1. 실용 동합금의 물성 특성 개요

1-1. 개요

(1) 동합금의 분류

현재 실용화 되고 있는 동합금과 향후 개발되어 새로이 실용화 될 수 있는 동합금을 체계적으로 분류하기 위해 SAE(Society of Automotive Engineers)와 ASTM(American Society for Testing and Materials)에 의하여 UNS(Unified Numbering System)가 개발되었다. 이 UNS 분류는 동 및 동합금을 규칙적으로 확인할 수 있는 방법일 뿐 규정은 아니다. 이 UNS 분류방법에 따르면 동합금은 C xxxx와 같이 대문자 C와 5개의 숫자로 구성된다. UNS 이외에 널리 사용되고 있는 합금분류방식에는 ISO(International Standards Organization) 방식이 있으며 ISO 방식에는 합금분류를 위하여 합금성분을 사용한다.

<예> 70/30 Brass의 표시방법 -C26000 UNS Cu Zn 30 ISO

UNS방식에 따르면 동 및 동합금은 특성에 따라 몇가지 그룹으로 대분류 된다. 첫번째 그룹은 산소 P, Te 등이 미량으로 첨가되어 있으며 최소 동함유량이 99.3% 이상인 동 그룹이며 UNS 표기 C10000에서 C15599까지 해당한다.

두번째 그룹은 UNS표기 C15600부터 C 19599까지 High Copper Alloys이며 이 합금들에는 96~99.3%까지의 동을 함유하며 전기전도도를 심하게 낮추지 않으면서 재료의 강도를 동보다 강하게 하기 위해 Cd, 베릴륨, 크롬 혹은 철등이 미량 첨가된다. 이 합금군은 주로 열전도도, 전기전도도 등이 요구되는 분야에 부품으로서 사용된다.

세번째 그룹은 UNS C20500~C 28299까지의 합금이다. Brass로 알려져 있다. 이 합금군에는 2차 합금원소로서 아연이 3%에서 39%까지 첨가되어 있으며 전기전도도, 강도, 가공성 및 드로잉성이 우수하여 장신구, 탄피, 동전, 전기소켓, 라디에이터, 커낵터 등의 소재로서 광범위하게 이용된다.

네번째 그룹은 Cu Zn에 ,Pb가 1~3%가 첨가돈 합금으로서 C30000 시리즈가 이에 해당된다. 연의 첨가에 의하여 절삭성, 기계가공성이 우수하므로 기어, 시계 부품, 키 등의 재료로 광범위하게 사용된다.

다섯째 그룹은 Tin Bronze로 불리는 합금군으로 c40000시리즈가 여기에 속하며 0.5~2%의 주석이 첨가된다. 주석의 첨가에 의하여 내식성이 우수하기 때문에 Comtect Springm 부싱, 커넥터 등의 재료로 사용된다.

여선번째 그룹은 인청동군으로 C50000이 여기에 속하며 피로강도가 높고 내식성이 좋아 반복 스트레스를 받는 스프링 재료로 특히 많이 쓰인다. C60000 시리즈가 속하는 일곱번째 그룹은 알루미늄 청동 및 실리콘 청동군이며 2~13%의 알루미늄이 첨가된다. 재료의 강도와 성형성이 우수하므로 나사, 볼트, 기계부품등의 소재로 쓰인다.

여덟번째 그룹은 C70000 시리즈로서 3개의 소그룹으로 분류되며(백동, 양백, 연입양백) 백동의 경우에는 강도와 내식성이 우수하여 콘덴서 튜브, 동전 등의 재료로 쓰이며 동 니켈 아연계 합금인 양백은 성형성이 좋고 내식성이 우수하며 고유의 은색을 지니기 때문에 장식용 그릇 악기의 부품 등의 소재로 사용된다. 양백에 연을 첨가한 연입양백은 기계가공성이 뛰어나므로 키, 메달, 장식용 소재로 널리 쓰인다.

(2) 재료의 Temper표시

동합금에 있어서 재료의 인장강도의 여러범위에 대응하는 재질의 표시방법으로 Rolled Temper가 일반적으로 사용되며 총 11개의 Temper 종류가 있으며 다음과 같다.

• 1/8 Hard

• 1/4 Hard

• 1/2 Hard

• 3/4 Hard

• Hard

• Extra Hard

• Spring

• Extra Spring

• Special Spring

• Ultra Spring

• Super Spring

C 26000의 경우 Temper명과 T.S(인장강도)와의 관계는 아래과 같다.

• 1/4 Hard : 39㎏/㎟

• 1/2 Hard : 43

• Hard : 53

• Extra Hard : 62

• Spring : 68

• Extra Spring : 70

1-2. 동합금의 물리적 특성

재료를 설계하는 엔지니어들이 동 및 동합금의 소재에서 중시하는 것은 전기적 및 열적인 특성이다. 특히 동합금이 전기에너지 분야에서 널리 사용되고 있는 이유는 이들 재료가 고유한 고전도성을 나타내기 때문이다.

(1) 전기전도도

전기전도도는 1913년에 규정되었으며 표준재료의 전도도에 관하여 비교 %값으로 표시된다. 표준재로로서는 길이 1m의 소둔된 동선으로서 비중 8.89g/㎤ 중량 1g, 저항 0.15382의 물리적 성질을 갖는 것이 사용된다. 동합금의 전기전도도 값은 % IACS(International Annealed Copper Standard)로 나타내며 100% IACS 값은 20℃에서 Volume 저항 0.017241Ω㎟/m에 해당한다. 따라서 재료의 %IACS값은 식 (1)을 이용하여 계산할 수 있다.

• % IACS = (0.017241Ω㎟/m/Vol. 저항) ×100 .................. (1)

순동중에서 100% IACS 이상의 값을 가질 수 있는데 그 이유는 지난 80년동안 재료제조기술이 발달하여 전기전도도 규정이 제정될 때보다 더 고순도의 동이 제조되고 있기 때문이다. 전기전도도 현상에 대하여 물리적인 설명을 위해 플라즈마를 고려하여 보면 플라즈마는 +전하와 -전하로 구성되어 자유로이 움직인다. 만일 모든 +전하를 갖는 입자가 동일한 종류이고 -전하를 갖는 입자도 동일한 종류라고 가정하면 전기전도도 δ은 다음의 식 (2)와 같이 2개의 항으로 구성된다.

• δ = δ- μ- ＋ Ρ＋ μ＋ (Ω/m) ...........................................(2)

Ρ- = -전하를 갖는 입자밀도(c/㎥), μ = -전하를 갖는 입자의 이동도(㎡/V.S), Ρ+ = +전하를 갖는 입자의 밀도(c/㎥), μ+ = +전하를 갖는 입자의 이동도(㎡/V.S)

동과 같은 금속의 경우에는 전장을 걸면 최외각에 있는 Valence 전자는 원자로부터 분리되어 쉽게 이동할 수 있는 반면 + 전하를 갖는 원자는 각 격자점에 고정되어 있으므로 식 (2)는 δ=Ρ×μ와 같이 Ρ-와 μ- 에 의하여 결정된다. 동이나 은의 경우에는 타금속에 비해 μ의 값이 커서 높은 전기전도도를 나타낸다고 볼 수 있다. 그러나 동의 재질보다 높은 강도가 요구되고 또한 높은 전기전도도를 필요로 하는 경우는 동에 니켈, 철, 규소 등을 첨가하여 재료의 강도를 높이는 것이 일반적인 방법이다. 그러나 이러한 첨가원소들은 재료의 기지에 고용되어 전자장내에 불연속 영역을 형성하여 전자의 이동을 방해하여 전자의 평균 자유행로를 단축시키기 때문에 재료의 전기전도도를 감소시킨다. 이에 반해 기지에 고용되지 않고 복합물 등을 생성하는 첨가원소는 기본 결정격자에 변형을 주지 않기 때문에 (즉, 재료 내부의 전기장을 교란시키지 않으므로) 전기전도도에는 영향을 미치지 않는다. 결론적으로 이야기하면 첨가원소의 고용도가 클수록 전기전도도는 감소한다.

(2) 열전도도

금속내부의 열전달에는 자유전자와 격자진동이 관여하며 열은 자유전자에 의해서 약 ½정도가 절단된다. 따라서 전기전도가 높은 금속은 높은 열전도도를 나타내어 경험적으로 식 (3)과 같은 소위 Wiedermann-Franz관계가 성립된다.

• 열전도도(Thermal Conductivity) K = αδ T ....................(3)

α : 상수, δ: 전기전도도(Electrical Resistivity), T = 상수

첨가원사는 일반적으로 원자진동을 방해하기 때문에 열전도를 감소시킨다.

1-3. 동합금의 화학적 특성

(1) 산화

산소와 접촉하는 모든 금속은 산소와 반응하여 산화물을 생성하며 동합금의 경우 표면에 대두분 Cuprous Oxde(Cu₂O)가 형성된다. 표면에 생성된 산화피막이 보호성인지 비호보성인지의 판단은 Pilling과 Bedworth에 의하여 만들어진 식 (4)에 따른다.

• U = md/MD ...............................................................(4)

M : 산화물의 분자량, D : 산화물의 밀도, m : 산화물중의 금속원자량 ×원자수, d : 금속밀도

식 (4)에서 U가 1보다 크면 산화막은 보호적인 성격을 지닌다. 첨가원소중 알루미늄, 니켈, 아연, 철, 주석 등은 생성된 산화피막을 강화시키기 때문에 재료의 내산화성이 좋아진다. 습기나 액체스팀중에서의 동합금의 산화는 공기중에서의 산화와 유사하지만 유황을 함유한느 분위기에서는 산화속도가 증가할 수 있다. 그러나 산화피막은 제조공정중에 공구의 수명을 단축시키는 등 부정적인 면도 있다. 따라서 대부분의 동합금은 열간 압연후 표면의 산화피막을 기계적으로 제거시킨다.

(2) 부식

액체내에서의 재료의 부식은 전기화학적 기구에 따라 진행되며 국부적으로 부식전지를 형성한다. 이러한 부식전지는 양극, 음극 전해질 및 전자 이동경로로 구성되며 부식은 양극영역에서 발생한다. 양전하를 갖는 금속이온은 전자를 방출하면서 전해질 속으로 이동하고 방출된 전자들은 금속내부를 통하여 음극 방향으로 이동하여 음극반응에 관여한다. 양극영역에서 생성된 금속이온은 전해질내에 용존하는 산소와 결합하여 산화물을 생성한다. 금속재료에서 양극과 음극의 역할을 하는 것은 개재물 표면결함, 입자방향차, 불균일성, 국부적인 스트래스 등이다. 동의 부식반응은 식 (5)와 같다.

• 4Cu ＋ 2H₂O ↔ 2Cu₂O ＋ 4H- ＋ 4e+ .....................(5)

• O ＋ 2H₂O ＋ 4e- ↔ 4OH-(음극)

• 4Cu ＋ O₂ ↔ 2Cu₂O(전체반응)

그러나 식 (5)에서 새성된 Cu₂O는 구조상 양이온 CU+가 부족하면 P형 반도체로서 다소 불안정하여 전자의 흐름을 유발시켜 부식작용을 증가시킬 수 있다. 이러한 산화필름의 불안정성을 낮추기 위해 동에 알루미늄 니켈 아연 철 주석 등을 첨가시키면 산화필름내에 전자 및 금속이온이 유입되어 산화막 구조가 안정되므로 부식속도가 감소한다.

1-4. 동합금의 용도

(1) 기계 가공성 : Free Cutting Brass = 100

(2) A : 최우수 B : 우수 C : 보통 D : 불량

(3) Forging Brass = 100

2. 동합금의 특성 및 적용 실무

2-1. 황동(Brass)의 적용실무

2-1-1. 제조공정

소비자의 요구에 따라 황동 코일을 제조하는 기본제조공정은 아래와 같다.

재료(원재료＋스크랩) ⇒ 장입 및 용해 ⇒ 주조 ⇒ 절단 ⇒ 가열 ⇒ 열간압연 ⇒ 면삭 ⇒ 냉간압연 ⇒ 소둔 ⇒ 산세 ⇒ S/L포장 ⇒ 냉간압연 ⇒ 소둔 ⇒ S/L ⇒ 포장

한편 황동봉이나 튜브를 제조하는 공정은 아래와 같다

원재료 ⇒ 장입 및 용해 ⇒ 주조 ⇒ 절단 ⇒ 가열 ⇒ 압출 ⇒ 산세 ⇒ 인발 ⇒ 소둔 ⇒ 산세 ⇒ 절단 ⇒ 포장

(1) 공정

원자재 및 스크랩에 있어서 스크랩중의 불순물 철과 주석, 연 등을 정기적으로 관리해야 한다. 자재장입 및 용해에서는 아연의 산화에 대한 ZnO의 발생이 심하기 때문에 집진설비를 효율적으로 설치해야 한다. 양질의 잉곳이나 슬래브 또는 빌릿을 제조하기 위해서는 용탕의 질을 양호하게 관리하여야 하는데 용탕의 품질은 용탕내의 불순물, 가스성분, 산화물의 종류, 원료의 종류, 용해로의 내화물 등에 따라 좌우된다. 동합금의 용해에 사용되는 노에는 도가니로, 반사로, 전기로 등이 사용된다. 소량의 동합금을 용해하는 경우 도가니로가 사용되는데 사용하는 열원은 가스이다. 연료로 가스를 사용하면 액체연료(중유, 등유)에 비하여 공기와의 혼합이 용이하기 때문에 로내 분위기 제어가 좋고 또한 유황율이 포함되지 않았기 때문에 공해문제가 적다. 용해속도는 3~6㎏/분 정도이며 도시가스를 사용하는 경우 가스 소모량은 톤당 250N㎥이다. 열효율은 15~18% 정도이다. 가스 연소시 적당한 연소비를 설정하지 않는 경우 수소분압이 높아 용탕(특히 동의 경우)내에 수소가 흡수될 위험이 있다. 다량의 황동을 용해하는 경우에는 전기로가 사용된다 신동공장에서 사용되는 전기로는 대부분 유도로이며 형식에 따라 채널형 유도로와 도가니형 저주파 유도로 및 도가니형 고주파로로 분류된다. 유도로의 원리는 일반의 상용 주파수 전원을 Thyristor Inverter를 이용하여 용해에 적합한 전원으로 변환하여 이것을 가열 코일에 보내어 재료에 2차 유도전류인 와전류를 발생시켜 이 와전류에 의해 발생되는 Joule열로 재료를 가열 용해한다. 유도전류에서 전류침투길이와 주파수 관계는 식 (6)과 같다.

• σ= 5030√σ/μf ..............................................................(6)

σ: 전류침투 길이(㎝), Ρ: 파기열재의 고유저항 (Ω㎝), μ: 피가열재의 투자율(동의 경우 = 1), f : 주파수(㎐)

고주파 유도 용해의 경우 파가열재의 발열의 대부분이 δ층내에 집중된다.

# 도가니형 유도로

도가니형 유도로는 사용주파수에 따라 저주파 중주파 고주파형 유도로로 분류된다. 저주파로의 특징은 다음과 같다.

• 용해하고자 하는 지금의 재질, 형상의 제약을 받지 않고 공장 스크랩, 프레스 스크랩, Chip 등의 값싼 용탕원료의 사용이 가능하다.

• 합금성분조정이 용이함.

• 전자교반이 작용이 크기 때문에 성분조성이 균일한 용량을 얻을 수 있다.

• 투입전력과 시간조정이 용이하므로 조업의 자유도가 크다.

• 용해손실이 적어 수율이 높다.

• 냉제용해가 간단하여 품종교환이 쉽다.

• 에너지비용이 낮아 경제적이다.

• 금속용해는 교반력이 너무커지므로 곤란하다.

도가니형 저주파로는 생산량이 비교적 작은 양백, 인청동, 특수황동 등의 용해 또는 Holding용으로 널리 사용된다. 고주파로는 큰 전력의 투입이 가능하기 때문에 고속용해나 고온용해가 가능하고 용탕의 교반운동을 적절히 제어할 수 있으므로 용탕의 산화방지와 Lining재의 소모를 최소화 할 수 있다.

# Channel형 유도로

Channel형 유도로는 변압기의 철심을 형성하는 1차 코일과 그 주위의 용탕으로 형성되는 2차 Channel로 구성되며 Channel은 주위를 내화물로 둘러싼 후 철 박스내에 들어가 있다. (인닥터) 2차 Channel내의 용탕은 폐회로를 형성하여 Joule열에 의하여 발열한다. 노내 용탕은 순환작용에 의하여 증온된다. 인턱터에 과대전류가 흐르면 Channel주위의 내화제가 손상될 수 있으므로 주의해야 한다. Channel로의 특징은 도가니형 유도로와 공통점이 많으나 그밖에 다음과 같은 특징이 있다.

• 가열이 용탕의 순환작용에 의하여 이루어지기 때문에 용탕의 정확한 온도관계가 가능하여 금속의 편석이 적은 양질의 주괴를 만들 수 있다.

• 자동화가 가능하여 생산합리화를 추구할 수 있다.

• 유철심로이므로 전기효율은 좋으나 노의 특성상 Channel내에 상시 잔탕을 남겨야 하므로 휴일에도 노에 전원을 공급해야 한다.

• 인덕터 주위의 내화물 구조가 복잡하다.

(2) 공정

1) 기본응고이론

용탕을 양호하게 주조하기 위해서는 기체 액체 고체 상태와 각 상간의 변태관계, 열이동, 응고수축의 역학적 현상, 합금성분과 가스로재의 화학반응, 혼합확산 등에 관하여 이해할 필요가 있다.

2) 열역학적 고찰

2개 이상의 상을 포함하는 다상평형을 고려하면 1개의 구성상의 자유에너지 G는 식 (7)로 정의된다.

• G=HㆍTS ...................................................................(7)

H : 엔탈피, T : 절대온도, S : 엔트로피

금속계의 대부분은 압력이 일정하므로

• (δG)/(δT)p = -S ........................................................(8)

따라서 자유에너지는 온도의 상승에 따라 감소한다. 순금속에 있어서 각상의 자유에너지 변화는 일정한 온도에서 한개의 상이 다른상으로 상변태를 일으킬 때 자유에너지 변화는

• ΔG= ΔH-ΔS ..............................................................(9)

로 정의된다. 이때 ΔG는 상변태의 구동력이 된다. 평형상태에서는 ΔG=0 이 되므로

• ΔH = Tm ΔS..............................................................(10)

Tm : 금속의 용융점

가 성립되며 ΔH는 응고시에 계의 외부로 방출되는 에너지로서 응고잠열이라고 칭한다. 식 (9)와 식 (10)으로부터 응고잠열을 L이라 하면

• ΔG= L (ΔT/Tm) ........................................................(11)

여기에서 ΔT는 금속의 평형융점과 상변태 온도와의 차이로서 과냉도라고 부른다. 이러한 과냉도는 용탕내의 핵생성에 밀접한 영향을 주는데 균질핵생성이론에서 예측할 수 있는 ΔT=0.2 Tm은 공업적으로 나타나지 않으며 소위 불균일한 핵생성이론에 따른 ΔT = 0.02 Tm이 현실성이 있다.

3) 고체 액체 계면의 안정성

상태도에서 분배계수 Ko를 식 (12)로 정의하면

• Ko = Cs/Cl .............................................................. (12)

T>0인 조성적 과냉 영역이 나타난다.

• ΔT = Te-T = -m(C0/Ko-Cl) .......................................(13)

Te : 액체중의 액상선 분포, m : 액중의 액상선 기울기, Ce : 액중의 용질 농도 = (Tl - Tm)/m, G : 액체중의 온도 기울기

이러한 과냉에의해 계면에 돌기부가 나타나며 과냉정도가 커지면 Dendrite(수지상정)가 출현한다. 이러한 수지상정의 Arm사이에는 용질의 농도가 평균 용질보다 높은 소위 미이크로 편석현상이 발생한다. 실제작업시 나타나는 편석은 정편석과 역편석으로 분류할 수 있다.

4) 응고조직

주괴의 응고조직은 일반적으로 등측정영역, 주상정역, 수지상정역, 칠층으로 되어 있다.

• Chill층 : 주형벽에 인접한 경계층이며 무질서한 방위를 갖는다. 이는 불균일 핵생성의 결과이다.

• 주상정역 : 열류방향에 평형으로 생성되므로 강한 결정학적 우선 방위를 갖는다. Dendrite의 우선 성장방향과 일치한다. 주입온도가 높을 수록 이 존의 길이는 길어진다.

• 등축정역 : Chill층에 비해 결정의 크기가 크며 결정방위는 무질서하고 주입온도가 높으면 등축정을 생성하는 경향이 약화된다.

5) 주조방식

동합금의 가공용 소재의 대부분은 반연속 혹은 연속주조법으로 주조된다.

• 반연속주조의 설비구성은 일반적으로 용해로 - Holding로 - 주조기 또는 용해로 - 주조기로 되어 있다. 전자는 대량생산 라인에 적합하며 홀딩로는 Channel형 저주파로가 사용된다. 한편 다품종 소량생산에는 후자가 적합하며 용해로는 홀딩로의 기능을 겸한다. 본방식은 단시간내에 주조가 완료되기 때문에 자동제어 기술의 도입은 곤란하다. 반연속주조방식은 주로 동합금의 주조에 사용된다.

• 연속주조방식의 설비구성은 용해로 - Holding로 - 주조기 - 인출장치 - 시어로 되어 있으며 소단면 주괴의 제조에 사용된다. 이 주조방식은 무산소동이나 탈산동과 같이 주조시간이 오래 걸리는 제품이나 단일품종만의 제품을 장시간 일정의 조건하에서 주조하는 경우에 적합하다. 그러나 이 주조방식에 있어서는 주조조건의 변동은 단시간내에 대량의 불량제품이 나타날 수 있으므로 품질의 유지를 위해서는 자동제어화가 필요하다. 동합금의 주조시 중요한 점은 주형의 설계이다. 주형내부에 장입된 용탕은 1차 냉각에 의하여 응고됨과 동시에 수축이 되기 때문에 주형과 주괴 사이에는 Air Gap이 생긴다. 따라서 주형의 길이를 너무 길게하면 주괴로부터 주형으로의 열전달이 안되기 때문에 주괴의 표피에 용탕이 새어 나올 위험성이 있다. 일반적으로는 주형길이를 300~400㎜로 하여 주형으로부터 빠져나온 주괴에 직접 Water Spray(2차 냉각)하는 방식이 사용된다. 보통 2차냉각이 끝난 슬래브나 빌릿은 주형하부에 설치되어있는 침전조에서 3차 냉각이 된다. 주형질 재료로는 동이 일반적으로 쓰이며 주형의 내부에는 크롬코팅을 하여 표면의 유활성을 높인다. 수직형 연속주조시에는 주괴와 주형사이에 마찰에 의한 표면 결함이 나타나는 경우가 낳기 때문에 주형이 상하로 진동하도록 함이 좋다. 이러한 주형진동 시스템은 합금에 따라 상이한데 동의 경우 진동 사이클은 분당 수십회 스트로크는 수 ㎜정도가 일반적이다.

• 상기의 수직연속주조 및 반연속 주조 이외에도 수평연속 주조방식이 있다. 이 주조기의 구성은 Holding로 - 주조기 -인출장치 - 면삭기(Strip의 경우) - 절단기 - Coiler(Strip의 경우)로 이루어져 있으며 양백이나 인청동 등과 같이 열간 압연성이 좋지 않은 합금을 제조하는데 사용되는 방식이다. 주형재료로서는 흑연이 사용되는데 이것은 흑연이 갖는 고유한 윤활성과 열전도성을 이용한 것이다. 주조시에 나타나는 주형과 주괴사이의 Air Gap은 수직주조시와 달리 비대칭이므로 주괴의 표면형상이 불량한 경우도 있다. - 기타 특수한 주조법으로는 중공 빌릿주조법과 오노연속주조법 등이 있다(Ohno Continuous Casting 방법 = OCC법)

(3) 가열공정

주조한 주괴내부에는 일반적으로 미크로적인 용질편석, 미세한 수축기포, 응고에 따른 Strain 등의 주괴 결함이 있다. 열간가공전에 주괴를 가열하는 이유는 다음과 같다.

• 주괴온도를 높여 가공시 변형저항을 낮춘다.

• 마이크로 편석과 주괴 Strain을 제거한다.

• 용질분표의 균질화를 꾀한다.

열처리로로서는 Walking Beam 형식로가 일반적으로 사용되며 가열방식은 직화식이 경제성이 있으므로 많이 채택된다. 그러나 직화식로의 경우에는 다수의 버너를 사용하기 때문에 로온도의 균일한 제어가 곤란하여 주괴를 불균일하게 가열되는 경우도 있다. 빌릿을 가열하는 경우는 주괴표면의 산화를 방지하기 위하여 급속가열이 가능한 유도로를 사용하는 경우도 많다. 균질화처리시간과 온도는 합금에 따라 상이하다. 일반적으로 고상선 온도보다 약 50℃ 정도 낮은 온도에서 3~10Hr 정도 한다.

2-1-2. 부식문제

동합금의 내식성은 표면에 형성된 피막에 크게 좌우된다. 동-아연합금중 아연함량이 15~20% 이상이면 CO₂가 포함된 해수나 연수속에서 아연성분만 선택적으로 빠져나오는 소위 탈아연 현상이 일어난다. 이러한 탈아연 부식은 고온에서 또한 산소의 공급이 적은 곳에서 가속화한다. 이러한 부식을 근본적으로 방지하기에는 어렵지만 α황동의 경우에는 0.02% 정도의 As를 첨가시키면 탈아연 방지에 효과가 있다. Admiralty Brass의 경우 Bollouling에 대한 저항성이 아주 높다. 70/30황동의 경우에는 암모니아 분위기 하에서 특히 Stress Corrosion이 발생한다. 스트레스 부식은 스트레스가 성질상 Tensile인 경우에만 발생하며 이러한 스트레스는 제조공정에서 주로 발생한다. 이러한 Stress Corrosion을 방지하기 위해서는 재료내부에 가공에 의한 잔류 스트레스가 남지 않도록 최종 가공후 소재를 Stress Relief 소둔을 해야한다. 70/30 황동의 경우 260℃정도에서 1시간정도 소둔하면 스트레스가 제거된다.

2-1-3. 기계적 성질

재료의 기계적 성질을 이해하기 위해서는 우선 기본용어의 개념을 이해할 필요가 있다.

(1) Stress(응력) = Force/Area (㎏f/㎟) Normal Stress(수직응력) : Stress가 단면에 수직으로 작용하는 경우 Shear Stress(전단응력) : 응력이 단면에 평행하게 작용하는 경우

(2) Strain(변위) = 길이변화(L)/최초의 시험편 길이(L)

(3) 응력-변위곡선

(4) 탄성계수(Young율) = S/e 이 값은 재료의 Structure와는 무관하며 원자의 결합에 의존하는 계수이다. 온도가 증가할수록 이 계수는 감소한다.

(5) 항복강도 (Yield Strength) = 0/2%의 영구변위를 일으키는데 필요한 응력

(6) 인장강도(Tensile Strength) = 파단부하/시편의 최초 단면적

(7) 신율(Elongation) = (ΔL/L) ×100%

(8) 단면감소율(Reduction in Area) = (파단면의 면적/시험편의 최초단면) ×100% 이 단면 감소율은 금속의 전성을 판단하는 기준이 된다.

(9) 전성(Ductility) = 재료가 파단이나 균열없이 가공될 수 있는 용이도.

(10) 인성(Toughness) = Crack 전파에 대한 저항

(11) 경도(Hardness) = 마모나 Scratch에 대한 저항 Cu-Zn계의 합금을 냉간압연할 때 중간소둔의 처리에 따라 방향성 문제가 나타날 수 있다. 이런 경우에는 스트립의 인장강도가 방향에 따라 다르기 때문에 Blanking 후 Earing 현상이 일어난다.

동합금의 기계적 성질을 조절하는 수단으로 현장에서는 냉간가공＋소둔공정이 이용된다. 제품의 소둔후 기계적 성질을 체크하기 위해 인장강도, 경도, 신율 등을 측정하며 경우에 따라서는 결정입도를 조사하여 기계적 성질 체크를 보완한다.

2-1-4. 황동의 응용 포인트

황동소재를 사용하여 가공후 부품을 조립하여 필드에 적용할 경우 다음사항을 점검해야 한다.

• 사용처의 부식환경

• 부하여건

• 진동관계

• 마모관계

• 사용온도

• 도금관계

• 표면요구 조건

2-2. 인청동(Phosphor Bronze)의 적용실무

2-2-1. 기계적 성질

인청동은 각종 정밀기기 또는 계측기의 스프링 부분과 커넥틱 재료로서 이용하는데 소성가공이 쉽고 스프링성이 양호한 재료로 널리 알려져 있다. 인은 탈산제로서 용해 주조시 필요한 원소로 옛부터 알려져 있으며, 탈산 후 남는 미량의 인은 동과 화합물을 형성하여 강도를 증가시키고 내식성 개선에 크게 기여한다. 즉 청동의 용해 주조시에 탈산제로 사용하는 인 첨가량이 많아 합금중에 0.05~0.5% 정도의 인이 남게 하면 용탕의 유통성이 좋아지고 합금의 강도, 경도가 증가하며 또 내마모성, 탄성이 개선된다. 이러한 합금이 인청동이다. P는 극소량 Cu중에 고용되나 그 이외는 단단하고 취약한 Cu₃P상으로 존재하고 또 인 증가에 의하여 주석의 고용도는 저하하므로 주 조직중에 δ상이 증가하여 주석을 증가한 때와 같은 효과가 있다. 인청동의 용도는 고탄성을 이용하는 판, 선 등의 가공재로서 또 내식성, 내마모성을 이용하는 펌프부품, 기어, 선박용 부품, 화학 기계용 부품 등의 주물로 사용된다.

인청동 주물은 내마모성, 내식성을 요하는 기어, 베어링, 펌프부품 등에 사용된다. 용탕은 수소가스를 흡수하기 쉬우므로 주입전에 불활성 가스로 탈가스하는 것이 좋다. 또 사형중의 급기와 반응해서 수소를 흡수하고 또한 용탕의 유동성이 좋아서 파형면에 침입하여 주물표면이 거칠어지므로 알루미늄 페인트와 같은 도료를 사형면에 분사 도장하면 효과가 있다. 또는 합금중에 0.3% 정도 Si를 개선된다. 주석 또는 인 함량이 많은 합금은 금형에 주조하여 급랭하는 편이 편석이 적고 주물표면이 깨끗해 진다.

2-2-2. 전기적 성질

인청동 판대가 특히 많이 사용되고 있는 스프링분야는 전기용 판 스프링 분야이다. 판 스프링은 기본적으로 간단한 기본구조를 갖고 있으나 이들의 조합설계가 가능한 인청동의 우수한 성형성을 이용, 실제로는 상당히 복잡한 스프링 형태로 사용되고 있다. 전기용 판 스프링의 주요 기능은 두 부품간의 접속을 통하여 전류를 흘려주는 접점멤버로서 작동하고 또한 기기에 필요한 스프링 압력을 부여함에 있다. 이때 접점에 요망되는 특성은 다음과 같다.

• 접촉 저항이 적게 되도록 접촉 압력이 높을 것

• 단시간의 과부하에 의해 발생하는 열도 충분히 흡수 방열할 것

• 배열이 맞지 않을 경우 스프링으로 조절이 가능하도록 재료의 탄성한계내에서 변형량이 클 것

• 비전도성의 표면 산화 피막 형성에 대한 저항력이 클 것

따라서 부품이 경박 단소화, 고밀도화해 갈수록 보다 우수한 접점용 소재인 인청동 판, 대에 대한 수요는 커지고 있다. 부적절한 재질은 접점에서 이상온도 상승을 유발하기 쉽다. 결국 회로를 차단하면 스파크가 발생하여 사고를 일으키기 때문이다. 커넥터 재료로서 사용되는 인청동 등을 이해하기 위하여 전자부품시장에 대하여 알아보면 전자부품의 분류는 능동부품, 수동부품, 기능부품, 기구부품 등으로 나뉜다.

즉 능동부품은 자신이 적극적으로 전자운동에 참여함으로서 정류, 감파, 증폭 등의 작용을 하는 부품이다. 수동부품은 저항 콘덴서와 같이 직접 전자운동에 참여하지 않고 능동부품의 동작을 보완하고 완결시키는 작용을 하는 부품이다. 기능부품은 주로 음향의 녹음 및 재생에 관련된 부품이며 기구부품은 능동,수동, 기능부품이 그들의 전기적 특성을 발휘할 수 있도록 보조역할을 하는 부품이다. 기능부품은 주로 음향의 녹음 및 재생에 관련된 부품이며 기구부품은 능동, 수동 기능부품이 그들의 전기적 특성을 발휘할 수 있도록 보조 역할을 하는 부품이다. 콘덴서는 기구 부품의 하나로서 미국공군이 2차 대전중 전투기의 각 부품에 부착 고정되어 있는 각종 계기 및 기기들의 회로를 유니트화하고 각 유니트를 커넥터로 연결해 둠으로서 이상이 생긴 유니트를 신속하게 교체하여 전투기의 정비시간을 단축하고 가동시간을 극대화 할 목적으로 개발된 것으로 알려져 있다.

(1) 스프링성

스프링용 인청동은 7~8% Sn 0.05~0.15% P정도의 합금이 실용되며, 적당한 냉간가공을 하면 탄성한이 높고 탄성피로가 적은 것을 얻을 수 있다. 고내식성, 용접성도 좋고 철강과 같은 자성이 없으므로 통신기, 계기 등으 고급 스프링재로 사용된다. 빌릿은 표면을 1~2㎜ 절삭하여 열간압연(500~600℃)이나 냉간압연한다. 냉간압연할 때는 500~550℃로 30~90분간 중간소둔하고 특히 최종소둔은 판의 탄성에 영향을 주므로 신중히 하여야 한다. 동합금 스프링 재료는 냉간압연 후 반드시 225~275℃에서 약 1시간 저온소둔하여 탄성을 개선하고 탄성피로를 적게 한다. 스프링재는 방향성이 있으며, 압연방향에 직각으로 취한 횡재는 평행하게 취한 종재에 비하여 인장강도는 높고 연신율은 낮다. 그외의 탄성계수, 탄성한, 굴곡성 등도 현저하게 변화한다. 스프링용 인청동의 스프링 특성을 좋게하기 위해 결정립의 크기를 적당히 조절하는 것이 중요하며 적당한 온도에서 저온 소둔하면 탄성한도를 크게 개선하고 가공성을 향상시킬 수 있다. 최근들어 주석의 값이 상승하고 획득이 어려워짐에 따라 인청동 3종의 가격이 높아지게 되었다. 따라서 원가절감을 위해 주석의 함량을 낮추고 타 원소를 첨가하여 인청동 3종에 필적하는 저주석 인청동의 개발이 요구되어 주석 4~5%에 소량의 니켈이나 철을 첨가한 인청동이 2차 대전 말기에 출현하였고 주석이 3%인 인청동도 개발하게 되었으며 또한 열간압연이 가능한 경제적인 저주석 인청동도 개발되었다. 용도에 있어 스프링 부분에 대해 알아보면 일반적인 스프링의 제 성질에 있어서는 인청동 스프링은 강 스프링보다 약하다. 그러나 다음과 같은 점은 강 스프링보다 중요한 이점으로서 그 특성을 발휘하여 산업이 첨단화 할수록 더욱더 고유 용도 영역을 넓혀가고 있다.

• 비자성이다. - 전기전도도 및 열전도도가 대단히 높다

• 내식성이 우수하다.

• 부식 및 피로가 함께 가해지는 상태에서 강보다 감수성이 낮다.

• 탄성계수에 대한 최대 안전 응력의 비가 높아 작은 작동력에서 큰 변형이 요구되는 경우 강보다 우수하다.

• 성형성이 우수하다.

간혹 각종 스프링이 기계장치 중에서 제구실을 하지 못하여 대형사고가 일어나는 경우를 볼 때 첨단 장비의 스프링 소재 선택시 인청동이 갖고 있는 수많은 고유 특성에 대한 재인식을 하지 않을 수가 없을 것이다.

2-3. Cu-Ni계 합금의 적용 실무

2-3-1. 개론

일반적으로 금속은 건조한 대기속에서보다 수중에서 빠르게 부식한다. 특히 염분이 있는 수분에서의 빠른 부식속도는 선박구조물 설계시 많은 문제점을 유발한다. 따라서 1930년대까지 70/30 Brass를 사용하던 영국해군은 내식성이 보다 좋고 강도가 높은 새로운 합금을 찾게 되었고 이에 많은 연구가 행하여 졌다. 연구결과 Cuproninkel합금이 미량의 Fe 및 Mn을 첨가하면 해수용에 적합한 제 성질을 갖는 것이 규명되었다. Cuproninkel합금이라 함은 니켈이 50% 미만인 동-니켈합금을 말하며 이들 합금은 완전 전율고용합금이다. 이에 철을 첨가하면 1/5~2.3% 철일 경우 내침식성이 가장 우수하다. 이는 철이 동니켈합금내에서 완전고용되는 한 함량이 증가할 수록 고용강도 증가에 따른 내마모성 증가에 기인하기 때문이다. 망간은 용해공정에서 산화방지제로 필요하다. 부식저항에 대한 영향규정은 철보다 덜 되었으나 철함량이 낮을 때보다 많은 망간함량은 침식특성을 개선하는 것으로 알려졌다.

동니켈합금중의 기타 불순물 특히 연, 황, 탄소, 인 등은 엄격히 규제되어야 하는데 이들 불순물이 내식성에 악영향을 주기 때문이 아니라 재질의 열간연성 및 용접성 등에 큰 영향을 주기 때문이다. 동니켈합금은 완전 고용합금이므로 단상을 갖고 있어 열처리에의해 재질강화는 할 수 없다. 소성변형에 의한 강화만 가능하며 한 예로 연질시의 90/10합금은 Proof Stress는 100~160N/㎟이나 경질시에는 345~485N/㎟까지 증가한다. 물리적 특성으로써 중요한 것은 우수한 열전도도, 팽창계수이다. 동니켈합금중 가장 많이 사용되는 90/10과 70/30 합금비교시, 열전도도는 90/10이 보다 우수하고 강도는 70/30이 우수하다. 따라서 각종 콘덴서의 사용상 강도가 중요한 인자가 아닐 경우 일반적으로 90/10이 사용되며 잠수함 등과 같이 고압을 받는 구조물에는 70/30이 선호된다.

2-3-2. 부식문제

(1) 부식환경

모든금속 및 합금은 해수에서 여러형태의 침식, 공식 및 응력부식 균열 등을 받게 되어 있다. 특히 담수 및 해수에는 각종 생물체가 서식하며 이들 생물체가 수면 하부구조물에 부착하여 구조물 기능을 마비시킬 뿐 아니라 각종 배설물 및 이들 사체가 분해시 발생하는 Ammonia 및 Sulphide는 치명적으로 구조물 부식속도를 증가시킨다. 각종 폐수 등으로 유발되는 수질오염도 금속부식을 가속시킨다. 또한 각종 구조물에는 연결부에 간극이 있게 되는데 수면아래에 있는 이들 간극에는 유체가 부동상태이므로 간극부식을 유발, 각종구조물의 돌발사고를 일으킨다.

(2) 부식종류

1) 일반부식

기타 합금과는 달리 동니켈 합금 특히 90/10 및 70/30의 해수 부식속도는 0.025~0.0025㎜/Yr로 매우 낮으며 특히 초기에 산화부통태 피막이 형성되므로 바로 안정되어 대부분의 용도에 충분한 내구기능을 발휘한다.

2) 공식

스테인리스 강등과 같이 부동태 피막에 의해 보호되는 합금은 낮은 부식속도를 갖으나 피막이 파손될 경우 국부부식을 일으킨다. 이런 현상은 유속 1m/sec 이하인 경우 특히 잘 일어나는데, 유속이 낮으면 각종 수중 생물체 등이 금속표면에 부착하여 간극을 형성하고, 이들 생물체의 분해물질이나 배설물, 각종 호기성 박테리아의 서식 등으로 보호피막을 파괴하기 때문이다. 동니켈합금은 부동태 피막을 갖지만 다른 합금과는 달리 생오염물질에 대한 높은 저항치를 갖는다. 따라서 공식이 발생된 잠재요인이 타 합금에 비해 거의 없으므로 비교적 안전하며, 공식의 발생 형태도 본질적으로 깊이가 얇고 넓게 발생하며, 부식속도도 0.127㎜/Year 정도로 매우 낮다. 따라서 공식에 의한 사고 보고가 지금까지 거의 없었으며 발생이 된 경우도 금속이온 농도차에 따른 전위부식이나 스테인리스에서 발생되는 현상과는 반대로 돌발사고 요인이 거의 없다. 즉 금속이온이 간극에 축적되면 농도가 주변보다 높아 간극이 저전위가 된다. 따라서 간극 부근에 흐르는 해수에 노출된 금속표면이 주변에 산소가 보다 많이 존재하므로 금속이온을 용출 넓은 범위에 얇게 부식이 진행된다.

3) 응력부식균열

동계합금중에도 AlBrass 등은 응력 부식균열에 민감하며 특히 Ammonia가 존재하면 매우 취약해지나 동니켈 합금은 Ammonia 이외도 Chloride 및 Sulphide 응력부식에 매우 저항치가 크다. 또한 공기가 재거된 부위중에서도 높은 내응력부식성을 갖고 있다.

4) 전위부식

동니켈합금은 금속의 Galvanic Series상 중앙에 위치한다. 즉 티타늄, 고니켈합금, 스테인리스강보다 고전위이며, 다른 동합금과는 동등한 수준으로 동보다 저 전위이다. 70/30은 90/10보다 약간 저전위이나 의미있는 차는 아니다. 따라서 이들 두 합금은 상호 직접 연결하여 사용할 수 있다.

5)용접부 부식

일반적으로 모든 합금은 용접시 각종 성분의 산화 및 열영향으로 금속조직 및 조성이 변하며 이런 현상은 특히 열영향부에 심하므로 용접부의 내식성은 급격히 감소하여 국부부식에의 한 돌발사고를 유발하기 쉽다. 그러나 동니켈합금은 단상으로 조직변화의 영향이 없고 완전고용체이므로 편석 등에 의한 성분조성 변화 염려가 거의 없다. 가끔 70/30 합금에서 탈 니켈현상이 일어나는데 이는 용접시의 발생사고 보다는 탄화수소 증기가 150℃ 이상에서 응축되는 정유공장의 Overhead-Condenser에서 발견되었다. 이것은 국부적 고온부에 기인한 열전기 효과로 알려졌으며, 이럴 경우는 잦은 청소나 유속을 증가시켜 국부적 고온부를 유발시키는 각종 침적물을 제거하면 문제는 해결된다.

6) 화학부식

수질중에 황화물이 있으면 동니켈합금의 정상적인 산화보호 피막형성을 방해하여 각종 부식을 촉진한다. 만약 용액중에 산소가 전혀 없을 경우 Sulphide Film이 어느정도 치밀한 부동태 피막 기능을 발휘하나 산소가 황화물과 공존하거나 이후에도 공급되면 피막은 다공성이 되어 보호기능이 없게 된다. 그러나 동니켈합금위에 일단 정상적인 산화보호피막이 형성된 후에는 이들 합금이 Sulphide에 노출되어도 단기간내에는 보호피막이 파괴되지 않으므로 실제로 각종 구조물 운영상 문제점이 되지 않는다. 한 예로 깨끗한 해수 항해중 자연적으로 정상 보호피막이 형성된 선박용 콘덴서는 선박이 오염된 항만에 일정기간 정박하더라도 Sulphide에 의한 부식 영향을 거의 받지 않는다.

7) Biofouling

이미 기술한 바와 같이 다른 금속의 합금과는 달리 동계합금에는 수중 생물체의 부착이 근본적으로 적으므로 부식문제가 가의 없다. 지금까지의 이론으로는 동계합금으로부터 수중에 용출된 동 이온이 각종 생물체에 독성을 띠므로 생물체가 부착하지 못하는 것으로 해석하였으나 최근의 각종 실험결과는 동 이온의 독성이론이 잘못되었음을 보여주고 있다. 즉 90/10 및 70/30의 동 니켈합금의 동 이온 용출속도는 순동에 비해 훨씬 낮으며, 또한 부동태 보호피막이 형성되면 동이온은 거의 녹아 나오지 않으나 초기의 순동과 유사한 생물체 부착 억제능력을 갖는다. 이는 동 이온이 이들 생물체에 직접적으로 독성을 띠는 것이 아니고 이들 합금표면에 심하게 형성된 산화 부동태 피막 자체가 스테인리스 강등의 부동태 피막과는 달리 각종 생물체 부착을 직접 억제하기 때문이다.

2-3-3. 적용범위

(1) 동전

동전소재중 전세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 합금이 75/25 백동이다. 색상이 미려할 뿐 아니라 각종 무늬의 각인성이 우수하고 특히 표면에 형성되는 보호피막은 부식의 진행을 방지하여 미려한 색상을 유지시켜 줄 뿐 아니라 각종 박테리아 미생물의 서식을 근본적으로 막아 위생적이기 때문이다.

(2) 해양구조물

수중 생물체의 부착 억제 능력 및 우수한 내식성, 고강도의 제 특성으로 해저 석유 채굴기지 구조물, 선박의 선체 등에 사용된다.

(3) 열교환기

우수한 열전도도 및 내식성 등으로 발전소, 담수설비, 화학공장 등의 열교환기 용 튜브나 쉘용으로 사용된다.

(4) 배관재

담수 뿐 아니라 염분이 많은 해수에서도 우수한 내식성 특히 공식에 대한 성질이 우수하며, 강도가 높기 때문에 선박의 각종 배관재 및 각종 산업배관재로 널리 사용된다.