KR100252378B1

KR100252378B1 - 주물용 황동합금 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100252378B1
Application number: KR1019970056318A
Authority: KR
Inventors: 박기원; 곽범수; 윤의한; 최장성
Original assignee: 조시영; 대창공업주식회사
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 2000-04-15
Also published as: KR19990034664A

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 주물용으로 사용되는 황동합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제

본 발명은 납(Pb)을 함유하는 저가의 황동스크랩을 주원료로 사용하면서, 납(Pb)의 용출량을 최대한으로 억제하면서, 기계 가공성, 주조성, 내식성 등을 향상시킨 구리(Cu)-아연(Zn)계 주물용 황동합금을 제공하는데 있다.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은 "불순물인 납(Pb)의 함량이 0.2중량% 이하가 되도록 하면서, 황동스크랩, 구리(Cu) 스크랩 및 아연(Zn)지금을 사용하여, 구리(Cu)는 56.0~61.0중량%, 아연(Zn)은 합금의 잔여량으로 하고, 기계적 강도 및 주조성을 향상시키기 위해 알루미늄(Al)을 0.1~0.5중량%, 기계적 강도를 향상시키기 위해 철(Fe)을 0.1~0.5중량%, 주조성 및 내식성 향상을 위해 주석(Sn)을 0.2~0.6중량%, 내식성 향상 보조제로 니켈(Ni)을 0.15~0.5중량%, 가공성을 향상시키기 위해 비스머스(Bi)를 0.1~0.5중량%가 되도록 배합계산하여, 이를 용해로에 장입하여 950~1050℃에서 1~2시간 동안 용해시킨 후 계획된 성분을 맞추고, 용해로의 온도를 1060~1090℃로 올려 5~15분간 유지하면서 비금속개제물을 부상시켜 제거하고, 다시 용해도 온도를 1000~1050℃로 내려 결정립 미세화로서 보론(B)을 3~10ppm 장입시켜 5~15분간 유지후 출탕시키는" 주물용 황동합금의 조성 및 그 제조방법에 의하여 달성한다.

Description

주물용 황동합금 및 그 제조방법

본 발명은 황동합금에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 구리(Cu)와 아연(Zn)을 주재로 하는 주물용 황동합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

주물용 황동합금은 기계, 전기, 전자, 자동차용품, 건축용 자재 뿐만 아니라 일상 생활용품에 이르기까지 매우 다양한 용도를 갖고 있고, 이와 같은 다양한 용도에 맞추어 그에 적합한 성질을 지녀야 하며, 그에 적합한 성질을 지니는 합금을 얻기 위하여는 각종의 합금원소가 첨가된다.

이중, 가장 많이 요구되는 물성중의 하나가 가공성이고, 가공성을 향상시키기 위하여 0.1~4.5중량%의 납(Pb)이 첨가되며, 납(Pb)은 황동에서 고용도가 거의 없어, 입자상태로 조직에 분포하게 됨에 따라 가공 중에 칩(chip)을 잘게 부수는 효과가 있고, 또, 가공시 발생되는 열에 의해 상대적으로 융점이 낮은 납(Pb)이 윤활제 역할을 함에 따라 가공 저항력을 감소시키는 효과가 있으며, 절삭공구의 수명을 연장시켜주는 효과도 동반하게 되므로 쾌삭황동을 제조하는 데에는 필수적인 참가물로 취급되어 왔다.

그러나, 납(Pb)은 대기로 부터의 호흡, 신체접촉 뿐만 아니라 음식물 및 식수등을 통하여 인체의 내부로 흡수되어 뼈에 축적되어 성장기에 있는 어린이에게는 발육부진의 현상이 일어나고, 성인의 경우에는 골다공증을 유발하며, 피부와 눈의 황달현상, 구토, 소화장애, 무기력증, 잇몸의 블랙라인, 고혈압,시각장애 등의 질병은 물론이고, 뇌에 영향을 미쳐 경련과 쇼크를 일으키게 되므로, 납(Pb) 성분이 용출되는 황동합금의 사용이 엄격하게 규제되고 있는 실정이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 납(Pb) 대신에 비스머스(Bi)를 첨가한 황동합금에 대하여 많은 연구가 진행되어 왔으며, 그 결과로 미국특허공보 제5,288,458호, 일본국 공개특허공보 특개평5-255778호, 일본국 공개특허공보 소54-135618호, 국제공개공보 제93-24670호, 국제공개공보 제94-24325호 등의 관련기술이 공개된 바 있다.

미국특허공보 제5,288,458호의 경우는 알파+베타(α+β) 2상의 혼합상을 가지는 구리(Cu)-아연(Zn) 2원계 황동합금에 18~5.0중량%의 비스머스(Bi)를 첨가하고, 나머지는 알루미늄(Al), 주석(Sn), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 납(Pb) 등을 불순물로 하여 냉간 가공성을 향상시킨 합금을 공개하고 있는 것으로, 이 합금의 경우에는 냉간 가공성은 크게 향상되었으나, 상대적으로 고가인 비스머스(Bi)가 많이 첨가됨에 따라 경제적인 측면에서 불리할 뿐만아니라, 비스머스(Bi)의 과다 첨가로 인하여 기계적 특성이 취약해지는 문제점이 있다.

일본국 공개특허공보 특개평5-255778호의 경우는 57~61중량%의 구리(Cu), 0~0.9중량%의 밋슈메탈과, 나머지를 아연(Zn)으로 구성되는 황동합금에 0.5~4.0중량%의 비스머스(Bi)를 첨가하거나, 57~61중량%의 구리(Cu), 0.1~0.5중량%의 밋슈메탈과, 나머지를 아연(Zn)으로 구성되는 황동합금에 비스머스(Bi)와 납(Pb)의 합계함량을 0.5~3.0중량% 첨가하여 가공성이 우수한 황동합긍에 대하여 공개한 것으로, 이 합금의 경우 비스머스(Bi)의 함량이 적게 첨가되어 경제적으로 유리한 효과를 지니고는 있으나, 근본적으로 납(Pb)의 용출을 방지할 수는 없는 문제점이 있다.

또, 일본국 공개특허공보 소54-135618호의 경우는 구리(Cu)의 함량이 58~65중량%이고, 불가피한 불순물로서 납(Pb)의 함량이 0.1중량% 이하인 구리(Cu)-아연(Zn)계 황동합금에 비스머스(Bi)를 0.5~1.5중량% 첨가하여 가공성과 단조성이 우수한 황동합금을 공개한 바 있으나, 이 경우 불순물로 관리되는 납(Pb)의 함량을 0.1중량% 이하로 규정함에 따라 기존의 황동 스크랩을 상요하여 이 합금을 제조하고자 하는 경우 납(Pb)의 함량을 낮추기 위한 작업이 어려워 제조단가를 상승시키는 문제점이 있다.

국제공개특허공보 제93-24670호는 57~62중량%의 구리(Cu), 3.0중량%의 다른 합금성분 및 용융관련불순물, 기계 가공성 향상을 위한 첨가제, 잔여분으로서 아연(Zn)을 함유하는 황동합금에 비스머스(Bi)를 첨가하는 기술을 공개한 것으로, 다른 합금성분, 기계가공성 향상을 위한 첨가제 및 불순물로서는 알루미늄(Al), 보론(B), 납(Pb), 주석(Sn), 철(Fn), 안티몬(Sb), 규소(Si), 망간(Mn), 니켈(Ni) 등을 열거하고 있다.

이 합금의 경우는 앞에서 언급한 대부분의 결점들을 해결하여 우수한 가공성 및 주조성을 지니고는 있으나, 불순물인 납(Pb)의 관리를 위해서는 원소재를 순수한 구리(Cu)와 아연(Zn)을 사용하여야 하는 문제로 인하여 제조단가의 상승을 가져온다.

본 발명은 상기에서의 문제점들을 감안하여 근본적으로 납(Pb)이 용출을 보건복지부 고지에서 정하는 1ppm 이하로 방출되면서도, 기계가공성, 주조성 및 내식성이 우수하고, 원소재를 스크랩 등을 사용하여 저렴한 비용으로 생산될 수 있는 주물용 황동합금 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

제1도는 침출용액 및 납(Pb) 함량에 따른 납(Pb)의 용출량 변화 그래프.

제2a도는 납(Pb) 함량에 따른 절삭저항력의 변화 그래프.

제2b도는 비스머스(Bi) 함량에 따른 절삭저항력의 변화 그래프.

제3a도는 납(Pb) 함량이 2.87중량%인 경우의 절삭칩형상의 광학현미경 사진.

제3b도는 납(Pb) 함량이 1.37중량%인 경우의 절삭칩형상의 광학현미경 사진.

제3c도는 납(Pb) 함량이 0.62중량%인 경우의 절삭칩형상의 광학현미경 사진.

제3d도는 납(Pb) 함량이 0.09중량%인 경우의 절삭칩형상의 광학현미경 사진.

제3e도는 비스머스(Bi) 함량이 0.74중량%인 경우의 절삭칩형상의 광학현미경사진.

제3f도는 비스머스(Bi) 함량이 0.45중량%인 경우의 절삭칩형상의 광학현미경사진.

제3g도는 비스머스(Bi) 함량이 0.33중량%인 경우의 절삭칩형상의 광학현미경사진.

제3h도는 비스머스(Bi) 함량이 0.14중량%인 경우의 절삭칩형상의 광학현미경사진.

제4a는 보론(B)이 첨가되지 않은 경우의 미세조직의 광학현미경 사진.

제4b도는 보론(B)이 3.3ppm 첨가된 경우의 미세조직의 광학현미경 사진.

제4c도는 보론(B)이 9.4ppm 첨가된 경우의 미세조직의 광학현미경 사진.

제4d도는 보론(B)이 14.3ppm 첨가된 경우의 미세조직의 광학현미경 사진.

제5a도는 주석(Sn)이 0.15중량%, 니켈(Ni)이 0.03중량% 첨가된 경우의 부식특성에 관한 광학현미경 사진.

제5b도는 주석(Sn)이 0.53중량%, 니켈(Ni)이 0.03중량% 첨가된 경우의 부식특성에 관한 광학현미경 사진.

제5c도는 주석(Sn)이 0.43중량%, 니켈(Ni)이 0.25중량% 첨가된 경우의 부식특성에 관한 광학현미경 사진.

제5d도는 주석(Sn)이 0.41중량%, 니켈(Ni)이 0.21중량% 첨가된 경우의 부식특성에 관한 광학현미경 사진.

상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 주물용 황동합금은 56.0~61.0중량%의 구리(Cu), 0.1~0.5중량%의 알루미늄(Al), 0.1~0.5중량%의 철(Fe), 0.2~0.6중량%의 주석(Sn), 0.15~0.5중량%의 니켈(Ni), 0.2중량% 이하의 납(Pb), 가공성 향상 첨가제로서 비스머스(Bi)가 0.1~0.5중량% 및 결정립 미세화제로서 보론(B)이 3~10ppm 첨가되며, 나머지가 아연(Zn)으로 구성된다.

상기의 조성원소 중에서 납(Pb)은 근본적으로 함유되지 않으면, 좋은 것이나, 납(Pb)은 황동합금의 제조과정에서 다른 금속과 함께 유입되는 불순물로서, 기존의 황동스크랩 등을 사용하는 경우 이를 배제하기란 대단히 어려울 뿐만 아니라, 그 처리비용이 과다하여, 보건복지부에서 정한 규정치를 이하로 방출되도록 하기 위하여는 사전 분석에 의하여 0.2중량% 이하가 되도록 조정하는 것이 바람직하다.

알루미늄(Al)은 합금의 기계적 강도뿐만 아니라, 주조성을 향상시키기 위하여 첨가되는 금속으로 0.1중량% 이하로 함유되는 경우에는 용융상태에서 유동성이 나빠지게 되고 0.5중량% 이상 함유되는 경우에는 유동성이 높아져서 주조성이 향상될 수 있으나, 용탕내에서 산화알루미늄(Al₂O₃)을 형성하여, 합금의 형성에 불리한 영향을 미친다.

주석(Sn)은 주조성 뿐만아니라, 내식성을 향상시켜 납(Pb)의 용출을 억제하기 위하여 첨가되는 원소로서, 0.2중량% 이하에서는 주조성 향상에 효과를 얻기가 어려우며, 0.6중량%이상 첨가되는 경우에는 취약한 감마(γ) 상을 형성하여, 기계적 특성이 악화되는 문제가 있으므로 0.2~0.6중량%를 첨가하여야 한다. 니켈(Ni)은 주석(Sn)의 내식성 향상을 위한 보조제로서 첨가되는 것으로 주석(Sn) 보다는 적게 0.15~0.5중량% 첨가한다.

철(Fe)은 기계적 강도를 향상하기 위하여 첨가되는 것으로 함량이 많아지면, 기계적 강도는 향상될 수 있으므로, 0.1중량% 이상으로 첨가하여야 하나, 0.5중량% 이상 함유되는 경우에는 다른 금속과 금속간화합물을 형성하여 합금이 취약해지는 문제가 있다.

상기의 성분 이외에도, 제조하고자하는 제품의 성격에 따라 납(Pb)의 함량부족으로 발생되는 기계적 가공성의 저하를 방지하기 위하여, 비스머스(Bi)가 첨가될 수 있으나, 비스머스(Bi)는 비교적 고가의 금속으로 제품의 원가상승에 중요한 위치를 차지하므로 상기의 조성에 맞추는 경우 0.1~0.5중량%가 되도록 첨가하는 것이 좋으며, 연마가공시 미려한 표면을 얻기 위하여 합금의 결정립을 미세하게 하고자 첨가되는 보론(B)은 3~10ppm의 범위내에서 첨가하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 조성으로 이루어진 주물용 황동합금의 제조는 황동스크랩, 구리(Cu) 스크랩, 아연(Zn) 지금을 사용하여, 스크랩에 함유되어 있는 납(Pb) 함량에 맞추어 배합계산에 의해 정량을 하여 불순물인 납(Pb)의 함유량이 0.2중량% 이하가 되도록 하면서, 황동스크랩, 구리(Cu) 스크랩 및 아연(Zn) 지금을 사용하여, 구리(Cu)는 56.0~61.0중량%, 아연(Zn)은 합금의 잔여량으로 하고, 기계적 강도 및 주조성을 향상시키기 위해 알루미늄(Al)을 0.1~0.5중량%, 기계적 강도를 향상시키기 위해 철(Fe)을 0.1~0.5중량%, 주조성 및 내식성 향상을 위해 주석(Sn)을 0.2~0.6중량%, 내식성 향상 보조제로 니켈(Ni)을 0.15~0.5중량%, 가공성을 향상시키기 위해 비스머스(Bi)를 0.1~0.5중량%이 되도록 배합계산하여, 이를 용해로에 장입하여 950~1050℃에서 1~2시간 동안 용해시킨 후, 계획된 성분을 맞추고, 용해로의 온도를 1060~1090℃로 올려 5~15분간 유지하면서 비금속개제물을 부상시켜 제거하고, 다시 용해로의 온도를 1000~1050℃로 내려 결정립 미세화제로서 보론(B)을 3~10ppm 장입시켜 5~15분간 더 유지시킨 후, 1000~1050℃의 온도에서 출탕시킴으로서 달성될 수 있다.

비금속개재물은 제품의 표면에 결함(pit)을 유발시키는 요인이 되므로, 용해로 온도를 1060~1090℃로 올려 5~15분간 유지시키면서, 비금속개재물을 부상시켜 슬래그 상태로의 제거는 반드시 이루어져야 한다.

또한, 결정립 미세화제로서 보론(B)의 첨가는 출탕 바로 전에 1000~1050℃의 용해 온도에서, 분말상태의 것을 덩어리 상태로 성형하여 용해로의 바닥으로 장제 장입하고, 합금성분이 완전히 용융될 때까지 5~15분간 유지하여 준다.

상기의 방법에서 보론(B)을 용해로의 바닥으로 강제 장입시키는 이유는 대기중의 산소와 반응하여 보론산화물의 생성에 의한 보론의 손실을 최대한 방지함과 아울러, 로의 밑바닥으로부터 균일하게 확산 용해할 수 있도록 하기 위한 것이다.

이하, 본 발명을 실시예 및 비교실시예를 통하여 상세히 설명하기로 한다.

실시예 1,2 및 비교실시예 1~5는 납(Pb)의 용출시험을 하기 위한 것으로 그 실시상황 및 결과는 다음과 같다.

[실시예 1]

구리(Cu) 57.5~58.5중량%, 납(Pb) 0.1~0.15중량%, 철(Fe) 0.1~0.15중량%, 주석(Sn) 0.15~0.2중량%, 알루미늄(Al) 0.3~0.4중량%, 니켈(Ni) 0.1중량% 이하, 나머지 아연(Zn)인 황동합금을 제조하기 위해, 황동스크랩, 동(Cu)스크랩, 아연(Zn) 지금 및 철(Fe)-구리(Cu) 모합금과, 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 지금을 배합계산하여 용해로에 장입하고, 1000℃에서 교반하면서 1시간 30분동안 가열하여 완전히 용해시켜 화학성분을 맞추고, 이어서 용해로의 온도를 1070℃로 올려 10분간 유지시킨 다음 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고, 용해로의 온도를 1000℃로 낮춘 후 준비된 잉고트 상태의 금속으로 출탕하여 성분분석을 하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[실시예 2]

구리(Cu) 60.5~61.0중량%, 납(Pb) 0.05~0.1중량%, 철(Fe) 0.15~0.2중량%, 주석(Sn) 0.15~0.2중량%, 알루미늄(Al) 0.1~0.2중량%, 니켈(Ni) 0.1중량% 이하, 나머지 아연(Zn)인 황동합금을 제조하기 위해, 황동스크랩, 동(Cu)스크랩, 아연(Zn) 지금 및 철(Fe)-구리(Cu) 모합금과, 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni)지금을 배합계산하여 용해로에 장입하고, 1000℃에서 교반하면서 1시간 30분동안 가열하여 완전히 용해시켜 화학성분을 맞추고, 이어서 용해로의 온도를 1090℃로 올려 10분간 유지시킨 다음 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고, 용해로의 온도를 1020℃ 낮춘 후 준비된 잉고트 상태의 금형으로 출탕하여 성분분석을 하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[비교실시예 1]

구리(Cu) 61.0~61.5중량%, 납(Pb) 2.5~3.0중량%, 철(Fe) 0.55~0.65중량%, 주석(Sn) 0.6~0.7중량%, 알루미늄(Al) 0.1~0.2중량%, 니켈(Ni) 0.15~0.25중량%, 나머지 아연(Zn)인 황동합금을 제조하기 위해, 순동, 아연(Zn) 지금 및 철(Fe)-구리(Cu) 모합금과, 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 지금을 배합계산하여 용해로에 장입하고, 1000℃에서 교반하면서 1시간 30분동안 가열하여 완전히 용해시켜 화학성분을 맞추고, 이어서 용해로의 온도를 1070℃로 올려 10분간 유지시킨 다음 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고, 용해로의 온도를 1000℃ 낮춘 후 준비된 잉고트 상태의 금형으로 출탕하여 성분분석을 하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[비교실시예 2]

구리(Cu) 61.0~62.0중량%, 납(Pb) 1.5~2.0중량%, 철(Fe) 0.2~0.3중량%, 주석(Sn) 0.25~0.35중량%, 알루미늄(Al) 0.5~0.6중량%, 니켈(Ni) 0.1~0.15중량%, 나머지 아연(Zn)인 황동합금을 제조하기 위해, 순동, 아연(Zn) 지금 및 철(Fe)-구리(Cu) 모합금과, 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 지금을 배합계산하여 용해로에 장입하고, 1000℃에서 교반하면서 1시간 30분동안 가열하여 완전히 용해시켜 화학성분을 맞추고, 이어서 용해로의 온도를 1090℃로 올려 10분간 유지시킨 다음 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고, 용해로의 온도를 1020℃ 낮춘 후 준비된 잉고트 상태의 금형으로 출탕하여 성분분석을 하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[비교실시예 3]

구리(Cu) 58.5~59.0중량%, 납(Pb) 1.0~1.5중량%, 철(Fe) 0.1중량% 이하, 주석(Sn) 0.15~0.2중량%, 알루미늄(Al) 0.6~0.7중량%, 니켈(Ni) 0.1중량% 이하, 나머지 아연(Zn)인 황동합금을 제조하기 위해, 순동, 아연(Zn) 지금 및 철(Fe)-구리(Cu) 모합금과, 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 지금을 배합계산하여 용해로에 장입하고, 1000℃에서 교반하면서 1시간 30분동안 가열하여 완전히 용해시켜 화학성분을 맞추고, 이어서 용해로의 온도를 1090℃로 올려 10분간 유지시킨 다음 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고, 용해로의 온도를 1020℃ 낮춘 후 준비된 잉고트 상태의 금형으로 출탕하여 성분분석을 하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[비교실시예 4]

구리(Cu) 58.0~58.5중량%, 납(Pb) 0.5~1.0중량%, 철(Fe) 0.2~0.3중량%, 주석(Sn) 0.15~0.2중량%, 알루미늄(Al) 0.25~0.35중량%, 니켈(Ni) 0.1중량% 이하, 나머지 아연(Zn)인 황동합금을 제조하기 위해, 순동, 아연(Zn) 지금 및 철(Fe)-구리(Cu) 모합금과, 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 지금을 배합계산하여 용해로에 장입하고, 1000℃에서 교반하면서 1시간 30분동안 가열하여 완전히 용해시켜 화학성분을 맞추고, 이어서 용해로의 온도를 1090℃로 올려 10분간 유지시킨 다음 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고, 용해로의 온도를 1020℃ 낮춘 후 준비된 잉고트 상태의 금형으로 출탕하여 성분분석을 하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[비교실시예 5]

구리(Cu) 56.5~57.5중량%, 납(Pb) 0.2~0.3중량%, 철(Fe) 0.1~0.2중량% 이하, 주석(Sn) 0.2~0.25중량%, 알루미늄(Al) 0.25~0.35중량%, 니켈(Ni) 0.1중량% 이하, 나머지 아연(Zn)인 황동합금을 제조하기 위해, 순동, 아연(Zn) 지금 및 철(Fe)-구리(Cu) 모합금과, 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 지금을 배합계산하여 용해로에 장입하고, 1000℃에서 교반하면서 1시간 30분동안 가열하여 완전히 용해시켜 화학성분을 맞추고, 이어서 용해로의 온도를 1090℃로 올려 10분간 유지시킨 다음 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고, 용해로의 온도를 1020℃ 낮춘 후 준비된 잉고트 상태의 금형으로 출탕하여 성분분석을 하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[표 1]

[납(Pb) 용출시험]

상기의 실시예 및 비교실시예로 제조된 합금을 보건복지부 고지 제95-47호 제6기구 및 용기·포장의 기준·규격에 따라 잉고트에서 시료를 채취하여 표면적을 계산하고, 표면적 1cm²에 대하여 2ml의 비율로 각각 증류수와 4% 초산용액을 침출용액으로 하여, 침출용액에 검체를 담근후 유리판으로 덮고, 95℃를 유지하면서 때때로 저어가며 30분간 침출하고, 침출액에 포함되어 있는 납(Pb)의 함량을 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

[표 2]

상기 표 2 및 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이 납(Pb)의 함량이 각각 0.13중량%, 0.09중량%인 실시예 1 및 2의 경우에 있어서는 증류수는 물론이고, 4% 초산용액에서도 보건복지부 고지의 기준치인 1ppm이하로 납(Pb)이 용출되고 있으나, 납(Pb)의 함량이 0.25중량%인 비교실시예 5의 경우는 납(Pb)의 용출량이 증류수의 경우는 합격선에 들어가나, 4% 초산용액의 경우에 있어서는 기준치를 초과하는 1.20ppm으로 나타나고 있으며, 납(Pb)의 함량이 높은 합금의 경우인 비교실시예 1~4에 있어서도 기준치를 훨씬 초과하여 납(Pb)의 용출됨을 알 수 있다.

실시예 3~5 및 비교실시예 6은 납(Pb)의 함량부족으로 인하여 발생되는 기계 가공성의 저하를 막기 위하여 첨가되는 비스머스(Bi)의 적정량을 밝히기 위한 실시예(이다.

[실시예 3]

구리(Cu) 57.5~58.0중량%, 납(Pb) 0.1~0.2중량%, 철(Fe) 0.15~0.25중량%, 주석(Sn) 0.2~0.3중량%, 알루미늄(Al) 0.2~0.3중량%, 니켈(Ni) 0.1중량% 이하, 비스머스(Bi) 0.4~0.5중량%, 나머지 아연(Zn)인 황동합금을 제조하기 위해, 황동스크랩, 동(Cu)스크랩, 아연(Zn) 지금 및 철(Fe)-구리(Cu) 모합금과, 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 비스머스(Bi) 지금을 배합계산하여 용해로에 장입하고, 1000℃에서 교반하면서 1시간 30분동안 가열하여 완전히 용해시켜 화학성분을 맞추고, 이어서 용해로의 온도를 1090℃로 올려 10분간 유지시킨 다음 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고, 용해로의 온도를 1020℃ 낮춘 후 준비된 잉고트 상태의 금형으로 출탕하여 성분분석을 하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.

[실시예 4]

구리(Cu) 56.0~56.5중량%, 납(Pb) 0.05~0.1중량%, 철(Fe) 0.15~0.25중량%, 주석(Sn) 0.4~0.5중량%, 알루미늄(Al) 0.2~0.3중량%, 니켈(Ni) 0.1중량% 이하, 비스머스(Bi) 0.3~0.4중량%, 나머지 아연(Zn)인 황동합금을 제조하기 위해, 황동스크랩, 동(Cu)스크랩, 아연(Zn) 지금 및 철(Fe)-구리(Cu) 모합금과, 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 비스머스(Bi) 지금을 배합계산하여 용해로에 장입하고, 1000℃에서 교반하면서 1시간 30분동안 가열하여 완전히 용해시켜 화학성분을 맞추고, 이어서 용해로의 온도를 1090℃로 올려 10분간 유지시킨 다음 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고, 용해로의 온도를 1020℃ 낮춘 후 준비된 잉고트 상태의 금형으로 출탕하여 성분분석을 하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.

[실시예 5]

구리(Cu) 57.5~58.0중량%, 납(Pb) 0.1~0.2중량%, 철(Fe) 0.3~0.4중량%, 주석(Sn) 0.2~0.3중량%, 알루미늄(Al) 0.2~0.3중량%, 니켈(Ni) 0.1중량% 이하, 비스머스(Bi) 0.1~0.2중량%, 나머지 아연(Zn)인 황동합금을 제조하기 위해, 황동스크랩, 동(Cu)스크랩, 아연(Zn) 지금 및 철(Fe)-구리(Cu) 모합금과, 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 비스머스(Bi) 지금을 배합계산하여 용해로에 장입하고, 1000℃에서 교반하면서 1시간 30분동안 가열하여 완전히 용해시켜 화학성분을 맞추고, 이어서 용해로의 온도를 1090℃로 올려 10분간 유지시킨 다음 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고, 용해로의 온도를 1020℃ 낮춘 후 준비된 잉고트 상태의 금형으로 출탕하여 성분분석을 하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.

[비교실시예 6]

구리(Cu) 58.0~58.5중량%, 납(Pb) 0.05~0.1중량%, 철(Fe) 0.15~0.25중량%, 주석(Sn) 0.1~0.2중량%, 알루미늄(Al) 0.1~0.2중량%, 니켈(Ni) 0.1중량% 이하, 비스머스(Bi) 0.7~0.8중량%, 나머지 아연(Zn)인 황동합금을 제조하기 위해, 순동, 아연(Zn) 지금 및 철(Fe)-구리(Cu) 모합금과, 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 비스머스(Bi) 지금을 배합계산하여 용해로에 장입하고, 1000℃에서 교반하면서 1시간 30분동안 가열하여 완전히 용해시켜 화학성분을 맞추고, 이어서 용해로의 온도를 1090℃로 올려 10분간 유지시킨 다음 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고, 용해로의 온도를 1020℃ 낮춘 후 준비된 잉고트 상태의 금형으로 출탕하여 성분분석을 하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.

[표 3]

[가공특성 평가 실험]

실시예 2~5 및 비교실시예 1과 비교실시예 3~6에 대한 가공특성 변화를 측정하고 그 결과를 표 4에 나타내었다.

가공성이 우수한 경우에는 절삭저항력이 낮으며, 칩(chip)이 잘게부스러지는 전단형의 형상을 나타내고, 가공성이 불량한 경우는 절삭저항력이 높고, 칩(chip)이 말리는 현상을 나타내므로 가공특성의 판단을 위하여 절삭가공력과칩(chip)의 형상을 관찰하였다.

절삭저항력은 드릴에 의한 방법을 이용하였으며, 드릴은 직경 3.5mm의 고속도강 드릴로 하고, 절삭속도는 1100rpm과 절삭깊이 10mm의 조건에서 시행하였다.

[표 4]

상기 표 4의 실시예 2, 비교실시예 1 및 비교실시예 3~5의 절삭저항력에 대한 실험결과 및 제2a도의 그래프에서 알 수 있듯이 납(Pb)의 함량이 낮아짐에 따라 절삭저항력의 수치가 높아짐을 알 수 있으며, 일반적으로 절삭저항력이 4kgfcm 이하인 경우에 기계 가공성이 우수하므로, 납(Pb)의 함량이 높을수록 기계 가공성이 우수해짐을 알 수 있다. 또한 제2b도의 그래프에서 알 수 있듯이 비스머스(Bi)가 0.1~0.8중량% 첨가된 경우에 있어서도 모두 절삭저항력이 4kgfcm 이하이므로, 가공성이 우수함을 알 수 있다.

또, 납(Pb)의 함량이 동일하게 0.09중량%인 실시예 2와 비교실시예 6의 경우에서도 비스머스(Bi)가 0.74중량% 첨가된 실시예 6은, 칩(chip) 형상이 모두 전단형을 나타내는 것을 제3d도와 제3e도에서 확인할 수 있다. 이러한 결과는 실시예 3~5에서와 같이 비스머스(Bi)를 0.5중량% 이하로 첨가한 경우와 유사한 결과로, 적정한 절삭저항력을 갖기 위한 황동합금은 비스머스(Bi)의 함량이 0.1~0.5중량%이 적당함을 알 수 있다.

상기의 내용중 특기할 사항으로 비스머스(Bi)의 함량이 비교적 많이 첨가된 비교실시예 6보다 비교적 적게 첨가된 실시예 3~5의 경우가 절삭저항력에서 우수한 결과를 가져온 이유는 주조성 및 내식성의 향상을 위하여 첨가한 주석(Sn), 주조성 및 기계적 특성을 향상시키기 위하여 첨가된 알루미늄(Al) 및 기계적 강도를 향상시키기 위하여 첨가된 철(Fe)의 영향에 기인한 것으로 판단된다.

주조성 및 내식성의 향상을 위하여 첨가되는 주석(Sn)의 경우는 실시예 3~5에서 0.6중량% 이하로 첨가시킴으로써 주조성의 향상을 기할 수 있었으나, 0.2중량% 이하로 첨가된 비교실시예 6에서는 그 효과가 급격히 감소하였다. 이는 용탕의 유동성 시험방법인 계단식 금형에서의 실험으로부터 관찰 할 수 있었으며, 알루미늄(Al) 첨가에 의한 유도성 향상도 0.1~0.5중량%가 적당함을 알 수 있었다.

실시예 6, 실시예 7 및 비교실시예 7은 황동합금의 결정립을 미세화시키기 위하여 첨가되는 보론(B)의 함유량을 확정하기 위한 실시예이다.

[실시예 6]

구리(Cu) 57.0~57.5중량%, 납(Pb) 0.2중량% 이하, 철(Fe) 0.2~0.3중량%, 주석(Sn) 0.4~0.5중량%, 알루미늄(Al) 0.2~0.3중량%, 니켈(Ni) 0.2~0.3중량% 이하, 비스머스(Bi) 0.3~0.4중량%, 나머지 아연(Zn)인 황동합금을 제조하기 위해, 황동스크랩, 동(Cu)스크랩, 아연(Zn) 지금 및 철(Fe)-구리(Cu) 모합금과, 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 비스머스(Bi) 지금을 배합계산하여 용해로에 장입하고, 1000℃에서 교반하면서 1시간 30분동안 가열하여 완전히 용해시켜 화학성분을 맞추고, 이어서 용해로의 온도를 1090℃로 올려 10분간 유지시킨 다음 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고, 용해로의 온도를 1020℃ 낮춘 후 출탕전에 보론(B) 분말 3.5ppm을 덩어리 상태로 성형하여 용해로의 저부로 강제 장입시키고 10분간 더 유지시킨 후, 준비된 잉고트 상태의 금형으로 출탕하여 성분분석을 하고 그 결과를 표 5에 나타내었고, 미세조직을 광학현미경으로 촬영한 결과를 제4b도에 나타내었다.

[실시예 7]

구리(Cu) 57.0~57.5중량%, 납(Pb) 0.2중량% 이하, 철(Fe) 0.2~0.3중량%, 주석(Sn) 0.4~0.5중량%, 알루미늄(Al) 0.2~0.3중량%, 니켈(Ni) 0.2~0.3중량% 이하, 비스머스(Bi) 0.1~0.2중량%, 나머지 아연(Zn)인 황동합금을 제조하기 위해, 황동스크랩, 동(Cu)스크랩, 아연(Zn) 지금 및 철(Fe)-구리(Cu) 모합금과, 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 비스머스(Bi) 지금을 배합계산하여 용해로에 장입하고, 1000℃에서 교반하면서 1시간 30분동안 가열하여 완전히 용해시켜 화학성분을 맞추고, 이어서 용해로의 온도를 1090℃로 올려 10분간 유지시킨 다음 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고, 용해로의 온도를 1020℃ 낮춘 후 출탕전에 보론(B) 분말 10ppm을 덩어리 상태로 성형하여 용해로의 저부로 강제 장입시키고 10분간 더 유지시킨 후, 준비된 잉고트 상태의 금형으로 출탕하여 성분분석을 하고 그 결과를 표 5에 나타내었고, 미세조직을 광학현미경으로 촬영한 결과를 제4c도에 나타내었다.

[비교실시예 7]

구리(Cu) 57.0~57.5중량%, 납(Pb) 0.2중량% 이하, 철(Fe) 0.1~0.2중량%, 주석(Sn) 0.5~0.6중량%, 알루미늄(Al) 0.2~0.3중량%, 니켈(Ni) 0.1중량% 이하, 비스머스(Bi) 0.35~0.45중량%, 나머지 아연(Zn)인 황동합금을 제조하기 위해, 황동스크랩, 동(Cu)스크랩, 아연(Zn) 지금 및 철(Fe)-구리(Cu) 모합금과, 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 비스머스(Bi) 지금을 배합계산하여 용해로에 장입하고, 1000℃에서 교반하면서 1시간 30분동안 가열하여 완전히 용해시켜 화학성분을 맞추고, 이어서 용해로의 온도를 1090℃로 올려 10분간 유지시킨 다음 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고, 용해로의 온도를 1020℃ 낮춘 후 출탕전에 보론(B) 분말 15ppm을 덩어리 상태로 성형하여 용해로의 저부로 강제 장입시키고 10분간 더 유지시킨 후, 준비된 잉고트 상태의 금형으로 출탕하여 성분분석을 하고 그 결과를 표 5에 나타내었고, 미세조직을 광학현미경으로 촬영한 결과를 제4d도에 나타내었다.

제4a도는 보론(B)의 첨가되지 않은 실시예 5의 경우로서 제4b도에 비하여 결정립이 대단히 크게 나타나고 있으며, 제4c도와 제4d도의 미세조직 사진에 있어서는 비교적 결정립이 미세함을 알 수 있으나, 제4c도와 제4d도의 사진을 비교하여 보면 결정립의 차이를 발견할 수 없으므로 보론(B)의 함유량은 10ppm을 초과할 필요는 없다.

[비교실시예 8]

구리(Cu) 57.5~57.5중량%, 납(Pb) 0.2중량% 이하, 철(Fe) 0.2~0.3중량%, 주석(Sn) 0.4~0.5중량%, 알루미늄(Al) 0.2~0.3중량%, 니켈(Ni) 0.2~0.3중량% 이하, 비스머스(Bi) 0.1~0.2중량%, 나머지 아연(Zn)인 황동합금을 제조하기 위해, 황동스크랩, 동(Cu)스크랩, 아연(Zn) 지금 및 철(Fe)-구리(Cu) 모합금과, 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 비스머스(Bi) 지금을 배합계산하여 용해로에 장입하고, 1000℃에서 교반하면서 1시간 30분동안 가열하여 완전히 용해시켜 화학성분을 맞추고, 이어서 용해로의 온도를 1090℃로 올려 10분간 유지시킨 다음, 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고, 용해로의 온도를 1020℃ 낮춘 후 출탕전에 보론(B) 분말 10ppm의 보론을 분말상태로 용탕의 상부로 투입하고 10분간 더 유지시킨 후, 준비된 잉고트 상태의 금형으로 출탕하여 성분분석을 하고, 그 결과를 표 5에 나타내었다.

[표 5]

[내식특성 평가 실험]

내식특성의 평가를 위하여 국제규격인 ISO-6509 시험방법에 의하여 평가하였고, 부식용액은 증류수에 12.7g의 염화제2동(CuCl₂·2H₂O)을 용해시켜 1000±10ml로 하였으며, 부식시키고자 하는 시료는 10×10mm²정도의 표면을 노출시켜 마운팅처리하고 이를 연마포 #1200으로 연마한 후, 에틸알콜로 세척하였다. 연마된 시료는 100mm²당 250(+50, -10)ml의 부식액에 침적시켜, 75±5℃에서 24시간동안 부식시키고 광학현미경으로 평균부식깊이를 관찰하여 제5a도~제5d의 사진으로 나타내었다.

제5a도는 비교실시예 6에 의하여 제조된 황동합금의 부식성 시험결과로서 평균부식깊이가 약 300μm를 나타내고 있으며, 제5b도는 비교실시예 7에 의하여 제조된 황동합금의 부식특성 시험결과로서 평균부식깊이가 약 400μm를 나타내고 있으나, 실시예 6 및 실시에 7에 해당하는 제5c도 및 제5d도의 경우에는 평균부식깊이가 약 150μm를 나타내고 있어 내식성이 우수함을 알 수 있다.

또, 표 5로 부터 확인되는 바와 같이 분말상태의 보론을 용탕의 상면으로 투입한 비교실시예 8의 경우에 있어서는 보론(B)이 검출되지 않고 있음을 발견할 수 있는데, 이는 보론이 용탕의 내부로 확산되지 못하고 대기등의 산소와 반응하여 보론산화물로 변화되어 용탕의 열에 의하여 가스화되어 비산된 것이다.

본 발명은 상기에서 실시예 1~7 및 비교실시예 1~8을 통하여 살펴본 바와 같이 불순물인 납(Pb)의 함유량을 0.2중량% 이하로 함유하도록 하여 제조한 본 발명의 황동합금의 경우, 납(Pb)의 용출량이 가혹한 조건인 4% 초산용액의 조건에서도 보건복지부의 규격을 만족할 수 있으므로, 비교적 저가의 원자재인 황동스크랩과 구리(Cu) 스크랩을 이용하여 납(Pb)의 용출이 거의 없는 황동합금을 제조함으로써, 원자재의 비용을 절감하고, 납(Pb) 대신 비스머스(Bi)를 0.1~0.5중량% 첨가하여 우수한 기계 가공성을 얻을 수 있었으며, 보론(B)의 함량을 3~10ppm 첨가하여 미세한 결정립을 형성시켜 보다 고품위의 제품을 제조하면서, 기계적 강도, 주조성, 내식성 등을 향상시킨 주물용 황동합금을 제공함으로써, 공업용 기계부품 뿐만 아니라, 수돗물과 관련되는 수도관련부품, 음식물과 관련된 육류구이용 불고기판등 일반 주물용 황동합금을 대체하여 사용할 수 있고, 환경오염은 물론 인체에 무해한 황동합금을 보급할 수 있는 효과가 있다고 할 것이다.

Claims

구리(Cu)-아연(Zn)을 주성분으로 하는 주물용 황동합금에 있어서, 황동합금은 56.0~61.0중량%의 구리(Cu), 0.1~0.5중량%의 알루미늄(Al), 0.1~0.5중량%의 철(Fe), 0.2~0.6중량%의 주석(Sn), 0.15~0.5중량%의 니켈(Ni), 0.20중량% 이하의 납(Pb), 가공성 향상 첨가제로서 비스머스(Bi)가 0.1~0.5중량% 및 결정립 미세화제로서 보론(B)이 3~10ppm 첨가되며, 나머지를 아연(Zn)으로 구성시킴을 특징으로 하는 주물용 황동합금.
불순물인 납(Pb)의 함유량이 0.2중량% 이하가 되도록 하면서, 황동스크랩, 구리(Cu)스크랩 및 아연(Zn)지금을 사용하여, 구리(Cu)는 56.0~61.0중량%, 아연(Zn)은 합금의 잔여량으로 하고, 기계적 강도 및 주조성을 향상시키기 위해 알루미늄(Al)을 0.1~0.5중량%, 기계적 강도를 향상시키기 위해 철(Fe)을 0.1~0.5중량%, 주조성 및 내식성 향상을 위해 주석(Sn)을 0.2~0.6중량%, 내식성 향상 보조제로 니켈(Ni)을 0.15~0.5중량%, 가공성을 향상시키기 위해 비스머스(Bi)를 0.1~0.5중량%이 되도록 배합계산하여, 이를 용해로에 장입하여 950~1050℃에서 1~2시간 동안 용해시킨 후 계획된 성분을 맞추고, 용해로의 온도를 1060~1090℃로 올려 5~15분간 유지하면서 비금속개제물을 부상시켜 제거하고, 다시 용해로의 온돌르 1000~1050℃로 내려 결정립 미세화제로서 보론(B)을 3~10ppm을 용해로의 저부로 강제 장입시켜 5~15분간 더 유지시킨 후, 1000~1050℃의 온도에서 출탕시킴을 특징으로 하는 주물용 황동합금의 제조방법.