KR20060085694A

KR20060085694A - 구리베이스 합금과 그 합금을 사용한 주괴·접액 부품

Info

Publication number: KR20060085694A
Application number: KR1020067007235A
Authority: KR
Inventors: 데루히코 호리고메; 가즈히토 구로세
Original assignee: 가부시키가이샤 기츠
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2006-07-27
Also published as: GB2422846B; KR100776809B1; WO2005054527A1; GB2422846A; CA2547664A1; GB0610548D0; CN1890392A; JP2005187931A; CN1890392B; US7695578B2; US20070113935A1; JP3830946B2; CA2547664C

Abstract

납의 함유량을 억제하면서, 마이크로 포로시티의 집중발생을 억제하고, 합금의 건전성을 향상시킨 구리베이스 합금과 그 합금을 사용한 주괴·접액 부품을 제공한다. 구리베이스 합금의 응고과정에서, 이 합금중의 덴드라이트 간극에, 고상선을 초과하는 온도에서 응고하는 금속간 화합물을 정출시켜, 용질의 이동을 억제하여 마이크로 포로시티를 분산시킴과 동시에, 상기 금속간 화합물의 정출에 의해, 액상선 미만의 온도에서 응고하는 저융점 금속 또는 저융점의 금속간 화합물을 분산 정출시켜, 이 저융점 금속 또는 저융점의 금속간 화합물이 상기 포로시티에 들어가, 마이크로 포로시티의 발생을 억제함으로써 합금의 건전성을 향상시킨 구리베이스 합금이다.

납, 마이크로 포로시티, 합금, 구리베이스, 주괴, 접액, 덴드라이트.

Description

구리베이스 합금과 그 합금을 사용한 주괴·접액 부품{COPPER BASE ALLOY, AND INGOT AND MEMBER USING THE ALLOY CONTACTING WITH LIQUID}

본 발명은 납의 함유량을 억제하면서, 주조결함을 감소하여 합금의 건전성을 향상시킨 구리베이스 합금과 그 합금을 사용한 주괴·접액 부품에 관한 것이다.

일반적으로 합금 주물의 응고과정에서, 부피 수축에 기인하는 수축공 결함이 발생하는 경우가 있다. 주물은 응고과정에서, 표면으로부터 냉각이 시작되어 두께 중앙부분이 최종 응고부가 되는데, 이 중앙부분에서는, 응고전의 액상이 먼저 응고한 표면부 방향으로 끌어당겨져, 부피 수축을 생기게 하여 수축공이 발생하기 쉽다. 이 수축공 결함의 형태는, 그 합금의 조성, 냉각조건 등에 따라 상이한데, 특히, 용질 편석(농도의 치우침)이 일어나기 쉬워, 응고온도 범위가 넓은 구리합금에서는, 마이크로 포로시티라고 하는 미세한 수축홀(수축공)로서 발생하는 경우가 있다. 이 결함의 발생을 억제하여, 밸브, 콕, 조인트 등의 일반 배관기재에 요구되는 내압성을 확보하는 것을 목표로, 합금중에 저융점 금속이나 금속간 화합물을 정출시키는 기술이 알려져 있다.

예를 들면, 청동 주물(CAC406)에서는, 저융점 금속으로서 납을 첨가, 정출시키고 있다. 이 CAC406는 중량비로 5% 정도의 납을 함유하고 있고, 이 납이 중앙부 분에 생긴 수축홀을 메우도록 작용하므로, 수축공 등의 주조결함이 적은 건전한 주물이 얻어지기 쉽고, 또한, 피삭성이 특히 양호하기 때문에, 이 종류의 배관기재용의 접액 금구에 많이 이용되고 있다. 그러나, 이 청동합금을 밸브 등의 접액 금구의 재료로 사용할 경우, 청동 주물에 거의 고용되지 않고 정출하는 납이 수중에 용출하여 수질을 악화시킬 우려가 있다. 이 현상은 특히 접액 금구내에 물이 체류한 경우에 현저하게 된다.

그래서, 현재까지 왕성하게 무연 구리합금의 개발이 행해져, 몇개의 신합금이 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 내지 4 참조.).

예를 들면, 일본 특공평5-63536호 공보(특허문헌 1)는 구리합금중의 납 대신에 Bi를 첨가하여, 절삭성을 올려, 탈아연을 방지한 무연 구리합금을 제안하고 있다.

특허 제2889829호 공보(특허문헌 2)는 절삭성 향상을 위한 Bi를 첨가하고, 주조시의 포로시티 발생을 Sb의 첨가에 의해 억제하여, 기계적 강도를 높인 무연 청동을 제안하고 있다.

일본 특개2000~336442호 공보(특허문헌 3)는 Bi를 첨가하여 절삭성, 내눌어붙음성을 개선함과 동시에, Sn, Ni, P를 첨가하여 내탈아연성과 기계적 성질을 확보한 무연 쾌삭 청동합금을 제안하고 있다.

일본 특개2002-60868호 공보(특허문헌 4)는 1중량% 이하의 불순물로서 Bi와 Sb를 함유하고, 리사이클성을 고려하면서, 주조성, 가공성, 기계적 성질을 확보한 무연 청동합금을 제안하고 있다.

특허문헌 1: 일본 특공평5-63536호

공보 특허문헌 2: 특허 제2889829호

공보특허문헌 3: 일본 특개2000~336442호 공보

특허문헌 4: 일본 특개2002-60868호 공보

발명이 해결하고자 하는 과제

그렇지만, 상기한 바와 같이 제안되어 있는 무연 구리합금에서는, 납의 대체성분으로서 Bi가 첨가되어 있는데, 과잉한 Bi첨가는 비용 상승이 되는 것은 물론, 항장력이나 신장 등의 기계적 성질을 저하시키는 원인이 되기 때문에, 종래의 청동 주물에서의 납 함유량에 비해, 부피비율에서 1/2 이하의 첨가량으로 하지 않으면 안되는 것이 실상이었다. 또한, 청동과 같이 응고온도 범위가 넓은 합금에서는, Bi와 같은 용질은 주물 표면에 농도가 치우치는 역편석을 일으키기 쉽다. 따라서, 최종 응고부가 되는 주물의 두께 중앙부분에서는, 부피 수축을 보충하는 만큼의 Bi양을 확보할 수 없어, 다량의 마이크로 포로시티(수축공 결함)가 발생하여, 합금의 내압 성능이 저하될 우려가 있었다.

본 발명은, 상기의 과제점을 감안하여, 예의 연구한 결과 개발에 이른 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 납의 함유량을 억제하면서, 마이크로 포로시티의 집중 발생을 억제하고, 합금의 건전성을 향상시킨 구리베이스 합금과 그 합금을 사용한 주괴·접액 부품을 제공하는 것에 있다.

발명을 해결하기 위한 수단

상기의 목적을 달성하기 위해, 청구항 1에 관계되는 발명은 구리베이스 합금의 응고과정에서, 이 합금중의 덴드라이트 간극에, 고상선을 초과하는 온도에서 응고하는 금속간 화합물을 정출시키고, 용질의 이동을 억제하여 마이크로 포로시티를 분산시킴과 동시에, 상기 금속간 화합물의 정출에 의해, 액상선 미만의 온도에서 응고하는 저융점 금속 또는 저융점의 금속간 화합물을 분산 정출시켜, 이 저융점 금속 또는 저융점의 금속간 화합물이 상기 들어가서, 마이크로 포로시티의 발생을 억제함으로써 합금의 건전성을 향상시킨 구리베이스 합금이다.

청구항 2에 따른 발명은, 적어도, Zn: 5.0~10.0중량%, Se: 0<Se≤1.5중량%를 함유하고, 구리베이스 합금의 응고과정에서의 합금중의 덴드라이트 간극에, 금속간 화합물인 ZnSe를 정출시킨 구리베이스 합금이다.

청구항 3에 따른 발명은, 상기 금속간 화합물의 면적율을 0.3% 이상 5.0% 이하로 한 구리베이스 합금이다.

청구항 4에 따른 발명은, 적어도 Bi: 0.25~3.0중량%를 함유하고, 구리베이스 합금의 응고과정에서의 용질영역중에 저융점 금속인 Bi를 분산하여 정출시킨 구리베이스 합금이다.

청구항 5에 따른 발명은, 상기 저융점 금속 또는 저융점의 금속간 화합물의 면적율을 0.2% 이상 2.5% 이하로 한 구리베이스 합금이다.

청구항 6에 따른 발명은, 적어도, Zn: 5.0~10.0중량%, Sn: 2.8~5.0중량%, Bi: 0.25~3.0중량%, Se: 0<Se≤1.5중량%, P: 0.5중량% 미만, 및 잔부 Cu와 불가피한 불순물로서 Pb: 0.2중량% 미만으로 이루어지는 조성을 갖은 구리베이스 합금이다.

청구항 7에 따른 발명은, 상기 구리베이스 합금을 사용하여 제조한 주괴, 또는 이 구리베이스 합금을 가공성형한 접액 부품이다.

발명의 효과

청구항 1에 따른 발명에 의하면, 마이크로 포로시티를 분산시킴으로써, 마이크로 포로시티가 합금 중앙부에 집중 발생하는 것을 방지함과 동시에, 분산된 저융점 금속 또는 저융점의 금속간 화합물이 상기 포로시티에 들어감으로써, 효과적으로 이 마이크로 포로시티의 발생을 억제하여, 합금의 건전성을 향상시키고, 소정의 내압성능을 확보할 수 있는 구리베이스 합금을 제공하는 것이 가능하게 된다.

청구항 2 또는 3에 따른 발명에 의하면, 희소 금속의 함유량을 억제하면서, 합금의 건전성을 향상시킨 경제성에도 우수한 구리베이스 합금을 제공하는 것이 가능하게 된다.

청구항 4 또는 5에 따른 발명에 의하면, 희소 금속의 함유량을 억제하면서, 합금의 건전성을 향상시킨 경제성에도 우수한 구리베이스 합금을 제공하는 것이 가능하게 된다.

청구항 6에 따른 발명에 의하면, 소정의 납용출 기준을 만족함과 동시에, 응고온도 범위가 넓은 청동 등이어도, 합금의 두께 중앙부분에서의 마이크로 포로시티를 감소시켜, 합금의 건전성을 향상시킨 구리베이스 합금을 얻을 수 있고, 특히, 밸브 등의 일반 배관기재에 적합한 구리베이스 합금을 제공하는 것이 가능하게 된다.

청구항 7에 따른 발명에 의하면, 주괴(잉곳)를 중간품으로서 제공하거나, 접액 부품으로서, 음료수용의 밸브, 스템, 밸브시트, 디스크 등의 밸브 부품, 수도꼭지, 조인트 등의 배관기재, 급배수관용 기기, 접액하는 스트레이너, 펌프, 모터 등의 기구 또는, 접액하는 수도꼭지 금구, 게다가, 급탕기기 등의 온수관련 기기, 상수 라인 등의 부품, 부재 등, 나아가서는, 상기 최종제품, 조립체 등 이외에도 코일, 중공 봉 등의 중간품을 제공하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 계단 형상 주물 시험편의 주조 방안을 도시한 개략적인 설명도이다.

도 2는 각 시험편에 있어서의 측정 개소를 도시한 설명도이다.

도 3은 본 발명에서의 구리베이스 합금의 금속조직 사진이다.

도 4는 두께 20mm 시험편의 각 측정 개소에서의 ZnSe의 면적율을 도시한 그래프이다.

도 5는 각 공시품의 중심위치에서의 ZnSe의 면적율을 도시한 그래프이다.

도 6은 두께 20mm 시험편의 각 측정 개소에서의 마이크로 포로시티의 면적율을 도시한 그래프이다.

도 7은 각 공시품의 중심위치에서의 마이크로 포로시티의 면적율을 도시한 그래프이다.

도 8은 두께 20mm 시험편의 각 측정 개소에서의 Bi의 면적율을 도시한 그래프이다.

도 9는 두께 20mm 시험편의 중심위치에서의 Bi함유량과 마이크로 포로시티의 면적율의 관계를 도시한 그래프이다.

발명을 실시하기 위한 최량의 형태

본 발명에서의 구리베이스 합금과 그 합금을 사용한 주괴·접액 부품의 1실시형태를 설명한다.

본 발명의 구리베이스 합금은 이 합금의 응고과정에서 정출하는 합금중의 덴드라이트(수지상정) 간극에, 이 합금의 고상선을 초과하는 온도 영역, 보다 바람직하게는 고상선과 액상선 사이의 온도 영역인 응고온도 범위 내에서 응고하는 금속간 화합물 ZnSe를 정출시키고, 용질의 이동을 억제하여 마이크로 포로시티(수축공)를 분산시킴과 동시에, 이동이 억제됨으로써 상기 용질영역 중에 분산하여 정출된 이 합금의 액상선 미만의 온도 영역, 보다 바람직하게는 응고온도 미만의 온도에서 응고하는 저융점 금속 Bi(또는 저융점의 금속간 화합물)가 상기 포로시티에 들어가, 마이크로 포로시티의 발생을 억제함으로써 합금의 건전성을 향상시킨 구리베이스 합금이다.

상기 금속간 화합물로서 ZnSe를, 또, 저융점 금속으로서 Bi를 채용하여 설명하는데, 그 밖에, 금속간 화합물로서, TiCu(융점 975℃), TiCu₃(융점 885℃), CeBi₂(융점 883℃), 상기 저융점 금속으로서, In(융점 155℃), Te(융점 453℃), 또, 상기 저융점의 금속간 화합물로서, InBi(융점 110℃), In₂Bi(융점 89℃) 등을 들 수 있다.

여기에서, 덴드라이트란 합금이 응고할 때 보여지는 결정으로, 나무의 가지 모양으로 형성되므로서 수가상정 이라고 한다. 또, 용질이란 적어도 합금의 응고온도 범위 내에서 액상을 이루는 저융점 상을 말한다. 고상선이란, 용융합금의 응고가 완료되는 온도를 합금의 조성마다 연결한 선을 말하며, 액상선이란 용융합금의 응고가 시작되는 온도를 합금의 조성마다 연결한 선을 말한다.

이 구리베이스 합금의 조성은, 적어도, Zn: 5.0~10.0중량%, Sn: 2.8~5.0중량%, Bi: 0.25~3.0중량%, Se: 0<Se≤1.5중량%, P: 0.5중량% 미만, 및 잔부 Cu와 불가피한 불순물로서 Pb: 0.2중량% 미만으로 이루어지는 조성을 가진 구리베이스 합금으로, 보다 효과적으로 합금의 기계적 성질을 향상시키는 경우에는, Ni: 3.0중량% 이하를 첨가해도 좋다.

본 발명에서의 구리베이스 합금의 조성범위와 그 이유에 대해 설명한다.

Zn: 5.0~10.0중량%

절삭성에 영향을 주지 않고, 단단함이나 기계적 성질, 특히 신장을 향상시키는 원소로서 유효하다. 또, Zn은 용탕중에의 가스흡수에 의한 Sn 산화물의 생성을 억제하고, 합금의 건전성에도 유효하므로, 이 작용을 발휘시키기 위해서 5.0중량% 이상의 함유가 유효하다. 보다 실용적으로는 후술하는 Bi나 Se의 억제분을 보충하는 관점에서 7.0중량% 이상의 함유가 바람직하다. 한편, Zn은 증기압이 높으므로, 작업환경의 확보나 주조성을 고려하면, 10.0중량% 이하의 함유가 바람직하다. 경제성도 고려하면, 약 8.0중량%가 최적이다.

Se: 0<Se≤1.5중량%

Pb의 대체 성분으로서, 상기 Zn과 금속간 화합물을 형성함으로써, 후술하는 Bi와 동일하게 절삭성을 확보하면서, 합금의 건전성을 향상하는데 기여하는 성분이다. 미량의 함유로도 Zn과 금속간 화합물을 형성하여, 합금의 건전성 향상에 기여하지만, 이 작용을 확실하게 얻으면서, 실제의 제조단계에서의 성분 조정의 용이성도 고려하면, 0.1중량% 이상의 함유가 유효하여, 이값을 적합한 하한값으로 했다. 특히 Bi의 함유량을 늘리지 않고, 금속간 화합물 ZnSe의 정출에 의해 마이크로 포로시티를 분산하여, 합금 중앙부에서의 마이크로 포로시티의 면적율을 기준값 이하로 하여 합금의 건전성을 향상하기 위해서는, 후술하는 도 9에 도시하는 바와 같이, 약 0.2중량%의 함유가 최적이다. 한편, 1중량% 보다 많게 Se를 함유해도, 상기 마이크로 포로시티의 면적율의 감소는 평형 상태가 되기 때문에, 제조조건이나 측정조건 등에 의한 오차를 고려하여, 1.5중량%를 상한값으로 했다. 특히 Se의 함유량을 억제하면서, 소정의 인장강도를 확보하기 위해서는, 0.35중량%를 상한값으로 하는 것이 좋다.

Bi: 0.25~3.0중량%

Pb의 대체성분인 저융점 금속으로서, 주조의 응고과정에서, 합금(주물)중에 발생하는 마이크로 포로시티에 들어감으로써, 합금의 건전성을 향상하면서, 절삭성의 확보에 기여하는 성분이다. 마이크로 포로시티를 감소시켜 합금의 내압성을 확보하기 위해서는, 0.25중량% 이상의 함유가 유효하다. 특히 Se의 함유량을 억제하면서, 내압성의 확보에 필요한 마이크로 포로시티의 억제작용을 얻기 위해서는, 후술하는 도 9에 도시하는 바와 같이, 0.5중량%의 함유가 적합하다. 한편, 필요한 기계적 성질을 확보하기 위해서는, 3.0중량% 이하로 하는 것이 유효하고, 특히 Bi의 함유량에 대한 마이크로 포로시티의 감소 효율을 고려하면, 2.0중량% 부근에서 마이크로 포로시티의 감소가 평형 상태로 되므로, 2.0중량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, Bi의 응고·정출온도는 약 271℃이다.

Sn: 2.8~5.0중량%

α상에 고용하여, 강도, 경도의 향상, 및 SnO₂의 보호 피막의 형성에 의해, 내마모성과 내식성을 향상시키기 위해서 함유한다. Sn은 실용성분 범위에서, 함유량을 증가시킴에 따라, 절삭성을 직선적으로 저하시키는 원소이다. 따라서, 함유량을 억제하면서, 게다가 내식성을 저하시키지 않는 범위에서, 기계적 성질을 확보하는 점을 고려하여, 상기의 성분범위로 했다. 보다 바람직한 범위로서, Sn함유량의 영향을 받기 쉬운 신장의 특성에 주목하고, 주조조건이 변화해도 대략 최고값 부근의 신장을 얻을 수 있는 범위로서, 3.5~4.5중량%의 함유가 최적이다.

Ni: 3.0중량% 이하

보다 효과적으로 합금의 기계적 성질을 향상시키는 경우에 첨가한다. Ni는 어느 일정량까지는 α상에 고용되어, 매트릭스가 강화되고, 합금의 기계적 성질이 향상된다. 그 이상의 함유는 Cu, Sn과 금속간 화합물을 형성하고, 절삭성을 향상시키는 한편, 기계적 성질을 저하시키는 것을 고려하여, 상기의 성분범위로 했다. 기계적 강도를 향상시키기 위해서는, 0.2중량% 이상의 함유가 유효한데, 기계적 강도의 피크가 0.6중량% 부근에 존재한다. 따라서, 주조조건의 변화도 고려하여, 적 합한 Ni 함유량을 0.2~0.75중량%로 했다.

P: 0.5중량% 미만

구리합금 용탕의 탈산을 촉진하고, 건전한 주물, 연속주조 주괴를 제작하는 것을 목적으로, 0.5중량% 미만을 첨가한다. 과잉의 함유는 고상선이 저하되어 편석을 일으키게 하기 쉽고, 또, P 화합물을 생기게 하여 취약하게 한다. 따라서, 형주조의 경우에는, 200~300ppm의 함유가 바람직하고, 연속주조의 경우에는, 0.1~0.2중량%의 함유가 바람직하다.

Pb: 0.2중량% 미만

Pb를 적극적으로 함유시키지 않는 불가피한 불순물의 범위로서, 0.2중량% 미만으로 했다.

상기 구리베이스 합금을 사용하여 제조한 주괴(잉곳)를 중간품으로서 제공하거나, 상기의 합금을 가공성형한 접액 부품에 적용한다. 이 접액 부품은, 예를 들면, 음료수용의 밸브, 스템, 벨브시트, 디스크 등의 밸브 부품, 수전, 조인트 등의 배관기재, 급배수관용 기기, 접액하는 스트레너, 펌프, 모터 등의 기구 또는, 접액하는 수전 금구, 게다가, 급탕기기 등의 온수관련 기기, 상수 라인 등의 부품, 부재 등, 나아가서는, 상기 최종제품, 조립체 등 이외에도 코일, 중공 봉 등의 중간품에도 널리 적용할 수 있다.

실시예 1

다음에 본 발명에서의 구리베이스 합금의 건전성에 대해 시험을 행하고, 그 시험결과를 설명한다. 도 1은 계단 형상 주물 시험편의 주조방안을 도시한 설명도 이고, 도 2는 각 시험편의 측정 개소를 도시한 설명도이다.

도 1에 도시하는 계단 형상 주물 시험편의 주조방안에 의해, 표 1에 나타내는 No.1-No.15의 공시품(Bi계 무연 청동합금)을 주조하고, 얻어진 주물로부터 도 2에 도시하는 시험편을 절단하고, 각각의 시험편의 절단면을 연마한 뒤에, ZnSe(금속간 화합물), Bi(저융점 금속), 및 마이크로 포로시티의 면적율을 측정했다. 면적율의 측정은 화상 해석 소프트웨어를 사용하여 200배로 확대한 영역을 시야영역으로 하고, 이 시야영역에서의 각 면적율을 측정했다. 또한, 동일 측정위치에서, 시야영역을 약간씩 이동하면서 시야영역수 n=10을 측정하고, 이것들의 평균값을 이 위치에서의 면적율로서 표 2에 나타낸다. 계단 형상 시험편의 주조방안은, φ25mm의 탕구로부터 φ70mm×160mm의 피더헤드를 통하여, 계단 형상부에서의 두께 40mm의 측방으로부터 용탕을 유입하도록 하고 있고, 주조조건은 용해는 15kg 고주파 실험로에서 행하고, 용해량은 13.5kg으로 하고, 주입 온도 1180℃、주입 시간 7초, 주형은 CO₂ 주형, 탈산처리는 P: 250ppm 첨가로 했다.

미리, 합금의 건전성의 판단 기준이 되는 마이크로 포로시티의 면적율을 특정하기 위해서, 두께 20mm의 계단 형상 시험편에 대해 염색 침투 탐상시험을 행했다. 염색 침투 탐상시험이란, 시험편의 절단면에 침투액을 스프레이하고, 이것을 10분간 방치한 후에 침투액을 닦아내고, 또한, 현상액을 스프레이 하여 절단면에 떠오르는 적색표시에 의해, 주조결함의 유무를 판정하는 시험이다. 이 염색 침투 탐상시험의 시험결과, 염색 침투 탐상시험을 행한 공시품의 Bi, Se의 함유량, 및 마이크로 포로시티의 면적율을 표 3에 나타낸다. 또한, 각 공시품에서의 Zn의 함유량은 약 8중량%, Sn은 약 3.6중량%, Pb는 약 0.03중량%, P는 약 220ppm이다. 또, 표 3에 나타내는 바와 같이, 결함이 미소하여 내압성에 문제가 없는 것은 ○, 결함이 약간 발견되지만 공시품에 의해 제조된 밸브가 JIS 규정의 내압성을 만족하는 것은 △, 결함이 다발하고 있는 것은 ×로 하여 판정했다. 그 결과, 마이크로 포로시티의 면적율이 2.53% 이하, 보다 확실하게는 약 2.5% 이하이면, 합금의 결함이 적고, 소정의 내압성능을 만족시키는 것이 확인되었다.

다음에, 구리베이스 합금의 고상선을 초과하는 온도 영역, 보다 바람직하게는 고상선과 액상선 사이의 온도 영역인 응고온도 범위내에서 응고하는 금속간 화합물 ZnSe의 작용을 설명한다.

도 3은 공시품 No.4(2%Bi-1%Se)의 금속조직 사진이다. 이 공시품의 구리베이스 합금의 응고온도 범위(약 982~798℃) 내에서 응고하는 ZnSe(융점 약 880℃)는 금속조직중에서, Cu를 주체로 하는 복수의 덴드라이트 간극에 개재하는 용질상(저융점상)에 단독 혹은 Bi와 인접하는 형으로서 존재하고 있다. 즉, 구리베이스 합금의 응고온도 범위내에서 응고하는 금속간 화합물 ZnSe는 상기 응고온도 범위내에서 정출하는 덴드라이트 간극에 포착되어서 자유로운 이동이 방해됨으로써, 합금중에 대략 균일하게 분산되어서 정출하여, 편석이 억제되는 것이 밝혀졌다. 또한, 응고온도 범위 내에서의 금속간 화합물의 응고가 바람직한 것은, 어느 정도 응고가 진행하여, 덴드라이트가 정출한 후에 금속간 화합물이 응고하므로, 금속간 화합물이 덴드라이트 간극에 확실하게 포착되기 때문이다. 이것을 표 2의 시험결과를 기초로 검증한다.

No.2(2%Bi-0.1%Se), No.3(2%Bi-0.2%Se), No.4(2%Bi-1%Se), No.5(2%Bi-1.5%Se)의 각 공시품에 대해, 주물 두께 20mm의 시험편의 각 측정 개소에서의 ZnSe의 면적율을 도 4의 그래프에 나타낸다. 각 공시품에서, 도 2에 도시하는 바와 같이, 바닥면으로부터 1mm, 중심위치, 및 상면으로부터 1mm의 각각 측정 개소에서의 ZnSe의 면적율에 차이는 거의 없고, 합금중에서, 구리베이스 합금의 응고온도 범위내에서 응고하는 금속간 화합물이 대략 균일하게 분산되어 있는 것이 수치면에서도 확인되었다. 이 분산은 주물 두께가 상이하여도 동일하고, 도 5의 그래프에 나타내는 바와 같이, 도 4의 그래프와 동일한 공시품에 대해, 두께가 10mm, 20mm, 30mm, 40mm로 상이해도, 각 공시품의 중심위치에서의 ZnSe의 면적율에 차이는 거의 없다.

15Zn-12Sn-2Bi-0.4Se(액상선 약 868℃·고상선 약 670℃)나 20Zn-8Sn-2Bi-0.2Se(액상선 약 870℃·고상선 약 702℃) 등의, Zn-Sn을 비교적 많이 함유하는 합금, 즉, 합금의 액상선 온도가 ZnSe의 정출온도 이하로 되는 경우에도, ZnSe는 덴드라이트 간극에 존재한다. 또, 상기한 TiCu(융점 975℃)나, 기타 금속간 화합물에 관해서도 동일하다.

ZnSe가 덴드라이트 간극의 용질상(저융점상) 유로에 걸려서, 이 유로를 막는 앵커 효과를 발휘함으로써, 용질상(저융점상)의 자유로운 이동이 방해되고, 결과적으로 마이크로 포로시티가 두께 중앙부에 집중 발생하지 않고 합금중에 분산된다. 이것을 표 2의 시험결과를 기초로 검증한다.

No.1(2%Bi-0%Se), No.2(2%Bi-0.1%Se), No.3(2%Bi-0.2%Se), No.4(2%Bi-1%Se), No.5(2%Bi-1.5%Se)의 각 공시품에 대해, 주물 두께 20mm의 시험편의 각 측정 개소에서의 마이크로 포로시티의 면적율을 도 6의 그래프에 나타낸다. Se를 전혀 함유하지 않는 No.1의 공시품에서는, 중심에서의 마이크로 포로시티의 면적율이 바닥면으로부터 1mm, 상면으로부터 1mm의 면적율에 비해 대단히 높고, 게다가 합금의 내압성의 판단 기준으로 한 2.5%를 상회하고 있다. 이에 반해 Se의 함유량을 0.1%, 0.2%로 높여감에 따라서, 공시품의 중심에서의 마이크로 포로시티는 감소하고 있다. 특히, Se를 불과 0.1중량% 함유시킨 것만으로, 공시품의 중심위치에서의 마이크로 포로시티의 면적율은 감소하고, 내압성의 판단 기준인 2.5%를 밑돌고 있다. 따라서, 합금중에서, 구리베이스 합금의 응고온도 범위내에서 응고하는 금속간 화합물을, 합금중의 덴드라이트 간극에 정출시켜 용질의 이동을 억제함으로써, 마이크로 포로시티를 분산시킬 수 있어, 합금두께 중앙부에의 마이크로 포로시티의 발생을 억제하여, 합금의 건전성을 향상시킨 것이 수치면에서도 확인되었다.

이 분산은, 주물 두께가 상이해도 동일하며, 도 7의 그래프에 도시하는 바와 같이, 도 6의 그래프와 동일한 공시품에 대해, 두께가 10mm, 20mm, 30mm, 40mm로 상이해도, Se의 함유량을 0.1%, 0.2%로 높여감에 따라서, 공시품의 중심에서의 마이크로 포로시티는 감소하여, 내압성의 판단 기준인 2.5%를 밑도는 것으로 되어 있다. 또한, 두께 30mm의 공시품이 높은 마이크로 포로시티의 면적율을 갖고 있는 것은, 시험방안상, 이 두께부위가 가장 마이크로 포로시티가 발생하기 쉬운 부위이기 때문이다. 실제 합금의 제조시에는, Se의 함유와 함께 주조방안의 조정에 의해, 마이크로 포로시티의 발생을 내압성의 판단 기준을 밑도는 것으로 할 수 있다.

이상으로부터, 구리베이스 합금의 응고온도 범위내에서 응고하는 금속간 화합물의 면적율은, 표 2를 기초로 하면서, 실제의 주조조건에 의한 차이도 고려하면, 0.3% 이상 5.0% 이하의 면적율이 유효하다.

다음에, 구리베이스 합금의 액상선 미만의 온도 영역, 보다 바람직하게는 응고온도 미만의 온도에서 응고하는 저융점 금속 Bi의 작용을 설명한다.

ZnSe가 덴드라이트 간극의 용질상(저융점상) 유로에 걸려서, 이 유로를 막는 앵커 효과를 발휘함으로써, 용질상(저융점상)의 자유로운 이동이 방해되고, 결과적으로, 구리베이스 합금의 응고온도 미만의 온도에서 용질영역중에 응고·정출하는 저융점 금속 Bi는 합금표면에의 편석이 억제되어 합금중에 분산된다. 응고온도 미만의 온도에서의 저융점 금속의 응고가 바람직한 것은, ZnSe가 덴드라이트 간극에 걸림으로써, 용질의 자유로운 이동이 방해된 후에 저융점 금속이 응고하므로, 저융점 금속이 확실하게 분산되기 때문이다. 이것을 표 2의 시험결과를 기초로 검증한다.

No.1(2%Bi-0%Se), No.2(2%Bi-0.1%Se), No.3(2%Bi-0.2%Se), No.4(2%Bi-1%Se), No.5(2%Bi-1,5%Se)의 각 공시품에 대해, 주물 두께 20mm의 시험편의 각 측정 개소에서의 Bi의 면적율을 도 8의 그래프에 나타낸다. Se를 전혀 함유하지 않는 No.1의 공시품에서는, 바닥면으로부터 1mm의 위치나, 상면으로부터 1mm의 위치에서의 Bi의 면적율이 중심위치의 면적율에 비해 대단히 높아, 합금표면에 편석해 있는 것이 도시되어 있다. 이에 반해, Se의 함유량을 0.1%, 0.2%로 높여감에 따라, 공시품의 표면에서의 Bi의 면적율은 감소하고, 중심위치에서의 면적율과의 차이가 감소하고 있다. 특히, Se를 불과 0.1중량% 함유시킨 것만으로, 합금표면에서의 Bi의 면적율은 감소하고, 상면으로부터 1mm의 측정위치에서는 약 30% 감소하고 있다.

따라서, 합금중에 있어서, 구리베이스 합금의 응고온도 범위내에서 응고하는 금속간 화합물을 합금중의 덴드라이트 간극에 정출시켜서 용질의 이동을 억제함으로써, 상기 응고온도 미만의 온도에서 응고하는 저융점 금속을, 상기 용질영역중에 분산하여 정출시킬 수 있고, 합금표면에의 편석을 억제시키는 것이 수치면에서도 확인되었다. 또한, ZnSe가 덴드라이트 간극의 용질상(저융점상) 유로에 걸려서, 용질상의 자유로운 이동을 억제하고 있는 것은, 도 3의 금속조직사진에서, ZnSe가 단독으로 존재하고 있는 부위의 주변에서는 Sn이 풍부한 용질상이 그다지 보여지지 않는 점으로부터도 확인할 수 있다. 보다 자세하게는, Bi주변에는 Bi를 둘러싸듯이 Sn이 풍부한 용질상이 존재함에도 불구하고, ZnSe 단독 결정의 주변에는 비교적 적은 것으로부터 확인할 수 있다.

상기 저융점 금속 Bi가 마이크로 포로시티에 들어가, 마이크로 포로시티의 발생을 억제함으로써, 표 2의 시험결과를 기초로 검증한다.

No.1~No.15의 공시품에 대해, 주물 두께 20mm의 시험편의 중심위치에서의 마이크로 포로시티의 면적율을 도 9의 그래프에 나타낸다. Se를 전혀 함유하지 않은 No.1의 공시품에서는, 마이크로 포로시티의 면적율이 지나치게 높아, Bi의 함유량을 높여도 내압성의 판단 기준인 2.5%를 밑돌지 않는다. 이에 반해, Se의 함유량을 0.1%, 0.2%로 높여감에 따라서, 마이크로 포로시티는 감소하고, 특히, Se를 불과 0.1중량% 함유시킨 것만으로, 공시품의 중심위치에서의 마이크로 포로시티의 면적율은 감소하여, Bi가 0.5중량%인 No.6(0.5%Bi-0%Se)에 대한 No.7(0.5%Bi-0.1%Se)의 공시품에서는, 약 40% 남짓 감소하고 있다.

따라서, 구리베이스 합금의 고상선을 초과하는 온도 영역, 보다 바람직하게는 응고온도 범위내에서 응고하는 금속간 화합물을, 합금중의 덴드라이트 간극에 정출시켜서, 용질의 이동을 억제하여 마이크로 포로시티를 분산할 수 있는 동시에, 이 합금의 액상선 미만의 온도 영역, 보다 바람직하게는 응고온도 미만의 온도에서 응고하는 저융점 금속이 분산되어, 마이크로 포로시티에 들어감으로써, 이 마이크로 포로시티를 효과적으로 감소시켜, 합금의 건전성을 향상시키는 것이 수치면에서도 확인되었다.

이상으로부터, 구리베이스 합금의 응고온도 미만의 온도에서 응고하는 저융점 금속의 면적율은 표 2를 기초로 하면서, 실제의 주조조건에 의한 차이도 고려하면, 0.2% 이상 2.5% 이하의 면적율이 유효하다.

실시예 2

표 2에 나타내는 공시품에 대해, 인장 시험 및 절삭성 시험을 행했다.

인장 시험은, JIS4호 시험편(CO₂ 주형)을 시험편으로 하고, 시험조건은 주입 온도 1130℃, 암슬러 시험기로 시험을 행했다. 어느 시험편도 항장력은 CAC406의 규격값 195N/mm²을 상회하는 것이 확인되었다. 또, 신장은 20% 이상이었다. 따라서, 본 실시예에서의 합금에 의하면, 소정의 인장강도를 확보하면서, 합금의 건전성을 향상시켜, 소정의 내압성능을 확보할 수 있다.

절삭성시험은, No.1~No.5, No.10, No.15에 대해 행하고, 원주 형상의 피삭물을 선반으로 선삭가공 한 것을 시험편으로 하고, 바이트에 걸리는 절삭저항을 청동 주물 CAC406의 절삭저항을 100으로 한 절삭성 지수로 평가했다. 시험조건은, 주입 온도 1180℃(CO₂ 주형), 피절삭물의 형상 φ31×260mm, 표면 거칠기 R_A=3.2, 절삭깊이 3.0mm, 선반 회전수 1800rpm, 이송량 0.2mm/rev, 오일사용 없이 행했다. 어느 시험편도 85% 이상의 절삭성을 얻을 수 있고, 무연 청동으로서 적절한 성능이 얻어졌다.

또한, 상기해 온 면적율로 나타낸 수치는, 대략 그대로 체적율로서 취급할 수 있다.

또, 본 실시예에서는, 구리베이스 합금의 응고온도 범위내에서 금속간 화합물이 응고하는 것이, 합금의 건전성을 향상하는 점에서 보다 바람직하지만, 15Zn-12Sn-2Bi-0.4Se(액상선 약 870℃·고상선 약 670℃)나, 20Zn-8Sn-2Bi-0.2Se(액상선 약 870℃·고상선 약 700℃) 등, 청동계 합금보다도 Zn이나 Sn의 함유량이 높은 구리베이스 합금, 즉, 금속간 화합물(예를 들면, ZnSe: 융점 약 880℃)이 합금의 응고온도 범위보다도 높은 온도 영역에서 응고하게 되는 구리베이스 합금에서도, 합금의 건전성을 향상할 수 있다.

본 발명의 구리베이스 합금은 청동합금, 황동합금을 비롯하여, 모든 구리베이스 합금에 적용 가능하고, 본 발명의 구리베이스 합금을 사용하여 제조한 주괴(잉곳)를 중간품으로서 제공하거나, 본 발명의 합금을 가공성형한 접액 부품에 적용한다. 이 접액 부품은, 예를 들면, 음료수용의 밸브, 스템, 벨브시트, 디스크 등의 밸브 부품, 수전, 조인트 등의 배관기재, 급배수관용 기기, 접액하는 스트레이너, 펌프, 모터 등의 기구 또는, 접액하는 수전금구, 게다가, 급탕기기 등의 온수관련 기기, 상수 라인 등의 부품, 부재 등, 나아가서는, 상기 최종제품, 조립체 등 이외에도 코일, 중공 봉 등의 중간품에도 널리 적용하는 것이 가능하다.

Claims

구리베이스 합금의 응고과정에서, 이 합금중의 덴드라이트 간극에, 고상선을 초과하는 온도에서 응고하는 금속간 화합물을 정출시켜, 용질의 이동을 억제하여 마이크로 포로시티를 분산시킴과 동시에, 상기 금속간 화합물의 정출에 의해, 액상선 미만의 온도에서 응고하는 저융점 금속 또는 저융점의 금속간 화합물을 분산 정출시켜, 이 저융점 금속 또는 저융점의 금속간 화합물이 상기 포로시티에 들어가서, 마이크로 포로시티의 발생을 억제함으로써 합금의 건전성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 구리베이스 합금.
제 1 항에 있어서, 적어도, Zn: 5.0~10.0중량%, Se: 0<Se≤1.5중량%를 함유하고, 구리베이스 합금의 응고과정에서의 합금중의 덴드라이트 간극에 금속간 화합물인 ZnSe를 정출시킨 것을 특징으로 하는 구리베이스 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 금속간 화합물의 면적율을 0.3% 이상 5.0% 이하로 한 것을 특징으로 하는 구리베이스 합금.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 적어도, Bi: 0.25~3.0중량%를 함유하고, 구리베이스 합금의 응고과정에서의 용질영역중에 저융점 금속인 Bi를 분산하여 정출시킨 것을 특징으로 하는 구리베이스 합금.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 저융점 금속 또는 저융점의 금속간 화합물의 면적율을 0.2% 이상 2.5% 이하로 한 것을 특징으로 하는 구리베이스 합금.
제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 적어도, Zn: 5.0~10.0중량%, Sn: 2.8~5.0중량%, Bi: 0.25~3.0중량%, Se: 0<Se≤1.5중량%, P: 0.5중량% 미만, 및 잔부 Cu와 불가피한 불순물로서 Pb: 0.2중량% 미만으로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 구리베이스 합금.
제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 기재된 구리베이스 합금을 사용하여 제조한 주괴, 또는 이 구리베이스 합금을 가공성형한 것을 특징으로 하는 접액 부품.