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금속재료
금속재료(金屬材料, metallic material)는 공업에서 사용되는 금속으로 된 재료이다.
금속결합을 하고 상온에서 고체상태(예외:수은)이며, 고체상태에서 대부분 결정(crystal:동일 형태의 단위정[unit cell]이 3차원 공간에서 반복적으로 배열되어 있는 고체)을 이룬다. 금속재료는 자유전자에 의해 결합되는 금속결합을 하기 때문에 다음과 같은 금속 특유의 성질을 가진다. 금속재료는 수많은 자유전자 때문에 높은 열 및 전기전도성을 지니며 불투명하다. 그리고 비방향성 결합과 국부적인 전하중성이 요구되지 않기 때문에 쉽게 변형이 되고, 영구변형이 가능하다.
지구상의 100여 가지 원소 중 약 반 정도가 금속에 속하며, 대표적인 금속으로는 철 ·알루미늄 ·마그네슘 ·구리 ·니켈 ·티타늄 ·금 등이 있다. 철(Fe)은 구조용 재료의 대부분을 차지하며 자성재료로 이용된다. 알루미늄은 가볍고 내식성 ·전기전도성이 우수하며, 자동차 ·항공기 재료로 쓰인다. 마그네슘은 알루미늄보다 3분의 2 정도 가벼워 자동차 ·항공기 소재로 이용되며 부식이 잘 된다. 구리는 전기전도성이 우수하여 전기재료로 이용된다. 니켈은 내식성 ·내열성이 우수하며 항공기 소재로 이용된다.
개요
- 금속의 특성
①고체상태에서 결정구조를 갖는다.
②전기 및 열을 잘 전달하는 양도체이다.
③전성 및 연성이 크므로 변형하기 쉽다.
④금속 특유의 광택을 갖는다.
⑤비중이 크다.
⑥수은을 제외한 모든 금속은 상온에서 고체이다.
- 합금
유용한 성질을 얻기 위해 한 금속 원소에 다른 금속 및 비금속을 첨가하여 얻은 금속
- 제조방법 - ①두 원소를 용융상태에서 융합 ②압축소결에의한 합금 ③고체상태에서 확산 을 이용하여 부분적으로 합금(침탄 등)
- 금속의 성질
①비중 - 표준기압 4℃에서 어떤 물질의 질량과 같은 체적의 물의 질량과의 비
- 비중 4.5를 기준으로 하여 그 이상을 중금속(Cu, Fe 등의 대부분), 그 이하를 경금속(Al, Mg, Na 등)
②팽창계수 - 온도가 1℃ 올라가는데 따른 팽창율
- 팽창계수가 적은 인바, 초인바 등의 합금은 시계부품, 정밀측정자 등으로 사용, (-)치의 선팽창계수의 Fe-Pt합금
③용융점 - 금속을 가열하여 액체가 되는 온도
- 상온에서 Hg(-38.87℃)는 액체, W는 금속중 용융점이 가장 높은 3410℃
④전도율 - 불순물이 적고 순도가 높은 금속일수록 열이나 전기를 잘 전달(순금속>합금)
- 전기전도율은 Ag을 100으로 했을 경우 다른 금속과의 비율로 나타낸다.
- Ag > Cu > Au > Al > Mg > Zn > Ni > Fe > Pb > Sb
⑤비열 - 물질 1g의 온도를 1℃ 높이는데 필요한 열량
- Mg > Al > Mn > Cr > Fe > Ni > Cu > Zn > Ag > Sn > Sb > W
⑥자성
- - 강자성 : Fe, Ni, Co나 이들의 합금, 자석에 강하게 끌리고 자석에서 떨어진 후에도 자 성을 띠는 물질
- - 상자성 : K, Pt, Na, Al 등, 자석을 접근하면 먼쪽에 같은 극, 가까운 쪽에는 다른 극
- - 반자성 : Bi, Sb 등, 상자성과 반대
- - 비자성 : Au, Ag, Cu 등, 자성을 나타내지 않는 물질
⑦강도 - 금속의 강하고 약함으로 외력에 대해 저항하는 힘, 인장강도, 압축강도, 전단강도
⑧경도 - 금속표면의 딱딱한 정도, 일반적으로 인장강도에 비례
⑨전성 - 금속을 눌렀을 때 넓어지는 성질
- Au > Ag > Pt > Al > Fe > Ni > Cu > Zn
⑩연성 - 금속을 잡아 당겼을 때 늘어나는 성질
- Au > Ag > Al > Cu > Pt > Pb > Zn > Ni
⑪인성 - 충격에 대하 재료의 저항, 일반적으로 전․연성이 큰 것이 잘 견디며 주철과 같 이 강도가 적고 경도가 큰 것은 인성이 적다.
⑫이온화 - 이온화 경향이 클수록 화학반응을 일으키기 쉽고 부식이 잘 된다.
- K > Ca > Mg > Al > Mn > Zn > Cr > Fe > Cd > Co > Ni > Sn > Pb
⑬탈색
- Au > Ag > Pt > Zn > Cu > Fe > Mg > Al > Ni > Sn
- 금속의 결정구조
①체심입방격자구조(Body Centered Cubic lattice)
- 입방체의 각 모서리에 8개와 그 중심에 1개의 원자가 배열되어 있는 단위포의 결정구조
②면심입방격자구조(Face Centered Cubic lattice)
- 입방체의 각 모서리에 8개와 6개 면의 중심에 1개씩의 원자가 배열되어 있는 결정구조
③조밀육방격자구조(Close-Packed Hexagonal lattice)
- 육각기둥의 모양으로 되어 있으며 6각주 상하면의 모서리와 그 중심에 1개씩의 원자가 있고 6각주를 구성하는 6개의 3각주 중 1개씩 띄어서 3각주의 중심에 1개씩의 원자가 배 열되어 있는 결정구조
- 금속의 응고
①응고과정
- 결정핵 생성 → 결정핵 성장 → 결정립계 형성 → 결정입자구성
②응고조직
- - 과냉 : 융점이하로 냉각하여도 액체 또는 고용체로 계속되는 현상(Sb, Sn은 과냉도 ↑)
- 수지상 : 응고과정에서 결정핵이 성장할 때 뽀족한 부분이 생기면 그 부분은 핵성장이 촉진되어 연이어 성장하는데 이러한 나
- - 주상정 : 주형에 접촉된 부분부터 중심을 향하여 가늘고 긴 결정이 성장하여 중심부로 방사(라운딩, 냉각속도를 느리게 함으로
- - 편석 : 주상정의 경계에 모여 메지고 취약하게 하는 불순물
- - 고스트라인 : 편석이 있는 강괴를 압연하여 판, 봉, 관으로 만들 때 편석부분이 늘어나 긴 띠모양을 이룬 것
- - 라운딩 : 편석을 막기 위하여 주형의 모서리 부분을 둥글게 하는 것
- 금속의 변태
①동소변태 - 같은 원소이지만 고체상태내에서 결정격자의 변화가 생기는 것(동소체)
②자기변태 - 원자의 배열 즉 결정격자의 변화는 생기지 않고 자기의 크기만 변화하는 것
③변태점 측정은 열분석법, 열팽창법, 전기저항법, 자기반응법 등으로 측정한다.
- 금속의 변형과 재결정
①탄성변형 - 외력이 제거됨에 따라 원 상태로 돌아오는 변형
②소성변형 - 외력이 지나치게 클 때에 변형이 복귀하지 못하고 영구적으로 변형
③슬립(Slip) - 외력에 의해 변형될 때 일정면에 따라 미끄러지는데 이 미끄럼을 말함, 슬 립면은 원자밀도가 가장 조밀한 면에서 일어나고 슬립방향은 원자간격이 가장 작은 방향 에서 일어난다.
④쌍정(Twin) - 소성변형시 변형전과 변형후의 원자배열이 대칭적인 배열, 원자의 이동이 원자간격보다 작으므로 큰 영구변형은 슬립에 의해 일어난다.
⑤전위(Dislocation) - 금속의 결정격자에 결함이 있을 때 외력에 의해 결함이 이동되는 것
⑥가공경화 - 변형에 의한 응력이 축적됨에 따라 경도가 증가하는 현상
⑦냉간가공에 의해 가공경화된 금속의 열처리과정
- -회복 : 내부응력이 감소하는 단계
- - 재결정 : 내부응력이 없는 새로운 결정의 핵 생성, 변형전의 결정립이 작을수록 재결 정온도는 낮다. 결정립의 크기는 재결정전의 존재한 변형량이 클수록 미세하다.
- - 결정성장 : 재결정의 성장
금속 Fe Al Cu Ni W Mo Zn Pb 재결정온도 450 290 200 600 1000 90 18 -3
- 평형상태도
①자유도 - 계에 나타난 상을 변경시키지 않고 임의로 변화될 수 있는 변수의 수
- F = n - P + 2 (n : 성분수 P : 상수)
②고용체 - 고체상태에서나 액체상태에서 한 성분금속에 다른 성분의 금속이 융합되어 하 나의 상을 이룬 것(치환형, 침입형, 규칙격자형)
③금속화합물 - 친화력이 클 때 2종 이상의 금속원소가 간단한 원자비로 결함되어 성분금 속과 다른 독립된 화합물을 만들 때
④공정형 - 용해된 상태에서는 균일한 용액으로 완전히 융합되지만 응고후 고체상태에서 는 성분금속이 각각 결정으로 분리되어 정출되는 것(융액↔A결정+B결정)
⑤공석형 - 고체상태내에서 공정형 상태도와 같은 반응을 함(γ결정 ↔ α고용체 +B)
⑥포정형 - 액체상태에서는 두 금속이 완전히 융합하나 고체상태에서는 어느 일부분만 융 합하는 경우(α고용체 + 용액 ↔ γ고용 ⑦편정형 - 일종의 용액에서 고상과 다른 종류의 용액을 동시에 생성하는 반응
- (액상 ↔ 고상(순 A) + 액상(B))
- 재료의 시험
①조직시험
- - 육안시험 : 파면검사(재료의 성분, 열처리 판단), 육안조직검사(가공방법의 양부, 조직 및 성분의 불균일, 내부결함의 유무판단), 설퍼프린트법(유황의 분포상태를 검출) 등 이 있다.
- - 현미경 조직검사 : 시험편 채취 → 시험편 연마 → 정마 → 부식 → 관찰
재료 부식제 철강 피크린산알콜 용액, 질산알콜 용 Cu 및 그 합금 염화 제2철 용액 Ni 및 그 합금 질산초산 용액 Al 및 그 합금 수산화나트륨 용액, 불화수소산
②강도시험
- - 만능시험기 : 인장강도, 압축강도, 연신율, 단면수축율, 굽힘 등 측정
- - Hooke의 법칙 σ = Eε (σ : 응력, E : 영률, ε : 연신율)
- - 인장강도 σ = Pmax / Ao (Pmax : 최대하중, Ao : 원단면적)
③경도시험
하중시간은 15-30초, 얇은 재료나 침탄강, 질화강 등의 표면을 측정하기에는 부적당
- - 로크웰경도 B스케일의 경우 : HRB = 130-500h
C스케일의 경우 : HRC = 100-500h
B스케일은 특수강구(1.588mm), C스케일은 꼭지각 120o인 다이아몬드 원뿔의 압입자
- - 비커즈경도 Hv = 1.854P / d2 (d : 다이아몬드 압입자국의 대각선 길이)
136o인 사각뿔 다이아몬드의 압입자 사용, 단단한 재료나 연한 재료, 얇은 재료나 침 탄, 질화층 같은 엷은 부분의 경도로 정확히 측정, 압입부의 흔적이 적으므로 경화재료 에는 부적당
- - 쇼어경도 Hs = 10000h / 65ho
- 일정 높이에서 자유낙하시켜 낙하체가 시험편에 부딪쳐 튀어오르는 높이에 의해 측정
- 시험편에 자국이 생기지 않으므로 완성된 기어나 압연, 롤 등에 사용
④충격시험 - 시험편에 충격적인 하중을 가해 시험편의 파괴시의 충격값을 구하는 동적 시험이다. 샤르피 충격시험과아이조드 충격시험
- E = WR(cosβ - cosα) (W:해머무게, R:해머중심에서 축중심까지 거리
- 충격값(U) = E/A α:해머의 낙하 전 올려진 각도, β:파괴 후 각도)
⑤피로시험 - 하중이 계속적으로 반복작용하면 파괴하중보다 더 작은 하중으로 파괴되는 피로파괴를 측정하는 시험
⑥크리프시험 - 고온에서 시간의 경과에 따라서 외력에 비례한 만큼 이상의 변형이 일어 나는 크리프현상을 측정하는 시험
자주 사용되는 금속재료
철강 재료
- 특징 : 저렴, 가공성이 좋음, 열처리로 다채로운 성질의 변화를 나타냄, 재활용하기 쉬움.
종류 재료 기호 용도 특징 구조용 강 SS400 일반 기계 부품 가장 범용적인 강종. 가공성, 용접성 등이 양호 탄소강 S45C 일반 기계 부품 불림: 인장 강도 570N/mm² 이상 경도 HB167～229 담금질 템퍼링: 인장 강도 690N/mm² 이상 경도 HB201～269
S50C 불림: 인장 강도 610N/mm² 이상 경도 HB179～235 담금질 템퍼링: 인장 강도 740N/mm² 이상 경도 HB212～277
크롬 몰리브덴 강 SCM435 강도가 필요한 일반 기계 부품 예: 나사
담금질 템퍼링: 930N/mm² 이상 경도 HB269～331 이상
고 탄소 크롬강 SUJ2 내마모성이 필요한 부품 예: 샤프트·베어링
고주파 담금질로 경도 58HRC 이상 열간 압연 강판 SPHC 일반 기계 구조용 부품 통칭 판금. 고온 상태에서 압연된 재료로 판 두께가 1.2～14.0mm. 표면에는 산화물 스케일이 부착되어 검다. 일반적인 사용 판 두께는 6mm 이하 냉간 압연 강판 SPCC 커버, 케이스 등 통칭 판금. SPHC를 상온에 가까운 온도에서 압연 제조. 표준 판 두께는 0.4～3.2mm. 치수 정밀도가 높고 표면이 깔끔하다. 굽힘, 조임, 절단 등 가공성 양호. 용접성도 양호 스테인리스강 오스테나이트계
SUS303 방청이 필요한 기계 부품 예: 볼트, 너트 등
SUS304보다 절삭성이 양호하지만 내식성은 약간 떨어진다. 자성 없음 SUS304 방청이 필요한 기계 부품 예: 식품 설비, 일반 과학 설비 등
가장 대표적인 스테인리스. 일반 내식 강, 내열강으로 사용된다. 자성 없음 SUS316 방청이 필요한 기계 부품 예: 식품 설비, 일반 과학 설비 등
SUS304에 몰리브덴을 첨가한 스테인리스강. SUS304보다 내식성, 내산성, 내해수성 등이 뛰어나다. 자성 없음 스테인리스강 마르텐사이트계
SUS440C 방청이 필요한 기계 부품 내식성은 오스테나이트계에 비해 떨어진다. 담금질 가능. 자성 있음
비철 금속 재료
- 알루미늄
- 알루미늄특징
- 비중이 작다(2.7g/cm³ 철의 약 35%). 도전성, 열전도성이 높다.
- 해수·산·알칼리 등에 악영향을 받기 쉽다. 공기 중이나 수중에서는 얇은 산화 피막이 생성되어 부식을 방지.
- 주조성과 가공성 등이 뛰어나 상온이나 고온에서 압연, 와이어 드로잉, 프레스 등이 가능.
종류 재료 기호 용도 특징 Al-Cu 계 합금 A2017 일반용 강력재 예: 항공기 재료, 각종 구조재, 제작 기계 부품
두랄루민. 열처리 합금으로 강도가 강하고 절삭 가공성도 양호. 용접성은 떨어짐 Al-Mg 계 합금 A5052 일반용 강력재 예: 선박, 차량, 건축재, 음료캔, 기계 부품
중간 정도의 강도를 가진 대표적인 합금. 내식성, 정형성, 용접성, 내해수성 등이 양호 Al-Mg-Si 계 합금 A6061 일반 기계 부품 열처리형인 내식 합금. T6 처리로 상당히 높은 내력을 얻을 수 있음 A6063 일반 기계 부품 구조용재 예: 강도가 필요하지 않은 기계 부품 및 플레이트
압출재로 다용. A6061보다 강도가 낮지만 압출성, 복잡한 단면 형상을 형성 가능. 내식성, 표면 처리도 양호
- 동
- 특징
- 도전성, 열도전성 등이 높고 반자성. 전연성이 있지만 가공 경화한다.
- 철보다 내식성이 뛰어남(공기 중에 습기나 탄산 가스가 있으면 녹청이 발생한다)
- 맑은 물에는 악영향을 받지 않지만 해수에는 약하다. 수축률이 커서 주조하기 어렵다.
종류 재료 기호 용도 특징 무산소 동 C1020 높은 성능이 요구되는 전선, 방열판 등 시판되는 동 중에 최고 순도. 고온으로 가열했을 때에도 물러지지 않는다 터프 피치 동 C1100 도전 재료, 건축, 증류 솥, 개스킷 등 가장 범용적인 구리로 도전성, 열전도성 등이 우수하다 놋쇠판 C2801 구멍을 뚫거나, 접고 구부려서 사용하는 배선 기구 부품, 네임 플레이트, 계기반 등 동 합금 중에서 강도가 높고 전연성이 있다 쾌삭 황동 C3604 밸브 부품 등 절삭이 필요한 가공 부품 납과 아연이 함유된 합금. 납을 첨가하여 놋쇠의 피삭성을 개량한 것. 인장 강도가 높고 전연성이 양호
동영상
참고자료
- 〈금속재료〉, 《두산백과》
- 킨시, 〈금속재료 요약집〉, 《네이버 블로그》, 2020-11-18
- 〈자주 사용되는 금속 재료〉, 《한국미스미기술정보》
같이 보기
