비철금속의 종류와 특징 (펌)

<비철금속의 종류와 특징> 개요 철 이외의 공업용 금속의 총칭으로 크게 나누면 예전부터 쓰이던 구리·납·주석·아연·금·백금·수은과 같은 것과, 비교적 새롭게 공업재료가 된 니켈·알루미늄·마그네슘·카드뮴과 같은 것과, 신금속이라 하여 최근 새로운 공업 발달에 의하여 실용금속이 된 우라늄·토륨·플루토늄·베릴륨·타이타늄·지르코늄·나이오븀·바나듐·하프늄·인듐·탄탈럼·몰리브데넘·텅스텐·규소·저마늄·나트륨·칼륨·갈륨 등으로 나눈다. 서론  일반적으로 비철금속이라 하는 것은, 철강, 주철, 주강 등의 철을 기본으로 한 것을 제외한 나머지의 금소재료를 포함하며, 그 종류는 대단히 많다. 비철금속 재료는, 자원, 생산고, 가격 등의 면에서 공업용 재료로서는 철강 재료에 한 걸음 뒤떨어져 있으나, 철강 재료에서는 볼 수 없는 여러 가지의 특색이 있다. 건축에 있어서도 종래부터 多種多樣한 비철금속재료가 사용되고 있다. 더욱이 근래에는 알루미늄(합금을 포함)의 사용이 늘어나고 있다. 이것은「경량화」「환경보전」「성 에너지」등이 건축에 요구되어 지게 되어, 이 요구에 자극을 받아 「경량화」의 관점에서 사용되고 있다. 또 기술적인 배경으로서는 재료 가공시의 대형 압출 形材의 實現, 새로운 용접기술로서 spot 용접과 FSW법(Friction Stir Welding Technology : 摩擦攪拌(마찰교반)접합방식) 등의 개발도 있다. 비철금속 재료를 폐기하는 경우에는, 「환경기본법」,「recycle 법」, 「폐기물 처리법」등에 따라, 적정한 처리를 하는 것이 필요하다. 본론 1. 제선공정 고로에 철광석을 넣고 코크스를 태워서 철광석중의 산소를 제거하고 용해시켜 선철로 만드는 공정이지만 철광석을 사전처리하는 소결이나 코크스를 만드는 과정도 포함하여 넓은 의미의 제선이라 한다.[철광석과 소결 공정] 철광석은 보통 30 ~ 70%의 철분을 함유한 광석을 의미한다. 좋은 철광석이란 철분이 풍부하고 황, 인, 동과 같은 유해성분이 적으며 크기가 일정한 것을 들 수 있는데 이와 같은 이상적인 철광석은 그리 흔하지 않고 원산지에 따라 품질, 성분, 형상이 각기 다르므로 그대로 고로에 투입할 수는 없다. 따라서 고로조업에 투입하기 전에 품질을 고르게 하고 철광석 가루를 일정한 크기로 만들어 내는데, 이를 소결공정이라 한다. [제선공정] 고로(용광로)는 제철소의 상징이며 심장으로 일컬어 진다. 철광석(소결광), 코크스, 석회석은 고로 윗부분에 넣어져 서서히 아래로 떨어진다. 이때 코크스는 고로 밑부분에 유입되는 열풍에 의해 연소되는데 이 과정에서 발생하는 일산화탄소가 철광석과 환원반응을 일으키면서 쇳물이 생산된다. 즉, 코크스는 철광석을 녹이는 열원으로서의 역할과 산화철인 철광석에서 산소와 쇳물을 분리시키는 역할을 한다. 고로에 장입된 철광석이 쇳물로 나오기까지는 5 ~ 6시간 정도가 소요되고, 이때 쇳물의 온도는 1,500℃ 정도이다. 2. 제강공정 (1) 개요 제선공정을 거쳐 나온 선철은 탄소함유량이 많고 상당량의 인, 황, 규소와 같은 불순물이 함유되어 있어 경도가 높고 취약한 성질이 있다. 이러한 선철을 잘 늘어나면서 강인한 강으로 만들려면 다시 정련하여 탄소의 양을 줄이고 유해한 불순물을 제거하지 않으면 안 된다. 유해한 불순물을 제거하기 위하여 예로부터 여러 가지 방법이 시도되어 왔다. 그러나 철은 탄소량이 감소하는데 따라 용융점이 높아지므로 겨우 선철을 용해하였더라도 다시 굳어져 버리는 난점이 있어 근세에 이르기까지 철의 대량생산이 불가능하였다.1784년 영국의 헨리코트가 교련법을 발병하였다. 이 방법은 철의 이용 확대에 크게 기여한 바 있으나 제조된 연철에는 다량의 찌꺼기가 혼입되어 있어서 이를 제거하기 위해 단련을 되풀이 하지 않으면 안 되는 결점이 있었다. 따라서 철 괴에 혼입되어 있는 찌꺼기를 제거하기 위해서 해머로 때리는 작업을 하여 1회 제조시간이 24시간 정도나 소비되었다. 근대적인 제강기술이 확립된 것은 19세기 후반으로 베서머 및 토마스전로, 지멘스평로, 전기로가 계속 발명되어 1,600℃ 이상의 고온에서 정련된 강을 대량으로 제조하는 방법이 비로소 완성된 것이다. 그 후 이러한 제강법은 여러 가지 개량이 이루어지고 새로운 기술이 개발되어 오늘에 이르렀다. 특히 1954년 오스트리아의 린츠와 다나비트의 두 공장에서 공업화된 LD전로(두 공장의 첫 자를 따서 LD로 명명함)의 출현은 재래의 제강법을 획기적으로 개선시켰다. 현재의 제강법은 LD전로와 전기로가 주류를 이루고 있으며, 평로는 점차 감소하고 있다. [제강공정] 고로에서 생산된 쇳물(용선)은 탄소 함유량이 많고 인, 유황과 같은 불순물이 포함되어 있어 부스러지기 쉽다. 이러한 쇳물을 강인한 강으로 만들려면 탄소의 양을 줄이고 불순물을 제거하는 과정이 필요한데 이러한 과정이 제강공정에서 이루어진다. 제강공정은 용선예비처리, 전로제강, 2차정련이라는 세가지 과정으로 구분할 수 있다.첫째, 용선예비처리는 쇳물에 포함된 불순물 인과 유황 성분을 제거하는 공정이다. 둘째, 전로제강공정은 전로에 쇳물을 부은 후 고압, 고순도의 산소를 불어넣어 탄소를 태우고 불순물을 없애는 공정으로서 철강의 기본적인 품질을 결정하는 공정이다. 마지막으로 2차정련은 최종제품 내부품질(성분, 재질 등) 요구조건에 맞게 제어하는 공정이다. (2) 제강법의 종류 ① 평로 영국인 지멘스는 축열식 가스로를 연구하여 이를 제강로에 적용하는 기술을 개발하였고 프랑스에서 마틴(은 1864년 이 노에 의하여 용강을 제조하는데 성공하였다. 이것이 평로제강법의 시초이며 용해실이 평단한 선저형을 이루고 있어 평로라고 명명되어 왔으며 양시조의 이름을 따서 지멘즈-마틴노라고도 불리운다. 평로의 연료로는 중유 또는 중유와 코크스가스의 혼합방식이 대부분이며 평로의 용량은 보통 조업 1회당 표준 출강 량으로 표시되며 대형일수록 생산능률이 높고 생산비용이 낮아진다. 평로제강법은 일찍이 제강로의 주류를 형성한 때도 있었으나 그 후 전로 및 전기로가 발달함에 따라 정련시간이 길고 열효율이 낮아 세계적으로 자취를 감추고 있다. ② LD전로  전로내에 용선 및 소량의 고철, 소석탄 등을 장입한 후 순도 높은 산소가스를 위에서 고압으로 취입하여 선철에 함유되어 있는 탄소, 망간, 규소, 인, 황 등을 산화연소시키며, 그 산화물은 슬래그화하여 제거한다. 전로는 99.5%이상의 고순도 산소를 사용하므로 강중의 질소함유량은 평로강보다 낮으며 또한 산소가 집적 탕면에 충돌하는 부근에서의 온도가 2,000~3,000℃가 되어 석회에 의한 슬래그화도 신속할 뿐만 아니라 탈인과 탈탄이 병행되므로 언제나 인과 산소함유량이 낮은 강을 제조할 수 있는 장점이 있다. 즉 불순물이 적은 양질의 강을 불과 30~40분(평로는 4~5시간)이라는 단 시간내에 얻을 수 있고, 건설비가 비교적 저렴한 것 외에도 생산성이 높아 작업비가 싸다는 이점이 있다. 이 외에도 원료로는 용선이 대부분이고 고철 장입량은 10~20% 정도로 낮으므로 일관제철소에서는 제철소내에서 발생하는 고철로 대부분 그 소요량을 메꿀 수 있다. 따라서 고철을 외부에서 구입할 필요가 없는 이점도 있다. ③ 전기로  전기로는 전열을 이용하여 강을 제조하는 노로서, 전기양도체인 전극에 전류를 통하여 고철과의 사이에 발생하는 아크열에 의하여 고철을 녹이는 아크로와 도가니의 주위를 감은 코일에 전열을 통해서 유도전류에 의한 저항열로 정련하는 유도로의 두가지 방식이 있다. 따라서 전기로는 제강시, 특히 고철용해시 막대한 전력이 소요된다는 것이 특징이다. 이에 따라 전기로 공장내에는 고전압 수전설비가 필수적으로 설치되어 있다. 아크로는 1878년에 독일인 지멘스가 발명하였고, 1899년 프랑스인 에루가 에루식 전기로를 완성하였다. 현재 흔히 쓰이고 있는  크  로는 대부분이 에루식 또는 그 개량 형이다. 한편 유도로는 1861년 에이젝스가 발명한 것으로서 노의 용량이 10톤 미만의 소규모이므로 내열강, 고속도강 등의 고급 특수강이나 주물을 제조하는데 사용되고 있으며, 사용하는 전류의 주파수에 따라 고주파유도로와 저주파유도로로 구분한다. 그러나 아크로만큼 일반화되어 있지 않기 때문에 대체로 전기로라고 할 때에는 아크로를 지칭하는 경우가 많다. 3. 압연공정 (1) 개요 강에는 연성과 전성이 있으므로 힘을 가하면 상온에서도 길게 늘리거나 얇게 넓힐 수가 있으며 빨갛게 되도록 가열하면 상온에서 보다 더욱 쉽게 형태를 바꿀 수 있다. 이와 같은 특성을 이용하여 사용목적에 맞도록 편리한 모양으로 가공 변형한 것이 강재이다. 강괴를 1차 가공하여 필요한 강재로 제조하는 방법에는 압연, 단조, 주조 등 크게 3가지 방법이 있다. ① 압연 강괴 또는 강편과 같은 소재를 회전하는 2개의 롤 사이에 끼우고 롤의 간격을 점차 좁히면서 연속적인 힘을 가하여 늘리거나 얇게 성형하는 소성가공이다. 마치 밀가루 반죽을 방망이로 미는 것과 같은 원리이며 이 방법으로 만들어진 제품을 압연강재라 한다. 단조, 압출, 인발 등의 가공에 비해 비교적 단순한 형상의 제품을 능률적으로 만들 수 있는 매우 우수한 방법이다② 단조 강괴를 강력한 프레스기계로 누르거나 또는 해머로 때려서 원하는 형상으로 만드는 것으로 그 제품을 단조품 또는 자유 단조품이라 하며 재질이 치밀하고 단단하다. 단조의 목적은 형을 만드는 것, 성장한 결정입자를 파괴해서 인성을 부여하는 것으로 재료의 낭비를 없애고 양질의 기계적 성질을 만들어 내기 위한 것이다.  ③ 주조  용강을 각종 주형에 주입하여 원하는 형상으로 만든 제품을 주강품이라고 하며, 압연으로 제조할 수 없는 복잡한 형상의 기계부품과 같은 것을 만드는데 적합하다. 그러나 제품의 기계적 성질이나 신뢰성 면에서 다소 뒤 떨어진다. 이상의 세가지 방법으로 만들어진 제품을 모두 강재라 하며, 그 중 압연강재의 생산량이 압도적으로 많기 때문에 일반적으로 강재라 하면 압연강재를 지칭하는 경우가 많다 비철금속의 종류 구리 황동: 구리와 아연 합금(황동 주물,주석황동,철황동등등) 청동: 그리와 주석 합금 (인청동, 청동 주물, 망간 청동, 브론즈,알미늄 청동, 니켈 청동,납청동등등) 백합금:주석,아연,납 및 안티몬 함유(다이캐스트용 합금) 알루미늄합금 마그네슘합금 은,금,백금,납(땝납,황동납,구리납,은납 등등) 등 여러 합금이 있다 비철금속의 특징 1.일반 철에 비해 이러한 알루미늄 합금, 타이타늄 합금은 가볍다. 밀도가 작기 때문.2.또 하나의 이유는 타이타늄 합금에도 알루미늄 성분이 들어가는데 이러한 알루미늄 성분이 들어가는 합금은 산화에 대해 대단히 강하다. 즉 녹이 잘 슬지 않는다.그 이유는 알루미늄이 굉장히 단단한 산화막을 만들기 때문이다.이러한 알루미늄의 산화막층은 대단히 쉽게 얇게 단단하게 생기기 때문에 일단 알루미늄의 산화막이 형성이 되면 더이상 산화가 진행되지 않기 때문에 결과적으로 녹이 슬지 않게 된다.이러한 산화방지 역할은 결국 장기간 사용시에도 강성을 그대로 유지하게 된다 결론 (1) 비철금속 합금  합금이란, 1종류의 금속에 다른 1종류 또는 그 이상의 금속 또는 비금속을 가해서 상호 융합시킨 것으로서, 금속의 제반 성질을 잃지 않는 것을 말 하고, 금속 성분의 선정 방법과 배합의 비율로, 단일금속에서는 얻을 수 없는 적절한 성질을 얻을 수 있는 것이 가능하다. (2) 비철금속 합금의 주조성  널리 사용되고 있는 비철금속합금의 특색으로서, 일반적으로 주조성이 좋고, 최종제품의 형상이 제법 복잡하여도, 주조한 그대로의 형태로, 기계적 또는 과ㅏ학적인 요구에 따르는 것이 가능하다. 그리고 합금의 배합 성분에 따라 주조성 등의 성질도 변화하기 때문에, 주조방법과 사용개소 등도 합금에 맞추어서 변경이 필요하다. (3) 비철금속재료 및 합금의 가공성  비철금속재료에는 알루미늄, 동을 기초로 하여 많은 재료의 가공성이 양호한 점이 있다. 이것은 최종 제품을 소성 가공에 의해서 板, 선, 봉, 관 기타의 형상으로 마무리하는 경우에 가공을 하기 쉽다는 것이다. 가공을 하기 쉽다고 하는 것을 단순히 어느 일정한 조건 아래(온도, 속도 등)서의 변형 저항으로 비교할 수 있다면, 모든 비철금속 재료와 합금이 철강재료 보다 필연적으로 낮다는 것은 아니나, 극히 일반적으로 취급하는 합금의 강도, 가공의 온도범위, 제품의 크기 등을 고려해서, 비철금속 합금은 철강재료 보다도 가공하기 쉽다. 특히 가공을 상온에서 하는 경우, 즉 냉간가공을 높은 기술로 시행 한다고 하는 점에서는, 알루미늄 합금, 동 합금 등은 가장 가공성이 풍부한 재료라고 말 한다.[주: 티탄 등은 가공성이 나쁘다]. (4) 건축에 쓰이고 있는 비철금속 재료 및 합금  앞에서 이야기한 특성을 활용하여 건축에 쓰이고 있는 비철금속 재료로서, 알루미늄 합금이 경량화라 하는 관점에서 문틀, 출입문 테라스 등에 사용되고 있다. 또 동합금이 전기의 전도성이라 하는 관점에서 전선, 차단기･접촉기 등의 접촉자, 펌프용 모터 등에 , 또 가공성 및 내식성이라는 관점에서 배관, 세면기･급수 부품 등에 사용되고 있다. 과학기술의 끊임없는 발전에 따라, 비철금속 생산비용은 점점 떨어지고 있다. 예를들어 습법구리제련 비용은 전통적인 화법제련 비용보다 30%정도 떨어졌다. 1999년 세계습법구리제련 생산량은 231.4만 톤에 달하여, 세계 구리생산량의 16.2%를 차지한다. 1992년의 76.6만 톤과 비교 할 때 연평균 17.1%씩 체증한 것이다.10년 내를 예측해 볼 때, 습법구리제련 생산량이 총생산에서 차지하는 비율은 25%정도까지 높아질 것이다. 바이얼파(拜耳法)과 대형예배전해질 기술의 끊임없는 발전과 광범위한 이용은 산화알루미늄, 전해질알루미늄 생산비용을 계속 떨어뜨리고 있다. 불확성양극, 가습윤전해조의 연구개발 성공은 전해질알루미늄 전류효율을 97%까지 높였고, 알루미늄의 생산비용을 더욱 더 떨어뜨릴 것이다.세계의 신재료 발전이 매우 빠르다. 대직경반도체규소재료, 자성재료,  복합재료, 지능재료, 초전도재료의 생산기술의 개발, 성숙은 구조재료 복합화와 기능화,  지능재료집성화와 지능화를 끊임없이 실현 할 수 있게 한다. 예를들어 강도, 모량에서 우수함을 갖춘 알루미늄,  리튬합금은 이미 우주, 항공, 비행기, 저비용발사장비에 사용된다. 희토성영구자성재료를 컴퓨터,  영구자석전기, 핵자성공전계 등 첨단기술영역에 대량으로 사용된다.; 니켈,  수소전지는 이미 대규모로 산업화가 되었고, 리튬이온전지는 통신,  컴퓨터 생산영역에서 보편적으로 사용된다. 이미 새로운 비철금속 소비영역을 개척 했을 뿐만 아니라, 신재료산업의 발전도 촉진했다.