사형 주조 공법으로 제조된 Cu-Zn 합금(황동)의 공정 설계, 개발 및 기계적 특성 분석

Process Design, Development and Mechanical Analysis of Cu-Zn Alloy Produced by Sand Casting Process

본 논문은 폐구리 전선과 아연 배터리 케이스 등 재활용 고철(Scrap)을 원료로 활용하여 사형 주조(Sand Casting) 공법으로 제조된 Cu-Zn 합금(알파 황동)의 기계적 특성을 최적화하는 연구를 다룹니다. 응답 표면 분석법(Response Surface Methodology, RSM)과 중앙 합성 설계(Central Composite Design, CCD)를 도입하여 아연 함량(5~25%) 및 소둔(Annealing) 온도(300~500°C)가 합금의 브리넬 경도(BHN)와 인장 강도(UTS)에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였습니다. 연구 결과, 아연 함량이 증가할수록 고용 강화 및 결정립 미세화 효과로 인해 경도와 인장 강도는 향상되나, 온도가 상승함에 따라서는 결정립 성장이 촉진되어 강도는 감소하고 연성(Elongation)이 증가하는 반대 경향을 확인하였습니다. 본 연구는 폐기물을 고부가가치 소재로 전환하는 순환 경제 모델을 제시함과 동시에, 최적의 물성 확보를 위한 3차원 공정 맵과 예측 모델을 구축하여 황동 소재 제조 산업에 실전적인 가공 지침을 제공합니다.

Metadata and Keywords

Fig. 1: 사사 주조 공정(몰드 제작부터 주입, 냉각) 현장 사진.
Fig. 1: 사형 주조 공정(몰드 제작부터 주입, 냉각) 현장 사진.

Paper Metadata

  • Industry: 금속 재활용 및 정밀 주조, 자동차/수도시설 부품 (Recycling & Sand Casting)
  • Material: Cu-Zn 합금 (알파 황동, Scrap Copper & Zinc 활용)
  • Process: 사형 주조 (Sand Casting), 균질화 소둔 (Homogenization Annealing)
  • System: RSM 기반 금속 공정 설계 및 예측 관제 시스템 (RSM Process Design System)
  • Objective: 재활용 원료 기반 황동의 기계적 성능(경도, 인장강도) 극대화를 위한 공정 파라미터 최적화

Keywords

  • 알파 황동 (𝛼-brass)
  • 사형 주조 (Sand casting)
  • 브리넬 경도 (Hardness)
  • 최종 인장 강도 (Ultimate tensile strength)
  • 응답 표면 분석법 (RSM)

Executive Summary

Research Architecture

연구진은 구리 전선 스크랩과 아연 배터리 케이스를 수거하여 1.5kg 단위의 합금 13종을 제조하는 실험 계획을 수립하였습니다. RSM-CCD 기법을 통해 온도(A)와 아연 함량(B)을 독립 변수로 설정하고, 이에 따른 경도와 인장 강도를 측정하여 통계적 유의성이 확보된 2차 다항식 회계 모델(Quadratic Model)을 도출하였습니다.

Method Snapshot

사형 주조를 위해 목재 패턴 제작부터 용해, 주입, 냉각 공정을 거쳤으며, 주조 후 성분 균질화를 위해 250~500°C 범위에서 소둔 처리를 실시하였습니다. 인장 시험은 ASTM D638 표준에 따라 universal tensile testing machine을 사용하였고, 경도는 1.5mm 구형 압입자와 100kg 하중을 사용하여 브리넬 경도수(BHN)를 산출하였습니다.

Key Findings

실험 결과, 아연 함량이 25%에 도달할 때 인장 강도는 약 410.6 MPa까지 치솟으며 최대치를 기록하였습니다. 반면, 소둔 온도가 500°C에 도달하면 원자 확산 속도가 빨라져 결정립이 커지고(Grain Growth), 이로 인해 인장 강도는 286.3 MPa 수준으로 급격히 저하되었습니다. 아연은 결정립을 미세화하여 강도를 높이는 반면, 온도는 전위 이동을 활성화시켜 연성을 개선하는 상충 관계를 명확히 규명하였습니다.

Industrial Applications

본 연구 데이터를 활용하면 제조사는 저렴한 스크랩 소재를 사용하면서도 특정 용도(예: 고강도 배관재 vs. 고연성 장식재)에 맞는 아연 함량과 열처리 온도를 정확히 매칭할 수 있습니다. 이는 폐기물 자원화(Waste to Wealth)를 통한 원가 절감과 환경 지속 가능성 확보에 기여합니다.

Limitations and Cautions

아연 함량이 35%를 넘어서면 알파 상에서 베타 상으로 상변이가 일어나 취성이 발생할 수 있으므로 𝛼-황동 영역 내에서의 제어가 중요합니다. 또한 소둔 시 재결정 온도 이상에서의 급격한 입자 성장은 물성 저하의 주범이 되므로, 정확한 소둔 시간 및 온도 제어 알고리즘의 적용이 필수적입니다.

Paper Details

1. Overview

  • Title: Process Design, Development and Mechanical Analysis of Cu-Zn Alloy Produced by Sand Casting Process
  • Author: Ilesanmi Afolabi Daniyan, Adefemi Adeodu, Oluwaseun Alo, Bankole Oladapo
  • Year: 2021 (Posted Date)
  • Journal: Research Article (Tshwane University of Technology & UNISA)
  • DOI/Link: 10.21203/rs.3.rs-159895/v1

2. Abstract

이 연구는 사형 주조 공법으로 제조된 Cu-Zn 합금의 공정 설계와 기계적 분석을 수행하였습니다. RSM을 통해 온도(300~500°C)와 아연 함량(5~25%)의 최적 조합을 탐색하였습니다. 결과에 따르면 아연 함량 증가 시 경도와 인장 강도는 증가했으나 온도가 높아질수록 감소하였으며, 연신율은 온도 증가와 아연 함량 감소에 따라 향상되었습니다. 본 연구 성과는 우수한 물성을 갖는 황동 소재를 경제적이고 지속 가능한 방식으로 개발하는 데 이바지할 것입니다.

3. Methodology

3.1. 원료 및 주조: 폐구리선과 폐아연 전지를 선별하여 용해 후 사형 주조를 통해 시편을 제작하였습니다.

3.2. 실험 설계: RSM(Response Surface Methodology)을 적용하여 13회의 실험 행렬을 생성하였습니다.

3.3. 열처리 및 특성 분석: 250~500°C에서 균질화 소둔 후, 연마(Polishing) 및 페릭 클로라이드(Ferric Chloride) 에칭을 거쳐 ×400 배율로 미세구조를 관찰하였습니다.

4. Results and Analysis

4.1. 경도 모델: Hardness = 46.23 – 16.07A + 7.18B – 17.17AB 식을 통해 온도와 함량의 상호작용이 경도에 미치는 영향을 수식화하였습니다.

4.2. 인장 강도 및 연신율: 아연 함량이 높아지면 고용체 내의 원자 밀도가 높아져 결정립이 미세해지고 강도가 강화되지만, 온도가 결정립 미세화 효과를 상쇄시키는 기제를 데이터로 확인하였습니다.

Figure 2 Tensile Strength Specimen
Figure 2 Tensile Strength Specimen
Figure 3
Figure 3
Figure 4
Figure 4
Fig. 5: & 8: 온도와 아연 함량에 따른 경도 및 인장 강도의 3D 응답 곡선.
Fig. 5: & 8: 온도와 아연 함량에 따른 경도 및 인장 강도의 3D 응답 곡선.
Figure 6
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Figure 7
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Figure 8
Figure 8
Fig. 9: 아연 함량 변화에 따른 황동의 색상 변화(적색 → 금갈색) 및 미세구조 사진.
Fig. 9: 아연 함량 변화에 따른 황동의 색상 변화(적색 → 금갈색) 및 미세구조 사진.
Figure 10
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Figure 11
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Figure 12
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Figure 13
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Fig. 14: 온도 상승에 따른 연신율(Elongation)의 급격한 증가 경향 그래프. 6. Reference List Igelegbai et al. (2017) - Mechanical and microstructural properties of α-Brass alloy. Daniyan et al. (2020) - Modelling and simulation of titanium alloy machining. Mapelli & Venturini (2006) - Mechanical properties of α/β brass in hot extrusion. Imai et al. (2010) - Characteristics of lead-free P/M brass alloys.
Fig. 14: 온도 상승에 따른 연신율(Elongation)의 급격한 증가 경향 그래프. 6. Reference List Igelegbai et al. (2017) – Mechanical and microstructural properties of α-Brass alloy. Daniyan et al. (2020) – Modelling and simulation of titanium alloy machining. Mapelli & Venturini (2006) – Mechanical properties of α/β brass in hot extrusion. Imai et al. (2010) – Characteristics of lead-free P/M brass alloys.
Figure 15
Figure 15

5. Figure and Table List

  • Table 3: Cu-Zn 합금 조성을 위한 노(Furnace) 장입물 계산표.
  • Fig. 1: 사형 주조 공정(몰드 제작부터 주입, 냉각) 현장 사진.
  • Fig. 5 & 8: 온도와 아연 함량에 따른 경도 및 인장 강도의 3D 응답 곡선.
  • Fig. 9: 아연 함량 변화에 따른 황동의 색상 변화(적색 → 금갈색) 및 미세구조 사진.
  • Fig. 14: 온도 상승에 따른 연신율(Elongation)의 급격한 증가 경향 그래프.

6. Reference List

  • Igelegbai et al. (2017) – Mechanical and microstructural properties of α-Brass alloy.
  • Daniyan et al. (2020) – Modelling and simulation of titanium alloy machining.
  • Mapelli & Venturini (2006) – Mechanical properties of α/β brass in hot extrusion.
  • Imai et al. (2010) – Characteristics of lead-free P/M brass alloys.

Technical Q&A

Q: 왜 폐아연 배터리 케이스와 폐전선을 원료로 사용했나요?

A: 이는 ‘순환 경제(Circular Economy)’의 핵심으로, 버려지는 고철을 재활용하여 신재(Raw Material) 대비 낮은 비용으로 고성능 합금을 얻기 위함입니다. 특히 황동은 철 성분이 없는 비자성체이므로 일반 고철과의 분리가 쉬워 재활용 효율이 매우 높다는 장점이 있습니다.

Q: 온도가 높아졌을 때 왜 인장 강도는 떨어지고 연신율은 올라갑니까?

A: 재결정 온도 이상에서 금속 내부의 결정립이 합쳐지며 크기가 커지는 ‘입자 성장(Grain Growth)’이 활발해지기 때문입니다. 입자가 커지면 금속 내 변형을 방해하는 입계가 적어져 강도는 떨어지지만, 원자들이 더 자유롭게 이동할 수 있게 되어 재료가 잘 늘어나는(연성 향상) 성질이 강화됩니다.

Q: 회귀 모델(Regression Model)의 ‘p-value Prob > F’가 0.05보다 작다는 것은 무엇을 의미하나요?

A: 도출된 예측 모델이 단순히 우연(Noise)에 의해 만들어진 것이 아니라, 실제 통계적으로 매우 높은 신뢰도를 가지고 있음을 의미합니다. 즉, 본 논문의 수식을 사용하여 특정 온도와 함량을 입력하면 실제 제조될 황동의 강도를 매우 정확하게 예측할 수 있다는 뜻입니다.

Conclusion

본 논문은 사형 주조 기술과 통계적 실험 설계법을 결합하여, 재활용 원료로부터 최적의 기계적 성능을 갖는 황동 시편을 제조할 수 있는 최적 공정 조건을 정립하였습니다.

이후 연구로는 아연 외에 소량의 알루미늄이나 규소가 첨가되었을 때 나타나는 3원계 합금의 물성 변화나, 대량 생산 시의 금형 주조 공정에 본 설계 로직을 확장 적용하는 방안이 유망할 것으로 기대됩니다.

출처 정보 (Source Information)

Citation: Ilesanmi Afolabi Daniyan, et al. (2021). Process Design, Development and Mechanical Analysis of Cu-Zn Alloy Produced by Sand Casting Process . Research Article.

DOI/Link: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-159895/v1

Technical Review Resources for Engineers:

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▶ 기술 검토 및 적용 가능성 문의

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