분말 소재를 녹는점 이하 고온에서 원자 확산을 통해 고밀도 고체로 결합시키는 분말야금 핵심 공정
분말 소재를 녹는점 이하 고온에서 원자 확산을 통해 고밀도 고체로 결합시키는 분말야금 핵심 공정
텅스텐처럼 융점이 3,422°C에 달해 일반 주조가 불가능한 소재, 또는 세라믹처럼 용융 시 특성이 변질되는 소재는 분말 형태로 성형한 뒤 소결로 치밀화하는 방법으로만 가공할 수 있습니다.
최근 금속·세라믹 3D 프린팅 부품의 탈지·소결 후처리에도 소결로가 필수적으로 사용됩니다.
① 탈지(Debinding): 분말 성형 시 첨가한 임시 결합제(바인더)를 서서히 온도를 올려 증발·분해합니다. 이 단계를 너무 빠르게 진행하면 가스 팽창으로 성형체에 균열이 발생합니다.
② 소결(Densification): 융점 직하 고온에서 분말 입자 표면의 원자가 이웃 입자로 확산 이동해 '넥(Neck)'을 형성합니다. 넥이 성장하면서 기공이 닫히고 수축·치밀화가 진행됩니다.
③ 제어 냉각: 냉각 속도가 최종 경도·연성을 결정합니다. 급랭 시 잔류 응력·균열 위험이 있으므로 단계적 냉각이 필수입니다.
대기 중 소결 시 분말 입자 표면의 산화막이 원자 확산을 방해해 결합력이 저하됩니다. 또한 입자 사이에 갇힌 공기가 부품 내부에 기공 결함을 유발합니다.
10⁻³~10⁻⁵ Pa 고진공 환경은 산화막을 제거하고 기공 내 잔류 가스를 배출(Outgassing)하여 잔류 다공성을 제로에 수렴하게 합니다. 이론적 최대 밀도 구현이 가능합니다.
절삭 공구에 사용되는 WC-Co(텅스텐 카바이드-코발트) 초경합금은 소결로의 대표적 적용 사례입니다. Co가 6% 포함된 합금은 약 1,320°C에서 수축이 완료되며, 최종 소결 온도인 약 1,400°C에서 Co가 액상화되어 WC 입자를 결합합니다.
이 과정에서 수천 톤의 기계적 압력을 가한 것 이상의 굽힘 강도 증가가 달성됩니다.
소결 과정에서 기공이 100% 제거되지 않을 수 있습니다. 산업계는 오히려 이 잔류 다공성을 활용합니다.
미세 기공에 윤활유를 머금게 하는 자체 윤활 베어링, 특정 크기 입자만 걸러내는 정밀 금속 필터가 대표적 사례입니다. 의도적으로 다공성을 극대화한 경량 구조재 제조에도 응용됩니다.
| 소재 분류 | 주요 재료 | 적용 분야 |
|---|---|---|
| 금속 분말 | WC-Co 초경합금, 스테인리스, 티타늄 | 절삭 공구, 의료 임플란트, 항공 부품 |
| 세라믹 분말 | Al₂O₃, ZrO₂, SiC, Si₃N₄ | 절연체, 내열 부품, 전자 기판 |
| 복합 분말 | MIM 금속·세라믹 복합 | 정밀 소형 부품, 3D 프린팅 후처리 |