1. 서 론

Fe-Si-Al 자성 코어는 높은 주파수에서 자기 손실이 낮 고, 누설 자속 또한 낮으며, 높은 DC 전류에 포화되지 않 는 장점이 있으나 고온에서 자성 안정성이 보장되지 않으 므로 비교적 저온 공정인 분말 야금을 이용하여 생산되는 대표적인 금속제품 중 하나이다[1-5].

현재 Fe-Si-Al 자성 코어는 응용 분야의 발전으로 소형 화, 에너지 효율 상승의 목표로 연구가 진행되고 있지만, 내구성에 관련된 연구는 자성 관련 연구와 비교하면 부족 한 실정이다[6]. 따라서 본 논문은 Fe-Si-Al 자성 코어의 내구성을 향상시키기 위한 방법으로 우수한 마찰 특성으 로 고체 윤활제로 많이 사용되며, FeSiAl 분말의 자성 특 성을 향상시키는 Graphite[7]와 Fe-Si-Al 분말을 혼합한 Fe-Si-Al-Graphite 혼합체를 입자 거동 예측에 강점이 있는 이산요소법(Discrete Element Method, DEM)[8]과 분말 압 축 실험을 이용하여 연구하였다. Fe-Si-Al-Graphite 혼합체 의 적절한 혼합 조건을 선정하기 위해 자성 특성에 가장 큰 영향을 끼치는 Fe의 혼합 비율은 고정하고 Si, Al, Graphite를 일정 비율로 혼합하는 연구와 분말과 분말 사 이, 분말과 Die 사이의 마찰 표면에서 Graphite의 유동성 을 결정하는 요소인 분말의 크기를 Fe-Si-Al 분말 기준으 로 선정하는 연구를 진행하였다. 혼합 비율과 크기 비율 연구에서 선정된 Fe-Si-Al-Graphite 혼합체의 향상된 압축 특성을 확인하기 위해 분말 압축 시 Punch 간 응력 전달 률과 압축력의 분산 정도를 확인하는 연구를 통해 Fe-Si- Al-Graphite 혼합체의 우수성을 연구하였다.

2. 실험 방법

Fe-Si-Al-Graphite 혼합체의 혼합 비율을 선정하기 위해 기존 구성 비율 Fe 85 wt%, Si 9 wt%, Al 6 wt%에서 Si의 혼합 비율을 8~8.6 wt%로 조절하며 Graphite를 혼합한 모 델과 Al의 혼합 비율을 5~5.6 wt%로 조절하며 Graphite를 혼합한 모델을 선정하였다. Graphite는 혼합 비율이 1 wt% 를 초과하면 불완전한 압축, 압분체 균열 등의 문제가 발 생할 수 있으므로 Graphite의 혼합 비율은 1 wt% 이하로 제한하였다[9]. Fe-Si-Al-Graphite의 크기 비율을 선정하기 위한 모델로 Fe-Si-Al(45 μm) 분말 크기를 기준으로 Graphite의 크기를 2배, 1배, 0.5배, 0.25배로 설정한 크기 비율 모델을 선정하였다. 위에서 선정된 혼합 비율, 크기 비율 모델들의 정확한 비교를 위해 DEM 해석과 분말 압 축 실험을 진행하였다.

DEM 해석 및 분말 압축 실험은 Fig. 1과 같이 Plate press의 Upper plate가 수직 방향으로 Top punch를 가압하 여 원형 Die 내 Top punch와 Bottom punch 사이에서 Z방 향 1축 응력으로 1 00 MPa까지 상온에서 분말 압축을 진 행하였고, 압축 장비의 크기는 Top punch의 지름이 20mm, Die의 지름이 20 mm, 높이는 50 mm, Bottom punch의 지 름은 20mm로 제작되었다. Table 1은 Fe-Si-Al 분말의 기 계적 물성값과 입도, 압축 장비의 기계적 물성값으로 DEM 해석에서 분말 입자 및 Die의 특성을 정의하기 위한 주요 파라미터를 나타낸다.

Fig. 1

Compaction tool and DEM analysis model for powder compaction.

Table 1

Mechanical properties of Fe-Si-Al-Graphite powders and compaction die

Properties	Fe	Si	Al	Graphite	SKD-11
Density (kg/m3)	7860	2330	2700	2150	7700
Young’s modulus (GPa)	211	185	70	1	200
Poisson’s ratio	0.29	0.28	0.35	0.25	0.34
Size of particles (μm)	45	45	45	5~90	-

DEM 해석은 재료의 물성값을 입자에 정의하여 입자와 입자, 입자와 Geometry 사이에서 발생하는 힘과 모멘트를 시간에 따라 계산하여 입자의 거동을 예측한다. 본 연구에 서는 DEM에서 사용되는 정전력, 결합력, 표면 에너지, 열 에너지 등의 다양한 상호 작용력을 고려한 입자 접촉 모 델 중 Hertz와 M indlin 이론을 바탕으로 입자에 작용하는 탄성력과 감쇠력을 계산하여 입자 거동을 예측하는 데 적 합한 H ertz M indlin 입자 접촉 모델을 사용하였다[10]. 입 자 형상은 Fe-Si-Al 분말의 실제 형상을 바탕으로 구 형상 의 입자를 사용하였고, 입자의 거동을 효율적으로 확인할 수 있는 냉간 저압 조건[10-12]으로 마찰 계수를 0.1로 설 정하였다. 입자 개수는 신뢰성이 확보된 연구 결과를 바탕 으로 1,000개 이상, 분말 충진율은 약 80%, 해석의 정확 도와 속도에 영향을 결정하는 Time step은 25%로 설정하 였다.

3. 결과 및 토론

3.1 Fe-Si-Al-Graphite 혼합 비율

Fe-Si-Al 분말의 구성 비율은 자성 특성을 결정하는 데 가장 비중이 큰 Fe를 기준으로 기계적 성질과 자성 특성 을 향상을 위해 Si와 Al을 혼합하지만, 적절하지 못한 Si 와 Al의 혼합 비율은 Fe-Si-Al 분말의 취성을 증가시켜 성 형성을 감소시킨다[13]. 성형성의 감소는 내구성의 감소 결과로 이어지므로 본 연구에서는 Fe-Si-Al 분말의 성형성 을 향상시키기 위해 Graphite를 혼합한 Fe-Si-Al-Graphite 혼합체의 혼합 비율을 선정하는 연구를 진행하였다. Fig.2와 Fig. 3은 각각 Si와 Al의 혼합 비율을 조절하며, Graphite의 혼합 비율을 증가시킨 모델들의 DEM 해석과 분말 압축 실험 결과이다. DEM 해석에서 두 모델 모두 Graphite가 증가함에 따라 Top punch에 작용하는 반발력 이 점차 감소하여 압축률 그래프가 완만하게 증가하는 경 향을 확인할 수 있다. Si 조절 모델은 Graphite가 1 wt% 혼합된 모델이 기존 Fe-Si-Al 모델보다 압축률이 약 18.7% 증가하였고, Al 조절 모델은 약 17.3% 증가하였다. 이 결과는 Graphite의 혼합량이 Fe-Si-Al 분말의 압축률 향상에 영향을 끼친다는 것을 알 수 있다. Si 모델과 Al 모델의 압축률 차이는 Si가 강도 및 경도가 높은 재료이 기 때문에 분말 압축 시 Si 분말로부터 반발력이 더 강하 게 작용하여 Si 혼합률이 감소할수록 성형성이 향상되는 것으로 판단된다. 분말 압축 실험 그래프의 경우, DEM 해 석보다 기울기가 높게 나타났지만, 전반적으로 유사한 경 향을 확인하였다. DEM 해석과 분말 압축 실험 결과의 차 이가 발생한 것은 입자 간 마찰 및 Die wall 마찰에 의한 것으로 판단된다.

Fig. 2

Graphs of displacement against stress with different graphite mixing ratio (controlled Si mixing ratio).

Fig. 3

Graphs of displacement against stress with different graphite mixing ratio (controlled Al mixing ratio).

3.2 Fe-Si-Al-Graphite 크기 비율

고체 윤활제는 분말과 분말 사이, 분말과 Die wall 사이 의 마찰 표면에 위치하여 윤활 작용을 수행하므로 윤활 효율을 증대하기 위해서는 적절한 입자 크기를 선정하는 것이 중요하다. Fig. 4는 Fe-Si-Al 분말의 크기를 기준으로 Graphite 분말의 크기 변화에 따른 DEM 해석 및 분말 압 축 실험 결과로써 Graphite의 크기가 작아질수록 그래프가 완만하게 증가하며, 크기 비율이 1 : 0.25(Graphite)일 때, 기존의 Graphite가 혼합되지 않은 Fe-Si-Al 분말을 기준으 로 DEM 해석에서는 압축률이 약 20%, 분말 압축 실험에 서는 약 14% 증가함에 따라 Graphite의 크기가 분말 성형 성을 향상시키는데 중요한 파라미터임을 확인하였다. Table 2는 DEM 해석을 이용하여 Fe-Si-Al 분말과 Graphite 의 크기 비율 모델의 압축 변위 증가량을 나타낸 것으로 Graphite의 크기가 작아질수록 압축 변위가 증가하지만, 압축 변위의 증가량은 점차 감소하여 1 : 0.25(Graphite) 모 델의 경우 압축 변위 증가량이 거의 0에 근접함을 확인할 수 있다. 이 결과는 중량 비율 기준의 혼합 비율이 1 wt% 로 고정된 상태에서 입자가 작아지면 입자의 양은 증가하 므로 Graphite 입자가 압분체에서 차지하는 총 부피는 큰 변화가 없어지기 때문에 Graphite의 크기에 따른 압축률의 증가는 일정 크기 이하에서는 크게 나타나지 않는 것으로 판단된다.

Fig. 4

Graphs of displacement against stress with different graphite size ratio.

Table 2

Compaction displacement of Fe-Si-Al-Graphite powder mixtures

Size ratio	Compaction displacement (mm)	Increment (mm)
1 (45μm) : 2 (90 μm)	1.54615	-
1 (45μm) : 1.5 (67.5 μm)	1.77692	0.23077
1 (45μm) : 1 (45 μm)	1.91846	0.14154
1 (45μm) : 0.5 (22.5 μm)	1.92938	0.01092
1 (45 μm) : 0.25 (11.25 μm)	1.93846	0.00908

3.3 응력 전달 및 압축력 분산

분말 압축 시 Top Punch에서 Bottom Punch로의 높은 응력 전달률은 분말 간 유효 응력, Die wall 마찰과 같은 요소들에 의해 응력 손실이 적어 압축이 원활히 이루어졌 다는 것을 알 수 있다. 혼합 비율과 크기 비율 연구에서 선정된 Fe-Si-Al-Graphite 혼합체의 향상된 응력 전달률을 확인하기 위해 DEM을 이용해 기존 Fe-Si-Al 분말과 비교 하는 연구를 진행하였다. Fig. 5는 Graphite가 혼합되지 않 은 Fe-Si-Al 분말과 Fe-Si-Al-Graphite 혼합체의 응력 전달 률 결과로 Fe-Si-Al-Graphite 혼합체와 Fe-Si-Al 분말을 비 교했을 때, Top punch와 Bottom punch의 응력 차이를 확 인할 수 있다. Fe-Si-Al 분말의 응력 전달률은 약 31%, Fe-Si-Al-Graphite 혼합체의 응력 전달률은 약 55%로 Graphite가 혼합됨으로써 응력 전달률이 약 24% 상승하였 다. 이 결과를 통해 Fe-Si-Al 분말 압축 시, Graphite의 혼 합은 치밀한 분말 압축뿐만 아니라 Punch에 가해지는 반 발력 감소, Die wall에 작용하는 마찰 감소로 압축 장비의 수명이 증가할 것으로 판단된다.

Fig. 5

Stress transmission of Fe-Si-Al and Fe-Si-Al-Graphite powder mixtures.

분말 압축 시 일정 부분에 압축력이 집중되면 잔류 응 력이 발생하여[14] 내구성이 감소하므로 고밀도의 압분체 를 생산하기 위해서는 압축력이 고르게 분산되는 것이 중 요하다. Fig. 6은 DEM을 이용하여 Fe-Si-Al 분말과 Fe-Si- Al-Graphite 혼합체의 압축력 분산을 확인하기 위해 분말 압축 Die의 구간을 나누어 분말에 작용한 압축력의 표준 편차를 계산하여 압축력 분산을 확인하였다. Fe-Si-Al 분 말을 기준으로 Fe-Si-Al-Graphite 혼합체의 압축력 표준 편차는 약 51% 감소하였으며, 이 결과를 통해 Fe-Si-Al 혼 합 분말 압축 시, Fe-Si-Al 분말 사이에서 Graphite의 윤활 작용으로 압축력이 특정 위치에 집중되지 않고 고르게 분 산되어 분말 압축이 더 원활히 이루어진 것을 확인하였다.

Fig. 6

Standard deviation of compressive force of Fe-Si-Al and Fe-Si-Al-Graphite powder mixtures.

4. 결 론

분말 압축은 일반적으로 1단계 냉간 압축, 2단계 고온 소성 압축으로 구성되어 있으며[15], 냉간 압축 단계에서 압분체의 밀도가 80~90% 형성되므로 이 단계는 압분체의 내구성을 결정하는 데 큰 영향을 끼친다[16]. 본 논문은 Fe계 자성 코어의 내구성 향상을 위해 냉간 압축 단계에 서 Fe-Si-Al 분말과 Graphite를 혼합한 Fe-Si-Al-Graphite 혼합체의 향상된 분말 압축 특성을 확인하였다. Fe-Si-Al- Graphite의 혼합 비율을 선정하기 위해 Fe는 고정하고 Si 와 Al을 조절하며 Graphite를 혼합하여 압축률을 비교했 을 때, Si를 조절하며 Graphite를 증가시킨 경우 압축률이 더욱 향상되었다. 이 결과는 Si의 높은 경도와 취성이 분 말 성형에 영향을 끼친 것으로 판단된다. Fe-Si-Al-Graphite 의 크기 비율에서는 Graphite의 크기가 작아질수록 압축 변위가 증가하였지만, 압축 변위의 증가량이 점차 감소하 여 0에 근접했다. wt% 기준인 혼합 비율에 따라 입자가 작아지는 것에 비례하게 입자량이 증가하여 Graphite가 차 지하는 부피가 일정 해져 압축 변위가 증가하는 데 한계 가 있는 것으로 판단된다. Fe85 Si8 Al6 Graphite1(wt%)의 혼합 비율과 1 : 0.25(Graphite)의 크기 비율이 적용된 Fe- Si-Al-Graphite 혼합체의 응력 전달률은 Fe-Si-Al 분말 기 준 약 24% 상승하였고, 압축력 표준 편차는 약 51% 감소 하였다.

위 결과와 같은 Fe-Si-Al과 Graphite 혼합에 의한 분말 성형성의 증가는 Green density가 형성된 압분체를 생산하 는데 큰 영향을 끼친다[9]. 냉간 압축 단계에서의 Green density가 형성된 압분체는 소결 공정에서 잔류 응력에 의 한 형상 변형 및 균열을 방지함으로써 내구성이 향상된 Fe-Si-Al 연 자성 코어를 생산하는데 기여할 수 있다.

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Figure & Data

References

Citations

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