KR100592369B1 - Bismuth Inclusion Sphericals Lead-Free Brass Alloy - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구리(Cu)-아연(Zn) 황동합금에 납(Pb)이 첨가되지 않고, 소량의 비스무스(Bi), 미쉬메탈(Misch metal), 인(P), 황(S)을 첨가하여 비스무스(Bi)개재물의 구형화와 계면(Film)형성을 억제하도록 구성되는 비스무스(Bi)개재물 구형화 무연 황동합금에 관한 것이다. 본 발명에 의한 비스무스(Bi)개재물 구형화 무연 황동합금은, 구리(Cu)-아연(Zn) 황동합금에서 구리(Cu) 50 ~ 70wt%, 비스무스(Bi) 0.5 ~ 3.5wt%, 미쉬메탈(Misch metal) 0.01 ~ 0.3wt%, 인(P) 0.01 ~ 0.3wt%, 나머지가 아연(Zn) 함량(wt%)인 화학 조성을 가지며, 상기 구리(Cu)-아연(Zn) 황동합금에는 황(S)이 0.1wt% 이하 첨가되고, 상기 구리(Cu)-아연(Zn) 황동합금에는 철(Fe)과 주석(Sn)의 합이 1.0wt% 이하 첨가됨을 특징으로 한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 납(Pb) 용출이 없으므로 인체에 무해하며 절삭성이 우수한 이점이 있다.In the present invention, lead (Pb) is not added to the copper (Cu) -zinc (Zn) brass alloy, and a small amount of bismuth (Bi), misch metal (Misch metal), phosphorus (P), and sulfur (S) is added. A bismuth (Bi) inclusion spherical shaped lead-free brass alloy configured to suppress sphericalization and formation of interfaces of bismuth (Bi) inclusions. Bismuth (Bi) inclusions spherical shaped lead-free brass alloy according to the present invention, copper (Cu)-zinc (Zn) brass alloy copper (Cu) 50 ~ 70wt%, bismuth (Bi) 0.5 ~ 3.5wt%, Mish metal ( Misch metal) has a chemical composition of 0.01 to 0.3wt%, phosphorus (P) 0.01 to 0.3wt%, the remainder is zinc (Zn) content (wt%), and the copper (Cu) -zinc (Zn) brass alloy contains sulfur ( S) is added at 0.1 wt% or less, and the sum of iron (Fe) and tin (Sn) is added at 1.0 wt% or less to the copper (Cu) -zinc (Zn) brass alloy. According to the present invention as described above, there is no lead (Pb) elution is harmless to the human body has the advantage of excellent machinability.

황동합금, 무연, 구형화, 미쉬메탈(Ms), 인(P), 황(S), 비스무스(Bi)개재물Brass Alloy, Lead-free, Spherical, Mish Metal (Ms), Phosphorous (P), Sulfur (S), Bismuth (Bi)

Description

비스무스 개재물 구형화 무연 황동합금{Globular shaped Bismuth inclusion in Lead-free copper based alloy materials}Global shaped Bismuth inclusion in Lead-free copper based alloy materials

도 1 은 인(P)-미쉬메탈(Ms) 첨가 비스무스(Bi) 무연황동의 경도변화를 나타낸 그래프. 1 is a graph showing the hardness change of phosphorus (P) -mesh metal (Ms) addition bismuth (Bi) lead-free brass.

도 2 는 인(P)-미쉬메탈(Ms) 첨가 비스무스(Bi) 무연황동의 기계적 특성을 나타낸 그래프.Figure 2 is a graph showing the mechanical properties of phosphorus (P) -mesh metal (Ms) addition bismuth (Bi) lead-free brass.

도 3 은 65-35 황동에서 열처리후 첨가조성에 따른 비스무스(Bi)개재물의 형상 및 분포를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진.Figure 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the shape and distribution of bismuth (Bi) inclusions according to the addition composition after heat treatment in 65-35 brass.

도 4 는 65-35 황동에서 열처리후 첨가조성에 따른 결정립계에 존재하는 비스무스(Bi)개재물의 이면각분포를 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the back angle distribution of bismuth (Bi) inclusions present in the grain boundary according to the addition composition after heat treatment in 65-35 brass.

도 5 는 50-50 황동에서 열처리후 첨가조성에 따른 비스무스(Bi)개재물의 형상 및 분포를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진.5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the shape and distribution of bismuth (Bi) inclusions according to the addition composition after heat treatment in 50-50 brass.

도 6 은 50-50 황동에서 열처리후 첨가조성에 따른 결정립계에 존재하는 비스무스(Bi)개재물의 이면각분포를 나타낸 그래프.6 is a graph showing the back angle distribution of bismuth (Bi) inclusions present in grain boundaries according to the addition composition after heat treatment in 50-50 brass.

도 7 은 66Cu-33.1Zn-1.5Bi-0.1P-0.3Ms-0.1S 황동의 주조직후 계면 개재물의 형상 을 보인 주사전자현미경(SEM) 사진.7 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the shape of the interface inclusion after the main structure of 66Cu-33.1Zn-1.5Bi-0.1P-0.3Ms-0.1S brass.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

100. 결정립 100a. 결정립계100. Grain 100a. Grain boundary

120. 비스무스(Bi)개재물 140. 인(P)-미쉬메탈(Ms)-황(S)화합물120. Bismuth (Bi) inclusions 140. Phosphorus (P) -mesh metal (Ms)-sulfur (S) compounds

본 발명은 황동합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구리(Cu)-아연(Zn) 황동합금에 납(Pb)이 첨가되지 않고, 소량의 비스무스(Bi), 미쉬메탈(Misch metal), 인(P), 황(S)을 첨가하여 인체에 무해하고 우수한 절삭성을 나타내는 비스무스(Bi)개재물 구형화 무연 황동합금에 관한 것이다.The present invention relates to a brass alloy, and more particularly, lead (Pb) is not added to a copper (Cu) -zinc (Zn) brass alloy, and a small amount of bismuth (Bi), Misch metal, phosphorus ( P), sulfur (S) is added to the bismuth (Bi) inclusions spherical lead-free brass alloy harmless to the human body and showing excellent cutting properties.

일반적으로, 납(Pb)을 함유하는 황동합금은 쾌삭성(快削性)이 우수하여 여러가지의 제품(예컨대, 상수도용 배관의 물마개금구, 급배수금구, 밸브 등)의 구성재로서 많이 사용되고 있다. In general, brass (Pb) -containing brass alloys have excellent free-cutting properties and are widely used as constituents of various products (for example, water stoppers, water supply and drainage valves, valves, etc.) for water supply pipes.

지금까지 개발 사용되어온 쾌삭황동은 납(Pb)을 1.0 ~ 4.5wt% 첨가하여 금속가공 중에 칩(Chip)을 잘게 부수는 효과가 있고, 또한 가공시 발생되는 열에 의하여 상대적으로 융점이 낮은 납(Pb)이 윤활제의 역할을 함에 따라 가공 저항력을 감소시키는 효과가 있다.Free cutting brass, which has been developed and used up to now, has 1.0 to 4.5wt% of lead (Pb) to crush chips during metal processing and also has a relatively low melting point due to heat generated during processing. ) Acts as a lubricant to reduce the processing resistance.

따라서, 절삭가공공구의 수명을 연장시키는 효과가 있으므로, 표면연마를 필요로 하는 부품 등에는 납(Pb)의 첨가 필요성이 매우 높았다.Therefore, since there is an effect of extending the life of the cutting tool, the necessity of adding lead (Pb) was very high in parts requiring surface polishing.

그러나, 최근에 이러한 납(Pb)계(係) 쾌삭황동 소재로 제조된 음료용 연결부위의 배관설비 혹은 수도꼭지 등으로 사용할 때, 황동합금에 분산되어 있는 유해한 납(Pb) 성분이 음료수 중으로 용출됨에 따른 심각한 건강상의 문제점이 제기되고 있다.However, recently, when used as a plumbing facility or a faucet for a beverage connection part made of such a Pb-based free cutting brass material, the harmful lead (Pb) component dispersed in the brass alloy is eluted into the beverage. Serious health problems have been raised.

따라서, 납계 쾌삭황동의 대체 재료로서 인체에 무해하면서도, 만족할 만한 절삭성을 나타내는 새로운 쾌삭황동 소재의 개발에 관심이 모아지고 있다.Therefore, attention has been drawn to the development of a new free cutting brass material which is harmless to the human body as an alternative material of the lead-based free cutting brass and exhibits satisfactory machinability.

현재 개발중인 무연 쾌삭황동을 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, 이는 구리(Cu)와 이종입자간의 밀도차가 커 이종입자의 균일 분포가 어려우며, 이종입자의 박리에 의한 가공표면이 거칠어져 도금성 등에 문제가 있다.The lead-free free-cut brass currently under development is listed. First, heterogeneous particles which are not dissolved in the copper (Cu) base such as graphite powder or BN powder are uniformly dispersed in the copper alloy by forced addition and stirring in the copper (Cu) molten metal. Since the density difference between Cu) and the dissimilar particles is large, it is difficult to uniformly distribute the dissimilar particles, and the surface of the dissociation of the dissimilar particles becomes rough, which causes problems in plating property.

둘째, 납(Pb)과 주기율표상에서 인접한 원소로 비스무스(Bi)를 첨가하는 것으로 비스무스(Bi)는 구리(Cu)기지 내에 고용도가 없고 인체에 유해하지 않은 원소로 이용되고 있으나, 비스무스(Bi)는 조대한 결정립을 형성하며, 수축기공의 조장과 심한 입계편석을 일으키는 경향이 있어 동합금의 취성을 일으키는 원인이 되므로, 열처리에 의한 결정립의 미세화 및 구상화처리를 해야 한다는 결점을 가지고 있다.Secondly, bismuth (Bi) is added to Pb and the adjacent elements on the periodic table. Bismuth (Bi) is used as an element that has no solid solution in the copper base and is not harmful to the human body. Since it forms coarse grains and tends to cause shrinkage pores and severe grain boundary segregation, it causes brittleness of copper alloys. Therefore, it has a drawback that the grains have to be refined and spheroidized by heat treatment.

셋째, 비스무스(Bi)계에 비스무스(Bi)와 더불어 저융점 공정조성을 갖는 합금원소를 추가 첨가하는 방법으로, 이 방법은 정출상이 박막성 형태로 결정입계에 정출하는 경우가 많아 절삭가공성을 저해하고 가공표면을 저해할 우려가 있다.Third, a method of adding an alloying element having a low melting point process composition together with bismuth (Bi) is added to the bismuth (Bi) system. There is a danger of inhibiting the processed surface.

넷째, 셀레늄(Se)을 첨가하는 방법으로 셀레늄(Se)은 구리와 다양한 금속간 화합물을 형성하며 결정입계에 미세하게 정출하는 특성이 있어, 1%이하의 소량첨가 로도 가공성을 향상시키는 것으로 알려져 있으나, 셀레늄(Se)의 가격이 고가이고, 650℃에서 기화되어 단독첨가시 유독한 증기가 발생됨으로써 그 사용이 제한을 받고 있다.Fourthly, selenium (Se) is a method of adding selenium (Se) to form various intermetallic compounds with copper, and has a characteristic of fine crystallization at grain boundaries, and is known to improve workability even with a small amount of less than 1%. , The price of selenium (Se) is expensive, the use of it is restricted by the vaporization at 650 ℃ to generate toxic vapor when added alone.

다섯째, 셀레늄(Se)을 비스무스-셀레나이드 형태로 첨가하여 셀레늄(Se)의 유독성을 방지하고 비스무스(Bi)와 셀레나이드를 결정립계와 결정립내에 고르게 형성시킴으로써 가공성을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있으나, 봉상, 판상, 박막상 등으로 형성되는 경향이 강해 종전의 함연황동에 비해 기계가공성 및 특성을 향상시키는 효과를 얻기 힘들다. Fifth, selenium (Se) is added in the form of bismuth-selenide to prevent the toxicity of selenium (Se), and it is known that bismuth (Bi) and selenide can be formed evenly in grain boundaries and grains to improve workability. It is hard to obtain the effect of improving the machinability and properties compared to the conventional brazed brass because it has a tendency to be formed into a plate, a thin film, or the like.

이상과 같이 진행되고 있는 연구개발 중 납(Pb) 함유 쾌삭황동 및 비스무스(Bi) 치환형 합금의 미세구조를 살펴보면, 우선 납(Pb) 함유 쾌삭황동에서 계면 개재물의 이면각을 용이하게 분석하기 위하여 주조 및 760℃, 16시간 열처리를 실시하게 된다. Looking at the microstructure of lead (Pb) -containing free-cutting brass and bismuth (Bi) substituted alloys during the research and development proceeding as described above, first, in order to easily analyze the backside angle of the interface inclusions in the lead-containing free-cut brass. Casting and heat treatment at 760 ° C. for 16 hours.

이러한 동합금내 납(Pb)의 역할은 구리(Cu) 기지내에 매우 적은 고용도로 결정립내 및 결정립계에 구형의 개재물이 생성되어, 절삭시 기지의 연속성을 감소시켜 절삭가공성을 향상시키며, 개재물의 유연성 및 윤활성으로 내마모성을 가질 뿐만 아니라 작은 고용도로 개재물이 존재함에도 동합금 특유의 도전성과 기계적 특성을 유지하게 된다. The role of lead (Pb) in copper alloy is to create spherical inclusions in grains and grain boundaries with very low solid solubility in copper (Cu) bases, reducing the continuity of the matrix during cutting to improve cutting processability, The lubricity not only has abrasion resistance but also maintains the conductivity and mechanical properties peculiar to copper alloys even in the presence of small inclusions.

그리고, 비스무스(Bi) 치환형 황동에서도 주조 및 760℃, 16시간 열처리를 실시하면, 비스무스(Bi)는 납(Pb)과 유사한 화학적 성질을 가지고 있어 동기지내의 매우 적은 고용도를 가지며, 납(Pb) 함유 동합금의 70 ~ 80%의 절삭성을 나타내고, 용출량이 납(Pb)의 10% 정도로써 인체 및 환경에 무해한 특징이 있다.In addition, when the bismuth (Bi) substituted brass is cast and subjected to heat treatment at 760 ° C. for 16 hours, bismuth (Bi) has a similar chemical property to that of lead (Pb), and thus has a very low solubility in the copper base. It exhibits 70-80% machinability of Pb) -containing copper alloy, and has a feature that the amount of elution is about 10% of lead (Pb), which is harmless to humans and the environment.

그러나, 결정립계에 비스무스(Bi) 계면(Film) 형성으로 절삭성 및 열간가공성의 감소를 야기하는데, 특히 납(Pb)의 용융점은 327.46℃이고 비스무스(Bi)의 용융점은 271.4℃이므로, 개재물의 용융점 이상의 온도에서 가공 및 주조할 경우 균열 발생을 야기하게 된다.However, the formation of a bismuth (Bi) interface at grain boundaries causes a decrease in machinability and hot workability, in particular, since the melting point of lead (Pb) is 327.46 ° C and the melting point of bismuth (Bi) is 271.4 ° C, which is higher than the melting point of the inclusions. Processing and casting at temperature will cause cracking.

또한, 계면(Film)이 차지하는 부피는 작지만 비면적이 크므로 액상-고상 변태시 수축으로 인하여 미세균열 발생가능성이 매우 높다.In addition, since the volume occupied by the film is small, but the specific area is large, the possibility of microcracks due to shrinkage during liquid-solid transformation is very high.

따라서, 비스무스(Bi) 치환형 무연(Pb-free) 황동의 개발은 결정립내의 비스무스(Bi) 개재물의 계면(Film) 형성억제와 구형화가 그 중요한 요건이 된다.Therefore, in the development of bismuth (Bi) substituted lead-free (Pb-free) brass, the inhibition of formation of the bismuth (Bi) inclusions in grains and spheronization are important requirements.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 구리(Cu)-아연(Zn) 황동합금에 납(Pb)이 첨가되지 않고, 소량의 비스무스(Bi), 미쉬메탈(Misch metal), 인(P), 황(S)을 첨가하여 비스무스(Bi)개재물의 구형화와 계면(Film)형성을 억제하도록 구성되는 비스무스(Bi)개재물 구형화 무연 황동합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 희토류(稀土類) 원소로 이루어진 미쉬메탈(Misch Metal)에서 특정한 희토류 원소를 추출하지 않고, 있는 그대로 사용함으로써 제조 원가가 절감되도록 하는 비스무스(Bi)개재물 구형화 무연 황동합금을 제공하는 것이다.
An object of the present invention for solving the problems as described above, lead (Pb) is not added to the copper (Cu) -zinc (Zn) brass alloy, a small amount of bismuth (Bi), Misch metal (Misch metal), It is to provide a bismuth (Bi) inclusions spheroidized lead-free brass alloy that is configured to suppress the sphericalization of the bismuth (Bi) inclusions and the formation of the interface (Film) by adding phosphorus (P), sulfur (S).
Another object of the present invention is to spherical lead-free brass alloy bismuth (Bi) inclusions to reduce the manufacturing cost by using as it is, without extracting a specific rare earth element from the Misch Metal consisting of rare earth (稀土 類) element To provide.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 비스무스(Bi)개재물 구형화 무연 황동합금은, 구리(Cu)-아연(Zn) 황동합금에서 구리(Cu) 50 ~ 70wt%, 비스무스(Bi) 1 ~ 3.5wt%, 미쉬메탈(Misch metal) 0.01 ~ 0.30wt%, 인(P) 0.05 ~ 0.3wt%, 황(S) 0.1wt% 이하, 철(Fe)과 주석(Sn)의 합 1.0wt% 이하이고, 나머지가 아연(Zn) 함량(wt%)인 화학 조성을 갖는 것을 특징으로 한다.Bismuth (Bi) inclusions spheronized lead-free brass alloy according to the present invention for achieving the above object, 50 ~ 70wt% copper (Cu) in the copper (Cu) -zinc (Zn) brass alloy, bismuth (Bi) 1 to 3.5 wt%, Misch metal 0.01 to 0.30 wt%, phosphorus (P) 0.05 to 0.3 wt%, sulfur (S) 0.1 wt% or less, sum of iron (Fe) and tin (Sn) 1.0 wt It is characterized by having a chemical composition which is% or less and the remainder is zinc (Zn) content (wt%).

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이와 같은 조성을 가지는 본 발명의 비스무스(Bi)개재물 구형화 무연 황동합금에 의하면, 납(Pb) 용출이 없으므로 인체에 무해하며 절삭성이 우수한 이점이 있다.According to the bismuth (Bi) inclusions spheroidized lead-free brass alloy of the present invention having such a composition, there is no lead (Pb) elution is harmless to the human body and has excellent cutting properties.

이하 상기한 바와 같은 조성을 가지는 본 발명에 의한 비스무스(Bi)개재물 구형화 무연 황동합금의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the bismuth (Bi) inclusion spherical shaped lead-free brass alloy according to the present invention having the composition as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 에는 인(P)-미쉬메탈(Ms) 첨가 비스무스(Bi) 무연황동의 경도변화를 나타낸 그래프가 도시되어 있으며, 도 2 에는 인(P)-미쉬메탈(Ms) 첨가 비스무스(Bi) 무연황동의 기계적 특성을 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 3 에는 65-35 황동에서 열처리후 첨가조성에 따른 비스무스(Bi)개재물의 형상 및 분포를 나타낸 주사전자현미경(SEM)사진이 도시되어 있다.1 is a graph showing the hardness change of phosphorus (P) -michmetal (Ms) -added bismuth (Bi) lead-free brass, and FIG. 2 is a lead-free bismuth (Bi) -added phosphorus (P) -michmetal (Ms) A graph showing the mechanical properties of brass is shown, and FIG. 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the shape and distribution of bismuth (Bi) inclusions according to the addition composition after heat treatment in 65-35 brass.

그리고, 도 4 에는 65-35 황동에서 열처리후 첨가조성에 따른 결정립계에 존재하는 비스무스(Bi)개재물의 이면각분포를 나타낸 그래프가 도시되어 있으며, 도 5 에는 50-50 황동에서 열처리후 첨가조성에 따른 비스무스(Bi)개재물의 형상 및 분포를 나타낸 주사전자현미경(SEM)사진이 도시되어 있고, 도 6 에는 50-50 황동에 서 열처리후 첨가조성에 따른 결정립계에 존재하는 비스무스(Bi)개재물의 이면각분포를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.And, Figure 4 is a graph showing the back angle distribution of the bismuth (Bi) inclusions present in the grain boundary according to the addition composition after heat treatment in 65-35 brass, Figure 5 shows the addition composition after heat treatment in 50-50 brass A scanning electron microscope (SEM) photograph showing the shape and distribution of the bismuth (Bi) inclusions is shown, and FIG. 6 shows the back surface of the bismuth (Bi) inclusions present at grain boundaries according to the addition composition after heat treatment in 50-50 brass. A graph showing the angular distribution is shown.

한편, 도 7 에는 66Cu-33.1Zn-1.5Bi-0.1P-0.3Ms-0.1S 황동의 주조직후 계면 개재물의 형상을 나타낸 주사전자현미경(SEM)사진이 도시되어 있다.7 shows a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the shape of the interface inclusion after the main structure of 66Cu-33.1Zn-1.5Bi-0.1P-0.3Ms-0.1S brass.

일반적으로 황동합금은 아연(Zn)의 함량에 따라 α상(Fully-α structure)을 갖는 황동합금, β상(Fully-β structure)을 갖는 황동합금 및 α+ β상(α+ β dual phase)으로 이루어진 황동합금이 있다. In general, the brass alloy is a brass alloy with a α- (Fully-α structure), a brass alloy with a β-phase (Fully-β structure) and α + β phase (α + β dual phase) according to the content of zinc (Zn). There is a brass alloy consisting of.

α상은 그 물리적 성질이 연하여 상온가공성이 우수하고 내식성이 우수하나 기계적강도가 낮은 문제점을 지니고 있어 전연성이나 가공성을 필요로 하는 제품에 주로 사용된다. α phase is soft in its physical properties, so it is excellent in room temperature processing and corrosion resistance, but has low mechanical strength. It is mainly used for products requiring malleability or processability.

β상은 그 물리적 성질이 경하고, 열간가공성이 우수하나 기계적강도가 너무 높아 취약하고 α상에 비하여 부식이 잘되는 문제점을 지니고 있어, 특히 고경도, 내마모성을 필요로 하는 경우에는 β단상 조직의 것이 이용되기도 한다. β phase is hard in physical properties, has excellent hot workability, but has too high mechanical strength and is weak, and has a problem of being corroded better than α phase. In particular, β single phase tissue is used when high hardness and abrasion resistance are required. Sometimes.

α+β의 2상으로 이루어진 황동합금은 상온에서의 전연성은 낮으나 강도가 크며, 아연함량이 많아 가격은 황동중에서 가장 싸며, 고온가공하여 상온에서 완성하는 절삭가공 및 열간단조공정에 의해 기계부품, 배관용자재의 연결부위, 물이나 음료수용 배관 및 밸브 등의 각종 부품소재로 널리 사용되고 있다.Brass alloy composed of two phases of α + β has low ductility at room temperature, but has high strength and high zinc content. It is the cheapest among brass, and the price is the lowest among brass. It is widely used in various parts such as connecting parts of piping materials, pipes and valves for water and beverages.

그리고, 이러한 황동합금에 비스무스(Bi)가 첨가되면, 비스무스(Bi)는 입계에 편중되어 취성을 일으키는 원인으로 작용하는 것으로 알려져 있으나, 아연(Zn)을 일정량 첨가하면 황동합금의 표면장력이 감소하여 비스무스(Bi)가 입계 또는 입 계의 삼중점(Triple point)에 편중되지 않음은 물론 형상도 원형 혹은 타원형에 가까운 형상으로 존재한다.In addition, when bismuth (Bi) is added to such a brass alloy, bismuth (Bi) is known to act as a cause of brittleness by being biased at grain boundaries, but when a predetermined amount of zinc (Zn) is added, the surface tension of the brass alloy decreases. Bismuth (Bi) is not biased at the grain boundary or triple point of the grain boundary, of course, the shape is also present in a round or oval shape.

상기와 같은 장점에 반해 비스무스(Bi)는 조대한 결정립을 형성하며, 수축기공의 조장과 심한 입계편석을 일으키는 경향이 있어 동합금의 취성을 일으키는 원인이 되므로, 열처리에 의한 결정립의 미세화 및 구상화처리를 해야 한다는 결점을 가지고 있다.In contrast to the above advantages, bismuth (Bi) forms coarse grains and tends to cause shrinkage pores and severe grain boundary segregation, which causes brittleness of copper alloys. There is a drawback to doing this.

따라서, 결정립내의 개재물의 계면(Film) 형성억제와 구형화를 위해, 비스무스(Bi)-미쉬메탈(Misch metal) 화합물 형성으로 계면(Film)상의 비스무스(Bi) 트랩(Trap) 효과가 있는 미쉬메탈(Misch metal)과, 구리(Cu)-비스무스(Bi) 계면에너지 증가에 이면각 증가로 계면(Film)의 확장 억제 효과가 있는 인(P)을 첨가하여 실시한 실험 데이타가 아래의 표 1 에 나타나 있다.Therefore, for suppressing spherical formation and spheronization of inclusions in grains, bismuth (Bi) -misch metal compounds are formed to form bismuth (Bi) traps on the interface (Milm). (Misch metal) and copper (Cu) -bismuth (Bi) increase in the interfacial energy to increase the dihedral angle, the experimental data carried out by the addition of phosphorus (P) having the effect of inhibiting the expansion of the interface (Film) is shown in Table 1 below have.

〈 표 1. P 및 Ms 첨가 Bi 무연황동의 화학성분 〉             <Table 1. Chemical composition of P and Ms-added Bi lead-free brass

Figure 112004013104131-pat00001
Figure 112004013104131-pat00001

상기 표 1 의 데이타를 기준으로 인(P)-미쉬메탈(Ms) 첨가에 따른 비스무스(Bi) 치환형합금의 기계적 특성 및 절삭성은 도 1 과 2 에 도시된 바와 같이, 종래 상용 납(Pb) 황동과 유사한 기계적 특성을 나타내고, α+β상 및 β상에서는 연신율이 증가하는 것을 알 수 있다.Mechanical properties and machinability of the bismuth (Bi) substituted alloy according to the addition of phosphorus (P) -mesh metal (Ms) based on the data in Table 1, as shown in Figures 1 and 2, conventional commercial lead (Pb) It shows mechanical properties similar to that of brass, and it can be seen that the elongation increases in the α + β phase and the β phase.

그리고, 절삭성은 기존합금(MB12)과 비교해 보면, 아래 표 2 에 나타나 있는 것과 같이 6-4 황동에서 Ms 0.1~0.3, P 0.1~0.3, S 0.1이하 첨가시 80%에 가까운 절삭성을 나타내게 된다.And, compared with the conventional alloy (MB12), as shown in Table 2 below, in the 6-4 brass Ms 0.1 ~ 0.3, P 0.1 ~ 0.3, when the S 0.1 or less added, the cutting performance is nearly 80%.

<표 2. 6-4황동에서 Ms0.1~0.3, P0.1~0.3, S0.1이하 첨가시 절삭성 변화><Table 2. Changes in Machinability in 6-4 Brass by Adding Ms0.1 ~ 0.3, P0.1 ~ 0.3, and S0.1 or Less>

치수 (mm)Dimensions (mm) 강도 (Kgf/㎟)Strength (Kgf / ㎡) 신율 (%)Elongation (%) 경도 (Hv,10)Hardness (Hv, 10) 절삭성 (회전저항)Machinability (Rotational Resistance) Ms P S 첨가Ms P S addition φ3.16φ3.16 56.156.1 7.27.2 172172 80.580.5 φ4.50φ4.50 52.252.2 8.18.1 158158 79.779.7 φ31.75φ31.75 42.642.6 25.525.5 138138 86.986.9 기존합금Existing Alloy φ4.5φ4.5 56.856.8 9.09.0 177177 67.967.9

한편, 비스무스(Bi)-미쉬메탈(Ms) 첨가 비스무스(Bi) 치환형 합금에서의 비스무스(Bi)개재물의 형상이 도 3 과 5, 그리고 7 에 도시되어 있다. 즉, 65-35 황동(α상)과 50-50 황동(β상)에서 열처리후 첨가조성에 따른 비스무스(Bi)개재물의 형상 및 분포와, 65-35 황동(α상)의 주조직후 계면 개재물의 형상이 도시되어 있다.Meanwhile, the shapes of the bismuth (Bi) inclusions in the bismuth (Bi) -michmetal (Ms) -added bismuth (Bi) substituted alloys are shown in FIGS. 3, 5, and 7. That is, the shape and distribution of bismuth (Bi) inclusions according to the addition composition after heat treatment in 65-35 brass (α phase) and 50-50 brass (β phase), and the interface inclusions after the main structure of 65-35 brass (α phase) The shape of is shown.

이에 도시된 바에 따르면, 비스무스(Bi)개재물(120)은 결정립계(100a)와 결정립(100)내에 균일하게 분포한다. 이때, 주조직후의 비스무스(Bi)개재물(120)의 형상은 원형 또는 막대모양으로 형상이 분균일하지만 결정립계(100a) 혹은 결정립(100)내에 편재되지 않고, 결정립계(100a)와 결정립(100)내의 전부분에 균일하게 분포한다.As shown therein, the bismuth (Bi) inclusions 120 are uniformly distributed within the grain boundaries 100a and grains 100. At this time, the shape of the bismuth (Bi) inclusions 120 after the main structure is circular or rod-shaped, but the shape is uniform, but is not ubiquitous in the grain boundary (100a) or grains (100), but within the grain boundaries (100a) and grains (100) Evenly distributed throughout.

이러한 주조조직은 압출 및 인발되는 가공공정을 거치게 되면, 비스무스(Bi)개재물(120)의 형상이 원형 또는 타원형에 가까운 형상으로서 결정립계(100a)와 결정립(100)내에 균일하게 분포시킬 수 있게 된다.When the casting structure is subjected to a process of extrusion and drawing, the shape of the bismuth (Bi) inclusions 120 may be uniformly distributed in the grain boundaries 100a and grains 100 as a shape that is close to a circular or elliptical shape.

상기 미쉬메탈(Misch metal : 60Ce-23La-12Nd-4Pr)은 희토류의 15원소가 혼합된 것으로, 희토류의 15원소 중에서도 특히 세륨(Ce), 란타늄(La), 프라세오디뮴(Pr) 및 네오디뮴(Nd) 등의 금속원소가 다량 함유되어 있으며, 첨가원소로 사용되어 발화합금(發火合金)을 형성하는데 적용되고 있다.
그리고, 상기 미쉬메탈(Ms)은 알루미늄(Al) 및 구리(Cu) 등의 결정립 미세화제로 알려져 있으며, 주로 결정립계(100a)에 분포하게 됨으로써 비스무스(Bi)와 미쉬메탈(Ms)이 반응하게 된다.
또한, 구리(Cu)에 고용되어 비스무스(Bi)-구리(Cu)의 계면에너지를 향상시키는 원소로 인(P)을 첨가하여 도 4 와 6 에 도시된 바와 같이, 65-35 황동(α상)과 50-50 황동(β상)에서의 이면각이 종래 상용 납(Pb) 황동에서의 이면각과 비슷하게 나타나게 된다.
The Misch metal (60Ce-23La-12Nd-4Pr) is a mixture of 15 elements of rare earths. Among the 15 elements of rare earths, in particular, cerium (Ce), lanthanum (La), praseodymium (Pr), and neodymium (Nd) It contains a large amount of metal elements such as these, and is used as an additive element to form a ignition alloy.
In addition, the misch metal (Ms) is known as grain refiners such as aluminum (Al) and copper (Cu), and is mainly distributed in the grain boundary 100a so that bismuth (Bi) and misch metal (Ms) react.
In addition, phosphorus (P) is added as an element that is dissolved in copper (Cu) and improves the interfacial energy of bismuth (Bi) -copper (Cu), and as shown in FIGS. 4 and 6, 65-35 brass (α phase) ) And 50-50 brass (β phase), the back angle is similar to that of conventional lead (Pb) brass.

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따라서, 구형화에 중요한 이면각이 증가함에 따라 계면(Film)확장을 억제시키게 되며, 인(P)-미쉬메탈(Ms)-황(S)화합물(140) 형성으로 계면(Film)상의 비스무스(Bi) 트랩(Trap) 효과에 의해 계면(Film)의 확장이 더 억제된다.Therefore, as the back angle, which is important for spheronization, increases, the expansion of the interface is suppressed, and the formation of the phosphorus (P) -mesh metal (Ms) -sulfur (S) compound 140 results in the formation of bismuth on the interface (Film). Bi) By the trap effect, the expansion of the interface is further suppressed.

그리고, 상기와 같은 화학 조성를 가지는 비스무스(Bi)개재물 구형화 무연 황동합금에는 필요에 따라서 철(Fe)과 주석(Sn)의 합이 1.0wt% 이하로 첨가되기도 한다.In addition, the sum of iron (Fe) and tin (Sn) may be added in an amount of 1.0 wt% or less to the bismuth (Bi) inclusion spherical lead-free brass alloy having the chemical composition as described above.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.The scope of the present invention is not limited to the above-exemplified embodiments, and many other modifications based on the present invention may be made by those skilled in the art within the above technical scope.

위에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 의한 비스무스(Bi)개재물 구형화 무연 황동합금에서는, 구리(Cu)-아연(Zn) 황동합금에 납(Pb)이 첨가되지 않고, 소량의 비스무스(Bi), 미쉬메탈(Misch metal), 인(P), 황(S)을 첨가하여 인체에 무해하고 우수한 절삭성을 나타내도록 하는 황동합금을 구성하였다.In the bismuth (Bi) inclusion spherical lead-free brass alloy according to the present invention as described in detail above, lead (Pb) is not added to the copper (Cu) -zinc (Zn) brass alloy, and a small amount of bismuth (Bi) By adding a metal (Misch metal), phosphorus (P), sulfur (S) to constitute a brass alloy that is harmless to the human body and exhibits excellent machinability.

따라서, 납(Pb)을 첨가하지 않고서도 종래 납계 황동합금에서와 같은 기계적 특성과 절삭성을 유지하는 무연쾌삭 황동합금을 제조할 수 있게 되는 효과가 기대 된다.Accordingly, it is expected that the lead-free brass alloy can be produced without maintaining the mechanical properties and machinability as in the conventional lead-based brass alloy without adding lead (Pb).

그리고, 인체에 해로운 납(Pb)을 대체하여 비스무스(Bi)와 미쉬메탈(Misch metal), 인(P), 황(S)을 소량 첨가하여 결정립계와 결정립내에 인(P)-비스무스(Bi)-황(S)화합물을 형성함으로써 비스무스(Bi)개재물의 구형화를 실현시킬 수 있는 효과가 기대된다.Subsequently, small amounts of bismuth (Bi), misch metal (Misch metal), phosphorus (P), and sulfur (S) are added to replace lead (Pb), which is harmful to the human body, and phosphorus (P) -bismuth (Bi) in grain boundaries and grains. -Formation of sulfur (S) compound is expected to effect spherical formation of bismuth (Bi) inclusions.

또한, 구리(Cu)와 비스무스(Bi)간의 계면에너지 증가에 따른 이면각 증가로 결정립계에 계면(Film)의 확장형성을 억제할 수 있게 되고, 비스무스(Bi)-미쉬메탈(Ms)화합물 형성으로 계면상의 비스무스(Bi) 트랩(Trap) 효과의 영향으로 비스무스(Bi)개재물의 구형화가 실현되는 효과도 기대된다.
뿐만 아니라, 미쉬메탈에서 특정한 원소를 추출하여 사용하지 않고 그대로 사용함으로써 제조 원가가 현저히 절감되는 이점이 있다.
In addition, it is possible to suppress the expansion of the interface at the grain boundary due to the increase of the backside angle due to the increase of the interfacial energy between copper (Cu) and bismuth (Bi), and to form a bismuth (Bi) -michmetal (Ms) compound. The effect of spheronization of bismuth (Bi) inclusions is also expected under the influence of the bismuth (Ti) trap effect on the interface.
In addition, there is an advantage that the manufacturing cost is significantly reduced by using as it is instead of extracting a specific element from the mesh metal.

Claims (3)

구리(Cu)-아연(Zn) 황동합금에서 구리(Cu) 50 ~ 70wt%, 비스무스(Bi) 1 ~ 3.5wt%, 미쉬메탈(Misch metal) 0.01 ~ 0.30wt%, 인(P) 0.05 ~ 0.3wt%, 황(S) 0.1wt% 이하, 철(Fe)과 주석(Sn)의 합 1.0wt% 이하이고, 나머지가 아연(Zn) 함량(wt%)인 화학 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 비스무스(Bi)개재물 구형화 무연 황동합금.Copper (Cu) -Zn Brass 50-70 wt% Cu, Bismuth 1-3.5 wt%, Misch metal 0.01-0.30 wt%, Phosphorus 0.05-0.3 Bismuth characterized by having a chemical composition of wt%, sulfur (S) of 0.1 wt% or less, the sum of iron (Fe) and tin (Sn) of 1.0 wt% or less, and the remainder of which is zinc (Zn) content (wt%). Bi) Inclusion spherical lead-free brass alloy. 삭제delete 삭제delete
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