박 명 하 희성금속(주) 기술연구소 부장 1. 서론 일반적으로 세라믹 및 금속 소결 제품의 제조시 성형 조건은 최종 소결체 물성에 큰 영향을 미치며, 가압 성형법은 경제성, 양산성이 뛰어나고, 대형 제품 제조가 가능하고 품질 제어가 용이하여 널리 이용되고 있는 성형법이다. 가압 성형법은 금형에 분말을 넣고 가압하여 성형체를 얻는 방법으로 크게 건식과 습식으로 구분할 수 있다. 건식 성형법은 1축, 다축 및 정수압 성형법등이 있으며 본고에서는 고압기술을 이용한 정수압 성형법에 대하여 다루도록 하겠다. 분체의 집합으로 이루어지는 성형체는 크거나 작은 기공을 가질 수 밖에 없으며 이러한 기공은 건조와 소결 과정에서 수축에 의한 변형으로 균열을 발생시켜 최종 제품의 특성을 저하시키는 원인이 된다. 따라서 건실한 소결 제품을 얻기 위해서는 기본적으로 높은 치밀성과 균일성을 가지는 성형체를 제조하여야 하고 건식 성형에서 균일한 밀도의 성형체를 얻기 위해서는 성형 이전의 공정인 원료 분말의 과립의 단계부터 관리하여야 한다. 성형시 과립이 갖추어야 할 주요 요소로는 첫째 과립의 유동도가 우수하여 금형에 균일하게 충진되어야 하며 둘째 성형 압력이 가해질때 과립간의 압력이 충분히 전달되어 과립이 완전히 파괴되어야 하며 셋째 금형내 부착성이 적은 즉 이형성이 좋아야 한다. 2. 정수압 성형 분말 성형 공정은 압력 사용 여부, 가압 형태, 성형 온도 등에 따라 분류할 수 있다. 일반적으로 많이 이용되는 분말 성형법은 금형을 이용한 1축 가압 성형이다. 이 방법으로 성형된 성형체는 금형과 분말간의 마찰로 성형체 표면 근처의 성형밀도를 저하시키고 분말 입자간의 마찰로 인한 성형체 내부의 밀도 불균일이 발생하며 또한 성형 후 성형체 분리가 어려운 단점이 있다. 그림 1은 상부 펀치만 움직이는 펀치-실린더형 금형을 이용하여 성형된 원통형 성형체 내부의 상대적인 밀도 분포를 나타내었다. 이와 같은 성형체를 소결하게 되면 성형 불균일로 인한 내부 응력 편차로 인해 비틀림, 변형, Crack 불량이 발생되며 이를 제어하기 위하여 분말의 입도 배합, 가소제 및 분마 윤활제의 첨가, 금형 재질 및 표면 개질의 변화 등 다양한 방법이 제시되고 있다. 정수압 성형법은 이러한 결점을 근본적으로 없애고 보다 건실한 성형체를 얻기 위한 방법으로 ‘액체에 압력을 가하면 모든 방향으로 동일한 힘으로 압력이 전달된다’는 Pascal의 원리를 기초로 하여 개발된 성형방법이다. 정수압 성형법은 액체를 매질로 사용하는 냉간정수압 성형(Cold Isostatic Pressing, CIP)과 기체를 매질로 사용하는 열간정수압 성형(Hot Isostatic Pressing, HIP)으로 구분할 수 있으며 여기에서는 냉간정수압 성형 즉 CIP법에 대해서만 서술토록 하겠다. 가. CIP법 CIP 성형에는 습식법과 건식법으로 구분되며 습식법은 다품종 소량 생산 및 시험품 제작에 적합하고 건식법은 자동화 및 대량 생산성이 우수한 성형법이다. 습식법은 그림 2에서 보는 바와 같이 분체를 충진한 고무형틀을 Sealing하여 고압 용기에 장입하여 고압 펌프로 가압 성형하는 방법이다. 일반적으로 습식법에서는 분체에 압력을 전달하기 위하여 필요한 격리막으로 고무형을 많이 사용하며 필요에 따라서는 고무형의 형상 및 재질, 코아의 삽입에 의한 다양한 모양의 성형체를 얻을 수 있다. 또한 고밀도화, 균질화의 목적으로 다른 성형법, 즉 사출 성형, 주입 성형, 금형 성형등으로 예비 성형된 성형체를 고무 주머니나 비닐 포장지에 장입하여 진공 포장한 후 재 가압하는 경우도 있다. 이외에도 여러 모양으로 예비 성형된 압분간의 접합에도 사용할 수 있는등 그 활용 방안은 매우 다양하며 주로 대형 제품의 성형에 많이 이용되고 있다. 일례로 본사에서 제조하는 제품의 경우 프레스로 제조할 경우 프레스 용량이 20,000Ton 이상을 상회하여야 하나 CIP를 사용하여 간단히 해결한 전례가 있다. 건식법은 그림 3에서 보이는 바와 같이 가압 고무를 통하여 압력이 분체에 전달되며 상면 또는 하면으로부터의 가압이 행해지지 않기 때문에 완전한 정수압 성형이라고 할 수 없다. 그러나 압력 매질이 작업 환경에 노출되지 않기 때문에 습식법에서 흔히 발생하는 분체 혼입으로 인한 Valve, Pump, 배관 Trouble이 발생치 않는 장점이 있으며 분체의 충진, 가압, 성형체 분리등의 연속 작업과 자동화가 가능하여 생산성이 우수하다. CIP는 1910년대 미국에서 최초로 개발되었으며 1950년대 공업화 연구가 진행되어 고압 기술의 발전으로 대형화, 고압화로 가는 추세이다. 나. CIP 성형법의 특성 1) 균질성 분말과 금형간의 마찰이 없고 모든 방향으로 동일한 가압력이 작용하므로 밀도가 균일하며 방향성이 적은 성형체를 얻을 수 있다. 그러므로 소결시 발생할 수 있는 불균일 변형을 최소화 할 수 있어 고품질의 소결체를 얻을 수 있다. 그림 4는 일축 프레스 성형과 CIP 성형한 원통형 재료의 위치별 성형 밀도 편차를 비교한 것으로 CIP법으로 성형된 성형체의 밀도가 매우 균일함을 알 수 있다. 2) 고밀도화 분체의 Bridge 현상 및 금형과의 마찰에 의한 압력 손실이 거의 없기 때문에 보다 높은 밀도의 성형체가 얻어진다. 또한 고압하에서 작업 역시 가능하므로 소결후의 치수 변화가 적어 최종 제품의 치수 관리 및 성형체 상태의 기계 가공도 용이하다. 특히 높은 소결 밀도를 요구하는 난소결성 재료의 경우 CIP로 고압 성형하여 성형체 상태에서의 밀도를 높게하여 소결할 경우 소결에 필요한 Driving Force를 저감할 수 있어 보다 쉽게 고밀도의 최종품을 얻을 수 있다. 3) 성형 조제 첨가의 최소화 CIP 성형시에는 프레스 성형과는 달리 분체내 결합제 양이 극히 적어도 성형이 가능하므로 유기 첨가제의 양이 적게 들어간 과립 분말을 사용한다. 따라서 고순도의 성형체를 얻을 수 있고 소결전 행해지는 탈지 공정을 생략할 수 있다. 4) 성형체 형상 및 크기의 다양화 그림 5에서 보이는 바와 같이 프레스에서는 불가능한 요철 모양의 성형체를 고무 Mold를 이용하여 성형할 수 있으며 고압 용기의 크기에 따라서 그 크기나 길이에 상관없이 금형의 설계, 제작에 따라 다양한 형상의 제품을 얻을 수 있다. 5) 성형 제품의 접합에 응용 서로 다른 재료를 층상 또는 분활 충진하거나, 예비 성형 형상이 서로 다른 제품의 접합에도 사용가능하다. 또한 프레스로 불가능한 정밀 금속 박판의 성형시 성형하고자 하는 모양의 금형과 같이 진공 포장하여 CIP하여 고정밀의 금속 박판 형상을 얻는 방법도 가능하다. 다. 성형 몰드 CIP 성형시 성형체 불량을 결정하는 주요 인자로는 과립 분말의 제조와 더불어 성형 몰드의 설계이며, 성형 몰드 설계시 주의해야 할 조건은 다음과 같다. ① 압력 매질 즉 물, 기름 등이 성형하고자 하는 분체에 침투하지 못하게 확실히 Sealing할 수 있는 구조 ② 가압시 전 방향에서 동일한 변형이 일어나 압력 손실히 최소가 될 수 있는 구조 ③ 최종 제품에 가까운 형상이 성형될 수 있는 구조 ④ 분체의 충진이 용이하고 분체 내부의 공기를 효과적으로 제거할 수 있는 구조 ⑤ 몰드와 성형체의 탈형이 용이한 구조 및 재질 ⑥ 고압하에서 반복 사용하여도 형상 변화 및 열화가 없는 구조 및 재질 이상과 같은 조건의 성형 몰드는 습식법이나 건식법 모두에 적용 가능한 몰드이다. CIP용 성형 몰드 설계는 수차례의 시행 착오를 거쳐 축적된 경험으로 제품에 가장 적합한 Design 선정하여야만 한다. 일반적으로 CIP용 성형 몰드는 고무 재질로 제작이 되는데 그 종류로는 천연 고무, 클로로플렌 고무, 우레탄 고무, 실리콘 고무 등이 있으며 이들 고무의 일반적인 특성은 표1에서 보는 바와 같으며 경도가 약 60~70(JIS Hs)인 고무가 통상적으로 사용된다. 그림 6에는 다양한 형상의 CIP 성형 몰드 형상을 나타내었다. 라. CIP시 발생 가능한 성형 불량 모든 성형법에서 발생할 수 있는 Trouble중 대부분은 Crack 불량일 것이다. CIP에서도 마찬가지로 Crack 발생으로 인한 불량이 그 주류를 이루며 그 원인은 다음과 같다. ① 분체 내부의 잔류 공기로 인해 가압시 공기의 급격한 팽창으로 인한 성형 Crack ② 가압시 수축된 고무 몰드가 감압시 원래 형상으로 복원되면서 그 충격이 성형체에 전달되어 발생하는 Crack ③ 분말 자체의 Spring Back 현상으로 인한 Crack이상이 CIP 발생할 수 있는 주요 Crack 종류이다. 먼저 분체 내부의 잔류 공기로 인한 성형 Crack을 방지하기 위해선 1)수분이나 성형 조제 등 공기를 포함할 수 있는 요인을 최소화 한다. 2)분말을 과립화하여 통기성을 좋게한다. 3)충진시 Tapping 및 탈기하여 혼입 공기량을 적게한다. 4)가압시 200kg/cm2까지 천천히 가압하여 잔류 공기가 분체 외부로 충분히 빠질 수 있도록 한다. 5)감압시 저압(약 200kg/cm2 이하)에서의 감압 속도를 천천히 하여 공기의 급격한 팽창을 막는다. 고무 몰드에 의한 성형 Crack 방지는 1)분체 충진 밀도를 증가시켜 가압 수축률을 적게하고 2)감압시 저압 영역에서 감압 속도를 천천히 하여 몰드의 급격한 복원을 방지한다. CIP 성형시 가압 및 감압 조건의 일례를 그림 7에 나타내었다. 이 외에도 고무 경도를 감소시키거나 두께를 두껍게 하여 고무의 탄성력을 적게하여 급격한 복원을 방지하는 방법도 있다. 마지막으로 분체의 Spring Back에 의한 성형 Crack은 과립 분말의 특성을 향상시켜 제어할 수 있다. 마. 과립의 제조 조건 어떠한 성형 방법을 채택하더라도 건실한 성형체를 얻기 위해서는 분말의 제어는 필수불가결한 요소이다. 통상적으로 건식 성형에서 요구되는 분말의 특성은 다음과 같다. ① 과립의 유동성이 좋을 것. 즉 과립간의 마찰 계수가 적고, 몰드 내부로 잘 흘러들어가서 충진이 잘되어야 한다. ② 과립의 형상은 구형이여야 하며 가압시 과립간의 배열이 잘 이루어져 압력이 분체 내부로 충분히 전달되어야 한다. ③ 과립의 입도 분포가 좁아 위치별 성형 밀도 편차가 적어야 한다. ④ 적당한 강도를 가져 충진시 미립 분체로 분리되지 않아야 하며 초기 가압시 과립간의 이동이 가능하여 입자 재배열로 최조밀 충진이 가능케 하고 과립사이에 존재하는 공기의 유출이 쉽게 일어날 정도의 강도를 가져야 한다. ⑤ 과립의 완전 파괴가 일어날 것. 가압이 완료되었을 시 과립은 완전 파괴되어 분체가 결합할 수 있어야 한다. ⑥ 겉보기 밀도가 높을 것. ⑦ 수분의 함량이 적당할 것. 수분의 함량이 지나치게 많을 경우 과립이 저압하에서도 쉽게 파괴되어 ④조건을 만족시키지 못하며 또한 너무 적을 경우는 성형체의 층상 균열이 발생하기도 한다. 그림 8은 가압 성형시 과립 입자의 거동을 나타낸 모식도이다. 바. 성형체의 평가 정수압 성형의 경우 고밀도의 균일한 성형체를 얻기 위해서는 분말을 압축하는 가압과정, 성형체를 균일화 하는 압력 유지 과정 그리고 감압과정의 3단계호 나누어 성형 조건을 설정하여야 한다. 일반적으로 소결 제품 제조시 소결 및 가공 공정은 전체 제조 비용의 약 60% 이상을 차지하므로 소결이 완료된 제품에서 결함이 발견되는 것은 매우 큰 손실이라고 할 수 있다. 따라서 성형체 상태에서 제품의 특성 평가를 통하여 불량품의 후속 공정으로의 인계를 막을 수 있다면 제조 비용의 상당 부분을 절감할 수 있다. 그러한 의미에서 성형체를 평가하는 것은 최종품의 특성을 평가하는 것 못지 않게 중요하다고 할 수 있다. 성형 공정에서 관리하는 항목으로는 통상적으로 1)성형체 무게 2)성형 치수 3)성형 밀도 4)Crack 발생 유무 5)오염 등을 들 수 있다. 성형 밀도는 성형체 표면을 엑포시로 코팅 처리하여 액중에서 비중을 측정하거나 무게 측정 후 치수를 측정하는 방법 등이 흔히 쓰이는 방법이다. 또한 성형체 내부의 결함을 확인하는 방법으로는 성형체를 진공 비닐 포장하여 초음파 탐상하는 방법도 제시되고 있다. 3. 결론 이상 고압 기술을 이용한 고밀도의 균일한 성형체를 얻기 위한 방법을 살펴보았다. 건실한 성형체를 얻기 위한 핵심 요소인 분말, 장비, 몰드 설계 기술, 성형 조건들은 대부분 각 업체들만의 고유의 Know-How이고 특히 성형 기술은 정량화가 곤란한 분야이다. 그러므로 건식 성형 분야의 진일보를 위해서는 성형 Mechanism에 대한 보다 깊은 연구와 장비 및 그에 따른 성형 기술의 연구가 활발히 진행되어야 할 것이다. 그림 1. 1축 가압 성형시 위치별 상대적 밀도 분포 그림 2. Wet-Bag process 그림 3. Dry-Bag process 그림 4. Press 및 CIP 성형시 밀도 편차 비교 그림 5. 요철 모양의 CIP성형 그림 6. CIP 성형 몰드의 구조 그림 7. CIP 가압, 감압 조건 그림 8. 가압시 과립 입자 거동 참고문헌 1. 小泉光惠, 西原正夫, “等方加壓技術”, 日刊工業新聞社, pp.7~61(1988) 2. 강석중외, “분말재료공학”, 한국분말야금학회, pp.63~93(2004) 3. 송규호, 박종서, 김진영, “과립을 이용한 건식 성형”, 요업 기술 12권 1호, pp.32~43 (1997) 4. James S. Reed, “Principle of Ceramics Processing”, John Wiley & Sons, INC. pp.321~381(1996) 5. 김진영, 서병창, “분무 건조법을 이용한 세라믹 Powedr의 조립화”, 요업재료의 과학과 기술 8권 3호, pp.236~248(1993) 6. 선우 식, “CIP법에 대하여”, 요업재료의 과학과 기술 8권 3호, pp.258~268(1993) 필자약력 한양대학교 금속재료공학과 졸업 인하대학교 공학대학원 재료공학과 졸업 희성금속(주)기술연구소 부장