알루미늄 비정질재료

알루미늄 비정질재료

비정질 합금은 결정상과는 달이 일정한 원자배열이 아니 무질서한 원자배열을 가지고 있기 때문에 우수한 기계적 성질을 가지며 높은 강도와 넓은 탄성 한계 영역, 뛰어난 부식특성, 전자기적 특성을 가지고 있어 많은 관심을 불러 일으켰다. 또한 최근 다성분계 합금에서 비정질 형성능이 우수한 합금들이 보고되어 낮은 임계 속도 하에서 벌크 상태의 비정질 합금을 얻을 수 있게 되었다. 비정질 재료는 일반 합금의 성질과 비교하여 결정 자기이방성이 없고 개재물, 입계, 쌍정, 적층결함 등의 국부적인 불균일 조직이 없거나 매우 적어 자구의 이동이 원활하며, 투자율이 높고 항자력이 작아 우수한 연자성 특성을 나타내며, 불규칙한 원자배열로 인해서 전기저항이 크고 강도 및 경도가 높은 특징을 갖는다.

 

알루미늄을 주성분으로 하는 합금은 경량 고강도재료로서 비강도가 높고 가공성이 우수하기 때문에 항공기, 차량들에 많이 사용되고 근대 공업재료의 하나로서 중요한 위치를 차지하여 왔다. 특히 최근은 지구 환경오염이 심각한 문제로 대두됨에 따라 수송기관의 경량화에 대한 연구가 더욱 활발하게 행하여지고 있고, 그 때문에 현재 실용되고 있는 듀랄루민 등 고강도 알루미늄 합금보다 훨씬 더 가볍고도 강한 재료 특히, 비정질 재료 등의 개발이 요구되고 있다.

 

알루미늄계 비정질 합금에 관한 연구는 Al-Ni-Si 합금계에서 고강도와 연신을 가지는 비정질 합금이 보고된 후 많은 알루미늄계 비정질들이 다루어져 왔다. 특히 Al-TM(TM=천의 원소), Al-TM-Si(Ge), Al-Ln (Ln=란탄늄 금속), Al-Ln-TM, Al-Ni-Gd 합금계에 많은 관심을 가지고 연구가 진행되어 왔다. 알루미늄 합금계에서 최대 비정질 형성능은 아직 300-500 μm 정도 되므로 벌크 비정질 합금으로 활용되기에는 힘든 실정이며, 리본 혹은 분말 형 합금으로 개발 되어지고 있다.

 

특성 최적화의 측면에서는 최근에 단롤형 액체급냉법으로 제조된 Al-TM(천이금속)-RE(회토류금속)계 합금이 비정질상에 약 10nm 전후의 알루미늄 초미세립자가 분산된 2상 혼합 상태의 조직을 갖고 비정질 단상 합금보다도 약 50%이상이나 높은 경도 및 인장강도를 나타낸다는 사실이 보고되어 관심을 받고 있으며, Al-Ni-Re-TM계 4원계 합금에서 최고 1560MPa의 강도가 보고되어 철강재료중 강도가 가장 크다고 알려져 있는 마르에이징강에 버금가는 놀라운 초고강도를 얻게 되었다.

 

이러한 초고강도는 고분해능 투과전자현미경 관찰에 의해 밝혀진 바와 같이 내부결합이 없는 나노스케일의 알루미늄 초미세립자가 비정질 모상중에 균일하게 분산함으로서 일어나는 분산강화 효과에 의해 얻어진다고 알려져 있다. 그러나 이 시스템들의 단점은 너무 많은 양의 Rare earth 원소를 포함함으로 변형할 때 쉽게 산화가 되어 적용하는데 제한이 있다. 또한 다른 합금계로서 Al-ETM-LTM 합금 (ETM=IV~VI족 천이원소들, LTM= VII과 VIII족 천이원소들)이 비정질 형성 합금으로 보고되었으며, 강도는 800MPa보다 높다고 보고되었다. 대표적인 합금들은 Al-LTM-ETM (LTM=Fe, Co, Ni, Cu; ETM=Ti, Zr, Hf, V, Nb, Mo), 들이 있다. 알루미늄계 비정질 합금의 한 예로 그림1는 리본형태의 Al-Zr-Fe(Co) 시스템에서 비정질을 형성하는 조성범위를 보여 주고 있다.

 

<그림1. 본형태의 Al-Zr-Fe(Co) 시스템에서 비정질을 형성하는 조성범위>

 

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