분말 야금

분말 야금(Powder metallurgy, PM)은 금속 분말을 이용해 재료나 부품을 만드는 다양한 방법을 포괄하는 용어이다. 분말 야금 공정은 때때로 제조 과정에서 절삭 공정의 필요성을 줄이거나 없애 재료 손실을 줄이고 최종 제품의 비용을 낮추는 데 사용된다. 이는 특히 작은 기계용 기어와 같은 소형 금속 부품에서 자주 발생한다. 액체나 가스가 침투할 수 있는 일부 다공성 제품은 이런 방식으로 생산된다. 또한 융점이 높거나 구리와 흑연의 혼합물처럼 서로 녹지 않는 두 재료의 합금인 경우와 같이 재료를 녹이는 것이 비실용적일 때도 사용된다.

이러한 방식으로 분말 야금은 녹이거나 다른 방식으로 성형해서는 얻을 수 없는 독특한 재료를 만드는 데 사용될 수 있다. 이 유형의 매우 중요한 제품은 탄화 텅스텐이다. 탄화 텅스텐은 다른 금속을 자르고 성형하는 데 사용되며 코발트와 결합된 탄화 텅스텐 입자로 만들어진다. 탄화 텅스텐은 텅스텐의 가장 크고 중요한 용도이며, 전 세계 공급량의 약 50%를 소비한다.Erik Lassner, Wolf-Dieter Schubert, Eberhard Lüderitz, Hans Uwe Wolf, "Tungsten, Tungsten Alloys, and Tungsten Compounds" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim. . 다른 제품으로는 소결 필터, 오일 함침 다공성 베어링, 전기 접점 및 다이아몬드 공구가 있다.

분말 야금 기술은 일반적으로 분말을 압축하고, 금속의 융점보다 낮은 온도에서 가열(소결)하여 입자들을 결합시키는 것으로 구성된다. 공정에 사용되는 분말은 금속 화합물 환원, 금속 함유 용액의 전기분해, 기계적 분쇄, 뿐만 아니라 액체 금속을 미세한 방울로 분열시키는 다양한 방법과 금속 증기 응축을 포함한 더 복잡한 방법들을 통해 생산될 수 있다. 압축은 일반적으로 다이 프레스로 이루어지지만, 폭발 충격이나 유연한 용기를 고압 가스 또는 액체에 넣는 방식으로도 가능하다. 소결은 일반적으로 전용로에서 이루어지지만, 압축과 동시에(열간 등방성 압축) 또는 전류를 사용하여 이루어질 수도 있다.

2010년대에 산업 생산 규모의 금속 분말 기반 적층 가공이 출현한 이후, 선택적 레이저 소결 및 기타 금속 적층 가공 공정은 상업적으로 중요한 분말 야금 응용 분야의 새로운 범주가 되었다.

 개요 
분말 야금 "프레스 및 소결" 공정은 일반적으로 세 가지 기본 단계로 구성된다: 분말 혼합(또는 분쇄), 금형 압축, 그리고 소결. 금형에서 분말의 압축은 일반적으로 실온에서 수행된다. 소결은 재료를 액화시키지 않고 열로 결합시키는 공정이다. 일반적으로 대기압 및 신중하게 제어된 분위기 조성 하에서 수행된다. 특수 특성이나 향상된 정밀도를 얻기 위해 코이닝 또는 열처리와 같은 2차 가공이 종종 뒤따른다.DeGarmo, p. 473

이러한 오래된 방법 중 하나는 미세한(<180마이크론) 금속 분말을 첨가제와 혼합하고, 원하는 모양의 금형에 압착한 다음, 압축된 재료를 제어된 분위기에서 함께 소결하는 과정이다. 금속 분말은 일반적으로 철이며, 첨가제에는 윤활제 왁스, 탄소, 구리 및 니켈이 포함된다. 이 방법은 일반적으로 금형 치수에 매우 가깝지만 5-15%의 공극률을 가지므로 주조강보다 낮은 특성을 가진 정밀 부품을 생산한다. 이 방법은 여전히 철 기반 합금의 구조 부품을 연간 약 1 Mt 생산하는 데 사용된다.

지난 50년 동안 개발된 몇 가지 다른 PM 공정이 있다. 여기에는 다음이 포함된다:
 분말 단조: 기존의 "프레스 및 소결" 방법으로 만들어진 "예비 성형품"을 가열한 다음 열간 단조하여 완전 밀도를 얻어, 사실상 주조와 같은 특성을 갖는다.
 열간 등압 성형 (HIP): 이 방법에서는 일반적으로 가스로 분무된 구형 분말을 금형, 일반적으로 금속 "캔"에 채운다. 캔을 진동시킨 다음 진공 압축하여 밀봉한다. 분말을 소결하기 위해 몇 시간 동안 뜨거운 "등압 프레스"에 넣어 융점의 약 0.7배까지 가열하고 ~100 MPa의 외부 가스 압력을 가한다.DeGarmo, pp. 469–470 이로 인해 주조와 같거나 더 나은 특성을 가진 완전 밀도의 성형 부품이 생성된다. HIP는 1950~60년대에 발명되어 1970~80년대에 대량 생산에 들어갔다. 2015년에는 제트 엔진용 초합금의 중요한 부품뿐만 아니라 약 25,000 t/y의 스테인리스강 및 공구강 생산에 사용되었다.
 금속 사출 성형 (MIM): 이 방법에서는 일반적으로 매우 미세하고(<25마이크론) 구형인 분말을 플라스틱 또는 왁스 바인더와 혼합하여 최대 고체 함량(일반적으로 부피의 약 65%)에 가깝게 만들고, 사출 성형하여 복잡한 형상의 "그린(바인더 포함)" 부품을 형성한다. 그런 다음 이 부품을 가열하거나 다른 방법으로 처리하여 바인더를 제거하여 "브라운(바인더 없음)" 부품을 얻는다. 이 부품은 소결되어 약 18% 수축하여 복잡하고 95-99% 밀도를 가진 완제품(표면 거칠기 ~3마이크론)을 얻는다.DeGarmo, p. 472 1970년대에 발명된 이후 생산량은 2000년 이후 증가하여 2014년 전 세계 생산량은 12,000 t, 12억 6천 5백만 유로로 추정된다.EPMA Key Figures 2015, European Powder Metallurgy Association
 전류 보조 소결 (ECAS) 기술은 전류를 사용하여 분말을 소결한다. 이는 생산 시간을 극적으로 단축시키고(15분에서 몇 마이크로초까지 걸릴 수 있음), 긴 노 가열이 필요하지 않으며, 이론적 밀도에 가까운 밀도를 허용하지만, 단순한 모양만 가능하다는 단점도 있다. ECAS에 사용되는 분말은 바인더로 미리 압착하고 압축할 필요 없이 직접 소결할 수 있으므로 바인더가 필요하지 않다. 금형은 적용된 압력 하에서 분말이 공동을 채우면서 소결되므로 최종 부품 모양에 맞게 설계된다. 이는 비등방성 소결로 인한 모양 변화 문제와 고온에서의 중력으로 인한 변형을 방지한다. 이러한 기술 중 가장 일반적인 것은 건설 산업용 다이아몬드 공구를 만드는 데 사용되어 온 열간 압착이다. 2018년 현재 열간 압착과 더 제한적으로는 스파크 플라즈마 소결만이 직접적인 산업 응용을 달성했다.
 적층 가공 (AM)은 레이저 소결 또는 용융을 통해 부품을 만드는 데 금속 분말(플라스틱과 같은 다른 재료 포함)을 사용하는 비교적 새로운 기술군이다. 이 과정은 2015년에 급속한 성장을 겪고 있었고, 2018년 현재 주로 연구, 시제품 제작 또는 항공우주 산업의 고급 응용 분야에 사용되었지만, 생의학, 국방 및 자동차 산업에서도 사용되었다. 전통적인 공정이 더 많은 시간, 어려움, 비용이 들기 때문에 항공우주 산업에서 사용되었다. 공정에는 3차원 인쇄, 선택적 레이저 소결 (SLS), 선택적 레이저 용융 (SLM), 및 전자빔 용융 (EBM)이 포함된다.

 역사와 능력 
섬네일|1973년 제4회 국제 분말 야금 회의를 기념하는 은메달의 머리 부분
분말 야금의 역사와 금속 및 세라믹 소결 기술은 서로 밀접하게 관련되어 있다. 소결은 초기 분말에서 단단한 고체 금속 또는 세라믹 조각을 생산하는 것을 포함한다. 고대 잉카인들은 귀금속 분말로 장신구와 다른 유물을 만들었지만, 분말 야금 제품의 대량 생산은 19세기 중반 또는 후반까지 시작되지 않았다. 이러한 초기 제조 작업에서 철은 환원 후 금속 스펀지에서 수작업으로 추출된 다음 최종 용융 또는 소결을 위해 분말 형태로 재도입되었다.

분말 공정을 통해 얻을 수 있는 제품의 범위는 용융된 재료를 직접 합금하는 것보다 훨씬 넓다. 용융 작업에서는 "상률"이 모든 순수 및 결합 원소에 적용되며 특정 조성에 대해 존재할 수 있는 액체 및 고체 상의 분포를 엄격하게 지시한다. 또한, 합금을 위해서는 출발 물질의 전체 용융이 필요하므로 제조에 바람직하지 않은 화학적, 열적 및 봉쇄 제약을 가한다. 불행히도 알루미늄/철 분말의 취급은 주요 문제를 야기한다. 주석과 같이 대기 산소와 특히 반응성이 높은 다른 물질은 특수 분위기에서 또는 임시 코팅으로 소결 가능하다.

분말 야금이나 세라믹에서는 그렇지 않으면 분해되거나 파괴될 부품을 제조할 수 있다. 고체-액체 상 변화에 대한 모든 고려 사항을 무시할 수 있으므로 분말 공정은 주조, 압출성형, 또는 단금 기술보다 더 유연하다. 다양한 분말 기술을 사용하여 준비된 제품의 제어 가능한 특성에는 다공성 고체, 응집체 및 금속간화합물과 같은 재료의 기계적, 자기적 및 기타 비정형적 특성이 포함된다. 제조 공정의 경쟁적 특성(예: 공구 마모, 복잡성 또는 공급업체 옵션) 또한 면밀하게 제어될 수 있다.

 특수 제품 
분말 야금 기술로는 많은 특수 제품을 만들 수 있다. 비포괄적인 목록에는 굴절률 개선을 위한 매우 얇은 산화물 층으로 코팅된 Al2O3 섬유; 고온 크리프 강도 개선을 위한 Al2O3 코팅된 철 압축체; 분말 기술로 만든 전구 필라멘트; 마찰 브레이크용 라이닝; 고강도 필름 및 리본용 금속 유리; 지구 대기권 재진입을 위한 우주선용 열 차폐; 대전류 흐름 처리용 전기 접점; 자석; 마이크로파 페라이트; 가스 필터; 베어링이 포함된다.

극도로 얇은 필름과 작은 구형체는 높은 강도를 나타낸다. 이 관찰의 한 가지 응용은 매우 부드러운 금속(예: 코발트 코팅된 텅스텐)의 서브마이크로미터 필름으로 휘스커 형태의 취성 재료를 코팅하는 것이다. 얇은 층의 표면 변형은 더 단단한 금속을 압축 상태로 놓아 전체 복합체가 소결될 때 파괴 강도가 현저히 증가한다. 이 방법으로 코팅된(코발트 25%) 및 비코팅된 탄화 텅스텐에 대해 각각 2.8 GPa 대 550 MPa의 강도가 관찰되었다.

 분말 생산 
섬네일|공기 가스 분무를 통해 생산된 구리 분말의 근접 이미지
모든 용융성 물질은 분무될 수 있다. 분말 입자의 대량 생산율을 허용하고, 종종 최종 입자 모집단의 크기 범위를 상당히 제어할 수 있는 여러 기술이 개발되었다. 분말은 파쇄, 분쇄, 화학 반응 또는 전해 증착으로 제조될 수 있다. 가장 일반적으로 사용되는 분말은 구리 기반 및 철 기반 재료이다.

원소 타이타늄, 바나듐, 토륨, 나이오븀, 탄탈럼, 칼슘, 우라늄의 분말은 해당 질화물과 탄화물의 고온 환원을 통해 생산되었다. 철, 니켈, 우라늄, 베릴륨의 서브마이크로미터 분말은 금속 옥살산염과 폼산염을 환원시켜 얻는다. 매우 미세한 입자는 용융 금속 흐름을 고온 플라스마 제트 또는 불꽃을 통해 통과시켜 재료를 분무하여 준비되기도 한다. 다양한 화학 및 불꽃 관련 분말화 공정은 부분적으로 대기 산소에 의한 입자 표면의 심각한 열화를 방지하기 위해 채택된다.

분말은 가스 또는 물 분무,DeGarmo, p. 462 원심 분무, 미립 화합물의 화학적 환원, 적절한 조건에서의 전해 증착, 단순 분쇄 및 연삭, 미립 수소화물 또는 카보닐의 열분해, 용액으로부터의 침전, 그리고 기화된 금속으로부터의 응축을 통해 얻을 수 있다.

 가스 분무 
섬네일|분무 공정 다이어그램|440x440px
분무는 용융 금속 흐름을 중간 압력으로 오리피스를 통해 강제 통과시켜 이루어진다. 노즐을 떠나기 직전에 금속 흐름에 가스가 도입되어, 포집된 가스가 (가열로 인해) 팽창하여 오리피스 외부의 큰 수집 공간으로 배출될 때 난류를 생성한다. 수집 공간은 용융 금속 제트의 추가 난류를 촉진하기 위해 가스로 채워진다. 공기와 분말 흐름은 중력 또는 사이클론 분리를 사용하여 분리된다.

단순 분무 기술은 난류 흐름을 보장하기에 충분히 빠른 속도로 액체 금속을 오리피스를 통해 강제로 통과시키는 방식으로 가능하다. 일반적으로 사용되는 성능 지수는 레이놀즈 수이다. 낮은 Re에서는 액체 제트가 진동하지만, 더 높은 속도에서는 흐름이 난류가 되어 액적(droplets)으로 분열된다. 펌핑 에너지는 매우 낮은 효율(1% 정도)로 액적 형성에 적용되며, 생성되는 금속 입자의 크기 분포에 대한 제어는 다소 미흡하다. 노즐 진동, 노즐 비대칭, 다중 충돌 흐름 또는 주변 가스로의 용융 금속 주입과 같은 다른 기술들은 분무 효율을 높이고, 더 미세한 입자를 생산하며, 입자 크기 분포를 좁히는 데 모두 사용될 수 있다. 불행히도 직경이 몇 밀리미터보다 작은 오리피스를 통해 금속을 배출하기는 어려운데, 이는 실제적으로 분말 입자의 최소 크기를 약 10 um로 제한한다. 분무는 또한 넓은 범위의 입자 크기를 생성하므로, 선별을 통한 후속 분류 및 상당 부분의 입계 재용융이 필요하다.

 원심 분무 기술 
섬네일|원심 분무의 개략도
용융 입자의 원심 분해는 이러한 문제를 해결하는 한 가지 방법을 제공한다. 철, 강철 및 알루미늄에 대한 광범위한 경험이 있다. 분말화할 금속은 빠르게 회전하는 스핀들을 통해 챔버에 도입되는 막대 형태로 형성된다. 스핀들 팁 반대편에는 아크가 형성되어 금속 막대를 가열하는 전극이 있다. 팁 재료가 융합됨에 따라 빠른 막대 회전은 미세한 용융 방울을 튕겨내고, 이 방울은 챔버 벽에 부딪히기 전에 응고된다. 순환하는 가스가 챔버에서 입자를 쓸어낸다. 유사한 기술이 우주나 달에서 사용될 수 있다. 챔버 벽은 새로운 분말을 원격 수집 용기로 강제로 밀어넣기 위해 회전할 수 있으며, 전극은 막대 끝에 초점을 맞춘 태양 거울로 대체될 수 있다.

매우 좁은 입자 크기 분포를 생성할 수 있지만 처리량이 낮은 또 다른 접근 방식은 분말화될 재료의 융점보다 훨씬 높게 가열된 고속 회전 볼을 사용하는 것이다. 유동률이 얇은 금속 필름이 벽을 따라 고르게 스키밍하여 가장자리를 넘어갈 수 있도록 조절된 액체 금속은 중심 근처의 분지 표면에 도입되어 액적으로 분열되며, 각 액적은 필름 두께와 거의 같다.

 물 분무 
섬네일|물 분무의 개략도
또 다른 분말 생산 기술은 고속 분무된 물줄기가 액체 금속의 얇은 제트를 교차하여 제트를 물방울로 분해하고 분말이 통 바닥에 도달하기 전에 냉각시키는 것을 포함한다. 이후 작업에서 분말은 건조된다. 이것을 물 분무라고 한다. 물 분무는 가스 분무보다 금속 입자를 더 빠르게 냉각하고 응고시킨다. 응고 속도는 입자 크기에 반비례하므로 물 분무를 사용하여 더 작은 입자를 만들 수 있다. 입자가 작을수록 미세 구조가 더 균질해진다. 이 방식으로 생산된 입자는 또한 더 불규칙한 모양을 가지며 입자 크기 분포가 더 넓어질 것이다. 또한 산화막 형성으로 인해 약간의 표면 오염이 발생할 수 있다. 분말은 세라믹 도구 제조에 사용되는 어닐링과 같은 일종의 사전 압밀 처리로 환원될 수 있다.

 분말 압축 
섬네일|입자 압축 단계 다이어그램
분말 압축은 분말 야금 공정에서 가장 중요한 단계 중 하나로, 높은 압력을 가하여 금속 분말을 압축하는 과정이다.DeGarmo, p. 464 대부분의 분말 압축은 기계식 프레스와 강성 도구로 이루어지지만, 유압 및 공압 기술도 사용될 수 있으며, 열간 등방성 압축과 같이 압축과 소결을 결합한 방법도 사용될 수 있다. 롤링, 단조, 압출, 스웨이징을 포함한 전통적인 금속 성형 공정도 사용된다.

압축 분말의 밀도는 가해지는 압력의 양에 따라 증가한다. 일반적인 압력은 80에서 1000 psi (0.55에서 6.9 MPa) 범위이며, 1000에서 1000000 psi (6.9에서 6900 MPa)의 압력이 얻어졌다. 10 t/in2에서 50 t/in2 (150 MPa에서 700 MPa)의 압력은 금속 분말 압축에 일반적으로 사용된다. 하나 이상의 레벨이나 높이를 가진 부품 전체에 걸쳐 동일한 압축비를 얻으려면 여러 개의 하부 펀치로 작업해야 한다. 원통형 공작물은 단일 레벨 툴링으로 만들어진다. 더 복잡한 모양은 일반적인 다중 레벨 툴링으로 만들 수 있다.

 금형 압착 
섬네일|분말 압축 프레스
분말 재료로부터 제품을 성형하는 데 있어, 톤량과 생산되는 부품 수 면에서 지배적인 기술은 금형 압착이다. 시장에는 기계식, 서보 전기식 및 유압식 프레스가 있으며, 가장 많은 분말 처리량은 유압식 프레스에서 처리된다. 이 성형 기술은 아래와 같은 생산 주기를 포함하며, 이는 쉽게 자동화되고 높은 생산율을 제공한다:

 채우기 슈에서 공급되는 알려진 부피의 분말 원료로 금형 캐비티를 채운다.
 금형 내에서 펀치로 분말을 압축하여 압축체를 형성한다. 일반적으로 압축체 내의 밀도 기울기 수준을 줄이기 위해 도구 세트의 양쪽 끝에서 펀치를 통해 압축 압력이 가해진다.
 하부 펀치(들)가 금형에서 빠져나오면서 압축체를 금형에서 배출한다.
 다음 사이클의 채우기 단계에서 채우기 슈를 사용하거나 자동화 시스템 또는 로봇을 사용하여 금형의 상단 표면에서 압축체를 제거한다.

일반적으로 공구는 수직 방향으로 유지되며 펀치 공구가 공동의 바닥을 형성한다. 아마도 가장 기본적인 고려 사항은 눌러진 후에 부품을 금형에서 제거할 수 있어야 한다는 것과 설계에서 날카로운 모서리를 피해야 한다는 것이다. 최대 표면적을 20 sqin (0.013 m²) 미만으로 유지하고 높이-직경 비율을 7대1 미만으로 유지하는 것이 권장된다. 또한 벽 두께를 0.08 in (2.0 mm)보다 두껍게 유지하고 인접한 벽 두께 비율을 2.5대1 미만으로 유지해야 한다.

이 공정의 주요 장점 중 하나는 복잡한 형상을 생산할 수 있다는 점이다. 언더컷과 나사산이 있는 부품은 2차 가공 작업이 필요하다. 일반적인 부품 크기는 면적이 0.1 sqin (0.65 cm2)에서 20 sqin (130 cm2) 범위이며, 길이는 0.1 in (0.25 cm)에서 4 in (10 cm) 범위이다. 그러나 면적이 0.1 sqin (0.65 cm2) 미만이거나 25 sqin (160 cm2)보다 크고, 길이가 1인치 (2.54 cm)의 일부에서 약 8 in (20 cm)인 부품도 생산할 수 있다. 소형 기계 프레스는 일반적으로 분당 약 100개의 부품을 압축할 수 있다.

금형 압축에는 네 가지 주요 공구 스타일이 있다: 얇고 평평한 부품에 사용되는 단일 작용 압축; 더 두꺼운 부품에 적합한 두 개의 펀치 동작을 가진 대향 이중 작용; 부유 금형을 가진 이중 작용; 이중 작용 인출 금형. 이중 작용 클래스는 단일 작용보다 훨씬 더 나은 밀도 분포를 제공한다. 공구는 변형되거나 휘어지지 않고 극심한 압력을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. 공구는 광택 처리되고 내마모성 재료로 만들어져야 한다.

 충격 압밀 
충격 압밀 또는 동적 압밀은 고압 충격파를 사용하여 분말을 압밀하는 실험적 기술이다. 이 기술은 3000톤 이상이고 100제곱인치보다 큰 제품을 포함한 매우 큰 제품에 유용하다. 이들은 일반적으로 폭발적으로 가속된 판으로 공작물에 충격을 가하여 생산된다. 오랫동안 연구되었음에도 불구하고 이 기술은 여전히 제어 가능성과 균일성에 일부 문제가 있다. 그러나 몇 가지 유용한 잠재적 장점을 제공한다. 예를 들어, 압밀은 매우 빠르게 발생하여 준안정 미세 구조가 유지될 수 있다.

 냉간 등압 성형 
등압 분말 압착은 분말 압축의 다른 방법이다. 냉간 등압 압축에서는 미세한 금속 입자를 유연한 금형에 넣은 다음, 모든 방향에서 고압 가스 또는 액체에 담근다(등압). 소결 후, 이 제조 공정은 스크랩 금속을 거의 생산하지 않으며 다양한 모양을 만드는 데 사용될 수 있다. 이 공정이 소결과 결합하여 달성할 수 있는 공차는 축 방향 치수에 대해 +/- 0.008 인치 (0.2 mm) 및 반경 방향 치수에 대해 +/- 0.020 인치 (0.5 mm) 범위로 매우 정밀하다. 이것은 가장 효율적인 유형의 분말 압축이다 (다음 하위 범주도 이 참조에서 가져왔다).Todd, Robert H., Allen, Dell K., Alting, Leo1994 Manufacturing Processes Reference Guide, Industrial Press Inc., New York,  이 작업은 일반적으로 소량 생산에만 적용 가능하며, 금형 비용은 프레스 금형보다 훨씬 저렴하지만 일반적으로 재사용할 수 없고 생산 시간이 훨씬 길다.PICKPM.COM: A Powder Metallurgy Information Resource  생산 속도는 일반적으로 매우 낮지만 최대 100 파운드의 부품을 효과적으로 압축할 수 있다. 모든 방향에서 압력이 가해지므로 최종 제품에서 더 높은 밀도의 분말을 생산하는 데 더 낮은 압축 압력이 필요하다.

압축 압력은 대부분의 금속의 경우 15000에서 40000 psi 범위이며 비금속의 경우 약 2000에서 10000 psi 범위이다. 등압 압축 부품의 밀도는 다른 분말 야금 공정보다 5%에서 10% 더 높다. 일반적인 공작물 크기는 두께 0.25 인치에서 0.75 인치, 길이 0.5 인치에서 10 인치 범위이다. 두께 0.0625 인치에서 5 인치, 길이 0.0625 인치에서 40 인치 사이의 공작물을 압축할 수 있다.

표준 분말 압축에 비해 장점은 더 얇은 벽과 더 큰 공작물이 가능하다는 것이다. 높이-지름 비율에는 제한이 없다. 벽 두께 변화, 언더컷, 릴리프, 나사산 및 교차 구멍에는 특별한 제한이 없다. 등압 분말 압축에는 윤활제가 필요하지 않다. 최소 벽 두께는 0.05 인치 (1.27 mm)이며 제품 무게는 40에서 300 파운드 (18에서 136 kg) 사이일 수 있다. 압축 후 분말의 25%에서 45%가 수축한다.

등압 공구는 세 가지 스타일로 제공된다: 자유 금형 (습식 백), 조립 금형 (습식 백), 고정 금형 (건식 백). 자유 금형 스타일은 전통적인 등압 압축 스타일이며 일반적으로 대량 생산 작업에는 사용되지 않는다. 자유 금형 공구에서는 금형이 제거되고 캐니스터 외부에서 채워진다. 습식 백은 금형이 캐니스터에 있지만 외부에서 채워지는 방식이다. 고정 금형 공구에서는 금형이 캐니스터 내에 포함되어 있어 공정 자동화를 용이하게 한다.

 소결 

섬네일|두 개의 입자가 함께 소결되는 모습
섬네일|소결 공구의 단면과 소결된 부품
압축 후, 분말 재료는 소결이라고 알려진 공정에서 제어된 분위기에서 가열된다. 이 과정에서 입자의 표면이 결합되고 원하는 특성이 얻어진다.

분말 금속의 소결은 압력을 받는 입자들이 고온에 노출될 때 서로 화학적으로 결합하여 응집된 형태를 이루는 과정이다. 입자가 소결되는 온도는 일반적으로 분말의 주요 구성 요소의 융점보다 낮다. 분말 금속 부품의 구성 요소 중 하나의 융점보다 온도가 높으면 녹은 입자의 액체가 기공을 채운다. 이러한 유형의 소결을 액상 소결이라고 한다. 소결의 주요 과제 중 하나는 이 공정이 압축 입자의 치수에 미치는 영향을 아는 것이다. 이는 특정 치수가 필요할 수 있는 툴링 목적에 특히 어렵다. 소결된 부품이 수축하여 밀도가 높아지는 것이 가장 일반적이지만, 팽창하거나 순 변화가 없을 수도 있다.

고체 상태 소결의 주요 원동력은 과도한 표면 에너지이다. 고체 상태 소결 공정은 복잡하며 재료와 용광로(온도 및 가스) 조건에 따라 달라진다. 소결 공정은 서로 겹칠 수 있는 여섯 가지 주요 단계로 그룹화될 수 있다: 1) 입자 간 초기 결합, 2) 넥 성장, 3) 기공 채널 폐쇄, 4) 기공 둥글리기, 5) 밀집 또는 기공 수축, 6) 기공 조대화. 이 단계에서 나타나는 주요 메커니즘은 증발, 응축, 결정립계, 부피 확산, 소성 변형이다.

이 과정에서 재료의 강도, 연성, 인성, 전기 및 열 전도도를 포함한 여러 특성이 증가한다. 다른 원소 분말을 압축하고 소결하면 재료는 합금 및 금속간상(intermetallic phases)을 형성한다. 기공 크기가 감소함에 따라 재료의 밀도가 증가한다. 위에서 언급했듯이, 이러한 수축은 특정 치수가 필요한 부품 또는 툴링을 만드는 데 큰 문제이다. 테스트 재료의 수축을 모니터링하고 이를 사용하여 용광로 조건을 조작하거나 원하는 치수를 얻기 위해 압축 재료를 과대하게 만드는 데 사용된다. 그러나 소결은 압축 부품의 공극률을 고갈시키지 않는다. 일반적으로 분말 금속 부품은 소결 후 5%에서 25%의 공극률을 포함한다.

 일반적인 소결로 
섬네일|제어 가능한 온도 프로그램이 있는 프로그래밍 가능한 소결로, 세라믹 소결에 사용
대부분의 소결로는 위의 여섯 단계를 수행하는 데 도움이 되는 세 가지 다른 속성을 가진 세 가지 구역을 포함한다. 첫 번째 구역은 일반적으로 연소 또는 퍼지 단계라고 불리며, 공기를 연소시키고 윤활제나 바인더와 같은 오염 물질을 태우며 압축 재료의 온도를 서서히 높이도록 설계되었다. 압축 부품의 온도가 너무 빨리 올라가면 기공 내 공기의 내부 압력이 매우 높아져 부품의 팽창이나 파손으로 이어질 수 있다. 두 번째 구역인 고온 단계는 고체 확산과 입자 결합을 생성하는 데 사용된다. 재료는 표면 에너지를 낮추려고 노력하며, 입자 간 접촉 지점으로 이동하여 그렇게 한다. 접촉 지점은 커지고 결국 작은 기공이 있는 고체 덩어리가 생성된다. 세 번째 구역은 냉각 기간이라고도 불리며, 제어된 분위기에서 부품을 냉각시키는 데 사용된다. 이는 공기와의 즉각적인 접촉으로 인한 산화 또는 급속 냉각 현상을 방지하므로 중요한 구역이다. 세 단계 모두 산소가 없는 제어된 분위기에서 수행되어야 한다. 수소, 질소, 해리 암모니아 및 분해된 탄화수소는 용광로 구역에 주입되어 환원 분위기를 제공하고 산화물 형성을 방지하는 일반적인 가스이다.

 열간 등압 성형 

섬네일|열간 등압 성형 후 니켈 합금의 미세 구조
열간 등압 성형 (HIP)은 철의 경우 약 2300 °F (1250 °C), 니켈 합금의 경우 2750 °F (1500 °C)의 열을 가하여 부품을 동시에 압축하고 소결한다. 이 절차는 폭발 구동 압축 기술과 함께 제트 엔진용 터빈 디스크와 같은 고온 및 고강도 부품 생산에 광범위하게 사용된다. 분말 야금의 대부분의 응용 분야에서 압축체는 열간 압착되며, 재료가 가공 경화 상태로 유지될 수 없는 온도 이상으로 가열된다. 열간 압착은 공극률을 줄이는 데 필요한 압력을 낮추고 용접 및 결정립 변형 과정을 가속화한다. 또한 제품의 치수 제어를 개선하고 초기 재료의 물리적 특성에 대한 민감도를 줄이며, 냉간 압착보다 높은 밀도로 분말을 압축할 수 있어 더 높은 강도를 얻을 수 있다. 열간 압착의 부정적인 측면으로는 금형 수명 단축, 분말 가열로 인한 처리량 감소, 성형 및 냉각 단계에서 보호 분위기 또는 단순 진공의 빈번한 필요성 등이 있다.

HIP는 다른 공정보다 종종 더 높은 품질의 제품을 생산한다. 그러나 HIP는 비싸고, 온도와 압력을 견딜 수 있는 유연한 절연 매체에 분말을 넣는 것(캔닝)과 그 매체에서 분말을 제거하는 것(디캔닝)의 높은 비용과 6~8시간에 이르는 긴 시간 때문에 대량 생산에는 일반적으로 매력적이지 않다.

 전류 보조 소결 
섬네일|스파크나 플라스마가 필요 없는 전류 보조 소결의 일종인 스파크 플라스마 소결
이러한 기술은 전류를 사용하여 소결을 구동하거나 향상시킨다. 기계적 압력과 분말 또는 용기를 통과하는 전류의 조합은 기존 솔루션에 비해 소결 시간을 크게 단축시킨다. 이러한 기술에는 많은 분류가 있지만, 저전압 및 전류를 적용하고 약 10초에서 10분 정도 걸리는 저항 소결 기술과, 더 높은 전류 및 전압을 얻기 위해 커패시터 뱅크를 사용하고 수십 마이크로초에서 수십 밀리초가 걸리는 방전 소결의 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있다. 저항 소결 기술에는 스파크 플라스마 소결 (SPS), 플라스마 활성화 소결 (PAS), 펄스 전기 전류 소결 (PECS)이 포함된다. 방전 소결 기술에는 커패시터 방전 소결이 포함된다. 현재 스파크 플라스마 소결은 일반적으로 가장 널리 사용되는 전기 펄스 압밀 방법이다.

저항 소결 전류는 일반적으로 제곱 센티미터당 약 1 kA에 도달하는 반면, 수 킬로볼트까지의 방전 소결 전압은 제곱 센티미터당 10 kA 이상의 매우 높은 전류도 필요하다. 저항 소결 기술은 온도 기반 압밀 방법으로, 금형과 분말의 가열이 전류를 통해 이루어지며, 일반적으로 15분에서 30분 사이의 특징적인 처리 시간을 갖는다. 반면에 방전 소결 방법은 고밀도 전류(0.1에서 1 kA/mm^2)에 의존하여 전기 전도성 분말을 직접 소결하며, 수십 마이크로초에서 수백 밀리초 사이의 특징적인 시간을 갖는다.

 연속 분말 가공 
엄밀히 말하면 "연속 공정"이라는 용어는 시간상 무기한 연장될 수 있는 제조 방식을 설명하는 데만 사용해야 한다. 그러나 일반적으로 이 용어는 두 가지 다른 물리적 차원보다 한 가지 물리적 차원에서 훨씬 더 긴 제품을 생산하는 공정을 의미한다. 압축, 롤링 및 압출이 가장 일반적인 예이다.

 압축 
섬네일|파티클 보드 기계의 고온 프레스에 사용되는 유압 실린더 또는 유압 램
단순 압축 공정에서는 분말이 통에서 두 개의 벽으로 된 채널로 흘러 들어가고 수평으로 고정된 펀치에 의해 수직으로 반복 압축된다. 컨베이어에서 압축체를 벗겨낸 후, 압축된 덩어리는 소결로에 도입된다. 더 쉬운 접근 방식은 움직이는 벨트에 분말을 뿌리고 압축 없이 소결하는 것이다. 그러나 차가운 압축 재료를 움직이는 벨트에서 벗겨내는 좋은 방법은 찾기 어렵다. 벨트 벗겨내기 어려움을 완전히 피하는 한 가지 대안은 서로 반대되는 유압 램을 사용하여 금속 시트를 제조하는 것이지만, 연속적인 프레스 작업 중에 시트 전체에 약한 선이 발생할 수 있다.

 롤링 
섬네일|금속 롤링 다이어그램
분말도 롤링하여 시트를 생산할 수 있다. 분말 금속은 2단 롤링 밀에 공급되며 최대 100 ft/min (0.51 m/s)의 속도로 스트립 형태로 압축된다. 스트립은 소결되고 다시 롤링 및 추가 소결 과정을 거친다. 롤링은 전기 및 전자 부품용 판금뿐만 아니라 주화를 생산하는 데 일반적으로 사용된다. 또한 여러 층의 다른 재료를 동시에 시트로 롤링하는 작업도 상당 부분 이루어졌다.

 압출 
압출 공정은 두 가지 일반적인 유형으로 나뉜다. 한 유형은 실온에서 분말을 바인더 또는 가소제와 혼합하는 것이고, 다른 유형은 강화 없이 고온에서 분말을 압출하는 것이다. 바인더를 사용한 압출은 탄화 텅스텐 복합 재료 준비에 광범위하게 사용된다. 튜브, 복잡한 단면 및 나선형 드릴 형태는 0.5 – 300 mm 범위의 연장된 길이와 직경으로 제조된다. 0.1 mm 직경의 경질 금속 와이어는 분말 재료에서 인발되었다. 반대 극단적으로는 톤 단위의 대규모 압출이 가능할 수 있다.

알루미늄 및 구리 합금과 같이 더 부드럽고 성형하기 쉬운 금속의 경우, 컨펌(Conform) 또는 연속 로터리 압출과 같은 공정을 사용하여 연속 압출도 수행할 수 있다. 이 공정은 원주 주위에 홈이 있는 회전 휠을 사용하여 느슨한 분말을 성형 금형을 통해 밀어낸다. 고압과 복잡한 변형 경로의 조합을 통해 분말 입자는 변형되고 많은 마찰열을 발생시키며 결합하여 벌크 고체를 형성한다. 이론적으로 분말이 공정으로 공급될 수 있는 한 완전히 연속적인 작동이 가능하다.DeGarmo, p. 406

관련된 온도와 압력이 금형 재료의 역량 내에 있다면 압출될 수 있는 금속 및 합금의 종류에는 제한이 없는 것으로 보인다. 압출 길이는 3에서 30 mDeGarmo, p. 407에 이르고 직경은 0.2에서 1 m이다. 현대 프레스는 대부분 자동이며 고속(미터/초 단위)으로 작동한다.

 위험 

분말 야금에 사용되는 특수 재료 및 공정은 생명과 재산에 위험을 초래할 수 있다. 분말의 높은 표면적-부피 비율은 생물학적 노출(예: 흡입 또는 섭취) 시 화학 반응성을 증가시키고 분진폭발의 위험을 높인다. 벌크 상태에서는 비교적 양성으로 간주되는 물질도 미세하게 분할된 형태에서는 특별한 독성 위험을 초래할 수 있다. 중금속 흡입은 많은 건강 문제를 일으킬 수 있다. 납과 카드 뮴은 일반적으로 유독하며, 코발트는 민감한 사람에게 천식과 섬유화를 유발할 수 있다.

 같이 보기 
 전기 소결 단조
 글로벌 분말 야금 특성 데이터베이스
 기계식 분말 프레스
 선택적 레이저 용융
 선택적 레이저 소결
 소결
 스파크 플라스마 소결
 스프레이 성형

 내용주 

 각주 

 인용 자료 

 추가 자료 
 이 문서의 이전 버전은 퍼블릭 도메인에 있는 Advanced Automation for Space Missions NASA 보고서의 Appendix 4C에서 복사되었다.
 R. M. German, "Powder Metallurgy and Particulate Materials Processing," Metal Powder Industries Federation, Princeton, New Jersey, 2005.
 F. Thummler and R.Oberacker "An Introduction to Powder Metallurgy" The Institute of Materials, London 1993
 G. S. Upadhyaya, "Sintered Metallic and Ceramic Materials" John Wiley and Sons, West Sussex, England, 2000

 외부 링크 
 벨기에 루뱅 가톨릭 대학교에서 개발된 고속 제조 기술
 에임스 연구소의 금속 분무 슬로우 모션 비디오 이미지
 APMI International "분말 야금 분야의 글로벌 전문 사회", 비영리 단체

분류:금속가공
분류:가루