1. 구리의 성질 및 제조
(1) 구리의 장점
구리의 장점에 대해 알아보도록 하겠습니다. 구리는 전기 및 열의 전도성이 우수하고 유연하며 전연성이 좋아 가공성이 용이합니다. 또 화학적 저항력이 커서 부식저항이 크며, 아름다운 광택을 가집니다. Zn, Sn, Ni, Mg 등과 합금이 용이한 것이 바로 구리의 장점입니다.
(2) 물리적 성질
다음으로 구리의 물리적 성질(99.99% Cu)에 대해 알아보도록 하겠습니다. 구리의 밀도(20℃, g/cm²) 는 8.96이고 용융점(C)은 1083도입니다. 끓는점 (℃)은 2595도 이고 열팽창계수(20℃×10-℃)는 16.8입니다. 용융 숨은열(cal/g)은 48.9이고 도전율(20℃, IACS)은 약 101입니다. 비열(20℃, cal/g.℃)은 0.092이고 고유 저항(20℃, 2.am)은 1.71입니다.
전기전도율은 합금원소를 첨가하면 감소하게 됩니다. 또 구리의 도전율 및 열전도율은 Ag 다음으로 높습니다. 구리의 도전율을 감소시키는 원소로는 Ti, P, Fe, As가 있습니다. 구리의 성질로 비저항(比抵抗)을 들 수 있는데 온도상승에 따라 증가하고 상온가공에 의해 2~3% 정도 증가하게 됩니다. 고용체로서 녹는 불순물의 비저항에 미치는 영향은 가공법의 법칙에 따라 변하게 되는데 구리는 비자성체이나 Fe을 0.04% 품으면 상자성으로 됩니다. 모양은 면심입방격자이며, 변태점 및 쌍정이 없고, 격자상수는 3.608 A 입니다.
(3) 기계적 성질
구리의 화학성분(불순물의 함유량)과 열처리 및 가공상태에 따라 구리의 기계적 성질은 현저히 다르게 됩니다. Cu의 지금을 압연한 후 풀림 한 것의 기계적 성질을 살펴보면 인장강도의 값은 22-25이고 연신율(%)은 49~60%입니다. 단면수축률(%)은 70~92% 이고 충격치(아이조드)는 5.8(kgf-m)입니다. 피로한도(kg/mm²)는 8.5이고 경도(HB)는 35~40입니다.
다음으로는 인장강도를 살펴보겠습니다. 구리의 온도가 상승하면 인장강도는 낮아지게 됩니다. 상온가공에 의해서 경도와 인장강도는 풀림 하였을 때보다 약 2배 증가하게 됩니다. 가공도에 따라 증가(가공도 70~80%에서 최대)하며 상온가공 후 풀림을 합니다. 연신율을 살펴보면 가열하면 온도 상승에 따라 감소되어 500~600℃에서 최저가 되며 그 온도 이상에 서는 급격히 증가하게 되고 700℃ 이상으로 가열하면 결정입자가 성장하여 크게 거칠어지며 연신율이 감소합니다. 가공도 측면에서는 질이 연하고 가공성이 풍부하며 냉간가공에 의해 적당한 강도를 갖는 것을 알 수 있습니다. 가공재를 풀림 하면 100~200℃에서 연화하기 시작하여 250~350℃에서 완료되고 소성변형에 의해 90% 이상의 단면감소가 가능합니다. 가공도에 따라 연질. 1/4 경질, 1/2 경질, 경질 등으로 구분하게 됩니다.
(4) 화학적 성질
상온의 건조한 공기 중에서는 산화하지 않고 자연수 중에서 보호피막이 형성되기 쉽고 부식률이 적게 됩니다. 반면 해수(海)에서는 유속(流)이 작을 때 내식성이 좋고, 부식률은 0.05mm/년 정도이며 중성염류 수용액에서는 비교적 강한 편입니다. 수소취성(hydrogen embrittlement, 수소병, 수소메짐성, 환원메짐성) 이란 수소를 함유한 환원성분위기 중에서 Cu를 가열하면 CuzO+H2→ 2Cu+ H2O로 반응하여 Cu와 수증기로 되어 이 수증기가 팽창하여 갈라지는 현상을 말하는데 산소를 품는 정련동에서 가끔 나타나는 것을 볼 수 있습니다. 수소취성 온도는 650~850℃이며 900℃ 이상이 되면 수소취성이 없어지게 됩니다.
(5) Cu 중에 함유된 불순물의 영향
As: 0.5%까지는 소성을 해치지 않으나 전기전도율이 감소됩니다. Bi, Pb: Bi는 0.02% 이상, Pb는 0.05% 이상이 되면 고온취성을 일으키게 됩니다. O2: 수소용해도의 감소로 순도를 높여줍니다. Fe: 3.0~4.0%를 고용하며 1.0%를 초과하면 굳고 여린 것을 알 수 있습니다. S: CuS로서 구리와 공정을 만들며 0.25% 정도에서 냉간가공이 안 됩니다. Sb: 소량 첨가 시는 경도를 증대하나 소성을 해치며 5.0%는 전기전도율을 해치게 됩니다.
(6) 구리의 제조
구리의 제조를 살펴보기 전 먼저 동광석의 종류부터 나누어보며 이해하도록 하겠습니다. 동광석의 종류에는 황화광과 산화광, 그리고 자연동의 종류로 나눌 수 있습니다. 황화광의 종류는 황동광(CuFeS2), 반동광(3 Cu2 S-FeS3), 휘동광(CuzS. Cu(OH) 2), 4면동광(Cu,SbS3), 황규동광(CuzAsS4) 등이 있고 산화광의 종류로는 공작석(CuCO,・Cu(OH)2), 염광동(2CuCO,. Cu(OH)2), 규공작석(CuSiO3.2 H2 O), 적동광(CuzO) 등이 있습니다. 그리고 마지막으로 자연동을 분류해 볼 수 있습니다.
조동은 98-99.5% Cu를 함유하고 전기동은 99.96% Cu를 함유하게 되는데 보통 2.0~4.0% Cu의 것을 선광(選)하여 품위를 20% 이상으로 제련하게 됩니다. 동광석의 제련법을 보면 광석을 선광을 거쳐 필요에 따라 배소(燒), 소결(燒), 단광團) 등의 처리를 한 다음 용광로 또는 반사로 등에서 용융제련을 합니다. 건식법(pyrometallurgical process)은 약 90%의 Cu가 얻어지는 방법인데 바로 이 황동광의 건식제련에 의해서 얻어지게 됩니다. 용융제련에 의하여 구리는 황화물의 상태로 농축된 matte로 됩니다. 건식제련은 황화물의 산화과정이 특징이며, 이때 S, Fe 등을 제거하면서 그 산화발 열을 이용합니다. 용융 matte를 다시 전로작업에서 공기산화에 의해 Fe, S을 제거하면 조동이 되며 조동을 전해정련하여 순수한 전기동(銅)을 얻으며 취약하므로 반사로에서 재정련하여 강인동으로 만듭니다.
습식법(hydrometallurgical process)은 주로 저 품위광에 이용되며 동광석을 배소하여 황산동 또는 염화동으로 합니다. 산화광은 황산으로 처리하여 구리분을 용해해서 이 용액을 정화하여 화학적 또는 전기화학적 방법으로 금속동을 얻게 되는 것입니다.
② 구리의 종류
구리의 종류에는 전기동, 전해인성 구리, 무산소 구리, 탈산구리 이렇게 4가지로 나누어집니다
먼저 전기동은 전기분해하여 음극에서 얻어지는 구리로 동지금(銅地金)으로 판매되는 종류로 순도 99.95% 이상으로 높으나 취약하여 가공이 곤란하고 산화에 의한 용융정련을 하여 형동을 만들어 판매하기도 합니다. 전해인성 구리(정련동, electrolytic tough-pitch copper)는 용해할 때 노네 분위기를 산화성으로 해서 용융 구리 중의 산소 농도를 증가시켜 H 함유량을 저하시킨 후 생목을 용융 중에 투입하는 poling을 하여 탈탄 시킨 동 입니다. 전기동을 용융정제하여 Cu 중에 O2를 0.02~0.04% 정도 남긴 정제동으로 표준조성은 99.92% Cu-0.03% 정도입니다. 전도성, 내식성, 전연성, 강도 등이 우수하여 공업용에 많이 사용된다. 다음으로 무산소 구리(OFHC, oxygen free high conductivity copper)란 산소나 P, Zn, Si, K 등의 탈산제를 품지 않는 것으로 전기동을 진공 또는 무산화분위기에서 정련주조한 것으로 정련동과 탈탄동의 장점을 갖춘 동입니다. 산소나 탈산제를 품지 않는 Cu이며 산소함유량은 0.001~0.002% 정도입니다. 전해정련된 음극 Cu를 용해하고 CO 및 질소가스의 환원성 분위기에서 O2가 Cu 들어오는 것을 방지하면서 주조하면 무산소구리를 만들 수 있습니다. 전기전도도가 극히 좋고 가공성이 우수하므로 전자기용으로 사용하는 편입니다. 마지막으로 탈산 구리(deoxidized copper)는 용해 시 흡수된 O2를 인(P)으로 탈산하여 O2를 0.01% 이하로 한 것으로 고온에서 수소취성이 없고 산소를 흡수하지 않으며 용접성이 좋아 가스관, 열교환관 등으로 사용됩니다. 연화온도가 약간 높으므로 용접용으로 적합한 편입니다. 판재, 가스관, 열교환관, 중유버너용 관 등에 사용하게 됩니다.