철금속은 무엇인가?

좋아요, 클라이브입니다. 세상 모든 것을 만드는 데 있어 가장 근본적인 질문 중 하나에 대해 이야기해 볼까요? 겉보기에는 너무나 간단해 보이지만, 그 안에는 과학, 역사, 공학이라는 엄청난 깊이가 숨겨져 있습니다. "어떤 금속이 철 금속일까요?"

표를 보셨죠? 간단히 말해서 "철분이 함유된 모든 것"입니다. 이 글을 여기서 끝낼 수도 있지만, 프로젝트에 적합한 재료를 선택하고 그 이유를 이해하려고 할 때 아무런 도움이 되지 않을 것입니다. 금속 비용 다른 것보다 5배나 더 많은 이유, 혹은 새로 산 바베큐 그릴에 비가 한 번 온 후 주황색 반점이 생기기 시작한 이유.

이것을 진정으로 이해하려면 요리사처럼 생각해야 하는데, 철분은 밀가루와 같습니다.

물, 소금, 효모만으로는 빵집을 운영할 수 없습니다. 밀가루가 필요합니다. 밀가루는 우리가 만드는 모든 것의 기본이자 토대이며, 대부분을 차지합니다. 금속, 특히 현대 사회를 지탱하는 튼튼하고 구조적이며 저렴한 금속인 철(화학 기호: Fe, 라틴어 Ferrum)은 밀가루입니다.

A 철 금속 철이 주성분인 금속 합금입니다. 이것이 핵심입니다. 탄소, 크롬, 망간, 몰리브덴 등 다른 모든 첨가물은 밀가루의 특성을 변화시키는 소금, 설탕, 향신료일 뿐입니다. 이것들은 기본적인 반죽을 바삭한 바게트, 섬세한 페이스트리, 또는 풍성한 호밀빵으로 만들어 줍니다. 하지만 무엇부터 시작하든, 모든 것은 밀가루에서 시작됩니다.

대부분의 철금속의 가장 뚜렷한 특징은 누구나 알고 있듯이 다음과 같습니다. 녹녹, 즉 산화는 철의 가장 큰 약점입니다. 이는 철 원자가 물 속에서 산소에게 전자를 기꺼이 내주어 더 안정적이고 낮은 에너지 상태로 되돌아가는 화학 반응으로, 원래 제련된 철광석과 매우 유사합니다. 이는 자연으로의 회귀이며, 엔지니어에게는 끊임없는 싸움입니다.

또 다른 유명한 특징은 그들이 거의 항상 자기이 특성은 철 원자의 독특한 전자 구조에서 비롯되는데, 이 구조는 자기장이 존재할 때 "스핀"을 정렬하여 강한 인력을 생성합니다. 이는 고철을 분류하는 데 유용한 방법이지만, 앞으로 살펴보겠지만 첨단 기술 분야에서는 심각한 문제가 될 수 있습니다.

그러니까 "어떤 금속이 철 금속인가요?"라고 묻는 건, 사실 철의 가계도를 보고 싶다는 뜻입니다. 철의 주요 구성원들을 만나 볼까요?

Ferrous 가계도: 3대 가문을 만나보세요

여러분이 접할 수 있는 수천 가지의 다양한 철 금속은 모두 같은 계열의 몇 가지 주요 금속에서 유래되었습니다. 이 세 가지 금속을 이해하면 탄탄한 기초를 쌓을 수 있습니다.

철: 모든 것의 증조부

이것이 족장입니다. 우리가 순수한 철에 대해 이야기할 때, 우리는 보통 주철. 이것은 인류가 사용한 가장 오래된 형태의 철 중 하나입니다. 철과 높은 비율(일반적으로 2% 이상)의 비교적 조악한 혼합물입니다. 높은 탄소 함량 덕분에 용융 시 매우 유동적이기 때문에 복잡한 형상을 주조하는 데 매우 적합합니다. 그래서 이런 이름이 붙었습니다.

옛날식 엔진 블록, 튼튼한 프라이팬, 라디에이터, 맨홀 뚜껑을 떠올려 보세요. 이것들은 모두 고전적인 주철 소재입니다.

좋은 :

• 비교적 저렴합니다.
• 주조성이 우수합니다(금형에 잘 흘러 들어갑니다).
• 압축에 매우 강해서 엄청난 무게를 실을 수 있어요.
• 진동을 줄이는 데 매우 효과적이어서 오래된 산업용 기계의 바닥재로 사용되었습니다.

나쁜 :

• 깨지기 쉽습니다. 탄소가 금속 매트릭스 내에서 흑연 조각처럼 형성되는 방식 때문에 주철은 휘어지지 않고 갈라집니다. 주철 프라이팬을 콘크리트 바닥에 떨어뜨리면 깨질 수 있습니다. 끔찍한 인장 강도 (찢어지지 않는 저항성).
• 매우 쉽게 녹이 슬죠.
• 무겁고 밀도가 높습니다.

우리 회사에서는 신속한 제조우리는 거의 전화를 받지 않습니다 CNC 기계 주철로 만든 부품입니다. 취성 때문에 깨짐 없이 가공하기 어렵고, 주로 주조가 더 경제적인 분야에 사용됩니다. 하지만 할아버지를 이해하는 것은 그의 더 정교한 후손들을 이해하는 데 필수적입니다.

탄소강: 철의 더 강하고 다재다능한 아들

여기서 흥미로운 점이 있습니다. 철분 가루에 아주 소량의 탄소(보통 2% 미만, 종종 1% 미만)를 조심스럽게 첨가하면 어떻게 될까요?

강철을 얻게 됩니다. 구체적으로 말하면, 지구상에서 가장 널리 사용되는 엔지니어링 소재인 탄소강을 얻게 됩니다. 그 작은 탄소가 바로 마법의 재료입니다. 탄소는 철의 결정 격자에 침투하여 쐐기처럼 작용하여 철 원자층이 서로 미끄러져 들어가는 것을 방지합니다. 이 간단한 작용이 철의 강도와 경도를 극적으로 향상시킵니다.

주철과 달리 탄소강은 단일 소재가 아닙니다. 탄소의 함량에 따라 정의되는 스펙트럼입니다.

• 저탄소강(연강): 이 강철은 탄소 함량이 매우 적으며, 보통 0.05%에서 0.25%입니다. 가장 흔하고 저렴한 강철입니다. 강도가 매우 강하지는 않지만, 연성이 매우 뛰어나고(부서지지 않고 구부리거나 모양을 바꿀 수 있음) 용접이 용이합니다. 기본적인 판금, 차체 패널 또는 구조용 빔(I-빔)을 보면 연강을 볼 수 있습니다. 신속한 제조우리는 높은 강도가 주된 관심사가 아닌 간단한 고정 장치, 장착판, 프로토타입과 같은 것에 항상 1018 연강을 사용합니다.
• 중탄소강: 탄소 함량이 0.25%에서 0.60% 사이인 이 강철은 균형 잡힌 특성을 제공합니다. 일반 강철보다 강하고 단단하지만 연성은 떨어집니다. 또한 금속을 가열하고 냉각하여 특성을 더욱 정밀하게 만드는 열처리 공정인 열처리에 잘 견딥니다. 이러한 소재는 철도 선로, 기어, 고강도 기계 부품 등에 사용됩니다.
• 고탄소강: 탄소 함량이 0.60%에서 1.5% 정도입니다. 이 소재는 매우 단단하고 강하며 날카로운 날을 매우 잘 유지합니다. 하지만 단점은 조상 ​​격인 주철처럼 더 잘 부러진다는 것입니다. 주철은 고품질 칼, 절삭 공구의 소재입니다. 드릴 비트, 그리고 스프링. 열처리를 통해 엄청나게 단단하게 만들 수 있지만 훨씬 더 많은 주의가 필요합니다. 기계와 용접.

탄소강은 우리의 일꾼입니다. 다리, 마천루, 선박, 그리고 자동차를 만들어낸 재료입니다. 튼튼하고 저렴하며 다재다능합니다. 하지만 한 가지 큰 단점이 있습니다. 바로 순철처럼 쉽게 녹슬어진다는 것입니다.

합금강: 가족의 슈퍼 운동선수

강도 그 이상이 필요하다면 어떨까요? 뜨거운 열을 견디고, 엄청난 충격에도 견디고, 내마모성이 뛰어난 금속이 필요하다면 어떨까요? 바로 이럴 때 세 번째 금속인 합금강을 선택해야 합니다.

합금강은 탄소강이다 더 넓은 향신료 선반을 갖춘 강철. 철과 탄소 외에도 특정하고 바람직한 특성을 만들기 위해 다른 원소들이 의도적으로 첨가됩니다. 이렇게 생각해 보세요.

• 크롬: 경도, 인성, 내마모성을 높여줍니다.
• 몰리브덴("Moly"): 고온에서도 강도를 유지하는 데 도움이 됩니다.
• 니켈: 특히 낮은 온도에서 인성을 높이고 내식성을 향상시킵니다.
• 망간: 경도와 내마모성이 증가합니다.
• 바나듐: 강도, 인성, 충격 저항성이 향상됩니다.

야금학자들은 이러한 재료들을 다양한 레시피에 조합하여 거의 무한한 종류의 "슈퍼 스틸"을 만들 수 있습니다. 예를 들어, "크롬-몰리브덴"이라고도 불리는 4140 강은 크롬과 몰리브덴을 모두 함유한 매우 인기 있는 합금강입니다. 매우 강하고 인성이 뛰어나 자동차 차축, 크랭크샤프트 등과 같은 고응력 부품에 널리 사용됩니다. 맞춤 기어.

고객이 오면 신속한 제조 군용 또는 고성능 레이싱 부품 프로젝트에서 저희는 연강으로 견적을 제시하지 않습니다. 부품이 직면하게 될 특정 응력에 대해 심도 있는 논의를 거쳐 4140이나 4340과 같은 합금강을 선택합니다. 저희의 전문성은 단순히 CNC 기계를 작동하는 데 그치지 않습니다. 방대한 철 금속 카탈로그를 이해하고 고객이 성공하는 데 필요한 성능을 제공할 레시피를 정확히 파악하는 데 있습니다.

철, 탄소강, 합금강, 이 세 가지가 철강 세계의 핵심을 이룹니다. 이들은 우리 산업 기반 시설의 근간입니다. 하지만 우리가 이야기해야 할 또 다른 가족이 있습니다. 바로 모든 논쟁을 불러일으키는 사람, 바로 자신이 친척이 아니라고 가장하는 부유한 사촌입니다. 바로 스테인리스 강.

위대한 기만: 스테인리스 스틸이 위장한 철 금속인 이유

좋아요, 클라이브입니다. 우리는 철 가족의 핵심 구성원들을 만났습니다. 무겁고 부서지기 쉬운 할아버지, 주철, 강하고 다재다능한 아들, 탄소강, 그리고 초강력한 손주들, 합금강. 이들은 모두 철 함량으로 정의되며, 모두 녹슬기라는 가족의 저주를 공유합니다.

하지만 이제 우리는 이야기해야 합니다. 스테인리스 강.

철금속이 가족이라면, 스테인리스 강 명문 대학에 다니고 비싼 옷을 입으며, 가족의 나쁜 습관을 전혀 가지고 있지 않은 부유한 사촌입니다. 녹슬지 않고, 밝고 윤이 납니다. 깨끗한 수술실과 고급 주방에서 사용됩니다. 모든 의도와 목적에서 완전히 다른 종류의 소재인 것 같습니다.

그럼에도 불구하고, 그것은 100% 철 계열의 카드 소지자입니다. 모든 제품의 주요 성분 스테인리스 강 이 지구에는 철이 있습니다.

그렇다면 비결은 무엇일까요? 대부분 철인데 어떻게 녹슬지 않을 수 있을까요? 비결은 무엇을 빼느냐가 아니라 무엇을 더하느냐에 있습니다. 마법의 재료는 바로 Chromium.

크롬의 보이지 않는 힘의 장

로 분류됩니다 "스테인리스 스틸"은 철 합금입니다. 질량 기준으로 최소 10.5%의 크롬을 함유해야 합니다. 이는 임의의 수치가 아닙니다. 이는 미시적인 수준에서 놀라운 일이 일어나는 임계치입니다.

크롬이 산소(대기 중 어디에나 존재)에 노출되면 거의 즉각적으로 반응하여 강철 표면 전체에 매우 얇고 질기며 전혀 눈에 보이지 않는 크롬 산화물 층을 형성합니다. 이 층은 원자 몇 개 두께에 불과하지만, 매우 내구성이 뛰어나고 반응성이 없습니다.

이것을 철 원자의 개인 보디가드라고 생각해 보세요.

이 산화크롬 층은 "불활성"입니다. 즉, 환경과 반응하지 않습니다. 외부 세계와 그 아래에 숨어 있는 녹슬기 쉬운 철 원자 사이에 완벽하게 밀폐된 장벽을 형성합니다. 물은 철에 닿을 수 없고, 산소도 철에 닿을 수 없습니다. 녹의 두 가지 성분은 문에서 차단됩니다.

하지만 정말 훌륭한 부분은 이 보디가드입니다. 자기 치유스테인리스 스틸 조각에 흠집을 내면, 순간적으로 부동태 크롬 산화물 층이 절단되어 새로운 철과 크롬 원자가 공기 중에 노출됩니다. 하지만 거의 즉시, 새로 노출된 크롬은 대기 중 산소와 반응하여—스냅—경호원이 스스로를 치유합니다. 보이지 않는 힘의 장이 회복되고 보호는 계속됩니다.

스테인리스 스틸이 그토록 혁신적인 이유입니다. 스테인리스 스틸은 강철의 가장 큰 약점 없이 강철의 강도와 경제성을 모두 제공합니다.

자기 신화: 세 가지 스테인리스 스틸 이야기

여기서 더 큰 혼란이 발생합니다. "스테인리스 스틸은 철이 아니라는 건 알아요." 누군가는 이렇게 말할 것입니다. "제 주방 냉장고는 자석이 아니거든요." 또는 "제 스테인리스 스틸 싱크대는 is "자성이 있으니 값싼 쓰레기일 거야."

둘 다 틀렸습니다. 스테인리스 강의 자성은 품질과는 아무런 상관이 없고, 내부 결정 구조와 전적으로 관련이 있습니다. 여기서 스테인리스 강의 여러 하위 계열이 등장하게 됩니다.

이것을 분해합시다.

• 오스테나이트계 스테인리스강(300 시리즈): 이것은 가장 흔한 유형으로, 전체 스테인리스강 생산량의 70% 이상을 차지합니다. 크롬 외에 여기서 핵심 성분은 다음과 같습니다. 니켈니켈은 강의 결정을 "오스테나이트" 또는 "면심입방"이라고 하는 특정 배열로 강제합니다. 이 구조는 본질적으로 비자 성따라서 고급 주방 싱크대, 식품 등급 양조 탱크, 수술 도구는 304 또는 316 스테인리스 스틸로 만들어졌을 가능성이 높으며, 자석이 붙지 않습니다. 신속한 제조, 해양 또는 의료 기기 업계에서는 최고의 내식성을 갖춘 부품을 필요로 하며, 저희는 316 스테인리스 스틸을 가공하고 있습니다. 316 스테인리스 스틸은 훌륭한 소재이지만, 니켈 때문에 끈적끈적하고 가공하기 어려워 특수 공구와 기술이 필요합니다.
• 페라이트계 스테인리스강(400 시리즈, 1부): 이것은 니켈이 없는 더 단순한 스테인리스강입니다. 순수한 철과 같은 "페라이트" 결정 구조를 가지고 있습니다. 철과 유사한 구조를 가지고 있기 때문에 자기오스테나이트계만큼 내식성은 떨어지지만 가격은 저렴합니다. 자동차 배기관은 물론, 도어 씰이나 메모 부착을 위해 자성이 필요한 일부 저가형 주방 가전제품과 냉장고에도 사용됩니다.
• 마르텐사이트계 스테인리스강(400 시리즈, 2부): 이 그룹은 탄소 함량이 더 높고 고탄소강처럼 열처리되도록 설계되었습니다. 이 공정을 통해 매우 단단하고 강해집니다. 결정 구조 때문에 자기410등급과 420등급은 칼날, 절삭 공구, 그리고 고마모성 산업 부품에 사용됩니다. 뛰어난 경도를 위해 약간의 내식성을 제공합니다.

그렇다면 스테인리스강은 철계인가요? 네. 자성인가요? 전적으로 어떤 하위 계열에 속하는지에 따라 다릅니다. 자석 테스트는 "철계 vs. 비철계"를 비교하는 테스트가 아니라, 종종 "오스테나이트계"를 비교하는 테스트입니다. vs. 비아스테나이트계 스테인리스강.”

선로의 반대편: 비철금속이란 무엇인가?

이제 우리는 녹슨 할아버지 금속부터 반짝이고 속이는 사촌 금속까지 철의 모든 종류를 완벽하게 이해하게 되었으므로, 야금 세계의 반대편인 비철 금속도 진정으로 이해할 수 있게 되었습니다.

정의는 아름답게 간단합니다. 비철금속 철분을 상당량 함유하지 않은 금속이나 합금입니다.

그게 다예요. 철분은 없어요.

이 간단한 차이점 다양한 속성의 연쇄 반응으로 이어집니다.

1. 녹이 슬지 않습니다. 이들은 고유한 방식으로 부식되거나 변색될 수 있지만, 우리가 녹이라고 부르는 주황색 산화철에는 면역이 있습니다.
2. 그들은 자성을 띠지 않습니다. 몇 가지 예외적인 경우를 제외하면 이는 보편적인 규칙입니다.
3. 일반적으로 더 비쌉니다 일반 탄소강보다 상대적으로 희소성이 높고 정제하는 데 필요한 에너지가 더 많기 때문입니다.
4. 이러한 소재는 종종 낮은 무게, 높은 전도성, 특정 색상 등 독특하고 매우 바람직한 특성을 가지고 있습니다.

비철금속 업계의 주요 업체를 만나보겠습니다.

알루미늄: 경량 챔피언

철이 산업계의 밀가루라면, 알루미늄(Al)은 첨단 복합 소재입니다. 알루미늄의 결정적인 특징은 놀라운 강도 대 중량비무게를 고려하면 강철보다 훨씬 강합니다. 강철의 약 3분의 1에 불과한 밀도로, 획기적인 제품입니다.

이것이 전체의 이유입니다 항공 우주 산업은 알루미늄으로 이루어져 있습니다. 항공기에서 절약된 1온스는 수명 기간 동안 수백만 달러의 연료 절감 효과를 가져옵니다. 경량화에 대한 이러한 집착은 고성능 자동차부터 주머니 속 스마트폰에 이르기까지 모든 것에 스며들었습니다.

스테인리스 스틸과 마찬가지로 알루미늄도 부식을 방지하는 특별한 비법을 가지고 있습니다. 공기에 노출되면 표면에 매우 얇고 질긴 산화알루미늄 층이 형성됩니다. 이 층은 스테인리스 스틸의 산화크롬 층보다 훨씬 더 강하며, 알루미늄에 탁월한 내식성을 부여합니다.

At 신속한 제조, 알루미늄, 특히 합금 6061 - T6는 단연코 가장 일반적으로 가공되는 비철 금속입니다. 뛰어난 강도, 가벼운 무게, 뛰어난 가공성, 그리고 합리적인 가격이 완벽하게 조화를 이루는 소재입니다. 저희는 6061 소재를 사용하여 전자 케이스, 로봇 부품부터 맞춤형 자동차 부품까지 모든 것을 제작합니다.

구리: 전기의 달인

구리(Cu)는 거의 모든 다른 금속보다 더 잘 수행하는 한 가지 작업이 있습니다(은은 너무 비싸기 때문에 제외). 전기를 전도하다구리의 내부 전자 구조는 전자가 매우 낮은 저항으로 흐를 수 있도록 합니다. 이 특성은 우리 전기 세계의 기반입니다. 모든 전선, 모든 모터, 모든 변압기, 모든 회로 기판은 근본적으로 구리를 통해 전자를 이동시키는 시스템입니다.

또한 뛰어난 열전도성을 지녀 고급 방열판과 조리기구에 사용됩니다. 미적으로는 독특한 붉은 금색으로 유명한데, 시간이 지남에 따라 산화되어 오래된 돔이나 조각상에서 볼 수 있는 상징적인 녹색 녹청으로 변합니다.

황동과 청동: 구리의 유용한 아이들

순수 구리는 비교적 부드럽습니다. 기계적 용도에 더 강하고 유용하게 만들기 위해 다른 금속과 합금합니다. 가장 유명한 두 금속은 구리는 황동과 청동입니다.

• 황동 주로 구리와 아연아연은 순수 구리보다 더 단단하고 가공하기 쉬우며, 밝고 노란빛을 띠는 금색을 띱니다. 물에 대한 부식 저항성이 매우 높아 배관 설비와 탄약 케이스의 표준 소재로 사용됩니다.
• 브론즈 전통적으로 구리와 주석현대 청동에는 알루미늄이나 실리콘도 포함될 수 있습니다. 청동은 황동보다 단단하고 다른 금속과 마찰할 때 마찰이 매우 적습니다. 따라서 베어링, 부싱, 그리고 선박 프로펠러와 같은 해양 부품에 사용되는 최고의 소재로, 염수 부식에 대한 내성이 매우 중요합니다.

티타늄: 항공우주의 슈퍼스타

알루미늄이 경량 소재의 챔피언이라면, 티타늄(Ti)은 무게 대비 강도의 신이라 해도 과언이 아닙니다. 티타늄은 다른 강철만큼 강하지만 무게는 강철의 60%에 불과합니다. 내식성은 전설적이어서 염수, 산, 기타 유해 화학 물질에 거의 영향을 받지 않습니다. 또한 알루미늄보다 훨씬 높은 온도에서도 강도를 유지합니다.

수십 년 동안 이 소재는 극비 정찰기와 우주선에만 사용되던, 이국적이고 믿을 수 없을 만큼 비싼 "우주 시대" 소재였습니다. 오늘날에도 여전히 비싸지만 고성능 제트 엔진 구성 요소, 심해 잠수정에 적합하고, 생체적합성이 완벽해서(신체가 반응하지 않음) 고관절이나 무릎 관절과 같은 의료용 임플란트의 황금 표준입니다.

티타늄 가공은 다음과 같은 상점에서 가능합니다. 신속한 제조 정말 그 가치를 증명합니다. 열이 많이 발생하고 절단할 때 가공 경화되는 까다로운 소재입니다. 성공적으로 절단하려면 견고한 기계, 매우 날카로운 공구, 그리고 속도와 이송에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 아마추어에게는 적합하지 않지만, 최고의 성능을 요구하는 프로젝트에서는 대체할 수 있는 것이 없습니다.