황동은 그 아름다운 황금빛과 뛰어난 가공성으로 전자부품이나 기계부품·건축철물에 이르기까지 폭넓은 분야에서 이용되고 있는 금속재료입니다. 본 내용에서는 황동의 물리적 특성에 기초한 장점·단점을 바탕으로 용접·절삭·절곡·주조 등의 가공 방법과 선정 포인트에 대해 해설합니다.
목차
황동의 정의
황동은 주성분이 구리(Cu)와 아연(Zn)으로 구성된 합금으로 황금색의 외관을 가진 금속 재료입니다. 구리가 가지는 높은 전기 전도성이나 전연성에, 아연이 가지는 경도나 강도가 더해지는 것으로, 황동만이 가능한 밸런스가 뛰어난 특성을 얻을 수 있습니다.
일반적인 조성은 약 60~70%가 구리, 나머지가 아연으로 용도에 따라 납(Pb) 등의 미량 원소가 첨가되는 경우도 있습니다.
주요 황동 합금의 종류
황동은 구리와 아연의 비율과 첨가 원소에 따라 많은 종류가 있으며 각각 특성이 다릅니다. 아래의 표는 대표적인 황동 합금의 규격을 나타냅니다.
| 합금 번호 | 합금명(통칭) | 주요 성분 | 특징 | 주요 용도 |
| C3604 | 쾌삭 황동(2종) | Cu 57-61% Pb 1.8–3.7% Fe 0.50% 이하 Zn 잔부 Fe+Sn 1.0% 이하 |
・납 첨가로 피삭성이 매우 높음
・자동 선반, 밀링 고속 가공에 최적 · 칩이 잘게 부서져 공구 수명이 길다. |
나사, 볼트, 너트, 기어 등 양산 절삭 부품 |
| C2600 | 73황동(황동 1종) | Cu 68.5-71.5% Pb 0.05% 이하 Fe 0.05% 이하 Zn 잔부 |
・연성, 깊은 압력성이 최고 클래스
・냉간 가공을 반복해도 깨지기 어렵고 도금성도 양호 |
단자·커넥터·라디에이터·장식품·깊은 압력 용기 |
| C2700 | 6535황동(황동 2종) | Cu 63-67% Pb 0.05% 이하 Fe 0.05% 이하 Zn 잔부 |
・C2600보다 강도가 높음
・황금색의 외관이 아름다움 ・도금성도 양호 |
배선 기구·기계 부품·스냅 버튼·마법병 외장·10원 동전 등 |
| C3771 | 단조성이 우수한 쾌삭 황동 | Cu 57–61% Pb 1.8–3.7% Fe 0.50% 이하 Zn 잔부 Fe+Sn 1.0% 이하 |
・열간 단조성이 뛰어나 복잡한 형상에서도 정밀 단조가 가능
・단조 후에도 피삭성 양호 |
밸브, 피팅, 수도꼭지 등 수도꼭지 부품, 각종 기계 부품 |
| C2801 | 6.4황동(황동 3종) | Cu 59%-62% Pb 0.10% 이하 Fe 0.07% 이하 Zn 잔부 |
・황동 중에서 가장 높은 강도・ 높은 경도
・내마모성, 내식성도 양호 |
선박 부품·건축 철물·배선 기구 구조재·네임 플레이트 |
| C3602 | 쾌삭 황동(일종) | Cu 59-63% Pb 1.8–3.7% Fe 0.05% 이하 Zn 잔부 Fe+Sn 1.0% 이하 |
・C3604보다 납이 적다
・피삭성과 강도의 밸런스가 좋다 ・치수 안정성도 높음 |
볼트, 너트, 작은 나사, 기어, 정밀 절삭 부품 |
또, 근년에는 RoHS 지령등의 환경 규제에의 대응으로서 납이나 카드뮴을 포함하지 않는, 혹은 함유량을 저감한 황동(예: C6801·에코브라스 등)의 이용이 증가하고 있습니다. 이러한 환경 대응재는 기존의 납 함유 쾌삭 황동과 동등한 피삭성을 목표로 개발되고 있으나 특성이 약간 다를 수 있으므로 채용 시 주의가 필요합니다.
황동의 물리적 특성치
제조업에서 널리 사용되는 대표적인 황동재인 C2600과 C3604에 대해 주요 물성치를 아래 표에 정리했습니다.
| 물리적 특성 항목 | C2600 | C3604 |
| 인장 강도(MPa) | 275 이상 | 335 이상 |
| 신장(%) | 10~45 | 15이상 |
| 비커스 경도(HV) | 60~190 | 80이상 |
| 열전도율(W/m·K) | 121 | 114 |
| 전기 전도도(%IACS) | 28 | 26 |
| 비중 | 8.53 | 8.5 |
| 융점(℃) | 916~954 | 885~900 |
황동의 장점
| 내용 해설 | 용도 예 | |
| 높은 전도성 | 구리를 주성분으로 하여 철이나 알루미늄보다 양호한 전기전도율, 열전도율을 가진다 | 단자·커넥터 등의 전기 부품·방열 부품 등 |
| 우수한 열간 단조성 | 비교적 저온(약 600~800℃)에서 연화하여 복잡 형상에서도 정밀한 단조 가 가능하다 | 밸브, 이음매 등 고밀도이며 강도 편차가 적은 부품 양산에 적합하다 |
| 높은 내식성 | 표면의 산화피막으로 습도가 높은 환경에서도 녹슬지 않는다 | 수전 금구, 선박 부품, 옥외 장식품. 단 특수 환경(암모니아 등)에서는 주의가 필요하다 |
| 뛰어난 가공성 | 특히 납이 든 쾌삭 황동(C3604등)은 금속 중에서 톱 클래스의 가공성 칩 처리가 용이하며 공구 수명도 길다 |
나사, 톱니바퀴 등의 정밀 절삭 부품의 고속, 고정밀 가공, 비용 절감으로 이어진다 |
| 항균·살균성 | 구리 이온의 작용에 의해 표면에 부착된 미생물을 단시간에 사멸시키다 스테인레스제에 비해 황동제 부품은 항균성이 높다는 연구 결과도 있다 |
문 손잡이·손잡이 등 위생관리가 요구되는 곳
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황동의 단점
장점이 많은 황동이지만 만능이 아니라 주의해야 할 단점이나 제약도 존재합니다. 재료 선택이나 가공 계획 시에는 다음과 같은 포인트를 고려해야 합니다.
| 내용 해설 | 대책·고려점 | |
| 재료 비용이 증가 | 주성분인 구리가 고가이므로 철이나 알루미늄에 비해 재료 단가가 높음 구리 시세의 영향도 받는다 |
가공성에 따른 토탈 비용도 고려 필요 특성이 없으면 대체재(도금강판 등)의 검토도 포함한다 |
| 비중이 크다 | 비중은 약 8.5로 알루미늄의 약 3배로 철보다 무겁다 | 경량화가 요구되는 경우에는 중공 구조화 및 불필요 부분 깎아내거나 경량 대체 재료 검토한다 |
| 강도·경도가 한정적 | 강재와 같은 열처리에 의한 대폭적인 강도 향상 불가 약 200℃ 이상에서 강도 저하한다 |
높은 부하·고온 장소에 대한 사용은 피한다 필요에 따라 두께를 늘리거나 리브를 추가하거나 높은강도 재료를 선정한다 |
| 용접이 어렵다 | 아연의 끓는점이 구리의 녹는점보다 낮기 때문에 용융 용접시 아연이 증발하여 기공이나 강도 저하, 유독가스 발생의 원인이 된다 | 일반적으로는 납땜, 납땜, 또는 기계적 접합(나사 고정 등)을 선택 특수 용접 기술 필요하다 |
황동 가공의 방법과 포인트
황동은 뛰어난 특성을 가지는 한편, 설계·채용에 있어서는 아래의 포인트도 인식해 두지 않으면 안됩니다.
| 특징과 주요 포인트 | 주의점・권장 사항 | |
| 용접·접합 | 용융 용접은 권장되지 않으며 납땜(은납 등 모재를 녹이지 않음)이나 납땜이 주류 | 납땜 시 적절한 클리어런스 설정, 이음매 형상 고안 |
| 절삭 가공(선반·밀링) | 쾌삭황동(C3604등)은 매우 양호한 피삭성 칩 처리가 용이녹는점이 낮아 BUE(구성 날 끝)에 주의 |
빌트업 엣지 대책으로 유성 쿨런트로 냉각하여 절삭력이 좋은 초경합금 공구, 큰 폭의 절삭각으로 설정 파고들기 쉬우므로 날 끝 강도와의 밸런스가 중요 |
| 드릴링 · 나사 절단 | 비교적 용이하고 칩이 가루 형태로 잘 막힘 탭 절손 리스크 낮음 |
황동용 드릴(선단각 130~140°) 권장 깊은 홀은 절삭유 사용나사 유효 길이 확보,면취로 시작 부분 보강 |
| 절곡·조리개 가공 | C2600 등의 전신재는 연성이 높다 가공 경화가 쉬우므로 복잡 형상이나 큰 변형 시에는 중간 어닐링이 유효 |
적절한 절곡 R(판 두께의 약 2배) 설정 잔류 응력에 의한 응력 부식 균열에 주의(응력 제거 어닐링, 표면 처리, 둥그스름한 형상) |
| 주조·단조 | ·주조 유동성이 양호하고 복잡 형상에 적합함치수 편차, 아연 휘발에 주의 ·단조 열간 단조(600~800℃)로 조직 치밀화, 강도 향상가열 온도 관리가 중요합니다 |
·주조 두툼하게 여유를 갖다 용탕 유지 시간은 가능한 한 짧고 단조의 적절한 온도 엄수(가열 부족, 과열 방지) 마감 절삭 비용 고려 모두 수축 및 가공 경화를 예측한 설계가 필수 |
황동 부품 설계의 주의점
응력 부식 균열에 대한 대책
냉간 가공 후의 부품에 잔류 응력이 존재하고 부식성 환경에 노출되면 균열이 발생할 우려가 있습니다. 대책으로는 가공 후에 응력 제거를 실시하는 것이 기본입니다.
또한 사용 환경에 따라 내응력 부식 균열성이 높은 황동 재료를 선정하고, 표면에는 니켈이나 크롬 등의 도금을 하여 외부 부식 인자로부터의 영향을 감소시킵니다.
아연 부식에 대한 대응
고온 다습이나 특정 수질에서 아연이 선택적으로 용출되어 스펀지 형태로 취화되는 현상입니다. 이를 방지하기 위해서는 C6801 등의 내아연 부식 황동을 선정하고 수질 관리를 철저히 해야 합니다.
또한 도금이나 도장 등의 표면 처리를 실시하고, 또한 충분한 두께 설계를 실시하는 것도 효과적입니다.
열처리의 활용
황동은 강재와 같이 열처리에 의한 강도 향상은 기대할 수 없지만 냉간 가공에 의한 가공 경화나 잔류 응력을 완화할 목적으로 열처리가 효과적입니다.
특히, 복잡한 굽힘 가공이나 깊은 조리개 공정을 수반하는 경우는, 중간 공정에서의 응력 제거 어닐링을 계획적으로 실시해, 균열이나 파단을 방지합니다. 완전 어닐링은 가공성 회복을 목적으로 하는 경우에 적용합니다.
표면 처리 선정 및 적용
설계 용도에 따라 내식성, 내마모성, 미관, 땜납성 등의 향상을 도모하기 위해 각종 표면 처리를 적절히 선정합니다. 대표적인 처리로는 니켈, 크롬, 주석, 금 등의 도금, 화학 연마, 도장, 화성 처리 등을 들 수 있습니다.
밀착성이나 성능의 안정성을 확보하기 위해서는 바탕의 거칠기나 전공정 처리 조건을 공정간에 통일하는 것이 중요합니다.
공차 설정 및 비용 최적화
황동은 고정밀 절삭 가공이 가능한 재료이지만, 지나치게 엄격한 공차는 가공 비용의 증대로 이어집니다. 설계 단계에서는 기능상 필요한 곳에 공차 설정을 한정하고 그 외에는 일반 공차를 활용함으로써 비용을 억제할 수 있습니다.
정리
황동은 그 아름다운 외관, 뛰어난 가공성, 전도성, 내식성, 항균성 등 많은 장점을 가진 매력적인 금속 재료라고 할 수 있을 것입니다. 그러나 재료 비용의 높이·중량·한정적인 강도·용접의 어려움과 같은 단점도 존재함을 이해해 둘 필요가 있습니다.
이러한 특성을 올바르게 이해한 후에 용도나 목적에 따라 적절한 종류의 황동을 선정하고, 가공 방법이나 설계상의 배려를 적확하게 실시함으로써 황동의 잠재력을 최대한으로 끌어낼 수 있습니다.
또한 meviy를 활용함으로써 제조 리드 타임과 비용을 대폭 절감할 수 있습니다. 황동 가공을 검토할 때는, 꼭 활용해 주십시오.
