KR102399101B1 - 납-없는 또는 낮은 납 함량의 황동 빌렛을 제조하는 방법 및 이에 따라 수득된 빌렛 - Google Patents

납-없는 또는 낮은 납 함량의 황동 빌렛을 제조하는 방법 및 이에 따라 수득된 빌렛 Download PDF

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Abstract

납-없는 또는 낮은 납 함량의 황동 빌렛을 수득하는 방법은 납-없는 또는 낮은 납 함량의 황동 칩 및 흑연 분말의 혼합물을, 직접 압출 또는 역압출 중 어느 하나의 압출에 도입시켜서, 납-없는 또는 낮은 납 함량의 황동 빌렛을 수득한다.

Description

납-없는 또는 낮은 납 함량의 황동 빌렛을 제조하는 방법 및 이에 따라 수득된 빌렛{A METHOD FOR MANUFACTURING A LEAD-FREE OR LOW LEAD CONTENT BRASS BILLET AND BILLET THUS OBTAINED}
본 발명은 황동 빌렛(brass billet)을 수득하는 방법 및 이에 따라 수득된 황동 빌렛에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 납-없는(lead-free) 또는 낮은 납 함량의(low lead content) 황동 빌렛에 관한 것이다.
특히, 황동은 납 함량이 0.1 중량%보다 낮는 경우, 통상적으로 "납-없는(lead-free)"으로 정의된다; 납 함량이 0.1 중량% 내지 0.2 중량% 사이로 포함되는 경우, "낮은 납 함량(low lead content)"으로 정의된다.
알려진 것과 같이, 구리(Cu) 및 아연(Zn)의 합금인 황동은 무엇보다도, 케이싱(casing) 과정을 통해 반제 캐스팅(semi-finished castings)을 얻는 것을 가능하게 하는 이의 훌륭한 주조성(castability) 및 치핑 가공(chipping machining)을 통해 적절히 반제품(semi-finished product)을 완성하는 것을 가능하게 하는 훌륭한 피삭성(machinability)의 장점으로 인해, 제조산업에서 널리 사용되는 물질이다. 황동의 피삭성은 이것이 포함하는 납(Pb)의 양에 강하게 의존한다.
그러나, 납-없는 합금을 갖는, 일부 인공물(artifact), 예를 들면 급수전(faucet) 또는 다른 물, 특히 마시는 물(drinking water)과 접촉하는 구성을 만들기 위한 필요성은 최근 몇 년 동안 발생했다. 주로, 이러한 필요는 건강에 나쁜 것으로 생각되는 결과를 갖는 납이 물 중에서 용해되는 것을 예방하기 위한 필요성으로부터 기인한다.
따라서 매우 많은 제조업자들의 연구 및 개발 노력은 종래의 황동의 것과 유사한 기계적인 그리고 피삭성 특성을 갖는, 납-없는 황동에 대한 정의를 해결한다.
이러한 측면에서, 가장 유망한 해결법(address) 중 하나는 납을 흑연으로 대신하는 것이다. 이와 관련해, 본 출원인은 이탈리아 특허 출원 제10 2013 9021 8136 5호에 대한 발명의 소유자이다.
본 발명은 이러한 맥락의 일부이고, 특히 납-없는 또는 낮은 납 함량의 황동 빌렛을 제조하는 혁신적인 방법 및 이에 따라 수득된 빌렛에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법의 특징 및 이점은 아래에서 보여지는 설명에서 분명해질 것이다.
도 1 및 2는 본 발명에 따른 납-없는 황동 바(bar)의 2가지 상이한 확대에서의 마이크로구조를 나타내며, 단면의 헤드 및 중심으로 특징지어진다.
도 3은 국제 표준 ISO3685로부터 얻어진 표이고, 이는 상이한 칩 형태를 설명한다.
방법에 따르면, 빌렛은 황동 분말 및 흑연 분말을 포함하는 분말의, 직접 압출(direct extrusion) 또는 역 압출(inverted extrusion) 중 어느 하나의 압출에 의해 수득된다.
압출은 분말의 소결을 달성하도록 하는 온도 조건 및 펀치(punch)의 소정의 진행 속도(advancement speed), 예를 들면 120 밀리미터/초에서 수행된다.
예를 들면, 압출을 수행하기 전, 혼합된 분말은 소정의 시간 범위동안 예열(preheating) 온도, 바람직하게는 녹는점보다 낮은 온도로 예열된다. 예를 들면, 혼합된 분말은 1시간 동안 720℃로 예열된다.
황동 분말은 실질적으로 납이 없거나 낮은 납 함량을 갖는다; 또한, 흑연 분말은 바람직하게는 황동 분말에 대해서 0.5 중량% - 2 중량% 사이의 양으로, , 바람직하게는 약 1 중량%의 양으로 결합된다.
상이한 구현예에 따르면, 황동 분말은 초급랭(splat cooling), 용융-스피닝(melt-spinning), 분무 공정 (atomization process)을 통해, 화학 반응, 예를 들면 침전을 통해, 또는 기계적 공정(mechanical process), 예를 들면 그라인딩(grinding)을 통해, 수득된다.
특히, 분무 공정은 초음파 분무(ultrasonic atomization), 초-급속 고화(ultra-rapid solidification)에 의한, 회전 디스크 분무(revolving disc atomization), 원심분리 분무(centrifuge atomization), 물 분무(water atomization), 진공 또는 비활성 대기 기체 분무(vacuum or inert atmosphere gas atomization), 기체 분무(gas atomization)로서 수행될 수 있다.
바람직하게는, 황동 분말은 넒은 그레인 크기 범위, 예를 들면 500 ㎛ 및 50 ㎛ 사이를 가질 수 있다; 이러한 넓은 범위, 그리고 가능하면 불규칙한 형태의 그레인 크기는 분말을 압축하는 것(compacting)을 촉진한다.
또한, 상이한 구현예에 따르면, 흑연 분말은 그라인딩에 의해 수득된다.
황동 분말 및 흑연 분말은 소정의 시간 범위 동안 혼합된다, 예를 들면 믹서(mixer)/배처(batcher) 내에서 혼합된다.
상이한 구현예에 따르면, 혼합된 분말은, 캔이라 불리는, 실린더형 용기, 예를 들면 구리로 된 실린더형 용기 내에 수집되고, 이것이 충전되고 비활성 기체가 이들 내부에 블로잉(blowing)된 후, 이는 밀폐된다, 예를 들면 용접(welding)에 의해 밀폐된다.
예를 들면, 사용되는 비활성 기체는 아르곤(Ar)이다.
상기 용기는 압출 기계에 로딩되고, 예열 후 또는 가열 동안, 직접 압출 또는 역 압출 중 어느 하나의 압출이 수행되고, 그 결과, 복합(composite) 빌렛이 수득되는데, 이는 상기 용기, 예를 들면 표면 상에 상기 물질을 포함한다.
연속적으로, 복합 빌렛인 용기의 물질을 제거하기 위한 필링 작업(peeling operation)이 수행되고, 그 결과 목적하는 빌렛이 수득된다.
추가적인 상이한 구현예에 따르면, 압출 프레스(press)에 바로 혼합된 분말이 로딩되고, 이는 바로 목적하는 빌렛을 수득한다; 이는 필링 과정을 회피한다.
더 추가적인 상이한 구현예에 따르면, 소결 전 혼합된 분말은 압출 프레스 내에서 직접 또는 용기 내에서 압착된다.
실험적 시험
예를 들면, 실험적 시험에서:
- 약 70 밀리미터의 직경을 갖는 제1 캔 C1은, 혼합된 납-없는 황동 및 흑연 분말을 포함하여 제조되었고, 120 톤으로 사전압축(precompact)되었다;
- 약 70 밀리미터의 직경을 갖는 제2 캔 C2은, 혼합된 납-없는 황동 및 흑현 분말을 포함하고, 압축되지 않았다.
1 시간 동안 720℃로의 예열을 캔 C1, C2 모두에 대해 수행했다; 두 캔 C1, C2을 이어서 직접 압출시켰고, 8:1의 압출 비율로 압축시켰고, 펀치 속도는 12 밀리미터/초이고 빌렛의 최종 직경은 30 밀리미터이었다.
두 개의 막대(bar)가 얻어졌다: 캔 C1으로부터의 막대 B1 및 캔 C2로부터의 막대 B2.
모든 막대에서, 최종 밀도는 약 8 grams/cm3였고 약 85의 경도(hardness) HV5Kg였다.
도 1 및 2는 막대 B1 및 B2의, 2가지 상이한 확대에서의 마이크로-구조를 나타내며, 단면에서의 헤드 및 중심이 특징적이다.
견인(traction) 시험은 양 막대 모두에서 약 170MPa의 Rp0.2%, 약 370 MPa의 Rm 및 23%의 A%를 가리켰다.
이러한 시험은 이에 따라 수득된 막대가 종래의 사이클을 통해 수득되는 막대와 서로 유사하고 사실상 동일한, 기계적 및 마이크로-구조적 특징을 갖는 다는 것을 가리킨다.
본 발명의 구현예
본 발명에 따르면, 빌렛은 납-없는 또는 낮은 납 함량의 황동 칩 및 흑연 분말의 혼합물의, 직접 압출 또는 역 압출 중 어느 하나의, 압출에 의해 수득된다.
혼합물은 예열되거나, 상이한 구현예에서, 압출 동안 가열된다.
단어 "칩(chip)"은 주로 뒤엉킨(snarled), 더 또는 덜 얇은 스트립(strip)의 물질이라고 인정한다. 예를 들면, 칩은 국제 표준 ISO368의 표 G.1에서 보여지는 형태를 갖는다 (도 3).
황동 칩은 납-없는 또는 낮은 납 함량의 황동으로 된 반제품 상에서 수행된 칩 제거에 의한 기계적인 가공으로부터 얻어진다.
상이한 구현예에 따르면, 황동 칩은 그라인딩에 의해 부서져(fragmented), 빌렛이 부서진 납-없는 또는 낮은 납 함량의 황동 칩 및 흑연 분말의 혼합물의, 직접 압출 또는 역 압출 중 어느 하나의, 압출을 통해 수득되도록 한다.
칩은 그라인딩에 의해, 예를 들면 밀(mill) 내에서, 소정의 그레인 크기보다 작은, 예를 들면 <0.5 mm의 그레인 크기를 갖는 분획(황동 조각들)으로 분리되면서 그라인딩에 의해 분획화되고, 남아있는 분획은 재순환된다.
연속적으로, 황동 조각은 흑연 분말(예를 들면 20 ㎛의 평균 그레인 크기)가 혼합되고, 예를 들면 1% w/w로, 예를 들면 회전 믹서 내에서 혼합되어, 균일한 혼합물을 수득한다.
혁신적으로, 본 발명에 따른 방법은 산업적인 관점으로부터 대단히 유리한데, 이는 분말 및 칩(chip)을 비교적 간단하게 관리할 수 있고 존재하는 압출 프레스의 사용을 가능하게 하기 때문이다.
특히, 칩의 사용은 유리하게는 원거리 플랜트 내에서 치핑(chipping)에 의한 기계적 제조 및 메인 플랜트 내에서 분획들의 분리 및 압출을 수행하는 것을 가능하게 한다. 칩은 분말을 이송하는 문제를 발생시키지 않으면서 원거리 플랜트로부터 메인 플랜트로 이송된다.

Claims (13)

  1. 납-없는(lead-free) 또는 낮은 납 함량의(low lead content) 황동 빌렛(brass billet)을 수득하는 방법으로서, 상기 방법은
    - 납-없는 또는 낮은 납 함량의 황동으로 된 반제품(semi-finished product) 상의 칩 제거(chip removal)에 의해 기계적인 가공(mechanical machining)을 수행하여, 소정량의 칩을 수득하는 단계;
    - 소정의 평균 그레인(grain) 크기를 갖는 소정량의 흑연(graphite) 분말을 준비하는 단계;
    - 소정량의 칩 중에서 소정의 그레인 크기보다 작은 그레인 크기를 갖는 황동 조각들(fragments)을 분리하는 단계;
    - 상기 황동 조각들을 흑연 분말과 혼합하여, 황동-흑연 혼합물을 수득하는 단계;
    - 구리 실린더형 용기 내에 상기 황동-흑연 혼합물을 수집하는 단계;
    - 상기 용기 내부에 비활성 기체를 블로잉(blowing)하고, 상기 용기를 밀폐시키는 단계:
    - 상기 구리 실린더형 용기 및 상기 황동-흑연 혼합물을 가열하여, 가열된 구리 실린더형 용기 및 혼합물을 수득하는 단계;
    - 상기 용기를 압출 기계에 로딩하는 단계;
    - 압출을 수행하여, 복합(composite) 빌렛을 수득하는 단계로서, 상기 복합 빌렛은 외부 표면 상에 있는 상기 구리 실린더형 용기의 물질을 포함하는 것인, 단계; 및
    - 상기 복합 빌렛으로부터 상기 구리 실린더형 용기의 물질을 제거하기 위한 필링 작업(peeling operation)을 수행하여, 납-없는 또는 낮은 납 함량의 황동 빌렛을 수득하는 단계를 포함하는, 황동 빌렛을 수득하는 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 용기를 밀폐시키는 것은 용접(welding)에 의해 수행되는 것인, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 소정량의 칩은 그라인딩(grinding)되고, 소정의 그레인 크기보다 작은 그레인 크기를 갖는 황동 조각들이 분리되는 것인, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 혼합물은 0.5 중량% - 1 중량% 범위의 흑연 분말을 포함하는 것인, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 구리 실린더형 용기 및 상기 황동-흑연 혼합물을 가열하는 것은, 상기 구리 실린더형 용기 및 상기 황동-흑연 혼합물을 600 내지 780 ℃ 사이에 포함되는 온도로 가열하는 것을 포함하는 것인, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 압출 동안 소결(sintering) 과정이 일어나는 것인, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 압출은 직접 압출(direct extrusion) 것인, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 압출은 역 압출(inverted extrusion) 것인, 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 칩은 얇은 스트립(strip) 물질로서, 팽창되거나(distended) 또는 뒤엉킨(snarled) 것인, 방법.
  13. 삭제
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