Cemented carbide 계에서 ball-milling과 열처리에 따른 입자성장과 치밀화

Abstract

본 연구에서는 모델 시스템인 WC-Co와 NbC-Co계에서 액상 소결 중 공정 변수(열처리 방법, 입자 크기, 입자 모양, 전위 밀도, 첨가물 등)가 입자성장과 치밀화에 어떤 영향을 미치는지 알아보았다. 특히 새로운 열처리 방법을 이용한 비정상 입자성장 억제, 전위효과가 입자성장에 미치는 영향 파악, 기공 채움 모델의 실험적 검증 등은 본 연구의 중요한 성과이다. 이 결과들은 액상 소결법 제조되는 다양한 소재 및 부품의 미세조직을 제어할 수 있는 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 각 장의 연구 내용을 요약하면 다음과 같다. 제3장에서는 submicron 92WC-8Co (wt%)에서 two-step sintering이 입자성장 양상에 미치는 영향과 그 mechanism을 알아보았다. 이를 위해 conventional sintering과 two-step LPS를 이용하여 시편을 제조하였다. 두 가지 열처리 방법 모두 입자성장 양상은 incubated AGG(abnormal grain growth)로 비슷하나, two-step sintering에 의해 AGG가 억제되었다. 그 이유는1단계 열처리 후 최대 입자성장 구동력이 감소하기 때문이며, 이를 입자크기 분포 측정과 컴퓨터 계산을 통해 확인하였다. 제 4장에서는 NbC-Co 계에서 공정변수 (액상량, 입자 모양) 변화에 따라 ball-milling 효과가 입자성장에 미치는 영향을 알아보았다. Ball-milling의 주된 효과는 NbC 입자 내부와 고/액 계면에서의 전위 밀도 증가임을 TEM 분석을 통해 확인하였다. 액상량이 10 wt%인 경우 입자성장 양상은 ball-milling 실시 여부에 따라 각각 abnormal growth (hand-mixed)와 near-normal growth (ball-milled) 양상을 나타냈다. 이는 전위 밀도가 높은 경우에 성장 구동력이 낮은 구간에서도 NbC 입자들이 비교적 빠른 속도로 성장할 수 있기 때문이다. Boron을 첨가하여 NbC의 입자 모양이 구형인 경우에는, ball-milling 실시 여부에 관계 없이 모두 정상 입자성장을 하였다. 이는 구동력과 성장 속도가 선형 관계를 갖기 때문에 낮은 구동력 구간에서 전위에 의한 구동력 상승효과가 나타나지 않기 때문이다. 액상량을 5 wt%로 감소시킨 경우에는 ball-milling 실시 여부에 관계 없이 모두 비정상 입자성장을 하였다. 이는 액상량이 감소하면 낮은 구동력 구간에서 전위에 의한 성장 속도의 상승 효과가 액상량이 많은 경우에 비해 상대적으로 미미하기 때문이다. 제 5장에서는 액상 소결 중 초기 분말크기에 따라 바뀌는 각진 입자의 성장 양상이 치밀화에 미치는 영향을 알아보았다. WC분말의 크기가 작거나 중간인 경우(0.4, 1.3 μm)에는 다수의 비정상 입자가 발생하였고, 인위적으로 생성된 큰 기공들도 완전히 소멸되었다. 이는 큰 비정상 입자들이 생겨나면서 액상 meniscus의 반경도 증가하여, 큰 기공들이 액상으로 완전히 wetting되어 큰 기공들이 액상으로 채워지기 때문이다. 반면 WC분말의 크기가 큰 경우(4.2 μm)에는 입자성장이 일어나지 않았고, 큰 기공들은 장시간 소결해도 소멸되지 않았다. 이 결과는 액상 소결 중 치밀화는 입자성장의 결과로 발생하는 액상의 기공채움에 의해 일어남을 실험적으로 관찰한 것이고, 기공채움 이론의 예측과 일치한다. 또한 WC-Co계에서 입자성장과 치밀화 양상을 미세조직 관점에서 동시에 관찰함으로써 비정상 입자성장이 치밀화에 크게 기여함을 보여주었다.