KR102103327B1

KR102103327B1 - 무연 고강도 동합금

Info

Publication number: KR102103327B1
Application number: KR1020180080652A
Authority: KR
Inventors: 김태균
Original assignee: 영동금속(주)
Priority date: 2018-07-11
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2020-04-22
Also published as: KR20200006821A; WO2020013474A1

Abstract

본 발명은 무연 고강도 동합금에 관한 것으로서, 주석(Sn) 6.286~6.451wt%, 아연(Zn) 0.218~0.309wt%, 철(Fe) 0.087~0.203wt%, 니켈(Ni) 0.007~0.009wt%, 인(P) 0.001~0.011wt%, 황(S) 0.720~0.850wt%를 포함하되, 나머지는 동(Cu) 및 미량의 불가피한 불순물이며 상기 동(Cu)은 92.0wt 이상 함유하여 납이 포함되지 않아 인체에 무해할 뿐만 아니라 종래의 납청동 합금에 상당하는 물성을 나타내므로 베어링 등의 기계요소에 사용하기 적합하다는 이점이 있다.

Description

무연 고강도 동합금{Lead-free Copper Alloy with High Strength}

본 발명은 무연 고강도 동합금에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 베어링 등에 사용하는 소재로서 납을 제거하여 인체에 무해하도록 구성된 무연 고강도 동합금에 관한 것이다.

종래에는 베어링 등 다른 기계 부품과 마찰 접촉하는 슬라이드 부재에 CAC603(납청동의 일종)를 비롯한 납을 포함한 동합금이 사용되고 있었다.

이러한 동합금에서는 납이 슬라이드 성능에 크게 기여하고 있어 양호한 슬라이드 특성을 얻을 수 있었다.

그러나, 납은 경우에 따라서 인체에 악영향을 주는 경우가 있으므로 그 사용에 대하여 점차 규제가 강화되고 있는 실정이다.

특히, 유럽연합(EU)의 무역기술규제(RoHS 2)에 따라, 자동차, 대형차량, 철도, 선박, 대형프레스, 항공기, 대형 팬, 건설농기계 장비류 등에 사용되는 베어링 등 슬라이드 제품에 납의 함량이 소정치를 초과하는 경우 수입통관이 금지되었으므로 대응 기술력 확보가 시급한 상황이다.

이에, 최근 납(Pb)을 대신해 비스무트(Bi), 셀레늄(Se), 규소(Si) 등을 첨가한 무연 동합금 소재의 슬라이드용 제품들이 소개되고 있다.

참고로, 가공용 동합금에서 무연(lead-free)은 납(Pb) 함량이 0.2wt% 이하인 것을 의미하며, 이와 같은 납(Pb)의 함량은 의도적으로 첨가된 것이 아니라 불순물로서 유입되는 불가피한 정도의 양이어야 한다.

그러나, 희소금속인 비스무트(Bi), 셀레늄(Se), 규소(Si) 등을 포함시키는 경우 존재량 자체가 적고 극소수의 국가에 매장과 생산이 편재되어 있는 관계로 확보하기가 쉽지 않으며 소재 자체의 가격이 커서 제품의 가격 경쟁력이 떨어지는 단점이 있었다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 납이 포함되지 않아 인체에 무해할 뿐만 아니라 납청동 합금에 상당하는 기계적 물성을 나타내는 무연 고강도 동합금을 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 무연 고강도 동합금은, 주석(Sn) 6.286~6.451wt%, 아연(Zn) 0.218~0.309wt%, 철(Fe) 0.087~0.203wt%, 니켈(Ni) 0.007~0.009wt%, 인(P) 0.001~0.011wt%, 황(S) 0.720~0.850wt%를 포함하되, 나머지는 동(Cu) 및 미량의 불가피한 불순물이며 상기 동(Cu)은 92.0wt 이상 함유하는 것을 특징으로 한다.

특히, 본 발명에 따른 무연 고강도 동합금은, 주석(Sn) 6.350wt%, 아연(Zn) 0.250wt%, 철(Fe) 0.150wt%, 니켈(Ni) 0.008wt%, 인(P) 0.005wt%, 황(S) 0.780wt%를 포함하되, 나머지는 동(Cu) 및 미량의 불가피한 불순물이며 상기 동(Cu)은 92.340wt 함유하는 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 납이 포함되지 않아 인체에 무해할 뿐만 아니라 종래의 납청동 합금에 상당하는 기계적 물성을 나타내므로 베어링 등의 슬라이드 기계요소에 사용하기 적합하다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명예와 납을 포함하는 비교예에 대하여 인장강도를 비교한 그래프이다.
도 2는 본 발명예와 납을 포함하는 비교예에 대하여 항복강도를 비교한 그래프이다.
도 3은 본 발명예와 납을 포함하는 비교예에 대하여 연신율을 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명예와 납을 포함하는 비교예에 대하여 경도를 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명예에 관한 금속 조직을 나타내는 사진 및 체적분율을 나타내는 표이다.
도 6은 본 발명예와 납을 포함하는 비교예에 대하여 금속의 석출 조직 구조를 한층 확대하여 나타내는 사진이다.
도 7의 (a)는 본 발명예에 관한 석출 구조를 더 한층 확대하여 나타내는 사진이고, (b)는 석출 물질의 상대적인 양을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명예와 납을 포함하는 비교예에 대하여 마모시험 결과를 나타내는 그래프이다.

본 발명에 따른 무연 고강도 동합금은, 주석(Sn) 6.286~6.451wt%, 아연(Zn) 0.218~0.309wt%, 철(Fe) 0.087~0.203wt%, 니켈(Ni) 0.007~0.009wt%, 인(P) 0.001~0.011wt%, 황(S) 0.720~0.850wt%를 포함하고, 나머지는 동(Cu) 및 미량의 불가피한 불순물인 것을 특징으로 한다.

이 경우, 동(Cu)은 92.0wt% 이상 포함되는 것이 바람직하다.

주석(Sn)은 주조성 뿐만 아니라 내식성을 향상시켜 납(Pb)의 용출을 억제하기 위하여 첨가되는 원소로서, 적정량이 포함되는 경우 내식성, 내마모성, 주조성 및 내압성이 향상되어 밸브, 펌프몸체, 임펠러, 급수전, 베어링, 슬리브 등 일반 기계 부품에 많이 채택된다. 특히, 주석은 동합금의 매트릭스 강도를 향상시키고 슬라이드 특성을 양호하게 유지하는 효과가 있지만, 6.286wt% 미만이면 이들의 효과가 불충분하게 되고 6.451wt%를 초과하면 마찰되는 상대 구성요소를 현저하게 마모시켜서 양호한 슬라이드 특성을 얻을 수 없을 가능성이 있다.

아연(Zn)은 합금의 성형성을 향상시키고, 내해수성 및 내압성을 향상시키는 원소이다. 그러나, 본 발명에서 아연(Zn)의 함량이 0.218wt% 미만인 경우에는 강도 및 내마모성의 나빠지는 문제가 발생되고 0.309wt% 초과하는 경우 성형성이 크게 떨어질 수 있다.

철(Fe)은 기계적 강도를 향상시키기 위해 첨가되는 것으로서, 함량이 많아지면 기계적 강도는 향상될 수 있으므로 0.087wt%이상으로 첨가하여야 하나, 0.203wt%를 초과하는 경우에는 다른 금속과 금속간 화합물을 형성하여 합금이 취약해지는 문제가 발생한다.

니켈(Ni)은 주로 합금의 강도 및 경도를 증가시키는 원소이나, 0.009wt%를 초과하는 경우에는 합금의 물리적 성질을 저하시키므로 니켈(Ni)의 함량은 적정값 이하로 제한하는 것이 바람직하며, 0.007wt% 미만일 경우 위 효과를 발휘하지 못한다.

인(P)은 탈산제로 사용되며 합금의 유동성, 경도, 강도, 내마모성 및 탄성을 증가시키는 효과를 발휘하나, 0.001wt% 미만이면 위의 효과가 감소하고 0.011wt%를 초과하면 유동성 및 기계적 성질이 저하되는 문제점이 있다.

황(S)은 0.720wt% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 황은 동이나 철, 또는 이들의 양쪽 모두와 반응하여 황화물을 형성하게 되며, 이 황화물은 흑연이나 이황화몰리브덴과 동일하게 고체 윤활성을 가지고 있어 마찰 계수를 저하시킴으로써 슬라이드 상태에서 양호한 슬라이드 특성을 부여할 수 있다. 또한, 이들의 황화물에 의해 상기 동합금은 절삭시에 절삭분이 토막토막 끊긴 짧은 절삭분이 되므로 절삭에 이용되는 커터에 감기거나 하는 등의 경우가 잘 발생하지 않고 절삭성을 향상시킬 수도 있다. 황이 0.720wt% 미만이면 이들의 효과가 얻을 수 없거나 또는 불충분이 되어 버리면, 0.850wt%를 초과하면 황이 강도를 저하시킬 우려가 높아지게 된다.

이와 같이, 본 발명에서 황(S)은 기존의 납(Pb)을 대체할 수 있는 유용한 원소가 된다.

한편, 가장 바람직하게는 본 발명에 따른 무연 고강도 동합금은, 주석(Sn) 6.350wt%, 아연(Zn) 0.250wt%, 철(Fe) 0.150wt%, 니켈(Ni) 0.008wt%, 인(P) 0.005wt%, 황(S) 0.780wt%를 포함하되, 나머지는 동(Cu) 및 미량의 불가피한 불순물이며 상기 동(Cu)은 92.340wt 함유한다.

실시예

아래 [표 1]에는 도 1 내지 도 8에 따른 각종 시험을 위한 5종의 본 발명예(시편)에 대한 조성을 나타내었다.

[표 1]

먼저, 도 1에 본 발명예와, 납을 포함하는 비교예로서 납청동(CAC603)에 대하여 인장강도를 비교한 그래프를 도시하였다.

도시한 바와 같이, 본 발명예인 S1~S5의 인장강도가 비교예에 비해 크거나 거의 근접하다는 것을 알 수 있다.

또한, 도 2에 본 발명예와, 납을 포함하는 비교예로서 납청동(CAC603)에 대하여 항복강도를 비교한 그래프를 도시하였다.

도시한 바와 같이, 본 발명예인 S1~S5의 항복강도가 비교예에 비해 크다는 것을 알 수 있다.

도 3에 본 발명예와, 납을 포함하는 비교예로서 납청동(CAC603)에 대하여 연신율을 비교한 그래프를 도시하였다.

도시한 바와 같이, 본 발명예인 S1~S5의 연신율이 비교예에 비해 크거나 거의 근접하다는 것을 알 수 있다.

도 4에 본 발명예와, 납을 포함하는 비교예로서 납청동(CAC603)에 대하여 경도(브리넬)를 비교한 그래프를 도시하였다.

도시한 바와 같이, 본 발명예인 S1~S5의 경도가 비교예에 비해 크다는 것을 알 수 있다.

도 1 내지 도 4의 시험결과는 S1~S5 각각에 대하여 해당 성분을 가지는 3개씩 시편을 각각 제작하여 시험을 실시하였음을 나타내고 있다.

도 5는 본 발명예에 관한 금속 조직을 나타내는 사진 및 체적분율을 나타내는 표이다.

도시된 바와 같이, 작은 점과 같은 형태로 나타나는 황(S)-구리(Cu) 화합물을 통해 기계적 강도, 절삭성 및 내마모성 등 종래의 납청동이 가지는 특성을 나타내고 있어 베어링 등 마찰 부품으로 사용하기에 적합하다.

더욱이, 황-구리의 체적분율은 7.4~17.5로 베어링 소재로서 적당한 값을 나타내고 있으며 조직 또한 매우 균일하다.

도 6은 본 발명예와 납을 포함하는 비교예에 대하여 금속의 석출 조직 구조를 나타내며, 본 발명예의 경우 도 5의 조직을 한층 확대한 것을 나타낸다.

도시한 바와 같이, 비교예인 CAC603의 경우에는 동(Cu)에 고용되지 않은 납(Pb)의 석출물이 나타나고, 이로 인해 내마모성이 향상되게 된다.

반면, 본 발명예의 경우 동(Cu)에 고용되지 않은 황(S)의 석출물이 나타나고, 이로 인해 내마모성이 향상되게 된다.

이와 같이, 본 발명예의 경우 황(S)의 석출물을 통해 종래 납청동을 대체하여 베어링 등의 마찰 부품에 적용할 수 있게 된다.

도 7의 (a)는 본 발명예에 관한 석출 구조를 도 6보다 확대한 사진이고, (b)는 석출 물질의 상대적인 양을 나타내는 그래프이다.

특히, 도 7의 (a)에 도시한 조직은 도 6에서 구리(Cu)-황(S) 화합물로 이루어진 짙은 색 부분을 확대한 것으로서, 작은 사각형 부분은 Cu-S 석출상을 나타내고 큰 사각형 부분은 도 6에서 베이스(옅은 색 부분)인 매트릭스 α-상을 나타내고 있다.

도 8은 본 발명예와 납을 포함하는 비교예에 대하여 마모시험 결과를 나타내는 그래프이다.

동일한 규격의 시편을 사용하되, 동일한 소재의 회전하는 디스크와 상기 디스크 위에서 슬라이딩 접촉하는 핀을 대상으로 하였다.

본 마모시험에서는 39N의 시험 하중, 100 rpm의 회전속도, 15mm의 회전 반경으로 8시간 마찰 시켰을 때 그 상대적인 마모량이 나타나 있으며, 비교예인 CAC502나 CAC603에 비해 마모량이 현저하게 작게 나타남을 알 수 있다.

본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims

주석(Sn) 6.286~6.451wt%, 아연(Zn) 0.218~0.309wt%, 철(Fe) 0.087~0.203wt%, 니켈(Ni) 0.007~0.009wt%, 인(P) 0.001~0.011wt%, 황(S) 0.720~0.850wt%를 포함하되, 나머지는 동(Cu) 및 미량의 불가피한 불순물이며 상기 동(Cu)은 92.0wt 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 베어링 소재용 무연 고강도 동합금.
제1항에 있어서,
주석(Sn) 6.350wt%, 아연(Zn) 0.250wt%, 철(Fe) 0.150wt%, 니켈(Ni) 0.008wt%, 인(P) 0.005wt%, 황(S) 0.780wt%를 포함하되, 나머지는 동(Cu) 및 미량의 불가피한 불순물이며 상기 동(Cu)은 92.340wt 함유하는 것을 특징으로 하는 무연 고강도 동합금.