●철

철은 금속원소의 하나로 비중 7.86의 대표적 금속이다.
철과 강을 합쳐서 일컫는 말로 순도가 높은 철은 구리나 알루미늄보다 만들기 어려워 특별한 용도를 위해 특별히 제조할 뿐이며, 보통 철재라고 하는 것은 실제로 강이다. 강은 순철과 탄소의 합금으로서 탄소 함유량이 0.0218~2.11% 이하까지의 것을 강이라고 한다.
강은 순철과 탄소의 합금으로서 공업적 제조법으로는 규소·망가니즈·인·황 및 기타의 불순물을 함유하고 있다. 강은 담금질하면 경화하므로 예부터 낫·식칼 등의 절삭공구에 사용되었다. 2.11% 이상의 탄소를 함유하면, 철과 탄소의 금속간화합물인 시멘타이트 Fe₃C와 철이 약 1,150℃에서 공정(共晶)을 이루기 때문에 강의 성분을 가진 것보다 주물을 만들기 쉽다.
종래 주물에 사용되는 것은 3.7∼4.3%의 탄소를 함유한 것으로, 이것을 주철이라고 한다. 이 성분은 앞서 말한 공정점(共晶點)이 바로 철 쪽에 해당하는 성분범위로서, 이런 합금이 냉각응고할 때는 냉각속도에 따라 시멘타이트가 철과 흑연으로 분해되거나, 거의 그대로 끝나거나 한다. 주물에 사용하는 주철은 이 분해가 상당히 진행하므로, 균열이 생겼을 때의 파면은 회색이 되고 회선철이라고 하며, 펄라이트의 바탕에 가늘고 긴 흑연이 산재한다.
철 속에 극히 소량(0.0218% 이하)의 탄소가 함유된 것은 여전히 철의 체심입방격자를 유지하고 있으며, 페라이트라고 한다. 순철은 906∼1,401℃에서는 면심입방격자가 된다. 이 면심입방격자의 철에 탄소가 용해한 것을 오스테나이트라고 한다. 보통 철강이라고 하는 것은 페라이트에 해당되는 철의 고용체와 강 그리고 주철로 나눌 수 있다. 이 밖에 옛날의 제철법으로는 저온에서 광석을 환원하여 만든 다공질의 철괴를 가열하여 두드리는, 이른바 단조(forging)를 반복하여 철재를 짜내어 연철을 만들었으나 오늘날에는 사용되지 않는다.

■순철 (pure iron)

불순물을 전혀 함유하지 않은 순도 100%인 철이다. 순철을 만들기 위해서는 정련법이 매우 특수해야 하며, 공업적으로 생산되는 비교적 고순도의 철은 암코철·전해철·카보닐철 등이 있다.
실제로는 철뿐만 아니라 모든 물질에서 100% 순도는 거의 없으므로, 보통 순철이라 하면 다른 철에 비해 순도가 아주 높은 것을 말한다. 철에 함유된 불순물로는 탄소를 비롯하여 산소·질소·규소·수소·인·황 등이 있는데, 이를 완전히 제거하는 것은 매우 어렵다. 순철을 만들기 위해서는 정련법이 매우 특수해야 하며, 수요면에서도 많지 않기 때문에 소량생산할 따름이다.
공업적으로 생산되는 순철의 용도는 합금재료·촉매·전자기재료 등이다.

■주철 (Cast iron)

일반적으로, 탄소 함량이 공정온도의 오스테나이트 최대 용해도보다 많은 철계 합금이다.
1.7% 이상의 탄소를 함유하는 철은 약 1,150℃에서 녹으므로 주물을 만드는 데 사용할 수 있으나, 이 중에서 3.0∼3.6%의 탄소량에 해당하는 것을 일반적으로 주철이라고 한다. 주철을 녹이기 위해서 큐폴라라고 하는 용해로가 사용되며, 고로에서 얻은 선철을 여기에 넣고, 코크스를 연료로 하여 녹인다. 보통 주철은 난로 ·맨홀의 뚜껑을 비롯해서 널리 주물제품으로 사용된다.
이중 백주철(White cast iron)은 취성이 매우큰 저 규소 함량의 주철로서, 탄소는 시멘타이트로 결합된 형태로 존재하며 파단면이 흰색을 띤다.
백주철은 조직내 시멘타이트 입자가 존재함으로 해서 마모 특성이 우수하여 밀용(mill 用) 볼과 같은 극도로 마모되는 곳 등에 쓰이며, 가단 주철(malleable cast iron)의 제조를 위한 원재료로도 사용된다.
가단주철(Malleable)은 열처리로 시멘타이트를 흑연 군집으로 변화시킨 주철로 비교적 연성이다.
가단주철은 주강(鑄鋼)에 가까운 성질을 가지며, 주조성과 절삭성이 좋다. 주강을 사용하기에는 너무 작거나 구조가 복잡하여 제조가 곤란하고, 보통 주철보다는 큰 강도와 연성을 필요로 하는 종류의 부품에 널리 사용된다. 흑심가단주철이 많이 사용되는데, 대표적인 용도로는 자동차 부품 ·관이음쇠·차량부품 ·자전거부품 ·밸브 ·공구 등이 있다. 한편, 백심가단주철은 탄소를 제거할 수 있는 깊이에 한계가 있으므로 두께 수mm, 무게 1kg 정도의 작은 부품에 사용된다.

■강철 (steel)

강철은 철을 주성분으로 하는 금속 합금을 가리키며, 철이 가지는 성능(강도, 질긴 성질, 자성, 내열성 등)을 인공적으로 높인 것이다. 성분적으로 탄소의 함유가 0.3%에서 2%이하의 것을 나타낸다. 하지만 0.3%이하에서도 고합금인 스텐인리스, 내열강 등도 강철의 범위에 포함된다. 연철이나 주철과 함께 철강(鐵鋼)이라고도 불리고 강철로 완성된 재료를 강재(鋼材), 판 모양의 강재를 강판(鋼板)이라고 부른다.


●비철금속재료

■구리

동(銅)이라고 불리우며 적색 광택을 가진 금속으로서 전성(얇게 펴지는 성질), 연성(가늘고 길게 늘어나는 성질)이 뛰어나 비교적 가공하기가 쉽고 적당한 강도도 가지고 있다. 열 및 전기전도율은 금속 중에서 은 다음으로 커서 전선이나 열선의 주재료로 쓰인다.
그 자체로도 널리 이용되지만 아연을 첨가한 황동, 주석을 첨가한 청동, 주석과 알루미늄을 첨가한 알루미늄청동 등 합금으로도 많이 쓰인다. 특히, 구리선은 전선에 많이 쓰이고 구리판은 구리의 우수한 열전도성과 내식성을 이용하여 냄비와 일반 용기를 만드는 데도 사용되며, 청동은 동전을 만들 때 사용된다.
구리는 자연적으로도 산출되고 광석에서 추출하는 방법(제련)도 비교적 간단한 편이어서 여러 금속 중 가장 먼저 이용됐다. 이것은 고대 유적에서 구리가 발굴되고 석기시대 다음으로 동기시대(銅器時代)를 이룬 것에서 알 수 있다. 중세에는 전쟁에 필요한 무기 등을 제작하는 데 이용하였고 산업혁명 시기에는 각종 기계의 발달로 기계용 재료로 널리 사용되었다. 그리고 19세기 말 전기가 산업적으로 이용되면서 주로 전선을 비롯한 전기재료로 쓰였고 20세기에 들어와서 채광, 제련, 가공기술이 발달함에 따라 산업계에서 더욱 중요한 위치를 차지한다.

■청동 (bronze)

중국 고대문화가 가장 꽃피었던 시기인 청동기시대인 주3대(周三代) 때부터 주석을 적당량 배합해서 구리의 특성을 개량하는 방법을 알게 되어, 가하는 주석의 양과 용도를 관련해 현재의 산공업규격과 같은 것을 만들었다고 한다. 청동은 구리-주석계의 합금으로, 구리의 우수한 전성과 연성을 크게 손상시키지 않고 강화되어 있는데, 주석의 양이 그 이상이 되면 다른 결정형의 ε(입실론) 상(相)이 나타난다고 한다.
이 ε상은 주석 38%인 것이며, 30% 수준까지는 주석이 구리에 들어가는 데 따라 굳게 되지만, 반대로 취약해져서 잡아당겼을 때 끊어지기까지 늘어나는 양, 즉 연신상태는 감소된다. 또한 합금의 색도 구리색으로부터 주석이 가해짐에 따라 노란색으로 되며, 약 30%가 되면 은백색으로 된다.
고대의 대포(大砲)의 포신재로도 사용되었기 때문에 포금(砲金)이라고도 한다. 납을 첨가하여 종을 만드는 데 적합한 것은 특히 당금(唐金)이라고도 한다. 원래는 주석을 가한 구리합금을 말했으나, 구리합금 전체를 말하는 경우가 많다.
포금이란 보통 8∼12% 주석이 들어가 있는 것이며, 축받이에 사용되는 것은 13∼18%인데, 청동으로 사용되는 것은 아연을 더 가한 것이 많다. 동화(銅貨)는 3∼8% 주석에 1% 정도의 아연을 가한 것이며, 동상(銅像)·실내장식·건축용으로 사용되는 것은 2∼8% 주석, 1∼12% 아연에 주조 후의 가공을 쉽게 하기 위하여 1∼3%의 납을 가한다.
원래의 청동에 여러 원소를 첨가하여 개량한 특수청동에는 인청동·규소청동·니켈청동 등이 있으며, 주석이 들어가지 않은 것은 알루미늄청동(7~11% 알루미늄)과 황동(黃銅)에 소량의 망가니즈를 가한 망가니즈청동 등이 있다. 오늘날 베릴륨구리라고 하는 구리-베릴륨 합금도 처음에는 베릴륨청동이라고 하였다.

■황동 (brass)

놋쇠라고도 한다. 청동과 함께 중요한 구리합금으로, 황동이 인공적으로 제조된 것은 1520년경 아연원소가 발견된 후부터이다. 자연합금의 형태로는 고대 그리스 때부터 인류와 친근했으며, 비철금속 중 가장 일상생활과 관계가 깊다.
고체의 구리 속에 아연이 녹아들어가는 범위(약 35%까지)의 것을 α황동이라고 하는데, 전연성(展延性)이 크므로 두들기거나 늘려서 판 ·봉 ·선 ·관 등으로 가공해서 사용한다. 아연의 양이 많아짐에 따라 경도와 강도가 증가하고, 합금의 색도 구리의 붉은기가 도는 색에서 황색에 접근해 간다.
고체의 구리에 고용(固溶)되는 양 이상으로 아연이 들어가면 여분의 아연은 구리와 β 상이라는 별개의 고체를 만들기 때문에 합금은 α 와 β상의 두 가지 고체의 혼합물이 되고, 색은 다시 붉은기가 더해지게 된다. 이러한 합금 중 대표적인 것은 40% 아연의 이른바 육사황동으로, 건재(建材)의 쇠붙이 장식, 문의 손잡이 등 놋쇠장식은 대부분 이것이며, α황동보다 견고하고 마모되지 않는다. α황동의 대표적인 것은 30% 아연의 칠삼황동으로, 기물 등과 같이 판에서 따내어 만드는 것에는 이것이 많다. 동전도 α황동이다.

인류 문명 발달의 ‘필수요소’ 철·비철 금속
신기술 만나 첨단 신소재로 재탄생

■알루미늄

주기율표 13족에 속하는 금속원소로, 은백색의 가볍고 무른 금속이다.
알루미늄은 규소 다음으로 자구상에서 많이 좋재하는 원소이다. 비중은 2.7로서 Mg(마그네슘 1.74)과 Be(베릴륨 1.85)를 제외하고는 실용금속 중 가장 가벼운 금속이다. 주조가 용이하고, 다른금속과 잘 합금되어 상온 및 고온가공이 쉽다. 대기중에서 내식성이 강하고 전기 및 가루 등으로 사용되고, 특히 송전선에 최고로 좋다. 알루미늄의 판은 자동차, 항공기, 가정용기, 화학재료 등에 쓰인다. 또한 알루미늄박은 의학품, 식품의 포장용으로 이용되며 파이프는 전기재료 등에 쓰인다. 또한 알루미늄가루는 산화의 방지, 도료, 화학 제조에 사용된다.
알루미늄 주물을 많이 소비하는 곳은 자동차 공업 분야이며, 이것은 중량을 경감시키고, 타이머를 절약할 수 있으므로, 고급차 중에는 알루미늄차라고 부르는 것도 있다. 또 항공기 방면에서도 발동기의 피스톤, 크랭크 케이스 등에 사용되는 동시에 비행기의 날개, 동체 및 프로펠러 구조물의 골격 등에 사용된다.

■니켈

주기율표 10족 철족에 속하는 금속원소다.
니켈은 1751년 스웨덴의 광물학자 A.F. 크론스테트가 니콜라이트에서 발견하여, 당시에 ‘악마의 구리(Kupfernickel)’로 불리던 이 광석의 이름에서 따서 니켈이라 명명하였다.
면심입방격자의 원자 배열로서 353도에서 자기변태를 가지며, 현재는 전기전해법으로 만들어지는 전해 니켈이 대부분이나, 몬드법(mond process)라는 제련법에 의해 제조되는, 전해 니켈보다 순도가 높은, 구상의 몬드니켈도 사용된다. 니켈은 구조용 특수강, 스테인리스강, 내열강 등의 합금 원소로서 가장 많이 사용되나 순 니켈재,니켈-구리합금, 양백, 전기 저항용 합금, 니켈도금으로도 많이 사용된다.

■마그네슘

주기율표 2족에 속하는 알칼리토금속로서 원소기호는 Mg다.
마그네슘은 자연상태에서는 단일원소로 존재하지 않고 규산이나 황산이나 탄산들과 함께 결합한 염의 형태로 많이 존재한다. 특히 지각을 구성하는 8대 원소(산소>규소>알루미늄>철>칼슘>나트륨>칼륨>마그네슘) 중 하나이다.
또한 비중이 1.74로 알루미늄에 비하여 약 35% 가벼우며, 마그네슘 합금은 실용되는 합금 중에서 가장 가볍다. 주물로서의 비강도는 알루미늄합금보다 우수하므로 항공기나, 자동차 부품, 전기 기기, 선박, 광학 기계, 인쇄 제판 등에 이용되며, 구상 흑연주철의 첨가제로도 많이 쓰인다.
고온에서 발화하기 쉬우므로 가루(분말)나 박으로 만들어 사진용 플래시로 사용하기도 하나 금속덩어리는 위험하지 않다. 공작 기계로 절삭할 때에 절삭열로 인하여 깎은 칩이 연소할 때가 있으며, 물을 뿌리면 화력이 더욱 커져서 위험하므로 주철의 절칩(절설)을 준비해 두었다가 이것으로 불을 끈다.
건조한 공기 중에서는 산화하지 않으나 습한 공기 중에서는 표면이 산화마그네슘 또는 탄산마그네슘으로 돼 이것이 내부의 부식을 방지한다. 바닷물에 대단히 약하여 수소를 방출하면서 용해한다. 내산성은 극히 나쁘나 내알칼리성은 강하다. 철을 함유할 때 내식성이 극히 나쁘며, 망간의 첨가로 철의 유해작용을 어느 정도 방지할 수 있다.

■아연

주기율표 12족에 속하는 아연족원소로서 원소기호는 Zn이다. 생물체 내에서 2가 양이온으로 존재하며, 생물의 물질대사에 반드시 필요한 무기물질이자 지각을 이루는 중요 원소이다.
17세기경 인도에서 처음으로 금속 아연이 만들어졌으며, 아연과 구리의 합금을 놋쇠(황동)라 한다. 지각을 이루는 중요한 원소로 널리 분포하고 있다.
또한 청색을 띤 백색 금속이며, 조밀육방격자이다. 고온의 증기압이 높고, 비점이 비교적 낮은 특성이 있다.
불순물 중 가장 해로운 Fe는 0.008%이상이 되면 경질의 FeZn7 상이 나타나 인성을 해친다.
아연은 주조상태에서 조대 결정이 되므로 인장강도나 연신율이 낮고 여려서 상온가공할 수 없다. 그러나 열간가공하여 결정을 미세화하면 용이하게 가공할 수 있다.
순수한 아연은 가공도 20~30%까지는 가공도의 증가에 비례하여 경도가 증가한다. 그러나 불순물이 많은 아연은 가공 후에 석출경화가 일어난다.

■주석

주기율표 14족에 속하는 탄소족 원소로 모든 원소 중 동위원소가 가장 많으며 동소체로는 α형(회색주석, 다이아몬드형구조)과 β형(백색주석, 정방결정계구조)이 있다.
주석의 명칭의 기원은 분명치 않으나 B.C.3500~3200년에 주석을 사용한 증거가 있고, 청동기시대에는 구리와의 합금인 청동이 사용되었으며 오늘날까지도 중요한 합금의 재료로 널리 이용되고 있다. 그리스의 화학자는 Hermes라고 불렀고, 5, 6세기경에는 Zeus 또는 Jupiter라고 했다. 원소기호 Sn의 원명인 Stannum의 라틴어는 처음에는 은과 납의 합금을 의미했으나 4세기경부터는 주석을 지칭하게 되었다.
주석의 주요한 용도는 주석도금이며, 그밖에 구리합금, 베어링 메탈 땜납 등으로도 이용되며, 달리 독이 없으므로 의학품, 식품 등의 포장용 튜브로서 사용된다.
물리적 성질은 은백색의 연한 금속이며, 동소변태가 있다. 변태점 이상에서 안정한 백주석이 회주석으로 변태되며, 이 변태가 시작되면서 급속히 진행하여 분말로 된다. 이것을 주석 페스트(tin pest)라 한다.

■납

주기율표 14족에 속하는 탄소족원소로 원소기호는 Pb다.
BC 1500년경부터 인류가 사용해왔으며, 아시리아의 유적 등에서 발견되고 있다. 유럽에서는 옛날부터 납과 주석을 구별하지 않았으나, 후에는 납을 흑연(黑鉛), 주석을 백연(白鉛)이라 하였다는 기록이 있다. 또, 포에니전쟁 당시 에스파냐에는 많은 납광산이 있었는데, 이 광산들은 로마에게 정복되어, 로마에서는 수도관에 납을 사용하였다고 한다.
그리고 그리스·로마 시대부터 밀타승(密陀僧) PbO, 연단(鉛丹) Pb₃O4, 또는 연백(鉛白) PbCO₃, Pb(OH)₂ 등의 납화합물도 의약이나 안료로서 알려져 있었다. 고대 중국에서는 황금(금)·백금(은)·흑금(철)·적금(구리)·청금(납)의 5색금 중 하나로 여겼다.
납은 융점이 낮고 가공이 쉬워 옛부터 인류가 사용해 온 금속 중의 하나이다. 땜납, 수도관, 활자 합금, 베어링 합금, 건축용에 쓰이고, 실용 금속 중 가장 밀도가 유연하며, 절연성이 크고 융점이 낮으며 내식성이 우수하고 방사선의 투과도가 낮은 것이 특징이다.
순납은 상온에서 재결정되며, 크리프가 용이하다. 따라서 강도, 특히 크리프 저항을 높이려면 석회, 안티몬, 비소 등을 첨가하면 효과적이다. 화학적으로 안정하여 내식 금속에 널리 사용된다,.
또 경수 및 천여연수에서는 표면에 불활성의 탄산염 피막이 생겨 그 이상 납이 용해하지 않으므로 수도관에 사용한다. 또한 이것은 증류수에 용해되며, 인체에도 유독하다.
납-비소합금은 케이블 피복용에 쓰이고, 성분은 0.12~0.2% 비소, 0.8~0.12% 주석, 0.05~0.15% 비스무스, 나머지가 납이며, 강도와 크리프 저항이 우수하다. 4~8% Sb를 함유한 납합금은 경연이라 하며 판, 관 등에 쓰인다.
활자 합금도 납을 주성분으로 하는 납-안티몬-주석계 합금이며, 활자 합금은 융용 온도가 낮고 주조시 응고가 끝날 때 수축이 적은 것이 요구되므로, 안티몬를 넣어 응고시 약 1%팽창하여 경도를 상승시키고 용융점을 저하시키게 한다.

■티타늄 (티탄, 타이타늄)

주기율표 4족에 속하는 원자번호 22의 금속원소로 원소기호 Ti로 표기한다. 티탄, 타이타늄이라고도 한다. 1789년 영국의 그레거가 콘월지방에서 산출된 사철(砂鐵)에서 새로운 산화물을 추출하였다. 1795년 독일의 클라프로트는 헝가리산 금홍석(金紅石)에서 새로운 금속원소를 발견하고 그리스 신화에 나오는 티탄(Titan)이라는 신의 이름을 따서 이름을 붙였다. 순금속은 1910년 헌터에 의해 처음으로 분리되었다.
티타늄 및 티타늄합금이 실용재료로 사용되기 시작한 것은 1948년 이후의 일이나 이금속은 가볍고, 강하며, 열에 견디고, 내식성이 있는 등 우수한 성질을 갖추고 있으므로 급격히 활용이 진전되고 있어 앞으로 중요한 금속재료로서 기대가 되고 있다.
티타늄은 융점이 비교적 높고 열팽창 계수가 작으며, 열전도율이 적고, 전기저항이 높은 화학적으로는 중요한 관심의 대상이 되고 있으며 기계적 성질에서 고온에서의 비강도가 높고 크리프 강도가 크고, 스테인리스강보다도 우수한 내식성으로 600℃까지 고온 산화가 거의 없는 것 등이 특징이다.
이런 여러 성질들이 항공기, 로켓재료, 가스 터빈 재료, 화학공업용 기계기구 등에서 중요시되는 까닭들이다. 그러나 아직 가격이 비싸 일반화되고 있지는 못한 실정이다. 순 티타늄의 공업용 순도는 99.0~99.2%로서 가공경화성이 좋아 WC 초경질 공구에 TiC를 15%이하 함유시켜 절삭능률을 향상시키며 TiC, TiO₂의 형태로 Co와 소결해서 제트기관 등의 초고온재료로 사용된다.