KR102334814B1 - Lead-free brass alloy for casting that does not contain lead and bismuth, and method for manufacturing the same - Google Patents

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곽원신
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Abstract

The present invention relates to a lead-free brass alloy for casting, particularly not containing lead and bismuth, which are harmful to the human body, and a method for manufacturing the same, and is mainly applied to products accompanied with fluids, such as faucets, valves, and meter components. The lead-free brass alloy for casting according to the present invention comprises 58 to 65 wt% of copper (Cu), 0.1 to 1.5 wt% of silicon (Si), 0.1 to 1.5 wt% of tin (Sn), 0.25 to 0.8 wt% of aluminum (Al), 0.04 to 0.15 wt% of phosphorus (P), and the balance zinc (Zn) and unavoidable impurities, wherein the total of impurities is 0.1 wt% or less.

Description

납(Pb)과 비스무트(Bi)를 함유하지 않은 주물용 무연 황동 합금 및 이의 제조 방법{Lead-free brass alloy for casting that does not contain lead and bismuth, and method for manufacturing the same}Lead-free brass alloy for casting that does not contain lead and bismuth, and method for manufacturing the same

본 발명은 주물용 무연 황동 합금, 구체적으로 인체에 유해한 납(Pb)과 비스무트(Bi)를 함유하지 않은 주물용 황동 합금 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 주로 수전금구, 밸브, 계량기 부품 등 유체를 수반하는 제품에 사용된다.The present invention relates to a lead-free brass alloy for casting, specifically, a brass alloy for casting that does not contain lead (Pb) and bismuth (Bi), which are harmful to the human body, and a manufacturing method thereof, and mainly relates to fluids such as faucets, valves, and meter parts. Used for accompanying products.

황동은 구리(Cu)와 아연(Zn)의 합금으로, 산업 전반에 다양하게 사용되어 왔다. 그러나, 황동은 절삭 가공 시 절삭 부하가 높고 칩이 배출되지 않아 생산성을 저하시키는 등의 문제를 야기하기 때문에, 황동의 가공성을 높이기 위하여 황동에 1.0~4.5중량% 정도의 납(Pb)을 첨가하여 절삭성을 확보하였다. 납을 첨가한 황동을 쾌삭 황동이라고 한다. Brass is an alloy of copper (Cu) and zinc (Zn) and has been used in various ways throughout the industry. However, since brass causes problems such as high cutting load and lowering productivity due to no chip discharge during cutting, 1.0 to 4.5% by weight of lead (Pb) is added to brass to increase the workability of brass. The machinability was ensured. Brass with added lead is called free-cutting brass.

쾌삭 황동은 우수한 가공성을 가지기 때문에 절삭가공성이 요구되는 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있으나, 성분 원소인 납(Pb)은 인체 및 환경에 악영향을 미치는 유해물질로서 쾌삭 황동의 사용이 각종 규제로 인해 제한되고 있으며, 더욱이 쾌삭 황동은 내부식성도 취약하여 유체와 접촉을 수반하는 제품에서 사용 시 부식으로 인해 제품 자체의 내구성의 문제 및 유해물질 용출의 문제가 발생한다. Because free-cutting brass has excellent workability, it is widely used throughout industries that require cutting machinability, but lead (Pb), a component element, is a toxic substance that adversely affects the human body and the environment, and the use of free-cutting brass is limited due to various regulations Moreover, free-cutting brass has weak corrosion resistance, so when used in a product that comes in contact with fluid, corrosion causes a problem of durability of the product itself and a problem of leaching of harmful substances.

납(Pb)의 유해성과 관련하여, 구체적으로 유럽에서는 2003년 RoHS(Restriction of Hazardous Substances, 유해물질 제한 지침)를 제정하여, 인체에 대한 유해성 원소들을 규제하고 있다. 미국에서도, 특히 수전금구용 동합금에 있어서 납(Pb) 함유량을 대폭 제한하고 있다. 캘리포니아 법안 AB 1953 및 NSF 61 규격에는 음용수 제품에 납(Pb) 허용량을 0.25% 이하로 규제하고 있으며, 향후 선진국을 중심으로 납(Pb) 함유량 제한이 더욱 더 강화될 것으로 예상된다. In relation to the harmfulness of lead (Pb), specifically, in Europe, RoHS (Restriction of Hazardous Substances) was enacted in 2003 to regulate elements harmful to the human body. Even in the United States, the content of lead (Pb) in copper alloys for faucet fittings is severely restricted. California Bill AB 1953 and NSF 61 standards regulate the allowable amount of lead (Pb) in drinking water products at 0.25% or less, and it is expected that the lead (Pb) content limit will be further strengthened in the future, mainly in developed countries.

대한민국에서도 수도법(水道法, 법률 제17178호, 공포일 2020.03.31)의 위생안전기준에 따라 수도용 부품(수도계량기, 밸브, 펌프 등)에 사용되는 자재나 제품을 규제하고 있다. 대한민국 지방자치단체 중에서는, 서울시가 최초로 무연 수도계량기 전면 도입안을 2020년 2월에 공표하였고, 이에 따라 현재 서울시에 조달되는 수도계량기는 전면 무연으로 채택한다. 이러한 규제는 전국적으로 확대될 예정이며, 최종적으로는 수도계량기뿐만 아니라 밸브, 펌프 등 음용수와 관련된 수도용 부품 등에 납(Pb) 등 인체에 유해한 성분의 사용이 제한될 예정이다. In the Republic of Korea, materials and products used in water supply parts (water meters, valves, pumps, etc.) are regulated in accordance with the hygiene and safety standards of the Water Supply Act (Act No. 17178, promulgated March 31, 2020). Among local governments in the Republic of Korea, the Seoul Metropolitan Government announced the first all lead-free water meter introduction plan in February 2020. These regulations will be expanded nationwide, and ultimately, the use of components harmful to the human body, such as lead (Pb), will be restricted not only in water meters, but also in parts for drinking water related to drinking water such as valves and pumps.

이와 같이, 인간을 포함한 생물에 대한 안전성 문제 및 환경 오염 문제 때문에, 쾌삭 황동을 대체할 수 있는 새로운 종류의 동합금에 대한 연구가 진행되어 왔다. 대안 중의 하나로서, 납(Pb) 대신 비스무트(Bi)를 구리(Cu)에 첨가한 비스무트 무연 황동이 개발되었으나, 조대한 결정립 및 입계편석으로 인한 균열이 발생하는 등 다른 문제가 발생하여, 그 사용이 꺼려지고 있다. 더욱이, 비스무트(Bi)는 아직까지 인체에 대한 유해 여부가 명확히 규명되지 않았지만, 납(Pb)과 같은 중금속 물질이므로 향후 납과 동일한 규제 대상으로 선정될 여지가 있다. 이미, 유럽 구리 연합(European Copper Institute)은 무연 황동에 비스무트(Bi) 사용을 자제할 것을 권고하였다. As such, due to safety issues and environmental pollution issues for living things, including humans, research on a new type of copper alloy that can replace free-cutting brass has been conducted. As one of the alternatives, bismuth lead-free brass in which bismuth (Bi) is added to copper (Cu) instead of lead (Pb) has been developed. This is being reluctant Furthermore, although bismuth (Bi) has not yet been clearly identified as to whether it is harmful to the human body, it is a heavy metal such as lead (Pb), so it may be selected for the same regulation as lead in the future. Already, the European Copper Institute has recommended avoiding the use of bismuth (Bi) in lead-free brass.

상술한 문제점들을 해결하기 위하여, 납 및 비스무트와 같은 인체에 유해한 중금속 원소를 사용하지 않으면서도, 우수한 절삭성을 가지면서 동시에 우수한 내부식성을 가진 주물용 무연 황동 합금의 개발이 요구된다.In order to solve the above problems, it is required to develop a lead-free brass alloy for casting that does not use heavy metal elements harmful to the human body, such as lead and bismuth, and has excellent machinability and excellent corrosion resistance at the same time.

대한민국 특허공개공보 제10-2014-0035578호에는 구리(Cu) 60~65중량%, 아연(Zn) 35~38중량%, 주석(Sn) 0.7~1.5중량%, 알루미늄(Al) 0.3~0.8중량%, 인(P) 0.01~0.3중량%, 납(Pb) 0.1중량% 이하, 망간(Mn) 0.008중량% 이하, 철(Fe) 0.06중량% 이하, 니켈(Ni) 0.04중량% 이하, 규소(Si) 0.02중량% 이하, 마그네슘(Mg) 0.0007중량% 이하, 크롬(Cr) 0.008중량% 이하, 비소(As) 0.02중량% 이하, 안티몬(Sb) 0.06중량% 이하, 비스무트(Bi) 0.02중량% 이하, 코발트(Co) 0.008중량% 이하, 황(S) 0.009중량% 이하, 붕소(B) 0.002중량% 이하로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무연 황동 괴가 개시된다. 상기 특허 문헌 내용은 금속 스크랩 재활용 측면에서는 우수하다고 볼 수 있지만, 불순물 개념으로 포함되는 합금 원소 중 납(Pb)뿐만 아니라 비소(As), 안티몬(Sb)은 인체에 유해한 독성물질이므로 친환경 제품으로 적용이 어렵다. In Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2014-0035578, copper (Cu) 60 to 65 wt%, zinc (Zn) 35 to 38 wt%, tin (Sn) 0.7 to 1.5 wt%, aluminum (Al) 0.3 to 0.8 wt% %, phosphorus (P) 0.01 to 0.3 wt%, lead (Pb) 0.1 wt% or less, manganese (Mn) 0.008 wt% or less, iron (Fe) 0.06 wt% or less, nickel (Ni) 0.04 wt% or less, silicon ( Si) 0.02 wt% or less, magnesium (Mg) 0.0007 wt% or less, chromium (Cr) 0.008 wt% or less, arsenic (As) 0.02 wt% or less, antimony (Sb) 0.06 wt% or less, bismuth (Bi) 0.02 wt% Hereinafter, cobalt (Co) 0.008% by weight or less, sulfur (S) 0.009% by weight or less, boron (B) is disclosed a lead-free brass ingot, characterized in that consisting of 0.002% by weight or less. Although the contents of the above patent literature can be considered excellent in terms of metal scrap recycling, lead (Pb) as well as arsenic (As) and antimony (Sb) among the alloying elements included as impurities are toxic substances harmful to the human body, so they are applied as eco-friendly products This is difficult.

대한민국 특허공개공보 제10-2013-0035439호에는 구리(Cu) 56~77중량%, 망간(Mn) 0.1~3.0중량%, 실리콘(Si) 1.5~3.5중량%, 칼슘(Ca) 0.1~1.5중량%와 아연(Zn)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 쾌삭성 무연 구리 합금이 개시되어 있다. 상기 특허 문헌의 쾌삭성 무연 구리 합금은 칼슘을 첨가함으로써 절삭성이 향상되지만, 칼슘의 높은 산화성으로 인하여 주물 작업 시 산화물이 다량 발생하여 주물에 권입되거나 균열 등 불량을 야기할 수 있으며, 칼슘 산화로 인해 목표 성분을 확보하기 힘들어 양질의 주물을 제조하기 어렵기 때문에, 압출, 인발, 열처리 공정 등으로 특성을 제어하여 봉 형태의 제품으로는 적용이 가능하지만, 주물 제품에 적용하기 어렵다.In Korean Patent Publication No. 10-2013-0035439, copper (Cu) 56 to 77 wt%, manganese (Mn) 0.1 to 3.0 wt%, silicon (Si) 1.5 to 3.5 wt%, calcium (Ca) 0.1 to 1.5 wt% % and zinc (Zn), a free-machining lead-free copper alloy is disclosed. The free-machining lead-free copper alloy of the above patent document has improved machinability by adding calcium, but due to the high oxidation of calcium, a large amount of oxide is generated during the casting operation, which may cause defects such as winding or cracking in the casting. Since it is difficult to obtain a target component and it is difficult to manufacture a high-quality casting, it can be applied to a rod-shaped product by controlling the characteristics through extrusion, drawing, heat treatment, etc., but it is difficult to apply to a casting product.

대한민국 특허공개공보 제10-2018-0165425호에는 우수한 절삭성 및 내부식성을 나타내는 쾌삭성 무연 구리합금 및 그의 제조 방법을 개시하지만, 이는 압출, 인발 및 열처리 공정을 통해 제조하는 봉 형태의 제품에 적합한 화학 성분으로 주물성이 매우 부족하여 주물 작업 시에는 제품 표면의 균열, 주름 등의 불량을 야기하기 때문에 주물 용도로 적용이 어렵다.Korean Patent Laid-Open No. 10-2018-0165425 discloses a free-machining lead-free copper alloy exhibiting excellent machinability and corrosion resistance and a method for manufacturing the same, but it is a chemical suitable for rod-shaped products manufactured through extrusion, drawing and heat treatment processes. It is difficult to apply for casting because it is very poor in castability as a component and causes defects such as cracks and wrinkles on the surface of the product during casting.

본 발명은 납(Pb) 및 비스무트(Bi) 성분을 함유하지 않으며, 우수한 주물성과 절삭성 및 내부식성을 가지는 주물용 무연 황동 합금을 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide a lead-free brass alloy for casting that does not contain lead (Pb) and bismuth (Bi) components, and has excellent castability, machinability and corrosion resistance.

본 발명의 한 양태는, 구리(Cu) 58~65중량%, 실리콘(Si) 0.1~1.5중량%, 주석(Sn) 0.1~1.5중량%, 알루미늄(Al) 0.25~0.8 중량%, 인(P) 0.04~0.15중량%, 잔부량의 아연(Zn) 및 불가피한 불순물로 이루어지고 불순물의 총합은 0.1중량% 이하인 주물용 무연 황동 합금으로, 상기 주물용 무연 황동 합금은 납(Pb)과 비스무트(Bi)를 함유하지 않으며, 상기 주물용 무연 황동 합금은 KS D ISO 6509 표준의 시험 방법으로 실시한 평균 탈아연부식깊이가 300㎛ 이하인 것인 주물용 무연 황동 합금을 제공한다. 상기 무연 황동 합금은 α상, β상 및 ε상을 포함한다. One aspect of the present invention is copper (Cu) 58 to 65% by weight, silicon (Si) 0.1 to 1.5% by weight, tin (Sn) 0.1 to 1.5% by weight, aluminum (Al) 0.25 to 0.8% by weight, phosphorus (P) ) 0.04 to 0.15% by weight, the balance of zinc (Zn) and unavoidable impurities, and the total amount of impurities is 0.1% by weight or less. ), and the lead-free brass alloy for casting provides a lead-free brass alloy for casting that has an average dezincification corrosion depth of 300 μm or less, conducted by the test method of KS D ISO 6509 standard. The lead-free brass alloy includes an α phase, a β phase and an ε phase.

또한, 본 발명의 또 다른 한 양태는, 구리(Cu) 58~65중량%, 실리콘(Si) 0.1~1.5중량%, 주석(Sn) 0.1~1.5중량%, 알루미늄(Al) 0.25~0.8 중량%, 인(P) 0.04~0.15중량%, 및 잔부량의 아연(Zn)을 970~1200℃에서 용해하여 용탕을 수득하고, 10분 이상 유지하여 안정화시키는 단계; 안정화된 용탕을 920~1000℃에서 주조하는 단계; 주형 내에서 400℃ 이하로 냉각하는 단계; 및 주형과 주물을 분리하여 수냉 또는 공냉하여 주물을 수득하는 단계를 포함하는 상술한 주물용 무연 황동 합금의 제조 방법을 제공한다.In another aspect of the present invention, copper (Cu) 58 to 65 wt%, silicon (Si) 0.1 to 1.5 wt%, tin (Sn) 0.1 to 1.5 wt%, aluminum (Al) 0.25 to 0.8 wt% , 0.04 to 0.15 wt% of phosphorus (P), and the remainder of zinc (Zn) dissolved at 970 to 1200 ° C. to obtain a molten metal, and stabilizing by maintaining for 10 minutes or more; Casting the stabilized molten metal at 920 ~ 1000 ℃; cooling to 400° C. or less in the mold; And it provides a method for producing the above-described lead-free brass alloy for casting comprising the step of separating the casting and water cooling or air cooling to obtain a casting.

본 발명에 따른 주물용 무연 황동 합금은 우수한 주물성, 절삭성 및 내부식성을 가진다. 또한, 본 발명의 무연 황동 합금에 첨가되는 모든 원소는 납과 비스무트를 포함하지 않기 때문에 사람을 포함한 생물에 안전하며 환경 오염을 피할 수 있어서 친환경적이다. The lead-free brass alloy for casting according to the present invention has excellent castability, machinability and corrosion resistance. In addition, since all the elements added to the lead-free brass alloy of the present invention do not contain lead and bismuth, it is safe for living things including humans and is environmentally friendly because environmental pollution can be avoided.

도 1은 동합금 용탕의 주물성을 평가하기 위한 용탕 흐름성(길이) 측정을 위한 금형의 도면이다.
도 2는 절삭성 시험 조건을 나타낸 그림 및 실시예 10, 비교예 15 및 비교예 20의 시험 결과 그래프이다.
도 3은 동합금의 절삭성 시험 시 발생되는 칩의 분류를 위한 판정 기준을 나타낸 사진이다.
도 4는 실시예 10, 비교예 18 및 비교예 20에 따라 제조된 시편의 탈아연부식깊이를 측정한 SEM 사진이다.
도 5는 각각 실시예 10, 비교예 6 및 비교예 20에 따라 제조된 시편의 미세조직을 관찰한 FE-SEM 사진이다.
1 is a view of a mold for measuring molten metal flowability (length) for evaluating the castability of a molten copper alloy.
2 is a graph showing the machinability test conditions and test results of Example 10, Comparative Example 15, and Comparative Example 20;
3 is a photograph showing a criterion for classification of chips generated during a machinability test of a copper alloy.
4 is an SEM photograph of measuring the dezincification corrosion depth of specimens prepared according to Example 10, Comparative Example 18, and Comparative Example 20;
5 is an FE-SEM photograph of observing the microstructure of the specimens prepared according to Example 10, Comparative Example 6, and Comparative Example 20, respectively.

이하에서, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기 설명은 본 발명의 구현을 위한 예시적인 실시 형태로만 이해되어야 할 것이고, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 기재된 내용에 의해 정의된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. The following description should be understood only as exemplary embodiments for implementing the present invention, and the scope of the present invention is defined by the content set forth in the claims to be described later.

본 발명은 구리(Cu) 58~65중량%, 실리콘(Si) 0.1~1.5중량%, 주석(Sn) 0.1~1.5중량%, 알루미늄(Al) 0.25~0.8중량%, 인(P) 0.04~0.15중량%, 잔부량의 아연(Zn) 및 불가피한 불순물로 이루어지는 주물용 무연 황동 합금을 개시한다. 상기 불가피한 불순물의 총합은 0.1중량% 이하이다. The present invention is copper (Cu) 58 to 65% by weight, silicon (Si) 0.1 to 1.5% by weight, tin (Sn) 0.1 to 1.5% by weight, aluminum (Al) 0.25 to 0.8% by weight, phosphorus (P) 0.04 to 0.15 Disclosed is a lead-free brass alloy for casting consisting of weight %, the balance of zinc (Zn) and unavoidable impurities. The total of the unavoidable impurities is 0.1% by weight or less.

본 발명에 따르는 주물용 무연 황동 합금의 조성과 함량의 구체적인 의의는 다음과 같다. The specific meaning of the composition and content of the lead-free brass alloy for casting according to the present invention is as follows.

본 발명에 따르는 주물용 무연 황동 합금의 조성과 함량Composition and content of lead-free brass alloy for casting according to the present invention

(1) 구리(Cu): 58~65중량%(1) Copper (Cu): 58 to 65 wt%

본 발명에 따르는 주물용 무연 황동 합금에서, 구리(Cu)는 동합금의 주성분으로, 아연(Zn) 및 첨가원소의 함량에 따라 α상, β상 및 ε상 조직을 형성하여 절삭성과 가공성을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명에 따르는 주물용 무연 황동 합금에서 구리의 함량은 58~65중량% 범위이다. 구리(Cu)의 함량이 58중량% 미만에서는 ε상 및 β상이 과하게 생성되어 냉간가공성을 저하시키고 취성을 증가시키게 되며, 내부식성 또한 나빠지게 된다. 구리(Cu) 함량이 65중량%를 초과할 때에는 원재료 가격의 상승과 더불어 ε상 형성이 부족하여 절삭성을 충분히 확보하지 못한다.In the lead-free brass alloy for casting according to the present invention, copper (Cu) is the main component of the copper alloy and forms α-phase, β-phase and ε-phase structures according to the content of zinc (Zn) and additional elements to improve machinability and machinability. plays a role The content of copper in the lead-free brass alloy for casting according to the present invention is in the range of 58 to 65% by weight. If the content of copper (Cu) is less than 58% by weight, the ε phase and the β phase are excessively generated to reduce cold workability and increase brittleness, and corrosion resistance is also deteriorated. When the copper (Cu) content exceeds 65% by weight, the ε phase formation is insufficient along with an increase in the raw material price, so that the machinability is not sufficiently secured.

(2) 실리콘(Si): 0.1~1.5중량%(2) Silicon (Si): 0.1 to 1.5 wt%

본 발명에 따르는 주물용 무연 황동 합금에서, 실리콘(Si)은 ε상을 형성하는데 도움을 주고, Cu 기지 내에 고용되어 절삭성 및 강도를 향상시키는 역할을 한다. 실리콘의 경우 ε상을 구성하는 원소는 아니지만, Cu에 대한 고용도가 높아 Sn보다 먼저 고용됨으로써 ε상 형성을 촉진시키는 것으로 볼 수 있다. In the lead-free brass alloy for casting according to the present invention, silicon (Si) helps to form the ε phase, and is dissolved in the Cu matrix to improve machinability and strength. In the case of silicon, although it is not an element constituting the ε phase, it has a high solubility in Cu, so it can be seen that it promotes the formation of the ε phase by being dissolved before Sn.

본 발명에 따르는 주물용 무연 황동 합금에서, 실리콘(Si)의 함량은 0.1 내지 1.5중량% 범위이다. 실리콘(Si)의 함량이 0.1중량% 미만에서는 ε상 생성이 발생되지 않아 절삭성 및 강도 증가에 기여하지 못한다. 실리콘(Si) 함량이 증가할수록 ε상의 생성량과 절삭성이 향상되지만, 1.5중량% 초과에서는 ε상의 크기가 조대화되며, 제품이 경화되어 절삭성 개선 효과가 저하될 뿐만 아니라 절삭성에도 악영향을 미치게 되고, 특히 주물 작업 시 용탕의 응고 속도가 저하되어 주물성을 저하시키며 표면 품질 저하를 초래한다.In the lead-free brass alloy for casting according to the present invention, the content of silicon (Si) is in the range of 0.1 to 1.5% by weight. If the content of silicon (Si) is less than 0.1% by weight, ε phase is not generated and does not contribute to increase in machinability and strength. As the silicon (Si) content increases, the amount of ε phase generated and machinability are improved, but when it exceeds 1.5 wt%, the size of the ε phase is coarsened, and the product is hardened to reduce the machinability improvement effect and adversely affect machinability, especially During the casting operation, the solidification rate of the molten metal is lowered, which lowers the castability and reduces the surface quality.

(3) 주석(Sn): 0.1~1.5중량%(3) Tin (Sn): 0.1 to 1.5 wt%

본 발명에 따르는 주물용 무연 황동 합금에서, 주석(Sn)은 ε상 생성에 기여하여 ε상의 크기 및 분율을 증가 및 절삭성을 향상시키고, α상을 강화하여 내탈아연부식성 등의 내부식성을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명의 주물용 황동 합금에서, 주석(Sn)의 함량은 0.1~1.5중량% 범위이다. 주석 함량이 0.1중량% 미만에서는 ε상 생성에 기여하지 않으며, 내부식성 향상의 효과가 얻어지지 않는다. 반면에, 주석 함량이 1.5중량%를 초과할 때에는 원재료 가격을 상승시키고, ε상의 조대화 및 분율을 증가시켜 절삭성에 악영향을 미치게 된다.In the lead-free brass alloy for casting according to the present invention, tin (Sn) contributes to the generation of the ε phase to increase the size and fraction of the ε phase and improve machinability, and strengthen the α phase to improve corrosion resistance such as dezincification corrosion resistance plays a role In the brass alloy for casting of the present invention, the content of tin (Sn) is in the range of 0.1 to 1.5% by weight. If the tin content is less than 0.1% by weight, it does not contribute to the generation of the ε phase, and the effect of improving corrosion resistance is not obtained. On the other hand, when the tin content exceeds 1.5% by weight, the raw material price is increased, and the coarsening and the fraction of the ε phase are increased, thereby adversely affecting the machinability.

(4) 아연(Zn): 잔부(4) Zinc (Zn): balance

본 발명에 따르는 주물용 무연 황동 합금에서, 아연은 구리(Cu)와 함께 Cu-Zn계 합금을 형성하며, 첨가 함량에 따라 α상, β상 및 ε상 조직 생성에 기여하며, 주물성과 절삭성에 영향을 미치게 된다. 본 발명에서는 잔부로 첨가된다. 아연의 함량이 지나치게 많으면 제품이 경화되어 취성이 높아질 뿐만 아니라 내부식성도 감소하고, 지나치게 적으면 β상 및 ε상 형성이 어렵고 절삭성이 저하되는 단점이 있다. In the lead-free brass alloy for casting according to the present invention, zinc forms a Cu-Zn-based alloy together with copper (Cu), and contributes to the formation of α-phase, β-phase and ε-phase structures depending on the added content, and the castability and machinability will affect In the present invention, the balance is added. If the content of zinc is too large, the product is hardened and brittleness is increased as well as corrosion resistance is reduced.

(5) 알루미늄(Al): 0.25~0.8중량% (5) Aluminum (Al): 0.25 to 0.8 wt%

본 발명에 따르는 주물용 무연 황동 합금에서, 알루미늄(Al)은 내부식성 및 주물성을 향상시키는 효과가 있어 주물 작업 시 생산성 향상 및 우수한 품질을 획득할 수 있다. 0.25중량% 미만에서는 주물성 향상 효과를 기대할 수 없으며, 0.8중량% 이상에서는 강도 상승 및 ε상의 생성을 억제하여 절삭성을 감소시키며 취성이 증가하여 주물 제품의 불량을 초래한다. 알루미늄의 경우 아연당량이 높아 β상 형성을 촉진시킴으로써 아연이 높았을 때와 유사하게 ε상 형성을 방해한다.In the lead-free brass alloy for casting according to the present invention, aluminum (Al) has the effect of improving corrosion resistance and castability, so that it is possible to obtain improved productivity and excellent quality during the casting operation. If it is less than 0.25% by weight, the effect of improving the castability cannot be expected, and if it is more than 0.8% by weight, the increase in strength and the generation of the ε phase are suppressed to reduce the machinability, and the brittleness increases, resulting in defects in the cast product. In the case of aluminum, the high zinc equivalent promotes the formation of the β phase, thereby preventing the formation of the ε phase similarly to the case of high zinc.

(6) 인(P): 0.04~0.15중량% (6) phosphorus (P): 0.04 to 0.15 wt%

본 발명에 따르는 주물용 무연 황동 합금에서, 인(P)은 α상 안정화 및 조직 미세화로 내부식성을 향상시키며, 주조 시 탈산제의 역할을 하여 용탕의 유동성을 향상시킨다. 인(P)의 함량이 0.04중량% 미만일 경우 조직 미세화 및 내부식성 향상 효과가 거의 없으며, 0.15중량%를 초과하는 경우에는 조직 미세화에 한계를 보이고, 열간가공성을 저하시킨다.In the lead-free brass alloy for casting according to the present invention, phosphorus (P) improves corrosion resistance by stabilizing the α phase and refining the structure, and serves as a deoxidizer during casting to improve the fluidity of the molten metal. If the content of phosphorus (P) is less than 0.04% by weight, there is almost no effect of tissue refinement and corrosion resistance improvement, and when it exceeds 0.15% by weight, there is a limit to tissue refinement, and hot workability is reduced.

(7) 불가피한 불순물(7) unavoidable impurities

본 발명에 따르는 주물용 무연 황동 합금에서, 불가피한 불순물은 제조 공정에서 불가피하게 첨가되는 원소로서, 주로 황동 스크랩에 불가피하게 미량 함유되어 있으며, 예를 들어 철(Fe), 니켈(Ni), 망간(Mn), 크롬(Cr), 마그네슘(Mg) 등이며, 총 0.1중량% 이하로 제어되고 상기 함량 범위에서는 구리 합금의 특성에 영향을 미치지 못한다.In the lead-free brass alloy for casting according to the present invention, unavoidable impurities are elements that are unavoidably added in the manufacturing process, and are mainly contained in unavoidable trace amounts in brass scrap, for example, iron (Fe), nickel (Ni), manganese ( Mn), chromium (Cr), magnesium (Mg), etc., and the total amount is controlled to 0.1% by weight or less and does not affect the properties of the copper alloy in the above content range.

본 발명에 따르는 주물용 무연 황동 합금은 구리(Cu)-아연(Zn)의 기본 황동 합금에, 주석(Sn) 및 실리콘(Si) 첨가에 의해, 금속 조직 중에 ε상(Cu3Sn, 이하 생략)이 분산 생성됨으로써 절삭가공 시 칩 분절 역할을 하여 절삭성이 향상된다. The lead-free brass alloy for casting according to the present invention is copper (Cu)-zinc (Zn) in the basic brass alloy, by the addition of tin (Sn) and silicon (Si), ε phase (Cu 3 Sn, hereinafter omitted) in the metal structure ) is dispersed, which improves machinability by acting as a chip segment during cutting.

또한 본 발명에 따르는 주물용 무연 황동 합금은 주석 첨가로 인해 우수한 내부식성으로 환경부의 주물용 동합금 환경표지인증(EL742)의 시험 기준인 탈아연부식깊이 300㎛ 이하를 충분히 만족한다. 탈아연부식은 황동 합금에서 탈합금 또는 선택적 침출 부식에 의해 아연이 선택적으로 제거되는 현상이다. 내탈아연부식성은 대한민국 수도법에 따르는 KC 인증과 무연 수도 계량기 적용을 위해 필수적이다. 수도배관자재 용도에서는 우수한 내탈아연부식성이 요구되고 있다. 탈아연깊이 300㎛ 이하는 우수한 내부식성을 가지고 있다고 평가할 수 있다.In addition, the lead-free brass alloy for casting according to the present invention sufficiently satisfies the dezincification corrosion depth of 300 μm or less, which is the test standard of the environmental mark certification (EL742) for copper alloys for castings by the Ministry of Environment with excellent corrosion resistance due to the addition of tin. Dezincification corrosion is a phenomenon in which zinc is selectively removed from brass alloys by dealloying or selective leaching corrosion. Dezincification corrosion resistance is essential for KC certification according to the Korean water supply law and application of lead-free water meters. Excellent dezincification corrosion resistance is required for water pipe material applications. Dezincification depth of 300㎛ or less can be evaluated to have excellent corrosion resistance.

한편 알루미늄(Al)의 첨가에 의해 주물 용도로 적용을 위하여 가장 중요한 주물성이 향상되어 주물 작업 시 균열이나 주름없이 양호한 주물 표면 품질을 획득할 수 있다.On the other hand, the most important casting properties for casting applications are improved by the addition of aluminum (Al), so that good casting surface quality can be obtained without cracks or wrinkles during casting.

본 발명에 따르는 무연 황동 합금의 특성Characteristics of the lead-free brass alloy according to the present invention

본 발명에 따르는 무연 황동 합금은 주물용이므로, 하술되는 특성을 모두 만족하여야 한다. Since the lead-free brass alloy according to the present invention is for casting, all of the properties described below must be satisfied.

주물성은 주물 제품에서 매우 중요한 특성으로, 주물성이 나쁠 경우 용탕 주입 시 사형 또는 금형 내부에서 제품 형상대로 충분히 충진되지 못하거나 중력에 의해 위치별로 두께 산포가 발생하여 균열 또는 주름 등 제품 불량을 야기한다.Castability is a very important characteristic of casting products. If the castability is poor, the product may not be filled sufficiently according to the product shape in the sand or mold during injection of molten metal, or the thickness may be distributed depending on the location due to gravity, causing product defects such as cracks or wrinkles. do.

주물용 황동 합금은 절삭 토크가 2.0 N·m 이하인 경우 사용가능하지만, 2.0 N·m 초과인 경우 절삭 부하로 인해 산업 현장에서 공구 파손 또는 생산성 감소의 원인이 되므로 사용하기에 부적합하다. 따라서, 본 발명에 따르는 무연 황동 합금에서 절삭 토크는 2.0 N·m 이하이어야 한다. Brass alloy for casting can be used when the cutting torque is 2.0 N·m or less, but if it exceeds 2.0 N·m, it is not suitable for use because it causes tool breakage or reduced productivity in industrial sites due to the cutting load. Therefore, in the lead-free brass alloy according to the present invention, the cutting torque is 2.0 N m should be less than

또한 주물용 황동 합금의 절삭 시, 생성되는 칩의 형상도 절삭성 평가에 중요하다. 절삭 칩의 형태가 나쁠 경우, 가공 시 발생하는 절삭 칩이 공구 밖으로 배출되지 못하거나 절삭 날의 파손을 유발한다. 절삭 칩의 형태의 판정 기준은 도 3에 도시된다. 도 3의 형태를 기준으로, 불량(X)한 칩의 형태는 절삭 표면 및 절삭공구를 손상시키고 칩 배출성이 저조하여 부적합하므로 제외된다. 즉, 본 발명에 따르는 무연 황동 합금에서, 절삭 칩은 보통수준 이상이어야 한다. In addition, when cutting brass alloy for casting, the shape of the generated chip is also important for machinability evaluation. If the shape of the cutting chips is bad, the cutting chips generated during machining cannot be discharged out of the tool or cause damage to the cutting edge. The criterion for determining the shape of the cutting chip is shown in FIG. 3 . Based on the shape of FIG. 3 , the bad (X) shape of the chip is excluded because it damages the cutting surface and the cutting tool and is unsuitable due to low chip evacuation. That is, in the lead-free brass alloy according to the present invention, the cutting chips should be above the average level.

내탈아연부식성은 국내 수도법에 따르는 KC인증과 환경부의 주물용 동합금 환경표지인증(EL742)에서 무연 황동의 탈아연부식 시험에 대한 합격 기준에 따른다. 해당 기준은 평균 300㎛ 이하로, 탈아연부식 깊이 300㎛ 이하는 우수한 내부식성을 가지고 있다고 평가할 수 있다. 본 발명에 따르는 무연 황동 합금에서, 탈아연부식 깊이는 평균 300㎛ 이하이어야 한다. The dezincification corrosion resistance complies with the passing standards for the dezincification corrosion test of lead-free brass in the KC certification according to the domestic waterworks law and the environmental mark certification for casting copper alloys (EL742) of the Ministry of Environment. The standard is 300 µm or less on average, and it can be evaluated that the depth of dezincification corrosion is 300 µm or less to have excellent corrosion resistance. In the lead-free brass alloy according to the present invention, the depth of dezincification should be an average of 300 μm or less.

본 발명에 따르는 주물용 무연 황동 합금은, 상술한 바와 같이, 납(Pb)과 비스무트(Bi)를 함유하지 않는다. 따라서, 사람을 포함한 생물에 안전하며 환경 오염을 피할 수 있다. As described above, the lead-free brass alloy for casting according to the present invention does not contain lead (Pb) and bismuth (Bi). Therefore, it is safe for living things, including humans, and environmental pollution can be avoided.

본 발명에 따르는 주물용 무연 황동 합금의 제조 방법Method for producing a lead-free brass alloy for casting according to the present invention

본 발명에 따르는 주물용 무연 황동 합금은 하기 방법에 따라 제조될 수 있다. The lead-free brass alloy for casting according to the present invention may be manufactured according to the following method.

본 발명에 따르는 주물용 동합금을 제조하기 위해, 본 명세서에 개시된 함량에 따라 성분 원소의 원재료를 용해한다. 용해는 본 발명 합금의 융점(액상선 온도)보다 약 100~300℃ 높은 온도인 970~1200℃에서 실시한다. 용해 시 장입된 원재료가 완전히 액상 형태가 될 때까지 충분히 실시하며 용해 후 10분 이상 유지하여 용탕 균질화 및 안정화를 실시한다. In order to produce the copper alloy for casting according to the present invention, raw materials of the component elements are dissolved according to the content disclosed herein. Melting is carried out at 970 to 1200 ° C, which is about 100 to 300 ° C higher than the melting point (liquidus temperature) of the alloy of the present invention. When dissolving, it is sufficiently carried out until the charged raw material is completely in liquid form, and after dissolution, it is maintained for at least 10 minutes to homogenize and stabilize the molten metal.

용탕 표면에 산화물을 제거한 뒤, 용탕의 온도를 융점보다 50~100℃ 높은 온도인 920~1000℃로 설정하여 주조를 실시한다. 주조에 사용되는 주형은 일반적으로 가장 많이 쓰여지고 있는 사형을 비롯한 금형이 적용되며 용탕을 주형에 주입하여 주조를 완료한다. After removing oxides from the surface of the molten metal, casting is performed by setting the temperature of the molten metal to 920 to 1000°C, which is 50 to 100°C higher than the melting point. Molds used for casting are generally applied to molds including sand sand, which is used the most, and casting is completed by pouring molten metal into the mold.

주형 내에서 400℃ 이하로 냉각한다. 주조 후 냉각속도는 주조량, 주형의 재질에 따라 차이가 있으며, 당업자가 그 특징에 따라 적절하게 정할 수 있다. 예를 들어, 황동 주물 제품 획득을 위하여 가장 많이 쓰이고 있는 사형 주조의 경우 주형 크기나 설계에 따라 차이는 있지만 0.5~5℃/분 정도의 냉각속도로 주형 내에서 냉각된다. Cool to 400°C or less in the mold. The cooling rate after casting is different depending on the amount of casting and the material of the mold, and a person skilled in the art can determine it appropriately according to the characteristics. For example, in the case of sand casting, which is most often used to obtain brass casting products, it is cooled in the mold at a cooling rate of 0.5~5℃/min, although there is a difference depending on the mold size or design.

주형 내에서 400℃ 이하로 냉각된 후에는 주형과 주물을 분리하고 냉각하여, 주물이 수득된다. 냉각은 생산성 향상을 위하여 수냉할 수 있으며, 공냉을 하여도 무방하다.After cooling to 400° C. or less in the mold, the mold and the casting are separated and cooled to obtain a casting. Cooling may be water-cooled to improve productivity, or may be air-cooled.

후술되는 실시예는 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 의도되지 않는다. The examples set forth below are for the purpose of illustrating or explaining the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention.

실시예Example

본 발명의 실시예 1 내지 22 및 비교예 1 내지 20의 화학 조성은 표 1에 개시된다. 각각의 실시예 및 비교예에서, 표 1에 개시된 화학 조성으로 총 중량 3.5kg으로 준비하여 후술되는 제조 방법에 따라 각각의 시편이 수득되었다. 수득된 각 시편은 후술되는 시험예에 따라 용탕 흐름길이, 절삭 토크, 절삭칩 형상, 탈아연깊이 및 미세조직을 각각 측정 또는 관찰하여 합금의 특성을 평가하였다.Chemical compositions of Examples 1-22 and Comparative Examples 1-20 of the present invention are disclosed in Table 1. In each of the Examples and Comparative Examples, each specimen was obtained according to the manufacturing method described below by preparing a total weight of 3.5 kg with the chemical composition shown in Table 1. For each obtained specimen, the properties of the alloy were evaluated by measuring or observing the molten metal flow length, cutting torque, chip shape, dezincification depth, and microstructure, respectively, according to a test example to be described later.

실시예 1 내지 22Examples 1-22

실시예 1 내지 22에 따르는 시편을 표 1에 기재된 화학 조성으로 상술한 무연 황동 제조 방법을 통하여 제조하였다. 구체적으로, 표 1에 따라 준비한 원재료를 그라파이트 도가니에서 1100℃에서 용해하여, 10분 동안 안정화시켰다. 안정화된 용탕을 950℃에서 주조하였으며 주형 내에서, 3℃/분 속도로 400℃ 이하로 냉각하였다. 주형과 주물을 분리하여, 수냉하여 주물을 수득하였으며 수축 부위 0.5kg 제거하고 1kg씩 절단하여 각각 주물성, 절삭성 시험 및 탈아연부식시험에 사용했다. Specimens according to Examples 1 to 22 were prepared through the above-described lead-free brass manufacturing method with the chemical composition shown in Table 1. Specifically, the raw materials prepared according to Table 1 were dissolved at 1100° C. in a graphite crucible and stabilized for 10 minutes. The stabilized molten metal was cast at 950° C. and cooled in the mold to below 400° C. at a rate of 3° C./min. The mold and the casting were separated, cooled with water to obtain a casting, and 0.5 kg of the shrinkage area was removed and cut by 1 kg, which was used for casting properties, machinability tests, and dezincification corrosion tests, respectively.

생성된 시편의 후술되는 특성 시험 결과도 표 1에 개시된다. Table 1 also shows the results of the characteristic test to be described later of the produced specimen.

비교예 1 내지 20Comparative Examples 1 to 20

비교예 1 내지 20에 따르는 시편이 표 1에 기재된 화학 조성으로, 실시예에 개시된 제조 방법과 동일하게 제조되었다. 생성된 시편의 후술되는 특성 시험 결과도 표 1에 개시된다. Specimens according to Comparative Examples 1 to 20 were prepared in the same manner as in the manufacturing method disclosed in Examples, with the chemical compositions shown in Table 1. Table 1 also shows the results of the characteristic test to be described later of the produced specimen.

구분division 화학 조성(중량%)Chemical composition (wt%) 주물성castability 절삭cutting
토크talk
절삭칩chip
형상shape
탈아연Dezincification
깊이depth
CuCu ZnZn SiSi SnSn AlAl PP PbPb (mm)(mm) (Nm)(Nm) (㎛)(μm) 실시예1Example 1 58.158.1 Bal.Bal. 1.491.49 1.481.48 0.790.79 0.150.15 -- 201201 1.891.89 208208 실시예2Example 2 58.158.1 Bal.Bal. 0.110.11 1.491.49 0.790.79 0.150.15 -- 216216 1.921.92 191191 실시예3Example 3 58.258.2 Bal.Bal. 1.481.48 0.120.12 0.790.79 0.150.15 -- 209209 1.881.88 257257 실시예4Example 4 58.258.2 Bal.Bal. 1.481.48 1.481.48 0.260.26 0.150.15 -- 169169 1.781.78 250250 실시예5Example 5 58.158.1 Bal.Bal. 1.481.48 1.491.49 0.250.25 0.040.04 -- 162162 1.771.77 251251 실시예6Example 6 58.158.1 Bal.Bal. 0.110.11 0.120.12 0.250.25 0.040.04 -- 171171 1.931.93 298298 실시예7Example 7 58.258.2 Bal.Bal. 0.120.12 0.110.11 0.250.25 0.150.15 -- 178178 1.941.94 286286 실시예8Example 8 58.158.1 Bal.Bal. 0.120.12 0.110.11 0.780.78 0.040.04 -- 252252 1.991.99 297297 실시예9Example 9 61.961.9 Bal.Bal. 1.021.02 0.910.91 0.520.52 0.080.08 -- 221221 1.561.56 189189 실시예10Example 10 62.562.5 Bal.Bal. 0.920.92 0.910.91 0.610.61 0.100.10 -- 239239 1.591.59 188188 실시예11Example 11 62.162.1 Bal.Bal. 0.780.78 1.191.19 0.490.49 0.120.12 -- 211211 1.641.64 186186 실시예12Example 12 62.762.7 Bal.Bal. 1.211.21 1.271.27 0.560.56 0.110.11 -- 212212 1.511.51 185185 실시예13Example 13 63.963.9 Bal.Bal. 1.351.35 0.590.59 0.310.31 0.120.12 -- 171171 1.491.49 194194 실시예14Example 14 64.964.9 Bal.Bal. 0.100.10 0.110.11 0.250.25 0.040.04 -- 181181 1.891.89 209209 실시예15Example 15 64.864.8 Bal.Bal. 1.501.50 0.110.11 0.260.26 0.040.04 -- 171171 1.721.72 201201 실시예16Example 16 65.065.0 Bal.Bal. 0.110.11 1.501.50 0.250.25 0.040.04 -- 179179 1.771.77 3838 실시예17Example 17 64.964.9 Bal.Bal. 0.110.11 0.100.10 0.800.80 0.040.04 -- 261261 1.941.94 199199 실시예18Example 18 65.065.0 Bal.Bal. 0.110.11 0.110.11 0.250.25 0.150.15 -- 184184 1.911.91 102102 실시예19Example 19 64.864.8 Bal.Bal. 1.501.50 1.491.49 0.800.80 0.150.15 -- 238238 1.811.81 159159 실시예20Example 20 64.664.6 Bal.Bal. 1.491.49 0.100.10 0.250.25 0.110.11 -- 193193 1.731.73 178178 실시예21Example 21 64.864.8 Bal.Bal. 0.110.11 1.481.48 0.790.79 0.050.05 -- 246246 1.851.85 7474 실시예22Example 22 65.065.0 Bal.Bal. 0.120.12 0.110.11 0.800.80 0.150.15 -- 268268 1.821.82 201201 비교예1Comparative Example 1 58.258.2 Bal.Bal. 0.090.09 1.481.48 0.780.78 0.160.16 -- 215215 1.991.99 321321 비교예2Comparative Example 2 58.158.1 Bal.Bal. 0.110.11 1.521.52 0.790.79 0.150.15 -- 211211 2.022.02 315315 비교예3Comparative Example 3 58.158.1 Bal.Bal. 1.531.53 0.090.09 0.790.79 0.150.15 -- 201201 1.911.91 359359 비교예4Comparative Example 4 58.358.3 Bal.Bal. 0.910.91 1.021.02 0.820.82 0.140.14 -- 214214 1.961.96 329329 비교예5Comparative Example 5 58.158.1 Bal.Bal. 1.411.41 1.461.46 0.240.24 0.030.03 -- 118118 1.811.81 XX 271271 비교예6Comparative Example 6 58.258.2 Bal.Bal. 0.080.08 0.090.09 0.090.09 0.030.03 -- 9191 1.991.99 XX 312312 비교예7Comparative Example 7 58.158.1 Bal.Bal. 0.550.55 0.910.91 0.910.91 0.160.16 -- 241241 2.212.21 XX 198198 비교예8Comparative Example 8 58.258.2 Bal.Bal. 1.521.52 1.511.51 0.820.82 0.190.19 -- 229229 2.042.04 215215 비교예9Comparative Example 9 62.462.4 Bal.Bal. 1.521.52 0.910.91 0.610.61 0.090.09 -- 209209 2.112.11 179179 비교예10Comparative Example 10 62.562.5 Bal.Bal. 0.920.92 1.551.55 0.610.61 0.100.10 -- 218218 2.092.09 159159 비교예11Comparative Example 11 62.462.4 Bal.Bal. 0.920.92 0.910.91 0.090.09 0.100.10 -- 102102 2.042.04 183183 비교예12Comparative Example 12 62.762.7 Bal.Bal. 0.910.91 1.011.01 0.590.59 0.030.03 -- 202202 2.142.14 189189 비교예13Comparative Example 13 62.462.4 Bal.Bal. 0.080.08 0.920.92 0.600.60 0.110.11 -- 216216 2.212.21 201201 비교예14Comparative Example 14 62.562.5 Bal.Bal. 0.910.91 0.090.09 0.230.23 0.090.09 -- 129129 2.092.09 279279 비교예15Comparative Example 15 65.265.2 Bal.Bal. 0.110.11 0.100.10 0.230.23 0.040.04 -- 151151 1.951.95 XX 119119 비교예16Comparative Example 16 65.365.3 Bal.Bal. 1.511.51 1.521.52 0.820.82 0.160.16 -- 261261 1.831.83 XX 111111 비교예17Comparative Example 17 69.169.1 Bal.Bal. 0.910.91 1.021.02 0.610.61 0.110.11 -- 289289 2.212.21 XX 4545 비교예18Comparative Example 18 62.562.5 Bal.Bal. 0.910.91 0.920.92 0.510.51 0.110.11 2.02.0 234234 1.411.41 912912 비교예19Comparative Example 19 62.162.1 Bal.Bal. -- -- 0.510.51 0.060.06 2.02.0 264264 1.491.49 13011301 비교예20Comparative Example 20 61.961.9 Bal.Bal. -- -- -- -- 2.02.0 149149 1.451.45 17691769

시험예test example

(1) 주물성(용탕 흐름성) 시험(1) Castability (melt flow) test

주물성은 용탕 흐름성 또는 용탕 유동성이라고도 한다. 주물성은 용탕이 주형 공동부를 채우는 능력을 의미한다. Castability is also called molten metal flowability or molten metal fluidity. Castability refers to the ability of the molten metal to fill the mold cavity.

주물용 황동 합금은 일반적으로 잉곳(주물) 형태로 제조되어 산업 현장에 제공된다. 이어서, 산업 현장에서 상기 잉곳은 재용해되어 사형 또는 금형에 주입된 후, 최종 주물 제품이 제조된다. 이에 따라, 주물성은 실제 산업 현장의 제조 조건과 동등한 조건으로 평가되어야 한다. 이를 위해, 본 발명에서는 도 1의 도면과 같은 금형을 사용하여 평가하였다.Brass alloys for casting are generally manufactured in the form of ingots (castings) and provided to industrial sites. Then, in the industrial field, the ingot is redissolved and injected into a sand sand or mold, and a final casting product is manufactured. Accordingly, the castability should be evaluated under conditions equivalent to the manufacturing conditions in actual industrial sites. To this end, in the present invention, evaluation was performed using a mold as shown in FIG. 1 .

구체적으로, 표 1의 화학 조성에 따라 제조된 각 잉곳 시편은 1kg의 동일한 중량으로 준비된다. 이어서, 상기 잉곳 형태의 시편은 1000℃에서 재용해되어, 도 1에 도시된 금형에서 용탕 흐름 길이가 측정되었다. 용탕 흐름 길이가 160mm 이상이 되어야 양호한 주물성을 가진다고 볼 수 있으며, 주물 제품 생산에 적용 가능하다. 해당 시험 결과는 표 1에 개시되어 있다. Specifically, each ingot specimen prepared according to the chemical composition of Table 1 is prepared with the same weight of 1 kg. Then, the ingot-shaped specimen was re-melted at 1000° C., and the molten metal flow length was measured in the mold shown in FIG. 1 . When the molten metal flow length is 160mm or more, it can be considered to have good casting properties, and it can be applied to the production of casting products. The test results are shown in Table 1.

(2) 절삭성 시험(절삭 토크 및 칩 형상)(2) Machinability test (cutting torque and chip shape)

시편의 절삭성은 절삭 토크 및 절삭 칩 형상으로 평가된다. The machinability of the specimen is evaluated by cutting torque and cutting chip shape.

절삭 토크는 도 2에 도시된 것과 같이 절삭성 시험기를 사용하여 드릴링(Drilling) 가공 시 드릴 공구에 전달되는 토크(torque)를 측정하여 평가하였다. 절삭 시, 절삭 드릴의 규격은 Φ8㎜이며, 회전속도는 700rpm, 이동속도는 80㎜/min, 이동거리는 10㎜, 이동방향은 중력 방향이며, 4~10㎜ 절삭 구간의 절삭 토크 평균값으로 측정한다. The cutting torque was evaluated by measuring the torque transmitted to the drill tool during drilling using a machinability tester as shown in FIG. 2 . When cutting, the size of the cutting drill is Φ8 mm, the rotation speed is 700 rpm, the movement speed is 80 mm/min, the movement distance is 10 mm, and the movement direction is the direction of gravity. .

수득된 결과는 표 1에 나타내었다. 토크가 높다면 절삭 가공성이 낮은 것을 뜻하며, 토크가 낮으면 동일한 깊이를 가공하더라도 적은 힘이 소요되는 것이므로 절삭 가공성이 높은 것이다. 본 발명의 무연 황동 합금은 생산성 및 공구 보호 측면에서 절삭 토크가 2.0 N·m 이하이어야 한다. The obtained results are shown in Table 1. If the torque is high, it means that the machinability is low, and if the torque is low, even if the same depth is machined, less force is required, so the machinability is high. The lead-free brass alloy of the present invention has a cutting torque of 2.0 in terms of productivity and tool protection. N m should be less than

한편, 절삭 토크가 낮아 절삭 가공성이 좋을지라도 절삭 칩 형상이 나쁠 경우, 가공 시 발생하는 절삭 칩이 공구 밖으로 배출되지 못하거나 절삭 날의 파손을 유발하므로 절삭 칩의 형태도 평가되어야 한다. 따라서 본 발명에서는 절삭 가공 시 발생하는 칩의 형태를 관찰하여, 표 1에 표시하였다. 판정 기준은 도 3의 4가지의 기준, 매우 우수(◎), 우수(○), 보통(△), 불량(X)에 따른다. 매우 우수(◎), 우수(○) 및 보통(△)의 절삭 칩 형태는 분산성 및 칩 배출성이 우수하나, 불량(X)한 칩의 형태는 절삭 표면 및 절삭공구를 손상시키고 칩 배출성이 좋지 않아 산업 현장에서 사용하기에 부적합하다. On the other hand, even if the cutting torque is low and the cutting machinability is good, if the cutting chip shape is bad, the cutting chips generated during machining cannot be discharged out of the tool or cause damage to the cutting edge. Therefore, the shape of the cutting chips should also be evaluated. Therefore, in the present invention, the shape of chips generated during cutting was observed and shown in Table 1. The determination criteria are based on the four criteria of FIG. 3 , very good (◎), excellent (○), average (Δ), and bad (X). The very good (◎), excellent (○), and normal (△) types of cutting chips have excellent dispersibility and chip evacuation, but the bad (X) shape of the chips damages the cutting surface and cutting tool and has excellent chip evacuation properties. This is not good, so it is not suitable for use in industrial fields.

해당 시험 결과는 표 1에 개시되어 있다. The test results are shown in Table 1.

(3) 탈아연부식 시험 (3) Dezincification corrosion test

제조된 시편의 탈아연부식특성을 평가하기 위하여 KS D ISO 6509(금속 및 합금의 부식 - 황동의 탈아연부식 시험) 표준의 시험 방법으로 평균 탈아연부식 깊이를 측정하여 표 1에 나타내었다. 각 시료 표면을 연마지 #2000까지 연마한 후 이것을 순수로 초음파 세척하여 건조하였다. 세척된 시료를 1%의 CuCl2 수용액 중에 침지하고, 75℃의 온도로 가열하여 24시간 유지한 후 탈아연깊이를 측정하였다. In order to evaluate the dezincification corrosion properties of the manufactured specimens, the average dezincification corrosion depth was measured by the test method of KS D ISO 6509 (Corrosion of metals and alloys - Dezincification corrosion test of brass) and shown in Table 1. The surface of each sample was polished up to abrasive paper #2000, which was then ultrasonically washed with pure water and dried. The washed sample was immersed in a 1% CuCl 2 aqueous solution, heated to a temperature of 75° C. and maintained for 24 hours, and then the depth of dezincification was measured.

국내 수도법에 따르는 KC인증과 환경부의 주물용 동합금 환경표지인증(EL742)에서 무연 황동의 탈아연부식 시험에 대한 합격 기준은 평균 300㎛으로, 탈아연부식 깊이 300㎛ 이하는 우수한 내부식성을 가지고 있다고 평가할 수 있다. In the KC certification according to the domestic waterworks law and the environmental mark certification (EL742) for copper alloy for castings by the Ministry of Environment, the pass standard for the dezincification corrosion test of lead-free brass is 300㎛ on average, and the depth of dezincification corrosion below 300㎛ has excellent corrosion resistance. can be evaluated

해당 시험 결과는 표 1에 개시되어 있다. The test results are shown in Table 1.

(4) 미세조직 관찰(4) Microstructure observation

표 1에 따르는 화학 조성으로 제조된 시편들을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy)을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 미세조직 관찰을 위하여 각 시료 표면을 연마지 #4000까지 연마한 후 부식액으로 결정입계를 전처리한 후 주사전자현미경 관찰을 실시하였다. 일부 실시예 및 비교예의 시편의 미세조직 관찰 결과는 도 5에 개시되며, 그 내용은 후술된다.The microstructures of the specimens prepared with the chemical composition according to Table 1 were observed using a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscopy). For microstructure observation, the surface of each sample was polished up to abrasive paper #4000, and the grain boundaries were pretreated with an etchant, followed by scanning electron microscopy. The microstructure observation results of the specimens of some Examples and Comparative Examples are disclosed in FIG. 5 , and the content will be described later.

상술한 바와 같이, 표 1은 상술한 주물성(용탕 흐름성) 평가, 절삭성 시험(절삭 토크 및 칩 형상) 및 탈아연부식 시험 결과를 함께 개시한다. As described above, Table 1 discloses the results of the above-described castability (molten metal flowability) evaluation, machinability test (cutting torque and chip shape), and dezincification corrosion test results together.

표 1의 결과에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1 내지 22에 따라 제조된 시편은, 절삭 토크, 칩 형상, 탈아연부식성, 주물성 조건을 모두 만족하였다.As can be seen from the results of Table 1, the specimens prepared according to Examples 1 to 22 satisfies all conditions of cutting torque, chip shape, zinc corrosion resistance, and casting properties.

그러나, 비교예 1 내지 20에 따라 제조된 시편은 상기 특성들을 동시에 모두 만족시키지 못하였다. 구체적으로, 비교예 18 내지 20은 납(Pb)을 첨가한 화학 조성으로 절삭 토크 및 칩 형상은 우수하지만 내탈아연부식성이 매우 불량하였다. However, the specimens prepared according to Comparative Examples 1 to 20 did not satisfy all of the above characteristics at the same time. Specifically, Comparative Examples 18 to 20 have a chemical composition in which lead (Pb) is added, and have excellent cutting torque and chip shape, but have very poor dezincification corrosion resistance.

또한, 비교예 1 내지 17에 따르는 화학 조성은 납(Pb)을 함유하지 않았지만 본 발명에서 요구하는 특성 조건을 모두 만족시키지 못하였다. 예를 들어 절삭 토크가 양호하면 탈아연부식성이 부족하고, 또는 절삭 토크가 우수해도 칩 형상은 매우 나빠 사용할 수 없는 수준이었다. 예를 들어, 실시예 1 내지 22에 따라 제조된 시편의 탈아연부식깊이는 모두 300㎛ 이하임을 확인할 수 있다. 반면에 비교예 1 내지 4, 비교예 6, 특히 비교예 18 내지 20은 탈아연부식깊이 300㎛ 초과이었다. 이와 관련하여, 도 4에 실시예 10과 비교예 18, 20의 탈아연부식시험 후 시편의 부식 깊이를 비교한 SEM 사진을 추가로 제시하였다. In addition, although the chemical compositions according to Comparative Examples 1 to 17 did not contain lead (Pb), they did not satisfy all of the characteristic conditions required by the present invention. For example, when the cutting torque is good, the dezincification corrosion resistance is insufficient, or even if the cutting torque is excellent, the chip shape is very bad and cannot be used. For example, it can be confirmed that the dezincification corrosion depth of the specimens prepared according to Examples 1 to 22 is 300 μm or less. On the other hand, Comparative Examples 1 to 4, Comparative Examples 6, particularly Comparative Examples 18 to 20, the dezincification corrosion depth was more than 300㎛. In this regard, SEM photographs comparing the corrosion depth of the specimens after the dezincification corrosion test of Example 10 and Comparative Examples 18 and 20 are additionally presented in FIG. 4 .

한편, 도 5는 각각 실시예 10, 비교예 6, 및 비교예 20의 화학 조성으로 제조된 시편의 미세조직을 FE-SEM 사진으로 도시한다. 실시예 10의 시편의 경우 α상, β상 및 ε상을 포함하는 미세조직이 관찰되었다. 반면에, 비교예 6의 경우 실리콘(Si), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 인(P) 등 첨가 원소의 함량이 극미량이기 때문에 α상 및 β상만 존재하는 것이 관찰되었고, 비교예 20은 종래의 납(Pb)이 포함된 쾌삭 황동 화학 조성으로 α상, β상 및 고용되지 않은 납(Pb)이 분포하는 것이 확인되었다. Meanwhile, FIG. 5 shows microstructures of specimens prepared with the chemical compositions of Example 10, Comparative Example 6, and Comparative Example 20, respectively, as FE-SEM photographs. In the case of the specimen of Example 10, microstructures including α-phase, β-phase and ε-phase were observed. On the other hand, in Comparative Example 6, since the content of additional elements such as silicon (Si), tin (Sn), aluminum (Al), and phosphorus (P) was very trace, it was observed that only the α phase and the β phase existed, and Comparative Example 20 It was confirmed that α-phase, β-phase and undissolved lead (Pb) were distributed in the conventional free-cutting brass chemical composition containing lead (Pb).

요약하면, 본 발명에 따르는 실시예 1 내지 22에 의해 제조된 시편은 본 발명에서 요구하는 주물성, 절삭성, 내탈아연부식성 및 친환경성의 기준을 모두 만족하는 반면에, 비교예 1 내지 20에 의해 제조된 시편은 그렇지 못하였다.In summary, the specimens prepared by Examples 1 to 22 according to the present invention satisfy all of the criteria for castability, machinability, dezincification corrosion resistance and environment-friendliness required in the present invention, while they are prepared by Comparative Examples 1 to 20 The psalms were not like that.

Claims (3)

구리(Cu) 58~65중량%, 실리콘(Si) 0.1~1.5중량%, 주석(Sn) 0.1~1.5중량%, 알루미늄(Al) 0.25~0.8 중량%, 인(P) 0.04~0.15중량%, 잔부량의 아연(Zn) 및 불가피한 불순물로 이루어지고 불순물의 총합은 0.1중량% 이하인 주물용 무연 황동 합금으로,
상기 주물용 무연 황동 합금은 납(Pb)과 비스무트(Bi)를 함유하지 않으며,
상기 주물용 무연 황동 합금은 KS D ISO 6509 표준의 시험 방법으로 실시한 평균 탈아연부식깊이가 300㎛ 이하이고,
상기 무연 황동 합금은 α상, β상 및 ε상을 포함하는 것인 주물용 무연 황동 합금.
Copper (Cu) 58 to 65% by weight, silicon (Si) 0.1 to 1.5% by weight, tin (Sn) 0.1 to 1.5% by weight, aluminum (Al) 0.25 to 0.8% by weight, phosphorus (P) 0.04 to 0.15% by weight, It is a lead-free brass alloy for casting that consists of the remainder of zinc (Zn) and unavoidable impurities, and the total amount of impurities is 0.1% by weight or less,
The lead-free brass alloy for casting does not contain lead (Pb) and bismuth (Bi),
The lead-free brass alloy for casting has an average dezincification corrosion depth of 300㎛ or less, conducted by the test method of KS D ISO 6509 standard,
The lead-free brass alloy is a lead-free brass alloy for casting that includes an α phase, a β phase and an ε phase.
구리(Cu) 58~65중량%, 실리콘(Si) 0.1~1.5중량%, 주석(Sn) 0.1~1.5중량%, 알루미늄(Al) 0.25~0.8 중량%, 인(P) 0.04~0.15중량%, 및 잔부량의 아연(Zn)을 970~1200℃에서 용해하여 용탕을 수득하고, 10분 이상 유지하여 안정화시키는 단계;
안정화된 용탕을 920~1000℃에서 주조하는 단계;
주형 내에서 400℃ 이하로 냉각하는 단계; 및
주형과 주물을 분리하여 수냉 또는 공냉하여 주물을 수득하는 단계
를 포함하는 제 1 항에 따르는 주물용 무연 황동 합금의 제조 방법.
Copper (Cu) 58 to 65% by weight, silicon (Si) 0.1 to 1.5% by weight, tin (Sn) 0.1 to 1.5% by weight, aluminum (Al) 0.25 to 0.8% by weight, phosphorus (P) 0.04 to 0.15% by weight, and dissolving the remainder of zinc (Zn) at 970 to 1200° C. to obtain a molten metal, and stabilizing it by maintaining it for at least 10 minutes;
Casting the stabilized molten metal at 920 ~ 1000 ℃;
cooling to 400° C. or less in the mold; and
Separating the mold and the casting to obtain a casting by water cooling or air cooling
A method for producing a lead-free brass alloy for casting according to claim 1 comprising a.
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