금속재료일반

[새봄님]

 

        금속 재료 일반

ꊱ 금속의 범위와 분류

  제련된 금속은 그 종류에 따라서 물리적․기계적 성질이 다르므로 그에 따른 여러 가지의 다른 분류방법이 있다.

  즉, 원소의 주기율이나 성질에 따라서 분류하거나, 성질이 유사한 것을 모아서 백색금속과 유색금속, 재질이 부드러운 연(軟)금속과 단단한 경(硬)금속, 그리고 비중이 물보다 가벼워서 편의상 비중 4.0을 기준으로 하여 그보다 가벼운 것을 경금속, 무거운 것을 중금속이라 하여 분류하는 경우이다. 또 다른 구분방법은 금속 가운데 희귀하고 귀한 것을 귀금속이라 하고, 그 밖의 것은 모두 비천한 금속 즉, 비금속 혹은 일반금속으로 분류하기도 한다.

① 비금속(非金屬) : 산소, 수소 등

② 준 금속(準金屬) : 규소, 풀루오르

③ 금속(金屬) : 금, 은, 백금, 구리, 니켈, 알루미늄, 나트륨

④ 경금속(輕金屬) : 마그네슘, 베릴륨, 알루미늄, 나트륨 등

⑤ 중금속(重金屬) : 구리, 납, 수은, 우라늄, 금, 백금, 니켈

⑥ 일반금속(一般金屬, 卑金屬) : 철, 구리, 알루미늄

⑦ 귀금속(貴金屬) : 금, 은, 백금 등

여러 가지 특질을 모두 갖춘 것을 금속(金屬)이라고 한다. 그런데 이들 특질을 불안전하게 구비하여 금속인지, 금속이 아닌 비금속인지 구별하기 어려운 중간의 것을 준 금속 또는 아 금속, 반금속이라 하고, 전혀 금속적인 특질을 구비하지 않은 것 즉, 금속이 아닌 것을 비금속이라 한다. 일반적으로 산업재료에 사용되는 주요한 금속재료는 철강과 비철금속(非鐵金屬)으로 크게 나눌 수가 있다. 철강재료는 순철(pure iron), 강(steel), 주철(cast iroe), 등으로 분류되며, 비철금속은 철강을 제외한 모든 금속으로 편의상 다음과 같이 구분할 수 있다.

① 구리계통 : 구리와 그 합금 (황 동 및 청동)

② 경합금(輕合金) : 알루미늄과 그 합금, 마그네슘과 그 합금, 티타늄과                        그 합금 등

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③ 고 융점 합금 및 기타 : 텅스텐, 몰리브덴, 코발트, 니켈

④ 저 융점 합금 및 기타 : 비스무스, 납, 수은, 카드뮴, 아연, 주석 등

⑤ 귀금속 및 희유 금속(稀有金屬) : 금, 은, 백금, 게르마늄, 규소 등

⑥ 신 금속(新金屬) : 베릴륨, 형상기억합금, 수소저장합금, 아몰퍼스 합금                         등       

ꊲ 금속의 일반적 성질

   금속재료는 금속 고유의 물리적․화학적 성질이 있을 뿐만 아니라 성질 중 가장 중요한 기계적 성질이 있다.

  순 금속 이외의 원소를 합금 하면 물리적․화학적․기계적 성질이 변화한다. 동일한 재료라 할지라도 기계가공을 시행 하든가, 열처리 법에 따라서도 그 성질은 현저히 변화하는데 순 금속 및 합금을 포함한 금속의 공통성질은 다음과 같다.

① 일반적으로 비중이 크다.

② 상온에서는 고체이고, 고체상태에서는 결정(結晶)을 형성한다.

③ 열, 빛, 전기의 양도 체이다.

④ 금속 광택을 띠며, 열과 빛을 반사하는 힘이 크다.

⑤ 경도(硬度,hardness)가 크며, 내마멸성(耐磨滅性)이 풍부한 것이 많다.

⑥ 전성(展性, malleability)과 연성(延性,ductility)이 좋으며, 일반적으로       주조(casting)할 수 있는 것이 많다.

⑦ 외력에 대한 저항과 내구력이 커서 매우 얇은 구조(construction)가 가      능하다.

⑧ 이온화했을 때는 양이온이 된다.

⑨ 가공(加工)이나 합금(合金)된 금속은 용해(熔解)하여 원래의 금속원소(      (金屬元素)로 다시 회수(回收)할 수 있다.

⑩ 일반적으로 불에 타지 않는다.

⑪ 때가 잘 끼지 않고 깨끗하게 유지될 수 있다.

⑫ 다른 재료와 잘 조화하며, 장식적 효과를 높인다.

    이상의 금속재료가 갖는 특징 중 공예 재료 면에서 볼 때 비중이 크      고, 열과 전기의 절연성이 없으며, 색상이 빈약하고, 녹이 슬기 쉬우며,     가공에 필요한 설비나 비용이 많이 드는 것 등은 금속의 결점으로 볼      수 있다.

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⑴ 기계적 성질

  금속 및 합금의 기계 성질(mechanocal property)은 그 조성(composition)에   따라서 변하는 것은 당연하며, 외 력(外力)의 종류나 실험방법에 대하여    여러 가지로 표현된다. 그 기계적 성질은 상호 밀접한 관계가  있으며, 한   가지 시험을 행하면 여러 가지 성질을 동시에 알 수 있는 경우가 많다.

① 인장강도 : 인장(引張)하는 힘에 저항하는 세기를 인장강도(引張强           度,tensile strength) 라고 한다.     

    재료의 강도를 표시할 때는 언제나 단위 단면적(單位 斷面績)에 대하      여 얼마만큼의 힘에 저항할 수 있느냐 하는 저항력의 크기에 따른다.      힘의 단위로서는 킬로그램(kg) 또는 톤(ton)을 사용한다. 인장의 강도를      측정하기 위해서는 재료에 따라 상당한 형태, 치수의 시험편[試驗片 :      한국공업규격(korea Industrial Standard)에 따른다]을 만들고, 재료시험      기에 취부(取付)하여 인장, 절단(切斷)되었을 때의 힘을 눈금으로 읽어      이것을 단위면적에 대하여 힘으로 환산한다. 대개의 경우에 인장강도      와 경도는 평행하다.

② 신율 : 재료를 인장 하면 절단될 때 얼마만큼 늘어나서 절단되는데, 그      늘어나는 비율을 신율(伸率,elongation percentage)이라 한다. 즉, 절단될      때까지 원래 길이의 몇%늘어나는가 하는 것이 신율이다. 신율은 인장      강도와 동시에 측정할 수 있는 값이다. 그것은 재료의 전연성(展延性)      을 표시하는 단위의 값이다. 

③ 경도 : 재료의 경도(硬度,hardnes)를 표시하는 방법에는 여러 가지 척       도, 숫자를 사용한다. 즉, 브리넬(Brinell), 빅커스(Vickers), 록웰              (Rockwell), 쇼어(shore) 등의 경도계가 있고, 각각 고유한 경도수          (hardness number)가 있다. 따라서 동일재료라고 할지라도 경도계에 의      하여 전혀 상이한 값이 나오게 된다. 만약 각종의 시험편의 경도를 비      교 하려면 동일종류의 경도계로 측정할 필요가 있다. 각종의 경도계에      의하여 주어진 수치 사이에는 대개 상호 비례관계가 성립되지만 엄밀      히 말해서 각 환산치는 일치하지 않는다.

⑵ 물리적 성질

  ① 색 : 금 및 황 동, 청동의 황색, 구리 및 구리를 주성분으로 하는 합       금은 동 적색(銅赤色)이다. 어떤 종류의 귀금속 합금은 녹(錄), 자(紫), 

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     적 청(赤靑) 등의 색(色,color)을 띠지만, 금속재료의 대부분은 착색(着       色) 되어있지 않다. 착색되지 않는 것은 일광의 각종 파장의 빛을 거       의 같은 비율로 반사하기 때문이다. 잘 반사하는 재료는 알루미늄(Al)       과 같이 은백색(銀白色)을 나타내고, 반사가 적은 것은 회주철(灰鑄        鐵)과 같은 흑 회색(黑灰色)을 나타낸다.

비중 =	제품의 무게
	제품과 같은 체적의 물의 무게

  ② 비중 : 체적이 동일하여도 제품에 따라 중량이 상이하다. 같은 체적으       로 제품의 경중(輕重)을 비교하는 양(量)을 비중(比重,specific gravity)       이라 한다. 비중은 섭씨 4℃에 있어서 순수한 물을 표준으로 하여 그       보다 몇 배 무거우냐 또는 몇 분의 몇 가벼우냐 하는 수치로 표시된       다.                       

  ③ 용융점, 응고점 : 금속재료는 가열하면 어느 온도에 이르러 고체로         부터 액체로 변태(變態)한다. 이것을 용융(melting)이라고 한다.            용융된 금속을 냉각하면 전과 같은 온도에서 고체로 변태 한다. 이것       을 응고라 하고 각 온도를 용융점(熔融點, melting point), 응고점(凝固       點(solidification point)이라고 한다. 순금속은 일정한 온도에서 용융 또       는 응고하지만, 합금은 용융 또는 응고를 개시하여 완료할 때까지 조       성에 의하여 수 십도의 온도차가 생긴다. 따라서 정확히 말하면 이것       을 합금의 용융에서 응고온도까지의 범위라고 할 수 있다.

  ④ 비 점 : 아연(Zn)을 가열하여 419.4℃에 이르면 용융하고 ,이를 좀더        높은 온도로 가열하면 906℃에서 비등(沸騰)하여 기체로 된다. 물이        100℃에서 비등하여 수증기로 되는 것과 같다. 이와 같이 액체로부터       기체의 변태가 생기는 온도를 비 점(沸點, boiling point)이라고 한다

⑶ 화학적 성질

   금속 및 합금의 화학적 성질(chemical property) 은 그 범위가 매우 넓     다. 용해제련(溶解製鍊)등은 고 온도에 있어서의 화학반응이며, 응고액의    산화(酸化,oxidation),탈탄(脫炭,dexidation),탈재(deoxidation),침재             (cementation), 질화(窒化, nitriding),현상 등에 의한 부식(腐蝕, corrosion)    현상에 이르기까지 내용은 넓고 복잡한 문제가 많다.

  ① 이온화경향 : 식염(NaCI)을 물에 넣으면 Na와 CI로 분리되어 수용액  

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    중에서 존재한다. 이 분리된 부분은 Na 또는 CI의 원소와 다른 것이다.

  ② 부식 : 금속이나 합금이 부식되는 것은 액체 또는 가스에 침식되어        표면으로부터 소모되는 현상이다. 금속 체 표면에 접하는 분위기 중       에 수분이 있느냐, 없느냐에 의하여 부식은 두 가지로 분류할 수 있       다.

   ㉮ 건 부식(乾腐蝕, dry corrosion) : 분위기(雰圍氣) 중에 습기가 없는        가스에 의한 산화, 황화(黃化)와 같이 기체의 작용에 의하여 일어나는       부식이다.

   ㉯ 습 부식(濕腐蝕, wet corrosion) : 산이나 알칼리 중에서 전기․화학        적으로 일어나므로 전기․화학부식(electro chmical corrosion)이라 하        며, 부식의 대부분은 이 현상이다. 일반적으로 금속은 비금속 중에         단독으로 존재하는 것은 불가능하며 언제나 화합물을 만든다.

      이 상호 작용의 성질을 화학적 친화력(化學的 親和力, chemical            affinity)이라고 한다. 금속 체 표면은 상온, 건조상태의 공기 중에서        그 화학적 친화력에 의하여 공기중의 산소와 접촉하여 치밀하고 안        전한 산화물의 피복(被服)을 만든다. 그러나 수분이 있으면 수분은         이 피복을 파괴하여 화학작용을 일으키는 원인이 된다. 상온에 있어        서의 부식은 주로 습 식이고, 수분이 있어 일어나는 것은 이 원인이        다.

    ㉠ 대기중 금속의 부식 : 대기중 금속의 부식은 반드시 수분이 존재하        기 때문에 일어나고, 건조한 공기 중에서는 일어나지 않는다. 즉,          주로 전기 화학적 부식이다. Co₂가 있으면 부식은 조장(助長)되          며, 해안지방에 있어서 대기 중의 염분, 공업지대의 황화수소, 아황        산가스 및 암모니아 등도 부식을 촉진시킨다. Cu, Ni, Al, Pb등은           최초의 부식에 의하여 표면에 치밀한 막이 생성되어 내부를 보호          하므로 부식은 내부에 침입하지 않으나, 철이나 구리에서는 흡습성        이 산화피복을 생성하여 이것이 오히려 부식을 진행시킨다.

    ㉡ 고온하의 부식 : 고온하의 부식은 고온에 있어서 금속의 산화, 할         로겐화 등의 건 부식에 있어서의 해리 압(解離壓,dissociation              pressure)보다도 높으면 산화가 일어나지만 낮으면 오히려 환원된다.        Au, Pt, Rh, Ir등의 귀금속의 해리 압은 1기압 혹은 그 이하이므로          고온에서 가열하여도 산화하기 어려우나, 비금속은 낮으므로              산화되기 쉽다. 또한 산화되어도 그 산화 막이 다공성(多孔性)이면                                   - 33 -

      산화는 진행하지만, 치밀하면 산화는 진행하지 않는다. 용액 중의          부식은 생성하는 화합물이 작용하는 분위기 중의 수분에 부단히           용입(溶込)한다면 금속 체의 표면에 화합물은 잔류(殘溜)하지 않고         금속표면에서 이탈하여 소모되는 현상이 일어난다. 이 작용이 크면        오히려 용해라고 하는 편이 좋다.

     ㉢ 기계적 처리와 부식 : 상온에서 기계적 처리를 받은 금속은 외력         을 받아 내부응력(內部應力, internal stress)을 보유하고 에너지를          많이 가지고 있다. 즉, 위치에너지를 축적하고 있다. 이온화 경향에         있어서는 풀림(annealing)한 것보다도 양성으로 되고, 전용압이 크          기 때문에 전해질 수용액에 넣으면 양성으로 되며, 부식이나 용해         도 일어나기 용이하다.      

       용해속도는 가공도(加功度)에 의하여 상이(相異)하며, 가공도가 큰         것일수록 크다. 상온가공에 의하여 양성으로 된 것도 풀림 하면 원         래의 음성으로 변화한다.

      ㉣ 조직과 부식 : 조직과 부식은 금속 조직 중에 불 균일한 상이 있         으면 각각 전위 차(電位差)가 있으므로 그들간에 음․양극이 생겨         국부전지(局部電池)를 형성하여 그 양극간에 전류가 흘러 중화 되         므로 부식은 진행된다. 이 불 균일한 조직으로 된 것은 상이 다른         것 또는 동일 상이라 할지라도 농도 차가 있는 편석(偏析)이 있다.         순 금속은 순도가 높은 것일수록 부식에 대한 저항이 크고, 내식성         (耐蝕性)이라는 점도 전기 화학적으로 이해된다.

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