CNC 기계
철금속과 비철금속의 차이점은 무엇인가요? 그 대답은 결국 지구 지각의 상당 부분을 구성하는 물질인 철에 있습니다. 철금속은 철을 주성분으로 함유하고 있는 반면, 비철금속은 철 함유량이 거의 또는 전혀 없습니다.
질량 측면에서 철은 지구상에서 가장 흔한 원소이며, 수천 년 동안 인간이 사용해 왔습니다. 최초의 철 유물인 유성 철구슬은 기원전 4천년 이집트에서 발견되었으며, 2천년 후에는 광석에서 철을 생산하는 일이 널리 퍼졌습니다. 철은 바람직한 특성을 많이 갖고 있을 뿐만 아니라 가격도 매우 저렴하여 지구상에서 가장 유용한 금속 중 하나입니다.
철을 주성분으로 함유한 금속은 라틴어 "ferrum"에서 유래한 철금속(ferrous metal)으로 알려져 있습니다. (철은 화학 기호 "Fe"를 가집니다.) 철 금속은 상당량의 철을 함유하지 않은 비철 금속과 상당히 다르게 반응하기 때문에 이는 유용한 분류입니다.
철금속은 비철금속에 비해 가격이 저렴할 뿐만 아니라 자성, 강도, 내구성이 특징입니다. 이 때문에 건설, 제조 등의 분야에서 널리 사용됩니다.
이 기사에서는 철금속과 비철금속의 차이점을 예를 들어 설명합니다. 철 및 비철금속의 주요 특성과 다양한 산업 전반의 주요 용도를 살펴봅니다.
철금속은 철을 주성분으로 함유한 금속 또는 합금입니다. 이는 이러한 금속이 다른 원소보다 철을 더 많이 함유하고 있음을 의미하지만, 일부는 50% 미만을 함유하고 있습니다. “철”이라는 용어는 철을 뜻하는 라틴어 “페럼(ferrum)”에서 유래되었습니다.
철의 존재가 철 금속을 정의하는 반면, 철의 문화적 영향은 화학적 성질만큼 중요합니다. 인류 역사의 맥락에서 철금속은 인프라, 기계 및 도구의 개발을 뒷받침해 온 재료로 생각할 수 있습니다. 고대 문명이 이를 도구와 무기의 재료로 채택함으로써 세 금속 시대 중 마지막인 철기 시대가 도래했습니다.
아래 하위 섹션에서는 오늘날 제조업체에서 사용할 수 있는 가장 중요한 철 금속에 대한 설명과 함께 철 금속의 화학적, 기계적 특성을 살펴보겠습니다.
건축용 빔 및 중장비와 같은 모든 종류의 중요한 구성 요소 및 구조물에서 철 금속을 찾을 수 있습니다. 이는 기계적, 화학적, 자기적 특성의 바람직한 조합 덕분입니다. 이러한 특성은 특정 금속이나 합금에 따라 다르지만 일반적으로 철금속은 아래에서 살펴보는 일련의 핵심 재료 특성으로 식별할 수 있습니다.
아마도 철 금속의 가장 중요한 특성이자 산업 응용 분야에서 널리 사용되는 이유는 바로 강도일 것입니다. 탄소 및 기타 원소와 합금되면 철은 매우 높은 수준의 인장 강도와 경도를 얻습니다(비록 그 자체는 상대적으로 부드럽지만). 이는 첨가된 탄소 원자가 전위 이동을 방해하여 철의 결정 격자 내부 공간에 들어가 강철로 변하기 때문입니다.
다양한 철금속은 다양한 유형의 강도를 나타냅니다. 예를 들어, 탄소강은 변형 없이 무거운 하중을 견딜 수 있는 능력으로 인해 구조용 빔 및 기계 부품과 같은 응용 분야에 사용됩니다. 한편, 주철은 부서지기 쉽지만 압축 강도가 매우 우수하기 때문에 기계 및 조리기구 부품에 적합한 소재입니다.
철금속의 또 다른 주요 특성은 자성입니다. 철 원자 내의 짝을 이루지 않은 전자는 스핀을 정렬하여 강자성이라고 불리는 특정 유형의 자성을 생성합니다. 간단히 말해서, 강자성은 상자성으로 인한 약한 인력이나 반자성으로 인한 약한 반발력과 달리 물체 사이에 강한 인력을 발생시킵니다.
이 자성은 순철과 저탄소 합금에서 가장 강력합니다. 반대로, 특정 원소와의 합금은 철 금속의 자성을 대폭 감소시킬 수 있습니다. 예를 들어, 오스테나이트계 스테인리스강에는 전자가 정렬되는 것을 방지하고 강한 자기장을 생성하여 재료를 비강자성으로 만드는 데 충분한 니켈이 포함되어 있습니다.
자성은 특정 철금속을 변압기, 모터 및 발전기와 같은 산업 시스템에 매우 바람직하게 만듭니다. 또한 이러한 물질을 재활용하기가 더 쉽습니다. 자석은 재활용이 불가능한 폐기물에서 강철 및 철 스크랩을 신속하게 분리할 수 있으므로 수동 분류가 필요 없고 복구 비용이 절감됩니다.
엔지니어링 관점에서 볼 때 철금속의 가장 중요한 부정적인 특성은 부식 저항성이 낮다는 것입니다. 철은 산소 및 물과 반응하여 수화된 산화철(평신도의 용어로는 녹)을 생성합니다. 이러한 산화물은 금속 표면에서 떨어져 나와 추가 산화에 취약한 새로운 층을 노출시킵니다.
부식에 대한 이러한 낮은 저항성은 철금속을 많은 실외 및 해양 응용 분야에 적합하지 않은 선택으로 만듭니다. 그러나 다음과 같은 특정 기술을 사용하면 저항력을 향상시킬 수 있습니다.
가장 부식에 강한 철금속 중 하나는 스테인레스강입니다. 이 소재는 크롬과의 합금을 통해 녹에 대한 저항력을 갖게 되며, 이는 자가 치유 수동 산화물 층을 생성합니다. 가장 부식에 강한 스테인리스강 등급 중 하나는 316 스테인리스강으로, 몰리브덴과의 추가 합금이 장점입니다. 이 합금은 해양 등급 스테인리스강으로도 알려져 있습니다.
철 금속은 일반적으로 밀도가 높고 무겁습니다. 철의 실온 밀도는 7.874g/cm3이며 이러한 특성은 긍정적인 결과와 부정적인 결과를 모두 가져올 수 있습니다. 건설, 조선 등의 분야에서는 철재의 무거움이 장점으로, 질량과 안정성을 제공하여 구조물이 무너지지 않도록 해줍니다. 강철은 무게가 안전을 제공하는 교량이나 고층 건물과 같은 거대한 구조물 뒤에 숨어 있는 그다지 비밀이 아닌 재료입니다(구조물을 이동할 필요가 없기 때문에 뚜렷한 단점도 없습니다).
즉, 철 금속의 무게로 인해 특정 용도에 적합하지 않습니다. 항공우주와 같은 산업에서는 연료 소비를 줄이기 위해 강도와 중량 감소의 균형을 맞춰야 하므로 일반적으로 강철과 같은 무거운 금속은 티타늄과 같은 경량(비철) 대체재로 대체됩니다. 휴대용 전자 제품의 경우 소비자는 강도상의 이점에 관계없이 주머니나 배낭에 무거운 물건을 넣고 싶어하지 않습니다.
철 금속은 비철 금속에 비해 그 정도는 낮지만 열과 전기를 전도할 수 있습니다. 일반적으로 철금속은 높은 수준의 전기 저항률을 나타내므로 배선 및 회로에 적합하지 않은 재료입니다. 그럼에도 불구하고 적당한 수준의 전도성 덕분에 철 금속은 발열체나 모터의 구조 부품과 같은 부품에 유용합니다.
철금속의 열전도도와 전기전도도는 합금 원소에 따라 달라집니다. 예를 들어, 위에서 설명한 일부 스테인리스강은 향상된 내부식성으로 인해 실외 응용 분야에 유용하다고 평가되며 일반적으로 탄소강보다 전도성이 낮습니다.
철 금속의 가단성과 연성은 매우 다양합니다. 주로 이러한 특성은 철 함량보다는 금속의 탄소 함량뿐만 아니라 미세 구조 및 가공 정도와 같은 기타 요인에 따라 달라지기 때문입니다.
스펙트럼의 한쪽 끝에서 연철과 연강은 매우 가단성이 있으므로 파손되지 않고 판금이나 와이어로 성형될 수 있습니다. 이러한 금속은 다양한 모양으로 성형될 수 있으므로 단조, 압출, 스탬핑 및 기타 제조 공정에 적합한 재료입니다. 스펙트럼의 반대편에 있는 고탄소강과 주철은 더 부서지기 쉽고 변형 시 균열이 생길 수 있으므로 사형 주조와 같은 제조 공정에 더 적합합니다.
철 금속의 가장 일반적인 예로는 탄소강, 합금강, 주철, 연철 및 스테인레스강이 있습니다. 철금속은 비철금속보다 좁은 범주를 나타냅니다. 대부분은 철이나 강철(철과 탄소의 합금) 유형입니다. 그러나 이러한 재료의 등급과 합금은 매우 다양할 수 있습니다. 예를 들어, 합금강은 재료 특성을 개선하기 위해 다른 원소를 첨가한 강철을 광범위하게 지칭합니다.
탄소강은 구조 및 기계 부품으로 쉽게 가공하거나 용접할 수 있는 강력하고 비용 효과적인 소재로 건설 및 기계 분야에 널리 사용됩니다.
합금강은 합금 원소를 추가하여 강화된 강도와 내열성을 제공하므로 도구, 파이프라인 및 기타 고응력 응용 분야에 적합합니다.
주철은 부서지기 쉽지만 경도와 높은 압축 강도로 잘 알려져 있습니다. 일반적으로 엔진 블록, 파이프, 조리기구 등 복잡한 형태로 주조됩니다.
연철은 단단하고 연성이며 단조나 압연으로 쉽게 성형할 수 있어 장식용 대문, 난간 및 건축 세부 사항에 이상적입니다.
스테인레스강은 강도와 내식성, 위생성이 뛰어나 의료기기, 주방용품, 식품가공기기 등에 적합합니다.
아래 표에는 철금속의 간략한 목록이 나와 있습니다.
주요 속성
비용
응용프로그램
탄소강
강력하고 저렴함
낮음
건설, 기계
합금강
강함, 내열성, 합금 원소에 따라 다름
보통
도구, 파이프라인
주철
높은 압축 강도, 부서지기 쉬운
낮음
엔진 블록, 조리기구
단철
견고하고 연성
낮음/보통
장식적인 건축학적 특징
스테인레스 스틸
부식 방지, 살균 가능
보통 / 높음
의료기기, 주방용품
철금속은 풍부하고 가격이 저렴하며 강도가 높기 때문에 다양한 산업 분야에서 사용됩니다. 철금속의 일반적인 응용 분야 중 일부가 산업별로 분류되어 아래에 나와 있습니다.
지금까지 철금속이 무엇인지 살펴보았는데, 비철금속은 무엇인가요? 비철금속은 철이 주성분이 아닌 금속이나 합금의 일종입니다. 실제로 비철금속은 철을 거의 또는 전혀 함유하지 않는 경향이 있지만, 정의에 따르면 최대 50%까지 철을 함유할 수 있습니다. 철금속은 보유하고 있는 것보다 부족한 것으로 정의되기 때문에 범주가 상당히 넓습니다.
우리는 인류 역사 전반에 걸쳐 철금속의 중요한 역할에 대해 논의했지만, 비철금속도 그만큼 큰 영향을 미쳤다고 주장할 수 있습니다. 결국 구리시대와 청동기시대는 철기시대의 토대를 마련했다. 그러나 철금속이 풍부하여 인류 문명의 핵심이 된 반면, 많은 비철금속은 희소성으로 인해 중요하게 되었습니다. 예를 들어, 은과 금은 다른 금속에 비해 상대적으로 희귀하기 때문에 화폐의 한 형태가 되었습니다.
다음 하위 섹션에서는 비철금속의 재료 특성을 더 자세히 살펴보고 알루미늄, 구리, 귀금속과 같은 주요 비철금속 사례를 비교해 보겠습니다.
철 함량이 부족하여 정의되는 비철금속은 철금속과 다른 재료 특성을 제공합니다. 그러나 이 범주의 광범위한 특성은 다양한 비철금속 간에 특성이 크게 다를 수 있음을 의미합니다. 전체적으로 비철금속은 철금속에 비해 내식성, 전도성, 경량성이 우수한 것으로 알려져 있습니다.
비철금속은 강도와 경도 면에서 혼합백으로, 이는 철금속의 일관된 강도와 대조됩니다. 알루미늄과 같은 일부 순수 비철금속은 상대적으로 부드럽지만 합금화 및 열처리를 통해 강화할 수 있습니다. 7068, 7075와 같은 알루미늄 합금은 항공기에 사용되며 강도와 내식성이 우수합니다.
일부 비철금속은 강도와 경도가 낮은 것으로 알려져 있습니다. 여기에는 주석, 납, 아연이 포함됩니다. 스펙트럼의 반대쪽 끝에 있는 티타늄은 특정 강철에 필적하는 수준의 강도를 제공하지만 훨씬 더 바람직한 무게 대비 강도 비율을 제공하므로 항공우주 및 의료와 같은 분야에서 맞춤형 신체 임플란트를 만드는 데 사용되는 필수 소재입니다.
비철금속은 강도와 경도에 있어서 명확한 패턴을 거의 나타내지 않지만 자성에 관해서는 기본적으로 모두 그 패턴을 따릅니다. 비철금속은 비자성이므로 자성이 위험할 수 있는 제조 응용 분야에 이상적인 후보입니다. 예를 들어 티타늄이나 알루미늄과 같은 재료가 특히 유용한 병원 MRI 기계 및 민감한 전자 시스템이 있습니다.
이러한 자력 부족은 재활용 시 불리한 점이 됩니다. 철금속과 달리 비철금속은 산업용 자석으로 대규모로 분류할 수 없으므로 회수 비용이 증가합니다. 그러나 많은 비철금속은 일단 분류된 후 잘 재활용되어 용해 후에도 재료 특성을 유지합니다.
내식성은 철금속 대신 비철금속을 선택하는 가장 큰 이유 중 하나입니다. 산소와 물에 노출되면 녹슬고 분해되는 철과 달리 많은 비철금속은 일반적으로 보호 코팅이 필요 없이 이러한 부식성 원소로부터 스스로를 잘 보호할 수 있습니다.
비철금속은 다양한 독특한 방식으로 부식으로부터 자신을 보호합니다. 많은 비철금속은 외관을 향상시키기 위해 양극 산화 처리되거나 표면 코팅될 수 있습니다. 예를 들어, 구리는 독특한 녹색 녹청(탄산구리)을 생성하여 추가 산화를 방지하는 반면, 알루미늄은 공격에 저항하는 얇은 산화물 층을 형성합니다. 이 공정은 양극산화라고 불리는 표면 마감 처리를 통해 제어된 방식으로 유도될 수 있습니다. 티타늄은 산, 해수, 체액에 저항하는 매우 안정적인 산화막을 생성합니다.
비철금속은 내식성이 뛰어나 해양 환경, 지붕, 클래딩, 화학 플랜트, 생체의학 장치 및 임플란트를 비롯한 광범위한 응용 분야에 적합합니다.
대체로 비철금속은 철금속에 비해 밀도가 매우 낮습니다. 예를 들어, 알루미늄의 밀도는 2.7g/cm3로 강철 밀도의 약 1/3입니다. 티타늄은 밀도가 약 4.5g/cm3(강철보다 훨씬 낮음)로 약간 높지만 강도가 매우 높아 항공우주와 같은 산업에서 선호되는 소재입니다. 구리와 같은 재료는 더 무겁지만 다른 바람직한 특성을 포함하고 있으므로 전기 시스템과 같은 다른 응용 분야에 사용됩니다.
전기 및 열 전도성은 비철금속의 주목할만한 특성입니다. 구리는 탁월한 전기 전도성을 제공하므로 배선 및 기타 부품에 적합한 소재입니다. 알루미늄은 구리의 약 60% 전도성을 제공하지만 우수한 전도성과 낮은 밀도의 균형으로 인해 다양한 용도(예:경량 케이블 및 가공 전력선)로 사용됩니다. 은은 모든 금속 중에서 최고의 전기 전도체이지만 가격이 비싸서 사용이 제한됩니다. 고주파 커넥터나 태양전지 같은 부품에서 찾을 수 있습니다.
열전도율 측면에서 구리, 알루미늄과 같은 비철금속은 열교환기, 라디에이터, 조리기구와 같은 응용 분야에 적합한 재료입니다. 전기 전도성과 마찬가지로 은은 전도성이 429W/(m·K)로 모든 금속 중에서 가장 성능이 좋지만 비용이 높기 때문에 고급 냉각 시스템과 같은 특정 응용 분야에만 사용됩니다.
대부분의 비철금속은 철금속보다 가단성과 연성이 더 높습니다. 대부분은 균열 없이 다양한 방법(롤링, 드로잉 등)으로 성형할 수 있습니다. 이는 전기 목적을 위해 정기적으로 얇은 와이어로 그려지는 구리와 종종 얇은 호일로 판매되는 알루미늄과 같은 재료에 특히 유용합니다. 비철금속은 가단성으로 인해 제조 방법과 최종 용도가 다양해집니다.
대표적인 비철금속으로는 알루미늄, 구리, 주석, 황동, 청동, 아연, 납, 니켈, 티타늄, 금, 은, 백금 등의 귀금속이 있습니다. 많은 금속은 비철금속으로 분류될 수 있으며 이러한 금속은 재료 특성과 용도가 상당히 다를 수 있습니다. 예를 들어, 실제 알루미늄의 용도는 금의 용도와 크게 다르지 않습니다. 그럼에도 불구하고 이들 재료는 강자성이 부족하고 철금속에 비해 일반적으로 우수한 내부식성 수준과 같은 공통 특성을 공유합니다.
알루미늄은 가볍고 부식에 강한 금속으로 가공 및 성형이 쉬우므로 운송, 포장 및 항공우주 부품에 사용하기에 이상적입니다.
구리는 전기 및 열 전도성이 뛰어나고 연성이 높아 배선, 배관, 전자 부품의 주요 재료로 사용됩니다.
구리와 아연의 합금인 황동은 가공성과 매력적인 외관으로 유명합니다. 일반적으로 고정 장치, 밸브 및 악기에 사용됩니다.
구리와 주석의 합금인 청동은 강도와 내마모성이 뛰어나 베어링, 부속품, 기계 부품에 적합합니다.
아연은 융점이 낮고 주조가 용이하며 다이캐스팅, 아연도금 및 부식 방지 코팅에 자주 사용됩니다.
납은 밀도가 높고 부드러우며 가단성이 있는 금속으로 방사선에 대한 탁월한 차폐 기능을 제공하며 일반적으로 배터리, 케이블 피복 및 보호 장벽에 사용됩니다.
니켈은 강도, 내식성, 내열성으로 인해 가치가 높으며 도금, 합금 생산 및 고온 장비에 널리 사용됩니다.
티타늄은 탁월한 강도와 가벼운 무게 및 생체 적합성을 결합하여 항공우주 부품, 의료용 임플란트 및 고성능 엔지니어링에 필수적입니다.
금은 연성이 뛰어나고 우수한 전기 전도체로서 변색에 대한 저항성과 보석, 전자 제품 및 정밀 커넥터에 사용되는 것으로 유명합니다.
은은 모든 금속 중에서 전기 및 열 전도성이 가장 높으며 전자 제품, 태양광 패널 및 고급 보석류에서 중요한 역할을 합니다.
백금은 밀도가 높고 부식에 강하며 촉매성이 높아 자동차 촉매제, 실험실 장비 및 고급 보석류에 유용합니다.
아래 표는 비철금속의 간략한 목록을 보여줍니다.
주요 속성
비용
응용프로그램
알루미늄
경량
$2.7/kg*
포장, 운송
구리
전도성이 높다
$11/kg*
배선, 배관
황동
가공 가능
보통 / 높음
비품, 악기
브론즈
견고하고 내마모성
보통 / 높음
부속품, 기계 부품
아연
낮은 융점
$3/kg*
다이 캐스팅, 아연 도금
리드
촘촘하고 부드럽습니다
$2/kg*
차폐, 배터리
니켈
내열성
$15/kg*
합금, 도금
티타늄
가볍고 튼튼하며 생체 적합성
높음
항공우주, 임플란트
금
연성, 전도성
$124,000/kg*
보석, 전자제품
실버
가장 전도성이 높음
$1,530/kg*
보석, 전자제품, 태양광
플래티넘
촉매
$51,000/kg*
보석, 촉매제
*가격은 2025년 10월 일일 금속 가격
비철금속은 티타늄 제트 엔진 부품부터 구리 배선, 금 전기 접점에 이르기까지 산업 전반에 걸쳐 광범위한 용도로 사용됩니다. 비철금속의 실제 용도는 강도, 전도성, 가공성 또는 기타 요인에 따라 결정될 수 있습니다. 일반적인 비철금속 응용 분야는 다음과 같습니다:
철금속
비철금속
예시
강철, 주철, 탄소강
구리, 알루미늄, 황동, 티타늄
응용프로그램
건설 빔, 자동차 프레임, 도구, 파이프라인
배선, 항공기 부품, 포장, 전자, 배관
비용
낮음
더 높거나 때로는 매우 높음
재활용성
매우 높음:자석으로 쉽게 분리할 수 있으며 손실 없이 반복해서 재활용할 수 있습니다.
높음:분류하기가 더 어렵지만 알루미늄과 구리는 재활용 후에도 특성을 유지합니다.
환경에 미치는 영향
광업/제철로 인한 CO2 배출량은 높지만 재활용하면 발자국이 줄어듭니다
채굴/정제는 에너지 집약적이지만 재활용하면 발자국이 줄어듭니다
힘
높음
변수:일부는 강하고(티타늄) 일부는 더 부드럽습니다(구리, 알루미늄)
자기
일반적으로 자성(철 함량으로 인해)
비자성
부식 저항
녹슬기 쉽다
자연적으로 내부식성(알루미늄, 구리, 티타늄)
밀도/무게
대체적으로 무거움
더 가벼운 경우가 많습니다(알루미늄, 티타늄)
전도도
보통의 전기/열 전도성
높은 전도성(구리, 알루미늄, 귀금속)
즉, 철금속과 비철금속의 차이는 철 함량뿐만 아니라 성능의 균형에도 있습니다. 철금속은 강도가 높고 비용이 저렴하며, 비철금속은 경량과 내식성을 제공하므로 각각 특정 제조 요구 사항에 적합합니다.
엔지니어는 기타 재료 특성 외에도 철 및 비철 금속의 제조 가능성을 고려해야 합니다. 예를 들어, 비철금속은 연성이 더 높고 작업 온도가 낮기 때문에 압출 및 다이캐스팅과 같은 공정에 더 적합한 경향이 있습니다.
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철금속은 자성을 띤다. 철에는 스핀이 정렬되어 자기장을 생성하는 여러 개의 짝을 이루지 않은 전자가 있습니다. 실제로 강자성은 철, 코발트, 니켈과 관련된 특정 종류의 자성으로, 이러한 금속이 영구 자석을 형성할 수 있게 해줍니다.
비철금속은 일반적으로 자기 특성이 부족합니다. 이들은 자석에 대한 강한 인력을 나타내지 않으며 노출 후에도 자성을 유지하지 않습니다. 즉, 일반적으로 비자성이며 상자성 같은 약한 효과만 나타냅니다.
다른 원소보다 더 많은 철을 함유한 물질만이 철금속으로 분류됩니다. 일부 비철금속에는 소량의 철이 포함되어 있습니다. 예를 들어, 일부 알루미늄 청동 합금에는 철이 최대 6%까지 포함될 수 있습니다.
철재료는 자성을 띠고 있기 때문에 폐기물로부터 분류하기 쉽고, 일반적으로 강도를 잃지 않고 녹일 수 있습니다. 비철금속은 분류하기가 더 어렵지만 스크랩 형태의 철금속보다 가치가 더 높은 경우가 많습니다.
비철금속은 철금속보다 풍부하지 않고 추출 및 정제가 더 어렵기 때문에 가격이 더 높은 경향이 있습니다. 또한 내식성 및 가벼운 무게와 같은 귀중한 특성도 제공합니다.
"ferrous"라는 단어는 철을 뜻하는 라틴어인 "ferrum"에서 유래되었습니다. 철의 화학 기호는 Fe입니다.
CNC 기계
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