금속: 합금 개발 및 가공 - 글로벌 관점

금속과 그 합금은 전 세계 수많은 산업의 근간을 이룹니다. 뉴욕시의 우뚝 솟은 마천루에서부터 도쿄의 스마트폰을 구동하는 복잡한 마이크로칩에 이르기까지, 금속은 현대 세계를 형성하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 종합 가이드는 합금 개발 및 가공 기술의 복잡한 세계를 탐구하며, 혁신을 주도하고 재료 과학의 미래를 형성하는 발전에 대한 글로벌 관점을 제공합니다.

합금이란 무엇인가?

합금은 둘 이상의 원소로 구성된 금속성 물질입니다. 이 원소 중 적어도 하나는 금속이어야 합니다. 합금화는 개별 구성 금속의 특성보다 우수한 특정 특성을 얻기 위해 의도적으로 금속(또는 금속과 비금속)을 결합하는 것입니다. 이러한 향상된 특성에는 강도, 경도, 내식성, 연성 증가 및 전기 또는 열전도도 개선이 포함될 수 있습니다.

합금의 구성, 거치는 가공 과정, 그리고 그 결과로 나타나는 미세구조가 최종 특성을 결정합니다. 이러한 관계를 이해하는 것은 합금 설계 및 개발에 있어 가장 중요합니다.

합금 개발의 원리

합금 개발은 재료 과학, 열역학, 동역학 및 가공 기술에 대한 기초 지식을 결합하는 다학제적 분야입니다. 이 과정은 일반적으로 다음을 포함합니다:

• 성능 요구사항 정의: 응용 분야의 특정 요구사항(예: 강도, 무게, 내식성, 작동 온도)을 이해합니다. 예를 들어, 항공우주 분야에 사용될 합금은 뛰어난 강도 대 무게 비율과 고온 산화 저항성이 필요할 수 있습니다.
• 기본 금속 선택: 고유한 특성과 다른 합금 원소와의 호환성을 기반으로 주 금속을 선택합니다. 일반적인 기본 금속에는 철(강철용), 알루미늄, 티타늄, 니켈, 구리가 포함됩니다.
• 합금 원소 선택: 기본 금속의 원하는 특성을 향상시킬 원소를 선택합니다. 예를 들어, 강철에 크롬을 추가하면 내식성이 향상되어 스테인리스강이 만들어집니다.
• 구성 최적화: 원하는 특성의 균형을 이루기 위해 각 원소의 최적 비율을 결정합니다. 이 과정에는 종종 계산 모델링과 실험적 테스트가 포함됩니다. CALPHAD(상태도 계산)는 상 안정성을 열역학적으로 모델링하는 일반적인 방법입니다.
• 미세구조 제어: 제어된 가공 기술을 통해 미세구조(예: 결정립 크기, 상 분포, 석출물)를 조작합니다.
• 시험 및 특성 평가: 엄격한 시험 방법(예: 인장 시험, 피로 시험, 부식 시험)을 통해 합금의 특성을 평가하고 현미경 및 회절과 같은 기술을 사용하여 미세구조를 특성화합니다.

합금의 강화 메커니즘

합금을 강화하는 데는 여러 메커니즘이 사용될 수 있습니다:

• 고용 강화: 결정 격자를 왜곡시켜 전위 이동을 방해하는 합금 원소를 도입합니다. 이는 많은 알루미늄 및 마그네슘 합금에서 기본이 됩니다.
• 가공 경화(변형 경화): 상온에서 금속을 변형시키면 전위 밀도가 증가하여 추가 변형이 더 어려워집니다. 냉간 압연 강판 및 인발선에 널리 사용됩니다.
• 결정립 미세화: 결정립 크기를 줄이면 전위 이동을 방해하는 결정립계 면적이 증가합니다. 이는 일반적으로 열기계적 처리를 통해 달성됩니다.
• 석출 경화(시효 경화): 기지 내에 미세한 석출물을 형성하여 전위 이동을 방해합니다. 항공기 구조물에 사용되는 알루미늄 합금이 그 예입니다.
• 분산 강화: 기지 전체에 미세하고 안정적인 입자를 분산시킵니다. 이 입자들은 전위 이동에 대한 장벽 역할을 합니다.
• 마르텐사이트 변태: 경화된 강철에서 볼 수 있듯이 단단하고 취성이 있는 상을 생성하는 무확산 상변태입니다.

금속 가공 기술

금속 합금을 제조하는 데 사용되는 가공 기술은 미세구조와 최종 특성에 상당한 영향을 미칩니다. 주요 가공 방법은 다음과 같습니다:

주조

주조는 용융된 금속을 주형에 부어 응고시켜 주형의 모양을 갖도록 하는 과정입니다. 각각의 장단점을 가진 다양한 주조 방법이 있습니다:

• 사형 주조: 큰 부품에 적합한 다목적이고 비용 효율적인 방법이지만, 표면 마감이 상대적으로 좋지 않습니다. 자동차 엔진 블록 및 대형 구조 부품에 전 세계적으로 사용됩니다.
• 다이캐스팅: 우수한 치수 정확도와 표면 마감을 가진 부품을 생산하는 대량 생산 공정입니다. 자동차 및 가전제품의 아연 및 알루미늄 합금에 일반적으로 사용됩니다.
• 인베스트먼트 주조(로스트 왁스 주조): 뛰어난 표면 마감과 치수 정확도를 가진 매우 복잡한 부품을 생산합니다. 항공우주 분야의 터빈 블레이드 및 의료용 임플란트에 널리 사용됩니다.
• 연속 주조: 빌렛, 블룸, 슬래브와 같은 길고 연속적인 형태를 생산하는 공정입니다. 철강 산업의 초석으로 원자재의 효율적인 생산을 가능하게 합니다.

성형

성형 공정은 소성 변형을 통해 금속을 성형하는 것을 포함합니다. 일반적인 성형 방법은 다음과 같습니다:

• 단조: 압축력을 사용하여 금속을 성형하는 공정입니다. 결정립 구조를 정렬하여 재료의 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 크랭크축, 커넥팅 로드 및 기타 고강도 부품 제작에 사용됩니다.
• 압연: 롤러를 통과시켜 금속의 두께를 줄이는 공정입니다. 시트, 플레이트, 바 생산에 사용됩니다. 철강 및 알루미늄 제품 제조에 필수적입니다.
• 압출: 다이를 통해 금속을 밀어내어 특정 형상을 만드는 공정입니다. 알루미늄 프로파일, 파이프, 튜브 생산에 사용됩니다.
• 인발: 다이를 통해 금속을 당겨 직경을 줄이는 공정입니다. 와이어 및 튜브 생산에 사용됩니다.

분말 야금

분말 야금(PM)은 금속 분말을 압축하고 소결하여 고체 부품을 만드는 과정입니다. 이 공정은 복잡한 형상을 생산하고, 다공성을 제어하며, 기존 방법으로는 결합하기 어려운 원소를 가진 합금을 만들 수 있는 등 여러 가지 장점을 제공합니다.

PM은 자동차 부품, 절삭 공구, 자기 윤활 베어링 제조에 널리 사용됩니다. 금속 사출 성형(MIM)은 복잡하고 정밀도가 높은 부품을 대량으로 생산할 수 있게 하는 특정 PM 기술입니다. PM 부품에 대한 글로벌 수요는 꾸준히 증가하고 있습니다.

용접

용접은 둘 이상의 금속 부품을 녹여서 하나로 합치는 과정입니다. 각각의 장단점을 가진 수많은 용접 기술이 존재합니다:

• 아크 용접: 전기 아크를 사용하여 금속을 녹여 접합합니다. 건설, 조선, 제조업에서 널리 사용됩니다.
• 가스 용접: 가스 불꽃을 사용하여 금속을 녹여 접합합니다. 아크 용접보다 덜 일반적이지만 특정 응용 분야에 유용합니다.
• 저항 용접: 전기 저항을 사용하여 열을 발생시켜 금속을 접합합니다. 판금 부품의 대량 생산에 사용됩니다.
• 레이저 용접: 집속된 레이저 빔을 사용하여 금속을 녹여 접합합니다. 높은 정밀도와 좁은 열영향부를 제공합니다.
• 전자빔 용접: 진공 상태에서 전자빔을 사용하여 금속을 녹여 접합합니다. 깊은 용입과 최소한의 변형을 제공합니다.

열처리

열처리는 금속 합금의 미세구조와 기계적 특성을 변경하기 위해 제어된 가열 및 냉각을 포함합니다. 일반적인 열처리 공정은 다음과 같습니다:

• 어닐링(풀림): 금속을 연화시키고 내부 응력을 완화하며 연성을 향상시킵니다.
• 경화(담금질): 금속의 경도와 강도를 증가시킵니다.
• 템퍼링(뜨임): 경화된 강철의 경도를 일부 유지하면서 취성을 감소시킵니다.
• 표면 경화: 강철 부품의 표면을 경화시키면서 코어는 상대적으로 부드럽게 남겨둡니다.
• 용체화 처리 및 시효: 석출 경화형 합금을 강화하는 데 사용됩니다.

금속의 적층 제조(3D 프린팅)

3D 프린팅으로도 알려진 적층 제조(AM)는 금속 분말이나 와이어로부터 부품을 층별로 쌓아 만드는 혁신적인 기술입니다. AM은 복잡한 기하학적 형상을 만들고, 재료 낭비를 줄이며, 특정 응용 분야에 맞게 부품을 맞춤 제작할 수 있는 등 여러 가지 장점을 제공합니다. 주요 금속 AM 공정은 다음과 같습니다:

• 분말 베드 융합(PBF): 선택적 레이저 용융(SLM) 및 전자빔 용융(EBM)과 같은 공정을 포함하며, 레이저 또는 전자빔이 금속 분말 층을 선택적으로 녹여 융합시킵니다.
• 직접 에너지 증착(DED): 레이저 공학 네트 셰이핑(LENS) 및 와이어 아크 적층 제조(WAAM)와 같은 공정을 포함하며, 집속된 에너지원이 금속 분말이나 와이어가 증착될 때 녹입니다.
• 바인더 젯팅: 분말 베드에 바인더가 선택적으로 증착된 후 소결하여 고체 부품을 만듭니다.

금속 AM은 항공우주, 의료, 자동차와 같은 산업에서 빠르게 주목받고 있으며, 복잡한 디자인의 경량 고성능 부품 생산을 가능하게 합니다. 글로벌 연구 개발 노력은 금속 AM 공정의 속도, 비용 효율성 및 재료 특성을 개선하는 데 집중되어 있습니다.

합금 개발 및 가공의 응용 분야

합금 개발 및 가공 기술은 광범위한 산업에서 중요합니다:

• 항공우주: 고강도, 경량 합금은 항공기 구조물, 엔진 및 랜딩 기어에 필수적입니다. 예로는 알루미늄 합금, 티타늄 합금, 니켈 기반 초합금이 있습니다.
• 자동차: 합금은 엔진 블록, 섀시 부품 및 차체 패널에 사용됩니다. 연비 향상과 배출가스 감소에 중점을 둡니다. 예로는 고장력강 및 알루미늄 합금이 있습니다.
• 의료: 생체 적합성 합금은 임플란트, 수술 기구 및 의료 기기에 사용됩니다. 예로는 티타늄 합금, 스테인리스강, 코발트-크롬 합금이 있습니다.
• 건설: 강철은 건물, 교량 및 기반 시설의 주요 구조 재료입니다. 고장력강 및 내부식성 코팅은 오래 지속되는 구조물에 필수적입니다.
• 전자: 합금은 도체, 커넥터 및 전자 패키징에 사용됩니다. 예로는 구리 합금, 알루미늄 합금, 땜납이 있습니다.
• 에너지: 합금은 발전소, 파이프라인 및 재생 에너지 시스템에 사용됩니다. 예로는 고온강, 니켈 기반 합금, 내부식성 합금이 있습니다.
• 제조업: 합금은 절삭 공구, 다이 및 금형에 사용됩니다. 예로는 공구강, 고속도강, 초경합금이 있습니다.

합금 개발 및 가공의 미래 동향

몇 가지 동향이 합금 개발 및 가공의 미래를 형성하고 있습니다:

• 고엔트로피 합금(HEAs): 거의 동일한 원자 비율로 다섯 가지 이상의 원소를 포함하는 합금입니다. HEA는 고강도, 고경도, 뛰어난 내식성과 같은 독특한 특성을 나타냅니다.
• 첨단 고장력강(AHSS): 뛰어난 강도 대 무게 비율을 가진 강철로, 자동차 및 기타 산업에서 경량화를 가능하게 합니다.
• 계산 재료 공학: 계산 모델링을 사용하여 합금 설계를 가속화하고 공정 매개변수를 최적화합니다.
• 통합 계산 재료 공학(ICME): 다양한 길이 스케일의 계산 모델을 연결하여 다양한 조건에서 재료의 거동을 예측합니다.
• 지속 가능한 재료 가공: 보다 환경 친화적이고 에너지 효율적인 가공 기술을 개발합니다.
• 인공지능(AI) 및 머신러닝(ML): AI와 ML을 활용하여 대규모 데이터 세트를 분석하고 새로운 합금 구성 및 공정 매개변수를 식별합니다.
• 적층 제조 사용 증가: 금속 AM 기술의 추가적인 발전은 더 복잡하고 고성능인 부품의 제작을 가능하게 할 것입니다.

결론

합금 개발 및 가공은 다양한 산업에 걸쳐 기술을 발전시키는 데 중요합니다. 글로벌 관점은 금속 합금과 관련된 다양한 응용 분야와 과제를 이해하는 데 필수적입니다. 혁신을 수용하고, 지속 가능한 관행을 채택하며, 계산 도구를 활용함으로써 재료 과학 커뮤니티는 사회의 진화하는 요구를 충족시키는 새롭고 개선된 합금을 계속 개발할 수 있습니다. 금속과 합금의 미래는 밝으며, 성능, 지속 가능성 및 기능성에서 더 많은 발전을 약속합니다.