개요
금속 분말 은 적층 제조, 금속 사출 성형, 분말 야금 압착 및 소결과 같은 제조 기술의 공급 원료로 사용되는 미세 금속 입자입니다. 화학, 입자 크기 분포, 형태, 미세 구조를 정밀하게 제어하여 고급 특수 금속 분말을 생산하는 것은 완성된 부품의 특성에 매우 중요합니다.
다양한 합금 시스템에서 금속 분말을 대량으로 생산하는 데는 다음과 같은 다양한 방법이 사용됩니다:
- 가스 분무
- 물 분무
- 플라즈마 분무
- 전극 유도 용융 가스 분무화
- 회전 전극 공정
- 카보닐 공정
- 전해 공정
- 금속 환원 공정
각 공정은 특정 용도에 적합한 다양한 특성을 가진 분말을 만들어냅니다.
금속분말 생산방법
| 방법 | 사용된 금속 | 주요 특징 | 주요 애플리케이션 |
|---|---|---|---|
| 가스 분무 | 티타늄, 알루미늄, 스테인리스강, 공구강, 초합금 | 구형 분말, 적당한 생산 속도 | 금속 사출 성형, 열간 등방성 프레스 |
| 물 분무 | 저합금강, 철, 구리 | 불규칙한 분말 모양, 높은 산소 함량 | 프레스 및 소결 프로세스 |
| 플라즈마 원자화 | 티타늄 합금, 초합금 | 매우 미세한 구형 분말 | 적층 제조 |
| 회전 전극 | 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨 | 제어된 입자 구조 | 필라멘트, 절단 도구 |
| 카보닐 공정 | 철, 니켈, 코발트 | 초미세 고순도 분말 | 전자 부품, 자석 |
| 전해질 | 구리, 니켈 | 수지상 돌기 형태 | 표면 코팅 |
금속분말 생산 방법
다양한 합금 시스템에서 금속 분말을 생산하는 데 사용되는 다양한 상업적 방법이 있습니다. 생산 방법의 선택은 다음과 같은 요인에 따라 달라집니다:
- 합금 소재 유형
- 순도 요구 사항
- 입자 크기, 모양, 입자 구조와 같은 원하는 파우더 특성
- 연간 생산 규모(톤)
- 파우더 최종 사용 애플리케이션
다음은 금속 분말 생산을 위한 가장 일반적인 산업 공정입니다:
가스 분무 프로세스
가스 분무 공정에서 용융 금속 합금의 흐름은 일반적으로 질소 또는 아르곤의 고압 가스 분사에 의해 분해됩니다. 금속 스트림은 미세한 물방울로 분해되어 분말 입자로 응고됩니다.
가스 분무 분말은 구형이며 표면 형태가 매끈합니다. 공정 파라미터를 조정하여 입자 크기 분포를 제어할 수 있습니다. 이는 티타늄, 알루미늄, 마그네슘 합금은 물론 스테인리스강, 공구강, 니켈 초합금과 같은 반응성 소재에 널리 사용되는 기술입니다.
| 매개변수 | 설명 |
|---|---|
| 사용된 금속 | 티타늄 합금, 알루미늄, 마그네슘, 스테인리스강, 공구강, 초합금 |
| 파티클 모양 | 구형 형태 |
| 입자 크기 | 50 - 150μm 일반 |
| 순도 | 고농도 불활성 가스로 오염 방지 |
| 산소 픽업 | 액체 금속 분무에 비해 최소 |
| 생산 규모 | 연간 최대 10,000미터톤 |
물 분무
물 분무에서는 용융 금속 흐름이 고속 물 분사에 부딪힙니다. 갑작스러운 냉각으로 인해 폭발이 일어나 금속이 미세한 입자로 부서집니다. 분말은 불규칙한 모양을 가지며 물과의 접촉으로 인해 더 높은 산소 함량을 함유합니다.
물 분무는 프레스 및 소결 유형 애플리케이션을 위한 스테인리스강, 합금강, 철 및 구리 분말을 대량으로 생산하는 데 사용되는 저비용 공정입니다.
| 매개변수 | 설명 |
|---|---|
| 사용된 금속 | 탄소강, 저합금강, 스테인리스강, 구리, 철 분말 |
| 파티클 모양 | 폭발적인 물 분해로 인한 불규칙한 형태 |
| 입자 크기 | 10 - 300μm 일반 |
| 순도 | 낮은 물 접촉은 산소 수준을 200-500ppm까지 증가시킵니다. |
| 생산 규모 | 연간 50,000톤 이상으로 매우 높음 |
플라즈마 원자화 프로세스
플라즈마 원자화 공정에서는 플라즈마 토치를 사용하여 금속 합금을 녹인 후 가스 분사를 통해 미세한 물방울로 분해합니다. 초고온 덕분에 티타늄 알루미나이드와 같이 반응성이 높은 원소도 성공적으로 원자화할 수 있습니다.
분말은 레이저 용융 및 전자빔 용융과 같은 적층 제조 방식에 적합한 매우 구형이고 좁은 크기 분포를 가지고 있습니다.
| 매개변수 | 설명 |
|---|---|
| 사용된 금속 | 티타늄 합금, 니켈 초합금, 티타늄 알루미나이드 |
| 파티클 모양 | 고도로 구형 |
| 입자 크기 | 15 - 45μm 일반 |
| 순도 | 불활성 분위기에서 용해되어 순도가 매우 높음 |
| 생산 규모 | 더 낮음, 연간 약 100~1000톤 |
회전 전극 공정(REP)
회전 전극 공정에서는 원통형 금속 전극을 배기된 챔버에서 고속으로 회전시킵니다. 전기 아크를 사용하여 녹이고 원심력을 통해 튕겨져 나온 용융 금속 방울이 냉각되어 분말을 형성합니다.
REP 분말은 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨과 같은 항공우주 합금용 미세 와이어 및 봉으로 열간 압출하기에 이상적인 입자 구조와 형태를 가지고 있습니다.
| 매개변수 | 설명 |
|---|---|
| 사용된 금속 | 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨 |
| 파티클 모양 | 불규칙하고 제어된 미세 구조 |
| 입자 크기 | 45 - 150μm 일반 |
| 순도 | 진공 상태에서 처리할 때 매우 높음 |
| 생산 규모 | 소량의 고부가가치 분말 |
전극 유도 가스 분무(EIGA)
EIGA 공정은 유도 가열을 사용하여 불활성 가스 분위기에서 소모품 전극 팁을 녹입니다. 액적은 아르곤 제트에 의해 미세한 구형 분말로 2차 가스 분무화 과정을 거칩니다.
EIGA는 용융을 제어하고 오염을 최소화하여 중요한 항공우주 부품에 매우 높은 순도의 반응성 니켈 초합금을 생산할 수 있습니다.
| 매개변수 | 설명 |
|---|---|
| 사용된 금속 | 니켈 초합금, 티타늄 알루미나이드 |
| 파티클 모양 | 구형 |
| 입자 크기 | 15 - 53μm 일반 |
| 순도 | 매우 높은, 중요한 합금을 위한 맞춤 제작 |
| 생산 규모 | R&D/시제품 제작부터 중간 규모까지 |
카보닐 공정
카르보닐 공정에서 금속은 휘발성 카르보닐로 전환되며, 이 카르보닐은 제어된 조건에서 분해되어 균일한 초미세 금속 입자를 생성합니다. 이 방법은 고순도 철, 니켈 및 코발트 분말을 생산하는 데 적합합니다.
| 매개변수 | 설명 |
|---|---|
| 사용된 금속 | 철, 니켈, 코발트 |
| 파티클 모양 | 구형에서 다면체로 |
| 입자 크기 | 1 - 10μm 일반 |
| 순도 | 매우 높은 99.9%+ 순도 |
| 생산 규모 | 연간 최대 30,000톤 |
기타 분말 생산 방법
특수 금속 분말 생산에 사용되는 다른 기술로는 다음과 같은 것들이 있습니다:
- 전해 공정: 전기 증착 공정을 통해 수지상 형태를 가진 불규칙한 모양의 구리 및 니켈 분말 생산에 사용됩니다.
- 금속 환원 공정: 티타늄, 지르코늄, 텅스텐, 몰리브덴 분말을 생산하기 위해 수소 또는 탄소를 사용하여 금속 산화물을 환원합니다.
- 기계적 합금: 복합 및 나노 구조 합금을 합성하기 위한 고에너지 볼 밀링
금속분말 사양
금속 분말에 대해 테스트되는 중요한 품질 특성 및 사양은 생산 방법과 최종 사용 용도에 따라 다르지만 일반적으로 다음을 포함합니다:
분말 화학
- 광학 방출 또는 X-선 형광 분광법을 사용한 합금 구성
- 미량 합금 원소
- 산소, 질소, 수소와 같은 불순물 원소
- 고온에서 점화 테스트 시 손실
입자 크기 분포
- 부피 평균 입자 크기
- D10, D50, D90과 같은 분포 폭
파티클 형상 특성화
- 형태학용 주사 전자 현미경
- 종횡비 및 폼 팩터와 같은 형태 요소
마이크로 구조
- X-선 회절을 사용하여 존재하는 위상
- 이미징을 통한 입자 특성
파우더 속성
- 겉보기/탭 밀도
- 홀 유량계 깔때기 테스트를 통한 유속
- 압축성 수준
분말의 사양 요구 사항은 최종 용도에 따라 다양한 애플리케이션에 따라 크게 달라집니다:
| 매개변수 | 금속 사출 성형(MIM) | 적층 제조 | 프레스 및 소결 |
|---|---|---|---|
| 입자 크기 범위 | 3 - 25 μm | 15 - 45μm | 150 - 300 μm |
| 화면비 | 1 - 1.25 선호 | <1.5 구형 | 중요하지 않음 |
| 산소 수준 | <1000 ppm | <500ppm | 2000 - 4000 ppm |
| 겉보기 밀도 | >2.5g/cm3 초과 | >2.8g/cm3 초과 | 2~3g/cm3 |
| 홀 유량 | 15 - 35초/50g | 25 - 35 초/50g | >12초/50g |
특성화 방법
제품 성능에 필수적인 금속 분말의 특성을 특성화하는 데 사용되는 몇 가지 분석 방법이 있습니다:
입자 크기 분석
레이저 회절 방법은 입자 크기 분포를 특성화하는 데 가장 널리 사용됩니다. 이 기술은 분산된 분말 시료에 레이저 빔을 통과시켜 입자 크기에 따라 각도로 빛을 산란시킵니다. 회절 패턴의 컴퓨터 분석은 몇 초 내에 통계적으로 관련된 상세한 크기 분포 데이터를 제공합니다.
형태학 및 표면 이미징
주사 전자 현미경(SEM)은 광학 현미경에 비해 훨씬 높은 배율과 초점 심도로 분말 입자 모양, 표면 지형 및 특징에 대한 고해상도 이미지를 제공합니다.
SEM 이미징은 입자 반올림, 위성 형성, 표면 평활도 및 다공성과 같은 결함을 연구하는 데 사용됩니다.
밀도 및 유량 속성 측정
다음을 사용하여 대량 동작을 정량화하기 위한 표준 테스트 방법이 확립되었습니다:
- 구멍을 통해 분말 유량을 측정하는 홀 유량계 깔때기
- 각도에 따른 유동성을 평가하는 카니 깔때기
- 탭 밀도 및 압축성을 결정하는 스콧 체적계
이러한 방법은 부품 제조 시 취급, 혼합, 다이 충진 및 확산의 용이성을 예측하는 데 도움이 됩니다.
조성 및 결정 구조를 위한 X-선 방법
- X-선 형광 분광법은 금속의 원소 구성을 정확하게 식별하고 정량화합니다.
- X-선 회절은 회절 피크 패턴으로 존재하는 원자 배열과 위상을 분석합니다.
금속 분말의 응용 분야
엔지니어링 금속 분말의 주요 최종 용도는 다음과 같습니다:
적층 제조
티타늄, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 초합금, 코발트 크롬 분말로 복잡한 형상을 제작하는 선택적 레이저 용융(SLM), 직접 금속 레이저 소결(DMLS), 전자빔 용융(EBM) 등의 3D 프린팅 기술도 3D 프린팅으로 알려져 있습니다.
금속 사출 성형(MIM)
스테인리스강, 티타늄 합금, 공구강과 같은 분말을 바인더와 결합하고 사출 성형한 후 소결하여 작고 복잡한 부품을 대량으로 저렴하게 제조합니다.
분말 야금 프레스 및 소결
철, 구리 및 합금강 분말을 기어, 부싱 및 자석과 같은 대용량 부품으로 압축 및 소결합니다.
| 애플리케이션 | 사용된 금속 | 주요 속성 요구 사항 |
|---|---|---|
| 적층 제조 | 티타늄 합금, 니켈 초합금, 알루미늄, 공구강, 스테인리스강, 코발트 크롬 | 구형 형태 우수한 유동성 고순도 |
| 금속 사출 성형 | 스테인리스 스틸, 티타늄, 공구강, 텅스텐 중합금 | 25μm 미만의 미세 분말 우수한 포장 밀도 |
| 누르고 소결 | 철, 강철, 스테인리스 스틸, 구리 | 비용 효율적인 파우더 윤활제 코팅 |
특수 금속 분말을 사용하는 용접, 다이아몬드 공구, 전자 제품 및 표면 코팅과 같은 분야에서도 틈새 응용 분야가 있습니다.
공급업체 및 가격
다양한 금속 분말을 공급하는 글로벌 선도 업체들이 있습니다:
| 회사 | 생산 방법 | 재료 |
|---|---|---|
| 샌드빅 오스프리 | 가스 분무 | 티타늄, 알루미늄, 니켈 합금 |
| AP&C | 플라즈마 분무 | 티타늄 알루미나이드, 초합금 |
| 카펜터 기술 | 가스, 물 분무 | 공구강, 스테인리스강, 합금강 |
| 회가나스 | 물 분무 | 철, 스테인리스 스틸 |
| JFE 스틸 | 물 분무 | 스테인리스 스틸 파우더 |
| 리오 틴토 | 알루미늄 분말 | 카보닐 니켈 및 철 |
금속 분말의 가격은 매우 다양합니다:
- 합금 소재 및 구성
- 사용 된 생산 방법
- 파티클 특성을 얻기 위한 처리
- 순도 수준 및 오염 정도
- 대량 구매 - 대량 계약은 더 낮은 가격을 가져옵니다.
일반적인 킬로그램당 기본 가격은 다음과 같습니다:
| 재질 | 가격 견적 |
|---|---|
| 스테인리스 스틸 316L | kg당 $12 - $30 |
| 알루미늄 AlSi10Mg | $15 - $45 kg당 |
| 티타늄 Ti-6Al-4V | $80 - $220 kg당 |
| 니켈 초합금 인코넬 718 | $90 - $250 kg당 |
| 적층 제조용 특수 합금 | $250 - $1000 kg당 |
고도로 맞춤화된 입자 크기 분포, 100ppm 미만의 산소 및 질소 수준 제어, 소량 구매의 경우 가격이 크게 상승합니다.
분말 야금의 장점과 한계
분말 야금의 이점
- 주조나 기계 가공으로는 불가능한 복잡한 형상을 제작할 수 있습니다.
- 그물 모양에 가까운 제조로 재료 낭비 감소
- 고성능 금속 및 합금 사용 가능
- 잉곳 야금에서는 불가능한 일관된 다공성 구조
- 구성 요소 대량 사용자 지정 가능
분말 생산 및 처리의 한계
- 생산 및 취급 장비에 대한 자본 투자가 매우 높습니다.
- 표면적이 증가하면 발열성 반응성 분말 취급이 위험해집니다.
- 높은 압축 밀도를 달성하려면 높은 압력이 필요할 수 있습니다.
- 캐스팅에 비해 추가 프로세스 단계
- 분말이 LO/NO인 AM 장비의 이동성
다음은 분말 야금과 기존 주조 공정을 간단히 비교한 것입니다:
| 매개변수 | 분말 야금 | 캐스팅 |
|---|---|---|
| 복잡한 모양 | ✅ 레이어드 AM 빌드에 탁월 | 일반적인 캐스팅의 경우 제한됨 |
| 기계적 특성 | 열간 등방성 프레스 후 캐스트 프로퍼티에 접근 가능 | ✅ 예측 가능한 속성 |
| 주기 시간 | AM 방식의 느린 프로세스 | ✅ 대량 생산 시 더 빠른 속도 |
| 치수 정확도 | 포스트 프로세싱에 따라 다름 | 정밀 주조에 매우 적합 |
| 장비 비용 | 산업용 AM 기계의 경우 매우 높음 | ✅ 자본 비용 절감 |
| 금속의 종류 | 지속적으로 확장되는 옵션 | ✅ 가장 폭넓은 선택 |
자주 묻는 질문
Q: 금속 3D 프린팅 파우더에 사용되는 일반적인 입자 크기 범위는 어떻게 되나요?
A: 선택적 레이저 용융(SLM) 및 전자빔 용융(EBM)과 같은 파우더 베드 기술에서 최적의 입자 크기 범위는 15~45미크론입니다. 분말이 미세할수록 해상도는 향상되지만 취급 및 처리하기가 어려울 수 있습니다.
Q: 다양한 방법에서 금속 분말의 형태를 결정하는 요소는 무엇인가요?
A: 가스 분사 또는 물의 충격으로 인한 용융 스트림 분해력의 강도 및 후속 냉각 속도와 같은 생산 요인이 입자 모양을 결정합니다. 냉각 속도가 빠르면 불규칙한 수지상 입자가 생성되고 응고 속도가 느리면(구형 원자화) 매끄러운 둥근 구조가 만들어집니다.
Q: 적층 제조에서 금속 분말에 고순도가 중요한 이유는 무엇인가요?
A: 불순물은 결함, 다공성 문제를 일으키고 합금 미세 구조를 변경하며 밀도를 낮추고 하중과 온도에서 성능에 영향을 미쳐 기계적 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 목표 산소 수준은 500ppm 이하, 질소 수준은 100ppm 이하가 일반적입니다.
Q: 금속 분말은 운송 및 보관 중에 어떻게 안전하게 취급하나요?
A: 반응성 금속 분말은 산화 표면을 만들어 인화성 위험을 최소화하기 위해 부동태화됩니다. 분말은 배송 시 발화를 방지하기 위해 공기 대신 아르곤과 같은 불활성 가스로 드럼에 밀봉됩니다. 보관 용기는 적절하게 접지되어야 합니다. 직원은 취급 시 특수 PPE를 착용합니다.
Q: 일반적인 분말 특성 분석 방법에는 어떤 것이 있나요?
A: 거동을 정량화하고, 금속 분말 생산을 위한 품질 공정 관리를 구축하고, 주어진 애플리케이션에 대한 배치 적합성을 평가하려면 레이저 또는 체 기술을 사용한 홀 유량계, 탭 밀도 테스트, 피크노메트리, LOI 테스트, 분광 분석, 금속학 및 입자 크기 분포가 필수적입니다.