이해와 관심/배움·지식 기초

물과바람 2016. 2. 1. 12:34

금속의 특성과 결정구조

⊙금속재료(metallic materials) ⇒ 인류의 생활에 이용되는 금속과 합금으로된 모든 재료
⊙금속(metal)의 특성
①고유의 광택이 있다.
②연성 및 전성이 풍부하다.
③열과 전기를 잘 통한다.
⊙금속의 최초 사용시기 ⇒ 청동기시대(BC3000년경 톱파편, 이집트 피라미드)
⊙철(Fe)
①금속 전체 생산량의 거의 대부분
②자원이 풍부
③생산원가 저렴
④기계적 성질 우수
⑤각종 구조용재료로 많이 사용
⊙단일금속재료 ⇒ Cu, Al, Sn, Pb, Zn
⊙공업용재료
ⓛ금속재료
②비금속재료
⊙금속재료
①철 및 강 : 순철, 탄소강, 특수강, 주철, 합금철
②Cu 및 Cu합금 : 황동, 청동, 특수청동
③경합금 : Al합금, Mg합금, Ti합금
④기타합금 : Pb-Sn합금, 베어링 합금, 납땜용합금, 저용융점합금
⑤원자로용합금 및 신금속 : 우라늄(U), 토륨(Th), 하프늄(Hf), 베릴륨(Be), 게르마늄(Ge), 규소(Si)
⊙경금속(비중4.6이하) : Al, Mg, Ti
⊙중금속(비중4.6이상) : 대부분의 금속
⊙귀금속 : Au, Ag, Pt
⊙고용융점합금 : W, Mo
⊙희토류금속 : Ge, Hf

(1) 금속의 특성

1. 금속의 구조

★원자구조
●양전기를 띤 원자핵
●음전기를 띤 궤도전자

★원자핵 : 양성자(proton) + 중성자(neutron)

2. 원자의 결합

★이온결합
★공유결합
★금속결합
★반데르발스결합(van der waals bond)

(가) 이온결합
●양이온과 음이온 사이에서 발생하는 정전기적 인력에 의한 결합
●원자의 상대적 위치이동 곤란으로 외력에 의한 변형이 어렵다
ex)염화나트륨(NaCl), 염화세슘(CsCl)

(나) 공유결합(covalent bond)⇒등극결합(homopolar bond)
●인접원자 사이의 가전자(valency electron) 공유로 발생하는 인력에 의한 결합
●완전한 최외각 전자각을 가지므로 매우안정하고 극히 단단하다.
ex)다이아몬드, 탄화규소(SiC)
(다) 금속결합(metallic bond)
●최외각전자가 공통존재영역인 전자운(electron cloud)을 형성하고 자유전자로 활동
●모든 금속결정이 가지는 결합형식
(라) 반 데르 발스결합
●최외각전자가 채워진 원자들의 상호 인력에 의한결합
●결합력이 매우 약하여 용융점이 낮다.
ex) 제0족 불활성가스

3. 금속의 특징

★금속의 종류
●자연원소 : 92종(1∼92번)
@금속원소 : 68종
@아금속원소 : 7종
@비금속원소 : 17종
●인공원소 : 93번이상
★용융점이 가장 낮은 금속 ⇒ 수은(Hg) : -38.4℃
★용융점이 가장 높은 금속 ⇒ 텅스텐(W) : 3410℃
★비중이 가장 작은 금속 ⇒ 리튬(Li) : 0.53
★비중이 가장 큰 금속 ⇒ 이리듐(Ir) : 22.5

※순금속과 합금의 금속적 특성
(ㄱ)비중이 크고 광택이 있다.
(ㄴ)상온에서 고체이며, 결정체이다.
(ㄷ)열과 전기의 양도체이다.
(ㄹ)전성(malleability)과 연성(ductility)이 풍부하다.
(ㅁ)빛에 대하여 불투명체이다.

(2)금속의 결정구조

⊙결정(crystal)
⇒물질을 구성하는 원자가 입체적으로 규칙적인 배열을 이루고 있는 것
⊙다결정체(polycrystalline)
⇒무수히 많은 크고 작은 결정들의 무질서한 집합체(금속)
⊙입자(grain) or 결정입자(crystal grain)
⇒ 다결정체를 이루고 있는 하나의 결정체
⊙입계(boundary) or 결정입계(crystal grain boundary)
⇒ 결정입자의 경계
⊙금속결정의 종류
①면심입방격자
②체심입방격자
③조밀육방격자

1. 공간격자와 단위격자

①공간격자 : 원자가 규칙적인 배열로 공간에 배열되어 있는 것
②단위격자 : 공간격자의 최소단위

2. 금속결정의 종류

(가)체심입방격자(body centered cubic lattic)
●입방체의 각 꼭지점과 중심에 각 1개의 원자가 배열된 결정구조
●단위격자내의 원자수 ⇒ 2개(8×1/8+1)
●배위수 : 8개(체심에 있는 원자를 둘러싼 원자수)
●충진율 : 68%
●bcc 구조 금속 : Pt, Pb, Ni, γ-Fe, Cu, Al, Au, Ag
●성질 : 용융점이 높으며 단단하다.

(나)면심입방격자) (fcc) (face-centered cubic lattice)
●입방체의 꼭지점, 면의 중심에 각 1개의 원자가 배열된 결정
●단위격자내의 원자수 ⇒ 4개(8×1/8+6×1/2)
●배위수 : 12개
●충진율 : 74%
●fcc 구조 금속 : α-Fe, W, Mo, Na, V, K, Li, Cr
●성질 : 전연성이 커서 가공성이 좋다.


(다)조밀육방격자(hexagonal close-packed lattice, hcp)
●단위격자내의 원자수 ⇒ 2개(8×1/8+1)
●배위수 : 12개
●충진율 : 74%
●hcp 구조 금속 : Mg, Zn, Zr, Be, Cd, Ti
●성질 : 취약하며 전연성이 적다.


3. 결정면과 방향의 표시

(가)결정의 표시법
⇒단위격자의 한 꼭지점을 원점으로 하는 3차원 좌표계의 격자상수를 단위로 길이를 나타낸다.

(나)밀러지수
⇒x,y,z의 3축을 어느 결정면이 끊는 절편을 원자간격으로 측정하고, 그 역수를 정수비로 나타낸 값

(3)금속의 응고
용융금속 -> 작은 핵 생성 -> 수지상 결정 -> 결정입계 형성

⊙결정입자의 크기
★핵 생성속도 〈 핵 성장속도 ⇒ 결정입자 조대화
★핵 생성속도 〉 핵 성장속도 ⇒ 결정입자 미세화

⊙주상결정
★용융금속을 주형에 주입할 때 벽면으로부터 중심으로 성장한 결정
★주상결정 입계에 불순물이 집중되어 메짐이 발생하고 가공할 때 균열의 원인이 됨

 

우리 인간은 금속 재료를 이용하는 방법을 알게 되면서 금, 은, 구리와 같은 금속을 사용하였다. 인류가 철보다 구리를 먼저 사용하게 된 것은 녹는 온도(1083°C)가 철(1539°C)보다 낮아 광석으로부터 구리를 얻기 쉬웠기 때문이다. 그 후, 구리에 주석을 섞어 합금을 만들면 더욱 단단한 재료를 만들 수 있다는 사실을 알게 되면서 금속에 대한 관심이 커지기 시작하였다.
점차로 높은 온도를 얻을 수 있는 방법을 알게 되어 자원이 풍부하고 강한 철기 도구를 이용하기 시작하였다. 근세 이후에는 면직물의 수요가 증가하고, 그에 따라 면직물을 만드는 기계의 수요가 증가하여 기계 제작에 필요한 철강의 수요가 급증하였다. 오늘날까지 발견된 금속의 종류는 약 70여 가지에 이른다.

▩ 금속의 일반적인 특성

금속은 수은을 제외하고 상온에서 고체 상태이며, 원자가 규칙적으로 배열된 결정으로 이루어져 있다. 이러한 금속의 결정 구조는 원자 배열 방법에 따라 크게 다음과 같은 3가지로 분류한다.

1) 결정

체심 입방 격자 : 철(상온), 몰리브덴, 텅스텐, 크롬 등
면심 입방 격자 : 구리, 알루미늄, 금, 은, 니켈 등
조밀 육방 격자 : 아연, 코발트, 마그네슘, 티탄 등

2) 광택

금속은 빛의 반사성이 우수하고 고유의 색깔을 가진다. 순금은 노란색이고, 순구리는 붉은 노란색이며, 알루미늄은 흰색이다. 대부분의 금속은 은백색을 띠지만 금속 가루는 대개 회색이나 검은색을 띤다.

3) 비중

4°C 물의 무게와 같은 부피의 물질의 무게비를 비중이라 하며, 금속은 대부분 비중이 크다.

경금속 : 리튬(0.53), 마그네슘(1.74), 알루미늄(2.70) 등이 있다.
중금속 : 철(7.87), 구리(8.90), 니켈(8.90), 크롬(7.19), 수은(13.5), 아연(7.13), 주석(7.28), 납(11.34), 오스뮴(22.5) 등이

있다.

4)녹는점

순수한 금속은 일정한 녹는점을 가진다. 그러나 순금속에 다른 금속이나 불순물이 섞이면 금속의 녹는점은 변한다.

(수은 : -38.9°C 로 최저, 납 : 327°C, 알루미늄 : 660°C, 은 : 960°C, 금 : 1063°C, 철 : 1539°C, 텅스텐 : 3410°C로 금속 중 최고)

5)전도도

일반적으로 금속은 전기 및 열의 전도도가 우수하다. 전기 전도도는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg) 순이다.

6)경도

속의 단단한 정도를 나타내는 것으로, 대개 금속은 경도가 높다.

경도가 낮은 금속 : 금, 은, 아연, 납 등
경도가 높은 금속 : 크롬, 철, 코발트 등

7)전성 및 연성

일반적으로 금속은 전성과 연성이 좋으며, 특히 금과 알루미늄은 전성과 연성이 우수하다.

전성 : 넓게 펴지는 성질 (금>은>알루미늄>구리>주석>철>니켈의 순)
연성 : 길게 늘어나는 성질 (금>은>알루미늄>철>니켈>구리>주석 순)

▦ 금속성질의 개량 방법

1) 열처리 : 금속고유의 성질은 다양한 성질을 가지고 있지 않으므로, 열을 가한 후 냉각시키는 방법에 따라 금속의 성질을

개량하는 것.

담금질 : 강도, 경도 향상을 위함. 가열후 물이나 기름에 급랭 시킴.

뜨임 : 내부 응력을 제거, 강인한 성질 부여,가열후 공기중에 서냉 시킴.

(담금질한 강은 반드시 뜨임!)

풀림 : 금속을 가공하기 위해 재질을 연하게 하거나, 전,연성을 높이기 위함.

불림 : 소성가공을 한 후 발생된 내부 응력을 제거, 결정조직의 균일화 하기 위함.

☞ 열처리시 반드시 관련 항목의 순서를 지켜야 좋은 제품을 만들 수 있음!

2) 합금에 의한 금속의 성질 개량

합금 : 어느 금속에 하나 또는 그 이상의 다른 금속 원소나 비금속 원소를 섞어 만든 것

- 강도와 경도 향상 : 강, 청동, 황동

- 녹는점을 낮게 한 것 : 땜납, 퓨즈

- 부식방지 : 스테인리스

- 색깔을 아름답게... : 청동, 황동

- 전기저항을 크게.... : 철니크롬선, 니크롬선

▣ 금속의 종류 : 금속은 크게 철금속과 비철금속으로 나눈다.

1) 철금속

철의 5대 원소 : 탄소, 규소, 망간, 인, 황 (이중 가장 중요한 원소가 탄소!!)

탄소의 함유량에 따라 철의 성질이 달라짐.

▒ 철의 제조

제선 공정

원료인 철광석과 소결 공정을 거친 석회석, 코크스 공정으로부터 코크스를 이동시켜 고로(용광로)에 넣은 후 가열, 철광석을

녹여 용선을 추출하는 공정을 말한다.

제강 공정

제선 공정을 거쳐 나온 선철(용선)은 탄소 함유량이 많고 상당량의 규소, 망간, 인, 황과 같은 불순물이 함유되어 있어 경도가 높고 취약한 성질이 있다. 이러한 선철을 잘 늘어나면서 강인한 강으로 만들려면 다시 정련하여 탄소의 량을 줄이고 불순물을 제거하는 공정을 거쳐야 한다. 이러한 공정을 제강이라 한다.

압연 공정

강의 성질인 연성과 전성을 이용하여 사용 용도에 따라 가공, 변형을 주는데, 강괴(철 덩어리)를 롤 사이에 끼워 간격을 좁히면서 늘리거나 얇게 성형하는 공정이다.

http://www.posco.co.kr/steel/process/process01.html 철의 생산 공정

▒ 철의 종류

종 류

주요 내용

용 도

선 철

용광로에 코크스, 석회석, 철광석을 번갈아 넣고, 가열하여 녹여 만든 철

☞ 여기에 5대 원소가 많이 함유되어 있음.

주철 용해용

순 철

철에 다른 원소가 거의 없는 것

☞ 제조가 어렵고, 재질이 연함.

철심재료용

탄소강

저 탄소강

강도가 낮음

철판, 철근, 수도관

중 탄소강

가장 일반적으로 널리 사용됨

볼트, 너트,등 기계부품

고 탄소강

강도가 높고 단단함.

절삭공구의 재료

합금강

탄소강에 특수 원소 첨가

강도, 경도, 내식성, 내열성 등 우수

구조용, 공구용, 특수용도용으로 분류함.

절삭 공구 등

주 철

탄소강보다 많은 탄소량을 함유한 것으로, 깨어진 면의 색깔에 따라 백주철, 반주철, 회주철로 나뉨.

표면이 굳고 단단하나 충격에 약하여 누르거나 두들겨서 제품을 만들기가 곤란함.

녹는점이 비교적 낮음.

솥, 쟁기, 난로, 재봉틀의

다리, 다리미의 누름쇠,

자동차의 기관 등

◈ 탄소의 함유량 순서!!(탄소의 량이 많을수록 경도가 커짐)

순철저,중,고 탄소강 주철

※ 합금강의 종류

구조용 합금강 : 탄소강보다 강도와 경도 및 인성을 높인 강으로 교량, 선박용, 차축 스프링, 자동차 및 비행기 부품 등에

사용된다.
공구용 합금강 : 경도가 크고 내마멸성이 좋으며, 고온에서 경도가 유지되는 강으로 고속도강 및 드릴, 탭, 톱날 등의

절삭 공구 재료로 사용된다.
특수용 합금강
① 스테인리스 강 : 철에 크롬 또는 크롬과 니켈을 첨가하여 쉽게 녹슬지 않도록 한 것으로, 식기류, 의료 기구, 화학 공업용

장비 등에 사용된다.
② 내열강 : 고온에서도 산화 또는 가스의 침식에 잘 견디며, 기계적 성질의 변화가 적다.
③ 스프링 강 : 탄성 한계가 커서 스프링에 쓰인다.
④ 기타 자석강, 불변강, 베어링 강 등이 있다.

2) 비철금속

자연 상태의 비철 금속 광석으로부터 비철 금속을 채취하는 것을 제련이라고 한다. 제련에 의해서 얻은 비철 금속은 일반적으로 불순물이 포함되어 있으므로, 선광 처리 과정을 거쳐 예비 처리한 후 제련과 정련 공정을 거쳐 필요로 하는 순도의 금속을 얻는다.

비철 금속의 제련에는 다음과 같은 방법이 있다.
건식 제련법 : 광석을 녹여서 필요로 하는 금속을 불순물과 분리하여 제련하는 방법으로 구리, 니켈, 코발트 등의 제련에

이용된다.
습식 제련법 : 비철 금속을 수용액 중에서 분리하여 제련하는 방법으로, 금, 은, 구리, 중석, 우라늄 등의 제련에 이용된다.

▒ 구리와 구리합금

대부분 원료 광석인 황동광을 제련하여 얻는 구리는 대표적인 비철 금속 재료로서 비중이 8.90이고, 녹는점은 1083℃이다. 광택은 붉은색을 띠며, 다음과 같은 성질을 지닌다.

전기 및 열의 전도도가 우수하다.
전성과 연성이 좋아 가공하기 쉽다.
화학적 저항력이 커서 내식성이 좋다.
성질 : 색깔이 아름답고 아연, 주석, 니켈 등과 합금하여 더욱 우수한 성질을 가진다.
용도 : 전기 부품, 컴퓨터 부품, 전자 기기 부품, 반도체 칩의 단자 등

※ 구리합금의 종류

- 청동 : 구리와 주석의 합금. 황동에 비해 녹이 잘 슬지 않고 마멸에 강하나, 가격이 비쌈.

(종, 동상, 밸브 및 베어링 등에 사용한다.)

- 황동 : 구리와 아연의 합금. 색이 아름답고, 가공하기 쉬움.

(판, 선, 관, 막대 등의 형태로 가공하여 전기 부품, 기계 부품, 일용품, 장식품 등에 사용한다.)

▒ 알루미늄과 그 합금

알루미늄은 철에 이어 구리와 함께 가장 널리 사용되어지는 경금속으로, 오늘날 다른 모든 비철 금속의 생산량보다 더 많이 생산되고 있다. 지구 표면의 약 8퍼센트를 구성하고 있으며, 세 번째로 풍부한 원소이다. 그런데 왜 곧바로 발견이 되지 않았을까? 그 이유는 자연 상태에서 금속적 형태로는 절대 얻을 수 없기 때문이다. 즉, 산소 또는 다른 원소와 결합되어 바위, 점토, 흙, 식물 등에서 대부분 발견되기 때문이다.
알루미늄은 일찍부터 인간에 의해 사용되어 왔는데, 도자기는 알루미늄이 풍부한 수산화규산염이 있는 점토로 만들어졌고, 고대의 중동 문명은 알루미늄염을 염료와 약품으로 사용하였다. 그것들은 소화제와 치약으로 지금까지 사용되고 있다.

우리나라의 경우 1950년대 말부터 알루미늄 산업이 시작되어 1970년대에 가정용 제품 등에 주로 이용되었다. 1980년대에는 건축용, 수송용, 일반 포장용 제품으로 발전해 왔고, 1990년대 및 오늘날에는 인쇄판, 고급 포장 용지, 통신 장비, 반도체 및 컴퓨터의 전기ㆍ전자 부품, 레저 용품으로 널리 사용되고 있다.

※ 알루미늄의 특성

- 가볍다. : 알루미늄의 비중은 2.7로 철(7.87), 구리(8.9)의 약 1/3이다.

- 열,전기 전도성 우수: 열 전달은 철의 5배, 전기 전도도는 구리의 약 60%이다.

- 가공하기가 쉽다. : 전성, 연성이 우수함.

- 공기 중에서 녹이 잘 슬지 않는다. ( 산과 알칼리에는 부식된다)

※ 알루미늄 합금

알루미늄 합금은 알루미늄에 구리, 규소, 아연, 마그네슘, 니켈, 망간 등을 첨가한 것이다. 주조성, 내식성, 내열성이 우수하여 건축 자재, 자동차, 항공기, 광학 기계, 전기 기계, 화학 공업 등의 부품 재료로 쓰인다. 알루미늄 합금에는 기계 부품, 정밀 주물에 쓰이는 실루민(silumin)과 강력 구조재로 쓰이는 두랄루민(duralumin) 등이 있다.

두랄루민(duralumin)
알루미늄 합금의 꽃이라고 해도 과언이 아닌 두랄루민은 구리와 마그네슘 및 그 외 1∼2종의 원소를 알루미늄에 첨가하여 만든 알루미늄 합금이다. 1906년 9월 독일인 A. 빌름이 발명하였으며, 그가 소속된 뒤렌(Duren) 금속 회사의 이름과 알루미늄을 따서 두랄루민으로 명명하였다.
두랄루민을 500∼510℃ 정도로 가열한 후 물속에서 급속 냉각시키면 매우 연한 상태가 되는데, 이것을 상온에 방치하면 시간이 경과될수록 경화되어 철재 정도의 강도를 지닌다. 비중이 2.8이어서 철강의 1/3 밖에 되지 않으므로 중량당 강도가 매우 우수하기 때문에 비행기의 재료로 많이 사용된다. 오늘날의 항공기에 사용되는 재료의 무게 중 약 50∼70%는 알루미늄으로 이루어졌다고 보면 된다. 이와 같은 두랄루민은 구리가 섞여 있어 알루미늄 합금 중에서도 내식성이 좋지 않은 단점을 가지고 있다.

 

출처 : 네이버 지식