1. 분말의 밀도(겉보기 밀도, tab밀도 압축성지수 hausner Ratio)
2. 분말의 밀도를 측정함으로 써 분말금속의 거동을 파악하고 예측할 수 있다.
3. 이론
毫分縷析 호분누석-털을 나누고 실오라기를 쪼갠다는 뜻으로, 아주 잘게 나눔으 이루는 말이다. 이처럼 우리는 금속을 매우 고운 모래처럼 만든다. 그리하여 분말의 물리, 화학적 성질은 매우 복잡하다, 더구나 제조 방법에 따라서도 심하게 변하기 때문에 분말야금 제품의 품질에 미치는 영향도 크다. 특히나 겉보기밀도는 입도분포와 함께 분말의 규격으로서 채택되고 일하는데 있어서 종종 이용되고 있다. 따라서 소결 제품과 직접 관련성이 큰 현상적인 성질인 겉보기 밀도, Tap밀도, 압축성 에 대해서 간략하게 훑어보려고 한다.
겉보기 밀도(apparent density)는 충진 밀도라고 하며, 분말을 일정량의 실런더형의 용기에 일정한 방법으로 자유 낙하시킨다. 혹은 충진시킬 경우의 그 중량과 체적으로부터 산출하며, 단위는 g/cm^3 으로 표현한다.
겉보기 밀도또한 분말 유동계로부터 측정할 수 있다.
위의 그림을 참고하여, 분말 겉보기 밀도측정 방법은 다음과 같다.
1. 시료는 최소한 용적 150cm^3이 필요하다
2. 시료를 건조기에 넣어 105도에서 1시간 유지한 후 데이시게이터에서 실온까지 냉각시킨다. 그 후 시료채취는 시험직전에 행한다. 특히 입하상태에서 측정할 필요가 있을 경우에 한하여 건조처리를 생략할 수 있다.
3. 시료를 3등분 하여, 각 시료를 측정시료로 사용한다. 이때 측정시료는 직경이 2.5mm인 누두에 부어 넣어 흘러나온 측정시료가 컵을 가득 차 넘칠 때까지 채워넣는다.
이때 분말이 유동하기 어려울 경우에는 직경이 5.0mm인 누두를 사용한다.
4. 분말이 컵에 넘치기 시작하면 곧바로 분말 투입을 중지하고 진동을 주지 않도록 하여 컵 상단부와 분말의 높이가 일치하게 만든다. 그 후 분말 질량을 0.05g 정도까지 분말의 무게를 측정한다. 그후 3번 반복한다.
5. 얻어진 3개의 측정치의 산술 평균치를 0.04를 곱한 수치를 g/cm^3단위의 겉보기 밀도라고 한다.
하지만 상기와 같은 방법으로 분말을 충진할 경우 분체의 충진 상태가 불충분하여, 다음과 같은 일이 일어 날 수도 있다.
다음과 같은 현상을 bridging라고 한다. 이를 미연에 방지하기 위해서는 분말을 충분하게 진동 시킨 후 밀도를 측정해야 한
다. 그리고 이러한 방법을 tap밀도(tap density)라고 한다. 어느 경우나 분말의 입도, 입도분포 입형 등에 영향을 받는다.
앞서 전술한 내용을 다시 한번 정리해 보자면, 겉보기 밀도는 일정한 용기에 어느 규정된 방법(일본 분말 야금 공업회 규격)으로 분말을 채웠을 때의 cm3당 g수로서 나타낸다. Tap밀도, 충진 밀도라고도 불리우며, 일정한 용기에 채운 다음 어느 규정된 방법으로 두들기거나 흔들어서 그 때의 겉보기 밀도를 잰 것으로 정의할 수 있다.
이들 밀도는 입도의 분포, 다공도 및 형상에 따라서 크게 다름은 말할 나위도 없다. 또한 겉보기 밀도는 압분할 때 직접 다이스의 내용적과 관련이 있으므로 분말의 선택에 당연히 고려하여야 할 중요한 조건이다. 그리하여, 이들의 값은 동일금속 혹은 동일한 방법으로 만들어진 분말에 있어서는 거의 입도의 기준으로 생각할 수도 있다.
위와 같이 밀도에 대해서 이해하였으면, 압축지수(carr compressibility index)와 하우스너 비율(Hausner ratio)에 대해서 효과적으로 이해할 수 있다. 우선 압축성도 분말의 거동을 예측하고 파악하는데 사용될 뿐만 아니라, 압축률과 압력에 따라서 분말의 겉보기 밀도는 변하기 때문에 매우 중요한 지표이다
압축성 지수식은 아치 또는 교량 형성의 경향과 강도를 직접 측정한 것이다. 또한 분말의 유동 특성을 간접적으로 측정한다. 자유롭게 흐르는 분말은 지수 값이 15 미만인 반면 유동이 불량한 분말은 지수 값이 32보다 높다. 부피 밀도는 압축률 지수의 값에 영향을 미치며 입자 크기 및 모양, 표면적 및 수분 함량과 같은 요인이 값에 영향을 미칠 수 있으므로 이러한 특성을 평가하는 방법으로 사용할 수 있다 carr의 압축성 지수는 다음과 같이 계산할 수 있다.
Hausner ratio도 압축성 지수와 마찬가지로 밀도를 이용해 분말의 거동을 파악하는 방법이다. 하우스너 비율(Hausner Ratio)은 주어진 분말 샘플의 압축 성향을 예측하는 데 사용할 수 있는 두 가지 척도로, 미립자 간 상호 작용의 중요성을 반영하는 것으로 이해됩니다. 이러한 상호 작용은 일반적으로 벌크 밀도와 탭 밀도가 상대적으로 가까운 자유 유동 분말의 경우 덜 중요합니다. 흐름이 좋지 않은 물질은 더 큰 입자 간 상호 작용이 존재하는 것이 특징이므로 벌크 밀도와 탭 밀도 사이에 더 큰 차이가 관찰됩니다.
하우스너 비율을 구하는 식은 다음과 같다.
이처럼 공업적으로 자동 성형할 경우에는 분말이 자유 충진 형태로 금형에 충진되기 때문에 겉보기 밀도는 특히 중요한 값이다.
4.참고
1.김윤채, 신판 분말야금, 태훈출판사, pp1~28
2.추현식 외 2인, 분말야금학, 원창출판사, pp1~58
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