금속의 강도를 증가시키는 방법
고용체강화
고용체 강화는 치환형 또는 침입형 고용원자를 첨가하여 금속을 강화하는 방법입니다. 크기가 다른 용질원자를 첨가하면 그 주변에 격자 변형이 생겨 전위가 움직이기 어렵게 됩니다.
고용체 강화는 불순물 원자로 인해 뒤틀린 결정 격자가 전위 이동을 어렵게 하여 일어나게 됩니다. 고용체를 이루는 합금의 항복강도, 인장강도 및 경도는 순금속보다 크지만, 고용체 강화만으로 인한 강화효과는 그다지 크지 않습니다.
고용체 강화는 용질원소와 용매원소의 원자 반경의 차이가 15% 이내인 전율고용체에서 두드러지게 나타납니다. Cu와 원자반경의 차이가 큰 Be, Sn 등을 첨가하면 적은 첨가량에도 강도가 크게 향상됩니다.
석출경화(Precipitation hardening, Age hardening)
석출경화란 과포화 상태의 고용체가 분해되면서 재료의 강도가 높아지는 현상을 말합니다. 석출경화는 금속의 모재 내부에 미세하고 균일한 2차 상의 입자를 형성함으로써 금속의 강도와 경도를 증가시킵니다.
석출경화는 제어된 열처리 공정을 통해 금속 매트릭스 내에 석출물이라고 하는 미세한 입자가 형성되는 강화 메커니즘입니다. 석출경화는 시간에 따라 경도가 증가하므로 시효경화(age hardening)라고도 합니다.
석출경화는 2상합금에서 전위가 제 2상 입자를 자르고 지나가거나, 입자가 잘려지지 않아서 전위가 입자를 피해감으로써 추가적인 응력이 필요하게 됩니다. 때문에, 미세하게 분산된 석출물은 금속재료를 매우 효과적으로 강화시키게 됩니다.
석출경화는 Austenite계의 우수한 내열성 및 내식성을 가지고 있지만 강도가 부족하고, Martensite 계는 경화능을 있으나 내식성 및 가공성이 좋지 못하므로 양계의 부족한 점을 충족시키고, 좋은 특성을 살리기 위해 이용한 것입니다.
분산강화(dispersion strengthening)
분산강화(dispersion strengthening)는 단단한 재료의 작은 입자를 모상의 재료에 균일하게 분산시켜 재료의 기계적 특성을 개선하는 기술입니다.
분산강화는 석출경화와 다릅니다. 석출경화는 과포화 고용체에서 용질 원자가 미립 석출함으로써 경화되는 현상입니다. 분산경화는 처음부터 고용되지 않는 미립자의 존재에 의한 경화입니다.
분산강화는 외부에서 직접 입자를 넣는 ex-situ 공정이라고 할 수 있습니다. 분산강화재는 금속의 탄화물, 산화물 또는 질화물로서 고융점 및 고강도를 가지는 재료입니다.
가공경화(work hardening, strain hardening)
가공경화(加工硬化, work hardening, strain hardening)는 금속이나 고분자가 소성 변형으로 단단해지는 현상을 말합니다. 재료가 항복한 후 변형 정도가 증가함에 따라 재료의 강도와 경도가 증가하고 소성과 인성이 감소하는 현상을 말합니다.
물질의 결정 구조 내에서 전위적 이동과 전위적 생성으로 인해 발생합니다. 소성변형에 따라 재료 내에 전위가 도입되고, 전위밀도가 높아져 전위들 간의 움직임을 어렵게 하여 재료를 강화하는 방법입니다.
가공경화는 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다:
- 강도와 경도가 증가하고, 연성과 전성이 감소합니다.
- 잘 파단되지 않으며 네킹(Necking)이 늦게 발생합니다.
가공경화는 금속판재의 굽힘, 드로잉(drawing) 가공과 같은 냉간 성형(cold forming)의 기본원리가 됩니다.
결정립 미세화 강화
결정립 미세화 강화는 결정립의 크기를 줄여 재료의 강도와 기계적 특성을 개선하는 방법입니다. 결정립이 작을수록 결정립계가 많아지고, 이는 전위의 이동에 장애물로 작용하여 슬립을 방해합니다. 결정립의 크기가 작을수록 단위체적당 결정립의 면적이 커지게 되고 강도도 더 커집니다.
결정립 미세화 강화는 소성 변형과 같은 물리적 방법이나 결정립 미세화제 첨가 및 급속 응고 방법과 같은 기술을 통해 가능합니다.
규칙화 강화
재료의 규칙화 강화는 고용체가 규칙격자를 이루면 소재가 더욱 강화되는 것을 의미합니다. 금속의 강도는 원자의 규칙적인 배열상태에서 벗어남에 따라 현저히 좌우됩니다.
철강에서의 규칙화 강화
철강의 규칙화 강화는 합금의 고용체가 규칙격자를 이루면서 소재가 강화되는 것을 말합니다.
합금의 고용체에서 용질원자는 무질서하게 분산되어 용해되어 있습니다. 하지만 이종원자간의 결합에너지가 동종원자간의 결합에너지보다 작을 경우에는 이종원자가 서로 규칙적으로 결합해서 규칙격자를 형성합니다. 고용체가 규칙격자를 이루면 소재는 더욱 강화됩니다.
철강의 규칙화 강화는 면심입방구조(face-centered cubic, fcc)에서 규칙화된 E21 구조를 갖는 -탄화물((Fe,Mn)3AlC)이 400 – 950 ℃ 사이의 온도에서 석출되어 재료의 강도를 향상시키는 것을 말합니다.
마무리
오늘은 금속의 강도를 증가시키는 방법 6가지에 대해 알아보았습니다.
금속의 강도를 증가시키는 방법에는 열처리를 통한 방법도 있습니다. 금속을 담금질하거나 열처리하면, 금속 내부의 결정구조를 변화시켜 금속의 결정립을 더 작고 고르게 만들어 강도를 높입니다.
또한, 금속 표면에 코팅을 하는 방법도 있겠습니다. 강도가 높은 세라믹 코팅이나 다이아몬드 코팅을 하면 표면 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다.