텅스텐 카바이드 코발트 합금(WC-Co)은 세계에서 가장 단단하고 가치 있는 공학 재료 중 하나입니다. 드릴 비트부터 커팅 공구까지, 이 시멘트 카바이드는 모든 제조 산업의 중추 역할을 합니다. 그러나 이를 가공하는 것은 항상 비용이 많이 들고 낭비가 심한 문제였습니다. 이제 일본 히로시마 대학의 연구팀이 고품질 텅스텐 카바이드 부품을 3D 프린팅하는 방법을 찾아내어, 마모 방지 공구 제조 방식을 근본적으로 바꿀 수 있는 가능성을 열었습니다.

텅스텐 카바이드가 중요한 이유

WC-Co 시멘트 카바이드는 현대 제조업 어디에서나 찾아볼 수 있습니다. 그 놀라운 경도는 코발트로 결합된 미세한 텅스텐 카바이드 입자에서 나옵니다. 전통적인 생산 방식은 극한의 압력으로 분말을 압축한 다음 대형 소결로에서 가열합니다. 효과적이긴 하지만, 이 방식은 비싼 원자재를 대량으로 소비하며 복잡한 형상을 만드는 데 한계가 있습니다.

텅스텐과 코발트는 모두 글로벌 공급이 제한된 핵심 광물입니다. 중국이 전 세계 텅스텐 생산의 약 80%를 통제하고 있어, 공급망 회복력이 전 세계 제조업체들의 커다란 관심사가 되고 있습니다. 재료 낭비를 줄이는 어떤 기술이든 비용 절감과 지정학적 리스크 완화에 직접적으로 기여합니다.

돌파구: 레이저+핫와이어 3D 프린팅

히로시마 대학의 마루모토 케이타 조교수를 필두로 한 연구팀은 완전히 다른 접근법을 취했습니다. 기공과 불순물을 유발하는 금속 분말 대신, 이미 올바른 내부 구조를 갖춘 소결된 WC-Co 고체 로드를 레이저 기반 적층 제조 시스템에 공급했습니다. 이 로드는 이미 올바른 구조를 갖추고 있어 분말 기반 방식의 많은 결함을 근본적으로 제거했습니다.

이 공정은 고출력 레이저와 핫와이어 시스템을 결합합니다. 전류가 카바이드 로드가 레이저 구역에 도달하기 전에 예열하여 필요한 레이저 에너지를 줄이고 재료의 열 손상을 제한합니다. 이 “완전히 녹이지 않고 부드럽게 하는” 기술이 핵심 혁신으로 입증되었습니다.

초기 실험에서는 문제가 발생했습니다. 한 레이저 전략은 로드 상부에 기공과 균열을 발생시켜 카바이드가 그래핀 등 약한 형태로 분해되었습니다. 두 번째 전략은 화학 분해를 줄였지만 강철 기지에서 철 오염이 침투하여 재료가 연화되었습니다.

니켈 기반 합금 버퍼 레이어 해결책

돌파구는 연구자들이 강철 기지와 카바이드 침전층 사이에 얇은 니켈 기반 합금 레이어를 추가했을 때 찾아졌습니다. 이 버퍼 레이어는 두 가지 핵심 기능을 수행했습니다: 강철로의 열 전달을 제한하고, 철 원자가 상층의 카바이드로 이동하는 것을 차단했습니다.

최적화 이후 공정은 안정적으로 변화했습니다. 카바이드 로드가 분해되지 않고 부드러워졌습니다. 현미경 분석 결과 카바이드 입자가 미세하게 유지되고 구조가 원래 로드에 가까운 것으로 확인되었습니다. 가장 중요한 것은 표면 근처 경도가 약 1400 HV(비커스 경도)에 달해, 사파이어와 다이아몬드 다음가는 가장 단단한 산업 재료 중 하나로 자리매김한 것입니다.

“시멘트 카바이드는 커팅 공구 날과 같은 응용 분야에 사용되는 초경질 재료이지만, 텅스텐과 코발트와 같은 매우 비싼 원자재로 만들어지기 때문에 재료 사용량 절감이 매우 바람직합니다. 적층 제조를 사용하면 카바이드가 필요한 곳에만 침전되어 재료 소비를 줄일 수 있습니다.” — 마루모토

산업에 대한 의미

이 연구 성과는 여러 분야에서 중요한 의미를 가집니다:

• 공구 제조 — 대형 카바이드 블록에서 공구를 가공하는 대신, 절삭날에만 카바이드를 프린팅하여 재료를 절약하고 비용을 줄일 수 있습니다.
• 내마모 부품 — 광업, 건설, 석유·가스 산업이 의존하는 카바이드 팁 부품은 수요 기반 생산과 최소화된 낭비로 혜택을 받을 수 있습니다.
• 다중 재료 부품 — 인성 있는 기재 위에 카바이드를 침전하는 능력은 경도와 구조적 유연성을 동시에 갖춘 부품의 새로운 가능성을 열어줍니다.
• 공급망 회복력 — 부품당 텅스텐과 코발트 소비를 줄이면 제한된 광물 자원에 대한 의존도가 낮아집니다.

이 연구의 영향은 텅스텐 카바이드를 훨씬 넘어섭니다. 마루모토는 “금속 재료를 완전히 녹이지 않고 부드럽게 하는 접근법은 신선하며, 이번 연구의 초점이었던 시멘트 카바이드뿐만 아니라 다른 재료에도 적용될 가능성이 있습니다”라고 말했습니다.

남은 과제

연구팀은 일부 프린팅 시작 단계에서 균열 문제가 여전히 존재하며, 이는 열응력 때문일 수 있다고 인정합니다. 초기 레이어의 열 제어를 개선하면 이 문제가 해결될 것으로 보고 있습니다. 향후 더 복잡한 형상과 추가적인 재료 조합을 탐구할 계획입니다.

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결론

히로시마 대학의 이 성과는 텅스텐 카바이드 적층 제조의 상용화를 향한 중요한 한 걸음입니다. 분해, 오염, 구조적 무결성의 오랜 과제를 해결함으로써, 이 연구는 세계에서 가장 단단한 산업 재료를 보다 지속 가능하고 비용 효율적으로 생산할 수 있는 길을 열었습니다. 기술이 성숙함에 따라, 향후 몇 년 내에 3D 프린팅된 텅스텐 카바이드 공구와 부품이 주류 제조에 진입하는 것을 기대할 수 있습니다.

출처: The Brighter Side, ScienceDaily, TechSpot