1. 분말 합금의 종류와 특성
1) 초경합금
초경합금은 일반적으로 주기율표의 제4, 5, 6족 금속의 탄화물을 Fe, Ni, Co 등의 철족 결합금속으로서 접합, 소결 한 복합 합금을 말합니다. 초경합금은 절삭용 공구나 금형 다이의 재료로 주로 쓰이며 비디아(widia), 미국의 카볼로이(carboloy), 일본의 당갈로이(tangaloy) 등이 대표적인 제품입니다.
초경합금 제조는 WC 분말에 TiC, TaC 및 Co 분말 등을 첨가 혼합하여 만드는데 WC-Co계 합금 외에 WC-TiC-Co계 및 WC-TiC-TaC-Co계 합금이 절삭 공구류 제조에 많이 쓰이고 있습니다.
2) 초경합금의 특성
초경합금의 특성을 알아보면 먼저 경도가 HRC80 정도로 높습니다. 또 고온경도 및 강도가 양호하여 고온에서 변형이 적고 내마모성과 압축강도가 높습니다. 사용 목적, 용도에 따라 재질의 종류 및 형상이 다양하게 생성할 수 있고 초경합금의 기계적 성질을 보면 항절력 200~300kg/mm², 압축강도 600kg/mm², 인장강도 180kg/mm²이며 충격강도 0.5~1.2kg/cm², 탄성계수(영률) 55,000~63,000kg/mm²를 나타내고 내마모성은 6-35(1/Vol, loss)이며 연신율이 0.1~0.4% 정도 됩니다. 물리적 성질은 열팽창계수 4.5-6.0.10°/℃, 열전도도 0.1-0.3(cal/sec ℃ cm)를 나타냅니다.
2. 신소재
1) 초소성 재료
금속재료가 유리질처럼 늘어나는 특수한 현상을 초소성이라 합니다. 초소성은 일정한 온도영역과 변형속도의 영역에서만 나타나며, 300~500% 이상의 연성을 가지게 되는데 초소성재료는 초소성 영역에서 강도가 낮고 연성은 매우 크므로 작은 힘으로도 복잡한 형상으로 성형가공이 가능하며, 온도가 저하되면 강도 등의 기계적 성질이 우수해져 실용할 수 있게 됩니다.
초소성 재질은 결정 입자가 극히 미세하며 외력을 받았을 때 슬립변형이 쉽게 일어납니다. 결정 입자는 10m 이하의 크기로 등방성이며 초소성 온도영역에서 결정 입자의 크기를 미세하게 유지하기 위해서 제2상이 모상의 결정립계에 미세하게 분포된 공정 또는 공석조직을 나타내고 있습니다.
또한 소성 변형 중 결정립계에 응력집중을 극소화 시키기 위해서 2차 상의 강도와 차이가 적고 결정립계의 유동성이 좋아야 하며, 결정립계가 인장응력에 의해 쉽게 분리되지 않아야 합니다. 초소성 성형기술에는 blow forming, gatorizing 단조법, SPF/DB 법 등이 개발되어 있습니다.
초소성을 얻기 위한 조직의 조건을 살펴보면 먼저 약 101 sec'의 변형속도로 초소성을 기대한다면 결정립의 크기는 수 m이어야 합니다. 즉 미세립인 것이 필요합니다. 그리고 초소성 온도에서 변형 중의 미세조직을 유지하려면 모상의 결정성장을 억제하기 위해 제 2제2 상이 수 %~50% 존재하는 것이 좋습니다. 제2 상의 강도는 원칙적으로 모상과 같은 정도인 것이 좋으며, 만약 제2 상이 단단하면 모상입계에서 공공이 생기기 쉽고 입계슬립이나 전위밀도는 원자의 확산이동이 저지된다. 이때는 제2상을 미세하게 균일 분포시킴으로써 그 작용을 완화시킬 수 있습니다. 저경각은 입계슬립을 방해하기 때문에 모상의 입계는 고경각인 것이 좋습니다.
입계슬립에서 응력집중은 3중점과 입계의 장애물에서 일어나게 됩니다. 입계가 움직이기 쉬우면 입계이동을 일으켜 응력집중을 완화시킬 수 있습니다. 결정립의 모양은 등축이어야 하는데 왜냐하면 비록 횡단면에서는 미세조직이어 길이방향으로 입자가 늘어나 있으며, 길이방향에는 큰 입계슬립을 기대할 수 없기 때문입니다. 또한 모상입계가 인장분리되기 쉬워서는 안 된다.
[대표적인 초소성 재료]
알루미늄계 supral 100, supral 220, 7475, PM64
티타늄계 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V-X, Ti-5Al-2.5Sn
니켈계 IN-100, asteralloy, IN-744, INCO718
철강계 UHCS(Fe-1,2-2,1% C), Fe-2Mn-0,4C, Fe-4Ni
기타 Zn-Al, Cu-Al, Sn-PB, Bi-Sn, ZIRCALOY 2
2) 형상기억 합금과 초탄성 합금
형상기억효과란 처음에 주어진 특정 모양의 것을 인장하거나 소성변형된 것이 가열에 의하여 원래의 모양으로 돌아가는 현상을 말하며, 초탄성이란 탄성한도를 넘어서 소성변형시킨 경우에도 하중을 제거하면 원상태로 돌아가는 현상을 말합니다. 형상기억효과나 초탄성현상을 나타내는 합금은 Ni-Ti, Cu-Al-Ni, Cu-Al-Zn 합금이 실용되고 있습니다.
형상기억 합금은 변형응력을 가한 때에는 일반금속과 같으나 하중 제거 후 겉보기 소성변형이 남습니다. 그러나 이들 변형은 변태온도 이상의 범위로 가열하면 변형 전의 상태로 되돌아가게 되고 또한 초탄성 합금을 항복구역까지 변형한 후 하중을 제거하면 원상태로 되돌아가게 됩니다.
3) 수소저장용 합금
수소저장용 합금은 수소가스와 반응하여 금속 수소화물이 되고, 저장된 수소는 필요에 따라 금속 수소화물에 방출시켜 이용하고 수소가 방출되면 금속 수소화물은 원래의 수소저장용 합금으로 되돌아가게 됩니다. 수소저장용 합금의 기능과 용도를 요약하면 다음과 같습니다.
① 수소저장성: Fe-Ti계, Mg2Ni계, 희토류 계, 금속 간화합물(LaNis), 자동차연료용, 연료전지의 발전용
② 수소분리 및 정제 : 희토류계, MmNissAlos 등 수소의 순도 99.9999% 이상
③ 열에너지의 저장 및 수송: FeTi, LaNis계, Mg2 Ni계. heat pump, 태양장기축열시스템, 냉온탕용
④ 저온, 저압에서 수소저장 → 고압수소 발생: FeTi계, LaNi계 등 정압축기, 케미컬엔진(열에너지→ 기계에너지)용
⑤ 촉매작용: 암모니아합성(LaNis, ThNis 등), 에틸렌의 수소화(LaNis, LaCosNi 등)
⑥ 금속의 미분말화 작용: 금속 미분말의 제조(Ti, Zr, V, Ni, Ta 등) 이외에도 로봇의 액추에이터(actuator) 또는 센서 등에도 이용된다.
4) 비정질 합금
비정질 합금조성은 TM-X로 표시되며 TM은 천이금속(Fe, Ni, Co 등)이나 귀금속원소(Au, Pd)이고, X는 유리질 비금속원소(B, Si, C, O 등)를 나타내는 것으로 X를 원자 15 - 30% 함유하는 공정점 부근의 조성을 가진 특징이 있습니다.
비정질 합금은 고강도와 인성을 겸비한 기계적 특성이 우수하고, 또한 높은 내식성 및 전기저항성과 고투자율성, 초전도성이 있으며 브레이징 접합성도 좋습니다. 실용적인 면에서 고분자재로 콘크리트 등의 보강재나 타이어코드로서 응용되고 있고, 크롬과 인을 함유한 스테인리스계 비정질재료는 기존 재료보다 내식성이 우수하여 면도날 제조 등에 적용하기도 합니다.
또한 테프론 코팅에 견디는 열안정성이 높은 비정질재료는 정확한 치수의 넓은 비정질 리본을 제조할 수 있으며 이것은 자기 투자율, 즉 연자성이 우수하므로 도난방지용 재료나 자기 헤드 등에 이용을 시도하고 있습니다.
비정질 합금의 제조방법은 기체상태에서 직업 고체상태로 초급냉시키는 방법과 화학적으로 기체상태를 고체상태로 침적시키는 방법 및 레이저를 이용한 급랭방법 등이 있습니다.
5) 리드 프레임(lead frame) 재료
리드 프레임 재료의 요구되는 성능으로는 재료의 치수 정밀도가 높고 잔류응력이 작아야 하며 도금성이 좋아야 하고, 고집적화에 따른 열방산이 잘되어야 하며 강도가 높아야 합니다. 과거에는 리드 프레임 재료로 Fe-42Ni, Sn-Cu 합금이 사용되어 왔으나 최근에는 신형의 Cu 합금, 분산강화형 Cu 합금, 타 금속과의 복합재료 등이 실용화되고 있습니다.
6) 반도체 재료
반도체의 종류를 먼저 알아보겠습니다. 먼저 원소반도체로는 Ge, Si, Se, Te 등이 있습니다. 반도체 재료의 응용면에서의 분류를 해보면 능동소자재료, 광전변화재료, 자전변환재료, 압전변환재료로 나누어 볼 수 있습니다.
반도체 재료의 정제법 에는 플로팅존법과 대역정제법이 있는데 플로팅존법 (floating zone method)이란 화학적으로 정제된 Si는 불순물의 농도가 높아 다시 물리적인 정제법으로 고순도의 반도체를 얻는데, 이에는 플로팅존법이 이용됩니다. 대역정제법은 불순물을 포함한 물질을 용융상태에서 고화시킬 때 고상 속에 포함되는 불순물의 농도가 액상 속에 포함되는 불순물의 농도보다 낮게 배분되는 편석의 원리를 이용하여 불순물을 한쪽으로 모이게 하여 이 부분을 절단하면 순도가 높은 반도체 재료를 얻을 수 있습니다. 이것을 편석법이라고도 하는데 재료의 손실이 많으므로 이를 보완한 대역정제법을 쓰고 있습니다.