금속 나노분말의 응집체 크기 제어를 통한 완전치밀화에 관한 연구

Abstract

최근 분말야금 공정에서 나노분말의 우수한 소결특성을 이용하여 상압소결을 통해 완전치밀화된 제품을 생산하려는 연구들이 진행되고 있다. 그러나 나노분말의 경우 응집체를 형성하려는 경향이 강하여 소결밀도를 저하시키고 불균일한 미세구조를 야기하며 최종제품의 특성을 저하시킨다. 최근 연구보고에 의하면 나노분말의 응집체 크기조절을 통해 균일한 기공분포를 유도하여 완전치밀화에 도달할 수 있다는 연구결과가 보고되었다. 또한 응집체 크기가 조절된 나노재료내에서 응집체 계면은 고확산 경로로 작용하여 응집체 계면을 통한 원자확산이 소결치밀화를 주도한다고 발표되었다. 따라서 본 연구에서는 이러한 응집체 계면이 소결치밀화에 미치는 영향을 정량적으로 해석하고자 하였다. 이를위해 Fe, Fe-40wt%Ni 나노분말의 응집체 크기를 달리하여 승온소결, 등온소결을 통해 소결 활성화 에너지를 측정하였으며 확산 수식을 이용해 계산된 값과 비교하여 응집체 크기와 소결 활성화 에너지와의 상관관계를 조사하였다. 5 ㎛와 500 ㎛ 응집체 크기로 분류된 Fe 나노분말을 1250 MPa로 성형하여 2~20℃의 승온속도로 950℃까지 승온소결하였고 치밀화 거동으로부터 활성화 에너지를 구하였다. 응집체 크기가 5 ㎛인 Fe 나노분말의 경우 118~150 kJ/mol, 500 ㎛는 125~163 kJ/mol의 겉보기 소결 활성화 에너지를 나타냈다. 또한, Fe-40wt%Ni 나노합금분말을 589~648℃ 온도에서 1~120 분간 등온소결한 결과로부터 응집체의 크기가 5 ㎛, 500 ㎛인 경우 소결 활성화 에너지()는 각각 246 kJ/mol, 271 kJ/mol였다. 실험 결과로부터 고확산 경로(응집체 계면)가 더 많이 존재하는 5 ㎛ 응집체의 소결 활성화 에너지가 더 낮은 값을 나타내고 응집체 계면을 통한 원자확산이 소결 치밀화를 주도하는 것을 확인하였다. 확산 수식을 이용해 계산된 유효 활성화 에너지 는 164 kJ/mol, 186 kJ/mol이며 이를 등온소결 결과와 비교하면 5 ㎛ 응집체의 값이 500 ㎛ 응집체 값의 약 90±2%에 해당하는 값을 나타냈다. 본 연구결과로부터 응집체 크기가 작아지면 응집체 계면의 비가 증가하고 상대적으로 나노 계면의 비가 줄어들어 크기가 큰 응집체보다 유리한 확산 경로를 지니게 된다는 점을 확인할 수 있었으며, 이러한 응집체 계면은 고확산 경로로 작용하고 응집체 계면을 통한 원자확산이 소결치밀화를 주도한다는 것을 확인하였다. 또한, 응집체 계면의 비에 따른 소결 활성화 에너지 값을 얻을 수 있었다. 이러한 결과는 응집된 나노분말의 완전치밀화 거동을 이해하기위한 기초자료로 활용 가능하며 나아가 상압소결을 통한 나노분말의 소결 치밀화 공정에 응용되어질 수 있다.; Recently, it has being investigated that a study on the full densification process of nanopowder through powder metallurgy process. Nanopowders have a strong tendency to form agglomerates for reducing surface area. This agglomerates cause inhomogeneous porosity in a green compact, including large pores that persist in sintered body, preventing full density from being achieved. To solve this problem, the process of controlling agglomerate size and distribution was suggested. The compacted part of size-controlled agglomerates has homogeneous pore size distribution and easily reaches near full density. To understand the densification process of agglomerated nanopowder, the effect of two kinds of boundary (agglomerate- and nano-grain boundaries) on sintering behavior has to be understood. Especially, agglomerate boundaries play a decisive role by high diffusion path in densification process, so it needs investigation for the effect of agglomerate boundaries on sintering behavior. This study was undertaken to examine in some detail the role of agglomerate boundaries in sintering kinetics and microstructure development. Fe and Fe-40wt%Ni nanopowder was prepared by ball milling and hydrogen reduction process. Nanopowder was classified into 5 ㎛, 500 ㎛size of agglomerates consisting of naopowder in size of 100 ㎚. The prepared nanopowder was compacted in pressure of 1250 MPa and Fe, Fe-40wt%Ni nanopowder was relatively sintered at nonisothermal and isothermal temperature to obtain apparent sintering activation energy. Furthermore, effective activation energy for densification of different agglomerate size was calculated with diffusion data. These calculated values were compared with the values obtained from experiments and the effect of agglomerates on sintering behavior was evaluated. From the result of nonisothermal sintering, in the case of 5 ㎛ of agglomerate size, apparent sintering activation energy had a range from 118 to 150 kJ/mol and in the case of 500 ㎛, it was 125~163 kJ/mol. It was confirmed that the increase in the fraction of inter-agglomerate boundaries, which operates as a higher diffusion path for consolidation with lower diffusion activation energy, the densification process progressed more easily. In the result of isothermal sintering, 5 ㎛ and 500 ㎛ agglomerates respectively showed 246 kJ/mol and 271 kJ/mol as sintering activation energy. Calculated effective sintering activation energy was 163.75 kJ/mol in agglomerate size of 5 ㎛ and 186.38 kJ/mol in agglomerate size of 500 ㎛ with particle size of 100 ㎚. There are 80 kJ/mol differences between calculated values and experimental values but, the percents of the value of 5 ㎛ agglomerates to the value of 500 ㎛ agglomerates were 90±2% in both results. From this result, it was found that the value of sintering activation energy is affected by the ratio of agglomerate boundaries. From the microstructure observation, the size of agglomerates was stationary, on the other side; the size of nano grain was increased due to grin growth. In conclusion, it is expected that the small size agglomerate sample (5 ㎛) requires lower activation energy for sintering of nanopowders in the agglomerate compared to the large agglomerate sample (500 ㎛). This is because the agglomerate boundaries, high diffusion path, provide enhanced diffusion paths for atomic diffuison during sintering densification.