[논문]탄탈륨 및 탄탈륨-텅스텐 합금 분말의 소결성 및 미세조직 연구

김영무; 양성호; 이성; 이성호; 노준웅

doi:10.4150/kpmi.2020.27.5.373

탄탈륨 및 탄탈륨-텅스텐 합금 분말의 소결성 및 미세조직 연구
Sintering Behavior and Microstructures of Tantalum and Tantalum-Tungsten Alloys Powders 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.27 no.5, 2020년, pp.373 - 380

김영무 (국방과학연구소) , 양성호 (국방과학연구소) , 이성 (국방과학연구소) , 이성호 (국방과학연구소) , 노준웅 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to investigate the densification behavior and the corresponding microstructural evolution of tantalum and tantalum-tungsten alloy powders for explosively formed liners. The inherent inhomogeneous microstructures of tantalum manufactured by an ingot metallurgy might degrade the capability of the warhead. Therefore, to overcome such drawbacks, powder metallurgy was incorporated into the near-net shape process in this study. Spark plasma-sintered tantalum and its alloys with finer particle sizes exhibited higher densities and lower grain sizes. However, they were contaminated from the graphite mold during sintering. Higher compaction pressures in die and isostatic compaction techniques also enhanced the sinterability of the tantalum powders; however, a full densification could not be achieved. On the other hand, the powders exhibited full densification after being subjected to hot isostatic pressing over two times. Consequently, it was found that the hot isostatic-pressed tantalum might exhibit a lower grain size and a higher density as compared to those obtained in previous studies.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

우선 방전 플라즈마 소결을 통해 가압 및 순간적으로 높은 에너지를 발생시켜 분말을 치밀화 하는 공정을 적용하였다. 또한, 일축 다이 성형 및 냉간 등압 성형 압력을 증가시켜, 비가압 소결 시 탄탈륨의소결성을 향상시키고자 하였다. 그리고, 가압 효과와 소결 중 탄탈륨 분말의 오염 최소화하기 위해 열간 등압 성형을 수행하였다.
이를 위해 본 연구에서는 탄탈륨 및 탄탈륨-텅스텐 합금 분말의 소결성을 향상시키기 위한 공정 및 이의 미세조직 변화에 대해 연구하였다. 우선 방전 플라즈마 소결을 통해 가압 및 순간적으로 높은 에너지를 발생시켜 분말을 치밀화 하는 공정을 적용하였다.

제안 방법

이를 위해 본 연구에서는 탄탈륨 및 탄탈륨-텅스텐 합금 분말의 소결성을 향상시키기 위한 공정 및 이의 미세조직 변화에 대해 연구하였다. 우선 방전 플라즈마 소결을 통해 가압 및 순간적으로 높은 에너지를 발생시켜 분말을 치밀화 하는 공정을 적용하였다. 또한, 일축 다이 성형 및 냉간 등압 성형 압력을 증가시켜, 비가압 소결 시 탄탈륨의소결성을 향상시키고자 하였다.
그리고, 가압 효과와 소결 중 탄탈륨 분말의 오염 최소화하기 위해 열간 등압 성형을 수행하였다. 이와 같이 제조된 탄탈륨 및 탄탈륨-텅스텐 합금 소결체의 밀도와 결정립도를 평가하고 이를 비교 분석하였다.
탄탈륨 및 탄탈륨-텅스텐 합금 분말의 소결성 평가는 방전 플라즈마 소결, 일축 다이 성형 및 냉간 등압 성형 후 상압 소결, 그리고 열간 등압 성형을 통해 수행하였다. 우선 방전 플라즈마 소결의 경우, 순수 탄탈륨(Ta-A, Ta-B)은 20 MPa 하에서 100℃·min^-1의 속도로 1000℃부터 1600℃까지 200℃ 간격으로 승온하였으며, 도달 후 5분간 유지하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 원소재는 순수 탄탈륨 분말로서 Ta-A(H.C. Starck, 독일)과 Ta-B(Qingdao Terio, 중국)으로, 그 형상은 주사 전자 현미경(QUANTA 650, FEI) 을 통해 분석하였으며, 불규칙(irregular) 형상을 나타내었다(그림 2). 또한 분말의 입도 분포는 레이저 회절 입도 분석기(LS 230, Beckmann Coulter)를 통해 분석하였으며, 그 결과 두 분말의 평균 입도는 27.
우선 스틸 재질의 용기에 텅스텐볼을 장입한 후, 고속에서 회전시켜 용기 내벽에 텅스텐을 코팅 시킴으로써, 볼 밀링 중 용기로 인한 오염을 최소화하고자 하였다. 합금 분말의 조성은 무게 비 기준 탄탈륨과 텅스텐이 90:10이었으며, 볼과 분말의 혼합 비율(ball-to-powder ratio, BPR)은 20:1이었다. 이와 같은 조건으로 용기 내에 혼합 분말과 볼을 장입한 후, 100 rpm의 회전속도로 60분간 밀링을 실시하였다.

성능/효과

1) 방전 플라즈마 소결로 탄탈륨 및 탄탈륨-텅스텐 합금 분말의 소결성을 평가한 결과, 미립 분말의 소결성이 우수하였으며 텅스텐을 합금화 하였을 경우, 동일한 온도 조건에서 소결성이 낮은 것으로 분석되었다. 또한 이러한 소결 공정을 통해 탄탈륨의 경우, 이론 밀도 대비 0.
2) 비가압 소결 공정으로 탄탈륨 분말을 치밀화 시키기 위하여, 성형체의 압력을 향상시키는 연구를 수행하였으며, 이를 위해 일축 및 등압 성형 시 분말 압력을 200에서 400 MPa까지 증가시켰다. 그 결과, 성형 압력이 증가하고 냉간 등압 성형 공정으로 제조된 소결체의 밀도가 높은 것으로 분석되었다.
3) 본 연구 결과, 방전 플라즈마 소결 및 열간 등압 성형으로 제작된 소결체가 타 공정으로 제작된 소재 대비 높은 밀도와 낮은 결정립도를 나타내는 것을 확인했다. 그러나 방전 플라즈마 소결 공정의 경우, 공정중 금형으로부터의 오염으로 인해 탄탈륨 탄화물이 생성되어 물성을 저하시키는 단점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄탈륨의 특성은?	탄탈륨(Tantalum, Ta)은 텅스텐, 몰리브데늄, 나이오븀 등과 같은 천이 금속 계열 원소로서, 이의 결정 구조는 체심 입방(Body Centered Cubic, 이하 BCC) 구조이다[1, 2]. 또한 이 소재는 높은 융점(2996℃)과 밀도(16.65 g/cm3), 뛰어난 내부식성, 그리고 다른 BCC 금속과는 달리 정적(static) 및 동적(dynamic) 조건에서 연성이 매우 우수한 특징을 나타낸다[1, 2]. 이러한 특성으로 인해 캐패시터 및 니켈기 초내열합금의 합금 원소로, 그리고 용사 공정을 통해 제조된 스퍼터링 타겟으로 적용되고 있다[2-5].
	탄탈륨의 결정구조는?	탄탈륨(Tantalum, Ta)은 텅스텐, 몰리브데늄, 나이오븀 등과 같은 천이 금속 계열 원소로서, 이의 결정 구조는 체심 입방(Body Centered Cubic, 이하 BCC) 구조이다[1, 2]. 또한 이 소재는 높은 융점(2996℃)과 밀도(16.

참고문헌 (19)

R. Fountaina and C. McKinsey: Columbium and tantalum, F. Sisco and E. Epremian (Ed.), John Wiley and Sons, New York, USA, (1962) 198.
S. Cardonne, P. Kumar, C. Muchaluk and H. Schwartz: Int. J. Refract. Met. Hard. Mater., 13 (1995) 187.
L. Zheng, G. Zhang, T. Lee, M. Gorley, Y. Wang, C. Xiao and Z. Li: Mater. Des., 61 (2014) 61.
J.-H. Lee, H.-J. Kim and K.-A. Lee: J. Korean Powder Metall. Inst., 22 (2015) 32.
J.-H. Lee, J.-W. Kim and K.-A. Lee: J. Korean Powder Metall. Inst., 23 (2016) 8.
H. Park, N. Barton, J. Belof, K. Blobaum, R. Caballo, A. Comley, B. Maddox, M. May, S. Pollaine, S. Prisbrey, B. Remington, R. Rudd, D. Swift, R. Wallace, M. Wilson, A. Nikroo and E. Giraldez: Proc. AIP Conf., 1426 (2012) 1371.
J. Muller: Tantalum, E. Chen, E. S. Chen, A. Crowson, E. Lavernia, W. Ebihara, P. Kumar (Ed.), Minerals, Metals & Materials Society, (1996) 301.
J. House, P. Flater, R. Harris and R. Angelis: AFRL-RWEG-TR-2011-032, Air Force Research Laboratory Technical report, (2011).
P. Flater, J. House, J. O'Brien and W. Hosford: AFRLRW-EG-TR-2007-7412, Air Force Research Laboratory Technical report, August, (2007).
J. House, P. Flater, R. Harris and R. Angelis: AFRL-RWEG-TR-2011-032, Air Force Research Laboratory Technical report, (2011).
en.wikipedia.org/wiki/explosive formed penetrator.
W. Walters and J. Zukas: Fundamentals of shaped charges, John Wiley & Sons, New York, USA, (1989).
J. Oh, B. Lee, G. Choi, H. Kim and J. Lim: Mat. Sci. Tech., 29 (2013) 542.
E. Faccini: Tantalum, E. Chen, E. S. Chen, A. Crowson, E. Lavernia, W. Ebihara, P. Kumar (Ed.), Minerals, Metals & Materials Society, (1996) 73.
J. Muller and P. Dinh: In: A. Bosh, R. J. Dowding (Ed.), Tungsten and Refractory Metals, McLean: MPIF, (1994) 573.
S. Yoo, T. Sudarshan, K. Sethram, G. Subhash and R. Dowding: Nanostruct. Mater., 12 (1999) 23.

상세보기
F. Funkler: In: A. Bosh, R. J. Dowding (Ed.), Tungsten and Refractory Metals, McLean: MPIF, (1994) 531.
Q. Xu, R. Hayes and E. Lavernia: Script. Mater., 45 (2001) 447.
S. Bingert, V. Varagas and H. Sheinberg: Tantalum, E. Chen, E. S. Chen, A. Crowson, E. Lavernia, W. Ebihara, P. Kumar (Ed.), Minerals, Metals & Materials Society, (1996) 95.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증