KR20090067424A - 가공성이 우수한 Ｃｕ-Ｓｎ합금 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Cu-Sn합금(이하 "동합금"이라 칭함) 제조시 Sn의 고용 함량을 늘려 강도를 증가시키고, 동합금의 가공성을 개선하여 생산성을 향상시킴과 동시에 동합금 자체의 물성을 향상시킬 수 있도록 한 고강도 스프링, 스위치, 슬라이딩 블록 및 열가소성 플라스틱 사출성형 금형 등에 이용되는 가공성이 우수한 Cu-Sn합금 제조방법에 관한 것으로,

그 구성은 Cu : 84 - 92wt%, Sn : 8 - 16wt%의 조성비를 갖도록 용해로를 이용하여 용해하고 그 용해된 용탕을 턴디쉬에 공급하는 단계; 상기 턴디쉬의 용탕을 턴디쉬 하부에 설치된 용탕 출구로 외부공기와의 접촉이 이루어지지 않게 출탕하는 단계; 상기 출탕되는 용탕에 가스분무기로 불활성가스를 분무하여 상기 용탕을 미립자의 액적으로 변화시키는 단계; 상기 액적을 목적물의 기판에 골고루 적층시켜 빌렛을 형성시키는 단계로 이루어진다.

Cu-Sn합금, 가공성, 불활성가스, 분무주조

Description

가공성이 우수한 Ｃｕ-Ｓｎ합금 제조방법{Method for making Copper-Tin alloy with excellent workability}

본 발명은 Cu-Sn합금(이하 "동합금"이라 칭함) 제조시 Sn의 고용 함량을 늘려 강도를 증가시키고, 동합금의 가공성을 개선하여 생산성을 향상시킴과 동시에 동합금 자체의 물성을 향상시킬 수 있도록 한 고강도 스프링, 스위치, 슬라이딩 블록 및 열가소성 플라스틱 사출성형 금형 등에 이용되는 가공성이 우수한 Cu-Sn합금 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 Cu-Sn합금(이하 "동합금"이라 칭함) 제조는 연속주조공정에 의해 이루어지고 있으며, 그 연속주조공정에 의해 이루어지는 동합금의 강도는 Sn의 함량에 의하여 결정되는바, 상기 Sn의 함량이 증가할수록 합금 강도의 향상에는 효과적이지만 최종 동합금제품 생산 시 필연적으로 수반되는 후속 변형 가공이 불가능하여 상기 동합금 제조를 위한 주조 시 합금의 조성은 Sn의 함량이 8wt% 이하로 제한되고 있다.

상기 Sn의 함량을 8wt%로 이하로 제한하는 구체적인 이유는 Sn이 8wt%를 초과하게 되면 상온에서의 낮은 고용도와 넓은 응고범위(약 300℃)로 인하여 도1 및 도2에 나타낸 바와 같이 주조 시 합금 내부에 심각한 편석 현상이 발생함과 동시에 융점이 낮고 취성이 큰 조대한 델타상(Cu₄₁Sn₁₁)이 불균일하게 분포하여 후속 냉간 가공이나 열간 가공시 균열이 쉽게 발생되는 문제점이 발생한다.

상기 도 1의 조직사진은 종래 주조방법에 의해 제조된 Cu-10Sn 합금의 광학현미경에 의한 미세조직사진이이고, 도 2는 종래 주조방법에 의해 제조된 Cu-14Sn 합금의 광학현미경 미세조직사진이다.

또한, 상기 동합금 제조를 위한 연속주조 시 용탕의 충분한 탈산과 물성에 악영향을 주는 SnO₂의 생성을 억제하고 주조성을 향상시키기 위하여 미량의 P를 첨가하여 합금을 제조하게 되는데, 탈산 후 P가 얼마간 남아있으면 그것이 경한 Cu₃P를 형성하여 합금의 강도와 경도를 증가시켜 주는 반면, 후속 가공성을 현저히 떨어뜨리는 문제점이 발생한다.

이러한 여러 원인들로 인하여 종래 기술에서는 6wt% Sn을 함유한 Cu-Sn합금을 연속주조한 후 용체화처리를 통하여 합금원소를 고용시킨 후 작은 변형 율로 냉간가공을 행하는 과정을 반복함으로써 최종 동합금 판재를 생산하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 이를 해소하고자 발명한 것으로서, 그 목적은 동합금 내부의 편석 현상을 방지하고, 취성이 큰 조대한 델타 상(Cu₄₁Sn₁₁)의 불균일한 분포를 방지하며, 냉간 가공이나 열간 가공시 균열이 쉽게 발생 되지 않도록 하기 위하여 Sn의 고용 함량을 증가시킴과 동시에 재료강도의 향상과 균일하고 미세한 조직을 얻고자 분무 주조공정을 이용하여 가공성이 우수한 Cu-Sn합금 제조방법을 제공함에 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 해결수단은 Cu : 84 - 92wt%, Sn : 8 - 16wt%의 조성비를 갖도록 용해로를 이용하여 용해하고 그 용해된 용탕을 턴디쉬에 공급하는 단계; 상기 턴디쉬의 용탕을 턴디쉬 하부에 설치된 용탕 출구로 외부공기와의 접촉이 이루어지지 않게 출탕하는 단계; 상기 출탕되는 용탕에 가스분무기로 불활성가스를 분무하여 상기 용탕을 미립자의 액적으로 변화시키는 단계; 상기 액적을 목적물의 기판에 골고루 적층시켜 빌렛을 형성시키는 단계로 이루어진다.

그리고 상기 턴디쉬의 용탕 출구로 출탕되는 용탕의 온도를 1000℃ - 1150℃로 유지하고, 상기 불활성가스의 분무 압력은 4bar - 8bar이며, 상기 액적이 적층되는 목적물의 기판은 회전기판으로 이루어진다.

상술한 바와 같은 본 발명은 분무 주조공정을 통하여 Sn의 고용 함량을 증가시켰고, 결정립의 미세화를 실현하였으며, 델타상과 같은 2차 상의 생성을 효과적으로 억제하여 균일한 미세조직을 갖게 됨으로써 가공작업시 균열생성이 억제되어 소성 가공율 및 가공성이 향상되는 효과를 얻었다.

또 본 발명은 종래 주조합금에서 필연적으로 수반되었던 용체화 처리 공정을 거치지 않고 바로 후속 가공공정을 도입할 수 있으며, Sn 고용 함량 증가 및 총 가공율 증대에 따른 가공 경화효과로 인하여 재료의 강도를 향상시키는 효과를 얻었다.

또한 본 발명은 종래 연속주조합금에 비하여 작업 공정의 단축 및 Sn 함량 증가에 따른 고강도화의 실현이 가능해 짐으로써 새로운 고강도 동합금 제조 기술을 제공하여 기능성 부품제조 산업 및 구조재료 등 여러 산업 분야로의 이용이 크게 기대되는 효과를 얻었다.

본 발명의 가공성이 우수한 Cu-Sn합금 소재 제조방법은 Sn이 8~16wt%를 함유하고 나머지 Cu인 모합금을 유도용해로에서 용해하고 이 용융물에 불활성가스(질소 아르곤)를 분사하여 빌렛(billet)을 제조하는 과정으로 이루어진다.

상기 본 발명의 분무 주조공정은 도 7에 개략적으로 나타낸 바와 같이 적정의 조성비를 갖는 Cu - Sn을 용해로(10)에서 용해하고 그 용해된 용탕을 턴디쉬(20)에 공급한 후 턴디쉬의 용탕을 턴디쉬(20) 하부에 설치된 용탕출구(21)로 출탕하되, 그 출탕되는 용탕이 외부공기와의 접촉이 이루어지지 않도록 기밀성부재(30)를 이용하여 기밀성이 유지되게 하여 출탕한다.

한편 상기 출탕되는 용탕에는 고압의 불활성가스를 가스분무기(40)를 통하여 분무하면 상기 출탕되는 용탕은 미립자의 액적(액상의 용융 미립자)(50)으로 변화 되고 그 변화되는 미립자의 액적(50)은 목적물의 기판(60)에 골고루 적층시켜 성형체 즉 빌렛을 형성시키는 것으로 이루어진다.

상기 고압의 불활성가스 분사에 의해 형성된 용융 액적(50)들은 완전히 응고되기 전에 기판(60)에 용착 또는 적층되어 목적하는 형성 즉 봉상, 판상 또는 관상 형태의 대형 성형체를 제조 할 수 있다.

또 분무 주조공정은 불활성가스 분무에 따른 미세 액적의 형성을 통하여 급냉 응고효과를 얻을 수 있음과 동시에 기판(60) 표면에서의 최종적인 반 응고 성형과정을 통하여 미세하고 균일한 미세조직을 형성하게 된다.

야금학적으로 98% 이상의 높은 성형 밀도와 거시적인 합금원소의 편석이 없는 미세한 등 방성 결정립의 특징적인 미세조직을 형성함으로써 최종 제품의 기계적 성질 향상과 함께 후속 가공 또는 성형 공정을 생략할 수 있는 장점이 있다.

또한 용융금속으로부터 반제품 성형체로의 제조가 짧은 시간 내에 단일공정으로 가능하기 때문에 종래의 주조 및 분말야금 공정과 비교하여 경제적이라는 장점이 있다.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

Cu : 84 - 92wt%, Sn : 8 - 16wt%계 합금을 용해로(10)를 이용하여 용탕으로 용해한 후 턴디쉬(20)에 붓는다. 한편 상기 턴디쉬(20)의 용탕은 용탕출구(21)를 통하여 하부의 가스분무기(40)에 연속적으로 공급하는 역할을 한다.

그리고 상기 가스분무기(40)는 가스공급 관과 연결되어 고속의 가스 제트가 용탕으로 분출되고 상기 고압의 불활성가스와 접촉된 용탕은 미세한 액적으로 분무 화된다. 상기 가스분무기(40)의 하부에는 금속재의 기판(60)이 수평하게 위치되며 상기 낙하하는 액적(50)은 상기 하부의 기판(60) 위에 연속적으로 적층되어 Cu-Sn 빌렛을 형성하게 된다.

이때 상기 기판(60)은 회전수단(61)인 모터에 의해 회전되면서 액적(50)의 균일한 적층을 유도하며 용탕의 출강속도 즉 하강속도를 조절하면 빌렛의 직경을 용이하게 제어할 수 있다.

상기 불활성가스 분무할 때 Cu : 84 - 92wt%, Sn : 8 - 16wt%계 합금 용탕의 온도는 1000℃ - 1150℃가 가장 적합하며 분사가스로는 질소가스 혹은 알르곤가스 중 어느 것을 사용해도 무방하나 경제성을 고려하여 질소가스를 사용함이 가장 적합하다.

상기 합금 용탕의 온도를 1000℃ - 1150℃로 관리하는 이유는 1000℃ 미만에서는 불확성가스 분무시 액적(50)의 형성이 어렵고, 1150℃를 초과하면 기판(60)에 적층 된 액적이 흘러내리는 문제점이 발생함으로 용탕의 온도는 1000℃ - 1150℃가 바람직하다.

그리고 상기 용탕에 분무하는 가스를 불활성가스로 하고 용탕출구(21)로 출탕되는 용탕을 외부공기와 접촉되지 않게 기밀성부재(30)를 사용하는 이유는 용탕의 산화를 막기 위함이다.

상기 분사가스의 압력은 4bar - 8bar가 적합하며, 압력이 4bar 미만이면 액적의 크기가 조대하여 빌렛 합금의 조직이 균일하지 못하고, 반면에 압력이 8bar를 초과하면 가스분무기 주변에 배압 형성되어 조업이 원활하지 못하게 된다.

또한, 용탕의 하강 속도는 0.8mm/s - 1.5mm/s 사이가 가장 적합하며 0.8mm/s보다 작으면 적층되는 합금 층의 두께가 너무 두껍게 형성되고 반면에 1.5mm/s보다 크면 액적을 용이하게 적층하기 힘들게 된다.

상기의 조건을 이용하여 14wt% Sn을 함유한 동합금 빌렛을 제조하고 그 미세조직을 도 3에 나타내었으며, 상기 도 3의 비교대상으로 종래의 주조공정으로 제조된 Cu-14Sn 합금의 미세조직을 도 2에 나타내었다.

비교재인 주조공정에 의해 제조된 합금의 미세조직 관찰 결과, 100mm 이상의 결정립 크기를 갖고 있고, 심각한 거시적 편석 현상이 관찰되었으며 수십~수백mm 크기의 조대한 델타상과 수십mm 크기의 Cu₃P 상이 석출되었다. 이러한 불균일한 미세조직과 조대한 석출상들의 분포는 후속 가공성을 현저하게 떨어뜨리게 되는 주요 원인이 된다.

그와 비교하여 도 3에서 보여주고 있는 분무 주조공정에 의해 제조된 본 발명재에서는, 결정립 크기가 20~30mm로 크게 감소하였고, 델타상의 석출 또한 효과적으로 억제되었으며 기공과 편석이 거의 없는 매우 균일한 미세조직을 얻을 수 있었다.

Sn의 함량을 달리하여 여러 실시예를 실험한 결과, Sn 함량 14wt%까지는 델타상이 생성되지 않았고, 도 4에서 보여지는 바와 같이 16wt% 이상 첨가되었을 경우 결정립 계면을 따라 미세한 델타상이 전체적으로 균일하게 생성되었음을 확인하였다.

합금의 가공성을 평가하기 위하여 압축실험을 실시한 후 그 결과를 비교하였다. 도 5 및 도 6은 Sn 함량 14wt%일 경우 비교재와 본 발명재를 길이방향으로 40% 압축한 후의 이미지이다.

상기 40%까지 변형 후 주조 시편인 비교재는 균열이 생성되어 파괴가 발생하였다. 그에 반하여 본 발명재는 같은 변형량에서 깨끗한 표면형상을 유지하였고 균일하게 변형된 것을 확인할 수 있었다.

Sn 함량 16wt%인 실시예는 델타상이 생성되었음에도 불구하고 결정립 계면에 균일하고 미세하게 분포하였기 때문에 비교적 우수한 가공성을 나타내었다.

하기 표1에서는 Sn 함량에 따른 비교재와 본 발명재의 델타상 생성여부, 경도 및 가공성을 표기하였다.

[표1]

구분	제조방법	Sn함량 (wt%)	델타상 생성여부	경도 (Hv,1kg)	가공성
실시예	분무주조공정	10	X	93±5	O
		12	X	107±2	O
		14	X	111±5	O
		16	△	153±6	O
비교재	연속주조공정	10	O	149±14	△
		14	O	223±15	X

상기 표 1에 나타난 바와 같이, Sn 함량 14wt%의 경우, 본 발명재는 경도 값이 111Hv로 같은 조성의 비교재의 223Hv 보다 훨씬 낮은 경도 값을 갖고 있다. 이는 경도 값이 큰 조대한 델타상의 생성이 효과적으로 억제됨에 따른 결과로서 종래의 주조시편의 경우 후속 가공시 용체화처리 공정이 필수적인데 반하여 본 발명재의 경우엔 이러한 용체화처리 공정 없이 후속 가공이 가능 하다는 것을 의미한 다.　　

도 1은 종래 주조방법에 의해 제조된 Cu-10Sn 합금의 광학미세조직사진,

도 2는 종래 주조방법에 의해 제조된 Cu-14Sn 합금의 광학미세조직사진,

도 3은 본 발명에 의해 제조된 Cu-14Sn 합금의 광학미세조직사진,

도 4는 본 발명에 의해 제조된 Cu-16Sn 합금의 광학미세조직사진,

도 5는 종래 연속주조방법에 의해 제조된 Cu-14Sn 합금의 압축실험 후 사진,

도 6은 본 발명에 의해 제조된 Cu-14Sn 합금의 압축실험 후의 사진,

도 7은 본 발명의 Cu-Sn합금 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 공정도.

*도면의 주요부분에 대한 부호설명*

10 : 용해로 20 : 턴디쉬

21 : 용탕출구 30 : 기밀성부재

40 : 가스분무기 50 : 액적

60 : 기판 61 : 회전수단

Claims (5)

1. Cu : 84 - 92wt%, Sn : 8 - 16wt%의 조성비를 갖도록 용해로를 이용하여 용해하고 그 용해된 용탕을 턴디쉬에 공급하는 단계;

   상기 턴디쉬의 용탕을 턴디쉬 하부에 설치된 용탕 출구로 외부공기와의 접촉이 이루어지지 않게 출탕하는 단계;

   상기 출탕되는 용탕에 가스분무기로 불활성가스를 분무하여 상기 용탕을 미립자의 액적으로 변화시키는 단계;

   상기 액적을 목적물의 기판에 골고루 적층시켜 빌렛을 형성시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가공성이 우수한 Cu-Sn합금 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 턴디쉬의 용탕 출구로 출탕되는 용탕의 온도를 1000℃ - 1150℃로 유지함을 특징으로 하는 가공성이 우수한 Cu-Sn합금 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 불활성가스를 분무 압력은 4bar - 8bar인 것을 특징으로 하는 가공성이 우수한 Cu-Sn합금 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 용탕의 하강 속도는 0.8mm/s - 1.5mm/s 임을 특징으로 하는 가공성이 우수한 Cu-Sn합금 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 액적이 적층되는 목적물의 기판은 회전기판임을 특징으로 하는 가공성이 우수한 Cu-Sn합금 제조방법.

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