티타늄 금속 사출 성형은 어떻게 이루어지나요?

티타늄 금속 사출 성형(MIM)은 미세 분말과 바인더를 혼합한 피드스톡을 성형체로 사출 성형한 뒤, 탈지로 바인더를 제거하고 소결하여 최종 밀도와 특성을 확보하는 공정입니다. 공업용 순티타늄, 수소화 티타늄, Ti-6Al-4V 및 TiAl에 따라 분말 종류, 바인더 시스템, 탈지 및 소결 조건이 달라집니다. 이 공정은 엔진 밸브, 터빈 블레이드, 시계 케이스, 골프 클럽 헤드, 소비자 전자기기 부품 및 의료용 임플란트에 적용하기 위해 연구되고 있습니다.

공업용 순티타늄 및 수소화 티타늄

티타늄 금속 사출 성형(Ti-MIM)은 생체의학 제품 및 정밀 티타늄 부품 분야에서 광범위하게 연구되어 왔다. 연구에서는 일반적으로 분말 종류와 입자 크기, 결합제 시스템, 결합제 제거, 소결 공정, 기공 및 불순물 제어 등을 다루고 있다.

원료 분말에는 플라즈마 분무 티타늄, 가스 분무 구형 티타늄, 티타늄 하이드라이드, 하이드라이드-데하이드라이드(HDH) 티타늄 등이 포함됩니다. 일부 연구에서는 45 μm 미만의 분무 분말을 사용하는 반면, 다른 연구에서는 평균 크기가 불과 몇 마이크로미터에 불과한 미세 티타늄 하이드라이드 입자를 사용하기도 합니다. 이러한 선택은 분말의 크기와 형태가 원료의 거동, 성형 품질 및 소결 치밀화에 어떤 영향을 미치는지 밝히는 데 도움이 됩니다.

바인더 시스템은 수용성, 파라핀 기반, 나프탈렌 기반이거나, 파라핀 왁스(PW), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 폴리프로필렌(PP)의 다성분 혼합물일 수 있습니다. 티타늄 분말과 바인더를 혼합하여 균일한 원료를 만든 후, 사출 성형하여 미소성형품을 제작합니다.

바인더 제거에는 용매 추출, 열처리 또는 이 두 가지 방법을 모두 사용할 수 있다. 수용성 또는 기타 용해성 바인더 성분의 경우, 먼저 주요 용해성 성분을 제거한 다음, 진공 또는 보호 분위기 하에서 열적 바인더 제거를 수행하여 잔류 유기물을 제거하고 소결 과정에서 발생하는 탄소 및 산소 오염을 최소화할 수 있다.

진공 소결은 흔히 사용되는 방법입니다. 온도, 유지 시간, 가열 및 냉각 일정을 조절하면 입자 간 확산, 기공 수축, 미세구조의 변화를 조절할 수 있습니다. 연구자들은 또한 원료 준비나 성형 과정에서 가스가 갇혀 발생하는 큰 공극과, 치밀화가 불충분하여 발생하는 미세 기공을 조사합니다. 이러한 결함을 줄이기 위해 원료 준비, 사출 매개변수, 탈바인딩 및 소결 공정을 최적화합니다.

서로 다른 제조 공정이나 상이한 형태를 가진 분말도 혼합할 수 있습니다. 예를 들어, 가스 분무법으로 제조된 구형 분말을 HDH 분말과 혼합하여 분말 충전량, 원료 유동성, 소결 수축률 및 형상 유지력을 균형 있게 조절할 수 있습니다.

따라서 상업용 순수 티타늄 MIM에 대한 연구는 분말 선정 및 혼합, 결합제 설계, 배합 및 사출 성형, 결합제 제거, 진공 소결, 기공 및 불순물 제어 등 서로 연결된 공정 체인을 따릅니다. 각 단계의 매개변수를 조정하여 최종 미세구조, 치수 및 특성에 미치는 영향을 연구합니다.

Ti-6Al-4V 분말 사출 성형

Ti-6Al-4V는 가장 널리 사용되는 티타늄 합금입니다. 이 합금은 내열성, 강도, 연성, 인성, 성형성, 용접성, 내식성 및 생체적합성을 모두 갖추고 있으며, 전체 티타늄 사용량의 절반 이상을 차지합니다.

Ergül과 동료들은 가스 분무법으로 제조된 Ti-6Al-4V 분말을 사출 성형했다. 시편은 거친 침상 구조를 보였다. 소결 온도를 높이고 유지 시간을 늘릴수록 밀도, 인장 강도 및 연신율이 증가했다. 1,275°C에서 10시간 동안 소결한 후, 밀도는 99%, 인장 강도는 704 MPa, 연신율은 6.37%, 경도는 38.6 HRC에 도달했다. 다른 연구들에 따르면, 더 높은 온도와 더 긴 유지 시간은 결정립을 거칠게 만들고 피로 성능을 저하시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다.

독일의 GKSS 연구 센터는 파라핀 기반 바인더를 사용한 가스 분무 Ti-6Al-4V 분말을 활용했다. 그린 파츠는 n-헵탄에서 용매 탈바인더 공정을 거친 후, 아르곤 분위기에서 열 탈바인더 공정을 거쳐 진공 소결되었다. 소결 온도와 냉각 속도는 최종 인장 강도에 큰 영향을 미친 반면, 탈바인더 매개변수는 인장 강도에 거의 영향을 미치지 않았으며, 공정 매개변수는 연성에 거의 영향을 미치지 않았다.

또 다른 연구팀은 90% Ti-6Al-4V 분말과 10% HDH Ti-6Al-4V 분말을 파라핀 기반 바인더와 혼합하여 150°C에서 성형한 후, 165°C에서 사출 성형했다. 바인더 제거 후, 부품을 1,230°C에서 3시간 동안 진공 소결하고 920°C에서 3시간 동안 고온 등압 성형했습니다. 이 고밀도 합금은 1,030 MPa의 인장 강도, 12%의 단면 수축률 및 21%의 연신율을 나타냈다.

TiAl 분말 사출 성형

TiAl 금속간 화합물은 세라믹과 기존 금속의 특성을 모두 갖추고 있습니다. 즉, 낮은 밀도, 높은 사용 온도, 고온 강도, 높은 비강성 및 탄성 계수, 그리고 우수한 내산화성, 내크리프성 및 내피로성을 지닙니다. 따라서 이 물질은 유망한 경량 고온 구조용 소재로 평가받고 있습니다. 순수 티타늄에 비해 TiAl은 더 높은 소결 온도가 필요하며, 불순물을 더 쉽게 흡수하므로 불순물 관리가 더욱 엄격해야 합니다.

GKSS는 가스 분무법으로 제조한 TiAl 분말에 파라핀계 결합제를 혼합했습니다. 아르곤 분위기에서 결합제 제거, 진공 소결 및 고온 등방성 압축 공정을 거쳐 산소 함량이 낮은 고밀도 합금을 제조했습니다. 소결 과정에서 아르곤을 유입시킨 결과 TiAl 표면에서 알루미늄의 증발은 방지되었으나, 탄소 및 산소 함량은 진공 소결 후보다 상당히 높게 나타났다.

김 연구팀은 MIM 공정을 이용하여 상대 밀도 98.8%, 미세한 미세구조 및 우수한 물성을 지닌 Ti-48Al을 제조하였다. SHS 공법으로 제조된 사전 합금 분말을 바인더와 혼합한 후 120°C에서 성형하였다. 용매 탈바인더 처리 후, 아르곤 또는 수소 분위기에서 열 탈바인더 처리를 수행했다. 수소 탈바인더 처리는 원래 TiAl 입자 경계에 미세한 산화물을 침착시켜 소결 후 기계적 특성을 현저히 저하시켰다. 1,000°C에서 3시간 동안 예비 소결한 후 1,350°C에서 30시간 동안 소결함으로써 98.8%의 상대 밀도를 얻었다. 가열 속도도 밀도에 영향을 미쳤으며, 약 3°C/min이 적당한 것으로 간주되었다.

오사카 야킨 공업은 원자 백분율 기준으로 Ti-47Al-2.6Cr의 공칭 조성을 가진 γ-TiAl 부품을 생산했다. 이 합금 분말은 자가 전파 고온 합성법으로 제조된 후, 유기 결합제와 혼합되어 성형, 사출 성형 및 소결 공정을 거쳤다. 밀도는 97%에 달했으며, 강도와 연성은 기존 방식으로 제조된 시편에 필적할 정도로 높았다.

또 다른 연구팀은 불활성 가스 분무법으로 제조된 사전 합금 분말을 사용하여 복잡한 고니오븀 TiAl 부품을 성형했다. 1,480°C에서 2시간 동안 소결한 후, 밀도는 96.2%에 도달했다. 이 소재는 약 60 μm 크기의 층상 구조를 가진 균일하고 미세한 준층상 구조를 보였으며, 압축 강도는 2,839 MPa, 압축 변형률은 34.9%, 인장 강도는 382 MPa, 연신율은 0.46%를 나타냈다.

기타 티타늄 합금 시스템

지르코늄, 니오븀, 탄탈륨, 팔라듐, 주석과 같은 합금 원소를 첨가하면 기계적 특성, 내식성 및 생체적합성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 주석과 지르코늄은 강도와 고온 크리프 저항성을 향상시킬 수 있습니다.

규슈대학교 연구진은 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si 합금을 사출 성형했다. 티타늄에 원소 분말을 혼합한 결과, 고융점 원소의 확산이 원활하지 않았고 산소 함량이 높아져 밀도가 감소했다. 마스터 합금 분말과 티타늄 분말을 함께 사용했을 때, 밀도 96.4%, 인장 강도 910 MPa, 연신율 14.1%의 결과가 나왔다. 4%의 Mo를 첨가하여 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo를 형성한 결과, 14.7%의 연신율을 유지하면서 인장 강도가 1,010 MPa로 향상되었다.

MIM 공법은 생체의학용 티타늄 합금 분야에서도 널리 연구되고 있다. Ti-6Al-4V 및 Ti-6Al-7Nb 임플란트는 알루미늄이나 바나듐 이온을 방출할 수 있는 반면, Ti-Mo 합금은 이러한 원소를 포함하지 않으면서도 기계적 성능, 내식성 및 생체적합성을 겸비하여 치과 및 정형외과 분야에 활용된다.

일본의 한 대학 연구진은 평균 입자 크기가 38 μm인 티타늄 분말과 평균 입자 크기가 0.6 μm인 알루미늄 분말을 사용하여 Ti-12Mo를 사출 성형했다. [확인 필요: 출처에 따르면 Ti-12Mo 원료에 알루미늄 분말이 포함되어 있음] 결합제를 제거한 부품은 1,120~1,300°C에서 진공 소결되었다. 1,160~1,200°C에서 인장 강도는 1,000 MPa에 달했으며, 이는 동일한 조성의 단조 합금과 비슷한 수준이었다. 온도가 높아질수록 결정립이 거칠어지고 강도가 감소했다. 예소결과 최종 소결 사이에 냉간 등방성 압축 공정을 적용한 결과, 최종 밀도가 10% 증가했으며 인장 강도는 거의 두 배로 향상되었다.

베이징 비철금속 종합연구소의 연구진은 세 가지 크기의 티타늄 분말을 사용하여 분말 사출 성형 방식으로 Ti-Mo 게터를 제조했다. 분말 크기에 따라 비표면적과 기공률이 결정되었으며, 이는 다시 가스 게터링 성능을 좌우했다. 평균 입자 크기가 35 μm인 분말은 높은 기공률과 표면적을 나타내며, 가장 우수한 게터링 성능을 보였다. 부피 기준으로 40% 비율의 분말 충전량 또한 비교적 높은 기공률과 표면적을 나타냈다.

다공성 티타늄의 MIM 성형

다공성 티타늄 및 최신 티타늄 합금 시스템은 적절한 기공 구조와 정형외과용 인공 관절 임플란트에 필요한 기계적 특성을 겸비할 수 있습니다. 이러한 소재의 낮은 유효 강성은 뼈와의 불일치를 줄여주며, 이에 따른 응력 차폐 효과도 완화합니다. 또한, 서로 연결된 기공 덕분에 체액과 뼈 세포가 임플란트 내부로 침투할 수 있습니다.

다공성 생체의학용 티타늄 합금의 분말 사출 성형 기술은 2003년에 처음 제안되었다. KCl과 NaCl이 일반적인 공극 유지제로 사용되었으며, 10% 이상의 다공도를 달성했다. 이후의 연구에서는 TiH를 추가하였다.₂ 발포제 및 활성화제로 티타늄-알루미늄-바나듐 원소 분말을 사용하였다. 그 결과로 얻어진 개방형 기공 Ti-6Al-4V는 균일한 기공 분포를 보였으며, 기공 크기는 90~190 μm, 기공률은 43%-59%, 탄성 계수는 5.8~9.5 GPa를 나타냈다.

다른 연구자들은 분무화된 구형 분말, HDH 티타늄 분말, 파라핀 기반 결합제를 NaCl 또는 KCl 공간 유지제와 혼합했다. 공간 유지제의 함량을 조절함으로써 의료용 임플란트에 적합한 기공 크기와 기공률을 가진 다공성 티타늄을 생산할 수 있었으며, 이 조성물은 명시된 3등급 상업용 순수 티타늄의 요구 사항을 충족했다. 중남대학교에서는 HDH 티타늄 분말과 NaCl을 사용하여 42.4%-71.6%의 기공률과 최대 300 μm 크기의 기공을 가진 다공성 티타늄 임플란트를 제작했다. NaCl 함량을 조절함으로써 상호 연결된 기공 구조를 형성할 수 있었으며, 그 기계적 특성은 해면골의 특성에 근접했다.