Fabrication and Mechanical Property of Fe-20Cu-1C Compacts by SPS process with Different Heating Rate

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ISSN 1225-7591(Print) / ISSN 2287-8173(Online)

방전플라즈마소결법 적용 승온속도 변화에 따라 제조된 Fe-20Cu-1C 소결체 제조 및 특성평가

유정한·신수식·유병록·김경식·장준호

^a

·오익현

^a

·김갑태

^b

·박현국

^a,

*

신진정밀(주) 유압연구소,

^a

한국생산기술연구원 서남권 지역본부 동력부품연구그룹

b

건설기계부품연구원 친환경기술연구본부 유압시스템연구실

Fabrication and Mechanical Property of Fe-20Cu-1C Compacts by SPS process with Different Heating Rate

Jung-Han Ryu, Soo-Sik Shin, Byung-Rok Ryu, Kyung-Sik Kim, Jun-Ho Jang

^a

, Ik-Hyun Oh

^a

, Kap-Tae Kim

^b

, and Hyun-Kuk Park

^a,

*

Hydraulic Research and Development Center of SinJin Precision, 82, Hanamsandan 10beon-ro, Gwangsan-gu, Gwangju 62211, Republic of Korea

aKorea Institute of Industrial Technology(KITECH), Automotive Components & Materials R&D Group, 1110-9 Oryong-Dong, Buk-gu, Gwang-Ju 500-480, Republic of Korea

bKorea Construction Equipment Technology Institute(KOCETI), Green Technology Research Division, Hydraulic System Laboratory, 36, Sandan-ro, Gunsan-si, Jeollabuk-do 54004, Republic of Korea

(Received July 18, 2017; Revised August 11, 2017; Accepted August 21, 2017)

···

Abstract In this study, Fe-Cu-C alloy is sintered by spark plasma sintering (SPS). The sintering conditions are 60 MPa pressure with heating rates of 30, 60 and 9

^o

C/min to determine the influence of heating rate on the mechanical and microstructure properties of the sintered alloys. The microstructure and mechanical properties of the sintered Fe-Cu-C alloy is investigated by X-ray diffraction (XRD) and field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM). The temperature of shrinkage displacement is changed at 450

^o

C with heating rates 30, 60, and 90

^o

C/min. The temperature of the shrinkage displacement is finished at 650

^o

C when heating rate 30

^o

C/min, at 700

^o

C when heating rate 60

^o

C/min and at 800

^o

C when heating rate 90

^o

C/min. For the sintered alloy at heating rates of 30, 60, and 90

^o

C/min, the apparent porosity is calculated to be 3.7%, 5.2%, and 7.7%, respectively. The hardness of the sintered alloys is investigated using Rockwell hardness measurements. The objective of this study is to investigate the densification behavior, porosity, and mechanical properties of the sintered Fe-Cu-C alloys depending on the heating rate.

Keywords: Spark Plasma Sintering, Iron, Copper, Heating Rate, Graphite

···

1. Introduction

자동차 산업에 있어서 기계유압부품으로 Fe-Cu계 소결 체가 많이 사용되고 있으며 이에 따른 많은 연구들이 이 루어져 왔다. 특히 기계유압부품 중 베어링 소재에 윤활성 및 내마모성이 좋은 Fe-Cu계 소결체가 주로 사용되고 있 다. Fe-Cu계 소결체는 1120

^o

C~1150

^o

C에서 소결이 이루어

지며 액상의 Cu가 Fe입자 사이, 입자내의 입계 사이에 침 투하여 부피팽창을 일으킨다[2]. Fe-Cu-C계 합금의 소결 시 팽창과 수축변화에 관하여 고온에서의 팽창(swelling) 은 Cu와 C의 함량이 증가함에 따라 커지나 상온에서의 치 수변화는 감소하고 이 현상은 C의 첨가로 인하여 Cu의 입 자성장의 감소와 밀접하게 관련이 있다고 조사 되었다[3].

본 연구에서는 높은 기공률을 가지며 기계적 물성이 우

*Corresponding Author: Hyun-Kuk Park, TEL: +82-62-600-6181, FAX: +82-62-600-6149, E-mail: [email protected]

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고 Fe는 1538 가 융점이다. Fe-Cu-C계 합금 제조에 있어 서 융점이 낮은 액상의 Cu 입자가 Fe의 입계 사이에 침투 하여 소결체의 기계적 특성을 향상시키는 목적으로 사용 하였다. C의 경우 Fe의 기지를 강화시키는 특성이 있으며 고체윤활제로써의 수행이 가능하고 Fe-Cu-C 소결체의 치 밀화 및 기계적 특성향상을 위하여 첨가하였다[6].

헬리컬 형태의 기어는 축 추력을 발생한다. 축 추력을 제어하기 위해 축 추력에 반대 방향으로 유압을 작용하여 힘의 균형을 유지할 수 있도록 하며 제품의 성능을 향상 시키기 위하여 기계유압부품 베어링은 기어 축 하중이 작 용하는 방향의 끝 부분에 위치한다. 이에 따라 베어링 상 부에는 기어의 축 추력에 의한 하중이 작용하고 베어링 하 부에는 축 추력에 상응하는 고 압력의 유압이 작용한다. 또 한 베어링은 하우징 내경 안에 원형 환봉형태로써 ~30 μm 이내의 공차로 조립이 되어 있다. 기어의 축과 함께 베어 링은 회전하여 베어링과 하우징간에 마찰을 발생시켜 기 계유압부품에 문제를 야기한다. 따라서 본 연구에서는 축 추력 및 고속회전에 의한 마찰을 줄일 수 있는 방법으로 높은 기공률을 통하여 윤활성을 향상시키고, 고압에 견딜 수 있는 기계유압부품을 제조하기 위하여 방전플라즈마 소결법을 이용하였으며, 방전플라즈마소결 공정조건 중 승온속도 변화에 따른 소결특성, 기공률(porosity) 및 기계 적 물성에 대해 각각 고찰하였다.

2. Experimental Procedure

본 실험에서 사용한 원료 분말은 Fe분말(-200 mesh, 98+%, Alfa Products, America), Cu분말(10 μm, 99.9%, Alfa Products, America) 및 C분말(20 μm, Sigma-Aldrich, America) 을 사용하였다. 분말의 혼합조성은 Fe-20wt.%Cu-1wt.%C 으로 배합하였다. 습식 볼밀링 공정을 적용하였으며, 알코 올과 분말 비는 2:1 볼과 분말 비는 10:1로 배합하여 수평 형 볼 밀링 방법으로 150 RPM으로 24시간동안 밀링을 진 행하였다. 이때 지르코니아볼(직경 6 및 10 mm)을 이용하 였다. 습식 볼밀링 후 진공오븐 100

^o

C에서 48시간동안 건 조하였다. 원료 분말과 혼합된 분말의 평균 입도크기는 주

사전자현미경(FE-SEM)과 입도분석기(Malvern, Mastersizer 2000E)를 이용하여 분석되었다. 혼합된 분말의 혼합비를 분 석하기 위하여 EDAX를 이용하여 분석되었다. 원료 분말 과 혼합된 분말은 XRD의 Cu-Kα(λ = 1.541874 Å)를 이용 하여 XRD 피크(Peak) 값과 JCPDS의 데이터 비교를 통한 결정상을 분석하였다[8, 9].

혼합분말은 그라파이트 몰드 안에 충진되어 60 MPa 압 력과 진공(1 × 10

^-3

Pa이하) 조건에서 방전플라즈마 소결 (Sumitomo Coal Mining, Japan)장비를 이용하여 소결하였 다. 그림 1은 방전플라즈마 소결 장치의 모식도이며, 그라 파이트 몰드 안의 분말에 펄스전류(on: 12 ms, off: 2 ms) 를 가하여 소결하였다. 소결시 승온속도는 30, 60 및 90

^o

C/min 조건으로 총 소결시간을 30, 15, 10분으로 그림 2 와 같이 조절하였으며, 직경 10 mm, 두께 2 mm의 Fe- 20wt.%Cu-1wt.%C 소결체를 제조하였다. 승온속도 변화에 따라 제조된 Fe-20wt.%Cu-1wt.%C 소결체의 상분석, 미세 조직 및 결정립 크기를 FE-SEM을 이용하여 분석하였다.

제조된 소결체는 SiC페이퍼를 이용하여 연마한 후 에탄올 100 ml, 질산 10 ml 이용하여 약 10초간 표면을 부식 시켜 FE-SEM 을 이용하여 미세조직을 분석하였으며, EDAX방 법으로 조성비를 분석하였다[10]. 소결된 Fe-20wt.%Cu- 1wt.%C 합금은 로크웰경도계(MFL SYSTEME, D-6800, Germany)를 이용하여 기계적 특성을 평가 하였다. 소결체 의 경도 값은 원 중심을 기준으로 1 mm 간격을 두고 상, 하, 좌, 우 4곳을 3회 반복 측정하였다. 소결체는 아르키

Fig. 1. Schematic diagram of the Spark Plasma Sintering.

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메데스 법을 이용하여 겉보기 기공률이 측정되었다.

3. Results and Discussion

표 1에 초기 분말과 혼합된 분말의 입도크기를 분석하 였다. 초기 Fe분말과 혼합된 분말의 d(0.1), d(0.5)측정 조 건에서 수평형 볼밀링 후 입자 크기가 6~8 μm 줄어들었 으며, 미세해진 이유는 초기 원료분말 Fe의 입도 분석 시 분말의 응집현상에 의해 다소 크게 측정된 것으로 판단된 다. 그림 3는 원료분말의 미세조직 분석결과이다. Fe분말 의 경우 불규칙한 다각형 형상을 띠고 있으며, 분말과 분 말들이 응집되어 있는 것을 확인할 수 있었다. Cu의 경우 에는 구형의 형상을 띠며, 큰 입자에 미세 입자들이 붙어 있는 형상을 확인하였다. C의 경우 불규칙한 판상형상으

로 관찰되었다. 그림 4는 수평형 볼 밀링 방법으로 밀링된 분말의 각 첨가원소에 대한 미세조직 결과이다. Fe, Cu 및 C 모두 초기 형상과 다른 불규칙한 형상으로 모두 응집되 어 있는 것으로 분석되었다. Cu 분말의 경우 Fe분말들의 주위에 고루 분포해 있는 것을 관찰할 수 있다. 그림 3의 Fig. 2. Schematic diagram of the Spark Plasma Sintering.

Table 1. Grain size of raw powders and milled powder Grain Size

d(0.1) d(0.5) d(0.9)

Fe 16.848 33.59 53.462

Cu 8.569 23.75 49.137

C 3.839 7.271 13.536

Fe-20Cu-1C 8.031 27.845 54.135

Fig. 3. FE-SEM images of the raw powders : a) Fe, b) Cu, c) C.

Fig. 4. FE-SEM images of the milled powder : a) Fe, b) Cu,

c) C powders of the milled Fe-20Cu-1C powder and d) Fe-

20wt.%Cu-1wt.%C powder.

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(a) 의 초기 Fe분말과 그림 4의 (d) 혼합분말을 비교하였을 때 분말의 입도크기가 볼 밀링후 약 5 μm 작아졌다. 그림 5의 XRD 피크 값을 이용하여 원료분말과 혼합분말의 상 을 분석하였다. Fe(011, 002)분말의 피크값과 Cu(111, 002, 022)분말의 피크값이 혼합된 분말의 Fe(011, 002), Cu(111, 002, 022) 피크값과 일치한다[11]. 그림 4는 수평형 볼밀링 후 분말의 조성비를 분석하기 위해 EDAX를 이용하여 조 사하였다. 분석결과 혼합된 분말에서 Fe, Cu 및 C 함량은 각각 77.63, 21.18 및 1.19 %로 분석되어 분말이 수평형 볼밀링 방법에 의하여 문제 없이 혼합되었다고 판단된다 [13, 14].

그림 6은 승온속도 변화에 따라 제조된 소결체의 소결 시간에 따른 수축길이 및 소결온도 변화 그래프이다. 소결 시 승온속도에 관계없이 소결체는 약 450

^o

C에서부터 수축 이 진행되었다. 이는 Cu가 액상화 되는 액상소결의 가열 및 용융단계로 사료되며, 소결체의 수축율 변화가 끝나는 온도는 승온속도에 따라 차이가 있었다[15, 16]. 승온속도 30

^o

C/min 조건으로 30분간 소결하였을 경우 650

^o

C 이후 더 이상 소결체의 수축률 변화가 없었다. 승온속도 60 및 90

^o

C/min 조건의 경우 15, 10분간 소결하였을 경우 각각 700 및 800

^o

C 이후에서 수축 변화가 종료되었다.

그림 8은 승온속도에 따른 소결체의 FE-SEM 이미지이 다. 모든 조건의 소결체에서 각형의 Graphite가 관찰되었 으며, Graphite 입자는 Fe와 Cu의 입계사이에 위치하여 있 다. 선형분석법을 이용하여 승온속도 변화에 따라 제조된 소결체의 Fe 입자크기를 측정한 결과 승온속도가 증가함 에 따라 입자크기는 약 64, 57 및 38 μm로 분석되어 승온 Fig. 5. XRD patterns of raw powders : a) Fe, b) Cu, c) C, d) Fe-20wt.%Cu-1wt.%C powder.

Fig. 6. Variations of temperature and shrinkage displacement

with sintering time depending on heating rate.

(5)

속도에 따른 소결시간이 길어짐에 따라 입자입자크기가 증가하는 것으로 분석되었다.

소결시간이 증가할수록 입자크기의 증가로 인하여 경도 값이 낮아지고, 밀도가 낮을수록 높은 기공률 때문에 경도 값은 낮아진다는 것은 일반적인 소결 이론이다[17-19]. 그 림 9에 본 연구에서 승온속도에 따른 경도 및 기공률 변 화를 나타내었다. 소결 시편 PIS30과 PIS60을 비교하여 보면 승온속도가 30

^o

C/min 증가하였을 경우 기공률은 1.5%증가하였고 경도값은 HRc 56, 55로 유사하게 측정되 었다. 경도값이 유사한 이유로 소결시 압력을 가하여 과도 한 입자성장을 억제하고 총 소결시간은 30분이내에 소결 함으로써 경도 값의 하락에 영향을 주는 인자가 제한되었 기 때문으로 사료된다. 소결 시편 PIS90은 PIS60보다 기공 률이 2.5%증가하였으며 경도값은 HRc 51로 측정되어 낮 아졌다. 이는 빠른 소결시간으로 인하여 Fe 입자 사이의 기 공에 Cu가 침투하지 못하였기 때문으로 사료되며, 추후 승 온속도를 증가하였을 경우에도 경도 값을 유지할수 있는 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서 제조한 Fe-20wt.%

Cu-1wt.%C 합금을 유압기계부품으로 적용할 경우, 승온속 도 60

^o

C/min 조건에서 15분간 소결하였을 경우 다른 승온 속도 조건들과 비교하였을 때 가장 적합한 기공률 및 경도 값을 가질 수 있음을 확인하였다.

Fig. 7. XRD patterns of the sintered composites depending on heating rates: a) 30

^o

C/min, b) 60

^o

C/min, c) 90

^o

C/min.

Fig. 8. FE-SEM images and EDAX data of Fe-20wt.%Cu- 1wt.%C sintered composites depending on heating rate. a) 30

^o

C/min, b) 60

^o

C/min, c) 90

^o

C/min.

Fig. 9. Apparent Porosity and Hardness of Fe-20wt.%Cu- 1wt.%C sintered composites depending on heating rate.

Table 2. Grain size and apparent porosity of sintered alloys according to different heating rate Specimens Heating rate

(

^o

C/min)

Sintering duration (min)

Grain size ( µm)

Apparent Porosity (%)

Hardness (HRc)

PIS30 30 30 64 3.7 56

PIS60 60 15 57 5.2 55

PIS90 90 10 38 7.7 51

(6)

여 HRc 53으로 낮았다. 승온속도 30 조건에서는 승 온속도 90

^o

C/min 조건과 비교하였을 경우 입자크기가 약 26 μm 증가하였으나 경도 값의 하락은 나타나지 않았다.

승온속도 60

^o

C/min 로 소결하였을 경우 기공률은 5.2%를 가 지고 소결체의 경도 값은 HRc 55로 측정되었다. 따라서, 이 상의 결과를 종합해 볼 때 승온속도를 증가시켜 소결시간을 단축시킴으로써 소결체의 기공률을 제어할수 있으며, 승 온속도 30~60

^o

C/min 구간에서 소결하였을 경우 기공률은 승온속도가 증가할수록 높아지고 경도값은 유지할수 있다.

승온속도가 60

^o