소결 금속의 주요 결함은 다공성, 균열 및 변형입니다. 이러한 문제는 용융된 액체를 주조하는 대신 금속 분말을 압축한 다음 녹는점 이하로 가열하여 입자를 융합하는 분말 야금 공정의 고유한 특성에서 직접 발생합니다.
분말로부터 복잡한 형상을 만드는 소결의 가장 큰 강점은 또한 본질적인 약점의 원인이 됩니다. 핵심 과제는 초기 분말 입자 사이의 빈 공간을 관리하는 것으로, 공정이 신중하게 제어되지 않으면 특정하고 예측 가능한 결함으로 이어질 수 있습니다.
분말 야금 공정: 결함의 원천
결함을 이해하려면 먼저 2단계 공정을 이해해야 합니다. 첫째, 금속 분말은 다이에서 형상으로 압축되어 부서지기 쉬운 "성형체(green compact)"를 만듭니다. 둘째, 이 성형체는 제어된 분위기 용광로에서 가열되어 입자가 결합되고 부품이 강도를 얻습니다.
1단계: 압축 결함
이 단계의 결함은 부품이 가열되기 전에도 발생합니다. 가장 흔한 것은 부서지기 쉬운 미소결 성형체의 파손인 성형체 균열(green crack)입니다.
이러한 균열은 일반적으로 압축 다이에서 부품을 배출하는 동안 발생하는 응력으로 인해 발생합니다. 날카로운 모서리 또는 급격한 두께 변화가 있는 복잡한 형상은 특히 취약합니다.
또 다른 압축 결함은 층상화(lamination)로, 부품에 뚜렷한 층이 생기는 것입니다. 이는 종종 다이로의 분말 흐름이 좋지 않아 밀도 변화가 발생하여 제대로 결합되지 않기 때문입니다.
2단계: 소결 결함
이러한 결함은 분말 입자가 융합되는 가열 단계에서 나타납니다. 변형 및 뒤틀림은 중요한 문제입니다.
이는 입자가 결합되고 입자 사이의 기공이 작아지면서 부품이 수축하기 때문에 발생합니다. 성형체의 초기 밀도가 균일하지 않으면 다른 부분이 다른 속도로 수축하여 부품이 뒤틀릴 수 있습니다.
블리스터링(Blistering)은 부품 표면에 기포나 돌기가 나타나는 또 다른 주요 결함입니다. 이는 가열하는 동안 성형체의 기공 내부에 갇힌 가스로 인해 발생합니다. 온도가 상승하면 가스가 빠져나가는 속도보다 더 빨리 팽창하여 재료를 바깥쪽으로 밀어냅니다.
가장 중요한 "결함": 다공성
소결 부품의 가장 특징적인 특징은 잔류 다공성입니다. 때로는 바람직한 특징이지만, 구조적 응용 분야에서는 주요 한계입니다.
다공성 및 강도 감소
금속이 녹아 주조되지 않기 때문에 융합된 입자 사이에 미세한 공극이 항상 남아 있습니다. 이는 소결 부품이 거의 100% 밀도를 갖지 못한다는 것을 의미합니다.
이러한 본질적인 다공성은 부품의 기계적 특성을 직접적으로 감소시킵니다. 단조 또는 단련된 부품과 비교할 때, 소결 부품은 일반적으로 인장 강도, 연성 및 충격 저항이 낮습니다.
특징으로서의 다공성
반대로, 이러한 다공성은 상당한 이점이 될 수 있습니다. 이는 오일이 함침된 자가 윤활 베어링의 기초이며, 상호 연결된 기공을 통해 유체가 통과할 수 있는 필터의 기초입니다.
소결 결함 완화
이러한 결함을 제어하는 것은 고품질 분말 야금의 핵심 초점입니다. 성공은 모든 단계에서 변수를 마스터하는 데 달려 있습니다.
소결을 위한 설계 (DFS)
가장 효과적인 전략은 공정을 염두에 두고 부품을 설계하는 것입니다. 이는 날카로운 내부 모서리를 피하고, 벽 두께의 극심한 변화를 최소화하며, 부드러운 분말 흐름과 부품 배출을 가능하게 하는 기능을 설계하는 것을 의미합니다.
공정 제어
원료 및 공정에 대한 엄격한 제어가 중요합니다. 여기에는 일관된 입자 크기를 가진 고품질 금속 분말 사용, 균일한 다이 충전 보장, 정밀한 압축 압력 적용, 소결 온도 및 분위기 신중하게 관리 등이 포함됩니다.
2차 작업
다공성이 허용되지 않는 고성능 응용 분야의 경우 2차 작업을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 고온 등방압 프레스(HIP)는 소결 부품에 고압과 고온을 동시에 가하여 내부 공극을 효과적으로 닫고 밀도를 거의 100%까지 높입니다.
귀하의 응용 분야에 적합한 선택하기
이러한 잠재적 결함을 이해하는 것은 소결이 귀하의 요구에 맞는 올바른 제조 공정인지 결정하는 데 중요합니다.
- 절대적인 강도와 내구성이 주요 초점인 경우: 단조 또는 가공된 부품은 완전히 밀집되어 있으므로 우수한 선택일 가능성이 높습니다.
- 높은 생산량과 저비용으로 복잡한 형상을 생산하는 것이 주요 초점인 경우: 소결은 공정 한계를 고려하고 기계적 강도 요구 사항이 허용 가능한 범위 내에 있다면 훌륭한 옵션입니다.
- 여과 또는 윤활을 위한 제어된 다공성이 주요 초점인 경우: 소결은 최선의 선택일 뿐만 아니라 종종 유일한 선택입니다.
궁극적으로 이러한 "결함"을 매우 가치 있는 제조 공정의 본질적인 장단점으로 보는 것은 지능적인 설계 및 적용을 가능하게 합니다.
요약표:
| 결함 유형 | 일반적인 원인 | 주요 특징 |
|---|---|---|
| 다공성 | 분말 융합 공정의 본질적 특성 | 입자 사이의 잔류 공극; 강도를 감소시키지만 자가 윤활/여과 가능 |
| 균열 | 배출 중 응력, 불량한 분말 흐름 | 성형체 또는 층상화된 층의 파손 |
| 변형/뒤틀림 | 소결 중 불균일한 밀도/수축 | 부품이 뒤틀리거나 모양이 변함 |
| 블리스터링 | 가열 중 갇힌 가스 팽창 | 표면에 기포 또는 돌기 |
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