텅스텐 카바이드 단조 및 코어 제조 공정의 타당성 분석

I. 핵심 결론: 전통적인 단조는 실현 불가능하지만 특수 공정은 “단조와 유사한” 공정의 가능성을 제공합니다.

텅스텐 카바이드 (WC)는 텅스텐 기반의 전형적인 핵심 단계로서 초경합금, 는 전통적인 금속 단조 공정(예: 해머 단조, 롤 단조, 압출)으로는 성형할 수 없습니다. 그러나 특정 온도 및 압력 결합 조건에서 분말 야금에서 파생된 “단조와 유사한” 치밀화 기술이 존재하며, 이는 전통적인 단조의 플라스틱 흐름 성형과는 근본적으로 다릅니다.

II. 전통적인 단조의 실현 불가능성의 근간이 되는 재료 과학

텅스텐 카바이드의 결정 구조와 복합 시스템 특성은 기존 단조의 가능성을 근본적으로 제한합니다:

1. 열역학적 제약: WC는 녹는점이 2870℃로 산업용 단조로의 온도 한계(기존 단조 온도 ≤1200℃)를 훨씬 초과합니다. 고온에서도 연화 범위가 뚜렷하지 않아 소성 변형에 필요한 유변학적 상태를 달성할 수 없습니다.

2. 상반된 기계적 특성: 상온에서 WC의 경도는 HRA 89-92.5, 미세 경도는 1800HV 이상이며, 파괴 인성은 10-15 MPa・m¹/²에 불과합니다. 전형적인 “고경도, 저가소성” 세라믹 매트릭스 복합재입니다. 기존의 단조 충격 하중이나 정압은 입계 결합 파손으로 직접 이어져 부서지기 쉬운 파편화를 초래합니다.

3. 미세 구조의 한계: 산업용 WC 제품은 일반적으로 “WC 입자 + 금속 바인더 상” 복합 시스템입니다(바인더 상은 대부분 Co 또는 Ni이며, 함량은 5-15wt%입니다). 바인더상은 WC 입자를 박막으로만 캡슐화하여 연속적인 플라스틱 하중 지지 네트워크를 형성하지 못하고 전체 플라스틱 흐름을 방해합니다.

III. 텅스텐 카바이드의 핵심 제조 공정 (산업 등급 전문 분석)

(I) 주류 프로세스: 분말 야금(전 세계 화장실 제품 생산량의 95% 이상을 차지)

분말 야금은 WC 제품의 표준 제조 경로입니다. 분말 야금의 핵심은 “분말 준비-성형-소결'의 3단계 공정으로, 입자 크기와 밀도를 제어하는 것이 핵심입니다:

1. 분말 준비 단계

직접 합성 방법: 텅스텐 분말(W≥99.9%, 입자 크기 1-5μm)을 카본 블랙/흑연 분말(C≥99.5%)과 W:C=1:1의 원자 비율로 혼합합니다. 1400~1600℃의 수소 분위기에서 탄화열 환원 반응이 일어납니다: W + C → WC, 1차 WC 분말(입자 크기 0.5-3μm)을 생성합니다. 분무 건조 과립화: WC 분말, 볼 밀(볼 대 분말 비율 10:1, 분쇄 시간 24-72시간)에 5-15wt% Co 분말(바인더 상)과 성형제(파라핀 왁스, 폴리비닐 알코올 등)를 첨가한 다음 분무 건조하여 유동성 응집 분말(입자 크기 50-200μm)을 형성합니다.

1. 성형 단계

냉간 등방성 프레스(CIP): 응집된 분말을 탄성 금형에 넣고 150-300MPa의 압력으로 등방성 프레스하여 복잡한 모양의 제품(예: 칼, 금형)에 적합한 60-70%의 상대 밀도를 가진 녹색 몸체를 얻습니다.

압축 성형: 강철 금형을 사용하여 100-200MPa의 압력으로 단방향으로 프레스하며, 간단한 모양(예: 라이너, 치과용 드릴 비트)에 적합합니다. 소결 균열을 방지하기 위해 프레스 밀도의 균일성을 제어해야 합니다.

1. 소결 단계

진공 소결: 1350-1500℃, 진공도 ≤10-³Pa에서 1-4시간 동안 가열하여 고체 소결(WC 입자 표면의 확산)과 액상 소결(Co 기반 바인더 상 용융, WC 입자 습윤 및 캡슐화, 기공 충전)로 나누어 궁극적으로 상대 밀도 ≥99%의 제품을 얻습니다.

저압 소결(LPS): 소결 후기 단계에서 0.5-5MPa의 아르곤 가스를 도입하여 WC 입자의 비정상적인 성장을 억제하고 폐쇄된 기공을 제거하여 밀도를 99.5% 이상으로 높이고 파단 인성을 10-15%까지 향상시킵니다.

(II) 최첨단 “단조와 같은” 고밀도화 기술(특히 하이엔드 화장실 제품에 적용)

이 기술은 기존 단조의 소성 변형을 “고온 + 동적 압력'으로 대체하여 입자를 정련하고 밀도를 높이는 것이 핵심 목표입니다:

1. 진동 압력 보조 소결 단조(OPASF)

공정 원리: 사전 소결된 블랭크(상대 밀도 70-85%)를 흑연 주형에 넣고 1200-1400℃에서 주기적으로 진동하는 압력(진폭 5-20 MPa, 주파수 10-50 Hz)을 가합니다. 압력 파는 입자 재배열과 계면 결합을 촉진합니다.

기술적 이점: 초미세 입자 구조(WC 입자 크기 250-500nm), 99.6%의 상대 밀도, 5-8%의 경도 증가, 18-22 MPa・m¹/²의 파괴 인성을 달성할 수 있습니다. 이 소재는 항공 엔진 블레이드 인서트와 고급 절삭 공구에 적용되었습니다.

1. 열간 등방성 프레싱(HIP)

공정 파라미터: 1300-1450℃, 100-200MPa 아르곤 압력에서 2-4시간 동안 유지하며 고온, 고압 등압 프레스 환경을 활용하여 소결 결함(미세 다공성 및 균열 등)을 제거합니다.

적용 분야: WC-Co 군용 제품(예: 장갑 관통 발사체 코어) 및 고정밀 금형에 사용되어 피로 강도를 30% 이상 증가시킵니다.

2. 스파크 플라즈마 소결(SPS)

공정 특성: 펄스 전류(가열 속도 100-500℃/min)에 의해 생성된 줄 가열을 통해 800-1200℃ 및 50-150MPa 압력에서 3-10분 동안 유지하면서 급속 가열하여 빠른 치밀화를 달성합니다.

핵심 이점: 소결 시간을 대폭 단축하고, WC 입자 성장을 억제하며(입자 크기 ≤ 1μm), 기존 소결의 1/3 에너지만 소비합니다. 나노 결정 WC 제품 및 WC-TiC-TaC 다원소 합금에 적합합니다.

(III) 기타 특수 제조 공정

1. 화학 기상 증착(CVD): 증착 화장실 코팅 (1-10μm 두께)를 기체상 반응(예: WF₆ + CH₄ + H₂ → WC + HF)을 통해 기판 표면에 형성하여 절삭 공구 및 베어링의 표면 강화에 사용됩니다.

2. 선택적 레이저 용융(SLM): 레이저 빔을 사용하여 WC-Co 분말을 선택적으로 용융하고 성형합니다. 복잡한 맞춤형 부품(예: 마이크로 몰드, 의료용 임플란트)에 적합하지만 균열 제어 및 밀도 문제를 해결해야 합니다.

IV. 프로세스 선택 및 애플리케이션 시나리오 매칭

제조 프로세스	밀도	입자 크기	생산 비용	일반적인 애플리케이션
진공 소결	≥99%	1-5μm	낮음	범용 절삭 공구, 내마모성 라이너
저압 소결	≥99.5%	0.8-3μm	Medium	정밀 금형, 엔지니어링 기계 부품
열간 등방성 프레싱(HIP)	≥99.8%	1-4μm	높음	군사 제품, 항공우주 부품
진동 압력 소결	≥99.6%	0.25-1μm	중간-높음	고급 절삭 공구, 내마모성 인서트
스파크 플라즈마 소결(SPS)	≥99.7%	0.5-2μm	높음	나노 결정 제품, 특수 합금

V. 요약

1. 텅스텐 카바이드는 경도가 높고 가소성이 낮으며 융점이 높기 때문에 전통적인 단조 공정에는 전혀 적합하지 않습니다. 충격이나 정압을 통해 소성 변형을 시도하면 제품이 파손될 수 있습니다.

2. 산업적으로 분말 야금은 비용과 대량 생산 모두에서 이점을 제공하는 핵심 제조 기술입니다. 하이엔드 애플리케이션의 경우, 진동 압력 소결과 같은 “단조와 유사한” 치밀화 기술과 열간 등방성 프레스 를 사용하여 성능을 업그레이드할 수 있습니다.

3. 범용 내마모성 부품에는 진공 소결, 정밀 하중 베어링 부품에는 저압 소결 또는 열간 등방성 프레스, 초고성능 부품에는 스파크 플라즈마 소결 또는 진동 압력 소결을 사용하는 등 애플리케이션 수요에 따른 공정 선택이 이루어져야 합니다.

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