이종 철계 합금 하이브리드 소결체 제조를 위한 신개념 분할 충진 공법 연구

Abstract

분말야금공정은 다양한 첨가 원소를 이용하여 조성 설계를 통한 제품의 기계적 물성 확보가 가능하고, 형상이 복잡한 제품의 제조가 용이하며, 추가적인 후철이 없이 제품을 생산하여, 가공에 따른 비용 절감과 재료의 손실이 적은 장점을 가지고 있다. 이로 인하여 현재 다양한 산업 분야에서 분말야금 공정이 활발히 사용되고 있으며, 그 중 철계 분말 제품의 경우 운송, 전기, 전자, 건축 산업을 포함한 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다. 특히 철계 분말 제품은 일반적인 주조, 단조 제품에 비해 치수 정밀도가 우수하고, 공정비용이 저렴하여, 적용 분야가 점점 확장되고 있으며, 특히 자동차 부품 중 엔진, 트랜스미션, 서스펜션 등의 제품에 사용되고 있다. 하지만 자동차 효율 향상과 더불어 엔진의 출력이 향상되면서, 자동차용 철계 분말 제품에 가해지는 하중이 증가하고 있으며, 높은 기계적 물성을 만족하기 위하여, Fe-Cr-Mo와 같은 고강도 합금 분말이 많이 사용되고 있지만, 원분말의 단가가 비싸며, 높은 강도를 가지고 있어서 가공비용이 증가하며, 최종 제품의 가격이 높아지는 문제점이 있다. 본 연구는 이를 해결하기 위하여 기존이 성형 방법이 아닌 신개념 분할 충진 공법을 제안하여, 새로운 제품 개발 가능성에 관하여 연구하는 것으로, 일반적으로 많은 하중을 받는 제품의 외부에는 기계적 물성이 우수한 Fe-Cr-Mo-C 합금 분말을 사용하며, 제품의 내부에는 성형성이 우수하고, 가격이 저렴한 Fe-Cu-C 혼합 분말을 동시에 적용하는 공법으로, 최종 제품의 가격을 절감시키고, 제품의 성형성을 확보할 수 있는 성형 방법이다. 이종의 철계 분말들을 서로 다른 영역에 동시에 충진 한 후, 단일 성형하는 simultaneous feeding and single compaction과 성형성이 우수한 혼합 분말을 초기 성형 한 후, 초기 성형체 주위에 고강성 합금 분말을 충진 후 다시 성형하는 기술로서 2-step feeding and multi compaction 방법을 개발 하였다. 다양한 압력에서 성형을 실시한 후 접합 계면과 충진 영역의 기계적 물성을 분석하였으며, 기계적 물성의 변화 원인을 규명하기 위하여 광학현미경(optical microscope, OM), 전계방출형 주사전자현미경(field emission scanning electron microscope, FE-SEM), 에너지 분산형 분광분석법(energy dispersive spectroscopy, EDS)등 다양한 분석 방법을 이용하여 미세조직과 기계적 물성의 상관관계에 대해 규명하고자 하였다. 또한, 합금 분말에서 Cu 첨가량이 기계적 물성과 접합 계면에 미치는 영향에 관하여 세부적으로 논의하였으며, 최종적으로 신개념 충진 공법의 적용 가능성에 대하여 모색하였다.