청동이란? – 속성, 유형 및 용도

브론즈(청동)란?

청동은 주로 구리로 구성된 금속 합금으로, 주석이 약 12~12.5%이고 알루미늄, 망간, 아연 또는 니켈과 같은 기타 금속이 있습니다. 비소, 인 및 규소는 이들에서 발견되는 비금속 또는 준금속의 예입니다. 다양한 금속 및 비금속 첨가로 인해 다양한 품질의 다양한 청동 합금이 생성됩니다.

청동은 일반적으로 유연한 합금입니다. 일반적으로 표면에서만 산화되며 구리 산화물 층이 형성되면 코어 금속을 추가 부식으로부터 보호합니다. 오래된 조각상에서 이 기술을 볼 수 있습니다. 청동 및 기타 구리 기반 합금은 강철이나 철보다 용융 온도가 낮아 작업이 더 쉽습니다.

청동은 강철보다 밀도가 약 10% 높지만 알루미늄 또는 실리콘 합금은 밀도가 낮을 수 있습니다. 대부분의 강철은 청동처럼 열이나 전기를 전도하지 않습니다. 그것은 강철보다 비싸지 만 니켈 기반 합금보다 저렴합니다. 표면은 미묘한 원과 칙칙한 골드 톤이 특징입니다.

 

 

청동의 역사

청동의 발견으로 사람들은 이전보다 더 단단하고 내구성이 강한 금속 인공물을 만들 수 있었습니다. 청동 도구, 칼, 갑옷 및 장식용 타일과 같은 건축 자재는 석재 및 구리 제품보다 더 단단하고 내구성이 있습니다.

청동은 처음에 구리와 비소로 만들어졌으며, 그 결과 비소 청동 또는 구리와 비소 광석이 자연적으로 또는 인공적으로 혼합되었습니다.

최초의 주석-구리-합금 인공물은 기원전 4650년경 세르비아의 플로니크(Plonik)에 있는 비나 문화 유적지에서 발견되었으며 천연 주석-구리 광물인 주석에서 제련된 것으로 생각됩니다. 다른 초기 사례는 이집트, 수사(이란) 및 여러 고대 중국 유적지뿐만 아니라 Luristan(이란), Tepe Sialk(이란), Mundigak(아프가니스탄) 및 메소포타미아(이라크)에서 찾을 수 있습니다.

구리와 주석 광석은 함께 발견되는 경우가 거의 없기 때문에(영국의 콘월, 태국의 고대 유적지, 이란의 고대 유적지는 예외임) 중요한 청동 제조에는 항상 상업이 필요했습니다.

주석 소스와 무역은 고대 문화의 진화에 중요한 영향을 미쳤습니다. 지중해 동부의 페니키아까지 팔린 영국 콘월의 광석 매장지는 유럽에서 중요한 주석 공급처였습니다.

세계 여러 곳에서 청동 물체가 많이 발견되었는데, 이는 금속이 부의 저장고이자 사회적 지위 지표로도 사용되었음을 암시합니다. 청동 도구, 특히 소켓이 있는 도끼가 거의 또는 전혀 마모되지 않은 채 유럽에서 발견되었습니다.

비문 및 기타 출처에서 알 수 있듯이 중국 의식 청동의 경우는 분명합니다. 이들은 엘리트 무덤과 살아있는 사람들의 의식 제물을 위해 대량으로 만들어졌습니다.

 

청동의 제조 공정

1. 채굴
처음에 사용된 금속의 대부분은 땅에서, 개울 바닥에서, 그리고 절벽 면에서 눈에 띄는 조각을 들어낸 암석에서 나왔습니다. 청동에 대한 수요가 급증함에 따라 사람들은 구리와 주석 광석, 가공되지 않은 천연 형태의 금속을 찾기 위해 더 깊은 땅을 찾기 시작했습니다.

광산 갱도는 기원전 약 4000년에 발칸 반도의 언덕에 조각되었으며, 이는 채광의 가장 초기 증거입니다. 우리는 기원전 3800년으로 거슬러 올라가는 시나이 반도의 구리 광산에서 현장 제련의 증거를 찾습니다.

2. 제련
제련은 땅에서 원광석을 추출하는 단계와 금속 제품을 주조하는 단계 사이에 필요한 단계입니다. 대부분의 금속은 자연 상태에서 가장 순수한 형태로 존재하지 않습니다. 다른 암석 정맥이 자주 흐르거나 금속이 다른 암석에 박힌 반점과 조각으로 나타납니다. 광석은 용광로에 넣어 d 금속을 분리합니다.

그 용광로는 구리의 경우 화씨 약 2000도의 온도에 도달해야 합니다. 구리는 이 온도에서 녹고 주변 암석에서 떨어집니다. 광석에 있는 주변 암석이나 기타 금속의 융점이 낮으면 광석이 먼저 녹습니다. 청동기 시대의 광부와 금속 세공인들은 보석에서 도구에 이르기까지 다양한 금속과 그 용도를 분리하는 방법을 빠르게 알아냈습니다.

3. 캐스팅
구리를 정제한 후 주석과 섞어 청동을 만들 차례입니다. 그 후, 액체 청동을 모래 주형에 붓고 냉각되도록 방치했습니다. 이 과정을 주물이라고 하며 청동검, 브로치, 칼, 핀을 만드는 데 사용되었습니다.

청동은 갈고 다듬어 다양한 형태로 만들 수 있습니다. 그것은 잠재적으로 녹아서 다른 것으로 변할 수 있습니다. 그 강인함 때문에 농민의 도구와 전사의 무기를 만드는 데 특히 도움이 되었습니다. 캐스팅에는 세 가지 유형이 있습니다.

3.1. 모래 주조
세 가지 중 가장 오래된 것은 모래 주조입니다. 이 절차는 원하는 부품의 모양으로 패턴을 만드는 방법을 다룹니다. 그런 다음 패턴을 모래로 채워진 플라스크에 넣습니다. 모래를 단단하게 하기 위해 결합제가 첨가됩니다. 그런 다음 금형을 경화시킨 후 패턴을 제거합니다.

녹은 청동을 나머지 속이 빈 부분에 부어 원하는 모양을 만듭니다. 금속이 냉각된 후 모래 주형은 제거되고 모래 주물만 남습니다. 이 주물은 그대로 판매되거나 추가 마무리 작업을 거칠 수 있습니다. 기존의 방법으로는 불가능했던 특이한 모양을 만드는 능력은 모래 주조의 장점 중 하나입니다.

3.2 원심 주조
원심주조법으로 원통형 주물을 주조하는 것이 일반적이다. 원통형 주형은 원심 주조에 사용됩니다. 그런 다음 몰드는 축을 중심으로 지정된 속도로 회전하거나 회전합니다. 주입 단계에서 주입되는 재료의 양은 주물의 벽 두께를 결정합니다. 원심 주조 공정의 특성상 제품의 내경은 항상 둥글어야 합니다.

대부분의 금속 불순물은 금속 자체보다 밀도가 낮습니다. 이러한 오염 물질은 주조 공정 중에 주조물의 내경에 집중되며 주조 공정 전반에 걸쳐 제거될 수 있습니다. 결과적으로 주물에는 불순물이 적습니다.

3.3 연속 주조
연속주조법, 연속적인 길이의 재료를 청동으로 주조한다. 녹은 청동을 틀에 부어 모양을 만듭니다. 주조 길이는 금형이 아닌 절단 톱으로 설정됩니다. 중력은 연속 주조에서 금속을 이동시키는 데 사용됩니다. 이 주조 과정은 높은 곳에서 시작되며 많은 공간을 차지합니다.

연속주조는 다른 공법에 비해 재료 손실률이 낮고 생산성이 높습니다. 이 방법은 또한 일반적으로 더 나은 주조 품질을 제공합니다. 응고 시간이 짧고 재료 특성이 일관적이기 때문입니다.

 

청동의 종류

1. 주석 및 인청동
청동은 전통적으로 주석(주로 12-12.5% ​​주석)과 합금된 구리 기반 합금 그룹입니다. 경도, 내피로성 및 내마모성을 향상시키기 위해 소량의 인(0.01–0.45)이 첨가됩니다. 스프링, 패스너, 석조 픽스, 샤프트, 밸브 스핀들, 기어 및 베어링은 모두 이러한 합금을 추가함으로써 얻을 수 있습니다.

벨 메탈로 알려진 고주석 청동 합금의 형태로 약 23%의 주석을 함유하는 청동은 벨용으로 선택된 금속이기도 합니다. 고주석 청동 합금은 일반적으로 높은 강도와 ​​큰 하중이 필요한 기어, 고강도 부싱 및 베어링 응용 분야에 사용됩니다.

펌프 임펠러, 피스톤 링 및 스팀 피팅은 이러한 금속의 다른 용도 중 하나입니다. 예를 들어 구리 주조 합금 UNS C90500은 건메탈이라고도 알려진 주조 구리-주석 합금입니다. 강철은 본질적으로 무기를 만드는 주요 재료로 그것을 대체했습니다.

2. 실리콘 브론즈
실리콘 청동의 구리 함량은 일반적으로 약 96%입니다. Si: 2.80–3.80%, Mn: 0.50–1.30%, Fe: 최대 0.80%, Zn: 최대 1.50%, Pb: 최대 0.05% 실리콘 청동을 구성합니다.

실리콘 브론즈는 강도와 유연성의 좋은 균형과 우수한 내식성 및 용접성을 제공합니다.

실리콘 청동은 다양한 액체에서 뛰어난 내식성으로 인해 화학 산업을 위해 처음 만들어졌습니다. 그들은 문 손잡이 및 손잡이, 교회 문, 교회 난간 및 창틀과 같은 건축 제품에 사용됩니다.

3. 알루미늄 청동
알루미늄 청동은 다른 합금 시리즈와 비교할 수 없는 기계적 및 화학적 품질을 지닌 구리 기반 합금 제품군입니다. 여기에는 5~12%의 알루미늄이 포함됩니다. 니켈, 실리콘, 망간 및 철도 알루미늄 청동에 포함됩니다.

저합금강에 필적하는 강도와 높은 내부식성을 가지며, 특히 해수 및 이와 유사한 상황에서 합금이 많은 스테인리스 강판을 초과하는 경우가 많습니다.

합금의 알루미늄은 주변 산소와 반응하여 구리가 풍부한 합금의 부식 장벽인 알루미나(산화알루미늄)의 얇고 저항력 있는 표면 코팅을 생성합니다. 단조 및 주조 버전을 사용할 수 있습니다.

알루미늄 청동의 색상은 일반적으로 황금색입니다. 알루미늄 청동은 해수 관련 서비스, 파이프용 베어링 피팅, 펌프 부품, 밸브 및 열교환기 등 다양한 해수 응용 분야에 사용됩니다.

 

4. 베릴륨 브론즈
종종 베릴륨 청동이라고 불리는 구리 베릴륨은 0.5~3%의 베릴륨을 함유한 구리 합금입니다. 구리-베릴륨은 완전히 열처리되고 냉간 가공된 상태에서 가장 단단하고 가장 강한 구리 합금입니다.

그것은 비자성 및 비 스파크 기능과 고강도를 결합하고 기계적 특성은 많은 고강도 합금 강판과 유사합니다. 그래도 강철보다 내식성이 뛰어납니다. 열전도율은 공구강(210W/m°C)의 3~5배입니다.

이러한 고성능 합금은 스파크가 발생하지 않는 도구(석유 굴착 장치)를 위해 광산(탄광), 가스 및 석유화학 산업에서 오랫동안 사용되어 왔습니다. 베릴륨 구리 스크루드라이버, 플라이어, 렌치, 콜드 끌, 칼 및 망치를 이러한 상황에 사용할 수 있습니다.

구리 베릴륨은 우수한 내피로성으로 인해 주기적 하중에서 모양을 유지해야 하는 스프링, 스프링 와이어, 로드셀 및 기타 품목에 일반적으로 사용됩니다.

5. 벨 메탈(하이틴 브론즈)
벨 금속은 전통적으로 주석과 합금된 구리 기반 합금으로 종종 20% 이상의 주석 함량(일반적으로 질량 기준으로 구리 78%, 주석 22%)을 포함합니다. 벨 메탈은 고품질 벨을 만드는 데 사용되는 재료입니다. 주석 비율이 높을수록 금속이 더 단단해지고 공명이 높아집니다.

주석 농도가 증가하면 벨 스트라이크의 감쇠 지속 시간이 증가하여 벨이 더 울려 퍼집니다. 고주석 청동은 고강도 및 고하중을 요구하는 기어, 고강도 부싱 및 베어링 용도에도 사용됩니다.

 

청동의 속성

▷ 황동보다 칙칙한 외관을 가지고 있습니다.
▷ 청동은 매우 가단성이 있는 금속입니다.
▷ 청동은 다른 금속에 비해 마찰이 적습니다.
▷ 청동의 융점은 황동의 융점보다 약간 높습니다.
▷ 청동과 황동 금속의 표면에는 종종 미묘한 고리 모양의 자국이 있습니다.
▷ 청동은 가단성이 있지만 주철만큼 많지는 않습니다.
▷ 합금의 융점은 철이나 강철보다 낮습니다.
▷ 단단한 표면에 청동을 두드리면 불꽃이 날지 않습니다. 그것은 합금을 가연성 또는 폭발성 화합물과 함께 사용하기에 적합하게 만듭니다.
▷ 청동은 다른 금속과 달리 용융물에서 응고되면서 팽창합니다. 금속이 냉각되면서 금형을 채우므로 주조에 유리합니다.
▷ 대부분의 강철은 청동처럼 전기나 열을 전달하지 않습니다.
▷ 청동은 공기 중에서 산화되어 무딘 구리 녹청을 띠게 됩니다. 반면에 녹청은 표면에 영향을 주어 밑에 있는 금속을 보호합니다. 처음에는 녹청이 산화구리로 이루어져 있지만 곧 탄산구리로 바뀝니다.
▷ 청동 녹청은 원소로부터 합금을 보호하지만 바닷물에 노출되면 부식됩니다. 염화물은 금속이 전체적으로 부식되는 "청동병"을 일으킵니다. 구리 및 황동과 같은 청동은 일반적으로 염수 부식에 강합니다.

 

청동의 용도

청동은 구조 및 디자인 측면에서 건축에 활용됩니다. 인청동과 같은 마찰 특성, 악기, 전기 접점 및 선박 프로펠러로 인해 베어링에 사용됩니다. 공작 기계 및 일부 베어링은 알루미늄 청동으로 만들어집니다. 목공에서 브론즈 울은 오크를 더럽히지 않기 때문에 스틸 울보다 선호됩니다.

청동은 고대부터 조각품을 만드는 데 사용되었습니다. 이 시대보다 훨씬 이전에 조각을 주조하는 데 로스트 왁스 방법이 사용되었지만 아시리아의 군주 산헤립(Sennacherib, 706-681 BC)은 두 부분으로 된 주형을 사용하여 거대한 청동상을 주조한 최초의 사람이라고 주장했습니다. 동전은 청동으로 만들어졌습니다. 대부분의 "구리" 주화는 청동이며 구리는 4% 주석과 1% 아연을 함유합니다.