KR20050004368A - 금색을 유지하는 황동합금 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 금색을 유지하는 황동합금 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른, 금색을 유지하는 황동합금은, 57.0∼61.0중량%의 구리(Cu)와, 2.0∼3.50중량%의 납(Pb)과, 0.10∼0.70중량%의 주석(Sn)과, 0.2∼0.5중량%의 알루미늄(Al)과, 0.01∼0.10중량%의 마그네슘(Mg)과, 나머지 중량%의 아연(Zn)으로 구성된 화학조성을 갖는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 유동성과 가공성이 우수하며 열간 가공 후에도 표면 색상의 미려함이 변색되지 않으므로 종래 색채감을 얻기 위해 시행되는 산세 과정을 생략할 수 있어 제작되는 황동합금의 원가를 절감할 수 있고 친환경적으로 제조할 수 있게 된다.

Description

금색을 유지하는 황동합금 및 그 제조방법{Brass alloys which maintain a golden color and manufacturing method thereof}

본 발명은, 금색을 유지하는 황동합금 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 유동성과 가공성이 우수하면서도 황동의 독특한 광택을 나타나게 하는, 금색을 유지하는 황동합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

황동은 구리(Cu)-아연(Zn)계 합금으로서 30∼45% 아연(Zn)을 함유하고 있으며, 오래 전부터 산업용 및 건축용 재료, 수전금구류(水栓金具類)와 각종 장식품 등으로 널리 사용되고 있다.

황동은 존재하는 상에 따라 분류되는데, 대략 36% 아연(Zn)까지 함유한 황동은 면심입방정(FCC)의 결정구조를 기본으로 하는 α상이 존재하므로 α-황동으로불리며, 38% 아연(Zn) 이상을 함유한 황동은 α상 뿐만 아니라 체심입방정(BCC)의 결정구조를 지닌 β상도 존재하므로 α+β황동으로 불린다. 그런데 β상은 고온 불규칙 구조로서 냉각 시 460℃부근에서 저온 규칙구조인 β상으로 급속히 변태되므로, 상온에서 α+β황동 내에 존재하는 실제 상은 α+β′이다. 상업적으로는 소량의 주석(Sn), 알루미늄(Al), 납(Pb), 철(Fe), 망간(Mn), 규소(Si), 니켈(Ni) 등의 합금원소를 첨가하여 원하는 강도, 인성, 기계 가공성, 성형성, 색깔 및 내부식성을 얻으며, 다양한 조성의 황동합금이 현재 개발되어 기계, 전기, 전자, 자동차용품, 건축용 자재 뿐만 아니라 일상 생활용품에 이르기까지 매우 다양한 용도로 사용되고 있다.

그런데, 황동합금은 이와 같은 다양한 용도에 맞추어 그에 적합한 성질을 지녀야 하며, 그에 적합한 성질을 지니는 합금을 얻기 위해서는 전술한 바와 같이 각종의 합금원소가 첨가되게 된다. 이중, 가장 많이 요구되는 물성중의 하나가 가공성이고, 가공성을 향상시키기 위하여 0.1∼4.5중량%의 납(Pb)이 첨가되며, 납(Pb)은 황동에서 고용도가 거의 없어, 입자상태로 조직에 분포하게 됨에 따라 가공 중에 칩(chip)을 잘게 부수는 효과가 있고, 또한, 가공 시 발생되는 열에 의해 상대적으로 융점이 낮은 납(Pb)이 윤활제 역할을 함에 따라 가공 저항력을 감소시키는 효과가 있으며, 절삭공구의 수명을 연장시켜주는 효과도 동반하게 되므로 쾌삭황동을 제조하는 데에는 필수적인 첨가물로 취급되어 왔다. 그러나 쾌삭황동은 열간 가공 시 표면이 산화되어 황동합금 고유의 금색을 잃어버리게 되므로 열간 가공 후에도 황동합금 고유의 금색을 유지하기 위해서 필히 금도금 및 산세 처리를 수행하여야 한다.

이와 같이, 종래의 황동합금에 있어서는, 내식성이 양호하면 색채감과 잉고트 제조 및 정밀 주조 시 필요한 유동성이 불량하고 광택이 양호하면 내식성과 유동성이 저하되므로 가공성이 우수하면서도 광택이 양호하고 우수한 기계적 성질을 갖는 황동합금을 제조하기 위해서는, 내식성과 유동성이 양호한 황동합금을 선택하여 제조한 후 색채감을 얻기 위한 금도금 및 산세 처리를 반드시 다시 시행하여야 하였으므로, 금도금 및 산세 처리에 의하여 황동합금 제품의 원가가 상승되고 또한 수질 및 대기오염이 발생되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 종래의 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 유동성과 가공성이 우수하며 열간 가공 후에도 표면 색상의 미려함이 변색되지 않으므로 종래 색채감을 얻기 위해 시행되는 산세 과정을 생략할 수 있어 제작되는 황동합금의 원가를 절감할 수 있고 친환경적으로 제조할 수 있는 금색을 유지하는 황동합금 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 금색을 유지하는 황동합금의 제1실시예, 제2실시예와 본 발명의 황동합금과 상이한 비교실시예의 화학조성범위를 도시한 도면,

도 2a 내지 도 2c는 각각 도 1의 비교실시예, 제1실시예, 제2실시예의 표면색을 비교하기 위하여 열간압출된 황동합금 제품을 촬영한 사진이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 57.0∼61.0중량%의 구리(Cu)와, 2.0∼3.50중량%의 납(Pb)과, 0.10∼0.70중량%의 주석(Sn)과, 0.2∼0.5중량%의 알루미늄(Al)과, 0.01∼0.10중량%의 마그네슘(Mg)과, 나머지 중량%의 아연(Zn)으로 구성된 화학조성을 갖는 것을 특징으로 하는 금색을 유지하는 황동합금에 의해 달성된다.

또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 57.0∼61.0중량%의 구리(Cu)와,2.0∼3.50중량%의 납(Pb)과, 0.10∼0.50중량%의 철(Fe)과, 0.10∼0.70중량%의 주석(Sn)과, 0.2∼0.5중량%의 알루미늄(Al)과, 0.1∼0.5중량%의 니켈(Ni)과, 0.01∼0.05중량%의 안티몬(Sb)과, 0.001∼0.03중량%의 규소(Si)와, 0.01∼0.10중량%의 마그네슘(Mg)과, 나머지 중량%의 아연(Zn)으로 구성된 화학조성을 갖는 것을 특징으로 하는 금색을 유지하는 황동합금에 의해서도 달성된다.

여기서, 상기 알루미늄(Al)의 함량은 0.3∼0.5중량%이고, 상기 마그네슘(Mg)의 함량은 0.02∼0.05중량%인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 57.0∼61.0중량%의 구리(Cu)와, 2.0∼3.50중량%의 납(Pb)과, 0.10∼0.50중량%의 철(Fe)과, 0.10∼0.70중량%의 주석(Sn)과, 0.2∼0.5중량%의 알루미늄(Al)과, 0.1∼0.5중량%의 니켈(Ni)과, 0.01∼0.05중량%의 안티몬(Sb)과, 0.001∼0.03중량%의 규소(Si)와, 0.01∼0.10중량%의 마그네슘(Mg)과, 나머지 중량%의 아연(Zn)으로 구성된 화학조성을 가지도록, 황동스크랩, 아연(Zn), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 납(Pb), 마그네슘(Mg) 지금(地金)을 배합 계산하여 용해로에 장입하여 950℃∼1050℃ 범위에서 1∼2시간 동안 용해시켜 상기 화학조성을 맞추는 단계; 상기 용해로의 온도를 1060℃∼1090℃로 올려 5∼15분간 유지하면서 비금속개재물을 제거하는 단계; 및 상기 용해로의 온도를 980℃∼1050℃로 내려 출탕시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금색을 유지하는 황동합금의 제조방법이 제공된다.

이하에서는 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 금색을 유지하는 황동합금은, 57.0∼61.0중량%의 구리(Cu)와, 2.0∼3.50중량%의 납(Pb)과, 0.10∼0.70중량%의 주석(Sn)과, 0.2∼0.5중량%의 알루미늄(Al)과, 0.01∼0.10중량%의 마그네슘(Mg)과, 나머지 중량%의 아연(Zn) 및 불가피한 불순물의 화학성분 조성을 갖는다. 즉 알루미늄(Al)과 마그네슘(Mg)을 적당한 양만큼 첨가하여 유동성 향상 및 열간 가공 후에도 표면 색상의 미려함이 변색되지 않도록 개발된 것이다.

그런데, 본 발명에 따른 금색을 유지하는 황동합금은 주로 기존의 황동스크랩을 사용하여 제조되기 때문에 기존의 황동스크랩을 사용하는 경우, 위 조성원소에 포함되지 않은 철(Fe), 니켈(Ni), 안티몬(Sb), 규소(Si)를 배제하기란 대단히 어려울 뿐만 아니라 그 처리비용이 과다하므로, 본 발명에 따른 금색을 유지하는 황동합금은 일반적으로, 57.0∼61.0중량%의 구리(Cu)와, 2.0∼3.50중량%의 납(Pb)과, 0.10∼0.50중량%의 철(Fe)과, 0.10∼0.70중량%의 주석(Sn)과, 0.2∼0.5중량%의 알루미늄(Al)과, 0.1∼0.5중량%의 니켈(Ni)과, 0.01∼0.05중량%의 안티몬(Sb)과, 0.001∼0.03중량%의 규소(Si)와, 0.01∼0.10중량%의 마그네슘(Mg)과, 나머지 중량%의 아연(Zn)으로 구성된 화학조성을 갖는다.

다음은, 본 발명에 따른 금색을 유지하는 황동합금에 함유된 주요 성분들의 특성 및 함량 조건에 대하여 설명한다.

마그네슘(Mg)은 비중이 1.74의 대표적인 경금속원소의 하나로서 비교적 저가이면서 무독성의 성질을 갖는다. 그리고 미량의 첨가에 의해서 도전율을 해치지 않으면서도 가공 경화성을 우수하게 하여 강도의 증가를 크게 하는 효과를 얻을 수 있으며, 표면에 MgO 산화피막을 형성하여 열간 가공 후에도 황동합금 고유의 금색을 유지시키는 효과를 나타낸다. 또한 산소와의 친화력이 커서 황동합금의 용해 주조 시 도전율을 해치기 쉬운 인탈산 등에 의한 탈산처리없이도 충분한 탈산효과를 얻을 수 있고, 합금 내 잔존산소량을 적게 함으로서 합금의 내식성을 개선하는 효과도 얻을 수 있다. 반면에 황동합금 용해 시 마그네슘(Mg)은 동과 비중차이가 커서 잘 섞이지 않을 뿐 아니라 용탕의 유동성을 크게 저하시키므로 주조 작업성이 떨어지고, 지나친 탈산으로 재료를 취약하게 할 우려가 있다. 이러한 단점을 개선하기 위하여 본 발명에서는 후술할 알루미늄(Al)을 첨가하여 마그네슘(Mg)의 합금화도 용이하게 해 줄 뿐만 아니라 용탕의 유동성을 좋게 함으로써 주조성을 향상시키게 하는데, 알루미늄(Al) 첨가 그 자체로는 황동합금의 조직을 미세화 시키게 된다. 한편, 마그네슘(Mg)의 함량은, 본 발명에 따른 황동합금의 빌렛을 열간 압출한 결과 0.01∼0.10중량% 첨가 시 압출된 이형재의 표면색이 금색을 유지하였으므로 0.01∼0.10중량%로 한다.

알루미늄(Al)은 전술한 바와 같이 황동합금의 용해 및 주조 시 조직을 미세화하여 유동성 및 내수성을 향상시켜 주조성을 향상시키는 역할을 하며, 주조품 표면에 보호 피막을 형성시키는 역할을 하고 또한 탈산 효과를 나타낸다. 알루미늄(Al)은 0.1중량% 이하로 함유되는 경우에는 용융상태에서 유동성이 나빠지게 되고, 0.5중량% 이상 함유되는 경우에는 유동성이 높아져서 주조성이 향상될 수 있으나 용탕내에서 산화알루미늄(Al₂O₃)을 형성하여 황동합금의 형성에 불리한 영향을 미치고 규소(Si)와 같이 존재하는 경우 화합물을 형성하므로, 산화물 발생을 줄이고 용탕의 유동성을 향상시키기 위하여 0.2∼0.5중량%로 한다 .

납(Pb)은 3.5중량% 이상이면 주조 시 편석과 열간취성이 발생하는 문제가 있고 주조품의 기계가공성 또는 냉간가공성을 향상시키기 위하여 2.0∼3.5중량%를 첨가하는데, 3.3중량%보다 높은 경우에는 수축공 결함이 생길 수도 있으므로 이러한 염려가 있는 경우에는 3.3중량%까지만 첨가하는 것이 바람직하다. 그리고 납(Pb)은 주로 탈산제 역할을 하나 소량만으로도 열간 균열을 발생시키므로 잔류 함량은 극히 억제하여야 한다.

주석(Sn)은 주조성 뿐만 아니라 내식성을 향상시켜 납(Pb)의 용출을 억제하기 위하여 첨가되는 원소로서, 0.1중량% 이하에서는 주조성 향상에 효과를 얻기가 어려우며 0.7중량%이상 첨가되는 경우에는 취약한 감마(γ) 상을 형성하여 기계적 특성이 악화되는 문제가 있으므로, 0.1∼0.7중량%를 첨가하여야 한다.

니켈(Ni)은 주석(Sn)의 내식성 향상을 위한 보조제로서 첨가되는 것으로 주석(Sn) 보다는 적게 0.15∼0.5중량% 첨가한다.

철(Fe)은 기계적 강도를 향상하기 위하여 첨가되는 것으로서, 함량이 많아지면 기계적 강도는 향상될 수 있으므로, 0.1중량% 이상으로 첨가하여야 하나, 0.5중량% 이상 함유되는 경우에는 다른 금속과 금속간 화합물을 형성하여 합금이 취약해지는 문제가 있다.

한편, 납(Pb), 철(Fe), 주석(Sn)의 함량이 높으면 수축공의 결함이 발생하기 쉽다. 따라서 수축이 발생하기 쉬운 제품에서는 철(Fe)+주석(Sn)이 1.2중량%를 초과하지 말아야 한다.

이러한 화학조성을 갖는 본 발명에 따른 금색을 유지하는 황동합금의 제조방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.

우선, 57.0∼61.0중량%의 구리(Cu)와, 2.0∼3.50중량%의 납(Pb)과, 0.10∼0.50중량%의 철(Fe)과, 0.10∼0.70중량%의 주석(Sn)과, 0.2∼0.5중량%의 알루미늄(Al)과, 0.1∼0.5중량%의 니켈(Ni)과, 0.01∼0.05중량%의 안티몬(Sb)과, 0.001∼0.03중량%의 규소(Si)와, 0.01∼0.10중량%의 마그네슘(Mg)과, 나머지 중량%의 아연(Zn)으로 구성된 화학조성을 가지도록, 황동스크랩, 아연(Zn), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 납(Pb), 마그네슘(Mg) 지금(地金)을 배합 계산하여 용해로에 장입하여 950℃∼1050℃ 범위에서 1∼2시간 동안 용해시켜 전술한 화학성분 조성을 맞춘다. 본 발명의 제조방법에서와 같이, 황동스크랩을 사용할 때에는 황동규격의 각 성분들이 소재의 기계적 성질 및 주조 특성에 미치는 영향이 다양하기 때문에, 적어도 구리(Cu), 납(Pb), 철(Fe), 주석(Sn) 등의 함량은 확실히 관리할 필요가 있다. 그리고 용해는 도가니로나 구형(Channel type) 유도로에서 행해지며, 알루미늄(Al)의 첨가는 용해 중 또는 출탕 및 주입 시에 아연(Zn)의 산화를 방지시켜 주게 된다.

그런 다음에, 용해로의 온도를 1060℃∼1090℃로 올려 5∼15분간 유지하면서 비금속개재물을 제거하게 된다. 비금속개재물은 제품의 표면에 결함(pit)을 유발시키는 요인이 되므로, 용해로 온도를 1060℃∼1090℃로 올려 5∼15분간 유지시키면서, 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 반드시 제거시켜야 한다.

다음으로 용해로의 온도를 980℃∼1050℃로 내려 빌렛 및 잉고트 상태의 금속으로 출탕한다.

이하, 본 발명을 실시예 및 비교실시예를 통하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 금색을 유지하는 황동합금의 제1실시예, 제2실시예와 본 발명의 황동합금과 상이한 비교실시예의 화학조성범위를 도시한 도면으로서, 이에 도시된 바와 같이, 제1실시예와 제2실시예는 전술한 성분 조성에 맞춘 본 발명에 따른 금색을 유지하는 황동합금의 실시예들이며, 비교실시예는 이 들과 비교되는 본 발명의 황동합금과 상이한 실시예이다. 여기서 제1실시예와 제2실시예는, 0.02∼0.05중량%의 마그네슘(Mg)을 함유한 본 발명의 황동합금과 0.06∼0.10중량%의 마그네슘(Mg)을 함유한 본 발명의 황동합금을 비교하기 위하여 각각 0.05중량%와 0.07중량%의 마그네슘(Mg)을 함유하여 제작된 황동합금이다.

도 2a 내지 도 2c는 각각 도 1의 비교실시예, 제1실시예, 제2실시예의 표면색을 비교하기 위하여 열간압출된 황동합금 제품을 촬영한 사진으로서, 이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 황동합금의 빌렛을 열간 압출한 결과 0.01∼0.10중량% 첨가 시 압출된 이형재품의 표면색이 금색을 유지하였으며, 특히 0.30∼0.5중량% 알루미늄(Al)과 함께 0.02∼0.05중량% 마그네슘(Mg)을 첨가하였을 경우 14K 또는 18K의 금도금을 한 것과 같은 표면 색과 광택의 효과를 얻을 수 있었다.

이상과 같이, 본 발명에서는, 57∼65중량%의 Cu와, 1.0∼6.0중량%의 Al과, 0.5∼3.0중량%의 Ni와, 0.5∼3.0중량%의 Si와, 0.5∼5.0중량%의 Mn과, 0.03∼2.5중량%의 Ti와, 0.01∼1.0중량%의 C와, 나머지 중량%의 Zn 및 불가피한 불순물로 구성된 화학조성을 갖도록 함으로써, 유동성과 가공성이 우수하면서도 열간 가공 후에도 표면 색상의 미려함이 변색되지 않도록 한 금색을 유지하는 황동합금이 제공된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 유동성과 가공성이 우수하며 열간 가공 후에도 표면 색상의 미려함이 변색되지 않으므로 종래 색채감을 얻기 위해 시행되는 산세 과정을 생략할 수 있어 제작되는 황동합금의 원가를 절감할 수 있고 친환경적으로 제조할 수 있도록 한 금색을 유지하는 황동합금 및 그 제조방법이 제공된다.

Claims (4)

1. 57.0∼61.0중량%의 구리(Cu)와, 2.0∼3.50중량%의 납(Pb)과, 0.10∼0.70중량%의 주석(Sn)과, 0.2∼0.5중량%의 알루미늄(Al)과, 0.01∼0.10중량%의 마그네슘(Mg)과, 나머지 중량%의 아연(Zn)으로 구성된 화학조성을 갖는 것을 특징으로 하는 금색을 유지하는 황동합금.
2. 57.0∼61.0중량%의 구리(Cu)와, 2.0∼3.50중량%의 납(Pb)과, 0.10∼0.50중량%의 철(Fe)과, 0.10∼0.70중량%의 주석(Sn)과, 0.2∼0.5중량%의 알루미늄(Al)과, 0.1∼0.5중량%의 니켈(Ni)과, 0.01∼0.05중량%의 안티몬(Sb)과, 0.001∼0.03중량%의 규소(Si)와, 0.01∼0.10중량%의 마그네슘(Mg)과, 나머지 중량%의 아연(Zn)으로 구성된 화학조성을 갖는 것을 특징으로 하는 금색을 유지하는 황동합금.
3. 제2항에 있어서,

   상기 알루미늄(Al)의 함량은 0.3∼0.5중량%이고, 상기 마그네슘(Mg)의 함량은 0.02∼0.05중량%인 것을 특징으로 하는 금색을 유지하는 황동합금.
4. 57.0∼61.0중량%의 구리(Cu)와, 2.0∼3.50중량%의 납(Pb)과, 0.10∼0.50중량%의 철(Fe)과, 0.10∼0.70중량%의 주석(Sn)과, 0.2∼0.5중량%의 알루미늄(Al)과, 0.1∼0.5중량%의 니켈(Ni)과, 0.01∼0.05중량%의 안티몬(Sb)과, 0.001∼0.03중량%의 규소(Si)와, 0.01∼0.10중량%의 마그네슘(Mg)과, 나머지 중량%의 아연(Zn)으로 구성된 화학조성을 가지도록, 황동스크랩, 아연(Zn), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 납(Pb), 마그네슘(Mg) 지금(地金)을 배합 계산하여 용해로에 장입하여 950℃∼1050℃ 범위에서 1∼2시간 동안 용해시켜 상기 화학조성을 맞추는 단계;

   상기 용해로의 온도를 1060℃∼1090℃로 올려 5∼15분간 유지하면서 비금속개재물을 제거하는 단계; 및

   상기 용해로의 온도를 980℃∼1050℃로 내려 출탕시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금색을 유지하는 황동합금의 제조방법.