KR20160145237A - 내마모형 고력황동 및 이의 제조방법 - Google Patents

내마모형 고력황동 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20160145237A
KR20160145237A KR1020150081282A KR20150081282A KR20160145237A KR 20160145237 A KR20160145237 A KR 20160145237A KR 1020150081282 A KR1020150081282 A KR 1020150081282A KR 20150081282 A KR20150081282 A KR 20150081282A KR 20160145237 A KR20160145237 A KR 20160145237A
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Abstract

본 발명은 내마모형 고력황동 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 내마모형 고력황동은, 아연(Zn) 24~29 중량%, 망간(Mn) 3~4.5 중량%, 철(Fe) 2~3.5 중량%, 알루미늄(Al) 5~8 중량%, 황(S) 0.03~0.6 중량%, 및 잔부(殘部)로 구리(Cu)와 기타 불가피한 불순물을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다. 본 발명의 고력황동은 구리-아연계 황동 합금에 황을 함유시켜 주조 합금을 제조함으로써, 우수한 내마모성, 인장강도 및 경도를 갖는 고력황동을 용이하게 제조할 수 있다.

Description

내마모형 고력황동 및 이의 제조방법{Wear Resistance High Strength Brass Alloy and Method for Manufacturing the Same}
본 발명은 내마모형 고력황동 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 구리-아연계 황동 합금에 황(S)을 함유시킴으로써, 우수한 내마모성, 인장강도 및 경도를 나타내는 내마모형 고력황동 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 황동합금은 내식성, 피삭성, 기계적 성질 등의 특성이 우수하기 때문에 기계, 전기, 전자, 자동차, 건축용 부품뿐만 아니라, 일상 생활용품에 이르기까지 폭넓게 사용되고 있다.
자동차 내연기관이 점점 고출력화됨에 따라 자동변속기의 싱크로나이저링도 더욱 고하중을 받게되고, 증가된 마모가 일어난다. 또한 교량, 펌프 등의 하중을 전달하는 역할을 하는 베어링 플레이트도 수평, 회전 운동상에서의 내구성, 고온ㆍ고압 상태에서의 내마모성, 극한 환경에서 내습ㆍ내염 등의 내환경성, 지속적인 마찰상태에서의 내마모성, 고하중에서의 내구성 등이 요구된다.
구리, 아연, 알루미늄, 망간, 인, 납을 포함하는 자동차 트랜스미션용 싱크로나이저링에 적합한 내마모성 황동합금에 관한 배경기술이 한국등록특허 제10-1361018호(2014.02.04)에 기재되어있다. 상기 배경기술의 황동합금은 특정한 비율의 망간 및 인을 함유함으로써 높은 내마모성을 달성할 수 있다고 개시되어 있다.
한국등록특허 제10-1361018호(2014.02.04)
본 발명의 목적은 내마모성, 인장강도 및 경도가 우수한 고력황동을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 추가 가공 및 열처리 없이 내마모성이 우수한 고력황동을 용이하게 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 더욱 명확하게 된다.
본 발명의 목적은 우수한 내마모성, 인장강도 및 경도를 가지는 고력황동을 제조하는 것으로써, 구리-아연계 황동 합금에 황을 첨가하여 주조함으로써 달성된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 아연(Zn) 24~29 중량%, 망간(Mn) 3~4.5 중량%, 철(Fe) 2~3.5 중량%, 알루미늄(Al) 5~8 중량%, 황(S) 0.03~0.6 중량%, 및 잔부(殘部)로 구리(Cu)와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 내마모형 고력황동을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 상기 내마모형 고력황동을 포함하는 제품을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 구리(Cu), 구리(Cu)-철(Fe)을 포함하는 모합금 용탕을 형성하는 단계; 상기 모합금 용탕에 아연(Zn), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 및 황(S)을 첨가하는 단계; 상기 아연(Zn), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 및 황(S)이 첨가된 용탕으로 고력황동 합금 주조재를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 방법에 의하여 제조된 고력황동 합금은 전체 황동합금 100 중량부에 대해서, 황(S) 0.03~0.6 중량부로 첨가되는 내마모형 고력황동의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 본 발명에 의한 내마모형 고력황동은 내마모성, 인장강도 및 경도가 우수한 이점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 본 발명에 의한 내마모형 고력황동의 제조방법은 추가 가공 및 열처리 없이 주조 합금을 제조함으로써 내마모형 고력황동을 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 알루미늄(Al), 철(Fe), 망간(Mn) 금속과 황(S)의 2원계 상태도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 비교예 1, 2 합금의 미세구조 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1, 2, 3 합금의 미세구조 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1과 비교예 1의 SEM 사진 및 EDS 분석표이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1, 2와 비교예 1 합금과 무산소동의 마찰계수를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1, 2와 비교예 1, 2 합금의 마찰계수를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1, 2와 비교예 1 합금의 인장강도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1, 2, 3과 비교예 1, 2 합금의 경도를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 내마모형 고력황동 및 이의 제조방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 설명의 편의를 위하여 각 구성에 대한 방향은 도면에 도시된 방향을 기준으로 한다. 다만, 이러한 방향을 통한 설명은 작동 상태에 대한 일례에 불과한 것으로서, 본 실시예에 따른 내마모형 고력황동 및 이의 제조방법을 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 아연(Zn) 24~29 중량%, 망간(Mn) 3~4.5 중량%, 철(Fe) 2~3.5 중량%, 알루미늄(Al) 5~8 중량%, 황(S) 0.03~0.6 중량%, 및 잔부(殘部)로 구리(Cu)와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 내마모형 고력황동을 제공한다.
고온ㆍ고압 및 지속적인 마찰상태에서 사용되는 베어링 플레이트, 싱크로나이저링 등의 제품은 내마모성이 향상된 합금의 개발이 요구되며, 이는 황이 함유된 제2상(second phase)의 구리 합금에 의해 달성될 수 있다. 도 1은 알루미늄(Al), 철(Fe), 망간(Mn) 금속과 황(S)의 2원계 상태도를 나타낸 것이다. 도 1에서 알 수 있듯이 황(S)을 첨가함으로써 Al-S, Fe-S, Mn-S 조성의 안정한 화합물들이 구리 기지 내에 형성된다.
본 발명의 비교예 합금의 미세구조 사진을 도 2에, 실시예 합금의 미세구조 사진을 도 3에 나타내었다. 도 2 및 도 3에서 알 수 있듯이 황(S)이 들어간 실시예가 황(S)이 들어가지 않은 비교예 1보다 입자가 더 고르게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 내마모형 고력황동은 황(S)을 포함하는 개재물이 분포된다.
도 4는 본 발명의 실시예 1과 비교예 1의 SEM 사진 및 EDS 분석표를 나타낸 것이다. 황(S)이 포함된 실시예 1은 황(S)이 포함되지 않은 비교예 1보다 개재물에 알루미늄(Al), 철(Fe), 망간(Mn) 등이 다량 포함되어 있으며, 특히 황(S)이 검출이 되었다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 내마모형 고력황동은 100 ㎛ × 100 ㎛ 영역 안에서 개재물 입자의 수가 98개 이상 분포될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 내마모형 고력황동은 평균 개재물 입자의 크기가 1.37 ㎛ 이하일 수 있다.
표 3은 본 발명의 실시예들 및 비교예들의 100 ㎛ × 100 ㎛ 범위 내 개재물의 평균 입자 수와 평균 입자 크기를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 내마모형 고력황동은 10~20N의 하중에서 180초 동안 0.4 이하의 마찰계수를 유지하고, 바람직하게 120초 동안 0.33 이하의 마찰계수를 유지한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 내마모형 고력황동은 10~20N의 하중에서 60초 동안 0.25 이하의 마찰계수를 유지한다.
도 5는 본 발명의 실시예 1, 2 합금과 비교예 1 합금과 무산소동의 마찰계수를 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시예 1, 2 합금과 비교예 1, 2 합금의 마찰계수를 나타낸 그래프이다. 도 5 및 도 6에 나타난 바와 같이, 비교예 1보다 본 발명의 실시예가 마찰계수가 낮은 것으로 나타나, 본 발명의 고력황동은 내마모성이 향상되는 것을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 내마모형 고력황동은 700MPa 이상의 인장강도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예 1, 2 합금과 비교예 1 합금의 인장강도를 나타낸 그래프이다. 도 7에 나타난 바와 같이, 본 발명의 고력황동은 인장강도도 우수한 것으로 나타났다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 내마모형 고력황동은 235 Hv 이상의 경도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 내마모형 고력황동은 239 HBW 이상의 경도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예 1, 2, 3과 비교예 1, 2 합금의 경도를 나타낸 그래프이다. 도 8에 나타난 바와 같이. 본 발명의 고력황동은 경도도 우수한 것으로 나타났다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 상기 내마모형 고력황동을 포함하는 제품을 제공한다. 상기 제품은 우수한 내마모성, 인장강도 및 경도가 요구되는 제품인 한 특별한 한정은 없으나, 베어링 플레이트, 싱크로나이저링 등의 제품일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 구리(Cu), 구리(Cu)-철(Fe)을 포함하는 모합금 용탕을 형성하는 단계; 상기 모합금 용탕에 아연(Zn), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 및 황(S)을 첨가하는 단계; 상기 아연(Zn), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 및 황(S)이 첨가된 용탕으로 고력황동 합금 주조재를 제조하는 단계를 포함하는 내마모형 고력황동의 제조방법을 제공한다.
상기 방법에 있어서 전체 황동합금 100 중량부에 대해서 황(S)을 0.03~0.6 중량부로 첨가되는 것을 특징으로 한다.
상기 내마모형 고력황동의 제조방법은, 이에 한정되는 것은 아니나, 특수용해주조기술에 의해서 제조될 수 있다.
금속을 융점 이상으로 가열하여 액체 상태로 만드는 기술을 특수용해기술이라 하고, 용융금속을 특수한 용기(주형, 몰드 등)에 주입하거나 특수한 방법으로 형상을 가지는 제품을 만드는 방법을 특수주조기술이라 정의할 수 있는데, 특수한 환경(진공, 가압, 저압 등)에서 용해하고 주조하는 공정기술을 총칭하여 특수용해주조기술이라고 한다. 용해주조 공정은 추가 가공 및 열처리 없이 용이하게 주조 합금을 제조할 수 있는 이점이 있다.
상기 특수용해기술은, 이에 한정되는 것은 아니나, 진공 아크 재용해법, 전자빔 용해법, 플라즈마 아크 용해법, 유도 용해법 일 수 있다.
상기와 같은 본 발명 내마모형 고력황동 및 이의 제조방법에 대하여 다음의 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
[ 실시예 ]
고주파 유도용해를 이용하여 구리, 구리-철 모합금을 용해하고, 이후 아연, 망간, 알루미늄, 황의 순서로 합금 금속을 투입하여 용해시켜 고력황동 합금 용탕을 제조하였다. 이때 투입되는 금속의 조성은 표 1 및 표 2에 나타내었다.
Figure pat00001
표 1은 본 발명의 황이 함유되지 않은 합금(비교예 1)과 황 대신 실리콘이 들어간 합금(비교예 2)의 조성을 나타낸다.
Figure pat00002
표 2는 황이 함유된 본 발명의 실시예 1, 2, 3의 조성을 나타낸다.
상기 용해된 용융 금속(용탕)은 그래파이트 몰드(graphite mold)에서 응고시켜 잉곳(ingot)으로 주조된다.
상기 제조된 고력황동은 주조 합금(cast alloy)이므로, 추가 가공 및 열처리 없이 바로 주조재를 사용하여, 마찰계수, 인장강도, 경도를 측정하고 미세조직을 관찰하였다.
내마모성 테스트는 Tribometer (J&L Tech.)에서 load 10, 20N, linear speed 50mm/s, steel ball로 측정하여, 마찰계수를 180초 동안 측정한 결과를 도 5에, 마찰계수를 60초 동안 측정한 결과를 도 6에 나타내었다. 도 5 및 도 6에서 알 수 있듯이 본 발명의 실시예 1, 2는 비교예 1, 2 및 일반적인 무산소동에 비해 낮은 마찰계수를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 본 발명의 내마모형 고력황동은 10~20N의 하중에서 180초 동안 0.4 이하의 마찰계수를 유지하고, 바람직하게 120초 동안 0.33 이하의 마찰계수를 유지한다. 특히 실시예 1, 2 모두 10N의 하중에서 마찰시간 60초 동안 마찰계수 0.2 이하의 낮은 마찰계수를 가지고, 20N의 하중에서는 마찰시간 60초 동안 마찰계수 0.25 이하의 낮은 마찰계수를 가졌다. 이는 황(S)이 들어간 실시예가 더 낮은 마찰계수를 가져, 내마모형 소재로 사용시 실시예의 내구성이 비교예보다 더 유리하다는 것을 의미한다.
인장강도 테스트는 인장 강도 테스터(Tensile tester, Instron 5082, Instron)에서 loading speed 2mm/min, extensometer length 25 mm로 측정되었고, 그 결과는 도 7에 나타내었다. 도 7에서 알 수 있듯이 본 발명의 실시예 1, 2는 비교예 1보다 더 큰 인장강도와 연신율을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 특히 실시예 1의 경우 인장강도 912MPa, 연신율 약 16%를 보였다.
비커스 경도 테스터(Vickers hardness tester, FM-700, Future Tech.) load 200g 하에서 측정된 경도값, 및 브린넬 경도 테스터(Brinell hardness tester, DTB-500, Daekyung Tech.)에서 측정된 경도값을 도 8에 나타내었다. 도 8에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예들은 비교예들보다 비슷하거나 높은 경도값을 가지는 것을 확인할 수 있었고, 특히 실시예 1은 비커스 경도 261.80 Hv, 브리넬 경도 255 HBW를 보였다.
표 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예의 100 ㎛ × 100 ㎛ 범위 내 개재물의 평균 입자 수와 평균 입자 크기를 나타낸다. 개재물 입자는 본 발명의 실시예가 비교예보다 일정 영역 내에서 평균적으로 더 많고, 더 작은 입자를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 이것은 황(S)을 넣은 실시예가 황(S)이 들어가 있지 않거나, 실리콘(Si)이 들어간 비교예보다 작은 개재물들이 고르게 분포한다는 것을 의미한다(도 2 및 도 3 참조).
Figure pat00003
상술한 바와 같이 본 발명의 고력황동은 아연(Zn) 24~29 중량%, 망간(Mn) 3~4.5 중량%, 철(Fe) 2~3.5 중량%, 알루미늄(Al) 5~8 중량%, 황(S) 0.03~0.6 중량%, 및 잔부(殘部)로 구리(Cu)와 기타 불가피한 불순물을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다. 본 발명의 고력황동은 구리-아연계 황동 합금에 황을 함유시켜 주조 합금을 제조함으로써, 우수한 내마모성, 인장강도 및 경도를 갖는 고력황동을 용이하게 제조할 수 있다.
도 3에서 알 수 있듯이, 황(S)이 들어간 실시예가 황(S)이 들어가지 않은 비교예 1보다 입자가 더 고르게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다. 그리고 실리콘(Si)이 들어간 비교예 2는 모재가 β상(노란색 화살표)을 포함하여, 조직이 고르지 못하고, 기계적 특성이 좋지 않다.
도 4에서 알 수 있듯이, 황(S)이 포함된 실시예 1은 황(S)이 포함되지 않은 비교예 1보다 개재물에 알루미늄(Al), 철(Fe), 망간(Mn) 등이 다량 포함되어 있으며, 특히 황(S)이 검출이 되었다. 고력황동에 황(S)이 첨가되면 Al-S, Fe-S, Mn-S 등의 화합물이 형성되고, 다양한 화학양론비를 가진 화합물로 인해 더 작고 고른 입자들이 구리 기지 내에 분포하게 된다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리 범위내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (13)

  1. 아연(Zn) 24~29 중량 %, 망간(Mn) 3~4.5 중량%, 철(Fe) 2~3.5 중량%, 알루미늄(Al) 5~8 중량%, 황(S) 0.03~0.6 중량%, 및 잔부(殘部)로 구리(Cu)와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 내마모형 고력황동.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고력황동은 10~20N의 하중에서 120초 동안 측정되는 마찰계수가 0.33 이하인 것을 특징으로 하는 내마모형 고력황동.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고력황동은 10~20N의 하중에서 60초 동안 측정되는 마찰계수가 0.25 이하인 것을 특징으로 하는 내마모형 고력황동.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고력황동은 황(S)을 포함하는 개재물이 분포된 것을 특징으로 하는 내마모형 고력황동.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고력황동은 100 ㎛ × 100 ㎛ 영역 안에서 개재물 입자의 수가 98개 이상인 것을 특징으로 하는 내마모형 고력황동.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고력황동은 평균 개재물 입자의 크기가 1.37 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 내마모형 고력황동.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고력황동은 700MPa 이상의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 내마모형 고력황동.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고력황동은 235 Hv 이상의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 내마모형 고력황동.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고력황동은 239 HBW 이상의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 내마모형 고력황동.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 내마모형 고력황동을 포함하는 제품.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 내마모형 고력황동을 포함하는 제품은 베어링 플레이트인 제품.
  12. 구리(Cu), 구리(Cu)-철(Fe)을 포함하는 모합금 용탕을 형성하는 단계;
    상기 모합금 용탕에 아연(Zn), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 및 황(S)을 첨가하는 단계;
    상기 아연(Zn), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 및 황(S)이 첨가된 용탕으로 고력황동 합금 주조재를 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 황은 전체 황동합금 100 중량부에 대해서 황(S) 0.03~0.6 중량부로 첨가되는 내마모형 고력황동의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 방법에 의하여 제조된 고력황동 합금은 아연(Zn) 24~29 중량%, 망간(Mn) 3~4.5 중량%, 철(Fe) 2~3.5 중량%, 알루미늄(Al) 5~8 중량%, 황(S) 0.03~0.6 중량%, 및 잔부(殘部)로 구리(Cu)와 기타 불가피한 불순물로 구성되는 내마모형 고력황동의 제조방법.
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