텅스텐 합금은 확실히 엔지니어의 "악몽적인 재료" 목록에 있습니다. 높은 밀도와 경도로 인해 처리 과정에서 상당한 어려움이 발생하여 각 단계가 힘든 전투처럼 느껴집니다. 이 어려운 재료를 어떻게 원료에서 완제품으로 효율적으로 변환할 수 있습니까?
걱정하지 마세요. 이 귀중한 "비밀 무기"가 여기 있습니다! 이 기사에서는 원료 준비 초기부터 프로세스를 분석하고, 분말야금과 3D 프린팅의 장점과 단점을 비교하고, 절단, 연삭 및 와이어 절단의 핵심 기술을 자세히 설명하고, 절반의 노력으로 두 배의 결과를 얻을 수 있는-분말 압출 프린팅(PEP) 최첨단 기술을 소개하여 설계 및 제조를 위한 견고한 기반을 제공합니다.
PART.01
소개
텅스텐 합금은 텅스텐을 주성분으로 하고(텅스텐 함유량은 일반적으로 85% ~ 99%임) 니켈, 철, 구리, 코발트, 몰리브덴, 크롬 등의 원소를 첨가한 합금 소재로, 매우 높은 밀도(16.5 ~ 19.0g/cm3), 높은 용해성으로 인해 원자력 산업, 군사 산업, 의료 등 많은 첨단 기술 분야에서 없어서는 안 될 역할을 합니다.{2}} 점과 우수한 기계적 강도[1]. 의료 분야에서 텅스텐 합금은 방사선 치료 장비의 핵심 부품을 제조하는 데 사용됩니다. 밀도가 높은 특성으로 인해 광선을 정확하게 차단하고 형상화할 수 있으며 콜리메이터 및 방사선 차폐물을 만드는 주요 재료입니다[2]. 이러한 우수한 특성으로 인해 텅스텐 합금의 가공 및 제조에 많은 어려움이 따릅니다. 이 기사는 블랭크 준비 공정과 텅스텐 합금 부품의 일반적으로 사용되는 가공 방법을 체계적이고 깊이 탐구하고 정밀 제조에 대한 귀중한 참고 자료를 제공하는 것을 목표로 합니다.
PART.02
텅스텐 합금 부품 블랭크의 준비 공정
2.1 분말야금 기술
텅스텐 합금은 고밀도, 높은 융점 및 높은 경도로 인해 기존의 합금 제련 및 준비 공정을 사용하여 제조하기가 어렵습니다. 분말 야금은 텅스텐 합금 블랭크를 준비하는 데 전통적이고 널리 사용되는 방법입니다. 텅스텐 분말 준비, 혼합, 성형 및 소결을 포함한 주요 공정이 그림 1에 나와 있습니다[3]. 텅스텐 분말 제조 공정에서는 텅스텐 분말의 순도를 보장하기 위해 수소 환원 및 암모니아 텅스텐산염 환원과 같은 공정이 자주 사용됩니다. 동시에 텅스텐 분말의 산소 함량, 입자 크기 및 모양은 합금의 최종 성능과 품질에 중요한 영향을 미치므로 엄격하게 제어해야 합니다. 산소 함량이 너무 높으면 합금 성능이 저하되고 입자 크기와 모양은 후속 혼합 및 성형 공정의 효과에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 입자 크기가 균일한 텅스텐 분말은 혼합 중에 다른 금속 분말과 더 균일하게 혼합되어 합금 구성의 일관성을 보장하는 데 도움이 됩니다. 혼합 과정에서 다양한 금속 분말 입자의 크기가 균일하고 비율이 정확한지 확인하는 것이 필요합니다. 정밀한 혼합을 위해 기계적 교반, 볼밀링 및 기타 방법이 자주 사용됩니다. 성형 방법에는 냉간 등압 성형, 다이 프레싱, 분말 압출 성형, 분말 사출 성형 등이 포함됩니다. 이러한 방법은 복잡한 형상의 부품을 생산할 수 있습니다.
그림 1 텅스텐 합금 블랭크용 분말 야금의 주요 공정
소결 공정은 텅스텐 합금이 필요한 밀도, 강도 및 기타 특성을 달성하도록 보장하는 핵심입니다. 2{1}}단계 소결[4]이 널리 사용됩니다.-소결 전 단계에서는 일반적으로 온도를 1000-1200도에서 제어합니다. 이 온도 범위 내에서 구리, 철과 같은 저-융점-금속은 액체 상태에 도달하고 주변의 텅스텐 분말 입자와 고상확산을 거쳐 텅스텐 합금 분말 입자의 위치를 고정하고 균일하게 채워 블랭크 성형을 달성합니다. 다음은 분말 입자 사이에 고상-상과 액상-상 반응이 발생하여 궁극적으로 치밀한 텅스텐 합금 구조를 형성하는 고온 소결 단계입니다. 소결 온도와 시간의 제어는 제품 성능에 결정적인 역할을 합니다. 소결 시간이 너무 길면 텅스텐 결정 크기가 증가하여 합금의 밀도와 전반적인 성능에 영향을 미칩니다. 온도가 너무 높으면 구리 및 철과 같은 낮은-융점-금속이 휘발되어 합금의 밀도와 기계적 강도가 감소합니다. 소결 온도는 일반적으로 약 1400도에서 제어되며, 저-융점-합금의 산화 및 휘발을 줄이기 위해 일반적으로 예비 소결 및 고온{21}}진공 소결이 진공 또는 불활성 가스 환경에서 수행됩니다. 일반적인 공정은 먼저 형성된 텅스텐 분말 블랭크를 수소 분위기에서 1200도에서 1시간 동안 사전 소성하여 특정 강도와 전도성을 부여한 다음 블랭크 자체 저항에서 발생하는 열을 사용하여 자체 저항 소결을 수행하여 소결을 더욱 촉진하는 것입니다.
2.2 적층 제조 공정
전통적인 분말 야금 방법은 비교적 규칙적인 모양의 블랭크만 생산할 수 있습니다. 복잡한 구조의 텅스텐 합금 부품, 특히 복잡한 공동이 있는 부품의 경우 부품 요구 사항을 최종적으로 충족하려면 블랭크 성형 후에도 여전히 복잡한 가공이 필요합니다. 현재 복잡한 폐쇄형 내부 공동에 대한 효과적인 가공 및 성형 방법이 없어 텅스텐 합금 부품의 설계가 제한됩니다. 적층 제조 기술은 텅스텐 합금 부품의 설계 및 제조를 위한 새로운 솔루션을 제공합니다. 일반적으로 사용되는 금속 적층 제조 기술에는 선택적 레이저 용융(SLM), 레이저 입체 성형(LSF), 전기 아크 적층 제조(WAAM), 분말층 선택적 레이저 용융(L-PBF) 및 레이저 지향성 에너지 증착(L-DED)이 포함됩니다[5, 6]. 텅스텐 합금 부품 제조를 위한 다양한 적층 제조 공정의 장점과 단점을 표 1에 비교했습니다. SLM은 복잡한 형상의 부품을 제조할 수 있지만 표면이 거칠고 층간 잔류 응력이 크며 부품 크기가 제한되는 등의 문제가 있으며 작은 부품을 제조하는 데 적합합니다. LSF는 미세하고 균일하며 치밀한 구조를 얻을 수 있고 재료의 기계적 특성과 내식성을 향상시킬 수 있지만 공정 매개변수가 일치하지 않으면 증착층의 융착 불량과 같은 결함이 발생하기 쉽습니다. WAAM은 성형 속도와 밀도가 높아 대규모 통합 항공우주 구조 부품을 제조하는 데 적합하지만 성형 부품의 표면 품질이 좋지 않습니다. 적층 제조 기술로 제조된 일반적인 텅스텐 합금 부품이 그림 2에 나와 있습니다. 전통적인 분말 야금 방법과 비교하여 적층 가공은 복잡한 텅스텐 합금 부품을 제조하는 데 분명한 이점이 있습니다. 특별한 설계 요구 사항을 충족하기 위해 복잡한 구조와 공동이 있는 부품을 준비할 수 있을 뿐만 아니라 재료의-층별 증착을-실현하고 재료 활용도를 향상하며 비용을 절감할 수 있습니다[7]. 표 1. 다양한 적층 가공 공정으로 제조된 텅스텐 합금 부품의 장점과 단점 비교
a) 산란 방지 그리드-
b) 다공성 부품
그림 2. 적층 제조 기술을 사용하여 제조된 일반적인 텅스텐 합금 부품
2.3 공정 비교 및 선택
분말 야금 및 적층 제조는 현재 텅스텐 합금 부품 블랭크를 제조하는 두 가지 주요 방법이며, 각각 블랭크 준비에 있어 고유한 장점과 단점이 있습니다. 텅스텐 합금 블랭크 준비 공정의 비교는 표 2에 나와 있습니다. 분말 야금은 상대적으로 더 성숙하여 밀도가 더 높은 재료를 생산하고 안정적인 대량 생산에 이점을 제공합니다. 적층 제조는 최근 몇 년간 개발된 새로운 공정으로, 다양한 파생 공정 경로를 갖추고 있으며, 복잡한 공동이 있는 구조 부품을 제조하는 데 장점이 있습니다.
표 2. 텅스텐 합금 블랭크 준비 공정 비교
더 높은 종합적 성능을 추구하기 위해 항공우주, 국방, 원자력 산업, 의료 장비, 전자 제품과 같은 최첨단 분야의 텅스텐 합금 부품은 얇은 벽, 곡면, 다공성 구조 등 전통적인 분말 야금 방법으로는 처리할 수 없는 더 복잡한 구조적 특징을 갖는 경향이 있습니다. 적층 제조를 사용하여 밀도가 높고 결함이 없는- 순수 텅스텐 합금 부품을 직접 생산하는 데에는 여전히 몇 가지 기술적인 어려움이 있습니다. 3D 프린팅과 분말 야금학을 결합한 금속 간접 3D 프린팅 기술인 분말 압출 프린팅(PEP)은 텅스텐 합금 분말을 바인더와 함께 사용합니다. 3D 프린팅 장비를 사용하여 분말을 성형한 다음 분말 야금학 탈지 및 소결을 통해 후처리하여 궁극적으로 고밀도, 고성능{11}}구조 부품을 생성합니다. 이 기술은 텅스텐 합금 가공 및 복잡한 구조 생산의 어려움에 대한 새로운 솔루션을 제공합니다. 낮은-온도 성형 및 높은-온도 설정 특성은 텅스텐 합금의 다른 3D 프린팅 공정에서 쉽게 발생하는 변형, 균열 및 보이드와 같은 문제를 효과적으로 해결합니다.
PART.03
텅스텐 합금 부품 가공
The high density of tungsten alloys results in enormous cutting forces on the cutting tool during machining, requiring the tool material to have high hardness and wear resistance. The tool design also needs to fully consider the distribution and balance of cutting forces. The high hardness of tungsten alloys (typically >40 HRC)은 가공 중 공구 마모율을 크게 가속화하여 가공 정확도와 공구 수명에 영향을 미칩니다. 공구 수명과 가공 효율성은 가공 시 고려해야 할 핵심 요소입니다. 텅스텐 합금은 열전도율이 상대적으로 낮고 절단 중에 발생하는 열은 빠르게 방출되기 어렵습니다. 절삭날은 고온에서 작동하므로 열 응력이 쉽게 발생하여 공구 변형과 마모 증가로 이어집니다[8]. 텅스텐 합금 칩은 입상이므로 칩 제거가 어렵습니다. 이는 절삭 영역에 축적되어 칩 가장자리를 형성하고 가공 부품의 표면 품질에 영향을 미치며 공구 및 공작 기계를 손상시키는 경향이 있습니다. 텅스텐 합금 부품에 대한 절삭 공구와 공정 매개변수의 비교는 표 3에 나와 있습니다. 엔지니어링 실무에서 PCBN 공구는 최선의 선택 중 하나입니다. 절단으로 가공된 일반적인 텅스텐 합금 부품은 그림 3에 나와 있습니다. 표 3 텅스텐 합금 부품의 절삭 공구 및 공정 변수 비교 그림 3 절단으로 가공된 일반적인 텅스텐 합금 부품 PART.04 텅스텐 합금 부품의 연삭 마이크로- 절단 방법인 연삭은 텅스텐 합금과 같은 고-경도 재료 가공에 적합합니다. 연삭 휠 연삭은 그림 4에 나와 있습니다. 연삭 휠은 주로 특정 비율의 연마 입자, 기공 및 바인더로 구성됩니다. 연마 입자는 일반적으로 90도에서 120도 범위의 둔각 특성을 갖습니다. 텅스텐 합금의 연삭 공정에서 생성되는 연삭 재료는 입상입니다. 상대적으로 낮은 점도와 인성으로 인해 칩은 상대적으로 제거하기 쉽고 연삭 휠의 기공을 쉽게 막지 않습니다[9]. 따라서 텅스텐 합금을 연삭할 때 더 큰 기공을 가진 연삭 휠을 사용하여 연삭 효율과 가공 품질을 향상시킬 수 있습니다. 분쇄 영역에서는 분쇄 열이 쉽게 축적되어 분쇄 화상을 입을 수 있습니다. 이 문제를 효과적으로 해결하려면 연삭 공정 중에 발생하는 열을 적시에 제거하고 연삭 영역의 열 변형 및 열 응력을 줄이기 위해 고압 및 고유량 강제 냉각 조치를 채택해야 합니다. 일반적으로 냉각 효과가 최상의 상태에 도달할 수 있도록 수성{30}}유제를 절삭유로 선택합니다. 텅스텐 합금 부품에 대한 연삭 공정 매개변수 선택은 표 4에 나와 있습니다. 그림 4 연삭 휠의 개략도 표 4 텅스텐 합금 부품에 대한 연삭 공정 매개변수 선택 순수 텅스텐 또는 텅스텐-니켈-구리 합금 부품은 자성이 낮습니다. 벽이 얇은-부품의 경우 기존 전자기 척으로는 안정적으로 고정하기가 어렵습니다. 클램핑에는 진공 흡착 장치 [10]를 고려할 수 있습니다. 텅스텐 합금 부품용 진공 흡착 위치 결정 장치는 그림 5에 나와 있습니다. 그림 5. 텅스텐 합금 부품용 진공 흡착 위치 결정 장치의 개략도
PART.05
텅스텐 합금 부품의 와이어 EDM 가공
텅스텐 합금은 융점이 높고 경도가 높으며 코팅 도구, PVD 도구, 세라믹 도구 등{0}}경도가 높은 도구를 사용하여 가공할 수 있습니다. 그러나 이러한 공구는 상당한 마모를 경험하므로 이러한 기존 공구를 사용하여 기공, 좁은 슬릿, 불규칙한 모양의 구멍과 같은 기능을 가공하기가 어렵습니다. 와이어 방전 가공(EDM)은 특수 가공 공정입니다. 기본 원리는 연속적으로 움직이는 미세한 금속 전극 와이어(보통 구리 또는 몰리브덴 와이어)를 사용하여 공작물과 공작물 사이에 펄스 스파크 방전을 생성하는 것입니다. 생성된 온도는 일반적으로 8000-12000도 정도로 높으며, 이는 텅스텐 합금의 표면 재료를 녹이거나 심지어 기화시켜 공작물의 절단을 달성하기에 충분합니다. 전극 와이어와 공작물 사이의 상대적인 움직임으로 인해 전체 절단 공정이 공작물 표면에 원하는 모양을 형성할 수 있습니다. 그림 6은 와이어 EDM을 사용하여 텅스텐 합금 블랭크에 불규칙한 모양의 구멍을 가공하는 모습을 보여줍니다. 와이어 EDM은 텅스텐 합금 부품을 가공하는 데 사용됩니다. 고온은 절단 중에 텅스텐 합금 표면의 결정상에 변화를 일으켜 텅스텐 합금의 고유한 특성을 저하시키는 변형된 층을 초래합니다. 가공 중에 "절단-1-수리-3" 방법을 사용하여 절단 깊이와 펄스 전력 매개변수를 점진적으로 줄여 변형된 층을 복구합니다.
그림 6: 와이어 EDM을 사용하여 텅스텐 합금 블랭크에 불규칙한 구멍 가공
PART.06
결론 이 논문은 정밀 텅스텐 합금 부품의 블랭크 준비, 일반적인 가공 방법 및 가공 어려움을 연구하고 요약합니다. 블랭크 준비에서 분말 야금은 상대적으로 더 성숙하여 밀도가 더 높은 재료를 생산하고 안정적인 대량 생산에 이점을 제공합니다. 최근 몇 년간 개발된 상대적으로 새로운 공정인 적층 제조는 다양한 공정 경로를 창출했으며 복잡한 공동이 있는 구조 부품을 제조하는 데 장점이 있습니다. 절삭 시 PCBN 공구는 공구 수명을 늘리고 공구 마모가 가공 정확도에 미치는 영향을 줄이는 장점이 있습니다. 연삭 기술은 규칙적인 표면을 가공하는 데 유리하며 더 높은 표면 품질을 달성합니다. 구멍 및 홈 형상의 경우 와이어 EDM은 높은 처리 효율성을 제공합니다. 앞서 언급한 블랭크 준비 공정과 절단, 연삭 및 와이어 절단 방법은 정밀 텅스텐 합금 부품의 제조 품질과 생산 효율성을 효과적으로 향상시켜 관련 산업 발전을 위한 기술 지원을 제공할 수 있습니다.
