미세세라믹입자 분산강화 주조 기술 개발

본 연구에서는 우수한 FAC 저항성과 파괴인성을 갖는 개량 탄소강 소재를 현용 합금주조기술과 입자분산기술을 접목하여 미세세라믹 강화재 직접분산주조기술이라는 독창적이고, 획기적이면서도 단순한 개량주조 공정을 통하여 원전 배관용 내환경 개량 탄소강 소재를 개발하고자 하였다. 또한, 개량 소재의 압연 및 용접 등 가공 기술을 확립하여 우선적으로 원전 주요구조 부품인 2차계통 배관 기기에 실용화함으로써 부품의 성능을 개선하고 가동 수명을 향상시키고자 하며, 개발 기술의 1차측을 포함한 타 부품으로의 확대 응용을 통해 원자력 부품 소재기술의 자립화 및 선진화에 기여하고자 하였다.

그림 1. 나노세라믹입자 분산강화 주조기술 개념도

고강도, 고인성 개량형 소재 개발을 위한 강화재인 세라믹과 모재인 금속의 이종 복합화 분야는 주로 물리적 방법에 의존하여 기술 개발이 이루어져 왔으나 세라믹과 금속간의 근본적 이질성 및 표면에너지 차이(γ_ceramic<γ_metal)로 인해 복합화가 상당히 어려운 것으로 알려져 있다. 세라믹 강화재로서 이용되는 산화물, 탄화물 등의 세라믹 입자가 주조 공정시 액상 기지 금속내에 직접 용입될 때 세라믹 입자들의 기지 금속과의 융화성(compatibility) 및 젖음성(wettability)을 향상시킬 수 있도록 하기 위해 금속에 비해 낮은 표면 에너지를 갖는 세라믹 입자의 표면 에너지(γ_ceramic)를 높여줄 수 있는 세라믹 표면 활성화 기술을 개발하고자 하였다. 이를 위해 기계적 활성화 (mechanical activation) 기술을 이용하여 세라믹 입자의 표면에 심한 결함 및 변형 구조를 형성시키고, 다양한 금속을 검토 선정하여 코팅 표면 처리를 함으로써 세라믹 강화재의 표면을 활성화 할 수 있는 원천 기술을 개발하하였다. 또한 개발된 세라믹 강화재가 주조 공정시 액상 기지 금속내에 직접적으로 유입되고 분포될 때 균일하게 분포될 수 있도록 응집 방지 및 분산 안정화 기술을 개발하였다. 이러한 세라믹 강화재 직접분산주조개량 핵심 요소 기술들을 확보하고, 이를 원전 2차측 주급수/주증기 배관 소재인 탄소강(106B)에 적용하여 감육 저항성 및 파괴저항성이 매우 우수한 개량 탄소강 소재를 개발 중에 있으며, 개발된 입자분산 개량 탄소강 소재에 대하여 원전 배관 설비에 적용이 가능하도록 압연 및 용접 등 가공기술을 개발하여 이를 실용화 및 규격화하는 것을 목표로 한다.

이를 위해 본 연구에서는 고에너지 기계적 활성화 장비의 설계 및 구축, 조대 세라믹입자의 나노미세화, 금속-나노세라믹 복합분말 강화재 제조 및 이를 이용한 직접분산주조 기술, FAC 평가 기술 등에 대해 연구를 진행 중이다.

그림 2. 주요 연구 개발 내용

고에너지 기계적 활성화 장비 기술 개발

탄소강 주조조직 개량을 위한 나노세라믹 강화재 제조를 위하여 기계적 활성화(mechanical activation, MA) 공정을 이용하였다. 기계적 활성화 공정은 기존의 기계적 합금화(mechanical alloying) 기술과 공정원리가 유사하다. 일반적으로 기계적 합금화 공정은 여러 형태의 볼밀을 이용한 분말야금의 합금기술로서 볼 사이의 큰 압축응력으로 인해 금속 분말입자들이 판상으로 변형되며 이때 나타나는 깨끗한 표면들이 서로 접촉하여 압접되기도 하며 소성변형으로 인한 가공경화가 심화됨으로써 재료가 연성을 잃어 파괴되는 방법이다. 그러나 기계적 활성화 기술은 20G 미만의 에너지를 이용하는 기계적 합금화 기술에 비해 이론적으로 약 70~140G의 고에너지를  필요로 하기 때문에 비표면적이 매우 높은 나노 분말이나 세라믹 분말의 표면 에너지를 높여주는데 매우 용이하다고 할 수 있다. 이와 같이 에너지가 축적된 즉 표면이 활성화된 나노 분말을 이용하여 용융 금속 내에서 나노 세라믹 강화재의 분산효과를 획기적으로 높여줄 수 있게 된다.

그림 3. 고에너지 볼밀기  disk와 drum의 움직임 및 에너지 계산

상기 그림은 고에너지 볼밀기에서 disk와 drum의 회전에 따라 drum 내부에서의 강철 볼의 움직임을 간단히 도시한 것이다.  반경이 R₂인 drum 내부에서 강철 볼은 drum 회전에 의한 원심력에 의해 벽면에 붙어 있게 된다. 그러나 일정한 낙하지점(jump off point)에 이르면 disk 회전에 의한 원심력에 의해 외벽 쪽으로 강하게 충돌이 발생하게 된다. 이 때 강철 볼의 충돌에 의한 에너지는 다음 식을 이용하여 계산 할 수 있다.

G =  

a_c는 disk의 회전수(rpm)에 따른 원심가속도, g는 중력가속도를 나타낸다.  R₁은 planetary mill의 반경을 나타내는데, disk와 drum의 중심축간 거리를 의미한다.  따라서 강철 볼의 충돌에 의해 생성되는 에너지는 disk 회전수의 제곱에 비례하고, disk와 drum의 중심축간 거리에 비례하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 원리를 통해 발생된 고에너지는 일반적으로 금속에 비해 표면에너지가 낮은  산화물, 탄화물 등 안정한 세라믹 입자들의 표면에 결함 및 표면 전하를 형성시키거나, 금속 코팅을 효과적으로 유도하여 나노세라믹  분말의 용융 금속 내 분산에 크게 기여하게 된다.

이상과 같은 원리를 통하여 기존의 20G 정도의 에너지를 가지는 볼밀기와 비교하여 에너지가 크게 증가한 70G 이상의 에너지를 출력할 수 있는 고에너지 볼밀기를 자체적으로 설계, 구축하였다. 다음 그림은 본 연구를 통하여 독자적으로 개발한 고에너지 볼밀 장비에 대한 사진을 나타내고 있다. 장비에 대하여 간단히 살펴보면 볼밀 시간 및 rpm을 control panel에서 제어함으로써 사용상의 편리성을 매우 높였음을 알 수 있다.

그림 4. 고에너지 볼밀 장비 사진

구축된 고에너지 기계적 활성화 장비를 바탕으로 실제 산업현장에 적용하기 위해서 장비의 대용량화를 진행하였고, 그 결과 에너지는 그대로 유지하면서도 생산량이 월등하게 증가한 대용량 고에너지 기계적 활성화 장비를 개발할 수 있었으며, 다음 그림에 정리하였다.

그림 5. 고에너지 기계적 활성화 장비 개발 이력 및 성능.

고에너지 기계적 활성화 장비를 이용한 조대 세라믹의 나노미세화 기술 개발

세라믹 복합분말 강화재로 상용의 나노세라믹을 사용할 경우 그 단가가 매우 높아 (kg당 수백만원) 첨가량이 아무리 미량이라 하더라도 경제성을 확보할 수 없게 된다. 따라서, 수십 마이크로미터 크기의 조대한 세라믹 입자에 대하여 고에너지 밀링 공정을 진행함으로써 50나노미터 이하의 미세한 세라믹 입자로 제조하는 입자 미세화 기술을 개발하게 되었다. 본 절에서는 입자 미세화 및 분산주조 실험을 위해서 TiC 세라믹 입자를 이용하였다.

표 1. 조대 TiC 입자 미세화를 위한 실험 조건

수십 나노 크기의 세라믹 분말을 제조하기 위해 초고속 회전으로 고에너지 충격이 가능한 볼밀 장치를 이용하고, 추가적으로 볼밀과정 중 세라믹 입자들이 강구와의 충격에 의해 분쇄될 때 과도한 냉간압접 작용을 감소시키고, 충격에 의한 급격한 온도상승을 방지하며, 입자들 간 반데르발스 작용을 방해하여 세라믹 입자들의 미세화를 촉진시키는 역할을 하는 첨가제를 이용하여 단시간 내에 균일하고 미세한 세라믹 나노 분말을 제조하고자 하였다. 이를 위해 다양한 변수가 도입되었는데, 밀링용 강구의 볼크기, 밀링시간, 첨가제 등을 변수로 상기 표와 같이 미세화 실험을 진행하였다.

그림 6. 밀링 시간에 따른 세라믹 입자의 크기 변화 SEM 사진

그림 7. 밀링용 강구 볼 크기에 따른 세라믹 입자의 크기 변화 SEM 사진

입자 미세화 실험은 상기 두 그림에서처럼 일차적으로 밀링시간을 최적화하고, 그 후 강구 볼 크기에 따른 최적화를 진행한 후, 최종적으로 첨가제의 종류 및 양의 변수에 따라 순차적으로 진행되었다. 표에서 나타낸 것처럼 다양한 첨가제의 종류 및 양의 변화에 따라 TiC 입자 미세화 실험을 진행하였으며, 그 결과 첨가제로써 B 첨가제 10ml, 강구 볼로 3mm를 사용하여 60분의 밀링 시간 조건에서 50nm급으로 미세화된 TiC 분말을 제조할 수 있었다. 미세화된 TiC 분말과 이 분말에 대한 입도분포 결과를 확인한 결과 미세화된 TiC 입자가 매우 균일하게 분포하고 있는 것을 알 수 있으며 TiC 입자의 크기가 33나노미터까지 미세화된 것을 확인하였다.

그림 8. 조대 TiC 입자의 나노 미세화 후 표면 SEM 사진

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