이단소결을 통한 초미세결정립 몰리브덴의 제조

Abstract

전기，전자 및 반도체 산업의 급속한 발전과 우주항공 산업 및 원자력 산업의 기술적 따라 고온 성질과 열전특성이 뛰어난 고융점 금속에 대한 필요성이 나날이 증가하고 있다. 그 중 몰리브댄은 주기율표 6족에 속하는 은회색 금속으로 10.22 g/cm3의 밀도를 가지며 2610 도의 높은 융점으로 인하여 텅스텐， 탄탈륨 및 나이오븀과 함께 대표적인 고융점 내열 금속으로 분류 된다. 몰리브덴은 우수한 내열성，내식성 및 고온 안정성으로 인하여 가혹환 환경에서 우수한 물성을 요구하는 분야에 적용되고 있다. 또한 몰리브덴은 5.43ppm/K의 낮은 열팽창계수와 l.38W/cmK의 비교적 높은 열전도도로 인하여 열소산 기능을 담당하는 전자재료분야에서도 그 중요성이 점점 증가하고 있다. 특히 국방소재로서의 몰리브덴은 높은 밀도와 임계 제트 속도가 빠르다는 성질을 이용하여 대전차 화기에 이용된다. 화학에너지를 이용하여 두꺼운 전차의 장갑 을 관통하기 위하여 고안된 탄을 바로 대전차 고폭탄(HEAT: high explosive anti tank) 이라 하며 이 탄의 동작 원리는 성형작약효과(shaped charge effect), 즉 Munroe 효과에 의한 것으로 알려져 있다. 이는 충돌시 장약의 후미로부터 폭발이 일어난 후 압력이 전방으로 이동하면서 라이너의 정점으로부터 붕괴되어 구멍 이 생성되고 이부분에서 고온 고압의 메탈제트가 탄의 진행방향으 로 분사되며， 이와 동시에 라이너 의 표면으로부터 용융된 3,000~15,250m/s 속도의 금속 분사 물 질이 발생되어 전차 장갑 판재를 뚫어 승무원에게 피해를 줄 수 있도록 설계되어 있다. 대전차 고폭탄의 관통성능은 탄두 모양과 장갑 및 라이너의 밀도차이， 그리고 분사되는 금속 제트의 속 도에 의한 제트의 길이에 의존하나 이미 탄두 모양의 설계에 의한 관통력 향상에는 제한이 있 으며 따라서 현재 라이너의 소재의 변화를 통한 관통력 향상에 관한 연구를 진행하고 있다. 현 재 군에서 응용하고 있는 대부분의 성형작약탄 라이너의 재질은 8.9g/cm3 의 비교적 높은 밀도를 갖고 연성이 우수한 구리 이다. 그러나 반응장갑 기술이 개발됨에 따라 구리 재질의 라이너에서 분출되는 금속제트의 관통 성능은 이미 한계에 도달하였다고 판단하여 새로운 소재 개발을 통한 관통성능 향상에 관한 연구가 요구되고 있다. 이에 1990년대부터 텅스텐-구리， 몰리브덴， 텅스텐 등을 라이너 에 적용하는 연구를 진행해왔으며 각각 장단점이 있으나 몰리브덴의 경우 제트형성 속도가 빠르다는 특성을 이용하여 관통성능을 향상시키는 연구가 진행 중에 있다. 몰리브덴은 표 1 의 여러 가지 재료들 중에 서 고온 연성이 우수한 동시에 음속이 매우 빠르기 때문에 (5.0-5.4Km/s) 라이너 금속제트 형성 속도가 빠르며 따라서 금속제트의 임계 속도(13km/s) 역시 다른 후보 재료나 반응장갑의 기폭속도(8.0km/s) 보다 빠르다는 점을 이용하여 반응장갑을 무력 화 시키고 파괴력을 증대시킬 수 있다고 예상하고 있다. 몰리브덴 라이너는 분말야금 공정으로 제조되기 때문에 최근 몰리브댄의 소결기술과 미세구조 제어 기술이 중요성하다. 이에 본 연구에서는 나노 및 서브마이크론의 결정립크기를 가지는 초미세 결정립 몰리브덴의 제조를 위해 이단소결(two-step sintering) 공정을 적용하였다. 미세한 나노 몰리브덴 분말을 제조 하기 위해 M003 분말을 20시간 동안 고에너지 볼밀링을 실시 하였다. 그 결과 결정립 크기가 약 15~20nm 정도인 매우 미세한 크기의 M003 분말을 얻었으며， 이렇게 제조된 밀링 분말을 8000C 에서 수소환원하여 약 100nm 크기를 가지는 순수한 몰리브덴 분말을 얻었다. 제조된 몰리 브덴 나노분말을 이단소결 공정을 통하여 소결하였다. 이단소결 공정은 lst-step 온도를 11OO~ 1200oC, 2nd-step 온도를 950~1000oC 에서 진행하였으며 유지시간은 2nd-step 에서 1 ~20시간 유지하였다. 제조된 시편의 결정립 크기는 같은 상대밀도를 가지는 시편을 일반적인 상압소결로 소결한 소결체와 이단소결 공정으로 제조된 입자성장이 억제된 초미세결정립 몰리브멘 소결체와 비교하였으며 이단소결 공정으로 제조한 소결체의 경우 약 500nm정도의 결정럽 크기를 갖는 것 으로 확인되었다.