KR100191702B1 - 황동 합금 - Google Patents

Abstract

구리 57 내지 65중량%, 다른 합금 성분 3중량% 이하, 기계가공 첨가제로서의 비스무트 및 잔여량의 아연을 함유하는 구리 기본 합금을 기술하고 있다.

Description

황동 합금

본 발명은 합금의 구성 성분중에서 최대 함량에 가까운 양으로 아연을 함유하는 구리계 합금에 관한 것이다. 통상적으로 황동이라 불리우는 상기 합금은 매우 특수한 기계장치 및 부품의 제작에 사용된다. 용도에 따라, 각각의 목적하는 용도에 상응하는 매우 특수한 특성을 얻기 위해 황동 합금에 특정한 합금 성분을 부가한다. 예를 들어, 기계가공에 적합한 합금을 제공하고자 하는 경우, 통상적으로 합금에 대략 1 내지 3중량%의 양으로 납 원소가 부가된다. 납은 기계가공 도중 발생하는 칩의 취성을 작게 하는 효과가 있다. 이러한 특성은 특히 자동화 기계로 소재를 가공할 때 필수적이다.

상기 납 함유 합금을 상수도 공급용 설비 제조에 사용하는 경우, 합금 성분인 납이 식수에 들어갈 위험이 있다. 납이 식수와 함께 위장관을 통해 인체기관에 도달하는 경우, 주로 뼈에 축적되어 인체에 치명적인 손상을 끼치게 된다. 그러나, 납으로 인한 위험은 용융에 의해 납 함유 황동을 제조하거나 이로부터 제조된 제품을 가공하는 공장에도 존재한다. 이때, 납은 섭식, 흡입 또는 피부 재흡수를 통해 체내에 유입될 수 있다.

독일연방공화국 특허 제38 34 460 C2호에는 비스무트 1.5 내지 7중량%, 아연 5 내지 15중량%, 주석 1 내지 12중량% 및 잔여분으로서 구리를 임의의 불순물과 함께 함유하는 상수도 공급 설비 제조용 합금으로 사용되는 것으로 공지되어 있다. 이것은 적색 주물 합금인데, 추가의 합금성분으로서 아연을 함유하는 주석동을 의미한다. 상기 합금의 단점은 구리와 아연 사이의 혼합 치환 결정의 형성으로 인해 응고범위가 매우 넓다는 것이다. 이들 합금은 단지 냉경 주조(chill casting)에 적합성이 최저인 단점이 있다. 이는 주로 상기 합금의 융점이 비교적 높다는데 기인한다. 그 결과, 수회의 주조 사이클을 거친 후에, 높은 열 응력으로 인해 냉경금형이 손상된다. 또한, 상기 합금은 응고범위가 대략 150℃ 정도로 비교적 넓다. 이는 냉경주조시 비교적 빠른 냉각속도와 함께, 주조부품의 고온 취성(hot shortness)을 높인다. 따라서, 상기 합금은 사실상 사형 주조공정(sand casting process)에만 사용가능하다.

공지된 합금의 또 다른 단점은 기계가공을 가능하게 하기 위해 비교적 다량의 비스무트를 필요로 한다는 점이다.

따라서, 본 발명의 목적은 납 함량이 낮거나 납을 전혀 함유하지 않으며, 상수도 설비 제조에 적합하고 위에서 열거한 단점이 존재하기 않는 합금을 제공하는 것이다. 합금은 목적하는 용도에 필요한 주조 및 기계적 특성을 계속해서 지녀야 한다. 예를 들어, 상수도 설비는 광택성 표면과 상수도 공급 시스템에 적용되는 압력 범위에 충분한, 주조 부품 구조의 미세 결정립에 직접 좌우되는 특성인 기압성(pressure-tightness)을 가져야 한다.

본 발명의 목적은 특허청구의 범위 제1항의 특징적 양태에 의해 성취된다. 놀랍게도, 구리 함량을 57 내지 65중량%로 고정시키고 추가의 합금성분이 3중량%를 초과하지 않는 합금은 아무런 문제없이 냉경금형내에서 주조될 수 있으며, 또한 비교적 미분된 용융물로부터 응고시켜 수축공을 거의 없앨 수 있는 것으로 판명되었다. 후자는 당해 합금을 사용하여 양질의 주방용품 및 배관 설비와 같은 매끄럽고 광택이 있는 성형품을 주조하는 경우에 특히 유익하다. 더욱이, 본 발명에 따른 합금으로 제조한 제품은 각각 상이한 압력영역을 분리시키는 내벽 또는 봉공표면에 수축공 또는 스폰지 형(sponge-like) 영역이 존재하지 않으므로 매우 양호한 기압성을 제공한다. 스폰지형 영역이란 스폰지와 유사한 분해성 공동 함유 구조를 갖는 구조적 영역을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 본 발명의 또 다른 장점은 구조가 복잡한 성형품을 제조하는 데 특히 중요한 양호한 유동 특성을 제공한다는 점이다.

합금 구성 성분으로서 기존에 사용되던 납 대신 비스무트를 사용하는 경우, 본 발명에 따른 합금으로 제조한 제품은 독물학적 측면에서 안전한 것으로 실제로 판명될 수 있다. 납의 누적 독성 효과에 상응하는 비스무트의 누적 독성 효과에 대해서는 알려진 바가 없다. DAB(Deutsches Arzneibuch=German Dispensatory)에 따르면, 식수에 비스무트가 통과될 때의 비스무트의 농도는 인체에 대한 유해 정도가 아주 적어서 납 보다 훨씬 덜 독성이다. 미생물 및 작은 동물에서 볼 수 있는 바와 같이, 이들 유기체에 대한 비스무트의 독성 효과는 납의 독성 보다 대략 10배 정도 적다. 비스무트가 비교적 무독성이라는 또다른 표지는 비스무트는 유해 물질에 관한 독일연방공화국의 규정에 인체에 유해한 것으로 분류되지 않았으며 납과는 달리 비스무트는 TVO(Trinkwasserverordnung; Drinkin Water Regulation)와 같은 표준 규정에 언급되지 않은 점으로 보아 무독성인 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 합금을 제조하는 도중, 아마도 미소량의 납 오염물은 사용된 합금성분의 순도에 의존할 수 있다. 그러나, 납 오염물의 농도가 대략 0.3중량% 이하에 불과하므로 정상적으로 납 함유 황동 합금에 서서히 첨가된 납 첨가물과 비교하면 거의 무시할 수 있는 양이다.

종속항 제2항과 제3항은 본 발명에 따른 유익한 합금 조성물을 청구하고 있다. 여기서, 특히 붕소를 5 내지 15ppm으로 첨가하면 구조물의 평균 입도가 감소될 수 있음이 강조되어야 한다.

제4항 및 제5항에 따른 합금의 장점은 이들이 탈아연화 내성을 나타낸다는 점이다. 이러한 특성 때문에, 예를 들어, 당해 합금으로 제조한 상수도 설비는 양질의 물 공급을 위한 지역에 사용될 수도 있으며, 일반적으로 서비스 수명이 보다 길다.

종래의 황동 합금(예: Ms 60 Fk)을 사용하여 탈아연화 내성 황동 합금을 제조하기 위해서는 구리 함량을 64%까지 증가시킬 필요가 있다. 그러나, 상기 합금은 이의 구조가 매우 조악하여 수축공의 형성을 증가시키는 것과 같은 공지된 부정적인 현상을 수반하므로, 많은 분야, 특히 위생기구용 설비 제작시 부적합하다. 현재까지는 통상적으로 상기 목적에 사용되는 붕소에 의해 구리 함량을 증가시킨 황동 합금의 그레인을 정련하려는 노력이 실패하여 왔다. 따라서, 실제로는 공지된 탈아연화 내성을 갖지 않는 합금만이 상기 적용을 위해 사용되었다.

놀랍게도, 붕소를 사용하는 그레인 정련은 공지 합금에 비하여 구리 함량을 증가시킬 수 있음에도 불구하고, 합금을 위해 본 발명에 따른 양으로 Mn, Si 및 Sb 원소를 가하는 경우 및, 동시에, 철 함량의 최대치를 0.25중량%로 제한하는 경우에 가능함이 밝혀졌다. 또한, 놀랍게도, Sn 함량이 가능한 한 낮으나 0.25중량%를 초과하지 않는 경우 합금의 고온 취성이 향상되는 것으로 밝혀졌다. 본 발명의 추가의 장점은 경질 내용물이 발생되는 것을 억제한다는 점이다. 주로 표면 가공을 방해하는 경질 내용물은 이들을 붕소로 정련하는 경우 주로 종래의 납 함유 황동 합금에서 정련 횟수를 증가시키게 된다.

하기에서, 본 발명은 다음 양태들에 의해 보다 구체적으로 설명된다.

Cu 59.78중량%, Al 0.60중량%, Bi 1.00중량%, B 13ppm을 함유하고, 용융 관련 오염물질로서 Pb 0.02중량%, Sn 0.01중량%, Fe 0.02중량% 및 Sb 0.01중량%와 잔여분으로 Zn을 함유하는 상응하는 합성성분들을 함께 용융시킴으로써 용융물이 수득된다. 용융물을 주조하여 샘플 강괴를 성형하고 주조품(설비)을 가공한다. 강괴 또는 가공된 주조제품에 표준 시험을 수행한다:

본 발명에 다른 합금의 광택성을 시험하기 위해 여러가지 광택 시험을 수행한다. 일련의 광택 시험 결과는 본 발명에 따른 합금으로 제조한 성형품이 양질의 설비에 요구되는 표면 광택성을 제공한다. 또한 모든 샘풀에 대해 취성파괴 시험을 수행한다. 여기서, 타원소 개재물 또는 스폰지 영역이 거의 존재하지 않는 것으로 밝혀졌다. 특히, 스폰지 영역은, 예를 들어 봉공용 시트와 같은 상이한 압력을 받는 공간 사이의 분리벽에 존재하는 경우 압력 누설의 원인이 된다.

시험 샘플의 구조는 필수적으로 전 부분에 용적(globulite)이 나타나고, 이의 평균입도는 대략 30㎛이다. 1,000 내지 1,005℃의 온도에서[슈나이더(Schneider)에 따른] 주조 나선 유동길이(casting spiral flow length)는 합금 유동성의 척도로서 간주된다. 측정된 값은 522 내지 531㎜이며, 따라서 Gk Ms 60 Fk로부터 공지된 값의 범위(500 내지 600㎜)내에 존재한다.

통상의 제조공정으로 수행되는 것과 같이, 다수의 가공품을 자동화 기계로 가공하여 실(thread)을 제조하고 말단면을 봉공시킨다. 본 발명에 다른 합금으로 주조한 성형품은 기계가공할 수 있을 뿐만 아니라 통상의 황동 합금 Gk Ms 60 Fk로부터 제조한다. 성형품의 기계가공시 나오는 칩의 취성은 납 함유 황동 합금의 경우와 같이 작다.

또한 예정된 시간 동안 물질의 제거를 측정한 연마시험에 있어서, 기존의 황동과 비교하여 그다지 상이한 점은 발견되지 않았다. 본 발명에 다른 합금으로부터 제조한 주물의 전기 도금성에 있어서도 기존의 황동주물과 비교하여 상이한 점이 발견되지 않았다.

기계 가공성은 DIN 1709, 패라그라프 5에 따라 측정한다. 표준과 일치하는 쐐기형 주물 시험편으로부터, 최저부는 환형 시험편을 취한다. 환형 시험편을 제조하고 DIN 50150에 따라 연신한다. 측정된 값을 하기 표에 기재하였다.

탈아연화 내성을 측정하기 위해, ISO 표준 6509-1981(E)에 따라 탈아연화 샘플을 제조한다. 오스트레일리아 연방 표준 제2345-1980호에 따라 탈아연화 시험을 수행한다. 측정된 탈아연화 깊이는 전체적으로 100㎛ 이상이지만 Gk Ms 60 Fk로부터 공지된 범위내에 존재한다.

[실시예 2]

본 양태는 하기 조성(중량%)의 합금에 관한 것이다: Cu: 63.00%, Bi: 0.8%, Mn: 0.45%, Si: 0.5%, Al: 0.5%, Sb: 0.1%, B: 10ppm, Pb: 0.10%, Sn: 0.10%, Fe: 0.10%, Ni: 0.10%, Zn: 잔여량.

탈아연화 내성을 측정하기 위해, 본 발명에 따른 합금으로부터 제조한 배관 설비에서 횡단부를 냉각 분리시키고 ISO 6509에 따른 시험을 수행한다(참조: Corrosion of metals and alloys/Determination of dezincification resistance of brass-, edition 1981). 주조온도는 1,000℃이다. 비교를 위해, 하기 조성(단위: 중량%)을 가진 2개의 샘플(PI 및 PII)을 시험한다.

Cu: 60.06%, Zn: 37.38%, Ni: 0.030%, Al: 0.65%, Mn: 0.010%, Sn: 0.10%, Sb: 0.020%, Si: 0.010%, Fe: 0.080%, Pb: 1.65%, B: 0.0008%.

탈아연화 내성 시험의 결과는 하기 표 2에 기재되어 있다.

종래의 Gk Ms 60 Fk로 이루어진 샘플의 탈아연화 깊이는 상당히 깊은 반면, 샘플 III의 탈아연화 깊이는 60㎛로 측정되었다. 표준 BS 2872(BS = 영국 표준), BS 2974, SS 11710(SS: 스웨덴 왕국 표준) 또는 스웨덴 왕국 건축표준 R8에 따르면, 샘플 PIII은 탈아연화 내성이 있다. 주조용의 탈아연화 깊이 허용치는 BS에 따를 경우 100㎛이고 스웨덴 왕국 건축 표준 R8에 따를 경우 200㎛이다.

하기 조성(단위: 중량%)을 가진 샘플 PIV 및 PV에 대한 시험을 다음과 같이 수행한다:

PIV: Cu: 64.81%, Bi: 0.33%, Mn: 0.44%, Fe: 0.039%, B: 0.0015%, Ni: 0.01%, Si: 0.53%, Sn: 0.01%, Pb: 0.01%, Al: 0.53%, Zn: 잔여량.

PV: Cu: 64.83%, Bi: 0.53%, Fe: 0.049%, Mn: 0.40%.

잔여 합금성분은 PIV와 상응하다.

먼저 통상의 제조조건하에서 주물을 주조한다. 먼저 당해 주물을 원통식 기계 연마, 수동식 가공 연마 및 절밀 연마시키고 최종적으로 기계식 및 수동식 연마시킨다. 당해 공정에서, 부품을 통상의 생성물로 채널링(channelling)하고 언급된 각각의 작업을 수행한 후 이들을 원 상태에서 계량한다. 여기서, 종래의 황동 Gk Ms 60 Fk로부터 제조한 주물과 비교하여 기계가공으로 제거한 물질은 매우 가볍다. 최초 연마 또는 광택 조작 후에 본 발명에 따른 합금으로 제조한 부품의 표면 품질은 종래의 것과 비교하여 훨씬 양호함을 흠(complaint)의 수 감소로부터 알 수 있다. 수축공 및 스폰지 영역에 대한 상기한 샘플 PIV 및 PV의 구조를 검사하기 위해 이들에 대한 파괴시험을 수행하기도 한다. 모든 샘플에 구조적 흠이 존재하지 않는다.

PIV 및 PV에 상응하는 합금의 미세구조는 통상의 금속 조직학적 방법으로 측정한다. 이 구조는 평균입도가 대략 35㎛인 용적 결정구조를 나타내었다. 최대 입도는 100㎛ 미만이다.

기계 가공성 측정을 위해, 60개의 주물(설비)을 자동화 기계로 기계 가공한다. 예를 들면, 봉공 말단 면 및 트레드가 제조된다. 종래의 주물에 대해 정상적인 기계가공 파라미터의 현저한 변화없이 기계가공할 수 있음이 밝혀졌다.

기계적 파라미터인 신도 한계, 인장강도, 파단 신도 및 브리넬 경도를 통상적인 표준 방법에 따라 측정한다. 일련의 이들 시험 결과에서 상기 기계적 값은 공지된 황동 합금 Gk Ms 60 Fk와 견줄만한 것이다.

Claims (9)

2. 제1항에 있어서,
3. 제2항에 있어서,
4. 제1항에 있어서,
5. 제4항에 있어서,
6. 제5항에 있어서,
7. 제5항에 있어서,
8. 제5항에 있어서,
9. 제1항에 따르는 합금으로 제조된 상수도 설비의 부품.