[논문]금속분말 사출성형된 Ti-6Al-4V 합금의 미세조직 및 기계적 물성

김민준; 백승훈; 윤동근; 이은혜; 김종하; 고영건

doi:10.5228/kstp.2020.29.5.251

금속분말 사출성형된 Ti-6Al-4V 합금의 미세조직 및 기계적 물성
Microstructure and Mechanical Properties of Ti-6Al-4V Alloy Processed by Metal Injection Molding 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.29 no.5, 2020년, pp.251 - 256

김민준 (영남대학교 신소재공학부) , 백승훈 (영남대학교 신소재공학부) , 윤동근 (영남대학교 신소재공학부) , 이은혜 (계림금속(주)) , 김종하 (계림금속(주)) , 고영건 (영남대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to investigate the effect of sintering condition on the microstructure evolution and tensile properties of the Ti-6Al-4V alloy sample processed by metal injection molding (MIM) in terms of the sizes of the alpha morphology and pore found in the matrix. For this purpose, a series of MIM were conducted on this sample at various sintering temperatures ranging from 1173 to 1373 K for three hours followed by furnace cooling, observed by the scanning electron microscopy. The microstructures sintered in this study showed that, with increasing sintering temperature over beta transus temperature, the transformation of the equiaxed alpha into transformed beta was attained while the size of pores would tend to decrease. Thus, the strength remained unchanged significantly in the tension while ductility increased to some extent as sintering temperature increased. Such mechanical behavior would be explained in relation to the microstructure evolution of the Ti-6Al-4V sample via the MIM.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1 (a) Representative SEM image of Ti-6Al-4V alloy powders and (b) thermal history of degreasing, thermal debinding, and sintering used for the present MIM
그림 Fig. 2 Position of Ti-6Al-4V feedstock and TiH2 to prevent the oxidation during MIM at high-temperature
그림 Fig. 3 Sintered microstructures of the present samples processed at sintering temperatures of (a) and (d) 1173, (b) and 1273, and (c) and (f) 1373 K. Yellow line indicates the border of micro-pores present in the matrix
표 Table 1 Details of microstructure in the present samples with respect to sintering temperature
그림 Fig. 4 (a)-(f) The relationship between mechanical results and microstructural variables of the present samples

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 금속분말 사출성형된 Ti-6Al-4V 합금의 소결 온도에 따른 미세조직 변화 및 이에 따른 기계적 물성 변화에 관해 살펴보았다. 이를 위해 베타 변태점 부근 1173, 1273, 그리고 1373 K 에서 고온 소결하였다.
타이타늄 합금의 MIM 공정 시, 기계적 물성에 미치는 미세조직학적 인자, 즉 미세기공 및 알파상 형상(morphologies), 역할을 살펴보기 위해 본 연구에서는 동일한 소결 시간 조건에서 최종 미세조직에 미치는 소결 온도를 베타 변태점을 기준으로 3가지로 제어하고 이를 바탕으로 미세조직 및 기계적 물성의 상관관계를 살펴보고자 한다.

제안 방법

사출된 화학적 결합체를 제거하기 위해 Fig. 1(b)와 같이 질산에서 383 K 온도에서 3시간 동안 화학적 탈지를 수행하였고 이후 잔존하는 고분자계 결합제를 제거하기 위해 873 K에서 2시간 동안 열적 탈지를 수행하였다. 이 후, 분당 2 K 속도로 승온하여 1173, 1273, 그리고 1373 K에서 3시간 동안 고온 소결을 수행하였다.
기체 반응성이 높은 타이타늄 합금의 건전한 소재를 제조하기 위해 탈지 및 소결은 연속적으로 고진공(10-5 torr 이하) 분위기에서 수행하였으며 더불어 시편 주변에 화학적 반응 억제제인 TiH2 분말을 Fig. 2와 같이 배치하였다.
미세조직을 관찰하기 위해 증류수 85 %, 불산 10 %, 그리고 질산 5 % 혼합용액에서 3초 동안 부식하고 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 관찰을 통해 미세조직 형태와 소결 후 시편 내부에 존재하는 기공 크기 및 분율을 영상 분석기로 측정하였다. 또한, 기계적 물성 평가를 위해 온도 조건별 인장 시험기를 이용하여 기계적 강도와 연성을 관찰하였고 비커스 경도계를 이용하여 미세 경도값을 측정하였다.
미세조직을 관찰하기 위해 증류수 85 %, 불산 10 %, 그리고 질산 5 % 혼합용액에서 3초 동안 부식하고 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 관찰을 통해 미세조직 형태와 소결 후 시편 내부에 존재하는 기공 크기 및 분율을 영상 분석기로 측정하였다.
소결 후 시편을 마운팅하여 300, 800, 1200, 2400번 사포로 기계적 폴리싱 후 다이아몬드 서스펜션을 이용하여 최종 폴리싱을 수행하였다. 미세조직을 관찰하기 위해 증류수 85 %, 불산 10 %, 그리고 질산 5 % 혼합용액에서 3초 동안 부식하고 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 관찰을 통해 미세조직 형태와 소결 후 시편 내부에 존재하는 기공 크기 및 분율을 영상 분석기로 측정하였다.
1(b)와 같이 질산에서 383 K 온도에서 3시간 동안 화학적 탈지를 수행하였고 이후 잔존하는 고분자계 결합제를 제거하기 위해 873 K에서 2시간 동안 열적 탈지를 수행하였다. 이 후, 분당 2 K 속도로 승온하여 1173, 1273, 그리고 1373 K에서 3시간 동안 고온 소결을 수행하였다. 기체 반응성이 높은 타이타늄 합금의 건전한 소재를 제조하기 위해 탈지 및 소결은 연속적으로 고진공(10^-5torr 이하) 분위기에서 수행하였으며 더불어 시편 주변에 화학적 반응 억제제인 TiH₂분말을 Fig.
본 연구에서는 금속분말 사출성형된 Ti-6Al-4V 합금의 소결 온도에 따른 미세조직 변화 및 이에 따른 기계적 물성 변화에 관해 살펴보았다. 이를 위해 베타 변태점 부근 1173, 1273, 그리고 1373 K 에서 고온 소결하였다. 우선, 소결 온도가 증가함에 따라 전반적인 알파상 형상은 등축에서 층상 형태로 발달하였으며 변태 이상의 고온 조건에 의해 대부분 기공이 소결체 밖으로 확산되어 평균 기공율은 효율적으로 감소하여 상대밀도 약 95 %에 도달하는 결과를 얻었다.

대상 데이터

Fig. 1(a)는 본 연구에서 사용된 분말 형상 및 크기로 구형상을 갖는 분말 조성은 중량비 88.7 % 타이타늄, 6.1 % 알루미늄, 4.0 % 바나듐, 1.2 % 기타원소로 이루어져 있고 그 평균 크기는 범위는 약 11 ㎛이며 밀도는 4.1 ~ 4.3 g/cm³ 이다. 화학적 결합체로는 다성분계 결합체인 왁스와 고분자계 결합제를 사용하여 혼합한 후 계림금속(주)이 보유한 사출성형기를 사용하여 길이 110, 폭 40, 그리고 두께 4 mm 판형상 시편으로 사출하였다.
본 연구에서는 캐나다 AP&C에서 제조된 Ti-6Al-4V 합금 분말을 사용하였다.
3 g/cm³ 이다. 화학적 결합체로는 다성분계 결합체인 왁스와 고분자계 결합제를 사용하여 혼합한 후 계림금속(주)이 보유한 사출성형기를 사용하여 길이 110, 폭 40, 그리고 두께 4 mm 판형상 시편으로 사출하였다. 사출된 화학적 결합체를 제거하기 위해 Fig.

성능/효과

9 %로 강도 값이 증가하는 것을 볼 수 있고 연신율은 미세조직형태학적으로 층상 형태를 유지하고 있어 연신율이 낮으므로 1173 K와 비슷한 것을 볼 수 있다. 강도와 연신율, 경도 값은 본 연구결과에서 언급한 기공의 분포도, 크기, 형태와 층상 결정립의 두께와 밀접한 관련이 있는 것으로 판단된다. 금속분말사출성형을 통한 Ti-6Al-4V 합금의 기계적 물성을 미세조직 형태의 두께와 기공의 분포도, 크기, 형태로 소결체의 미세조직에 많이 의존하는데 이에 관한 추가적인 향후 연구가 필요하다.
1173 K 경우 기공이 결합되어 있는 것을 볼 수 있지만 1373 K에서는 기공은 구형 형태로 되어 있는 것을 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 고온소결을 1373 K에서 수행하였을 경우 층상 미세조직의 층상 결정립 간격이 넓어졌고 주로 구형 기공으로 발달되었으며 이때 기공률은 다른 온도에 비해 가장 낮았다.
일반적으로 최종 소재부품의 형상은 복잡하기 때문에 기존 용접 및 소성가공법에 비해 상대적으로 생산성과 구조적 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방법으로 금속분말 사출성형(metal injection molding, MIM)법에 관한 산업적 연구가 이루어지고 있다[3~5]. 본 성형법은 분말야금 및 플라스틱 사출성형의 장점을 효율적으로 통합한 공정으로 금속 미분에 고분자 바인더를 혼합하여 피드스탁(feedstock)을 제조한 후 탈지-소결 공정을 통해 자유형상 제조가 가능하면서 상대밀도 95 % 이상 고밀도화 달성이 가능하다.
비록 등축 형태가 층상 형태에 비해 상대적으로 기계적 물성에 효율적으로 알려져 있으나 본 연구 결과에 의하면 알파상 형상 변화 효과보다는 미세기공 크기 및 분율이 기계적 물성 변화에 더 큰 영향을 주었다.
소결 후 미세기공 형성과 관련하여, 1373 K의 소결 조건에서 기공률은 약 5 %이며 본 실험조건에서 가장 높은 소결밀도 값을 나타내었다(Fig. 3(c)).
이를 위해 베타 변태점 부근 1173, 1273, 그리고 1373 K 에서 고온 소결하였다. 우선, 소결 온도가 증가함에 따라 전반적인 알파상 형상은 등축에서 층상 형태로 발달하였으며 변태 이상의 고온 조건에 의해 대부분 기공이 소결체 밖으로 확산되어 평균 기공율은 효율적으로 감소하여 상대밀도 약 95 %에 도달하는 결과를 얻었다.

후속연구

강도와 연신율, 경도 값은 본 연구결과에서 언급한 기공의 분포도, 크기, 형태와 층상 결정립의 두께와 밀접한 관련이 있는 것으로 판단된다. 금속분말사출성형을 통한 Ti-6Al-4V 합금의 기계적 물성을 미세조직 형태의 두께와 기공의 분포도, 크기, 형태로 소결체의 미세조직에 많이 의존하는데 이에 관한 추가적인 향후 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	타이타늄 합금이 고온에서 수행되는 소결 공정 시 분위기 제어가 필수적인 이유는 무엇인가	우선, 타이타늄 합금은 대기상 기체들과 반응성이 매우 높아 이를 통한 국부 미세조직 형성 및 표면 알파 확산층(alpha-scale)이 발생함으로써 기계적 취성이 발생할 수 있어 통상적으로 고온에서 수행되는 소결공정 시 분위기 제어는 필수적이다[6]. 하지만 아쉽게도 현재까지 고진공(10-5 torr) 조건에서 건전한 분말소재를 제어한 산업 연구 사례는 비교적 적다.
	이상 타이타늄 합금이 적용되는 목적은 무엇인가	이상(duplex) 타이타늄 합금은 첨단 수송기기 산업분야에서 연비효율 증대 및 환경 유해물질 배출을 저감시키기 위한 목적으로 적용되는 대표적인 구조용 경량소재로 알려져 있다. 이에, 본 소재의 기계적 물성을 향상시키기 위해 미세조직 변화에 대한 다양한 연구들이 진행되고 있다[1,2].
	금속분말 사출성형법의 특징은 무엇인가	일반적으로 최종 소재부품의 형상은 복잡하기 때문에 기존 용접 및 소성가공법에 비해 상대적으로 생산성과 구조적 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방법으로 금속분말 사출성형(metal injection molding, MIM)법에 관한 산업적 연구가 이루어지고 있다[3~5]. 본 성형법은 분말야금 및 플라스틱 사출성형의 장점을 효율적으로 통합한 공정으로 금속 미분에 고분자 바인더를 혼합하여 피드스탁(feedstock)을 제조한 후 탈지-소결 공정을 통해 자유형상 제조가 가능하면서 상대밀도 95 % 이상 고밀도화 달성이 가능하다.

참고문헌 (10)

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상세보기
J.-M. Oh, K.-H. Heo, W.-B. Kim, G.-S Choi, J.-W. Lim, 2013, Sintering Properties of Ti-6Al-4V Alloys Prepared Using Ti/TiH2 Powders, Express Regular Article, 54, 1, 119-121. https://doi.org/10.2320/matertrans/M2012304.
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상세보기
M. villa, J.W. brooks, R.P. turner, H. wang. F. boitout, R. M ward, 2019, Microstructural Modeling ${\alpha}$ + ${\beta}$ Phase in Ti-6Al-4V: A Diffusion-Based Approach, Metall. Mater. Trans. B 50, 2898-2911. https://doi.org/10.1007/s11663-019-01675-0.
O. M. Ferri, T. Ebel, R. Rormann, 2010, Influence of surface quality and porosity on fatigue behavior of Ti-6Al-4V components processed by MIM, Mater. Sci. Eng., A 527, 1800-1805. https://doi.org/10.1016/jmsea.2009.11.007.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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