금속 재료(컴퓨터그래픽스운용기능사 필기)

 

금속

- 지구상에 존재하는 원소 중에서 고체가 되었을 때 금속광택이 나고, 전기 및 열을 잘 전달하며 전성 및 연성을 가지는 홑원소 물질을 말한다.

 

금속재료의 범위와 분류

철재

- 철재는 탄소 함유량 정도에 따라 분류되며, 함유된 탄소량에 따라 다른 성질을 나타내기도 한다.

- 선철 : 단색면이 흑색인 회선철과 단면색이 백색인 백선철로 나눌 수 있다.

 

- 가단주철

연철, 용철, 용강	담금질 불가
철강	담금질 가능

 

비철금속

- 철재 이외의 금속으로 금속적인 성질이 없는 비금속과 일반금속, 재질에 따라 연금속, 경금속, 비중에 따라 경금속, 중금속, 그 외 희귀한 금속을 귀금속 등으로 나누기도 한다.

비금속	산소, 규소 등
일반금속	구리, 철, 알루미늄 등
귀금속	금, 은, 백금 등

 

금속의 일반적인 성질

장점	- 상온에서 고체 상태로 결정을 이룬다. - 전성과 연성이 좋고 불에 타지 않는다. - 저항과 내구력이 커서 얇은 형태로도 가능하다. - 가공하거나 합금된 금속을 용해하면 기존의 금속 원소로 돌아갈 수 있다. - 열 및 전기의 양도체이며 고체상태에서 결정체이다.
단점	- 비중이 크고 녹이 슬 염려가 있다. - 값이 비싸며 가공이 쉽지 않다. - 색이 다양하지 않다.

 

금속의 종류와 특성

철

① 선철

- 철광석을 높은 온도에서 환원시켜 제련하기 때문에 탄소를 많이 함유하게 된다.

- 철광석에서 직접 제조되는 철 중 하나로 철 속에 탄소 함유량이 1.7% 이상인 합금을 말한다.

- 무쇠라고도 하며, 약 4%의 탄소 외에 선철의 성질을 무르게 하는 규소, 망간, 인, 황 등을 말한다.

- 녹는 온도가 순철보다 낮아 녹기 쉽다.

 

② 순철

- 순수한 원소의 철로서 내부 변형력이 낮고 정련된 순철은 공정이 어렵고 비용이 많이 발생하는 것이 특징이다.

 

- 불순물을 전혀 함유하지 않은 순도 100%인 철이다.

- 실제로 철을 포함한 모든 물질에서 100%의 순도를 갖기는 어려우므로 보통 순철이라 하면 다른 철에 비해 순도가 높은 것을 의미한다.

- 수요가 많지 않기 때문에 소량 생산한다.

 

③ 주철

- 1.7% 이상의 탄소를 함유하는 철은 약 1150ºC에서 녹기 때문에 주물을 만드는 데 사용할 수 있다.

- 이 중 3.0%~3.6%의 탄소량에 해당하는 철을 주철이라고 한다.

- 주철은 주로 난로, 맨홀의 뚜껑 등의 주물제품으로 사용된다.

 

- 회주철 : 보통 주철로 철, 탄소, 규소의 합금상태를 말한다.

- 백주철 : 흑연의 생성 없이 탄소가 금속끼리의 화합물이 되어 흰색을 띠는 주철이다.

- 특수주철 : 백주철을 가마에 넣어 가열하다 천천히 냉각시켜 열처리를 한 가단주철과 최근 주철의 성질 보완을 위해 특수원소를 첨가한 합금주철 등이 있다.

 

④ 강

- 강은 경도에 따라 연강과 경강으로 분류된다.

- 탄소 함유량에 따라서는 탄소강과 저탄소강으로 구분한다.

- 탄소강 : 단순히 강(보통 강)이라고 하는 것으로 규소, 망간, 인, 황 등의 불순물을 함유하지만 철과 탄소의 합금 중에서 열처리가 가능한 0.1%~1.5%의 탄소를 함유한 것을 말한다.

- 특수강 : 강의 성질을 개량하기 위해 다시 다른 원소를 하나 이상 첨가해서 만든 강이다.

 

 

비철금속

① 구리

- 구리는 동이라고도 하며 은, 금과 함께 화폐금속이라고도 불린다.

- 아연, 주석, 니켈 등의 합금이다.

- 전연성이 좋아서 가공이 용이하다.

- 아름다운 색을 띠며 부식이 잘 일어나지 않는다.

 

구리합금

- 구리를 주체로 다른 금속 또는 비금속 원소를 첨가해 구리의 특성을 개선한 합금이다.

- 내식성, 내해수성이 다른 합금보다 좋아 화학공업용 및 선박용 등으로 쓰인다.

- 전기 및 열의 전도도가 높아 다른 합금 원소를 알맞게 첨가하여 구리의 강도를 증가시켜서 전기재료로 많이 사용한다.

황동	- 구리와 아연계의 합금으로 진유 또는 놋쇠라고도 부른다. - 봉이나 판 등에 쓰인다. - 황동 주물용으로 주로 쓰이는 주조용 황동과 황동에 특수한 성질을 위해 다른 원소를 첨가하여 만든 특수 황동 등이 있다.
청동	- 구리와 주석계의 합금으로 넓게 황동 이외의 동합금을 모두 칭하며 공예품이나 장식품에 주로 쓰인다. - 주석 함유량에 따라 비중이 달라지며 전연성도 나빠진다.

 

② 알루미늄

- 잘 부식하지 않는다.

- 양도체이며 주조가 용이하다.

- 열 또는 빛의 반사율이 좋으나 유동성이 적다.

- 수축률과 가스의 빈번한 흡수 발산으로 인해 순수한 알루미늄을 얻기가 어려우므로 구리나 아연 등과 합금한다.

- 조명기구나 반사경에 쓰인다.

- 항공기, 자동차, 기차 등의 자체 중량감소를 목적으로 사용되는 재료이다.

 

③ 마그네슘

- 탄산염, 황산염, 규산염 등으로 지구상에 널리 다량으로 존재한다.

- 습한 공기 중에서는 광택이 점차 흐려진다.

- 가열 시 질소와 반응하여 질소화합물을 만든다.

- 카메라 플래시램프, 게터, 단열재를 비롯해 항공기, 각종 수송기계, 방적, 광학기계 등에도 널리 사용된다.

- 가장 가벼워 가벼운 구조재에 많이 쓰인다.

- 산성에는 약하지만 알칼리성에는 부식이 거의 없다.

 

④ 티타늄

- 산소, 탄소 등과 잘 반응하고 녹는점이 높다.

- 금속 등 비중과 강도가 가장 크며 내해수성이 좋다.

 

⑤ 니켈

- 은백색의 광택을 지닌 금속으로 단조 및 단접이 가능하고 전성과 연성이 우수하다.

- 강한 자성을 지니고 있다.

- 공기 및 습기에 대해 철보다도 안정하여 잘 산화되지 않는다.

- 알칼리에도 잘 침식되지 않는다.

- 염소나 브롬 등과 격렬하게 반응한다.

- 니켈 도금은 아름다운 광택과 내식성을 지닌다.

- 일반적인 대기 중에서는 잘 부식되지 않지만 아황산가스를 함유한 곳에서는 부식이 심하다.

- 열간 냉간 가공이 쉬우나 값이 비싸다.

- 판, 봉, 관, 화계, 전기도금용 등에 쓰인다.

 

⑥ 코발트

- 철과 비슷한 광택이 나는 금속으로 가열해도 잘 용해되지 않는다.

- 공기 중에 방치해도 표면에 녹은 슬 지언정 잘 부식되지는 않는다.

- 공기 중에서 잘 부식하지 않지만 산에는 녹으며 수소를 발생시킨다.

- 영구자석 등의 자성 재료나 내열, 내식강 등에 쓰인다.

 

⑦ 텅스텐

- 상온의 물과는 반응하지 않지만 고온에서는 산화물이 된다.

- 백색 또는 회백색으로 습한 공기에서 산화되고 전구나 필라멘트 등에 쓰인다.

 

⑧ 납

- 새로운 절단면은 금속광택을 가지지만 공기 중에서 녹슬어 둔탁한 빛깔이 된다.

- 녹이 표면만을 덮고 내부에는 미치지 못하므로 잘 부식하지 않는다.

- 녹는 점이 낮고 무르기 때문에 가공하기 쉽다.

- 합금재료로써 활자합금, 베어링합금, 땜납 등으로 사용된다.

- 축전지의 전극으로도 중요하게 사용된다.

- 비교적 비중이 크지만 용융점이 낮다.

- 피부에 중독을 일으킬 수 있으므로 식기나 완구에 사용 시 주의하여야 한다.

- 내식성이 우수하여 수도관에 쓰이며 이 밖에 연판, 전선의 피복 등에 쓰인다.

 

⑨ 주석

- 공기 중에서 잘 변하지 않아 철, 강철, 구리 등의 표면을 도금할 때 많이 사용한다.

- 유기주석 화합물은 살생제와 진균제의 주성분으로 쓰인다.

- 비중과 용융점이 낮아 어떤 틀에 부어도 주조 가능하다.

- 내식성이 크며 쉽게 변색되지 않는다.

- 인체에 무해하여 캔이나 완구 등에 많이 사용된다.

 

⑩ 수은

- 금속 상태로 한란계, 기압계 등의 여러 가지 이화학 기계나 수은등, 정류기, 펌프 등에 넓게 사용된다.

- 공업적으로는 식염수를 전해하여 수산화나트륨(가성소다)을 만들 때 사용된다.

- 많은 의약품의 제조 원료로 사용되며 치과용 아말감으로도 쓰인다.

- 유독물질이므로 증기를 조금씩이라도 장기간 흡입하면 중독증세가 나타날 수 있다.

- 은백색의 광택을 낸다.

- 회초산이나 왕수에 용해된다.

- 상온에서 증발현상이 나타난다.

- 다 쓰고 난 뒤에는 환경문제를 야기시킬 수 있으므로 한꺼번에 모아 폐기 처분하는 것이 좋다.

 

⑪ 형상기억합금

- 금속이 일정한 온도가 되면 원래의 형상으로 되돌아가는 금속이다.

- 인공관절, 심장펌프와 화재 시의 방화문, 온도 센서 등이 광범위하게 연구 개발되고 있다.

- 화재 경보기 및 달 표면에 세우는 우산 형태의 파라볼라 안테나 등에 사용되는 합금이다.

 

⑫ 아모르퍼스 합금

- 용해한 금속을 급랭함으로써 만들어지는 금속으로 초강력에 못지 않은 강도를 가지고 있다.

- 뛰어난 내식성과 내마모성 자기 특성을 가지고 있는 금속이다.

귀금속

① 금

- 비중이 커서 타 금속과 차별된다.

- 시간이 지나도 색이 변하지 않는다.

- 타 금속과의 합금이 용이하며 전기 도금도 가능하다.

- 산출량이 적어 화폐가치에도 매우 비중 있게 작용한다.

 

② 은

- 경제적인 귀금속이다.

- 열전도가 매우 높다.

- 전기저항이 낮다.

- 예로부터 많은 나라에서 귀금속으로 취급되어 화폐나 금속 공예품, 고급 식기 등에 이용된 바 있다.

- 전성과 연성, 항균성이 뛰어나다.

- 전기, 열의 양도체이고 가공성, 기계적 성질이 좋은 점을 이용해서 금속 재료로 넓게 쓰인다.

 

③ 백금

- 회백색의 귀금속으로 내열성 및 고저항성이 우수하고 빛의 표면 반사율이 좋다.

- 공기나 수분 등에는 매우 안정하여 고온으로 가열해도 변하지 않고 산, 알칼리에 강하여 내식성이 크다.

- 촉매, 도량형원기, 백금저항온도계, 전기접점재료, 치과 재료, 장식용 등에 사용된다.

 

④ 금속 열처리

- 가열 및 냉각방법으로 금속재료의 구조를 변경시키는 작업을 말한다.

풀림	가열로 금속을 정상적인 성질로 회복하는 열처리 방법이다.
담금질	금속을 높은 온도까지 가열하여 다시 냉각시키는 과정이다. 이 과정에서 금속재료가 단단하게 변화한다.
뜨임	- 담금질과 풀림의 중간 성질로 담금질 후 변화된 금속을 풀림하면 담금질 이전의 상태로 돌아가 적당한 성질이 되는 처리 방법이다. - 담금질한 재료의 메짐을 없애고 강인성을 주기 위한 경우와 담금질 경도를 높이기 위해서 하는 경우가 있다.
표면 경화법	표면은 마찰에 견딜 수 있도록 단단히 하고, 안쪽은 충격 등을 흡수하도록 부분적으로 탄소 함유량을 열처리하는 방법이다.

 

⑤ 금속 가공

압축가공	- 안입가공 : 요철이 난 공구로 재료를 눌러 겉면에 필요한 문자나 문양 등을 내는 가공으로 화폐나 메달, 숟가락 손잡이 무늬 등에 사용한다. - 재료는 부드러울수록 가공하기 쉽지만 단단한 재료라도 풀림을 하면 가공할 수 있다.
소성가공	물체의 소성을 이용해서 변형시켜 갖가지 모양을 만드는 가공이다.
압출가공	고온으로 가열 연화한 금속 재료 등을 다이스를 부착한 용기에 넣어 강한 압력을 가해서 구멍으로부터 압출하여 성형하는 가공이다.
엠보싱가공	얇은 철판에 두께의 변화를 주지 않고 표면과 이면에 오목한 부분과 볼록한 부분이 반복되도록 금형을 사용하여 성형하는 기법이다.

 

⑥ 금속표면처리

- 금속표면을 아름답게 보이도록 하거나 표면의 내식성 또는 내마모성을 개선하는 등의 다양한 목적을 위하여 처리하는 경우를 말한다.

금속

표면에 금, 은, 구리 등과 같은 금속을 얇게 정착시켜 산화와 부식을 막고, 미적인 효과도 증대시키는 표면처리 방법이다.

귀금속

- 금속의 표면 상태를 개선하기 위해 다른 금속 또는 합금의 얇은 층으로 피복하는 일을 말한다. - 전처리 : 금속의 도금 시 표면에 먼지나 기타 이물질이 묻어 있을 경우 그것을 깨끗이 처리하는 과정 - 전처리 불완전 : 도금이 벗겨지거나 얼룩이 생기거나 부식이 생기는 등의 형태를 말한다. - 도금 : 금속의 표면이나 비금속 표면에 다른 금속을 사용하여 피막을 처리하는 것을 말한다. - 착색 : 피막에 염료를 흡착하는 방법으로 다양한 색으로 착색이 가능하다. - 금속 도장 : 금속에 도료를 도장함으로써 착색 효과를 얻는 방법이다. - 연마 : 금속의 표면을 문질러서 광택을 내는 방법이다. - 칠보 : 금속에 유약을 발라 가열하여 금속 본연의 광택이 유약의 색과 조화되면서 더욱 미적효과가 나타나는 방법이다. 도금 결함 - 탄도금(Thickness Burnt Deposits) : 조잡한 도금에서 주로 과대 전류 밀도로 인해 생긴 거친 도금 - 피트(Pit) : 도금면에 생기는 미세하게 패인 부분 - 얼룩(Stain) : 미세 구멍에 도금액 등이 남아 생긴 오염