한 상태이다. 이에 본 연구는 기계화학적공정(Mechanochemical Process, MCP)을 이용하여 Mo nanopowder를 제조하고 Two-step sintering을 통하여 초미세 결정립 재료를 제조하는 실험을 진행하였다. 본 실험에서는 미세한 나노구조 Mo 분말을 제조하기 위해 MoO₃ 분말을 20 h 동안 400rpm의 고에너지로 볼밀링하였다. 그 결과 결정립 크기가 약 15~20nm 정도인 매우 미세한 크기의 MoO₃ 분말을 얻었으며 이렇게 제조된 밀링 분말을 800℃에서 수소환원하여 순수한 Mo 분말을 얻고 SEM을 통해 100nm 크기를 갖는 매우 균일한 형태의 Mo 입자임을 확인했다. 제조된 Mo nanopowder를 1400℃에서 소결하여 94%의 소결밀도를 얻었다. 그리고 dilatometric 분석을 통해서 소결시 활성화에너지를 계산한 결과 100.5KJ/mol 의 값을 얻을 수 있었다. 등온소결에 의해 측정된 입자성장의 활성화에너지는 215.4KJ/mol 로 계산 되었다. 이러한 결과를 바탕으로 T₁ 온도를 1050℃, T₂온도를 950℃로 20 h 동안 Two-step sintering을 실시한 결과 90%의 소결 밀도, 500 nm의 입자크기, 그리고 3.15 GPa의 경도값을 얻었다. 반면 일반적인 상압소결로 1300℃에서 유지시간 없이 소결한 시편은 동일한 90%의 소결밀도와 1μm의 결정립크기 그리고 2.43 GPa의 경도값을 보였다. 이러한 결과를 통해 Two-step sintering을 통한 소결조건 제어를 통해 입자성장이 억제된 초미세 결정립 재료의 제조가 가능함을 확인할 수 있었다.