금속 분말 유동도, 밀도 실험 결과레포트------(2)

5. Discussion

 

 

우선 위와 같은 실험들을 효과적으로 이해하기 위해서 일련의 기본 개념에 대해서 먼저 간략하게 훑어보려고 한다.

분말(powder)은 각기 다른 입자(particle)들로 구성된 혼합체를 말한다. 입자는 고체가 작은 크기로 분리된 상태를 뜻한다. 그리고 분말을 이용해 복잡한 부품의 경제적 양산을 위해 분말재료가 사용된다. 또한 분말 재료 제품 사용의 당위성을 말해주는 또 다른 요소는 독특성이다. 많은 독특한 특성 및 미세구조를 가진다. 마지막으로는 유일성(captive)이다. 이는 다른 기술로는 만들기 어려운 소재를 제조할 수 있다는 의미이다.

 

그림 과 같이 3가지 조건이 중첩되는 구간을 찾기 위해서는 분말의 특성 에 대해 알필요가 있어 우리는 여러가지 실험을 통해 분말의 특성을 파악하고 이해할 수 있다.

기계적 화학적 혹은 물리화학적 방법으로 만들어진 분말은 그 제조방법에 따라서 분말 입자의 크기 모양 조직 및 순도가 크게 다르다. 그리고 이러한 점이 소결제품의 물성을 결정한다. 이때 입도 및 입도의 분포(particle size and size distribution), 입자의 형상(particle shape), 입자의 다공성(particle porosity) 입자의 조직(structure of particle)는 금속 분말의 거동을 결정한다. 따라서 우선

철 원자와 구리 원자에 대해서 알아보려고 한다.

다음은 철 원자의 특성들을 나열한 것이다.

철 원자는 상온에서 BCC구조를 갖는다. 또한 철의 밀도는 7.874g/cm3이다. 철 paricle size는 20~200um 이지만 철의 입도 분포에 따르면 대다수의 철 particle size는 150um정도를 따른다.

철원자의 입자 형상은 다음과 같다.

 

 

 

 

다음은 구리원자의 특성을 나열 한 것이다

 

 

구리 원자는 상온에서 FCC구조를 갖는다.또한 구리의 밀도는 8.96g/cm3이다. 구리의 particle size는 1~100um을 갖지만 구리의 particle size distribution을 살펴보면 대부분 60um정도를 갖는다.

 

 

위와 같은 상황을 참고하여 분말의 유동도 실험에 대해서 살펴보려고 한다. 위 실험에서는 같은 50g의 금속분말이 같은 중력의 영향을 받으므로 실험조건은 동일하다. 또한 어느 한공간에 밀집해서 채워 넣는 것이 아니므로, 입자의 형상보다는 결국 입자의 크기와 분포에 따라서 유동도가 결정된다. (자기적 성질이나 형상은 큰 영향을 끼치지 않는다고 가정)

 

위 실험결과로부터 구리 금속분말이 철 금속분말보다 유동도가 좋다. 다시 말해서 잘흐른다는 것은 그만큼 paricle 수가 적다는 것이다 라고 착각을 할 수 도 있다. 물론 입자의 수에 따른다고 생각을 해 볼 수 도있지만 오히려 우리가 지하철에서의 예시를 들 수가 있다. 지하철에 사람이 꽉 찬 지옥철이락 생각을 해보자, 우리는 역에서 내려야 한다. 강남역 이렇게 사람이 많은 곳에 부피가 큰, 몸무게가 많이 나가는 사람들로만 지하철 내부에 있다고 가정하면 오히려 빠져나가는 것이 힘들다. 이처럼 우리는 이미 일상생활에서의 경험으로부터 알 수 가 있다고 생각을 할 수도 있다. 즉 particle size가 클수록 잘 흐르지 않는다고 생각할 수 있다.

 

사실 이보다도 더욱 중요한 점은 이번 실험에 사용된 철합금이 stainless steel 이였다는 것에 초점을 둘 필요가 있다.

. Stainless steel의 particle size는 매우 다양하다.1~1200um까지 매우 다양하다. 만약 위의 실험이 입도와 입도분포 를 제외한 나머지가 모두 동일하다면, stainlsess steel은 서로다른 크기를 가진 입자들이 많아서 유동도가 낮아지는 경향이 있고 측정된 실험결과도 이를 지지하고 있다. 또한 실험결과를 바탕으로 유동도의 척도라고 할수 있는 하우스너 비율을 살펴보면 stainless steel의 경우 1.059. 구리의 경우 1.054로 구리의 하우스너 비율이 더 낮다. 이는 구리 분말이 더잘 흐른다는 것을 뒷받침해고 이번 실험이 성공적이었음을 나타내는 지표로도 활용할 수 있다.

 

 

Particle shape를 추론 하기 위해 겉보기 밀도 실험에서의 해답을 찾아보려고 한다.

다음으로는 분말의 밀도 실험이다.

 

 

 

입자의 형상에는 다음과 같이 매우 여러종류가 존재한다. 하지만 학부생 입장에서 보았을 때는 큰 차이가 없는 것 같아, 실험 결과로부터 철과 구리의 입자형상을 예측해 보려고 한다. 그러나 이에 대해 언급하기 전에 자명한 일을 한번 더 생각해 보려고 한다.

첫 번째로, 겉보기 밀도에서 tap를 통해 bridging를 없애줌으로써 겉보기 밀도에서 측정한 g수 보다 당연히 tap밀도에서 측정한 양이 더 많음 을 알 수 있다.

실험결과로부터 측정된 철의 tap 밀도는 119.35g 이다. 이는 25cm3안에 철이 119.35g존재한다는 이야기이다. 그러나 철의 밀도는 7.874g/cm3이다. 이로부터 25cm3 안에 196.85g 존재해야 한다는 뜻인데 어찌된 일 일까?

바로 상온에서 철이 BCC구조를 갖기 때문이다. BCC구조에서 의 최밀충진률은 68%로 알려져 있다.

따라서 119.35 나누기 196.85 곱하기 100하면 61%로 나타난다.  이와 같은 방식으로 구리에 대해서 조사를 해보면(구리는 FCC구조를 갖고 있다) 60%로 나타난다.  FCC구조에서의 최밀충진률은 74%로 알려져 있다. 물론 최밀충진률 이상으로 나타나진 않았으니 이론적으로 맞지만 다음과 같이 차이를 보이는 이유는 무엇일까?

바로 particle shape에 있다. FCC, BCC구조 모두 particle의 형상을 shape로 가정을 했기 때문이다. 이는 비구형 분말도 구형분말이라고 가정을 했기 때문으로 생각해 볼 수 가 있다

입자의 형상이 복잡할수록 어렵기 입자의 크기를 측정하기 어렵기 때문이다.

따라서 실제 측정 결과와 이론상 결과에서 차이가 많은 구리원자가 구형보다는 flakes 형상에 가깝다고 생각할 수 있다. 반면에 철 원자는 비교적 구형 원자에 가깝다고 생각할 수 있다.   실제 로 실험결과로부터 얻은 하우스너 비율을 생각해 보아도 알 수 있다. 하우스너 비율이 작다는 것은 결국 그만큼 bridging를 더 많이 해소시킬 수 있다로 생각할 수 있고 유동도가 좋다고 생각할 수 있다. 또한 그 만큼 더욱더 구형인 입자가 (입도의 분포는 비슷하다고 가정) 작은 입자가 큰 입자 사이사이에 매웠음을 의미한다.

 

6.결론

입자의 형상과 입도 및 입도의 분포가 실험에 영향을 준다. 또한 밀도실험을 통해서 얻은 하우스너 비율을 통해서 유동도 실험의 결과를 예측해 볼 수 있다.

 

 

 

7. 참고

(1).     Rnadall M german 분말재료 및 공정 한국분말야금학회 pp1~128

(2).     추현식외2인 분말야금학 원창출판사 pp1~62

(3).     김윤채 신판 분말야금     태훈출판사 pp1~47

(4).     EFFECT OF PARTICLE SHAPE AND SIZE ON THE COMPRESSIBILITY AND BULK PROPERTIES OF POWDERS IN POWDER METALLURGY

HLOSTA Jakub1,2, ŽUROVEC David1,2 , JEZERSKÁ Lucie1 , ZEGZULKA Jiří1, 2 , NEČAS Jan1, 2 1 VSB - Technical University of Ostrava, ENET Centre, Laboratory of Bulk Materials, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava, Czech Republic, EU, jiri.zegzulka@vsb.cz 2 VSB - Technical University of Ostrava, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Transportation, 17. listopadu 15/2172, 708 33, Ostrava, Czech Republic, EU

 

 

 

 

긴글 읽어주셔서 감사합니다. 오류, 지적 다 환영합니다.