야금술

야금술(metallurgy)

통상적으로 야금술은 실험적 방법과 대립하는 것으로 상업적인 뜻을 가진다.

이것은 금속의 구조, 화학적·물리적 원자의 성질과 여러 금속을 섞어 합금을 만드는 원리도 포함한다. 야금술은 BC 4000년경부터 시작되었다. 구리는 광석에서 처음으로 추출한 금속으로 생각된다. 구리 광산은 중동의 여러 지역에서 발견되었고 채광된 금속은 무기와 그밖의 실용적인 물건을 만드는 데 사용되었을 것으로 추측된다. 청동은 BC 4000~1400년경에 개발된 금속이다. 이 시기에는 구리와 주석으로 만든 합금이 구리로만 이루어졌을 때보다 덜 부서진다는 사실이 밝혀졌다.

일찍이 BC 3000년경에 중동에서 알려진 철은 BC 1200년경 중동과 유럽 남서부에서 널리 사용되었고 점차 아시아 지역으로 퍼져나갔다. 황동은 구리와 아연의 합금으로 BC 1600~600년에 개발되었다. 로마인들은 이것을 보석·갑옷·통화(通貨)로 사용했다. 은은 BC 500년경에 처음으로 채광되기 시작했고, 납은 은광석에서 산출되었다. 최초로 채광된 금속 중의 하나인 금은 은과 합금하여 호박금(고대 로마에서 화폐로 사용한 금과 은의 합금)을 만드는 데 사용되었다.

주목할 만한 최초의 강철 생산은 BC 500~AD 500년에 인도에서 시작되었다. 비록 로마인들은 야금술에 혁신을 일으키지는 못했지만 채광 기술과 주조 방법을 알아내는 데 기여했으며 금속의 여러 가지 새로운 용도를 궁리해냈다. 반노초 비링구초와 게오르기우스 아르기콜라가 이용할 수 있는 대부분의 야금기술을 모은 책을 만들었던 시기인 16세기에 야금술의 원리가 최초로 널리 보급되었다.

원석에서 금속을 추출하는 일은 2단계로 선광(選鑛)과 생산야금학이 이루어진다.

선광 단계에서는 원석에서 원하는 금속 성분을 분리해내기 위해 광석을 계속 부수어야 한다. 파쇄와 분쇄 공정은 광석에서 광물을 분리하는 가장 일반적인 방법이다. 파쇄와 분쇄가 끝나면 광석을 직접 손으로 분리하거나(육안으로 구별되는 특성이 적어도 1가지 이상 있는 경우), 비중선별·부유선광(浮游選鑛)·정전선별(靜電選別)·자기력선별(磁氣力選別) 또는 좀더 발전된 다른 특수한 방법을 이용하여 분류한다.

2번째 단계인 생산야금학은 광석에서 분리된 광물이 금속과 합금으로 환원되고 특별한 목적에 맞게 만들어지는 일련의 공정이다. 건식야금·전기야금·습식야금의 3가지 공정이 일반적으로 사용된다. 생산물은 증류(蒸溜)와 같은 또다른 야금기술을 택하여 더 정제된다. 건식야금에서는 광석을 보통 노(爐)에서 대단히 높은 온도로 가열한다.

대부분의 경우 불은 물리적 작용뿐만 아니라 화학적 작용도 하며 광석의 어떤 성분들을 태워 없애거나 광석의 산소를 제거하여 광석을 환원시킨다. 전기야금은 광석을 전기분해하여 금속을 추출하고 정제하는 데 사용된다. 습식야금은 산성 수용액이나 염 용액을 사용하여 광석에서 금속을 추출하는 공정을 말하며, 이 용액에 적당한 시약을 써서 금속을 침전시킨다.

금속추출법은 순수한 금속을 거의 만들지 못하므로 추출에 의해서 얻어지는 것은 일반적으로 다소 불순물이 포함되어 있는 금속이므로 상업용·공업용·연구용으로 적합하도록 더 정련되어야 한다.

주요금속 처리공정에는 기계적 작업(냉간가공과 열간가공), 주물공정, 표면처리, 분말야금, 핵야금, 열처리의 6가지가 있다. 냉간가공은 금속을 단단하게 하여 화학적 변화보다는 구조적 변화를 주게 된다. 열간가공에서는 금속이 열에 의해 연화된다.

이 공정은 금속의 결정성을 변화시켜 정련한다. 압연 또는 드로잉 공정을 거쳐서 금속을 단조하거나 성형할 수 있다. 주물 금속을 주형에 넣고 주조하여 각 제품이 동일한 크기와 모양을 가지게 한다. 철·강철과 비철금속은 주로 주형에 주입하여 주조한다. 표면처리공정은 용융도금·전기도금·침탄(浸炭)과 같은 방법을 이용하여 금속 표면에 막을 입힌다. 이 공정의 목적은 기본재료를 보호하기 위해 막을 만들거나 금속 표면의 성질을 변화시키는 데 있다.

분말야금에서는 금속분말을 금형에 넣고 압축된 모양을 만든 다음 소결(燒結 : 분말을 가열하여 결합시키는 것) 과정을 거쳐서 굳게 하거나 경화시킨다. 금속 분말은 기계적으로 또는 화학적으로 만들 수 있다. 핵야금은 핵공학에서 필요한 특수한 금속을 제조하는 데 사용된다. 이 방법에는 핵분열 물질의 분리과정이 포함된다.

열처리 과정에서는 금속을 가열하여 어떤 원하는 성질(예를 들어 경도·연성 등)을 부여하거나 보다 개선하도록 한다. 야금학에 있어 대단히 중요한 분야는 금속조직학으로, 이 분야는 특히 X선 장치와 현미경을 이용하여 금속의 조성과 구조를 연구하는 과학이다.