| Home | E-Submission/Review | Sitemap | Editorial Office |  
top_img
Korean Journal of Metals and Materials > Volume 58(7); 2020 > Article
WC-BN-Al복합재료 급속소결 및 기계적 성질

Abstract

Tungsten carbides are quite attractive for their superior properties, e.g., high melting point, high hardness, high thermal and electrical conductivities, and relatively high chemical stability. Tungsten carbides with a binder metal, for example Co or Ni, are mainly used to produce cutting tools, nozzles and molds in the composite form. But these binder materials show inferior chemical characteristics compared to the tungsten carbide phase. There has been enormous interest recently in finding alternative binder phases because of the low corrosion resistance and the high cost of Ni or Co. Al has been reported as an alternative binder for WC and TiC, since Al is less expensive and shows a higher oxidation resistance than Ni or Co. Nanostructured WC-BN-Al composites were rapidly sintered using high-frequency induction heated sintering (HFIHS). The microstructure and mechanical properties (fracture toughness and hardness) were investigated by Vickers hardness tester and FE-SEM. The HFIHS method induced very fast densification, nearly at the level of theoretical density, and successfully prohibited grain growth, resulting in nano-sized grains. The fracture toughness was improved by consolidation facilitated by adding Al to the WC-BN matrix. The 5vol % Al added WC-BN composites showed higher mechanical properties (hardness and fracture toughness than the WC-BN composite.

1. 서 론

WC는 용융온도가 높고, 경도가 높기 때문에 바인더로 Ni이나 Co를 첨가해서 현재 노즐,절삭 공구, 금형 재료로 사용하고 있다. 하지만 바인더로 사용하고 있는 Co나 Ni는 경도를 현저히 낮추고, 희유금속으로 가격이 비싸고, 내부식성이 좋지 않은 단점이 있다 [1-3]. 따라서 WC에 첨가할 새로운 바인더에 대해 여러 연구자들이 연구하고 있다. 재료의 파괴인성과 경도를 향상시키는 방법으로는 경도가 높은 화합물을 첨가하고 나노 구조의 복합재료를 제조하는 것이다. 첨가할 제 이상으로는 BN을 고려할 수 있다. 육방정계 질화 붕소(BN)는 항복 강도 (35 GPa)와 탄성계수 (0.7-0.9 TPa)가 높다 [4]. 따라서 BN을 세라믹재료에 첨가해서 복합재료를 제조하여 기계적 특성을 향상시켰다 [5,6]. 복합재료에서 BN은 균열 전파를 억제시켜서 파괴인성을 증가시키는 것으로 보고 되고 있다 [5]. 또한 Al은 Ni이나 Co에 비해 가격이 저렴하고, 내산화성이 우수한 새로운 바인더로 보고되고 있다 [7,8]. 나노 재료는 높은 파괴인성과 동시에 우수한 경도, 강도를 나타내기 때문에 많은 연구자들이 나노 재료에 대해 연구를 수행하고 있다 [9,10].
나노 분말은 현재 고 에너지 볼 밀링, 공침 법, 전기폭발 방법 및 연소합성 방법에 의해 제조되고 있다 [11,12]. 이러한 방법 중에 고 에너지 볼 밀링 방법은 밀링을 할 때에 분말에 스트레인이 도입되고, 분말이 미세화 되기 때문에 소결 온도를 낮추는 장점이 있다 [13]. 그러나 앞에서의 방법으로 소결 전의 초기 분말을 매우 미세한 나노 크기로 만들지라도 기존의 소결 방법은 높은 온도에서 장시간 가열해야 하기 때문에 소결 도중 결정립 성장이 크게 일어나서 나노 구조의 소결체를 제조하기 어렵다. 따라서 소결 도중 결정립 성장을 억제하기 위해서는 짧은 시간내에 낮은 온도에서 소결해야 한다. 이런 관점에서 고주파 유도 가열 활성 소결 장치가 개발되었다. 이 방법의 소결 기구는 분말에 유도 전류를 가하면 분말 사이의 접촉점에서 높은 주울 열이 발생하여 온도가 높아서 분말의 접촉점에서 원자의 확산이 빠르고, 분말들 사이에서 발생된 프라즈마로 분말 표면에 존재하는 산화물이 제거되는 정화 효과도 있을 뿐만 아니라, 전기장 하에서는 바인더의 젖음성이 우수해지고, 원자의 확산이 쉽게 되기 때문으로 보고되고 있다 [14-16].
본 연구에서는 WC, BN, Al 분말을 고 에너지 볼 밀링을 통하여 혼합된 나노 분말로 제조하고, 고주파 유도 가열 소결 장치로 밀링한 분말을 가열하여 2분 이내에 나노 구조인 WC-BN-Al 복합재료를 제조하고자 한다. 또한 Al의 첨가가 WC-BN 복합재료의 기계적 성질(경도, 파괴 인성)과 미세 조직에 미치는 영향을 분석하고자 한다.

2. 실험방법

본 연구에서 원료 분말로 사용한 WC는 독일 H.C. Starck 회사에서 구입하였으며, 순도는 99.9%이고, 분말의 크기는 1 μm 이하였다. BN은 일본 DENKA(h-Boron Nitrogen, grade : GP)회사에서 구입하였고 분말의 크기는 8 µm 이하였다. Al분말은 미국 알파회사에서 구입하였고 분말의 크기는 45 µm 이하이고 순도는 99.99%이었다. WC-1vol% BN-xvol% Al (x=0, 5, 10, 15) 조성에 맞도록 WC, BN, Al 분말을 측량하였다. 측량한 분말들은 원통형 용기에 직경이 12 mm인 WC-Co 초경 볼과 함께 넣고 고 에너지 볼 밀링을 10시간 동안 하였다. 고 에너지볼 밀링을 한 이유는 분말의 혼합과 분말들을 나노 크기로 미세화 하기 위해서이다.
그리고 흑연 다이에 밀링한 분말들을 충진한 후 가압하였고 고주파 유도 가열 소결 장치로 소결하였다. 이 장치의 개략도는 참고문헌 [13]에 나타내었다. 소결은 분말에 80 MPa의 압력을 가하고 챔버를 진공상태로 만든 후, 유도 전류를 흑연 다이와 분말에 가하여 소결을 하였다. 소결 시간은 수축 길이의 변화가 거의 없다고 판단될 때까지 진행하였다. 시편의 수축길이는 리니어 게이지로 측정하였고, 흑연 다이의 표면은 550 °C 이상의 온도부터 측정이 가능한 광 온도계를 사용하여 측정하였다.
소결한 시편의 상대 밀도는 아르키메데스 방법으로 계산하였고, 미세조직과 결정상을 분석하기 위해서 알루미나 분말과 입자 크기가 2 µm이하인 다이아몬드 페이스트를 사용하여 시편을 경면 연마하였다. 미세조직은 주사전자현미경으로 관찰하였고, Cu 타겟의 X-선 회절로 결정상을 분석하였다. 소결한 시편의 결정립의 크기는 X-선 회절 피크의 반가폭을 사용하여, Suryanarayana 식에 의해 계산되었다 [17]. WC-1vol% BN-xvol% Al (x=0, 5, 10, 15) 복합재료 경도는 연마된 시편을 경도계를 이용하여 하중 20kgf 15초간 유지하여 압흔을 형성시킨 후, 압흔의 면적으로부터 측정하였다. 파괴 인성은 압흔 모서리에서 발생한 균열의 길이를 계산한 후, Niihara식[18]을 사용하여 계산하였다.

3. 결과 및 고찰

그림 1은 원료 분말 WC, BN, Al의 X-선 회절 패턴을 나타낸 것이고, 그림 2는 이 원료 분말들의 미세조직을 나타낸 것이다. WC와 Al 분말은 둥근 형태를 나타내고 있고 BN은 판상의 형태를 나타내고 있다. 그림 34는 밀링한 분말 X-선 회절 도형과 미세조직이다. 밀링한 분말의 반가폭이 그림 1에서 관찰한 WC 원료 분말의 반가폭 보다 큰 것을 볼 수 있는데, 이 이유는 볼 밀링에 의해 분말이 미세화 되고 분말에 스트레인이 발생되었기 때문이다. 밀링한 WC-1vol% BN-xvol% Al (x=0, 5, 10, 15) 분말에서 Suryanarayana 식[17]으로 계산한 WC 입자 크기는 각각 12, 11, 19, 14 nm이었다. 또한 그림 4에서 밀링한 분말들은 미세해졌으며 서로 응집되어 있는 것을 관찰할 수 있다.
그림 5는 밀링한 분말에 80 MPa의 압력을 가하고 유도전류로 가열했을 때, 가열 시간에 따른 온도와 수축길이가 어떻게 변화되었는지 나타낸 그래프이다. 시편에 유도전류를 가했을 때, 약 1200 °C까지는 열팽창 현상을 나타내었고 그 이상의 가열온도에서는 수축길이가 급격히 증가하였다. 1500 °C에서는 수축길이 변화가 완만하여 소결이 완료된 것으로 판단된다. 수축길이가 급격히 증가가 시작하는 온도는 Al첨가가 증가할수록 감소하였다. 이것은 Al이 소결 중에 액상이 되어 WC의 재배열이 되고 원자의 확산이 쉽기 때문으로 생각된다 [19]. 그림 6은 1580 °C로 소결한 시편 X-선 회절 패턴을 나타낸 것이다. X-선 회절도형에서는 WC 피크만 관찰되었다. X-선 회절 피크의 반가폭이 줄어든 것으로부터 소결 중에 결정립 성장이 일어났음을 예측할 수 있다. 그림 7은 소결한 복합재료에서 WC 결정립 크기를 Suryanarayana 식[17]을 사용하여 계산하기 위해 sinθ에 따른 Br·cosθ로 그래프를 나타낸 것이다. 소결한 WC-1vol% BN-xvol% Al (x=0, 5, 10, 15) 시편에서 계산한 WC 결정립 크기는 각각 163, 100, 195, 227 nm이었다. 소결한 복합재료의 결정립은 밀링한 분말의 입자 크기에 비해 크게 커지지 않은 것을 알 수 있다. 이 이유은 빠른 가열 속도로 소결 시간이 단축되면서 시편이 고온에 노출될 시간이 짧아져, 고온에서의 결정립 성장이 많이 일어나지 않았기 때문으로 판단된다. 그림 8은 1580 °C로 소결한 시편의 경면을 주사전자현미경으로 관찰한 미세 조직이다. 소결체의 미세 조직은 매우 미세한 결정립으로 구성되어 있고, 결정립의 크기는 Al 첨가량이 10 vol%이상일 때 커짐을 관찰할 수 있다. 이것은 Al첨가량이 10 vol% 이상일 때 용해·재석출이 일어났음을 의미한다. Al 첨가량이 5 vol%일 때 WC 결정립 크기는 작아졌다. 이 이유는 Al 첨가량이 적어서 WC가 용해·재석출이 일어나지 않고 Al이 제 이상으로 WC의 상호 확산을 억제시켜서 결정립 성장을 막아주기 때문으로 생각된다. 소결한 WC-1vol% BN-xvol% Al (x=0, 5, 10, 15) 시편의 상대밀도는 각각 96, 96, 98와 99% 이었다. Al첨가량이 증가할수록 상대밀도가 증가하는 것은 액상 소결이 이루어졌기 때문이다. 또한 낮은 온도에서 짧은 시간 내에 치밀한 복합재료를 소결할 수 있는 것은 다음과 같은 이유 때문이다. 분말에 유도전류를 가하면 분말 사이의 접촉 점에서 높은 주울 열이 발생으로 온도가 높아서 분말의 접촉점에서 원자의 확산이 빠르고, 분말들 사이에서 발생된 프라즈마로 분말 표면에 존재하는 산화물이 제거되는 정화 효과도 있을 뿐만 아니라, 전기장 하에서는 원자의 확산이 쉽게 되고, 바인더의 젖음성이 우수해지기 때문으로 보고되고 있다 [14-16].
WC-1vol% BN-xvol% Al (x=0, 5, 10, 15) 복합재료의 경도는 20 kgf의 하중 하에서 비커스 경도계로 측정하였다. 그림 9는 압흔 자국을 나타낸 것이고, 압흔 자국 모서리에서 균열이 전파되고 있는 것을 알 수 있다. 파괴 인성은 압흔 자국의 중심에서의 균열 길이를 계산하여, Niihara식[18]으로 평가하였다. 그림 10은 Al 첨가에 따른 복합재료의 경도와 파괴 인성 변화를 그래프로 나타내었다. 경도는 5 vol% Al에서는 증가하였고, 10 vol% Al 이상에서는 감소하였다. 5 vol% Al첨가한 경우는 WC 결정립이 미세화 되어서 경도가 증가하였고, 10 vol% Al 이상 첨가한 경우 경도가 감소한 것은 결정립이 조대화 되고 경도가 낮은 Al량이 증가하였기 때문이다. 파괴인성은 Al첨가량이 증가할수록 증가하였는데, 이것은 연성이 우수한 Al 첨가에 기인된 것이다.

4. 결 론

WC-1vol% BN에 Al을 첨가한 후, 고 에너지 볼 밀링으로 분말 혼합 및 나노 분말을 제조하였다. 밀링한 분말을 고주파 유도 가열 소결 장치를 통해 2분 이내의 짧은 시간 안에 치밀한 소결체를 제조하였다. 또한 소결한 시편의 미세조직과 기계적 성질을 평가하였을 때에, 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1. 수축길이가 급격히 증가가 시작하는 온도는 Al첨가가 증가할수록 감소하였다. 이것은 Al이 액상이되어서 액상 소결이 일어났기 때문이다.
2. 소결한 WC-1vol% BN-xvol% Al (x=0, 5, 10, 15) 시편에서 WC 결정립 크기는 각각 163, 100, 195, 227 nm이었다. 결정립의 크기는 Al 첨가량이 10 vol% 이상일 때 커진 것은 용해 재석출이 일어났기 때문으로 생각된다.
3. WC-1vol% BN-xvol% Al (x=0, 5, 10, 15) 복합재료의 경도는 5 vol.%Al에서는 증가하였고, 10 vol%Al 이상에서는 감소하였다. 5 vol.% Al첨가한 경우는 WC결정립이 미세화되어서 경도가 증가하였고, 10 vol%Al 이상 첨가한 경우는 결정립이 조대화되고 경도가 낮은 Al량이 증가하였기 때문이다.
4. WC-1vol% BN-xvol% Al (x=0, 5, 10, 15) 복합재료의 파괴인성은 Al첨가량이 증가할수록 증가하였다. 이것은 연성이 우수한 Al 첨가에 기인된 것이다.

Acknowledgments

본 연구는 산업통상자원부 (MOTIE)와 한국에너지기술평가원 (KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. 20184030202210).

Fig. 1.
X-ray diffraction patterns of the raw powders : (a) WC, (b) BN (C) Al
kjmm-2020-58-7-453f1.jpg
Fig. 2.
FE-SEM images of raw powders : (a) WC, (b) BN, (c) Al
kjmm-2020-58-7-453f2.jpg
Fig. 3.
X-ray diffraction patterns of the WC - 1 vol.% BN - x vol.% Al powders (a) x=0, (b) x=5, (c) x=10, (d) x=15
kjmm-2020-58-7-453f3.jpg
Fig. 4.
FE-SEM images of WC-BN 1vol.%- x vol.% Al powders (a) x=0, (b) x=5, (c) x=10, (d) x=15
kjmm-2020-58-7-453f4.jpg
Fig. 5.
Shrinkage displacement-temperature curve during high-frequency induction heated sintering of WC-BN-Al powders
kjmm-2020-58-7-453f5.jpg
Fig. 6.
X-ray diffraction patterns of WC-1vol.% BNx vol.% Al hard materials produced by HIFHS (a) x=0, (b) x=5, (c) x=10, (d) x=15
kjmm-2020-58-7-453f6.jpg
Fig. 7.
Plot of Br (Bcrystalline + Bstrain) cosθ versus sinθ for WC - 1vol% BN –x vol% Al sintered by HIFHS (a) x=0, (b) x=5, (c) x=10, (d) x=15
kjmm-2020-58-7-453f7.jpg
Fig. 8.
BSE images of WC-BN 1vol.%- x vol.% Al hard materials produced by HIFHS (a) x=0, (b) x=5, (c) x=10, (d) x=15
kjmm-2020-58-7-453f8.jpg
Fig. 9.
Vickers hardness indentation of WC-1vol.% BN- x vol.% Al hard materials produced by HIFHS (a) x=0, (b) x=5, (c) x=10, (d) x=15
kjmm-2020-58-7-453f9.jpg
Fig. 10.
Variation of hardness and fracture toughness of sintered WC-BN- Al composites with Al content.
kjmm-2020-58-7-453f10.jpg

REFERENCES

1. S. Imasato, K. Tokumoto, T. Kitada, and S. Sakaguchi, Int. J. of Refract. Met. H. 13, 305 (1995).
crossref
2. G. Gille, J. Bredthauer, B. Gries, and B. Mende, Int. J. of Refract. Met. H. 18(2-3):87 (2000).
crossref
3. H. Lin, B. Tao, J. Xiong, and Q. Li, Int. J. of Refract. Met. H. 41, 363 (2013).
crossref
4. D. Lee, Small. 9, 2602 (2013).
crossref
5. W. J. Cho, S. H. Oh, and I. J. Shon, Korean J. Met. Mater. 57, 310 (2019).
crossref pdf
6. W. J. Cho, S. E. Kim, S. H. Oh, and I. J. Shon, Korean J. Met. Mater. 57, 764 (2019).
crossref pdf
7. S. Norgren, J. García, A. Blomqvist, and L. Yin, Int. J. of Refract. Met. H. 48, 31 (2015).
crossref
8. Z. G. Zhang, F. Gesmundo, P. Y. Hou, and Y. Niu, Corros. Sci. 48, 741 (2006).
crossref
9. K. Niihara and A. Nikahira, dvanced structural inorganic composite, pp. 79Elsevier Scientific Publishing Co., Trieste, Italy (1990).

10. S. E. Kim and I. J. Shon, Korean J. Met. Mater. 56, 854 (2018).
crossref pdf
11. S. Berger, R. Porat, and R. Rosen, Prog. Mater. Sci. 42, 311 (1997).
crossref
12. B. R. Kang, J. K. Yoon, K. T. Hong, and I. J. Shon, Met. Mater. Int. 21, 698 (2015).
crossref pdf
13. B. R. Kang and I. J. Shon, Korean J. Met. Mater. 53, 320 (2015).
crossref
14. Z. Shen, M. Johnsson, Z. Zhao, and M. Nygren, J. Am. Ceram. Soc. 85, 1921 (2002).
crossref
15. J. E. Garay, U. Anselmi-Tamburini, Z. A. Munir, S. C. Glade, and P. Asoka-Kumar, Appl. Phys. Lett. 85, 573 (2004).
crossref
16. Y. Gu, P. Shen, N. Yang, and K. Cao, J. Alloy. Compd. 586, 80 (2014).
crossref
17. C. Suryanarayana and M. Grant Norton, X-ray diffraction: a practical approach, pp. 207Plenum Press, New York (1998).

18. K. Niihara, R. Morena, and D. P. H. Hasselman, J. Mater. Sci. Lett. 1, 12 (1982).
crossref pdf
19. G. S. Upadhyaya, Mater. Design. 22, 483 (2001).
crossref
Editorial Office
The Korean Institute of Metals and Materials
6th Fl., Seocho-daero 56-gil 38, Seocho-gu, Seoul 06633, Korea
TEL: +82-2-557-1071   FAX: +82-2-557-1080   E-mail: metal@kim.or.kr
About |  Browse Articles |  Current Issue |  For Authors and Reviewers
Copyright © The Korean Institute of Metals and Materials. All rights reserved.                 Developed in M2Community