금속 분말 사출 성형(MIM, Metal Injection Molding)은 플라스틱 산업의 사출 성형 기술과 분말야금 산업의 금속 분말 소결 기술의 장점을 융합한 하이브리드 공법이다. 이 제조 방식은 우수한 정밀도를 갖는 복잡한 형상의 작은 금속 부품을 대량 생산할 수 있다.
바인더
MIM은 가루 형태의 금속 분말에 유동성을 부여하기 위해 유기 바인더(Organic binder)를 첨가하는 혼련(고점성 재료 또는 분말을 액체와 혼합하는 조작)을 하고, 사출성형을 한 후 소결 공정을 거친다. 하지만 사출성형에 도움을 주는 유기 바인더는 소결 단계에서 품질을 저하시키므로 소결 공정 전에 제거할 필요가 있다. 영어 사전에서 binder는 ‘굳게 뭉치거나 엉기게 하는 물질’이란 뜻을 포함하고 있다.
MIM 원료는 바인더 함유량을 최소화하고 유동성, 높은 소결 밀도, 치수 정밀도 확보를 위해 매우 작은 구상(球狀) 분말(수㎛~수십㎛) 형태여야 한다. 이 크기는 분말 성형용 입자(수십㎛~100㎛)보다 작은 것이다. MIM용 원료는 분말 성형용 재료보다 가격이 비싸다. 바인더는 가루 형체에 유동성을 주고, 원료 가루를 단단한 형상으로 유지시켜 준다. 가루 입자 하나 하나에 바인더를 코팅한 후 사출 성형용 펠릿(Pellet) 형태로 최종 원료를 만든다.
성형
사출 성형은 높은 점도의 금속 분말을 사용하기 때문에 스크류와 실린더는 내마모 특성을 충분히 갖추고 있어야 한다. 또한 유동 특성, 열전도율, 재료 강도가 플라스틱과 큰 차이를 보이므로 금형 설계와 사출 성형 조건에는 MIM 특유의 접근법이 요구된다. 사출 성형기에서 나온 성형품은 수십 시간을 가열하는 탈지 공정을 거쳐 바인더를 증발시킨다. 탈지된 성형품을 소결로에 집어넣고 다시 고온으로 가열하여 소결시키면 조직이 치밀해진다. 소결 공정에서 큰 수축이 발생하므로 균일한 밀도를 유지하기 위한 소결 온도 관리가 중요하다.
특징
MIM의 주요 특징은 다음과 같다.
- 사출 성형 공법을 이용한 생산 방식으로 형상 자유도가 크다.
- 고밀도, 고강도 성형품을 얻을 수 있고 기계적 성질이 우수하다.
- 성형품 밀도가 균일해서 치수 정밀도가 우수하다.
- 고융점의 가공이 어려운 금속 재료를 원료로 사용할 수 있다.
- 금속 분말과 혼합하는 바인더의 함량이 많기 때문에 소결 공정에서 30%~40%의 수축이 발생한다.