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ISSN : 1225-7591(Print)
ISSN : 2287-8173(Online)
Journal of Korean Powder Metallurgy Institute Vol.24 No.4 pp.298-301
DOI : https://doi.org/10.4150/KPMI.2017.24.4.298

The Microstructure and Mechanical Properties of Y2O3-Dispersed Fe-C and Fe-CNT Sintered Steels

Jin Young Lim, Jung-Ho Ahn*
School of Advanced Materials Engineering, Andong National University, 1375 Gyeongdong-ro, Andong,
Gyeongbuk 36729, Republic of Korea
Corresponding Author: Jung-Ho Ahn, +82-54-820-5648, +82-54-6126, jhahn@anu.ac.kr
20170712 20170809 20170812

Abstract

In the present work, we use multiwall carbon nanotubes (MWCNT) as the starting material for the fabrication of sintered carbon steel. A comparison is made with conventionally sintered carbon steel, where graphite is used as the starting material. Milling is performed using a horizontal mill sintered in a vacuum furnace. We analyze the grain size, number of pores, X-ray diffraction patterns, and microstructure. Changes in the physical properties are determined by using the Archimedes method and Vickers hardness measurements. The result shows that the use of MWCNTs instead of graphite significantly reduces the size and volume of the pores as well as the grain size after sintering. The addition of Y2O3.to the Fe-MWCNT samples further inhibits the growth of grains.


Y2O3가 분산된 Fe-C 및 Fe-CNT 소결체의 미세구조 및 기계적 특성

임 진영, 안 중호*
안동대학교 신소재공학부

초록


    Andong National University

    1.서 론

    탄소나노튜브(CNT)는 높은 기계적 강도, 큰 종횡비, 뛰 어난 전기전도도, 열화학적 안정성 등 특유의 성질을 가진 나노 재료이다. 또한 공유결합의 구조로 이루어져 있어 매 우 강하고 탄소 섬유처럼 무게에 비해서 상당히 가볍기 때문에 기계적인 응용가치가 매우 높다고 여겨지고 있다. 또한 강철보다 10~100배 견고하며 물리적인 충격에 강하 다. 그러나 물리적 또는 화학적 응집 현상에 의해 균일한 분산이 어려운 문제점이 있다. 이러한 응집 현상은 복합재 를 제조하였을 때 기계적 강도와 전도특성 향상을 방해하 는 원인이 되고 있다. 특히 다른 금속이나 고분자 등과 함 께 복합체를 제조할 때 젖음성이 부족하고, 그 결과 계면 강도가 미흡한 문제점도 있다. 이러한 문제점을 최소화시 키기 위해 표면 개질, 단편화, 개봉화 등 탄소나노튜브의 구조를 용도에 맞게 변화 시키는 많은 연구가 진행 되고 있다고 한다. 특히 합성기술의 발달로 다중벽탄소나노튜 브는 염가로 제조하는 것이 가능해졌으며 2차전지, ESD/ EMI용 복합소재, 나노복합섬유 분야 등에서 활발이 사용 하고 있다. 본 실험에서는 이러한 특징을 가진 탄소 동소 체인 다중벽탄소나노튜브를 첨가하여 탄소강을 만들어 보 았다[1-4]. 통상적으로 탄소강 소결체는 흑연등 탄소를 철 분말과 혼합하여 제조한다. 우리는 탄소강 소결체에서 탄 소와 결정구조가 다른 다중벽탄소나노튜브를 첨가함으로 써 경도의 증가, 결정립 크기의 감소, ODS에서의 적용 가 능성을 위한 연구를 행하였다. 특히, 시편의 기공도와 결 정립 크기를 비교했으며, Fe계 분산강화(oxide-dispersion strengthened; ODS)합금으로의 적용 가능성을 확인해 보기 위해 산화물 분산제인 Y2O3도 첨가하여 비교했다[5-7].

    2.실험 방법

    본 연구에서 사용된 탄소나노튜브는 (주)카본나노텍에서 CVD(Chemical vapor deposition) 방법으로 제조된 것으로, 다중벽의 형태를 가지며 직경 5~20 nm, 길이 5~10 μm, 밀도 0.04~0.08(g/cm3), 종횡비 >500에 90 wt% 이상의 순도를 가 진 분말이었다. 분산강화제는 분자량 225.81, 밀도 5.01 g/ cm3 을 가지는 순도 99.9% 이상의 1 μm 이하의 입도를 가 지는 구 형태의 이트륨 산화물(Yttrium oxide, Y2O3) 분말 을 사용하였고 철은 250 μm 이하의 입도를 가지는 구 형 태의 분말을 사용하여 실험하였다. 조성은 Fe-0.3C, Fe- 0.3CNT, Fe-0.3C-0.5Y2O3, Fe-0.3CNT-0.5Y2O3 (wt%)이었 으며, 균일한 혼합을 위해 수평식 밀(Horizontal ball mill) 에서 30 r.p.m.으로 10시간 동안 밀링을 행하였다. 이때, 볼 과 분말의 중량비는 10대1이였으며, 밀링 용기와 볼은 스 테인레스 강을 사용하였다. 모든 조업은 글러브 박스 등을 이용해 Ar 분위기 하에서 행하였다. 밀링 된 분말들은 345 MPa의 압력으로 디스크형태의 압축성형을 행하여 직 경 16 mm의 성형체로 준비하였다. 압축체는 진공로를 이 용하여 1150°C에서 1시간 동안 소결을 하였다. 소결된 시 편은 연마 후 광학현미경을 이용해 기공도를 확인하였다. 또한 나이탈 용액으로 에칭한 시편은 I-Solution DT 프로 그램을 이용해 ASTM E1382-97 규격으로 기공 및 결정립 측정(면적 분석)을 하였다. 이와 병행하여 주사전자 현미경 (Scanning Electron Microscope, Tescan)을 이용하여 형상 및 구조를 조사하였고, EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)를 통해 성분분석과 Y2O3의 분포를 확인하였다. 또한 X-선 회 절기(X-ray Diffractometer; Ultima IV)를 이용하여 상을 분석 하였다. 마지막으로 아르키메데스 법을 이용하여 밀 도를 측정하였고, 0.5 kgf/10sec의 하중으로 Vicker’s 경도 를 측정하였다.

    3.결과 및 고찰

    그림 1은 에칭하지 않은 소결 시편의 표면을 조사해 알 아본 기공도의 분포이다. 그림에서 보듯이 Fe-C과 Fe- CNT 시편보다 Y2O3를 분산제로 사용한 시편이 기공의 크 기가 작고 양이 작은 것을 알 수 있다. 그림 2는 Fe-CNT 와 Fe-C 소결 시편의 에칭 후 미세조직으로 결정립 분포 에 비교가 예시되어 있다. 그림에서 보는 바와 같이 Fe- CNT 시편의 결정립 크기가 Fe-C 시편보다 더 작은 것으 로 나타났다. 한편, 이러한 효과는 Y2O3를 넣은 Fe-CNTY2O3 시편에서 더 뚜렷하게 나타났다.

    그림 2은 수평밀에서 볼 밀링한 분말과 소결시편의 XRD 분석 결과이다. 먼저 볼 밀링한 분말에서는 소량 첨 가된 C, CNT 그리고 Y2O3의 회절선은 관찰되지 않았고 Fe회절선만 관찰되었다. 마찬가지로 소결시편의 XRD 결 과에서도 위의 결과와 같이 Fe회절선만이 나타났다. 미량 첨가물의 상을 분석하기 위하여 빔의 크기가 작은 마이크 로 XRD로 조사하였으나 볼밀링한 분말의 경우 매우 미량 인 관계로 탄소나 이트륨 산화물(Yttrium oxide)을 검출 할 수 없었다. 다만, 소결 후에는 탄소가 고용되어 나타나 지 않은 것으로 사료된다.

    그림 3는 각 시편의 밀도와 경도 값을 보여준다. Fe- CNT 시편은 밀도가 0.12 g/cm3, 경도 값은 2.66 Hv으로 높 게 나타났다. 이로부터 Fe에 고용된 CNT가 C에 보다 우 수한 강화효과를 가짐을 알 수 있었다. 마찬가지로 Y2O3 첨가된 시편이 첨가되지 않은 시편 보다 밀도가 0.1 g/cm3, 경도 값은 2.013 Hv으로 높은 값을 가졌다.

    그림 4는 Fe-C, Fe-CNT의 연마 후 SEM 사진이다. 두 시편 모두 페라이트(ferrite)와 시멘타이트(cementite)가 층 상구조로 되어있는 펄라이트(perlite) 상이 존재한다.

    그림 5는 각 시편의 OM을 I-Solution DT 프로그램을 이 용해 ASTM E1382-97 규격으로 기공 및 결정립 측정(면 적 분석)을 한 것이다. 먼저 Fe-C, Fe-CNT를 비교해본 결 과, Fe-C의 경우 G(Grain size measurement)값이 9.473으 로 결정립의 크기가 대략 11.9 μm이었다, 한편 Fe-CNT의 경우는 G(Grain size measurement)값이 10.45로 대략 8.4 μm의 결정립 크기를 가지는 것을 알 수 있다. 이를 통 해 Fe-CNT시편의 결정립수가 Fe-C보다 많은 것을 확인 할 수 있었다. 이로써 탄소를 원료로 사용하여 제조한 통 상의 탄소강 소결체보다 다중벽탄소 나노튜브를 첨가하여 얻은 탄소강 소결체 가 높은 치밀화 보여주며, 소결성 향 상에도 도움이 되는 것을 확인하였다. 한편, Y2O3를 첨가한 시편들에서도 같은 효과를 얻었다. 가령, Fe-C-Y2O3의 경우 G(Grain size measurement)값이 9.621로 대략 11.9 μm의 결 정립 크기를 가졌다. 그러나 CNT를 원료로 사용한 Fe- CNT-Y2O3시편은 G(Grain size measurement)값이 10.87로 대략 7.1 μm의 결정립 크기를 가졌다. Fe-C, Fe-C-Y2O3 그리고 Fe-CNT, Fe-CNT-Y2O3와 같이 분산제 Y2O3의 유 무에 따라 전자의 경우는 큰 차이가 없었지만 결정립의 크기가 8.4 μm에서 7.1 μm로 미세해진 것을 통하여 결정 립의 수가 늘어났다고 판단하였다. 이것은 Y2O3가 고르게 분산되어 결정립의 성장을 억제하였음을 추측할 수 있다. Fe-CNT-Y2O3 > Fe-CNT > Fe-C-Y2O3 ≥ Fe-C 순으로 결정 립 수가 많았으며, 결정립 크기 또한 작았다. 그림 6에서 나타난 바 와 같이 내부를 EDS 분석을 실시하여, Y와 O 가 분포 하였으므로 Y2O3가 Fe금속 기 지 내에 균일하게 분산된 것을 확인할 수 있었다.

    4.결 론

    본 연구에서는 탄소강 소결체의 제조에 통상적으로 사 용하는 탄소나 그라파이트 대신 미세구조를 가진 탄소나 노튜브를 원료물질로 사용했을 시의 미세조직 및 특성 변 화를 조사하고자 하였다. 그 결과, 소결성이 향상되어 더 우수한 기계적 특성(경도)을 가지게 됨을 확인하였다. 또 한, 산화물 분산강화제로 Y2O3를 첨가한 입자상 복합제에 서도 탄소나노튜브를 첨가한 시편에서 동일한 효과 및 강 화입자가 Fe 금속 기지 내에 보다 잘 분산되었다. 이는 탄 소나노튜브의 첨가가 기공감소, 결정립 크기 감소에 기여 하기 때문이었다. 따라서 탄소나노튜브의 양산과 재료원 가의 저감이 전제 된다면 향후 철계 탄소강 소결체의 특 성향상에 유리할 것으로 사료된다.

    감사의 글

    본 논문은 안동대학교 2016년 기본연구지원사업에 의하 여 연구되었습니다.

    Figure

    KPMI-24-298_F1.gif
    OM image of Fe-C/CNT samples: (a) Fe-C, (b) Fe-CY2O3, (c) Fe-CNT, and (d) Fe-CNT-Y2O3.
    KPMI-24-298_F2.gif
    XRD patterns of Fe-C/CNT samples: (a) ball-milled and (b) sintered.
    KPMI-24-298_F3.gif
    (a) : Density and (b) : Vicker’s Hardness of Fe-C/CNT-Y2O3 samples.
    KPMI-24-298_F4.gif
    SEM images of Fe-C/CNT : (a) Fe-C (b) Fe-CNT.
    KPMI-24-298_F5.gif
    Grain size measurement (image or area analysis) of Fe- C/CNT-Y2O3 : (a) : Fe-C, (b) : Fe-CNT, (c) : Fe-C-Y2O3, (d) : Fe-CNT-Y2O3
    KPMI-24-298_F6.gif
    SEM/EDS study results of Fe-C/CNT-Y2O3 (Fracture surface) (a) Fe-C-Y2O3, (b) Fe-CNT-Y2O3.

    Table

    Reference

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