KR20090094535A - 가공용 고절삭 구리합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 칼슘 및 주조립미세화재가 포함된 가공용 고절삭 구리합금에 관한 것이다.

본 발명에 의한 구리합금은, 구리(Cu)와 아연(Zn)과 칼슘(Ca) 및 주조립미세화재를 포함하여 구성된다. 상기 구리(Cu)는 59.4 내지74.4wt%, 아연(Zn)은 25 내지 40 wt%, 칼슘(Ca)은 0.5 내지 0.6 wt%, 잔부(殘部)는 주조립미세화재인 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 구리합금은 절삭가공성 및 냉간가공성이 향상되는 이점이 있다.

가공용, 칼슘, 주조립미세화재, 압연, 구리합금

Description

가공용 고절삭 구리합금{ A high cutting copper alloy for manufacturing }

도 1 은 종래의 구리합금 외면을 확대한 광학현미경 사진.

도 2 는 종래의 구리합금이 압연된 모습을 보인 사진.

도 3 은 본 발명에 의한 가공용 고절삭 구리합금에서 실시예의 구성을 중량비로 나타낸 표.

도 4 는 본 발명에 의한 가공용 고절삭 구리합금에서 실시예의 경도를 나타낸 표.

도 5 는 본 발명에 의한 가공용 고절삭 구리합금의 실시예1 내지 실시예3의 외면을 확대한 광학현미경 사진.

도 6 은 본 발명에 의한 가공용 고절삭 구리합금의 실시예4 내지 실시예6의 외면을 확대한 광학현미경 사진.

도 7 은 본 발명에 의한 가공용 고절삭 구리합금의 실시예2와 종래의 구리합금을 드릴 가공시 발생되는 토크를 비교한 그래프.

도 8 은 본 발명에 의한 가공용 고절삭 구리합금의 실시예1 내지 실시예3의 기계적 성질을 나타낸 그래프.

도 9 는 본 발명에 의한 가공용 고절삭 구리합금의 실시예1 내지 실시예3에서 750℃열간압연시 외관 모습을 보인 실물사진.

도 10 은 본 발명에 의한 가공용 고절삭 구리합금의 실시예1 내지 실시예3을 8차압연시 외관 모습 및 압하율을 나타낸 실험 자료.

도 11 은 본 발명에 의한 가공용 고절삭 구리합금이 실시예1 내지 실시예3을 13차압연시 외관 모습 및 압하율을 나타낸 실험 자료.

본 발명은 구리합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구리 및 아연에 칼슘 및 주조립미세화재가 포함되어 절삭가공성 및 냉간가공성이 향상되도록 한 가공용 고절삭 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 기술이나 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 합금 한 것이며, 이외에도 구리(Cu)에 알루미늄(Al), 철(Fe), 니켈(Ni), 스트론튬(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, 대한민국 특허청 출원번호 제10-2007-0009274호에는 구리의 절삭성을 높이기 위해 칼슘(ca)을 첨가한 "쾌삭성 구리합금"이 출원되어 있다.

그러나, 상기 쾌삭성 구리합금은 절삭성이 향상되는 반면, 도 1과 같이 연속개재물(1)이 산재하여 압연성이 저하되는 문제점이 있다.

즉, 구리합금에 연속개재물이 많이 포함되어 있으면, 구리합금을 기계가공시에 연속개재물에서 파단이 발생하게 되어 결국 냉간가공성이 저하되는 문제점이 있 다.(도 2 참조).

본 발명의 목적은 구리 및 아연에 소정의 칼슘(Ca) 및 주조립미세화재를 첨가하여 연속개재물을 제거함으로써 절삭 가공성 향상 뿐만 아니라, 냉간 가공성도 향상되도록 한 가공용 고절삭 구리합금을 제공하는 것에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 가공용 고절삭 구리합금은, 구리(Cu)와 아연(Zn)과 칼슘(Ca) 및 주조립미세화재를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 구리(Cu)는 59.4 내지74.4wt%, 아연(Zn)은 25 내지 40 wt%, 칼슘(Ca)은 0.5 내지 0.6 wt%, 잔부(殘部)는 주조립미세화재인 것을 특징으로 한다.

상기 주조립미세화재는, 인(P), 지르코늄(Zr), 스트론튬(Sr) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 주조립미세화재는, 0.01wt% 인(P), 25ppm 지르코늄(Zr), 0.1wt% 스트론튬(Sr) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

8% 내지 92%의 가공율로 기계 가공 가능한 것을 특징으로 한다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따르면, 냉간가공성 및 기계가공성이 향상되는 이점이 있다.

이하에서는 본 발명에 의한 가공용 고절삭 구리합금의 구성을 도 3 및 도 4 를 참조하여 설명한다.

도 3에는 본 발명에 의한 가공용 고절삭 구리합금에서 실시예의 구성을 중량비로 나타낸 표가 나타나 있고, 도 4에는 본 발명에 의한 가공용 고절삭 구리합금에서 실시예의 경도를 나타낸 표가 나타나 있다.

이들 표와 같이, 본 발명에 의한 가공용 고절삭 구리합금에서는 구리(Cu), 아연(Zn), 칼슘(Ca) 및 주조립미세화재를 포함하여 구성된다.

상기 주조립미세화재는 구리합금 내부에 연속개재물이 형성되지 않도록 하여 구리합금의 냉간가공성을 높이기 위한 구성이다.

보다 상세하게는, 상기 구리합금은, 구리(Cu) 59.4 내지 74.4wt%, 아연(Zn)은 25 내지 40 wt%, 칼슘(Ca)은 0.5 내지 0.6 wt% 및 잔부(殘部)인 주조립미세화재를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 주조립미세화재는 인(P), 지르코늄(Zr), 스트론튬(Sr) 중 하나 이상을 포함하여 구성되며, 보다 상세하게는, 상기 주조립미세화재는 0.01wt% 인(P), 25ppm 지르코늄(Zr), 0.1wt% 스트론튬(Sr) 중 하나 이상을 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 구리합금은 상기와 같은 중량 범위 내에서 도 3과 같이 다양한 실시예를 제조하였다.

즉, 실시예1 내지 실시예3에 따른 구리합금은, 구리(Cu)와 아연(Zn) 및 칼슘(Ca)의 함유량을 각각 59.4Wt%, 40wt%, 0.6 또는 0.5wt%로 고정한 상태로 0.01wt%의 인(P)과, 25PPM의 지르코늄(Zr) 및 0.1wt%의 스트론튬(Sr)을 선택적으로 포함시켰다.

또한, 실시예4 내지 실시예6에 따른 구리합금은, 구리(Cu)와 아연(Zn) 및 칼슘(Ca)의 함유량을 각각 74.4Wt%, 25wt%, 0.6 또는 0.5wt%로 고정한 상태로 0.01wt%의 인(P)과, 25PPM의 지르코늄(Zr) 및 0.1wt%의 스트론튬(Sr)을 선택적으로 포함시켰다.

상기와 같은 조성으로 제조된 실시예1 내지 실시예6의 경도를 측정하여 도 4에 나타내었다.

경도 측정 결과 도 4와 같이, 125.58(Hv) 이상 147.31(Hv) 이하의 경도를 갖는 것을 알 수 있으며, 이러한 경도는 일반적인 구리합금의 경도보다 대등하거나 높은 수준이다.

한편, 상기와 같이 구성되는 구리합금에는 주조립미세화재가 첨가되어 있으므로, 냉간가공성을 저해하는 연속개재물이 현저히 감소함과 동시에 제2상을 구형화하게 된다.

즉, 도 5에는 본 발명에 의한 가공용 고절삭 구리합금의 실시예1 내지 실시예3의 외면을 확대한 광학현미경 사진이 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명에 의한 구리합금의 실시예4 내지 실시예6의 외면을 확대한 광학현미경 사진이 도시되어 있다.

이들 사진과 같이 상기와 같은 조성 범위 내에서 만들어진 6개의 실시예에서는 연속개재물이 나타나 있지 않은 것을 알 수 있다.

또한 상기와 같이 제조된 구리합금은 드릴공구를 이용하여 가공시에 깊이가 깊어짐에 따라 드릴공구에 전달되는 토크(Torque)를 통해 절삭 가공성을 알 수 있 다.

즉, 도 7과 같이 주조립미세화재가 첨가되지 않은 구리합금(왼쪽 사진)과 주조립미세화재가 첨가된 구리합금(오른쪽 사진)을 8㎜ 지름을 가지는 고속도강(HSS:High-Speed Steel) 재질의 드릴공구로 드릴링했을 때 드릴공구에 전달되는 토크의 크기를 비교하면, 토크의 크기가 유사한 것을 알 수 있다.

이것은 상기 구리합금에 주조립미세화재를 첨가하더라도 구리합금의 절삭성이 저하되지 않은 것을 증명해주는 것이다.

상기와 같이 상기 구리합금에 연속개재물이 감소하게 되면, 냉간가공성이 증가하게 된다.

도 8에는 본 발명에 의한 구리합금의 실시예1 내지 실시예3의 기계적 성질을 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

도면과 같이, 인장강도(TS)는 310 내지 360 MPa를 나타냈으며, 연신율(Elongation)은 18 내지 35%를 나타내었다. 이러한 실시예1 내지 실시예3의 인장강도(TS) 및 연신율(Elongation) 측정값은 상용화된 C3604BE의 인장강도 335MPa 및 연신율(Elongation) 20% 와 비교할 때 월등히 높은 것을 알 수 있다.

실제로 상기 구리합금의 실시예1 내지 실시예3을 750℃에서 열간압연시에 도 9와 같이 압연가공성이 좋은 것을 알 수 있으며, 도 10과 같이 냉간 압연시에 75%의 가공율에서도 압연 가능하며, 도 11과 같이 92%의 냉간압연 가공율로 압연하더라도 파단되지 않고 압연 가능한 것을 알 수 있다.

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.

위에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 가공용 고절삭 구리합금에 따르면, 구리 및 아연에 소정의 칼슘(Ca) 및 주조립미세화재를 첨가하여 연속개재물이 제거되도록 하였다.

따라서, 인장강도 절삭성 등의 기계 가공성이 향상되는 이점이 있다.

또한, 연신율이 증가하여 냉간가공 성능이 향상되는 이점이 있다.

Claims (5)

1. 구리(Cu)와 아연(Zn)과 칼슘(Ca) 및 주조립미세화재를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 가공용 고절삭 구리합금.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 구리(Cu)는 59.4 내지74.4wt%, 아연(Zn)은 25 내지 40 wt%, 칼슘(Ca)은 0.5 내지 0.6 wt%, 잔부(殘部)는 주조립미세화재인 것을 특징으로 하는 가공용 고절삭 구리합금.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 주조립미세화재는,

   인(P), 지르코늄(Zr), 스트론튬(Sr) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한느 가공용 고절삭 구리합금.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 주조립미세화재는,

   0.01wt% 인(P), 25ppm 지르코늄(Zr), 0.1wt% 스트론튬(Sr) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 가공용 고절삭 구리합금.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 8% 내지 92%의 가공율로 기계 가공 가능한 것을 특징으로 하는 가공용 고절삭 구리합금.

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