마이크로 PIM용 STS 316L 마이크로-나노 혼합분말 피드스톡의 최적 분말로딩율 결정에 관한 연구

Abstract

마이크로 분말사출성형은 자동차, 의료, 전자, 전기 산업 등에서 요구하는 실형상 마이크로 부품 제조에 적합한 최적기술이다. 전체 공정은 일반적인 분말사출성형 공정과 같다. 금속 및 세라믹 분말과 열가소성 바인더의 혼합, 사출성형, 바인더 제거를 위한 탈지공정 및 제품의 특성을 구현하는 소결공정으로 이루어져 있다. 특히 분말과 바인더의 혼합체인 피드스톡은 각 공정 및 최종부품의 특성을 결정짓는 가장 중요한 변수가 된다. 따라서 우수한 사출성형 특성을 위한 최적 피드스톡 설계가 필수적이다. 마이크로 분말을 이용한 일반적인 사출성형 기술은 고온고압 공정 조건으로 인해 부품의 낮은 치수정밀도 및 불균일한 미세구조를 야기한다. 이에 Lee 등은 마이크로-나노 혼합분말을 이용한 저점도 피드스톡을 제안하여 나노분말이 전 공정에 미치는 우수한 효과에 대하여 보고하였다. 본 연구에서는 STS 316L 4 μm 마이크로 분말과 100 nm 나노 분말을 혼합하여 제조한 피드스톡의 혼합거동 및 유변학거동, 열분해거동 분석을 통해서 최적 분말함량을 결정하고자 하였다. STS 316L 마이크로-나노 혼합분말 피드스톡은 분말함량에 따른 토크변화와 미세구조 분석을 통하여 혼합거동을 조사하였다. 혼합거동에서 얻은 결과 값을 토대로 분말함량에 따른 유변학 지표상수 분석을 통하여 유변학거동을 조사하였다. 또한 피드스톡 내 분말함량에 따른 탈지거동을 조사하였고 열분해에너지 변화와 미세구조 분석을 통하여 열분해거동을 평가하였다. 토크변화는 분말함량 증가에 따라 세 단계로 구분되어 나타났다. 1단계에서는 과잉의 바인더가 분말 간 거리를 높이고 낮은 혼합토크 값을 나타내었고, 2단계에서는 분말함량 증가에 따라 분말 간 거리가 가까워지며 혼합토크도 서서히 증가하는 거동을 보였다. 3단계에서는 피드스톡 내의 부족한 바인더로 인해 분말과 바인더의 분리 현상이 나타나고 이는 분말 간 직접적인 접촉 및 마찰력을 증가시켜 혼합토크의 평균값 및 편차가 급격하게 증가하였다. 토크거동 분석을 통해 임계 분말함량은 62-68 vol.% 조성 범위 (2단계)에 존재하는 것으로 판단하였으며, 유변학 지표상수는 분말함량에 따라 아래로 볼록한 포물선 거동을 보였고 기울기가 변하는 변곡점으로부터 임계 분말함량을 결정하였다. 66-68 vol.% 조성 범위에서 임계 분말함량이 존재하는 것으로 판단하였고, 특히 66 vol.% 분말함량 피드스톡은 가장 우수한 유동 특성을 나타내었다. 열분해거동은 분말함량 증가에 따라 세 단계로 구분되어 나타났다. 1단계에서는 분말 간 거리가 충분히 넓어 원활한 열분해가 이루어졌고 낮은 활성화에너지 값을 나타내었다. 3단계에서는 분말과 바인더의 분리현상으로 인해 생성된 기공구조가 바인더의 열분해 경로로 이용되어 낮은 활성화에너지 값을 나타냈었다. 반면 2단계에서는 분말 간 거리가 임계값보다 작아져 바인더의 기화 및 확산이 제한되고 높은 활성화에너지 값을 나타냈다. 열분해거동 분석을 통해 임계 분말함량은 66 vol.% 이하의 범위에 존재하는 것으로 판단하였다. 상기 세 가지 실험 결과를 통하여 마이크로-나노 혼합분말 피드스톡의 최적 분말함량은 66 vol.%로 결정하였다. 이렇게 제조된 피드스톡을 이용하여, 저온저압 분말사출성형 공정을 통해 실형상 부품을 생산하고 우수한 혼합균일성을 확인하였다. 결과적으로 마이크로-나노 혼합분말 피드스톡은 저온저압 분말사출성형기술에 적용이 가능하고 마이크로 부품 제조 기술에 새로운 가능성을 제시하였다.