오늘은 금속재료기술사 시험 키워드 58번째 - "청동" 입니다.
청동의 성질과 개념에 대해 정리해보고
과거 기출문제 유형을 분석, 시험 공부할때 도움이 될 만한 부분들까지 정리해 보겠습니다
1. 청동 의 성질 알아보기 - 개념 학습
청동의 성질은 물리적 성질, 기계적 성질, 화학적 성질, 청동에 함유된 불순물의 영향 등으로 그 성질을 나누어 볼 수 있습니다.
1) 물리적 성질에 따른 청동 -
비중은 Sn의 증가에 따라 감소되며 선팽창계수는 10% Sn까지는 순동과 비슷한 것을 알 수 있습니다. 전기전도율은 Sn함유량 증가에 따라 순동보다 감소하게 되고 전기저항의 온도계수 및 열전도율은 10% 함유 시 순동보다 감소합니다.
2) 기계적 성질에 따른 청동 -
연신율은 4~5%Sn 부근에서 최댓값이 되고 Sn함유량의 증가에 따라 감소하게 됩니다. 인장강도는 Q-고용체의 농도에 따라 증가하며 Q의 범위를 넘어 17~18% Sn 부근에서 8 화합물에 의해 최대가 되며 이상에서 감소하는 것을 볼 수 있습니다. 청동의 내력은 12% Sn까지 직선적으로 증가하게 되는데 경도는 Sn30%에서 최대가 되며, 25% Sn 이상에서는 취성이 생기게 되는 것이 특징입니다. 풀림시 경도는 Sn 증가에 따라 감소하며, 조직의 청동은 유연하고 가공이 잘되게 됩니다.
청동 주물은 내열성 및 강도가 우수하고, 마모, 수압 및 부식에 견딜 수 있는 것이 큰 특징이라고 할 수 있습니다.
3) 화학적 성질에 따른 청동
청동은 일반적으로 대기 중에서 내식성이 우수한 것을 알 수 있습니다.
10% Sn까지의 Sn청동은 Sn함유량이 증가에 따라 내해수성이 좋아지게 됩니다. 산수용액에서의 부식은 산화성 산인 진한 질산(HNO3)에서 부식률이 높고 비산화성 산인 염산에서도 Cu보다 Sn청동의 부식률이 높은 것이 특징입니다.
5% 황산(H2SO)에서의 부식률은 대단히 낮고, 알칼리수용액에는 내식성이 좋습니다.
4) 주석 청동
주석 청동은 유동성, 피삭성이 좋은 것이 특징이고 주 용도는 밸브주수기, 베어링, 명판, 일반기계부품 등에 사용됩니다. 또 내압, 내마모, 내식성이 좋은 것이 특성이며 기계적 강도가 높습니다. 사용 용도는 베어링펌프, 임펠러, 밸브, 선박용, 전동기기부품 등에 사용됩니다.
5) 베어링용 청동
베어링용 청동은 10~14% Sn을 함유한 것은 연성은 감소되나 경도가 크고 내 마멸성이 크므로 베어링, 차축 등 내 마멸성을 요구하는 부분에 사용되는 것이 특징입니다. 5-15% Pb을 첨가한 것은 윤활성이 우수하므로 철도차량, 공작기계, 압연기 등의 고압용 베어링에 적합한 재료입니다. 베어링용 청동에서는 켈멧(kelmet)을 주목해야 하는데 Pb(28~42%)-Ni 또는 Ag(2% 이하)-Fe(0.8% 이하)-Sn(1.0% 이하)을 함유한 합금으로 고속회전용 베어링, 광산기계 등에 사용되어집니다.
2. 청동 관련 기출문제 살펴보기
1. 베릴륨동(Be-Cu)의 특징 4가지와 용도에 대하여 설명하시오.
– 출제 회차: 제129회 금속재료기술사 시험
– 이 문제는 청동의 일종인 베릴륨동에 대한 특성과 용도를 묻는 것으로, 청동의 기계적 특성과 산업적 응용에 대한 이해를 평가합니다.
🔍 해석:
- 베릴륨동은 구리(Cu)에 베릴륨(Be)이 소량 첨가된 고강도 청동 합금입니다.
- 이 문제는 다음 두 가지를 요구합니다:
- 재료학적 특징 4가지 (예: 기계적 성질, 경도, 내식성, 전도성 등)
- 주요 용도 (예: 스프링, 커넥터, 금형, 전자 부품 등)
💡 답변 방향 예시:
- 특징: 고강도, 내마모성, 비자성, 우수한 도전성
- 용도: 전기 접점 부품, 방폭 공구, 정밀 스프링, 몰드 인서트 등
📌 모범답안 (서술식)
베릴륨동은 구리에 소량의 베릴륨(1.5~2.5%)을 첨가한 청동계 고성능 합금으로, 고강도와 우수한 전기전도성을 동시에 갖는 것이 특징이다.
첫째, 열처리(석출경화)를 통해 고강도와 고경도를 얻을 수 있으며, 둘째, 우수한 내피로성 및 내마모성을 보여 정밀 기계부품에 적합하다.
셋째, 비자성 재료로 자기장 환경에서도 안정적이며, 넷째, 전기 및 열 전도성이 우수해 전자부품 소재로 활용된다.
용도는 정밀스프링, 커넥터, 금형 인서트, 방폭 공구, 전기 접점 부품 등으로 다양하며, 높은 내구성과 전도성이 요구되는 부품에 사용된다.
129회 금속재료기술사 문제지 다운로드
2. 황동의 자연균열(Season Cracking) 원인에 대하여 설명하시오.
– 출제 회차: 제135회 금속재료기술사 시험
– 황동은 구리와 아연의 합금으로, 청동과 유사한 구리 기반 합금입니다. 이 문제는 황동의 부식 특성과 관련된 현상을 다루고 있어, 청동과 비교하여 이해할 수 있는 좋은 예시입니다.
🔍 해석:
- 황동(Brass)은 구리 + 아연 합금으로, 청동과 유사한 구리 기반 재료입니다.
- Season Cracking이란, 황동이 응력부식균열(Stress Corrosion Cracking)에 의해 실온에서 자연스럽게 금이 가는 현상입니다.
- 문제는 그 발생 메커니즘을 기술하라는 의미입니다.
💡 답변 방향 예시:
- 원인: 내부 잔류응력 + 암모니아(NH₃) 환경 → 균열 유도
- 설명: 과거 인도 식민지 시절 황동 탄띠에서 처음 관찰 → "시즌 크래킹"이라는 용어 유래
📌 모범답안 (서술식)
Season Cracking은 황동(구리-아연 합금)이 특정 환경에서 응력 부식 균열(SCC)에 의해 실온에서 자연적으로 균열이 발생하는 현상이다.
이는 내부 잔류응력과 외부 환경(특히 암모니아 기체)의 작용으로 인해 발생하며, 재료 내부 미세균열이 확장되어 파단에 이른다.
이 현상은 과거 인도에서 식민지 시절 탄띠(황동제 탄창띠)에 발생하여 처음 관찰되었으며, 이를 계기로 “시즌 크래킹”이라는 용어가 생겨났다.
예방을 위해서는 응력 제거용 풀림열처리와 암모니아 환경 차단이 필요하다.
135회 금속재료기술사 문제지 다운로드
3. 청동 관련 예상문제 풀어보기
Q1. 청동의 자연균열(season cracking)에 대한 설명으로 틀린것은?
1) 외부에서의 인장하중에 의해서도 일어 난다.
2) Hg 및 그 화합물은 균열을 일으키게 한다
3) 암모니아 혹은 그 유도체가 있을 때에는 자연균열을 방지한다
4) 아연량이 많은 가공재를 180-260도에서 응력제거풀림하면 자연균열을 방지할 수 있다.
정답 : 3번
4. 주요 키워드
애드미럴티, 고강도, 특수청동, 내마모성, 비자성, 우수한 도전성 , 켈멧, 포금, 전기 접점 부품, 방폭 공구, 정밀 스프링, 몰드 인서트
5. 마무리
오늘은 청동 키워드로 기본 개념 정리와 함께 금속재료기술사 기출 문제 분석, 모범 답안 제시 및
시험에 주요한 키워드들을 정리해보았습니다.