(1) 청동의 성질
청동의 성질은 물리적 성질, 기계적 성질, 화학적 성질, 청동에 함유된 불순물의 영향 등으로 그 성질을 나누어 볼 수 있습니다.
먼저 물리적 성질에 따라 청동을 살펴보면 비중은 Sn의 증가에 따라 감소되며 20%에서 8.85, Q-황동은 8.89입니다. 선팽창계수는 10% Sn까지는 순동과 비슷한 것을 알 수 있습니다. 전기전도율은 Sn함유량 증가(약 3% Sn까지는 급감)에 따라 순동보다 감소하게 되고 전기저항의 온도계수 및 열전도율은 10% n 함유 시 순동보다 감소합니다.
청동의 기계적 성질을 살펴보면 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. 내력(0.5% 歪曲)은 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. Sn청동 주물은 내열성 및 강도가 우수하고, 마모, 수압 및 부식에 견딜 수 있는 것이 큰 특징이라고 할 수 있습니다.
청동의 화학적 성질을 보면 Sn청동은 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.
청동에 함유된 불순물의 영향에 따른 성질 변화를 살펴보면 청동에 Zn, Al이 함유된 경우 Zn은 탈산효과, 주조성을 개선하며, Al은 취성을 일으키는 작용을 합니다. Pb와 P가 함유된 경우는 Pb는 2.0%까지는 기계가공성을 개선하며, P은 강탈산제 입니다. Fe는 입자를 미세화하고 강도, 경도를 증가시키는 역할을 하고 Mn이 함유된 경우에는 탈산제 작용을 하며 조직 미세화, 기계적 성질을 개선하는 역할을 합니다.
(2) 주석청동의 종류와 용도
다음으로 주석청동의 종류와 용도를 살펴보겠습니다.
먼저 청동주물의 기계적 성질 및 용도(KS D 6002)를 살펴 보면 각기 다른 특성과 용도를 알 수 있습니다. BC1과 BC1C 종류를 보면 유동성, 피삭성이 좋은 것이 특징이고 주 용도는 밸브주수기, 베어링, 명판, 일반기계부품 등에 사용됩니다. BC2과 BC2C를 보면 내압, 내마모, 내식성이 좋은 것이 특성이며 기계적 강도가 높습니다. 사용 용도는 베어링펌프, 임펠러, 밸브, 선박용, 전동기기부품 등에 사용됩니다. BC3과 BC3C 종류는 내식성이 2종보다 약간 좋은 특성을 갖고 있습니다. 베어링, 부시, 슬리브, 펌프몸체, 밸브, 기어, 임펠러 등에 사용됩니다. BC6과 BC6C 종류는 내압성, 내마모성, 피삭성, 주조성이 좋은 것이 특성입니다. 밸브와 펌프, 임펠러, 급수전, 베어링, 일반기계부품 등에 사용되어지고 BC7과 BC7C 종류는 기계적 성질은 6종보다 약간 좋은 정도로 베어링, 소형펌프부품, 연료펌프, 일반기계부품 등에 사용되어집니다.
다음으로 기계용 청동(machinry bronze)입니다. 기계용 청동은 기어, 밸브, cock, bushing, fange, 프로펠러 등에 사용되어지는데 조성에 따라 포금과 애드미럴티 포금으로 나누어집니다. 포금(gun metal)은 8~12% Sn에 1~2% Zn을 함유한 청동으로 선박용 재료, 기계용 부품에 사용합니다. 10% Sn의 포금 제조 시 기계적 성질을 개선하기 위한 탈산제는 Mn, Cu 등이 사용되고 강력하고 주조성, 기계적 성질, 내해수성이 좋고 수압, 증기압에 잘 견디는 것이 특징입니다. 포금의 인장강도는 25.3kg/mm², 연신율은 10.5%입니다. 애드미럴티 포금(admiralty gun metal)은 88% Cu-10% Sn-2% Zn의 조성으로 사형주물의 인장강도는 14~35kg/mm², 신율은 3~50%로 물에 대한 내압력이 큽니다.
다음은 베어링용 청동입니다. 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. 켈멧의 인장강도는 16-17kg/mm², 연신율은 18~24%, 경도(HB)는 42-55입니다. 소결 베어링용 합금(sintered bearing, oilless bearing)은 Cu분말에 8~12%의 Sn분말을 배합하여 압축성형하고 900℃의 온도에서 소결 한 합금으로 다공질이므로 20~40%의 기름을 흡수하는 것이 특징입니다. 윤활유를 공급하기 어려운 곳의 베어링용으로 적합한 재료입니다.
다음 화폐용 청동(coining bronze)입니다. 청동은 단조성이 좋으므로 프레스작업이 용이하며 경(硬)하고 강인하고 마멸, 부식에 잘 견디므로 주로 화폐, 상패 등에 사용합니다. 3-8%Sn을 함유하는 단조청동의 일종으로 조각성을 좋게 하기 위하여 Pb을 1~3% 정도 첨가하는 경우가 있습니다.
다음은 미술용 청동(art bronze) 입니다. 미술용 청동의 조성은 80-90% Cu-2- 8% Sn-1~12% Zn-1~3% Pb의 조성을 갖고 있습니다. 유동성을 좋게 하기 위하여 정밀주물에는 Zn을 첨가하고 동상, 장식용, 건축용 등에 사용합니다.
주석청동의 용도를 살펴보겠습니다. 실용주석 청동은 3.5~7.0%의 압연용 청동으로 단련 및 가공이 쉬워 화폐, 메달, 청동판, 선, 봉 등으로 만들어 사용합니다. 1~2% Sn의 청동은 강도와 내식성을 요하는 송전선에 사용하고 2~8% Sn-1~2% Zn-1-3% Pb의 청동은 미술용 청동으로 사용합니다. 3~8% Sn에 1% Zn을 첨가한 청동은 성형성이 좋고 각인하기 쉬워 화폐나 메달용으로 사용하고 8~12% Sn에 1~2% Zn을 첨가한 청동은 포금으로 주물에 사용합니다. 13~18% Sn의 알파+ 베타 조직의 청동은 베어링용으로 사용합니다. 17~25% Sn의 고주석청동은 소리가 좋고 길게 지속되는 종으로 사용합니다.
(2) 특수청동
특수청동에 대해 살펴보도록 하겠습니다. 특수청동의 종류에는 인청동, AI청동, Ni청동, Si청동, Be청동, Mn청동, Ti청동, Cr청동, Pb청동 등 다양한 종류가 있습니다.
먼저 인청동(phosphorus broze, PBS)을 살펴보겠습니다. 인청동은 Sn청동에 P을 0.05-0.5% 정도 첨가한 청동으로 용탕의 유동성을 좋아지고 강도 및 경도가 증가되며 내마모성과 탄성이 개선된 특수 청동 종류입니다. 스프링용 인청동은 2-10% Sn-0.6% 이하 P의 합금이 사용되고 적당한 냉간가공을 하면 탄성한도가 높고 탄성피로가 적은 것을 얻을 수 있습니다. 내식성, 용접성이 좋고 자성이 없으므로 통신기, 계기 등의 고급스프링에 사용합니다.
인청동주물의 강도를 살펴보면 9~13% Sn-0.2-1.0% 정도를 함유하고 있고 보통청동주물보다 강인성, 내마모성, 내식성을 필요로 하는 기어, 펌프 부속품 등에 주로 사용됩니다. 인청동은 보통 고탄성을 이용하는 판, 선 등의 가공재로 사용합니다. 내식성, 내마모성을 이용하는 펌프, 기어, 선박용 부품, 화학기계용 부품 등의 주물로 사용되고 밸브, 피스톤링, 베어링 등에 사용합니다.
Al청동이란 12% 이하의 Al을 첨가한 합금으로 황동, 청동에 비해 강도, 경도, 인성, 내마모성, 내 피로성 등의 기계적 및 내식성, 내열성이 좋은 것이 특징입니다. Al청동은 AI의 함유량과 그 열처리 상태에 따라 기계적 성질이 변하게 되는데 내해수성이 양호하며 Martensite조직이 가장 우수한 것이 특징입니다. 주조성, 용접성, 가공성이 떨어지며 융합 손실이 큰 점이 아쉬운 점입니다. 특수 Al청동의 종류에는 이 암즈청동, 다이나모청동, 노브스톤 등이 있습니다. Arms 청동은 8~12% Al-0.5~2.0% Ni-2~5% Fe-0.5~2.0% Mn의 합금으로 인장강도가 60~80kg/mm²입니다. Novoston은 7.5% Al-12% Mn-2.0% Ni-2.5% Fe를 함유한 합금으로 강도가 크고 내식성, 내마모성이 양호하므로 고급 기계부품 등에 사용합니다. 가공용 Al청동은 소성가공을 할 수 있고 강도, 경도, 내열성, 내식성, 내마모성이 좋으므로 단조품, 판, 봉, 관 등의 제품에 이용되는 청동의 종류입니다. 고온강도가 우수하므로 가스터빈, 콤프레셔의 날개 등에 적합합니다. 주물용 Al청동
은 고강도 황동보다 비중이 작고 관성능력이 약 15%가 적으므로 프로펠러의 지름을 크게 하여 효율을 높일 수 있으며, 약알칼리, 염욕액 등에 잘 견딜 수 있는 성질을 가지고 있습니다.