KR20080071277A - 쾌삭성 구리합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 칼슘 및 실리콘이 함유된 쾌삭성 구리합금에 관한 것이다.

본 발명에 의한 쾌삭성 구리합금은, 본 발명에 의한 쾌삭성 구리합금은, 구리(Cu)와 아연(Zn)과 칼슘(Ca) 및 실리콘(Si)을 포함하여 구성되며, 상기 구리(Cu)와 아연(Zn) 합금인 황동합금에 칼슘(Ca)은 0.1 내지 1.5 wt%, 실리콘(Si)은 0.21 내지 3.07 wt%를 첨가한 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 쾌삭성 구리합금에 따르면 칼슘(Ca)과 실리콘(Si)가 결합한 금속간화합물이 기지내에 존재하여 공업적인 절삭가공성이 향상되는 이점이 있다.

칼슘, 실리콘, 함유, 쾌삭성, 구리합금

Description

쾌삭성 구리합금{ A free-cutting copper alloy}

도 1 은 구리합금에 대한 절삭 가공성의 높고 낮음에 따라 절삭된 칩의 형태 변화를 보인 실물 사진.

도 2 는 일반적으로 널리 사용되는 납이 함유된 구리합금을 드릴가공시에 형성된 칩의 형상을 보인 사진.

도 3a 는 본 발명의 절삭 가공성 실험을 위해 만들어진 구리합금 주조 블럭의 외형을 보인 사진

도 3b 는 도 3a의 주조블럭으로부터 칩을 형성하기 위해 적용된 드릴공구를 보인 사진.

도 4 는 본 발명에 의한 쾌삭성 구리합금에서 실시예의 구성을 중량비로 나타낸 표.

도 5 는 본 발명에 의한 쾌삭성 구리합금의 제 1 내지 제 4 실시예를 통해 제조된 주조블럭의 외면을 확대한 광학현미경 사진.

도 6 는 본 발명에 의한 쾌삭성 구리합금의 제 1 내지 제 4 실시예를 통해 제조된 주조블럭의 외면을 확대하고 성분검사를 시행한 주사 전자현미경 사진.

도 7 은 도 5에 도시된 제 1 내지 제 4 실시예를 통해 주조된 주조블럭을 드릴가공시 형성된 칩의 상태를 보인 확대 사진.

도 8 은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 의해 제조된 주조블럭을 드릴가공시 발생되는 토크와 순수 구리블럭에 발생되는 토크를 비교한 표.

도 9 는 본 발명에 의한 쾌삭성 구리합금에서 구리의 중량비를 고정시킨 후 아연, 칼슘 및 실리콘의 중량비를 변화시켜 실시한 다른 실시예의 중량비를 나타낸 표.

도 10 은 도 9에 표시된 다른 실시예의 조건으로 만들어진 쾌삭성 구리합금의 표면을 보인 미세조직 사진.

도 11 은 본 발명의 실시예 5 내지 실시예 7에 의해 제조된 주조블럭을 드릴가공시 발생되는 토크와 순수 구리블럭에 발생되는 토크를 비교한 표.

본 발명은 구리합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 칼슘(Ca) 및 실리콘(Si)이 함유되어 기계 가공성이 향상되도록 한 쾌삭성 구리합금에 관한 것이다.

구리(Cu)는 비철금속 재료의 하나로 사용목적에 따라 다양한 첨가물이 첨가되어 다양한 분야에서 사용되어지고 있다. 즉, 구리를 포함하는 합금의 경도와 강도를 증가시키고 내마모성을 개선하기 위해 1%미만의 인(P)을 첨가하여 만든 인청동은 고탄성을 이용하는 판, 선 등의 가공재로 사용되며 펌프부품, 기어, 선박용부품, 화학기계용 부품 등의 주물로 사용된다.

그리고, 구리에 알루미늄(Al)이 소량 첨가된 알루미늄 청동은 용해 주조 기 술이나 서냉 취성(self snnealing)등의 문제 때문에 최근까지 별로 보급되지 않다가 최근 금속조직학적 요구와 용해주조기술의 진보에 따라 그 용도가 점차 확대되고 있다.

또한, 일명 망간(Mn)청동이라 불리는 고력황동은 황동에 1~3%의 망간을 합금한 것이며, 이외에도 구리(Cu)에 알루미늄(Al), 철(Fe), 니켈(Ni), 주석(Sn) 등의 원소를 첨가함으로써 요구되는 강도와 내식성 및 내해수성을 최적화할 수 있게 된다.

근래에는 이러한 구리의 사용 용도가 확대됨에 따라 구리합금의 가공성을 높이기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 즉, 구리는 연신율이 높아 공구로 절삭 가공시에 공구에 들러붙어 가공이 어려우므로 가공성이 떨어지게 되는데 이러한 문제점을 해결하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.

예를 들어, 구리합금의 가공성을 높이기 위한 연구가 활발히 이루어지던 초기에는 구리에 2.5 ~ 3.7 중량%의 납(Pb)을 첨가하여 납황동을 만들어 사용하여 왔다. 그러나 납(Pb)은 인체에 대한 유해성이 발견되어 납의 사용에 강력한 규제가 따르게 되었으며 이에 따라 납의 대체 첨가물에 대한 연구가 진행된다.

이런 결과로, 구리에 납 대신 비스무스(Bi)를 첨가한 고절삭 무연황동이 개발되었다. 그러나, 비스무스는 인체에 대한 유해 여부가 명확히 규명되지 않아 사용이 꺼려지고 있는 실정이다.

또한, 결정적으로 납(Pb)과 비스무스(Bi)는 일반적인 제련 및 정련으로는 구리합금으로부터 회수가 불가능하며, 물리적인 방법으로 회수시에는 고 에너지가 사 용되므로 납과 비스무스의 재활용을 위해 투자되는 비용이 증가하게 되는 문제점이 있다.

뿐만 아니라, 납과 비스무스의 회수율이 낮아짐에 따라 결국 구리의 회수율 역시 낮아지게 되며, 구리의 전량을 수입에 의존하고 있는 실정이므로 구리의 재자원화 차원에서 볼 때 바람직하지 못하다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 보다 상세하게는 구리에 소정의 칼슘(Ca) 및 실리콘(Si)을 함유시켜 동합금 매트릭스 내에 피삭성을 향상시킬 수 있는 칼슘(Ca)과 실리콘(Si)이 결합한 금속간 화합물을 출현시킴으로써, 피삭성이 향상되도록 한 쾌삭성 구리합금을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 구리(Cu)에 소정의 칼슘(Ca) 및 실리콘(Si)을 함유시켜 칼슘(Ca) 및 실리콘(Si)의 회수율을 높임으로써 재자원화가 가능하도록 하는 쾌삭성 구리합금을 제공하는 것에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 쾌삭성 구리합금은, 구리(Cu)와 아연(Zn)과 칼슘(Ca) 및 실리콘(Si)을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 칼슘(Ca)과 실리콘(Si)은 구리(Cu) 및 아연(Cu)의 합금인 황동기지가 알파(α) 단상 또는 알파(α) 와 베타(β)상이 혼합된 복합기지상에 첨가됨을 특징으로 한다.

상기 칼슘(Ca)과 실리콘(Si)이 첨가시 CaSi₂, CaSi, Ca₂Si 입자가 생성되는 것을 특징으로 한다.

상기 구리(Cu)는 60 내지 80 wt%, 칼슘(Ca)은 0.1 내지 1.5 wt%, 실리콘(Si)은 0.21 내지 3.07 wt%, 잔부(殘部)는 아연(Zn)을 포함한 철(Fe), 알루미늄(Al), 탄소(C)인 것을 특징으로 한다.

압출, 압연, 인발 중에서 어느 하나의 가공으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 구성을 가지고 제조되는 본 발명에 의하면, 경도가 높아지고 연신율 및 인장강도가 감소하여 절삭 가공성이 향상되는 이점이 있다.

일반적으로 구리합금의 경우 절삭 가공성에 대한 수치적 정의는 내려져 있지 않으며, 절삭된 칩(chip)의 형태 및 길이에 따라 절삭 가공성의 좋고 나쁨을 규정하고 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 구리 합금의 절삭 가공성에 대하여 간략히 설명한다.

도 1은 구리합금에 대한 절삭 가공성의 높고 낮음에 따라 절삭된 칩의 형태 변화를 보인 실물 사진이며, Copper 핸드북(Jeseph, Gunter, Kundig, J.A. Konrad ASM International)의 내용 중에서 발췌하였다.

도 1에 나타난 사진과 같이 Type Ⅲ에 도시된 칩의 형태는 고순도 구리를 드릴 가공했을 때 만들어진 칩의 형상이다. 이와 같이 칩이 끊어지지 않고 말린 상태 를 유지하는 경우 피삭물의 연성이 높은 것을 알 수 있으며, 피삭물의 연성이 높은 결과로 드릴공구에 들러붙어 결국 가공성이 저하되게 된다.

그리고, Type Ⅱ에서 칩은 대체로 짧게 끊어진 형태를 보이지만 동그랗게 말린 형상이 확인된다. 이와 같은 칩의 형태로 볼 때 높은 경도 및 강도를 가진 구리 합금임을 알 수 있으며, 절삭 작업시 조건을 조절하면 절삭성이 향상될 수 있는 여지가 있는 상태이다.

또한, Type Ⅰ에 도시된 칩의 형태는 구리 합금의 절삭 가공성에 있어 가장 이상적인 형태이다. 즉, Type Ⅰ에 도시된 칩은 피삭물인 구리합금에 납(Pb), 비스무스(Bi), 황(S), 텔루르(Te) 등이 첨가된 상태이며, 칩이 미세하고 형상이 고르게 형성되어 드릴공구에 의해 피삭될 때 들러붙지 않고 피삭물로부터 용이하게 배출되었음을 알 수 있다.

그러나, Type Ⅰ과 같은 칩의 형태를 만드는 피삭물은 일반적으로 사용되지 않는 고가의 구리합금이므로, 본 발명에서는 절삭 가공성을 널리 인정받은 구리합금(납이 첨가된 구리합금)의 칩 형태와 유사하도록 여러 조건을 바꾸어 실험하였다.

즉, 본 발명에서는 구리에 칼슘(Ca) 및 실리콘(Si)을 첨가한 후 주조 성형하여 직육면체 형상의 블럭을 제조하고, 이러한 블럭을 드릴 가공시에 형성된 칩의 형상이 도 2(납이 함유된 구리합금)와 유사해지도록 칼슘 및 실리콘의 첨가량을 조절하여 여러 실시예를 수행하였다.

도 3a에는 본 발명의 절삭 가공성 실험을 위해 만들어진 구리(Cu)-아연(Zn)- 칼슘(Ca)-실리콘(Si)을 포함하는 주조 블럭의 외형을 보인 사진이 도시되어 있으며, 도 3b에는 도 3a의 주조블럭의 칩을 형성하기 위해 적용된 드릴을 보인 사진이 도시되어 있다.

도 3b의 드릴은 고속도강(HSS:High-Speed Steel)으로 성형되었으며, 8㎜ 지름을 가진다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한다.

도 4에는 본 발명에 의한 쾌삭성 구리합금에서 실시예의 구성을 중량비로 나타낸 표가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명에 의한 쾌삭성 구리합금의 제1실시예 내지 제4실시예를 통해 제조된 주조블럭의 외면을 확대한 미세조직 사진이 도시되어 있다.

그리고, 도 6에는 도 5에 도시된 미세조직사진에서 전자현미경을 이용하여 조성분석을 실시하여 입자의 조성을 나타낸 전자현미경 사진이 도시되어 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 4를 살펴보면 구리합금에서 아연(Zn)의 중량비는 40wt%로 고정되어 있으며, 칼슘(Ca)은 중량비로 0.1 내지 1.5 wt%로 함유되고, 실리콘(Si)은 중량비로 0.21 내지 3.07 wt% 함유된다. 그리고, 잔부는 구리(Cu)이다.

그리고, 상기 구리합금에는 철(Fe)과 알루미늄(Al) 및 탄소(C)가 극미량 함유된다.

상기와 같은 조성으로 제조된 주조블럭의 표면을 주사 전자현미경 사진으로 살펴보면 도 5에 도시된 바와 같이, Ca-Si 화합물이 침상의 형태로 균질하게 분포 되어 있음을 알 수 있으며, 칼슘과 실리콘의 첨가량 증가에 따라 Ca-Si 화합물의 비율이 증가되고 있음을 확인할 수 있다.

그리고, 도 7에는 도 5에 도시된 주조블럭을 드릴가공시 형성된 칩의 상태를 보인 확대 사진이 도시되어 있으며, 도 8에는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 의해 제조된 주조블럭을 드릴가공시 발생되는 토크와 순수 구리블럭에 발생되는 토크를 비교한 표가 도시되어 있다.

도 7에 도시된 바와 같이 칼슘(Ca) 및 실리콘(Si)의 함유량이 증가함에 따라 드릴 가공에 의해 형성된 칩의 형상이 도 1의 TypeⅠ과 가까워지는 것을 알 수 있다. 이것은 칼슘 및 실리콘이 함유된 구리합금의 경우 절삭 가공성이 향상되는 것을 나타내는 것이라 할 수 있다.

상기와 같이 제조된 구리합금은 드릴공구를 이용하여 가공시에 깊이가 깊어짐에 따라 드릴공구에 전달되는 토크(Torque)를 통해 절삭 가공성을 알 수 있다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 순수 구리블럭의 경우 드릴공구를 이용하여 절삭 가공을 실시하게 되면 깊이가 깊어짐에 따라 드릴공구에 전달되는 토크가 급증하는 것을 알 수 있다.

반면, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에서는 칼슘-실리콘 화합물이 주조블럭 내부에 균질하게 분포됨에 따라 드릴공구에 전달되는 토크가 급증하는 현상이차단되는 것을 표로서 확인 가능하다.

이하에서는 첨부된 도 9내지 도 11을 참조하여 본 발명의 다른 실시예를 설명하기로 한다.

도 9는 본 발명에 의한 쾌삭성 구리합금에서 구리의 중량비를 고정시킨 후 아연, 칼슘 및 실리콘의 중량비를 변화시켜 실시한 다른 실시예의 중량비를 나타낸 표이고, 도 10은 도 9에 표시된 다른 실시예의 조건으로 만들어진 쾌삭성 구리합금의 표면을 보인 미세조직현미경 사진이며, 도 11은 본 발명의 실시예 5 내지 실시예 7에 의해 제조된 주조블럭을 드릴가공시 발생되는 토크와 순수 구리블럭에 발생되는 토크를 비교한 표이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이 실시예 5 내지 실시예 8에 따른 구리합금은, 구리(Cu)의 함유량은 80wt%를 고정한 상태로 칼슘(Ca)의 함량은 0.1 내지 1.5wt%로 변화되며, 이와 동시에 실리콘(Si)의 함량도 0.21 내지 3.07wt%로 변화하도록 조성하였다.

이때 기타 철(Fe)과 알류미늄(Al) 및 탄소(C)의 첨가량도 변화하기는 하나 극소량이므로 무시하기로 하며, 구리 합금에 잔부 아연(Zn)이 포함되도록 구성하였다.

상기와 같은 조건하에서 제조된 각각의 주조블럭 표면을 주사 전자현미경으로 확대한 결과, 도 10 과 같이 칼슘 및 실리콘의 함유량이 증가함에 따라 Ca-Si 화합물이 급격히 증가함을 알 수 있다. 도 9에 도시된 비커스경도와 같이 납이 함유된 구리합금의 비커스경도가 80임을 감안할 때 본 발명의 실시예5 내지 실시예 8에 의해 제조된 구리 합금의 경도는 향상된 것임을 알 수 있다.

그리고, 상기 실시예 5 내지 실시예8에 의해 제조된 구리합금을 10㎜ 직경을 가지는 드릴공구를 이용하여 드릴 가공하여 드릴공구에 전달되는 토크(Torque)를 측정한 결과, 순수 구리블럭과 비교할 때 전체적으로 낮은 토크가 발생된다.

이것은 드릴공구를 이용하여 구리합금에 드릴 가공할 때 칩이 이어지지 않고 단락되어 구리합금으로부터 취출되기 때문이며, 이러한 이유로 결국 칩이 드릴공구에 들러붙는 현상이 감소하게 되므로 절삭 가공성이 향상될 수 있게 된다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

예를 들어 본 발명의 실시예에서는, 아연의 함유량을 고정한 상태로 나머지 구성의 함유량을 변경하여 여러 실시예를 구성하였으나, 칼슘 및 실리콘이 함유되는 범위 내에서 칼슘 및 실리콘의 함유량을 고정한 상태로 구리 및 아연의 함유량을 변경함으로써 사용목적에 부합하는 쾌삭성 구리합금을 제조할 수도 있음은 자명하다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 쾌삭성 구리합금이 주조에 의해 성형되도록 구성하였으나, 압출, 압연, 인발 등 다양한 가공으로 형성되어질 수도 있음은 물론이다.

위에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 쾌삭성 구리합금에 따르면, 구리합금에 소정의 칼슘(Ca) 및 실리콘(Si)이 함유되도록 구성하였다.

따라서, 경도가 높아지고 연신율 및 인장강도가 감소하여 절삭 가공성이 향상되는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 의해 제조된 구리합금은 절삭공구에 의해 떨어져나온 칩으로부터 구리와 칼슘 및 실리콘을 분리하여 재자원화가 가능하게 되므로 제조원가가 절감되는 이점이 있다.

뿐만 아니라, 본 발명의 쾌삭성 구리합금에 첨가되는 칼슘 및 실리콘은 인체에 무해하므로 작업자의 작업 안전성을 향상시키는 이점이 있다.

Claims (5)

1. 구리(Cu)와 아연(Zn)과 칼슘(Ca) 및 실리콘(Si)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 쾌삭성 구리합금.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 칼슘(Ca)과 실리콘(Si)은 구리(Cu) 및 아연(Cu)의 합금인 황동기지가 알파(α) 단상 또는 알파(α) 와 베타(β)상이 혼합된 복합기지상에 첨가됨을 특징으로 하는 쾌삭성 구리합금.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 칼슘(Ca)과 실리콘(Si)이 첨가시 CaSi₂, CaSi, Ca₂Si 입자가 생성되는 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리합금.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 구리(Cu)는 60 내지 80 wt%, 칼슘(Ca)은 0.1 내지 1.5 wt%, 실리콘(Si)은 0.21 내지 3.07 wt%, 잔부(殘部)는 아연(Zn)을 포함한 철(Fe), 알루미늄(Al), 탄소(C)인 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리합금.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 압출, 압연, 인발 중에서 어느 하나의 가공으로 형성되는 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리합금.

Images