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chatGPT를 붙들고, 스테인리스 강은 왜 자석에 붙지 않는지 물어봤습니다. 앞뒤 말이 다른 경우도 있어서 무엇이 맞는지도 하나하나 물어봤습니다. 아래는 전문을 번역한 것입니다. 원문은 첨부로 붙입니다.
Q. 왜 스테인리스 강은 비자성(non-magnetic)이야? 철 원자가 들어있잖아.
A. 스테인리스 강은 크롬과 니켈 함유량이 높은 강철이야. 크롬 때문에 스테인리스 강이 비자성을 띠게 되지. 크롬 자체는 상자성(ferromagnetic)이야. 강철과 합금되면 표면에 얇은 산화막을 생성하여 내부식성이 좋아지고 녹도 잘 안 슬게 돼.
니켈도 스테인리스 강이 비자성인인 이유 중 하나야. 니켈은 비자성이고 강철과 합금되면 철 원자의 자성을 상쇄시켜.
정리하자면, 철은 자성이지만 합금 원소인 크롬과 니켈이 비자성을 만드는 거지. 하지만 꼭 그런건 아니야. 조성과 처리에 따라 자성을 띨 수도 있어.
Q. 그럼 철 원자를 함유한 물질이 자성 또는 비자성을 띠는 일반적인 차이는 뭐야?
A. 미세구조에서 원자들이 어떻게 배열되어 있고 어떻게 상호작용하느냐에 따라 달라져.
자성 물질인 철, 코발트, 니켈은 원자들이 알짜 자기 모멘트를 생성하도록 배열되거든. 즉, 각 원자들의 자기 모멘트가 같은 방향으로 배열되는거야.
반대로 대부분의 스테인리스 강과 같은 비자성 물질들은, 각 원자들의 자기 모멘트가 상쇄되도록 원자들이 배열돼. 각 원자들이 랜덤하게 배열되어서 알짜 자기 모멘트가 없어져.
하지만 주의할 것이 있어. 물질의 자성은 온도와 외부 자기장에 의해 영향을 받을 수 있어. 어떤 물질은 보통은 비자성이지만 외부에서 큰 자기장을 걸거나 매우 낮은 온도에서 자성을 띠기도 해.
Q. 자성인 강철과 비자성인 강철 이름 3개씩 말해봐.
A.
● 자성
- 연철: 높은 투자율(magnetic permeability)를 가진 순철이야. 전자석, 변압기 코어 등에 사용돼.
- 탄소강: 탄소가 포함된 강이야. 자성이지. 칼 붙는 자석이나 차축에 사용돼.
- 합금강: 4140, 4340과 같은 합금강은 크롬, 몰리브덴 첨가물에 의해 자성을 띠게 돼. 기어나 축에 사용되지.
● 비자성
- 오스테나이트계 스테인리스 강: 크롬과 니켈 함유량이 높은 스테인리스 강으로 결정구조 때문에 비자성을 띠어. 주방도구, 의료기구, 보석 등에 사용돼.
- 페라이트계 스테인리스 강: 크롬 함유량이 높은 스테인리스 강으로 역시 결정구조 때문에 비자성을 띠어. 자동차 배기 시스템과 가전제품에 사용돼.
- 마르텐사이트계 스테인리스 강: 높은 탄소 함유량과 낮은 크롬 함유량을 가진 스테인리스 강이야. 경화된 상태일 때에는 자성이지만 열처리를 하면 비자성이 되는 특징이 있어. 칼날이나 터빈 블레이드에 사용되지.
Q. 왜 어떤 물질은 크롬 때문에 자성이고 어떤 물질은 크롬 때문에 비자성인거야?
A. 네 말이 맞아. 크롬은 자성의 원인이 될수도 있고 비자성의 원인이 될 수도 있어. 둘의 차이는 조성과 처리방법에서 발생해.
크롬과 니켈이 많은 오스테나이트계 스테인리스 강은 결정구조 때문에 비자성이야. 이 강은 FCC 구조를 갖고 있는데, 구조상 각 원자의 자기 모멘트가 서로 상쇄돼.
반면 4140, 4340 강은 약간의 크롬, 그 외에 몰리브덴 등이 첨가되는데, 이것들이 자성을 만들어. 이 강은 BCC 구조를 갖게 되고 알짜 자기 모멘트가 생성되지.
금속의 가공도 자성에 영향을 줘. 어떤 스테인리스 강은 냉간가공으로 자성을 띠기도 하거든.
정리하자면, 강철의 자성은 크롬의 함유도 중요하지만 결정구조도 중요하고 가공과 처리도 중요해.
Q. 잠깐, 처음에는 니켈이 비자성이라고 했는데 그 다음엔 자성이라고 했어. 뭐가 맞아?
A. 미안. 니켈은 비자성 금속이 맞아. 니켈 자체도 비금속이고 강철의 함유원소로도 비자성으로 동작해.
첫 번째 답에서 내가 니켈이 함유된 스테인리스 강은 비자성이라고 했잖아. 이 스테인리스 강은 오스테나이트계라서 비자성이 맞아. 결정구조 때문이야.
두 번째 답에서 내가 니켈이 소량 포함된 4140, 4340이 자성이라고 했잖아. 하지만 여기서 자성은 주로 크롬과 몰리브덴 때문이야.
정리하자면, 니켈은 보통 비자성이야. 그리고 자성 스테인리스 강과 비자성 스테인리스 강에 모두 합금 원소로 쓰일 수 있어.
Q. 구글링 해봤는데 다들 니켈은 자성이라는데?
A. 미안. 니켈은 강자성 물질이 맞아. 나도 자꾸 헷갈리네.
하지만 이건 꼭 기억해줘. 니켈이 강철에 합금되면, 합금강의 물성은 조성과 처리방법에 따라 달라져. 예를 들어 오스테나이트계 스테인리스 강에 니켈을 합금시키면 결정구조에 의해서 비자성이 돼.
Q. BCC면 전부 자성이야?
A. 많은 경우 맞지만 아닌 경우도 있어. BCC 강의 물성은 조성과 처리에 의해 결정돼.
4140, 4340은 크롬과 몰리브덴이 자성을 만드는 역할을 해. 하지만 텅스텐 합금은 BCC 구조이지만 비자성이야.
BCC 구조의 강도 냉간가공 같은 처리에 따라 자성을 띨 수 있어. 조성과 처리에 따라 상자성과 반자성도 띨 수 있어.
Q. 왜 4140과 4340은 자성인데 텅스텐은 비자성이야? 둘다 BCC잖아.
A. 4140, 4340은 자성을 띠는 크롬과 몰리브덴이 함유되어 있어서 자성을 띠어. 강철에 함유되는 탄소도 자성을 만드는 역할을 하지.
텅스텐 합금에는 크롬과 몰리브덴이 많이 들어가지 않아. 그래서 일반적으로 비자성이야. 텅스텐 자체는 비자성이고, 자성인 니켈이나 코발트가 들어갈 수는 있지만 전체 구성이 자성을 띠지는 않아.
Q. 그럼 FCC는 모두 비자성이야?
A. 역시 아니야. 마찬가지로 조성과 처리에 따라 달라져.
예를 들어 오스테나이트계 스테인리스 강은 FCC 구조이고 일반적으로 비자성이야. 왜냐면 비자성 원소인 니켈과 크롬이 많이 들어있거든. 이 둘은 오스테나이트 결정구조를 안정화시키는 역할을 해. 하지만 어떤 오스테나이트계 스테인리스 강은 냉간가공을 통해 자성을 띠기도 하는데, 오스테나이트 구조가 마르텐사이트 구조가 되기 때문이야.
고강도저합금강(HSLA)같은 FCC 구조의 강철은 철, 코발트 같은 자성 원소를 가져. 하지만 일반적으로 FCC는 BCC에 비해 자성을 덜 띠는 건 맞아.
Q. 왜 BCC는 자성이고 FCC는 비자성인지 알려줄 수 있어? 온도와 처리 같은 다른 요소는 그만 좀 말해.
A. BCC에서는 원자들 간의 거리가 멀어서 최외각 전자가 외부 자기장의 영향을 잘 받아. 그래서 자성을 잘 띠게 돼.
반면 FCC는 원자 주위에 다른 원자가 많아서 전자들이 더 타이트하게 구속되어 있어. 그래서 최외각 전자가 외부 자기장의 영향을 덜 받아.
하지만 앞에서 말했듯이, 어떤 물질이든 자성은 조성, 처리, 다른 조건에 영향을 받아. 그래서 BCC와 FCC 같은 결정구조가 자성을 어느 정도 결정하기는 하지만 항상 예외는 있어.
Q. 아까 오스테나이트계 스테인리스 강이 일반적으로 비자성인 이유가 비자성 물질인 크롬과 니켈을 함유하고 있어서라고 했잖아. 그런데 니켈과 크롬은 자성 물질이잖아. 답 수정할거야?
A. 니켈과 크롬이 자성 물질인건 맞아. 하지만 강철에 첨가되면 오스테나이트 결정구조를 안정화시키면서 비자성을 만들게 돼. 일반적으로 니켈을 8% 이상 첨가시켜서 자성을 억제시켜. 니켈이 적으면 자성이 되거든.
크롬은 강철의 자성을 높일 수도 있어. 하지만 오스테나이트계 스테인리스 강의 자성을 높일 정도는 아니야. 게다가 몰리브덴도 첨가되면 자성을 억제시키게 돼.
하지만 오스테나이트계 스테인리스 강도 냉간가공이나 용접, 고온노출로 자성을 띨 수 있어. 이 경우 오스테나이트 구조가 마르텐사이트가 되는데 이게 자성이거든.
Q. 오스테나이트와 마르텐사이트의 차이는 뭐야?
A. 오스테나이트는 FCC 구조야. 이 구조는 비자성이고 니켈, 크롬이 많아서 안정된 비자성 구조야. 오스테나이트 강은 일반적으로 내부식성이 높고 연성과 인성이 좋아. 그래서 화학 산업과 식품 가공 산업, 의료용 임플란트에 많이 사용돼.
마르텐사이트는 BCC 구조야. 이 구조는 자성이고 오스테나이트보다 경도와 강도가 높아. 마르텐사이트는 고온에서 급랭(담금질)을 통해 얻을 수 있는데, 이때 열역학적 평형을 이루지 못한 준안정적(metastable)인 과포화 상태가 돼. 담금질을 통해 경도와 강도가 높아지지만, 대신 오스테나이트에 비해 취성이 높아지고 인성이 낮아지는 단점이 있지.
Q. 아까 마르텐사이트가 경화되면 자성이지만 열처리를 통해 비자성이 된다고 했잖아. 결정구조가 달라지는거야?
A. 마르텐사이트가 경화되면 결정구조가 FCC에서 BCT가 돼. 빠른 온도에서 급랭시키면 비틀린 BCT 상태가 되거든. 경화된 강철은 일반적으로 자성이야.
그런데 강철은 온도를 reversion temperature라고 불리는 온도 이상으로 가열시키면 오스테나이트로 되돌릴 수 있어. 이렇게 되면 비틀린 BCT는 다시 FCC가 되는거야. 그래서 강철이 비자성이 되지.
하지만 알아둘게 있어. 이 변환에 필요한 온도와 열처리는 강철의 조성에 따라 달라질 수 있어. 하지만 일반적으로 열처리는 강철을 적정 온도로 충분한 시간 동안 가열시킨 후 냉각과정을 조절해서 강철이 새로운 구조를 갖도록 확실히 해야 해.
Q. FCC 오스테나이트를 BCC로는 어떻게 바꿔? 방금은 BCT로 바꾸는 것만 말했잖아.
A. FCC 오스테나이트를 BCC로 바로 바꿀 수는 없어. FCC는 BCC가 아니라 BCT가 되거든.
오스테나이트를 마르텐사이트로 바꾸는 건 보통 담금질이야. 이때 오스테나이트는 탄소가 과포화된 비틀린 BCT 구조가 돼. 이걸 다시 오스테나이트로 바꾸려면 임계온도에서 충분한 시간 가열해야 해. 그럼 다시 FCC 구조가 돼.
Q. 그럼 BCC 구조는 어떻게 만들어?
A. BCC 구조는 마르텐사이트 변태(martensitic transformation)를 통해 얻을 수 있어. 오스테나이트를 급랭시켜서 비틀린 BCT 마르텐사이트로 만드는 거지. 앞서 말했듯이, 이 과정은 원자가 안정한 FCC 구조를 가질 시간을 주지 않고 빨래 냉각시켜서 BCT 구조를 만드는거야.
하지만 알아둘 게 있어. 모든 조성의 강철이 마르텐사이트가 될 수 있는 건 아니야. 탄소 함유량이 충분해야 변환이 일어날 수 있어. 다른 합금원소도 변환 온도나 결정구조에 영향을 끼칠 수 있지.
다른 방법도 있는데, 분말야금(powder metallurgy)을 이용하면 BCC 구조의 강철을 만들 수 있어. 과정을 설명해줄게. 철 분말과 다른 합금원소를 섞은 후 고압을 가해서 성형체(green compact)로 만들어. 이 성형체를 강철의 녹는점 아래로 가열시켜서 입자끼리 들러붙게 만들면 BCC 구조가 만들어져. 이 과정을 통해 순도가 높은 강철을 만들 수 있어. 또 일반적인 방법으로는 얻기 어려운 복잡한 모양도 만들 수 있다는 장점이 있지.
Q. 왜 어떤 금속은 자성이고 어떤건 비자성이야?
A. 홑전자(unpaired electron)가 중요해. 얘네는 스핀 때문에 자기 모멘트를 갖거든.
일반적으로 홑전자가 있으면 자성을 띠고 모든 전자가 결합(paired)되어 있으면 비자성이야. 왜냐면 홑전자는 외부 자기장이랑 정렬되면서 자기가 직접 자기장을 만들거든.
하지만 결정구조도 자성을 결정하는 요소야. 어떤 금속은 FCC, BCC 등 특정 구조에서만 자성을 띠기도 해.
Q. 고마워! 충분히 배웠어.
A. 고맙긴! 나중에 또 궁금한 거 있으면 언제든지 물어봐.
비슷한 내용이 있어서 번역을 해보았다.
https://www.scientificamerican.com/article/why-dont-magnets-work-on
스테인리스강은 우수한 내식성으로 알려진 합금이며, 내식성은 크롬에 의한 것이다. 스테인레스강의 주요한 두 가지 주요 유형은 비자성을 띠는 오스테나이트계(austenitic)와 자성을 띠는 페라이트계(ferritic)로, 둘은 결정 구조가 다르다. 페라이트계가 자성을 띠는 두 가지 이유는 높은 철 함유량과 결정 구조이다. 오스테나이트계 강은 FCC 구조를 가지며 페라이트계는 BCC 구조를 가진다. 스테인리스 강을 니켈, 망간, 탄소 및 질소와 합금하면 합금이 상온에서 FCC 결정 구조를 가질 가능성이 높아지며, 크롬, 몰리브덴 및 실리콘은 합금이 상온에서 BCC 결정 구조를 나타낼 가능성을 높인다.
가장 유명한 스테인리스강인 304는 약 18%의 크롬과 8%의 니켈을 함유하고 있다. 상온에서 304 스테인레스강의 열역학적으로 안정된 결정 구조는 BCC이다. 하지만 합금의 니켈 농도와 소량의 망간(약 1%), 탄소(0.08% 미만) 및 질소(약 0.06%)는 FCC 구조를 유지하므로 합금은 비자성이 된다. 합금이 상온에서 구부러지는 등 기계적으로 변형되면 부분적으로 페라이트 상으로 변형되면서 자성(정확히는 상자성ferromagnetic)이 된다.
많이 사용되는 페라이트계 스테인리스강은 13~18%의 크롬을 포함하는 철-크롬 이원 합금이며, 이 합금은 실온에서 강자성이다. 모든 강자성 합금과 마찬가지로 충분히 높은 온도-퀴리 온도-로 가열하면 페라이트계 스테인리스강은 강자성을 잃고 상자성이 된다.
페라이트계 스테인리스강은 일반적으로 자화되지 않는다. 그러나 자기장에 노출되면 자화되고 자기장이 제거되더라도 어느 정도 자화된 상태를 유지한다. 이 거동은 강철의 미세 구조 때문이다. 자연 상태의 페라이트강은 자구(magnetic domain)라고 하는 작은 영역으로 구성되는데, 자구는 완전히 자화되지만 일반적으로 각 자구에서 자화 방향이 다르다. 결과적으로 모든 자구의 자화를 더하면 전체의 자기 모멘트는 0이 된다. 외부 자기장은 자구의 자화 방향을 바꾼다. 강철과 적용된 자기장에 따라, 특정 도메인의 선택적인 성장 또는 수축과 자구 내 자화 회전의 조합에 의해 자화 방향이 정렬된다. 가해진 자기장이 충분히 강하다면 자구의 회전 및 성장/수축을 방해하는 적절한 수의 결함이 있는 한 강철은 자화의 상당 부분을 유지한다.
페라이트계 스테인리스강이 강자성이고 오스테나이트계가 강자성이 아닌 근본적인 이유는 양자역학적 특성 때문이다. 강자성 금속은 불완전한 내부 코어를 갖는 원자로 구성되는데, 이 원자로 인해 결정 구조는 에너지 밴드에서 높은 밀도의 전자 상태를 만든다. 또한 페라이트계 스테인리스강은 불완전한 내부 코어로 인해 에너지 밴드에서 전자 간의 교환 효과를 허용하는 원자 간격을 갖는다. 금속 결정의 원자 간격이 너무 넓으면 교환 효과가 너무 작아 이웃 원자의 자기 모멘트 정렬을 일으키지 못하고 결정이 강자성을 나타내지 못한다. 고밀도 상태에 대한 요구 사항은 같은 스핀을 가진 전자가 같은 에너지 준위를 차지하는 것을 금지한다는 파울리의 배타 원리에 근거한다. 결과적으로 전자 상태의 밀도가 상대적으로 작으면 모든 전자가 동일한 스핀을 갖기 위해서는 전자가 더 높은 에너지 상태를 가져야 한다. 더 높은 에너지 준위의 점유로 인한 에너지 증가가 전자 교환 에너지로 인한 에너지 감소를 넘어서면 결정 구조는 강자성이 아니게 된다.
Why don't magnets work on some stainless steels?
www.scientificamerican.com
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