KR102623143B1 - 쾌삭성 구리 합금 주물, 및 쾌삭성 구리 합금 주물의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이 구리 합금 주물은, Cu: 58.5% 초과 65.0% 미만, Si: 0.40% 초과 1.40% 미만, Pb: 0.002% 초과 0.25% 미만, P: 0.003% 초과 0.19% 미만, 임의 원소로서의 Bi: 0.001%~0.100%를 포함하고, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어지며, Fe, Mn, Co, Cr의 합계량이 0.45mass% 미만, Sn, Al의 합계량이 0.45mass% 미만이고, 56.0≤f1=[Cu]-5Х[Si]+0.5Х[Pb]+0.5Х[Bi]-0.5Х[P]≤59.5의 관계를 가지며, Bi를 포함하는 경우에는 0.003<f0=[Pb]+[Bi]<0.25의 관계를 더 갖고, 금속 조직의 구성상은, 20≤(α)≤80, 18≤(β)≤80, 0≤(γ)<5, 20Х(γ)/(β)<4, 18≤(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])≤82, 33≤(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])+([Pb]+[Bi])1/2Х38+([P])1/2Х15의 관계를 가지며, β상 내에 P를 포함하는 화합물이 존재하고 있다.
Description
본 발명은, 피삭성, 주조성이 우수하고, 강도가 높으며, 납의 함유량을 큰폭으로 감소시킨 쾌삭성(快削性) 구리 합금 주물, 및 쾌삭성 구리 합금 주물의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 기계 부품, 슬라이딩 부품, 계기 부품, 정밀 기계 부품, 의료용 부품, 자동차 부품, 전기·전자 기기 부품, 압력 용기, 건축용 금구(金具), 일용품, 완구, 음료용 기구·부품, 배수용 기구·부품, 공업용 배관 부품, 및 음료수, 공업용수, 배수, 수소 등의 액체나 기체에 관한 부품에 이용되는 쾌삭성 구리 합금 주물, 및 쾌삭성 구리 합금 주물의 제조 방법에 관련되어 있다. 구체적인 부품 명칭으로서, 밸브, 이음매, 스템, 수전(水栓) 금구, 급수전, 배수전, 기어, 플랜지, 베어링, 슬리브, 센서 등을 들 수 있으며, 본 발명은, 이들 절삭이 실시되는 부품에 이용되는 쾌삭성 구리 합금 주물, 및 쾌삭성 구리 합금 주물의 제조 방법에 관련되어 있다.
본원은, 2019년 6월 25일에 일본에 출원된 특허출원 2019-116914호, 2019년 7월 12일에 일본에 출원된 특허출원 2019-130143호, 2019년 7월 31일에 일본에 출원된 특허출원 2019-141096호, 2019년 9월 9일에 일본에 출원된 특허출원 2019-163773호, 2019년 12월 11일에 출원된 국제 출원 PCT/JP2019/048438, 2019년 12월 11일에 출원된 국제 출원 PCT/JP2019/048455, 및 2019년 12월 23일에 출원된 국제 출원 PCT/JP2019/050255에 근거하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
종래부터, 자동차 부품, 전기·가전·전자 기기 부품, 기계 부품, 문구, 정밀 기계 부품, 의료용 부품, 및 음료수, 공업용수, 배수, 수소 등의 액체나 기체에 관한 기구·부품, 구체적인 부품 명칭으로서, 밸브, 이음매, 수전 금구, 센서, 너트, 나사 등의 부품에는, 우수한 피삭성을 구비한, Cu-Zn-Pb 합금(이른바 쾌삭 황동봉, 단조(鍛造)용 황동, 주물용 황동), 혹은 Cu-Sn-Zn-Pb 합금(이른바 청동 주물: 건메탈)이 일반적으로 사용되고 있었다.
Cu-Zn-Pb 합금은, 56~65mass%의 Cu와, 1~4mass%의 Pb를 함유하며, 잔부가 Zn이다. Cu-Sn-Zn-Pb 합금은, 80~88mass%의 Cu와, 2~8mass%의 Sn, 1~8mass%의 Pb를 함유하며, 잔부가 Zn이다.
그러나, 최근에는, Pb가 인체나 환경에게 주는 영향이 우려되어, 각국에서 Pb에 관한 규제의 움직임이 활발화되고 있다. 예를 들면, 미국 캘리포니아주에서는, 2010년 1월부터, 음료수 기구 등에 포함되는 Pb 함유량을 0.25mass% 이하로 하는 규제가 발효되고 있다. 미국 이외의 나라에 있어서도, 그 규제의 움직임은 급속이며, Pb 함유량의 규제에 대응한 구리 합금 재료의 개발이 요구되고 있다.
또, 그 외의 산업 분야, 자동차, 전기·전자 기기, 기계 등의 산업 분야에 있어서도, 예를 들면 유럽의 ELV 규제, RoHS 규제에서는, 쾌삭성 구리 합금의 Pb 함유량이 예외적으로 4mass%까지 인정되고 있지만, 음료수의 분야와 동일하게, 예외의 철폐를 포함하여, Pb 함유량의 규제 강화가 활발하게 논의되고 있다.
이와 같은 쾌삭성 구리 합금의 Pb 규제 강화의 동향 중, (1) Pb 대신에 피삭성(피삭 성능, 피삭성 기능)을 갖는 Bi와, 경우에 따라서는, Bi와 함께 Se를 함유하는 Cu-Zn-Bi 합금, Cu-Zn-Bi-Se 합금, (2) 고농도의 Zn을 함유하고, β상을 증가시켜 피삭성의 향상을 도모한 Cu-Zn 합금, 혹은 (3) Pb 대신에 피삭성을 갖는 γ상, κ상을 많이 포함한 Cu-Zn-Si 합금, Cu-Zn-Sn 합금, 나아가서는 (4) γ상을 많이 포함하고, 또한 Bi를 함유하는 Cu-Zn-Sn-Bi 합금 등이 제창되고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1, 및 특허문헌 15에 있어서는, Cu-Zn 합금에, 약 1.0~2.5mass%의 Sn과, 약 1.5~2.0mass%의 Bi를 첨가하여, γ상을 석출시킴으로써, 내식성과 피삭성의 개선을 도모하고 있다.
그러나, Pb 대신에 Bi를 함유시킨 합금에 관하여, Bi는, 피삭성에 있어서 Pb보다 뒤떨어지는 것, Bi는, Pb와 동일하게 인체에 유해할 우려가 있는 것, Bi는, 희소 금속이기 때문에 자원상의 문제가 있는 것, Bi는, 구리 합금 재료를 부서지게 쉽게 하는 문제가 있는 것 등을 포함하여, 많은 문제를 갖고 있다.
또, 특허문헌 1에 나타내는 바와 같이, Cu-Zn-Sn 합금에 있어서 γ상을 석출시켰다고 해도, Sn을 함유시킨 γ상은, 피삭성을 갖는 Bi의 공(共)첨가를 필요로 하고 있는 바와 같이, 피삭성이 뒤떨어진다.
또, 다량의 β상을 포함하는 Cu-Zn의 2원 합금은, β상이 피삭성의 개선에 공헌하지만, β상은, Pb에 비하여 피삭성이 뒤떨어지므로, 도저히, Pb 함유 쾌삭성 구리 합금의 대체가 될 수 없다.
그래서, 쾌삭성 구리 합금으로서, Pb 대신에 Si를 함유한 Cu-Zn-Si 합금이, 예를 들면 특허문헌 2~10에 제안되고 있다.
특허문헌 2, 3에 있어서는, 주로 Cu 농도가 69~79mass%, Si 농도가 2~4mass%이며 Cu, Si 농도가 높은 합금으로 형성되는 γ상, 경우에 따라서는 κ상의 우수한 피삭성을 가짐으로써, Pb를 함유시키지 않거나, 또는 소량의 Pb의 함유로 우수한 피삭성을 실현시키고 있다. Sn, Al을, 각각 0.3mass% 이상, 0.1mass% 이상의 양으로 함유함으로써, 피삭성을 갖는 γ상의 형성을 추가로 증대, 촉진시켜, 피삭성을 개선시킨다. 그리고, 많은 γ상의 형성에 의하여, 내식성의 향상을 도모하고 있다.
또, 특허문헌 4에 있어서는, 0.02mass% 이하의 극소량의 Pb를 함유시키고, 주로 Pb 함유량을 고려하여, 단순히 γ상, κ상의 합계 함유 면적을 규정함으로써, 우수한 쾌삭성을 얻는 것으로 하고 있다.
또한, 특허문헌 5, 6에 있어서는, Cu-Zn-Si 합금의 주물 제품이 제안되고 있으며, 주물의 결정립의 미세화를 도모하기 위하여, P와 Zr을 극미량 함유시키고 있고, P/Zr의 비율 등을 중요시하고 있다.
특허문헌 7에는, Cu-Zn-Si 합금에 Fe를 함유시킨 구리 합금이 제안되고 있다.
특허문헌 8에는, Cu-Zn-Si 합금에 Sn, Fe, Co, Ni, Mn을 함유시킨 구리 합금이 제안되고 있다.
특허문헌 9에는, Cu-Zn-Si 합금에 있어서, κ상을 포함하는 α상 매트릭스를 갖고, β상, γ상 및 μ상의 면적률을 제한한 구리 합금이 제안되고 있다.
특허문헌 10에는, Cu-Zn-Si 합금에 있어서, γ상의 장변의 길이, μ상의 장변의 길이를 규정한 구리 합금이 제안되고 있다.
특허문헌 11에는, Cu-Zn-Si 합금에, Sn 및 Al을 첨가한 구리 합금이 제안되고 있다.
특허문헌 12에는, Cu-Zn-Si 합금에 있어서, γ상을 α상 및 β상의 상 경계의 사이에 입상(粒狀)으로 분포시킴으로써 피삭성을 향상시킨 구리 합금이 제안되고 있다.
특허문헌 13에는, Cu-Zn 합금에 Si를 함유시킴으로써, β상을 분산시키고, 냉간 가공성을 향상시키는 것이 제안되고 있다.
특허문헌 14에는, Cu-Zn 합금에, Sn, Pb, Si를 첨가한 구리 합금이 제안되고 있다.
특허문헌 15에는, Sn을 함유함으로써, 내식성을 향상시킨 Cu-Zn 합금이 제안되고 있다.
여기에서, 상술한 Cu-Zn-Si 합금에 있어서는, 특허문헌 13 및 비특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, Cu 농도가 60mass% 이상, Zn 농도가 40mass% 이하, Si 농도가 10mass% 이하의 조성으로 좁혀도, 매트릭스 α상 외에, β상, γ상, δ상, ε상, ζ상, η상, κ상, μ상, χ상의 10종류의 금속상, 경우에 따라서는, α＇, β＇, γ＇를 포함시키면 13종류의 금속상이 존재하는 것이 알려져 있다. 또한, 첨가 원소가 증가하면, 금속 조직은 보다 복잡해지는 것이나, 새로운 상이나 금속 간 화합물이 출현할 가능성이 있는 것, 또 평형 상태도로부터 얻어지는 합금과 실제로 생산되고 있는 합금에서는, 존재하는 금속상의 구성에 큰 어긋남이 발생하는 것이 경험상 잘 알려져 있다. 또한, 이들 상의 조성은, 구리 합금의 Cu, Zn, Si 등의 농도, 및 가공열 이력에 따라서도, 변화하는 것이 잘 알려져 있다.
그런데, Pb를 함유한 Cu-Zn-Pb 합금에 있어서는, Cu 농도가 약 60mass%인 것에 대하여, 이들 특허문헌 2~10에 기재되어 있는 Cu-Zn-Si 합금은, Cu 농도가 모두 69mass% 이상이며, 경제성의 관점에서도, 고가인 Cu의 농도의 저감이 요망되고 있다.
특허문헌 11에 있어서는, 열처리 없이 우수한 내식성을 얻기 위하여, Cu-Zn-Si 합금에, Sn과 Al을 함유하는 것을 필수로 하고, 또한 우수한 피삭성을 실현시키기 위하여, 다량의 Pb, 또는 Bi를 필요로 하고 있다.
특허문헌 12에 있어서는, Cu 농도가, 약 65mass% 이상이며, 주조성, 기계적 강도가 양호한 Pb를 함유하지 않는 구리 합금 주물이고, γ상에 의하여 피삭성이 개선되도록 하고 있으며, Sn, Mn, Ni, Sb, B를 다량으로 함유한 실시예가 기재되어 있다.
또, 종래의 Pb가 첨가된 쾌삭성 구리 합금에는, 적어도 하루 밤낮 동안에 절삭의 트러블 없이, 나아가서는 하루 밤낮 동안에 절삭 공구의 교환이나 절삭 공구의 연마 등의 조정 없이, 외주 절삭이나 드릴 펀칭 가공 등의 절삭 가공할 수 있는 것이 요구되고 있다. 절삭의 난이도에 따라서도 다르지만, Pb의 함유량을 큰 폭으로 저감시킨 합금에 있어서도, 동등한 피삭성이 요구되고 있다.
여기에서, 특허문헌 7에 있어서는, Cu-Zn-Si 합금에 Fe를 함유시키고 있지만, Fe와 Si는, γ상보다 견고하고 부서지기 쉬운 Fe-Si의 금속 간 화합물을 형성한다. 이 금속 간 화합물은, 절삭 가공 시에는 절삭 공구의 수명을 짧게 하고, 연마 시에는 하드 스폿이 형성되어 외관상의 문제가 발생하는 등 문제가 있다. 또, Fe는 첨가 원소인 Si와 결합하고, Si는 금속 간 화합물로서 소비되는 점에서, 합금의 성능을 저하시켜 버린다.
또, 특허문헌 8에 있어서는, Cu-Zn-Si 합금에, Sn과 Fe, Mn을 첨가하고 있지만, Fe, Mn은, 모두 Si와 화합하여 견고하고 부서지기 쉬운 금속 간 화합물을 생성한다. 이 때문에, 특허문헌 7과 동일하게, 절삭이나 연마 시에 문제를 발생시킨다.
본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 피삭성, 주조성이 우수하고, 강도가 높으며, 또한 인성(靭性)이 우수하고, 납의 함유량을 큰폭으로 감소시킨 쾌삭성 구리 합금 주물, 및 쾌삭성 구리 합금 주물의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 드릴 절삭은, 드릴에 의한 펀칭 절삭 가공을 가리킨다. 양호한, 우수한 피삭성이란, 설명이 없는 한, 선반(旋盤)을 이용한 외주 절삭이나 드릴 펀칭 가공 시, 절삭 저항이 낮고, 절삭 부스러기의 분단성이 양호한 것, 혹은 우수한 것을 가리킨다. 냉각 속도란, 소정의 온도 범위에서의 평균의 냉각 속도를 가리킨다. 전도성이란, 전기 전도성, 열전도성을 가리킨다. 또, β상에는, β'상을 포함하고, γ상에는, γ'상을 포함하며, α상에는 α'상을 포함한다. Bi를 포함하는 입자는, Bi 입자와, Bi와 Pb의 양방을 포함하는 입자(Bi와 Pb의 합금의 입자)를 가리켜, 간단히 Bi 입자라고 칭하는 경우가 있다. 구리 합금 주물을, 간단히 합금이라고 칭하는 경우가 있다. 하루 밤낮은, 1일간을 의미한다. P를 포함하는 화합물은, P와, 적어도 Si 및 Zn 중 어느 일방 또는 양방을 포함하는 화합물, 경우에 따라서는, Cu를 더 포함하는 화합물이나, 불가피적 불순물인 Fe, Mn, Cr, Co 등을 더 포함하는 화합물이다. P를 포함하는 화합물은, 예를 들면 P-Si, P-Si-Zn, P-Zn, P-Zn-Cu 등의 화합물이다. P를 포함하는 화합물은, P와 Si, Zn을 포함하는 화합물이라고도 한다.
상술한 과제를 해결하고, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명자들은 예의 검토한 결과, 이하와 같은 지견(知見)을 얻었다.
상술한 특허문헌 4, 6에서는, Cu-Zn-Si 합금에 있어서, β상은, 구리 합금의 피삭성에 거의 공헌하지 않고, 오히려 저해한다고 되어 있다. 특허문헌 2, 3에서는, β상이 존재하는 경우, 열처리에 의하여 β상을 γ상으로 변화시킨다고 되어 있다. 특허문헌 9, 10에 있어서도, β상의 양은 큰 폭으로 제한되어 있다.
본 발명자들은, 먼저 Cu-Zn-Si 합금에 있어서, 종래의 기술에서는, 피삭성에 대한 효과가 없다고 되어 있던 β상에 관하여, 예의 연구를 거듭하고, 피삭성에 큰 효과가 있는 β상의 조성을 구명(究明)했다.
그러나, 피삭성에 큰 효과가 있는 Si를 함유하는 β상이어도, 절삭 부스러기의 분단성이나, 절삭 저항에서는, 3mass%의 Pb를 함유한 쾌삭 황동과의 피삭성의 차는 여전히 컸다.
그래서, 그 과제를 해결하기 위하여, 가일층의 금속 조직면으로부터의 개선 수단이 있는 것을 알 수 있었다. 먼저, β상 자신의 피삭성(피삭 성능, 피삭성 기능)을 향상시키기 위하여, Cu-Zn-Si 합금 주물에 P를 첨가하여 β상 중에 P를 고용(固溶)하고, 그리고 약 0.3~3μm의 크기의 P를 포함하는 화합물(예를 들면 P-Si, P-Zn, P-Si-Zn, P-Zn-Cu 등)을, β상에 석출시켰다. 그 결과, β상의 피삭성은 보다 더 향상되었다.
그러나, 피삭성을 향상시킨 β상은, 연성(延性)이나 인성이 부족하다. β상 의 피삭성을 저해하지 않고 연성의 개선을 도모하기 위하여, 적절한 양의 β상과 α상으로 제어했다. 한편, α상은 피삭성이 부족하다. α상의 결점을 보완하고, 우수한 피삭성을 구비하기 위하여, 피삭성이 한층 높아진 적절한 양의 β상의 존재하, 극소량의 Pb의 함유에 의하여, 절삭 부스러기의 분단성을 향상시키며, 절삭 저항을 저하시키는 것을 실현할 수 있었다. 그리고, 선택적으로, 이하의 2개의 개선 수단도 양호하게 조합함으로써, 다량의 Pb가 첨가된 구리 합금 주물에 필적한 쾌삭 성능을 갖는 본 발명의 구리 합금 주물을 발명하기에 이르렀다.
(1) Pb보다 피삭성의 개선 효과가 조금 뒤떨어진다고 하던 Bi를, Pb 대신에, 극소량 함유시켜 α상 자체의 피삭성을 향상시킨다.
(2) 소량의 γ상을 함유시켜 피삭성을 향상시킨다.
본 발명의 제1 양태인 쾌삭성 구리 합금 주물은, 58.5mass% 초과 65.0mass% 미만의 Cu와, 0.40mass% 초과 1.40mass% 미만의 Si와, 0.002mass% 초과 0.25mass% 미만의 Pb와, 0.003mass% 초과 0.19mass% 미만의 P를 포함하고, 임의 원소로서, 0.001mass% 이상 0.100mass% 이하의 Bi를 포함하며, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
상기 불가피적 불순물 중, Fe, Mn, Co 및 Cr의 합계량이 0.45mass% 미만이며, 또한 Sn, Al의 합계량이 0.45mass% 미만이고,
Cu의 함유량을 [Cu]mass%, Si의 함유량을 [Si]mass%, Pb의 함유량을 [Pb]mass%, Bi의 함유량을 [Bi]mass%, P의 함유량을 [P]mass%로 한 경우에,
56.0≤f1=[Cu]-5Х[Si]+0.5Х[Pb]+0.5Х[Bi]-0.5Х[P]≤59.5의 관계를 가지며, Bi를 포함하지 않는 경우에는, f1 중의 [Bi]는 0이고,
Bi를 포함하는 경우에는, 0.003<f0=[Pb]+[Bi]<0.25의 관계를 더 가지며,
비금속 개재물을 제외한 금속 조직의 구성상에 있어서, α상의 면적률을 (α)%, γ상의 면적률을 (γ)%, β상의 면적률을 (β)%로 한 경우에,
20≤(α)≤80
18≤(β)≤80
0≤(γ)<5
20Х(γ)/(β)<4
18≤(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])≤82
33≤(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])+([Pb]+[Bi])1/2Х38+([P])1/2Х15
의 관계를 갖고, Bi를 포함하지 않는 경우에는, 식 중의 [Bi]는 0이며,
상기 β상 내에 P를 포함하는 화합물이 존재하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 양태인 쾌삭성 구리 합금 주물은, 59.0mass% 초과 65.0mass% 미만의 Cu와, 0.50mass% 초과 1.35mass% 미만의 Si와, 0.010mass% 초과 0.20mass% 미만의 Pb와, 0.010mass% 초과 0.15mass% 미만의 P를 포함하고, 임의 원소로서, 0.001mass% 이상 0.100mass% 이하의 Bi를 포함하며, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
상기 불가피적 불순물 중, Fe, Mn, Co 및 Cr의 합계량이 0.40mass% 미만이며, 또한 Sn, Al의 합계량이 0.40mass% 미만이고,
Cu의 함유량을 [Cu]mass%, Si의 함유량을 [Si]mass%, Pb의 함유량을 [Pb]mass%, Bi의 함유량을 [Bi]mass%, P의 함유량을 [P]mass%로 한 경우에,
56.3≤f1=[Cu]-5Х[Si]+0.5Х[Pb]+0.5Х[Bi]-0.5Х[P]≤59.2의 관계를 가지며, Bi를 포함하지 않는 경우에는, f1 중의 [Bi]는 0이고,
Bi를 포함하는 경우에는, 0.020≤f0=[Pb]+[Bi]<0.20의 관계를 더 가지며,
비금속 개재물을 제외한 금속 조직의 구성상에 있어서, α상의 면적률을 (α)%, γ상의 면적률을 (γ)%, β상의 면적률을 (β)%로 한 경우에,
25≤(α)≤75
25≤(β)≤75
0≤(γ)<3
20Х(γ)/(β)<2
25≤(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])≤76
40≤(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])+([Pb]+[Bi])1/2Х38+([P])1/2Х15
의 관계를 갖고, Bi를 포함하지 않는 경우에는, 식 중의 [Bi]는 0이며,
상기 β상 내에 P를 포함하는 화합물이 존재하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제3 양태인 쾌삭성 구리 합금 주물은, 59.5mass% 초과 64.5mass% 미만의 Cu와, 0.60mass% 초과 1.30mass% 미만의 Si와, 0.010mass% 초과 0.15mass% 미만의 Pb와, 0.020mass% 초과 0.14mass% 미만의 P와, 0.020mass% 초과 0.100mass% 이하의 Bi를 포함하며, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
상기 불가피적 불순물 중, Fe, Mn, Co 및 Cr의 합계량이 0.35mass% 미만이며, 또한 Sn, Al의 합계량이 0.35mass% 미만이고,
Cu의 함유량을 [Cu]mass%, Si의 함유량을 [Si]mass%, Pb의 함유량을 [Pb]mass%, Bi의 함유량을 [Bi]mass%, P의 함유량을 [P]mass%로 한 경우에,
0.040≤f0=[Pb]+[Bi]<0.18
56.5≤f1=[Cu]-5Х[Si]+0.5Х[Pb]+0.5Х[Bi]-0.5Х[P]≤59.0
의 관계를 가짐과 함께,
비금속 개재물을 제외한 금속 조직의 구성상에 있어서, α상의 면적률을 (α)%, γ상의 면적률을 (γ)%, β상의 면적률을 (β)%로 한 경우에,
30≤(α)≤70
30≤(β)≤70
0≤(γ)<2
20Х(γ)/(β)<1
30≤(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])≤70
45≤(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])+([Pb]+[Bi])1/2Х38+([P])1/2Х15
의 관계를 가짐과 함께,
상기 β상 내에 P를 포함하는 화합물이 존재하며, 또한 α상 내에 Bi를 포함하는 입자가 존재하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제4 양태인 쾌삭성 구리 합금 주물은, 본 발명의 제1~3 양태의 쾌삭성 구리 합금 주물에 있어서, 응고 온도 범위가 25℃이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제5 양태인 쾌삭성 구리 합금 주물은, 본 발명의 제1~4 양태의 쾌삭성 구리 합금 주물에 있어서, 비커스 경도가 105Hv 이상이며, 또한 U 노치 충격 시험을 행했을 때의 충격값이 25J/cm2 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제6 양태인 쾌삭성 구리 합금 주물은, 본 발명의 제1~5 양태의 쾌삭성 구리 합금 주물에 있어서, 기계 부품, 자동차 부품, 전기·전자 기기 부품, 완구, 슬라이딩 부품, 압력 용기, 계기 부품, 정밀 기계 부품, 의료용 부품, 건축용 금구, 수전 금구, 음료용 기구·부품, 배수용 기구·부품, 공업용 배관 부품에 이용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제7 양태인 쾌삭성 구리 합금 주물의 제조 방법은, 본 발명의 제1~6 양태의 쾌삭성 구리 합금 주물의 제조 방법으로서, 용해, 주조 공정을 갖고, 상기 용해, 주조 공정 중, 주조 후의 냉각 과정에 있어서, 530℃부터 450℃까지의 온도 영역에 있어서의 평균 냉각 속도를 0.1℃/분 이상 55℃/분 이하의 범위 내로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 피삭성, 주조성이 우수하고, 강도가 높으며, 또한 인성이 우수하고, 납의 함유량을 큰폭으로 감소시킨 쾌삭성 구리 합금 주물, 및 쾌삭성 구리 합금 주물의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 시험 No. T07의 구리 합금의 금속 조직의 사진이다.
도 2는 시험 No. T35의 구리 합금의 금속 조직의 사진이다.
도 3은 시험 No. T106의 구리 합금의 금속 조직의 사진이다.
도 4는 타투르 테스트에 있어서, 타투르 몰드에 주입된 주물의 단면 설명도이다.
도 5는 합금 No. S01에 대하여, 타투르 테스트를 행하여 얻어진 주물의 단면의 매크로 조직이다.
도 6은 시험 No. T07의 절삭 시험 후의 절삭 부스러기의 사진이다.
도 7은 시험 No. T35의 절삭 시험 후의 절삭 부스러기의 사진이다.
도 8은 시험 No. T106의 절삭 시험 후의 절삭 부스러기의 사진이다.
도 2는 시험 No. T35의 구리 합금의 금속 조직의 사진이다.
도 3은 시험 No. T106의 구리 합금의 금속 조직의 사진이다.
도 4는 타투르 테스트에 있어서, 타투르 몰드에 주입된 주물의 단면 설명도이다.
도 5는 합금 No. S01에 대하여, 타투르 테스트를 행하여 얻어진 주물의 단면의 매크로 조직이다.
도 6은 시험 No. T07의 절삭 시험 후의 절삭 부스러기의 사진이다.
도 7은 시험 No. T35의 절삭 시험 후의 절삭 부스러기의 사진이다.
도 8은 시험 No. T106의 절삭 시험 후의 절삭 부스러기의 사진이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 관한 쾌삭성 구리 합금 주물 및 쾌삭성 구리 합금 주물의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 실시형태인 쾌삭성 구리 합금 주물은, 밸브, 이음매, 급배수 부재, 압력 용기 등의 기계 부품, 자동차 부품, 전기·가전·전자 부품, 및 음료용수, 공업용수, 수소 등의 액체 또는 기체와 접촉하는 기구·부품에 이용되는 것이다.
여기에서, 본 명세서에서는, [Zn]과 같이 괄호가 붙은 원소 기호는 당해 원소의 함유량(mass%)을 나타내는 것으로 한다.
그리고, 본 실시형태에서는, 이 함유량의 표시 방법을 이용하여, 이하와 같이, 조성 관계식 f0, f1을 규정하고 있다.
Bi를 함유하는 경우는, 조성 관계식 f0=[Pb]+[Bi]
조성 관계식 f1=[Cu]-5Х[Si]+0.5Х[Pb]+0.5Х[Bi]-0.5Х[P]
Bi를 포함하지 않는 경우에는, f1 중의 [Bi]는 0이며, f1은, f1=[Cu]-5Х[Si]+0.5Х[Pb]-0.5Х[P]가 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 비금속 개재물을 제외한 금속 조직의 구성상에 있어서, α상의 면적률을 (α)%, β상의 면적률을 (β)%, γ상의 면적률을 (γ)%로 나타내는 것으로 한다. 각 상의 면적률은, 각 상의 양, 각 상의 비율, 각 상이 차지하는 비율이라고도 한다. 그리고, 본 실시형태에서는, 이하와 같이, 복수의 조직 관계식 및 조직·조직 관계식을 규정하고 있다.
조직 관계식 f2=(α)
조직 관계식 f3=(β)
조직 관계식 f4=(γ)
조직 관계식 f5=20Х(γ)/(β)
조직 관계식 f6=(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])
조직·조성 관계식 f6A=(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])+([Pb]+[Bi])1/2Х38+([P])1/2Х15
Bi를 포함하지 않는 경우에는, f6A 중의 [Bi]는 0이며, f6A는, f6A=(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])+([Pb])1/2Х38+([P])1/2Х15가 된다.
본 발명의 제1 실시형태에 관한 쾌삭성 구리 합금 주물은, 58.5mass% 초과 65.0mass% 미만의 Cu와, 0.40mass% 초과 1.40mass% 미만의 Si와, 0.002mass% 초과 0.25mass% 미만의 Pb와, 0.003mass% 초과 0.19mass% 미만의 P를 포함하고, 임의 원소로서, 0.001mass% 이상 0.100mass% 이하의 Bi를 포함하며, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 상기 불가피적 불순물 중, Fe, Mn, Co 및 Cr의 합계량이 0.45mass% 미만이며, 또한 Sn, Al의 합계량이 0.45mass% 미만이고, Bi를 함유하는 경우에는 상술한 조성 관계식 f0이 0.003<f0<0.25의 범위 내, 조성 관계식 f1이 56.0≤f1≤59.5의 범위 내, 조직 관계식 f2가 20≤f2≤80의 범위 내, 조직 관계식 f3이 18≤f3≤80의 범위 내, 조직 관계식 f4가 0≤f4<5의 범위 내, 조직 관계식 f5가 f5<4의 범위 내, 조직 관계식 f6이 18≤f6≤82의 범위 내, 조직·조성 관계식 f6A가 33≤f6A의 범위 내로 되어 있으며, β상 내에 P를 포함하는 화합물이 존재하고 있다.
본 발명의 제2 실시형태에 관한 쾌삭성 구리 합금 주물은, 59.0mass% 초과 65.0mass% 미만의 Cu와, 0.50mass% 초과 1.35mass% 미만의 Si와, 0.010mass% 초과 0.20mass% 미만의 Pb와, 0.010mass% 초과 0.15mass% 미만의 P를 포함하고, 임의 원소로서, 0.001mass% 이상 0.100mass% 이하의 Bi를 포함하며, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 상기 불가피적 불순물 중, Fe, Mn, Co 및 Cr의 합계량이 0.40mass% 미만이며, 또한 Sn, Al의 합계량이 0.40mass% 미만이고, Bi를 함유하는 경우에는 상술한 조성 관계식 f0이 0.020≤f0<0.20의 범위 내, 조성 관계식 f1이 56.3≤f1≤59.2의 범위 내, 조직 관계식 f2가 25≤f2≤75의 범위 내, 조직 관계식 f3이 25≤f3≤75의 범위 내, 조직 관계식 f4가 0≤f4<3의 범위 내, 조직 관계식 f5가 f5<2의 범위 내, 조직 관계식 f6이 25≤f6≤76의 범위 내, 조직·조성 관계식 f6A가 40≤f6A의 범위 내로 되어 있으며, β상 내에 P를 포함하는 화합물이 존재하고 있다.
본 발명의 제3 실시형태에 관한 쾌삭성 구리 합금 주물은, 59.5mass% 초과 64.5mass% 미만의 Cu와, 0.60mass% 초과 1.30mass% 미만의 Si와, 0.010mass% 초과 0.15mass% 미만의 Pb와, 0.020mass% 초과 0.14mass% 미만의 P와, 0.020mass% 초과 0.100mass% 이하의 Bi를 포함하고, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 상기 불가피적 불순물 중, Fe, Mn, Co 및 Cr의 합계량이 0.35mass% 미만이고, 또한 Sn, Al의 합계량이 0.35mass% 미만이며, 상술한 조성 관계식 f0이 0.040≤f0<0.18의 범위 내, 조성 관계식 f1이 56.5≤f1≤59.0의 범위 내, 조직 관계식 f2가 30≤f2≤70의 범위 내, 조직 관계식 f3이 30≤f3≤70의 범위 내, 조직 관계식 f4가 0≤f4<2의 범위 내, 조직 관계식 f5가 f5<1의 범위 내, 조직 관계식 f6이 30≤f6≤70의 범위 내, 조직·조성 관계식 f6A가 45≤f6A의 범위 내로 되어 있고, β상 내에 P를 포함하는 화합물이 존재하며, 또한 α상 내에 Bi를 포함하는 입자가 존재하고 있다.
여기에서, 본 발명의 제1~3 실시형태인 쾌삭성 구리 합금 주물에 있어서는, 응고 온도 범위가 25℃이하인 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 제1~3 실시형태인 쾌삭성 구리 합금 주물에 있어서는, 비커스 경도가 105Hv 이상이며, 또한 U 노치 충격 시험을 행했을 때의 충격값(U 노치 충격 시험으로 측정되는 충격값)이 25J/cm2 이상인 것이 바람직하다.
이하에, 성분 조성, 조성 관계식 f0, f1, 조직 관계식 f2, f3, f4, f5, f6, 조직·조성 관계식 f6A, 금속 조직을, 상술과 같이 규정한 이유에 대하여 설명한다.
<성분 조성>
(Cu)
Cu는, 본 실시형태의 구리 합금 주물의 주요 원소이며, 본 발명의 과제를 극복하기 위해서는, 적어도 58.5mass% 초과의 양의 Cu를 함유할 필요가 있다. Cu 함유량이 58.5mass% 이하인 경우, Si, Zn, P, Pb의 함유량이나, 제조 프로세스에 따라서도 다르지만, β상이 차지하는 비율이 80%를 초과하여, 재료로서의 연성, 인성이 뒤떨어진다. 따라서, Cu 함유량의 하한은, 58.5mass% 초과이고, 바람직하게는 59.0mass% 초과, 보다 바람직하게는 59.5mass% 초과이며, 더 바람직하게는 60.5mass% 초과이다.
한편, Cu 함유량이 65.0mass% 이상이면, Si, Zn, P, Pb의 함유량이나, 제조 프로세스에 따라서도 다르지만, β상이 차지하는 비율이 적어지고, 한편 γ상이 차지하는 비율이 많아진다. 경우에 따라서는, μ상이나 다른 상이 출현한다. 그 결과, 우수한 피삭성이 얻어지지 않게 되어, 연성이나 인성도 부족해진다. 또, 주조성과 밀접한 관계에 있는 응고 온도 범위가 넓어진다. 따라서, Cu 함유량은, 65.0mass% 미만이고, 바람직하게는 64.5mass% 미만, 보다 바람직하게는 64.2mass% 미만이며, 더 바람직하게는 64.0mass% 미만이다.
(Si)
Si는, 본 실시형태인 쾌삭성 구리 합금 주물의 주요한 원소이며, Si는, κ상, γ상, μ상, β상, ζ상 등의 금속상의 형성에 기여한다. Si는, 본 실시형태인 쾌삭성 구리 합금 주물의 피삭성, 강도, 내마모성, 내응력 부식 균열성을 향상시키고, 용탕의 점도를 낮추며, 탕흐름성을 향상시키고, 주조성을 향상시킨다. 피삭성에 관하여, 함유량이 상기의 범위에 있는 Cu와, Zn과, Si의 함유에 의하여 형성되는 β상에, 우수한 피삭성을 갖는 것을 구명(究明)했다. 피삭성이 우수한 β상은, 예를 들면 대표적인 것으로서, Cu가 약 60mass%, Si가 약 1.3mass%, Zn이 약 38.5mass%로 이루어지는 β상을 들 수 있다. 또, 동시에, 상기의 범위에 있는 Cu와, Zn과, Si의 함유에 의하여 형성되는 γ상에도, β상의 존재하에서, 우수한 피삭성을 갖고 있는 것을 구명했다.
α상은, 예를 들면 대표적인 조성으로서, Cu가 약 67mass%, Si가 약 0.8mass%, Zn이 약 32mass%로 이루어지는 조성을 들 수 있다. 본 실시형태의 조성 범위에서는, α상도, Si의 함유에 의하여 피삭성은 개선되지만, 그 개선의 정도는 β상에 비하여 훨씬 작다.
또, Si의 함유에 의하여 α상, β상이 고용 강화되고, 합금이 강화되며, 합금의 연성이나 인성에도 영향을 준다. 그리고 Si의 함유는, 합금의 도전율을 낮게 하지만, β상의 형성에 의하여, 도전율을 향상시킨다.
구리 합금 주물로서 우수한 피삭성을 갖기 위하여, 높은 강도를 얻기 위하여, 또한 탕흐름성·주조성을 향상시키기 위해서는, Si는 0.40mass%를 초과하는 양으로 함유할 필요가 있다. Si 함유량은, 바람직하게는 0.50mass% 초과이며, 보다 바람직하게는 0.60mass% 초과, 더 바람직하게는 1.00mass% 초과이다.
그리고, Si를, 0.40mass% 초과, 바람직하게는 0.50mass% 초과, 보다 바람직하게는 0.60mass% 초과하는 양으로 함유시키면, Bi가 소량이어도, Bi 입자가 α상 내에 존재하게 된다. 또한 Si를 많이 함유시키면, Bi 입자가 α상 내에 존재하는 빈도가 높아져, Pb보다 피삭성에 대한 효과가 뒤떨어진다고 알려져 있는 Bi를 보다 효과적으로 활용할 수 있게 된다.
한편, Si 함유량이 너무 많으면, γ상이 과다해져, 경우에 따라서는, μ상이 석출된다. γ상은, β상보다 연성, 인성이 뒤떨어져, 구리 합금 주물의 연성을 저하시킨다. 특히 γ상이 과다하면, 드릴 절삭의 스러스트값이 중가한다. Si의 증량은 합금의 도전율을 나쁘게 한다. 또, Cu와 Zn의 배합에 따라서도 다르지만, Si가 너무 많으면, 응고 온도 범위를 넓게 하여, 주조성을 나쁘게 한다. 본 실시형태에서는, 주조성이 우수함과 함께, 양호한 강도, 인성, 전도성을 겸비하는 것도 목표로 하고 있으므로, Si 함유량의 상한은, 1.40mass% 미만이며, 바람직하게는 1.35mass% 미만이고, 보다 바람직하게는 1.30mass% 미만이며, 더 바람직하게는 1.25mass% 미만이다. 제조 프로세스나 Cu 농도에 따라서도 다르지만, Si 함유량이 약 1.3mass%보다 적어지면, γ상의 양은, 대체로 2%보다 적어지지만, 적절히 β상이 차지하는 비율을 증가시킴으로써, 우수한 피삭성을 유지할 수 있고, 높은 강도와 양호한 인성을 구비할 수 있다.
Cu-Zn의 2원 합금 베이스에, 제3, 제4 원소를 함유시키면, 또 그 양을 증감시키면, β상의 특성, 성질은, 변화한다. 특허문헌 2~6에 기재되어 있는 바와 같이, Cu가 약 69mass% 이상, Si가 약 2% 이상, 잔부가 Zn의 합금으로 존재하는 β상 과, 본 실시형태의, 예를 들면 Cu가 약 63mass%, Si가 약 1.2mass%, 잔부가 Zn의 합금으로 생성하는 β상은, 동일한 β상이어도, 특성이나 성질이 다르다. 또한, 불가피적 불순물이 많이 포함되면, β상의 성질도 변화하며, 경우에 따라서는, 피삭성을 포함하는 특성이 변화하여, 저하된다. 동일하게 γ상의 경우, 형성되는 γ상도 주요 원소의 양이나 배합 비율이 다르면, γ상의 성질은 상이하고, 불가피적 불순물이 많이 포함되면, γ상의 성질도 변화한다. 그리고, 동일한 조성이어도, 냉각 속도 등의 제조 조건에 따라, 존재하는 상의 종류, 또는 상의 양, 각 상으로의 각 원소의 분배가 변화한다.
(Zn)
Zn은, Cu, Si와 함께 본 실시형태인 쾌삭성 구리 합금 주물의 주요 구성 원소이며, 피삭성, 강도, 고온 특성, 주조성을 높이기 위하여 필요한 원소이다. 또한, Zn은 잔부로 하고 있지만, 굳이 기재하면, Zn 함유량은 약 41mass%보다 적고, 바람직하게는 약 40mass%보다 적으며, 약 33mass%보다 많고, 바람직하게는 34mass%보다 많다.
(P)
P는, α상과 β상으로 이루어지는 Cu-Zn-Si 합금에 있어서, β상에 우선적으로 배분된다. P는, 먼저 β상 내로의 P의 고용에 의하여, Si를 함유한 β상의 피삭성을 향상시킬 수 있다. 그리고, P의 함유와 제조 프로세스에 의하여, 평균으로 직경 0.3~3μm의 크기의 P를 포함하는 화합물이 β상 중에 형성된다. 이들 화합물에 의하여, 외주 절삭의 경우, 주분력(主分力), 이송 분력, 배분력(背分力)의 3분력을 저하시키고, 드릴 절삭의 경우에는, 특히 토크를 낮춘다. 외주 절삭의 3분력과, 드릴 절삭의 토크와, 절삭 부스러기 형상은, 연동되어 있으며, 3분력, 토크가 작을수록, 절삭 부스러기는 분단된다.
또, P에는 α상의 결정립을 조밀하게 하는 작용이 있어, α상을 조밀하게 함으로써, 구리 합금 주물의 피삭성을 향상시킨다.
P를 포함하는 화합물은, 주입(鑄入) 후, 응고, 냉각 과정 중에서, 530℃보다 높은 온도에서는, 기본적으로 형성되지 않는다. P는, 냉각 중, 주로 β상에 고용되며, 소정의 임계의 냉각 속도 이하이고, 주로 β상 내, 또는 β상과 α상의 상 경계에, P를 포함하는 화합물이 석출된다. α상 중에는, P를 포함하는 화합물이 석출되는 경우는 거의 없다. P를 포함하는 석출물은, 금속 현미경으로 관찰하면, 작은 입자상이며, 평균 입자경은 약 0.5~3μm이다. 그리고, 그 석출물을 함유한 β상 은, 한층 우수한 피삭성을 구비할 수 있다. P를 포함하는 화합물은, 절삭 공구의 수명에 거의 영향을 주지 않고, 구리 합금 주물의 연성이나 인성을 거의 저해하지 않는다. Fe, Mn, Cr, Co와, Si, P의 화합물은, 구리 합금 주물의 강도나 내마모성 향상에 기여하지만, 합금 중의 Si, P를 소비하고, 합금의 절삭 저항을 높게 하며, 절삭 부스러기의 분단성을 저하시키고, 공구 수명을 나쁘게 하며, 연성도 저해한다.
또 P는, Si와의 공(共)첨가로, Bi를 포함하는 입자를, α상 내에 존재시키기 쉽게 하는 기능이 있어, α상의 피삭성의 향상에 공헌하고 있다.
이들의 효과를 발휘하기 위해서는, P의 함유량의 하한은 0.003mass% 초과이며, 바람직하게는 0.010mass% 초과, 보다 바람직하게는 0.020mass% 초과, 더 바람직하게는 0.030mass% 초과이다. P를 0.010mass%를 초과하여, 함유하면, 500배의 금속 현미경으로 P의 화합물을 관찰할 수 있게 되고, P가 0.020mass%를 초과하면, P의 화합물이 보다 명료하게 보이게 된다.
한편, P를 0.19mass% 이상의 양으로 포함하면, 석출물이 조대화하여 피삭성에 대한 효과가 포화될뿐만 아니라, β상 중의 Si 농도가 저하되고, 피삭성이 오히려 나빠져, 연성이나 인성도 저하된다. 또, 응고 온도 범위를 넓게 하여, 주조성을 나쁘게 한다. 이 때문에, P의 함유량은, 0.19mass% 미만이며, 바람직하게는 0.0.15mass% 미만이고, 보다 바람직하게는 0.14mass% 미만이며, 더 바람직하게는 0.10mass% 미만이다. P의 함유량은, 0.05mass% 미만이어도, 충분한 양의 화합물을 형성한다.
또한, 예를 들면 P와 Si의 화합물은, Mn, Fe, Cr, Co 등 Si나 P와 화합하기 쉬운 원소의 양이 증가하면, 서서히 화합물의 조성비도 변화한다. 즉, β상의 피삭성을 현저히 향상시키는 P를 포함하는 화합물에서, 서서히 피삭성에 효과가 적은 화합물로 변화한다. 따라서, 적어도, Mn, Fe, Cr, Co의 합계 함유량을 0.45mass% 미만, 바람직하게는 0.40mass% 미만, 보다 바람직하게는 0.35mass% 미만으로 해둘 필요가 있다.
(Pb)
본 실시형태에 있어서는, Si를 함유하고, P를 함유하며, 그리고 P의 화합물이 존재하는 β상에 의하여 피삭성이 우수해지게 되지만, 추가로 소량의 Pb의 함유에 의하여 구리 합금 주물로서 우수한 피삭성이 달성된다. Pb는, 피삭성이 우수한 β상의 존재하, 금속 조직 내에 존재하는 미세한 Pb 입자에 의하여, 절삭 부스러기의 분단성의 향상이나, 절삭 저항을 낮추는 효과를 발휘한다. 본 실시형태의 합금 조성에 있어서, Pb는, 약 0.001mass%의 양이 매트릭스에 고용되고, 그것을 초과한 양의 Pb는, 직경이 약 0.1~약 3μm의 Pb 입자로서 존재하며, 0.002mass% 초과의 Pb 함유량으로 효과를 발휘한다. Pb 함유량은, 0.002mass% 초과이며, 바람직하게는 0.010mass% 초과, 보다 바람직하게는 0.020mass% 초과이다.
한편, Pb는, 구리 합금 주물의 피삭성 개선 수단으로서 매우 유효하지만, 인체나 환경에 유해하다. 이 때문에, Pb의 함유량은, 0.25mass% 미만으로 할 필요가 있으며, 바람직하게는 0.20mass% 미만, 보다 바람직하게는 0.15mass% 미만, 더 바람직하게는 0.10mass% 이하이다.
(Bi)
Bi는, 약 0.001mass%의 양이 매트릭스에 고용되고, 그것을 초과한 양의 Bi는 직경이 약 0.1~약 3μm의 입자로서 존재한다. 본 실시형태에 있어서는, 인체에 유해한 Pb의 양을 0.25mass% 미만, 바람직하게는 0.20mass% 미만, 보다 바람직하게는 0.15mass% 미만, 더 바람직하게는 0.10mass% 이하로 제한하며, 또한 우수한 피삭성을 목표로 하고 있다. Bi의 피삭성에 대한 효과는, Pb보다 뒤떨어진다고 되어 있었지만, Pb와의 공첨가로, Pb와 대략 동등, 경우에 따라서는 동등 이상의 피삭성의 효과를 발휘하는 것을 알 수 있었다. Pb의 존재하에서, Bi를 함유시키면, 많게는 Pb와 Bi가 함께 존재하고, Pb와 Bi가 공존하는 입자는, Bi 입자, Pb 입자와 비교하여, 피삭성에 대한 효과가 저해되지 않는다. Bi의 환경이나 인체에 대한 영향은, 현단계에서는 불명확하지만, Pb보다 작다고 생각되며, Bi의 함유에 의하여 Pb의 양을 줄임으로써, 환경이나 인체에 대한 영향이 경감된다. 또, 본 실시형태에 있어서, Si의 작용에 의하여, Bi를 포함하는 입자를, 우선적으로 α상 내에 존재시킬 수 있어, α상의 피삭성을 개선하고, 다른 수단으로 구리 합금 주물로서의 피삭성을 향상시키는 것이 가능해진다.
즉, Bi를 포함하는 입자가 α상에 존재하는 빈도가 많아지면, α상의 피삭성이 개선되며, Bi를 포함하는 입자에 의한 피삭성을 향상시키는 효과는, Pb 입자에 의한 피삭성을 향상시키는 효과를 초과하게 된다. 본 실시형태의 구리 합금 주물은, 응고 직후에는, α상은 존재하지 않고, β상이 100%이다. 온도가 내려감에 따라, 구체적으로는, 약 850℃로부터 약 600℃의 냉각 과정에서, β상으로부터 α상이 석출되지만, 그때, Bi를 포함하는 입자는, 융체(액체)이다. Si를 포함하지 않는 Cu-Zn 합금의 경우, α상이 석출될 때, Bi 입자는 β상 내, 혹은 석출되는 α상과 β상의 경계에 존재하고, α상 내에는, 거의 존재하지 않는다. 한편, 상기와 같이, Cu-Zn 합금에 Si를 포함하면, Si의 작용으로 α상 내에, Bi를 포함하는 입자가 존재하기 쉬워진다.
Bi는, 임의 원소로서 함유되며, 포함되지 않아도 된다. Bi를 포함하는 경우, Pb의 존재에 의하여, 0.001mass% 이상의 Bi양으로 효과를 발휘한다. Bi는, 주로 Pb의 대체의 위치가 된다. 한편, Bi 함유량이, 0.020mass%를 초과하면, Bi를 포함하는 입자가 α상 내에 존재하게 되어, α상의 피삭성이 개선되고, 피삭성이 더 향상된다. 또, (1) 절삭 속도가 빠르고, (2) 이송이 크며, (3) 외주 절삭의 노치 깊이가 깊어지고, (4) 드릴 구멍 직경이 커짐과 같은, 어려운 절삭 조건하에서는, Bi의 양은, 0.030mass% 이상이 바람직하다. 한편, Bi는, 구리 합금 주물을, 부서지기 쉽게 하는 성질이 있다. Bi의 상한은, 환경이나 인체에 대한 영향과, 구리 합금 주물의 연성이나 인성의 저하, 주물 제작 시의 균열의 문제를 고려에 넣어, 0.100mass% 이하로 하고, 바람직하게는 0.080mass% 이하로 한다.
(불가피 불순물, 특히 Fe, Mn, Co 및 Cr/Sn, Al)
본 실시형태에 있어서의 불가피 불순물로서는, 예를 들면 Mn, Fe, Al, Ni, Mg, Se, Te, Sn, Co, Ca, Zr, Cr, Ti, In, W, Mo, B, Ag 및 희토류 원소 등을 들 수 있다.
종래부터 쾌삭성 구리 합금, 특히 Zn을 약 30mass% 이상의 양으로 포함하는 쾌삭 황동은, 전기 구리, 전기 아연 등, 양질인 원료가 주원료는 아니고, 리사이클되는 구리 합금이 주원료가 된다. 당해 분야의 하공정(하류 공정, 가공 공정)에 있어서, 대부분의 부재, 부품에 대하여 절삭 가공이 실시되고, 재료 100에 대하여 40~80의 비율로 다량으로 폐기되는 구리 합금이 발생한다. 예를 들면 절삭 부스러기, 단재, 버(burr), 탕도, 및 제조상의 불량을 포함하는 제품 등을 들 수 있다. 이들 폐기되는 구리 합금이, 주된 원료가 된다. 절삭 부스러기, 단재 등의 분별이 불충분하면, Pb가 첨가된 쾌삭 황동, Pb를 함유하지 않지만, Bi 등이 첨가되고 있는 쾌삭성 구리 합금, 혹은 Si, Mn, Fe, Al을 함유하는 특수 황동 합금, 그 외의 구리 합금으로부터, Pb, Fe, Mn, Si, Se, Te, Sn, P, Sb, As, Bi, Ca, Al, Zr, Ni 및 희토류 원소가, 원료로서 혼입된다. 또 절삭 부스러기에는, 공구로부터 혼입되는 Fe, W, Co, Mo 등이 포함된다. 폐재는, 도금된 제품을 포함하기 때문에, Ni, Cr, Sn이 혼입된다.
또, 전기 구리 대신에 사용되는 순동계의 스크랩 중에는, Mg, Sn, Fe, Cr, Ti, Co, In, Ni, Se, Te가 혼입된다. 전기 구리나 전기 아연 대신에 사용되는 황동계의 스크랩에는, 특히 Sn이 도금되어 있는 경우가 종종 있으며, 고농도의 Sn이 혼입된다.
자원의 재사용의 점과, 비용상의 문제에서, 적어도 특성에 악영향을 주지 않는 범위에서, 이들 원소를 포함하는 스크랩은, 원료로서 사용된다. 또한, JIS 규격(JIS H 3250)의 Pb가 첨가된 쾌삭 황동봉 C3604에 있어서, 필수 원소의 Pb를 약 3mass%의 양으로 함유하고, 또한 불순물로서 Fe의 양은 0.5mass% 이하, Fe+Sn(Fe와 Sn의 합계량)은 1.0mass%까지 허용되어 있다.
JIS 규격(JIS H 5120)의 Pb가 첨가된 황동 주물에 있어서, 필수 원소의 Pb를 약 2mass%의 양으로 함유하고, 또한 잔여 성분의 허용 한도로서, Fe양은 0.8mass%, Sn양은 1.0mass% 이하, Al양은 0.5mass%, Ni양은 1.0mass% 이하로 되어 있다. 실제로, JIS 규격의 상한에 가까운 높은 농도의 Fe나 Sn, 또는 Al, Ni가 쾌삭 황동봉이나 황동 주물에 함유되어 있는 경우가 있다.
Fe, Mn, Co 및 Cr은, Cu-Zn 합금의 α상, β상, γ상으로 소정의 농도까지 고용되지만, 그때 Si가 존재하면, Si와 화합하기 쉬워, Si와 결합하여, 피삭성에 유효한 Si를 소비시킬 우려가 있다. 그리고, Si와 화합한 Fe, Mn, Co 및 Cr은, 금속 조직 중에 Fe-Si 화합물, Mn-Si 화합물, Co-Si 화합물, Cr-Si 화합물을 형성한다. 이들의 금속 간 화합물은 매우 견고하기 때문에, 절삭 저항을 상승시킬뿐만 아니라, 공구의 수명을 짧게 한다. 또, Fe, Mn, Co 및 Cr의 양이 많으면, P를 포함하는 화합물 중에, 이들 원소도 화합하여, P를 포함하는 화합물의 조성이 변화하는 경우도 있어, P를 포함하는 화합물의 본래의 기능이 저해될 가능성도 있다. 이 때문에, Fe, Mn, Co, 및 Cr의 양은, 제한해 둘 필요가 있으며, 각각의 함유량은, 0.30mass% 미만이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.20mass% 미만이며, 0.15mass% 이하가 더 바람직하다. 특히, Fe, Mn, Co, Cr의 함유량의 합계는, 0.45mass% 미만으로 할 필요가 있으며, 바람직하게는 0.40mass% 미만, 보다 바람직하게는 0.35mass% 미만, 더 바람직하게는 0.25mass% 이하이다.
한편, 쾌삭성 황동이나, 도금이 실시된 폐제품 등으로부터 혼입되는 Sn, Al은, 본 실시형태의 합금에 있어서 γ상의 형성을 촉진시키고, 일견 피삭성에 유용하다고 생각할 수 있다. 그러나, Sn과 Al은, 그 양이 증가함에 따라, Cu, Zn, Si로 형성되는 γ상 본래의 성질을 서서히 변화시킨다. 또, Sn, Al은, α상보다, β상에 많이 배분되어, 서서히 β상의 성질을 변화시킨다. 그 결과, 합금의 연성이나 인성의 저하, 피삭성의 저하를 일으킬 우려가 있다. 그 때문에, Sn, Al의 양도 제한해 두는 것이 필요하다. Sn의 함유량은, 0.40mass% 미만이 바람직하고, 0.30mass% 미만이 보다 바람직하며, 0.25mass% 이하가 더 바람직하다. Al의 함유량은, 0.20mass% 미만이 바람직하고, 0.15mass% 이하가 보다 바람직하며, 0.10mass% 이하가 더 바람직하다. 특히, 피삭성, 연성, 인체에 대한 영향을 감안하여, Sn, Al의 함유량의 합계는, 0.45mass% 미만으로 할 필요가 있으며, 바람직하게는 0.40mass% 미만이고, 보다 바람직하게는 0.35mass% 미만이며, 0.25mass% 이하가 더 바람직하다.
그 외의 주요한 불가피적 불순물 원소로서, 경험적으로, Ni는 스크랩 등으로부터의 혼입이 많지만, 특성에 주는 영향은 상기의 Fe, Mn, Sn 등에 비하여 작다. Ni의 함유량은 0.3mass% 미만이 바람직하고, 0.2mass% 미만이 보다 바람직하다. Ag에 대해서는, 일반적으로 Ag는 Cu로 간주되며, 모든 특성에 대한 영향이 거의 없는 점에서, 특별히 제한할 필요는 없지만, Ag의 함유량은, 0.1mass% 미만이 바람직하다. Te, Se는, 그 원소 자신이 쾌삭성을 가지며, 드물지만 다량으로 혼입될 우려가 있다. 연성이나 충격 특성에 대한 영향을 감안하여, Te, Se의 각각의 함유량은, 0.2mass% 미만이 바람직하고, 0.05mass% 이하가 보다 바람직하며, 0.02mass% 이하가 더 바람직하다. 또, 내식성 황동에는, 황동의 내식성을 향상시키기 위하여 As나 Sb가 포함되어 있지만, 연성이나 충격 특성에 대한 영향을 감안하여, As, Sb의 각각의 함유량은, 0.05mass% 미만이 바람직하고, 0.02mass% 이하가 바람직하다.
그 외의 원소인 Mg, Ca, Zr, Ti, In, W, Mo, B, 및 희토류 원소 등의 각각의 함유량은, 0.05mass% 미만이 바람직하고, 0.03mass% 미만이 보다 바람직하며, 0.02mass% 미만이 더 바람직하다.
또한, 희토류 원소의 함유량은, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Tb, 및 Lu의 1종 이상의 합계량이다.
이상, 이들 불가피적 불순물의 합계량은, 1.0mass% 미만이 바람직하고, 0.8mass% 미만이 보다 바람직하며, 0.7mass% 미만이 더 바람직하다.
(조성 관계식 f1)
조성 관계식 f1=[Cu]-5Х[Si]+0.5Х[Pb]+0.5Х[Bi]-0.5Х[P]
Bi를 포함하지 않는 경우에는, f1 중의 [Bi]는 0이며, f1은, f1=[Cu]-5Х[Si]+0.5Х[Pb]-0.5Х[P]가 된다.
조성 관계식 f1은, 조성과 금속 조직의 관계를 나타내는 식으로, 각각의 원소의 양이 상기로 규정되는 범위에 있어도, 이 조성 관계식 f1을 만족하지 않으면, 본 실시형태가 목표로 하는 모든 특성을 만족할 수 없다. f1이 56.0 미만이면, 제조 프로세스를 고안했다고 해도, β상이 차지하는 비율이 많아져, 연성이나 인성이 낮아진다. 따라서, f1의 하한은, 56.0 이상이고, 바람직하게는 56.3 이상이며, 보다 바람직하게는 56.5 이상이다. f1이 보다 바람직한 범위가 됨에 따라, α상이 차지하는 비율이 증가하여, 우수한 피삭성을 유지함과 함께, 양호한 충격 특성을 구비할 수 있다.
한편, 조성 관계식 f1의 상한은, β상이 차지하는 비율, 또는 γ상이 차지하는 비율에 영향을 주고, 조성 관계식 f1이 59.5보다 크면, β상이 차지하는 비율이 적어져, 우수한 피삭성이 얻어지지 않는다. 동시에 γ상이 차지하는 비율이 많아지고, 인성이나 연성이 저하되어, 강도도 내려간다. 경우에 따라서는 μ상이 출현한다. 또, f1의 상한은, 주조성에 관계하여, f1의 상한을 초과하면, 최종 응고부에 존재하는 결함이 많아진다. 또, 주조성과 응고 온도 범위는 깊은 관계에 있어, 응고 온도 범위가 넓으면 주조성이 나빠지고, f1의 상한을 초과하면, 응고 온도 범위가 25℃를 초과하여, 최종 응고부에 존재하는 결함이 많아진다. 따라서, f1의 상한은 59.5 이하이고, 바람직하게는 59.2 이하이며, 보다 바람직하게는 59.0 이하이고, 더 바람직하게는 58.5 이하이다. 조성이나 프로세스에 따라 다르지만, f1의 값이 작아짐에 따라, β상이 증가하여, 피삭성이 향상되고, 강도가 높아지며, 응고 온도 범위가 작아져, 주조성이 향상된다.
본 실시형태인 쾌삭성 구리 합금 주물은, 절삭 시의 저항을 낮게 하고, 절삭 부스러기를 조밀하게 분단시킨다는 일종의 부서지기 쉬움이 요구되는 피삭성과 인성, 연성과의 완전히 상반되는 특성을 구비한 것이지만, 조성뿐만 아니라, 조성 관계식 f1 및, 후술하는 조직 관계식 f2~f6, 조직·조성 관계식 f6A를, 상세하게 논의함으로써, 보다 목적이나 용도에 맞는 합금을 제공할 수 있다. 또한, Sn, Al, Cr, Co, Fe, Mn 및 별도 규정한 불가피적 불순물에 대해서는, 불가피적 불순물로서 취급되는 범주의 범위 내이면, 조성 관계식 f1에 주는 영향이 작은 점에서, 조성 관계식 f1에서는 규정하고 있지 않다.
(조성 관계식 f0)
Bi를 함유하는 경우, 조성 관계식 f0=[Pb]+[Bi]
Bi는, 구리 합금 주물의 피삭성을 개선하는 데 있어서, 간편적으로 Bi는 Pb와 동등한 효과를 갖는다고 평가할 수 있으며, Pb의 대체로서, 임의로 Bi를 함유할 수 있다. 그러기 위해서는, [Pb]와 [Bi]의 합인 f0이, 0.003을 초과할 필요가 있다. f0은, 바람직하게는 0.010 이상이고, 보다 바람직하게는 0.020 이상이며, 더 바람직하게는 0.040 이상이다. 특히, (1) 절삭 속도가 빠르고, (2) 이송이 크며, (3) 외주 절삭의 노치 깊이가 깊어지고, (4) 드릴 구멍 직경이 커지며, (5) 드릴 절삭이 깊음과 같은, 엄격한 절삭 조건하에서는, f0은, 바람직하게는 0.040 이상, 보다 바람직하게는 0.050 이상이다. 동시에 Bi의 양이 0.020mass%를 초과하고, 또한 Bi를 포함하는 입자가 α상 내에 존재하는 것이 바람직하다.
한편, 현단계에서는, Bi의 환경이나 인체에 대한 영향은, 현단계에서는 불명확하지만, Pb의 일부를 Bi로 대체했다고 해도, f0은, 0.25 미만일 필요가 있다. f0은, 바람직하게는 0.20 미만이며, 더 바람직하게는 0.18 미만이다. Pb와 Bi의 합계 함유량이, 0.18mass%보다 적어도, f1, 및 후술하는 관계식 f2~f6, f6A를 충족시킴으로써, 우수한 피삭성을 구비하는 구리 합금 주물이 얻어진다.
(특허문헌과의 비교)
여기에서, 상술한 특허문헌 2~15에 기재된 Cu-Zn-Si 합금과 본 실시형태의 구리 합금 주물의 조성을 비교한 결과를 표 1, 2에 나타낸다.
본 실시형태와 특허문헌 2~10은, 주요 원소인 Cu, Si의 함유량이 다르며, Cu를 다량으로 필요로 하고 있다.
또, 특허문헌 2~4, 6, 9, 10에서는, 금속 조직에 있어서, β상은, 피삭성을 저해하는 것으로서, 바람직하지 않은 금속상으로서 들 수 있으며, 피삭성의 관계식에서, β상은 마이너스의 상(상의 양에 마이너스의 계수가 부여된 상)으로서 들고 있다. 또, β상이 존재하는 경우, 열처리에 의하여, 피삭성이 우수한 γ상에, 상변화시키는 것이 바람직하다고 되어 있다.
특허문헌 4, 9, 10은, 허용할 수 있는 β상의 양이 기재되어 있지만, β상의 양은, 최대로 5% 이하이다.
특허문헌 11은, 내(耐)탈아연 부식성을 향상시키기 위하여, Sn과 Al을 적어도, 각각 0.1mass% 이상의 양으로 함유하고, 우수한 피삭성을 얻기 위해서는, 다량의 Pb, Bi의 함유를 필요로 하고 있다.
특허문헌 12는, Cu를 65mass% 이상의 양으로 필요로 하고, Si의 함유와 함께, Al, Sb, Sn, Mn, Ni, B 등을 미량 함유시킴으로써, 양호한 기계적 성질, 주조성을 구비한 내식성을 갖는 구리 합금 주물이다.
특허문헌 13은 P를 함유하고 있지 않다.
특허문헌 14에서는, Bi를 함유하지 않으며, Sn을 0.20mass% 이상 함유하고, 700℃~850℃의 고온으로 유지하며, 이어서 열간 압출하는 것으로 하고 있다.
특허문헌 15에서는, 내탈아연 부식성을 향상시키기 위하여, Sn을 1.5mass% 이상의 양으로 함유하고 있다. 또, 피삭성을 얻기 위하여, 다량의 Bi를 필요로 하고 있다.
또한, 어느 특허문헌에 있어서도, 본 실시형태에서 필수의 요건인, Si를 함유하는 β상이 피삭성이 우수한 것, 적어도 β상의 양이 18% 이상 필요한 것, β상 내에 미세한 P를 포함하는 화합물이 존재하는 것, 제3 실시형태인 α상 내에 Bi를 포함하는 입자가 존재하는 것에 관하여, 아무것도 개시되어 있지 않고 시사도 되어 있지 않다.
<금속 조직>
Cu-Zn-Si 합금에는, 10종류 이상의 상이 존재하고, 복잡한 상변화가 일어나, 조성 범위, 원소의 관계식만으로는, 목적으로 하는 특성이 반드시 얻어지지는 않는다. Cu-Zn-Si 합금 주물의 경우, 열간 압출 등의 열간 가공을 거친 구리 합금과 비교하여, 출현하는 상의 구성, 그들의 상의 비율에 관하여, 추가로 평형 상태로부터 어긋난 금속 조직이 되는 것이 경험되고 있다. 또, 주물의 제작 과정에 있어서, 동일한 조성의 합금이어도, 냉각 속도에 의하여, β, γ상의 양이, 크게 변화한다. 최종적으로는 금속 조직에 존재하는 상의 종류와 면적률의 범위를 특정하여, 결정하는 것에 의하여, 목적으로 하는 특성을 얻을 수 있다. 그래서, 이하와 같이, 조직 관계식을 규정하고 있다.
20≤f2=(α)≤80,
18≤f3=(β)≤80,
0≤f4=(γ)<5,
f5=20Х(γ)/(β)<4
18≤f6=(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])≤82
(γ상, 조직 관계식 f4)
특허문헌 2~6, 9, 10에 기재되어 있는 바와 같이, γ상은, Cu 농도가 약 69mass%~약 80mass%, Si 농도가 약 2~4mass%의 Cu-Zn-Si 합금에 있어서, 피삭성에 가장 공헌하는 상이다. 본 실시형태에 있어서도, γ상은 피삭성에 공헌하는 것을 확인할 수 있었지만, 연성과 강도의 밸런스를 우수한 것으로 하기 위해서는, γ상을 제한해야 한다. 구체적으로는, γ상이 차지하는 비율을 5% 이상으로 하면, 양호한 연성이나 인성이 얻어지지 않는다. γ상은, 소량으로, 드릴 절삭의 절삭 부스러기의 분단성을 양호하게 하는 작용이 있다. 그러나, γ상은 견고하기 때문에, γ상이 많이 존재하면, 드릴 절삭의 스러스트 저항값을 높인다. β상이 18% 이상의 양(면적률, 이하, 상의 양의 단위는 면적률임)으로 존재하는 것을 전제로, γ상의 피삭성에 대한 효과는, γ상의 양의 1/2승의 값에 상당한다. 소량의 γ상을 함유하는 경우에는, 피삭성으로의 개선 효과는 크지만, γ상의 양을 증가시켜도 피삭성의 개선 효과는 감소되어 간다. 연성과, 드릴 절삭이나 외주 절삭의 절삭 저항을 고려에 넣으면, γ상의 양은, 5% 미만으로 할 필요가 있다. γ상의 양은, 바람직하게는 3% 미만이며, 보다 바람직하게는 2% 미만이다. γ상의 양이 2% 미만이 되면, 인성으로의 영향은, 적어진다. γ상이 존재하지 않는, 즉 (γ)=0의 경우여도, Si를 함유하는 β상을 후술하는 비율로 존재시키며, 또한 Pb의 함유와, 임의 원소로서 Bi를 함유시킴으로써, 우수한 피삭성이 얻어진다.
(β상, 조직 관계식 f3, f5)
특허문헌에 기재되어 있는 γ상의 양을 제한하여, κ상, μ상을 전무, 또는 포함하지 않고, 우수한 피삭성을 얻기 위해서는, 최적인 Si양과 Cu, Zn의 양의 배합 비율, β상의 양, β상에 고용되는 Si양이 중요해진다. 또한, 여기에서, β상 에는, β'상이 포함되는 것으로 한다.
본 실시형태에 있어서의 조성 범위에 있는 β상은, α상에 비하면 연성이 부족하지만, 연성이나 인성의 면으로부터는 큰 제약을 받는 γ상에 비하면, β상은, 훨씬 인성, 연성이 풍부하고, κ상이나 μ상과 비교해도 인성, 연성이 풍부하다. 따라서, 인성이나 연성의 점에서, 비교적 많은 β상을 함유시킬 수 있다. 또, β상은, 고농도의 Zn과 Si를 함유함에도 불구하고, 양호한 전도성을 얻을 수 있다. 단, β상이나 γ상의 양은, 조성뿐만 아니라, 프로세스에 크게 영향을 받는다.
본 실시형태의 Cu-Zn-Si-P-Pb 합금, 또는 Cu-Zn-Si-P-Pb-Bi 합금의 주물에 있어서, Pb의 함유량을 최소한으로 머물게 하면서 양호한 피삭성으로 하기 위해서는, 적어도, β상의 양은 18% 이상 필요하며, 또한 양호한 연성을 갖고, 높은 강도를 얻기 위하여, β상의 양은, γ상의 5배의 양보다 많게 할 필요가 있다. 즉, f5=20Х(γ)/(β)<4(f5를 식 변형하면 5Х(γ)<(β))를 충족시킬 필요가 있다. β상의 양은, 바람직하게는 25% 이상이며, 보다 바람직하게는 30% 이상이다. γ상의 양이, 3% 미만, 나아가서는 2% 미만이어도, 양호한 피삭성을 구비할 수 있다. γ상의 양이, 3% 미만, 나아가서는 2% 미만이며, 또한 β상의 양이, γ상의 양의, 10배, 나아가서는 20배 초과하면, 보다 양호한 연성, 인성과 높은 강도를 구비할 수 있다. 즉, f5=20Х(γ)/(β)<2(f5를 식 변형하면 10Х(γ)<(β)), 또는 f5=20Х(γ)/(β)<1이 된다. γ상의 양이 0%일 때, β상의 양은, 바람직하게는 25% 이상, 보다 바람직하게는 30% 이상, 더 바람직하게는 40% 이상이다. β상이 차지하는 비율이 약 50%, 피삭성이 부족한 α상이 차지하는 비율이 약 50%여도, 합금의 피삭성은, 높은 레벨로 유지된다. 또한, 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금 주물은, 우수한 내식성, 내탈아연 부식성을 목표로 한 것은 아니다. 무엇보다도, Si의 α상, β상으로의 고용에 의하여, α상, β상의 내식성은 향상되고, Si를 함유하지 않는, β상을 포함하는 쾌삭 황동 C3604, 단조용 황동 C3771보다 양호한 내식성을 나타내지만, 상기 문헌에 나타나 있는 것과 같은, 우수한 내식성은 구비하고 있지 않다.
P를 포함하고, γ상이 차지하는 비율이 0%, 또는 2% 미만이며, β상의 양이, 약 40% 이상인 경우, 합금의 피삭성은, P를 포함하는 화합물이 존재하는 β 단상 합금의 피삭성을 이어받는다. 부드러운 α상이, β상의 주위에 쿠션재의 역할을 하거나, 혹은 연질의 α상과 경질의 β상의 상 경계가 절삭 부스러기의 분단의 기점이 된다고 생각되며, β상의 양이 약 40~약 50%여도, 우수한 피삭성을 유지한다, 즉 낮은 절삭 저항을 유지하며, 경우에 따라서는 절삭 부스러기의 분단성이 향상된다. 그러나, β상의 양이 감소하여, 약 18%~약 30%, α상의 성질이 강해지게 되고, β상이 약 25% 부근을 경계로 하여, 피삭성이 저하된다.
한편, β상은, α상에 비하여 연성이나 인성이 뒤떨어진다. β상이 차지하는 비율이 감소함과 함께, 연성은 향상된다. 양호한 연성을 얻고, 강도와 연성, 인성과의 밸런스를 양호하게 하기 위해서는, β상이 차지하는 비율을 80% 이하로 할 필요가 있으며, 바람직하게는 75% 이하이고, 보다 바람직하게는 70% 이하이다. 인성이나 연성을 중요시할 때, β상이 차지하는 비율은, 60% 이하가 바람직하다. 사용하는 목적, 용도에 따라, 적절한 β상이 차지하는 비율은, 다소 변동한다.
또한, β상은, 고온에서 연성이 풍부한 성질이 있다. Pb나 Bi를 포함하는 구리 합금 주물이, 응고 후, 실온까지 냉각될 때에, Pb, Bi는 약 300℃까지 융체로 존재하므로, 열변형 등에 의하여 균열이 발생하기 쉬워진다. 특히 Bi의 영향이 크다. 그 경우, 고온에서는, 연성이 풍부한, 부드러운 β상이, 적어도 18% 이상, 바람직하게는 25% 이상 존재하면, 저융점 금속 Pb, Bi에 의한 균열 감수성을 낮출 수 있다. 기본적으로 고온에서는, 상온보다 많은 β상이 존재하므로, 상온에서 β상이 많을수록, 보다 주조 균열의 감수성을 낮출 수 있다.
(Si 농도와 β상의 피삭성)
β상은, 본 실시형태에 있어서의 조성 범위에 있어서, β상에 고용되는 Si양이 증가할수록 피삭성이 향상된다. 합금의 Si 농도와, β상의 양과, 합금의 피삭성의 관계를 예의 연구한 결과, 합금의 피삭성은, 간편적으로, Si 농도(mass%)를 [Si]라고 했을 때, β상의 양에, (-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])를 곱하면 매우 적합한 것이 판명되었다. 즉, 동일한 β상이어도, Si 농도가 높은 β상 쪽이, 피삭성이 양호하다. 예를 들면, 합금의 Si 농도가 1.0mass%인 경우, 합금의 Si 농도가 1.2mass%에 비하여, 1.08배의 양의 β상이 필요한 것을 나타내고 있다. 단, 합금의 Si 농도가, 약 1.3mass%로부터 약 1.5mass%의 사이에서 β상의 피삭성의 개선 효과는 포화하고, 그뿐만 아니라, 약 1.5mass%를 초과하면, Si 농도가 증가할수록, β상의 피삭성은 저하된다.
한편, 피삭성에 효과를 발휘하는, β상 내의 Si 농도는, 적어도 0.5mass%를 초과할 필요가 있다. β상 내의 Si 농도는, 바람직하게는 0.7mass%를 초과하며, 보다 바람직하게는 1.0mass% 이상이다. β상 내의 Si 농도가, 약 1.6mass%가 되면, 피삭성의 효과는 포화하기 시작하며, 약 1.8mass%를 초과하면, β상은, 더 견고하고, 부서지기 쉬워져, 피삭성 효과가 상실되기 시작한다. 따라서, β상 내의 Si 농도의 상한은, 1.8mass%이다.
(β상, 조직 관계식 f6)
조직 관계식 f6은, 조직 관계식 f3~f5에 더하여, 종합적으로 우수한 피삭성과 연성, 강도를 얻기 위한, γ상, β상의 비율에 각각 계수를 부여하여 나타낸 것이다. γ상은, 상기와 같이, 소량으로, 드릴 가공 시의 절삭 부스러기의 분단성이 우수한 효과가 있으며, γ상의 양의 1/2승에 계수 3이 곱해져 있다. β상은, 합금의 Si 농도에 가중이 부여되고, β상의 양에, (-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])가 곱해져, γ상의 양의 1/2승에 계수 3을 곱한 값과의 합이, 피삭성을 얻기 위한 조직 관계식 f6으로서 나타나 있다. 조직 관계식 f6은, 중요하지만, 상기의 조성 관계식 f0, f1과, 조직 관계식 f2~f5를 충족시켜 비로소 성립한다. 양호한 피삭성을 얻기 위한 조직 관계식 f6의 하한값은, 18 이상이고, 바람직하게는 25 이상이며, 보다 바람직하게는 30 이상이다. 피삭성을 중요시하면, 바람직하게는 40 이상이다. 한편, 조직 관계식 f6의 상한값은, 인성, 연성, 강도 등의 특성을 감안하여, 82 이하이고, 바람직하게는 76 이하이며, 보다 바람직하게는 70 이하이다.
또한, 관계식 f0~f6에 있어서, α상, β상, γ상, δ상, ε상, ζ상, η상, κ상, μ상, χ상의 금속상을 대상으로 하고 있으며, P를 포함하는 화합물을 제외한 금속 간 화합물, Pb 입자, 산화물, 비금속 개재물, 미용해 물질 등은 대상으로 하지 않는다. P를 포함하는 화합물은, 대부분이 β상 내, 및 α상과 β상의 경계에 존재하므로, β상 내, α상과 β상의 경계에 있는 P를 포함하는 화합물은, β상에 포함시키는 것으로 한다. 드물게 P를 포함하는 화합물이 α상 내에 존재하는 경우는, α상에 포함시키는 것으로 한다. 한편, Si나 P와 불가피적으로 혼입되는 원소(예를 들면 Fe, Mn, Co, Cr)에 의하여 형성되는 금속 간 화합물은, 금속상의 면적률의 적용 범위 외이다. 본 실시형태에 있어서는, 500배의 금속 현미경으로 관찰할 수 있는 크기, 약 1000배의 금속 현미경으로 확인, 판별할 수 있는 석출물, 금속상을 대상으로 하고 있다. 따라서, 관찰할 수 있는 석출물, 금속상의 크기의 최솟값은, 대체로 약 0.5μm이며, 예를 들면 β상 내에, 약 0.5μm보다 작은, 0.1~0.4μm의 크기의 γ상이 존재하는 경우도 있지만, 이들 γ상은, 금속 현미경으로는 확인할 수 없기 때문에, β상이라고 간주한다.
(조직·조성 관계식 f6A)
합금으로서 양호한 피삭성을 얻기 위한 조건식으로서, f6의 금속 조직의 관계식에, 개개의 작용으로 피삭성이 개선되는 Pb, Bi, 및 P의 효과를 더할 필요가 있다. Si를 함유하는 β상이며, β상 내에 P를 포함하는 화합물이 존재하는 조건하에서, β상 중으로의 P의 고용량이 증가함에 따라, 또는 P를 포함하는 화합물의 양이 증가함에 따라 피삭성이 향상되고, 금속 현미경으로 P의 화합물이 관찰되게 되면, 피삭성이 더 향상된다. Pb는, 극소량의 함유로, 피삭성이 향상된다. Bi는, 대체로 Pb와 동등한 효과가 있어, α상 내에 Bi를 포함하는 입자가 존재하면, 피삭성이 더 향상된다. Pb, Bi, P에 의한 피삭성의 향상의 정도는, Pb의 양의 1/2승, 또는 Pb와 Bi의 합계 함유량의 1/2승, P의 양의 1/2승으로 깊은 관계를 갖는 것이, 예의 연구를 진행시킨 결과, 발견되었다. Bi의 효과는 상기와 같이, 간편적으로 Pb와 동일한 효과라고 생각되며, Pb+Bi로 나타낼 수 있다. 즉, Pb, 혹은 Pb+Bi, P 모두 극소량의 함유로 큰 효과를 발휘하고, 함유량이 증가함과 함께, 피삭성의 향상 효과는 증가하지만, 서서히 완만한 것이 된다.
정리하면, β상 중에 함유되는 Si 농도 및 β상의 양, β상 중에서의 P의 고용량 및 β상 중에 존재하는 P를 포함하는 화합물의 양, 미세한 입자로서 존재하는 Pb의 양, 또는 Pb+Bi의 양은, 각각 다른 작용에 의하여 합금의 피삭성을 향상시키지만, 이들의 모든 요건이 구비되면, 그들의 상승 작용에 의하여 큰 피삭성의 개선 효과를 발휘하고, Pb 또는 Pb+Bi, P 모두 극소량의 함유로, 큰폭으로 구리 합금 주물의 피삭성이 향상된다.
조직·조성 관계식 f6A는, f6 즉 β상의 피삭성을 나타내는 효과에, Pb의 양, 또는 Pb+Bi의 양([Pb], 또는 [Pb]+[Bi])의 1/2승에 계수 38이 곱해지고, P의 양(mass%, [P])의 1/2승에 계수 15가 곱해져, 각각 가산된 것이다. 양호한 피삭성을 얻기 위해서는, f6A가, 적어도 33 이상이며, 바람직하게는 40 이상, 보다 바람직하게는 45 이상, 더 바람직하게는 50 이상이다. 조직 관계식 f6을 충족시켜도, Pb 또는 Pb+Bi, P의 효과를 더한 f6A를 충족시키지 않으면, 양호한 피삭성이 얻어지지 않는다. 또한, Pb 또는 Pb+Bi, 및 P가, 본 실시형태에서 규정하는 범위 내이면, 연성 등에 대한 영향은, f6의 관계식의 상한으로 정해져 있으므로, f6A로 규정할 필요는 없다. 또한, f6의 값이 비교적 작은 경우여도, Pb 또는 Pb+Bi, 및 P의 함유량을 증가시킴으로써, 피삭성은 향상된다. 또한, (1) 절삭 속도가 빨라지고, (2) 이송이 커지며, (3) 외주 절삭의 노치 깊이가 깊어지고, (4) 드릴 구멍 직경이 커지며, (5) 드릴 절삭 길이가 깊은 등, 절삭 조건이 엄격해지는 경우, f6A를 크게 하는 것이 효과적이며, 그중에서도, Pb 또는 Pb+Bi의 항을 크게 하는 것이 바람직하다.
또한, f6, f6A는, 본 실시형태에서 규정하는 각 원소의 농도 범위 내, 및 f0~f5로 규정되는 범위 내에서만 적용된다.
(α상, 조직 관계식 f2)
α상은, β상, 혹은 γ상과 함께 매트릭스를 구성하는 주요한 상이다. Si를 함유한 α상은, Si를 함유하지 않는 것에 비하면, 피삭성 지수로, 3~10%의 향상에 머물지만, Si양이 증가함에 따라 피삭성은 향상된다. β상이 100%이면, 합금의 연성, 인성에서 문제가 있어, 적절한 양의 α상이 필요하다. β 단상 합금으로부터, α상을 비교적 많이 포함해도, 조건이 갖추어지면, β 단상 합금의 피삭성이 유지된다. 예를 들면, α상이 약 50%의 면적률로 포함해도, 연질의 α상 자체가 쿠션재의 역할을 하고, 절삭 시, 경질의 β상과의 경계가 응력 집중원이 되어 절삭 부스러기를 분단하므로, 우수한 β 단상 합금의 피삭성이 유지되며, 경우에 따라서는 피삭성이 향상된다고 생각된다.
예의 연구를 거듭한 결과, 합금의 연성, 인성, 및 연성과 강도의 밸런스를 가미하여, α상의 양은, 20% 이상 필요하며, 바람직하게는 25% 이상, 보다 바람직하게는 30% 이상이고, 더 바람직하게는 35% 이상이다. 인성을 중요시하는 경우는, α상이 40% 이상인 것이 바람직하다. 한편, α상의 양의 상한은, 양호한 피삭성을 얻기 위해서는, 80% 이하로 할 필요가 있으며, 바람직하게는 75% 이하이고, 보다 바람직하게는 70% 이하이며, 피삭성을 중시하는 경우는 60% 이하가 바람직하다.
(μ상, κ상, 그 외의 상)
우수한 피삭성을 구비함과 함께, 높은 연성이나 인성, 높은 강도를 얻기 위해서는, α, β, γ상 이외의 상의 존재도 중요하다. 본 실시형태에서는, 모든 특성을 감안하여, κ상, μ상, 혹은 δ상, ε상, ζ상, η상은, 특별히 필요로 하지 않는다. 금속 조직을 형성하는 구성상 (α), (β), (γ), (μ), (κ), (δ), (ε), (ζ), (η)의 총합을 100으로 했을 때, 바람직하게는, (α)+(β)+(γ)>99이며, 측정상의 오차, 숫자의 반올림법(사사오입)을 제외하면, 최적으로는 (α)+(β)+(γ)=100이다.
(P를 포함하는 화합물의 존재)
Si를 함유함으로써 β상의 피삭성은 크게 개선되며, 그리고 P의 함유, P의 β상으로의 고용으로 피삭성은 더 개선된다. 또한, β상 내에, 입경이 약 0.3~약 3μm인 P와 Si, Zn에 의하여 형성되는 화합물을 존재시킴으로써, β상은, 한층 우수한 피삭성을 구비할 수 있다. Pb양이 0.01mass%, P양이 0.05mass%, Si양이 약 1mass%인 β 단상 합금의 피삭성은, P를 포함하는 화합물이 충분히 존재함으로써, P가 무첨가인 β 단상 합금에 비하면, 피삭성 지수로, 단순하지만 약 10% 향상된다.
P의 함유량, 형성되는 P를 포함하는 화합물의 양, 크기에도 영향을 받는다. P를 포함하는 화합물은 P와, 적어도 Si 및 Zn 중 어느 일방 또는 양방을 포함하는 화합물, 경우에 따라서는, Cu를 더 포함하는 화합물이나, 불가피적 불순물인 Fe, Mn, Cr, Co 등을 더 포함하는 화합물이다. 그리고, P를 포함하는 화합물은, 불가피적 불순물인 Fe, Mn, Cr, Co 등에도 영향을 받는다. 불가피적 불순물의 농도가, 상기에서 규정한 양을 초과하면, P를 포함하는 화합물의 조성이 변화하고, 피삭성의 향상에 기여하지 않게 될 우려가 있다.
또한, 주입 후, 냉각 과정의 약 550℃이상의 온도 범위에서는, P의 화합물은 존재하지 않고, 냉각 시의 550℃보다 낮은 온도에서, 소정의 임계의 냉각 속도로 생성한다. 단, 불가피적 불순물을 많이 포함하는 경우, 상기와 같이 P의 화합물의 구성(조성)이 변화하는 경우가 있으므로, 그에 한정되지 않는다. 예의 연구의 결과, 주입 후의 냉각 과정에 있어서, 530℃부터 450℃의 온도 영역을, 55℃/분 이하의 냉각 속도로 냉각하는 것이 바람직한 것이 판명되었다. 530℃부터 450℃의 온도 영역에서의 냉각 속도는, 보다 바람직하게는 50℃/분 이하, 더 바람직하게는 45℃/분 이하이다. 한편, 냉각 속도가 너무 늦으면, P의 화합물이 성장하기 쉬워져, 피삭성에 대한 효과가 저하된다. 530℃부터 450℃의 온도 영역에서의 냉각 속도의 하한은, 0.1℃/분 이상이 바람직하고, 0.3℃/분 이상이 보다 바람직하다. 냉각 속도의 상한값 55℃/분은, P의 양에 따라서도 다소 변동하여, P의 양이 많으면 보다 빠른 냉각 속도여도 P를 포함하는 화합물이 형성된다.
(α상 내에 존재하는 Bi 입자(Bi를 포함하는 입자))
Si를 함유시킨 β 단상 합금, P를 더 포함하고, P를 포함하는 화합물을 존재시킨 β 단상 합금의 피삭성은, 3mass%의 Pb를 함유하는 쾌삭 황동의 수준에 가까워진다. 그리고, 본 실시형태에서는, α상을 포함하고, α상은, β상 간의 쿠션재, 절삭 부스러기 분단의 기점의 역할을 하며, 절삭 부스러기의 분단성에 공헌하여, 극소량의 Pb의 함유로 우수한 피삭성을 갖는 구리 합금 주물로 마무리되어 있다. 여기에서, 임의 원소로서, 함유되는 Bi는, Pb보다 피삭성으로의 공헌도는 조금 낮지만, α상에 Bi 입자가 존재하면, 다른 작용으로 피삭성이 개선된다. 즉, Si의 함유로, α상의 피삭성은 약간 개선되지만, 그 효과는 작고, α상에 Bi 입자가 존재함으로써, 겨우 α상 자체의 피삭성이 개선된다. Bi 입자가 α상에 존재하는 빈도가 증가할수록, α상의 피삭성은 향상되며, 합금의 피삭성이 향상된다.
Bi는, 구리 합금에 거의 고용되지 않고, 금속 현미경으로 관찰하면 0.3μm~3μm의 크기의 원형상의 입자로서 존재한다. Bi는, Cu나, Cu와 Zn의 합금인 황동에 비하여, 융점이 낮고, 원자 번호가 크며, 원자 사이즈가 크다. 이 때문에, Si를 포함하지 않고, β상의 양이, 대체로 20%를 초과하는 황동 주물의 경우, Bi 입자는, α상에는, 거의 존재하지 않으며, 주로 α상과 β상의 상 경계에 존재하고, β상의 양이 증가함에 따라, β상 내에도 많이 존재한다. 본 실시형태에 있어서, Cu-Zn 합금으로의 Si의 작용에 의하여, Bi 입자가 α상 내에 존재하는 빈도가 높아지는 것을 구명했다. 그 작용은, Si 함유량이, 0.40mass%를 초과하거나, 0.50mass%를 초과하거나, 0.70mass% 이상으로 증가함에 따라, 명확해진다. 또한, P의 함유에 따라서도, Bi 입자가 α상 중에 존재하는 빈도를 높일 수 있다. Bi는, Pb보다 피삭성이 뒤떨어진다고 되어 있었지만, 본 실시형태에 있어서는, α상 내에 Bi 입자를 존재시킴으로써, 결과적으로 Pb와 동등, 경우에 따라서는 동등 이상의 피삭성에 대한 효과를 얻을 수 있다. Bi와 Pb를 함께 첨가하면, 그 많은 입자에는, Bi와 Pb가 공존하지만, Bi를 단독으로 함유하는 경우와 대체로 동등한 피삭성의 효과를 발휘한다. 또한, α상 중으로의 Bi 입자가 존재하는 빈도를 높여, α상의 피삭성을 높이기 위해서는 Bi는, 0.020mass%를 초과한 양으로 함유하는 것이 바람직하다.
여기에서, 도 1~3은, 각종 합금의 금속 조직의 사진을 나타낸다.
도 1은, 시험 No. T07의 금속 조직의 사진이다. 시험 No. T07은, Zn-62.5mass% Cu-1.00mass% Si-0.063mass% P-0.016mass% Pb 합금(합금 No. S02)이며, 주조 후의 650℃부터 550℃까지의 냉각 속도를 40℃/분, 530℃부터 450℃까지의 냉각 속도를 30℃/분, 430℃부터 350℃까지의 냉각 속도를 25℃/분으로 한 조건(공정 No. 1)으로 제조되었다.
도 2는, 시험 No. T35의 금속 조직의 사진이다. 시험 No. T35는, Zn-62.2mass% Cu-1.02mass% Si-0.067mass% P-0.073mass% Pb-0.042mass% Bi 합금(합금 No. S20)이며, 주조 후의 650℃부터 550℃까지의 냉각 속도를 40℃/분, 530℃부터 450℃까지의 냉각 속도를 30℃/분, 430℃부터 350℃까지의 냉각 속도를 25℃/분으로 한 조건(공정 No. 1)으로 제조되었다.
도 3은, 시험 No. T106의 금속 조직의 사진이다. 시험 No. T106은, Zn-63.1mass% Cu-1.08mass% Si-0.001mass% P-0.025mass% Pb 합금(합금 No. S53)이며, 주조 후의 650℃부터 550℃까지의 냉각 속도를 40℃/분, 530℃부터 450℃까지의 냉각 속도를 30℃/분, 430℃부터 350℃까지의 냉각 속도를 25℃/분으로 한 조건(공정 No. 1)으로 제조되었다.
도 1에 있어서는, 검게 보이는 약 0.5~3μm의 입상의 석출물이, P를 포함하는 화합물이며, β상 내에 많이 존재하고 있는 것을 알 수 있다. 도 2에 있어서, α상 내에 약 1μm의 크기의 Bi를 포함하는 입자가 관찰되며, P를 포함하는 화합물이, β상 내에 존재하고 있는 것이 관찰된다.
한편, 도 3에 있어서는, P의 양이 0.001mass%이므로, P를 포함하는 화합물은 금속 현미경으로 관찰되지 않는다. 또, P가 0.001mass%이므로, α상 결정립이 크다.
(β상에 고용하는 Si양과 피삭성)
본 실시형태인 조성 범위에 있어서 생성하는 α상, β상, γ상의 Cu, Zn, Si의 양에는, 대략, 다음의 관계가 있다.
Cu 농도는, α>β≥γ
Zn 농도는, β>γ>α
Si 농도는, γ>β>α
하기에 나타내는 시료 a~d에 대하여, α, β, γ상 중의, Cu, Zn, Si의 농도를, 2000배의 배율로, 2차 전자상, 조성상을 촬영하고, X선 마이크로 애널라이저로 정량 분석했다. 측정은, 니혼 덴시제 "JXA-8230"을 이용하여, 가속 전압 20kV, 전륫값 3.0Х10-8A의 조건으로 행했다. 결과를 표 3~6에 나타낸다.
시료 a: Zn-63.1mass% Cu-1.18mass% Si-0.048mass% P 합금이며, 주조 후의 650℃부터 550℃까지의 냉각 속도를 40℃/분, 530℃부터 450℃까지의 냉각 속도를 30℃/분, 430℃부터 350℃까지의 냉각 속도를 25℃/분으로 한 조건(공정 No. 1)으로 제조된 시료.
시료 b: Zn-63.1mass% Cu-1.18mass% Si-0.048mass% P 합금이며, 주조 후의 650℃부터 550℃까지의 냉각 속도를 40℃/분, 530℃부터 450℃까지의 냉각 속도를 30℃/분, 430℃부터 350℃까지의 냉각 속도를 25℃/분으로 하고, 실온까지 냉각하며, 이어서 350℃에서 20분 유지의 저온 소둔(燒鈍)을 실시한 조건(공정 No. 8)으로 제조된 시료.
시료 c: Zn-61.4mass% Cu-0.81mass% Si-0.044mass% P 합금이며, 주조 후의 650℃부터 550℃까지의 냉각 속도를 40℃/분, 530℃부터 450℃까지의 냉각 속도를 30℃/분, 430℃부터 350℃까지의 냉각 속도를 25℃/분으로 한 조건(공정 No. 1)으로 제조된 시료.
시료 d: Zn-62.8mass% Cu-0.98mass% Si-0.053mass% P 합금이며, 주조 후의 650℃부터 550℃까지의 냉각 속도를 40℃/분, 530℃부터 450℃까지의 냉각 속도를 30℃/분, 430℃부터 350℃까지의 냉각 속도를 25℃/분으로 한 조건(공정 No. 1)으로 제조된 시료.
β상에 고용되는 Si 농도는, 대체로 α상의 1.5배, 즉 β상에는, α상의 1.5배의 Si가 배분된다. 예를 들면, 합금의 Si 농도가 1.15mass%인 경우, α상에 대체로 0.9mass%의 Si가 고용되고, β상에는, 대체로 1.4mass%의 Si가 고용된다.
또한, 특허문헌 2의 대표 조성, Zn-76mass% Cu-3.1mass% Si 합금을 제작하여, X선 마이크로 애널라이저(EPMA)로 분석한 결과, γ상의 조성은, 73mass% Cu-6mass% Si-20.5mass% Zn이었다. 본 실시형태의 γ상의 조성, 60mass% Cu-3.5mass% Si-36mass% Zn과 크게 상이하며, 양자의 γ상의 성질도 다른 것이 예상된다.
(피삭성 지수)
일반적으로, 3mass%의 Pb를 함유하는 쾌삭 황동을 기준으로 하고, 그 피삭성을 100%로 하여, 다양한 구리 합금의 피삭성이 수치(%)로 나타나 있다. 일례로서 1994년, 일본 신동(伸銅) 협회 발행, "구리 및 구리 합금의 기초와 공업 기술(개정판)", p 533, 표 1, 및 1990년 ASM International 발행 "Metals Handbook TENTH EDITION Volume 2 Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials", p 217~228의 문헌에 구리 합금의 피삭성이 기재되어 있다.
표 7, 8의 합금 A~F는, 실험실에서 제작한 Pb를 0.01mass%의 양으로 포함하는 합금이며, 실험실의 전기로로 용해하여, 내경 100mm, 깊이 200mm의 주형에 주입하고, 실험실의 압출 시험기로 φ22mm로 열간 압출된 것이다. 합금 G~I는, 실험실에서 제작한 Pb를 0.01mass%의 양으로 포함하는 합금 주물이다. Cu-Zn의 2원 합금에서는, Pb를 소량 포함해도, 피삭성에 거의 영향이 없는 점에서, 본 실시형태의 성분 범위 내의 0.01mass%의 양의 Pb를 각각 함유시켰다. 열간 압출 온도는, 합금 A, D에서는, 750℃이며, 그 외의 합금 B, C, E, F에서는, 635℃였다. 압출 후, 금속 조직을 조정하기 위하여, 500℃에서 2시간 열처리했다. 합금 G, H는, Pb를 0.01mass%의 양으로 포함하는 합금이며, 용해 후, 1000℃의 용탕을, 내경 35mm, 깊이 200mm의 금형에 주입했다. 냉각의 도중, 약 700℃에서 금형으로부터 취출하여, 650℃부터 550℃의 온도 영역의 평균 냉각 속도가 40℃/분이고, 530℃부터 450℃의 온도 영역의 평균 냉각 속도가 30℃/분이며, 430℃부터 350℃의 온도 영역의 평균 냉각 속도가 25℃/분인 조건으로 350℃까지 냉각하고, 이어서 평균 냉각 속도 20℃/분에 공랭하여, 주물을 준비했다. 후술하는 절삭 시험에 따라, 외주 절삭, 드릴 절삭의 시험을 행하여, 피삭성을 구했다. 또한, 기준재의 쾌삭 황동으로서는, 시판되고 있는 C3604(Zn-59mass% Cu-3mass% Pb-0.2mass% Fe-0.3mass% Sn)를 이용했다.
상기 문헌에서는, α 단상 황동인 70Cu-30Zn의 피삭성 지수는 30%라고 기재되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 표 7, 8에 나타내는 바와 같이, 동일한 α 단상 황동인 65Cu-35Zn(합금 A)의 피삭성은 31%였다. 그리고, Cu, Zn의 양을 조정하고, Si를 약 0.9mass%의 양으로 함유한 α 단상 황동(합금 D), 즉 α상 중에 Si를 0.9mass%의 양으로 고용시킨 α 단상 황동은, Si를 포함하지 않는 α 황동에 비하여, 피삭성 지수는 약 7% 향상되었다. 합금 A, D의 절삭 부스러기는, 외주 절삭과 드릴구멍 절삭의 양방의 시험으로, 연속했다.
외주 절삭에서는, 날(바이트)에 가해지는 힘을 주분력, 이송 분력, 배분력으로 분해할 수 있지만, 그들의 합력(3분력)을 절삭 저항으로 했다. 드릴 절삭에 대해서는, 드릴에 가해지는 힘을 토크, 스러스트로 분해하고, 그들의 평균값을 드릴의 절삭 저항의 "종합"으로 하여 기재했다. 또한, 합금의 피삭성으로서 외주의 절삭 저항과 드릴 절삭 저항을 평균하여, 피삭성 "종합" 지수(평가)로 했다.
표 8의 외주 절삭의 절삭 저항은, 실시예에 기재된 합력(피삭성 지수)에 상당한다. 표 8의 펀칭 절삭의 토크, 스러스트, 종합은, 각각 실시예에 기재된 토크 지수, 스러스트 지수, 드릴 지수에 상당한다. 절삭 부스러기의 평가 기준은, 실시예와 동일하다.
Cu, Zn의 양을 조정한 Si를 포함하지 않는 β 단상 황동(합금 C, 54Cu-46Zn)은, Si를 포함하지 않는 α상(합금 A)에 비하여, 피삭성 "종합" 지수로, 약 20% 향상되지만, 절삭 부스러기의 개선은 거의 없어, 절삭 부스러기 평가는 변함없었다. 1.3mass%의 Si를 함유한 β상 합금(합금 E)에서는, Si를 포함하지 않는 β상 단상 황동(합금 C)에 비하여, 피삭성 "종합" 지수로 약 24% 향상되었다. 외주 절삭, 드릴 펀칭 시의 절삭 부스러기는, 약간 개선되며, 분단되지만, 3mass%의 Pb를 함유하는 쾌삭 황동과의 차는 컸다.
그리고 0.05mass%의 P를 함유하고, 약 1.3mass%의 Si를 함유하는 β 단상 합금(합금 F)은, P를 포함하지 않으며 Si를 약 1.3mass% 포함하는 β 단상 황동(합금 E)에 비하여, 피삭성 "종합" 지수로 약 10% 향상되었다. P의 유무로, 외주 절삭은, 약 14% 향상되고, 드릴 펀칭 절삭에서의 토크는, 약 9% 향상되었다. 외주 절삭의 절삭 저항, 및 드릴 펀칭 절삭에서의 토크의 향상은, 절삭 부스러기 형상에 관련하며, 0.05mass%의 P의 함유에 의하여, 외주 절삭과 드릴 펀칭 절삭의 양자의 시험에서 절삭 부스러기 형상의 평가 결과가 "△"로부터 "○"로 향상되었다. 외주 절삭 시의 저항은, 3mass%의 Pb를 함유하는 쾌삭 황동과의 차도 근소해져, 외주 절삭, 드릴 펀칭 절삭의 절삭 부스러기도, 현저히 개선되었다. 표 7, 8로부터, β 단상 시료의 피삭성에 대해서는, 압출재와 주물재(합금 E와 G, F와 H)에서 큰 상이는 없었다. 이 점에서, 압출재를 주물재로 해석해도 문제없다고 생각된다.
또한, 절삭 저항은, 강도에 영향을 받아, 열간 압출재끼리로 비교하면, 강도가 높을수록, 절삭 저항이 커진다. β 단상 황동이나 본 실시형태의 합금은, 3mass%의 Pb를 함유하는 쾌삭 황동보다, 높은 강도를 가지므로, 그것을 고려하면 1.3mass%의 Si와 0.05mass%의 P를 함유하는 β 단상 합금의 피삭성은, 대체로 3mass%의 Pb를 함유하는 쾌삭 황동과 대체로 동등하다고 할 수 있다.
표 3~8로부터, β 단상 황동인 합금 H, F는, 대체로 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금 주물의 β상에 상당하고, 합금 D는, 대체로 α상에 상당한다. 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금 주물은, Pb를 3mass% 함유한 쾌삭 황동의 피삭성에 필적하는 β상(합금 H, F)과, Si의 함유에 의하여 피삭성이 개선된 α상(합금 D)으로, 구성되어 있다. 본 실시형태의 대표적인 구리 합금 주물은, β상의 비율이 약 50%이며, β 단상의 합금 H, F의 피삭성을 대체로 유지할 수 있으며, Pb를 첨가한 쾌삭 황동의 피삭성에 필적한다.
합금 I는, P를 포함하고, Pb를 0.01mass% 포함하며, Si를 1.0mass% 포함하는 β 단상 합금 주물과, 합금 H의 큰 상이점은, Si양이다. Si가 1.3mass%에서, 1.0mass%로 감소해도, 높은 피삭성 지수를 유지하며, 절삭 부스러기의 분단성도 확보되어 있다.
열간 압출재이지만, 합금 B는, Pb를 0.01mass% 포함하지만, Si, P를 포함하지 않는 황동이며, β상이 차지하는 비율이 48%이다. 상기에서 주물과 바꾸어, 합금 B는, 외주 절삭, 드릴 절삭 모두, α 단상 황동(합금 A)보다 절삭 저항은 개선되지만, β 단상 황동(합금 C)보다 절삭 저항이 높고, 피삭성 "종합" 평가는 44%이다. 동일한 β상률의 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금 주물의 피삭성 "종합" 평가에 비하여, 대체로 35%나 낮은 수치이며, 절삭 부스러기 형상도 완전히 다르다. Si, P를 포함하지 않는 β상을 48% 포함하는 황동으로는, 절삭 저항, 및 절삭 부스러기의 형상에서, 도저히 3mass%의 Pb를 함유한 쾌삭 황동의 대체로는 될 수 없다.
본 실시형태의 구리 합금 주물은, β상에 P 화합물을 포함하고, 표 3~8에 나타나는 바와 같이, β상에, Si가 0.5~1.7mass%의 양을 함유시킴으로써, 양호한 피삭성을 구비할 수 있다.
<특성>
(강도, 인성, 연성)
일반적으로, 주물은, 예를 들면 열간 압출봉 등의 열간 가공을 거친 재료에 비하여, 성분 편석이 있으며, 결정립도 크고, 미크로적인 결함을 다소 포함하고 있다. 이 때문에, 주물은 "부서지기 쉬움", "취약"하다고 알려져 있으며, 인성, 연성의 평가에 있어서, 충격값이 높을 것이 요망된다. 한편, 절삭에 있어서 절삭 부스러기의 분단성이 우수한 재료는, 일종의 부서지기 쉬움이 필요하다고 알려져 있다. 충격 특성과 피삭성은, 소정의 면에 있어서 상반되는 특성이다.
기계 부품을 비롯하여 본 실시형태의 사용 대상이 되는 부재, 부품에 대하여, 박육화(薄肉化), 경량화의 강한 요청이 있다. 물론, 양호한 인성, 연성을 구비하는 것이 필요하다. 주물의 강도는, β상, α상에 고용되는 Si의 양에 관계되며, β상에, 적어도 Si가 약 0.5mass% 이상 함유함으로써, 높은 강도가 얻어진다. 주물은, 상기와 같이, 성분 편석이나 미크로적인 결함이 발생하기 쉽고, 정당히, 강도를 평가하는 것이 어렵다. 본 실시형태에서는, 강도의 평가 방법으로서, 경도(비커스 경도)를 채용하고, 인성, 연성의 평가로서 충격 시험값(U 노치)을 채용한다.
주물은, 연속 주조봉을 제외하고, 냉간 가공을 실시하는 경우는 적다. 구리 합금 주물에서 높은 강도이기 위해서는, 적어도, 비커스 경도가 105Hv 이상인 것이 바람직하다. 비커스 경도는, 보다 바람직하게는, 120Hv 이상이다. 경도와 인장 강도는, 상관 관계가 있으며, 본 실시형태에 있어서는, 105Hv의 비커스 경도는, 대체로 420N/mm2의 인장 강도에 상당하고, 120Hv의 비커스 경도는, 대체로 450N/mm2의 인장 강도에 상당한다.
기계 부품, 자동차 부품, 밸브, 이음매 등의 음료수 기구, 수전 금구, 공업용 배관 등의 다양한 부재에 사용되는 경우, 주물은, 상기와 같이, 고강도일뿐만 아니라, 충격에 견디는 강인한 재료인 것이 필요하다. 그러기 위해서는, U 노치 시험편으로 샤르피 충격 시험을 행했을 때, 샤르피 충격 시험값은, 바람직하게는 25J/cm2 이상이고, 보다 바람직하게는 30J/cm2 이상이며, 더 바람직하게는 35J/cm2 이상이다. 한편, 예를 들면 샤르피 충격 시험값이, 90J/cm2 또는, 80J/cm2를 초과하면, 이른바 재료의 점도가 증가하기 때문에, 절삭 저항이 높아지고, 절삭 부스러기가 연결되기 쉬워지는 등 피삭성이 나빠진다.
(도전율)
본 실시형태의 용도에는, 전기·전자 기기 부품, EV화가 진행되는 자동차 부품, 그 외의 높은 도전성 부재·부품이 포함된다. 현재, 이들의 용도에는, Sn을 6mass%, 혹은 8mass% 함유하는, 인 청동(JIS 규격, C5191, C5210)이 많이 사용되며, 도전율은, 각각 약 14% IACS, 12% IACS이다. 따라서, 도전율은, 13% IACS 이상이면, 전기 전도성에 관하여 큰 문제는 발생하지 않는다. 도전율은, 바람직하게는 14% IACS 이상이다. 도전율을 나쁘게 하는 원소인 Si를 1mass% 초과하는 양으로 함유하며, 또한 Zn을 약 33mass% 이상의 양으로 함유함에도 불구하고, 13% IACS 이상의 도전성을 나타내는 것은, β상의 양과 β상 중에 고용되는 Si가 영향을 주고 있다.
이상의 검토 결과로부터, 이하의 지견을 얻었다.
제1에, 종래부터 Cu-Zn-Si 합금에 있어서 생성하는 β상은, 합금의 피삭성에 효과가 없거나, 혹은 합금의 피삭성을 방해한다고 되어 있었다. 그러나, 예의 연구의 결과, 일례로서 Si양이 약 1.3mass%, Cu양이 약 60mass%, Zn양이 약 38.5mass%인 β상에, 매우 우수한 피삭성을 갖는 것을 구명했다.
제2로, Cu-Zn-Si 합금의 β상의 피삭성을 더 개선하기 위하여, P를 함유시키고, β상 중에 입경이 약 0.3~약 3μm의 크기의 P를 포함하는 화합물, 예를 들면 P-Si, P-Si-Zn, P-Zn, P-Zn-Cu의 화합물을 β상에 존재시키면, P를 포함하는 화합물이 없는 것에 비하여, 절삭 저항이 한층 저하되고, 동시에 절삭 부스러기의 분단성을 현저히 향상시키는 것을 구명했다.
제3으로, 본 실시형태의 구리 합금 주물로 생성하는 γ상에, 우수한 절삭 부스러기의 분단성에 효과가 있는 것을 구명했다. 특허문헌과 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금 주물에서는 조성이 다르며, 동일한 γ상이어도, 상기의 β상과 같이 조성이 다르면 피삭성에 큰 차가 발생하지만, 본 실시형태의 조성 범위에서 존재하는 γ상에, 우수한 피삭성이 있는 것을 발견했다. 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금 주물은, Cu 함유량, Si 함유량이 적음에도 불구하고, γ상의 피삭성, 특히 드릴 절삭 시의 절삭 부스러기의 분단성이 우수한 것을 밝혔다. 단, γ상은, 연성이나 인성을 저해하므로, 그 양을 제한할 필요가 있었다. γ상을 소량으로 머물게 하거나, 혹은 γ상을 포함하지 않는 경우에 있어서도, α상과 β상의 비율을 조정하여, 우수한 피삭성을 구비하는 것을 구명했다.
제4로, Pb는, β상 내에 사실상 고용되지 않으며, 미량이어도 Pb 입자로서 존재하고, 상기의 소정량 이상의 Si를 함유하며, P의 화합물을 포함하는 β상이 존재하는 것을 전제로, 극소량의 Pb의 함유로, 절삭 부스러기의 분단성, 절삭 저항의 저감에 큰 효과를 발휘하는 것을 밝혔다.
제5로, Bi는, Pb보다 피삭성의 효과가 조금 뒤떨어지지만, Pb의 대체가 되는 것을 확인했다. 소정량 이상의 Si를 함유하면, Bi를 포함하는 입자가, α상 내에 존재하게 되어, 그 결과, α상의 피삭성이 개선되었다. 그 경우의 Bi의 효과는, Pb와 동등, 또는 Pb를 상회하는 효과가 있는 것을 구명했다.
제6으로, Si를 포함하는 β상은, 높은 강도를 갖지만, 연성, 인성이 부족하고, β상이 과다하면, 공업용 재료로서는, 부적절했다. 절삭 부스러기의 분단성이 우수하고, 절삭 저항이 낮음과 같은 피삭성을 유지함과 동시에, 양호한 인성, 연성을 구비하며, 또한 높은 강도를 가진 구리 합금을 마무리하기 위하여, α상, β상, 및 γ상의 양을 포함시켜 최적으로 했다. 또한, 주물은, 피삭성과 동시에, 주조성이 중요하고, Cu와 Si의 함유량과 응고 온도 범위, 주조성의 관계, 응고 온도 범위와 주조성의 관계를 밝히고, Cu와 Si의 함유량과 주물의 금속 조직과의 관계를 최적화함으로써, 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금 주물을 완성시켰다.
(주조성)
본 실시형태에 있어서는, 건전한 주물이 얻어지는 것이 대전제이며, 주물에 균열이 있으면 안되고, 미크로적인 결함이 적을 것이 요망된다. 주조 균열에 관해서는, 응고 후의 고온 상태에서, 저융점 금속이 융체로서 존재하는지 여부가, 제1 포인트이며, 저융점 금속이 존재하는 경우에는, 그 양과 고온 상태에서 매트릭스에 연성이 있는지 여부로 정해진다. 본 실시형태에서는, 주물의 응고·냉각 과정에서, 매트릭스 중에, 융체로 존재하는 Pb, Bi 등의 저융점 금속의 양을 큰폭으로 제한하고 있으므로, 주조 균열로 이어지기 어렵다. 그리고, 본 실시형태의 조성, 각종 관계식을 충족시키면, 고온에서 우수한 연성을 갖는 β상을 다량으로 포함하고 있으므로, 소량 함유하는 저융점 금속에 의한 악영향을 커버할 수 있어, 주물의 균열의 문제는 없다.
본 실시형태에 있어서, 미크로 결함을 최소한으로 머물게 하는 것이 주물의 과제이다. 미크로 결함은, 최종의 응고부에서 발생하기 쉽다. 최종 응고부는, 양질인 주조 방안에 의하여, 대체로는 압탕의 부분에서 머물지만, 주물 본체에 걸치는 경우, 및 주물의 형상에 따라서는, 주물 본체에 최종 응고부가 존재하는 경우도 있다. 미크로 결함에 대해서는, 타투르 테스트로 실험실에서 확인할 수 있으며, 본 실시형태의 주물의 경우, 타투르 테스트의 결과와 Cu, Si의 양, 및 조성 관계식 f1과, 응고 온도 범위는, 밀접한 관계가 있는 것을 알 수 있었다.
Cu양이 65.0mass% 이상이 되거나, 또는 Si양이 1.4mass% 이상이 되면, 최종 응고부에서 미크로 결함이 증가하고, 조성 관계식 f1이 59.5를 초과하면, 미크로 결함이 증가하는 것을 알 수 있었다. 그리고, 응고 온도 범위, 즉 (액상선 온도-고상선 온도)가 25℃를 초과하면, 주조 시에 있어서의 수축공(shrinkage cavities) 및 미크로 결함이 현저히 나타나, 건전한 주물(sound casting)이 얻어지지 않게 된다. 응고 온도 범위는, 바람직하게는 20℃이하이고, 더 바람직하게는 15℃이하이며, 응고 온도 범위가 15℃이하이면, 보다 건전한 주물이 얻어진다. 다만, 3원 상태도에서는, 응고 온도 범위는 독취할 수 없다.
<제조 프로세스>
다음으로, 본 발명의 제1~3 실시형태에 관한 쾌삭성 구리 합금 주물의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금 주물의 금속 조직은, 조성뿐만 아니라 제조 프로세스에 따라서도 변화한다. 주물의 제조 방법으로서는, 다이캐스트, 금형, 사형(砂型)(연속 주조를 포함함), 로스트 왁스 등의 다양한 주조 방법이 있으며, 주물의 두께나 형상, 금형이나 사형의 재질, 두께 등에 의하여, 응고 후의 주물의 냉각 속도가 대체로 결정된다. 냉각 속도의 변경은, 냉각 방법, 혹은 보온 등의 수단으로 가능해진다. 한편, 응고 후의 냉각 과정에서, 다양한 금속 조직의 변화가 일어나, 냉각 속도에 따라 금속 조직이 크게 변화한다. 금속 조직의 변화란, 구성상의 종류, 그들 구성상의 양이 크게 변화하는 것이다. 냉각 과정에 관하여 예의 연구를 행한 결과, 530℃부터 450℃의 온도 영역에 있어서의 냉각 속도가 가장 중요하고, 특히 피삭성에 크게 영향을 주는 것을 알 수 있었다.
(용해)
용해는, 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금 주물의 융점(액상선 온도)보다 약 100~약 300℃높은 온도인 약 950~약 1200℃에서 행해진다. 그리고, 융점보다, 약 50~약 200℃높은 온도인 약 900~약 1100℃에서 소정의 주형에 주입된다. 그리고, 응고 후에는, 구성상이 다양하게 변화한다.
(주입(주조))
주입·응고 후의 냉각 속도는, 주입된 구리 합금의 중량, 두께, 사형, 금형 등의 재질에 따라 다양하게 바뀐다. 예를 들면, 일반적으로는 종래의 구리 합금 주물이, 구리 합금이나 철 합금으로 만들어진 금형에 주조되는 경우, 주입 후, 약 700℃이하의 온도에서, 형으로부터 주물이 분리되어, 강제 냉각, 공랭, 또는 서랭(徐冷)되며, 약 5℃/분~약 200℃/분의 평균 냉각 속도로 냉각된다. 한편, 사형의 경우, 사형에 주입된 구리 합금은, 주물의 크기나, 사형의 재질, 크기에 따라 다르지만, 약 0.05℃/분~약 30℃/분의 평균 냉각 속도로, 냉각된다.
본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금 주물에 있어서는, 주입 후, 응고 직후, 예를 들면 800℃의 고온 상태에서는, 금속 조직은, β상 단상이다. 그 후의 냉각으로, α상, γ상, κ상, μ상 등의 다양한 상이 생성되어, 형성된다. 일례이지만, 450℃부터 800℃의 온도역에서, 냉각 속도가 빠르면, β상이 많아지고, 450℃보다 낮은 온도역에서 냉각 속도가 늦으면, γ상이 생성되기 쉬워진다.
주물의 방안(주조 방안), 주물의 형상 등에 의하여, 냉각 속도를 큰폭으로 변경하는 것은 곤란하지만, 530℃부터 450℃의 온도 범위에서의 평균 냉각 속도를 0.1℃/분 이상 55℃/분 이하로 조정하여 냉각한다. 이로써, P를 포함하는 화합물이 형성되어, 배율 500배의 금속 현미경으로 P의 화합물이 확인된다. 결과, 절삭 부스러기 분단 작용이 향상되며, 또한 절삭 저항이 큰폭으로 저하된다.
조성과도 관련되지만, 430℃부터 350℃의 온도역을 0.1℃/분 이상 10℃/분 이하의 평균 냉각 속도로 냉각하면, γ상을 생성시키거나, 또는 γ상의 양을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 드릴 절삭 시의 토크의 감소, 절삭 부스러기의 분단성을 향상시킬 수 있다. 단, γ상은, 충격값을 낮게 하고, γ상을 많이 함유시키면, 절삭 저항이 오히려 높아지므로 주의할 필요가 있다.
(열처리)
소량의 γ상을 존재시킴으로써 드릴 펀칭 가공성을 향상시키기 위하여, 그리고 주물의 잔류 응력을 제거하기 위하여, 열처리가 행해지는 경우가 있다. 그러기 위해서는, 열처리는, 250℃이상 430℃이하에서, 5~200분의 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.
또한, 소둔 조건식 f7=(T-200)Х(t)1/2은, 300≤f7≤2000을 충족시키는 것이 바람직하다. f7 중의 T는 온도(β이며, t는 가열 시간(분)이다. 소둔 조건식 f7이 300보다 작으면 잔류 응력의 제거가 불충분해지거나, 또는 γ상의 생성이 불충분해질 우려가 있다. 한편, 소둔 조건식 f7이 2000을 초과하면, γ상의 증가, β상의 감소에 의하여, 피삭성이 저하될 우려가 있다.
이와 같은 제조 방법에 따라, 본 발명의 제1~3 실시형태에 관한 쾌삭성 구리 합금 주물이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 발명의 제1~3 실시형태에 관한 쾌삭성 구리 합금 주물에 의하면, 합금 조성, 조성 관계식 f0, f1, 금속 조직, 조직 관계식 f2~f6, 조직·조성 관계식 f6A를, 상술과 같이 규정하고 있으므로, Pb의 함유량이 적어도 우수한 피삭성을 얻을 수 있으며, 우수한 주조성, 양호한 강도, 인성, 연성을 구비할 수 있다.
실시예
이하, 본 실시형태의 효과를 확인하기 위하여 행했던 확인 실험의 결과를 나타낸다. 또한, 이하의 실시예는, 본 실시형태의 효과를 설명하기 위한 것으로서, 실시예에 기재된 구성 요건, 프로세스, 조건이 본 실시형태의 기술적 범위를 한정하는 것이 아니다.
실험실에서, 다양한 성분을 배합하고, 주입 후의 냉각 속도를 변화시켜 시험했다. 표 9~11에 합금 조성을 나타낸다. 또, 표 12에 제조 공정을 나타낸다. 또한, 합금 조성에 있어서, "MM"은, 미시 메탈을 나타내며, 희토류 원소의 합계량을 나타낸다.
(공정 No. 1~7)
실험실에 있어서, 소정의 성분비로 원료를 용해했다. 그때, 실조업(實操業)을 고려하여, Fe, Sn 등의 불가피적 불순물을 의도적으로 첨가했다. 특히, 합금 No. S27~합금 No. S36에 대해서는, 불가피적 불순물을 증량했다. 그리고, 약 1000β의 용탕을 내경 35mm, 깊이 200mm의 철제의 주형에 주입했다.
실제의 주조를 감안하여, 주물이 약 700β가 되었을 때, 금형으로부터 시료를 취출하고, 자연 냉각, 보온, 또는 강제 냉각에 의하여, 650℃부터 550℃, 530℃부터 450℃, 430℃부터 350℃의 각 온도역에서의 평균 냉각 속도를 7종류 바꾸고, 실온까지 냉각했다. 냉각 조건의 일람을 표 12에 나타낸다. 온도 측정에 관해서는, 주물의 온도를 접촉 온도계를 이용하여 측정하고, 각 온도 영역에서의 평균 냉각 속도를 소정의 값으로 조정했다.
(공정 No. 8)
합금 No. S01, S20, S21의 주물에 대하여, 표 12에 나타내는 조건으로, 열처리를 실시했다.
상술한 시험재에 대하여, 이하의 항목에 대하여 평가를 실시했다. 평가 결과를 표 13~20에 나타낸다.
(금속 조직의 관찰)
이하의 방법에 의하여 금속 조직을 관찰하여, α상, β상, γ상, κ상, μ상 등 각 상의 면적률(%)을 화상 해석법에 의하여 측정했다. 또한, α'상, β'상, γ'상은, 각각 α상, β상, γ상에 포함시키는 것으로 했다.
각 주물 시험편을 길이 방향에 대하여 평행하게 절단했다. 이어서 표면을 연경(硏鏡)(경면 연마)하고, 과산화 수소와 암모니아수의 혼합액으로 에칭했다. 에칭으로는, 3vol%의 과산화 수소수 3mL와, 14vol%의 암모니아수 22mL를 혼합한 수용액을 이용했다. 약 15℃∼약 25℃의 실온에서 이 수용액에 금속의 연마면을 약 2초~약 5초 침지했다.
금속 현미경을 이용하여, 배율 500배로 금속 조직을 관찰하고, 각 상의 비율을 구하여, P를 포함하는 화합물의 유무를 조사했다. Bi를 함유하는 시료에 대해서는 Bi 입자의 존재 장소를 조사했다. 금속 조직의 상황에 따라서는 1000배로 관찰하여, 금속상, Bi 입자와 P를 포함하는 화합물을 확인했다. 5시야의 현미경 사진에 있어서, 화상 처리 소프트 "Photoshop CC"를 이용하여 각 상(α상, β상, γ상, κ상, μ상)을 수동으로 전부 칠했다. 이어서 화상 해석 소프트 "WinROOF2013"으로 2치화하고, 각 상의 면적률을 구했다. 상세하게는, 각 상에 대하여, 5시야의 면적률의 평균값을 구하고, 평균값을 각 상의 상 비율로 했다. 산화물, 황화물, Bi 입자와 Pb 입자, P를 포함하는 화합물을 제외한 석출물, 창출물은 제외되고, 모든 구성상의 면적률의 합계를 100%로 했다.
그리고, P를 포함하는 화합물을 관찰했다. 금속 현미경을 이용하여, 500배로 관찰할 수 있는 최소의 석출 입자의 크기는, 대체로 0.5μm이다. 상의 비율과 동일하게, 500배의 금속 현미경으로 관찰할 수 있고, 1000배로 판별, 확인할 수 있는 석출물이며, 먼저 P를 포함하는 화합물의 유무의 판단을 행했다. P의 함유량, 제조 조건에 따라서도 다르지만, 1개의 현미경 시야 중에, 수 개~수백개의 P를 포함하는 화합물이 존재한다. P를 포함하는 화합물은, 대부분이 β상 내, α상과 β상의 상 경계에 존재하므로, β상에 포함시킨다. 또한, β상 내에, 크기가 0.5μm 미만의 γ상이 존재하는 경우가 있다. 본 실시형태에 있어서는, 배율 500배, 경우에 따라서는 1000배의 금속 현미경으로, 0.5μm 미만의 크기의 상의 식별이 불가능하므로, 초미세한 γ상은, β상으로서 처리되었다. P를 포함하는 화합물은, 금속 현미경에서, 흑회색을 나타내고, Mn, Fe로 형성되는 석출물, 화합물은, 물색을 나타내므로, 구별이 된다.
또한, P를 함유한 시료를, 본 실시형태의 에칭액으로 에칭하면, 도 1, 2에 나타내는 바와 같이, α상과 β상의 상 경계가 명료하게 보인다. P의 함유량이, 대체로 0.01mass%를 경계로 하여, 상 경계가 보다 명료해져, P의 함유가, 금속 조직에 변화를 발생시키고 있다.
Bi 입자를, P를 포함하는 화합물과 동일하게, 금속 현미경으로 관찰했다. 도 2의 금속 현미경 사진으로부터, Bi 입자와, P를 포함하는 화합물은, 명료하게 구별이 된다. 특히, P를 포함하는 화합물은, α상 내에 거의 존재하지 않기 때문에, α상에 존재하는 입자는, Bi 입자이다. 양자의 구별이 곤란한 경우는, 분석 기능을 구비하는 전자 현미경, EPMA 등으로 판단했다. 현미경 사진으로, α상 결정립 내에, Bi 입자를 관찰할 수 있으면, α상 내에 Bi 입자가 존재한다고 하고, "○"(present)라고 평가했다. Bi 입자가, α상과 β상의 경계에 존재하는 경우는, α상 내에 존재하지 않다고 판정했다. α상 내에 Bi 입자가 존재하지 않는 경우, "Х"(absent)라고 평가했다.
상의 동정, 석출물의 동정, P를 포함하는 화합물, 및 Bi 입자의 판정이 곤란한 경우는, 전계 방출형 주사 전자 현미경(FE-SEM)(니혼 덴시 주식회사제의 JSM-7000F)과 부속의 EDS를 이용하여, 가속 전압 15kV, 전륫값(설정값 15)의 조건으로, FE-SEM-EBSP(Electron Back Scattering Diffracton Pattern)법에 의하여, 배율 500배 또는 2000배로, 상, 석출물을 특정했다. P를 함유한 시료로, 금속 현미경에 의한 관찰의 단계에서 P를 포함하는 화합물이 관찰되지 않은 경우, 배율 2000배로 P를 포함하는 화합물의 유무를 확인했다.
또, 몇 개의 합금에 대하여, α상, β상, γ상, 특히 β상에 함유되는 Si 농도를 측정하는 경우, P를 포함하는 화합물의 판단이 곤란한 경우, 및 Bi 입자가 작은 경우, 2000배의 배율로, 2차 전자상, 조성상을 촬영하고, X선 마이크로 애널라이저로 정량 분석, 또는 정성(定性) 분석했다. 측정에는, 니혼 덴시제 "JXA-8230"을 이용하여, 가속 전압 20kV, 전륫값 3.0Х10-8A의 조건으로 행했다.
P를 포함하는 화합물이, 금속 현미경으로 확인된 경우, P를 포함하는 화합물의 존재 평가를 "○"(good)라고 평가했다. P를 포함하는 화합물이 2000배의 배율로 확인된 경우, P를 포함하는 화합물의 존재 평가를 "△"(fair)라고 평가했다. P를 포함하는 화합물이 확인되지 않은 경우, P를 포함하는 화합물의 존재 평가를 "Х"(poor)라고 평가했다. 본 실시형태의 P를 포함하는 화합물의 존재에 대해서는, "△"도 포함하는 것으로 한다. 표에서는, P를 포함하는 화합물의 존재 평가의 결과를 항목 "P 화합물"에 나타낸다.
(융점 측정·주조성 시험)
주물 시험편의 제작 시에 사용한 용탕의 나머지를 이용했다. 열전대를 용탕 안에 넣어, 액상선 온도, 고상선 온도를 구하고, 응고 온도 범위를 구했다.
또, 1000℃의 용탕을 철제의 타투르 몰드에 주입, 최종 응고부, 및 그 근방에 있어서의 홀, 수축 공동 등의 결함의 유무를 상세하게 조사했다(타투르 테스트(Tatur Shrinkage Test)).
구체적으로는, 도 4의 단면 모식도에 나타내는 바와 같이, 최종 응고부를 포함하는 종단면이 얻어지도록 주물을 절단했다. 시료의 단면을 400번까지의 에머리지에 의하여 연마하고, 질산을 이용하여 매크로 조직을 내어, 결함 부분을 보다 알기 쉽게 했다. 이어서, 침투 탐상 시험에 의하여, 미크로 레벨의 결함의 유무를 조사했다. 도 5는, 합금 No. S01의 타투르 테스트 후의 단면의 매크로 조직이다.
주조성은, 이하와 같이 평가했다. 단면에 있어서, 최종 응고부 및 그 근방의 표면으로부터 3mm 이내에 결함 지시 모양이 나타났지만, 최종 응고부 및 그 근방의 표면으로부터 3mm를 초과하는 부분에서는 결함이 나타나지 않은 경우, 주조성을 "○"(양호, good)라고 평가했다. 최종 응고부 및 그 근방의 표면으로부터 6mm 이내에 결함 지시 모양이 나타났지만, 최종 응고부 및 그 근방의 표면으로부터 6mm를 초과하는 부분에서는 결함이 발생하지 않은 경우, 주조성을 "△"(가능, fair)라고 평가했다. 최종 응고부 및 그 근방의 표면으로부터 6mm를 초과하는 부분에서 결함이 발생한 경우, 주조성을 "Х"(불량, poor)라고 평가했다.
최종 응고부는, 양질인 주조 방안에 의하여, 대체로 압탕의 부분이지만, 주물 본체에 걸치는 경우가 있다. 본 실시형태의 합금 주물의 경우, 타투르 테스트의 결과와 응고 온도 범위에는, 밀접한 관계가 있다. 응고 온도 범위가 15℃이하 또는 20℃이하인 경우, 주조성은 "○"의 평가가 많았다. 응고 온도 범위가 25℃를 초과하는 경우, 주조성은 "Х"의 평가가 많았다. 응고 온도 범위가 25℃이하이면, 주조성의 평가가 "○" 또는 "△"가 되었다. 또, 불가피적 불순물의 양이 많으면 응고 온도 범위가 넓어져, 주조성의 평가가 나빠졌다.
(도전율)
도전율의 측정은, 일본 휄스터 주식회사제의 도전율 측정 장치(SIGMATEST D2.068)를 이용했다. 또한, 본 명세서에 있어서는, "전기 전도"와 "도전"의 용어를 동일한 의미로 사용하고 있다. 또, 열전도성과 전기 전도성은 강한 상관 관계가 있기 때문에, 도전율이 높을수록, 열전도성이 양호한 것을 나타낸다.
(기계적 특성)
(경도)
각 시험재의 경도를, 비커스 경도 합계를 이용하여, 하중 49kN으로 행했다. 높은 강도이기 위해서는, 비커스 경도가 바람직하게는 105Hv 이상, 보다 바람직하게는 120Hv 이상이면, 쾌삭성 구리 합금 주물 중에서 매우 높은 수준이라고 할 수 있다.
(충격 특성)
충격 시험은, 이하의 방법으로 행했다. JIS Z 2242에 준한 U 노치 시험편(노치 깊이 2mm, 노치 바닥 반경 1mm)을 채취했다. 반경 2mm의 충격날로 샤르피 충격 시험을 행하여, 충격값을 측정했다.
<선반에 의한 피삭성 시험>
피삭성의 평가는, 이하와 같이, 선반을 이용한 절삭 시험으로 평가했다.
주물에 대하여, 절삭 가공을 실시하고 직경을 14mm로 하여 시험재를 제작했다. 칩 브레이커가 포함되지 않은 K10의 초경 공구(칩)를 선반에 장착했다. 이 선반을 이용하여 건식하에서, 경사각: 0°, 노즈 반경: 0.4mm, 여유각: 6°, 절삭 속도: 40m/분, 절입 깊이: 1.0mm, 이송 속도: 0.11mm/rev.의 조건으로, 직경 14mm의 시험재의 원주 상을 절삭했다.
공구에 장착된 3부분으로 이루어지는 동력계(미호 덴키 세이사쿠쇼제, AST식 공구 동력계 AST-TL1003)로부터 발해지는 시그널이, 전기적 전압 시그널로 변환되어 레코더에 기록되었다. 다음으로, 이들의 시그널은 절삭 저항(주분력, 이송 분력, 배분력, N)으로 변환되었다. 절삭 시험은, 칩의 마모의 영향을 억제하기 위하여, A→B→C→…C→B→A의 왕복을 2회 실시하고, 각 시료에 대하여 4회 측정했다. 절삭 저항은, 이하의 식에 의하여 구할 수 있다.
절삭 저항(주분력, 이송 분력, 배분력의 합력)=((주분력)2+(이송 분력)2+(배분력)2)1/2
또한, 각 샘플로 4회 측정하고, 그 평균값을 채용했다. Zn-59mass% Cu-3mass% Pb-0.2mass% Fe-0.3mass% Sn 합금으로 이루어지는 시판 중인 쾌삭 황동봉 C3604의 절삭 저항을 100으로 하고, 시료의 절삭 저항의 상댓값(피삭성 지수)을 산출하여, 상대 평가를 했다. 피삭성 지수가, 높을수록 양호한 피삭성을 갖는다. 또한, 표 중의 "합력"의 기재는, 주분력, 이송 분력, 배분력의 합력을 가리키고, 피삭성 지수를 나타낸다.
또, 피삭성 지수는 하기와 같이 하여 구했다.
시료의 절삭 시험 결과의 지수(피삭성 지수)=(C3604의 절삭 저항/시료의 절삭 저항)Х100
동시에 절삭 부스러기를 채취하고, 절삭 부스러기 형상에 의하여 피삭성을 평가했다. 실용의 절삭으로 문제가 되는 것은, 절삭 부스러기의 공구로의 휘감김 및, 절삭 부스러기의 부피 팽창이다. 이 때문에, 절삭 부스러기 형상으로서, 평균으로 길이가 7mm보다 짧은 절삭 부스러기가 생성된 경우를 "○"(양호, good)라고 평가했다. 절삭 부스러기 형상으로서, 평균으로 길이가 7mm 이상 20mm 미만의 절삭 부스러기가 생성된 경우를, 실용상 다소 문제가 있지만 절삭 가능하다고 판단하여, "△"(가능, fair)라고 평가했다. 절삭 부스러기 길이가 평균으로 20mm 이상의 절삭 부스러기가 생성된 경우를 "Х"(poor)라고 평가했다. 또한, 최초로 생성된 절삭 부스러기는 제외하여 평가했다.
절삭 저항은, 재료의 전단 강도, 인장 강도에 의존하고, 강도가 높은 재료일수록 절삭 저항이 높아지는 경향이 있다. 고강도재의 경우, Pb를 1~4mass% 함유하는 쾌삭 황동봉의 절삭 저항에 대하여, 절삭 저항이 약 40% 높아지는 정도이면, 실용상 양호가 된다. 그 때문에 본 실시형태에 있어서의 피삭성의 평가 기준을, 피삭성 지수가 약 70을 경계(경곗값)로서 평가했다. 구체적으로는, 피삭성 지수가 70을 초과하면, 피삭성이 양호하다(평가:○, good)고 평가했다. 피삭성 지수가 65 이상 70 이하이면, 피삭성이 가능하다(평가:△, fair)고 평가하여, 합격으로 했다. 피삭성 지수가 65 미만이면, 피삭성이 불가하다(평가: Х, poor)고 평가하여, 불합격으로 했다.
동등한 강도이면, 절삭 부스러기 형상과 피삭성 지수는, 일부의 예외를 제외하고, 상관 관계가 있다. 피삭성 지수가 크면, 절삭 부스러기의 분단성이 양호한 경향이 있어, 수치화할 수 있다.
덧붙여서, Zn 농도가 높으며, Pb를 0.01mass%를 포함하고, β상을 약 50% 포함하는, 쾌삭성 구리 합금봉인 Zn-58.1mass% Cu-0.01mass% Pb 합금의 피삭성 지수는 39이며, 절삭 부스러기의 길이는 20mm를 초과했다. 동일하게 Si를 포함하지 않고, 0.01mass% Pb를 포함하는 β 단상의 구리 합금인 Zn-55mass% Cu-0.01mass% Pb 합금의 피삭성 지수는 41이며, 절삭 부스러기의 길이는 20mm를 초과했다.
도 6은, 0.063mass%의 P, 0.016mass%의 Pb를 포함하고, P를 포함하는 화합물이 존재하는 시험 No. T07(합금 No. S02)의 절삭 부스러기의 외관을 나타낸다. 도 7은, 0.067mass%의 P, 0.073mass%의 Pb, 0.042mass%의 Bi를 포함하며, P를 포함하는 화합물이 존재하고, Bi를 포함하는 입자가 α상에 존재하는 시험 No. T35(합금 No. S20)의 절삭 부스러기의 외관을 나타낸다. 도 8은, 0.001mass%의 P, 0.025mass%의 Pb를 포함하는 시험 No. T106(합금 No. S53)의 절삭 부스러기의 외관을 나타낸다.
P를 함유하고, P의 화합물을 확인할 수 있는 시험 No. T07(합금 No. S02), 시험 No. T35(합금 No. S20)의 절삭 부스러기의 평균 길이는, 각각 약 2mm, 약 0.7mm로, 조밀하게 분단되어 있다.
한편, P의 함유량이 0.003mass% 이하이며, P의 화합물이 관찰되지 않는 시험 No. T106(합금 No. S53)에서는, 절삭 부스러기 길이가 20mm를 초과하여 연속한 것이었다.
<드릴 절삭 시험>
보르반에서 φ3.5mm 하이스제 JIS 표준 드릴을 사용하여, 깊이 10mm의 드릴 가공을 회전수: 1250rpm, 이송: 0.17mm/rev.의 조건으로, 건식으로 절삭했다. 드릴 가공 시에 AST식 공구 동력계로 전압 변화를 원주 방향, 축방향으로 채취하고, 드릴 가공 시의 토크·스러스트를 산출했다. 또한, 각 샘플로 4회 측정하여, 그 평균값을 채용했다. Zn-59mass% Cu-3mass% Pb-0.2mass% Fe-0.3mass% Sn 합금으로 이루어지는 시판 중인 쾌삭 황동봉 C3604의 토크, 스러스트를 100으로 하고, 시료의 토크, 스러스트의 상댓값(토크 지수, 스러스트 지수)을 산출하여, 상대 평가를 했다. 피삭성 지수(토크 지수, 스러스트 지수, 드릴 지수)가, 높을수록 양호한 피삭성을 갖는다. 드릴 가공은, 드릴의 마모의 영향을 억제하기 위하여, A→B→C→…C→B→A의 왕복을 2회 실시하고, 각 시료로 4회 측정했다.
즉, 피삭성 지수를 하기와 같이 하여 구했다.
시료의 드릴 시험 결과의 지수(드릴 지수)=(토크 지수+스러스트 지수)/2
시료의 토크 지수=(C3604의 토크/시료의 토크)Х100
시료의 스러스트 지수=(C3604의 스러스트/시료의 스러스트)Х100
3회째의 시험 시에, 절삭 부스러기를 채취했다. 절삭 부스러기 형상에 의하여 피삭성을 평가했다. 실용의 절삭에서 문제가 되는 것은, 절삭 부스러기의 공구로의 휘감김 및, 절삭 부스러기의 부피 팽창이다. 이 때문에, 절삭 부스러기 형상이, 절삭 부스러기의 평균으로, 1회 감김 이하의 절삭 부스러기가 생성된 경우를 "○"(양호, good)라고 평가하고, 절삭 부스러기 형상이 1회 감김 초과 3회 감김 이하까지의 절삭 부스러기가 생성된 경우를 "△"(가능, fair)라고 평가하며, 실용상 다소 문제가 있지만 드릴 절삭 가능하다고 평가했다. 절삭 부스러기 형상이 3회 감김을 초과하는 절삭 부스러기가 생성된 경우를 "Х"(poor)라고 평가했다. 또한, 최초로 생성된 절삭 부스러기는 제외했다.
고강도재의 토크, 스러스트는, Pb를 1~4mass% 함유하는 쾌삭 황동봉의 절삭 저항에 대하여 약 30% 높아지는 정도이면, 실용상 양호가 된다. 본 실시형태에 있어서는, 피삭성 지수가 약 70을 경계(경곗값)로서 평가했다. 구체적으로는, 드릴 지수가 71 이상이면, 피삭성이 양호하다(평가: ○, good)고 평가했다. 드릴 지수가 65 이상 71 미만이면, 피삭성이 가능하다(평가: △, fair)고 평가하고, 실용상 다소 문제가 있지만 드릴 절삭이 가능하다고 평가했다. 드릴 지수가 65 미만이면, 피삭성이 불가하다(평가: Х, poor)"고 평가했다. 단, 토크 지수, 스러스트 지수 모두 64 이상이 필요하다.
동일한 강도이면, 절삭 부스러기 형상과 토크 지수는, 일부의 예외를 제외하고, 강한 관계가 있다. 토크 지수가 크면 절삭 부스러기의 분단성이 양호한 경향이 있으므로, 절삭 부스러기 형상을 토크 지수로 수치 비교할 수 있다.
또한, Zn 농도가 높고, Pb를 0.01mass%를 포함하며, β상을 약 50% 포함하는 쾌삭성 구리 합금인 Zn-58.1mass% Cu-0.01mass% Pb 합금의 드릴 지수는 49이며(토크 지수는 46, 스러스트 지수는 52), 절삭 부스러기는 3회 감김을 초과했다. 동일하게, Si를 포함하지 않고 0.01mass%의 Pb를 포함하는 β 단상의 구리 합금인 Zn-55mass% Cu-0.01mass% Pb 합금의 드릴 지수는 61이며(토크 지수는 53, 스러스트 지수는 68), 절삭 부스러기는 3회 감김을 초과했다.
상술한 측정 결과로부터, 이하와 같은 지견을 얻었다.
1) 본 실시형태의 조성을 만족하고, 조성 관계식 f0, f1, 금속 조직의 요건, 조직 관계식 f2~f6, 조직·조성 관계식 f6A를 충족시킴으로써, 소량의 Pb의 함유로, 양호한 피삭성이 얻어지며, 응고 온도 범위가 25℃이하에서, 양호한 주조성, 13% IACS 이상의 도전율, 높은 강도(비커스 경도)이며, 양호한 인성(충격 특성)을 갖고 배합하는 구리 합금 주물이 얻어지는 것을 확인했다(예를 들면, 합금 No. S01~S12).
2) P를 0.003mass%를 초과하여, 함유하고, 0.3~3.0μm의 크기의 P를 포함하는 화합물이 β상 내에 존재함으로써, 절삭 부스러기의 분단성이 향상되어, 절삭 저항이 감소했다. γ상이 0%여도, 양호한 피삭성을 확보할 수 있었다. 0.010mass%를 초과하는 양으로 P를 함유하고, 적절한 냉각 속도로 냉각하면, 배율 500배의 금속 현미경으로 P를 포함하는 화합물을 관찰할 수 있었다(예를 들면, 합금 No. S01~S26, 공정 No. 1).
3) Si 함유량이 낮으면 피삭성이 나빠지고, Si 함유량이 많으면 γ상이 많아져, 충격값이 낮고, 피삭성도 양호하지 않았다. Si 함유량이 0.4mass%보다 적으면 Pb의 함유량, Pb와 Bi의 함유량이, 약 0.24mass%여도, 피삭성이 나빴다. 이 점에서, Si 함유량이 대체로 0.3mass%를 경계로, β상의 피삭성을 크게 변화시키고 있다고 생각된다(합금 No. S52, S51, S60, S63).
4) β상에 함유되는 Si의 양이 0.5mass% 이상 1.7mass% 이하의 범위 내이면, 양호한 피삭성이 얻어졌다(합금 No. S01~S36).
5) P의 함유량이 0.003mass% 이하이면, 외주 절삭, 드릴 절삭 모두 절삭 부스러기의 분단성이 나빠져, 절삭 저항이 높아졌다(합금 No. S53).
6) Pb의 함유량이 0.002mass% 이하이면, 피삭성이 나빴다(합금 No. S54). Pb의 함유량이 0.002mass%를 초과하면, 피삭성은 양호해지고, Pb가 많아짐에 따라, 피삭성은 양호해졌다(합금 No. S5, S12).
7) Bi는, Pb의 대체로서의 성능이 대체로 발휘되는 것이 확인되었다. Bi를 포함하는 입자가, α상 내에 존재하면, 피삭성이 양호해졌다. 이것은, α상의 피삭성의 향상에 의한 것이라고 생각된다. Bi를 0.10mass%에 가까운 양으로 포함하면, 근소하게 충격값이 낮아졌다(합금 No. S13~S26). Si 함유량이 0.1mass%이면, Bi를 0.02mass%를 초과하여 함유해도, α상 내에 Bi를 포함하는 입자가 관찰되지 않으며, 피삭성이 나빴다(합금 No. S60).
8) 실조업에서 행해지는 정도의 불가피적 불순물(Fe, Mn, Cr, Co, 또는 Sn, Al)을 함유해도, 모든 특성에 큰 영향을 주지 않는 것을 확인할 수 있었다(합금 No. S27~S36). 불가피적 불순물의 바람직한 범위를 초과하는 합계량의 Fe, Mn, Cr, Co를 함유하면, 피삭성이 나빠졌다. Fe, Mn 등과 Si의 금속 간 화합물이 형성되어, 유효하게 작용하는 Si 농도가 감소했기 때문이라고 생각된다. 또한, P를 포함하는 화합물의 조성이 변화하고 있을 가능성이 있다고 생각된다. 또, 주조성도 나빠졌다(합금 No. S30, S35). 불가피적 불순물의 바람직한 범위를 초과하는 합계량의 Sn, Al을 함유하면, γ상이 증가하여, 충격값이 낮아지고, 피삭성도 조금 나빠졌다. 다량의 Sn, Al의 함유에 의하여, γ상, β상의 성질이 변화하고 있다고 생각된다. 또, 다량의 Sn, Al의 함유는, 응고 온도 범위를 조금 넓혀, 주조성을 저하시켰다(합금 No. S31, S36).
9) 조성 관계식 f1이 56.0보다 작으면 β상이 많아져, 충격값이 낮아졌다. f1이 59.5보다 크면 응고 온도 범위가 커져, 경도도 낮아지고, 피삭성, 주조성이 나빠졌다(합금 No. S55, S56, S58). f1의 값이 56.3 이상이면, 충격값이 보다 양호해졌다. 한편, f1의 값이 59.2 이하, 또는 59.0 이하, 나아가서는 58.5 이하가 되면, 피삭성이 보다 양호해지고, f1이 58.0 이하에서 충격값은 더 양호해졌다. 또 응고 범위가 좁아져, 타투르 시험의 결과가 양호해졌다(합금 No. S01~S26).
10) β상의 양인 f3이 45 이상, 또는 50 이상이며, 관계식 f6이 50 이상이면, β 단상 합금, 합금 F의 피삭성이 대체로 유지되었다(예를 들면, 합금 No. S01, S03).
11) β상의 양이 18%보다 적으면 양호한 피삭성이 얻어지지 않았다. β상의 양이 80%를 초과하면, 충격값이 낮았다(합금 No. S55, S56, S58).
12) γ상이 0%여도, β상이 적당량 존재함으로써, 양호한 피삭성, 기계적 성질이 얻어졌다(예를 들면 합금 No. S02, S03). γ상의 양이 2% 이하이며, 20Х(γ)/(β)<1이면, 토크 지수가 높아져, 드릴 절삭의 절삭 부스러기가 조밀해졌다(예를 들면 합금 No. S21, 시험 No. T46).
13) γ상의 양이 5% 이상, 또는 20Х(γ)/(β)가 4보다 크면 충격값, 피삭성 지수가 낮아졌다(합금 No. S51, S06, 시험 No. T16).
14) 조직 관계식 f6이 18 이상에서, 피삭성이 양호해졌다. f6이 25 이상에서 피삭성이 더 향상되었다. 그리고, f6이 30 이상, 또는 40 이상에서 피삭성이 더 향상되었다. f6이 82 이하에서, 충격값이 양호해졌다(합금 No. S03, S07, S08, S05).
15) 관계식 f6A가, 33 이상에서 양호한 피삭성이 얻어지며, 40 이상, 45 이상이 됨에 따라, 피삭성이 더 양호해졌다(합금 No. S01~S26). 한편, 조성 범위, 관계식 f0~f5를 충족시켜도, f6, f6A의 양방을 충족시키지 않으면 피삭성이 나빴다(합금 No. S57, S59, S61). f6, f6A를 충족시켜도, Si의 양이 적으면 피삭성이 나빴다(합금 No. S52).
16) 주조 후의 각 온도에서의 냉각 속도가 변화함으로써, β상이 차지하는 비율이 변화하고, γ상에 관해서도, γ상의 존재의 유무, γ상의 양을 포함시켜 변화했다. 금속 조직의 변화에 따라, 특성도 변화했다(공정 No. 1~8).
17) P의 양에 따라서도 다르지만, 주조 후의 냉각 과정에서, 530℃부터 450℃의 평균 냉각 속도에 있어서 약 55℃/분이, 배율 500배의 금속 조직 관찰, 또는 2000배의 전자 현미경 관찰로 P를 포함하는 화합물이 존재하는지 여부의 대략의 경곗값이었다. 배율 500배의 금속 현미경으로 P를 포함하는 화합물을 관찰할 수 있으면(판정 "○"), 피삭성이 양호했다(합금 No. S01~S26). 2000배의 전자 현미경으로 P를 포함하는 화합물의 존재가 확인된 시료에 대해서는, 배율 500배의 금속 현미경으로 P의 화합물이 관찰된 시료보다 조금 피삭성이 나빠졌지만, 양호한 피삭성을 확보했다(예를 들면, 합금 No. S01, 공정 No. 5, 합금 No. S21, 공정 No. 7). P를 포함하는 화합물의 존재가 확인되지 않은 시료는, 피삭성이 나빴다(합금 No. S07, 공정 No. 7, 합금 No. S15, 공정 No. 5).
18) 주물을 저온 소둔하면, 새롭게 γ상이 석출되고, γ상이 적정량이면, 토크 지수가 양호해졌다(예를 들면 합금 No. S21, 시험 No. T46).
이상으로부터, 각 첨가 원소의 함유량 및 조성 관계식, 각 조직 관계식이 적정한 범위에 있는 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금 주물은, 피삭성, 주조성이 우수하고, 기계적 성질도 양호하다.
본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금 주물은, Pb의 함유량을 소량으로 머물게 하여, 주조성, 피삭성이 우수하고, 높은 강도와 양호한 인성을 구비한다. 이 때문에, 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금 주물은, 기계 부품, 자동차 부품, 전기·전자 기기 부품, 완구, 슬라이딩 부품, 계기 부품, 정밀 기계 부품, 의료용 부품, 건축용 금구, 수전 금구, 음료용 기구·부품, 배수용 기구·부품, 공업용 배관 부품, 압력 용기, 수소 등의 액체나 기체에 관한 부품에 적합하다.
구체적으로는, 상기 분야에 이용되는 밸브, 이음매, 급배 수전, 수전 금구, 기어, 베어링, 슬리브, 플랜지, 센서 등의 명칭으로 사용되고 있는 것의 구성재 등으로서 적합하게 적용할 수 있다.
Claims (7)
- 58.5mass% 초과 65.0mass% 미만의 Cu와, 0.40mass% 초과 1.40mass% 미만의 Si와, 0.002mass% 초과 0.25mass% 미만의 Pb와, 0.003mass% 초과 0.19mass% 미만의 P를 포함하고, 임의 원소로서, 0.001mass% 이상 0.100mass% 이하의 Bi를 포함하며, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
상기 불가피적 불순물 중, Fe, Mn, Co 및 Cr의 합계량이 0.45mass% 미만이며, 또한 Sn, Al의 합계량이 0.45mass% 미만이고,
Cu의 함유량을 [Cu]mass%, Si의 함유량을 [Si]mass%, Pb의 함유량을 [Pb]mass%, Bi의 함유량을 [Bi]mass%, P의 함유량을 [P]mass%로 한 경우에,
56.0≤f1=[Cu]-5Х[Si]+0.5Х[Pb]+0.5Х[Bi]-0.5Х[P]≤59.5의 관계를 가지며, Bi를 포함하지 않는 경우에는, f1 중의 [Bi]는 0이고,
Bi를 포함하는 경우에는, 0.003<f0=[Pb]+[Bi]<0.25의 관계를 더 가지며,
비금속 개재물을 제외한 금속 조직의 구성상에 있어서, α상의 면적률을 (α)%, γ상의 면적률을 (γ)%, β상의 면적률을 (β)%로 한 경우에,
20≤(α)≤80
18≤(β)≤80
0≤(γ)<5
20Х(γ)/(β)<4
18≤(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])≤82
33≤(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])+([Pb]+[Bi])1/2Х38+([P])1/2Х15
의 관계를 갖고, Bi를 포함하지 않는 경우에는, 식 중의 [Bi]는 0이고,
상기 β상 내에 P를 포함하는 화합물이 존재하고 있는 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리 합금 주물. - 59.0mass% 초과 65.0mass% 미만의 Cu와, 0.50mass% 초과 1.35mass% 미만의 Si와, 0.010mass% 초과 0.20mass% 미만의 Pb와, 0.010mass% 초과 0.15mass% 미만의 P를 포함하고, 임의 원소로서, 0.001mass% 이상 0.100mass% 이하의 Bi를 포함하며, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
상기 불가피적 불순물 중, Fe, Mn, Co 및 Cr의 합계량이 0.40mass% 미만이며, 또한 Sn, Al의 합계량이 0.40mass% 미만이고,
Cu의 함유량을 [Cu]mass%, Si의 함유량을 [Si]mass%, Pb의 함유량을 [Pb]mass%, Bi의 함유량을 [Bi]mass%, P의 함유량을 [P]mass%로 한 경우에,
56.3≤f1=[Cu]-5Х[Si]+0.5Х[Pb]+0.5Х[Bi]-0.5Х[P]≤59.2의 관계를 가지며, Bi를 포함하지 않는 경우에는, f1 중의 [Bi]는 0이고,
Bi를 포함하는 경우에는, 0.020≤f0=[Pb]+[Bi]<0.20의 관계를 더 가지며,
비금속 개재물을 제외한 금속 조직의 구성상에 있어서, α상의 면적률을 (α)%, γ상의 면적률을 (γ)%, β상의 면적률을 (β)%로 한 경우에,
25≤(α)≤75
25≤(β)≤75
0≤(γ)<3
20Х(γ)/(β)<2
25≤(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])≤76
40≤(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])+([Pb]+[Bi])1/2Х38+([P])1/2Х15
의 관계를 갖고, Bi를 포함하지 않는 경우에는, 식 중의 [Bi]는 0이고,
상기 β상 내에 P를 포함하는 화합물이 존재하고 있는 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리 합금 주물. - 59.5mass% 초과 64.5mass% 미만의 Cu와, 0.60mass% 초과 1.30mass% 미만의 Si와, 0.010mass% 초과 0.15mass% 미만의 Pb와, 0.020mass% 초과 0.14mass% 미만의 P와, 0.020mass% 초과 0.100mass% 이하의 Bi를 포함하고, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어지며,
상기 불가피적 불순물 중, Fe, Mn, Co 및 Cr의 합계량이 0.35mass% 미만이고, 또한 Sn, Al의 합계량이 0.35mass% 미만이며,
Cu의 함유량을 [Cu]mass%, Si의 함유량을 [Si]mass%, Pb의 함유량을 [Pb]mass%, Bi의 함유량을 [Bi]mass%, P의 함유량을 [P]mass%로 한 경우에,
0.040≤f0=[Pb]+[Bi]<0.18
56.5≤f1=[Cu]-5Х[Si]+0.5Х[Pb]+0.5Х[Bi]-0.5Х[P]≤59.0
의 관계를 가짐과 함께,
비금속 개재물을 제외한 금속 조직의 구성상에 있어서, α상의 면적률을 (α)%, γ상의 면적률을 (γ)%, β상의 면적률을 (β)%로 한 경우에,
30≤(α)≤70
30≤(β)≤70
0≤(γ)<2
20Х(γ)/(β)<1
30≤(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])≤70
45≤(γ)1/2Х3+(β)Х(-0.5Х[Si]2+1.5Х[Si])+([Pb]+[Bi])1/2Х38+([P])1/2Х15
의 관계를 가짐과 함께,
상기 β상 내에 P를 포함하는 화합물이 존재하고, 또한 α상 내에 Bi를 포함하는 입자가 존재하고 있는 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리 합금 주물. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
응고 온도 범위가 25℃이하인 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리 합금 주물. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
비커스 경도가 105Hv 이상이며, 또한 U 노치 충격 시험을 행했을 때의 충격값이 25J/cm2 이상인 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리 합금 주물. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
기계 부품, 자동차 부품, 전기·전자 기기 부품, 완구, 슬라이딩 부품, 압력 용기, 계기 부품, 정밀 기계 부품, 의료용 부품, 건축용 금구, 수전 금구, 음료용 기구·부품, 배수용 기구·부품, 공업용 배관 부품에 이용되는 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리 합금 주물. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 쾌삭성 구리 합금 주물의 제조 방법으로서,
용해, 주조 공정을 갖고,
상기 용해, 주조 공정 중, 주조 후의 냉각 과정에 있어서, 530℃부터 450℃까지의 온도 영역에 있어서의 평균 냉각 속도를 0.1℃/분 이상 55℃/분 이하의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리 합금 주물의 제조 방법.
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