분말 야금 316L 스테인리스강 제조

스테인리스강은 증기, 공기, 물과 같은 약한 부식성 매체와 산, 알칼리, 염류와 같은 화학적 부식성 매체에 의한 부식에 견딜 수 있는 강을 말합니다. 스테인리스강은 합금 원소 함량이 높은 특수강으로, 우수한 내식성 및 내산화성, 강도·인성·충격 저항성과 같은 높은 기계적 특성, 비자성(오스테나이트계 강) 및 경화능(마르텐사이트계 강) 등을 갖추고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 자동차, 수자원 관리, 환경 보호, 건설 등의 산업 분야뿐만 아니라 일상생활에서도 널리 사용되며, 현대 산업의 발전과 과학기술의 진보를 위한 중요한 재료 및 기술적 기반을 마련하고 있습니다.

전통적인 스테인리스강은 일반적으로 주조 또는 단조 기술로 생산됩니다. 그러나 주조로 생산된 스테인리스강 부품은 절삭이 어렵고 치수 정밀도가 낮으며 표면이 거칠고 형상에 일정한 제약이 있습니다. 또한 원소 편석, 수축공, 사공 등의 결함이 발생하기 쉽습니다. 단조로 생산된 스테인리스강 역시 낮은 소성, 변형의 어려움, 낮은 재료 이용률 및 높은 비용과 같은 문제가 있어 기계 부품 제조에 많은 기술적 어려움이 있습니다.

1970년대 이후 미립화법을 이용한 사전 합금화 분말 제조 기술이 급속히 발전하면서 고성능 분말 야금 스테인리스강을 제조할 수 있게 되었습니다 [3]. 분말 야금 스테인리스강은 우수한 기계적·물리적·화학적 특성을 갖습니다. 전통적인 주조 및 단조 기술로 생산된 스테인리스강과 비교하면 낮은 소결 온도, 최종 형상에 가까운 성형, 높은 치수 정밀도, 높은 재료 이용률, 양호하고 균일한 조직 구조 등의 장점으로 인해 생산 및 적용 측면에서 큰 이점을 갖습니다. 이에 따라 기계, 화학공업, 조선, 자동차, 계측기기 등의 산업에서 널리 사용되고 있습니다.

그러나 스테인리스강 분말은 합금 함량이 높은 사전 합금화 분말로서 경도가 높고 압축성이 낮습니다. 따라서 전통적인 성형 공정으로 제조된 스테인리스강에는 내부에 기공이 존재하며 밀도가 낮은 경우가 많습니다. 이들의 내식성과 기계적 특성은 일반적으로 해당 치밀 스테인리스강보다 낮아 분말 야금 스테인리스강의 적용을 크게 제한합니다. 연구에 따르면 분말 야금 스테인리스강의 밀도는 내식성과 기계적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 스테인리스강의 거의 모든 특성은 밀도가 증가할수록 향상됩니다. 따라서 저비용으로 높은 밀도와 우수한 기계적 특성 및 내식성을 갖는 분말 야금 스테인리스강을 제조하는 방법은 항상 분말 야금 분야 종사자들이 직면해 온 주요 과제였습니다.

분말 야금 스테인리스강의 기본 제조 공정은 원료 분말 → 혼합 → 성형 → 소결 → 후처리 → 스테인리스강 제품입니다. 이 중 성형과 소결은 분말 야금 기술을 기반으로 스테인리스강을 제조하는 과정에서 가장 중요한 두 단계입니다. 아래에서 이를 소개합니다.
1.3.1 스테인리스강 분말의 성형
성형은 강철 금형에서 분말을 압축하여 일정한 형상, 크기, 기공률 및 강도를 갖는 압분체로 만드는 공정입니다. 스테인리스강은 고합금강에 속하며 분말 입자가 단단하고 압축성이 낮습니다. 따라서 성형 시 더 높은 압력이 필요합니다. 성형 압력은 일반적으로 약 500~800MPa입니다. 시편의 압축 과정에서 압축 성능을 향상시키기 위해 스테인리스강 사전 합금화 분말에 윤활제를 첨가하는 경우가 많습니다. 윤활제의 주요 기능은 압축 과정에서 분말 사이와 분말 및 금형 벽 사이의 마찰을 줄이고, 탈형 압력을 낮추며, 압분체의 밀도를 높이는 것입니다. 일반적으로 사용되는 윤활제로는 스테아르산, 스테아르산아연, 스테아르산리튬 및 파라핀이 있습니다. 상온 압축 성형은 높은 압축 압력 때문에 프레스와 금형에 대한 요구 사항이 높습니다. 소결 제품은 탄성 회복이 심하고 밀도가 낮으며, 단순한 형상의 부품만 생산할 수 있습니다. 산업적 적용에서 분말 야금 재료의 밀도와 기계적 특성에 대한 더 높은 요구를 충족하기 위해 온간 압축, 금속 사출 성형, 겔 사출 성형과 같은 일련의 고밀도화 성형 공정이 개발되었습니다. 이러한 공정은 스테인리스강의 밀도를 크게 높이고 기계적 특성과 내식성을 크게 향상시켜 스테인리스강 분말 성형 기술의 발전을 크게 촉진할 수 있습니다. 아래에서 이를 소개합니다.

(1) 온간 압축 온간 압축은 분말과 특수 윤활제를 혼합한 후 일정 온도까지 가열하고, 가열된 금형에서 압축하는 공정입니다. 높은 밀도와 우수한 성능을 갖는 분말 야금 부품을 생산할 수 있어 큰 주목을 받고 있습니다. 냉간 압축과 비교하면 온간 압축은 더 낮은 압축 압력으로 더 높은 압분체 밀도와 강도를 얻을 수 있으며, 각각 0.15~0.3g/cm3 및 50~100% 증가하고 탄성 회복을 줄일 수 있습니다. 연구에 따르면 온간 압축 공정으로 압분체의 밀도를 높일 수 있는 이유는 다음과 같습니다. 첫째, 온간 압축은 분말의 가공경화율을 낮춰 분말의 소성 변형을 촉진하고 압분체 밀도를 높입니다. 둘째, 윤활제의 작용으로 윤활제의 융점이 높은 경우 온간 압축 온도에서 반고체 상태가 되며, 액상 성분이 입자 경계에서 기공으로 흘러들어 입자 간 접촉을 증가시킵니다. 반대로 윤활제의 융점이 낮으면 완전히 녹아 압분체 밖으로 흘러나오면서 금형 벽을 윤활하여 탈형 압력을 낮춥니다.

420 스테인리스강 분말의 온간 압축 공정에서 분말 온도가 90°C이고 금형 온도가 120°C일 때 압축 압력이 784MPa이면 압분체 밀도는 냉간 압축에 비해 0.2g/cm3 증가합니다. Ke Yuanyuan 등은 온도 110°C, 압축 압력 700 MPa에서 온간 압축 공정을 사용하여 316L 스테인리스강 분말을 압축했습니다. 냉간 압축과 비교하면 압분체 밀도는 0.19 g/cm3 증가했습니다. 1150°C에서 진공 소결한 후에도 소결체의 밀도는 0.19 g/cm3 증가했습니다. 압분체와 소결체의 인장 강도는 각각 50% 및 34 MPa 증가했습니다. 그러나 온간 압축으로 성형된 스테인리스강 부품은 밀도가 높기 때문에 폐쇄 기공 내 고분자가 분해된 후 휘발되기 어려워 예비 소결 중 결함을 일으킬 수 있습니다. 따라서 예비 소결 과정에서 고분자를 제거하는 것이 온간 압축의 핵심 과제입니다.

(2) 금속 사출 성형(MIM) 금속 사출 성형(MIM)은 최종 형상에 가까운 성형이 가능한 분말 야금 기술입니다. 금속 분말 또는 사전 합금화 분말을 유기 바인더와 일정한 비율 및 공정 조건에서 혼합하여 균일한 점탄성체를 만든 다음, 사출 성형기로 사출 성형하고 바인더를 제거한 후 최종적으로 소결하여 고성능 분말 야금 제품을 제조하는 공정입니다. 복잡한 형상의 부품 생산에 적합하며, 이를 통해 제조된 스테인리스강 부품의 치수 정밀도는 ±0.3%~0.5%에 달할 수 있습니다. 동시에 기존 성형-소결 제품의 낮은 밀도와 열악한 기계적 특성이라는 단점을 극복할 수 있습니다. 소결 밀도는 이론 밀도의 95%~99.5%에 달할 수 있고, 인장 강도는 500MPa 이상, 연신율은 45% 이상에 이를 수 있습니다.

금속 사출 성형은 원료 분말의 입자 크기, 입자 형상, 유동성 및 겉보기 밀도에 대한 요구 사항이 있습니다. 원료 분말은 일반적으로 물 미립화 또는 가스 미립화로 제조됩니다. 이 중 물 미립화 분말은 성형성이 더 우수하고, 가스 미립화 분말은 소결 특성이 더 우수하며 분말 입자가 더 미세합니다. 따라서 물 미립화 분말에 일정량의 가스 미립화 분말을 첨가하여 물 미립화 분말 입자 사이의 빈틈을 채우고 압분체와 소결체의 밀도를 향상시키는 경우가 많습니다. 금속 사출 성형에 사용되는 주요 바인더는 파라핀계, 유계 및 고분자계 바인더입니다. 스테인리스강 탈지는 주로 열 탈지, 용제 탈지, 사이펀 탈지 및 촉매 탈지를 포함하며, 이 중 열 탈지가 가장 널리 사용되는 방법입니다. 사출 성형 후 탈지가 완전히 이루어지지 않으면 제품에 기포와 균열 등의 결함이 쉽게 발생하고 산화물, 탄소 및 탄화물과 같은 잔류 불순물이 남아 소결 성능에 영향을 미칩니다. 일반적으로 200°C 이하에서는 1°C/min 미만의 속도로 천천히 가열하면 파라핀과 같은 일부 저분자 성분을 제거할 수 있습니다. 바인더의 30%~40%를 제거한 후 5°C/min의 속도로 400~500°C까지 빠르게 가열하고 유지하면 바인더 내 고분자 성분이 분해되어 바인더를 완전히 제거할 수 있습니다. 소결은 스테인리스강 금속 사출 성형의 마지막 공정입니다. 전통적인 분말 야금 제품보다 높은 온도에서 진행되며, 이는 소결체의 밀도 향상에도 도움이 됩니다. Sung 등은 17-4PH 스테인리스강 분말과 바인더를 유성 혼합기에서 60:40의 비율로 1시간 동안 혼합한 후, 300kg/cm2의 사출 압력으로 사출했습니다. 열 탈지 후 수소 분위기에서 소결했습니다. 소결 온도를 900°C에서 1350°C로 높이자 시편의 상대 밀도는 61%에서 99%로 증가했으며, 소결체 내 기공이 구상화되고 수축 및 소멸함에 따라 인장 강도도 계속 증가했습니다. 그러나 금속 사출 성형 공정에서는 윤활제 함량이 높기 때문에 특수한 탈지 공정이 필요하며, 이로 인해 비용이 크게 증가합니다.

(3) 겔 주조
전통적인 압축 성형으로 제조된 스테인리스강 제품은 높은 기공률로 인해 기계적 특성, 내식성 및 외관 특성이 열악하며 단순한 형상의 부품 생산으로 제한됩니다. 금속 사출 성형은 스테인리스강 부품의 최종 형상 성형을 가능하게 하지만, 대형이면서 복잡한 형상의 부품을 제조하기는 어렵습니다. 겔 주조는 슬립 주조와 사출 성형 이후에 개발된 또 다른 최종 형상 근접 성형 기술입니다. 고분자 화학 단량체를 사용하여 분말 재료를 중합으로 성형합니다. 즉, 낮은 점도와 높은 고형분 함량을 갖는 농축 현탁액을 제조한 후 다양한 복잡한 형상의 부품을 제조하여 고강도와 균일성을 갖는 압분체를 얻을 수 있습니다.

겔 주조 기술을 사용하면 최적의 공정 조건에서 성형된 스테인리스강 압분체는 우수한 성능과 균일한 조직을 갖습니다. 압분체의 굽힘 강도는 38MPa에 달할 수 있고, 소결체의 상대 밀도는 95%, 항복 강도는 160MPa에 달할 수 있습니다. 또한 복잡한 형상의 대형 스테인리스강 압분체도 성형할 수 있습니다. 겔 주조 기술에서는 천연 한천과 폴리아크릴산을 각각 겔화제와 분산제로 사용합니다. 최적의 공정 조건에서 성형된 슬러리를 소결하면 복잡한 형상의 316L 스테인리스강 제품을 제조할 수 있으며, 소결체의 항복 강도는 138MPa에 달할 수 있습니다. 그러나 스테인리스강 금속 분말을 제조할 때는 입자 직경과 밀도가 크기 때문에 현탁액에서 쉽게 침전되어 슬러리 응고와 팽창성 유동을 일으키며, 이로 인해 고농도 현탁 슬러리의 제조가 어려워집니다. 또한 슬러리가 겔화되어 성형체가 된 후에는 뒤틀림, 변형, 적재 및 하역, 운반 등의 문제가 발생합니다.