DOI: http://dx.doi.org/10.4150/KPMI.2011.18.5.411
수분사법으로 제조된 순철 분말의 고압비틀림 성형 공정에 의한 치밀화 및 나노결정화
윤은유·이동준·김하늘a·강희수a·이언식a·김형섭
*
포항공과대학교 신소재공학과,
a포항산업과학연구원신금속연구본부Densification and Nanocrystallization of Water-Atomized Pure Iron Powder Using High Pressure Torsion
Eun Yoo Yoon, Dong Jun Lee, Ha Neul Kima, Hee-Soo Kanga, Eon Sik Leea, and Hyoung Seop Kim
*
Department of Materials Science and Engineering, POSTECH (Pohang University of Science and Technology), Pohang 790-784, Korea
a
New Materials Research Department, RIST, Pohang 790-784, Korea (Received June 23, 2011; Revised July 16, 2011; Accepted August 1, 2011)
Abstract In this study, powder metallurgy and severe plastic deformation by high-pressure torsion (HPT) approaches were combined to achieve both full density and grain refinement at the same time. Water-atomized pure iron powders were consolidated to disc-shaped samples at room temperature using HPT of 10 GPa up to 3 turns. The resulting microstructural size decreases with increasing strain and reaches a steady-state with nanoc- rystalline (down to ~250 nm in average grain size) structure. The water-atomized iron powders were deformed plastically as well as fully densified, as high as 99% of relative density by high pressure, resulting in effective grain size refinements and enhanced microhardness values.
Keywords: Water atomization, Pure iron powder, Densification, High pressure torsion, Severe plastic deformation
1. 서 론
분말야금법을이용하여금속제품을생산하는방법은 오래된 기술이면서우수한 생산속도와 제품특성을 얻을수있는장점이있어
,
고강도제품제조를위한 공정으로서많은각광을받고있다[1].
하지만대부분 의 금속분말이고온에서의 공정으로 결정립성장 및 표면산화등기존의분말특성손실및벌크성형체의 강도를저하하게 한다.
그러므로기존의성형방법과 달리분말의특성을유지하면서진밀도의벌크재료를 얻으려는 새로운 공정에대한 시도가많이 진행되고 있다.
특히고형화 공정 중에결정화와 결정립 성장 억제및미세화를이루는동시에보다높은치밀화를얻을수있는가공공정에대한연구가요구되고있다
.
이에 강소성
(Severe Plastic Deformation, SPD)
공정을 통한 분말 고형화가 적합한분말성형공정으
로평가되어많은연구가진행되어왔다
[2-5].
강소성공정중의 하나인고압비틀림
(High Pressure Torsion,
HPT)
공정은 다른 강소성 공정보다 높은 변형량을부과할 수있어균일한나노결정립을형성시키는데 효과적이다
.
또한 높은 정수압 압력을 가하는 중에 변형이 일어남에따라 벌크 소재뿐아니라 분말기 지 자체의 미세조직 성장을억제 및 미세화하는동 시에 성형체의 높은 치밀화를 얻을수 있는 공정으로
, 1991
년을 시작으로 금속성 분말[6-12]
에서부터복합재료분말
[13-25],
비정질분말[26-28]
에이르기까*Corresponding Author : [Tel : +82-54-279-2150; E-mail : [email protected]]
412 윤은유·이동준·김하늘·강희수·이언식·김형섭
지 세계적으로많은연구가이루어지고있다.
본연구에서는
Höganäs
사의ASC 100.29
순철분 말을 상온에서 고압비틀림 공정을 통해 치밀화하여 나노결정립벌크재료를성형하고,
소성변형량에따 른 치밀화 과정및 성형한 재료의미세조직과 기계 적 성질을고찰하고자한다.
2. 실험방법
본 연구에는 상온에서상업적으로 유통되고있는
,
수분사법으로 제조된
Höganäs
사의ASC 100.29
순 철분말을고압비틀림공정을통하여벌크재료로치 밀화하였다.
그림1
은분말 고압비틀림공정의 개략 적인모식도이며,
고압비틀림공정은하부금형에선 다짐(pre-compaction)
한 디스크 형태의 시편을넣고,
하부금형을 상승시켜상부금형과분말이 접촉하게
될 때 고압의
10 GPa
을 가하였다.
상부 금형은,
하부금형이
10 GPa
의압력을가하고1 rpm
의속도로회전하는동안
,
위치를 고정시켰다.
고압비틀림공정을
1/6, 1, 3
회전의 세가지다른변형량으로고압비틀림성형을실시하였으며아르키메데스법을이용하 여각각의성형체의밀도를측정하였다
.
초기수분사분말의 형태
,
크기 분포는FE-SEM(JEOL, JSM-
6330F)
을이용하여 관찰하였고,
분말상태에서의결정립 크기는광학현미경을 이용하여관찰하였다
.
각 각 다른 변형량의 고압비틀림 성형체를 거울면으로 연마후에칭하여변형량에따른미세구조변화를광 학현미경을통하여관찰하였다.
고압비틀림공정을
3
회전한시편의결정립크기와결정립 방위 분포 관찰을 위해
EBSD(Electron
Backscatter Diffraction)
을 이용하였다.
연마지와0.04
µ
m
콜로이달실리카(colloidal silica)
를이용하여연마하여 거울면을 만들고
,
성형체의 중심에서2.5 mm,
4.5 mm
떨어진중간과가장자리두부분에서미세결정립을측정하였다
. EBSD
측정장비는POSTECH
의NCNT(National Center for Nano Technology)
에 있는3D Total Analysis(Helios Nanolab)
에 장착된Hikari
EBSD detector
를사용하였다.
미세결정립의시편의분석을 위해
20 nm
의 분해능으로17
×10.5
µm
2 면 적을 측정하였으며 결과값의 신뢰성을 높이기 위해Confidence index(CI)
값이0.1
보다 작은 값들은분 석 결과에서 제외하였다[29].
또한 성형체의 비커스 경도측정을통해고압비틀림공정변형량변수에따 른 기계적특성을관찰하였다.
3. 결과 및 고찰
수분사법으로제조된분말은그림
2(a)
의주사전자Fig. 1. Schematic of the HPT device showing set-up, (a) compression stage and (b) compression-torsion stage.
Fig. 2. SEM (a) and OM (b) images of water atomized iron powder: irregular shape with polycrystalline (grain size: 1~10
µ m) powder.
현미경 사진과 같이 불규칙한 형상을 하고
20-180
µ
m
의 입도분포를 보이며,
결정립 크기가수 µm
에 서 수십 µm
의 크기를가지는등 다양한분포를보 이고평균25
µm
정도로 관찰된다(
그림2(b)).
또한 이분말의 화학조성은표1
에서와 같이불순물의양 이 매우적은순철분말임을확인할 수있다.
이분 말을 고압비틀림 공정을 하기 위해 선다짐(pre-
compaction)
하여낮은밀도의디스크 시편을형성하고
10 GPa
의고압과 비틀림의변형거동을통하여 지름
10 mm,
높이0.93 mm
의시편을형성하였다(
그림3).
각각1/6, 1, 3
회전의 고압비틀림 공정 조건을달리하여상온에서성형한벌크
Fe
의밀도를아르키 메데스 방법을 이용하여 측정하였으며 모두 약99.3%
이상의높은성형밀도값을나타내었다(
표2).
높은정수압과비틀림 변형의조합인 고압비틀림공 정은항복강도 보다훨씬높은 압력과
,
비틀림에의 한입자재배열로인하여 접촉점 수의증가그리고 입자간 미끄러짐으로 입자 사이에 치밀한 계면구조 를가지게 하는동시에기공크기및기공률을감소 시켜높은밀도를갖게하여,
분말의치밀화성형공 정에효율적인공정임을 알수있다.
이와같이분말치밀화에효율적인고압비틀림공 정 중 시편이 받는유효변형률은 간단하게 다음식 으로계산된다
.
(1)
여기서 θ은 회전각도
(
라디안), h
는 원통형 시편의 높이,
그리고r
은시편중심에서의측정지점까지의거 리를 뜻한다.
고압비틀림공정에서r
이4.5 mm,
회 전수1
인 경우이 식에의해계산된최대유효변형률은
35
으로 다른ECAP
나ARB
등의 일반적인강소성 공정에서 보통 얻어지는 γ
=5~10
값에 비하여굉장히 높은값을보인다
[30,31].
그림4
는고압비틀림 공정을 통하여치밀화한 시편의 변형량에 따른 위치별미세조직을에칭하여광학현미경으로관찰한 사진이다
.
상온에서 형성한 성형체에서 γ=0.45
의 영 역은비틀림없는고압의 효과만을받는중심영역으 로압분체가치밀한구조는이루고있지만대부분초 기분말의입자형태를유지하면서분말표면층과내 부의경계가뚜렷이보이며,
비틀림에의한변형량 γ 가증가할수록치밀화되고분말표면 층과내부의경 계가 없어지면서 결정립이 미세해지는 것으로 관찰 되었다.
사진에서 보이는 균일한 흑점은 경도 측정 시남은압흔이다.
상온에서고압비틀림공정을통한 입자미세화가 잘 진행되었으며,
분말의 자연발생적 인 산화 층 또한 물리적인 방법으로 효과적으로분 쇄하여 표면층에덮여있던원자들이 노출시키고이 원자들간의 금속결합을 이루게 하여 입자간 결합력 을 효과적으로향상시켰을것으로판단된다.
γ rθ 3 h ⋅ ---
=
Table 1. Chemical composition of pure iron powder
Si P Cr Mn Ni Cu Mo S N C O
wt% 0.009 0.0055 0.035 0.1 0.029 0.023 0.014 0.0065 0.0097 0.001 0.094
Fig. 3. (a) Water atomized iron powder and pre-compacted disk and (b) consolidated iron disk by HPT process.
Table 2. HPT experimental conditions and relative density of each specimen
Powder HPT condition Relative density (%) Polycrystalline
Iron powder
Compression+1/6 turn 99.3 ± 0.02
1 turn 99.4 ± 0.02
3 turns 99.4 ± 0.01
414 윤은유·이동준·김하늘·강희수·이언식·김형섭
Fig. 4. Comparison optical micrographs of etched HPT processed disk surface with different strain ( γ ) regions.
Fig. 5. Orientation maps and image quality maps in the radial direction at middle and edge of radius for 3 turned HPT disk
and corresponding grain size distribution of two different regions (c, d): (a) radius 2.5 mm, middle, and corresponding
grain size distribution (c), (b) radius 4.5 mm, edge, and corresponding grain size distribution (d).
많은 변형량으로 형성된 초미세 결정립의 크기를
측정하기 위해
EBSD
분석을실시하였다.
고압비틀림으로
3
회전한디스크모양의 성형체 중심에서 각각
2.5 mm, 4.5 mm
떨어진 중간과 가장자리 두 부분에서
EBSD
로미세조직을관찰한결과를그림5
에나타내었다
.
측정된부분에서는모두 무작위방향성 을 가지는 균일한 나노미터 크기의 초미세결정립이 관찰되었고,
평균 결정립 크기는293 nm, 248 nm
로 중심에서모서리로갈수록큰소성변형량으로보 다미세한결정립의분포가많아지고보다미세한평 균결정립을보이는것으로확인된다
.
이와같은나노크기의 결정립은 결정립 방위각 분포
(Misori-
entation angle distribution)
의 대부분이 고경계각(High angle grain boundaries: misorientation angle
> 15
o)
을 이루고있음을확인할수있으며 고압비틀림 공정을 통하여 치밀화한 재료의 좋은 연성을결 정하는중요한인자로 작용할것으로예상된다
.
고압비틀림 공정을 통하여 성형한시편의 기계적 성질을관찰하기 위해 비커스경도를측정하였으며
,
시편의 중심에서 가장자리까지 일정한 간격으로 측 정하여 평균하였다
(
그림6).
비커스경도는 고압비틀 림1/6
바퀴 회전한 시편에서는 초기 변형량이 작은 시편의 중심은 분말 사이의 금속결합이 이루어지지 않아 낮은경도값을 보였으며,
변형량이 상대적으로 중심에 비해큰 가장자리로 갈수록 경도 값이 지속 적으로 증가하였다(
중심: 152.6 Hv~
가장자리: 263.8
Hv).
또한 중심에서의경도값이초기분말의 경도값(96 Hv)
보다높은경도(152.6 Hv)
값을보이는것은 높은압력으로치밀화가 잘되었기때문이다.
고압비틀림
1
바퀴 회전한 시편은 중심에서는176.8 Hv
로 고압비틀1/6
바퀴 회전한시편보다 높은값을보이고중심에서
2 mm
까지지속적으로경도가증가하다가이후의영역에서는특별히큰 변화를보
이지않으면서비슷한값으로
(300~310 Hv)
고정되었다
.
이 값은고압비틀림1/6
회전한시편의최대경 도값보다큰경도값으로분말입자간의경계면 분쇄 로인한결합력 향상및 치밀화를넘어결정립 미세 화의효과로보인다.
또한,
고압비틀림3
회전을 통해 디스크중심에도 높은 변형량이가해져,
전체적으로 미세조직이 균일한 포화된 정상상태(~357.8 Hv)
에도달하게되며이러한경도값불변의경향은
Harai
등
[32]
에의해서도 설명되었다.
이러한,
디스크중심 에서 가장자리까지 변화없는 경도값과 높은 경도값은
EBSD
측정을 통하여측정한 벌크 디스크 내부의균일한초미세결정립도에의해명확히이해될수 있다
.
이와같은결과는i)
고압비틀림에의한산화층 분쇄에의한입자간결합력을 상승과
, ii)
중심에서모서리로갈수록 큰소성변형율로 모서리로갈수
록치밀화가잘 일어나고
,
그리고iii)
결정립미세화의 복합효과에의한현상으로 볼수있다
.
4. 결 론
수분사법으로 제조된 순철 분말의 상온 고압비틀 림 공정을통한치밀화
,
고형화와 결정립미세화 과 정을,
회전수에의한변형량을변수로하여,
고찰한 결과다음과같은결론을얻었다.
고압비틀림공정은 상온공정임에도10 GPa
에이르는 초고압을통하여 높은밀도의성형체를 형성할 수있었으며,
초기낮 은변형량에서높은변형량까지의변화에 의한분말 의 변형거동,
벌크화및 결정립미세화 거동을관찰 할 수 있었다.
고압비틀림3
회전 후,
성형한디스크 는초미세 결정립이균일한포화정상상태에도달하 였으며,
디스크중심에서도중간(2.5 mm)
과가장자리(4.5 mm)
모두비슷한경도 값을보였다.
최종 결정립의크기는약
290 nm
의나노결정립으로대부분의미세 결정립들이 고경각계의 평형 결정립계를 가지 는 결과를얻을수있었다
.
고압비틀림공정은높은Fig. 6. The average Vickers microhardness, Hv, of various
distances from the center of disk processing by HPT at
three different revolution conditions and comparison hard-
ness of initial powder.
416 윤은유·이동준·김하늘·강희수·이언식·김형섭
압력과 동시에 대변형이 일어남에 따라 높은 치밀화와 결정립 미세화를 효과적으로 얻을 수 있는 공정 임을 알 수 있다.
감사의 글
본 연구는 포스코의 연구비 지원으로 수행되었고, 이에 감사를 드립니다.
