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철과 강

탄소의 역할

炭素－役割

철광석이 용광로에서 환원되어 만들어진 선철(銑鐵)은 약 4%의 탄소가 함유되어 있어 단단하고도 부서지기 쉬우므로 평로나 전로에 넣어 다시 정련하여 탄소를 줄여야만 전연성(展延性)이 충분한 강철이 된다. 일반적으로 그다지 엄밀한 구별없이 철 또는 강이라고 부르고 있지만, 철·강은 실은 철과 탄소와의 합금(合金)인 것이 보통이다.

다음 〔그림〕－1은 철과 탄소와의 합금 상태를 나타낸 것으로 보통 Fe－C계의 상태는 이중선으로 되어 있다. 실선(實線)은 Fe－Fe3C계, 점선은 Fe－C계를 나타낸다. 이것은 철과 탄소의 합금, 즉 탄소강(炭素鋼) 속에서는 탄소가 Fe3C의 분자식을 가지는 세멘타이트라는 화합물의 형태로 존재하기 때문에 Fe－Fe3C계의 상태로도 설명하는 것이 편리한 까닭이다.

Fe3C는 중량 백분율로 탄소 6.67%에 상당하는데, 실용적으로는 그 이상의 탄소를 함유하는 부분은 별로 쓸모가 없으므로 상태도에서 생략되는 것이 보통이다.

아래 상태도를 보면서 우선 온도에 따르는 선철의 변화, 즉 상태도의 좌측 종축상(縱軸上)에 나타난 변화를 밑에서부터 더듬어 보자면, 먼저 768℃에 자기변태점(磁氣變態點) A2가 있고, 그 온도보다 아래쪽에서는 강자성체(强磁性體)임을 알 수 있다.

다음에 910℃에서는 결정격자(結晶格子)의 변화가 생겨서, 체심입방정(體心立方晶)의 결정구조를 가진 철(α鐵이라 부른다)로부터 면심입방정(面心立方晶)의 철(γ鐵이라고 한다)로 바뀐다. 이 점이 A3변태점이다.

더욱 온도를 높여서 1,390℃에 이르면 면심입방정의 γ철로부터 다시 체심입방정의 결정구조로 변하는데(A4 변태점) 이것을 델타철(δ鐵)이라고 부른다.

여기에서 더욱 온도를 높여 1,534℃에 이르면 델타철은 융해하여 액체가 된다(A：순철의 융점).

이 알파철·감마철·델타철은 모두 탄소를 고용(固溶)하여 고용체를 이루는데, 이 경우 탄소의 원자는 철 원자에 비해서 작으므로 침입형 고용체가 된다. α철은 723℃에서 최대 0.02%의 탄소를 고용하는(P) 데 지나지 않지만, γ철의 경우는 탄소를 고용하는 범위가 넓으며, 1,147℃에서 최대 2.06%까지(E)의 탄소를 고용한다.

여기에서 α고용체를 가리켜 페라이트, γ고용체를 오스티나이트라고 구별하여 부른다. 우리가 강철이라고 부르고 있는 것은, 탄소 0.02∼2.06% 범위의 철－탄소의 합금에 해당하는데, 그 중에서 탄소 0.1∼0.5%를 함유한 것이 가장 널리 이용되고 있다.

2.06% 이상의 탄소를 함유하는 합금은 세멘타이트가 다량 들어 있어서 단단하며 부서지기 쉬운 성질이 있지만, 강에 비하면 융점이 낮아 용해하기 쉽기 때문에 주로 주물(鑄物)에 쓰인다. 그러므로 탄소 2.06∼6.67%의 철－탄소합금을 주철(鑄鐵)이라고 부른다. 실제로 주물에 쓰이는 것은 탄소 3∼4%의 것이다.

강으로 불리는 범위의 것이라도 탄소의 함유량에 따라서 성질은 각각 크게 달라진다.

따라서 강철은 탄소량에 따라 저탄소강(低炭素鋼：0.02∼0.25%C)·중탄소강(0.25∼0.6%C)·고탄소강(0.6∼2.06C)의 3종으로 분류된다. 한편, 강의 성질에 따라 연강(軟鋼)·반연강(半軟鋼)·경강(硬鋼)의 3종으로 분류하는 경우도 있다.

강의 경도는 탄소량에 비례하는 것이므로 성질에 따르는 분류도 탄소량에 의한 분류와 거의 일치된다.

일상생활에서 흔히 볼 수 있는 것을 예로 들면, 철사·못·함석·양철 등은 저탄소강으로서, 보통 0.1% 정도의 탄소를 함유하고 있다. 차량·조선·교량 등의 구조재(構造材)로는 중탄소강이 쓰이며, 톱·칼 따위에는 고탄소강을 열처리한 것이 쓰이고 있다(〔그림〕－3).

강의 열처리

鋼－熱處理

탄소강은 열을 받으면 그 강도나 경도가 달라지는 성질이 있다. 이 성질 때문에 강의 이용 범위는 매우 넓어진 것이다.

강을 열처리 하는 방법에는 여러 가지가 있는데, 그 중에서 예전부터 가장 알려진 것은 급랭식 처리방법이다.

급랭처리

急冷處理

고온의 탄소강을 급속도로 냉각시키는 처리방법을 가리킨다.

강을 오스티나이트의 상태에서 급속히 냉각시키면 마텐자이트라고 불리는 매우 단단한 조직으로 변한다. 오스티나이트에서 마텐자이트로 바뀌는 변태개시온도 Ms와 변태종료온도 Mf는 탄소량에 따라서 〔그림〕－2와 같이 변한다. 그림에서 볼 수 있듯이 0.7% 이상이 탄소를 함유하는 강은 Mf온도가 0℃보다도 낮기 때문에 물에 담그는 식의 급랭만으로는 마텐자이트에의 변태가 완전히 이루어지지 못하고 일부에 오스티나이트가 남는다. 오스티나이트가 일부 남은 것은 마텐자이트에 비해서 단단하지 못하므로 강을 강화한다는 견지에서는 불만스러운 것이다.

심랭처리

深冷處理

그러므로 고탄소강에서는 오스티나이트를 완전하게 마텐자이트로 변태시키기 위해, 급랭처리한 것을 즉시 －50∼100℃ 냉각시키는 방법도 쓰이고 있다. 이러한 냉각처리를 심랭처리 또는 서브제로 처리라고 한다.

역열처리

逆熱處理

마텐자이트는 매우 단단한 결정이므로 마텐자이트화한 강은 강도·경도가 높고, 따라서 칼·공구의 재료로서는 적당하지만, 면도날의 경우가 그러하듯이 부러지기 쉬운 단점이 있다.

이 단점을 개선하기 위해서는 보통 급랭처리한 탄소강을 다시 가열해서 역열처리를 하고 있다. 마텐자이트는 강으로서는 불안정한 조직인데 역열처리에 의해서 서서히 안정된 세멘타이트와 페라이트로 변화한다.

이 과정에서 강은 연화하여 연성(延性)이 증가되므로, 적당한 역열처리를 함으로써 강도와 연성을 아울러 지닌 강철로 만들 수가 있는 것이다.

주철

鑄鐵

상태도를 보면 주철의 탄소량은 2.06∼6.7%로 나타나 있으나 흔히 쓰이고 있는 주철은 탄소량이 3∼4%인 것이다. 주철은 탄소가 많아서 단단하고 부서지기가 쉬우므로 압연(壓延)·단조(緞造) 등의 가공은 할 수 없으나, 강에 비해서 융점이 낮아 쉽게 용해되기 때문에 주물로 쓰기에는 아주 편리하다.

주철 제품은 강도가 높고 강에 비해 녹이 덜 슬며 가격도 싸기 때문에 기계 부품에서 취사용구에 이르기까지 용도가 넓고 또 많이 쓰이고 있다.

주철 속의 탄소는 세멘타이트(Fe3C)의 형태로 존재하는 경우와 단독의 탄소가 흑연의 형태로 존재하는 경우의 두 가지가 있으며, 또한 주철로서의 성질도 다르다. 탄소가 세멘타이트의 형태로 되느냐, 흑연의 형태로 되느냐 하는 것은 주철 속의 탄소와 규소의 양 및 주조할 때의 냉각속도에 관계된다.

탄소나 규소가 적고 급랭되면 세멘타이트로 된다. 세멘타이트는 굳은 화합물이므로, 세멘타이트를 많이 함유하는 주철은 단단하고 내마모성(耐磨耗性)은 우수하지만 부서지기가 쉽다.이와 같은 주철의 단면(斷面)은 조직이 치밀하고 백색으로 빛나기 때문에 백주철(白鑄鐵)이라고 부른다.

냉각속도가 느리고 탄소나 규소가 많은 경우에는 탄소가 유리되어 흑연의 형태로 되기 쉽다. 이것은 백주철에 비해서 연하지만 잘 깨어지지 않는 성질을 가졌으면, 단면에는 검은 색깔의 흑연이 덮여 있으므로 회색으로 보인다. 이러한 주철을 회주철이라고 부른다. 회주철의 흑연을 현미경으로 보면 지렁이와 같은 모양으로 벌려 있는 것처럼 보인다.

이 주철에 마그네슘이나 칼슘을 약간 첨가하면, 이 흑연은 구상(球狀)으로 변화하여 회주철의 2∼3배나 강하고 질긴 주철이 된다. 이러한 주철은 구상흑연주철(球狀黑鉛鑄鐵) 또는 노듈라주철이라고 부르며, 연성(軟性)이 필요한 중요 기계부품이나 수도관 등에 사용되고 있다.

특수강

特殊鋼

탄소강의 성질을 개량하기 위하여 특수한 원소를 첨가한 것을 합금강(合金鋼) 또는 특수강이라 부르고 있다. 특수강은 크게 나누면 탄소강을 보다 강하게 하여 구조용(構造用)으로 쓰는 것과 특수한 용도에 알맞도록 특별한 성질로 만든 것 등 두 종류로 구분할 수 있다.

구조용 특수강

構造用特殊鋼

탄소강을 보다 질기고 보다 강하게 하기 위하여 니켈·크롬·몰리브덴·바나듐·붕소 등을 약간 첨가하여 특수 열처리를 한 것으로서, 그 종류는 많으나 대표적인 것으로는 다음과 같은 것이 알려져 있다.

니켈－크롬강

nickel－chromium 鋼

자동차나 선박의 동력 전달계(系) 부분, 예컨대 톱니바퀴·동력연접간(動力連接桿) 등의 큰 힘을 받는 부분에 널리 쓰이고 있으며, 구조용 특수강의 가장 대표적인 것이다.

니켈－크롬－몰리브덴강

nickel－chromium－molybdenum 鋼니켈－크롬강에 몰리브덴을 첨가하여 열처리 방법을 보다 개선한 것이다.

크롬강

chromium 鋼

값비싼 니켈이 들어 있지 않기 때문에 널리 구조용으로 쓰이고 있다. 그리고 고탄소 크롬강은 열처리에 의해서 크게 경화(硬化)하므로, 경도가 필요한 공구나 볼베어링 등에 쓰인다.

크롬－몰리브덴강

chromium－molybdenum 鋼

크롬강에 몰리브덴을 조금 첨가해서 열처리 방법을 개선한 것으로서, 니켈－크롬강에 못지않은 특성이 있을 뿐더러, 니켈이 들지 않기 때문에 가격도 싸다. 자동차 부품·기계 부품에 널리 쓰이고 있다.

특수목적용 특수강

特殊目的用特殊鋼

스테인리스 강

stainless 鋼

녹슬지 않는 강철·스테인리스강은 취사용구를 비롯, 일상용품에 널리 쓰이고 있는 금속이다. 대표적인 것은 18%의 크롬, 8%의 니켈이 들어 있는 것으로서 18－8 스테인리스강이라고 불린다. 이 합금은 상온에서도 오스테나이트(Austenite) 조직, 즉 면심입방형(面心立方型/FCC:Faced-Centered Cubic)을 이루고 있으므로 자석에 붙지 않는다. 그러므로 자석에 대봄으로써 페라이트 계통의 스테인리스강과는 쉽게 구별할 수가 있다.

18－8 스테인리스강이 녹슬지 않는 까닭은 물이나 공기에 닿기만 하면 곧 크롬산화물의 치밀한 피막이 생겨서 내부를 보호하기 때문이다.

그러므로 산화성이 강한 질산 등에 대해서는 매우 강하지만, 환원성인 염산 등에 대해서는 피막이 파괴되어 쉽게 침식당한다.

스테인리스강에는 크롬만을 넣고 니켈은 들어 있지 않은 크롬계 스테인리스강이란 것이 있다. 이것은 내식성(耐蝕性)에 있어서는 18－8 스테인리스강에 약간 떨어지나, 비싼 니켈 없이도 제조할 수 있기 때문에 생산가격이 싸다. 첨가되는 크롬의 양은 13% 또는 18%이며, 탄소가 적은 것은 보통의 철과 같은 페라이트 조직으로 되어 있어 강자성(强磁性)을 띤다.

탄소의 양이 많은 것은 담금질이 가능하며, 열처리에 의해서 마텐자이트 조직으로 변한다. 칼날이 달린 도구 등에 쓰이는 스테인리스강은 이 타입의 것으로서, 가정용품 이외에도 공업적 용도가 넓다.

내열강

耐熱鋼

터빈 날개나 제트엔진 부품 같이 고온에서 사용되는 재료는 고온에서의 강도와 내산화성(耐酸化性)이 있어야 한다. 이러한 목적에 쓰기 위해서 만들어진 강철이 내열강이다.

보통의 강철처럼 고온으로 가열되면 산화가 진행되어 녹이 슬기 시작하면 곤란하기 때문에, 고온에서도 산화하지 않는 것이라야 한다. 이 점에서 기본이 되는 합금은 스테인리스강과 비슷한 것이며, 여기에 고온에서의 강도를 높이기 위해서 코발트·텅스텐·몰리브덴 등이 첨가된다. 예컨대 화력발전소의 증기 터빈의 익재(翼材)에는 13%의 크롬강에 몰리브덴·바나듐·붕소 등을 약간 더하여 강도를 높인 내열강이 쓰이고 있다.

공구강

工具鋼

기계공장에서는 선반이라든가 밀링(milling)·프레이즈반(fraise 盤) 따위의 공작기계가 어렵지 않게 강철을 깎고 또는 구멍을 뚫는다. 단단한 금속을 깎는 날쟁기로서 보다 강하고 또 보다 단단하여야 한다는 요구에 응할 수 있는 특수강의 일꾼을 가리켜 공구강이라고 한다.

공구라고는 하더라도 부억칼이나 목공도구의 톱이나 끌 또는 가위 등과 같은 것은 고탄소강이나 담금질한 것으로 충분하지만, 금속을 절삭(切削)하는 경우는 절삭 속도가 빨라지면 날끝에 상당한 고온이 생기므로, 열에 강하고 심한 마모에도 견디는 특성이 있는 것이라야 한다.

이러한 요구에 맞는 대표적인 것이 고속도강(高速度鋼：high speed steel) 또는 하이스라고 불리는 특수강이다. 고속도강은 10∼20%의 텅스텐에 약 5%의 크롬 또는 몰리브덴, 1%의 바나듐이 들어 있으며, 이 밖에 고급품에는 코발트가 들어 있다. 고속도강은 열에 강하고 단단하며 닳지 않으므로 바이트·드릴 등 절삭용 공구로서 기계공장에서는 절대로 필요한 것이 되고 있다.

자성 재료

磁性材料

자석을 가까이 대면 달라붙는 금속을

강자성체(强磁性體)라 부른다. 순금속으로는 철·니켈·코발트의 3종이 강자성체이다.

그런데 전자석(電磁石)의 철심(鐵心)과 같이 코일에 전류가 통할 때에는 자석이 되지만 전류가 통하지 않으면 전혀 자성(磁性)이 없어지는 것이 있는가 하면, 영구자석처럼 일단 코일 속에서 자화(磁化)한 다음에는 언제까지나 그 자성이 없어지지 않는 것이 있다. 이러한 금속의 내부 성질 사이에는 어떤 차이가 있는 것일까.

강자성체는 0.01㎜ 정도의 작은 자구(磁區)로 이루어져 있고, 그 자구가 서로 다른 여러 방향을 이루고 있기 때문에 전체로는 자기(磁氣)가 상쇄되어 평소에는 자성이 나타나지 않는 것이다. 그러다가 외부로부터 자장(磁場)이 걸리면 이 자구의 경계를 이루는 자벽(磁壁)이 움직여서 자장의 방향으로 향하는 자구가 커지고 반대쪽을 향해 있는 자구를 병합해서 자장의 방향으로 간추려진 자구만으로 바뀐다.

이 자벽의 이동이 간단하고 쉽게 이루어지는 것이 전자석의 철심과 같은 것으로, 코일에 전류가 흐르면 자석이 되지만 전류가 끊어지면 지자기(地磁氣)나 그 밖의 약한 자장의 영향으로 각각 다른 방향을 향한 자구로 되돌아가고 마는 것이다. 이러한 변하기 쉬운 자성도 변압기나 모터의 철심 따위를 위해서는 아주 중요한 성질인 것이다.

이와 같은 용도에 쓰이는 재료로서는, 탄소나 규소를 줄인 철판 또는 규소를 1∼3% 첨가한 규소철판 등이 있다.

한편 자벽의 이동은 결정 속의 극히 미세한 석출물(析出物)이나 내부 의곡(內部歪曲) 등에 의해서 방해당한다.

그러므로 이러한 자벽의 이동에 대한 장해물이 많은 재료는 밖으로부터의 자장을 강하게 하지 않으면 자벽이 이동하지 않는다. 그 반면에 일단 자벽이 이동되고 나면 쉽사리 먼저의 상태로 되돌아가는 일도 없으므로, 밖으로부터의 자장을 없애 버려도 잔류 자기(殘留磁氣)가 강하게 남는다. 이것이 영구자석이다.

영구자석의 재료로는 고탄소강을 열처리해 마르텐사이트 조직으로 만들고 강한 내부의곡을 형성시킨 것과 이에 다시 텅스텐이나 크롬을 첨가해서, 마텐자이트 조직에 탄화물의 미립자를 석출(析出)시킨 것 등이 이용되어 왔다. 오늘날 어린이들의 장난감 자석에는 이 크롬강이 쓰이고 있다.

고성능의 영구자석을 만드는 재료로 쓰이는 ＳＫ강·ＭＫ강·ＯＰ강 등은 모두 영구자석에 쓰기 위하여 특별히 고안된 자석강이다.

ＭＫ강은 종래의 열처리경화형(熱處理硬化型)의 자석광과는 달리 석출경화(析出硬化)에 의해 자벽 이동의 장해물을 형성하는 점에 특징이 있으며, ＯＰ강은 철과 코발트 산화물의 분말을 응고(凝固)시킨 것으로서, 오늘날의 미립자 자석(微粒子磁石：페라이트자석 등)은 이에서 발전한 것이다.

스피커나 전기계기(電氣計器)에 쓰이고 있는 영구자석의 대부분은 ＭＫ강의 개량형이며, 바륨·페라이트를 이용한 미립자 자석도 크게 발전하고 있다

알루미늄과 그 합금

알루미늄의 용도

aluminium－用途

알루미늄은 철(鐵)이나 또는 구리(銅：Cu)에 비교하면 훨씬 나중에 등장한 금속이다. 그러나 제1차 대전 이후 항공기의 발달에 따라서 비약적으로 그 생산량이 증가했고 제2차 대전 후에는 차량·건축재료 분야에서도 그 용도가 확대되어 이제는 철재 다음으로 가장 많이 쓰이는 금속의 하나가 되고 있다. 순 알루미늄은 비중이 2.7로 가벼우며 가공하기도 쉽고 열·전기의 전도성(傳導性)도 좋다.

알루미늄 자체는 화학적으로 활성금속(活性金屬)이지만 공기중에 방치하면 표면에 치밀한 산화피막(酸化被膜)이 생겨 내부가 보호되기 때문에 내식성(耐蝕性)이 좋다. 이 산화피막을 강화하는 방법이 보통 알루마이트(alumite)라 불리는 것으로서 정식으로 부르자면 양극산화피막처리(陽極酸化被膜處理)라고 하는 긴 호칭이 된다.

이것은 〔그림〕－4에도 나타나 있듯이 알루미늄 제품을 양극으로 하여서 황산·수산(蓚酸) 등의 전해액에 담그고 약한 전류를 통함으로써, 알루미늄 표면이 급속하게 산화(酸化)되도록 하는 방법이다.

이 양극산화 피막처리에 의해서 생긴 산화피막은 〔그림〕－4의 ② 와 같이 전류의 통로가 되는 작은 구멍이 많이 뚫려 있다. 이 구멍은 1μ2에 0.01∼0.05μ의 것이 60∼800개가 있다.

압력솥(autoclave)에 넣고 고온 증기로 처리하면 구멍이 막히고, 내부의 알루미늄을 강력히 보호할 수 있는 산화피막이 생긴다. 가정에서 사용하는 냄비·주전자 따위도 알루미늄 제품이라면 대개는 이와 같은 피막처리가 돼 있으므로, 굵은 연마재 따위로 닦으면 표면의 피막이 상해서 오래 쓸 수가 없게 된다.

양극산화피막은 수산을 전해핵으로 쓰면 금색이 되고, 황산을 쓰면 무색으로서 알루미늄의 은백색이 그대로 남는다. 한편 앞에서 말한 작은 구멍이 여러 가지 염료를 스며들게 하여 증기처리함으로써 어떤 색깔이라도 마음대로 염색할 수가 있다.

만년필 뚜껑이나 냄비 뚜껑 등이 고운 색깔로 되어 있는 것은 그 표면에 도료를 바른 것이 아니고 이와 같은 피막 염색에 의해 물들인 것이다.

순알루미늄은 내식성이 좋고 가공하기도 쉬우므로 각종 일용품에 쓰이고 있다. 또한 전기 전도성이 크기 때문에 송전선(送電線)으로 쓰이는 양도 많다. 높은 철탑에 걸려 있는 송전용 케이블은 모두 속에 강선(鋼線)을 넣고 그 둘레에 알루미늄선을 감아 싼 것으로서 ASCR(aluminium cable steel reinforced)라고 불린다. 이 밖에도 전기 부속품으로서 전도성이 좋고 가벼운 장점이 있기 때문에 그 용도가 넓다.

알루미늄합금

aluminium 合金 순알루미늄은 연하나 알루미늄합금 중에는 강철만큼 강력한 것도 있다. 그 중에서도 유명한 것은 듀랄루민이라는 것으로서, 가볍고 강하므로 항공기 제작에는 없어서는 안 될 재료가 되고 있다.

듀랄루민은 독일의 알루미늄 회사의 기사이던 빌름(Alfred Wilm, 1869∼1937)이 20세기 초에 발명한 것으로 구리 4%, 마그네슘 0.5%를 알루미늄에 넣은 합금이다. 이 합금은 고온에서 급랭시켜 평온에 방치해 두면 점점 단단해져서 강하게 되는 특별한 성질이 있다. 이러한 현상을 시효경화(時效硬化)라고 한다. 강력한 알미미늄 합금은 대개 시효경화를 이용하여 만든다.

빌름의 듀랄루민은 제1차 대전 때 런던 공습을 한 비행선 채펄린에 이용되어 하늘을 나는 금속으로서 크게 유명해졌다.

1931년 미국에서는 듀랄루민 속의 마그네슘을 1.5%로 양을 늘려서 보다 강한 합금으로 개량한 초(超)듀랄루민을 만들어 냈다.

1936년 일본에서는 초듀랄루민보다도 더욱 강한 초초듀랄루민을 발명했는데, 이것은 오늘날 초듀랄루민과 함께 세계의 항공기 재료의 주류를 차지하고 있다.

구조용 합금으로서는 알루미늄에 규소를 넣는 실루민, 구리와 규소를 넣는 라우탈이란 합금이 널리 쓰이고 있다. 자동차의 엔진 등에는 이런 합금의 다이캐스트(diecast) 제품이 많다.

시효경화

時效硬化

알루미늄에 구리를 화합시키는 경우, 550℃의 고온에서는 5%까지의 구리는 원자상태로 섞여 있는 고용체형(固溶體型)의 합금으로 된다. 그러나 온도가 550℃보다 낮을 때에는 균일하게 용해되는 구리의 양은 4%가 되며, 300℃에서는 0.5%가 떨어진다. 따라서 5%의 구리가 들어 있는 알루미늄 합금을 550℃로부터 서서히 식혀 가면 그 때까지 녹지 못한 구리가 CuAl2라는 화합물로서 석출된다.

석출되기 위해서는 구리의 원자는 결정격자(結晶格子)에서 원자가 빠져 나가는 구멍을 따라서 숫자맞추기의 퍼즐처럼 움직여야 한다. 즉 확산(擴散)하는 한편 집합되어야 하는 것이다. 이것은 마치 운동장에 흩어져 있는 학생들을 선생이 불러모으는 것이나 마찬가지로 집합시키는 데에는 시간이 걸린다.

그러므로 550℃로 가열해 둔 5%의 구리가 들어 있는 합금을 물에 넣어서 급랭시키면 구리의 원자는 흩어진 상태인 그대로의 과포화고용체(過飽和固溶體)의 합금으로서 남는다.

평온에서는 확산이 매우 느리게 이루어지므로 쉽사리 구리의 원자가 집합되어 석출될 수 없지만, 고용체합금쪽도 과포화상태로 구리원자가 고용되어 있는 것을 싫어한다. 여기에서 구리의 원자는 석출물과 같은 큰 집단에 끼어들 것을 단념하고, 석출물이 되는 중간단계와 같은 작은 집단을 여기저기에 이루게 된다.

알루미늄보다 원자의 크기가 10%쯤 작은 구리 원자의 집단이 생기면 그 부분에서 결정격차가 의곡된다(〔그림〕－ 4).

결정격차가 의곡되면 그만큼 금속은 굳어진다. 확산하는 속도가 느린 평온에서는 이와 같은 경화는 1주일간 또는 1개월간에 걸쳐서 진행된다.

그러므로 확산을 촉진시켜 단단한 금속을 빨리 얻기 위해서는 100℃ 정도 가열함으로써 1주일 걸리는 것을 1시간 정도로 단축하는 방법이 쓰이고 있다. 한편 작은 석출물을 많이 만듦으로써 금속을 경화시킬 수도 있는데, 이 때에는 200℃ 정도로 가열하기도 한다.

시간이 경과함에 따라 성질이 달라지는 것을 시효라고 하며, 시간이 경과하면 단단해지는 현상을 시효경화라고 부른다. 그리고 가열해서 시효를 촉진하는 경우를 고온시효(高溫時效), 평온의 경우를 상온시효(常溫時效)라고 구별하는 경우도 있다. 이 시효경화를 이용하는 금속 강화법은 오늘날 알루미늄 합금에뿐만 아니라 구리의 합금이나 특수강의 경우에도 쓰이고 있다.

구리와 그 합금

구리와 그 합금

銅－合金 구리 역시 옛날부터 알려진 금속이다. 철 따위에 비하여 열전도도(熱傳導度)가 높고 내식성이 좋으며 소성가공(塑性加工)에도 편리하므로 예로부터 용기류로 널리 쓰여 왔다.

한편 구리는 전기기술ㆍ전기산업의 발전과 함께 발전한 금속이기도 하다. 순구리의 첫째 특징은 전기저항이 작다는 것이며, 전기기계ㆍ통신ㆍ송전재료로 가장 많이 이용되고 있다.

순구리는 연하고 강도가 약하기 때문에 그대로는 구조재료로 쓰이는 경우가 비교적 적다. 그러나 아연ㆍ주석ㆍ니켈 등을 넣는 합금은 강도가 좋고 이용가치도 크다.

황동(놋쇠)

黃銅(眞鍮)

동과 아연의 합금을 황동(brass)이라 부른다. 실용되고 있는 합금은 보통 아연 30∼40%가 들어 있는 것으로서, 아연 30%의 것은 칠삼황동(七三黃銅), 아연 40%의 것은 사륙황동(四六黃銅)이라고 한다. 황동은 주물ㆍ판(板)ㆍ봉(棒)ㆍ선ㆍ파이프 등으로 가공하기가 쉽고, 기계 기구를 비롯하여 일용품ㆍ미술공예품 등에 널리 쓰이고 있다.

한편, 황동은 악기에도 많이 쓰인다. 금빛으로 빛나는 큰 관악기(管樂器) 따위는 모두 황동으로 만든 것들이며, 브라스밴드라는 말도 본래 영어의 brass에서 유래한 것이다.

청동

靑銅

동과 주석의 합금을 청동(bronze)이라고 한다. 이 합금은 청동기시대라하여 역사의 시대 구분에 인용될 정도로 예부터 이용되어 온 것이며, 주석의 분량을 늘리면 경도(硬度)가 증가하므로 예전에는 무기 등에 이용되었다.

오늘날의 실용 합금은 주석 15% 이하의 것이 많으며, 이것은 기계적 성질이나 내마모성(耐磨耗性)이 우수하기 때문에 판(valve)ㆍ축받이(軸受)ㆍ톱니바퀴ㆍ용수철 등과 같은 기계부품에 이용되고 있다. 또한 주조하기가 쉬워서 예로부터 미술품 또는 동상(銅像) 따위에 많이 쓰였으며, 청동으로 만든 동상을 브론즈(bronze)라고 일컬을 만큼 동상은 청동 제품이 대표가 되어 왔다.

인 0.03∼0.35%, 주석 3∼9%가 들어 있는 청동은 인청동(燐靑銅)이라는 것으로서 용수철 재료에 많이 쓰인다.

알루미늄 청동

aluminium 靑銅

구리에 알루미늄이 약 10% 들어 있는 합금을 알루미늄 청동이라고 한다. 청동이란 구리와 주석의 합금을 가리키는 것이므로 알루미늄 청동은 청동이라고 할 수 없지만, 예전부터 청동은 구리의 합금 중에서 너무나 유명한 합금이기 때문에 주석이 들어 있지 않은 이런 합금까지도 청동이란 이름으로 부르게 된 것이다.

알루미늄 청동은 강도와 내식성(耐蝕性)이 우수하며, 약 10%의 알루미늄을 함유하는 만큼 다른 구리합금보다는 약간 가벼워 선박의 스크루에 쓰여진다.

양은

洋銀

구리에 아연 15∼30%, 니켈 10∼20% 넣은 합금으로서 은백색(銀白色)이기 때문에 식기ㆍ장식품ㆍ악기 등에 쓰인다. 내식성이 좋고 용수철로서의 성질도 우수하므로, 계전기(繼電器) 접점(接點)의 용수철 등 전기기기(電氣機器)의 부품으로서도 널리 이용된다.

베릴륨 동

berylium 銅

구리에 베릴륨 2∼3%를 넣어 만든 합금은 열처리에 의해서 특수강에 상당하는 강도가 생기며 내마모성도 좋기 때문에 고급 용수철의 재료 또는 플라스틱 제품을 만드는 금형(金型) 따위에 쓰인다.

니켈과 그 합금

니켈과 그 합금

nickel－合金 니켈은 비중 8.9, 융점 1,455℃의 강자성체로서 철과 비슷한 은백색의 금속이다. 철에 비해 내식성은 훨씬 강하지만, 그 가격이 철의 약 100배나 되므로, 보통의 구조용 재료로서 아무데나 이용할 수는 없는 것이다. 순니켈은 그 내식성 때문에 식기ㆍ의료기구 등에 많이 쓰이며, 또한 니켈 도금(nickel 鍍金)으로서도 널리 이용되고 있다.

그러나 니켈의 참다운 장점은 철이나 구리 따위와 섞으면 훌륭한 합금이 만들어진다는 데에 있다. 강(鋼)에 니켈을 첨가하면 구조용으로서 매우 우수한 특수강이 된다.

퍼멀로이

permalloy

니켈 약 80%, 철 20%의 합금으로, 투자율(透磁率)이 매우 높고, 자기 히스테리스시(磁氣 hysteresis)의 손실이 작은 우수한 자성재료(磁性材料)이며, 통신기의 자심(磁心)의 재료로서 없어서는 안 될 금속이다. 전화의 음성전류변성기(音聲電流變成器)의 자심에도 이런 종류의 합금이 사용된다.

인바

invar

니켈과 철의 합금은 그 비율에 따라서 열팽창계수가 〔그림〕－ 5과 같은 변화를 나타낸다.

열팽창계수가 가장 작은 니켈 36% 합금은 2℃에서 순니켈의 약 15분의 1, 철의 약 12분의 1의 팽창계수로 되며, 실용상의 100℃ 정도에서는 팽창ㆍ수축이 거의 일어나지 않는다고 하여도 무방하다. 이 합금을 인바라고 하며, 시계의 진자(振子) 또는 표준척(標準尺) 따위에 쓰여지고 있다.

한편 니켈－철 합금은 그 합금 조성(合金助成)을 바꿈으로써 열팽창계수를 바꿀 수가 있기 때문에, 예를 들자면 유리 따위의 열팽창계수(7∼10×10-6)와도 일치시킬 수가 있는 것이다. 이러한 합금이 전구의 리드선(lead 線)과 같은 유리 봉착용(封着用)으로서 이용된다.

엘린바

elinvar

니켈－철의 합금은 그 탄성률(彈性率)의 온도계수는 팽창계수와 마찬가지로 조성에 따라 변화한다. 니켈 36%, 크롬 12%, 철 52%의 합금은 온도가 변화하여도 탄성률은 거의 변하지 않는다. 이 합금을 엘린바라 하며, 시계의 초침 태엽으로도 쓰인다.

니크롬

nichrome

가정용 전기기구에 많이 쓰이는 합금이다. 이 합금의 조성은 니켈 80%, 크롬 20%이며, 전기저항이 크고 고온에서도 좀처럼 산화되지 않는다는 특성이 있기 때문에 전열선(電熱線)ㆍ저항선으로서 널리 쓰이고 있다.

시판(市販)되고 있는 니트롬선 중에는, 생산 원가를 줄이기 위하여 니켈을 덜 넣고 철을 늘린 것, 또는 니켈을 전혀 넣지 않은 철－크롬 합금선 등이 있는데, 니켈이 많이 들어 있는 편이 내구성이 우수하다.

모넬 메탈

monel metal

니켈 70%, 구리 30%의 합금으로서 강도ㆍ내식성이 우수하기 때문에 화학공업용의 펌프나 터빈 날개 등에 이용된다.

내식ㆍ내열합금

耐蝕ㆍ耐熱合金 니켈 합금에는 고온에 강하고 내산화성(耐酸化性)이 뛰어나며, 여러 가지 화학약품에 대한 내식성도 우수한 합금이 많다.

염산에 대한 내식성이 강한 니켈ㆍ몰리브덴 합금은 하스텔로라고 하며, 화학공업용의

펌프나 펌프의 재료에 이용된다. 이것은 내열성도 강하므로 제트엔진의 터빈 날개에도 쓰인다.

니켈－크롬 합금인 인코넬이라는 합금도 내열 합금으로서는 우수한 것이며, 니켈－크롬－철 합금에 코발트나 몰리브덴을 넣은 우수한 내열 합금도 많이 생산되고 있다.

고성능 제트엔진은 니켈이 들어 있는 고성능 내열재료 없이는 제작할 수가 없다고 하여도 무방하다.

형상기억합금

形狀記憶合金 '살아 있는 금속', '현대의 여의봉'이라고 불리는 신비의 합금이 바로 형상기억합금이다. 이 금속은 우연하게 발견되었다.

미국 메릴랜드주에 있는 미해군 병기연구소에서 잠수함이나 상륙용 함정의 구조재로 사용할 목적으로 가볍고 강하면서 바닷물에 쉽게 썪지 않는 새로운 합금을 개발하는 과정에서 니켈－티타늄합금(Nickel－Titanium Alloy)을 발견하였다. 미 해군 연구팀은 이 금속을 니티놀(NITNOL)이라고 명명했으며 이 니티롤은 오늘날까지도 가장 우수한 기억합금으로 알려져 있다.

오늘날에는 구리를 주성분으로 하는 동(銅)계 형상기억합금, 철을 주성분으로 하는 철계 형상기억합금 등 30여종의 형상기억합금이 개발되어 있다.

이 니티놀이 형상기억효과를 가지는 현상은 형상기억금에서도 강(鋼)을 냉각시킬 때 마르텐사이트 조직이 형성되기 때문이다. 바로 이 마르텐사이트 조직이 형상기억 기능을 발휘하게 하는 것이다.

물론 형상기억합금에 형성된 마르텐사이트 조직은 강철에 형성되는 마르텐사이트 조직과 동일한 조직이다. 그러나 강철에 형성된 마르텐사이트 조직은 단단하여 변형이 어려울 뿐만 아니라 가열하여도 형상변화를 하지 않는다. 반면에 형상기억합금에 형성된 마르텐사이트 조직은 연하여 쉽게 변형이 가능하다. 또 열을 가하면 원래의 형상으로 되돌아간다.

지금까지 개발된 형상기억합금을 살펴보면 대표적인 합금은 최초로 등장한 니티놀을 들 수 있다. 니티놀은 성능면에서 아직까지 가장 우수한 형상기억합금으로 평가되고 있다. 스테인리스 정도의 강도를 가지면서 기억온도는 50℃∼150℃ 온도구간을 가지며 부식에 강한 특성을 보유하고 있다. 반면 값이 비싼 결점이 있다.

다음으로 널리 알려진 합금으로는 구리를 기본 성분으로 하는 동계 형상기억합금이다. '동계'는 모든 성능비교에서 니티놀에 비해 떨어지지만 값이 싸다는 장점 때문에 주목을 받고 있다.

최근에 개발된 합금으로는 철을 주성분으로 하는 철계형상기억합금이 있다. '철계'는 형상기억 성능면에서는 니티놀은 물론이고 동계 형상기억합금보다도 떨어지지만 값이 가장 저렴하고 철강정도의 강도를 갖고 있기 때문에 앞으로 활용분야가 확대될 것으로 기대된다.

강철 정도의 강도를 가지면서 경우에 따라서는 고무처럼 유연해지기도 하고, 뱀처럼 꿈틀거리기도 하는 형상기억합금은 가전(家電)제품 분야에의 응용이 매우 활발하다. 그 예로 가스레인지의 뎀퍼는 마이크로파 가열시에 수증기를 내부에 쌓이지 않도록 환기를 하고 열풍순환 가열시에는 걸러내는 기능을 수행하는 부품으로 기존에는 모터가 맡았지만 이를 형상기억 합금 코일로 대체하면 경제적일 뿐만 아니라 소형화가 가능하다.

이와 유사한 원리로 냉장고 냉매조절기, 자동건조기, 에어컨 풍향조절기, 커피 메이커, 과(過)전류 차단기, 화재경보기, 전기밥솥 등 기본 제품 핵심 조절분야를 형상기억합금으로 대체할 수 있다.

자동차 분야에서도 엔진냉각계에 사용, 환기시간을 단출시키고 에너지 절약을 가져왔다. 그 외에 파워 스테어링 장치용 유량계 제어장치, 트랜스미션의 냉각장치, 자동차 전조 등의 커버개폐기, 자동차 실내열기 배출장치 등에 활용되고 있다. 자동차 분야에서는 앞으로 더 많은 부품에 형상기억합금이 활용될 것으로 예상된다.

한편 산업분야에서도 항공기, 잠수함 등의 급유관, 반도체 설비의 가스배관, 정밀 냉동기의 배관연결에 형상기억합금연결쇄를 사용함으로써 많은 이득을 갖게 되었다.

형상기억합금을 의료분야에 활용할 경우 치료효과를 높이고 수술조작을 간편하게 할 수 있으며 종래의 재료로는 불가능했던 새롭고 유익한 제품의 개발이 가능하다. 형상기업합금으로 척추교정용 봉(棒), 응혈필터, 치열교정용 선에도 활용하여 치료효과를 높일 수 있게 되었다.

지금까지 열거한 바와 같이 형상기억합금은 그 기묘한 특성 때문에 점차 활용범위가 넓어져 생각지도 못했던 분야에서 놀라운 기능을 수행하고 있다. 앞으로 이 새로운 형상기억합금의 응용분야는 무궁무진할 것이다.

귀금속

(貴金屬)    백금·금·은 등은 화학적으로 불활성(不活性)이며, 내식성이 강하고 아름다우며 금속 광택이 나므로 귀금속이라 부른다. 화학적(化學的)으로 불활성이기 때문에 유리(遊離)된 천연적(天然的) 상태로 산출되는 일도 있으며 사금(砂金)·화합물의 형태로 산출된 것도 그 분리가 간단하므로, 인류가 이런 금속을 이용한 역사는 매우 오래 되었다. 예로부터 금·은은 화폐로 쓰여 왔고 재산의 상징이 되어 왔다. 중세 때의 연금술사(鍊金術師)들이 보통의 금속 따위로 금을 만들어 내려는 연구에 일생을 바친 이야기는 유명하다.귀금속에 속하는 것은 모두 여덟가지로서, 백금·금·은·루테늄·로듐·팔라듐·오스뮴·이리듐 등이 그것이다. 이 중에서 금·백금·이리듐·오스뮴은 비중이 약 20이나 되는 무거운 귀금속이며, 은·팔라듐·로듐·루테늄은 비중이 앞의 것들의 약 절반에 지나지 않는 가벼운 귀금속이다(〔표〕－1).

 

〔표〕-1 주기율표에서 귀금속의 위치 원소 이름 위의 숫자는 원자번호(밑의 숫자는 비중)
족  주기	Ⅷ			Ib
5 (경 금 속)	44 루테늄 (12.5)	45 로듐 (12.4)	46 팔라듐 (12.0)	47 은 (10.5)
6 (중 금 속)	76 오스뮴 (22.6)	77 이리듐 22.7	78 백금 (21.5)	79 금 (19.3)

귀금속

貴金屬

백금·금·은 등은 화학적으로 불활성(不活性)이며, 내식성이 강하고 아름다우며 금속 광택이 나므로 귀금속이라 부른다. 화학적(化學的)으로 불활성이기 때문에 유리(遊離)된 천연적(天然的) 상태로 산출되는 일도 있으며 사금(砂金)·화합물의 형태로 산출된 것도 그 분리가 간단하므로, 인류가 이런 금속을 이용한 역사는 매우 오래 되었다. 예로부터 금·은은 화폐로 쓰여 왔고 재산의 상징이 되어 왔다.

중세 때의 연금술사(鍊金術師)들이 보통의 금속 따위로 금을 만들어 내려는 연구에 일생을 바친 이야기는 유명하다.

귀금속에 속하는 것은 모두 여덟가지로서, 백금·금·은·루테늄·로듐·팔라듐·오스뮴·이리듐 등이 그것이다.

이 중에서 금·백금·이리듐·오스뮴은 비중이 약 20이나 되는 무거운 귀금속이며, 은·팔라듐·로듐·루테늄은 비중이 앞의 것들의 약 절반에 지나지 않는 가벼운 귀금속이다(〔표〕－1).

금

金 황금빛 아름다운 광택이 나고, 전연성(展延性)도 풍부한 금속으로서 염산·황산·질산 등에 녹지 않으며, 염산과 질산의 혼합물, 즉 왕수(王水)만이 이 금속을 녹일 수 있다. 순금은 연하기 때문에 보통 구리나 은을 섞어서 약간 단단하게 만든 것을 사용하고 있다.

금합금의 금 함유율을 나타내는 데는 캐럿(carat)이라는 단위가 쓰인다. 1캐럿(Ｋ)은 1/24을 뜻하며, 1/24는 100%의 순금임을 나타낸다. 만년필 촉에 흔히 쓰이는 18Ｋ의 합금은 18/24=75%가 금인 것이다.

예전부터 금은 주로 치과용구·장신구류·펜촉 등에 사용되어 왔는데, 최근에는 전기기기용으로서 트랜지스터의 다리나 접점재료(接點材料)로 쓰이는 양도 증가되고 있다.

은

銀

은이 식기·가구·장신구 등으로 사용되어 온 것은 오래 전부터이다. 적은 비용으로써 은식기를 만들려는 것은 옛날 사람들이 흔히 가진 하나의 꿈이었다. 그런데 이 꿈은 마침내 은으로 도금하는 방법을 고안해 냄으로써 이루어졌다.

은은 오랜 역사를 가진 금속인 동시에 새로운 금속이기도 하다. 그것은 은의 특성이 새로 발견되어 여러 부문에 널리 이용되기 시작한 것이 결코 오랜 일이 못 되기 때문이다. 은은 금속으로는 최고의 전기전도성(電氣傳導性)과 열전도성을 가지고 있음이 밝혀져서 전기의 접점용으로 널리 쓰이게 되었다.

그리고 사전 감광재료로서도 은이 많이 쓰인다. 사진 필름은 질산은을 원료로 한 취화은(臭化銀)을 초사 셀룰로오스의 막에 바른 것이다. 필름에 광선을 비추면 취화은 결정의 일부에 광화학적(光化學的)인 변화가 일어나 잠상(潛像)이 생긴다. 이것을 환원제인 현상액에 담그면 잠상 둘레의 취화은만이 환원되어 은의 입자가 석출(析出)된다. 사진 필름의 검은 부분은 이 은입자가 집합한 것이다.

이 밖에 살균용 염소가스를 수돗물에 넣는 장치, 또는 금속접합용의 은랍 등 은의 용도는 넓다.

백금

白金 가격이 너무 비싸다는 단점이 있으나, 이 금속의 우수한 내식성은 화학섬유 공업에서의 방사용(紡絲用) 노즐에 아주 적합한 재료가 되고 있다. 백금은 또한 화학반응에서의 촉매(觸媒)로서 공업에 중요한 역할을 하고 있다. 백금이 없었더라면 석유화학 공업이 오늘날과 같은 발전을 이루지 못했을 것이다.

항공기·자동차에 쓰이는 고옥탄가(高 octane 價) 가솔린 제조에도 백금 촉매가 이용된다. 백금 없이는 화학공업이 성립될 수 없었다고 하여도 과언은 아니다.

그 밖의 귀금속

其他－貴金屬

팔라듐은 백금과 비슷한 촉매로서 이용되며, 비타민제 등의 제약공업에도 필요한 금속이다. 이리듐·루테늄·오스뮴은 다 같이 매우 굳은 금속이며, 이 셋을 넣어 만든 합금은 잉크에 침식당하지도 않고 닳지도 않으므로 만년필의 펜촉 끝에는 대개 이 합금이 사용된다.

이와 같이 귀금속은 오늘날 결코 귀족적인 금속이 아니며, 일상생활에 여러 모로 사용되고 있는 극히 친근한 금속인 것이다.

고·저융점 금속군

고융점의 금속군

( 高融點－金屬群)    주기율표(周期律表)에서 융점이 높은 금속을 가려낸 것이 〔표〕－2이다.이 중에서 레늄·오스뮴은 귀금속에 속하므로 여기서는 그 밖의 4종의 금속을 고융점 금속의 대표로 삼기로 한다.

 

〔표〕-2  융점이 높은 금속
금   속   명	기        호	융  점(℃)
텅스텐      레늄      탄탈      오스뮴      몰리브덴      니오브	W Re Ta Os Mo Nb	3,382 3,162 2,850 2,700 2,620 2,500

텅스텐·몰리브덴

tungsten·molybdenum

텅스텐은 백열전구의 필라멘트(filament)로서, 그 융점이 높은 특성이 이용되고 있으며, 몰리브덴도 텅스텐과 합금하여 진공관에 쓰인다. 한편 진공 또는 불활성 가스 중에서의 고온 가열용의 저항선으로서도 선이나 리본의 형태로 된 것이 쓰이고 있다. 이런 금속은 고온에서는 산소나 질소와 반응하기 쉬워서 공기중에 노출된 상태로는 사용할 수가 없으나, 공기에 접촉되지 않도록 하면 보통의 금속은 견디지 못하는 1,000℃ 이상의 고온에서도 충분히 견딜 수 있게 된다.

이 때문에 로켓의 분화구 등 고온에도 견딜 수 있다는 점에서 우주 개발의 재료로서 주목받고 있다.

그리고 텅스텐과 몰리브덴은 특수강의 합금 원소로서도 중요한 것이며, 우수한 공구강(工具鋼)이나 자석강(磁石鋼)에는 대개 이 금속들이 들어 있다.

탄탈은 내식성이 우수하기 때문에 인견(人絹) 제조용의 노즐이나 특수한 화학반응용의 장치에 쓰이며, 진공관 또는 콘덴서에도 이용되고 있다.

니오브는 내열 합금을 위한 첨가 원소로서 이용되는 것이 그 주된 용도이며, 아직은 니오브 자체의 특성이 활용되는 단계로까지는 개발되지 못하고 있다.

저융점의 금속군

( 低融點－金屬群)     327℃에서 융해되는 납보다 낮은 온도에서 녹는 금속을 가려 뽑은 것이 〔표〕－3이다. 이 표에서 먼저 눈에 띄는 것은 비중의 크고 작음에 따라 두 그룹으로 나뉘어 있다는 점이다. 비중이 작은 그룹에서는 가장 무거운 세슘의 경우에도 비중이 1.87에 지나지 않으며, 리튬·나트륨·칼륨 등은 물에 뜰 정도로 가볍다. 이 원소들은 주기율표의 가장 왼쪽에 있는 알칼리 금속이라는 그룹에 속한다. 한편 무거운 금속의 그룹은 주기율표에 있어 금속과 반금속과의 경계에 가까운 오른편에 모여 있는데, 알칼리 금속이 화학적으로 매우 활성인 데 비하여, 이 그룹은 불활성이다. 융점이 낮다는 점에서는 공통되지만 이 두 그룹은 전혀 다른 성질을 가지고 있다.
 

〔표〕-3  융점이 낮은 금 (2개의 그룹으로 나뉜다) (●알칼리 금속·가벼운 그룹)
금   속   명		융   점(℃)	비   중
납 카드뮴 탈륨 비스무트 주석 리튬 인듐 나트륨 칼륨 루비듐 갈륨 세슘 수은	Pb Cd Tl Bi Sn Li In Na K Rb Ga Cs Hg	327  321  303  271  232  196  156.4   97.8   63.7   39.0   29.8   28.4 -38.9	11.34  8.64 11.85  9.80  7.29  0.53   ●  7.31  0.97   ●  0.86   ●  1.53   ●  5.91  1.87   ● 13.55

 

가벼운 그룹

輕 group

알칼리 금속은 그 비중이 작고, 금속으로서 비열(比熱)이 크며, 열전도성도 좋기 때문에 액체상태로 냉각체 또는 열교환체(熱交換體)로서 이용하면 물보다도 훨씬 좋은 효율을 얻을 수 있다. 칼륨과 나트륨의 합금으로 융점이 －12.5℃인 것은 원자로의 열교환용으로 이용되고 있다.

세슘과 루비듐은 광선을 흡수해서 전자를 방출하는 성질이 있기 때문에, 광전지(光電池)로서 사진기의 노출계 따위에 쓰인다.

무거운 그룹

重 group

주석

朱錫 내식성이 좋은 금속으로서, 철에 잘 붙는 성질이 있기 때문에 강철판의 방청(防金靑)을 위한 도금에 쓰인다. 그리고 철이나 구리에 잘 붙는 성질이 있어 땜납으로도 이용되고 있다. 보통의 땜납은 주석과 납의 합금인데, 납은 융점을 낮추고 강도를 유지하기 위하여 첨가되는 것이다.

납

鉛 수도관이나 전화선 케이블의 피복 등에는 흔히 납이 이용되고 있다. 납은 유연하여 가공하기가 쉽고 내식성도 좋기 때문이다. 납에 안티몬을 넣어 단단하게 한 합금은 축전지의 전극이나 축받이(軸受) 합금에 쓰인다. 또한 인쇄에 사용하는 활자 합금은 납－안티몬 합금에 주석을 약간 첨가한 것이며, 안티몬은 응고할 때 팽창하는 특성을 가졌으므로 주형(鑄型)에 완전하게 밀착되어 활자의 모양을 정확하게 재현한다.

비스무트

bismuth 비스무트에 납·주석을 넣으면 70℃ 정도에서 융해하는 우드 합금(wood's metal)이 된다. 자동 방화장치로서 고층건물의 천장 같은 데에 붙어 있는 스프링클러(撤水器)에는 이 합금으로 만든 걸쇠가 쓰인다. 융점 이상의 위험한 온도가 되면 이 걸쇠가 녹아서 자동적으로 물이 쏟아지는 구조로 이루어진 것이다. 전기·화재에 대한 자동안전장치로서 이 종류의 저융점 합금은 여러 가지로 이용된다. 전기기구에 쓰이는 퓨즈도 비스무트의 합금이며, 일정량 이상의 전류가 통하면 발열하여 녹아 버리므로, 기구의 과열이나 파괴를 막을 수가 있다. 또한 원자력 방면에서는 우라늄을 여기에 녹여 액체 금속연료를 만드는 데 쓴다.

카드뮴

cadmium 카드뮴 전지라는 것이 알려지기 시작했다. 이 금속은 전지에 쓰이는 것 외에 도금용으로도 이용된다. 또한 우드 합금의 구성 금속(構成金屬)으로서, 안전장치에도 쓰이고 있다.

수은

水銀

수은은 평온에서도 액체로 되어 있는 유일한 금속이다. 융점이 －38.3℃, 비점(沸點)이 356.7℃로서, 액체로 되어 있는 범위가 넓기 때문에 온도계·기압계 등 계기류에 널리 이용되고 있다. 한편 수은등이나 표준전지(標準電池：Weston 전지) 등에도 수은이 쓰이고 있으며, 미국에서는 물 대신에 수은을 사용하는 수은증기 보일러가 발전에 이용되고 있다.

수은은 알칼리 금속과 잘 반응하는 점에서 수산화나트륨 등의 제조과정에 많이 이용되며, 그 화합물은 살균제·살충제로서의 용도가 넓다.

표준전지

標準電池

일정한 온도에서는 일정한 기전력(起電力)을 갖는 전지로, 전지의 기전력을 측정할 때 표준이 된다. 웨스턴표준전지(Weston 標準電池) 및 클라크전지(Clark 電池) 등이 있으나 현재는 웨스턴전지가 흔히 쓰이는데, 이 전지는 양극으로 수은이 사용된다.

경금속

경금속

輕金屬

리튬·나트륨 등의 알칼리 금속은 비중이 1 이하이며, 물에 뜨기 때문에 가볍다는 점에서 대표적인 금속이지만, 화학적 활성이 강하고 물에 닿으면 불을 뿜으며 반응할 정도이므로 구조용 재료로는 이용할 수가 없다.

구조재료로서 요구되는 강도와 내식성을 갖추었고 비중이 작은 금속, 즉 비중 4.5인 티탄, 2.7인 알루미늄, 1.85인 베릴륨, 1.74인 마그네슘과그 합금들을 가리켜 경금속이라고 부른다.

티탄

titanium

티탄은 초음속항공기나 로켓에 꼭 필요한 금속이다. 그 합금은 특수강과 같이 강하면서도 무게는 절반밖에 되지 않는, 가볍고도 강한 금속이다. 또한 내식성도 스테인리스강에 앞설 정도로, 금속 재료로서는 거의 결점이 없는 금속이라 하겠다.

그러나 그 정련·용해가 어렵기 때문에 현재로는 생산비용이 많이 드는 점이 단점이다. 티탄은 항공기·로켓에 쓰이는 한편, 강력합금으로서도 널리 이용된다.

예컨대 Ti－6Al－4V(6%의 알루미늄, 4%의 바나듐이 들어 있는 티탄합금)·Ti－5Al－2.5Sn·Ti－8Al－1Mo－1V 등의 합금이 그것이다. 또한 티탄의 내식성은 화학공업 재료로도 귀중하게 쓰이는데, 순티탄은 중성·알칼리성 용액이나 산화성의 산 등에 대해서 불활성이며, 해수(海水)에 대해서는 백금에 못지않은 강한 내식성이 있다. 그리고 염소가스나 염화물에도 잘 견디므로 펄프·섬유를 표백하는 장치에도 쓰이고 있다.

한편, 티탄은 황이나 황화물에 대한 내식성도 우수하기 때문에 석유화학의 반응탑 등에 이용되기도 한다.

베릴륨

beryllium

비중 1.85로서 마그네슘에 다음 가는 경금속이다. 내식성이 우수하지만 부서지기 쉬우므로 가공하기가 어려운 결점이 있고, 가격도 귀금속과 맞먹을 정도로 높기 때문에 보통의 구조용 재료로는 별로 이용되지 않고 있다. 그러나 그 전연성(展延性)이 개선된다면 우주항공용재료로서 기대할 만하다.

베릴륨은 X선을 잘 투과시키며, 열중성자(熱中性子)에 대한 흡수단면적(吸收斷面積)도 작으므로, 엑스선 관구(X 線官球)의 창이나 원자로 연료의 피복재 등에 사용되고 있으며, 또한 원자로의 재료로서도 연구가 활발히 진행되고 있다(〔그림〕－7).

마그네슘

magnesium

마그네슘은 알루미늄의 약 ⅔에 상당하는 무게로서, 구조재료로서는 가장 가벼운 금속인데 이것은 바닷물 중에서도 채취되므로 그 자원은 무한하다.

가격은 알루미늄의 약 1.5배이나, 부피로 본 단가는 거의 같으므로, 잘만 이용하면 경제적으로는 알루미늄과 경쟁할 수 있는 금속이다. 실제로 독일의 자동차 폴크스바겐에는 엔진 부품에 마그네슘 합금의 주물이 많이 사용되고 있다. 미국에서는 항공기나 미사일 부문의 용도가 많다. 재미있는 사실은 종래에 단풍나무가 쓰이던 볼링의 핀 재료로서 마그네슘의 합금이 쓰이기 시작한 점이다.

이 밖에도 가벼운 종류의 기계·기구, 예컨대 휴대용 기계톱이나 농약살포기·자동차부품, 선박용 자이로컴퍼스 등에 이용되고 있는데, 알루미늄에 비하면 아직 그 수요량은 적다.

반도체 재료

두 가지 성질을 가진 원소

(性質－元素)    트랜지스터라는 이름은 텔레비전이나 라디오에서 낯익은 지 오래다. 이 트랜지스터에 쓰이는 게르마늄이나 규소(실리콘)는 주기율표에서 제4족(族)에 나란히 있는 원소이다. 〔표〕－4는 주기율표의 일부를 옮긴 것이다. 주기율표에 나란히 실려 있는 원소는 왼쪽으로 갈수록, 그리고 아래로 내려갈수록 금속의 성질이 강하고, 반대로 오른쪽 또는 위에 있는 것은 비금속이다.실리콘과 게르마늄은 족(族)으로 보나 주기로 보나 금속과 비금속의 중간에 있으며, 실제로 이들 원소의 성질 역시 그 중간에 해당하는 특징을 나타낸다. 예컨대 금속 광택은 있으나, 전기전도성은 금속과 비금속의 중간으로서 양도체라고는 할 수 없으나 절연체(絶緣體)도 아닌 것이다. 따라서 이 원소들을 가리켜 반도체라고도 부른다.

 

〔표〕-4  주기율표에 있는 게르마늄의 위치								↑ 비 금 속 적	금 속 적 ↓
← 왼쪽일수록 금속적				오른쪽일수록 비금속적→
	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ	Ⅵ	Ⅶ
2	Li	Be	B	C	N	O	F
3	Na	Mg	Al	Si	P	S	Cl
4	K	Ca	Ga	Ge	As	Se	Br
5	Rb	Sr	In	Sn	Sb	Te	I
6	Cs	Ba	Ti	Pb	Bi	Po	At
금속과 비금속의 주기적인 성절이 일렉트로닉스의 이용에의 길을 열었다.

 

반도체의 전기전도

半導體－電氣傳導

실리콘이나 게르마늄의 결정 구조는 다이아몬드와 같다. 즉 외각에 있는 4개의 전자를 서로 공유(共有)함으로써 결합되고 있는 공유결합체인 것이다. 공유결합에서는 금속 결합에서처럼 자유로이 움직이는 전자가 없으므로 전기를 전도하지 못한다. 그러나 원자를 구성하는 전자 중에서 다른 원자와의 결합에 관계하는 전자, 즉 가전자(價電子)에 대한 원자핵의 속박력이 약한 실리콘이나 게르마늄은 열·광선·전압으로 일정량 이상의 에너지를 받으면 그 전자의 일부는 원자핵의 속박을 벗어나서 자유전자로 되어 움직이게 된다.

그런데 공유결합되어 있던 가전자가 빠져 나간 구멍은 마이너스 전기를 띤 전자가 없어졌으므로 플러스로 대전(帶電)하게 된다. 전자가 빠진 이 구멍을 플러스로 대전된 구멍이라는 의미로 정공(正孔)이라고 부른다.

정공은 가까이 있는 가전자 중에 에너지가 높아 빠져 나가기 쉬운 상태의 전자가 있으면 이를 끌어당겨서 안정된 상태가 되려고 한다. 그러나 끌려들어간 전자 자리에는 다시 정공이 생기게 되므로 결과적으로는 정공이 이동한 것이 된다.

따라서 반도체에 전압을 주면, 빠져 나간 전자는 ＋의 전극으로, 정공은 －의 전극으로 이동하여, 이것들의 이동으로써 전도성이 나타나게 된다. 온도가 높아지면 자유전자와 정공의 움직임이 빨라지므로 반도체는 금속의 경우와는 반대로 온도 상승에 따라 전기전도성이 증대한다.

가전자

價電子

원자를 구성하는 전자 중에서 다른 원자와의 결합에 관여하는 전자를 말한다. 일반적으로 가전자의 수는 그 원소의 원자가와 일치한다. 그 때문에 원자가전자라고도 부른다.

불순물 반도체

不純物半導體

실리콘이나 게르마늄의 가전자는 모두 4개가 있다. 이에 가전자의 수가 다른 원자를 약간 섞는 경우, 예컨대 게르마늄에 5가(價)의 원자, 비소(砒素：As)를 조금 섞는다고 하자(〔그림〕－12).

비소원자는 게르마늄이 차지하고 있던 결정격자점(結晶格子點)에 들어가서 5개의 가전자 중의 4개는 게르마늄의 전자와 쌍을 이루지만 한개는 남아 튀어나오게 된다. 상을 이룰 상대가 없는 이 과잉 전자는 약간의 에너지 자극에 의해서도 이내 자유전자로 되며, 자유전자로 된 다음에는 전기의 운반을 담당하여 전도성을 보이게 된다. 이것은 앞에서의 순수한 실리콘이나 게르마늄의 경우와는 달리 과잉전자가 자유전자로 바뀔 따름이며, 정공은 생기지 않는다. 전기를 운반하는 것은 －의 전하(電荷)를 가진 전자가 주역이 되므로 negative(마이너스라는 뜻)의 n을 따서 n형 반도체라고 부른다.

불순물 원소가 3가인 경우, 가령 제3족의 인듐(In)을 섞는다면, 인듐의 가전자는 3개뿐이므로 공유결합의 전자쌍(電子雙)에 1개소의 전자가 없는 공석이 생긴다. 이것이 옆에 있는 가전자를 끌어들여 움직이게 되면 순게르마늄의 경우와 마찬가지의 현상이 일어나 전기를 운반하게 된다. 플러스로 대전한 정공이 전기를 전도한다는 뜻에서, 이 경우는 positive(플러스를 의미한다)의 p를 따서 p형 반도체라고 한다.

불순물 반도체에서는 비소나 인듐과 같은 불순물의 양에 비례하여 과잉전자 또는 전자 공석이 변화하고, 전기전도성도 이에 따라 변화한다. 〔그림〕－14는 게르마늄에 불순물을 첨가한 경우의 비저항(比抵抗)의 변화를 나타낸 것이다.

보통 트랜지스터에 쓰이는 것의 비저항은 0.1∼1Ω·㎝ 정도이므로 불순물의 양은 10­7가량이 된다. 이 순도는 99.99999%, 즉 세븐－나인이라는 것으로서, 반도체 재료는 아주 높은 순도로 정제하지 않으면 안 됨을 말해 준다.

실제로는 나인－나인 이상으로 정제한 것에 일정한 양의 비소나 인듐을 첨가하여 n형·p형의 반도체를 제조하고 있다.

트랜지스터의 원리

transistor－原理

반도체의 특성을 이용한 예로서, 다이오드(diode)의 정류작용(整流作用)과 트랜지스터의 증폭작용(增幅作用)이 있다.

단결정(單結晶)의 게르마늄이나 실리콘 중에, 〔그림〕－15의 A와 같이 p형의 부분을 n형의 부분과를 합친 것을 만들었다고 하자.

이에 B와 같이 전압을 가하면 정공은 －극으로, 자유전자는 ＋극으로 끌려가서 전류가 흐른다. 그러나 반대전압을 가하면 정공(正孔)은 C처럼 －극으로, 자유전자는 ＋극으로 끌려가서 중앙에는 정공도 전자(電子)도 없게 되며 따라서 전기를 운반하는 아무것도 없기 때문에 전기는 통하지 않는다.

그러므로 교류와 같은 교번전위(交番電位)에 대하여 이러한 p­n접합의 반도체는 정류작용을 하게 된다.

트랜지스터도 원리적으로는 이 정류작용을 이용한 것으로서, 〔그림〕－16의 A와 같이 p형－n형－p형이 되도록 불순물을 알맞게 분포시킨 단결정에 3가닥의 도선을 연결한 것이다.

중앙의 얇은 n형의 층을 베이스(base), 양쪽의 p형 중의 한쪽을 컬렉터(collector), 다른 쪽을 에미터(emitter)라고 한다. 〔그림〕－16의 B와 같은 전압을 주면 컬렉터에는 전류가 흐르지 않는다. C와 같이 에미터 쪽을 플러스로 하면 정공은 얇은 베이스를 빠져 나가 컬렉터 쪽까지 흘러가므로 전류가 통하기 쉽게 된다.

에미터 쪽은 10옴(Ω) 정도, 컬렉터 쪽은 100㏀ 정도 등으로 저항의 차를 크게 만들었으므로 에미터로부터 컬렉터 쪽으로 정공이 이동하고, 이에 따라 컬렉터의 전류가 변화한다. 이것은 결국 컬렉터 쪽에서 큰 전압의 증폭이 이루어진 것이 된다.

이러한 반도체 재료로서는 게르마늄과 실리콘이 대표적이며, 이 밖에도 제3족과 제5족 원소의 화합물, 예컨대 비소화갈륨(GaAs)·인화갈륨(GaP)·인화인듐(InP) 등도 우수한 반도체의 특성을 지니고 있음이 알려지고 있으므로, 이 원소들을 이용한 반도체의 발전이 기대된다.

비저항

比抵抗    전기가 통하기 어려운 정도를 나타내는 정수(定數)로서, 저항률(抵抗率)이라고도 한다.

  도선의 길이를 ℓ, 단면적은 S로 한 경우의 전기저항을 R로 하면 

이라는 관계가 있으며 이 때의 비례정수 는 비저항이며, 그 단위는 보통 Ω·m 또는 Ω·㎝로 표시한다.

  의 역수(逆數)는 전기전도율이다.