금속 분말 제조 방법

분말 야금은 금속 분말을 제조하고 금속 분말(또는 금속과 비금속의 혼합 분말)을 원료로 사용하여 성형 및 소결을 통해 부품과 제품을 얻는 공정입니다. 산업의 주요 원료인 금속 분말은 기계, 야금, 화학 공업 및 항공우주 재료 분야에서 널리 사용됩니다. 금속 분말은 분말 야금 산업의 기본 원료이며, 그 생산량과 품질이 분말 야금 산업의 발전을 좌우합니다.

금속 분말은 일반적으로 입자 크기가 1mm 미만인 금속 입자의 집합체입니다. 입자 크기 범위의 구분에는 통일된 규정이 없습니다. 일반적으로 사용되는 구분 방법은 다음과 같습니다. 1000~50µm의 입자는 일반 분말, 50~10µm는 미세 분말, 10~0.5µm는 초미세 분말, <0.5µm는 극초미세 분말, 0.1~100nm는 나노 분말이라고 합니다. 각 분말 입자는 입자 크기와 제조 방법에 따라 하나의 결정일 수도 있고 여러 결정으로 구성될 수도 있습니다.

금속 분말의 제조 방법 현재 산업적으로 분말을 생산하는 방법은 수십 가지에 이르지만, 실제 생산 공정에 따라 분석하면 주로 기계적·물리적 방법과 물리적·화학적 방법의 두 가지로 나뉩니다. 고체, 액체 및 기체 상태의 금속을 직접 정제하여 얻을 수 있으며, 다양한 상태의 금속 화합물을 환원, 열분해 및 전기분해하여 얻을 수도 있습니다. 내화 금속의 탄화물, 질화물, 붕화물 및 규화물은 일반적으로 화학적 결합법 또는 환원-결합법으로 직접 제조할 수 있습니다. 제조 방법이 다르기 때문에 동일한 분말이라도 형태, 구조 및 입자 크기가 크게 달라지는 경우가 많습니다.

기계적·물리적 방법

볼 밀링법

원리: 볼 밀링법은 주로 회전 볼 밀링법과 진동 볼 밀링법으로 나뉩니다. 이 방법은 금속 입자가 서로 다른 변형률 속도에서 변형되고 파쇄 및 미세화되는 원리를 이용합니다.

적용: 주로 Sb, Cr, Mn, Fe-Cr 합금 등의 분말 제조에 적합합니다.

장점과 단점: 연속 운전이 가능하고 생산 효율이 높으며, 건식 분쇄와 습식 분쇄에 모두 적합하고 다양한 금속 및 합금 분말의 제조에 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 단점은 재료 선택성이 높지 않고 분말 제조 과정에서 분급이 어렵다는 것입니다.

분쇄법

원리: 분쇄법은 압축 가스를 특수 노즐을 통과시킨 후 분쇄 영역으로 분사하여, 분쇄 영역의 재료가 서로 충돌하고 마찰하여 분말화되도록 하는 방법입니다. 기류는 재료와 함께 팽창하며 상승하여 분급 영역으로 이동하고, 터빈 분급기는 입자 크기에 도달한 재료를 선별합니다. 남은 굵은 분말은 다시 분쇄 영역으로 돌아가 필요한 입자 크기로 분리될 때까지 추가로 분쇄됩니다.

적용: 비금속, 화학 원료, 안료, 연마재, 의약품 및 기타 산업의 초미세 분쇄에 널리 사용됩니다.

장점과 단점: 분쇄법은 건식 생산을 사용하므로 재료의 탈수 및 건조 공정이 생략됩니다. 제품은 순도가 높고 활성이 우수하며, 분산성이 좋고 입자 크기가 작으며 입도 분포가 좁고 입자 표면이 매끄럽습니다. 그러나 분쇄법은 장비 제조 비용이 높다는 단점도 있습니다. 금속 분말 생산 과정에서는 연속적으로 불활성 가스 또는 질소를 압축 가스원으로 사용해야 하므로 가스 소비량이 많으며, 취성 금속과 합금의 분쇄 및 분말화에만 적합합니다.

분무화법

원리: 분무화법은 일반적으로 고압 가스, 고압 액체 또는 고속 회전 블레이드를 사용하여 고온·고압에서 용융된 금속 또는 합금을 미세한 액적으로 분쇄한 다음, 이를 집진기에서 응축하여 초미세 금속 분말을 얻는 방법입니다. 이 공정에서는 화학적 변화가 발생하지 않습니다. 분무화법은 금속 및 합금 분말을 생산하는 주요 방법 중 하나입니다. 분무화 방법에는 이중 유체 분무화, 원심 분무화, 다단 분무화, 초음파 분무화 기술, 긴밀 결합 분무화 기술, 고압 가스 분무화, 층류 분무화, 초음파 긴밀 결합 분무화 및 열가스 분무화 등이 있습니다.

적용: 분무화법은 일반적으로 Fe, Sn, Zn, Pb, Cu 등의 금속 분말 생산에 사용되며, 청동, 황동, 탄소강 및 합금강 등의 합금 분말 생산에도 사용할 수 있습니다. 분무화법은 3D 프린팅 소모품용 금속 분말의 특수 요구 사항을 충족합니다 

장점과 단점: 분무화 분말은 구형도가 높고 분말 입자 크기를 제어할 수 있으며 산소 함량과 생산 비용이 낮고 다양한 금속 분말의 생산에 적응할 수 있다는 장점이 있습니다. 따라서 고성능 및 특수 합금 분말 제조 기술의 주요 발전 방향이 되었습니다. 그러나 분무화법은 생산 효율이 낮고 초미세 분말의 수율이 낮으며 에너지 소비가 비교적 크다는 단점이 있습니다.

물리적·화학적 방법

환원법

원리: 환원법은 특정 조건에서 금속 산화물 또는 금속염을 환원하여 금속 또는 합금 분말을 제조하는 방법입니다. 생산 현장에서 가장 널리 사용되는 분말 제조 방법 중 하나입니다. 일반적으로 사용되는 환원제에는 기체 환원제(수소, 분해 암모니아, 변성 천연가스 등), 고체 탄소 환원제(목탄, 코크스, 무연탄 등) 및 금속 환원제(칼슘, 마그네슘, 나트륨 등)가 있습니다. 가장 대표적인 제조 방법은 수소를 반응 매체로 사용하는 수소화-탈수소화법입니다. 이 방법은 원료 금속의 수소화가 용이한 특성을 이용하여 일정한 온도에서 금속과 수소를 반응시켜 금속 수소화물을 생성한 다음, 얻어진 금속 수소화물을 기계적으로 분쇄하여 원하는 입자 크기의 분말로 만들고, 진공 조건에서 분쇄된 금속 수소화물 분말의 수소를 제거하여 금속 분말을 얻습니다.

적용: 주로 Ti, Fe, W, Mo, Nb, W-Re 등의 금속(합금) 분말 제조에 사용됩니다. 예를 들어 금속 티타늄(분말)은 일정한 온도에서 수소와 격렬하게 반응하기 시작합니다. 수소 함량이 2.3%를 초과하면 수소화물이 느슨해져 미세한 티타늄 수소화물 분말로 쉽게 분쇄됩니다. 티타늄 수소화물 분말을 약 700°C의 온도에서 분해하면 티타늄 분말에 용해된 수소의 대부분이 제거되어 티타늄 분말을 얻을 수 있습니다.

장점과 단점: 조작이 간단하고 공정 매개변수를 제어하기 쉬우며 생산 효율이 높고 비용이 낮아 산업 생산에 적합하다는 장점이 있습니다. 단점은 수소와 쉽게 반응하고 수소를 흡수한 후 취화되어 쉽게 파쇄되는 금속 재료에만 적합하다는 것입니다.

전기분해법

원리: 전기분해법은 용융염 또는 염 수용액을 전기분해하여 음극에 금속 분말을 석출시키는 방법입니다.

적용: 수용액 전기분해를 통해 Cu, Ni, Fe, Ag, Sn, Fe-Ni 등의 금속(합금) 분말을 제조할 수 있으며, 용융염 전기분해를 통해 Zr, Ta, Ti, Nb 등의 금속 분말을 제조할 수 있습니다.

장점과 단점: 제조된 금속 분말의 순도가 높고 일반적인 단일 물질 분말의 순도가 99.7% 이상에 이를 수 있다는 장점이 있습니다. 또한 전기분해법은 분말의 입자 크기를 효과적으로 제어할 수 있어 초미세 분말을 생산할 수 있습니다. 그러나 전기분해법은 전력 소비량이 많고 분말 생산 비용이 높습니다.

카보닐법

원리: 특정 금속(철, 니켈 등)을 일산화탄소와 반응시켜 금속 카보닐 화합물을 합성한 다음, 이를 열분해하여 금속 분말과 일산화탄소로 분해합니다.

적용: 주로 산업에서 니켈과 철의 미세 및 초미세 분말과 Fe-Ni, Fe-Co 및 Ni-Co 등의 합금 분말을 생산하는 데 사용됩니다.

장점과 단점: 이 방법으로 얻은 분말은 매우 미세하고 순도가 높지만 비용이 많이 듭니다.

화학 치환법

원리: 화학 치환법은 금속의 활성도에 따라 금속염 용액에서 활성이 낮은 금속을 더 활성인 금속으로 치환한 후, 치환으로 얻어진 금속(금속 분말)을 다른 방법으로 추가 정제하는 방법입니다.

적용: 주로 Cu, Ag 및 Au와 같은 비활성 금속 분말의 제조에 사용됩니다.