제3장 초경합금의 물리적 및 화학적 특성
텅스텐 초경합금은 뛰어난 물리적 및 화학적 특성으로 인해 절삭 공구, 내마모성 부품, 광산 장비, 항공우주, 화학 장비, 원자력 시설 및 심해 장비의 핵심 소재로 자리 잡았습니다. 이러한 특성에는 기계적 특성(경도, 인성, 압축 강도, 굽힘 강도), 열적 특성(열전도도, 열팽창 계수, 고온 안정성, 내열충격성), 화학적 안정성(내식성, 내산화성), 그리고 전기적 및 자기적 특성(전도도, 코발트 상 자성)이 포함되며, 이는 텅스텐 카바이드(WC)의 공유 결합 강성과 코발트(Co) 또는 니켈(Ni) 결합 상의 소성 시너지 효과에서 비롯됩니다.
본 장에서는 각 물리화학적 특성, 검사 및 시험 방법, 성능의 다양한 측면에 영향을 미치는 요인, 그리고 확장된 적용 사례를 분석하고, 이론적 근거, 시험 기술, 규제 메커니즘, 환경 적응성, 그리고 작업 조건 성능을 심층적으로 탐구합니다. 상세한 이론 모델, 정확한 실험 데이터, 풍부한 교차 영역 사례, 그리고 성능 영향 분석을 통해 본 장은 물리화학적 특성의 고유한 메커니즘을 밝혀내며, 초경합금의 성능 최적화, 극한 작업 조건 적응, 그리고 학제 간 연구를 위한 포괄적인 참고 자료를 제공합니다.
3.1 초경합금의 기계적 성질
기계적 성질은 고하중, 충격, 마모 및 복잡한 응력 환경에서 초경합금의 신뢰성을 보장하는 초석이며, 절삭, 광산, 스탬핑, 항공 및 심해 시추에 널리 사용됩니다. 이 섹션에서는 경도, 인성, 압축 강도 및 굽힘 강도를 하나씩 분석하고, 새로운 검사 및 시험 방법과 영향 요인을 추가합니다.
3.1.1 초경합금의 경도
경도는 재료가 외부 물체에 의해 표면이 눌리거나 긁히는 것을 저항하는 능력을 말하며, 재료의 기계적 특성을 측정하는 중요한 지표 중 하나입니다. 경도는 일반적으로 재료의 강도, 내마모성 및 변형 저항성을 반영하며, 압축, 전단 또는 소성 변형에 저항하는 능력으로 특징지어집니다. 일반적인 측정 방법에는 브리넬 경도(HB), 로크웰 경도(HR), 비커스 경도(HV), 쇼어 경도(HS)가 있으며, 이러한 값은 압입자 유형(예: 강철 볼 또는 다이아몬드), 하중 크기 및 압입 면적(ISO 6507, ASTM E10)을 기반으로 계산됩니다. 예를 들어, 초경합금의 비커스 경도는 일반적으로 입자 크기와 결합상 함량에 따라 HV 1200~2400입니다. 경도는 재료 미세구조(예: 입자 크기, 상 조성) 및 열처리와 밀접한 관련이 있으며, 재료 선택 및 내구성 평가의 핵심 기준입니다.
초경합금의 비커스 경도(HV)는 1500~2500±30으로, 고속도강(HV 800~1000), 세라믹(HV 1200~1800), 티타늄 합금(HV 300~400)을 크게 능가하며, 이것이 내마모성의 핵심입니다. 이러한 경도는 WC(WC 결합 에너지 6.0eV±0.2eV, 결합 길이 2.0ű0.05Å)의 공유 결합 네트워크에서 비롯되며, 육방정계 결정 구조(P6m², 영률 700GPa±10GPa)는 소성 변형에 대한 저항성을 제공합니다. 10% Co를 함유하는 초경합금의 경도는 HV 1800 ± 30이고, 20% Co를 함유하는 초경합금의 경도는 HV 1400 ± 30으로 떨어진다. 이는 Co 상의 연성(HV 300~400, 면심입방 FCC 구조)으로 인해 압축강도가 감소하기 때문이다.
시멘트 카바이드 경도가 뛰어납니다.
6% Co를 함유한 초경합금의 경도는 600°C에서 HV 1500±30을 유지하다가 800°C에서는 HV 1200±20으로, 1000°C에서는 HV 1000±30으로 감소하는데, 이는 고속도강(600°C에서 HV 500으로 감소)과 세라믹(1000°C에서 HV 800으로 감소)보다 우수한 성능을 나타냅니다. Cr₃ C₂(0.5%1%)를 첨가하면 고용강화(Cr 원자 반경 1.28Å, 격자 변형률 <2%±0.2%)를 통해 경도가 HV 1900~2200±50으로 증가합니다. 예를 들어, 8% Co와 0.5% Cr₃ C₂를 함유한 초경합금 공구(HV 1900)는 스테인리스강의 고속 절삭에서 마모량이 <0.1mm±0.02mm이고 수명이 15시간±1시간(인장강도 >1000MPa, 절삭속도 200m/min, 마찰계수 <0.3±0.05)으로 세라믹 공구(수명 <5시간, 마모량 >0.3mm)보다 우수합니다.
경도에 대한 환경의 영향에 주의를 기울여야 합니다.
고온다습한 환경(40°C, 습도 90%, 168시간)에서는 Co 상의 미세부식이 유도되고(무게 감소 <0.1 mg/cm² ± 0.02 mg/cm², 부식 깊이 <1μm±0.2μm) 경도가 <2%±0.5% 감소합니다. 극한의 저온 환경(40°C)에서는 Co 상의 취성화로 인해 경도가 1%±0.3% 증가합니다(소성 변형률 <3%±0.3% 감소). 고압(>100 MPa, 심해 5000m)에서는 큰 변화가 없습니다(감소 <0.5%±0.1%). 방사선(원자력, 10⁴Gy, γ선)은 점 결함을 유도하고 경도가 <1%±0.2% 감소합니다.
니켈 함유 초경합금(12% Ni, HV 1700±30)은 해양 환경(염도 3.5%, pH 8, Cl⁻19 g/L)에서 경도 저하가 1% 미만으로 더 안정적입니다. 실제 적용에서 6% Co를 함유한 초경합금 롤러는 마모 깊이가 0.05mm±0.01mm 미만이고, 광산(화강암, 암석 경도 1000 MPa 이상, 충격 주파수 1000회/분 이상)에서 수명이 300시간±20시간 이상으로 고속도강(수명 50시간 미만)보다 우수합니다.
경도를 최적화하려면 인성과의 균형이 필요합니다.
TiC(10%15%, 경도 20 GPa±1 GPa)를 첨가하면 경도가 HV 2000±50으로 증가하고 밀도는 12 g/cm³ ± 0.1 g/cm³로 낮아져 터빈 블레이드 금형(하중 > 2000 MPa, 변형 허용 오차 < 0.01mm)과 같은 경량 항공 부품에 적합합니다. 복합 스탬핑(600°C, 주파수 > 10⁴회/시간)에서 15% TiC를 함유한 초경합금 금형의 표면 거칠기는 Ra<0.1μm±0.02μm이고 수명이 40%±5% 증가하여 강철 금형(Ra>0.5μm, 수명 < 2000시간)보다 우수합니다. 도메인 간 비교 결과, 시멘트 카바이드의 경도는 고강도 강철(HV 600800)과 티타늄 합금(HV 300400)보다 우수하지만 다이아몬드(HV >8000)보다 낮은 것으로 나타났습니다.
3.1.1.1 경도 표현 방법
경도를 표현하는 방법은 다양하며, 다양한 테스트 시나리오와 재료 비교에 적합합니다.
비커스 경도(HV)
비커스 경도(HV)는 재료의 경도를 정확하게 측정하는 표준 방법입니다. 다이아몬드 피라미드 압입자(정점 각도 136°)를 사용하여 지정된 하중(일반적으로 5~100kgf, 범위는 1~120kgf까지 확장 가능)으로 재료 표면을 누르고 10~15초 동안 유지한 후 압입의 대각선 길이(d, 단위 mm)를 측정하여 경도 값을 계산합니다. 공식은 다음과 같습니다. HV = 1.8544 × F / d², 여기서 F는 적용된 하중(kgf), d는 압입의 평균 대각선 길이(mm)이며 결과는 kgf / mm²로 표현되며 일반적으로 HV 값으로 직접 표시됩니다(ISO 6507-1:2018).
비커스 경도는 압입량이 작고(직경 0.01~1mm), 정확도가 높으며(오차 <5%), 시험 범위가 넓기 때문에 초경합금, 강철, 세라믹, 박층 재료 등 다양한 재료에 적용할 수 있습니다. 예를 들어, 일반 초경합금의 HV는 1200~2000인 반면, 나노 크기의 초경합금(입자 크기 0.05~0.2μm)은 2000~2400에 달할 수 있습니다(Journal of Materials Science 2025). 비커스 경도의 장점은 코팅과 같은 작은 영역이나 두께가 0.1mm 이상인 얇은 판재를 시험할 수 있다는 점이지만, 시험 시간이 길고 표면 평탄도 요구 조건이 높다는 점(Ra <0.8μm, ITIA 2024)이 있습니다.
록웰 경도(HRC/HRB)
로크웰 경도(HRC/HRB)는 재료의 경도를 측정하는 일반적인 방법입니다. 압입자(다이아몬드 콘 또는 강철 볼)를 초기 하중(10 kgf)과 전체 하중(60~150 kgf)으로 재료에 압입하고, 압입 깊이의 차이를 측정하여 경도를 결정합니다(ASTM E18-22). 로크웰 경도는 시험 속도가 빠르고, 압입량이 작으며, 조작이 간단한 것이 특징으로 금속 재료에 널리 사용됩니다.
HRC : 총 하중 150kgf의 다이아몬드 콘 압입자(꼭지각 120°)를 사용하세요. 이 압입자는 고경도 재료(예: 경화강, 초경합금)에 적합합니다. HRC 값은 다음 공식으로 계산합니다. HRC = 100 – (h/0.002) 여기서 h는 압입 깊이(mm)입니다. HRC 범위는 일반적으로 20~70이며, 예를 들어 초경합금의 경우 HRC 60~70으로, 비커스 경도 HV 1200~2400에 해당합니다.
HRB : 총 하중 100kgf의 1/16인치 강철 볼 압입자를 사용하세요. 이는 연질 재료(예: 열처리강, 구리 합금)에 적합합니다. HRB 값 계산 공식은 HRB = 130 – (h/0.002)이며, 20~100의 범위에 속합니다. 예를 들어, 열처리강의 HRB 값은 약 70~90입니다(ITIA 2024).
록웰 경도의 장점은 높은 정확도(오차 <3%)로 직접 판독할 수 있다는 점이지만, 얇은 소재나 작은 영역에는 적합하지 않습니다(ISO 6508-1:2016).
브리넬 경도(HB)
브리넬 경도(HB)는 경화된 강철 볼이나 텅스텐 카바이드 볼 압입자(일반적으로 직경 2.5, 5 또는 10mm)를 지정된 하중(F, 일반적으로 500-3000kgf)으로 재료 표면에 누르고 일정 시간(10-30초) 동안 유지한 다음 압입 직경(d, mm)을 측정하여 경도를 계산하여 재료의 경도를 측정하는 방법입니다. 공식은 다음과 같습니다. HB = (2F) / (πD(D – √(D² – d²))), 여기서 D는 압입자 직경(mm), F는 하중(kgf), d는 압입 직경(mm)이며 결과는 kgf/mm²(ASTM E10-18)로 표현됩니다.
브리넬 경도는 연성 또는 중간 경도의 재료(강철, 주철, 비철 금속 등)에 적합하며, 일반적으로 HB 30~650입니다. 예를 들어, 비경화강의 HB는 약 120~200인 반면, 초경합금은 높은 경도(HV 1200~2400) 때문에 이 방법에는 적합하지 않습니다(ITIA 2024). 브리넬 경도의 장점은 압입 면적이 넓어 재료의 평균적인 성능을 반영하며, 불균일한 재료에는 적합하지만 얇은 부품이나 고경도 재료에는 적합하지 않다는 것입니다(오차는 약 3~5%, ISO 6506-1:2014).
모스 경도
모스 경도는 재료의 경도를 정성적으로 측정하는 상대적인 척도입니다. 1812년 독일 광물학자 프리드리히 모스(Friedrich Mohs)가 재료의 긁힘 저항성을 비교하여 경도를 평가하기 위해 제안했습니다. 이 방법은 10가지 표준 광물을 기준으로 하며, 경도는 1(가장 무름)에서 10(가장 단단함)까지 등급이 매겨집니다. 1. 활석, 2. 석고, 3. 방해석, 4. 형석, 5. 인회석, 6. 정장석, 7. 석영, 8. 토파즈, 9. 강옥, 10. 다이아몬드입니다. 시험 중 표준 시료로 재료 표면을 긁어 보세요. 흠집이 남을 수 있다면 해당 재료의 경도가 표준 시료보다 낮음을 의미합니다.
모스 경도는 간단하고 직관적이며 광물 및 일부 엔지니어링 재료에 적용 가능하지만, 정확도가 낮고 상대적인 값만 사용합니다. 예를 들어, 초경합금의 모스 경도는 약 9~9.5로 커런덤에 가깝고 강철(약 5~6)보다 훨씬 높습니다(ITIA 2024). 모스 경도의 한계점은 경도 차이를 정량화할 수 없다는 점(예: 9와 10의 차이는 1과 2의 차이보다 훨씬 큼)과 불균일한 재료나 얇은 층을 시험하는 데 적합하지 않다는 점(오차 약 ±0.5)입니다.
변환 시 비선형 관계, HV≈10·HRC+900(오차 <5%), HB 및 모스 변환 오차>10%에 유의하십시오. 실제 적용에서는 HV가 주요 방법이며, HRC/HS는 성능 일관성을 95%±2% 이상으로 보장하기 위한 보조 방법입니다.
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