초경합금 소결의 일반적인 결함 및 원인

초경합금은 고경도 내화 금속 탄화물(예: 탄화텅스텐 WC, 탄화티타늄 TIC 등)을 기지로 하고, 금속 결합제(예: 코발트 CO, 니켈 Ni 등)와 함께 고온·고압에서 소결한 복합 재료입니다. 이 재료는 높은 경도와 우수한 내마모성을 지니며 다양한 분야에서 널리 사용됩니다.

초경합금의 소결 공정은 주로 다음 단계로 구성됩니다.

성형제 제거 및 예비 소결 단계:

이 단계에서 성형제는 소결체에서 점차 분해되거나 기화되어 제거됩니다. 동시에 성형제를 첨가하면 소결체에 탄소가 유입될 수 있으며, 탄소 첨가량은 성형제의 종류와 양 및 소결 공정에 따라 달라집니다.

분말 표면의 산화물이 환원되고, 수소는 코발트와 텅스텐의 산화물을 환원할 수 있습니다. 성형제가 제거되고 진공 조건에서 소결을 실시하면 탄소-산소 반응은 강하지 않습니다.

분말 입자 사이의 접촉 응력이 점차 제거되고, 결합 금속 분말이 회복 및 재결정을 시작하며 표면 확산이 일어나기 시작하고 성형체의 강도가 향상됩니다.

고상 소결 단계(800℃--공정 온도):

액상이 나타나기 전 온도에서는 이전 단계의 과정이 계속되고, 고상 반응과 확산이 활발해지며 소성 유동이 향상되어 소결체가 크게 수축합니다.

액상 소결 단계(공정 온도--소결 온도):

소결체에 액상이 나타나면 수축이 빠르게 완료되고, 이어서 결정화 변태가 일어나 합금의 기본 조직과 구조가 형성됩니다.

냉각 단계(소결 온도--실온):

합금의 조직과 상 조성은 냉각 조건에 따라 일정한 변화를 겪습니다. 이 특성을 이용해 초경합금을 열처리하여 물리적·기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다.

이 단계들은 초경합금의 최종 성능과 구조를 함께 결정하며, 초경합금 제조 공정의 핵심 단계입니다.

소결은 분말 재료를 치밀한 몸체로 변환하는 공정을 말하며, 초경합금 생산 공정에서 매우 중요한 단계입니다. 초경합금의 소결 공정은 네 가지 기본 단계로 나눌 수 있습니다. 조형제 제거 및 예비 소결 단계; 고상 소결 단계(800℃--공정 온도); 액상 소결 단계(공정 온도--소결 온도); 냉각 단계(소결 온도--실온). 그러나 소결 공정은 복잡하고 조건이 가혹하기 때문에 주의하지 않으면 결함이 발생하여 제품 품질이 저하되기 쉽습니다.

일반적인 소결 결함과 원인은 다음과 같습니다.

박리 박리 결함이 있는 초경합금은 파열 및 분말화가 발생하기 쉽습니다. 박리의 주요 원인은 성형체에서 코발트의 접촉 작용으로 탄소 함유 가스가 내부의 자유 탄소를 분해하여 성형체의 국부 강도를 감소시키고, 그 결과 박리가 발생하기 때문입니다.

기공 기공은 크기가 40마이크로미터를 초과하는 기포를 말합니다. 기공이 형성되는 주요 원인은 용융 금속에 젖지 않는 불순물이 소결체 내부에 존재하거나 고상과 액상의 심각한 편석이 발생하기 때문이며, 이로 인해 기공이 형성될 수 있습니다.

기포 기포는 초경합금 표면에 융기된 곡면을 형성하여 제품의 성능을 저하시킵니다. 기포의 주요 원인은 다음과 같습니다.

1) 소결체 내부에 공기가 모입니다. 소결 수축 과정에서 소결체에 액상이 형성되고 치밀화가 진행되면 공기가 배출되지 못해, 저항이 가장 작은 소결체 표면에 기포가 형성됩니다. 2) 소결체 내부에서 다량의 가스를 생성하는 화학 반응이 일어납니다. 가스가 소결체 내부에 집중되면서 자연스럽게 기포가 생성됩니다.