Heraeus, 무정형 금속의 무질서한 구조가 또 다른 장점을 제공한다.

금속성 유리나 무정형 금속의 무질서한 구조를 통해 지금까지 불가능했던 특성 조합이 가능하다. 금속성 유리나 무정형 금속을 사출 성형 재료로 사용하면 비용과 시간을 절감할 수 있다.

수잔네 징크그라프(Susanne Zinckgraf): Engel사 홍보 매니저

무정형 금속은 흥미로운 재료에 속한다. 무정형 금속은 내부의 무질서한(무정형) 구조로 인해 최종 제품에 일반적으로는 불가능한 특성을 부여할 수 있다. 즉, 강도와 경도, 연성이 동시에 높은 것을 의미한다. 무정형 금속의 밀도는 다른 금속보다 낮아 최종적으로 부품의 무게가 줄어드는 장점도 있다. 무정형 금속 제조와 가공 과정에서 용융물 원자가 경화 시에 일정한 모양이 없는 정렬을 유지하는데, 이는 전적으로 100 K/s를 넘는 매우 높은 냉각 속도에서 발생한다.

무정형 금속의 경도 값은 다른 재료와 달리 전체 재료에서 동일하게 나타난다.

Heraeus는 이런 재료를 전문적으로 다루는 제조 업체이다. 이 업체는 무정형 금속을 용융하고 성형하여 적층 가공과 사출 성형에 이용한다. 이 업체의 최신 개발 제품에는 지르코늄 베이스 Amloy 합금과 구리 베이스 Amloy 합금이 있다. 이 재료 시리즈는 사출 성형을 통해 제조 단가를 낮추고 폭넓은 스펙트럼을 제공하는 장점이 있다.

Amloy는 ISO 10993-5에 의거하여 생체에 사용하기에 적합하고, 480 ~ 580 HV5의 경도, 강도, 1.6Gpa 유연성, 부식 거동, 표면 특성 면에서 티타늄, 스테인리스 스틸, 경화 스테인리스 스틸과 같은 표준 재료를 압도한다. 다른 재료들과 달리 무정형 금속의 경도 값은 표면에서 안쪽으로 감소하는 대신 재료 몸체 전체에서 일정하다. Amloy의 이러한 특성을 이용하여 기어휠, 기어 부품, 나사 시스템, 항공우주 산업의 구동 샤프트와 같이 높은 신뢰도, 낮은 마모도, 흠집 저항성, 재생 가능성을 요구하는 까다로운 적용 사례와 기계적으로 부하가 매우 큰 구성 요소를 제작할 수 있다.

사출 성형에서 무정형 금속

Heraeus는 Amloy를 사출 성형에 적합하도록 최적화하였다. 기계 제조사 Engel도 자사 유압식 사출 성형 기계 Victory 120을 개선하였다. 이 기계는 사출 면에서 기존의 사출 성형 기계와 차이가 있다. Engel은 블랭크의 균일한 가열에 중점을 두었다. 한 번의 작업 단계로 블랭크에서 60 ~ 120초 만에 80g으로 그리고 60g이나 100g으로 하나 또는 다수의 사용 가능한 부품이 크기와 형상에 따라 만들어진다. 이 부품의 표면 거칠기 Ra는 0.05μmfh 후처리가 필요 없다. 주얼리 산업의 눈에 띄는 제품이나 거울 같은 표면 조도가 필요한 의료 기기와 같은 최종 제품에 적합할 수 있다.

Amloy 재료 강도는 열처리된 스테인리스강 420 보다 두 배 높다.

 사출 성형 시 무정형 금속은 용융되어 액체 상태로 몰드에 주입되고, 그 몰드 안에서 서서히 경화된다. MIM(Metal Injection Molding)에서는 금속-플라스틱 분말이 가공된다. 플라스틱 제거를 위한 탈지와 소결 같은 추가의 작업이 필요하다. 또한 사출 성형 시 Amloy을 냉각할 때에 수축률이 0.5%미만이라 MIM 공법에서 강과 티타늄보다 훨씬 낮아 재현성을 높인다. 무정형 금속의 사출 성형은 MIM와 같은 종래의 금속 사출 성형이나 시간 집약적인 CNC와 같은 금속 가공법에 비해 몇 가지 장점을 지닌다. 먼저 폐기물이 상당부분 줄어든다.

재료 조합과 동적으로 제어되는 주입 절차에서 용융물의 전자동 제조 프로세스로 인해 무정형 금속의 사출 성형을 위한 사이클 타임이 최대 70%까지 줄어든다. 필요한 가열 성능도 40 ~ 60% 정도 줄어 무정형 금속 사출 성형 시 비용 효율성을 높인다. Engel이 개발한 사출 성형기는 기본적으로 1,000mm/s의 사출 속도를 달성하며, 이를 통해 Amloy의 뛰어난 재료 강도를 완전히 활용하는 0.6 ~ 5mm의 벽 두께를 실현할 수 있다.

제조 공정 전에 시뮬레이션을 통해 시간과 비용을 절감할 수도 있다. Heraeus는 사출 성형 시 무정형 금속의 흐름 거동을 시뮬레이션하고, 해당 제조법이 특정 부품에 적합한지 그리고 부품 및 사출 공구 디자인을 어떻게 최적화할 수 있는지 분석한다.

티타늄, 백금, 팔라듐 합금 개발 중

Amloy 합금은 자동차, 항공우주, 의료 기술, 제조 산업, 라이프스타일 및 전자 장치 영역에서 기계적으로 부하를 많이 받는 정밀 부품과 고급 장식 요소에 적합하다. Amloy 합금은 이러한 적용 사례에서 강, 티타늄 또는 사출 성형 가공 후 추가의 작업 단계에서 크롬 도금하는 기술적 플라스틱을 대체한다. 모든 Amloy 재료와 사출 성형기는 라이선스 없이 제공된다.

현재 Heraeus는 티타늄, 팔라듐, 백금을 베이스로 하는 추가의 Amloy 합금을 연구하고 있다. 티타늄을 이용하면 Amloy 소재의 부품이 더욱 가벼워지고, 항공우주 산업의 적용 사례에 또 다른 이점을 제공한다. 또한 티타늄은 고관절, 임플란트, 동적 나사 시스템 또는 심박 조정기, 펌프 시스템 등을 위한 의료 구성 요소를 위한 재료로 인정받고 있다. 백금 기반 Amloy 합금은 주얼리 산업에서 관심이 높다. 순수한 백금은 경고가 약하기 때문에 무정형 합금은 백금의 저항성을 높인다. 팔라듐은 지르코늄 베이스 합금의 연성을 더욱 높아 쉽게 성형할 수 있고, 더 쉽게 압연할 수 있다. 현재 팔라듐 비율은 5%이다. 목표는 이 비율을 낮추고 무정형 구조를 형성하는 능력을 높이는 것이다.

MM 용어

무정형 금속

무정형 금속은 금속 합금의 동결된 용융물이다. 무정형 금속의 원자 분포는 무질서하며, 유리와 유사하게 결정체 구조가 없어 금속성 유리라고도 부른다. 고체 상태에서 무정형(무질서한) 구조가 이 재료를 극도로 단단하게 동시에 매우 유연하게 만든다. 따라서 무정형 금속은 매우 우수한 복원 거동을 지니며, 내부식성과 충격 흡수성이 탁월하다. 이러한 특성을 지니고 있기 때문에 무정형 금속은 강이나 티타늄을 능가한다. 사용 영역으로는 파손에 강하고 가벼운 스마트폰 케이스나 수명이 긴 외과용 메스, 최소 침습 기구, 이동성 영역의 안정적인 스프링, 내마모성 구동 부품, 내마모성 시계 부품, 골프채, 스키, 스노우보드 등이다.