제2장 분말야금의공정요소(2) -...

Dept. of Metallurgy and Materials Engineering1

국가지정연구실2차(본)평가

제 2장분말야금의 공정 요소(2)



Review

• 제2장 분말야금의 공정– 2.1 금속분말의 제조

• 물리적 방법

– 분무법

» Gas Atomization

» Water atomization

» 원심 분무법

» 진공 분무법(용해가스법)

• 화학적 방법

– 고체환원법

– 전기분해법

– 열적 분해법

• 기계적 방법

– 기계적 분쇄법

– 볼밀법

– Coldstream Process

• 기타의 제조법

– 환원법

– 석출법



목표

• 제2장 분말야금의 공정

– 2.2 금속분말의 특성• 분말의 크기 및 크기분포

• 분말의 모양과 비표면적

• 겉보기 밀도와 충진 밀도

• 유동율

• 압축성



2.2 금속분말의 특성

• 원료 분말의 물리적, 화학적 특성 소결제품의 특성 결정• 입자크기

• 입도분포

• 분말형상

• 구조

• 분말의 유동성(flow rate or flowability)

• 겉보기 밀도(apparent density)

• 압축능(compactibility or compressibility)

• 압축비(compression rate)

• 성형강도(green density)

• 소결동안의 부피변화

금속 분말의 거동 결정(분말야금공정에서의 거동 예측 불가)

금속 분말의 거동 및 최종 특성예측


국가지정연구실2차(본)평가2.2 금속분말의 특성

• 분말의 특성 및 검사법- 기본 특성

: 물리적 특성분말 크기(size), 모양(morphology), 구조(structure)

: 화학적 특성조성(Composition), 불순물 함량(impurity contents)

- 부가적 특성: 비표면적(Specific surface area): 겉보기밀도(apparent density): 유동도(flow ability)



• 분말 모양의 중요성

- 모양의 중요성 : 성형성, 소결성 결정

Ex) 작고 불규칙한 분말• 높은 비표면적

• 소결성 우수

• 성형성 부족(자동화에 불리)




• 분말의 모양 구분- 1차원적 모양: 가늘고 긴 형태-바늘, 막대형: 화학적 방법, 기계적 방법으로 제조

- 2차원적 모양: 판상의 작은 모양(두께가 얇은 분말)-Flake 분말: 기계적, 전해법으로 제조

- 3차원적 모양: 3차원적 형태 - 불규칙한 모양, 구형 모양• 구형 - 분사법, 카보닐법• 둥근각형 - 분사법, 화학분해• 불규칙형 - 분사법, 화학분해• 다공성 - 산화물 환원




• 구분에 따른 형태



Q. 다음 분말의 형상을 구분하면?




• 물리적 특성과 측정법

- 분말크기 : 대부분 구형입자라고 가정하고 크기 판단크기는 같으나 모양이 달라 표면적이 다름 충진율이 달라짐

모양은 다르나 같은 크기를 가지는 분말



• 물리적 특성 : 입도분포- 입도분포 : 통상 log-normal 그래프로 표시

누적(Cumulative percentage)은 입도크기를측정할 때 사용 : d50%에서 평균입도 결정

입도분포 및 누적분포



• 물리적 특성 : 입도분포

- 입도분포 : 대부분 정규분포를 가지나 비정규 분포를 가지는경우도 많음normal distributionbimodal distribution : 2중 피크를 가짐

분말입도 분포도


국가지정연구실2차(본)평가분말 크기 분포

• 입도 분포– 입자 크기와 그 크기를 갖는 입자들의

무게 분율의 그래프

여러 형태의 입도 분포 그래프

막대 형태의 입도 분포 그래프

이산(discrete) 입도 분포그래프

누적 입도 분포 그래프



• 물리적 특성 : 입도분포- 분말의 충진도 : 최대 74%- 혼합분말 사용 시 충진도 증가



분말 크기

• 분말야금의 공정과 최종 제품의 특성에 매우 중용한 영향

• 적절한 금속분말의 크기– 0.1~100m

• 입자의 크기 결정– 구형의 경우 – 직선적인 차원(직경)

– 그 외의 경우 – 간접적인 방법

• 측정방법– 침전법, 비탁법(turbidimetry, light

attenuation), 투과법(Fisher sub-sieve sizer), 세광법(Roller analyzer), 표면흡착법(BET), 전기분해 저항법(Coulter counter), 체분류법(sieving method) 등

(입자 크기의 스펙트럼)



분말 크기 및 크기 분포

• 가압 성형체와 최종 소결체 성질– 입자 상호간의 접촉 면적에 의존 입자 크기와 형태에 의존

• 입자 크기의 영향– W, Al2O3 등 경하고 취약한 분말

의 성형• 작은 크기의 미세한 입자

• 증가된 입자 상호간의 마찰력 입자상호간 접착(adhesion)을 유지

– 미세한 분말• 입자간 접촉 면적 大 소결성 • 큰 성형체에서 균일한 가압성형 밀도

– 조대한 분말• 균일한 치밀화

• 접촉 면적 小

• 더딘 소결 거동

• 커다란 기공

• 기계적 성질 저조

• 입도 및 입도 분포

– 측정방법에 따라 다른 입도

– 체분류(sieving)법• 표준체 눈의 간격

– 현미경 분석• 입자 직경의 평균값

– 침강법


국가지정연구실2차(본)평가분말의 입도 측정법

① Direct size 분석– Observation - Optical Microscope : 0.3㎛

– SEM : 10-0.001㎛(수십nm)

– TEM : 나노크기 분말

② Sieve Anaylsis : 체 이용– Sieve size : 400mesh 이상 분말 : 37㎛ 이상

– Subsieve size : 400mesh 이하 분말 :37㎛ 이하

이용 예)– 100mesh+150mesh-100mesh 보다 작고 150mesh 보다 크다

– 150mesh+200mesh

– 200mesh+270mesh

* Mesh : 단위 inch당 그물의 수(100mesh - 1inch에 100개의 선)

* 체질 방법 : 분말 100g - 15분간 체질



체분리(sieve)법

• 가장 오래된 분석법

• 일련의 체(sieve)를 이용

• 회전, 진동 혹은 두드림의 움직임 이용

• 체 분리 후 각 체에 남아있는 분말의 량과 하단부 팬 분말의 양을 칭량

• 분말의 입도 분포

• 75%~200mesh+325mesh

– 75%는 200mesh의 sieve를 통과하고 325mesh의 sieve에는 전부 남는다는 의미

• 250mesh까지는 상당히 정확



3) Sieve로 측정할 수 없는 경우- 액체 내 침강속도를 이용 측정 : 침강법(Sedimentation) 법- Laser Particle Analyzer 이용- XRD 측정법 : 결정립 크기 분석에 활용

<액체 내에서 분말이 낙하할 때 작용하는 힘>

침강법(Sedimentation)법



• 레이저 산란법- 입자가 빛의 파장보다 클 때 순간적으로 평행 광선 빔을 가로지르는입자들은 빛의 단면 밖에 빛의 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절을 일으키고이를 이용하여 입자의 크기와 분포를 계산- 시료는 입자들의 액체 혹은 기체 현탁액이거나 0.1vol% 농도의 방울들- 매우 빠르고 편리하며 약 100㎛에서부터 0.4㎛까지의 크기 분석에매우 대중적으로 사용됨

<레이저 산란법에 의한 입자 크기 측정 모형도>



• X-선 회절법- 결정입도 측정- 분말 크기를 재는 것이 아니라 분말 내부의 결정립 크기를 측정- Sherrer 식을 이용한 결정입도 측정- 약 0.2㎛ 이하 크기에서 가능, 분말 내부의 응력제거 필요

(완전 소둔 해야 함)



서로 다른 면에 있는 원자에 의한 강화조건 (X-선 1과2)경로차는 : 만일 이 경로차가 파장의 정수배이면, 산란 X-선 1`과 2`은 위상이 일치

Scherrer 식을 이용한 입도분석 : -0.2µm 이하에서 적용가능

• XRD 측정법- 결정 회절원리를 이용하여 측정

Q. 어떻게 하여 결정이 X-선을 회절 하는가?

Bragg law (회절이 일어나려면 만족하여야 할 본질적인 조건)

입사빔 중 x-선 1과 1a를 고찰하여 보면, XX`와 YY`사이에서의 경로차

서로 강화한다



<결정재료의 XRD 분석 결과>

=

Scherrer eq.

: mean size of crystalk: shape factor: x-ray wavelength: broading at half max. intensity



• 분말의 비표면적 측정법- 표면적(Specific Surface Area): 흡착법, 투과성법- 분말 비표면적(구형분말에서)

S = Surface area/weight(단위질량) =S = 분말비표면(㎡/g), D=분말직경, = 분말 밀도

구형 : 6, 육면체 : 7.44, 판상 : 24

- 흡착법: BET(Brunauer, Emmett, Teller)–분말표면에 가스 흡착량을 분석

사용가스: 낮은 온도 – 질소, 헬륨 아르곤고온 – 부탄가스( ) 사용

- 투과성법: 충진된 분말 기둥에 유체가 통과할 때 받는 저항으로 비표면적 측정

* 비표면적을 계산하여 평균입도 계산

S = surface area/weight =



현미경 측정

• 광학현미경 또는 전자현미경 이용

• 입자의 크기, 형상, 분포분석

• 측정오차 줄이기 위하여많은 입자 측정 후 통계적처리

• 미세 분말을 대상

다양한 분말의 입도 표시법


국가지정연구실2차(본)평가분말의 형태/미세구조 분석

• 형태/미세구조 분석– OM(Optical Microscope)

– SEM(Scanning Electron Microscope)

– TEM(Transmission Electron Microscope)



침강법

• Stoke’s law 응용

– 유체에서 입자의 침강속도(v)로부터 입경(D)를 구하는 것

– D : Stoke’s diameter, vt : 분말 침강속도, ρs와 ρl : 분말과 액체의 밀도, : 유체의 점성계수, g : 중력가속도

– 조건• 유체 중의 입자의 흐름에 혼란 무 (층류) –

오차의 가장 큰 원인

• 유체 분자의 평균 자유행로가 입경에 비해작아야 함

• 가장 널리 이용

• 입자의 침강속도(v)

– 분말의 밀도, 크기, 액체의 밀도, 점도 등의 영향



분말의 모양과 비표면적

• 입자형상– 금속 재질과 제조방법에 의해

좌우

– 충진효과, 유동성, 압축성, 소결특성 등을 결정

– 입자간의 접촉 정도

– 입자표면에 연관된 마찰의 크기에 영향

• 입자 형태 분류– 침상(acicular): 바늘 형태

– 각상(angular): 날카로운 모서리를갖는 거친 다각형

– 주상(dendritic): 가지를 갖는 결정모양

– 섬유상(fibrous): 규칙 혹은 불규칙하게 홀쭉한 모양

– 판상(flaky): 판형태

– 괴상(granular): 불규칙하지만 거의 등축의 형태

– 불규칙상(irregular): 어떠한 대칭성도 없는 형태

– 마디상(nodular): 둥글지만 불규칙한 형태

– 구상(spheroidal): 공칭적 구형

– 해면상(sponge): 스펀지 형태


국가지정연구실2차(본)평가분말의 모양과 비표면적

• 입자크기 측정– 입자의 형상을 구형으로 가

정

• 입자의 표면적 증가 (=분말의 화학적 반응성 증가)– 입자 크기가 작을수록

– 입자 형태가 불규칙할수록

– 입자표면이 거칠수록

분위기 가스 혹은 수증기의흡착 증가

가압성형과 소결을 방해하는 산화물의 형성 유발

기계적 성질에 영향

• 현미경 조직– 결정조직

– 다결정체

• 입자가 결정의 집합으로된 것

– 단일결정체

• 입자가 단일 결정으로 이루어지거나 또는 그 깨어진 조각으로 된 것



비표면적

• 비표면적

– 분말의 그램 당 표면적(cm2/g)

– 겉보기 표면적

• 분말 내의 기공은 무시

– 전체 표면적

• 겉보기 표면적 + 내부 기공에의한 내측 표면적

• 측정법

– 흡착법(Gas absorption)

– 투과법(Permeametry)

• 흡착법 (BET법)

– Brunauer, Emmett, Teller에의해 제안

– 분말의 표면에 단일 층의 가스를 흡착

– 흡착된 가스의 양을 근거로 비표면적 측정

– 촉매의 표면적

– 내부 기공의 표면적

– 불활성가스(질소) 이용

• 투과법 (Permeametry)

– 공기를 투과

– W, Mo의 산화물, 탄화물에 이용



겉보기 밀도와 충진 밀도(apparent and tab density)

• 겉보기 밀도– 일정한 용기에 규정된 방법

으로 분말을 채웠을 때의단위체적(cm3)당 질량(g)

– ASTM B212(Hall funnel)

• Free flowing powders

– ASTM B417(Carney funnel)

• Non-free flowing powders

• 충진 밀도– 일정한 용기에 채운 다음

규정된 방법으로 충진 후의겉보기 밀도

• 겉보기 밀도– 매우 중요

– 분말이 차지하는 실제 부피

– 성형 tool의 크기 결정

– 프레스 등과 같은 가압장치의작동 거리 결정

– 입자크기, 입도 분포, 입자 형상, 표면 형태, 입자 충진 효과, 다공성 혹은 비다공성과 같은 내부구조 등에 의해 좌우

– 이론 밀도의 %로 표현

– 약 15(미세하고 불규칙한 입자)~60%(조대하고 매끄러운 표면의 구형 입자)의 범위



분말 겉보기 밀도 : Apparent Density정의 : 분말 입자들 사이의 모든 공간, 또는 내부의 기공을 포함한 있는

그대로를 쌓아 담은 분말의 단위 체적당 무게(Free-Flowing 분말에 적용)

M: 일정 부피내의 분말 무게(g)V : 25㎤을 가지는 용기(Brass재)

측정장비 : Hall Flowmeter표준규격 : ASTM 212

ISO 3923/1MPIF04



분말의 형상 및 입도와 겉보기 밀도의 관계

• 입자의 크기에 관계없이 구상, 불규칙상, 판상의 순서로 겉보기밀도는 감소

• 입자의 형상에 따라 미세한 분말의 양이 많아질수록 겉보기 밀도의 변화

• 구상입자의 경우– 미세한 입자의 양 : 겉보기 밀도

• 판상입자의 경우– 미세한 입자의 양 : 겉보기 밀도



• 분말 성질과 겉보기 밀도의 관계



완전구형, monosize 분말의 겉보기 밀도

- Free space 내에 분말이 적층 될 수 있는 경우- 단순입방정 – 충진률 : 52%

체심입방정 – 충진률 : 68%면심입방정, 조밀육방정 – 충진률 : 74%

* 어떠한 경우도 단분산, 구형 분말의 충진율을 74%이상 할 수 없음.



겉보기 밀도 증가 방법

• 분말의 겉보기 밀도 증가방법– 다량의 미세한 입자들이 큰

입자들의 기공을 부분적으로 채울 입자 크기 분포를변경

• Bridging– 미세한 입자의 양이 너무

많게 되면 더 큰 입자들의충진 효율을 감소 겉보기 밀도의 저하



겉보기 밀도 제어 방법은?

1. 형태 제어2. 표면 제어3. 크기 제어4. 혼합률 제어 : 크기가 다른 분말을 혼합

분말자체의 특성, 제조 시 결정됨.

• 큰 분말 + 작은 분말 혼합: 작은 분말들을 큰 분말 사이에 넣어 충진율 극대화 가능



미세분말과 겉보기 밀도

• Case (1)

– 비일반적인 경우

– 겉보기 밀도는 미세한 입자의추가에 따라 연속적으로 증가

– 미세한 분말 입자(철 및 철합금분말)

• Case (2)와 (3)

– 일반적인 거동

– 미세한 분말의 양 증가 시Bridging이 지배적

• Case (4)

– 소량의 미세분말 첨가로 심각한 bridging 야기



충진 밀도

• 10g의 분말을 매스 실린더에 주입, 진동 충진 후의 체적

• 동일 금속, 동일 방법으로 제조된 분말 입도의 기준

분말의 형상 겉보기 밀도(g/cm3)

충진 밀도(g/cm3)

증가율(%)

구상(spherical)불규칙상(irregular)판상(Flake)

4.52.30.4

5.33.140.7

183575



분말 탭밀도 : Tap Density

정의 : 일정 질량 분말을 실린더에 넣어 기계적으로 진동시켜 더 이상분말 부피가 줄어들지 않을 때의 체적을 결정하여 밀도를 측정함(비 표준 시험)

* 기계적 진동에 의한 분말 유동을 일으켜 충진율이 증가함* 표면 마찰조건이 클수록 Tap Density 증가율이 증가 됨* 완전 구형 단분산 분말의 Tap Density는 74%임

• 표준공정에서는 문제점 발생: 분말 비중 및 크기에 따른 분말 분리 현상이 발생(오차 증가됨)



분말 탭밀도 : Tap Density

측정장비 : Mechanical Tapping Device표준규격 : ASTM B 527

ISO 3953MPIF46

Taping : 100-200taps/min.



유동율(Rate of Flow)

• 정의

– 일정량(50g)의 분말이 대기압 하에서 특정 깔대기를 통과하는데 걸리는 시간

– 유동율(flow rate), 유동 시간(flow time), 유동능(flowability)

• 큰 체적의 제품 제작 시 중요

• 성형 다이 설계 전 필히 검사

• 입자들 간의 마찰에 관련

• 입자의 표면, 입도 분포 및 형상과 밀접한 관계

• 습기의 흡수는 대단히 큰 영향

• 측정법– ASTM B213

– ASTM MPIF

• 유동성 – 생산성 – 불균일한 제품



분말 유동도 : Flow Rate

정의 : 일정 분말 시료(50g)을 일정한 funnel(갈때기)에 넣고중력의 힘만으로 분말들을 흘러내려 완전히 떨어지는 시간



Hall Flowmeter 상세도

• 유동도의 중요성- 분말 성형 압축 공정에서 분말이 프레스 다이에 채워지는 속도가 유동도에

의해 결정됨- 부품 생산 속도를 높이기 위해서는 신속하게 충진되어야 함- 일정량과 충진 시간이 일정해야 함(자동화에 유리)- 곁보기 밀도가 가장 유동도에 영향을 줌



분말 안식각 : Angle of Repose

정의 : 일정량의 분말을 수평면에 흘려내려 쌓인 분말의 수평면과 이루는각도

* 큰 각도 : 분말들 사이의 마찰력이 큼, 낮은 충진율* Measurement of Interparticle bond strength of loose particles



* 분말 안식각 : 작은 입자와 불규칙한 분말에서 큰 값을 가짐a =A+B/D D: 입자 크기

A,B : 상수-일반적으로 구형 분말 : 30°이하 임- 유동성이 있는 분말 : 38°까지 증가- 유동성이 좋지 않은 분말 : 약 45° 이상

* 분말들 사이에 작용하는 힘 : 모세관력, 반데르발스력* 분말 응집체 자연적 형성



압축성(Compressibility)

• 정의

– 분말에 압력을 가할 때 도달할수 있는 치밀화의 양

• 측정법

– ASTM B331

• Green density, ρG– 다이로부터 빼낸 후 측정된 가

압 성형체의 밀도

• 입자 자체의 무결함, 입자 상호간의 마찰에 큰 영향

• 가압성형 시 입자 변형의 용이성이 큰 영향



분말의 화학적 특성

1. 표면 산화 발생 우려2. 폭발 우려, 발화 발생(flammable), 나노분말 : Al, Mg3. 자체의 독성(toxicity) : Ni, Pu(방사선)



Q. 아래그림의 미지의 분말은 무엇으로 이루어졌으며 어떤 특징을 가지고 있나?

- 미지의 분말의 조성과 상을 분석하기 위해서 해야 하는 분석법들은 무엇인가?- 그림과 같이 X-선 회절선으로 분석하면 분말이 어떤 분말인가 알 수 있으며 이 경우는 감마

Fe2O3 상- 분말의 형상과 미세구조는 주사전자현미경으로 알 수 있으며 이 경우는 구형이며 크기도

측정 가능- 분말의 비표면적과 기공함유량은 BET분석을 통해서 알 수 있다.

제2장 분말야금의공정요소(2) -...

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