기계재료 (4) - 비철금속재료 - Cu 합금

[비철금속재료]

 

비철금속재료란 철 이외의 금속과 철을 성분금속으로 하지 않는 합금을 의미하며, 기계재료로서 중요한 비철금속재료로는 Cu 합금, Al 합금, Mg 합금, Ti 합금, Ni 합금과 Pb 합금 등 저융점 합금 등을 들 수 있다.

 

 

[Cu 합금]

 

다음 그림은 주요한 구리 합금인 Cu-Zn 계 합금, Cu-Sn계 합금 및 Cu-Al 합금의 상태도와 기계적 성질을 나타낸 것이다.

구리 합금의 상태도와 기계적 성질 : (a) 황동계, (b) 청동계, (c) AI 청동계

그림에서 보는 바와 같이 구리 합금은 α고용체의 영역이 넓으며, 대부분 α고용체 영역에서 사용되며 일부 α+β 영역에서 사용된다. 특히, Cu-Zn 계와 Cu-Al 계 합금은 고용량이 증가함에 따라 인장강도와 더불어 연신율도 증가하며 상온에서 가공성도 순구리보다 개선된다.

 

 

[1] Cu-Zn 계 합금

 

그림 (a)에 나타낸 Cu-Zn 계 합금을 황동(brass)이라 하며 실용적인 것은 아연 45% 이하의 α상과 α+β상의 합금이다. 이 합금은 아연 30% 정도에서 최대 연신율을 나타내며 가공성이 양호하다. 아연이 40%인 경우는 인장강도가 최대인 반면 연신율이 떨어져서 가공성이 저하된다. 그러나 열간가공성은 아연 40% 합금쪽이 아연 30% 합금보다 우수하다. 이 때문에 7/3 황동은 주로 냉간가공에 6/4 황동은 열간가공 또는 주조용으로 사용된다. 보통 황동에 Pb, Sn, Mn, Al, Fe, Ni 등을 첨가하면 첨가된 원소에 따라 절삭성, 내식성, 내마모성 및 강도 등이 개선된다.

 

특수황동으로 중요한 몇 가지를 소개하면 다음과 같다.

 

(1) 쾌삭 황동(free machining brass)

황동에 납을 1.5~3.7% 첨가한 것으로 절삭성을 개선한 것이다. 대량생산용의 볼트, 나사, 치차 소재로 널리 사용된다.

 

(2) 해상 황동(naval brass)

주석이 첨가된 황동(Cu-Zn-Sn)으로 6/4 황동에 주석을 0.5~1.5% 첨가한 합금이다. 또한 7/3 황동에 1% 전후의 주석을 첨가한 것을 에드미럴티 (admiralty) 황동이라 한다. 어느 쪽도 탈아연을 막으므로 내해수성이 우수하고 응축기, 선박용 부품 등에 사용된다.

 

(3) 고장력 황동(high tension brass)

이것은 6/4 황동에 0.3~3%의 Mn, 1% 이하의 Al, Fe, Ni, Sn 등을 첨가하여 강도를 높이고 내식성을 개선한 것으로 망간청동이라고도 불린다. Mn, Fe은 결정립을 미세하게 하여 강도 및 경도를 높이고 Al Sn과 함께 내식성, 내마모성을 향상시키며, Ni은 강도, 내식성을 향상시킨다.

 

 

[2] Cu-Sn계 합금

 

그림 (b)에 나타낸 Cu-Sn 계 합금을 주석청동 또는 단순히 청동(bronze)이라 하며, 주석량에 따라 α, β, γ 등의 고용체와 여러 화합물로 존재한다. 실용합금은 α단일 영역과 α + δ의 2상역이 사용되고 있다. δ는 단단하고 취성이 크므로 주석량 4~12% 범위에서 사용된다.

 

청동의 기계적 성질은 그림 (b)와 같이 α상에는 주석량의 증가와 함께 강도, 경도가 증가하지만 δ상이 나타나면 단단하고 취성이 커진다.

 

청동의 가공성은 α상영역에서 양호하다. 따라서, 가공용으로는 Sn 10% 이하의 소재가 사용되며, 그 이상의 것은 주조용으로 사용된다.

 

주석 8~12%를 포함한 합금은 옛날부터 대포 제작에 널리 사용된 것으로 포금(gun metal)이라 한다. 또, 주석 10%, 아연 2%의 합금을 에드미럴티(admirality) 포금이라 한다. 모두 강력하고 내식성이 풍부하므로 기계공업용으로 널리 사용되고 있다. 주석 13~18% 합금은 연한 α상 주변에 단단한 δ상이 들어 있는 조직으로 윤활성이 좋아서 베어링 합금으로 사용된다. 또 납을 첨가한 베어링용 연청동이 있다.

 

청동에 탈산의 목적 이상의 인을 첨가한 합금을 인청동(phosphor bronze)이라 한다. 인을 첨가하면 냉간가공에 의하여 탄성이 좋아지므로 스프링 소재로 사용된다.

 

 

[3] Cu-Al계 합금

 

알루미늄 12%이하를 포함한 Cu-Al 합금을 알루미늄청동(aluminum bronze)이라 하며 그림 (c)에 이 합금상태도와 AI 함유량에 따른 알미늄청동의 기계적 성질의 변화를 나타내었다.

 

알루미늄 9.8%까지는 균일한 α상으로 가공이 쉽지만, (α+γ)상으로 되면 가공이 어렵다. β상은 공석변태에 의하여 β α + γ 로 되지만, 급랭하면 이 변태는 저지되고, 강의 마르텐사이트에 상당하는 침상의 β' 상과 α상의 혼합조직으로 된다.

 

주물용 알루미늄청동은 황동에 비해 비중이 작고, 내식성이 양호하기 때문에 선박의 프로펠러를 비롯하여, 수력기계 부품, 화학공업장치 부품소재로 사용되며, 가공용 알루미늄청동은 비교적 고온강도가 높으므로 가스 터빈, 컴프레서의 날개 등의 재료로 적합하다.