[기계안전기술사] 문제풀이 2025년 135-2-3 분말야금(Powder metallurgy)법

3. 분말야금(Powder metallurgy)법에 대하여 설명하시오.

문제해설
1. 분말야금법(PM)
1) 개요
(1) 금속분말 또는 합금분말 등을 이용하여 압축 성형(compacting) 한 후, 용융온도 이하에서 소결(sintering)하여 금속제품을 만드는 기술을 말함
(2) 분말야금법은 고압으로 압축하여 제품을 생산하는 압축 성형법과 압력 및 융점 이하의 열을 동시에 가하는 고온 가압 성형법이 있음
(3) 주조, 단조 및 기계가공에 의한 제품에 비하여 강도, 경도, 내마모성 등이 우수하고, 정밀도 가 높기 때문에 특별히 고정밀도를 요하는 제품이 아니면 일반적으로 기계가공을 하지 않음

2) 분말야금 제조 특징 (*암기* 절제융다다)
① 절삭가공을 생략할 수 있다.
분말을 압축하여 최종제품에 가까운 모양으로 성형하면 절삭가공은 거의 필요가 없다.ex)기어
철제 소결부품의 경우 소결 후 침탄하여 표면층을 경화할 수 있다.
② 제조과정에서 융점까지 온도를 올릴 필요가 없다.
W나 Mo같은 고융점 금속의 부품제조에 적합하다. 이러한 재료들은 융점이 2500°C를 넘어 보통의 용해 주조는 어렵다.
분말야금으로 융점의 2/3 정도온도로 소결 가능하다.
③ 융해법으로 만들수 없는 합금을 만들수 있다.
서로 융합하지 않는 금속은 같이 녹여도 2층으로 분리되나 분말로 혼합하여 소결하면 결합한다. W-Ag, W-Cu는 전기접점재료로 쓰이며 Cu-c는 전기브러시재료로 쓰인다.
④ 다공질의 금속재료를 만들수 있다.
소결온도와 시간을 적당히 선정하면 여러가지 가공율을 갖는 다른 재료를 만들수 있어 필터(filter)나 오일 함유베어링에 제조에 사용할수 있다.
⑤ 다른방법으로 형상을 만들수 없는 금속재료도 분말야금으로 제조할 수 있다.
ex) 백열등의 텅스텐 필라멘트를 PM법으로 만든다.

3) 분말야금 장 단점
1) 장점
① 고융점 재료 제조
② 순수한 금속의 제조
③ 성분비의 정확성과 균일성 달성
④ 용융법에서 2개 이상의 금속 또는 비금속이 혼합되지 않는 조성에서도 혼합한 조성의 제품 제조 가능
2) 단점
① 금속분말의 순도와 생산방법에 따라 최종제품에 미치는 영향이 크다
② 큰 제품을 가압할 때 고가의 프레스기가 필요하며, 제품의 크기에 제한을 받는다
③ 작은 제품의 경우에도 경제성을 고려하면 대량생산이 필요하다.
④ 금속분말의 저장과 취급이 어렵다(금속분말은 산화가 되기 쉽다)

6) 분말야금의 장단점
  장점
     ① 가공이 간단하다
     ② 생산성이 높다.
     ③ 복잡한 형상에 적합하다.
     ④ 제품 성분 조절이 쉽다.
     ⑤ 가공 찌끼기가 없어 경제적이다

  단점
     ① 고가의 금형비
     ② 고가의 분말재료비
     ③ 크기나 두께의 제약을 받는다.
     ④ 강도 저하

① 혼합 = 조합 (blending)
순금속, 합금 및 비금속 분말은 기계적, 물리적 및 화학적 방법으로 제조하며, 성형성 및 소결성 향상을 위해 분말에 성형 윤활제 및 소결제 등을 첨가하여 혼합한다
② 성형 = 압축 (compacting)
성형은 금형내에 분말을 넣은 뒤 외부에서 압력을 가하는 가압성형과 비가압성형으로 구분된다.
요구되는 최종 제품의 형상, 치수 및 특성에 따라 각각 적절한 성형방법을 선택하여 제조한다.
③ 소결 (sintering)
소결은 성형제 내 분말들을 결합시키고 기공을 제거하는 조밀화 과정이다.
상압소결은 성형체를 외부 압력 없이 소결로 내에서 가열한다.
가압성형은 성형 및 소결을 동시에 진행하여 조밀화 과정이며, 저온소결 및 소결시간단축의 장점이 있다.

  2. 제조공정
  1) 분말제조
     분말을 제조하는 방법에는 용융 입자법, 회전 전극법, 산화물 제거법, 분쇄법 등이 있고 그중 좁고 가느다란
     출구를 통하여 용융 금속을 부으면서 가스 또는 액체를 뿜어 용융 금속을 흩어지게 하여 냉각 시키는 방법으로
     제조하는 용융입자법이 가장 많이 이용된다.

  * 분말의 특성
     ① 유동도(Flow Rate) : 분말이 금속 내부를 채우는 신속도, 용이성
     ② 겉보기 밀도(Apparent Density) : 외부 압력 없이 소요 공간을 채우는 능력
     ③ 압축성 (Compressibility) : 분말의 밀도를 높이는 필요한 압력에 대한 성질
     ④ 초기 강도(Green Strentgth) : 압축된 직후의 제품의 강도

  2) 혼합
     제품을 구성하는 금속 원소들을 혼합하는 공정으로 서로 각기 다른 성질을 가진 분말을 혼합 하다 보면
     잘 섞어지지 않으므로 스테아린산이나 흑연 같은 윤화제 등을 사용한다. 혼합하는 방법에는 습식과 건식이
     있으나 주로 건식이 사용된다.

  3) 압축
     ① 분말 야금 공정중 가장 중요한 공정으로 성형이라고도 한다.
     ② 압축 공정은 유압 프레스나 기계프레스를 이용하여 혼합된 금속 분말을 DIE 속에 넣고 눌러
         형상을 갖도록 하는 공정이며 압축강도는 다음 공정에 견딜 만한 충분한 강도를 주어야 한다.
     ③ 분말이 압축 될 때 압축 초기에는 미는 방향으로 분말이 움직이지만 점차 저항이 발생한다. 따라서
         두꺼운 제품은 밀 도가 균일하지 못하므로 상하에서 압력을 가하거나 다단 PUNCH를 이용하여 압축 한다
     ④ 성형 방법으로 압축 외에 압연, 압출, 사출성형, 무기압 성형 등이 있다.

  4) 소결( Sintering)
      압축된 성형 제품 들을 완전한 기계적 특성 및 강도를 갖도록 일정한 옹도 하에서 구워내는 작업으로
      다음 3단계로 이루어진다.( 주로 가열로는 Bench type나 연속로가 사용된다.)
     ① 내부 청소 및 소세 단계 : 결합을 방해하는 윤활제 또는 결합제를 제거하기 위해 고온의 공기로 태운다
     ② 고온 영역 : 실제적으로 분말 입자가 결합을 시도하는 상태 온도 영역으로 충분한 밀도가 나타날 때 까지
                        수분에서 수 시간이 될 수 있다
     ③ 냉각 영역 ; 제품이 갑자기 대기 중으로 방치될 때 일어나는 산화 또는 열충격을 막기 위해 온도를
                        강화시킴으로 결함을 방지 한다

  5) 후처리
     소결 후 치수 공차를 높이거나 제품 강도를 증가시키기 위해 정형(Sizing) 혹은 코이닝(Coining)의
     재압축 과정을 거친다.


3. 결언
  분말 야금은 가공이 간단하고 생산성이 높으며 복잡한 형상들의 제품을 경제적으로 생산 할 수 있다는 큰 장점이 있어서 고가의 금형비와, 분말 재료비, 설계의 난이도 등을 개선 한다면, 브레이징, 금속 필터 등의 기술 개발과 더불어 앞으로 계속 발전을 거듭 할 수 있는 제조법이다