분말야금(粉末冶金, Powder Metallurgy, PM)은 금속 분말 또는 합금 분말을 원료로 하여 이를 성형(압축)하고 소결(가열)하는 공정을 통해 고체 형태의 금속 재료나 부품을 제조하는 금속 가공 기술이다. 용융과 주조 과정을 거치지 않고 분말 상태에서 직접 제품을 제조하는 것이 특징이다.
공정 개요
분말야금의 기본 공정은 크게 세 단계로 구성된다.
- 분말 준비 및 혼합(Blending/Pulverisation): 금속 분말을 제조하고 필요한 경우 윤활제, 합금 원소 등을 혼합한다. 분말은 가스 분무, 물 분무, 원심 분무, 화학적 환원, 전해 증착, 기계적 분쇄 등 다양한 방법으로 생산된다.
- 압축 성형(Compaction/Pressing): 준비된 분말을 금형(다이)에 넣고 유압 프레스 등을 이용해 고압으로 압축하여 원하는 형상의 압축체(그린 컴팩트)를 만든다. 일반적으로 실온에서 수행된다.
- 소결(Sintering): 압축체를 금속의 융점보다 낮은 온도에서 가열하여 입자 간 결합을 일으킨다. 이 과정에서 재료가 액화되지 않으면서 입자들이 확산에 의해 서로 결합하여 치밀한 고체가 된다.
소결 후에는 필요에 따라 코이닝(재압축), 열처리, 침윤, 기계 가공 등의 2차 공정이 추가될 수 있다.
특징 및 장점
- 재료 손실이 적고 절삭 가공의 필요성을 줄이거나 없앨 수 있어 경제적이다.
- 용융이 어려운 고융점 금속(텅스텐, 몰리브덴 등)이나 서로 녹지 않는 재료의 합금(구리-흑연 등)을 제조할 수 있다.
- 다공성 제품(오일 함침 베어링, 필터 등)을 생산할 수 있다.
- 복잡한 형상의 부품을 근접 최종 형상(near-net shape)으로 대량 생산하기에 적합하다.
- 재료의 조성과 미세 구조를 정밀하게 제어할 수 있다.
주요 응용 분야
- 자동차 부품(기어, 베어링, 캠 등)
- 절삭 공구(탄화 텅스텐 초경 합금)
- 전기 접점 및 전자 부품
- 다공성 베어링 및 필터
- 자석 재료
- 항공우주 부품(터빈 디스크 등)
파생 공정
분말야금 기술은 발전을 거듭하여 다음과 같은 다양한 파생 공정이 개발되었다.
- 분말 단조(Powder Forging): 소결 예비 성형품을 열간 단조하여 완전 밀도를 얻는 공정.
- 열간 등방압 성형(Hot Isostatic Pressing, HIP): 고온과 고압의 가스를 동시에 가하여 분말을 완전 치밀화하는 공정.
- 금속 사출 성형(Metal Injection Molding, MIM): 미세 금속 분말을 바인더와 혼합하여 사출 성형한 후 탈지 및 소결하는 공정.
- 전류 보조 소결(Electric Current Assisted Sintering, ECAS): 전류를 이용해 소결 시간을 대폭 단축하는 기술(스파크 플라즈마 소결 등).
- 적층 가공(Additive Manufacturing): 선택적 레이저 소결(SLS), 선택적 레이저 용융(SLM), 전자빔 용융(EBM) 등 금속 분말을 이용한 3D 프린팅 기술.
역사
분말야금의 기원은 고대 잉카 문명이 귀금속 분말로 장신구를 제조한 데까지 거슬러 올라가지만, 본격적인 산업적 대량 생산은 19세기 중후반부터 시작되었다. 20세기 들어 초경 합금, 다공성 베어링 등이 개발되면서 급속히 발전하였고, 21세기에는 금속 3D 프린팅 기술의 부상으로 새로운 전기를 맞고 있다.
안전 및 위험
분말 상태의 금속은 표면적 대비 부피 비율이 매우 높아 분진 폭발의 위험이 있으며, 흡입 시 건강에 유해할 수 있다(특히 중금속 분말). 따라서 분말 취급 시 적절한 환기, 방폭 설비, 개인 보호 장비가 필요하다.
