[소결] 소결(Sintering) 공정의 이해와 특징, 장단점 분석

소결(Sintering)이란?

소결은 열을 가해 분말 재료를 고체 덩어리로 압축하는 공정입니다.

소결은 전통적인 용융 공정과 달리 재료의 용융점에 도달하지 않습니다. 대신, 입자 전체에 원자가 확산되는 현상을 활용하여 결합과 치밀화를 유도합니다. 이 공정을 통해 기계적 특성이 향상된 견고한 구조가 생성됩니다.

소결 공정은 분말과 같은 비표면적이 넓은 입자들을 더욱 치밀한 덩어리를 만들기 위해 충분한 온도와 압력을 가하는 공정을 말합니다. 소결 공정을 통해 재료의 밀도나 기공도, 기공의 크기와 크기분포를 조절할 수 있으며 최종적으로 원하는 재료의 물성을 구현할 수 있습니다.

소결 공정상 변수에는 온도, 시간, 분위기, 소결 압력 등이 있습니다. 입자가 소결되는 과정은 입자들이 서로 붙어서 목이 형성되는 초기 단계, 기공이 고립되기 전까지 상대밀도가 약 93%가량 되는 중기 단계, 그 이후를 말기 소결이라고 합니다.

소결의 특징

소결의 특징은 다음과 같습니다.

특징	내용
밀도 및 기공도 조절	재료의 밀도, 기공도, 기공의 크기와 크기분포를 조절 가능
물성 구현	최종적으로 원하는 재료의 물성을 구현 가능
성형 과정	고체 가루를 눌러 단단하게 만든 후 녹는점에 가까운 온도로 가열하여 가루의 접합 또는 증착으로 성형
밀도 변화	분말성형체의 밀도는 40~60%에서 소결 이후 80~99.9%까지 증가
물질 이동	결정입계 및 격자를 통한 물질 이동이며 상대적으로 고온에서 발생

재료의 밀도나 기공도, 기공의 크기와 크기분포를 조절할 수 있습니다.
최종적으로 원하는 재료의 물성을 구현할 수 있습니다.
고체의 가루를 적항히 눌러 단단하게 만든 다음 그 물질의 녹는점에 가까운 온도로 가열하여 가루가 서로 접한 면에서 접합이 이루어지거나 일부가 증착하여 성형이 됩니다.
분말성형체의 밀도는 40~60%에서 소결이후 80~99.9% 까지 증가합니다.
결정입계 및 격자를 통한 물질 이동이며 상대적으로 고온에서 발생합니다.

소결은 요업(窯業) 제품이나 세라믹 또는 소형 플라스틱의 제조에 응용됩니다.

소결과 세라믹(Ceramics)재료

세라믹의 열처리에는 '소성'과 '소결'이라는 두 가지 용어가 사용됩니다.

소결은 세라믹의 치밀화에 필요한 시간과 온도를 줄이는 기술입니다. 소결에는 다음과 같은 방법이 있습니다.

스파크 플라즈마 소결: 소결체에 압력을 가함과 동시에 고전류의 펄스를 흐르게 함으로써 저온에서 치밀화하는 기술
플래시 소결: 열과 함께 전기장 및 전류를 활용하는 기술

세라믹은 높은 탄성률과 경도를 나타내지만, 금속이나 산화물 세라믹스와 비교하면 밀도가 낮습니다. 이들 재료로 고밀도 세라믹스를 얻으려면 소결조제를 첨가하는 방법을 사용합니다.

소결의 장단점

구분	내용
장점	– 복잡한 모양과 복잡한 디자인의 부품 생산 가능
	– 향상된 기계적 특성 제공
	– 재료 구성의 맞춤화 가능
	– 재료 낭비 줄어들어 비용 효율적
	– 다양한 응용 분야에 다양한 재료 수용 가능
단점	– 소결 중 시편의 분해를 막을 수 있음
	– 소결이 어려운 복합재료나 확산에 의한 재료 접합에 적합하지 않음
	– 소결체의 특성이 가압 방향(일축 방향)에 따라 방향성을 가짐
	– 성형 시 압력이 가해지는 모든 면이 내부 중심점을 향하게 되어 제조 가능한 형상에 제한이 있음
	– 높은 압력을 가하기 위한 기계적 장치 필요

소결은 챔버 크기 내에서는 성형체 크기에 제한이 없고, 균일한 압력 전달로 잔류 기공 및 미세 균열 제거가 가능하며, 제품의 대량 생산이 가능하다는 장점이 있습니다.

소결 공정을 수행하는 이유

소결은 입자 결합과 치밀화를 촉진하여 재료의 특성을 향상시키기 위해 실시됩니다.

소결 과정에서 입자가 확산되어 목이 형성되고 밀도가 증가합니다. 그 결과 강도, 경도, 내마모성과 같은 기계적 특성이 향상됩니다. 또한 소결은 재료와 그 구성에 따라 전기적, 열적, 화학적 특성을 향상시킬 수 있습니다.

소결의 구동력은 열역학적으로 시스템 전체의 표면에너지를 줄이는 것입니다. 벌크에 비해 계면(interface)에는 잉여에너지(excess energy)가 있으므로 소결 중 표면에너지는 입자들이 치밀화, 조대화되는 과정에서 감소됩니다.

소결은 세라믹 재료에 많이 쓰이는 공정기술입니다. 분말중의 입자들이 가열에 의해서 원자 간의 접착력에 따라 결합하고, 이로써 분말 전체의 강도가 증가합니다.

소결 후 분자구조

소결 공정상 변수에는 온도, 시간, 분위기, 소결 압력 등이 있습니다.

소결은 입자들이 서로 붙어서 목이 형성되는 초기 단계, 기공이 고립되기 전까지 상대밀도가 약 93%가량 되는 중기 단계, 그 이후를 말기 소결이라고 합니다.

소결 과정에서는 분자의 화학 반응뿐만 아니라 확산이 일어납니다. 소결체에 액상이 나타나면 수축이 빨리 완료되고 결정학적 변형이 일어나 합금의 기본 구조와 구조가 형성됩니다.

소결에서 원자나 분자가 이동하는 모습이 직접 관찰되고 있습니다. 전자현미경의 발달로 소결에서 원자나 분자가 이동하는 모습이 직접 관찰되고 있습니다.

소결 후 취성

소결 후의 소결체는 취성을 가지게 되며 이로 인해 강도가 감소합니다.

*소결조건을 잘못 조절하면 취성 금속간화합물이 계면에 형성될 수 있습니다.

성형밀도가 증가함에 따라 입내파괴 양상이 줄어들고 취성파괴 면적 또한 줄어드는 현상이 확인되었습니다. 온간성형 + 소결은 경도와 소결밀도를 부분적으로 향상시킵니다. 취성이 강한 재료의 강도 및 밀도 향상, 기공율 최소화, 냉간 가공 후 소결 시에 사용됩니다.

마무리

오늘은 소결(Sintering)에 대해 알아보았습니다.

소결 소재의 몇 가지 주요 특성을 아래와 같이 정리해보겠습니다.

높은 열전도율: 소결 소재는 높은 열전도율을 가지고 있어, 열이 잘 전달되는 소재로 사용됩니다. 이로 인해, 효율적인 열 관리가 가능하며, 이는 전자제품 등에서 중요한 역할을 합니다.
높은 강도: 소결 공정을 거친 소재는 상당히 높은 강도를 가질 수 있습니다. 이는 자동차 부품, 공구 등에 사용되며, 내구성을 높이는 데에 기여합니다.
정밀성: 소결 공정을 통해 제작된 부품은 매우 정밀하게 제작될 수 있습니다. 이는 복잡한 형태의 부품 제작에 이상적이며, 공정의 효율성을 높입니다.
비용 효율성: 소결은 대량 생산에 이상적인 방법입니다. 복잡한 형태의 부품을 비교적 적은 비용으로 제작할 수 있습니다.
환경 친화적: 소결 공정은 재료를 효율적으로 사용하며, 물질의 낭비를 최소화합니다. 이는 환경에 더 적은 부담을 주는 방법으로, 지속 가능한 제조 방법으로 인식되고 있습니다.

소결 공정은 고온이 필요하며, 일부 재료는 소결 공정에 적합하지 않을 수 있으므로, 이를 고려할 필요가 있습니다.