기계재료 (4) - 비철금속재료 - Mg 합금, Ni 합금, 저융점금속 합금

[Mg 합금]

 

마그네슘의 비중은 상온에서 1.74 이며 실용 금속 중 가장 가볍다.

 

마그네슘의 전기 및 열전도도는 구리 및 알루미늄에 비해 떨어지며 강도도 낮은 값을 나타낸다. 마그네슘 합금의 비중은 1.75~2이며, 인장강도는 150~340 MPa로 비강도(강도/비중)가 커 자동차, 항공기, 선박, 광학기계부품 등 경량의 부품이 요구되는 산업에서의 요구가 증대되고 있다.

 

마그네슘은 HCP 결정구조이나 상온에서 c/ 값이 1.624로 소성가공이 어렵다. 그러나 200℃ 이상에서는 연성이 증가하여 쉽게 변형된다.

 

가공용 마그네슘 합금은 주로 마그네슘에 알루미늄과 아연을 합금한 것이다. 알루미늄과 아연은 고용강화에 의해 마그네슘의 강도를 높여준다. 또한 알루미늄은 Mg₁₇Al₁₂ 석출물을 형성하므로 시효석출경화 합금으로도 이용된다. 그밖에 Mg-Zn-Zr계, Mg-Zn-희토류원소계, Mg-Th계 합금 등이 가공용 합금으로 쓰인다.

 

주물용 마그네슘 합금은 인장강도, 연신율, 충격강도가 알루미늄 합금과 비슷할 뿐만아니라 특히 절삭성이 양호하여 가공비 절감에 큰 효과가 있다.

 

다음 표는 실용 주물용 마그네슘 합금의 종류와 그 용도를 나타낸 것이다.

Mg 합금주물종류	KS 기호	상당 ASTM	주요한 조성	용도예
1종	MgC 1	AZ 63 A	Al 6 - Zn 3 - Mn 0.1	일반용 주물 TV 카메라 부품 기계용 부품
2종	MgC 2	AZ 91 C	Al 9 - Zn 0.7 - Mn 0.3	일반용 주물 크랭크 케이스, 트랜스미션 공구용 지그
3종	MgC 3	AZ 92 A	Al 9 - Zn 2.0 - Mn 0.8	일반용 주물 엔진 부품
5종	MgC 5	AM 100 A	Al 10 - Zn 0.3 - Mn 0.8	일반용 주물 엔진 부품
6종	MgC 6	ZK 51 A	Zn 4.5 - Zr 0.8	고장력 주물 레저용 차량
7종	MgC 7	ZK 61 A	Zn 6.0 - Zr 0.8	고장력 주물 하우징
8종	MgC 8	EZ 33 A	Zn 2.5 - RE 3.0 - 20.8	내열용 주물 엔진용 부품, 기어 케이스 압축기 케이스

* RE: rare earths (희토류)

 

 

[Ti 합금]

 

티탄의 비중은 4.5로 비교적 가볍고 비강도 및 융점이 높으며 내식성이 강해 항공기 구조용 재료, 화학공업, 유기약품공업 등 내식 • 내열성이 요구되는 산업에서 널리 사용되는 금속이다.

 

그러나 가격이 비싸고, 고온에서 산소, 질소, 수소 등과 결합하기 쉬워 주조성이 나쁘고, 절삭가공이 어려운 난삭재이다.

 

티탄의 성질을 개선하기 위하여 첨가되는 합금원소는 AI, Sn, Mn, Fe, Cr, Mo, V 등이며 실용적인 티탄 합금으로는 Ti-Mn 계, Ti-Al-V 계 및 Ti-V-Cr-Al 합금 등이 있다.

 

 

[1] Ti-Mn 계 합금

망간이 6.5~9.0% 함유된 합금으로 β상에서 담금질하여 200~400℃에서 시효경화시킨다. 8% 망간 합금의 경우 항복응력 980 MPa, 인장강도 1040 MPa, 연신율 14%의 기계적 성질을 나타내며 약 350℃까지의 온도에서 사용가능하다. 판재 및 구조용재로 사용된다.

 

[2] Ti-Al-V 계 합금

이 합금은 400℃까지의 고온에서 사용가능하므로 가스터빈 압축기의 날개 및 디스크 등에 사용된다. 대표적인 화학조성은 Ti-6 % Al-4% V이다. 알루미늄에 의해 강도가 얻어지며 바나듐에 의해 인성이 향상된다. 또한 열처리에 의해 기계적 성질을 향상시킬 수 있다.

 

[3] Ti-V-Cr-Al 합금

표준조성은 Ti-13% V-11 % Cr-3 % AI로 고온강도를 높일 목적으로 개발된 합금이다.

 

 

[Ni합금]

 

니켈은 내식성과 고온에서의 내산화성이 우수해 스테인리스강, 내열강 및 구조용 특수강의 합금원소로 가장 많이 사용되며, Cu, Cr, Mo 등과 합금하여 공업적으로 매우 중요한 실용합금으로 제조된다.

 

[1] Ni-Cu 계 합금

Ni-Cu계 합금은 전율고용체를 형성하며, 구리 30~40%에서 강도 및 경도가 최대로 된다.

(* 전율고용체 링크 : http://기계재료 (2) - 상태도 (2) - https://thomasrobotech.tistory.com/m/entry/%EA%B8%B0%EA%B3%84%EC%9E%AC%EB%A3%8C-2-%EC%83%81%ED%83%9C%EB%8F%84-2 )

Ni-Cu계 합금으로 니켈의 함유량이 10~30%로 비교적 적은 합금을 백동이라 하며 가공성이 우수하고, 내식성이 양호하여 화폐, 열교환기, 복수기 등의 소재로 사용된다. 니켈의 함유량이 40~50%인 합금은 전기저항이 높고 온도계수가 낮기 때문에 전기저항재료, 열전대(thermo-couple)재료로 사용된다. 니켈의 함유량이 60~70%인 합금을 모넬(monel)이라 하며 고온강도, 내식성, 내마모성이 우수해 터빈 블레이드, 펌프 임펠러, 증기밸브 등에 이용된다.

 

[2] Ni-Cr 계 합금

Ni 80%-Cr 20% 정도의 합금을 인코넬 (inconel)이라 하며 내고온산화성과 고온에서의 강도를 지니고 있어 내열재료 및 고온발열체로 널리 사용된다.

 

[3] Ni-Cr-Co 계 합금

니켈 50~60%, 크롬 15~20%, 코발트 15~20%로 이루어진 합금으로 고온, 고산화성 분위기에서 크리프저항이 큰 가스터빈용 재료로 개발되었다. 석출경화를 위해 소량의 알루미늄과 티탄을 첨가한다.

 

 

[저융점금속 합금]

 

아연(융점 420℃), 납(융점 327℃) 및 주석(융점 232℃) 등을 저융점금속이라 하며 이들금속은 다이캐스팅용 합금, 베어링용 합금, 땜납용 합금 등의 용도로 쓰인다.

 

 

[1] Zn 합금

 

아연은 비철금속재료 중 알루미늄, 구리 다음으로 많이 생산되며 가격도 저렴하다. 아연은 아연도금용, 전지, 방식용 양극재료 등에 쓰이며 황동의 합금원소로도 많이 쓰인다. 아연 합금은 대부분 다이캐스팅용이며 일부 가공용으로도 이용된다.

 

(1) 다이캐스팅용 Zn 합금

알루미늄은 가장 중요한 합금원소이며 합금의 강도와 경도를 증대시키고 용탕의 유동성을 개선한다. 다이캐스팅용 아연 합금은 납, 주석, 카드뮴 등 불순물에 의한 입계부식이 발생하기 때문에 고순도 아연(99.99% 이상)을 사용하는 것이 바람직하다. 구리, 마그네슘을 소량 첨가함으로써 입계부식을 억제하고 동시에 강도 · 경도 등 기계적 성질을 개선시킨다. 마그네슘의 첨가는 마그네슘 산화물에 의한 용탕의 유동성을 저하시키기 때문에 최근에는 초고순도 아연을 사용함으로써 마그네슘의 첨가량을 극도로 감소시킨 합금이 개발되어 사용되고 있다.

이에 따라 보다 얇고 복잡한 형상의 주물의 주조가 가능하게 되었으며, 생산성의 향상, 불량률 감소, 주물표면상태의 향상 등이 이루어지고 있다.

 

(2) 가공용 Zn 합금

가공용 아연 합금에는 Zn-Cu, Zn-Cu-Mg 및 Zn-Cu-Ti 합금 등이 있다. 특히, 티탄이 함유된 합금은 합금 중에 TiZn₁₅ 상이 미세하게 분산하여 합금의 강도와 고온 크리프 특성을 개선시킨다. 가공용 아연 합금은 성형가공이 가능할 뿐만 아니라 용접 · 납땜을 할 수 있으므로 전기기기부품, 자동차부품, 건축용품 등에 널리 사용된다.

 

 

[2] Pb 합금

 

납은 융점이 낮으며 고체윤활성이 양호하고 방사선의 투과도가 낮은 특성이 있으며 우수한 내식성을 갖는 불용성 피막을 형성하는 등 여러 가지 장점이 있기 때문에 오래 전부터 널리 사용되어온 금속으로, 축전지전극, 케이블 피복용, 땜납, 베어링 합금, 화학공업 및 방사선 차폐물 등의 용도로 이용되고 있다. 기계적 강도가 요구되는 곳에는 비소, 칼슘, 안티몬 등을 첨가한 합금이 사용되며, 구조물용으로 강제품에 납피막을 입혀 사용하기도 한다. 남은 인체에 해로우므로 사용상 주의가 요구되며 이러한 이유로 최근에는 다른 재료로의 대체가 급격히 이루어지고 있는 실정이다.

 

 

[3] Sn 합금

 

주석은 저융점의 연한 금속이며 12.2℃에서 백색주석(β-Sn)이 회색주석(α-Sn)으로 변태한다. 그러나 변태의 시간적 지연이 심해 실제로는 보다 낮은 온도에서 변태한다. 주석의 주요 용도는 주석도금강판이며, 청동, 베어링 합금, 땜납의 합금성분으로 쓰인다.

 

또한 무독성이기 때문에 의약품 등의 튜브재료로도 사용된다.