구형 분말 및 분말 야금 공정에 대해 알아야 할 사항

분말 야금(PM)은 분말 재료로 금속 부품을 효율적이고 정밀하게 생산할 수 있는 혁신적인 기술입니다. 업계에서 더 큰 설계의 자유, 더 높은 성능, 재료 낭비 감소를 요구함에 따라 분말 야금은 첨단 제조의 핵심 원동력이 되었습니다.

아래에서는 분말 야금의 정의와 작동 방식, 그리고 소결, 열간 등방성 프레스(HIP) 및 금속 사출 성형(MIM)에서 일관된 고품질 결과를 얻기 위해 구형 분말이 필수적인 이유를 자세히 설명합니다.

분말 야금의 기본 이해

--분말 야금이란 무엇인가요?

분말 야금은 금속을 녹이거나 주조하지 않고 미세한 금속 분말로 금속 부품을 생산하는 공정입니다. 분말을 원하는 모양으로 압축한 다음 가열(소결)하여 입자를 고체 부품으로 결합하는 과정이 포함됩니다.

PM은 복잡한 형상, 엄격한 공차, 최소한의 가공으로 부품을 제조하는 데 널리 사용됩니다. 일반적으로 항공우주, 자동차, 전자, 의료 기기 등에 적용됩니다.

-분말 야금 공정의 4단계

일반적인 분말 야금 공정은 네 가지 핵심 단계로 구성됩니다:

1. 분말 생산: 금속 분말은 가스 분무, 기계적 밀링 또는 화학적 환원과 같은 방법을 통해 생산됩니다. 원자화를 통해 생성되는 구형 분말은 우수한 흐름 및 포장 특성으로 인해 선호도가 높습니다.

2. 블렌딩 및 혼합: 분말은 균일성을 보장하고 프레스 동작을 개선하기 위해 윤활제 또는 합금 원소와 혼합됩니다.

3. 압축: 혼합된 분말을 금형에서 압축하여 "녹색" 부품을 형성합니다. 이 단계에서는 유동성과 패킹 밀도가 우수한 파우더가 필요합니다.

4. 소결: 압축된 부품을 녹는점 바로 아래에서 가열하여 입자가 결합하고 밀도가 높아져 강하고 견고한 구조로 만듭니다.

일부 부품은 열간 등방성 프레스(HIP) 또는 금속 사출 성형(MIM)의 디바인딩 및 소결 등의 추가 공정을 거칠 수 있습니다.

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분말 야금에서 구형 분말을 사용하는 이유는 무엇인가요?

분말 입자의 모양은 PM 공정의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 구형 분말은 몇 가지 주요 이유로 선호됩니다:

-우수한 유동성

구형 분말은 입자 간 마찰이 적고 호퍼, 공급 원료 및 다이를 통해 더 잘 흐릅니다. Powder Technology (Zhao et al., 2017)에 발표된 연구에 따르면 가스 원자화된 구형 316L 스테인리스강 분말은 비슷한 크기의 물 원자화된 불규칙한 분말보다 홀 유량이 40~60% 더 높은 것으로 나타났습니다. 이는 곧 더 매끄러운 다이 충전과 더 균일한 녹색 부품으로 이어집니다.

--높은 패킹 밀도

촘촘하게 포장된 입자는 공극을 줄이고 그린 바디 무결성을 높입니다. ASTM B527 탭 밀도 테스트에 따르면 구형 Ti-6Al-4V 분말은 이론 밀도의 60~65%를 정기적으로 달성하는 반면 불규칙한 분말의 경우 45~50%에 그칩니다. 또한 높은 패킹 밀도는 소결 시 열 전도성을 개선하여 치밀화를 향상시킵니다.

--균일성 및 녹색 강도 향상

균일한 입자 모양은 보다 일관된 다짐 거동으로 이어집니다. Stanford Advanced Materials(SAM)의 내부 사례 연구에서 구형 코발트-크롬 합금 분말은 분쇄 분말에 비해 소결 후 녹색 강도가 17% 더 높고 치수 변화가 14% 더 낮은 부품을 생산했습니다.

--향상된 소결 거동

구형 분말은 입자 간 접촉을 촉진하여 빠른 넥 성장과 치밀화를 가능하게 합니다. 예를 들어, 프라운호퍼 IFAM의 연구원들은 1320°C에서 소결한 구형 316L 분말은 60분 후 97% 이상의 상대 밀도를 달성한 반면, 불규칙한 분말은 더 높은 온도가 필요했지만 여전히 더 높은 다공성을 나타냈다는 사실을 발견했습니다.

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구형 분말 및 분말 야금 공정

요컨대, 구형 분말은 분말 취급부터 최종 부품 성능에 이르기까지 PM 공정의 모든 단계를 개선합니다. 소결, HIP 및 MIM의 경우를 예로 들어 보겠습니다.

-구형 분말 및 소결

기존 프레싱 및 소결에서 구형 분말은 여러 가지 장점을 제공합니다:

• 균일한 녹색 부품을 위한더 나은 금형 충진 및 다짐
• 입자 간 결합력 향상으로더 강한 그린 바디 구현
• 수축 및 뒤틀림 감소로 소결 시효율적인 치밀화 실현
• 최종 부품의기계적 특성 개선

구형 분말을 사용하면 소결 부품의 신뢰성과 반복성이 향상되어 구조 부품, 필터 및 툴링 애플리케이션에 이상적입니다.

--구형 분말 및 열간 등방성 프레스(HIP)

열간 등방성프레스(HIP) 는 고온 및 등방성 가스 압력을 가하여 금속 부품을 완전히 밀집시키는 방식입니다. 분말을 직접 응집하거나 사전 성형된 부품의 다공성을 제거하는 데 사용됩니다.

구형 분말은 다음과 같은 이유로 HIP에 이상적입니다:

• 더 높은 탭 밀도를 달성하여 균일한 압축을 보장합니다.
• 가공 중고른 열 분포 촉진
• 내부 다공성을 최소화하여 기계적 무결성 향상
• 일관된 미세 구조로복잡한 형상 구현 가능

구형 분말을 사용한 HIP는 터빈 블레이드, 정형외과 임플란트, 항공우주 구조 부품과 같은 중요한 애플리케이션에 널리 사용됩니다.

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--구형 분말 및 금속 사출 성형(MIM)

MIM은 금속 분말과 폴리머 바인더를 결합하여 사출 성형용 공급 원료를 형성합니다. 성형 후 바인더를 제거하고 부품을 최대 밀도로 소결합니다.

구형 분말은 MIM에 필수적입니다:

• 사출 중원활한 공급 원료 흐름
• 높은 파우더 로딩으로 수축 최소화
• 효율적인 디바인딩 및 소결로 견고하고 결함 없는 부품 제작
• 미세한 입자 크기(<38 µm)로 표면 마감 및 치밀화 향상

구형 MIM 파우더는 일반적으로 의료, 치과, 전자, 총기 산업에서 작고 복잡한 고정밀 부품에 사용됩니다.

결론

분말 야금은 금속 부품 제조의 새로운 가능성을 열어주고 있지만, 진정한 성공의 열쇠는 분말의 품질에 있습니다. 구형 분말은 고성능 소결, HIP 및 MIM 공정에 필요한 유동성, 패킹 및 일관성을 제공합니다.

스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈(Stanford Advanced Materials, SAM)는 PM 응용 분야를 위해 정밀하게 설계된 광범위한 고순도 구형 금속 분말을 공급합니다. 구조 부품, 의료 기기, 항공 우주 부품을 개발하든 SAM의 분말은 신뢰할 수 있는 성능으로 고객의 혁신을 지원하도록 설계되었습니다.

참고자료:

[1] Tripathy, 아라빈드 & 사랑기, 사로즈 쿠마르 & 차우비, 아닐. (2018). 기능적으로 등급이 매겨진 재료 제조의 고체 공정에 대한 검토. 국제 공학 및 기술 저널. 7. 1-5. 10.14419/ijet.v7i4.39.23686.

[2] 굴소이, H & 굴소이, 나기한 & 칼리시치, 라흐미. (2014). 사출 성형 Ti 합금 분말의 기계적 및 생체 적합성 특성에 대한 입자 형태 영향. 바이오 의료 재료 및 공학. 24. 1861-73. 10.3233/BME-140996.

[3] 사후, 실라니 & 자, 바라트 & 만달, 아니메쉬. (2021). 분말 야금 가공 TiB 2- 강화 강철 매트릭스 복합재 : 검토. 재료 과학 및 기술. 37. 1-21. 10.1080/02670836.2021.1987705.