KR100225751B1

KR100225751B1 - 무연쾌삭 황동합금

Info

Publication number: KR100225751B1
Application number: KR1019970015025A
Authority: KR
Inventors: 윤의한; 김윤규; 권혁진; 정승부
Original assignee: 조시영; 대창공업주식회사
Priority date: 1997-04-22
Filing date: 1997-04-22
Publication date: 1999-10-15
Also published as: KR19980077783A

Abstract

본 발명은 구리(Cu)-아연(Zn) 2원계 황동합금으로서, 구리(Cu) 57~63중량%, 납(Pb) 0.05중량%이하, 철+주석(Fe+Sn) 1.0중량%이하, 기타 불순물 0.5중량%이하, 나머지 중량%가 아연(Zn)인 황동합금에 비스무트(Bi)를 0.5~3.5중량% 첨가한 것을 기본조성으로 하는 무연쾌삭 황동합금에 관한 것이다.

상기의 황동합금 중에 비스무트가 압출 및 인발되는 가공공정 중에 원형 혹은 타원형에 가까운 형상으로 입계와 입내에 균일하게 분포되고, 비스무트가 10μm 이하의 크기로 형성되는 무연쾌삭 황동합금을 특징으로 한다.

이러한 무연쾌삭 황동합금은 인체에 무해하고, 비스무트의 크기가 일정하여 입계취성을 방지함으로써 기계적인 특성이 우수하며, 황동합금의 절삭성을 증가시키는 효과가 있다.

Description

무연쾌삭 황동합금

본 발명은 구리(Cu)-아연(Zn) 이원계 황동(黃銅, brass)합금에 납(鉛, Pb)이 첨가되어 있지 않고, 소량의 비스무트(Bi)를 첨가하여, 인체에 무해하고 우수한 절삭성을 나타내는 무연쾌삭(無鉛快削) 황동합금에 관한 것이다.

종래의 쾌삭황동은 황동합금에 납을 1.8~4.5% 첨가하여 절삭성을 향상시킨, 이른바 납계(系) 쾌삭황동으로서 현재까지 가장 광범위하게 실용 쾌삭황동 소재로 사용되어 오고 있다. 그러나, 최근에 이러한 납계 쾌삭황동 소재로 제조된 음료용 연결부위의 배관설비 혹은 수도꼭지 등으로 사용할 때, 황동합금에 분산되어 있는 유해한 납 성분이 음료수 중으로 용출됨에 따른 심각한 건강상의 문제점이 제기되고 있다.

따라서 납계 쾌삭황동의 대체 재료로서 인체에 무해하면서도, 만족할 만한 절삭성을 나타내는 새로운 쾌삭황동 소재의 개발에 여러 연구자들의 관심이 모아지고 있다.

한편, 구리(Cu)-아연(Zn) 2원계 황동합금에 절삭성을 부여하는 첨가원소로서 텔루륨(Te)과 비스무트(Bi)가 일부 거론되고 있긴 하나, 이중에서 텔루륨(Te) 원소는 인체에 유해하므로 황동합금에 절삭성을 부여하는 첨가원소로서 적절하지 않다. 즉, 인체에 유해한 영향을 끼치지 않으면서, 기존의 납계 쾌삭황동의 절삭성에 필적한 만한 쾌삭황동이 요구되는 것이다.

본 발명은 종래의 납계 쾌삭황동이 지니고 있는 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 인체에 무해하면서도 절삭성이 우수한 무연쾌삭 황동합금을 제공하는데에 그 목적을 둔다.

제1도는 본 발명의 무연쾌삭 황동합금의 주조조직의 주사전자 현미경(SEM) 사진.

제2도는 본 발명의 무연쾌삭 황동합금의 압출 및 인발 후 조직의 주사전자 현미경(SEM) 사진.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 구리(Cu) 57~63중량%, 납(Pb) 0.05중량%이하, 철+주석(Fe+Sn) 1.0중량%이하, 기타 불순물 0.5중량%이하, 나머지 중량%가 아연(Zn)인 황동합금에 비스무트(Bi)를 0.5~3.5중량% 첨가한 것을 특징으로 하는 무연쾌삭 황동합금에 있다.

이 황동합금에서 비스무트(Bi)의 크기는 10μm 이하로서, 입계와 입내에 균일하게 분포하고, 그 형상은 원형 혹은 타원형에 가까운 형상으로 함이 바람직하다. 특히, 무연쾌삭 황동합금의 절삭저항력은 종래의 쾌삭황동인 KS C3604 황동합금의 절삭저항력을 100%로 할 때, 70% 이상인 점에 그 특징이 있다.

일반적으로 황동합금에 비스무트가 첨가되면, 비스무트는 입계에 편중되어 취성을 일으키는 원인으로 작용하는 것으로 알려져 있으나, 아연(Zn)을 일정량 첨가하면 황동합금의 표면장력이 감소하여 비스무트가 입계 또는 입계의 삼중점(triple point)에 편중되지 않음은 물론 형상도 원형 혹은 타원형에 가까운 형상으로 존재한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를, 첨부한 도면과 함께 상세히 설명하고자 한다.

본 발명의 비스무트계 쾌삭황동의 화학조성은 구리(Cu) 57~63중량%, 납(Pb) 0.05중량%이하, 철+주석(Fe+Sn) 1.0중량%이하, 비스무트(Bi) 0.5~3.5중량%, 기타 불순물 0.5중량%이하, 나머지의 중량%가 아연(Zn)이다.

본 발명의 무연쾌삭 황동합금의 절삭성을 평가하기 위하여 표 1과 같은 조성이 되도록 용해 및 주조하여 시료를 제작하였다. 표 1에서 시료번호 1번과 5번은 비교예로서 사용되었으며, 이중 시료번호 5번은 종래의 납계 쾌삭황동인 KS C3604 황동합금이다. 시료번호 2, 3 및 4는 비스무트 첨가량을 변화시킨 실시예이며, 시료번호 6, 7, 및 8은 비스무트 첨가량이 약 2.0중량% 첨가된 상태에서 구리 첨가량을 변화시킨 실시예이다.

[표 1]

본 발명의 무연쾌삭 황동합금의 실시예와 비교예는 대기중에서 용해 및 주조하여 제조하였다. 실시예 3의 주조조직은 제1도와 같이 비스무트는 입계와 입내에 균일하게 분포한다. 이때 비스무트의 크기는 3~10μm로 원형 혹은 막대 모양으로 형상이 불균일하지만 입계 혹은 입내에 편재되지 않고, 입계와 입내의 전부분에 균일하게 분포한다.

이러한 주조조직은 압출 및 인발되는 가공공정을 거치면 제2도에 나타낸바와 같이 비스무트는 2~7μm의 크기로, 원형 혹은 타원형에 가까운 형상으로서 입계와 입내에 균일하게 분포시킬 수 있다.

즉, 제2도에서 알 수 있듯이 비스무트는 황동조직의 입계와 입내에 균일하게 분포하므로, 비스무트의 첨가로 인한 입계균열의 영향을 최소화시켜 취성을 방지할 수 있다. 따라서 비스무트의 균일한 분포로 인하여 기존의 연구자들이 우려한 입계편석으로 인한 취성의 원인이 제거될 수 있었다.

절삭성 평가는 드릴과 선반을 이용할 수 있다. 절삭실험에서는 절삭저항력을 토크(torque)와 트러스트(thrust) 값으로 얻는다. 본 발명의 실시예 2, 3 및 4와 비교예 1 및 5의 절삭성 평가를 각각 드릴과 선반으로 실시하여, 그 결과를 표 2와 3에 나타내었다. 여기서 절삭저항값이 낮을수록 절삭성이 우수하다고 한다.

표 2에는 본 발명의 비스무트계 무연쾌삭 황동합금 시료의 드릴절삭 때의 절삭저항력을 토크와 트러스트 값으로 나타내었다. 이 자료들은 Φ3.5의 고속도강(HSS, high speed steel, HSS) 드릴로, 절삭속도 1100rpm와 절삭깊이 10mm의 조건으로 실험한 결과이다.

표 2의 실험결과에서 알 수 있듯이 비스무트를 첨가하지 않은 비교예 1 황동합금을의 토크값은 0.62N.m이다. 비스무트가 0.83중량% 첨가된 실시예 2의 토크값은 0.39N.m, 1.85중량% 첨가된 실시예 3은 0.31N.m, 3.20중량% 첨가된 실시예 4는 0.29N.m로서, 비스무트 첨가량의 증가에 따라 토크값이 점차적으로 감소함을 알 수 있다. 또한 실시예 2, 3 및 4의 토크값을 비스무트가 첨가되지 않은 비교예 1과 비교해 볼때, 비스무트를 2.0중량% 정도 첨가하면 200%이상의 절삭성 향상효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 특히 2.0중량% 정도의 비스무트를 첨가했을 때의 토크값이 종래의 대표적인 납계 쾌삭황동으로 KS C3604 황동합금인 비교예 5의 토크값과 동등한 절삭저항값을 나타내었다.

[표 2]

* 상기 표 2의 절삭성(%)=

는 시료번호

표 2의 트러스트값도 토크값의 경우와 같은 경향을 나타내었다. 비스무트의 첨가량이 0.83중량%에서 3.20중량%로 증가와 더불어 트러스트값이 감소되어, 비스무트를 3.20중량% 첨가했을 때의 트러스트값은 KS C3604인 종래의 납계 쾌삭황동의 트러스트값과 거의 동등한 수준의 절삭저항력으로 평가되었다.

또한 표 2에서 알 수 있듯이, 기존의 납계 쾌삭황동의 절삭성을 100%로 하였을 때, 비스무트가 첨가되지 않은 비교예 1의 절삭성은 약 50%로 매우 낮았으나, 비스무트의 첨가로 절삭성은 급격히 증가하여, 약 2.0중량% 이상의 비스무트가 첨가된 실시예 3과 4의 절삭성은 90% 이상을 나타내었다. 비스무트가 0.83중량%로 적게 첨가된 실시예 2의 경우에도 절삭성은 70% 이상을 나타내었다. 절삭성이 70%라는 것은 종래의 일반 단조황동의 절삭성과 동등하므로, 쾌삭황동으로서 평가될 수 있다.

비스무트가 약 2.0중량% 첨가된 상태에서, 구리를 57~63중량%로 변화시킨 실시예 6, 7 및 8의 절삭저항값은 표 2에 나타낸 실시예 3의 절삭실험 결과와 동등하였다. 즉, 비스무트 첨가량이 일정하고, 구리 첨가량이 57~63중량% 범위인 경우 구리의 첨가량에 크게 의존하지 않고, 동등한 절삭저항값을 나타냄을 알 수 있다.

본 발명의 무연쾌삭 황동합금의 절삭성을 기존의 쾌삭황동과 비교하기 위하여 선반으로서 절삭저항력을 평가하여 표 3에 나타내었다. 본 절삭실험 결과에서는 주절삭분력값으로만 평가하였다. 표 3의 자료들은 절삭깊이를 1.0mm, 1.5mm 및 2.0mm로 선정에서 실험한 결과로서, 절삭속도는 1010rpm으로 일정하게 하였다. 단, 절삭깊이가 1.5mm인 경우에는 1800rpm의 조건을 추가로 실험하여 비교하였다.

[표 3]

표 3에서 알 수 있듯이, 비스무트를 첨가하지 않은 비교예 1을 절삭깊이 1.0mm, 절삭속도 1010rpm에서 선반절삭할때 절삭저항력은 617N이다. 비스무트가 0.83중량% 첨가된 실시예 2의 절삭저항력은 490N, 1.85중량% 첨가된 실시예 3은 391N, 3.20중량% 첨가된 실시예 4는 340N으로, 비스무트의 첨가량이 0.83중량%에서 3.20중량%로 증가함에 따라 절삭저항력이 감소함을 알 수 있다.

비교예 1과 실시예 2, 3 및 4와 비교해 볼 때, 표 2의 드릴에 의한 실험 결과에서와 유사하게, 비스무트 첨가에 의해 200% 이상의 절삭성 향상효과를 얻을 수 있었다. 또한 본 발명의 무연쾌삭 황동합금의 절삭저항력은 종래의 대표적인 쾌삭황동으로서 KS C3604인 비교예 5의 절삭저항력값과 거의 일치한다. 절삭깊이와 절삭속도를 달리하여 실험한 결과에서도, 절삭특성은 비스무트의 첨가에 따라 향상되어, 종래의 쾌삭황동과 대등한 특성을 나타냄을 알 수 있다.

이와 같이 표 2와 3에서 알 수 있듯이, 구리(Cu) 57~63중량%, 납(Pb) 0.05중량%이하, 철+주석(Fe+Sn) 1.0중량%이하, 기타 불순물 0.5중량%이하, 나머지 중량%가 아연(Zn)인 황동합금에 0.5~3.5중량%의 비스무트를 첨가함으로써, 인체에 유해한 납(Pb)이 적어, 인체에 무해하고 기존의 쾌삭황동과 동등한 절삭성을 가진 무연쾌삭 황동합금이 제공될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 무연쾌삭 황동합금은 구리(Cu) 57~63중량%, 납(Pb) 0.05중량%이하, 철+주석(Fe+Sn) 1.0중량%이하, 비스무트(Bi) 0.5~3.5중량%, 기타 불순물 0.5중량%이하, 나머지 중량%가 아연(Zn)인 화학조성을 기본 조성으로 이루어지고, 상기 황동합금 중 비스무트가 압출 및 인발되는 가공공정중에 비스무트가 10μm 이하의 크기로, 원형 혹은 타원형에 가까운 형상으로 입계와 입내에 균일하게 분포되는 특징에 따라, 인체에 무해하고, 입계취성을 방지하여 기계적 특성이 우수하고, 절삭성이 우수한 무연쾌삭 황동합금을 제공하게 되는 효과가 있다.

Claims

구리(Cu)-아연(Zn) 이원계 황동합금에서, 구리(Cu) 57~63중량%, 납(Pb) 0.05중량%이하, 철+주석(Fe+Sn) 1.0중량%이하, 비스무트(Bi) 0.5~3.5중량%, 기타 불순물 0.5중량%이하, 나머지의 중량%가 아연(Zn)인 화학조성을 가지며, 황동 합금내 비스무트가 입계와 입내에 10μm 이하의 크기로 균일하게 분포하는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭 황동합금.