다중입도 분포를 갖는 Micro-Nano 혼합분말의 성형 및 소결특성

Abstract

분말야금 분야에서 점점 미세한 분말을 사용하여 부품을 생산하려는 연구들이 진행되고 있다. 기존의 분말은 높은 성형성을 갖지만 소결 과정에서 조대 기공을 치밀화 할만한 충분한 구동력이 없고 상대적으로 큰 결정립 크기로 인해 기계적 특성에 한계가 있기 때문이다. 미세한 분말로 제조된 부품은 저온소결이 가능하고 높은 기계적 성질을 구현할 수 있는 소재로 주목받고 있다. 그러나 넓은 비표면적으로 인하여 응집을 형성하는 경향이 있고 분말 간 마찰력에 의하여 재배열이 어렵기 때문에 낮은 성형밀도를 야기하게 된다. 분말의 응집으로 인한 불균일한 기공분포로 인하여 소결 시 최종 소결밀도를 저하시키고 최종제품의 특성을 저하시키게 된다. 이러한 문제점으로 인하여 보통 분말사출성형 공정을 이용하거나 고에너지 공정을 이용하여 제한적으로 소결부품생산에 이용되고 있으나, 난성형성 미세분말의 성형성을 근본적으로 개선시키기 위한 방안은 보고되지 않았다. 본 연구는 고에너지의 공정을 사용하지 않고 기존의 난성형성 미세분말에 나노분말을 첨가하여 충진밀도의 개선만으로 건전한 성형체를 제조하고 소결효과를 확인하는 것을 목표로 한다. 트리모달 구조의 성형체를 제조하기 위해 먼저 바이모달 분포를 갖는 나노분말 응집체를 제조하였다. 고순도의 Fe2O3 분말을 2400r.p.m, 10시간의 조건으로 밀링하였으며 슬러리를 분무건조하여 구형의 응집체를 제조하였다. 구형의 Fe2O3분말을 관상로를 이용하여 500℃에서 수소환원하였다. 위 분말을 4㎛의 평균입도를 갖는 난성형성 Fe분말과 wet milling공정으로 혼합하였고 원활한 혼합과 대기 중 산화방지를 위해 스테아린산을 5vol% 첨가하였다. 성형 거동은 나노분말의 함량을 10-90%범위에서 10% 간격으로 혼합한 후 철계 PM공정에서 가장 보편적으로 사용되는 압력인 600Mpa의 압력으로 성형하여 파악하였으며 미세구조는 SEM을 이용하여 조사하였다. 최적 혼합비율을 파악한 후 상압소결하였으며 비교시편으로 마이크로 분말로 제조한 피드스톡으로 성형체를 제조하여 함께 소결실험을 진행하였다. 1℃에서 1000℃까지는 dilatometry를 이용하여 연속적으로 소결거동을 파악하였으며 그 이후에는 100℃ 간격으로 1250℃ 까지 승온 후 3시간 동안 시간을 유지하여 실험을 진행하였다. 결정립 크기와 치밀화 정도는 표면과 파단면을 SEM으로 관찰하여 조사하였다. 각 온도조건별로 입자 크기를 측정해서 밀도별로 비교하였고 트리모달 소결체와 마이크로 소결체의 최종 길이를 측정하여 선 수축률을 비교하였다. 순환식 볼 밀링 후 분무건조 결과 20-50nm의 입자크기를 지닌 5㎛이하 크기의 구형 응집체를 얻을 수 있었다. 500℃에서 수소환원 시 응집체 내부에서 환원과 입성장이 일어나 입자들과 기공이 성장하였고 바이모달 분포를 나타내었다. 바이모달 분포를 같는 구형의 Fe분말을 마이크로 분말과 혼합하였고 성형실험 결과 상용성형압력인 600MPa에서 마이크로분말과 나노분말의 혼합비가 70:30vol%일 때 최대 71%T.D의 성형밀도를 나타내었다. 나노분말이 10% 이내로 첨가되었을 때에는 성형체에 결함이 발생하였으며 이는 마이크로 분말의 탄성과 미세한 크기로 인한 불규칙한 응집에 의한 결과라 판단된다. 소결실험 결과 트리모달 분말이 마이크로 분말에 비해 더 낮은 온도에서 치밀화가 진행되었고 1250℃에서 3시간 열처리 후 약 97%T.D.의 밀도를 나타냄으로써 완전치밀화에 가까운 소결밀도를 얻을 수 있었다. 이러한 결과는 효율적인 충진구조에 의한 성형밀도의 향상과 함께 첨가된 나노분말의 높은 소결성으로 인한 효과라 판단된다. 트리모달 분말과 마이크로 분말의 소결체의 미세구조를 각 온도 조건별로 관찰하고 밀도에 따른 결정립 크기를 비교해 본 결과 단일 입자에 비해 다중입도 분포의 구조가 소결시 입성장 억제 효과가 있음을 확인하였다. 본 연구결과로부터 나노분말을 이용하여 미세분말의 충진구조를 조절함으로써 난성형성 미세분말의 성형성을 개선시킬 수 있고 이로인한 소결시 밀도상승과 향상된 치수안정성 및 입성장 억제효과를 확인할 수 있었다. 이 결과는 PM공정에서 난성형성 미세분말을 이용하여 실형상 부품을 제조할 수 있는 기초자료를 제공할 것이다.