제5장완전밀도 (full densification...

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국가지정연구실2차(본)평가

제5장 완전밀도(Full densification Process)

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목표

• 제5장 완전 밀도를 위한 열간 공정

– General

– 열간 압축(Hot Pressing)

– 열간 등압 성형(Hot Isostatic Pressing)

– 열간 압출(Hot Extrusion)

– 분말 단조(Powder Forging)

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분말야금

• 전통적인 분말야금(2단계)

– 상온에서 성형 및 형상화

– 소결 공정

• 분말 고온성형(단일공정)

– 단축 열간압축

– 열간등압

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조밀화 공정

• 기본 개념

– 기공(pore) 존재 시• 특성 감쇄: 기계적, 열적·전기적 특성 떨어짐

• 완전 기공 제어의 어려움(분말의 최대 약점)

• 기공제거 및 형상 제어 위한 추가 공정

→ 공정 추가로 경제성 떨어짐

→ 특성과 경제성 균형 고려해야 함

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• 고상소결(Solid-state sintering)– 용융점 이하에서 고상확산만으로 조밀화(앞장에서 학습함)

– 고상소결로 완전 조밀화는 용이하지 않음

• 액상소결(Liquid phase sintering) – 액상의 출현으로 고밀도/완전 조밀화 가능(앞장에서 학습함)

– 예) W-Ni-Fe, WC-Co, Co5Sm, HSS. etc

소결공정 기술

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용침법(Infiltration process)

• 다공성의 고상 성형체에 액상을 침투시켜 완전 조밀화된분말제품을 얻는 공정– 액상의 고상 내 완전 wetting이 필요

– 액상의 모세관력 이용, 즉, capillary force ㅿP

where θ : contact angle

d : pore size

– 과정

Infiltration → fill pore → densification

– 용침은 액상이 다공체 고상 성형체의 한쪽 방향에서 시작하여 일정한 방향으로 침투해가면서 이루어짐

– 큰 기공은 액상 채움이 어렵고, 폐기공(closed pore)는 액상 침투 불가능-조밀화 어려움

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• 고온에서 양단 압축 성형 실시

• 성형 Die 재료– 흑연(graphite)

• 일반적으로 사용, 가격 저렴, 가공성이 좋고 고온강도 大

• 1500℃ 이상에서는 흑연 금형을 대부분 사용

• 진공이나 중성 분위기에서 사용

• 압력 제한

(몰드의 강도 : 일반 흑연 70 MPa, fiber 보강 흑연 550 MPa)

열간압축(Hot Pressing)

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• WC-Co 등 초경재료 mold– 고온/고압 압축 시 사용

• 세라믹 mold– 흑연과 반응하는 분말 사용시 사용

Hot press 개략도

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국가지정연구실2차(본)평가열간성형의 장단점

• 장점a) 결정립 성장 억제 등 미세구조 제어 가능

b) diffusion bonding 등에도 응용가능

c) 소결 첨가제의 양 최소화

• 단점a) 가압 방향에 따라 소결체의 물성이 방향성을 나타냄

b) 장비가 고가이며 연속생산에 어려움 (낮은 생산성)

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열간정수압성형(Hot Isostatic Pressing: HIP)

• 분말 또는 성형체에 모든 방향에서 동일압력 (정수압)을 가함

• 압력의 이방성을 최대한 억제하며 가열하여 내부 밀도가 균일한 소결체를 제조하는 방법

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국가지정연구실2차(본)평가열간정수압성형

• 장점a) 성형체 크기 제한이 없음 (챔버 내 용적에 의존)

b) 균일한 압력전달로 잔류 closed pore 및 미세균열 제거가 가능하여 -> 내부결함 최소화

c) 강도와 신뢰성 향상

d) 전 방향에 균일한 가압으로 미세구조의 방향성 발달 억제

e) 높은 성형밀도 (200-400 MPa의 높은 가압력), 최대 2000℃ 가능

f) L/D (length to diameter) ratio가 큰 성형 소결체도 쉽게 제조 가능함

g) 중간이 오목한 제품 및 복잡한 제품의 대량 생산 가능

– 공구강, 초내열합금, 알루미나, 세라믹 절삭공구 등의 제조

– 고온금속이나 세라믹과 같이 취성이 커서 냉간 성형으로는 충분한 밀도와 강도를 얻을 수 없는 분말

– 성형이 쉬운 분말이라도 기공이 없는 부품의 제조

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• 단점a) 성형 시 압력이 가해지는 모든 면이 내부의 중심점을 향하기 때문에 제조 가능한 형상에 제한

b) 고온에서 금속분말의 산화

• 불활성 분위기, 장시간, 많은 경비

c) 고운 유지를 위한 다이와 펀치 재료에 제한

• 500oC : 초내열 합금, 초경합금

• 1000oC 이상 : 흑연, 산화물 등의 고온화합물

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국가지정연구실2차(본)평가분말단조(Powder Forging)

• 정의

– 분말야금 공정과 정밀단조 공정의 조합으로 이루어짐

• 공정단계

① 예비 성형품 제조 → ② 성형품 압축 → ③ 소결 → ④ 정밀단조 → ⑤기계가공

분말 단조 공정도: 분말 합성에서 최종 단조까지 공정

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국가지정연구실2차(본)평가장점과 단점

• 제품 단가 ↑

• 후 정밀가공 필요 없음

• 고밀도/고강도 제조 가능

<분말단조에 의한 커넥팅 로드 제조>

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• 분말단조의 기계적 성질

– 연성 감소

– 높은 강도

– 동적인 기계적 성질은 단련제품에 비해 월등히 우수

• 불순물의 존재

– 기계적 성질에 크게 영향• 예비성형체의 산화

• 기공에 들어간 불순물

• 다이의 윤활제 등

조건 경도(HRC)

항복강도(Mpa)

연신율(%)

Forged bar stock 27 680 23

Forged powder 35 970 16

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• 단조품의 특성

– 불순물의 크기와 성분

– 불순물의 수

완전밀도를 갖는 단조처리된 4340 강의충격인성에 관한 산화 개재물의 영향

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국가지정연구실2차(본)평가분말압출(Powder Extrusion)

• 금속분말을 일정한 용기 내에 canning한 후 상온 또는고온에서 일정 모양의 금형 다이에 압출하여 고밀도 판재나 봉재를 얻는 기술

• 장점a) 주조 등에 의해 제조가 곤란하거나 불가능한 재료에 적용 가능

b) 조직의 미세화 및 편석의 최소화에 의한 특성 개선

c) 기지상과 분산상 입자의 압출에 의한 복합재료 제조 가능

d) 압출온도 및 속도의 선택 범위가 넓으며 후속의 열처리를 통해특성 제어 가능

* 분말 성형 부분 참조

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• 공정단계① 모합금 제조 → ② 분말제조

→ ③ 금속분말의 성형 혹은 캐닝 (Canning) → ④ 탈가스(degassing) → ⑤ 압출 (extrusion) → ⑥ 최종 가공

• 분말압출 제품의 특징a) 성형체의 밀도가 매우 높음

b) 압출방향으로 미세조직의 이방성 발생

c) 압출비에 따라 성형체 밀도가 결정

d) 압출다이의 불량 시에는 표면 결함이 발생함으로 최적의 압출설계가 요구

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<분말 압출 공정도>

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국가지정연구실2차(본)평가열간압출(Hot Extrusion)

• 압출 성형법– 압출공정을 이용하여 분말로부터 직접 반제품의 금속재를 얻는

방법

– Al, Cu 분말

– 압출되는 금속분말의 종류에 따라 압출온도 결정

• 저융점 금속 – 상온 압출

• 고융점 금속 – 고온 압출

알루미늄 분말의 압출성형 예(1: 다이 지지대, 2: 다이, 3: 알루미늄 판, 4, 강재용기, 5: 강재 압력 전달 판, 6: 압축 램, 7: 출구, 8: 알루미늄 분말)

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국가지정연구실2차(본)평가열간압출(Hot Extrusion)

• 기계적 합금화법으로 제조한 Al-Nb, Al-Ti 분말을 이용한 금속기지 복합재료의 제조– 400oC 압출 성형

– 우수한 기계적 특성의 복합재료 제조

• 분위기에 민감한 금속분말– 진공 밀봉 후 압출

• 거의 완전한 밀도의 제품– 주조재나 단조재보다 편석이나 결정립 성장 방지가 가능

– 기계적 성질이 우수

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• 분말사출법(분말야금법 + 사출법)혼합(금속분말 + 결합제 + 윤활제 + 고형제 + etc) 압출 성형 첨가제 연소 혹은 증발

• 경도가 커 성형하기 어려운 세라믹에 주로 이용

• 금속분말사출(MIM: Metal Injection Molding)

열간압출(Hot Extrusion)

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스프레이 포밍(Spay Forming)

• 분말제조와 동시에 플라즈마 토치로 액상화하여 제품형상의 프리폼에 고밀도로 도포하여 제품을 제조

• 공정순서:분말 장입 후 플라즈마 가열

->프리폼에 액상상태로 도포

->반복도포

->최종적으로 실형상화에 의한

제품화

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Spray forming의 특징• 분말용해를 위한 열전달 특성이 매우 중요함

• 미세 분말일수록 스프레이 포밍이 유리하며 최적의 크기는 40～80 ㎛

• 초 미세 분말은 자체 응집과 증발이 되므로 유리하지 않음

• 분말제조와 최종 제품화를 동시에 진행하고 대량생산 가능 (경제성확보)

• 응용 가능 제품

– 방식 특성을 갖는 분말코팅 제품이나 열차단 기능의 코팅제품에 적용가능

– 얇은 두께의 튜브제작에 적용할 수 있음

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자전 고온합성 소결

• SHS (Self-propagating High Temperature Sintering)– 고 융점 무기화합물 또는 금속간화합물을 구성하는 원소 간에 화

학반응이 진행될 때 발생하는 발열반응열을 이용하여 원료상태에서 반응을 자기 전파시킴과 동시에 잉여 반응열을 조밀화에 이용하여 소결체로 제조하는 기술

– TiC 합성에 대한 자전 고온합성 소결의 개략도로서, Ti 및 C 원소의 화학반응에 의하여 생성된 반응열로 최종 소결체가 제조되는과정을 나타냄

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• 반응속도가 극히 빠르고 외부에서 에너지를 거의 가하지 않더라도고융점 화합물을 제조할 수 있는 장점이 있어 탄화물, 붕화물, 질화물의 제조 등에 응용

• 반응속도의 제어가 어렵고 완전 조밀체를 얻기가 어려워 고온 가압소결 등의 공정적용이 요구

고온 자전합성법을 이용한 TiC 제조의 개략도

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국가지정연구실2차(본)평가방전플라즈마 소결(SPS)

• Spark Plasma Sintering, SPS

• SPS는 펄스전원에 의한 분말입자간 방전, 자기발열작용 및 가압력에 의한 치밀화를 이용하여 짧은 시간(수초-수분 사이) 내에 소결을완료하는 공정

• 통상적인 소결방법에 비해 소결 시간이 짧고, 소결 공정이 간단하여높은 에너지효율과 소결 중의 결정립 성장을 억제할 수 있는 장점

• SPS 장치 구성

– 1) 고전류 인가부분

– 2) 고압 성형부분

– 3) 압축다이 및 펀치부

– 4) 전압 및 압력 조정 패널부

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<SPS 장비모양>

<SPS 장비 내 챔버의 개략도>

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SPS 소결의 특징

1. 분말 접촉 부에서의 오염층의 표면 청정화 작용

2. 분말/산화피막 계면에서의 용융 및 기화에 의한 목 형성

3. 목형성부에서의 전류와 발열의 집중에 의한 목성장의 촉진

4. 전계확산 효과

5. 가압에 의한 소성변형

6. 급속 승온

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<SPS 소결 시 분말들 사이에서 발생하는저항 발열, 플라즈마 방전등에 의한 표면정화 효과 모식도>

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SPS 소결의 응용

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Q1. Full densification을 위한 신 공정을 기술하시오.

Q2. Hot press와 SPS 공정의 차이를 설명하면?

Q3. 나노분말 소결에 적합한 소결 공정은 ?