Quantitative Analysis of Roughness of Powder Surface Using Three-Dimensional Laser Profiler and its Effect on
Green Strength of Powder Compacts
Dong Jun Lee, Eun Yoo Yoon, 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 July 3, 2011; Revised July 17, 2011; Accepted July 31, 2011)
Abstract Green strength is an important property of powders since high green strength guarantees easy and safe handling before sintering. The green strength of a powder compact is related to mainly mechanical and sur- face characters, governed by interlocking of the particles. In this study, the effect of powder surface roughness on the green strength of iron powders was investigated using a transverse rupture test. Three-dimensional laser pro- filer was employed for quantitative analyses of the surface roughness. Two different surface conditions, i.e. sur- face roughness, of powders were compared. The powders having rough surfaces show higher green strength than the round surface powders since higher roughness leads increasing interlocked area between the contacting pow- ders.
Keywords : Water atomized Fe powder, Green strength, Surface roughness, Three-dimensional laser profiler
1. 서 론
분말야금법에서 소결 부품을 제조하는 가장 일반 적인 방법은 분사법으로 제조된 철분말을 금형에서 압축 성형하여 일정한 형상을 만들고
,
이 성형품을 융점 이하의 온도와 환원분위기 중에서 소결시키는 공정이다.
공정의 특성상 작고 복잡한 형상의 기계 부품을대량으로 생산할수 있고,
경제성과재료절 감효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한 자동차,
산업기계 및 전자산업의 발달로 소결품의 수요량이 급증하였고
,
주요원료인철분또한그 수요량이많은 실정이다
.
성형압분체의강도값은일반적으로항절력
(transverse rupture strength, TPS)
시험으로 측정을 한다.
소결하지않은성형체의성형강도
(green strength)
는소결후 부품의 강도에도 직접적인 영향을 미친다
.
또한 소결전제품의 가장자리부분에서생길수있는마 모나부스러짐과같은 결함현상이압분체강도와밀접한 관계가 있기 때문에
,
성형성(compressibility)
과함께 분말의 특성을 평가하는 중요한지표 중 하나
이다
[1,2].
분말의성형성과성형강도에영향을미치는중요한요인으로는분말의형상
,
크기,
크기분포,
분*Corresponding Author : [Tel : +82-54-279-2150; E-mail : [email protected]]
말간의 마찰력등이주로언급된다
[3-10].
특히분말 의 형상에 따라성형성 및 성형강도는많은 영향을받는다
[5].
하지만,
분말의특성을정성적으로묘사하기는 쉬우나
,
정량적으로 분말의형상을 정의하기는 쉬운 일이아니다.
분말형상에 대한정량적인 측정 기준은 일반적으로 광학이나 주사전자 현미경을 이 용하여 분말의가장긴길이를가장짧은길이로나 눈 종횡비(
장단축비; aspect ratio)
가 있다.
하지만같 은 모양을 가진 분말이라도 표면의 상태가 다르면,
분말간의 마찰력 및 응집력등의 차이로인하여성 형성및성형강도등이큰 폭으로달라지게 된다
.
분 말에대한기존의표면상태의정량적인측정은 원자 힘현미경(atomic force microscopy, AFM)
을 이용하 여 분말표면을스캔하거나가스흡착 표면적분석법,
가스투과표면적 분석법등을이용하여분말의 표면 적을 정량화하는 것이다
.
그러나이러한 방법은측 정시간이 많이걸리고,
표면조도에대한 정확한절 대값을 얻기는쉽지는 않다.
그러나,
분말의 표면조 도가압분강도에결정적으로영향을끼친다는사실은 정성적으로잘알려진것이므로,
분말의표면조도를빠 르고정확하게정량화시킬수있다면분말야금분야의 새로운연구방법으로서사용될수있을것이다.
따라서 본 연구에서는
3
차원 레이저분석기를 이 용하여 수분사순철분말의 표면조도에대한정량적 인 측정과 표면조도가다른 두 분말을 이용하여 성 형강도 시험후 표면 특성이성형강도에 미치는영 향에대하여살펴보고자한다.
2. 실험방법
이번실험에서사용된분말은 수분사로제조된순
철분으로서
,
분말의표면형태가다른두가지의분말 을선택하였다.
분말의크기와형상은주사전자현미경(SEM: 5410 JSM)
을이용하여관찰하였다.
분말표면의조도를정량화하기위하여
3
차원레이저표면분석 기(3D-Laser Profiler: Wyko Veevo/NT1100)
를 사용하 여분말각각표면의조도값(R
a)
을정량적으로측정하 였다.
이장비를이용하면분말의형상을3
차원으로표 현하여볼수있고,
특정구간의표면조도를정량화할 수있다.
본실험에서는분말표면의약30
µm
의 표 면조도값을40
회측정하여그평균값을구하였다.
분말성형체의압분강도측정을위한굽힘강도시험 은 국제표준화기구
ISO 3995(Metallic powders- Determination of green strength by transverse rupture of rectangular compacts)
규격에따라평가하였다.
고 체 윤활제인 아연스테아린산염(Zinc-stearate)
를0.6 wt%
섞은철분말15 g
을 너비12 mm,
길이30 mm
인사각금형에넣고
, 400 MPa
의일정한압력으로압축을실시하여그림
1(a)
와같은직사각형시편을 제작하였다
.
이렇게 제작된시편을 그림1(b)
에 나타낸항절력시험기구의중앙에위치하도록설정한뒤
, 0.1 mm/s
의일정한속도로압축력을가하였다.
분말성형체가파단이될때의힘을
P(N)
이라하면,
성형체강도S
는N/mm
2(MPa)
으로표시하며,
다음식으로구한다. (1)
여기서
L
은시험기의 받침대축간거리, t
는 시험편 의 두께, w
는시험편의폭을의미한다.
3. 결과 및 고찰
수분사법을 이용하여 제조한 순철 분말의 모양은
S 3 P × × L
2 t ×
2× w ---
=
Fig. 1. (a) Dimensions of green strength testing specimen and (b) schematic of transverse rupture test.
일반적으로 불규칙적인 형상을 보이는 것이 특징이 다
.
그림2
은본실험에서 사용한순철분말A
와B
의주사전자현미경사진이다
.
두분말모두불규칙한 형상을 보이는것으로관찰되었다.
하지만분말A
의 형상은일반적으로말하는불규칙한(irregular)
모양인데반하여
,
분말B
는 표면이둥근(rounded)
모양에 더가까운것으로 판단할수있다
[11].
항절력 시험에 의하여 측정한 두 분말의 특성은
표
1
에서볼 수 있다. 400 MPa
의 압력으로 압축하였을때
,
분말A
의밀도는7.190(±0.008) g/cm
3이고 분말B
는이보다 높은7.319(±0.037) g/cm
3을나타내 었다.
하지만 성형강도는 분말A
가19.580(±0.255) MPa
로 나타났고,
분말B
는7.477(±0.235) MPa
로 측정되었다.
분말A
가분말B
에비하여밀도는작은데 성형강도는 두 배 이상 높은 결과가 나온 것은 분말형상
,
특히분말표면의조도차이에의한것이 라 할수있다.
이러한 분말 표면의 조도의 차이를 정량화 하기 위하여
3
차원레이저 표면분석기를 이용하였다.
이장비를이용하면분말표면의모습을그림
3(a)
와같이
3
차원으로 표현이 가능하여 분말의전체적인 높낮이를한눈에알아볼 수있으며
,
그림3(b,c)
처럼특정구간의표면조도를정량화할수있다
.
이와같 은 방법으로 각 분말의표면조도를 측정하여 평균한 결과,
분말A
의 평균표면조도R
a값은5.420(±2.25)
µ
m
이고,
분말B
이 평균 표면조도R
a 값은3.212
(±1.70)
µm
로 측정되었다.
이 결과는 분말A
가 분말
B
에비하여상대적으로더 불규칙한형상과더욱Fig. 2. Morphology of Fe powders formed by water atomization: (a) powder A and (b) powder B.
Table 1. Green compacts characteristics and average surface roughness of powders
Powder Height
(mm) Green density
(g/cm
3) Max. load
(N) Green strength
(MPa) R
a( µ m) A 5.794(±0.006) 7.190(±0.008) 263.05(±2.55) 19.580(±0.225) 5.420(±2.25)
B 5.674(±0.030) 7.319(±0.036) 97.022(±3.63) 7.477(±0.234) 3.212(±1.70)
거친표면을가지는것으로측정되어
,
그림2
에나타 낸 주사현미경에 의한결과와 같은경향이라 할 수 있다.
따라서 높은 압분강도를 나타내는 분말A
가 높은표면조도값을나타냈고,
낮은압분강도를가지 는 분말B
가적은표면조도값을나타냈다.
분말모양이불규칙 할수록겉보기 밀도와두드림 밀도 및 성형체의 밀도 또한작아진다는 것은 일반
적으로 널리알려진 사실이다
[4].
이는 분말의 모양이 둥글수록분말의충진성이 더욱커지고
,
같은압 력을 가했을때 더 높은 성형체 밀도값을 나타내게 된다.
소결전 성형체는분말들이 서로화학적 결합 이 아닌 기계적결합으로 그 형상을 유지하기 때문 에분말의형상에따라그 강도가크게결정된다.
분 말의모양이 불규칙할수록 분말들이서로맞물리게 되는 현상이잦아지게 되고 분말들 사이의 접촉면 적도 넓어지게 된다.
따라서 분말 표면의 조도값이 클수록 더욱높은 성형강도를 가지게된다고 할 수 있다.
분말의 크기와 분포또한 분말 성형체강도에중 요한영향을미친다
.
분말의크기가 크게되면,
크기 가작은분말에 비해성형시 압력에의한변형이더 욱많이발생하여,
분말들사이의접촉면적이많아지 게된다.
따라서,
크기가 큰분말일수록성형성이우수해지고
,
성형강도도좋아지게된다.
이번연구에사 용한 분말A
와B
의크기는 그림2
의 주사현미경에 서 보듯이,
분말A
가B
보다작음을알 수 있다.
따 라서,
분말 크기가큰B
가 성형강도가좋아야 하지 만,
결과는 크기가작더라도 표면조도가큰 분말A
가 더욱좋은성형강도를보였다
.
이는분말크기의 차이가 크지않을 시에는분말 표면 조도가성형강 도에더욱지대한영향을준다고할수 있다.
지금까지의 분말의 표면적 또는 표면특성을 관찰 하는일반적인방법이아닌
, 3
차원레이저표면분석 기는 짧은 측정 시간과 수nm
에 달하는 해상도를 가지고있으므로측정의신속성,
편리함과더불어높 은 정밀도를보인다.
이 장비를이용하여분말의 표 면 거칠기를 정량적으로 측정하여 수치화함으로써,
분말 표면 거칠기가 분말성형 특성에미치는 영향 을 평가할 때
,
효과적인 분말 및 압분체,
소결체의 특성분석이가능하게된다.
4. 결 론
본 연구에서는 분말 표면 조도가 성형체 강도에 미치는영향에대하여실험을통한정량적분석이이 루어졌다
.
분말표면조도는3
차원 레이저분석기를Fig. 3. Results of 3D-laser profiler: (a) 3-dimensional image of powders, (b) 2-dimensional image, and (c) line profile between
two points.
고, 둥근 형태의 표면을 가지게 되므로, 높은 성형밀 도를 가지는데 반해 분말들끼리 맞물리는 부분이 줄 어들어 낮은 성형체 강도 값을 가진다.
3) 분말의 표면 조도를 3차원 레이저 분석기를 통 하여 정량화 함으로써, 분말의 모양 및 표면 형상이 분말야금 공정에 미치는 영향에 대하여 명확한 이해 와 효과적인 해석을 가능하게 한다.
감사의 글
본 연구는 포스코의 연구비 지원으로 수행되었으 며, 이에 감사를 드립니다.
