ex-situ 와 in-situ 방법으로 제조된 Fe-40wt% TiB2 복합재료분말의 소결거동 연구

Abstract

고속도공구강은 우수한 내마모특성과 인성으로 인하여 각종 절삭공구, 금형 및 내마모 부품용 소재로 널리 사용되고 있다. 현재 사용되고 있는 대부분 공구강은 주조 시의 편석으로 인한 조직의 불균일성, 후가공에 의한 결정립의 조대화와 열처리 변형으로 인해 그 특성의 한계성을 가지는 단점이 있다. 고속도공구강보다 뛰어난 특성을 갖는 WC-Co 초경합금의 고온 경도는 1,350 Hv 이상의 높은 고온 경도를 가지므로 대체할 수 있는 재료가 거의 없다. 그러나 Fe계 TiB2 복합재료는 특성상 고속도공구강과 초경합금의 중간수준 정도의 특성을 가지며, 지구상에 풍부하게 매장되어있어 원재료 가격이 낮고, 기계적 가공이 쉽다는 장점이 있다. Fe-TiB2 복합재료는 내마모성, 열적 안정성 등이 우수한 특성의 TiB2 세라믹스 입자를 강화재로 사용하는 금속기지 복합재료이며 높은 경도와 용융점을 가지지만 가격이 저렴하며 가공이 용이하다. 일반적으로 금속기지 세라믹스 강화입자 복합재료 제조방법은 분말야금법이 많이 사용되는데, 금속 기지상의 연결과 세라믹스 입자의 미세 균일 분포에 적합하기 때문이다. 이 연구에서는 ex-situ, in-situ 방법으로 Fe-40wt% TiB2 복합재료분말을 제조하여, 상압소결 및 방전플라즈마 소결을 각각 실시하고, 분말의 제조방법과 소결방법에 따른 소결성과 소결거동을 체계적으로 종합 비교하였다. ex-situ 복합재료분말, in-situ 복합재료분말 제조하여 비교한 결과, in-situ 공정으로 제조한 복합재료분말이 평균 입자가 미세하고, TiB2 강화입자가 균일하게 분산된 미세조직을 가짐을 확인하였다. ex-situ, in-situ, (FeB+TiH2) 혼합분말의 세 가지 방법으로 복합분말을 제조하여 1400℃에서 3h 동안 고온 수평관상로에서 상압소결한 결과, 각각 85.7%, 91.9%, 92.3%의 상대밀도를 얻었다. 이때 소결체의 미세조직을 비교하였을 때, in-situ 복합분말의 소결체가 상대적으로 TiB2 강화입자 분산도가 가장 균일하였고 조직이 미세하였다. ex-situ, in-situ, (FeB+TiH2) 혼합분말의 세 가지 방법으로 복합분말을 제조하여 1080℃에서 10min 동안 방전플라즈마 소결한 결과, 각각의 상대밀도는 93.9%, 96.7%, 97.1%였다. in-situ 복합분말의 소결체가 상대적으로 균일한 TiB2 강화입자 분포를 보였다. 위의 결과들로부터, in-situ 분말의 소결성과 특성이 상압소결과 방전플라즈마소결 모두에서 ex-situ 분말의 경우보다 우수하였으며, 방전플라즈마 소결이 상압소결에 비해 효과적인 치밀화 방법임을 확인하였다.