분말 야금법

왜 배우는가: 분말 야금은 자동차 부품의 경량화와 저비용 요구를 함께 맞추는 제조 방법이다. 절삭으로 버리는 재료가 적고 후가공을 줄일 수 있어 소결 금속 부품 생산에 쓰인다. 시험에서는 공정 순서, 소결의 특징, 장단점과 적용 부품을 묻는 형태로 자주 다뤄진다.

출제 이력: 제137회 4교시 3번, 제128회 4교시 4번, 제125회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

분말 야금은 금속 분말을 압축·성형한 뒤 융점 이하에서 소결해 부품을 만드는 금속 가공법이다.

분말 야금은 금속이나 금속 산화물의 분말을 가열하여 결합시킴으로써 금속재료나 금속 가공 제품을 만드는 기술이다. 주조가 용융 금속을 쓰는 것과 달리 분말 야금은 융점보다 낮은 온도에서 형상을 만든다는 점이 핵심 차이이다. 자동차 분야에서는 기계 구조용 소결 금속 부품을 만드는 방법으로 쓰이며, 분말야금(P/M)이라고 줄여 부른다.

분말은 분쇄, 전해 침착, 화학적 환원, 가스나 물 분무 등으로 만든다. 가스 분무법은 용융 금속 흐름을 불활성 가스 제트로 잘게 쪼개 거의 구형인 분말을 얻는 방법이다. 분말의 형상과 입도 분포는 성형체의 밀도와 치수 안정성을 좌우하므로 제어가 중요하다. 분말 야금은 분말을 원료로 하지만 형상이 완성되는 과정은 금형과 소결로에서 이뤄지므로, 재료 생산과 형상 가공이 한 흐름으로 묶이는 방법이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 분말 혼합: 금속 분말과 윤활제, 합금 원소 분말을 균일하게 섞는 단계이다. 혼합이 균일해야 제품의 재질도 균일해진다.
• 금형 압축: 혼합한 분말을 금형에 넣고 눌러 원하는 모양의 성형체를 만드는 단계이다.
• 소결: 성형체를 액화시키지 않고 열로 결합시켜 강도를 주는 단계이다.
• 공극률: 제품 내부에 남는 빈 공간의 체적 비율이다.
• 근사 정미 형상: 가공 후 마무리 가공이 거의 필요 없는 near net shape 형상이다.
• 성형체: 금형 압축 직후의 결합되지 않은 분말 덩어리이다.

2. 개념 풀이

정식 정의는 금속이나 금속 산화물의 분말을 가열하여 결합시킴으로써 금속재료(반제품)나 금속 가공 제품을 만드는 기술이다. 기본 공정은 분말 혼합(또는 분쇄), 금형 압축, 소결의 세 단계로 구성되며, 이를 프레스 및 소결 공정이라고 한다. 금형 압축은 일반적으로 상온에서 수행된다.

원리는 소결에 있다. 압축으로 서로 맞닿은 분말 입자는 가열되면 접촉부에서 원자가 확산하여 결합이 생기고, 그 결과 기공이 줄고 성형체가 하나의 고체가 된다. 소결은 재료를 녹이지 않고 열로 입자를 결합시키는 과정이다. 따라서 소결은 대기압과 제어된 분위기 조성 아래에서 진행하는 것이 보통이다.

소결은 분말 야금에서 강도를 확보하는 공정이다. 소결 전 성형체는 입자끼리 결합되지 않아 강도가 거의 없으므로 취급에 주의해야 한다. 공극률은 소결 후에도 남는 기공의 체적 비율이며, 분말 야금 제품의 기계적 성질을 좌우한다. 프레스 및 소결 방식 제품은 공극률 5~15% 수준이라 주조강보다 낮은 특성을 보인다.

열간 등압 성형(HIP)은 분말 야금의 파생 공정이다. 가스로 분무된 구형 분말을 금속 캔에 채워 진공 밀봉한 뒤, 융점의 약 0.7배 온도에서 100MPa 외부 가스 압력을 가해 완전 밀도 부품을 만든다. 이 방식으로 만든 부품은 주조와 같거나 더 나은 특성을 갖는다. 분말 단조는 프레스 및 소결로 만든 예비 성형품을 가열한 뒤 열간 단조하여 완전 밀도를 얻는 방법이며, 결과물의 특성이 주조재에 가까워진다.

소결 후에는 코이닝이나 열처리 같은 2차 가공이 자주 따른다. 2차 가공은 특수한 특성이나 향상된 정밀도를 얻기 위한 공정이며, 소결 제품의 치수와 표면을 다듬는 역할을 한다.

3. 등장 배경과 필요성

분말 야금이 필요해진 배경은 재료 효율과 형상 자유도에 있다. 절삭 가공은 소재를 깎아 내는 과정에서 버리는 부분이 많지만, 분말 야금은 금형 치수에 가까운 형상을 바로 만들어 재료 손실이 적다. 이 때문에 복잡한 형상의 부품을 비교적 간단한 공정으로 생산할 수 있다.

기술 자체는 새롭게 보이지만 역사는 오래되었다. 금속가공의 주류가 주조였기 때문에 분말을 원료로 하는 기술은 신기술로 인식되기 쉽다. 그러나 분말 야금 제품이 대량으로 생산된 것은 비교적 근래의 일이다. 열간 등압 성형은 1950~60년대에 발명되어 1970~80년대에 대량 생산 단계에 들어갔고, 이후 고밀도가 필요한 부품으로 적용이 넓어졌다.

용융 금속으로 만들기 어려운 합금도 분말 야금으로 가능해진다. 고용도가 거의 없는 원소끼리도 합금할 수 있으며, 기계적 합금화(mechanical alloying)는 강화 입자를 반복된 파쇄와 용접으로 기지에 넣는 공정이다. 각 성분의 배합비가 정확하고 분말 혼합이 균일하면 균일한 재질의 제품을 얻을 수 있다는 점도 중요한 배경이다.