몰리브덴(Mo) 가공의 포인트란? 설계자가 알아야 할 특성·용도를 설명

높은 융점과 뛰어난 기계적 강도를 가지는 몰리브덴(Mo)은, 항공 우주나 반도체 분야 등 특수 환경에서 이용되는 금속입니다. 그러나 그 특성 때문에 가공에는 전문 지식이 요구됩니다.

본 기사에서는 금속부품의 설계자가 억제해 두어야 할 몰리브덴의 기초 물성, 주요한 장점·단점, 구체적인 용도 사례로부터 가공에 있어서의 중요한 포인트까지 상세하게 해설합니다. 재료 선정 및 설계 정확도 향상에 참고 부탁 드립니다

몰리브덴의 정의

몰리브덴은 크롬이나 텅스텐과 같은 전이 금속 원소로, 산출량은 많지 않지만 철강 재료에 첨가 원소로서 필수적인 중요 전략 금속입니다. 자연계에서는 휘수연광(MoS₂)등의 황화물로서 존재하며, 주로 중국이나 남북 아메리카에서 산출, 제련되어 공급됩니다.

역사적으로는 높은 융점이기에 다루기가 어려웠고, 분말 야금이 주류였습니다. 한편 20세기 이후 철강에 대한 첨가제로서 성능 향상에 공헌하는 것이 밝혀져 특수강·스테인레스강의 합금 원소로서 대량으로 이용되고 있습니다. 또, 단체 몰리브덴의 공업 이용도 서서히 퍼지고 있어 전자관이나 조명, 반도체 제조 장치 등 특수 용도로 불가결한 소재가 되고 있습니다.

몰리브덴의 특성 

부품 설계에 몰리브덴을 이용하는 경우, 이하의 3가지 성질은 이해해 두지 않으면 안됩니다.

• 물리적 특성 
• 기계적 성질
• 화학적 성질 

각 성질에 대해 자세히 살펴 보겠습니다. 

몰리브덴의 물리적 특성 

몰리브덴의 주요 물리적 특성은 다음과 같습니다. 

몰리브덴은 높은 융점을 가지면서도, 텅스텐과 비교하면 비중은 작고 「비교적 가벼운 높은 융점 금속」재료입니다.열전도율도 양호하고, 표준적인 전기 저항률을 가지고 있습니다. 

몰리브덴의 기계적 특성 

높은 강도와 ​​강성을 결합한 몰리브덴의 주요 기계적 특성은 다음과 같습니다. 

대체로 몰리브덴은 「경직하고 강하지만 여린」 금속이지만, 다른 높은 융점 금속에 비하면 다루기 쉽고, 적절한 조건 하에서는 연성도 나타낸다는 독특한 기계적 특성을 가지고 있습니다.

몰리브덴의 화학적 특성 

몰리브덴의 화학적 성질은 특히 내식성과 내산화성에서 사용 환경을 고려하는 데 중요합니다.

●산화 거동

상온의 공기 중에서는, 안정된 얇은 산화 피막이 표면에 형성되기 때문에 녹슬기 어렵다

약 300~400℃를 넘으면 서서히 산화가 시작되고, 500℃ 이상에서는 급속히 진행된다

약 650℃를 초과하면 보호막이 손실되어 산화에 의한 소모가 심해진다 

●다른 원소와의 반응 

상온에서는 질소나 수소와 반응하지 않지만, 고온·고압 하에서는 반응할 가능성이 있다

고온에서는 황·탄소·규소와 반응하여 각각 화합물을 생성한다 

●산에 대한 내성

열농황산·질산·왕수 등 강산화성의 산에는 용해한다

불산, 염산 및 황산은 20 ℃에서 거의 침범하지 않는다

몰리브덴의 장점 

여기에서는 몰리브덴의 장점에 대해 다음 세 가지 관점에서 설명합니다. 

• 고온 강도와 내열성 
• 뛰어난 내식성・내산화성 
• 가공성과 설계 자유도 

고온 강도와 내열성 

몰리브덴의 가장 큰 장점은 탁월한 고온 강도와 내열성입니다. 많은 금속 재료가 융해되거나 강도를 크게 잃거나 하는 어려운 고온 환경에서도 몰리브덴은 그 뛰어난 기계적 성질을 유지합니다.

약 2,620℃라는 매우 높은 녹는점은 금속 원소 중에서도 톱 클래스이며, 1,000℃를 넘는 온도 영역에서도 구조재로서의 기능을 수행합니다. 또한 고온에서 장시간에 걸쳐 하중이 가해졌을 때 발생하는 크리프 변형에 대해서도 강한 내성을 보이기 때문에 고온에서의 정밀한 치수 안정성이 요구되는 부품에 필수적인 재료입니다.

게다가, 열팽창 계수가 낮기에 급격한 온도 변화에 의한 열 충격에 대한 높은 안정성을 가져옵니다. 접합부의 열응력 파괴 위험을 저감시키는데 있어서도 큰 이점입니다.

뛰어난 내식성・내산화성 

특정 조건 하에서 우수한 내식성 및 내산화성을 나타내는 몰리브덴은 부품의 수명 연장 및 유지 보수 빈도 감소에 도움이 됩니다. 상온 대기 중에서는 몰리브덴 표면에 치밀하고 안정적인 산화 피막이 자연적으로 형성되어 보호층으로 기능합니다. 내부에 추가적인 부식 진행을 효과적으로 억제하기 위해 철강 재료에서 볼 수 있는 적색 녹의 발생도 없습니다.

몰리브덴을 스테인레스강에 첨가함으로써 특히 염화물 환경 등에서의 내공식성이 비약적으로 향상된다는 사실은 잘 알려져 있으며, 「몰리브덴 스테인레스」로서 화학 플랜트나 해양 관련 설비 등 엄격한 부식 환경에서 이용이 확산되고 있습니다.

대기 중에서의 고온 산화는 과제 중 하나입니다만, 사용 환경을 진공으로 만들거나 불활성 가스로 치환하는 등의 적절한 대책에 의해서, 내산화성을 충분히 확보할 수 있습니다.

가공성과 설계 자유도 

몰리브덴은 다른 많은 높은 융점 금속 재료와 비교하여 가공성이 양호하다는 점이 설계자에게 큰 장점입니다. 많은 높은 융점 금속이 실온에서는 단단하고 부서지기에 가공이 곤란하는데 있어 몰리브덴은 비교적 양호한 연성을 가지고 있기에 냉간, 즉 실온 환경에서도 절곡 가공이나 프레스 가공, 조리개 가공과 같은 소성 가공을 실시할 수 있습니다.

절삭 가공이나 연삭 가공에 관해서도 전용 공구 선정이나 적절한 가공 조건의 설정은 필수적이지만, 높은 융점 금속 중에서는 비교적 용이하게 가공 가능합니다. 종래의 다른 재료로는 형상적인 제약으로부터 실현할 수 없었던 고도의 부품 설계의 길을 열어, 제품 전체의 성능 향상이나 소형화에도 공헌하고 있습니다.

몰리브덴의 단점 

여기에서는 몰리브덴의 단점에 대해 다음 세 가지 관점에서 설명합니다. 

• 산화·부식 위험 
• 가공 비용 및 입수성 
• 용접 및 조립 의 난이도 

산화·부식 위험 

몰리브덴을 다룰 때 주의해야 할 점 중 하나는 고온 환경에서의 산화 및 특정 화학약품에 대한 부식 리스크입니다.

대기 중에서는 약 500℃가 넘으면 산화가 급속히 진행되기 시작하고, 특히 약 650℃ 이상이 되면 표면에 생성한 삼산화몰리브덴이 휘발하여 부품이 현저하게 손모하게 됩니다. 이 때문에 몰리브덴 부품을 대기중에서 고온 사용할 때는 불활성 분위기나 진공 환경에서의 사용, 내열 코팅의 시공, 혹은 엄격한 온도 상한의 관리라고 하는 대책이 불가결합니다.

화학적인 내성에 대해서는 열농황산이나 질산, 왕수(王水,농질산과 농염산을 1:3으로 혼합한 액체)와 같은 강산화성의 산에 대해서는 약하고 쉽게 용해되어 버립니다. 설계 시에는 「몰리브덴은 고온의 산소·할로겐·강산 환경에서는 사용 불가」라는 인식을 갖는 것이 문제를 미연에 방지하는데 중요합니다.

가공 비용 및 입수성 

희귀 금속 중 하나인 몰리브덴은 철과 알루미늄 같은 범용 금속과 비교하여 현저히 비쌉니다. 공급량도 한정되어 있기에 재료 비용 자체가 설계상의 큰 제약이 되는 경우가 있습니다.

국제 가격은 단기간에 몇 배가 되는 경우도 있고 반감하는 경우도 있어 조달 타이밍이나 계약 형태의 선택이 비용에 크게 영향을 줍니다. 입수성에 관해서도, 일반적인 금속 재료만큼 용이하지 않고, 특수 금속을 취급하는 전문 가게나 메이커로부터의 주문이 중심입니다.

또한 전량을 수입에 의존하고 있기 때문에 공급망의 취약성과 지정학 리스크도 고려해야 합니다. 소재비에 더해 난삭재로서 가공 공임도 할증되기에 최종적인 부품 가격은 스테인레스강 등의 몇 배에 달하는 것도 드물지 않습니다.

용접 및 조립 의 난이도 

몰리브덴 부품의 설계·제조에 있어서는 용접이나 조립의 난이도도 고려해야 하는 중요한 단점입니다.

용접은 난이도가 높고, 높은 융점과 열영향으로 인한 취화의 문제가 있으므로 신뢰성 높은 접합 부분을 얻으려면 고도의 기술과 전용 설비가 요구됩니다. 용접은 열에 의해서 재 결정화가 진행되어 상온에서의 인성이 현저하게 낮아질 가능성이 있습니다.

이종 금속과의 접합에서는 열팽창 계수의 차이로 접합 계면에 응력이 발생하기 쉽고, 깨지거나 박리의 위험이 높아집니다. 따라서 설계 단계에서는 가능한 한 일체의 가공을 우선하고 접합 부분을 줄이는 궁리가 요구됩니다.

꼭 용접이 필요한 경우는 전자빔 용접과 같은 고도의 공법을 진공 또는 불활성가스 분위기 하에서 실시하게 되어 비용 증가는 피할 수 없습니다.

몰리브덴의 용도 

몰리브덴은 그 특이한 물리적·화학적 특성으로부터, 다방면에 걸친 산업 분야에서 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 주요 용도 분야는 다음과 같습니다.

이러한 분야에서 몰리브덴은 빼놓을 수 없는 재료로 이용되고 있습니다.

몰리브덴의 가공 종류와 포인트 

몰리브덴의 가공은 그 높은 경도나 녹는점, 특정 조건 하에서의 취약함 때문에 특유의 노하우가 필요합니다. 주요 가공 종류와 포인트는 다음과 같습니다.

위의 가공법에서는 몰리브덴의 재료 특성을 이해하고 적절한 조건을 선정해야 합니다.

몰리브덴 관련 자주 묻는 질문 

마지막으로 몰리브덴에 관해 자주 묻는 질문에 대해 답변합니다.

몰리브덴은 얼마나 온도까지 사용할 수 있습니까? 

몰리브덴의 사용 가능 온도는 분위기에 따라 크게 다릅니다. 진공이나 불활성가스 중이라면 약 1,600℃~1,800℃ 정도까지 실용적으로 사용할 수 있습니다. 대기 중(공기 중)에서는 내산화성이 낮아지기에 약 500℃가 안전한 사용 상한계 기준입니다. 더 이상의 온도에서는 산화가 급속히 진행되어 약 650℃ 부근에서는 산화물이 휘발되어 부품이 손상하므로 주의가 필요합니다.

몰리브덴과 텅스텐의 차이점은 무엇입니까? 

몰리브덴과 텅스텐은 모두 높은 융점·높은 비중·낮은 열팽창이라는 유사한 특성을 가진 금속이지만 중요한 차이를 보입니다. 녹는점이나 경도는 텅스텐이 높은 반면 몰리브덴이 비중이 작고 상온에서의 연성이 뛰어나 가공하기 쉬운 점이 큰 특징입니다.

따라서 극한적인 내열성이 요구되는 경우는 텅스텐, 가공성이나 경량성이 중시되는 경우는 몰리브덴이 선택되는 경향이 있습니다.

몰리브덴 가공에서 특히 어려운 점은 무엇입니까? 

몰리브덴 가공의 어려움은 경도와 특정 조건 하에서의 취성, 그리고 높은 녹는점에 기인합니다.

절삭 가공에서는 단단하고 끈기가 적기에 공구의 날 끝이 빠지기 쉽고, 절삭면이 갈라지는 모양이 되기 쉬운 경향이 있습니다. 용접은 융점이 높기에 큰 전력이 필요하고, 또한 열영향으로 재결정화되어 취성화되기 쉽기에 진공중의 전자빔 용접 등 특수한 수법이 필요합니다. 소성 가공도 후판의 냉간 압연 및 깊은 조리개는 깨지기 쉽고 난이도가 높은 것으로 알려져 있습니다.

몰리브덴은 녹슬지 않는다고 들었는데 사실입니까? 

몰리브덴은 상온의 공기 중에서는 표면에 치밀한 산화피막을 자기 형성하고, 이것이 보호층이 되어 내부의 부식을 막기에 철과 같은 적색 녹은 발생하지 않습니다. 물이나 많은 중성 용액 중에서도 비교적 안정되어 있으며, 스테인레스강에 필적할 정도의 내식성을 나타내기도 합니다.

다만, 고온의 공기 중에서는 격렬하게 산화하고, 열농황산이나 질산과 같은 강산화성의 산에 용해되는 점은 주의해야 합니다.

정리 

몰리브덴은 고온 강도, 내열성, 내식성, 저열 팽창과 같은 뛰어난 특성을 가진 특수 금속입니다. 고온에서의 산화나 가공 비용 등의 과제도 안고 있지만, 다른 곳에서는 대체할 수 없는 요구를 충족시키는 핵심 물질입니다.

채용에 있어서는 재료 지식과 전략이 요구됩니다. 본 내용에서 소개한 장점·단점을 파악해 설계에 포함시켜 주세요. 고온 지역에서 강도와 안정성을 발휘하는 반면, 취급에는 주의가 필요하다는 개성을 이해해, 제품 설계나 연구 개발에 유용하게 써 주세요.