분말야금강: 표준, 합금 설계, 기공률 및 탄화물

분말 야금강이란 무엇인가

분말 야금강의 정의

분말 야금강은 대형 잉곳을 주조한 다음 이를 압연하거나 단조하여 소재로 만드는 대신, 분말 가공 공정을 통해 제조되는 철계 재료이다. 이 용어는 제조 공정과 재료군을 나타낸다. 하나의 화학 조성, 하나의 미세조직 또는 하나의 밀도 수준을 지칭하는 것은 아니다.

일반적인 공정은 철 또는 합금강 분말의 제조로 시작하여 분말 분급, 혼합, 압축 성형 및 소결로 이어진다. 이후 성형체는 치수 보정, 재압축, 침투, 기계가공, 침탄, 담금질, 뜨임 또는 그 밖의 치밀화 및 열처리 공정을 거칠 수 있다. 각 단계는 조성, 기공 구조, 치수 및 기계적 거동 사이의 관계를 변화시킨다. Randall German의 A-Z of Powder Metallurgy는 분말 제조, 압축 성형, 소결, 치밀화, 미세조직 및 기공률을 완성된 강재를 지칭하는 서로 바꿔 쓸 수 있는 명칭이 아니라, 서로 연결된 주제의 구성 요소로 다룬다.

분말 자체가 변동의 첫 번째 원천이다. 분무법, 환원법 및 기타 방법으로 제조된 분말은 입자 형상, 입도 분포, 표면 산화물, 내부 기공률 및 유동 거동이 서로 다르다. 이러한 특성은 금형 내에서 입자가 어떻게 충전되는지, 필요한 윤활제의 양, 성형체 내부로 압력이 전달되는 방식, 그리고 소결 중 입자들이 결합하는 방식에 영향을 미친다. 분말 혼합물에는 사전 합금화된 입자, 원소 첨가물, 모합금 입자, 흑연, 구리, 니켈, 몰리브데넘 또는 가공용 윤활제가 포함될 수도 있다. 따라서 일반적으로 PM 강이라고 설명되는 두 부품은 소결로 공정이 시작되기도 전에 서로 다른 합금 원소 분포를 가질 수 있다.[1][1] Ferrous Powder Metallurgy. ScienceDirect Topics. ScienceDirect Topics, 2024.

조성은 여전히 중요하지만, 조성만으로 모든 것이 결정되는 것은 아니다. 철계 PM에서는 구리, 니켈 및 몰리브데넘이 합금 원소로 흔히 사용되며, 탄소는 흑연 또는 탄소 함유 분말을 통해 첨가되는 경우가 많다. ScienceDirect Topics가 2024년에 발행한 참고자료 Ferrous Powder Metallurgy에 따르면, 철–구리–탄소 조성은 철계 PM 부품의 약 절반을 차지한다. 이 수치는 주요 조성군을 나타낼 뿐, 모든 PM 강의 정의를 의미하지는 않는다.

ASTM B783-24는 화학 조성, 밀도, 소결 상태 항복 강도 및 열처리 상태 인장 강도로 철계 분말야금 구조용 재료를 분류한다. Strong evidence

ASTM B783-24는 재료 등급명이나 일반적인 공정 명칭만으로는 충분하지 않은 이유를 보여 준다. 이 표준은 철계 PM 구조용 재료를 화학 조성, 밀도, 소결 상태 항복강도 및 열처리 후 인장강도로 분류한다. 밀도는 단순히 보고를 위한 편의적 수치가 아니다. 잔류 기공은 하중을 지지하는 단면적을 감소시키고 균열이 시작될 수 있는 위치를 제공하며, 기공의 형상, 크기 및 연결성은 후속 공정의 결과에 영향을 미친다. 따라서 규격은 철에 첨가된 원소 이상의 정보를 제시해야 한다.

ISO 5755:2022 역시 소결 철, 강, 합금강 및 스테인리스강 구조용 재료를 포함하여 소결 금속 재료에 대한 요구사항을 규정한다. 이 표준의 적용 범위는 해당 재료군이 얼마나 폭넓은지를 보여 준다. “PM 강”은 제어된 잔류 기공률을 갖는 소결 구조용 재료를 의미할 수도 있고, 훨씬 높은 밀도를 갖는 분말 단조 부품을 의미할 수도 있으며, 주요한 차이가 탄화물의 분포와 청정도에 있는 분말 야금 공구강을 의미할 수도 있다.

미세조직은 공칭 화학 조성이 유사한 잉곳 야금 공정 재료와 다를 수 있다. 분말 야금 공구강은 미세하고 둥글며 더욱 균일한 탄화물 조직을 형성할 수 있고, 기존의 잉곳 야금으로는 제조하기 어렵거나 불가능한 수준의 탄화물 함량 또는 탄화물 조성을 구현할 수 있다. 분말 제조 중의 급속 응고는 대형 주조 잉곳과 관련된 편석을 제한한다. 이후의 고형화 및 열처리는 이러한 이점이 완성품에 어느 정도까지 남는지를 결정한다. 그 결과가 자동으로 우수하거나 열등해지는 것은 아니다. 이는 서로 다른 야금학적 이력을 가진 재료이다.

프레스-소결, 분말 단조 및 관련 공정

성형체성형체 형상은 갖추었지만 소결되지 않은 압축체로, 임시 강도는 주로 입자 맞물림과 압축 압력에서 비롯된다.

일반적인 프레스-소결 PM 공정은 정량 계량된 분말 혼합물로 시작한다. 금형과 펀치는 이 혼합물을 압축하여 “성형체”를 만들며, 성형체의 형상은 입자 간 맞물림과 압축 압력에 의해 유지된다. 이후 성형체를 합금의 용융 범위보다 낮은 온도로 가열하면 입자 사이에서 확산과 목 성장 현상이 일어난다. 소결은 입자 네트워크를 강화하고 치수를 변화시키며 기공계의 일부를 둥글게 만들거나 수축시킨다. 그러나 반드시 모든 기공을 제거하는 것은 아니다.

금형 내 압력 분포, 금형 벽면의 마찰, 분말 유동 및 부품 형상은 밀도 구배를 만들 수 있다. 소결은 수축을 일으킬 수 있으며, 조성과 초기 충전 상태에 따라 치수 성장을 일으킬 수도 있다. 이러한 변화는 분말의 입자 특성 및 계획된 열처리와 함께 고려해야 한다. 예를 들어 침탄 처리는 탄소의 접근성과 변태 거동이 기공, 합금 원소 분포 및 소결 미세조직의 영향을 받는 재료에 작용한다.

이 공정으로 제조된 구조용 부품은 소결 상태 그대로 또는 규정된 2차 공정을 거친 상태로 지정되는 경우가 많다. 치수 보정은 치수 제어를 향상시킬 수 있고, 재압축은 선택된 영역의 밀도를 높일 수 있으며, 침투는 연결된 기공을 다른 재료로 채울 수 있다. 또한 소결 경화는 로냉과 경화 변태를 결합할 수 있다. 이러한 공정 중 어느 것도 모든 프레스-소결 부품을 완전한 단조강으로 바꾸지는 않는다. 제조 공정은 여전히 그 재료의 정체성을 구성하는 요소이다.[2][2] ISO 13947:2024. International Organization for Standardization. ISO standard, 2024.

분말 단조는 기계적 치밀화 단계를 추가한다. 먼저 예비 성형체를 압축 성형하고 소결한 다음, 이를 가열하여 단조함으로써 기공률을 낮추고 단조 형상을 부여한다. 따라서 그 제조 이력은 일반적인 소결 부품 및 주조 빌릿으로부터 제조된 단조 부품과 모두 다르다. 이 공정에서는 개재물 제어가 중요하다. ISO 13947:2024는 금속 분말 내 비금속 개재물을 측정하는 방법을 규정하며, 이 방법을 분말 단조 강 부품에 적용할 수 있도록 허용한다. 이 표준은 개재물을 분말 단계에서 평가할 수 있으며, 동시에 고형화된 부품에서도 개재물이 여전히 중요한 요소임을 분명히 한다.

열간 정수압 성형은 고온과 압력을 사용하여 내부 기공을 닫는 또 다른 분말 고형화 공정이다. 한편 금속 사출 성형은 미세 금속 분말을 바인더 시스템과 혼합한 뒤 성형, 탈지 및 소결을 수행한다. 이러한 공정을 일반적인 프레스-소결 생산과 동일한 것으로 취급해서는 안 된다. 각 공정의 분말, 성형체 거동, 열 사이클, 치수 변화 및 구현 가능한 형상이 서로 다르다.

적층 제조 역시 많은 시스템에서 금속 분말로 시작하지만, 분말이 사용된다는 이유만으로 기존의 PM 공정이 되는 것은 아니다. 레이저 또는 전자빔이 디지털 공구 경로에 따라 연속적으로 선택된 영역을 용융하거나 융합한다. 따라서 부품은 금형 안에서 완전한 형상으로 압축 성형되는 대신, 층별 열 이력을 형성하며 제작된다. NIST가 발행한 2020년 ASM Handbook의 강 및 스테인리스강 적층 제조 관련 장은 기공, 개재물, 잔류응력 및 제작 후 열처리를 적층 제조 강 부품의 핵심 요인으로 제시한다. 이러한 문제는 PM과 겹치는 부분이 있지만, 결함 발생 메커니즘과 열 구배는 성형체가 소결로를 통과하는 프레스 성형 공정의 경우와 동일하지 않다.

이 용어가 하나의 등급을 나타내지 않는 이유

강의 지정명은 일반적으로 규정된 화학 조성 범위와 제품 또는 용도 표준을 가리킨다. 그러나 “분말 야금강”이라는 명칭만으로는 그러한 정보를 제공하지 않는다. 이 명칭은 구조용강, 스테인리스강, 공구강, 베어링 관련 재료, 그리고 분말 단조 또는 적층 제조를 위해 설계된 합금계를 포함할 만큼 광범위한 제조 공정을 나타낸다.[3][3] ISO 4957:2018. International Organization for Standardization. ISO standard, 2018.

표준은 이러한 차이를 보여 준다. ASTM B783-24는 단일한 보편적 등급이 아니라 여러 연계된 기준을 통해 철계 PM 구조용 재료를 다룬다. ISO 5755:2022는 소결 철, 강, 합금강 및 스테인리스강 구조용 재료를 대상으로 한다. ISO 4957:2018은 분말 야금으로 제조된 제품뿐 아니라 열간 압연, 단조, 냉간 인발 및 냉간 압연 제품에도 공구강 요구사항을 적용한다. 따라서 PM 공구강은 공인된 공구강 지정명으로 식별될 수 있으며, 제조 공정은 탄화물 조직, 편석 양상, 기공 상태 및 필요한 검사 항목을 설명해 준다.

따라서 의미 있는 설명은 여러 층으로 구성된다. 즉, 분말의 화학 조성, 입자 형태와 입도 분포, 압축 성형 방법, 성형체 밀도, 소결 사이클, 최종 밀도, 기공 형태, 개재물 분포, 치수 변화 및 열처리이다. 이 중 한 층만 변경해도 공칭 합금 지정명이 동일한 상태에서 완성된 재료가 달라질 수 있다.

이 때문에 PM 강을 단순히 분말 형태의 일반 강으로 취급해서는 안 된다. PM 강은 조성과 제조 이력이 함께 최종 미세조직을 결정하는 재료군이다. 등급명은 그 이력의 일부만 제공한다.

철계 PM 소재를 위한 표준 체계

분말 야금강은 분말 생산만으로 정의되지 않는다. 그 분류는 분말 압분체의 화학 조성, 가공 중 도달한 밀도, 소결 후 유지되는 기공 구조, 그리고 부품이 시험되는 기계적 상태에 따라 결정된다. 따라서 규격은 완성 부품을 생산하는 데 필요한 모든 작업을 설명하지 않고도 소재군을 식별할 수 있다.

이러한 구분이 중요한 이유는 공칭 철, 탄소, 구리, 니켈 또는 몰리브덴 함량이 유사한 두 부품이라도 분말 입도 분포, 압축 압력, 소결 사이클, 냉각 속도 또는 소결 후 처리 조건이 다르면 서로 다른 특성을 나타낼 수 있기 때문이다. Randall German의 A-Z of Powder Metallurgy (2005)는 분말 생산, 혼합, 압축, 소결, 치밀화, 미세조직 및 기공을 하나의 연계된 가공 경로를 구성하는 요소로 다룬다. 표준은 이러한 주제를 관리 가능한 요구사항으로 나누지만, 그 상호관계를 없애지는 않는다.

ASTM B783-24의 분류 논리

2024년에 ASTM International이 발행한 ASTM B783-24는 철계 분말 야금 구조용 소재를 네 가지 주요 특성, 즉 화학 조성, 밀도, 소결 상태 항복강도 및 열처리 후 인장강도로 분류한다. 이 표준의 적용 범위는 프레싱 및 소결로 제조되는 부품이다. 이는 철계 PM 구조용 소재를 위한 분류 체계이지, 분말로 제조되는 모든 강을 포괄하는 보편적 명명 체계는 아니다.

화학 조성은 합금군과 탄소, 구리, 니켈 및 몰리브덴과 같은 원소의 허용 함량을 규정한다. ScienceDirect Topics (2024)의 Ferrous Powder Metallurgy 항목에 따르면 철–구리–탄소 조성은 철계 PM 부품의 약 절반을 차지한다. 그 밖의 계에서는 니켈, 몰리브덴, 크롬, 망간 또는 이들 첨가 원소의 조합을 사용하여 경화능, 강도, 치수 변화 거동 또는 내식성을 변화시킨다. 그러나 소재 요구사항에 기재된 조성은 부품의 상태와 함께 해석해야 한다. 원소 함량만으로는 기공률이나 기계적 성능이 규정되지 않기 때문이다.

밀도는 별도의 분류 축이다. 프레싱 및 소결된 부품에서 밀도는 압분체 중 서로 연결된 기공 또는 폐쇄 기공이 아닌 고체 금속이 차지하는 비율을 나타낸다. 따라서 공칭 합금 조성은 여러 밀도 수준에서 나타날 수 있으며, 각 수준은 유효 하중 지지 면적과 절삭 가공, 피로, 충격 또는 열처리에 대한 반응이 서로 다르다. ASTM B783-24는 밀도를 제조 과정에서 우연히 발생하는 결과로 취급하지 않고 이러한 차이를 인정한다.

기계적 범주는 서로 다른 두 가지 소재 상태도 구분한다. 소결 상태 항복강도는 보고된 상태를 확립하기 위해 후속 경화 처 리에 의존하지 않고, 프레싱 및 소결 공정 후의 부품을 대상으로 하는 값이다. 열처리 후 인장강도는 해당 분류에 지정된 열처리 후 도달하는 강도를 의미한다. 이 두 수치는 서로 대체할 수 없다. 소결 상태 항복강도 범주를 충족하는 강이 열처리 후 인장강도 범주까지 자동으로 충족하는 것은 아니며, 도면에는 어느 상태를 기준으로 합격 여부를 판단하는지 명시되어야 한다.

따라서 ASTM B783-24는 정해진 축을 기준으로 소재를 비교하기 위한 체계를 제공하지만, 완전한 부품 규격은 아니다. 이 표준이 있다고 해서 공차, 형상, 표면 상태, 시험 방향, 시료 채취, 치수 변화, 함침 또는 침투 요구사항, 그리고 사용 성능에 영향을 미치는 경우의 정확한 열 사이클을 별도로 규정할 필요가 없어지는 것은 아니다. 또한 분류 표시는 분말 형상, 윤활제 선택, 압축 금형, 소결 분위기 또는 기공 형상을 완전히 설명하지 않는다.

ISO 5755:2022와 소결 구조용 소재

ISO 5755:2022는 관련성이 있지만 구별되는 수준에서 적용된다. ISO ICS 77.160에 따라 이 표준은 소결 철, 강, 합금강 및 스테인리스강 구조용 소재를 포함한 소결 금속 소재의 요구사항을 규정한다. 여기서 표현은 중요하다. 이 문서는 분말 야금을 하나의 통상적인 강종으로 제시하는 것이 아니라, 소결 구조용 소재를 하나의 등급으로 다룬다.

“소결”은 단순한 화학적 정체성이 아니라 공정 상태도 규정한다. 압분체는 분말로 형성된 후 융점 이하로 가열되며, 결합, 수축, 기공의 변화 및 미세조직 변화 과정을 거쳐 변환된다. 분말은 원소 분말, 사전합금 분말 또는 합금 원소와 가공 보조제가 포함된 혼합 분말일 수 있다. 소결 후 부품에는 사이징, 코이닝, 절삭 가공, 증기 처리, 함침, 침탄, 담금질 및 뜨임, 또는 그 밖의 치밀화나 열처리 공정이 적용될 수 있다. 특정 공정이 소재 요구사항에 포함되는지는 별도로 명시해야 한다.

따라서 ISO 5755:2022는 소결 철 및 강 제품에 적용되는 요구사항을 규정하는 데 유용하지만, 제품 도면이나 구매 규격에는 요구되는 소재 지정과 상태를 명시해야 한다. 요구사항에는 화학 조성 범위, 밀도, 인장 특성, 경도 또는 시험 방법을 규정할 수 있다. 그러나 제조자가 해당 결과를 얻기 위해 거쳐야 하는 전체 공정 경로까지 반드시 규정하는 것은 아니다. 반대로 소재 표준에 세부사항이 제시되어 있지 않더라도 공정 규격은 분말 종류, 압축 순서, 소결 분위기, 냉각 속도 또는 열처리를 요구할 수 있다.

이러한 분리는 스테인리스 PM 소재에서 특히 중요하다. “스테인리스강”은 해당 화학적 요구사항에 따른 내식성 합금군을 나타낼 뿐이며, 부품이 프레스 앤드 신터 방식으로 제조되었는지, 금속 사출 성형으로 제조되었는지, 열간 정수압 성형으로 제조되었는지, 또는 적층 제조되었는지를 나타내지 않는다. 이러한 제조 경로는 서로 다른 기공 구조를 형성하며 서로 다른 합격 시험이 필요할 수 있다. ISO 5755:2022를 모든 분말 기반 스테인리스 부품이 하나의 미세조직이나 하나의 가공 이력을 공유한다는 선언으로 해석해서는 안 된다.

표준과 강종 지정의 차이

강종 지정은 특정 체계에 따라 소재를 명명하거나 체계화한다. 표준은 해당 체계를 정의하고, 한계를 규정하며, 시험 방법을 설정하거나 분류 범주를 제공할 수 있지만, 두 개념은 여전히 서로 다르다. “강종”은 대체로 어떤 소재가 식별되고 있는지에 대한 답이다. 표준은 그 식별이 유효하려면 무엇을 관리하고, 측정하며, 보고해야 하는지에 대한 답이다.

ASTM B783-24는 화학 조성, 밀도, 소결 상태 항복강도 및 열처리 후 인장강도를 함께 사용함으로써 이러한 차이를 보여 준다. 이 구조에 기반한 지정은 단순한 화학 조성 표시보다 더 많은 정보를 담지만, 그렇다고 부품 도면을 대신하지는 않는다. 도면은 위치별 밀도, 소결 후 치수 공차, 허용 변형, 표면으로 연결된 기공 및 인장 시험편을 채취하는 방향을 규정할 수 있다.

ISO 4957:2018은 분말야금 제품뿐 아니라 열간 압연, 단조, 냉간 인발 및 냉간 압연 제품에도 공구강 요구 사항을 적용한다. Strong evidence

동일한 원칙은 공구강에도 적용된다. ISO 4957:2018은 공구강 요구사항을 분말 야금으로 제조된 제품뿐 아니라 열간 압연, 단조, 냉간 인발 및 냉간 압연 제품에도 명시적으로 적용한다. 이러한 공통 표준이 해당 제품들을 야금학적으로 동일하게 만드는 것은 아니다. 분말 야금 공구강은 미세하고 둥글며 비교적 균일한 탄화물 조직을 형성할 수 있고, 기존의 잉곳 야금으로는 얻기 어렵거나 불가능한 탄화물 수준 또는 조성을 구현할 수 있다. 공통된 공구강 표준이 화학 조성이나 특성 요구사항을 제공하더라도 제조 경로는 여전히 소재 정체성의 일부로 남는다.

개재물은 소재 지정과 공정 관리 사이의 또 다른 경계를 보여 준다. ISO 13947:2024는 금속 분말 내 비금속 개재물을 측정하는 방법을 규정하며, 이 방법을 분말 단조 강 부품에 적용할 수 있도록 허용한다. 개재물 시험은 피로 균열 발생에 영향을 미치는 오염이나 비금속 입자를 밝혀낼 수 있지만, 개재물 결과만으로는 합금 강종, 밀도 또는 열처리 상태가 규정되지 않는다.[4][4] Additive Manufacturing of Steels and Stainless Steels. National Institute of Standards and Technology. ASM Handbook, 2020.

기공도 같은 주의를 기울여 다루어야 한다. NIST가 발행한 강 및 스테인리스강 적층 제조에 관한 ASM Handbook 장(2020)은 적층 제조 강 부품에서 기공, 개재물, 잔류응력 및 제작 후 열처리를 중요한 요인으로 논의한다. 이러한 문제는 기존 PM과 일부 겹치지만, 적층 제조를 프레스 앤드 신터 PM과 혼동해서는 안 된다. 분말 원료, 층 형성, 열 이력, 결함 형성 및 잔류응력 상태가 서로 다르기 때문이다.

따라서 적절한 소재 표기는 적용 가능한 표준, 강종 또는 분류, 제품 형태, 밀도 또는 특성 상태, 그리고 합격 여부에 영향을 미치는 가공 요구사항을 함께 포함해야 한다. 표준은 통제된 언어를 확립한다. 그러나 표준이 강의 분말 이력을 지워 주는 것은 아니다.

분말 제조 및 원료 분말 변수

분말은 봉재, 빌릿 또는 분무 용탕을 중립적으로 대체하는 형태가 아니다. 분말의 입자 형상, 입도 분포, 내부 구조, 표면 상태 및 화학적 이력은 원료 분말이 금형을 어떻게 충전하고, 압축에 어떻게 반응하며, 소결되고, 기공과 개재물을 어떻게 형성하는지를 결정한다. Randall German의 A-Z of Powder Metallurgy (2005)는 이러한 특성을 서로 연계된 공정 변수로 다룬다. 즉, 분말 제조는 압축에 영향을 미치고, 압축은 생형체의 기공 구조를 형성하며, 소결은 그 구조와 주변 미세조직을 변화시킨다. 이후의 치밀화 및 열처리만으로는 앞선 단계에서 이루어진 모든 결정을 완전히 되돌릴 수 없다.[5][5] ASTM B783-24. ASTM International. ASTM standard, 2024.

이러한 구분은 PM 강을 겉보기에 유사한 단조재 등급과 비교할 때 중요하다. ASTM B783-24는 철계 분말 야금 구조용 소재를 화학 조성, 밀도, 소결 상태 항복 강도 및 열처리 후 인장 강도에 따라 분류한다. ISO 5755:2022 역시 소결 철, 강, 합금강 및 스테인리스강 구조용 소재에 대한 요구사항을 규정한다. 어느 표준도 분말을 단순한 공급 형태로 취급하지 않는다. 원료 분말은 소재 제조 경로의 일부이다.

입자 형태와 입도 분포

입자 형태학은 개별 입자의 외부 형상과, 경우에 따라 내부 기공을 설명한다. 가스 분무 및 수분무 분말은 정도의 차이는 있지만 흔히 불규칙한 형상을 나타내며, 가스 분무에서는 보다 둥근 입자가 생성될 수 있다. 환원 분말은 산화물 또는 다른 전구체가 환원된 결과를 반영하여 각진 형태, 스펀지와 같은 형태 또는 다공성 형태를 유지하는 경우가 많다. 이러한 설명은 서로 바꾸어 사용할 수 없다. 둥근 입자는 쉽게 유동할 수 있지만 초기 압축 과정에서 기계적 접촉을 적게 형성할 수 있다. 반면 불규칙한 입자는 서로 맞물려 이동에 저항하면서 다른 생형체 기공 네트워크를 형성할 수 있다.

German의 용어 체계는 흔히 “분말 품질”이라는 모호한 표현으로 묶이는 여러 측정값을 구분한다. 입도 분포는 입자 크기의 범위와 각 크기가 차지하는 비율을 기록하는 반면, 겉보기 밀도는 정해진 느슨한 분말 부피를 차지하는 질량을 나타낸다. 유동성은 일정량의 분말이 시험 장치를 통과하는 데 필요한 시간 또는 조건을 의미한다. 압축성은 가해진 압축 압력과 생밀도 사이의 관계와 관련된다. 이러한 특성은 서로 상호작용하지만, 어느 하나가 다른 특성을 대신할 수는 없다.

입자 크기 분포입자 크기 분포 분말 배치 내 입자 크기의 범위와 상대적 비율.

넓은 입도 분포는 작은 입자가 큰 입자 사이의 공간을 차지하도록 하여, 프레스 성형 전에 겉보기 밀도와 충전 구조를 변화시킬 수 있다. 동일한 미세 입자는 접촉 면적, 마찰, 분진 발생 또는 응집 경향을 증가시킬 수도 있다. 과대 입자는 금형 충전을 방해하거나 국부적인 밀도 차이를 남길 수 있다. 압축 중에는 입자 간 계면과 입자–공구 계면에서 발생하는 마찰이 분말 기둥 내부로 압력이 전달되는 방식에 영향을 미친다. 압력은 완전히 균일하지 않으므로, 공칭 조성이 일정하더라도 부품은 밀도 구배를 가진 채 금형에서 배출될 수 있다.

형태학은 배출에도 영향을 미친다. 매우 불규칙한 입자는 기계적 맞물림과 금형 벽 마찰을 증가시킬 수 있다. 둥근 입자는 일부 저항을 줄일 수 있지만, 배합과 압력 일정이 이러한 거동을 고려하지 않으면 결합력이 낮은 압분체가 형성될 수 있다. 윤활제는 금형 벽 마찰과 배출에 영향을 주지만, 입자 형상이나 표면 거칠기의 영향까지 제거하지는 않는다. 또한 제시된 평균 입자 크기만으로는 충전과 국부 충전 구조를 좌우하는 전체 입도 분포를 설명할 수 없다.

이러한 영향은 소결 과정에서도 계속된다. 입자 간 접촉 면적, 기공 통로를 가로지르는 거리 및 개방 기공의 연결성은 수축, 가스 이동, 확산 및 소결 목의 형성에 영향을 미친다. 따라서 기공 형태는 원료 분말과 공정 이력 모두를 기록한다. 최종 밀도 값만으로는 열처리와 기계적 거동에 서로 다른 영향을 미치는 길쭉한 기공, 고립된 기공, 상호 연결된 기공 또는 표면과 연결된 기공을 구분할 수 없다.

분무 분말, 환원 분말 및 혼합 분말

분무 공정은 용융 합금에서 시작하여 가스, 물 또는 다른 유체를 이용해 용탕 흐름을 액적으로 분쇄한다. 합금과 분무 조건에 따라 응고 과정에서 입자 내부 편석, 위성 입자, 포획 가스 또는 표면 피막이 형성될 수 있다. 가스 분무 입자는 일반적으로 수분무 입자보다 더 구형이지만, 형태만으로 청정도, 압축성 또는 특정 강재 제조 경로에 대한 적합성을 판단할 수는 없다. 분말은 단순히 제조 방법의 명칭으로 식별할 것이 아니라 원료 분말로서 특성화해야 한다.

환원 분말은 산화물 또는 관련 전구체에서 산소를 화학적으로 제거하여 제조한다. 환원 과정에서는 반응 표면적이 크고 시작 물질로부터 물려받은 형상을 가진 다공성 입자가 생성될 수 있다. 이러한 분말은 공칭 조성이 유사한 분무 분말과 다르게 압축될 수 있다. 잔류 산소, 미환원 물질 및 표면 상태의 변화는 여전히 중요하다. 이들이 소결 반응과 가열 중 방출되는 가스에 영향을 미치기 때문이다.

혼합 분말은 철 또는 합금 기재 분말에 원소 분말, 모합금 분말, 흑연, 구리, 니켈, 몰리브덴, 윤활제 또는 기타 관리된 첨가물을 혼합하여 제조한다. 혼합계에서는 합금 원소가 별도의 입자 또는 국부적인 첨가물로 존재하기 시작한다. 금형 충전, 압축 및 소결 과정에서 이들의 분포는 입자 크기, 밀도, 형태, 확산 및 열 사이클에 따라 달라진다. “혼합”이라는 말은 분말 입자 전체가 동일한 조성을 가진다는 뜻이 아니다.

사전 합금화 분말은 용탕 제조 중 합금 원소가 각 입자에 포함된다는 점에서 다르다. 이 방식은 각 입자가 보다 균일한 공칭 화학 조성을 갖게 하지만, 경도, 압축성, 소결 거동 및 생강도와 달성 가능한 밀도 사이의 균형을 변화시킬 수도 있다. 원소 또는 모합금 첨가물은 다른 공정 반응을 제공할 수 있으며, 소결 중 확산을 통해 합금화를 진행할 수 있다. 이 구분은 단순한 상업적 용어가 아니라 야금학적 구분이다.

ScienceDirect Topics에 수록된 Ferrous Powder Metallurgy 참고문헌(2024)에 따르면 철–구리–탄소 조성은 PM 철계 부품의 약 절반을 차지한다. 그러나 이러한 높은 비중이 모든 철–구리–탄소 원료 분말을 동일하게 만들지는 않는다. 구리는 별도의 분말, 사전 합금화된 구성 성분 또는 다른 관리된 첨가물로 존재할 수 있으며, 각 제조 경로는 혼합, 편석, 치수 변화 및 국부 조성에 영향을 미친다. 니켈과 몰리브덴 첨가에도 같은 주의가 필요하다.

공구강에서는 분말 이력이 구조에 미치는 영향이 더욱 크다. 급속 응고와 그 후의 치밀화로 미세하고 둥글며 더욱 균일하게 분포된 탄화물이 형성될 수 있다. ScienceDirect의 Steel Powder Metallurgy 참고문헌(2024)은 일반적인 잉곳 야금으로는 얻기 어렵거나 불가능한 탄화물 수준 또는 조성을 PM 공구강에서 제조할 수 있다고 설명한다. ISO 4957:2018은 공구강 요구사항을 분말 야금으로 제조된 제품뿐 아니라 열간 압연, 단조, 냉간 인발 및 냉간 압연 제품에도 명시적으로 적용한다. 동일한 명칭을 사용한다고 해서 탄화물 분포나 공정 이력이 동일하다는 뜻은 아니다.

표면 산화물, 청정도 및 취급

모든 분말 입자의 표면은 산소, 수분, 탄화수소, 취급 장비 및 주변 대기에 노출된다. 표면 산화물은 얇고 연속적인 형태일 수도 있고, 불연속적이거나 오염물 및 개재물과 연관되어 있을 수도 있다. 산화물의 양과 화학 조성은 소결 중 입자 결합, 환원 반응, 윤활제 제거 및 압분체에서 빠져나가야 하는 가스에 영향을 미친다. 따라서 벌크 상태에서 측정한 분말 화학 조성만으로는 표면 상태를 설명할 수 없다.

청정도는 낮은 산소 함량 이상의 의미를 갖는다. 비금속 개재물, 내화물 파편, 이물 입자, 부착된 위성 입자 및 응집체는 국부 결함으로 작용하거나 입자 간 접촉을 방해할 수 있다. ISO 13947:2024는 금속 분말 내 비금속 개재물을 측정하는 방법을 규정하며, 이 방법을 분말 단조 강 부품에 적용하는 것도 허용한다. 이 표준의 존재는 개재물이 치밀화된 강의 특징이 되기 전에 이미 원료 분말 단계에서 관리해야 하는 문제임을 보여 준다.

보관과 이송은 분말을 변화시킬 수 있다. 진동은 입자를 크기 또는 밀도에 따라 편석시킬 수 있고, 습한 공기는 산화 또는 응집을 증가시킬 수 있으며, 반복적인 운반은 미세 입자 함량을 변화시키고 장비 잔해를 유입할 수 있다. 따라서 용기, 체, 혼합 도구 및 윤활제는 잠재적인 오염원으로 취급해야 한다. 취급 이력은 소재 기록에 포함되어야 한다.

프레스 및 소결 방식의 PM은 적층 제조와도 구분해야 한다. NIST가 발행한 강 및 스테인리스강 적층 제조 관련 ASM Handbook 장(2020)은 기공, 개재물, 잔류 응력 및 제작 후 열처리를 다루지만, 분말 베드 융합으로 형성된 층은 압축된 생압분체와 동일하지 않다. 분말 변수는 일부 겹치지만 치밀화 물리는 동일하지 않다. 일반적인 PM에서는 원료 분말의 상태가 금형 충전, 압축, 소결 및 이후의 치밀화와 결합하여 최종 기공 및 개재물 구조를 결정한다. 화학 조성은 규격의 출발점이다. 그러나 그것이 규격의 전부는 아니다.

철계 분말 야금에서의 합금 설계

철계 분말 야금에서의 합금 설계는 일반적인 단조강에는 동일한 방식으로 적용되지 않는 제약에서 출발한다. 즉, 조성은 분말 제조, 혼합, 압축 성형, 소결, 그리고 이후에 수행되는 추가 치밀화 또는 열처리 과정에서 모두 기능해야 한다. 공칭 화학 조성은 재료를 구성하는 여러 요소 중 하나일 뿐이다. 입자 형상, 입도 분포, 표면 산화물, 윤활제 함량, 기공 형태, 그리고 각 합금 원소의 위치가 최종 조직에 영향을 미친다.

따라서 PM 강은 단지 분말로 제조되었다는 점만 다른 기존 강종으로 취급해서는 안 된다. ASTM B783-24는 철계 PM 구조용 재료를 화학 조성, 밀도, 소결 상태 항복 강도 및 열처리 후 인장 강도로 분류한다. ISO 5755:2022 역시 소결 철, 강, 합금강 및 스테인리스강 구조용 재료에 대한 요구사항을 규정한다. 이러한 표준은 가공 이력이 조성 및 물성과 직접 연결되는 재료 시스템을 반영한다.

철–구리–탄소계

철–구리–탄소계는 철계 구조용 PM에서 가장 널리 알려진 합금군이다. 2024년 ScienceDirect Topics 참고 문헌에 따르면 철–구리–탄소 조성은 PM 철계 부품의 약 절반을 차지한다. 이 수치는 모든 국가, 제품군 또는 보고 기간에 보편적으로 적용되는 규칙이 아니라, 광범위한 기술 참고자료에 근거한 추정치이다. 그럼에도 이 합금 설계 경로가 중요하다는 점을 보여 준다.

구리는 일반적으로 혼합 원소 분말로 첨가되며, 일부 조성에서는 사전 합금화된 철 분말을 통해 도입되기도 한다. 소결 중 구리는 철계 부품의 일반적인 소결 온도 범위보다 낮은 온도에서 용융하여 일시적인 액상을 형성한다. 이 액상은 입자 접촉부를 따라 퍼져 입자 재배열을 촉진할 수 있으며, 동시에 구리는 확산을 통해 철 기지에 유입된다. 그 결과 단순한 수축보다는 치수 성장이 나타나는 경우가 많지만, 치수 변화의 방향과 크기는 구리 함량, 분말 상태, 압축 압력, 성형체 밀도, 형상, 소결 온도 및 노 분위기에 따라 달라진다.

이러한 치수 변화는 단순한 보정 사항이 아니다. 설계자는 구리가 강도와 경화능에 기여하는 효과와 공차 및 밀도 구배에 미치는 영향을 균형 있게 고려해야 한다. 특히 혼합물에 상당량의 단단하거나 불규칙한 입자가 포함된 경우, 구리 분말은 청정하고 압축성이 높은 철 기지 분말에 비해 성형성을 낮출 수 있다. 윤활제는 취출을 개선하고 금형 벽과의 마찰을 줄이지만, 부피를 차지하며 가열 중 탄소질 또는 기체상 생성물을 남긴다. 따라서 윤활제의 선택은 성형체 강도와 초기 소결 반응 모두에 영향을 미친다.

탄소는 일반적으로 흑연을 통해 공급되지만, 그 역할은 화학 분석에서의 최종 백분율을 넘어선다. 흑연의 분포는 소결 중 국부 탄소 포텐셜과 확산 후 철 기지의 탄소 함량을 결정한다. 혼합이 불충분하면 탄소가 풍부한 영역과 부족한 영역이 남아 냉각 또는 열처리 중 변태 거동이 혼재할 수 있다. 탄소는 구리에 대한 반응도 변화시킨다. 냉각 속도, 밀도 및 국부 합금 농도에 따라 두 첨가 원소가 함께 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 또는 마르텐사이트 영역을 형성할 수 있다.

기공은 여전히 미세조직의 일부로 남는다. 구리와 탄소가 적절한 기지를 형성하더라도, 서로 연결된 기공이나 각진 기공은 유효 하중 지지 면적을 줄이고 응력 집중원으로 작용한다. 기공의 크기, 형상 및 연결성은 합금 선택만큼이나 압축 성형과 소결에 의해 좌우된다. 지정된 경우 재압축, 치수 교정 또는 분말 단조를 포함한 추가 치밀화는 이러한 특징을 변화시키고 후속 열처리에 대한 반응도 바꿀 수 있다.

니켈 및 몰리브덴 첨가

단순한 철–구리–탄소 혼합물보다 높은 경화능, 인성 또는 기지 강화가 필요한 경우 니켈을 사용한다. 일반적인 혼합 PM 조성에서는 소결 중 니켈 입자가 철 내부로 확산되지만, 확산이 완전하지 않을 수 있다. 이로 인해 상대적으로 니켈이 부족한 영역 옆에 니켈이 풍부한 영역이 남을 수 있다. 이러한 화학적 편석은 중요한 가공상의 문제이다. 냉각 또는 담금질 후 하나의 성형체 내부에 서로 다른 변태 생성물이 존재할 수 있기 때문이다.

니켈은 구리와 같은 방식으로 일반적인 철계 소결 중에 용융하지 않으므로, 구리와 동일한 액상 재배열 효과를 제공하지 않는다. 따라서 혼합물 내 니켈의 위치, 입자 크기, 산화물 상태 및 소결 일정이 매우 중요하다. 불완전한 균질화는 목표 조직에 따라 유용할 수도 있고 유해할 수도 있지만, 공칭 화학 조성과 국부 경도의 관계를 더욱 복잡하게 만든다. 열처리를 통해 니켈 함유 부품의 강도를 높일 수 있지만, 그 결과는 기공 형태와 니켈, 탄소 및 기타 첨가 원소의 분포에 따라 달라진다.

몰리브덴은 철 기지에 비해 소량 첨가되며, 주로 경화능을 높이고 변태 거동에 영향을 주는 역할을 한다. 또한 소결 후 냉각하거나 별도의 열처리를 실시했을 때 마르텐사이트 또는 베이나이트 조직을 형성하도록 설계된 합금을 뒷받침할 수 있다. 몰리브덴 함유 분말은 혼합, 확산 합금화 또는 사전 합금화 방식으로 제조할 수 있다. 이러한 제조 경로는 동일한 성형체를 만들지 않는다. 사전 합금화된 분무 분말은 각 입자 내부에 몰리브덴을 포함하지만, 혼합 분말은 입자 사이의 고상 확산에 의존하므로 국부 조성 차이가 남을 수 있다.

몰리브덴은 압축성에도 영향을 준다. 압축 성형 전에 합금 원소가 철 분말에 고용되면, 원소 철 기지보다 분말이 더 단단해지고 압축성이 낮아질 수 있다. 따라서 합금 함량이 높아지면 동일한 압축 압력에서 높은 성형체 밀도에 도달하기가 더 어려워질 수 있다. 그 대신 사전 합금화는 화학적 균일성을 개선하고 조대한 혼합 첨가물과 관련된 심각한 국부 농축을 줄일 수 있다.

합금 설계 전략은 소결 분위기도 고려해야 한다. 철, 니켈, 몰리브덴 또는 기타 분말 표면의 산화물은 입자 사이의 결합을 지연시킬 수 있으며, 탄소 함유 분위기는 표면 반응과 탄소 이동을 변화시킬 수 있다. 노의 열 사이클은 확산을 통해 합리적으로 균일한 기지가 형성되는지, 아니면 화학적으로 구별되는 영역이 남는지를 결정한다. 일반적인 프레스 앤드 소결 성형체에서는 기공 폐쇄가 제한적이므로, 치밀한 단조 소재에서 양호한 반응을 보이는 합금이라도 다공성 PM 부품에서는 동일한 변태 거동을 나타내지 않을 수 있다.

사전 합금화 조성과 혼합 조성

혼합 조성에서는 압축 성형 전에 원소 분말 또는 모합금 분말을 철 분말과 혼합한다. 이 방법은 구리, 니켈, 몰리브덴, 흑연 및 기타 첨가 원소를 유연하게 조정할 수 있으며, 비교적 연하고 압축성이 높은 철 기지 분말의 장점을 유지할 수 있다. 그러나 한계는 공간적 불균일성에 있다. 혼합된 입자들은 화학적으로 동일하지 않으며, 목표 조성에 근접하려면 소결 과정에서 필요한 확산이 일어나야 한다. 취급 중 입자 편석은 또 다른 변동 요인이 될 수 있으며, 특히 구성 분말의 밀도나 크기가 크게 다를 때 그러하다.

사전 합금화 분말은 압축 성형 전에 철 입자 내부에 주요 합금 원소를 포함한다. 이러한 분말은 일반적으로 가스 또는 물 분무를 통해 제조되며, 그 결과 입자마다 화학 조성이 더욱 균일해진다. 이는 경화능의 일관성을 높이고 큰 합금 농축 영역을 줄일 수 있다. 그러나 합금화된 입자는 더 단단하기 때문에 압축성이 낮아지는 경우가 많으며, 분말 형상, 산화 피막 및 압축 압력을 더욱 엄격하게 제어해야 한다. 높은 성형체 밀도를 얻기 위해서는 단순히 압력을 높이기보다 적절한 윤활제와 금형 설계를 신중하게 선택해야 할 수 있다.

확산 합금화 분말은 중간적인 위치를 차지한다. 합금 원소가 철 분말 입자에 부착되거나 부분적으로 확산되어 있어, 완전한 사전 합금화보다 기지 분말의 압축성을 더 많이 유지하면서도 느슨한 원소 분말 혼합물에 비해 편석을 줄일 수 있다. 그러나 이러한 분말의 소결 반응 역시 합금 입자와 철 기지 사이의 접촉에 좌우된다.

이러한 선택은 최종 미세조직을 결정한다. 일반적인 철–구리–탄소 성형체는 구리 농축 영역과 함께 페라이트와 펄라이트를 포함하는 기지를 형성할 수 있으며, 니켈 또는 몰리브덴 함유 설계는 제어된 냉각이나 열처리 후 더욱 높은 경화능을 지닌 조직을 형성할 수 있다. PM 공구강은 이러한 원리를 더욱 확장한 사례이다. 분말 공정을 통해 기존의 괴상 야금으로는 얻기 어렵거나 불가능한, 미세하고 둥글며 거의 등방성인 탄화물 조직과 높은 탄화물 함량을 구현할 수 있다. ISO 4957:2018은 분말 야금으로 제조된 제품뿐 아니라 열간 압연, 단조, 냉간 인발 및 냉간 압연 제품에도 공구강 요구사항을 적용한다.

개재물 제어 역시 동일한 설계 논의에 포함되어야 한다. ISO 13947:2024는 금속 분말 내 비금속 개재물을 측정하는 방법을 규정하며, 분말 단조 강 부품에도 적용할 수 있도록 한다. NIST가 발행한 2020년 ASM Handbook의 강 및 스테인리스강 적층 제조 관련 장에서도 기공, 개재물, 잔류 응력 및 제조 후 열처리를 중요한 변수로 제시한다. 그러나 적층 제조를 기존의 프레스 앤드 소결 PM과 동일시해서는 안 된다. 두 경우 모두 가공 경로가 공칭 합금 화학 조성의 의미를 변화시킨다.

압축 성형: 분말을 그린 부품으로 만들기

압축 성형은 계량된 분말 혼합물이 형태를 갖추지만 아직 취약한 부품으로 변하는 단계입니다. 프레싱 작업은 최종 강철 미세조직을 형성하지 않습니다. 대신 입자를 재배열하고, 원래 존재하던 기공 부피의 일부를 줄이며, 소결 전 취급에 충분한 일시적 강도를 성형체에 부여합니다. 이러한 임시적인 성형체를 그린 부품이라고 합니다.

그 거동은 명목상의 합금 화학 조성만으로 결정되지 않습니다. 입도 분포, 입자 형상, 표면 산화물, 겉보기 밀도, 유동성, 윤활제 함량, 금형 설계가 모두 분말이 캐비티에 유입되는 방식과 성형체가 압력에 반응하는 방식에 영향을 줍니다. 이러한 이유로 Randall German의 A-Z of Powder Metallurgy (2005)는 분말 제조, 소결, 치밀화, 미세조직, 기공률과 함께 압축 성형을 다룹니다. 프레싱 이력은 이후 공정에서도 계속 드러나기 때문입니다.

일축 금형 압축 성형

일반적인 일축 프레싱에서는 분말을 금형 캐비티에 공급한 뒤, 제어된 충전 높이에 맞춰 평탄화하거나 정량 충전합니다. 하부 펀치가 장입된 분말을 지지하고, 하나 이상의 펀치가 금형 축을 따라 이동하면서 압력을 가합니다. 처음에는 입자들이 미끄러지고 회전하면서 큰 빈 공간을 채웁니다. 압력이 증가하면 표면 돌기가 변형되고, 해당되는 경우 취성 입자가 파쇄되며, 접촉 면적이 커집니다. 성형체는 기계적 맞물림과 국부적 결합을 통해 강도를 얻지만, 아직 소결 부품처럼 야금학적으로 결합된 상태는 아닙니다.

분말 혼합물에는 합금 원소 분말, 흑연, 윤활제가 포함될 수 있습니다. 철계 분말 야금에서는 일반적으로 구리, 니켈, 몰리브덴을 첨가하며, ScienceDirect Topics의 철계 분말 야금 참고 자료(2024)에 따르면 철–구리–탄소 조성은 철계 분말 야금 부품의 약 절반을 차지합니다. 스테아르산아연이나 내부 첨가형 유기 윤활제와 같은 윤활제는 분말과 공구 사이의 마찰을 줄이고 성형체를 취출하는 데 필요한 힘을 낮춥니다. 또한 펀치 표면과 금형 벽에 분말이 달라붙는 현상을 방지하는 데 도움이 됩니다. 그러나 과도한 윤활제는 강철로 전환될 수 없는 부피를 차지하고 가열 중 가스를 발생시킬 수 있으므로, 그 첨가량과 제거 일정은 그린 밀도와 소결 모두에 영향을 줍니다.

바인더는 별개의 문제입니다. 일부 혼합물은 과립 강도, 유동성 또는 취급성을 개선하기 위해 바인더를 필요로 하며, 특히 분말의 응집력이 낮거나 다른 공정으로 성형용 원료를 제조하는 경우에 그러합니다. 일반적인 프레스-소결 강 생산에서 윤활제와 바인더는 서로 바꿔 쓸 수 있는 용어가 아닙니다. 유기 첨가물은 제어된 탈지 또는 초기 가열 단계에서 제거되어야 합니다. 그렇지 않으면 잔류 탄소, 가스 발생 또는 기공 형성 반응이 부품을 변화시킬 수 있습니다.

프레싱에는 하나의 이동 펀치, 서로 마주 보는 펀치 또는 서로 다른 높이에서 작동하는 여러 펀치를 사용할 수 있습니다. 선택은 부품의 높이, 단면 변화, 필요한 재료 분포에 따라 결정됩니다. 비교적 단순한 링용 금형 세트와 여러 기능면을 가진 단차형 허브용 금형 세트는 서로 다릅니다. 공구는 단순히 도면의 형상을 재현하는 데 그치지 않습니다. 공구는 분말이 이동하는 방향과 취출 과정에서 가해지는 응력을 결정합니다.

그린 밀도와 밀도 구배

그린 밀도는 소결 전 성형체의 질량을 외부 부피로 나눈 값입니다. 이는 고정된 재료 상수가 아니라 공정의 결과입니다. 보고된 평균값만으로는 상당한 국부적 편차가 가려질 수 있습니다. 이동하는 펀치 근처에서는 입자에 직접 하중이 가해지지만, 더 먼 곳에서는 금형 벽과의 마찰로 압력이 감소하는 입자 집합체를 통해 힘이 전달됩니다. 그 결과 프레싱 방향을 따라 밀도 구배가 형성됩니다.

금형 벽 마찰은 이러한 현상의 핵심입니다. 상부 펀치가 하강하면 마찰이 벽을 따라 아래쪽으로 이동하려는 입자의 움직임을 방해합니다. 하중이 가해지는 펀치에 가까운 부분은 먼 영역보다 더 강하게 압축될 수 있으며, 서로 마주 보는 펀치 배열은 양쪽 끝에서 하중을 가함으로써 이러한 차이를 줄일 수 있습니다. 윤활은 마찰 계수를 변화시키지만 문제를 완전히 없애지는 못합니다. 키가 큰 성형체, 좁은 캐비티, 급격한 단면 두께 변화는 일반적으로 균일한 압축 성형을 더 어렵게 만듭니다.

밀도는 구멍, 모서리, 리브, 단면 전환부 주변에서도 달라집니다. 분말은 해당 영역으로 흘러 들어가야 하며, 그 자리에서 단순히 압축되기만 해서는 안 됩니다. 두꺼운 보스에 연결된 얇은 플랜지는 두 부위에 동일한 명목 프레스 힘이 작용하더라도 서로 다른 국부 밀도에 도달할 수 있습니다. 이후 저밀도 영역은 고밀도 영역과 다르게 수축합니다. 소결 속도가 기공 구조, 입자 접촉, 국부 조성에 좌우되기 때문입니다. 따라서 치수 변화, 변형, 잔류 기공은 충전 및 프레싱 패턴에서부터 시작됩니다.

이 때문에 표준은 화학 조성만을 식별 기준으로 삼지 않습니다. ASTM B783-24는 철계 분말 야금 구조용 재료를 화학 조성, 밀도, 소결 상태 항복 강도 및 열처리 후 인장 강도로 분류합니다. ISO 5755:2022는 소결 철, 강, 합금강 및 스테인리스강 구조용 재료에 대한 요구사항을 규정합니다. 어느 표준도 분말 혼합물을 밀도와 공정 이력에 무관한 하나의 등급으로 취급하지 않습니다.

그린 부품의 기공은 입자 사이에 남은 서로 연결된 불규칙한 공간입니다. 이후 기공의 형상과 연결성은 윤활제 제거, 소결, 침투, 그리고 후속 치밀화에 영향을 줍니다. 압축 성형은 기공 부피를 줄일 수 있지만 균일한 기공 네트워크를 보장하지는 못합니다. 프레스-소결 분말 야금은 적층 제조와도 구분해야 합니다. NIST가 발행한 ASM Handbook의 강 및 스테인리스강 적층 제조 관련 장(2020)은 기공, 개재물, 잔류 응력, 제조 후 열처리를 일축 금형 충전이 아니라 적층된 층과 그 열 사이클에 연계합니다.

취출, 균열 및 형상상의 한계

프레싱 후에는 펀치가 후퇴하고 부품이 형상을 잃지 않은 채 금형에서 빠져나와야 합니다. 성형체가 금형 벽을 향해 약간 팽창한 상태에서 정지 마찰을 극복해야 하므로 취출은 기계적으로 까다롭습니다. 필요한 힘은 그린 부품 내부에 인장 응력을 발생시킬 수 있으며, 특히 밀도가 불균일하거나 부품에 긴 지지면이 있는 경우 그러합니다. 성형체는 프레싱 직후에는 온전해 보이더라도 금형을 따라 상승하는 과정에서 균열이 생길 수 있습니다.

압축 중에도 균열이 형성될 수 있습니다. 입자 결합이 불충분하거나, 공기가 갇혀 있거나, 윤활제가 과도하거나, 내부 모서리가 날카롭거나, 국부 밀도 차이가 큰 경우 위험이 증가합니다. 박리는 성형체 내부에 대략 평면 형태의 약한 분리가 형성되는 대표적인 결함으로, 갇힌 공기 또는 하중 제거 중 응력 해방과 관련되는 경우가 많습니다. 얇은 단면이 취급이나 펀치 후퇴를 견디지 못하는 부위에서는 가장자리 깨짐도 흔히 발생합니다.

따라서 형상은 프레싱 방향에 적합해야 합니다. 펀치 이동 방향과 평행한 관통 구멍은 일반적으로 관리가 용이합니다. 코어 로드를 고정된 상태로 두거나 펀치와 함께 이동시킬 수 있기 때문입니다. 언더컷, 재진입 형상, 측면 구멍에는 이동식 공구, 2차 가공 또는 다른 제조 공정이 필요합니다. 부품을 기계적으로 고정하는 형상은 금형에서 취출할 수 없습니다. 나사산, 깊은 횡방향 홈, 심한 벽 두께 변화도 실용적인 공구 또는 취출 한계를 초과할 수 있습니다.

단면 두께 변화에는 특히 주의해야 합니다. 얇은 웹은 인접한 두꺼운 부분과 다르게 압축되고 취출될 수 있으며, 이후 소결 중에도 다른 속도로 수축할 수 있습니다. 날카로운 모서리는 응력을 집중시키고 분말 흐름을 방해하는 반면, 곡률 반경은 입자와 응력이 더 완만하게 이동할 수 있도록 합니다. 따라서 그린 부품의 설계는 가마 내부까지 확장되는 예측 문제입니다. 프레싱된 형상은 취급 과정에서 견딜 수 있어야 하고, 바인더 또는 윤활제의 제거를 가능하게 해야 하며, 기공이 닫히고 입자 간 결합이 발달하면서 발생하는 치수 변화를 수용해야 합니다.

분말 야금 강에서 압축 성형은 중립적인 형상 부여용 지름길이 아닙니다. 압축 성형은 공간적인 밀도 분포, 기공 형상, 그리고 소결로 이어지는 기계적 위험의 상당 부분을 설정합니다. 이러한 특징은 개재물 및 합금 원소 분포와 상호작용합니다. ISO 13947:2024는 금속 분말 내 비금속 개재물의 측정을 규정하고, 분말 단조 강 부품에도 적용할 수 있도록 허용합니다. 그린 성형체는 미완성 상태이지만, 그 이력은 이미 재료의 일부가 되어 있습니다.

소결 및 치밀화

소결은 압축 성형된 분말을 열적으로 결합하고 치밀화하는 공정입니다. 프레스는 혼합 분말을 형태를 갖춘 “그린” 성형체로 만들지만, 이 단계에서 입자들은 기계적으로 맞물려 있을 뿐입니다. 소결은 성형체를 주된 용융 온도보다 낮은 온도로 가열하여 원자가 입자 접촉부를 가로질러 확산되도록 하고, 결합을 발달시키며, 기공의 형상과 크기를 변화시키고, 부품이 유용한 강도를 갖추게 합니다. 이 공정은 단순한 건조 단계도 아니며, 기존 강 제조를 노에서 수행하는 방식도 아닙니다. 결과는 분말의 화학 조성, 입자 형상, 성형체 밀도, 윤활제 제거, 노 분위기, 가열 속도, 최고 온도, 유지 시간, 냉각 경로 및 특정 조성의 치수 반응에 좌우됩니다.

표준도 이러한 공정 이력을 반영합니다. ASTM B783-24는 철계 분말 야금 구조용 재료를 화학 조성, 밀도, 소결 상태 항복 강도 및 열처리 후 인장 강도로 분류합니다. ISO 5755:2022는 소결 철, 강, 합금강 및 스테인리스강 구조용 재료에 대한 요구사항을 규정합니다. 어느 표준도 “분말 야금 강”을 하나의 등급으로 취급하지 않습니다. 소결은 특정 성형체를 재료로 전환하며, 이때 그 조성과 기공 구조를 함께 고려해야 합니다.

고상 결합과 넥 성장

소결 목소결 목 소결 중 원자가 접촉부를 향해 확산하면서 접촉하는 분말 입자 사이에 성장하는 고체 연결부.

소결 초기에는 인접 입자 사이의 접촉점이 원자 이동이 일어나는 부위가 된다. 표면 곡률은 화학 퍼텐셜 차이를 만들어 낸다. 원자는 곡률이 큰 영역을 떠나 접촉부로 이동하고, 그곳에서 입자 사이에 고체 브리지, 즉 넥(neck)이 성장한다. 이 넥은 처음에는 작지만, 확산이 진행됨에 따라 단면적이 증가한다. 이러한 브리지가 연속적인 하중 지지 네트워크를 형성하기 때문에, 성형체는 높은 밀도에 도달하기 전에도 강도를 얻는다.

여러 확산 경로가 동시에 작동할 수 있다. 표면 확산은 큰 수축을 유발하지 않으면서 넥을 성장시킬 수 있다. 입계 확산과 격자 확산은 재료를 기공 공간으로 이동시켜 치밀화에 보다 직접적으로 기여할 수 있다. 일부 계에서는 증발과 응축도 중요한 역할을 하며, 합금 원소의 첨가로 일시적인 액상이 형성되는 경우에는 점성 유동 또는 액상 유동이 지배적일 수 있다. 따라서 작동 메커니즘은 온도, 입자 크기, 합금 구성 원소, 기공의 분포에 따라 달라진다.

ScienceDirect Topics의 Ferrous Powder Metallurgy 항목(2024)에 따르면, 철–구리–탄소 조성은 철계 분말야금 부품의 약 절반을 차지한다. 가열 중 구리가 철 내부로 확산할 수 있으며, 조성과 소성로 조건에 따라 소결 중 구리 농후 액상이 형성될 수 있다. 이 액상은 철 골격의 일부를 젖게 하여 입자 재배열과 기공 충전을 촉진할 수 있지만, 팽창이나 그 밖의 치수 변화를 일으킬 수도 있다. 탄소는 철상, 소결 반응 및 최종 미세조직에 영향을 미치며, 단순히 경도를 높이는 첨가 원소가 아니다.

니켈과 몰리브데넘 역시 철계 분말야금 강에서 흔히 사용되는 첨가 원소이다. 이들의 고용, 확산 속도 및 공간적 분포는 국부 경화능과 기공 주변 영역의 조성에 영향을 미친다. 사전합금화 분말에서는 합금 원소가 각 입자 내부에 포함되어 있는 반면, 혼합 분말에서는 일부 첨가 원소가 소결 전에 철 입자 사이에 분포한다. 따라서 명목상 벌크 화학 조성이 유사하더라도 이러한 제조 경로에 따라 균질화 속도와 국부 미세조직이 달라질 수 있다.

수축은 기공 감소의 결과이지만, 모든 조성이나 형상에서 균일하게 발생하지는 않는다. 성형체는 한 방향으로 수축하면서 다른 방향으로 팽창할 수 있으며, 중력, 마찰, 액상의 이동 또는 불균일한 성형체 밀도로 인해 국부적인 치수 변화가 나타날 수도 있다. 금형과 압축 방향 역시 공정의 흔적을 남긴다. 초기 성형체 밀도가 낮았던 영역은 닫힐 수 있는 기공 부피가 더 많으므로, 고도로 압축된 영역과 다르게 수축할 수 있다. 따라서 치수 제어는 소성로에 투입되기 전부터 시작된다.

분말야금 공구강은 기존 주괴 공정 경로보다 더 미세하고, 더 둥글며, 더 균일하게 분포된 탄화물 집단을 발달시킬 수 있다. Strong evidence

탄화물 구조는 소결 이력이 중요한 또 다른 이유를 보여 준다. ScienceDirect Topics(2024)에 설명된 바와 같이, 분말야금 공구강은 미세하고 둥글며 보다 균일하게 분포된 탄화물 집단을 형성할 수 있다. 여기에는 일반적인 주괴 야금으로는 얻기 어렵거나 불가능한 수준 또는 조성의 탄화물도 포함될 수 있다. ISO 4957:2018은 분말야금으로 제조된 제품뿐 아니라 열간 압연, 단조, 냉간 인발 및 냉간 압연으로 제조된 제품에도 공구강 요구사항을 적용한다. 공통 표준이 미세조직을 동일하게 만든다는 뜻은 아니다. 이 표준은 제조 경로가 재료의 정체성에 포함된다는 점을 인정한다.

분위기, 온도 및 시간

소성로 분위기는 입자 표면과 개방형 기공 내부에서 일어나는 반응을 제어한다. 수소는 특정 표면 산화물을 환원할 수 있으며, 진공은 반응성 기체의 분압을 낮춘다. 질소, 흡열 가스, 해리 암모니아 및 기타 제어 분위기는 강의 화학 조성과 필요한 탄소 포텐셜에 따라 선택할 수 있다. 산소 또는 수증기는 분말 표면을 산화하고, 넥 형성을 방해하며, 탄소 함량을 변화시키고, 입자 경계에 산화물 막을 잔류시킬 수 있다. 탄소 함유 분위기는 탄소를 첨가할 수 있고, 탈탄 조건은 탄소를 제거할 수 있다. 따라서 분위기 제어는 단순히 눈에 보이는 스케일을 방지하는 조치가 아니라 화학적 공정이다.

윤활제 제거는 고온 사이클 전에 또는 고온 사이클 초기 단계에서 이루어져야 한다. 결합제 또는 윤활제가 분해되면 기체가 발생한다. 이 기체가 성형체의 연결된 기공을 통해 빠져나가지 못하면 블리스터, 잔류물 또는 비정상적인 내부 압력이 발생할 수 있다. 외부가 내부에서 분해 생성물을 방출하기 전에 상대적으로 불투과성으로 변할 수 있는 대형 부품이나 고도로 압축된 부품에서는 가열 속도와 가스 유동 경로가 특히 중요하다.

온도는 어떤 물질 이동 메커니즘이 활성화되는지, 그리고 합금 구성 원소가 고체 상태로 남아 있는지 액상을 형성하는지를 결정한다. 일반적으로 온도가 높아지면 확산 속도가 증가하지만, 유효한 열 사이클은 결정립 성장, 변형, 표면 반응, 액상 유출, 강과 소성로 부속 설비 사이의 원치 않는 상호작용에 의해 제한된다. 유지 시간은 넥 성장, 기공의 구형화, 합금 원소 재분포 및 상변태를 가능하게 한다. 그러나 이것이 기공의 완전한 제거를 보장하지는 않는다. 기공이 결정립 내부에서 고립되거나 서로 접근하는 결정립계에 둘러싸이면, 기체 압력과 수축하는 고체 골격으로 인해 추가적인 폐쇄가 느려질 수 있다.

냉각 역시 소결 사이클의 일부이다. 탄소, 합금 원소, 냉각 속도 및 이후의 열처리 여부에 따라 상변태를 통해 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 또는 이들의 혼합 조직이 형성될 수 있다. 최고 온도가 동일하더라도 급속 냉각 구간을 거친 경우에는 서랭한 경우와 다른 조직이 유지될 수 있다. 따라서 최종 특성은 최고 온도만이 아니라 전체 열 이력에 의해 결정된다.

소결 분위기와 개재물은 함께 고려해야 한다. 산화물 막, 비금속 입자 및 잔류물은 입자 결합을 방해하거나 기공이 잔류하는 부위로 작용할 수 있다. ISO 13947:2024는 금속 분말 내 비금속 개재물을 측정하는 방법을 규정하며, 이 방법을 분말 단조 강 부품에 적용할 수 있도록 허용한다. 이 적용 범위는 중요하다. 개재물 제어는 분말 제조와 취급에서 시작하여 성형, 소결 및 이후의 단조 공정까지 계속된다. 청정한 소성로만으로는 성형체가 소성로에 들어오기 전에 발생한 모든 결함을 바로잡을 수 없다.

기공의 진화와 2차 치밀화

잔류 기공률잔류 기공률 소결 또는 다른 치밀화 작업 후 남아 있는 서로 연결된 기공 또는 고립된 공극의 부피.

소결 중 기공은 지속적으로 변화한다. 초기 기공은 입자 사이의 불규칙한 공간이며, 대개 외부와 연결되어 있다. 넥의 성장은 이러한 공간을 분할하고 둥글게 만들며, 수축은 기공의 부피를 감소시킨다. 또한 확산은 기공을 결정립계 쪽으로 이동시키거나 기공을 고립시킬 수 있다. 그 결과 형성되는 기공의 크기, 형상, 연결성 및 위치는 피로 거동, 파괴 개시, 유체 투과성, 열처리 반응 및 치수 안정성에 영향을 미친다. 따라서 전체 밀도가 동일한 두 부품이라도 한쪽에 미세하고 둥근 폐쇄 기공이 포함되고 다른 쪽에 길게 늘어난 연결 기공이 포함되어 있다면 서로 다르게 거동할 수 있다.

잔류 기공은 프레스 소결 재료의 본질적인 특성으로 남을 수 있다. 초기 성형체에 빈 공간이 포함되어 있고 고체 골격이 이를 항상 완전히 붕괴시킬 수는 없기 때문이다. 갇힌 기체, 견고한 산화물 막, 국부적으로 불충분한 압력, 합금 원소의 첨가 및 고립된 기공은 최종 폐쇄를 방해한다. 특히 복잡한 형상에서는 금형 압축으로 균일하게 달성할 수 있는 밀도에도 한계가 있다. 일반 소결은 기공 네트워크를 줄이고 재형성하지만, 자동으로 완전한 단조재와 유사한 조직을 만들어 내지는 않는다.

2차 치밀화 공정은 서로 다른 공정군을 통해 이러한 한계를 보완한다. 재가압은 소결 후 추가 압축 단계를 적용하는 방식으로, 대개 기공을 닫고 치수 정확도를 회복하기 위해 사용된다. 사이징은 이와 관련된 공정으로, 소결 부품을 금형에 통과시켜 특정 치수를 보정한다. 그러나 부품 전체 부피에 걸쳐 기공을 제거하지는 않는다. 침윤은 연결된 기공에 저융점 성분을 주입하여 빈 공간의 일부를 채우고 복합 구조를 변화시키는 공정이다. 그 결과는 기공의 연결성과 침윤재와 강 사이의 젖음성 관계에 따라 달라진다.

분말 단조는 다공성 예비성형체에 상당한 열간 변형을 가하는 공정이다. 가해진 변형은 일반적인 프레스 소결 공정보다 더욱 적극적으로 기공을 폐쇄하며, 결정립 유동과 개재물 배열을 변화시킬 수 있다. 분말 단조는 소결만으로 이루어지는 공정과는 구별된다. 온간 성형과 특수한 열간 또는 냉간 치밀화 공정을 포함한 기타 고압 공정 역시 기공 폐쇄, 변형 및 미세조직 발달 사이의 균형을 변화시킨다.

적층 제조 역시 금속 분말로 시작한다는 이유만으로 이 설명에 포함해서는 안 된다. NIST가 발행한 강 및 스테인리스강의 적층 제조에 관한 ASM Handbook 장(2020)은 기공, 개재물, 잔류 응력 및 제조 후 열처리를 핵심 관심사로 다루지만, 층별 용융 및 응고 이력은 일반적인 금형 압축 후 소결 공정의 이력과 다르다. 분말야금 강은 분말, 성형체, 소성로 사이클 및 지정된 치밀화 경로가 상호작용하는 방식으로 정의된다. 남겨진 기공과 그 주위에 형성된 결합은 이러한 이력의 일부이다.

미세조직: 기공, 상 및 탄화물

분말야금강은 공칭 화학 조성만으로 판단할 수 없다. 탄소, 크롬, 몰리브덴 또는 니켈 함량이 동일한 두 재료라도 분말의 특성, 압축 압력, 소결 사이클, 밀도 구배, 기공 네트워크, 개재물 또는 열처리 조건이 다르면 서로 다르게 거동할 수 있다. 관련 재료는 단순히 하나의 합금계가 아니다. 특정한 분말 제조, 혼합, 프레싱, 소결, 선택적 치밀화 및 열처리 과정을 거친 후의 합금계이다.

이러한 구분은 표준에도 반영되어 있다. ASTM B783-24는 철계 분말야금 구조용 재료를 화학 조성만이 아니라 화학 조성, 밀도, 소결 상태 항복강도 및 열처리 후 최대 인장강도에 따라 분류한다. ISO 5755:2022 역시 소결 철, 강, 합금강 및 스테인리스강 구조용 재료에 대한 요구사항을 규정한다. 이러한 분류는 밀도와 제조 이력이 재료 설명의 일부임을 인정한다.

미세조직에는 그러한 이력이 기록되어 있다. 미세조직에는 철 기반 기지, 냉각 또는 열처리 중 형성된 상, 합금 탄화물, 개재물, 그리고 압축된 입자 사이 또는 입자 내부에 남은 기공이 포함된다. 각각의 특징은 서로에게 영향을 미친다. 소결 중 탄소의 이동은 국부적인 상 균형을 변화시키고, 합금 원소의 첨가는 경화능과 탄화물 형성에 영향을 주며, 기공은 하중을 지지하는 면적을 단절하고 균열이 성장할 수 있는 표면을 제공한다. 따라서 강종 표기는 거동 예측의 출발점일 뿐, 완전한 예측 수단은 아니다.

기공 형태와 기계적 거동

다공성은 많은 프레스-소결 PM 강과 완전한 단조강을 구분하는 가장 명확한 구조적 차이다. 압축 과정에서 분말 입자는 재배열되고 변형되며 서로 접촉을 형성하지만, 성형체에는 일반적으로 서로 연결된 공극 또는 고립된 공극이 남는다. 소결은 입자 간 결합을 강화하고 일부 기공 모서리를 둥글게 만들지만, 최종적인 기공 분포는 수축, 국부적인 분말 충전 상태 및 소결로 조건에 의해 결정된다. 치밀화 공정은 기공을 줄이거나 폐쇄할 수 있지만, 그 효과는 공정 경로와 초기 성형체에 따라 달라진다.

기공의 부피도 중요하지만 기공의 형상 역시 그에 못지않게 중요하다. 작고 둥근 고립 기공은 뾰족하고 길쭉한 공극과는 다른 응력장을 만든다. 후자는 좁은 끝부분에서 국부 인장 응력 또는 전단 응력을 증폭시키기 때문에 더 강한 국부 응력 집중원으로 작용한다. 서로 접촉한 기공들이 사슬 형태를 이루면 평균 밀도가 허용 가능한 수준으로 보이더라도 우선적인 균열 경로가 형성될 수 있다. 따라서 기공 크기, 형상, 연속성 및 표면이나 하중이 작용하는 단면에 대한 위치를 함께 고려해야 한다.

위치는 거동을 변화시킨다. 표면과 연결된 기공은 더 넓은 영역을 산화, 부식 및 기계적 손상에 노출시키며, 고응력 모서리나 노치 부근의 기공은 노치 응력장과 상호작용할 수 있다. 내부 기공은 일부 단조 하중 조건에서는 영향이 작을 수 있지만, 반복되는 국부 소성변형이나 균열 선단의 개구가 누적되는 반복 하중에서는 중요해질 수 있다. 따라서 피로 민감도는 단순한 평균 기공률 수치가 아니라 가장 크고 가장 불리한 결함과 연관된다.

압축 방향 역시 구조적 흔적을 남길 수 있다. 특히 두께 변화가 있는 단면이나 분말 유동과 압력 전달을 불균일하게 만드는 형상이 있는 경우, 입자 재배열과 밀도 구배는 프레스 성형체 내부에서 위치에 따라 달라질 수 있다. 소결이 이러한 차이를 줄일 수는 있지만 모든 국부적 변이를 제거하지는 못한다. 따라서 한 축에 평행하게 채취한 금속조직 시편은 그 축에 수직으로 채취한 시편과 다른 기공 분포를 나타낼 수 있다.

개재물 제어도 같은 논의에 포함되어야 한다. 비금속 입자는 독립적인 응력 집중원으로 작용하거나 기공 및 입자 경계와 결부될 수 있다. ISO 13947:2024는 금속 분말 내 비금속 개재물을 측정하는 방법을 규정하며, 이 방법을 분말 단조 강 부품에 적용할 수 있도록 허용한다. 이 표준은 개재물 측정을 미세조직 검사의 대체 수단으로 규정하는 것이 아니라, 화학 분석과 밀도 측정으로는 발견하기 어려운 재료 특징을 확인할 필요성을 강조한다.

분말을 기반으로 하는 관련 공정은 기존의 프레스-소결 PM과 혼동해서는 안 된다. NIST가 발행한 2020년 ASM Handbook의 강 및 스테인리스강 적층 제조 관련 장에서는 다공성, 개재물, 잔류응력 및 제작 후 열처리를 적층 제조 부품의 중요한 요인으로 제시한다. 이러한 문제는 PM 야금과 겹치지만, 층 적층, 용융풀 응고 및 제작 방향의 영향은 프레싱과 소결에 의한 공정 이력과는 다른 공정 이력을 만든다.

페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 및 합금 탄화물

철 기지에는 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 또는 이들 조직의 혼합물이 존재할 수 있다. 이들의 비율과 분포는 탄소 활성도, 합금 원소의 첨가, 냉각 속도, 소결 분위기, 단면 크기 및 후속 열처리에 따라 달라진다. 따라서 냉각 또는 경화 조건이 변하면 동일한 공칭 조성에서도 서로 다른 기지 조직이 형성될 수 있다.

페라이트는 탄소 함량이 비교적 낮으며 일반적으로 더 경질인 변태 생성물보다 부드럽다. 펄라이트는 페라이트와 시멘타이트가 교대로 배열된 조직이며, 그 층상 간격과 분포는 변태 조건의 영향을 받는다. 베이나이트는 다른 변태 경로를 통해 형성되며, 조대한 펄라이트 또는 완전히 변태한 마르텐사이트와는 다른 경도와 인성의 조합을 제공할 수 있다. 마르텐사이트는 오스테나이트가 확산 변태를 억제할 만큼 빠르게 냉각될 때 형성되며, 그 경도는 탄소, 합금 원소, 뜨임 및 잔류 오스테나이트의 영향을 크게 받는다.

이러한 명칭은 상 또는 조직을 나타내는 것이지, 보장된 물성값을 의미하지 않는다. PM 강에는 기공과 합금 원소가 풍부한 영역 주위에 페라이트 기지가 존재할 수 있으며, 잔류 기공과 탄화물에 의해 연속성이 끊긴 마르텐사이트 기지가 존재할 수도 있다. 열처리는 기지의 경도를 변화시키면서 기공 형상은 대부분 그대로 남길 수 있다. 또한 잔류응력과 입자 경계의 상태를 변화시킬 수도 있다. 따라서 열처리된 PM 강은 단순히 더 높은 경도 수치를 갖는 소결 상태 재료가 아니다.

구리, 니켈 및 몰리브덴은 철계 PM 강에 흔히 첨가되는 원소이다. 인용된 철계 분말야금 기술 자료에 따르면 철-구리-탄소 조성은 철계 PM 부품의 약 절반을 차지한다. 구리는 치수 변화와 기지 강화에 기여할 수 있으며, 니켈과 몰리브덴은 경화능과 변태 거동에 영향을 미친다. 이들의 효과는 원소 분말, 사전합금화 입자, 확산 결합 분말 또는 기타 분말 조성 중 어떤 형태로 첨가되는지에 따라 달라진다. 소결 전 분포는 최종 기지의 확산 거리와 화학적 균일성에 영향을 준다.

탄화물은 구조에 또 다른 차원을 더한다. 시멘타이트는 펄라이트 및 기타 변태 생성물과 관련된 철 탄화물이며, 합금 탄화물에는 크롬, 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴 또는 이들 원소의 조합이 포함될 수 있다. 탄화물의 크기, 화학 조성, 체적분율 및 간격은 마모 거동, 경도, 인성 및 균열 전파에 영향을 미친다. 크고 불규칙한 탄화물 집합체는 같은 양의 탄화물이 미세 입자로 분산된 경우보다 더 큰 손상을 일으킬 수 있다. 연마된 단면에서는 이러한 차이를 직접 확인할 수 있지만, 벌크 화학 분석으로는 확인할 수 없다.

분말야금 공구강은 이러한 측면에서 특히 중요하다. 분무된 분말 입자가 빠르게 응고하여 대형 잉곳에서 나타나는 조대한 편석을 제한할 수 있기 때문에, 기존 잉곳 야금으로는 얻기 어렵거나 불가능한 수준의 탄화물 함량 또는 탄화물 조성을 구현할 수 있다. 이후의 치밀화 과정에서도 일반적인 잉곳 공정이 제공하는 것보다 훨씬 미세한 분포가 유지된다. ISO 4957:2018은 열간압연, 단조, 냉간인발 및 냉간압연 제품뿐 아니라 분말야금으로 제조된 제품에도 공구강 요구사항을 명시적으로 적용한다. 동일한 표준이 적용된다고 해서 이러한 제조 경로들이 동일한 미세조직을 형성한다는 의미는 아니다.

미세하고 둥근 등방성 탄화물 조직

등방성 탄화물 구조등방성 탄화물 구조 길게 늘어나거나 선상으로 배열된 탄화물 형태에 비해 방향성 배열이 상대적으로 제한된 탄화물 분포.

PM 공구강의 특징적인 주장은 단순히 “탄화물이 더 많이 포함된다”는 것이 아니다. 이들의 독특한 조직은 기지 전체에 분산된 미세하고 둥글며 비교적 등방성인 탄화물 집단이다. 여기서 “등방성”이란 고도로 가공된 잉곳 제품에서 흔히 나타나는 끈 모양 탄화물 패턴에 비해 가공 방향에 따른 배열성이 덜 강한 분포를 의미한다.

입자 형상이 중요한 이유는 뾰족한 탄화물 모서리와 긴 탄화물 밴드가 작고 둥근 입자보다 더 강한 국부 응력 집중을 일으키기 때문이다. 미세 탄화물은 연속적으로 이어지는 취성 특징부의 길이도 줄인다. 그 결과 공칭 화학 조성이 유사한 일반 주조 및 가공 강과 비교할 때, 탄화물 간격과 방향성이 크게 다른 미세조직이 형성된다. 그렇다고 파괴 또는 피로 위험이 사라지는 것은 아니며, 결함의 크기와 균열이 이용할 수 있는 경로가 달라지는 것이다.

분말 공정이라는 사실만으로 결과가 보장되는 것은 아니다. 분말의 청정도, 입도 분포, 산소 및 개재물 함량, 압축 균일성, 소결, 치밀화 및 열처리에 따라 의도한 탄화물 조직이 실제로 형성되는지가 결정된다. 입자 내부의 과도한 편석, 오염된 분말 표면, 불완전한 결합 또는 부적절한 열처리는 합금 분석 결과가 정확하더라도 기지를 손상시킬 수 있다.

따라서 미세구조 평가는 화학 분석과 함께 밀도 측정, 기공 특성 분석, 개재물 검사, 상 식별 및 탄화물 형상 분석을 병행해야 한다. 규격은 특정 재료군을 식별할 수 있지만, 하중을 어떻게 지지하는지는 기공과 상이 설명한다. 분말야금강에서는 공정 이력이 야금학적 특성의 일부이다.

기계적 특성과 그 규정 방식

분말야금(PM)강에는 하나의 기계적 특성 프로파일만 존재하지 않는다. 측정된 거동은 분말의 화학 조성, 입자 형상, 압축 압력, 소결 사이클, 기공 구조, 치수 변화, 그리고 이후에 수행되는 추가 치밀화 또는 열처리에 따라 달라진다. 따라서 인장시험 결과는 특정 재료 상태와 시험편에 대한 진술이며, 동일한 공칭 조성으로 제조된 모든 부품을 완전히 설명하는 것은 아니다.

ASTM B783-24는 철계 분말야금 구조용 재료를 화학 조성만으로 분류하지 않기 때문에 유용한 체계를 제공한다. 이 규격은 화학 조성, 밀도, 소결 상태 항복강도 및 열처리 후 인장강도를 사용한다. 이러한 구성은 서로 실질적으로 다른 두 가지 상태, 즉 압축 및 소결 후 얻어지는 특성과 규정된 열처리 경로를 거친 후 얻어지는 특성을 구분한다.

ISO 5755:2022는 소결 철, 소결강, 합금강 및 스테인리스강 구조용 재료를 포함한 소결 금속 재료를 다룬다. 이 규격의 적용 범위는 “분말야금강”을 단일 강종 지정으로 취급하기보다 소결 재료와 그 상태를 식별해야 할 필요성을 뒷받침한다. 분말 단조강, 침투 처리강, 열간 등방압 가압강 또는 적층 제조강에는 서로 다른 규격이 필요할 수 있으며, 근거 없이 프레스-소결 공정의 결과를 부여해서는 안 된다.

밀도와 소결 상태 항복강도

밀도는 가장 먼저 보고해야 할 기계적 변수 중 하나이다. 잔류 기공은 하중을 지지하는 유효 단면적을 감소시키고 응력 집중원으로 작용하기 때문이다. 동일한 공칭 합금을 사용한 두 시험편이라도 한쪽의 전체 기공률이 더 높거나, 서로 연결된 기공이 더 크거나, 기공 형상이 불리하면 서로 다른 항복강도를 나타낼 수 있다. 기공의 위치도 중요하다. 주응력 방향으로 정렬된 기공은 작고 둥글며 고립된 기공과 비교하여 균열 발생과 변형에 서로 다른 영향을 줄 수 있다.[6][6] A-Z of Powder Metallurgy. Randall German. Book, 2005.

분말야금강에 제시되는 밀도는 단순히 합금 구성 성분으로부터 계산한 이론값이 아니라 재료의 특정 상태로 이해해야 한다. 압축 후 성형체 밀도, 소결 밀도 및 2차 치밀화 후 밀도는 서로 다른 양이다. 윤활제 제거, 소결 수축 또는 성장, 구리로 인한 치수 변화, 그리고 금형 충전으로 발생하는 국부적 편차는 모두 최종 결과를 변화시킬 수 있다. Randall German의 A-Z of Powder Metallurgy (2005)는 분말 제조, 압축, 소결, 치밀화, 미세구조 및 기공률을 공정 순서의 서로 연결된 부분으로 다룬다. 강도 데이터를 해석할 때 이러한 연계성을 이해하는 것이 필수적이다.

소결 상태 항복강도는 경화 처리가 모재 또는 탄화물 구조를 변화시키기 전에 영구 변형이 시작되는 지점을 나타낸다. 이는 소결, 사이징, 코이닝 또는 기타 허용된 작업 후 공급된 상태 그대로 사용되는 부품에 특히 중요하다. 일반적인 금형 압축에서는 밀도 구배와 입자 접촉 상태가 압축 방향을 따라 그리고 압축 방향을 가로질러 동일하지 않을 수 있으므로, 시험 방향에 따라 값이 달라질 수 있다. 따라서 동일한 생산 로트에서 나온 시험편이라도 횡방향 시험편과 종방향 시험편은 서로 다른 국부 구조를 나타낼 수 있다.

시험편 형상 또한 보고되는 결과를 변화시킨다. 더 큰 성형체에서 기계가공한 인장 시험편은 외곽 영역을 제거하거나, 게이지부의 밀도를 변화시키거나, 형상으로 성형한 작은 시험편과 다른 기공 집단을 노출시킬 수 있다. 노치 시험편, 기계가공하지 않은 인장 시험편 및 기계가공한 시험편은 동일한 응답을 측정하지 않는다. 게이지 길이, 단면 측정 방법, 표면 마감, 그립 방식, 변형률 속도 및 항복 정의에 사용한 기준—예를 들어 오프셋 기준—을 수치와 함께 제시해야 한다.

ASTM B783-24의 분류 방식은 소결 상태 항복강도 지정이 열처리 후 인장강도 지정과 혼동되는 것을 방지한다. 이러한 구분은 단순한 행정상의 문제가 아니다. 부품은 소결 상태에서 허용 가능한 항복 거동을 보일 수 있지만, 침탄, 담금질 및 뜨임, 합금 첨가에 따른 석출 효과 또는 기타 규정된 열 사이클 후에는 다르게 반응할 수 있다.

열처리 후 인장강도

인장강도(UTS)는 인장시험 중 도달하는 최대 공학적 응력이다. 이는 항복강도와 동일한 특성이 아니다. 항복강도는 소성 변형이 선택된 기준에 따라 시작되는 지점을 나타내며, UTS에는 시험편의 소성 변형, 변형 경화, 네킹 및 파괴 거동의 영향이 포함된다. ASTM B783-24는 열처리 후 UTS를 분류 변수 중 하나로 사용하므로, 재료 지정과 함께 열처리 상태를 보고해야 한다.

열처리는 경도 이상의 특성을 변화시킬 수 있다. 오스테나이트화 온도, 분위기, 담금질 강도, 뜨임 온도 및 단면 크기는 모재, 잔류 오스테나이트, 잔류응력 및 탄화물 분포에 영향을 미친다. 다공성 성형체에서는 열 사이클이 내부 표면 및 국부 밀도와도 상호작용한다. 공칭상 동일한 사이클이라도 얇은 인장 시험편과 두꺼운 생산 부품은 냉각 속도가 다르기 때문에 서로 다른 특성을 나타낼 수 있다.

합금 첨가는 비교를 더욱 복잡하게 만든다. 구리, 니켈 및 몰리브덴은 철계 분말야금강에 흔히 사용되며, ScienceDirect Topics의 철계 분말야금 항목(2024)에 따르면 철–구리–탄소 조성이 철계 분말야금 부품의 약 절반을 차지한다. 첨가 방식도 중요하다. 분말에 사전 합금된 원소는 혼합 원소 분말과 동일한 경화능 또는 압축성을 반드시 나타내는 것은 아니다. 탄소 분포, 소결 분위기 및 국부 편석도 최종 모재에 영향을 줄 수 있다.

분말야금 공구강은 조성과 공정 이력을 인장 수치 하나로 축약할 수 없는 이유를 잘 보여준다. 일반적인 주괴 야금으로는 얻기 어렵거나 불가능한 탄화물 수준 또는 조성에서도 미세하고 둥근 탄화물 집단을 형성할 수 있다. 이러한 구조는 제시된 UTS와는 독립적으로 내마모성, 파괴, 피삭성 및 열처리 응답을 변화시킬 수 있다. ISO 4957:2018은 열간 압연, 단조, 냉간 인발 및 냉간 압연 공구강 제품과 함께 분말야금으로 제조된 제품도 명시적으로 포함한다. 그러나 공통 규격이 적용된다고 해서 이들의 미세구조나 사용 중 응답이 동일해지는 것은 아니다.

타당한 비교를 위해서는 밀도, 방향, 시험편 형상, 기계가공 상태, 열처리 일정, 시험 온도, 변형률 속도 및 인장시험 방법을 식별해야 한다. 완전 치밀한 분말 단조 부품, 프레스-소결 성형체 및 적층 제조 시험편의 결과는 서로 다른 기공 형상과 잔류응력을 고려하지 않고 하나의 순위로 비교해서는 안 된다. NIST가 발행한 강 및 스테인리스강 적층 제조에 관한 ASM Handbook 장(2020)은 기공, 개재물, 잔류응력 및 제작 후 열처리를 주요 영향 요인으로 제시한다. 이러한 요인은 일반적으로 분말 기반 재료에도 해당하지만, 적층 제조는 기존의 압축 및 소결 공정과 동일한 경로가 아니다.

인장, 피로, 파괴 및 마모에 관한 고려사항

인장강도는 특정 시험편이 지속적으로 증가하는 일축 하중을 받을 때 어떻게 거동하는지를 묻는 제한적인 질문에 답한다. 인장강도는 피로 수명을 예측하지 않는다. 피로 손상은 반복 또는 변동 응력하에서 발생하며, 종종 인장 항복강도보다 낮은 응력 수준에서도 발생한다. 분말야금강에서는 기공과 개재물이 내부 균열 발생원으로 작용할 수 있으며, 표면과 연결된 기공, 기계가공 흔적 및 날카로운 형상 전이는 추가적인 균열 발생 위치를 제공한다. 피로 비교에서는 밀도, 기공 크기 분포, 응력비, 주파수, 표면 상태 및 사이클 수를 명시해야 한다.

파괴 거동에는 별도의 근거가 필요하다. 기공, 조대한 탄화물, 개재물 또는 취성 변태 영역으로 인해 안정적인 소성 변형이 거의 없이 균열이 진행될 수 있다면, 높은 UTS가 제한적인 파괴인성과 공존할 수 있다. 파괴시험은 노치 형상, 시험편 두께, 방향, 하중 방식 및 보고된 값이 충격 에너지, 평면 변형 파괴인성, 균열 성장률 또는 관련 측정값 중 무엇인지에 따라서도 달라진다. 샤르피 충격 에너지를 파괴인성으로 대체할 수 없으며, 어느 것도 인장강도만으로 추론할 수 없다.

개재물 관리는 압축 전에 시작된다. 분말의 청정도, 분무 조건, 재활용 분말의 이력, 윤활제 잔류물 및 노 분위기는 비금속 입자를 유입하거나 잔류시킬 수 있다. ISO 13947:2024는 금속 분말의 비금속 개재물을 측정하는 방법을 규정하며, 분말 단조강 부품에도 적용할 수 있도록 한다. 이 방법은 공정 관리에 도움을 주지만, 개재물 측정이 완성 재료에 대한 인장, 피로 또는 파괴시험을 대체하지는 않는다.

마모 성능은 접촉 압력, 미끄럼 속도, 윤활, 상대재 재질, 온도, 경도, 탄화물 형태, 표면 거칠기 및 마모 입자 형성에 의해 좌우된다. 미세하고 균일하게 분포된 탄화물 조직은 두 재료의 UTS가 유사하더라도 조대하거나 서로 연결된 탄화물 네트워크와는 다르게 거동할 수 있다. 한 적용 분야에서는 기공이 윤활제를 보유할 수 있지만, 다른 적용 분야에서는 유체의 침투를 허용하거나 접촉 지지력을 감소시키거나 표면 손상을 가속할 수 있다. 따라서 마모 시험 결과에는 시험 구성과 파손 기준이 명시되어야 한다.

치수 성능은 이와 별개의 문제이다. 소결 수축 또는 팽창, 밀도 구배, 스프링백, 사이징, 가공 여유 및 열처리 변형에 따라 부품이 요구된 형상을 유지할 수 있는지가 결정된다. 인장 시험편은 규정된 강도를 충족하더라도, 양산 부품은 담금질 후 치수 공차를 벗어날 수 있다. 따라서 기계적 사양에는 소재 상태와 시험 방법을 명시해야 하며, 설계 검증에서는 피로, 파괴, 마모, 충격 및 치수 안정성을 서로 구별되는 사용 조건상의 요구사항으로 다루어야 한다.

분말 야금 강의 열처리

열처리는 완전히 치밀하고 균질한 강재에 작용하는 방식과 잉곳에서 제조된 봉강에 작용하는 방식이 동일하지 않다. 분말 야금(PM) 강에서는 열 사이클에 의해 기지, 탄화물 분포, 잔류 응력 상태, 그리고 경우에 따라 기공의 형상과 연결성이 변한다. 이러한 변화는 경도와 인장 특성뿐 아니라 치수 안정성과 파괴 거동에도 영향을 미친다. 그 결과는 분말 조성, 성형 압력, 소결 이력, 밀도 구배, 기공 형태 및 이후에 수행되는 추가 치밀화에 따라 달라진다.

따라서 PM 강을 단순히 분말로 제조한 일반 강종이라고 설명해서는 안 된다. ASTM B783-24는 철계 PM 구조 재료를 화학 조성, 밀도, 소결 상태 항복 강도 및 열처리 후 최대 인장 강도에 따라 구분한다. 소결 상태 분류와 열처리 상태 분류의 차이는 중요하다. 규정된 상태는 부수적인 생산 세부 사항이 아니라 재료 설명의 일부이기 때문이다. ISO 5755:2022 역시 소결 철, 강, 합금강 및 스테인리스강 구조 재료에 대한 요구 사항을 규정한다. 어느 표준도 열처리를 소결과 상호 교환 가능한 공정으로 간주하지 않는다.

경화, 뜨임 및 소결 경화의 개념

일반적인 경화는 보통 강을 오스테나이트 영역까지 가열하고, 필요한 변태가 일어나기에 충분한 시간 동안 유지한 다음, 마르텐사이트를 형성하도록 담금질하는 공정으로 이루어진다. 이후 뜨임에서는 경화된 재료를 더 낮은 온도로 재가열하여 담금질 응력을 줄이고 경도, 인성 및 치수 안정성 사이의 균형을 조정한다. 조성과 처리 조건에 따라 뜨임 중에는 탄화물 석출, 마르텐사이트 기지의 회복 및 불안정한 잔류 오스테나이트의 변태가 발생할 수 있다.

PM 강에서도 동일한 상변태가 일어나지만, 기공이 열 흐름을 방해하고 하중을 지지하는 유효 단면적을 감소시킨다. 기공은 주변 기공 네트워크와 거의 연결되지 않은 고립 기공일 수도 있고, 기체의 이동을 허용하며 내부와 로 분위기 사이의 열 교환 속도를 변화시키는 연결 기공일 수도 있다. 개방 기공은 산소나 담금질 매체가 침투하는 경로를 제공할 수도 있다. 따라서 명목상의 로 사이클만으로는 저밀도 성형체와 거의 완전히 치밀한 부품이 동일한 국부 열 이력을 갖는다고 보장할 수 없다.

구리, 니켈 및 몰리브덴은 철계 PM 재료에 흔히 첨가되는 합금 원소이며, ScienceDirect Topics의 Ferrous Powder Metallurgy 참고 자료(2024)에 따르면 철–구리–탄소 조성이 PM 철계 부품의 약 절반을 차지한다. 이러한 첨가 원소는 오스테나이트 형성, 변태 속도론, 경화능 및 뜨임 반응에 영향을 미친다. 탄소는 흑연 형태로 존재할 수 있고, 소결 중 확산될 수 있으며, 편석과 밀도 구배로 인해 국부적으로 달라질 수 있다. 따라서 담금질 후의 기지는 부품의 영역별로 서로 다를 수 있다.

소결 경화는 별도의 강종군이 아니라 공정 개념이다. 성형체를 소결 직후 충분히 빠른 속도로 냉각하여 상당한 마르텐사이트 변태를 유도함으로써 별도의 경화 공정을 줄이거나 없애는 방식이다. 냉각 속도는 합금, 부품 형상, 밀도 및 로 설계에 맞추어야 한다. 소결 경화는 일반적인 공랭과 동일하지 않다. 부품 내부가 의도한 대로 변태하려면 충분한 경화능을 가져야 한다. 잔류 응력을 줄이고 최종 상 균형을 제어하기 위해 여전히 뜨임이 필요할 수 있다.

이 공정은 취급 및 재가열 단계를 줄일 수 있지만, 그 영향은 부품 전체에 걸쳐 평가해야 한다. 빠르게 냉각된 외부 영역은 마르텐사이트가 되는 반면, 더 느리게 냉각되는 중심부에는 베이나이트, 펄라이트 또는 잔류 오스테나이트가 남을 수 있다. 이러한 구배는 국부 변형과 파괴 거동의 차이를 유발할 수 있다. 분말 야금 공구강에는 추가로 고려해야 할 사항이 있다. 미세하고 둥글며 상대적으로 등방성인 탄화물 조직과, 일반적인 잉곳 야금으로는 얻기 어렵거나 불가능한 탄화물 수준 또는 조성은 오스테나이트화, 담금질 및 뜨임에 대한 반응을 좌우하는 핵심 요소이다. ISO 4957:2018은 분말 야금으로 제조된 제품뿐 아니라 열간 압연, 단조, 냉간 인발 및 냉간 압연 제품에도 공구강 요구 사항을 적용하지만, 제조 경로는 여전히 열처리 반응에 영향을 미친다.

경화능 및 단면 효과

경화능은 지정된 냉각 조건에서 강이 일정 깊이까지 마르텐사이트를 형성할 수 있는 능력을 의미하며, 표면 경도와 동일하지 않다. PM 부품에서 단면 효과를 좌우하는 요인은 두께만이 아니다. 밀도, 기공 형상, 합금 분포, 단면 변화 및 공구나 고정구와의 접촉 상태가 모두 가열과 냉각에 영향을 미친다.

보다 다공성인 내부를 둘러싼 치밀한 외피는 균일한 단면과는 다르게 냉각될 수 있다. 연결 기공은 가열 및 산화 중 로 가스의 침투를 허용할 수 있는 반면, 고립 기공은 내부 공동과 유사하게 거동하며 가스 통로를 제공하지 않고 응력을 집중시킬 수 있다. 크거나 불규칙한 기공 역시 균열 발생 지점으로 작용한다. 담금질은 기존의 응력 집중 부위에 변태 응력을 추가할 수 있다. 표면에서 목표 경도를 충족하는 부품이라도 내부에는 더 연한 중심부, 잔류 오스테나이트 또는 기공 군집 주변의 균열 민감성이 높은 마르텐사이트 영역이 존재할 수 있다.

합금 원소의 첨가는 경화능을 향상시켜 더 느린 냉각에서도 단면 깊숙한 곳까지 마르텐사이트가 형성되도록 할 수 있다. 그러나 이것이 단면 효과를 없애지는 않는다. 느린 냉각은 열 구배를 줄이지만 바람직하지 않은 변태를 허용할 수 있으며, 빠른 냉각은 변형과 균열의 가능성을 높인다. 따라서 적절한 균형은 일반적인 “PM 강”의 보편적 특성이 아니라 특정 성형체의 특성이다.

충전 및 성형 과정에서 형성되는 밀도 구배는 특히 중요하다. 서로 다른 성형 밀도를 가진 영역은 소결 중 서로 다르게 수축할 수 있으며, 경화 중에도 서로 다른 반응을 보일 수 있다. 기계 가공된 표면에서는 원래 외부 표면에서 확인되지 않았던 기공이 드러날 수 있으며, 이로 인해 담금질 매체의 접근성과 국부 산화가 모두 변한다. 분말 제조 및 혼합도 중요하다. 개재물, 응집체 및 편석된 합금 입자가 국부적인 변태 부위로 남을 수 있기 때문이다. ISO 13947:2024는 금속 분말 내 비금속 개재물을 측정하는 방법을 규정하며, 분말 단조 강 부품에도 적용할 수 있도록 허용한다. 따라서 개재물 관리는 단순한 분말 청정도뿐 아니라 열처리 신뢰성과도 관련된다.

변형, 산화 및 잔류상

열처리는 열팽창, 변태 중 수축, 응력 완화 및 영역별 변태 시점의 차이를 통해 치수를 변화시킬 수 있다. PM 부품은 담금질과 뜨임 후에 팽창, 수축, 휨 또는 직진도 변화를 보일 수 있다. 이러한 영향은 비등방성 성형, 연결 기공, 불균일한 밀도 및 이전 소결 수축으로 인해 증폭될 수 있다. 고정구와 지지면은 냉각 중 움직임을 구속하여 잔류 응력을 남길 수 있으며, 이 응력은 이후 뜨임, 기계 가공 또는 사용 중에 방출될 수 있다.

개방 기공이 표면까지 도달하거나 내부와 연결되는 경우에는 산화에 특별한 주의가 필요하다. 산화막은 기공 벽과 외부 표면에 형성될 수 있고, 국부적으로 합금 원소를 소모하며, 입자 간 결합 목을 약화시킬 수 있다. 또한 후속 기계 가공이나 접합을 방해할 수도 있다. 제어된 로 분위기, 적절한 장입 및 신중하게 선정된 이송 조건은 노출을 줄이지만, 분위기 제어만으로 부적절한 기공 구조를 보완할 수는 없다. 진공, 불활성 또는 제어 분위기 열처리는 부품의 밀도와 합금 화학 조성을 고려하여 선택해야 한다.

잔류 오스테나이트도 치수 불안정성의 원인이 된다. 담금질로 모든 오스테나이트가 변태하지 않으면 잔존 상은 뜨임, 사용 중 또는 이후의 극저온 처리 중에 변할 수 있다. 이러한 변태는 팽창과 추가 응력을 유발할 수 있다. 반대로 충분한 뜨임 없이 마르텐사이트가 과도하게 형성되면 내부 응력이 높아지고 파괴 허용도가 낮아지는 문제가 발생한다. 특히 기공이나 비금속 개재물이 균열 발생원이 되는 경우 이러한 문제가 두드러진다.

NIST가 발행한 ASM Handbook의 강 및 스테인리스강 적층 제조 관련 장(2020)은 적층 제조 강 부품에서 기공, 개재물, 잔류 응력 및 제작 후 열처리가 서로 연계된 요인임을 지적한다. 이러한 비교는 유용하지만, 적층 제조를 일반적인 프레스 성형 및 소결 방식의 PM과 혼동해서는 안 된다. 열 이력, 기공 형상, 층 구조 및 결함 분포가 서로 다르기 때문이다. 프레스 성형 및 소결 방식의 강에서는 실제 성형체와 소결 상태를 바탕으로 열처리 일정을 개발한 다음, 치수 측정, 경도 또는 상 검사 및 필요한 경우 파괴 민감 시험을 통해 검증해야 한다.

분말야금으로 제조된 공구강

분말야금(PM) 공구강은 기존 공구강 등급을 단순히 분말 형태로 공급하는 것이 아니다. 이들의 특성은 분말 제조, 혼합, 성형, 소결, 선택적 치밀화, 열처리로 이어지는 연계된 공정에서 비롯된다. 각 단계는 다음 단계에 영향을 미친다. 분무화는 입자의 화학 조성과 청정도를 제어하고, 성형은 성형체 밀도의 분포를 결정하며, 소결은 기공 형태와 탄화물 계면을 변화시킨다. 또한 경화, 뜨임 또는 기타 열처리는 최종 기지와 잔류응력 상태를 형성한다.

이러한 가공 이력은 독특한 재료군을 형성한다. 동시에 모든 PM 공구강이 잉곳으로 제조된 동등 재료보다 우수하다고 단순히 주장할 수 없게 한다. 결과는 강종, 분말 제조 경로, 치밀화 방법, 열처리 및 사용 조건에 따라 달라진다.

탄화물 제어가 중요한 이유

탄화물은 고탄소 및 고합금 공구강에서 내마모성의 상당 부분을 제공하지만, 탄화물의 부피 분율만으로 성능이 결정되지는 않는다. 크기, 형상, 화학적 종류, 간격 및 분포도 똑같이 중요하다. 탄화물 함량이 높은 강이라도 탄화물이 연속적인 네트워크나 편석 밴드를 형성하면 인성이 낮을 수 있다. 특히 가공 하중, 충격 또는 열사이클로 국부 인장응력이 발생할 때, 크고 각진 입자는 균열 발생원으로 작용할 수 있다.

기존의 잉곳 야금에서는 액상 합금이 비교적 큰 주조 단면을 통과하며 냉각된다. 1차 수지상정이 응고할 때 용질이 풍부한 액상이 배제되고, 잔류 액상은 탄소와 탄화물 형성 원소가 점점 더 농축된다. 이로 인해 미세편석이 발생한다. 따라서 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐 및 탄소가 수지상정 사이 영역에 모일 수 있으며, 이곳에서 조대한 공정 탄화물이 형성된다. 단조와 열기계적 가공으로 이러한 조직을 분쇄할 수는 있지만, 그 화학적 기원을 항상 제거할 수 있는 것은 아니다. 큰 단면과 고합금 조성은 문제를 더욱 심화시킨다.

분말 제조는 응고의 규모를 변화시킨다. 가스 분무화는 용탕을 작은 액적으로 분할하고 빠르게 냉각하여, 대형 잉곳에서 나타나는 편석 양상이 형성되기 전에 합금 원소를 고정한다. 성형과 소결 후, 또는 가압 보조 치밀화 공정 후에는 생성되는 탄화물 집단이 훨씬 미세해질 수 있다. PM 공구강은 심하게 편석된 잉곳 재료에서 흔히 나타나는 길게 늘어난 탄화물 밴드 대신, 미세하고 둥근 형태이며 상대적으로 등방적인 탄화물 분포를 형성할 수 있다.

이러한 형태는 중요하다. 둥근 입자는 날카로운 기하학적 응력 집중을 줄인다. 보다 균일한 분포는 미세조직을 관통하는 길고 취약한 경로의 형성도 줄이며, 등방성은 가공 방향에 따른 응답의 의존성을 낮춘다. 그러나 이는 야금학적 경향일 뿐 보장은 아니다. 불완전한 치밀화, 부적절한 열처리, 분말 오염 또는 과도한 탄화물 조대화는 여전히 결함과 이방성을 초래할 수 있다.

또한 PM 공정은 기존 잉곳 야금으로는 제조하기 어렵거나 경우에 따라 불가능한 탄화물 함량과 탄화물 화학 조성을 가능하게 한다. 높은 바나듐 함량의 강종은 이러한 설계상의 어려움을 보여 주는 대표적인 예이다. 원하는 MC형 탄화물을 대형 잉곳 전체에 균일하게 분포시키기 어렵기 때문이다. 다른 합금 설계에서는 크롬이 풍부한 M7C3, 몰리브덴 또는 텅스텐을 함유하는 M6C, 바나듐이 풍부한 MC와 같이 탄화물 종류를 제어된 비율로 혼합하는 방식에 의존한다. 유용한 균형은 단순히 “탄화물이 많을수록 좋다”는 것이 아니다. 탄화물 분율이 증가하면 내마모성은 향상될 수 있지만, 인성, 피삭성 또는 치핑 저항성은 저하될 수 있다.

분말 청정도는 탄화물 제어의 일부이다. 비금속 개재물은 의도된 탄화물 집단과 관계없이 균열을 발생시킬 수 있으며, 분말 입자 표면의 산화막은 분위기 또는 소결 사이클이 적절히 제어되지 않을 경우 기존 입자 경계에 잔류할 수 있다. ISO 13947:2024는 금속 분말 내 비금속 개재물을 측정하는 방법을 규정하며, 이 방법을 분말 단조 강 부품에도 적용할 수 있도록 한다. 따라서 개재물 시험은 최종 파괴 분석뿐 아니라 재료 규격 및 공정 관리 체계의 일부가 되어야 한다.

기공은 또 다른 변수를 추가한다. 프레스-소결 제품은 치밀화 공정으로 기공이 감소하지 않는 한 서로 연결된 기공 또는 폐쇄 기공을 포함한다. 기공은 유효 하중 지지 면적을 줄이고 균열 핵생성 장소로 작용할 수 있다. 공칭 밀도값 하나만으로 판단하기보다는 기공의 크기, 형상 및 위치가 더 중요하다. 열간 등방압 가압, 분말 단조 또는 기타 치밀화 공정은 이러한 상태를 변화시킬 수 있지만, 동시에 비용, 치수 거동 및 최종 미세조직도 변화시킨다.

ISO 4957:2018과 PM 공구강 제품

ISO 4957:2018은 공구강에 관한 주요 국제 표준이며, 분말야금으로 제조된 제품을 명시적으로 포함한다. 이 표준의 적용 범위에는 열간 압연, 단조, 냉간 인발 및 냉간 압연 제품도 포함된다. 이는 해당 표준이 PM 제조를 공구강 분야 내 하나의 제품 제조 경로로 취급하면서도, 경로별 조직과 공정이 특정 지정에 따라 공급되는 재료에 영향을 줄 수 있음을 인정한다는 점에서 중요하다.

이 표준을 모든 제품 형태가 야금학적으로 상호 대체 가능하다는 의미로 해석해서는 안 된다. PM 제품과 단조 제품은 동일한 강종 지정이나 화학 조성 한계를 공유할 수 있지만, 탄화물 분포, 기공률, 청정도, 치수 이력 및 열처리 반응은 서로 다를 수 있다. 따라서 구매자 또는 설계자는 강종명만으로 판단하지 말고 제품 형태와 관련 공급 상태를 명시해야 한다.

ISO 4957:2018은 공구강 요구사항을 다루지만, 분말 가공 강에 관련된 유일한 표준은 아니다. ISO 5755:2022는 소결 철, 강, 합금강 및 스테인리스강 구조 재료를 포함한 소결 금속 재료의 요구사항을 규정한다. ASTM B783-24는 화학 조성, 밀도, 소결 상태 항복강도 및 열처리 후 인장강도를 기준으로 철계 PM 구조 재료를 분류하며, 프레스와 소결로 제조되는 부품을 다룬다. 이러한 문서들은 서로 관련된 영역을 다루지만, ASTM B783-24는 ISO 4957:2018의 공구강 요구사항을 대체하지 않는다.

이러한 구분은 중요하다. 많은 철계 PM 제품은 공구강이 아니기 때문이다. ScienceDirect Topics가 2024년에 발행한 Ferrous Powder Metallurgy 참고자료에 따르면, 철-구리-탄소 조성은 철계 PM 부품의 약 절반을 차지한다. 이러한 구조 재료는 제어된 밀도, 치수 거동 또는 경제적인 준최종 형상을 얻기 위해 PM을 사용하며, 그 설계 우선순위는 고속도강, 냉간 가공 공구강 또는 고내마모 PM 강종의 우선순위와 다르다.

PM 공구강의 규격은 분말 입자 특성, 성형 압력, 소결 분위기, 치수 변화, 기공 형태, 개재물 및 열처리도 고려해야 한다. 이러한 변수들은 서로 상호작용한다. 예를 들어 적절한 화학 분석 결과를 가진 분말이라도 입도 분포로 인해 프레싱 중 밀도 구배가 발생하면 부품의 특성이 불균일해질 수 있다. 적절한 소결 온도라도 유지 시간과 분위기가 부적절하면 과도한 결정립 성장이나 탄화물 조대화가 발생할 수 있다. 이후 열처리는 그러한 선행 조직에 작용하므로, 앞 단계에서 발생한 모든 결함을 제거할 수는 없다.

기존 잉곳 야금과의 비교

PM의 가장 뚜렷한 장점은 편석과 탄화물 형태를 제어할 수 있다는 점이다. 잉곳 야금 공구강은 균질성을 향상시키기 위해 단조, 풀림 및 재용해를 실시할 수 있으며, 많은 기존 강종이 우수한 사용 성능을 제공한다. 또한 제조 경로가 확립되어 있어 단조, 가공 및 열처리에 관한 방대한 데이터가 축적되어 있다. PM이 이러한 재료를 자동으로 대체하는 것은 아니다.

합금 함량과 요구되는 탄화물 수준이 높아질수록 PM은 기술적으로 더욱 매력적이 된다. 급속 응고는 더 미세한 초기 조직을 가능하게 하며, 치밀화 공정은 대형 주조 잉곳에서 얻을 수 있는 것보다 더 균일한 분포를 유지할 수 있다. 이를 통해 기존 용해 및 단조로는 얻기 어려운 내마모성과 인성의 조합을 구현할 수 있다. 그러나 이점은 강종에 따라 다르다. 기존 공정만으로도 충분한 청정도와 탄화물 제어가 가능한 중간 정도의 합금 공구강은 추가적인 분말 공정으로 얻는 이점이 적을 수 있다.

PM의 주요 한계는 공정 민감도와 기공 위험이다. 프레스-소결 재료는 단조강의 거의 완전한 밀도에 도달하지 못할 수 있으며, 소결 중 치수 변화를 제어해야 한다. 완전 치밀화 공정은 기공을 줄이지만 열적·기계적 가공을 추가한다. 또한 분말 제조 과정에서 산화막이나 개재물이 유입될 수 있고, 용탕 자체가 화학적으로 균일했더라도 취급과 혼합 과정에서 입자 간 편석이 발생할 수 있다.

적층 제조를 기존의 프레스-소결 PM과 동일시해서는 안 된다. 두 공정 모두 금속 분말에서 시작하지만, 층별 용융 또는 결합은 서로 다른 열사이클, 잔류응력, 표면 상태 및 결함 발생 메커니즘을 유발한다. 2020년에 NIST가 발행한 ASM Handbook의 강 및 스테인리스강 적층 제조 관련 장에서는 기공, 개재물, 잔류응력 및 제조 후 열처리를 적층 제조 강 부품의 주요 요인으로 제시한다. 이러한 우려 사항은 PM과 일부 겹치지만, 공정 이력은 동일하지 않다.

따라서 올바른 비교는 추상적인 의미에서의 “PM 대 기존 강”이 아니다. 이는 지정된 강종과 제조 경로 사이의 비교이다. 즉, 분말의 화학 조성과 청정도 대 잉곳의 균질성, 탄화물의 크기와 분포 대 단조 조직, 기공 집단 대 단조재의 밀도, 그리고 완전한 열처리 이력 대 사용 하중을 비교해야 한다. PM 공구강이 독특한 재료인 이유는 이러한 변수들이 함께 설계되기 때문이다.

개재물, 청정도 및 분말 단조강

금속 분말 내 비금속 개재물

비금속 개재물은 금속 분말 입자 내부 또는 입자 사이에 존재하는 이물질이나 화학적으로 구별되는 고체상이다. 이는 일반적인 분말야금 기공과 동일하지 않다. 기공은 연마 및 시편 준비 후 기체 또는 진공을 포함하는 영역인 빈 공간이다. 반면 개재물은 산화물, 규산염, 질화물, 탄화물, 슬래그 유래 입자 또는 기타 비금속 화합물과 같이 분말 또는 소결된 미세조직의 일부를 차지하는 물질이다.

이러한 구분이 중요한 이유는 분말 제조 과정에서 오염과 표면 반응이 발생할 기회가 많기 때문이다. 분무화 과정에서는 산화물 피막이나 혼입된 내화성 물질이 생성될 수 있다. 분말의 취급, 체질, 혼합 및 이송 과정에서는 장비 또는 주변 대기로부터 입자가 유입될 수 있다. 또한 분말 입자가 표면 산화물을 포함하고 있을 경우, 압축 후 얇은 개재물 농축층으로 나타날 수 있다. 강의 화학 조성만으로는 이러한 상태를 완전히 설명할 수 없다. 공칭 탄소, 크롬, 몰리브덴 또는 니켈 함량이 동일한 두 배치라도 개재물의 크기, 화학 조성 또는 위치가 다르면 서로 다르게 거동할 수 있다.

이 문제는 분말 표면이 초기 미세조직의 일부를 이루는 철계 분말야금 재료에서 특히 중요하다. 압축 과정에서는 입자들이 서로 접촉하고, 소결 과정에서는 이러한 접촉부에 목이 형성되며 접촉부를 가로질러 확산이 일어난다. 입자 경계에 위치한 개재물은 입자 내부에 둘러싸인 개재물보다 결합을 더 심하게 방해할 수 있다. 얇은 산화물 피막은 불연속적인 경계로 남을 수 있는 반면, 작고 고립된 입자는 소결 중 강에 둘러싸일 수 있다. 최종적인 영향은 개재물 자체뿐 아니라 이후의 열적·기계적 이력에 따라 달라진다.

이처럼 광범위한 재료군은 기존의 강을 단순히 분말 형태로 만든 것으로 분류하기도 어렵다. ASTM B783-24는 화학 조성, 밀도, 소결 상태 항복강도 및 열처리 후 인장강도에 따라 철계 분말야금 구조용 재료를 분류하며, 압축 및 소결로 제조된 부품을 적용 범위에 포함한다. ISO 5755:2022는 소결 철, 강, 합금강 및 스테인리스강 구조용 재료에 대한 요구사항을 규정한다. 그러나 어느 분류도 분말 청정도에 대한 검사를 대신할 수는 없다. 재료 지정은 조성과 요구 특성을 정할 수 있지만, 파괴가 산화물 피막, 기공, 탄화물 집합체 또는 이들 사이의 계면에서 시작되었는지는 설명하지 못한다.

합금 설계는 여기에 또 다른 요소를 더한다. 구리, 니켈 및 몰리브덴은 철계 분말야금 강에 흔히 첨가되는 원소이며, 인용된 ScienceDirect Topics 자료(2024)에 따르면 철–구리–탄소 조성은 철계 분말야금 부품의 약 절반을 차지한다. 이러한 합금 원소는 소결, 치수 변화, 경화능 및 상 형성에 영향을 미치지만, 산화물 또는 규산염 개재물을 의도된 합금의 일부로 만들지는 않는다. 분말야금 공구강에는 미세하고 둥글며 비교적 등방적인 탄화물 조직이 포함될 수 있고, 일반적인 잉곳 야금으로는 얻기 어려운 탄화물 함량 또는 조성을 가질 수도 있다. 이러한 탄화물을 비금속 개재물로 자동 기록해서는 안 되며, 상 식별이 필요하다.

ISO 13947:2024 시험 방법

ISO 13947:2024는 금속 분말 내 비금속 개재물을 측정하는 방법을 규정한다. 또한 이 표준의 적용 범위는 분말 단조강 부품에도 적용할 수 있도록 허용하므로, 느슨한 원료 분말의 검사에만 국한되지 않는다. 이러한 확대 적용은 중요한 의미를 갖는다. 치밀화 과정에서 개재물의 외관과 공간적 배열이 변하기 때문이다. 치밀화 전에 적용하는 시험 방법은 단조 후에 적용하는 방법과 서로 다른 질문에 답한다.

따라서 이 표준은 보편적인 청정도 등급이 아니라 측정 체계로 다루어야 한다. 표준은 측정 방법을 정하지만, 특정 분말, 압축체 또는 부품에 대한 규격은 요구되는 보고 기준과 합격 기준을 정해야 한다. 현재 이용 가능한 정보만으로 모든 분말야금 강에 일반적으로 적용되는 최대 개재물 크기, 면적 분율, 개수 또는 합격 한계를 설정할 수는 없다. 그러한 한계는 해당 제품 표준, 구매 규격, 자격 인증 계획 또는 입증된 사용 조건에서 정해져야 한다.

해석은 시편 준비에도 좌우된다. 연마 단면은 3차원 입자와 계면을 통과하는 2차원 절편을 보여준다. 긴 개재물은 짧은 파편처럼 보일 수 있고, 단면과 평행하게 놓인 얇은 피막은 실제보다 불균일하게 연속적인 형태로 나타날 수 있다. 시편 준비 중 발생한 손상, 인발, 번짐 및 에칭은 균열이나 비금속 입자와 유사한 특징을 만들 수 있다. 따라서 식별 과정에서는 규정된 검사 방법을 적절한 금속조직학적 관리와 함께 적용해야 하며, 필요한 경우 화학적 분석 또는 미세분석으로 확인해야 한다.

분말 단조강의 경우에는 시료 채취 위치도 동일하게 세심하게 기록해야 한다. 용기에서 채취한 분말, 단조 전에 검사한 압축체 및 단조 영역에서 제거한 재료는 동일한 모집단을 대표하지 않는다. 단조 과정에서는 개재물이 파쇄되거나, 편평해지거나, 회전하거나, 재분포될 수 있으며, 인접한 기공이 닫히고 두 결함을 구분하는 데 사용되는 명암 대비가 변할 수도 있다. 분말 로트, 부품 위치, 방향, 단면 준비 및 가공 이력이 없는 결과는 다른 결과와 비교하기 어렵다.

치밀화 후 개재물의 영향

치밀화는 개재물의 형상을 변화시키며, 개재물이 갖는 기계적 의미도 변화시킨다. 압축 및 소결 중 입자 접촉부에 위치한 개재물은 국부적인 목 성장을 방해하고 취약한 계면을 남길 수 있다. 분말 단조 중에는 이러한 특징이 끈 모양의 불연속부로 편평해지거나, 취성 입자가 파쇄되거나, 주변의 강이 개재물 쪽으로 압착될 수 있다. 연마 단면에서 개재물이 덜 뚜렷하게 보인다고 해서 반드시 사라진 것은 아니다.

기공은 여러 방식으로 개재물과 상호작용한다. 개재물은 입자 경계에서 틈을 형성하거나 유지하는 핵이 되어 개재물–기공 결합을 만들 수 있다. 기공은 개재물의 노출 표면을 증가시키고 국부적으로 날카로운 노치를 만들 수 있다. 반대로 단조 과정에서 기공은 닫히면서 개재물 또는 산화물이 농축된 계면은 남을 수 있다. 이 경우 현미경 사진에는 평면상의 불연속부를 가진 치밀한 영역이 나타날 수 있지만, 원래의 결함은 기공과 개재물이 함께 관여한 것이었을 수 있다. 어두운 특징을 모두 기공이라고 부르면 이러한 가공 이력이 가려진다.

형태는 해석의 핵심이다. 일반적으로 둥글고 고립된 입자는 각진 입자, 길게 늘어난 피막 또는 집합된 잔해와는 다른 응력 집중을 일으킨다. 분포도 중요하다. 서로 넓게 떨어진 소수의 개재물은 기존 분말 경계를 따라 위치한 띠 또는 단조 방향과 나란히 반복되는 집합체와 동일하지 않다. 결합 상태도 또 하나의 변수이다. 강에 단단히 둘러싸인 개재물은 결합되지 않은 계면에 여전히 부착된 개재물과 다른 영향을 미칠 수 있다.

이러한 차이는 인장 파괴, 피로 균열 발생, 충격 거동 및 치수·열처리 결과에 영향을 미치지만, 개재물의 화학 조성, 크기 분포, 기공률, 기지 미세조직, 하중 방식 및 방향을 알지 못하면 보편적인 영향 순위를 정할 수 없다. NIST가 발행한 ASM Handbook의 강 및 스테인리스강 적층 제조 관련 장(2020)도 기공, 개재물, 잔류응력 및 제조 후 열처리를 강 부품에 연계된 영향 요인으로 다룬다. 이러한 비교는 결함 분석에 유용하지만, 적층 제조를 일반적인 압축–소결 분말야금 또는 분말 단조와 혼동해서는 안 된다.

따라서 타당한 평가는 ISO 13947:2024 결과를 분말 제조 공정, 압축 압력, 소결 사이클, 단조 감소율, 열처리, 밀도, 기공 형태 및 파괴 위치와 연계해야 한다. Randall German의 A-Z of Powder Metallurgy(2005)는 분말 제조, 압축, 소결, 치밀화, 미세조직 및 기공률을 하나의 공정 순서 안에서 다룬다. 개재물 역시 이 순서에 포함되어야 한다. 청정도는 분말에 대해 별도로 발급되는 증명서가 아니라, 강이 압축되고 소결되며 단조되고 가공 및 시험되는 과정에서 그 의미가 변할 수 있는 특성이다.

분말야금 강과 적층 제조 강의 비교

분말야금(PM) 강과 적층 제조(AM) 강은 공통된 출발점을 가진다. 두 재료 모두 화학 조성, 입자 크기, 형태, 청정도 및 보관 이력이 최종 재료에 영향을 미치는 금속 분말에서 시작할 수 있다. 그러나 두 재료는 동일한 가공 경로를 따르지 않는다. 압축–소결 분말야금에서는 금형 안에서 압축체를 성형한 다음, 로 내 소결을 통해 입자들을 결합한다. 적층 제조에서는 일반적으로 연속적인 층마다 분말을 선택적으로 용융하거나 다른 방식으로 치밀화하여 부품을 점진적으로 제작한다. 원료 분말이 공통된다고 해서 최종 재료가 서로 대체 가능한 것은 아니다.

이러한 구분은 야금학뿐 아니라 표준의 측면에서도 중요하다. ASTM B783-24는 화학 조성, 밀도, 소결 상태 항복강도 및 열처리 후 인장강도에 따라 철계 분말야금 구조용 재료를 분류하며, 그 적용 범위는 압축 및 소결로 제조된 부품을 포함한다. ISO 5755:2022는 소결 철, 강, 합금강 및 스테인리스강 구조용 재료에 대한 요구사항을 규정한다. 이 문서들은 규정된 치밀화 경로와 연계된 재료군을 설명한다. 적층 제조 부품은 화학적으로 유사한 합금을 사용할 수 있지만, 그 자격 인증에서는 장비, 에너지원, 층 형성 전략, 제작 방향, 분위기 및 열 이력을 고려해야 한다.

NIST가 발행한 ASM Handbook의 장인 “Additive Manufacturing of Steels and Stainless Steels”는 2020년에 발행되었으며, 유용한 통제 비교 자료를 제공한다. 이 장에서는 AM 강을 분말 공정 재료로 다루지만, 기공, 개재물, 잔류응력 및 적층 후 열처리를 특히 강조한다. 이러한 우려 사항은 PM과 겹치지만, 그 원인과 분포는 크게 다를 수 있다.

공통적인 분말 원료 관련 우려 사항

분말은 중립적인 원료가 아니다. 가스 원자화, 물 원자화, 플라즈마 원자화 및 기타 제조 방법은 서로 다른 입자 형상, 표면 산화물, 위성 입자, 내부 공극 및 입도 분포를 생성한다. 분말 베드 시스템에서는 구형이며 유동성이 우수한 분말이 요구될 수 있는 반면, 프레스-소결 공정에서는 압축성, 겉보기 밀도, 윤활제 반응성 및 금형 충전성을 기준으로 선정된 분말을 사용할 수 있다. 따라서 분말 사양은 해당 분말이 개발된 장비 및 치밀화 방법과 분리하여 판단할 수 없다.

화학 조성은 원료 관리의 한 부분에 불과하다. ScienceDirect Topics의 Ferrous Powder Metallurgy 항목에 따르면, 2024년에 확인된 자료 기준으로 구리, 니켈 및 몰리브덴은 철계 PM 강에서 흔히 첨가되는 원소이며, 철–구리–탄소 조성은 PM 철계 부품의 약 절반을 차지한다. 합금 원소는 원소 분말 또는 예비합금 분말 형태로 혼합될 수 있으며, 이에 따라 국부 화학 조성, 압축성, 소결 거동 및 치수 변화에 서로 다른 결과가 나타난다. AM 원료는 대체로 엄격하게 관리된 예비합금 분말로 공급되지만, 이 경우에도 분말을 반복적으로 취급하거나 재사용하면 입도 분포, 산소 함량, 수분 노출 및 부분적으로 융합된 입자의 분율이 변할 수 있다.

표면 피막에도 세심한 주의가 필요하다. 얇은 산화물층은 소결 중 입자 간 결합을 방해하고, AM 중 용융 및 젖음성을 저해하거나, 산소가 풍부한 결함을 유발할 수 있다. 비금속 개재물은 용융, 원자화, 취급 또는 재활용 과정에서 유입될 수 있다. ISO 13947:2024는 금속 분말 내 비금속 개재물을 측정하는 방법을 규정하며, 분말 단조 강 부품에도 적용할 수 있도록 허용한다. 이러한 적용 범위가 이 방법을 모든 AM 공정에 대한 자동적인 적격성 평가 절차로 바꾸는 것은 아니다. 다만 개재물 시험이 분말 제조 경로 및 부품 제조 경로와 연계되어야 하는 이유를 보여 준다.

PM 분말은 일반적으로 압축하기 전에 윤활제와, 필요한 경우 흑연 또는 기타 합금 원소와 혼합된다. 이러한 첨가물은 성형체 강도, 취출, 탄소 분포 및 가열 중 방출되는 가스에 영향을 준다. AM 분말은 일반적으로 동일한 압축용 윤활제 패키지 없이 리코터 또는 분말 공급 시스템으로 투입된다. 한 공정에서 허용 가능한 성능을 보이는 분말이 다른 공정에서는 유동성 저하, 과도한 가스 발생, 편석 또는 불안정한 치밀화를 일으킬 수 있다.

서로 다른 치밀화 메커니즘

프레스-소결 PM은 먼저 거시적인 압력을 가한다. 금형은 분말을 압축하여 성형체로 만들고, 입자 사이에 접촉을 형성하는 동시에 서로 연결된 기공 네트워크를 남긴다. 이후 소결에서는 주된 용융 온도 범위보다 낮은 온도로 성형체를 가열하여 확산, 입자 목 성장, 기공의 구형화 및 야금학적 결합이 일어나도록 한다. 로 분위기, 가열 속도, 소결 온도, 유지 시간 및 냉각 속도는 탄소 손실, 산화, 치수 변화 및 최종 기공 구조를 제어한다. 이차 공정에는 사이징, 재압축, 침투, 분말 단조, 열간 등방압 가압 또는 열처리가 포함될 수 있다.

AM은 국부적으로 반복하여 에너지를 가한다. 레이저 분말 베드 융합 또는 전자빔 분말 베드 융합에서는 집속된 빔이 얇은 층을 주사하여 선택된 영역을 용융 또는 소결한 다음, 증착된 다음 층과 상호작용한다. 지정 에너지 증착에서는 부품이 형성되는 동안 분말을 용융 풀에 공급한다. 각 트랙과 층은 급속 가열 및 냉각, 재용융, 응고, 그리고 후속 패스에 의한 재가열을 겪는다. 따라서 생성되는 미세조직은 주사 전략, 에너지 밀도, 층 두께, 용융 풀 형상, 차폐 분위기 및 빌드 플레이트를 통한 열 추출에 의해 결정된다.

이는 단순히 프레스-소결의 더 빠른 버전이 아니다. PM에서는 금형이 성형체의 형상을 결정하고, 로는 부품 대부분을 비교적 긴 열 사이클에 노출한다. AM에서는 형상이 층별로 생성되며 열 구배가 가파를 수 있다. 치밀한 AM 영역에는 미세한 응고 셀, 주상 결정립 또는 방향 의존적 특징이 존재할 수 있으며, 이는 소결 직후 성형체에는 직접적인 대응물이 없다. 반대로 PM에서는 치수 조정, 베어링 또는 유체 보유 기능을 위해 서로 연결된 기공이나 고립 기공을 의도적으로 유지할 수 있다. 이에 비해 AM 적격성 평가는 일반적으로 의도하지 않은 융합 불량과 키홀 기공을 관리가 필요한 결함으로 취급한다.

재료 지정 또한 외관상 유사하다는 이유만으로 이전할 수 없다. ISO 4957:2018은 분말 야금으로 제조된 제품뿐 아니라 열간 압연, 단조, 냉간 인발 및 냉간 압연 제품에도 공구강 요구사항을 적용한다. 이러한 인정은 해당 표준의 범위에 속하는 제품과 요구사항에 관한 것이며, AM 공구강 부품이 프레스-소결 제품 또는 가공 제품의 특성, 열처리 반응이나 수용 기준을 자동으로 승계한다는 의미는 아니다.

기공, 개재물, 잔류응력 및 적층 후 처리

기공은 두 재료군 모두에 존재하지만, 그 기원과 형상은 공정에 따라 달라진다. PM 기공은 입자 배열과 압축 압력에서 시작한 뒤, 소결 중 수축, 확산, 기공 병합 및 기공 구형화를 통해 변화한다. 특히 마찰이나 복잡한 금형 형상으로 인해 압력 전달이 제한되는 경우, 압축 성형체 내부에 밀도 구배가 발생할 수 있다. 이러한 구배는 소결 후 국부적인 치수 편차와 서로 다른 기계적 거동을 유발할 수 있다.

AM 기공은 흔히 융합 불량, 불충분한 에너지 투입, 불안정한 용융 풀 거동, 갇힌 가스, 키홀 불안정성 또는 분말 베드 교란과 관련된다. 기공은 트랙 사이에서 길게 늘어날 수 있고, 융합이 불량한 경계에서는 불규칙한 형상을 보일 수 있으며, 용융물에 가스가 갇힌 경우에는 보다 구형일 수 있다. 빌드 방향 및 자유 표면에 대한 기공의 위치는 검사 결과와 피로 거동에 영향을 줄 수 있다. 공칭 밀도 값만으로는 결함의 분포와 종류를 확인할 수 없다.

개재물 역시 제조 경로에 따라 달라진다. PM에서는 원래 분말에 개재물이 존재할 수 있고, 혼합 중 유입되거나 소결 중 반응을 통해 형성될 수 있다. AM에서는 분말에 존재하던 개재물이 그대로 유입될 수 있으며, 산화에 의해 생성되거나 반복적인 용융 및 응고에 의해 재분포될 수 있다. NIST가 발행한 ASM Handbook의 해당 장에서는 개재물을 기공과 함께 다룬다. 이는 벌크 화학 조성이 공칭 사양을 충족하더라도 두 결함 모두 연속성을 단절하고 손상이 발생하는 지점으로 작용할 수 있기 때문이다.

잔류응력은 각 층이 더 차가운 주변 재료와 빌드 플레이트에 의해 구속된 상태에서 수축하기 때문에 AM의 대표적인 우려 사항이다. 반복적인 열 사이클은 표면 또는 형상 구속 영역에 인장응력을 남길 수 있으며, 이로 인해 변형, 균열 또는 서포트 제거와 기계가공 중 응력 해방이 발생할 수 있다. PM 성형체도 압축 및 취출로 인해 내부응력을 경험하지만, 응력장은 서로 다른 공정 순서에 의해 형성되며 이후 소결, 사이징 및 열처리를 거치면서 변화한다.

따라서 적층 후 처리는 제조 경로에 따라 기술해야 한다. PM에서는 지정된 재료와 부품에 따라 소결, 침탄, 담금질 및 뜨임, 열간 등방압 가압, 침투 또는 사이징을 사용할 수 있다. AM에서는 응력 제거, 용체화 처리, 시효, 담금질 및 뜨임, 열간 등방압 가압, 기계가공 또는 표면 처리가 필요할 수 있다. 이러한 공정은 기공을 닫고, 탄화물 형상을 변화시키며, 응력을 완화하고, 치수 안정성을 조정할 수 있지만, 앞선 제조 이력을 제거하지는 않는다.

분말 야금 공구강은 이 점을 잘 보여 준다. 신속한 응고와 관리된 분말 제조 경로를 통해 미세하고 둥글며 비교적 등방성인 탄화물 조직을 형성할 수 있고, 일반적인 잉곳 야금으로는 얻기 어렵거나 불가능한 수준 또는 조성의 탄화물도 구현할 수 있다. AM 강 역시 미세화된 응고 조직을 형성할 수 있지만, 탄화물 분포와 열처리 반응은 해당 AM 공정에 대해 확립되어야 한다. 따라서 공정별 근거 없이 PM 등급 지정, 밀도 요구사항, 인장 값 또는 열처리 조건을 AM 부품에 적용해서는 안 된다. 동일한 금지 원칙은 반대 방향에도 적용된다. 유사한 분말 화학 조성은 동등한 기공, 개재물, 잔류응력, 미세조직 또는 적격성 상태를 입증하지 않는다.

설계, 검사 및 파손 분석

밀도와 하중 경로를 고려한 설계

분말야금 강 부품은 단순히 공칭 합금명으로 지정해서는 안 되며, 재료 상태를 기준으로 지정해야 한다. 설계 기록에는 재료 지정, 적용 표준, 밀도 상태, 압축 방향에 대한 배향, 소결 또는 치밀화 경로, 열처리, 그리고 중요 부위로 간주되는 단면을 명시해야 한다. “강”이라는 표현만으로는 충분하지 않다. 연결된 기공을 포함하는 압축·소결 재료, 진공 침탄 재료, 열간정수압성형 재료는 공칭 화학 조성이 같을 수 있지만 하중을 전달하는 방식은 매우 다를 수 있다.

ASTM B783-24는 철계 분말야금 구조용 재료를 화학 조성, 밀도, 소결 상태 항복강도 및 열처리 후 인장강도에 따라 분류한다. 이러한 체계는 설계자에게 중요한 경고를 준다. 즉, 밀도는 재료 정의의 일부이다. ISO 5755:2022 역시 소결 철, 강, 합금강 및 스테인리스강 구조용 재료에 대한 요구사항을 규정한다. 밀도 상태나 요구되는 기계적 상태 없이 등급만 명시한 도면은 변동의 주요 원인을 관리하지 못한 채 남겨 둔다.

기공은 유효 하중 지지 면적과 균열이 진행하는 경로를 모두 변화시킨다. 크고 불규칙한 기공, 기공 군집 및 날카로운 기공 모서리는 응력을 집중시키며, 둥글고 작으며 균일하게 분포된 기공은 다른 영향을 미친다. 또한 분말의 이동과 마찰로 인해 모든 영역에 동일한 압력이 가해지지 않으므로, 압분체 내부에서 밀도가 달라질 수 있다. 따라서 두꺼운 보스, 얇은 웨브 및 깊은 내부 모서리는 동일한 분말 배합과 하나의 압축 사이클로 시작했더라도 서로 다른 국부 구조로 소결될 수 있다.

하중 경로는 3차원적으로 검토해야 한다. 밀도 구배를 가로지르는 인장 응력, 단면 변화부에서 발생하는 굽힘, 그리고 압축 방향 인근의 반복 전단은 단순한 공칭 강도 계산으로는 파악하기 어려운 취약점을 드러낼 수 있다. 설계자는 부품 도면에 주요 하중 방향과 압축 축을 표시한 다음, 국부 응력이나 마모가 중요한 표면, 구멍, 스플라인, 키홈 및 단차를 식별해야 한다. 두께 전체에 걸쳐 균일한 밀도가 필요한 형상은 다른 압축 배치, 2차 치밀화 또는 일반적인 단조·압연재나 기계가공 부품을 요구할 수 있다.

분말야금이 하나의 표준 합금 계열을 의미하는 것은 아니다. 구리, 니켈 및 몰리브덴은 일반적인 첨가 원소이며, 인용된 ScienceDirect Topics 자료(2024)에 따르면 철–구리–탄소 조성은 철계 분말야금 부품의 약 절반을 차지한다. 분말야금으로 제조한 공구강은 별도의 설계 사례이다. 공구강의 미세하고 둥글며 보다 등방적인 탄화물 구조는 일반적인 주괴 야금으로는 제조하기 어렵거나 불가능한 탄화물 함량 또는 조성을 가능하게 할 수 있다. ISO 4957:2018은 열간압연, 단조, 냉간인발 및 냉간압연 제품뿐 아니라 분말야금으로 제조된 제품에도 공구강 요구사항을 적용한다. 그러나 제조 경로는 여전히 사양서와 검사 계획에 포함되어야 한다.

치수 제어 및 후처리

치수는 금형 충전부터 최종 검사까지 변하지 않은 상태로 유지되지 않는다. 압축은 의도한 형상의 성형체를 만들며, 이후 소결 과정에서 결합, 수축, 합금 원소 확산 및 저장 응력의 완화로 인해 치수 변화가 발생한다. 변화의 방향과 크기는 분말 종류, 윤활제, 압축 압력, 형상, 노 분위기, 온도, 시간 및 지지 조건에 따라 달라진다. 기계가공 후에는 쉽게 유지할 수 있는 공차라도 소결 상태에서는 비현실적일 수 있다. 반대로 모든 표면을 기계가공하는 설계는 압축 성형이 제공하는 경제적·기하학적 이점을 없앨 수 있다.

사이징은 일반적인 소결 후 공정이다. 제어된 금형 스트로크를 사용하면 특정 치수를 보정하고 반복성을 향상시키거나, 많은 양의 재료를 제거하지 않고 기능적 끼워맞춤을 복원할 수 있다. 압축과 사이징만으로는 제조할 수 없는 정밀 보어, 기준면, 나사, 밀봉면 또는 복잡한 형상에는 기계가공이 적절하다. 다공성 강을 절삭할 때에는 모서리 파손, 재료의 문지름에 의한 번짐, 공구 마모 및 겉보기에는 깨끗한 표면에서 연결된 기공이 드러날 가능성에 주의해야 한다. 검사에서는 기계가공으로 인한 치수 결함과 표면 아래 기공 또는 소결과 관련된 밀도 변화를 구별해야 한다.

접합에는 용접, 브레이징, 기계적 체결 또는 다른 부품과의 조립이 포함될 수 있지만, 기공과 합금 화학 조성은 열 흐름, 가스 방출, 젖음성 및 접합 강도에 영향을 미친다. 따라서 접합 절차는 단조재 등가재로부터 추정하지 말고 실제 분말야금 상태에서 적합성을 검증해야 한다. 침투는 일부 기공 부피를 제2 재료로 채워 유효 밀도를 높이거나 표면 거동을 변화시킬 수 있다. 그러나 이는 지정된 설계 경로이지, 불충분한 압축을 자동으로 보수하는 방법이 아니다. 마찬가지로 침탄, 질화, 도금, 증기 처리 또는 코팅과 같은 표면 처리는 내마모성, 내식성, 마찰 또는 밀봉 성능을 향상시킬 수 있지만, 처리 깊이와 연속성은 기공 구조와 국부 조성에 따라 달라질 수 있다.

소결 후 공정은 순서대로 기록해야 한다. 열처리 전에 사이징한 부품은 열처리 후에 사이징한 부품과 다르게 거동할 수 있다. 침탄 전에 기계가공하면 침탄층의 형상이 달라질 수 있으며, 처리 후 기계가공하면 처리층의 일부가 제거될 수 있다. 접합은 국부적인 열 사이클을 유발할 수 있고, 침투는 질량과 치수를 변화시키며 밀도 측정의 해석에도 영향을 줄 수 있다. 검사 계획에는 공정, 관리 대상 형상, 합격 판정 방법 및 측정이 이루어지는 상태를 명시해야 한다.

분말 특성, 압축, 소결, 기공 형태, 개재물, 치수 변화 및 열처리는 서로 연결된 공정 변수이다. Randall German의 A-Z of Powder Metallurgy(2005)는 이러한 주제를 서로 고립된 생산 단계가 아니라 분말 처리의 연계된 구성 요소로 다룬다. 중요 치수나 파손을 최종 합금 성적서만으로 설명할 수 없을 때 이러한 접근은 필수적이다.

금속조직학 및 파괴 조사

파손 분석은 현미경이 아니라 기록 검토에서 시작해야 한다. 재료 지정과 표준, 분말 로트, 배합 첨가물, 압축 방향, 금형 구성, 소결 사이클, 분위기, 밀도 측정값, 2차 치밀화, 열처리, 기계가공, 접합 및 표면 처리를 확인해야 한다. 가능한 경우 파손 부품을 동일한 생산 상태에서 제조된 미사용 부품과 비교해야 한다. ASTM B783-24와 ISO 5755:2022는 화학 조성, 밀도 및 기계적 상태를 구별하기 위한 관련 체계를 제공한다. 어느 표준도 추적 가능한 이력을 대신하여 모호한 “분말야금 강”이라는 설명을 사용하는 것을 허용하지 않는다.

다음으로 밀도와 기공을 특성화한다. 적절한 방법으로 겉보기 밀도를 기록한 다음, 파손 부위와 손상되지 않은 부위에서 채취한 단면을 대상으로 밀도 구배, 기공 크기, 형상, 배향 및 연결성을 조사한다. 금속조직 시편 준비 과정에서 기공이 열리거나 문질러져 번질 수 있으므로, 연마 단면은 파면과 함께 해석해야 하며 필요한 경우 연속 단면 또는 3차원 이미징을 활용해야 한다. 정렬된 기공이나 서로 연결된 기공을 따라 균열이 진행되었다면, 치밀한 뜨임 마르텐사이트 영역을 가로지르는 균열과는 원인이 다를 가능성이 높다.

세 번째 단계는 개재물과 상의 조사이다. 선택한 열처리와 관련되는 경우 산화 피막, 비금속 개재물, 용해되지 않은 입자, 탄화물 네트워크, 편석, 탈탄, 재탄화, 미뜨임 마르텐사이트, 베이나이트, 페라이트 및 잔류 오스테나이트를 확인해야 한다. ISO 13947:2024는 금속 분말 내 비금속 개재물을 측정하는 방법을 규정하며, 분말 단조 강 부품에도 적용할 수 있도록 허용한다. 개재물의 증거는 분말 청정도 및 공정 기록과 연관시켜야 하며, 응력과 형상을 고려하지 않은 채 단일 원인의 증거로 취급해서는 안 된다.

그 다음 파면 분석을 통해 사건의 진행 순서를 파악한다. 균열 기점, 안정 성장 영역, 과부하 영역, 피로 흔적, 입계 또는 입내 진행 경로, 그리고 파괴 후 마찰이나 부식의 증거를 식별한다. 균열 기점을 기공 군집, 개재물, 기계가공 흔적, 접합 계면, 밀도 전이부, 날카로운 모서리 또는 처리층과 연관시킨다. 마지막으로 해당 위치를 실제 하중인 굽힘, 비틀림, 접촉 응력, 충격, 열 사이클 또는 열처리로 인한 잔류 응력과 비교한다. NIST가 발행한 ASM Handbook의 강 및 스테인리스강 적층제조 관련 장(2020)은 기공, 개재물, 잔류 응력 및 제조 후 열처리를 강조한다. 그러나 적층제조를 일반적인 압축·소결 분말야금과 혼동해서는 안 된다. 결함과 응력의 상호작용에 관한 해당 내용은 서로 다른 분말 적층 이력을 명확히 구분할 때에만 유용하다.

타당한 결론은 재료 이력, 국부 구조, 파괴 기점 및 사용 중 하중을 연결해야 한다. 이 연결 고리 중 하나라도 빠지면 분석은 입증된 파손 메커니즘이 아니라 그럴듯한 이야기에 머물게 된다.

분말 야금강 지정 읽는 법

분말 야금 지정은 해당 지정의 표준, 재질 상태 및 시험 요구사항과 함께 읽지 않으면 완전한 설명이 되지 않는다. “PM 강”은 가공 공정의 한 계열을 나타낼 뿐, 화학 조성이나 보증된 특성 수준을 나타내지 않는다. 마찬가지로 “스테인리스강”, “공구강”, “합금강”, “강”은 광범위한 재료 설명이다. 이들 표현만으로는 분말 제조 경로, 기공률, 밀도, 열처리 또는 합격 기준 중 어느 것도 알 수 없다.

실무적인 판독 순서는 다음과 같다.

1. 적용 표준을 확인한다. 2. 정확한 강종 또는 재질 지정명을 그대로 옮겨 적는다. 3. 규정된 화학 조성을 찾는다. 4. 밀도 상태를 확인한다. 5. 특성이 소결 상태인지, 열처리 상태인지, 침투 처리 상태인지 또는 다른 방식으로 변경된 상태인지 확인한다. 6. 시험 방법과 시험편 상태를 확인한다. 7. 허용된 모든 후속 공정을 기록한다.

이 순서를 따르면 익숙한 강종명이 완전한 사양으로 잘못 해석되는 것을 방지할 수 있다.

조성과 재료 등급의 구분

첫 번째로 확인할 사항은 문서가 조성을 제시하는지, 아니면 단순히 재료 등급만 제시하는지이다. 예를 들어 철–구리–탄소 재료는 조성에 관한 설명이다. 이는 압축 성형 압력, 소결 사이클, 최종 밀도, 기공 형태 또는 인장 특성을 나타내지 않는다. ScienceDirect Topics의 Ferrous Powder Metallurgy 항목(2024)에 따르면 철–구리–탄소 조성은 철계 PM 부품의 약 절반을 차지하지만, 이러한 비율이 해당 표현을 강종 지정명으로 바꾸는 것은 아니다.

ASTM B783-24는 철계 PM 구조용 재료에 대해 보다 엄격한 접근 방식을 취한다. 이 표준은 화학 조성, 밀도, 소결 상태의 항복강도 및 열처리 후의 최대 인장강도를 사용하여 재료를 분류한다. 따라서 ASTM B783-24에 따른 지정은 구리강 또는 니켈강과 같은 합금 계열로 축약하지 말고, 이 네 가지 분류 요소 모두를 기준으로 읽어야 한다. 구리, 니켈 및 몰리브덴은 일반적인 첨가 원소이지만, 이들 원소 중 하나가 존재한다는 사실만으로는 해당 표준에 따른 재료를 식별할 수 없다.[7][7] ISO 5755:2022. International Organization for Standardization. ISO standard, 2022.

ISO 5755:2022는 소결 철, 강, 합금강 및 스테인리스강 구조용 재료를 포함한 소결 금속 재료의 요구사항을 규정한다. 이 표준의 적용 범위에 따르면 “소결 스테인리스강”은 명시된 요구사항의 적용을 받는 재료 범주이지, 분말로 제조된 모든 스테인리스 조성의 동의어가 아니다. 해당 표의 화학적 제한값, 밀도 요구사항 및 특성 규정이 여전히 기준이 된다.

공구강은 별도로 구분해야 한다. ISO 4957:2018은 분말 야금으로 제조된 제품뿐 아니라 열간 압연, 단조, 냉간 인발 및 냉간 압연 제품에도 공구강 요구사항을 적용한다. 따라서 PM 공구강 지정은 단조 공구강 강종과 공칭 조성이 같을 수 있지만, 응고 및 치밀화 이력은 다를 수 있다. 분말 공정은 미세하고 둥글며 비교적 등방성인 탄화물 조직을 형성할 수 있으며, 기존의 잉곳 야금으로는 얻기 어렵거나 불가능한 수준 또는 조성의 탄화물을 형성할 수도 있다. 강종명만으로는 그러한 조직을 알 수 없다.

조성은 지정의 한 층위로 읽어야 한다. 그런 다음 제조 경로가 그 조성에 어떤 영향을 미쳤는지 확인해야 한다. 분말 제조, 혼합, 압축 성형, 소결, 기공 형성, 치수 변화 및 이후의 치밀화나 열처리는 함께 재료에 영향을 미친다. 이들을 서로 바꿔 쓸 수 있는 부가적인 각주로 취급해서는 안 된다.

밀도와 특성 상태

밀도는 비공식적인 지정에서 빠지는 경우가 많은 항목이다. 압축 성형 후 소결된 부품은 단순히 완전 치밀한 단조 봉재를 다른 형태로 만든 것이 아니다. 잔류 기공은 분말 특성, 압축 성형 방향, 윤활제 제거, 소결 조건 및 국부 형상에 따라 달라질 수 있다. 밀도는 강도, 연성, 피로 거동, 치수 안정성, 열적 거동 및 시험편이 완성 부품을 대표하는 방식에 영향을 미칠 수 있다.

ASTM B783-24를 읽을 때는 보고된 특성을 다른 재료와 비교하기 전에 밀도 분류를 확인해야 한다. 이 표준은 소결 상태의 항복강도와 열처리 후의 최대 인장강도를 구분한다. 이는 서로 다른 상태에서 얻은 서로 다른 측정값이다. 소결 상태의 항복강도 요구사항을 경화 및 뜨임 후 얻은 최대 인장강도 값과 직접 비교해서는 안 된다.

ISO 5755:2022에도 같은 주의가 적용된다. “소결”은 치밀화가 이루어진 상태를 나타내지만, 모든 부품의 기공률이 같거나 후속 공정이 전혀 허용되지 않는다는 뜻은 아니다. 사양에는 밀도 범위, 최소 밀도 또는 치수 보정, 증기 처리, 침투 처리나 열처리 후의 특정 상태가 요구될 수 있다. 도면과 구매 사양은 관련 표준과 함께 읽어야 한다.

기록에는 상태를 명시적으로 적어야 한다. 예를 들어 소결 상태, 치수 보정 상태, 열처리 상태, 표면 경화 상태, 침투 처리 상태 또는 기타 명시된 상태로 기록한다. 문서에 상태가 명시되어 있지 않다면 보고된 수치는 불완전하다. 열처리 상태가 없는 경도값은 특히 근거가 약하며, 밀도, 시험편 방향 및 시험 방법이 없는 인장값도 마찬가지이다.

적층 제조에서 얻은 가정을 그대로 적용해서는 안 된다. NIST가 발행한 강 및 스테인리스강의 적층 제조에 관한 ASM Handbook 장(2020)은 기공, 개재물, 잔류응력 및 제작 후 열처리를 다루지만, 적층 제조는 기존의 프레스 앤드 소결 방식 PM과 동일한 공정이 아니다. 두 방식 모두 분말 기반 공정이지만, 분말층, 열 이력, 기공 형성 및 적합성 평가 문서는 서로 다르다.

표준, 강종 및 구매자별 요구사항

표준은 적용되는 기본 체계이고, 강종은 그 체계 안에서의 재료 식별 정보이며, 구매자별 요구사항은 주문을 수정하거나 완성한다. 이 세 가지 수준은 서로 구분하여 기록해야 한다.

먼저 ASTM B783-24, ISO 5755:2022, ISO 4957:2018 또는 ISO 13947:2024와 같이 전체 인용 정보를 적는다. 다음으로 문서에 기재된 정확한 지정명을 그대로 옮겨 적는다. 이를 익숙한 단조재 대응 강종, 공급업체의 약칭 또는 “PM 스테인리스”와 같은 일반적인 표현으로 바꾸지 않는다. 그런 다음 조성과 특성을 정의하는 표를 찾는다. 마지막으로 시료 채취, 시험편, 치수 공차, 표면 상태 및 허용 가능한 가공을 다루는 조항을 읽는다.

시험 방법은 수치 제한값만큼 중요하다. ISO 13947:2024는 금속 분말의 비금속 개재물을 측정하는 방법을 규정하며, 이 방법을 분말 단조 강 부품에 적용하는 것도 허용한다. 개재물 관리가 구매자 요구사항인 경우 이 표준이 관련될 수 있지만, 이 표준만으로 강종이나 인장 특성이 정의되는 것은 아니다. 검사한 분말 또는 부품, 시험편 준비, 평가 방법 및 합격 한계값을 기록해야 한다.

구매자는 분말의 화학 조성, 겉보기 밀도, 유동 특성, 입도 분포, 산소 또는 기타 불순물의 제한값, 소결 후 밀도, 치수 변화, 기공 특성, 열처리 매개변수 또는 지정된 시험 위치를 요구할 수도 있다. 이러한 요구사항은 일반적인 재료 설명보다 더 엄격하거나 구체적일 수 있다. 이를 강종명에서 묵시적으로 추정해서는 안 된다.

마지막으로 공정 허용 여부를 확인한다. 사양에서 치수 보정, 코이닝, 기계가공, 침투 처리, 분말 단조, 침탄, 질화, 담금질 및 뜨임 또는 기타 공정을 허용하는지 확인해야 한다. 이러한 공정은 각각 치수, 기공, 응력, 경도 또는 측정 강도를 변화시킬 수 있다. 따라서 명확한 지정은 “이것은 어떤 강인가?”라는 질문 이상에 답해야 한다. 즉, 어떤 표준이 적용되는지, 어떤 화학 조성이 요구되는지, 어떤 밀도와 상태가 주장되는지, 특성을 어떻게 측정했는지, 그리고 그 주장이 어떤 제조 이력을 포함하는지를 명시해야 한다.

장점, 한계 및 오해

분말 가공으로 가능한 것

분말야금(PM)은 단순히 기존의 강재를 입자로 부순 뒤 압축하여 형상을 만드는 공정이 아니다. 분말 제조, 혼합, 성형 압축, 소결, 치밀화 및 열처리는 서로 다른 변수 체계를 만들어 내며, 이러한 변수는 조성과 미세조직을 모두 변화시키는 데 활용될 수 있다. 그 결과는 익숙하지 않은 공정으로 제조한 일반적인 강종이 아니라, 기존의 잉곳 공정으로는 재현하기 어려운 강재일 수 있다.

가장 명확한 사례는 PM 공구강이다. 잉곳 응고 과정에서는 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐과 같은 합금 원소가 조대한 탄화물 네트워크로 편석될 수 있다. 이후의 단조와 가공으로 이러한 조직을 완화할 수는 있지만, 최종 탄화물의 크기, 분포 및 화학적 조성은 원래의 주조 이력에 의해 제약된다. 가스 원자화 분말에서는 각각의 입자가 빠르게 응고된다. 이 입자들을 치밀화하면, 생성된 강재는 미세하고 둥근 형태이며 보다 등방성에 가까운 탄화물 분포를 형성할 수 있다. 또한 분말 가공은 기존 잉곳 야금으로는 제조하기 어렵거나 불가능하다고 여겨지는 탄화물 함량 또는 탄화물 조합을 구현하는 데 기여할 수 있다. 이러한 차이는 열처리, 내마모성, 인성, 치수 안정성, 그리고 길게 늘어난 개재물이나 탄화물 밴드와 관련된 방향성에 영향을 미친다.

따라서 이점의 핵심은 단순한 형상 제조가 아니라 미세조직 제어에 있다. 분말 제조업체는 치밀화 전에 입자 화학 조성, 입도 분포, 형태 및 산소 함량을 조정할 수 있다. 제조업체는 원소 분말 또는 사전 합금화 분말을 혼합할 수 있지만, 이러한 선택은 소결 중 동일한 확산 경로를 만들어 내지 않는다. 철계 PM 재료에서는 구리, 니켈 및 몰리브덴이 일반적인 첨가 원소이다. 2024년 ScienceDirect Topics에 게재된 Ferrous Powder Metallurgy 참고 문헌에 따르면 철–구리–탄소 조성이 철계 PM 부품의 약 절반을 차지한다. 이러한 조성은 이 분야의 폭넓은 범위를 보여 주지만, PM 강의 정의 자체로 오인해서는 안 된다.

표준도 이러한 포괄적인 정체성을 반영한다. ASTM B783-24는 화학 조성, 밀도, 소결 상태 항복강도 및 열처리 후 인장강도에 따라 철계 PM 구조용 재료를 분류한다. 이 조합은 중요한 의미를 지닌다. 화학 조성만으로는 재료를 식별하기에 충분하지 않기 때문이다. 밀도와 재료 상태는 지정의 실질적인 의미에 포함된다. ISO 5755:2022 역시 소결 철, 강, 합금강 및 스테인리스강 구조용 재료에 대한 요구사항을 규정한다. 이러한 문서는 정의된 소결 재료 등급을 다루는 것이며, 단지 분말 기반 공정을 거쳤다는 이유만으로 모든 강재를 포괄하는 것은 아니다.

분말 가공은 일부 형태의 편석을 줄이고 준최종형상 생산을 가능하게 하여, 적합한 형상에서는 필요한 기계가공량을 줄일 수도 있다. 그렇다고 공학적 판단이 불필요해지는 것은 아니다. 입자 형상은 유동성과 충전 상태를 좌우하고, 입자 크기는 비표면적과 소결 거동에 영향을 미치며, 윤활제의 선택은 취출과 잔류 오염에 영향을 준다. 이점은 “분말”이라는 단어 자체에서 발생하는 것이 아니라, 서로 연결된 이러한 변수들을 관리하는 데서 발생한다.

잔류 기공이 제약할 수 있는 것

가장 지속적인 오해는 PM 강이 기본적으로 완전 치밀하다는 생각이다. 일반적인 프레스-소결 부품은 추가적인 치밀화 공정으로 기공을 닫지 않는 한 기공을 남긴다. 기공은 고립되어 있을 수도 있고 서로 연결되어 있을 수도 있으며, 둥글거나 불규칙할 수도 있고, 표면 부근에 집중되거나 단면 전체에 분포할 수도 있다. 기공의 크기, 형상 및 위치는 분말 특성, 성형 압력, 금형 형상, 윤활제 제거, 소결 분위기, 온도, 시간 및 냉각 이력에 따라 달라진다.

잔류 기공은 유효 하중 지지 면적을 감소시키며 응력 집중원으로 작용할 수 있다. 벌크 조성이 단조강과 비슷해 보이더라도 인장 연성, 피로 저항, 파괴인성, 충격 저항 또는 균열 성장 저항을 낮출 수 있다. 개방 기공은 유체 침투를 허용할 수 있으며 표면 처리를 복잡하게 만들기도 한다. 내부 기공은 담금질, 뜨임, 침탄 또는 질화 과정에서 다르게 거동할 수 있으므로, 완전 치밀한 단조 제품을 위해 설정된 열처리 일정을 소결 제품에 자동으로 적용할 수는 없다.

소결이 시작되기 전부터 성형 압축 자체가 제약을 만든다. 분말은 연속적인 고체와 같은 방식으로 압력을 전달하지 않는다. 금형 벽과의 마찰은 밀도 구배를 만들 수 있으며, 좁은 단면, 역구배 형상 및 두께 변화는 성형체 밀도의 국부적 변화를 일으킬 수 있다. 취출 과정에서는 균열이나 변형이 발생할 수 있다. 이후 소결에서는 입자 접촉부가 야금학적 결합으로 발전하고 기공 네트워크가 변화하면서 치수 변화가 발생한다. 따라서 도면상의 공칭 치수는 금형, 분말 로트, 윤활제, 노 사이클 및 분위기와 밀접하게 연계된다.

치밀화는 이러한 상태를 크게 변화시킬 수 있지만 공정 이력을 지우지는 않는다. 열간 정수압 성형, 분말 단조, 액상 소결 및 기타 공정은 압력, 온도, 변형, 기공 폐쇄 및 개재물 거동에서 서로 다르다. 한 공정으로 제조한 완전 치밀 PM 공구강은 두 재료가 모두 분말에서 시작했다는 이유만으로 다공성 프레스-소결 구조용 부품과 호환되지 않는다. “분말야금 강”이라는 표현은 여러 공정 경로로 이루어진 재료군을 나타내는 것이지, 하나의 밀도 수준을 의미하지 않는다.

분말 품질은 추가적인 우려 사항도 제기한다. 비금속 개재물은 용해, 원자화, 취급, 체질 또는 혼합 과정에서 발생할 수 있다. ISO 13947:2024는 금속 분말 내 비금속 개재물을 측정하는 방법을 규정하며, 이 방법을 분말 단조 강 부품에 적용하는 것도 허용한다. 개재물 시험이 중요한 이유는 미세한 탄화물 조직이 중요한 위치에 존재하는 유해한 산화물, 슬래그 입자 또는 기타 이물상을 보완해 주지 못하기 때문이다.

공정 경로와 규격이 답을 결정하는 이유

PM 강에 관한 모든 주장에는 공정 경로와 재료 상태가 함께 제시되어야 한다. “PM”은 일반적인 프레스 및 소결, 분말 단조, 열간 정수압 성형 또는 이와 관련된 적층 제조 공정을 의미할 수 있다. 이들은 서로 대체할 수 있는 공정이 아니다. 적층 제조는 재료를 층별로 형성하며, 고유한 열 사이클, 용융 풀 결함, 잔류 응력 및 제작 후 처리 요구사항을 수반한다. 2020년에 NIST가 발행한 ASM Handbook의 강 및 스테인리스강 적층 제조 관련 장은 기공, 개재물, 잔류 응력 및 제작 후 열처리를 핵심 요인으로 제시한다. 이러한 근거는 분말 기반 강재와 관련이 있지만, 적층 제조를 기존의 프레스-소결 PM과 혼동해서는 안 된다.

규격은 비교가 무엇을 의미하는지도 결정한다. ISO 4957:2018은 분말야금으로 제조된 제품뿐 아니라 열간 압연, 단조, 냉간 인발 및 냉간 압연 제품에도 공구강 요구사항을 적용한다. 그렇다고 명칭이 같은 공구강 등급의 모든 형태가 동등해지는 것은 아니다. 이 규격은 여러 제품 공정 경로에 걸쳐 요구사항을 설정하는 한편, 밀도, 탄화물 형태, 개재물, 결정립 조직, 열처리 및 완성 치수와 같은 공정 의존적 요인을 관리하고 검증하도록 한다.

따라서 공칭 화학 분석은 결과의 일부만 예측한다. 두 재료가 탄소 및 합금 원소 함량을 동일하게 가질 수 있지만, 분말 산소 함량, 입자 형태, 성형 밀도, 기공 형태, 소결 분위기, 탄화물 분포 및 뜨임 이력은 서로 다를 수 있다. 이러한 차이는 기계가공성, 내마모성, 인성, 피로 거동 및 치수 안정성을 변화시킬 수 있다. Randall German의 2005년 저서 A–Z of Powder Metallurgy가 분말 제조, 성형 압축, 소결, 치밀화, 미세조직 및 기공률을 서로 연결된 요소로 다루는 이유도 바로 여기에 있다.

타당한 질문은 PM 강이 단조강보다 자동으로 더 강하거나, 더 질기거나, 더 일관적인가가 아니다. 시험된 재료를 어떤 분말, 치밀화 공정 경로, 밀도, 규격 및 열처리 상태로 제조했는가가 핵심이다. 분말 가공은 기존에는 구현하기 어려웠던 합금 조직을 가능하게 할 수 있다. 동시에 기공, 개재물, 밀도 구배 및 치수 변화를 도입할 수도 있다. 두 진술은 모두 사실이며, 어느 한쪽이라도 빠뜨리면 재료군을 오해를 불러일으키는 등급명으로 바꾸게 된다.

참고 문헌

1. [1]ScienceDirect Topics. Ferrous Powder Metallurgy. ScienceDirect Topics, 2024. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/ferrous-powder-metallurgy
2. [2]International Organization for Standardization. ISO 13947:2024. ISO standard, 2024. https://www.iso.org/standard/85818.html
3. [3]International Organization for Standardization. ISO 4957:2018. ISO standard, 2018. https://www.iso.org/standard/70646.html
4. [4]National Institute of Standards and Technology. Additive Manufacturing of Steels and Stainless Steels. ASM Handbook, 2020. https://www.nist.gov/publications/additive-manufacturing-steels-and-stainless-steels
5. [5]ASTM International. ASTM B783-24. ASTM standard, 2024. https://store.astm.org/b0783-24.html
6. [6]Randall German. A-Z of Powder Metallurgy. Book, 2005. https://books.google.com/books/about/A_Z_of_Powder_Metallurgy.html?hl=de&id=4bxTAAAAMAAJ
7. [7]International Organization for Standardization. ISO 5755:2022. ISO standard, 2022. https://www.iso.org/ics/77.160/x/