제3장분말의성형elearning.kocw.net/KOCW/document/2015/chosun/bk... · 2016-09-09 ·...

Dept. of Metallurgy and Materials Engineering1

국가지정연구실2차(본)평가

제 3장 분말의 성형



목표

• 제3장 분말의 성형

– 3.2 압력 하에서의 분말의 거동

– 3.3 다이 내에서의 가압 성형


국가지정연구실2차(본)평가분말의 성형

• 분말에 일정한 형상을 부여하는 공정

• 원하는 진밀도, 물성 및 형상을 갖는 소결체를 제조하는데 적합한 성형체 제조

• 소결 시 성형체의 수축률을 고려하여 성형체의 성형밀도제어요구

• 원료분말, 분말의 충진 및 최종 형상을 결정하는 금형(die or mold), 금형 내 분말간의 결합력을 주기 위한 프레스 필요



분말의 거동• 성형강도

– 다이 내에서 가압 성형체의 강도

– 금속분말의 종류와 가해지는 압력에 의존

– 금속분말 간의 접촉면적에 비례

• 압력에 의한 변형– 탄성변형에 의한 분말 간의 접촉

되는 양은 미미함

– 상대적으로 많은 소성변형

• 금속분말 입자의 표면– 일반적으로 깨끗하지 않고 또 산

화피막을 형성

– 가스 분자의 입자표면 흡착

– 가압성형 시 산화피막은 깨지거나벗겨지고 금속과 금속간 결합 형성

– 성형강도는 분말표면의 산화피막제거에 영향

• 압력에 따른 분말의 거동(Seeling and Wulff)

1. 분말 입자들의 재배열(대부분의 bridging 제거)

2. 입자간 탄성변형과 소성변형

3. 입자들의 파쇄에 따른 미세입자의 형성

– 위 3가지 단계는 뚜렷한 구분 없이 서로 중복하여 발생



압력과 기공률

• 성형 압력의 증가

– 분말의 밀도 증가

– 기공률의 감소

• 다이 내의 성형체의 밀도

– 성형체 내부에서 위치에 따라큰 차이의 밀도 분포

– 등축으로 가압되는 성형체에서는 균일

• 압력과 평균성형 밀도와의 관계 - M. Yu Balshin 식

lnP=AV+B

P: 압력

V: 동일 질량을 갖는 고체금속의 부피와 분말 성형체의 부피의 비인 상대분말부피(relative powder volume)

A, B: 상수

– 제한된 압력 범위에 걸쳐 적용• 상대분말부피가 1보다 작다



• R. W. Heckel 식

D: 성형체의 밀도

P: 압력

K, B: 상수

– 여러 종류의 금속분말에 적용

– ln(1/(1-D))과 압력 그래프• K = 직선의 기울기

• B = 세로축과의 접선

• 실험에서 구해진 ln(1/(1-D0)) 값 보다 큼



• Morgan, Sands, Greenspan– 직선의 기울기

• 등축 성형체 > 다이 내에서의 가압 성형체

– 등축 성형된 성형체의 밀도가 다이 내에서 성형된 성형체에 비해 밀도가 큼을 의미

• 압력과 밀도와의 관계식– 압력에 따른 성형밀도를 예측하기

위해 이용

– 역학적 이론에 기초하는 것 보다경험적인 측면을 고려


국가지정연구실2차(본)평가다이 성형법

• 전통적 기술

• 압력의 조절이 가능

• 장치

– 가압장치(프레스)

– 다이

– 상하의 펀치

• 성형체의 밀도와 강도

– 가압방법, 가압의 방향, 가압력, 윤활 등의 외적 조건

– 금속분말의 경도, 가공경화지수, 분말끼리의 표면 마찰, 분말끼리의 화학적인 결합 등의분말 자체의 성질

분말의 성형공정 개념도


국가지정연구실2차(본)평가성형체의 밀도 분포

• 성형체의 밀도

– 성형성(compactibility)를 나타내는 중요한 척도

– 최종 제품의 기계적 성질을 좌우

• 성형성

– 가압력에 의하여 금속분말이 얼마나 치밀화되는가를 나타냄

• 압축성(compressibility)

– 분말의 가압 후의 밀도와 겉보기 밀도의 비율인 압축비(compression ratio)


국가지정연구실2차(본)평가압축성

① 금속이나 합금분말 자체의경도에 따른 영향

• 가압 중에 분말의 소성변형 고려 시가공경화의 경향도 압축성에 지대한영향

② 분말입자의 형상에 따른 영향

• 불규칙한 형상의 입자는 낮은 압축성

③ 내부의 기공도에 따른 영향• 분말 내부의 미세한 기공 가압 시

결합력 저하와 분말 내부의 공기의잔존에 따른 밀도의 저하 초래



압축성

④ 분말입자 크기의 분포도• 균일한 크기의 분말 낮은 압축성

• 분말입자 크기 분포도를 위하여 분말을 혼합하여 사용

⑤ 비금속 입자 압축성을 낮게함

• 산화물과 같은 비금속 입자는 높은경도와 상대적으로 낮은 밀도 때문

⑥ 고체 윤활제의 이용 낮은압축성

• 가볍고 상대적으로 큰 부피 때문에압축성에 영향

⑦ 합금원소의 첨가• 흑연 혹은 황과 같은 원소의 첨가

압축성 저하

Pb-steel 분말을 이용한 복합재료의 밀도.상대적으로 강화상인 steel의 함량이 증가할수록성형체의 밀도가 감소


국가지정연구실2차(본)평가밀도와 응력 분포

• 분말 성형체에서 밀도와 응력 분포관계

– 액체

• 압력은 다이 내의 모든 영역에 고르게 전달

– 분말

• 압력이 가해지는 방향으로 유동

• 다이 내부의 성형체 위와 아래에서가압 성형체의 형상에 제한

– 각을 갖거나 가압하는 방향에 비스듬한 각도의 홀(hole)을 갖는 물체 또는 나사산과 같은 형태

– 가압하는 방향으로 서로 다른 높이를 갖는 성형체

• 하나의 하부 펀치 사용시 서로 다른 높이 때문에 각 부분에서 서로 다른 밀도

두 개의 하부 펀치 사용, 두 부분에서의가압 비도 동일 유지

사이드암(sidearm)을 갖는 다이 내에서 압력을받는 성형체의 밀도 분포

1개와 2개의 하부펀치를 가지고 압축된two level 성형체에서의 응력 분포


국가지정연구실2차(본)평가다이 벽과 분말의 마찰

• 다이 벽과 분말들 사이의마찰– 성형체 내의 밀도 분포에

큰 영향

– 위에서 압력이 가해지는 성형체

• 윗부분과 아랫부분에서의밀도 차이

– 위와 아래에서 동시에 압력

• 성형체의 중앙 부위에 가장 낮은 밀도


국가지정연구실2차(본)평가다이 벽과 분말의 마찰

• Unckel 장치

– 고정된 하부 펀치

– 움직일 수 있는 상부 펀치

– 원통의 다이는 3개의 경화된 강구위에 위치

– 강구(steel ball)는 연한 철 링 위에위치

– 강구가 링 위에 만든 브리넬 타입의 흔적으로부터 상부 펀치에 의해 가해진 힘 중 성형체와 다이 벽과의 마찰력을 측정

– 압력 손실 大• 펀치가 압력을 가하는 면적이 작을수록

• 다이 벽의 면적이 클수록

• 길고 가느다란 성형체는 길이가 짧고 폭이 넓은 성형체에 비해 더 낮은 밀도를갖음


국가지정연구실2차(본)평가성형체 밀도 분포

• 단순 형상의 성형체

– 가압하는 방향의 두께 변화

– Squire 경험식

A와 B: 주어진 분말과 주어진 압력 그리고 주어진윤활 방법에 대한 상수

• 실린더 형태의 성형체 밀도

– 가압하는 방향에 평행한 방향과 수직한 방향에 대한 밀도구배가 존재하는 밀도 분포

– 밀도 분포 조사 방법

– 성형체를 얇게 수직한 방향으로 절단 후 얇은 조각들의 경도 분포를 조사

103,000psi의 압력으로 성형된Ni 분말 성형체(D=20mm, H=17.5mm)의 밀도 분포

다이 내에서 성형체를 가압하는 동안 응력의크기와 방향에 관한 분포가 매우 복잡


국가지정연구실2차(본)평가성형체 밀도

• 가압 성형의 목표

– 가능한 한 균일한 분말의 밀도분포

• 가장 높고 균일한 밀도

– 두께가 얇고 넓은 성형체

– 성형체의 형상을 제한

우수한 윤활을 마련

• 압축성

– 성형체의 두께를 얻기 위한 다이 내 필요한 금속분말의 양을결정

• 철 분말

– 겉보기 밀도=2.4g/cm3

– 가압력=335MPa

– 성형체의 밀도=4.8g/cm3

– 압축비=2.0

• 335MPa의 가압력으로 성형

– 최종 두께=1.5cm

– 성형다이에 3.0cm의 철 분말이 필요

• 770MPa의 가압력

– 성형체의 밀도=7.0g/cm3

– 압축비=2.9

– 최종 두께 1.5cm인 성형체

– 4.35cm의 철 분말 필요


국가지정연구실2차(본)평가압력과 평균 성형 밀도 관계

• 가압력 증가

– 성형체의 성형밀도 상승

• 성형 가압력의 증가에 따른 성형체의 기공율의 변화

– 경도가 낮은 분말의 높은 상대밀도

• 성형체의 성형밀도 大

– 성형압력이 높을 경우

– 겉보기밀도가 높을 경우(입자의 크기가 클 경우)

– 분말의 경도나 강도가 낮을 경우

– 성형속도가 낮을 경우



응력 분포

• 성형체의 밀도

– 위치에 따른 밀도 차 존재

– 성형과정 중 가압력이 모든 부분에서 일정하지 않기 때문

– 성형체 내부의 응력분포가 위치에 따라 일정하지 않음

– 분말들의 이동과 변형에 영향

• 다이 성형법

– 응력분포의 차이

– 다이 벽과 금속분말 사이의 마찰

– 가압력의 전달을 방해

– 분말들이 펀치의 움직임과 함께 움직이는 것을 제한

• 중심부와 다이 벽 부근의 밀도차 大

• 단축 가압식 보다는 양축 가압식이보다 균일한 성형 밀도



성형체 밀도분포

• 성형체의 밀도분포의 중요성

– 소결 후의 치수 변화 예측

– 층상 분리 방지

– 균일한 밀도분포를 위한 성형법의 개발

• 다이의 직경(D)와 성형체의 높이(H)의 비(H/D)에 따른 성형체의 밀도분포– 성형체의 H/D가 大

성형체의 하부의 낮은 밀도

– 개선 방법• 양단 가압법 이용

• H/D를 작게 설계(사용 가능한 H/D의 제한)

• 밀도분포의 변화가 적은 성형체

– 분말과 다이벽 사이의 마찰을적게(윤활제 등의 사용)

– 압력은 높게

– H/D를 적게

– 양단 가압법을 이용


국가지정연구실2차(본)평가성형체의 강도

• 성형강도– 소성변형에 의한 기계적 결

합(mechanical interlocking)

– 분말간의 냉간 압접

• 측정법– 횡절파괴강도(transverse

rupture strength) 측정법

• ASTM B312, MPIF 15

– 경도 측정법

• 성형강도에 영향을 미치는 요소– 분말끼리의 기계적 결합이

주로 성형강도를 결정

– 분말의 형상이 가장 중요

– 구형일 때 보다 불규칙적일때의 성형강도가 더 우수

– 구형 입자• 초기 접촉면적이 적고, 체적에

비해 표면적이 적기 때문W: 작용하중L: 두 지지점 사이의 거리b: 시편의 폭d: 시편의 두께



성형 강도와 분말의 겉보기 밀도의 관계

• 분말의 표면적 증가 성형강도 증가



• 가압력에 따른 성형강도– 성형체의 밀도나 압축성 등

에 의해 영향

• 성형체의 밀도의 증가, 또는 가압력 증가 분말의 소성변형이나 이동

이 증가하여 기계적 결합이쉽게 일어남

철 분말의 성형강도에 미치는 성형압력의 영향



• 철 분말 성형체의 강도와 겉보기 밀도, 가압력, 성형밀도의 관계

– 분무법(구형)에 의한 분말보다는 환원법(불규칙)에 의한 분말의 성형강도가 크다

– 가압력이 증가할수록 성형강도가 크다

– 분말의 산화가 적은 것과 오염이 적은 것이 성형강도를 크게 한다

분말 겉보기 밀도(g/cm3)

가압력(MPa)

성형 밀도(g/cm3)

성형 강도(MPa)

Sponge 2.4 410690

6.26.8

1428

Atomized Sponge

2.5 410690

6.557.0

13-

Reduced 2.5 410690

6.56.9

1624

Electrolytic 2.6 410690

6.36.95

3254

철 분말의 성형체 밀도와 성형강도


국가지정연구실2차(본)평가다이 성형의 실제

• 우수한 특성의 소결체– 성형체 각 부분의 균일한

밀도 분포

• 다이 성형의 원리– 성형체의 밀도 불균일

– 대부분 양단 가압법

– 단축 가압법

• H/D가 특히 적은 경우

단축 가압식 다이 성형법

양축 가압식 다이 성형법



지지식 다이를 이용한 성형법



다이 성형 공정의 개략도


국가지정연구실2차(본)평가중공형 크러스터 기어

• 중공을 만들기 위한 코어와 기어의 성형을 위한 다이 및 펀치의 결합으로 복잡한 모양의 제품을 한번에 성형


국가지정연구실2차(본)평가싱크로나이저 허브 생산용 다이의 개략도



비대칭형 제품 성형의 예


국가지정연구실2차(본)평가성형공정의 분류

• 가압형태에 따른 분류

– 가압성형 : 성형 시 압력을 가하는 공정 (압축성형, 등압성형)

– 비(무)가압성형 : 별도의 압력 없이 중력이나원심력을 이용하여 성형


국가지정연구실2차(본)평가성형의 종류


국가지정연구실2차(본)평가비등압성형

• 금형 내에 충진된 분말의 밀도 (성형밀도)를 증가시키기 위하여 가하는 압력이 어느 한 방향에서만 집중적으로 이루어지는 성형

예) 양단압축, 분말압연


국가지정연구실2차(본)평가공정인자

• 마찰력

– 금형 벽과 분말간의 마찰 및 분말입자간의 마찰에 의한 비균일 충진 밀도

– 1축 가압상태에서의 상대 밀도분포

예) 가압되는 상부가 높은 밀도, 성형벽과의 마찰에 의한 낮은 밀도

– 비 균일 밀도에 의한 소결체의 형태 불안정



윤활제

• 금형 벽 및 분말표면에 도포

• 금형 벽/분말 및 분말간의 마찰감소로 균일한 성형체 밀도 구현

• 금형의 손상 (마모, 파열) 억제

• 윤활제는 분해된 후 잔류물을 남기지 말아야 하며 약 0.2-1.0% 첨가

• Zn stearate (Zn(C18H35O2)) 등의 stearate 계열이 주로 사용

• Zn stearate의 경우600oC, 1시간 유지로 완전 제거 가능


국가지정연구실2차(본)평가상용 윤활제



등압성형(정수압 성형, Isostatic Press)

• 모든 방향에서 동일압력을 가하여 성형체를 제조하는 방법

• (압력의 이방성 극복)

• L/D (length to diameter) ratio가 큰 성형체 제조 가능

• 성형체의 정밀 형상조절의 어려움 : 성형 시 압력이 가해지는 모든면이 내부의 중심점을 향함

• 정수압 (등압) 성형기, Isostatic Press

• 열간등압성형(Hot Isostatic Pressing)



HIP 개략도


국가지정연구실2차(본)평가양단압축과 등압성형의 압력 방향 비교


국가지정연구실2차(본)평가등압성형의 특징

• 장점– 성형체 크기 제한이 없음 (챔버 내 용적에 의존)

– 균일한 압력전달로 내부결함 최소화 가능

– 높은 성형밀도 (200-400 MPa의 높은 가압력)

• 성형공정– 압력전달 매질은 습식 (물, 기름) 또는 건식 (기체), 분말도 가능(

모래 등)

– 외부 고압펌프를 이용한 매질의 가압

– 압력전달 매질과 분말을 분리시키기 위한 격리 막 (고무 몰드 등) 사용

– 격리 막(고무 몰드) 내 분말을 장입 후 반드시 탈 가스 처리



주요성형장비: Press• 프레스 (press)

– 분말에 압력을 가하여 형상을 만드는 장치

• 프레스의 종류: die 의 움직임에 따라 구분

(a) 단동 프레스 (single action press)

: 실린더/하부펀치는 고정, 상부 펀치만 이동

(b) 대향램 프레스 (opposed ram press)

: 실린더 고정, 상/하부 펀치는 이동

(c) 유동금형 프레스 (floating die press) : 생산공정에서 주로 사용

: 하부펀치 고정, 실린더 및 상부 펀치는 이동

: 실린더를 이동시키는 힘은 별도로 가해지지 않고, 상부펀치의 이동에

의하여 성형체와 실린벽간의 마찰력으로 상부펀치와 함께 실린더 이동

: 상대적으로 균일한 성형밀도 분포를 갖는 성형체 제조 가능



성형 프레스의 종류

<단동 프레스, 대향 램 프레스, 유동 금형 프레스>


국가지정연구실2차(본)평가프레스 성형 순서도

1) 분말충진 -> 2)가압 -> 3)상하부펀치 이동

-> 4)성형체 탈형 완료 -> 5)성형체 배출 및 분말투입구 이동



압력을 가하는 방법에 따른 분류

(a) 기계식 프레스– 작은 성형체, 빠른 성형속도(20-100개/분)

(b) 유압식 프레스– 큰 하중 적용가능, 다단성형 가능, 느린 성형속도(10개/분)



프레스 성형에서 고려할 점• 분말특성의 일정한 유지

– 분말특성 (유동성, 충진성, 성형성)의 변화 시는 분말 충진량의 변화를초래하여 불량률 증대

• 금형 표면조도

– 성형체와 금형벽 간의 마찰력 영향, 표면조도는 분말의 평균입도 보다작아야 한다

• 성형체 형상 : 성형체는 분말입자들 간의 약한 물리적 결합

i) 성형 시 응력집중을 방지할 수 있는 형상 선택

ii) 금형에서 성형체 분리 시 잔류응력의 제거에 의한 부피팽창 (spring back) 고려

• 정밀 금형의 정밀도 유지

– 금형 조립 시의 사용온도 및 성형 시의 마찰열에 의한 금형 변형

→ 정밀도 감소는 마찰증가, 금형 마모증가 및 금형 부품 사이 분말존재



기타 성형법

• 분말압출– 분말을 Canning 한 후 압출-반제품 제조-후 가공 후

제품화

– 압출캔은 Cu, Al 등 연질재료사용

– 성형체 밀도가 매우 높음

– 압출 방향으로 입자가 alline 됨

– 분말압출 단계① 모 합금 제조 → ② 분말제조 →

③ 금속분말의 성형 혹은 캐닝 (Canning) →

④탈 가스(degassing) → ⑤압출(extrusion) → ⑥최종가공



분말압출 공정도


국가지정연구실2차(본)평가분말압출 판상재와 미세구조

예) Al 합금



분말단조• 높은 응력을 가하면서 소성 변형을 하여 고밀도의 제품 제조

• 일본에서 자동차용 connecting rod에 적용하여 사용

• 일부 공구 제조

• 공정단계

① 예비 성형품 제조 → ② 성형품 압축 → ③ 소결 → ④ 정밀단조 → ⑤기계가공

<분말단조 과정>


국가지정연구실2차(본)평가온간 성형(warm compaction)

• 분말성형 시 고분자의 결합력을 활용하는 성형방법

• 고분자로 피복한 분말을 금형을 동시에 가열하여 150℃에서 성형하는 방법

• 고분자 결합제로는 스테아레이트, 테프론 등

• 낮은 압력으로 높은 성형 밀도를 갖는 성형체를 제조할 수 있음

<온간성형제품>



금속사출 성형법(Metal injection molding)

• 플라스틱 사출성형 기술을 분말야금 기술에 응용

• 절삭용 공구나 자동차부품 등 복잡한 소형 부품을 대량 생산할 수 있는 공정

• 높은 고분자에 금속분말을 혼합한 후 사출하기 때문에 금속분말이정수압을 받는 상태에 있으므로 최종 성형체의 밀도 균질화가 매우우수

• 원하는 모양의 소형부품을 쉽게 제조할 수 있다는 점과 대량생산이라는 측면 이외에 우수한 조직특성을 가지는 제품을 제조

• 재료선택이 광범위-금속분말, 세라믹 분말 가능

• 우수한 표면특성 및 적은 공차 – 후 가공 불필요



금속사출성형의 공정도



사출기와 세라믹 사출 제품



각종 금속 사출 성형 제품



성형성(compressibility or compactability)

• 정의– 일반적으로414 MPa (60,000 psi) 가압력에서 분말의

조밀화 정도를 측정

– Compression ratio (compressibility), CR

• VL, Vc : volume of loose powder and compact

• ρg, ρa: green density and apparent density


국가지정연구실2차(본)평가성형체 밀도 향상 시키는 방법

1. Increase compacting pressure

2. Increase apparent density

3. Decrease the strength of hardness of powders

4. Decrease compacting rate.


국가지정연구실2차(본)평가성형체 밀도를 고르게 할 수 있는 방법

1. 다이벽에 마찰을 적게 하는 윤활제 사용

2. 높은 압력

3. 낮은 L/D 비

4. 플로우팅 다이 이용

5. 양단압축


국가지정연구실2차(본)평가성형할 수 없는 제품

• 성형을 고르게 할 수 없는 제품

• Ejection을 할 수 없는 제품– 가운데 직각으로 hole이 있는 경우, 나사모양 등


국가지정연구실2차(본)평가요약

Q 1. 성형체 밀도를 균일하게 할 수 있는 다이 성형법과 특수 성형법은?

Q 2. 성형을 할 수 없는 제품의 형상을 예로 그려보시오

제3장분말의성형elearning.kocw.net/KOCW/document/2015/chosun/bk... · 2016-09-09 ·...

Documents

Transcript of 제3장분말의성형elearning.kocw.net/KOCW/document/2015/chosun/bk... · 2016-09-09 ·...