소결

소결(Sintering, 燒結)은 분말 입자들이 열적 활성화 과정을 거쳐 하나의 덩어리로 되는 과정을 말한다. 가루나 가루를 압축한 덩어리를 녹는점 이하의 온도로 가열하였을 때, 가루가 녹으면서 서로 밀착하여 고결(固結)되는 현상으로 요업 제품이나 세라믹 또는 소형 플라스틱의 제조에 응용된다. 원하는 미세조직을 갖는 시편 제조가 목적으로 소고(燒固)라고도 부른다.

개요

소결은 분말체(粉末體)를 적당한 형상으로 가압 성형한 것을 가열하면 서로 단단히 밀착하여 고결(固結)하는 현상이다. 고체의 가루를 틀 속에 넣고 프레스로 적당히 눌러 단단하게 만든 다음 그 물질의 녹는점에 가까운 온도로 가열했을 때 가루가 서로 접한 면에서 접합이 이루어지거나 일부가 증착(蒸着)하여 서로 연결되어 한 덩어리로 된다. 이와 같은 방법으로 금속제품을 만드는데, 원래 녹는점이 높아서 녹이기 어려운 텅스텐에 처음 사용되었다. 적당히 구멍이 있는 고체를 만들거나 녹였을 때 혼합되지 않는 두 물질의 복합재료(예를 들면 금속과 세라믹스)를 만드는 데 사용된다.

소결은 분말과 같은 비표면적이 넓은 입자들을 더욱 치밀한 덩어리를 만들기 위해 충분한 온도와 압력을 가하는 공정을 말한다. 소결 공정을 통해 재료의 밀도나 기공도, 기공의 크기와 크기분포를 조절할 수 있으며 최종적으로 원하는 재료의 물성을 구현할 수 있다. 따라서 소결은 세라믹 공정의 핵심으로 매우 중요한 의미를 가진다. 소결 공정의 공정 온도와 압력은 일반적으로 소결 재료의 용융점보다 낮다. 핵연료에서 소결의 목적은 분말 압분체의 특성을 개선하는 데 있다. 소결의 진행됨에 따라 일반적으로 특성이 개선되는 경향을 보인다. 관심 대상의 일반적인 특성은 경도, 강도, 피로수명, 인성, 연성, 전기전도도, 자기포화, 내식성 등이 있다. 이런 특성의 소결 진행 정도에 대해 따른 민감도는 매우 다르지만 소결이 진행됨에 따라 일반적으로 개선된다. 핵연료 소결체 제조 공정에서는 약 1750C의 온도로 수 시간 동안 소결이 진행된다. 소결이 끝난 소결체들은 냉각을 시킨 후 요구되는 치수에 맞도록 연삭 공정을 거친다.

원리

소결의 구동력은 열역학적으로 시스템 전체의 표면에너지를 줄이는 것이다. 벌크에 비해 계면(interface)에는 잉여에너지(excess energy)가 있으므로 소결 중 표면에너지는 입자들이 치밀화, 조대화되는 과정에서 감소된다. 소결 공정상 변수에는 온도, 시간, 분위기, 소결 압력 등이 있다. 입자가 소결되는 과정은 입자들이 서로 붙어서 목이 형성되는 초기 단계, 기공이 고립되기 전까지 상대밀도가 약 93%가량 되는 중기 단계 그 이후를 말기 소결이라고 한다.

참고자료

• 〈소결〉, 《위키백과》
• 〈소결〉, 《네이버 지식백과》
• 〈소결(sintering)〉, 《네이버 지식백과》

같이 보기

• 가공

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