황동의 아연 함량 변화에 따른 상구조 재료공학적 분석

황동(Brass)은 구리(Cu)를 주성분으로 하며 아연(Zn)을 주합금원소로 포함한 대표적인 이원계 합금입니다.

고대부터 현대에 이르기까지 장식품, 전기부품, 배관재 등 다양한 산업 분야에서 폭넓게 사용되어 왔으며, 기계적 성질과 가공성, 내식성의 균형이 잘 잡힌 소재로 평가받고 있죠.

 

재료공학 관점에서 황동은 단순한 구리-아연 합금이 아니라, 아연 함량에 따라 상구조(microstructure)와 기계적 특성이 뚜렷하게 변화하는 대표적인 금속계 합금 시스템입니다.

이번 글에서는 아연 함량 변화에 따른 황동의 결정구조, 상 변화, 기계적 특성 및 적용 사례에 대해 상세히 분석해 드릴게요.

 

 

 

 

재료공학 관점에서 본 황동 합금계의 상평형 개요

황동은 아연 함량에 따라 다양한 상(Phase)을 형성하며, 대표적으로 α상, β상, γ상 등이 존재합니다.

일반적으로 황동은 구리-아연 이원계 상평형도(Cu-Zn phase diagram)에 따라 분류되며, 이 상평형도는 온도와 조성에 따라 형성되는 상의 종류와 분포를 예측할 수 있는 기초 자료로 활용되고 있죠.

• α상(알파 상):
  아연 함량이 약 0~35 wt% 범위에서 안정한 FCC(Face-Centered Cubic) 구조의 고용체로 존재합니다.
  연성과 인성이 우수하여 냉간 가공성이 매우 뛰어납니다.
• β상(베타 상):
  아연 함량이 약 35~45 wt%에서 나타나며, 고온에서는 BCC(Body-Centered Cubic) 구조로 존재하다가 냉각 시 일부가 마르텐사이트처럼 변형됩니다. α상보다 강도는 높지만 인성과 가공성은 다소 떨어집니다.
• (α+β) 공존 영역:
  황동에서 아연 함량이 약 30~45% 범위일 경우, 금속 내부에는 α상과 β상이 동시에 존재합니다. 이 두 상이 공존하면 각각의 장점이 반영되어, 가공이 쉬우면서도 강도는 충분히 높은 구조가 형성됩니다. 즉 너무 부드럽지도, 너무 단단하지도 않은 균형 잡힌 성질을 가지게 됩니다.
• γ상 및 고차상:
  아연 함량이 45%를 초과하면 기계적 성질이 급격히 저하되며, 취성이 강한 고차상이 형성되기 때문에 일반적으로 산업에서는 45% 이하의 조성을 선호합니다.

위와 같이 구리-아연 합금계에서 아연 함량이 변화함에 따라 상 구조가 달라지고, 이에 따라 황동의 가공성, 강도, 연성, 내식성 등 다양한 물성이 변화하게 됩니다.

이는 재료공학에서 상변태와 기계적 특성의 관계를 학습하는 데 매우 중요한 사례로 자주 다루어지고 있습니다.

 

아연 함량에 따른 황동의 미세조직 변화와 재료 특성

아연 함량이 증가함에 따라 황동의 미세조직은 단일 α상에서 α+β 혼합조직으로, 이후에는 β상 중심으로 변화하게 됩니다.

이에 따라 육안으로 보이는 금속의 광택이나 색상도 달라지며, 실체 현미경 및 주사전자현미경(SEM)을 통해 관찰되는 결정립 구조도 아래와 같이 변하게 됩니다.

• α상 영역 (Zn ≤ 35 wt%)
  이 조성 구간의 황동은 전체적으로 연한 금빛 색상을 띠며, 결정립 크기가 비교적 균일하게 형성됩니다. 재료의 연성이 우수하여 가공하기 매우 좋으며, 특히 냉간 성형성이 뛰어난 특징을 가집니다. 이 범위에 해당하는 황동은 압연, 인발, 프레스 성형과 같은 냉간 가공 공정에 매우 적합합니다.
• α+β 이중상 영역 (Zn 35~45 wt%)
  이 범위의 아연 함량에서는 α상과 함께 β상의 분율이 점차 증가하게 됩니다. 조직 내에 β상이 증가함에 따라 경도가 높아지고, 그에 따라 전체적인 강도도 상승합니다. 이러한 특성으로 인해 열간 가공 공정인 압출이나 단조에 적합한 구조를 형성하게 되며, 마찰에 대한 저항성과 내마모성도 개선됩니다. 해당 영역은 강도와 내구성이 동시에 요구되는 산업 부품에 널리 활용되고 있습니다.
• β상 중심 영역 (Zn > 45 wt%)
  아연 함량이 45%를 초과하는 영역에서는 β상이 주된 구조로 자리 잡게 되며, 미세조직은 불균일해지고 결정립 경계에서 취성 파괴가 발생할 가능성이 높아집니다. 이로 인해 기계적 가공성이 크게 저하되고, 연성 또한 급격하게 감소하는 경향이 있습니다. 따라서 이 조성의 황동은 실질적인 공업용으로는 거의 사용되지 않으며, 특수한 용도를 제외하고는 잘 활용되지 않습니다.

 

아연 함량이 높을수록 강도는 증가하지만, 동시에 연성과 인성은 떨어지게 됩니다. 그렇기 때문에 실질적인 공업용 황동은 대부분 α 또는 α+β 영역의 조성에서 사용됩니다.

특히 건축용 장식재나 배관류, 밸브 부품 등은 가공성과 연성이 중요하므로 30% 이하의 아연 함량이 선호되고 있으며, 기계 부품이나 베어링류처럼 마모 저항이 중요한 경우에는 35~40%의 아연 함량이 적합하다고 보고 있습니다.

 

황동 상구조 분석에 사용되는 재료공학적 분석 기법

아연 함량에 따른 황동의 상 구조를 분석하기 위해서는 다양한 재료공학적 분석 장비가 사용됩니다. 대표적으로 다음과 같은 기법들이 있습니다.

• 광학현미경(OM):
  에칭 후 α상과 β상의 분포와 형태를 관찰할 수 있으며, 결정립 크기 측정에 활용됩니다.
• 주사전자현미경(SEM):
  미세조직의 고배율 관찰 및 상 경계의 명확한 구분이 가능합니다.
• X선 회절 분석(XRD):
  α상은 FCC 구조, β상은 BCC 구조의 회절 패턴을 통해 정량적 상 분석이 가능합니다.
• 에너지 분산 분광기(EDS):
  미세 영역의 조성 분석을 통해 β상 내 아연 농도가 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있습니다.
• 열분석기(TGA, DSC):
  온도 변화에 따른 상 변태 거동을 측정하며, 공정 제어 및 합금설계에 참고됩니다.

위와 같은 실험 기법은 상 구조뿐만 아니라, 열처리 전후의 변화나 냉간/열간 가공 후 조직 변화를 추적하는 데에도 유용하게 활용됩니다. 따라서 황동의 최적 조성 설계 및 공정 조건 설정을 위해 반드시 병행되어야 하는 절차 중 하나이기도 합니다.

 

아연 함량 변화에 따른 물성 변화 실험 사례

재료공학 실무나 학부 실험에서도 황동의 아연 함량에 따른 물성 변화 실험은 대표적인 교육 및 분석 사례로 활용됩니다.

실제로 동일한 제조 조건(주조, 냉각, 연삭 등)에서 아연 함량만 달리하여 제작한 황동 시편들을 대상으로 경도, 인장 강도, 연신율을 비교하면 매우 뚜렷한 경향을 확인해 볼 수 있습니다.

 

예를 들어, 아연 함량이 10%인 황동 시편은 연신율이 매우 높고 브리넬 경도값이 낮은 반면, 아연 함량이 40%에 가까운 시편은 경도는 높아지지만 연신율은 눈에 띄게 감소합니다.

이러한 물성 변화는 단순한 숫자의 차이가 아니라 상구조 내에서 α상과 β상의 비율 변화에 기인해 실험 결과를 상평형도와 비교함으로써 이론과 실험을 일치시킬 수 있기도 합니다.

또한, 이 과정에서 열처리 조건(예: 600℃ 유지 후 공랭 또는 서냉)에 따른 상 변화도 함께 분석하면, 같은 조성이라도 열이력에 따라 상구조가 어떻게 달라지는지를 직접 관찰할 수 있습니다. 이 실험은 미세조직과 기계적 성질 간의 인과관계를 이해하는 데 큰 도움을 주고 있습니다.

 

재료공학 교육과 연구 사례로 본 황동의 활용성

황동은 단순한 이원계 합금임에도 불구하고, 상평형도 해석, 기계적 물성 변화, 조직 분석, 합금 설계 등 재료공학의 핵심 이론과 실험 기법을 통합적으로 학습할 수 있는 이상적인 연구 소재로 자주 선택되고 있습니다. 특히 구리와 아연이라는 비교적 저렴하고 취급이 쉬운 재료를 통해, 이론과 실습 간의 괴리를 줄이는 데 효과적이죠.

 

위와 같은 이유로 황동 관련 실험은 재료공학과를 포함하여 금속재료공학과, 신소재공학과, 기계공학과 등 다양한 공학 전공에서 공통적으로 활용되고 있습니다. 예를 들어, 상변태 실험, 경도 측정, 냉간 가공 전후의 결정립 변화, XRD 회절 분석을 통한 결정상 정량화, SEM/EDS 기반 상 분포 해석 등은 학부 실험뿐만 아니라 졸업 논문 및 고급 재료설계 프로젝트에서도 흔히 진행되는 주제이기도 합니다.

 

또한 황동 시스템은 다른 고합금계나 복잡계 합금에 비해 해석이 상대적으로 쉬우면서도, 이론적 다양성과 실험적 확장성을 모두 갖추고 있어 석사 및 박사 연구 초기단계에서도 자주 활용됩니다. 특히 α+β 이중상 영역에서의 상 분율 조절 및 열처리-기계적 성질 상관관계 분석은 재료설계와 공정최적화 분야에서 기초적이면서도 유효한 연구 주제여서 응용되는데 인기가 많은 영역이기도 합니다.

 

황동의 상구조와 산업적 응용의 연계성

황동은 단순한 합금이 아닌, 상구조 조절을 통해 특정 산업적 요구 조건에 맞는 물성을 구현할 수 있는 재료입니다.

재료공학에서는 이를 '설계 가능한 합금 시스템'으로 분류하며, 응용 분야에 따라 상조성, 열처리, 가공 방식이 아래와 같이 정밀하게 달라집니다.

• 전기·전자 부품
  전기 및 전자 부품에는 주로 α상 중심의 황동이 사용됩니다. α상 황동은 우수한 전기적 도전성을 가지고 있으며, 연성이 뛰어나 냉간 가공이 용이하기 때문에, 정밀한 부품 가공이나 접점 부품 등에 적합합니다.
• 배관·수도 부품
  배관과 수도 관련 부품에는 α상과 β상이 함께 존재하는 α+β 구조의 황동이 주로 활용됩니다. 이 조성은 기계적 강도와 내식성 사이의 균형이 잘 맞기 때문에, 수압에 견디면서도 장기간 물과 접촉해도 부식이 잘 일어나지 않는 특성이 요구되는 환경에 적합합니다.
• 자동차 부품 (변속기 부품, 브레이크 부품 등)
  자동차 부품 중에서도 특히 마찰과 마모가 많이 발생하는 변속기 부품이나 브레이크 계통 부품에는 β상 비율이 높은 황동이 사용됩니다. β상이 많을수록 경도가 높아지고 마모 저항성이 우수하기 때문에, 반복적인 기계적 하중에 견딜 수 있는 내구성이 필요한 부품 제작에 적합합니다.
• 조각 및 건축 장식용 황동
  조각품이나 건축물의 장식 요소로 사용되는 황동은 주로 α상 구조로 구성된 합금이 선택됩니다. α상은 연성이 좋아 정교한 형태로 가공하기 쉬우며, 밝고 고급스러운 금빛 색상을 띠어 미관적인 요소를 강조하는 데 유리합니다. 이러한 특성으로 인해 예술적 조형물, 금속 장식재, 인테리어 요소 등으로 널리 사용됩니다.

이처럼 아연 함량 변화에 따른 상 구조 제어는 단순한 재료 선택을 넘어서, 재료공학적 설계와 연결되는 가치가 높은 핵심기술 중 하나입니다.

 

재료공학에서 본 황동 상구조 제어의 중요성

황동은 구리와 아연이라는 단순한 조성에도 불구하고, 상구조 제어를 통해 다양한 기계적 성질과 가공성을 구현할 수 있는 대표적인 이원계 합금입니다. 특히 재료공학에서는 아연 함량을 설계 변수로 활용하여 α상과 β상 간의 비율을 조절하고, 이를 통해 최적의 물성과 공정성을 확보하는 전략을 수립하고 있죠.

 

아연 함량 35% 전후의 조성은 α+β 이중상 구조로 가장 많이 활용되며, α상 단일구조는 냉간가공성이, β상 중심 구조는 고강도 특성이 요구되는 환경에 적합합니다. 이를 위한 상 분석과 미세조직 해석은 실험 재료학, 금속재료학, 합금설계 등 다양한 세부 전공 영역과도 밀접하게 연관되어 있습니다.

향후 황동 소재의 활용 영역이 더욱 확장됨으로써 상구조 제어와 열처리 기술, 그리고 미세조직 최적화를 기반으로 한 정밀한 재료 설계가 더욱 중요해질 것입니다.