티스토리 뷰

1. 개념 및 정의

금속분말

금속분말

분말야금(powder metallurgy, )이란 금속분말을 이용하여 마치 금속을 녹여 만든 것처럼 원하는 형태를 갖는 금속 물체를 만드는 것으로 표현할 수 있다. 좀 더 전문적인 표현을 한다면, 금속이나 금속산화물의 분말을 가열하여 결합시킴으로써 금속소재(반제품)나 금속가공품(완제품)을 만드는 기술을 분말야금(P/M: Powder Metallurgy)이라고 한다. 미국의 채광야금학회의 분말야금위원회에서는 분말야금의 정의를 다음과 같이 표현하고 있다.

Art and science of manufacturing useful articles from metal powder and of producing those powder.”

즉, 분말야금이란 금속분말 또는 합금분말의 제조와 이들 분말을 이용하여 압축성형(compacting)한 후 용융온도 이하에서 소결(sintering)하여 금속제품 혹은 금속괴를 만드는 기술을 말한다. 이때 분말이 반드시 금속성의 분말이 아닐 수도 있다. 즉, 금속산화물 또는 화합물 및 금속분말과 비금속분말의 혼합물일 경우도 있다. 분말야금법은 일반 제조야금법에서 행하는 용해() → 주조() → 응고() → 단조() → 기계가공 등의 공정을 거치지 않고 최종 제품에 가까운 형상(near net shape)을 직접, 다량으로 간단히 만들 수 있다는 특징이 있다.

분말야금 제품이 비교적 대량으로 생산된 것은 그리 오래되지 않았다. 금속가공 기술의 주류는 역시 주조에 의한 것이었기 때문에 분말을 원료()로 하는 분말야금 기술은 일견 신기술로 인식되기 쉬우나 역사적으로는 매우 오래된 금속가공 기술이다. 일반적인 분말야금의 방법은 분말을 가압하여 분말을 원하는 모양의 덩어리로 만든 다음(성형, compaction), 이를 소결(sintering)이라고 하는 고온에서의 가열 공정을 통하여 단단하고 치밀한 제품을 만드는 것이다. 이 때 분말의 성형은 상온이나 고온에서 행해지며, 고온에서 성형을 행할 때에는 유지시간을 길게 하여 성형과 동시에 소결이 완료되게 한다.

이와 같은 성형 및 소결의 분말야금 공정은 용융법보다 더 조직이 균일한 제품을 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있으나 물성 측면에서는 많은 경우에 용융법보다 기계적 성질이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 이의 개선을 위해 또는 치수의 정밀도를 향상시키기 위해 단조, 열처리 등의 후공정이 도입되기도 한다.

분말야금에 대한 검토를 시작하기 전에 몇 가지 용어들을 이해해야 한다. 먼저 ‘분말’은 최대 크기가 1㎜보다 더 작은 미세하게 나누어진 고체라고 정의된다. 분말의 중요한 특징은 부피에 비해 상대적으로 큰 표면적()을 갖는다는 것이다. 입자들은 고체와 액체의 중간적인 거동을 보인다. 즉, 분말은 용기나 다이 내부 공간을 채우기 위해 중력에 의해 흘러내리게 되고 이런 면에서 분말은 마치 액체의 성질을 가지고 있는 것처럼 보인다. 또한 분말을 기체처럼 압축할 수가 있다. 그러나 금속분말을 압축하는 경우 기체와는 달리 금속의 소성변형처럼 비가역적인 거동을 한다. 따라서 하나의 금속분말은 쉽게 어떤 형태를 갖도록 만들어질 수 있으며 그 공정 후에는 고체로써의 원하는 거동을 하게 된다.

분말야금은 분말을 제조하고 특성을 파악하고 분말들을 유용한 공업적 부품으로 만드는 것을 포함하는 금속분말에 대한 전반적인 공정에 관한 연구라 할 수 있다. 그 공정의 일련의 과정은 가열, 가공, 변형 등에 관한 기본적인 법칙을 금속분말에 응용하는 것을 필요로 하며, 최종 목적물로 분말의 모양과 성질 및 구조를 변화시키는 공정이다.

2. 역사와 발전 단계

윌리엄 하이드 울러스턴(William Hyde Wollaston, 1766~1828)

윌리엄 하이드 울러스턴(William Hyde Wollaston, 1766~1828)

현재 이용하는 분말야금과 유사한 방법이 근대공업에 도입된 것은 1829년 윌리엄 하이드 울러스턴(William Hyde Wollaston)이 백금 와이어를 압축, 소결한 후 단조하여 백금 제품을 만든 것이 최초이다. 이어 1848년 I. U. Staite인듐(In) 가공 방법에 대해 특허를 얻었으며, 1909년 윌리엄 데이비드 쿨리지(William David Coolidge)텅스텐 분말을 압축, 소결하여 텅스텐 와이어를 만들었다.

당시 텅스텐은 가단성()이 없는 금속으로 알려졌으나 이 방법으로 만든 텅스텐 와이어는 전구용 카본 필라멘트를 대체하게 되어 획기적인 야금법으로 알려지게 되어 근대 분말야금법의 기초가 되었다.

초경합금은 1926년 독일 Osram 연구소의 쉬뢰터(K. Schrӧter)가 발명하였으나 Krupp 사에서 제품화에 성공하여 시판하게 되었다. 이 합금은 1928년 미국의 GE(General Electric Company) 사에서 ‘Carboloy(카볼로이)’라는 상품명으로 시판되었고, 일본에서는 1931년 (주)도시바에서 ‘Tungaloy(탕가로이)’라는 상품명으로 시판되었다.

분말야금은 고융점의 경질 제품을 분말로부터 비교적 용이하게 제조할 수 있다는 점에서 많은 관심을 갖게 되었고, 최초의 저서로는 Franz SkaupyMetallkeramik(1930년), 존스(W. G. Jones)의 Principle of Powder Metallurgy가 출판되었다.

소결 함유베어링의 고안()은 이미 19세기 후반에 있었던 것으로 추정되나 실용화()는 1916년 질송(E. D. Gilson)에 의해 이루어져 미국에서는 1930년 무렵부터, 일본에서는 1934년부터 생산되기 시작하여 현재와 같이 대량으로 생산되기 시작한 것은 1950년 이후이다.

소결 함유베어링은 치차, 캠 등의 소결기계 부품으로 발전되었으며, 특히 제2차 세계대전 중 독일에서는 대규모의 소결 함유베어링 생산과 더불어 탄대() 혹은 기계부품이 소결철을 이용하여 고속으로 생산하여 전시 소모품의 보급에 대응한 일례는 분말야금의 뛰어난 생산성이 입증되었다. 이러한 고도의 생산성은 소결 함유베어링 이외의 자동차, 가전용 전기기계, 사무기기 등의 부품 양산에 응용되어 새로운 부품 생산의 지위를 확보하게 되었다.

소결 금속필터는 1923년 클라우스(C. Claus)의 특허에서 시작되었으며 공업용으로 생산된 것은 마찰재료와 더불어 제2차 세계대전 전후인 것으로 추정된다.

현재 전자기기 등에 다량 사용되고 있는 페라이트 자성재료는 1940~1952년 네덜란드의 Philips 연구소에서 개발된 산화철 자성재료로서 개발과 동시에 유럽 각국에서 생산되기 시작하였으며, 이어 미국에서도 공업적으로 생산하게 되었다. 또 1933년 일본에서 개발된 O. P. 자석도 거의 같은 시기에 공업적으로 생산되었다.

이외 내열 및 내산화 재료, 전자재료 및 원자로재료 등이 연구·개발되고 있으며, 일부 재료는 실용화되고 있다.

3. 특징 및 공정 요소

1) 분말야금의 특징

(1) 분말야금의 장점

융점이 너무 높아서 공업적으로 용융법을 이용해서 제조하기 곤란한 W, Mo 등은 분말야금법을 통해 제조가 가능하다. 현재 용융법이 적용되는 금속재료는 융점이 대략 2000℃ 이하의 것들이다. 융점이 매우 높은 금속이나 탄화물의 제조에 있어서 분말야금법은 매우 유용하며 상대적으로 경제적인 공정이다.

일반적으로 분말야금법의 공정에는 주재료를 용융시키지 않으므로 용융 시 발생할 수 있는 불순물의 혼입 등의 오염을 피할 수 있다. 더욱이 소결과정 역시 환원성 분위기 또는 진공 분위기에서 행하므로 산화()의 염려가 없어 원료분말이 순수하다면 최종 제품의 순도는 그대로 유지할 수 있다. 그러나 분말의 제조, 포장, 보관 그리고 분말야금 공정 등에서 유입될 수 있는 오염의 가능성은 매우 크다. 따라서 이러한 분말기술의 과정에 매우 세심한 주의가 요구되어진다.

각 성분의 특성을 고루 갖춘 금속의 결합체는 종종 전기기구 등에서 관심을 받아왔다. 전기접점 혹은 용접용 전극은 아크에 견디는 내화금속과 높은 전도도를 가지는 Cu, Ag와의 조합에 의해서 만들어진다. 이러한 복합금속이 고속기계의 부품에서 종종 요구되는 특별한 경도, 마모저항을 주기 위해서 적당한 금속과 결합시켜 만들어진다.

분말의 입도, 압축성형 압력, 소결온도, 소결시간 등을 적절하게 조절함으로써, 또는 낮은 온도에서 쉽게 휘발하거나 분해되는 유기질을 금속분말과 혼합한 후 휘발성 유기물질을 적절한 방법으로 제거시킴으로써 균일한 다공질()의 제품을 제조할 수 있다. 이때 제조 공정을 조절하여 다공질 제품의 다공도와 가공의 크기 등을 제어할 수 있다. 이러한 방법으로 제조된 대표적인 제품으로는 함유 베어링과 필터 등을 들 수 있다.

고순도의 금속은 종래의 용해법에서는 노의 라이닝 주위의 분위기로부터의 불순물의 개입을 피할 수 없으므로 극히 순도 높은 금속은 얻을 수 없었다. 분말법에서는 노벽()과는 절연하여 이루어지므로 쉽게 목적을 이룰 수 있다.

마지막으로 경제적 장점으로는 형상이 매우 복잡하거나 최종 형상을 만들기 위해 기계가공의 비용이 많이 드는 제품을 다량으로 만드는 경우 분말야금법에 의해 생산된 제품은 후가공의 비용을 크게 감소시킬 수 있으므로 저렴하면서도 특성이 우수한 제품을 만들 수 있다.

(2) 분말야금의 단점

금속분말의 순도와 제조법 등은 최종 제품의 성질에 중요한 영향을 미치는 인자가 되며, 특히 분말의 형상과 입도 및 분포는 압축성형의 난이도에 직접 영향을 끼쳐 최종 제품의 품질에 큰 영향을 준다. 일반적으로 분말의 순도가 높고 가압성형된 성형체의 밀도가 충분히 높으며, 그 후 소결작업이 오염이 발생하지 않는 분위기에서 원만히 이루어진다면 소결된 최종 제품의 기계적, 물리·화학적 성질은 용융법으로 제조한 제품에 결코 뒤지지 않거나 많은 경우에 있어 훨씬 우수한 특성을 보인다. 그러나 제조공정 중에 산소가 조금만 침투하여도 기계적 성질이 50% 이상이나 하락하는 경우가 있는 것처럼 공정상에 매우 주의를 요하는 경우도 많이 있다.

이처럼 용융법으로 제조된 제품과 동등 이상의 성질을 얻기 위해선 분말의 순도 유지 및 압축성형체의 밀도가 높게 유지되는 것이 필수적인데, 이를 항시 유지하기가 쉽지 않다는 것이 단점으로 나타나고 있다. 특히 높은 압축성형밀도(green density)를 얻기 위해서는 압축력을 높여야 하며, 이는 바로 다이의 마모를 촉진시키는 결과를 가져오므로 경제적인 관점에서 어느 정도 소결 이전의 압축 밀도를 희생하는 경우도 있다.

다른 한편으로는 압축성형 시 공정상의 제약을 들 수 있다. 즉 좁은 구멍이 있는 제품이나 가늘고 긴 형상 및 가압 방향에 평행하지 않은 돌기 등이 존재하는 경우에는 균일한 밀도를 갖거나 일정 강도를 유지하는 압축성형체를 얻기가 매우 어렵다.

또한 분말야금에 쓰이는 설비에는 어느 한도가 있다. 분말은 다이스에 들어가서 압착될 때 단면의 대소, 압착제의 밀도 여하에 따라 압력은 5~100psi의 넓은 범위로 변하고, 대형품에는 대단히 강력한 프레스를 필요로 함으로써 경제적 방면에서도 스스로 한도가 생기게 된다. 다이스의 비용도 제품의 가격에 영향을 미치므로 생산 수량이 적은 것에서는 형틀 값에 들어가는 비용도 높아서 생산원가가 올라가 경제성에서 떨어진다.

2) 금속분말 제조법

분말야금은 금속분말을 주원료로 하며, 금속분말은 기계적(mechanical), 물리화학적(physical chemical) 방법으로 만들어지고 있다.

(1) 기계적(mechanical) 방법

금속괴를 직접 분쇄기에 넣어 부수는 것과 용융금속을 적하(shotling), 연마(graining), 분사법(atomization)으로 입화시키는 것이 있다. 기계적 분쇄법의 결점은 입자표면이 산화되고 분쇄기 마찰 때문에 생긴 불순물이 분말 속에 섞여지기 때문에 순도가 낮아지는 현상이 발생한다.

(2) 물리화학적(physical chemical) 방법

물리화학적 방법은 다음과 같이 전해법과 환원법으로 대별된다.

① 전해법: 전기분해법(electrolysis)이 대표적인데 전해액의 조성과 농도, 온도, 전류밀도 등의 적절한 조건을 설정하면 수많은 금속들은 스펀지 형태나 분말 형태를 얻을 수 있는데, 이것을 세척, 건조, 환원, 어닐링, 분쇄 등의 공정을 통해 금속분말을 얻는다. 대표적인 것은 동분말이며, 망가니즈크로뮴도 이 방법을 이용하여 금속분말을 제조한다.

② 환원법: 고체환원법(solid state reduction)이 대표적이다. 이 방법은 Fe분말을 만드는데 가장 광범위하게 이용되고 있는 가장 오래된 방법이다. 또한 Na, Mg 등의 알칼리 금속이 특별한 경우에 이용된다. 가스환원제는 H2, CO, 석탄가스, 천연가스가 주된 것이며, 특히 알칼리금속의 증기가 이용되는 경우도 있다.

(ㄱ) 환원법의 장점: 입도의 조절에 융통성이 있다는 것이다. 즉, 환원분말의 입도는 산화물 입자의 크기, 형상에 따라서 좌우된다. 또 환원제, 반응온도에 따라, 혹은 가스환원이라면 가스압력, 유속에 따라 넓은 범위로 변화시킬 수 있으므로 이들 조건을 적당히 선택함으로써 임의의 크기, 형상 및 겉보기 비중의 것을 얻을 수 있다.

(ㄴ) 환원법의 단점: 환원에 의해서 금속이 순화되지 않는다는 것이다. 산화물 중에 불순물이 생기면 그것이 그대로 환원분말에 남게 되기 때문이다.

4. 주요 용어 및 관련 직업군

1) 주요 용어

• 분말야금: 금속분말 생산과 형상화된 제품의 대량생산을 위한 금속분말의 과학화 기술을 말한다.

• 가압소결: 외부의 압력을 적용한 소결인 가압소결은 잔류 폐기공을 제거하여 밀도를 높이기 위해 먼저 진공에서 소결한 후 소정 압력 하에서 소결한다.

• 가열제거: 소결 전에 예비 가열하여 고분자 결합물질을 제거하는 조작을 말한다.

• 반응소결: 발열반응이 다른 분말의 혼합에 의해 일어나는 소결 조작이다. 반응의 결과 화합물(탄화물, 붕화물, 알루미나이드 등)이 생성되고, 반응열은 생성물질의 상을 만들기 위해 소결에 사용된다.

• 분말사출성형: 비활성 분말과 열가소성 바인더를 사용하여 소성 성형기로 성형하는 무기물 성형의 총칭을 말한다. 금속분말사출성형(MIM), 세라믹분말사출성형(CIM), 시멘티드탄화물분말사출성형(CCIM) 등이 있다. 사출성형 제품은 다른 분말야금 제품보다 복잡한 모양을 갖는다.

2) 관련 직업군

• 공학자(대학교수, 중등학교 교사, 연구원 등)
• 성형 관련 연구소 및 기업체
• 금형 관련 연구소 및 기업체
• 분말야금 관련 연구소 및 기업체
• 기계·자동차·조선, 전기·전자, 화공 관련 연구소 및 기업체
• 제철제강회사
• 비철금속제련회사
• 금속가공회사
• 공무원
• 공기업

[네이버 지식백과] 분말야금 [Powder Metallurgy] (학문명백과 : 공학, 형설출판사)


'CAE일반 > 용어 사전' 카테고리의 다른 글

사일로 (silo)  (0) 2018.10.26
분말야금 (Powder Metallurgy)  (0) 2018.10.25
소결 (sintering)  (0) 2018.10.25
Finite Element Method (FEM)  (0) 2018.10.12
Mesh Quality  (0) 2018.10.12
DEM(Discrete Element Method) - 1  (0) 2018.10.11
댓글
댓글쓰기 폼