금속분말 사출성형법 (Metal Injection Moulding Process)
근래, 삼차원 복잡형상 금속부품의 제조방법으로서, 금속분말 사출성형법(MIM법 : Metal Injection Moulding Process)가 주목받고 있다. MIM법에 의하면 삼차원 복잡형상의 금속부품이 정밀도 가 좋아 대량생산 할 수 있기 때문에, 앞으로 성장이 예견되고 있다.
금속분말 사출성형법(MIM법 : Metal Injection Moulding Process)은, 플라스틱 산업에서 오랫동 안 배양된 사출성형(Injection Moulding) 기술과 분말야금산업에서 발달한 금속분말의 소결기술 양쪽의 이점을 융합시킨 process라고 말할 수 있다. 원리적으로는, 세라믹스 부품의 제조법의 하나인 세라믹스 사출성형법의 원료 세라믹스 분말을 금속분말로 바꾼 것으로, 1960년대에 미국의 Dr.R.E.Wiech.Jr가 제창하기 시작한 것이다. 금속분말과 바인더 혼합물의 사출성형품을 가열하여 탈지소결하고, net shap의 고기능 복잡형상의 작은 부품을 제조하는 방법이다.
MIM의 특징은, 삼차원 복잡형상의 작은 금속부품을 좋은 정밀도로 대량생산 할 수 있다는 것이 다. 분말제조기술, 성형기술, 소결기술 발전에 의해, 저가격에서의 제조가 가능해졌기 때문에, 우리나라에서도 10년 정도전부터 주목되어, 많은 기업이 참가하고, 제품이 공급하게 되었다는 점 이다.
MIM의 시장은, 시계 밴드, sewing machine, OA 사무기기, 전자부품 등의 분야이지만, 제품공급 이 시작되고 약10년된 새로운 기술이기 때문에, '92년도 국내실적에서는 30수억엔으로 규모는 작 지만, '94년도 50억엔, '97년도 70∼100억엔으로 급성장이 예견되고 있다.
MIM의 특징
1) MIM법과 각종 가공법과의 비교
복잡형상 금속부품의 성형가공법은 여러 종류가 있지만, 각각에 단점이 있어, 제조된 부품에 따 라서 선택되어 이용되고 있다. 표1은 복잡형상물의 가공법 비교의 일례이다.
압분 소결법은 5∼7t／㎠의 고압압축을 시행하지만, 분말의 유동성이 좋지 않기 때문에, 금형에 대한 분말 충진이 균일하게 될 수 없고, 압분체의 밀도가 균일하지 않다. 소결에는 각부분의 수 축률이 다르기 때문에 수치정밀도 유지를 할 수 없다. 또, 조직내부에 구멍이 많이 남아 피로강 도가 낮고, 경면연마성이 나쁘다. 제품형상은 원판상인 것에 한정된다.
정밀주조법(로스트 왁스)는, 절삭가공을 할 수 없는 복잡형상품을 만들 수 있지만, 작고 정밀한 것은 고가이다. 주조용의 형태제조시에, master로부터의 전사를 반복하기 때문에 형태의 수치정 밀도가 나쁘다(±1∼2％). 재질에 따라서는, 용탕의 흐름성이 나쁘고 얇은부분 등 작은 수치의 부품을 만들기 어렵다. 또, 양산성에도 문제가 있다.
냉간단조법은, 단조방식이 주로 상하로부터의 한 축이기 때문에, 제품형상이 한정된다.
다이커스트법은, 금형재질의 내열한도를 위해 용융온도가 높은 재료는 적용할 수 없고, Al, Zn 등 저융점 재료에 한정되기 때문에, 제품용도가 한정된다.
기계가공은 정밀도적에서 뛰어나 복잡형상에도 대응할 수 있지만, 가공 가격, 재료의 비율, 양 산성에서 떨어지는 경우가 많다.
MIM은, 작은 복잡형상 부품의 가공법으로서 상기된 종래의 기술 결점을 카바하는 뛰어난 기술 로, 미래의 발전이 기대된다.
2) MIM기술의 특징
복잡형상 자동차, OA기기, 일반기계의 기구부품 등의 제조법으로서는, 종래부터 압분 소결법이 널리 사용되고 있다. 분말야금법에 의한 소결기계 부품은 단조, 주조, 절삭가공 등 다른 가공법 의 대체로서 시장을 확대해 왔지만, 재료의 비율이 좋다는 것, 니어네트 셰이프에 의한 후가공의 대폭 감소, 성형품을 위해 대량생산이 가능하다는 것 등의 특징을 갖는다.
MIM법은, 금속분말을 소결한다는 점은 압분 소결법과 같지만, 분말의 유동성의 결점을 유기 바 인더를 첨가하여 개선하고, 금속 사출성형을 가능하게 하는 것으로 압분 소결법에 없는 이점을 갖는다는 점에서 큰 특징이 있어, 작은 부품의 대량생산에서는 큰 가격 저하가 가능하다. 그러나, 사출성형을 가능케 하기 위해 가해지는 유기바인더는 소결에는 불필요한 것으로, 소결 하기 전에 제거할 필요가 있다. 이 탈지공정은, MIM의 품질과 생산성 향상의 장애가 되는 일이 있어, 메이커 각 회사는 효율향상에 노력하고 있다.
⑴ 삼차원 복잡형상 및 미세수치 형상
유기 바인더를 금속분말에 가해 유동성을 개선한 사출성형에 의한 성형법이기 때문에, 형상의 자유도는 크고, 금형제작이 가능한 것은 모두 1공정에서 형성할 수 있어, 복잡형상품을 net shape로 양산하는 것이 가능하다.
그림1은 MIM에 의해 제작가능해진 삼차원 복잡형상 기계부품의 예를 나타냈다. 원료에 미분을 이용하기 때문에, 표면조도가 뛰어남과 동시에 shape edge, 얇은 물건, 미세 구멍, 미소 slit 등 이 가능하고, 소형 고기능 부품이나 장식부품이 제조가능하다. 이것들은, 종래의 제조가공법에서 는, 가격, 정밀도, 양산성에 문제가 있었던 것이다.
그러나, 탈지성, 소결시의 변형, 원료분말 가격고 등의 제약에서, 작은 부품(무게 수10g, 두께 10㎜이하)에서 한정된다.
⑵ 고밀도, 고강도
MIM은, 소결성에서 뛰어난 미분말 원료를 사용하고 있기 때문에, 적절한 사출성형 조건을 주면 균일한 밀도의 성형체를 얻을 수 있고, 소결시에 균일하게 수축한다. 이 때문에, 소결온도를 높 히고 소결을 충분히 진행할 수 있어, 상대 밀도 95%이상의 고밀도 소결체로 만들 수 있다(종래의 고상소결에 의한 압분 소결품에서는 일반적으로 83∼87%이다). 사진1에서, 스테인레스재의 현미경 조직사진을 나타냈다. 압분 소결후의 냉간단조품에서는 구멍 이 입계에 따라 많이 존재하지만, MIM제품은 작고 둥근 구멍이 독립하여 존재하고 있다. 이 때문 에 기계적 성질에서 뛰어나고, 용제재에 가까운 수치를 얻을 수 있다. 표2은 MIM재의 기계적 성 질의 대표예이다.
⑶ 수치정밀도
사출성형에 의한 성형체 밀도가 균일하기 때문에 X, Y, Z 세방향의 소결수축률이 같을 수 있고, 비교적 고정밀도(±0.3∼0.5%)를 유지할 수 있다.
MIM에서는, 금속분말과 혼합하는 바인더의 양이 많기 때문에 소결시의 수축률이 30∼40%로 커 서, 수치정밀도 유지가 최대의 기술과제이다. 수치정밀도가 불량이 되는 원인에는, 아래의 것을 들 수 있다.
ㄱ. green body(사출성형체)의 충진밀도 불균일에 의한 소결시의 수축률차
ㄴ. 성형시의 잔류응력 소결시의 응력개방에 의한 변형
ㄷ. 탈지시의 성형체의 균열, 부풀음
ㄹ. 탈지, 소결시 스스로의 무게에 의한 변형
ㅁ. 소결 jig면과의 마찰
그러나, 각 공정중의 parameter를 적절히 관리 조절함으로써, 전술한 정밀도가 충분히 가능하 다.
MIM제조공정
1) 금속분말 원료
원료분의 특성으로서는, 사출성형시의 유동성, 바인더 배합률의 최소화를 위해 구상 분말이, 높 은 소결밀도와 수치 정밀도 확보를 위해서는 미분(수∼수10㎛)이 바람직하다. 실제로 사용되는 원료분말은, 평균입경 4∼15㎛정도의 구상에 가까운 것이다. 사진2는 금속분말의 전자현미경 사 진이다. 소결시의 수축률은, 분말입경이 작을수록 수축률이 크고 소결체 밀도가 높아진다. 현 상황에서는, MIM용 분말은 압분성형용(수10∼100㎛)에 비하면 고가인 것과 분말특성의 흩어 짐에 큰 문제가 있어, MIM기술 발전과 시장 확대 상승효과에 의한 개선이 기대된다.
2) 바인더
MIM에서는 사출성형시에 가루형체로 유동성을 주고, 원료가루를 단단한 형상으로 유지하기 위해 바인더를 다량으로 첨가하지만, 소결시에 바인더를 제거하는 공정이 필요하고, 바인더 제거성도 바인더 선택의 중요한 포인트이다.
바인더 선택에는 일정한 이론이나 계산방법이 없어, 메이커 각회사가 경험적으로 확립한 방법에 따르고 있는 것이 현상황이지만, 유기 바인더 선택에 고려해야할 항목을 아래에서 나타냈다.
ㄱ. 금속분말과의 반응 유무
ㄴ. 가열 유동성
ㄷ. 금속분말에 대한 누설성
ㄹ. 바인더 사이의 상용성
ㅁ. 성형체의 보형성(형성시 및 탈지시)
ㅂ. 열분해 특성(잔류 카본량)
결합(보형)재, 윤활제, 가소재 및 계면활성재 등에서 3∼5종류 정도를 조합하여 사용한다. 사출성형시의 성형성이 확보되면, 탈지소결시의 변형방지 면에서 전체 바인더 양은 적은 편이 바람직하다. 체적비률에서 금속분말 50∼35%의 범위가 적절하다.
탈지공정에서의 열분해는 팽창이나 급격한 가스화를 동반하지 않고, 순조롭게 진행하는 것이 필 요하다. 그림3은 바인더 각종류의 열분해 곡선을 나타낸 것이다. 바인더 분해가 겹칠 경우는 가 스방출량이 증가하기 때문에, 성형체의 팽창 또는 파손과 연결되는 일이 많다.
3) 혼연, 조립
수치정밀도 등의 향상을 위해서는, 사출성형 재료로서의 페렛트 특성안정화가 중요하다. 혼연은 가루형체의 입자 하나하나에 바인더를 균일하게 필요 최소한으로 코팅할 목적으로 시행 된다. 보통은 가압 니더를 이용하고, 금속분말에 바인더를 첨가하여, 가열하면서 충분히 혼연한 다. 혼연된 원료는 사출성형기로의 공급을 용이하게 하기 위해, 조립기로 밀어내고, 절단되어, 일정한 크기의 페렛트로 한다.
4)사출성형
원료 페렛트는 홉퍼에서 사출성형기의 실린더 안으로 보내어, 가소화하면서 실린더 전방으로 수송하고, nozzle로부터 금형내로 압입하여 냉각고화해서 추출한다. 사출성형기는 inline screw식이 널리 사용되고 있지만, 원리적으로는 플라스틱용과 같다. MIM용 은 성형재에 금속분말을 사용하고, 점도도 높다는 것에서, screw와 실린더의 내마모 대책에 경질 재료를 사용하고, screw와 헤드 주변의 형상설계에도 플라스틱용과 다른점이 있다. 원료 가루와 바인더를 혼합한 MIM용 compound의 유동특성, 열전도율, 재료강도는 플라스틱의 것 과 큰 차이가 있다. 따라서, 성형작업 조건과 금형설계에는 MIM 특유의 노하우가 많다.
5) 금형
기본구조는 플라스틱 성형용과 같다. 가열에 의해 가소화된 원료 compound의 충진을 부드럽게 시행할 수 있도록 유로의 형상과 수치 가 중요하다. 캐비티내 표면의 온도분포의 균일성 확보를 위한 온도제어 구조가 필요하다. MIM에서는 compound를 이용하기 때문에, 유동특성과 성형조건에 따라서는 금속분말과 바인더가 분리하는 것이 있어, 게이트의 형상과 설치 위치 선택이 어렵다.
6) 탈지
원료성형 공정에서는 불가결한 바인더를 소결전에 제거한다. 금속분말은 600℃정도인 정도고화하지만, 그 이하의 온도에서는 금속가루만으로는 형상을 유지 하는 것이 곤란하다. 이 때문에, 보통 탈지조건의 300∼500℃정도에서는, 형상유지를 위해 약간 의 바인더를 남기는 방법이 채용되어 있다.
현재, 일반적으로 시행되고 있는 탈지방법은 가열에 의해 바인더를 증발, 분해하는 것이지만, 승온속도가 빠르면 팽창이나 균열 등의 결함이 발생한다. MIM에서는 바인더양이 많기 때문에 생 산성이 낮고, 일반적으로는 탈지에 수십∼백시간 정도를 요하고 있다. 탈지시간 단축을 위해, 용매추출탈지, 광분해형 바인더에 의한 방법, 진공분위기로 하여 증발을 촉진하는 방법 등이 제안실시되고 있다.
탈지, 소결시의 용광로 내의 분위기를 그림4에서 나타냈지만, 바인더, 탈지방법과의 조합은 각 사마다 다양하게 시행되고 있다. 이들 탈지조건에 의해 잔류 바인더양이 결정되고, 소결체의 산 소량과 탄소량을 결정하게 된다.
7) 소결
탈지된 금속분말 성형체를 고온까지 가열하고, 고상반응으로 소결이 진행하여 치밀화된다. MIM 소결품은 소결시에 30∼40％로 큰 수축을 하기 때문에, 성형체의 밀도와 소결온도가 균일하지 않 으면 수축이 균일해지지 않고, 수치 정밀도가 나빠지는 결과가 된다. 금속분말이 갖은 산소는, 탈지공정에서 남겨진 분해 바인더 찌꺼기의 탄소나 소결시 분위기에 의해 환원되어, 소결이 진행된다. 저온측에서는 C＋O→CO의 반응, 고온측에서는 CO＋O→CO2의 반 응이 일어나 환원된다. 그림5는 소결 pattern의 일례이다.
8) MIM용 소결로
소결로는, MIM 제조설비 중에서 가장 고가이기 때문에 제품가격에 큰 기여율을 갖을 뿐만 아니 고, 그 온도분포성능이 제품의 품질특성, 특히 수치 정밀도와 소결체 밀도 확보에 중요한 의미를 갖는다. MIM용 탈지소결로의 방식에는, 아래의 것이 있어, 각각의 장점과 단점이 있다. 탈지, 소결-----+-①batch식 탈지 소결로
연속처리방식 |
+-②다실 연속로(3실 등)
탈지, 소결-------③batch식 개별로
단독처리방식 탈지로＋소결로
방식①처리품을 tight box내에 넣어, 바인더에 의한 용광로 내의 오염방지구조로 하고 있지 만, 완전한 오염방지가 불가능.
방식②어느쪽인가의 공정 처리시간에 율속되어, 연속로로서의 고생산성을 얻기 어렵다.
방식③용광로에의 제품출납의 작업공정수 증가.
탈지공정은 가격이 싼 용광로를 사용할 수 있지만, ①과 ②는 가격이 비싼 소결로를 탈지공정에 서 장시간 점유되어, 설비효율이 나쁘고 가격적으로 불리하여, 현재는 ③의 방식이 선택되는 경 향이 강하다.
당사는, 소결로 전반의 제조판매를 하고 있고, 상기 모든 방식의소결로도 납입실적이 있다. IHI제의 금속소결로의 온도분포는 공로표준으로, ±5℃이내이지만, 고객의 요구에 맞추는 것이 가능하다. MIM용에 납입된 실적으로는, 실제 용광로에서 폭 3℃이내의 온도분포를 실현하고 있 다. ±5℃의 온도분포에서는 소결품 전량을 ±0.5℃의 수치정밀도로 받아들이는 것은 어렵지만, 이 MIM용 용광로에서는 ±0.2℃의 수치정밀도도 가능하다고 생각되고 있다.
MIM의 응용
MIM에서는 작은 삼차원 복잡형상 부품의 생산이 가능하기 때문에, 고급시계 밴드 등의 장식품, OA 사무기기, sewing machine, AV기기, 전기기기 등의 복잡형상 부품 등에 용도가 있고, 현재 국 내시장은 연간 수십억엔 규모이다. MIM재료로서는, 고융점재, 난가공재, 복합재 가루 등 많은 금속재료를 사용할 수 있다. 현재는 구조재, 장식품용에 스테인레스강, 저합금강, Fe-Ni-C, 동합금이, 고속도 공구강 등의 내마모 공 구재, Fe-Ni기능재 및 자성재 등이 제조되고 있다.
현상황에서는 수치 정밀도의 향상, 제조 가격의 저감 등의 과제가 있는데, 수년전 기대한 만큼 수요는 증가하지 않았지만, 재료강도, 표면조도에 뛰어난 정밀한 복잡형상품이 제조 가능하고, 원료분말, 바인더, 탈지, 소결에 있어서 저가격화 기술이 진보하면, 자동차, 가전, 정밀기계 등 광범위한 산업분야에서 수요가 넓어져, 시장이 성장할 것으로 생각된다.
인터넷어디선가에서 다운로드 받은 자료로, 출처는 도저히 기억 나지 않는게 문제....2007년도 정도의 자료.
그림이 포함되어 있으면, 이해가 편했겠지만....원본에도 그림은 삽입되어 있지 않음.
아래는 역시 분말 및 가압으로 성형되는 알루미늄 다이캐스팅 링크.
