비철 금속 완벽 가이드: 특성, 종류, 역사와 용도

비철 금속이란?

비철 금속은 상당량의 철을 포함하지 않는 합금 또는 금속입니다. 모든 순수 금속은 철(Fe)을 제외한 비철 원소이며, 철은 라틴어 'Ferrum'에서 온 'ferrite'라고도 불리며 '철'을 뜻합니다.

비철 금속은 철 금속보다 비싼 경향이 있지만, 경량(알루미늄), 고전도성(구리), 비자성, 내식성(아연) 같은 바람직한 특성 덕분에 사용됩니다.

일부 비철 재료는 철강 산업에서 쓰이는데, 예: 보크사이트는 고로의 플럭스로 사용됩니다. 크로마이트, 피롤루사이트, 볼프라마이트 같은 다른 비철 금속은 철 합금 제조에 쓰입니다. 하지만 많은 비철 금속은 녹는점이 낮아 고온 용도에는 덜 적합합니다.

비철 재료는 철을 포함하지 않는 모든 금속과 합금을 아우르며 매우 많습니다. 중요한 비철 금속으로는 알루미늄, 구리, 납, 니켈, 주석, 티타늄, 아연, 그리고 황동 같은 합금이 있습니다.

금, 은, 백금 같은 귀금속과 코발트, 수은, 텅스텐, 베릴륨, 비스무트, 세륨, 카드뮴, 니오븀, 인듐, 갈륨, 게르마늄, 리튬, 셀레늄, 탄탈륨, 텔루륨, 바나듐, 지르코늄 같은 희귀 금속도 비철 금속입니다. 이들은 보통 황화물, 탄산염, 규산염 같은 광물에서 얻습니다. 비철 금속은 주로 전기분해로 정련됩니다.

철 금속과 비철 금속의 차이는 철 함유 여부입니다. 주철이나 탄소강 같은 철 금속은 탄소 함량이 높아 습기 노출 시 일반적으로 녹에 취약합니다. 하지만 단철은 순도 덕분에, 스테인리스강은 크롬 존재 덕분에 부식에서 보호받습니다.

고대 역사

비철 금속은 인간이 야금술에 처음 사용한 금속입니다. 금, 은, 구리는 천연 결정 상태의 금속 형태로 존재했습니다. 희귀하지만 인간의 관심을 끌 만큼 충분한 양으로 발견될 수 있었습니다.

대부분의 다른 금속보다 산소에 덜 민감해 풍화된 노두에서도 발견될 수 있습니다. 구리는 최초로 단조된 금속으로, 냉간 단조로 다양한 물체로 성형할 수 있을 만큼 부드러웠고 도가니에서 녹일 수 있었습니다. 금, 은, 구리는 성형이 자유로워 나무와 돌의 일부 기능을 대체했습니다.

희귀성 때문에 이 금, 은, 구리 유물은 사치품으로 취급되어 매우 신중하게 다뤄졌습니다. 구리 사용은 석기 시대에서 구리 시대로의 전환을 알렸습니다. 구리 시대를 이은 청동기는 비철 금속 주석과 구리의 합금인 청동 발명으로 시작되었습니다.

재활용과 오염 관리

광범위한 사용 덕분에 비철 스크랩 금속은 보통 재활용됩니다. 스크랩의 2차 재료는 야금 산업에 필수적입니다. 신금속 생산에 종종 필요하기 때문입니다. 일부 재활용 시설은 비철 재료를 재용해 및 재주조하며, 드로스는 현장 수거·보관하고 금속 흄은 여과·회수합니다.

비철 스크랩 금속은 산업 스크랩 재료, 입자 배출, 폐기 기술(예: 구리 케이블) 스크랩에서 나옵니다.

용도와 특성

비철 금속은 광범위한 상업, 산업, 주거 용도에 쓰입니다. 기계적 특성(성형 용이성, 공정 중 특성 변화 여부)에 따른 신중한 재료 선정이 필요할 수 있습니다.

철 금속의 많은 특성을 비철 재료에서도 찾을 수 있습니다. 예: 알루미늄이나 티타늄 합금이 일부 경우 강철을 대체할 수 있고, 철의 자성은 코발트, 니켈, 또는 합금된 희토류 원소로 모방 가능합니다.

하지만 비철 금속이 종종 더 비싸기 때문에 단순히 강철 대체재가 아닌 고유한 특성 때문에 쓰이는 경향이 있습니다. 이 특성에는 경량, 전도성, 내식성, 비자성이 포함됩니다. 비철 금속은 철 금속보다 부드럽고 전성이 좋은 경향이 있어 금, 은 같은 심미적 용도에도 쓰입니다.

비철 금속의 특성:

• 가공 용이(기계 가공성, 주조성, 용접성 포함)
• 높은 내식성
• 우수한 열/전기 전도성
• 낮은 밀도
• 비자성
• 다양한 색상

주요 비철 금속과 합금

철을 포함하지 않는 모든 금속을 아우르므로 비철 금속과 합금의 종류는 매우 많습니다.

주요 비철 금속 리스트:

• 알루미늄
• 구리
• 납
• 니켈
• 주석
• 티타늄
• 아연

• 황동
• 금
• 은
• 백금
• 코발트
• 수은
• 텅스텐

• 베릴륨
• 비스무트
• 세륨
• 카드뮴
• 니오븀
• 인듐
• 갈륨

• 게르마늄
• 리튬
• 셀레늄
• 탄탈륨
• 텔루륨
• 바나듐
• 지르코늄

더 흔한 비철 금속들의 특성과 일반적인 용도:

1. 구리

수천 년간 인간에게 쓰여온 구리는 여전히 산업에서 널리 쓰입니다. 구리 합금인 황동(구리+아연)과 청동(구리+주석)이 이 비철 금속의 용도를 더 넓혔습니다(아래 합금 상세 참조).

구리와 그 합금의 특성: 높은 열 전도성, 높은 전기 전도성, 양호한 내식성, 높은 연성.

이 특성들 덕분에 구리와 합금은 열교환기와 가열 용기, 배선이나 모터의 전기 도체, 지붕재, 배관 피팅, 냄비와 동상에 쓰입니다. 구리는 산화돼 녹색으로 변합니다.

2. 알루미늄

알루미늄은 저중량과 쉬운 가공성 덕분에 광범위한 용도에 쓰이는 중요한 금속입니다. 비교적 비싼 재료지만 많은 합금의 모재이기도 합니다.

내식성이 있고 열과 전기의 양호한 전도체(구리보다는 낮음)이며 연성과 전성이 좋습니다. 냉간 가공 후 경화되므로 어닐링이 필요할 수 있습니다.

경량 알루미늄은 항공우주, 자동차, 요트 같은 해양 용도에 완벽합니다. 자전거 프레임, 냄비, 음료 캔에도 쓰입니다.

3. 납

납은 수세기 동안 탄약, 연료, 페인트 등 다양한 용도로 쓰였습니다. 하지만 대기 중 방출 시 건강에 해롭고, 다른 용도도 사용자에게 해를 끼침이 밝혀졌습니다.

납은 가장 무거운 흔한 금속이며 내식성이 있습니다. 많은 화학물질과 반응하지 않고 부드럽고 전성이 좋습니다.

과거 많은 용도가 금지됐지만, 납은 여전히 배터리, 전력 케이블, 산 탱크에 널리 쓰입니다.

4. 아연

아연은 수세기 동안 합금 원소로 쓰여왔으며, 특히 강철 합금화와 구리 합금화로 황동 제조에 쓰입니다.

합금 원소로 아연도금하면 녹 저항성이 향상돼 체인링크 펜싱, 가드레일, 현수교, 가로등, 금속 지붕, 열교환기, 자동차 차체에 쓰입니다. 아연은 양극 보호(CP)에서 희생 양극으로, 배터리 양극 재료로도 쓰입니다. 산화아연은 페인트 백색 안료와 고무 제조 시 열 분산제로도 쓰입니다.

5. 은

은은 수세기 동안 귀금속으로 쓰여왔습니다. 모든 금속 중 가장 높은 전기 전도성, 열 전도성, 반사율을 가지며, 가열 시 부드럽고 전성이 좋으며 내식성이 높습니다.

장신구와 화폐용으로 쓰이며, 태양광 패널, 정수 필터, 전기 접점과 도체, 스테인드글라스, 특수 제과에도 쓰입니다.

6. 금

장신구와 주화용으로 쓰여온 또 다른 귀금속. 금은 가장 전성이 좋은 금속이자 연성이 있으며 내식성과 많은 화학 반응에 강합니다.

전기 전도성 덕분에 컴퓨터 소자, 적외선 차폐, 유색 유리 생산, 금박, 치아 보철에도 쓰입니다.

7. 티타늄

티타늄은 1791년 발견되었으며 우수한 내식성과 모든 금속 원소 중 최고 강도-밀도비를 가집니다. 비합금 상태에서도 일부 강철만큼 강하면서 덜 조밀합니다.

철, 알루미늄 등 금속과 합금화해 항공우주, 자동차, 농업, 군수, 의료, 스포츠용 강하고 가벼운 합금을 만들며, 장신구와 휴대폰에도 쓰입니다.

철 금속과 비철 금속의 차이는?

간단한 답: 철 금속은 철을 포함하고 비철 금속은 포함하지 않습니다. 더 깊이 보면 철 금속과 비철 금속 각각 고유한 특성을 가지며, 이 특성들이 가장 적합한 용도를 결정합니다.

비철 금속은 문명 초기부터 사용되었습니다. 기원전 5,000년 구리 발견은 석기 시대 종말과 구리 시대 시작을 알렸습니다. 이후 구리와 주석의 합금인 청동 발명으로 청동기가 시작되었습니다.

철 금속 사용은 기원전 1,200년경 철 생산이 보편화되면서 시작되었습니다. 이로써 철기 시대가 열렸습니다.