1. Introduction

흑연블록은 전기전도도와 열전도도가 높아 제강용 전극 봉에 활용되며, 자기 윤활성이 우수하여 베어링, 카본브러 쉬, 진공펌프용 베인, 밸브시트 등 특수기계부품에 활용된 다. 또한 내열성, 내식성, 내화학성을 가지고 있어 실리콘 잉곳 제조 장비의 재료, 내화물, mechanical seals에 사용 되고 있다[1-4].

흑연블록의 충전재는 코크스, 무연탄, 천연흑연, 인조흑 연 등이 주로 사용되고, 결합재는 일반적으로 열경화성 수 지와 핏치가 사용된다. 흑연블록은 목적과 형태에 맞게 기 계 가공하여 사용하게 되는데 가공 중 다량의 인조흑연 가공부산물을 발생시킨다. 가공 중 발생한 인조흑연 가공 부산물은 일부 재활용되며, 나머지 대부분은 폐기된다[5- 7]. 인조흑연 가공부산물을 흑연블록의 충전재로 재활용한 다면 원료 비용이 절약될 뿐만 아니라 폐기로 인한 토양 및 대기와 관련된 환경오염 개선으로 긍정적인 영향을 미 칠 것으로 판단된다.

흑연블록은 충전재와 결합재를 이용하여 혼합, 혼련, 성 형, 탄화, 함침, 흑연화 공정을 통해 제조된다. 그 중 성형 은 최종 제품의 물성에 큰 영향을 끼치므로 제품의 용도 에 맞는 성형방식을 선택하는 것이 중요하다. 흑연블록의 성형은 냉간정수압성형(CIP), 압출성형, 일축가압성형 (Unidirectional pressing)등의 방식이 있다[8-10].

일축가압성형은 비교적 단순한 공정과 빠른 공정속도로 성형할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 금형 벽면과 분말 사이의 마찰로 인한 잔류응력과 성형체의 종횡비에 의해 불균일한 밀도 분포를 갖게 된다. 특히 금형 형상이 복잡 할수록 더 큰 불균일한 밀도 분포를 가지게 되어 제품의 기계적 특성에 큰 영향을 준다 [11-13].

CIP 방식으로 제조된 흑연블록은 일축가압성형 보다 상 대적으로 높은 밀도를 얻을 수 있지만, 성형공정이 복잡하 고 공정속도가 느리다. 또한 모든 표면에 압력이 가해져 위치 별 균일한 밀도의 흑연블록을 얻을 수 있으나, 모든 표면에 압력이 가해지기 때문에 복잡한 형상을 한 번에 얻기 힘들다는 단점도 존재한다[12-15]. 일축가압성형 후 CIP 처리를 하게 되면 높은 밀도를 얻을 수 있고, 공극을 줄여 기공의 크기가 감소하여 기계적 강도 및 내균열성을 향상시킨다[16-18]. 세라믹 소재의 일축가압성형 후 CIP 처리에 대한 연구는 이전부터 꾸준히 진행되어 왔지만 흑 연블록 제조에 대한 연구는 찾아보기 어렵다.

본 연구팀은 인조흑연 가공부산물을 이용하여 일축 가 압 성형으로 제조한 흑연블록의 물성에 대한 연구결과 흑 연블록으로 재활용할 수 있음을 보고한 바 있다[19-21]. 본 연구에서는 인조흑연 가공부산물을 활용하여 균일하고 높은 밀도로 성형이 가능한 CIP 성형의 장점을 극대화하 기 위해 일축가압성형을 도입하여 균일하고 물성이 우수 한 흑연블록을 제조하고자 하였다.

2. Experimental procedure

2.1. Raw materials and preparations

본 연구에서 충전재 및 결합재는 POCO Graphite社(미 국)의 EDM-3제품을 기계가공 후 발생한 인조흑연 가공부 산물과 강남화성社(대한민국)의 노볼락(Novolac type) 분 말 페놀수지(CB-8081)를 사용하였다. 인조흑연 가공부산 물의 평균 입도는 13.4 μm이었다.

충전재와 결합재를 8 : 2의 무게비로 혼합하여 50MPa, 100 MPa, 150 MPa로 예비성형 하였다. 예비성형은 일축 가압 방식이었으며, 크기는 60 × 40 × 60 mm였다. 예비성 형체는 CIP를 이용하여 각각 150MPa의 압력으로 2분 유 지한 후 40°C의 오븐에서 24시간 건조하였다. 탄화는 불 활성분위기의 관상로에서 1000°C까지 승온시킨 후 1시간 유지하였다. 전체적인 실험순서는 F ig . 1에 나타내었다.

Fig. 1

Experimental procedure.

본 연구에 사용된 충전재는 이미 흑연화가 완료된 원료 이며, 탄화 후 전체 중량의 80% 이상을 차지하므로 본 연 구에서 제조된 블록은 흑연블록이라 칭하였다[21].

Fig. 2

Scheme of 60 × 40 × 60 mm graphite block and 10 × 10 × 50 mm sampling.

성형조건에 따른 샘플 명은 Table 1에서 명명하였다. 60 × 40 × 60 mm의 크기로 제조된 흑연블록의 밀도 산포 를 확인하기 위해 절단기를 이용하여 F ig . 2와 같이 절단 하였으며, 절단 시 날의 두께만큼 흑연블록의 두께가 소모 되었다. 절단된 15개의 흑연블록은 #1500 사포로 연마하 여 10 × 10 × 50 mm 크기로 맞춘 후 데이터 한 포인트 당 15개의 샘플을 측정하여 산포로 나타내었다.

Table 1

Sample name as a function of molding condition

2.2. Properties of Graphite Block

2.2.1. Bulk density and Porosity

흑연블록의 부피밀도와 기공률은 아르키메데스법(ISO 18754:2020)을 이용하여 측정하였다. 절단한 흑연블록을 60°C 오븐에 24시간 넣어 건조무게를 측정한다. 건조무게 를 측정한 흑연블록을 증류수에 넣고 3시간 끓인 후 상온 까지 냉각시켜 수중무게와 포수무게를 측정하고 식 (1)과 (2)에 따라 부피밀도와 기공률을 계산한다[19].

(1)

부피밀도(g/cm3)=건조무게/(포수무게−수중무게)

(2)

기공률(%)={(포수무게 - 건조무게) / (포수무게 -수중무게)} × 100

성형 조건 별 절단한 15개의 샘플 중 최댓값과 최솟값 의 부피밀도를 이용하여 식 (3)에 따라 밀도 산포를 계산 하였다.

(3)

밀도 산포(g/cm3)= 부피밀도 최댓값 - 부피밀도 최솟값

2.2.2. Electrical resistivity

전기비저항은 전압강하법(ASTM C 611)을 이용하여 측 정하였다. 전기비저항 측정 전 흑연블록의 폭과 두께를 측 정하여 시험편의 단면적을 구하고, 0.5 A, 1.0 A, 1.5 A, 2.0 A, 2.5 A, 3.0 A의 전류에서 측정된 전압강하(V)의 값 을 식 (4)에 적용하여 전기비저항을 계산한다[21].

(4)

ρ = eS / il

• ρ : 전기비저항(Ωcm), e : 전압단자 사이의 전압강하(V),

• S : 시험편의 단면적(cm²), i : 전류(A), l : 전압단자 사 이의 길이(cm)

2.2.3. Flexural strength

흑연블록의 굽힘강도는 만능재료시험기 (GALDABINI, Quasar 100)를 사용하였고, ASTM D 7972 규격으로 3점 굽힘 시험하여 측정하였다. 굽힘강도 측정은 표점거리를 40 mm로 하여 0.5 mm/min의 속도로 측정하고 식 (5)으로 계산한다[19, 21].

(5)

Sb = 3WI / 2bt2

• S_b : 굽힘강도(N/cm²), I : 지점 간의 거리(cm),

• W : 최대하중, b : 시험편의 폭(cm), t : 시험편의 두께(cm)

2.2.4 Shore hardness

쇼어경도는 지시형(D형)으로 ASTM C 886 규격을 이용 하여 측정하였다. 측정 영역은 시험편의 가로, 세로 각각 6 mm씩 띄어 5번씩 측정하였다.

3. Results and Discussion

3.1. Bulk density and Porosity

Fig. 3(a)는 각 조건 별 흑연블록의 부피밀도 및 기공률 이다. 150UP의 부피밀도는 1.395 g/cm³이며 기공률은 33.3%이다. 50UP-CIP, 100UP-CIP, 150UP-CIP의 부피밀 도는 각각 1.558 g/cm³, 1.562 g/cm³, 1.603 g/cm³이고, 기 공률은 각각 25.2%, 25.0%, 20.4%이다. CIP 성형을 거치 고, 예비성형압력이 커질수록 부피밀도는 증가하였고 기 공률은 감소하였다.

Fig. 3

(a) Bulk density and porosity, (b) deviation of density of graphite block.

기공률 감소는 CIP 성형 전 실시되는 예비성형압력과 연관이 있는 것으로 보인다. S.M Lee는 일축가압성형 시 성형 압력이 증가할수록 흑연블록의 열린기공률이 증가하 는 것을 보고하였다[20]. 이는 일축가압성형 시 분말이 치 밀화되는 동안 내부의 공기들이 배출되기 위해 성형체 외 부로 통로를 만들게 된다. 이때 성형압력이 커질수록 분말 의 치밀화가 증가하면서 내부의 공기들이 더 많이 배출되 는 과정에서 통로가 많이 만들어진다.

따라서 CIP 성형 전 실시되는 예비성형압력이 증가하면 성형체 내부에 열린기공률이 증가하게 되고 CIP 성형 시 공기의 배출을 용이하게 해주어 흑연블록의 부피밀도를 증가시키고 기공률을 감소시킨 것으로 생각된다.

Fig. 3(b)는 각 조건 별 흑연블록의 밀도 산포이다. 150UP의 밀도 산포는 0.027 g/cm³이며, 50UP-CIP, 100UPCIP, 150UP-CIP의 밀도 산포는 각각 0.024 g/cm³, 0.023 g/ cm³, 0.013 g/cm³이다. CIP성형을 거치고, 예비성형압력이 커질수록 밀도 산포는 감소하였다.

3.2. Electrical resistivity, Flexural strength and Shore hardness

Fig. 4는 각 조건 별 흑연블록의 전기비저항 측정 결과 를 나타내었다. 150UP의 전기비저항은 42.5 μΩm이며, 50UP-CIP, 100UP-CIP, 150UP-CIP의 전기비저항은 각각 31.6 μΩm, 31.0 μΩm, 28.0 μΩm이다. 기공률과 같은 경향 으로 CIP성형을 거치고 예비성형압력이 커질수록 전기비 저항이 감소하였다.

Fig. 4

Electrical resistivity of graphite block as a function of molding condition.

전기비저항은 기공률과 연관지어 설명이 가능하다. 탄 화 공정 이후 흑연블록 내부에는 기공이 형성되며, 이러한 기공은 전자의 이동을 방해하는 결함으로 존재한다. 또한 흑연블록 내부에서는 열린 기공과 폐쇄된 기공이 존재하 는데 열린 기공이 폐쇄된 기공보다 전자의 이동을 더욱 방해하여 전기비저항이 증가한다[22]. 열린 기공의 수가 적을수록 즉 기공률이 낮을수록 전자의 이동이 용이하여 전기비저항은 감소하게 된다. 따라서 기공률이 가장 낮은 150UP-CIP의 전기비저항이 가장 낮게 측정된 것으로 판 단된다.

Fig. 5(a)는 각 조건 별 흑연블록의 굽힘강도를 나타내었 다. 150UP의 굽힘강도는 16.6MPa로 측정되었다. 50UPCIP, 100UP-CIP, 150UP-CIP의 굽힘강도는 각각 26.4 MPa, 31.1 MPa, 33.6MPa이고, 150UP에 비해 각각 59.0%, 87.3%, 102.4%의 증가율을 보였다.

Fig. 5

Mechanical properties of graphite block as a function of molding condition (a) flexural strength, (b) shore hardness.

Fig. 5(b)는 각 조건 별 흑연블록의 쇼어경도 측정 값을 나타내었다. 150UP의 쇼어경도는 71.0 HsD이고, 50UPCIP, 100UP-CIP, 150UP-CIP의 쇼어경도는 각각 76.2HsD, 76.7 HsD, 80.7 HsD이다. 150UP-CIP는 80 HsD가 넘는 쇼 어경도를 나타내었다.

CIP 성형을 거치고 예비성형압력이 커질수록 굽힘강도 및 쇼어경도는 증가하였다.

흑연블록의 기계적 특성은 기공의 크기 및 면적, 기공률 에 영향을 받는다. 흑연블록 내부의 기공은 응력집중이 되 는 부분이며, 기공의 크기 및 면적, 기공률이 감소할수록 흑연블록 하중에 걸리는 단면적의 감소가 적어 기계적 특 성을 증가시킨다[23-25]. 따라서 기공률이 가장 낮은 150UPCIP의 기계적 특성이 가장 우수한 것으로 판단된다.

Table 2

Properties of graphite block

4. Conclusion

본 연구는 예비성형체를 제조한 후 CIP성형을 거친 흑 연블록과 150MPa 예비성형체의 기계적, 전기적 특성 변 화에 대하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

150UP-CIP의 기공률은 20.4%로 150UP보다 12.9% 감 소하였으며, 기공률이 감소하면서 부피밀도, 굽힘강도, 쇼 어경도는 각각 14.9%, 102.4%, 13.7% 증가하였고, 전기비 저항은 34.1% 감소하였다.

일축가압성형만 진행한 흑연블록보다 예비성형 후 CIP 를 거친 흑연블록은 기공률이 감소하였으며, 부피밀도, 기 계적 특성, 전기적 특성이 향상되는 것을 확인하였다. 예 비 성형의 압력이 증가할수록 그 향상 효과는 크게 나타 났다.

따라서 흑연블록 제조 시 CIP 성형을 위한 예비성형의 압력이 높을수록 기계적 특성 및 전기적 특성이 향상되고, 밀도 산포가 적은 고밀도의 등방흑연블록 제조가 가능함 을 확인하였다.

Acknowledgements

Acknowledgement

이 연구는 금오공과대학교 학술연구비로 지원되었음 (2020).

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