분말 야금 치밀화 기술의 연구 현황

분말 야금은 금속 분말 또는 금속 분말과 비금속 분말의 혼합물을 원료로 사용하고, 다양한 공정을 통해 분말을 치밀화하여 금속 재료, 공구강, 복합 재료 및 다양한 제품을 제조하는 기술입니다. 분말 야금 제품은 항공우주, 금형 제조, 생물의학, 국방 및 군수 산업에서 널리 사용되고 있습니다.

분말 야금은 분말 제조, 프레싱, 고온 소결 및 후처리 등의 중요한 공정으로 구성됩니다. 이 중 프레싱과 고온 소결은 분말 야금의 치밀화 공정입니다.

1.1 프레싱
분말 프레싱은 입자를 느슨하게 충전된 상태에서 치밀하게 충전된 상태로 변화시키는 공정입니다. 힘의 전달과 분포가 변화하면서 성형체 각 부분의 밀도와 강도가 균일하지 않게 분포하고, 이에 따라 프레싱 과정에서 일련의 복잡한 현상이 발생합니다.
실제 생산에서는 일반적으로 성형체의 형상 특성에 따라 적절한 프레싱 공정을 선택하여 성형체의 밀도와 균일성을 향상시킵니다. 최근 몇 년 동안 여러 국가의 연구자들은 급속 전방향 프레싱, 온간 프레싱 기술, 고속 프레싱 등 다양한 새로운 프레싱 기술을 연구해 왔습니다.

(1) 온간 프레싱 기술
온간 프레싱 기술은 특수한 온간 프레싱 혼합 분말을 사용합니다. 690MPa 이하의 프레싱 압력과 1393K의 소결 온도에서 한 번의 프레싱 및 소결만으로 7.2~7.5g/cm3의 밀도를 얻을 수 있습니다.
온간 프레싱은 고밀도, 고강도 분말 야금 부품을 제조하기 위한 간단한 공정이며 비용도 비교적 낮습니다. 기존 장비를 소폭만 조정해도 7.5g/cm3에 가까운 밀도의 금속 부품을 제조할 수 있습니다. 온간 프레싱 공정은 높은 밀도, 우수한 성능 및 낮은 비용으로 인해 1990년대 이후 분말 야금 부품 제조에서 중요한 기술적 돌파구로 여겨지고 있습니다.

(2) 분말 고속 프레싱 기술
분말 고속 프레싱 기술은 유압 또는 중력으로 중량 해머를 구동하여 2~30m/s의 속도로 분말에 충격을 가하고, 이를 통해 분말이 20ms 이내에 치밀화 공정을 완료하도록 하는 분말 프레싱 기술입니다.

분말 고속 프레싱 기술은 높은 성형체 밀도, 비교적 균일한 성형체 밀도 분포, 높은 성형 효율, 낮은 생산 비용, 높은 성형체 형상 정밀도, 긴 금형 수명 및 우수한 성형체 종합 성능을 특징으로 합니다.

1.2 고온 소결
소결은 분말 야금 생산 공정에서 가장 중요한 공정이며, 항상 연구의 중심이 되어 왔습니다. 고온 소결은 분말 성형체를 주성분의 융점보다 낮은 온도로 가열하여 서로 결합시키고 더 높은 강도의 재료로 만드는 열처리 공정입니다. 이는 분말 성형체의 밀도를 높이는 효과적인 방법입니다. 다음에서는 일반적으로 사용되는 두 가지 금속 분말 소결 공정을 소개합니다.
(1) 열간 정수압 프레싱 공정
열간 정수압 프레싱(HIP) 공정은 고성능 분말 야금 제품을 치밀화하는 중요한 방법입니다. HIP의 일반적인 공정은 다음과 같습니다. 포장재에 프레싱된 분말을 충전하고, 이를 열간 정수압 프레스의 노에 넣은 다음 고온과 고압을 동시에 가합니다. 분말 입자가 여러 단계의 복합적인 치밀화 과정을 거치면 완전 치밀 부품을 얻을 수 있습니다.

HIP를 금속 및 금속 기반 복합 재료의 성형 또는 후처리에 사용하면 주조물 내부의 결함을 효과적으로 제거하고, 부품 내부의 균열을 줄이며, 제품 성능을 향상시킬 수 있습니다. 주요 대상 금속 재료로는 니켈 기반 초내열 합금, 코발트 기반 초내열 합금, 티타늄 합금, 알루미늄 합금, 강철, 구리 합금 등이 있습니다.

(2) 방전 플라즈마 소결
방전 플라즈마 소결 기술(SPS)은 흑연 금형의 상하 펀치와 통전 전극을 사용하여 분말체에 직류 펄스 전류와 프레싱 압력을 동시에 가하고, 플라즈마 활성화와 열가소성 변형을 통해 분말체를 신속하게 치밀화하고 성형하는 소결 기술입니다. 플라즈마 활성 소결 또는 플라즈마 보조 소결이라고도 합니다.

방전 플라즈마 소결 작동 원리도

위 그림에 나타난 것처럼 SPS 치밀화는 분말 입자 사이의 방전, 통전에 의해 발생하는 줄열 및 펄스 전류 작용하의 압력이 중첩된 것으로 볼 수 있습니다. 가열과 가압이라는 두 가지 소결 요인 외에도 분말 입자 사이의 표면 방전은 국부적인 고온과 표면의 국부 용융을 촉진할 수 있습니다. 고온 플라즈마 스퍼터링과 방전 충격은 분말 입자 표면의 불순물(예: 표면 산화물 등)과 가스 흡착을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 이러한 요인들은 소결 공정을 촉진할 수 있습니다.

방전 플라즈마 소결은 가열 효율이 높고 치밀화 속도가 빠르므로 분말의 소결 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다.

금속 분말의 치밀화에 영향을 미치는 요인
고온 및 고압에서 분말의 치밀화 공정은 매우 복잡합니다. 유한요소 시뮬레이션 연구 실험에 따르면 금속 분말의 치밀화에 영향을 미치는 요인은 주로 프레싱 방법, 마찰 저항 및 프레싱된 성형체의 종횡비입니다.

(1) 프레싱 방법: 프레싱 방법은 주로 단방향 프레싱과 양방향 프레싱으로 나뉩니다. 금속 분말 프레싱 과정에서 압력 강하를 줄이고 밀도가 더욱 균일한 성형체를 얻기 위해 양방향 프레싱으로 분말을 압축할 수 있습니다.

(2) 마찰 저항: 마찰 저항은 성형체의 밀도와 그 분포 균일성에 영향을 미치는 핵심 요인입니다. 다양한 마찰 조건이 분말 압축 치밀화 공정에 미치는 영향을 연구하면 분말 야금 제품의 프레싱 공정을 개선하는 데 도움이 됩니다. 마찰 조건이 개선되면 성형체의 응력 구배가 감소하고 밀도가 더욱 균일해지며 프레싱 힘도 줄어듭니다.

(3) 성형체 높이-직경비: 성형체의 높이-직경비는 분말 야금 제품의 압축 성형 공정에서 반드시 고려해야 하는 형상 요인입니다. 동일한 압축 공정과 마찰 조건에서 높이-직경비가 작은 성형체는 더욱 균일한 밀도 분포를 얻을 수 있습니다.
따라서 분말 야금 제품을 실제로 생산할 때는 지나치게 세장한 부품을 피해야 합니다. 양방향 프레싱 공정을 적용하고 윤활 조건을 개선하여 제품의 밀도 균일성을 향상시킬 수 있습니다.

분말 야금 기술은 다양한 조성의 고성능 금속과 합금을 제조하는 데 널리 사용되고 있습니다. 분말 야금 재료의 밀도와 분포는 분말 야금 제품의 기계적 특성과 치수 정밀도에 영향을 미치는 핵심 요인입니다. 불균일한 치밀화는 분말체 각 부분의 치밀화 및 수축 변형을 불균일하게 만들어 분말 성형체 각 부분의 기계적 특성이 서로 달라지게 합니다. 따라서 고밀도, 고성능 분말 야금 제품의 개발은 분말 야금 기술의 발전 방향이자 연구의 핵심 과제가 되었습니다.