난융 금속

3. 물리적/화학적 특성

난융 금속은 일반적으로 매우 높은 녹는점을 가지는데, 텅스텐과 레늄은 모든 원소 중에서 가장 높다. 탄소를 제외하면 오스뮴과 이리듐만이 이들보다 높은 녹는점을 갖는다.^[9][10] 레늄은 육방 조밀 격자 구조를 갖는 반면, 다른 난융 금속은 체심 입방 격자 구조를 갖는다.^[9][10]

난융 금속은 주기율표 상에서 5족, 6족, 7족에 위치하며, d-전자 구조에 기인한 강한 금속 결합으로 높은 강도와 안정성을 나타낸다. 외부 d 부껍질의 부분적인 점유는 d 전자가 금속 결합에 참여하게 하여, 인접 원자와 강하고 안정적인 결합을 형성한다. 이는 체심 입방 격자 결정 구조를 통해 변형에 저항하는 특성을 부여한다. 주기율표에서 오른쪽으로 이동할수록 d 전자가 증가하여 결합력이 강해지지만, d 부껍질이 채워지면 원자의 불활성 내각 전자로 전자가 끌려가 비편재화 능력이 감소한다. 이러한 효과로 인해 5족에서 7족까지가 가장 강한 난융 특성을 보인다.^[11]

크리프 저항은 난융 금속의 핵심 특성 중 하나이다. 금속의 크리프는 재료의 녹는점과 관련이 있는데, 알루미늄 합금은 200°C에서 크리프가 시작되지만, 난융 금속은 1500°C 이상에서 발생한다. 이러한 고온 변형 저항성은 난융 금속을 제트 엔진이나 단조 도구와 같이 고온에서 강한 힘을 견뎌야 하는 분야에 적합하게 만든다.^[12][13]

난융 금속은 주기율표 상에서 3개의 다른 족에 속하므로 다양한 화학적 특성을 보인다. 이들은 쉽게 산화되지만, 표면에 안정적인 산화물 층이 형성되어 추가적인 반응을 늦추는 부동태화 현상이 나타난다. 특히 레늄의 산화물은 휘발성이 높아 고온에서 산화에 대한 안정성을 잃는다. 난융 금속은 일반적으로 산에 대해 비교적 안정적이다.^[9]

3. 1. 물리적 특성표

4. 주요 난융 금속 및 합금

난융 금속은 조명, 도구, 윤활제, 원자핵 반응의 제어봉, 보조 촉매 등 다양한 용도로 사용된다. 높은 융점 때문에 주조 방식 대신 분말 야금 방법으로 제작한다. 순수한 금속 분말을 압축하고 가열한 후, 풀림 처리를 하면서 냉간 가공을 거쳐 철사, 괴, 판금 등 다양한 형태로 가공한다.

• '''몰리브덴 합금''': 텅스텐 합금보다 저렴하여 널리 사용되며, 대표적으로 TZM(티타늄 0.5%, 지르코늄 0.08%, 몰리브덴 99.42%) 합금이 있다. Mo-30W(몰리브덴 70%, 텅스텐 30%) 합금은 용융 아연에 대한 저항성이 강하다. 몰리브덴은 수은과 아말감을 형성하지 않아 수은 접점 계전기에 사용된다.^[40][41] 몰리브덴은 강철 합금 강화, 강관 배관, 스테인리스강 첨가 등에도 사용되며, 윤활유나 그리스에 배합되어 마찰을 줄이는 역할도 한다. 주요 생산지는 중화인민공화국, 미국, 칠레, 캐나다이다.^{[42][43][44][45]}
• '''텅스텐 합금''': 1781년 발견되었으며, 3410°C의 높은 융점을 가진다. 레늄을 최대 22%까지 합금하여 고온 강도와 마모 저항성을 높일 수 있다. 전기 아크 발생을 위해 토륨이 합금되기도 한다. 텅스텐 중합금 제조에는 니켈, 철, 구리 혼합물이 결합제로 사용된다.^[46] 백열전구 필라멘트, TIG 용접 전극 등 고온 강도가 필요한 분야에 사용된다.^[47] 높은 밀도와 강도는 무기 탄체, 로켓 엔진 노즐^[52], 밸런스 웨이트^[53][54] 등에 활용된다. 탄화 텅스텐은 드릴, 절삭 공구 등에 사용되며, 주요 매장지는 중화인민공화국, 대한민국, 볼리비아, 오스트레일리아 등이다. 텅스텐은 윤활제, 항산화제, 인쇄용 잉크, X선 스크린 등에도 사용된다.
• '''니오브 합금''': 탄탈럼과 함께 산출되며, 그리스 신화의 니오베에서 이름이 유래되었다. 풀림 처리를 통해 강도와 탄성을 조절할 수 있으며, 밀도가 낮다. 전해 콘덴서, 초전도 합금, 항공기 가스터빈, 진공관, 원자로 등에 사용된다. 아폴로 달 착륙선의 주 엔진 합금 C103은 니오브 89%, 하프늄 10%, 티타늄 1%로 구성된다.^[55] 아폴로 사령선 및 기계선의 로켓 노즐에도 니오브 합금이 사용되며, 400°C 이상에서 산화되므로 보호 코팅이 필요하다.^[32]
• '''탄탈럼''': 높은 부식 저항성을 가지며, 의료・외과용, 강산성 환경, 전해 콘덴서 등에 사용된다. 높은 유전율 덕분에 전자 소자 및 회로 소형화에 기여하며, 휴대 전화와 컴퓨터에 사용된다.
• '''레늄''': 가장 늦게 발견된 난융 금속으로, 다른 금속과 합금하여 연성과 강도를 높인다. 전자 부품, 자이로스코프, 원자로 등에 사용되며, 알킬화, 탈알킬화, 수소화, 산화 반응의 촉매로 유용하다. 희소하여 가격이 비싸다.^[56]

4. 1. 몰리브덴 및 그 합금

4. 2. 텅스텐 및 그 합금

4. 3. 니오븀 및 그 합금

4. 4. 탄탈럼 및 그 합금

4. 5. 레늄 및 그 합금

5. 응용 분야

난융 금속과 이들로 만들어진 합금은 조명, 도구, 윤활제, 핵반응 제어봉, 촉매 및 그들의 화학적 또는 전기적 특성 때문에 사용된다.^[1] 높은 녹는점 때문에 난융 금속 부품은 주조로는 제작하지 않고, 분말 야금 방법을 사용한다.^[1] 순수한 금속 분말을 압축하고 전류를 사용하여 가열한 후, 풀림 처리를 하면서 냉간 가공을 수행한다.^[1] 난융 금속은 철사, 괴, 배근용 재료, 판금, 박 등과 같이 가공할 수 있다.^[1]

6. 장점 및 단점

난융 금속은 강도와 고온 안정성이 뛰어나 뜨거운 금속 가공이나 진공로 기술에 사용된다. 텅스텐 램프 필라멘트(최대 3,073K)나 몰리브덴로 코일(2,273K)이 그 예시이다. 그러나 낮은 온도에서의 성형 불량과 고온에서의 산화성은 단점이다. 이러한 단점을 극복하기 위해 보호 분위기나 코팅이 필요하다.^[1]

몰리브덴, 니오브, 탄탈럼, 텅스텐 합금은 우주 핵 발전 시스템에 적용되는데, 1350K에서 1900K 사이의 온도에서 작동하며, 액체 알칼리 금속을 열 전달 유체로 사용하고 초고진공 환경에서 작동한다. 고온 크리프 변형은 1~2% 이내로 제한되어야 하며, 환경과의 상호작용은 크리프 거동에 큰 영향을 미칠 수 있다.

6. 1. 장점

참조

_[1] 웹사이트 International Journal of Refractory Metals and Hard Materials http://www.elsevier.[...] Elsevier 2010-02-07
_[2] 서적 ASM metals reference book ASM International
_[3] 서적 Behavior and Properties of Refractory Metals https://books.google[...] Stanford University Press 1965-06-01
_[4] 웹사이트 Refractory Metal - an overview https://www.scienced[...] Elsevier 2020-11-23
_[5] 서적 Alloying: understanding the basics https://books.google[...] ASM International
_[6] 문서 Consensus values taken from melting points of the elements (data page) with multiple references there.
_[7] 문서 Consensus values taken from boiling points of the elements (data page) with multiple references there. Tungsten has a particularly wide band of discrepancy, with two primary sources reporting 5555 °C.
_[8] 문서 Consensus values taken from densities of the elements (data page) with multiple references there.
_[9] 학술지 Investigation of the temperature dependence of the hardness of molybdenum in the range of 20–2500°C
_[10] 학술지 Historical Introduction to Refractory Metals
_[11] Greenwood&Earnshaw2nd
_[12] 서적 Manufacturing engineering and technology Pearson Prentice Hall
_[13] 서적 Thermal fatigue of metals CRC Press
_[14] 서적 ASTM special technical publication 849: Refractory metals and their industrial applications: a symposium ASTM International
_[15] 학술지 Corrosion Resistance of Molybdenum in Mercury
_[16] 서적 Extractive Metallurgy of Molybdenum CRC Press
_[17] 웹사이트 Commodity Summary 2009:Molybdenum http://minerals.usgs[...] United States Geological Survey 2010-04-01
_[18] 학술지 Structure and properties of high energy, high rate consolidated molybdenum alloy TZM
_[19] 서적 Handbook of Non-Ferrous Metal Powders: Technologies and Applications Elsevier
_[20] 서적 ASM specialty handbook: Heat-resistant materials ASM International
_[21] 서적 Tungsten: properties, chemistry, technology of the element, alloys, and chemical compounds https://books.google[...] Springer
_[22] 서적 Trends in Usage of Tungsten: Report https://books.google[...] National Academy of Sciences-National Academy of Engineering
_[23] 서적 Tungsten: properties, chemistry, technology of the element, alloys, and chemical compounds https://books.google[...] Springer
_[24] 서적 Welding health and safety: a field guide for OEHS professionals AIHA
_[25] 서적 Welding essentials: questions & answers https://archive.org/[...] Industrial Press
_[26] 간행물 KINETIC ENERGY PROJECTILES: DEVELOPMENT HISTORY, STATE OF THE ART, TRENDS http://aux.ciar.org/[...] 2001-05-07
_[27] 서적 Powder metallurgy : processing for automotive, electrical/electronic and engineering industry New Age International 2007-01-01
_[28] 학술지 Tungsten Heavy Alloy For Defence Applications
_[29] 학술지 Fabricating sports equipment components via powder metallurgy
_[30] 학술지 Niobium alloys and high Temperature Applications http://www.cbmm.com.[...] Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração 2001-05-02
_[31] 서적 Behavior and Properties of Refractory Metals Stanford University Press
_[32] 서적 ASM metals reference book https://books.google[...] ASM International
_[33] 서적 Behavior and Properties of Refractory Metals https://books.google[...] 1965-06-01
_[34] 서적 Alloying: understanding the basics https://books.google[...]
_[35] 학술지 Investigation of the temperature dependence of the hardness of molybdenum in the range of 20–2500°C
_[36] 논문 Historical Introduction to Refractory Metals
_[37] 서적 Manufacturing engineering and technology https://books.google[...] Pearson Prentice Hall
_[38] 서적 Thermal fatigue of metals https://books.google[...] CRC Press
_[39] 서적 ASTM special technical publication 849: Refractory metals and their industrial applications: a symposium https://books.google[...] ASTM International
_[40] 논문 Corrosion Resistance of Molybdenum in Mercury
_[41] 서적 Extractive Metallurgy of Molybdenum https://books.google[...] CRC Press
_[42] 웹사이트 Commodity Summary 2009:Molybdenum http://minerals.usgs[...] United States Geological Survey 2010-04-01
_[43] 논문 Structure and properties of high energy, high rate consolidated molybdenum alloy TZM
_[44] 서적 Handbook of Non-Ferrous Metal Powders: Technologies and Applications https://books.google[...] Elsevier
_[45] 서적 ASM specialty handbook: Heat-resistant materials https://books.google[...]
_[46] 서적 Tungsten: properties, chemistry, technology of the element, alloys, and chemical compounds https://books.google[...] Springer
_[47] 서적 Trends in Usage of Tungsten: Report https://books.google[...] National Research Council, National Academy of Sciences-National Academy of Engineering
_[48] 서적 Tungsten: properties, chemistry, technology of the element, alloys, and chemical compounds https://books.google[...] Springer
_[49] 서적 Welding health and safety: a field guide for OEHS professionals https://books.google[...] AIHA
_[50] 서적 Welding essentials: questions & answers https://books.google[...] Industrial Press Inc.
_[51] 간행물 KINETIC ENERGY PROJECTILES: DEVELOPMENT HISTORY, STATE OF THE ART, TRENDS http://aux.ciar.org/[...] 2001-05-07
_[52] 서적 Powder metallurgy : processing for automotive, electrical/electronic and engineering industry https://books.google[...] New Age International 2007-01-01
_[53] 논문 Tungsten Heavy Alloy For Defence Applications
_[54] 논문 Fabricating sports equipment components via powder metallurgy
_[55] 논문 Niobium alloys and high Temperature Applications http://www.cbmm.com.[...] Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração 2001-05-02
_[56] 서적 Behavior and Properties of Refractory Metals https://books.google[...] Stanford University Press