TiC-Fe 합금 혼합분말의 분말사출성형 공정 변수에 따른 성형성 및 소결 특성 평가
Evaluation of Moldability and Sintering Characteristics According to Process Parameters in Powder Injection Molding （PIM） of TiC-Fe Alloy Mixed Powder
- 주제(키워드) TiC-Fe 합금 혼합분말 , 분말사출성형 , 고상율 , 사출 성형성 , 열탈지 , 소결 치밀화
- 주제(DDC) 621.8
- 발행기관 아주대학교 공학대학원
- 지도교수 전용호
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 공학대학원 기계시스템공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000036530
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구에서는 TiC-Fe 합금 혼합분말의 분말사출성형 공정 적용성을 확인하기 위 하여 원재료 특성, 피드스톡 고상율, 사출 성형성, 탈지 조건 및 소결 조건에 따른 공정 거동을 평가하였다. TiC-Fe 합금 혼합분말은 조대한 Fe계 합금분말과 미세하 고 불규칙한 TiC 분말이 함께 존재하는 구조를 보였으며, 이러한 입자 형상과 입도 특성은 피드스톡의 혼련 안정성 및 유동성에 영향을 주는 요인으로 판단되었다. 피드스톡의 적정 고상율을 선정하기 위해 Torque Rheometer, MVR 및 스파이럴 금형 실험을 수행하였다. Torque Rheometer 평가 결과, 본 피드스톡 시스템의 critical solid loading은 약 60.45 vol%로 나타났다. 이를 기준으로 57 vol%, 60 vol% 및 63 vol% 조건을 비교한 결과, 57 vol% 조성이 MVR 시험과 스파이럴 금 형 실험에서 가장 안정적인 유동 특성을 보였다. 또한 57 vol% 피드스톡에 대해 온 도별 MVR을 평가한 결과, 180°C 이상에서 유동이 확인되었으며, 185°C에서 충분한 유동성을 확보하였다. 190°C에서는 185°C 대비 증가폭이 크지 않아, 본 연구에서는 적정 사출온도를 185°C로 선정하였다. 실제 사출 공정에서는 성형해석 결과만으로 최종 사출조건을 확정하기 어려웠기 때문에, short shot 실험과 시사출 평가를 통해 사출조건을 보정하였다. 초기 조건 에서 사출체 중량은 227.65 g으로 이론 중량 대비 약 86.3% 수준이었으나, 사출압 력, 사출속도, 보압시간 및 냉각시간을 보정한 후에는 261.17 g으로 증가하여 약 98.9%의 충진율을 확보하였다. 이를 통해 사출체 중량은 충진 상태를 확인하는 지 표일 뿐만 아니라, 후속 탈지 및 소결 공정의 건전성을 예측하는 관리 항목으로 활 용될 수 있음을 확인하였다. 탈지 조건은 바인더 시스템의 TGA 분석 결과를 바탕으로 설정하였다. 바인더는 온도 상승에 따라 단계적으로 분해되었으며, 전체 바인더는 약 450°C 부근에서 대 부분 제거되는 것으로 확인되었다. 이에 따라 질소 분위기에서 2°C/min의 승온속도 로 550°C까지 가열한 후 3 h 유지하는 열탈지 조건을 적용하였다. 이 조건에서는 잔류 바인더 제거와 탈지 중 형상 안정성을 함께 확보할 수 있었다. 소결 조건은 DTA 분석 결과를 바탕으로 1,250°C, 1 min, 1,330°C, 1 min 및 1,330°C, 60 min 조건으로 비교하였다. 1,250°C, 1 min 조건에서는 액상소결의 초기 거동은 확인되었으나 치밀화는 충분하지 않았으며, 1,330°C, 1 min 조건에서도 일부 기공이 잔존하였다. 반면 1,330°C, 60 min 조건에서는 상대밀도 99.38%, 평균 경도 54.04 HRC 및 평균 선형 수축률 18.05%를 나타내어, 본 연구에서 검토한 조건 중 가장 높은 치밀화 수준을 보였다. 이는 유지시간 증가에 따라 액상 형성 이후 입자 재배열, 확산 및 기공 제거가 계속 진행되었기 때문으로 판단된다. 이상의 결과를 종합하면, TiC-Fe 합금 혼합분말의 PIM 공정에서는 원재료 입자 특성, 피드스톡 유동성, 사출체 충진 상태, 탈지 안정성 및 소결 치밀화가 서로 영 향을 주는 것으로 나타났다. 본 연구 범위에서는 57 vol% 피드스톡, 185°C 사출온 도, 질소 분위기 550°C, 3 h 열탈지 조건 및 1,330°C, 60 min 소결 조건에서 가장 안정적인 성형성과 치밀화 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통해 TiC-Fe 합금 혼합분 말의 PIM 공정 적용 가능성을 확인하였다. 주요어: TiC-Fe 합금 혼합분말, 분말사출성형, 고상율, 사출 성형성, 열탈지, 소결 치밀화
more초록/요약
This study evaluated the applicability of powder injection molding （PIM） to TiC-Fe alloy mixed powder by examining the effects of raw powder characteristics, feedstock solid loading, injection moldability, debinding condition, and sintering condition. The TiC-Fe alloy mixed powder consisted of relatively coarse Fe-based alloy particles and fine irregular TiC particles. These particle characteristics were considered to affect the mixing stability and flow behavior of the feedstock. To determine the suitable solid loading, Torque Rheometer, MVR, and spiral mold flow tests were carried out. The Torque Rheometer results showed that the critical solid loading ofthefeedstocksystemwasapproximately60.45vol%.Basedonthisresult,57vol%,60 vol%, and 63 vol% feedstocks were compared. Among these conditions, the 57 vol% feedstock showed the most stable flow behavior in both the MVR test and the spiral mold flowtest.Inthetemperature-dependentMVRtestofthe57vol%feedstock,flowwas observed above 180°C, and sufficient flowability was obtained at 185°C. Since the increase in MVR at 190°C was limited compared with that at 185°C, 185°C was selected as the injection temperature. In the actual injection molding process, the final injection condition could not be determined only from the simulation results. Therefore, short shot tests and trial injection experiments were performed to modify the injection conditions. Under the initial condition, themoldedpartweightwas227.65g,correspondingtoapproximately86.3%ofthe theoretical weight. After adjusting the injection pressure, injection speed, holding time, and cooling time, the molded part weight increased to 261.17 g, corresponding to approximately 98.9% of the theoretical weight. These results indicate that the molded part weight can be used not only to check the filling state, but also as a control factor for predicting the soundness of the subsequent debinding and sintering processes. The debinding condition was set based on the TGA results of the binder system. The binder decomposed stepwise with increasing temperature, and most of the binder was removedatapproximately450°C.Basedonthisresult,thermaldebindingwasperformedin a nitrogen atmosphere by heating to 550°C at a heating rate of 2°C/min and holding for 3 h. This condition was suitable for binder removal while maintaining the shape stability of thedeboundpart. The sintering conditions were compared at 1,250°C for 1 min, 1,330°C for 1 min, and 1,330°C for 60 min based on the DTA results. At 1,250°C for 1 min, initial liquid-phase sintering behavior was observed, but densification was not sufficient. At 1,330°C for 1 min, some residual pores still remained. In contrast, the specimen sintered at 1,330°C for 60 min showed a relative density of 99.38%, an average hardness of 54.04 HRC, and an average linear shrinkage of 18.05%, indicating the highest densification level among the conditions examined in this study. This result is considered to be due to the continued progress of particle rearrangement, diffusion, and pore elimination after liquid-phase formation with increased holding time. Overall, the PIM behavior of the TiC-Fe alloy mixed powder was affected by the raw powder characteristics, feedstock flowability, filling state of the molded part, debinding stability, and sintering densification. Within the scope of this study, the most stable moldability and densification results were obtained with the 57 vol% feedstock, an injection temperature of 185°C, thermal debinding at 550°C for 3 h in a nitrogen atmosphere, and sintering at 1,330°C for 60 min. These results confirmed the applicability of the PIM processtoTiC-Fealloymixedpowder. Keywords: TiC-Fe alloy mixed powder, powder injection molding （PIM）, solid loading, injection moldability, thermal debinding, sintering densification
more목차
Ⅰ. 서 론 1
1. 연구 배경 및 필요성 1
2. 문제 정의 3
(1) 혼련비(분말/바인더 비) 3
(2) 탈지(Debinding) 3
(3) 소결(Sintering) 4
3. 연구 범위 5
Ⅱ. 이론적 배경 6
1. 분말사출성형(PIM) 6
(1) 혼련(Mixing) 7
(2) 사출(Molding) 8
(3) 탈지(Debinding) 9
(4) 소결(Sintering) 11
2. TiC-Fe 합금 혼합분말 소결 거동 12
(1) TiC 소결 확산 및 치밀화 특성과 한계 12
(2) 합금상(Fe, Cr, Mo)의 역할 13
3. Torque Rheometer 평가 원리 14
4. MVR 평가 원리 15
5. 스파이럴 금형 유동성 평가 원리 16
Ⅲ. 실험 방법 17
1. 원재료 준비 17
2. 성형성 평가 18
(1) Torque Rheometer 18
(2) MVR(Melt Volume Rate) 19
(3) 스파이럴 금형 실험 20
3. 시편 제조 21
4. 탈지 조건 22
5. 소결 조건 23
6. 특성 평가 24
(1) 미세조직 24
(2) 치수 변화 및 수축률 24
(3) 경도 24
(4) 밀도 25
Ⅳ. 결과 및 고찰 27
1. TiC-Fe 합금 혼합분말 소재 27
2. 피드스톡 고상율에 따른 혼련 및 유동 특성 29
(1) TiC-Fe 합금 혼합분말 피드스톡 임계 및 최적 고상율 결정 29
(2) 고상율 및 온도에 따른 피드스톡 유동성 평가 32
(3) 스파이럴 금형 피드스톡 유동성 변화 35
3. 분말사출 37
(1) 사출 피드스톡의 고상율 및 사출온도 결정 37
(2) 사출체 형상 및 금형 설계 고려사항 38
(3) 성형해석을 통한 게이트 위치 최적화 39
(4) Short shot 실험을 통한 사출조건 최적화 42
(5) 충진율(중량)의 영향 44
4. 탈지 조건의 영향 46
(1) 바인더 시스템의 열분석 46
(2) TGA 분석 결과를 통한 피드스톡 열탈지 공정 결정 48
(3) 탈지 전후 중량 변화 및 탈지율 49
(4) 장입 방법의 영향 51
5. 소결 조건의 영향 53
(1) DTA 분석을 통한 소결 조건 설정 53
(2) 소결 조건에 따른 미세조직 변화 55
(3) 소결 조건에 따른 밀도 및 상대밀도 58
(4) 소결 조건에 따른 경도 변화 60
(5) 소결 조건에 따른 치수 변화 및 수축률 62
6. 특성 상관 종합 고찰 65
(1) 수축률-상대밀도-경도 상관관계 65
Ⅴ. 결 론 67
참고문헌 70
Abstract 75
