금속재료에 대한 전반적인 정리

1. 금속결정구조와 단위정 포함되는 원자수

 

1.1 금속결정구조

 

1)조밀육방격자 [Hexagonal Close Packed lattice ; HCP, 稠密六方格子]

육각 기둥 상하 면의 각 모서리와 그 중심에 한 개씩의 원자가 존재하고, 또한 육각기둥을 구성하는 6개의 삼각 기둥 중에서 1개씩 띄워서 삼각 기둥의 중심에 1개의 원자가 배열된 결정 구조이다. 육방최밀격자 [六方最密格子] 라고도 한다. Mg, Ti, Zn, Cd, Zr, Co 등이 속하며 전연성 [展延性] 이 적다

 

2)면심입방격자 [Face-Centered Cubic lattice ; FCC, 面心立方格子]

육면체의 꼭지점과 면 중심으로 총 14개의 격자점을 갖는 결정격자이다. 한 격자점에서 가장 인접한 격자점의 수는 12개가 되며, 육면체의 모서리 길이가 격자상수이다. 그러나 면심입방격자는 적층결함 [積層缺陷] 을 갖는데 적층결함이란 격자결함의 하나로서 면심입방격자 및 조밀육방격자에서 가장 큰 면 간격을 가진 이웃한 원자면이 미끄럼을 일으키기 때문에 생긴 원자면의 적층 [積層] 의 불규칙을 말한다. Ag, Al, Cu, Ni 등이 이에 속하며 전연성이 작고, 강하다.

 

3)체심입방격자 [Body Centered Cubic lattice ; BCC, 體心立方格子]

육면체의 구석과 중심에 격자점 [格子點] 이 존재하는 공간격자로서 면심입방격자보다 공간이 많은 구조이다. CR, Mo 및 상온에서의 Fe등이 이에 속하며 전연성이 풍부하고, 가공이 매우 우수하다.

 

1.2 단위정 포함되는 원자수

 

체심입방격자는 8개의 모퉁이의 원자와 한개의 중심원자를 포함해 총 9개의 원자를 가지는 것으로 보이지만 모퉁이의 8개 원자는 그 원자를 중심으로 8개의 단위정이 공유하기 때문에 하나의 모퉁이 원자는 1/8개가 된다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

N=1/8×8+1=2

면심입방격자의 경우도 8개의 모퉁이 원자는 ⅛개 이고 면심에 위치한 원자 6개는 반대쪽 단위정과 공유하기 때문에 1/2개가 된다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

N=1/2×6+1/8×8=4

조밀입방격자의 경우는 조금 복잡하다. 육각기둥을 삼각기둥 6개로 나누어 생각해 보면 모퉁이의 6개의 원자가 있는데 각각 12개의 삼각기둥과 공유하고 있기 때문에 모퉁이 원자는 1/12개가 된다. 하나의 삼각기둥에 1/2개의 원자가 있고, 이러한 삼각기둥이 6개가 있으므로 육각기둥의 모퉁이에는 총 3개의 원자가 있다. 그리고 삼각기둥의 체심에 있는 원자 3개를 합해야 한다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

N=1/12×6×6+3=6

 

 

2. 금속의 소성변형

 

탄성을 가진 물체는 힘을 가하면 형상이 바뀌었다가 힘을 제거하면 원래 상태로 돌아간다. 하지만 금속 등의 많은 고체재료는 탄성한계 [elastic limit, 彈性限界] 가 작아 강한 힘을 주면 돌아오지 않는 영구변형 [permanent deformation, 永久變形] 이 일어난다. 이렇게 힘을 주어 모양을 바꿀 수 있는 성질을 가소성 [plasticity, 可塑性] 이라고 하고 이러한 영구변형을 소성변형 [plastic deformation, 塑性變形] 이라고 한다. 이러한 변형은 슬립에 의한 변형과 쌍정에 의한 변형으로 나누어진다.

 

우선 슬립 [slip] 에 의한 변형을 보면 단 결정이 외력에 의해 변형될 때 결정의 어떤 층이 특정 방향으로 미끄럼을 일으킨다. 그러나 이 미끄러짐은 중도반단 [中途半斷] 하지 않고 미끄러진 면의 양측의 원자의 관계는 본래와 변함이 없다. 이 미끄러진 면을 미끄럼면 [slip plane] 이라 부른다. 미끄럼면이나 미끄럼방향은 그 결정의 종류에 따라 정해져 있다.

 

다음으로 쌍정 [twin, 雙晶] 에 의한 변형을 보면 미끄럼으로 된 집단의 결정은 본래와 동일하지만, 그 방향은 본래의 결정에 대해서 대칭관계에 있다. 이러한 미끄럼 방법을 쌍정변형 이라 부른다. 이 경우, 결정방향의 변환부분은 현미경으로 보면, 그 부분만큼 띠상에 다른 부분으로 보인다. 동이나 황동에서는 쌍정이 나타나기 쉽다.

 

 

3. 가공경화와 재결정

 

금속을 가공·변형시켜 금속의 경도를 증가시키는 방법으로 변형경화 [變形硬化] 라고도 한다. 금속결정의 변형은 전위 [轉位] 라고 하는 원자면의 가지런하지 않은 부분이 결정 [結晶] 속을 지나감으로써 일어나는데, 가공 정도가 증가함에 따라 전위가 특정 부분에 모여 그 이상의 변형을 방해하므로 단단해진다. 이와 같이 가공이 진행하면 경도, 인장강도, 내력은 증가하고, 연신은 작게 된다. 이 경향은 어떤 금속에서도 공통이지만, 금속이나 합금의 종류에 따라서 그 정도가 다르다.

 

금속의 냉간가공 [cold working, 冷間加工] 은 가공경화 [work hardening, 加工硬化] 때문에 점차 큰 힘을 필요로 하는데, 다시 무리하게 가공하면 균열이 생긴다. 따라서 가공경화한 금속은 그 금속에 특정 온도까지 가열하면, 원래의 연함으로 되돌아가는데 이 작업을 어닐링 [annealing] 이라고 한다.

 

다음 그래프는 가공경화한 금속을 어닐링하는 경우의 온도와 경도의 관계를 나타낸 것이다. 그래프를 보면 특정 온도까지는 온도가 올라가도 경도가 변하지 않는 구간이 있다. 이 구간에서는 경도는 크게 변하지 않지만, 내부변형이 얻어지기도 하고 타의 물리적 성질이 가공전의 상태로 되돌아오기 때문에 회복기라고 부른다.

회복기 다음에 경도가 급격히 내려가는 온도범위를 재결정범위라고 한다. 이 구간에서 연화가 되는 것은 가공된 재료의 가운데에 새로운 결정의 핵이 생겨서, 그 핵에서 가공의 영향이 없는 새로운 결정이 성장하고 점차적으로 전체가 새로운 결정으로 변하기 때문이다. 즉, 가공경화한 금속재료는 재결정 [recrystallization, 再結晶] 에 의해서 연화된다.

재결정온도는 그 금속의 융점을 절대온도로 표시한 값의 약 1/2에 가까운 것으로 알려져 있다.

재결정온도 이하에서 가공하는 경우를 냉간가공이라 하며, 가공온도가 높아서 가공 중에 어닐링작용이 일어나므로 경화되지 않는 경우를 열간가공 [hot working, 熱間加工] 이라 한다.

 

4. 금속의 상과 특성

 

일반적인 물질의 상태는 기체, 액체, 고체의 3가지가 있다. 여기서 금속의 경우 고체 중에서 결정구조가 각각 다른데 이들의 각 상태를 상이라 한다. 물질의 상은 온도, 압력, 농도 등에 의해 변화하는데, 금속의 경우에는 온도에 의해 상이 결정된다.

합금의 경우 두 금속이 완전히 녹아 현미경으로 보아도 두 금속이 구별되지 않는 경우 이 것을 고용체 [solid solution, 固溶體] 라고 한다. 그러나 두 금속이 두 상으로 존재하는 경우도 있는데 이 경우 두 금속이 화학적으로 결합해서 금속간 화합물 [intermetallic compound, 金屬間化合物] 을 만든다.

우선 고용체에는 용질원자 [溶質原子] 가 비집고 들어가는 방법에 따라서 크게 두 가지 종류가 있다. 용질원자가 용매금속의 결정격자의 틈에 비집고 들어가는 경우를 침입형 고용체라고 하며 보통의 금속과 금속간에는 형성되지 않고 수소, 탄소, 질소, 불소와 같은 격자정수가 작은 비금속 원소가 합금되는 경우에 일어난다.

용매금속을 만들고 있는 결정격자 중의 임의의 원자가 용질원자에서 치환된 경우를 치환형 고용체라 하며 대부분의 합금은 여기에 속한다.

고용체의 기계적 성질은 일반적으로 성분금속보다 뛰어나다. 즉, 경도, 인장강도 등이 크면서도 전성이나 연성이 풍부하고 가공하기 쉬운 것이 많다. 따라서 두가지 이상의 금속의 고용체는 구조용 금속재료로서 뛰어난 특징을 가지고 있다.

다음으로 금속간 화합물은 화학적으로 결합한 것이기 때문에, 각 금속성분의 성질과는 현저히 다른 성질을 갖는다. 금속간 화합물은 보통 경하고 취성이 있는데, 그 특성을 이용하여 경한 금속간화합물을 단위 금속 또는 고용체 중에 분산시키면 강해져서 경한 재료가 얻어지기도 하고, 내마모성이 우수한 재료가 얻어지기도 한다.

 

5. 순금속의 응고와 융점의 측정

 

용융상태의 금속이 응고온도에 도달하면 다수의 핵이 생기고, 그 핵을 중심으로 다른 원자가 규칙적으로 배열되어 결정으로 성장한다. 그림과 같이 결정들이 서로 충돌하고 그것이 결정입계 [結晶粒界] 로 되어 전체 응고가 끝난다.

 

순금속 [純金屬] 의 융점 측정은 열분석법에 의해 행하여지는데 그림과 같은 열분석 장치를 이용한다. 융점은 보통 결정성물질이 가열되어 융해하여 고상과 액상이 평형상태가 될 때의 온도를 측정한다. 열분석 [thermal analysis, 熱分析] 장치의 결과를 그래프로 표시하면 다음과 같다.

 

그래프에 시간이 지남에 따라 온도가 일정하게 유지되는 구간은 액체의 금속도 물처럼 잠열 [latent heat, 潛熱] 을 가지고 있기 때문이다. T는 금속의 응고온도이지만 융해온도와 동일하므로 융점이라 한다.

 

 

 

 

 

6. 철강제조에서 용광로 제선법 [製銑法]

 

용광로를 통해 철을 만드는 방법에서는 순수한 철이 얻어지는 것이 아니고, 탄소를 약 2.4~4.5% 정도와 불순물을 포함한 철과 탄소의 합금이 얻어지는데 이것을 선철 [pig iron, 銑鐵] 이라고 한다.

용광로의 위에서 철광석, 코크스, 석회석 등을 교대로 넣고 열풍로로 가열한 공기를 노의 아래쪽 입구에서 불어 넣으면 코크스가 연소하여 1550~1600℃ 정도의 고온도가 된다. 높은 온도이기 때문에 CO가스가 되어 노의 가운데를 통해 올라가게 되는데 이 CO 가스가 철광석을 환원한다. 이렇게 된 선철은 노의 아래에 쌓이고 규산칼슘(CaSiO₃)등이 노의 아래에 흘러서 쌓이는데 이것을 슬래그 [slag] 라고 한다. 슬래그는 선철보다 가볍기 때문에 노의 밑 부분에 쌓인 선철의 위에 떠있고, 혼합되지 않는다.

 

7. 제강법

선철에는 탄소와 불순물이 많이 포함되어 있기 때문에 용융온도 이상으로 가열해서 탄소나 불순물을 산화시키는 것을 정련 [refining, 精鍊] 이라고 한다. 이 반응을 돕기 위해 산소를 불어 넣는데 정련의 마지막에 Ferro-Mn 이나 Ferro-Si 또는 Al 등을 넣어 산소나 질소 등의 가스를 제거하며 이 조작을 탈산 [deoxidation, 脫酸] 이라고 한다.

 

제강법 [製鋼法] 은 크게 두 가지로 나누어진다. 선철을 전로에 넣어, 상방에서 관을 통해 순산소를 넣는 전로 제강법과 전열을 이용하는 전기 제강법이다.

전로 제강법은 불순물이 연소할 때 열을 내기 때문에 연료가 필요 없고, 1회 작업량이 70~150t이며 능률이 좋고, 강의 성질도 좋기 때문에 우리나라의 80%이상이 이 방법을 통해 제강된다.

전기 제강법은 온도 조절이 용이하고, 용해량이 5t 정도의 것에서 200t까지 미치는 것도 있다.

 

8.강괴 종류, 특성

 

1)림드강괴

전로에서 용해한 강을 가볍게 탈산한 상태로 주입할 때에는 용강 중의 탄소와 산소의 반응으로 발생한 CO가스에 의해서 주형의 가운데의 용강은 탕이 비등하려는 상황으로 된다. 그 때문에 그림과 같이 많은 기포가 남는데 이러한 강괴를 림드강괴 [rimmed steel ingot] 라고 한다.

림드강괴의 기포는 2차가공을 통해 제거되기 때문에 사용이 가능하다. 원료에 대한 제품의 비율이 좋고, 표면에 가까운 층은 순도가 높으며 제품표면의 마무리가 양호하다.

 

2)킬드강괴

용강중의 산소를 탈산제로 충분히 제거한 것이 킬드강괴 [killed steel ingot] 이다. 킬드강괴는 기포가 없어서 고탄소강, 합금강 등은 이 방법을 통해 만들어 진다. 원료에 대한 제품의 비율은 나쁘지만 P, S, Cu 등의 불순물이 절사부에 농축되어 있기 때문에 다른 부분의 순도는 높다.

이 절사부에 의한 보류저하는 연속주조법 [continuous casting, 連續鑄造] 에 의해서 해결되었지만 킬드강괴의 경우와 같이 불순물 농축부의 절사가 행하여지지 않으므로 순도는 낮다.