KR20150039729A

KR20150039729A - 주물용 무연 내식 황동 합금

Info

Publication number: KR20150039729A
Application number: KR20150041663A
Authority: KR
Inventors: 곽범수; 박용식; 전완기; 박기원; 김성술; 권진오
Original assignee: 주식회사 대창; 주식회사 서원
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2015-04-13

Abstract

본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금은, 구리(Cu) 60~65wt%, 알루미늄(Al) 0.1~3.0wt%, 납(Pb) 0~0.25wt%, 철(Fe) 0~0.2wt%, 주석(Sn) 0.5~6.0wt%, 인(P) 0.02~0.25wt%를 포함하고, 나머지가 아연(Zn)인 화학 조성을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

주물용 무연 내식 황동 합금{Lead-free and corrosion resistant copper alloy for cast}

본 발명은 주물용 무연 내식 황동 합금에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 납(Pb)이 거의 첨가되지 않은 황동 합금으로서 수전 금구용 주물 황동 합금에 관한 것이다.

일반적으로, 납(Pb)을 함유하는 황동 합금은 쾌삭성이 우수하여 여러 가지 제품의 재료로 많이 사용되고 있다. 예컨대, 황동 합금은 상수도용 배관의 물마개 금구, 급배수 금구, 밸브 등에 사용된다.

종래에 많이 사용한 황동 합금은 납(Pb)을 1.0~4.5wt% 첨가하여 금속 가공 중에 칩을 잘게 부수는 효과가 있고, 또한 가공시 발생되는 열에 의하여 상대적으로 융점이 낮은 납(Pb)이 윤활제 역할을 함에 따라 가공 저항력을 감소시키는 효과가 있었다. 그런데 최근에 이러한 유연 쾌삭 황동 소재로 제조된 음료용 배관 설비나 수도꼭지 등에서 황동 합금에 분산되어 있는 유해한 납(Pb) 성분이 음용수 중으로 용출됨에 따라 심각한 건강상의 문제점이 제기되었다.

이러한 문제점을 해소하기 위해 납이 거의 포함되지 않는 소위 무연 내식 황동 합금에 대한 연구 개발 활동이 활발하였다. 이러한 연구 결과 개발된 무연 내식 황동 합금은 납(Pb)을 비스무트(Bi)로 대체한 합금이 개발되었다. 이러한 비스무트(Bi)가 첨가된 무연 내식 황동 합금의 일 예가 공개특허 제2005-0096346호 또는 공개특허 제2012-0042483호에 개시되어 있다. 그런데 비스무트(Bi)가 첨가된 주물용 무연 내식 황동 합금은 금형 주조시나 절삭 가공시 크랙이 쉽게 발생하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위해 미시메탈(misch metal)을 소량 첨가하였으나, 미시메탈이 첨가된 무연 내식 황동 합금은 주조시 금속 유동성이 저하되어 성형성이 나빠지고, 성형된 제품에 다량의 경점(hard spot)이 발생하는 문제점이 있다. 경점은 금속의 조직에 국부적으로 경화된 편석(segregation) 물질이 형성되어 취성(brittleness)이 증가함으로써 제품의 내구성(durability)을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서 비스무트 계열의 무연 내식 황동 합금에서 발생하는 크랙 문제를 해소하고, 미시메탈이 첨가된 무연 내식 황동 합금에서 발생하는 유동성 저하 문제점과 경점 발생 문제점을 해소한 주물용 무연 내식 황동 합금을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금은, 구리(Cu) 60~65wt%, 알루미늄(Al) 0.1~3.0wt%, 납(Pb) 0~0.25wt%, 철(Fe) 0~0.2wt%, 주석(Sn) 0.5~6.0wt%, 인(P) 0.02~0.25wt%를 포함하고, 나머지가 아연(Zn)인 화학 조성을 갖는 점에 특징이 있다.

본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금은 종래의 비스무트(Bi) 계열의 무연 내식 황동 합금에서 발생하는 크랙이 거의 발생하지 않고, 미시메탈이 첨가된 무연 내식 황동 합금에서 발생하는 유동성 저하 문제점과 경점 발생 문제점을 해소함으로써, 가공성과 내구성이 향상된 주물용 무연 내식 황동 합금을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금의 성분을 보여주는 표이다.
도 2는 도 1에 도시된 주물용 무연 내식 황동 합금으로 제조된 제품과 종래의 무연 내식 황동 합금으로 제조된 제품의 경점을 비교한 사진이다.
도 3은 도 1에 도시된 주물용 무연 내식 황동 합금으로 제조된 수도꼭지와 종래의 무연 내식 황동 합금으로 제조된 수도꼭지의 크랙 발생을 비교한 사진이다.
도 4는 도 1에 도시된 주물용 무연 내식 황동 합금과 종래의 무연 내식 황동 합금의 유동성을 비교한 사진이다.
도 5는 도 1에 도시된 주물용 무연 내식 황동 합금과 종래의 무연 내식 황동 합금의 표면 부식 깊이를 비교한 사진이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금은 납(Pb) 성분이 포함되어 있지 않거나 최대로 포함되어도 0.25wt% 이하로 포함되어 있다. 납(Pb)은 선반으로 작업하는 가공성 개선을 위해 첨가하는 원소지만, 국제적으로 환경 규제 대상이 되는 물질이다. 캘리포니아 법안 AB 1953에서는 수전 금구 및 각종 밸브류에 납(Pb)의 함량을 0.25wt% 이하로 규제하고 있다. 본 발명에서는 이러한 국제적인 기준에 맞도록 납(Pb)의 성분이 전혀 포함되지 않거나 최대 0.25wt% 이하로 포함하도록 하였다.

또한, 본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금은 구리(Cu)를 60~65wt% 포함한다. 구리(Cu)는 황동 합금에서 내식성, 주조성, 금속 유동성 등을 고려하여 60~65wt%로 한정하였다. 구리(Cu)의 함량이 60wt% 미만인 경우에는 무연 내식 황동 합금의 금속 유동성은 좋지만 내식성이 떨어지는 문제점이 있다. 무연 내식 황동 합금의 내식성을 개선하기 위해 구리(Cu)의 함량을 65wt% 초과하여 첨가하는 경우에는 무연 내식 황동 합금의 유동성이 떨어지는 문제점이 있다. 유동성이 저하되면 무연 내식 황동 합금의 가공성이 저하되므로 내식성과 유동성의 적절한 조화를 감안하여 구리(Cu)의 함량을 60~65wt%로 한정하였다.

또한, 본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금은 알루미늄(Al)을 0.1~3.0wt% 포함한다. 알루미늄(Al)은 무연 내식 황동 합금에서 용해 금속의 유동성을 양호하게 하고 강도를 향상시키는 역할을 한다. 알루미늄(Al)의 함량이 0.1wt% 미만인 경우에는 무연 내식 황동 합금의 유동성 및 주조성에 거의 영향을 미치지 못한다. 따라서, 유동성과 주조성 향상을 위해 알루미늄(Al)의 함량을 0.1wt% 이상으로 한정하였다. 한편, 알루미늄(Al)의 함량이 3wt%를 초과하는 경우에는 주물용 무연 내식 황동 합금의 연신율이 저하되고 주조시에 크랙(균열)이 발생하는 문제점이 있다. 이와 같은 점들을 고려하여 본 발명에서는 알루미늄(Al)의 함량을 0.1~3.0wt%로 한정하였다. 알루미늄(Al)을 0.1~3.0wt% 포함하는 경우 무연 내식 황동 합금의 탈산작용과 용해성 및 주조성 개선에 도움이 되는 것으로 파악되었다.

또한, 본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금은 철(Fe)을 전혀 포함하지 않거나 최대로 포함한 경우에도 0.2wt%를 초과하지 않도록 하였다. 철(Fe)은 일반적으로 0.5wt%를 초과하는 경우, 결정화한 화합물에서 입자성장이 발생하여 강도를 저하시키는 문제점이 있으며, 주조성이 나빠지는 문제점이 있다. 또한, 철(Fe)의 함량이 0.2wt%를 초과하면 인화철 형성에 기여하지 않는 과잉의 철(Fe)이 기지(matrix) 상에 고용원소로 남아서 전기전도도를 감소시키는 문제점이 있다. 또한, 철(Fe)의 함량이 0.25wt% 이상인 경우에는 열간 압연성이 저하되는 문제점이 있다. 이와 같은 점을 종합적으로 고려하여 철(Fe)의 함량을 최대 0.2wt%로 한정하였다.

또한, 본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금은 주석(Sn)을 0.5~6.0wt% 포함한다. 주석(Sn)은 주물용 무연 내식 황동 합금의 내식성 개선을 위한 목적으로 첨가된다. 일반적으로 가공용 합금(Wrought alloy)에서는 주석(Sn)을 0.5wt% 이상 첨가한다. 한편, 주물용 합금(cast alloy)에서는 주석(Sn)을 1wt% 이상 첨가한다. 주물용 무연 내식 황동 합금의 주조성 개선을 위해서, 주석(Sn)의 함량은 2wt% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 주석의 함량(Sn)의 함량이 6wt%를 초과하는 경우에는 전기전도도가 15% IACS(International Annealed Copper Standard) 이하로 감소하는 문제점이 있으며, 열간 취성이 발생하여 열간 압연이 어려운 문제점이 있다. 참고로, 동 합금의 전기 전도도는 IACS (International Annealed Copper Standard) 규격에 의한 %로 표시된다. 이 표준은 1cm³당 8.89그램의 밀도, 1미터 길이, 1그램, 0.15328Ω의 저항값을 갖는 어닐링된 동선을 기준으로 한 것이다. 이 표준은 200℃에서 100으로 정해졌다. IACS에 의한 %가 높아질수록 재질의 전도도가 좋다는 것을 의미한다. 1913년에 이 표준이 채택된 이래 향상된 처리 방법에 힘입어 오늘날에는 100보다 더 큰 전도도 값을 갖는 동제품을 보게 되는 것이 드문 일이 아니다. 온도와 합금 성분은 전도도 값에 영향을 준다. 이 특성은 강도, 항부식성, 성형 상태를 고려하여 균형있게 이루어져야 한다.

이와 같은 점들을 고려하여 주석(Sn)의 함량은 내식성, 주조성 및 유동성에 긍정적인 영향을 미치도록 0.5~6.0wt%로 한정하였다.

또한, 본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금은 인(P)을 0.02~0.25wt% 포함한다. 인(P)은 내식성 개선을 목적으로 첨가하는 원소이다. 인(P)이 0.02wt% 미만으로 첨가된 경우에는 내식성의 개선 효과가 미미한 문제점이 있다. 한편, 인(P)이 0.25wt%를 초과로 첨가된 경우에는 내식성과 강도는 증가하나 전기전도도를 떨어뜨리며, 주조성과 금속 유동성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금은 아연(Zn)을 나머지 원소로 포함한다. 상기 아연(Zn)은 구리(Cu)와 함께 황동 합금을 구성하는 주성분 원소이며, 본 발명에서는 다른 첨가 원소의 함량 변화에 따른 밸런스(balance) 조절용으로도 사용되었다.

상술한 바와 같은 구성 성분을 포함한 주물용 무연 내식 황동 합금의 작용 효과에 대해서는 도 1에 도시된 합금 성분으로 구성된 주물용 무연 내식 황동 합금과 종래의 무연 내식 황동 합금의 경점, 크랙, 유동성, 내식성에 대한 시험 평가 결과를 예로 들어 상세하게 서술하기로 한다.

도 1에 도시된 주물용 무연 내식 황동 합금은 본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금의 일 실시 예이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금이 종래의 무연 내식 황동 합금에 비하여 경점이 거의 발생하지 않는 것을 알 수 있다. 즉, 도 2에서 종래의 미시메탈이 함유된 무연 내식 황동 합금으로 제조된 제품의 표면에 원으로 표시한 다수의 경점이 발생하는 것에 비하여 본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금으로 제조된 제품의 표면에는 경점이 거의 발생하지 않은 것을 볼 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금으로 제조된 수도꼭지의 표면에는 크랙이 발생하지 않는 것을 볼 수 있다. 이에 비하여 종래의 비스무트 계열의 무연 내식 황동 합금으로 제조된 수도꼭지의 표면에 크랙(crack)이 발생한 것을 볼 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금은 크랙 발생이 종래의 합금에 비하여 현저하게 감소하였음을 알 수 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금의 유동 길이(flowing distance)가 미시메탈 함유된 종래의 무연 내식 황동 합금의 유동 길이보다 현저하게 긴 것을 알 수 있다. 도 4에 도시된 유동성 시험은 동일한 금형에 동일한 양의 용융 합금을 부어 금형의 형상을 따라 흘러 가면서 응고되는 형태를 비교 관찰한 것이다. 도 4에서 유동 길이(flowing distance)가 길면 유동성이 우수한 것이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금의 내식성이 종래의 비스무트 계열의 무연 내식 황동 합금에 비하여 우수한 것을 알 수 있다. 도 5는 ISO6509 규정 및 AS2345 규격에 의한 시험한 결과로서 시편 표면으로부터의 평균 부식 깊이를 측정한 결과를 비교한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금 시편의 평균 표면 부식 깊이는 91㎛이며, 이는 종래의 비스무트 계열의 무연 내식 황동 합금의 평균 표면 부식 깊이가 230㎛인 것이 비하여 현저하게 향상된 것임을 보여준다.

이와 같이 본 발명에 따른 주물용 무연 내식 황동 합금은 종래의 비스무트(Bi) 계열의 무연 내식 황동 합금이나 미시메탈이 함유된 무연 내식 황동 합금에 비하여, 크랙 발생이 현저하게 감소하고, 경점이 발생하지 않으며, 유동성이 우수하고, 내식성이 현저하게 향상됨으로써 음용수용 수전 제품에 적용될 수 있는 우수한 주물용 무연 내식 황동 합금을 제공하는 효과가 있다.

이상, 바람직한 실시 예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 실시 예가 구체화될 수 있을 것이다.

Claims

구리(Cu) 60~65wt%, 알루미늄(Al) 0.1~3.0wt%, 주석(Sn) 0.5~6.0wt%, 인(P) 0.02~0.25wt%를 포함하고, 나머지가 아연(Zn) 및 불가피한 불순물로서 납(Pb) 0.25wt% 이하, 철(Fe) 0.2wt% 이하의 화학 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 주물용 무연 내식 황동 합금.