분말 금속 재료 선택, 성능 및 비용 분석

분말 야금 소재는 금속 분말을 최종 제품에 가까운 모양으로 압축 및 소결하여 만든 정밀 부품입니다. 제 경험상 이러한 소재의 가장 강력한 측면은 97%를 쉽게 초과할 수 있는 소재 활용률입니다. 또한 다공성을 제어하여 자체 윤활을 달성할 수 있으며 금형을 통해 복잡한 기하학적 모양을 직접 형성할 수 있습니다.

현재 우리가 주로 사용하는 분말 야금 재료는 크게 몇 가지 범주로 나뉩니다:

• 철 합금(철 및 강철): 구조적 강도를 우선시하세요.
• 비철 합금(구리 및 알루미늄): 전도성 및 경량 특성을 중시합니다.
• 스테인리스 스틸: 내식성에 중점을 둡니다.

일반적으로 이러한 자료의 사용 및 성능에 대해서는 MPIF 표준 35와 같은 업계 표준을 따릅니다.

1. 분말 금속 재료의 분류

일반적으로 분말 야금 재료는 기본 원소와 합금 성분에 따라 크게 철 금속 재료, 스테인리스강, 비철 금속 재료로 분류합니다. 아래는 제가 평소 작업할 때 가장 많이 사용하는 재료입니다:

철 소재(철 및 탄소강)

이 카테고리는 분말 야금 구조 부품의 약 70%~80%를 차지할 정도로 업계의 주력이라고 해도 과언이 아닙니다.

• 순수한 철분: 특히 높은 투과성으로 인해 부드러운 자극 조각과 같은 자성 응용 분야에 주로 사용됩니다.
• 철-구리-탄소(FC 시리즈): 구리는 자동차 구조 부품(기어, 캠 등)에서 가장 일반적으로 사용되는 소재입니다. 구리는 소재를 크게 강화하는 반면, 탄소는 소재를 열처리(경화)할 수 있게 해줍니다.
• 사전 합금강: FL-4405 스틸(몰리브덴 스틸)과 같은 이 소재는 경화성과 내충격성이 뛰어나 고하중 변속기 기어에 이상적입니다.
  • 애플리케이션 시나리오: 가공된 1045 강철 부품을 교체하려는 경우 열처리된 철-구리-탄소 분말 야금 부품을 직접 대체할 수 있는 경우가 많습니다.

스테인리스 스틸 시리즈(300 및 400 시리즈)

• 300 시리즈(오스테나이트): 특히 SS-316은 최고의 내식성을 제공하지만 상대적으로 낮은 투과성을 제공합니다. 특히 높은 내식성이 요구되는 식품 가공 또는 의료 장비에 가장 먼저 선택됩니다.
• 400 시리즈(마르텐사이트): 열처리를 통해 높은 경도와 내마모성을 얻을 수 있지만 내식성은 300 시리즈만큼 우수하지는 않습니다.

비철 소재(구리 및 알루미늄)

• 청동(구리-주석): 자체 윤활 오일 함침 베어링의 '베테랑'입니다. 특수한 기공 구조가 오일을 흡수하여 장기간 유지보수가 거의 필요 없는 윤활을 제공합니다.
• 알루미늄 합금: 최근 몇 년 동안 전기 자동차(EV) 분야에서 알루미늄 합금의 인기가 급격히 증가하고 있습니다. 경량화는 전기 자동차의 핵심 트렌드입니다. 알루미늄 합금은 열전도율이 우수할 뿐만 아니라 무게 대비 강도 비율에서도 유리합니다.

2. 분말 금속 재료의 성능 데이터

PM 머티리얼은 밀도가 핵심 변수입니다.

밀도 = 강도.
밀도(g/cm³)가 높을수록 인장 강도와 충격 에너지가 높아집니다.

다음은 일반적인 PM 소재 속성을 비교한 것입니다(MPIF 표준 35 기준):

재료 카테고리	일반 밀도(g/cm³)	인장 강도(MPa/psi)	주요 기능	공통 애플리케이션
철-탄소(F-0008)	6.8 - 7.2	410MPa(60k psi)	적당한 강도, 저렴한 비용	레버, 브래킷
철-구리-강(FC-0208)	6.8 - 7.2	550MPa(80k psi)**	높은 내마모성	자동차 기어
스테인리스 스틸(SS-316)	6.4 - 6.8	380MPa(55k psi)	높은 내식성	유체 센서, 의료용
브론즈(CT-1000)	6.0 - 6.4	120MPa(18k psi)	자체 윤활(오일)	부싱, 베어링

*참고: 표시된 값은 해당되는 경우 열처리된 조건에 대한 값입니다.

디자이너를 위한 조언:

일반적으로 고밀도를 과도하게 추구할 필요는 없습니다. 표준 밀도(예: 6.8g/cm³)로 이미 부하 요구 사항을 충족할 수 있다면 7.4g/cm³를 고집하면 더 비싼 2차 프레싱/2차 소결 공정이 필요합니다. 이는 불필요하게 비용만 증가시킬 뿐 비용 효율적이지 않습니다.

3. 분말 금속 소재의 비용 이점

솔직히 말해서 분말 야금은 기존의 기계 가공에 비해 상당한 비용 이점을 제공하는데, 이는 주로 재료비에서 분명한 이점이 있기 때문입니다.

• 재료 생산량: 봉재에서 기어를 가공할 때 폐기물(칩)은 40~50%를 차지할 수 있습니다. 이에 비해 당사의 분말 야금 공정은 97% 이상의 원자재 활용률을 자랑하며, 이는 상당한 차이입니다.
• 에너지 효율성: 소결 공정은 일반적으로 주조나 단조에 필요한 용융 및 광범위한 가공에 비해 총 에너지 소비량이 훨씬 적습니다.
• 노동력 절감: 분말 야금은 고도로 자동화된 공정입니다. 금형 디버깅이 완료되면 작업자의 개입이 거의 필요 없는 수천 개의 부품을 지속적으로 생산할 수 있어 효율성이 매우 뛰어납니다.

4. 발생 가능한 문제 및 해결 방법

실제 생산 과정에서 분말 야금 재료와 관련된 특정 문제에 직면하는 경우가 많지만 성숙한 솔루션이 존재합니다. 다음은 가장 일반적인 몇 가지 문제입니다:

• 문제입니다: 부품 강도가 충분하지 않습니다.
  • 솔루션: 부품의 형상을 변경하지 않고 밀도를 높이기 위해 사전 합금 분말(예: 아스탈로이)을 사용하거나 '온압축 기술'을 사용하는 것을 고려할 수 있습니다. 이는 매우 실용적인 방법입니다.
• 문제입니다: 표면 다공성이 너무 높아서 전기 도금에 영향을 미칩니다.
  • 솔루션: 전기 도금 전에 수지 함침(즉, 기공을 막는 것)을 수행합니다. 이를 통해 매끄러운 표면과 우수한 부식 방지 효과를 보장합니다.
• 문제입니다: 치수 허용 오차는 항상 불안정합니다.
  • 솔루션: 이는 일반적으로 소결 과정에서 발생합니다. 소결 후 '성형'(미세 프레스) 공정을 추가하여 ± 0.01mm 이내의 매우 엄격한 허용 오차 범위로 크기를 보정할 수 있습니다. 그 효과는 즉각적입니다.

저자 저자: 하우젠 선임 분말 야금 응용 엔지니어

PM 업계에서 15년 이상의 실무 경험을 쌓은 그는 재료 과학과 대량 생산 사이의 간극을 메우는 데 특화되어 있습니다. 그는 초기 CAD 설계부터 소결까지 수백 개의 자동차 및 산업 프로젝트를 성공적으로 이끌었습니다. MPIF의 회원인 그는 엔지니어와 구매자가 분말 금속 재료의 복잡성을 탐색하여 더 낮은 비용과 더 높은 성능을 달성하도록 돕기 위해 글을 쓰고 있습니다.