금속재료학 금속의 성질

금속재료학  I 금속의 성질

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◈ 전기 화학적 부식 

 

물 또는 산, 알칼리 및 염의 수용액과 같은 전해질 용액이 존재할 때 일어난다. 특징의 오는 금속과 부식 매체와의 사이에 전자의 출입이 있고 이 때문에 부식이 일어나지 않는 부분을    통하여 전류가 흐르는 것이다. 금속 원자가 전자를 잃어서 이온이 되는 과정을 양극반응(An   odic Reaction). 이온이 전자를 얻어서 중성의 원자가 되는 과정을 음극반응(athodic Reac   tion)이라 부른다. 

전위가 낮은 A 금속을 음극, B 금속을 양극이라 하고 액중의 전위가 높은 B 금속의 표면에 서는 원자가 전자를 잃어 이온화되어 액 중에 녹고 A 금속의 표면에서는 수소 이온이 전자와 결합하여 기체가 되어서 석출한다. 이 반응 때문에 A 금속의 이온화는 억제되어 A 금속 이 액 중에 녹지는 않는다. 이처럼 같은 용액 중에 2종류의 다른 금속이 접촉하면 전류가 
흐르는 회로가 형성되어 전기 화학적 부식을 얻는데 이것을 접촉부식(Corrosion of Conta ct)이라 한다. 

금속을 단독으로 용액에 담갔을 때도 전기화학적 부식이 일어난다. 이것은 금속의 표면이 미소한 음극과 양극 부분으로 나누어져 그사이에 전류가 흐르기 때문이다. 같은 금속이라도 냉간가공된 부분은 가공변형을 가지므로 전위가 높고 금속간 좁은 틈이나 이물질이 묻은 표면 등은 다른 부분에 비하여 O의 농도가 낮으므로 부식이 국부적으로 집중해서 일어
난다. 

금속의 표면이 균일하게 부식되는 균일부식(Homogeneous Corrosion)과 불균일하게 일어나는 입계부식(Inter granular Corrosion)이 있다. 편석(偏析) 등이 없는 균일한 상(相)의 합금이라도 어느 성분의 금속만이 선택적으로 부식되는 때가 있다. 이 현상을 선택부식(Preferential Corrosion)이라 하는데 예로서 Zn을 포함한 황동에 나타나는 탈아연 부식 (Dezincification)을 말하며 Zn만이 부식되어서 Cu가 남는다. 황동은 고온 산화에서도 Zn의 선택적 산화가 일어난다. 금속의 내부응력 상태도 부식에 영향을 미치는데 내부에 인장응력을 일으키고 있는 금속이 부식될 때는 인장 방향과 수직 방향으로 입계부식이 진행된다. 

이처럼 정적인 응력이 내부에 생긴 상태에서 부식이 가속되는 현상을 응력부식(Stress Corrosion)이라 한다. 그리고 보통 부식은 정지한 부식 매체에 의해 일어나지만 유동하는 매체에 의해 부식을 일으키는 에로 전주시(Erosion Corrosion) 이 있다.

 

◈ 방식

 

금속재료를 부식 매체에 접촉하지 않도록 피복하는 방법으로 방식 피막은 도료를 칠하는 것인데 밀착성이 나빠서 화학적인 방법을 선택 사용한다. 많이 이용되는 것은 황산 용액 중에서 Al을 양극으로 전류를 통하여 만드는 알루미늄 산화물의 피막으로 Al은 표면에 자연히 생기는 엷은 산화막이 장식(防蝕)적인 작용한다. 하지만 화학적으로 처리한 것이 더 강한 작용을 하며 이 피막을 Alumite라고도 한다. 크로뮴산 용액으로부터 만드는 크롬산염피막과 인산 용액 속에서 인산염 피막을 만드는 Parkerizing 등도 있다. 그러나 이런 방법은 도료의 밀착성을 좋게 하기 위한 하층 처리로 하는 일이 많다. 요즘에는 엷고 균일한 피복이 생기는 전기 도금법이 널리 이 용 되고 금속분말 또는 용융 상으로 표면에 불어 붙이는 금속용사법(Metallizing)이 Al, Zn 등의 피복에 이용되고 있다.

 

◈ 합금

 

두 개 이상의 성분을 갖는 금속이 용융되어 있는 상태로 융합되어 균일한 액체를 형성하고 응고 후에는 각각 결정으로 분리하여 기계적으로 혼합된 조직으로 되는 것이다. 이는 금속과 금속을 용융상태에서 융합시키는 것인데 금속 또는 비금속을 압축 소결하여 만들고 고체상태에서 확산을 이용하여 합금을 부분적으로 만드는 방법도 있다.

합금의 종류는 다음과 같다. 

·단상 합금(Mono phase Alloy) - 하나의 상(相)으로 된 합금
·2상 합금(Two-phase Alloy) -두 가지 상으로 된 합금 
·가상 합금(Poly phase Alloy) - 많은 상으로 된 합금 합금의 성분이나 원소의 수에 따라 2원, 3원, 다원 등으로 분류한다. 

 

 a. 고용체

 

금속은 고체상태에서는 결정구조를 가지므로 고체상태에서 융합한 상태라는 것은 용질 금속이 각각 원자가 되어 용매 금속의 결정격자에 들어간 상태이고 이와 같은 고체를 고용체(Solid So lution)라 한다. 한 성분의 금속 중에 다른 금속이 혼합되어 용암 상태에서 합금 되었을 때 또는 고체 상태에서도 균일한 융합 상태로 되어 간 성분을 기계적 방법으로 구분할 수 없을 때를 말한다.

고용체를 만들 때는 성분 금속의 원자 직경(Atom Diameter)의 차이가 15% 이상 되면 같은 원자 격자를 갖고 있어서 고용체가 되지 않는다. 원자의 크기가 서로 다른 금속이 고용체를 만들 때 원자들이 서로 침입하든가 또는 치환하여 합금으로 되었을 때의 결정은 단일금속의 결정에 비하여 큰 변형이 생긴다. 따라서 가공변형이 어렵게 되고 또 합금으로서의 강도와 경도가 크게 된다.

 

⬗ 전율 가용 고용체(Continuous Solid Solution)

용매와 용질 원자 간에서 모든 비율, 즉 전 농도에 걸쳐 고용체를 만드는 경우를 말한다.

 

⬗ 환율 가용 고용체(Partially Miscible Solid Solution)

원자 지름의 차이가 일정 이상 되면 변형이 크므로 금속의 격자가 존속할 수 없는 한계에 도달하는 데 이 한계를 A 금속에 대한 B 금속의 고용체의 용해 한도라 하여 한 율사용 고용체라 한다. 즉 2개 이상 공액(共軛)되어 있어 농도에 따라 공정을 만드는 고용체이다.

 

⬗금속 간 화합물(Inter metallic Compound)

두개 이상의 금속 원소가 간단한 원자비로 결합하여 고용체를 만든 것으로 어느 성분 금속보다도 단단하고 높은 용융점을 가지고 있으나 결합력이 약하다. 그러므로 고온에서 불안정하므로 용융상태에서는 존재하지 않으며 고체에서도 분해되기 쉽다. 또한 메자고 내마모성이 우수하며 변형이 어렵고 전기저항이 큰 비금속 성질을 갖는다.

b. 변태

금속의 결정은 상온에서 융점에 이르기까지 같은 결정구조를 갖는 것이 많으나 때로 어느 온도 범위에서 다른 결정구조를 나타내는 것이 있다. 또 압력의 변화에 의해서도 결정구조가 변한다. 이처럼 결정구조가 외적 조건에 의하여 변하는 것을 변태(Transformation)라 한다. 변태가 온도 변화에 의하여 일어날 때 변태가 일어나는 온도를 변태점이라 한다.

c. 합금 배합 방법

합금은 합금 성분을 서로 녹이거나 적당한 모합금을 미리 만들어 녹이는 경우가 있다. 용융점의 차이가 클 때는 낮은 용융점 금속을 먼저 용해한 다음 높은 응용의 재료를 녹이거나 높은 용융점 재료를 먼저 용해하고 낮은 용융점 재료를 녹이는 경우가 있는데 순서는 합금의 특성에 따라 선택한다. 금속을 용해할 때는 용융점 이상의 일정한 과열온도가 필요하고 보통 응용 점의 10~15% 높은 온도가 적당하다.

 

◈금속과 비금속의 차이

원소는 크게 금속과 비금속으로 나눌 수 있으며 이를 주기율표에서 보면 왼쪽 아래로 갈수록 금속성이 강하고 오른쪽 위로 갈수록 비금속성이 강하다. 금속은 광택이 있고 수은을 제외하면 모두 고체이고, 전기와 열을 전도하며 전성과 연성이 있다. 비금속 원소는 광택이 없고 일반적으로 전기 및 열전도도가 낮다. 비금속 중에서 일곱 원소는 두 개의 원자가 하나의 분자를 형성하여 존재하는데 이들은 기체(수소, 질소, 산소, 불소, 염소)와 액체(브롬), 고체(요오드)이다. 

나머지 비금속은 모두 고체이며 다이아몬드와 같이 단단한 것으로부터 황처럼 부드러운 것도 있다. 또한 이렇게 금속과 비금속의 성질을 모두 가진 것도 있는데 이를 반금속이라 한다. 

 · 반금속 
모든 원소는 금속과 비금속으로 나뉘지만 어느 쪽으로도 분류할 수 없는 것들이 있다. 
다시 말하면 양쪽의 특성을 모두 가지고 있다. 주기율표를 보면 붕소(B)와 아 스타틴(At)을 잇는 사선과 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb)이 이에 속하고 그 왼쪽은 금속, 오른쪽은 비금속으로 분류된다.