Fe-Ni 나노분말을 이용하여 제조된 사출성형체의 소결 거동 및 기계적 특성

Abstract

탁월한 기계적 특성을 갖는 나노재료의 산업적인 적용여부는 나노분말의 다양한 형태의 성형과 치밀화 정도에 크게 좌우된다. 최근 3차원 복잡형상의 부품에 나노분말을 적용하기 위해 분말사출성형(Powder Injection Molding)공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 나노분말은 응집체를 형성하려는 경향이 강하고, 응집체를 형성하는 나노분말은 성형체내의 불균일한 기공분포로 인해 소결성이 저하된다. 결과적으로 미세한 결정립의 건전한 형상을 갖는 부품을 제조하기 위해서는 금속나노분말의 미세구조를 제어하고, 소결과정에서 완전치밀화가 일어나도록 미세구조를 제어해야 하는 문제가 제기된다. 따라서 본 연구에서는 수소환원된 Fe-8wt%Ni 나노분말의 응집체 크기와 분포를 조절하여 최적의 피드스톡을 제조하고, 이를 이용하여 3차원 형상의 부품을 사출성형공정으로 제조하고자 하였다. 또한 후속공정조건의 최적화를 통해 제조된 실형상 부품의 완전치밀화 거동과 기계적 특성을 미세구조 관점에서 조사하고자 하였다. 본 연구에서 사용된 평균 100 nm 크기의 Fe-8wt%Ni 나노합금분말은 초기 20∼30 mm 크기의 응집체를 형성하고 있었지만, 습식밀링을 통해 응집체 크기를 분쇄 및 분산시킨 결과 0.5∼10 mm 크기로 조절할 수 있었다. 이렇게 응집체의 크기와 분포를 조절한 분말을 이용하여 최적의 피드스톡을 제조하였으며, 사출성형을 실시한 결과 분쇄된 응집체가 응집체 사이의 기공을 채워 성형체 내에 잔류하는 기공을 감소시켰다. 이를 통해 소결시 쉽게 치밀화를 얻을 수 있는 사출성형체를 건전한 형상으로 제조하였다. 사출성형체의 탈지조건은 열분석과 실시간 가스분석을 이용하여 최적화하고자 하였다. 분석결과 무게감소와 가스방출이 활발한 구간을 조사하였으며, 탈지시 승온속도에 따른 미세구조를 관찰하여 탈지공정을 최적화하였다. 탈지체의 미세구조 관찰결과 52%의 낮은 밀도에도 불구하고 결함이 없는 균일한 파면구조를 보였다. 이와 같은 탈지체는 균일한 미세구조로 인해 상압소결 만으로도 98%의 치밀화가 가능하였다. 소결 후의 표면조도는 상용분말 시편보다 10배 이상 건전하게 관찰되었으며, 우수한 등방수축거동을 나타냈다. 700℃∼900℃의 온도범위에서 시간별 등온소결을 실시하여 입성장 억제와 동시에 치밀화거동을 살펴보았다. 700℃에서 등온소결을 진행한 결과 소결체의 결정립 크기는 500 nm 이하였으며, 95%의 치밀화를 나타내었다. 그러나 800℃이상의 온도범위에서 치밀화를 실시한 결과 치밀화 속도가 감소되는 것을 알 수 있었으며, 이는 750℃ 이상의 온도에서 상변화에 따른 체적확산도의 변화로 인해 나타난 결과였다. 치밀화된 소결체는 EBSD 분석결과 응집체 계면과 응집체 계면 내부의 나노결정립으로 형성되어 있음을 알 수 있었다. 또한 소결체 내의 상분포를 분석한 결과 페라이트(a상)와 오스테나이트(g상)가 혼재되어 있는 것으로 관찰되었으며, g상은 a상과 a상 사이의 계면과 삼중점에서 관찰되었다. Fe-8wt%Ni 나노합금분말을 이용하여 사출성형된 소결체의 기계적 특성은 경도시험과 압축시험, 연속압입시험을 이용하여 조사하였다. 소결체의 기계적 특성을 관찰한 결과 경도 및 인장강도, 항복강도는 소결이 진행됨에 따라 치밀화와 입성장에 영향을 받는 것으로 판단되었다. 치밀도가 낮은 시편의 경우 결정립의 크기가 미세함에도 불구하고 기계적 특성이 낮았으나, 소결온도 및 시간이 증가됨에 따라 입성장의 영향보다 치밀도에 더 영향을 받아 기계적 특성이 증가되었다. 즉, 균일하고 미세한 결정립을 갖는 Fe-8wt%Ni 나노합금분말 소결체는 일반 상용부품보다 2배 이상의 우수한 기계적 특성을 나타내었다.; Development of nanoparticulate materials technology is essential to processing of highly functional nanoparticulate materials and components with small and complex shape. In this paper, we investigated on the processing of net-shaped nanocrystalline Fe-8wt%Ni powder and related material properties such as mechanical property. The key-processing concept is the synthesis of nanopowders feedstock and subsequent consolidation with controlled microstructure by using powder injection moldidng (PIM) process. Especially, the pressureless sintering process is inevitable for consolidation of the PIMed nanopowder. we focused on the densification process and related mechanical property of the PIMed Fe-Ni nanopowder in association with microstructural evolution. Fe-8wt%Ni nanopowder was prepared by reduction of ball-milled oxide powders in a controlled hydrogen atmosphere and agglomerate with average size of about 30 mm composed of nanoalloy particles of about 100 nm in size were formed. In the compacts of agglomerate nanopowder, a difficult-to-sinter bimodal pore distribution, which is due to the coexistence of intra- and inter-agglomerate pores, leads to incomplete densification. Therefore, the large inter-agglomerate pores should be minimized by using different process which can control the agglomerate size and distribution. In order to control the agglomerate size and distribution method were suggested. Control method is wet milling of as reduced nanopowder and binder in dispersant containing solution. After wet-milling, Fe-8wt%Ni nano agglomerate powder has a size distribution of 0.5 to 10 mm representing much finer and more homogeneous state than the as-reduced powder. The Fe-8wt%Ni nanopowder feedstock prepared with the wet-milled powder was injection molded at 120℃. Debinding of the PIMed part was done by meltwicking and thermal decomposition in hydrogen atmosphere with a heating rate of 2℃/min up to 500℃ and subsequently sintered with a heating rate of 10℃/min up to 1000℃ and isothermally at 700 to 900℃ for various time. The brown part after debinding represents a very homogeneous and uniform microstructure with having no remarkable micron size large pores, even despite its high porosity of 48%. Such uniform and homogeneous microstructure of the brown part can be mainly owing to the agglomerate size control process that has been performed during wet-milling process. After sintering, the sintered part shows near full densified microstructure having apparently no porosity (98%T.D.) and average grain size is about 1 mm. From the microstructural point of view, such full densification process is believed to result from the uniformity and homogeneity in powder structure of the brown part which is characteristic of only nano-sized powder and intra-agglomerate pores. It was found that remarkable sintering effect occurred in the PIMed Fe-8wt%Ni nanopowder sintered at 700℃ far below conventional sintering temperature from 52% to 95%T.D. of the 4h sintering. Owing to low sintering temperature, the grain growth could be controlled as low as possible less than 500 nm in average size. With the control of the agglomerate size of the Fe-8wt%Ni nanopowder, the full density of Fe-8wt%Ni nanopowder can be obtained through a pressureless sintering process while suppressing grain growth. This result is basically caused from the uniformity of the microstructure of compact parts and the increase in the voulme fraction of inter-agglomerate boundary, which acts as a rapid diffusion path during the sintering process. In addition, it is interesting that the traces of inter-agglomerate boundary are observed on the etched surface of the sintered specimen at above 800℃ by EBSD. Namely, the sintered part of agglomerated nanopowder consists of micron sized agglomerate boundary and nano-sized grain boundary. It is recalled that densification process in Fe-8wt%Ni nanopowder proceeds by diffusion process mostly along those two high diffusivity paths of agglomerate and nano grain boundaries. The g phase is found to nucleate preferentially at a/a grain boundaries and grain boundary triple junctions. The mechanical properties measured for various sintering time and temperature by Vickers hardness test, compressive test, and continuous indentation test. The mechanical properties had a tendency to increased as the porosity decrease. However, the mechanical properties of Fe-8wt%Ni PIMed nanopowders was more than two times higher than that of conventional PIMed part by grain refinement effect. The optimization of agglomerate size and distribution control of nanopowder is a breakthrough for processing net-shaped nanoparticulate materials. These results provide us with a promising application of the Fe-Ni nanopowder to the high strength net shaped powder materials for structural parts.