KR20010053140A - 철 개질된 주석 황동 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의해 아연 및 철의 양을 조절하여 첨가함으로써 정련된 입자 구조를 갖는 주석 황동 합금이 제공된다. 주석 1 중량％ 내지 4 중량％, 철 0.8 ％ 내지 4 ％, 아연, 철 개시된 입자 정련을 향상시키기에 효과적인 양 내지 35 ％ 및 잔여량의 구리와 불가피한 불순물을 포함하는 직접 냉강 주물 합금은 용이하게 열간압연된다. 아연을 첨가하면 합금의 강도가 추가로 증가되며, 압연된 스트립의 세로축에 수직한, "좋은 방향"으로의 굽힘 성형성이 향상된다. 특정한 입자 정련된 황동 합금은 반고체 성형 원료로서 유용하다.

Description

철 개질된 주석 황동{Iron modified tin brass}

본 발명은 높은 강도, 우수한 가공성 및 비교적 높은 전기 전도도를 갖는 구리 합금에 관한 것이다. 보다 특정하게는, 조절되는 철의 첨가를 통한 주석 황동의 항복 강도의 증가에 관한 것이다.

본 특허 발명 전체에 걸쳐서, 모든 ％는 특별히 언급하지 않는 한 중량％이다.

시판되는 주석 황동은 0.35 ％ 내지 4 ％의 주석, 0.35 ％ 이하의 인, 49 ％ 내지 96 ％의 구리 및 나머지 아연을 포함하는 구리 합금이다. 본 합금은 Copper Development Association(CDA)에 의해 구리 합금 C40400 내지 C49080으로 명명된다.

시판되는 주석 황동의 하나는 C42500이라 명명된 구리 합금이 있다. 본 합금은 87 ％ 내지 90 ％의 구리, 1.5 ％ 내지 3.0 ％ 이하의 철, 0.35 ％ 이하의 인 및 나머지 아연으로 이루어진 조성물이다. 본 합금으로부터 제조된 제품으로는 스위치 스프링, 전극, 접속기, 퓨즈 클립, 펜 클립 및 틈마개(weather stripping)가 있다.

ASM 핸드북에는 구리 합금 C42500이 28 ％ IACS("순수한" 구리의 전도도가 20 ℃에서 100 ％ IACS인, 국제 연동 표준(International Annealed Copper Standard))의 공칭 전기 전도도 및 템퍼에 좌우되는, 310 MPa(45 ksi) 내지 634 MPa(92 ksi)의 항복 강도를 갖는것으로 규정하고 있다. 본 합금은 많은 전기 접속기 부품에 적합하지만, 항복 강도는 목적하는 수준보다 낮다.

조절되는 철의 첨가에 의해 특정한 구리 합금의 항복 강도가 증가된다는 사실이 공지되어 있다. 예를 들면, 문헌에는 1.65 ％ 내지 4.0 ％의 철을 인청동(phosphor-bronze)에 첨가하는 방법이 기재되어 있다(참조: "Iron Modified Phosphor-Bronze"라는 명칭의 미국 특허 제5,882,442호). Caron 등은 30 ％ IACS 이상의 전기 전도도 및 95 ksi를 초과하는 인장 강도를 갖는 합금을 개발하였다.

문헌에는 아연, 주석 및 철을 각각, 0.5 ％ 내지 3.0 ％ 함유하는 구리 합금이 기재되어 있다(참조: 일본 특허원 제57-68061호(Furukawa Metal Industries Company, Ltd.)). 여기서, 철은 합금의 강도와 내열성을 증가시키는 것으로 밝혀졌다.

문헌에는 1 ％ 내지 25 ％의 아연과, 니켈, 주석 및 철을 각각 0.1 내지 5 ％ 함유하는 구리 합금이 기재되어 있다(참조: 일본 특허원 제61-243141호(Japan Engineering Corp.)). 당해 합금은 추가로 0.001 ％ 내지 1 ％의 붕소 및 망간 또는 규소를 각각 0.01 ％ 내지 5 ％ 함유한다. 붕소 및 망간 또는 규소는 합금에 석출 경화능을 제공하는 것으로 밝혀졌다.

인청동에 철을 첨가하는 이점이 공지되어 있지만, 철은 당해 합금에 문제를 일으킨다. 합금의 전기 전도도는 저하되며, 합금의 제조는 스트링거(stringer)의 형성에 의해 악영향을 받을 수 있다. 합금 조성물에 좌우되는 임계 철 함량 이상을 포함하는 경우, 스트링거가 형성된다. 예비포정(properitectic) 철 입자가 응고 전에 액체로부터 석출되고, 기계적 변형 중에 연신되는 경우에 스트링거가 발생된다. 스트링거는 합금의 외관에 악영향을 미치고, 성형성을 저하시킬 수 있으므로 바람직하지 않다.

고함량의 구리(85 ％ Cu 이상) 주석 황동에서, 불순물로서, 최대 가능한 철 함량은 통상적으로 0.05 ％이다. 이는, 철이, 전기 전도도를 감소시키고, 스트링거가 형성됨에 따라, 굽힘 특성을 저하시키는 것으로 공지되어 있기 때문이다.

특정 조성물 범위내로 철 및 주석을 함유하는 구리는 생주물(as-cast)상태에서 비-수지상(dendritic)의 입자 구조를 나타낸다. 예를 들면, 문헌에는 4.0 ％ 내지 11.0 ％의 주석, 0.01 ％ 내지 0.3 ％의 인, 1.0 ％ 내지 5.0 ％의 철 및 나머지 구리를 함유하는 구리 합금이 기재되어 있다(참조: "향상된 가공성을 갖는 구리계 합금(Copper Base Alloys Possessing Improved Processability)"이라는 명칭의 미국 특허 제4,116,686호). Mravic 등은 아연을 포함하는, 소량이지만 효과적인 양의 수 많은 합금 첨가물을 추가로 포함하는 합금을 개발하였다. 생주물 합금은 실제적으로 가공성의 향상에 기여하는 주입 조건하에서 비-수지상 입자 구조를 갖는 것으로 밝혀졌다.

특정한 비-수지상 합금은 반고체(semisolid) 형성 원료로서 이용된다. 반고체 성형 원료로서 유용한 강편은 1차 상 보다 낮은 온도에서 용융되는 용리 상으로 둘러싸인 1차 비-수지상으로 이루어진 고도로 용리된 구조를 갖는다. 당해 강편은 저융점상을 용융시키기에 효과적인 온도로 가열되지만, 1차 상은 용융되지 않는다. 1차 상이 수지상인 경우, 고체 1차 상은 기계적으로 고정되며, 어떠한 이점도 성취되지 않는다. 그러나, 고체 1차 상이 비-수지상인 경우에는, 금속 슬러리가 형성되고, 전단 응력 조건하에서 유동을 일으킬 수 있다.

슬러리를 주형으로 유동시키면 동일한 조성물의 액체 금속을 주형내로 주입시키는데 있어서 다수의 이점이 제공된다. 슬러리는 유사한 조성물의 합금이 완전히 용융되는데 필요한 온도 보다 낮은 온도에서 유동한다. 따라서, 금형은 낮은 온도에 노출되며, 금형의 수명은 증가한다. 슬러리는 통상적으로 용융된 금속의 주입시에 당해 주물내에 보다 적은 양의 공기가 포착되도록 하는 것 보다 작은 난류를 갖는 주형으로 압출되며, 따라서, 제조된 제품은 보다 낮은 다공성을 갖게 된다.

통상적으로, 반고체 성형 원료는 당해 금속을 기계적으로 또는 정전기적으로 교반시켜 이들이 실제로 구형의 변질된 수지상정(dendrite)을 갖는 고체상을 형성하는 것과 같이 수지상정를 파면시키면서, 용융된 금속을 냉각시킴으로써 제조된다. 문헌에는 주물시에 교반이나 기타의 휘저음 없이 반고체 성형 원료로서 유용한 합금이 기재되어 있다(참조: "Alpha Copper Base Alloy Adapted to be Formed as a Semi-Solid Metal Slurry"라는 명칭의 미국 특허 제4,642,146호). 본 합금 조성물은 3 ％ 내지 6 ％의 니켈, 5 ％ 내지 15 ％의 아연, 2 ％ 내지 4.25 ％의 알루미늄, 0.25 ％ 내지 1.2 ％의 규소, 3 ％ 내지 5 ％의 철 및 잔여량의 구리를 포함한다. 주상 수지상정을 방지하기 위해서는 최소 3 ％의 철이 필요하다는 사실이 기재되어 있다.

저융점상은 액상이며, 고융점의 1차상은 비교적 넓은 온도 범위("반고체 성형 제조 범위")에 걸쳐서 고체이어야 한다. 넓은 반고체 성형 제조 범위는 공정 조절을 용이하게 한다. 예를 들면, 철을 구리 합금 C260(70 ％ 구리와 30 ％ 아연의 공칭 조성물)에 첨가하면, 단지 5 ℃의 반고체 성형 제조 범위를 갖는 합금이 제조된다. 합금은 초기의 균일한 흐름(슬러리의)으로부터 액체 분리(용융된 금속이 물질로부터 압출되는)에 이르기까지 급격한 변화를 나타낸다.

따라서, 감소된 전기 전도도 및 스트링거 형성과 같은 상술한 단점을 갖지 않는 철 개질된 주석 황동 합금이 요구된다. 또한, 넓은 제조 범위를 갖는 반고체 성형 원료로서 유용한 구리 합금이 요구된다.

따라서, 본 발명의 제1 목적은 향상된 강도를 갖는 주석 황동 합금을 제공하는 것이다. 본 발명의 제2 목적은 반고체 성형 원료로서 유용한 구리 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 양태는 철과 아연을 조합한 양을 조절하여 첨가함으로써 성취되는 강화된 강도이다. 본 발명의 또 다른 양태는 특정화된 연속 단계에 따른 방법에 의해, 연합금(wrought alloy)내에 정밀한 미세구조가 유지되도록하는 것이다.

본 발명의 또 다른 양태는 철과 주석의 양을 조절하여 황동에 첨가함으로써 반고체 성형 원료로서 적합한 합금을 제조하는 것이다.

본 발명의 합금의 이점 중에는, 전기 전도도의 저하없이 항복 강도가 증가된다는 점이 있다. 100 ㎛ 미만의 입자 크기를 갖는 정련된 생주물 합금, 및 약 5 내지 20 ㎛의 입자 크기의 연합금의 미세구조는 정밀한 입자이다. 또 다른 이점은 전기 전도도가 상당한 항복 강도의 증가와 더불어 구리 합금 C42500의 전기 전도도와 대략 동등하다는 점이다.

반고체 성형 원료로서 본 발명의 합금의 이점은 당해 합금이 넓은 반고체 성형 제조 범위를 갖는다는 점이다. 당해 합금은 황색을 나타내며, 배관용 설비, 건축용 철물 및 운동 용품과 같은 장식 부품용으로 특히 유용한 내부식성을 갖는다.

본 발명의 제1 목적에 따라, 구리 합금이 제공된다. 본 합금은 불가피한 불순물 뿐만 아니라, 1 중량％ 내지 4 중량％의 주석, 0.8 중량％ 내지 4.0 중량％의 철, 9 중량％ 내지 35 중량％의 아연, 0.4 중량％ 이하의 인, 최대 0.03 중량％의 규소, 최대 0.05 중량％의 망간 및 나머지 구리로 필수적으로 이루어진다. 입자 정련된 합금은 100 ㎛ 미만의 평균 생주물 입자 크기와 약 5 내지 20 ㎛의 제조 후 평균 입자 크기를 갖는다.

본 발명의 제2 목적에 따라, 70 ％ 내지 90 ％의 구리, 생주물 비-수지상 구조를 형성시키기에 효과적인 양 내지 3.5 ％ 이하의 입자 정련제, 20 ℃의 최소 반고체 성형 제조 범위가 제공되기에 효과적인 양 내지 3.5 ％의 융점 저하제, 1 ％ 미만의 니켈 및 나머지 아연 및 불가피한 불순물로 필수적으로 이루어진 요변성형성(thixoformable) 구리 합금이 제공된다.

상술한 목적, 양태 및 이점들은 본 명세서 및 하기의 도면으로부터 보다 명백히 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 합금의 가공 방법 중 하나를 도시한 작업공정도이다.

도 2는 항복 강도에 관한 철 함량의 영향을 도시한 그래프이다.

도 3은 극한 인장 강도에 관한 철 함량의 영향을 도시한 그래프이다.

도 4는 항복 강도에 관한 주석 함량의 영향을 도시한 그래프이다.

도 5는 극한 인장 강도에 관한 주석 함량의 영향을 도시한 그래프이다.

도 6은 항복 강도에 관한 아연 함량의 영향을 도시한 그래프이다.

도 7은 극한 인장 강도에 관한 아연 함량의 영향을 도시한 그래프이다.

도 8은 알루미늄/구리 이성분 상 그림을 그래프식으로 도시한 것이다.

도 9는 규소/구리 이성분 상 그림을 그래프식으로 도시한 것이다.

도 10은 주석/구리 이성분 상 그림을 그래프식으로 도시한 것이다.

도 11은 30 ％의 아연, 1.5 ％의 철, 1.5 ％의 주석을 함유한 구리 합금의 생주물 입자 구조를 도시한 광현미경 사진이다.

도 12는 도 11의 합금을 910 ℃에서 요변성형시킨 후의 입자 구조를 도시한 광현미경 사진이다.

도 13은 15 ％의 아연, 2.0 ％의 철, 2.0 ％의 아연을 함유한 구리 합금을 995 ℃에서 요변성형시킨 후의 입자 구조를 도시한 광현미경 사진이다.

도 14는 수도 꼭지의 횡단면도를 나타낸 것이다.

본 발명의 구리 합금은 철 개질된 주석 황동이다. 본 합금은 1 ％ 내지 4 ％의 주석, 0.8 ％ 내지 4 ％의 철, 9 ％ 내지 20 ％의 아연, 0.4 ％ 이하의 인 및 잔여량의 구리와 함께 불가피한 불순물로 필수적으로 이루어져 있다. 생주물로서, 입자 정련된 합금은 100 ㎛ 미만의 평균 결정 입자 크기를 갖는다.

합금을 직접 냉강주물(chill casting)에 의해 주조하는 경우, 바람직한 양태에서, 주석 함량은 1.5 ％ 내지 2.5 ％이며, 철 함량은 1.6 ％ 내지 2.2 ％이다. 1.6 ％의 철이 생주물 입자 정련을 성취하기 위한 최소 임계값으로 밝혀졌다. 보다 바람직하게는, 철 함량은 1.6 ％ 내지 1.8 ％이다.

주석

주석은 본 발명의 합금의 강도를 증가시키며, 또한 응력완화에 대한 본 합금의 내성을 증가시킨다.

내응력완화성은 스트립 시료에 ASTM(American Society for Testing and Materials) 규정에 따라, 켄티레버 모드(cantilever mode)로 80 ％의 항복 강도를 예비적으로 가한 후 잔류하는 응력(％)으로서 나타낸다. 본 스트립을 특정한 시간 동안 125 ℃로 가열하고, 주기적으로 재측정한다. 특성을 125 ℃에서 3000 시간까지 측정한다. 잔류하는 응력이 높을수록, 스프링 제품용으로서 특정한 조성물의 이용도는 향상된다.

그러나, 강도의 증가와 내응력완화성의 이점은 표 1에 나타낸 바와 같이 감소된 전기 전도도에 의해 상쇄된다. 또한, 주석은 특히 고온 제조시 당해 합금의 제조를 보다 어렵게 만든다. 주석 함량이 2.5 ％를 초과하는 경우, 특정한 시판품에 있어 합금 제조비용은 높아질 수 있다. 주석 함량이 1.5 ％ 미만인 경우, 당해 합금은 스프링 제품용으로서 적합한 강도 및 내응력완화성을 갖지 못한다.

조성	전기 전도도(％ IACS)	항복 강도MPa (ksi)
88.5 ％ Cu9.5 ％ Zn2 ％ Sn0.2 ％ P	26	517 (75)
87.6 ％ Cu9.5 ％ Zn2.9 ％ Sn0.2 ％ P	21	572 (83)
94.8 ％ Cu5 ％ Sn0.2 ％ P	17	703 (102)

바람직하게는, 본 발명의 합금의 주석 함량은 약 1.2 ％ 내지 약 2.2 ％, 가장 바람직하게는 약 1.4 ％ 내지 약 1.9 ％이다.

철

철은 생주물 합금의 미세구조를 정련시키며, 강도를 증가시킨다. 정련된 미세구조는 100 ㎛ 미만의 평균 입자 크기를 특징으로 한다. 바람직하게는, 평균 입자 크기는 30 내지 90 ㎛이며, 가장 바람직하게는, 40 내지 70 ㎛이다. 본 정련된 미세구조는 850 ℃에서의 압연과 같은 상승된 온도에서의 기계적 변형을 용이하게 한다.

철 함량이 약 1.6 ％ 미만인 경우, 입자 정련 효과는 감소되며, 600 내지 2000 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는, 조잡한 결정 입자가 생성된다. 철 함량이 2.2 ％를 초과하는 경우, 과량의 스트링거가 열냉 작업 중에 생성된다.

1.6 ％ 내지 2.2 ％의 효과적인 철 범위는 미국 특허 제5,882,442호에 기재된 합금의 철 범위와 상이하다. 미국 특허 제5,882,442호에는 철 함량이 약 2 ％를 초과할 때까지 입자 정련은 최적화되지 않는 것으로 기재되어 있다. 본 발명의 합금에 있어서 낮은 철 함량에서의 입자 구조를 정련시키는 능력은 예상치 못한 것이며, 아연의 포접(inclusion)에 기인한 상 평형 이동에 의한 것으로 여겨진다. 효과적으로는, 본 상 이동 상호작용에는 약 5 ％의 최소 아연 함량이 요구된다.

철 함량이 약 2.2 ％를 초과하는 경우, 약 200 ㎛ 이상의 길이를 갖는 보다 큰 스트링거가 형성될 것으로 예상된다. 보다 큰 스트링거는 합금 표면의 전기 및 화학적 특성 뿐만 아니라, 합금 표면의 외관 모두에 악영향을 미친다. 큰 스트링거는 당해 합금의 땜납성 및 전기-도금성을 변화시킬 수 있다.

바람직하지 못한 스트링거를 형성하지 않으면서, 철에 기인한 입자 정련 및 강도의 증가를 최대화하기 위해서는, 철 함량은 약 1.6 ％ 내지 2.2 ％, 바람직하게는 약 1.6 ％ 내지 1.8 ％로 유지되어야 한다.

아연

본 발명의 합금에 아연을 첨가하면 전기 전도도가 일부 저하됨과 동시에 강도가 적절히 증가될 것으로 예상되었다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 최소 5 ％의 아연이 제공되는 경우, 놀랍게도 이러한 현상이 발생되며, 철 첨가의 입자 정련능은 크게 향상된다.

조성	전기 전도도(％ IACS)	인장 강도MPa (ksi)
1.8 Sn2.2 Fe잔여량의 Cu	33	683 (99)
1.8 Sn2.2 Fe5 Zn잔여량의 Cu	29	683 (99)
1.8 Sn2.2 Fe10 Zn잔여량의 Cu	25	745 (108)
인장 강도는 70 ％ 냉각 압하 후에 측정됨.

바람직하게는, 아연 함량은 철 개시된 입자 정련에 효과적인 양 내지 약 20 ％ 이다. 보다 바람직하게는, 아연 함량은 약 5 ％ 내지 약 15 ％이며, 가장 바람직하게는 약 9 ％ 내지 약 13 ％이다.

기타 첨가물

산화구리 또는 산화주석의 형성을 방지하고, 인화철의 형성을 촉진시키기 위해 인을 본 합금에 첨가할 수 있다. 인은 특히 열간압연과 같은, 합금의 제조 중에 문제를 일으킨다. 철의 첨가는 바람직하지 못한 인의 영향을 억제하는 것으로 여겨진다. 인의 영향을 억제시키기 위해서는 최소량의 철 이상이 제공되어야만 한다.

적합한 인 함량은 인화철을 형성하기에 효과적인 약 0.4 ％ 이하의 임의의 양이다. 바람직한 인 함량은 약 0.01 ％ 내지 0.3 ％이며, 가장 바람직한 인 함량은 약 0.03 ％ 내지 0.15 ％이다.

구리 합금이 응고되는 경우, 용액내에 잔류하는 원소는 20 ％ 이하의 양으로 제공될 수 있으며, 아연의 일부분은 1:1 원자비로 대체될 수 있다. 이러한 고상 가용성 원소의 바람직한 범위는 아연에 관해서 특정화된다. 이러한 원소로는 알루미늄이 있다.

니켈을 첨가하면 전기 전도도가 저하되나, 니켈은 당해 합금의 내응력완화성을 향상시킨다. 니켈을 불순물 양으로 포함하는 본 발명의 합금은 125 ℃ 이하의 온도에서 우수한 내응력완화성을 갖는다. 니켈을 0.3 중량％ 내지 1.8 중량％로 첨가하면 150 ℃ 이하에서 우수한 내응력완화성을 갖는 합금이 제공된다. 바람직한 니켈 함량은 0.5 중량％ 내지 1.0 중량％이다.

망간, 마그네슘, 베릴륨, 규소, 지르코늄, 티탄, 크롬 및 이들의 혼합물과 같이 합금의 특성에 영향을 미치는 원소를 첨가하는 것은 덜 바람직하다. 이러한 덜 바람직한 첨가는 바람직하게는 각각 약 0.4 ％ 미만, 가장 바람직하게는 약 0.2 ％ 미만의 양으로 제공된다. 가장 바람직하게는, 모든 덜 바람직한 합금 첨가의 총량은 약 0.5 ％ 미만의 양이다.

합금에 규소를 첨가하면 열 작업성이 저하된다. 따라서, 본 발명의 합금은 0.03 ％ 미만의 규소 및, 바람직하게는 0.01 ％ 미만의 규소 및 가장 바람직하게는 0.005 ％ 미만의 규소를 포함한다.

망간을 황 불순물과 결합하여 황화망간 스트링거를 형성시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 합금은 0.9 ％ 미만의 망간, 바람직하게는 0.05 ％ 미만의 망간, 가장 바람직하게는 0.005 ％ 미만의 망간을 포함한다.

가공

본 발명의 합금은 바람직하게는 도 1에 도시한 작업공정도에 따라 제조된다. 본원에 명시된 조성의 합금인, 잉곳(ingot)은 직접 냉강주물과 같은 통상적인 방법에 의해 주조(10)된다. 당해 합금은 약 650 ℃ 내지 약 950 ℃의 온도, 바람직하게는 825 ℃ 내지 875 ℃의 온도에서 열간압연(12)된다. 임의로, 합금을 목적하는 열간압연(12) 온도를 유지시키기 위해 가열(14)한다.

열간압연 압하는 통상적으로, 98 ％ 이하, 바람직하게는 약 80 ％ 내지 약 95 ％의 두께로 이루어진다. 잉곳의 온도가 650 ℃ 이상으로 유지되는 경우, 압연은 싱글패스 또는 멀티패스일 수 있다.

열간압연(12) 후, 합금을 임의로, 수중 담금질(16)할 수 있다. 이어서, 당해 봉을 기계적으로 밀링하여 표면의 산화물을 제거하고, 이어서, 냉간압연(18)시키면, 단일패스 또는 멀티패스로 수행되는 열간압연 단계(12) 완료시의 게이지(gauge)로부터 두께가 60 ％ 이상 압하된다. 바람직하게는, 냉간압연 압하(18)는 약 60 ％ 내지 90 ％이다.

이어서, 스트립을 약 400 ℃ 내지 약 600 ℃의 온도에서 약 0.5 시간 내지 약 8 시간동안 어닐링(annealing)시켜 합금을 재결정화한다. 바람직하게는, 제1 재결정 어닐링은 약 500 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서 3 내지 5 시간 동안 이루어진다. 이러한 시간은 벨 어닐링(bell annealing)에 있어서 질소와 같은 불활성 대기 또는 수소와 질소의 혼합물과 같은 환원성 대기하에서의 시간이다.

또한, 스트립을 예를 들면, 약 600 ℃ 내지 약 950 ℃의 온도에서 0.5 분 내지 10 분 동안으로 스트립 어닐링시킬 수 있다.

제1 재결정 어닐링(20)은 철의 추가적인 석출 및 인화철의 생성을 야기한다. 이러한 석출은 당해 어닐링 및 후속적인 어닐링 중에 입자의 크기를 조절하며, 분산 경화에 의해 합금에 강도를 제공하고, 용액으로부터의 철을 구리 매트릭스로부터 수축시킴으로써 전기 전도도가 증가된다.

이어서, 당해 봉을 제2 냉간압연(22)시켜 약 30 ％ 내지 약 70 ％, 바람직하게는 35 ％ 내지 45 ％로 두께를 감소시킨다.

이어서, 스트립을 제1 재결정 어닐링과 동일한 시간 및 온도를 이용하여, 제2 재결정 어닐링(24)시킨다. 제1 및 제2 재결정 어닐링 후에, 평균 입자 크기는 3 내지 20 ㎛이다. 바람직하게는, 제조된 합금의 평균 입자 크기는 5 내지 10 ㎛이다.

다음에, 합금은 냉간압연(26)시켜, 통상적으로 0.25 ㎜(0.010 인치) 내지 0.38 ㎜(0.015 인치) 정도의 최종 게이지로 만든다. 본 최종 냉간압연은 구리 합금 C51000과 비교될만한 스프링성을 제공한다.

이어서, 당해 합금을 릴리프 어닐링(28)시켜 내응력완화성을 극대화시킨다. 릴리프 어닐링의 하나의 예로는 약 200 ℃ 내지 약 300 ℃의 온도에서 불활성 대기하에 1 내지 4 시간 동안의 벨 어닐링이 있다. 릴리프 어닐링의 두번째 예로는 약 250 ℃ 내지 약 600 ℃의 온도에서 약 0.5 내지 약 10 분 동안의 스트립 어닐링이 있다.

릴리프 어닐링(28) 후에, 당해 구리 합금 스트립은 스프링 또는 전기 접속기와 같은 목적하는 제품으로 제조된다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 70 ％ 내지 90 ％의 구리를 포함하는 본 발명의 합금은 반고체 주물 원료로 제조될 수 있다. 입자 정련제, 바람직하게는 철을 합금에 첨가한다. 최소의 효과적인 철 함량은 합금을 생주물 비-수지성 입자 구조를 갖도록 응고시키는 양이다. 적합한 철 범위는 0.05 ％ 내지 3.5 ％이다. 바람직하게는, 철 함량은 약 1.0 ％ 내지 2.0 ％이다.

철 함량이 0.05 ％ 미만인 경우, 입자 정련은 부적합하며, 수지상 형태를 연동시킨다. 철 함량이 3.5 ％를 초과하는 경우, 합금내에 형성될 수 있는 철 입자의 수 및 크기는 증가한다. 이는 도금 결점, 주물내의 경점 및 표면 결점을 유발할 수 있다.

철의 일부 또는 전체는 코발트로 대체될 수 있다.

후속적인 반고체 성형 원료(feedstock)의 제조시에 수행되는 재결정 어닐링 중에 핀 결정이 경계를 짓는 침전물을 형성하는 기타 원소를 합금에 첨가할 수 있다. 크롬, 티탄, 지르코늄 및 이들의 혼합물을 전체 0.4 ％ 이하의 양으로 제공할 수 있다.

반고체 성형 제조 범위를 증가시키기 위해 주석을 합금에 첨가한다. 효과적인 최소 주석 함량은 20 ℃의 최소 반고체 성형 제조 범위 및 바람직하게는, 30 ℃의 최소 반고체 성형 제조 범위를 제공하는 양이다. 적합한 주석 함량은 1 ％ 내지 4 ％, 바람직하게는 1 ％ 내지 2 ％이다. 주석 함량이 1 ％ 미만인 경우, 반고체 성형 제조 범위는 상업적인 조작에 있어서 너무 좁아진다. 주석 함량이 4 ％를 초과하는 경우, 바람직하지 못한 구리/주석 금속간 물질이 형성된다.

또한, 구리 합금에 기타 첨가물을 첨가하면 용리된 저용융상이 형성되며, 도 8 내지 도 10은 주석의 우수한 효과를 나타낸 것이다. 도 8은 이성분 알루미늄-구리 상 그림을 그래프적으로 도시한 것이다. 참조 화살표(30)에 의해 표시된 영역에서, 약 1 ％ 내지 4 ％의 알루미늄을 나타내는, 응고선(liquidus)(32)과 고상선(solidus)(34) 사이의 거리는 좁은 반고체 성형 제조 범위내에 작게 생성된다.

도 9는 규소가 구리 합금에 첨가되는 경우의 유사한 좁은 반고체 성형 제조 범위를 참조 화살표(36)에 의해 나타낸 것이다.

도 10은 주석이 첨가된 합금내에 생성된 응고선(40)과 고상선(42) 사이의 상당히 넓어진 범위를 참조 화살표(38)에 의해 나타낸 것이다. 본 합금은 좀더 넓으며, 공정 조절 관점에서 우수한 반고체 성형 제조 범위를 갖는다.

바람직한 합금은 10 ％ 내지 35 ％의 아연, 바람직하게는 약 15 ％ 내지 30 ％의 아연을 갖는 황동이다. 본 범위내에서, 합금은 황금색 내지 황색 및 수용가능한 강도를 갖는다. 반고체 성형가능한 합금은 특히 수도 꼭지와 같은 배관용 설비; 문 손잡이 및 자물쇠 제품과 같은 건축용 철물; 및 골프 클럽 제품과 같은 운동 용품의 반고체 제조에 유용하다. 황금색 내지 황색을 유지시키기 위해서, 니켈 및 망간과 같은 백색화 첨가물은 피하는 것이 바람직하다. 합금은 1 ％ 미만의 니켈 또는 망간, 및 바람직하게는 전체 0.5 ％ 미만의 니켈 및 망간을 포함해야 한다.

도 14는 반고체 성형 원료로부터 단조되기에 특히 적합한 수도 꼭지체(44)를 나타내는 단면도를 도시한 것이다. 본 수도 꼭지체는 쓰레드(46) 및 복잡한 형태의 금형을 필요로 하는 만곡부(48)를 포함한다. 반고체 성형에 있어 보다 낮은 온도를 이용하면 금형의 수명은 증가된다. 반고체 성형에 이용된 전단 압력은 금속이 쓰세드(46) 및 기타의 수도 꼭지체에 꼭 맞도록 보장되어야 한다.

특히 황동으로부터 제조된 반고체 성형 원료로 특별히 제한되나, 철 및 주석을 특정량 첨가하면, 기타 구리계 합금으로부터 반고체 성형 원료를 향상시키는 것으로 여겨진다. 기타 적합한 구리계 합금은 고함량의 구리(85 ％ 이상의 구리), 동(구리 + 10 ％ 이하의 주석), 알루미늄 동(구리 + 12 ％ 이하의 알루미늄), 백동(구리 + 35 ％ 이하의 니켈) 및 니켈실버(구리 + 25 ％ 이하의 니켈 + 40 ％ 이하의 아연)을 포함하는 것으로 여겨진다.

본 발명의 합금의 이점은 하기 실시예로부터 보다 명백히 이해될 것이다.

실시예 1

10.5 ％의 아연, 1.7 ％의 주석, 0.04 ％의 인, 0 ％ 내지 2.3 ％의 철 및 나머지 구리를 포함하는 구리 합금은 도 1의 방법에 따라 제조된다. 릴리프 어닐링(28) 후에, 절취 시편의 항복 강도 및 극한 인장 강도, 50.8 ㎜(2 인치)의 게이지 길이를 실온(20 ℃)에서 측정한다.

0.2 ％ 오프셋 항복 강도 및 인장 강도를 인장 측정기(Tinius Olsen, Willow Grove, PA)로 측정한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 철을 0 ％ 내지 1 ％ 증가시키면 항복 강도가 상당히 증가된다. 또한, 철 함량의 증가는 강도에 있어서 최소의 영향만을 미치지만, 스트링거도 마찬가지로 증가시킬 것이다.

도 3은 철 함량과 극한 인장 강도 사이의 유사한 관계를 도시한 그래프이다.

실시예 2

10.4 ％의 아연, 1.8 ％의 철, 0.04 ％의 인, 1.8 ％ 내지 4.0 ％의 주석 및 나머지 구리를 포함하는 구리 합금은 도 1의 방법에 따라 제조된다. 릴리프 어닐링 조건(28)내의 시험 절취 시편의 항복 강도 및 극한 인장 강도를 측정한다.

도 4는 주석 함량이 증가하면 항복 강도가 증가됨을 도시한 그래프이다. 도 5는 극한 인장 강도에 관한 주석 첨가의 동일한 효과를 도시한 그래프이다.

주석의 양이 단원자적으로 되면 강도가 증가하면서 전도도는 감소하므로, 주석 함량은 목적하는 강도와 전도도 사이에서 조절되어야 한다.

실시예 3

1.9 ％의 철, 1.8 ％의 주석, 0.04 ％의 인, 0 ％ 내지 15 ％의 아연 및 나머지 구리를 포함하는 구리 합금은 도 1에 따라 제조된다. 릴리프 어닐링 조건(28)내의 시험 절취 시편의 항복 강도 및 극한 인장 강도를 측정한다.

도 6은 약 5 ％ 미만의 아연 함량은 당해 합금의 강도에 영향을 미치지 않고, 상술한 바와 같이, 철의 입자 정련능을 향상시키지 않음을 그래프식으로 도시한 것이다. 5 ％ 이상의 아연에서는, 합금의 강도는 증가되지만, 전기 전도도는 감소된다.

도 7은 당해 합금의 극한 인장 강도에 관한 아연 첨가의 동일한 효과를 도시한 그래프이다.

실시예 4

표 3은 도 1에 따라 제조된 일련의 합금을 나타낸 것이다. 합금 A는 미국 특허 제5,882,442호에 기재된 형태의 합금이다. 합금 B 및 C는 본 발명에 따른 합금이며, 합금 D는 통상적인 구리 합금 C510이다. 모든 특성은 합금이 70 ％의 두께로 냉간압연 압하된 후의 스프링 템퍼시에 측정된다.

합금	조성	전기 전도도％ IACS	인장 강도MPa (ksi)	항복 강도MPa (ksi)
A	1.8 Sn2.2 Fe0.06 P잔여량의 Cu	33 ％	683 (99)	682 (96)
B	1.8 Sn2.2 Fe0.06 P5.0 Zn잔여량의 Cu	29 ％	683 (99)	648 (94)
C	1.8 Sn2.2 Fe0.06 P10.0 Zn잔여량의 Cu	25 ％	745 (108)	696 (101)
D	4.27 Sn0.033 P잔여량의 Cu	17 ％	703 (102)	662 (96)

표 3은 5 ％의 아연의 첨가는 합금의 강도를 증가시키지 않으며, 전기 전도도를 약간 감소시킨다는 사실을 보여준다. 10 ％의 아연을 첨가하면 강도에 바람직한 영향을 미친다.

압연량의 강도가 비교되는 표 4로부터 아연 첨가의 이점이 보다 명백해진다.

합금	압하(％)	YSMPa (ksi)	TSMPa (ksi)	MBR/tGW	MBR/tBW
A	25	552 (80)	572 (83)	1.0	1.3
C	25	579 (84)	607 (88)	0.8	1.6
A	33	572 (83)	593 (86)	1.0	1.3
C	33	614 (89)	648 (94)	0.9	2.1
A	58	662 (96)	683 (99)	1.7	3.9
C	60	662 (96)	703 (102)	1.6	6.4
A	70	690 (100)	717 (104)	1.9	6.3
C	70	696 (101)	745 (108)	1.9	≥7
압하(％)= 최종 냉간 작업 단계(도 1의 참조 번호 26)에서의 두께 감소 ％.YS = 항복 강도 MPa(ksi)TS = 인장 강도 MPa(ksi)MBR/t(GW) = 만곡의 180°반경 주위에 형성된 좋은 방향의 굽힘.MBR/t(BW) = 만곡의 180°반경 주위에 형성된 나쁜 방향의 굽힘.

아연 첨가의 추가적인 이점은 합금 C에서 성취된 개선된 좋은 방향의 굽힘이다. 굽힘 가공성은 12.7 ㎜(0.5 인치) 폭의 스트립을 공지된 만곡 반경을 갖는 맨드렐(mandrel) 주위의 180°로 굽힘으로써 측정된다. 스트립이 균열 또는 "오렌지 필링" 없이 굽혀질 수 있는 최소의 맨드렐이 굽힘 가공성 값이다. "좋은 방향" 굽힘은 시이트 면내의 축 주위의 시이트의 면내에서 이루어지고, 축은 스트립의 두께가 감소되는 중에 시이트의 세로 방향(압연 방향)에 수직이다. "나쁜 방향" 굽힘은 압연 방향에 평행한 축 주위의 시이트의 면내에서 이루어진다. 굽힘 가공성은 명백하지 않은 균열 또는 오렌지 필링이 일어나는 최소 굽힘 반경을 스트립 두께로 나눈, MBR/t로서 나타낸다.

통상적으로, 강도가 증가하면 굽힘 가공성은 저하된다. 그러나, 본 발명의 합금에 10 ％의 아연을 첨가하면 강도와 좋은 방향 굽힘이 모두 증가한다.

실시예 5

도 11은 30Zn-1.5Fe-1.5Sn 구리 합금의 공칭 조성물의 생주물 미세구조의 배율 500 에서의 광현미경 사진이다. 입자 구조는 연마된 합금 시료를 20 ㎖의 수산화암모늄, 5 ㎖의 3 ％ 과산화수소 및 20 ㎖의 물로 이루어진 용액내에 20 ℃에서 5 내지 10 초 동안 에칭시킴으로써 가시화된다. 입자 구조는 약 60 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는 고도의 비-수지상이다. 각각의 입자(48)는 저융점상(50)으로 둘러싸여 있다. 또한, 입자 정련용 핵인, 예비포정 철 디스퍼소드(dispersoid)(52)가 명확히 보인다. 시차 열분석 데이타에 의하면 본 합금의 냉각 범위는 860 내지 950 ℃로 측정된다. 반고체 성형 온도 범위는 약 900 내지 920 ℃이다.

도 12는 도 11의 합금의 미세구조의 배율 100 에서의 광현미경 사진이다. 본 합금은 910 ℃의 온도에서 반고체 성형된 후 수중 담금질되어 미세구조가 보존된다. 910 ℃에서, 직경이 약 80 ㎛로 측정된, 입자(48)는 당해 물질이 매우 작은 전단력하에서도 균일하게 유동되도록 하는 충분한 액체로 둘러싸인다. 형성된 후, 미세구조가 유지되는 매우 작은 철상(52)을 제외한, 본 합금을 550 ℃/4시간으로 열처리함으로써 균일화시킬 수 있다. 본 합금의 황색은 실제로 합금 C260과 구별할 수 없다.

표준 기본 합금과 조화된 색상을 강화시키고, 인장/전도도 목표를 조절하고/하거나 버프(buff) 또는 도금성 표피를 제공하기 위한 형성 후 열 처리시키기 위한 바람직한 조성을 선택할 수 있다.

도 13은 공칭 조성물인 15Zn-2.0Fe-2.0Sn 구리 합금의 미세구조의 배율 100 에서의 광현미경 사진이다. 입자(48)(약 80 ㎛) 및 분산된 철(52)은 가시적이며, 액체의 부피분획이 도 12에 나타낸 것 미만이지만, 본 합금은 매우 작은 전단력하에서도 상당히 균일하게 유동한다. 본 합금의 색상은 황색이라기 보다는 황금색에 가까우며, 합금 C230의 색상(85 ％의 구리와 15 ％의 아연의 공칭 조성물)과 유사하다.

본 발명의 합금이 특히 직접 냉강주물 관점에서 기술되었지만, 마찬가지로 기타 방법에 의해 주조될 수 있다. 기타 몇몇 방법들은 분무 주조 및 스트립 주조와 같이 보다 높은 냉각 속도를 갖는다. 보다 높은 냉각 속도는 예비포정 철 입자의 크기를 감소시키며, 임계 최대 철 함량을 4 ％와 같이 보다 높은 값으로 이동시키는 것으로 생각된다.

본 발명에 따라 상술한 본 발명의 목적, 수단 및 이점을 완전히 만족시키는 철 개질된 인청동이 제공된다는 사실이 명백하다. 본 발명은 이들의 양태와 결합되어 기술되었지만, 상술한 설명에 비추어 볼 때 수 많은 또 다른 변형 및 변화가 당해 기술 분야의 숙련가에게 명백할 것이다. 따라서, 이는 첨부된 청구의 범위의 취지 및 넓은 범주내에 속하는 이와 같은 모든 임의의 변형 및 변화를 포함하는 것이다.

Claims (11)

1. 주석 1 중량％ 내지 4 중량％;

   철 1.6 중량％ 내지 4.0 중량％;

   아연 9 중량％ 내지 35 중량％;

   인 0.4 중량％ 이하;

   규소 0.03 중량％ 이하;

   망간 0.9 중량％ 이하 및

   잔여량의 구리와 불가피한 불순물로 필수적으로 이루어진 것으로서, 정련된 생주물(as-cast) 평균 결정 입자 크기가 100 ㎛ 미만인 연(wrought)구리 합금.
2. 제1항에 있어서, 니켈 0.3 중량％ 내지 1.8 중량％를 추가로 포함함을 특징으로 하는 구리 합금.
3. 제2항에 있어서, 아연의 일부가 1:1의 원자비로 알루미늄으로 대체됨을 특징으로 하는 구리 합금.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 니켈, 코발트, 마그네슘, 베릴륨, 지르코늄, 티탄, 크롬 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 첨가물을 추가로 포함하며, 당해 첨가물의 각각의 성분이 0.4 중량％ 미만의 양으로 제공됨을 특징으로 하는 구리 합금.
5. 제4항에 있어서, 0.13 ㎜(0.005 인치) 내지 0.38 ㎜(0.015 인치)의 두께 및 3 ㎛ 내지 20 ㎛의 평균 최종 게이지(gauge) 입자 크기로 가공됨을 특징으로 하는 구리 합금.
6. 구리 65 중량％ 내지 90 중량％;

   입자 정련제로서의 철 1 ％ 내지 3.5 중량％;

   융점 저하제, 20 ℃의 최소 요변성형 가공 범위를 제공하기에 효과적인 양 내지 3.5 중량％ 이하;

   니켈 1 중량％ 미만; 및

   잔여량의 아연 및 불가피한 불순물로 필수적으로 이루어진 반고체 성형 원료용 구리 합금.
7. 제6항에 있어서, 철의 적어도 일부가 코발트로 대체됨을 특징으로 하는 구리 합금.
8. 제6항에 있어서, 크롬, 지르코늄, 티탄 또는 이들의 혼합물 0.4 중량％ 이하를 추가로 함유함을 특징으로 하는 구리 합금.
9. 제6항에 있어서, 융점 저하제가 주석임을 특징으로 하는 구리 합금.
10. 제9항에 있어서, 주석이 1 중량％ 내지 4 중량％의 양으로 제공됨을 특징으로 하는 구리 합금.
11. 제6항 내지 제10항 중의 어느 한 항의 구리 합금으로 성형된 배관용 설비.