등방압 가압용 금속 분말 최적화

서론

등방압 가압은 압축한 금속 분말을 채운 밀폐 용기에 (기체 또는 액체를 사용하여) 압력을 균일하게 적용하는 구성 요소 형성 공정입니다. 등방압 가압은 상승된 온도에서 수행할 수도 있고(고온 등방압 가압(HIP)) 주변 온도에서 수행할 수도 있습니다(냉간 등방압 가압(CIP)).

그림 1. 냉간 등방압 가압(CIP) 공정의 개략도

등방압 가압에는 모든 방향으로 동일하게 압축하고 최종 구성 요소 밀도의 균일성이 증가한다는 점을 포함하여 일반적으로 사용되는 프레스 및 소결 방법보다 나은 여러 가지 이점이 있습니다. 그렇지만 다른 분말 야금 공정과 마찬가지로 이 공정이 성공하려면 제조업체가 금속 분말의 특성을 주의 깊게 특성화해야 합니다. 일반적으로 특성화되는 물리적 특성으로는 각 분말의 분말 흐름, 밀도, 경도, 입자 크기, 입자 형상 등이 있습니다.

기타 주요 특징으로는 화학적 성질 및 미세구조 등이 있습니다. 분말이 지정된 물질의 합금 조성을 준수해야 하기 때문에 화학적 성질은 매우 중요하며, 상 조성 및 입도는 분말 경도 및 용융 거동에 영향을 주어 형성 및 소결 공정에 영향을 줄 수 있습니다.

이 연구에서는 CIP 제조 공정에서 사용하기 위한 다양한 철 기반 합금의 성능을 평가하기 위해 X선 분말 회절(XRPD), X선 형광(XRF) 및 자동 이미징 기술을 상호 보완적으로 사용하는 데 중점을 두고 있습니다. X선 회절은 시료 분말의 결정자 크기 및 미세변형과 함께 상/광물학적 조성(페라이트, 오스테나이트, 시멘타이트 및 기타 탄소화물)에 관한 정보를 제공하기 때문에 물질 특성화에 대한 강력한 수단입니다. X선 형광은 시료의 원소 조성에 관한 정확한 정보를 제공하고, 자동 이미징 기술은 입자별 크기와 형상 정보를 제공할 수 있습니다.

X선 형광

XRF 분석의 기본 원리는 비교적 간단합니다. 시료에 주어진 에너지의 X선 방사선을 조사하면 구성 원자를 이온화할 수 있습니다. 이에 대한 반응으로 시료에서 형광 X선 방사선이 방출됩니다. 이러한 X선에는 시료에 존재하는 원소를 나타내는 에너지(또는 파장)가 있습니다. 다시 말하면, 이러한 형광 X선의 에너지 Ei(또는 파장 λi)를 측정하여 어떤 원소가 존재하는지 알 수 있습니다. 이러한 X선에는 시료에 존재하는 원소를 나타내는 에너지(또는 파장)가 있습니다. 다시 말하면, 이러한 형광 X선의 에너지 Ei(또는 파장 λi)를 측정하여 어떤 원소가 존재하는지 알 수 있습니다. 주기율표의 각 원소에 대한 특성 X선 라인 에너지는 문서화가 잘 되어 있습니다. 예를 들어 시료에서 6.92keV X선 광자가 나오면 Co K-알파일 가능성이 있고, 7.47keV 광자가 나오면 Ni K-알파일 가능성이 있는 식입니다.

그림 2. 일반적인 XRF 스펙트럼에 내장된 X선 형광의 기본 원리를 보여주는 그림

주의 깊게 통제된 조건 하에서, 어떤 한 기간(예: 1분) 동안 각 원소에서 나오는 X선 광자의 수를 셀 수 있으며 이를 통해 시료에서 각 원소의 비율을 계산할 수 있습니다. 분말 시료는 가루 분말, 압축 분말, 용융 유리 비드 또는 용융 주조 디스크로 제시할 수 있으며, 형성된 부품은 직접 측정하거나 적당한 크기로 자를 수 있습니다.

자동 이미징 기술

자동 이미징 기술은 0.5µm에서 1mm를 넘는 입자에 적합하며, 건조 분말 분산 또는 액체 매질에서의 분산과 같이 통계적으로 풍부한 입자의 앙상블에 대한 입자 크기 및 형상 측정 기능을 제공합니다. 자동 이미징 시스템은 몇 분 내에 분산된 시료에서 수만 개 입자의 개별 이미지를 캡처합니다. 각 입자에 대해 여러 크기와 형상 파라미터가 계산되고 통계적으로 유의한 숫자 기반 분포를 구성하는 데 사용됩니다. 가장 일반적으로 사용되는 형상 파라미터가 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3. 자동 이미지 분석을 통해 밝혀진 입자 형태 파라미터

X선 회절

상 분석

X선 회절 기반 상 분석은 특정 물질(예: 페라이트, 마르텐사이트, 오스테나이트, 시멘타이트 등)을 형성하는 구조적 구성 요소의 유형에 대한 정보를 제공하기 때문에 물질 특성화를 위한 강력한 수단입니다.
결국 이를 이용하여 이후 공정 중에 이러한 물질의 물리적 및 화학적 특성을 예측 및/또는 설명할 수 있습니다.

그림 4. 오스테나이트, 페라이트 및 마르텐사이트의 결정 구조 및 해당 회절 패턴의 그림

그림 5는 오스테나이트, 페라이트 및 마르텐사이트의 결정 구조 및 해당 회절 패턴을 보여주며, 물질에 존재하는 다양한 상을 해석하고 정량화하는 XRD의 능력을 보여줍니다. 이 세 가지 상은 원자의 배열이 다르며, 이로 인해 특성이 크게 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 오스테나이트는 페라이트보다 탄소를 더 많이 흡수할 수 있으므로 부식 저항성이 더 좋습니다. 마르텐사이트는 고온에서 형성되지만 시료를 빠르게 냉각할 경우 유지할 수 있는 더 단단한 형태의 철입니다. 혼합물에 추가 합금 원소를 추가하면 상을 추가할 수도 있습니다. 서로 다른 상의 상대적인 양에 따라 물질의 물리적 특성이 결정됩니다.

그림 5. Rietveld 방법을 사용하여 물질에 존재하는 상을 정량화

Rietveld 방법을 사용하여 존재하는 상의 정량화를 수행할 수 있습니다. Rietveld 분석은 예상 상 및 몇 가지 물리적 파라미터를 기반으로 전체 회절 패턴을 모델링하는 최소 제곱 피팅 접근법("정교화")을 바탕으로 합니다. 이 정교화의 결과 중 하나는 시료에 존재하는 모든 상을 동시에 정량화할 수 있다는 것입니다. 또한, 튜브 효율 감소와 준비 효과도 고려합니다(모니터링이 필요하지 않음!).

입도 및 변형 분석

결정자 크기(D)로 인한 피크 확장(β)은 Scherrer 공식의 측면에서 매우 효과적으로 표현할 수 있습니다. 피크 확장은 결정자 크기가 비교적 작을 때와 동일할 때 가장 크며, 피크 확장은 그림 6에 나와 있는 것처럼 각도 피크가 클수록 커집니다. 이 미세 변형에 의한 피크 확장은 탄젠트 공식으로 적절히 나타낼 수 있습니다.

그림 6. 피크 형상과 결정자 크기 및 미세 변형과의 상관 관계를 나타내는 그림

미세 변형이 클수록 피크 확장이 커지고, 주어진 미세 변형에 대하여 각도 Bragg 피크가 클수록 확장도 커집니다. 따라서 미세 변형과 함께 결정자 크기도 더 큰 각도의 Bragg 피크를 더 심하게 넓히는 원인이 됩니다. 하지만 피크가 발생하는 각도에 대한 의존도가 다르기 때문에 상대적인 기여도를 분리할 수 있습니다. 결정자 크기의 의존도는 1/cosθ이고 미세 변형의 의존도는 tanθ입니다. 이 두 공식은 모든 선 프로파일 분석 방법의 핵심입니다.

단일 선 방법에서는 범용 형상 계수(K)와 피크 폭 척도로서의 적분폭을 사용하여 피크 형상 변화를 설명합니다. 이러한 수치는 단일 피크와 전체 피크 범위에 대하여 결정할 수 있습니다. 그 다음에 알고리즘에서 경험적으로 프로파일을 가우스 및 로렌츠 부분으로 디콘볼루션합니다. 기기 영향을 동일한 방식으로 결정하여 두 프로파일 부분에서 차감합니다.

순 가우스 확장은 탄젠트 공식으로 미세 변형 값을 계산하는 데 사용됩니다. 순 로렌츠 확장에서는 Scherrer 공식을 입력하여 평균 결정자 크기를 결정합니다.

실험

금속 분말은 네 가지 철 기반 합금으로 생산되었습니다(A, B, C). 이러한 분말 중 일부는 가스 미립화(AGN)를 사용하여 형성되었고, 다른 일부는 물 미립화 공정(AWN, AWY, BWN, CWN)을 사용하여 형성되었습니다. 이러한 초기 시료는 CIP 공정을 거쳤으며, 이후에 일부 시료는 공정 성능 개선 시도를 위해 소둔 열처리를 거쳤습니다(BWNA, CWNA).

Morphologi 4 자동 이미징 시스템에서 입자 크기 및 형상 분석을 수행했습니다. PIXcel^3D 검출기 및 Co 소스를 사용하여 Empyrean Multicore에서 X선 회절 측정을 수행하였습니다. Epsilon 3 분광기에서 X선 형광 측정을 수행하였습니다.

결과 및 고찰

표 1에는 XRF로 측정한 다양한 분말의 원소 조성이 나와 있습니다. 서로 다른 시료 시리즈 내의 화학적 성질은 일관적이지만 다양한 합금 유형 사이의 화학적 조성에는 큰 차이가 나타납니다.

표 1: XRF를 사용하여 측정한 다양한 합금 시료에 대한 원소 조성

시료 ID	Fe[%]	Cr[%]	Ni[%]	Mnb[%]	Mo[%]	Si[%]
AGN	73.6	13.3	9.5	0.2	2.5	0.4
AWY	73.5	13.2	9.4	0.2	2.5	0.4
BWN	93.5	1.3	4.3	0.2	0.3	0.3
BWN-ann	93.1	1.4	4.5	0.3	0.3	0.4
CWN	97.8	1.1	0.2	0.6	0.0	0.2
CWN-ann	97.7	1.1	0.1	0.6	0.0	0.2

표 2에는 해당 특정 분말에서 CIP 부분이 성공적으로 형성되었는지 여부를 포함하여 각 합금에 대한 입자 크기, 입자 형상 및 경도와 함께 XRD 결과가 요약되어 있습니다. 합금 A는 물 미립화된 경우에는 성공적으로 부분을 형성하지만 가스 미립화된 경우는 그렇지 않습니다. 이 두 물질에서 상 조성과 결정자 크기는 비슷하고 경도 값도 비슷하게 나타나지만 가스 미립화 물질이 물 미립화 물질보다 조금 더 부드럽습니다. 두 물질의 입자 크기도 비슷하지만 둘 사이의 입자 형태는 그림 7처럼 매우 다르게 나타나며 물 미립화된 물질의 원형도가 가스 미립화된 물질의 원형도보다 훨씬 낮습니다. 입자 형상이 불규칙할 수록 제조 공정 중에 입자 맞물림이 발생하여 냉간 용접 개선을 통해 녹색 본체 형성 중에 안정성이 부여되는 것 같습니다.

표 2: 해당 특정 분말에서 CIP 부분이 성공적으로 형성되었는지 여부를 포함하여 각 합금에 대한 형태 및 경도와 함께 XRD 결과의 요약

물질	CE 직경(µm)	원형도 D50	% 페라이트(bcc)	% 오스테나이트(fcc)	% 총 탄소화물	페라이트 입도(nm)	경도	CIP
AGN	21.85	0.985	94.8	5.2	-	62	356	아니요
AWY	17.50	0.815	94.7	5.3	-	49	377	예
BWN	23.46	0.984	97	3.0	-	96	470	아니요
BWN 소둔 열처리	15.67	0.959	99	-	0.8	214	261	예
CWN	14.00	0.928	99.8	-	-	159	370	아니요
CWN 소둔 열처리	14.90	0.921	99.0	-	0.7	265	209	예

물 미립화된 시료 B 및 C의 경우, 소둔 열처리된 분말에서는 안정적인 녹색 부분이 형성되었지만 미립화된 분말에서는 형성되지 않았습니다. 소둔 열처리된 분말과 미립화된 분말 사이에 입자 형상 크기 및 형상이 비슷했기 때문에 형태가 아니라 소둔 열처리 시 경도가 크게 감소하는 것이 원인이라고 생각할 수 있습니다. 이렇게 경도가 감소하면 결정자 크기가 증가하고, 다시 이로 인해 입계 수가 증가하고 변형이 강화됩니다.

그림 7. 물 및 가스 미립화된 합금 A에 대한 원형도 비교, 삽입: 대표 입자 이미지, 평균 원형도에서, 시료 두 개 대상.

결론

냉간 등방압 가압(CIP) 중에 우수한 품질을 유지하면서 금속 부품을 제조하려면 물질의 입자 크기 분포, 입자 형상, 원소 조성 및 미세구조를 포함하여 원 금속 분말을 철저하게 이해해야 합니다. 이미지 분석, X선 회절 및 X선 형광 등을 포함하는 분석 기법 도구 키트를 사용하면 이러한 파라미터를 평가하고 최종 제품 성능과의 상관 관계를 구할 수 있습니다.