분말 야금 — 압축 성형·소결·초경합금·사이징·함침과 용침 | 기계공작법 11.2
기계공작법Chapter 11 기타 가공 › Section 02
11.2 분말 야금
금속 분말을 섞고 틀에 눌러 융점보다 낮은 온도에서 굳히는 분말 야금. 고융점 금속에 유리한 까닭과 분말의 종류, 다섯 단계 제조 공정을 정리.
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01분말 야금이란교재 232p
- 플라스틱 성형에 이어 금속 가루를 틀에 눌러 굳히는 가공. 분말 야금(powder metallurgy)은 금속·금속 화합물 분말을 혼합해 압축 성형(compaction)한 뒤 융점보다 낮은 온도에서 가열해 굳히는 소결(sintering)로 완성하는 가공법.
- 텅스텐(W)·몰리브덴(Mo)처럼 융점이 2,000 ℃ 이상인 금속은 용해법(주조)으로 가공이 극히 어려움. 금속을 완전히 녹이지 않으므로 고융점 금속·탄화물 제조에 유용.
- 용융 때 섞이는 불순물을 피하고 진공이나 환원성 분위기에서 소결해 산화 없이 순도 유지. 비중 차이가 큰 합금이나 가열하면 분해되는 재질도 균일하게 제품화.
- 초기 제품은 1900년대 초의 텅스텐 전구 필라멘트, 오늘날에는 기어·캠·부싱에서 절삭 공구까지 사용.
02분말 야금의 장단점교재 232p
- 장점은 높은 생산성과 대량 생산 적합성. 금형에서 찍은 형태 그대로 완성되는 경우가 많아 절삭·소성 가공을 크게 줄이며, 오일리스 베어링 같은 다공질 제품과 미세 결정립의 치밀한 조직, 고융점·복합 재료 제조에 유리.
- 단점은 강한 압력으로 찍어내므로 생기는 크기·형상의 제약과 일반 금속 덩어리보다 비싼 분말 값. 기공이 남으면 강도 저하, 취성이 남으면 후가공이 어려워 비용 상승.
- 금형 값이 비싸 규격화된 부품의 소품종 대량 생산에는 경제적이나 다품종 소량 생산에는 부적합.
03초경합금교재 233p
- 7.1-3 공구 재료에서 본 초경합금(cemented carbide)이 바로 분말 야금 제품. 탄화텅스텐(WC) 입자에 코발트(Co) 분말을 결합제(binder)로 섞어 압축·소결하며, 녹은 코발트가 WC 입자 사이로 스며들어 감싸는 액상 소결이 보통 1,350~1,500 ℃에서 진행.
- 냉각 후 인성이 뛰어난 코발트 기지(matrix)가 경도 높은 WC 입자를 붙잡아 대단히 굳고 내마모성이 우수한 조직. 절삭 공구·착암용 공구·다이스에 사용.
- 굳고 비싸므로 작은 팁(tip)을 강재 자루(shank)에 붙이는 형식이 널리 쓰이며 드릴·엔드밀에는 솔리드 초경 공구도 사용. 경납땜으로 붙이면 팁 바이트, 클램프로 물리면 클램프 바이트이며, 날이 무디어지면 돌려 새 절삭날을 쓰고 다 쓰면 버리는 팁이 스로어웨이(throw-away) 팁.
04스테인리스강·알루미늄 합금 분말교재 233p
- 소결 스테인리스강은 미세 기공으로 밀도가 낮아 용해법 제품보다 경도·내식성이 떨어지는 단점. 저탄소(0.05 %C)에 니켈 4 %·크롬 17 %·구리 4 %·나이오븀 0.4 %를 합금한 특수 분말합금으로 해결하며 손목시계·자동차 엔진·정밀 카메라 부품에 적합.
- 알루미늄 합금 분말은 Al–Li계 합금 분말이나 탄화규소(SiC) 입자를 섞은 금속기 복합 재료(MMC) 형태로 활용. 과공정 Al–Si 합금 분말은 내마모성이 뛰어나 자동차·항공기의 고강도 경량 부품에 사용.
05분말 제조·배합·성형교재 234p
- 제조 공정은 분말 제조 → 배합 → 성형 → 소결 → 후처리의 다섯 단계. 분말 제조는 녹은 금속에 고압의 물·가스를 뿜는 아토마이징(atomizing)이 가장 널리 쓰이며 환원법·전해법·기계적 분쇄법도 있음.
- 배합은 합금 성분이 많으면 모합금(mother alloy), 적으면 단일 금속 분말로 섞음. 흑연·비누·합성수지 윤활제를 0.2~1 % 넣어 금형 벽과의 마찰을 줄이고 불활성 가스나 액체 속에서 배합해 산화 방지.
- 압축 성형은 기계식·유압 프레스로 높은 압력을 가해 완성형에 가까운 형상을 만들고 입자를 밀착. 고온 가압 성형(hot pressing)은 압력과 열을 동시에 가해 작은 압력으로 짧은 시간에 밀도 높은 성형이 가능.
06소결과 후처리교재 234p
- 막 찍어낸 성형체는 입자가 기계적으로 맞물릴 뿐이어서 쉽게 부서짐. 융점보다 낮은 온도로 가열해 원자적 결합을 유도하는 소결로 조직이 치밀해지고 강도가 크게 상승하며, 점으로 닿은 자리가 자라 이어진 목이 넥(neck).
- 진공이나 보호 분위기를 갖춘 특수로에서 실시. 수소·암모니아 분해 가스 같은 환원성 분위기나 질소·아르곤 같은 불활성 분위기를 재료에 맞춰 선택.
| 재료 | 소결 온도 |
|---|---|
| 철계 부품 | 약 1,100~1,150 ℃ |
| 초경합금 | 약 1,350~1,500 ℃ |
- 후처리의 2차 가공은 치밀화·합금화와 냉각 수축으로 달라진 치수를 다시 금형에서 압축하는 사이징(sizing)·코이닝(coining). 함침(impregnating)은 체적의 약 30 %까지인 기공에 가열된 윤활유를 배어들게 해 오일리스 베어링을 제작.
- 금속 용침(infiltration)은 융점이 낮은 금속을 올려 가열해 모세관 현상으로 기공을 메움. 철계에 구리를 넣으면 경도·인장 강도 향상, 납을 넣으면 마찰 저항 감소.
함침과 용침의 구분
- 이름은 비슷하나 기공에 채우는 물질이 다름. 함침은 윤활유, 용침은 녹은 금속.
- 가루를 틀에 눌러 만드는 가공을 봄 — 다음은 틀 없이 한 층씩 쌓는 적층 가공.
이 절의 핵심 정리
- 분말 야금은 분말을 혼합해 압축 성형한 뒤 융점보다 낮은 온도에서 소결하며 고융점 금속과 탄화물의 제조에 유용하다.
- 분말 야금은 대량 생산과 다공질 제품에 알맞지만 크기와 형상에 제약이 있고 다품종 소량 생산에는 맞지 않는다.
- 초경합금은 녹은 코발트가 탄화텅스텐 입자를 감싸는 액상 소결로 만들며 작은 팁으로 강재 자루에 붙여 쓴다.
- 제조 공정은 분말 제조·배합·성형·소결·후처리의 다섯 단계이며 소결에서 점으로 닿은 자리가 넥으로 이어진다.
- 함침은 기공에 윤활유를 채우고 용침은 기공에 녹은 금속을 채운다.
강의 자료11.2 분말 야금
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1. 7.4-2 나사 가공용 공구와 보링 머신 (표지)
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