Sintering(소결)은 금속 또는 세라믹으로 만들어진 재료를 Modify하거나 생산하는 데 사용되는 공정입니다. 기본 재료가 가열됩니다. 즉, Powder compact에 열에너지가 적용됩니다. Compact는 소결 공정에 의해 압축되고 평균 Grain(입자)의 크기가 증가합니다.
열처리의 차이
문헌에 세라믹의 열처리에는 ‘소성’과 ‘소결’이라는 두 가지 용어가 사용됩니다. 일반적으로 소성이라는 용어는 가열 중에 실행되는 공정이 매우 복잡할 때 사용됩니다.
예를 들어 전통적으로 점토로 만들어진 많은 세라믹과 정의되지 않은 많은 매개 변수가 최종 제품 특성에 영향을 미치는 공정도 이에 해당됩니다.
반면에 덜 복잡한 경우는 '소결'이라는 용어를 사용하여 설명합니다. 여기에는 명확히 정의된 공정 조건과 제어 가능한 프로세스 매개 변수가 있는 많은 최신의 공정이 포함됩니다.
M.N. Rahaman, "Ceramic Processing and Sintering" 2nd edition, CRC Press, 2003, New York
재료 과학 및 공학의 기본 요소
소결은 재료 과학 및 공학의 네 가지 기본 요소 중 하나로 분류됩니다. 첨단 소재의 합성 및 가공이 진행되면서 소재 가공 기술로서 소결의 중요성이 커지고 있습니다.
소결 제품의 다양한 미세구조와 특성을 끌어낼 수 있는 다양한 소결 기술 및 Dimensions이 있습니다. 이것은 재현 가능하고 조정된 미세 구조로 소결된 제품을 생산할 수 있습니다.
기공을 포함한 형상의 분포, 크기 및 입자 크기, 소결 밀도는 Microstructure Test를 통해 제어할 수 있습니다.
소결 공정이 널리 사용됨에 따라 오늘날 소결 공정을 설명하는 다양한 접근 방식이 존재하는 상황이 발생했습니다.
소결에 대한 이해를 돕는 한 가지 접근 방식은 제어 가능한 변수 및 프로세스와 관련하여 소결 중 거동 또는 거동의 변화를 고려하는 것입니다.
이는 특정하게 제어된 공정 조건에서 소결 거동을 관찰하는 경험적 방법으로 수행되거나, 프로세스를 모델링함으로써 이론적으로 수행될 수 있습니다.
지난 50년 동안 수행된 이론적 분석과 실험적 조사는 Sintering driving force(소결추력), 소결메카니즘, 입자크기, 온도 그리고 적용압력과 같은 주요 공정 매개 변수의 영향에 대한 포괄적인 질적지식으로 이어졌습니다.
그러나 데이터베이스와 모델은 대부분의 시스템에 대한 소결의 정성적 설명을 제공하는데는 부족하였습니다.
일반적으로 공정 및 재료의 매개 변수는 이론 및 실험 연구에 의미있는 데이터 값을 제공합니다.
소결온도, 적용 압력, 평균 입자 크기 및 기체 분위기와 같은 일부 매개 변수는 충분한 정밀도로 제어할 수 있습니다.
Powder 및 Particle Packing의 다른 특성은 제어하기가 더 어렵지만 소결에 중요한 영향을 미칩니다.
Sinter categories
기본적으로 소결 공정은 고체상 소결과 액체상 소결의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 고체상 소결은 Powder compact가 소결 온도에서 고체 상태로 완전히 압축될 때 발생합니다.
반대로 액체상 소결은 액체상이 존재하는 과정입니다.
고체상 및 액체상 소결 외에도 다른 유형의 소결도 구별 가능합니다. 예를 들어, Temporary liquid phase 및 viscous flow sintering이 여기에 포함됩니다.
Viscous flow sintering은 액체상의 부피 점유율이 충분히 높을 때 치밀화 과정에서 입자 모양의 변화 없이 입자-액체 혼합물의 흐름만으로 완전히 치말화를 달성할 수 있을 때 발생합니다.
반대로 Temporary liquid phase는 액체상 소결과 고체상 소결의 조합입니다. 이 소결 기술에서는 소결 과정의 시작 부분에서 액체상이 형성되는데, 소결 과정이 진행되는 동안 다시 액체상이 없어지고 고체상으로 완료됩니다.
최적의 소결 공정을 위한 매개 변수
일반적으로는 압축 정도는 미세한 분말을 사용하고 온도를 높이면 모든 공정에서 증가시킬수 있습니다. 그러나 이는 액체의 양이 감소하면 중요해질 수 있습니다.
정확히 어떤 공정을 사용할 것인지는 제품의 기대 특성과 공정을 제한하는 매개 변수에 의해 결정됩니다.
Visocose flow sintering은 원료 사용이 용이하고 편리하기 때문에 권장됩니다. 만약, 요구수준이 매우 구체적인 경우(예. 제품이 고온에서 높은 중량을 운반해야 하는 경우), 액체상을 회피하는 것은 매우 중요해집니다.
이런 경우에서는 고체상 소결이 권장됩니다. 액체상 소결은 고체상 소결보다 분말의 품질과 고온에 대한 기대 수준이 높지 않으므로, 절충안으로 사용할 수 있습니다.
결정화 과정에서의 확산, 양 및 액체상의 잠재적인 균일성에 대한 세심한 제어는 냉각에서 추가적인 구조적 개선 가능성을 제공합니다.
일반적으로 Fusion(융합)의 Driving force(원동력)은 표면 에너지 감소 측면에서 고려됩니다. 열처리 중에 분말에 압력을 가함으로써 추가적인 Driving Force를 가할 수 있습니다.
이 Hot-pressing기술은 소결하기 어려운 재료에 매우 유용합니다.