KR102245881B1

KR102245881B1 - 스테인레스강 스크랩을 재활용해 제조한 음용수용 황동 합금 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102245881B1
Application number: KR1020210036997A
Authority: KR
Inventors: 박은수; 윤국노; 예정원; 이시연
Original assignee: 서울대학교 산학협력단; 원진금속(주)
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2021-04-29
Also published as: KR20210035141A

Abstract

본 발명은 스테인레스강 석출물을 포함하는 음용수용 황동 합금 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 황동 합금과 편정반응을 가지는 원소들 중, 스테인레스강을 구성할 수 있는 소재를 동시에 합금화 함으로써, 스테인리스강을 선택적으로 구형(분리) 석출시켜 황동 소재의 특성 향상을 도모하고, 더불어 환경 문제를 야기하는 납의 사용량을 최소화하는 것을 목적으로 한다. 뿐만 아니라, 상대적으로 높은 가격에 형성되어 있는 Cr, Ni 등의 스테인레스강 구성 원소를 직접 활용하는 대신, 스크랩 소재를 활용함으로써 경제성을 극대화하였다.
본 발명을 통해 개발된 음용수용 황동 합금은 (1) 스크랩을 통해 제조하여 경제적이며 (2) 납의 함유량을 줄여 친환경적이다. 그럼에도 불구하고 (3) 기존의 유연황동이 가지는 구형 (분리) 제 2 상 석출 미세구조를 가져 절삭성이 향상된 것일 수 있다. 뿐만 아니라, 고강도/내부식성 석출물인 스테인레스강 석출을 통해 (4) 강도, 내부식성 등의 특성 역시 개선될 수 있다. 이를 통해 기존 유연황동 소재가 가지는 단점을 극복한 다기능 특성을 가진 황동소재를 보다 경제적인 방법으로 제공할 수 있도록 하였다.

Description

스테인레스강 스크랩을 재활용해 제조한 음용수용 황동 합금 및 그 제조 방법 {BRASS FABRICATED WITH STAINLESS STEEL SCRAP FOR WATER SUPPLYUYNT AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 스테인레스강 스크랩(Scrap)을 활용해 제조한 음용수용 황동(Brass) 합금 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 부연하면 본 기술은 소재의 기지 조성을 구성할 (1) 황동을 구성하는 모원소(혹은 스크랩)와 (2) 스테인레스강(Strainless steel, SUS) 스크랩을 동시에 용해하여 스테인레스강을 제 2상 형태로 석출시킴으로써, 고강도, 고내식성, 고가공성 및 고절삭 특성의 다기능 특성을 가지는 음용수용 황동 합금을 제조하는 것에 관한 것이다. 상술한 황동 합금은 스테인레스강을 제 2상 형태로 입내 석출시켜 기존 황동대비 고강도와 고내식성을 가지며, 기존 가공 특성 및 절삭성 향상을 위해 납(Pb) 석출물이 하던 역할을 스테인레스강 석출물로 대체하여 제조하였기 때문에 환경 친화적이고, 고순도 모원소 대신 스크랩을 활용해 제조되었기 때문에 높은 경제성을 가지는 효과가 있다.

황동은 구리(Cu)와 아연(Zn)의 합금으로 심미적으로 아름답고, 우수한 전연성, 가공성으로 인해 압출 및 성형 등의 가공시에 정밀한 형상 구현이 가능하다. 뿐만 아니라 여타 합금 대비 상대적으로 높은 산화 저항성을 가지기 때문에 수전, 가스 배관 등에 활용되어 왔다. 이와 같이 황동을 원하는 부품으로 활용하기 위해서는 가장 중요한 것 중 하나가 절삭성이다. 하지만 Cu와 Zn 만으로 구성된 순(Pure) 황동 소재의 경우에는 연성이 너무 커, 원하는 형상으로 소재를 가공하는 데에 문제가 있었다. 기존에는 이와 같은 문제의 해결을 위해 구리에 쉽게 석출물을 형성하는 합금 원소인 납(Pb), 비스무트(Bi) 등을 함께 합금화 하여 황동소재를 활용하였다. 이 때 합금화 된 첨가 원소들은 황동의 입계(Grain boundary)가 아닌, 입내 (Grain 내부)에 석출되어 절삭 가공 간에 적절한 크기의 칩(Chip) 형성을 유도함으로써 절삭성 향상에 도움을 주었다. 이러한 복합미세구조를 형성하기 위해서는 황동을 구성하는 주 원소인 (1) Cu와 큰 양(+)의 혼합열(Enthalpy of mixing, H_mix)을 가지며, 동시에 (2) 큰 융점차이를 가져 편정 반응이나 포정반응을 통해 쉽게 액상에서 분리되어야 한다. 실제로 Pb는 황동과 액상 분리에 의한 편정(Monotectic) 반응을 형성하며, 응고 시에 액상 상태로 분리되어 최종 응고 미세조직을 형성하기 때문에 대부분의 납 석출물이 결정립계가 아닌 결정립 내부에 형성되는 것으로 알려져 있다.

그러나 증가하는 국제 사회의 환경 규제에 따라 납이 포함되지 않은 무연 황동(Pb-free brass)의 수요가 급증하면서, 이에 대한 대체재의 연구 개발이 활발하다. 따라서 본 발명에서는 Pb를 필수적으로 포함하지 않으면서도 고강도, 고내식성 및 고절삭 특성의 다기능 특성을 가지는 음용수용 황동 신소재 개발을 위하여, 열역학 시뮬레이션 접근법인 Calphad 계산을 통한 다양한 열역학적 고찰을 통하여 대표적인 내부식 합금인 황동과 스테인리스강간 독특한 복합미세구조를 가지는 신합금을 개발하였다.

[문헌1] 윤의한 등 4명. 무연음용수용 황동합금. 대한민국 특허, KR-100225751B1, 1999-10-15 등록 [문헌2] 박기원 등 3명. 무연쾌삭 청동합금 및 그 제조방법. 대한민국 특허, KR-100555854B1, 2006-03-03 등록

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 황동을 구성하는 모원소 (혹은 같은 조성을 가지는 스크랩)와 (2) 스테인레스강 (Strainless steel, SUS)의 모원소 (혹은 같은 조성을 가지는 스크랩)를 동시에 용해하여 스테인레스강을 제 2상 형태로 황동기지에 석출시킴으로써, 고강도, 고내식성, 고가공성 및 고절삭 특성의 다기능 특성을 가지는 음용수용 황동 합금을 개발하고자 하였다.

본 발명에 의한 음용수용 황동은 Cu 및 Zn 의 기지 제 1상과 스테인레스강 석출물의 제 2상으로 구성된다. 특히 이때의 스테인레스강 석출물은 스크랩을 재활용해 제조한 것일 수 있다. 또한 이와 같은 음용수용 황동 합금의 제조 방법은 황동 기지를 구성할 모원소 혹은 스크랩을 준비하는 단계; 제 2상 석출물을 형성할 스테인레스강 모원소 혹은 스크랩을 준비하는 단계; 및 준비한 모원소 혹은 스크랩을 동시에 용해하여 합금화 하는 단계로 구성된다.

부연하면, "스테인레스강 모원소 혹은 스크랩을 준비하는 단계"에서는 제 1상을 구성하는 Cu와 양(+)의 혼합열 관계를 가져 쉽게 상분리 될 수 있는 스테인레스강 소재를 준비하는 것이 필요하다. 이와 더불어 "황동 기지를 구성할 모원소 혹은 스크랩을 준비하는 단계"에서는 황동 기지의 제 1상을 구성할 수 있도록 하는 특정한 Cu 및 Zn 비율로 모합금 혹은 황동 스크랩 소재를 준비하여야 한다. 마지막으로 "준비한 모원소 혹은 스크랩을 동시에 용해하여 합금화 하는 단계"에서는 상기 합금화 원소들이 균질하게 용해될 수 있도록 하는 것이 중요하며, 용해 되었을 때, 쉽게 액상 분리 현상을 가질 수 있도록 용융온도 이상의 충분히 높은 온도에서 용해하는 것이 중요하다. 이와 더불어 합금이 제조된 이후에도 압출, 압연 및 열처리 공정을 포함하는 후처리 공정을 통하여 적합한 미세조직을 확보할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의한 황동 소재의 경우, 제 1상의 황동 기지에 형성된 스테인레스강 조성의 석출물들이 특성 향상에 도움을 줌으로써, 기존에는 확보하기 어려웠던 고강도, 고내식성, 고가공성 및 고절삭성 등의 다기능 특성을 확보하는 효과가 있다. 부연하면, 본 발명을 통해 개발된 음용수용 황동의 경우에는 (1) 주요 합금원소로써 필수적으로 납이 포함되지 않아 친환경적이며 (2) 스테인레스강 석출물이 입내에서 절삭의 윤활 역할을 수행함으로써 우수한 가공성 및 절삭성을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 (3) 기존의 연질상인 황동 소재에 고강도/내부식성 석출물이 형성된 복합 구조를 형성함으로써 고강도/내부식성의 우수한 물성 역시 확보할 수 있다. 이와 동시에, (4) 모원소 대비 10배 이상 저렴한 스크랩을 활용함으로써 제품의 생산 시에 경제성 역시 확보할 수 있다.

도 1은 Cu 와 Zn 간 2원계 상태도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 각각 대표적으로 활용되는 황동 조성인 Cu₇₀Zn₃₀(FCC 단상 소재) 및 Cu₆₀Zn₄₀(FCC+BCC 복합소재)과 Pb 간 의사 2원계 상태도이다.
도 3 내지 도 5는 각각 200계, 300계 및 400계 스테인레스강을 대표하는 스테인리스강 201(비교예 1), 스테인리스강 304 (비교예 5) 및 스테인리스강 430 합금 (비교예 11)과 (a) 비교예 14 및 (b) 비교예 15의 대표적 황동합금간 열역학 계산을 통해 작도한 의사 2원계 상태도이다.
도 6은 본 발명에 의한 (a) 비교예 20 및 (b) 실시예 30 의 미세구조를 관찰한 후방산란전자(BSE, Back scattered electron) 주사전자현미경(SEM, Scanning electron microsope) 이미지이다.
도 7은 본 발명에 의한 실시예 30 소재를 주조한 후 압출한 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 의한 실시예 30 조성의 (a) 압출소재를 압연하여 (b), (c), (d)와 같이 서로 다른 위치에서 두께를 측정한 결과를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 의한 (a) 비교예 20 소재의 절삭면과 (b) 실시예 30 소재의 절삭면을 나타내는 주사전자 현미경 이미지와, (c) 실시예 30 소재 절삭 시편의 형상을 나타내는 이미지이다.
도 10은 본 발명에 의한 (a) 비교예 20 및 (b) 실시예 30, (c) 실시예 34, (d) 실시예 31 및 (e) 실시예 35의 비커스(Vickers) 경도를 나타낸 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

추가로, 본 발명에 의한 소재의 "제 1상"을 구성하는 "황동 합금"은 구리(Cu)에 아연(Zn)이 합금화 된 것으로, 전체 복합 소재의 "합금 기지(Matrix)"를 구성하기 때문에, 상기의 3 가지 개념은 같은 것으로 이해되어야 하며, 혼용되어 사용될 수 있다. 같은　의미에서, "제 2상"을 구성하는 "석출물" 혹은 "게재물"은 "스테인레스강"의 조성을 가지기 때문에, 상기 3 가지 개념 역시 혼용되어 사용될 수 있다.

황동 소재의 구분 및 절삭성 향상을 위한 합금화 전략

황동은 Zn가 Cu에 고용된 형태의 고용 합금으로 황금색을 띄어 심미성이 우수하기 때문에 다양한 분야에 활용되어 왔다. 이러한 황동 소재는 면심입방(Face centered cubic, FCC) 결정구조의 소재를 기지로 하는 단상의 황동 소재와, 필요에 따라 체심입방(Body centered cubic, BCC) 결정구조의 상을 동시에 포함하는 복합 구조의 소재로 활용되기도 한다. 이와 같은 소재들은 Zn의 함량에 따라 다양하게 구분되며, [도 1]에 도시된 Cu 와 Zn 간 2원계 상태도에서 그 기준을 확인할 수 있다. (본 발명에서 제시한 모든 상태도는 열역학 시뮬레이션이 가능한 Thermo-Calc 소프트웨어를 기반으로 고용합금에 대한 데이터베이스인 SSOL 6 를 활용해 계산하였다. 단, 스테인레스강을 포함하는 합금의 경우 계산의 정확도를 높이고자 철계 합금에 대한 데이터베이스인 TCFE 9를 활용해 계산하였다.) 해당 도면에 나타난 바와 같이, Zn의 함량이 35 at.% 를 초과하는 경우 BCC 결정구조의 상이 형성되기 시작하며, 특히 Zn가 46.5 at.% 보다 많이 포함된 경우에는 FCC 결정구조의 α 상이 전혀 형성되지 않고, BCC 결정 구조의 β 상단일 합금 등의 다른 합금이 구성되기 때문에, 제 1상의 기지 합금 대비 Zn가 46.5 at.% 이상 포함되는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 도면에 나타난 바와 같이 황동에 포함될 수 있는 Zn 의 양은 최대 46.5 at.% 로 제한되며, "황동"으로 명명될 수 있는 합금 조성을 일반식으로 나타내면 아래 [화학식 1]과 같다.

(단, 0 < a ≤ 46.5 at.%)

그러나 상기와 같이 Cu와 Zn만으로 구성된 순 황동의 경우 너무 큰 연성을 가지기 때문에, 이와 같은 소재의 절삭성 향상을 위해서Pb 가 합금화된 유연 황동을 활용해 왔다. 황동에 합금화 되어 제 2상을 입내에 형성하는 Pb는 절삭시에 윤활 역할을 함으로써, 적절한 크기의 절삭 칩(Chip)을 형성시켜, 절삭 이후에도 유려한 표면을 갖도록 한다. 실제로 Pb는 황동 기지를 구성하는 성분 중, 그 특성을 좌우 하는 것으로 알려진 구리와 큰 양의 혼합열(+15 kJ/mol)을 가지기 때문에, 쉽게 고온의 액상에서 용해도 간극(Miscibility gap)을 가지게 되며, 이를 응고시키면 결정립(Grain) 내부에 균질하게 분포된 석출물이 형성되는 것으로 알려져 있다.

[도 2]의 (a) 및 (b)는 각각 대표적으로 활용되는 황동 조성인 Cu₇₀Zn₃₀(FCC 단상 소재) 혹은 Cu₆₀Zn₄₀(FCC+BCC 복합소재)과 Pb 간 의사 2원계 상태도이다. 도면에서 확인할 수 있는 바와 같이 두 합금 모두 고온에서 넓은 액상 분리 영역을 가지는 것을 알 수 있었다. 즉, 이와 같이 Cu와 양(+)의 혼합열 관계를 가지는 Pb를 황동에 첨가하여 합금화 함으로써 황동기지내 제 2상 형태로 고르게 석출된 쾌삭황동을 개발할 수 있다. 그러나 최근 미국, 유럽 연합을 비롯해 전세계적으로 납에 의한 환경 오염 문제가 대두 되면서, 납의 사용 제한이 요구되어 왔으며, 필연적으로 유연 황동의 사용 역시 제한되어 왔다. 따라서 본 발명에서는 해당 소재를 대체할 수 있는 새로운 조성의 황동 소재를 개발하였다.

스테인레스강 석출물을 활용한 절삭성 향상 방안

이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 스테인레스강 소재를 활용한 음용수용 황동의 개발을 위한 합금화 원소 및 방법을 개발하였다. 스테인레스강은 납과 비교하여 인체에 무해하며, 일반적인 금속 소재 대비 내부식성도 우수하기 때문에, 음용수용 파이프 소재로써 부족함이 없다.

이때, [표 1]은 대표적인 상용 스테인레스강의 조성을 나타낸 표이며, 표에 나타난 바와 같이 스테인레스강은 그 조성에 따라 다양한 특성을 가지는 것으로 알려져 있다. 상용 소재로 많이 활용되는 300계 스테인레스강을 기준으로, 200계 소재는 경제성 향상을 위해 Ni을 Mn으로 대체한 소재에 해당하며, 400계 소재는 Ni 함량을 극도로 낮춤으로써 페라이트(Ferrite)상의 안정화를 통해 형성된 고강도 소재이다.

구분		조성 (최대량, at. %)								비고 (예시구분)
계열	AISI 규격	Cr	Ni	Mn	C	Si	P	S	기 타 (원소)	비고 (예시구분)
200계	201	16.0 - 18.0	3.50 - 5.50	5.50 - 7.50	0.15	1.00	0.06	0.03	-	비교예 1
	202	17.0 - 19.0	4.00 - 6.00	7.50 - 10.0	0.15	1.00	0.06	0.03	-	비교예 2
	204	15.5 - 17.5	1.5 - 3.5	6.50 9.0	0.15	0.50	0.04	-	-	비교예 3
	205	16.5 - 18.0	1.00 - 1.75	14.0 - 15.5	0.12 - 0.25	0.30 - 0.50	0.03	0.03	-	비교예 4
300계	304	18.00 - 20.00	8.00 - 10.50	2.00	0.08	1.00	0.040	0.030	-	비교예 5
	309	22.00 - 24.00	12.00 - 15.00	2.00	0.08	1.00	0.040	0.030	-	비교예 6
	316	16.00 - 18.00	10.00 - 14.00	2.00	0.08	1.00	0.040	0.030	3.00 (Mo)	비교예 7
	321	17.00 - 19.00	9.00 - 13.00	2.00	0.08	1.00	0.040	0.030	2.00 (Ti)	비교예 8
400 계	410	11.50 - 13.50	-	1.00	0.15	1.00	0.040	0.030	-	비교예 9
	420	12.00 - 14.00	1.00	1.00	0.040	0.030	0.16 - 0.40	0.030	-	비교예 10
	430	16.00 - 18.00	-	1.00	0.12	0.75	0.040	0.030	-	비교예 11

전술한 다양한 스테인레스강 소재의 화학적 조성은 아래의 [화학식 2]과 같은 일반식으로 표현 될 수 있다.

(단, 11.50 ≤ b ≤ 24.00, 0 ≤ c ≤ 15, 1 ≤ d ≤ 15.5, 0 ≤ e ≤ 5 at.% 이며, X는 C, Si, P, Mo 및 Ti 이 포함된 첨가 원소군에서 선택된1종 이상의 합금원소)

이때, 스테인레스강을 구성하는 가장 대표적인 원소는 Fe, Cr, Ni 및 Mn 으로, 일반적인 경우, 이 원소들이 전체 화학 조성의 95 at.% 이상을 차지하기 때문에 소재 전체의 특성 역시 상기 원소들에 의해 결정된다고 할 수 있다.

구분		Cu와 혼합열	융점(℃)	비고 (예시 구분)
황동 및 황동 구성원소	Zn	-	420	비교예 12
	Cu	-	1080	비교예 13
	Cu₇₀Zn₃₀	-	930	비교예 14
	Cu₆₀Zn₄₀	-	890	비교예 15
스테인레스강 대표 구성원소	Fe	+13 kJ/mol	1538	비교예 16
	Cr	+12 kJ/mol	1907	비교예 17
	Ni	+4 kJ/mol	1455	비교예 18
	Mn	+4 kJ/mol	1246	비교예 19

이때, 상기 [표 2]에는 황동을 구성하는 Cu, Zn 등 대표적인 황동 조성들과 함께, 일반적인 스테인레스강 조성의 95 at.% 이상을 구성하는 Fe, Cr, Ni 및 Mn 의 특성을 나타내었다. 표에서 확인할 수 있는 바와 같이, 스테인레스강을 구성하는 모든 원소들은 황동의 특성을 결정하는 금속 원소인 Cu와 큰 양의 혼합열을 가지며, 그 중에서도 기지 조성의 대부분을 구성하는 Fe 및 Cr 은 각각 +13 및 +12 kJ/mol 의 큰 혼합열을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 스테인레스강을 구성하는 모든 합금 원소들은 황동 합금과의 큰 융점 차이를 보이고 있었는데, 이를 통해 스테인레스강 역시 황동 기지와 합금화 되었을 때, 쉽게 액상 분리 영역을 가질 수 있을 것으로 예상할 수 있었다.

[도 3] 내지 [도 5]는 각각 200계, 300계 및 400계 스테인레스강을 대표하는 스테인리스강 201(비교예 1), 스테인리스강 304 (비교예 5) 및 스테인리스강 430 합금 (비교예 11)과 (a) 비교예 14 및 (b) 비교예 15의 대표적 황동합금간 열역학 계산을 통해 작도한 의사 2원계 상태도를 나타낸다. 이때, 철계 합금의 계산 정확도 향상을 위해 TCFE 9 데이터베이스를 활용해 계산이 수행되었다.

모든 도면에서 Zn의 양에 따라 액상 분리 영역의 형상이 크게 바뀌지 않았다는 점을 확인할 수 있는데, 이는 황동을 구성하는 대표적 성분인 Cu가 황동의 열역학적 특성을 좌우하기 때문인 것으로 판단된다. 추가적으로 스테인레스강의 조성 및 결정구조 차이가 있음에도, 동일하게 FCC 결정구조의 석출물이 형성됨을 확인할 수 있다. 이와 같은 현상은 스테인레스강을 구성하는 주원소인 Fe가 황동을 구성하는 주 원소인 Cu 와 상분리 시에, 두 종류의 FCC 합금으로 분리되기 때문이다. 특히, Cu 의 경우 스테인레스 강을 구성하는 대부분의 합금 원소와 양(+)의 혼합열을 가지고 있더라도, 1 at.% 내외의 작은 고용도를 보일 수 있다. 본 발명에서는 황동 합금 대비 포함되는 스테인레스강 합금의 분율이 5 at.% 이하로 매우 작기 때문에, 어떠한 조성의 스테인레스강 스크랩을 합금화 하더라도, 열역학적으로 가장 안정한 특정한 조성 영역의 석출물이 형성될 수 있다. 즉, 상기 [화학식 2]의 조건을 만족하는 스테인레스강이라면 같은 혹은 비슷한 형태의 미세구조를 기대할 수 있다. 즉, 황동에 스테인레스강을 합금화 함으로써 쉽게 스테인리스강 석출물을 형성할 수 있으며, 형성된 석출물이 가공특성 및 절삭성에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단할 수 있다.

스테인레스강 스크랩을 활용한 음용수용 황동 제조

본 단계에서는 본 발명에 의한 음용수용 황동을 제조하고 그 미세구조를 분석하였다. 이와 같은 음용수용 황동 합금의 제조 방법은 황동 기지를 구성할 모원소 혹은 스크랩을 준비하는 단계; 제 2상 석출물을 형성할 스테인레스강 모원소 혹은 스크랩을 준비하는 단계; 및 준비한 모원소 혹은 스크랩을 동시에 용해하여 합금화 하는 단계로 구성된다.

이때, 본 발명에 의한 음용수용 황동은 전자기장에 의한 교반효과가 있어 균질한 미세구조의 합금 제조가 용이한 고주파 유도용해법(Induction melting)을 통해 용해 후 냉각하여 제조하였다. 유도 용해법 이외에도, 아크플라즈마를 통해서 고온을 구현할 수 있기 때문에, 빠르게 벌크 형태의 균질한 고용체를 제조할 수 있고 산화물과 기공 등의 불순물을 최소화할 수 있는 아크 멜팅법(Arc-melting)이나, 혹은 정밀한 온도 제어가 가능한 저항 가열법 및 전율 고용체의 형성이 유리한 급랭 응고법 등을 활용하여 상용 주조 공정을 통해 제조하는 것이 가능하다. 이와 더불어, 원료 고융점 금속의 용해가 가능한 상용 주조법뿐 만 아니라, 원료를 분말 등으로 제조하여 분말 야금법을 이용해 스파크 플라즈마 소결 (Spark Plasma Sintering) 혹은 열간 정수압 소결(Hot Isostatic Pressing)을 이용하여 고온/고압으로 소결하여 제조할 수 있으며, 소결법에 의한 경우에는 보다 정밀한 미세 조직 제어 및 원하는 형상의 부품 제조가 용이한 장점이 있다. 상기와 같이 제조된 합금은 미세구조 제어를 위해 압출, 냉연 및 열연 혹은 재결정화를 위한 열처리 등의 후처리 공정을 추가적으로 수행할 수 있다.

한편, 스테인레스강을 구성하는 Cr 및 Ni 등의 원소재는 기존에 활용되던 납에 비해 5배 이상 높은 가격이 형성되어 있다. 따라서 스테인레스강 원소재를 활용하여 합금을 제조하는 경우, 그 소재의 경제성에 악영향을 미칠수 밖에 없다. 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 스테인레스강의 스크랩(Scarp)을 활용하는 방안을 고려하였다. 스크랩의 경우에는 고순도 모원소 대비 10배 이상 낮은 가격을 가지기 때문에 경제성의 증대를 가져올 수 있다. 하기에서는 스크랩을 활용한 쾌삭동의 제조 방법 및 그 결과에 대해 비교예와 직접 연구한 실시예를 바탕으로 체계적으로 설명한다.

이때, 본 발명에서 개발한 음용수용 황동과의 비교를 위해 아래 [표 3]과 같이 기존의 유연황동을 제조하고 비교하였다. 이때, 황동의 경우에도 스크랩으로 제조한 경우(비교예 20)와 모합금을 준비하여 제조한 경우(비교예 21) 모두에서 비슷한 형상의 석출물을 가지는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 화학적 조성이 비슷한 경우 최종 제조물의 미세구조는 큰 차이가 없음을 의미한다. 따라서 제 1상 황동 기지의 경우, 모합금으로 제조하는 경우나, 스크랩을 활용하는 경우의 미세구조적 차이가 거의 없음을 알 수 있다.

구분	조성	미세구조	비고
비교예 20	(Cu₆₅Zn₃₅)₉₈(Pb)₂	구형 석출물 형성	유연 황동 스크랩
비교예 21	(Cu₆₅Zn₃₅)₉₈(Pb)₂	구형 석출물 형성	모합금 제조

[도 6]의 (a)는 상기 표3 비교예 20의 미세구조를 나타낸 SEM 사진으로, 미세구조 전반에 걸쳐 황동 기지에, 납 석출물이 형성된 것을 확인할 수 있다. 즉 이와 같은 제 2상 석출물들이 절삭시에 윤활 역할을 통해 절삭성 향상에 도움을 주는 것을 알 수 있다. 이와 비슷하게 [도 6]의 (b)는 본 발명의 하기 표4 실시예 30의 미세구조를 나타낸 것으로, 기지 전반에 걸쳐 스테인레스강 석출물이 분포하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 합금이 기존 유연황동과 유사한 미세구조를 가짐을 통해 본 발명의 합금 역시 우수한 절삭성을 나타낼 수 있음을 예상할 수 있다.

다음 [표 4]는 석출상을 형성하는 스테인레스강 스크랩 분율, 황동의 Zn 분율 및 스크랩 종류 등을 변화시키며 확인한 본 발명에 의한 다양한 실시예들을 나타낸다. 특히 체계적 확인을 위하여 스테인레스강의 스크랩 조성 역시 각 계열에서 대표적인 합금 4가지(201, 304, 316 및 405)에 대해 수행하였다.

구분	합금 분율 (at.%) (Brass)_x(SUS)_y		황동(Brass) 조성(at.%) (Cu)_x(Zn)_y		스크랩(SUS) 종류	미세구조
구분	x	y	x	y	스크랩(SUS) 종류	미세구조
실시예 1	99	1	100	0	201	구형(분리) 석출물
실시예 2					304	구형(분리) 석출물
실시예 3					316	구형(분리) 석출물
실시예 4					430	구형(분리) 석출물
실시예 5	97	3			201	구형(분리) 석출물
실시예 6					304	구형(분리) 석출물
실시예 7					316	구형(분리) 석출물
실시예 8					430	구형(분리) 석출물
실시예 9	95	5			201	구형(분리) 석출물
실시예 10					304	구형(분리) 석출물
실시예 11					316	구형(분리) 석출물
실시예 12					430	구형(분리) 석출물
실시예 13	99	1	70	30	201	구형(분리) 석출물
실시예 14					304	구형(분리) 석출물
실시예 15					316	구형(분리) 석출물
실시예 16					430	구형(분리) 석출물
실시예 17	97	3			201	구형(분리) 석출물
실시예 18					304	구형(분리) 석출물
실시예 19					316	구형(분리) 석출물
실시예 20					430	구형(분리) 석출물
실시예 21	95	5			201	구형(분리) 석출물
실시예 22					304	구형(분리) 석출물
실시예 23					316	구형(분리) 석출물
실시예 24					430	구형(분리) 석출물
실시예 25	99	1	60	40	201	구형(분리) 석출물
실시예 26					304	구형(분리) 석출물
실시예 27					316	구형(분리) 석출물
실시예 28					430	구형(분리) 석출물
실시예 29	97	3			201	구형(분리) 석출물
실시예 30					304	구형(분리) 석출물
실시예 31					316	구형(분리) 석출물
실시예 32					430	구형(분리) 석출물
실시예 33	95	5			201	구형(분리) 석출물
실시예 34					304	구형(분리) 석출물
실시예 35					316	구형(분리) 석출물
실시예 36					430	구형(분리) 석출물

상기 표를 보면, 본 발명의 제조된 다양한 조성에서 모두 절삭성 향상을 기대할 수 있는 구형의 석출물이 형성되었음을 확인할 수 있으며, 석출물들이 서로 연결되지 않고 분리된 형태를 가졌기 때문에, 절삭시에 계면을 따라 균열 형성 등이 적을 것으로 기대된다. 특히 이와 같은 석출물 형성은 스테인레스강 스크랩의 조성과 큰 관계없이 비슷한 형태로 이루어 졌는데, 이는 스테인레스강의 경우 구성원소의 분율에 다소간 차이가 있을 뿐, 전체적인 구성 원소 종류는 비슷하기 때문인 것으로 판단된다. 이로부터 [화학식 2]의 조건을 만족하는 스테인레스강의 경우 모두 본 발명의 결과물로 받아들여질 수 있음을 판단할 수 있다.

아래 [표 5]는 본 발명을 대표할 수 있는 조성인 실시예 17 내지 20와 같은 조성의 합금을 스크랩이 아닌, 고순도의 모원소를 이용해 제조한 결과를 나타낸다. 하기 표에서 확인할 수 있는 바와 같이 고순도의 모원소를 이용해 같은 조성을 구성한 후 합금을 제조하더라도, 쉽게 비슷한 미세구조의 합금을 제조할 수 있음을 알 수 있다.

구분	합금 분율 (at.%) (Brass)_x(SUS)_y		황동(Brass) 조성(at.%) (Cu)_x(Zn)_y		스테인레스강 모합금 조성	미세구조
	x	y	x	y
실시예 37	97	3	70	30	201	구형(분리) 석출물
실시예 38					304	구형(분리) 석출물
실시예 39					316	구형(분리) 석출물
실시예 40					430	구형(분리) 석출물

한편, 아래 [표6]은 스테인레스강 합금화 원소 분율을 10 at.% 포함하는 합금군에 관한 결과이다. 이와 같이 스테인레스강 소재의 분율이 과도하게 높아지는 경우, 각 석출물이 서로 연결된 형태, 혹은 충분한 성장을 한 수지상 가지 모양으로 성장한다. 이와 같이 연결된 형태의 석출물은 절삭시에 그 계면을 통한 균열이 발생할 수 있어, 청구 범위에서 제외되는 것이 바람직하다.

구분	합금 분율 (at.%) (Brass)_x(SUS)_y		황동(Brass) 조성(at.%) (Cu)_x(Zn)_y		스크랩(SUS) 종류	미세구조
	x	y	x	y
비교예 22	90	10	70	30	201	수지상(연결) 석출물
비교예 23					304	수지상(연결) 석출물
비교예 24					316	수지상(연결) 석출물
비교예 25					430	수지상(연결) 석출물

상기와 같이 본 단계에서 확인한 결과를 종합하면, 본 발명에 의한 스테인레스강이 제 2 상으로 석출된 음용수용 황동은 아래 [화학식 3]과 같이 표현될 수 있다.

(단, 0 ≤ x ≤ 5.00 at.% 이며, Brass 는 [화학식 1]에 의한 황동 조성, SUS 는 [화학식 2]에 의한 스테인레스강 조성)

한편, 하기 [표 7]에 나타난 실시예 41 내지 49는, 기지 절삭성 향상을 위한 것으로, 황동 소재에 소량 첨가되어 절삭성을 개선하는 것으로 알려진 Pb, Sn, Sb, As, Bi, Cd, P, Mg 및 Si 등으로 이루어진 합금군에서 선택된1종 이상의 합금원소가 전체 합금원소 대비 2 at.% 이상 포함된 결과를 나타낸다. 하기 표에 나타난 원소들은 황동 스크랩 등에 포함되어 쉽게 제거할 수 없는 물질이나, 황동 소재 자체의 절삭성을 향상 시킬 수 있는 원소로써, 본 개발의 청구 범위에 포함될 수 있다. 특히 하기의 소재들은 기존 황동 스크랩에 소량 포함될 수 있는 소재들로써, 황동 스크랩을 활용해 제조한 경우에 불가피하게 소재에 포함될 수 있다.

구분	합금 분율 (at.%) (Brass)_x(SUS)_y(X)z			황동(Brass) 조성(at.%) (Cu)_x(Zn)_y		스크랩(SUS) 종류	첨가원소(X) 종류	미세구조
구분	x	y	z	x	y	스크랩(SUS) 종류	첨가원소(X) 종류	미세구조
실시예 41	68	30	2	70	30	304	Pb	석출물 형성
실시예 42							Sn	석출물 형성
실시예 43							Sb	석출물 형성
실시예 44							As	석출물 형성
실시예 45							Bi	석출물 형성
실시예 46							Cd	석출물 형성
실시예 47							P	석출물 형성
실시예 48							Mg	석출물 형성
실시예 49							Si	석출물 형성

스테인레스강 스크랩으로 제조된 음용수용 황동의 가공 특성 분석

본 단계에서는 스테인레스강 스크랩으로 제조된 스테인레스강 제 2상이 석출된 음용수용 황동의 가공 특성 및 절삭성 등을 분석한다. 이를 위해, 본 발명에 의한 대표조성으로써 실시예 30을 기준으로 다양한 분석을 수행하였다.

[도 7]은 본 발명 대표 조성인 실시예 30에 대해 대용량 주조 (600 Kg)를 통해 제조한 빌렛 (175 mm직경, 380~550 mm 길이)을 19 mm 직경까지 압출한 시편의 형상을 보여준다. 이와 같은 결과는 스테인리스강 제 2 상이 석출된 음용수용 황동에 큰 변형을 주더라도, 내부 혹은 외부로부터의 균열이 쉽게 발생하지 않음을 의미한다.

이때, [도 8] 은 상기와 같이 압출한 소재를 다시 냉간 압연한 결과를 나타낸다. 도면에 나타난 바와 같이 두께 약 15 mm 의 소재를 2.7 mm 까지 (80% 이상) 압연하더라도, 큰 균열이 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라, 이와 같이 압연된 소재에서 위치를 다르게하며 두께를 측정하더라도, 0.001 mm 이하의 두께 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명을 통해 제조된 음용수용 황동이 정밀 가공 및 성형이 가능함을 의미한다.

[도 9] 는 상기 [도 7]의 압출한 시편을 절삭가공한 결과를 나타낸다. 이때 (a)는 기존의 유연 황동을 절삭한 결과를 나타낸다. 유연 황동의 절삭면에서는 대단위의 균열이나 형상 변형을 확인할 수 없었다. 이와 마찬가지로, 본 발명의 실시예 30 시편의 절삭 표면에는 매우 미소한 표면 긁힘은 확인할 수 있나, 대단위의 균열이나 형상 변형이 발생하지 않은 것을 알 수 있다. 이는 본 발명에 의해 개발된 소재가 상용 황동으로 적용 가능함을 의미한다. 실제로 (c)에 나타난 바와 같이, 가공 시편의 전체 형상을 확인하더라도, 큰 균열없이 매끄럽고 유려한 형상을 확인할 수 있으며, 황동 특유의 황금색을 유지하는 것을 확인하였다.

[도 10] 은 본 발명을 통해 개발한 황동 소재와 기존 비교예의 경도를 비교한 결과이다. 경도 측정은 비커스 경도 측정법을 통해 분석하였으며, 본 발명의 황동 합금이 기존의 유연 황동에 비해 2-3 배 가량 높은 경도를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명을 통해 개발된 소재가 스테인리스강 제 2 상의 석출을 통해 기존 소재 대비 고강도를 가져 구조용 소재로써 내구성을 가질 수 있음을 의미한다. 뿐만 아니라 본 발명에서 포함시킨 스테인레스강 석출물은 높은 내산화성을 가져, 기존 소재 대비 우수한 내산화성을 가질 수 있을 것으로 기대된다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허 청구 범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

Cu와 Zn로 구성된 황동 합금의 제 1상; 및
스테인레스강(SUS)의 구성원소를 포함하는 제 2상 석출물;을 가지도록 한정한 황동 합금의 조성영역이 (Cu_100-aZn_a)_100-x(SUS)_x (단, 1 ≤ x ≤ 5이고, 0 < a ≤ 46.5 at.%)로 표현되는 것이되,
상기 식의 SUS의 조성비율이 Fe_100-b-c-d-eCr_bNi_cMn_dX_e (단, 11.50 ≤ b ≤ 24.00, 0 ≤ c ≤ 15, 1 ≤ d ≤ 15.5, 0 ≤ e ≤ 5 at.% 이며,
X는 C, Si, P, Mo 및 Ti가 포함된 첨가 원소군에서 선택된 1종 이상의 합금원소)로 표현되는 것을 특징으로 하는 음용수용 황동 합금.
청구항 1에 있어서,
상기 Cu와 Zn로 구성된 황동 합금의 제 1상이 스크랩을 재활용해 제조된 것을 특징으로 하는 음용수용 황동 합금.
청구항 1에 있어서,
상기 스테인레스강(SUS)의 구성원소를 포함하는 제 2상 석출물이,
Fe_100-b-c-d-eCr_bNi_cMn_dX_e(단, 11.50 ≤ b ≤ 24.00, 0 ≤ c ≤ 15, 1 ≤ d ≤ 15.5, 0 ≤ e ≤ 5 at.% 이며, X는 C, Si, P, Mo 및 Ti 으로 포함된 첨가 원소군에서 선택된 1종 이상의 합금원소)의 조성비율을 가지는 상용 스테인레스강 스크랩을 재활용해 제조된 것을 특징으로 하는 음용수용 황동 합금.
청구항 1에 있어서,
상기 Cu와 Zn로 구성된 황동 합금의 제 1상의 절삭성 향상을 위하여,
Pb, Sn, Sb, As, Bi, Cd, P, Mg 및 Si 등으로 이루어진 합금군에서 선택된 1종 이상의 합금원소가 황동 합금을 대체하여 2 at.% 이하로 합금화된 것을 특징으로 하는 음용수용 황동 합금.
청구항 1의 음용수용 황동 합금을 구비하는 것을 특징으로 하는 수전(水栓) 용품 및 파이프(Pipe)를 포함하는 황동 가공품.
Cu_100-xZn_x (단, 0<x≤45)의 비율로 황동 기지를 구성할 황동 모원소 혹은 스크랩을 준비하는 단계;
Fe_100-b-c-d-eCr_bNi_cMn_dX_e (단, 11.50 ≤ b ≤ 24.00, 0 ≤ c ≤ 15, 1 ≤ d ≤ 15.5, 0 ≤ e ≤ 5 at.% 이며, X는 C, Si, P, Mo 및 Ti으로 포함된 첨가 원소군에서 선택된 1종 이상의 합금원소)의 조성비율을 가지는 제 2상 석출물을 형성할 스테인레스강 모원소 혹은 스크랩을 준비하는 단계;
상기 단계들에서 준비한 황동(Brass) 모원소 혹은 스크랩 및 스테인레스강(SUS) 모원소 혹은 스크랩을 (Brass)_100-x(SUS)_x (단 1 ≤ x ≤ 5)의 비율로 준비하는 단계;
상기 단계들에서 준비한 모원소 혹은 스크랩을 동시에 용해하여 스테인레스강(SUS)의 구성원소를 포함하는 제 2상 석출물을 가지는 것을 특징으로 하는 음용수용 황동 합금의 제조 방법.
청구항 6에 있어서,
Cu와 Zn로 구성된 황동 합금의 제 1상의 절삭성 향상을 위하여,
Pb, Sn, Sb, As, Bi, Cd, P, Mg 및 Si 등으로 이루어진 합금군에서 선택된 1종 이상의 합금원소가 황동 합금을 대체하여 2 at.% 이하로 합금화된 것을 특징으로 하는 음용수용 황동 합금의 제조 방법.