친환경 제조 기술 - 분말 야금

분말 야금은 금속 분말을 원료로 사용하고, 이를 프레스 성형 및 소결하여 다양한 제품을 만드는 가공 방법입니다. 이는 새로운 공정이나 기술이 아니며, 고대 이집트까지 그 기원을 추적할 수 있습니다. 그러나 오늘날 지속 가능한 발전과 친환경 발전을 추구하는 흐름에 부합하여 시대의 발전 방향에 맞고, 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 오늘은 이 제조 방법을 살펴보겠습니다. 이는 여러분의 부품 제조 방식에 새로운 선택지를 제공할 수 있습니다.

공정
분말 야금은 단조나 주조와 유사하지만, 원료가 금속 분말(일반적으로 철, 강철, 구리 등)이라는 점이 다릅니다. 분말 원료는 복잡한 금형을 사용하여 상온에서(특수한 경우 가열하여) 압축 성형합니다. 성형된 작업물의 크기는 완제품에 가깝지만, 기계적 특성은 아직 안정적이지 않습니다. 이를 더욱 강화하기 위해 사용된 금속의 녹는점에 가깝지만 약간 낮은 온도에서 소결합니다. 이때 제품의 미세 구조가 변화하여 치수가 정밀하고 강도가 높은 부품을 얻을 수 있습니다.

일반적으로 분말 야금으로 얻은 부품은 바로 사용할 수 있지만, 필요에 따라 마무리 가공, 열처리, 전기 도금 또는 코팅, 쇼트 피닝 등 2차 가공을 추가하여 부품의 공차, 밀도, 강도, 형상, 내식성 및 기타 특성을 향상하거나 개선할 수 있습니다. 분말 야금의 장점 다른 생산 및 제조 기술과 비교하면, 분말 야금은 재료 낭비가 거의 없고 재료 이용률이 97%를 초과합니다. 또한 복잡한 기하학적 형상을 직접 성형하고 소결 제품의 치수 공차를 정밀하게 제어할 수 있어, 기존 제조 공정의 가공 작업을 줄이거나 완전히 없앨 수 있습니다. 이것이 분말 야금을 친환경 제조 기술이라고 부르는 이유입니다. 이러한 공정이 제공하는 절감 효과 외에도, 분말 야금은 원료를 분말 형태로 사용하는 장점을 통해 기존 가공으로는 달성하기 어렵거나 불가능한 제어가 가능합니다. 예를 들어 화학 조성 조합의 비율 제어, 미세 구조 제어, 기공률 제어 등이 있습니다. 몇 가지 구체적인 제품 사례를 통해 분말 야금에 대한 이해를 높여 보겠습니다.

1. 서로 호환되지 않는 재료의 결합

분말 야금을 사용하면 일반적으로 서로 호환되지 않는 것으로 간주되는 재료를 긴밀한 혼합 형태로 가공할 수 있습니다.
이러한 분말 야금 응용 분야의 대표적인 사례로는 다음과 같은 것들이 있습니다. 마찰재: 브레이크 라이닝과 클러치 페이싱에 사용되며, 내마모성을 부여하거나 마찰 수준을 제어하기 위한 다양한 비금속 재료를 구리 또는 철 기지에 매립합니다. 초경합금은 절삭 공구, 성형 공구 또는 연마재에 일반적으로 사용됩니다. 초경합금은 금속에 결합된 경질 상으로 구성되며, 이러한 미세 구조는 결합제가 녹는점보다 높은 온도에서 액상 소결을 통해서만 제조할 수 있습니다. 코발트로 결합된 탄화텅스텐이 이러한 재료의 대표적인 예입니다. 이 밖에도 다양한 탄화물, 질화물, 탄질화물 또는 산화물을 포함한 다른 초경합금이 있으며, 코발트 이외의 금속(Ni, Ni-Cr, 니켈 코발트 등)을 결합제로 사용할 수도 있습니다.

다이아몬드 절삭 공구 재료: 미세한 다이아몬드 입자를 금속 기지에 고르게 분산시킨 재료입니다. 이러한 재료를 가공할 때에도 액상 소결을 사용합니다. 구리/텅스텐, 은/산화카드뮴과 같은 전기 접점 재료도 있습니다.

2. 녹는점이 매우 높은 재료의 가공
분말 야금 기술은 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈럼과 같은 난융 금속을 비롯하여 녹는점이 매우 높은 재료를 가공할 수 있습니다. 이러한 금속은 용융 및 주조로 생산하기 어렵고, 주조 상태에서는 매우 취성인 경우가 많습니다. 텅스텐 빌릿의 생산은 분말 야금의 초기 응용 분야 중 하나였으며, 이후 백열전구용 와이어를 인발하는 데 사용되었습니다.

3. 기공률을 제어할 수 있는 제품
분말 야금 기술을 사용하면 구조적 기공률이 제어된 제품을 생산할 수 있습니다. 소결 필터 요소가 이러한 응용 분야의 한 예입니다. 또 다른 대표적인 예는 오일 함유 베어링 또는 자기 윤활 베어링입니다. 이는 분말 야금의 가장 오래된 응용 분야 중 하나로, 소결 구조 내 서로 연결된 기공을 이용하여 윤활유를 저장합니다.

4. 우수한 특성을 지닌 제품
특정 응용 분야에서는 분말 야금 공정이 기존의 주조 또는 단조 공정보다 미세 구조를 더욱 정밀하게 제어하여 우수한 특성을 구현하는 경우가 많습니다. 대표적인 응용 사례는 다음과 같습니다.

자성 재료
거의 모든 경자석(영구 자석)과 약 30%의 연자석은 분말 원료를 사용하여 가공됩니다. 단조 제품과 비교할 때, 고속도강 및 분말 야금으로 가공된 재료는 미세 구조를 더 세밀하고 정밀하게 제어할 수 있으며, 인성과 절삭 성능이 더 우수합니다. 니켈 또는 코발트 기반 고온 합금 니켈 또는 코발트 기반 초합금은 항공우주 엔진에 사용됩니다. 분말 야금 공정은 기존 방식으로는 구현할 수 없는 조성 범위와 미세 구조 제어를 가능하게 하여 작동 온도와 성능을 향상시킬 수 있습니다. 분말 야금의 한계 분말 야금은 다양한 장점이 있지만, 적용에 있어 몇 가지 한계도 있습니다. 주요 내용은 다음과 같습니다.

(1) 부품 크기와 중량의 제한: 분말 야금은 공정 중 프레스 성형이 필요하므로 프레스를 사용해야 합니다. 따라서 현재 프레스의 가압 용량 한계로 인해 크기를 매우 크게 만들 수 없으며, 일반적으로 최대 약 250mm 정도입니다. 또한 금속 분말의 유동성이 제한적이기 때문에 분말 야금 공정으로 20kg을 초과하는 부품을 생산하는 것은 여전히 어렵습니다.
(2) 충격 및 동적 하중 응용 분야에는 부적합: 분말 야금 부품은 일반적으로 밀도가 낮기 때문에 강도와 인성이 단조 또는 절삭 가공 부품만큼 우수하지 않습니다. 분말 압축 및 소결 후 남아 있는 기공도 재료의 기계적 특성에 영향을 미칩니다. 따라서 분말 야금 부품은 충격과 큰 동적 하중처럼 응력과 변형률이 높은 응용 분야에는 적합하지 않습니다.
(3) 높은 장비 및 금형 비용
분말 야금 공정은 특수 금형과 장비를 사용해야 하므로 비용이 비교적 높습니다. 소량 생산에서는 경제성이 떨어지기 때문에 분말 야금은 일반적으로 대량 생산에 적합합니다.