KR100834785B1

KR100834785B1 - 카드뮴이 없는 베어링용 주석합금

Info

Publication number: KR100834785B1
Application number: KR1020060122165A
Authority: KR
Inventors: 김기태; 전중환
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2008-06-05

Abstract

본 발명은 유해물질인 카드뮴(Cd)을 함유하지 않으면서 우수한 기계적, 물리적 특성을 나타내는 베어링용 주석합금으로서, 안티몬(Sb) 3~15중량%, 구리(Cu) 3~9중량%, 니켈(Ni) 0.05~1중량%, 비스무트(Bi) 0.03~3중량%, 나머지는 주석(Sn) 및 불순물로 이루어지는 구성을 마련한다.

상기와 같은 무 카드뮴(Cd) 주석합금을 이용하는 것에 의해, 유해물질이 함유된 기존의 주석(Sn)-안티몬(Sb)-구리(Cu)-카드뮴(Cd)계 베어링용 주석합금과 동등수준의 기계적 특성 및 물리적 특성을 구현할 수 있다.

베어링, 주석합금, 카드뮴, 강도, 전기 전도도

Description

카드뮴이 없는 베어링용 주석합금{Tin alloy without cadmium for bearing}

본 발명은 카드뮴(Cd)이 없는 베어링용 주석합금에 관한 것으로, 특히 유해물질인 카드뮴을 포함하지 않으면서 기존의 Sn-Sb-Cu-Cd계 베어링용 주석합금과 동등 수준의 기계적 특성 및 물리적 특성을 구현한 주석합금에 관한 것이다.

최근 EU(유럽 연합)를 중심으로 중금속((납(Pb), 카드뮴(Cd), 6가크롬(Cr⁶ ⁺), 수은(Hg)) 및 유해물질 사용금지 등 환경규제가 강화되면서, 2006년 7월부터는 앞서 기술한 중금속이나 유해물질이 포함되어 있는 제품이 EU로부터 수입이 금지되고 있다(EU 환경규제법 : RoHS). 이러한 환경규제강화에 따라서 국내에서도 환경유해물질을 포함하지 않은 친환경 소재 및 부품을 개발하여 환경규제에 적극 대처함은 물론 환경오염물질 발생공정을 무배출(Zero Emission)공정으로 속히 전환시켜야한다.

국내 관련업체에서는 발암성 유해물질인 카드뮴(Cd)이 함유된 베어링용 주석합금을 생산하고 있으나 인체유해성으로 인하여 생산공정이 까다롭고, 카드뮴(Cd)이 함유되지 않은 소재개발과 관련한 실적은 아직까지 전무한 상황이다. 따라서 카 드뮴(Cd)과 같은 환경유해물질을 보다 경제적이고 환경친화적인 합금원소로 대체한 새로운 주석합금의 개발이 시급하다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 기존의 베어링용 주석합금에 포함된 카드뮴(Cd)을 보다 경제적이고 환경친화적인 합금원소로 대체하면서 기존Sn-Sb-Cu-Cd계 합금과 동등 수준의 기계적, 물리적 특성을 나타내는 카드뮴이 없는 베어링용 주석합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목적은 환경규제에 따른 중금속 및 유해물질을 포함하지 않은 친환경 소재 및 부품을 개발하여 환경오염 물질 발생을 제거할 수 있는 카드뮴(Cd)이 없는 주석합금을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 카드뮴이 없는 베어링용 주석합금은 안티몬(Sb) 3~15중량%, 구리(Cu) 3~9중량%, 니켈(Ni) 0.05~1중량%, 비스무트(Bi) 0.03~3중량%, 나머지는 주석(Sn) 및 불순물로 구성된 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 카드뮴(Cd)이 없는 베어링용 주석합금에 있어서, 안티몬(Sb)은 7~9중량%, 구리(Cu)는 3~7중량%, 니켈(Ni)은 0.05~0.5중량%, 비스무트(Bi)는 0.05~2중량% 인 것을 특징으로 하는 베어링용 주석합금이다.

또, 본 발명에 따른 카드뮴(Cd)이 없는 베어링용 주석합금에 있어서, 상기 주석합금은 45 MPa 이상의 인장 항복강도, 80 MPa 이상의 인장 파단강도, 3% 이상의 인장 연신율, 30 HB 이상의 브리넬경도, 80 MPa 이상의 압축 항복강도, 195 Mpa 이상의 압축 파단강도, 24x10^-6mm/mm℃이하의 열 팽창계수의 기계적 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 카드뮴(Cd)이 없는 베어링용 주석합금이다.

또, 본 발명에 따른 카드뮴이 없는 베어링용 주석합금에 있어서, 상기 주석합금은 5m/Ωmm²이상의 전기 전도도의 전기적 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 카드뮴(Cd)이 없는 베어링용 주석합금이다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

먼저 본 발명의 개념에 대해 설명한다.

본 발명에서 적용된 상기 각 합금원소의 첨가 및 함량 한정 이유는 다음과 같다.

(1)안티몬(Sb)

안티몬(Sb)은 주석(Sn)에 첨가시킬 경우 큐빅상(ß)인 안티몬 주석(SbSn)을 생성하여 강도, 경도와 피로 저항성을 증가시키는 역할을 하는 합금 원소 이다. 첨가 범위는 3~15중량%로, 3중량% 미만이면 강도나 피로저항성에 효과가 없으며, 15중량%를 초과하여 첨가하면 가공성이 열화 되고 취하된다. 적정량은 5~10중량%이며, 최적은 7~9중량%이다.

(2)구리(Cu)

구리(Cu)는 주석(Sn)에 첨가시킬 경우 침상(ε)인 구리-주석(Cu₆Sn₅)을 생성하여 강도와 경도를 향상시킨다. 첨가범위는 9중량%를 초과하여 첨가하면 고 경도인 구리-주석(Cu₆Sn₅) 상이 과다하게 생성되어 취하된다. 적정량은 7중량% 이하이며 최적은 3~7중량%이다.

(3)니켈(Ni)

니켈(Ni)은 주석합금의 용융점을 증가시키는 역할을 하며 고 경도의 니켈- 주석(Ni₃Sn₂)을 생성시킨다. 첨가범위는 1중량% 이하로, 0.05중량% 미만이면 합금원소 첨가에 따른 효과가 작으며, 1중량%를 초과하면 고경도의 니켈-주석(Ni₃Sn₂)상이 과다 생성되어 가공성이 떨어지면서 취하된다. 적정량은 0.05~1중량%이며, 최적은 0.05~0.5중량%이다.

(4) 비스무트(Bi)

비스무트(Bi)는 안티몬(Sb)과 구리(Cu)와 함께 첨가할 경우 안티몬-주석(SbSn)(β)상과 구리-주석(Cu₆Sn₅)(ε) 상을 미세화시켜 강도 및 경도를 향상시키는 역할을 한다. 첨가범위는 3.0중량% 이하로 0.03중량% 미만이면 효과가 없으며 3.0중량%를 초과하면 추가에 따른 기여도의 향상은 크지 않다. 최적 함량은 0.05~2.0중량%이다.

(실시예)

본 발명에 따른 주석합금의 물성을 나타내는 실시 예를 통하여 설명한다.

주석(Sn)-30중량%구리(Cu) 및 주석(Sn)-10중량%니켈(Ni) 모 합금을 대기중 에서 고주파 유도로를 이용하여 용해한 후 금형에 주조하여 마련한다. 표 1과 같은 조성을 갖는 합금을 제조하기 위하여 주석(Sn), 안티몬(Sb), 주석(Sn)-30중량%구리(Cu),주석(Sn)-10중량%니켈(Ni), 비스무트(Bi)를 각각 평량한 후 철제도가니에 장입한 다음 전기 저항로에서 용해하였다. 용탕을 5분 동안 교반한 후 600℃에서 금형에 주조하여 폭 80mm, 길이 120mm, 두께 25mm 크기의 빌렛을 제조하였다.

<표 1>주석합금의 조성표

합 금		조 성 (중 량%)
합 금		Sb	Cu	Ni	Bi	Cd	As	Sn
발명 합금	1	7.53	6.22	0.07	0.45			나머지
	2	7.41	6.21	0.05	0.85			나머지
	3	7.20	5.94	0.08	1.71			나머지
	4	7.35	5.20	0.21	0.49			나머지
	5	7.22	5.11	0.19	1.08			나머지
	6	7.17	5.33	0.18	1.91			나머지
	7	7.94	5.84	0.23	1.28			나머지
	8	8.93	4.81	0.47	0.06			나머지
	9	8.14	3.05	0.35	0.52			나머지
	10	8.20	4.37	0.20	0.98			나머지
	11	8.29	4.25	0.20	1.96			나머지
비교 합금	12	7.5	3.5	0.2		0.8		나머지
비교 합금	13	12.0	5.0	0.3		1.2	0.5	나머지

합금 빌렛을 ASTM 서브사이즈(subsize : 25mm) 시험편으로 가공하여 인장시험을 실시하였고, 가로, 세로, 높이가 각각 5mm, 5mm, 10mm인 직육면체 시험편으로 가공하여 압축시험을 실시하였다. 폭, 높이, 두께가 각각 20mm, 10mm, 2mm인 판상시편을 이용하여 20℃~100℃ 구간에서 5℃/분의 속도로 가열하면서 열팽창 계수를 측정하였다. 한편 가로, 세로, 두께가 각각 30mm, 30mm, 10mm인 시험편을 가공하여 전기 전도도를 측정하였다. 이렇게 하여 얻어진 결과들을 표 2에 나타내었다.

< 표 2 >주석합금의 기계적, 전기적 특성

합금		특 성
합금		인장항복강도(MPa)	인장파단강도(MPa)	연신율(%)	경도(HB)	압축항복강도(MPa)	압축파단강도(MPa)	열팽창계수 (x10^-6mm/mm℃)	전기전도도(m/Ω㎟)
발명 합금	1	45	82	6.0	35	102	207	21.14	9.1
	2	48	91	4.6	36	109	224	22.40	8.8
	3	53	100	4.4	41	116	229	22.17	8.8
	4	55	86	9.9	32	84	197	22.32	9.1
	5	55	89	3.8	34	94	228	22.65	8.8
	6	63	99	5.2	38	108	249	22.78	8.6
	7	60	96	5.2	37	105	225	22.41	8.7
	8	54	84	9.8	30	84	196	22.84	8.9
	9	55	83	10.3	30	90	234	22.69	9.1
	10	60	93	10.7	32	89	237	22.60	9.1
	11	64	102	11.6	36	105	241	22.97	8.8
비교 합금	12	52	86	7	28	62	233	23.8	6.5
비교 합금	13	84	102	1.5	35	80	195	20.2	5.0

표 2의 결과에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 주석합금은 45MPa 이상의 인장 항복강도, 80MPa 이상의 인장 파장강도, 3% 이상의 인장 연신율, 30HB 이상의 브리넬 경도, 80MPa 이상의 압축 항복강도, 195MPa 이상의 압축 파단강도, 24x10^-6mm/mm℃이하의 열팽창계수, 5m/Ωmm²이상의 전기 전도도를 나타내어 종래의 카드뮴(Cd)을 함유한 Sn-Sb-Cu-Cd계 베어링용 주석합금과 동등 수준의 매우 우수한 기계적, 물리적 특성을 갖 는다.

상기 본 발명의 실시예에 따른 실험 결과에서, 주석합금의 기계적, 전기적 특성의 최적치는 표 1과 표 2의 6번 샘플로 63MPa의 인장 항복강도, 99MPa의 인장 파단강도, 5.2%의 인장 연신율, 38HB 의 브리넬 경도, 108MPa 의 압축 항복강도, 249MPa 의 압축 파단강도, 22.78x10^-6mm/mm℃의 열팽창계수, 8.6m/Ωmm²이상의 전기 전도도를 나타내고, 그 성분 함양은 다음과 같다.

안티몬(Sb) 7.17중량%, 구리(Cu) 5.33중량%, 니켈(Ni) 0.18중량%, 비스무트(Bi) 1.91중량%, 주석(Sn) 85.41중량% 으로 구성된다.

그리고, 상기 표 1과 같은 11 종류의 각각 다른 성분 함양의 발명합금과 2 종류의 비교합금에 대한 그 기계적, 전기적 시험 결과를 표 2와 같이 나타낸다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 무 카드뮴(Cd)주석 합금에 의하면, 인장 항복강도 45MPa 이상, 인장 파단강도 80 MPa 이상, 인장 연신율 3% 이상, 브리넬 경도 30HB 이상, 압축 항복강도 80 MPa 이상, 압축 파단강도 195 MPa 이상, 열 팽창계수 24x10^-6mm/mm℃ 이하, 전기 전도도 5m/Ωmm² 이상의 기계적,물리적 특성을 얻을 수 있다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 무 카드뮴(Cd)주석 합금에 의하면, 환경유해 물질을 포함하지 않는 무공해 발생 공정을 제공할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Claims

카드뮴(Cd)을 사용하지 않는 베어링용 주석합금으로서,

안티몬(Sb) 3~15중량%, 구리(Cu) 3~9중량%, 니켈(Ni) 0.05~1중량%, 비스무트(Bi) 0.03~3중량%, 나머지는 주석(Sn) 및 불순물로 구성된 것을 특징으로 하는 베어링용 주석합금.
제 1항에 있어서,

상기 안티몬(Sb)은 7~9중량%, 구리(Cu)는 3~7중량%, 니켈(Ni)은 0.05~0.5중량%, 비스무트(Bi)는 0.05~2중량%인 것을 특징으로 하는 베어링용 주석합금.
제 2항에 있어서,

상기 주석합금은 45 MPa 이상의 인장 항복강도, 80 MPa 이상의 인장 파단강도, 3% 이상의 인장 연신율, 30 HB 이상의 브리넬경도, 80 MPa 이상의 압축 항복강도, 195 Mpa 이상의 압축 파단강도, 24x10^-6mm/mm℃이하의 열 팽창계수, 5m/Ωmm²이상의 전기 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 베어링용 주석합금.