건축재료 금속의 특성, 종류, 제조법

 

 건축재료로 다양하게 사용되고 있는 금속은 자연계에서 존재하는 100여 종의 원소 중 아래에서 이야기할 성질을 공통적으로 가진 60여 종을 말합니다.

 

 

건축재료 금속의 특성, 종류, 제조법

 

 

 

금속의 공통적 특성

 

 금속이 가지는 공통적인 특성은 일반적으로 금속을 생각하면 떠오르는 금속 특유의 광택을 가지고 있습니다. 또한 열과 전기가 잘 흐릅니다. 비중이 크고 빛에 불투명하며 고체 상태에서는 원자나 분자들이 규칙적으로 일정한 형태를 이루며 일정 정도 이상의 압축을 가하면 펴지며 버틸 수 있는 한계 이상의 인장력을 가하면 가늘게 늘어나는 특성을 가집니다. 이와 같은 성질을 가지지 않은 원소를 비금속이라고 합니다.

 

 

금속의 분류

 

 금속은 물보다 가벼운 나트륨, 리튬 등이 있고 물보다 20배 이상 무거운 백금, 금, 텅스텐 등도 있습니다. 따라서 편의상 비중을 5로 기준하여 비중이 5보다 가벼운 것을 경금속, 비중이 5보다 무거운 것을 중금속이라고 합니다. 경금속에는 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 티탄, 나트륨 등이 있으며 중금속에는 철, 동, 납, 니켈, 크롬, 아연 등이 있습니다.

 

 

금속의 장점

 

 금속은 강도 및 탄성계수가 크고 균일한 질을 가집니다. 이와 같은 특성 때문에 건축재료의 대량생산이 가능합니다. 금속의 재질, 형태 등 지니고 있는 형태가 다양합니다. 또한 가열을 해도 불에 타지 않으며 형태를 쉽게 변형할 수 있어 가공성형이 쉽습니다.

 

 

금속의 단점

 

금속은 녹이 잘 슬기 쉽습니다. 불에 가열되면 쉽게 약해지며 비중이 높고 색상의 종류가 다양하지 않습니다. 따라서 금속을 건축재료로 사용하기 위해서는 녹을 예방하기 위해 녹을 막을 수 있는 처리가 꼭 필요합니다.

 

 

건축재료로써의 금속

 

 일반적으로 높은 강도를 필요로 하는 곳에 주로 사용되는데 구조용이나 빛이나 전기, 열의 성질을 활용할 수 있는 기능적인 부분에 주로 사용됩니다. 건축재료로 많이 사용되는 금속재료는 철강, 알루미늄, 동, 납, 아연 등이 있으며 철강과 알루미늄, 동, 납, 아연을 이용해 만든 합금도 사용됩니다.

 

 

금속의 종류와 제조법

 

강의 종류

 

 공업적으로 제련한 철은 망간, 규소와 함께 탄소로 이루어져 있습니다. 이 외에 불순물을 함유하고 있습니다. 탄소의 함유량이 얼마나 있는지에 따라 철의 성질이 크게 변화합니다. 탄소량이 적은 철은 연하며 강도가 작고 불에 잘 타며 잘 구부러집니다. 강에는 철과 탄소를 주성분으로 하는 탄소강, 보통강이 있습니다. 그 외 다른 합금원소를 첨가한 합금강, 특수강이 있습니다. 합금강은 탄소강이 가지지 못한 물리적, 화학적인 성질을 가지게 하기 위해 만든 고급강으로 특수강이라고도 부릅니다. 합금강에는 보통의 탄소강에 특수원소들을 첨가하는데 합금의 사용목적에 따라 고강도를 목적으로 하는 구조용 합금강, 내식성 등 기타 특수목적을 가지는 특수용 합금강으로 나눕니다. 건축 구조용 강재로 사용되는 구조용 합금강은 첨가하는 특수원소 양이 5% 이하로 적고 탄소량은 0.5% 이하가 보통입니다. 특수용 합금강은 내식, 내산성을 가지기 위해 함유되는 특수원소도 제각각 다릅니다. 건축에서는 고 크롬강, 니켈크롬강으로 된 스테인레스강, 동강이 대표적입니다.

 

 

강의 제조

 

철강제품은 제철, 제강, 압연, 가공의 흐름에 의해 제조되고 제철은 고로를 사용하여 선철을 만드는 과정을 말합니다. 선철은 탄소량이 많고 불순물을 많이 함유하고 있으므로 이것을 주로 스틸이라 불리는 강으로 만들기 위해서 탄소량을 약 1.7% 이하로 줄입니다. 또한 불순물을 제거하기 위해 다양한 제강법이 사용됩니다. 제강법에는 평로 제강법, 전로 제강법, 전기로 제강법, 도가니 제강법 등이 있습니다. 평로와 전로는 일반용 강을 제조할 때 사용되고 전기로와 도가니로는 특수강을 제조할 때 주로 사용합니다.

 

● 평로제강법

 

 평로 제강법은 고정식인 평로에 선철을 고철과 석회석, 철광석과 함께 넣고 녹여서 제작합니다. 축열식 반사로를 사용하며 만들어집니다. 4~12시간 정도 소요되는데 이처럼 작업시간이 긴 것이 단점이지만 작업시간이 길어 품질조절이 쉽습니다. 제작할 때 많은 양의 연료가 사용되는 것 역시 단점이지만 강철의 대부분을 이 방법으로 만들고 있습니다.

 

● 전기로 제강법

 

 전기로 제강법은 온도나 성분을 자유롭게 조절할 수 있습니다.  전기로 제강법 중 가장 많이 사용되는 것은 아크 전기로입니다. 전기로 제강법을 사용하여 주로 만들어지는 강은 공구강이나 특수강입니다.

 

 

강의 가공

 

 제강으로 만든 용강(쇳물)은 주물형틀에 넣어 굳히거나 굳힌 후 적당한 크기로 잘라 압연용이나 단조용으로 사용합니다. 용강을 그대로 형틀에 넣어 주물품으로 만들기도 합니다.

 

 

강의 열처리

 

 강을 고온으로 만들었다가 식히면 성질이 변화하게 됩니다. 이러한 성질을 이용해 원하는 성질을 얻기 위해 가열과 냉각을 반복하는 것을 열처리라 말합니다. 열처리에 따라 강도나 경도를 높일 수 있습니다. 열처리 방법에는 풀림, 불림, 담금질, 뜨임질 등이 있습니다.

 

● 풀림

 

 강을 적당한 온도로 일정한 시간 가열 한 뒤 천천히 냉각시키는 것을 풀림이라고 합니다. 강의 조직을 표준으로 만들어 단조나 압연 등에 필요한 가공성을 가지게 하며 적당한 정도의 기계적, 물리적 성질을 얻을 수 있습니다.

 

● 불림

 

 불림은 강을 적당한 온도로 가열 한 뒤 그 온도를 수십 분간 유지 후 공기 중에 서서히 냉각시키는 것을 말합니다. 이렇게 불림을 진행할 경우 조직이 정상화되고 부서짐에 강해집니다. 

 

● 담금질

 

 강을 고온에서 물이나 기름 속에 넣어 급하게 식히는 방법으로 마르텐사이트라고 하는 조직을 가진 아주 단단한 결과물을 얻게 되는 방법입니다. 담금질의 온도는 강이 가진 탄소량에 따라 달라지며 탄소량이 증가할수록 온도가 낮아집니다. 나타나는 효과 역시 탄소량에 따라 달라지며 인장강도나 경도는 탄소량에 따라 증가하게 됩니다. 담금질로 인해 물리적 성질도 변화됩니다.

 

● 뜨임질

 

 뜨임질은 불림하거나 담금질한 강을 다시 200~600도로 수십 분 가열한 뒤 공기 중에서 식히는 것을 말합니다. 뜨임질을 하는 이유는 경도를 감소시키고 내부응력을 제거하며 연성과 인성을 크게 만들기 위해서입니다.