정전분체코팅 공정으로 제조된 SUS316L 분말 다공체의 기공 특성에 관한 연구 A Study on Pore Properties of SUS316L Powder Porous Metal Fabricated by Electrostatic Powder Coating Process원문보기
Porous metals demonstrate not only excessively low densities, but also novel physical, thermal, mechanical, electrical, and acoustic properties. Thus, porous metals exhibit exceptional performance, which are useful for diesel particulate filters, heat exchangers, and noise absorbers. In this study, ...
Porous metals demonstrate not only excessively low densities, but also novel physical, thermal, mechanical, electrical, and acoustic properties. Thus, porous metals exhibit exceptional performance, which are useful for diesel particulate filters, heat exchangers, and noise absorbers. In this study, SUS316L foam with 90% porosity and $3,000{\mu}m$ pore size is successfully manufactured using the electrostatic powder coating (ESPC) process. The mean size of SUS316L powders is approximately $12.33{\mu}m$. The pore properties are evaluated using SEM and Archimedes. As the quantity of powder coating increases, pore size decreases from 2,881 to $1,356{\mu}m$. Moreover, the strut thickness and apparent density increase from 423.7 to $898.3{\mu}m$ and from 0.278 to $0.840g/cm^3$, respectively. It demonstrates that pore properties of SUS316L powder porous metal are controllable by template type and quantity of powder coating.
Porous metals demonstrate not only excessively low densities, but also novel physical, thermal, mechanical, electrical, and acoustic properties. Thus, porous metals exhibit exceptional performance, which are useful for diesel particulate filters, heat exchangers, and noise absorbers. In this study, SUS316L foam with 90% porosity and $3,000{\mu}m$ pore size is successfully manufactured using the electrostatic powder coating (ESPC) process. The mean size of SUS316L powders is approximately $12.33{\mu}m$. The pore properties are evaluated using SEM and Archimedes. As the quantity of powder coating increases, pore size decreases from 2,881 to $1,356{\mu}m$. Moreover, the strut thickness and apparent density increase from 423.7 to $898.3{\mu}m$ and from 0.278 to $0.840g/cm^3$, respectively. It demonstrates that pore properties of SUS316L powder porous metal are controllable by template type and quantity of powder coating.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 정전분체코팅 공정을 이용하여 실용성이 높은 SUS316L 분말 소재를 이용하여 SUS316L 분말 다공체를 제조하였으며, template의 종류와 분말 코팅량을 제어함으로써 기공 특성에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
이것은 SUS foam을 사용하여 분말 다공체를 제조할 때 소결 과정이 두 번 진행되어 수축이 더 진행된 것으로 유추할 수 있었다. 본 연구에서는 정전분체 코팅 공정의 여러 가지 제어인자 중 template의 종류와 분말 코팅량을 조절하여 다양한 기공 크기, strut 두께를 갖는 SUS316L 분말 다공체를 제조할 수 있음을 확인하였으며, 향후 탈지 및 소결 조건 등을 변화시켜 다양한 기공 구조를 갖는 SUS316L 분말 다공체를 제조하고, 기공 구조에 따른 물리적 특성을 평가할 계획이다.
이러한 공정에서는 Ni, Fe, Cu 등의 순수 base 폼을 기반으로 합금폼을 제조하기 때문에 SUS, Inconel 등 범용적으로 사용되는 합금을 이용하여 합금폼을 제조하는 데는 한계가 있다. 본 연구에서는 정전분체코팅 공정(Electrostatic powder coating(ESPC) process)을 이용하여 상기 공정의 한계를 극복하고, 범용적으로 사용되는 SUS316L 분말을 사용하여 합금폼을 제조하고자 하였다. 정전분체코팅 공정은 그림 1에 나타낸 바와 같이 고전압으로 충전된 스프레이건 팁의 코로나 전극을 통해 시편 사이에 형성되는 전기장에 따라 금속 분말이 통과할 때 음이온이 분말에 달라붙어서 (-) 전하를 띄게 되고 형성된 전기장에 따라 분말이 이동하여 시편에 코팅되는 공정이다.
제안 방법
SUS foam을 template로 사용한 SUS316L 분말 다공체는 정전분체코팅 공정을 이용하여 분말 코팅량 1.5 kg/m2을 갖는 SUS foam에 추가적으로 분말 코팅(1 kg/m2, 2 kg/m2, 3 kg/m2, 4 kg/m2)한 후 진공 분위기(5 × 10-6 torr)에서 1,300°C에서 2시간 동안 소결을 실시하여 제조하였다.
바인더와 PU foam의 열 분석 결과를 바탕으로[11] PU foam 및 바인더를 완전히 제거하기 위해 혼합 가스(8% H2, 92% Ar) 분위기에서 5°C/min로 1,000°C까지 가열하여 1시간 동안 탈지를 실시하였고, 탈지된 시편은 진공 분위기(5 × 10−6 torr)에서 1,300°C에서 2시간 동안 소결하여 SUS316L 분말 다공체를 제조하였다.
본 연구에서는 정전분체 코팅 공정으로 SUS316L 분말 다공체를 제작하였으며, template 종류와 분말 코팅량을 변수로 하여 기공 특성과 상을 분석하였다. SUS316L 분말 코팅량이 증가할수록 제조된 SUS316L 분말 다공체의 기공 크기는 감소하였으며, strut 두께는 증가하며, 겉보기밀도는 증가하고, 기공도는 96.
이와 함께 분말 코팅량에 따른 기공 특성 변화를 살펴보기 위하여 분말 코팅량을 1.5 kg/m2, 2.5 kg/m2, 3.5 kg/m2으로 하여 PU foam(두께 : 10 mm, 30 ppi)에 정전분체코팅 공정을 실시하였다. 분말 코팅이 완료된 후에는 시편의 이송 시 분말의 탈착을 방지하기 위해 바인더를 최종적으로 도포하고 건조한다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 SUS316L 분말은 불규칙한 형상이며 평균 12.33 μm의 크기를 사용하였다.
본 연구에서는 template로 사용되는 foam의 종류에 따라 제조된 분말 다공체의 기공 특성이 어떻게 변화하는지를 알아보기 위해 template로 PU foam과 SUS foam 두 가지 경우를 사용하였으며 그림 2 (a)는 PU foam을 template로 사용한 공정도이며 그림 2(b)는 SUS foam을 template로 사용한 공정도이다. 여기서 SUS foam을 이용한 SUS316L 분말 다공체는 PU foam을 이용하여 SUS foam을 1차적으로 제작한후 분말 재 도포 및 소결 공정을 거쳐 최종적인 SUS316Lfoam으로 제조한 것이다. 본 연구에 사용된 SUS316L 분말은 불규칙한 형상이며 평균 12.
분말 코팅이 완료된 후에는 시편의 이송 시 분말의 탈착을 방지하기 위해 바인더를 최종적으로 도포하고 건조한다. 이때 사용된 바인더로 BASF 사의 Lupasol 원액을 증류수와 1 : 9의 중량비(wt.%)로 혼합하여 사용하였다. 바인더와 PU foam의 열 분석 결과를 바탕으로[11] PU foam 및 바인더를 완전히 제거하기 위해 혼합 가스(8% H2, 92% Ar) 분위기에서 5°C/min로 1,000°C까지 가열하여 1시간 동안 탈지를 실시하였고, 탈지된 시편은 진공 분위기(5 × 10−6 torr)에서 1,300°C에서 2시간 동안 소결하여 SUS316L 분말 다공체를 제조하였다.
이론/모형
5 kg/m2을 갖는 SUS foam에 추가적으로 분말 코팅(1 kg/m2, 2 kg/m2, 3 kg/m2, 4 kg/m2)한 후 진공 분위기(5 × 10-6 torr)에서 1,300°C에서 2시간 동안 소결을 실시하여 제조하였다. 제조된 SUS foam의 기공의 크기와 형상, 분포, 상 등을 관찰하기 위해 주사전자현미경(JSM-5800, JEOL, Japan)과 X선 회절(DMAX2500, Rigaku)을 이용하였으며, 겉보기밀도(Apparent density)와 기공률(Porosity)는 아르키메데스법(Archimede smethod)을 이용하여 측정하였다.
성능/효과
7 wt.% 조성임을 알 수 있었다.
(b)는 코팅량이 증가함에 따른 strut 두께 변화를 나타낸 것으로, PU foam template의 경우 각각 424 μm,594 μm, 763 μm, SUS foam template의 경우 424 μm,509 μm, 610 μm, 797 μm, 898 μm로 코팅량이 증가할수록 strut의 두께가 증가하는 것을 알 수 있었다.
840 g/cm3으로 코팅량이 증가할수록 겉보기밀도는 증가하였다. 그림 6(b)는 코팅량이 증가함에 따른 기공도를 나타낸 것으로, PU foam의 경우에는 96.5%, 95.2%, 94.4%, SUS foam template의 경우에는 96.5%, 95.0%, 93.6%, 92.2%, 89.5%로 코팅량이 증가할수록 기공률은 감소하였다. 이는 코팅량이 증가할수록 PU foam의 strut에 분말들이 두껍게 코팅되고 일부 영역에서 foam의 셀 구조를 막는 기공 막힘 현상도 발생됨과 동시에 소결 시 발생하는 수축의 영향으로 전체 기공률이 감소한다고 유추할 수 있다.
본 연구에서는 정전분체 코팅 공정으로 SUS316L 분말 다공체를 제작하였으며, template 종류와 분말 코팅량을 변수로 하여 기공 특성과 상을 분석하였다. SUS316L 분말 코팅량이 증가할수록 제조된 SUS316L 분말 다공체의 기공 크기는 감소하였으며, strut 두께는 증가하며, 겉보기밀도는 증가하고, 기공도는 96.5~89.5%로 감소하였다. 동일한 분말 코팅량의 경우, template 종류에 따라 기공 특성을 비교했을 때, SUS foam을 template으로 사용한 분말 다공체의 기공 크기와 strut 두께가 PU foam을 template로 사용한 분말 다공체보다 더 작은 값을 보임을 알 수 있었다.
5%로 감소하였다. 동일한 분말 코팅량의 경우, template 종류에 따라 기공 특성을 비교했을 때, SUS foam을 template으로 사용한 분말 다공체의 기공 크기와 strut 두께가 PU foam을 template로 사용한 분말 다공체보다 더 작은 값을 보임을 알 수 있었다. 이것은 SUS foam을 사용하여 분말 다공체를 제조할 때 소결 과정이 두 번 진행되어 수축이 더 진행된 것으로 유추할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
금속 다공체란?
금속 다공체란 내부에 많은 기공(pore)을 갖는 금속을 말하며 금속 다공체의 연구는 1943년 B. Sosnik에 의해 알루미늄 용탕에 수은을 첨가한 후에 열처리를 통해 수은을 제거하여 기공을 유도하는 실험을 하면서 진행되었다[1].
금속 다공체 제조 공정은 어떤 과정으로 이루어 지는가?
최근 열충격에 강하고 열전도도가 높으며 유연성이 뛰어난 스폰지 형태의 합금폼을 개발하여 배기가스 정화장치, 산업용 촉매장치, 대체 에너지 분야에 사용을 시도하고 있다[10]. 상기 합금폼을 제조하는 공정은 먼저 합금폼의 기초가 되는 순수한 Ni, Fe, Cu를 기본 골격으로 하는 base 폼을 제조한 후 제조된 순수 base 폼에 합금분말을도포하여, 소결 공정을 거쳐 합금폼을 제조한다. 이러한 공정에서는 Ni, Fe, Cu 등의 순수 base 폼을 기반으로 합금폼을 제조하기 때문에 SUS, Inconel 등 범용적으로 사용되는 합금을 이용하여 합금폼을 제조하는 데는 한계가 있다.
정전분체코팅 공정의 장점은?
정전분체코팅 공정은 그림 1에 나타낸 바와 같이 고전압으로 충전된 스프레이건 팁의 코로나 전극을 통해 시편 사이에 형성되는 전기장에 따라 금속 분말이 통과할 때 음이온이 분말에 달라붙어서 (-) 전하를 띄게 되고 형성된 전기장에 따라 분말이 이동하여 시편에 코팅되는 공정이다. 정전분체코팅 공정의 경우 소재의 제한 없이 다양한 조성의 금속 분말이 적용 가능하고 foam 형상의 template를 사용할 경우 80% 이상의 기공률을 갖는 금속 다공체의 제조가 가능하다. 정전분체코팅 공정으로 제조된 분말 다공체의 특성은 초기 분말에서부터 template로 사용되는 foam의 종류, 탈지 및 소결 조건 등 공정변수에 많은 영향을 받으므로 분말 소재 별 최적의 공정 조건을 결정하는 것이 중요하다.
참고문헌 (11)
G. Ryan, A. Pandit and D. P. Apatsidis: Biomaterials 27 (2006) 2651.
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