자동차동력시스템용부품을제조하는데 분말야금(P/M) 공정의사용은계속증가하고있습니다. P/M 공정으로제조된부품에는여러가지중요하고독특한장점이있습니다. 이러한부품에의도적으로남겨진잔류다공성구조는자체윤활및 방음에좋습니다. 전통적인주조공정으로는제조가어렵거나불가능한복잡한합금은 P / M 기술을사용하여생산할수 있습니다. 이기술로제조된부품은일반적으로가공용량이거의없거나전혀없으므로비용이저렴하고재료낭비가적습니다. 안타깝게도이러한특징의매력뒤에는 P/M 부품의가공이어렵다는단점이있습니다.

P/M 산업의원래의도중 하나는모든가공을없애는것이지만, 이목표는아직달성되지않았습니다. 대부분의부품은 "최종모양에가까운" 상태일뿐이며여전히약간의마무리가필요합니다.
그러나주조및 단조품에비해 P/M 부품에서제거해야하는재료의양이적은것이대표적인내마모성소재입니다.
다공성구조는 p / M 부품을광범위하게사용하는특성중 하나이지만다공성구조로인해공구수명도손상됩니다. 다공성구조는오일과소리를저장할수 있지만미세한간헐적절삭을유발하기도합니다. 구멍에서고체입자로앞뒤로이동할때 공구팁이지속적으로충격을받아절삭날을따라매우작은피로골절변형과미세한모서리붕괴가발생할수 있습니다. 설상가상으로입자는일반적으로매우단단합니다. 측정된재료의매크로경도가 20~35도사이인경우에도부품의입자크기는 60도까지높습니다. 이러한단단한입자는심하고빠른모서리마모를유발합니다. 많은 p / M 부품은열처리가가능하며열처리후 재료의경도와강도가더 높습니다. 마지막으로소결및 열처리기술과사용되는가스로인해재료의표면에는단단하고내마모성이강한산화물및 / 또는탄화물이포함됩니다.
P/M 부품의성능
기계가공성을포함한 P/M 부품의대부분의특성은합금의화학적조성뿐만아니라다공성구조의다공성수준과도관련이있습니다. 많은구조부품의다공성은최대 15% ~ 20%입니다. 여과장치로사용되는부품의다공성은 50%까지높을수 있습니다. 반면에단조또는힙 부품의다공성은 1% 이하에불과합니다. 이러한소재는더 높은수준의강도를달성할수 있기때문에자동차및 항공기응용분야에서특히중요해지고있습니다. P/M 합금의인장강도, 인성및 연성은밀도가증가함에따라증가하며다공성이공구팁에해롭기때문에가공성도향상될수 있습니다. 다공성수준의증가는부품의방음성능을향상시킬수 있습니다. 표준부품의감쇠진동은공작기계, 에어컨블로우파이프및 공압공구에매우중요한 P / M 부품에서크게감소합니다. 자체윤활기어에도높은다공성이필요합니다.
가공의어려움
P/M 산업의지속적인발전목표중 하나는가공을없애는것이며, P/M 공정의주요매력중 하나는소량의가공만필요하다는것이지만, 여전히많은부품은더 높은정확도또는더 나은표면마감을얻기위해후처리가필요합니다. 안타깝게도이러한부품을가공하는것은매우어렵습니다. 발생하는대부분의문제는다공성으로인해발생합니다. 다공성은절삭날의미세한피로를유발합니다. 절삭날은끊임없이절삭되고절삭됩니다. 입자와구멍사이를통과합니다. 작은충격이반복되면절삭날에작은균열이생깁니다.
이러한피로균열은절삭날이무너질때까지커집니다. 이러한종류의마이크로칩핑엣지는일반적으로매우작으며일반적으로정상적인마모마모를보입니다. 다공성은또한 P/M 부품의열전도율을감소시켜절삭날의고온을초래하고크레이터마모및 변형을유발합니다. 내부적으로연결된다공성구조는절삭영역에서절삭유가배출되는경로를제공합니다. 이로인해특히드릴링에서뜨거운균열이나변형이발생할수 있습니다.
내부다공성구조로인한표면적의증가는열처리과정에서산화및/또는탄화로이어집니다. 앞서언급했듯이이러한산화물과탄화물은단단하고내마모성이강합니다.
다공성구조는또한부품경도판독의실패를초래하며, 이는매우중요합니다. P/M 부품의매크로경도를의도적으로측정할때 구멍경도의요소가포함됩니다. 다공성구조는구조의붕괴로이어지고상대적으로부드러운부품에대한잘못된인상을줍니다. 입자는훨씬더 단단합니다. 위에서설명한것처럼그 차이는극적입니다.
PM 부품에내포물이존재하는것도불리한점입니다. 가공하는동안이러한입자는표면에서끌어올려지고공구앞에서문지르면부품표면에스크래치또는흠집이생깁니다. 이러한내포물은일반적으로크기가커서부품표면에눈에보이는구멍을남깁니다.
탄소함량의차이는기계가공성의불일치로이어집니다. 예를들어, FC0208 합금의탄소함량은 0. 6%에서 0. 9%까지다양합니다. 탄소함량이 0. 9%인재료배치는상대적으로단단하여공구수명이짧습니다. 탄소함량이 0.6%인다른재료배치는공구수명이우수합니다. 두합금모두허용범위내에있습니다.
최종가공문제는 P/M 부품에서발생하는절단유형과관련이있습니다. 부품이최종모양에가까워지면일반적으로절단깊이가매우얕아집니다. 이를위해서는자유로운절삭날이필요합니다. 절삭날에칩이쌓이면종종미세칩핑이발생합니다.
처리기술
이러한문제를극복하기위해업계고유의여러기술이적용됩니다. 표면다공성구조는종종침투에의해밀봉됩니다. 일반적으로추가적인자유절단이필요합니다. 최근에는분말청결도를높이고열처리과정에서산화물과탄화물을줄이기위해고안된개선된분말생산기술이사용되고있습니다.
닫힌표면다공성구조는금속(보통구리) 또는폴리머침투에의해이루어집니다. 침투가윤활제역할을하는것으로추측되고있습니다. 대부분의실험데이터에따르면실제이점은표면다공성구조를닫아절삭날의미세피로를방지하는데 있습니다. 채터가감소하면공구수명과표면조도가향상됩니다. 침투제를가장극적으로사용하면다공성구조가닫힐때 공구수명이 200% 증가하는것으로나타났습니다.
MNS, s, MoS2, MgSiO3 및 BN과같은첨가제는공구수명을늘리는것으로알려져있습니다. 이러한첨가제는칩이공작물에서쉽게분리되도록하고, 칩을파쇄하며, 칩이쌓이는것을방지하고, 절삭날을윤활함으로써가공성을향상시킵니다. 첨가제의양을늘리면가공성은향상되지만강도와인성은감소할수 있습니다.
소결및 열처리로가스를제어하는분말분무기술을통해내포물및 표면산화물탄화물발생을최소화하는깨끗한분말과부품을생산할수 있습니다.
도구재료
P/M 산업에서가장널리사용되는공구는내마모성, 모서리균열방지및 표면조도가양호한상태에서칩이없는소재입니다. 이러한특성은모든가공작업, 특히 P/M 부품에유용합니다. 이범주에포함되는공구재료는입방정질화붕소(CBN) 공구, 비코팅및 코팅된서멧, 개선된코팅소결초경합금입니다.
CBN 공구는높은경도와내마모성으로인해매력적입니다. 이공구는로크웰경도가 45 이상인강철및 주철가공에수년동안사용되어왔습니다. 그러나 P/M 합금의고유한특성과미세경도와거시경도의현저한차이로인해 CBN 공구는로크웰경도가 25인 P/M 부품에사용할수 있습니다. 핵심매개변수는입자의경도입니다. 입자의경도가로크웰 50도를초과하면매크로경도값에관계없이 CBN 도구를사용할수 있습니다. 이러한도구의명백한한계는인성이부족하다는것입니다. 간헐적절삭또는높은다공성의경우네거티브챔퍼링과헤비호닝을포함한모서리보강이필요합니다. 간단한가벼운절삭은연마된절삭날로할 수있습니다.
효과적인 CBN 소재는여러가지가있습니다. 인성이가장좋은소재는주로전체 CBN으로구성되어있습니다. 인성이우수하여황삭에사용할수 있습니다. 이들의한계는일반적으로표면마감과관련이있습니다. 이는주로공구를구성하는개별 CBN 입자에의해결정됩니다. 입자가절삭날에서떨어지면공작물재료의표면에영향을미칩니다. 그러나미세입자공구가한 입자씩떨어질정도로심각하지는않습니다.
일반적으로사용되는 CBN 소재는 CBN 함량이높고입자크기가중간정도입니다. CBN 피니싱블레이드는입자가미세하고 CBN 함량이낮습니다. 가벼운절삭과표면정삭이필요하거나가공되는합금이특히단단할때 가장효과적입니다.
많은절삭응용분야에서공구수명은재료유형과무관합니다. 즉, 모든 CBN 소재는비슷한공구수명을달성할수 있습니다. 이러한경우재료선택은주로각 절삭날의가장낮은비용을기준으로이루어집니다. 하나의원형칼날은전체가 CBN 윗면이며 4개의인레이드 CBN 칼날보다저렴한 4개이상의절삭날을제공할수 있습니다.
P/M 부품의경도가로크웰 35도보다낮고입자의경도가범위내에있는경우일반적으로서멧이선택사항중 하나입니다. 서멧은매우단단하고칩 축적을효과적으로방지할수 있으며고속을견딜수 있습니다. 또한서멧은항상강철및 스테인리스스틸의고속및 마감가공에사용되어왔기때문에일반적으로성형품에가까운부품에적합한이상적인기하학적홈을가지고있습니다.
오늘날의서멧은최대 11가지의합금원소로이루어진복잡한금속공학제품입니다. 일반적으로 TiCN 입자와 Ni Mo 접착제로소결됩니다. TiCN은서멧의성공적인사용에중요한경도, 칩축적저항성및 화학적안정성을제공합니다. 또한이러한도구는일반적으로접착제함량이높기때문에인성이우수합니다. 한마디로 P/M 합금을효과적으로가공하는모든특성을가지고있습니다. 텅스텐카바이드소결초경합금과마찬가지로여러종류의서멧이효과적이며바인더의함량이높을수록인성이향상됩니다.
비교적최근에개발된것으로알려진중온화학기상증착(mtcvd)도 P/M 산업에이점을제공합니다. Mtcvd는기존화학기상증착(CVD)의내마모성과크레이터내마모성을모두유지하면서도인성을객관적으로향상시킵니다. 인성의증가는주로균열의감소에서비롯됩니다. 코팅은고온에서증착된후 용광로에서냉각됩니다. 코팅은일관되지않은열팽창으로인해공구가실온에도달하면균열이생깁니다. 평면유리의스크래치와마찬가지로이러한균열은절삭날의강도를감소시킵니다. MTCVD의증착온도가낮을수록균열빈도가낮아지고절삭날의인성이향상됩니다.
CVD 코팅과 mtcvd 코팅의기판특성과에지드레싱이동일한경우인성의차이를입증할수 있습니다. 가장자리인성이요구되는응용분야에서사용할경우 mtcvd 코팅의성능이 CVD 코팅보다우수합니다. 분석을통해다공성구조의 P / M 부품을가공할 때가장자리인성이중요합니다. Mtcvd 코팅이 CVD 코팅보다우수합니다.
물리적기상증착(PVD) 코팅은 mtcvd 또는 CVD 코팅보다얇고내마모성이떨어집니다. 그러나 PVD 코팅은적용시 상당한충격을견딜수 있습니다. PVD 코팅은절단이마모성마모, CBN 및서멧이너무부서지기쉽고우수한표면마감이필요한경우에효과적입니다.
예를들어, C-2 초경합금의절삭날은라인속도 180m/분, 이송속도 0. 15mm/회전으로 fc0205를가공할수 있습니다. 20개의부품을가공한후 칩이쌓이면미세한붕괴가발생할수 있습니다. PVD 질화티타늄(TIN) 코팅을사용하면칩 축적이억제되고공구수명이연장됩니다. 이테스트에주석코팅을사용할경우, P/M 부품의연마마모특성은 TiCN 코팅이더 효과적일것으로예상됩니다. TiCN은주석과거의동일한칩 축적저항성을가지고있지만주석보다더 단단하고내마모성이뛰어납니다.
다공성구조는중요하며 fc0208 합금의가공성에영향을미칩니다. 다공성구조와특성이변경되면다른공구재료가그에상응하는이점을제공합니다. 밀도가낮으면(6. 4g/cm3) 거시경도가낮습니다. 이경우 mtcvd 코팅초경합금은최고의공구수명을제공합니다. 절삭인선의미세피로는매우중요하며, 절삭인성은매우중요합니다. 이경우인성이좋은서멧블레이드가최대공구수명을제공합니다.
밀도 6.8g/cm3의동일한합금을생산할경우모서리균열보다연마마모가더 중요해집니다. 이경우 mtcvd 코팅이최고의공구수명을제공합니다. PVD 코팅초경합금은두 가지유형의극도로단단한부품을테스트하는데 사용되며절삭날에닿으면파손됩니다.
속도가증가하면(선형속도가분당 300미터이상) 서멧과코팅된서멧도크레이터마모를일으킵니다. 코팅초경합금은특히코팅초경합금의절삭인성이좋을때 더적합합니다. Mtcvd 코팅은코발트가풍부한초경합금에특히효과적입니다.
서멧은선삭및 보링가공에가장일반적으로사용됩니다. PVD 코팅초경합금은더 낮은속도와축적에더 많은주의가필요하기때문에나사가공에이상적입니다.