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모넬

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목차

1. 개요

모넬은 니켈과 구리의 합금으로, 가공 경화가 심하고 부식 및 산에 강하며, 다양한 분야에서 활용된다. 항공 우주 산업에서는 고온을 견디는 데 사용되었고, 석유 생산 및 정제, 해양 산업, 악기, 화학 산업 등에서도 사용된다. 모넬 400, K-500 등 다양한 합금 종류가 있으며, 각기 다른 특성과 용도를 가진다.

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모넬
개요
해수 펌프 샤프트용 모넬 400
해수 펌프 샤프트용 모넬 400
종류니켈-구리 합금
구성 성분니켈 (최소 52%)
구리 (최대 47%)
철
망간
탄소
규소
발명가로버트 크룩스 스탠리
명명 유래앰브로스 모넬
특성
내식성해수
산
알칼리
강도높음
용접성좋음
용도
해양 산업펌프
밸브
파이프
프로펠러 샤프트
화학 처리 장비반응기
저장 탱크
전자 부품전자 담배 탱크
밸브
악기밸브 피스톤
기타 부품
기타주방 싱크대
안경테
고급 의류
구조물
관련 정보
상표미국 특허청 등록 상표

2. 특성

모넬은 니켈과 구리를 주성분으로 하는 고용체 이원 합금으로, 모든 비율에서 서로 용해되어 단상(single-phase) 합금을 형성한다. 모넬은 강철보다 가공 경화가 빠르게 일어나 가공이 어렵지만, 느린 속도와 낮은 이송 속도로 선삭 및 가공할 수 있다. 부식과 산에 대한 저항성이 우수하며, 일부 합금은 순수 산소 환경에서도 연소에 견딜 수 있다. 일반적으로 스테인리스강보다 가격이 비싸다.[7]

모넬 400 합금은 비중 8.80, 용융 온도 1300~1350 °C, 전기 전도도 약 34% IACS, (열처리 상태에서) 경도 65 Rockwell B의 특성을 갖는다.[8] 특히, 영하의 온도에서도 우수한 기계적 성질을 유지하며, 연성-취성 전이를 겪지 않아 저온 환경에 사용하기 적합하다.

3. 활용 분야

모넬은 다양한 산업 분야에서 널리 사용되는 합금이다.


  • 항공 우주 산업: 노스아메리칸 X-15와 같은 실험용 로켓 비행기의 프레임과 외피 제작에 사용되었다. 높은 온도에서도 강도를 유지하여 고속 비행에 적합하지만, 밀도가 높아 무게가 증가하는 단점이 있다.[1] 항공기 정비 시 안전 와이어 및 일부 체결 부품으로도 사용된다.[1]
  • 석유 생산 및 정제: 알킬화 공정 장치에 사용되어 불화수소산에 대한 뛰어난 내성을 보인다. 환원 조건 하에서 황산과 염산에 대한 내성도 있다.
  • 해양 산업: 배관 시스템, 펌프 샤프트, 해수 밸브, 트롤링 와이어, 여과기 바스켓 등에 사용된다. 일부 합금은 비자성이어서 기뢰 제거함의 앵커 케이블[9]이나 자기장 측정 장비 하우징에 사용된다. 레저 보트의 앵커 로프 샤클 고정 와이어, 급수 및 연료 탱크, 수중 용도로도 사용되며, 프로펠러 샤프트와 용골 볼트에도 사용된다. Hobiecat 세일 보트에는 스테인리스강 대신 모넬 리벳[10]이 사용된다. 조선에서 모넬은 강철과 같은 다른 금속과 갈바닉 부식(전해 작용)을 일으킬 수 있으므로 주의하여 절연해야 한다.[11] 알바트로스와 같은 해양 조류 연구에서 조류 밴드나 링 제작에도 사용된다.[12]
  • 악기: 고급 트럼펫, 튜바, 프렌치 호른의 밸브 피스톤이나 로터 재료로 사용된다. 일렉트릭 베이스 현(로토사운드, 1962년),[1] 맨돌린 현(깁슨 기타, 1930년대 초), 어쿠스틱 기타 현(C.F. 마틴 앤드 컴퍼니), 일렉트릭 기타 현(피라미드 현 공장), 바이올린 현(D'Addario 현 회사, 2017년) 등에도 사용된다.
  • 기타: 화학 산업(특히 우라늄 농축 과정에서 육불화우라늄을 다루는 튜브[13]), 증기 기관의 과열 증기 시스템(20세기 초),[14] 미군 군번줄(제1차 세계 대전) 재료로 사용되었다.

모넬로 만들어진 식별표


주방 싱크대, 안경테, 화실 지지대, 롱나우 시계 부품, 브린 아신 대성당 내부 금속 장식, 펜실베이니아역 지붕 자재로도 사용되었다.

브린 아신 대성당의 모넬 손잡이


녹색 지붕을 가진 뉴욕의 펜실베이니아역은 모넬로 만들어졌습니다.


아큐라(혼다) NSX 자동차 키(1991-1996),[16] 유전 드릴 칼라, 서양식 승마용 등자, 애로우 패스너 T50 스테이플, 켈비네이터 냉장고, 베이비 앨리스 엄지 보호대,[19] 영화 필름 처리 장비 등에도 사용되었다.

3. 1. 항공 우주 산업

1960년대에 모넬 금속은 노스아메리칸 X-15와 같은 실험용 로켓 비행기의 프레임과 외피 제작에 많이 사용되었다. 극초고속 비행 중 발생하는 공기역학적 마찰로 인한 높은 열을 견디기 위해서였다. 모넬 금속은 매우 높은 온도에서도 강도를 유지하여 고속 고고도 비행에서도 형태를 유지할 수 있지만, 밀도가 높아 부품의 무게가 증가하는 단점이 있다.[1]

모넬은 항공기 정비 시, 특히 고온 부위에서 너트나 볼트가 풀리는 것을 방지하기 위한 안전 와이어로 사용된다. 다른 부위에는 경제성을 고려하여 스테인리스 와이어를 사용한다. 또한 일부 체결 부품도 이 합금으로 제작된다.[1]

3. 2. 석유 생산 및 정제

모넬은 고농도 불화수소산과 직접 접촉하는 알킬화 공정 장치 부분에 사용된다. 모넬은 끓는점까지 모든 농도의 불화수소산에 대해 뛰어난 내성을 제공한다. 아마도 일반적으로 사용되는 모든 공학적 합금 중 가장 내성이 강할 것이다. 이 합금은 또한 환원 조건 하에서 많은 형태의 황산과 염산에 대한 내성이 있다.

3. 3. 해양 산업

모넬은 배관 시스템, 펌프 샤프트, 해수 밸브, 트롤링 와이어 및 여과기 바스켓과 같은 용도에 이상적이다. 일부 합금은 완전히 비자성이며 기뢰 제거함의 앵커 케이블[9]이나 자기장 측정 장비의 하우징에 사용된다. 레저 보트에서는 모넬이 앵커 로프의 샤클을 고정하는 와이어, 급수 및 연료 탱크, 수중 용도에 사용된다. 또한 프로펠러 샤프트와 용골 볼트에도 사용된다. 인기 있는 Hobiecat 세일 보트에서는 강도가 필요하지만 스테인리스강이 알루미늄 돛대, 붐 및 보트의 프레임과 접촉하여 염수 환경에서 부식될 수 있기 때문에 스테인리스강을 사용할 수 없는 경우 모넬 리벳[10]이 사용된다.

염수에서 전해 작용(갈바닉 부식)의 문제점 때문에, 조선에서 모넬은 강철과 같은 다른 금속으로부터 신중하게 절연되어야 한다. 1915년 8월 12일 ''뉴욕 타임스''는 "전체가 모넬 선체로 건조된 최초의 선박"인 약 65.53m 요트에 대한 기사를 발표했는데, 이 요트는 단 6주 만에 "산산조각이 났고" 전기 작용에 의한 바닥의 붕괴로 인해 폐기해야 했다. 이 요트의 강철 골격은 모넬과의 전해 작용으로 인해 부식되었다.[11]

해양 조류 연구, 특히 조류 밴딩에서 모넬은 부식성 해수 환경에서 서식하는 알바트로스와 같은 많은 종의 조류 밴드 또는 링을 만드는 데 사용되었다.[12]

3. 4. 악기

모넬은 트럼펫, 튜바, 프렌치 호른과 같은 고급 악기의 밸브 피스톤이나 로터 재료로 사용된다. 로토사운드(RotoSound)는 1962년 일렉트릭 베이스 현에 모넬을 사용하기 시작했으며, 이 현들은 스티브 해리스(Steve Harris (musician)), 후(The Who), 스팅(Sting (musician)), 존 디콘(John Deacon), 존 폴 존스(John Paul Jones (musician)), 고(故) 크리스 스콰이어(Chris Squire) 등 수많은 아티스트들에게 사용되었다. 1930년대 초 깁슨 기타(Gibson Guitar Corporation)과 같은 다른 현악기 제조업체에서도 모넬을 사용했으며, 현재도 샘 부시(Sam Bush) 시그니처 세트를 맨돌린용으로 제공하고 있다. 또한 C.F. 마틴 앤드 컴퍼니(C.F. Martin & Co.)는 마틴 레트로 어쿠스틱 기타 현에 모넬을 사용한다. 피라미드 현 공장(독일)에서는 둥근 코어에 감은 '모넬 클래식' 일렉트릭 기타 현을 생산한다. 2017년, D'Addario 현 회사는 D현과 G현에 모넬 와인딩을 사용한 바이올린 현 라인을 출시했다.

3. 5. 기타 분야

모넬은 산과 산소에 대한 뛰어난 내식성을 가지고 있어 화학 산업에서 유용하게 사용된다. 특히 우라늄 농축 과정에서 육불화우라늄을 다루는 대구경 튜브 제작에 널리 사용되었다.[13]

20세기 초에는 증기 기관의 과열 증기 시스템에 사용되기도 했다.[14] 제1차 세계 대전 중에는 미군의 군번줄 재료로 사용되었다.

모넬은 주방 싱크대, 안경테, 화실 지지대 등 다양한 곳에 사용되었다. 롱나우 시계 부품, 브린 아신 대성당 내부 금속 장식, 펜실베이니아역 지붕 자재로도 사용되었다.

1991년부터 1996년까지 생산된 아큐라(혼다) NSX 자동차 키[16], 유전 드릴 칼라, 서양식 승마용 등자, 애로우 패스너 T50 스테이플, 켈비네이터 냉장고, 베이비 앨리스 엄지 보호대[19], 영화 필름 처리 장비 등에도 사용되었다.

4. 합금 종류

모넬은 니켈과 구리를 주성분으로 하는 합금으로, 다양한 종류가 있으며 각각 고유한 특성과 용도를 가진다. 다음은 주요 모넬 합금의 종류와 구성 성분을 나타낸 표이다.

모넬 합금의 종류와 구성 성분
이름ASTM/AISI 합금 유형UNS%Cu%Al%Ti%Fe%Mn%Si%Ni
모넬 400B 127, B 164N0440028–342.5 최대2.0 최대0.5 최대63 최소
모넬 401N0440128–342.5 최대2.0 최대63 최소
모넬 404N04404잔류0.05 최대0.5 최대0.1 최대0.1 최대52–57
모넬 K-500B 865N0550027–332.3–3.150.35–0.852.0 최대1.5 최대0.5 최대63 최소
모넬 405B 164N0440528–342.5 최대2.0 최대0.5 최대63 최소



모넬은 강철에 비해 가공이 어렵지만, 부식과 산에 대한 내성이 뛰어나 가혹한 환경에서 사용된다.[7][8] 특히, 알루미늄과 티타늄을 첨가한 모넬 K-500은 강도가 매우 높다. 모넬은 스테인리스강보다 가격이 비싸다.

4. 1. 모넬 400

모넬 400은 다양한 산성 및 알칼리성 환경에서 높은 강도와 우수한 내식성을 가지며, 특히 환원 조건에 적합하다.[20] 또한 좋은 연성과 열전도성을 가지고 있다. 일반적으로 해양 공학, 화학 및 탄화수소 처리, 열교환기, 밸브 및 펌프에 사용된다. BS 3075, 3076 NA 13, DTD 204B 및 ASTM B164 표준을 준수한다.[21]

알킬화 공정 장치, 특히 고농도 불화수소산과 접촉하는 반응 부분에서 광범위하게 사용된다.

이름ASTM/AISIUNS%Cu%Ni
모넬 400B 127, B 164N0440028–3463 최소


4. 2. 모넬 401

이 합금은 특수 전기 및 전자 응용 분야에 사용하도록 설계되었다.[22] 모넬 401 합금은 가스 텅스텐 아크 용접법으로 용이하게 자체 용접된다. 저항 용접은 재료를 접합하는 매우 만족스러운 방법이다. 또한 우수한 브레이징 특성을 나타낸다. 이는 표준 UNS N04401에 해당된다.

4. 3. 모넬 404

모넬 404 합금은 주로 특수 전기 및 전자 응용 분야에 사용된다.[23] 모넬 404의 구성은 매우 낮은 퀴리 온도, 낮은 투자율 및 우수한 브레이징 특성을 제공하도록 신중하게 조정된다.

모넬 404는 일반적인 용접 기술을 사용하여 용접하고 단조할 수 있지만 열간 가공은 할 수 없다. 더 나은 마감을 위해 표준 공구와 연질 다이 재료를 사용하여 냉간 가공을 할 수 있다. 이는 UNS N04404 및 ASTM F96 표준에 해당된다. 모넬 404는 트랜지스터용 캡슐, 세라믹-금속 밀봉 및 기타 용도로 사용된다.

4. 4. 모넬 405

모넬 405는 모넬 R405로도 알려져 있으며, 모넬 400의 자유 절삭 가공 등급이다.[24] 니켈, 탄소, 망간, 철, 실리콘 및 구리의 함량은 합금 400과 동일하지만, 황 함량은 최대 0.024%에서 0.025~0.060%로 증가한다. 합금 405는 주로 자동 나사 기계용 소재로 사용되며, 다른 용도에는 일반적으로 권장되지 않는다. 황 성분으로 인해 생성되는 니켈-구리 황화물은 절삭칩 분쇄제 역할을 하지만, 이러한 개재물로 인해 합금의 표면 마감은 합금 400만큼 매끄럽지 않다.

모넬 405는 UNS N04405로 지정되며 ASME SB-164, ASTM B-164, Federal QQ-N-281, SAE AMS 4674 및 7234, Military MIL-N-894, 그리고 NACE MR-01-75에 따라 규정된다.

4. 5. 모넬 450

모넬 450은 우수한 피로 강도를 보이며 상대적으로 높은 열전도율을 갖는다. 해수 응축기, 응축기 판, 증류기 튜브, 증발기 및 열교환기 튜브, 그리고 해수관에 사용된다.[25]

4. 6. 모넬 K-500

모넬 K-500은 모넬 합금 400의 우수한 내식성에 더 높은 강도와 경도를 추가한 합금이다.[26][27] 니켈-구리 기반에 알루미늄과 티타늄을 첨가하고, 제어된 조건에서 가열하여 기지 전체에 Ni3(Ti, Al)의 아미크론 입자가 석출되도록 하여 향상된 특성을 얻는다.

모넬 K-500의 내식성은 모넬 400과 거의 동등하지만, 시효경화 상태에서는 일부 환경에서 응력부식균열이 발생할 가능성이 더 크다. 모넬 K-500은 산성가스 환경에 대한 내성이 있는 것으로 밝혀졌다.[28]

고속 해수에서 매우 낮은 부식률과 높은 강도의 조합은 모넬 K-500이 해양에서 원심 펌프의 샤프트에 특히 적합하게 만든다. 정체되거나 느리게 움직이는 해수에서는 부착이 발생한 후 피팅이 발생할 수 있지만, 이러한 피팅은 초기 공격 후 상당히 느려진다.

모넬 K-500은 펌프 샤프트와 임펠러, 닥터 블레이드와 스크레이퍼, 유정 드릴 칼라, 계측기 및 전자 부품, 발전소 부품 (터빈 블레이드, 열교환기, 응축기 튜브)[29], 해양 하드웨어, 프로펠러 샤프트, 펌프 샤프트 및 혹독한 해양 환경에 노출된 해수 밸브의 부품[30] 등에 사용된다.

모넬 K-500 (UNS N05500)의 구성 성분[26]
NiCuAlTiFeMnSi
63% 최소27–33%2.3–3.15%0.35–0.85%2.0% 최대1.5% 최대0.5% 최대


참조

[1] 서적 Metals in America's historic buildings: uses and preservation treatments Diane Publishing 2016-10-23
[2] 백과사전 Monel http://www.britannic[...] 2014-08-12
[3] 뉴스 Robert Crooks Stanley (1876-1951) – The Grandfather of the nickel industry (Part 1 of 2) https://republicofmi[...] Republic of Mining 2009-02-16
[4] 특허 Ambrose Monell 1906-01
[5] 웹사이트 Word Mark: Monel https://tmsearch.usp[...] United States Patent and Trademark Office 2021-04-03
[6] 웹사이트 Piping Materials and Cost Ratios http://www.engineeri[...] 2015-04-05
[7] 웹사이트 Physical properties of Monel 400 http://www.specialme[...] 2015-04-21
[8] 웹사이트 Monel 400 (NiCu30Fe, 2.4360, N04400, NA13) :: MakeItFrom.com http://www.makeitfro[...] 2010-04-19
[9] 논문 Nickel and High-Nickel Alloys
[10] 문서 Hobie part number 8010261
[11] 뉴스 New York Times, August 12, 1915: Big Yacht Now Junk After Six Weeks Use https://query.nytime[...] 1915-08-12
[12] 논문 Band Wear and Band Loss in the Great Lakes Caspian Tern Population and a Generalized Model of Band Loss
[13] 논문 Engineering Design of Oak Ridge Fluoride Volatility Pilot Plant
[14] 웹사이트 Monel advertisement in ''Scientific American'', 1921 https://books.google[...] 2015-03-28
[15] 논문 The Clock of the Long Now — A Reflection http://srac.ca/journ[...]
[16] 웹사이트 NSX Keys http://www.nsxprime.[...] 2011-07-05
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[19] 웹사이트 STOP THUMB SUCKING http://graphic-desig[...] 2014-02-23
[20] 웹사이트 Material Data Sheet Alloy 400 http://www.specialme[...] 2019-03-28
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[23] 서적 MONEL alloy 404 DATASHEET http://specialmetals[...] 2016-03-19
[24] 웹사이트 MONEL® Alloy R-405 https://www.specialm[...] 2023-01-16
[25] 웹사이트 Property of Monel alloys http://www.espimetal[...] 2015-04-10
[26] 웹사이트 Material Data Sheet Alloy K-500 https://www.vdm-meta[...] 2017-11-17
[27] 보고서 MONEL alloy K-500 DATASHEET http://www.corrother[...]
[28] 웹사이트 MONEL 500 https://www.refracto[...] 2024-08-18
[29] 웹사이트 SS5641 Monel K-500 Powder https://powder.samat[...] 2024-08-11
[30] 논문 Stress corrosion cracking behavior and mechanism of aging treated Monel K500 alloy in flowing seawater
[31] 서적 Metals in America's historic buildings: uses and preservation treatments https://books.google[...] DIANE Publishing
[32] 웹사이트 Piping Materials and Cost Ratios http://www.engineeri[...]


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