느슨한 분말 혼합물의 자연적인 저항을 극복하기 위해 고압 환경을 적용하는 것이 필수적입니다. 구체적으로, 산업용 단동 유압 프레스는 최대 300MPa의 단방향 압력을 가하여 알루미늄(Al), 이산화티타늄(TiO2), 흑연(Gr) 입자가 강철 다이 내에서 소성 변형 및 재배열되도록 합니다. 이러한 강렬한 기계적 작용은 내부 기공을 제거하고 느슨한 분말을 소결 준비가 된 고체이며 취급 가능한 "녹색 압축 성형체"로 전환하는 데 필요한 물리적 결합을 생성합니다.
고압 환경은 재료의 기계적 밀집을 강제함으로써 복합 재료를 느슨한 입자 집합체에서 응집된 고체로 변환합니다. 이 과정은 열처리만으로는 달성할 수 없는 필요한 접촉 면적과 구조적 무결성을 확립하므로 소결의 중요한 전제 조건입니다.
밀집의 역학
소성 변형 및 재배열
유압 프레스의 주요 기능은 분말 입자의 물리적 모양을 변경하기에 충분한 힘(최대 300MPa)을 가하는 것입니다. 초기에는 압력이 입자를 서로 미끄러지게 하여 재배열하여 큰 기공을 채우도록 합니다.
입자가 빽빽하게 채워지면 압력은 입자에 소성 변형을 일으키도록 합니다. 알루미늄 매트릭스는 더 부드럽기 때문에 더 단단한 TiO2 및 흑연 보강재 주위로 변형됩니다. 이러한 변형은 단순한 패킹으로는 결코 달성할 수 없는 더 단단한 결합을 생성하여 분말 덩어리의 부피를 크게 줄입니다.
기계적 결합
입자가 변형됨에 따라 물리적으로 서로 결합됩니다. 이러한 기계적 결합은 녹색 압축 성형체(아직 소성되지 않은 압축된 부품)의 주요 결합 메커니즘입니다.
이러한 고압 결합이 없으면 Al, TiO2 및 Gr 분말은 별개로 분리된 상태로 유지됩니다. 압력은 연성 금속 입자가 세라믹 및 탄소 상을 둘러싸서 응집된 내부 구조를 생성하도록 보장합니다.
녹색 압축 성형체의 무결성 달성
내부 기공 제거
느슨한 분말에는 입자 사이에 갇힌 상당한 양의 공기가 포함되어 있습니다. 유압 프레스는 이 공기를 강제로 배출하여 효과적으로 대부분의 내부 기공을 제거합니다.
갇힌 가스를 배출하고 공기가 차지했던 공간으로 입자를 밀어 넣음으로써 이 과정은 압축 성형체의 상대 밀도를 극적으로 증가시킵니다. 더 높은 초기 밀도는 후속 소결 단계 동안 수축 및 결함을 최소화하기 때문에 중요합니다.
취급을 위한 구조적 강도
"녹색 압축 성형체"는 다이에서 배출되고, 운반되고, 소결로에 장입될 때 부서지지 않도록 충분한 강도를 가져야 합니다. 고압 압축은 이러한 녹색 강도를 제공합니다.
압력이 너무 낮으면 입자가 충분히 결합되지 않습니다. 결과적으로 먼지가 발생하거나 자체 무게로 부서지는 취약한 부품이 되어 추가 처리가 불가능합니다.
절충안 이해
단동 프레스의 밀도 구배
효과적이지만, 단동 유압 프레스는 한 방향(단방향)으로만 힘을 가합니다. 분말과 강철 다이 벽 사이의 마찰은 밀도 구배를 유발할 수 있습니다.
이는 밀도가 이동하는 펀치 근처에서 가장 높고 압축 성형체의 바닥에서 낮을 수 있음을 의미합니다. 복잡한 형상이나 키가 큰 부품의 경우 이러한 불균일한 밀도는 소결 중 뒤틀림을 유발할 수 있습니다.
층상 균열 가능성
연성 알루미늄 대 단단한 TiO2와 같이 경도가 다른 복합 재료에 극심한 압력을 가하려면 신중한 제어가 필요합니다. 압력이 너무 빨리 해제되거나 갇힌 공기가 빠져나가지 못하면 압축 성형체에 탄성 회복이 발생할 수 있습니다.
이러한 탄성 회복은 압축 성형체 내부에 층상 균열 또는 박리층을 유발할 수 있습니다. 따라서 고압 환경은 압축 성형체 내의 응력 완화를 허용하기 위해 안정적인 유지 시간으로 관리되어야 합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
Al-TiO2-Gr 복합 재료에 대한 유압 압축 단계의 효과를 극대화하려면 특정 처리 목표를 고려하십시오.
- 주요 초점이 취급 강도인 경우: 압력이 최대 300MPa에 도달하도록 하여 기계적 결합을 극대화하고 녹색 부품이 배출 및 운송 중에 손상되지 않도록 하십시오.
- 주요 초점이 소결 밀도인 경우: 원자 확산 거리를 줄이기 위해 입자 재배열 및 공기 배출을 우선시하여 더 낮은 소결 온도에서 밀집을 촉진하십시오.
- 주요 초점이 결함 방지인 경우: 탄성 회복으로 인한 탄성 회복 균열을 방지하기 위해 배출 공정 및 압력 방출 속도를 모니터링하십시오.
궁극적으로 유압 프레스는 원료와 최종 제품 사이의 다리 역할을 하여 순수한 기계적 힘을 통해 잠재적인 재료 특성을 실제 구조적 무결성으로 변환합니다.
요약표:
| 공정 단계 | 메커니즘 | Al-TiO2-Gr 복합 재료에 미치는 영향 |
|---|---|---|
| 초기 장입 | 입자 재배열 | 큰 기공을 채우고 갇힌 공기를 배출합니다. |
| 압축 (최대 300MPa) | 소성 변형 | 알루미늄 매트릭스가 TiO2 및 Gr 입자 주위로 변형됩니다. |
| 압축 | 기계적 결합 | 취급 강도(녹색 강도)를 위한 물리적 결합을 생성합니다. |
| 압축 후 | 밀도 구배 제어 | 소결 수축을 줄이기 위해 내부 기공을 최소화합니다. |
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참고문헌
- Salman Ansari, Muhammed Muaz. Electric Resistance Sintering of Al-TiO2-Gr Hybrid Composites and Its Characterization. DOI: 10.3390/su142012980
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