[논문]자전연소합성법 및 교반주조 공정으로 제조된 TiC/Mg 금속복합재료의 특성연구

이은경; 조일국

doi:10.7234/composres.2020.33.5.256

[국내논문] 자전연소합성법 및 교반주조 공정으로 제조된 TiC/Mg 금속복합재료의 특성연구
Characterization of TiC/Mg Composites Fabricated by in-situ Self-propagating High-temperature Synthesis followed by Stir Casting Process 원문보기

Composites research = 복합재료, v.33 no.5, 2020년, pp.256 - 261

이은경 (Dept. of Ocean Advanced Materials Convergence Engineering, Korea Maritime & Ocean University) , 조일국 (Dept. of Advanced Materials Engineering, Dong-Eui University)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 Al-Ti-C 반응계의 점화온도에 대해 고찰하고, 자전연소합성법 및 교반주조 공정을 통해 TiC/Mg 금속복합재료를 제조하여 미세조직 및 기계적 특성을 분석하였다. 0, 10, 20, 30 vol.% TiC 입자가 균일하게 분산된 Mg 복합재료를 제조하였고, 강화재의 양이 증가할수록 기지 대비 우수한 압축강도 및 내마모특성을 보였다. 이는 in-situ 자전연소합성법에 의해 결함이나 불순물 등의 오염이 적은 TiC/Mg 금속복합재료 제조로 기지에서 강화재로의 효과적인 하중 전달에 의한 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the ignition temperature of the Al-Ti-C reaction system, the microstructure and the mechanical properties of the TiC/Mg composite which produced by the self-propagating high-temperature synthesis (SHS) followed by stir casting process were investigated. Mg based composite with uniformly dispersed 0, 10, 20, and 30 vol.% TiC were fabricated, and higher volume fraction of TiC reinforced composite showed superior compressive strength and wear resistance as compared with Mg matrix. It is attributed to the less contamination, defects, impurities in TiC/Mg composite by the in-situ SHS yield effective load transfer from the matrix to the reinforcement.

Keyword

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Schematics of reaction chamber in Gleeble 1500
표 Table 1. The characteristics of the reagents
그림 Fig. 2. Effect of Al addition on ignition temperature with varying green density
그림 Fig. 3. Ignition temperature as a function of the Al content with varying green density
그림 Fig. 4. XRD patterns of the Mg MMCs with 10, 20 and 30 vol % TiC reinforcement
그림 Fig. 5. SEM micrographs of composite with (a) 10 vol. %, (b) 20 vol. %, and (c,d) 30 vol. % TiC
$Fig. 6. Compressive stress-strain curves of the MMCs with different TiC volume fractions$ 그림 Fig. 6. Compressive stress-strain curves of the MMCs with different TiC volume fractions
$Fig. 7. Fractographs of compressive test specimen of the MMCs with different TiC volume fractions : (a) Mg matrix, (b) 10 vol. %, (c) 20 vol. %, and (d) 30 vol % TiC$ 그림 Fig. 7. Fractographs of compressive test specimen of the MMCs with different TiC volume fractions : (a) Mg matrix, (b) 10 vol. %, (c) 20 vol. %, and (d) 30 vol % TiC
그림 Fig. 8. Wear volume loss and Rockwell hardness with different TiC reinforcement volume percents in MMC samples

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 알루미늄 분말의 양 및 시험편의 green density가 자전연소 반응에 미치는 영향에 대해 고찰하였다. 또한 10, 20, 30 vol.

제안 방법

또한 10, 20, 30 vol. %의 TiC 입자가 강화된 Mg 금속복합재료를 Al-Ti-C 계의 자전연소합성이 Mg 용탕 내에서 일어난 후 교반주조를 통해 제조하였고, 미세조직 및 기계적 특성에 대해 조사하였다.
Al-Ti-C 반응계의 자전연소합성 시험을 위한 분말의 세부 스펙을 Table 1에 나타내었다. 알루미늄 분말의 양과 압분체의 green density가 점화온도에 미치는 영향을 조사하기 위하여 준비된 Al, Ti, C 분말을 구형의 알루미나 볼을 사용하여 24시간 동안 balling milling 하여 혼합하였다. 0.
%가 혼합된 Al-Ti-C 압분체(green compact)를 제조하였다. 또한 pressing 압력을 조절하여 압분체의 green density가 50, 55, 60, 65%인 시험편을 제조하였고 이에 대한 자전연소합성 실험도 진행하였다. 각 조건 마다 5개의 시험편을 준비하여 시험하였다.
압착된 Al-Ti-C 압분체는 steel tube 내부에 위치하여 시험 중 압분체가 손상되지 않도록 하였다. K형 열전대(alumel-chromel)를 강관 표면에 용접해 온도를 조절하고 측정하였다. 모든 온도 데이터와 그래프는 챔버와 연결된 컴퓨터의 GLI 프로그램에 의해 수집되었다.
제조된 복합재의 상분석을 위해 X선 회절분석(X’Pert-MPD System)을 실시하였다.
압축강도는 MTS instru–Met A30–33 장비를 사용하여 측정하였고, 경도는 로크웰 경도기(HR-210MR, mitutoyo)를 사용하여 경도 값을 5번 측정하고 평균값을 계산하였다.
순수 Mg 인고트(Dead Sea magnesium, Israel)를 graphite 도가니 내부에 넣고 50 파운드 유도로(induction furnace)를 사용하여 용융하였다. Mg 인고트가 용융되면 750℃에서 유지하면서, 준비된 Al-Ti-C 압분체를 투입하였다. 압분체의 자전연소합성 반응이 모두 일어난 후 교반용 임펠러를 삽입하고 5분간 교반하여 자전연소합성 반응으로 생성된 TiC가 Mg 기지에 골고루 분산될 수 있도록 하였다.
Mg 인고트가 용융되면 750℃에서 유지하면서, 준비된 Al-Ti-C 압분체를 투입하였다. 압분체의 자전연소합성 반응이 모두 일어난 후 교반용 임펠러를 삽입하고 5분간 교반하여 자전연소합성 반응으로 생성된 TiC가 Mg 기지에 골고루 분산될 수 있도록 하였다. 교반이 종료 된 후 graphite 도가니를 로에서 제거하여 냉각하였다.
제조된 복합재의 상분석을 위해 X선 회절분석(X’Pert-MPD System)을 실시하였다. 주사전자현미경(FEI Quanta 600i)을 사용하여 금속복합재료의 미세조직과 압축시험편의 파단면을 관찰하였다. 압축강도는 MTS instru–Met A30–33 장비를 사용하여 측정하였고, 경도는 로크웰 경도기(HR-210MR, mitutoyo)를 사용하여 경도 값을 5번 측정하고 평균값을 계산하였다.
Al-Ti-C 반응 압분체의 green density와 Al양에 따른 연소거동을 더욱 자세히 살펴보기 위해 알루미늄 분말의 양이 각각 10, 20, 30, 40, 50 wt. %인 경우 점화온도를 Fig.
본 연구에서는 Al-Ti-C 반응계의 자전연소합성 및 교반주조 공정을 통해 TiC/Mg 금속복합재료를 성공적으로 제조하였다. Al 분말의 첨가로 TiC 자전연소합성 반응의 점화온도를 크게 낮출 수 있었고, Al-Ti-C 압분체의 green density 증가를 통해 점화온도를 더욱 낮출 수 있음을 확인하였다.

대상 데이터

5인치 직경의 pressing mold를 사용하여 알루미늄 분말의 양이 각각 0, 10, 20, 30, 40, 50 wt. %가 혼합된 Al-Ti-C 압분체(green compact)를 제조하였다. 또한 pressing 압력을 조절하여 압분체의 green density가 50, 55, 60, 65%인 시험편을 제조하였고 이에 대한 자전연소합성 실험도 진행하였다.
또한 pressing 압력을 조절하여 압분체의 green density가 50, 55, 60, 65%인 시험편을 제조하였고 이에 대한 자전연소합성 실험도 진행하였다. 각 조건 마다 5개의 시험편을 준비하여 시험하였다. 준비된 압분체 시험편은 150℃에서 1시간 동안 건조하였다.
Al-Ti-C 반응계의 점화 온도(ignition temperature, T_ig)를 측정하기 위해 글리블 1500 시험 장치를 사용하였다. 압착된 Al-Ti-C 압분체는 steel tube 내부에 위치하여 시험 중 압분체가 손상되지 않도록 하였다.
순수 Mg 인고트(Dead Sea magnesium, Israel)를 graphite 도가니 내부에 넣고 50 파운드 유도로(induction furnace)를 사용하여 용융하였다. Mg 인고트가 용융되면 750℃에서 유지하면서, 준비된 Al-Ti-C 압분체를 투입하였다.

이론/모형

압축강도는 MTS instru–Met A30–33 장비를 사용하여 측정하였고, 경도는 로크웰 경도기(HR-210MR, mitutoyo)를 사용하여 경도 값을 5번 측정하고 평균값을 계산하였다. 복합재의 내마모특성 평가를 위해 dry sand rubber wheel 시험방법(ASTM G65-91)을 사용하였고 마모시험 후 마모량을 측정하여 비교하였다.

성능/효과

%의 TiC 입자가 강화된 Mg 기지 복합재의 XRD 분석 결과이다. 모든 금속복합재료에서 Mg와 TiC 상의 피크가 관찰되었으며, 이것은 Al-Ti-C 반응계의 자전연소합성 반응에 의해 TiC 입자가 Mg 기지에 성공적으로 제조되었고 여러 가능한 반응 중 TiC 생성반응이 마그네슘 기지안에서 열역학적으로 더욱 안정한 것을 나타낸다. Mg의 고온공정에서는 Mg의 산화로 MgO 상의 생성이 발생할 수 있으나, XRD 분석결과 MgO 상은 검출되지 않았으며, 이것은 공정중 용융 Mg의 산화를 효과적으로 차단한 결과이다.
Mg의 고온공정에서는 Mg의 산화로 MgO 상의 생성이 발생할 수 있으나, XRD 분석결과 MgO 상은 검출되지 않았으며, 이것은 공정중 용융 Mg의 산화를 효과적으로 차단한 결과이다. 또한 다른 불순물이나 제 2상이 관찰되지 않는 것으로부터 in-situ 공정의 장점인 강화재가 오염되거나, 강화재 투입 과정에서 불순물이 유입되는 것이 최소화된 것을 확인할 수 있었다.
5에 나타내었다. EDS 분석에 의해 밝은 색의 상은 TiC 강화재이고, 상대적으로 어두운 부분은 Mg 기지인 것을 알 수 있었다. Fig.
TiC 입자가 30 vol. % 강화된 금속복합재료의 0.2% offset 항복압축강도는 380 MPa로 Mg 기지소재(105 MPa) 대비 매우 높은 갚을 보였다. 이러한 최대 압축강도 및 압축항복강도의 증가는 압축하중하에서 상대적으로 soft 한 Mg 기지에서 강한 TiC 입자로의 효율적인 하중전달(load transfer)이 일어남에 따른 것으로 판단된다.
이는 Mg 기지사이에 결함 없이 균일하게 분산된 우수한 내마모 특성의 TiC 입자 들로 인해 마모량이 감소하는 것으로 판단된다. 로크웰 경도 측정 결과와 마모량 그래프로부터 금속복합재료 시편의 마모량이 경도값에 반비례 하는 것을 확인할 수 있었다. 일반적으로 재료의 내마모 특성은 경도값에 의존하는 것으로, 경도가 증가할수록 내마모 특성이 좋아지기 때문이다.
본 연구에서는 Al-Ti-C 반응계의 자전연소합성 및 교반주조 공정을 통해 TiC/Mg 금속복합재료를 성공적으로 제조하였다. Al 분말의 첨가로 TiC 자전연소합성 반응의 점화온도를 크게 낮출 수 있었고, Al-Ti-C 압분체의 green density 증가를 통해 점화온도를 더욱 낮출 수 있음을 확인하였다. 압축시험 결과 Mg 기지 대비 우수한 압축강도 특성을 보였으며 이 결과로 부터 기지에서 강화재로의 효과적인 하중전달이 이루어진 것을 알 수 있었다.
Al 분말의 첨가로 TiC 자전연소합성 반응의 점화온도를 크게 낮출 수 있었고, Al-Ti-C 압분체의 green density 증가를 통해 점화온도를 더욱 낮출 수 있음을 확인하였다. 압축시험 결과 Mg 기지 대비 우수한 압축강도 특성을 보였으며 이 결과로 부터 기지에서 강화재로의 효과적인 하중전달이 이루어진 것을 알 수 있었다. 경도시험 및 내마모 시험 결과, 강화재의 양이 많아질수록 금속복합재료의 경도 값이 증가하였고, 이에 따라 마모량은 크게 감소한 결과를 얻을 수 있었다.
압축시험 결과 Mg 기지 대비 우수한 압축강도 특성을 보였으며 이 결과로 부터 기지에서 강화재로의 효과적인 하중전달이 이루어진 것을 알 수 있었다. 경도시험 및 내마모 시험 결과, 강화재의 양이 많아질수록 금속복합재료의 경도 값이 증가하였고, 이에 따라 마모량은 크게 감소한 결과를 얻을 수 있었다. 이는 in-situ 자전연소합성에 의해 Mg 기지내에 생성된 TiC 강화재가 안정하고 깨끗한 계면을 가지며, 결함이나 불순물 등의 오염이 없어 우수한 기계적 특성을 나타내는 것으로 사료된다.

참고문헌 (14)

Nie, K., Guo, Y., Munroe, P., Deng, K., and Kang, X., "Microstructure and Tensile Properties of Magnesium Matrix Nanocomposite Reinforced by High Mass Fraction of Nano-sized Particles Including TiC and $MgZn_2$ ", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 819, 2020, pp. 153348.

상세보기
Ferreira, V., Merchan, M., Egizabal, P., Garcia de Cortazar, M., Irazustabarrena, A., Lopez-Sabiron, A.M., and Ferreira, G., "Technical and Environmental Evaluation of a New High Performance Material Based on Magnesium Alloy Reinforced with Submicrometre-sized TiC Particles to Develop Automotive Lightweight Components and Make Transport Sector More Sustainable", Journal of Materials Research and Technology, Vol. 8, No. 3, 2019, pp. 2549-2564.

상세보기
Lee, D., Cho, S., Kim, Y., Lee, S.-K., Lee, S.-B., and Jo, I., "Mechanical Properties and Wear Performance of the Al7075 Composites Reinforced with Bimodal Sized SiC Particles", Composites Research, Vol. 30, No. 5, 2017, pp. 310-315.
Casati, R., and Vedani, M., "Metal Matrix Composites Reinforced by Nano-particles-a Review" Metals, Vol. 4, No. 1, 2014, pp. 65-83.

상세보기
Shen, J., Zou, B., Cai, X., Dong, S., and Cao, X., "Fabrication and Properties of TiB2-TiC Reinforced NiAl Coatings by Reactive Plasma Spraying on AZ91D Magnesium Alloy", Surface & Coatings Technology, Vol. 378, 2019, pp. 125055.

상세보기
Yang, L., Li, Z., Zhang, Y., Wei, S., and Liu, F., "Al-TiC in situ Composite Coating Fabricated by Low Power Pulsed Laser Cladding on AZ91D Magnesium Alloy", Applied Surface Science, Vol. 435, 2018, pp. 1187-1198.

상세보기
Fan, X., Huang, W., Zhou, X., and Zou, B., "Preparation and Characterization of NiAl-TiC- $TiB_2$ Intermetallic Matrix Composite Coatings by Atmospheric Plasma Spraying of SHS Powders", Ceramics International, Vol. 46, 2020, pp. 10512-10520.

상세보기
Yeh, C.L., Ke, C.Y., and Chen, Y.C., "In situ Formation of $TiB_2$ /TiC and $TiB_2$ /TiN Reinforced NiAl by Self-propagating Combustion Synthesis", Vacuum, Vol. 151, 2018, pp. 185-188.

상세보기
Shi, T., Guo, L., Hao, J., Chen, C., Luo, J., and Guo, Z., "Microstructure and Wear Resistance of in-situ TiC Surface Composite Coating on Copper Matrix Synthesized by SHS and Vacuum-Expendable Pattern Casting", Surface & Coatings Technology, Vol. 324, 2017, pp. 288-297.

상세보기
Wang, H.Y., Jiang, Q.C., Li, X.L., and Wang, J.G., "In situ Synthesis of TiC/Mg Composites in Molten Magnesium", Scripta Materialia, Vol. 48, 2003, pp. 1349-1354.

상세보기
Che, H.Q., and Fan, Q.C., "Microstructural Evolution during the Ignition/Quenching of Pre-heated Ti/3Al Powders", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 475, 2009, pp. 184-190.

상세보기
Wang, H.Y., Jiang, Q.C., Li, X.L., and Zhao, F., "Effect of Al Content on the Self-propagating High-temperature Synthesis Reaction of Al-Ti-C System in Molten Magnesium", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 366, 2004, pp. L9-L12.

상세보기
Song, M.S., Zhang, M.X., Zhang, S.G., Huang, B., and Li, J.G., "In situ Fabrication of TiC Particulates Locally Reinforced Aluminum Matrix Composites by Self-propagating Reaction during Casting", Materials Science and Engineering A, Vol. 473, 2008, pp. 166-171.

상세보기
Locci, A.M., Cincotti, A., Delogu, F., Orru, R., and Cao, G., "Combustion Synthesis of Metal Carbides: Part I. Model Development", Journal of Materials Research, Vol. 20, No. 5, 2005, pp. 1257-1268.

상세보기

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].

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