분말 야금은 금속 분말로부터 소재나 부품을 만드는 광범위한 방식을 아우르는 용어입니다. 이 공정은 금속 제거 공정(metal removal processes)을 피하거나 크게 줄여 제조 공정에서 수율 손실(yield losses)을 대폭 감소시키고, 종종 비용 절감으로 이어집니다.
분말 야금은 압축된 금속 분말을 녹는점 바로 아래 온도로 가열하는 금속 성형 공정입니다. 100년 이상 역사를 가졌지만, 지난 25년간 중요 용도에 쓰이는 고품질 부품 제작에 우수한 방법으로 널리 인정받게 되었습니다.
이 성공은 단조(forging), 주조(metal casting) 등 다른 성형 기술 대비 소재 활용도, 형상 복잡도, 망 형상(net shape) 부근 형상 제어 등에서 이점을 제공하기 때문입니다. 이는 지속가능성에 기여해 분말 야금을 친환경 기술(green technology)로 인정받게 했습니다.
이 생산 기술들은 일반적으로 다음 공정 단계 모두 또는 대부분을 포함합니다:
경우에 따라 사이징(sizing), 코이닝(coining), 침투(infiltration), 열간 단조(hot forging) 등 2차 작업이 뒤따르기도 합니다.
PM 부품 생산용 거의 모든 철분말은 스펀지 철 공정(sponge iron process) 또는 물 분무법(water atomization)으로 생산됩니다. 비철 금속 분말은 다양한 공정으로 제조 가능합니다.
원소 분말 형태의 합금 첨가제 첨가나 프레스 윤활제(press lubricant) 첨가가 포함되는 경우가 많습니다.
주요 치밀화 공정은 다이(die), 펀치(punches), 필요시 맨드릴(mandrels) 또는 코어 로드(core rods)로 구성된 강성 툴 세트 프레스 피팅(press-fitting)을 포함합니다. 다만 틈새 용도에는 다른 여러 치밀화 공정도 쓰입니다.
주성분 녹는점 미만 온도에서, 보통 보호 분위기(protective atmosphere) 하에 소재를 가열하는 단계입니다.
경우에 따라 부성분이 소결 온도에서 액상을 형성하기도 하는데, 이를 액상 소결(liquid phase sintering)이라 합니다. 고상 소결과 액상 소결 메커니즘은 뒤에서 간략히 다룹니다.
소결 부품에 마무리 공정 적용. 분말 야금에서 이런 공정들을 '2차 작업'이라 부릅니다.
분말 야금은 압축된 금속 분말을 녹는점 바로 아래 온도로 가열해 수행하는 금속 성형 공정입니다.
분말 야금은 원소 분말이나 프리알로이드(pre-alloyed) 분말을 블렌딩하고, 다이에서 이 블렌드를 압축 성형한 뒤, 제어된 로 분위기에서 프레스된 부품을 소결/가열해 입자들을 결합시키는, 신뢰성 높은 망 형상(net-shaped) 부품 제조의 고도로 발전된 방법입니다.
베어링과 각종 기어 부품은 DIY 전동 공구와 가전 '백색 가전(white goods)'의 분말 야금 응용 사례. 금속-흑연 카본 브러시도 가전, 자동차, 전동 공구용 전기 모터와 발전기에 광범위하게 쓰입니다.
분말 야금 공정의 장점:
제품 제조에 흔히 쓰이는 금속 분말:
세라믹과 금속 부품 제작 기본 분말 야금(PM) 기술은 4단계: 금속/세라믹 분말 제조, 혼합/블렌딩, 프레스/치밀화, 소결/소성. 세라믹 소재 분말 제조 기계적 방법으로는 밀링(milling)이 있어 분말 입자 크기 정제.
분말 프레싱은 분말을 기하학적 형상으로 압축하는 것. 보통 상온에서 수행. '그린 컴팩트(green compact)'라 불리는 고체 부품 생성. 이 프레스된 미소결 부품 강도(그린 강도, green strength)는 치밀도에 의존하며, 바인더로 치밀도 높일 수 있음.
금속 광석을 분쇄한 뒤 보통 탄소 등 다른 물질과 혼합. 혼합 완료 후 용로를 통과시켜 분말 내 산소와 탄소 레벨을 낮추는 반응 유도. 바람직한 최종 제품을 얻으려면 비교적 고순도 광석 필요.
분말 단조 강철은 높은 강도 구현 가능 (UTS: 단조 상태 ~950 N/mm², 열처리 후 ~2050 N/mm²; 항복 응력: 단조 상태 ~650 N/mm², 열처리 후 ~1760 N/mm²), 연신율 5~18%로 더 높은 연성 보유.
분말 야금 공정에서 모든 금속이 분말 상태. 주조에서는 금속을 녹는점 이상으로 가열해 다이(금형)에 붓고 식힘. 이후 정확한 부품 위해 기계 가공.
분말 야금/적층 제조: 금속 분말과 AM으로 생산된 금속 부품 원소 분석. 시제품과 초기 샘플 제조는 단순 나사부터 비행기 복잡 부품까지 산업 제품 개발 필수 과정.
툴링과 장비 고비용. 소량 생산 시 특히 제한적. 대형/복잡 형상 부품은 PM 공정으로 제작 곤란. 단조품 대비 연성과 강도 낮음.
분말 야금의 한계:
연자성 분말 야금 등급에는 순철, 실리콘-철, 코발트-철, 최근 개발된 연자성 복합체(plain iron powder에 적합한 바인더/절연체 첨가해 경화 처리 후 철 분말 입자 분리 기반) 포함.
왜 소결을 하고 왜 중요한가? 소결은 소재에 강도와 무결성을 부여하고 기공률을 줄이며 전기 전도도, 투광성, 열전도도 향상 위해 수행.
전체 분말 야금(PM) 공정 첫 단계는 금속 분말 제조. 분말 제조 4대 주요 공정: 고상 환원(solid-state reduction), 분무법(atomization), 전기분해(electrolysis), 화학법(chemical).
분말 야금(PM)은 적합한 금형으로 분말을 요구 형상/크기로 압축해 사용하는 제품과 공정 다룸. 이 압축 분말들을 '그린 컴팩트(Green Compacts)'라 부름.
저항 돌기 용접(Resistance Projection Welding). 돌기 용접은 공정 변형이 적어 분말 금속 부품 용접에 자주 사용. 고탄소 분말 금속 부품과 표면 경화 부품 모두 용접 가능.
분말 형태로 존재하는 금속: 알루미늄 분말, 니켈 분말, 철 분말 등 다수.
분말 야금 기본 속성은 분말 형태로 그렇지 않으면 섞이지 않는(immiscible) 소재들을 결합 가능하다는 점. 이 독특한 장점으로 구리 등 금속 분말을 고체 윤활제, 산화물, 기타 화합물과 결합해 마찰 소재 생산 가능.
산업기술
드릴링(Drilling)이란? 드릴링은 드릴 비트로 고체 재료에 원형 단면 구멍을 뚫는 절삭 공정. 드릴은 보통 회전 절삭 공구(다점). 비트를 공작물에 대고 분당 수백~수천 회전. 절삭날이 공작물 눌러 칩 제거하며 구멍 가공. 암반 드릴링 시 원형 절삭 운동 아닌 해머링(짧은 타격 반복)으로 구멍 뚫음. 해머 충격은 구멍 밖(탑 해머) 또는 보어홀 내부(DTH 해머)에서 가함. 수평 드릴링용은 드리프터 드릴. 관련: 드릴링 머신이란? 드물게 특수 형상 비트로 비원형 단면(사각 등) 구멍 가공도 가능. 드릴링 공정 드릴 구멍: 진
머시닝은 광범위한 기술·기법을 아우르는 제조 용어. 동력 구동 공작기계로 공작물에서 재료 제거해 원하는 형상 만드는 공정으로 정의. 대부분 금속 부품은 제조 과정 중 어떤 형태든 머시닝 거침. 플라스틱, 고무, 종이 제품도 머시닝으로 제작. 머시닝 정의·공정·공구·기술을 상세히 알아봅니다. 머시닝(Machining)이란? 머시닝은 시제품·제조 공정으로, 큰 소재에서 불필요 재료 제거해 최종 형상 만듦. 재료 제거로 부품 제작→감산 제조(Subtractive Manufacturing), 재료 제어적 추가 방식인 적층 제조(Additi
