합금
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
합금은 두 가지 이상의 원소를 혼합하여 금속의 특성을 유지하면서, 개별 성분과는 다른 기계적 특성을 나타내는 물질이다. 합금은 첨가되는 원소의 종류와 비율에 따라 다양한 특성을 갖는데, 강도, 경도, 내식성 등을 향상시키기 위해 널리 사용된다. 인류는 운석철을 시작으로 청동, 강철 등 다양한 합금을 개발해 왔으며, 현대에는 철, 구리, 알루미늄, 니켈 등을 기반으로 한 다양한 합금이 산업 전반에 걸쳐 활용되고 있다. 합금의 상태도는 합금의 조성과 온도에 따른 결정 구조 변화를 나타내며, 합금 설계 및 연구에 중요한 역할을 한다.
더 읽어볼만한 페이지
- 합금 - 형상기억합금
형상기억합금은 특정 온도에서 원래 형태로 되돌아가는 성질을 가진 금속 합금으로, 의료, 항공우주 등 다양한 분야에서 활용되며, 니켈-티타늄 합금이 대표적이다. - 합금 - 연철
연철은 탄소 함량이 낮고 슬래그를 포함하며, 청동을 대체하여 농기구, 무기 등에 사용되다가 강철의 등장으로 쇠퇴하여 현재는 문화재 복원 등에 사용된다. - 금속공학 - 형상기억합금
형상기억합금은 특정 온도에서 원래 형태로 되돌아가는 성질을 가진 금속 합금으로, 의료, 항공우주 등 다양한 분야에서 활용되며, 니켈-티타늄 합금이 대표적이다. - 금속공학 - 초합금
초합금은 고온에서 우수한 기계적 특성을 유지하도록 설계된 금속 합금으로, 다양한 원소 첨가와 미세구조 제어를 통해 고온 강도와 내구성을 최적화하여 항공기 엔진, 가스터빈 등에 널리 사용된다. - 화학 - 솔베이 회의
솔베이 회의는 에른스트 솔베이가 설립한 국제 학술 회의로, 저명한 과학자들이 모여 물리학과 화학 분야의 최첨단 과학적 문제를 논의하며 양자역학 발전에 기여했으나, 서구 과학자 중심 구성에 대한 비판과 함께 학제 간 연구 확대 및 참가자 다양성 확보를 통한 발전이 기대된다. - 화학 - 원자
원자는 원자핵과 전자로 구성된 물질의 기본 단위로, 고대 원자론에서 시작하여 돌턴의 원자설로 정립되었지만, 아원자 입자 발견으로 더 복잡해졌으며, 현대에는 양자역학 기반 모형으로 다양한 성질과 화학적 거동을 설명하고 핵융합, 핵분열, 반도체, 나노 기술, 핵 에너지 등 다양한 분야에 응용된다.
| 합금 | |
|---|---|
| 지도 | |
| 개요 | |
| 정의 | 두 가지 이상의 원소로 이루어진 혼합물 또는 금속 고용체 |
| 종류 | 합금강 비철 합금 경합금 형상 기억 합금 |
| 특징 | 고유한 물리적, 화학적 특성 |
| 용도 | 다양한 산업 분야에 사용 |
| 역사 | |
| 기원 | 고대부터 사용 (청동기 시대, 철기 시대) |
| 초기 합금 | 청동 (구리와 주석의 합금) |
| 산업 혁명 시대 | 다양한 합금 개발 및 대량 생산 시작 |
| 구성 | |
| 주성분 | 금속 (대부분) |
| 부성분 | 다른 금속, 비금속 원소 |
| 조성 비율 | 합금 종류에 따라 다양함 |
| 특성 | |
| 강도 | 순수 금속보다 강한 경우가 많음 |
| 경도 | 내마모성 향상 |
| 내식성 | 부식에 대한 저항성 향상 |
| 전기 전도도 | 순수 금속에 비해 감소하는 경우가 많음 |
| 열 전도도 | 순수 금속에 비해 감소하는 경우가 많음 |
| 융점 | 순수 금속과 다른 융점을 가짐 |
| 제조 방법 | |
| 용융법 | 금속을 녹여 혼합 |
| 분말 야금법 | 금속 분말을 압축하여 성형 |
| 전기 도금법 | 금속 이온을 환원시켜 증착 |
| 분류 | |
| 성분 기준 | 철강 합금 (탄소강, 합금강) 비철 합금 (구리 합금, 알루미늄 합금) |
| 기능 기준 | 구조용 합금 기능성 합금 (자성 합금, 초전도 합금) |
| 주요 합금 종류 | |
| 철강 | 탄소강 합금강 (스테인리스강) 주철 |
| 구리 합금 | 황동 청동 |
| 알루미늄 합금 | 두랄루민 |
| 티타늄 합금 | 고강도, 경량 |
| 니켈 합금 | 내열성, 내식성 |
| 응용 분야 | |
| 건설 | 철근 구조물 |
| 운송 | 자동차 부품 항공기 부품 선박 |
| 전자 제품 | 전선 반도체 재료 |
| 기계 산업 | 공구 베어링 |
| 의료 산업 | 임플란트 수술 기구 |
| 예술 및 공예 | 장신구 조각 |
| 기타 | 주방 용품 생활 용품 |
| 관련 항목 | |
| 금속 | 금속 |
| 고용체 | 고용체 |
| 야금학 | 야금학 |
2. 합금의 특징
합금은 여러 화학 원소의 혼합물로, 금속의 특징을 유지하는 불순물질(혼합물)을 형성한다. 합금은 불순 금속과 구별되는데, 합금의 경우 첨가된 원소들이 원하는 특성을 얻기 위해 잘 제어되는 반면, 연철과 같은 불순 금속은 제어가 덜 되지만 종종 유용하게 여겨진다. 합금은 두 가지 이상의 원소, 그중 적어도 하나는 금속을 혼합하여 만든다. 이것은 일반적으로 주금속 또는 기본 금속이라고 하며, 이 금속의 이름이 합금의 이름이기도 할 수 있다. 다른 성분은 금속일 수도 아닐 수도 있지만, 용융된 기본 금속과 섞이면 용해되어 혼합물에 용해된다.
합금의 기계적 특성은 종종 개별 구성 요소의 기계적 특성과 매우 다를 것이다. 일반적으로 매우 무른(말랑말랑한) 금속인 알루미늄은 구리와 같은 다른 무른 금속과 합금하여 변형시킬 수 있다. 두 금속 모두 매우 무르고 연성이 있지만, 생성되는 알루미늄 합금은 훨씬 더 큰 강도를 갖게 된다. 철에 소량의 비금속 탄소를 첨가하면 그 뛰어난 연성이 강철이라는 합금의 더 큰 강도로 바뀐다. 매우 높은 강도와 상당한 인성, 그리고 열처리에 의해 크게 변화될 수 있는 능력 때문에 강철은 현대에서 가장 유용하고 일반적인 합금 중 하나이다. 강철에 크롬을 첨가하면 부식에 대한 저항력을 높여 스테인리스강을 만들 수 있고, 규소를 첨가하면 전기적 특성을 바꿔 규소강을 만들 수 있다.
기름과 물처럼, 용융된 금속이 다른 원소와 항상 섞이는 것은 아니다. 예를 들어, 순수한 철은 구리와 거의 완전히 불용성이다. 구성 요소가 용해되더라도 각각 일반적으로 포화점을 가지며, 그 이상으로 구성 요소를 추가할 수 없다. 예를 들어 철은 최대 6.67%의 탄소를 포함할 수 있다. 합금의 원소는 일반적으로 액체 상태에서 용해되어야 하지만, 고체 상태에서는 항상 용해되는 것은 아니다. 금속이 고체 상태에서 용해된 상태로 남아 있으면 합금은 고용액을 형성하여 상이라고 하는 동일한 결정으로 구성된 균질 구조가 된다. 혼합물이 식으면서 구성 요소가 불용성이 되면, 서로 다른 두 가지 이상의 결정을 형성하기 위해 분리되어 서로 다른 상의 이질적인 미세구조를 만들 수 있으며, 어떤 것은 다른 구성 요소보다 한 구성 요소가 더 많다. 그러나 다른 합금에서는 불용성 원소가 결정화가 일어난 후에야 분리될 수 있다. 매우 빠르게 냉각하면 먼저 균질 상으로 결정화되지만, 이차 성분으로 과포화된다. 시간이 지남에 따라 이러한 과포화 합금의 원자는 결정 격자에서 분리되어 더 안정적으로 되고, 내부적으로 결정을 강화하는 두 번째 상을 형성할 수 있다.
전자 금—은과 금의 합금—과 같은 일부 합금은 자연적으로 발생한다. 운석은 때때로 철과 니켈의 천연 합금으로 만들어지지만 지구에는 없다. 인류가 만든 최초의 합금 중 하나는 주석과 구리의 혼합물인 청동이다. 청동은 그 구성 요소보다 훨씬 강하고 단단하기 때문에 고대인들에게 매우 유용한 합금이었다. 강철은 또 다른 일반적인 합금이었다. 그러나 고대에는 철 생산 중 불에서 철광석을 가열하는( 제련) 과정에서 우연한 부산물로만 생성될 수 있었다. 다른 고대 합금으로는 퓨터, 황동 및 주철이 있다. 현대에는 강철을 다양한 형태로 만들 수 있다. 탄소강은 탄소 함량만 변화시켜 연강과 같은 무른 합금이나 스프링강과 같은 단단한 합금을 생산할 수 있다. 합금강은 크롬, 몰리브덴, 바나듐 또는 니켈과 같은 다른 원소를 첨가하여 고속도강이나 공구강과 같은 합금을 만들 수 있다. 대부분의 현대 강철에는 망간이 소량 합금되는데, 이는 인, 황 및 산소와 같은 원하지 않는 불순물을 제거하는 능력이 있기 때문이며, 이러한 불순물은 합금에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 그러나 대부분의 합금은 1900년대까지 만들어지지 않았는데, 예를 들어 다양한 알루미늄, 티타늄, 니켈 및 마그네슘 합금이 있다. 인코로이, 인코넬 및 하스텔로이와 같은 일부 현대 초합금은 여러 가지 다른 원소로 구성될 수 있다.
합금은 기술적으로 불순 금속이지만, 합금을 언급할 때 "불순물"이라는 용어는 일반적으로 원하지 않는 원소를 나타낸다. 이러한 불순물은 기본 금속과 합금 원소에서 유입되지만 가공 과정에서 제거된다. 예를 들어 황은 강철에서 흔한 불순물이다. 황은 철과 쉽게 결합하여 매우 취성인 황화철을 형성하여 강철에 약한 부분을 만든다.[2] 리튬, 나트륨 및 칼슘은 알루미늄 합금에서 흔한 불순물이며, 주조의 구조적 무결성에 악영향을 미칠 수 있다. 반대로 원치 않는 불순물을 포함하는 그렇지 않으면 순수한 금속은 종종 "불순 금속"이라고 하며 일반적으로 합금이라고 하지 않는다. 공기 중에 존재하는 산소는 대부분의 금속과 쉽게 결합하여 금속 산화물을 형성한다. 특히 합금 과정에서 발생하는 더 높은 온도에서 그렇다. 플럭스, 화학 첨가제 또는 기타 추출 야금 방법을 사용하여 과도한 불순물을 제거하기 위해 합금 과정에서 많은 주의를 기울인다.[3]
공정을 형성하는 합금(예를 들어 Sn-Pb 등)에서는 각 금속의 단독 융점보다 합금의 융점을 낮출 수 있기 때문에, 더 낮은 융점의 금속을 얻을 수 있다. 이 때문에 두 종류의 금속을 접촉시킨 상태로 가열하면, 각 금속의 단독 융점에 도달하지 않는 온도에서도 접촉 부분부터 합금이 되어 녹는 현상이 발생한다. 예를 들어, 저융점 금속을 가열하여 액체로 만들고, 거기에 고융점 금속을 고체 상태로 투입함으로써 '녹여 넣어' 합금을 만들 수 있다. 태고부터 청동 제작 등에서 경험칙적으로 이용되어 왔다.
2. 1. 합금화의 목적
금속에 다른 원소를 첨가하면 원자 크기의 차이로 인해 금속 결정의 격자에 내부 응력이 발생하는데, 이러한 응력은 종종 금속의 특성을 향상시킨다.[4] 예를 들어, 탄소와 철의 결합은 철보다 강한 강을 생성한다. 합금의 전기 전도도 및 열 전도도는 일반적으로 순수 금속보다 낮다. 밀도, 반응성, 영률과 같은 물리적 특성은 기본 원소와 크게 다르지 않을 수 있지만, 인장 강도,[5] 연성 및 전단 강도와 같은 공학적 특성은 구성 재료의 특성과 상당히 다를 수 있다. 이는 때때로 합금 내 원자의 크기 때문인데, 더 큰 원자는 인접 원자에 압축력을 가하고, 더 작은 원자는 인접 원자에 인장력을 가하여 합금이 변형에 저항하는 데 도움이 된다. 때로는 한 원소가 소량 존재하더라도 합금의 거동에 현저한 차이가 나타날 수 있다. 예를 들어, 반도체 강자성 합금의 불순물은 화이트, 호건, 수흘, 티안 아브리에, 나카무라가 처음 예측한 것처럼 다른 특성을 초래한다.[6][7]순수 금속과 달리 대부분의 합금은 단일 녹는점을 갖지 않고, 재료가 고체와 액체 상의 혼합물(슬러시)인 용융 범위를 갖는다. 용융이 시작되는 온도를 고상선이라고 하고, 용융이 완료되는 온도를 액상선이라고 한다. 많은 합금의 경우, 공정점 혼합물 또는 포정 조성이라고 하는 특정 합금 비율(경우에 따라 두 개 이상)이 합금에 고유하고 낮은 녹는점을 부여하고, 액체/고체 슬러시 전이가 없다.
2. 2. 합금화 메커니즘
합금은 금속에 하나 이상의 다른 원소를 결합하여 만든다. 가장 일반적이고 오래된 합금 제조 공정은 기본 금속을 녹는점 이상으로 가열한 다음 용융된 액체에 용질을 용해하는 방법이다.[4] 액체 상태의 티타늄은 대부분의 금속과 원소를 용해할 수 있는 매우 강력한 용매이지만, 산소와 같은 기체를 쉽게 흡수하고 질소가 있는 곳에서 연소되므로 진공 유도 가열과 특수한 수냉식 구리 도가니에서 용융해야 한다.[4]금속에 다른 원소를 첨가하면 원자 크기의 차이로 인해 금속 결정의 격자에 내부 응력이 발생하여 금속의 특성을 향상시킨다.[5] 예를 들어 탄소와 철의 결합으로 만들어지는 강은 철보다 강하며, 전기 전도도 및 열 전도도는 순수 금속보다 낮다.[5] 밀도, 반응성, 영률과 같은 물리적 특성은 기본 원소와 크게 다르지 않을 수 있지만, 인장 강도,[5] 연성 및 전단 강도와 같은 공학적 특성은 구성 재료의 특성과 상당히 다를 수 있다. 때로는 합금 내 원자의 크기로 인해, 더 큰 원자는 인접 원자에 압축력을 가하고, 더 작은 원자는 인접 원자에 인장력을 가하여 합금이 변형에 저항하는 데 도움이 된다.[6][7]
액체 금속에 다른 물질을 섞으면 합금이 형성되는 메커니즘에는 '원자 교환'과 '침입형 메커니즘'의 두가지가 작용한다. 혼합물의 각 원소의 상대적인 크기는 어떤 메커니즘이 일어날지 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 원자의 크기가 비슷하면 원자 교환 방식이 일어나는데, 이는 금속 결정을 구성하는 일부 원자가 다른 성분의 원자로 치환되는 '치환형 합금'이다. 청동과 황동은 치환형 합금의 예시이다.
침입형 메커니즘의 경우, 한 원자가 다른 원자보다 훨씬 작아서 기저 금속의 결정에서 다른 유형의 원자를 성공적으로 치환할 수 없다. 대신, 더 작은 원자는 결정 매트릭스의 원자들 사이의 간극 자리에 갇히는 '침입형 합금'이 된다. 강철은 침입형 합금의 한 예이다.
스테인리스강은 침입형 합금과 치환형 합금이 결합된 예이다. 탄소 원자가 간극에 들어맞지만, 일부 철 원자는 니켈과 크롬 원자로 치환되기 때문이다.[10]
일반적으로 순수 금속은 탄성 한계(영구 변형이 발생하는 응력)가 작다. 합금화에 의해 결정을 구성하는 금속 원소와 크기가 다른 금속 원소로 치환시키거나 결정 내에 작은 원소를 침입시켜 결정의 왜곡을 만듦으로써 전위의 이동을 어렵게 하여 기계적 강도(경도, 인장 강도)를 향상시킬 수 있다. 듀랄루민·강 등이 그 예이다.
금속 원소 중에는 크롬(Cr)과 같이, 그 산화물이 피막(부동태)을 형성하여 내부까지의 산화 진행을 방지하는 성질을 가진 것이 있으며, 이러한 금속을 첨가하여 내식성이 있는 합금으로 만들 수 있다. 스테인리스강이 그 예이다.
공정을 형성하는 합금(예를 들어 Sn-Pb 등)에서는 각 금속의 단독 융점보다 합금의 융점을 낮출 수 있기 때문에, 더 낮은 융점의 금속을 얻을 수 있다.
2. 3. 열처리
기본 금속에 합금 원소를 첨가하여 경도, 인성, 연성 또는 기타 원하는 특성을 유도한다. 대부분의 금속과 합금은 결정 구조에 결함을 만들어 가공 경화될 수 있다. 이러한 결함은 두들기기, 구부리기, 압출 등의 소성 변형 과정에서 생성되며, 금속이 재결정되지 않는 한 영구적이다.[10] 그렇지 않으면, 일부 합금은 열처리를 통해 특성을 변경할 수도 있다. 거의 모든 금속은 풀림을 통해 연화될 수 있는데, 이는 합금을 재결정하고 결함을 복구하지만, 제어된 가열 및 냉각을 통해 경화될 수 있는 금속은 그리 많지 않다. 알루미늄, 구리, 마그네슘, 티타늄 및 니켈의 많은 합금은 어떤 열처리 방법으로 어느 정도 강화될 수 있지만, 강철만큼 그 효과가 큰 합금은 거의 없다.[10]
강철은 철-탄소 합금으로, 특정 온도에서 결정 매트릭스의 원자 배열(동소체)이 변화한다. 이를 통해 더 작은 탄소 원자가 철 결정의 간극에 들어가 오스테나이트라는 균질 결정상을 형성한다. 강철을 천천히 냉각하면 탄소는 철에서 확산되어 세멘타이트(또는 탄화물)와 순수한 철 페라이트의 두 상으로 구성된 이종 গঠন을 이룬다. 그러나 강철을 급속히 냉각하면 탄소 원자가 확산, 석출될 시간이 없어 무확산(마르텐사이트) 변태가 발생, 탄소 원자가 용액에 갇히게 된다. 이로 인해 결정 구조가 변형되어 매우 단단해지지만 연성이 떨어진다.[10]
대부분의 열처리 가능한 합금은 석출 경화 합금으로, 강도를 얻기 위해 합금 원소의 확산에 의존한다. 용액을 형성하도록 가열한 다음 급속 냉각하면 이러한 합금은 무확산 변태 중에 정상보다 훨씬 무르게 되지만, 시간이 지남에 따라 경화된다. 이러한 합금의 용질은 시간이 지남에 따라 석출되어 금속간 화합물 상을 형성한다. 강철의 경우 고용체가 서로 다른 결정 상(탄화물과 페라이트)으로 분리되는 것과 달리, 석출 경화 합금은 동일한 결정 내에 다른 상을 형성한다.[10]
1906년 알프레드 빌름에 의해 석출 경화 합금이 발견되었다. 알루미늄, 티타늄 및 구리의 특정 합금과 같은 석출 경화 합금은 담금질(급속 냉각)하면 연화되고 시간이 지남에 따라 경화되는 열처리 가능한 합금이다. 빌름은 3원 합금을 담금질 시도하였으나 처음에는 결과에 실망했지만, 다음 날 다시 테스트했을 때, 합금은 실온에서 노화되도록 방치했을 때 경도가 증가하였다. 듀랄루민은 최초로 사용된 "시효 경화" 합금 중 하나였으며, 최초의 비행선의 주요 건축 자재가 되었고, 곧 많은 다른 합금이 뒤따랐다.[8] 이러한 합금은 현대 항공기 건설을 포함한 많은 산업 분야에서 널리 사용되었다.[9]
3. 합금의 역사
인류는 자연적으로 생성되는 니켈과 철의 합금인 운석철을 사용하면서 합금을 사용하기 시작했다. 운석철은 철 운석의 주요 구성 성분이다.[11] 운석철은 붉은 열로 가열하여 단조하거나 냉간 단조하여 도구, 무기, 못, 칼, 화살촉 등을 만들었으며, 모루로 사용되기도 했다. 운석철은 매우 희귀하고 귀중했으며, 고대인들에게는 가공하기 어려웠다.[12]
철은 지구상에서 대부분 철광석 형태로 발견되지만, 그린란드의 한 광상에서는 토철이 발견되어 이누이트족이 사용했다.[13] 천연 구리는 전 세계적으로 발견되었으며, 은, 금, 백금과 함께 신석기 시대부터 도구, 보석류 및 기타 물건을 만드는 데 사용되었다. 약 1만 년 전 아나톨리아(터키) 고원 지대에서 인류는 구리와 주석과 같은 금속을 광석에서 제련하는 방법을 배웠다. 기원전 2500년경에는 두 금속을 합금하여 청동을 만들기 시작했는데, 청동은 원료 금속보다 훨씬 단단했다. 중동에서는 아연과 구리를 합금하여 황동을 만들기 시작했다.[14] 고대 문명에서는 다양한 온도와 가공 경화 조건에서 경도, 인성 및 융점과 같은 다양한 특성을 생성하는 혼합물을 고려하여 현대 합금 상태도에 포함된 많은 정보를 개발했다.[22] 예를 들어, 중국 진나라(기원전 200년경)의 화살촉은 종종 단단한 청동 머리와 부드러운 청동 자루로 만들어져 사용 중에 무뎌지거나 부러지는 것을 방지하기 위해 합금을 결합했다.[15]
수은은 수천 년 동안 주사에서 제련되어 왔으며, 금, 은, 주석과 같은 많은 금속을 용해하여 아말감을 형성한다. 기원전 200년부터 중국에서는 아말감을 사용하여 도금을 하였고, 고대 로마인들은 갑옷에 도금을 할 때 수은-주석 아말감을 자주 사용했다. 수은은 광산에서 금이나 은과 같은 귀금속을 광석에서 추출하는 데에도 자주 사용되었다.[16][17]
많은 고대 문명에서 금속을 합금한 것은 미적인 목적에서였다. 고대 이집트와 미케네에서는 금에 구리를 합금하여 적금(red-gold)을 만들거나, 철을 합금하여 밝은 적자색 금을 만들었다. 금은 종종 은이나 다른 금속과 합금되어 다양한 종류의 착색 금을 만들었다. 구리는 은에 첨가되어 스털링 실버를 만들어 식기, 은식기 및 기타 실용적인 물품에 사용하기 위한 강도를 높였다. 기원전 250년경 아르키메데스는 시라쿠사 왕으로부터 왕관의 금 순도를 확인하는 방법을 찾아달라는 의뢰를 받았고, 그 결과 아르키메데스의 원리를 발견하게 되었다.[18][19]
주석(Pewter)은 주석을 주성분으로 하는 다양한 합금을 지칭하며, 청동기 시대에는 유럽과 지중해 지역의 많은 곳에서 주석이 희귀한 금속이었기 때문에 종종 금보다 더 높이 평가되었다. 주석으로 보석, 식기류 또는 기타 물건을 만들기 위해 작업자들은 일반적으로 강도와 경도를 높이기 위해 납, 안티몬, 비스무트 또는 구리와 합금했다. 가장 초기의 주석 제품은 기원전 1450년경 고대 이집트에서 발견된다. 주석의 사용은 유럽 전역에 널리 퍼져 있었으며,[20] 중국과 극동에서도 사용되었으며, 서기 800년경 일본에 전래되어 신토 신사에서 사용되는 의식용 그릇, 차통 또는 성배와 같은 물건을 만드는 데 사용되었다.[21]
최초의 철 제련은 기원전 1800년경 아나톨리아에서 시작되었다. 블루머리법이라고 불리는 이 방법은 매우 부드럽지만 연성이 있는 연철을 생산했다. 기원전 800년경에는 철 제련 기술이 유럽으로 전파되었고, 서기 700년경에는 일본에 도달했다. 철과 탄소의 매우 단단하지만 취성이 있는 합금인 무쇠는 기원전 1200년경 중국에서 생산되기 시작했지만, 유럽에는 중세 시대까지 전파되지 않았다. 무쇠는 철보다 녹는점이 낮아 주철을 만드는 데 사용되었다. 서기 700년경, 일본인들은 블루머리 강과 주철을 번갈아 가며 접어 칼의 강도를 높이기 시작했고, 점토 용융제를 사용하여 슬래그와 불순물을 제거했다. 이러한 일본도 제련 방법은 고대 세계에서 가장 순수한 강 합금 중 하나를 생산했다.[22]
철의 사용이 기원전 1200년경부터 더욱 널리 보급되기 시작했지만, 주석 무역로의 차질이 주된 원인이었다. 이 금속은 청동보다 훨씬 부드러웠다. 그러나 매우 소량의 강(철과 약 1%의 탄소의 합금)은 항상 블루머리 공정의 부산물이었다. 열처리로 강의 경도를 변경하는 능력은 기원전 1100년경부터 알려져 왔다. 1740년, 벤자민 헌츠먼은 수포강을 용광로에서 녹여 탄소 함량을 고르게 하고, 최초의 공구강 대량 생산 공정을 만들었다. 헌츠먼의 공정은 1900년대 초까지 공구강 제조에 사용되었다.[23]
중세 시대에 용광로가 유럽에 도입됨에 따라 사람들은 연철보다 훨씬 많은 양의 무쇠를 생산할 수 있게 되었다. 1858년, 헨리 베세머는 액체 무쇠에 고온의 공기를 불어넣어 탄소 함량을 줄이는 제강 공정을 개발했다. 베세머 공정은 최초의 대규모 강 생산으로 이어졌다.[23]
강은 철과 탄소의 합금이지만, ''합금강''이라는 용어는 일반적으로 바나듐, 몰리브덴, 또는 코발트와 같은 다른 원소를 기본 강의 특성을 변경할 만큼 충분한 양으로 함유하는 강만을 가리킨다. 계몽주의 시대가 한참 지난 후에도 강철 산업은 매우 경쟁적이었고, 제조업체들은 자체 공정을 비밀로 유지하기 위해 많은 노력을 기울였다. 따라서 1860년까지 강철에 대한 야금학적 정보는 거의 없었다. 이러한 이해 부족으로 인해 강철은 1930년대와 1970년대 사이까지 일반적으로 합금으로 간주되지 않았으며, "합금강"은 3원 및 4원 강 합금에 대한 일반적인 용어가 되었다.[24][25]
벤자민 헌츠먼이 1740년 용광로 강을 개발한 후, 망가니즈(고망가니즈 무쇠인 ''스피겔아이젠'' 형태)와 같은 원소를 첨가하는 실험을 시작했는데, 이는 인과 산소와 같은 불순물을 제거하는 데 도움이 되었다. 이 공정은 베세머가 채택했고 여전히 현대 강에서 사용되고 있다.[26] 1882년, 로버트 해드필드는 약 12%의 망가니즈를 함유한 강 합금인 망가노이를 생산했다. 망가노이는 극도의 경도와 인성을 나타내어 최초의 상업적으로 실행 가능한 합금강이 되었다.[27] 그 후 그는 실리콘 강을 만들어 다른 가능한 강 합금을 찾는 연구를 시작했다.[28]
로버트 포레스터 머셰트는 강에 텅스텐을 첨가하면 고온에서 경도를 잃지 않는 매우 단단한 가장자리를 만들 수 있다는 것을 발견했다. "R. 머셰트 특수 강"(RMS)은 최초의 고속도강이 되었다.[29] 머셰트의 강철은 1900년 테일러와 화이트가 개발한 텅스텐 카바이드 강으로 빠르게 대체되었다. 1903년, 라이트 형제는 크롬-니켈 강을 사용하여 비행기 엔진의 크랭크축을 만들었고, 1908년 헨리 포드는 포드 모델 T의 크랭크축과 밸브와 같은 부품에 바나듐 강을 사용하기 시작했다.[30] 1912년, 독일의 크루프 제철소는 21%의 크롬과 7%의 니켈을 첨가하여 내식성 강철을 개발하여 최초의 스테인리스 강을 생산했다.[31]
1807년 험프리 데이비는 보크사이트에서 알루미늄을 추출하는 방법을 전기 아크를 사용하여 제안했다. 그의 시도는 실패했지만, 1855년에는 순수 알루미늄이 처음으로 시장에 판매되었다. 추출 야금술이 아직 초기 단계였기 때문에 대부분의 알루미늄 추출 공정에서는 광석에 포함된 다른 원소들로 오염된 예상치 못한 합금이 생성되었으며, 그중 가장 풍부한 것은 구리였다. 이러한 알루미늄-구리 합금(당시에는 "알루미늄 청동"이라고 불림)은 순수 알루미늄보다 강도와 경도가 더 높았고, 어느 정도 열처리가 가능하다는 사실이 밝혀졌다.[32] 1903년 라이트 형제가 최초의 비행기 엔진 제작에 알루미늄 합금을 사용할 때까지는 신기한 정도에 불과했다.[30] 1865년부터 1910년 사이에 크롬, 바나듐, 텅스텐, 이리듐, 코발트, 몰리브덴과 같은 많은 다른 금속을 추출하는 공정이 발견되었고, 다양한 합금이 개발되었다.[33]
1910년 이전에는 연구가 주로 개인 연구자들이 자신의 실험실에서 연구하는 것으로 이루어졌다. 그러나 항공 및 자동차 산업이 성장하기 시작하면서 1910년 이후 합금에 대한 연구는 산업적 노력으로 바뀌었고, 자동차의 피스톤과 휠에 사용할 새로운 마그네슘 합금이 개발되었으며, 레버와 손잡이에는 포트 메탈이, 항공기 동체와 항공기 외피에는 알루미늄 합금이 사용되었다.[30] 오하이오주 톨레도에 있는 Doehler Die Casting Co.는 고장력 내식성 청동 합금인 ''Brastil'' 생산으로 유명했다.[34][35]
4. 합금의 종류
침탄 처리
특수강