철금속과 비철금속: 차이점은 무엇일까요?

철광석 및 비철광석

철금속과 비철금속의 차이점은 무엇일까요? 간단히 말해, 철금속은 주성분으로 철을 포함하고 있는 반면, 비철금속은 철을 거의 또는 전혀 포함하지 않습니다.

철을 함유하는 금속은 철금속이라고 하며, 이는 질문에 대한 답입니다. 철금속이란 무엇인가철금속은 비철금속과는 상당히 다른 특성을 보입니다. 철금속은 철 성분 때문에 공기나 습기에 노출되면 녹이 슬기 쉽습니다. 이러한 특성으로 인해 철금속의 사용 범위가 제한됩니다. 하지만 철금속은 비철금속보다 가격이 저렴하여 건설이나 제조업에서 널리 사용됩니다. 

 

철금속이란?

철의 자기적 성질

철금속은 구성 성분으로 철을 함유하는 금속 합금입니다. 하지만 이는 소량의 철이 함유된 것을 의미하는 것이 아닙니다. 철금속이라고 하면 그 금속의 원소 구성에서 철이 상당 부분을 차지한다는 것을 뜻합니다. "철금속(ferrous)"이라는 용어는 라틴어로 철을 뜻하는 "ferrum"에서 유래했습니다.

철 금속의 특성

철금속은 건설, 제조업, 건축용 빔, 중장비 등에서 찾아볼 수 있습니다. 철금속은 내구성이 뛰어나고 인장 강도가 높으며, 일반적으로 자성을 띠고 전기 전도성이 우수한 것으로 알려져 있습니다. 

철금속의 가장 중요한 특성은 강도입니다. 철은 탄소나 다른 금속과 합금될 때 매우 높은 강도와 ​​인장 경도를 얻습니다. 금속마다 제공하는 강도의 유형이 다릅니다. 탄소강은 무거운 하중을 견디고 변형을 방지하는 데 사용됩니다.

철금속의 자기적 성질

철 금속은 자성을 띠는 것으로 알려져 있습니다.. 철 원자 내의 짝을 이루지 않은 전자들이 스핀을 정렬할 때 강자성이 발생합니다. 이로 인해 금속 사이에 강한 자기적 인력이 생깁니다. 사용된 합금의 종류에 따라 철 금속의 자성을 감소시키거나 증가시킬 수 있습니다. 

자성을 띠는 특성 때문에 변압기, 모터, 발전기 등의 응용 분야에서 매우 인기가 높습니다. 

부식 및 녹의 거동

철 금속을 사용하는 단점 중 하나는 부식에 대한 저항력이 약하다는 것입니다. 철은 산소 및 물과 반응하여 녹이 슬게 됩니다. 이 녹은 시간이 지남에 따라 벗겨지거나 갈라지면서 새로운 층이 드러나고, 이 층은 추가적인 산화에 취약해집니다. 

페인트나 에나멜, 또는 아연 도금과 같은 보호 코팅으로 덮을 수 있지만, 크롬, 니켈, 몰리브덴과 같은 원소를 합금하여 내구성을 향상시킬 수도 있습니다. 

가장 내식성이 뛰어나고 비용 효율적인 금속은 스테인리스강입니다. 크롬과 결합하면 자체 복원력이 있는 산화막이 형성됩니다. 316 스테인리스강은 내식성이 우수합니다. 일반 가공용 강철 소재흔히 해양용 스테인리스강으로 알려져 있습니다.

 

철금속의 예

체계적으로 정리된 철금속 재고.

가장 흔한 예로는 탄소강, 합금강, 주철, 연철, 스테인리스강 등이 있습니다. 이들은 모두 서로 매우 다르기 때문에 다양한 용도로 사용됩니다. 

탄소강

탄소강은 강하고 저렴하며 기계 부품 용접이 용이합니다. 이러한 장점 덕분에 건설 및 기계 분야에서 매우 널리 사용됩니다. 탄소강은 90% 이상의 철로 구성된 가장 흔한 철금속입니다. 탄소 함량이 높을수록 강도와 경도가 높아집니다.

스테인리스 강

스테인리스강은 크롬 함량이 높아 부식에 강하고 살균이 용이합니다. 가격대는 중간에서 높은 편입니다. 뛰어난 강도와 내식성을 겸비하여 의료기기 및 식품 가공 장비에 적합합니다. 또한 재활용률이 높아 환경 친화적이라는 장점도 있습니다.

주철

주철은 단단하고 가격이 저렴한 것으로 알려져 있습니다. 취성이 있지만, 엔진 블록, 파이프, 조리기구 등을 만드는 데 주로 사용됩니다. 다른 금속보다 탄소 함량이 높습니다. 가격이 저렴한 이유는 철과 탄소 외에 다른 원소가 첨가되지 않았기 때문입니다. 취성이 있지만 내마모성도 뛰어납니다. 주조성이 좋고, 비교적 저렴하며, 내마모성이 우수하고, 녹는점이 낮습니다. 

단철

연철은 질기고 연성이 뛰어나며 단조나 압연으로 쉽게 모양을 만들 수 있어 장식용 대문, 난간, 건축 장식물에 이상적입니다. 또한 가격이 저렴하다는 장점도 있습니다. 

합금강

합금강은 합금 원소를 첨가하여 강도와 내열성을 높입니다. 따라서 공구, 파이프라인 및 기타 고응력 환경에 적합합니다. 가격대는 중간 수준입니다. 

 

비철금속이란?

비철금속 재질의 종류.

철금속에 대해 알아보았으니 이제 비철금속에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 철이 주성분이 아닌 금속을 비철금속이라고 합니다. 비철금속은 철을 거의 또는 전혀 포함하지 않지만, 정의상 50%의 철을 함유할 수도 있습니다. 비철금속은 철금속보다 부드럽고 가공하기 쉽습니다. 금과 은이 바로 비철금속입니다. 

비철금속은 인류 문명의 중요한 부분을 차지하기 때문에 금이나 은처럼 희소성 때문에 인기를 얻은 금속도 있습니다. 

비철금속의 특성

철을 함유하지 않는 비철금속은 철금속과는 다른 성질을 지닙니다. 자성이 없고 녹슬지 않으며, 내식성과 경량성이 특징입니다. 

알루미늄과 같은 일부 순수 비철금속은 비교적 무르지만 합금 및 열처리를 통해 강도를 높일 수 있습니다. 주석, 납, 아연과 같은 일부 비철금속은 강도와 ​​경도가 낮은 것으로 알려져 있습니다. 

비철금속은 높은 내식성, 용이한 가공성(기계 가공, 주조, 용접 등), 뛰어난 열 및 전기 전도성, 낮은 밀도, 그리고 비자성 등의 특징을 제공합니다. 

비자성 및 내식성 특성

비철금속은 자성이 없기 때문에 MRI 기계처럼 자성에 노출될 위험이 있는 공정에 사용하기에 매우 적합합니다. 하지만 이러한 특성은 재활용 과정에서 오히려 단점으로 작용합니다. 

비철금속이 철금속에 비해 갖는 가장 큰 장점은 내식성입니다. 철과는 달리, 비철금속은 별도의 보호 코팅 없이도 산소와 물에 노출되는 것으로부터 스스로를 보호할 수 있습니다. 이러한 금속들은 자연적인 산화막 형성을 통해 스스로를 보호합니다. 구리는 녹청이 생겨 스스로를 보호하고, 알루미늄은 얇은 산화층을 형성합니다. 

이러한 특성 덕분에 해양 및 생체의학 기기와 같은 광범위한 응용 분야에 적합합니다.

 

비철금속의 예

비철 금속 예시.

비철금속에는 알루미늄, 구리, 아연, 납 등이 있습니다. 귀금속에는 금, 은, 백금 등이 있습니다. 이러한 금속들은 자성이 없고 내식성이 우수하다는 공통적인 특성을 가지고 있습니다.

알류미늄

알루미늄은 가볍고 부식에 강하며 성형이 용이하여 운송, 포장 및 항공우주 부품에 적합합니다. 부식 저항성, 우수한 열 및 전기 전도성 등 여러 장점을 가지고 있습니다. 이러한 특성을 활용하여 알루미늄을 가공하는 공정을 다음과 같이 명명합니다. 알루미늄 정밀 가공 CNC 밀링을 사용하여 알루미늄을 항공우주 산업과 같은 분야에 사용되는 복잡한 부품으로 가공합니다. 

구리 및 구리 합금

구리는 뛰어난 전기 및 열 전도성을 제공하여 전선, 배관 및 전자 부품의 주요 재료로 사용됩니다. 또한 구리는 우수한 내식성과 높은 연성을 가지고 있습니다.

납과 아연

납은 방사선 차단 효과가 있는 부드러운 금속입니다. 배터리와 보호막에 흔히 사용됩니다. 납은 매우 무겁고 부식에 강합니다.

아연은 녹는점이 낮아 주조가 용이합니다. 다이캐스팅, 아연 도금 및 부식 방지 코팅에 사용됩니다. 

귀금속

금은 연성이 뛰어나고 전기 전도성이 매우 우수합니다. 또한 변색에 강하다는 점도 잘 알려진 특징입니다. 금은 주로 보석, 전자제품, 연결 부품 등에 사용됩니다. 은은 금속 중에서 전기 전도성과 열 전도성이 가장 높습니다. 전자 회로, 태양 전지, 귀금속 장신구 등 다양한 분야에 활용됩니다.

백금은 밀도가 높고 부식에 강하며 촉매 활성이 매우 뛰어납니다. 이러한 특성 덕분에 백금은 자동차의 촉매 변환기, 실험실 장비, 심지어 고가의 보석류에도 사용됩니다.

 

철금속과 비철금속 비교

강도와 내구성

철금속은 강하고 경제적입니다. 비철금속은 더 가볍고 부식에 강합니다. 이 두 금속 모두 다양한 제조 용도에 적합합니다.

비철금속은 경도가 낮아 성형이 용이합니다. 또한 무게는 가볍지만 강도가 높습니다. 비철금속은 전선, 항공기 부품, 포장재, 전자제품, 파이프 등에 사용됩니다.

철금속은 인장 강도가 높고 자성을 띕니다. 철금속에 함유된 철 성분 때문에 자성을 띠게 됩니다. 철금속은 건축물이나 차량에서 빔 형태로 흔히 사용됩니다.

무게와 밀도

철 금속은 일반적으로 더 무겁고 중간 정도의 전기 및 열 전도성을 가지고 있습니다. 비철금속은 본래 부식에 강하고 무게가 가볍습니다. 또한 전기 및 열 전도성이 높습니다. 

부식 저항

철금속은 부식 저항성이 낮아 녹이 슬 수 있습니다. 비철금속은 본래 부식에 강하고 무게도 가볍습니다. 

자기 속성

철을 함유하고 있기 때문에 철 금속은 자성을 띕니다. 반면에, n비철금속은 철이 없기 때문에 비자성입니다. 

비용, 재활용 및 고철 가치

철금속은 가격이 저렴하여 매우 흔합니다. 비철금속은 일반적으로 비싸고 때로는 훨씬 더 비싸기 때문에 다소 희귀합니다. 

철금속은 자성 분리가 용이하여 환경에 긍정적인 영향을 미칩니다. 비철금속도 재활용이 가능하지만 철금속만큼 흔하게 재활용되지는 않습니다. 비철금속은 분류하기가 더 어렵습니다. 두 금속 모두 채굴 과정에서 많은 이산화탄소를 배출하지만, 재활용을 통해 탄소 발자국을 줄일 수 있습니다.

 

철금속 및 비철금속의 제조 및 응용

제조 과정에서 엔지니어는 다른 재료 특성 외에도 철금속 및 비철금속의 제조 가능성을 고려해야 합니다.  

• 가공 : 철금속과 비철금속 모두 CNC 가공에 적합합니다. 이 공정은 주철과 같은 철금속과 알루미늄, 황동과 같은 비철금속에 특히 효과적입니다. 티타늄이나 니켈 초합금과 같은 경도가 높은 금속은 공구 마모를 최소화하기 위해 특별한 고려가 필요합니다.
• 압출 및 다이캐스팅: 비철금속은 우수한 연성과 낮은 융점(일부 예외 제외) 덕분에 압출 및 다이캐스팅과 같은 공정에 더 적합하며, 알루미늄 6061 및 6063과 같은 합금은 가공하기 쉬운 재료에 속합니다. 일부 강철도 압출이 가능합니다.
• 판금 가공: 철금속과 비철금속 모두 판금으로 가공할 수 있으며, 압연 및 스탬핑과 같은 판금 프로토타입 제작 공정을 거칠 수 있습니다. 이상적인 철금속으로는 탄소강과 스테인리스강이 있으며, 널리 사용되는 비철 판금으로는 알루미늄 5052와 3003이 있습니다.
• 3D 인쇄 : DMLS/SLM과 같은 금속 적층 제조 공정은 철금속 및 비철금속을 포함한 다양한 금속을 가공할 수 있습니다. 이 공정에 가장 일반적으로 사용되는 철금속 분말은 17-4 PH 및 316L 스테인리스강이며, 제조업체는 알루미늄, 티타늄, 코발트 크롬, 인코넬과 같은 비철금속 및 합금으로 만든 인쇄 가능한 분말도 생산합니다.

건설 및 기계 분야에서 철금속의 용도

철금속은 강도, 저렴한 가격, 그리고 철 함량 때문에 수요가 매우 높습니다. 철금속은 구조물, 산업 기계, 자동차 부품, 그리고 사회 기반 시설에서 찾아볼 수 있습니다. 

전기 및 경량 응용 분야에서 비철금속의 활용

비철금속은 높은 전도성과 내식성 때문에 전기 및 경량화 응용 분야에서 중요하게 사용됩니다. 항공우주 및 자동차 배선과 같은 산업 분야에서 찾아볼 수 있습니다.

 

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철금속과 비철금속에 대한 자주 묻는 질문

철이 비철금속보다 강한가요?

철금속은 비철금속에 비해 강도, 내구성, 인성이 뛰어난 것으로 알려져 있습니다. 이러한 특성 덕분에 철금속은 구조물이나 산업 기계에 이상적인 소재입니다.

스테인리스 스틸은 철인가요 비철인가요?

스테인리스강은 철 함량이 높기 때문에 철금속입니다. 위에서 언급했듯이 철을 함유하는 금속은 모두 철금속입니다. 

구리는 철금속인가요, 아니면 비철금속인가요?

구리는 철을 포함하지 않기 때문에 비철금속입니다. 위에서 읽었듯이 철을 포함하지 않는 금속을 비철금속이라고 합니다.

금은 철금속인가요, 아니면 비철금속인가요?

금은 철을 함유하지 않기 때문에 비철금속으로 분류되는 귀금속입니다. 

철금속과 비철금속이란 무엇인가요? 

탄소강, 합금강, 주철, 연철, 스테인리스강과 같은 금속은 철을 함유하고 있기 때문에 철금속으로 분류됩니다. 

알루미늄, 구리, 황동, 청동, 아연, 납, 니켈, 티타늄, 금, 은, 백금과 같은 금속은 철을 함유하지 않고 부식에 강하기 때문에 비철금속으로 분류됩니다.