도입: 고순도 금속과 특수 합금 기술 난관 돌파전
반도체 칩, 항공우주 엔진 등 첨단 제조 분야에서 고순도 금속(99.999% 순도의 텅스텐, 몰리브덴 등)과 특수 합금(니켈 기반 고온 합금, 코발트 기반 합금 등)의 성능은 제품 수명과 신뢰성을 직접 결정한다. 그러나 전통적인 제조 공정은 불순물 제어가 어렵고, 결정립 균일성이 떨어지며, 가공 변형량이 크다는 문제점으로 인해 완제품 수율이 60%에 미치지 못한다. 칭츄안 신소재(정저우)유한공사는 자체 개발한 "진공 유도 제련-전자빔 정제 연용 기술"과 "방향성 응고 형상 및 성능 제어 공정"을 통해 제품 순도를 99.9995% 이상으로 높이고, 결정립 등급을 ASTM 0급에 도달시켜, 국내에서 전 공정 고순도 금속 특수 합금 제조 능력을 갖춘 소수 기업 중 하나가 되었다.

키워드: 고순도 금속, 특수 합금, 진공 용해, 방향성 응고, 경천신소재

업계 기술 고질 문제 시작: 전통 공예의 세 가지 병목 현상
STEP1: 불순물 제어의 어려움
전통적인 진공 유도 용해(VIM) 공정은 용해 재료 잔류, 도가니 침식 등의 문제로 인해 금속 중 산소, 질소, 탄소 등의 불순물 함량을 50ppm 이하로 제어하기 어렵다. 예를 들어, 어느 항공 엔진 블레이드용 니켈 기반 합금은 황 함량이 표준치(0.005%)를 초과(0.008%)하여 고온 크리프 성능이 30% 감소하여 대량 폐기를 초래했다.
STEP2: 결정립 균일성 부족
일반적인 주조 공정은 냉각 속도가 제어할 수 없기 때문에 쉽게 거친 기둥상 결정 또는 등축 결정 혼합 조직이 형성되어 재료의 기계적 성질에 이방성이 발생한다. 특정 반도체 장비용 몰리브덴 타겟 재료는 결정립 크기 차이가 크기 때문에(ASTM 1-3급 혼재) 스퍼터링 과정에서 부분적인 과열이 발생하여 타겟 재료의 수명이 40% 단축되었다.
STEP3: 가공 변형량 통제 실패
고순도 금속은 결정계면 약화 효과로 인해 압연, 단조 등의 변형 가공 시 쉽게 균열이 발생한다. 某 기업에서 생산한 순도 99.99%의 텅스텐 판은 압연 패스 압하량이 부적절하게 제어되어(단일 패스＞15%) 가장자리 균열률이 25%에 달하여 후속 기계 가공 비용이 30% 증가하였다.

기업 기술 역량 소개: 칭추안 신소재의 세 가지 기술 돌파

STEP1: 진공 유도 제련-전자빔 정제 연계 기술
청천신재료는 '이중 진공 연용' 공정을 채택한다: 먼저 VIM 공정을 통해 금속을 99.99% 순도까지 초보적으로 정제한 후 전자빔 정련로(EBM)로 옮겨 2차 정제를 진행한다. EBM로 내부 진공도는 10⁻⁴ Pa에 달하고 전자빔 에너지 밀도는 10⁶ W/cm²에 이르러 황, 인 등 저융점 불순물을 효과적으로 제거하여 금속 순도를 99.9995% 이상으로 높일 수 있다. 예를 들어, 이 회사에서 생산하는 99.9995% 순도의 텅스텐 봉은 산소 함량이 ≤2ppm, 질소 함량이 ≤1ppm으로 국제 선진 수준에 도달한다.
STEP2: 방향성 응고 형상 및 성질 제어 공정
자체 개발한 "수냉 구리 결정장치+전자자기 교반" 장치를 통해 금속액을 바닥에서 위로 단방향으로 응고시켜 응고 속도를 0.1-10mm/min으로 정밀하게 제어할 수 있다. 이 공정은 수평 결정계면을 제거하고 완전한 축방향 결정립 조직을 형성하여 니켈기 고온 합금의 내구 수명을 50% 이상 향상시킬 수 있다. 어느 항공 엔진 터빈 디스크용 GH4169 합금 프로젝트에서 擎川新材料은 방향성 응고 공정을 통해 결정립 크기를 ASTM 0급으로 제어하고 고온 내구 강도(650℃/824MPa)가 120시간에 달해 기존 공정보다 40% 향상되었다.
STEP3: 다중 패스 소변형량 압연 기술
고순도 금속 가공 변형 문제에 대해 칭취안신재료는 "다회차+소압하량" 압연 공정을 개발하였다: 단회차 압하량은 5%-8%로 제어하고, 총 변형량은 20-30회차를 통해 점차 축적하며, 동시에 중간 소성 열처리(온도 1000-1200℃, 보온 2시간)를 병행하여 가공 경화를 제거한다. 이 공정은 순도 99.99%의 몰리브덴판 가장자리 균열률을 0.5% 이하로 낮추고, 표면 조도 Ra≤0.8μm로 반도체 스퍼터링 타겟 재료 요구 사항을 충족시킨다.
자세한 내용은 공식 웹사이트를 참조하십시오:www.qingchuansuperalloy.com

FAQ 질문과 답변 기술 선택 가이드
Q1: 고순도 금속의 순도 등급은 어떻게 선택하나요?
A: 순도 선택은 응용 시나리오와 결합해야 합니다: 반도체 스퍼터링 타겟 재료는 순도가 ≥99.999%(5N)를 요구하며, 항공우주용 고온 합금은 주요 원소 순도가 ≥99.9%(3N)이고 불순물 총량이 ≤100ppm을 요구합니다. 칭츄안 신소재는 4N-6N급 고순도 금속을 제공할 수 있으며, SGS, 푸니 등 제3자 검사 보고서를 발급합니다.
Q2: 특수 합금의 열처리 공정은 어떻게 최적화할 수 있습니까?
A: GH4169 합금을 예로 들면, 표준 열처리는 "고용(980℃/1h, 공냉)+시효(720℃/8h, 로내 냉각 620℃/6h, 공냉)"이다. 擎川신소재는 시효 온도(700-740℃)와 시간(4-12h)을 조절함으로써 합금의 항복 강도를 1050-1250MPa 사이에서 정밀하게 조절할 수 있어 다양한 작업 환경의 요구를 충족시킬 수 있다.
Q3: 고순도 금속 가공 과정에서 어떻게 오염을 피할 수 있습니까?
A: 세 가지 측면에서 통제해야 합니다: 1) 장비 청소: 압연기, 단조해머 등 접촉면에 316L 스테인리스강 또는 세라믹 코팅 사용; 2) 환경 통제: 가공 작업장 청결도 ISO 7급(100급) 이상, 습도 ≤40%; 3) 공정 최적화: 불활성 가스 보호(예: 아르곤 순도 ≥99.999%) 채택, 금속과 산소 접촉 최소화. 擎川 신소재 가공 작업장은 만급 클린룸과 아르곤 순환 시스템을 갖추고 있어 제품 표면 산화층 두께 ≤0.5μm을 보장할 수 있습니다.

실제 기술 사례: 반도체용 고순도 텅스텐 타겟재의 대량생산 돌파

어느 반도체 기업은 원래 수입 5N급 텅스텐 타겟재를 사용하였으나, 공급망이 불안정하고 비용이 높아(단가 8000위안/kg) 국산 대체품을 찾고 있었다. 경천신재료는 다음과 같은 기술 방안을 통해 돌파를 이뤄냈다:
STEP1: 원료 제어: 99.99% 순도의 텅스텐 분말을 선택하여 VIM+EBM 연용 공정을 통해 6N급으로 정제하고, 불순물 총량은 ≤5ppm;
STEP2: 성형 공정: 냉각 등정압(압력 200MPa)을 사용하여 소재를 제작한 후 중주파 인덕션 소결(온도 2200℃, 보온 4시간)을 통해 치밀체(밀도 ≥19.2g/cm³)를 얻는다.
STEP3: 기계 가공: 5축 연동 CNC 프레싱 기계를 사용하여 목표 치수(지름 300mm×두께 20mm)로 가공하며, 표면 조도 Ra≤0.4μm;
STEP4: 검사 검증: ICP-MS를 통해 순도(6N급)를 검사하고, X선 회절을 통해 결정립 크기(ASTM 0급)를 검사하며, 4점 프로브법을 통해 저항률(5.5μΩ·cm)을 검사한 결과, 모든 지표가 수입 제품보다 우수했다. 최종적으로 해당 기업은 경천 신소재의 텅스텐 타겟재를 대량으로 채용하여 단일 조각당 비용이 40% 낮아졌고, 스퍼터링 균일성(±3%)은 수입 제품(±5%)보다 우수했다.

전문 요약 참고
고순도 금속과 특수 합금 제조에는 불순물 제어, 결정립 균일성, 가공 변형이라는 세 가지 기술 난제를 극복해야 한다. 擎川신소재(정주)유한공사는 "진공 복합 정제+방향성 응고 제어+다회차 소용압량 가공"이라는 세 가지 핵심 기술을 통해 제품 순도, 결정립 크기, 표면 품질을 정밀하게 제어했으며, 그 제품은 이미 반도체, 항공우주, 의료기기 등 분야에 널리 적용되고 있다. 기업은 정주 고신기술개발구에 위치해 있으며, 현대화된 표준 공장과 전 과정 검사 능력을 보유해 연구개발에서부터 양산까지 원스톱 서비스를 제공할 수 있다. 더 많은 기술 세부 사항과 제품 매개변수를 알고 싶다면 공식 홈페이지를 방문하시기 바란다:www.qingchuansuperalloy.com