분말야금법에 의한 고내마모성 톱니기어

제조기술 연구지원

2007. 7.

지원기관 : 한국기계연구원 부설 재료연구소

지원기업 : (주)대광소결금속

산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 “분말야금법에 의한 고내마모성 톱니기어 제조기술 연구지원”(지원기

간 : 2005. 12.1 ~ 2007. 5.31)과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다.

2007. 7.

지원기관 : 한국기계연구원 부설 재료연구소

박 화 영

지원기업 : (주) 대광소결금속

박 병 곤

지원책임자 : 이동원

- 3 -

기술지원성과 요약서

과제고유번호 연구기간 2005. 12. 1. ~ 2007. 5. 31.(18 개월)

연구사업명 분말야금법에 의한 고내마모 톱니기어 제조기술 지원

지원과제명 부품ㆍ소재 종합기술지원사업 / 한ㆍ유라시아권 국제기술 협력사업

지원책임자 이 동 원 지원연구원수

총 : 6 명

내부 : 3 명

외부 : 3 명

총

사업비

정부:

기업:

계:

200,000 천원

200,000 천원

400,000 천원

지원기관명 한국기계연구원 소속부서명 분말재료연구센터

참여기업 기업명 : 대광소결금속 주식회사 기술책임자 : 박 병 곤

요 약 보고서면수

1. 연구개요

우크라이나에서 핵심적으로 보유하고 있는 고내마모성 분말 부품 제조 기술을

아측 참여 기업에 이전하여, 국내 유관 부품의 고부가가치 창출을 목표로 연구

수행

2. 연구내용

분말 소결부품의 경우 최근 제품의 소형화 및 고특성화가 요구되며, 이를 위한

합금설계 및 부품 고강도화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 국내 산업

에서는 아직 일반 철계 범용 조성의 소결부품 생산에 만족하고 있는 실정이다.

우크라이나의 경우, 오래전부터 특유의 합금 설계 및 이에 따른 내부조직 제어

에 의해 매우 우수한 내마모특성을 가지는 복잡 형상의 분말 톱니기어 제조기술

을 보유하고 있다.

따라서, 현지 기술을 현재 톱니형 분말부품을 제조 생산하고 있는 국내 참여기

업으로 이전하여 기존 제품의 고강도화 등 부품 고부가가치를 달성함과 동시에,

새로운 용도에 적합한 부품제조기술을 개발하고자 한다.

3. 기술지원성과

1) 고내마모성 톱니기어 분말 부품 제조기술 지원

- 합금설계 및 내부미세조직 제어 기술

- 부품 진밀도화 기술

2) 초미립 경질분말 신제조 기술 지원

3) 우크라이나관련 핵심 기술 입수 및 참여 기업에 지원

- 분말 톱니기어 제조 용 합금 설계 현지 기술

- 시제품 제조 및 고강도화 기술

색 인 어

(각 5개 이상)

한 글 분말, 소결, 톱니기어, 자동차부품, 분말단조

영 어 powder, sintering, cogwheel gear, powder-forging

- 4 -

기술지원성과 요약문

1. 사업목표

□ 분말야금법에 의한 고내마모성 톱니기어 분말 부품 제조기술 지원

- 합금조성 설계기술

- 내부 미세조직 제어기술

- 진밀도화를 위한 sinter-forging기술

- 후열처리 기술

2. 기술지원내용 및 범위

□ 고강도 소형 톱니 기어 제조용 원료 분말 설계 기술

□ 원료분말 균일 혼합 기술 (B4C, TiCN 복합화 기술)

□ 성형기술 (금형 및 펀지 제조 기술)

- 성형체 특성평가 기술

□ 소결 기술

□ 소결체 미세조직 제어 기술

- 소결 치밀화 기술

□ 소결체 기어의 진밀도화 기술

□ 최종 제품의 기계적 특성 평가 기술

3. 지원실적

지원항목

지원내용

비고

기술지원前 기술지원後

합금조성설계상용 Distalloy 분말

적용

B4C, TiCN 등

경질분말 복합체 설계

원가절감 및

품질향상 기대

성형설비제조기존 금형 및 펀치

사용

소재변동에 따른

성형성 향상기술 확보

성형체 특성평가

가능

내부 미세조직제어 -입자상분포 및 기계적

특성 규명

소결 및 후처리

기술 개발

시제품 제조 - 신제품 개발 중

- 5 -

4. 기술지원 성과 및 효과

1) 적용제품 시장전망(매출성과)

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출 전년대비 증가비율 비고

내 수 1,500 백만원/년 2,500 백만원/년 167 %

수 출 - - -

계 15,00 백만원/년 2,500 백만원/년 167 %

2) 해당기술의 기술력 향상 효과

경질 분말 복합화에 의한 고내마모성 톱니기어 분말 부품 제조를 위한 합금조성

설계기술, 내부 미세조직 제어기술, 진밀도화를 위한 sintering-forging 기술, 후

열처리 기술 및 시제품 제조 기술등의 확립 및 향상시켜 내마모성 및 기계적 강

도의 탁월한 향상효과를 얻음.

3) 기술적 파급효과

초정밀, 고강도, 내마모성이 아주 우수한 부품제조기술에 합금조성 설계기술 및

내부 미세조직 제어기술력 진보에 따른 공정의 개선으로 생산 능력의 향상을 꽤

하여 품질의 고급화 및 시장저변의 확대하여 기업의 신제품 개발 가능성을 확인

함.

5. 세부지원실적

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 2건

ㆍ우크라이나 기술 입수 및 이전

(Fe-B4C 복합성형 소결기술)

ㆍIPMS 연구소 보유 기술 습득(CD)

시제품제작 1건 ㆍDistalloy+TiCN 복합분말을 이용한 스퍼기어 제조

공정개선 2건ㆍ성형화의 정밀성 및 친환경 성형체로의 성능 개선

(분진공해감소 및 기계오차감소)

품질향상 2건ㆍFe-TiCN 미립복합화 기술 차체 개발

ㆍ분사 개선

시험분석 25건ㆍXRD, TEM, SEM, EDS, DSC, TGA, Hardness, 입

도분석 등

교육훈련 1건 ㆍ우크라이나

논문게재 및 학술발표 3건 ㆍ국내 2건, 국외 1건 (첨부 참조)

참여기업 방문회수 19건 ㆍ기술조사/회의 및 기술이전

- 6 -

6. 종합의견

분말 소결부품의 경우, 최근 제품의 소형화 및 고특성화가 요구되며, 이를 위한

합금설계 및 부품 고강도화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 국내 산업

에서는 아직 일반 철계 범용 조성의 소결부품 생산에 만족하고 있는 실정이다.

우크라이나의 경우, 오래전부터 특유의 합금 설계 및 이에 따른 내부조직 제어

에 의해 매우 우수한 내마모특성을 가지는 복잡 형상의 분말 톱니기어 제조기술

을 보유하고 있다. 따라서 1) 현지기술과, 2) 경합 공정으로써 자체 연구를 통한

복합분말 기술을 국내 참여기업으로 이전하여 기존 제품의 고강도화 등 부품 고

부가가치를 달성할 경우, 새로운 용도에 적합한 새로운 시장창출이 가능하리라

판단되었다.

- 7 -

□ 연구과제(세부과제) 성과

1. 과학기술 연구개발 성과

□ 논문게재 성과

논문게재 세부사항

게재

년도논문명

저자

학술지명Vol.

(No.)

국내외

구분

SCI

구분주저자교신

저자

공동

저자

2006

Trend of Advanced

Technology for the

Synthesis of

Nanopowders in

Russia by

Chemical Process

김동수 이동원 김병기

Journal of

Korean

Powder

Metallurgy

Institute

13, No.4 국내 비SCI

2006

New approach for

the synthesis of

ultrafine titanium

carbide particles

이동원 김동수

S.

Alexan

drovsk

i i

Structural

Chemistry

2006

국외 SCI

2006

신공정에 의한

초미립 TiON 입자

합성 및 질소의

고온 안정도

이동원신동규

임태수유지훈

대한금속

재료학회국내 비SCI

- 8 -

□ 세부지원실적 증빙 내용

1. 지원기업 현장방문 : 2 건

No. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2006. 7. 한-유라시아 사업 공동연구 중간 미팅 첨부자료

2 2006. 3.~12. (주)대광소결금속

2. 기술정보제공 : 2 건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2006. 8.IPMS 기술 및 복합성형분말

제조기술 이전 및 훈련첨부자료

2 2006. 10. 성형기(금형) 재설비/설치

3. 시제품제작 : 1 건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2006. 12. 자동차용 스퍼기어 (Mode.16T-Gear)

4. 시험분석 : 건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2006. 8. TiCN 및 Fe-B4C 성분분석(ICP)

첨부자료

2 2006.3.~9. TiCN 및 Fe-B4C 입도분석

3 2006.3.~9. TiCN 및 Fe-B4C XRD 분석

4 2006.3.~9. TiCN 및 Fe-B4C EDS 분석

5 2006.5.~11. TiCN 및 Fe-B4C 경도분석

5. 기술지원실적 업로드 : 건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2006.7.29.~8.4. 우크라이나 기술 입수 첨부자료

2 2006.3.~12.(주)대광소결금속에 금형설비 및 분말제조기술

훈련 및 이전

- 9 -

목 차

제 1 장 서론

제 1 절 기술 지원의 필요성

제 2 절 기술 지원 내용

1. 참여 기업 개요

2. 기술 지원의 필요성

3. 기술 지원 상세 내용

4. 기타 기술지원 활동

제 2 장 본론

제 1 절 문헌 조사

1. Influence of milling time on the processing of Fe-TiCN composite

2. In-situ production of Fe-TiC composite

제 2 절 기술 지원의 성과

1. 기술 지원의 목표

2. 기술 지원의 구체적 내용

3. Fe 미립분말 설계 연구

4. Fe 미립분말의 혼합 실험 결과

5. 열환원 공정에 의한 TiC0.5 분말 제조연구

6. 제조한 TiC0.5 분말의 청정화 연구

7. TiCN 합성을 위한 질화 열처리 연구

8. Fe-TiCN 분말을 이용한 제품제작

9. Fe-TiCN 분말을 이용한 시제품 제조연구

제 3 절 우크라이나 기술 입수 내용 (세부원본, 첨부)

- 10 -

제 3 장 결론

부 록

1. 국외 출장보고서 요약

2. 우크라이나 입수 기술 자료

# 첨부자료

- 11 -

제 1 장. 서론

제 1 절 기술 지원 필요성

1990년 초에 걸친 국내 자동차 산업과 전자 산업의 비약적인 발전으로 국내 경제

의 급속한 발전을 불러 일으켰다. 이런 급속한 경제적인 발전으로 대량생산에 의한

핵심 부품의 제조가 요구 되었으며, 그 결과 분말소결 부품제조 능력의 양적인 면

에서 비약적인 발전을 가져왔다.

분말 야금법에 의해 제조된 부품은 기존의 주조법으로 제조된 부품에 비해 조직이

미세하고, 편석이 없으며, 용도에 맞게 여러 분말을 혼합하여 내마모성, 기계적 강

도, 내열특성을 향상시키는 합금 설계 및 밀도 성형이 가능한 장점으로 그 수요가

급증하고 있다.

국내 분말야금 관련기술 수준은 분말제조 분야에 있어서는 Cu, Al등 일부 저융점

금속 분말제조에 한정되어 상품화 되어 있고 합금분말 및 제품 전량 수입에 의존하

고 있다. 또한 분말 야금법에 의한 소재 및 부품제조 기술도 통상적인 분말야금제

품, 즉 철계분말을 이용한 각종 자동차부품, Cu분말을 이용한 베어링류 등에 한정

되어 양적인 면에서는 크게 성장하였지만, 기술적인 부분에서는 수준이 낮은 실정

이다.

반면, 선진각국에서는 기존의 철 및 비철분말에 의한 부품제조기술에서 벗어나 고

청정, 미세분말등의 다양한 분말개발, 고온등압성형, 분말압연, 분말단조 등 고밀도

성형기술 등의 개발을 통하여 고성능 부품의 Net Shaping 및 고기능성 분말소재의

개발 및 제조에 주력하고 있다.

최근 국내에서는 산업의 고도화와 함께 분말관련 소재 및 부품의 수요가 급격히 증

가하고 있으며, 이에 대한 연구개발 노력도 아직 기초단계에 머물러 있다. 특히 내

마모, 고온 분말부품은 90년도 국내 생산규모가 약 2000억 원이며, 고부가가치소재

의 수입량도 공구재료를 중심으로 약 2억불에 달해 특수용도 소재의 국산화 및 기

술의 자급화가 큰 문제로 부각되고 있다.

이러한 현황에 비추어 일차적으로 수입에 의존하고 있는 고부가가치 제품을 수입대

체하고, 이차적으로는 분말산업 자체의 고도화를 통하여 소재 및 기계분야 산업육

성을 유도하기 위한 국가적 노력이 필요한 시점이다.

- 12 -

한편 초미립분말을 이용한 내마모 공구 소재의 개발은 오늘날의 자동차산업, 추출

및 건설산업과 전자산업등 첨단 산업 전반에 걸쳐 그 수요가 급증하고 있다. 이와

같이 초미립 분말소재를 이용한 내마모 향상 공구강은 기계적 수명 향상을 위하여

제작 과정에서 내마모 저항성을 향상 시켜야만 한다. 내마모 저항성을 향상시키기

위해서는 재료의 높은 연성과 낮은 마찰계수를 동시에 가져야만 한다.

이런 내마모 향상을 위한 소재의 제작은 기존의 주/단조를 이용한 방법보다는 분말

공정을 이용하여 제작하는 방법이 모든 면에서 우수하다. 분말공정은 ① 원료분말

의 조성 변화의 용이함, ② 요구 형상 성형, ③ 소결, ④ 필요시 단조, ⑤ 후 열처

리의 순서로 진행된다.

이러한 분말공정은 기존의 주단조 공정 대비, ① 원료 분말의 조성 변화 용이성, ②

원하는 조성 제어에 의한 고강도, 고내마모성 달성 및 ③ 복잡한 후 가공의 불필요

에 의한 제품 원가 절감등의 장점이 있다.

즉, 이러한 요소적인 장점을 고려할 때, 분말공정은 단순 형상의 부품 보다는 후가

공비가 많이 지출되는 복잡한 형상 부품 (예: 톱니형 기어) 제조의 경우에, 경제적

효과가 크기 때문에, 국내는 물론 선진 외국에서 이미 다양한 부품에 분말야금 공

정을 적용하여, 관련 제품을 생산하고 있다.

또한 분말부품의 제조에 있어서, 부품의 최종 경도 및 내마모 특성을 결정하는 핵

심적 요인은 ① 합금조성 및 제품 내부 미세조직 제어 및 ② 분말의 사용에 따라

발생하는 제품내부 기공의 완전 제거를 위한 진밀도화 기술이다.

한편, 본 연구의 기술 협력국인 우크라이나의 경우 Cu, Cr, B원료 분말의 조성제어

를 통해 소결 및 단조 공정을 거쳐, 제품 내부에 카바이드나 혹은 보라이드 2차상

입자를 미세하게 분산시키는 것을 유도하여, 종래의 일반 철계 분말 소결/단조 부

품 대비 더욱 우수한 내마모성 향상 기술을 보유하고 있다.

- 13 -

따라서 제작하고자 하는 내마모성 향상 및 기계적강도 의 향상을 목적으로 하는 본

연구에서는 우크라이나의 기술력을 바탕으로 KIMM에서 보유하고 있는 신기술과 접

목하여 참여 기업으로의 기술 이전을 실행하고자 한다.

이러한 경질 입자상 분산 기술은 주로 일반 분말공구 제조에 적용되어 왔으며, 자

동차 및 산업용 부품으로는 적용된 사례는 극히 미흡하다. 따라서 고강도가 요구되

는 톱니형 기어 제조에 현지 기술을 적용하여, 기존 부품의 내마모성을 향상 시킬

경우, 우리측의 큰 기술적, 경제적인 파급효과는 엄청나다.

현재 분말야금기술은 범용적인 기어제작은 가능하나, 향후 소유증가가 예상되는 고

내마모 및 고정밀 기어제작을 위해서는 합금조성 설계기술 및 내부 미세조직 제어

기술이 필요하다. 하지만 이런 기술에 대한 기술력 미확보로 제작에 있어 많은 어

려움이 따르고 있다.

본 연구에서 개발하는 기술력은 대표적으로 로봇 감속 톱니 기어등과 같은 초정밀,

고강도, 내마모성이 아주 우수한 부품을 만드는데 사용되어 진다. 특히 이런 기술력

을 바탕으로 공정의 개선은 생산 품질의 고급화 및 시장 확대를 통한 고부가 가치

창출을 이루어낼 것이다. 또한 산업 전반적으로 많이 사용되는 자동차 및 산업기기

분말소결품 등에서 많은 기대 효과를 보일것이라고 예측되어진다.

특히 내마모 공구의 시장은 전 세계적으로 규모가 대단히 크다. 또한 내마모 제품

의 개발은 국내 부품산업의 경쟁력을 현저히 강화시킬 것이다. 아래 그림은 현재

전 세계적으로 생산된 양이 약 12,000톤 정도에 달하는 서브마이크론 내지 나노

결정립 초경합금의 용도별 사용량을 보여주고 있다.

- 14 -

그림 1. 전세계 내마모 공구 부품 시장

본 실험에서 내마모성 및 기계적 강도 향상을 위해 첨가하는 TiCN분말의 경우 국

내에서는 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다. 특히 각종 기계 부품들의 정밀화,

소형화, 기능적 특성의 강화를 요구하는 미래 산업에서는 그 수요가 폭발적으로 증

가 할 것이다. 본 연구의 연구원이 가진 기술 중 하나인 고순도 TiC제조 및 질화처

리에 의한 TiCN 분말 제조 기술은 이번 연구에 상당한 큰 도움이 될 것이다.

종래의 TiC 및 TiCN 분말 제조 방법으로는 Carbothermic reduction, 침탄법, 액상

용해법, 가스반응, 물리 합금법, self-propagating, high-tempera-rature

sintering(SHS), 졸-겔법(Sol-Gell) 등 여러 가지가 개발되어져 있는데 이중 산업에

서 가장 폭넓게 사용되는 방법인 carbothermic법은 TiO2분말과 C분말을 혼합하여

비활성 가스분위기에서 1800℃~2200℃로 15~20h동안 열처리 하는 것이다. 이는

TiO2와 C분말을 혼합 비활성 가스나 환원 분위기에서 열처리하여 TiC를 생산하는

방법이다.

Carbothermic법에서는 TiO2와 C분말의 혼합이 일정한 탄화열 환원법은 유리C를

최소화하고 결합C를 최대화하는 것이 핵심기술이다. 즉, TiO2의 강한 열역학적 안

정성 때문에 고온과 장시간의 열처리가 요구되고, TiO2와 C를 균일하게 혼합하여

TiC분말을 얻기 위해서는 유리C의 량을 억제하고 C의 결합을 극대화 시켜야한다는

것이다.

- 15 -

상업적 TiO2 의 입자 크기는 1마이크론 이하로 아주 미세하고 C분말의 크기도 나

노크기의 입자들로 응집되어져 있어서 분말들이 균일하게 혼합되지 않는다. 이 때

문에 건식 볼밀링으로 분말을 혼합하여 14~20h동안 혼합하게 된다. 볼밀링을 한

파우더는 직접 열처리 하거나 1800~2000℃도로 수 시간동안 열처리 하는데 이는

온도가 높을수록 환원이 잘 이루어지고 여러 가지 형태의 TiO2 산화물이 다음과 같

은 거동을 따르기 때문이다.

~ 1200℃ : 2TiO2 + C = Ti2O3 + CO

~ 1400℃ : Ti2O3 + C = 2TiO2 + CO

~ 1600℃ : TiO + 2C = TiC + CO

한편, 1400~1750℃범위에서는 TiCxOy-C-CO의 평형 상태로 형성되고 TiCxOy 의

완전한 환원을 위해서 더 높은 온도에서 반응을 해야 한다. 탄화열 환원법으로는

상대적으로 간단한 공정으로 접근이 가능하나 TiCxOy의 형태가 일반 분말제조 공정

에서 안정상으로 합성이 됨으로 완전한 환원이 어렵다. 게다가 고온에서 생성된 반

응물은 소결된 형상처럼 강하게 응집된 형태로 나오게 되므로 결과적으로 최종적인

분말을 얻기 위해서는 밀링 공정이 필수적이다. 더욱이 이러한 장시간이 밀링공정

에서는, 밀링자의 벽으로부터의 불순물 혼입이라는 큰 단점이 있다.

침탄 온도를 낮추기 위한 방안으로, TiO2와 C를 이용한 기계적 합금화 공정에 대한

연구가 활발하게 진행된바 있다. 이러한 효과로써, 1300~1400℃ 정도로 환원온도

를 감소시킬 수 있으나 역시 볼밀링을 한 분말에서 나오는 오염의 문제를 가지고

있다.

다음으로는 스폰지 Ti 분말 혹은 나 TiH2 분말을 이용하여 카본 블랙이나, CHx 계

가스를 이용한 직접이다. 이는 저온에서 분말의 생성이 가능하나 초기에 값비싼 금

속을 사용하거나 고 순도의 TiH2 분말을 사용해야만 한다.

- 16 -

특히 카본 블랙을 사용할 경우, 초기 분말과 카본 블랙을 균일하게 혼합하여야 하

는 어려움이 있다.

침강법의 경우, 위한 반응 분위기는 1000~1500℃에서 15~20h의 열처리를 요한

다. 이 경우 반응하는 분말 또한 소결된 형상으로 나오게 되므로 최종 분말생산을

위해 밀링 공정이 필요하다. 이공정의 결점은 초기 재료로써 값 비싼 금속이나 혹

은 고순도의 수산화 분말을 사용해야 한다는 것이다. 그리고 볼밀링 후 오염된 불

순물을 제거하기 위하여 행하는 화학적 세정 공정이 뒤따라야하며 이 방법도 이미

외국에서는 상업화 되어있다.

액상 용해법은 “Menstrum”이라는 이름으로 일반적으로 사용되어지는 공정이다. 이

방법은 TiO2와 C 분말을 혼합하여 액상 상태로 반응 시키는 것으로, 산소와 결합하

려는 성향이 강하다. 생성물 중에는 TiC와 액체금속 금속 산화물이 존재한다. 이를

염산 수용액에서 용해를 시키면 금속 산화물과 금속은 용해되고 TiC 분말은 얻을

수 있다. 이 공정의 반응 온도는 대략 2000℃ 정도이다. 단점으로는 금속 불순물에

의해 쉽게 오염되어 질수 있고 초기 액상 금속으로의 순환이 어렵다는 것이다.

물리적 야금 법으로는 100㎚ 이하의 크기로 제조가 가능한데 초기 재료는 TiO2 (or

FeTiO3), Mg (or AI, Fe) 를 C분말과 혼합하여 사용한다. 반응후 건식 볼밀링(10h)

을 하게 되면 TiC와 MgO (or Fe2O3)가 혼합되어 있게 되는데, 이는 산성 용액을

통하여 제거한다. 생산된 TiC 분말은 비정질형태로 있게 되며 이 상태에서 1200℃

로 1h동안 열처리를 해야 만이 안정한 TiC 화합물을 얻을 수 있다. 이 공정의 결점

은 TiC가 생성되지 않고 TiC0.5-0.9O0.1-0.4의 형태로 제품이 생산된다는 것이다.

또 다른 방법으로는 가스반응법이 있는데, 이 공정 또한 TiC와 TiCN분말을 생산하

기 위해 개발된 공정이다. 반응은 가스 상태의 TiCl4 와 CxHy가 불활성 가스로 내부

가 채워진 챔버에서 반응하여 고정된 챔버의 차가운 벽면에 응축되어 생성된다. 매

우 미세한 TiC, TiCN 분말이 얻어지지만 회수량이 너무 적고 1300℃이하 까지는

비화학 양론적인 형태를 가지고 있다는 것이 단점이다. 회수량이 적은 관계로 상업

적으로도 적용되지 않는다.

- 17 -

그 밖에 SHS법과 Zo1-Ge1 법은 TiCN분말은 안되고 TiC분말 생산법에 만 적용되

는 공정이다. SHS법은 화학 양론적인 TiC 생산법에 적용되나 초기에 고 순도의 Ti

분말을 사용해야 한다. 그리고 낮은 온도에서 합성하는 Zo1-Ge1 법은 TiC분말이

TiCxOy형태로 제조되는 문제점이 있다.

표 1에 다양한 상업적 TiC분말의 생산 공정에서 결합C와 유리C의 화학적 함량을

보여주는 것으로 결합C의 함량은 19.0~19.4wt%, 유리C는 0.2~0.7wt%, 전체의 불

순물양은 1.0~0.5wt%이다.

따라서 기술적, 경제적인 파급효과가 엄청난 나노분말을 이용하여 톱니형 기어와

같은 형상 제어에 어려움이 따르는 미세부품에 대한 내마모성, 고강도 특성 향상을

위하여 본 연구에서는 우크라이나의 기존 기술력을 바탕으로 우리의 신기술을 접목

하여 내마모성 및 고강도, 고정밀 톱니형 기어의 기술력 확보 및 이를 바탕으로 다

른 선진 외국과의 경쟁에서 우위를 선점할 수 있을 것이다.

- 18 -

표 1. 다양한 공정을 통하여 얻는 TiC 분말의 성분 특성

- 19 -

제 2절. 기술 지원 내용

1. 참여기업 개요

당사는 1997년 설립된 소결부품 전문생산업체로서 기계부품은 물론 소결 베어링과

스텐레스부품 뿐만 아니라 특수용도의 고함금부품도 양산하고 있다. 당사에서 생산

하는 제품으로는 소결 기계부품, 소결 베어링, 소결 고합금 부품등을 생산하고 있

다.

그림 2. 참여 업체 생산 시제품

현재 당사 분말 야금 기술은 범용적인 기어 제작은 가능하나 향후 소요 증가가 예

상되는 고내마모 및 고정밀 기어제작을 다음과 같은 기술이 필요하나, 현재 기술력

의 미확보로 어려움을 격고 있다.

- 20 -

① 합금조성 설계기술

내마모용 기어 제작을 위해서는 합금조성 설계기술이 필요하나, 현재로선 기술 인

력 및 기술력 부족으로 합금설계 기술보다는 성형밀도 및 소결온도를 조절하는 것

에 치중하는 실정으로 근본적인 합금설계 기술의 도입이 절실하다.

② 내부 미세조직 제어기술

고정밀 기어제작을 위해서는 소결과정에서 기어내부 조직의 제어기술로 최소한의

치수 변화 및 변형을 줄여야만 하나, 현재로서는 본 기술의 부재로 sizing 공정 추

가 등으로 해결하고 있으며, 이는 원가의 상승으로 이어져 가격 경쟁력이 상실하고

있어 본 기술의 도입을 필요로 하는 실정이다.

표 2. 참여 업체의 기술적 문제점 및 기술 지원 후 예상 되는 개선 사항

- 21 -

2. 기술 지원의 필요성

분말 소결품의 경우 최근 제품의 소형화 및 고특성화가 요구되며, 이를 위한 합금

설계 및 부품 고강도화에 따른 연구가 활발히 진행되고 있으나, 국내 산업에서는

아직 일반 철계 범용 조성의 소결부품 생산에 만족하고 있는 설정이다.

특히 우크라이나의 경우, 오래전부터 특유의 합금 설계 및 이에 따른 내부조직 제

어에 의해 매우 우수한 내마모특성을 가지는 복잡 형상의 분말 톱니기어 제조기술

을 보유하고 있다. 아래 그림은 본 연구소인 한국 기계 연구원과 참여 업체인 (주)

대광소결금속 과의 상호 기술 교류 및 협력 체계에 대해 나타내었다.

그림 3. 한국 기계 연구원과 대광 소결 금속과의 협력 체계

따라서 고강도 및 내마모성이 우수한 미립분 분말 제조 기술을 톱니형 분말부품을

제조 생산하고 있는 국내 참여기업으로 이전하여 기존 제품의 고강도화 등 부품 고

부가가치를 달성함과 동시에, 새로운 용도에 적합한 신 시장 창출을 꾀하고자 다음

과 같은 기술 지원 목표를 정한다.

- 22 -

- 내마모성 향상 및 고강도, 고정밀 톱니형 기어 제작을 위한 극미세 및 나노분말

제조를 위한 기존 분말 제조법에 대한 개선 및 효율 극대화에 관한 기술 지원

- 내마모성 향상 및 고강도, 고정밀을 위한 원료 분말의 특성 향상을 위한 균일 혼

합 기술 지원 및 합금조성 설계기술 지원

- 진밀도화를 위한 sinter-forging 기술 및 후열처리 기술 지원

- 우크라이나 관련 핵심 기술 입수 및 참여 기업에 지원

• 우크라이나 현지 방문 및 기술 협의

• 분말 톱니기어 제조 용 합금 설계 현지 기술 지원

• 시제품 제조 및 고강도화 기술 지원

• 샘플 기어 제조 이전

• 극미세 및 나노 분말의 크기, 형상, 비표면적, 화학성 성분 분석용 고분해능 주사

전자현미경(FE-SEM), 엑스레이 회절 분석기(XRD)등에 의한 분말의 특성 분석 기

술 지원

본 연구에 의한 기술력을 지원하였을 경우 예상되는 기대 효과는 다음과 같다.

- 23 -

표 3. 기술 지원후 예상 되는 경제 파급 효과 및 기술적 향상 효과

3. 기술 지원 상세 내용

가. 극미세 및 나노분말의 제조를 위한 기계적/화학적 방법의 공정 기술 지원:

- 분말의 합성비에 따른 물리적/화학적 특성 분석

- 소결 온도 및 분위기에 따른 소결체의 특성 분석

- 특성분석에 따른 분말 혼합조성 개선 및 고효율화 설계 및 제작

- 24 -

나. 우크라이나 기술 이전

우크라이나에서 핵심적으로 보유하고 있는 고내마모성 분말 부품 제조 기술을 국내

참여 기업에 이전하여, 국내 유관 부품의 고부가가치 창출을 목표로 한다.

우크라이나의 경우, 오래전부터 특유의 합금설계 및 이에 따른 내부 조직 제어에

의해 매우 우수한 내마모특성을 가지는 복잡 형상의 분말 톱니기어 제조기술을 보

유하고 있다. 따라서 현지 기술을 현재 톱니형 분말부품을 제조 생산하고 있는 국

내 참여기업으로 이전하여 기존 제품의 고강도화 등 부품 고부가가치를 달성함과

동시에, 새로운 용도에 적합한 새로운 시장의 창출이 가능할 것이라고 예측한다.

우크라이나에서 연구되어진 Fe-B실험의 결과는 boron의 첨가로 높은 기계적 강도

와 내마모성 향상, 부식 저항성의 향상등 좋은 결과를 보여주었다. 이에 우크라이나

를 직접 방문하여 기술 협의를 함과 동시에 우크라이나의 선진 기술에 착안하여

boron을 대신하여 TiCN을 첨가한 세계 최초의 내마모성 및 기계적 강도의 향상을

위한 기술을 개발하여 국내의 참여업체에 기술을 지원한다.

다. 학술 교류 및 공정 기술 교류를 통한 시너지 효과 극대

- 정기적인 기업 방문 및 세미나를 통한 기술력 증대

- 공동 협력에 의한 시제품 톱니 기어 제조 및 특성 평가

- 현재 KIMM에 구축되어 있는, 산자부기반조성사업 “고성능 분말 소재 부품산업공

동연구 종합지원 센터” 사업과 적극 연계하여, 기업 측 요구 애로 기술 해소 및 장

비 공동 활용을 통한 기술력 증대

라. 극미세 및 나노분말의 특성 평가기술 지원

- 제조한 분말의 크기 및 크기 분포를 분석함과 제조 분말의 및 형상등을 측정하기

위하여 FE-SEM, XRD, HR-TEM, 시차열분석기(DSC), 열중량분석(TGA)등과 제조

분말의 시제품 제작을 통해 내마모성 특성, 경도 및 밀도 특성등을 분석.

- 25 -

마. 연구소 보유 기술 및 자체 연구 수행

지원 연구원이 보유중인 본 과제와 관련된 기술력은 다음과 같다.

- 고강도 소형 톱니 기어 제조용 원료 분말 설계 기술

- 원료 분말의 균일 혼합 기술

- 성형 및 소결 기술 (금형 및 펀지 제조 기술)

- 소결체 미세조직 제어 기술

• 2차상 관찰 기술

• 입자량 및 크기 특정 기술

• 입자상 분포 형상과 기계적 특성 관계 규명 기술

지원 연구원의 보유 기술력을 바탕으로 KIMM 자체의 연구 수행 결과 99.4% 이상

의 고순도 TiCN을 제조 가능하게 되었고, 여러 분석을 통하여 미립분의 TiCN 임을

확인.

기계적 특성 및 성형 및 소결 특성 향상과 진밀도화를 위한 철계 미립분의 제조를

위한 분말 합금화 설계능력을 자체 연구를 수행하여 기술력 확보.

선행 실험을 통해 확보한 기술력을 바탕으로 Fe-TiCN합금 분말의 부품화 기술 확

보 및 특성 평가를 통한 참여 기업 기술 지원.

- 26 -

4. 연구 사업 기간중 관련 기술 이전 활동.

본 연구를 진행함에 있어 우크라이나의 기술 입수 목적을 위해 다음과 같은 활동을

하였다.

표 4. 주요 기술연구 활동내역

- 27 -

제 2장. 본론

제 1절. 문헌 조사

1. Influence of milling time on the processing of Fe-TiCN composite

Fe 분말로 제작하는 부품의 강도 및 기계적 특성의 향상을 위해서는 Fe 합금 분말

상에 남아 있는 게재물 및 불순물의 제거가 필요하며, 이는 Fe 합금분말로 제작한

부품의 열처리로 가능하다. 하지만 아주 강한 입자들은 이런 열처리로 제거가 불가

능하며, 이와 같은 강한 불순물들은 Fe합금분말의 모상내에서 분산도의 저하 및 결

합력의 저하를 야기한다. 이와 같은 강한 불순물 입자의 제거를 위해서는

high-energy milling의 방법으로 제거를 한다.

high-energy milling의 공정 조건은 다음과 같다.

표 5. Fe-TiCN 실험을 위한 실험 조건

- 28 -

그림 4. XRD patterns of powder milled in a planetary mill, under argon, for

different milling time.

high-energy milling의 방법으로 제작한 분말의 XRD결과이다. 위 결과를 보게 되면

TiCN의 피크가 milling 시간의 증가에 따라 감소함을 알 수 있다. 이는 결정질 입계

의 감소를 의미한다. 더욱이 12h high-energy milling에서는 어떤 상변화도 관측

할 수 없었다.

그림 5. Microstructural SEM aspects of Fe-TiCN powders after : (a)2h; (b)6h;

(c) 12h of the milling process

- 29 -

표 5. TiCN 분말의 P6, P12 조건으로 제작한 분말의 실험 조건

그림 6. Specimens sintered at 1450℃ in N2-10H2-0.1CH4: (a) P6, (b) P12

이상의 결과들을 요약하게 되면, 12시간의 milling을 한 후, 밀도측정 결과 우수한

밀도 값을 얻을 수가 있었으며, 이는 TiCN분말의 C/N비율과 밀링 시간등이 영향을

미치는 것을 알 수가 있었다.

2. In-situ production of Fe-TiC composite

기능적 향상을 위한 보강재 사용은 Fe 합금분말의 합성에 있어서 비용의 절감과 내

마모성 향상의 효과가 있다. 또한 분말야금법으로 제작할 경우 낮은 에너지 비용이

필요하여 경제적인 효과도 커지는 장점이 있다. 하지만 이러한 공정의 문제점은 Fe

모상과 보강재의 계면에서 오염이 잘 발생하는 것이다. 이러한 문제점을 해결하기

위하여 화학적인 반응인 In-situ기술을 도입하여 다음과 같은 실험을 진행 하였다.

- 30 -

실험조건은 다음과 같다.

표 6. Fe-TiC 분말 합성을 위한 실험 조건

분말을 합성하기 위한 볼밀링 속도는 180rpm으로 하였으며, 볼밀링 시간은 24시간

으로 하였다. 볼과 분말의 비율을 6:1로 맞추었으며, 볼밀링에 사용된 볼은 스테인

리스 볼을 사용하였다. 분말 혼합을 위한 준비를 마친 후, 볼밀링은 아르곤 분위기

에서 볼밀링을 실시하였다.

- 31 -

다음은 위의 실험 조건으로 제작한 합금분말의 소결온도에 따른 말도 측정 결과이

다.

그림 7. Effect of sintering temperature on the apparent density of Fe-TiC

composite.

위 밀도 결과에서 보듯이 소결 온도가 증가함에 따라 밀도값은 증가함을 알 수 있

다. 이는 시편의 최고 소결온도인 1420℃까지 계속 증가함을 알 수 있고, 이후

1420℃온도 이상에서는 밀도가 감소함을 볼 수 있다. 이와 같은 결과는 소결 온도

가 증가함에 따라 Fe 모상과 보강재인 TiC간의 액상 결합력이 증가하기 때문이며,

또한 액상간의 결합의 용이함으로 용해 및 석출이 잘되기 때문이다. 하지만 1420℃

의 온도를 초과할 경우 진공 소결인 관계로 금속이 타버리기 때문에 밀도는 감소하

게 된다.

- 32 -

그림 8. Microstructure of Fe-TiC composite sintered at 1420℃

위 사진은 제작한 시편의 주사 전자 현미경 사진이다. 위 결과를 살펴보게 되면, 회

색의 입자들은 Fe모상에 분포된 TiC입자들이다. TiC 입자들이 고르게 분포되어 있

는 것을 관찰 할 수 있으며, 화학적으로 높은 포텐셜을 가지는 작은 입자들은 용해

된다.

이상의 결과로 Fe 모상에 TiC분말을 균일하게 분포시키기 위해서 In-situ방법을 사

용하였다. In-situ방법을 사용하여 TiC분말이 균일하게 분포되는 것을 확인할 수 있

었으며, 밀도가 가장 최고가 되는 소결 온도 구간도 알아내었으며, 밀도 증가가 되

는 메카니즘도 규명하였다.

- 33 -

제 2 절. 기술 지원의 성과

1. 기술지원의 목표

본 연구로 인한 신기술 창출의 목적은 세계 시장에서 그 수요가 급증하는 초미세

정밀 부품의 내마모성 향상과 기계적인 특성을 강화하고자 하는데 있다. 특히, 본

기술지원 사업을 통해 수행한 세부 기술지원항목별 목표는 다음 표 4.와 같다.

표 7. 세부 기술지원 항목별 목표

또한 기술 지원에 앞서 세부 항목들의 평가 기준 및 방법은 다음과 같다.

표 8. 기술 지원후 세부 평가 항목 및 평가 방법

- 34 -

2. 기술 지원의 구체적 내용

본 연구에서는 Fe계 미립분과 고기능성 합금 분말인 TiCN분말을 혼합하여, 기계적

강도 및 내마모성, 부식 저항성등을 향상한 합금분말을 제조하고자 한다. 특히 본

연구에서 만들고자 하는 합금분말 기술은 참여 기업인 대광 소결 금속에 제조하는

톱니기어 및 부품 소재의 기능 향상 및 세계 시장에서의 경쟁력의 향상을 위해 기

술을 지원하고자 한다.

세계적으로 산업의 발달에 따라 각종 요소의 부품의 정밀도향상을 위하여 이를 가

공 하는데 핵심적으로 사용되는 공구 및 금형의 소재는 내마모성 및 기계적인 특성

의 향상을 위하여 원료 분말의 미세화가 절실히 요구되어 진다. 특히, 공구 및 금형

의 원료 분말로 사용되는 TiCN 분말의 경우 전량 수입에 의존하고 있으며, 국내의

경우 본 연구에 참여하는 연구원이 국내 최초로 이 기술을 보유하고 있다. 이런 티

타늄계 화합물은 고온에서의 우수한 특성(경도, 내산화성, 내마모성, 저밀도, 낮은

열전도도등)을 유지하기 때문에 공구, 성형 재료, 고온에서 사용되는 제트 엔진 터

빈 등에 광법위하게 사용되고 있다. 이런 TiC분말을 질화 처리하게 될 경우, 고순

도의 TiCN분말을 얻을 수가 있다. 수입 TiCN분말의 경우 그 크기가 수 마이크론인

데 반해 본 연구 참여연구원이 보유하고 있는 기술은 0.1마이크론 이하 수준으로

입자 미세화 부분에서 매우 혁신적인 기술력이다.

참여 기업인 대광소결 금속의 경우 철계 분말을 이용하여 소형의 고강도 부품을 제

조하고 있다. 이는 부품 제조 선진국에 비해 현저히 경쟁력이 떨어지며, 인근 부품

소재 선진국인 우크라이나의 경우 철계분말과 보오론카 바이드(B4C)를 첨가하여 미

세 부품의 기능적인 특성을 향상하고 있다.

한국 기계연구원에서 자체 보유하고 있는 철계 분말의 혼합에 의한 특성 향상 기술

과 국내 최초 개발에 성공한 초미립TiCN분말을 혼합하여 대광 소결금속에 기술력

을 지원하고자 한다. 이는 인근 기술 선진국인 우크라이나의 Fe-B4C의 기술을 입

수하여 지원하는 것과 동시에 본 연구소의 자체 기술을 이전함으로써 세계 부품 시

장에서 경쟁력이 우수해 질것이라고 예상하며, 동시에 다가올 부품 시장에서 우위

를 점 할 수 있다고 예측한다.

- 35 -

철계 분말의 특성 향상을 위하여 입도 분포를 고르게 하는 기술이 필요하다. 입도

분포 기술을 통한 철계 분말의 혼합은 성형 및 소결 특성이 아주 우수하며, 밀도

특성 역시 철분말의 진밀도에 가깝다. 또한, Fe-TiCN 혼합분말의 경우 성형성 및

소결특성이 향상되는 것을 알 수 있다.

3. Fe 미립 분말 설계 연구.

톱니 기어의 내마모성 및 기계적 강도를 향상하기 위하여 기존의 상용 Fe 분말의

향상을 위한 분말 설계를 실시하였다. 상용 Fe 분말을 평균 38um 의 크기로 분리

하여 미립 철계 분말과 초미립 철계 분말간의 혼합비를 5:5 및 8:2로 합성하였다.

합성한 후 0.6%의 파라핀을 첨가한 후 헥산을 첨가하여 조건별 시간에 따라 볼밀

링을 실시하였다. 합성한 각각의 분말을 성형한 후 성형 특성을 평가하였다.

이후, 소결 특성을 분석하기 위하여 수소 분위기에서 소결한 후 소결체에 대한 밀

도, 수축 거동 및 기타 소결 특성을 분석 하였다.

아래의 표는 제조한 철계 미립 분말에 대한 성형 및 소결 특성을 나타내었다.

그럼 9. 합금 분말 제조를 위한 Fe 분말 예비 제조 공정

- 36 -

표 9. 혼합 Fe 분말에 예비 실험 결과

위 실험 결과는 상용 철계 분말만의 성형 및 소결 결과와 상용 철계 분말과 미립

철계 분말과의 혼합비를 5:5, 8:2 로 혼합한 분말에 대한 성형 및 소결 밀도, 두께

수축에 대한 예비 실험 자료이다.

- 37 -

다음 사진들은 실험을 위해 본 연구소가 자제 제작 및 보유 하고있는 장비들이다.

그림 10. Fe 분말의 미립화 및 초미립화를 위한 분말쉬빙 장치

그림 11. 제조한 분말을 성형하기 위한 성형 장치

- 38 -

그림 12. 볼밀링을 위해 자체 제작한 밀링 도가니 및 초경볼

그림 13. TiCN분말 합성 및 Fe미립 혼합 분말을 제조하기 위해 제작한 실험용

후드

- 39 -

그림 14. 혼합한 분말을 이용하여 성형체를 제작하기 위한 프레스장비

그림 15. 제작한 소결제의 밀도를 측정하기 위한 아르키메데스 밀도 측정기

- 40 -

그림 16. 혼합 분말로 제작한 성형체를 소결하기 위한 소결로

그림 17. 소결제의 미세 조직 관찰을 위한 광학 현미경

- 41 -

4. Fe 미립분말의 혼합 실험 결과

그림 18. 성형압에 따른 Fe합금 분말에 대한 성형 거동

그림 19. 성형압에 따른 Fe합금 분말에 대한 소결 거동

- 42 -

그림 20. 각각의 혼합비에 따른 밀도 비교

성형 밀도 결과에서 알 수 있듯이 성형압이 증가함에 따라 상용 철계 분말은 1.5톤

이상에서는 성형성이 현저히 저하되는 것을 관찰 할 수 있었다.

미립 철계 분말과 초미립 철계 분말 5:5의 혼합비를 가지는 철계 합금분말의 경우

상용 철계 분말보다는 특성이 향상 되는 것을 알 수 있었다. 그러나 성형압이

1.5ton 이상으로 증가하게 되면 성형 밀도가 현저히 떨어짐을 관찰 할 수가 있다.

하지만 8:2의 혼합 분말의 성형 밀도 측정 결과 그 특성이 상용 철계 분말 및 5:5

혼합 분말 보다 훨씬 우수한 것을 관찰할 수 있었다. 이는 미립 철계 분말간의 결

합에서 나타나는 미세한 공간에 초미립 철계 분말이 적정량 채워짐을 통한 결과로

생각한다. 하지만 5:5 혼합 분말에서는 미립 철계 분말에 비해 상대적으로 초미립

분말의 양이 많아서, 초미립 철계분말에 의한 채워짐 효과 이외에 미립 철계 분말

간의 결합 표면에 초미립 철계 분말의 간섭 효과가 발생한 것으로 생각된다. 이런

간섭 효과에 의해 8:2 혼합 분말보다 초미립 분말의 양은 많지만 성형 특성이 낮아

짐을 알 수가 있다.

- 43 -

또한, 소결 결과에서 알 수 있듯이 5:5의 혼합 분말의 경우 소결 밀도는 우수하지

만 압력에 따른 변동폭이 심한 것을 관찰 할 수 있다. 이는 성형 후 성형체 내에

존재하는 기공들이 많이 존재 하는 것으로 사료되며, 이후 톱니 기어등과 같은 제

품을 제작 할 시에 적합하지 않다고 판단된다. 하지만 8:2의 혼합분말의 경우 소결

밀도가 여러 성형압 구간에서 큰 변동이 없는 것으로 소결성이 5:5 분말에 비해 훨

씬 우수하다는 것을 알 수 있다.

위의 선행 실험 결과 Fe분말과 Fe미립분의 혼합비는 8:2가 최적임을 알 수 있다.

이에 혼합비 8:2인 분말에 대한 세부적인 실험을 하여 최적의 공정 조건을 만들 수

있었다.

그림 21. 성형압력에 따른 직경 수축거동

위 실험 결과에서 보듯이 성형압의 증가에 따라 상용 철계분말과 미립분말로만 성

형한 성형체는 직경의 변화가 크게 발생함을 알 수 있었지만, 8:2 혼합 분말의 경

우 대부분의 성형압에서 직경의 변화가 미미한 일정한 직경값을 나타내고 있다.

- 44 -

표 10. 8:2 합성 분말의 성형 특성

표 11. 8:2 합성 분말의 소결 특성

8:2 혼합 분말에 대한 성형압력을 증가한 실험 결과이다. 위 결과에서 보듯이 성형

압이 증가함에 따라 8:2 혼합 분말의 경우 진밀도에 가까워지는 것을 알 수 있다.

특히 국내 연구 참여 업체의 최대 프레스 용량인 5~7 톤에서도 진밀도에 가까운

밀도값을 얻을 수가 있었다. 또한 성형압의 증가에 따른 소결 밀도 결과 역시 압력

의 증가에 따라 소결 밀도가 진밀도에 가까워짐을 알 수가 있고, 5~7톤의 구간에

서 역시 우수한 밀도값을 얻을 수가 있었다.

따라서 내마모성 및 기계적 특성을 향상하기 위한 합금분말 제작을 위한 원료 분말

인 철계 미립분에 관한 실험은 위의 실험 결과에서 알 수 있듯이 8:2로 혼합한 혼

합 분말이 우수한 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 이는 상용 Fe 분말에 존재

하는 기공의 수 및 크기보다 미립 Fe 분말의 기공과 기공 수가 적기 때문이며, 또

한 초미립 분말을 일정 비율 혼합 하여 줌으로 인하여 미립 Fe 분말에 존재하는 기

공을 채우는 역할을 하기 때문이다.

- 45 -

이 결과를 바탕으로 앞선 TiCN 분말과 8:2 혼합 철계 미립분과의 혼합에 의한 내

마모 및 기계적 특성 향상을 위한 미립 합금분만 제작에 관한 기술을 개발하고자

한다.

5. 열환원 공정에 의한 TiC0.5 분말 제조 연구

TiC 분말을 만들기 위한 기본 반응식은 다음과 같다.

TiCl4 + C2Cl4용액은 850~950℃의 온도에서 액상 Mg(2) 용액이 담긴 용기 (3)에

주입 속도(8)를 조절하면서 넣는다. TiCl4(1) + C2Cl4(1) 용액은 130℃의 낮은 끓는

점을 가지기 때문에 이(850~950℃) 온도에서 기제 상태이다. 따라서 용액은 용액

관이 담겨있는 용기에 주입되자 곧바로 증기 상태로 된다. TiC는 Mg 액상의 표면

에서 다공질의 필름 형태로 생성되며 어느 정도의 무게가 되면 반응 용기의 바닥으

로 가라앉게 된다. 물에 의한 냉각 시스템은 반응 용기의 뚜껑에 고정 되고,

thermocouple 또한 상단부에 부착시켜 환원 반응과 vacuum separation 동안의 온

도를 측정하였다. 고상 Mg이 들어 있는 용기에는 Mg이 녹기 전에 Ar가스로 압력을

조절하여 주는데 이는 Mg이 고온에서 진공이 되면 빠르게 증발해 버리기 때문이

다. 환원 반응 동안 액상 Mg나 Chloride 용액에는 산소가 침입하여 TiCxOy를 형성

하게 되는데 이를 막기 위하여 용기내의 분위기를 불활성 가스인 Ar로 채워 주었

다. 이때 Ar의 압력은 외부로 부터의 공기의 침입을 막기 위하여 latm 이상으로 해

주는 것이 좋다.

반응을 시작하게 되면 TiCl4와 CxCl4는 기화되고 MgCl2 가스가 발생되므로 용기내

의 압력이 일시적으로 높아지게 되어 용액의 주입을 일시적으로 멈추었다가 다시

주입하는 것이 효과적이었다.

- 46 -

그림 22. Ti계 고융점 분말 제조를 위한 Mg 환원 공정 개략도

반응이 완결 되면 반응 용기(4)는 vacuum separation을 위한 시스템으로 옮겨지게

되며 실험은 900~1000℃에서 실행하였다. Vacuum separation동안 Mg 와 MgCl2

는 증발하여 냉각 부분의 외벽에 응축된다(13). Mg, MgCl2의 제거용으로는 기계적

펌프를 사용하였다.

스폰지 Ti 제조공정에서 알려져 있듯이 액상 Mg의 분리 속도는 MgCl2의 분리 속도

보다 5배는 빠르다. 이는 초기 vacuum separation때에 Mg의 증기 압력이 더 높기

때문이다. 이러한 이유로 실험에서는 Mg는 30분후 MgCl2는 2~3시간 후 부터 제거

되어질 것으로 판단하였다. MgCl2는 소결하는 과정에서 chloride 가스를 배출시켜

중대한 결함을 발생시키는 불순물이기 때문에 이를 제거 하기위한 vacuum

separation공정은 매우 중요한 기술이며 0.1torr 1000℃에서 vacuum separation을

하면 MgCl2가 30분후에는 0.3wt% 1시간후에는 0.07wt%까지 단계적으로 내려가는

것으로 알려져 있기 때문에 실험은 1시간 이상으로 하였다.

- 47 -

TiC0.5 분말을 제조하기 위하여 다음과 같은 장비를 자체 조립하여 제작하였다.

자체 제작한 장비의 부품들은 내부직경 300㎜ 를 가지는 원통형 로에 장착이 되고,

하부 드레인 장치와 진공축출 장치가 부착된 일체형 구조를 가짐.

- 전체 장치 set 에는 이송이 수월하도록, 롤러 바퀴가 이루어진 플레임으로 고정.

- 장비 우측에는 batch 당 50g 수준의 소형 분말제조 장비가 설치 외어 있어, 수

시로 신속한 예비실험을 수행함.

- 48 -

그림 23. TiC 분말 합성을 위한 실함 장비

그림 24. Mg-환원 장치 구조

- 49 -

그림 25. TiC 분말 제조를 위한 장비의 세부 사진

- 50 -

선행 연구에서 확립된 최적의 공정으로 실험을 수행하여 고순도의 TiC0.5 분말을 제

조하였으며 실험의 최적 조건은 다음과 같다.

- TiCl4 용액과 C2Cl4 용액의 최적 혼합비로 합성.

- Magnesium 을 자체 제작한 장비의 챔버내에서 850℃까지 온도를 상승시켜 용

액화함.

- 용액의 공급 속도는 20 g/min 이 가장 적합한 공급 속도임.

- 위 두 용액을 합성하여 TiC0.5 분말을 제조함.

제조한 TiC0.5 분말의 미세조직 및 EDX 분석 결과.

그림 26. TiC0.5 합금 분말의 주사 현미경 사진

위의 사진은 제작한 TiC0.5 분말의 미세 조직 사진이다. 평균적인 입자의 크기는 1

㎚ 이하이며, 입도 분포가 균열한 TiC0.5 분말이 합성되었음을 알 수 있다.

- 51 -

6. 제조한 TiC0.5 분말의 청정화 연구

아래 그림은 제조한 TiC0.5 분말에 대한 EDX분석 결과이다. 제작한 분말의 EDX 분

석 결과를 살펴보면 TiC0.5 분말내에 Mg, MgO, MgCl2 의 불순물이 수 % 가량 존

재함을 알 수가 있다. 이런 불순물들은 합성을 한 후 불순물들의 완벽한 제거가 이

루어 지지 않았거나, 볼밀링시 기타 불순물들의 혼입으로 인해 발생하였다고 생각

되어 진다. 불순물들의 존재로 인해 이후 진행될 성형 및 소결 제작품에 좋지 않은

영향을 끼칠 것이라고 판단된다. 따라서 이러한 불순물을 3-7% HC1 수용액서 교

반 처리하여 제거하였다. TiC0.5 분말 순도화 가동에 미치는 염산 농도의 효과는 미

약하며, 향후 약 3% 의 약염산의 적용이 바람직함을 발견하였다.

약 6 시간의 교반처리에 의해 불순물 제거 완료하였으며, 교반 후 순도는 99.7%

수준임을 확인하였다.

그림 27. 제조한 TiC0.5 분말의 EDX 분석 결과

- 52 -

그림 28. 약염산 수용액에서 교반 처리함에 따른 TiC 분말 순도 증가 경향

7. TiCN 합성을 위한 질화 열처리 연구

TiC, TiCN 분말의 생산 기술은 기존의 스폰지 Ti 분말 합성법과 유사하다 (그럼 5).

스폰지 Ti 법은 TiCl4 용액을 Mg용액에 850℃의 온도에서 주입하는 것으로 TiCI4(1)

+ Mg(1) = Ti(s) + Mg(1) + MgCI2(1 or s)에 의하여 생성 된다. Mg용액은 챔버내

에서 아르곤 가스에 의해서 보호되며 TiO2생성이 예방된다. 최종적으로 스폰지 형

태의 Ti생성물은 Mg+MgCI2를 vacuum separation 후에 얻어진다.

이 방법에 의한 TiC분말의 생산을 위해서, TiCl4 + C2Cl4 (or CCl4) 용액을 사용하

였으며, 이후 vacuum separation의 과정은 기존의 스폰지 타탄공정과 동일하다.

여기서 TiCN의 제조를 위해서는 챔버내에 N2 가스를 충진하는 방식을 취한다. 따라

서 본 공정의 주요 장점은 고부가가지 TiC 분말 을 스폰지 생산 규모의 대량생산이

가능하며, 또한 TiCN 분말을 TiC 합성 공정과 동일한 공정에서 합성할 수 있다는

것이다. TiCl4 + C2Cl4(or CCl4) 용액을 채택함으로써 이 공정의 변수는 제품의 성

질에 순도, 결합C와 유리C의 용량 등의 영향을 줄 수 있으며 이는 다시 용액내에

서로 다른 휘발성을 가지는 염화물들의 조성이라든지, Mg와의 반응성, 용액의 주입

속도, 반응온도 등에 영향을 받는다.

- 53 -

이러한 이유로 본 연구는 금속 열 환원법으로 고품질의 TiC와 TiCN 분말을 만드는

데 최적화된 변수를 찾는것이 주된 목표였다. 게다가 TiC/Ni 분말의 생산 가능성은

기존의 분말(TiC, TiCN)을 만들 때 Mg 액상 용액만을 사용했다면 여기서는 Mg-Ni

합금을 사용하는 것이 그 방법이다.

그림 29. 질화 열처리 시간에 따른 C, N, O 분석 결과

위의 분석 결과에서 알 수 있듯이 각각의 온도에 따라 탄소와 질소의 함량이 변화

하는데, 탄소는 온도가 증가함에 따라 감소하고 질소는 온도가 올라감에 따라 증가

하는 것을 관찰 할 수 있다. 이는 온도 증가에 따라 TiC에 합성되지 않고 남아있던

유리탄소는 날아가고 octahedral 구조의 남은 공간에 질소가 합성되어 TiC0.5N0.5가

생성됨을 확인할 수 있다.

따라서 최적의 TiC0.5N0.5 분말의 질화 온도는 1150℃로 판단된다.

- 54 -

그림 30. 합성한 TiCN의 광학 현미경 사진

그림 31. 합성 TiCN 의 SEM 조직 및 EDX 분석 결과

위의 SEM 및 EDX 분석에서 보이듯이 합성한 TiCN 의 내부 입자크기는 대부분

100㎚이하 수준으로 나타나고 있다. 일부 입자의 경우 서로 융착된 상태로 응집되

어있는 것을 볼 수 있는데, 이는 이후 공구 제조시, 수십 시간의 밀링공정에 투입되

므로, 쉽게 재 분쇄 되므로 크게 문제시되지 않는다.

- 55 -

EDX 분석 결과 TiC에서 보였던 Mg 및 Fe 계 불순물은 보이지 않는 것을 확인하였

다.

- 참고 : 성분 검사에서 나타난 Pt 상은 EXD 측정을 위해 코팅한 코팅층 재료 성

분임.

그림 32. 합성 TiCN 분말의 XRD 분석 결과

- 56 -

가. 제조 TiCN 분말의 XRD 평가

그림 10과 같이 제조분말의 상은 TiCN으로 명확히 밝혀졌다.

(200)면 확대 피크를 보면, TiC와 TiN 의 두 피크가 발견 되며, 1000℃ 이하에서는

TiC 피크가, 그리고 1200℃ 이상에서는 TiN 피크가 두드러지게 나타남을 알 수 있

었다. 따라서 1100℃ 에서는 전체적으로 균일한 분포를 나타내고 있음을 확인하였

다.

이는 1100℃에서 C 와 N 이 random 하게 침입형 자리에 위치할 수 있음을 의미

하며, 질화 온도는 1100℃ 로 고정하여, 시간 및 질소 유량을 변화시키면서, 질화

처리하는 것이 최적의 조건으로 판단되어진다.

나. 제조 TiCN 분말의 순도 정밀 조사

합성 TiCN 분말의 기타 가능 성분을 정밀 조사한 결과 아래의 표와 같이, 약99.4%

의 순도를 얻었고, 화학양론의 경우도 만족할 만한 결과를 확보하였다.

표 12. 제조한 TiCN분말의 성분 분석 및 청정도

8. Fe-TiCN 분말을 이용한 제품 제작

앞선 선행 실험들의 결과를 바탕으로 Fe-TiCN분말 합성을 위한 조건은 다음과 같

다.

톱니기어 제작을 위한 Fe분말의 경우 선행 실험 결과 Fe분말의 경우 미립 분말과

초미립 분말과의 혼합 비율은 8:2가 가장 최적하다는 것을 알 수 있었다.

톱니 기어의 내마모성 및 기계적 강도 향상을 위한 첨가 분말로는 TiCN을 이용하

였다. TiCN 분말의 제조는 열 환원 공정에 의해 TiC분말을 제조한 후, 제조한 TiC

분말의 청정화 실험을 통해 97.7%이상의 고순도 TiC분말을 제작하였다.

- 57 -

제작한 고순도 TiC분말을 질화처리를 통해 고순도의 TiCN 분말을 제작하게 되었으

며, 각각의 분석 결과에 의해 TiCN분말의 우수함을 알 수 있었다.

Fe-TiCN 분말을 이용한 톱니 기어의 우수한 내마모성 및 기계적 강도 향상을 위한

실험을 하기 위해 본 연구소에서는 다음과 같은 성형 장치를 자체 제작하여 실험을

하였다.

그림 33. 외경 6φ, 내경 2φ

본 연구소에서 자체 제작한 성형 도구를 이용하여 각각의 성형압에 따른 톱니 기어

의 사진은 다음과 같다.

그림 34. Fe-TiCN분말을 이용하여 제작한 소형 톱니 기어

A그룹의 톱니 기어는 Fe상용 분말만을 이용하여 제작한 톱니 기어의 사진이다. 각

각의 성형압은 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 ton 이다.

B그룹의 톱니 기어는 Fe(혼합비 : 8:2)와 TiCN분말 (0.25%)을 혼합한 분말을 이용

하여 제작한 톱니 기어이다.

- 58 -

다음은 상용 철계 분말 및 Fe-TiCN혼합 분말로 제작한 톱니 기어의 광학 현미경

사진이다.

그림 335. 상용 철계 분말을 이용한 톱니 기어 (x50)

위 사진은 상용 철계 분말을 이용한 톱니 기어 제작 사진이다. 소결 온도는 1300℃

이며, 수소 분위기에서 소결을 실시하였다. 상용 철계 분말로 제작한 톱니기아의

50배 광학 사진을 보게 되면 약간의 기공들이 존재함을 알 수 있다. 이런 기공들의

존재는 철계 분말만으로 성형을 하였을 경우 철계 분만간의 혼합시 발생하는 기공

을 채워줄 다른 미세 분말의 부재로 인한 것이다. 이에 관한 내용은 우크라이나 실

험에서 상세히 설명 되어진다. 또한 위 결과는 상용 철계 분말로는 고정밀, 고부가

가치 소재 부품의 제작이 어렵다는 것을 단적으로 알 수 있게 해준다.

- 59 -

그림 36. 상용 철계 분말을 이용한 톱니 기어 (x200)

위의 사진은 상용 철계 분말을 이용하여 제작한 톱니 기어 부품의 200배율 광학

현미경 사진이다. 50배율에서 관찰 할 수 있었던 기공들이 다수 관찰되어진다. 이

런 미세 기공들의 제거 및 기능적인 특성을 향상하기 위하여 복합 분말의 설계가

필요하며, 본 실험에서는 TiCN분말을 첨가하여 그 특성의 차이를 관찰하였다.

- 60 -

그림 37. TiCN 0.25% 첨가한 톱니 기어(x 50)

다음 사진은 혼합 Fe분말에 TiCN 0.25%를 혼합한 분말로 제작한 톱니 기어의 광

학 사진이다. 소결 조건은 1300℃의 온도로 수소분위기에서 소결을 실시하였다. 앞

선 상용 철계 분말과 비교 하였을때 많은 수의 미세 기공들이 관찰되어진다. 이런

기공의 존재는 시제품으로 사용하기에 많은 어려움이 있으며, 상용 철계 분말보다

많은 수의 기공 발생은 TiCN의 소결성이 낮은 본래의 성질과 TiCN이 고융점 분말

이라는 특성 때문이다. 또한 1300℃의 소결온도는 혼합Fe분말과 TiCN의 고상결합

만을 유도 할 뿐이어서 상대적으로 미세한 TiCN분말이 혼합Fe 분말의 표면에 결합

하면서 발생한 것이라고 생각한다.

- 61 -

그림 38. TiCN 0.25% 첨가한 톱니 기어(x 200)

다음 사진은 혼합한 분말로 제작한 톱니 기어의 200배율 광학 현미경 사진이다.

200배율 광학 현미경 사진에서 역시 많은 수의 기공이 관찰되어진다. 이런 기공들

의 발생은 1300℃의 소결온도로 인해 고융점 TiCN분말과 혼합 Fe분말간의 고상결

합으로 인한 것이다. 고상결합으로 인한 기공 발생은 산업에 직접적인 적용이 불가

능하다. 이런 문제점들을 예비 소결 실험을 통하여 알아내었으며, 이후 1430℃에서

의 소결 온도를 결정할 수 있었다. 1430℃의 소결온도는 예비실험의 소결온도 조건

인 1300℃에서의 고상 결합을 액상결합으로 바꾸어 주며, 소결 온도의 증가에 따른

액상 결합은 예비 실험에서 관찰되는 미세 기공들의 소멸을 예측할 수 있다. 소결

온도의 증가에 따라 발생하는 TiCN의 액상화로 Fe혼합 분말간의 기공을 액상 TiCN

에 의해 채워지며, 예비실험에서 발생한 기공들의 소멸을 예측할 수 있다.

- 62 -

9. Fe-TiCN 분말을 이용한 시제품 제조 및 연구

다음은 우크라이나의 기술을 입수하여 본 연구소에서 자체 개발한 Fe 미세 혼합 분

말과 TiCN분말로 제작한 내마모 향상 톱니기어에 대한 결과이다. 소결온도는 예비

실험의 결과를 바탕으로 액상소결이 발생하는 온도인 1430℃, 수소분위기에서 소결

을 하였다.

그림 42. 상용 철계분말을 이용하여 제작한 톱니기어의 광학현미경 분석

위 사진들은 상용 철계분말로 제작한 톱니기어에 대한 1430℃에서 소결한 부품의

사진이다. 위 결과에서 알 수 있듯이 철계분말을 혼합에 의한 미세 기공들의 존재

가 소결후에도 남아 있는 것을 관찰 할 수 있다.

그림 39. Fe-2%TiCN 혼합분말을 이용한 톱니기어의 광학 현미경 사진

- 63 -

위 결과는 2%TiCN분말을 첨가한 혼합분말로 제작한 톱니기어의 소결 후 사진이다.

위 결과를 보게 되면 50배율에서의 상용 철계분말에서 존재한 기공들이 관찰되어지

지만, 2%혼합분말의 경우 TiCN이 완전 액상 소결이 되지 않아 입계에 응집되어 나

타나는 것을 관찰할 수가 있다.

200배율의 결과에서 살펴보게 되면 어느 정도의 기공은 사라졌다. 이는 1430℃에

서의 액상소결이 부분적으로 발생한 것을 알 수 있다.

표 13. 비커스경도 500㎏f 단위 Hv 1430℃ 수소 소결 대명 열처리

위 결과는 상용 철계 분말과 TiCN2% 혼합 분말의 열처리 후 경도 측정 결과이다.

위 경도 결과에서 알 수 있듯이 TiCN을 첨가한 혼합분말로 제작한 톱니기어의 경

도값이 상용 철계 분말로 제작한 톱니기어보다 경도값이 우수하다는 것을 알 수 있

다.

따라서 본 기술 지원 연구에서는 점점 커져가는 미세 부품 소재 산업에 대한 경쟁

력을 키우기 위하여 우크라이나의 기술을 입수하여 본 연구소의 자체 기술력과 결

합하여 TiCN분말로 인한 특성 향상을 관찰하였다. 또한 TiCN의 완벽한 액상 소결

을 위한 공정 조건의 확립을 위하여 여러 문헌 조사 및 타 기술 선진국의 기술을

입수함과 동시에 여러 예비실험들이 선행 되어야 함을 알 수 있다.

- 64 -

제 3 절. 우크라이나 기술 입수 내용 (세부 원본 첨부)

Table of content

1. Introduction

2. PART. 1

-MODERN TRENDS IN THE FIELD OF DEVELOPMENT OF IRON-BASE

POWDER WEAR-RESISTANT MATERIALS

PART. 2

- DEVELOPMENT OF NEW POWDER WEAR-RESISTANT MATERIALS ON THE

BASE OF Fe-B4C COMPOSITION

- GRINDING OF POWDER MIXTURE OF FE - B4C IN A GYRATORY-INERTIAL

CRUSHER

- Structure Formation in Sintering of Powder Composition on the Base of

Fe-B4C System

- Properties of Sintered Materials

PART. 3

- Hot Forging of Sintered Compacts

- Heating of Compacts before Forging

- Influence of the Technological Parameters of Forging on Structure and

Properties of the Material

- Defects of Hot-Forged Forgings

- Influence of Heat Treatment on the Structure and Properties of Sintered and

Hot-forged Materials

3. RESUME

4. REFERENCES

- 65 -

1. 주요 내용

가. 우크라이나의 Fe-B4C 기술

우크라이나의 경우 철계분말에 보오론을 혼합한 합금 분말을 연구하고 있다. 이는

기계적 강도 및 경도, 내마모성 향상을 위한 것이다.

보오론의 물리적 특성을 살펴보게 되면, 낮은 조성 및 중간 조성의 합금에 철계 합

금의 경도와 연성 특성을 향상 시킨다. 또한 보오론의 첨가로 높은 온도에서 내산

화성의 향상, 취성재료에서 높은 크립(Creep)저항값을 나타낸다. 경도가 높은 철계

에 보오론을 첨가하게 되면 더 높은 경도값의 향상을 볼 수 있으며, 합금화 과정중

에 기계적 특성의 저하 없이 구성되도록 한다. 더욱이 기계적 특성, 피로강도, 용접

성등도 향상 된다.

우크라이나의 연구 결과를 보면 철계 분말에 B4C를 0.5~1.0% 정도 첨가할 경우

기존의 합금 분말 보다 높은 강도와 내마모성을 얻었다.

그림 40. Constructive scheme of gyratory - inertial crusher

- 66 -

Fe-B-C 합금 분말의 기본적인 메카니즘은 철계 분말과 보오론 분말 및 카바이드

분말의 혼합 후, 1100℃이상의 온도에서 소결을 할 경우 공정점 (eutetic point)이

상의 온도에서 상변화가 발생하여 밀도의 변화 및 각각의 특성들이 향상되는 것을

알 수 있다.

철계 분말과 보오론 분말간의 혼합 분말을 준비함에 있어 철계 분말의 기공 존재

비율을 22~24%로 압축한다. 이후 3.8~4%의 보오론을 첨가하여 합금 분말의 녹는

점을 낮추었다. 철계 분말에 존재하는 기공을 보오론 분말로 충진함에 의해 진밀도

에 가까운 98~99%의 합금분말 밀도를 얻게 되었고, 포정상(ferritic phase) 및 공

정상(eutetic phase)의 1.5~2.3, 4.0~5.0Gpa 마이크로 경도값을 가지는 이종혼합

분말을 얻게 되었다.

Fe-B-C 합금 분말의 제조는 액상 소결을 통한 낮은 기공율의 압착 혼합 분말을

얻을 수 있다. 이러한 액상 소결을 통한 분말의 평균 입자 크기는 60~100um 이

다. 또한 소결 특성을 향상하기 위하여 GIC(A gyratory-inertial crusher)장비를 사

용하였다. 이는 기존의 분쇄 방법과는 다른 방법이며, 밀링 효율이 아주 우수하다.

- 67 -

다음 그림은 GIC 공정에 의해 얻어진 분말에 대한 평균 크기에 관한 분석 결과이

다.

그림 41. GranuIometric compositions of powder from Fe - 1,0 % B4C mixture

after 3 (curve 1), 6(2), 12(3) and 20(4) cycles of grinding and initial

mixture(5)

위 결과에서 보듯이 GIC공정에 의해 혼합 분말을 파쇄하여 밀링할 경우, 그 횟수가

증가함에 따라 입자의 크기가 점점 미세해짐을 알 수가 있다. 하지만 GIC공정 횟수

가 3회 이상일 경우 입자의 크기는 큰 차이를 보이지 않고 있다.

- 68 -

다음은 GIC공정 횟수에 따른 주사 전자 현미경 사진이다.

그림 42. GIC 공정 횟수에 따른 분말의 크기 및 특성에 관한 주사 전자 현미경

사진

(a)의 경우 초기 입자의 사진이며, (b), (c), (d), (e)의 순서로 GIC공정에 의한 혼

합 분말의 파쇄 및 밀링 횟수가 3,6,12,20으로 증가하게 된다. 초기 입자의 사진과

비교 했을 경우 분쇄, 밀링 횟수가 증가함에 따라 평균 입자의 크기가 25um 이하

로 미세해 지는 것을 직접적으로 관찰 할 수 있다.

- 69 -

또한 분쇄 및 밀링의 횟수가 10회 이상을 초과 할 경우 미세한 입자들의 생성으로

인해 상대적으로 큰 입자들의 표면에 흡착되는 것을 관찰 할 수 있다.

소결 과정을 거치면서 Fe-B4C 혼합 분말은 Fe-C, Fe-B의 형태로 만들어 지며,

이는 소결체의 여러 특성들을 향상시키는 결과를 낳게 된다. 우크라이나의 기능 향

상을 위한 혼합분말에 대한 실험의 세부적인 내용은 다음과 같다. Fe-B4C 혼합분

말을 제작하기 위하여 Fe에 대해 0.5~2.0%의 보오론 카바이드를 첨가하였다. 성형

체를 제작하기 위한 압력은 600Mpa 이며 소결 조건은 1050~1200℃의 수소 분위

기에서 실험하였다.

그림 43. Structure of the mater i a1 wi th c 1,0 % B4C, sintered at 1050 ℃:

a) 300 b) 800

위 사진은 1050℃에서 소결한 Fe-B4C 분말 성형체에 관한 사진이다. 위 사진을

보면 알 수 있듯이 국부적으로 불완전한 보오론-카바이드 입자의 분해된 모습을 관

찰할 수 있다. 이는 제작한 합금분말이 소결 온도에 큰 영향을 받기 때문이다.

1050℃에서의 소결은 고상소결만을 유도할 뿐이어서 Fe 상의 입계에 완전히 소결

되지 못하고 남아있는 보오론-카바이드의 미세 입자들이 존재하기 때문인 것으로

생각된다.

- 70 -

다음은 제작한 Fe-B4C분말에 대한 1100~1200℃온도에서 소결한 결과이다.

그림 44. Structure of the material with 0,5 (a) и 1,5 (b, c) % B4C, sintered at

1200 ℃: 300 (a), 600 (b), 20 000 (c)

위 결과를 살펴보게 되면 앞선 소결 조건인 1050℃에서의 결과와는 다른 조직들을

관찰 할 수 있다. 이는 액상 소결 온도인 1100℃이상에서 소결을 하게 됨에 따라

발생하는 보오론-카바이드 입자들의 액상화에 따른 영향이다. 보오론-카바이드 입

자의 액상화로 존재하는 기공과 입계로 채워짐에 따라 Fe-B4C 혼합분말에 대한

임계 녹는점 맞 공정온도를 확인 할 수 있었다.

- 71 -

다음은 Fe-B4C 소결체에 대한 특성에 관한 결과이다. Fe분말에 대해 0.5% 가량의

B4C의 혼합양을 늘려가게 되면 혼합분말의 밀도는 보오론-카바이드가 혼합되지 않

은 철계 분말과 비교해서 미세하게나마 밀도가 증가하는 것을 관찰할 수 있었다.

또한, 1%의 B4C를 첨가하게 되면 0.5%첨가보다 훨씬 큰 증가량을 보이는 것을 알

수 있었다.

다음 결과는 소결 온도와 첨가된 보오론-카바이드의 양에따른 밀도 특성에 관한 결

과이다.

그림 445. Relation between sintered materials density and temperature of

sintering and contents of a boron carbide: here and at fig. 2.12: tsint.: 1 -

1050; 2 - 1150; 3 - 1200℃

위 결과를 살펴보면 알 수 있듯이 소결 온도가 증가함에 따라 소결 밀도도 증가함

을 알 수 있으며, 또한 이는 첨가되는 보오론-카바이드의 량에도 큰 영향을 받는

것을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 온도의 증가에 따른 액상 소결의 발생 정도에

근거하는 것이라고 생각되어진다.

- 72 -

다음은 Fe-B4C 혼합분말을 이용한 소결체에 대한 굽힘 저항성에 관한 실험 결과이

다.

그림 46. Relation between bend durability of sintered materials and contents

of a boron carbide and temperature of sintering

B4C의 첨가량이 1%인 구간에서 재료의 강도가 떨어짐을 관찰 할 수 있다. 이는 입

계 내부의 보오론-카바이드의 미세 구조들이 조대화 됨에 따라 기계적 강도가 약화

되는 것이다. 하지만 보오론-카바이드의 첨가량이 0.5%인 구간에서 소결온도가

1200℃인 조건의 결과를 살펴보게 되면 기계적 강도의 우수함을 알 수 있으며, 이

는 공정온도 이상에서 액상 소결을 통한 완벽한 상변화가 이루어 졌음을 알 수 있

다.

이상의 우크라이나 실험 결과에서 Fe 분말에 B4C 첨가를 통한 합금분말의 특성을

향상시키기 위한 조건으로는 1%의 B4C를 첨가하여 1150℃에서 소결을 하는 것과,

0.5%의 B4C 첨가와 1200℃에서의 소결이 최상의 조건임을 알아내었다. 또한 120

0℃에서의 소결을 통해 과공정을 통한 적은 수축 거동과 보오론 게재물에 의한 미

세 입계 구조가 형성됨을 간접적으로 유추해 낼 수 있었다.

- 73 -

제 3장. 결 론

본 사업을 통하여 기업 기술 지원을 다음과 같이 수행하였다.

기업 기술 지원 수행에 대한 세부분야는 다음과 같다.

1. 고내마모성 합금분말을 제조하기 위하여 Fe 상용 분말을 분리하여 미립 Fe 분

말과 초미립 Fe 분말을 제작하였다. 제작한 미립 Fe 분말과 초미립 Fe 분말을 5:5

및 8:2 의 혼합비로 혼합하여 각각의 성형체 및 소결체를 제작하였다. 성형체 제작

에 있어서는 본 연구소에서 자체 제작한 성형 몰더를 사용하였으며, 성형을 위한

성형압은 각각의 실험 조건에 따라 압력을 가하였다. 이후 소결에서는 수소 분위기

에서 실시하였고 소결온도는 1100℃에서 10h동안 소결을 하였다. 제작한 각각의

성형체 및 소결체에 대해서 수축 거동 및 밀도 변화등을 분석하였으며, 분석 결과

내마모성 합금분말을 제작하기 위한 최적의 공정 조건을 얻을 수 있었으며, 고내마

모성 합금분말을 제작하기위한 기술력을 확보하였다.

2. 본 연구의 기술 협력국인 우크라이나의 경우 Cu, Cr, B원료 분말의 조성제어를

통해 소결 및 단조 공정을 거쳐, 제품 내부에 카바이드나 혹은 보라이드 2차상 입

자를 미세하게 분산시키는 것을 유도하여, 종래의 일반 철계 분말 소결/단조 부품

대비 더욱 우수한 내마모성 향상 기술을 보유하고 있다.

- 74 -

따라서 제작하고자 하는 내마모성 향상 및 기계적강도의 향상을 목적으로 하는 본

연구에서는 우크라이나의 기술력을 바탕으로 KIMM에서 보유하고 있는 신기술과 접

목하여 참여 기업으로의 기술 이전을 실행하였다. 이러한 경질 입자상 분산 기술은

주로 일반 분말공구 제조에 적용되어 왔으며, 자동차 및 산업용 부품으로는 적용된

사례는 극히 미흡하다. 따라서 고강도가 요구되는 톱니형 기어 제조에 현지 기술을

적용하여, 기존 부품의 내마모성을 향상 시킬 경우, 우리측의 기술적, 경제적인 파

급효과는 클 것으로 예측되어진다.

3. 본 연구소의 연구원이 자체 보유하고 있는 국내 최초의 고순도 TiC 및 TiCN 분

말 합성기술은 내마모성 및 기계적 특성 향상을 위한 합금 분말의 제작에 기술 경

쟁력을 향상시키는 기술이다. TiC, TiCN 분말 제조 기술은 기존의 스폰지 Ti 분말

합성법과 유사하다(그림 5). 스폰지 Ti 법은 TiCl4 용액을 Mg용액에 850℃의 온도

에서 주입하는 것으로 다음 반응식에 의하여 생성된다 ;

TiCl4(1)+Mg(1)=Ti(s)+Mg(1)+MgCl2(1 or s). Mg 용액은 챔버내에서 아르곤 가스에

의해서 보호되며 TiO2생성이 예방된다. 최종적으로 스폰지 형태의 Ti생성물은

Mg+MgCl2를 vacuum separation 후에 얻어진다.

이 방법에 의한 TiC분말의 생산을 위해서, TiCl4+C2Cl4(or CCl4) 용액을 사용하였으

며, 이후 vacuum separation의 과정은 기존의 스폰지 타탄공정과 동일하다. 여기

서 TiCN의 제조를 위해서는 챔버내에 N2 가스를 충진하는 방식을 취한다. 따라서,

본 공정의 주요 장점은 고부가가지 TiC 분말을 스폰지 생산 규모의 대량생산이 가

능하며, 또한 TiCN 분말을 TiC 합성 공정과 동일한 공정에서 합성할 수 있다는 것

이다.

- 75 -

4. 고내마모성 및 기계적 특성 향상을 위한 합금분말을 제작하기 위한 선행 실험들

의 결과들을 바탕으로 Fe-TiCN 분말을 제작하여 고내마모성 톱니기어를 제작하였

다. 1차로 제작한 톱니기어의 경우 1100℃에서 소결을 실시하였다. 1100℃의 경우

TiCN의 액상 소결을 발생시키지 못하여서 Fe 모상의 기공과 입계주위에 채움 현상

을 발생하지 못하였다. 그리하여 TiCN의 뭉침 현상이 발생하고 화학적 포텐셜로 인

하여 곳곳에 TiCN의 뭉침 현상을 관찰 할 수 있었다. 2차로 제작한 톱니기어의 경

우 액상소결 온도 구간인 1430℃에서 소결을 하였다. 2차 제작 톱니기어의 결과에

의하면 1차 제작 톱니기어 보다 기공의 수가 줄었음을 관찰할 수 있었으며, 경도값

의 큰 증가도 관찰할 수 있었다. 광학 현미경을 이용한 조직 사진을 보면 어느 정

도 기공의 채워짐을 볼 수 있었다. 하지만 현재까지 연구된 결과를 살펴보게 되면

현장에서 직접적으로 사용하기에는 문제점이 있으며, 시제품 제작의 적용에 있어

개선의 여지가 많다. 이에 차후의 실험에서는 현장에서 직접적인 응용이 가능하며,

보다 개선된 내마모성 및 기계적 특성 향상을 위한 공정 조건 확립 및 실험 조건등

의 수정으로 한층 더 발전된 기술력 향상을 확보 할 것이다.

5. 기술 연구지원으로 개발 되어진 제품의 특성 평가기술 지원으로는 제조한 극미

세 및 나노분말의 크기 및 크기 분포를 분석함과 제조 분말의 정량/정성분석을 하

기 위하여 FE-SEM, XRD, HR-TEM, 시차열분석기(DSC), 열 중량 분석(TGA)등과

제조 분말의 시제품 제작을 통해 내마모성 특성, 경도 및 밀도 특성 등을 분석가능

하게 하였다.

- 76 -