Microstructure Modification and Mechanical Properties of Fe-based Alloys Prepared by Liquid Phase Sintering and Field Assisted Sintering

Abstract

분말야금기술은 원재료 금속 분말을 사용하여 소결 부품의 최종 형상에 가깝게 제조하여 높은 생산성 및 재료 손실이 최소화하는 장점이 있는 공정 기술이다. 또한, 자동차 소재, 가전제품, 전자제품 등의 범용 기계 소재에 이르기 까지 적용 재료의 범위도 광범위하다. 하지만 철 계 합금은 소결 후 5~15 %의 기공이 존재하여 소결 부품으로의 적용이 제한이 된다. 소결체의 고밀도화를 위해서 액상소결법, 핫프레싱, 통전활성소결과 같은 소결 기술들이 현재 많이 연구가 진행되어왔다. 하지만 철 계 합금은 각각의 소결 방법에서 비롯되는 고유한 미세 구조로 인해 기계적 특성의 향상이 제한적이다. 또한 열처리 도중 미세구조와 소결 거동에 대한 이론적인 연구가 철저하게 분석되지 않았다. 이 연구에서는 소결 방법, 소결 조건, 조성, 열 처리 등을 통한 미세구조를 개선이 기계적 특성에 끼치는 영향에 대한 주제로 총 세 가지에 대해 논하고자 한다.

첫 번째 주제로 니켈 (Ni)이 Fe-B-C 합금 시스템에 도입되어 공융반응 온도를 낮춰 붕소 함유 합금의 치밀화를 향상시키고자 하였다. 하지만, 다량의 액상이 입 계에서 공융경질상 (M23B6, M3B, M2B)의 연속 네트워크를 생성하기 때문에 액상소결에서는 연신 특성의 향상이 매우 제한적이다. 이를 극복 하기 위해, 합금의 조성을 제어하여 응고상의 부피 분율을 최적화하고 펄라이트 매트릭스로 응고 된 α-Fe 입자의 조 대화를 사후 열처리에 의해 공융상의 연속 네트워크를 줄이고 입자 연속성을 증가시키고자 하였다. 최종적으로 미세 구조 개선 결과, 후열처리 된 Fe-1Ni-0.4B-0.8C 합금은 5.2 %의 높은 연신율 값을 나타냈다.

두 번째 주제로 두 개의 Fe-Mo-B 및 Fe-B-C 공정 상 형성을 통해 입 계 미세 구조를 수정하기 위해 Fe-B-C 합금 시스템에 몰리브덴 (Mo)이 도입되었다. 이를 위해 Fe-xMo-0.4B-0.8C (x=1.0~5.0 in wt %) 합금을 LPS로 제조하고 미세 구조 및 기계적 특성을 조사하였다. Mo 첨가로 매트릭스는 펄라이트 및 재 침전된 페라이트에서 펄라이트 (또는 베이나이트)로 변경되고, 입계는 연속 네트워크에서 MoFe(C,B)과 (Fe,Mo)3(C,B) 로 구성된 라멜라 구조로 변경되었다. 합금 내 미세 구조의 개선을 통해 합금의 경도, 인장 강도, 파단 연신율과 같은 기계적 특성이 크게 향상되었으며, 특히 Fe-5Mo-0.4B-0.8C 합금은 674 MPa의 높은 인장 강도와 4.92 %의 높은 연신율을 나타냈다.

세 번째 주제로 일반적인 소결법, 핫프레싱, 통전활성소결로 Fe-Ni 합금 (x=0.0~5.0 in wt %)을 제작하여 특히, 통전 활성 소결법의 전류의 효과에 집중하여 시편의 치밀화, 미세구조, 원소 분포도, 기계적 특성 등을 비교 조사 하였다. 니켈의 첨가는 일반적인 소결법과 통전활성법 모두에서 치밀화를 향상시키고 입자 성장을 억제하였으며, 특히 통전활성법으로 작은 결정 크기를 가지는 고밀도 Fe-Ni 합금을 제작하는데 성공하였다. 결과적으로 통전활성법으로 제작한 Fe-Ni 합금은 다른 소결 법으로 제작한 합금에 비해서 벌크 경도에서 큰 향상을 보였다. 원소 분포도 분석을 통해 니켈은 시편의 결정립계에 다수 분포하는 것을 관찰하였으며, 확산 실험을 통해 통전활성소결이 결정립계 확산을 향상함을 뒷받침 하였다. 위 결과로부터 통전활성소결 법의 압력과 가해주는 전류는 결정립계에서 Ni의 확산을 용이하게 하여 결과적으로 시편의 치밀화를 향상시키고 입 계 성장을 성공적으로 억제하였다.

Powder metallurgy (P/M) is metal consolidation technique for the manufacture of parts from raw starting powders by compaction and heating. P/M technique has been used in various industries and applications, because of its efficiency and net-shaped capability. However, the P/M applications are very limited due to the presence of porosity ranging from 5 to 15 vol. %. To solve this problem, several sintering techniques, such as liquid phase sintering, hot pressing and field assisted sintering have been extensively investigated. However, the improvement of mechanical properties was still limited, and thus microstructure modification is required to enhance the mechanical properties. In addition, the microstructural development and densification mechanism during sintering have not been fully explored. In this thesis, the effects of sintering methods, sintering condition, composition and heat treatment on microstructure were intensively studied, and then the effect of microstructure modification on the mechanical properties of Fe-based alloys was thoroughly investigated. The mentioned above will be discussed in more detail on the three main topics. 1) Microstructure modification of liquid phase sintered Fe-Ni-B-C alloys for improved mechanical properties, 2) Effects of molybdenum addition on microstructure and mechanical properties of Fe-B-C sintered alloys, and 3) Effect of field assisted sintering on densification, microstructure and mechanical properties of Fe-Ni alloys.

First, Ni addition was employed to decrease the eutectic temperature and improve the densification and mechanical properties of Fe-B-C alloys. To solve the formation of continuous network of hard eutectics, the composition was controlled to achieve the system with the optimized hard phase fraction, and heat treatment was performed to induce the coarsening of solidified α-Fe particles into the matrix. As a result of microstructure modification, the post annealed Fe-1Ni-0.4B-0.8C alloy resulted in the high elongation to failure of 5.2 %.

Second, molybdenum (Mo) was introduced in Fe-B-C alloy system to modify the grain boundary microstructure through the formation of two Fe-Mo-B and Fe-B-C solidified phases. For this, Fe-xMo-0.4B-0.8C (x=1.0~5.0 in wt%) alloys were prepared by LPS and their microstructure and mechanical properties were investigated. With Mo addition, the matrix grain changed from pearlite and re-precipitated ferrite to pearlite (or pearlite/bainite) and the grain boundary changed from a continuous network to a lamella structure composed of MoFe(C,B) (WCoB-type boride) and (Fe,Mo)3(C,B) (Fe3C-type carbide). As a result of microstructure modification, the mechanical properties such as hardness, tensile strength, and elongation to failure were significantly improved. In particular, Fe-5Mo-0.4B-0.8C alloy exhibited a high tensile strength of 674 MPa and a high elongation to failure of 4.92%.

Third, Fe-xNi alloys (x=0~5.0 in wt%) were consolidated by conventional sintering (CS), field assisted sintering (FAS), and hot pressing (HP) methods, and their densification, microstructure, mechanical properties were comparatively investigated, particularly focusing on the field or current effects of FAS technique. The Ni addition promoted the densification and suppressed the grain growth in Fe-Ni alloys consolidated by both CS and FAS, and the FAS produced the Fe-Ni alloys with higher apparent density and smaller grain size. Consequently, the Fe-Ni alloys fabricated by FAS exhibited a significant improvement in the bulk hardness compared to those consolidated by CS and HP. The obtained results indicated that the electric current together with mechanical pressure in FAS promoted the Ni diffusion along the grain boundaries, which resulted in the enhanced densification with suppressed grain growth.