금속 분말의 특성화와 유동성

2020년 12월 Nature에 오스트라바 대학교(체코) 연구진의 금속 분말 특성화와 유동성 방법에 관한 논문이 실렸습니다.

금속 부품은 전통적 방법과 현대적 방법으로 만들어집니다. 현대적 방법의 대부분은 금속 분말을 원료로 쓰고, 압축, 소결, 용사, 또는 선택적 레이저 용융(SLM), 레이저 분말 공급(LPF), 바인더 분사(BJ), 전자빔 분말층(EPBF) 같은 적층 제조로 이어 가공합니다. 방법을 고르면 부품 성질이 바뀌지만, 모든 방법에서 분말의 입력 성질이 중요합니다. 유동성, 화학 조성, 입도, 광학·열물성, 표면 장력 등입니다. 적층 방법마다 분말 매개변수에 대한 요구가 다릅니다.

적층 제조가 퍼지면서 금속 분말 특성화가 더 중요해집니다. 분말 성질은 각 기계에 맞아야 하고 제조는 균일해야 합니다. 논문은 열 가지 금속 분말(316L, Zn, Sn, Al, Cu, Mn, Fe, 청동, Ti, Mo)을 특성화합니다. 입도 분포, 형태, 정적·동적 안식각, 유효 내부 마찰각(AIFE)입니다.

유출 속도는 정적 안식각(AOR)으로 평가하고, AOR 변화로 시료 거동을 보완하여 설명합니다. 유동성은 RST, PFT, FT4의 전단 시험으로도 구했습니다. 정적 AOR은 특허 PV2015-239로 보호되는 기기에서 측정했습니다. 오스트라바 공과대학 VSB의 정적·동적 유출각 장치와 방법 시험은 아래에 있으며, 장치를 Zenegero라고 부릅니다.

AOR 설정 장치

열 가지 금속 분말의 정적 AOR

아래는 동적 안식각(DAOR) 측정 요약입니다. 대부분의 시료에서 회전 진동수가 0.2 Hz에서 0.6 Hz로 늘면 측정된 평균각이 커졌습니다. 그림은 316L, Sn, Ti, Fe, 청동, Al, Cu, Zn, Mn, Mo 시료를 모두 보여 줍니다.

316L 분말은 0.2에서 0.6 Hz로 회전할 때 평균각 차이가 가장 컸습니다. 진동수가 늘면 흐름 형태는 0.2 Hz의 구름에서 0.6 Hz의 계단식 흐름으로 바뀌었습니다. 세 국부 속도에서의 각 평균은 표준편차가 큽니다. 49.4° ± 9°입니다. 주석은 평균각 산포가 가장 작았습니다. 44.8° ± 1.5°입니다. 그래서 주석 분말은 동적 흐름의 전체 안정성이 가장 좋았습니다. DAOR 측정 중 흐름 형태로 보면, 모든 시험 진동수에서 일정한 구름이 안정성을 확인합니다. 알루미늄 분말의 흐름은 진동수에 따라 가장 크게 바뀌었습니다. 낮은 진동수에서는 구르고, 이후 점차 cataract 영역으로 갑니다.

AIFE는 널리 쓰이는 세 기기 RST, PFT, FT4에서 구했습니다. 그림은 열 가지 분말의 AIFE와 RST, PFT, FT4의 범위를 보여 줍니다. 알루미늄을 뺀 모든 분말에서 PFT의 절대 범위가 가장 작았으며, 이는 평가 소프트웨어 때문일 수 있습니다. FT4에서는 유효 AIFE 각의 변화가 가장 컸습니다. 알루미늄의 넓은 범위는 가볍고 무르며 소성 변형되기 쉬운 금속이기 때문일 수 있습니다. 입자의 90 %가 452 µm보다 굵지 않은 타이타늄에서는 유효각의 뚜렷한 산포가 입자의 크기와 모양에 좌우됩니다. 측정 중 더 큰 타이타늄 입자가 유리 원통과 측정 날개(전단 헤드) 사이에 끼었습니다. 틈은 1 mm이지만 타이타늄 입자 모양이 운동 반대 방향의 날개 저항을 키워 전단 응력을 높입니다.

열 가지 금속 분말의 AIFE

논문의 목적은 금속 분말의 흐름과, 혼합물·입자·그 밖의 매개변수의 기계적·물리적 성질에 대한 가능한 의존을 평가하는 것입니다. 알려진 벌크 재료 등급에 기초한 일반적인 방법을 사용했습니다. 디지털화와 인더스트리 4.0과 관련해서도 이 방법은 계속 쓰입니다.

출처: Characterization and flowability methods for metal powders

• Jiri Zegzulka, Daniel Gelnar, Lucie Jezerska, Rostislav Prokes & Jiri Rozbroj