구리(Cu), 구리합금, 황동(brass), 청동(bronze)

구리합

 

1. 개요

 

1) 구리의 정의

순동은 적색, 혹은 적색을 띄며 
내식성, 가공성이 좋고 색상이 아름다우며 전기 전도성과 열 전도성이 은 다음으로 높은 금속으로 전기공업분야에 많이 사용되며, 순금속으로 사용하기보다는 합금으로 많이 사용됨 


원자번호 29,원자량63.55로 금속재료 중 은회색을 띄지 않는 적색의 금속이다.비중은8.96으로Fe보다 조금 크고 융점은1083℃로 낮다.탄성율은약110㎬ (11,200㎏f/㎟),강성율(剛性率)은 약44.1㎬(4,500㎏f/㎟)이다

구리, 구리합

 

2) 구리의 종류

① 전기동 (electrolytic copper)

전기분해하여 음극에서 얻어지는 동, 순도는 높으나(순도 약 99.95%) 취약하여 가공이 곤란함
동의 원료는 대부분 Cu2O, CuO등의 산화동으로, 전해를 기본으로 하는 습식법을 통해 전기동을 만듬 
얻어진 전기동을 용해 후 주조하여 순동을 만든다. 
일반적인 순동을 전기동이라고도 하며, 순동에는 터프피치동, 인탈산동, 무산소동이 있다

 

② 정련동, 타프피치동 (electrolytic tough pitch copper) : C1100

강인동, 무산화동이라고도 함 
용융정제하여 Cu중 O를 0.02 ~ 0.04%정도 남긴 것으로 순도는 약 99.92%
전기동을 용해할 때 산화 및 환원 공정으로 불순물을 제거하고 적정산소량을 함유한 것
용해시 노내 분위기를 산화성으로 만든 뒤, 용융구리 중 산소농도를 증가시켜 수소 함유량을 저하시킨 뒤 생목을 용동 중 투입하는 폴링(poling)을 하여 탈산시킨 동 
전도성, 내식성, 전연성, 강도 등이 우수하여 전기공업용으로 많이 사용됨. 
수소취성이 일어날 수 있기 때문에 용접, 납땜 등에 사용하는 것은 적당하지 않음 

 

③ 탈산동, 인탈산동 (deoxidized copper, phosphorous deoxidized copper) : C1201, C1220

용해시 흡수한 산소를 인(P)로 탈산하여 산소를 0.01% 이하로 만든 구리. 
고온에서 수소 취성이 없고 산소를 흡수하지 않으며, 용접성이 좋아 가스관, 열교환관 등으로 사용됨 
터프피치동에 비해 전도율은 낮으나 수소취성이 없어 용접용 재료로 사용됨 

 

④ 무산소동 (OFHC ; Oxygen-Free High Conductivity copper) : C1020

산소나 P, Zn, Si, K 등의 탈산제가 없는 구리. 
전기동을 진공 또는 무산화 분위기에서 정련 주조한 것으로 산소 함율향이 0.001 ~ 0.002% 수준 
정련동과 탈산동의 장점을 모두 가지고 있으며, 전기전도도가 극히 좋고 가공성이 우수함
유리에 대한 봉착성 및 전연성이 좋아 진공관 혹은 기타 전자기기용으로 사용됨 

 

구리

3) 구리의 기계적 성질 

<순동의 성질>
① 전기 및 열의 전도성이 우수
② 전연성이 좋아 가공성이 우수
③ 화학적 저항력이 커서 부식되지 않음
④ 아름다운 광택과 귀금속적 성질이 우수 
⑤ Zn, Sn, Ni, Ag 등과 용이하게 합금을 만들 수 있음 

(1) 다른 소재와 비교한 구리의 기계적 성질 

• 알루미늄 밀도 약 2.7g/cm3, 황동 밀도 약 8.5g/cm3 

 

4) 구리 합금 성분에 따른 분류 (ASTM 기준)

• C1XXX : Cu, 고 Cu계 합금
• C2XXX : Cu-Zn계 합금 (황동계) 
• C3XXX : Cu-Zn-Pb계 합금 (쾌삭황동계)
• C4XXX : Cu-Zn-Sn계 합금 (황동계 중에서 naval 황동, admiralty 금속)
• C5XXX : Cu-Sn (주석황동, 청동), Cu-Sn-Pb계 합금 (인청동, 납인청동)
• C6XXX : Cu-Al (알루미늄 청동), Cu-Si계 합금 (규소 청동), 특수 Cu-Zn계 합금
• C7XXX : Cu-Ni계 합금 (백동), Cu-Zn-Ni계 합금 (양백 또는 양은)   

<품종에 의한 분류>
1/4H, 1/2H, 3/4H, H, EH (Extra Hard), SH (Spring Hard) 순으로 강도가 강함

<열처리 조건>
F(주조한 그대로), O(풀림상태), OL(풀림하고 약간의 가공을 한 것, 인장강도는 O재질과 같음), SR(응력제거한 것) 

 

 

2. 황동 (brass) 

 

1) 황동 (brass)의 정의 

구리에 아연(Zn)을 첨가한 Cu-Zn계 합금(C2XXX...)를 단동(red brass) 혹은 황동(brass)라 하고, 첨가하는 아연에 따라 구성이 달라짐. 

구리아연합금은 대표적인 동합금, 판 관 등의 형상으로 사용이 많이 되며 주물로 많이 사용됨
아연이 증가함에 따라 인장강도 및 경도가 증가하며, 신율은 아연 양이 30%일때 최대값을 나타낸다

 

2) 황동의 특징

아연이 증가함에 따라 인장강도 및 경도가 증가하며, 신율은 아연 양이 30%일때 최대값을 나타낸다

아연 함량에 따른 황동의 물성치 변화, 아연이 증대할수록 경도와 강도가 증대한다

 

 

 

3) 황동의 종류

Cu에 30 ~ 40% 함량의 Zn을 첨가한 합금을 황동이라고 함. 
Zn이 30% 들어간 알파황동, 35% 들어간 65/35황동, 40% 들어간 알파 베타 황동(60/40황동)으로 나뉨 

• 뇌관용 황동 
  Zn을 1~2% 함유, 동에 가까운 가공성과 극심한 수축성에 우수한 성질, 내식성이 우수하여 뇌관같은 심한 수축을 받는 부품에 이용됨
• 단동계 황동, 톰백 (red brass, Tombac) : C2100(인장강도 205MPa, 연신율 33%), C2400(인장강도 255MPa, 연신율 44%) 
  Cu예 약 5 ~ 20%의 Zn을 첨가. Pb, Sn, Al, Mn, Fe등을 첨가하기도 함 
  붉은 빛이 돌고 전연성, 수축가공성, 내식성이 우수함.

red brass

• 70-30 황동, 7:3황동(70% Cu - 30% Zn계 황동) : C2600, 인장강도 275MPa이상, 연신율 50% 이상
  가공성이 좋고 신율이 크고 냉간가공성과 전연성이 양호, 도금성 양호. 
  수축성형성이 좋아 복잡한 가공품, 가공이 심한 성형용품, 장식품에 사용됨 
  금관악기 중 금색을 띄는 것은 주로 70-30 황동 혹은 Cu-20%Zn계 합금으로 만들어지며, 은백색 악기는 해당 황동에 니켈 도금한 것 

7-3황동

• 65%Cu-35%Zn계 황동 : C2680, 인장강도 275MPa이상, 연신율 40% 이상 
  성질은 70-30 황동과 가깝고 가공성이나 도금성이 뛰어남 
  라디에이터, 배선기구, 기계부품, 전기부품 등 용도가 광범위하며, Zn 함량이 많아질수록 가격이 싸져서 70-30보다 수요가 많음 
• 60-40황동, 6:4황동, 60%Cu-40%Zn계 황동 (Muntz metal) : C2801, 인장강도 325MPa이상, 연신율 40% 이상
  Cu에 37 ~ 43% Zn 첨가. 70-30황동에 비해 강도가 높고 냉간가공성이 약간 떨어지지만 열간 가공성이 우수함
  (어차피 열간가공할꺼면 강도가 필요한 설계는 60-40)
  타발한 상태로 전기배선기구, 시계부품, 치차 등의 정밀부품, 볼트, 너트, 소형 나사, 카메라 용품 등에 사용 
• 특수 황동
  • naval 황동, 네이벌황동 : C4640, C4620, C4622, C4611)
    6:4황동에 1%의 주석을 첨가한 황동 (주석 첨가 이유 : 내식성 향상) 
    내해수성이 좋아 선박용 부품이나 샤프트 등에 많이 사용되고, 열간가공성이 우수함 
  • 델타메탈 
    6:4 황동 + 1~2% Fe
  • 쾌삭황동 
    60-40황동에 Pb 0.6 ~ 4% 첨가, 피삭성이나 타발성 우수 
  • 알루미늄 황동 
    Cu-20% Zn 황동에 2% 정도의 Al과 0.04%정도의 As를 첨가하여 내탈아연부식성을 향상시킨 합금 
  • 고력황동(high strength brass) 
    강도와 내식성을 향상시킨 황동, 망간청동

황동 규격 (KS D 5201)

 

 

3. 청동 (bronze)

 

1) 청동의 정의

Cu에 10% 이하의 Sn(주석)을 첨가한 Cu-Sn계 합금으로 납청동 혹은 청동이라 함 
청동에 P를 소량 첨가하면 인청동이라 함. 
납청동은 Cu-3~7%Sn합금으로, 전연성이 좋고 경하며 내식성이 우수하나 고가라서 공업용으로 사용은 잘 안됨 

 

2) 청동의 종류

• 인청동
  Cu-Sn-P합금, 납청동에 0.03~0.05% 인을 첨가. P의 증가에 따라 강도와 탄성율, 경도가 향상되고 내피로성, 내마모성, 탄성, 전연성, 내식성이 우수함
  스프링재료, 스위치, 기어, 캠, 베어링, 스프링 등 
• 납청동 : Cu-3~7%Sn합금 
• 알루미늄 청동 
  Cu에 6~11%의 Al 첨가 
  황동계에 비해 응력부식균열에 견디는 성질이 뛰어남 
• 규소 청동 (인장강도 540MPa 수준) 
  Cu-3%Si-1%Sn합금, 내식성, 내산화성 뛰어남, 인장강도 뛰어남. 고온강도 있으며 내SCC성 및 용접성 양호. 

 

4. 동에 대한 고찰 

 

1) 동의 부식 

구리 표면에 발생하는 녹색의 녹을 녹청이라 함 
Cu가 공기중에 방치된 수분과 이산화탄소에 의해 부식되거나, 염기성 탄소동에 변화한 것을 말함. 
또한, 공기 중 미량으로 존재하는 이산화유황 혹은 황화수소와의 반응에서 발생하는 녹청이 있음 

녹청의 방지 대책은 보통 도금처리하며 니켈 도금을 주로 실시함 
희생양극법을 사용할 수 있음 

2024.06.29 - [Mechanical Engineering Study/열처리 | 금속재료] - 부식의 종류, 부식의 원리, 스테인리스강부식, 틈부식, 알루미늄 부식, 주철 부식, 주철의 내식성

황동에 생긴 녹청

 

2) 동합금 주물 

동과 합금주물은 다른 주물에 비해 전기전도도, 열전도도, 비자성, 내저온취성, 내식성, 내마모성, 피삭성, 납접성 등 우수한 특성이 많음 

주물용 동 및 동합금 분류

 

구리와 황동과 청동의 색상 차이

좌측부터 황동, 청동, 구리