방전플라즈마소결법 적용 승온속도 변화에 따라 제조된 Fe-20Cu-1C 소결체 제조 및 특성평가 Fabrication and Mechanical Property of Fe-20Cu-1C Compacts by SPS process with Different Heating Rate원문보기
In this study, Fe-Cu-C alloy is sintered by spark plasma sintering (SPS). The sintering conditions are 60 MPa pressure with heating rates of 30, 60 and $9^{\circ}C/min$ to determine the influence of heating rate on the mechanical and microstructure properties of the sintered alloys. The m...
In this study, Fe-Cu-C alloy is sintered by spark plasma sintering (SPS). The sintering conditions are 60 MPa pressure with heating rates of 30, 60 and $9^{\circ}C/min$ to determine the influence of heating rate on the mechanical and microstructure properties of the sintered alloys. The microstructure and mechanical properties of the sintered Fe-Cu-C alloy is investigated by X-ray diffraction (XRD) and field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM). The temperature of shrinkage displacement is changed at $450^{\circ}C$ with heating rates 30, 60, and $90^{\circ}C/min$. The temperature of the shrinkage displacement is finished at $650^{\circ}C$ when heating rate $30^{\circ}C/min$, at $700^{\circ}C$ when heating rate $60^{\circ}C/min$ and at $800^{\circ}C$ when heating rate $90^{\circ}C/min$. For the sintered alloy at heating rates of 30, 60, and $90^{\circ}C/min$, the apparent porosity is calculated to be 3.7%, 5.2%, and 7.7%, respectively. The hardness of the sintered alloys is investigated using Rockwell hardness measurements. The objective of this study is to investigate the densification behavior, porosity, and mechanical properties of the sintered Fe-Cu-C alloys depending on the heating rate.
In this study, Fe-Cu-C alloy is sintered by spark plasma sintering (SPS). The sintering conditions are 60 MPa pressure with heating rates of 30, 60 and $9^{\circ}C/min$ to determine the influence of heating rate on the mechanical and microstructure properties of the sintered alloys. The microstructure and mechanical properties of the sintered Fe-Cu-C alloy is investigated by X-ray diffraction (XRD) and field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM). The temperature of shrinkage displacement is changed at $450^{\circ}C$ with heating rates 30, 60, and $90^{\circ}C/min$. The temperature of the shrinkage displacement is finished at $650^{\circ}C$ when heating rate $30^{\circ}C/min$, at $700^{\circ}C$ when heating rate $60^{\circ}C/min$ and at $800^{\circ}C$ when heating rate $90^{\circ}C/min$. For the sintered alloy at heating rates of 30, 60, and $90^{\circ}C/min$, the apparent porosity is calculated to be 3.7%, 5.2%, and 7.7%, respectively. The hardness of the sintered alloys is investigated using Rockwell hardness measurements. The objective of this study is to investigate the densification behavior, porosity, and mechanical properties of the sintered Fe-Cu-C alloys depending on the heating rate.
기어의 축과 함께 베어링은 회전하여 베어링과 하우징간에 마찰을 발생시켜 기계유압부품에 문제를 야기한다. 따라서 본 연구에서는 축 추력 및 고속회전에 의한 마찰을 줄일 수 있는 방법으로 높은 기공률을 통하여 윤활성을 향상시키고, 고압에 견딜 수 있는 기계유압부품을 제조하기 위하여 방전플라즈마 소결법을 이용하였으며, 방전플라즈마소결 공정조건 중 승온속도 변화에 따른 소결특성, 기공률(porosity) 및 기계적 물성에 대해 각각 고찰하였다.
제안 방법
높은 기공률을 가지면서 고강도의 소결체를 제조하기 위하여 수평형 볼 밀링 방법으로 초기 분말들은 Fe-20wt.% Cu-1wt.%C 조성비로 혼합하여 60 MPa 압력하에 승온속도 30, 60 및 90o C/min로 소결하였다. 제조한 소결체의 특성, 기공률 및 경도 값을 살펴본 결과는 다음과 같았다.
대상 데이터
본 실험에서 사용한 원료 분말은 Fe분말(-200 mesh, 98+%, Alfa Products, America), Cu분말(10 μm, 99.9%, Alfa Products, America) 및 C분말(20 μm, Sigma-Aldrich, America) 을 사용하였다. 분말의 혼합조성은 Fe-20wt.
성능/효과
이는 빠른 소결시간으로 인하여 Fe 입자 사이의 기공에 Cu가 침투하지 못하였기 때문으로 사료되며, 추후 승온속도를 증가하였을 경우에도 경도 값을 유지할수 있는 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서 제조한 Fe-20wt.% Cu-1wt.%C 합금을 유압기계부품으로 적용할 경우, 승온속도 60o C/min 조건에서 15분간 소결하였을 경우 다른 승온 속도 조건들과 비교하였을 때 가장 적합한 기공률 및 경도 값을 가질 수 있음을 확인하였다.
2%를 가지고 소결체의 경도 값은 HRc 55로 측정되었다. 따라서, 이상의 결과를 종합해 볼 때 승온속도를 증가시켜 소결시간을 단축시킴으로써 소결체의 기공률을 제어할수 있으며, 승 온속도 30~60o C/min 구간에서 소결하였을 경우 기공률은 승온속도가 증가할수록 높아지고 경도값은 유지할수 있다. 승온속도가 60o C/min 이상으로 증가하였을 경우 기공률은 증가하며 이에 따라 경도 값이 낮아짐을 알 수 있었다.
후속연구
5%증가하였으며 경도값은 HRc 51로 측정되어 낮아졌다. 이는 빠른 소결시간으로 인하여 Fe 입자 사이의 기공에 Cu가 침투하지 못하였기 때문으로 사료되며, 추후 승온속도를 증가하였을 경우에도 경도 값을 유지할수 있는 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서 제조한 Fe-20wt.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
방전플라즈마 소결법은 어떤 방법인가?
본 연구에서는 높은 기공률을 가지며 기계적 물성이 우수한 Fe-Cu-C계 합금을 제조하기 위해 방전플라즈마소결(SPS)법을 이용하였다. 방전플라즈마 소결법은 기존의 연소법과 열간가압기술(Hot Isostatic Pressing)을 결합한 방식으로 몰드 안의 분말 사이에 펄스전류를 통전시켜 고열과 압력을 동시에 가함으로써 빠른 시간안에 소결체를 제조함으로써 입자성장을 억제하여 고밀도 및 고강도 소결체를 제조하는 방법이다[4, 5]. 또한 소결시 소결가압력과 소결온도 공정조건 변화를 통하여 원하는 기공률을 가진 다공질체의 소결에 응용된다[4].
Fe-Cu계 소결체에서 부피팽창은 어떻게 일어나는 것인가?
특히 기계유압부품 중 베어링 소재에 윤활성 및 내마모성이 좋은 Fe-Cu계 소결체가 주로 사용되고 있다. Fe-Cu계 소결체는 1120o C~1150o C에서 소결이 이루어지며 액상의 Cu가 Fe입자 사이, 입자내의 입계 사이에 침투하여 부피팽창을 일으킨다[2]. Fe-Cu-C계 합금의 소결 시 팽창과 수축변화에 관하여 고온에서의 팽창(swelling) 은 Cu와 C의 함량이 증가함에 따라 커지나 상온에서의 치수변화는 감소하고 이 현상은 C의 첨가로 인하여 Cu의 입자성장의 감소와 밀접하게 관련이 있다고 조사 되었다[3].
Fe-Cu-C계 합금 제조에서 C를 첨가하는 이유는?
Fe-Cu-C계 합금 제조에 있어 서 융점이 낮은 액상의 Cu 입자가 Fe의 입계 사이에 침투하여 소결체의 기계적 특성을 향상시키는 목적으로 사용하였다. C의 경우 Fe의 기지를 강화시키는 특성이 있으며 고체윤활제로써의 수행이 가능하고 Fe-Cu-C 소결체의 치밀화 및 기계적 특성향상을 위하여 첨가하였다[6]
참고문헌 (19)
R. Verghese and K. Gopinath: Key Eng. Mater., 29-31 (1989) 457.
A. G. Kostornov and O. I. Fushchich: Powder Metall. Met. Ceram., 46 (2007) 503.
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