C3604이란? 특성·용도·가공·연 프리 대체재까지 해설

피삭성이 뛰어난 C3604는 자동차 부품이나 전자기기의 단자, 정밀 기구 부품 등 폭넓은 용도로 채용되고 있는 황동 재료입니다. 취급 용이성과 양산성을 겸비하는 한편, 납이 포함되어 있기 때문에 RoHS 등의 환경 규제에 대응한 대체재 검토도 진행되고 있습니다.

이번 내용에서는, C3604의 특성이나 장점·단점, 용도에 대해 해설합니다. 무연재와의 비교 및 가공 시의 주의사항도 정리하므로 설계 및 개발 시에 참고하십시오.

C3604의 정의

C3604(쾌삭 황동 2종)는 구리와 아연을 주성분으로 하는 황동에 피삭성을 향상시킬 목적으로 납을 첨가한 구리 합금입니다. 화학 성분은 다음과 같습니다.

단위 %

※분석한 원소 이외를 남은 부분으로 한다. 단, 그 중에는 Zn 이외의 분석하지 않는 원소가 포함된다.

일반적으로 C3604는 「쾌삭황동」이라고 불리며, 주로 막대 형상의 재료로서 유통하고 있습니다.자동 선반을 이용한 대량 생산에 적합하기 때문에, 자동차 부품이나 전자 부품, 정밀 기기의 부품 등, 폭넓은 분야에서 사용되어 왔습니다.

C3604 의 특성

강도·경도 등 기계적 특성

C3604의 인장 강도와 경도는 순동보다 향상되었으며 기계 부품으로서 충분한 강도를 가집니다. 대표적인 인발 재질(C3604BD)의 경우 인장 강도는 335N/mm² 이상, 경도(HV)는 80 이상으로 나타나 있습니다. 기계 구조용 탄소강(S45C)에는 뒤떨어지지만 많은 기계 부품에서 문제 없이 사용할 수 있는 강도 레벨입니다.

밀도는 약 8.5g/cm ³, 열전도율이나 전기전도율도 철강 재료에 비해 높아 통전 부품에도 적합합니다. 적당한 유연성도 가지고 있기에 냉간 가공품에서도 어느 정도의 인성을 유지하고 있습니다.

피삭성(절삭가공성)

C3604의 가장 큰 특징은 납 첨가에 의한 높은 피삭성입니다. 절삭 시 칩이 미세하게 분단되어 발열과 공구 마모가 억제되어 절삭 공구 수명이 길어집니다. 버도 적고 마감면도 양호하여 고속 및 고속 이송 절삭 가공에 적합합니다. 외경 절삭은 고속 조건에서 가공할 수 있으며, 단시간에 다수의 부품을 가공할 수 있습니다.

적당한 연성을 가지기 때문에 경도의 절곡 가공이나 캐시메 가공, 절삭 후 작은 홀에 핀 압입 등 2차 가공에도 대응할 수 있습니다. 단, 드릴 심공 가공에서는 납분이 유동하여 깨질 우려가 있으므로 고속 홀 가공 시에는 절삭유에 의한 냉각이나 절분 배출에 유의하여 가공 조건의 조정이 필요합니다.

내식성·환경 특성

C3604는 일반적인 대기 중 내식성이 우수하고 표면에 형성되는 산화피막으로 인해 적녹과 같은 부식이 잘 일어나지 않는 이점이 있습니다. 그러나 소금물이나 산성, 암모니아를 포함한 환경에서는 「탈아연 부식」이나 「응력 부식 균열」을 일으킬 가능성이 있기 때문에 주의가 필요합니다.

환경 특성으로는 최대 3.7%의 납을 함유하기 때문에 RoHS 지령에 원칙적으로 저촉되지만, 현재는 「동합금 중 납은 4wt%까지」라는 적용제외 규정에 따라 사실상 RoHS 대응 가능한 재료로 유통되고 있습니다. 향후 규제 강화를 위해 납리스 황동으로의 전환도 검토해 두는 것이 좋을 것입니다.

C3604의 장점

• 피삭성이 매우 높음에 따른 가공 효율의 우수성
  절삭 가공이 용이하고 버가 적으며 공구의 수명도 길기 때문에 생산성 향상에 효과적입니다. 특히 자동 선반에 의한 대량 생산 부품에서는 높은 가공성이 평가되고 있습니다.
• 적당한 기계적 강도와 인성
  인장 강도는 높고, 일반적인 기계 부품에 요구되는 강도를 충분히 충족합니다. 경도도 나사 부품이나 기어등에도 이용할 수 있는 경도입니다.
• 내식성이 좋음
  대기 중에서 녹이 잘 슬지 않고, 습도가 높은 환경에서도 강재와 같은 적녹은 발생하지 않습니다. 표면이 산화피막으로 보호되기 때문에 통상적인 사용에서는 부식 트러블이 적은 재료입니다.
• 재료 비용 및 입수성
  황동 재료 중에서는 범용적이고 유통량이 많으며 가격도 비교적 안정적입니다. 다른 고성능 구리 합금에 비해 저렴하며 짧은 납기에 쉽게 입수할 수 있습니다.
• 그외 이점
  동합금 특유의 항균작용이 있어 위생적입니다. 전기 전도성이 높기 때문에 통전 부품에 사용할 수 있는 것이나 비자성인 것 등 용도에 따라 유용한 특성도 갖추고 있습니다.

C3604 의 단점 

C3604에는 많은 이점이 있는 반면, 몇 가지 단점과 주의점도 존재합니다.

• 납 함유로 인한 환경 및 건강 제약
  함유하는 납은 인체 및 환경 유해성이 우려되는 금속입니다. 절분이나 분진의 관리가 필요하며, 납 증기에 의한 납 중독 위험에 주의가 필요합니다. 향후 RoHS 적용 제외 규정이 변경되면 사용할 수 없게 될 가능성도 있습니다.
• 용접 및 납땜의 어려움
  납의 녹는점은 약 327℃로 낮아 납땜이나 용접 시 열을 가하면 납이 먼저 용융, 증발하기 쉽습니다. 접합 부분의 갈라짐이나 접합 불량에 주의합시다.
• 고온에서의 취성
  C3604를 포함한 구리-아연계 합금은 약 200~700℃의 중간 온도 영역에서 취성이 증대하는 성질이 있습니다. 부적절한 온도에서의 열가공이나 절삭열의 축적으로 깨질 위험이 높아지기 때문에 주의가 필요합니다.
• 염수 및 약품 환경에서의 부식
  해수나 산·알칼리 환경에서는 탈아연 부식 등이 진행됩니다. 부식 환경 하에서 사용할 때는, 부식 코팅이나 내식성이 뛰어난 다른 재료를 검토해야 합니다. 

C3604의 주요 용도·적용 사례

C3604는 뛰어난 가공성과 적당한 강도로 인해 폭넓은 업계에서 다양한 부품 소재로 이용되고 있습니다. 대표적인 용도의 예는 다음과 같습니다.

C3604의 가공 방법과 주의점(절삭·압연·단조)

절삭 가공(선반·밀링 가공)

C3604는 선반이나 밀링 가공성이 매우 양호하기 때문에, 재료는 주로 환봉이나 육각봉으로 유통되고, 자동차 부품이나 나사류는 절삭으로 대량 생산됩니다. 공구에 대한 부하도 작기 때문에 공구 마모가 적은 것이 특징입니다.

한편 드릴 가공에서는 납의 연화에 의한 깨짐, 절삭유가 없는 고속 가공에서는 열에 의한 변색에 주의해야 합니다. 가공 후 도금이나 도장을 할 경우에는 밀착 불량을 방지하기 위해 표면에 부착된 납가루나 유분을 충분히 세척해야 합니다.

압연·압출·인발 가공

C3604의 소재는 열 사이에서 빌릿을 다이스에 밀어내는 「압출 가공」이나 그 후 다이스 구멍에 통과시켜 치수 정밀도를 높이는 「인발 가공」을 한 봉재가 일반적입니다. 압출 상태인 「압출재(C3604BE)」와 인발로 가공 경화시켜 강도와 정밀도를 높인 「인발재(C3604BD)」가 있습니다.

압연에 의한 판재로는 C3604가 시판되고 있지 않습니다. 판재나 띠재가 필요한 경우는 납을 포함하지 않는 C2720이나 C2801 등이 일반적으로 사용됩니다.

단조 가공(열간 단조·냉간 단조)

C3604는 열간 상태라면 어느 정도의 소성 가공이 가능합니다. 단조 시에는 워크 전체를 충분히 가열하고 단시간에 변형시키는 것이 요령입니다. 공랭 후에 가공 경화가 남기 때문에 필요에 따라 어닐링 처리가 요구됩니다. 양산에서 단조를 실시하는 경우는, C3604보다 단조성이 뛰어난 C3771등의 단조용 황동을 선정하는 것이 일반적입니다.

냉간 단조에 대해서는 C3604는 가공 경화하기 쉽고 연성도 한정되기 때문에 큰 변형을 수반하는 냉간 압조 등에는 적합하지 않습니다.

기타 가공・취급상의 주의

상기 이외에도, C3604 재료를 취급하는데 있어서 알아두고 싶은 포인트를 보충합니다.

• 열처리
  C3604는 시효 경화되지 않기 때문에 열처리에 의한 기계적 성질의 향상은 기대할 수 없습니다. 강도 부족의 경우 재료의 재선정이 필요합니다.
• 표면 처리
  황동의 산화와 잡티를 방지하고 외관 유지 및 내식성 강화를 위해 니켈 도금, 크롬 도금, 검은색 염색, 클리어 래커 도장 등이 적용됩니다.
• 치수 안정성
  C3604는 가공 응력이나 절삭 열이 작기 때문에 가공 후 치수 변화가 적은 경향이 있어 고정밀 부품에도 적합합니다.
• 시간이 지남에 따른 피삭성 변화
  장기 보관하면 표면이 경화되는 「시효 경화」가 생길 우려가 있습니다. 장기 재고재를 사용할 경우에는 가볍게 불에 데친 후 가공하는 것이 좋습니다.

무연 대체 재료와의 비교【C3604 vs 무연 황동】

환경 규제의 관점에서 최근에는 C3604의 납을 포함하지 않는 대체 재료(납리스 쾌삭 황동)도 개발·실용화되고 있습니다. 대표적인 무연 쾌삭 황동과 C3604와의 비교를 아래 표에 정리하였습니다.

「무연이기 때문에 좋다/나쁘다」가 아니라 요구하는 성능과 비용에 따라 적재적소에서 선정하는 시점이 중요합니다.

설계 결정에 도움이 되는 포인트

설계담당자가 C3604를 취급할 때, 억제해 두어야 할 판단 포인트를 이하에 정리합니다.

정리

이번 내용에서는 피삭성이 뛰어난 C3604에 대해서, 특성이나 장점·단점, 용도나 가공시의 주의점까지 해설했습니다. 자동차 부품이나 전자 기기의 단자, 정밀 기구 부품 등 폭넓은 용도로 활용되고 있는 재료이기 때문에, 특징을 알아 두는 것은 불가결합니다.
이번 내용에서 소개한 내용을 참고하여 제품 설계 및 개발에 적절히 C3604를 활용해 주십시오.