KR20120031291A - 다이캐스팅용 구리합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 망간(Mn)의 함량을 높이고 미량의 크롬(Cr)을 첨가하며 유해원소인 니켈(Ni) 및 납(Pb)을 미첨가하여 고강도 및 저융점을 갖도록 함으로써 주조성이 향상되도록 한 다이캐스팅용 구리합금에 관한 것이다.
본 발명에 의한 다이캐스팅용 구리합금은, 3.0 내지 7.5중량%의 알루미늄(Al)과, 60.0 내지 68.0중량%의 구리(Cu)와, 2.0 내지 4.0 중량%의 철(Fe)과, 0 초과 0.2중량% 이하의 납(Pb)과, 2.5 내지 5.0 중량%의 망간(Mn)과, 0.2중량%의 주석(Sn)과, 25.0중량%의 아연(Zn)을 포함하여 구성되는 고력황동(CAC 304)에 망간(Mn)과 크롬(Cr) 및 아연(Zn)을 첨가하여 주조된 다이캐스팅용 구리합금에 있어서, 상기 다이캐스팅용 구리합금은, 전체 중량에 대하여 7.0 내지 8.5 중량%의 망간(Mn)과, 0.1 내지 0.2 중량%의 크롬(Cr)을 함유하는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 본 발명에 따르면, 강도 및 유동성이 향상되어 다이캐스팅이 가능하며 낮은 융점을 갖게 되어 생산성이 향상되는 이점이 있다.

Description

다이캐스팅용 구리합금{A copper alloy for die-casting}

본 발명은 다이캐스팅용 구리합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 망간(Mn)의 함량을 높이고 유해원소인 니켈(Ni) 및 납(Pb)을 미첨가하여 고강도 및 저융점을 갖도록 한 다이캐스팅용 구리합금에 관한 것이다.

최근 IT 기술이 급격히 발달함에 따라서 이를 위한 전자부품의 소형화 및 고성능화가 필수적으로 요구되고 있으며 특히 소형화된 기존 소재로써 구조 유지가 어려운 경우가 발생하여 고강도의 대체 소재에 대한 요구가 증가되고 있다.

하우징 등의 전자부품은 치수 유지를 위하여 후속 열처리 등의 공정이 제한됨에 따라서 열처리에 의한 고강도화에 어려움이 있다. 따라서 정형화가 가능한 다이캐스팅(diecasting) 공정이 이러한 전자부품 제조에 있어서 적합한 공정이라고 할 수 있다.

알루미늄(Al)의 소재는 그 가격이 저렴하고, 복잡한 형상을 제조하기가 용이하고, 다이캐스팅(diecasting)공정시에 구리합금에 비하여 금형의 수명을 연장할 수 있기 때문에, 다양한 부품에 알루미늄 다이캐스팅이 널리 적용되고 있다.

그러나, 알루미늄합금은 구리합금에 비하여 상온 및 고온에서의 강도, 내피로성, 내크립성이 낮은 문제점이 있어 고강도가 요구되는 전자부품 하우징 소재로서 적용이 어렵다.

한편, 유럽 등 선진국에서는 전자부품으로 친환경 소재에 대한 지속적인 요구가 있으며 Ni, Pb 등의 유해 원소를 사용하는 경우 시장 진출이 불가능한 상황이므로 합금 원소 선택에 있어서 제약이 있다. 전자부품으로 사용되는 소재는 일반적으로 비자성합금이 요구되므로 고강도 철강재료 등은 사용이 어려운 실정이다.

따라서, 유해원소를 함유하지 않는 전자부품용 고강도 비자성 소재로서 구리합금을 사용하는 방법을 제안할 수 있다.

또한, 이와 같은 구리합금에 대한 정형제조기술의 개발이 요구되었다. 그러나, 지난 25년 동안 다이캐스팅으로 구리합금 부품을 제조하고자 하는 많은 노력이 있었음에도 불구하고, 높은 융점으로 인해 경제적인 다이캐스팅이 어려운 문제점이 있었다.

특히, 아연이 첨가된 황동계열의 구리합금에서는 용탕의 유동성이 저하되는 단점으로 인하여 다이캐스팅 공정 적용에 어려움이 있었다.

이에 따라, 대한민국 등록특허 제0867056호에는 주조성, 도전성, 열전도성, 고기계적 성질을 갖는 "구리합금"이 개시되어 있다.

그러나, 이러한 종래의 구리합금에는 인체에 대한 유해성이 발견되어 전세계적으로 엄격하게 사용이 금지된 납(Pb)이 함유되어 있다.

또한, 구리에서 납을 제거하는 방법은 매우 까다로워 재활용성이 낮기 때문에 유한 자원의 효율적 이용 측면에서도 문제가 제기되었다.

이에 따라 납을 대체할 수 있는 첨가물에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.

즉 대한민국 등록특허 제0434810호에는 "반용융가압성형용 구리-지르코늄(Cr-Zr)합금 및 그의제조방법"이 개시되어 있다.

그러나, 이러한 합금에는 고가의 금속이 다량 포함되어 있고, 합금 제조시 진공 분위기에서 실시되므로 원소재의 가격을 상승시키게 되는 문제점이 있다.

또한, 합금 제조시 진공 분위기에서 실시되므로 생산성이 저하되어 수급에 문제점이 발생되고 있다.

본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 보다 상세하게는 망간(Mn)의 함량을 높이고 미량의 크롬(Cr)을 첨가하며, 유해원소인 니켈(Ni) 및 납(Pb)을 미첨가하여 고강도 및 저융점을 갖도록 한 다이캐스팅용 구리합금을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의한 다이캐스팅용 구리합금은, 3.0 내지 7.5중량%의 알루미늄(Al)과, 60.0 내지 68.0중량%의 구리(Cu)와, 2.0 내지 4.0 중량%의 철(Fe)과, 0 초과 0.2중량% 이하의 납(Pb)과, 2.5 내지 5.0 중량%의 망간(Mn)과, 0.2중량%의 주석(Sn)과, 25.0중량%의 아연(Zn)을 포함하여 구성되는 고력황동(CAC 304)에 망간(Mn)과 크롬(Cr) 및 아연(Zn)을 첨가하여 주조된 다이캐스팅용 구리합금에 있어서, 상기 다이캐스팅용 구리합금은, 전체 중량에 대하여 7.0 내지 8.5 중량%의 망간(Mn)과, 0.1 내지 0.2 중량%의 크롬(Cr)을 함유하는 것을 특징으로 한다.

상기 다이캐스팅용 구리합금은, 628M㎩ 이상의 항복강도를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 다이캐스팅용 구리합금은, 830M㎩ 이상의 인강강도를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 다이캐스팅용 구리합금은, 4 내지 13%의 파단연신율을 갖는 것을 특징으로 한다.

위에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 다이캐스팅용 구리합금에서는, 망간(Mn)의 함량을 높이고 미량의 크롬(Cr)을 첨가하며 유해원소인 니켈(Ni) 및 납(Pb)이 첨가되지 않도록 구성하였다.

따라서, 기계적 강도가 향상되며, 용탕의 유동성이 향상되어 다이캐스팅 공정이 가능하고, 융점이 낮아져 생산성이 향상되며 다이캐스팅 공정시에 금형에 가해지는 부하를 최소할 수 있게 되므로 제조 원가를 현저히 낮출 수 있는 이점이 있다.

또한, 인체에 유해한 성분이 포함되어 있지 않으므로, 안전성이 향상되며 소비자로부터 구매욕을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다이캐스팅용 구리합금 및 비교재(CAC 304)의 조성을 비교한 표.
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다이캐스팅용 구리합금을 이용하여 다이캐스팅 공정으로 제작한 시편 사진.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예의 조성에서 크롬(Cr)의 첨가 여부에 따른 다이캐스팅 가능 여부를 나타내는 시험편의 형상 사진.
도 4 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다이캐스팅용 구리합금을 다이캐스팅하여 제작한 시편의 표면 미세조직 사진.
도 5 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다이캐스팅용 구리합금을 다이캐스팅하여 제작한 시편의 단면 미세조직 사진.
도 6 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다이캐스팅용 구리합금을 다이캐스팅하여 제작한 시편의 강도 및 연신율 실험 데이터.

이하 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명에 의한 다이캐스팅용 구리합금(이하 '구리합금'이라 칭함)에 대하여 설명한다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다이캐스팅용 구리합금 및 비교재(CAC 304)의 조성을 비교한 표가 도시되어 있다.

이와 같이 본 발명에 의한 구리합금은, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 다이캐스팅용 구리합금은, 65.0 내지 67.0 중량%의 구리(Cu)와 7.0 내지 8.5 중량%의 망간(Mn)과, 4.0 내지 7.0 중량%의 알루미늄(Al)과, 2.5 내지 3.5 중량%의 철(Fe)과, 0.1 내지0.2중량%의 크롬(Cr)과, 0.05 중량% 미만의 주석(Sn)과, 잔부(殘部)인 아연(Zn) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하여 구성되는 조성을 가진다.

도 1을 통해 비교예와 대비하면, 본 발명에 의한 구리합금에는, 망간(Mn)의 함량이 많고, 미량의 크롬(Cr)을 포함하고, 주석(Sn)의 함량은 상대적으로 적으며, 유해성분인 납(Pb)과 니켈(Ni)은 전혀 포함되어 있지 않다.

상기와 같이 구성된 구리합금은 본 발명의 실시예에서, 고력황동(CAC 304) 조성에서 납(Pb)을 제거하고 망간(Mn)의 함량을 증가시키고 미량의 크롬(Cr)을 첨가시킨 후, 아연(Zn)을 제외한 나머지 구성 원소들을 이용하여 용해한 상태에서 가열 온도를 낮추어 아연(Zn)을 추가로 첨가한 후 주조하여 형성하였다.

이때 상기 고력황동(CAC 304)은, 3.0 내지 7.5중량%의 알루미늄(Al)과, 60.0 내지 68.0중량%의 구리(Cu)와, 2.0 내지 4.0 중량%의 철(Fe)과, 0.2중량% 이하의 납(Pb)과, 2.5 내지 5.0 중량%의 망간(Mn)과, 0.2중량%의 주석(Sn)과, 25.0중량%의 아연(Zn)을 포함하였다.

이러한 조성을 가지는 구리합금의 기계적 성질을 알아보기 위해 도 2와 같이 다이캐스팅 공정을 이용하여 시편을 제조하였으며, 시편 제조시에 구리합금은 1000~1100℃에서 용해하였으며, 일반적인 다이캐스팅 공정을 적용하였다.

도 3은 바람직한 실시예(실시예 4)의 조성에서 크롬(Cr)의 첨가 여부에 따른 다이캐스팅 가능 여부를 나타내는 시험편의 형상으로 실시예의 조성에서 크롬(Cr)이 미첨가된 경우에는 sticking 현상에 의하여 홀(hole)부의 형상을 구현하지 못하는 것을 관찰할 수 있다. 하지만, 동일 합금에서 크롬(Cr) 원소가 첨가된 경우에는 주조성이 향상됨으로써 다이캐스팅에 의한 홀(hole) 등의 복잡 형상 구현이 가능해지는 것을 알 수 있다.

이렇게 제조된 시편의 미세조직 상태 및 강도는 첨부된 도 4 내지 도 6과 같다.

즉, 도 4와 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다이캐스팅용 구리합금을 다이캐스팅하여 제작한 시편의 표면과 단면의 미세조직 사진이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다이캐스팅용 구리합금을 다이캐스팅하여 제작한 시편의 강도 및 연신율 실험 데이터이다.

먼저, 도 4의 시편 표면 미세조직과 같이, 구리합금의 표면에는 6개의 시편모두 미세한 기공은 발견되나 조대한 기공이 거의 발견되지 않아 양호한 표면 상태를 가지는 것을 알 수 있다.

그리고, 구리합금의 단면에는 도 5와 같이 내부 중심부에 조대한 개재물과 기공이 존재하였으며 이러한 개재물의 성분을 분석한 결과, 철(Fe)이 다량 함유되어 있는 개재물임을 알 수 있었다.

그리고, 상기 시편의 항복강도를 측정한 결과, 628 내지 863M㎩을 나타내었으며, 인장강도는 830 내지 1003M㎩을 나타내었다.

그리고, 파단연신율은 4 내지 13%를 나타내었다.

따라서, 비교재와 비교할 때 본 발명에 의한 구리합금은, 망간(Mn) 및 알루미늄(Al)의 함량이 증가함에 따라 항복강도 및 인장강도가 증가하는 것을 알 수 있으며, 파단연신율은 감소하였다.

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.

Claims (4)

1. 3.0 내지 7.5중량%의 알루미늄(Al)과, 60.0 내지 68.0중량%의 구리(Cu)와, 2.0 내지 4.0 중량%의 철(Fe)과, 0 초과 0.2중량% 이하의 납(Pb)과, 2.5 내지 5.0 중량%의 망간(Mn)과, 0.2중량%의 주석(Sn)과, 25.0중량%의 아연(Zn)을 포함하여 구성되는 고력황동(CAC 304)에 망간(Mn)과 크롬(Cr) 및 아연(Zn)을 첨가하여 주조된 다이캐스팅용 구리합금에 있어서,
   상기 다이캐스팅용 구리합금은,
   전체 중량에 대하여 7.0 내지 8.5 중량%의 망간(Mn)과, 0.1 내지 0.2 중량%의 크롬(Cr)을 함유하는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 구리합금.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 다이캐스팅용 구리합금은,
   628M㎩ 이상의 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 구리합금.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 다이캐스팅용 구리합금은,
   830M㎩ 이상의 인강강도를 갖는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 구리합금.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 다이캐스팅용 구리합금은, 4 내지 13%의 파단연신율을 갖는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 구리합금.
   

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