분말 야금은 금속 분말로부터 소재나 부품을 제조하는 광범위한 방식을 아우르는 용어입니다. 이 공정은 금속 절삭 공정을 피하거나 크게 줄여 제조 과정에서 수율 손실을 대폭 감소시키고, 종종 비용 절감으로 이어집니다.
분말 야금은 압축된 금속 분말을 융점 바로 아래 온도로 가열하는 금속 성형 공정입니다. 100년 이상 전부터 존재해 왔으나, 지난 25년간 다양한 중요 애플리케이션용 고품질 부품 제작에 우수한 방법으로 널리 인정받게 되었습니다.
이 성공은 단조(Forging)와 주조(Metal Casting) 같은 다른 성형 기술 대비 공정이 제공하는 이점 덕분입니다. 소재 활용도, 형상 복잡도, 망 형상(Net Shape) 근방의 형상 제어 측면에서 우위를 가집니다. 이는 지속가능성에 기여하며 분말 야금을 공인된 그린 기술(Green Technology)로 만듭니다.
이 생산 기술은 일반적으로 다음 공정 단계 전부 또는 대부분을 포함합니다:
경우에 따라 사이징(Sizing), 코이닝(Coining), 침투(Infiltration), 열간 단조(Hot Forging) 등 2차 작업(Secondary Operations)이 추가되기도 합니다.
PM 부품 생산용 철분말 거의 전부는 스펀지 철 공정(Sponge Iron Process) 또는 물 분무화(Water Atomization)로 생산됩니다. 비철 금속 분말은 여러 공정으로 제조 가능합니다.
원소 분말 형태의 합금 첨가제 첨가나 프레스 윤활제(Press Lubricant) 첨가가 포함되는 경우가 많습니다.
주요 치밀화 공정은 다이(Die), 펀치(Punch), 필요시 맨드릴(Mandrel) 또는 코어 로드(Core Rod)로 구성된 강성 툴 세트 프레스 피팅(Press-fitting)을 포함합니다. 다만 틈새 애플리케이션용으로 여러 다른 치밀화 공정도 사용됩니다.
이 단계에서는 주성분의 융점 미만 온도에서, 보통 보호 분위기(Protective Atmosphere) 하에 소재를 가열합니다.
일부 경우 부성분이 소결 온도에서 액상을 형성할 수 있는데, 이를 액상 소결(Liquid Phase Sintering)이라 합니다. 고상 소결과 액상 소결 메커니즘은 별도 섹션에서 간략히 다룹니다.
소결 부품에 마감 공정 적용. 분말 야금에서 이런 공정을 '2차 작업'이라 부릅니다.
압축된 금속 분말을 융점 바로 아래 온도로 가열하는 금속 성형 공정입니다.
원소 분말 또는 프리알로이드(Pre-alloyed) 분말을 블렌딩하고, 다이에 압축 성형한 뒤, 제어된 분위기 노에서 가압 부품을 소결/가열해 입자들을 결합시키는 고도로 진화한 넷-셰이프 부품 제조법입니다.
베어링과 각종 기어 부품이 DIY 전동 공구와 가정용 '백색 가전(White Goods)'에서의 분말 야금 응용 예. 금속-흑연 카본 브러시도 가정용 가전, 자동차, 전동 공구용 전기 모터와 발전기에 광범위하게 사용.
최종 치수에 가깝게 부품 생산해 기계 가공 최소화. 원자재 97% 이상 사용으로 스크랩 손실 최소화. 다양한 합금 시스템 허용. 양호한 표면 조도.
제품 제조에 흔히 쓰이는 금속 분말:
세라믹과 금속 부품 제작을 위한 기본 분말 야금(PM) 기술은 4단계: 금속/세라믹 분말 제조, 혼합/블렌딩, 프레싱/치밀화, 소결/소성. 세라믹 재료 분말 제조 기계적 방법으로는 밀링(Milling)이 있으며 분말 크기를 정제함.
분말을 기하학적 형상으로 압축하는 것. 보통 상온에서 수행. '그린 컴팩트(Green Compact)'라 불리는 고체 부품 생성. 이 프레스된 미소결 부품의 강도(그린 강도/Green Strength)는 치밀도에 의존하며, 바인더로 치밀도 향상 가능.
금속 광석을 분쇄한 뒤 다른 물질(보통 탄소)과 혼합. 혼합 완료 후 노(爐)를 통과시켜 분말 내 산소와 탄소 농도를 낮추는 반응 유도. 바람직한 최종 제품을 위해 비교적 고순도 광석 필요.
분말 단조 강철은 고강도 구현 가능(단조 상태 UTS 약 950 N/mm², 열처리 후 2050 N/mm²; 인장 항복 응력 단조 상태 약 650 N/mm², 열처리 후 1760 N/mm²)하며 연성도 우수(신율 5-18%).
분말 야금 공정에서는 모든 금속이 분말 형태. 주조에서는 금속을 융점 이상으로 가열해 다이(Die)에 붓고 냉각. 이후 정확한 부품 위해 기계 가공 수행.
분말 야금/적층 제조는 금속 분말과 AM으로 제작된 금속 부품의 원소 분석 대상. 시제품과 초기 샘플 제조는 단순 나사부터 비행기 복잡 부품까지 모든 산업 제품 개발의 필수 요소.
툴링과 장비 비용이 높음. 소량 생산 시 특히 제한적. 대형 또는 복잡 형상 부품은 PM 공정으로 제작 곤란. 단조품 대비 연성과 강도 낮음.
연자성 분말 야금 등급에는 순철, 규소-철, 코발트-철, 최근 개발된 연자성 복합체(Soft Magnetic Composites)가 포함. 이들은 적절한 바인더/절연체 첨가로 경화 처리 후 철분말 입자를 분리하는 순철 분말 기반.
소결은 소재에 강도와 치밀도를 부여하고 기공률을 줄이며 전기전도도, 투광성, 열전도도를 향상시키기 위해 수행합니다.
전체 분말 야금(PM) 공정 첫 단계는 금속 분말 제조. 분말 생산에 쓰이는 4대 주요 공정: 고상 환원(Solid-state Reduction), 분무화(Atomization), 전기분해(Electrolysis), 화학적 방법(Chemical).
분말 야금(PM)은 분말 형태 원자재를 적합한 금형으로 소요 형상/크기로 압축한 제품과 공정 다룸. 이 압축 분말을 '그린 컴팩트'라 부름.
저항 돌기 용접(Resistance Projection Welding). 공정으로 인한 변형이 적어 분말 금속 부품 용접에 돌기 용접 자주 사용. 고탄소 분말 금속 부품과 침탄 경화 부품 모두 용접 가능.
분말 형태로 존재하는 금속: 알루미늄 분말, 니켈 분말, 철 분말 등 다수.
분말 야금의 기본 속성은 분말 형태로 그렇지 않으면 비혼화성(Immiscible)인 소재들을 결합할 수 있다는 점. 이 독특한 이점으로 구리 등 금속 분말을 고체 윤활제, 산화물, 기타 화합물과 결합한 마찰 소재 생산 가능.
제조공정
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
