추상적인:망간은 중요한 산업 원료이며 분말 야금 재료에 널리 사용됩니다. 이 기사에서는 소결강, 감쇠 합금, 알루미늄 합금, 티타늄 알루미늄 합금, 텅스텐 기반 중합금 및 경질 합금과 같은 재료에 망간을 적용하는 방법에 대한 개요를 제공합니다. 망간은 분말 야금 재료의 성능 향상과 새로운 분말 야금 재료 개발에 폭넓은 응용 가능성을 가질 것으로 예상됩니다.
키워드:망간; 분말 야금; 응용 전망
소개: 망간이라는 원소는 일찍이 1774년에 발견되었지만 철강 산업에서 망간이 차지하는 중요한 역할은 1856년에 바닥 취입식 산성 변환기가 발명되고 1864년에 개방형 제철 방법이 발명될 때까지 인식되지 않았습니다. 오늘날 망간은 효과적인 값싼 합금원소는 철강산업에서 없어서는 안될 중요한 원료가 되었습니다. 망간의 약 90%는 철 다음으로 철강 산업에서 소비되며, 나머지 10%는 비철 야금, 화학 산업, 전자, 배터리, 농업 등의 분야에서 소비됩니다.
망간과 그 화합물은 분말 야금 재료 생산에 일반적으로 사용되는 원료입니다. 분말 야금 재료에서 망간의 중요성은 1950년부터 사람들에게 인식되었습니다. 이후 분말 야금 산업에서 망간의 적용이 점차 확대되었습니다. 모합금 기술 및 선합금 기술 개발을 통해 망간계 고강도 소결강이 개발되었습니다. 또한, 기타 분말야금 재료의 주성분 또는 첨가성분으로서 중요한 역할을 합니다. 이 기사에서는 분말 야금 재료에 망간을 적용하는 방법에 대한 개요를 제공합니다.
1.고강도 소결강에서 망간의 역할
합금원소로 망간과 규소를 동시에 첨가한 저합금 소결강은 우수한 강화 효과와 소결 크기 안정성을 나타내며 가격이 저렴하고 강력한 경쟁 우위를 가지고 있습니다. 관련 보고서에 따르면 Fe{{{{10}}}}.2% Mn-1.4% Si-0.4% C 합금이 125{{14에서 소결되었습니다. 60분 동안 }}도의 인장 강도는 800-1000MPa입니다. 소결철과 소결강은 주로 기계부품 제조에 사용되며, 합금원소 선정 시 치수안정성에 미치는 영향에 주의해야 합니다. 일반적으로 실리콘을 첨가하면 소성시 성형체의 수축이 발생하고, 망간을 첨가하면 성형체의 팽창이 발생한다. 망간과 실리콘을 동시에 첨가하면 소결체의 외관과 크기를 효과적으로 제어할 수 있습니다. 측정된 5개 성분 샘플의 크기 변화 Δ L/L0에서 Fe-2.0% Si-2.0% Mn이 확인되었습니다. 및 Fe-2.0% Si-4.0% Mn은 크기 변화가 1.2%에서 1.4%로 기본적으로 순철과 동일했습니다. 그리고 Fe-4.0% Mn은 약 1.7%로 상대적으로 높습니다. Fe-2.0% Si는 약 0.7%로 상대적으로 낮습니다. 니켈, 몰리브덴, 구리, 망간, 실리콘을 함유한 여러 소결강의 기계적 특성은 표 1에 나열되어 있습니다. 망간과 실리콘 합금 원소를 모두 첨가한 소결강이 고성능임을 알 수 있습니다.
한편, 소결 중에 망간은 승화하여 증기를 형성합니다. 그림 1은 600-1200도에서 Fe-45% Mn-20% Si 합금의 망간 증기압을 보여줍니다. 충분한 망간이 첨가되면 망간 증기가 성형체의 공극에 채워져 다른 원소의 산화와 철 입자 표면의 석출을 효과적으로 방지합니다. 표면 확산, 부피 확산 등을 통해 철 입자에 입자 중심까지 균일하게 침투하여 합금화 속도를 가속화합니다. Fe-2.0% Si-4.0% Mn 샘플을 관찰한 결과, 순간적인 액상 형성이 있음이 확인되었습니다. 액상은 합금 원소의 빠른 확산을 촉진하고 모합금 입자 표면의 산화물 층의 억제 효과를 극복하여 합금 원소의 높은 균일성을 달성할 수 있습니다.
2.철계 소결재의 절삭 성능 향상
소결강에 황화망간(MnS)을 첨가하면 절삭력을 효과적으로 감소시키고 절삭 성능을 향상시킬 수 있습니다. 철 기반 재료에서 황화망간은 철 매트릭스보다 강도가 훨씬 낮은 부서지기 쉽고 윤활성이 있는 금속 함유물입니다. 재료에서 황화망간의 역할은 기공의 역할과 동일하여 철 매트릭스의 연속성을 방해하고 강도를 감소시켜 절삭력을 감소시킵니다. Han Yunqiu et al. 망간과 황 원소를 함유한 후 소결강의 절삭 성능이 효과적으로 향상된다는 사실을 발견했습니다. 망간 및 황 함량이 0.318% 및 0.21%인 600MS 등급 철 분말의 경우 소결 샘플의 평균 절삭력은 295MPa에 불과하여 SC 등급의 688MPa보다 훨씬 낮습니다.{{ 8}}.26은 망간 및 황 함량이 낮습니다. Yin Pingyu 등의 실험 결과. Fe-2% Cu-0.5% Mo-0.6% C 소결 시스템에 황화망간 분말을 첨가하면 재료의 절단 성능이 크게 향상된다는 것을 보여줍니다. 또한 첨가제는 재료의 소결 온도, 경도 및 치수 정확도에 큰 영향을 미치지 않습니다.
실험에 따르면 304L 오스테나이트계 스테인레스 강의 강분말의 성형성과 소결 성능은 황화망간 첨가 후 상당한 변화를 겪었습니다. 황화망간 분말을 첨가하면 치밀도가 감소합니다. 황화망간 함량이 0.6% 미만인 경우 첨가제 함량이 증가함에 따라 치밀 수축률 및 소결 밀도가 감소합니다. 하지만 0.6%를 넘으면 상승한다. 황화망간 분말을 첨가하면 소결강의 내식성이 저하됩니다. 10% 농도의 FeCl3 부식용액에 담근 후 황화망간 첨가량이 증가할수록 시료 품질의 손실이 증가합니다. 황화망간은 분말 야금 소결강의 피로 파괴에 큰 영향을 미칩니다. 균열은 시료의 표면이나 하부층의 공극에서 발생하며 다양한 모드로 전파됩니다. 그러나 황화망간을 첨가해도 소결강의 피로 메커니즘은 변하지 않습니다. 동시에, 소결강의 굴곡 강도, 파괴 인성 및 기타 특성은 황화망간 첨가량에 영향을 받을 뿐만 아니라 첨가제의 입자 크기와도 명확한 관계가 있음이 밝혀졌습니다. 황화망간 상은 주로 매트릭스 입자나 기공 사이에 분포하고 내부에는 입자가 거의 없으므로 황화망간 입자 크기가 위 특성에 직접적인 영향을 미칩니다.
소결강 표면의 망간 침투
소결강은 종종 표면 담금질, 탄소 질소 공동 침투, 연질화, 붕소 침투 등을 포함한 마모 방지 및 열처리가 필요합니다. 이러한 방법을 사용하면 경화된 표면을 얻을 수 있지만 어느 정도 크기가 커질 수 있습니다. 부분. 경화된 부분에 마무리 처리를 하는 것은 바람직하지 않으며, 연삭을 통해서만 크기 수정이 가능합니다. 망간 침투 처리는 소결된 내마모성 부품을 제조하는 데 사용할 수 있으며 부품의 치수 정확도를 그대로 유지하여 앞서 언급한 단점을 방지할 수 있습니다. 망간 표면의 합금화는 소결 과정에서 이루어질 수 있어 침탄, 경화, 연삭 등의 추가적인 공정이 필요하지 않습니다. 망간 침투는 오스테나이트계 망간강의 표면 경화층을 생성하며, 이는 고망간강과 유사한 특성을 갖습니다.
표면에 망간 확산 처리가 된 부품의 특성은 마모 및 고온 조건에 적용할 때 특별한 가치를 갖습니다. Pohl은 표면 망간이 침투된 샘플의 경도와 강도를 측정했습니다(샘플은 1시간 동안 45{4}}도에서 단련되었습니다). 저자의 결과에 따르면, 450 도의 테스트 온도에서 표면 망간 침윤 부품의 경도는 탄소질소 침윤 부품의 경도보다 높으며 각각 약 400HV0.05 및 350HV0.05의 값을 갖습니다. ; 또한, 상온 경도 값과 비교하면 표면 망간 침윤 부분은 크게 감소하지 않아 여전히 상온의 80%를 차지하지만, 탄소질소 침윤 부분은 50%에 불과하다. 표면 망간 함침 부품의 피로강도는 탄소질소 함침 부품의 피로강도보다 높으며, 템퍼링 온도가 증가함에 따라 선형적으로 증가합니다. 450도에서의 값은 실온에서의 값보다 8% 더 높습니다.
4.망간 기반 감쇠재
1976년 관련 보고서에 따르면 Mn Cu 감쇠 합금은 분말 야금 방법을 통해 성공적으로 개발되었습니다. 소결은 이슬점이 낮은 수소가스에서 진행되며, 최종 소결온도 Z는 망간 함량에 따라 결정된다. 55% Mn을 포함하는 합금은 약 900도인 반면, 75% Mn을 포함하는 합금은 1075도까지 상승합니다. 망간분말의 입자크기가 -100메쉬에서 -325메쉬로 감소하면 소결밀도와 인장강도가 약간 증가한다. 60Mn-40Cu 합금은 진공에서 소결되는데, 소결 온도가 수소보다 낮지 않으면 망간이 크게 증발합니다. 가열 과정에서 성형품은 처음에는 몇 퍼센트 정도 팽창하고 온도가 최종 소결 온도 Z에 접근할 때만 수축합니다. 표 2는 60~75% Mn 합금(1% 결합제 함유)의 인장 강도 및 경도 데이터를 나타냅니다. ). 시료를 수소가스 속에서 가열하여 760도에서 0.5시간, 860도에서 1시간 유지하고 Z의 최종 소결온도를 1시간 유지하여 Z의 높은 인장강도를 얻는다. 기공 및 기타 조직적 특성은 기계적 특성을 감소시키지만 상대적 감쇠 성능은 증가시킵니다. 소결 후 재료는 우수한 감쇠 성능을 얻을 수 있으며 이는 공정 단순화 및 비용 절감 측면에서 바람직합니다.
망간을 기반으로 한 감쇠 재료에는 Mn Cu, Mn Fe 및 Mn Ni 합금이 포함됩니다. Mn Cu 시스템의 소결 과정에서 망간이 구리로 들어가는 단방향 확산 메커니즘을 나타내어 단상 고용체를 형성합니다. Mn Cu 합금은 우수한 감쇠 재료입니다. 템퍼링 중 Mn Cu(70% Mn) 합금의 감쇠 능력을 연구한 결과, 템퍼링 과정에서 사전 담금질된 소결 샘플의 고용체가 일반 주조 합금과 매우 유사한 감쇠 모드를 갖는 것으로 나타났습니다. ; 그러나 차이점은 뜨임온도가 460도에 도달하더라도 소결합금의 감쇠강도는 상대적으로 낮다는 점이다. 그들은 이러한 현상의 원인이 합금의 우수한 화학적 균일성과 관련이 있다고 믿고 있습니다. 합금의 구리 함량이 증가하면 밀도, 경도, 음파 전파 속도 및 포아송 비가 증가하지만 영률 대 벌크 탄성 계수(E/K)의 비율은 감소합니다. E/K가 2.0~2.4 범위에 있으면 높은 E/K 값에 해당하는 망간 함량이 높은 합금이 더 나은 감쇠 특성을 갖습니다. -Mn 및 -MnCu 상을 포함하는 소결 Mn Cu 합금은 10-1 범위의 감쇠 상수를 가지며 온도와 주파수에 둔감합니다. 1123K에서 Mn Cu 합금을 담금질한 후에는 MnCu 단상 조성만 나타납니다. 단상 합금의 대수 감쇠율 온도 관계 곡선에는 각각 223K와 460K 위치에 두 개의 피크가 있습니다. 이 두 피크의 강도는 주조로 생산된 M2052 합금의 강도보다 높습니다. 저자는 223K에 위치한 주요 피크가 미세 구조의 쌍정 경계면에 의해 발생하는 반면, 다른 피크는 면 중심 직교 구조(fct)에서 발생한다고 믿습니다. - MnCu가 면 중심 입방 구조(fcc)로 전환됩니다. 또한, 구리와 니켈 성분을 함유한 망간 합금은 높은 열팽창계수를 가지며, 열응답 제어 장치에 바이메탈 시트를 활용하는 등 다양한 분야에 응용 가능성이 있다.
5.알루미늄 합금에 망간의 적용
알루미늄 합금에 망간 원소를 첨가하는 것은 일반적으로 용융 및 분쇄 후 분말 야금 공정으로 완료됩니다. 용융 및 냉각 중에는 거친 Al6Mn 상의 형성을 피하기 위해 높은 냉각 속도가 채택됩니다. 따라서, 알루미늄 합금 매트릭스에 MnAl 플레이크를 첨가하거나 망간 분말을 주입하는 두 가지 방법이 시도되었다. 결과는 전자 방법이 성분 간 반응에 의해 방출되는 열에 의존하므로 추가 장비 없이도 망간의 고용 공정을 유지할 수 있어 전체 공정에 필요한 온도가 더 낮다는 것을 나타냅니다. 더욱이, 재료 특성은 망간 입자의 크기에 덜 의존합니다. 후자의 방법을 사용할 경우, 고속의 공기 흐름을 통해 망간 금속 분말이 로딩되기 때문에 추가 장비가 필요합니다. 또한 이 방법을 사용하면 다른 방법에 비해 공정 주기가 길고 작동 온도도 상당히 높습니다. 한편, 망간 분말의 입자 크기는 Z-최적 크기보다 크든 작든 재료 성능에 도움이 되지 않는 것으로 나타났습니다.
Al Mn 합금은 고용체와 Al6Mn 금속간 화합물로 구성된 일반적인 알루미늄 합금입니다. 금속간 화합물은 합금의 기계적 특성에 중요한 영향을 미칩니다. 화합물 함량이 증가하면 합금의 항복 응력과 피로 강도가 크게 증가하는 반면 연신율은 감소합니다(특히 저온 작업 환경에서). Al Mn 합금에 소량의 크롬을 첨가한 후 합금의 특성이 크게 변했습니다. Al - (6-8)% Mn - (1-3)% Cr 합금의 기계적 특성과 조성 사이의 관계를 연구한 후. 결과는 Mn+Cr 함량이 8.8%보다 높을 때 석출로 인해 합금의 강화 정도가 크게 증가한다는 것을 보여주었습니다. Al-7Mn-3Cr 합금은 인장강도 480MPa, 연신율 7%로 강화 효과가 뛰어납니다. 첨가된 크롬의 양이 적으면 Al6Mn의 두 번째 상이 합금에 침전됩니다. 크롬 첨가량이 많으면 Al7Cr 상이 형성됩니다. 열간압출 합금 샘플을 열처리한 후 시스템 내에서 G 상, 즉 (Mn, Cr) Al12 상이 생성됩니다. 두 번째 상의 형성은 합금의 미세 구조와 기계적 특성에 중요한 영향을 미칩니다. Al Mn 합금에 실리콘 원소를 첨가하는 것도 좋은 결과를 얻었습니다. Hawket al. 급속 응고 기술을 사용하여 Al-12.6Mn-4.8Si 합금을 준비했습니다. 350도에서 100시간 동안 어닐링한 후, 샘플의 미세구조는 매우 안정되었으며, 강도와 연신율의 감소는 없었습니다. 실온에서 380도까지의 범위에서 인장 강도는 465MPa에서 115MPa로 감소하고 연신율은 6%에서 12%로 증가했습니다. 온도가 425도까지 올라가면 연신율은 30%까지 더 높아집니다. 동시에, 합금의 강도와 가소성은 변형율에 따라 달라지며, 높은 변형율에서는 강도와 가소성이 모두 향상됩니다. 크리프 테스트 결과에 따르면 테스트 온도 범위 내에서 합금의 크리프 활성화 에너지는 100~230kJ/mol이고 응력 지수는 3~5 사이인 것으로 나타났습니다. 분말 야금 공정으로 제조된 고강도 AlMnCe 합금은 기존 합금보다 내마모성이 더 높습니다. Al90Mn8Ce2 합금은 753-793K 및 1.2GPa 조건에서 등방압 프레싱 후 각각 900MPa 및 26HRC에 도달하는 Z-최고의 압축 강도 및 경도를 나타냅니다. 강도의 향상은 합금의 미세한 입자와 2차 단계 강화에 기인합니다[44]. 연구에 따르면 Al90Mn8Ce2 합금은 내마모성이 우수한 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 773K 조건에서 이 합금의 내마모성은 일반 A355 알루미늄 합금의 3배입니다. 또한 재료의 Al6Mn, Al4Ce 및 Al2O3와 같은 2차 상 경질 입자가 합금의 내마모성을 향상시키는 데 유익한 것으로 밝혀졌습니다.
6.결론
분말 야금 재료의 주성분 또는 첨가물인 망간은 재료 특성을 개선하고 새로운 재료를 개발하는 데 중요한 역할을 합니다. 게다가 망간은 자원이 풍부하고 가격도 저렴합니다. 망간 응용 분야의 연구 및 개발은 과학 이론과 생산 실무 모두에서 매우 중요합니다. 시장 수요가 확대되고 재료 과학 및 기술이 발전함에 따라 망간의 응용 전망은 의심할 여지 없이 더욱 넓어질 것입니다.
그러나 망간의 확대 적용은 망간이 쉽게 산화되고 산화물을 환원하기 어렵다는 그 자체의 장애에 부딪혔다. 분말 야금 생산 과정에서 망간의 산화는 항상 매우 어려운 문제였습니다. 분말제조기술과 소결기술의 발달로 망간의 산화를 방지하는 문제는 완화되었으나 완전히 해결되지는 않았다. 망간의 활용 확대를 주장하는 동시에 이 분야에 대한 연구를 강화하고 합리적인 방안을 찾는 것도 필요하다.
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