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문제 정의
- 유한요소해석에 의한 결과는 최종 형상 및 밀도 분포에 대하여 실험 결과와 비교 분석하였다. 금속 몰드의 경우 하중 속도에 따라 그 유동 응력이 다르게 나타나기 때문에 하중 속도에 따른 유동 응력의 차이가 분말 성형체의 치밀화에 미치는 영향에 대해서 조사하였다.
- 본 논문에서는 금속 몰드를 이용하여 온간 등가압 성형 공정 실험을 수행하였다. 금속 몰드를 이용한 분말 성형체의 치밀화 공정은 높은 성형 온도에서 정수압 조건을 만들기 쉽고, 형상 제어를 통한 최종 부품으로의 정밀 정형에 이용될 수 있다.
- 본 논문에서는 스테인리스강 분말의 금형 압축 시 금속 분말의 치밀화와 금속 몰드를 이용한 온간 성형 공정에 대한 연구를 수행하였다. 실험결과와 Shima-Oyane 의 구성모델⑲에 의한 유한요소 해석 결과로부터 다음과 같온 결론을 얻었다.
가설 설정
- 축 대칭 조건으로부터 전체 단면의 1/2 만을 해석하였으며, 분말 성형체는 100개의 4 절점 2차 축 대칭 요소인 CAX4(4-node axisymmetric quadrilateral, biquadratic displacement) 와 금형 으로는 25 개의 축 대칭 강 요소인 RAX2(axisymmetric rigid element)를 사용하였다.'*)금속 분말의 변형거동을 위해서는 Shima-Oyane 의 구성 모델㈣을 사용하였으며, 금형과 분말 성형체 사이의 마찰계수는 0.17로 가정하였다.(2)~勺 시편의 치수는 높이 50 mm, 지름 26 mm 이며, 시편의 초기 밀도는 실험을 통해 구한 0.
- 따라서 압축 시 생기는 변형 특성을 파악하고 유한요소해석에 적용하기 위해 납 몰드의 일축 압축 실험을 수행하였다. 금형 압축 및 납 몰드를 이용한 온간 성형시 금형과 납 몰드 및 분말 성형체는 균일한 온도 분포로 가정하였다.
- 6 은 납 몰드를 이용한 스테인리스강 분말의 온간 성형에 사용된 유한요소 격자와 경계 조건을 나타낸다. 축 대칭 조건으로부터 전체 단면의 1/2 만을 해석하였으며, 분말 성형체와 납 몰드는 각각 100 개와 128개의 4 절점 2차 축 대칭 요소인 CAX4(4-node axisymmetric quadrilateral, biquadratic displacement) 를 사용하였고, 금형을 위해서 25개의 축 대칭 강 요소인 RAX2(axisymmetric rigid element)를 사용하였다*® 금속 분말의 변형 거동을 위해서는 Shima-Oyane 의 구성 모델을 사용하였으며, 스테인리스강 분말과 납 몰드 사이의 마찰 계수는 0.17로 가정하였다."%淄 시편의 치수는 높이 50 mm, 외 경 43 mm 이 며 두께 는 5 mm로 하였다.
제안 방법
- 금속 몰드는 하중 속도에 따라 유동 응력이 달라지므로 하중 속도에 따른 밀도 변화를 조사하기 위하여 하중 속도를 변화시켜가며 밀도 변화를 측정하였다. 실험은 300℃ 에서 10" mm/s, 102 mm/s, 및 NF mm/ 의 변위 속도로 압축하여 각각 다른 하중 속도를 갖도록 하였으며, 400 MPa 까지 일방향 압축하였다.
- 몰드와 금형 사이의 마찰이 작용하여 실험 결과와의 비교에서도 볼 수 있듯, 상하의 밀도 구배가 대칭의 형상이 아님을 알 수 있다. 200℃ 에서는 납 몰드와 금형 사이의 마찰을 무시할 수 없으며, 실험치를 가장 잘 예측 할 수 있는 마찰 계수를 적용하여 무마찰 조건과 비교하였다. 무마찰 조건보다 마찰계수 0.
- 시편을 500℃ 에서 2시간 동안 어닐링 한 후 단면을 연마하였다. 경도 측정은 1/16 inch 강구 압자로 60 kg 의 하중을 30 초간 가하여 각 시편마다 10개의 경도 값을 측정하여 평균한 뒤 경도와 밀도 사이의 관계를 구하였다.
- 실험에 사용한 시험편은 직경 7 mm 와 높이 10 mm 로 가공하였다. 고온 분위기의 진공로를 이용하여 5℃/min의 승온 속도로 각각 200℃ 와 300℃ 까지 가열한 후 시편이 열적 평형상태가 되도록 시험 온도를 약 30분간 유지하였다. 압축 시 납 시편과 압반 사이의 마찰을 줄이기 위하여 탄탈륨 박판(tantalum sheet)을 삽입하였다.
- 또한 몰드 두께에 따른 밀도 변화를 조사하기 위하여 두께 10 mm 의 몰드를 사용하여 300℃ 에서 같은 하중 조건으로 실험하였다. 금속 몰드는 하중 속도에 따라 유동 응력이 달라지므로 하중 속도에 따른 밀도 변화를 조사하기 위하여 하중 속도를 변화시켜가며 밀도 변화를 측정하였다. 실험은 300℃ 에서 10" mm/s, 102 mm/s, 및 NF mm/ 의 변위 속도로 압축하여 각각 다른 하중 속도를 갖도록 하였으며, 400 MPa 까지 일방향 압축하였다.
- 온도가 높을수록 변형에 필요한 유동 응력이 낮게 나타남을 확인할 수 있고, 이를 통해 성형 온도가 높을수록 분말의 등가압 성형에 필요한 하중이 낮아지게 됨을 알수 있다. 납 모재의 탄성 계수는 압축 응력과 소성 변형률 곡선의 0.2% offset으로 구하였고, 프와송 비는 문헌⑰의 값을 인용하였다. 즉, 2001에서 E=35.
- 납 몰드를 이용한 온간 등가압 성형 실험은 MTS 재료 시험기에 가열로를 장착한 후 각각 200℃ 와 300℃ 에서 수행하였다. 실험에 사용된납 몰드는 외경 43 mm, 두께 5 mm, 높이 50 mm 이며, 내경 43 mm 의 금형 안에 삽입하여 실험하였다.
- 납 몰드와 고무 몰드를 이용한 온간 성형 시편의 밀도 분포를 측정하기 위하여, 경도 측정 시 간섭이 생기지 않도록 가로세로 방향으로 각각 3 mm 의 간격으로 총 80개의 격자를 생성한 후 격자들의 적분점에서 경도를 측정하였다. 온간 금형 압축 시편에 대해서도 3 mm 의 간격으로 60 개의 격자를 생성하여 격자들의 적분 점에서 경도를 측정하였다.
- 납 몰드의 변형률-응력 곡선을 얻기 위하여 고온 분위기의 진공로(vacuum fiirnace)와 고온 변위 측정 장치(LVDT)가 장착된 재료 시험기를 이용하여 일축 압축 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 시험편은 직경 7 mm 와 높이 10 mm 로 가공하였다.
- 44이며, 1 MPa/s의 일정한 하중 속도로 400 MPa 까지 일방향 압축하였다. 동일한 실험 조건으로 반복 실험을 통해 평균 상대밀도를 구하여 가압력에 따른 시편의 밀도 변화를 조사하였다. 또한 몰드 두께에 따른 밀도 변화를 조사하기 위하여 두께 10 mm 의 몰드를 사용하여 300℃ 에서 같은 하중 조건으로 실험하였다.
- 고려해야 한다. 따라서 압축 시 생기는 변형 특성을 파악하고 유한요소해석에 적용하기 위해 납 몰드의 일축 압축 실험을 수행하였다. 금형 압축 및 납 몰드를 이용한 온간 성형시 금형과 납 몰드 및 분말 성형체는 균일한 온도 분포로 가정하였다.
- 동일한 실험 조건으로 반복 실험을 통해 평균 상대밀도를 구하여 가압력에 따른 시편의 밀도 변화를 조사하였다. 또한 몰드 두께에 따른 밀도 변화를 조사하기 위하여 두께 10 mm 의 몰드를 사용하여 300℃ 에서 같은 하중 조건으로 실험하였다. 금속 몰드는 하중 속도에 따라 유동 응력이 달라지므로 하중 속도에 따른 밀도 변화를 조사하기 위하여 하중 속도를 변화시켜가며 밀도 변화를 측정하였다.
- 압축 시 납 시편과 압반 사이의 마찰을 줄이기 위하여 탄탈륨 박판(tantalum sheet)을 삽입하였다. 변위 속도에 따른 유동 응력 의 변화를 조사하기 위하여 10“ mm/s, 10'2 mm /s, 및 lO'mm/s의 변위 속도에 따라 실험하였다.
- 스테인리스강 분말 70 g 을 금형에 충전한 후 상부 펀치와 함께 가열로를 이용하여 5℃/min의 승온 속도로 각각 200℃ 와 300℃ 까지 가열한 후 30분간 유지하였다. 분말과 금형 사이의 마찰을 줄이기 위하여 금형 벽면에 흑연 윤활제를 사용하였다. 가압은 1 MPa/s의.
- 스테인리스강 모재 시편을 20VC와 300℃에서 일정한 변위 속도로 일축 인장하여 인장 응력과 소성 변형률의 관계를 구하였다. Fig.
- 스테인리스강 모재 시편의 온간 인장 실험은 재료 시험기(MTS servo-hydraulic tester)에 고주파 가열 장치(induction heating system)를 장착하여 실험하였다. 가열 장치를 이용하여 10℃/min의 승온 속도로 각각 200℃ 와 300℃ 로 가열한 후 시편이 열적 평형 상태가 되도록 시험 온도를 30분간 유지하였다.
- 온간 금형 압축 실험은 가열로가 장착된 MTS 재료 시험기를 이용하였으며, SKD11 으로 제작된 직경 26 mm 인 금형을 사용하였다. 스테인리스강 분말 70 g 을 금형에 충전한 후 상부 펀치와 함께 가열로를 이용하여 5℃/min의 승온 속도로 각각 200℃ 와 300℃ 까지 가열한 후 30분간 유지하였다. 분말과 금형 사이의 마찰을 줄이기 위하여 금형 벽면에 흑연 윤활제를 사용하였다.
- 고온 분위기의 진공로를 이용하여 5℃/min의 승온 속도로 각각 200℃ 와 300℃ 까지 가열한 후 시편이 열적 평형상태가 되도록 시험 온도를 약 30분간 유지하였다. 압축 시 납 시편과 압반 사이의 마찰을 줄이기 위하여 탄탈륨 박판(tantalum sheet)을 삽입하였다. 변위 속도에 따른 유동 응력 의 변화를 조사하기 위하여 10“ mm/s, 10'2 mm /s, 및 lO'mm/s의 변위 속도에 따라 실험하였다.
- 적분점에서 경도를 측정하였다. 온간 금형 압축 시편에 대해서도 3 mm 의 간격으로 60 개의 격자를 생성하여 격자들의 적분 점에서 경도를 측정하였다.
- 유한요소해석을 위한 탄성 계수 및 항복 강도는 인장응력과 소성 변형률 곡선의 0.2% offset 으로 구하였으며, 프와송 비는 문헌(口)의 값을 인용하였다. 즉, 200℃ 에서 E=80.
- 실험에서 사용한 금속 분말의 치밀화 및 변형 예측을 위해서는 Shima-Oyane의 구성 모델(’°)을 사용하였다. 일반적으로 많이 사용되는 온간 금형 압축의 경우와 금속 몰드를 이용한 온간 등가 압 성형 공정을 다른 온도와 하중 조건을 통해 비교하였고, 또한 온간 고무 등가압 성형에 의한 결과와 비교하였다. 유한요소해석에 의한 결과는 최종 형상 및 밀도 분포에 대하여 실험 결과와 비교 분석하였다.
- 奸。)상대 밀도와 경도의 관계를 구하기 위해 외경 20 mm, 두께 5 mm, 높이 30 mm 인 몰드에 분말을 충전한 후 50 MPa~400 MPa 사이의 다양한 압력으로 온간 성형하여 균일한 밀도 분포를 갖는 시편들을 준비하였다. 준비된 시편을 750℃ 에서 2 시간 동안 예비 소결한 후, 다이아몬드 휠(ISOMET low speed saw, Buehler, U.S.A.)을 이용하여 높이 방향으로 절단하였다. 시편을 500℃ 에서 2시간 동안 어닐링 한 후 단면을 연마하였다.
대상 데이터
- 17로 가정하였다."%淄 시편의 치수는 높이 50 mm, 외 경 43 mm 이 며 두께 는 5 mm로 하였다. 시편의 초기 밀도는 실험을 통해 구한 0.
- , Japan)를 주로 이 용한다.奸。)상대 밀도와 경도의 관계를 구하기 위해 외경 20 mm, 두께 5 mm, 높이 30 mm 인 몰드에 분말을 충전한 후 50 MPa~400 MPa 사이의 다양한 압력으로 온간 성형하여 균일한 밀도 분포를 갖는 시편들을 준비하였다. 준비된 시편을 750℃ 에서 2 시간 동안 예비 소결한 후, 다이아몬드 휠(ISOMET low speed saw, Buehler, U.
- 고무 몰드를 이용한 온간 등가압 성형 실험에는 실리콘 고무 몰드를 사용하였다. 실리콘 고무는 다른 고무에 비해 고온 강도, 열적 특성이 우수한 것으로 알려져 있다.
- 300℃ 에서 수행하였다. 내경 43 mm 의 금형안에 외경 43 mm, 두께 5 mm, 높이 50 mm 의 고무 몰드를 삽입하여 실험하였다. 초기 충진 밀도 0.
- 본 논문에서는 수 분사법으로 제조된 평균 입자 크기가 8 Jim인 스테인리스강 분말 (stainless steel 316L, Pamco Co., Japan)을 사용하여 실험하였다. 분말의 물리적 성질과 화학적 조성은 다른 논문에서 쉽게 찾을 수 있다.
- 금속 몰드를 이용한 분말 성형체의 치밀화 공정은 높은 성형 온도에서 정수압 조건을 만들기 쉽고, 형상 제어를 통한 최종 부품으로의 정밀 정형에 이용될 수 있다. 실험과 유한요소해석에 사용된 금속 몰드 는 온간에서 낮은 유동 응력을 나타내는 납을 사용하였다. 온간에서 몰드의 낮은 유동 응력은 정 수압 조건을 구현하는데 매우 유용하다.
- 와 300℃ 에서 수행하였다. 실험에 사용된납 몰드는 외경 43 mm, 두께 5 mm, 높이 50 mm 이며, 내경 43 mm 의 금형 안에 삽입하여 실험하였다. 스테인리스강 분말을 몰드에 충전시킨 직후의 상대 밀도는 0.
- 납 몰드의 변형률-응력 곡선을 얻기 위하여 고온 분위기의 진공로(vacuum fiirnace)와 고온 변위 측정 장치(LVDT)가 장착된 재료 시험기를 이용하여 일축 압축 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 시험편은 직경 7 mm 와 높이 10 mm 로 가공하였다. 고온 분위기의 진공로를 이용하여 5℃/min의 승온 속도로 각각 200℃ 와 300℃ 까지 가열한 후 시편이 열적 평형상태가 되도록 시험 온도를 약 30분간 유지하였다.
- 온간 금형 압축 실험은 가열로가 장착된 MTS 재료 시험기를 이용하였으며, SKD11 으로 제작된 직경 26 mm 인 금형을 사용하였다. 스테인리스강 분말 70 g 을 금형에 충전한 후 상부 펀치와 함께 가열로를 이용하여 5℃/min의 승온 속도로 각각 200℃ 와 300℃ 까지 가열한 후 30분간 유지하였다.
- 압반으로의 한쪽 방향으로만 힘이 전달된다. 온간 금형 압축 후 금형에서 시편을 제거하기 쉽게 하기 위하여 6개 요소로 나누어 제작된 금형을 사용하였다. 온간 금형 압축과 타성형 공정 후 분말성형체의 상대 밀도는 아르키메데스 비중법으로 구하였다.
- 3 은 스테인리스강 분말의 온간 금형 압축에 사용된 유한요소 격자와 경계 조건을 나타낸다. 축 대칭 조건으로부터 전체 단면의 1/2 만을 해석하였으며, 분말 성형체는 100개의 4 절점 2차 축 대칭 요소인 CAX4(4-node axisymmetric quadrilateral, biquadratic displacement) 와 금형 으로는 25 개의 축 대칭 강 요소인 RAX2(axisymmetric rigid element)를 사용하였다.'*)금속 분말의 변형거동을 위해서는 Shima-Oyane 의 구성 모델㈣을 사용하였으며, 금형과 분말 성형체 사이의 마찰계수는 0.
데이터처리
- 일반적으로 많이 사용되는 온간 금형 압축의 경우와 금속 몰드를 이용한 온간 등가 압 성형 공정을 다른 온도와 하중 조건을 통해 비교하였고, 또한 온간 고무 등가압 성형에 의한 결과와 비교하였다. 유한요소해석에 의한 결과는 최종 형상 및 밀도 분포에 대하여 실험 결과와 비교 분석하였다. 금속 몰드의 경우 하중 속도에 따라 그 유동 응력이 다르게 나타나기 때문에 하중 속도에 따른 유동 응력의 차이가 분말 성형체의 치밀화에 미치는 영향에 대해서 조사하였다.
이론/모형
- 금속 분말의 치밀화 거동은 Shima-Oyane'")의 구성 방정식을 abaqus('6)의 사용자 정의 서브루틴인 UMAT 에 적용하여 해석하였다.
- 스테인리스강 분말의 금형 압축 및 납 몰드를 이용한 온간 성형 시가압력 증가에 따른 치밀화를 해석하기 위하여 200也 와 300℃ 에서의 스테인리스강 모재의 유동 응력에 대한 식 (9)~(12)를 Shima-Oyane 의 구성 모델에 적용하였다. 유한요소해석을 위한 탄성 계수 및 항복 강도는 인장응력과 소성 변형률 곡선의 0.
- 실험에서 사용한 금속 분말의 치밀화 및 변형 예측을 위해서는 Shima-Oyane의 구성 모델(’°)을 사용하였다. 일반적으로 많이 사용되는 온간 금형 압축의 경우와 금속 몰드를 이용한 온간 등가 압 성형 공정을 다른 온도와 하중 조건을 통해 비교하였고, 또한 온간 고무 등가압 성형에 의한 결과와 비교하였다.
- 온간 금형 압축 후 금형에서 시편을 제거하기 쉽게 하기 위하여 6개 요소로 나누어 제작된 금형을 사용하였다. 온간 금형 압축과 타성형 공정 후 분말성형체의 상대 밀도는 아르키메데스 비중법으로 구하였다.
성능/효과
- (1) Shima-Oyane 의 구성 모델⑲을 사용하여 유한요소해석을 수행한 결과는 스테인리스강 분말의 납 몰드를 이용한 온간 성형과 온간 금형 압축에서의 치밀화 경향과 최종 형상을 비교적 잘 예측 하였다
- (3) 몰드의 두께와 하중 속도가 중가 할수록 같은 온도 조건에서는 밀도가 다소 낮아지는 경향이 있으나 그 차이는 그리 크지 않았다.
- 200℃ 에서는 납 몰드와 금형 사이의 마찰을 무시할 수 없으며, 실험치를 가장 잘 예측 할 수 있는 마찰 계수를 적용하여 무마찰 조건과 비교하였다. 무마찰 조건보다 마찰계수 0.3을 적용한 유한요소해석 결과가 비교적 실험치를 정확히 예측하였다. 마찰 계수는 4~5번의 시행 착오를 거쳐 실험 결과를 가장 잘 예측하는 값으로 결정하였다.
- 온간 금형 압축에 의한 Fig. 11 및 Fig. 12의 결과와 금속 몰드를 이용하여 온간 성형한 Fig. 13 및 Fig. 14 의 결과로부터, 금속 몰드는 분말 성형체의 밀도 분포에 영향을 주며, 정수압에 가까운 하중 조건을 조성하여 균일한 내부 밀도 분포를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 따라서 이러한 금속몰드를 이용한 온간 성형 공정은 균일한 밀도 분포를 가지는 분말 성형체 제조를 위한 새로운 성형 공정으로 용이하게 활용할 수 있을 것이다.
- 납 몰드의 거동은 변위 속도에 따라 달라짐을 알 수 있고, 변위 속도가 클수록 높은 응력 분포를 나타낸다. 온도가 높을수록 변형에 필요한 유동 응력이 낮게 나타남을 확인할 수 있고, 이를 통해 성형 온도가 높을수록 분말의 등가압 성형에 필요한 하중이 낮아지게 됨을 알수 있다. 납 모재의 탄성 계수는 압축 응력과 소성 변형률 곡선의 0.
- 마찰 계수는 4~5번의 시행 착오를 거쳐 실험 결과를 가장 잘 예측하는 값으로 결정하였다. 유한요소해석 결과는 실험 결과를 잘 예측하고 있음을 알 수 있다.
- 200℃ 의 경우와 같이 균일한 밀도 분포를 나타내며, 중앙 부분의 상대 밀도가 가장 높으면서 상하대칭의 경향을 보여주고 있다. 유한요소해석 시금형과 몰드 사이의 마찰을 무시하였고, (3) 이는 실험 결과와 비교를 통해서도 타당함을 알 수 있다. 또한, 온도의 증가에 의해 스테인리스강과 납 몰드의 유동성이 증가하여 300℃ 에서의 실험에서 상대 밀도가 더 높게 나타나고, 밀도 분포도 더욱 균일함을 볼 수 있다.
- 16 은 200℃ 와 300℃ 에서의 편차응력 분포를 나타낸다. 전체적으로 작은 편차응력을 가지며, 이는 금속 몰드를 이용한 온간 성형에서 정수압에 가까운 압력 조건을 조성한다는 것을 보여준다. 그리고 성형 온도가 높을수록 낮은 편차응력 분포를 보여 정수압 구현이 더 용이함을 알 수 있다.
- 17 은 납 몰드와 고무 몰드를 이용하여 300℃ 에서 250 Mpa 의 성형 압력으로 온간 성형한 스테인리스강 분말 성형체의 형상과 유한요소 해석 결과를 비교하고 있다. 형상은 전체 단면의 1/2 만을 비교하였으며 유한요소해석 결과는 납 몰드를 이용한 온간 성형 시편의 최종 형상을 비교적 잘 예측하고 있음을 알 수 있다. 고무 몰드를 이용한 경우는 금속 몰드를 이용한 경우와 달리 가운데 표면 부분에 배불림 현상이 나타나고 있으며, 이는 Kim 등의 연구 결과와도 일치하는 경향을 보인다.
후속연구
- (2) 온간 금형 압축 시 납 몰드의 사용은 몰드와 분말의 낮은 유동 웅력, 금형과 몰드 사이의 낮은 마찰 계수로 인해 성형체 내의 밀도 구배를 최소화하는 새로운 정수압 성형 공정으로 활용할 수 있을 것이다
- 14 의 결과로부터, 금속 몰드는 분말 성형체의 밀도 분포에 영향을 주며, 정수압에 가까운 하중 조건을 조성하여 균일한 내부 밀도 분포를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 따라서 이러한 금속몰드를 이용한 온간 성형 공정은 균일한 밀도 분포를 가지는 분말 성형체 제조를 위한 새로운 성형 공정으로 용이하게 활용할 수 있을 것이다.
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