(1) 황동의 조직
황동에는 6상이 존재하고 있습니다. 동소체는 a알파, 베타, 감마의 고용체를 가지며 공업용으로 사용되는 것은 Zn이 45% 이하로 실용되는 조직은 알파-고용체와 알파 플러스 베타의 2개의 상이 이용됩니다. 알파 상은 Cu에 Zn(32.5% 함유)이 고용된 상이며 연하고 인성이 크며 주조품에서 풀림 쌍정이 일어나게 됩니다. 베타상은 Cu에 Zn(32.5~38.0% 함유)이 고용된 상이며, 인장강도, 경도가 상보다 크고 인성과 내식성이 떨어지는 것이 단점이라고 볼 수 있습니다. 감마상은 Zn이 약 50% 이상인 경우에 고용체를 형성하며, Cu2 Zn3의 화합물을 모체로 하는 고용체로 매우 단단한 것이 그 특징입니다.
(2) 황동의 성질
황동의 성질에 대해 살펴보도록 하겠습니다. 황동의 성질을 물리적 성질, 기계적 성질, 화학적 성질 로 크게 나눠서 살펴보겠습니다.
1) 물리적 성질
황동의 물리적 성질중 비중을 알아보겠습니다. 황동의 비중은 Zn 함유량에 증가에 따라 직선적으로 감소하며 Zn40%에서 8.39입니다. 풀림이나 금형주조한 Zn50% Cu합금의 비중은 약 8.29까지 직선적으로 강하하게 됩니다. 전기(열) 전도율에서는 Zn40%까지는 고용체 특유의 낮은 값을 나타내게 됩니다. Zn40% 이상에 되어 3상이 나오면 전도율은 상승하여 Zn50%에서 최대가 되는 것이 특징입니다. 순수활동은 자성이 없으나 Fe이 불순물로써 소량 첨가되면 자성을 나타내게 됩니다.
2) 기계적 성질
황동의 성질 두번째는 바로 기계적 성질입니다. Zn함유량의 증가에 따라 증가하고 베타상이 나타나면 더욱 증가하게 되는 것이 바로 인장강도입니다. Zn40%(3상)에서 최대가 되며 상이 나타나면 급감되며 Zn50% 이상의 황동에서는 취약하므로 구조용재로는 부적합합니다. 연신율은 역시 Zn 함유량에 따라 알아볼 수 있는데 함유량의 증가에 따라 증가하고 Zn30% 부근에서 최대가 됩니다. Zn40-50%(3상에 가까우면)가 되면 급감하게 됩니다. 그러다가 온도상승에 따라 감소되며 500℃ 부근에서 최대가 되는 것을 볼 수 있습니다.
6/4 황동의 기계적 성질을 살펴보면 Zn37.45%의 a+ 황동으로 고온가공에 적합한데 300~500℃의 온도 범위를 피하고 그 이상에서는 고온가공이 가능하게 됩니다. 600℃까지는 연신율이 저하하고 그 이상이 되면 급증하는 것을 알 수 있습니다.
7/3황동의 기계적 성질은 냉간가공에 적합하며 전연성이 크고 압연, 드로잉에 잘 견디는 것이 특징입니다. 또 600℃ 이상에서 취성이 생겨 고온가공이 부적당합니다.
가공도에 의한 성질변화를 보면 황동은 가공도에 따라 강도는 증가하고 연신율은 감소하는것을 알 수 있습니다. 가공재를 풀림 하면 250℃ 이상에서 강도가 저하하고 연신율은 증가하게 되고 형상, 크기 및 조질상태에 따라 달라지게 되는데 크고 두꺼운 것일수록 강도는 감소되고 연신율은 증가되는 것을 알 수 있습니다. 황동을 냉간가공하여 재결정 이하로 풀림 하면 가공상태보다 경화되는 현상을 저온 풀림 경화(low temperature anneal hardening)이라고 합니다. 저온 풀림 한 제품은 냉간가공만으로 얻는 재료보다 경도가 높고 스프링특성을 향상하며 이 현상은 약 10% Zn에서 상 한계까지의 합금에 많이 나타납니다.
마지막으로 경년변화(secular change)란 황동의 가공재를 방치하거나 저온풀림경화시킨 스프링재가 사용도중 시간의 경과에 따라 경도 등 여러 가지 성질이 악화되는 현상을 말합니다.
3) 화학적 성질
황동의 화학적 성질을 살펴보면 탈아연부식, 자연균열, 고온 탈아연, 황동에 함유된 불순물 로 나누어 볼 수 있습니다.
먼저 탈아연 부식(dezincification)을 살펴보겠습니다. 탈아연부식이란 불순한 물질 또는 부식성물질이 녹아 있는 수용액의 작용에 의해 황동의 표면 또는 내부까지 탈아연되는 현상을 말합니다. 염소(Cl)를 함유한 물을 사용하는 관에 흔히 볼 수 있으며 Zn 함유량이 많은 황동 즉 알파+ 베타황동 또는 베타단상 합금에서 많이 나타나게 되는데 탈아연부식은 다공질이 되어 강도가 없어지는 것이 특징입니다. 알파+베타 조직의 6/4 황동을 풀림 하면 탈아연 때문에 표면의 3상이 없어지고 이상만의 층상이 생기게 되는 것이 특징입니다. 이러한 탈아연 부식의 방지법으로는 Zn30% 이하의 황동을 사용하고 0.1~0.5% As, Sb 및 1.0% n을 첨가하면 됩니다.
다음으로 자연균열(season crack) 성질을 알아보겠습니다. 황동에 공기 중의 암모니아, 기타 염류에 의해 입간부식을 일으켜 상온가공에 의해 내부응력 때문에 생기며 응력부식 균열로 잔류응력에 기인하는 현상으로 60~70% Cu의 황동에서 인장하중이 비례한도를 넘을 때 파괴하기 쉽게 됩니다. 자연균열의 방지법을 살펴보면 아연도금, 도료 또는 가공재를 180~260℃로 20~30분 동안 응력제거 풀림을 해주거나 알파+베타 황동 및 베타 황동에서는 Sn을 첨가하거나 1.0~1.5%의 Si를 첨가해줍니다. 암모니아(NH3), 산소, 이산화탄소, 습기, 수은 및 그 화합물 등의 분위기에서는 자 연균열을 일으키기 쉬운 것을 알 수 있습니다.
고온 탈아연(dezincing)이란 고온에서 증발에 의해 황동표면으로부터 Zn이 탈출하는 현상을 말합니다. 고온일수록 또는 표면에 산화물 등이 없어 깨끗할수록 탈아연이 심해지게 되는데 무산화분위기 중에서 풀림하면 아연증발에 의해 탈아연이 더욱 심하게 되어 광택을 잃고 표면의 Zn 함유량이 불균일하게 되는것을 알 수 있습니다. 고온탈아연의 방지법으로는 황동표면에 산화물 피막을 형성시키면 효과적으로 고온탈아연을 방지할 수 있습니다. 또 아연산화물은 증발을 방지하는 효과가 있고 Al산화물은 더욱 효과적입니다.
황동에 함유된 불순물을 살펴보겠습니다. 먼저 pb 입니다 . Pb는 알파 황동에서 열간가공을 해칩니다. 다음으로 As입니다. As는 탈산작용에 의해 유동성을 증가시킵니다. Sb는 황동의 입자를 조대화시켜 부스러지기 쉽게 되고 Fe는 결정입자의 미세화, 인장강도 및 경도를 증가시키는 특성이 있습니다. Sn은 전연성을 저하시키고 내식성을 증가시키고 Ni는 결정입자를 미세화시키게 됩니다. 부식률은 O2, CO2, H2O, SO2가 증가할수록 증가하게 됩니다.