KR20180109213A

KR20180109213A - 철 주석 동합금 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20180109213A
Application number: KR1020170038475A
Authority: KR
Inventors: 조연섭; 김상용; 한재진
Original assignee: 조연섭
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2018-10-08

Abstract

본 발명은 철 주석 동합금 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 구리 60~90 중량%, 철 10~40 중량%, 주석 2~8 중량%를 포함하여 구성함으로서, 철과 주석과 동의 합금을 제조하여 용접이 가능하고 열간 가공이 가능하며 열처리가 가능하고 기계적 성질이 우수한 합금을 제공할 수 있다.

Description

철 주석 동합금 및 그의 제조방법{Composition and manufacture method for iron and tin and copper alloy}

본 발명은 철 주석 동합금 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 철과 주석과 동의 합금을 제조하여 용접이 가능하고 열간 가공이 가능하며 열처리가 가능하고 기계적 성질이 우수한 합금을 제공하기에 적당하도록 한 철 주석 동합금 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 합금은 두 종류 이상의 금속들을 용융 상태에서 혼합한 후 냉각한 것이다.

이러한 합금 중에서 인청동(PBC, Phosphorus Bronze Casting)은 구리에 주석과 인을 첨가한 합금이다. 주석의 첨가는 내부식성과 강도를 증가시켜 주며, 인의 첨가는 내마모성과 강도를 증가 시켜준다. 뛰어난 스프링 성능을 가지고 있으며 높은 피로저항, 가공성 및 납땜성 및 내식성을 지닌 동합금이다.

인청동의 내식성은 청동(BC, Bronze Casting)계 보다 우수하며 이것은 인(P)에 의한 영향보다는 내식성을 열화(질량효과)시키는 아연(Zn) 및 납(Pb)을 함유하지 않고 주석(Sn)량이 많기 때문이다.

주석(Sn)량이 많은 PBC3은 매우 단단한 내마모재(프레스부품)의 합금이며 밀도, 전기전도도는 인(P)이 많아지면 감소하고 기계적 성질은 인(P) 및 주석(Sn)의 증가에 따라 신장은 저하하고 인장강도, 경도는 향상된다.

그러나 종래기술은 구리(동, Cupper)와 주석을 결합시켜 인청동과 같은 합금을 제조할 수는 있었지만, 철과 주석과 동의 합금을 제조하지는 못한 한계가 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 철과 주석과 동의 합금을 제조하여 용접이 가능하고 열간 가공이 가능하며 열처리가 가능하고 기계적 성질이 우수한 합금을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 철 주석 동합금은 다음과 같은 해결 수단을 갖는다.

구리 60~90 중량%, 철 10~40 중량%, 주석 2~8 중량%를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 철 주석 동합금의 제조방법을 보인 개념도이다.

이에 도시된 바와 같이, 고주파 전기로를 이용하여 구리 60~90 중량%, 철 10~40 중량%, 주석 2~8 중량%를 함유한 철 주석 동합금의 빌렛(Billet)을 생산하는 주조 용해 공정과; 상기 주조 용해 공정 후 상기 철 주석 동합금의 빌렛에 대한 단조 작업을 수행하는 단조 공정과; 상기 단조 공정 후 상기 철 주석 동합금의 외경에 대한 가공을 통해 완제품으로 가공하는 완제품 가공공정;을 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 주조 용해 공정은, 고주파 용해로를 1200도까지 가열하여 구리 60~90 중량%를 용해 후 주석 2~8 중량%를 투입하여 1차 용해시키는 1차 용해 공정과; 상기 1차 용해 공정 후 상기 고주파 용해로가 1350도에 도달하면 철 10~40 중량%를 투입하고 상기 고주파 용해로를 1500도까지 온도 상승시켜 2차 용해시키는 2차 용해 공정과; 상기 2차 용해 공정 후 빌렛에 용탕하여 상기 철 주석 동합금을 제조하는 용탕 공정;을 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 고주파 용해로는, 1000Hz 이상의 고주파를 사용하고, 알루미나 도가니로 구성되며, 알루미늄 플럭스(Aluminium Flux)를 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 철 주석 동합금 및 그의 제조방법은 철과 주석과 동의 합금을 제조하여 용접이 가능하고 열간 가공이 가능하며 열처리가 가능하고 기계적 성질이 우수한 합금을 제공할 수 있는 효과가 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 철 주석 동합금 및 그의 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.

먼저 본 발명은 철과 주석과 동의 합금을 제조하여 용접이 가능하고 열간 가공이 가능하며 열처리가 가능하고 기계적 성질이 우수한 합금을 제공하고자 한 것이다.

본 발명에 의한 철 주석 동합금의 함유량은 다음과 같다.

- 구리 : 60~90 중량%

- 철 : 10~40 중량%

- 주석 : 2~8 중량%

본 발명에 의한 철 주석 동합금의 제조 방법은 다음과 같다.

먼저 용해로는 1000Hz 이상의 고주파를 사용하는 고주파 용해로를 사용한다. 또한 고주파 용해로는 알루미나 도가니로 구성된다. 또한 고주파 용해로는 알루미늄 플럭스(Aluminium Flux)를 사용한다.

주조 용해 공정에서의 용해순서는 다음과 같다.

그래서 1차 용해 공정에서는 고주파 용해로를 1200도까지 가열하여 구리 60~90 중량%를 용해 후 주석 2~8 중량%를 투입하여 1차 용해시킨다.

그리고 2차 용해 공정에서는 고주파 용해로가 1350도에 도달하면 철 10~40 중량%를 투입하고 고주파 용해로를 1500도까지 온도 상승시켜 2차 용해시킨다.

용탕 공정에서는 빌렛에 용탕하여 철 주석 동합금을 제조하게 된다.

도 1의 예에서는 구리 88%, 철 10%, 주석 2%를 함유한 빌렛을 생산한 예를 보였다. 이때 사용한 고주파 전기로의 용량은 500kg/hr을 사용하였다. 또한 생산한 빌렛의 중량은 약 250kg이었다. 또한 빌렛의 제작 규격은 φ200(직경) x 300L(길이) 이었다.

또한 단조 공정에서는 철 주석 동합금의 빌렛에 대한 단조 작업을 수행하였다. 그래서 φ100 x 1000L, φ60 x 2000L을 제조하였다. 가공시는 외경 선반가공을 이용하였다.

완제품 가공공정에서는 웜기어를 생산하였다. 외경 φ55mm의 모듈 15개를 생산하였다.

본 발명에 의해 제조된 철 주석 동합금의 성능을 입증하기 위하여 다음과 같이 실험하였다.

다음의 표 1은 실험에 사용된 시료이다.

시료명	성분
본 발명(Colloy MC-10)	구리 88%, 철 10%, 주석 2%
종래기술(인청동 PBC1)	주석 3.0~5.5%, 납 0.03~0.05, 주석+납+구리 99.5 이상
종래기술(인청동 PBC2)	주석 5.5~7.0%, 납 0.03~0.35, 주석+납+구리 99.5 이상
종래기술(인청동 PBC3)	주석 7.0~9.0%, 납 0.03~0.35, 주석+납+구리 99.5 이상

여기서 종래기술에 대한 실험은 인청동 중에서 기계적 성능이 가장 우수한 PBC3을 선택하여 본 발명(일명 'Colloy MC-10')과의 비교 실험을 진행하였다.

다음의 표 2는 주물 경도를 시험한 결과이다.

시료명	주물경도
본 발명(Colloy MC-10)	185HV
종래기술(인청동 PBC3)	180HV

- 시험방법 : Micro-hardness test(Load : 25gf)

종래기술의 PBC3 인청동과 비교하여, 본 발명은 주물경도가 185HV(비커스 경도 단위)로 측정되어 주물경도가 우수한 것으로 측정되었다.

다음의 표 3은 이종 용접에 따른 인장강도를 측정한 것이다.

시료명	인장강도
본 발명(Colloy MC-10)	313N/mm²
종래기술(인청동 PBC3)	265N/mm²

- 시험속도 : 1mm/min

종래기술의 PBC3 인청동과 비교하여, 본 발명은 인장강도가 313N/mm²로 측정되어 인장강도가 우수한 것으로 나타났다.

다음의 표 4는 내마모성을 측정한 것이다.

시료명	마찰계수	무게손실량(g)
시료명	마찰계수	시험전	시험후	손실량
본 발명(Colloy MC-10)	0.8480	64.2974	64.2082	0.0892
종래기술(인청동 PBC3)	0.8072	61.3364	61.2219	0.1145

- 시험방법 : KS L ISO20808(Wear test(Pin-on-disc test)

종래기술의 PBC3 인청동과 비교하여, 본 발명은 손실량이 적게 측정되어 내마모성이 20%가 증가한 것으로 나타났다.

다음의 표 5는 내식성을 측정한 것이다.

시료명	시험결과
본 발명(Colloy MC-10)	72h 이후 청록 발생
종래기술(인청동 PBC3)	72h 이후 청록 발생

- 시험방법 : KS D 9502(염수분무시험)

- Salt Spray Test-45h(염수농도 : 5%, 실험로 온도 : 55℃), 육안 관찰

종래기술의 PBC3 인청동과 비교하여, 본 발명은 72시간 이후 청록이 발생하여 인청동과 동일한 내식성을 보유한 것으로 나타났다.

이처럼 본 발명은 철과 주석과 동의 합금을 제조하여 용접이 가능하고 열간 가공이 가능하며 열처리가 가능하고 기계적 성질이 우수한 합금을 제공하게 된다.

이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

구리 60~90 중량%, 철 10~40 중량%, 주석 2~8 중량%를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 철 주석 동합금.
고주파 전기로를 이용하여 구리 60~90 중량%, 철 10~40 중량%, 주석 2~8 중량%를 함유한 철 주석 동합금의 빌렛을 생산하는 주조 용해 공정과;
상기 주조 용해 공정 후 상기 철 주석 동합금의 빌렛에 대한 단조 작업을 수행하는 단조 공정과;
상기 단조 공정 후 상기 철 주석 동합금의 외경에 대한 가공을 통해 완제품으로 가공하는 완제품 가공공정;
을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 철 주석 동합금.
청구항 2에 있어서,
상기 주조 용해 공정은,
고주파 용해로를 1200도까지 가열하여 구리 60~90 중량%를 용해 후 주석 2~8 중량%를 투입하여 1차 용해시키는 1차 용해 공정과;
상기 1차 용해 공정 후 상기 고주파 용해로가 1350도에 도달하면 철 10~40 중량%를 투입하고 상기 고주파 용해로를 1500도까지 온도 상승시켜 2차 용해시키는 2차 용해 공정과;
상기 2차 용해 공정 후 빌렛에 용탕하여 상기 철 주석 동합금을 제조하는 용탕 공정;
을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 철 주석 동합금.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
상기 고주파 용해로는,
1000Hz 이상의 고주파를 사용하고, 알루미나 도가니로 구성되며, 알루미늄 플럭스를 사용하는 것을 특징으로 하는 철 주석 동합금의 제조방법.