KR100389777B1 - 고강도 절삭성이 우수한 무연쾌삭 황동합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구리(Cu)-아연(Zn)의 2원계 황동합금으로서, 구리(Cu) 56∼62wt%, 납(Pb) 0.10wt%이하, 철(Fe) 및 주석(Sn) 1.0wt%이하, 나머지가 아연(Zn) 함량의 황동합금에 비스무트(Bi)를 0.5∼3.0wt%, 셀레늄(Se) 0.5∼2.0wt%에, 0.25wt% 이하의 셀륨(Ce)으로 조성된 무연쾌삭 황동합금에 관한 것으로, 황동합금 중에 셀륨(Ce)을 첨가함으로써 비스무트와 셀레늄을 결정립내 입계에 고르게 분산시켜 비스무트 셀레늄 편석을 억제하고 입자의 미세화를 촉진시켜, 절삭칩을 미세하게 분리시키고, 인체에 무해하며, 함연황동에 버금가는 기계적 가공 특성을 갖는 무연쾌삭 황동합금에 관한 것이다.

Description

고강도 절삭성이 우수한 무연쾌삭 황동합금 {BRASS ALLOY FOR CUTTING TOOL WITH HIGH SPEED PERFORMANCE}

본 발명은 고강도 절삭성이 우수한 무연쾌삭 황동합금에 관한 것으로, 구체적으로는 통상의 구리-아연 2원계 황동합금에 있어서, 납의 첨가량을 대폭 줄이고 셀륨을 첨가함으로써, 인체에 무해하면서 함연황동에 버금가는 기계적 가공 특성을 지닌 무연쾌삭 황동합금에 관한 것이다.

지금까지 개발 사용되어온 쾌삭황동은 납(Pb)을 1.0∼4.5wt% 첨가하여 금속 가공 중에 칩을 잘게 부수는 효과가 있고, 또 가공시 발생되는 열에 의하여 상대적으로 융점이 낮은 납(Pb)이 윤활제의 역할을 함에 따라 가공 저항력을 감소시키는 효과가 있어, 절삭가공공구의 수명을 연장시키는 효과가 있으며, 표면연마를 필요로 하는 부품 등에는 납의 첨가 필요성이 매우 높았다.

그러나 납은 일반 공급용수에서 침출되는 경향이 있어 최근 들어 전세계적으로 엄격히 규제하고 있는 실정이다. 따라서 납계 쾌삭황동의 대체재로써 인체에 무해하면서 쾌삭황동에 버금가는 절삭성 및 기계적 특성을 지닌 소재개발을 위한 노력들이 활발히 진행되고 있다.

일반적으로 현재 개발중인 무연쾌삭 황동을 열거하면,

첫째, 흑연 분말이나 BN 분말과 같이 구리(Cu)기지 내에 고용되지 않는 이종입자들을 구리(Cu) 용탕 내에 강제 첨가 교반하여 동합금 내에 균일 분산시킨 것으로 구리와 이종입자간의 밀도 차가 커 이종입자의 균일 분포가 어려우며 이종입자의 박리에 의한 가공표면이 거칠어져 도금성 등에 문제가 있다.

둘째, 납(Pb)과 주기율표상에서 인접한 원소로 비스무트(Bi)를 첨가하는 것으로 비스무트는 구리기지 내에 고용도가 없고 인체에 유해하지 않은 원소로 이용되고 있으나, 비스무트는 조대한 결정립을 형성하며, 수축기공의 조장과 심한 입계편석을 일으키는 경향이 있어 동합금의 취성을 일으키는 원인이 되어 열처리에 의한 결정립의 미세화 및 구상화 처리를 해야 한다는 결점을 가지고 있다.

셋째, 비스무트(Bi)계에 비스무트와 더불어 저융점 공정조성을 갖는 합금원소를 추가 첨가하는 방법으로 이 방법은 정출상이 박막성 형태로 결정입계에 정출하는 경우가 많아 절삭가공성을 저해하고 가공표면을 저해할 우려가 있다.

넷째, 셀레늄(Se)을 첨가하는 방법으로 셀레늄은 구리와 다양한 금속간 화합물을 형성하며 결정입계에 미세하게 정출하는 특성이 있어 1%이하의 소량첨가로도 가공성을 향상시키는 것으로 알려져 있으나 650℃에서 기화되어 단독 첨가시 유독한 증기를 발생시켜 그 사용이 제한을 받고 있다.

다섯째, 셀레늄(Se)을 비스무트-셀레나이드 형태로 첨가하여 셀레늄의 유독성을 방지하고 비스무트와 셀레나이드를 결정입계와 입내에 고르게 형성시켜 가공성을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있으나 봉상, 판상, 박막상등으로 형성되는 경향이 강해 종전의 함연황동에 비해 기계가공성 및 특성을 향상시키는 효과를 얻기 힘들다. 이상의 여러 가지 사유로 인해 계속된 연구개발이 진행되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 사정을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 납의 함량을 크게 줄이고 비스무트- 셀레나이드를 이용하여 동합금의 기계가공성을 개선하고 이에 셀륨(Ce)을 첨가하여 동합금의 결정립을 미세화하고 이상입자들을 동합금 기지 내에 고루 분산시켜 납(Pb)을 함유한 기존 쾌삭황동 합금 대비 기계가공성의 저하 없이 기계적 특성을 크게 향상시킬 수 있게 하는 고강도 절삭성이 우수하고 인체에 무해한 무연쾌삭 황동 합금을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 구리(Cu)-아연(Zn) 황동합금에서 구리(Cu) 56∼62wt%, 납(Pb) 0.10wt%이하, 철(Fe)+주석(Sn) 1.0wt%이하, 비스무트(Bi) 0.5∼3.0wt%, 셀레늄(Se) 0.5∼2.0wt%, 셀륨(Ce) 0.25wt% 이하의 나머지가 아연(Zn) 함량(wt%)인 조성을 갖는 절삭성이 우수한 무연쾌삭 황동함금을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 무연쾌삭황동합금의 주조조직 광학현미경 사진

도 2는 본 발명의 무연쾌삭황동합금의 압출조직 광학현미경 사진

본 발명은 구리-아연 2원계의 황동합금에 있어서 비스무트-셀레나이트를 이용하여 동합금의 기계가공성을 개선하고 이에 셀륨을 첨가하여 동합금의 결정립을 미세화하고, 이상입자들을 동합금지재 내에 고르게 분산시켜 납을 함유한 기존 쾌삭황동합금에 비해 납의 침출을 방지하고 기계 가공성의 저하 없이 기계적 특성을 크게 향상시킬 수 있는 황동합금에 관한 것으로, 구체적으로는 구리 56∼62wt%, 납 0.1wt% 이하, 철+주석 1.0wt% 이하, 나머지 아연의 황동합금에 비스무트를 0.5∼3.0wt%, 셀레늄 0.5∼2.0wt%에 0.25wt% 이하의 셀륨 조성을 갖는 무연쾌삭 황동합금에 관한 것이다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 설명하겠다.

본 발명은 56∼62wt%Cu - 0.5∼3.0wt%Bi - 0.5∼2.0wt%Se - 0.25wt% 이하의 셀륨(Ce)을 기본조성으로 Pb 0.1%이하, Sn+Fe 1.0%이하, 나머지를 Zn wt%로 하고, 무연쾌삭황동의 기계적 특성을 체크하기 위하여 아래의 표와 같은 조성이 되도록 용해 및 주조를 실시하였다.

표에서 1-3번은 비교예로써 사용되었으며, 이중 시료번호 1번은 종래의 6:4 황동이며 2, 3번은 종래의 함연쾌삭황동 C3604, C3771이다. 시편의 화학조성은 구리함량에 따라 비스무트 및 셀레늄의 함량을 가감한 것이며 셀륨은 0부터 0.21%까지 변화를 주며 실시한 예이다.

본 발명의 무연쾌삭 황동합금의 실시예와 비교예는 대기 중에서 용해 및 주조 실시하였다.

실시예 2번의 주조조직은 도1에서 보는 바와 같이 비스무트-셀레나이드가 입계에 분포되고 셀륨은 입계 및 입내에 고르게 분포되어 있다. 이렇게 주조된 조직은 압출 및 인발되는 가공공정을 거치면 도2에서와 같이 입자 미세화가 촉진되고 조직 내에 편석이 없으며 전역에 걸쳐 고르게 분산시켜 비스무트-셀레나이드계의 입계편석에 의한 취성을 개량시켜 소재의 입계균열을 방지할 수 있고 기계가공성의 저하 없이 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.

가공성의 평가는 공구동력계를 이용 드릴과 절삭칩의 모양을 조사하였다.

표2에서는 절삭성을 보기 위해 공구동력계를 이용한 드릴가공 실시 데이터를 표기하였다.

표2에서는 본 발명의 무연쾌삭황동합금의 드릴절삭때의 절삭저항력을 토크값으로 나타내었다.

시험조건은 3.5의 고속도강(HSS, High speed steel) 드릴로, 절삭속도 1100rpm으로 깊이 10mm의 조건으로 실험한 결과이다.

실험에서도 알 수 있듯이 비스무트, 셀레늄, 셀륨이 첨가되지 않은 비교1 시료는 토크값이 8.25이고, 비스무트-셀레나이드가 비슷한 상태에서 테스트한 실시1, 2, 3, 4의 경우 2번은 셀륨이 0.06wt%로 토크값 2.70kgf/cm, 0.10wt%로 첨가한 3번은 토크값 2.77kgf/cm, 0.15wt%로 첨가한 4번은 토크값 2.89kgf/cm, 0.21wt%로 첨가한 1번은 토크값 2.92kgf/cm로 셀륨이 소량 첨가된 것일수록 절삭성은 높은 것으로 나타나고 있다. 특히 비스무트-셀레늄-셀륨이 2.60wt%-0.90wt%-0.06wt%인 실시예2번은 기존의 쾌삭황동 C3604에 버금가는 98%대의 절삭성을 가진 것을 알 수 있다.

기존의 함연황동(쾌삭황동)의 절삭성을 100%로 하였을 때 납(Pb)외 다른 합금원소를 첨가하지 않은 비교1번은 절삭성이 32.1%로 매우 낮은 것으로 나타났으며, 본 발명에서 채용한 비스무트-셀레늄-셀륨을 사용한 합금은 최소 90%에서 98%까지의 절삭성을 나타내었다.

절삭성 90%는 기존의 함연 단조용 황동 C3771에 버금가는 소재로 쾌삭황동으로 분류되어질 수 있으며, 실시예2번의 98% 절삭성을 가진 합금은 기존 쾌삭황동 C3604를 대신할 수 있는 소재로 분류되어질 수 있다.

본 발명에서 셀륨(Ce)첨가에 의해서 얻어지는 기계적 특성은 아래 표3에서와 같다.

실시예1, 2, 3, 4에서 비스무트-셀레나이드의 함량은 변화가 없으나 셀륨(Ce) 0.06wt%일 때 경도는 65.0으로, 0.10wt% Ce일때 경도 66.2로, 0.15wt% Ce일때 경도 69.2로, 0.21wt% Ce일때 경도 70.1로 셀륨의 증대에 따라 경도의 증가가 비례적으로 증가됨을 볼 수 있다.

이는 셀륨의 첨가에 의해 절삭성을 쾌삭황동에 대등하게 유지시키며 기계적 특성은 기존 함연황동 대비 월등하게 향상시킴을 알 수 있다.

본 발명의 납(Pb) 침출시험의 예는 아래표 4에 나타내었다.

표1의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 합금을 보건복지부 고시 제98-60호 "기구 및 용기. 포장기준 및 규격"에 의해 주조품에서 시료를 채취하여 표면적을 (50×50×20h)계산하고 표면적 1㎠에 대하여 2ml의 비율로 각각 증류수와 4% 초산용액을 침출용액으로 하여 침출용액에 검체를 담근 후 유리판으로 덮고 95℃를 유지하면서 30분간 침출하고 침출액에 포함되어 있는 납(Pb)함량을 측정하여 그 결과를 표에 나타내었다.

상기 표와 같이 본 발명에 사용되어진 납(Pb) 0.07%정도의 주조품에서는 증류수 및 4% 초산에서도 보건복지부 기준인 1ppm이하로 납이 용출되고 있으나 납함량이 3.4%인 기존의 함연쾌삭황동은 납침출이 증류수에서 3.4ppm으로, 4% 초산용액에서 30ppm으로 보건복지부 기준에 못 미치는 것을 알 수 있다.

상기에서 서술했듯이 본 발명에서 사용되어진 무연황동합금 57∼62wt%, Cu-0.5∼3.0wt%, Bi-0.5∼2.0wt%, Se-0.0∼0.25wt%, Ce를 기본조성으로 Pb 0.10%이하, Sn+Fe 1.0%이하, 나머지를 Zn%로 하는 합금은 납침출이 적어 인체에 무해하고, 절삭성, 기계적 특성이 우수해 기존의 함연황동합금을 대체할 수 있는 무연황동합금으로 분류될 수 있다.또한 위의 조성비에서 비스무트(Bi), 셀레늄(Se)은 과다하게 투입되었을 시 금속조직 내에 일정 균일분포가 어려워 기계가공시 절삭성은 좋으나 가공크랙을 나타내고, 셀륨(Ce)은 강, 경도를 향상시키는 효과가 있으나, 가공 절삭성을 해치는 경향이 있어 상기에서와 같이 본 발명에서는 일정성분의 제한을 두고 실험실시하였다.

이상의 황동합금은 황동합금 중에 셀륨을 첨가함으로써, 비스무트와 셀레늄을 결정립내 입계에 고르게 분산시켜 비스무트 셀레늄 편석을 억제하고 입자의 미세화를 촉진시켜 가공표면이 치밀하여 도금성이 우수하고, 절삭성 또한 뛰어나며 납의 침출성을 크게 줄일 수 있어 무해한 고강도 절삭성이 우수한 무연쾌삭 황동합금이다 할 수 있다.

Claims (1)

1. 구리(Cu)-아연(Zn) 황동합금에서 구리(Cu) 56∼62wt%, 납(Pb) 0.10wt%이하, 철(Fe)+주석(Sn) 1.0wt%이차, 비스무트(Bi) 0.5∼3.0wt%, 셀레늄(Se) 0.5∼2.0wt%, 셀륨(Ce) 0.25wt% 이하 나머지가 아연(Zn) 함량(wt%)인 화학 조성을 갖는 고강도 무연쾌삭 황동합금.