구리는 알루미늄과 더불어 비철금속재료 중 가장 중요한 금속 중 하나이다. 다른 금속재료와 비교하여 우수한 점으로는 전기·열의 양도체이며, 전연성이 우수하여 가공이 용이하고, 화학적 저항력이 커서 잘 부식되지 않는다. 이러한 성질 때문에 구리의 약 80%는 순수한 금속상태로 사용되며 그 대부분은 전기공업에 사용된다.
합금에는 그 수가 많으나 황동(Brass), 청동(Bronze)이 대부분이며, 금속동과 더불어 기계부품, 건축, 가구 장식, 화폐 등으로 그 용도가 널리 사용되어지고 있다. 화학 물로서는 황산동이 가장 많이 사용된다.
구리의 일반적인 물리적 성질을 Table 2.5에 나타내었다. 이러한 성질은 구리의 순도에 따라 달라진다. 예를 들면, 도전률에 미치는 불순물함량의 영향은 Fig. 2.5에 나타내었다. Fig. 2.5에서 확인 할 수 있는 것처럼 가장 해로운 불순물은 티타늄(Ti), 인(P), 철(Fe), 규소(Si), 비소(As) 등이다. 함유량이 수%에 이르면 알루미늄(Al), 주 석(Sn), 망간(Mn), 니켈(Ni) 등도 도전률을 격감시킨다. 불순물이 있을 때는 산소를 첨가함으로써 그 불순물이 산화 제거되어 전도도를 개선하는 효과가 있을 때가 있 다.
구리의 기계적 성질은 불순불의 함유량, 열처리 및 가공처리 등으로 현저하게 변 화하나 압연한 후 가열 냉각한 시편에 대하여 나타난 결과는 Table 2.6과 같다. 또 한 구리는 상온가공이 대단히 용이하며 가공도에 따라 그 강도가 증가한다. 이와 같은 내용은 Fig. 2.6에 나타내었다.
구리에서 어닐링은 가장 중요한 사항이다. 62.5% 가공한 구리를 각 온도에서 1시 간 어닐링을 하였을 경우 기계적 성질의 변화는 Fig. 2.7과 같다. 실제로 어닐링을 할 때는 400~600℃로 30분~1시간 실시하며, Fig. 2.7과 같이 600℃ 이상이 되면 결 정입도가 급격히 증대하여 성질을 악화한다. 고온에서의 구리의 강도는 Fig. 2.8과 같이 고온이 될수록 감소하나, 점성은 약 500℃까지는 감소하고 그 이상이 되면 다 시 증가한다. 따라서, 고온가공은 750~850℃에서 하는 것이 좋다. 구리 중 불순물은 냉간가공보다도 열간가공시에 큰 영향을 미친다. 즉, Pb는 0.02%에서, Bi는 0.02%
에서 열간취성이 나타내기 시작하고 As는 약 0.4%, Sb는 약 0.5%에서 나쁜 영향을 나타낸다. 그러나 Pb는 미량의 O로, Bi는 미량의 O, P, Sb, Li로, As는 미량의 P로, 기타 Sb는 미량의 O의 공존에 의해서 열간취성이 개선된다. 구리의 절삭력은 그 점성 때문에 불량한 편이나 가공 경화한 것 또는 유해하지 않을 정도의 소량의 Sn,
Pb를 첨가하면 절삭성이 약간 개선된다. 산소 함유량을 증가하면 절삭성은 좋아지 며, 또한 Te를 0.5% 정도 첨가한 것도 절삭성이 좋아지며 도전율도 약 90% 정도가 된다.
구리의 화학적 성질은 다음과 같다. 구리는 상온의 건조한 공기 중에서는 그 표 면이 변화하지 않으나 대기 중에 방치하면 CO2, SO2 및 수분 등의 작용에 의하여 표면에 녹색의 염기성탄산동(CuSO4·Cu(OH)2) 등을 발생하며, 이것은 보통의 물에 불용성의 보호피막 역할을 한다. 구리는 자연수 중에서도 보호피막이 형성되기 쉽 고 부식률이 대단히 적어 수관, 탱크, 열교환기 등에 널리 사용된다. 그러나 연수에 서 CO2 및 O의 용해량이 많아지면 부식률도 상당히 높아진다. 이것은 탄산이 생겨 서 보호피막의 생성을 저지하기 때문이다. 해수에 대해서도 유속이 적을 때는 내식 성이 좋고, 1년에 0.05mm 정도 부식된다. 중성염류수용액에는 비교적 강하나 산소, 제2철염 및 기타 산화력이 강한 것과 공존하면 용해하게 된다. 즉, 산화력이 강한 질산에 용해하며 산소가 존재할 때 희석한 염색 및 황산 등에는 용해된다.
정련동에는 산소함량이 0.02~0.04% 정도 있으며, 이것은 Fig. 2.9와 같이 약 3.4%
Cu2O의 공정이 되어 동주괴 중에 공정조직이 망상으로 존재한다. 주괴를 가공하면 Cu2O상은 미립이 되어 분산하나 Cu2O상이 많을수록 가공성은 나빠지고 표면 외 광택도 열화한다. Cu2O상을 함유한 Cu를 환원성의 함수소 가스 중에서 가열하면 H 가 구리 중에 확산 침입하여 Cu2O를 환원하여 수증기를 발생한다. 이를 식(2)에 나 타내었다.
Cu2O + H2 → 2Cu + H2O (2)
발생한 수증기는 고압이 되어 미소 기포를 형성하거나 때로는 대단히 작은 Hair crack을 많이 일으킨다. 이 현상을 Cu의 수소취성 또는 수소화라 하며 O를 함유한 정련동 제품에서 가끔 볼 수 있다. Hair crack이 생긴 것을 압연기에 넣으면 더욱 심하게 깨진다. 따라서 수소함수소기 중에서 사용할 때는 산소 함유량이 적은 탄산 동, 무산소동을 사용할 필요가 있다.
구리 중의 O는 다소 있는 편이 좋으며, 만일 정제시 Poling를 과도하게 하여 완 전히 산소를 제거하면 용동 중의 H, N이 증가하여 유해하다. Fig. 2.10은 용동 중의 H와 O와의 평형관계를 여러 온도에서 나타낸 것이며, 산소량이 적어지면 수소량은
여 용동 중의 O 및 H의 평형관계는 식(3), (4)와 같이 표현된다.
H2O ⇆ 2H + O (3)
(4)
이 관계는 용동 중의 산소농도는 수증기의 2승에 역비례하는 것이 되며 산소농 도가 증가하면 평형수소농도는 감소하는 것을 의미하고 용동 중의 탈가스에 중요 한 의미를 갖는다.
실제 용해작업에서 수증기 발생량을 감소하려면 로내가스 중에 산소분압을 조금 높여 용동 중의 O농도를 증가하여 평형수소농도를 저하시키고 용해한 H를 H2O로 서 용동 외에 방출시킨다. 다음에 탈산제를 첨가하여 용동 중의 산소를 적게 한 후 주입하면 수증기에 의한 기포 등을 감소할 수 있다.
순수 구리는 크게 4가지로 분류되어 진다. 순수 구리의 종류는 다음과 같다.
가. 전기동(Electrolytic copper, cathode copper)
전기분해로 얻은 전기동은 동지금으로 판매되는 것이 보통이며, 이것은 순도는 높으나 취약해서 가공하기 어렵다. 이것을 다시 산화환원에 의한 용융정련을 하여 형동을 만들어 판매하는 경우도 있다.
나. 정련동(Electrolytic tough pitch copper)
전기동을 용융 정제하여 구리 중의 O를 0.02~0.04% 남긴 정제동이며, 표준조성은 99.92% 구리, 0.03% O이다. 용해할 때에 로내 분위기를 산화성으로 해서 용동 중의 산소농도를 증가하여 수소함유량을 저하시킨 후에 Poling이라 하여 용동 중에 생목 을 투입하여 산소함량을 0.02~0.04% 정도까지 탈산해서 금형에 주입한다. 산소량을 조절하려면 시험용 금형에 용동을 주입하여 표면을 검사한다. 탈산이 지나치면 수 축하고, O가 많으면 팽창하므로 평면이 될 때 출탕한다. 산화용해하고 또, 구리 중 에 산소를 다소 남기는 이유는 수소함량을 저하시키고 또, As, Sb, Bi 등의 불순물 을 산화하여 입계에 석출시켜서 전도도를 향상하고 전연성을 증가시키기 위함이다.
정련동은 전기 및 열의 전도성이 대단히 좋으며, 20℃에서 전기 비저항은 1.71μ Ω·㎝(annealed, 101%에 해당), 열전도도는 0.934㎈/㎠/㎝/℃/sec이다. 내식성, 전연성 도 좋으며 상당한 강도도 가지고 있다. 이와 같은 특성이 있기 때문에 판, 선, 봉의
형태로 가공되어 전기공업용으로 널리 사용되고 있다.
다. 탈산동(deoxidized copper)
용해시에 흡수한 O를 P로 탈산하여 O는 0.01%이하가 되고 잔류 P량이 0.02% 정 도의 것이다. 따라서 탈산동은 고온의 환원성기 중에서도 수소취성이 없고 고온에 서 O를 흡수하지 않으며, 연화온도도 약간 높으므로 용접용으로 적합하다. 그러나 P 때문에 전도도는 저하하며 전기비저항은 약 2μΩ·㎝이다. 판으로도 사용되나 대 부분은 관으로 제조되어 가스관, 열교환관, 중유버너용관, 증기계관 등의 용도로 사 용된다.
라. 무산소동(oxygen free high conductivity copper)
O나 탈산제를 함유하지 않은 구리를 말한다. 이것을 만들려면 진공 중에서 용해 주조하거나 목탄탈산장치로 목탄 및 CO가스에 의한 탈산처리를 하여 목탄발생을 가스분위기 중에서 주조한다. 진공용해동의 산소함량은 0.002~0.001%정도이고, 성질 은 정련동과 탈산동의 장점을 합하여 가진 우수한 것이며, 전도성이 좋고 수소취성 도 없으며 또 가공성도 우수하므로 주로 전자기기 등에 사용된다. 또한 유리의 봉 착성이 좋으므로 진공관용 재료로서 유리에 봉입하는 동선으로 이용된다.[51~58]
Properties Value
Atomic number 29
Atomic weight [g/mole] 63.57
Crystal lattice FCC, a=3.6075Å(20℃)
Density (at 20℃) [g/m3] 8.89
Melting point [K] 1,357.77
Boiling point [K] 2,835
Thermal expansion [μm·m-1·K-1] 16.8×10-6 (20~100℃) 17.7×10-6 (20~300℃) Specific heat (at 20℃) [㎈/g/℃] 0.092
Latent heat of melting [㎈/g] 48.9
Latent heat of vaporization [㎈/g] 1150
Thermal conductivity (at 20℃) [㎈/㎤/㎝/sec/℃] 0.934
Electrical conductivity [%IACS] 101
Specific resistance (at 20℃) [μΩ-㎝] 1.71
Temperature coefficient of resistance (at 20℃) [/℃] 0.00397
Modulus of elasticity [kg/㎟] 12,000 Table 2.5 Physical properties of copper(99.95% Cu)
Fig. 2.5 The effects of impurities on the conductivity of copper
Properties Value
Tensile strength [kg/㎟] 22~25
Elongation [%] 49~60
Reduction of area [%] 93~70
Izod Impact value [kg·m] 5.8
Fatigue limit [kg/mm2] ~8.5
Modulus of elasticity [kg/mm2] 12,200
Brinell hardness 35~40
Poisson's ratio 0.33±0.01 Table 2.6 Mechanical properties of copper
Fig. 2.6 The drawing and mechanical properties of copper
Fig. 2.7 Annealing temperature and the mechanical properties of copper
Fig. 2.8 Mechanical properties of copper at high temperature
Fig. 2.9 Copper-copper oxide equilibrium state
Fig. 2.10 Equilibrium of hydrogen and oxygen of copper