분말야금[powder metallurgy]

분말야금[powder metallurgy]
분말(미립자의 집합체)을 제조하는 기술 및 분말을 원료로 하여 재료(소결재료 또는 소결합금) 및 부품(소결부품)을 제조하는 기술의 총칭. 단 분말의 종류에는 금속에 한정하지 않고 세라믹스도 포함된다. 
(a) 일반공정
(b) 급냉응고분말과 메커니컬얼로잉분말용 공정

분말야금(소결법)의 공정
분말야금의 일반적 공정은 처음에 분말을 제조하고 2종 이상의 분말을 사용하는 경우는 이들을 소정의 화학조성이 되도록 배합한 후 균일하게 혼합한다. 그리고 일반적으로 금형을 사용하여 압축성형하고 소정의 형상과 치수를 가진 성형체(압분체라고도 함)를 만든다.

 

이어서 성형체를 주성분의 녹는점 이하의 온도로 가열(소결이라고 함)하면 성분원자의 확산이 활발하게 일어나고 분말입자간의 접착, 그리고 입자간 공극의 수축 즉 소결체의 수축․치밀화가 일어나고 유용한 성질을 가진 고체(소결체)가 얻어진다.

 

여기서 성형으로 판상품(板狀品)에서는 분말압연, 봉상품(棒狀品)에는 분말압출의 방법이 쓰인다. 소결에 의해 소결기계부품이나 함유베어링등에는 가능한 수축하지 않도록 되어 있고, 다른 것은 가능한 수축시켜서 완전 치밀하가 도모된다.

 

소결 후 필요에 따라 소결기계부품에서는 치수교정을 위해 사이징처리, 완전 치밀하를 위해 소결단조 또는 분말단조가 이루어진다. 일반적인 소결재료에서도 표면처리, 열처리, 연삭, 연마 등의 후처리를 실시함으로써 제품으로 된다.

 

각 공정 모두 중요하지만 특히 소결공정은 가장 중요함과 동시에 본 기술의 특징을 나타내므로, 분말야금은 소결법이라고도 하고 특히 세라믹스의 분야에서는 소결법 또는 소성법이란 말이 쓰이고 있다.

다른 공정도 있어 옛날부터 SAP합금의 제조에 쓰이고 있고, 최근에는 급냉응고분말, 아모르퍼스합금분말이나 메커니컬얼로잉분말을 열간정수압 프레스(HIP)이나 열간단조에 의해 치밀화되어 기계적, 자기적 또는 화학적성질이 우수한 재료가 자주 개발, 실용화되었다. 이 방법에서는 분말의 치밀화에 대해 상기 원자확산의 기여는 작고 전위의 이동에 입각한 소성변형의 기여가 크므로 치밀화는 특히 고화(固化)라고도 부른다.

 

이밖에 반용융의 애터마이즈분말을 직접 퇴적시켜서 벌크제를 얻는 오스플레이법이라고 하는 방법도 있다.

금속계재료․부품의 대부분은 용해․단조 또는 소성가공, 절삭가공 등의 방법을 이용하여 생산되고 있고, 극히 일부가 분말야금을 이용하여 생산되고 있다.

 

한편 세라믹스계재료․부품의 대부분이 분말야금을 이용하여 생산되고 있다. 이 분말야금은 용해․주조법 등에 비해 공정상 다음과 같은 특징이 있기 때문이다.

 

(1) 원료는 괴상물(塊狀物)이 아닌 상당한 유동성이 있는 분말이다.

(2) 부품형상의 부여는 일반적으로 금형과 펀치를 이용하여 실온에서 한다.

(3) 분말성형체의 가열(소결)온도는 주성분의 녹는점 이하이고, 용해․주조법에 의한 가열(용해)온도보다도 일반적으로 꽤 낮다.

 

이러한 특징에 기인하여 부품에 생산성이나 재료조직․조성 등의 점에 있어서 다음과 같은 이점이 생긴다.

 

(ⅰ) 형상이 복잡한 소형부품을 하나의 금형을 이용하여 다량, 고속, 고치수정밀도, 고재료성공률에서 자동적으로 제조할 수 있다.

 

(ⅱ) 용탕의 분무법(애터마이즈법)에 의해 얻어지는 분말의 각 입자(액적)의 응고속도는 현저하게 큼으로써(102～104K/s), 및 원료분말 또는 혼합분말의 입도를 미세하게 함으로써 미세조직의 재료가 얻어진다.

 

(ⅲ) 금형에서 재료의 분순물 혼입이 적다.

 

(ⅳ) 얻어지는 재료의 조직이 반드시 평형상태도에 크게 지배됨이 없이 조직이나 조성의 제어가 비교적 쉽다. 

이상과 같은 특징 내지 이점을 살려서 본 법에 따라 각종의 재료․소형부품이 공업적으로 생산되고 있는데, 그 채용이유는 대별하면 하기와 같이 기술적인 것과 경제적인 것 두가지로 된다. 

① 기술적이유   

용해․주조법에 의하면 실용에 견디는 특성을 가진 재료가 얻어지지 않지만, 이 방법에 의하면 가능하게 되는 경우 또는 보다 특성이 우수한 재료가 얻어지는 경우로서, 

구체적으로는 

(1) 재료의 주성분이 고융점이라든가 증기압이 높거나 또는 분해되기 쉽기 때문에, 용해하는 것이 공업적으로 곤란한 경우 및 예를 들어 용해할 수 있어도 용탕과 반응하지 않는 도가니나 주형을 얻을 수 없는 경우(예∶텅스텐 등의 고융점금속, 질화규소, 알루미나 등의 파인세라믹스 등).

 

(2) 연속된 공극을 가진 재료․

부품을 만들고자 하는 경우(예∶함유베어링, 필터, 2차전지 다공질전극재료 등).

 

(3) 평형상태도에 있어서 액상선과 고상선의 온도차가 큰 성분계 또는 결정립계에 기인하는 특성을 이용하는 성분계 등에 대해 미세․균질조직의 재료를 얻고자 하는 경우(예∶초경합금, 서멧, 사마륨-코발트자석이나 철-네오디뮴자석 등의 희토류전이금속자석, BaTiO3기 서미스터 및 유전재료, ZnO기 배리스터 등)

 

(4) 2액상 또는 고액분리형의 성분계에 대해 복합조직재료를 얻고자 하는 경우(예∶접점재료*, 집전판재료 등).

 

(5) 용해․주조법에 의해도 실용에 견디는 동종재료가 만들어지고 있으나, 본 방법에 의하면 특성 향상에 기여하는 성분 양의 증가나 신성분의 첨가가 가능해 지거나 미세조직으로 하는 것이 가능해 지기 때문에 특성향상이 도모되는 경우(예∶알니코자석, 베릴륨원자로재료, 각종합금의 급냉응고합금분말, 아모르퍼스합금분말이나 메커니컬얼로잉분말의 소결재료 등). 

② 경제적이유   용해, 주조법에 의해도 만들어질 수 있으나, 이 방법에 의하면 재료 특성이 다소 열화하나 가공비의 저감, 생산성이나 재료성공률의 향상 등으로 제품가격이 내리는 경우(예∶소결기계부품, 사출성형부품, 스테인리스강이나 티탄합금 등의 난(難)가공성 금속부품 등). 

또 기술적 이유로부터 만들어지는 제품은 일반적으로 소결재료 또는 소결합금이라고 부르고, 경제적이유로부터 만들어지는 제품은 일반적으로 소결부품이라고 부른다. 

 

현재 공업적으로 생산액이 많은 분말야금제품은 절삭․내마(耐摩)․내충격용 공구재료의 초경합금, 자동차․가전․사무기기용 소결기계부품, 전자기기의 소형모터나 스피커용 희토류자석, IC기판용 Al2O3, 전자기기의 회로보호 등에 쓰이는 BaTiO3기 서미스터, 유전재료 및 ZnO기 배리스터 등이다.