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이미 세상에는 많은 물건들이 금속으로 만들어져 있습니다.
금속은 일반적으로 단단하고 광택이 있고 은색 혹은 회색 계열의 열과 전기가 잘 통하는 소재를 이야기합니다.
화학적으로는 상온상태에서 고체이며, 전자를 잃고 양이온이 되기 쉬운 성격을 가진다고 합니다.
역사적으로도 금속을 다루기 시작하면서 문명이 발전되었다고 볼 수 있을 정도로 중요한 소재입니다.
과거에는 청동기나 철기를 얼마나 잘 다루냐에 따라서 무기가 되어주고 농기구나 건축의 질도 향상되었습니다.
지금은 금속을 제조하고 다루는 능력은 소프트웨어의 발전으로 명성이 바랜면이 있습니다.
하지만 여전히 놀라울 정도로 국가의 경쟁력과 밀접한 관련이 있습니다.
금속 중에서도 많이 사용되는 철(Steel), 알루미늄(Aluminum), 스테인리스강(Stainless Steel)에 대해서 알아보겠습니다.
1. 철(Steel)
철은 화학기호 Fe를 사용하는 원소의 한 종류로 가장 무거운 원소입니다.
지구 표면에서 알루미늄 다음으로 많기도하고 얻기도 쉬워서 개발되고난 후 인류역사상 항상 대규모로 생산됩니다.
그래서 가장 저렴한 축에 들어가는 금속입니다.
철은 만드는 과정에서 탄소를 얼마나 포함하느냐에 따라서 특성이 달라지고 여러가지 합금이 존재합니다.
탄소(C)를 주 합금 원소로 포함한 철(스틸)을 탄소강이라고 합니다.
탄소 함량에 따라 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강으로 나뉩니다.
- 장점 :
- 높은 강도와 경도를 가지고 있어서 하중을 많이 받는 지그 제작에 적합합니다.
- 가공이 비교적 쉽고 절삭하여 형상이 이루고 용접에 의해서 제품을 만들었을 때 완성도도 높습니다.
- 열처리를 통해 경도를 높일 수도 있고 이 후처리 과정을 통해 내마모성이 우수하게 형성될 수 있습니다.
- 소재자체가 대량으로 생산되며 가공하는 기술과 설비도 잘 발달되어 있어 경제적으로 사용할 수 있습니다.
- 비교적 열팽창계수가 작습니다. 강도가 강한 것과 조합해서 극한 환경에 적합합니다. - 단점 :
- 산소나 물에 노출되면 부식에 취약하기 때문에 도금이나 도장을 통해 부식을 방지해야합니다.
- 스트레스에는 강하지만 이 표면처리가 손상될 경우 부식이 시작됨으로 마냥 쉽게 취급할 수 없습니다.
- 무게가 무거워서 여러개 파트를 조립하는 경우 구조물이 매우 무거워집니다.
- 하중을 미리 고려하지 않으면 사고로 이어질 수도 있고 한번 조립 이 후 이동이 어려운 경우가 많습니다.
2. 알루미늄(Aluminum)
원자번호 13을 가지는 자연계을 원소로 기호는 Al을 사용합니다.
지각에서는 철보다 흔하게 존재하는 물질이나 산소와 쉽게 반응하는데다가 산화서열이 높습니다.
그래서 순수한 알루미늄을 얻어내기 힘들어 역사 대부분 상당한 고가 혹은 마법적인 물체 취급을 받았습니다.
하지만 19세기 들어서 전기를 사용한 생산법이 발견되면서 생산을 할 수 있게 되었습니다.
금속을 얻기보다는 전력을 얻는게 더 중요하고 새로운 알루미늄을 체굴하는 것보다는 재활용이 더 싸다고 하네요.
물론 재활용도 대규모로 이루어져야 싼 것이기 때문에 분리수거를 아주 잘해야 효율 높은 재활용을 할 수 있습니다.
- 장점 :
- 강도에 비해서 상당히 가벼운 장점을 가지고 있어서 범용적으로 사용됩니다.
- 가공성이 좋아서 다양한 형사으로 제작할 수 있습니다.
- 자연적으로 산화층이 표면을 보호하여 내식성이 우수합니다.
- 열전도성이 좋아서 방열소재로도 사용됩니다. - 단점 :
- 철에 비해서는 강도가 낮아서 큰 하중을 버티기 어려워 알루미늄만으로 대형제작물을 만들기 적합하지 않습니다.
- 경도가 낮아서 오랜기간 사용하면 마모되는 것을 볼수도 있고요.
- 합금의 종류가 상당히 다양한 특성을 가지고 있지만 일부 합금은 가격이 비쌉니다.
- 열팽창계수가 흔히 사용되는 금속중에서는 큰편입니다. 설계를 할때 주의해서 열보상 해야 합니다.
- 열처리 후에 안정성에서 차이가 많이나는 금속이라 일부 회사에서는 노하우에 대한 비용을 높게 책정합니다.
3. 스테인리스강(Stainless Steel)
스테인리스 강은 철의 합금의 한종류이나 그 성능이 우수하여 널리 사용됩니다.
일상에서는 약칭이 스텐, 스뎅 이라고 불리고 공장에서는 서스(SUS)라고 부르기도 합니다.
철의 무거움과 부식성을 개선하기 위해 연구하던 중 크롬(Cr)과 합금을 성공하여 만들게 됩니다.
단단하고 부식성/반응성이 적어 부식되지 않을 뿐 아니라 오염에 노출되더라도 비교적 쉽게 세척됩니다.
그리고 금속 중에서는 열전도율이 낮아 주방 조리도구부터 각종 화학약품을 취급할 때 사용됩니다.
- 장점 :
- 내식성이 우수하여 습기에 노출되는 환경에 적합합니다.
- 높은 강도와 내마모성을 가지고 있습니다.
- 충격을 가하지 않고 가만히 두어서는 거의 변하지 않고, 먼지등을 닦아내면 그대로 사용이 가능해서 유지보수에 장점이 있습니다. - 단점 :
- 철을 합금해서 만들었기 때문에 비교적 재질이 비쌉니다.
- 가공이 상대적으로 어렵고, 철보다는 가볍지만 무겁습니다.
- 합금이기 때문에 고경도 모델이 따로 존재하고 더욱 비싸고 가공도 어렵습니다.
4. 금속의 주요특성
동일한 금속도 합금의 미묘한 비율, 열처리에 따라서 달라집니다.
회사의 품번마다 기본적으로 특성이 다르고, 재료를 가공해서 사용할 때 또 다릅니다.
특히 알루미늄은 사용하는 소재명(예 AL6061)을 확인하여 확인을 해야합니다.
기본적으로 이정도에 형성되어 있다고 보시면 될 것 같습니다.
따라서 모든 수치가 대략적임을 알려드립니다.
| 철 | 알루미늄 | 스테인리스 강 | 비고 | ||||||||||
| 밀도(Density) | 7.85 g/cm³ | 2.70 g/cm³ | 7.75-8.05 g/cm³ | 알루미늄이 상당히 가벼움 | |||||||||
| 항복 강도 (Yield Strength) |
250-550 Mpa | 35-300 MPa | 200-300 MPa | 철이 하중을 많이 버틸 수 있음 | |||||||||
| 인장 강도 (Tensile Strength) |
400-800 MPa | 90-600 MPa | 500-750 MPa | 알루미늄이 버티는 힘이 좀 약함 | |||||||||
| 경도 (Hardness) |
120-250 HB | 25-95 HB | 150-220 HB | 알루미늄이 마모와 충격에 약함 | |||||||||
| 열전도성 (Thermal Conductivity) |
약 50-60 W/m·K | 약 205 W/m·K | 15 W/m·K | 알루미늄과 스테인리스강이 차이가 많이 남 | |||||||||
| 내식성 (Corrosion Resistance) |
부식에 매우 취약 | 자연적으로 피막형성 | 높음 | 철의 경우 표면처리 필요 | |||||||||
| 가공성 (Machinability) |
탄소비중이 높으면 어려움 | 비교적 쉬움 | 전용장비가 필요함 | 고경도 스테인리스는 더 어려움 | |||||||||
| 열팽창계수 (Coefficient of Thermal Expansion) |
11-13 µm/m·°C | 23-24 µm/m·°C | 16-17 µm/m·°C | 알루미늄은 열보상 설계 필요함 | |||||||||
| 가격(Cost) | 저렴함 | 중간수준 | 비쌈 | 스테인리스는 고경도의 경우 더 비쌈 | |||||||||
표를 작성하다보니 마치 알루미늄이 약하다는 식으로 적어두었지만 금속이기 때문에 상당히 단단합니다.
그저 같은 금속끼리 비교했을 때 비교적 약하다는 것 뿐입니다.
일상적인 개념에서는 다 금속이라 단단합니다.
최근의 정밀공정에서는 수 마이크로 미터(㎛) 스케일의 변화도 영향이 있는 경우가 있습니다.
이런 경우 소재의 특성을 정확하게 살려야 합니다.
5. 주로 사용되는 용도의 예
같은 용도로 철, 알루미늄, 스테인리스 다 사용할 수도 있기는 합니다.
일상에서 사용하는 것은 아마 스테인리스강으로 많이 커버 될 것입니다.
공정이나 직업적으로 물건을 사용할 때는 소재의 특성을 잘 살린 전문제품이 필요합니다.
① 철(Steel)
철은 강도와 내구성이 필요한 경우에 많이 사용됩니다.
특히 사용할 때 대량으로 쓰는 경우가 많은데 가격이 저렴하면서도 성능이 확실한 금속입니다.
자동차의 차체, 철도의 차체, 선박의 주요 구조물 등 강도가 중요한 운송수단에 사용됩니다.
건물과 다리, 붕괴되었을 때 치명적인 영향이 있는 구조물에는 내구성 높은 철근을 많이 사용합니다.
기계 및 중장비에서 많이 사용하는데, 무거운 물건을 들어야 하는 장비나 농기계등 산업용 장비에 많이 사용됩니다.
② 알루미늄(Aluminum)
알루미늄은 가볍기 때문에 경량화가 필요하거나 정밀한 형상이 필요할 때 사용합니다.
가공성이 높기 때문에 다양한 분야에서 골고루 사용되며 다른 금속을 대체하기도 합니다.
항공이나 우주, 가벼운 특성을 살려서 비행기나 드론에 많이 사용합니다.
강도가 필요한 부분은 철을 사용하고 그렇지 않는 부분은 알루미늄을 사용해 가볍게 합니다.
산업현장에서 사용되는 형상이 복잡하면서 사람이 사용하는 일반 조립지그류에 많이 쓰입니다.
자동차에도 움직이는 부분에 사용해서 표면이 상했을 때 내식성이 강한 특성을 살리고 경량화에도 도움이 됩니다.
얇게 가공하기 쉬워 음료 캔도 전부 알루미늄으로 만듭니다.
건축에는 창틀처럼 표면이 상하기 쉬운 곳에 설치합니다.
열전도율이 높아서 컴퓨터나 노트북의 방열판으로도 체택되고는 합니다.
③ 스테인리스강(Stainless Steel)
스테인리스강은 뛰어난 위생이나 녹슬면 안되는 곳에서 적합하게 사용됩니다.
고경도로 제작 가능함으로 필요한 경우 고성능으로 제작합니다.
주방기기에 단연 탑으로 많이 사용됩니다. 물과 거의 함께 사용하기 때문에 적합합니다.
의료기기에도 많이 사용되되며 수술도구 같은 경우 고경도의 스테인리스를 사용합니다.
그리고 스테인리스는 외관이 뛰어난 특성을 살려 건축 마감제나 계단등에 적용하곤합니다.
자동차의 배기 시스템, 건물의 환기시스템등 부식되기 쉬운부분에 금속으로 좋은 선택입니다.
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