합금(alloy)은 주 금속에 한 가지 이상의 다른 원소를 첨가하여 기계적 성질을 향상한 금속 물질입니다. 기존의 순금속에 다른 물질을 섞었기 때문에 기존 금속과는 다른 특성을 보여주지요. 이때 섞는 다른 물질은 꼭 금속일 필요는 없답니다.
합금을 사용하는 이유는 무엇일까?
굳이 순금속에 다른 물질을 섞어 합금을 만드는 이유는 기계적 성질에서 이득을 얻기 위함입니다. 합금은 기존 금속이 가지는 성질을 증대하여 개량하거나, 또는 부족한 특성을 보완하여 향상된 모습을 보여주는데요. 동시에 그 가격이 낮아지는 경우도 있습니다.
합금은 엄청나게 종류가 많으며, 일반적으로 많이 알려진 합금으로는 청동(bronze)과 황동(brass), 두랄루민(duralumin), 아말감(amalgam) 등이 있습니다. 이런 합금들은 각각의 특성이 다 다르지만, 일반적으로 공통적인 특성을 가지고 있지요.
합금의 일반적인 성질을 나열해보자
∇ 연성(ductility)과 전성(malleability)이 작습니다. 금속은 일반적으로 연성과 전성이 큰데, 이는 가공에는 유리하나 제품이나 물체로 가공된 이후에는 결점이 될 수 있습니다. 순금속에 여러 물질을 넣어 합금으로 만들면 이러한 단점을 개선시킬 수 있지요.
합금에서 연성과 전성이 작아지는 이유는 합금을 만들기 위해 주입하는 원소와 기존 순금속의 원자 크기가 다르기 때문인데요. 크기가 큰 원자는 주위의 원자에 압력을, 크기가 작은 원자는 주위에 인장력(tension)을 가하게 되어 변형이 어렵기 때문입니다.
∇ 순금속에 비해 강도(strengh)와 경도(hardness)가 큽니다. 그 이유는 연성과 전성이 작은 이유와 일맥상통합니다. 순금속과 원자 크기가 다른 물질들이 섞여 있기 때문이지요. 특히나 가공 과정에서 담금질(quenching) 처리를 하면 높은 경화 효과를 얻을 수 있습니다. 여기서 담금질이란 급랭 또는 급열을 통해 금속 조직을 원하는 상태로 성장시키는 열처리 방법입니다.
∇ 열전도율과 전기전도율이 낮습니다. 금속의 열전도율과 전기전도율은 자유전자에 의존하는데요. 열은 자유전자의 운동에너지에 의해서, 전기는 자유전자의 이동에 의해서 전도되죠. 합금은 금속에 다른 물질이 섞이면서 결정격자가 뒤틀리는 등 순금속에 비해 자유전자의 움직임이 방해받기 때문에 열저항과 전기저항이 높아 열전도율과 전기전도율이 낮답니다.
∇ 용융점(melting point)이 낮아 주조성(castability)이 좋습니다. 일반적으로 순금속에 다른 물질이 첨가되면 용융점이 내려가게 되는데요. 상변화 시에는 원자나 분자 간의 결합력이 중요합니다. 합금은 기본적으로 혼합물이기 때문에 각 원자 간 결합력이 순금속일 때와 비교해서 일반적으로 떨어지기 때문에 대체로 용융점이 내려가게 됩니다.
철합금의 경우 순금속과 대비하여 용융점이 낮아 용탕(molten metal)에 균일하게 분포가 가능한 장점(철강제품 품질 향상)이 있습니다. 물론 합금은 대체적으로 용융점이 낮을 뿐, 용융점을 높이는 경우도 있지요.
주조성은 주조(액체 상태의 물질을 틀에 부어 굳히는 가공 방법)를 하기에 알맞은 성질을 뜻합니다. 일반적으로 용융점이 낮으니, 액체 상태로 쉽게 만들 수 있어 주조(casting)에 유리합니다.
∇ 내열성과 내산성(acid resistance), 내식성이 좋습니다. 각 합금마다 차이가 있긴 합니다만 일반적으로 그렇습니다. 내열성과 내산성, 내식성 같은 기계적 성질을 향상시키기 위해 합금을 만드는 것이니까요. 순물질에 비교했을 때, 합금은 크기가 다른 원자들이 섞여 있는 점, 기존과는 다른 결정 구조를 가지는 점, 담금질 같은 열처리 과정을 거치는 점 등의 차이로 인하여 기계적 특성이 개선된답니다.
더 알아보기 : 용융점이 낮은데 내열성이 높은 이유는?
용융점이 낮은데 내열성이 높은 이유는 무엇일까요? 합금이 용융점이 낮다고 말하는 것은 순물질과 비교했을 때 녹는점이 낮기 때문입니다. 반면 내열성이 높다는 표현은 고온에서 잘 견디면서 강도(strength) 같은 기계적 특성이 유지된다는 뜻입니다. 한 예로, 한국철강협회에 따르면 내열강의 경우 공업적으로 350℃ 이상, 화학 성분적으로는 4% 크롬(Cr) 이상의 강을 대상으로 내열강이라고 부르는 것이 일반적이라고 합니다. 참고로 철(iron)의 용융점은 1538℃입니다.
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