국내 극한환경용 내마찰·내마모 합금소재 연구,

비금속 첨가물 활용 필요

금속소재 열적 특성·표면 산화물 형성, 내마찰 특성 한계 극명

美中 내마찰·내마모 연구 활발, 신규 마모율 특성·금속합금 보고

■내마찰·내마모 소재기술

2. 연구개발 동향

2.1 금속계 합금 및 금속계 복합소재

1) 국내 동향

금속계 합금 중에서도 철강시장은 세계적으로도 가장 큰 규모를 가지고 있으나, 철계 금속이 가지는 트라이볼로지 특성의 한계점으로 인해 극한환경 적용이 어려운 분야라고 할 수 있다.

또한, 최근 에너지 효율 향상, 탄소중립 실현 등에 따른 소재 경량화 수요에 발맞춰 철강소재 외에도 주요 기술개발 주제로 ‘알루미늄(Al)’ 기반 고기능 소재, 고강도 고기능성 ‘마그네슘(Mg)’ 합금, 타이타늄(Ti), 니켈(Ni) 기반의 고기능성 금속소재 등이 제안되고 있으며 다양한 금속계 복합소재(MMC, Metal Matrix Composite)의 개발도 진행되고 있다.

특히 국내에서는 한국재료연구원(KIMS)을 중심으로 한국생산기술연구원, 부산대학교, 연세대학교, 선문대학교 등의 대학 및 연구기관과 대기업이 극한환경 고기능성 금속소재 연구를 수행하고 있다. 2019년부터 2021년까지 한국재료연구원과 부산대학교는 TiC/철강의 복합소재 연구를 통해 경량화, 고경도, 내열성 및 우수한 내마모성을 지닌 소재를 개발해 극한환경 소재 적용 가능성을 보여주었다.

▲ <그림 1>TiC/철강 복합소재의 밀도, 경도 및 내열성(자료 : 주조기반 내마모/내인성 경량 철강복합재 응용기술 개발, 한국재료연구원 주요사업 보고서(2020년))

한국생산기술연구원에서는 지르코늄(Zr)을 기반으로 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni)로 이루어진 합금의 질소가스 혹은 질소를 포함하는 가스를 활용한 스퍼터링(sputtering)을 통해 비정질 합금 또는 나노결정질 합금의 코팅을 구현했으며, 해당 코팅은 타 금속에 비해 높은 압력에서도 저마찰 특성을 나타냈다.

또한, 낮은 마찰특성을 보유한 마찰 필름 형성에 매우 효과적이라고 알려진 유기몰리브덴 화합물(MoDTC, Molybdenum dialkyl dithiocarbamate)와도 높은 결합력을 가져 MoDTC가 첨가된 윤활 환경에서 고온환경 저마찰 특성 구현을 보여주었다.

연세대학교 연구진은 경량소재로의 활용 분야가 급속도로 성장하고 있는 마그네슘(Mg) 합금의 극한환경 적용 한계점 극복을 위한 연구를 수행했다.

해당 연구에서는 내열성에서 한계를 가지는 마그네슘(Mg)에 가돌리늄(Gd) 원소를 첨가해 합금을 제작했으며, 이를 통해 고온 환경에서 저마찰, 내마모 특성이 구현되는 것을 확인했다.

▲ <그림 2>지르코늄(Zr) 기반 나노구조 소재(左) 및 Mg/Gd 합금(右)의 고온환경 저마찰 특성(자료 : (左) 한국생산기술연구원, 국내특허, 10-2013-0135743, 2013년 (右) Choe et al. Tribology and Lubricants, 35, 24-29(2019))

포스코에서는 2017년 극한환경 경량화 및 트라이볼로지 특성 확보를 위한 고망간성 마그네슘(Mg) 합금을 개발했으며 내마모성, 극저온 특성을 기반으로 2018년 12월 국제기술표준 승인을 획득했다.

이처럼 국내의 극한환경용 내마찰·내마모 금속소재 및 합금에 관한 연구는 연구기관과 대기업을 중심으로 이루어지고 있으나, 금속의 경우 열적 특성 및 표면 산화물 형성으로 인한 내마찰 특성에 극명한 한계를 가지고 있어 비금속 첨가물(세라믹, 다차원 탄소물질 등)을 활용한 합금의 연구가 더욱 활발히 이루어져야 한다.

금속계 복합소재(MMC)는 극한환경을 대비하는 소재 중 하나로 국내에서는 알루미늄(Al) 기지에 실리콘(Si)을 첨가해 저마찰 필름을 형성하는 연구, 그래핀(graphene)이나 그라파이트(graphite)와 같은 저차원 탄소구조를 함유한 합금 제조 연구 등이 수행되고 있다.

2) 해외 동향

가. 중국

중국의 SKLT는 트라이볼로지를 포함하는 다양한 분야에서 활발한 연구를 수행 중이다. 2020년 해당 연구실에서는 극한환경 트라이볼로지 기술 연구와 관련해 마르텐사이트(martensite) 철강의 고온 마모 거동에 관한 연구를 발표했다.

해당 연구에서는 martensitic HTP 철강에서 다소 감소하는 마찰거동을 보고했으나 결론적으로 일반적인 금속 소재의 경우 표면의 산화층 및 크랙의 발생으로 인해 극한환경 내마찰·내마모 소재로의 적용 한계점도 함께 보고했다.

이러한 기존의 금속 합금이 가지는 기계적, 화학적 물성 한계를 극복하기 위해 중국에서는 비교적 최근에 고 엔트로피 합금(HEA: high entropy alloy)의 내마찰·내마모 거동에 관한 연구를 수행 중이다.

HEA는 주요 원소가 특정되지 않고 일반적으로 5종 이상의 다종 원소가 혼합돼 높은 엔트로피를 가지는 금속 단상 결정 물질이다. HEA는 현재 산업 적용이 가능한 수준으로 대량 생산이 가능한 단계는 아니지만, 기존의 합금에 비해 높은 기계적, 화학적, 트라이볼로지 특성을 가지고 있다.

최근에는 AlCoCrFeNi2.1로 구성된 공융 HEA(EHEA: eutectic HEA)의 고온 트라이볼로지 거동 연구를 통해 900℃ 이상의 고온에서 세라믹 상대재를 활용하는 경우 약 0.3 이하의 낮은 마찰계수와 10-6mm3/Nm 수준의 낮은 마모율을 달성할 수 있음을 보고했다.

▲ <그림 3>AlCoCrFeNi2.1 공융(eutectic) HEA와 상대재의 고온 마찰 및 마모 특성(자료 : Miao et al. Tribology International, 153, 106599(2021))

나. 미국

미국의 경우에도 HEA계열 금속의 고온 내마찰·내마모 특성에 관한 연구를 지속적으로 수행하고 있다. University of North Texas에서는 HEA에 관한 연구를 지속적으로 수행해 많은 연구결과를 발표하고 있으며, 2020년도에는 탄탈럼(Ta), 하프늄(Hf) 등을 포함한 내화성 HEA(RHEA: refractory HEA)의 연구를 통해 고온에서 기존의 금속 합금에 비해 내구성이 월등히 우수한 금속 합금을 발표했다.

그러나 높은 내마찰·내마모 특성은 상기와 같이 많은 원소를 포함하는 HEA에만 국한되는 것은 아니다.

▲ <그림 4>Pt-Au 나노 결정 금속의 내마찰·내마모 특성(자료 : Curry et al. Advanced Materials, 30, 1802026(2018))

미국의 Sandia National Laboratories(SNL)과 Massachusetts Institute of Technology(MIT) 공동 연구진은 2018년 플래티넘(Pt)과 금(Au)로 이루어진 나노 결정구조의 새로운 금속 합금을 선보였다.

해당 금속 합금은 'DLC'에 버금가는 내마모성을 지닌다고 보고됐으며 높은 압력에서 10-9mm3/Nm 수준의 초저마모 특성을 나타내는 것으로 보고됐다.

특히 해당 합금의 경우 내마찰·내마모 성능과 더불어 전기전도성을 가지는 것으로 보고됐으며 별도의 윤활이 없는 환경에서도 약 0.2 수준의 마찰계수를 보여 기존의 DLC 코팅, 나노구조 복합재 등을 대체할 수 있는 금속 합금으로 전망된다.

그러나 금속계 합금 및 복합재료의 경우 내마찰·내마모 성능 외에도 전기전도성, 연성 등 기타 성능이 요구되는 분야에는 적합하지만 금속 자체가 가지는 내열성, 내마모성의 한계점으로 인해 초저마찰 영역에는 근접하지 못한 것으로 판단된다.

▲ <그림 5>초고진공 환경에서의 접촉 소재에 따른 마찰계수 분포(자료: Abdelbary et al. Extreme Tribology : Fundamentals and Challenges, CRC Press, 2020)