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금속 정보/금속 가공

소결이란? 소결의 시스템이나 장점 단점을 알기 쉽게 해설

by KaNonx카논 2022. 10. 31.
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소결이란? 소결의 시스템이나 장점 단점을 알기 쉽게 해설

소결(sintering)이란 무엇인가?

장점 단점이나 구조까지 망라하여 알기 쉽게 소개하고 있습니다.

 

이 포스팅을 읽음으로써 소결에 대한 이해가 깊어지고

좋은 제품을 만들기 위한 강재 경선을 할 수 있게 됩니다.

 

 


소결(sintering)은 분말 형태의 금속인 것을, 

녹는점보다 낮은 온도에서 가공하는 기술이 됩니다.

주조 및 프레스 가공에 적합하지 않는 금속도 다룰 수 있는 장점이 있고, 

제품의 용도에 따라서는 가공 방법에 적합하지 않는 경우가 있기 때문에 주의가 필요합니다.

본 기사에서는 소결(sintering)의 구조나 장단점을 소개하고 있습니다.


소결이란(sintering)? [분말로 부품을 만들자!]

소결은 금속의 분말에서 부품을 만드는 가공 방법입니다.

소결에는 다음과 같은 특징이 있습니다.
 
가열에 의한 원자들이 접합하는 현상
분말 야금과 세라믹 제조에서 사용된다
복잡한 형상을 가진 기계 부품으로 널리 이용되고 있다

특징을 알면서 사용 목적에 있는지 알 수 있으니 살펴봅시다.

 


1-1. 가열에 의한 원자들이 접합하는 현상

소결은 가열에 의한 원자들이 접합하는 현상을 이용한 가공 방법입니다.

고체 분말의 집합체를 금속이 녹는 온도보다 낮은

 800℃~1,300℃에서 가열되자 인접 원자들이 접합합니다.

 

이는 소결체로 불리는 물체입니다.
소결체는 접합과 동시에 입자 간의 틈이 작은 치밀하게 되므로 전체가 축소되는 것이 특징입니다.

 


1-2. 분말 야금과 세라믹 제조에서 사용된다

소결은 분말 야금과 세라믹 제조에서 사용됩니다.

분말 금속을 사용한 소결이 분말 야금, 

유리와 도자기, 콘크리트, 시멘트 등의 분말을 사용한 소결이 세라믹 제조입니다.

가열에 의해서 만들어진 것은 "소결품"이라고 불립니다.



1-3. [소결 제품] 복잡한 형상을 가진 기계 부품으로 널리 이용되고 있다


소결은 복잡한 형상을 가진 기계 부품으로 널리 이용되는 가공 방법입니다.

분말을 가공하여 가열하기 때문에 쇳물을 사용하는 주조보다

가공 형상의 자유도가 높은 특징이 있습니다.

부품의 일체화도 가능하기 때문에 기계 부품에 적합한 것입니다.

예를 올리자 자동차의 엔진 부품과 구동 계열 부품,

베어링, 소형의 톱니 바퀴 등 복잡한 형상의 부품에 많이 이용되고 있습니다.

 

 



알아 두면 좋은 소결의 장단점


다음에 소결의 장단점을 살펴봅시다.

소결에는 분말 금속을 사용하기 때문에 

용융 금속을 사용하는 가공 방법에는 없는 장점이 있습니다.

한편 단점도 있으니 자세히 알고 제품에 맞는지 확인이 필요합니다.

장단점을 앎으로써, 최적인 가공 방법을 가릴 수 있게 되고 헛된 비용이 낮아집니다.


2-1. 장점
소결의 장점은 이하의 4개입니다.
 

분말에 가능하면 기본적으로 대부분의 재료를 취급할
소재의 손실이 적다
형상과 배합이 자유자재
기공을 포함하므로 제품의 경량화가 가능

소결에는 다른 가공 방법에는 없는 장점이 있으니 1개씩 살펴봅시다.

 

 


2-1-1. 분말이 가능하면 기본적으로 대부분의 재료를 취급할 수 있다

소결은 분말에 생기는 금속이면 대부분의 재료를 취급할 메리트가 있습니다.

덩어리 상태로 가공이 어려운 금속이나, 

텅스텐, 몰리브덴 등 고융점 재료도 성형 할 수 있습니다.

또 티타늄 등 고온 상태가 되면 다른 원소와 반응하기 쉬운 재료에도 적합합니다.

 

 

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2-1-2. 소재의 손실이 적다


소결은 소재의 손실이 적은 장점이 있습니다.
소결은 분말 재료를 성형하기 위한 성형 후의 가공을 할 필요가 없습니다.

용융 금속을 금형에  주조 및 프레스 가공에 비해서 

수율이 좋은 뒤 가공을 하지 않고 마무리할 수 있는 것이 소결입니다.

 


2-1-3. 형상과 배합이 자유자재

소결은 형상이나 배합이 자유자재입니다.

금형에 분말을 넣고 누르고 굳힙니다만, 

분말 재료에 왁스 등의 유기물을 가해 성형하기 쉽게 하는 것도 있습니다.

액체인 용융 금속보다 성형되기 쉬우므로 

형상의 자유도가 높은 장점이 있습니다.

또 철에 니켈이나 몰리브덴을 가하는 등 필요한 조성이 되게

혼합기로 복수의 분말 금속을 섞어 합금을 만드는 것도 가능합니다.

다른 가공 방법보다 형상과 배합이 자유자재로 할 수 있는 것이 소결입니다.

 


2-1-4. 기공을 포함하므로 제품의 경량화가 가능

소결은 기공을 포함하므로 제품의 경량화가 가능합니다.
고체 분말 성형은 기공을 포함하기 때문에, 

성형 후의 밀도가 100%보다 낮아지고 부품의 중량을 경감할 수 있습니다.

그래서, 용융 금속을 사용하는 가공 방법보다 제품을 경량화할 수 있습니다.

 


2-2. 단점

용융 금속을 사용하는 가공 방법에 없는 장점이 있는 소결지만 한편 단점도 있습니다.

분말로 해서 재료에 따라서는 고비용이 발생할 수 있다.
강도 등의 기계적 성질에 떨어진다.

부품의 용도 및 비용에 따라서는 적합하지 않은 경우가 있으니 확인합시다.

 


2-2-1. 분말로 해서 재료에 따라서는 고비용이 발생할 수 있다

소결은 금속을 분말로 해서 재료에 따라서는 고비용이 됩니다.

금속은 괴상보다 분말 형태의 것이 가격이 높아지기 때문에 

주조 및 프레스 가공보다 원료 가격이 높아집니다.

그래서 비용이 많이 드는 단점이 있습니다.

 


2-2-2. 강도 등의 기계적 성질에 떨어진다
소결은 주조와 프레스 가공과 비교 강도 등의 기계적 성질에 떨어집니다.

분말은 성형시에 기공을 포함하기 때문에, 

밀도가 100%보다 작아지고 경량이 되면 함께 강도가 떨어지는 단점이 있습니다.

또 분말 성형은 기공의 차이가 받기 때문에 

부분적으로 강도가 다르거나 중심에 차이가 나가는 것이 있습니다.

 


소결의 구조를 알기 쉽게 해설.

소결의 특징과 장점·단점을 위에서 한 번 확인해 보았습니다.

다음에 소결의 구조를 소개합니다.


3-1. 확산 현상에 따른 분말 금속이 접합

소결은 확산 현상에 따른 분말 금속이 접합합니다.
고체 분말의 표면은 원자·분자·이온이 결합되지 않아 매우 불안합니다.

불안정한 상황이 되면 고체 분말은 표면적을 줄이기 위해서 

물질이 이동하는 확산이라는 현상이 일어납니다.

 

고체 분말이 고온에 노출되면 걸림돌로 불리는 결합부가 형성됩니다.
 
분말 입자의 표면과 결합부에서 물질이 이동하여 

표면에 원자·이온 분자가 확산되는 애로가 커지고 전체의 표면적이 줄어드는 것입니다.

소결의 초기, 중기, 후기와 애로가 커지면서 밀도가 상승하는 치밀화합니다.

 

넥을 크게 하는 확산 경로는 주로 5개 있습니다.

상기의 경로로 물질이 확산되고 장애가 커지고 분말 금속이 접합합니다.

 


소결 공정에 대해 알아봅니다 [4단계로 해설]

 

소결 공정에는 4단계가 있습니다.
 

스텝 1. 배합·혼합
스텝 2. 가공
스텝 3. 소결
스텝 4. 후 공정

공정을 알기로 주조 및 프레스 가공의 큰 차이가 나타납니다.

스텝 1. 배합·혼합
소결은 제조하는 부품의 성질에 맞추어 분말 금속을 정해진 비율로 배합합니다.

소결이 어려운 재료는 영향이 나오지 않는 범위에서 

소결 조제로 불리는 불순물을 첨가하여 소결 하기 쉽게 하기도 합니다.

분말 금속과 소결 조제는 혼합기로 균일하게 넣고 섞습니다.

스텝 2. 가공
분말이 함유 혼합하면, 성형 가공을 합니다.

금형에 금속 가루를 충전하고 상하 방향에서 가압함으로써

 금속 가루를 눌러 견고히 하는 것입니다.

분말 금속을 태로 성형 가공한 것을 분말 성형 단체라고 부릅니다.
성형 가공을 하면 소성이 생깁니다.

스텝 3. 소결
형성 가공한 단계의 성형 단체는 무르며 손으로 쉽게 깨뜨릴 정도입니다.
 
금속이 녹는 온도보다 낮은 800℃~1300℃ 정도의 

소결로에서 가열함으로써 소결을 실시할 수 있습니다.
 
가열하기에 분말 금속에 확산 현상이 일어나며 연결된 강해지는 것입니다.
 
소결로 안은 가스로 채우고 있어 성형품의 산화를 막을 수 있습니다.

스텝 4. 후 공정
소결을 하면 필요에 응하고 가공을 합니다.
 
치수 제도가 필요한 경우는 다시 금형에 세트 해서 

압력을 가하고 강도를 더욱 향상시키는 경우는

침탄 담금질·고주파 담금질을 하는 것입니다.
 
소결은 분말 금속을 사용하는 바리가 적어 주조 및 

프레스 가공에 비하면 성형 후의 기계 가공이 적은 가공 방법입니다.


소결로 쓰는 분말 금속은 어떻게 제조할까?

분말 금속의 작성 방법은 이하의 3가지입니다.
 
아토마이즈 법
산화물 환원 법
전해 법


5-1. 아토마이즈 법
1번째의 작성 방법은, 아토마이즈 법입니다.

아토마이즈 법은 쇳물을 도가니에 붓고,

고압 가스와 물을 뿜기에 분말 금속을 만듭니다.

도가니 바닥의 작은 구멍에서 흘러나온 용융 금속에 

고압 가스와 물을 분무면서 녹은 금속을

응고시키면 분말 상태가 됩니다.

아토마이즈 법은 탄소강·스테인리스 강·고속 도강,

두랄루민 티타늄 합금 등의 합금 분말을 만드는데 이용됩니다.

 


5-2. 산화물 환원 법
2번째 방법은 산화물 환원 법입니다.
미세한 산화물 가루를 수소와 일산화 탄소, 

암모니아 분해 가스 등의 기체로 환원하는 방법으로 철분·동분의 작성에 이용됩니다.

환원 온도와 시간으로 알의 크기 조정이 이루어지기 때문에 

성형성과 소결성이 좋은 분말 금속을 작성할 수 있습니다.

5-3. 전해 법
3번째 방법은 전해 법입니다.
전해 법은 전기 분해를 통한 분말을 분리시켜서 분말 금속을 제작합니다.
채취한 금속 가루를 세탁한 뒤에 중화 처리를 하고 

탈수 건조하여 분말 금속을 얻을 수 있습니다.

 

 

 

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