금속공학
금속공학(金屬工學, physical metallurgy, Metallurgical Engineering)은 실용목적에 맞는 금속재료를 만드는 일에 관련된 공학으로 기초분야로는 금속조직학이 있으며, 응용분야로는 금속을 배합하여 필요한 조성(組成)의 합금이나 주물을 만들거나, 가공소재로 하거나 소성(塑性) 가공해서 성형품으로 하는 가공(또는 제조) 야금학이 있다. 또 종래의 실용금속재료에 관한 지식을 토대로 하여 앞으로의 새로운 재료를 개발하는 금속재료학 또는 합금학이라는 부문 등이 있다.
보통 금속제련을 포함시키지 않는 경우가 많다. 기초분야로는 금속조직학이 있으며, 응용분야로는 금속을 배합하여 필요한 조성(組成)의 합금이나 주물을 만들거나, 가공소재로 하거나 소성(塑性) 가공해서 성형품으로 하는 가공(또는 제조) 야금학이 있다.
또 종래의 실용금속재료에 관한 지식을 토대로 하여 앞으로의 새로운 재료를 개발하는 금속재료학 또는 합금학이라는 부문, 금속재료의 부식 ·산화 등의 사용 환경과의 화학반응과 그 방지대책을 취급하는 부문도 있는데, 후자(後者)에서는 물리화학 또는 전기화학적으로 취급하게 된다.
금속공학과 금속제련은 야금학의 2대 지류를 이루지만, 때에 따라서는 같은 뜻으로 취급하기도 한다. 용접은 금속공학에 넣는 경우가 많으나, 절삭가공은 금속공학의 범위에는 넣지 않는다.
목차
개념 및 정의[편집]
금속공학(金屬工學, metallurgical engineering)이란 전반적으로 금속에 대한 제련, 가공, 열처리, 표면처리 등의 과목을 이론과 실습을 통해 연구하는 학문이다.
A. H. Cottrell의 저서 An Indtroduction to Metallurgy에 의하면 야금학(冶金學, metallurgy)이란 실용성 있는 금속소재를 만들고, 그것을 가공·성형하기 위한 과학과 기술이라고 정의되어 있다.
실생활에서 우리는 많은 금속을 사용하여 살아가고 있다. 가정의 수저, 그릇 등의 생활용품에서부터 철도, 자동차, 비행기에 이르기까지 다양한 곳에서 사용하고 있다. 현대 문명이 발달함에 따라 우주항공, 첨단산업 분야에까지 사용되기에 이르렀다.
흔히 주변에서 볼 수 있는 철, 동, 알루미늄, 금, 은 등의 금속은 다음과 같은 특성을 가지고 있다.
① 광택을 띤다.
② 강도가 크다.
③ 연성 및 전성이 크다.
④ 전기전도도가 크다.
⑤ 열전도도가 크다.
두 가지 이상의 금속을 혼합한 것을 합금이라고 한다. 합금을 통하여 베이스인 금속의 단점을 보완함과 동시에 새로운 특성을 부가하기도 한다. 예를 들어 철에 니켈, 크로뮴 등을 혼합함으로써 내식성을 향상시키고, 동에 주석 및 아연을 첨가하여 청동 및 황동을 만들어 사용하고 있다. 또한 마그네슘, 알루미늄 등을 첨가하여 가볍고 강도가 큰 합금을 만들어 사용할 수도 있다.
금속은 고온에서 용해되어 액체가 되므로 우리가 얻으려고 하는 모양으로 쉽게 변형시킬 수 있다. 이것을 이용하여 복잡한 구조물이나 형태도 틀을 만들어 단번에 제조할 수 있다. 그리고 연성 및 전성이 우수하기 때문에 얇은 박판, 조그만 부품으로 만들어 IT산업, 나노산업 등에 사용된다.
여러 분야에서 많이 사용되는 금속을 연구함으로서 자원경쟁시대인 오늘날의 국가 경쟁력을 향상시킬 수 있으며, 환경적인 측면에서도 재활용이 가능하기 때문에 앞으로의 발전 가능성이 무궁무진하다고 할 수 있다.
역사와 발전 단계[편집]
금속공학은 고대의 연금술(鍊金術, alchemy)에서 기인한다. 광석에 목탄, 석탄 등과 함께 가열하여 금속을 얻어내는 과정은 제련 지식이 전혀 없었던 고대인의 눈에는 신기하게 보였을 것이다.
동양에서 흙으로부터 금속을 만드는 것으로부터 불로장생하기 위해 각종 연단을 통해 젊음을 되찾을 수 있다고 착안한 것도 이상하지가 않다. 하지만 서양 연금술의 특징은 금을 얻고자 했던 것이 대부분이다. 아리스토텔레스(Aristoteles)가 사물의 본질은 변하지 않기 때문에 형상을 잘 연구하면 납도 금이 된다고 믿었던 것 역시 이 시대 연금술의 사상적 근거가 되었다. 이것은 그 후 크리스토퍼 콜럼버스(Christopher Columbus), 페르디난드 마젤란(Ferdinand Magellan) 등의 탐험에서 알 수 있듯이 금을 구하고자 목숨까지 걸게 되었는데, 그만큼 그 당시 금의 위력은 대단하였다.
12세기 독일의 알베르투스 마그누스(Albertus Magnus)는 "연금술은 금속 그 자체가 변하는 것이 아니고 혼합에 의해서 변화할 뿐이다."라고 기록하였다. 이와 같은 관찰의 결과가 집적되어 금을 만들어낸다고 하는 광신적인 연금술은 점차 자취를 감추게 되었다. 그리고 17세기 로버트 보일(Robert Boyle)의 원자론(原子論, atomism)에 의해 "각각의 금속의 성질은 불변하며 다른 금속으로 바꿀 수 없다."라는 증명을 통하여 사라지게 되었다. 하지만 금속의 합금, 연금술에 사용된 증류, 승화, 건조, 용해 등의 기술은 금속공업이나 금속공예에 도입되어 금속학의 기초가 되었다.
18세기 후반에 존 돌턴(John Dalton)은 화합물이 원자로 되어 있음을 발견하였다. 그리고 물질의 이론이나 가설을 논리적으로 정리, 분류하여 금속을 체계적으로 연구하게 되었다. 그 후 화학적 처리 방법이 체계화되어 탄소환원법, 염화환원법, 전기분해법 등으로 각종 금속원소의 존재를 확인하였다.
러시아의 드미트리 이바노비치 멘델레예프(Dmitrii Ivanovich Mendeleev)는 각각 독립되어 있는 것으로 생각된 원소의 중량을 에너지 보존과 변환 법칙에서 원자량 순으로 배열하였다. 그 결과 일정한 주기로 동일한 화학적 성질을 보이는 원소가 있음을 발견하여 원소주기율표로 정리하였다. 이것으로 원소의 물리화학적 성질을 보다 자세하게 이해할 수 있었을 뿐만 아니라 과학(科學, science)의 논리적 사고의 기초가 형성되었다. 원소주기율표는 20세기 이후 근대 자연과학(自然科學, natural science)의 기초가 되었다.
금속에 관한 기술이 학문적으로 발전함으로서 금속관련 산업기술 또한 발전하였다. 14세기 무렵 독일에서는 고로에서 선철(銑鐵, pig iron)을 생산하게 되었다. 연금술사에 의해 금을 얻기 위한 연구가 진행되고 있는 중 사회에서는 생활용품 제조 원료로서 철을 생산하는 기술도 함께 발전하였다. 용광로 기술은 점차 유럽 전체에 확대되어 18세기 이후 석탄의 도입으로 고온로의 제작이 가능하게 되자 벤자민 헌츠먼(Benjamin Huntsman)에 의한 도가니제강법과 헨리 콜트(Henry Cort)에 의한 연철법 등이 발명되었다. 그 후 제임스 와트(James Watt)가 발명한 증기기관을 송풍기관에 이용하게 됨으로써 제철기술은 더욱 진보하게 되었다. 18세기 초기에 아브라함 다비(Abraham Darby) 부자가 제철 조업에 코크스를 사용하는 코크스 고로기술을 고안하였다.
19세기 중반 무렵 헨리 베세머(Henry Bessemer)에 의한 산성 전로제강법이 발명되었으며, 시먼스(Siemens) 형제와 마틴(Martin) 부자의 노력에 의한 평로제강법(平爐製鋼法, open hearth process)이 발명되었다.
제철기술의 진보와 함께 비철금속 분야에서도 19세기 이후 동, 알루미늄 등의 전해제련법을 시초로 하여 대단히 많은 비철금속의 제련기술이 개발되어 왔다. 20세기 들어와 비로소 종래의 경험적 지식에 기술상의 정밀한 측정과 광범위하게 지속된 물리화학적 검토가 행하여짐으로써 새로운 제련기술의 가부를 예상할 수 있게 되었다. 그리하여 전기전자재료 분야, 원자력재료 분야, 우주개발과 해양자원개발 등의 새로운 산업 분야에 사용되는 여러 종류의 신금속도 그 제련 방법이 점차로 완성을 보게 되었다.
금속학(金屬學, metallurgy)은 철과 강의 발전으로 크게 진보하였으며, 금속의 매우 미세한 구조나 현상까지 규명되었다. 앞으로의 사회는 금속 이외의 재료가 보다 많이 사용될 것으로 예상되나 철을 주체로 한 금속은 여전히 중요한 역할을 할 것으로 보인다. 그런 의미에서 금속공학은 보다 중요한 기초학문이 될 것이다.
금속공학의 연구 영역[편집]
철강 및 비철금속[편집]
우리가 광석으로부터 금속을 얻고자 할 경우, 경제적으로 가장 유리한 방법을 선택할 필요가 있다. 일반적으로 광석이 단일금속만을 함유한 경우는 매우 드물며, 여러 종류의 광석을 함유하는 경우가 많다. 예를 들면, 동 광석의 경우 동은 물론 철, 연, 아연, 비소, 안티모니 등이 함유되어 있다. 그러므로 목적금속인 동을 제외한 나머지 금속들은 불순물이며, 이러한 불순물들을 목적금속인 동에 함유되지 않도록 하거나 함유될 경우에는 제거하여야 한다. 따라서 불순물을 다량 함유한 광석으로부터 순도가 높은 금속을 값싸게 대량으로 얻을 수 있는 방법을 생각하지 않을 수 없게 되었다.
과거에 제련기술이 발달하지 못한 시대에는 양질의 고순도금속은 양질의 고품위광석에서만 얻을 수 있었으나 근래에 금속의 수요가 대량적으로 증가함에 따라 제련기술의 발전이 불가피하게 되어 선광법의 개선과 정련법의 발달에 의하여 저품위광석으로부터 고순도금속을 값싸게 대량으로 얻을 수 있게 되었다.
현재 금속을 채취하기 위한 과정을 4단계로 대별하면 다음과 같다.
① 선광(ore dressing): 채굴한 원광석을 고품위의 정광으로 만든다.
② 예비처리(pre-treatment): 정광을 제련하기 쉬운 상태로 조제한다.
③ 제련(smelting): 예비처리한 정광으로부터 조금속을 만든다.
④ 정련(refining): 조금속으로부터 불순물을 제거하여 순금속을 만든다.
광석을 채굴상태 그대로인 조광을 사용하여 제련하는 경우도 있으나 대부분의 경우 선광을 하여 불순물을 분리·제거함으로서 목적금속의 함유율을 올린 정광을 사용하여 제련하고 있다. 정광도 원래의 상태 그대로 제련할 경우도 있으나 황화광의 경우에는 광석의 일부나 전부를 배소하여 산화물로 처리한 후 제련하며, 또 분광일 경우에는 이것을 소결하거나 단광으로 괴상화처리한 후 제련한다.
용접[편집]
용접은 둘 또는 여러 물체 사이에 국부적으로 원자 간 결합을 시키는 방법이다. 즉 용접이란 둘 또는 그 이상의 물체나 재료를 용융이나 반용융 상태로 하여 접합하든가 상온 상태의 부재를 접촉시키고 압력을 작용시켜 접촉면을 밀착시키면서 접합시키는 금속적 이음과 두 물체 사이에 용가재를 첨가하여 접합시키는 브레이징(brazing)도 포함하고 있다.
용접은 기계나 기기의 제조에 필수 불가결한 가공기술이다.
용접은 단시간에 고열을 수반하는 복잡한 금속학적 접합이며, 잘못되면 재질의 열화, 변형, 잔류응력 등 여러 가지 용접결함을 일으켜 구조물의 성능을 손상시킨다. 용접의 적용에는 설계, 공작 및 재료에 대한 지식이 필요하다.
용접은 금속이 국부적으로 융해, 응고해서 용접금속을 만들기 때문에 용해, 정련, 주조 등 제조야금의 지식이 요구된다. 용접금속에 인접하는 모재 부분, 즉 열영향부는 용접에 의해 급열·급랭의 열처리에 의해 팽창과 수축에 수반되는 소성변형(塑性變形, plastic deformation)을 받는다.
소성 및 절삭가공[편집]
소성가공은 재료가 가지고 있는 성질을 이용하여 얻고자 하는 형상으로 성형하는 가공기술이다. 소성변형에 의하여 성형되는 금속의 성형공정을 해석하는 데는 응력과 변형율에 대한 이해가 요구된다.
탄성변형에서는 하중이 제거되면 응력을 받던 물체는 원래의 형태로 되돌아간다. 소성변형을 일으키기 위해서는 응력이 어느 수준 이상이어야 한다. 이것을 항복강도라고 정의한다. 대부분의 연성금속에서 초기 항복을 일으키는 응력이 클수록 변형의 정도나 형태 변화가 크다.
분말야금[편집]
분말야금이란 금속분말 또는 합금분말의 제조 및 이들 분말을 사용하여 가공성형을 한 다음, 용융점 이하의 온도에서 소결하여 금속제품이나 괴상의 금속을 만드는 기술이다.
1945년 미국금속학회 분말야금분과위원회에서 채택한 바에 의하면, '분말야금은 금속분말로부터 유용한 제품을 만들고, 또 이들 금속분말을 생산하는 기술과 학문'으로 정의하였으나 근래에는 '분말야금이란 금속이나 비금속의 분말을 혼합, 성형, 소결하여 유용한 형태로 만드는 재료가공의 기술과 학문'으로 폭넓게 정의되기도 한다. 즉, 분말야금이라는 용어에도 불구하고, 금속 및 비금속의 모든 분말을 대상으로 한 재료가공공정을 포함하고 있다.
열처리[편집]
오늘날의 열처리는 고도로 다양화되어가는 추세이며, 이러한 경향은 플라스틱이나 세라믹, 기타 복합재료 등에까지 점차 그 영역을 확대해 가고 있다. 이러한 시대적 변화는 자동차나 항공기 부품에 사용되는 소재에서 요구되는 경량화가 환경적인 조건을 충족시키고 치열한 국제경쟁을 극복하기 위해서는 열처리의 중요성이 더욱 높아지고 있다. 이러한 경량화를 위해서는 소재 개발도 중요하지만 열처리 기술의 발달도 이에 못지않게 중요한 의미를 갖는다. 뿐만 아니라 기계재료의 생산원가 중 열처리 비용이 차지하는 비중도 경제적으로 중요한 위치를 차지하기 때문에 고품질 저비용 기계부품을 생산하기 위한 열처리 기술의 발달도 제품의 경쟁력을 확보하기 위한 중요한 수단이 될 수 있다.
표면처리[편집]
금속재료는 산화 등에 의해 부식되는 결점이 있다. 따라서 광석으로부터 금속을 제련하고 그것을 기계부품 또는 구조물 등 공업제품으로 만드는 일 못지않게 그 제품의 보존 또한 중요한 문제가 된다. 이러한 부식에 대한 방식뿐만 아니라 금속 자체의 내마모성과 내열성을 향상시키는 동시에 금속 표면의 색조와 광택을 좋게하는 목적 등 여러 가지 이유로 인해 금속 표면을 처리하고 있다.
용해 및 주조[편집]
주조공학은 주형 및 용탕의 특성을 고려하여 건전한 주조품을 제조하기 위한 일련의 공학적 개념을 총칭한다.
① 주형 : 용융금속을 넣어 일정한 형상을 만들기 위한 형틀
② 조형 : 거푸집을 만드는 과정
③ 주조 : 금속을 용해, 주입, 냉각, 응고시켜 제품을 만드는 과정
④ 주조품 : 주조의 전 과정을 통해 얻어진 제품
주조공정은 다음과 같다.
① 주조 방안의 결정: 주물을 어떻게 하여 어디로 용탕을 어느 정도의 속도로 몇 개씩 어떤 방법으로 주입하느냐 하는 것을 정한다.
② 모형의 제작: 목적하는 주물의 도면에 충실하게 또한 가공여유, 허용차, 용탕의 수축 등을 고려하여 나무, 금속, 수지 등으로 모델을 만든다.
③ 주물사의 조제: 주형을 만드는데 가장 적합한 배합으로 모래나 주형재료에 적당한 점결제를 넣어서 혼사기로 잘 섞으면서 혼련한다.
④ 주형의 제조: 손 또는 기계를 써서 목적하는 형상의 주형을 만든다. 필요에 따라 주형에 중자를 넣는다.
⑤ 용해: 금속재료를 적당하게 배합하여 용해로 속에서 연료, 전력 등으로 녹여 적당한 온도의 용탕을 만든다.
⑥ 주입: 레이들로 적당한 방법과 속도로 주형의 주입구에 용탕을 주입한다.
⑦ 주물상자 해체·절단·청정: 응고시킨 다음 적당한 온도에서 주물을 꺼내어 모래를 털어내고 탕구를 제거하고 표면을 깨끗이 청소한다.
⑧ 열처리: 필요에 따라 성질의 향상, 내부응력의 제거를 목적으로 어닐링 등의 열처리를 한다.
⑨ 다듬질·보수·도금: 주물의 불필요한 부분을 깎아내고 기계로 절삭하여 소요 치수에 맞춘다. 결합 부분은 제품을 사용하는데 지장이 없으면 용접, 납땜 등으로 보수하기도 한다. 주문에 따라 도금한다.
⑩ 검사·시험: 주물의 외관, 치수, 조직 및 재질 등이 주문에 충실하게 만들어졌는가를 알아보고 여러 가지 결함을 찾아낸다.
금속재활용[편집]
금속의 재활용은 소각 및 매립량을 감소, 환경오염 방지, 자원 및 에너지 절약을 달성하는데 첩경이 된다. 금속자원의 재활용 '사회 시스템의 일환으로서, 즉 산업 활동에 있어서 생산 루트의 금속을 순환·사용하는 것'으로 정의할 수 있다. 재활용의 대상이 되는 금속자원은 당연한 일이지만 천연의 금속광물이 아니고 2차 자원으로서의 금속질 혹은 금속혼합폐기물이다.
인류가 현재 이용하고 있는 금속지금은 약 70종에 달하고 있는데, 대부분 산업혁명 후 19∼20세기부터 이용하기 시작한 것이다. 또 금속의 1/3 이상이 제2차 세계대전 후 이용하게 되었다. 그리고 첨단기술산업은 금후 희소금속에 대한 수효를 증가시킬 것이다. 즉, 자연계에 존재하는 대부분의 금속원소가 현대산업과 우리 생활 속에 이용되고 있다.
지금까지처럼 환경 및 폐기물 처리에의 영향을 충분히 고려하지 않고 추진한 생산과 소비, 생산 프로세스 그리고 개개의 상품 및 기술과 재료에도 환경, 폐기물처리 및 재활용의 관점에서 재검토해야 될 시점에 있다.
참고자료[편집]
- 〈금속공학〉, 《위키백과》
- 〈금속공학〉, 《두산백과》
- 〈금속공학〉, 《학문명백과 : 공학》
- 〈금속공학(金屬工學)〉, 《한국민족문화대백과사전》
같이 보기[편집]
