합금

인류가 최초로 사용한 합금인 운철

합금(合金, Alloy)은 두 가지 이상의 금속을 녹여 첨가한 물질의 총칭이다. 다만 꼭 금속끼리만 합치는 건 아니고, 금속에 비금속 불순물(탄소, 규소, 인, 붕소 등)이 섞인 것도 넓은 의미에서 합금으로 보기도 한다. 예를 들어 탄소+철 합금. 정확히는 인류의 제련 기술이 불순물을 효과적으로 제거하지 못하던 시점에서 강철은 합금이라 보기 애매하였다. 완전히 제거하기 못한 불순물에 탄소가 포함되어 있어 그 자체로 강철이었기 때문이다. 그러나 제련기술이 더 발달한 현대에는 불순물을 최대한 제거한 이후 추가로 탄소량을 조절하므로 합금으로 친다.

우리 주변에서 만나볼 수 있는 금속 재료는 대부분 합금이다. 어떤 물건이건 100% 한 종류 금속으로만 만드는 경우가 거의 없기 때문이다. 특히 순수한 알루미늄이나 철은 재료로 사용하기가 불가능할 정도로 강도가 형편없다. 보통 철은 탄소를 조절해 강철로 만들어 쓰고, 알루미늄은 두랄루민으로 만들어 쓴다. 탄소까지 완전히 제거된 철은 순철이라 부르며, 전기 분해를 거쳐 일반 제련보다 복잡한 생산과정을 요구하므로 특수한 용도로만 쓴다.

그중 예외는 구리로 만든 전선으로, 미량의 불순물을 제외하면 거의 순수한 구리다. 순금(24k)은 100%에 가까운 금이지만 너무 비싸고 쉽게 손상되므로 장신구 제작에도 잘 사용되지 않는다. 따라서 장신구 제작 시에는 금이 질량의 24분의 14(순도 58.5%) 함유된 14k, 또는 질량의 18/24(순도 75%) 함유된 18k 금을 많이 사용한다. 순은도 은괴에 사용하는 정도이며 너무 물러서 장신구 제작에는 순도 92%의 은인 스털링 실버 합금을 사용한다.

상세[편집]

합금은 합치는 데 사용한 두 금속의 성질을 다 띄거나, 새로운 성질이 나타나거나, 이미 있는 성질이 크게 변하는 등 합금마다 특성이 다 달라 인류는 예로부터 다양한 종류의 합금을 제조했다. 워낙 금속의 종류가 많고 섞을 수 있는 조합도 많아서, 2002년 기준으로 발표된 합금 종류는 128,540여 가지에 달한다.

물론 합금이라고 다 성질이 같은 건 아니다. 예를 들어 땜납은 녹는점이 내려가는 반면, 텅스텐 합금은 핵반응 장치에 사용할 수 있을 정도로 녹는점이 매우 높다.

합금을 할 경우 자원의 재활용 측면에선 좋지 않고, 특정 원소의 경우 인체나 환경에 유해하기도 하다. 때문에 경제성을 충족 시키는 범위 내에서 합금원소의 단순화, 재활용이 용이한 원소로 대체, 합금 없이 추가 가공처리 등을 통해 기존과 같은 성질을 유지하면서 합금을 대체할 수 있다면 그렇게 하는 추세이다.

대체적인 분류는 가융합금, 각형이력자성합금, 게터합금, 고도자율합금, 내산합금, 내식합금, 내열합금, 모합금, 발화합금, 비결정성합금, 수소저장합금, 자성합금, 초경합금, 초전도체, 형상기억합금 등이다.

금속 원소끼리 또는 금속과 비금속 원소 사이에 금속 결합을 갖는 화합물을 일컫는 합금은 하나의 상(phase)으로 이루어진 경우와 다양한 상들의 결합체인 경우로 나뉜다. 합금 중 특히 금속 간 화합물(intermetallic compound)은 특정한 화학양론(stoichiometry)과 결정 구조를 가지며, 진틀 상(Zintl phase) 또한 결합 유형에 따라 종종 합금으로 분류되기도 한다. 합금은 다양한 용도로 활용될 수 있는데, 주로 다양한 금속 결합을 통해 물질의 중요한 물리.화학적 특성을 보존하거나 향상시키는 동시에 그 가격을 낮추기 위해 사용된다. 대표적인 합금으로 강철, 놋쇠, 땜납, 두랄루민, 청동, 아말감 등이 있으며, 그 조성은 실용적인 응용을 위해서 질량 백분율(mass percentage)로, 기초 과학 연구에선 원자 백분율(atomic percentage)로 각각 나타내기도 한다.

이론적 배경[편집]

합금의 전기 전도도와 열 전도도는 순수한 금속에 비해 낮은 반면에, 밀도, 반응성, 영률(Young’s modulus)과 같은 물리적 성질에 있어서는 큰 차이를 보이지 않는다. 하지만 인장 강도(tensile strength), 연성, 층밀림 세기 전단 강도(shear strength) 등과 같은 기계적 특성들은 순수한 금속과는 상대적으로 큰 차이를 보이는데, 이는 주로 합금을 구성하는 원자 사이의 크기가 다르기 때문이다. 크기가 큰 원자는 이웃하는 원자에 압력을 가하는 반면, 크기가 상대적으로 작은 원자는 이웃하는 원자에 인장력을 가하게 되므로 합금의 결합 구조가 변형에 대한 저항성을 보이게 된다.

순수한 금속과는 달리 대부분의 합금들은 하나의 녹는점을 갖는 대신 특정 온도 범위에서 고체와 액체가 공존하여 슬러시(slush)와 같아진다. 합금의 용융이 처음 시작되는 온도 지점을 고체상선(solidus), 합금이 완전히 액체가 되는 온도 지점을 액체상선(liquidus)이라고 각각 부른다. 또한, 많은 합금들은 공정(共晶, eutectic) 또는 포정(包晶, peritectic) 혼합물이라 불리는 특정한 조성을 가지는데, 이럴 때 합금은 특정하게 낮은 녹는점을 가지나, 용용 시 액체와 고체가 공존하는 슬러시 현상은 보이지 않는다.

합금을 구성하는 원자들의 크기가 비슷한 경우, 그 구조는 처음의 순수한 금속 원자 상태로 존재할 때의 결정 구조를 유지하면서 여기에 새롭게 혼합된 금속 원자가 기존의 일부 자리를 치환하는 형태가 되는데, 이러한 합금을 치환형 합금(substitutional alloy)이라고 한다. 대표적인 예로는 청동과 황동을 들 수 있는데, 이들은 구리 결정을 구성하는 원자의 일부가 주석 혹은 아연 원자로 치환되어 얻어진 합금들이다. 반면에 구성 원자 간 크기가 다를 경우, 기존 원자를 치환하는 치환형 합금과 달리 새롭게 혼합된 금속 원자가 원래 결정 구조의 빈 틈새로 들어가기에, 이를 틈새형 합금(interstitial alloys)이라고 하며, 작은 탄소 원자가 철 원자 간 틈새로 들어간 강철이 그 대표적인 예이다. 치환형 합금과 틈새형 합금의 특성이 결합된 사례로 스테인리스 스틸이 있는데, 이 경우는 탄소 원자가 빈 틈새를 메우는 한편, 철 원자의 일부는 니켈과 크로뮴으로 치환하여 만들어진 합금이다.

역사와 예[편집]

운철(meteoric Iron)[편집]

인류가 사용한 최초의 합금은 지구에 떨어진 운석에서 채취한 철인 운철이었다. 운철은 니켈과 철이 자연적으로 결합되어 형성된 합금이며, 매우 희귀하고 비싸다. 야금 기술이 전무했던 선사 시대에는 이로부터 니켈을 분리시킬 수 없었기에, 합금 그대로 연장, 무기, 못 등으로 가공되어 사용하였다.

청동과 황동[편집]

철은 전 세계 대부분 지역에서 주로 광석 상태로 발견되었던 반면, 구리는 자연 상태에서 그대로 발견된다. 이 때문에 신석기 시대에는 구리가 연장, 장신구, 또는 그 외 기타 다양한 용도로 가공되거나 활용되었다. 그 후 인류는 구리나 주석과 같은 광물들을 제련하는 방법을 알게 되었고, 서기 2500년 경 두 금속을 섞어 청동(bronze)으로 만들기 시작했다. 청동은 그 재료인 구리나 주석보다 훨씬 높은 강도를 가졌지만, 당시로선 주석이 희귀했던 까닭에 청동은 지배층의 전유물로 인식되었다. 중동에서 구리와 아연을 섞어 황동(brass)을 만들기 시작했고, 이로부터 다양한 재료를 여러 조성으로 혼합한 합금의 제작이 시도되기 시작했다.

강철[편집]

최초로 알려진 철의 제련은 BC 1800년경 아나톨리아에서 시작되었다. 이 당시 제련되어 얻은 철은 매우 무른 연철(wrought iron)이었으며, BC 800년경까지 이러한 기술이 유럽 전역으로 퍼져 나갔고, AD 700년경에는 일본에까지 전파되었다. 탄소와 철의 합금으로 매우 단단하지만 쉽게 부서지는 특징을 지녔던 선철(pig iron)은 BC 1200년경 중국에서 생산되었으나, 중세에 이르기까지 유럽에는 전파되지 못했다. 선철은 순수한 철보다 녹는점이 낮아 상대적으로 가공이 쉽다는 장점이 있지만, 실용성은 낮다. BC 300년 경 도가니강(cruicible iron)이 만들어지기도 했으나 그 특성이 역시 좋지 못했다. 그러나 AD 1세기경에는 위와 같이 단점을 갖는 연철, 선철, 도가니강 등을 얇은 판 형태로 가공한 후 이들 합금을 여러 장 겹쳐, 보다 강한 철을 만들 수 있는 패턴 웰딩(pattern welding) 공법이 소개되면서 비로소 실용적인 철 합금이 탄생하게 되었다.

합금 목록[편집]

갈린스탄: Galinstan(Gallium, Indium, Stannum의 합성어). 이름처럼 갈륨, 인듐, 주석을 섞어서 만든 합금으로 상온에서 액체이다. 독성이 적은 갈륨, 인듐, 주석만을 사용하기 때문에 수은에 비해 독성이 적어 수은 대신 가지고 놀 수 있다.
나크: 나트륨과 칼륨의 합금으로 상온에서 액체이다. 고속 증식로의 냉각재로 쓰인다.
노르딕 골드: 유로화 등 일부 주화에 사용.
니크롬: 니켈-크롬이 주가 되는 합금. 전기 저항이 커서 전열기나 드라이어기 등의 열선으로 쓰인다. 녹는점은 1400도 정도로 높은 편. NiCrA 가 80% Ni, 20% Cr, NiCrC 가 61% Ni, 15% Cr, 철로 이루어진다.
니티놀: 니켈-티타늄 합금의 금속. 반 영구적 형상기억합금으로 안경테, 인공위성 등에 사용
두랄루민: 알루미늄-구리-마그네슘. 항공기 재료
디디뮴: 네오디뮴-프라세오디뮴.
땜납: 납-주석 또는 주석-은-구리. 기판 납땜용[2]
배터리 합금 : 납-안티모니. 납 축전지 전극용으로 사용. 경우에 따라 칼슘을 첨가하기도 한다.
백동: 구리-주석-아연-납. 화폐용
비정질 합금(리퀴드메탈)
수소저장합금
아말감: 수은-아르곤-주석. 치과 충전재.
양은: 구리-니켈-아연-납. 식기 등 여러 용도로 이용.
인바: 니켈-철. 불변합금. 자, 시계바늘, 계측기 등.
위상부도체: CdTe-HgTe, Bi2Se3, Bi2Te3 등 합금이지만 위상수학적 특징에 의해 반도체가 되는 합금.
인코넬: 니켈-크롬-몰리브덴. 내열성, 내식성이 뛰어남.
일렉트럼: 금을 중심으로 한 은 및 구리 등이 섞여서 자연적으로 산출되는 합금. 고대부터 장식, 주화, 연금술 등에 사용하였다.
청동: 구리-주석.
초경합금: 위디아(Widia)라고도 한다. 탄소가 포함된 텅스텐-코발트[3] 합금으로, 내마모성과 내열성, 경도[4][5] 가 매우 높아 공구 용도로 널리 쓰인다. 한 예능에서는 드릴로 초경합금에 구멍 내기를 시도했으나 6번의 실패를 겪은 바 있다 영상 여기에 나온 금속은 이쪽 계열이다.
초전도체
초합금
하이망간: 철-망간-탄소-실리콘. 내마모성, 내충격성.
합금강: 철/탄소강에 다른 금속을 섞은 합금.

고강도 저합금강

탄소강: 탄소강 자체도 순철에 탄소성분을 섞은 합금이다.

스테인리스강: 합금의 대표주자. 철-니켈-크로뮴계 합금. 쉽게 녹이 슬지 않아 주방용품 등에 흔히 사용.

크로몰리: 철-크로뮴-몰리브덴계 합금. 가볍고 견고하며 녹에 상당히 강하다.

고속도강: 철-코발트-크로뮴-텅스텐. 저가형 구멍가공용 드릴에 주로 쓰인다.
규소강: 철-규소. 전자석이나 변압기 철심의 재료로 주로 쓰인다.

화이트 골드: 은빛 광택을 내는 백색금. 백금과는 다르다!
황동: 구리-아연. 공예품, 배관, 전기 단자 등에 흔히 사용. 특히 한국인 남성이라면 대부분 한 번은 주워보았을 탄피의 주 재료.
형상기억합금

참고자료[편집]

〈합금〉, 《나무위키》
〈합금〉, 《화학백과》

같이 보기[편집]

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