1. 서 론

분말야금공정은 주조공정에 비해 기계가공이 적으며, 손실량이 적기 때문에 경제적이지만 기공으로 인하여 주 단조재에 비해 강도가 낮은 단점을 가지고 있다. 이를 개 선하기 위해 밀도를 높이거나 합금원소를 첨가하여 강도 를 보완하기도 한다. 그러나 합금원소를 다량으로 첨가하 면 성형성이 낮아져 성형압력을 높여야 하거나 다이 마모 를 높이는 등의 공정비가 증가하고 합금원소의 첨가로 인 해 경제성이 떨어지게 되는 단점이 있다. 이와 같은 단점 을 해소하기 위하여 고가 합금원소 첨가량을 감소시켜서 린합금을 개발하는 연구가 진행되고 있다.

린합금(lean alloy)은 소결합금의 소결 특성을 유지하면 서 합금원소의 함량을 최소화시킨 저합금강으로 정의되고 있다. 특성 향상을 위해 Ni, Mo 등과 같은 고가의 원소 대 신에 보다 경제적인 Cr, P, Mn 또는 Si 등의 원소를 첨가 한다고 알려져 있다[1].

P를 첨가하는 주된 이유는 Fe-P계 상태도에서 알 수 있 듯이 비교적 낮은 온도의 공정반응과[2], P 원자가 오스테 나이트에 비해 약 두 배 정도 철의 확산도와 자기확산 속 도를 증가시키기 때문에 α-철의 안정화 효과를 가진다 [3,4]. P의 경우 철의 소결공정을 가속화시켜주는 효과를 가지고 있다[5]. P를 첨가함으로써의 장점은 액상소결, 페 라이트 안정화, 고용경화 3가지로 설명된다[6]. P의 함량 이 더욱 증가 할 경우 재료는 더욱 약해지며, 이는 P가 산 소와의 높은 친화력으로 인해 산소와 반응하여 산화를 촉 진시켜 입계파괴 양상이 생성되기 때문이다. 그러므로 산 소와의 친화력이 높아 전반적으로 분말야금에서 사용되지 않았으나, 이를 보완하기 위해 모합금 형태로 사용하여 산 화반응을 피할 수 있는 가능성이 제시되었다[7].

Si 원소 첨가는 주단조재와 유사한 효과를 갖는 것을 확 인 할 수 있다. Si 첨가로 인한 페라이트의 강도 증가와 펄라이트 구조를 미세화시켜 경도를 증가시키는 효과를 가지고 있다. 또한 Si는 높은 탄소함량에서의 탄화물 형성 을 억제시켜 강도를 증대시키며 이로 인해 합금비용 감소 에 큰 영향을 줄 수 있다[8]. 이들 원소들은 특성 경제적 효과를 가지고 있지만, 산소와의 친화성으로 소결조건 등 이 제한되는 문제가 있다.

본 연구에서는 Fe-P-Mo계 및 Fe-P-Mn계에서 산소와 반 응을 줄이기 위해 모합금을 이용하여 Si 첨가에 따른 기 계적 특성의 변화에 대해 알아보고자 하였다.

2. 실험방법

본 연구에서 수행 된 실험 공정을 그림 1에 나타내었다. 사용된 분말은 Posco사의 Fe분말(IPB)과 Quebec Metal Powder사의 Fe-0.85Mo 합금분말(AT-4401)을 베이스로 하 고, 합금 첨가물들은 산화와의 친화력을 낮춰 소결 공정 중에 확산이 용이하게 진행되도록 Fe-25P, Fe-75Mn, Fe- 75Si의 모합금 형태로 사용하였다. 모합금의 경우 덩어리 형태로 구입하여 볼밀(ball mill)을 이용하여 45 μm 이하 의 입도로 분쇄 후 사용하였다.

Fig. 1

Flowchart of experimental procedure.

이와 같은 원재료 분말은 Fe-0.5P-0.5Mo, Fe-0.5P-0.2Mn 합금조성을 가지며 Si 함량을 달리하여 (0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0 wt%) Si 첨가에 의한 영향을 관찰하고자 하였다.

혼합은 V형 혼합기(V-mixer)를 이용하여 회전 속도비 270 rpm에서 30분 동안 혼합을 실시하였다. 혼합한 분말 을 유압식 프레스를 이용하여 성형하였다. 성형은 무게 6 g, 7.0 g/cm³의 성형밀도, 50×4×4 mm의 크기를 가지는 bar 형태로 제조하였다. 소결은 벨트로(Belt type furnace) 에서 1120°C 온도로 수소-질소 분위기에서 30분간 실시하 였다. 소결 후에도 시편의 변형이 없었으므로 마이크로미 터를 이용하여 치수밀도를 측정하였다. 소결된 합금계의 기계적 특성을 조사하기 위해 TRS(Transverse Rupture Strength) 특성분석을 실시하였고, TRS 측정값은 각 15회 측정하여 평균값으로 나타내었다. TRS 특성분석을 통하여 얻어진 파단면은 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM, Philips Co., XL30S FEG)을 이용하여 관찰하였으며, 성분 분석을 위해 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)를 측정하 였다. Si 함량에 따른 미세조직에 미치는 영향을 분석하기 위해 광학현미경(OM, Olympus Co., GX51)을 이용하여 소결체를 연마 후 부식시켜 미세조직을 비교하였다.

3. 실험결과 및 고찰

그림 2는 Fe-P-Mo, Fe-P-Mn계의 7.0 g/cm³의 성형밀도 로 성형한 성형체의 Si 함량 변화에 따른 압축성을 보여 주는 그래프로 Si 함량이 0.3 wt% 이하에서는 Fe-P-Mo계 가 더 높은 성형압을 나타냈으나, 이후 1.0 wt%까지의 범 위에서는 Fe-P-Mn계가 성형압이 더 높아지는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 현상에 대해서는 구체적으로 알려진 바가 없으므로 추후 지속적인 연구가 필요한 것으로 사료 된다. Si 0.3%이하 첨가된 경우에는 Fe-P-Mn계에 사용되 는 Fe분말이 Fe-P-Mo계에 사용되는 Fe-0.85Mo 분말보다 높은 성형성 결과를 나타내었다. 하지만 Si 함량 0.3% 기 준으로 Si 함량이 증가함에 따라 Fe-0.85Mo의 성형성이 더 우수한 것을 확인 할 수 있었다.

Fig. 2

Compressibility of Fe-P-Mo and Fe-P-Mn related with Si contents.

그림 3은 Fe-P-Mo, Fe-P-Mn계의 7.0 g/cm³의 성형밀도 로 성형한 성형체의 1120°C 소결 후 밀도 변화를 보여 주 고 있다. Fe-P-Mo계가 Fe-P-Mn계보다 소결밀도가 0.05 g/ cm³가량 높았고, 소결 시 Si 첨가와 더불어 더 큰 밀도감 소 폭을 보였다. 이는 Fe-P-Mo계에서 Mo과 Si의 페라이 트 소결로 인해 확산속도를 증가시켜 재료의 치밀화를 향 상시켜주는 역할을 가진다[9]. 두 합금계의 소결밀도 변화 차이를 보았을 때, 연구결과에 따르면 Si 첨가 시 Mo과 함께 합금화 될 경우 시너지 효과로 인해 향상된 열처리 특성을 갖는 것으로 나타나 있다[10]. Si 첨가량이 증가함 에 따라 소결 시 Fe-P-Mn계가 Fe-P-Mo계에 비해 치수팽 창이 더 크고 확산이 늦어 밀도 감소폭이 더 큰 것을 확 인할 수 있었다. Si 함량이 증가할수록 두 합금의 경우 모 두 밀도는 감소하였는데 이는 앞선 연구자들에 의하면 Si 함량이 증가할수록 밀도는 감소하며 기계적 특성에서 연 신율은 감소하지만 강도와 충격에너지가 증가하는 것으로 알려졌다[11]. 이는 본 연구에서도 마찬가지로 Si 함량이 증가할수록 밀도는 감소하고 TRS 강도는 동일한 밀도일 경우 증가할 것으로 사료된다.

Fig. 3

Sintered density of Fe-P-Mo and Fe-P-Mn related with Si contents.

그림 4는 Si 첨가량에 따른 TRS 강도 결과를 보여주고 있다. 두 합금계 모두 밀도의 감소에도 불구하고 강도가 일정 수준으로 유지하거나 높아지고 있다. 동일한 소결밀 도에서 실험을 했을 경우, Si 함량이 증가 할수록 더 높은 강도증가가 예상된다. Fe-P-Mn계의 경우 Fe-P-Mo계보다 밀도가 더 낮음에도 불구하고 Si 함량이 증가 할수록 더 높은 강도 변화를 나타내고 있다. 이는 Si를 첨가함으로써 P와 산소와의 반응을 억제하고 높은 친화력으로 인해 입 계취성과 입계파괴를 야기 시키는 Fe-P 영역을 감소시켜 강도가 증가할 것이라고 예상된다.

Fig. 4

TRS Curves of Fe-P-Mo and Fe-P-Mn related with Si contents.

그림 5와 그림 6은 소결 후 Fe-P-Mo계와 Fe-P-Mn계의 미세조직 분석 및 EDS분석 결과이다. 공통적으로 Si 함량 에 관계없이 거대 기공이 관찰되었다. 거대기공 주변으로 큰 결정립이 형성되어있음을 관찰할 수 있었고 성분분석 결과 큰 기공 주위의 크기가 큰 결정립에서는 P의 함량이 평균 1.3 wt%로 높게 나타나 Fe-P 영역이 존재하였고, Si 함량이 증가할수록 거대 기공은 줄어들며, 결정립크기가 작아지는 것을 확인할 수 있었다. Fe-P-Mo계의 경우에는 Si 함량이 0.5%, Fe-P-Mn계의 경우 0.3% 이상 첨가 시 Si 의 일부가 SiO₂로 연계되는 현상을 확인 할 수 있었으며, 이것이 Fe-P 영역을 감소시키고 P의 산소와의 반응을 억 제시켜 입계파괴가 줄어들 것으로 생각된다.

Fig. 5

EDS mapping results of specimens : (a) Fe-P-Mo-0.1Si, (b) Fe-P-Mo-0.3Si, (c) Fe-P-Mo-0.5Si, (d) Fe-P-Mo-1.0Si.

Fig. 6

EDS mapping results of specimens : (a) Fe-P-Mn-0.1Si, (b) Fe-P-Mn-0.3Si, (c) Fe-P-Mn-0.5Si, (d) Fe-P-Mn-1.0Si.

그림 7은 TRS 시험을 진행한 시편의 파단면을 전계방출 형 주사전자현미경을 이용하여 파단면을 관찰하였다. 파단 면은 전체적으로 미세한 딤플 구조를 형성하고 있으며, 국 부적인 영역에서 입계파괴의 양상이 나타남을 확인할 수 있다. 이는 0.45% 이내의 P의 소량첨가는 강도와 연성의 증가로 이어질 수 있지만, 입계파괴 영역은 0.3% 내에서도 관찰되어진다고 나타나있다. 그러나 P의 함량이 0.6% 이 상일 경우 입계취성의 위험이 증가 된다[12]. P의 함량이 증가 할수록 산소와의 높은 친화력으로 인해 재료는 약해 지며 높은 P 함량에서 순수 입계취성파괴가 발견된다. 하 지만 Si 함량이 증가할수록 입계취성 영역이 감소하였고, 그림 5와 6에서 확인할 수 있듯이 거대기공 주변의 큰 결 정립들이 입계파괴 양상을 나타내며 Si 함량이 증가 할수 록 입계취성이 줄어들며 전체적으로 딤플구조를 형성하는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 Fe-P-Mo계보다 Fe-P-Mn계 에서 Si 함량 증가에 따라 입계파괴양상으로 나타난 Fe-P 영역의 면적이 더 급격하게 감소하는 것으로 보아 Fe-PMn계에서 Si 함량이 증가할수록 P의 확산이 억제되어 강 도증가가 더 크게 일어난 것으로 사료된다.

Fig. 7

SEM images of (a) Fe-P-Mo and (b) Fe-P-Mn related with Si contents.

3. 결 론

Fe-P-Mo계 및 Fe-P-Mn계 소결분말 합금에서 Si 첨가에 따른 기계적 특성 연구 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

두 합금 모두 소결 후 밀도가 감소하였으며 이는 Si 함 량이 증가할수록 체적이 팽창되어 밀도가 감소하는 경향 을 보였다. Fe-P-Mo계의 경우는 Si 함량 증가에 따라 거 의 변하지 않는 강도 값을 보였으며, Fe-P-Mn계의 경우 강도가 점차적으로 증가하였다. 이는 Si 함량이 증가할수 록 거대기공 주위에 존재하는 P가 줄어들며 결정립 크기 도 감소하였고 Si는 SiO₂의 형태로 존재하여 이것이 산소 와의 반응을 억제시켜 입계파괴 양상을 감소시켜 강도의 증가를 나타낸 것으로 사료된다.

Acknowledgements

감사의 글

본 논문은 한국연구재단(NO. NRF-2013R1A1A2063036) 의 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

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Figure & Data

References

Citations

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