금속의 합금과 불순물

금속 속에 다른 원소가 들어가 있을 경우, 그 원소가 들어가 있는 것이 유리한지 또는 불리한지에 따라 그 원소를 각각 합금원소 또는 불순물이라 한다. 일반적으로 다른 원소를 의도적으로 가하였다면 그 원소를 합금원소라 하고, 다른 원소가 들어가 있지 않는 것이 좋으나 그 금속을 정련할 때 기술상의 문제로 자연히 들어가게 되며, 그 함유량을 허용량 이하로 제한해서 그 존재가 인정되고 있는 것이 불순물원소이다. 불순물원소의 제한량은 그 불순물이 미치는 해가 어느 정도인가에 따라 다르다.

일반적으로 공업용 금속에서는 해를 끼친다는 것이 명확한 몇 종의 불순물원소를 지정(指定)불순물이라 하며, 이들의 존재량을 분석에 의해 구해서 합한 값(%)을 100에서 빼어 얻은 값으로 그 금속의 순도(純度)로 나타내는 경우가 많다. 예를 들면, 알루미늄의 경우는 철·규소·구리의 양을 합하여 100에서 빼며, 구리의 경우에는 납·비스무트·비소·철·황·안티몬의 합계량을 100에서 뺀다. 그러나 니켈 속의 코발트와 같이 해를 끼치지 않는 것은 불순물로 취급하지 않고, 니켈과 코발트의 합계량을 니켈의 순도로 한다. 원자력용인 경우에는 방사능이 강한 코발트 60이라는 (同位元素)가 되므로 니켈 속의 코발트의 함유량을 제한하고 있다.

특별한 용도의 재료에서는 엄격한 순도를 요구하는 경우가 있는데, 반도체용의 게르마늄 또는 규소(실리콘)에서는 10억분의 1을 나타내는 ppb라는 단위를 사용할 정도로 그 불순물을 제한하고 있다. 또 원자로용의 금속에서는 원자핵적(原子核的) 성질상 바람직하지 못한 원소가 존재해서는 안 되므로 100만분의 1을 나타내는 ppm이라는 단위로 제한하고 있다. 예를 들면, 금속 우라늄 속의 붕소는 0.2ppm 이하로 제한하고 있다. 한편, 금속은 공업적으로 제조되는 순도로 그대로 이용되는 경우가 많다. 구리판 및 아연판이 그 예이며, 알루미늄도 보통 식기(食器)로 사용되는 것은 순도 99.0∼99.5%의 홑원소물질이다.

이 경우에는 지정불순물로서 철 및 규소가 있으며, 용도에 따라 그 존재량이 다르다. 철의 경우 보통 철재(鐵材)라 하는 것은 철에 탄소가 들어 있는 합금으로, 알루미늄의 경우 철 및 규소에 상당하는 불순물원소로는 규소·망간·인·황이 있으며, 용도에 따라 이들 원소의 양이 가감되고 있다. 이렇게 양을 조절한다는 점에서 완전한 불순물이라 할 수 없으며, 합금원소라고 하는 편이 더 적절하다. 홑원소물질상태인 금속으로는 사용목적에 불충분한 경우가 많은데, 이 점을 개선하기 위하여 다른 원소를 가하고 있다. 이와 같이 의도적으로 가하는 원소의 종류에 따라, 그 금속이 각각 독특한 성질을 나타낼 경우 이 금속을 합금이라 한다. 합금 속에서 성분금속이 결합하고 있는 모양은 2종이 있는데, ① 단체를 이루고 있는 금속이 완전히 혼합되어 있는 공정(共晶:共融混合物이라고도 한다) ② 합금원소가 균일하게 결정 속에 녹아 있어서 치환형 또는 침입형으로 존재하는 고용체(固溶體)가 그것이다.