실험실 진공 소결로는 재료 손상 없이 야금 결합을 달성하는 데 중요한 환경 역할을 합니다. 이는 두 가지 동시 기능을 수행합니다. 즉, 알루미늄 매트릭스의 빠른 산화를 방지하기 위한 산소 없는 분위기를 조성하고, 복합재를 치밀화하기 위한 정밀한 열 사이클을 실행합니다. 이러한 변수를 제어함으로써 퍼니스는 느슨한 분말 혼합물을 원자 확산을 통해 응집된 예비 고체로 변환합니다.
Al/Ni-SiC 복합재의 제조 성공은 알루미늄 매트릭스의 산소 민감성을 관리하는 데 달려 있습니다. 진공 퍼니스는 대기 순도를 유지하면서 유기 바인더를 제거하고 금속-세라믹 계면을 융합하는 데 필요한 특정 가열 단계를 조절하여 이 문제를 해결합니다.
소결의 중요 메커니즘
매트릭스 산화 방지
알루미늄 기반 복합재 가공의 주요 과제는 알루미늄의 높은 산소 친화도입니다.
고온에서 공기에 노출되면 알루미늄은 결합을 방해하는 안정한 산화물 층을 형성합니다. 진공 환경은 산소를 제거하여 금속 매트릭스가 순수하고 니켈 코팅된 탄화규소 입자와 결합할 만큼 충분히 반응성을 유지하도록 합니다.
다단계 온도 제어
제조는 단일 단계 가열 공정이 아닙니다. 별도의 열 단계가 필요합니다.
퍼니스는 저온 단계로 시작하는 프로그래밍된 사이클을 실행합니다. 이 단계는 재료가 경화되기 전에 파라핀과 같은 형성제를 태우고 배출하도록 특별히 설계되었습니다.
원자 확산 촉진
바인더가 제거되면 퍼니스는 온도를 매트릭스 용융 범위 근처로 올립니다.
이 특정 열 고원에서는 원자 확산이 가속화됩니다. 금속 원자는 입자 경계를 가로질러 이동하여 알루미늄 매트릭스와 강화상 사이에 야금 결합을 생성합니다.
예비 치밀화 달성
깨끗한 표면(진공을 통해)과 원자 이동성(열을 통해)의 조합은 물리적 수축으로 이어집니다.
이 공정은 예비 치밀화를 초래하여 "그린"으로 압축된 분말을 향상된 기계적 무결성을 가진 고체 구조로 변환합니다.
절충점 이해
바인더 제거의 균형
일반적인 함정은 저온 단계를 서두르는 것입니다.
"탈납" 단계에서 가열 속도가 너무 빠르면 파라핀이 외부 기공이 닫히기 전에 완전히 증발하지 않을 수 있습니다. 이렇게 하면 복합재 내부에 가스가 갇혀 내부 기공과 구조적 약화가 발생합니다.
온도 정밀도 대 용융
알루미늄 용융점 근처에서 작동하려면 극도의 정밀도가 필요합니다.
퍼니스 온도가 초과되면 매트릭스가 고체 상태 소결에서 액체 상태로 너무 빠르게 전환되어 부품의 모양이 변형될 수 있습니다. 반대로 온도가 너무 낮으면 결합에 필요한 원자 확산이 시작되지 않습니다.
목표에 맞는 올바른 선택
Al/Ni-SiC 복합재의 품질을 극대화하려면 퍼니스 매개변수를 특정 재료 요구 사항에 맞게 조정해야 합니다.
- 재료 순도가 주요 초점인 경우: 산소 분압을 엄격하게 제한하기 위해 고진공 수준을 우선시하여 Al/Ni 계면의 산화물 장벽을 방지합니다.
- 구조적 밀도가 주요 초점인 경우: 소결 열로 올리기 전에 모든 파라핀이 배출되도록 바인더 제거 온도에서 체류 시간을 연장합니다.
진공 및 열 프로파일을 엄격하게 제어함으로써 잠재적인 결함을 고성능 인터페이스로 변환합니다.
요약 표:
| 공정 단계 | 주요 기능 | Al/Ni-SiC 복합재에 대한 이점 |
|---|---|---|
| 진공 추출 | 산소 제거 | 알루미늄 산화 방지로 결합력 향상 |
| 저온 단계 | 바인더 연소 (탈납) | 내부 기공 방지를 위해 파라핀 배출 |
| 고온 고원 | 원자 확산 | 야금 결합 및 치밀화 촉진 |
| 열 정밀도 | 정밀한 열 제어 | 매트릭스 용융 방지 및 고체 상태 융합 보장 |
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참고문헌
- Shimaa A. Abolkassem, Hosam M. Yehya. Effect of consolidation techniques on the properties of Al matrix composite reinforced with nano Ni-coated SiC. DOI: 10.1016/j.rinp.2018.02.063
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