챕터 6. 비철금속재료

챕터 6. 비철금속재료

1. 구리와 합금

  구리와 그 합금은 중요한 비철재료의 하나로 사용되고 있다. 구리 중 80%는 순구리로 사용되는데 주로 전기 재료로 쓰인다.

 (1) 구리의 종류

     구리는 적동광, 황동광, 휘동광, 반동광 등의 광석을 용광로에서 용해시켜 20~40 % Cu를 함유하는 황화구리와 황화철의 혼합물로 만

    든 다음, 다시 전로에서 산화 정련하여 98~99.5%의 조동으로 만든다.

     - 전기구리

     - 정련구리

     - 탈산구리

     - 무산소구리

 

 (2) 구리의 성질

     - 전기 및 열의 양도체이며 비자성체이다. 전기전도율은 Ag 다음으로 우수하다.

     - 연하고 전연성이 좋아 가공하기 쉽다. 냉간가공이 대단히 쉽다.

     - 광택을 지니고 있다

     - 내식성이 크고 공기중에서 거의 부식되지 않으나 암모늄염에는 침식이 된다.

     - Zn, Sn, Ni, Ag 등과 용이하게 합금을 만든다.

     - 비중 8.96, 용융점 1083℃이며 변태점이 없다.

 

 (3) 구리합금의 종류

     1) 황동 ( Cu+Zn )

       1. 황동의 성질

         - Cu에 비하여 주조성, 가공성 및 내식성이 좋으며, 청동에 비하여 가격이 싸고 색깔이 아름답다.

         - 황동은 아연 함유량에 따라 색이 변한다. ( 7% Zn 까지 동적색, 7~17% Zn 적황색, 18~30% Zn 담황색, 50% 황금색)

         - 전기전도율, 열전도율 50% Zn 에서 최대

         - 40% Zn 인장강도 최대, 30% Zn 연신율 최대

         - 7:3 황동 600℃ 이상에서는 고온취성이 생겨 고온가공 부적당, 6:4 황동 600℃ 이하에서 가공 가능

        2. 황동의 종류

         - 톰백 : Cu+Zn 5~20%로 강도는 낮으나 전연성이 좋고 색깔이 금색에 가까워 모조금이나 화폐, 메달, 금박단추에 쓰임.

         - 7:3 황동 : Cu 70% + Zn 30% 합금으로 가공용 황동

         - 6:4 황동 : Cu 60% + Zn 40% 합금으로 7:3 황동에 비하여 전연성이 낮고, 인장강도가 크다.

                        내식성이 낮고 탈아연부식을 일으키기 쉬우나 강력하기 떄문에 기계부품용으로 쓰임

         - 황동주물 : 청동 주물에 비해 강도, 경도, 및 내식성은 낮지만, 절삭성과 주조성이 좋아 기계부품, 보일러 부품에 쓰인다.

         - 쾌삭황동 : 6:4 황동 + Pb 1.5~3%의 합금으로 납황동이라 한다.( Pb 3%이상이 첨가되면 메지게 된다. )

         - 주석황동 : 탈아연부식이 억제되고 내해수성이 강하다

                         애드미럴티 황동 : 7:3황동 + Sn 1% 내외이며 전연성이 좋다.

                         네이벌 황동 :  6:4황동 + Sn 1% 내외이다.

         - 델타메탈 : 6:4황동 + Fe 1~2% 합금

         - 망가닌 : 6:4황동 + Mn10~15% 합금

         - 양은( 양백 ) : 7:3황동 + Ni 10~20% 합금으로 니켈황동이라 한다.

 

     2) 청동 ( Cu+Sn )

       1. 청동의 성질

         - 주석 함유량이 증가함에 따라 비중, 선팽창계수 등은 큰변화가 없고 전기전도도는 감소한다.

         - 주석 함유량이 증가함에 따라 강도, 경도는 증가하고 Sn 20%에서 최대이다. 연신율은 Sn 4%에서 최대이다.

         - 대기중에서 내식성이 있고 해수에도 우수한 저항성을 가지나 산이나 알칼리에 대해서는 약하다.

       2. 청동의 종류

         - 포금 : Cu + Sn 8~12% + Zn 1~2% 합금으로 주물재룔 사용, 해수에 잘 침식되지 않고 증기, 수압에 견디므로 선박에 사용.

         - 베어링용 청동 : Sn 0.5~12% 을 함유한 것은 연성이 감소되나 경도가 높고 내마멸성이 특히 크다.

                              켈멧: Cu+Pb 30~40%를 첨가한 합금

         - 인청동 : 인을 0.03~0.35% 첨가하여 쇳물의 유동성을 좋게하고 기계적성질을 개선하여 내식성이 우수.

         - 알루미늄 청동 : Cu+Al 6~10.5%의 합금으로 황동이나 청동에 비하여 기계적성질, 내식성, 내열성, 내마멸성이 우수.

                               Al 8%일 때 연신율 최대 10%일 때 인장강도가 최대

 

2. 알루미늄과 그 합금

 알루미늄은 비중이 2.7로 실용금속 중 Mg(1.74), Be(1.85) 다음으로 가벼운 금속이다.

 

 (1) 알루미늄

     1) 알루미늄의 특징

        - 열 및 전기의 양도체이다.

        - 전연성이 좋다

        - 내식성이 우수

        - 주조가 용이

        - 상온 고온가공이 용이

        - 순도가 높을 수록 연하다

        - 유동성이 작도 수축률이 크다

        - 염산이나 확산 등의 무기산에는 약하다. 바닷물에는 심하게 침식된다.

        - 변태점이 없다.

     2) 알루미늄의 제조

        보크사이트를 수산화나트륨으로 처리하여 알루미나를 만들고 이것을 전기분해하면 순도  99~99.9%의 Al를 얻을수있다.

     3) 알루미늄의 성질

        - 물리적 성질 : 비중 2.7이고 도전율과 열전도율은 Cu 다음으로 좋다.

        - 기계적 성질 : 전연성이 풍부하며 400~500℃ 에서 연신율이 최대.

                            연성은 순도가 높을수록 증가하며, 냉간 또는 열간가공성이 다른 금속보다 좋다.

        - 화학적성질 : 표면에 생기는 산화알루미늄의 얇은 보호피막으로 인하여 내식성이 우수.

 

 (2) 알루미늄 합금

     1) 알루미늄합금의 열처리

        - 용체화처리

        - 인공시효처리

        - 풀림

     2) 알루미늄합금의 종류

       1. 주물용 알루미늄합금

        - 라우탈 : Al-Si-Cu계 합금으로 Al에 Si를 넣어 주조성을 개선하고, Cu를 넣어 절삭성을 향상시킨 것.

        - 실루민(알팩스) : Al-Si계 합금의 공정조직으로 주조성은 좋으나 절삭성은 좋지 않고 약하다.

                               시효경화성이 없다.

        - 하이드로날륨 : Al-Mg계 합금으로 내식성이 가장 우수하다. (=마그날륨)

                              비중이 작고 강도, 연신율, 절삭성이 매우 좋다.

        - Y 합금 : Al-Cu-Ni-MG계 합금으로 시효경화성이 있어 모래형 및 금형 주물로 사용된다.

        - 로엑스 : Al-Si계 합금에 Cu, Mg, Ni을 첨가한 것으로 선팽창계수와 비중이 작고, 내마멸성이 좋고 고온강도가 크다.

        - 다이캐스팅용 알루미늄합금

       2. 가공용 알루미늄합금

        - 내식용 알루미늄 합금 : 내식성에 나쁜 영향을 주지 않고 강도를 개선하는 원소는 Mn, Mg, Si 이고 Cu, Ni Fe는 내식성을 악화시킨

                                        다. Cr은 응력부식균열을 방지하는 효과가 있다.

                                        알민(Al-Mg계 합금), 알드레이(Al-Mg-Si계 합금), 알클래드(두랄루민에 내식성 Al 합금을 피복)

        - 고강도 알루미늄 합금 : 두랄루민( Al-Cu-Mg-Mn계 합금 ), 초두랄루민( 두랄루민에서 Mg 1.5%의 함유량을 증가)

                                        초초두랄루민(Al-Zn-Mg계 합금으로 항공기용 재료)

3. 마그네슘과 합금

 (1) 마그네슘

     마그네사이트를 원료로 한 염화마그네슘 또는 산화마그네슘을 용융, 전해하여 정제되므로 순도 99.99%를 용이하게 얻을수 있다.

     - 비중 1.74로 실용금속 중 가장가볍다.

     - 산류, 염류에는 침식되나 알칼리에는 강하다.

 (2) 마그네슘합금

     1) 주물용 마그네슘 합금

        - 다우메탈 : Mg-Al계 합금으로 Al 2~9%이다.

        - 일렉트론 : Mg-Al-Zn계 합금으로 Al+Zn이 많은 것은 주로 주물용 재료이며, Al이 많은 것은 고온 내식성을 향상시키기 위한 것.

     2) 가공용 마그네슘 합금

        가공용 합금에는 Mg-Mn계, Mg-Al-Zn계, Mg-Zn-Zr계, Mg-희토류계, Mg-Th(토튬)계 합금

4. 니켈과 그 합금

 (1) 니켈의 성질

     - 니켈은 은백색을 가진 금속으로 내식성이 강하고, 열전도도가 좋으며 전연성이 있다.

     - 상온에서는 강자성체이나 360℃에서 자기변태를 하여 자성을 잃는다.

     - 황산이나 염산에는 침식 당하며 유기화합물이나 알칼리에는 잘 견딘다.

     - 재결정은 530℃에서 시작하고, 풀림은 800℃에서 하며, 열간가공은 1000~1200℃에서 한다.

 (2) 니켈합금

     1) 니켈-구리계 합금

        - 콘스탄탄 : Cu-Ni 40~50%을 함유한 합금이며, 전기저항이 크고 저항온도계수가 작다.

        - 모넬메탈 : Cu-Ni 65~70%을 함유한 합금이며, 내열성과 내식성, 내마멸성, 연신율이 크다.

        - 베네딕트메탈 : Cu-Ni 15%의 합금이고 주로 탄환의 외피에 사용.

        - 큐프로니켈 : Cu-Ni 10~30%을 함유한 합금 풀림조작 없이 냉간가공이 가능하다.

     2) 니켈-철계 합금

        - 인바 : Fe-Ni 36%의 합금으로 선팽창계수가 대단히 적다.

        - 엘린다 : Fr-Ni 36%-Cr 12%의 합금으로 탄성불변이라는 의미를 가짐

        - 플래티나이트 : Fe-Ni 44~48%의 합금으로 전구의 도입선으로 널리 사용.

        - 퍼멀로이 : Fe-Ni 78.5%의 합금으로 투자율이 높고 고Ni강으로 강력한 내식성을 가짐

        - 니켈로이 : Fe-Ni 50%의 합금으로서 초투자율이 크고 포화 자기, 전기저항도 크다.

    3) 니켈-크롬계 합금

        - 인코넬 : Ni 78~80%- Cr 12~14%의 합금

        - 알루멜-크로멜: 알루멜은 Al 3%의 Ni-Al합금, 크로멜은 Cr 10%의 Ni-Cr합금

    4) 니켈-몰리브덴계 합금

        - Ni-Mo 15%의 합금으로 내염산 및 내염화물 합금. 

5. 티탄 및 그 합금

 (1) 티탄

     - 티탄은 회색금속으로 비중이 4.5이며, Fe과 Al의 중간에 해당한다 용융점이 1730℃로 비교적 높다.

     - 강한 탈산제인 동시에 흑연화 촉진제로서 오히려 많은 양을 첨가하면 흑연화를 방지한다.

     - 변태점이 882℃로서 높은 온도까지 조직이 안정하다.

 (2) 티탄합금

     - 인장강도가 크고, 고온에서 크리프한계가 높으므로 고온재료 또는 내식성, 내마멸성 재료로서 유리.

     - Ti에 Al,Sn,Mn,Fe,Cr,Mo,V 등의 합금원소를 첨가하면 내식성이나 강도를 높일 수 있다.

     - Mo, V 등을 첨가하면 내식성이 더욱 향상, Al을 첨가하면 H함유가 적게되어 고온강도를 더욱 높이게 된다.

6. 아연과 그 합금

 (1) 아연과 그합금

     - 아연은 Al, Cu 다음으로 많이 생산되는 비철금속으로 값이 싸다.

     - 아연합금은 주조성이 좋으므로 다이캐스팅용 합금으로 용도가 광범위하다.

 (2) 아연

     - 아연은 조밀육방격자의 백색금속이며, 용유점이 419.46℃, 비등점이 913℃이다.

     - 주조한 상태의 아연은 결정입자가 커서 상온에서는 가공할 수가 없어 130~150℃에서 가공도가 적은 범위로 하고 ,

      풀림을 반복해 주어야한다.

     - 아연은 대기중에서 습기가 CO2 작용을 받아 표면에 염기성 탄산염의 얇은 막이 생겨 내부를 보호한다.

 (3) 아연합금

     (1) 다이캐스팅용 합금 : Al 4%, Mg 0.4%, Cu 1%의 아연 합금이 가장 많이 쓰인다.

     (2) 아연-알루미늄계 합금 : Al 4% 정도를 함유한 합금이 많이 사용되나 알루미늄 함유량을 증가시키면 강인성이

                                      큰 주물을 얻을 수 있다.

     (3) 아연-알루미늄-구리계 합금 : 다이캐스팅용 합금보다도 경도와 강도를 증가하기 위하여 구리함유량을 많게한 합금.

7. 납과 그 합금

 (1) 납

     - 납의 종류

       - 연납 : Pb+Sn 합금으로 접합금속면이 깨끗하고 다른 물질이 없을 때 접합이 잘되므로 용제를 사용한다.

       - 경납 : 450℃ 이상의 융점을 갖는 납.

     - 납은 유연하고 가공하기가 쉽다. 비중이(11.34)이 크고, 용융점 및 방사선의 투과도가 낮다.

     - 연성은 좋으나 인장강도가 작으므로 드로잉할 수가 없다.

 (2) 납 합금

     - 납-비소 합금납 : 비소가 함유된 납합금은 케이블피복용으로 사용되며, 강도, 크리프저항이 Pbㅂ보다 우수하다.

     - 납-칼륨 합금납 : 케이블피복용 및 크리프저항을 필요로 하는 관이나 판 등에 이용된다.

     - 납-안티몬 합금납 : Sb 1%을 함유한 납합금은 케이블피복용으로 많이 사용된다.

                               Sb 3.5~10.5%을 함유한 납합금을 경연이라한다.

     - 활자합금 : 용융점이 낮을것, 주조성이 좋아 요철이 주조면에 잘 나타낼 것, 어느정도의 압축강도, 내마멸성을 가질 것

                     값이 저렴할 것

8. 주석과 그 합금

 (1) 주석

     - 주석(Sn)은 13.2℃에서 변태가 일어난다. 변태온도이상의 Sn은 백주석이 되고, 그 이하에서는 회주석이 된다.

     - 주석에 Pb, Sb, Bi 등이 함유되면 변태가 지연되나, Co, Mn, Te 등이 불순물로 함유되면 변태가 촉진된다.

 (2) 주석합금

     Sn-Pb이 합금인 퓨터 와 Sn-Sb-Cu의 합금인 브리타니아 메탈이 있다.

9. 베어링용 합금

 (1) 베어링으로 사용되는 것 

     Pb 또는 Sn을 주성분으로 하는 베어링 합금의 총칭인 화이트메탈, Cu-Pb합금, 주철, Sn-Cu-Al합금, 소결합금이 있다.

 (2) 베어링으로서의 필요한 조건

     - 충분한 전성과 연성을 가질 것

     - 비중이 크고, 열전도율이 클 것

     - 마찰계수가 작고, 마멸저항이 클 것

     - 윤활유 등에 침식되지 않도록 내식성이 있을 것

     - 주조성이 좋고 값이 쌀 것

 (3) 종류 

     - 화이트 메탈 : 주석계, 납계, 아연계, 카드뮴계

     - 구리계 베어링요 합금 : 청동, 인청동, 납청동, 켈밋

10. 귀금속과 그 합금

     귀금속에는 은, 금, 백금, 팔라듐, 이리듐, 오스미움, 로듐, 르테늄 등이 있다.