[논문]분말시스압연법에 의해 제조된 Al/Al2O3 복합재료의 기계적 성질

이성희; 이충효

doi:10.4150/kpmi.2003.10.2.097

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The powder-in sheath rolling was applied to the fabrication of $Al/Al_2O_3$ composite. A stainless steel tube with outer diameter of 12 mm and wall thickness of 1 mm was used as a sheath. Mixture of aluminum powder and $Al/Al_2O_3$ particles of which volume content was varied f...

The powder-in sheath rolling was applied to the fabrication of $Al/Al_2O_3$ composite. A stainless steel tube with outer diameter of 12 mm and wall thickness of 1 mm was used as a sheath. Mixture of aluminum powder and $Al/Al_2O_3$ particles of which volume content was varied from 5 to 20 vol.% was filled in the tube by tap filling and then rolled to 75% reduction at ambient temperature. The re]]ed specimen was sintered at 56$0^{\circ}C$ for 0.5 hr. The $Al/Al_2O_3$ composite fabricated by the sheath rolling and subsequent sintering showed the relative density higher than 0.96. The tensile strength of the composite increased with the volume content of $Al_2O_3$ particles, and it reached a maximum of 90 MPa which is 1.5 times higher than unreinforced material. The elongation decreased with the volume content of $Al_2O_3$ particles. It is concluded that the powder-in sheath rolling is an effective method for fabrication of $Al/Al_2O_3$ composite.

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문제 정의

시스압연법은 연속 생산이 가능한 압연공정만을 이용하므로, 생산성 면에 있어서 다른 방법들에 비해 월등히 우수하다. 본 연구의 목적은, 시스압연법을 이용하여 알루미늄기 입자분산 복합재료를 제조하고, 그것의 기계적 성질을 조사하는 것이다.

제안 방법

그러나, 단조나 압출가공은 batch 공정이며, 짜가공을 필요로 하므로 생산성에 한계를 가지고 있다. 저자는 알루미늄 분말의 벌크화를 위한 간편한 방법으로 시스압연법을 제안하였다";. 시스압연법은 연속 생산이 가능한 압연공정만을 이용하므로, 생산성 면에 있어서 다른 방법들에 비해 월등히 우수하다.
알루미늄 분말을 미리 한쪽 끝을 봉해 놓은 길이 300 mm 의 스테인리스 튜브에 충진한 후, 다른 한쪽도 진공 할 수 있을 정도의 틈만 남겨 놓고 봉하였다. 그 후, 37CFC에서 1 hr 동안 전기로 내에서 탈가스 처리를 하고, 완전히 봉한 후, 롤 직경이 100 mm인 압연기를 사용하여 , 두께 3 mm(압하율 75%)로 냉간 압연 하여 복합재료를 제작하였다. 이후, 이 복합재료를 시스압연 복합재료라고 칭한다.
상대밀도는 아르키메데스법에 의해 측정하였다. 기계적 성질은 상온에서의 인장시험으로 평가하였다. 인장시험을 위한 시편은 시스를 제거한 후, 인장방향이 압연방향과 평행하도록 방전 가공기로 잘라서 준비하였다.
7 mm의 인장시편을 사용하여 행하였다. 또한, 시험은 Instron type의 인장시험기를 사용하여 10-3 L의 일정한 변형속도로 하였으며, 시험 후의 파면은 주사전자현미경(SEM)으로 관 찰하였다.

대상 데이터

분말체의 겉보기 변형은 치밀화에 기여 하는 부분도 포함하고 있으므로 혼합 분말의 실제 변 형량은 겉보기 압하율보다 더 낮을 것이다. SUS304 스테인리스강의 변형저항, 밀도, 비열은 각각 800 MPa, 8.6X106 g/m3, 0.51 J/g . ℃이다.
모상(母相)으로 질소가스 분사법으로 제조된 고순도(순도: 99.9999%) 알루미늄 분말(Cu:l, Fe:l, Si: 2, (&:533 mass ppm, Al:bal.)을 사용하였다. 알루미늄 분말은 이전 연구&에 사용한 것과 동일한 것으로 거의 구형을 하고 있으며, 평균 입경은 36 ㎛ 이다.
여기서, H는 기계적 에너지의 열 에너지에로의 변환 효율, o는 가공시의 평균 변형저항, e는 변형량, p밀도, C는 비열을 각각 나타낸다. 본 실험에 있어서, 압연전의 혼합 분말체의 직경은 10 mm였고, 압연후의 두께는 1.9 mm, 그리고 압연후의 시스의 두께는 0.55 mm였다. 그러므로, 혼합 분말체의 겉보기 압하율은 약 81%, 스테인리스 시스의 압하율은 약 45%이다.
그림과 같이, AGS 입자는 거의 구형을 하고 있으며, 평균 입경은 이다. 시스(sheath) 재료로서는, 외경 12 mm, 벽 두께가 1mm인 SUS304 스테인리스 튜브를 사용하였다.
인장시험을 위한 시편은 시스를 제거한 후, 인장방향이 압연방향과 평행하도록 방전 가공기로 잘라서 준비하였다. 인장시험은, 평행부의 길이가 15 mm, 폭이 6 mm, 두께가 1.7 mm의 인장시편을 사용하여 행하였다. 또한, 시험은 Instron type의 인장시험기를 사용하여 10-3 L의 일정한 변형속도로 하였으며, 시험 후의 파면은 주사전자현미경(SEM)으로 관 찰하였다.

이론/모형

분말시스압연법을 Al/Al2O₃ 입자분산 복합재료의 제조에 적용하여, 다음과 같은 결과가 얻어졌다. 1.
상대밀도는 아르키메데스법에 의해 측정하였다. 기계적 성질은 상온에서의 인장시험으로 평가하였다.

성능/효과

5배 강화된다. 0.2% 항복강도는 강화입자의 함량이 증가함에 따라 약간 증가하는 경향을 나타낸다. 한편, 연신율은 강화입자의 함량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보인다.
2. 알루미늄 분말과 Al2O₃ 입자의 혼합분말은 압하율 75%의 냉간 시스압연만으로 고화가 달성되었으나 강화입자의 첨가에 의한 강화효과는 없었다.
3. 소결 복합재료의 인장 강도는 Al2O₃ 입자의 함량 비례하여 증가하였으며, 20vol.%Al2O₃에서 최대값인 90 MPa을 나타내었다.

후속연구

그러나, 강화입자의 군집체가 많이 관찰되며, 그곳을 기점으로 균열(crack)이 발생 하여 바로 파단으로 이어져 연신율의 저하를 초래하 였음을 잘 보여주고 있다. 그러므로 복합재료의 기계적 성질을 더욱 향상시키기 위해서는 군집체가 형성 되지 않는 혼합법의 채용과 형성된 군집체를 분산시키는 기술적인 연구가 필요하리라 사료된다.

참고문헌 (8)

Metall. Rev. 6 193 1961 10.1179/095066061790425983
Materials Transactions 38 232 1997 10.2320/matertrans1989.38.232

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Mater. Sci. & Tech. 3 57 1987 10.1179/026708387790123061
Powder Metall. Int. 18 321 1986
Mater. Sci. Eng. A194 165 1995
Powder Metall. 38 289 1995 10.1179/pom.1995.38.4.289

상세보기
J. Japan Inst. Metals 61 1153 1997 10.2320/jinstmet1952.61.11_1153
Mater. Sci. Eng. A159 43 1992

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