과학자들이 지구상에서 가장 단단한 금속 중 하나를 3D 프린터로 만들어냈습니다.

새로운 레이저 기반 3D 프린팅 방식은 폐기물을 줄이고 비용을 낮추면서 초경질 절삭 공구를 제작할 수 있게 해줍니다. (사진 제공: Shutterstock)

텅스텐 카바이드-코발트(WC-Co)는 강한 마모, 압력 및 반복 사용에 견딜 수 있어 가치가 높습니다. 이러한 탁월한 경도 덕분에 산업용 공구에 이상적이지만, 제조 과정에서 상당한 어려움을 야기하기도 합니다. 이 소재는 성형이 어렵고 생산 비용이 많이 들며, 최종 완제품에 사용되는 양보다 원자재가 더 많이 필요한 경우가 많습니다.

연구진은 적층 제조(AM, 흔히 3D 프린팅이라고도 함) 방식을 이용해 WC-Co 초경합금을 제조하는 새로운 방법을 시험했습니다. 이 접근 방식은 재료의 유용성을 높이는 강도와 경도를 유지하면서 폐기물과 생산 비용을 줄일 수 있을 것으로 기대됩니다.

해당 연구는 국제 내화 금속 및 경질 재료 저널(International Journal of Refractory Metals and Hard Materials)에 게재되었습니다.

텅스텐 카바이드가 그토록 가치 있는 이유는 무엇일까요?

WC-Co 초경합금은 절삭 공구, 드릴, 가공 장비 및 건설 공구를 포함하여 극도의 경도와 내마모성이 요구되는 분야에 널리 사용됩니다. 이 소재는 경도를 제공하는 텅스텐 카바이드와 카바이드 입자를 결합시키는 금속 결합제 역할을 하는 코발트를 결합하여 만들어집니다.

제조업체들은 현재 주로 분말 야금법을 통해 이러한 소재를 생산합니다. 이 공정에서 미세한 WC 및 Co 분말은 고압으로 압축된 후 소결기에서 가열됩니다. 소결은 모든 구성 요소를 완전히 녹일 필요 없이 고온에서 입자들을 결합시키는 과정입니다.

이 방법은 내구성이 매우 뛰어난 부품을 생산하지만 단점도 있습니다. 텅스텐과 코발트는 고가의 원자재이며, 기존 생산 방식은 많은 양의 재료를 사용하는 반면 수율은 상대적으로 낮습니다. 따라서 폐기물을 줄이는 것이 특히 중요합니다.

연구진은 적층 제조 방식이 보다 효율적인 대안이 될 수 있는지 탐구했습니다. 재료를 깎아내거나 금형을 채워 부품을 만드는 기존 방식과 달리, 적층 제조 방식은 필요한 부분에만 재료를 쌓아 올려 물체를 제작합니다.

레이저와 가열 와이어를 이용하여 초경합금을 제작합니다.

연구팀은 레이저 빔과 예열된 용접봉을 결합하는 공정인 열선 레이저 조사(레이저 열선 용접이라고도 함)를 사용했습니다. 용접봉이 작업 표면에 도달하기 전에 가열하면 재료를 더 빠르고 효율적으로 추가할 수 있습니다. 이를 통해 증착 속도(용접 금속이 추가되는 양)를 높이는 동시에 레이저에서 필요한 에너지 양을 줄일 수 있습니다.

연구진은 두 가지 제작 방식을 테스트했습니다.

첫 번째 방법에서는 레이저를 초경합금 막대의 윗면에 조사했는데, 이 막대는 재료가 만들어지는 방향보다 앞에 위치했습니다. 두 번째 방법에서는 레이저가 공정을 주도하며 초경합금 막대 아랫면과 모재(철) 사이 영역에 레이저를 조사했습니다.

두 방법 모두 금속을 완전히 녹이는 대신, 시멘트 카바이드가 형성되고 석출될 수 있을 정도로만 연화시켰습니다. 이러한 차이점은 중요한데, 텅스텐 카바이드를 완전히 녹이면 내부 구조가 변형되어 그 가치를 높이는 특성이 저하될 수 있기 때문입니다.

"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 등급의 ​​탄화물 구현

실험 결과, 이 방법은 기존 방식으로 제조된 WC-Co 초경합금의 경도와 기계적 강도를 유지할 수 있는 것으로 나타났습니다. 연구진은 결함이나 분해 없이 1400 HV(침투 저항을 나타내는 단위) 이상의 경도를 가진 기본 재료를 생산했습니다.

HV 측정값은 비커스 경도를 나타내며, 단단한 끝으로 눌렀을 때 재료가 얼마나 강하게 눌리는지를 평가하는 시험입니다. 1400 HV 이상의 값은 생성된 탄화물이 사파이어나 다이아몬드와 같은 초경질 물질 바로 아래, 산업계에서 일반적으로 사용되는 가장 단단한 재료에 속함을 의미합니다.

이번 연구 결과는 적층 제조 방식을 통해 주요 결함 없이 초경합금 주형을 생산할 수 있음을 시사하지만, 제작 방식에 따라 결과는 다소 차이가 있었다.

막대를 이용한 접합 방식은 제조된 구조물의 상부에서 일부 백금(WC)이 분해되어 최종 재료에 결함을 발생시켰습니다. 레이저를 이용한 접합 방식은 이러한 문제 중 일부를 피할 수 있었지만, 초기에는 요구되는 경도를 유지하는 데 어려움을 겪었습니다.

연구진은 니켈 합금 기반의 중간층을 추가하여 이 문제를 해결했습니다. 또한 코발트의 융점보다 높지만 결정립 성장 온도보다 낮은 온도를 유지하도록 온도를 세심하게 제어하고 모니터링했습니다. 결정립 성장은 재료 내부의 미세한 결정이 커지는 현상으로, 재료의 경도와 기계적 성능을 변화시킬 수 있습니다.

이러한 조정을 통해 연구팀은 경도를 희생하지 않고 적층 제조 방식으로 초경합금을 성공적으로 생산했습니다.

극도로 단단한 소재를 성형하기 위한 새로운 전략

이번 연구 결과는 향후 개발을 위한 토대를 마련했지만, 해결해야 할 과제가 여러 가지 남아 있습니다. 연구진은 균열 발생을 줄이고, 내구성을 향상시키며, 더욱 복잡한 형태를 제조하는 방법을 규명하고자 합니다.

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

향후 연구는 실용적인 절삭 공구를 제작하고, 추가 재료를 사용하여 공정을 테스트하며, 완성된 부품의 내구성을 더욱 향상시키는 방법을 찾는 데 집중할 것입니다.

이 기술이 대규모 생산에 적합하도록 개선된다면, 생산자들은 값비싼 초경합금을 필요한 부분에만 사용할 수 있게 될 것입니다. 이는 산업용으로 요구되는 극한의 경도를 유지하면서도 첨단 공구의 낭비를 줄이고 경제성을 높일 수 있게 해줄 것입니다.

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/2026/08/260801094053.htm