비철금속재료

1. 구리와 구리합금

§ 학습목표  : 구리와 구리합금의 종류 및 특징을 설명할 수 있다.

1. 구리와 구리 합금             10-9 차시

(1) 구리 (銅 , Copper, Cu)

*구리의 성질

1) 물리적 성질

①전기전도율이 우수하다. (103.06%)

(전도율의순서 = Ag → Cu →Au → Al → Mg)

②비자성체이다

③열전도율은 보통금속 중에서 가장 높다.

④용융온도 : 1083℃

⑤비중 8.94

⑥아름다운 광택과 귀금속적 성질이 우수하다(고유의 암적색이다)

2) 화학적성질

①화학적 저항력이 커서 부식되지 않는다.

②녹색의 염기성 탄산구리는 인체에 유독하다.

③부식률이 낮아 수도관, 물탱크, 열교환기, 선박, 등에 널리사용됨.

3) 기계적 성질

①항복강도가 낮아 상온가공이 쉽다.

②가공도가 클수록 인장강도와 경도가 증가하고

③연신율 및 단면 수축률이 감소한다.

(2) 황동(黃銅, Brass)

*황동 : Cu - Zn(成分)

*황동의 특징 :

①황동은 구리에 비하여 주조성, 가공성 및 내식성이 좋다.

②청동에 비하여 가격이 싸고 색깔이 아름답다.

1)물리적성질

①황동의 비중은 아연의 함유량에 따라 증가에 따라 작아진다.

②전기 및 열의 전도율은 아연함량이 34%가진 낮아지다가, 50%에서 최대값이 된다.

③7/3황동은 1200℃에서, 6/4황동은 1100℃를 넘으면 비등하므로 용해시 주의가 필요하다.

2)화학적 성질

①탈아연부식 : 황동은 물순한 물 또는 부식성 물질이 용해되어 있을때에는 수용액의 작용에 의해 황동에 함유되어있는 아연이 빠져나가는  현상을 말한다.(탈아연된부분은 다공질이 되어 강도가 현저히 감소됨)

②자연균열 : 관, 봉 등의 가공재에 잔류 변형등이 존재시 아연이40% 합금에서 암모니아, 습기, 아산화탄소, 등의 분위기에 접촉하면 자연히 균열의 발생하는 현상을 말한다.

③고온 탈아연 : 고온증발에 의해 황동표면으로부터 아연이 없어지는현상을 말함. 고온일수로 표면이 깨끗할수록 심하다.

3)기계적 성질

①황동의 기계적 성질은 가공도, 온도 및 아연함유량에 따라 변한다.

②아연이 약40%에서 최대의 인장강도를 나타낸다.

③따라서 7.3황동 및 6.4황동은 아연의 함유량의 변화에 따라 기계적성질의 특징을 이용한 실용합금이다.

④7.3황동은 냉간가공이 쉽고

⑤6.4황동은 강도가 켜서 열간가공용으로 사용된다.

*황동의 종류

(1)실용 황동

1)톰백(tombac) : 5~20% Zn의 황동을 말하며, 강도는 낮으나 전연성이 좋고 색깔이 금색에 가까워 모조금이나 판 및 선등에 사용된다.

①길딩메탈 gilding metal (95Cu-5Zn) : 순 구리와 같이 연하다, 화폐, 메달, 토콘 등에 사용.

②커머셜 브론즈 commercial bronze (90Cu-10Zn) : 색깔이 청동과 비슷하여 청동 대용품으로 사용되며 ,가구용, 건축용, 등 사용

③레드브라스 red brass (85Cu-15Zn) : 연하고 내식성이 좋아 건축용, 금속잡화 ,소켓체결용, 콘덴서, 열교환기, 튜브 등에 사용

④로우브라스 low brass  (80Cu-20Zn) : 전연성이 좋고 색깔이 아름다워 장식용, 금속잡화, 악기 등에 상용됨

2)카트리지브라스(7/3황동) : 가공용 황동의 대표적인 것으로 전연성이 크고 사온가공이 쉬워 판, 봉, 관, 선, 에 사용되며 자동차 방열기부품, 타이프 , 전기소켓, 탄피 등 가공됨

3)문쯔메탈 (6/4황동) : 전연성이 낮고 인장강도가 크고 강력하여 기계부품에 많이 사용됨

(2)특수 황동 ;

황동에 Pb, Sn, Si, Fe, Mn, Al 등을 첨가하여 계적 성질을 향상 시킨 것 .

①주석황동 : 황동에 Sn을 첨가하여 인장강도, 경도가 증가되며, 연신율은 감소한다.

(애드미럴티 황동 - 7/3황동에 Sn 1%첨가 , 네이벌 황동 - 6/4황동에Sn 1%첨가 )

②납 황동 : 황동에 Pb을 첨가하여 절삭성을 좋게 한 것으로 정밀기계부품(시계용 기어, 스크루)에 사용

③철 황동 : 6/4황동에 2%의 Fe을 첨가한 것으로 델타메탈 이라고 함며 광산기계, 선박용 기계,  화학 기계 등에 사용.

④망간황동 : 6/4황동에 Mn을 첨가한 것으로 내식성이 우수하여 광산기계, 선박 부품 등에 사용함.

⑤니켈황동 : 황동에 20%의 Ni을 첨가한 것으로 양은 또는 양백이라고 한다.  은의 대용품으로 사용되기도 하며, 전기저항체 재료, 탄성재료 화학기계재료에 사용됨.

(3)청 동(靑銅, Bronze)

*청동 : Cu - Sn(성분 . 조성)

*청동의 특징 :

①황동보다 주조성이 좋고 내식성과 내마멸성이 좋아 옛 부터 화폐.    종, 미술공예품, 동상, 병기, 기계부품에 사용됨 .

②주석10%을 함유한 청동은 내해수성이 좋아 선박부품에 사용된다.    ③마멸성이 크므로 대부분 주물품으로 사용됨.

1)물리적 성질

①주석을 20% 함유한 청도의 비중 및 선팽창률은 순구리와 비슷하다.②주석 3~10%을 함유한 청동의 열전도율은 순 구리에 비하여1/8정도이다.

2)화학적 성질

①주석함유량이 증가할수록 내해수성이 좋아 선박용 부품에 널리사용된다.

②청동은 고온에서 한화하기 쉬우며 납 함유량이 증가할수록 내식성 나빠진다.

③또 산이나 알칼리 수용액 중에서는 부식율이 높아진다.

3)기계적성질

①기계적성질은 주석 함유량, 주조시 냉각속도, 열처리 조건에 따라 변화한다.

②인장강도 및 경도는 주석함유량이 증가하면 상승하고

③연신율은 7~10%주석일 때 최대가 된다.

④내마멸성이 크므로 대부분 주조 품으로 사용한다.

*청동의 종류

1)실용청동

①포금 (Gun metal) : 8-12% Sn에 1-2% Zn이 합유된 구리합금으로

강력하며, 내식성이우수하여 밸브, 콕, 기어, 베어링부시, 선박 등에 사용 됨.

②미술용 청동 : 동상이나 실내장식, 미술품, 건축물 등에 사용된다.

③화페용 청동 : 성형성이 좋고 각인하기 쉬워 화페, 메달등에 사용됨

2)특수청동 :

구리 - 주석계 합금에 다른 원소를 첨가하여 특성을 개선한 것이다

①인청동 ; 청동에 1% P(인)을 합금한 것이다.

통신기기 , 계기류 등의 고급스프링의 재료에사용됨.

②납청동 : Pb 4-22%, Sn 6-11%을 함유한  연성은 저하되지만 경도, 내마멸성이 크므로 베어링부분에 널리 사용된다.

③알루미늄청동 : 내식성, 내열성, 내마멸성, 등이 우수하여 화학기계공업, 선박, 항공기, 차량부품 등에 사용.

④규소청동 : 고온, 저온에서 내식성이 좋고 용접성이 우수하여 화학공업재료에 이용됨

⑤베릴륨청동 : 구리합금 중에서 가장 높은 강도와 경도를 가진다.

베어링, 기어, 고급스프링, 공업용 전극 등에 쓰인다,

3)그밖에 구리합금

①규소 청동 : 규소(Si) 4%이하 함유한 구리합금 으로 고온 저온에서 내식성 및 용접성이 우수하고 화학고업용 재료로 이용되며 응력부식균열의 저항이크다

②베릴륨 청동 : 구리합금중에서 가장 높은 강도와 경도를 자진다.

베어링, 기어, 고급스프링, 공업용 전극에 사용

③망간 청동 :5~15% Mn이합유된 구리합금, 고온강도가높아 증기기관의 증기벨브, 터빈의 프로펠러

④크롬청동 : 0.5~0.8% Cr을 함유한 구리합금, 전도성 및 내열성이 좋아 용접용, 전극재료 등에 사용

⑤티탄청동 : 구리에 5.8%의티탄을 함유한 합금으로 진공로에서 885로 가열후 물에 담금질하여 시효 처리한 것이다.

1. 알루미늄과 그 합금              10-10 차시

(1)알루미늄(aluminum)

1)알루미늄의 성질

가)물리적 성질

① 가볍고 내식성이 좋다.

②전기전도율은 구리의 60%이상이다.(Ag Cu Au Al Mg )

③결정구조는 면심입방격자로 전연성이 우수하다.

나)화학적성질

①대기중에서 쉽게산화된다.

②보호피막(Al2O3)처리에 의해 내식성이 우수하다.<알루미늄의 방식처리, 알루미늄은 황산, 묽은 질산, 인산에도 침식되며,

③염산에는 매우빨리 침식된다. 그러나 진한질산(80%이상)에는 잘 견딘다.

④부식률은 전원지대(0.001mm/년), 공업지대(0.08mm/년), 해변지(0.71mm/년)

다)기계적성질

①알루미늄은 순도가 높을수록 연성이 크다.

②알루미늄은 냉간 또는 열간가공성이 다른금속보다 뛰어나서 쉽게 관, 원판, 리벳, 봉, 선 등의 압연 및 압출가공이 잘된다.

③상온에서 판,선으로 가공하면 경도와 인장강도가 증가하고 연신율이 감소한다.

④수축율이 크며 순수 알루미늄은 주조성이 좋지 않다.

2)알루미늄 합금

1)알루미늄합금의 종류

A)주물용 알루미늄합금

*알루미늄 합금 주물은 철강 주물보다 가벼워 자동차 부품을  비롯하여 산업기계, 전기 기구, 통신기구, 위생용기 등에 널리 사용됨.

①알루미늄 - 구리계 합금

*현재는 4.5%Cu합금이 주조성이 좋고 열처리에 의해서 강도가 현저히 증가 한다고 알려져 있다.

*용도 : 자동차 하우징, 버스 및 항공기 바퀴, 스프링 행어, 스프링, 크랭크 케이스

②알루미늄 - 구리계 합금

*이 합금은 10-14%의 규소가 함유된 실루민(silumin)이 대표적이다.

*특징: ③기계적성질이 우수하고 수축 여유가 비교적 적으며

⑥비중이 작고 열팽창계수는 알루미늄합금 중에서 가장 작다.

*Υ실루민 : 실루민에소량의 마그네슘을 첨가한 시효성을 부여한실루민

*구리 실루민 : 구리를 넣어서 시효성을 부여한 것

*Lo-Ex 합금 : 피스톤용 합금으로 대표적인조성은 Al12%-Si1% - Cu1% - Mg1.8% Ni이다. 이합금은 열팽창 계수 및 비중이 작고, 내마멸성 및 고온 강도가 큰 특징.

③알루미늄 - 마그네슘계 합금

*알루미늄에 약10%까지의 마그네슘을 첨가한 합금을 하드로날륨

(Hydronalium)이라한다

*특징 ①주물용 알루미늄 합금에 비하여 내식성, 강도, 연신율이 우수.

②절삭성이 매우좋다

③ 4-6%마그네슘을 합유한 알루미늄 합금은 내식성이 우수하다.

*용도 : ①승용차의 커버

②휠 디스크

③선박용 부품, 조리용 기구, 화학용 부품

④다이 캐스팅용 알루미늄 합금

*특징

①금형주조법이라고하며 제작된 경고한 금형에 용융상태의 합금을 가압 주입하여 주조하는 주조법이다.

②다이캐스팅용 알루미늄합금은 라우탈, 실루미늄, 히드로날륨 등이 있다.

*용도 : 자동차 부품, 철도 차량, 통신 기기 부품, 가정용기구 등에 사용함.

⑤Y합금

*특징

①Cu4% - Ni2% - Mg1.5%합금이다

②모래형이나 금형주물로 사용함,

*용도 : 용도는 단조품, 피스톤, 실린더블록, 크랭크 케이스, 실린더헤드 등 내연기관에 사용됨.

B)가공용 알루미늄합금

*가공용 알루미늄 합금은 단조, 압연, 인발, 압출, 등의 가공으로 판, 관, 선, 등 만들 수 있는 합금을 말한다.

1)고강도 알루미늄 합금

①두랄루민(duralumin) : 표준조성(Cu4.0% - Mg0.5% - Mn0.5% -Al잔량%)

특징 : 500℃에서 용체화처리 후 물에 담금하여 상온시효처리하면 기계적 성질이 향상됨.

②초두랄루민(super duralumin) ; 표준조성(Cu4.5% - Mg1.5% - Mn0.6% -Al잔량%) 특징 : 두랄루민을 개량한 것으로, 항공기 주요 구조 재료나 리벳 등에 사용함.

③초강두랄루민(extra super duralumin) : 표준조성(Cu1.6% - Zn5.6% -  Mg2.5% -Mn0.2% - Cr0.3% -Al 잔량)

특징 : 주로항공기에 사용되며, 연신율을 약간 낮지만 인장강도가 높다.

2)내식성 알루미늄합금

*이합금은 알루미늄에 다른원소를 첨가했을때 내식성에는 다른영향을 끼치지않고, 강도를 개선한 원소(Mn, Mg, Si)을 소량첨가하여 만든합금이다.  -  Al-Mn계 , Al-Mg게,  Al-Mg-Si계 등이 있다.

3)그 밖의 가공용 알루미늄 합금

①알클래드            ②알루미늄 분말 소결체

③알루미늄 -리튬 합금 ④리벳합금

3. 그 밖의 비철 금속 재료

1.마그네슘과 그 합금

1)마그네슘(magnesum)

(1)Mg의 특성 및 용도

비중	용융점℃	전기전도율%	인장강도Mpa	브리넬경도HB	연신율%
1.74	650	38.6	82	30	9

①실용금속 중에서 가장비중이 낮다.

②전기전도율이 우수하다 (Ag - Cu - Au - Al - Mg)

③선팽창계수가 철의 2배 이상 크다

④내식성이 나빠서 공기. 물 ,화학약품과 접촉하면 부식되다

⑤절삭성이 우수하여 고속절삭성이 우수하다.

⑥고온에서 휘발하기 쉬우므로 분말 및 박으로 만들어 사진용 플래시용으로 사용함,

2)마그네슘 합금

①마그네슘 합금은 비당도(인장강도/비중)가 커서 경합금 재료로 적합

②절삭성이 좋아 가공비의 절감에 효과가 크다.

③항공기, 자동차. 등의 부품 재료에 사용됨

④주물용 및 가공용 합금으로 분류한다.

2. 니켈과 그 합금

1)니켈(nickel)

(1)Ni의 특성 및 용도

비중	용융점℃	전기전도율%	인장강도Mpa	브리넬경도HB	연신율%
8.9	1,453	25.2	340-540	90-120	30

①상온에서 강자체이지만 358에서 자기변태점을 갖는다.

②전연성이 크고 상온에서도 소성가공성이 쉽다,

③내식성이 우수하여 화학, 식품공업, 화폐, 도금 등에 널리사용된다.

④스테인리스강, 구조용합금강, 내열강 등의 합금원소로 사용,

⑤가격이 비싸다.

2)니켈 합금

①이합금은 내열성, 내식성이 뛰어난 것이 특징이다.

②큐프로니켈 -  내식성과 전연성이 좋아  열교환기 콘덴서 등의 재료에 사용.

③콘스탄탄 - 전기저항이 크고 온도계수가 낮아 통신기기. 저항선, 전열선, 등에 사용됨

④모넬메탈 - 내열 내식성이 우수하여 터빈날개, 펌프 임펠러 등의 재료에 사용.

⑤열팽창계수가 극히 것이 특징인 인바, 엘린바, 슈퍼인바, 등이 있다

⑥전기저항 및 내열성이 크므로 니크롬선, 고온 측정용 열전쌍, 진공관의 필라멘트 등에사용

3. 티탄과 그 합금

1)티탄(titanium)

(1)Ti의 특성 및 용도

비중	용융점℃	인장강도 (Mpa)	연신율(%)	경도(HB)
4.51	1670	296	40	105

①강도는 Al이나 Mg보다 크다

②산화성환경에서 내식성이 우수하여  해수용의 열교환기나 염수화 장치용 재료에적합

③가스터빈, 항공기 구조용, 화학공업용 내식재료, 원자로 구조용 재료로 사용됨

2)티탄 합금

①티탄 합금은 인장강도가 크고

②고온에서 크리프한계가 높아

③고온재료, 내식성과 내마멸성지료로 사용됨

④고온강도가 크기 때문에 제트엔진의 축류, 회전자 등에사용

4. 아연과 그 합금

1)아연( Zn)

(1)Zn의 특성 및 용도

비중	용융점℃	인장강도 (Mpa)	연신율(%)
7.1	420	127-167	40이하

①철강재료 의 부식방식(도금)용으로 가장많이 사용됨

②주조성이 우수하여 다이캐스팅용 합금으로 널리 사용됨.

③아연판으로는 건전지 재료나 인쇄용 등에 사용됨

2)아연 합금

①아연합금은 주조성이 우수하여 다이캐스팅용이나 금형 주조형 합금으로 쓰인다.

②아연합금은 용융점이 낮고 기계적 성질이 우수하다,

③자동차용피스톤, 전기기기, 광학기기, 건축자재, 가정용품

5. 납과 그 합금

1)납(Pb)

(1)Pb의 특성 및 용도

비중	용융점℃	인장강도 (Mpa)	연신율(%)
11.36	327	12-13	30이하

①비중이 높은 편이며 ②용융점은 낮아 가공하기 쉽다.

③불용해성 피복이 표면에 형성되어 내식성이 우수하다.

④열팽창계수가 높으며, ⑤방사선투과도가 낮다

⑥용도로는 축전지의 전극, 케이블 피복, 활자합금, 베어링 합금, 땜납, X선 라듐(Ra) 등의 방사선물질 보호재로 사용됨.

2)납 합금

①납-안티몬계 - 케이블피복, 축전지용 전극, 황산용밸브, 방사선차폐 판등에사용

②활자 합금 - 납-안티몬-주석의 주성분으로 활자금속으로 사용된다.

6. 주석과 그 합금

1)주석(Sn)

(1)Sn의 특성 및 용도

비중	용융점℃	전기전도율%
7.3	231	15.6

①변태점(13.2℃) 변태점이 있다,

②상온에서 연성이 풍부하여 소성가공이 쉽다.

③산에대해 내식성이 우수하다

④독성이없어 강판의 도금용(의약품, 식품등의 포장용 튜브, 장식품) 으로사용됨

⑤주석주조품의 인장강도는 30Mpa정도다

2)주석합금

①땜 납 (soft solders) : Sn-Pb합금으로 구리, 황동, 청동, 철, 아연, 등의 금속제품의 접합용의로 사용됨,  ②용융점은 300℃이하이다.

③땜납용으로는 주석합량이 높은 것은 식기, 은기, 놋쇳 등의 땜납에 사용됨.

④납이 많은 것은 전기부품에 사용됨

6. 귀금속과 그 합금

1)금과 그합금

*금(Gold 金) :

1)Au의 특성 및 용도

비중	용융점℃	전기전도율%
19.3	1063	73.4

①아름다운광택을 가졌으며 전연성이 풍부하다.

②내식성이 우수하며 왕수 외에는 침식되지 않는다.

③금의 순도는 캐럿(carat, K)이란 단위를 사용함.

④24K는 100%순금에 해당된다.

2)금의합금

①금 -구리계 : 반지나 장신구에 사용되며 보통 9-12K범위다.

②금-은-구리계 ; 치과용으로 금침은 15%Ag - 13%Cu정도사용된다.

③금-니켈-구리-아연계 : 치과용과 장식품에 사용되며 White gold 라 부르며  24K, 18K, 14K, 10K인 것이 제조된다.

*금의합금(화이트골드White gold)

합 금	합금 조성(%)
	Au	Ni	Cu	Zn
24K	100
18K	75	17.30	2.23	5.47
14K	58.33	15.17	18.04	8.46
10K	46.67	21.24	25.25	11.84

2)은과 그합금

*은(Silver 銀) :

1)Ag의 특성 및 용도

비중	용융점℃	전기전도율%	경도(HV)
10.49	960	108.4	25-27

① 전기 및 열의 전도률이 금속중에서 가장우수한 양도체이다.

②치과용, 금납땜용, 장식 합금, 박, 가루로 사용된다.

③금 다음으로 전연성( 박 0.0015mm, 1g에 →길이1800m)이 우수하다.

④황화수소에서는 흑색으로 변화며, 진한질산, 황산, 질산에 침식된다.

2)Ag합금

①Ag-Cu합금 : 화폐용(은화, 스털링실버, 코인실버)

②Ag-Cd합금 : 기구장치재료, 전기접촉재료용으로 쓰임.

③Ag-Ni합금 : 전기접점재료, 전기재료

④Ag-Hg-Cu-Sn합금 : 치과용 아말감(amalgam)재료로 사용.

*아말감의재료 ( Ag33%-Hg52%-Cu12.5%-Sn2%-Zn5%)

3)백금과 그합금

*백금(Platinum 白金)

1)Pt의 특성 및 용도

비중	용융점℃	인장강도(Mpa)	경도(HV)
21.45	1772	205-240	90-95

①백금은 순도에 따라 99.99%A, 99.9%B, 99.5%C(백금도가니), 99.0%D(치과용의치, 시판용)의 4종으로 구분한다.

②용해도가니로, 교반기, 전기가열기구, 열전쌍 보호관

*백금의 합금

①백금-로듐계 : 10~ 13%Rh 합금으로 열전쌍고온계로 사용

②백금-파라듐계 : 10~75%Pd 합금으로 장식품(보석용)에 사용

③백금-이드듐 : 5~30%Ir 합금으로 치과 의치용으로 사용 만년필촉

*금 : 2009. 10. 15 현재

1돈 = 3.75g   1온스 = 20.83g(5.63돈)

가격 1돈에 ₩220.000원 ＄190