황동..신주가 무엇이냐?

[한찬희]

황동

구리에 아연을 가하여 만든 합금으로 놋쇠라고도 하는데 청동과 함께 중요한 구리합금으로, 황동이 인공적으로 제조된 것은 1520년경 아연원소가 발견된 후부터이다. 자연합금의 형태로는 고대 그리스 때부터 인류와 친근했으며, 비철금속 중 가장 일상생활과 관계가 깊다. 고체의 구리 속에 아연이 녹아들어가는 범위(약 35%까지)의 것을 α황동이라고 하는데, 아연의 양이 많아짐에 따라 경도(硬度)와 강도가 증가하고, 합금의 색도 구리의 붉은기가 도는 색에서 황색에 접근해 간다.

1. 구리
 1) 구리의 제조
    적동광, 황동광, 휘동광 등의 구리 광석을 용광로에 넣어 용융시켜 황화 구리와 황화철의 혼합물로 만들고, 이것을 전로에 넣어 산화 정련하여 조동으로 만든 후 다시 반사로나 전기로에서 정련하여 구리를 만든다.
 2) 구리의 성질
    구리는 비중이 8.96이고, 용융점이 1083℃인 금속으로서 다음과 같은 성질이 있다.
  - 전기 및 열의 양도체이며 비자성이 있다.
  - 아름다운 색깔을 가지고 있다.
  - 유연하고 전연성이 좋으므로 가공이 쉽다.
  - 표면에 녹색의 염기성 탄화구리 등의 녹이 생겨서 보호 피막의 역할을 하므로 내식성이 크다.
  - 다른 금속과 합금하여 귀금속인 성질을 얻을 수 있다.

2. 구리 중의 불순물이 미치는 영향
 1) 비소: 0.5% 까지는 구리의 성질을 해치지 않으나 전기전도도를 감소 시킨다.
 2) 안티몬: 소량은 경도를 증가하나 소성을 해치며 전기전도도를 감소 시킨다.
 3) 비스무스와 납: 0.02 - 0.05% 이상이 되면 고온 여림을 일으켜 고온 가공을 곤란하게 한다.
 4) 유황: 0.5% 까지는 고온 가공성을 해치지 않으나 0.25% 에서는 냉간 가공이 곤란해진다.

3. 황동
 1) 황동
    놋쇠라고도 하며, Cu와 Zn으로 조성되는 노란색의 합금인 데 실용되는 것은 45% Zn 이하의 것으로 사용되고 그 성질은 다음과 같다.
  - 주조성 및 가공성이 좋다.
  - 내식성이 좋다.
  - 기계적 성질이 좋다.
  - 압연이나 단조하기 쉽다.
 2) 실용 황동의 종류
  a) 95Cu-5Zn 합금: 순동과 같이 연하고 coining하기 쉬우므로 화폐, 메달 등에 사용된다.
  b) 90Cu-10Zn 합금: 단동의 대표적인 것이며, deep drawing용, 메달, 배지 등에 사용된다. 색깔이 청동과 비슷하므로 청동 대용으로 쓰이기도 한다.
  c) 85Cu-15Zn 합금: 연하고 내식성이 좋으므로 건축용, 금속 잡화, 소켓, 체결구 (締結具) 등에 사용된다.
  d) 80Cu-20Zn 합금: 전연성이 좋고 색깔도 아름다우므로 장식용, 금속 잡화, 악기, 위생용 배관 부품 등에 이용된다.
    * 이러한 5-20%의 Zn의 저아연 합금을 총칭하여 tombac이라고 하는데, 전연성이 좋고 색깔이 금에 가까우므로 모조금으로 사용되며, 박으로 하여 금박의 대용으로 쓰인다.
  e) 70Cu-30Zn 합금: 가공용 황동의 대표적인 것이며, 판, 봉, 관, 선 등을 만들어 널리 사용한다. 자동차용 방열기 부품, 소켓, 체결구, 각종 일용품, 탄피, 장식품 등으로 가공하여 사용한다. 이 종류의 황동은 가공 재료이므로 地金을 엄선하여 불순물의 혼입을 방지해야 한다.
  f) 65Cu-35Zn 합금: α단상 합금으로서 아연 함량이 높은 것이며, 용도는 70/30 황동과 비슷하다.
  g) 60Cu-40Zn 합금: 조직이 (α+β)이므로 상온에서의 전연성은 낮으나 강도는 크다. 아연 함량이 많으므로 가격은 황동 중에서 가장 저렴하며, 고온 가공하여 상온에서 완성하여 판, 봉 등으로 만든다. 내식성이 적고 탈아연부식을 일으키기 쉬우나 강력하기 때문에 기계 부품으로서의 용도가 넓다. 예를 들면 복수기용판, 열간단조품, 보울트, 너트, 대포 탄피 등에 사용된다.
  h) 황동 주물: 주물용 으로서 10-40% Zn의 것이 여러 가지 목적에 사용된다. Zn을 품으므로 용탕의 유동성이 좋고 복잡 정밀한 주물을 얻을 수 있다. 아연 함량이 낮은 10-15%의 것은 미술 주물에 또 Zn 30-40%의 것은 강력하므로 기계 주물에 사용된다. 절삭성을 좋게하기 위하여서는 Pb를 2.5% 까지 첨가하면 좋으며, 절삭성, 내해수성, 내알칼리성을 요구하는 선박부분, 보일러 부품 등의 재료에는 Sn을 넣으면 좋다. 황동 제품의 공업 규격은 판, 봉, 선, 주물 등에 대하여 규정하고 있다. 황동 주물의 규격을 표에 나타냈다.

표. 황동 주물 (KS D 6001-1966)

 3) 특수 황동
    보통의 황동에 다시 다른 원소를 가하여 색깔, 내마모성, 내식성, 기계적 성질을 개선한 합금을 특수 황동이라 한다. 합금 원소는 Sn, Al, Si, Fe, Mn, Ni, Pb 등이며 실용합금의 아연 당량은 상온 가공에서는 40% 이하, 그 이외의 것에서는 45%를 넘지 않는 것이 보통이다. 실용되는 각종 특수 황동은 다음과 같다.

  a) 함석 황동: 황동에 Sn을 넣으면 탈아연 부식이 억제되며, 0.5% Sn 첨가에 의하여 탈아연 속도는 1/2 이하로 저감되므로 내해수성이 요구되는 부품용으로 적합하다. 강도와 경도도 증가하나 고용한도 이상으로 넣으면 Cu4Sn 상이 나타나서 취약해지므로 고인성을 요하는 때에는 0.7% Sn이 최대 첨가량이다. 실용 합금으로서는 다음의 두 가지가 유명하다.
   - 어드미럴티 메탈: 7:3 황동에 Sn을 넣은 것이며, 표준 조성은 71% Cu, 28% Zn, 1% Sn 이다. 이 합금은 전연성이 좋으므로 관 또는 판을 만들어 복수기, 증발기, 열교환기 등의 관에 이용한다.
   - 네이벌 브래스: 6:4 황동에 주석을 넣은 것이며, 표준 조성은 60% Cu, 39.25% Zn, 0.75% Sn 이다. 판, 봉 등으로 가공되며 복수기판, 용접봉, 밸브간 등에 이용된다.

  b) 함연 황동: Pb는 α황동에는 거의 고용하지 않고 입계 및 입내에 미립이 되어 유리하여 존재하므로 절삭성이 좋아진다. 따라서 쾌삭 황동 또는 하아드 브래스라 하여 정밀 절삭 가공을 요하는 기어, 나사 등에 이용된다. (α+β)황동에 대해서는 Pb는 0.3% 까지는 고용하고 또 원래 열간 가공성이 좋으므로 Pb를 넣어도 열간가공이 가능하다. 따라서 6:4 황동계의 것만이 생산되며, 그 조성범위는 57-62% Cu, 1.0-3.5% Pb, 나머지는 Zn 이다.

  c) 함 알루미늄 황동: 7:3 황동에 알루미늄을 2%까지 넣으면 강도, 경도가 증가하고 내해수성도 좋아진다. 탈아연 부식도 소량의 As, Sb등을 넣으면 억제할 수 있다. 이것이 알루미늄 브래스 또는 알브랙이며 표준 조성은 22% Zn, 1.5-2% Al이다. 고온 가공으로 관을 만들어 복수기관, 급수 가열기, 열교환 기관, 증류기관 등으로 이용한다.

  d) 함규소 황동: 10-16% Zn의 황동에 Si를 넣은 것을 실진 브론즈라 하며, 주물을 만들기 쉽고 내해수성이나 강도가 포금(砲金)보다 우수하고 값도 저렴하므로 선박 부품 등의 주물에 사용한다.
 
  e) 고강도 황동: 6:4 황동에 Fe, Mn, Ni, Al 등을 넣어서 취약하지 않고 더욱 강력하고 또 방식성 특히 내해수성을 증가한 것을 고강도 황동이라하며, 속칭 망가네스 브론즈라고 부른다.

  f) 양백: 니켈 실버 또는 저먼 실버라 하는 것으로 양은이라고 하며, Ni를 넣은 황동이다, 그 색깔이 Ag와 비슷하므로 옛날부터 장식용, 식기, 악기 기타 은그릇 대용으로 사용되어 왔다.
 
4. 청동
    청동은 구리와 주석을 주성분으로 한 합금이며, 35% Sn 이하가 공업적으로 많이 사용되는데 그 성질을 살펴보면 다음과 같다.
    - 내식성이 크다.
    - 인장 강도와 연신율이 크다.
    - 내마모성이 있다.
    - 해수의 부식에 대한 저항력이 크다.
    - 황동보다 주조하기 쉽다.

 1) 포금 (砲金)
    포금은 윈래 주석을 10% 함유하는 청동으로서, 니켈-크롬강에 그의 역할을 빼앗기기 전까지는 포신 재료로서 불가결의 종류인 점에서 이름지어졌으며, 강도가 크고, 연신율도 있고, 내식성, 내마모성이 우수하므로 밸브, 코크, 치차, 프로펠러 등에 널리 이용되고 있다. 부보성을 양호하게 하기 위하여 아연을 2-5% 첨가하고, 또 절삭성을 향상시키기 위해 납을 3% 이하 첨가하는 일도 있다.

 2) 인청동
    이 합금은 인으로 탈산한 청동에 붙여진 것으로 최량의 상태에서는 청동 중에 인은 거의 잔재하지 않거나 혹은 근소하게 흔적을 남기는데 불과하므로 이 명칭이 반드시 적당한 것 만은 아니다. P 첨가의 목적은 직접 청동의 개량은 아니고 용탕중에 석산의 형태로 존재하는 유해한 산소를 인산염으로 제거함에 있다. 따라서 인청동은 기계적 성질이 현저하게 개선되어 내마모성, 내식성이 뛰어나고 또 유동성이 양호한 것이 특색으로 특히 얇은 주물등에 적용된다.

 3) 알루미늄 청동
    구리-알루미늄 합금에 철, 니켈, 망간, 규소 등을 첨가한 복잡한 합금으로 황동, 청동에 이어 오래전부터 알려져 왔고 주물용 및 단조용으로 쓰여진다. 황동 혹은 청동에 비해 기계적 특성, 내식성, 내마모성 등이 좋으므로 화학기기, 선박, 차륜용 등의 부품에 최적의 재료지만 주조성, 가공성이 열등하므로 황동의 사용량에는 미치지 못한다.

 4) 큐프로 니켈
    구리에 15-25%의 니켈을 첨가한 합금으로서 가장 전연성이 풍부한 합금의 하나이다. 중간 풀림을 행하지 않고 상온 가공을 계속할 수 있으며, 열간 가공도 용이하다.
 
 5) 망간 청동
    Cu에 Mn을 주요합금 원소로 첨가한 것인데, 그 주물은 50-60kg/mm2의 인장 강도, 24-30kg/mm2의 탄성 한도, 20-40%의 연신율을 나타내며 기계적 성질이 우수할 뿐아니라 바닷물이나 광산수 등에 대한 내식성이 좋으므로 선박과 광산용의 기계부품, 밸브, 프로펠러 등에 많이 쓰인다. 실용 합금으로서는 망가닌, 이사벨린, A-합금 등이 있다. 

황동의 성질

① 황동 : 구리와 아연의 합금

② 가공성, 주조성, 내식성, 기계가공성 우수

③ Zn의 함유량에 따라 톰백, 7-3황동, 6-4황동으로 구분

④ Zn 함유량이 많을수록 풀림쌍정이 α 결정입자에 나타남

     ☜ 7-3 황동의 조직(내부의 밴드가 쌍정)

⑤ 자연균열

    ㉮ 냉간가공에 의한 내부응력이 공기중의 암모니아(NH₃), 염류로 인하여 입계부식을 일으켜 균열이 발생하는 현상

    ㉯ 방지책 : 도금법, 저온풀림(200-300℃, 20-30분간)

⑥ 고온 탈아연 현상

    ㉮ 고온에서 증발에 의하여 황동 표면으로부터 아연이 탈출되는 현상

    ㉯ 방지책 : 표면에 산화물 피막(Zn 산화물, Al 산화물) 형성

⑦ 경년변화 : 상온 가공한 황동 스프링이 사용 기간의 경과와 더불어 스프링 특성을 잃는 현상

2. 황동의 종류

합금명		아연 함유량	특성 및 용도
톰백	길딩 메탈	5% Zn	순구리와 같이 연함 동전, 메달용
	대표적 톰백	10% Zn	연성이 우수(디프 드로잉 가공) 금색에 가깝다. 메달, 건축용, 가구용, 장식용
	레드 브라스	15% Zn	연성, 내식성 우수 건축용, 금속 잡화, 소켓
	로 브라스	20% Zn	전연성 우수 색깔이 아름답다. 장식용
7-3 황동 (카트리지 브라스) (탄피 황동)		30% Zn	α 고용체 연신율 크고 인장강도 우수 상온 가공성 양호(가공성을 목적) 판, 막대, 관, 방열기, 소켓, 장식품, 탄피
하이 엘로 브라스		35% Zn	7-3황동보다 값이 싸다.
6-4 황동 (문쯔 메탈)		40% Zn	α+β 고용체, 인장강도 최대(강도 목적) 전연성 낮음, 상온 가공성 불량 600-800℃에서 열간가공 내식성 낮음, 탈아연 부식 일어남 강도가 우수하여 기계부품 사용
Zn 50% 이상 : γ 고용체는 메짐성(취성)이 크므로 사용 불가

3. 특수 황동

합금명	함금 원소	특성 및 용도
납 황동 (쾌삭 황동)	납(Pb) 1.5-3%	절삭성 우수 대량생산 가능, 정밀가공품(시계부품), 스크루
주석 황동	주석(Sn) 1%	애드미럴티 황동(7-3 황동 + Sn)   * 전연성 우수   * 증발기, 열교환기 네이벌 황동(6-4 황동 + Sn)   * 내해수성 우수   * 용접봉, 선박 기계 부품
알루미늄 황동 (알브락)	Al 2%	2% 첨가로 강도, 경도, 내해수성 우수 2% 이상 첨가되면 연신율 급격히 감소 급수 가열기, 열교환기, 증류기 등의 관에 사용
규소 황동	Si 4-5%	주조성, 내해수성, 강도 우수 선박 부품
철 황동 (델타 메탈)	Fe 1-2%	결정립 미세화로 강인성 내식성 증가 광산, 선박용, 화학기계
망간 황동	Mn	청동과 유사(Mn 청동이라고도 함) 화학약품에 약하고, 탈아연 부식, 내해수성 크다 프로펠러, 선박 기계 부품, 피스톤, 밸브
니켈 황동 (양은, 양백)	Ni 7-30%	Ni의 탈색효과로 은백색 탄성, 내식성 우수 냉간 가공성 저하, 열간 가공성 우수 장식용, 악기, 식기, 은 대용품, 탄성 재료
강력 황동 (고속도 황동)	Mn, Fe, Ni, Sn	Mn : 강도 증가 Al : 강도, 내식성 증가 Fe : 조직 미세화로 강인성, 내식성 증가 Ni : 내열, 내식성 향상 Sn : 내식성 개선 주물용(프로펠러), 단조품(기어)

[부라보74(이환열)]

형님 일은언제하시나요 부럽습니다.

[박종수]

왕... 좋은자료 감사드립니다.

[고슴도치^^..]

자료 잘봤습니다^^......

[양지]

감사