황동

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배경

황동은 주로 구리와 아연으로 구성된 금속입니다. 구리가 주성분이며 황동은 일반적으로 구리 합금으로 분류됩니다. 황동의 색상은 존재하는 아연의 양에 따라 짙은 적갈색에서 밝은 은빛 노란색까지 다양합니다. 아연이 많을수록 색상이 옅어집니다. 황동은 구리보다 강하고 단단하지만 강철만큼 강하거나 단단하지는 않습니다. 다양한 모양으로 성형하기 쉽고 열전도율이 좋으며 일반적으로 염수에 의한 부식에 강합니다. 이러한 특성으로 인해 황동은 파이프 및 튜브, 웨더 스트립 및 기타 건축용 트림 부품, 나사, 라디에이터, 악기 및 총기용 카트리지 케이스를 만드는 데 사용됩니다.

연혁

현재 시리아 또는 동부 터키로 알려진 지역의 고대 금속 세공인들은 기원전 3000년 <작은> 청동이라는 금속을 만들기 위해 주석으로 구리를 녹이는 방법을 알고 있었습니다. 주석과 아연 광석이 함께 발견되는 경우도 있고 두 재료의 색상과 특성이 비슷하기 때문에 자신도 모르는 사이에 황동을 만들기도 했습니다.

B.C.-A.D. 20년경 <소> 20년, 지중해 주변의 금속 세공인들은 아연 광석과 주석 함유 광석을 구별할 수 있었고 아연과 구리를 혼합하여 황동 동전 및 기타 품목을 만들기 시작했습니다. 대부분의 아연은 다양한 아연 화합물을 포함하는 칼라민으로 알려진 광물을 가열하여 파생되었습니다. 서기 300년경부터 지금의 독일과 네덜란드에서 황동 금속 가공 산업이 번성했습니다.

이 초기 금속 세공인들은 아연 광석과 주석 광석의 차이점을 인식할 수 있었지만 여전히 아연이 금속이라는 것을 이해하지 못했습니다. 1746년이 되어서야 Andreas Sigismund Marggraf(1709-1782)라는 독일 과학자가 아연을 확인하고 그 특성을 결정했습니다. 금속 구리와 아연을 결합하여 황동을 만드는 공정은 1781년 영국에서 특허를 받았습니다.

화기용 최초의 금속 카트리지 케이스는 1852년에 도입되었습니다. 여러 가지 다른 금속이 시도되었지만, 황동이 가장 성공적이었습니다. 탄약통이 처음 발사되었을 때 압력을 가했을 때 총구가 팽창하고 밀봉한 다음, 탄약통이 비울 수 있도록 즉시 수축하는 능력이 있었기 때문입니다. 총기에서 꺼낼 카트리지 케이스. 이 속성은 속사 자동 무기의 개발로 이어졌습니다.

원자재

황동의 주성분은 구리입니다. 구리의 양은 황동의 유형과 용도에 따라 55%에서 95% 사이입니다. 높은 비율의 구리를 포함하는 황동은 다른 재료의 양을 최소화하기 위해 순수 99.3% 이상인 전기적으로 정제된 구리로 만들어집니다. 더 낮은 비율의 구리를 포함하는 황동도 전기적으로 정제된 구리로 만들 수 있지만 일반적으로 덜 비싼 재활용 구리 합금 스크랩으로 만들어집니다. 재활용 스크랩을 사용하는 경우 스크랩에 포함된 구리 및 기타 재료의 비율을 알아야 제조업체가 원하는 황동 조성을 달성하기 위해 추가할 재료의 양을 조정할 수 있습니다.

황동의 두 번째 구성 요소는 아연입니다. 아연의 양은 황동의 종류에 따라 중량으로 5%에서 40%까지 다양합니다. 6rass 생산의 일반적인 제조 단계를 설명하는 다이어그램. 아연 비율이 높은 황동은 더 강하고 단단하지만 성형하기가 더 어렵고 내식성이 낮습니다. 황동을 만드는 데 사용되는 아연은 때때로 스펠터(spelter)로 알려진 상업용 등급입니다.

일부 황동에는 특정 특성을 개선하기 위해 소량의 다른 재료가 포함되어 있습니다. 가공성을 향상시키기 위해 최대 3.8중량%의 납을 첨가할 수 있습니다. 주석을 첨가하면 내식성이 향상됩니다. 철은 황동을 단단하게 만들고 내부 결정립 구조를 작게 만들어 단조라고 하는 과정에서 반복적인 충격으로 금속을 성형할 수 있습니다. 아연이 20% 이상 함유된 황동에는 부식을 방지하기 위해 비소와 안티몬이 첨가되기도 합니다. 매우 소량으로 사용될 수 있는 기타 재료는 망간, 실리콘, 및 인.

디자인

다양한 유형의 황동에 대한 전통적인 이름은 일반적으로 재료의 색상이나 의도된 용도를 반영했습니다. 예를 들어, 적색 황동은 15% 아연을 함유하고 붉은 색을 띠는 반면, 황동은 35% 아연을 함유하고 황색을 띠었습니다. 카트리지 황동은 아연이 30% 함유되어 총기 카트리지를 만드는 데 사용되었습니다. 해군 황동은 최대 39.7%의 아연을 함유했으며 선박의 다양한 용도에 사용되었습니다.

불행히도, 전통적인 황동 이름 사이에 흩어져 있는 많은 잘못된 이름이 있었습니다. 아연이 10% 함유된 황동은 주석을 포함하지 않고 청동이 아니었음에도 불구하고 상업용 청동이라고 불렸습니다. 아연 40%와 납 3.8%를 함유한 황동은 실제로는 납을 함유한 황동임에도 불구하고 건축용 청동이라고 불렸습니다.

때때로 혼동되는 이러한 이름의 결과로, 미국의 황동은 이제 금속 및 합금에 대한 통합 번호 체계에 의해 지정됩니다. 이 시스템은 문자(이 경우 황동은 구리 합금이므로 구리의 경우 "C") 다음에 5자리 숫자를 사용합니다. 압연 또는 단조와 같은 기계적 방법으로 최종 제품으로 성형하기에 적합한 화학 조성을 갖는 황동을 단조 황동이라고 하며, 지정의 첫 번째 숫자는 I에서 7까지입니다. 쇳물을 주형에 부어 최종 제품으로 만드는 것을 주조 황동이라고 하며, 첫 번째 숫자는 8 또는 9입니다.

제조 공정

황동 생산에 사용되는 제조 공정에는 적절한 원료를 용융 금속에 결합하여 응고시키는 과정이 포함됩니다. 응고된 금속의 모양과 특성은 원하는 황동 스톡을 생산하기 위해 주의 깊게 제어된 일련의 작업을 통해 변경됩니다.

황동 스톡은 최종 용도에 따라 플레이트, 시트, 스트립, 호일, 로드, 바, 와이어 및 빌렛을 포함한 다양한 형태로 제공됩니다. 예를 들어, 황동 나사는 막대 길이에서 절단됩니다. 일부 차량 라디에이터에 사용되는 지그재그 핀은 스트립에서 구부러져 있습니다. 파이프와 튜브는 금형이라고 하는 모양의 구멍을 통해 뜨거운 황동의 직사각형 빌렛을 압출하거나 압착하여 길고 속이 빈 실린더를 형성함으로써 형성됩니다.

판, 시트, 스트립 및 호일의 차이점은 재료의 전체 크기와 두께입니다. 판은 건물 건설에 사용되는 합판 조각과 같이 두께가 약 5mm(0.2인치)보다 큰 크고 평평한 직사각형 황동 조각입니다. 시트는 일반적으로 플레이트와 전체 크기가 동일하지만 더 얇습니다. 스트립은 길고 좁은 조각으로 자른 시트로 만들어집니다. 포일은 스트립과 같으며 훨씬 더 얇습니다. 일부 황동 호일은 0.0005인치(0.013mm)만큼 얇을 수 있습니다.

실제 제조 공정은 황동 스톡의 원하는 모양과 특성뿐만 아니라 다양한 황동 공장에서 사용되는 특정 기계 및 관행에 따라 다릅니다. 다음은 황동 시트 및 스트립을 생산하는 데 사용되는 일반적인 제조 공정입니다.

용융

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1 적절한 양의 적절한 구리 합금 스크랩을 칭량하여 전기로로 옮기고 약 1,920°F(1,050°C)에서 녹입니다. 스크랩 합금 내 아연의 양을 조절한 후, 구리가 녹은 후 적절한 양의 아연을 첨가합니다. 필요한 총 아연의 약 50%인 소량의 추가 아연을 추가하여 용융 작업 중에 기화되는 아연을 보충할 수 있습니다. 특정 황동 배합에 다른 재료가 필요한 경우 구리 스크랩에 없는 경우에도 추가됩니다.

2 용융 금속을 약 8인치 x 18인치 x 10피트(20cm x 46cm x 3m)의 주형에 붓고 케이크라고 하는 슬래브로 응고되도록 합니다. 일부 작업에서는 용융 및 주입이 반연속적으로 수행되어 매우 긴 슬래브를 생산합니다.

3 케이크가 이동할 수 있을 정도로 식으면 틀에서 꺼내어 롤링 영역으로 이동하여 보관합니다.

열간 압연

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4 케이크를 용광로에 넣고 원하는 온도에 도달할 때까지 재가열합니다. 온도는 황동 스톡의 최종 모양과 특성에 따라 다릅니다.

5 가열된 케이크는 황동의 두께를 단계적으로 약 13mm(0.5인치) 이하로 줄이는 일련의 대향 강철 롤러를 통해 공급됩니다. 동시에 황동의 너비가 증가합니다. 이 프로세스를 때때로 브레이크다운 롤링이라고 합니다.

6 이제 훨씬 냉각된 황동은 스캘퍼라는 밀링 머신을 통과합니다. 이 기계는 뜨거운 금속이 공기에 노출되어 표면에 형성되었을 수 있는 산화물을 제거하기 위해 황동의 외부 표면에서 얇은 층을 절단합니다.

어닐링 및 냉간 압연

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7 황동은 열간 압연되면서 작업이 점점 더 어려워집니다. 또한 연성 또는 더 늘어나는 능력을 잃습니다. 황동을 더 압연하기 전에 먼저 가열하여 경도를 완화하고 연성을 높여야 합니다. 이 과정을 어닐링이라고 합니다. 어닐링 온도와 시간은 황동 조성 및 원하는 특성에 따라 다릅니다. 더 큰 열간 압연 황동 조각은 밀봉된 용광로에 넣고 일괄 처리로 함께 어닐링할 수 있습니다. 더 작은 조각은 금속 벨트 컨베이어에 놓고 양쪽 끝에 밀폐된 씰이 있는 용광로를 통해 지속적으로 공급할 수 있습니다. 어느 쪽이든, 노 내부의 분위기는 황동이 산소와 반응하여 표면에 바람직하지 않은 산화물을 형성하는 것을 방지하기 위해 질소와 같은 중성 가스로 채워집니다.

8 그런 다음 어닐링된 황동 조각을 다른 일련의 롤러를 통해 공급하여 두께를 약 2.5mm(0.1인치)로 더 줄입니다. 황동의 온도가 열간 압연의 온도보다 훨씬 낮기 때문에 이 공정을 냉간 압연이라고 합니다. 냉간 압연은 황동 또는 입자의 내부 구조를 변형시키고 강도와 경도를 증가시킵니다. 두께가 얇아질수록 재료가 더 강하고 단단해집니다. 냉간 압연기는 두께가 거의 균일한 황동 시트를 생산하기 위해 롤러 너비에 걸쳐 변형을 최소화하도록 설계되었습니다.

9 원하는 두께, 강도 및 경도를 얻기 위해 7단계와 8단계를 여러 번 반복할 수 있습니다. 일부 공장에서는 황동 조각이 하나의 길고 연속적인 시트로 연결되어 수직 구불구불한 패턴으로 배열된 일련의 어닐링 용광로와 압연기를 통해 공급됩니다.

10 이 시점에서 넓은 시트를 더 좁은 섹션으로 절단하여 황동 스트립을 생성할 수 있습니다. 그런 다음 스트립에 산성 용액을 바르고 헹구어 청소할 수 있습니다.

롤링 완료

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11 시트는 두께에 대한 허용 오차를 강화하거나 매우 매끄러운 표면 마감을 생성하기 위해 최종 냉간 압연을 수행할 수 있습니다. 그런 다음 두께와 의도된 용도에 따라 크기에 맞게 자르고 쌓거나 감아 유통을 위해 창고로 보냅니다.

12 스트립은 길이로 절단되고 감겨서 창고로 보내지기 전에 최종 마무리 압연이 제공될 수도 있습니다.

품질 관리

생산 과정에서 황동은 특정 황동 스톡을 형성하는 데 사용되는 재료와 공정에 대한 지속적인 평가와 통제를 받습니다. 용융 전에 원료의 화학 조성을 확인하고 조정합니다. 가열 및 냉각 시간과 온도가 지정되고 모니터링됩니다. 시트와 스트립의 두께는 각 단계에서 측정됩니다. 마지막으로 완제품 샘플의 경도, 강도, 치수 및 기타 요소를 테스트하여 요구 사양을 충족하는지 확인합니다.

미래

황동은 강도, 내식성 및 성형성을 결합하여 가까운 장래에 많은 응용 분야에 유용한 재료가 될 것입니다. 황동은 또한 황동으로 만든 대부분의 제품이 매립지에 버려지지 않고 재활용되거나 재사용된다는 점에서 다른 재료에 비해 이점이 있어 수년간 지속적인 공급을 보장하는 데 도움이 됩니다.