KR101337477B1

KR101337477B1 - 쾌삭성 무연 구리합금 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101337477B1
Application number: KR1020110099742A
Authority: KR
Inventors: 신중현; 이범재; 황인엽; 조영래; 정민재; 주장호
Original assignee: 주식회사 풍산
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-12-06
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: KR20130035440A

Abstract

본 발명은 쾌삭성 무연 구리합금 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 쾌삭성 무연 구리합금은 구리(Cu) 57~80중량%, 칼슘(Ca) 0.05~3.0중량%, 알루미늄(Al) 0.1~2.0중량%, 및 잔부량의 아연(Zn)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하여 절삭성과 열간가공성, 탈아연부식방지특성이 우수하다.

Description

쾌삭성 무연 구리합금 및 이의 제조방법{Leadless Free Cutting Copper Alloy and Process of Production Same}

본 발명은 절삭성과 열간가공성, 탈아연부식방지특성이 우수한 쾌삭성 무연 구리합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 구리(Cu) 57~80중량%, 칼슘(Ca) 0.05~3.0중량%, 알루미늄(Al) 0.1~2.0중량%, 잔부량의 아연(Zn) 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 쾌삭성 무연 구리합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

구리(Cu)는 대표적인 비철금속 재료 중 하나로, 우수한 합금 특성을 지니고 있어 사용 목적에 따라 다양한 성분을 첨가하여 여러 분야에서 사용되고 있다. 구리 및 구리합금 소재는 크게 판재와 봉, 관재 및 주물로 나눠지며, 이러한 형태의 소재는 후 가공을 거쳐 다양한 제품 혹은 소재로 사용된다. 또한, 구리(Cu)는 박판이나 세선으로 가공될 만큼 연신율이 높은 소재이다. 연신율이 높을 경우, 절삭 가공 시에 공구에 모재가 들러붙어 많은 열이 발생하고, 가공면이 거칠어지며 공구의 수명이 짧아지는 등 절삭 가공성이 떨어지게 된다. 이러한 문제를 해결하여 절삭 가공성을 높인 합금을 이른 바, 쾌삭성 구리 합금이라 한다. 현재 황동합금에 1.0~4.1중량%의 납(Pb)을 첨가하여 쾌삭성을 부여한 구리 합금이 산업 및 생활 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.

그러나 2003년 유럽에서 RoHS가 제정됨에 따라 환경규제가 엄격해지고, 인체에 대한 유해성 원소들의 규제가 실시됨에 따라 납(Pb)을 첨가하여 절삭성을 향상시킨 쾌삭성 구리 합금을 대체할 새로운 합금에 대한 연구가 진행되어 왔다. 납과 비슷한 수준의 절삭성을 나타내기 위해서 최근 비스므스(Bi), 셀레늄(Se), 텔레늄(Te)이 첨가된 황동합금이 개발되었다. 비스므스(Bi)의 경우 인체에 대한 유해 여부가 명확하지 않지만, 납(Pb)과 같은 중금속 물질로서, 향후 납과 동일한 규제 대상으로 선정될 여지가 있다. 또한 셀레늄(Se)과 텔레늄(Te)은 가격이 비싸기 때문에 일반적인 산업용으로 적용하기에는 매우 어려운 실정이다. 또한 납(Pb)과 비스므스(Bi)는 일반적인 제련 및 정련을 통해 회수가 어려워 많은 비용이 소요되고, 물리적인 방법으로 회수 시에는 고 에너지가 소요되며, 일반 구리합금에 혼용하여 사용 시 미량만 첨가되어도 열간가공 시 균열(crack)과 같은 불량을 유발하므로(참고문헌 1 참조) 납과 비스므스의 재활용에는 철저한 스크랩(scrap) 관리가 필요하다.

근래에 납(Pb)과 비스므스(Bi)의 인체 유해성 및 재활용에 따른 문제점을 해결하고자 황동에 칼슘(Ca)을 첨가한 합금이 개발되었다(참고문헌 2 참조). 하지만 황동에 칼슘이 첨가됨으로 인해 주조 시, 칼슘산화물의 생성 및 주조성 저하로 건전한 주괴의 생산이 어렵고, 열간가공성 또한 저조하여 건전한 봉(rod)의 형성이 어려운 것으로 실험결과 나타났다. 또한 대기 중 변색이 쉽고, 탈아연부식 정도가 Pb계 합금과 유사한 등 부족한 내식 특성을 보였다.

참고문헌

1. Journal of the Japan Copper and Brass Research Association

(ISSN : 0370-985X), VOL.38, PAGE.170-177(1999)

2. 한국 특허 공개번호 10-2008-0071276

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 인체에 유해한 중금속인 납(Pb), 비스므스(Bi) 등이 함유되지 않고, 구리(Cu)에 소정의 칼슘(Ca)을 함유시켜 구리와 칼슘이 결합한 금속간 화합물을 황동합금의 기지 내에 출현시켜 피삭성을 향상시키고, 알루미늄(Al) 첨가에 의한 경도 상승을 통해 절삭성을 더욱 향상시키고 탈아연부식방지 특성 또한 개선시킨 쾌삭성 무연 구리합금 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적 달성을 위하여 본 발명에 따른 쾌삭성 무연 구리합금은, 구리(Cu) 57~80중량%, 칼슘(Ca) 0.05~3.0중량%, 알루미늄(Al) 0.1~2.0중량%, 잔부량의 아연(Zn) 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 것을 특징으로 한다(이하 "제1발명"이라 함).

또한 본 발명에 따른 쾌삭성 무연 구리합금은 상기한 제1발명의 조성에 절삭성, 열간가공성, 탈아연부식방지특성 중 적어도 1가지 이상의 특성을 향상시킬 수 있는 주석(Sn) 0.1~1.0중량%, 망간(Mn) 0.1~2.0중량%, 실리콘 0.1~2.0중량%, 셀레늄(Se) 0.001~0.5중량% 중 적어도 1종 이상 첨가하는 것을 특징으로 한다(이하 "제2발명"이라 함).

또한 본 발명에 따른 쾌삭성 무연 구리합금은 상기한 제1발명 또는 제2발명 또는 제1발명 및 제2발명에 합금의 조직을 미세화하고 금속간 화합물의 분산을 위해, 철(Fe) 0.01~1.0중량%, 지르코늄(Zr) 0.001~1.0중량%, 보론(B) 0.001~0.1중량% 중 적어도 1종 이상 첨가하는 것을 특징으로 한다(이하 "제3발명"이라 함).

또한 본 발명에 따른 쾌삭성 무연 구리합금을 제조하는 방법은, 통상적인 쾌삭황동의 제조방법을 따르면서, 특히 상기한 제 1발명, 제 2발명, 제 3발명의 합금의 열간 가공성을 개선시키기 위해서, 열간압출 및 열간단조, 열간압연 등의 열간 가공 공정에서 650~750℃ 영역에서 합금을 가열하는 것을 그 특징으로 한다(이하 "제 4발명"이라 함).

본 발명에 따른 쾌삭성 무연 구리합금은 절삭성과 열간가공성, 탈아연부식방지특성이 우수하다. 즉, 본 발명은 종래의 발명들과 달리, 종래의 Cu-Zn-Ca의 3원계로 이루어진 합금에서, 알루미늄(Al) 혹은 알루미늄을 포함한 기타 추가 합금원소를 첨가하여 절삭성과 열간가공성, 탈아연부식방지특성을 개선시킨 것이다. 본 발명에 사용한 알루미늄(Al)은 기존 Cu-Zn-Ca 합금에 첨가 시, 강도 및 경도를 상승시키며, 이러한 경도 상승은 절삭 시, 회전 공구와의 마찰을 감소시키며, 절삭칩이 잘게 부서지는 데에 효과적이다. 또한 알루미늄의 첨가로 탈아연부식방지를 꾀하고, 베타상(β phase)의 분율이 증가되고, Al-Ca 금속간 화합물을 형성하여 저융점 Ca-Cu 화합물의 생성을 억제하므로 양호한 열간가공성을 지닌다.

또한 추가적으로 주석(Sn), 망간(Mn), 실리콘(Si), 셀레늄(Se)을 각각 혹은 1종 이상 첨가하는 경우에는 첨가하는 원소에 의해 절삭성이 향상되고, 주석, 망간, 실리콘은 탈아연부식방지특성도 함께 향상시키며, 주석, 실리콘은 베타(β)상 혹은 감마(γ)상 형성을 촉진시켜 열간가공성 또한 향상시킬 수 있다.

또한 철(Fe)과 지르코늄(Zr), 보론(B)을 각각 혹은 1종 이상 첨가하는 경우에는 합금의 조직을 미세화하고 금속간 화합물을 분산시켜 절삭성을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 쾌삭성 무연 구리합금의 절삭칩 사진이고, 도 1d는 비교예의 절삭칩 사진이며,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 쾌삭성 무연 구리합금의 절삭토크 그래프이고, 도 2d는 비교예의 절삭토크 그래프이며,
도 3은 본 발명에 따른 쾌삭성 무연 구리합금과 비교예의 700도 열간 압축 시 발생하는 응력 비교 그래프이다.

본 발명에 따른 쾌삭성 무연 구리합금은 구리(Cu) 57~80중량%, 칼슘(Ca) 0.05~3.0중량%, 알루미늄(Al) 0.1~2.0중량%, 잔부량의 아연(Zn) 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

구리의 함량이 57중량% 미만일 경우 베타상이 과하게 생성되어 열간가공에는 유리하지만 냉간 가공성을 떨어뜨리고 취성을 증가시키게 되며, 80중량%를 초과할 경우에는 원재료 가격을 상승시킴은 물론, 베타상량을 충분히 확보하지 못하여 열간가공성을 떨어뜨리며 낮은 경도로 인해 절삭성 또한 충분히 확보하지 못한다.

칼슘(Ca)의 함량이 0.05중량% 미만일 경우에는 절삭성을 향상시키는 Cu-Ca 화합물의 형성이 어려워 절삭성이 미흡하며, 3.0중량% 초과일 경우에는 경도 상승 및 Cu-Ca 화합물의 분율이 높아져 절삭성은 향상되나, 융점이 낮은 CuCa 혹은 CuCa₂ 화합물의 생성 가능성이 높아져 주조 및 열간압출에 어려움이 따른다. 또한 칼슘의 높은 산화를 방지하기 위해 Cu-Ca 모합금 사용이 요구되는데, 이러한 모합금의 사용은 원재료 비용의 상승을 동반하므로, 바람직하게는 1.0중량% 이하로 첨가하는 것이 효율적이다.

알루미늄(Al)의 함량이 0.1중량% 미만일 경우에는 첨가에 따른 효과가 거의 없고, 2.0중량% 초과일 경우에는 주조에 어려움이 따를 뿐더러, 취성이 높아져 작은 충격에 쉽게 깨지는 문제점이 수반된다.

아연(Zn)의 함량이 15중량% 미만일 경우에는 원재료인 구리(Cu)의 함유량이 증가하여 제조원가가 증가하고, 표면산화로 인한 변색 및 부식저항성이 낮아지며, 열간가공성이 취약하여 소재로서 가공 특성이 떨어진다. 또한 아연 함량이 42.85중량% 초과일 경우에는 탈아연 부식이 활발하고, 재료의 강도가 급격하게 감소하여 오히려 절삭성을 저해하고 냉간가공에서 취성(brittle)을 유발하여 공업적으로 사용이 어렵다.

상기한 본 발명에 따른 쾌삭성 무연 구리합금이 칼슘(Ca)과 알루미늄(Al)을 함유함으로써 열간가공성과 탈아연부식방지특성이 향상되고, 경도 상승에 따른 절삭가공성이 향상되는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 쾌삭성 무연 구리합금은 상기한 제1발명의 조성에 절삭성, 열간가공성, 탈아연부식방지특성 중 적어도 1가지 이상의 특성을 향상시킬 수 있는 주석(Sn) 0.1~1.0중량%, 망간(Mn) 0.1~2.0중량%, 실리콘 0.1~2.0중량%, 셀레늄(Se) 0.001~0.5중량% 중 적어도 1종 이상 첨가하여 이루어진다.

본 발명에서 주석(Sn)을 0.1~1.0중량% 첨가 시 탈아연부식방지를 꾀할 수 있고 경도 상승으로 인해 절삭성이 다소 향상된다. 또한 베타상(β phase) 형성을 촉진함으로 열간가공성 또한 개선될 수 있으나, 1.0중량% 초과 첨가 시 열간가공 시 편석으로 인한 불량을 초래할 수 있다.

본 발명에서 망간(Mn)을 0.1~2.0중량% 첨가 시, 첨가량이 많아질수록 경도가 상승하여 절삭성이 다소 향상되며, 탈아연부식방지특성 또한 향상되지만, 2.0중량% 초과 첨가 시, 산화물 증가를 초래하고 주조성을 저해하여 생산성이 떨어진다.

본 발명에서 실리콘(Si)을 0.1~2.0중량% 첨가 시, 강도 상승 및 Ca-Si 화합물을 형성하여 절삭성이 향상되며, 감마상(γ phase) 생성을 유도하여 알파(α), 베타(β), 감마(γ)의 3상이 존재하게 되며, 계면의 증가로 상(phase)간의 슬립(slip)이 용이하여 열간 가공성이 향상되는 이점이 있다. 또한 황동합금은 실리콘의 첨가로 내해수성이 향상되는 것으로 알려져 있다.

본 발명에 사용한 셀레늄(Se)은 납(Pb)과 마찬가지로 황동기지조직내에 용해되지 않으면서 분산되어 절삭칩의 분쇄 역활에 도움을 주는 원소로, 가격이 매우 비싸서 범용적 사용에 한계를 지니지만 절삭성 극대화를 위해 0.001 내지 0.5중량%의 미량 적용이 가능하다.

또한 본 발명에 따른 쾌삭성 무연 구리합금은 상기한 제1발명 또는 제2발명 또는 제1발명 및 제2발명에 합금의 조직을 미세화하고 금속간 화합물의 분산을 위해, 철(Fe) 0.01~1.0중량%, 지르코늄(Zr) 0.001~1.0중량%, 보론(B) 0.001~0.1중량% 중 적어도 1종 이상 첨가하여 이루어진다. 철(Fe)의 함량이 0.01중량% 미만일 경우 조직 미세화 효과가 적고, 1.0중량%를 초과할 경우 조직 미세화에 한계가 있고, 부식 특성을 저하시킬 우려가 있다. 지르코늄(Zr)의 함량이 0.001중량% 미만일 경우에도 조직 미세화의 효과가 적고, 1.0중량%를 초과할 경우에는 원재료비가 지나치게 높아짐은 물론, 산화물이 과다하게 생성되어 주조성을 저해시킨다. 보론(B)의 함량이 0.001중량% 미만일 경우 조직 미세화의 효과가 적고, 0.1중량%를 초과하는 경우 조직 미세화에 한계가 있다. 상기 첨가 원소는 황동합금의 조직에서 입자 미세화 효과로 잘 알려져 있는 합금원소로서 본 발명에서도 합금특성을 변화시키기 않고 미세화 효과를 나타낸다. 다만, 입자 미세화 원소로 알려진 인(P)은 칼슘(Ca)과 반응하여 인산칼슘(calcium phosphate)을 형성하여 칼슘의 기지 내 함량을 낮추므로 사용하지 않는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 쾌삭성 무연 구리합금을 제조하는 방법은, 상기한 제1발명, 제2발명, 제3발명의 합금의 열간 가공성을 개선시킨 것으로서, 통상적인 쾌삭황동 제조방법을 따르는 한편, 열간압출 및 열간단조, 열간압연 등의 열간 가공 공정에서 650~750℃ 영역에서 합금을 가열하는 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로는 상기한 제1발명, 제2발명, 제3발명의 합금 성분으로 주괴를 얻는 단계; 얻어진 주괴를 사용하여 열간재를 얻는 단계; 얻어진 열간재를 사용하여 냉간재를 얻는 단계; 필요에 따라 열간단조 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 주괴를 얻는 단계는 1000℃ 이하의 온도에서 상기 합금 성분을 용해하여 용탕을 제조하고, 20분간 진정시킨 후 주조를 행한다. 이때 주조 시간은 칼슘의 산화를 최소화하기 위해 1시간 내에 완료되는 것이 바람직하다. 상기 열간재를 얻는 단계는 주괴를 일정한 길이로 절단하여 약 600℃의 가스로에 투입하여 1시간 이상 1차 가열하고, 전기유도로에서 650 내지 750℃의 영역에서 5분내의 시간동안 2차 가열한 직 후, 열간압출을 행하는데, 열간압출 속도는 2차 가열 온도와 압출시 발생하는 압력의 크기에 따라 8 내지 20mpm으로 조절한다. 얻어진 열간재를 사용하여 냉간재를 얻는 단계는 인발기를 이용하여 원하는 직경과 공차를 가지도록 냉간가공하고, 이후 교정기를 이용하여 직진도를 확보하여야 한다. 이렇게 얻어진 냉간재는 필요에 따라 열간단조 공정을 거치게 되는데, 이 때 열간단조시 소재의 가열은 650 내지 750℃의 온도 영역에서 30분내에 이루어지는 것이 바람직하다. 가열이 완료된 직후, 열간단조를 행한다. 이후 공정은 제품의 요구 특성에 맞게 가공 및 도금 등의 기타 공정을 추가할 수 있다.

이하 실시예를 포함한 표와 도면을 통해 보다 상세히 본 발명을 설명한다.

표 1은 본 발명의 실시예를 나타낸 것으로, 실시예의 시편은 주조, 열간압연 공정을 통해 제조하였고, 각 실시예에 따른 시편의 특성은 경도, 절삭성, 탈아연부식특성, 열간가공성 평가 결과로 나타내었다. 구체적인 방법은 실시예 1을 예로 설명하고자 한다.

실시예 1의 시편 제조는 목표 성분 함량에 따라 1Kg중량을 기준으로 구리(Cu) 600g, 아연(Zn) 394g, 칼슘(Ca) 5g, 알루미늄(Al) 1g을 정밀도 1/1000g 수준의 전자저울을 이용하여 계근하고 배합하여 흑연도가니(Graphite crucible)에 투입 후, 고주파유도로(Hugh frequency induction furnace)를 이용하여 용해하였다. 용해가 완료된 실시예 1성분의 용탕을 두께20㎜ x 폭50㎜ x 길이150㎜ 규격의 흑연몰드(Graphite mold)에 주조하여 약 120㎜ 길이의 주괴를 획득하였다. 획득한 주괴는 700℃의 가열로(Box furnace)에서 1시간 동안 예열한 뒤, 2단압연기(Two high mill)를 이용하여 약 50%의 압하율로 열간 압연을 수행하였다.

시편의 경도는 비커스경도기(Vickers hardness tester)를 이용하여 하중 10kg을 가하여 주괴 조직의 경도를 측정하였다.

합금의 절삭성은 절삭성시험기(machinability tester)를 이용하여 열간압연된 시편을 드릴링(drilling) 가공할 시, 전동기에 가해지는 토크(torque)값을 측정하여 평탄구간의 평균 토크값으로 나타내었다. 절삭 팁(tip) 규격은 Φ9.5㎜이었으며, 팁의 회전속도는 750RPM, 팁의 이동 속도는 35㎜/min, 이동 거리는 7㎜, 이동방향은 중력방향이었다.

합금의 탈아연깊이는 KSD ISO 6509(금속 및 합금의 부식-황동의 탈아연 부식 시험) 방법을 이용하여 탈아연부식 깊이를 측정하여 나타내었다.

합금의 열간가공성은 제조된 주괴를 선반가공하여 지름 10φ, 길이 15㎜의 봉(rod) 형태로 제작하여 만능재료시험기(Universal testing machine)를 사용하여 약 60% 압축비로 열간 압축하여 발생하는 하중(Load)을 측정하여 평가하였다. 압축에 사용된 장비는 Shimadzu사의 AG-10TG로, 최대 하중은 10 TON, 로드셀(load cell)의 한계(limit)는 8 TON으로 설정하였으며, 시편을 600, 650, 700, 750에서 20분간 예열한 후 30㎜/min의 속도로 압축하였으며 이때 압축 분위기 온도는 가열챔버(heating chamber)를 이용하여 350℃로 유지하였다. 표 1에 나타낸 열간응력은 700℃에서 20분간 예열한 시편을 압축 시, 이동거리(displacement) 5㎜ 지점에서 측정된 하중(kgf) 값을 표기하였다. 하중 값이 낮을수록 열간가공성이 우수함을 나타낸다.

구 분		Cu	Zn	Ca	Al	Sn	Mn	Si	Se	Fe/Zr/B	경도 (Hv)	절삭토크 (N.m)	탈아연 깊이 (㎛)	열간응력 (kgf,700)
실시예	1	60	Rem.	0.5	0.1						112	0.084	957
	2	60	Rem.	0.5	0.5						118	0.081	92	2200
	3	60	Rem.	0.5	1.0						152	0.065	44	1700
	4	60	Rem.	0.5	2.0						179	0.055	22
	5	60	Rem.	0.5	0.5	0.5					122	0.071	94
	6	60	Rem.	0.5	0.5		0.5				128	0.068	62
	7	60	Rem.	0.5	0.5			0.5			125	0.081	88
	8	60	Rem.	0.5	0.5				0.01		121	0.067	112
	9	60	Rem.	0.5	0.5					0.1 Fe	125	0.077	97
	10	60	Rem.	0.5	0.5					0.01 Zr	122	0.080	89
	11	60	Rem.	0.5	0.5					0.01 B	125	0.081	110
	12	60	Rem.	3.0	0.5						159	0.045	177
	13	60	Rem.	0.05	0.5						98	0.110	81
비교예	1	60	Rem.								90	0.121	302
비교예	2	60	Rem.	0.5							104	0.085	1080	2600

상기 표 1에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1 내지 4에서, Cu-Zn-Ca 합금에 알루미늄(Al)의 함량이 증가할수록 경도(Hv)가 상승하고 절삭 토크(torque)값이 감소하면서 Cu-Zn 합금, Cu-Zn-Ca 합금인 비교예 1 및 2에 비해 절삭성이 향상됨을 알 수 있다.

또한 실시예 5 내지 8에서, Cu-Zn-Ca-Al 합금에 추가적으로 주석(Sn)과 망간(Mn), 실리콘(Si), 셀레늄(Se)을 첨가함에 따라 실시예 2보다 경도가 다소 높아지고, 절삭토크가 낮아져 결과적으로 비교예 1 및 2에 비해 절삭성이 향상됨을 알 수 있다.

또한 실시예 9 내지 11에서, Cu-Zn-Ca-Al 합금에 조직 미세화를 위해 추가적으로 철(Fe)과 지르코늄(Zr), 붕소(B)를 첨가함에 따라 실시예 2보다 경도가 높아지고, 절삭토크가 다소 낮아져 결과적으로 비교예 1 및 2에 비해 절삭성이 향상됨을 알 수 있다.

또한 실시예 12 및 13에서, 칼슘(Ca)의 함량이 증가할수록 경도가 상승하고 절삭토크가 낮아져 절삭성이 향상됨을 알 수 있다.

한편, 상기 실시예예 따른 절삭칩의 양상과 절삭토크 그래프를 도 1 및 도 2에 나타내었다. 도 1a와 도 2a는 실시예 2, 3, 4에 대응하는 절삭칩의 양상과 절삭토크 그래프로서, 알루미늄의 함량이 증가할수록 절삭칩이 미세해지고, 평탄구간의 평균 절삭 토크값이 낮아짐을 알 수 있다. 도 1b와 도 2b는 실시예 5, 6, 7, 8에 대응하는 절삭칩의 양상과 절삭토크 그래프를 나타낸 것으로 주석(Sn), 망간(Mn), 실리콘(Si), 셀레늄(Se)이 첨가되어 절삭칩이 보다 미세해지고, 절삭 토크값이 낮아짐을 알 수 있다. 도 1c와 도 2c는 실시예 12와 13에 대응하는 절삭칩의 양상과 절삭토크 그래프를 나타낸 것으로 칼슘(Ca)의 함량이 증가할수록 경도가 상승하고 절삭토크값이 크게 감소함을 알 수 있다. 이는 칼슘의 함량이 증가할수록, Ca-Cu 화합물의 생성량이 많아지고, 경도 또한 상승하여 절삭에 유리한 기지 조직을 형성하기 때문이다. 도 1d는 비교예 1 및 2에 대응하는 절삭칩의 양상을 나타낸 것으로 칼슘(Ca)을 함유하지 않은 비교예 1의 경우, 절삭칩이 심하게 말림을 알 수 있고, 칼슘을 함유한 비교예 2의 경우, 절삭칩이 분절되나 부채꼴 모양으로 그 크기가 다소 큼을 알 수 있다. 도 2d는 비교예 2에 대응하는 절삭 토크 그래프를 나타낸 것으로 알루미늄을 함유한 실시예 2 내지 4보다 다소 높은 값을 나타내어 절삭성이 다소 나쁨을 알 수 있다.

또한 표 1에서 알 수 있듯이, 실시예 1 내지 13의 탈아연깊이(㎛) 값에서 알루미늄을 함유한 경우에 탈아연깊이가 작고, 알루미늄의 함량이 증가할수록 탈아연깊이는 더욱 작아져, 알루미늄이 첨가되지 않은 비교예 2에 비해 탈아연부식방지특성이 더욱 우수한 것을 알 수 있다.

표 1의 실시예 2 및 3, 그리고 비교예 2의 열간응력(kgf) 값에서 알 수 있듯이, 알루미늄을 함유한 실시예 2 및 3이 알루미늄을 함유하지 않은 비교예 2 보다 열간 압축 시 발생하는 응력의 크기가 작고, 알루미늄의 함량이 증가할수록 응력의 크기가 감소하여 열간가공성이 더욱 우수함을 알 수 있다. 열간 압축 시 표면의 양상은, 예열온도가 600℃, 650℃, 700℃로 올라갈수록 크랙(crack)의 크기가 감소하였으며 이때의 크랙 양상은 변형에 의한 크랙이었지만, 예열온도가 750℃일 때에는 크랙이 다시 증가하였으며 이때의 크랙 양상은 국부 용융에 의한 크랙이었다. 알루미늄을 함유한 실시예 2 및 3의 시편은 예열온도가 700℃, 750℃일 때에 크랙이 발생하지 않아, 열간가공이 가능한 온도 영역이 비교예 2보다 확대되어 열간가공성이 향상됨을 알 수 있다.

도 3은 실시예 2 및 3, 그리고 비교예 2의 열간응력값을 압축 거리에 따른 변화로 나타낸 응력 비교 그래프로서, 알루미늄이 첨가된 실시예 2 및 3의 열간응력값이 알루미늄이 첨가되지 않은 비교예 2보다 낮아서 본 발명에 따른 합금의 열간가공시 적은 힘이 소요됨을 알 수 있고, 또한 알루미늄을 0.5중량% 함유한 실시예 2보다 알루미늄을 1.0중량% 함유한 실시예 3에서 더욱 낮은 열간응력값을 나타내기에 열간가공성이 더욱 우수함을 알 수 있다.

이로부터 본 발명에 따르는 쾌삭성 구리 합금이 종래의 구리 합금보다 절삭성과 탈아연부식방지특성, 열간가공성에서 우수하다는 것을 알 수 있다.

Claims

구리(Cu) 57~80중량%, 칼슘(Ca) 0.05~3.0중량%, 알루미늄(Al) 0.1~2.0중량%, 및 잔부량의 아연(Zn)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 쾌삭성 무연 구리합금.
제1항에 있어서,
상기 구리합금은 주석(Sn) 0.1~1.0중량%, 망간(Mn) 0.1~2.0중량%, 실리콘 0.1~2.0중량%, 및 셀레늄(Se) 0.001~0.5중량%로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상을 더 포함하여 이루어지는 쾌삭성 무연 구리합금.
제1항에 있어서,
상기 구리합금은 철 0.01~1.0중량%, 지르코늄 0.001~1.0중량% 및 보론 0.001~0.1중량%로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상을 더 포함하여 이루어지는 쾌삭성 무연 구리합금.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 쾌삭성 무연 구리합금을 제조하기 위한 방법으로서, 상기 합금을 제조하기 위한 제조공정 중 열간압출, 열간단조 및 열간압연의 열간 가공 공정은 650 내지 750℃의 온도 영역에서 상기 합금을 가열하는 것을 특징으로 하는 쾌삭성 무연 구리합금의 제조방법.