KR100904202B1 - 텅스텐-이트리아 로드의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 텅스텐 분말과 이트리아 분말의 혼합 분말을 압축 성형하여 분말 성형체를 형성하는 단계와; 상기 분말 성형체를 일정 온도에서 소결하여 소결체를 형성하는 단계; 및 상기 소결체의 강도 및 밀도가 증가되도록 상기 소결체를 온간 압출하는 단계를 포함하는 텅스텐-이트리아 로드의 제조 방법을 개시한다.

Description

텅스텐-이트리아 로드의 제조 방법{METHOD FOR FABRICATING TUNGSTEN-YTTRIA ROD}

본 발명은 기계적 강성 및 내열, 내삭마성을 향상시킬 수 있는 텅스텐-이트리아 로드의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 텅스텐-이트리아 로드에 관한 것이다.

추진기관은 탑재물을 목표 위치로 이동시키기 위한 동력을 제공하는 장치이다. 최근 우주항공 산업과 유도무기 분야에서는 탑재물을 보다 더 정확하게 이동시킬 수 있는 추진기관에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.

일반적으로 추진기관에 사용되는 재료는 고온에서 견딜 수 있도록 내열 및 내삭마성이 우수하여야 한다. 이러한 재료들로서 현재 구리-텅스텐 용침재, 탄소-실리콘 복합재, 흑연 소재(ATJ) 등이 사용되고 있는 실정이며, 향상된 내열 및 내삭마성을 구현할 수 있도록 다양한 연구가 시도되고 있는 실정이다.

텅스텐-이트리아 소재의 경우 상기 재료들보다 내열 및 내삭마성이 우수하여 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 현재 텅스텐-이트리아 소재의 경우 분말 야금 공정을 이용하여 제조되고 있다.

그러나, 현재의 공정으로는 치밀화된 초미립의 입자를 갖는 텅스텐-이트리아 소재를 제조하는 것이 불가능하며, 이에 따라 현재의 공정으로 제조된 텅스텐-이트리아 소재는 고온에서 하중이 전달될 경우, 소재 내부의 기공들이 전파되어 균열이 생길 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고온에서도 기계적 강성이 우수하며, 내열 및 내삭마성이 향상된 텅스텐-이트리아 로드의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 텅스텐 분말과 이트리아 분말의 혼합 분말을 압축 성형하여 분말 성형체를 형성하는 단계와; 상기 분말 성형체를 일정 온도에서 소결하여 소결체를 형성하는 단계; 및 상기 소결체의 강도 및 밀도가 증가되도록 상기 소결체를 온간 압출하는 단계를 포함하는 텅스텐-이트리아 로드의 제조 방법을 개시한다.

상기 텅스텐 분말은 95 내지 99.5%의 중량비를 가지며, 상기 이트리아 분말은 0.5 내지 5%의 중량비를 가질 수 있다.

상기 소결체를 형성하는 단계는 주변환경을 800℃까지 승온시켜 상기 분말 성형체의 표면 산화층을 환원시키는 제1단계와; 주변환경을 1900℃까지 승온시켜 상기 분말 성형체 내부의 금속 불순물을 제거하는 제2단계; 및 주변환경을 2000 내지 2500℃까지 승온시켜 일정 시간동안 상기 분말 성형체를 소결시키는 제3단계를 포함할 수 있다.

상기 소결체를 형성하는 단계는 주변환경을 1200℃로 감온시켜 상기 소결체 내부의 잔류 수소를 제거하는 제4단계를 더 포함할 수 있다.

상기 소결체를 온간 압출하는 단계는 압출체가 형성되도록 1300 내지 1700℃에서 10 내지 50%의 압출비를 갖도록 진행될 수 있으며, 상기 압출체의 잔류 응력이 제거되도록 상기 압출체를 1000 내지 1300℃에서 30분 내지 1시간동안 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명은 텅스텐 입자와 이트리아 입자를 포함하는 텅스텐-이트리아 로드에 있어서, 텅스텐 분말과 이트리아 분말의 혼합 분말을 압축 성형하여 분말 성형체를 형성하는 단계와; 상기 분말 성형체를 일정 온도에서 소결하여 소결체를 형성하는 단계; 및 상기 소결체의 강도 및 밀도가 증가되도록 상기 소결체를 온간 압출하여 압출체를 형성하는 단계에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 텅스텐-이트리아 로드를 개시한다..

상기 압출체의 텅스텐 결정립은 가공 방향으로 길게 늘어진 형태를 가질 수 있다. 그리고ㅛ, 상기 압출체는 적어도 20mm 이상의 직경을 가지며, 이론 밀도 대비 98% 이상의 상대 밀도를 가질 수 있다.

본 발명은 텅스텐-이트리아 분말 성형체를 소결시킨 후 온간 압출하는 공정을 통하여 고온에서도 기계적 강성이 우수하며, 내열 및 내삭마성이 향상된 텅스텐-이트리아 로드를 제조할 수 있다.

또한, 소결체를 온간 압출함으로써 의하여 20mm 이상의 직경을 가지며, 길게 늘어진 형태의 텅스텐 입자를 갖는 텅스텐-이트리아 로드를 제조할 수 있으며, 이는 동일 조건에서 기존 상용 내열 소재 대비 내삭마 특성이 우수한 이점이 있다.

이하, 본 발명과 관련된 텅스텐-이트리아 로드의 제조 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 텅스텐-이트리아 로드의 제조 공정도이며, 도 2는 분말 성형체와 소결체의 형상을 나타내는 사진이다.

본 발명의 일실시예에 의한 텅스텐(Tungsten)-이트리아(Yttria) 로드의 제조 방법은 텅스텐 분말과 이트리아 분말의 혼합 분말을 압축 성형하여 분말 성형체를 형성하는 단계(S11)와, 분말 성형체를 일정 온도에서 소결하여 소결체를 형성하는 단계(S12), 및 소결체를 온간 압출하는 단계(S13)를 포함한다.

먼저, 분말 성형체를 형성하는 단계(S11)는 95% 이상의 중량비를 갖는 텅스텐 분말과, 5% 이하의 중량비를 갖는 이트리아를 균일하게 혼합한 후, 일정 압력에서 냉각 압축 성형하여 이루어진다. 압축 성형에 의하여 이루어진 분말 성형체는 도 2와 같은 형성을 갖는다.

소결체를 형성하는 단계(S12)는 분말 성형체의 주변환경을 고온으로 승온시켜 행하여진다. 이에 따라 분말 성형체의 결정립이 성장하게 되며, 결정립 사이의 기공이 감소하게 된다. 이에 따라 소결체는 도 2와 같이 수축된 형상을 갖는다.

소결체를 온간 압출하는 단계(S13)는 1300℃ 내지 1700℃에서 10 내지 50%의 압출비(단면 감소율)을 갖도록 수행된다. 이는 소결체의 강도 및 밀도를 증가시킴과 아울러 내삭마 특성을 향상시키기 위함이다.

이하의 실시예를 통하여 본 발명과 관련된 텅스텐-이트리아 로드의 제조 방 법을 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저, 95 내지 99.5%의 중량비를 갖는 텅스텐 분말과, 0.5 내지 5%의 중량비를 갖는 이트리아 분말을 혼합한다. 이트리아 분말이 0.5% 미만의 중량비를 갖는 경우 원하는 텅스텐 결정립의 크기를 얻기 힘들며, 이트리아 분말이 5% 이상의 중량비를 갖는 경우 소결체의 밀도를 증가시키는 효과가 현저히 떨어짐이 실험을 통하여 확인되었다.

본 실시에에 사용된 텅스텐 분말은 99.9%의 순도와 2.0㎛의 평균 입도를 가지며, 이트리아 분말은 99.9%의 순도와 1.0㎛의 평균입도를 가지고 있다. 이와 같이 혼합된 분말을 유압식 냉각 등압 성형 장비를 사용하여 최대 1800bar의 입력으로 성형하여 도 2와 같은 분말 성형체를 얻었다.

다음으로, 분말 성형체를 소결하는 공정에 대하여 살펴보기로 한다. 아래의 표 1은 본 발명과 관련된 분말 성형체의 소결 공정을 단계별로 나타내는 표이다.

단계	온도(℃)	승온 속도(℃/분)	분위기	역할
#1	800	20	수소	표면산화층 환원 및 불순물제거
#2	1900	20	수소	금속 불순물을 제거
#3	2000~2500	10	수소	고상 소결 진행
#4	1200	50	질소, 진공	텅스텐의 수소 취성 방지

표 1의 내용과 같이, 소결체를 형성하는 단계는 제1 내지 제4단계를 포함한다. 제1 내지 제3단계는 수소 분위기 하에서 수행되며, 제4단계는 진공 분위기 하에서 수행된다.

제1단계는 주변환경을 800℃까지 승온시켜 분말 성형체의 표면 산화층을 환원시킴과 아울러 분말 성형체 표면의 불순물을 제거하는 단계이다. 그리고, 제2단계는 주변환경을 1900℃까지 승온시켜 분말 성형체 내부의 금속 불순물을 제거하는 단계이다.

그리고, 제3단계는 주변환경을 2000 내지 2500℃까지 승온시켜 일정 시간동안 분말 성형체를 소결시키는 단계이다. 여기서, 제3단계로의 승온 속도는 제1 및 제2단계로의 승온 속도보다 낮은 속도를 갖도록 하였으며, 본 실시예에서는 제1 및 제2단계로의 승온 속도의 절반을 갖도록 하였다. 이는 소결 중 분말 성형체 내부의 온도 편차로 인해 소결체의 밀도 및 결정립 크기가 불균일하게 되는 것을 최소화할 수 있도록 분말 성형체 내부가 균일한 온도를 갖도록 하기 위함이다.

제3단계는 30분 내지 3시간의 시간동안 환원 분위기에서 행하여진다. 30분은 일정 이상의 밀도를 갖도록 30분 이상의 소결 시간을 갖는 것이 바람직하며, 적정 크기의 결정립 크기를 갖도록 3시간 이하의 소결 시간을 갖는 것이 바람직하다 할 것이다.

제4단계는 주변환경을 1200℃로 감온시켜 상기 소결체 내부의 잔류 수소를 제거하는 단계이다. 이는 소결체 내부에 수소가 잔류해 있는 경우 취성이 증가하는 것을 방지하기 위함이다. 본 실시예에서는 소결체를 1200℃에서 1시간 동안 열처리 한 후 노냉하였으며, 이와 같이 소결 된 시편의 형상은 도 2와 같다.

도 2와 같이 소결체는 분말 성형체에 비하여 수축된 형상을 갖는다. 또한, 분말 성형체와 소결체의 이론 밀도 대비 상대 밀도를 측정한 결과, 상대 밀도가 각각 52%와 90% 이상으로서 그 상대 밀도가 크게 증가하였음을 확인하였다.

이 때 소결체의 상대 밀도(이하 '소결밀도)는 이트리아의 조성 및 소결 온도에 따라 변화되며, 그 결과는 표 2에 나타내었다.

이트리아 조성(wt%)	소결온도(℃)	소결시간(시간)	소결밀도(이론밀도 대비%)
0.5	2000	1	90
0.5	2500	1	96
5.0	2000	1	94
5.0	2500	1	97

상기와 같은 소결 과정에서 이트리아의 역할을 알아보기 위하여 순수 텅스텐과 텅스텐-이트리아 소재를 비교하여 살펴 보았다.

도 3a는 순수 텅스텐의 소결된 상태에서의 SEM 사진이며, 도 3b는 텅스텐-이트리아 소재의 소결된 상태에서의 사진이다. 도 3a 및 3b는 순수 텅스텐과 텅스텐-이트리아 소재를 2500℃에서 1시간동안 소결한 후의 미세조직을 보여준다.

순수 텅스텐 소결체의 밀도는 이론밀도 대비 88%였으며, 텅스텐/이트리아 소결체의 경우 97%임으로 확인되었다.

미세조직 분석 결과, 순수 텅스텐의 경우 흰 색의 텅스텐 입자와 수 ㎛의 기공들로 구성되어 있다. 대부분의 기공들은 텅스텐 입자 내에 존재하는 것으로 관찰되었다.

텅스텐-이트리아 소재의 경우, 흰색의 텅스텐 입자와 검은 색의 이트리아 입자로 구성되어 있으며, 기공들도 관찰되었다. 대부분의 이트리아 입자들은 텅스텐 입자들 사이의 경계면에 분포하고 있으며 몇몇 입자들은 텅스텐 입자 내부에서도 관찰되고 있다.

순수 텅스텐 입자의 크기와 텅스텐-이트리아 소재의 텅스텐 입자의 크기를 분석한 결과, 각각 30㎛와 15㎛로 측정되었다. 이는 소결 과정에서 텅스텐 입자의 성장이 이트리아 입자에 이하여 방해되는 것으로 확인된다. 이와 같이 이트리아의 첨가에 의하여 텅스텐 입자의 크기가 미세하게 유지되어 소결 밀도를 증가시킬 수 있다.

다음으로, 소결체를 온간 압출하는 공정에 대하여 설명하기로 한다.

온간 압출을 위하여, 1500℃에서 1시간 동안 예열한 후 50%의 압출비(면적 감소비율)를 갖게 공정을 진행하였다. 이후 압출 공정으로부터 발생한 압출체 내부의 잔류 응력을 제거하기 위하여, 환원 분위기 하의 1200℃에서 30분간 열처리 하였다. 이와 같은 열처리 공정은 1000 내지 1300℃에서 30분 내지 1시간동안 수행되는 것이 바람직하다.

열처리 후 압출체의 급속 냉각을 방지하기 위하여, 예열된 모래 더미 안에서 소재를 냉각시키며, 이에 따라 본 발명에 의한 텅스텐-이트리아 로드의 제조 공정이 완료된다.

압출체의 잔류 응력 제거 여부를 확인하기 위하여 열처리 전후의 경도를 평가하였다. 비커스 경도기를 이용한 측정 결과, 열처리 전 압출체는 550(VHN), 열처리 후 압출체는 500(VHN)임을 확인하였다.

완성된 텅스텐-이트리아 로드의 상대 밀도를 측정한 결과, 텅스텐-이트리아 로드의 상대 밀도는 98%이상으로 확인되었다. 본 발명과 관련된 제조 공정에에 의하면 상기와 같은 고밀도를 가지면서, 최소 직경 20mm 이상의 크기를 갖는 대형 텅스텐-이트리아 로드의 제조가 가능하다.

도 4는 본 발명과 관련된 텅스텐-이테리아 로드의 단면 사진이다. 도 4는 도 4는 압출 방향과 평행인 면의 미세조직을 보여주고 있다.

도 4를 참조하면, 가장 검게 보이는 것이 이트리아 입자이며, 이들은 대부분 텅스텐 입자 계면에 위치하고 있음을 확인하였다. 또한, 압출 후 텅스텐 입자들이 가공 방향으로 길게 늘어나 있는 것으로 관찰되었다. 이렇게 텅스텐 입자들이 연심됨에 따라, 텅스텐-이트리아 로드의 상대 밀도가 증가되며, 고온에서의 기계적 강성과 내삭마 특성이 향상된다.

본 발명과 관련된 텅스텐-이트리아 로드의 내삭마 특성을 기존 상용 소재와 비교 분석하기 위하여 삭마 시험을 수행하였다. 기존 상용소재로는 구리 텅스텐 용침제와 탄소/실리콘 탄화물 복합재료(C/SiC), 및 탄소 복합재(ATJ)를 사용하였다.

실험 결과, 본 발명과 관련된 텅스텐-이트리아 로드는 0.013mm/sec의 내삭마 특성을 가지는 데 반하여, 구리 용침 텅스텐의 경우 0.057mm/sec, 탄소/실리콘 탄화물 복합재료의 경우 0.075mm/sec, 흑연 소재(ATJ)의 경우 0.083mm/sec의 내삭마특성을 가지는 것으로 확인되었다. 이를 통해 본 발명과 관련된 텅스텐-이트리아 소재의 내삭마 특성이 기존 상용소재 보다 최대 6배 이상 우수한 것으로 판명되었다.

이상에서는 본 발명에 따른 텅스텐-이트리아 로드의 제조방법 및 그에 의해 제조되는 텅스텐-이트리아 로드를 첨부한 도면들을 참조를 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 텅스텐-이트리아 로드의 제조 공정도.

도 2는 분말 성형체와 소결체의 형상을 나타내는 사진.

도 3a는 순수 텅스텐의 소결된 상태에서의 사진.

도 3b는 텅스텐-이트리아 소재의 소결된 상태에서의 사진.

도 4는 본 발명과 관련된 텅스텐-이테리아 로드의 단면 사진.

Claims (15)

1. 95 내지 99.5%의 중량비를 갖는 텅스텐 분말과 0.5 내지 5%의 중량비를 갖는 이트리아 분말의 혼합 분말을 압축 성형하여 분말 성형체를 형성하는 단계;

   주변환경을 800℃까지 승온시켜 상기 분말 성형체의 표면 산화층을 환원시키는 환원 단계;

   주변환경을 1900℃까지 승온시켜 상기 분말 성형체 내부의 금속 불순물을 제거하는 불순물 제거 단계;

   분말 성형체 내부가 균일한 온도를 갖도록 상기 환원 단계 및 불순물 제거 단계로의 승온 속도보다 낮은 승온 속도로 주변환경을 2000 내지 2500℃까지 승온시켜 상기 분말 성형체를 일정 시간동안 소결시킴으로써 소결체를 형성하는 소결체 형성 단계;

   주변환경을 1200℃로 감온시켜 상기 소결체 내부의 잔류수소를 제거하는 잔류수소 제거 단계;

   상기 소결체의 강도 및 밀도가 증가되도록 상기 소결체를 온간 압출하여 압출체를 형성하는 온간 압출 단계; 및

   상기 압출체의 잔류 응력이 제거되도록 상기 압출체를 1000 내지 1300℃에서 30분 내지 1시간동안 열처리하는 단계를 포함하고,

   상기 온간 압출 단계는 1300 내지 1700℃에서 10 내지 50%의 압출비를 갖도록 진행되는 것을 특징으로 하는 텅스텐-이트리아 로드의 제조 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 환원 단계, 불순물 제거 단계, 및 소결체 형성 단계는 수소 분위기 하에서 진행되는 것을 특징으로 하는 텅스텐-이트리아 로드의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 소결체 형성 단계는 30분 내지 3시간의 시간동안 행해지는 것을 특징으로 하는 텅스텐-이트리아 로드의 제조 방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,

   상기 제4단계는 진공 분위기 하에서 진행되는 것을 특징으로 하는 텅스텐-이트리아 로드의 제조 방법.
9. 삭제
10. 삭제
11. 제1항에 있어서,

    상기 압출체는 적어도 20mm 이상의 직경을 가지며, 이론 밀도 대비 98% 이상의 상대 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 텅스텐-이트리아 로드의 제조 방법.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제

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