분말야금법의 개요
분말야금이란?
금속이나 금속산화물의 분말을 가열하여 결합시킴으로써 금속재료(반제품)이나 금속가공제품을 만드는 기술을 분말야금(Powder Metallurgy, P/M)이라 한다.
분말야금제품이 비교적 대량으로 생산된 것은 근연의 일이지만 금속가공기술의 주류는 역시 주조에 의한 금속재료이기 때문에 분말을 원료로 하는 분말야금기술은 일견 신기술로 인식되기 쉬우나 역사적으로는 매우 오래 된 금속가공 기술이다.
분말야금법의 장단점
▶ 장점
① 비교적 간단한 공정으로 복잡한 형상의 제품을 만들 수 있다.
② 주조에 비해 낮은 온도에서 작업이 가능하다.
③ 각 성분의 배합비가 정확하고 또 분말의 혼합이 균일하면 균일한 재질의 제품을 얻을 수 있다.
④ 고용도가 거의 없는 경우에도 합금이 가능
⑤ 손쉽게 다공질 재료를 얻을 수 있다.
▶ 단점
① 분말의 형상, 입도 및 입도분포를 제어하는 것은 분말야금에서 매 우 중요하나 이것이 항상 용이하지는 않다.
② 주조에 비해 press, 소결로, 혼합기 등의 장비가 많이 필요하며 미분말 일수록 저장과 취급에 주의해야 한다.
금속 분말의 제조 방법
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기계적 |
분쇄법, 절삭법, 충격법, 용융금속을 사출, grainning, 분무법 |
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물리적 |
응축, 열분해, |
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전기화학적 |
전해석출법 |
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화학적 |
환원법[ 금속염을 가열분해→산화분말→가스(H2,Co…)로 환원→ 금속분말],석출법 |
(1) 기계적 제조 방법(고체금속의 분말화)
금속분을 기계적 분쇄법으로 제조하는 것은 예전부터 해왔으며 현재에도 분쇄법이 광범위하게 실용되고 있다.
이 방법은 기계절삭, 파쇄, 분쇄 등으로 나눌 수 있으며 모든 금속의 분말화에 이용되며 분말야금용 금속분말로는 다음과 같은 경우에 적용되고 있다.
j 전해분출물의 분쇄
k 전해 및 환원법으로 제조된 해선(sponge)상 금속의 분쇄
l 금속 및 합금의 분쇄
m 포화처리를 한 금속의 분쇄
n 각종 분말의 혼합 및 미세화
1) 기계절삭법
금속을 선반과 같은 절삭기로 깍거나 톱으로 자르거나 줄질하여서
생기는 부스러기(chip) 등을 얻은 방법이다.
이렇게 해서 만든 것은 다시 파쇄, 분쇄를 거쳐서 분말로 제조되는데
특히 불꽃제조용 Mg 분말의 제조는 금속의 전성과 폭발성 때문에 다른 방법은 금지되어 있으며 기계절삭 방법만을 이용하고 있다.
2) 파쇄(crushing)
분쇄기는 그 구조, 분쇄기구 및 조작등에 각각 특색을 가지고 있으나, 일반적으로 분쇄원료의 크기에 따라 분류하는 것이 알기 쉽다.
보통 조분쇄기, 중간분쇄기, 미분쇄기의 세 가지로 나누지만 그것은 큰 의미를 가진 것은 아니고 어떤 종류의 분쇄기는 중간 분쇄기로 사용하기도 하고 또 어떤 종류의 중간 분쇄기는 파쇄기로 또는 미분쇄기로 사용되기도 한다.
3) 분쇄(milling)
보다 더 고운 입자를 얻으려는 세분화공정이 분쇄과정이다.
실용되고 있는 분쇄기로는 스탬프 밀, 보올 밀, 에디 밀 등이 있다.
j 스탬프 밀 (stamp mill)
아래 그림에서 보는 바와 같이 구조가 간단하고 예전부터 실용되어 왔다. 여기에는 여러 가지 형이 있으나 어느 것이나 다수의 도쇄봉이 캠에 의하여 끌어 올려진 후 자중에 의하여 분쇄태 위에 낙하하여 충격을 주어서 분말화한다.
스탬프 밀 (stamp mill)
k 보올 밀(ball mill)
아래 그림에서 보는 바와 같이 수평의 회전 원통형 또는 원추형 내에 강구 또는 세라믹 볼과 피분쇄물을 장입하여 원통 또는 원추를 회전시켜서 분쇄한다. 즉 피분쇄물은 볼사이의 마찰작용과 볼의 낙하에 의한 충격작용으로 분쇄되어 분말화한다.
원추 또는 원통과 구는 일반적으로 강 또는 스테인레스강을 사용하나 불순물의 혼입을 막기 위해서는 그 내용을 초경합금구를 사용한다.
보올 밀(ball mill)
l 에디 밀(eddy mill)
아래 그림은 이 밀의 개요이며 원료의 크기는 최대 지름 2-3mm, 길이 6-10mm 정도의 가는 선을 사용한다.
그림에서 입구를 통하여 용기 내에 원료인 세선편이 투입되면 상대하고 있는 프로펠러가 서로 반대방향으로 회전하여 기류는 화살표방향인 용기의 중앙부로 피분쇄물을 보내 입자가 서로 충돌하여 분쇄된다.
에디 밀(eddy mill)
(2) 물리적 제조방법
1) 응축법(condensation)
비교적 낮은 온도에서 증기압이 높은 금속 및 산화물을 가열하여 증발시켜서 기화된 증기를 유리 또는 금속 등의 냉각면에 접촉시켜서 응축시켜 분말로 하는 방법이다. 일반적으로 Zn, Cd 또는 Mg의 분말제조에 이용되며 한편 융점이 높은 금속에 대해서도 불활성 분위기 중에서 아아크(arc)에 의하여 기화의 과정으로 금속분말을 만들 수도 있다.
실제로 이 방법이 이용되는 아연분말의 제조공정을 살펴보면 제1단계로 아연 산화 물을 증발시키고 이때에 생긴 ZnO증기를 액체 또는 분말아연으로 응축시킨다. 즉 아연 산화물과 탄소분을 혼합하여 가열하면 다음과 같이 반응한다.
ZnO + CO ↔ Zn + CO2 -17680 cal
CO2 + C ↔ 2CO -38720 cal
ZnO + C ↔ Zn + CO -58400 cal
그러므로
ZnO + C ↔ 2Zn + CO2 -75000 cal
이 때 CO 가스와 ZnO 와의 반응은 250℃ 부근에서 일어나며 일반적으로 1000℃ 까지 가열한다.
이렇게 해서 기화된 아연증기를 RETORT 에 도입시켜서 냉각시킨다. 냉각속도가 급할수록 축수가 많아지고 분말로 되어 낙하함에 따라 CO2 가스가 많아져서 산화의 기회가 산화량이 많은 분말이 만들어진다.
그러므로 응축기를 2단으로 만들도록 CO가스의 양을 조절하여 비교적 액화량이 적은 비분말을 만들 수 있다.
분사법으로 제조된 아연분말보다 산화량이 많으므로 분말야금용으로는 사용되지 않으며 주로 환원제, 염료 등에 사용된다.
2) 열분해법
많은 금속의 유기화합물 또는 할로겐 화합물은 적당한 온도 및 압력하에서 분해하여 기체와 금속 또는 금속산화물로 된다. 현재 카아보닐법은 Fe 및 Ni의 분말제조에 공업적으로 실용되고 있다.
(3) 화학적 제조방법
고체 금속을 가열하면 주로 산화물 분말이 얻어지며 이 금속산화물 분말을 H나 CO 로 환원하면 금속분말을 얻을 수 있다. 이러한 화학적 반응에 의하여 제조되는 Fe, Cu, W, Mo 등이나 페라이트들은 분말야금의 원료로 사용되고 있다.
(4) 복합분말의 제조법
복합분말이란 어느 한 금속(또는 비금속) 입자를 화학적, 전기 화학적 또는 기계적 방법에 의하여 다른 금속(또는 비금속)으로 피복된 분말을 말하며 도금분말도 이 복합분말에 포함된다.
이 분말의 이점을 살펴보면 소결성의 향상과 조성이 균일한 재료를 얻을 수 있다는 점이다.
예를 들면 미량의 Ni을 피복한 W분말은 Ni의 융점 또는 Ni-W합금의 공정온도(1495 ℃)이하인 약 1300℃의 소결온도에서 이론밀도의 95%에 달할 수 있다. 또 액상소결에 있어서 액상의 접촉이 불균일한 재료라도 복합분말을 사용하면 균일한 재료로 된다. 즉 W분말에 Cu를 피복한 36-65 Cu-W 복합분말로 제조된 소결 전기접점 재료의 조직은 W과 Cu분말을 혼합하여 소결한 재료보다 균일하다.
복합분말의 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.
금속염 수용액을 이용한 방법으로 초산동 수용액 중에 Pb분말을 담그면 Pb의 표면에 Cu의 박막이 생겨서 Cu로 피복한 Pb분말인 복합분말이 된다. 이 분말은 켈밋합금 축수재로 사용된다.
전기도금에 의한 방법으로 복합분말을 제조할 수도 있다. 이 방법은 적당한 도금조건만 만족시켜 주면 금속과 금속간 또는 비금속과 금속간에도 도금할 수 있다. 예를 들면 Cu-Sn, Cu-Ni, 또는 W, Mo, Mn, Sb 분말 등의 표면에 Sn, Pb, Cd, Zn, Cu, Ni, Co, Cr, Ag, Au, Pt 등을 도금할 수 있으며 Fe-Ni-Cr, Cu-Zn-Sn, Cu-Sn-Pb 등 이중으로 또는 삼중으로도 피복 시킬 수 있으며 흑연분말의 표면에 Cu를 피복한 복합분말도 제조되고 있다.
아연과 같이 저융점 금속을 피복 시키려면 응집법을 응용하면 된다.
기계적인 피복방법의 예를 들면 초경합금의 WC분말과 Co 분말을 보올 밀 중에서 장시간 혼합하면 WC분말의 표면에 Cork 피복 된다. 화학적으로 2종 이상의 금속화합물을 침전 시켜서 복합분말을 만들 수 있다. 예를 들면 W-Cu, W-Ag, Mo-Cu 또는 Mo-Ag 분말 등이 있고 이들은 주로 전기접점재료의 원료로 사용된다.
서어멧의 제조에 유동층 기상석출법에 의하여 엷은 금속막을 세라믹분말에 피복하는 방법도 연구되고 있다.
이 방법은 아래 그림과 같은 장치를 사용한다. 피복도리 분말은 반응로의 정상에서 장입된다. 일반적으로 사용되는 유동가스는 수소이며 위 방향으로 유입된 가스에 의하여 분말은 교반된다. 유동층 분말은 충분한 속도로 화학반응이 진행될 수 있는 온도로 가열된다. 피복에 사용되는 반응은 여러 가지가 있으나 그 선택은 석출될 재료와 피복을 당할 분말의 화학반응성에 의하여 정해진다.
금속피막의 석출에는 염화물의 수소환원이 가장 적당하다고 본다. 피복하려고 하는 금속의 휘발성 화합물은 어느 일정한 속도로 승화기에서 변화되어 반응로에서 분말의 표면과 작용하여 금속을 석출시킨다. 이렇게 제조된 복합분말은 원자력 공학, 항공기 구조재료 및 촉매 등에 응용이 기대된다.
1) 니켈도금 텅스텐분말
Ni의 박막으로 피복된 W분말 즉 복합분말은 앞에서 설명한 바와 같이 저온소결로 충분히 조밀화 된다고 하였다. 이 복합분말의 원료로는 을 사용하며 첨가금속은 그 금속을 수용액으로 만들어서 사용하고 있다.
즉 Ni, CO, Fe, Zn, Ag, Mn, Pb 및 Mg 등은 이들의 질산염을 , Cu는 염화물, Al은 황산염 또 Sn은 염산염을 수용액으로 하여 그 적당량을 에 혼합하고 180℃로 건조한 후 연속 환원로를 사용하여 수소기류 중에서 최초 600℃로 환원하여로 하고 다음 850℃로 환원하여 W와 위에 나열한 금속과의 복합분말을 제조한다.
이 분말을 3 ton/(square cm) 으로 성형한 후 몰리브데늄을 써서 수소 중에서 1300℃로 1시간 소결한다.
이 결과로써 다음과 같은 사항이 판명된다.
j W분말의 소결성은 Ni 또는 CO의 첨가에 의하여 심한 영향을 받는다. 약 0.25% Ni(또는 CO)의 첨가에 의하여 이론밀도의 95%에 달한다. Ni과 Co의 사이에는 큰 차는 없다.
k Fe의 영향은 NO 및 CO에 비교하면 떨어지며 기타 금속에서는 전혀 영향을 받지 않는다.
l 철족 금속은 W과 고용체를 만들며 그 산화물은 수소에 의하여 환원되는 점에서 다른 금속과 구별된다.
m 여러 가지 다른 금속을 첨가할 때 Ni 또는 CO를 동시에 첨가하면 소결성은 역시 개선된다.
n Ni 또는 CO의 첨가에 의하여 환원된 W 분말의 입도는 미세해지나 다른 금속은 반대로 조립으로 된다.
이상은 여러 금속이 W 분말의 소결성에 미치는 영향에 대한 결과이며 이 금속 중에서 Ni이 가장 심한 결과를 나타내므로 특히 Ni-W복합분말은 중요하며, 이 분말의 제조에서 환원조건과 Ni량이 소결성에 심한 영향을 미친다.
이상 Ni-W 복합분말의 제조방법 외에도 ammonium paratungstate의 암모니아 용액에 Ni을 작용시켜서 ammonium nickelic tungstate를 만들어 수소로 환원하는 방법이 있다.
2) Sherritt 복합분말
Sherritt process에 의한 복합분말의 제조방법은 예전부터 Ni 또는 Co의 금속분말 채취법으로 사용된 수소가압 환원법을 응용한 것이다.
이 방법에서 Ni의 분말을 석출 시킬 때에 오토클레이브 내에 Ni의 seed powder를 첨가하여 Ni의 환원속도를 촉진시켜 주었다. 이때 seed powder인 Ni은 일종의 촉매로 작용했다고 볼 수 있다.
그러므로 효과가 Ni과 같은 정도 또는 그 이상인 촉매가 되는 재료라면 Ni은 그 재료 표면에 완전히 균일하게 석출할 것이다. 즉 그 재료의 표면 활성화가 문제가 되며 Sherritt Gorden에서는 안트라퀴논 또는 이것과 유사한 화합물을 사용하여 표면 활성화 처리법을 확립함으로써 Sherritt 복합분말을 만들게 되었다.
Ni 용액 중에 안트라퀴논을 소량 첨가하면 물에 불용성인 안트라퀴논은 고상과 액상의 계면에 존재하여 용액에서 Ni이온이 수소로 확산되는데 촉매로서 작용한다.
Seed가 Ni뿐만 아니고 다른 재료일 때도 용액 중에 안트라퀴논 또는 그와 유사한 화합물을 소량 첨가하여 수소로 가압환원하면 seed는 Ni로 완전히 균일하게 피복된다.
여기에서 Ni로 피복되는 심재료는 물에 불용성이며 암모니아 또는 Ni 및 Co와 반응하는 재료는 좋지 못하다. 이 방법에 의한 대표적인 복합분말을 살펴보면
j Ni/Fe 복합분말 : Fe분말은 Ni용액에서 Ni을 수소가압 환원할 때 촉진제로 작용하므로 Ni/Fe복합분말의 제조는 쉽다.
k Ni/Al 복합분말 : Al은 촉매적 특성이 전혀 없으므로 안트라퀴논과 같은 표면 활성제를 사용하면 Al입자 표면에 Ni을 균일하게 피복 시킬 수 있다.
l Ni/ Al2O3 복합분말 : 표면 활성제로 안트라퀴논의 첨가로 복합분말을 제조한다.
m Ni/ TiB2 복합분말 : TiB2는 Ni로 쉽게 피복된다.
그 외에 Ni/diamond, Ni/graphite 및 Ni/glass 등의 복합분말이 안트라퀴논의 사용으로 경제적으로 생산되고 있다.
3) 동도금 흑연분말
금속 carbon 브러시는 흑연 18-35%, Cu잔부로 된 소결합금으로 대용량 회전 변류기, 도금용 발전기, 고속 대용량 유도발전기, 자동차 시동용 전동기 등에 사용되고 있다.
이것은 예전부터 흑연분말과 Cu분말, 기타 분말을 혼합하여 형성한 후 소결되었으나 비중의 차가 심한 분말은 균일한 혼합이 어려우므로 조직상 균질한 제품을 제조하기 어렵다. 그러므로 흑연분말에 Cu도금을 하든가 또는 Cu-Pb도금을 한 복합분말을 사용함으로써 좋은 결과를 얻고 있다.
4) 전기 접점재료
분말야금법을 응용한 전기 접점재료로서는 Ag-W, Ag-CdO, Ag-Mo, Ag-WC, Ag-C, Ag-W-WC, Ag-Cu-W, Ag-Ni, Cu-C, Cu-B, Cu-WC, W등 여러 가지가 있으나 일반적으로 1성분이 고융점금속 또는 탄화물로 되어 있거나 또는 2성분간에 상호 용해도가 없거나 소량이어서 주조할 수 없으므로 분말야금법으로
제조되고 있다.
j Ag-Ni-W 복합분말
Ag-W은 두 금속 상호간에 고용하지 않으므로 각 금속분말을 혼합하여 가압 소결하는 방법으로 전기 접점재료를 만들고 있다.
이 Ag-W 전기 접점재료에 Ni을 소량 첨가하면 Ni이 합금원소로 작용하므로 소결온도가 저하하고 물질 이동량이 감소되어 고전류에 견디나 전기전도율은 떨어지므로 다량 첨가하는 것은 좋지 못하다.
Ag와 W은 서로 용해도가 없으므로 합금 결합시키기 위하여 미리 W에 소량의 Ni을 함유한 Ni-W합금분말을 만들고 이것을 은도금 및 열처리에 의하여 Ag-Ni-W복합분말을 만든 후 분말로서 전기적 특성이 우수한 전기 접점재료를 만든다.
이 때 Ni-W합금분말은 ammonium paratungstate의 암모니아 수용액과 황산 Ni 수용액에 과잉의 암모니아수를 첨가하여서 만든 Ni을 혼합하여 가열하면 ammonium nickelic tungst- ate이 된다.
k 기타 방법
이상과 같은 분말제조방법 외에 여러 방법들이 연구 발표되었으며 간단하게 몇 가지 더 소개하기로 한다.
ⅰ) 합금 분해법
이 방법은 합금의 1성분만을 용해 시키는 용매를 사용하여 처리하고 용해하지 않는 성분을 미세하게 분리하여 분말을 얻는다.
예로 촉매용 Ni분말의 제조에는 Ni-Al 또는 Ni-Si의 합금을 만들어서 이것을 분쇄하여 분말로 한 후 Al이나 Si가 용해되는 Na-알칼리 용액으로 Al 또는 Si을 용해 제거 시켜서 Ni분말을 얻는다. 이것은 활성미분이며 자연연소성이 있으므로 진공중이나 불활성 가스 중에 보존하여야 한다.
ⅱ)확산 합금분말
각각 다른 분말을 혼합하여 적당한 온도로 가열하여 상호 확산시켜서 전처리 합금의 분말을 만든다.
이 방법은 비철금속 합금분말을 만드는데, 즉 Cu-Ni, Cu-Zn, Cu-Sn 합금분말 등을 만드는 데 이용되고 있다.
급속응고
1. 급속응고란?
급속응고법은 용융금속을 금속, 가스 또는 액체 등의 냉각매체를 이용하여 매우 빠른 냉각속도(일반적으로102K/sec이상)로 응고시키는 방법으로 고/액 계면의 빠른 성장속도를 얻기 위하여 높은 냉각 속도나 커다란 과냉을 이용한다.
2. 급속응고 이론
열에너지의 빠른 방출은 평형으로부터 크게 벗어나게 된다.
고/액 계면에서 국부적 평형 상실
① 고/액 계면의 성장속도가 느린 경우 (그림 (a))
국부적 조성변화로 인해 원자 이동이 충분히 빠르므로 국부적인 평형에 도달한다.
② 고/액 계면의 성장속도가 빠른 경우 (그림 (b))
원자들이 고체와 액체가 모두 화학 퍼텐셜(chemical potential)이 같아지도록 원자를 재배열 시킬 만한 시간적 여유를 갖지 못함 → 용질원자가 고/액 계면에 도달할 때 같은 조성의 고체 속으로 들어가 응고되는 용질포획(solute trapping)이 일어난다. → 고/액 계면에서의 고체는 용질을 방출할 수 없게 되어 고체와 액체의 조성이 같게 된다.
3. 급속 응고시 나타나는 특성
위에서와 같은 액상 및 고상에서의 빠른 냉각속도와 고/액 계면에서 의 빠른 성장속도로 인한 국부적 평형의 상실로부터 다음과 같은 이점을 얻을 수 있다.
×고상 용해도의 증가
×결정입자(grain)의 미세화
×편석 된 상의 수와 크기 둘 다 감소
×새로운 비평형 합금상의 생성
1) 고용한의 증대
급속응고시에는 용질원자가 평형고용도 이상으로 고용된 과포화 고용체가 된다. 용금의 고상과 액상의 자유에너지가 같아지는 온도 이하로 냉각 → 고/액 계면의 성장속도가 고/액 계면으로부터 밀려나는 용질의 확산 속도보다 크다. → 용질포획 → 용질원자가 평형 고용도 이상으로 과포화 고용.
2) 결정립 미세화
액상에서의 냉각속도가 증가 → 과냉도 증가 → 핵생성 속도 증가 , 결정립의 성장속도 감소 → 결정립 미세화
3) 편석의 감소
냉각속도 大 → 용질확산과 고/액 계면에너지에 의한 재용해 현상이 억제 →응고시간 단축 → 수지상정의 수지상가지의 간격이 조밀화 → 응고 조직의 미세 편석도 감소
고/액 계면의 전진속도 大 → 고/액 계면이 요철 없는 평활계면으로 전진 → 편석이 전혀 없는 응고 조직을 생성
4) 비평형상의 생성
급속응고시에는 큰 과냉하에서 응고가 진행되므로 평형상태에서 나타나지 않았던 비평형상이 나타나게 된다. → 고/액 계면의 성장속도가 느릴 경우에는 고/액 계면에서 국부적 평형이 유지 되나 성장 속도가 빨라지게 되면 고/액 계면에서 국부적 평형을 더 이상 유지 할 수 없게 되어 비평형상태가 되기 때문이다.
이러한 특성으로 인하여 급속응고법으로 제조한 재료는 기존 주조 법으로 제조한 재료에 비해 조직이 미세하고 균일하여 우수한 기계적 성질을 얻을 수 있는데 일반적으로 재료의 급속응고시 나타나는 강화요인이 다음과 같기 때문이다.
⇒ 고용강화
용질원자의 고용한의 증대에 의한 강화이며 용질원자와 전위의 상호작용에 기인한다.(용매원자와 용질원자의 탄성계수와 크기 차이에 의해 발생) 이러한 상호작용으로 인해 격자 뒤틀림이 발생하고 이 주변에 응력장(stress field)이 발생하며 움직이는 전위(moving dislocation)와의 상호작용으로 인해 재료가 강화된다.
ks: 전위-용질원자의 집단 상호작용의 정도를 나타내는 상수
c: 용질원자의 농도
⇒ 전위에 의한 강화
급속응고시 고용한의 증대 → 격자의 불일치를 증대 →편석이 존재하는 곳으로의 전위의 집중 → 재료강화.
주어진 재료에서 항복강도에 대한 전위밀도의 기여는 다음과 같다.
a: 금속에 따라 변하는 0.3∼0.6의 상수
G : 전단탄성계수
b : burgers vector
r: 전위 밀도
⇒ 분산상에 의한 강화
분산상의 미세화는 분산상의 양적변화가 없더라도 재료를 강화시키는 요인이 된다. 주어진 합금의 항복강도에 대한 분산상의 기여는 다음과 같다.
n: poisson ratio
D : 분산상의 지름
l : 분산상의 거리
⇒ 결정립계에 의한 강화
급속응고시 나타나는 결정립의 미세화는 다음과 같은 Hall-Petch 식에 의해 재료를 강화시키는 요인이 된다.
s0: 전위의 이동을 방해하는 마찰응력
d : 결정립의 지름
x: 결정립계가 전위의 이동을 억제하는 정도를 나타내는 상수
급속응고 장치
1. 가스분무장치(Gas atomization)
고압의 가스(주로 질소, 헬륨, 아르곤등)를 충돌시켜 분말을 제조 하는 방법.
1) Gas atomizer의 개략도
Gas Atomizer
냉각속도 : 102∼104 K/sec 정도
분말입자의 평균입도 →50∼100㎛정도
내부에 가스가 채워진 밀폐된 챔버→ 산화를 줄이는데 사용.
분말로 내의 가스의 흡입이 가장 큰 문제점이다.
분사장면
2) See와 Johnston에 의한 gas atomization의 3단계 공정 및 분말형성 과정
분말형성과정
▶ (a) 그림
① 액체줄기의 첫 번째 파쇄(promary breake up of the liquid stream)
② 용융된 작은 방울의 두 번째 파쇄(secondary disinegration of the molten droplets)
③ 입자의 응고(solidification of the particle)
▶ (b) 그림
① 공간을 통해 날고 있는 작고 얇은 불안정한 판들은 내부에서 아토마이징 가스로 둘러싸여 날리다가 둥근 입자로 재형성 된다.
② 내화성의 산화물을 쉽게 만들 수 있는 합금 원소를 갖는 합금에서 작은 방울로 회전하는 타원체는 억제되거나 방해를 받으며 아주 불규칙한 분말과 거친 박판을 형성. 따라서 아토마이징 챔버 내에서의 분위기는 두꺼운 내화성의 산화물의 형성을 최소화 하도록 보호되어야만 한다.
2. 원심분무장치(centrifugal atomizer)
Centrifugal Atomizer
분말의 성형가공
1. 압축성형(compaction)
압축공정은 유압프레스나 기계프레스를 이용하여 혼합된 금속분말을 다이속에 눌러 형상을 갖도록 하는 공정이다. 압축시험의 목적은 필요한 모양과 밀도를 얻고 입자끼리 치밀하게 접촉시키며 다음공정에서 견딜 만큼 충분한 강도를 주는 것이다. 이때 압축된 분말을 압축 생형(green compact)이라고 한다. 분말은 다이 속을 적절하게 채울 수 있도록 쉽게 유동 되어야 한다. 압축은 보통 상온에서 수행되지만, 고온에서 행할 수도 있다.
2. 단조성형(forging)
분말단조란 일반적인 분말소결법으로 예비성형체를 만든 후 그것을 단조소재로 밀폐된 금형에서 정밀 열간단조를 통하여 최종 제품을 만드는 부품 성형가공기술이다.
종래의 P/M방법, 즉 냉간성형과 소결로써 제조한 기계부품에는 항상 기공이 존재한다. 이와 같은 기공은 다공성 기계부품을 목적하지 않는 한 구조부품에 있어서 기계적 성질의 취약점이 되고 있다.
일반 소결 부품의 인장강도, 신율이나 충격강도 등은 모두 기공도가 커짐에 따라서 그 값이 크게 저하된다. 특히 기공은 동적 응용부 품에는 더욱 큰 취약점이 된다.
따라서 이와 같은 강도저하의 원인 이 되는 기공물을 줄여서 가능한 한 높은 이론밀도 값의 소결부품을 얻기 위해선 소위 이중압축방법이나 액상소결 또는 용침방법, 나아가서는 열간압축방법이 사용되게 되었다.
3. 압출성형 (extrusion)
분말압출기술은 가해진 전단응력에 의한 소성변형을 포함한다. 분말압출은 분말입자표면의 산화층이 파괴되고 그리고 분말입자가 서로 기계적으로 결합하는 성형방법이다. 압출하는 동안 압출비, 압출온도 및 압출각도등이 압출에 기여하게 된다.
4. 압연성형(rolling)
분말압연이란 회전하는 압연롤 사이에 금속 또는 비금속 분말을 공급하면서 롤의 압연력으로 분말을 판재 형상으로 연속성형한 후 소결, 압연공정을 추가하여 다공질 혹은 진밀도의 판재를 생산하는 기술이다.
분말압연 시험의 목적은 분말의 특성, 분말공급, 압연속도, 롤간격, 롤 표면상태 및 롤크기에 따른 적절한 성형판재의 성형을 목적으로 하고 있다.
분말압연 중 가장 핵심 공정으로 최종제품의 특성 뿐 아니라 생산성 및 경제성을 만족하기 위해서는 연속적으로 성형되는 판재를 원하는 두께와 밀도로 균일하게 조절하여야 한다. 분말의 압연성형성은 분말의 특성, 분말의 공급방법, 분말과 압연롤 간의 마찰, 압연롤의 크기, 표면온도, 속도 등이 복합적으로 작용하여 결정되며, 이 조건들의 변화에 따라 매우 민감하게 변한다.
5. 소결성형 (sintering)
미세한 분말로 만든 성형체를 가열하면서 치밀화 되고, 평균입자의 크기는 증가된다. 이러한 공정을 소결이라 하며, 치밀화와 입자성장을 수반하는 미세조직상의 변화를 소결의 기본현상이다.
본 시험의 목적은 소결현상에 대한 원리를 이해하고 소결변수들을 조절하여 재현성있는 미세조직을 갖는 소결체를 얻는 것이다.
1) 기상소결 (Vaper phase sintering)
2) 액상소결 ( liquid phase sintering)
3) 고상소결 (solid phase sintering)
4) 고온가압소결 (hot pressing)
5) 반응소결 (reaction sintering)
금속분말의 여러 성질과 검사
분말의 성질은 분말 제조방법에 따라 결정되며 성형 및 소결에 커다란 영향을 미치며 최종 제품의 성질을 결정하게 된다. 그러므로 분말의 성질에 관하여 충분한 연구와 검토가 필요하다. 분말의 중요한 성질로는 입도, 입형, 입도분포, 조직 등의 물리적 성질과 분말의 조성, 순도 등 화학적인 성질이며 이러한 1차적 성질에 따라 결정되는 비표면적, 밀도, 유동성, 압축성, 성형성 등도 분말의 사용여부를 결정하는 중요한 성질이다.
(1) 분말의 물리적 성질
1) 입도
입자의 크기는 분자 다음 큰 것이 콜로이드이고 그 다음 큰 입자가 현미경이나 육안으로 볼 수 있는 범위인 것이다.
분말야금법에 쓰이고 있는 입자의 크기는 현미경으로 볼 수 있는 크기0.1 (micro meter)부터 육안으로 볼 수 있는 1000(micro meter)까지의 범위의 것이다.
1개의 입자로 생각하였던 미세입자가 전자현미경으로 관찰해 보면 여러 개의 소립자의 집합체로 보이며 우리들이 말하는 입도란 이러한 집합체의 크기를 말한다.
일반적으로 입자의 크기를 나타내는 데는 평균 입자지름을 쓰지만 입자의 형은 일반적으로 구가 아니고 여러 가지 형상을 하고 있으므로 이 표현법은 절대적이 아니며 상당히 불명료하다.
분말 입도의 측정법은 대단히 많으나 가장 간편하고 소결 구조부품에 쓰이는 Fe계 및 Cu계 분말의 측정에 널리 쓰이는 방법은 사분법이다. 현재 실용되고 있는 가장 미세한 메시(mesh)는 325이며 마이크론(micron)으로는 44(micro meter)에 상당한다.
실용 금속분말의 크기를 크게 나누어, 사분할 수 있는 크기와 최소 메시의 체(sieve)를 통과해 버린 크기로 나눌 수 있다. 보통 소결 구조부품을 만들 때 쓰이는 분말 입자의 크기는 전자에 속하고 고융점 금속분말, 초경합금분말, 페라이트 분말, 흑연분말 등은 후자에 속한다,. 이 후자에 속한 크기의 분말을 서브시이브 분말이라 부르며 10㎛ 이하의 분말을 초미분말이라고 부른다.
사분된 분말 입도는 예를 들면 100메시를 통과하고 150메시를 통과하지 못한 것을 -100+150메시로 표시한다.
서브시이브 분말은 그 표면적이 대단히 크므로 가압할 때에 분말 입자간의 접촉면적이 충분하고 점착력이 강하게 작용하므로 성형이 쉬우며 소결도 잘 된다.
그러나 미분은 충전 및 가압성형할 때 많은 공기를 수반하여 표면적이 클수록 공기 함량이 많아진다. 이 공기는 가압할 때 가압방향에 대해 수직한 면으로 빠져나가려고 하므로 층상의 경계를 만들기 쉬우며 좋은 압분체가 되지 않을 때가 있으므로 주의를 해야 한다.
2) 입도분포 (particle size distribution)
입도의 측정법은 많으나 가장 간편하고 많이 쓰이는 방법은 sieving 이다.
입도분포 분석예
3) 입형(patticle shape)
분말의 입형은 제조방법에 따라 다르면 그 종류도 대단히 많다. 입형도 분말야금의 중요한 사항 중의 하나이므로 충분히 알고 있을 필요가 있다.
Greenwood씨에 의하면 금속분말의 입형은 아래의 표와 같이 분류된다.
금속분말 입형 분류
금속분말의 입형은 균일구형, 불규칙립, 수지상립, 각상립, 타원상립, 편상립등 다양하며 sampling하여 분말의 모양을 관찰한다.
분말의 입형과 충전 및 소결과의 관계를 고찰하기 위해 간단한 구, 입방체, 판 등의 형을 갖는 분말을 생각할 수 있다. 이들 분말을 각각 무질서하게 충전할 때에 구는 다른 2종류(입방체, 판)보다 비표면적이 작지만 소결이 잘 행해진다.
만일 입자의 크기가 같고 질서 있게 쌓아올려 충전했다고 하면 입방체나 판이 비표면적이 커서 입자가 잘 밀착하므로 공간이 작은 충전이 되어서 소결이 대단히 잘 행해질 것이다.
그러나 이렇게 이상적으로 충전은 안 되므로 구일 때보다 공간이 많아진다.
분말의 형상은 여러 가지 형이 있으므로 간단하게 어느 입형이 제일 적당하다고는 말할 수 없다.
실제로 위 표의 불규칙입형이 구형일 때보다 좋을 때가 있다. 또 카아보닐법으로 제조한 금속분말은 소결성이 좋으며 최종 제품의 물리적 성질도 균일하다. 이것은 형이 균일한 구이면서 미분이기 때문이 아닌가 생각된다.
일반적으로 구상분말은 다른 형상의 것에 비하여 걸림(bridging)이 생기지 않으며 그 때문에 공간이 작은 충전이 된다.
4) 입자구조
금속분말의 입자구조는 분말의 크기와는 큰 관계가 없으나 외부 모양과는 밀접한 관계가 있다. 보통 현미경으로 전해 동분말의 큰 입자에서 볼 수 있는 깃털모양은 고성능 현미경으로만 관찰할 수 있는 미분자에서도 관찰된다.
금속분말의 입자는 일반적으로 두 형태의 구조로 분류할 수 있다.
① 다복결정립자
등축이나 비대칭 형태를 지닌 수많은 결정 입자나 결정으로 구성되어 있는 입자들이다. 실제로 환원분말, 전해분말 등의 대부분의 분말이 여기에 속할 뿐만 아니라 분사법, 석출법, 응축법 등에 의한 분말도 여기에 속한다.
② 단결정립자
결정립계와 분말 입자의 경계가 같은 단결정으로 된 입자를 말한다. 금속으로부터 결정립을 유리시켜 만들어진 분말과 같다.
환원분말 입자들은 기공과 수많은 등축결정으로 구성되어 있고 입자의 수나 크기는 분말의 종류나 이력에 의하여 결정된다. 입자들의 모양은 고체 중심 주위에 수실모양의 가장자리가 붙어 있는 것과 같다.
만일 환원이 완전하지 못하면 산화물이 수실모양의 가장자리 사이에 존재하게 된다.
전해분말의 입자는 환원분말의 입자처럼 많은 결정들이 집합하여 있으나 결정립은 대칭성이 없다.
구상입자는 입자의 중심으로부터 방사하는 막대기 모양의 결정립으로 되어 있다. 카아보닐 분말은 양파 껍질처럼 동심각상로 집합된 구조를 하고 있으며 증기에서 응축하여 생긴 분말도 이와 유사한 구조를 가지고 있다.
또 같은 환원분말이라도 환원온도 및 냉각속도에 따라 입자의 구조가 다르다.
4) 밀도
① 겉보기 밀도 : 분말을 조용히 용기에 담았을 때의 중량을 그 용기 의 용적으로 나눈값.
② 탭밀도 : 용기에 일정조건의 진동을 주어 밀도를 구한 값
③ 비 밀도 : 일정 압력으로 분말을 가압했을 때의 밀도값
5) 유동성
호올 유량계 (hall flowmeter)
분말이 경사면을 흐르는 성질을 말하며 hall-flowmeter로 측정하는 데 50g의 분말이 깔대기 구멍을 통해 유출되는 시간을 측정하여 유동률로 표시한다.
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