금속 분말은 어떻게 만들어지나요?

금속 분말은 크게 네 가지 제조 공정을 통해 생산됩니다: 분무(물리적), 고체 환원(화학적), 전기분해, 기계적 분쇄. 이 중 분무는 용융 금속의 흐름이 고압의 물 또는 가스 분사로 미세한 방울로 분해되는 최신 고성능 애플리케이션에 가장 많이 사용되는 방법입니다. 고체 환원은 금속 산화물(보통 철)에서 화학적으로 산소를 제거하여 스펀지 같은 분말을 만드는 것입니다. 전기분해는 전류를 이용해 용액에서 고순도 금속 분말을 증착하는 방식으로, 주로 구리에 사용됩니다. 마지막으로 기계적 분쇄는 밀링 또는 분쇄 기술을 사용하여 부서지기 쉬운 금속이나 합금을 물리적으로 분쇄하여 분말로 만듭니다. 선택한 특정 제조 공정에 따라 분말의 입자 모양(구형 또는 불규칙형), 순도 및 밀도가 결정되며, 이에 따라 3D 프린팅(AM), 금속 사출 성형(MIM) 또는 프레스 및 소결과 같은 다운스트림 애플리케이션에 대한 적합성이 결정됩니다.

원자화 방법

원자화는 현재 가장 인기 있는 기술로, 특히 항공우주 및 의료 기기 제조와 같이 재료의 성능이 매우 중요한 산업에서 가장 많이 사용되고 있습니다. 이는 물리적 공정으로, 고에너지 유체를 사용하여 용융 금속 흐름에 충격을 가하는 것이 핵심 로직입니다.

실제 운영에서는 일반적으로 '영향 매체'를 차이에 따라 두 가지 범주로 세분화하며, 이 두 가지의 적용 시나리오는 매우 다릅니다:

• 가스 원자화: 금속 스트림에 불활성 가스(예: 질소 또는 아르곤)를 분사하는 과정입니다. 완성된 제품은 매우 아름답고 표면이 매끄러운 구형입니다. 제 경험에 따르면 입자가 둥글고 포장 밀도가 높으며 흐름이 우수하기 때문에 에어로졸화된 분말은 적층 제조(3D 프린팅) 및 금속 사출 성형(MIM)의 업계 표준으로 자리 잡았습니다. 정밀한 부품을 인쇄하려면 이 방법을 사용할 수밖에 없습니다.
• 물 분무: 용융 금속을 처리하기 위해 고압 워터젯을 사용하는 방식입니다. 물의 냉각 속도가 너무 빠르기 때문에 금속 입자가 둥글어지기 전에 응고되어 모양이 매우 불규칙하고 표면이 거칠어집니다. 유동성은 에어로졸화 분말만큼 좋지는 않지만, 제 생각에는 이 "단점"이 장점입니다. 프레스 공정 중에 불규칙한 모양으로 인해 입자 사이에 기계적 폐색이 발생할 수 있습니다. 따라서 프레스 및 소결 응용 분야에서 부품의 "녹색 강도"(즉, 소결 전 강도)를 중요하게 생각한다면 물 분무 분말이 가장 먼저 선택됩니다.

솔리드 스테이트 감소 방법

고체 환원은 화학적 방법입니다. 고체 환원이라고 하면 누구나 기본적으로 쇳가루 생산을 떠올릴 것입니다. 금속을 녹이는 분무 방식과 달리 고체를 다루는 방식입니다.

전체 프로세스는 일반적으로 다음과 같습니다:

• 원료 준비: 광석을 분쇄하고 환원제(보통 탄소원으로 코크스 또는 숯)와 혼합합니다.
• 반응: 혼합물을 가마에서 가열하고 온도를 철의 녹는점 이하로 제어합니다. 이때 환원제가 작동하기 시작하고 산화철의 산소가 "잡아당겨" 사라집니다.
• 그 결과 마지막에는 다공성 스펀지 같은 구조의 금속성 철이 남습니다. 이 "스펀지 철"을 분쇄하고 선별한 후 완제품을 얻습니다.

엔지니어링 관점에서 볼 때 이 다공성 구조는 오일을 흡수할 수 있다는 큰 장점이 있습니다. 따라서 이 파우더는 자체 윤활 베어링 또는 구조 부품의 높은 압축성이 필요한 베어링 제조에 특히 적합합니다.

전기 분해

프로젝트의 전도도나 화학적 순도에 대한 엄격한 요구 사항이 있는 경우 전기분해가 유일한 방법입니다. 이 방법은 구리 분말을 생산하는 데 가장 일반적으로 사용됩니다.

그 원리는 간단히 말해 전기 도금과 유사합니다:

• 설정: 금속판(양극)을 황산메탈 용액이 들어 있는 전해조에 던져 넣습니다.
• 증착: 전원이 공급된 후 양극의 금속이 용해되어 전해질을 통과한 후 음극에 증착됩니다.
• 분말: 일정 시간 동안 금속을 긁어내고 세척, 건조, 연마한 후 침전시킵니다.

전해질 분말은 현미경으로 보면 수지상(고사리 모양)의 매우 특징적인 모습을 보이며 매우 순수합니다. 그렇기 때문에 전도성 잉크 및 모터 브러시와 같은 전자 애플리케이션에서 거의 대체할 수 없습니다.

기계적 분쇄 방법

기계적 분쇄 방법은 "이질적"이며 순전히 기계적 힘으로 단단한 금속을 분쇄하는 방식입니다. 이 방법은 일반적으로 베릴륨, 안티몬, 비스무트와 같은 부서지기 쉬운 금속 또는 부서지기 쉬운 합금에 사용됩니다. 그 이유는 간단합니다. 가단성 금속을 부수면 부러지지 않고 납작해질 뿐이기 때문입니다.

일반적인 수단은 다음과 같습니다:

• 볼 밀링: 금속 블록을 회전하는 드럼에 던져 넣고 내부에 단단한 세라믹 또는 강철 볼을 넣어 재료를 분쇄하는 방식입니다.
• 그라인딩: 튼튼한 그라인딩 휠을 사용하여 연마합니다.

솔직히 말해서 이 방법은 불순물이 쉽게 유입될 수 있다는 단점이 있습니다(결국 연삭 공이 마모됩니다). 그러나 고에너지 볼 밀링(기계적 합금)과 같은 현재 기술도 발전하고 있으며, 원자 수준에서 서로 다른 재료를 용접하고 차단하여 흥미로운 복합 분말을 생산할 수 있습니다.

제조 공정은 최종 애플리케이션을 어떻게 결정하나요?

'금속 분말이 어떻게 만들어지는지'를 이해한다는 것은 분말의 물리적 특성, 특히 입자 모양, 순도, 밀도를 직접적으로 결정하는 생산 방식에 대한 이해가 전제되어야 합니다.

구형 분말(에어로졸화): 3D 프린팅 및 MIM을 위한 스타팅. 볼은 파우더가 평평하게 퍼지고 부드럽게 흐르도록 합니다.

불규칙한/해면질 분말(물 분무/고체 상태 환원): 소결을 위해 눌려진 상태. 표면이 거칠기 때문에 입자가 서로 "물릴" 수 있으며, 압착된 부품은 쉽게 떨어지지 않습니다.

수지상/고순도 분말(전기분해): 고급 전기화학 응용 분야를 살펴보면 순도와 전도도는 타협할 수 없는 요소입니다.

최종 분석에서 원자화 및 분쇄의 물리적 폭력, 환원법의 화학 반응 또는 전기 분해법의 전기 화학 증착이든 최종 금속 부품이 체인에서 떨어지지 않도록 공정을 통해 성능을 잠그는 것이 핵심입니다.

저자 ： Alex Miller

재료 공학 분야에서 17년 이상 근무한 저는 분말 야금학을 전문으로 합니다. 저는 원자화 및 환원 공정이 현대 적층 제조 및 산업 응용 분야에서 사용되는 금속 분말을 어떻게 형성하는지에 대한 전문적인 통찰력을 공유합니다.