Update2024.07.06 (토)
자동차 산업과 함께 성장한 분말 성형
■ 성형 및 소결 기술의 개요
◇ 성형 기술의 정의 및 분류
분말 성형(Powder Compaction) 기술은 조밀하지 못한 상태의 분말에 적절한 외력을 가해 원하는 형상으로 만들거나 또는 최종 형상으로 가공할 수 있도록 판재·봉재 등의 중간재 형태의 형상을 만드는 기술을 말한다.
분말 성형 기술은 과거에는 주로 상온에서 강성을 갖는 금형(Mold)에 분말을 채운 후, 프레스에 의한 가압(Pressing or Compacting)으로 형상을 만드는 작업을 의미하는 용어였다. 그러나 최근에는 고강도·고밀도·고성능 및 다양한 성능의 복합화를 요구하는 고객의 요구와 나노재료, 복합재료 등 난성형재료의 등장으로, 냉·열간에서 정수압과 같은 등압에 의한 성형(등압성형, Isostatic Compacting), 압연(Rolling), 압출(Extrusion), 사출(Injection Molding), 단조(Forging), 슬립 주조(Slip casting), 분무성형(Spray Forming) 등 다양한 가압·가공방법의 결합, 폭발성형(Explosive Compacting) 또는 충격파성형(Shockwave Compaction), 자기펄스성형(Magneto Pulsed Compacting) 등의 고속성형(High Velocity Compaction)방법 등 다양한 방식의 가압 또는 형상구현방식을 적용하는 형태로 변화하고 있다.
이들 성형 기술은 분류 관점에 따라 다양하게 분류할 수 있다. 아래의 표는 그러한 분류 방식의 한 예다. 최근에는 성형과 동시에 소결을 진행하면서 형상과 물성을 구현하려는 방법들도 많이 나타나고 있다. 이는 소결 기술의 정의 및 분류에서 기술될 것이다.
◇ 소결 기술의 정의 및 분류
소결(Sintering)은 성형 또는 충전된 분말을 융점(Melting Point)이하의 온도로 가열해 확산(Diffusion)이나 원자단위의 현상을 매개로, 분말 입자 상호간의 결합에 의해 강도·경도 등 원하는 물성을 나타내도록 하는 기술을 말한다. 분말의 구성 원소가 합금으로 된 경우에는 일부 원소의 융점을 초과하는 경우가 대부분이다.
분말야금(Powder Metallurgy)에서는 성형과 소결이 가장 핵심에 속하는 기술로서 흔히 분말야금을 소결이라고 부르는 것도 이와 같은 비중을 반영한 것이다. 최근 계면현상에 대한 이해가 증가함에 따라 소결현상은 표면적을 줄이는 과정이라는 이해도 있다.
분말 소결 기술은 원재료의 조성비율과 입도 외에도 소결조건으로 온도, 압력, 승온·냉각속도의 변화, 분위기의 변화에 따라 소결체에서 다양한 물성을 만들어 내는 것이 가능하다.
최근의 연구 경향은 고온소결과 진공소결, 열간-가압소결로(Hot Press, HIP, Gas Pressure Sintering 등), 소결경화 등 공정의 결합(소결 후 HIP ⇒ Sinter-HIP)이 있으며, 소결로의 대형화, 통전소결 또는 방전플라즈마소결(Spark Plasma Sintering), 전계소결(Field Assisted Sintering), 마이크로파 소결(Microwave Sintering) 등의 성형과 소결이 결합되거나 혹은 가열방식을 바꾸려는 시도가 나타나고 있으며, 쾌속모형제작을 위한 레이저 소결(Laser Sintering) 등이 각광받고 있다.
소결기술을 채택하는 기준은 제품의 수량과 요구 특성이다. 요구되는 수량이 매우 적지만 빠른 대응을 요구하는 경우와 많은 수량을 요구하는 경우가 증가됨에 따라 이에 대응하기 위한 방법들이 모색되고 있다. 또한 치밀화 공정에 따라 성형, 소결 또는 2가지를 동시에 사용하는 경로로 나눌 수 있다.
■ 성형기술 동향 고강도화·고성능화·고밀도화 위한 연구개발 활발
성형기술은 분말야금 시장의 다양한 요구에 따라 서로 다르게 발전하고 있어 동향을 일률적으로 나타내기가 어렵지만, 가장 중요한 분야인 자동차 분야와 난 성형재료를 중심으로 살펴보면 아래와 같이 정리할 수 있다.
◇ 고밀도화 기술
분말야금 제품에서 가장 우선적인 핵심이슈는 고강도화와 고기능화이다. 이러한 요구를 만족하기 위해서는 분말야금의 가장 큰 특징이자 단점으로 나타나는 재료 내부의 기공을 줄이는 즉, 고밀도화가 절대적으로 필요하다.
고강도화를 위해서 합금성분을 더 첨가하는 대신 고밀도화를 구현할 경우, 추가적인 가격 상승 없이 더 얇은 크기로 설계하는 것이 가능해 경량화를 추구할 수 있으며, 고 피로강도를 요구하는 부품에도 적용이 가능하게 된다.
이러한 고밀도화를 위해서 원료분말의 개선, 윤활기구의 개선, 윤활 방식의 변경 등과 더불어 성형기술에서도 많은 변화를 가져오고 있다. 가장 큰 변화는 고압성형과 고속성형기술의 도입이다.
고속성형기술은 일반적인 가압속도 보다 훨씬 빠른 속도로 가압하는 기술로서 폭발성형, 충격파 성형과 같은 재래의 고속성형방법이 사용되고 있으며, 최근에는 유압 또는 자기에 의한 자기펄스성형, 유압펄스고속성형 등의 방법이 개발돼 적용을 서두르고 있다.
이러한 고밀도 성형에는 고분자로 구성돼 부피는 많이 차지하지만 밀도가 낮아 성형밀도를 낮추는 윤활제의 첨가량을 줄이는 것이 필수적이기 때문에 윤활방식에도 다양한 변화가 나타나고 있다. 가장 대표적인 변화는 다이윤활 방식의 적용이다. 다이윤활 방식은 매우 적은 윤활제를 사용하고도 윤활 효과를 나타낼 수 있기 때문에 고밀도성형방식에 다양하게 접목되고 있다.
또한 성형공정에서 온도를 올리는 온간성형이나 부분적인 밀도를 올려 요구하는 요구특성을 맞추는 방법 등이 나타나고 있다. 성형에서 분말이나 금형의 온도를 올리면 윤활제의 윤활능력이 높아져 성형성이 개선되는 점을 이용한 것으로 100~150℃내외로 가열해서 사용한다.
부분적인 밀도의 개선은 성형-소결 후에 다시 필요한 부분의 밀도를 높여 사용상의 특성을 보완하는 방식으로 대표적인 것은 전조에 의한 기어 표면밀도의 향상방법이다.
분말야금제품에서 기공을 근원적으로 제거하기 위해서는 기존의 성형만으로는 한계가 있기 때문에 분말단조와 같은 ‘완전 치밀화’를 이룰 수 있는 방법의 도입이나, 열간 가압과 같은 소결기술의 결합이 필요하다.
단조는 치밀화의 정도에 따라 분말단조(~98%의 이론밀도)와 소결단조(~100%이론밀도)로 구분하기도 한다. 분말단조의 경우 기존의 재가압과 유사한 방법으로 열간에서 가압되며, 소결단조의 경우 기존의 벌크 단조방법과 동일하게 열간에서 이루어진다.
소결공정과 결합된 완전 치밀화 방법은 소결 기술동향에서 기술될 것이다.
원재료는 대부분 수입, 분말 가공기술은 선진국 80%
◇ 다른 공정과의 융합화
고성능화에 대한 다양한 고객의 요구에 대응하기 위해서 분말야금 공정에서 나타나는 또 다른 특징 중의 하나는 사출이나 압출과 같은 기존 금속가공에서 사용되는 공정과 분말야금의 결합에 의한 새로운 공정의 출현이다.
분말 사출성형은 기존 프레스 가압방식에서의 2차원적인 제조방식과 3차원적인 고객 요구 사이의 고민을 해결하기 위해서 도입된 공법이다. 기존 가압방법에서도 이러한 요구를 충족하기 위해 아래 그림과 같이 측면으로 형성된 구멍을 형성하거나 측면의 홈을 형성하는 측면성형 방법이 개발됐다.
또한 아래의 그림과 같이 2개 이상의 부품을 조립한 후에 소결과정 중에 접합제를 사용하거나 소결과정 중에 나타나는 치수팽창의 차이를 이용해 결합하는 접합 공정이 개발됐다. 하지만 이 공정은 어느 정도 3차원적인 형상을 갖출 수 있었으나 기본적으로 프레스 가압이라는 2차원적인 구조에서 완전하게 벗어날 수 없는 상태다.
이와 같이 2차원적인 구조에서 벗어나 완전한 3차원적인 형상을 구현할 수 있는 방법이 사출성형이며 금속분말을 이용해 이를 구현한 것이 금속사출성형(Metal Injection Molding)이다. 이 성형법은 자동차 부품을 제조하기 위한 기존 분말야금 공법에서 경쟁력을 잃어가고 있는 북미에서 가장 각광받는 대체공법의 하나다.
그 밖에 최근 단조 등과 분말야금이 결합된 분말단조(Powder Forging)나 분무성형, 테이프 성형, 슬립 주조 등의 방법들이 양산화에 적용되고 있다.
◇ 생산성 향상화 기술
기존에 생산성 향상을 위한 방법은 성형속도를 높이는 것이었으나 최근에는 이에서 탈피해 복수성형, 금형교체의 편의성 증대, CNC(하이브리드)화에 의한 패턴화방법이 적용되고 있다. 복수성형은 한 번에 2개 이상의 제품을 동시에 성형하는 것이다. 이 성형법은 자동취출 기술 개발과 함께 성형공정의 생산성 향상에 크게 기여했다. 금형교체의 경우 최근에는 거의 대부분 프레스가 제조 단계부터 다이세트 교체가 가능한 형태로 제작되고 있으며, 그와 연관된 기술의 개발도 활발하다. 그리고 전자 통신 기술의 발달로 소결로에서 사용되던 제품인식기술이 사용돼 성형제품의 코드를 입력하면 기계의 구조가 자동으로 변경되는 패턴화기술이 프레스에도 적용돼 일반화되고 있다.
성형 형상이 복잡해짐으로 해서 준3차원 형상의 구현을 위한 다양한 아이디어를 기반으로 한 성형기술의 개발이 진행되고 있다.
◇ 다공성재료의 증가
고밀도화와 더불어 저밀도재에 대한 요구도 꾸준하게 제기되고 있다. 특히 디젤엔진의 매연저감장치나 고체산화물 연료전지에 적용을 목표로 밀도를 50% 미만으로 성형하는 방법을 개발하거나, 테이프 캐스팅과 같은 공정의 적용으로 저밀도재료를 구현하려는 경향이 늘어나고 있다. 다양한 재료를 개발해 적용할 수 있다는 분말야금의 특징과 박육화가 가능한 공정 특징이 결합해 향후에 좋은 기대를 낳고 있다.
■ 소결기술 동향
소결 기술도 성형 기술의 발달에서처럼 시장의 다양한 요구에 따라 각기 다른 방향으로 발전하고 있다.
◇ 고밀도화 기술
성형기술에서와 마찬가지로 소결기술에서도 가장 첨예한 관심은 고밀도화다. 그러나 분야에 따라 고밀도화에 대한 개념이 다르다. 공구나 고온소재에서와 같이 기능소재에서는 아주 작은 기공에 의해서도 많은 특성적 차이를 가져 오기 때문에 고밀도화란 완전 치밀화를 의미하는 경우가 많다. 반면에 종래의 분말야금 제품에서는 완전 치밀화에 가까운 상태를 의미하는 경우가 많다.
이러한 고밀도화를 위해서 고온소결, 진공소결, 가압소결, 진공가압소결 등의 소결기술이 채택되고 있다.
일반재질에서는 단지 소결온도를 높여 고밀도화 내지는 고강도를 달성하려는 시도가 있다. 이 경우 소결온도를 높이려면 소결로의 재료적 한계 때문에 금속이 아닌 세라믹 소재를 사용해야 한다. 이에 따라 머플(Muffle)과 메쉬 벨트(Mesh Belt)의 세라믹화가 진행되고 있다. 더불어 생산성 향상을 위해 소결로의 대형화가 이루어지고 있다. 메쉬벨트 폭의 경우 과거 18인치나 24인치가 주를 이루었으나 최근에는 36인치가 대세이며 더블24인치(48인치)도 개발되고 있다.
소결체 표면의 청정도 향상과 소결 시 기공에 의한 수축억제 등을 방지하기 위해 고급재질의 경우 진공소결을 하는 경우가 증가되고 있다. 또한 완전치밀화 혹은 치밀화를 위해 과거에는 소결 후 열간 등방압 가압법(HIP; Hot Isostatic Pressing)을 수행하는 방법은 진공소결과 함께 가압소결이나 진공가압소결 혹은 신터-힙(Sinter-HIP) 공정을 수행해 한 번의 공정으로 수행하고 있다.
◇ 공정융합-소결경화 기술
소결 기술에서 공정융합화는 앞에서 기술한 소결 후 HIP처리를 하던 것에서, 한 번의 sinter-HIP으로 완전치밀화를 구현하는 것처럼 2단계의 공정을 한 번에 해결하는 것이다.
소결경화는 소결 후 열처리를 하던 것에서 탈피해 소결과 동시에 냉각과정 중에서 냉각 압축가스에 의한 열처리를 수행함으로써 열처리 공정을 줄이고 일반적으로 오일 칭에 의한 변형과 세척에 의한 환경오염을 줄이는 공정으로 최근 각광을 받고 있다.
그 밖에 통전소결 또는 방전플라즈마소결SPS(Spark Plasma Sintering), 전계소결(Field Assisted Sintering), 마이크로파 소결(Microwave Sintering) 등 성형과 소결 공정을 결합하거나 혹은 가열방식을 바꾸려는 시도가 나타나고 있다. 이들은 전기 펄스에 의한 방전효과 등으로 소결 촉진효과가 있어 소결속도가 빠르고 제어가 쉽기 때문에 공정의 결합 측면뿐만 아니라 난소결재의 소결에도 큰 도움이 된다.
◇ 시뮬레이션 기술과 쾌속모형기술
분말 시뮬레이션은 소결뿐만 아니라 성형과 금형분야에서 오랫동안 이루어져 왔다. 다만 최근에 소결영역까지 그 범위가 넓어졌다고 보는 편이 타당하다. 소결분야까지 시뮬레이션이 가능하게 됨에 따라 소결공정에서의 이해도가 증가돼 불량감소는 물론 에너지 절감으로까지 이어지고 있다.
프린터의 원리와 레이저 소결을 조합한 스테레오리소그래피(Stereolithography)와 쾌속조형기술 등은 단시간에 원하는 입체 형상을 만들 수 있기 때문에 소량의 시제품을 빠르게 제조하기 원하는 경우에 각광을 받고 있다.
■ 국가별 동향 - 미국
◇ 연구개발 현황
미국을 포함한 북미시장은 점차 종래의 자동차 부품을 중심으로 하는 분말야금 제품이 퇴조하고 의료·레저 부품을 중심으로 하는 분말사출성형 등을 중심으로 하는 새로운 분말야금공법의 흐름 속에 있다.
자동차 부품의 의존도가 높고 2008 ~2009년의 금융위기를 회복하는 경향을 나타내고 있지만, 미국 내 생산대수의 감소와 부품의 해외 수입 등으로 실제 생산은 감소를 나타내고 있다. 다만 전기자동차, 고효율 자동차 등 새로운 시장에 대한 연구가 계속되고 있음은 희망적이다.
■ 국가별 동향 - 일본
◇ 연구개발 현황
2011년 초 금융위기를 넘어 회복세를 보이던 일본은 동일본 지진 등의 여파로 인해 최대시장인 자동차 부문에서의 부진으로 회복이 느린 것으로 보고되고 있다. 그러나 아시아 분말야금(PM, Powder Metallurgy)시장의 주도자로서의 지위는 변함없다. Sumitomo 전기공업, Mitsubishi 머티리얼, Hitachi 분말야금 등 대기업들이 기술개발을 선도하고 있다. 다만 일본국내의 생산저하와 엔고 등으로 인한 경쟁력의 저하로 해외 자회사를 통한 발전을 추진하려는 경향이 높아지고 있다.
세계 분말가공 부품 시장규모 10조 넘어…꾸준한 성장 기대
기존 소재 개선·개량 아닌 신물질·신공정 원천기술 확보 必
■ 국가별 동향 - EU
◇ 연구개발 현황
자동차 이외의 의료나 스포츠 등의 레저·총기류 등의 부품이 발달돼 있는 미국과 달리 유럽은 자동차와 자동차부품의 제조부문에서 제조업체들이 견실한 경쟁력을 지속하고 있어 이들 분야의 분말야금제품들도 지속적으로 발전하고 있다. 특히 개발 및 적용 대상이 프리미엄급 자동차이기 때문에 신기술 적용을 위한 분말 관련 기술 개발이 활발하고 디젤 차량이 광범위하게 활용된다는 점에서 관련 분말야금 부품개발도 활발한 편이다.
금속사출성형 관련기술의 자동차응용도 활발해 의료나 레저 중심의 미국과는 다른 개발 양상을 나타내고 있는 점도 주목할 만하다. 유럽은 또 연구기관 및 대학-기업 간의 공동연구가 활발하다.
■ 국내 동향
◇ 연구개발 현황
국내 분말야금 업계는 최근 세계 자동차 시장에서 국내 자동차 업계의 시장 점유율 향상에 힘입어 이와 관련된 생산량이 크게 증가하고 있다. 또한 다국적 기업에 의한 구매가 늘어나고 수출이 늘어나고 있음은 주목할 만한 일이라 하겠다. 이와 같은 기조를 바탕으로 기존 주·단조 공정을 적용한 부품의 대량생산이 한계를 보임에 따라 저가격 대량생산이 가능한 분말공정을 적용하려는 노력이 활발하다.
이에 따라 주 단조품을 대체하기 위해 기존보다 높은 고강도·고밀도의 분말소재 및 부품에 대한 요구가 급증하고 있고 이에 대응하기 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 또한 전기자동차와 차세대 자동차에서도 분말야금의 위상을 이어나가기 위해 전자재료, 자성재료에서의 개발을 추진하려는 경향이 농후해 지고 있다.
◇ 기술수준격차
분말소재부품의 원재료는 일부를 제외하고는 전량 수입에 의존하고 있으며, 국내 관련기술을 보유하고 있지 않아 매우 취약한 기술수준을 가진다. 분말제조기술을 제외한 국내 기술수준은 선진국과 비교해 약 80%수준이다.
특히 분말소결기술 등 전통적인 기술은 선진기술 수준에 약 90% 정도 근접해 있다.
■ 국내외 주요기업의 생산활동
국내의 경우 일반 분말야금 제품은 자동차 부품이 80% 이상으로 대부분을 차지하고 있으며, 엔진과 트랜스미션 부품이 자동차 부품의 3/4 정도를 차지하고 있다. 따라서 성형과 소결에서 고강도와 고성능 및 복합화의 요구가 증대되는 경향이 있다. 따라서 앞서 기술된 고밀도 등의 경향이 국내에도 그대로 적용되고 있다. 다만 최근 엔진의 하이브리드화와 터보, GDI 등 고성능화에 따른 엔진의 다운사이징의 경향과 맞물려 새로운 기술에 분말야금 제품을 적용하려는 노력이 증가되고 있다.
■ 시장규모 및 전망
전 세계적으로 보면 일본을 제외한 아시아 대부분이 성장세인 반면 북미와 유럽은 견조한 감소세 내지는 보합세를 보이고 있다.
국내 분말야금 시장의 경우 주력시장인 자동차 분야의 활황으로 인해 시장규모가 커지고 있다. 그 내용을 보면 첫째, 현대자동차 등 국내 업체의 자동차 생산이 증대하고 있다.
둘째, 해외기업 및 다국적 기업을 비롯한 수출이 가능한 자동차부품기업의 수요증가가 있다. 셋째, 틈새시장의 경우 국산제품이 중국, 동남아 등 중저가시장에서 가격·품질대비 경쟁력이 있어 분말부품의 생산이 증가하고 있다.
이와 같이 자동차를 중심으로 분말부품의 생산량은 빠르게 증가하고 있다. 그러나 핸드폰부품의 경우 스마트폰의 보급으로 슬라이드나 폴더형 전화기가 줄어들면서 분말부품의 생산량이 빠르게 감소하고 있어 전체적으로 자동차 의존도가 증가하고 있다.
■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향
◇ 미래의 연구방향
분말 성형·소결기술은 가공·캐스팅·단조 등 경쟁 공정기술과 비교해 보다 경제적으로 형상과 특성을 제조하고 분말야금 특성을 살려 복합기능성을 부여하기 위한 기술개발에 주력해 왔다. 그러나 이러한 개발은 해외 업체와 연구소에 의해서 주도돼 온 것을 국내에서 다시 개발하거나 개선해 실용화한 것들이다.
향후 전기·연료전지 자동차 부품 등 새로운 블루오션을 개척하기 위해서는 기능 개발과 분말야금 제품만의 특성을 살릴 수 있는 독창적인 성형·소결 기술의 개발이 요구되고 있다.
이러한 기술개발이 완료되고 적용해야 지속적인 성장을 유지할 수 있다. 따라서 실패를 거듭하더라도 다른 공정과의 결합 등으로 새로운 시도를 통해서 온간성형공정, 소결경화공정 및 분말사출성형 혹은 신접합공정 등과 같은 독특한 특성을 구현하거나 3차원 부품제조 할 수 있는 등 다양한 신 분말, 성형·소결공정의 개발이 요구된다.
◇ 국내 산업이 나아갈 방향
선진국의 경우 분말제조업체와 부품업체 또 그 부품을 사용하는 업체가 서로 구분돼 있기 때문에 각각의 고유기술을 보유하고 있고 보유기술의 국내기술 이전은 불가능한 실정이다. 따라서 현재의 국내 분말산업계가 중점으로 추진하고 있는 기존 소재의 개선 및 개량보다는 신물질 및 신공정에 대한 고유 원천기술의 확보를 통해 신시장을 선점하는 전략이 필요하다.
