전기 및 열의 전도성이 우수하고 유연하며 전연성이 좋아 가공성이 용이한 비철금속 재료가 있습니다. 우리 주변에서도 자주 볼 수 있죠
네, 바로 구리입니다. 구리는 화학적 저항력이 커서 부식저항이 크며, 아름다운 광택을 가지고 있고 Zn, Sn, Ni, Mg 등과 합금이 용이합니다.
이러한 장점이 많은 구리가 또 어떠한 물질적, 기계적, 화학적 성질이 있는지 알아보고 구리의 제조 방법을 정리해 보도록 하겠습니다.
1. 구리의 성질 - 물리적 성질
구리의 전기전도율은 합금원소를 첨가하면 감소하고 도전율 및 열전도율은 Ag 다음으로 높습니다.
도전율을 감소시키는 원소는 Ti, P, Fe, As 등이 있고 온도상승에 따라 증가하고 상온가공에 의해 2~3% 정도 증가하는 비저항 성질이 있습니다. 구리는 고용체로서 녹는 불순물의 비저항에 미치는 영향은 가공법의 법칙에 따라 변하게 되는데 구리는 비자성체이나 Fe을 0.04% 품으면 상자성으로 변하게 됩니다. 또 면심입방격자이며, 변태점 및 쌍정이 없고, 격자상수는 3.608 A입니다.
2. 구리의 성질 - 기계적 성질
구리에 화학성분(불순물의 함유량)과 열처리 및 가공상태에 따라 기계적 성질이 현저히 달라지게 됩니다.
특히 인장강도에서 그 차이를 알 수 있는데 온도가 상승하면 인장강도는 낮아지게 됩니다. 상온가공에 의해서 경도와 인장강도는 풀림 하였을 때보다 약 2배 증가하게 되고 가공도에 따라 증가(가공도 70~80%에서 최대)하며 상온가공 후 풀림을 하게 됩니다.
또 다른 기계적 성질 중 하나인 연신율을 알아보겠습니다. 구리를 가열하면 온도 상승에 따라 감소되어 500~600℃에서 최저가 되며 그 온도 이상에서는 급격히 증가하게 됩니다. 700℃ 이상으로 가열하면 결정입자가 성장하여 크게 거칠어지며 연신율이 감소하게 됩니다.
가공도 역시 구리의 기계적 성질의 특징 중 하나입니다. 구리는 질이 연하고 가공성이 풍부하며 냉간가공에 의해 적당한 강도를 갖게 됩니다. 가공재를 풀림 하면 100~200℃에서 연화하기 시작하여 250-350℃에서 완료되게 되는데 소성변형에 의해 90% 이상의 단면감소가 가능합니다. 이처럼 가공도에 따라 연질. 1/4 경질, 1/2 경질, 경질 등으로 구분할 수 있습니다.
3. 구리의 성질 - 화학적 성질
상온의 건조한 공기 중에서는 산화하지 않고 자연수 중에서 보호피막이 형성되기 쉽고 부식률이 적게 됩니다. 특히 해수(海水)에서는 유속이 작을 때 내식성이 좋고, 부식률은 0.05mm/년 정도로 확인됩니다. 중성염류 수용액에서는 부식성이 비교적 강합니다.
수소를 함유한 환원성분위기 중에서 Cu를 가열하면 CuzO+Hz→ Cu+HO 반응하여 Cu와 수증기로 되어 이 수증기가 팽창하여 갈라지는 현상을 수소취성(hydrogen embrittlement, 수소병, 수소메짐성, 환원메짐성)이라고 합니다. 산소를 품는 정련동에서 가끔 나타나는 것을 볼 수 있습니다. 수소취성 온도는 650-850℃이며 900℃ 이상이 되면 수소취성이 없어지게 됩니다.
4. 구리의 성질 -cu 중에 함유된 불순물의 영향
1) As: 0.5%까지는 소성을 해치지 않으나 전기전도율이 감소됩니다.
2) Bi, Pb: Bi는 0.02% 이상, Pb는 0.05% 이상이 되면 고온취성을 일으키게 됩니다.
3) O2: 수소용해도의 감소로 순도를 높입니다.
4) Fe: 3.0~4.0%를 고용하며 1.0%를 초과하면 굳고 여리게 됩니다.
5) S:CuzS로서 구리와 공정을 만들며 0.25% 정도에서 냉간가공이 안 됩니다.
6) Sb: 소량 첨가 시는 경도를 증대하나 소성을 해치며 5.0%는 전기전도율을 해치게 됩니다.
5. 구리의 제조
먼저 동광석의 종류를 알아보도록 하겠습니다. 황화광의 종류로는 황동광(CuFeS2), 반동광(3 CuzS. FeSs), 휘동광(CuS. Cu(OH) 2), 4면동광(Cu,SbS3), 황규동광(CuzAsS) 등이 있습니다. 산화광의 종류로는 공작석(CuCO,・Cu(OH)2), 염광동(2CuCO3. Cu(OH)2), 규공작석(CuSiO2 H2 O), 적동광(Cu2O) 등이 있습니다.
조동은 98-99.5% Cu를 함유하고 전기동은 99.96% Cu를 함유하고 있습니다. 보통 2.0~4.0% Cu의 것을 선광(選)하여 품위를 20% 이상으로 제련하게 됩니다. 이로서 동광석의 품위를 유지할 수 있습니다.
광석은 선광을 거쳐 필요에 따라 배소(燒), 소결(燒結), 단광團) 등의 처리를 한 다음 용광로 또는 반사로 등에서 용융제련을 하게 되는데 이를 동광석의 제련법이라고 합니다.
약 90%의 Cu가 황동광의 건식제련에 의해서 얻어집니다. 용융제련에 의하여 구리는 황화물의 상태로 농축된 matte로 되는데 건식제련은 황화물의 산화과정이 특징이며, 이때 S, Fe 등을 제거하면서 그 산화발열을 이용할 수 있습니다. 용융 matte를 다시 전로작업에서 공기산화에 의해 Fe, S을 제거하면 조동이 되고 조동을 전해정련하여 순수한 전기동(銅)을 얻으며 취약하므로 반사로에서 재정련하여 강인동으로 만들어야 합니다.
주로 저 품위광에 이용되며 동광석을 배소하여 황산동 또는 염화동으로 하는 제조 방법을 습식법(hydrometallurgical process)이라고 합니다. 산화광은 황산으로 처리하여 구리분을 용해해서 이 용액을 정화하여 화학적 또는 전기화학적 방법으로 금속동을 얻을 수 있습니다.