용어의 정의

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기계적 합금화 방법은 고체상태에서 미세하고 균일한 합금분말을 제조하는 방법으로 1960년대 후반에 미국 INCO사의 Benjamin에 의해 가스터빈의 석출강화와 산화물 분산 강화를 위한 니켈기 초합금 제조에 응용된 기술이다. 이 방법은 고에너지 볼밀을 사용하여 성분원소 분말들이 볼 사이에서 압접과 파괴를 반복케 함으로써 균일하고 미세한 합금상을 이룬 복합 금속분말을 제조할 수 있다. 기계적 합금화 공정은 합금 분말 제조, 탈가스 처리 및 고온성형 공정으로 구분할 수 있다. 합금분말 제조의 공정 변수는 합금화 장치의 내부구성 변수와 합금화 공정 변수로 나눌 수 있다. 합금화 장치의 내부구성 변수는 임펠러의 회전 속도, 장입 볼의 양과 크기, 볼과 시료 분말의 장입비 등이 있으며, 합금화 공정 변수는 MA 분위기, MA 시간, 공정 제어제(Process Control Agent : PCA) 등으로 구분할 수 있다. 이러한 변수들은 최종적인 합금의 특성 및 성질 등에 크게 영향을 미친다. 기계적 합금화가 진행됨에 따라 성분분말이 두 볼 사이에서 충돌각도에 따라 연속적으로 일어나는 냉간압접과 파괴에 의한 분말의 변형이 일어난다. B 방향을 기준으로 AB 영역의 충돌각도에서는 분말의 냉간압접이 일어나며 분말의 파괴는 B에서 C로 변화됨에 따라 동적파괴(dynamic fracture)와 단조파괴(forging fracture) 및 전단파괴(shear fracture)가 일어난다. 이러한 볼의 충돌각도에 의해 일어나는 연속적인 분말의 압접과 파괴는 MA 합금제조에 필수적인 과정이 된다. 이러한 분말들의 냉간압접과 파괴의 관점에서 Benjamin은 광학현미경을 사용하여 기계적 합금화 과정을 5단계로 구분하였다. 즉, ① 초기단계 ; 충돌하는 강구사이에서 원료분말들이 판상의 입자로 형성되는 단계, ② 압접단계 ; 판상의 분말들이 냉간압접하여 층상 구조를 이루어 큰 입자로 형성되는 단계, ③ 등축입자 단계 ; 층상의 분말들이 냉간압접의 영향으로 일정한 방향성을 갖는 단계, ④ 임의 방향 압접지배 단계 ; 등축의 작은 입자들이 임의의 불규칙한 방향으로 압접되고 분말의 형상이 구형화되기 시작하는 단계, ⑤ 정상상태 ; 분말들이 구형화되고, 성분입자들이 광학현미경으로 관찰되지 않을 만큼 미세화가 되는 단계로 구분하였다.
장점으로는 원료 성분의 합금화와 분산 처리가 액상의 등장이 없이 상온 부근의 온도에서 고상반응 만으로 이루어진다는 점에서 우수한 조직특성을 기대할 수 있다. 따라서 이 기계적 합금화법에 의해 제조되는 합금은 미세하고 균일한 조직에 의한 결정립 미세화 효과, 기지 금속 내에 금속간 화합물, 탄화물, 산화물 등에 의한 분산강화, 볼 밀링시에 발생되는 높은 전위 밀도에 의한 가공경화 및 고형체 형성에 따른 고용강화 등 모든 재료 강화 기구의 복합 상승작용으로 우수한 기계적 특성을 기대할 수 있으며, 통상적인 주조방법으로 제조가 어려운 합금의 제조가 가능하다. 또한 이 방법은 준안정상의 합금, 비정질 합금, 녹는점이 현저하게 차이가 나는 두 금속의 합금제조, 서멧(cermet), 그리고 organic-ceramic-metallic의 복합재료 제조 등에도 이용 가능한 기술이다. 그러나 생상량이 적고 합금화된 분말의 취급시는 물론 밀링시에도 나노사이즈로 인해 넓은 면적의 새로운 표면이 생성되므로 산화 방지를 위해 불활성 가스를 도입해야 하며, 배치(batch) 형식과 용기와 볼에서 불순물의 혼입가능성이 단점이다.

※ 서멧 (cermet) : 세라믹과 금속을 포함하는 내열재료