솔직하게 말하면, 많은 조달 담당자와 심지어 일부 엔지니어조차도 주조 및 분말 야금(PM)을 거의 순 형태의 공정으로 묶어서 하루라고 부릅니다. 그것은 괜찮은 출발점이지만 실제 이야기를 놓치고 있습니다. 선택은 단지 모양에 관한 것이 아닙니다. 그것은 느슨한 더미에서 단단한 부품으로 가는 재료의 여정과 그 여정이 미세 구조, 밀도 및 성능 한계와 같은 영혼에 미치는 영향에 관한 것입니다. 누군가가 정밀 주조를 요구하는 부품에 대해 PM을 요구하거나 그 반대의 경우 프로세스 DNA를 이해하지 못한 채 사양서를 쫓기 때문에 프로젝트가 탈선하는 것을 본 적이 있습니다.
핵심 차이점: 액체 대 고체
이것이 도로의 기본적인 갈림길입니다. 캐스팅 제어된 응고에 관한 것입니다. 재료를 가져다가 액체에 녹인 다음 구멍에 붓습니다. 마법과 두통은 얼어붙을 때 발생합니다. 입자 구조, 수축 다공성, 합금 원소의 분리 등은 모두 액체에서 고체로의 전환을 관리하는 방법에 따라 결정됩니다. 우리 작업장에서 산더미 같은 부품을 가공한 매몰 주조를 통해 고객은 타설 중 난류에 맞서 싸우고 복잡한 세라믹 쉘을 통해 수축을 공급할 수 있습니다. 실시간으로 열역학과 춤을 추는 것입니다.
반면에 분말 야금에서는 액상을 완전히 건너뜁니다(소결은 제쳐두지만 이는 다른 종류의 열입니다). 다이에서 고체 금속 분말을 압축한 다음 가열하여 입자를 융합합니다. 이점은 경이적인 치수 일관성과 특정 텅스텐 복합재처럼 쉽게 녹이거나 주조할 수 없는 합금을 생성할 수 있는 능력입니다. 그러나 아킬레스건에는 다공성이 내재되어 있습니다. 작은 공극 네트워크는 연성 및 피로 수명을 제한합니다. 거의 전체 밀도까지 열간 등압 성형(HIP)할 수 있지만 이제는 단조 비용이 부담스럽습니다. 트레이드오프 게임입니다.
석유 및 가스 부문의 밸브 부품이 생각납니다. 클라이언트의 초기 도면에서는 일부 까다로운 외부 홈에 대한 엄격한 공차를 위해 PM을 지정했습니다. 그러나 부품의 벽이 얇은 부분도 있었고 높은 주기 피로를 견뎌야 했습니다. 우리는 뒤로 물러서서 다음으로 전환할 것을 제안했습니다. 쉘 몰드 주조 코발트 기반 합금을 사용한 다음 중요한 홈을 정밀 CNC 가공합니다. 쉘 몰드는 일반적인 모래 주조보다 더 미세한 표면 마감과 더 많은 등방성 특성을 제공했으며 다공성 문제를 건너뛰는 것은 피로에 대해 타협할 수 없는 문제였습니다. 그들은 둘 다 테스트했습니다. 주조 가공 부품은 피로 테스트에서 PM 프로토타입보다 3배 더 오래 지속되었습니다. 교훈? 공차를 가공할 수 있습니다. 근본적인 물질적 완전성은 종종 그렇게 할 수 없습니다.
물질적 현실: 모든 것이 흐르거나 압축되는 것은 아닙니다.
재료 팔레트는 때로는 무자비하게 프로세스 경로를 결정합니다. 에 QSY, 우리는 일상적으로 연성철부터 인코넬 718과 같은 니켈 기반 초합금까지 모든 것을 쏟아 붓습니다. 이러한 고성능 합금은 유동성이 매우 좋지 않습니다. 그들은 느리고 얇은 부분에서 잘못 실행되기 쉽습니다. 이를 붓는 데는 예열된 금형이 필요하며 종종 진공 또는 압력 지원이 필요합니다. 이들 중 대부분을 분말 형태로 압축하여 사용 가능한 부품을 얻을 수는 없습니다. 합금 원소는 분말 원자화 또는 압축 중에 제대로 작동하지 않습니다.
반대로, PM은 다공성 재료(자기 윤활 베어링을 생각해 보세요)와 내화 금속 통합의 왕입니다. 오일 보유를 위해 일정한 20%의 체적 다공성을 갖는 부품을 주조하는 것은 악몽입니다. 그러나 PM을 사용하면 압축 압력과 소결 주기만 제어할 수 있습니다. 특정 요구에 맞게 우아합니다. 한때 몰리브덴 도가니에 대한 문의가 있었습니다. 몰리브덴 주조? 극도의 녹는점과 산화 경향으로 인해 거의 불가능합니다. PM이 유일하게 실행 가능한 경로였고, 우리 회사 외부에 있었기 때문에 우리는 프로젝트를 거절해야 했습니다. 주조 및 가공 차선. 매장의 한계를 아는 것은 프로세스를 아는 것만큼 중요합니다.
그런 다음 스크랩 이야기가 있습니다. 캐스팅 스프루, 러너, 라이저가 생성됩니다. 때로는 생산량의 무게가 부어진 무게의 절반 미만입니다. 재활용이 가능하지만 재용해 에너지입니다. PM은 거의 97%의 재료 활용도를 자랑합니다. 필요한 파우더만 사용하면 됩니다. 이는 공구강이나 초합금과 같은 고가의 재료에 대한 엄청난 비용 동인입니다. 그러나 그 분말 자체는 잉곳 스톡보다 킬로당 천문학적으로 더 비쌉니다. 경제적 교차점은 재료 비용과 부품 형상을 기반으로 하는 이동 목표입니다.
가공 핸드셰이크: 대부분의 부품이 실제로 정의되는 곳
이것이 바로 거의 그물 모양의 약속이 현실의 숫돌과 만나는 곳입니다. 중요한 인터페이스를 위한 진정한 네트 형태의 주조 또는 PM 부품은 거의 없습니다. 그들은 거의 항상 CNC 가공 마무리. 그리고 그들이 기계를 가공하는 방식은 완전히 다릅니다.
17-4PH 스테인리스의 우수한 품질 매몰 주조에는 밀봉 표면에 스톡이 0.5mm ~ 1mm만 있을 수 있습니다. 예상대로 아름답게 기계가 작동됩니다. 유사한 형상의 PM 부품은 소결 후에도 마모성이 있고 일관성이 없을 수 있습니다. 이러한 미세한 구멍은 절단 도구의 가장자리를 깨뜨리는 작은 빈 공간처럼 작용합니다. 아름다운 치수를 얻을 수 있지만 공구 수명이 급락합니다. 우리는 완전히 다른 이송/속도 프로토콜을 개발해야 했고, 소결 부품과 주조 블랭크 부품에 더 공격적인 절삭유를 사용해야 했습니다. 사후 처리 비용을 조기에 고려하지 않으면 PM의 초기 비용 절감 효과가 사라질 수 있습니다.
그리고 결함에 대해 이야기합시다. 주조 결함(수축 공동, 모래 함유물)은 일반적으로 거시적입니다. PT나 RT로 보실 수 있습니다. PM 결함은 종종 미묘합니다. 즉, 밀도 구배, 소결 대기에서 탄소가 약간 고갈된 영역입니다. 이는 현미경 사진에서만 나타나거나 높은 스트레스 테스트에서 부품이 실패할 수 있습니다. 품질 관리 패러다임은 다릅니다. 중요한 동적 구성 요소의 경우 주물에 대한 방사선 검사를 고집하는 경우가 많지만 PM 부품의 경우 배치 밀도 테스트와 미세 구조 분석을 지정할 수도 있습니다.
비용 방정식: 결코 단순하지 않습니다
툴링은 첫 번째 큰 구분선입니다. 특히 복잡한 투자 주조 금형 쉘 몰드 주조, 비싸요. 왁스 패턴용 금형을 제작하면 각 세라믹 껍질이 소모품이 됩니다. 낮은 볼륨의 경우 잔인합니다. 압축 다이인 PM 툴링은 강화 강철로 제작되어 눈에 띄게 비용이 많이 들 수 있지만 부품을 수만 사이클 동안 펀칭해야 합니다. 손익분기점 규모가 중요합니다. 5000개 미만의 부품을 생산하는 경우 주조 비용이 툴링 비용 측면에서 유리할 때가 많습니다. 50,000이 넘으면 PM은 재료와 퍼포먼스 작업이 제공되면 거부할 수 없는 것처럼 보이기 시작합니다.
하지만 잠깐, 뉘앙스가 있습니다. 부품에 언더컷이 있으면 어떻게 됩니까? 주조 금형의 측면 코어는 관리가 가능합니다. PM 압축 다이의 측면 작용은 복잡하고 부품 배출을 제한하며 툴링 비용을 엄청나게 증가시킵니다. 갑자기 기하학적으로 복잡한 부품의 경우 주조의 부품당 성형 비용이 PM의 천문학적 툴링보다 더 낮을 수 있습니다. 심지어 더 많은 볼륨에서도 마찬가지입니다. 나는 디자인이 단일 언더컷 기능을 조정함에 따라 권장 사항을 세 번 뒤집는 제조 설계 회의에 참석했습니다.
리드타임은 또 다른 조용한 비용입니다. 주형에서 첫 번째 제품까지 주조 공정은 몇 주가 소요될 정도로 상대적으로 빠릅니다. 특히 맞춤형 합금의 경우 올바른 금속 분말을 소싱하는 데 몇 개월이 걸릴 수 있습니다. 지난 몇 년 동안의 공급망 위기 동안 우리는 316L 분말의 잔고가 26주 남았을 때 재용해용 316L 스테인레스 바 스톡을 얻을 수 있었기 때문에 고객을 다시 주조로 유도했습니다. 공급의 신뢰성이 중요합니다.
하이브리드 사고와 미래 전망
가장 흥미로운 발전은 순수 주조나 순수 PM이 아니라 회색 영역에 있습니다. 본질적으로 플라스틱 바인더를 포함하는 PM인 금속 사출 성형(MIM)은 작고 복잡한 인베스트먼트 주조 분야의 점유율을 훔치고 있습니다. 기존 PM보다 더 나은 표면 마감과 디테일을 제공합니다. 다른 한편으로는 인베스트먼트 주조품을 열간 등압 프레스하여 미세 기공을 제거하고 단조된 밀도의 주조 형상을 제공하는 주조-HIP 공정이 있습니다. 우리는 일부 고집적 터빈 구성요소에서 이를 실험했습니다. 니켈 기반 합금. 결과는 인상적이지만 비용은 자동차가 아닌 항공우주 예산에 대한 것입니다.
그 다음에는 바인더 분사 및 기타 적층 제조 기술이 있습니다. 어떤 사람들은 그것을 인접한 PM이라고 부릅니다. 여전히 분말을 융합하고 있지만 다이 없이 층층이 쌓여 있습니다. 툴링 비용으로 인해 프로젝트가 중단되는 일회성 프로토타입 또는 레거시 부품 교체의 경우 이는 게임 체인저입니다. 그러나 수백 개가 넘는 생산량의 경우 속도와 부품당 비용이 여전히 기존 프로세스를 따라잡을 수 없습니다. 아직 대체가 아닌 보완적입니다.
지난 30년을 되돌아보면 하나의 프로세스가 승리하는 것이 추세가 아닙니다. 좀 더 정교한 매칭 게임에 관한 것입니다. 같은 전문가의 역할 칭다오창센위안과기유한회사(QSY) 단순히 제안하는 것이 아니다 쉘 몰드 또는 투자 주조 그리고 기계로 가공. 청사진 단계부터 선택을 안내할 수 있을 만큼 재료-특성-프로세스 삼각형을 깊이 이해하는 것입니다. 때로는 정답이 높은 무결성 주조입니다. 때로는 정밀 PM 부품이기도 합니다. 종종 금속을 붓거나 분말을 압축하기 전에 결정을 내릴 수 있는 것은 어느 것이 아닌지 알고 경험과 과거 실패로 인한 상처를 갖는 것입니다.
