철 금속 완벽 가이드: 특성, 종류, 용도 총정리

철 금속이란?

'철 금속'이라는 용어는 '철을 함유한 금속 화합물'을 뜻하는 라틴어 'Ferrum'에서 유래했습니다. 철 금속은 조성에서 소량의 철만을 포함하는 금속입니다. 철 함량 덕분에 자성을 띠며 높은 강도와 경도를 가집니다.

철 금속은 주로 철로 구성되고 자성을 띠는 모든 금속입니다. 철 금속은 경도, 내구성, 인장 강도로 유명합니다. 대표적인 철 금속으로는 합금강, 탄소강, 주철, 단철이 있습니다. 철 금속은 강도로 잘 알려져 널리 쓰입니다.

철 금속은 탄소 분자 함량이 높아 습기나 산성, 부식성 환경에 노출되면 부식에 매우 취약합니다. 따라서 원하는 특성을 얻기 위해 다양한 합금 원소와 혼합되는 것이 일반적입니다.

사용되는 합금 원소의 예로는 크로뮴, 바나듐, 니켈, 망간이 있습니다. 이 원소들은 철강에 다양한 공학 산업에서 널리 쓰이게 하는 물성치를 부여합니다.

바람직한 철 금속 특성으로는 내구성, 우수한 인장 강도, 자성, 낮은 내식성, 은색, 재활용 가능성, 전기 전도성 등이 있습니다. 하지만 합금 원소가 다양하게 쓰여 특성이 바뀌므로 철 금속 전체에 공통 특성을 일반화하기는 어렵습니다.

이들이 가진 특성 덕분에 산업 및 건축 분야의 마천루, 교량, 철도, 차량 같은 프로젝트에 완벽하게 쓰입니다. 자성 덕분에 각종 가전제품과 엔진에도 널리 사용됩니다.

그러나 철 금속은 탄소 함량이 높아 일반적으로 녹이 슬기 쉽습니다. 스테인리스강은 크롬 함량 덕분에, 단철은 철의 순도 덕분에 예외입니다. 철 금속은 해상 컨테이너, 산업용 배관, 자동차, 철로, 선박, 다양한 상업용 및 가정용 공구 제조 등 거의 모든 산업에서 널리 쓰입니다.

참고 자료:

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Ferrous(철의)란?

화학에서 형용사 'Ferrous'는 철(II)을 함유한 화합물, 즉 +2 산화 상태의 철, 이가 양이온 Fe²⁺일 수 있음을 나타냅니다. 이는 'ferric' 또는 철(III), 즉 +3 산화 상태의 철, 삼가 양이온 Fe³⁺와 대비됩니다.

이 용법은 IUPAC 명명법으로 대체되었는데, 산화 상태를 괄호 안 로마 숫자로 표시합니다. 예: 철(II) 산화물(ferrous oxide, FeO), 철(III) 산화물(ferric oxide, Fe₂O₃), 철(II,III) 산화물(Fe₃O₄, 두 철 형태 모두 포함).

화학 외에서는 'ferrous'가 일반적으로 '철을 함유한'을 뜻합니다. 이 단어는 라틴어 'Ferrum'(철)에서 파생되었습니다. 철 금속에는 강철과 선철(탄소 함량 몇 %), 다른 금속과의 철 합금(스테인리스강 등)이 포함됩니다. '비철(Non-ferrous)'은 상당량의 철을 포함하지 않는 금속과 합금을 설명하는 데 쓰입니다.

'ferrous'라는 용어는 보통 금속과 합금에만 적용됩니다. 'ferruginous'라는 형용사는 철을 함유한 비금속 물질(예: 'ferruginous water' 철분수)이나 녹을 닮은 주황빛 갈색을 지칭하는 데 쓰입니다.

철 금속의 특성

철 금속은 녹이 슬기 쉽고 자성을 띤다는 기본 특성을 공유합니다. 일반적인 철 금속 특성 목록:

• 내구성
• 우수한 인장 강도
• 우수한 전기 전도성
• 낮은 내식성
• 은색
• 재활용 가능
• 일반적으로 자성

철 금속은 크로뮴, 니켈, 망간, 몰리브덴, 바나듐, 망간 등 다양한 합금 원소를 포함할 수 있습니다. 이 합금 원소들은 철 금속에 다양한 특성을 부여해 공구, 파이프라인, 용기, 커틀러리, 마천루 같은 대형 구조물 등 다양한 공학 및 기타 용도에 쓸 수 있게 합니다.

철 금속 리스트

대표적인 철 금속으로는 합금강, 탄소강, 주철, 단철이 있습니다. 각각 살펴보겠습니다.

1. 강철

강철은 철에 탄소를 첨가해 철을 경화시킨 것입니다. 크로뮴, 니켈 같은 다른 원소를 도입하면 합금강이 되어 더 강해집니다. 강철은 철광석을 용광로에서 가열해 녹여 만듭니다. 강철은 용광로에서 뽑아 금형에 부어 강철 봉을 만듭니다. 강철은 건설 및 제조 산업에서 널리 쓰입니다.

2. 탄소강

탄소강은 다른 강종 대비 탄소 함량이 높아 매우 단단합니다. 기계 공구, 드릴, 블레이드, 탭, 스프링 제조에 흔히 쓰입니다. 날카로운 절삭 날을 유지할 수 있습니다.

3. 합금강

합금강은 크로뮴, 니켈, 티타늄 같은 원소를 첨가해 무게 증가 없이 강도와 내구성을 높입니다. 크롬을 사용해 만든 스테인리스강이 중요한 합금강입니다. 합금강은 건설, 기계 공구, 전기 부품에 쓰입니다.

4. 주철

주철은 철, 탄소, 실리콘으로 만든 합금입니다. 주철은 부서지기 쉽고 단단하며 내마모성입니다. 수도관, 기계 공구, 자동차 엔진, 난로에 쓰입니다.

주철은 탄소 함량 1.5-4%를 철과 합금화해 만듭니다. 실리콘, 망간, 황, 인 같은 다른 원소도 소량 포함됩니다. 주철은 부서지기 쉽지만 경도 덕분에 내마모성이 좋습니다. 주조가 쉽고, 상대적으로 저렴하며, 압축 강도가 높고, 녹는점이 낮습니다.

5. 단철

단철은 탄소 함량이 매우 적어 거의 순철에 가깝습니다. 제조 과정에서 슬래그가 일부 첨가되어 단철은 내식성과 내산화성이 뛰어나지만, 경도와 피로 강도는 낮습니다. 단철은 울타리와 난간, 농기구, 못, 철조망, 체인, 각종 장식품에 쓰입니다.

각 철 금속의 예시와 용도

철 금속의 특성이 다양해 사용되는 금속에 따라 다양한 용도가 있습니다:

비합금강 (탄소강)

탄소강으로도 알려진 비합금강은 탄소를 합금 원소로 사용합니다. 망간, 실리콘, 황, 인 같은 다른 원소도 포함되지만 함량이 너무 낮아 물성에 영향을 주지 않습니다.

비합금강은 탄소 함량에 따라 저탄소, 중탄소, 고탄소강으로 분류되며, 각각 특성과 열처리 방법이 다릅니다:

1. 저탄소강

저탄소강(마일드 강이라고도 함)은 탄소 0.05-0.25%를 함유합니다. 저렴하고 전성이 좋아 너트, 볼트, 단조품 등에 널리 쓰입니다. 표면 경도는 침탄으로 높일 수 있습니다.

2. 중탄소강

중탄소강은 탄소 0.25-0.6%를 함유합니다. 탄소 함량 증가로 저탄소강 대비 강도와 경도가 향상됩니다. 하지만 연성은 저탄소강보다 떨어집니다.

중탄소강의 탄소와 망간 수치 증가로 담금질과 템퍼링이 가능합니다. 이 강종은 자동차 부품(기어, 액슬, 샤프트) 제조에 널리 쓰이며 철도 용도에도 적합합니다.

3. 고탄소강

고탄소강은 탄소 0.6-1%를 함유하며 비합금강 중 가장 강합니다. 이 강도 덕분에 기계적 마모 저항이 필요한 용도에 이상적이며 형상 유지력도 좋습니다.

단점으로는 저탄소강 대비 용접성, 연성, 충격 인성이 떨어집니다. 고탄소강은 스프링, 블레이드, 레일 강, 와이어 로프, 내마모 판, 공구 등에 쓰입니다.

합금강과 합금 원소

합금강은 철 금속의 또 다른 하위 그룹으로, 각 합금 원소마다 고유한 물성치 효과가 있습니다. 이 합금 원소에는 크롬, 구리, 니켈, 실리콘, 티타늄 등이 있으며, 결합해 다양한 특성을 부여할 수 있습니다. 가장 흔한 합금 원소들의 특성:

1. 크로뮴

크로뮴은 스테인리스강 제조에 쓰이며, 11% 이상 함유 시 금속을 내식성으로 만듭니다. 금속 표면의 산화 크로뮴 층이 하부 금속의 산소 접촉을 차단해 부식 가능성을 크게 낮춥니다. 크로뮴은 경도, 인장 강도, 인성, 내마모성도 높입니다.

2. 망간

망간은 철 황화물 생성을 방지하고, 고온 강도 향상, 연성과 내마모성 개선에 쓰입니다. 망간은 담금질을 통한 경화성 개선, 결함 형성 위험 감소, 금속 안정화에도 기여합니다.

3. 니켈

니켈은 다른 원소와 함께 쓰이면 연성과 내식성을 높입니다. 예: 18% 크로뮴과 8% 니켈 혼합으로 매우 내구성 강한 스테인리스강이 만들어집니다.

4. 실리콘

실리콘은 금속의 자성 특성을 높이고 강도를 개선하며 스프링 같은 용도에 탄성을 부여합니다.

5. 티타늄

티타늄은 금속의 강도와 내식성을 높이고 오스테나이트 입자 크기를 제한합니다.

6. 바나듐

바나듐 탄화물도 금속 입자 크기를 제한해 합금 재료의 연성을 높입니다. 바나듐은 강도, 경도, 내마모성, 내충격성도 개선합니다. 하지만 과량 사용 시 물성에 악영향을 줄 수 있습니다.

7. 몰리브덴

몰리브덴은 고온에서 작동하는 강철 합금에 좋은 영향을 줍니다. 기계적 특성 개선뿐 아니라 녹과 부식 저항성 향상, 다른 합금 원소 효과 증폭도 제공합니다.

자주 묻는 질문

철 금속이란?

'ferrous'는 라틴어 'Ferrum'에서 왔으며 '철'을 뜻합니다. 철 금속에는 강철, 주철, 다른 금속과의 철 합금(스테인리스강 등)이 포함됩니다.

철 금속 예시는?

가장 흔한 철 금속 예시로는 강철, 주철, 단철이 있습니다. 강철은 강인함과 가공성으로 유명해 건설과 제조 산업에 널리 쓰입니다.

철 금속과 비철 금속이란?

철 금속은 철을 함유한 금속으로 정의됩니다. 비철 금속은 그렇지 않습니다. 주물 공장의 주요 전문 분야 구분은 철 금속, 비철 금속, 또는 둘 다를 다루느냐입니다. 철 금속의 정의는 철을 함유한 모든 금속, 비철 금속은 철을 함유하지 않은 금속입니다.

대표적인 철 금속 4가지는?

가장 흔한 철 금속은 주철, 단철, 합금강, 탄소강(구조용 강철이라고도 함)입니다.

금속의 3가지 유형은?

철 금속, 비철 금속, 합금 세 가지 주요 유형. 철 금속은 대부분 철과 소량의 다른 원소로 구성됩니다.

철 금속은 어떻게 만들어지나?

철 금속은 철광석에서 추출해야 합니다. 철광석의 근원은 지구 지각으로, 산화철 같은 금속과 금속 화합물을 포함합니다. 하지만 광석은 종종 다른 물질과 혼합되어 있습니다. 금속 활용을 최적화하려면 혼합물에서 추출해야 합니다.

가장 흔한 철 금속은?

탄소강이 가장 널리 쓰이는 철 금속일 것입니다. 화학 조성의 90% 이상이 철이며, 다른 주요 합금 원소는 탄소뿐입니다.

왜 스테인리스강은 철 금속인가?

스테인리스강은 철을 함유하므로 철 금속입니다. 철 금속은 주로 철을 포함합니다. 필요한 특성을 부여하기 위해 소량의 다른 금속이나 원소가 첨가됩니다. 철 금속은 자성을 띠며 내식성은 낮습니다.

페릭(ferric)과 페러스(ferrous)의 차이는?

산화 제2철(ferrous oxide, 철(II) 산화물)은 산화 과정에서 전자 2개를 잃은 철을 포함하므로 여분 전자 2개를 가진 다른 원자와 결합할 수 있습니다. 산화 제3철(ferric oxide, 철(III) 산화물)은 전자 3개를 잃은 철을 포함합니다.

왜 철 금속은 자성을 띠나?

철 금속은 철을 함유한 모든 금속을 지칭합니다. 철 함량 덕분에 철 금속은 자성을 띠며 강하고 단단합니다.

철 합금이란?

철 합금(페로알로이) 또는 금속은 대부분 철(Fe)로 구성된 금속입니다. 강철은 일반적으로 1% 미만 탄소를 함유한 철 기반 합금인 반면, 선철은 흔히 2% 이상 탄소를 함유합니다.

왜 망간은 철 금속인가?

망간과 코발트에는 철 성분이 있어 철 광물이라 부릅니다. 반면 운모, 보크사이트는 철을 포함하지 않아 비철 광물입니다.

철 광물이란? 예시 둘을 드시오.

철을 함유한 광물을 철 광물이라 합니다. 철 광물의 예: 크로마이트, 철광석, 망간.