과학자들이 지구상에서 가장 단단한 금속 중 하나를 3D 프린터로 제작하는 방법을 발견했습니다.

새로운 3D 프린팅 방식이 초경질 텅스텐 카바이드 공구 제조 방식을 혁신적으로 바꿀 수 있을 것으로 보입니다. 연구진은 금속을 녹이는 대신 열선 레이저로 연화시켜 결함 없는 카바이드를 생산하는 동시에 값비싼 재료 낭비를 줄였습니다. (사진 제공: Shutterstock)

텅스텐 카바이드-코발트(WC-Co)는 극도로 단단한 경도로 널리 사용되지만, 이러한 강도 때문에 성형 및 제조가 매우 어렵습니다. 현재의 생산 방식은 값비싼 재료를 대량으로 소비하는 반면 생산량은 상대적으로 적습니다. 따라서 연구자들은 이러한 매우 강한 소재를 보다 효율적이고 경제적으로 생산하는 방법을 모색해 왔습니다.

WC-Co 초경합금은 절삭 공구 및 건설 공구를 포함하여 강력한 내마모성과 높은 경도가 요구되는 응용 분야에 필수적입니다. 전통적으로 이러한 소재는 분말 야금법으로 생산됩니다. 이 공정에서는 WC와 Co 분말을 고압으로 압축하고 소결기에서 가열하여 고체 초경합금을 형성합니다. 이 방법은 매우 내구성이 뛰어난 최종 제품을 생산하지만, 고가의 원자재를 대량으로 사용하고 수율이 비효율적입니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구진은 적층 제조(AM, 흔히 3D 프린팅이라고도 함)를 활용한 새로운 접근 방식을 연구했습니다. 또한, 열선 레이저 조사라는 기술도 적용했습니다. 이러한 방법들을 통해 재료 낭비와 생산 비용을 줄이면서도 강도와 내구성을 유지하는 초경합금을 만들고자 했습니다.

이번 연구 결과는 국제 내화 금속 및 경질 재료 저널(International Journal of Refractory Metals and Hard Materials) 에 게재되었으며 , 해당 저널의 2026년 4월호 인쇄판에 실릴 예정입니다.

레이저 기반 적층 제조 방식

본 연구는 열선 레이저 조사 방식을 이용한 적층 제조를 조사하고 두 가지 서로 다른 제조 전략을 테스트했습니다. 열선 레이저 조사(레이저 열선 용접이라고도 함)는 레이저 빔과 가열된 용접봉을 결합하는 방식입니다. 이러한 결합은 증착 속도(용접 금속이 첨가되는 양)를 증가시키고 전반적인 제조 효율을 향상시킵니다.

한 가지 실험적 접근 방식에서는 초경합금 막대가 제작 방향을 주도하고 레이저가 막대 상단에 직접 조사됩니다. 두 번째 접근 방식에서는 레이저가 공정을 주도하며 초경합금 막대 하단과 모재(철) 사이에 에너지를 전달합니다. 두 기술 모두에서 재료는 완전히 용융되어 초경합금 구조를 형성하는 것이 아니라 제작 과정에서 연화됩니다.

"초경합금은 절삭 공구 날이나 유사한 용도에 사용되는 매우 단단한 소재이지만, 텅스텐이나 코발트와 같은 매우 고가의 원료로 만들어지기 때문에 재료 사용량을 줄이는 것이 매우 중요합니다. 적층 제조 방식을 사용하면 필요한 부분에만 초경합금을 적층할 수 있어 재료 소비를 줄일 수 있습니다."라고 히로시마대학교 첨단과학기술대학원 마루모토 케이타 조교수는 말했습니다.

결함 없는 산업용 경도 구현

실험 결과, 이러한 적층 제조 전략은 기존 제조 방식에서 일반적으로 얻을 수 있는 경도와 기계적 강도를 유지할 수 있는 것으로 나타났습니다. 결과적으로 얻어진 재료는 결함이나 재료 파손 없이 1400 HV(침투 저항을 나타내는 단위) 이상의 경도에 도달했습니다.

이 정도 경도를 가진 재료는 산업 분야에서 사용되는 가장 단단한 재료 중 하나이며, 사파이어나 다이아몬드와 같은 초경질 재료 바로 아래에 해당합니다. 이 접근 방식을 통해 결함 없는 초경합금 주형을 생산하는 것이 가능해 보였으며, 이것이 본 연구의 주요 목표였습니다. 그러나 결과는 사용된 제작 방법에 따라 달라졌습니다.

예를 들어, 막대를 이용한 리딩 기법은 제작물의 상단 부분에서 워터콤(WC)의 분해를 초래하여 완성품에 결함을 발생시켰습니다. 레이저를 이용한 리딩 방식 또한 성공에 필요한 경도를 유지하는 데 어려움을 겪었습니다.

연구진은 니켈 합금 기반의 중간층을 도입하여 이러한 문제들을 해결했습니다. 코발트의 융점보다 높고 결정립 성장 온도보다 낮은 온도 조건을 세심하게 제어함으로써, 재료의 경도를 유지하면서 적층 제조 방식을 이용하여 초경합금을 생산할 수 있었습니다.

향후 개선 사항 및 응용 분야

이번 결과는 향후 개발을 위한 유망한 출발점을 제공합니다. 향후 연구에서는 제작 과정 중 균열 발생을 줄이고 더욱 복잡한 형태를 구현할 수 있도록 하는 데 중점을 둘 것입니다.

"금속 재료를 완전히 녹이는 대신 연화시켜 성형하는 방식은 참신하며, 이번 연구의 초점이었던 초경합금뿐만 아니라 다른 재료에도 적용될 가능성이 있다"고 마루모토는 말했다.

향후 연구진은 절삭 공구를 제작하고, 다른 재료의 사용을 조사하며, 이 기술로 제작된 부품의 내구성을 향상시키는 방법을 계속 연구할 계획입니다.

히로시마 대학 첨단 과학 기술 대학원의 마루모토 케이타(Keita Marumoto)와 야마모토 모토미치(Motichi Yamamoto), 미쓰비시 재료 초경공사(Mitsubishi Materials Hardmetal Corporation)의 아베 타카시, 나가모리 케이고, 이치카와 히로시, 니시야마 아키오가 이 연구에 기여했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/03/260313002642.htm