철강재료의 마모 저항 향상을 위한 WC경질층 형성에 관한 연구

김성진 부경대학교 2009 국내석사

초경합금이라 함은 경도가 높은 재료를 포괄적으로 뜻한다고 할 수 있지만 일반적으로는 탄화텅스텐 (WC)계 재료를 의미한다. 초경합금은 높은 경도를 가지는 카바이드와 인성을 가지는 금속의 혼합물로서 인성이 높은 고속도강계 재료와, 고온 경도가 높은 세라믹계 재료의 중간 성질에 위치하므로 공구 재료의 중요한 특성인 경도와 어느 정도의 인성을 가지고 있기 때문에 현재 가공용 공구, 내마모용 부품 및 금형 소재 등으로 널리 사용되고 있다. 최근에는 반도체 산업 및 정밀 공업의 발전으로 이들이 사용되는 환경이 복잡·다양화되면서 고성능의 초경 재료가 연구되고 있다. WC는 고융점 재료이므로 소결이 어려워서 일반적으로 Co 등의 금속결합제나 다른 카바이드 (TiC, Mo₂C 등)를 첨가하여 소결하고 있다. 그러나 결합제로 첨가하였을 경우, 경도는 비숫하나 인성이 현저하게 저하된다. 또한 WC/TiC계면에서 탄소의 편석에 의해 유발되는 pull out으로 인해 파괴저항성 및 내마모성이 저하된다. WC-Ni 초경재료는 WC-Co계 합금에 비해 경도와 인성이 조금 낮으나 WC-Ni계 합금 고유의 특성인 비자성, 내식성, 내열성, 내산화성 등으로 인하여 성형 다이 및 공구 등에 사용될 수 있는 가능성이 많다. 또한 코발트 보다 니켈의 값이 싸기 때문에 제조원가를 낮출 수 있다는 장점을 가지고 있다. 초경합금의 접합기술은 각종의 소성가공용 공구 및 금형의 경우, 용도에 따라서 그 형상이 매우 다양하며, 가공 대상재료도 매우 다양하므로 새로운 수요가 창출될 수 있는 분야가 매우 넓다는 특징을 가지고 있다. 따라서 공구강(steel)과 초경합금 이종재료의 접합 기술 개발은 새로운 수요의 창출과 기존 공구의 기능 향상 및 고가의 소재 절약에 따른 경제성의 확보 및 가치 제품 개발에 따른 대외 경쟁력 향상 등에 기여할 수 있을 뿐 아니라 접합하기 매우 어려운 이종재료 접합 기술의 정립이라고 하는 측면에서 매우 유용한 연구로서 산업계 전반에서 절실하게 개발이 요구되고 있는 분야이다. 이렇게 이종재료의 접합이 필연적으로 요구되지만 목적과 용도에 적합한 접합기술은 반드시 확립된 것은 아니어서, 각종 소재 및 완성품의 설계 제작에 여러 가지 어려움을 주고 있다. 또한 불필요한 부분까지 초경으로 만들어 사용하여 원료 낭비가 있을 뿐만아니라 무게적 부담감도 만만치 않다. 따라서 본 연구에서는 WC에 소결 보조제로서 통상적인 Co나 Ni가 아닌 BNi-2(브레이징 재료)를 첨가하여 초경합금분말의 소결과 동시에 이종재료에 부분적 접합을 한 번에 가능하도록 하여 제조 공정의 간편화, 재료의 절약, 무게적 부담감 해소 등의 목적으로 연구를 수행하여 현업에 유용한 데이터를 정립하고자 하였다.

ZrO_(2)/金屬系 傾斜機能材料의 製造 및 殘留應力

정연길 漢陽大學校 大學院 1995 국내박사

Al-Al_(2)Cu 공정복합재료에서의 일방향응고 특성과 평활계면성장조건에 관한 연구

김기배 漢陽大學校 大學院 1994 국내박사

본 연구에서는 대표적인 공정합금인 Al-Cu합금계를 선택하여 공정복합재료의 제조과정에서 중요시되는 합금조성, 온도구배 및 응고속도 등의 응고변수에 따른 용질 분포, 상간격측정 및 조직관찰을 통해 공정복합재료의 고액계면에서의 성장기구를 파악하고, 규칙적인 공정복합조직을 얻을 수 있는 최적의 성장조건을 제시하고자 하였다. 먼저 공정합금을 중력장에서 일방향응고할 경우 액상에서는 대류가 필수적으로 발생하여 응고후의 특성에 커다란 영향을 주게 된다. 따라서 본 연구에서는 Al-Cu 합금을 선택하여 액상에서 발생되는 대류의 형태를 변화시키기 위하여 상향 및 하향일방향응고를 실시하여 각 응고조건에 따른 공정복합재료의 Cu 용질농도를 측정하였으며, 일방향응고 중에 급냉응고하여 고액계면 전방의 용질농도분포와 열분석을 통해 온도분포를 실측하여 비공정조성 공정복합재료의 일방향응고시 나타나는 자연대류가 응고후 공정복합재료의 조성에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과로 비공정조성 공정복합재료의 일방향응고시 고액계면 전방에서는 thermal convection과 solutal convection이 나타나며, 특히 하향 일방향응고된 아공정 Al-Cu합금에서 thermal convection과 solutal convection이 모두 발생하는 것으로 나타났다. 고액계면 전방의 대류는 공정복합재료의 용질편석에 커다란 영향을 주었으며, solutal convection이 thermal convection보다 용질편석에 더 커다란 영향을 주었다. 자연대류하에서의 고상의 용질분포에 대한 이론적 검토에서 고액계면 전방의 용질경계층을 정확하게 구하면 강제대류에서의 고상의 용질분포를 나타내는 BPS이론식을 사용가능하였다. 아공정합금을 상향 일방향응고한 경우 대류는 전혀 발생되지 않으나 열이동현상에 의한 용질편석이 나타냈으며 열이동계수는 8.5×10^-8㎠/s℃로 나타났다. 또한 공정성장응고을 정확하게 고찰하기 위하여 각 상의 단위 부피당 원자수의 개념을 도입하여 세개의 공정상의 원자당 부피가 다른 경우에서의 라멜라공정성장 모델을 제시할 수 있었으며, 또한 고상의 부피분율을 정확하게 구할 수 있는 새로운 방법도 제시할 수 있었다. 합금조성에 따른 λ²ν 값의 변화를 측정값과 본 논문의 공정성장모델 및 수치해석적 방법에 의해 고찰한 결과 라멜라상간격은 합금조성에 따라 커다란 영향을 받았지만, 원자당 부피가 동일하다고 가정하여 얻어진 상간격과 원자당 부피가 모든 상에서 다르다고 가정하여 구한 상간격과는 큰 차이는 없었다. 또한 실제 계면을 고려한 수치해석적 방법에 의한 최소과냉도조건에서의 상간격과 고액계면이 평활하다고 가정한 해석적 방법에 의한 상간격은 차이가 거의 없어 Al-Cu 공정합금계에서는 고액계면이 평활하다는 가정이 크게 틀리지 않은 것으로 생각되었다. 비공정조성의 공정합금이 공정복합재료로 제조될 수 있는 성장조건을 제시할 수 있는 이론적 모델을 찾고자 하였다. 이를 위하여 기존에 발표되어 있는 공정합금에 대한 평활계면 성장모델인 조성적 과냉이론, 단파장 및 장파장 섭동이론, 경쟁성장이론 등에서 항상 상수로 단순화처리된 액상선기울기, 고상선기울기 및 평형분배계수를 다항식으로 처리하여 수지상성장에 관한 Hunt의 수치해석적 모델을 이용하여 정확한 수지상 선단온도를 구하고 본 논문에서 제시한 공정성장모델을 이용하여 최소 과냉도 조건에서의 공정계면온도를 구하였다. 그러므로 Al-Cu 합금의 각 합금조성에서의 성장조건에 따른 수지상 선단온도과 공정계면온도를 비교분석한 경쟁성장모델에 의해 규칙적인 라멜라조직인 공정복합조직을 제조할 수 있는 성장조건을 제시할 수 있었다. 이러한 수치해석적 방법을 이용한 경쟁성장모델에서 제시한 공정복합조직의 성장조건은 상향 일방향응고에서 구한 실험적 성장조건과 거의 일치하였다. 그러나 고액계면 전방에 상당한 자연대류가 발생하는 아공정합금의 하향 일방향응고한 경우는 본 논문에서 제시한 공정복합조직의 성장조건과 실험적 성장조건과는 상당한 차이가 나타냈다. 따라서 하향 일방향응고에서와 같이 대류가 발생할 경우에는 수치해석적 방법을 이용한 경쟁성장모델은 사용할 수 없으며, 대류를 고려한 새로운 모델이 제시되어야 해결될 것으로 생각되었다. In this study, off-eutectic solidification characteristics and optimum growth condition for eutectic composites were investigated by examining the solute distribution, lamellar spacing, and microstructure of Al-Al₂Cu eutectic alloys solidified unidirectionally under various alloy compositions (Al-27.5∼35.6wt%Cu), temperature gradients (70∼185℃/cm), and growth rates(1∼1000 ×10^-4 cm/s). As natural convection in the liquid during the directional solidification of off-eutectic alloys in the gravity field affects solidification behavior, the effect of a fluid flow in upward or downward Bridgeman growth on macrosegregation along the eutectic composites was investigated. When hypo-eutectic Al-Cu alloys were directionally solidified with downward growth, considerable segregation occurred due to solutal and thermal convection induced by the destabilization of solute and thermal gradients in the solute boundary layer. Under low growth rates and high thermal gradients, convective flow increased causing larger degree of macrosegregation. From the analysis of the solute distribution in hyper-eutectic Al-Cu alloys, it was concluded that the solutal convection affected macrosegregation than the thermal convection. The thickness of the solute boundary layer of Al-35.6wt%Cu alloy measured by EPMA, was found to be 2,500㎛, which fits the BPS model. Under upward growth conditions of hypo-eutectic Al-Cu alloys, unexpected macrosegregation occurred because of thermotransport effect. For Al-27.5wt%Cu alloy, the boundary layer was measured to be 5,500㎛, which can be predicted by the thermotransport theory with a thermotransport coefficient of 8.5×10^-8 ㎠/s℃. It is usually implicitly assumed in the treatments of eutectic growth that the atomic volume of the three phases are equal. The present paper discusses the treatment of lamellar growth when this assumption is not valid. When the average atomic volume in the two solid phases is different, both the fraction solid and the C_0 term should be modified to allow for the different average atomic volumes. Lamellar eutectic model for the different atomic volume in the three phases was presented by introducing the number of atoms per unit volume. Also the method to calculate the fraction solid and the number of liquid atoms per unit volume by using the number of atoms per unit volume of two solid phases was proposed. The differences among three forms of the analytic expressions were small for Al-Al₂Cu but might be large in other systems. It was concluded that the experimental results agreed well with the theory. The numerical results indicated that the approximations made in the analytic model were reasonably good at the minimum undercooling condition for the Al-Al₂Cu system. A theoretical model for the optimum growth condition for eutectic composites could be presented from the comparison of constitutional supercooling model, competitive growth model, and perturbation model with the measurements. For the competitive growth model, dendrite tip temperature and eutectic interface temperature was calculated by using a numerical method and the eutectic model of this study. Also polynomial expressions for the liquidus and solidus slope and so the distribution coefficient toward Al₂Cu phase were used in numerical method. Thus, the measured eutectic range of Al-Al₂Cu alloy was consistent with the result derived from a competitive growth model using the numerical method. However, the measured eutectic range in downward solidification could not be predicted from theoretical calculations. A new model which incorporates convectional flow effect should be used to accurately predict solidification behavior in downward solidification of eutectic composites.

고열전도성 광경화형 에폭시-실록산/알루미나 복합재료의 합성과 특성 분석

김찬수 부산대학교 대학원 2024 국내석사

최근 반도체, 전기·전자 분야에서 전자기기의 성능 향상을 위한 고집적화가 적용됨에 따라 경량화, 소형화가 반드시 필요하다. 이는 소자의 온도 상승을 초래하여 기능 저하 및 수명 단축으로 이어지기 때문에 방열 소재에 대한 활발한 연구가 이루어지고 있다. 기존의 에폭시 기반 고분자 재료의 적용은 내구성 등 전자기기의 기술적 요구에 미치지 못하는 경우가 있다. 장비에서의 과열은 부품의 변형 및 손상을 유발하므로 시스템 고 장, 안전 문제 등을 유발할 수 있다. 에폭시 기반의 고분자 재료의 열 성능을 높이기 위해 열전도도가 높은 충전제를 적용 하여 복합재료를 제작한다. 금속, 세라믹, 탄소계 재료 등 다양한 열전도성 충전제가 사 용되지만, 그 중에서도 알루미나 입자는 저장 안정성, 비용 효율성의 장점으로 인해 열 관리를 위한 재료로 활용되어 왔다. 그러나, 침전으로 인한 입자의 불균일한 분포로 인 해 제한된 열 성능을 향상시키는데 제한이 있다. 문제를 해결하기 위해서 입자의 균일한 분산을 위한 경화 시간이 빠른 광 조사를 통한 광경화 공정을 자주 사용한다 [49, 58]. 이는 열경화 공정에 비해 더 균일한 복합 구조를 형성하고 짧은 열전달 경로를 통한 높 은 열전도도를 가질 수 있다. 에폭시 기반의 고분자 재료가 완전히 경화되기 위해서는 충분한 열에너지가 필요한데, 광경화에 사용되는 cycloaliphatic epoxy는 내열성이 좋 지 않기 때문에 사용에 제한이 있다. 졸-겔 합성을 통한 유무기 실록산 하이브리드 소재 는 Si-O-Si 결합을 가져 탄소결합보다 높은 결합 에너지를 가지기 때문에 우수한 열적 안정성 및 기계적 물성을 기반으로 기능성 코팅, 패키징 소재 등 다양한 산업 분야에서 사용되었다[59]. 입자의 충진 밀도를 높이기 위해 입도가 2 μm, 45 μm인 알루미나 입 자를 사용하였다. 입자의 균일 분포의 최적화를 위해 패킹 밀도 규칙을 기반으로 입자의 크기 및 조성을 최적화하였다. 본 연구에서는 열전도성이 높은 알루미나를 포함한 유무 기 실록산 하이브리드 소재를 사용하여 에폭시-실록산/알루미나 복합재료를 개발하였다. 에폭시-실록산/알루미나 복합재료의 경화 메커니즘에 따른 열적, 기계적, 전기적 특성을 비교 및 분석하고 이를 통해 방열소재의 개발에 기여하고자 한다.

연속압입시험과 디지털 이미지 상관기법을 이용한 금속소재의 항복강도 이방성 분석

김수현 안동대학교 일반대학원 2024 국내석사

이방성이란 재료의 물성이 방향에 따라 다르게 나타나는 성질을 의미한다. 이는 재료 내부의 구조, 결정구조, 제조 공정에 의해 발생할 수 있다. 예를 들어 압연이나 압출과 같은 가공 공정을 거친 재료는 방향에 따른 소성변형으로 인해 기계적 성질의 이방성을 보일 수 있다. 재료의 이방성으로 인해 이방성 변형 및 파괴가 발생할 수 있다. 연성 파괴 분석은 인성과 연성이 필요한 기계적 성질을 요구하는 여러 공학 문제에서 중요하게 여겨진다. 기존의 구조물들은 대부분 구조재료로 금속을 사용하고 연성 파괴 분석은 기존의 구조물들에 결함이 없다는 것을 가장 잘 보장하는 결함 평가 방법이지만 금속의 이방성으로 인해 연성 파괴 분석에 왜곡을 초래한다. 그리고 탄성계수의 이방성과 관련하여 피로수명 예측에 오류가 발생할 수 있다. 압연진행 시 압연진행 방향이 압연진행 수직 방향보다 피로수명이 더 긴 것을 볼 수 있으며, 이는 피로수명 예측에 방해가 되는 것을 알 수 있다. 이방성을 측정하는 기존의 대표적인 실험으로는 인장시험이 존재한다. 인장시험은 재료의 인장특성을 측정하는 방법이며, 재료의 물성을 측정하는 기본적인 측정방법이다. 자세한 측정 및 분석 방법은 표준이 확립되어 제공되고 있다. 인장시험은 시편 가공과 시험 표본을 위해 적당한 크기의 재료와 충분한 양의 시편이 필요로 한다. 또한, 시험 결과는 변형구간 내의 재료의 평균적인 물성만 나타내고 특정 부위에서의 특성을 측정하려면 추가적인 방법을 이용해서 시험을 진행하여야 한다. 예를 들어 인장시험으로 이방성을 측정하기 위해서는 시편 제작 시 방향에 따라 재료의 가공이 필요로 한다. 인장시험 외에도 이방성을 측정하는 방법에는 누프경도시험이 존재한다. 누프경도시험은 LaB6의 (100), (110), (111) 평면에 대해 누프미세경도가 결정되었고 미세경도의 차이를 이용하여 이방성을 측정하는 방법이다. 연속압입시험법은 물질의 특정 부분의 인장특성을 추정하기 위한 인장시험의 대체기술로 연구되었다. 이 방법은 연속적으로 압입을 진행하여 압입 깊이에 따른 하중을 분석하는 압입 하중-변위 곡선을 분석함으로써 기술이 연구되고 있으며, 인장시험과는 다르게, 쉽고 간단하게 물성을 측정할 수 있으며 비파괴적인 시험방법이다. 압입자 아래의 응력-변형률 영역을 인장시험의 응력-변형률 영역 사이에 관계식이 생성되며, 재료의 경도와 유동응력 사이의 관계가 나타난다. 구형 압입자 아래의 응력 변형 상태 분석은 재료 표면에서 반구형의 cavity가 확장된다고 가정하였으며, 이는 탄성영역이 소성영역으로 바뀌는 것을 볼 수 있었다. 여기서 응력상태는 항복 기준과 일치하였다. 이러한 분석은 항복 변형률과 압입자의 기하학적 관계에서 항복응력 사이의 관계를 변화시키는 근본적인 단서를 제공하며, 캐비티 내에서의 압력의 변화 및 응력장의 분석을 고려하여 세부사항의 수정이 제안되었다. 구형 압입자를 이용한 압입 하중-변위 곡선은 압입 깊이에 따라 다른 탄소성 응력 변형상태를 제공하고 이는 항복점 이후의 일축 인장곡선에서의 응력-변형점으로 변환될 수 있다. 재료의 항복강도는 변환된 응력-변형률 곡선과 인장시험에서 얻은 탄성계수의 0.2% offset의 교차점에서 결정될 수 있다. 본 연구에서는 연속압입시험과 디지털이미지상관기법을 사용하였다. 연속압입시험 중 연속압입시험의 압입 하중-변위 곡선을 이용하지 않고 재료 표면에 존재하는 구형 압흔 주변의 변위를 디지털 이미지 상관 기법을 사용하여 재료의 변위를 분석하고 이방성을 평가하였다. 이 방법을 사용하면 간단하고 빠른 측정이 가능하며 압흔 주위 방사형 변위와 항복응력 사이의 관계를 실험적으로 나타내어 비교해보았다. 또한, 분석적인 해결책을 제시하기 위해 유한요소해석시뮬레이션을 이용하여 소성 특성의 이방성을 가진 다양한 재료를 생성하여 압입 실험을 진행한 뒤 결과를 생성하였다. 재료의 주요 방향(x 방향, y 방향)에서 얻은 방사형 변위의 비율은 항복응력의 비율과 밀접한 관계가 있다. 이러한 관계를 바탕으로 예측 모델을 제안했으며, 이는 계산데이터와 실험데이터를 통해 검증되었고 항복응력 m 값의 비율은 위와 같은 실험 방법의 타당성과 실행 가능성을 보여주었다.

고에너지 밀링 및 반응 합성에 의해 제조된 Fe-TiC 복합재료분말의 소결에 관한 연구

이용희 울산대학교 대학원 2013 국내석사

TiC is a refractory compound with excellent hardness, thermal and corrosion resistance and chemical inertness. TiC-reinforced Fe-based matrix composite is a potential candidate to be responsible for costly WC-Co cements in applications of cutting tools and high-performance wear-resistant parts. Fe-TiC composite produced by various processes have been performed. Most of them were produced by the in-situ technique that reinforcements are formed in-situ and distributed in the Fe-based matrix by the chemical reaction between elements or their compounds during the fabrication process. The outstanding advantages of in-situ composites vs. ex-situ ones composed of uniform distribution and finer particles size of reinforcement, especially reinforcement-matrix agglutination is very good. Milling the pure Fe and TiC powders is conventional route to fabricate Fe-TiC composite powder. Fabrication of uniformly compound micro powder is expected to reduce of raw material cost by using the FeO, Carbon and TiH2 powders. In this study, Fe-TiC composite was prepared with three powder fabrication process. The first process includes Milling of precursors, and then Reduction & Synthesis are performed in a tube furnace. The FeO and 1.75 at% C powders were ground in a high-energy mill (AGO-2 mill) followed by a heat treatment process to reduce FeO by Carbon and the mixture would be Fe?0.75at%C powder after the reduction. In next step, this mixture would be added with sufficient amount of TiH2 powder to be expected to form a final product of Fe?30wt%TiC composite. The Fe?0.75at%C-TiH2 mixture was then milled again before synthesized in a tube furnace and sintering by the mean of SPS facility. In the second process, the Fe?0.75at%C-TiH2 mixture after milling again was synthesized and sintered simultaneously in a SPS chamber. Third process was performed on Fe and TiC precursor powders to fabricate an ex-situ Fe?30wt%TiC composite in order to compare with that of two processes above. It was a simple process by milling a mixture of Fe and TiC stating powders in the same mill, AGO-2 mill, and then the milled mixture was sintered by SPS facility. The optimal condition of first and second milling for high-energy planetary mill is 500 rpm for 1h. 10g of mixed powder is loaded into a jar with steel ball (Φ5)and the ball to powder ratio was kept at 20:1 in all milling processes. The jars were evacuated and filled with 0.3MPa pure Ar gas before each running to prevent oxidation during processing. Reduction & Synthesis processes both are carried out in the horizontal tube furnace, Therm Vac, working temperature 1750℃. Powder mixture is filled into a corundum boat and Ar gas is flowed in the furnace (180ml/min). The heating rate was 5℃/min, and the temperature was set at 900℃ for reduction and 1000℃ for synthesis. It should be maintain for 1hour and cool down. To examine the powder characteristic do FE-SEM shape observation, X-ray mapping analysis, LPSA particle size analysis, EDS composition analysis and XRD phase analysis. Those analysis results of M powder showed fine and uniform distribution (average size is 0.53㎛) The fabricated three type of Fe-TiC composite powder was densified by SPS system (Spark Plasma Sintering, 515S model) under the following condition; Sintering temperature of 1070℃, sintering pressure of 70MPa, heating rate of 50℃, holding time of 10 minutes and vacuum gauge of 1.33×10-5MPa. Using the data that comes from SPS draw the shrinkage curve and densification rate curve. Through the characteristic analysis, sintering behavior is identified with each section. M-R powder is the best properties which are fine particle size, uniform distribution and SHS effect among the powders. It is recognized from the sintering behavior. The relative density of sintered composite compounds are 91.6%(M process), 96.2%(M-R-S), and 98.9%(M-R), which means M-R sintered composite has a good characteristic. Microstructure observation showed that fine TiC particles with retained submicron<less than 1μm> size were uniformly distributed in Fe matrix. Vickers hardness of 720Hv10 was measured and expected composition was Fe-30wt%TiC. M-R powder which has the best characteristics was fabricated by pressureless sintering with stainless steel mould. After the compression molding, it is placed on horizontal tube furnace. The condition of sintering process is same as previous synthesis process. The result of pressureless sintering is relative density of 74.8% ~ 84.1%. 마이크론 크기 이하의 입자가 분산된 세라믹스 강화 재료는 WC 재료를 대체할 수 있는 공구재료로 각광받고 있다. WC의 경우 높은 녹는점을 가진 재료이며 고온에서의 고경도를 가지고 내마모성을 가진 재료이다. 하지만 가격이 비싸고 가공성이 좋지 않아 비슷한 성능을 가질 수 있는 대체 재료로 Fe계 세라믹스 분산강화재료가 많은 연구자들에 의해 연구되고 있다. 그 중 Fe-TiC 복합재료는 높은 경도와 융점을 가지며, 내마모성과 열 및 화학적으로 안정한 대표적인 금속기지 복합재료로 알려져 있어 절삭공구 및 내마모 부품과 같은 첨단산업분야에 널리 사용되고 있다. 우수한 기계적 특성과 열적 안정성을 얻으면서, 동시에 WC 재료의 단점을 보완하기 위한 방법으로 Fe 기지상에 미세하고 균일한 크기의 TiC 입자를 강화상으로 균일 분산시키고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존의 분말공정에서는 순수 Fe 분말에 TiC 분말을 밀링하여 Fe-TiC 복합분말을 제조하였으나, FeO와 Carbon, TiH2 분말을 이용하면 원재료 단가의 감소와 함께 밀링 효과를 제고시킬 수 있어 균일혼합 미세분말 제조가 가능할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 다음과 같은 세 가지 분말 제조공정을 사용하여 Fe-TiC 복합재료 분말을 준비하였다. 첫 번째 공정은 기존의 일반적인 분말야금에서 사용하는 단순 혼합 밀링(Milling; M)법으로 Fe 분말과 TiC 분말을 칭량하여 고에너지 밀링하는 방법이다. 두 번째 공정은 밀링, 환원 및 합성(Milling, Reduction & Synthesis; M-R-S)법이다. FeO 분말과 carbon 분말을 칭량하여 고에너지 밀링법으로 1차 밀링하고 환원하여 Fe + C 혼합분말을 만든다. 그 후에 이 혼합분말과 TiH2 분말을 함께 칭량하여 2차 밀링을 한 뒤, TiC로 합성하여 분말을 제조한다. 세 번째 공정은 밀링 및 환원(Milling&Reduction; M-R)법이다. M-R-S 방법과 2차 밀링공정까지 동일하며, TiC로의 합성은 하지 않고 소결과정에서 합성반응 시키는 방법이다. 1차 밀링 및 2차 밀링 조건은 고에너지 밀링장치(Planetary mill; P-100)를 이용하여 500rpm으로 1시간동안 밀링하였는데, 밀링 시 장입하는 분말의 총 양은 10g이고, 분말과 함께 강구(φ5)를 함께 용기에 장입한다. 용기와 강구의 재질은 stainless steel이며 분말과 강구의 장입 비율은 1 : 200 이다. 밀링 시 높은 에너지가 가해지게 되는데 이때 산화가 될 수 있으므로 분말 장입 후 용기 내에 Ar gas를 함께 주입하여 분위기를 치환해주었다. 1, 2차 밀링 후 환원공정 및 합성공정을 실시하였는데, 두 공정 모두 수평관상로를 이용하여 실험을 진행하였다. 분말을 세라믹 보트에 담아 관상로에 넣고, 산화를 막기 위하여 10분간 Ar gas 분위기로 치환하고 실험이 진행되는 동안 180ml/min의 속도로 흘려주었다. 승온 속도는 5℃/min이며, 환원 시 900℃까지, 합성 시 1000℃까지 승온한 뒤 1시간 유지 후 노냉하였다. 분말 특성을 조사하기 위해 FE-SEM 형상 관찰과 X-ray mapping 분석, LPSA 입도 분석, EDS 조성 분석 및 XRD 상 분석을 실시하였고, M 분말이 평균입도 0.53μm의 미세하고 균일 분포를 가진 분말이라는 것을 확인할 수 있었다. 준비된 세 가지 Fe-TiC 복합분말을 이용하여 방전플라즈마소결(Spark Plasma Singering; SPS)하여 시편을 제조하였다. 소결온도는 1070℃, 소결압력은 70MPa, 승온속도는 50℃/min, 유지시간은 10분, 진공도는 1.33×10-5MPa의 진공 분위기에서 소결을 진행하였다. 분말을 장입한 몰드와 펀치는 흑연재질이었다. 분말 장입 시 전기 전도의 상승 및 소결 후 몰드와 쉽게 분리하기 위하여 윤활제 역할을 하는 Carbon paper를 분말과 몰드 사이에 넣어 분리시켰다. 시편은 1.4g의 분말로 제조하였으며, 직경은 10mm, 높이는 2~4mm로 제조하였다. 방전플라즈마 소결 시 수축률 곡선 및 치밀화 속도곡선을 얻기 위하여 SPS 장비 내 프로그램을 이용하여 5초에 1회씩 수축량을 측정하고, 그 데이터를 이용하여 수축률 곡선 및 치밀화 곡선을 구하였다. 치밀화 속도 변화 구간을 구분하여 각 온도 범위의 시편을 제조하고 FE-SEM 형상 분석과 XRD 상 분석, EDS 조성 분석 및 경도 분석과 같은 특성분석을 실시하였으며, 각 구간별 소결거동을 확인하였다. 그 결과 M-R 분말이 미세하고 균일한 분포의 분말을 가지면서 자전합성반응에 의해 가장 특성이 높은 소결체를 제조하는데 성공하였고 소결거동에 관해 논하였다. 세 가지 공정으로 제조된 M, M-R-S, M-R 분말의 소결체는 각각 91.6%, 96.2%, 98.9%의 상대밀도를 나타내었으며, M-R 분말의 소결체가 가장 좋은 특성을 나타냄을 확인하였다. M-R 분말 소결체는 1μm 내외의 TiC 입자들이 Fe 기지 내에 균일 분포한 형상을 나타내었으며, 상온에서의 비커스 경도는 720Hv10, 조성은 기대 조성인 Fe-30wt%TiC 임을 확인하였다. 가장 높은 특성을 가진 M-R 분말을 이용하여 상압소결을 실시하였다. Stainless steel 재질의 직경 10mm 시편을 제작할 수 있는 몰드에 M-R 분말을 각각 1.4g을 장입한 후 가압성형하고 이를 수평관상로에 넣어 상압소결체를 제조하였다. 소결조건은 합성공정과 동일한 조건으로 실시하였다. 즉 승온속도 5℃/min, 유지시간 1시간, Ar gas 분위기에서 실시하고 노냉하였다. 그 결과 상대밀도 74.8 ~ 84.1%를 갖는 소결체를 제조하였다.

연/경자성 나노 복합재료의 exchange-coupling에 대한 전산모사의 구현

전광원 한양대학교 대학원 2010 국내석사

자성 재료는 크게 연자성 재료와 경자성 재료로 나누어지며, 연자성 재료는 경자성 재료와 비교하여 높은 포화 자화 값을 갖고 경자성 재료는 연자성 재료와 비교하여 높은 보자력을 갖는다. 이러한 두 재료의 특성을 동시에 갖는 nanocomposite magnet의 제조를 위해서는 연자성상과 경자성상이 수십 nm의 입자크기로 고르게 분포되어 있는 복합 자성상을 형성해야 한다고 알려져 있다. 이러한 입자 크기 및 분산도의 영향은 재료에 따라 다른 영향을 나타낸다. 따라서 원하는 재료에 대하여 입자 크기, 분산도에 따라 exchange-coupling 효과가 일어나는지 판단하기 위해서는 전산모사 과정은 필수적으로 진행되어야 한다. 본 연구에서는 연자성체와 경자성체의 교환자기력 효과를 통해 경자성체에서의 높은 보자력 값과 연자성체에서의 높은 포화 자화 값을 동시에 구현하여 기존의 재료에서 볼 수 없었던 우수한 nanocomposite magnet의 가능성 여부에 대해 판단하고자 두 가지의 전산모사를 진행하였다. 첫째, 박막형태의 모델링을 통해 박막의 두께에 따른 exchange-coupling 효과를 판별하였다. 둘째, 박막 형태의 전산모사 결과를 통해 분말의 크기를 결정하였으며, 결정된 크기를 갖는 분말 형태의 모델링을 통해 분산도에 따른 exchange-coupling 효과를 파악 하였다. 또한, nanocomposite magnet을 제조하고 그에 대한 자성 특성을 평가하였다. 전산모사 시, 교환자기력을 이용한 고 효율 복합 자성체의 구조 재발을 위하여 경자성 재료로는 Nd2Fe14B와 SmCo5를, 연자성 재료로는 Fe를 선택하였다. 이와 더불어, 분말상태에서 exchange-coupling의 구현여부의 판별을 위해 산화문제가 없으며, 사이즈의 조절이 용이하며 동시 제조가 가능한 ferrite 분말을 사용하여 실험을 진행하였다. 이때, 경자성 재료는 Ba-hexaferrite, 연자성 재료는 NiZn-ferrite를 선택하였다. Ba-hexaferrite/NiZn ferrite 복합재료 제조는 NiZn ferrite와 Ba-hexaferrite 분말을 각각 다른 방법을 통하여 제조하여 혼합하는 것과 자전 연소법을 사용하여 한 번의 하소로 Ba-hexaferrite/ NiZn-ferrite의 복합재료를 제조하는 2가지 방법으로 진행되었다. NiZn- ferrite와 Ba-hexaferrite의 혼합 및 입자 크기 제어를 위해 앞에서 언급한 2가지 방법에 대해 공통적으로 고 에너지 볼 밀링 법을 사용하였다. 본 연구에서는 Nd2Fe14B/Fe, SmCo5/Fe 2 layer 박막이 각각 5 nm, 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm, 50 nm의 두께로 되어 있을 때의 exchange- coupling 효과를 판별하였고, 그 결과, Nd2Fe14B/Fe, SmCo5/Fe 2 layer 박막 모두 10 nm 이하에서 kink가 없는 단일 상 형태의 자기 이력곡선을 얻을 수 있었다. 이 결과를 토대로 5nm와 10 nm 크기의 분말을 모델링하여 exchange-coupling 효과에 대한 분산도의 영향을 파악해 보았으며, 그 결과, 경자성 기지상 내에 연자성 분말이 뭉쳐있지 않고 고르게 분산되어 있을 때 단일 상 형태의 이력곡선을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 분말 공정을 통해 제조한 Ba-hexaferrite/NiZn-ferrite의 exchange- coupling magnet의 경우, 각각의 분말을 제조하여 혼합한 경우와 자전 연소법을 통하여 한 번의 하소로 제조한 경우의 자성 특성을 비교해본 결과, 그 분산도의 영향으로 인하여 자전 연소법을 통하여 한 번의 하소로 제조한 분말이 고르게 분산되어 각각의 분말을 제조, 혼합한 것보다 우수한 실험적 결과를 얻을 수 있었다. 이와 같은 현상은 경자성인 Ba-hexaferrite와 연자성인 NiZn ferrite의 입자 크기와 고르게 분산되어 spin spring exchange 기구가 실제적으로도 구현 가능함을 보여준 결과이다.

전기 메모리 재료에서의 상 변화현상의 분석방법에 관한 연구

김대희 광운대학교 대학원 2004 국내석사

최근 비휘발성 메모리 시장에서 각광 받고 있는 PRAM(Phase Change Random Access Memory)은 비정질과 결정질 상태간에 광학적, 전기적 스위칭 현상을 나타내는 칼코게나이드(chalcogenide)재료를 이용한 것으로 이에 수반한 전기저항도 차이로 정보를 기록/소거/재생하는 기본 작동원리를 갖는다. 정보의 기록(리셋)과 소거(세트)상태는 전기적 기록, 소거동작시 재료의 용융에 이은 비정질화와 결정화과정을 통해 각각 형성되기 때문에, 전기적 재생특성은 상변화 과정의 동력학(kinetics) 및 형성된 상구조와 밀접한 상관관계를 갖게 된다. 따라서, 전기적 동작 상태에서 상변화 특성을 분석할 수 있는 장치를 이용함으로써 이러한 상관관계에 대한 보다 구체적이며 직접적인 이해가 가능해지고 이를 바탕으로 한 고성능의 메모리 재료 및 소자구조의 설계, 개발이 가능하다. 본 연구에서는 이러한 목적을 위해 칼코게나이드 물질의 비정질상과 결정질상이 전기적 물성외에도 광학적으로도 구분가능하다는 사실에 근거하여 고유의 소자 동작 특성평가 기법을 개발하였다. 개발된 특성평가기법은 투명도전 산화물 전극을 채용한 소자구조를 이용하여 전기적 동작을 위한 가열용 전기 펄스에너지 인가시 상변화에 따른 재료의 반사/투과도 변화를 안정화 연속 probe 레이저를 통해 광학적으로 실시간 검출하는 전기-광학적 측정 장치와 함께 기록/소거동작을 통해 형성된 상구조 이미지의 비파괴적 일괄(in-situ) 관찰이 가능한 광학 현미경부를 갖추고 있다. 본 실험의 목적을 위하여 일반 금속 전극 재료를 대신하여 광학적 투명성과 전기적 전도성을 동시에 가지는 투명전극재료인 IZO(indium Zinc Oxide)가 상부전극재료로 사용되었다. 우선 소자에 대한 전기적 특성과 광학적 특성이 측정되었고, 그로 인해 나온 결과들을 광학상수 분석 소프트웨어인 Film Wizard를 통해 상변화 영역에서 발생하는 결정화 현상에 대한 기구(mechanism)를 3가지로 가정하여 시뮬레이션 한 결과들과 연계 시켜 분석 함으로써 실제로 기존에 사용되는 전기적 특성 평가 방법에서는 얻을 수 없는 결정화 기구에 대하여 규명할 수 있었다. 실제로 결정화가 되는 기구에 따라 소거 속도의 차이가 나타나고, 소거 속도를 빠르게 하는 것이 PRAM개발에 있어 가장 중요한 과제라고 본다면 이러한 특성 분석 장치의 개발은 고속 상변화 소자 제작을 위한 상변화재료의 선택에 있어서 유용한 정보를 제공 한다는 점 에서 큰 의의를 가진다.

화학적 방법에 의한 Cu 나노복합분말의 합성 및 특성 해석

윤세중 서울産業大學校 産業大學院 2006 국내석사

세라믹 기지상에 나노크기의 금속입자를 분산시킨 나노복합재료는 세라믹 재료의 취약성과 낮은 가공성을 극복하여 고강도, 고인성 및 우수한 기계적 특성을 갖는 재료를 제조할 수 있다는 점에서 많은 연구의 대상이 되고 있다. 이러한 세라믹/금속 나노복합재료의 물리적, 화학적 특성은 분산된 금속입자의 크기, 분포, 양 등 미세구조에 많은 영향을 받는다. 따라서 요구되는 미세조직을 갖는 세라믹/금속 나노복합재료를 제조하기 위하여 세라믹 및 금속질화물 분말을 균일하게 혼합하여 하소한 후, 수소분위기에서 금속산화물을 나노크기 금속입자로 환원하고 이를 열간 가압 소결하여 치밀화하는 공정이 사용된다. 그러나 이러한 세라믹/금속 나노복합재료의 제조에 있어서 가장 큰 문제로 대두되는 것은 각 공정과장에서의 기초현상에 대한 체계적인 연구, 즉 분말합성기구, 미세조직 발달과 원인 등에 관한 정확한 이해 없이 최종 물성과 미세구조의 해석에 기초한 재료의 응용에만 치중해왔다는 점이다. 따라서 실제 제조에 있어서는 재생성의 문제뿐만 아니라, 정확한 미세조직 제어 및 특성구현에 많은 어려움이 있다. 그러므로 우수한 기계적 특성과 함께 기능성을 갖는 세라믹/금속 나노복합재료의 다양한 공업적인 응용을 위해서는 제조공정의 이해, 특히 분말제조공정에서의 하소 및 환원거동과 치밀화에 관련된 정량적인 해석이 요구된다. 본 연구에서는 기지상으로 Al_(2)O_(3), 분산상으로는 Cu를 선택하여 우수한 특성을 갖는 나노복합재료의 최적 합성 조건에 관하여 조사하였다. Al_(2)O_(3)/Cu 나노복합재료는 Cu 질화물로부터 하소 및 수소환원을 이용하는 화학적 합성법 및 열간 가압소결법을 이용하여 제조하였다. 또한 Al_(2)O_(3)/CuO를 원료분말로 사용한 경우와의 미세조직 특성을 비교분석하여 요구되는 기계적 특성을 만족하는 나노복합재료의 제조를 위한 최적의 합성공정을 제시하였다. TG 및 Hygrometry 분석하여 하소온도와 수소환원 온도를 각각 300℃에서 1시간 및 350℃에서 30분간으로 결정하였으며 합성된 복합분말은 50 nm이하 크기의 순수한 Cu입자가 Al_(2)O_(3)기지상 주변에 균일하게 분산된 미세조직 특성을 나타내었다. 수소 환원은 Al_(2)O_(3)Cu-nitrate의 경우가 Al_(2)O_(3)/CuO 혼합분말 보다 더 높은 온도에서 시작되었으며, Al_(2)O_(3)/Cu-nitrate를 원료분말로 사용한 경우에서 수소 환원 후에 미세한 Cu입자의 균일한 분포를 갖는 복합분말을 제조할 수 있었다. 소결체는 약 150 nm 크기의 Cu입자가 기지상 입계에 균일하게 분산된 intergranular-type 특성을 나타내었다. 열간가압소결한 Al_(2)O_(3)/Cu 나노복합재료는 파괴강도 953MPa, 파괴인성 4.8MPa·m^(1/2)로 순수한 Al_(2)O_(3)와 비교해 월등히 향상된 값을 나타냈으며, 이는 입자미세화에 의한 강도증가와 crack deflection 및 crack bridging의 기구에 의한 파괴인성 증가로 해석하였다. Al_(2)O_(3)/Cu 나노복합재료의 마모계수는 17.12×10^(-5)㎣/Nm로 순수한 Al_(2)O_(3)의 마모계수 2×10^(-5)㎣/Nm 보다 매우 높은 값을 나타내어 내마모 특성의 향상을 기대할 수 없었다. 이는 나노크기의 Cu상의 첨가로 파괴강도 등이 향상되었음에도 첨가한 Cu입자가 ductile하기 때문이라 해석되어진다. There has been strong interest in nanocomposite materials, in which nano-sized metal particles are dispersed in a ceramic matrix of micrometer size, due to the outstanding improvements of mechanical properties. The properties and performance of these ceramic/metal nanocomposites have been known to strongly depend on the microstructural characteristics such as the size and distribution of metal particle as well as the volume of dispersoids. However, there have been some difficulties in reproducing nanocomposites with controlled microstructure and properties. This is basically attributed to the fact that previous researches focused only on the estimation of final microstructure and properties with no understanding of powder synthesis condition and its effect on the final properties. In this study, Al_(2)O_(3)/Cu nanocomposites were selected for experimental systems. The reduction behavior of metal oxides and their effects on the microstructure evolution of sintered composites are analysed. Also, the influence of the intial powder mixture using Al_(2)O_(3)/CuO and Al_(2)O_(3)/Cu nitrate on the final properties such as fracture strength, toughness and wear properties was investigated. The composite powders were prepared by the ball milling and calcination from the mixture of Al_(2)O_(3)/Cu-nitrate. The calcined powder mixture and Al_(2)O_(3)/CuO powder mixture were densified by hot-pressing after hydrogen reduction process. The hydrogen-reduced Cu particles of about 50 nm in size were homogeneously located on the surfaces of Al_(2)O_(3) powders. To analysis the effect of raw powders on the reduction behavior, the humidity changes for powder mixtures were investigated. In case of Al_(2)O_(3)/CuO powder mixture the reduction peak was observed at 210℃, while the peak temperature of Al_(2)O_(3)/Cu-nitrate registered as 240℃. The hot-pressed Al_(2)O_(3)/Cu nanocomposites showed that Cu particles with an average size of 150 nm were homogeneously dispersed mainly on Al_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3) grain boundaries and triple points. Hence, in this investigation the hot-pressed composites are defined as an intergranular-type nanocomposite. In the comparison with monolithic Al_(2)O_(3), the matrix grain size of the Al_(2)O_(3)/Cu nanocomposites was smaller, at range from 0.60 to 0.67 ㎛, than that of Al_(2)O_(3) at 0.89 ㎛. It is clear that metal particle significantly inhibited grain growth of the Al_(2)O_(3) matrix by the pinning effect. The elastic modulus for the monolithic Al_(2)O_(3) and nanocomposites was 396 GPa and 373-380 GPa, respectively. The fracture toughness of the composites exhibited an enhanced value of 4.8-4.9 MPa√(m), about 1.5 times larger than that of the monolithic Al_(2)O_(3). The strengthening and toughening of the nanocomposites were explained by the refinement of the microstructure and the crack deflection and crack bridging. The wear coefficient of the Al_(2)O_(3)/Cu nanocomposites showed a value of about 17×10-5 mm3/Nm, which was 9 times higher than that of the monolithic Al_(2)O_(3). It can be explained that the ductility of Cu phase was responsible for the high wear coefficient in the nanocomposites.

Cu-TiB₂ 複合材料의 磨耗擧動에 關한 硏究

김정남 서울産業大學校 産業大學院 2005 국내석사

TiB_(2)는 고강도(750MPa), 고융점(3225℃), 고경도(∼27GPa)를 지니고 있으며, 10% IACS의 우수한 전기전도도로서, 고부하 전기 접점재료로의 응용범위에 관심의 대상으로 있다. 즉, TiB_(2)를 첨가한 Cu-TiB_(2) 복합재료는 Cu의 전기적 특성은 다소 떨어지지만, Cu에 비하여 우수한 기계적 특성을 가져 고부하 전기 접점재료로 사용시 마모에 의한 사용 수명을 연장시킬 수 있는 대체재료로 기대되고 있다. 본 연구에서는 전기 접점재료 증에서 전차선(trolley wire)의 사용을 목적으로, 분산강화형 CU-TiB_(2)2 복합재료를 열간압출법으로 제조하여 TiB_(2) 부피 분을 변화와 입도 변화에 따른 CuTiB_(2) 복합재료의 기계적, 전기적 특성 및 마모거동을 조사하였다. 마모실험은 상온·건식분위기에서 pin-on-disk 방식으로 행하였으며, 실험시 마모 조건은 3.5Hz의 일정-속도하에서 20∼80N사이의 하중변화를 주었고, 상대재료는 SM45C(229Hv)와 Cu-Sn alloy(141Hv)를 사용하였다. 마모실험 후 하중변화에 따른 마모표면하 subsurface zone의 소성유동에 따른 경화현상을 micro-victors 경도로 조사하였고, 마모표면과 마모표면하 subsurface zone의 조직을 SEM으로 관찰·조사하였다. 또한 마모탈락편의 성분분석을 위하여 탈락된 마모입자를 EDX분석하였다. 더욱이 본 연구의 Cu-TiB_(2) 복합재료는 전차선의 적용에 그 목적이 있으므로, 진차선과 전등차의 팬터그래프가 주기적으로 접촉할 때 발생할 수 있는 균열의 발생경로를 마모횡단면 관찰에 의한 조직특성과 미세 경도 변화로 조사하고저 하있다. The titanium diborideTiB_(2)) has high strength(750MPa), high melting point (322 5℃) and good electrical conductivity(10%IACS). On this account, the dispersion hardening Cu-TiB_(2) composites arm a promising candidate for applications as electrical contact materials. Cu-TiB_(2) composites for electrical contact materials can reduce material cost and resource consumption caused by wear, due to its good mechanical and electrical property. In this study, we attempt to prepare Cu-TiB_(2) composites with various volume fraction and particle size of Tibet by means of hot extruded and cold drawn process. Dry sliding wear tests were performed on a pin-on-disk type tester, sliding against SM45C and co-sign alloy under the different applied loads. After wear testing, the microstructures of the worn surfaces were observed by means of sigma and the microhardnmsses of the subsurface were measured. The test results showed that the wear rate and friction coefficient decreased with increasing Tibet volume fractions and increasing the size of Tibet particle. As an applied load were smaller, the change of the microhardness below the wear surface was smaller. It is thought that this phenomenon could be explained as the shear mechanism related to generation and accumulation of dislocation below the wear surface. That is, because the plastic flow phenomenon was occured at the surface layer, subsurface zone was affected by work hardening. In result, microcrack would occur in the interface between the severely work-hardened layer and non-work-hardened layer. therefore it is thought that this phenomenon could be explained as the delimitation theory by Huh which appeared that wear was related to the dislocation generation by shear mechanism, accumulation and interaction below the wear surface.