왜 금속 합금을 연구하는지와 조성에 따른 철합금 비철합금

왜 금속합금을 연구하는가?

금속 합금을 연구하는 까닭은 엔지니어는 재료 선정 과정에 관여하기 때문에 많은 금속 및 합금들의 일반적인 특성에 대해 잘 알고 있어야 하며 다수의 재료 성질 데이터베이스도 활용할 수 있어야 한다. 대부분 재료 문제는 특정 응용에 필요한 알맞은 특성을 갖는 재료를 고르는 것이다. 따라서 선택의 결정에 참여하는 사람은 가능한 선택에 대한 지식을 갖고 있어야 한다.

 

 

금속합금은 조성에 따라 철합금과 비철합금 두 부류로 나뉜다. 철이 주성분인 철합금에는 강과 주철이 포함되며 비철합금으로는 구리 합금, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 티탄 합금, 초합금 등이 포함된다.

 

철합금

철이 주성분인 철합금은 다른 어떤 금속들보다 폭넓게 사용되고, 특히 공학 구조용 재료로 중요하다. 이들 합금의 광범위한 응용은 다음 세 가지 요인에 기인한다

1. 철을 함유한 광석은 지구상에 풍부히 존재한다는 점
2. 금속 철과 강합금은 비교적 저렴하게 선광, 정련, 합금, 가공될 수 있다는 점
3. 철합금은 광범위한 영역의 기계적, 물리적 성질을 갖는다는 점

많은 철합금의 주요 단점으로는 내식성이 나쁘다는 것인데 아래 그림은 다양한 철합금의 개략적 분류도이다.

 

철합금 - 강

강은 철-탄소 합금으로써 많은 양의 다른 합금 원소를 포함하고 있다. 다른 조성의 열처리를 갖는 수많은 강이 있고, 이들의 기계적 성질은 탄소 함량에 큰 영향을 받고, 일반적인 탄소 함량은 1.0 wt% 이하이다. 많이 쓰이는 강은 탄소 농도에 의해 분류되고 저, 중, 고 탄소강으로 분류된다. 이런 대분류는 다시 합금 원소에 따라 소분류되며, 순 탄소강은 탄소 이외에 잔류되는 미량의 다른 원소와 약간의 망간만을 포함하지만, 합금강은 더 많은 합금 원소를 특정 농도만큼 인위적으로 첨가한다.

 

철합금 - 주철

일반적 주철은 탄소 함량이 2.14 wt% 이상인 철합금에 속하는데 그러나 실제 대부분의 주철은 3.0~4.5 wt% 탄소 함량을 가진다. 철-철탄화물 상태도를 보면 1150~1300도 사이에서 완전한 액상을 가지고, 이런 액상 온도는 일반적인 강에 비해 현저히 낮다. 따라서 이런 강은 쉽게 용융될 수 있고 주조가 가능하다. 또한 이런 주철은 매우 취약해서 주조가 가장 편한 가공법이다.

시멘타이트는 준안정상으로 어느 환경에서는 분해되어 Fe3C -> 3Fe(알파) + C(흑연) 반응에 의해 알파-페라이트와 흑연을 형성한다.

 

 

흑연 생성은 조성과 냉각 속도 영향을 받으며, 흑연의 생성은 1 wt% 이상의 규소가 존재할 때 촉진된다. 그리고 응고 시 냉각 속도가 느릴수록 흑연 상이 쉽게 생성된다. 대부분 주철 탄소가 흑연 상으로 존재하고, 미세구조와 기계적 성질은 조성, 열처리 영향을 받는다. 가장 보편적인 주철은 회주철, 구상주철, 백주철, 가단주철, 조밀 흑연 주철 등이다.

 

비철합금

강과 그 밖의 철합금은 매우 넓은 범위의 기계적 성질을 가지며 생산하기 쉽고 저렴해서 다른 합금과 비교될 수 없을 정도로 많이 쓰인다. 그러나 이들 합금은 다음 몇 가지 중요한 단점을 가지고 있다

1. 상대적으로 높은 밀도
2. 낮은 전기 전도도
3. 일상적 분위기하에서는 낮은 내부식성

그래서 많은 응용 분야에서는 더 이상적인 성질을 갖는 다른 합금이 유리하게 사용되어야 한다. 합금계는 기본 금속 종류, 합금군이 갖는 특성에 따라 분류된다.

 

 

때때로 주조 합금과 단조 합금을 확실히 구분할 필요가 있다. 합금이 너무 취약이 높아 성형과 가공을 위한 알맞은 소성변형이 불가한 경우 주조 합금, 반면 기계적 소성변형이 가능한 경우 단조 합금이라고 한다. 또한 합금계 열처리 가능성이 흔히 언급되는데, 열처리가 가능하다는 것은 합금이 열처리로 석출 경화, 마텐자이트 변태 등을 통해 기계적 강도가 향상될 수 있다는 것을 의미한다.

 

비철합금 - 구리와 구리합금

원하는 물성을 가지도록 만들어진 구리와 구리 기지 합금은 많은 분야에서 사용되고 있다. 순수 구리는 매우 연하고 연성이 높아서 기계 가공이 어렵고, 거의 제한 없이 냉각 가공 능력을 갖는다. 또 대기, 해수, 산업 화학물 등 다양한 외부 환경에 대해서 높은 내부식성을 갖는다. 기계적, 내부식성 성질은 합금화에 따라 향상될 수 있지만, 대부분 구리 합금은 열처리 공정에 의해서는 경화나 강화되지는 않는다. 따라서 냉간 가공, 용질화 합금처리로 기계적 성질을 개선한다.

가장 널리 쓰이는 구리 합금은 아연이 치환형 불순물로 합금화된 황동이다. 구리-아연상태도를 보면 알파상은 대략 35 wt% Zn의 농도까지 안정하다 이 상은 FCC 결정 구조를 가지고 있어 알파황동은 연하고 연성이 높아 쉽게 냉간 가공될 수 있고, 더 높은 아연 농도를 갖는 황동 합금은 상온에서 알파와 베타'상을 갖고 있다. 베타'상은 BCC 결정 구조로 알파상보다 더 경하고 강하다. 따라서 알파+베타' 합금은 일반적 열간 가공 처리된다.

 

 

일반적인 황동의 종류로는 황색 황동, 네이벌 황동, 약 협 황동, 먼츠 메탈, 도금 금속 등이 있고 황동 합금은 의복 장식, 약 협 주조, 자동차 라디에이터, 악기, 동전 등에서 사용된다. 청동은 구리와 다른 몇 가지의 원소인 주석, 알루미늄, 규소, 니켈 등을 첨가시킨 합금으로 황동보다 단단하고 좋은 내부식성을 갖는다. 일반적으로 청동은 내부식성, 양호한 인장 특성이 요구될 때 사용된다.

 

최근 만들어진 고강도 구리 합금은 베릴륨구리인데 이 합금은 대단히 뛰어난 특성을 갖는다. 1400 MPa에 이르는 인장 강도와 우수한 전기적 성질, 내부식성과 내마모성을 갖고 있다. 고강도 석출 경화의 열처리에 의해 얻어지며, 이 합금의 제조에는 1.0~2.5 wt%의 베릴륨이 첨가되어 제조 단가가 높고, 주요 응용 분야는 제트기 착륙 기어 베어링, 부싱, 스프링, 수술 혹은 치과 도구 등이다.

 

비철합금 - 알루미늄과 그 합금

알루미늄과 그 합금은 비교적 밀도가 작고, 높은 전기, 열전도성을 가지며 대기 중 좋은 내부식성을 갖는다. 대부분의 합금이 높은 연성을 가지고 있어 성형 가공이 용이하다. 이런 특징은 비교적 순수한 재료를 압연해서 제조한 얇은 알루미늄 박판 제조를 통해 알 수 있다. 알루미늄은 FCC 결정 구조로, 연성이 매우 낮은 온도까지 유지된다. 알루미늄 사용 중 가장 중요한 제약은 사용 가능한 최대 온도인 용융점이 660도로 낮다는 것이다.

알루미늄의 기계적 강도는 냉간 가공, 합금화를 통해 증가된다. 하지만 이런 강화 공정은 내부식성의 저하를 수반한다. 중요 합금 원소는 구리, 마그네슘, 규소, 망간, 아연 등이다. 비열처리화 합금은 단일상 미세구조를 갖고, 고용체 강화에 의하여 강도를 증가시킨다. 다른 합금들은 합금화를 통해 석출 강화에 의한 열처리화가 가능하다. 이 합금들 중 MgZn2 같은 금속 간 화합물처럼 알루미늄 이외의 두 원소 간 석출물에 의해서 석출 경화가 일어나는 것도 있다.

 

 

일반적인 알루미늄 합금은 주조 또는 단조 합금으로 분류되며, 두 종류 모두 조성은 주불순물과 순도를 나타내는 4자리 수로 명시한다. 주조 합금의 경우에는 소수점은 끝 두 자릿수의 사이에 위치한다. 이 숫자 다음 템퍼 표시 -글자와 1~3 자릿수- 를 하며, 이는 합금이 속한 기계적 혹은 열적 처리 방식을 나타낸다. 예로 F, H, O는 각각 가공전, 소성 경화, 열처리 상태를 가리킨다. 알루미늄 합금의 일반적 응용 분야는 비행기 통제, 음료수 캔, 버스 차체, 자동차 부품인 엔진 블록, 피스톤, 다기관 등이다.

 

최근 알루미늄에 저밀도 금속인 Mg, Ti 등을 첨가해 운송체의 구조 재료로 사용하여 연료를 절감하는 새로운 합금 개발에 많은 연구가 진행되고 있다. 이런 재료의 중요 성질은 비강도, 즉 내료의 인장 강도 대 비중의 비이다. 이런 합금은 강과 같이 밀도가 더 높은 재료보다 인장 강도는 떨어지지만, 일정 무게당 더 많은 하중을 지탱할 수 있다.

새로운 알루미늄-리튬 합금의 시대가 최근 우주항공산업에 사용되며 발전 중이고 이 재료들은 각각 상대적으로 낮은 밀도, 높은 탄성, 그리고 뛰어난 피로와 저온 강도 성질을 갖고, 또한 그중 몇 개는 석출 경화가 된다. 어쨌든 이 재료들은 리튬의 화학적 반응 때문에 특별 공정 기술이 요구되어 보통 알루미늄 합금보다는 제조비가 더 많이 든다.