비정질금속 (Amorphous metals)

<기출 - 금속재료>

23-2-4	4. 비정질금속을 얻는 방법3가지와특성4가지를설명하시오.
21-4-3	3. 비정질 금속에 대하여 설명하시오.
20-1-12	12. 비정질 합금의 제조방법 3가지를 쓰시오.
18-2-6	6. 비정질 금속의 제조방법에 대하여 설명하시오.

비정질금속이란?

 

1. 개요

 

1) 비정질금속의 정의

비정질이란 무정형, 즉 물질을 구성하는 원자의 배치가 결정상의 장주기 규칙성을 가지지 않는 금속을 뜻한다.
일반적인 금속의 원자는 규칙적으로 주기 배열을 하지만, 원자가 무질서로 충전되어있는 고체를 비정질금속, 아몰퍼스라고 한다. 
(대표적인 예시 : 유리, 고분자재료, 리퀴드 메탈 등) 

구성원자의 배열 없이 무질서하며, 결정립계 또한 없으며 기계적 특성과 내식성, 자기적 특성이 우수한 특징을 가지고 있다. 
고온에서 결정화될 수 있기 때문에 상온에서만 사용해야하며, 상온 부식을 발생시켜 내식성 향상 대책(Cr등을 첨가)이 필요함.
Fe계의 비정질합금은 화학적 불안정성때문에 내식성이 좋지 않지만, Cr 첨가시 부식되지 않는데, 이는 결정립계가 없고 조성이 균일하여 부동태막이 균질하게 형성되고, 피막이 파괴되어도 신속히 Cr이온이 농축되어 부동태피막을 다시 형성하기 때문임.

Cr을 첨가하지 않으면 상온에서도 부식을 일으키고, 수소취성을 일으키기 때문에 강도를 요하는 재료로 사용하기 위해서는 Cr의 첨가가 필요하며, 상온 부근에서 사용해야한다. 

순금속 혹은 합금 상태에 관계없이, 아몰퍼스 상태는 급냉, 전착, 증착, 스퍼터링을 통해서 얻을 수 있다 

소성 이론, 응력변형률 선도, 재료의 성질, 슬립, 쌍정, 전위, 비강도

금속 조직별 일반적인 기계적 성질, 자성차이 - 마르텐사이트, 오스테나이트, 페라이트, 펄라이

 

2) 비정질금속의 특징

결정입계가 없고 균질하여 결정을 만들기 어려워 합금이 되지 않는 금속간에서도 넓은 범위에 걸쳐 합금을 만들 수 있는 특징이 있음
(마치 분말야금이 야금학적으로 주목받는 이유와 흡사) 

① 등방성 : 보통 금속에 비해 원자배열이 불규칙하고, 입계나 전위 등이 없음

② 균질성

③ 고 강인성, 고강도 : 강도가 높고 인성 또한 크나 가공경화는 발생시키지 않음 - Fe합금의 경우 약 400kgf/mm^2의 인장강도

④ 고 내식성, 우수한 브레이징 접합성

⑤ 자기적 성질 우수 (규소강판에 비해 자기손실 및 과전류 손실이 적음 ; 변압기의 철심 등으로 사용 확대), 전기저항 큼 (저철손)

⑥ 생산 제품의 크기와 두께에 한계가 있음 (아직 얇은 두께만 상용되는 중) 

⑦ 적용 범위가 제한됨, 열에 약함 : 고온에서 결정화되면 아예 다른 금속으로 변질됨  

아몰퍼스 금속, 네이버

3) 비정질금속의 응용

전력 손실이 적기 때문에 통전시 철심으로 활용할 수 있음 
또한, 자기적 성질이 우수한 성질을 이용하여 로드셀, DC-DC 컨버터, 자기헤드 등에 활용이 가능함
타이어코드, 면도날, 비정질 리본, 도난방지용 재료 등 

 

2. 비정질 금속의 제조 방법

 

1) 비정질 금속의 제조법

기본적으로 입계냉각속도 이상으로 빠르게 냉각하여 융점으로부터 유리 전이점까지의 온도 영역을 빠르게 통과해야함
금속 용액을 매우 빨리 냉각하면 확산되지 않아 결정이 되지 않고, 급속히 과냉되어 결정핵을 생성하지 않고 유리 온도까지 내려가 비정질화한다. 또한 상온에서 방치하여도 결정화되지 않아야한다.

급냉, 전착, 증착, 스퍼터링 등으로 제조될 수 있음 
크게 구분하면, 전기 혹은 화학적 도금, 기체급냉법, 액체급냉법으로 구분될 수 있음
제조방법을 세부적으로 살펴보면 단롤법, 회전액중방사법, 진공증착법, 스파크법, 확산법, 압착법 등으로 구분됨 

① 기체급냉법 - 진공증착법

공업적으로 많이 이용됨, 금속을 용융상태에서 약 10만℃/sec 이상의 속도로 급냉하고 비정질상태로 응고시키는 방법 
결정의 핵 생성을 억제시키는것이 필수적이기 때문에 급냉이 필요하며, 핵 생성을 억제하는(결정화를 억제하는) 냉각속도를 임계냉각속도라고 함 

급냉법 중 기체급냉법은 금속을 기체상태로 바꾼 뒤 급냉하는 방법

진공용기 속에서 금속을 가열하여 기체상태로 만들고 기판 표면에 수증기를 부착해 박막을 제조

② 기체급냉법 - 스퍼터링법

아르곤과 같은 불활성가스를 방전하여 플라즈마를 형성한 뒤 모합금에 충돌시켜 튀어나온 원자를 기판 위에 부착하여 박막을 제조 

고주파 스퍼터링법에 의한 비정질 합금의 제조, 일진사

③  액체 냉각법 - 단롤법, 쌍롤법, 회전액중방사법

양산장치로 사용되는 공법

냉각되면서 고속 회전하고 있는 롤의 외주면에 용융금속을 얇게 부착시켜 급냉-응고시키는 방법
단롤법은 가장 양산성이 우수하며, 수백kg의 중량까지 제작이 가능하며 장시간 연속 운전 또한 가능하다. 하지만 판 두께나 표면거칠기가 압연가공품보다 떨어짐 (정밀도는 약 3미크론 정도 수준) 

흡사한 방식으로 쌍롤법, 원십법 등이 있음 

좌측부터 단롤법, 쌍롤법, 원심법(회전액중방사법)

3. 참고 자료

응력부식균열 (SCC; Stress Corrosion Cracking)

구리(Cu), 구리합금, 황동(brass), 청동(bronze)

합금강, 철강, 강 합금 원소별 성분에 따른 성질과 특징 (철강 5대원소; C, P, S, Si, Mn), 합금원소(Mg,

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방전가공 (EDM; Electric Discharge Machining)

철강재료의 선정요령, 선정 방법