야금법

야금법(metallurgy)은 금속 원소 혹은 금속 사이의 화합물 및 혼합물인 합금의 물리·화학적 거동을 연구하는 분야이다. 특히 금속 원광으로부터 금속을 순수하게 분리하는 데 야금법이 쓰인다. 야금학은 금속에 관한 과학 및 기술이며 금속 조성에 대한 공학을 이른다. 금속의 생산은 해당 금속을 추출하기 위하여 원광을 처리하는 과정을 비롯하여 합금을 생산하기 위하여 금속 혼합물을 다루는 공정을 모두 포함한다. 서로 다른 학문임에도 불구하고 기술 진보를 위해 약학이 의학에 의존하는 것처럼, 금속 작업도 야금법에 의존하긴 하지만, 야금법은 그 작업과는 다르다. 야금법의 과학은 화학 야금학과 물리 야금학으로 분류할 수 있다.

야금법은 검은 야금법이라고도 하는 철 야금법과 유색 야금법이라고도 하는 비철 야금법으로 나눌 수 있다. 철 야금법은 철에 기반한 공정과 합금을 다루는 것이고, 비철 야금법은 철이 아닌 다른 금속의 공정과 합금을 처리하는 것이다. 전 세계 금속 생산의 95%는 철 금속의 생산이 차지한다.

목차

인류에 의해 기록된 최초의 금속은 금인데, 이는 금속 그 자체로 발견될 수 있었기 때문이다. 소량의 천연 금이 기원전 4만 년 구석기 시대에 사용한 스페인 동굴에서 발견되었다. 은, 구리, 주석, 운철(meteoric iron) 등도 자연 형태로 발견되어 초기 문명에서 금속 작업이 제한적으로나마 가능했다는 것을 보여준다. 기원전 3000년 운철로 만든 이집트 무기는 '하늘에서 온 단검'으로 칭송받기도 하였다.

대부분의 금속에 대한 야금법 기초인 제련()

주석, 납, 고온의 구리와 같은 특정 금속은 제련(smelting)으로 알려진 공정을 통해 해당 광석의 단순한 가열로부터 얻을 수 있다. 납은 이라크의 후기 신석기 시대부터 사용되었다. 자연적인 납은 매우 희귀하였으므로 그러한 인공적인 납 유물은 납 제련이 구리의 그것보다 먼저 시작되었을 가능성을 높여준다.

납보다는 나중이지만, 구리 제련은 기원전 6000년 직후 이라크로 기록되어 있다. 초기 금속의 또 다른 형태가 포르투갈, 스페인, 영국 등에서 기원전 300년부터 발견되었다. 그러나 명확하게 확인할 수 없고 새로운 발견은 계속되고 있다. 기원전 약 3500년에 근동(near east)에서는 구리와 주석을 조합하여 더 나은 금속을 만들 수 있었고, 그 합금을 청동(bronze)이라 하였다. 이는 청동기 시대라고 알려진 주요 기술적 진보를 의미한다.원광으로부터 작업 가능한 금속으로 금속을 추출하는 것은 구리나 주석에 대한 작업보다 매우 어려웠다.

철기 시대가 시작되는 기원전 약 1200년에 이르러서야 히타이트인(Hittites)에 의해 철 공정이 개발된 것으로 보인다. 철의 추출과 작업 공정의 비밀은 필리스티아인(Philistines)이 번성하는 데 주요 요인이었다. 철 야금학의 역사적 발전은 다양한 문화와 문명을 거쳐 이루어졌다. 여기에는 고대 및 중세 왕국과 중동 및 근동, 고대 이란, 고대 이집트, 고대 누비아, 아나톨리아(터키), 고대 그리스와 로마, 중세 유럽, 고대 및 중세 중국, 인도 등이 포함된다. 용광로(blast furnace), 주철, 수동 기계 망치 등 야금법과 관련한 대부분의 응용, 실습, 장비 등은 고대 중국에서 개발되었다.

아그리콜라(G. Agricola)가 16세기 저술한 금속의 본성(De re metallica)에서 그 당시까지 고도로 발전한 복잡한 금속 원광 채굴 공정, 금속 추출 및 야금법을 자세히 묘사하고 있다. 이 업적으로 그를 야금학의 아버지라고 부른다.

추출 야금법은 원광으로부터 값있는 금속을 얻고 추출한 원(raw) 금속을 더 순수한 형태로 정련하는 실습을 말한다. 금속 산화물이나 황화물을 순수한 금속으로 전환하기 위해서는 원광을 물리적, 화학적, 또는 전기분해 방법으로 환원시켜야 한다.

추출 야금학자들은 세 가지 주요 흐름에 집중하여 연구하는데, 그것은 주입(feed), 농축(concentrate), 선광 찌꺼기(tailings)이다. 채굴한 원광은 작은 입자로 부수거나 갈아서 주입하며, 이 중에서 값나가고 원하는 금속을 찌꺼기 생성물로부터 분리할 수 있다. 원광의 물리적 조건이 침출할 수 있게끔 전도성을 띤다면 채굴은 필요하지 않다. 침출로 원광에서 미네랄을 용해하여 진한 용액을 만든 후 금속을 추출하는 과정을 거친다.

원광은 금속을 둘 이상 포함하기도 하며 이전 공정의 선광 찌꺼기를 또 다른 공정에 주입하여 두 번째 생성물을 추출할 수 있다. 둘 이상의 금속을 포함하는 농축액에서 값나가는 금속을 개별적으로 분리하는 공정을 진행하면 된다.

일반적인 공업용 금속으로는 알루미늄, 크로뮴, 구리, 철, 마그네슘, 니켈, 타이타늄, 아연 등이 있다. 또한 전기차 배터리용으로 코발트의 수요도 급속하게 증가하고 있다. 이들 대부분 합금으로 사용되는데, 특히 강철(steel)이나 무쇠(cast irons)와 같은 철-탄소 합금 계에 대해 많은 연구가 진행되어 왔다. 보통 탄소만을 합금 원소로 포함한 철은 저렴하고 강도가 커서 무게나 부식이 문제 되지 않는 용도로 쓰인다. 연철이라고도 하는 주철(무쇠)도 그 계의 일부분이다.

스테인리스 강철이나 아연 도금강은 내부식성이 중요한 용도에 쓰인다. 알루미늄이나 마그네슘 합금은 강도와 경량이 필요한 용도로 도입한다.

모넬(Monel)과 같은 코발트-니켈 합금은 매우 부식성이 큰 환경 조건이나 비자성 용도로 적합하다. 인코넬(Inconel)과 같은 니켈에 기반한 초합금은 가스 터빈, 터보 과급기(turbo charger), 압력 용기, 열 교환기와 같은 고온 환경에 응용되고 있다. 매우 높은 온도에서는 단일 결정 합금이 변형을 최소화하기 위하여 사용되고 있다.

생산 공학에서 야금법은 소비자를 위한 금속 조성의 생산이나 공학 제품을 만드는 것과 관련되어 있다. 이는 합금의 생산, 생산품의 형태 만들기, 열처리, 표면처리 등을 포함한다. 일반적으로 록웰(Rockwell), 비커스(Vickers), 브리넬(Brinell)의 경도계를 사용한 금속의 경도 측정으로 금속의 탄성과 가소성을 이해함으로써 서로 다른 응용과 생산 공정을 만들고 있다.

야금학자의 임무는 재료의 가격, 무게, 강도(strength), 인성(toughness), 경도(hardness), 부식, 내피로성(fatigue resistance), 극단적인 온도에서의 성능 등 성질 사이의 균형을 맞추는 것이다. 이 목적을 달성하기 위해서는 작업 환경을 신중하게 고려하여야 한다. 즉, 바닷물 환경에서 철 금속과 몇몇 알루미늄 합금이 빠르게 부식한다는 점이다. 차갑거나 극저온 조건에 노출된 금속은 연성이 감소하여 깨지기 쉬워지고 인성을 잃어 금가기 쉽다. 지속적인 반복하중 하에서 금속은 피로도가 증가하고, 고온에서 일정 압력 하에 있게 되면 변형될 수 있다.

금속에 대하여 다음과 같은 공정을 통해 원하는 형태를 만든다.

금의 주조()

야금학자들은 소비(H. C. Sorby)가 고안한 기술인 금속조직법(metallography)을 이용하여 미시적, 거시적 성질을 연구한다. 금속조직법에서는 일단 관심의 대상인 합금을 납작하게 누르고 거울같이 반짝이게 윤을 낸다. 그런 다음 시료를 식각(etch)하여 금속의 미세와 거시구조가 드러나게 한다. 광학 또는 전자 현미격을 사용하여 시료를 고찰하고 이미지 대조를 통해 조성, 역학적 성질, 공정 역사 등을 확인한다.

X-선이나 전자의 회절을 사용하는 결정법도 현대 야금학자에서는 또 다른 소중한 기법이다. 결정법은 미지 재료를 확인하고 시료의 결정 구조를 얻는 데 중요한 역할을 한다. 정량적인 결정법은 결정에 존재하는 상들의 양을 계산하는 데 쓰이고, 시료가 어느 정도의 압력에 노출되어 있는지 파악하는 데 유용하다.

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