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아토마이징법에 의한 금속분말 제조 및아토마이징법에 의한 금속분말 제조 및아토마이징법에 의한 금속분말 제조 및아토마이징법에 의한 금속분말 제조 및
성형기술확보 기술지원성형기술확보 기술지원성형기술확보 기술지원성형기술확보 기술지원
2008. 072008. 072008. 072008. 07
한국생산기술연구원한국생산기술연구원한국생산기술연구원한국생산기술연구원
주 하나닉스주 하나닉스주 하나닉스주 하나닉스( )( )( )( )
산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부
- 2 -
기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서
과제고유번호 2008-100306 연구기간 2006. 12. 1~2008. 5. 31
연구사업명 부품소재전문기업기술지원사업
지원과제명 아토마이징법에 의한 금속분말 제조 및 성형기술확보
지원책임자 김택수지원연구원
수
총 명: 8총
사업비
정부: 천원166,841
내부 명: 3 기업: 천원167,059
외부 명: 5 계: 천원333,900
지원기관명 한국생산기술연구원 소속부서명 신소재본부 신기능소재팀
참여기업 기업명 주 하나닉스: ( ) 기술책임자 김범진:
보고서
면수
수압 분급 을 통해 이하의 분말제조 하였으며 이하의 미세한(hydraulic classifier) 80 25○ ㎛ ㎛
입자를 가진 Al63Cu25Fe12 합금분말과 이하 입자크기의 합금분말 제조를 하였40 Al-Zn-Mg-Cu㎛
음 입도제어 기술 확보함.
전해질이 약한 산화방지제 사용 수소이온과 현탁액의 자동 온도조절 건조공정 의(inhibitor) , ,○
최적화 수압분급을 통해 합금분말의 오염 및 산화억제 기술 확보,
합금의 최적의 소결온도 조건을 기초 실험을 통해 최적화 하였음Al-Zn-Mg-Cu○
공동 연구 기관 의 수분무 공정 및 결과물의 성형 응용 특성 기술은 기업에 이전(IPMS) ,○
색 인 어
각 개 이상( 5 )
한 글 수 분무공정 알루미늄 분말 분말 분급 분말 특성제어, , ,
영 어Water atomization, Aluminum powder, powder classify,
Controlling powder properties
- 3 -
기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문
사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.
수분무법을 이용한 및 합금분말을 비롯한 다양한 분말의 생산기술 및 관련 성형Al Mg
기술에 있어서 합금 분말제조와 합금분말 특성 제어에 관한 기술 지원을 실시.
알루미늄 합금의 입도제어 기술지원1.
합금분말의 오염 및 산화억제 기술지원2.
성형기술3.
기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2.2.2.2.
수분무 공정 기술 지원○
용해부와 수분무의 역학적 연결 메커니즘에 관한 기술 지원-
합금분말제조시 합금분말의 입도 형상 미세조직을 제어가 가능하도록 노즐직경 형- , , ,
상 분무압 분무량 등의 인자들을 고려하여 아토마이져 설계에 반영함, , .
수압분급에 의한 입도제어 기술-
제조된 분말의 특성평가기술 지원-
합금분말의 오염 및 산화억제 기술 지원○
알루미늄 합금의 물리적 화학적 특성을 고려한 용해 기술- ㆍ
산화성을 고려한 용해분위기 대기 불활성 가스 진공 등 제어기술- - , , -
재료의 고유 특성 즉 비열 융점 열용량 점도 산화도 등에 대한 자료 조사- , , , , ,
성형공정 최적화 기술 지원○
성형 온도 및 성형 압력에 따른 성형특성 평가-
합금분말의 연구동향 및 사업동향에 대한 기술정보 제공Al○
국내외 관련 기술동향에 대한 정보자료 제공-
시장확보를 위한 관련 분야 홍보-
- 4 -
지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.
지원항목지원내용
비고기술지원前 기술지원後
수 분무공정기술 지원( )水수 분무공정 경
험 전무
수 분무 시 고려하여야할-
요소 챔버간 업력차이 스토( ,
퍼 작동 용탕노즐의 설치,
등 에 따른 가스분무 제어기)
술 확보
용탕의 비산각도 제어를 위-
한 노즐의 운용기술 확보
응용기술
알루미늄 합금의 입도제
어 기술지원
반구형 입도분,
포 (30~500 )㎛
수압분급에 의해 구형의~80
분말제조 용이㎛신규기술
합금분말의 오염 및 산
화억제 기술지원없음
의 낮은 산소량 함유한0.22%
합금 분말 제조기Al-Cu-Fe
술 확보
신규기술
성형공정 최적화 기술지
원없음
소결온도조건의 최적화-
코팅기술 지원-신규기술
기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.
해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)
적용제품명 가스분무 합금분말: Al○
모 델 명 : HANA Al○
품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)
구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품
비 고지원전 지원후
경쟁제품 대비 품질 주AMC( )
저가powder
수filter (30%
준)
고가 filter
수준(90% )
분말입도제어 기
술 산화 및 오염
제어 기술
경쟁제품 대비 가격 15,000/㎏ 7,000/㎏ 12,000/㎏
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원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)
구 분 절 감 금 액 비 고
원부자재 절감 백만원 년120 / ( 40 %)고압가스 사용량감소
고가 분말 생산량 분율증가
안 건 비 절감 백만원 년30 / ( 10 %) 인력투입감소 생산회수율 증가( )
계 백만원 년150 / ( 40 %)
적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )
구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출 전년대비 증가비율 비고
내 수 백만원 년/ 백만원 년300 / 신규매출%
당해연도 ~
차년도 중반
설비투자예:
정
수 출 천달러 년/ 천달러 년/ %
계 백만원 년/ 백만원 년300 / %
수출은 차차
년도부터 시
도 예정
참고 적용제품 주요수출국) 1. :
작성당시 환율기준2. :
수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)
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해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)
수 분무공정기술 수 분무 시 고려하여야할 요소 챔버간 업력차이 스토퍼 작( ) - ( ,水○
동 용탕노즐의 설치 등 에 따른 가스분무 제어기술 확보를 통하여 미세하고 원형의 알, )
루미늄 분말제조 전무했던 당 기술의 확보로 안정적인 장치 영업능 확보 및 추후 합금
분말을 이용한 사업영역 확대 가능
알루미늄 합금의 입도제어 기술 공정변수 제어에 의해 분말입도 조절 가술 확립-○
합금분말의 오염 및 산화억제 기술 현탁액을 첨가 수소이온과 현탁액의 농도를- ,○
자동조절 수압분급을 통해 입도제어 및 표면 안정화를 시켜 산화문제와 발화가능성을,
해결 의 낮은 산소량 함유한 합금 분말 제조기술 확보. 0.22% Al-Cu-Fe
성형공정 최적화 기술 소결 공정에 따른 최적의 성형 조건을 확립하여 추후 생산-○
된 알루미늄 분말의 차 가공 공정 및 알루미늄 부품 생산 기술 확보2
기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)
본 연구에 개발된 기계적 특성이 우수한 미세한 입도분포를 가진 합금 분말제조- , Al
및 소결 공정 기술로 인해 분말 형태로의 사용뿐만 아니라 다양한 부품형태의 산업적
활용이 기대되고 있다 또한 합금 분말 제조 이외에 기타 분말제조에 확보된수 분무. Al
공정기술을 적용하여 균일한 입도 분포와 청정한 표면을 가진 고품질 분말제조의 가능
성이 기대되며 이를 통해 국내 분말시장에서의 외국제품에 대한 의존도를 감소시키고
해외로의 수출증대 효과가 기대되고 있다.
적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,
규격 인증획득 해당사항없음규격 인증획득 해당사항없음규격 인증획득 해당사항없음규격 인증획득 해당사항없음1) , :1) , :1) , :1) , :
지적재산권 해당사항없음지적재산권 해당사항없음지적재산권 해당사항없음지적재산권 해당사항없음2) :2) :2) :2) :
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세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.
항 목지원
건수지 원 성 과
기술정보제공 건16 알루미늄 분말 제조기술 향상
시제품제작 건1 알루미늄 분말 제조
양산화개발 건0
공정개선 건2 분말 제조 공정 개선
품질향상 건2 알루미늄 분말 입도 제어 및 오염도 제어
시험분석 건9 합금 분말 특성 평가
수출 및 해외바이어발굴 건0
교육훈련 건2 수분무기술 관련 훈련
기술마케팅 경영자문/ 건1 분말 판매 관련
정책자금알선 건1 부품소재 융자 관련
논문게재 및 학술발표 건1 대한금속재료 학회 학술발표(2008/04)
사업관리시스템
자원실적업로드 회수건0
참여기업 방문회수 건19
기타 건0
상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부※
종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.
본 지원 사업을 통하여 분무공정을 이용한 분말생산 전문 업체인 하나닉스의 사업○
다각화가 이루어질 수 있었으며 국내 수 분무 뿐만 아니라 가스 분무 그리고 분말제조,
관련 장치산업의 활성화가 예상됨.
고강도 알루미늄 합금 분말의 제조가 국내에서 가능해짐에 따라 이를 이용한 고부○
가가치 합금부품의 개발이 활성화 되리라 판단됨.
사업기간과 자금의 한계에 기인하여 보다 더 향상된 세계 최고수준 고품질의 분말( )○
제조기술 확보가 이루어지지 못하였으므로 추후 이에 대한 지원이 절실 함, .
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연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )□□□□
과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1.1.1.1.
특허 성과 해당사항 없음특허 성과 해당사항 없음특허 성과 해당사항 없음특허 성과 해당사항 없음::::□□□□
사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2.2.2.2.
특허 성과 해당사항 없음특허 성과 해당사항 없음특허 성과 해당사항 없음특허 성과 해당사항 없음::::□□□□
사업화 현상사업화 현상사업화 현상사업화 현상□□□□
주 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 연구책임자 창업 기술이전에 의11) 1. , 2.
한 창업 창업지원 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입, 3. , 4.
고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과□□□□
주 창업의 경우는 사업화 성과 에서 사업화 현황의 종업원 수를 기입9) “2. ”
사업체 확장에 의한 고용창출은 국가연구개발사업을 통해서 기업체의 팀이10)
나 부서의 신규 생성 및 확대에 의한 것을 의미하며 확인된 경우만 기입
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세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용□□□□
참여기업 현장방문 건참여기업 현장방문 건참여기업 현장방문 건참여기업 현장방문 건1. : 121. : 121. : 121. : 12
NO. 일자 구체적 내용 증빙유무
1 2006.12.15~16 분말 제조 관련 장비 교육Mg 무
2 2007.4.3 0 분말 특성평가 협의 유
3 2007.5.30 연구과제 진행사항 협의 유
4 2007.5.31~6.1 분말 입도 제어 교육 무
5 2007.6.21 분말성형교육 유
6 2007.8.7~8.8 아토마이져 공정 검토 무
7 2007.10.10 분말 산화 방지 제어 무
8 2007.11.29~11.30 가스분무 공정 기술 검토 무
9 2008.1.18~1.19 분무노즐 설계 유
10 2008.4.4~4.5 분말 제조 기술 검토Al-Cu-Fe 무
11 2008. 4 15 기술지도 무
12 2008. 4. 18 기술지도 무
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기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건2. : 162. : 162. : 162. : 16
NO. 일자 구체적 내용 증빙유무
1 2007.2.13 노즐설계 관련 설계 및 제작방법 유
2 2007.6.4수분무 장치 자료의 수집 현황 및
관련 자료 수집계획 수립유
3 2007.6.15 에 관한 기술 현황water atomization 유
4 2007.7.5 수분무 공정 설계도 유
5 2007.10가스분무 아토마이져 설계 및Mg
합금설계유
6 2007.13 아토마이징 기술 검토 유
7 2007.7.16 마그네슘 분말제조 방안 교육 유
8 2007.18 마그네슘합금 용해 조건 교육 유
9 2007.7.24압출성형공정 을 이용한SPS+ , Can
복합분말제조유
10 2007.8.16 시 문제점 보안Canning 유
11 2007.8.21기술 대체를 위한 가스분무milling
기술의 가능성 검토유
12 2007.8.23합금에 및 첨가 시Mg-Zn-Y Si Ca
예상되는 특성변화 모합금 제조방법,유
13 2007.9.6아토마이져를 이용하여 제조된
마그네슘 분말 분석결과유
14 2007.10.18가스분무를 이용한 합금Al-Zn-Mg
분말의 제조유
15 2007.11.3 합금 분말의 성형프로세스Al 유
16 2007.11.4 표면처리기술 유
교육훈련 건교육훈련 건교육훈련 건교육훈련 건3. :3. :3. :3. :
NO. 일자 구체적 내용 증빙유무
1 2008. 04. 15 합금 분말 제조Al 유
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시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건4. : 1,2504. : 1,2504. : 1,2504. : 1,250
NO. 일자 구체적 내용 증빙유무
1 2008.1.18 분석SEM, EDS유
내부기자재 사용( )
2 2007.2.13 분말초기 산화도 분석Mg 유
3 2007.4.4분말의 산화막 두께 분석 및
촬영TEM유
4 2007.8.17탈가스 시간에 따른 합금의 특성
변화 관찰유
5 2007.10.18 입도 분석유
내부기자재 사용( )
6 2007.11.13 분석BSE image SEM 〃
7 2007.5.30 분석XRD 〃
8 2007.7.24 경도 측정 〃
9 200.1.18 밀도 측정 〃
기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건5. :5. :5. :5. :
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목 차목 차목 차목 차
제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111
제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성1111
알루미늄합금 분말의 개요알루미늄합금 분말의 개요알루미늄합금 분말의 개요알루미늄합금 분말의 개요1.1.1.1.
지원기업 현황 및 에로기술지원기업 현황 및 에로기술지원기업 현황 및 에로기술지원기업 현황 및 에로기술2.2.2.2.
제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222
제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333
제 장 국내외 기술 현황제 장 국내외 기술 현황제 장 국내외 기술 현황제 장 국내외 기술 현황2222
제 절 국내 기술수준 및 동향제 절 국내 기술수준 및 동향제 절 국내 기술수준 및 동향제 절 국내 기술수준 및 동향1111
국내 기술개발 현황국내 기술개발 현황국내 기술개발 현황국내 기술개발 현황1.1.1.1.
제 절 국내외 시장 규모제 절 국내외 시장 규모제 절 국내외 시장 규모제 절 국내외 시장 규모2222
해외 금속분말 산업현황해외 금속분말 산업현황해외 금속분말 산업현황해외 금속분말 산업현황1.1.1.1.
해외 경량금속분말 산업 현황해외 경량금속분말 산업 현황해외 경량금속분말 산업 현황해외 경량금속분말 산업 현황2.2.2.2.
국내 분말 산업현황국내 분말 산업현황국내 분말 산업현황국내 분말 산업현황3.3.3.3.
제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333
제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111
수분무 장치 설계수분무 장치 설계수분무 장치 설계수분무 장치 설계1.1.1.1.
합금 제조 기술합금 제조 기술합금 제조 기술합금 제조 기술2. Al2. Al2. Al2. Al
제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222
가스분무 실험가스분무 실험가스분무 실험가스분무 실험1.1.1.1.
수분무공정 장치 및 요염방지 기술수분무공정 장치 및 요염방지 기술수분무공정 장치 및 요염방지 기술수분무공정 장치 및 요염방지 기술2.2.2.2.
분말의 기초 특성평가분말의 기초 특성평가분말의 기초 특성평가분말의 기초 특성평가3.3.3.3.
합금분말 성형체 제조합금분말 성형체 제조합금분말 성형체 제조합금분말 성형체 제조4. Al4. Al4. Al4. Al
제 장 목표달성도 및 관련 분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련 분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련 분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련 분야에의 기여도4444
제 장 기술지원 결과의 활용 계획제 장 기술지원 결과의 활용 계획제 장 기술지원 결과의 활용 계획제 장 기술지원 결과의 활용 계획5555
부록부록부록부록: RESEARCH REPORT(IPMS): RESEARCH REPORT(IPMS): RESEARCH REPORT(IPMS): RESEARCH REPORT(IPMS)
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제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111
제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111
고기능을 갖는 부품의 다양한 응용은 분말제조 기술에 있어서도 그 기능에PM○
맞는 특성을 갖도록 새롭게 고안되어져야 함 국내에서도 분말제조 기술이 연구되.
고 일부 업체에서 분말이 생산되지만 단순기능을 갖는 부품만을 생산하고 있는 실단순기능을 갖는 부품만을 생산하고 있는 실단순기능을 갖는 부품만을 생산하고 있는 실단순기능을 갖는 부품만을 생산하고 있는 실
정정정정....
본 연구원에서는 그 동안 비정질계 합금을 비롯하여 계 합금Cu, Al, Zn, Ti, Mg○
그리고 다양한 복합재료를 소결 및 압출 등의 제조Gas and Centrifugal Atomizer,
기술로 연구를 수행 진행 중 임 또한 각 분말의 고기능 특성에 맞도록 제조 장치, .
를 개량 연구하였고 실험용 크기의 장비가 아닌 공장규모의 장비를 제작하여 업체,
연구소 기타 대학에 분말제조기술을 보급하였음, .
본 연구소의 연구원들은 분말제조장치를 이용하여 새로운 선진 기술의 개발과○
공급을 진행해온 고급인력일 뿐만 아니라 연구결과를 국 내외 학술지와 학술 회의ㆍ
에 발표하였고 국 내외에 여러 특허를 출원하여 보유하고 있음 이들 기술내용은.ㆍ
아래와 같다.
고기능성 열전재료 분말제조 기술(1)
밀도차 중력편석에 대한 교반 및 용탕처리 기술(2) ,
저융점 고융점 분말제조 기술(3) ,
분말의 크기에 따른 노즐설계 기술(4)
분말의 형상변형에 따른 새로운 제조공정 도입(5)
초급속 냉각에 따른 분말 특성 변화 기술(6)
분말의 가공처리 기술(7)
년대 가 급속응고에 대한 연구결과를 발표한 이후 최근 급속응1960 P. Duwez ,○
고에 대한 기초과학적인 연구와 공학적인 연구가 매우 광범위하게 수행되고 있음.
즉, 금속용탕을 급속응고 시키면금속용탕을 급속응고 시키면금속용탕을 급속응고 시키면금속용탕을 급속응고 시키면 조직의 미세화와 균일화 고용한의 증가 및 준 안,
정상의 생성 등 많은 재질적 특성을 얻을 수 있어 재질이 우후한 금속소재를 개발많은 재질적 특성을 얻을 수 있어 재질이 우후한 금속소재를 개발많은 재질적 특성을 얻을 수 있어 재질이 우후한 금속소재를 개발많은 재질적 특성을 얻을 수 있어 재질이 우후한 금속소재를 개발,,,,
할 목적으로 많은 연구가 이루어지고 있음할 목적으로 많은 연구가 이루어지고 있음할 목적으로 많은 연구가 이루어지고 있음할 목적으로 많은 연구가 이루어지고 있음....
- 14 -
급속응고법에는 과 같이 냉각매체의 높은 열전도도를 이용한 방melt spinning○
법과 과 같이 액상의 크기를 미소화시켜 비표면적을 크게 하고 액상atomization ,
을 용용점이하로 크게 과냉시킨 후에 응고시키는 방법 등이 있음.
분사 법은 액상금속에 외부로부터 기계적인 에너지를 가하여 분말을(atomization)○
제조하는 공정 이 방법은 구형의 분말을 대량 생산 할 수 있는 장범이 있기 때문.
에 금속 분말의 제조에 있어서 가장 널리 이용되고 있음 액체 금속에 기계적 에너.
지를 전달하는 매체의 종유에 따라서 가스분사법 수 분사법으로 분류, ( ) .水
종래 법으로 얻을 수 있는 냉각속도는atiomization 10○2~10
4정도로 급속K/sec
응고 소재의 제조에는 부적합하였으나 최근 사의Pratt & Whitney aircraft R.S.R
법이나 의 등에 의해서는, M.I.T. ultrasonic gas atomizer 104~10
6의 냉각속K/sec
도를 얻을 수 있었으므로 이에 의한 급속응고소재가 개발되기 시작, .
또한 최근 을 비롯하여 다른 연구진에서도 보다 균일하고 빠른 냉각T.W. Clyne○
속도를 얻기 위해 평균 입도 까지의 미세분말을 양산하기 위한 방법도 연10~15㎛
구 한편 국내에서도 급속응고에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나 대부분. . melt
법에 의한 기초과학적인 연구에 국한하고 있을 뿐 급속응고 분말의 제조spinning
나 이의 응고과정과 조직해석에 대한 연구결과는 거의 발표된 바가 없음.
따라서 본 지원사업에서는 급속응고 소재개발을 위한 첫 단계로 급속응고용○
를 제작하고 시의 조업변수가 분말의 입도 분포 입형water atomizer , atomization ,
및 조직에 미치는 영향을 실험적으로 조사하여, 급속응고에 의한 미세분말의 제조급속응고에 의한 미세분말의 제조급속응고에 의한 미세분말의 제조급속응고에 의한 미세분말의 제조
및 기술 창출을 목적으로 함및 기술 창출을 목적으로 함및 기술 창출을 목적으로 함및 기술 창출을 목적으로 함
- 15 -
알루미늄 합금 분말의 개요알루미늄 합금 분말의 개요알루미늄 합금 분말의 개요알루미늄 합금 분말의 개요1.1.1.1.
최근에는 분말 공정이 기존의 활발하게 응용되고 있는 자동차 부품과 전자부품○
의 기능통합화로 인한 다기능 부품 등에 대응할 수 있기 때문에 그 수요의 범위가다기능 부품 등에 대응할 수 있기 때문에 그 수요의 범위가다기능 부품 등에 대응할 수 있기 때문에 그 수요의 범위가다기능 부품 등에 대응할 수 있기 때문에 그 수요의 범위가
점차 확대점차 확대점차 확대점차 확대되고 있을 뿐만 아니라 생체용 재료 에너지 전환 부품 및 지능형 로봇과,
같은 첨단소재를 이용한 고성능 고정밀의 혁신 정형 부품 분야로 그 응용 범위가고성능 고정밀의 혁신 정형 부품 분야로 그 응용 범위가고성능 고정밀의 혁신 정형 부품 분야로 그 응용 범위가고성능 고정밀의 혁신 정형 부품 분야로 그 응용 범위가,,,,
점차 확대점차 확대점차 확대점차 확대되어 가고 있음 따라서 분말 산업 분야는 모든 산업 전반에 걸쳐 많은.
부분에 응용되고 있을 뿐만 아니라 그 중요성이 증가하고 있다고 할 수 있음.
자동차용 분말부품자동차용 분말부품자동차용 분말부품자동차용 분말부품< >< >< >< >
전자기용 분말부품전자기용 분말부품전자기용 분말부품전자기용 분말부품< >< >< >< >
공구 금형용 분말부품공구 금형용 분말부품공구 금형용 분말부품공구 금형용 분말부품< / >< / >< / >< / >
그림 경량 고강도화가 가능한 산업용 분말 부품 응용의 대표적 예그림 경량 고강도화가 가능한 산업용 분말 부품 응용의 대표적 예그림 경량 고강도화가 가능한 산업용 분말 부품 응용의 대표적 예그림 경량 고강도화가 가능한 산업용 분말 부품 응용의 대표적 예1-1.1-1.1-1.1-1.
계 분말야금 제품은 급속응고나 기계적 혼합공정이 도입됨으로써 기존 주조Al ,○
법으로는 불가능하였던 편석효과의 제거 과포화고용으로 인한 석출경화 효과의 극,
대화 다양한 분산강화효과 등으로 인하여 매우 균일하고 미세한 미세구조를 가지,
며 이로 인한 장점은 다음과 같음, .
- 16 -
소결제품의 장점Al○
높은 비강도 및 연성.◦
우수한 부식저항성 해수제외 과 열 전기 전도( )◦ ㆍ
소결후 연성이 좋으므로 와 가 우수machinability workability◦
비자성 및 가공성◦
낮은 마찰계수와 우수한 내구성◦
다양한 표면처리와 기능성 향상◦
인체에 유해하지 않음◦
이러한 우수한 장점으로 인하여 현재 분말제품은 주로 상업용 기계시장에 널Al○
리 사용되고 있으며 자동차 부품 항공분야 전력 부품 구조용재료 등 다양한 분, , , ,
야에 시장이 확대되고 있는 실정. 산업별로 크게 나누어서 내소모성 상품 산업 기산업별로 크게 나누어서 내소모성 상품 산업 기산업별로 크게 나누어서 내소모성 상품 산업 기산업별로 크게 나누어서 내소모성 상품 산업 기,,,,
계와 장치류 산업 수송산업 건축산업 항공방공산업 전기업등에 소결 제품이계와 장치류 산업 수송산업 건축산업 항공방공산업 전기업등에 소결 제품이계와 장치류 산업 수송산업 건축산업 항공방공산업 전기업등에 소결 제품이계와 장치류 산업 수송산업 건축산업 항공방공산업 전기업등에 소결 제품이, , , , Al, , , , Al, , , , Al, , , , Al
사용 각 산업별 제품의 종류를 보면사용 각 산업별 제품의 종류를 보면사용 각 산업별 제품의 종류를 보면사용 각 산업별 제품의 종류를 보면....
내소모성 상품내소모성 상품내소모성 상품내소모성 상품①①①①
주로 의 경량성을 장점으로 삼은 제품 냉장고 건조기 접Al . , Aircondition, , Ranges,
시딱기, Water heaters Food preparation and Handling equipment Laundry &
진공청소기Dry cleaning Equipment, Disposal units, Sewing Machines, , Hand
Irons, Fans, Heating devices, Cooking & Food Appliances, Shaves, Hair
dryers, Waxes, Floor Sanders Utensils, Kitchen, Tools and Gadgets, Art &
Decorative Products, Cutlery Ironing Boards, Qutdoor, Office and Home
furniture, Institutional fixtures, Bassinet, Baby Furniture, Pleasure Boat,
Sporting Athletic and Photographic equipment, Power and Hand Tools, Lawn
& Garden Tools.
기계와 장치류기계와 장치류기계와 장치류기계와 장치류②②②②
의 훌륭한 기계가공성 대기와 산업화학 물질에 방식성 비자성을 이용 사다리Al , , ,
현금계산기 등의 사무실용 설비, Computer Professional scientific Appatus and
기계류 과Equipment, Agricultural, Constructional, Mining and Irrigational Crane
같은 특수 산업 분야Conveyer Materials Handling & General Purpose machinery
의 기계류 난방과 석유화학 요업산업에 이용Central Air Conditioning Equipment ,
되는 기계류
수송기관 산업별수송기관 산업별수송기관 산업별수송기관 산업별③③③③
앞에서 나열된 의 모든 장점이 다 이용됨 와Al . Passenger Automobiles, Bus Truck
와 해운과 철도수송기관등의 장치Tractor Trailes,
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건축과 건설분야건축과 건설분야건축과 건설분야건축과 건설분야④④④④
주택의 경우 창문 방문: , , Screen, Siding, Roofing, Builders, Hard ware,
등에 이용되며 상업용 건물 창문 문Downspout , : , , Store front, Curtain wall,
Panel, Roofing, Elevators
항공과 군수산업분야항공과 군수산업분야항공과 군수산업분야항공과 군수산업분야⑤⑤⑤⑤
의 특성인 높은 중량비 강도와 내식성이 항공 방공 산업에 이용되고 비강도와 내Al
식성에 좋은 기계가공성이 군사장비부품에 이용 상업용과 군사용 비행기 미사일. , ,
탄약과 총기류의 특수 군사 장비Tank,
전기산업전기산업전기산업전기산업⑥⑥⑥⑥
열과 전기의 우수한 전도도 경량성 내식성 비자성등이 장점으로 이용됨 발전기, , , . ,
Conductor and Cable lines, Transmission & Distribution Equipment, Electric
항공 방공 산업과 전기산업이 국가적 차원Communication and Light Equipment
에서 차지하는 비중이 크므로 소결부품으로 대체하면 파급효과가 상당히 클 것으Al
로 기대.
재료분야에서 분말의 최초의 사용은 산화물 분산강화된 소결품 이었Al Al (SAP)○
고 상온 기계적 특성이 낮았으나 이상에서 크리프저항성이 우수 현재, , 200 . Al℃
분말제품들은 초고강도 높은 크리프 저항성을 위해 금속응고 기술이나 금속계 복, ,
합재료 등이 시도되고 있으나 이 어렵고 추가적인 단조나(MMC) , near-net-shaping ,
기계가공이 요구되어 가격이 높아 일부 우주항공분야에만 적용되고 있는 실정 저.
가격 경량화가 중요한 설계인자인 자동차산업에 이러한 기술 및 제품들이 적용되,
기 위해서는 분말야금의 장점인 이 가능하도록 기술적 한계 극복near-net-shaping
이 필요.
지원기업 현황 및 애로기술지원기업 현황 및 애로기술지원기업 현황 및 애로기술지원기업 현황 및 애로기술2.2.2.2.
대부분의 금속 분말의 경우 고부가가치 재료이기 때문에 각종 산업분야에 수요○
규모가 크고 동시에 성장이 매우 밝다 이러한 시장규모 확대에 우려되는 부분은.
미분체의 경우 입도제어가 용이하지 않고 생산성이 저하되며 산화 등 오염에 쉽게, ,
노출될 수 있고 조성에 따라 발화가능성이 크기 때문에 합금 분말의 질뿐만 아니,
라 체계적인 생산시스템의 구축이 아주 절실함.
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주 하나닉스는 가스분무법을 이용한 마그네슘 등 합금분말전문 제조회사로서( ) ,○
그림 의 가스 아토마이져 장비를 보유하고 있으며 아토마이징 기술 가스 및 수1-2 (
분무공정 을 이용하여 다양하고 경제적인 합금분말 생산에 주력하고 있음) .
그러나 가스 분무 및 수분무 공정 중 분말의 특성을 좌우하는 공정제어기술의○
확보가 부족하며 합금 분말을 제조 및 성형하는데 있어서 구체적인 요소 탈가, Al -
스 성형공정 성형요소 특성평가 등의 확보가 용이치 않다 또한 발화성 금속 분, , , - .
말을 제조함에 있어 분말제조과정과 제조 후 분말회수 분급 및 포장공정도중 급격,
한 산소와의 접촉으로 인한 발화 및 정전기 발생으로 인한 폭발가능성의 위험을 갖
고 있다 그림 은 가스 아토마이져 모식도이다 그림 에서 보이는 가스 아. 1-3 . 1-3
토마이져 가스 분무법 는 노즐과 용융스트립의 거리가 분말제조 공정 시 중요한 변( )
수로 작용하게 된다 따라서 분말제조 공정에 적합한 최적의 노즐 설계 기술이 요.
구된다.
그림 주 하나닉스의 생산설비 가스아토마이저그림 주 하나닉스의 생산설비 가스아토마이저그림 주 하나닉스의 생산설비 가스아토마이저그림 주 하나닉스의 생산설비 가스아토마이저1-2. ( ) -1-2. ( ) -1-2. ( ) -1-2. ( ) -
- 19 -
현재 순 분말 단독 아이템으로는 회사의 미래 비젼 창출이 어려워 고부가가Mg ,○
치의 합금분말의 제조 및 부품제조기술 확보를 일부 수행하고 있다 또한 합Mg . , Al
금분말 및 합금분말에 관한 사업영역의 확대도 시도하고 있다 그러나 중소Cu, Fe .
기업의 여건 상 연구개발 인력 투자 설비 등의 한계 때문에 그 진척이 미진한 형, ,
편이다 따라서 선진기술보유기관과 한국생산 기술연구원의 지원이 필수불가결하.
다.
또한 효과적이고 신속한 개발지원을 위하여 해외 전문기관인 우크라이나, IPMS○
재료과학연구소 의 전문 인력과의 공동지원을 수행하여 수분무 기술을 활용한 다( ) ,
양한 합금분말 제조에 관한 기술 확보가 시급하다 또한 가스 분무공정의 개선에. ,
관한 내용을 검토 한다.
본 사업에서는 해외 전문기관인 우크라이나의 재료과학 연구소 와 아토마IPMS( ) [○
이징법에 의한 금속 분말 제조 및 성형기술 확보 에 관한 원천기술을 공동 연구를]
통하여 주 하나닉스에서 제조하고자 하는 발화성 금속분말의 입도 제어 및 표면안( )
정화를 위한 챔버 내부의 분위기 제어 분말의 입도에 따른 분말표면 산소함량제어,
에 대한 체계적인 기술을 지원하고 제품 요구에 적합한 입도의 높은 회수율 확보를
위한 분말표면의 노즐설계에 기술을 지원하여 분말제조공정에 관여하는 변수에 대
한 노즐설계 구축 및 합금분말의 정밀 성형기술을 지원 하고자 한다DB Al .
- 20 -
그림 가스 아토마이져 모식도그림 가스 아토마이져 모식도그림 가스 아토마이져 모식도그림 가스 아토마이져 모식도1-3. -1-3. -1-3. -1-3. -
- 21 -
제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222
수분무 공정을 정밀 제어하여 수 분무 기술 확보 및 합금분말의 입도와 특성 제○
어기술에 대한 원천기술을 도입하여 분말을 제조 할 수 있는 수분무공Al, Cu, Fe
정 기술을 확보하고자 한다.
기술지원의 목표 기술지원의 내용 기술지원범위
수분무 장치 설계 산업 스케일 장치기술 장치설계도 작성
수 분무 공정제어
분말제조(Al, Cu, Fe )분말제조기술
분말의 입도 및
형상제어
분말의 특성평가 분말의 입도 형상 조직평가, , 특성평가 및 해석 자문,
관련 기술 및 산업정보분석기술 및 산업정보
로드맵제공특서 사업성 등 분석,
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제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333
현재 주 하나닉스는 가스분무공정을 이용한 마그네슘합금분말 제조 및 판매가( )○
회사의 주 업무로서 이를 통한 영리활동은 규모에 적합하게 수행되고 있지만 본,
사업 고부가가치의 합금분말 제조 및 성형 착수 시 이를 뒷받침할 전문적인- -
연구 인프라가 부족한 형편이다.
본 지원의 목적은 알루미늄금속의 고청정 용해 기술 및 합금분말제조기술을 확○
보함에 있어서 재료의 특성 및 선진 연구현황 용해특성 분말제조기술 등에 대한, ,
기술지원을 집중적으로 실시하며 이를 통한 사업규모의 확대 및 신사업 창출에 대,
한 컨설팅과 정보자료의 수집 제공을 동시에 실시함에 있음.
연구인력 현재 박사연구원 명 석사연구원 명 분말제조 년 경력 명이: 1 , 1 , 20 2○
생산을 감독하고 연구개발을 수행하고 있어서 일반적인 중소기업 구조 상 개발인,
력은 충분하다 본 사업이 착수되면 전문 인력을 본 사업에 투입키로 하였으며 지. ,
원연구원에서도 연구 인력 인을 전담시켜 연구 지원의 효율성을 극대화하였다1 .
연구장비 중소기업의 사정 상 연구용 장비가 불충분하여 생산 장비에서의 시:○
행착오 및 신제품의 개발 제품의 특성향상에 아주 미진한 형편이다 따라서 본 사, .
업의 효과를 극대화하기 위해서는 예비실험을 위한 장비구축이 필요하다고 판단된
다 이는 현재 제작 중에 있으며 동시에 지원 연구원의 구축 장비를 활용하였다. , .
연구개발의지 및 지식 주 하나닉스와 지원연구원의 연구책임자는 합금분말의: ( )○
제조 및 성형공정을 전공하였으며 현재도 이 분야에서 집중적인 연구를 수행 중에,
있다 그러므로 연구개발을 수행함에 있어서 가장 빠른 시간내에 성과가 이루어지.
리라 판단된다.
구체적인 기술지원 내용을 살펴 보면 우선적으로 지원 계획을 주관 기관 및 우,○
크라이나 기술연구소 및 요청사의 규모와 현황에 적합하도록 수립하고 그에(IPMS) ,
따라 사업 수행을 효과적으로 수행하였음.
그에 대한 세부 계획으로 분무공정을 이용한 합금분말의 제조 및 분말야금기술,○
의 향상시키기 위해 가스분무 합금분말제조장치 그림 성형장치 그림( 1-4), ( 1-5)
등이 이용되었으며 연구인력 및 장치 인프라를 통하여 다음과 같은 세부사항이 지,
원되었다 그림 참조.( 1-6 )
- 23 -
수분무공정에 큰 노하우를 가지고 있는 우크라이나 의 기술을 확보하기 위IPMS○
하여 다양한 합금분말의 제조 및 성형기술을 보유하고 있는 한국생산기술연구원과,
연구원이 본 사업을 통하여 공동연구를 실시하고 그 과정 중에 확보한 관련IPMS ,
기술을 기업에 지원 하였음.
그 세부적 사항은 다음과 같다
합금분말 제조기술-
용탕 및 가스공급노즐설계 합금용해기술 입도제어기술 오염방지기술( , , , )
합금분말 성형기술 압출 소결기술- ( , )
특성평가기술 분말의 입도 형상 기계적 물리적 화학적 특성- ( , , , , )
관련합금 분말의 산업적 생산을 위한 장치의 설계기술-
관련산업의 동향 및 정보를 제시-
관련분야의 기술 및 산업로드맵 제시-
그림 고 청정 가스분무장치그림 고 청정 가스분무장치그림 고 청정 가스분무장치그림 고 청정 가스분무장치1-4.1-4.1-4.1-4.
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그림 스파크 플라즈마 성형장치그림 스파크 플라즈마 성형장치그림 스파크 플라즈마 성형장치그림 스파크 플라즈마 성형장치1-5.1-5.1-5.1-5.
- 25 -
그림 한 유라시아 사업을 통한 세부지원계획그림 한 유라시아 사업을 통한 세부지원계획그림 한 유라시아 사업을 통한 세부지원계획그림 한 유라시아 사업을 통한 세부지원계획1-6. .1-6. .1-6. .1-6. .
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제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222
제 절 국내 기술수준 및 동향제 절 국내 기술수준 및 동향제 절 국내 기술수준 및 동향제 절 국내 기술수준 및 동향1111
생산성이 우수한 법을 산업화에 적용할 경우에는 주조품이나 단조품에P/M Al○
비해 제조공정이 단축되고 약 정도의 원가절감이 가능하며 소결성이 좋은20% ,
분말의 경우는 미국의 유럽의 등에서 상업premixed Alcoa, Alcan, Eckart-Werke
적으로 대량생산하고 있음 그런데 경량 내식성 등의 장점에도 불구하고 법에. , P/M
의한 부품생산은 연간 약 정도로 전체 분말생산의 약 정도에 지나Al 1500tons Al 1%
지 않고 주 용도는 유기화학산업 야금산업 에나멜 페인트의 도료 로켓추진화약, , ,
등으로 그 이유는 단위중량당 분말이Al 철계 분말보다 약간 비싸고 소결시에 발생철계 분말보다 약간 비싸고 소결시에 발생철계 분말보다 약간 비싸고 소결시에 발생철계 분말보다 약간 비싸고 소결시에 발생
되는 기술적인 문제점들에 기인함되는 기술적인 문제점들에 기인함되는 기술적인 문제점들에 기인함되는 기술적인 문제점들에 기인함....
하지만 년대 들어 전세계적으로 기계공업의 발달과 함께 기계구조 부품에2000○
대한 가공 기술은 발전을 해왔으며 특히 분말야금 기술은 기계구조 부품의 많은, ,
가공기술 중에서도 소형구조부품을 대량 생산하는데 있어 가장 경제적인 기술이라
는 점에서 자동차 부품이나 가전기기 부품 등과 같은 부품제조 산업에 많이 응용되
었고 특히, , 미국 일본 등의 선진국에서는 자동차 산업의 발달과 함께 분말야금산미국 일본 등의 선진국에서는 자동차 산업의 발달과 함께 분말야금산미국 일본 등의 선진국에서는 자동차 산업의 발달과 함께 분말야금산미국 일본 등의 선진국에서는 자동차 산업의 발달과 함께 분말야금산,,,,
업이 크게 발전하였음업이 크게 발전하였음업이 크게 발전하였음업이 크게 발전하였음....
최근 선진국을 중심으로 분말야금 제품의 제반 특성을 더욱 향상시키기 위해 분○
말야금제품의 고밀도화 고강도화 와 관련한 신기술의(high density), (High strength)
개발 및 응용연구에 노력하여 근년에는, Powder forging, Cold isostatic press,
등과 같은 기술이 개발 중이거나 실제 분말 야금업계 등에Hot isostatic pressing
폭넓게 활용되고 있음.
현재 북미의 자동차는 엔진과 기어 박스 부품부터 나mirror supports seat belt○
에 이르기까지 약 여 가지의 부품을 현재 사용 일본과 유럽의 자동차lock 1000 PM .
들도 부품의 사용이 날로 증가하고 있는 추세 또한 북미지역에서는 부품의PM . PM
결함과 절삭성 향상 그리고 컴퓨터 시뮬레이션을 시행하고 있으며 독일과 영국에서
는 초급속 냉각과 성형법 개발 그리고 고속도 공구강 분사용착 분무피복을 법, , PM
으로 개발하고 있음 특히 일본은 자동차산업과 전자산업의 발전으로 폭발적인 수.
요와 이에 따른 법의 개발로 세계에서 가장 발전된 분말기술을 보유 부품의 다PM .
양화와 함께 그 분말의 생산방법과 형상 그리고 크기에 따른 특성변화에 대한 연구
가 활발히 이루어지고 있는 상황임.
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외국의 기술개발의 연구사례를 간단히 살펴보면 다음과 같다외국의 기술개발의 연구사례를 간단히 살펴보면 다음과 같다외국의 기술개발의 연구사례를 간단히 살펴보면 다음과 같다외국의 기술개발의 연구사례를 간단히 살펴보면 다음과 같다....○○○○
미국 부품의 결함 부품의 적삭성 향상 공정에 대한- PM , PM , PM computer model
개발
독일 분말의 제조 및 가공 초급속 냉각 분말제품의 특성유지를 위한 성형방법의- ( ,
개발 고온 강도를 갖는 초경합금 향상된 고온강도의 합금개발), ( Al )
영국 고속도 공구강 분말야금 공정에 적합한 새로운 조성의 연구 급냉응고 분- ( ),
말 최적의 공정개발 분무금속분말 분사용착 피복 단조 등에 대한 새( atomization ), ( , ,
로운 공정개발)
국내 기술개발 현황국내 기술개발 현황국내 기술개발 현황국내 기술개발 현황1.1.1.1.
년대말 초경합금산업을 시작으로 싹튼 국내의 분말야금산업은 년대1960 70-80○
에 이르러 가전 및 자동차 산업의 성장과 함께 그 영역을 일반 소결기계부품 다이,
아몬드 공구 및 훼라이트 부품등으로 크게 확대 특히 년대 후반에 이르러서는. 80
각종 비철계 원료분말 생산 및 분말야금 설비산업도 구축되었으며 최근에는 다양한
관련 신소재부품도 생산하기에 이르렀음PM .
특히 각각 세계 위권으로 진입한 자동차 및 가전분야에서의 큰 부품수요5-6 PM○
에 힘입어 우리의 분말야금 산업은 명실상부하게 세계 위권에 진입 하지만10 . , PM
의 생산에 있어서는 주 창성이 국내 최초로 양산 설비에서 대량의 구형가스 분사( )
금속분말을 제조하기 시작한 이래 관련제품 수입대체로 년 기준 천불20,000(2006 )
을 거두고 있는 정도임.
연구기관으로는 과 그리고 본 한국생산기술연구원에서 연구하고 있KIMM KIST○
음 국내에는 극소수의 분말생산업체가 있고 부품 제조는 일부 업체에서만 이루. PM
어지고 있고 주요 분말은 주로 일본 케나다 그리고 미국에서 수입에 의존하고EU, ,
있음 그리고 국내에서 생산되는 분말제조는 축적된 고급기술의 부재와 사업의 영.
세성 때문에 수급에 제한 일부 정밀 자동차용. 부품은 수입에 의존하고 있으므부품은 수입에 의존하고 있으므부품은 수입에 의존하고 있으므부품은 수입에 의존하고 있으므PMPMPMPM
로 고기능성분말의 생산이 긴요한 시점에 있음로 고기능성분말의 생산이 긴요한 시점에 있음로 고기능성분말의 생산이 긴요한 시점에 있음로 고기능성분말의 생산이 긴요한 시점에 있음....
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우리나라의 분말제조 기술은 분말제조역사에 비해 많은 발전이 이루어져 있으○
나 외국에 비하여 아주 미비 그 원인으로는 첫째로 설비의 미비보다는 축적된 고, .
급기술이 크게 미비 한데 그 원인으로 사료 분말제조업체는 소규모의 영세기업으.
로선 자체개발을 위한 기술을 확보하는데 큰 어려움이 있음.
국내 알루미늄 분말 생산이 어려운 이유는 알루미늄소결공정에 있어 제일 핵심○
적인 문제는 소결분위기 및 소결 후의 열처리조건 확립에 있음 그러나 관련분야인.
철계 및 동계분말의 경우와는 달리 조업조건이 매우 까다롭고 생산제품의 기계적조업조건이 매우 까다롭고 생산제품의 기계적조업조건이 매우 까다롭고 생산제품의 기계적조업조건이 매우 까다롭고 생산제품의 기계적
특성 및 품질관리에 관한 기술난이도가 높음특성 및 품질관리에 관한 기술난이도가 높음특성 및 품질관리에 관한 기술난이도가 높음특성 및 품질관리에 관한 기술난이도가 높음.... 그러므로 품질의 가장 큰 영향을 미
칠 수 있는 분말의 최종 입도 미세조직 산화도 등의 특성이 매우 중요함Al , ,
따라서 수분사법을 이용하여 신제품을 개발하고 이를 산업화하기 위해서는 수분○
사법 기술의 발전뿐만 아니라 기계설계기술 공정제어기술 기계가공기술 등 여러, ,
분야의 전문 인력이 함께 공동연구를 수행하여야 하며 특히 학 연 산 협동연구를ㆍ ㆍ
활성화하여야 할 것이다 우수인력 확보상 산업체가 안고 있는 중소기업의 핸디. PM
갭은 보다 더 효율성 있는 분야의 산학연 협동을 통해서 개선될 수 있을 것이PM
다.
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제 절 국내 외 시장규모제 절 국내 외 시장규모제 절 국내 외 시장규모제 절 국내 외 시장규모2222 ㆍㆍㆍㆍ
해외 금속분말산업 현황해외 금속분말산업 현황해외 금속분말산업 현황해외 금속분말산업 현황1.1.1.1.
그림 미국분말제품의 응용 분야별 비중그림 미국분말제품의 응용 분야별 비중그림 미국분말제품의 응용 분야별 비중그림 미국분말제품의 응용 분야별 비중2-1.2-1.2-1.2-1.
미국의 구조용 소결부품의 주요 용도별로 구성 비율을 보면 위의 그림과 같이○
가 자동차 부품으로서 수위를 차지하며 분말야금 제품이 차지하는 총 중60~75% ,
량은 대개 인 것으로 알려져 있음 그림10~30 ( 2-1).㎏
자동차 부품으로 사용되는 구조용 제품의 경우 자동차 부위별로 엔진부 구PM ,○
동부 샷시부 등의 순서로 이들 주요 부위가 전체의 약 를 차지하고 있으며, 90% ,
대부분 금속소재로 이루어져 있음 최근 들어 경량화 추세에 따라 이들 제품의 소.
재를 등으로 대체하는 시도가 소수 대기업을 중심으로 적극적으로 시도되고Al, Mg
있으며 년 이후 금속소재를 이용한 부품의 소비 시장이 배 이상 증가하였, 90 PM 2
음.
해외 경량분말산업 현황해외 경량분말산업 현황해외 경량분말산업 현황해외 경량분말산업 현황2.2.2.2.
최근 에너지 자원의 고갈과 환경오염 등에 의한 지구 온난화 문제가 심각해짐에○
따라 수송기기 특히 자동차의 경량화에 대한 요구가 급속히 증대되고 있으며 따라,
서 자동차 산업에서 알루미늄 마그네슘 및 티타늄 합금의 사용이 획기적으로 증가,
할 것으로 예상.
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전 세계적으로 볼 때 자동차 제조용 원료 분말로서 알루미늄의 소비량이Part○
년에 비해 최근의 경우에는 약 배 가까이 증가하고 있음을 알 수 있고 아울1985 2 ,
러 구조용 소결 부품의 생산량도 함께 증가하고 있다 그림 미국 사의. ( 2-2) Alcan
보고에 의하면 현재 자동차에 사용되고 있는 알루미늄은 대당 이지만 년11 2005㎏
에는 으로 증가될 것으로 예측하고 있으며 년경에는 차량 한 대당160 , 2010㎏
수준에 이르는 자동차도 대량 생산될 것으로 예측300~400 .㎏
그림 미국의 자동차 재료 사용량 변화 및 소재 소비 성장률그림 미국의 자동차 재료 사용량 변화 및 소재 소비 성장률그림 미국의 자동차 재료 사용량 변화 및 소재 소비 성장률그림 미국의 자동차 재료 사용량 변화 및 소재 소비 성장률2-2.2-2.2-2.2-2.
차량에 사용되는 경량부품 중에서 고온 고하중을 감당하여야 하는 자동차 동력○ ㆍ
및 제동 장치 엔진부품과 알루미늄 주물품을 대체해야 할 고강도 알루미늄 분말재,
료의 사용량은 전체 알루미늄 사용량의 를 최소한 상회할 것으로 예상되며 이10% ,
때의 국내 시장규모는 년에 약 억원 년 년에는 약 조원 년 이상2005 5,000 / , 2010 1.2 /
일 것으로 예측.
또한 고강도 경량 분말 부품은 수송기기 뿐만 아니라 전자 및 항공 산업 분야에○
서도 기존의 용해주조합금 등을 대체할 것으로 예상되기 때문에 그 적용 분야는 급
속히 확대될 것으로 예측.
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국내 분말산업 현황국내 분말산업 현황국내 분말산업 현황국내 분말산업 현황3.3.3.3.
국내의 경우 년대 이후 용해 및 주조 등 일반적인 제조공정을 이용한 경량1980○
소재 개발에 대한 연구가 수행되고 있다 분말재료기술을 이용해서 경량 부품을 제.
조하는 연구로는 년대에 등에서 분무성형공정을 이용한 내열 내마1990 KIST, RIST
모 합금개발 연구 등에서는 합성법 등 신공정을 이용한 복합재료 개, KIMM in-situ
발에 관한 연구를 하여 왔지만 관련 연구의 대부분은 선진국의 연구를 뒤따르는 수
준에 머물고 있고 소재 특성의 한계 가격 경쟁력의 취약성 및 양산 기술의 미비로, ,
인하여 아직까지 상용화에 이르지 못하고 있음.
국내에는 현재 전자부품용 금속분말 분말 화학산업용 등의 분말시장이 형성, Mg ,○
되어 있지만 고강도 복합분말 시장은 형성되어 있지 않다 그러나 현재 합금, Al . Al
가공회사나 주조업체 등에서는 중국 등후진국의 급격한 기술개발에 의한 고부가가
치 업종전환이 시급한 형편이어서 경량 복합분말제조 및 성형기술의 개발을 통, Al
한 신업종 창출을 연구계나 정부에 많이 요구하고 있음.
국내 분말 야금기술은 년대를 시점으로 해서 일본의 경우와 거의 같은 발1960○
전의 흐름을 갖는 것으로 보이며 생산적인 측면에서 볼 때 의 총생산량, P/M part
면에서도 현재 국내 자동차 및 전자산업 발달과 함께 의 생산량이 현저히PM Parts
증가하고 있으며 향후 지속적인 증가가 예상됨.
한편 현재 국내 분말 야금기술 수준은 일본의 년대 초와 비슷한 수준으로서80○
기술력의 한계에 따른 소결 부품분야의 수입은 계속적으로 증가하고 있음 아울러.
만성적인 대일 부역 적자를 해소하기 위해서는 부품 소재 산업의 분말 산업분야의ㆍ
국내 역량강화는 필수적이라 할 수 있음.
분말제조기술은 일본 미국 등 선진국에서도 첨단산업으로 기술보호가 매우 철,○
저하여 선진국에서 기술을 이전받기 위해서는 막대한 비용을 지불해야 함 따라서.
국내의 분말야금업체는 매우 고가인 수입 분말에 의존하여 기술적 예속일 뿐 아니
라 경제적으로 어려움을 겪고 있으며 수입 분말의 양은 국내에서 부품의 수요, PM
의 증가에 따라 계속해서 수입량이 증가하고 있음.
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자동차등의 부품은 점차 고기능의 기계적 특성뿐만 아니라 경량화등을 요구하고○
있으므로 일반 주조법으로는 생산할 수 없는 복잡하고 특수한 기능을 갖는 부품을
얻기 위해서는 법에 의한 부품의 생산이 날로 증가할 것으로 전망되고 있음 따PM .
라서 축적된 고기능성 분말제조기술을 이용하여 국내 산업체가 생산 할 수 있도록
기술이전을 하는 것은 매우 중요하며 또한 분말산업의 윤성을 통하여 국내 수요뿐,
만 아니라 수출산업으로 발전 할 수 있음.
그림 국내 및 아시아 지역 분말 관련 산업현황그림 국내 및 아시아 지역 분말 관련 산업현황그림 국내 및 아시아 지역 분말 관련 산업현황그림 국내 및 아시아 지역 분말 관련 산업현황2-3.2-3.2-3.2-3.
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제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333
제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111
일반적으로 합금은 등의 원소 첨가 시 내부응력부식균열에 대한Al Cr, Zr, Cu○
저항성 개선되고 결정립의 미세화에 유효하다고 알려져 있으며 각종 강화원소를,
높은 농도로 용해할 수 있고 조직의 미세화가 가능한 급냉응고 효과를 지닌 분말야
금 공정을 이용하여 분말을 제조하였다 특히 급냉응고 분말야금법 중 수분무법은.
분말입자들을 가장 급격히 냉각시키고 분말의 대량생산이 가능한 공정이므로 수분
무공정 기술을 도입 하였다.
계 합금은 낮은 비강도 높은 경도 높은 탄성계수Al-Cu-Fe 4.5g/ , 6~10GPa,○ ㎤
높은 부식저항성과 내마모성 낮은 마찰계수와 열전도도로 인해 식품70~100GPa, ,
산업 마찰산업 항공산업등다방면의 분야에서 준결정 상을 이용한 코팅이 응용되고, ,
있다 합금 분말은 주조 시 준결정 상의 느린 확산으로 인해 준결정상과. Al-Cu-Fe
함께 형태의 상 상인, tetragonal Alβ ψ 2 로 인해 생성된 상이 함께 존재하게 된Cu θ
다 단일 준결정상만 얻기 위해서는 빠른 급냉응고 속도를 지닌 분말 제조기술이.
요구되며 와 같은 방법을 이용하여 준결정상이rapid casting, spinning, atomizer
제조되어 왔다.
따라서 냉각속도가 기존의 다른 분문법보다 우수한 수분무 공정을 이용하여 미○
세한 조직을 가진 합금 분말을 제조하고자 하였다 또한 최종 치수에 가깝게 성Al .
형하는 기술을 갖고 있어 추가적인 기계가공이 필요 없는 분말야near net shaping
금공정 중 방전 플라즈마소결 법을 이용하여 수분무로 제조된 합금 분말을 벌크Al
재의 성형체로 제조하였다.
기존의 문제시 되었던 수분무 공정의 폭발위험성과 알루미늄합금의 표면 산화○
문제가 본 지원사업을 통해 해결되었다 수소이온과 현탄액 온도를 조절하고 수압.
에 의한 입도분류 탈 수소공정을 이용해 폭발위험성이 없고 고품질의 알루미늄 합,
금 분말의 생산이 가능하게 되었다.
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수분무 장치 설계수분무 장치 설계수분무 장치 설계수분무 장치 설계1.1.1.1.
수분무법 은 분말 대량생산이 용이하여 철계 비철분말제조(Water Atomization) ,○
에 이용되어 왔으며 분말제조 프로세스 중 분무법 을 이용한 기존의, (Atomization)
다른 가스분무 원심 분무법 에 비해(Gas Atomization), (Centrifugal Atomization)
냉각능이 월등히 우수하다 그림 은 각종 분무법의 모식도이다 그림 에 표. 3-1 . 3-1
시한 바와 같이 가스분무법과 수분무법은 프로세스가 거의 유사하나 수분무법은 가
스분무법과 달리 분말을 급격히 냉각시키고 고압의 수분사로 인해 용융 스트립으로
부터 작은 형태의 분말로 빠른 이송이 이루어지는 특징을 갖고 있다 또한 가스분.
무법은 노즐과 용융 스트립의 거리가 중요한 인자인 반면 수분무법에서는 액체의
비압축성 성질로 인해 노즐과 용융스트립의 거리가 중요한 변수로 고려되지 않는
다 대신 압력에 의해 큰 영향을 받는다 고압일수록 분사 속도가 빨라져 최종적으. .
로 분말입자를 미세화 시킬 수 있다 원심분무법은 장비의 전압 회전속도에 주요한. ,
인자이기 때문에 높은 공진주기에 대한 적절한 컨트롤과 작업 상 주의해야 할 필요
가 있다 표 은 각각의 분말제조 공정 기술의 특성을 보여주고 있다. .3-1 .
표 분무법의 특성 비교표 분무법의 특성 비교표 분무법의 특성 비교표 분무법의 특성 비교.3-1.3-1.3-1.3-1
특성 가스분무법 수분무법 원심분무법
냉각속도, /s℃ 104
105
104
형상 구형 불규칙한 모양 구형
입도범위,㎛ 15~300 5~800 200~600
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그림 아토마이져의 개략도 및 전용 용해챔버 및 합금분말그림 아토마이져의 개략도 및 전용 용해챔버 및 합금분말그림 아토마이져의 개략도 및 전용 용해챔버 및 합금분말그림 아토마이져의 개략도 및 전용 용해챔버 및 합금분말3-1 .water- Al3-1 .water- Al3-1 .water- Al3-1 .water- Al
무도가니 용해장치와 가스분무장치를 결합한 활성금속 가스아토마이져를 제작하○
기 위하여 그림 에 제시된 바와 같이 설계를 실시하였으며 이때 용량은 기, 3-2 , Al
준 의 분무속도를 나타낼 수 있도록 하였음3Kg/min .
각 파트는 다음과 같이 구성되어 있음- .
소재상하이송이 가능한 서버모터A. AC 400W (0-10 /sec.)㎜
소재회전을 위한 모터B. AC speed con 800W (0-300 rpm)
소재이송챔버C. ( 400 × 450 H)Φ
용해챔버D. ( 780 × 7450 H)Φ
고주파 및 진공제어가 가능한 제어반E.
전용냉각장치 냉각팬 수압F. ( : 1 Hp- 780, : Max 5Kg/ )Φ ㎠
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그림 고주파 용해 및 가스분무기 설계도그림 고주파 용해 및 가스분무기 설계도그림 고주파 용해 및 가스분무기 설계도그림 고주파 용해 및 가스분무기 설계도3-2. Crucible-3-2. Crucible-3-2. Crucible-3-2. Crucible-ffffreereereeree
가스가 오른쪽 파이프라인을 통해 에어노즐 가운데 개의 볼트로 체결된 원형( 8○
부분 에 공급되며 이때 에어노즐의 가운데 홀 위치에 용탕공급노즐 내경 약) , , ( 2.5
로 변화 을 설치하였다 에어노즐을 통한 가스의 공급은 홀 주위의 미세한- 5 ) .㎜ ㎜
틈을 통해서 이루어지며 이때 가스분사 각도를 제어하기 위해 용탕공급노즐과 에,
어의 분사각도를 로 변화시키면서 최적의 분말 생산이 이루어질 수 있도10° - 20°
록 설계하였다 또한 가스 분사의 형태를 환형 및 홀형으로 각각 설계하여 가스노. , ,
즐의 형상은 물론 분사구 간극의 크기의 변화에 따른 합금분말의 형상 크기 생산, ,
량 등을 제어할 수 있도록 하였으며 홀의 개수 및 위치에 따른 분말제조 특성을,
확인할 수 있었다.
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합금 제조 기술합금 제조 기술합금 제조 기술합금 제조 기술2. Al- Cu-2. Al- Cu-2. Al- Cu-2. Al- Cu-FFFFeeee
주기적으로 규칙성을 갖고 배열되는 금속과는 달리 준결정상은 비주기적인 구조○
로 병진주기 성을 갖고 있지 않고 회전주기(translational sysmmetries) (rotational
성을 갖고 배열된다 이러한 회전주기에는 준결정sysmmetries) . , icosahedral,
구조 단위를 갖고 있다 병진 주기는 같은 방octagonal, decagonal, dodecagonal .
향의 원자들 사이에 변위가 있다 금속들은 주기적으로 배열된 면을 갖지만 준결정.
상은 비주기적으로 배열된 면을 갖고 있으며 비주기적인 특징에도 불구하고 매우,
규칙적으로 배열되어 있다.
표 에 본 과제에서 제조한 분말의 조성을 나타내었다 알루미늄 합금에3-2 . Mg,○
을 넣는 것은 그 중간상들에 의한 석출경화을 목적으로 첨가하나 와 의 첨Zn Mg Zn
가량이 증가하면 강도는 증가하지만 내부응력부식균열에 대한 저항성이 떨어지게
된다고 알려져 있다 따라서 내부응력부식균열에 대한 저항성을 개선과 내열성의.
개선목표로 원소를 첨가 하였다 강도는 다소 떨어지더라도Cr, Zr, Cu, Ti . Zn/Mg
비를 로 낮추었다 주조재에 원소 첨가하여 입자미세화 효과를 얻었다는 보1.8% . Zr
고가 있어 급냉응고를 이용해 제조한 합금에도 동일한 효과를 얻을 수 있으리라 예
상된다.
표 계 합금 분말의 조성표표 계 합금 분말의 조성표표 계 합금 분말의 조성표표 계 합금 분말의 조성표3-2. Al-3-2. Al-3-2. Al-3-2. Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu (wt-Cu (wt-Cu (wt-Cu (wt%%%%))))
Al Zn Mg Zr Ni Cr Ti Cu
89.94 5.4 3 0.5 0.19 0.17 0.2 0.6
합금분말을 제조하기위해 구리 분말을 직접 장입하Al-Zn-Mg-Zr-Ni-Cr-Ti-Cu○
고 Al-38Zn(wt%),Mg-Al37(wt%),Zr-Al-20(wt%),Ni-Al-45Ni-Cr-Al-20Cr(wt%),
의 모합금을 장입하였다 장입한 분말들을 크기로 절단하였으Ti-Al-20Ti(wt%) . 50㎜
며 용융시킨 금속을 로 가열시켰다 이때 수분사의 압력은 이1250~1300 . 10MPa℃
었으며 소비되는 물의 양은 이었다 물의 온도는 이내로 컨트롤하35 / . 5~10㎥ ㎏ ℃
였다.
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제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222
가스분무 실험가스분무 실험가스분무 실험가스분무 실험1.1.1.1.
가스분무 조건에가스분무 조건에가스분무 조건에가스분무 조건에 따른따른따른따른 분말의 입도 변화분말의 입도 변화분말의 입도 변화분말의 입도 변화1-1.1-1.1-1.1-1.
그림 는 를 을 가3-2 Gas to melt ratio 1.6, Jet and melt tip apex angle 15°,○
스압을 로 고정하였을 때 용해챔버의 내부압이 로부터 로2.0 MPa , 0.1 MPa 0.3MPa
증가함에 따라 분말의 입도가 증가함을 나타내고 있음.
그림 용해챔버 내부그림 용해챔버 내부그림 용해챔버 내부그림 용해챔버 내부압압압압력 변화에력 변화에력 변화에력 변화에 따른따른따른따른 평평평평균균균균입도 변화입도 변화입도 변화입도 변화3-2. ( )3-2. ( )3-2. ( )3-2. ( )㎛㎛㎛㎛
그림 는 가스분무량 및 용탕공급량의 비율에 따른 가스분무입자들의 크기의3-3○
변화를 고찰하기 위한 실험임 용탕공급량 가스분무량이 감소할수록. / (3.5 1.4)→
생산되는 입자의 평균 반경이 약 로부터 로 점차 미세해지는 것을 관찰할79 37㎛ ㎛
수 있음 이것은 용탕 단위 질량에 가해지는 가스의 충격에너지가 커지고 충분한. ,
가스공급으로 인해 액적의 냉각이 더욱 신속하고 충분하게 이루어질 수 있는 환경
을 형성하기 때문에 판단됨 그러나 생산성을 고려하면 용탕공급량을 감소시킬 경.
우 분말제조시간 가스분무시간 이 증가하여 분말 제조율이 감소되고 또한 가스의( ) ,
소비량도 증가하므로 분말의 질 이자의 크기의 감소 을 향상요소와 함께 고려하여( )
최적의 분말제조 조건을 도출할 필요성이 반드시 있음.
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그림 용탕공급량에 대한 가스공급량의 변화에그림 용탕공급량에 대한 가스공급량의 변화에그림 용탕공급량에 대한 가스공급량의 변화에그림 용탕공급량에 대한 가스공급량의 변화에 따른따른따른따른 평평평평균균균균입도 변화입도 변화입도 변화입도 변화3-3. ( )3-3. ( )3-3. ( )3-3. ( )㎛㎛㎛㎛
그림 은 노즐분사 각도에 따른 입도의 변화를 나타낸 그래프로서3-4 , 18.2°,○
로 각도가 증가 할수록 분사가스의 운동에너지가 증가하고 용탕줄기에23.5°, 31.3°
가해지는 충격에너지가 증가하여 입자는 미세하게 제조되고 있음을 확인할 수 있
음 또한 분사되는 불활성가스의 압력을 변수로 하여 실험해 보았을 때 가해지는. ,
압력이 증가할수록 입자는 미세해졌음 불활성 가스 중에서도 아르곤과 질소가스를.
사용하여 실험하였으며 그 결과 을 사용하였을 경우에 더 미세한 분말을 얻을, Ar
수 있었음 이는 의 경우 질소가스보다 질량이 높을 뿐만 아니라 불활성 특성도. Ar
우수하기 때문이라 판단되었다 분말의 크기가 갖는 평균편차는 입자가 미세한 분.
말일수록 편차는 적게 발생하는 것으로 나타났음.
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그림그림그림그림 노즐노즐노즐노즐분사각도 변화에분사각도 변화에분사각도 변화에분사각도 변화에 따른따른따른따른 평평평평균균균균입도 변화입도 변화입도 변화입도 변화3-4. ( )3-4. ( )3-4. ( )3-4. ( )㎛㎛㎛㎛
노즐노즐노즐노즐구조에구조에구조에구조에 따른따른따른따른 분말의 입도 변화분말의 입도 변화분말의 입도 변화분말의 입도 변화1-2.1-2.1-2.1-2.
표 은 분사압을 일정하게 하고 노즐 현상에 따른 입도의 변화를 관찰한 자료로1○
서 환형노즐보다는 홀형 노즐 홀형노즐에서는 홀의 수가 증가함에 따라 미세분말, ,
의 수율이 증가함을 알 수 있음 전체적으로 분말은 아주 뚜렷한 구형을 이루고. Al
있으며 표면이 매우 깨끗하고 위성형 분말의 부착을 전혀 발견할 수 없음 그림, (
산화에 의한 표면의 불건전성도 발견할 수 없었음3-5). .
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표표표표 노즐노즐노즐노즐구조에구조에구조에구조에 따른따른따른따른 입도 변화입도 변화입도 변화입도 변화3-3.3-3.3-3.3-3.
그림 합금분말의 형상그림 합금분말의 형상그림 합금분말의 형상그림 합금분말의 형상3-5. Al3-5. Al3-5. Al3-5. Al SESESESEMMMM
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수분무 공정 장치 및수분무 공정 장치 및수분무 공정 장치 및수분무 공정 장치 및 오오오오염방지기술염방지기술염방지기술염방지기술2.2.2.2.
그림 는 에 있는 수분무 공정의 장치 개략도이다 유도로에서 먼저 금3-6 IPMS .○
속을 용융시킨 후 용융된 금속의 균일화를 위해 고온에서 몇 분 동안 유지시킨다.
준비된 금속을 에 장입하고 나서 고압의 수분사의 제트에 의해 아토마이징tundish
챔버내의 노즐을 통해 분무된다 현탁액 이 냉각된 물보존 탱크에 유입. (Suspension)
되고 다시 현탁액 보존탱크에 의해 펌프되어 수압 분급기에 공급된다 자동시스템.
에 의해 현탁액의 온도와 수소이온의 을 자동 조절된다 현탁액 형태로 물과 같PH .
이 있는 분무된 금속은 진공분위기에서 여과 후 건조된다 여과 후 잔류된 수분은.
에서 의 양이 포함되었다 잔류된 수분을 건조시켜 수분의 함량30÷34wt% 7÷5wt% .
을 로 낮추었다 이때 사용한 수분사의 압력은 의 압력을 사0.05÷0.02wt% . 9.5MPa
용하였다 알루미늄 합금분말의 폭발 위험성과 품질을 높이기 위해 본 연구에서 컨.
트롤한 항목은 다음과 같다.
분산제의 안정화 약한 전해질을 포함한 다 분산계의 수용액의 사용- ,
현탁액의 온도 조절 수소이온 조절- ,
분무된 분말의 수압분급 에 의한 입도제어- (hydraulic size)
수분의 함량 최소화- (0.05 ÷ 0.02 wt%)
수 분무된 분말의 폭발위험성 문제와 분말의 산화를 문제가 약한 전해질의 사○
용 온도와 수소 이온 조절 수압분급에 의한 분말의 입도 제어 진공분위기에서 분, , ,
말의 건조 잔류된 수분의 함량을 최소화하여 해결 되었다, .
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그림 수 분무 공정의 개략도그림 수 분무 공정의 개략도그림 수 분무 공정의 개략도그림 수 분무 공정의 개략도3-6.3-6.3-6.3-6.
1) C1) C1) C1) Cooooooooleleleledddd water rewater rewater rewater resssserererervovovovoir (2)ir (2)ir (2)ir (2) RRRReeeeffffririririggggeratieratieratierationononon uuuunnnnit (3)it (3)it (3)it (3) HydHydHydHydrrrrogogogogeeeennnn iiiindndndndeeeexxxx
cccconononontrtrtrtrooooller (4)ller (4)ller (4)ller (4) HHHHiiiighghghgh-Pre-Pre-Pre-Pressssssssure waterure waterure waterure water ppppuuuumpmpmpmp (5)(5)(5)(5) IndIndIndInductiuctiuctiuction fon fon fon fururururnnnnace (6)ace (6)ace (6)ace (6)
AtAtAtAtomomomomiiiizzzziiiingngngng CCCChhhhaaaammmmber (6)ber (6)ber (6)ber (6) TTTTuuuundndndndiiiishshshsh (7) At(7) At(7) At(7) Atomomomomiiiizzzziiiing sysng sysng sysng systetetetemmmm ((((8888) At) At) At) Atomomomomiiiizzzziiiingngngng
cccchhhhaaaammmmber (ber (ber (ber (9999)))) SSSSuuuuspspspspeeeensnsnsnsiiiionononon rerereresssserererervovovovoir (1ir (1ir (1ir (10000)))) VVVVacuuacuuacuuacuum sm sm sm suuuuspspspspeeeensnsnsnsiiiion fon fon fon filter (11)ilter (11)ilter (11)ilter (11)
HydHydHydHydraulic claraulic claraulic claraulic classssssssiiiiffffier (12)ier (12)ier (12)ier (12) FFFFiiiinnnneeee ffffractiractiractiraction son son son suuuuspspspspeeeensnsnsnsiiiion fon fon fon filter (13) Ceilter (13) Ceilter (13) Ceilter (13) Cennnntritritritriffffuuuuggggalalalal
ppppuuuumpmpmpmp (14) water(14) water(14) water(14) water ffffilter (15)ilter (15)ilter (15)ilter (15) VVVVacuuacuuacuuacuum pm pm pm puuuumpmpmpmp (16)(16)(16)(16) VVVVacuuacuuacuuacuum dm dm dm drierrierrierrier
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분말의 기초 특성 분분말의 기초 특성 분분말의 기초 특성 분분말의 기초 특성 분석석석석3.3.3.3.
계 합금 분말계 합금 분말계 합금 분말계 합금 분말3-1. Al-3-1. Al-3-1. Al-3-1. Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu-Cu-Cu-Cu
표 는 수 분무된 합금의 분말 입도 분포이다 다양한 입도를3-4 Al-Zn-Mg-Cu .○
가진 분말이 제조되었으며 이하의 미세한 입도 크기를 가진 분말이 얻어졌으40㎛
며 수분무 공정의 함수로써 수 분사 압력을 을 이용 의, 50~105MPa , 900~1100℃
온도를 사용하였다 그러나 주어진 온도범위에서 현저한 차이는 관찰되지 않았다. .
표 는 수 분무된 합금 분말 특성을 나타내었다3-5 Al-Zn-Mg-Cu .
그림 은 분석 결과이다 수분무법으로 제조된 분말의 결정구조를 보여주3-7 XRD .○
고 있는데 그림에서 알 수 있듯이 순수한 알루미늄 상임을 확인하였다 수 분무a .
공정에 의해 고용체에 모든 원소들이 완전히 고용되었으나 적은양의Al Zn2 상이Mg
검출되었다 이는 높은 냉각속도에 기인한 것으로 판단된다 높은 냉각속도는 화학. .
적인 조성의 균일성은 가져오나 개별적인 분말 입자 내부의 균질화를 제공하지 못
한다 그림 은 본 과제의 공동 연구자인 의 논문에서 발췌한 것으로. 3-8 O.D.Neikov
본 조성과 비슷한 조성 을 가진 수 분무된(Zn:9wt%,Mg:3.0 wt%, Cu: 1.2wt%)
합금 분말을 성분 분석을 한 사진이다 성분을 분석결과 하Al-Zn-Mg-Cu EDX . EDX
부 그레인과 그레인바운더리에 와 의 농도가 로써 다른 원소Zn Mg 19~20, 24~25%
에 비해 높게 검출되었다 높은 와 원소 농도로 인해 조직의 미세화를 가져와. Zn Mg
조직이 없는 부분과 이하의 그레인을 갖고 있다100 .㎜
- 45 -
표 수 분무표 수 분무표 수 분무표 수 분무된된된된 합금의 분말 입도 분합금의 분말 입도 분합금의 분말 입도 분합금의 분말 입도 분포포포포3-4. Al-3-4. Al-3-4. Al-3-4. Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu-Cu-Cu-Cu
표 수 분무표 수 분무표 수 분무표 수 분무된된된된 합금분말 의 기술적인 특성합금분말 의 기술적인 특성합금분말 의 기술적인 특성합금분말 의 기술적인 특성3-5. Al-3-5. Al-3-5. Al-3-5. Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu (-Cu (-Cu (-Cu (0~800~800~800~80))))㎛㎛㎛㎛
입도 겉보기 밀도 tap density 유동도 접촉각,°
-80 0.81 1.21 × 44.6
- 46 -
그림 수 분무그림 수 분무그림 수 분무그림 수 분무된된된된 합금의 선합금의 선합금의 선합금의 선 회회회회절절절절 패턴패턴패턴패턴3-7. Al-3-7. Al-3-7. Al-3-7. Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu-Cu-Cu-Cu XXXX
그림 수 분무그림 수 분무그림 수 분무그림 수 분무된된된된 합금의합금의합금의합금의3-3-3-3-8888. Al-. Al-. Al-. Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu-Cu-Cu-Cu EDXEDXEDXEDX iiiimmmmaaaaggggeeee
- 47 -
그림 는 수 분무공정으로 제조된 분말의 형상을 나타낸 사진이다 가스분무3-8 .○
공정에 의해 제조되는 구형의 형상과는 달리 매우 불규칙한 형상을 띄고 있다 그.
림 의 을 보면 형의 분말 입자와 입자가 큰 덩어리 형태의 분말이3-8 (a) tear drop
관찰된다 이러한 덩어리 형태 또한 분말의 표면에 과 를 나타. crack terraces, pore
내고 있다 일반적으로 불규칙한 형상을 띄는 이유를 분말의 빠른 응고속도.
와 분무동안 산화에 의한 표면장력 완화로 인해 발생된 현상으(solidification rate)
로 보고 있다 입도분석결과 입형의 크기는 이하였다. 80 .㎛
그림 은 합금 분말의미세조직 그림이다 수지상정 구조를 이3-9 Al-Zn-Mg-Cu .○
루고 있으며 수많은 하부 수지상정 구조가 관찰된다 초정과 로. a eutectic cell wall
이루어진 구조를 설명된다 그림 은 하부 수지상정 구조와 한cell . 3-10 cold press
분말의 미세조직을 나타내고 있다 가스분무에 의해 제조되는 분말은 구형이라 비.
표면적이 적지만 수 분무 공정으로 제조된 분말은 위에서 언급한 것처럼 불규칙한
형상 이라 비표면적이 넓어 더 많은 산소를 함유하여 과 기공(irregular shape) Crack
이 남아 있게 된다 하부 수지상정 의 의 하부 수지상정 크. (sub dendrite) 0.5~2.0㎛
기가 관찰되며 평균 의 수지상정이 관찰된다 이러한 미세한 크기의 하부 수지10 .㎛
상정은 빠른 냉각능(2×104,~2 × 10
5에 의한 미세한 수지상정이 얻어졌다 그림) .
의 된 분말의 미세구조에서 수지상정이 없는 그레인과 비정3-10 Cold compaction
질구조가 관찰되는데 이러한 원인은 급격한 급냉응고에 기인한다, .
- 48 -
그림 수분무그림 수분무그림 수분무그림 수분무된된된된 합금 분말의 입형사진합금 분말의 입형사진합금 분말의 입형사진합금 분말의 입형사진3-3-3-3-8888. Al-. Al-. Al-. Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu-Cu-Cu-Cu
- 49 -
그림 수분무그림 수분무그림 수분무그림 수분무된된된된 초기 합금의 미세조초기 합금의 미세조초기 합금의 미세조초기 합금의 미세조직직직직 사진사진사진사진3-3-3-3-9999. Al-. Al-. Al-. Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu-Cu-Cu-Cu
- 50 -
그림 수분무그림 수분무그림 수분무그림 수분무된된된된 합금분말의 사진합금분말의 사진합금분말의 사진합금분말의 사진3-13-13-13-10000. Al-. Al-. Al-. Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu-Cu-Cu-Cu SESESESEMMMM
- 51 -
본 연구에서 수분무로는 제조된 계 조성의 합금분말 을Al-Zn-Mg-Cu (0~80 )○ ㎛
방전플라즈마 소결법 을 이용하여 소결을 실시할 예정이(Spark Plasma Sintering)
다 따라서 소결 실험조건을 정하기 위하여 분석을 행하였다 분석을 통해. DTA . DTA
멜팅온도가 임을 확인하였다 그림 은 열분석 그래프이다650 . 3-11 DTA .℃
그림 수 분무그림 수 분무그림 수 분무그림 수 분무된된된된 합금 분말의합금 분말의합금 분말의합금 분말의 곡곡곡곡선선선선3-11. Al-3-11. Al-3-11. Al-3-11. Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu-Cu-Cu-Cu DTDTDTDTAAAA
합금 분말합금 분말합금 분말합금 분말3-2. Al-Cu-3-2. Al-Cu-3-2. Al-Cu-3-2. Al-Cu-FFFFeeee
그림 는 합금분말의 입도별 선 회절패턴을 보여주고 있다 입3-12 Al-Cu-Fe X .○
자크기에 상관없이 수분무된 Al63Cu25Fe12 합금에서 준결정상인 상과 형태에AlFeψ
의한 급속간화합물상인 상이 확인되었다 입자크기가 증가할수록 결정화 과정동.β
안 냉각속도가 감소하게 되어 준결정상의 분율이 줄어들게 된다 이하의 분말. 80㎛
은 준결정상 분율이 약 이상이다 에서 시간동안 진공분위기에서 어닐67% . 700 2℃
링을 행하여 상이 포함되지 않도록 하였다 그림 는 열처리 전과 후의. 3-13β
Al63Cu25Fe12 합금의 회절패턴이다 표 에 각 입도크기에 따른 준결정상의XRD . 3-6
분율을 나타내고 있다 표 은. 3-7 Al63Cu25Fe12 합금의 분말 입도분포를 나타낸 표이
다 이하의 입도크기의 분말이 다른 입도에 비해 많이 회수되었다 표 은. 40 . 3-8㎛
Al63Cu25Fe12 합금 분말의 준결정 상과 상의 크기를 나타내고 있다.β
- 52 -
표 각 입도크기에표 각 입도크기에표 각 입도크기에표 각 입도크기에 따른따른따른따른 준결정상의 분준결정상의 분준결정상의 분준결정상의 분율율율율3-6. (wt3-6. (wt3-6. (wt3-6. (wt%%%%))))
particle size,㎛Content of quasicrystalline
phase,wt%
-25 70
-40+25 68
-63+40 67
-80+63 64
-100+80 60
-120+100 60
표 수 분무표 수 분무표 수 분무표 수 분무된된된된3-7 Al3-7 Al3-7 Al3-7 Al63636363CuCuCuCu25252525FFFFeeee12121212 합금 분말의 입도 분합금 분말의 입도 분합금 분말의 입도 분합금 분말의 입도 분포포포포
- 53 -
그림 합금분말의 입도에그림 합금분말의 입도에그림 합금분말의 입도에그림 합금분말의 입도에 따른따른따른따른 선선선선 회회회회절절절절 패턴패턴패턴패턴3-12. Al-Cu-3-12. Al-Cu-3-12. Al-Cu-3-12. Al-Cu-FFFFeeee XXXX
그림 합금 분말 의그림 합금 분말 의그림 합금 분말 의그림 합금 분말 의 회회회회절절절절 패턴패턴패턴패턴3-13. Al-Cu-3-13. Al-Cu-3-13. Al-Cu-3-13. Al-Cu-FFFFe (e (e (e (0~800~800~800~80 )))) XRDXRDXRDXRD㎛㎛㎛㎛
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표 수 분무표 수 분무표 수 분무표 수 분무된된된된3-3-3-3-8888 AlAlAlAl63636363CuCuCuCu25252525FFFFeeee12121212 합금의 상과 상의 평합금의 상과 상의 평합금의 상과 상의 평합금의 상과 상의 평균균균균크기크기크기크기ψ βψ βψ βψ β
입도 사이즈평균 종방향과 횡방향㎛
ψ β
-63 +40 3 × 5 3 ×5
-100 +80 4 × 5 3 ×5
표표표표 3-3-3-3-9999 AlAlAlAl63636363CuCuCuCu25252525FFFFeeee12121212 합금 분말의 특합금 분말의 특합금 분말의 특합금 분말의 특징징징징((((0~800~800~800~80 ))))㎛㎛㎛㎛
입도사이즈
㎛
겉보기
밀도,g/㎤
Tab density,
g/㎤유동도 접촉각, °
-80 1.52 2012 × 46
표 은3-9 Al○ 63Cu25Fe12 합금분말 특징을 나타내었다(0~80 ) . Al㎛ 63Cu25Fe12 합금
분말 또한 의 고온에서 수 분무 공정을 실행하였기 때문에 고온으로 인900~1100℃
한 유동도 감소가 이루어져 미세한 입도 분포를 가진 분말이 대량 회수 되었다 현.
탁액의 탈수 효과는 준결정상 분말의 퇴적층 의 수압 저(dehydration) (sedimentation)
항성 탈수 공정 동안 퇴적층의 두께 탈수 시간에 의존한다, , .
그림 은3-14 Al○ 63Cu25Fe12 합금 준결정 상 분말의 퇴적층에 함유된 수분 분포이
다 건조 시간이 분일 때 보다 분일때 초기에 수분의 함량이 감소하였으나 점. 18 45
차 증가하였다 이것은 분말의 퇴적층에 남아있는 잔류된 수분은 여과부분의 표면.
에 도달하지 못하고 건조시간 을 계속 증가시키기 때문이다 건조(dehydration time) .
시간 이 분에서 분으로 증가할수록 수분의 함유량은 줄어듦(dehydration time) 18 105
을 알 수 있었다 특히 이상의 두께를 지닌 분말 퇴적층으로부터 수분의 급. 70nm
격한 증가가 이루어지는 것이 관찰되고 이하 일 때는 수분의 함량이 서서히70nm
증가하는 현상이 관찰된다 분일 때는 건조 속도가 낮았으며 건조시간 분 후에. 20 30
수분의 함유량이 더 이상 낮아지지 않았다 따라서 건조시간은 분일 때와 분. 30~35
말의 두께 층이 일 때가 본 연구에서 건조공정의 최적 조건이라 판단된60~70nm
다.
- 55 -
그림 은 진공 건조 에 따른3-15 (Vacuum drying) Al○ 63Cu25Fe12 합금 분말의 수
분함유량의 변화이다 진공건조는 의 진공 분위기에서 이루어졌으며 의. 75kPa 30℃
건조온도에서 건조 공정 동안 분말의 산화는 배제되었다 진공건조시 온도가. 40℃
일 때 수분의 함량이 훨씬 감소하였다 건조 공정 동안 건조된 분말 내부에 있던.
수분이 표면으로 확산됨에 따라 건조속도가 감소되는 구간이 나타난다 초기 진공.
건조 시에는 건조속도가 일정한 이유는 분말 내부에서 수분의 확산율이 외부확산과
분말의 자유 표면의 증발에 지배를 받는 건조속도 보다 크고 진공필터에서 건조 동
안 분말의 수분이 함량이 낮아졌기 때문이다 그림 와 의 에. 3-14 3-15 kinetic curve
서 수분의 양은 건조 기간에 의존하며 건조공정 초기에 되는 현탁액의 양이 건조공
정을 촉진시키는 역할을 한다 폭발위험과 화재의 위험에 관한 조사는. 74%~78%
의 분율을 함유한 이하의 다분산계 분말을 이용하여 수행하였다100 . 1~63 ,㎛ ㎛
크기의 입도를 가진 분말을 에 의해 다분산계 분말로부터 분리하였1~40 Sieving㎛
다 이하의 가장 작은 입도를 가진 분말을 을 이용하여 조사되. 40 air suspension㎛
지 않았으나 본 연구를 통해 이하 입도 크기의 분말 제조가 가능하였다-40 .㎛
- 56 -
그림 건조공정 동그림 건조공정 동그림 건조공정 동그림 건조공정 동안안안안 분말의분말의분말의분말의 퇴퇴퇴퇴적적적적층층층층에 함유에 함유에 함유에 함유된된된된 수분 분수분 분수분 분수분 분포포포포3-14.3-14.3-14.3-14.
(1-(1-(1-(1-ττττd-hydd-hydd-hydd-hyd====11118m8m8m8miiiinnnn , 2-, 2-, 2-, 2-ττττd-hybd-hybd-hybd-hyb ====45454545mmmmiiiinnnn , 3-, 3-, 3-, 3-ττττdhyddhyddhyddhyd ==== 111100005555mmmmiiiinnnn))))
그림 진공건조동그림 진공건조동그림 진공건조동그림 진공건조동안 잔안 잔안 잔안 잔류류류류된된된된 수분의 변화 건조 건조수분의 변화 건조 건조수분의 변화 건조 건조수분의 변화 건조 건조3-15. (1-33-15. (1-33-15. (1-33-15. (1-30000 , 2-4, 2-4, 2-4, 2-40000 ))))℃ ℃℃ ℃℃ ℃℃ ℃
- 57 -
합금분말 성형체 제조합금분말 성형체 제조합금분말 성형체 제조합금분말 성형체 제조4. Al4. Al4. Al4. Al
본 연구에서는 방전플라즈마 소결 공정 을 이용하여(Spark Plasma Sintering)○
합금 분말을 소결하였다 방전플라즈마 소결법은 도전성 다이와 펀Al-Zn-Mg-Cu .
치를 사용하여 다이에 장입된 압분체에 직류펄스 상의 전기 에너지를 인가하여 분
말 입자간 방전에 의해 순간적으로 발생하는 고온의 플라즈마 에너지와 자체 저항
발열 에너지 가압에 의한 기계적 에너지를 동시에 이용하는 새로운 소결 방법이다, .
이 방법은 난소결성의 금속간 화합물 비정질 재료 금속기복합재료 세라믹스등의, , ,
합성 및 소결을 위한 차세대 조밀화 공정으로 큰 기대를 모으고 있다 특히. , Hot
나 와 같은 통상적인 가압 소결법에 비해 낮은 소결온도와press Hot isotatic press
짧은 소결시간으로도 높은 소결체 밀도를 얻을 수 있는 것으로 보고되어 입자 성,
장을 효과적으로 억제할 수 있는 치밀화 방법으로 평가되고 있다 치밀화 촉진이.
가능한 이유로는 표면청정 효과와 압분 입자간의 방전압력에 의한 입자내부의 에,
너지증가 부가되는 전류에 의한 압분체의 자체 발열효과 가해진 전계에 의한, DC ,
확산 촉진 효과 등이 제시되고 있다 그림 은 본 연구에 사용된 통전 모식도. 3-16
및 장비를 보여주고 있다SPS .
일반적으로 합금분말은 에서 용체화 처리 후 에서Al-Zn-Mg-Cu 450 120○ ℃ ℃
시간 정도 자연시효 시키는 열처리가 행해진다 온도 범위 근처에서 조12 T6 . 450℃
직의 변화가 있어 강도에 영향을 미치리라 예상되어 성형 온도 조건을 400~500℃
로 정하였다 본 연구소에서 보유하고 있는 방전 플라즈마 소결장치는 단시간에 소.
결이 가능하여 결정립 성장을 억제하는 장점을 지녀 수분무법에 의한 급냉 효과를
그대로 유지할 수 이다고 판단된다 의 하중을 가하고 흑연몰드. 1.6 ton(50MPa) (φ
를 이용하였다 흑연몰드를 선정한 이유는 고온에서도 사용이 가능하고 잔류20) . ,
안정성 고른 열전달에 따른 온도안정성 때문에 선택하였다, .
- 58 -
그림 통전 모식도그림 통전 모식도그림 통전 모식도그림 통전 모식도3-16.3-16.3-16.3-16.
소결온도와 승온속도에 따른 미세조직과 기계적 물성을 분석하기 위해 표 3-10○
에 나타낸 공정조건으로 실험을 하였다 압분체 성형시의 분말 입도가 작을수록 빠.
른 냉각속도에 의한 입자 미세화 효과는 크지만 표면적이 줄어들어 산화피막의 면
적이 증가된다 그러므로 산화피막을 최소화하기 위해서는 필요한 급냉응고 조직이.
얻어지는 입경이 클수록 좋다고 알려져 있다 본 연구에서는 산화 피막의 표면적을.
최소화하기 위해 본 연구에서는 의 입도를 가진 분말만을 소결하였다0~80 .㎛
표 에 보이는 조성의 합금을 갖고 분말을 캔속에 넣고 진공분위기에서 탈3-11○
가스 처리 하는 방법대신 없이 하여 압분체를 만든 후 이Canning Cold compacting
압분체를 진공중에서 탈가스처리 하였다 탈가스 처리는 분말표면의 흡착수를 제거.
하고 표면 산화물층의 결정수와 이를 분해하는 과정에서 발생되는 수소 을 제gas
거하여 압출 후 재료내의 기포등 결함을 방지하고 하기 위한 공정이다 등. Y.K.Kim
이 각 온도에서 탈가스 반응을 조사한 바에 의하면 의 고온에서 수소가380~450℃
완전 제거된다고 보고되고 있다 하지만 실제 탈가스 온도는 다양하게 보고되고 있.
으며 온도 상승에 따른 분산상의 성장으로 인해 탈가스 처리 온도범위와 압출온도
를 주의하여야 한다 탈가스 온도가 너무 높을 경우 급냉응고에 의해 분산강화 목.
적으로 고용되었던 천이원소들이 금속간화합물 를 생성 시킬(intermetallic phase)
수 있다고 보고 되고 있다 따라서 본 연구에서는 의 온도를 탈가스 온. 300~400℃
도로 정하였으며 온도 일 때 대기 중에서 열간 압출하였다 의400 . 0.3~1.2 /s℃ ㎜
압출속도와 의 압출 비를 사용하였다 수 분무 된 분말 합금 표17:1 . Al-Zn-Mg-Cu
면에 존재하는 산화피막을 깨뜨려 압출이 잘 이루어지도록 하기 위해 높은 압출 비
를 사용하였다.
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표 소결 공정표 소결 공정표 소결 공정표 소결 공정 최최최최적화를 위해 사용적화를 위해 사용적화를 위해 사용적화를 위해 사용된된된된 소결 조건소결 조건소결 조건소결 조건3-13-13-13-10000 ParaParaParaParammmmetereteretereter
구분 소결조건
소결온도 400 , 425 , 450 , 500℃ ℃ ℃ ℃
승온속도 20K/min, 50K/min
유지시간 1min
사용몰드 흑연 몰드
사용압력 50MPa
표 분말 합금 조성표 분말 합금 조성표 분말 합금 조성표 분말 합금 조성3-11 Al-3-11 Al-3-11 Al-3-11 Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu(1-Cu(1-Cu(1-Cu(1~80~80~80~80 ) (wt) (wt) (wt) (wt%%%%))))㎛㎛㎛㎛
합금 Zn+Mg Cu Zr+Cr+Ti+Ni
#1 8.0~8.5 - - - - -
#2 7.9~8.4 0.5~0.6 1.3-1.5
그림 은 소결한 성형체의 외관 사진이다 몰드를 사용하여 그림에서 보3-17 . 20○ φ
이는 바와 같이 지름을 가진 성형체를 제조하였다20 .㎜
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그림 로 성형한 계 합금의 성형체 형상그림 로 성형한 계 합금의 성형체 형상그림 로 성형한 계 합금의 성형체 형상그림 로 성형한 계 합금의 성형체 형상3-17.3-17.3-17.3-17. SSSSPPPPSSSS Al-Al-Al-Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu-Cu-Cu-Cu
- 61 -
그림 는 승온속도로 소결한 소결체의 회절패턴이다 소결전3-18 20K/min XRD .○
수분무로 제조된 초기합금 분말의 회절패턴과 비교하였을 때 아무런 변화가XRD
관찰되지 않았다 석출상인. MgZn2 상이 생성되리라 예상되었으나 관찰되지 않았다.
그림 은 의 승온속도 일 때의 선회절 패턴이다 반면 승온3-19 50K/min X . 50K/min
속도로 소결한 소결체의 회절패턴에서는 상 이외에 석출상인XRD a-Al MgZn2상이
관찰되었다 승온속도와 온도에 따른 미세조직을 관찰한 결과 뚜렷한 미세조직이.
변화가 관찰되지 않았으나 그림 의 미세조직을 통해서 승온 속도가3-19 20K/min
일 때도 MgZn2 상 존재하고 있음을 알 수 있었다 성분분석을 수행하여. EDS
MgZn2 상이 고르게 분포되어 있는 것을 명확히 확인하였다 또한 분말내부의 하부.
수지상정을 관찰한 결과 이하로 매우 미세한 그레인을 갖고 있었다 방전플200nm .
라즈마 소결 공정동안 수 분무 공정의 급냉응고된 결정립 성장이 이루어지지 않아
소결공정을 통해서도 이하의 매우 미세한 그레인이 유지된 것으로 보인다200nm .
그림 은 승온속도로 소결된 합금의 성분 분석과 미3-20 20K/ Al-Zn-Mg-Cu EDS℃
세조직 사진이다 그림 은 승온속도에 따른 미세조직의 변화를 관찰하기 위해. 3-21
에서 분석한 사진이다 승온속도와 온도에 뚜렷한 미세조직의 변화는 관BSE mode .
찰되지 않았다 그림 은 수분무로 제조된 합금의 열처리 후. 3-23 Al-Zn-Mg-Cu T6
압출재의 횡방향의 미세조직을 으로 관찰한 사진이다 전위 셀 구조TEM .
는 약 정도 이며 전위밀도는 셀 벽을 따라 증가(dislocation cellular structure) 1 ,㎛
되어 있다 무질서한 셀의 배열은 기계적 특성을 향상 시키는 역할을 한다 그림. .
의 광학현미경 사진에서는 수분무된 합금의 재결정이 관찰되지 않는다 압출3-24 .
재는 보다 작은 매우 미세한 섬유형태의 다각형화된 구조를 보인다10 .㎛
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그림 의그림 의그림 의그림 의 승온승온승온승온 속도로 소결한 소결체의속도로 소결한 소결체의속도로 소결한 소결체의속도로 소결한 소결체의 회회회회절절절절패턴패턴패턴패턴3-13-13-13-18888. 2. 2. 2. 20K0K0K0K////mmmmiiiin XRDn XRDn XRDn XRD
그림 의그림 의그림 의그림 의 승온승온승온승온속도로 소결한 소결체의속도로 소결한 소결체의속도로 소결한 소결체의속도로 소결한 소결체의 회회회회절절절절 패턴패턴패턴패턴3-13-13-13-19999. 5. 5. 5. 50K0K0K0K////mmmmiiiin XRDn XRDn XRDn XRD
- 63 -
그림 소결그림 소결그림 소결그림 소결된된된된 합금의 분합금의 분합금의 분합금의 분석석석석 미세조미세조미세조미세조직직직직 확대 사진확대 사진확대 사진확대 사진3-23-23-23-20000. Al-. Al-. Al-. Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu-Cu-Cu-Cu EDSEDSEDSEDS / (2/ (2/ (2/ (20K0K0K0K////mmmmiiiinnnn))))
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온도
승온속도400℃ 425℃ 450℃ 500℃
20K/min
50K/min
그림 에서 관그림 에서 관그림 에서 관그림 에서 관찰된찰된찰된찰된 합금 소결체의 미세조합금 소결체의 미세조합금 소결체의 미세조합금 소결체의 미세조직직직직 사진사진사진사진3-21.3-21.3-21.3-21. BSE modBSE modBSE modBSE mode Al-e Al-e Al-e Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu-Cu-Cu-Cu
표 은 승온 속도와 온도에 따른 밀도 값의 변화를 보여주고 있다 아르키3-13 .○
메데스 원리를 이용하여 밀도 값을 측정한 결과표에서 알 수 있듯이 온도와 승온속
도에 상관없이 소결온도가 일 때 밀도 값이 최고치에 이르렀다 또한 경도 값425 .℃
도 일 때 승온 속도일 때나 승온속도 일 때425 20K/min 50K/min 123Hv,℃
의 높은 값을 나타내었다 이와 같은 원인을 온도 상승에 따른 분산상의 성114Hv .
장 때문이라 보는 견해가 있다 그림 은 밀도와 경도 변화를 나타낸 그래프이. 3-22
다 따라서 일 때가 본 연구에서 최적의 소결조건이라 판단된다 표 에. 425 . 3-14℃
열처리한 합금의 압출재 종류에 따른 기계적 특성을 나타낸 표이T6 Al-Zn-Mg-Cu
다 합금은 분말야금 공정인 수분무법을 통해 제조된 합금이다. #1,#2 .
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표표표표 승온승온승온승온속도와속도와속도와속도와 온온온온도에도에도에도에 따른따른따른따른 밀도와 경도밀도와 경도밀도와 경도밀도와 경도 값값값값의 변화의 변화의 변화의 변화13131313
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그림 경도와 밀도 변화 그그림 경도와 밀도 변화 그그림 경도와 밀도 변화 그그림 경도와 밀도 변화 그래프래프래프래프3-22.3-22.3-22.3-22.
합금합금합금합금(a)(a)(a)(a) ####1111 합금합금합금합금(b)(b)(b)(b) ####2222
그림 수 분무그림 수 분무그림 수 분무그림 수 분무된된된된 합금의합금의합금의합금의 열처열처열처열처리 후리 후리 후리 후 압압압압출재의출재의출재의출재의 횡횡횡횡방향의방향의방향의방향의3-23. Al-3-23. Al-3-23. Al-3-23. Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu-Cu-Cu-Cu TTTT6666
사진사진사진사진TETETETEMMMM
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합금합금합금합금(a)(a)(a)(a) ####1111 합금합금합금합금(b)(b)(b)(b) ####2222
그림 수 분무그림 수 분무그림 수 분무그림 수 분무된된된된 합금의합금의합금의합금의 열처열처열처열처리 후리 후리 후리 후 압압압압출재의출재의출재의출재의 횡횡횡횡방향의방향의방향의방향의3-24. Al-3-24. Al-3-24. Al-3-24. Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu-Cu-Cu-Cu TTTT6666
광학광학광학광학사진사진사진사진
표표표표 열처열처열처열처리한 합금의 합출재 종류에리한 합금의 합출재 종류에리한 합금의 합출재 종류에리한 합금의 합출재 종류에 따른따른따른따른 기계적 특성기계적 특성기계적 특성기계적 특성3-14.3-14.3-14.3-14. TTTT6 Al-6 Al-6 Al-6 Al-ZnZnZnZn-M-M-M-Mgggg-Cu-Cu-Cu-Cu
합금 분말을 프레스를 이용해 고압의 셀에서 성형을 더 가할 수 있도Al-Cu-Fe○
록 포러스한 빌렛으로 제조하였다 지름은 높이 의 실린더 형태의 빌렛을. 6 , 5㎜ ㎜
이용하여 압분체를 제조하였다 압분체를 만들기 위해 에서 의 압력으로. 700 4GPs℃
분 동안 프레스로 눌렀다 상태도를 바탕으로 부근에서 준결정상이 많이 분2 . 700℃
포하고 있어 최적의 성형온도 조건이라 판단되었다 그림 는. 3-25 Al63-Cu25-Fe12합
금분말 성형체의 미세조직 사진이다 성형체 미세조직 관찰 결과 분말 입계 주위에.
기공이 존재한다는 것을 알 수 있었으며 분말 내부에 석출상이 관찰되었다, .
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성형체 미세조직 내부에 관찰된 석출상에 대한 정보를 알기 위해 분석을XRD○
실시하였다 그림 은 압분체의 회절 패턴이다 수 분무 공정으로 분말을. 3-26 XRD .
제조 후 에서 두 시간 동안 열처리 시켜 상이 소멸 된 바가 있다 압분체로700 .℃ β
성형 후에도 변함없이 상없이 준 결정상만을 이루고 있음을 알 수 있다 어닐링.β
전과 후 압분체의 밀도와 기공의 변화를 법을 이용하여 비교하였다 표Pycnometric .
는 어닐링 전과 후의 밀도와 내부 기공 변화를 보여주고 있다 어닐링3-15 700 .℃
에 의해 기공이 소멸되어 높은 밀도를 유지한 압분체가 제조되었다.
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그림그림그림그림 3-25. Al3-25. Al3-25. Al3-25. Al63636363-Cu-Cu-Cu-Cu25252525----FFFFeeee12121212 합금분말의합금분말의합금분말의합금분말의 압압압압분체 미세조분체 미세조분체 미세조분체 미세조직직직직 사진사진사진사진
그림 합금분말의그림 합금분말의그림 합금분말의그림 합금분말의 압압압압분체분체분체분체 회회회회절절절절패턴패턴패턴패턴. 3-26 Al-Cu-. 3-26 Al-Cu-. 3-26 Al-Cu-. 3-26 Al-Cu-FFFFeeee XRDXRDXRDXRD
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표 어표 어표 어표 어닐링닐링닐링닐링 전과 후의 밀도와 기공변화전과 후의 밀도와 기공변화전과 후의 밀도와 기공변화전과 후의 밀도와 기공변화3-153-153-153-15
# 입도 크기 분말의 종류 밀도 내부 기공
1 (-80) 초기분말 2.12 19.1
2 (-80)어닐링 한
분말2.62 0
그림 은 실험 의해 얻어진 응력 변형률곡선을 나타내었다 변형3-27 indention - .○
경화 부분으로써 의 연신율을 나타내고 에 도달하는 변형완화 부분을 보인9% 35%
다 방정식에서 응력에 지배를 받는 준결정상의 열적인 변형의. Takeuchi , Peierls
경우 는 다음의 세 가지 함수을 포함한다a .τ τ*은 을 극복하기 위한Peierls barriers
열적 활성화에 효과적인 응력이며, τd 은 결함을 유도하는 응력이며Phason τi 는
다른 전위에 의한 내부응력이다 준결정상의 변형완화가 발생되는 이유로써.
에 의해 의 장벽을 국부적으로 낮추는 결함이 제Takeuchi Peierls barriers Phason
거된 원인으로 보고 있다.
의 냉각된 기판에 플라즈마 코팅이 분무되어졌다carbon steel St.3 4.5 . 1~80○ ㎜
의 입경을 가진 합금분말을 사용하였다 플라즈마 용사는. Plasmatron SMEKMA㎛
의 플라즈마 용사기를 이용 하였다 파워는 범위를 사용했고 운air-gas . 30~150㎾
송 가스는 아르곤을 사용했다 수 분무된 분말의 우수한 모세관 현상이 고품질의.
코팅을 가능하게 하였다.
플라즈마 코팅의 화학적인 조성과 수 분무 분말의 화학적 조성이 잘 일치하였으○
며 선 회절 분석결과 준결정상과 과 상임을 확인되었지만 산소피크는 확인되X ψ β
지 않았다 그림 의. 3-28 Al63-Cu25-Fe12합금의 코팅층의 미세조직을 관찰하였을 때
상 상이 코팅 층에 존재하기 보다는 거의dual phase ( + ) Alψ β 63-Cu25-Fe12합금의
준결정상이 존재하는 코팅 층이라 판단된다 진공 열처리를 한 후 코팅을 했을 때.
준결정상의 분율과 경도 값이 이 더 높았다.
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그림그림그림그림 압압압압분체의 응력 변형률분체의 응력 변형률분체의 응력 변형률분체의 응력 변형률 곡곡곡곡선선선선3-27.3-27.3-27.3-27.
그림 플라즈마그림 플라즈마그림 플라즈마그림 플라즈마 코팅된코팅된코팅된코팅된 합금의합금의합금의합금의 광학광학광학광학현미경 사진과 사진현미경 사진과 사진현미경 사진과 사진현미경 사진과 사진3-23-23-23-28888. Al-Cu-. Al-Cu-. Al-Cu-. Al-Cu-FFFFeeee SESESESEMMMM
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그림 플라즈마그림 플라즈마그림 플라즈마그림 플라즈마 코팅코팅코팅코팅을 한 합금의 선을 한 합금의 선을 한 합금의 선을 한 합금의 선 회회회회절절절절패턴패턴패턴패턴3-23-23-23-29999. Al-Cu-. Al-Cu-. Al-Cu-. Al-Cu-FFFFeeee XXXX
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제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도4444
본 사업을 통하여 현재 외부환경과의 반응성이 강한 알루미늄 합금분말을 제조○
할 수 있는 수분무공정 및 고품질 합금분말 제조에 관한 주 하나닉스 사의 요청사( )
항을 충분히 달성하였음.
본 연구에서는 급냉응고 효과를 지닌 아토마이징법에 의한 금속 분말 제조 및[○
성형기술 확보 에 관한 원천기술을 도입하여 우크라이나의 재료과학 연구소] IPMS( )
에서 보유하고 있는 수분무 공정 기술력을 적극 활용하였음 수(water atomization) .
분무 공정을 이용하여 발화성 금속 분말인 합금 분말의 입도제어와 표면 안정화Al
를 통해 고부가가치의 청정한 분말 형태로 제조으며 또한 수분무된 합금 분말을,
산업적 활용을 위해 방전플라즈마 소결 장치와 기술력을(spark plasma sintering)
이용하여 단순한 분말 형태가 아닌 벌크형태의 소결체로 제조 하였다 뿐만 아니라.
제품 요구에 적합한 생산 분말의 적절한 입도 조절 및 높은 회수율 확보를 위한 분
말표면의 노즐을 설계하였다 위의 내용을 수행 하여 다음과 같은 성과를 얻었다. .
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목표대비 개발성과
항 목 계 획 실 적달성도
(%)
개발목표
최적 노즐 설계 및 급냉응고
효과를 통해 미세한 조직을 가
진 분말을 제조할 수 있는 수
분무 공정 기술을 도입하여 고
부가가치의 청정한 합금 분Al
말 제조 및 성형
다양한 형태의 노즐설계와
수 압 분 급 ( h y d r a u l i c
에 의한classification) ~80㎛
이하 크기의 미세한 분말 입
도를 가진 고품질 분말제조,
용해 시 의 분말4 75~80%㎏
을 회수 이상의 밀도를, 99%
지닌 성형체 제조
100%
세부개발
내용 및
목표치
입도 및 형상1.
제어30~500㎛ 불규칙한 형상~80 ,㎛ 100
분무노즐개선2. 단일 다양화 100
분말회수율3. 0%Al-Zn-Mg-Cu
56~67%
Al-Cu-Fe
75~80%100
산소함유량4. 0.22% 100
성형상대 밀도5. 99% 100
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제 장 기술지원결과의 활용 계획제 장 기술지원결과의 활용 계획제 장 기술지원결과의 활용 계획제 장 기술지원결과의 활용 계획5555
현재 주 하나닉스는 마그네슘분말을 주 생산품으로 하여 국내외에 판매하고 있( )○
지만 기술력의 부족과 개발력의 부족으로 추가적인 매출을 이루지 못하고 있으므,
로 가스분무공정으로만은 전문 분말제조기업으로 성장하는데 한계가 있음을 절실,
하고 있음.
그러므로 수분무공정을 이용하여 현재 국내외 오더가 쇄도하고 있는 다양한 입,○
도의 합금분말 알루미늄 동 등의 타 합금분말의 생산에 활용하여 사업의 다양Fe , , ,
화를 유도한다.
베어링용 동분말 자동차용 특수강 분말 전지용 분말 등에 활용할 예정이, , S/S○
다.
수분무법을 이용하여 제조한 합금분말은 조직의 미세화 및 성형성이 우수하여,○
기존의 주조 시에 비해 훨씬 우수한 강도 및 표면 특성을 얻을 수 있을 것으로 판
단되므로 분말성형 기술을 개발할 경우 기존의 저응력 인가 부품은 물론 고응력, ,
인가 부품 등의 다양한 분야로 그 응용분야를 확대할 수 있다.
구 분
경 제 적
효 과
기술지원 前
매 출 액 :□ 632 백만원
수 출 액 :□ 50 백만원
수입대체 :□ 240 백만원
기술지원 後
매 출 액 :□ 2,050 백만원
수 출 액 :□ 750 백만원
수입대체 :□ 680 백만원
증 감 율
매출증대 :□ 232 %
수출증대 :□ 114 %
수입대체 :□ 183 %
기술적 효과
신제품 개발 : Al Cu alloy powder□
공 정 개 선 공정개선: Atomizing□
상용화 개발 :□
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