비철금속 재료

이번 시간에는 NCS교재 요소부품재질선정에 나오는 비철금속 재료에 대해서 알아보려고 합니다.

 

비철금속 재료

비철계 금속재료에는 Cu(구리), Al(알루미늄), Mg(마그네슘), Ni(니켈), Ti(티타늄), Zn(아연), Pb(납), Sn(주석) 등과 그 합금이 있다. 주로 일반 기계부품으로 많이 이용하는 구리와 알루미늄 합금에 관하여 기술한다.

 

1. 구리와 그 합금

(1) 구리(Cu)

구리는 비자성체로 전기 전도율이 크다. 연하고 가공성이 좋아 판, 선, 봉으로 냉간 가공이 용이하다. 상온 가공할 때 가공도에 따라 인장강도가 증가하여 가공도 70~80% 부근에서 최댓값이 된다. 가공의 정도에 따라 연질, 1/4경질, 1/2경질, 경질 등이 있다.

    ※ 비자성체 : 자석에 달라붙지 않으며 자화되지도 않는 재료

 

(2) 황동(brass) - Cu + Zn

Cu와 Zn 합금으로 가공성, 주조성, 내식성이 좋으며, 가장 많이 사용되는 합금은 30~40% Zn의 황동이다. 실용 황동으로 7-3황동(70%Cu╺30%Zn)이 대표적인 가공용 황동으로 전연성이 크며, 냉간 가공성이 양호하여 판, 봉, 관, 선, 자동차 방열기 부품, 계기 부품 등에 이용되고, 열간 가공에 적당한 6-4황동(60%Cu╺40%Zn)과 주물용으로서 Zn의 함유량 10~40%인 황동주물이 있다.
특수 황동에는 절삭성을 개선한 납황동(쾌삭 황동), 내식성을 개선한 주석 황동과 강도, 내식성이 좋은 고강도 황동이 있다.

 

(3) 청동(Bronze) - Cu + Sn

Cu와 Sn의 합금으로 주조성, 내부식성, 내마모성이 좋아 기계의 주물용, 동상 등에 사용한다. 단조성, 유연성, 내식, 내수압성이 우수하여 기계 부품이나 선박 등에 널리 이용되는 포금(gun metal)과 내마멸성이 특히 커서 베어링, 차축 등의 마모가 많은 부분에 사용되면서, 특히 Pb를 5~10% 가한 것은 우수하여 철도 차량, 공작기계, 압연기 등의 고압용 베어링에 적당한 베어링 청동, 그리고 보통 청동 주물보다 강인하고 내마멸성과 내식성이 우수하여 베어링, 피스톤링, 프로펠러 등과 같은 기계 부품에 사용되는 인청동 주물 등이 있다.

 

2. 알루미늄과 그 합금

(1) 알루미늄의 특징

알루미늄 합금은 비중이 2.7로 매우 가볍고, 전성과 연성이 좋고 주조가 쉬우며 표면에 산화막이 형성되어 내부식성이 우수하고, 열전도성, 전기 전도성이 좋다.

    ※ 전성 : 두드리거나 압착하면 넓고 얇게 펴지는 성질

    ※ 연성 : 가소성의 일종으로 탄성한계를 넘는 변형력으로도 물체가 파괴되지 않고 늘어나는 성질

    ※ 주조 : 금속을 녹여 액체로 만들어 형(틀, 거푸집)에 부어 굳히는 가공 방법

 

(2) 알루니늄 합금의 종류

    가) 주조용 Al 합금

주조용 Al 합금은 일반용, 내열용, 내식용 등의 세 종류로 분류되며, 일반용은 Al-Cu계, Al-Si계, Al-Zn계 등이 있다. 내열용은 Al-Cu-Ni계, Al-Si-Ni계, 내식용은 주로 Al-Mg-Si계 등이 사용된다.

 

    나) 가공용 Al 합금

가공용 Al 합금은 내식성 Al 합금(Al-Mg계, Al-Mn계, Al-Mg-Si계)과 고강도 Al 합금(Al-Cu-Mg계, Al-Zn-Mg계)으로 분류된다.

    1) 내식성 Al 합금
시효 경화성은 없으며, Al의 내식성을 유지한 채 Mn, Mg, Si 등을 첨가하여 강도를 향상한 합금이다.

    2) 고강도 Al 합금
시효 경화 처리에 의해 강도를 향상시킨 열처리형 합금이다

        가) 두랄루민(duralumin): 시효 경화합금으로 A2017 합금(Al╺ 4% Cu╺0.5% Mg╺ 0.5% Mn)에 해당하며, 500~510℃에서 용체화 처리한 다음, 물에 담금질하여 상온 시효 처리하면 인장강도 295~440N/mm² 정도가 된다. 가볍고 강도가 크므로 항공기 재료로 널리 이용된다.

        나) 초두랄루민(super duralumin: SD) Al╺4.5% Cu╺1.5% Mg╺0.6% Mn 합금을 190℃ 전후의 시효 처리에 의해 490N/mm² 이상의 인장강도를 얻을 수 있다. A2024는 대표적인 재료로 항공기 재료로 이용된다.

        다) 초강 두랄루민(extra super duralumin: ESD): Al╺5.5% Zn╺2.5% Mg╺1.5% Cu╺0.23% Cr의 A7075합금은 시효 처리에 의해 530N/mm² 이상의 인장강도를 얻을 수 있다.