[논문]가압형태와 발포제가 분말성형 발포법에 의해 제조된 알루미늄 발포체의 미세구조에 미치는 영향

최지웅; 김혜성

doi:10.12656/jksht.2021.34.2.60

가압형태와 발포제가 분말성형 발포법에 의해 제조된 알루미늄 발포체의 미세구조에 미치는 영향
The Effect of Pressing Type and Foaming Agent on the Microstructural Characteristic of Al Foam Produced by Powder Compact Processing 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.34 no.2, 2021년, pp.60 - 65

최지웅 (부산대학교 나노메카트로닉스공학과) , 김혜성 (부산대학교 나노메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effect of pressure type and foaming agent on the microstructural change of Al foam produced by powder compact processing was investigated. Better foaming characteristic is easily obtained from extrusion process with strong plastic deformation and preheating than that by uniaxial pressing with preheating. In current powder compact foaming process using TiH2/MgH2 mixture as a foaming agent, a temperature of 670℃ and addition of 30% MgH2 in TiH2 foaming agent was chosen as the most suitable foaming condition. The aluminum (Al) foams with maximum porosity of around 70%, relatively regular pore size and distribution were successfully produced by means of the powder metallurgy method and extrusion process.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. TGA analysis showing thermogravimetric characteristic of foaming agents.
그림 Fig. 2. The schematic diagram showing Al foaming process by powder compact foaming.
그림 Fig. 3. The macrographs showing foaming trace formed by foaming pressure of SPS (a) 7MPa, (b) 45 MPa and 75MPa.
그림 Fig. 4. Foaming characteristic as a pressing type and foaming temperature.
그림 Fig. 5. The change of pore size and pore amount as foaming agent ratio.
그림 Fig. 6. Pore size and distribution in Al foam as foaming temperature and amount of MgH₂ added in TiH₂ foaming agent.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 분말 성형 발포법에 의해 다공성 Al 발포체를 제조하는 기초연구로써 압분체가압 방식, 혼합 발포 촉진제(TiH₂+MgH₂) 및 발포온도가 Al 발포체의 기공 미세구조에 미치는 영향을 고찰하고자 하였다. 특히, 알루미늄 다공성 발포체 제조 시 다공성 구조를 얻기 위해 일반적으로 사용하는 발포제는 TiH₂인데, 대기압에서 더 분해온도가 낮은 MgH₂를 첨가하여 발포제가 Al 발 포체의 다공성 미세구조에 미치는 영향을 고찰해 보고자 하였다.
5wt% 내의 발포 촉매제(TiH₂)를 첨가하여 660-720^oC의 온도에서 일정시간(대략 10분) 동안 가열하여 다공성 Al 발포체를 제조함을 보고되고 있다. 본 연구에서는 TGA 분석을 통해 Al- TiH₂분말의 주 질량변화가 수반되는 650-690^oC 영역에서 나타나므로 위 온도 영역에서 10분간 유지한 후 미세구조 변화를 고찰하였다(Fig. 1 참조). 이때 발포를 위한 Al 분말에 첨가한 발포 촉매제는 기존의 TiH₂에 MgH₂를 50% 내에서 행하였다.
고찰하고자 하였다. 특히, 알루미늄 다공성 발포체 제조 시 다공성 구조를 얻기 위해 일반적으로 사용하는 발포제는 TiH₂인데, 대기압에서 더 분해온도가 낮은 MgH₂를 첨가하여 발포제가 Al 발 포체의 다공성 미세구조에 미치는 영향을 고찰해 보고자 하였다.

제안 방법

SPS공정에 의한 Al 발포체를 제조하기 위해 각각 7MPa, 45MPa, 90MPa, 130MPa이 가압력으로 300^oC에서 10분 유지하여 발포 성형 체를 제조 하한 후 발포압력에 따른 발포특성을 고찰하였다. SPS에서 얻을 수 있는 최대 가압력은 130MPa 이다.
가압방식에 따른 연구결과에 따라 전단력에 의한 소성 가공성 큰 분말 압출공정에 의한 Al 발 포체의 기공 특성 연구를 수행하였다. 압출공정에서 적용한 압출 비는 2:1~9:1까지의 압출 비를 적용하여 압출비에 따른 기공 형성특성을 고찰하여 보았다.
첨가량이 그 이상이 되면 발포 속도가 빨라 제대로 된 기공구조가 형성되지 않으며, 그 보다 낮을 경우 구동력이 부족하여 또한 기공구조가 형성되지 않는다고 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서는 발포제의 전체함량은 1wt%로하여 TiH₂에 MgH₂의 비를 30-50%까지 조절하여 발포 기공구조 특성을 조사하였다. 분말 압분체를 위해 사용한 Al과 발포제의 크기는 325m 이하의 분말을 사용하였으며, SPEX Mixer/Mill에서 30분 동안 혼합하여 성형체 원재료로 사용하였다.
본 연구에서는 다음과 같은 두 가지 방식, SPS (Spark Plasma Sintering)와 압출(Extrusion)법으로 발포 Al 성형체를 제조하였다.
구멍을 통하여 밀어내는 가공방법을 압출 (extrusion)이라 한다. 본 연구에서는 순 Al 분말과발포체(TiH₂ +MgH₂)의 혼합물을 알루미늄 캔에 장입하고 알루미늄 캔 뚜껑을 용접하여 밀봉한 후 150^oC의 온도에서 30분간 탈 가스(degassing)한 후 압출 몰드를 300^oC로 예열한 후 2:1~9:1의 비로 압출을 행한 후 압출 비에 따른 기공특성을 고찰하였다. MgH₂는 발포온도를 낮추며 저비용 경량 고효율 특성을 가진 알루미늄 발포체 개발을 위해 사용되었다.
연구를 수행하였다. 압출공정에서 적용한 압출 비는 2:1~9:1까지의 압출 비를 적용하여 압출비에 따른 기공 형성특성을 고찰하여 보았다. 위에서 적용된 발포온도는 670^oC로 행하였다.
전체적인 발포제의 비율은 1wt%로 유지하면서 TiH₂에 MgH₂의 첨가 비를 0에 50% 까지 증가시켜 발포 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. Fig.

대상 데이터

따라서 본 연구에서는 발포제의 전체함량은 1wt%로하여 TiH₂에 MgH₂의 비를 30-50%까지 조절하여 발포 기공구조 특성을 조사하였다. 분말 압분체를 위해 사용한 Al과 발포제의 크기는 325m 이하의 분말을 사용하였으며, SPEX Mixer/Mill에서 30분 동안 혼합하여 성형체 원재료로 사용하였다.

성능/효과

1. 수직응력이 가해지는 SPS 공정보다 소성변형이 크고 고 압축력이 얻어질 수 있는 압출 공정의 적용이 기공 수 및 기공 균일도를 확보하는데 유리함을 확인할 수 있었다.
2. 분말 성형 발포법에 의해 5:1 이상의 압출비, 압출온도 670^oC에서 평균 크기가 1.65mm이며 기공 형성율이 70% 가량인 Al 발포체가 형성되었다.
3. 발포제 TiH₂에 MgH₂가 적정량 첨가되면 발포 기공의 크기 및 균일성에 영향을 미치며, Al 발포체제 조 시 TiH₂만 첨가할 때보다 발포온도를 더욱 낮출 수 있음을 확인할 수 있었다.
9 이상에 달하며 기포의 압력이 대략 8배 증가함에도 기포의 수가 많지 않고 기포의 균일성이 떨어지는 반면, 압연공정은 기포가 압연방향으로 연신 되지만 기포 수 및 기포 분포의 균일성이 크게 개선된다고 보고하고 있다. 본 연구에서는 압연과 MgH₂ 발포제의 첨가에 의해 후 절의 미세구조에서 보는 바와 같이 기공의 수와 균일도가 크게 향상되고, 기공 연신이 거의 없이 구형형상에 가까운 Al 발포체가 형성되었다. 이의 원인에 대해서는 압연 방향의 기공연신 제어에 미치는 MgH₂ 발포제의 영향을 체계적으로 조사할 필요성이 있다.
4는 가압방식 및 가열온도에 따른 발포 특성을 비교한 것이다. 수직응력이 가해지는 SPS와 전단응력이 가해진 압출에 따른 발포 특성 미세구조로 써 수직 응력이 가해지는 SPS 공정의 경우보다 압출 공정에 의한 것이 더 기공의 수와 균일도가 우수한 발 포체가 형성될 수 있음을 보여준다. 이는 압출의 경우 소성 변형력이 커서 Al 분말과 TiH₂ 사이의 결합력 및 반응성이 향상되면서 기공 수와 균일성이 확보되는 발포특성이 얻어지는 반면, SPS의 경우 가열 및고 응력이 가해진 발포 성형체의 경우에도 발포 성형체의 밀도를 현저하게 높이는 것이 어렵기 때문에 발포 기공 수를 증가시키기 어려웠다.
위의 결과로부터 MgH₂발포 첨가제가 적정량 첨가되면 발포 기공의 크기 및 균일성에 영향을 미치며, Al 발포체 제조 시 발포온도를 TiH₂만 첨가할 때보다 낮추어 Al 발포체 개발에 더 유리할 수 있음을 간접적으로 확인할 수 있었다.
MgH₂의 함량이 50%로 더욱 증가하면 발포 특성이 오히려 감소하였다. 위의 결과로부터 MgH₂발포제의 최적 첨가량은 30% 수준으로 해석된다. 즉, 적절한 함량의 MgH₂가 첨가되면 발포 기공의 크기 및 균일성에 영향을 미치며, 분말 성형법에 의해 Al 발포체 제조 시 발포 촉매제를 TiH₂만 사용했을 경우 보고된 일반적인 발포온도는 690^oC 이상인데 비해 MgH₂ 첨가 시 670^oC의 비교적 낮은 온도에서 발포 기공의 크기 및 균일도가 크게 향상됨을 확인할 수 있었다.
압출비가 9:1로 증가하여도 기공율/기공 크기는 더 이상 증가하지 않았다. 위의 결과를 종합하면 압출 분말 성형 발포 시 적정 압출비는 5:1 이상이며, 소성변형이 큰 압출공정이 SPS 공정보다 기공 수 및 기공 균일도를 확보하는데 유리함을 확인할 수 있었다(Fig. 5 참조). 이때 얻어진 성형밀도는 대략 98.
위의 결과로부터 MgH₂발포제의 최적 첨가량은 30% 수준으로 해석된다. 즉, 적절한 함량의 MgH₂가 첨가되면 발포 기공의 크기 및 균일성에 영향을 미치며, 분말 성형법에 의해 Al 발포체 제조 시 발포 촉매제를 TiH₂만 사용했을 경우 보고된 일반적인 발포온도는 690^oC 이상인데 비해 MgH₂ 첨가 시 670^oC의 비교적 낮은 온도에서 발포 기공의 크기 및 균일도가 크게 향상됨을 확인할 수 있었다.
Paulin 등의 연구 결과에 의하면[7], 성형밀도가 98% 이상이 얻어질 때 좋은 발포 특성을 기대할 수 있다고 보고되고 있다. 즉, 표면 산화물 층을 깰 수 있는 고 압력이 가해지거나 가압 및 가열 등을 통해 성형밀도를 높이는 것이 발포특성을 향상시키는 중요한 방안임을 확인할 수 있다. 알루미늄 분말과 TiH₂의 발포제 표면의 산화물이 발포특성에 영향을 미친다고 알려져 있다.

후속연구

이의 원인에 대해서는 압연 방향의 기공연신 제어에 미치는 MgH₂ 발포제의 영향을 체계적으로 조사할 필요성이 있다. 비록 분말 발포 공정비용이 액상발포법보다 높은 결점이 있지만 발포 구조체의 강도를 향상시키면서 기공의 수를 증가시키면서도 기공 분포 균일성 측면에서 고 물성의 Al 발포체 제조 및 넓은 응용이 기대된다.

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저자의 다른 논문 :

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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