터프 피치동(C1100)의 기초 수소 취성에 주의하며 이점과 용도를 해설

터프 피치동(C1100)의 기초 수소 취성에 주의하며 이점과 용도를 해설

구리는 전선이나 케이블 등의 전도성 재료로서 가장 널리 이용되는 재료입니다.

구리 안에서도, 순동의 일종인 터프 피치는 가격에 비해서 전도율이 높아 

가공성과 내식성, 내구성도 뛰어나면서 전기 전도성 재료로서 가장 많이 보급되고 있습니다.

그러나 터프 피치는 고온 환경 아래에서 균열 및 균열의 원인이 되는 

수소 취성이 나타날 수 있어 자세히 알지도 않은 재료로 이용하는 것은 권장할 수 없습니다.

 

2022.05.16 - 수소취성 균열의 원인과 대책에 대해 알아보자

이번 포스팅에서는 터프 피치에 대해서 해설합니다.

용도와 재료로 이용할 때의 장단점에 대해서도 설명하오니 참고하세요.

 

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터프 피치동(C1100)은 천연 구리의 일종

터프 피치동(Tough Pitch Copper)이란 구리 함유율이 99.9%이상인 순동의 일종으로,

0.02~0.05%정도의 산소를 잔류시킨 구리입니다.

 

JIS규격의 기호로는 "C1100"으로 표시됩니다.

도전성과 열 전도성이 높아 가공성과 내식성이 뛰어난 금속입니다.

금속 광택이 있고 아름다운 외관을 지니고 있습니다.

 

다만 고온 상태에서는 수소 취성을 일으킨다는 결점이 있습니다.

터프 피치에 포함되는 산소는 전도성을 해치는 불순물 원소를 산화물로 분리시켜서 

무해한 형태로 하기 때문에 터프 피치의 전도성을 향상시키는 효과가 있습니다.

 

그래서, 터프 피치는 보다 순도 높은 무산소 구리와 동등한 도전성을 발휘합니다.

또 산화 구리는 600℃ 이상으로 가열하면 수소와 반응하고 

수증기를 생성.균열 및 균열 등을 일으키는 수소 메짐성을 일으킵니다.

그래서, 터프 피치는 고온 상태가 되는 용도에는 적합하지 않고 

용접 등의 가공에는 적합하지 않아요.

순동이란?

순동은 공업적으로 제조되는 순도 99.90%이상의 구리입니다.

 

탈산(산소를 제거하는 처리)방법의 차이로 무산소 구리 터프 피치, 링 탈산 동으로 분류되어

그 산소 함유율은 대략 다음과 같습니다.


● 순동의 종류별 산소 함유율

· 무산소 구리(C1020)0.002%정도

· 터프 피치(C1100)0.02~0.05%정도

· 링 탈산 구리(C1201, C1220, C1221)0.01%정도



각각의 천연 구리는, 이하의 순서로 생산됩니다.

우선, 조동을 전기 정련(전기 분해를 이용한 금속 정련 법)으로 

순도 99.96%이상의 "전기동"을 얻습니다.

 

이어 전기동에 산화 처리를 하고 유황 등의 불순물을 제거 하는데 

이 때 전기 구리에 산소와 수소가 받아들여집니다.

다음에, 전기 구리를 화로에서 용해되어 주조했고 재료로 사용하기 쉬운 봉재와 판재 등으로 만듭니다.

이 용해와 동시에 행해지는 탈산의 방법으로 다음과 같이 천연 구리의 종류가 나누어집니다.

 

· 무산소 구리. 고순도의 전기 구리, 진공 중 또는 일산화 탄소 등의 환원 속에서 

용해 주조하기로 산소를 제거한다.

· 터프 피치. 용해된 전기 구리에 대해서, 타이로 폴링(용융 금속에 생나무를 삽입하고 탈산 작용하는 것)을 갖고

생나무 중인 유기물로 환원하고 산소를 제거한다.

· 인 탈산 구리. 용해된 전기 구리에 산소와 화합하기 쉬운

인 등의 탈산제를 첨가하여 산소를 제거한다.

● 무산소 구리(C1020)

무산소 구리는 거의 산소를 포함하지 않기 때문에 수소 취성은 일어날 수 없습니다.

터프 피치와 비슷한 전도성을 가지면서 터프 피치보다 전연성이나 내 피로성이 뛰어납니다.

반면 터프 피치와 비교하면 강도가 떨어집니다.

전선의 반도체와 전자 재료 등에 이용되고 있습니다.

 

● 탈산 구리(C1201, C1220, C1221)

인 탈산 구리도 고온 상태에서 수소 취성이 일어날 수 없습니다.

그래서, 터프 피치에는 적용할 수 없는 용접 등을 시행할 수 있습니다.

하지만 재료 중에 인이 남아 있기 때문에 도전성이 무산소 구리나 터프 피치의 85%정도 됩니다.

용도에는 에어컨과 온수기 등 전열관, 급수용 구리관 및 공기 조절 배관재 등 건재에 채용되었습니다.

 

구리 용접 용접봉에 사용되고 있습니다.

 

터프 피치(C1100)의 특장점

터프 피치는 순도 높은 구리이므로 구리의 특징이 잘 드러나고 있습니다.

여기에서는 터프 피치의 구리의 일종으로 대비하는 장점이 있고,

같은 천연 구리인 무산소 구리 또는 인 탈산 구리와 비교한 경우의 뛰어난 점에 대해서 소개합니다.

 

전도율이 높다

다음 동작의 도전율의 높이를 반영하고 터프 피치 또한 전도성이 뛰어납니다.

이어 터프 피치에 포함되는 산소는 전도성을 저하시키는 불순물을 무해한 형식으로 효과가 있습니다.

 

그것으로 터프 피치는 무산소 구리 순도 약 99.96%보다 순도가 약 99.90%로 낮음에도 불구하고,

무산소 구리와 거의 동등한 전도율을 나타냅니다.

 

또한 인 탈산 구리 도전율은 터프 피치와 동등한 구리 함유율면서 터프 피치의 도전율의 85%정도입니다.

 

가공성이 뛰어나다

전연성이 뛰어나고 휘기나 조리개 가공, 전신 가공 등을 쉽게 할 수 있습니다.

 

다만 가공 경화를 일으키기 때문에 가공률(가공 전과 후 재료의 단면적이 감소한 비율)이 올라갈수록

다음과 같이 경도와 인장 강도가 향상됩니다.

 

또한 가공률이 80~90%정도의 상태를 "H(경질)", 약 40%정도의 상태를 "1/2H(1/2경질)

"약 20%의 상태를 "1/4H(1/4경질)", 열처리 후의 상태를 "O(연질)"으로 표시합니다.

 

<터프 피치의 가공율별 경도와 인장 강도>

구리 기호	비커스 경도(HV)	인장 강도(MPa)
C1100-O	-	195이상
C1100-1/4H	55〜100	215〜285
C1100-1/2H	75〜120	235〜315
C1100-H	80이상	275이상

이처럼 터프 피치는 가공 경화를 일으키지만 철강(SS400)의 경도 120~140 HV,

인장 강도 400~510 MPa과 비교하면 그 경도와 인장 강도가 작아 결코 가공성이 나빠지는 것은 아닙니다.

하지만 그 만큼 철강과 비교하면 강도에 떨어집니다.

 

 

내식성이 뛰어나다

터프 피치는 내식성이 뛰어납니다.

 

구리 전반으로 말할 수 있는 것인데 구리는 공기 중에서 산소와 반응하고

구리의 표면에 산화 구리의 피막을 형성.산화 피막은 녹의 진행을 막는 역할을 합니다.

 

또 습한 환경 속에서도 표면에 녹청의 층을 형성하고 내부의 부식을 막는 효과를 발휘합니다.

 

광택이 있다

터프 피치를 포함한 천연 구리는 벌건 금속 광택을 가집니다.

그 광택이나 빛깔은 아름다운 고급감이 있습니다.

 

산화 피막과 녹청의 형성과 함께, 광택이 잃고 빨간 색 주황색에서 흑갈색, 청록 색으로 색깔이 변화합니다.

그러나 그 연도별 변화를 느끼게 하는 독특한 맛을 미술적인 효과로서 도입하는 경우도 있습니다.

 

터프 피치(C1100)와 수소 취성 단점에 대해서

계속되다가는 터프 피치의 단점에 대해서 소개합니다.

 

고온 상태에서 수소 취성을 일으키다

터프 피치는 0.02~0.05%정도의 산소를 포함합니다만,

이 산소 때문에 고온 상태에서 수소 취성을 일으킵니다.

 

터프 피치가 함유하는 산소는 산화 구리(Cu2O)로서 내부에 존재합니다.

이 산화 구리는 600℃ 이상이 되면 흡장하고 있는 수소와 반응하고 수증기를 발생시킵니다.

 

금속 내부에 공동을 불러일으키고, 강도의 저하를 초래하면 동시에 금과 균열을 발생시킵니다.

게다가 수소와 일산화 탄소 등 환원성 가스가 많은 환경화에서는 수소 취성은 더욱 뚜렷해집니다.

 

이에, 열간 단조 등의 가공이 필요하거나 고온 가열하는 제품에는 적합하지 않아요.

대신 수소 취성을 일으키지 않는 탈산 동과 무산소 구리가 사용됩니다.

 

강도가 낮은

터프 피치는 순동의 공통점이지만 강도가 그만큼 크지 않습니다.

폭넓게 사용되고 있는 철강(SS400)의 인장 강도 400~510 MPa과 비교하면

그 인장 강도는 195 MPa와 2분의 1정도입니다.

 

그러나 가공 경화를 일으키기 때문에 275 MPa정도까지는 강도를 향상시킬 수 있습니다.

 

가공이 시행되는 소성 가공성 저하와 광택 저하가 생긴다

터프 피치는 가공을 거치면 소성 가공성 저하와 광택 저하가 발생합니다.

이는 터프 피치에 포함되는 산소에 의해서 일어나므로,

다른 천연 구리인 무산소 구리 또는 인 탈산 동에서는 어려운 현상입니다.

 

터프 피치에 포함되는 산소는 결정 입계(금속 조직을 나타낸 회상의 배열의 방향이 서로 다른 3영역의 경계가 결정 입계)등의

원자 배열이 흐트러진 영역에서 산화 구리(Cu2O)석출 됩니다.

 

이 산화 구리는 모재가 가공되는 됨과 동시에 산재하게 됩니다.

그것으로 터프 피치의 소성 가공성의 저하 및 정삭 표면 광택 저하를 일으킵니다.

 

터프 피치(C1100)의 용도

터프 피치는 주로 그 뛰어난 전도성을 활용하는 형태로 이용되고 있습니다.

전도감으로 전선이나 프린트 기판, 트랜스용 코일재, 버스 바(대용량 전류를 전도하기 위한 반도체.시모 사진)등에

이용되고 있습니다.

그 외, 전기 재료와 내식성이 높은 소재로, 건축, 기계 부품, 자동차용 부품, 기물 등에 사용되고 있습니다.

 

 

열 교환기 전열관과 급수용 배관 등 전도·전기 재료로서의 용도가 아니라 용접이 필요하거나

고온 환경 하에서 사용되거나 하는 경우 인 탈산 구리가 쓰고 있습니다.

 

반면 열 교환기의 도선 등 고온 환경 하의 전기 전도성 재료로서 사용하는 경우는 무산소 구리가 사용됩니다.

 

또한, 보다 고순도에 정련한 무산소 구리가 더 높은 전도성을 요하는 전자 부품 등에 이용되고 있습니다.

 

다만 무산소 구리는 통상의 것이라도 터프 피치의 1.5배 정도 가격에

보다 고순도로 정련한 것은 더 가격이 뜁니다.

 

 

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