금속 합금 목록: 제품군, 구성 및 산업적 용도

금속 합금은 현대 엔지니어링 및 제조의 근간을 형성합니다. 엄선된 합금은 모재에 비해 강도, 인성, 내마모성, 부식성, 열 안정성 또는 전기적 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 일반 엔지니어링 분야에서는 강철(탄소강 및 합금강)과 일반적인 비철 합금(알루미늄, 구리, 니켈 및 티타늄 계열)이 대부분의 요구 사항을 충족하지만 고성능 분야에서는 초합금, 티타늄 합금 및 특수 내화 또는 귀금속 합금에 의존합니다. 적절한 합금 선택은 기계적 요구 사항, 환경 노출, 제조 경로 및 규제 표준과 일치해야 합니다.

1. 합금이란 무엇인가 - 정의 및 명명 규칙

합금은 두 가지 이상의 화학 원소를 결합하여 만든 금속 재료로, 그 중 적어도 하나는 금속입니다. 합금은 순수한 구성 금속과는 다른 특성을 나타내는 재료로, 일반적으로 기계적 또는 환경적 성능이 향상됩니다. 상업용 합금은 전통적인 이름(황동, 청동), 표준화된 코드(AISI, SAE, UNS, EN) 또는 독점적인 상표명으로 명명됩니다. 반복 가능한 성능을 위해서는 합금 조성, 템퍼링/열처리 및 제품 형태에 대한 명확한 사양이 필수적입니다.

일반적으로 사용되는 명명 체계

• 강철 및 철 기반 합금에 대한 AISI/SAE 숫자 코드(역사 및 산업용으로 사용).

• 영숫자 코드가 화학 범위와 연결되는 일반 금속 및 합금의 UNS(통합 번호 체계)입니다.

• 국제 무역에서 EN(유럽 표준) 번호 및 ISO 지정.

• 특수 합금(예: 인코넬, 하스텔로이, 모넬)의 상표명 또는 고유명사.

2. 광범위한 분류: 철 대 비철

재료는 일반적으로 철 합금(철을 주성분으로 함유)과 비철 합금(철을 주성분으로 함유하지 않음)의 두 가지 높은 수준의 그룹으로 나뉩니다. 이 분류에 따라 자기 거동, 일반적인 특성 및 일반적인 용도가 결정됩니다. 철 합금은 탄소강, 합금강, 공구강, 스테인리스강 및 주철을 포함합니다. 비철 합금은 알루미늄, 구리, 니켈, 티타늄, 마그네슘, 납, 귀금속 합금 및 여러 특수 시스템을 포함합니다.

주요 실무적 시사점

• 철 합금은 일반적으로 강도가 높고 구조용으로 사용하기에 비용이 저렴하며, 노출된 환경에서 부식 방지가 필요한 경우가 많습니다.

• 비철 합금은 종종 더 나은 내식성, 더 낮은 밀도 또는 더 높은 전기/열 전도성을 제공합니다.

• 많은 엔지니어링 선택은 질량, 강도, 내식성, 비용 간의 절충안으로 귀결됩니다.

3. 주요 합금 제품군 - 요약, 특성 및 공통 등급

3.1 탄소강 및 합금강(철)

• 정의: 강도와 인성을 설정하기 위해 다른 원소(Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V 등)의 양을 제어한 철-탄소 합금.

• 일반적인 용도: 구조 부재, 파이프라인, 패스너, 기계 부품.

• 대표 성적: A36(구조용), 1018(저탄소), 4140(크롬-몰리브덴 합금강).

• 참고: 열처리(담금질 및 템퍼링)를 통해 경도와 인성을 조정합니다.

3.2 스테인리스 스틸(철, 내식성)

• 정의: 철-크롬(-니켈, 몰리브덴, 질소 등) 합금으로 일반적으로 최소 크롬이 ~11% 이상으로 수동 산화물을 형성합니다. 일반적인 하위 제품군: 오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트, 듀플렉스 및 강수 경화 스테인리스강.

• 대표 성적: 304(오스테나이트 범용), 316(해양 저항성을 위한 몰리브덴이 포함된 오스테나이트), 430(페라이트), 17-4 PH(침전 경화).

• 실용적인 참고 사항: 300 시리즈는 니켈을 함유하고 있으며 우수한 내식성을 제공하며, 400 시리즈는 일반적으로 니켈 함량이 적고 탄소 함량이 높으며 기계적/부식 거동이 다릅니다.

3.3 주물 다리미(철, 고탄소)

• 정의: 강철보다 탄소 함량이 높은(>2%) 철-탄소-실리콘 합금, 종류에는 회색, 연성(구상), 흰색 및 연성 주철이 있습니다.

• 용도: 엔진 블록, 파이프 피팅, 중장비 베이스; 연성 철은 주조성과 향상된 인장 강도 및 연성을 결합합니다.

3.4 알루미늄 합금(비철, 경량)

• 정의: Mg, Si, Cu, Zn, Mn 등이 합금된 알루미늄 기반 합금. 널리 사용되는 템퍼 및 시리즈에는 2000, 3000, 4000, 5000, 6000 및 7000 시리즈가 있습니다.

• 대표 성적6061(Al-Mg-Si, 범용 구조용), 7075(Al-Zn-Mg, 항공우주용 고강도).

• 용도: 운송, 항공우주, 포장, 열교환기.

• 표준: 여러 ASTM 사양이 시트, 판재 및 압출품의 화학 및 기계적 특성을 관리합니다.

3.5 구리 합금(황동, 청동, 백동)

• 정의: 구리 베이스에 Zn(황동), Sn(청동), Ni(큐프로니켈) 등을 첨가하여 특성을 조정합니다. 우수한 전기/열 전도성, 다양한 환경에서의 내식성.

• 대표 성적: C11000(전해 구리), C36000(자유 가공 황동), CuNi 90/10(마린용 큐로니켈).

3.6 니켈 기반 합금 및 초합금

• 정의: Cr, Co, Al, Ti, Mo 및 내화 원소가 합금된 니켈이 풍부한 시스템. 고온 강도와 내산화성을 위해 설계되었습니다.

• 대표 합금: 인코넬 625, 인코넬 718, 하스텔로이 XRene 합금.

• 애플리케이션: 제트 엔진, 가스 터빈, 고온 화학 처리.

3.7 티타늄 합금

• 정의: Al, V, Mo 및 기타 원소가 함유된 티타늄으로 무게 대비 강도가 높고 내식성이 뛰어나며 생체 적합성이 뛰어납니다.

• 대표 성적: Ti-6Al-4V(널리 사용되는 항공우주 및 의료용 등급).

• 용도: 항공우주 구조물, 의료용 임플란트, 부식성 서비스.

3.8 마그네슘 합금

• 정의: 무게가 중요한 경량 구조물 용도에 적합한 Al, Zn, Mn이 합금된 초저밀도 금속.

• 용도: 자동차, 항공우주 2차 구조물, 전자제품 하우징.

3.9 납, 주석 및 특수 저용융 합금

• 정의: 베어링(바비트), 솔더(주석-납, 무연), 차폐 및 방사선 애플리케이션(납-베이스)에 사용되는 연질 또는 저융점 합금.

• 환경 관련 참고 사항: 많은 납 함유 합금은 규제에 직면해 있으며, 무연 솔더는 전자제품에서 흔히 사용됩니다.

3.10 귀금속 및 주화 합금

• 정의: 보석, 전자제품 접점 및 촉매에 사용되는 금, 은 및 백금족 합금. 스털링 실버와 크라운 골드가 그 예입니다.

4. 일반적인 화학 성분 및 빠른 참조 속성 표

아래는 빠른 비교를 위한 간결하고 실용적인 표입니다. 백분율 범위는 참고용이며 정확한 사양은 선택한 등급과 표준에 따라 다릅니다.

표 1: 상위 합금 제품군 비교

(표 1 출처: 일반 문헌 및 자료 데이터시트).

표 2: 대표적인 스테인리스강 등급 및 빠른 화학적 특성

표 3: 일반적인 알루미늄 합금 시리즈

표 4: 일반적인 구리 기반 합금

5. 고성능 및 특수 합금

5.1 초합금

니켈 기반 초합금은 가스 터빈의 고온에서 발생하는 크리프와 산화에서 장기간 강도를 유지하도록 설계되었습니다. 주요 합금 원소에는 Co, Cr, Al, Ti 및 미량 내화 원소가 포함됩니다. 일반적인 가공에는 진공 유도 용해, 방향성 응고 또는 크리프 저항을 위한 단결정 주조가 포함됩니다.

5.2 내화 합금

몰리브덴, 텅스텐, 니오븀 또는 탄탈륨을 기반으로 하는 합금은 극한의 온도에서 작동합니다. 특수 가공 및 가공 방법이 필요하며 용광로, 로켓 노즐 및 원자력 응용 분야에 사용됩니다. 관련 표준 및 공급업체 데이터시트에서는 연성 및 재결정에 미치는 영향에 따라 허용되는 불순물 수준을 정의합니다.

5.3 내식성 니켈 합금

하스텔로이 및 이와 유사한 조성물은 화학 공정에서 염화물, 질소 및 산성 환경에 내성이 있습니다. 갈바닉 호환성 및 용접 야금을 고려하여 선택해야 합니다.

5.4 바이오메디컬 티타늄 및 코발트-크롬 합금

임플란트에는 생체 적합성, 이온 방출 거동 및 피로 성능에 따라 Ti-6Al-4V 및 코발트-크롬(CoCrMo) 합금이 일반적으로 선택됩니다. 표면 마감과 멸균 호환성은 실질적인 관심사입니다.

6. 생산 방법 및 합금 특성에 미치는 영향

합금 성능은 조성뿐만 아니라 생산 경로에 따라 달라집니다:

• 캐스팅: 복잡한 모양과 대량 생산 부품에 적합하며 냉각 속도와 접종에 따라 미세 구조가 달라집니다. 주물 인두가 대표적인 예입니다.

• 단조 가공(압연, 단조, 압출): 정제된 미세 구조와 방향 강도를 생성하며, 일반적으로 철강, 알루미늄 압출 및 구리 제품에 사용됩니다.

• 분말 야금 및 적층 제조: 그물에 가까운 형상, 맞춤형 미세 구조 및 복잡한 화학 물질을 구현하려면 다공성 및 열처리를 제어하는 것이 중요합니다.

• 열처리: 어닐링, 정규화, 담금질 및 템퍼링, 용액 처리 및 노화 처리로 상 분포와 침전물 구조를 변경하여 강도/연성 및 내식성을 조정합니다.

처리 참고 사항:

• 용접은 열 사이클을 추가하며, 내식성과 강도를 맞추기 위해 필러 선택과 용접 후 열처리가 중요합니다.

• 가공 경도와 가공 경화 거동은 공구 선택에 영향을 미칩니다.

7. 주요 표준, 테스트 및 추적성

표준은 화학 성분 범위, 기계적 테스트 방법 및 허용 기준을 정의합니다. 신뢰성 및 규정 준수를 위해 구매 사양은 합의된 표준(ASTM, EN, ISO, SAE, UNS)을 참조해야 합니다:

• ASTM 는 제품 형태와 응용 분야에 대한 화학 및 기계적 특성을 지정하는 수백 가지의 금속 표준을 제공합니다.

• NIST 는 설계 계산 및 시뮬레이션에 유용한 열물리 데이터와 검증된 속성 데이터 세트를 유지 관리합니다. NIST

• ASM 인터내셔널 및 이에 준하는 기술 학회에서 합금 데이터시트, 성능 요약 및 설계 중심 지침을 발행합니다.

추적성 모범 사례:

• 각 열/배치에 대한 MTR(밀 테스트 보고서) 또는 적합성 인증서를 요청하세요.

• 중요한 구성 요소의 경우, 독립적인 재료 분석(분광화학 테스트) 및 기계적 테스트 결과를 명시하여 승인을 받습니다.

8. 실용적인 합금 선택 체크리스트

새 구성 요소의 합금을 선택할 때는 이러한 항목을 검토하고 사양에 문서화하세요.

1. 기능 요구 사항필요한 강도, 피로 수명, 강성, 전도성.

2. 환경온도 범위, 염화물, 산, 마모, 자외선 노출.

3. 질량 제약무게를 최소화하는 것이 우선순위인가요(알루미늄, 티타늄, 마그네슘 선호)?

4. 제조 방법주조, 가공, 용접, 첨가제; 허용되는 화학 물질 및 온도에 영향을 미칩니다.

5. 표면 처리도금, 아노다이징 또는 코팅이 사용되나요? 일부 합금은 다른 합금보다 코팅을 더 잘 받아들입니다.

6. 비용 및 공급가용성 및 비용 변동성(니켈 및 코발트 가격은 변동성이 있을 수 있음).

7. 표준 및 인증규제 제약, 필수 MTR 또는 특별 승인 테스트.

8. 수명 주기 및 재활용 가능성수명 종료 처리, 환경 제한(납, 카드뮴 제한).

9. 호환성: 부식을 방지하기 위해 결합 재료에 대한 갈바닉 전위.

10. 테스트 계획필요에 따라 인장, 충격, 파단 인성 및 부식 테스트를 지정합니다.

9. 비교표 - 엔지니어를 위한 빠른 검색

표 5: 빠른 물리적 속성 비교(일반적인 범위)

표 6: 용접 고려 사항(일반)

10. 자주 묻는 질문

Q1: 구조 부품에 대해 강철과 알루미늄을 결정하는 가장 간단한 방법은 무엇인가요?
A1: 필요한 중량 대비 강도 비율, 부식 노출 및 비용을 비교합니다. 무게가 중요하고 적당한 강도로 충분하다면 알루미늄이 승리하는 경우가 많습니다. 무거운 하중과 비용에 민감한 대형 구조물의 경우 일반적으로 탄소강 또는 합금강이 선호됩니다. 또한 접합 방법과 피로 거동을 확인하세요.

Q2: 스테인리스 스틸은 부식에 어떻게 저항하나요?
A2: 스테인리스강은 표면에 크롬이 풍부한 얇은 산화막을 형성하여 추가 산화를 제한합니다. 이 수동적 층은 합금에 충분한 크롬이 존재하고 환경 조건이 크롬을 공격적으로 공격하지 않는다면 손상 시 재형성됩니다.

Q3: 알루미늄 합금은 자성을 띠나요?
A3: 아니요. 알루미늄과 그 일반적인 합금은 비자성입니다. 이는 전자 하우징 및 일부 특수 애플리케이션에 유리합니다.

Q4: 초합금이란 무엇이며 언제 사용해야 하나요?
A4: 초합금은 고온 강도와 내산화성을 위해 설계된 니켈 또는 코발트 기반의 특수 합금입니다. 일반 강철과 기존 합금이 실패하는 터빈 엔진, 배기 및 고온 화학 원자로에 사용됩니다.

Q5: 일부 합금의 상품명이 많은 이유는 무엇인가요?
A5: 독점적인 처리, 정확한 화학적 조정, 공급업체 브랜딩으로 인해 많은 상품명이 만들어집니다. 엔지니어링의 경우 항상 상품명보다는 표준 번호 또는 전체 화학 사양을 참조하세요.

Q6: MTR(밀 테스트 보고서)은 어떻게 읽어야 하나요?
A6: 지정된 표준에 대한 열수, 화학 성분, 기계적 테스트 값(수율, 인장, 연신율), 제품 형태를 확인합니다. 특수 열처리 및 표면 상태 클레임을 확인합니다.

Q7: 모든 구리 합금은 똑같이 전기를 전도하나요?
A7: 아니요. 순수 구리가 전기 전도도가 가장 좋으며 합금을 사용하면 전도도가 떨어집니다. 도체에는 고순도 구리를 사용하고, 기계적 또는 부식 특성이 더 중요한 경우에는 황동 또는 청동을 사용하세요.

Q8: 알루미늄 압출 시 어떤 표준을 참조해야 하나요?
A8: 알루미늄 압출 바, 형상 및 튜브에 대한 ASTM B221 및 용도 및 합금 선택에 따른 기타 ASTM/EN 사양. 항상 구매 주문서에 합금, 성질 및 표준을 명시하세요.

Q9: 위상 다이어그램은 합금 선택에 어떻게 도움이 되나요?
A9: 상 다이어그램은 온도 및 조성 대비 상 안정성을 표시하여 열처리 윈도우, 침전물에 대한 솔버스 라인 및 용융 또는 응고 범위를 알려줍니다. 이는 열처리 설계와 미세 구조 제어에 매우 중요합니다.

Q10: 중요한 안전 구성 요소에는 어떤 테스트가 권장되나요?
A10: 기계적 테스트(인장, 충격, 파괴 인성), 비파괴 테스트(초음파, 방사선 촬영), 금속 조직학 및 화학 분석을 결합합니다. 극한 환경의 경우 고온 서비스가 적용되는 경우 부식 테스트와 크리프 테스트를 추가합니다.

11. 권위 있는 참조 자료

• 합금 - 위키백과
• NIST 합금 데이터(NIST 열물리 연구 센터)
• ASTM 금속 표준 - ASTM International
• 합금 다이제스트 - ASM 디지털 라이브러리(ASM International)
• 합금강의 구성 - 니켈 연구소(기술 데이터시트)