KR20210152562A - 쾌삭성 구리 합금, 및 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법 - Google Patents
쾌삭성 구리 합금, 및 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
이 쾌삭성 구리 합금은, Cu: 57.5% 초과 64.5% 미만, Si: 0.20% 초과 1.20% 미만, Pb: 0.001% 초과 0.20% 미만, Bi: 0.10% 초과 1.00% 미만, P: 0.001% 초과 0.20% 미만을 포함하며, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어지고, Fe, Mn, Co, Cr의 합계량이 0.45% 미만, Sn, Al의 합계량이 0.45% 미만이며, 56.3≤f1=[Cu]-4.8Х[Si]+0.5Х[Pb]+0.5Х[Bi]-0.5Х[P]≤59.5와 0.12≤f2=[Pb]+[Bi]<1.0의 관계를 갖고, 금속 조직의 구성상은, 20≤f3=(α)≤85, 15≤f4=(β)≤80, 0≤f5=(γ)<4, 8.5≤f6=([Bi]+[Pb])1/2Х10+[P]1/2Х6+(β)1/2Х[Si]1/2Х0.8+(γ)1/2Х0.5≤18.0, 0.45≤f7=(([Bi]+[Pb])1/2-0.05)Х((β)1/2-3)Х([Si]1/2-0.2))≤3.6의 관계를 가지며, α상 내에 Bi를 주성분으로 하는 입자가 존재하고 있다.
Description
본 발명은, 강도가 높고, 납의 함유량을 큰 폭으로 감소시킨 쾌삭성 구리 합금, 및 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 자동차 부품, 전기·전자 기기 부품, 기계 부품, 문구, 완구, 슬라이딩 부품, 계기 부품, 정밀 기계 부품, 의료용 부품, 음료용 기구·부품, 배수용 기구·부품, 공업용 배관 부품, 및 음료수, 공업용수, 배수, 수소 등의 액체나 기체에 관한 부품에 이용되는 쾌삭성 구리 합금, 및 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법에 관련되어 있다. 구체적인 부품 명칭으로서, 밸브, 이음매, 콕, 급수전, 수전(水栓) 금구, 기어, 축, 베어링, 샤프트, 슬리브, 스핀들, 센서, 볼트, 너트, 플레어 너트, 펜 촉, 인서트 너트, 캡 너트, 니플, 스페이서, 나사 등을 들 수 있으며, 본 발명은, 이들 절삭이 실시되는 부품에 이용되는 쾌삭성 구리 합금, 및 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법에 관련되어 있다.
본원은, 2019년 6월 25일에 일본에 출원된 특원 2019-116914호, 2019년 7월 12일에 일본에 출원된 특원 2019-130143호, 2019년 7월 31일에 일본에 출원된 특원 2019-141096호, 2019년 9월 9일에 일본에 출원된 특원 2019-163773호, 2019년 12월 11일에 출원된 국제 출원 PCT/JP2019/048438, 및 2019년 12월 11일에 출원된 국제 출원 PCT/JP2019/048455에 근거하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.
종래부터, 자동차 부품, 전기·가전·전자 기기 부품, 기계 부품, 문구, 정밀 기계 부품, 의료용 부품, 및 음료수, 공업용수, 배수, 수소 등의 액체나 기체에 관련된 기구·부품, 구체적인 부품 명칭으로서, 밸브, 이음매, 기어, 센서, 너트, 나사 등의 부품에는, 우수한 피삭성을 구비한, Cu-Zn-Pb 합금(이른바 쾌삭 황동봉, 단조(鍛造)용 황동, 주물(鑄物)용 황동), 혹은 Cu-Sn-Zn-Pb 합금(이른바 청동 주물: 건메탈)이 일반적으로 사용되고 있었다.
Cu-Zn-Pb 합금은, 56~65mass%의 Cu와, 1~4mass%의 Pb를 함유하고, 잔부가 Zn이다. Cu-Sn-Zn-Pb 합금은, 80~88mass%의 Cu와, 2~8mass%의 Sn과, 1~8mass%의 Pb를 함유하고, 잔부가 Zn이다.
구리 합금에 첨가되는 Pb는, 특히 드릴을 이용한 펀칭 가공에 있어서 절대적인 효과를 발휘한다. 최근, 점점 각종의 기기, 부품이 소형화되고, 그들 부품에 대한 미세한 펀칭 가공의 필요성이 높아지고 있다. 정보 가전이나 의료 기기, 자동차 부품 등, 다양한 공업 제품의 경박 단소화는, 향후 점점 가속된다고 예측된다.
그러나, 최근에는, Pb가 인체나 환경에게 주는 영향이 우려되어, 각국에서 Pb에 관한 규제의 움직임이 활발화되고 있다. 예를 들면, 미국 캘리포니아주에서는, 2010년 1월부터, 음료수 기구 등에 포함되는 Pb 함유량을 0.25mass% 이하로 하는 규제가 발효되고 있다. 미국 이외의 나라에 있어서도, 그 규제의 움직임은 급속이며, Pb 함유량의 규제에 대응한 구리 합금 재료의 개발이 요구되고 있다.
또, 그 외의 산업 분야, 자동차, 전기·전자 기기, 기계 등의 산업 분야에 있어서도, 예를 들면 유럽의 ELV 규제, RoHS 규제에서는, 쾌삭성 구리 합금의 Pb 함유량이 예외적으로 4mass%까지 인정되고 있지만, 음료수의 분야와 동일하게, 예외의 철폐를 포함하여, Pb 함유량의 규제 강화가 활발하게 논의되고 있다.
이와 같은 쾌삭성 구리 합금의 Pb 규제 강화의 동향 중, (1) Pb 대신에 피삭성(피삭 성능, 피삭성 기능)을 갖는 Bi와, 경우에 따라서는, Bi와 함께 Se를 함유하는 Cu-Zn-Bi 합금, Cu-Zn-Bi-Se 합금, (2) 고농도의 Zn을 함유하고, β상을 증가시켜 피삭성의 향상을 도모한 Cu-Zn 합금, 혹은 (3) Pb 대신에 피삭성을 갖는 γ상, κ상을 많이 포함한 Cu-Zn-Si 합금, Cu-Zn-Sn 합금, 나아가서는 (4) γ상을 많이 포함하고, 또한 Bi를 함유하는 Cu-Zn-Sn-Bi 합금 등이 제창되고 있다.
특허문헌 1에 있어서는, Cu-Zn-Bi 합금에, Sn을 0.7~2.5mass%의 양으로 첨가하여 γ상을 석출시킴으로써, 피삭성과 내식성의 개선을 도모하고 있다.
그러나, Pb 대신에 Bi를 함유시킨 합금에 관하여, Bi는, 피삭성에 있어서 Pb보다 뒤떨어지는 것, Bi는, Pb와 동일하게 인체에 유해할 우려가 있는 것, Bi는, 희소 금속이기 때문에 자원상의 문제가 있는 것, Bi는, 구리 합금 재료를 부서지게 쉽게 하는 문제가 있는 것 등을 포함하여, 많은 문제를 갖고 있다.
또, 특허문헌 1에 나타내는 바와 같이, Cu-Zn-Sn 합금에 있어서 γ상을 석출시켰다고 해도, Sn을 함유시킨 γ상은, 피삭성을 갖는 Bi의 공(共)첨가를 필요로 하고 있는 바와 같이, 피삭성이 뒤떨어진다.
또, 다량의 β상을 포함하는 Cu-Zn의 2원 합금은, β상이 피삭성의 개선에 공헌하지만, β상은, Pb에 비하여 피삭성이 뒤떨어지기 때문에, 도저히, Pb 함유 쾌삭성 구리 합금의 대체로는 될 수 없다.
그래서, 쾌삭성 구리 합금으로서, Pb 대신에 Si를 함유한 Cu-Zn-Si 합금이, 예를 들면 특허문헌 2~11에 제안되어 있다.
특허문헌 2, 3에 있어서는, 주로 Cu 농도가 69~79mass%, Si 농도가 2~4mass%이며 Cu, Si 농도가 높은 합금으로 형성되는 γ상, 경우에 따라서는 κ상의 우수한 피삭성을 가짐으로써, Pb를 함유시키지 않거나, 또는 소량의 Pb의 함유로 우수한 피삭성을 실현시키고 있다. Sn, Al을, 각각 0.3mass% 이상, 0.1mass% 이상의 양으로 함유함으로써, 피삭성을 갖는 γ상의 형성을 추가로 증대, 촉진시켜, 피삭성을 개선시킨다. 그리고, 많은 γ상의 형성에 의하여, 내식성의 향상을 도모하고 있다.
특허문헌 4에 있어서는, 0.02mass% 이하의 극소량의 Pb를 함유시키고, 주로 Pb 함유량을 고려하여, 단순히 γ상, κ상의 합계 함유 면적을 규정함으로써, 우수한 피삭성을 얻는 것으로 되어 있다.
특허문헌 5에는, Cu-Zn-Si 합금에 Fe를 함유시킨 구리 합금이 제안되어 있다.
특허문헌 6에는, Cu-Zn-Si 합금에 Sn, Fe, Co, Ni, Mn을 함유시킨 구리 합금이 제안되어 있다.
특허문헌 7에는, Cu-Zn-Si 합금에 있어서, κ상을 포함하는 α상 매트릭스를 갖고, β상, γ상 및 μ상의 면적률을 제한한 구리 합금이 제안되어 있다.
특허문헌 8에는, Cu-Zn-Si 합금에 있어서, κ상을 포함하는 α상 매트릭스를 갖고, β상 및 γ상의 면적률을 제한한 구리 합금이 제안되어 있다.
특허문헌 9에는, Cu-Zn-Si 합금에 있어서, γ상의 장변의 길이, μ상의 장변의 길이를 규정한 구리 합금이 제안되어 있다.
특허문헌 10에는, Cu-Zn-Si 합금에, Sn 및 Al을 첨가한 구리 합금이 제안되어 있다.
특허문헌 11에는, Cu-Zn-Si 합금에 있어서, γ상을 α상 및 β상의 상 경계의 사이에 입상(粒狀)으로 분포시킴으로써 피삭성을 향상시킨 구리 합금이 제안되어 있다.
특허문헌 13에는, Cu-Zn 합금에 Si를 함유시킴으로써, β상을 분산시키고, 냉간 가공성을 향상시키는 것이 제안되어 있다.
특허문헌 14에는, Cu-Zn 합금에, Sn, Pb, Si를 첨가한 구리 합금이 제안되어 있다.
여기에서, 상술한 Cu-Zn-Si 합금에 있어서는, 특허문헌 13 및 비특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, Cu 농도가 60mass% 이상, Zn 농도가 40mass% 이하, Si 농도가 10mass% 이하의 조성으로 좁혀도, 매트릭스 α상 외에, β상, γ상, δ상, ε상, ζ상, η상, κ상, μ상, χ상의 10종류의 금속상, 경우에 따라서는, α＇, β＇, γ＇를 포함시키면 13종류의 금속상이 존재하는 것이 알려져 있다. 또한, 첨가 원소가 증가하면, 금속 조직은 보다 복잡해지는 것이나, 새로운 상이나 금속 간 화합물이 출현할 가능성이 있는 것, 또 평형 상태도로부터 얻어지는 합금과 실제로 생산되고 있는 합금에서는, 존재하는 금속상의 구성에 큰 어긋남이 발생하는 것이 경험상 잘 알려져 있다. 또한, 이들 상의 조성은, 구리 합금의 Cu, Zn, Si 등의 농도, 및 가공열 이력에 따라서도, 변화하는 것이 잘 알려져 있다.
그런데, Pb를 함유한 Cu-Zn-Pb 합금에 있어서는, Cu 농도가 약 60mass%인 것에 대하여, 이들 특허문헌 2~9에 기재되어 있는 Cu-Zn-Si 합금에서는, Cu 농도가 모두 65mass% 이상이며, 경제성의 관점에서, 고가인 Cu의 농도의 저감이 요망되고 있다.
특허문헌 10에 있어서는, 열처리없이 우수한 내식성을 얻기 위하여, Cu-Zn-Si 합금에, Sn과 Al을 함유하는 것을 필수로 하고, 또한 우수한 피삭성을 실현시키기 위하여, 다량의 Pb, 또는 Bi를 필요로 하고 있다.
특허문헌 11에 있어서는, Cu 농도가, 약 65mass% 이상이며, 주조성, 기계적 강도가 양호한 Pb를 함유하지 않는 구리 합금 주물(鑄物)이고, γ상에 의하여 피삭성이 개선되는 것으로 하고 있으며, Sn, Mn, Ni, Sb, B를 다량으로 함유한 실시예가 기재되어 있다.
또, 종래의 Pb가 첨가된 쾌삭성 구리 합금에는, 적어도 하루 밤낮의 사이에 절삭의 트러블없이, 나아가서는 하루 밤낮의 사이에 절삭 공구의 교환이나 절삭 공구의 연마 등의 조정없이, 고속으로 외주 절삭이나 드릴 펀칭 가공 등의 절삭 가공할 수 있는 것이 요구되고 있다. 절삭의 난이도에 따라서도 다르지만, Pb의 함유량을 큰 폭으로 저감시킨 합금에 있어서도, 동등한 피삭성이 요구되고 있다.
여기에서, 특허문헌 5에 있어서는, Cu-Zn-Si 합금에 Fe를 함유시키고 있지만, Fe와 Si는, γ상보다 견고하고 부서지기 쉬운 Fe-Si의 금속 간 화합물을 형성한다. 이 금속 간 화합물은, 절삭 가공 시에는 절삭 공구의 수명을 짧게 하고, 연마 시에는 하드 스폿이 형성되어 외관상의 문제가 발생하는 등 문제가 있다. 또, Fe는 첨가 원소인 Si와 결합하고, Si는 금속 간 화합물로서 소비되는 점에서, 합금의 성능을 저하시켜 버린다.
또, 특허문헌 6에 있어서는, Cu-Zn-Si 합금에, Sn, Fe, Co, Mn을 첨가하고 있지만, Fe, Co, Mn은, 모두 Si와 화합하여 견고하고 부서지기 쉬운 금속 간 화합물을 생성한다. 이 때문에, 특허문헌 5와 동일하게, 절삭이나 연마 시에 문제를 발생시킨다.
비특허문헌 1: 미마 겐지로, 하세가와 마사하루: 신동(伸銅) 기술 연구회지, 2(1963), P. 62~77
본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 열간 가공성이 우수하고, 강도가 높아, 강도와 연성의 밸런스가 우수하며, 납의 함유량을 큰 폭으로 감소시킨 쾌삭성 구리 합금, 및 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 특별히 설명이 없는 한, 열간 가공재에는, 열간 압출재, 열간 단조(鍛造)재, 열간 압연재를 포함하고 있다. 냉간 가공성이란, 추신(抽伸), 신선(伸線), 압연, 코킹, 굽힘 등 냉간에서 행해지는 가공의 성능을 가리킨다. 드릴 절삭은, 드릴에 의한 펀칭 절삭 가공을 가리킨다. 양호한, 우수한 피삭성이란, 설명이 없는 한, 선반(旋盤)을 이용한 외주 절삭이나 드릴 펀칭 가공 시, 절삭 저항이 낮고, 절삭 부스러기의 분단성이 양호한 것, 혹은 우수한 것을 가리킨다. 전도성이란, 전기 전도성, 열전도성을 가리킨다. 또, β상에는, β'상을 포함하고, γ상에는, γ'상을 포함하며, α상에는 α'상을 포함한다. 냉각 속도란, 소정 온도 범위에서의 평균의 냉각 속도를 가리킨다. 또한, Bi를 주성분으로 하는 입자는, Bi 입자와, Bi와 Pb의 양방을 포함하는 입자(Bi와 Pb의 합금의 입자)를 가리키고, Bi의 농도가 30mass%를 초과하는 입자이며, Bi 입자라고 칭하는 경우가 있다. 하루 밤낮은, 1일간을 의미한다. P를 포함하는 화합물은, P와, 적어도 Si 및 Zn 중 어느 일방 또는 양방을 포함하는 화합물, 경우에 따라서는, 추가로 Cu를 포함하는 화합물이나, 추가로 불가피적 불순물인 Fe, Mn, Cr, Co 등을 포함하는 화합물이다. P를 포함하는 화합물은, 예를 들면 P-Si, P-Si-Zn, P-Zn, P-Zn-Cu 등의 화합물이다. P를 포함하는 화합물은, P와 Si, Zn을 포함하는 화합물이라고도 한다.
상술한 과제를 해결하고, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명자들은 예의 검토한 결과, 이하와 같은 지견(知見)을 얻었다.
상술한 특허문헌 4에서는, Cu-Zn-Si 합금에 있어서, β상은, 구리 합금의 피삭성에 거의 공헌하지 않고, 오히려 저해한다고 되어 있다. 특허문헌 2, 3에서는, β상이 존재하는 경우, 열처리에 의하여 β상을 γ상으로 변화시킨다고 되어 있다. 특허문헌 7, 8, 9에 있어서도, β상의 양은 큰 폭으로 제한되고 있다. 특허문헌 1, 12에서는, Cu-Zn-Sn-Bi 합금에 있어서, 우수한 내탈아연 부식성을 실현시키기 위하여, 내식성이 뒤떨어지는 β상이 제한되고 있다. 특허문헌 14에서는, β상의 내탈아연 부식성의 개선을 위하여, Sn과 Si가 함유되는 것, 700℃이상의 온도에서 열간 압출되는 것, 및 유지 온도가 400℃~600℃이며, 400℃~200℃의 평균 냉각 속도가 0.2~10℃/초인 열처리를 행하는 것이 필요시되고 있다.
본 발명자들은, 먼저 Cu-Zn-Si 합금에 있어서, 종래의 기술에서는, 피삭성에 대한 효과가 없다고 되어 있던 β상에 관하여, 예의 연구를 거듭하여, 피삭성에 큰 효과가 있는 β상의 조성을 구명했다. 즉, 적절한 양의 Cu와 Zn에, 적절한 양의 Si를 함유시킨 Cu-Zn-Si 합금의 β상은, Si를 함유하지 않는 β상에 비하여, 피삭성이 현저하게 향상되었다.
그러나, Si를 함유하는 β상이어도, 절삭 부스러기의 분단성이나, 절삭 저항에서는, 3mass%의 Pb를 함유한 쾌삭 황동과의 피삭성의 차는 여전히 컸다.
따라서, 그 과제를 해결하기 위하여, 가일층의 금속 조직면으로부터의 개선 수단이 있는 것을 알 수 있었다.
하나는, β상 자신의 피삭성(피삭 성능, 피삭성 기능)을 향상시키기 위하여, 추가로 P를 함유시켜, β상 중에 P를 고용(固溶)시키고, 그리고 약 0.5~3μm의 크기의 P와 Si, Zn을 포함하는 화합물(예를 들면 P-Si, P-Si-Zn, P-Zn, P-Zn-Cu)을, 적절한 양의 Si를 함유한 Cu-Zn-Si 합금의 β상에 석출시켰다. 이 결과, β상의 피삭성은 보다 더 향상되었다. 그러나, 피삭성을 향상시킨 β상은, 연성이나 인성(靭性)이 부족하다. β상의 피삭성을 저해하지 않고 연성의 개선을 도모하기 위하여, 적정한 β상과 α상의 양과, α상과 β상의 분포, 및 α상의 결정립의 형상을 제어했다.
보다 중요한 개선점은, 피삭성이 부족한 α상의 피삭성의 향상이다. Cu-Zn-Si 합금에 Bi를 함유시키면, 우선적으로 α상 내에 약 0.2~3μm의 크기의 Bi 입자를 존재시킬 수 있다. 이로써, α상의 피삭성이 향상되고, 합금으로서의 피삭성이 현저하게 향상되는 것을 알아냈다.
이상과 같이, Si의 함유에 의하여 피삭성이 개선된 β상과, Bi의 존재에 의하여 피삭성이 개선된 α상과, 그리고 극소량의 Pb를 함유시킴으로써, 합금으로서의 피삭성을 향상시키는 것이 가능하다는 지견을 얻었다. 물론, 상기의 β상 내에 P를 고용시키고, P를 포함하는 화합물을 존재시키면, 합금으로서의 피삭성이 더 향상된다. 그리고, 경우에 따라서는 소량의 γ상을 함유시킴으로써, 종래의 다량의 Pb를 함유하는 구리 합금에 필적하는 쾌삭 성능을 갖는 본 발명의 쾌삭성 구리 합금을 발명하기에 이르렀다.
본 발명의 제1 양태인 쾌삭성 구리 합금은, 57.5mass% 초과 64.5mass% 미만의 Cu와, 0.20mass% 초과 1.20mass% 미만의 Si와, 0.001mass% 초과 0.20mass% 미만의 Pb와, 0.10mass% 초과 1.00mass% 미만의 Bi와, 0.001mass% 초과 0.20mass% 미만의 P를 포함하며, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 상기 불가피적 불순물 중, Fe, Mn, Co 및 Cr의 합계량이 0.45mass% 미만이며, 또한 Sn 및 Al의 합계량이 0.45mass% 미만이고, Cu의 함유량을 [Cu]mass%, Si의 함유량을 [Si]mass%, Pb의 함유량을 [Pb]mass%, Bi의 함유량을 [Bi]mass%, P의 함유량을 [P]mass%로 한 경우에,
56.3≤f1=[Cu]-4.8Х[Si]+0.5Х[Pb]+0.5Х[Bi]-0.5Х[P]≤59.5
0.12≤f2=[Pb]+[Bi]<1.0
의 관계를 가지며,
비금속 개재물을 제외한 금속 조직의 구성상에 있어서, α상의 면적률을 (α)%, γ상의 면적률을 (γ)%, β상의 면적률을 (β)%로 한 경우에,
20≤f3=(α)≤85
15≤f4=(β)≤80
0≤f5=(γ)<4
8.5≤f6=([Bi]+[Pb])1/2Х10+[P]1/2Х6+(β)1/2Х[Si]1/2Х0.8+(γ)1/2Х0.5≤18.0
0.45≤f7=(([Bi]+[Pb])1/2-0.05)Х((β)1/2-3)Х([Si]1/2-0.2))≤3.6
의 관계를 갖고, α상 내에 Bi를 주성분으로 하는 입자가 존재하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 양태인 쾌삭성 구리 합금은, 58.5mass% 이상 64.0mass% 이하의 Cu와, 0.35mass% 초과 1.15mass% 미만의 Si와, 0.003mass% 이상 0.095mass% 이하의 Pb와, 0.12mass% 이상 0.49mass% 이하의 Bi와, 0.010mass% 이상 0.15mass% 이하의 P를 포함하며, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 상기 불가피적 불순물 중, Fe, Mn, Co 및 Cr의 합계량이 0.35mass% 이하이며, 또한 Sn 및 Al의 합계량이 0.35mass% 이하이고, Cu의 함유량을 [Cu]mass%, Si의 함유량을 [Si]mass%, Pb의 함유량을 [Pb]mass%, Bi의 함유량을 [Bi]mass%, P의 함유량을 [P]mass%로 한 경우에,
56.8≤f1=[Cu]-4.8Х[Si]+0.5Х[Pb]+0.5Х[Bi]-0.5Х[P]≤59.0,
0.15≤f2=[Pb]+[Bi]<0.50
의 관계를 가짐과 함께,
비금속 개재물을 제외한 금속 조직의 구성상에 있어서, α상의 면적률을 (α)%, γ상의 면적률을 (γ)%, β상의 면적률을 (β)%로 한 경우에,
28≤f3=(α)≤75
25≤f4=(β)≤72
0≤f5=(γ)<2
10.0≤f6=([Bi]+[Pb])1/2Х10+[P]1/2Х6+(β)1/2Х[Si]1/2Х0.8+(γ)1/2Х0.5≤16.0
0.6≤f7=(([Bi]+[Pb])1/2-0.05)Х((β)1/2-3)Х([Si]1/2-0.2))≤2.4
의 관계를 가지며, α상 내에 Bi를 주성분으로 하는 입자가 존재하고, 또한 β상 내에 P를 포함하는 화합물이 존재하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제3 양태인 쾌삭성 구리 합금은, 본 발명의 제1, 2 양태인 쾌삭성 구리 합금에 있어서, 전기 전도율이 15% IACS 이상이고, 또한 적어도 인장 강도 S(N/mm2)가 430N/mm2 이상이며, 상기 인장 강도 S와 신도 E(%)의 밸런스를 나타내는 f8=SХ(100+E)/100이 580 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제3 양태인 쾌삭성 구리 합금은, 열간 가공재, 또는 열간 가공재에 냉간 가공이 실시된 재료, 또는 열간 가공과, 소둔과, 냉간 가공이 실시된 재료여도 된다.
본 발명의 제4 양태인 쾌삭성 구리 합금은, 본 발명의 제1 내지 3 양태의 쾌삭성 구리 합금에 있어서, 자동차 부품, 전기·전자 기기 부품, 기계 부품, 문구, 완구, 슬라이딩 부품, 계기 부품, 정밀 기계 부품, 의료용 부품, 음료용 기구·부품, 배수용 기구·부품, 공업용 배관 부품에 이용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제5 양태인 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법은, 본 발명의 제1 내지 4 양태의 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법으로서, 1 이상의 열간 가공 공정을 갖고, 상기 열간 가공 공정 중, 최종의 열간 가공 공정에 있어서는, 열간 가공 온도가 530℃초과 650℃미만이며, 열간 가공 후의 530℃부터 450℃까지의 온도 영역에 있어서의 평균 냉각 속도가 0.1℃/분 이상 50℃/분 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제6 양태인 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법은, 본 발명의 제5 양태의 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법에 있어서, 냉간 가공 공정, 교정 가공 공정, 및 소둔 공정으로부터 선택되는 1 이상의 공정을 더 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제7 양태인 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법은, 본 발명의 제5, 6의 양태인 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법에 있어서, 상기 열간 가공 공정, 냉간 가공 공정, 교정 가공 공정, 및 소둔 공정 중, 최종 공정 후에 실시하는 저온 소둔 공정을 더 갖고, 상기 저온 소둔 공정에서는, 유지 온도가 250℃이상 430℃이하이며, 유지 시간이 10분 이상 200분 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 열간 가공성이 우수하고, 강도가 높아, 강도와 연성의 밸런스가 우수하며, 납의 함유량을 큰 폭으로 감소시킨 쾌삭성 구리 합금, 및 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 실시형태에 있어서의 쾌삭성 구리 합금의 조직 관찰 사진이다.
도 2는 실시예 중, 시험 No. T09의 절삭 시험 후의 절삭 부스러기의 사진이다.
도 3은 타투르 테스트에 있어서, 타투르 몰드에 주입(鑄入)된 주물의 단면 설명도이다.
도 2는 실시예 중, 시험 No. T09의 절삭 시험 후의 절삭 부스러기의 사진이다.
도 3은 타투르 테스트에 있어서, 타투르 몰드에 주입(鑄入)된 주물의 단면 설명도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 관한 쾌삭성 구리 합금 및 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 실시형태인 쾌삭성 구리 합금은, 자동차 부품, 전기·전자 기기 부품, 기계 부품, 문구, 완구, 슬라이딩 부품, 계기 부품, 정밀 기계 부품, 의료용 부품, 음료용 기구·부품, 배수용 기구·부품, 공업용 배관 부품에 이용되는 것이다. 구체적으로는, 밸브, 수전 금구, 급수전, 이음매, 기어, 나사, 너트, 센서, 압력 용기 등의 자동차 부품, 전기·가전·전자 부품, 기계 부품, 및 음료용수, 공업용수, 수소 등의 액체, 또는 기체와 접촉하는 기구·부품에 이용되는 것이다.
여기에서, 본 명세서에서는, [Zn]과 같이 괄호가 붙은 원소 기호는 당해 원소의 함유량(mass%)을 나타내는 것으로 한다.
그리고, 본 실시형태에서는, 이 함유량의 표시 방법을 이용하여, 이하와 같이, 조성 관계식 f1 및 f2를 규정하고 있다.
조성 관계식 f1=[Cu]-4.8Х[Si]+0.5Х[Pb]+0.5Х[Bi]-0.5Х[P]
조성 관계식 f2=[Pb]+[Bi]
또한, 본 실시형태에서는, 비금속 개재물을 제외한 금속 조직의 구성상에 있어서, α상의 면적률을 (α)%, β상의 면적률을 (β)%, γ상의 면적률을 (γ)%로 나타내는 것으로 한다. 각 상의 면적률은, 각 상의 양, 각 상의 비율, 각 상이 차지하는 비율이라고도 한다. 그리고, 본 실시형태에서는, 이하와 같이, 복수의 조직 관계식, 및 조성·조직 관계식을 규정하고 있다.
조직 관계식 f3=(α)
조직 관계식 f4=(β)
조직 관계식 f5=(γ)
조성·조직 관계식 f6=([Bi]+[Pb])1/2Х10+[P]1/2Х6+(β)1/2Х[Si]1/2Х0.8+(γ)1/2Х0.5
조성·조직 관계식 f7=(([Bi]+[Pb])1/2-0.05)Х((β)1/2-3)Х([Si]1/2-0.2))
본 발명의 제1 실시형태에 관한 쾌삭성 구리 합금은, 57.5mass% 초과 64.5mass% 미만의 Cu와, 0.20mass% 초과 1.20mass% 미만의 Si와, 0.001mass% 초과 0.20mass% 미만의 Pb와, 0.10mass% 초과 1.00mass% 미만의 Bi와, 0.001mass% 초과 0.20mass% 미만의 P를 포함하고, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 상기 불가피적 불순물 중, Fe, Mn, Co 및 Cr의 합계량이 0.45mass% 미만이며, 또한 Sn 및 Al의 합계량이 0.45mass% 미만이다. 상술한 조성 관계식 f1이 56.3≤f1≤59.5의 범위 내, 조성 관계식 f2가 0.12≤f2<1.0의 범위 내, 조직 관계식 f3이 20≤f3≤85의 범위 내, 조직 관계식 f4가 15≤f4≤80의 범위 내, 조직 관계식 f5가 0≤f5<4의 범위 내, 조성·조직 관계식 f6이 8.5≤f6≤18.0의 범위 내, 조성·조직 관계식 f7이 0.45≤f7≤3.6의 범위 내로 되어 있다. α상 내에 Bi를 주성분으로 하는 입자가 존재하고 있다.
본 발명의 제2 실시형태에 관한 쾌삭성 구리 합금은, 58.5mass% 이상 64.0mass% 이하의 Cu와, 0.35mass% 초과 1.15mass% 미만의 Si와, 0.003mass% 이상 0.095mass% 이하의 Pb와, 0.12mass% 이상 0.49mass% 이하의 Bi와, 0.010mass% 이상 0.15mass% 이하의 P를 포함하고, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 상기 불가피적 불순물 중, Fe, Mn, Co 및 Cr의 합계량이 0.35mass% 이하이며, 또한 Sn 및 Al의 합계량이 0.35mass% 이하이다. 상술한 조성 관계식 f1이 56.8≤f1≤59.0의 범위 내, 조성 관계식 f2가 0.15≤f2<0.50의 범위 내, 조직 관계식 f3이 28≤f3≤75의 범위 내, 조직 관계식 f4가 25≤f4≤72의 범위 내, 조직 관계식 f5가 0≤f5<2의 범위 내, 조성·조직 관계식 f6이 10.0≤f6≤16.0의 범위 내, 조성·조직 관계식 f7이 0.6≤f7≤2.4의 범위 내로 되어 있다. α상 내에 Bi를 주성분으로 하는 입자가 존재하며, 또한 β상 내에 P를 포함하는 화합물이 존재하고 있다.
여기에서, 본 발명의 제1, 2 실시형태인 쾌삭성 구리 합금에 있어서는, 열간 가공재, 또는 열간 가공재에 냉간 가공이 실시된 재료, 또는 열간 가공과, 소둔과, 냉간 가공이 실시된 재료이며, 전기 전도율이 15% IACS 이상이고, 또한 적어도 인장 강도 S(N/mm2)가 430N/mm2 이상이며, 인장 강도 S와 신도 E(%)의 밸런스를 나타내는 특성 관계식 f8=SХ(100+E)/100이 580 이상인 것이 바람직하다.
이하에, 성분 조성, 조성 관계식 f1, f2, 조직 관계식 f3, f4, f5, 조성·조직 관계식 f6, f7, 특성 관계식 f8 등을, 상술과 같이 규정한 이유에 대하여 설명한다.
<성분 조성>
(Cu)
Cu는, 본 실시형태의 합금의 주요 원소이며, 본 발명의 과제를 극복하기 위해서는, 적어도 57.5mass% 초과의 Cu를 함유할 필요가 있다. Cu 함유량이, 57.5mass% 이하인 경우, Si, Zn, P, Pb, Bi의 함유량이나, 제조 프로세스에 따라서도 다르지만, β상이 차지하는 비율이 80%를 초과하여, 재료로서의 연성이 뒤떨어진다. 따라서, Cu 함유량의 하한은, 57.5mass% 초과이고, 바람직하게는 58.0mass% 이상, 보다 바람직하게는 58.5mass% 이상이며, 더 바람직하게는 59.0mass% 이상이다.
한편, Cu 함유량이 64.5mass% 이상이면, Si, Zn, P, Pb, Bi의 함유량이나, 제조 프로세스에 따라서도 다르지만, β상이 차지하는 비율이 적어지고, α상, γ상이 차지하는 비율이 많아진다. 경우에 따라서는, μ상이 출현한다. 따라서, Cu 함유량은, 64.5mass% 미만이며, 바람직하게는 64.0mass% 이하, 보다 바람직하게는 63.5mass% 이하이다. 약 3mass%의 Pb를 함유하는 쾌삭 황동봉은, JIS 규격으로 Cu양의 범위가 56.0~63.0mass%로 정해져 있어, 본 실시형태는 경제면에서도 요구되는 조건을 충족시킨다.
(Si)
Si는, 본 실시형태인 쾌삭성 구리 합금의 주요한 원소이며, Si는, κ상, γ상, μ상, β상, ζ상 등의 금속상의 형성에 기여한다. Si는, 본 실시형태의 합금의 피삭성, 강도, 고온 변형능, 내마모성, 내식성, 내응력 부식 균열성을 향상시킨다.
또, Si의 함유에 의하여, 피삭성, 특히 β상의 피삭성이 향상되고, α상, β상이 고용 강화되기 때문에, 합금이 강화되어, 합금의 연성이나 인성에도 영향을 준다. 그리고 Si의 함유는, α상의 도전율을 낮게 하지만, β상의 형성에 의하여, 합금의 도전율을 향상시킨다. 또, Si의 함유는, 주조성을 향상시키고, 열간 변형 저항을 낮추며, 열간 변형능을 향상시킨다.
합금으로서 우수한 피삭성을 갖고, 높은 강도를 얻어, 주조성, 열간 가공성을 향상시키기 위해서는, Si는 0.20mass%를 초과하는 양으로 함유할 필요가 있다. Si 함유량은, 바람직하게는 0.35mass% 초과이고, 보다 바람직하게는 0.50mass% 초과이며, 더 바람직하게는 0.70mass% 이상이다. 즉, 합금의 Si 농도가 높을수록, β상에 함유하는 Si 농도가 높아져, 피삭성, 강도가 향상된다.
열간 가공성에 관하여, Si의 함유에 의하여, 500℃를 초과하는 온도 영역에서의 α상, β상의 열간 변형능을 높이고, 열간 변형 저항을 낮게 한다. 그 결과, 합금의 열간 변형능을 높이고, 변형 저항을 낮게 한다.
그런데, α상과 β상으로 이루어지는 Cu-Zn 합금에 Si를 0.20mass%를 초과하는 양으로 함유시키면, Bi 입자가 α상 내에 존재하게 된다. 또한 Si를 많이, 구체적으로는, Si를 0.35mass%를 초과하고, 0.50mass%를 초과하는 양으로 더 함유시키면, Bi 입자가 α상 내에 존재하는 빈도가 높아진다. 주조 시의 냉각 중, 열간 가공 중, 열간 가공 후에 있어서, Bi를 포함하는 구리 합금의 온도가 약 270℃이상이면, 합금 중의 Bi는, 액상(용융 상태)으로 존재한다. Si를 포함하지 않고, α상과 β상으로 이루어지는 Cu-Zn-Bi 합금에서는, Bi 입자는, 주로 α상과 β상의 상 경계, 혹은 β상 내에 존재한다. 그 때문에, α상의 피삭성의 향상에는 기여하지 않고, α상과 β상의 상 경계에 존재하기 때문에, 연성, 주조성, 열간 가공성, 냉간 가공성에 문제가 발생한다. 본 실시형태에 있어서는, Si의 작용에 의하여, Bi 입자를 α상 내에 존재시킬 수 있어, α상의 피삭성을 향상시키는 것이 가능해져, 그 외의 특성 향상으로도 이어지고 있다.
한편, Si 함유량이 너무 많으면, γ상이 과다해져, 경우에 따라서는, κ상, μ상이 출현한다. γ상은, 합금의 피삭성을 향상시키지만, β상보다 연성, 인성이 뒤떨어져, 합금의 연성을 저하시킨다. γ상이 과다하면, 오히려 피삭성을 저하시켜, 드릴 절삭 시의 스러스트가 나빠진다. Si의 증량(Si 함유량을 늘리는 것)은 합금의 도전율을 나쁘게 한다. 본 실시형태에서는, 우수한 피삭성, 높은 강도와 함께 양호한 연성, 및 전기 부품 등을 대상으로 하고 있는 점에서 전도성을 겸비하는 것도 목표로 하고 있다. 따라서, Si 함유량의 상한은 1.20mass% 미만이며, 바람직하게는 1.15mass% 미만, 보다 바람직하게는, 1.10mass% 이하이다. 제조 프로세스나 Cu 농도, 불가피적 불순물의 양에 따라서도 다르지만, Si 함유량이, 대략 1.0mass%보다 적어지면, γ상은, 존재하지 않게 되지만, β상이 차지하는 비율을 늘려, Bi와 Pb를 소량 함유함으로써, 우수한 피삭성을 확보할 수 있고, 강도와 연성의 밸런스가 우수해진다.
상기의 범위의 양의 Cu와 Zn과 Si의 함유에 의하여 형성되는 β상은 우수한 피삭성을 갖고, Si는 우선적으로 β상에 배분되므로, 소량의 Si의 함유로 효과를 발휘한다. 또, Cu-Zn 합금에, 소정의 양을 초과한 Si를 함유시키면, Bi를 주성분으로 하는 입자(이후, Bi 입자라고 칭한다)가 α상 내에 존재하기 쉬워져, 피삭성이 부족한 α상의 피삭성을 향상시킬 수 있다. 피삭성이 우수한 β상의 조성으로서는, 예를 들면 Cu가 약 59mass%, Si가 약 1mass%, Zn이 약 40mass%인 조성을 들 수 있다. α상의 조성으로서는, 예를 들면 Cu가 약 67mass%, Si가 약 0.6mass%, Zn이 약 32mass%인 조성을 들 수 있다. 본 실시형태의 조성 범위에서, α상도, Si의 함유에 의하여 피삭성은 개선되지만, 그 개선의 정도는 β상에 비하여 훨씬 작다. α상 내에 피삭성을 향상시키는 Bi 입자를 존재시킴으로써, α상의 피삭성이 향상된다.
Cu-Zn의 2원 합금 베이스에, 제3, 제4 원소를 함유시키면, 또, 그 원소의 양을 증감시키면, β상의 특성, 성질은, 변화한다. 특허문헌 2~5에 기재되어 있는 바와 같이, Cu가 약 69mass% 이상, Si가 약 2mass% 이상, 잔부가 Zn의 합금으로 존재하는 β상과, 예를 들면 Cu가 약 61mass%, Si가 약 0.8mass%, 잔부가 Zn의 합금이며, 생성하는 β상은, 동일한 β상이어도, 특성이나 성질이 다르다. 또한, 불가피적 불순물이 많이 포함되면, β상의 성질도 변화하며, 경우에 따라서는, 피삭성을 포함하는 특성이, 저하되는 경우가 있다. 동일하게 γ상의 경우, 형성되는 γ상도 주요 원소의 양이나 배합 비율이 다르면, γ상의 성질은 상이하며, 불가피적 불순물이 많이 포함되면, γ상의 성질도 변화한다. 그리고, 동일한 조성이어도, 온도 등의 제조 조건에 따라, 존재하는 상의 종류, 또는 상의 양, 각 상으로의 각 원소의 분배량이 변화한다.
(Zn)
Zn은, Cu, Si와 함께 본 실시형태인 쾌삭성 구리 합금의 주요 구성 원소이며, 피삭성, 강도, 고온 특성, 주조성을 높이기 위하여 필요한 원소이다. 또한, Zn은 잔부로 하고 있지만, 굳이 기재하면, Zn 함유량은 약 42mass%보다 적고, 바람직하게는 약 41mass%보다 적으며, 약 32mass%보다 많고, 바람직하게는 33mass%보다 많다.
(Pb)
본 실시형태에 있어서는, Si를 함유한 β상에 의하여 피삭성이 우수해지지만, 추가로 소량의 Pb, 및 Bi의 함유에 의하여 높은 레벨의 피삭성이 달성된다. 본 실시형태의 조성에 있어서, Pb는, 약 0.001mass%의 양이 매트릭스에 고용되고, 그것을 초과한 양의 Pb는, 직경이 약 0.1~약 3μm인 Pb 입자로서 존재한다. Pb는, 미량이어도 피삭성에 효과가 있으며, 0.001mass% 초과의 함유량으로 효과를 발휘한다. Pb 함유량은, 바람직하게는 0.003mass% 이상이다.
한편, Pb는, 인체에 유해하고, 금속 조직에도 관련하여, 합금의 연성, 냉간 가공성에 대한 영향도 있다. 본 실시형태에 있어서는, 특히, 현단계에서는 인체에 대한 영향이 불명확한 Bi를 주로 함유시키기 때문에, Pb의 함유량도, 자연히 제한할 필요가 있다. 따라서, Pb의 함유량은, 0.20mass% 미만이며, 바람직하게는 0.095mass% 이하, 보다 바람직하게는 0.080mass% 이하이다. 또한, Pb와 Bi는, 각각 단독으로 존재하는 경우도 있지만, 많게는, 공존하고(Bi와 Pb의 합금으로서 존재), 그중에서도, 본 실시형태의 상당수는, Bi의 쪽이 Pb보다 양이 많기 때문에, Bi를 주성분으로 하는 입자로서 존재한다. Bi와 Pb가 공존해도, Bi, Pb의 자체의 피삭성의 효과는 저해되지 않는다.
(Bi)
본 실시형태에 있어서는, 인체에 유해한 Pb의 양을 0.20mass% 미만으로 제한하고, 또한 높은 레벨의 피삭성을 목표로 하고 있다. 본 실시형태에 있어서, Si의 작용에 의하여, Bi를, α상 내에 존재시킴으로써 α상의 피삭성을 개선한다. 또한, Si, P에 의하여 피삭성이 개선된 β상과 함께, 합금으로서 고도의 피삭성을 갖는 것이 가능해졌다. Bi에 의한 피삭성을 개선하는 기능은, Pb보다 뒤떨어진다고 되어 있었지만, 본 실시형태에 있어서는, Bi는, Pb와 동등 이상의 효과를 발휘하고, 또한 소량으로 효과를 발휘하는 것이, 구명(究明)되었다.
α상의 피삭성을 개선하기 위해서는, α상 내에, Bi 입자가 존재하고, 그리고 Bi 입자의 존재 빈도를 높일 필요가 있다. 그리고 고도의 피삭성을 실현하기 위해서는, 적어도 0.10mass%를 초과한 양의 Bi가 필요하다. Pb와의 관계도 있지만, Bi 함유량은, 바람직하게는 0.12mass% 이상이며, 보다 바람직하게는 0.15mass% 이상이다. 조성, 금속 조직을 적절히 하고, 그리고 Bi를 약 1.00mass%, 또는 그 이상의 양으로 함유하면, 약 3mass%의 Pb를 포함하는 쾌삭 황동봉, C3604와 대략 동등한 피삭성이 얻어지지만, Bi 입자가 조대화(粗大化)하여, 직경 5μm를 초과하는 것도 출현한다. 그 결과, 합금의 연성이나 강도가 저하되고, Bi에 의한 피삭성의 향상 효과가 포화되며, 주조 시에 균열이 발생하기 쉬워진다. 인체에 대한 영향, 피삭성의 향상 효과, 기계적 모든 특성에 대한 영향, 주조성에 대한 영향을 감안하면, Bi 함유량은, 1.00mass% 미만으로서, 바람직하게는 0.49mass% 이하, 더 바람직하게는 0.39mass% 이하로 한다. Si, P의 함유량, β상의 양 등의 조성, 금속 조직의 요건(f1~f7)을 보다 적절히 함으로써, Bi 함유량이, 0.39mass% 이하, 나아가서는 0.29mass% 이하여도, 높은 레벨의 피삭성을 얻는 것이 가능하다. 또한, α상 내 이외에도 Bi 입자가 존재하는 경우가 있는데, 그 경우에 있어서도, Pb에 의한 피삭성을 개선하는 효과보다 작지만, Bi는, 합금의 피삭성을 향상시킨다.
(P)
P는, α상과 β상으로 이루어지는 Cu-Zn-Si 합금에 있어서, β상에 우선적으로 배분된다. P에 관해서는, 먼저 β상 내로의 P의 고용에 의하여, Si를 함유한 β상의 피삭성을 더 향상시킬 수 있다. 그리고, P의 함유와 제조 프로세스에 의하여, 평균으로 직경 약 0.3~3μm의 크기의 P를 포함하는 화합물이 형성된다. 이들 화합물에 의하여, 외주 절삭의 경우, 주분력(主分力), 이송 분력, 배분력(背分力)의 3분력을 저하시키고, 드릴 절삭의 경우에서는, 특히 토크를 낮춘다. 외주 절삭 시의 3분력, 드릴 절삭 시의 토크와 절삭 부스러기 형상은, 연동되어 있으며, 3분력, 토크가 작을수록, 절삭 부스러기는 분단된다.
P를 포함하는 화합물은, 열간 가공 중에는 형성되지 않는다. P는, 열간 가공 중, 주로 β상 중에 고용된다. 그리고, 열간 가공 후의 냉각 과정에 있어서, 소정 임계의 냉각 속도 이하이고, 주로 β상 내에, P를 포함하는 화합물이 석출된다. α상 중에는, P를 포함하는 화합물이 석출되는 경우는 적다. 금속 현미경으로 관찰하면, P를 포함하는 석출물은, 작은 입상이며, 평균 입자경은, 약 0.5~3μm이다. 그리고, 그 석출물을 함유한 β상은, 더 우수한 피삭성을 구비할 수 있다. P를 포함하는 화합물은, 절삭 공구의 수명에 거의 영향을 주지 않고, 합금의 연성이나 인성을 거의 저해하지 않는다. Fe, Mn, Cr, Co와 Si, P를 포함하는 화합물은, 합금의 강도나 내마모성의 향상에 기여하지만, 합금 중의 Si, P를 소비하고, 합금의 절삭 저항을 높이며, 절삭 부스러기 분단성을 저하시키고, 공구 수명을 나쁘게 하며, 연성도 저해한다.
주물에 관해서도, 응고가 완료되는 단계에서는, P를 포함하는 화합물은 형성되지 않고, 주조 후의 냉각 과정에 있어서, 소정 임계의 온도 범위에서, 소정 임계의 냉각 속도 이하에서, 주로 β상 내에, P를 포함하는 화합물을 석출한다.
또, P는, Si와의 공첨가로, Bi를 주성분으로 하는 입자를, α상 내에 존재시키기 쉽게 하는 작용이 있어, α상의 피삭성 향상에 공헌하고 있다.
이들의 효과를 발휘하기 위해서는, P의 함유량의 하한은 0.001mass% 초과이며, 바람직하게는 0.003mass% 이상, 보다 바람직하게는 0.010mass% 이상, 더 바람직하게는 0.020mass% 이상이다. 0.010mass% 이상의 P를 함유함으로써, P를 포함하는 화합물을, 배율 500배의 금속 현미경으로 관찰할 수 있게 된다.
한편, P를, 0.20mass% 이상의 양으로 함유시키면, 석출물이 조대화되어 피삭성에 대한 효과가 포화될뿐만 아니라, β상 중의 Si 농도가 저하되고, 피삭성이 오히려 나빠지며, 연성이나 인성도 저하된다. 이 때문에, P의 함유량은, 0.20mass% 미만이며, 바람직하게는 0.15mass% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.10mass% 이하이다. P의 함유량은, 0.05mass% 미만이어도, β상으로의 P의 고용과, 충분한 양의 P를 포함하는 화합물을 형성한다.
또한, 예를 들면 P를 포함하는 화합물은, Mn, Fe, Cr, Co 등의 Si나 P와 화합하기 쉬운 원소의 양이 증가하면, 서서히 화합물의 조성비도 변화한다. 즉, β상의 피삭성을 현저히 향상시키는 P를 포함하는 화합물로부터, 서서히 피삭성에 효과가 적은 화합물로 변화한다. 따라서, 적어도 Fe, Mn, Co 및 Cr의 합계 함유량을 0.45mass% 미만, 바람직하게는 0.35mass% 이하로 해둘 필요가 있다.
(불가피 불순물, 특히 Fe, Mn, Co 및 Cr/Sn, Al)
본 실시형태에 있어서의 불가피 불순물로서는, 예를 들면 Mn, Fe, Al, Ni, Mg, Se, Te, Sn, Co, Ca, Zr, Cr, Ti, In, W, Mo, B, Ag 및 희토류 원소 등을 들 수 있다.
종래부터 쾌삭성 구리 합금, 특히 Zn을 약 30mass% 이상의 양으로 포함하는 쾌삭 황동은, 전기 구리, 전기 아연 등, 양질인 원료가 주원료는 아니고, 리사이클되는 구리 합금이 주원료가 된다. 당해 분야의 하공정(하류 공정, 가공 공정)에 있어서, 대부분의 부재, 부품에 대하여 절삭 가공이 실시되고, 재료 100에 대하여 40~80의 비율로 다량으로 폐기되는 구리 합금이 발생한다. 예를 들면 절삭 부스러기, 단재, 버(burr), 탕도, 및 제조상의 불량을 포함하는 제품 등을 들 수 있다. 이들 폐기되는 구리 합금이, 주된 원료가 된다. 절삭 부스러기, 단재 등의 분별이 불충분하면, Pb가 첨가된 쾌삭 황동, Pb를 함유하지 않지만, Bi 등이 첨가되고 있는 쾌삭성 구리 합금, 혹은 Si, Mn, Fe, Al을 함유하는 특수 황동 합금, 그 외의 구리 합금으로부터, Pb, Fe, Mn, Si, Se, Te, Sn, P, Sb, As, Bi, Ca, Al, Zr, Ni 및 희토류 원소가, 원료로서 혼입된다. 또 절삭 부스러기에는, 공구로부터 혼입되는 Fe, W, Co, Mo 등이 포함된다. 폐재는, 도금된 제품을 포함하기 때문에, Ni, Cr, Sn이 혼입된다. 또, 전기 구리 대신에 사용되는 순동(純銅)계의 스크랩 중에는, Mg, Sn, Fe, Cr, Ti, Co, In, Ni, Se, Te가 혼입된다. 전기 구리나 전기 아연 대신에 사용되는 황동계의 스크랩에는, 특히, Sn이 도금되어 있는 것이 종종 있어, 고농도의 Sn이 혼입된다.
자원의 재사용의 점과, 비용상의 문제에서, 적어도 특성에 악영향을 주지 않는 범위에서, 이들 원소를 포함하는 스크랩은, 원료로서 사용된다. 또한, JIS 규격(JIS H 3250)의 Pb가 첨가된 쾌삭 황동봉 C3604에 있어서, 필수 원소의 Pb를 약 3mass%의 양으로 함유하고, 추가로 불순물로서, Fe의 양은 0.5mass% 이하, Fe+Sn(Fe와 Sn의 합계량)은, 1.0mass%까지 허용되어 있다. 또 JIS 규격(JIS H 5120)의 Pb가 첨가된 황동 주물에 있어서, 필수 원소의 Pb를 약 2mass%의 양으로 함유하는 것 이외에, 잔여 성분의 허용 한도로서, Fe양은 0.8mass%, Sn양은, 1.0mass% 이하, Al양은 0.5mass%, Ni양은 1.0mass% 이하로 되어 있다. 시판 중인 C3604에서, Fe와 Sn의 합계 함유량은 대략 0.5mass%이며, 더 높은 농도의 Fe나 Sn이 쾌삭 황동봉에 함유되어 있는 경우가 있다.
Fe, Mn, Co 및 Cr은, Cu-Zn 합금의 α상, β상, γ상으로 소정의 농도까지 고용하지만, 그 때 Si가 존재하면, Si와 화합하기 쉬워, 경우에 따라서는 Si와 결합하여, 피삭성에 유효한 Si를 소비시킬 우려가 있다. 그리고, Si와 화합한 Fe, Mn, Co 및 Cr은, 금속 조직 중에 Fe-Si 화합물, Mn-Si 화합물, Co-Si 화합물, Cr-Si 화합물을 형성한다. 이들의 금속 간 화합물은 매우 견고하기 때문에, 절삭 저항을 상승시킬뿐만 아니라, 공구의 수명을 짧게 한다. 이 때문에, Fe, Mn, Co 및 Cr의 양은, 제한해 둘 필요가 있으며, 각각의 함유량은, 0.30mass% 미만이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.20mass% 미만이며, 더 바람직하게는 0.15mass% 이하이다. 특히, Fe, Mn, Co, Cr의 함유량의 합계는, 0.45mass% 미만으로 할 필요가 있으며, 바람직하게는 0.35mass% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.25mass% 이하이며, 더 바람직하게는 0.20mass% 이하이다.
한편, 쾌삭성 황동이나, 도금이 실시된 폐제품 등으로부터 혼입되는 Sn, Al은, 본 실시형태의 합금에 있어서 γ상의 형성을 촉진시키고, 일견 피삭성에 유용하다고 생각할 수 있다. 그러나, Sn과 Al은, Cu, Zn, Si로 형성되는 γ상 본래의 성질도 변화시킨다. 또, Sn, Al은, α상보다, β상에 많이 배분되어, β상의 성질을 변화시킨다. 그 결과, 합금의 연성이나 인성의 저하, 피삭성의 저하를 일으킬 우려가 있다. 그 때문에, Sn, Al의 양도 제한해 두는 것이 필요하다. Sn의 함유량은, 0.40mass% 미만이 바람직하고, 0.30mass% 미만이 보다 바람직하며, 0.25mass% 이하가 더 바람직하다. Al의 함유량은, 0.20mass% 미만이 바람직하고, 0.15mass% 미만이 보다 바람직하며, 0.10mass% 이하가 더 바람직하다. 특히, 피삭성, 연성에 대한 영향을 감안하여, Sn, Al의 함유량의 합계는, 0.45mass% 미만으로 할 필요가 있으며, 바람직하게는 0.35mass% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.30mass% 이하이며, 더 바람직하게는 0.25mass% 이하이다.
그 외의 주요한 불가피적 불순물 원소로서, 경험적으로, Ni는 도금 제품 등의 스크랩으로부터의 혼입이 많지만, 특성에 주는 영향은 상기의 Fe, Mn, Sn 등에 비하여 작다. Fe나 Sn이 다소 혼입되었다고 해도, Ni의 양이 0.3mass% 미만이면 특성에 대한 영향은 작고, Ni의 함유량은 0.2mass% 이하가 보다 바람직하다. Ag에 대해서는, 일반적으로 Ag는 Cu로 간주되어, 모든 특성에 대한 영향이 거의 없는 점에서, 특별히 제한할 필요는 없지만, Ag의 함유량은, 0.1mass% 미만이 바람직하다. Te, Se는, 그 원소 자신이 피삭성을 가지며, 드물지만 다량으로 혼입될 우려가 있다. 연성이나 충격 특성에 대한 영향을 감안하여, Te, Se의 각각의 함유량은, 0.2mass% 미만이 바람직하고, 0.05mass% 이하가 보다 바람직하며, 0.02mass% 이하가 더 바람직하다. 또, 내식성 황동에는, 황동의 내식성을 향상시키기 위하여 As나 Sb가 포함되어 있지만, 연성이나 충격 특성에 대한 영향을 감안하여, As, Sb의 각각의 함유량은, 0.05mass% 미만이 바람직하고, 0.02mass% 이하가 바람직하다.
그 외의 원소인 Mg, Ca, Zr, Ti, In, W, Mo, B, 및 희토류 원소 등의 각각의 함유량은, 0.05mass% 미만이 바람직하고, 0.03mass% 미만이 보다 바람직하며, 0.02mass% 미만이 더 바람직하다.
또한, 희토류 원소의 함유량은, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및 Lu의 1종 이상의 합계량이다.
이상, 이들 불가피적 불순물의 합계량은, 1.0mass% 미만이 바람직하고, 0.8mass% 미만이 보다 바람직하며, 0.7mass% 미만이 더 바람직하다.
(조성 관계식 f1)
조성 관계식 f1=[Cu]-4.8Х[Si]+0.5Х[Pb]+0.5Х[Bi]-0.5Х[P]는, 조성과 금속 조직의 관계를 나타내는 식으로, 각각의 원소의 양이 상기에 규정되는 범위에 있어도, 이 조성 관계식 f1을 만족하지 않으면, 본 실시형태가 목표로 하는 모든 특성을 만족할 수 없다. 조성 관계식 f1이 56.3 미만이면, 제조 프로세스를 고안했다고 해도, β상이 차지하는 비율이 많아져, 연성이 나빠진다. 따라서, 조성 관계식 f1의 하한은, 56.3 이상이며, 바람직하게는 56.8 이상이며, 보다 바람직하게는 57.0 이상이다. 조성 관계식 f1이 보다 바람직한 범위가 됨에 따라, α상이 차지하는 비율이 증가하여, 우수한 피삭성을 유지함과 함께, 양호한 연성, 냉간 가공성, 충격 특성, 내식성을 구비할 수 있다.
한편, 조성 관계식 f1의 상한은, β상이 차지하는 비율, 또는 γ상이 차지하는 비율, 그리고 응고 온도 범위에 영향을 주고, 조성 관계식 f1이 59.5보다 크면 β상이 차지하는 비율이 적어져, 우수한 피삭성이 얻어지지 않는다. 동시에 γ상이 차지하는 비율이 많아져, 연성이 저하되어, 강도도 내려간다. 그리고 응고 온도 범위가, 25℃를 초과하여, 수축공이나 수축 공동(Porous Shrinkage Cavity) 등의 주조 결함이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 조성 관계식 f1의 상한은 59.5 이하이며, 바람직하게는 59.0 이하이며, 보다 바람직하게는 58.5 이하이며, 더 바람직하게는 58.0 이하이다.
또, 약 600℃의 열간 가공성에 관해서도 조성 관계식 f1은 깊게 관계되어 있어, 조성 관계식 f1이, 56.3보다 작으면 열간 변형능에 문제가 발생한다. 조성 관계식 f1이, 59.5보다 크면 열간 변형 저항이 높아져, 600℃에서의 열간 가공이 곤란해진다. 또, 열간 변형능에 문제가 발생한다.
본 실시형태인 쾌삭성 구리 합금은, 절삭 시의 저항을 낮게 하고, 절삭 부스러기를 미세하게 분단시킨다는 일종의 부서지기 쉬움이 요구되는 피삭성과 양호한 연성과의, 완전히 상반되는 특성을 구비한 것이지만, 조성뿐만 아니라, 조성 관계식 f1, f2 및, 후술하는 조직 관계식 f3~f5, 조성·조직 관계식 f6, f7을, 상세하게 논의함으로써, 보다 목적이나 용도에 맞는 합금을 제공할 수 있다.
또한, Sn, Al, Cr, Co, Fe, Mn 및 별도 규정한 불가피적 불순물에 대해서는, 불가피적 불순물로서 취급되는 범주의 범위 내이면, 조성 관계식 f1에 주는 영향이 작은 점에서, 조성 관계식 f1에서는 규정하고 있지 않다.
(조성 관계식 f2)
본 실시형태에 있어서는, 보다 높은 레벨의 피삭성을 얻는 것을 목적으로 하고 있다. Bi는, 주로, α상의 피삭성의 개선에 발휘되고, Pb와 동등 이상의 피삭성의 효과가 있다. 피삭성을 향상시키는 효과로서 간결하게 나타내기 위하여, Bi, Pb를 각각 단독으로 규정하는 것만으로는 불충분하여, 조성 관계식 f2=[Pb]+[Bi]로서 규정한다.
높은 레벨의 피삭성을 얻기 위해서는, 적어도 f2가, 0.12 이상 필요하고, 바람직하게는 0.15 이상이며, 보다 바람직하게는 0.20 이상이다. 상한은, f2가 클수록, 피삭성은 향상되고, 조성, 금속 조직을 적절히 함으로써, f2의 값이 1.0이며, 대략 Pb를 3mass% 함유한 쾌삭 황동봉 C3604와 동등한 피삭성이 얻어진다. 한편, Pb는, 인체에 유해하고, Bi는, 인체에 대한 영향이 불명확함으로써, 합계량을 제한해야 한다. 또, f2의 값이 커짐에 따라, 구체적으로는, f2가, 1.0 이상이 되면, 연성, 충격 특성이 나빠지고, 강도도 낮아진다. 또한, 피삭성을 향상시키는 효과도 포화되기 시작하고, 주조 시 균열이 발생하기 쉬워지는 등 주조성에 문제가 발생한다. 따라서, f2는, 1.0 미만으로 할 필요가 있으며, 조성, 금속 조직을 보다 적절히 함으로써, f2가 0.70 미만, 혹은 f2가 0.50 미만, 더 바람직하게는 f2가 0.40 미만이어도, 높은 레벨의 피삭성을 얻는 것이 가능하다. 동시에, f2의 값이 작아짐에 따라, 연성, 충격 특성, 주조성이 양호해진다. 또한, 인체에 대한 영향을 감안하여, 보다 더, 조성, 금속 조직의 요건을 적절히 하면, f2의 값이 0.30 이하여도, 합금으로서 높은 레벨의 피삭성을 얻는 것이 가능하다.
(특허문헌과의 비교)
여기에서, 상술한 특허문헌 1~14에 기재된 Cu-Zn-Si 합금과 본 실시형태의 합금의 조성을 비교한 결과를 표 1, 2에 나타낸다.
본 실시형태와 특허문헌 1, 12는, Sn의 함유량이 다르며, 실질적으로 다량의 Bi를 필요로 하고 있다.
본 실시형태와 특허문헌 2~9는, 주요 원소인 Cu, Si의 함유량이 다르며, Cu를 다량으로 필요로 하고 있다.
특허문헌 2~4, 7~9에서는, 금속 조직에 있어서 β상은, 피삭성을 저해하는 것으로서, 바람직하지 않은 금속상으로서 들고 있다. 그리고, β상이 존재하는 경우, 열처리에 의하여, 피삭성이 우수한 γ상에, 상변화시키는 것이 바람직하다고 되어 있다.
특허문헌 4, 7~9에서는, 허용할 수 있는 β상의 양이 기재되어 있지만, β상의 면적률은, 최대로 5%이다.
특허문헌 10에서는, 내탈아연 부식성을 향상시키기 위하여, Sn과 Al을 적어도, 각각 0.1mass% 이상의 양으로 함유하고, 우수한 피삭성을 얻기 위해서는, 다량의 Pb, Bi의 함유를 필요로 하고 있다.
특허문헌 11에서는, Cu를 65mass% 이상의 양으로 필요로 하고, Si의 함유와 함께, Al, Sb, Sn, Mn, Ni, B 등을 미량 함유시킴으로써, 양호한 기계적 성질, 주조성을 구비한 내식성을 갖는 구리 합금의 주물이다.
특허문헌 13은 P를 함유하고 있지 않다.
특허문헌 14에서는, Bi를 함유하지 않으며, Sn을 0.20mass% 이상의 양으로 함유하고, 700℃~850℃의 고온으로 유지하며, 이어서 열간 압출한다고 되어 있다.
또한 어느 특허문헌에 있어서도, 본 실시형태로 필수의 요건인, Si를 함유하는 β상이 피삭성이 우수한 것, 적어도 β상의 양이 15% 이상 필요한 것, β상의 피삭성의 향상에 P가 유효하고, β상 내에 미세한 P를 포함하는 화합물이 존재하는 것, Bi를 주성분으로 하는 입자가 α상 내에 존재하고 있는 것에 관하여, 아무것도 개시되지 않고 시사도 되어 있지 않다.
<금속 조직>
Cu-Zn-Si 합금에는, 10종류 이상의 상이 존재하고, 복잡한 상변화가 일어나, 조성 범위, 원소의 관계식만으로는, 목적으로 하는 특성이 반드시 얻어지지는 않는다. 최종적으로는 금속 조직에 존재하는 상의 종류와 그 면적률의 범위를 특정하고, 결정함으로써, 목적으로 하는 특성을 얻을 수 있다. 그래서, 이하와 같이, 조직 관계식, 및 조성·조직 관계식을 규정하고 있다.
20≤f3=(α)≤85
15≤f4=(β)≤80
0≤f5=(γ)<4
8.5≤f6=([Bi]+[Pb])1/2Х10+[P]1/2Х6+(β)1/2Х[Si]1/2Х0.8+(γ)1/2Х0.5≤18.0
0.45≤f7=(([Bi]+[Pb])1/2-0.05)Х((β)1/2-3)Х([Si]1/2-0.2))≤3.6
(γ상, 조직 관계식 f5)
특허문헌 2~9에 기재되어 있는 바와 같이, γ상은, Cu 농도가 약 69~약 80mass%, Si 농도가 약 2~약 4mass%인 Cu-Zn-Si 합금에 있어서, 피삭성에 가장 공헌하는 상이다. 본 실시형태에 있어서도, γ상은 피삭성에 공헌하는 것을 확인할 수 있었지만, 연성과 강도의 밸런스를 우수한 것으로 하기 위해서는, γ상을 큰 폭으로 제한해야 한다. 구체적으로는, γ상이 차지하는 비율을 4% 이상으로 하면, 양호한 연성이나 인성이 얻어지지 않는다. γ상은, 소량으로, 드릴 절삭의 토크를 낮게 하고, 절삭 부스러기 분단성을 양호하게 하는 작용이 있지만, γ상이 많이 존재하면 드릴 절삭의 스러스트 저항값을 높인다. β상이 15% 이상의 양(면적률, 이하, 상의 양의 단위는 면적률이다)으로 존재하는 것을 전제로, γ상의 피삭성에 대한 효과는, γ상량의 1/2승의 값에 상당하고, 소량의 γ상을 함유하는 경우에서는, 피삭성에 대한 개선 효과는 크지만, γ상의 양을 늘려도 피삭성의 개선 효과는 감소되어 간다. 연성과 드릴, 외주 절삭의 절삭 저항을 고려하면, γ상이 차지하는 비율은, 4% 미만으로 할 필요가 있다. 또 γ상의 양은, 2% 미만인 것이 바람직하고, 1% 미만인 것이 보다 바람직하다. γ상이 존재하지 않는, 즉 (γ)=0인 경우여도, Si를 함유하는 β상을 후술하는 비율로 존재시키고, 또한 Pb와 Bi를 함유시킴으로써, 우수한 피삭성이 얻어진다.
(β상, 조직 관계식 f4)
γ상을 제한하여, κ상, μ상을 전무, 또는 포함하지 않으며, 우수한 피삭성을 얻기 위해서는, 최적인 Si양과 Cu, Zn의 양의 배합 비율, β상의 양, β상에 고용되는 Si양이 중요해진다. 또한, 여기에서, β상에는, β'상이 포함된다.
본 실시형태에 있어서의 조성 범위에 있는 β상은, α상에 비하면 연성이 부족하지만, 연성이나 인성의 면에서는, 큰 제약을 받는 γ상에 비하면, 훨씬 연성이 풍부하고, Cu-Zn-Si 합금의 κ상, μ상과 비교해도 연성이 풍부하다. 따라서, 연성의 점에서, 비교적 많은 β상을 함유시킬 수 있다. 또, β상은, 고농도의 Zn과 Si를 함유함에도 불구하고, 양호한 전도성을 얻을 수 있다. 단, β상이나 γ상의 양은, 조성뿐만 아니라, 프로세스에 크게 영향을 받는다.
본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금인 Cu-Zn-Si-P-Pb-Bi 합금에 있어서, Bi, Pb의 함유량을 최소한으로 두면서 양호한 피삭성으로 하기 위해서는, 적어도, β상은, 15% 이상의 양으로 필요하고, β상의 면적률은, 바람직하게는 20% 이상이며, 보다 바람직하게는 25% 이상이며, 더 바람직하게는 30% 이상이다. γ상의 양이 0%여도, β상이 약 20% 이상의 양으로 존재하면, 양호한 피삭성을 구비할 수 있다. Bi를 함유하지 않는 경우에 있어서, β상의 양이 약 50%, 피삭성이 부족한 α상이 차지하는 비율이 약 50%여도, Si를 함유한 β상이 100%의 합금과 비교해도, 높은 레벨로 피삭성이 유지되며, 또한 양호한 연성과 강도를 얻을 수 있다. 예를 들면, 약 1mass%의 Si를 포함하는 β상과, 바람직하게는, β상 내에 P를 포함하는 화합물이 존재하고, 양호한 연성을 갖는 부드러운 α상이 공존하는 경우, 부드러운 α상이, 쿠션재와 같은 역할을 하거나, 혹은 α상과 경질의 β상의 상 경계가 절삭 부스러기의 분단의 기점이 된다고 생각되며, β상의 양이 약 50%여도, 우수한 β상의 피삭성을 유지한다, 즉, 낮은 절삭 저항을 유지하고, 경우에 따라서는 절삭 부스러기의 분단성이 향상된다.
기계적 성질에 대해서는, 연성이 증가하는 것, 및 β 단상으로부터 α상이 석출됨으로써 결정립이 미세해지는 것과 함께, β상의 강도를 유지한다. β상의 강도는, β상에 고용되는 Si양에 관계하고, β상에 Si가 약 0.25mass% 이상 고용하면 높은 강도가 얻어진다. 연성면에서는, β상의 양이 약 50%, 또는 약 50%를 초과해도, 쿠션재의 α상의 작용에 의하여, α상의 우수한 연성이 우선되어, 유지된다. 단, β상의 양이 증가함에 따라, 서서히, 연성이 저하된다. 양호한 연성을 얻어, 강도와 연성의 밸런스를 양호하게 하기 위해서는, β상이 차지하는 비율을 80% 이하로 할 필요가 있어, β상의 면적률은, 바람직하게는 72% 이하이며, 보다 바람직하게는 64% 이하이다. 연성이나 냉간 가공성을 중요시할 때, β상이 차지하는 비율은, 60% 이하가 바람직하다. 사용하는 목적, 용도에 따라, 적절한 β상이 차지하는 비율은, 다소 변동한다.
또한, Si를 약 1mass%의 양으로 함유한 β상은, 500℃의 열간 가공의 최저 레벨의 온도로부터, 우수한 열간 변형능, 낮은 열간 변형 저항을 나타내고, 합금으로서 우수한 열간 변형능, 낮은 열간 변형 저항을 나타낸다.
(Si 농도와 β상의 피삭성)
β상은, 본 실시형태에 있어서의 조성 범위에 있어서, β상에 고용되는 Si의 양이 증가할수록 피삭성이 향상되고, β상의 양이 증가할수록, 피삭성은 향상된다. β상 중에 고용되는 Si의 양은, 바람직하게는 0.25mass% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.5mass% 이상이며, 더 바람직하게는 0.7mass% 이상이고, 가장 바람직하게는 1.0mass% 이상이다. 한편, β상에 고용되는 Si양, β상의 양도, 그들이 증가함에 따라 그 효과는 서서히 포화되어 간다. 합금의 Si 농도와 β상의 양과 합금의 피삭성의 관계를 예의 연구한 결과, 합금의 피삭성은, 간편적으로, Si 농도(mass%)를[Si]로 했을 때, β상의 양(%)의 1/2승인 (β)1/2에, Si 농도의 1/2승인 [Si]1/2를 곱하면 양호하게 적합한 것이 판명되었다. 즉, 동일한 양의 β상이어도, Si 농도가 높은 편이, 피삭성이 양호하다. 동일한 Si 농도여도, β상의 양이 많을수록 피삭성이 양호하고, 그 효과는, 본 실시형태에서 규정하는 Si 농도, β상량이 전제로, (β)1/2Х[Si]1/2로 나타낼 수 있다.
(조성·조직 관계식 f6, f7)
조성·조직 관계식 f6, f7은, 조성 관계식 f1, f2, 조직 관계식 f3~f5에 더하여, 종합적으로 우수한 피삭성과, 높은 강도, 양호한 연성, 충격 특성을 얻기 위한, 조성의 요건과 금속 조직의 요건을 관련시킨 관계식이다. 피삭성에 관해서는, f6은, 피삭성을 얻기 위한 가산식이며, f7은, 피삭성의 상호 작용, 상승 효과를 나타낸 관계식이다.
본 실시형태의 Cu-Zn-Si-P-Pb-Bi 합금에 있어서, 피삭성은, Pb와 Bi의 합계량(f2), β상의 양과 Si의 양, P의 양(β상 내로의 고용량)과 P를 포함하는 화합물의 존재, γ상의 양에 영향을 받아, 각각의 효과가 가산된다. Pb와 Bi의 양과 피삭성에 대한 영향도를 감안하면, 피삭성의 효과는, Pb와 Bi의 합계량(mass%)의 1/2승으로 정리된다(나타난다). β상의 양과 Si의 양은 상기한 바와 같이, (β)1/2Х[Si]1/2로 나타낼 수 있다. γ상의 양에 관하여, 피삭성의 효과는, γ상의 양(%)의 1/2승으로 정리된다. 또한, P의 양에 관해서도, P를 포함하는 화합물의 존재를 고려하여, 피삭성에 대한 효과는, P의 양(mass%)의 1/2승으로 정리할 수 있다. 이들의 요인에 대하여 예의 연구를 거듭한 결과로부터 각 항의 계수가 도출되며, 이 계수를 각 항에 곱하여 f6이 얻어진다. f6은, 피삭성에 대한 효과의 가산식이다.
f6=([Bi]+[Pb])1/2Х10+[P]1/2Х6+(β)1/2Х[Si]1/2Х0.8+(γ)1/2Х0.5
f6에 있어서, 우수한 피삭성을 얻기 위해서는, 적어도 8.5 이상 필요하고, f6은, 바람직하게는 9.2 이상이며, 보다 바람직하게는 10.0 이상이고, 더 바람직하게는 11.0 이상이다. 한편, 상한은, 대략 피삭성의 효과가 포화되어 가는 것과, 합금의 연성, 강도, 냉간 가공성, 충격 특성으로부터, f6은, 18.0 이하이고, 바람직하게는 16.0 이하이며, ([Bi]+[Pb])1/2의 항을 작게 하는 관점에서, 보다 바람직하게는 14.0 이하이다.
한편, 피삭성의 상호 작용, 상승 작용은, Pb와 Bi의 합계량(f2)과, β상의 양과 Si의 양의 곱이 대상이 된다. 여기에서, Pb와 Bi의 합계량의 효과가 발휘하기 시작하는 양이 약 0.002mass%인 것, β상이 효과를 발휘하기 시작하는 양이 약 9%인 것, 및 Si가 효과를 발휘하기 시작하는 양이 약 0.04mass%인 것을 고려하여, 이하의 관계식이 된다.
f7=(([Bi]+[Pb])1/2-0.05)Х((β)1/2-3)Х([Si]1/2-0.2))
f7은, Pb와 Bi의 항과, β상의 항과, Si의 항의 곱이므로, 1항이어도 너무 작으면 f7을 충족시킬 수 없다. 예의 연구의 결과, 높은 레벨의 피삭성을 얻기 위해서는, f7은, 0.45 이상 필요하고, 바람직하게는 0.6 이상이며, 보다 바람직하게는 0.8 이상이고, 더 바람직하게는 1.0 이상이다. f7이, 3.6을 초과하면, 피삭성이 포화되는 한편, 합금의 연성, 강도, 냉간 가공성, 충격 특성이 낮아진다. f7은, 3.6 이하이고, 바람직하게는 3.0 이하이며, Pb+Bi의 항을 작게 하는 점에서, 보다 바람직하게는 2.4 이하이고, 더 바람직하게는 2.0 이하이다.
조성의 인자: ([Bi]+[Pb]), [Si], [P], 금속 조직의 인자: (β), (γ)를 포함하는, 가산식: f6, 곱의 식: f7을 상기한 바와 같이, 좁은 범위로 설정하고, 즉 조성의 요건, 금속 조직의 요건을 적절히 하여, 양 식을 충족시키고 비로소, 우수한 피삭성, 양호한 기계적 제(諸)성질을 구비할 수 있다. 특히, ([Bi]+[Pb])를 제외한 조성의 요건, 금속 조직의 요건을 보다 적절히 함으로써, ([Bi]+[Pb])를 작게 하는 것이 가능하다. 그리고, f6, f7이 바람직한 범위 내에 들어가면, 보다 더 우수한 피삭성, 양호한 기계적 제성질을 구비할 수 있다.
또한, 조직 관계식 f3~f5 및 조성·조직 관계식 f6, f7에 있어서는, α상, β상, γ상, δ상, ε상, ζ상, η상, κ상, μ상, χ상의 금속상을 대상으로 하고 있으며, P를 포함하는 화합물을 제외한 금속 간 화합물, Pb 입자, Bi 입자, Bi와 Pb를 주성분으로 하는 입자, 산화물, 비금속 개재물, 미용해 물질 등은 대상으로 하지 않은, 즉, 면적률의 대상으로부터 제외된다. P를 포함하는 화합물은, 그 크기가 평균으로, 약 0.5~3.0μm로 미세하고, 대부분이 β상 내, 및 α상과 β상의 경계에 존재하므로, β상 내, α상과 β상의 경계에 있는 P를 포함하는 화합물은, β상에 포함시키는 것으로 한다. 드물게 α상 내에 존재하는 경우는, α상에 포함시키는 것으로 한다. 한편, Si나 P와, 불가피적으로 혼입되는 원소(예를 들면 Fe, Mn, Co, Cr)에 의하여 형성되는 금속 간 화합물은, 금속상의 면적률의 적용 범위 외이다. 본 실시형태에 있어서는, 500배의 금속 현미경으로 관찰할 수 있는 크기, 약 1000배의 금속 현미경으로 확인, 판별할 수 있는 석출물, 금속상을 대상으로 하고 있다. 따라서, 관찰할 수 있는 석출물, 금속상의 크기의 최솟값은, 대략, 약 0.5μm이며, 예를 들면 β상 내에, 약 0.5μm보다 작은, 0.1~0.4μm의 크기의 γ상이 존재하는 경우도 있지만, 이들의 γ상은, 금속 현미경으로는 확인할 수 없기 때문에, β상이라고 간주한다.
(α상, 조직 관계식 f3)
α상은, β상, 혹은 γ상과 함께 매트릭스를 구성하는 주요한 상이다. Si를 함유한 α상은, Si를 함유하지 않는 것에 비하면, 피삭성은 약간의 향상에 머물고, Si의 양이 소정 내이면 연성이 풍부하다. β상이 100%이면, 합금의 연성으로 문제가 있어, 적절한 양의 α상이 필요하다. β 단상 합금으로부터, α상을 비교적 많이 포함해도, 예를 들면 약 50%의 면적률로 포함해도, α상 자체가 쿠션재의 역할을 하고, α상의 존재에 의하여, β상 결정립이 미세해져, 절삭 시, α상과 경질의 β상과의 상 경계가 응력 집중원이 되어 절삭 부스러기를 분단하여, 우수한 β 단상 합금의 피삭성이 유지되고, 경우에 따라서는 피삭성이 향상된다고 생각된다.
예의 연구를 거듭한 결과, 합금의 연성의 점에서, α상의 양은, 20% 이상 필요하고, 바람직하게는 28% 이상, 보다 바람직하게는 36% 이상이다. 한편, α상의 양의 상한은, 높은 레벨의 피삭성을 얻기 위해서는, 적어도 85% 이하이고, 바람직하게는 75% 이하이며, 보다 바람직하게는 70% 이하이고, 더 바람직하게는 65% 이하이다. α상이 많으면 피삭성이 개선된 β상의 양이 적어지고, α상의 피삭성을 개선하는 Bi의 양, 즉 α상 중에 존재하는 Bi 입자가 많이 필요하다.
(피삭성, 기계적 성질과 α상의 형상, β상의 분포)
합금의 피삭성, 기계적 성질에 미치는, α상의 형상, 분포, β상의 분포에 관하여, α상 결정립의 형상이 바늘상(결정립의 장변/단변이 4를 초과하는 타원형)이면 α상의 분산이 나빠지고, 바늘상의, 장변이 큰 α상이, 절삭 시의 방해가 된다. 따라서, 바람직한 실시형태로서, 장변/단변이 4 이하인 입상의 α상 결정립이 전체 α상 결정립에 차지하는 비율이 50% 이상, 보다 바람직하게는 75% 이상이면, 피삭성은 향상된다. 엄밀하게는, 입상의 α상 결정립이 차지하는 비율은, 소정 시야 내에서의 α상 결정립의 총수(개수)를 분모로 하고, 장변/단변이 4 이하인 입상의 α상 결정립의 수(개수)를 분자로 하는 비율이며, (장변/단변이 4 이하인 입상의 α상 결정립의 수(개수)/α상 결정립의 총수(개수))Х100이다. 그리고, 바늘상의, 장변이 큰 α상이 50%를 초과하면, 연성은 대략 유지되지만, 합금의 강도가 낮아진다. 따라서, 입상의 α상의 비율이 커지면, 강도가 높아져, 강도와 연성의 밸런스가 향상된다. 장변/단변이 4 이하인 입상의 α상 결정립이 차지하는 비율이 50%, 혹은 75%를 초과하는지 아닌지는, 조성뿐만 아니라, 제조 프로세스에 영향을 받아, 열간 가공 온도가 높으면 장변/단변이 4 이하인 입상의 α상 결정립이 차지하는 비율이 적어진다.
또한, 본 실시형태에서는, 결정립의 장변과 단변은, 예를 들면 500배의 배율로 결정립을 관찰하여 화상 해석법에 의하여 측정된다. 상세하게는, 결정립을 타원형으로 보고, 장변(장경)은, 결정립의 윤곽상의 2점을 잇는 선분 중 최장의 선분의 길이이며, 단변(단경)은, 장변에 수직으로 선을 그었을 때에 입계(결정립의 윤곽)에 의하여 절단되는 선분 중 최장의 선분의 길이이다.
(μ상, κ상, 그 외의 상)
우수한 피삭성을 구비함과 함께, 높은 연성이나 인성, 높은 강도를 얻기 위해서는, α, β, γ상 이외의 상의 존재도 중요하다. 본 실시형태에서는, 모든 특성을 감안하여, κ상, μ상, 혹은 δ상, ε상, ζ상, η상은, 필요로 하지 않는다. 금속 조직을 형성하는 구성상 (α), (β), (γ), (μ), (κ), (δ), (ε), (ζ), (η)의 총합을 100으로 했을 때, 바람직하게는, (α)+(β)+(γ)>99이며, 측정상의 오차, 숫자의 반올림(사사오입)을 제외하면, 최적으로는 (α)+(β)+(γ)=100이다.
(α상 내에 존재하는 Bi 입자(Bi를 주성분으로 하는 입자))
Si를 함유시킨 β 단상 합금, 또한 P를 포함하는 화합물을 존재시킨 β 단상 합금의 피삭성은, 3mass%의 Pb를 함유하는 쾌삭 황동의 수준에 가까워지지만, 아직 도달하지 않았다. 보다, 높은 레벨의 피삭성을 얻기 위해서는, α상의 피삭성을 향상시킬 필요가 있다. 본 실시형태의 합금에 있어서, Si의 함유에 의하여, 평균으로 약 0.3~3μm의 크기의 Bi 입자를 α상에 존재시키기 쉽게 한다. Bi 입자를 α상 내에 존재시킴으로써, α상의 피삭성이 현저하게 향상되고, 피삭성이 향상된 β상과 함께, 합금으로서의 피삭성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
Bi는, 구리 합금에 거의 고용하지 않고, 금속 현미경으로 관찰하면 0.3μm~3μm의 크기의 원형상의 입자로서 존재한다. Bi는, Cu나, Cu와 Zn의 합금인 황동에 비하여, 융점이 낮고, 원자 번호가 크며, 원자 사이즈가 크다. 이 때문에, Si를 포함하지 않고, β상의 비율이, 대략 20%를 초과하는 황동 합금인 경우, Bi 입자는, α상에는, 거의 존재하지 않고, 주로 α상과 β상의 상 경계에 존재하며, β상의 양이 증가함에 따라, β상 내에도 많이 존재한다. 본 실시형태에 있어서, Cu-Zn 합금으로의 Si의 작용에 의하여, Bi 입자가 α상 내에 존재하는 빈도가 높아지는 것을 구명했다. 그 작용은, Si 함유량이, 대략 0.1mass%로 효과를 발휘하기 시작하지만 불충분하고, Si 함유량이, 0.2mass% 초과, 0.35mass% 초과, 0.5mass% 초과로 증가함에 따라, 명확해진다. 그리고, P의 함유에 의하여, Bi 입자가 α상 중에 존재하는 빈도가 높아진다. Bi는, Pb보다 피삭성이 뒤떨어진다고 되어 있었지만, 본 실시형태에 있어서는, α상 내에 Bi 입자를 존재시킴으로써, Pb와 동등 이상의 피삭성을 얻을 수 있다. Bi와 Pb를 모두 첨가하면, 그 대부분의 입자에는, Bi와 Pb가 공존하지만, Bi를 단독으로 함유하는 경우와 동등한 효과를 발휘한다. 또한, α상 내로의 Bi 입자가 존재하는 빈도를 높이고, α상의 피삭성을 큰 폭으로 개선하기 위해서는, Bi는, 0.10mass%를 초과하는 양으로 함유해야 한다.
또한, Bi 입자를 α상 중에 존재시키면, Bi 입자가 α상과 β상의 상 경계에 존재하는 경우에 비하여, 상온에서의 연성, 가공성이 양호해진다. 또, 주조 시에 발생하는 균열도 적어지고, 수축 공동 등의 주물 결함이 큰 폭으로 감소한다.
(P와 Si, Zn의 화합물의 존재)
Si를 함유함으로써 β상의 피삭성은 크게 개선되어, P를 함유하고, P의 β상으로의 고용으로 피삭성은 더 개선된다. 또한, 제조 조건에 의하여, β상 내에, 평균 입경이 약 0.3~약 3μm인 P와 Si, Zn에 의하여 형성되는 P를 포함하는 화합물을 존재시킴으로써, β상은, 더 우수한 피삭성을 구비할 수 있다. Bi를 함유하지 않고, Pb량이 0.01mass%, P양이 0.05mass%, Si양이 약 1mass%인 β 단상 합금의 피삭성은, P를 포함하는 화합물이 충분히 존재함으로써, P가 무첨가인 β 단상 합금에 비하면, 피삭성 지수로, 약 10% 향상된다.
Si를 함유시킨 β상에, P를 포함하는 화합물을 존재시킴으로써, β상의 피삭성을 더 높일 수 있다. 또 Bi 입자의 존재에 의하여 α상의 피삭성을 높일 수 있다. 단순히 10%의 피삭성이 향상되는 효과는 기대할 수 없지만, 보다 바람직한 실시형태로서, 이들 P 화합물에 의하여 피삭성이 더 높아진 β상과, Bi 입자의 존재에 의하여 피삭성이 높아진 α상의 조합에 의하여, 보다 피삭성의 우수한 합금이 된다. 그리고, β상 내에 P를 포함하는 화합물을 존재시킴으로써, 본 실시형태의 과제의 하나인 Pb, Bi의 양을 줄이는 것도 가능해진다.
P를 포함하는 화합물은, P와, 적어도 Si 및 Zn 중 어느 일방 또는 양방을 포함하는 화합물, 경우에 따라서는, 추가로 Cu를 포함하는 화합물이나, 추가로 불가피적 불순물인 Fe, Mn, Cr, Co 등을 포함하는 화합물이다. 그리고, P를 포함하는 화합물은, 불가피적 불순물인 Fe, Mn, Cr, Co 등에도 영향을 받는다. 불가피적 불순물의 농도가, 상기에서 규정한 양을 초과하면, P를 포함하는 화합물의 조성이 변화하여, 피삭성의 향상에 기여하지 않게 될 우려가 있다. 또한, 약 600℃의 열간 가공 온도에서는, P를 포함하는 화합물은 존재하지 않고, 열간 가공 후의 냉각 시의 임계의 냉각 속도보다 느린 속도로 생성한다. 또, 따라서 열간 가공 후의 냉각 속도가 중요해져, 530℃부터 450℃의 온도역을, 50℃/분 이하의 평균 냉각 속도로 냉각할 필요가 있다. 한편, 냉각 속도가 너무 느리면, P를 포함하는 화합물이 성장하기 쉬워져, 피삭성에 대한 효과가 저하된다. 상기의 평균 냉각 속도의 하한은, 0.1℃/분 이상이 바람직하고, 0.3℃/분 이상이 보다 바람직하다.
주물의 경우도 동일하게, 응고 후의 고온 상태에서는, P를 포함하는 화합물은 존재하지 않고, 530℃부터 450℃의 온도역을, 50℃/분 이하의 평균 냉각 속도로 냉각함으로써, P를 포함하는 화합물이 형성된다.
여기에서, 도 1에, 본 실시형태인 쾌삭성 합금의 금속 조직 사진을 나타낸다.
도 1은, Zn-63.0mass% Cu-1.08mass% Si-0.056mass% P-0.005mass% Pb-0.27mass% Bi 합금이며, 640℃에서 열간 단조하고, 530℃로부터 450℃의 냉각 속도를 10℃/분으로 한 것이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 금속 현미경으로, α상 내에, 윤곽이 있어, 약 0.5~3μm의 크기의 Bi 입자가 관찰된다. 또, 검게 보이고, 작은 입상의 약 0.5~1.5μm의 크기의 P를 포함하는 화합물이, β상 내에 많이 존재하고 있는 것이 관찰된다. 또, α상 결정립의 결정 입경은, 약 12μm이며, α상 결정립의 형상: 장변/단변이 4 이하인 입상의 α상 결정립이, 전체 α상 결정립에 차지하는 비율이 100%이며, 피삭성 향상에 적합한 금속 조직이다.
(β상에 고용하는 Si양과 피삭성)
본 실시형태인 조성 범위에 있어서 생성하는 α상, β상, γ상의 Cu, Zn, Si의 양에는, 대략, 다음의 관계가 있다.
Cu 농도는, α>β≥γ
Zn 농도는, β>γ>α
Si 농도는, γ>β>α
(1) 양산 설비로, 580℃에서 φ24mm로 열간 압출한 시료(Zn-63.0mass% Cu-1.08mass% Si-0.056mass% P-0.005mass% Pb-0.27mass% Bi 합금), (2) 상기 (1)과 동일한 조성의 합금을 640℃에서 열간 단조한 시료, 및 (3) 실험실에서, 590℃에서 φ24mm로 압출한 시료(Zn-59.5mass% Cu-0.51mass% Si-0.055mass% P-0.026mass% Pb-0.26mass% Bi 합금)에 대하여, 2000배의 배율로, 2차 전자상, 조성상을 촬영하고, α, β, γ상 중의, Cu, Zn, Si의 농도를, X선 마이크로 애널라이저로 정량 분석했다. 측정은, 니혼 덴시제 "JXA-8230"을 이용하여, 가속 전압 20kV, 전륫값 3.0Х10-8A의 조건으로 행했다. 결과를 표 3~5에 나타낸다.
표 3~5로부터, β상에 고용되는 Si 농도는, 대략 α상의 1.5배, 즉, β상에는, α상의 1.5배의 Si가 배분된다. 또한, Zn-63.0mass% Cu-1.08mass% Si-0.056mass% P-0.005mass% Pb-0.27mass% Bi 합금으로 형성되는 γ상을 분석한 결과, Cu가 60mass%, Si가 3mass%, Zn이 37mass%였다.
또한, 특허문헌 2의 대표 조성, Zn-76mass% Cu-3.1mass% Si 합금을 제작하여, X선 마이크로 애널라이저(EPMA)로 분석한 결과, γ상의 조성은, 73mass% Cu-6mass% Si-20.5mass% Zn이었다. 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금의 γ상의 조성예인 60mass% Cu-3mass% Si-37mass% Zn과 큰 차이가 있고, 양자의 γ상의 성질도 다를 것이 예상된다.
일반적으로, 3mass%의 Pb를 함유하는 쾌삭 황동을 기준으로 하고, 그 피삭성을 100%로 하여, 다양한 구리 합금의 피삭성이 수치(%)로 나타나 있다. 일례로서, 1994년, 일본 신동 협회 발행, "구리 및 구리 합금의 기초와 공업 기술(개정판)", p 533, 표 1, 및 1990년, ASM International 발행, "Metals Handbook TENTH EDITION Volume 2 Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials", p 217~228의 문헌에 구리 합금의 피삭성이 기재되어 있다.
표 6의 합금은, 후술하는 실험실에서 제작한 Pb를 0.01mass%의 양으로 포함하는 합금이며, 동일한 실험실의 압출 시험기로 φ22mm로 열간 압출된 것이다. Cu-Zn의 2원 합금에서는, Pb를 소량 포함해도, 피삭성에 거의 영향이 없는 점에서, 본 실시형태의 성분 범위 내의 0.01mass%의 양의 Pb를 각각 함유시켰다. 열간 압출 온도는, 합금 A, D에서는, 750℃이며, 그 외의 합금 B, C, E, F, G, H에서는, 635℃였다. 압출 후, 금속 조직을 조정하기 위하여, 500℃에서 2시간 열처리했다. 후술하는 절삭 시험에 따라, 외주 절삭, 드릴 절삭의 시험을 행하여, 피삭성을 구했다. 평가 결과를 표 7에 나타낸다. 또한, 기준재의 쾌삭 황동으로서는, 시판되고 있는 C3604(Zn-59mass% Cu-3mass% Pb-0.2mass% Fe-0.3mass% Sn)를 이용했다.
상기 문헌에서는, α 단상 황동인 70Cu-30Zn의 피삭성은 30%라고 기재되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 표 6 및 표 7에 나타내는 바와 같이, 동일한 α 단상 황동인 65Cu-35Zn(합금 A)의 종합의 피삭성 지수는 31%였다. 그리고, Cu, Zn의 양을 조정하고, Si를 0.6mass%의 양으로 함유한 α 단상 황동(합금 D), 즉, α상 중에 Si를 0.6mass%의 양으로 고용시킨 α 단상 황동에서는, Si를 포함하지 않는 α 황동에 비하여, 피삭성 지수는 약 4% 향상되었다. 합금 A, D 모두, 외주 절삭과 드릴 펀칭 절삭의 양자의 시험에서, 절삭 부스러기는 연속했다.
외주 절삭은, 주분력, 이송 분력, 배분력으로 분해할 수 있지만, 그들의 합력(3분력)을 절삭 저항으로 했다. 드릴 절삭에 대해서는, 토크, 스러스트로 분해하고, 그들의 평균값을 드릴의 절삭 저항의 "종합"으로서 기재했다. 또한, 합금의 피삭성으로서, 외주의 절삭 저항과 드릴 절삭 저항을 평균하여, 피삭성 "종합" 지수(평가)로 했다.
표 7의 외주 절삭의 절삭 저항은, 실시예에 기재된 합력(피삭성 지수)에 상당한다. 표 7의 펀칭 절삭의 토크, 스러스트, 종합은, 각각 실시예에 기재된 토크 지수, 스러스트 지수, 드릴 지수에 상당한다. 절삭 부스러기의 평가 기준은, 실시예와 동일하다.
Cu, Zn의 양을 조정하여 Si를 포함하지 않는 β 단상 황동(합금 C, 54Cu-46Zn)은, Si를 포함하지 않는 α상에 비하여, 피삭성 "종합" 지수는, 약 20% 향상되지만, 51%에 머무르고, 절삭 부스러기 형상의 개선은 거의 없어, 절삭 부스러기 평가는 변함없었다.
0.5mass%의 Si를 함유한 β 단상 합금(합금 E)은, Si를 포함하지 않는 β 단상 황동(합금 C)에 비하여, 피삭성 "종합" 지수로, 약 17% 향상되었다. 그중에서도, 외주 절삭의 절삭 저항은, 약 28% 향상되고, 토크는, 약 9% 향상되었다. Si를 약 1mass%의 양으로 함유한 β상 합금(합금 F)에서는, Si를 포함하지 않는 β 단상 합금에 비하여, 피삭성 "종합" 지수로 약 21% 향상되었다. 이와 같이 β상에 포함되는 Si의 양이 0mass%부터 0.5mass%의 사이에서, β상의 피삭성이 크게 개선되었다. 즉, β상 중의 Si의 양이 약 0.25mass%이고, 피삭성에 대한 큰 효과를 발휘하기 시작하여, Si의 양이 약 0.5mass%에서, 피삭성에 대한 효과가 명확해지고, 합금 H의 결과로부터, Si의 양이 약 1.0mass%에서, 피삭성에 대한 효과가 더 현저해진다고 생각된다. 따라서, 본 실시형태에 있어서는, β상 중의 Si의 고용량은, 0.3mass% 이상이 바람직하고, 0.5mass% 이상, 또는 0.7mass% 이상이 더 바람직하다.
β 단상 황동에, 0.5mass%의 Si에 더하여, 0.05mass%의 P를 첨가하면(합금 G), 합금 E에 비하여 피삭성 "종합" 지수는, 약 8% 양호해지고, 절삭 부스러기의 형상은, 외주 절삭과 드릴 펀칭 절삭의 양자의 시험에서 양호해졌다. 그리고, 0.05mass%의 P를 함유하며, 1mass%의 Si를 함유하는 β 단상 합금(합금 H)은, P를 포함하지 않고 Si를 약 1mass%의 양으로 포함하는 β 단상 합금에 비하여, 피삭성 "종합" 지수로 약 10% 향상된다. P의 함유의 유무로, 외주 절삭의 절삭 저항의 향상은, 약 14%로, 드릴 펀칭 절삭에서의 토크는, 약 9% 향상되었다. 외주 절삭의 절삭 저항, 및 토크의 대소는, 절삭 부스러기 형상에 관련되고, 0.05mass%의 P의 함유에 의하여, 외주 절삭, 드릴 펀칭 절삭의 양자의 시험에서 절삭 부스러기 형상의 평가 결과가 "D"로부터 "B"로 향상되었다. 외주 절삭 시의 절삭 저항은, 3mass%의 Pb를 함유하는 쾌삭 황동과의 차가 작아지고, 외주 절삭, 드릴 펀칭 절삭의 절삭 부스러기도 3mass%의 Pb를 함유하는 쾌삭 황동의 절삭 부스러기에 가까워져, 현저하게 개선되었다. 또한, 절삭 저항은, 재료의 강도에 영향을 받아, 강도가 높을수록, 절삭 저항이 커진다. β 단상 황동이나 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금은, 3mass%의 Pb를 함유하는 쾌삭 황동보다, 약 1.2배, 높은 강도를 갖기 때문에, 그것을 고려하면 1mass%의 Si와 0.05mass%의 P를 함유하는 β 단상 합금의 피삭성, 특히 외주 절삭 시의 피삭성은, 3mass%의 Pb를 함유하는 쾌삭 황동의 피삭성에 가까워진다고 할 수 있다.
합금 B는, Pb를 0.01mass% 포함하지만, Si, P를 포함하지 않는 황동이며, β상이 차지하는 비율이 약 48%였다. 합금 B는, 피삭성 "종합" 지수가 31%인 α 단상 황동(합금 A)과, 피삭성 "종합" 지수가 51%인 β 단상 황동(합금 C)으로 이루어지며, 합금 B의 피삭성 "종합" 지수는 44%이고, 면적 비율에 비하여, β상의 영향을 조금 강하게 받는다. β상을 48% 포함하는 황동의 절삭 부스러기 형상은 연속하고, 피삭성 "종합" 지수, 및 절삭 부스러기의 형상으로부터, 도저히, 3mass%의 Pb를 함유한 쾌삭 황동의 대체로는 될 수 없다. 3mass%의 Pb를 포함하는 쾌삭 황동봉은, β상이 차지하는 비율이 약 20%이며, 매트릭스의 피삭성은, 적어도 합금 B보다 나쁘다. Pb의 작용에 의하여, 매트릭스에 비하여, 피삭성 "종합" 지수로 60% 이상 향상되고, 절삭 부스러기는 분단된다.
표 3, 4, 7로부터, β 단상 합금 G, H는, 대략 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금의 β상에 상당하고, 합금 D는, 대략 α상에 상당한다. 즉, β상의 피삭성은, Si와 P의 함유에 의하여, 높은 레벨에 있다. 그리고, Bi 입자가 α상 내에 존재함으로써, α상의 피삭성이 높아지고, 합금으로서의 피삭성은, 높은 레벨에 도달해 있다고 생각된다.
<특성>
(상온 강도 및 고온 특성)
자동차 부품을 비롯하여 본 실시형태의 사용 대상이 되는 부재, 부품에 대하여, 박육화(薄肉化), 경량화의 강한 요청이 있다. 필요한 강도로서는, 인장 강도가 중요시되며, 연성과의 밸런스도 중요해지고 있다.
그러기 위해서는, 열간 압출재, 열간 압연재 및 열간 단조재는, 냉간 가공을 실시하지 않는 열간 가공이 완료된 상태에서, 인장 강도가 430N/mm2 이상의 고강도재인 것이 바람직하다. 인장 강도는, 보다 바람직하게는 470N/mm2 이상이며, 더 바람직하게는 510N/mm2 이상이다. 밸브, 이음매, 압력 용기, 공기 조절·냉동기에 사용되는 많은 부품은, 열간 단조로 만들어져 있다. 현행 사용되고 있는 2mass% Pb를 함유하는 단조용 황동 C3771의 인장 강도는, β상을 포함함에도 관계없이, 약 400N/mm2, 신도가 30~35%이다. Si의 함유와 조직 관계식 f3~f5의 금속 조직의 요건을 충족시킴으로써, 높은 강도가 얻어져, 경량화가 도모된다.
열간 가공 후, 냉간 가공이 행해지는 경우도 있고, 냉간 가공의 영향을 가미하여, 이하의 범위에 있는 재료를 고강도, 고연성의 재료라고 정의한다.
열간 가공재와, 열간 가공 후에 추가로 가공률 30% 이내에서 냉간 가공된 재료, 혹은 냉간 가공과 열처리가 실시되고, 경우에 따라서는 냉간 가공과 열처리가 반복되어 행해져, 최종 가공률 30% 이내에서 냉간 가공된 재료이다. 냉간 가공률을 [R]%로 하면, 냉간 가공되지 않는 경우는, [R]=0이며, 인장 강도 S(N/mm2)가, 바람직하게는, (430+8Х[R])N/mm2 이상, 보다 바람직하게는, (470+8Х[R])N/mm2 이상이다. 신도 E(%)가, 바람직하게는, (0.02Х[R]2-1.15Х[R]+18)% 이상, 보다 바람직하게는, (0.02Х[R]2-1.2Х[R]+20)% 이상이다. 그리고, 강도(인장 강도 S)와 연성(신도 E)의 밸런스를 나타내는 특성 관계식 f8=SХ(100+E)/100이 580 이상인 것이 바람직하다. f8은, 보다 바람직하게는 620 이상이며, 더 바람직하게는 650 이상이다.
또한, Pb를 함유한 열간 가공이 완료된 쾌삭 황동은 상술한 특성 관계식 f8이 약 530이다. 이 때문에, 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금의 특성 관계식 f8은, Pb를 함유한 열간 가공이 완료된 쾌삭 황동의 특성 관계식 f8보다, 50 이상, 나아가서는 90 이상 크고, 강도와 연성의 밸런스가 우수하다.
주물은, 열간 압출봉 등의 열간 가공을 거친 재료에 비하여, 성분 편석(偏析)이 있어, 결정립도 크고, 마이크로적인 결함을 다소 포함하고 있다. 이 때문에, 주물은, "부서지기 쉬움", "취약"하다고 알려져 있으며, 인성, 연성의 평가에 있어서, 충격값이 높을 것이 요망된다. 한편, 절삭에 있어서 절삭 부스러기의 분단성이 우수한 재료는, 일종의 부서지기 쉬움이 필요하다고 알려져 있다. 충격 특성과 피삭성은, 소정 면에 있어서 상반되는 특성이다. 기계 부품을 비롯하여 본 실시형태의 사용 대상이 되는 부재, 부품에 대하여, 박육화, 경량화의 강한 요청이 있다. 양호한 인성, 연성을 구비하는 것이 필요하다. 주물의 강도는, β상, α상에 고용되는 Si의 양에 관계하고, β상에, Si가 약 0.25mass%를 초과하여 함유함으로써, 높은 강도가 얻어진다. 주물은, 상기와 같이, 성분 편석이나 마이크로적인 결함이 발생하기 쉽고, 정당하게, 강도를 평가하는 것이 어렵다. 본 실시형태에서는, 강도의 평가 방법으로서, 경도(비커스 경도)를 채용하고, 인성의 평가로서 충격 시험값(U 노치)을 채용한다.
구리 합금 주물이며 높은 강도이기 위해서는, 적어도, 비커스 경도가 100Hv 이상인 것이 바람직하다. 비커스 경도는, 보다 바람직하게는 110Hv 이상이다. 경도와 인장 강도는, 상관 관계가 있고, 비커스 경도 100Hv는, 대략 400N/mm2에 상당하며, 비커스 경도 110Hv는, 대략 420N/mm2에 상당한다. Pb를 함유하는 황동 주물, CAC202(대표 조성: 67Cu-2Pb-잔부 Zn), CAC203(대표 조성: 60Cu-2Pb-잔부 Zn)의 비커스 경도는, 각각, 약 60Hv, 약 70Hv이므로, 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금의 주물의 강도는, 높은 레벨에 있다.
주물은, 상기한 바와 같이, 고강도일뿐만 아니라, 충격에 견디는 강인한 재료인 것이 필요하다. 그러기 위해서는, U 노치 시험편으로 샤르피 충격 시험을 행했을 때, 샤르피 충격 시험값은, 바람직하게는 25J/cm2 이상이고, 보다 바람직하게는 30J/cm2 이상이며, 더 바람직하게는 40J/cm2 이상이다. 한편, 예를 들면 샤르피 충격 시험값이 90J/cm2를 초과하면, 이른바 재료의 점도가 증가하기 때문에, 절삭 저항이 높아지고, 절삭 부스러기가 연결되기 쉬워지는 등 피삭성이 나빠진다.
(도전율)
본 실시형태의 용도에는, 전기·전자 기기 부품, EV화가 진행되는 자동차 부품, 그 외 높은 전도성의 부재·부품이 포함된다. 현재, 이들의 용도에는, Sn을 약 5mass%, 약 6mass%, 혹은 약 8mass%의 양으로 함유하는 인 청동(JIS 규격, C5102, C5191, C5210)이 많이 사용되고, 그들의 도전율은, 각각, 약 15% IACS, 약 14% IACS, 약 12% IACS이다. 따라서, 본 실시형태의 구리 합금의 도전율은, 15% IACS 이상이면, 전기·전자 부품, 자동차 부품 용도에 있어서, 전기 전도성에 관하여 큰 문제는 발생하지 않는다. 도전율을 나쁘게 하는 원소인 Si를 함유하고, 또한 고농도의 Zn을 함유함에도 불구하고, 높은 전도성을 나타내는 것은, β상의 양과 β상 중에 고용되는 Si가 영향을 주고 있다. β상은, α상보다, Zn 농도가 높음에도 불구하고, β상을 많이 포함할수록, 전기 전도성이 향상된다. 또한, 도전율의 상한은, 전도성이 양호해짐으로써, 실용상, 문제가 되는 경우는 거의 없기 때문에, 특별히 규정하지 않는다.
이상의 검토 결과로부터, 이하의 지견을 얻었다.
제1로, 종래부터 Cu-Zn-Si 합금에 있어서 생성하는 β상은, 합금의 피삭성의 향상에 효과가 없거나, 혹은 합금의 피삭성을 방해한다고 되어 있었다. 그러나, 예의 연구의 결과, 일례로서, Si양이 약 1mass%, Cu양이 약 59mass%, Zn양이 약 40mass%인 β상이 매우 우수한 피삭성을 갖는 것을 구명했다.
제2로, Cu-Zn-Si 합금에 Bi를 소량 함유시키면, 평균으로 약 0.2~약 3μm의 크기의 Bi 입자를, Si의 작용에 의하여 α상 내에 존재시킬 수 있었다. 피삭성이 부족한 α상을, 피삭성이 큰 폭으로 개선된 α상으로 변화시켰다. 상기의 우수한 피삭성을 구비한 β상과 합하여 합금으로서 우수한 피삭성을 구비할 수 있었다. 또한, Bi와 Pb가 공존(Bi와 Pb의 합금)하는 입자, 즉, Bi를 주성분으로 하는 입자여도, 피삭성이 저해되지 않는 것이 확인되었다.
제3으로, Pb는, 주로 평균으로 약 0.2~약 3μm의 크기의 Bi와 Pb가 공존하는 입자, 즉, Bi를 주성분으로 하는 입자로서 존재하고, 절삭 부스러기의 분단성을 향상시키며, 절삭 저항을 낮추는 효과를 발휘하는 것을 명확히 했다.
제4로, Cu-Zn-Si 합금에 P를 함유시키면, 우선적으로 P가 β상 내에 존재하고, β상의 피삭성을 더 향상시켰다. 그리고, 제조 프로세스를 고안하여, β상 중에 평균 입경이 약 0.3~약 3μm인 크기의 P를 포함하는 화합물을 존재시키면, P를 포함하는 화합물이 없는 것에 비하여, 절삭 저항을 더 저하시키고, 동시에 절삭 부스러기의 분단 성능을 향상시키는 것을 구명했다.
제5로, 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금으로 생성하는 γ상에, 우수한 절삭 부스러기 분단성에 효과가 있는 것을 구명했다. 특허문헌과 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금에서는 조성이 달라, 동일한 γ상이어도, 상기의 β상과 같이 조성이 다르면 피삭성에 큰 차가 발생하지만, 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금의 조성 범위에서 존재하는 γ상에, 우수한 피삭성이 있는 것을 알아냈다.
제6으로, 환경 등에 문제가 있는 Pb 및 Bi의 양을 줄이기 위하여, 피삭성과 β상의 양, 합금 중의 Si의 양, β상에 고용되는 Si의 양, P의 양, β상 내에 존재하는 P를 포함하는 화합물, γ상의 양을 명확하게 하고, 기계적 제특성을 포함시켜, 보다 적절히 함으로써, 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금을 완성시켰다.
마지막으로, 종래의 Pb 함유 구리 합금은, 열간 가공 온도에서 다량의 Pb가 녹아 있기 때문에, 650℃이하에서의 열간 변형능에 문제가 있었다. 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금은, Bi, Pb를 포함해도, 650℃보다 낮은 온도인 약 600℃에서, 우수한 열간 변형능을 가지며, 열간 변형 저항이 낮아, 용이하게 열간 가공할 수 있어, 열간에서의 연성이 풍부한 구리 합금으로 완성되었다.
(열간 가공성)
본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금은, 약 600℃에서 우수한 변형능을 갖고 있는 것이 특징이며, 단면적이 작은 봉에 열간 압출할 수 있으며, 복잡한 형상으로 열간 단조할 수 있다. Pb를 함유하는 구리 합금은, 약 600℃에서 강가공하면 큰 균열이 발생하기 때문에, 625~800℃가 적정한 열간 압출 온도로 되고, 적정한 열간 단조 온도는, 650~775℃로 되어 있다. 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금의 경우, 600℃에서 80% 이상의 가공률로 열간 가공한 경우에 균열되지 않는 것이 특징이며, 바람직한 열간 가공 온도는, 650℃보다 낮은 온도이고, 보다 바람직하게는 625℃보다 낮은 온도이다.
본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금에서는, Si를 함유함으로써, 600℃에서, 변형능이 향상되고, 변형 저항이 낮아진다. 그리고 β상이 차지하는 비율이 크기 때문에, 600℃에서 용이하게 열간 가공할 수 있다.
열간 가공 온도가 약 600℃이며, 종래의 구리 합금의 가공 온도보다 낮으면 열간 압출용의 압출 다이스 등의 공구, 압출기의 컨테이너, 단조 금형은, 400~500℃로 가열되어 사용되고 있다. 그들 공구와 열간 가공재의 온도차가 작을수록, 균질인 금속 조직이 얻어져, 치수 정밀도가 양호한 열간 가공재를 만들 수 있으며, 공구의 온도 상승이 거의 없기 때문에, 공구 수명도 길어진다. 또, 동시에, 높은 강도, 강도와 신도의 밸런스가 우수한 재료가 얻어진다.
(주조성)
본 실시형태에 있어서는, 건전(健全)한 주물이 얻어지는 것도 목표로 하고 있어, 주물에 균열이 있으면 안되며, 마이크로적인 결함이 적고, 성분 편석이 적은 것이 바람직하다. 주조 균열에 관해서는, 응고 후의 고온 상태에서, 저융점 금속이 융체로서 존재하는지 아닌지가, 제1 포인트이며, 저융점 금속이 존재하는 경우에는, 그 양과 고온 상태에서 매트릭스에 연성이 있는지 아닌지로 정해진다. 본 실시형태에서는, 주물의 응고·냉각 과정에서, 매트릭스 중에, 융체로 존재하는 저융점 금속인 Bi, Pb의 합계량을 1.0mass% 미만으로 제한하고 있어, Bi를 주성분으로 하는 입자가 α상 내에 존재하므로, 주조 균열로 이어지기 어렵다. 그리고, 본 실시형태의 조성, 각종의 관계식을 충족시키면, 고온에서 우수한 연성을 갖는 β상을 다량으로 포함하고 있기 때문에, 소량 함유하는 저융점 금속에 의한 악영향을 커버할 수 있어, 주물의 균열의 문제는 없다. 다만, 3원 상태도에서는, 응고 온도 범위는 판독할 수 없다. 성분 편석에 대해서는, 응고 온도 범위와 관계가 있어, 응고 온도 범위가 좁은 범위, 예를 들면 25℃이하이면, 성분 편석이 발생하기 어렵다.
본 실시형태에 있어서, 마이크로 결함을 최소한으로 두는 것이 주물의 과제이다. 마이크로 결함은, 최종의 응고부에서 발생하기 쉽다. 최종 응고부는, 양질인 주조 방안에 의하여, 대체로는 압탕(押湯)의 부분에서 머물지만, 주물 본체에 걸치는 경우, 및 주물의 형상에 따라서는, 주물 본체에 최종 응고부가 존재하는 경우도 있다. 마이크로 결함에 대해서는, 타투르 테스트로 실험실에서 확인할 수 있으며. 본 실시형태의 주물의 경우, 타투르 테스트의 결과와, Cu, Si의 양, 및 조성 관계식 f1과, 응고 온도 범위는, 밀접한 관계가 있는 것을 알 수 있었다.
Cu양이 64.5mass% 이상이 되거나, 또는 Si양이 1.2mass% 이상이 되면, 최종 응고부에서 마이크로 결함이 증가하고, 조성 관계식 f1이 59.5를 초과하면, 마이크로 결함이 증가하는 것을 알 수 있었다. 그리고, 응고 온도 범위, 즉 (액상선 온도-고상선 온도)가 25℃를 초과하면, 주조 시에 있어서의 수축공(shrinkage cavities) 및 마이크로 결함이 현저하게 나타나, 건전한 주물(sound casting)이 얻어지지 않게 된다. 응고 온도 범위는, 바람직하게는 20℃이하이고, 더 바람직하게는 15℃이하이며, 응고 온도 범위가 15℃이하이면, 보다 건전한 주물이 얻어진다.
<제조 프로세스>
다음으로, 본 발명의 제1, 2 실시형태에 관한 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 실시형태의 합금의 금속 조직은, 조성뿐만 아니라 제조 프로세스에 따라서도 변화한다. 열간 압출, 열간 단조의 열간 가공 온도, 열처리 조건에 영향을 받을뿐만 아니라, 열간 가공이나 열처리에 있어서의 냉각 과정에서의 평균 냉각 속도가 영향을 준다. 예의 연구를 행한 결과, 주조, 열간 가공, 열처리의 냉각 과정에 있어서, 530℃부터 450℃의 온도 영역에 있어서의 냉각 속도에 금속 조직이 영향을 받는 것을 알 수 있었다.
(용해, 주조)
용해는, 본 실시형태의 합금의 융점(액상선 온도)보다 약 100~약 300℃높은 온도인 약 950~약 1200℃에서 행해진다. 주조, 및 주물 제품의 제조에서는, 융점보다, 약 50~약 200℃높은 온도인 약 900~약 1100℃의 용탕이, 소정의 주형에 주입되어, 공랭, 서랭, 수랭 등의 몇 개의 냉각 수단에 의하여 냉각된다. 그리고, 응고 후는, 다양하게 구성상이 변화한다.
(주물 제조)
(주입(주조))
주입된(주조된) 주물은, 크게 2개로 분류된다. 하나는, 열간 압출이나 열간 압연 등의 열간 가공용의 대형의 원기둥상, 직육면체의 주괴(鑄塊)이다. 또 하나는, 열간 가공을 거치지 않고 절삭 가공 후에 최종의 제품이 되는 주물이며, 최종의 제품으로서, 예를 들면 수전 금구나 수도 미터 등을 들 수 있다. 양자 모두 주물에 치명적인 결함이 있어서는 안 된다.
전자는, 대형이지만, 형상이 단순하고, 최종 응고부는 단순히 제거되며, 최적인 주조 조건에 의하여, 비교적 건전한 주물(주괴)이 얻어지기 쉽다. 후자는, 제품 형상이 복잡한 것이 많아, 재료 자체의 주조성의 좋고 나쁨이, 크게 작용한다.
후자에 관하여, 주물의 제조 방법으로서는, 다이캐스트, 금형(연속 주조를 포함한다), 사형(砂型), 로스트 왁스 등의 다양한 주조 방법이 있으며, 주물의 두께나 형상, 금형이나 사형의 재질, 두께 등에 의하여, 응고 후의 주물의 냉각 속도가 대략 결정된다. 냉각 속도의 변경은, 냉각 방법, 혹은 보온 등의 수단으로 가능하게 된다. 한편, 응고 후의 냉각 과정에서, 다양한 금속 조직의 변화가 일어나, 냉각 속도에 의하여 금속 조직이 크게 변화한다. 금속 조직의 변화는, 구성상의 종류, 그들 구성상의 양이 크게 변화하는 것이다.
상기한 바와 같이, 주입·응고 후의 냉각 속도는, 주입된 구리 합금의 중량, 두께, 사형, 금형 등의 주형의 재질에 따라 다양하게 바뀐다. 예를 들면, 일반적으로는 종래의 구리 합금 주물이, 구리 합금이나 철 합금으로 만들어진 금형에 주조되는 경우, 주입 후, 약 700℃이하의 온도로, 형으로부터 주물이 분리되어, 강제 냉각, 공랭, 또는 서랭되며, 약 5~약 200℃/분의 평균 냉각 속도로 냉각된다.
한편, 사형의 경우, 사형에 주입된 구리 합금은, 주물의 크기나, 사형의 재질, 크기에 따라 다르지만, 약 0.05~약 30℃/분의 평균 냉각 속도로, 냉각된다. 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금 주물에 있어서는, 주입 후, 응고 직후, 예를 들면 800℃의 고온 상태에서는, 금속 조직은, β상 단상이다. 그 후의 냉각으로, α상, γ상, κ상, μ상 등의 다양한 상이 생성되어, 형성된다. 일례이지만, 450℃에서 800℃의 온도역에서, 냉각 속도가 빠르면 β상이 많아지고, 450℃보다 낮은 온도역에서 냉각 속도가 느리면 γ상이 생성되기 쉬워진다.
주물의 방안(주조 방안), 주물의 형상 등에 따라, 냉각 속도를 큰 폭으로 변경하는 것은 곤란하지만, 열간 가공을 거치지 않고 절삭 가공 후에 최종의 제품이 되는 주물의 경우, 주입 후, 530℃부터 450℃의 온도 범위에서의 평균 냉각 속도를 0.1℃/분 이상 50℃/분 이하로 조정하여 냉각한다. 이로써, P를 포함하는 화합물이 형성된다.
한편, 주물의 후속 공정에서, 열간 가공을 행하는 경우, 530℃이상에서 주물이 가열된다. 530℃이상의 온도에서 주물이 가열되면, 주물의 단계에서, P의 화합물의 존재에 관계없이, P의 상당수는, 고용된다. 열간 가공 후의 냉각 과정에서, 530℃부터 450℃의 온도 범위에서의 평균 냉각 속도를 0.1℃/분 이상 50℃/분 이하로 조정하여 냉각함으로써, P를 포함하는 화합물이 형성된다. 따라서, 열간 가공이 실시되는 경우는, 주물의 단계에서 P의 화합물의 존재는 중요하지 않다.
이들의 결과, 절삭 부스러기 분단 작용이 향상되고, 또한 절삭 저항이 저하된다.
(열간 가공)
열간 가공으로서는, 열간 압출, 열간 단조, 열간 압연을 들 수 있다. 각각의 공정에 대하여, 이하에 설명한다. 또한, 2 이상의 열간 가공 공정을 행하는 경우, 최종의 열간 가공 공정을 이하의 조건으로 행한다.
(1) 열간 압출
먼저, 열간 압출에 관하여, 바람직한 실시형태로서, 압출비(열간 가공률), 설비 능력에 따라서도 다르지만, 실제로 열간 가공될 때의 재료 온도, 구체적으로는 압출 다이스를 통과 직후의 온도(열간 가공 온도)가 530℃를 초과하고 650℃보다 낮은 온도로 열간 압출한다. 열간 압출 온도의 하한은, 열간에서의 변형 저항에 관계되고, 상한은, α상의 형상에 관련하여, 보다 좁은 온도로 관리함으로써, 안정된 금속 조직이 얻어진다. 650℃이상의 온도로 열간 압출하면, α상 결정립의 형상이 입상이 아닌, 바늘상이 되기 쉬워지거나, 혹은 직경 50μm를 초과하는 조대한 α상 결정립이 출현하기 쉬워진다. 바늘상이나 조대한 α상 결정립이 출현하면, 강도가 약간 낮아져, 강도와 연성의 밸런스가 조금 나빠진다. P를 포함하는 석출물의 분포가 나빠지며, 장변이 크고 조대한 α상 결정립이 절삭의 장애가 되어, 피삭성이 조금 나빠진다. α상 결정립의 형상은, 조성 관계식 f1과 관계가 있어, 조성 관계식 f1이 58.0 이하인 경우는, 압출 온도가 625℃보다 낮은 것이 바람직하다. Pb 함유 구리 합금보다, 낮은 온도로 압출함으로써, 양호한 피삭성과 높은 강도를 구비할 수 있다.
그리고 열간 압출 후의 냉각 속도의 고안에 의하여, 우수한 피삭성을 구비한 재료를 얻을 수 있다. 즉, 열간 압출 후의 냉각 과정에서, 530℃부터 450℃의 온도 영역에 있어서의 평균 냉각 속도를, 50℃/분 이하, 바람직하게는 45℃/분 이하로 설정하여 냉각한다. 평균 냉각 속도를 50℃/분 이하로 제한함으로써, 배율 500배, 또는 배율 1000배의 금속 현미경으로, P를 포함하는 화합물의 존재를 확인할 수 있다. 한편, 냉각 속도가 너무 느리면, P를 포함하는 화합물이 성장하고, 피삭성에 대한 효과가 저하될 우려가 있기 때문에, 상기의 평균 냉각 속도는, 0.1℃/분 이상이 바람직하고, 0.3℃/분 이상이 보다 바람직하다.
실측이 가능한 측정 위치를 감안하여, 열간 가공 온도는, 열간 압출, 열간 단조, 열간 압연의 종료 시점으로부터 약 3초 후 또는 4초 후의 실측이 가능한 열간 가공재의 온도라고 정의한다. 금속 조직은, 큰 소성 변형을 받은 가공 직후의 온도에 영향을 받는다. 논의되고 있는 열간 가공 후의 평균 냉각 속도가 약 50℃/분이므로, 3~4초 후의 온도 저하는, 계산상, 약 3℃이며, 거의 영향을 받지 않는다.
(2) 열간 단조
열간 단조는, 소재로서, 주로 열간 압출재가 이용되지만, 연속 주조봉도 이용된다. 열간 압출에 비하여, 열간 단조는, 가공 속도가 빠르고, 복잡 형상으로 가공하며, 경우에 따라서는, 두께가 약 3mm에까지 강가공하는 경우가 있기 때문에, 단조 온도는 높다. 바람직한 실시형태로서, 단조품의 주요 부위가 되는 큰 소성 가공이 실시된 열간 단조재의 온도, 즉 단조 직후(단조의 종료 시점)부터 약 3초 후 또는 4초 후의 재료 온도는, 530℃를 초과하고 675℃보다 낮은 것이 바람직하다. 단조용의 황동 합금으로서 널리 사용되며, Pb를 2mass%의 양으로 함유하는 황동 합금(59Cu-2Pb-잔부 Zn)에서는, 열간 단조 온도의 하한은 650℃가 되지만, 본 실시형태의 열간 단조 온도는, 650℃보다 낮은 것이 보다 바람직하다. 열간 단조에 있어서도, 조성 관계식 f1과 관계가 있어, 조성 관계식 f1이 58.0 이하인 경우는, 열간 단조 온도가 650℃보다 낮은 것이 바람직하다. 열간 단조의 가공률에 따라서도 다르지만, 온도가 낮을수록, α상의 결정립의 크기가 작아지고, α상 결정립의 형상이, 바늘상으로부터 입상으로 변화하여, 강도가 높아져, 강도와 연성의 밸런스가 양호해지고, 또한 피삭성이 양호해진다.
그리고, 열간 단조 후의 냉각 속도의 고안에 의하여, 피삭성의 모든 특성을 구비한 재료를 얻을 수 있다. 즉, 열간 단조 후의 냉각 과정에서, 530℃부터 450℃의 온도 영역에 있어서의 평균 냉각 속도를, 50℃/분 이하, 바람직하게는 45℃/분 이하로 설정하여 냉각한다. 냉각 속도를 제어함으로써, β상 중에, 약 0.3~3μm의 P를 포함하는 화합물을 석출시키고, 이로써, 합금의 피삭성을 더 향상시킬 수 있다. 또한, 상기의 평균 냉각 속도의 하한은, 냉각 과정에서 화합물의 조대화가 발생하는 것을 억제하기 위하여, 0.1℃/분 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.3℃/분 이상으로 하는 것이 더 바람직하다.
(3) 열간 압연
열간 압연은, 주괴를 가열하고, 5~15회, 반복 압연된다. 그리고, 최종의 열간 압연 종료 시의 재료 온도(종료 시점으로부터 3~4초 경과 후의 재료 온도)가, 530℃를 초과하고 625℃보다 낮은 것이 바람직하다. 열간 압연 종료 후, 압연재가 냉각되지만, 열간 압출과 동일하게, 530℃부터 450℃의 온도 영역에 있어서의 평균 냉각 속도는, 0.1℃/분 이상 50℃/분 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는, 0.3℃/분 이상, 또는 45℃/분 이하이다.
(열처리)
구리 합금의 주된 열처리는, 소둔이라고도 불리고, 예를 들면 열간 압출에서는 압출할 수 없는 작은 사이즈로 가공하는 경우, 콜드 드로잉, 혹은 냉간 신선 후에, 필요에 따라서 열처리가 행해지며, 이 열처리는, 재결정, 즉 재료를 부드럽게 하는 것을 목적으로 하여 실시된다. 압연재도 동일하게, 냉간 압연과 열처리가 실시된다. 본 실시형태에 있어서는, 추가로 γ상, β상의 양을 제어하는 것도 목적으로 하여 열처리가 실시된다.
재결정을 따른 열처리가 필요한 경우는, 재료의 온도가, 400℃이상 600℃이하에서, 0.1시간부터 8시간의 조건으로 가열된다. 전 공정에서, P를 포함하는 화합물이 형성되어 있지 않은 경우, 열처리 중에, P를 포함하는 화합물이 형성된다. 또한, 530℃를 초과하는 온도로 열처리하면, P를 포함하는 화합물이 재고용하여, 소실된다. 열처리 온도가 530℃를 초과하는 경우, 냉각 과정에 있어서, 530℃부터 450℃의 온도 영역에서의 평균 냉각 속도를 50℃/분 이하, 바람직하게는 45℃/분 이하로 설정하여 냉각하고, P를 포함하는 화합물을 형성할 필요가 있다. 상기의 평균 냉각 속도의 하한은, 0.1℃/분 이상이 바람직하다.
(냉간 가공 공정)
열간 압출봉의 경우, 높은 강도를 얻기 위하여, 치수 정밀도를 양호하게 하기 위하여, 또는 압출된 봉재, 코일재를 굴곡이 적은 직선 형상으로 하기 위하여, 열간 압출재에 대하여 냉간 가공을 실시하는 경우가 있다. 예를 들면 열간 압출재에 대하여, 약 2%~약 30%의 가공률로 콜드 드로잉, 경우에 따라서는 교정 가공, 저온 소둔이 실시된다.
가는 봉, 선, 혹은 압연재는, 냉간 가공과 열처리가 반복하여 실시되고, 열처리 후, 최종 가공률 0%~약 30%의 냉간 가공, 교정 가공, 저온 소둔이 실시된다.
냉간 가공의 이점은, 합금의 강도를 높일 수 있는 점이다. 열간 가공재에 대하여, 냉간 가공과 열처리를 조합함으로써, 그 순서가 반대여도, 높은 강도, 연성, 충격 특성의 밸런스를 취할 수 있으며. 용도에 따라 강도 중시, 연성이나 인성 중시의 특성을 얻을 수 있다. 또한, 냉간 가공에 의한, 피삭성에 대한 영향은 거의 없다.
(저온 소둔)
봉, 선, 단조품, 압연재, 주물에 있어서는, 잔류 응력의 제거, 봉재의 교정(봉재의 직선도), 금속 조직의 조정과 개선을 주된 목적으로 하여, 재결정 온도 이하의 온도로 봉재, 선재, 단조품, 압연재, 주물을 최종의 공정에서 저온 소둔하는 경우가 있다. 본 실시형태의 경우, 상기 열처리와 구별하기 위하여, 금속 조직 중에서 재결정하는 비율이 50%보다 작은 경우를 저온 소둔이라고 정의한다. 저온 소둔은, 유지 온도가 250℃이상 430℃이하이고, 유지 시간이 10~200분의 조건으로 행해진다. 하한의 조건은, 잔류 응력을 충분히 제거할 수 있는 최저의 온도, 또는 시간이다. 또, 단면이 오목 형상이며, 바닥면이 평활한 면의 거푸집, 예를 들면 폭 약 500mm, 높이 약 300mm, 두께 약 10mm, 길이 약 4000mm의 강제(鋼製)의 거푸집(오목 형상의 홈의 깊이는 (높이)-(두께))에, 봉재를 정렬하여 나열하고, 250℃이상 430℃이하의 온도에서, 10~200분 유지함으로써, 직선성이 우수한 봉재를 얻을 수 있다. 온도를 T℃, 시간을 t분으로 하면, 300≤소둔 조건식 f9=(T-200)Х(t)1/2≤2000의 조건이 바람직하다. 소둔 조건식 f9가 300보다 작으면 잔류 응력의 제거, 또는 교정이 불충분하다. 소둔 조건식 f9가, 2000을 초과하면 재결정에 의하여 재료의 강도가 저하된다. 소둔 조건식 f9는, 바람직하게는, 400 이상이며, 1600 이하이다. 전공정의 냉각 속도에 관계없이, 소둔 조건식 f9가 400 이상이면, 미세한 P를 포함하는 화합물이, 저온 소둔 중에 형성된다. 또, 합금 조성에 따라서도 다르지만, 250℃이상 430℃이하에서, 10~200분 유지하면, β상 내, 또는 β상과 α상의 상 경계에, 미세한 γ상이 석출되는 경우가 있으며, 펀칭 절삭의 절삭 부스러기를 미세하게 한다.
이와 같은 제조 방법에 의하여, 본 발명의 제1, 2 실시형태에 관한 고강도 쾌삭성 구리 합금이 제조된다.
열간 가공 공정, 열처리 공정(소둔이라고도 한다), 저온 소둔 공정은, 구리 합금을 가열하는 공정이다. 기본의 제조 공정은, 주조, 열간 가공(압출, 단조, 압연), 냉간 가공(추신, 연장선, 압연), 교정 가공, 저온 소둔이며, 교정 가공, 냉간 가공, 저온 소둔을 포함하지 않는 경우도 있다. 또한, 교정 가공은, 통상, 냉간에서 행해지기 때문에, 냉간 가공이라고도 한다. φ5~7mm 이하의 가는 봉, 선, 두께가 8mm 이하인 판은, 상기 공정에 열처리가 포함되는 경우가 있다. 열처리는, 주로 냉간 가공 후에 행해지고, 최종 치수에 따라 열처리와 냉간 가공이 반복된다. 최종 제품의 직경이 작을수록, 냉간 가공성이 피삭성과 동등 이상으로, 냉간 가공성이 중요시된다. 열처리는, 열간 가공 후, 냉간 가공 전에 행해지는 경우도 있다.
저온 소둔 공정은, 열간 가공 공정, 냉간 가공 공정, 교정 가공 공정, 및 소둔 공정 중, 최종의 공정 후에 실시한다. 저온 소둔 공정을 행하는 경우, 통상, 소둔 공정은, 가공 공정의 사이에 행하기 때문에, 저온 소둔 공정은, 열간 가공 공정, 냉간 가공 공정, 및 교정 가공 공정 중, 최종의 가공 공정 후에 실시한다고도 할 수 있다.
구체적으로는, 이하의 제조 공정의 조합을 들 수 있다. 또한, 열간 압출 대신에, 열간 압연을 행해도 된다.
(1) 열간 압출-저온 소둔
(2) 열간 압출-냉간 가공(추신, 연장선, 압연)-저온 소둔
(3) 열간 압출-냉간 가공(추신, 연장선, 압연)-교정 가공-저온 소둔
(4) 열간 압출-냉간 가공(연장선, 압연)과 소둔의 반복-냉간 가공-저온 소둔
(5) 열간 압출-냉간 가공(냉간 연장선, 압연)과 소둔의 반복-냉간 가공-교정 가공-저온 소둔
(6) 열간 압출-소둔-냉간 가공(추신, 연장선, 압연)-저온 소둔
(7) 열간 압출-소둔-냉간 가공(추신, 연장선, 압연)-교정 가공-저온 소둔
(8) 열간 압출-소둔-냉간 가공(추신, 연장선, 압연)과 소둔의 반복-냉간 가공-저온 소둔
(9) 열간 압출-소둔-냉간 가공(추신, 연장선, 압연)과 소둔의 반복-냉간 가공-교정 가공-저온 소둔
(10) 열간 압출-콜드 드로잉-교정 가공(교정 가공은 없어도 된다)-열간 단조-저온 소둔
(11) 열간 압출-교정 가공-열간 단조-저온 소둔
(12) 열간 압출-열간 단조-저온 소둔
(13) 주조-열간 단조-저온 소둔
(14) 주조-교정 가공-열간 단조-저온 소둔
이상과 같은 구성으로 된 본 발명의 제1, 제2 실시형태에 관한 쾌삭성 합금에 의하면, 합금 조성, 조성 관계식 f1, f2, 조직 관계식 f3~f5, 조성·조직 관계식 f6, f7을 상술과 같이 규정하고 있기 때문에, Pb 및 Bi의 함유량이 적어도 우수한 피삭성을 얻을 수 있고, 우수한 열간 가공성, 높은 강도, 강도와 연성의 밸런스가 우수하며, 주조성도 양호하다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되는 경우는 없고, 그 발명의 기술적 요건을 벗어나지 않는 범위에서 적절히 변경하는 것이 가능하다.
실시예
이하, 본 실시형태의 효과를 확인하기 위하여 행했던 확인 실험의 결과를 나타낸다. 또한, 이하의 실시예는, 본 실시형태의 효과를 설명하기 위한 것으로서, 실시예에 기재된 구성 요건, 프로세스, 조건이 본 실시형태의 기술적 범위를 한정하는 것이 아니다.
실제 조업에서 사용하고 있는 저주파 용해로 및 반연속 주조기를 이용하여 구리 합금의 시작 시험을 실시했다.
또, 실험실 설비를 이용하여 구리 합금의 시작 시험을 실시했다.
합금 조성을 표 8~10에 나타낸다. 또, 제조 공정을 표 11~16에 나타낸다. 또한, 조성에 있어서, "MM"은, 미시 메탈을 나타내고, 희토류 원소의 합계량을 나타낸다. 각 제조 공정에 대하여 이하에 나타낸다.
(공정 No. A1~A3, AH1, AH2, A4, A5, A10)
표 11에 나타내는 바와 같이, 실제 조업하고 있는 저주파 용해로 및 반연속 주조기에 의하여 직경 240mm의 빌릿을 제조했다. 원료는, 실제 조업에 준한 것을 사용했다. 빌릿을 길이 800mm로 절단하여 가열했다. 공칭 능력 3000톤의 열간 압출기로, 직경 24mm의 환봉을 2개 압출했다. 그리고 압출재를, 530℃부터 450℃의 온도 영역을 몇 개의 냉각 속도로 냉각했다. 온도 측정은, 열간 압출의 중반(中盤)으로부터 종반을 중심으로 방사 온도계를 이용하여 행하고, 압출기로부터 압출되었을 때로부터 약 3~4초 후의 압출재의 온도를 측정했다. 또한, 이후의 열간 압출, 열간 단조, 열간 압연의 온도 측정에는, LumaSense Technologies Inc제의 형식 IGA8Pro/MB20의 방사 온도계를 이용했다.
그 압출재의 온도의 평균값이 표 11에 나타내는 온도의 ±5℃(표에 나타내는 온도)-5℃~(표에 나타내는 온도)+5℃의 범위 내)인 것을 확인했다.
공정 No. A1, A2, A4, A5에서는, 압출 온도가 580℃이고, 공정 No. A3, AH2에서는, 압출 온도가 620℃이며, 공정 No. AH1에서는, 압출 온도가 680℃였다. 그리고, 열간 압출 후, 530℃부터 450℃의 평균 냉각 속도는, 공정 No. A3에서는, 40℃/분이며, 공정 No. AH2에서는, 70℃/분이었다. 공정 No. A3, AH2, A10 이외의 공정에서는, 상기 평균 냉각 속도는 30℃/분이었다.
열간 압출 종료 후, 공정 No. A1에서는, 열간 압출 완료로 하고, 냉간에서 교정했다. 교정에서는, 실질적인 냉간 가공률은 0%였다. 공정 No. A1, A10 이외에서는, 직경 24.0mm부터 직경 23.4mm로 냉간에서 추신했다(가공률 4.9%). 또한, 공정 No. A4, A5에서는, 공정 No. A1의 소재를 이용하여, 각각, 310℃에서 100분간, 350℃에서 60분간의 조건으로, 거푸집에 재료를 넣고 저온 소둔했다. 공정 No. A10에서는, 570℃에서, 직경 45mm에 열간 압출을 행하여, 530℃부터 450℃의 평균 냉각 속도를 20℃/분으로 설정했다. 공정 No. A10의 소재는, 단조 실험에 사용했다.
여기에서, 저온 소둔을 실시한 것에 대해서는, 이하에 나타내는 소둔 조건식 f9을 산출했다.
f9=(T-200)Х(t)1/2
T: 온도(재료 온도)(℃), t: 가열 시간(분)
또, 단면이 오목 형상, 폭 500mm, 높이 300mm, 두께 10mm이며, 길이가 4000mm인 강제의 거푸집에, 봉재를 4단 적층으로 정렬하여 나열한 상태로, 저온 소둔하고, 이어서, 봉재의 굴곡을 측정했다.
굴곡 측정 결과는, 합금 No. S1에 공정 No. A4, A5를 실시하여 얻어진 시료의 모든 굴곡이, 봉재 1미터당 0.1mm 이하로, 양호했다.
(공정 No. C1~C3, CH1, CH2, C10)
표 12에 나타내는 바와 같이, 실험실에 있어서, 소정의 성분비로 원료를 용해했다. 의도적으로, 불가피적 불순물 원소를 첨가한 시료도 제작했다. 직경 100mm, 길이 180mm의 금형에 용탕을 주입하여, 빌릿을 제작했다(합금 No. S20~S41, S101~S114).
또한, 실조업하고 있는 용해로로부터도 용탕을 얻고, 또한 Fe, Sn 등의 불순물을 의도적으로 첨가하여, 용탕을 직경 100mm, 길이 180mm의 금형에 주입, 빌릿을 제작했다(합금 No. S1.1~S1.7).
이 빌릿을 가열하고, 압출 온도를, 공정 No. C1, C10에서는, 590℃로 하고, 공정 No. C2, CH2에서는, 620℃로 하며, 공정 No. CH1에서는, 680℃로 하고, 직경 24mm의 환봉으로 압출했다. 압출 후의 530℃부터 450℃의 온도 범위에서의 평균 냉각 속도를, 공정 No. CH2에서는, 65℃/분으로 하고, 공정 No. C1, C2, CH1에서는, 25℃/분으로 했다. 다음으로, 직선도가 양호한 것은, 교정하고 있지 않지만, 직선도가 나쁜 것은, 교정했다(가공률 0%). 공정 No. C3에서는, 공정 No. C1의 봉을 이용하여 거푸집에 넣지 않고, 320℃, 60분의 조건으로 저온 소둔했다.
공정 No. C10에서는, 압출 온도를 590℃로 하고, 직경 45mm로 압출하여, 530℃부터 450℃의 온도 범위에서의 평균 냉각 속도를 20℃/분으로 하고, 단조용 소재로 했다.
(공정 No. D)
공정 No. D1에서는, 실험실의 용해로로부터 용탕을 얻어, 내경 45mm의 금형에 주입했다. 표 13에 나타내는 바와 같이, 냉각 과정에 있어서, 530℃부터 450℃의 온도 영역에서의 평균 냉각 속도를 40℃/분으로 하고, 공정 No. F의 단조용 소재로 했다.
(공정 No. E)
표 14에 나타내는 바와 같이, 공정 No. E1은 소둔을 포함하는 공정이다. 주로, 예를 들면 직경 7mm 이하의 가는 봉재의 공정이지만, 봉재가 가늘면 절삭 시험을 할 수 없기 때문에, 직경이 큰 압출봉으로 대용 시험했다.
공정 No. E1에서는, 공정 No. C1의 직경 24mm의 소재를, 콜드 드로잉으로 20.0mm로 하고, 480℃에서 60분간의 열처리를 행하며, 이어서 콜드 드로잉으로 직경 19.0mm로 했다.
(공정 No. F1~F4, FH1, FH2)
표 15에 나타내는 바와 같이, 공정 No. A10, C10, D1에서 얻어진 직경 45mm의 환봉을 길이 180mm로 절단했다. 이 환봉을 가로 배치하고, 열간 단조 프레스 능력 150톤의 프레스기로, 두께 16mm로 단조했다. 소정의 두께로 열간 단조된 직후(열간 단조의 종료 시점)부터 약 3~약 4초 경과 후에, 방사 온도계, 및 접촉 온도계를 이용하여 온도의 측정을 행했다. 열간 단조 온도(열간 가공 온도)는, 표 15에 나타내는 온도±5℃의 범위((표에 나타내는 온도)-5℃~(표에 나타내는 온도)+5℃의 범위 내)인 것을 확인했다.
공정 No. F1, F2, F3, FH1, FH2에서는, 열간 단조 온도를, 각각 640℃, 600℃, 625℃, 690℃, 640℃로 변경하여 실시했다. 냉각 과정에서, 530℃부터 450℃의 온도 영역에서의 냉각 속도를, 공정 No. F1에서는, 10℃/분으로 하고, 공정 No. F2, F3, FH1에서는, 28℃/분으로 하며, 공정 No. FH2에서는, 70℃/분으로 하여, 냉각을 실시했다. 또한, 공정 No. F4에서는, 공정 No. F1의 단조품을 이용하여, 340℃에서 40분간의 조건으로, 저온 소둔했다.
열간 단조재는, 절단하여, 절삭 시험, 기계적 성질의 실험에 제공했다.
(공정 No. G1~G3, GH1)
실험실에 있어서, 소정의 성분비로 원료를 용해했다. 그때, 실조업을 고려하여, Fe, Sn 등의 불가피적 불순물을 의도적으로 첨가했다. 그리고, 용탕을 내경 35mm, 깊이 200mm의 주형에 주입했다.
실제의 주조를 감안하여, 주물이 약 700℃가 되었을 때, 금형으로부터 시료를 취출하고, 자연 냉각, 보온, 또는 강제 냉각에 의하여, 650℃부터 550℃의 온도역, 530℃부터 450℃의 온도역, 및 430℃부터 350℃의 온도역에서의 평균 냉각 속도를 4종류의 값 중 어느 하나로 설정하여, 실온까지 냉각했다. 냉각 조건의 일람을 표 16에 나타낸다. 온도 측정에 관해서는, 주물의 온도를 접촉 온도계를 이용하여 측정하고, 각 온도 영역에서의 평균 냉각 속도를 소정의 값으로 조정했다.
상술한 시험재에 대하여, 이하의 항목에 대하여 평가를 실시했다. 평가 결과를 표 17~29에 나타낸다.
(금속 조직의 관찰)
이하의 방법에 의하여 금속 조직을 관찰하고, α상, β상, γ상, κ상, μ상 등 각 상의 면적률(%)을 화상 해석법에 의하여 측정했다. 또한, α'상, β'상, γ'상은, 각각 α상, β상, γ상에 포함시키는 것으로 했다.
각 시험재의 봉재, 단조품을, 길이 방향에 대하여 평행하게, 또는 금속 조직의 유동 방향에 대하여 평행하게 절단했다. 이어서 표면을 연경(경면 연마)하고, 과산화 수소수와 암모니아수의 혼합액으로 에칭했다. 에칭에서는, 3vol%의 과산화 수소수 3mL와, 14vol%의 암모니아수 22mL를 혼합한 수용액을 이용했다. 약 15≤약 25℃의 실온에서 이 수용액에 금속의 연마면을 약 2초~약 5초 침지했다.
금속 현미경을 이용하여, 배율 500배로 금속 조직을 관찰하고, 상의 비율을 구하여, Bi 입자의 존재 장소, P를 포함하는 화합물의 유무를 조사했다. 금속 조직의 상황에 따라서는 1000배로 관찰하고, 금속상, Bi 입자와, P를 포함하는 화합물을 확인했다. 5시야의 현미경 사진에 있어서, 화상 처리 소프트웨어 "Photoshop CC"를 이용하여 각 상(α상, β상, γ상, κ상, μ상)을 수동으로 전부 칠했다. 이어서 화상 해석 소프트웨어 "WinROOF2013"으로 2치화하여, 각 상의 면적률을 구했다. 상세하게는, 각 상에 대하여, 5시야의 면적률의 평균값을 구하고, 평균값을 각 상의 상비율로 했다. 산화물, 황화물, Bi 입자와 Pb 입자, P를 포함하는 화합물을 제외한 석출물, 정출물(晶出物)은 제외되고, 모든 구성상의 면적률의 합계를 100%로 했다.
그리고, P를 포함하는 화합물을 관찰했다. 금속 현미경을 이용하여 500배로 관찰할 수 있는 최소의 석출 입자의 크기는, 대략 0.5μm이다. 상의 비율과 동일하게, 500배의 금속 현미경으로 관찰할 수 있으며, 1000배로 판별, 확인할 수 있는 석출물로, 먼저 P를 포함하는 화합물의 유무의 판단을 행했다. P의 함유량, 제조 조건에 따라서도 다르지만, 1개의 현미경 시야 중에, 수 개~수백 개의 P를 포함하는 화합물이 존재한다. P를 포함하는 화합물은, 대부분이 β상 내, α상과 β상의 상 경계에 존재하기 때문에, β상에 포함시켰다. 또한, β상 내에, 크기가 0.5μm 미만인 γ상이 존재하는 경우가 있다. 본 실시형태에 있어서는, 배율 500배, 경우에 따라서는 1000배의 금속 현미경으로, 0.5μm 미만의 크기의 상의 식별이 불가능하기 때문에, 초미세한 γ상은, β상으로서 처리되었다. P를 포함하는 화합물은, 금속 현미경으로, 흑회색을 나타내고, Mn, Fe로 형성되는 석출물, 화합물은, 수색(水色)을 나타내기 때문에, 구별이 된다.
Bi 입자를, P를 포함하는 화합물과 동일하게, 금속 현미경으로 관찰했다. 금속 현미경 사진으로부터, Bi 입자와 P를 포함하는 화합물은, 명료하게 구별이 된다. Bi 입자와 Pb 입자(Pb를 주성분으로 하는 입자를 포함한다)의 구별에 관해서는, Bi 입자는 원형이며, Pb 입자는, Pb가 유연하기 때문에, 연마에 의하여, 입자가 연장된 양상을 나타내고, 구별이 가능하다. 양자의 구별이 곤란한 경우는, EPMA 등의 분석 기능을 구비하는 전자 현미경으로 판단했다. 현미경 사진으로, α상 결정립 내에, Bi 입자를 관찰할 수 있으면, α상 내에 Bi 입자가 존재한다고 하고, "B"(good)라고 평가했다. Bi 입자가, α상에 있어도, α상과 β상의 경계에 존재하는 경우는, α상 내에 존재하지 않다고 판정했다. α상 내에 Bi 입자가 존재하지 않는 경우, "D"(poor)라고 평가했다.
상의 동정, 석출물의 동정, P를 포함하는 화합물, 및 Bi 입자의 판정이 곤란한 경우는, 전계 방출형 주사 전자 현미경(FE-SEM)(니혼 덴시 주식회사제의 JSM-7000F)과 부속의 EDS를 이용하여, 가속 전압 15kV, 전륫값(설정값 15)의 조건으로, FE-SEM-EBSP(Electron Back Scattering Diffracton Pattern)법에 의하여, 배율 500배 또는 2000배로, 상, 석출물을 특정했다. P를 함유한 시료로, 금속 현미경에 의한 관찰의 단계에서 P를 포함하는 화합물이 관찰되지 않은 경우, 배율 2000배로 P를 포함하는 화합물의 유무를 확인했다.
또, 몇 개의 합금에 대하여, α상, β상, γ상, 특히 β상에 함유되는 Si 농도를 측정하는 경우, P를 포함하는 화합물의 판단이 곤란한 경우, 및 Bi 입자가 작은 경우, 2000배의 배율로, 2차 전자상, 조성상을 촬영하고, X선 마이크로 애널라이저로 정량 분석, 또는 정성 분석했다. 측정에는, 니혼 덴시제 "JXA-8230"을 이용하여, 가속 전압 20kV, 전륫값 3.0Х10-8A의 조건으로 행했다.
P를 포함하는 화합물이 금속 현미경으로 확인된 경우, P를 포함하는 화합물의 존재 평가를 "B"(good)라고 평가했다. P를 포함하는 화합물이 2000배의 배율로 확인된 경우, P를 포함하는 화합물의 존재 평가를 "C"(fair)라고 평가했다. P를 포함하는 화합물이 확인되지 않은 경우, P를 포함하는 화합물의 존재 평가를 "D"(poor)라고 평가했다. 본 실시형태의 P를 포함하는 화합물의 존재에 대해서는, "C"도 포함하는 것으로 한다. 표에서는, P를 포함하는 화합물의 존재 평가의 결과를 항목 "β상 중의 P 화합물의 유무"에 나타낸다.
(도전율)
도전율의 측정은, 일본 휄스터 주식회사제의 도전율 측정 장치(SIGMATEST D2.068)를 이용했다. 또한, 본 명세서에 있어서는, "전기 전도"와 "도전"의 용어를 동일한 의미로 사용하고 있다. 또, 열전도성과 전기 전도성은 강한 상관 관계가 있기 때문에, 도전율이 높을수록, 열전도성이 양호한 것을 나타낸다.
(인장 강도/신도)
각 시험재를 JIS Z 2241의 10호 시험편에 가공하고, 인장 강도 및 신도의 측정을 행했다. 냉간 가공 공정을 포함하지 않는 열간 압출재, 혹은 열간 단조재의 인장 강도가, 바람직하게는 430N/mm2 이상, 보다 바람직하게는 470N/mm2 이상, 더 바람직하게는 510N/mm2 이상이면, 쾌삭성 구리 합금 중에서 최고의 수준이며, 각 분야에서 사용되는 부재의 박육·경량화, 혹은 허용 응력의 증대를 도모할 수 있다. 또, 강도와 신도의 밸런스에 있어서도, 인장 강도을 S(N/mm2), 신도를 E(%)로 하면, 강도와 연성의 밸런스를 나타내는 특성 관계식 f8=SХ(100+E)/100이, 바람직하게는 580 이상, 보다 바람직하게는 620 이상, 더 바람직하게는 650 이상이면, 피삭성을 가져 열간 가공된 구리 합금 중에서 매우 높은 수준이라고 할 수 있다.
(경도/충격값)
주물에 있어서는, 각 시험재의 경도를, 비커스 경도계를 이용하여, 하중 49kN으로 행했다. 높은 강도이기 위해서는, 바람직하게는 100Hv 이상, 보다 바람직하게는 110Hv 이상이면, 쾌삭성 구리 합금 주물 중에서 매우 높은 수준이라고 할 수 있다.
충격 시험은, JIS Z 2242에 준한 U 노치 시험편(노치 깊이 2mm, 노치 바닥 반경 1mm)을 채취했다. 반경 2mm의 충격날로 샤르피 충격 시험을 행하여, 충격값을 측정했다. 샤르피 충격 시험값으로, 적어도 25J/cm2 이상이면, 인성, 이른바 "부서지기 쉬움"에 관하여, 문제는 없다.
(융점 측정·주조성 시험)
주물 시험편의 제작 시에 사용한 용탕의 나머지를 이용했다. 열전대를 용탕 안에 넣어, 액상선 온도, 고상선 온도를 구하고, 응고 온도 범위를 구했다.
또, 1000℃의 용탕을 철제의 타투르 몰드에 주입하여, 최종 응고부, 및 그 근방에 있어서의 홀, 수축 공동 등의 결함의 유무를 상세하게 조사했다(타투르 테스트(Tatur Shrinkage Test)).
구체적으로는, 도 3의 단면 모식도에 나타내는 바와 같이, 최종 응고부를 포함하는 종단면이 얻어지도록 주물을 절단했다. 시료의 단면을 400번까지의 에머리지에 의하여 연마하고, 질산을 이용하여 매크로 조직이 나타나게 하여, 결함 부분을 보다 알기 쉽게 했다. 이어서, 침투 탐상 시험에 의하여, 마이크로 레벨의 결함의 유무를 조사했다.
주조성은, 이하와 같이 평가했다. 단면에 있어서, 최종 응고부 및 그 근방의 표면으로부터 3mm 이내에 결함 지시 모양이 나타났지만, 최종 응고부 및 그 근방의 표면으로부터 3mm를 초과하는 부분에서는 결함이 나타나지 않은 경우, 주조성을 "B"(양호, good)라고 평가했다. 최종 응고부 및 그 근방의 표면으로부터 6mm 이내에 결함 지시 모양이 나타났지만, 최종 응고부 및 그 근방의 표면으로부터 6mm를 초과하는 부분에서는 결함이 발생하지 않은 경우, 주조성을 "C"(가능, fair)라고 평가했다. 최종 응고부 및 그 근방의 표면으로부터 6mm를 초과하는 부분에서 결함이 발생한 경우, 주조성을 "D"(불량, poor)라고 평가했다.
최종 응고부는, 양질인 주조 방안에 의하여, 대체로는 압탕의 부분이지만, 주물 본체에 걸치는 경우가 있다. 본 실시형태의 합금 주물의 경우, 타투르 테스트의 결과와 응고 온도 범위에는, 밀접한 관계가 있다. 응고 온도 범위가 15≤이하 또는 20℃이하인 경우, 주조성은 "B"의 평가가 많았다. 응고 온도 범위가 25℃를 초과하는 경우, 주조성은 "D"의 평가가 많았다. 응고 온도 범위가 25℃이하이면, 주조성의 평가가 "B" 또는 "C"가 되었다. 또, 불가피적 불순물의 양이 많으면 응고 온도 범위가 넓어져, 주조성의 평가가 나빠졌다.
<선반에 의한 피삭성 시험>
피삭성의 평가는, 이하와 같이, 선반을 이용한 절삭 시험으로 평가했다.
열간 압출봉재, 열간 단조품, 주물에 대하여, 절삭 가공을 실시하여 직경을 14mm로 하여 시험재를 제작했다. 칩 브레이커가 포함되어 있지 않은 K10의 초경 공구(칩)를 선반에 장착했다. 이 선반을 이용하여, 건식하에서, 경사각: 0°, 노즈 반경: 0.4mm, 여유각: 6°, 절삭 속도: 40m/분, 절입 깊이: 1.0mm, 이송 속도: 0.11mm/rev.의 조건으로, 직경 14mm의 시험재의 원주상을 절삭했다.
공구에 장착된 3부분으로 이루어지는 동력계(미호 덴키 세이사쿠쇼제, AST식 공구 동력계 AST-TL1003)로부터 발해지는 시그널이, 전기적 전압 시그널로 변환되어, 레코더에 기록되었다. 다음으로 이들 시그널은 절삭 저항(주분력, 이송 분력, 배분력, N)으로 변환되었다. 절삭 시험은, 칩의 마모의 영향을 억제하기 위하여, A→B→C→…C→B→A의 왕복을 2회 실시하고, 각 시료에 대하여 4회 측정했다. 절삭 저항은, 이하의 식에 의하여 구할 수 있다.
절삭 저항(주분력, 이송 분력, 배분력의 합력)=((주분력)2+(이송 분력)2+(배분력)2)1/2
또한, 각 샘플로 4회 측정하고, 그 평균값을 채용했다. Zn-59mass% Cu-3mass% Pb-0.2mass% Fe-0.3mass% Sn합금으로 이루어지는 시판 중인 쾌삭 황동봉 C3604의 절삭 저항을 100으로 하고, 시료의 절삭 저항의 상댓값(피삭성 지수)을 산출하여, 상대 평가를 했다. 피삭성 지수가, 높을수록 양호한 피삭성을 갖는다. 표 중의 "합력"의 기재는, 주분력, 이송 분력, 배분력의 합력을 가리키고, 피삭성 지수를 나타낸다.
또한, 피삭성 지수는 하기와 같이 하여 구했다.
시료의 절삭 시험 결과의 지수(피삭성 지수)=(C3604의 절삭 저항/시료의 절삭 저항)Х100
동시에 절삭 부스러기를 채취하고, 절삭 부스러기 형상에 의하여 피삭성을 평가했다. 실용의 절삭으로 문제가 되는 것은, 절삭 부스러기의 공구로의 휘감김, 및 절삭 부스러기의 부피 팽창이다. 이 때문에, 절삭 부스러기 형상으로서, 평균으로 길이가 1mm보다 짧은 절삭 부스러기가 생성된 경우를 "A"(우수, excellent)라고 평가했다. 평균으로 길이가 1mm 이상 3mm 미만인 절삭 부스러기가 생성된 경우를 "B"(양호, good)라고 평가했다. 절삭 부스러기 형상으로, 평균으로 길이가 3mm 이상 10mm 미만인 절삭 부스러기가 생성된 경우를 "C"(가능, fair)라고 평가했다. 평균으로 길이가 10mm 이상인 절삭 부스러기가 생성된 경우를 "D"(poor)라고 평가했다. 또한, 최초로 생성된 절삭 부스러기는 제외하고 평가했다. 본 실시형태에서는 높은 레벨의 피삭성을 구비한 합금을 목표로 하고 있기 때문에, 상기의 외주 절삭 조건하에, "A", "B"만을 합격으로 했다.
절삭 저항은, 재료의 전단 강도, 인장 강도에 의존하고, 강도가 높은 재료일수록 절삭 저항이 높아지는 경향이 있다. 절삭 저항이 Pb를 1~4mass% 함유하는 쾌삭 황동봉의 절삭 저항에 대하여, 고강도재의 경우, 절삭 저항이 약 40% 높아지는 정도이면, 실용상 양호가 된다. 본 실시형태에 있어서는, 3mass% Pb를 함유하는 쾌삭 황동 C3604에 비하여, 압출재의 전단 강도가, 대략 1.2배이며, 그 때문에 본 실시형태에 있어서의 피삭성의 평가 기준을, 피삭성 지수가 약 70을 경계(경곗값)로 하여 평가했다. 본 실시형태에 있어서는, 높은 레벨의 피삭성을 목표로 하고 있기 때문에, 피삭성 지수가 85 이상이면, 피삭성이 우수하다(평가: A, excellent)고 평가했다. 피삭성 지수가 75 이상 85 미만이면, 피삭성이 양호하다(평가: B, good)고 평가했다. 피삭성 지수가 66 이상 75 미만이면, 피삭성이 가능하다(평가: C, fair)고 평가했다. 피삭성 지수가 66 미만이면, 피삭성이 불가하다(평가: D, poor)고 평가했다.
동등한 강도이면, 절삭 부스러기 형상과 피삭성 지수는, 상관 관계가 있고, 피삭성 지수가 크면 절삭 부스러기의 분단성이 양호한 경향이 있으며, 수치화할 수 있다. 상기의 외주 절삭 조건하에, "A", "B"만을 합격으로 했다.
덧붙여서, Zn 농도가 높으며, Pb를 0.01mass% 포함하고, β상을 약 50% 포함하는, 쾌삭성 구리 합금인 Zn-58.1mass% Cu-0.01mass% Pb 합금의 피삭성 지수는 39이며, 절삭 부스러기의 길이는 15mm를 초과했다. 동일하게 Si를 포함하지 않고, 0.01mass%의 Pb를 포함하는 β 단상의 구리 합금인 Zn-55mass% Cu-0.01mass% Pb 합금의 피삭성 지수는 41이며, 절삭 부스러기의 길이는 10mm를 초과했다.
1.08mass%의 Si, 0.27mass%의 Bi, 0.005mass%의 Pb, 0.056mass%의 P를 포함하고, 640℃에서 열간 단조되며, Bi를 주성분으로 하는 입자가 α상 내에 존재하고, P를 포함하는 화합물이 존재하는 시험 No. T09(합금 No. S1)의 절삭 부스러기의 외관을 도 2에 나타낸다. 시험 No. T09(합금 No. S1)의 절삭 부스러기의 평균 길이는 1mm보다 짧고, 미세하게 분단되어 있다.
<드릴 절삭 시험>
보르반에서 φ3.5mm 하이스제 JIS 표준 드릴을 사용하여, 깊이 10mm의 드릴 가공을 회전수: 1250rpm, 이송: 0.17mm/rev.의 조건으로, 건식으로 절삭했다. 드릴 가공 시에 AST식 공구 동력계로 전압 변화를 원주 방향, 축방향으로 채취하고, 드릴 가공 시의 토크·스러스트를 산출했다. 또한, 각 샘플로 4회 측정하여, 그 평균값을 채용했다. Zn-59mass% Cu-3mass% Pb-0.2mass% Fe-0.3mass% Sn 합금으로 이루어지는 시판 중인 쾌삭 황동봉 C3604의 토크, 스러스트를 100으로 하고, 시료의 토크, 스러스트의 상댓값(토크 지수, 스러스트 지수)을 산출하여, 상대 평가를 했다. 피삭성 지수(토크 지수, 스러스트 지수, 드릴 지수)가, 높을수록 양호한 피삭성을 갖는다. 드릴 가공은, 드릴의 마모의 영향을 억제하기 위하여, A→B→C→…C→B→A의 왕복을 2회 실시하고, 각 시료로 4회 측정했다.
즉, 피삭성 지수를 하기와 같이 하여 구했다.
시료의 드릴 시험 결과의 지수(드릴 지수)=(토크 지수+스러스트 지수)/2
시료의 토크 지수=(C3604의 토크/시료의 토크)Х100
시료의 스러스트 지수=(C3604의 스러스트/시료의 스러스트)Х100
3회째의 시험 시에, 절삭 부스러기를 채취했다. 절삭 부스러기 형상에 의하여 피삭성을 평가했다. 실용의 절삭으로 문제가 되는 것은, 절삭 부스러기의 공구로의 휘감김, 및 절삭 부스러기의 부피 팽창이다. 이 때문에, 절삭 부스러기 형상이, 절삭 부스러기의 평균으로, 반회 감김 이하의 절삭 부스러기가 생성된 경우를 "A"(우수, excellent)라고 평가했다. 절삭 부스러기 형상이 반회 감김 초과 1회 감김 이하의 절삭 부스러기가 생성된 경우를 "B"(양호, good)라고 평가했다. 절삭 부스러기 형상이 1회 감김 초과 2회 감김 이하까지의 절삭 부스러기가 생성된 경우를 "C"(가능, fair)라고 평가했다. 절삭 부스러기 형상이 2회 감김 초과의 절삭 부스러기가 생성된 경우를 "D"(poor)라고 평가했다. 또한, 최초로 생성된 절삭 부스러기는 제외했다. 본 실시형태에서는, 높은 레벨의 드릴 가공성을 목표로 하고 있기 때문에, 상기의 드릴 절삭 조건하에, "A", "B"만을 합격으로 했다.
고강도재의 토크, 스러스트는, Pb를 1~4mass% 함유하는 쾌삭 황동봉의 절삭 저항에 대하여 약 40% 높아지는 정도이면, 실용상 양호가 된다. 본 실시형태에 있어서는, 피삭성 지수가 약 70%를 경계(경곗값)로 하여 평가했다. 상세하게는, 드릴 지수가 78 이상이면, 피삭성이 우수하다(평가: A, excellent)고 평가했다. 드릴 지수가 72 이상 78 미만이면, 피삭성이 양호하다(평가: B, good)고 평가했다. 드릴 지수가 67 이상 72 미만이면, 피삭성이 가능하다(평가: C, fair)고 평가했다. 피삭성 지수가 67 미만이면, 피삭성이 불가하다(평가: D, poor)고 평가했다. 본 실시형태에서는, 높은 레벨의 드릴 가공성을 목표로 하고 있기 때문에, 상기의 드릴 절삭 조건하에, "A", "B"만을 합격으로 했다.
동일한 강도이면, 절삭 부스러기 형상과 토크 지수는, 강한 관계가 있다. 토크 지수가 크면, 절삭 부스러기의 분단성이 양호한 경향이 있기 때문에, 절삭 부스러기 형상을 토크 지수로 수치 비교할 수 있다. 단, 본 실시형태의 합금은, 3mass% Pb를 함유하는 쾌삭 황동에 비하여, 인장 강도와 대략 비례 관계에 있는 전단 강도가, 대략 1.2배이다. 절삭 저항은, 전단 강도와 강한 관계를 갖기 때문에, 재료 강도를 고려할 필요가 있다.
또한, Zn 농도가 높고, Pb를 0.01mass%를 포함하며, β상을 약 50% 포함하는 쾌삭성 구리 합금인 Zn-58.1mass% Cu-0.01mass% Pb 합금의 드릴 지수는 49이며(토크 지수는 46, 스러스트 지수는 52), 절삭 부스러기는 3회 감김을 초과했다. 동일하게, Si를 포함하지 않고 0.01mass%의 Pb를 포함하는 β 단상의 구리 합금인 Zn-55mass% Cu-0.01mass% Pb 합금의 드릴 지수는 61이며(토크 지수는 53, 스러스트 지수는 68), 절삭 부스러기는 3회 감김을 초과했다.
정밀 구멍 가공용의 전용 공구로서, 최근 점점 각종의 기기가 소형화되고, 그들의 부품에 대한 미세한 구멍 가공의 필요성이 높아지고 있다. 예를 들면, 금형의 핀 구멍, 방공, 프린트 기판 등의 반도체 관련의 장치 부품, 광디바이스 관련의 장치 부품 등 폭넓은 요구를 들 수 있다. 정보 가전이나 의료 기기, 자동차 부품 등, 다양한 공업 제품의 경박 단소화는 향후 점점 가속한다. 이와 같은 흐름 중에 있어, 드릴 메이커 각사는 0.1mm 이하의 초경 드릴의 라인 업의 충실을 도모한다. 지금까지는 가공 구멍의 직경과 깊이의 비율은 10배 정도가 한계였지만, 최근에는 0.5mm 이하의 구멍이어도, 가공 구멍의 직경과 깊이의 비율이 100배 정도까지 가공할 수 있는 드릴이 많이 등장하고 있다. 소경·심펀칭 가공의 가능성을 넓히고 있으며, 이들의 분야에서, 피삭성이 양호한 재료가 요구되고 있다.
(열간 가공 시험)
공정 No. A1, 공정 No. C1, 공정 No. C10의 각 봉재, 그리고, 공정 No. D의 주물재를 절삭에 의하여 직경 15mm로 하고, 길이 25mm로 절단했다. 이 시험재를 600℃에서 20분간 유지했다. 이어서 시험재를 세로 배치하고, 열간 압축 능력 10톤으로 전기로가 병설되어 있는 암슬러 시험기를 이용하여, 변형 속도 0.02/초, 가공률 80%로 압축하며, 두께 5mm로 했다. 열간 가공 중, 시험재는 600℃로 유지되었다.
열간 변형능은, 육안으로 균열의 유무와 표면에 큰 주름이 발생하는지 어떤지로 평가했다. 열간 변형 저항은, 가공률 20%일 때의 변형 저항을 측정하고, 30N/mm2를 경계로 평가했다. 30N/mm2는, 설비 능력이나 압출비 등의 열간 가공률에 따라서도 다르지만, 일반적으로 제조되는 범위의 열간 압출봉이, 문제없이 제조되는 열간 변형 저항의 경곗값이다. 600℃의 열간 가공 시험에서, 균열이 없고, 큰 주름이 발생하지 않으며, 열간 변형 저항이 30N/mm2 이하인 경우, 열간 가공성을 "B"(양호, good)라고 평가했다. 열간 변형능, 열간 변형 저항 중 어느 일방이, 상기 기준을 충족시키지 않은 경우, 조건부로 열간 가공성을 "C"(가능, fair)라고 평가했다. 열간 변형능, 열간 변형 저항의 양방 모두 상기 기준을 충족시키지 않는 경우, 열간 가공성을 "D"(부적합, poor)라고 평가했다. 평가 결과를 표 17, 19, 21, 23, 25 및 27에 나타낸다.
600℃에서의 열간 압출이나 열간 단조는, 일반적인 구리 합금으로 실시되는 것은, 거의 없다. Pb를 함유하는 쾌삭 구리 합금의 경우, 600℃에서 시험하면, 균열이 발하고, 열간 변형 저항은 30N/mm2를 초과한다. 낮은 온도에서 열간 가공함으로써, 높은 강도, 높은 강도와 신장의 밸런스, 양호한 피삭성이 얻어져, 치수 정밀도의 향상, 공구의 장수명화가 도모되고, 친환경적이다.
조성 관계식 f1의 값이 56.3보다 낮은 경우, 큰 주름이 발생하고, 조성 관계식 f1의 값이 59.5보다 높은 경우, 변형 저항이 30N/mm2를 초과했다.
상술한 측정 결과로부터, 이하와 같은 지견을 얻었다.
1) 본 실시형태의 조성을 만족하고, 조성 관계식 f1, f2, 조직 관계식 f3~f5, 조성·조직 관계식 f6, f7을 충족시키며, Bi를 주성분으로 하는 입자가 α상 내에 존재함으로써, 소량의 Pb와 Bi의 함유로 높은 레벨의 피삭성이 얻어지고, 약 600℃에서 양호한 열간 가공성, 15% IACS 이상의 높은 도전율이며, 또한 고강도로, 양호한 연성, 그리고 강도와 연성이 높은 밸런스(특성 관계식 f8)를 갖고 배합하는 열간 가공재(열간 압출재, 열간 단조재), 및 주조성이 양호한 주물이 얻어지는 것을 확인할 수 있었다(합금 No. S1, S20~S41).
2) Cu의 양이 64.5mass%보다 높으면, γ상이 많아지고, 신도가 낮아지며, 피삭성도 양호하지 않았다(합금 No. S107).
3) Si의 양이 0.20mass%보다 적으면, 소정량의 Bi, Pb를 함유해도, 피삭성이 나쁘고, 인장 강도가 낮았다. 원인은, β상에 고용되는 Si의 양이 적은 것과, Si가 적기 때문에, Bi를 주성분으로 하는 입자가 α상 내에 존재하지 않은 것에 따른 것이라고 생각된다. Si 함유량이 1.2mass% 이상이면, γ상이 많아져, 신도가 낮아졌다. 또 주조성도 나빠졌다(합금 No. S102, S106, S111, S114).
4) P를 포함하지 않으면, 피삭성이 나빴다. P를 0.001mass%를 초과하는 양으로 함유하면, 피삭성이 양호해졌다. 그리고, P를 포함하는 화합물이 존재하고, 금속 현미경으로 P를 더 포함하는 화합물을 관찰할 수 있으면, 보다 더 피삭성이 향상되었다. P를 포함하는 화합물은, β상 내에 존재하여, β상의 피삭성을 향상시키고, 합금으로서의 피삭성을 향상시키고 있다고 생각된다. P를 함유하고, 금속 현미경으로 P를 포함하는 화합물을 관찰할 수 없는 경우여도, 피삭성의 평가는, 양호했지만, 금속 현미경으로 P를 포함하는 화합물을 관찰할 수 있는 경우에 비하여, 피삭성이 조금 뒤떨어졌다(예를 들면 합금 No. S104, S36, S40, 공정 No. C1, CH2, FH2).
5) Bi양이 0.10mass%보다 적으면, 높은 레벨의 피삭성에 도달하지 않았다. Bi의 양이 0.50mass%를 초과하면, 인장 강도, 신도가 조금 낮아져, 밸런스 지수 f8이 조금 나빠졌다(합금 No. S110, S23, S25, S40, S112).
6) 실조업으로 행해지는 정도의 불가피적 불순물을 함유해도, 모든 특성에 큰 영향을 주지 않는 것을 확인할 수 있었다(합금 No. S1~S1.7, S20~S36). 불가피적 불순물의 바람직한 범위를 초과하는 양의 Fe, Mn, Co 또는 Cr을 함유하면, Fe, Mn 등과 Si의 금속 간 화합물을 형성하고 있다고 생각된다. 그 결과, Fe 등과 Si의 화합물의 존재와, 유효하게 작용하는 Si 농도가 감소되어, 피삭성이 나빠졌다고 생각된다. 또한 Fe 등의 함유에 의하여 P를 포함하는 화합물의 성질도 변화하고 있을 가능성이 있다. 또, 신도가 조금 낮아지고, 밸런스 지수 f8이 낮아졌다(합금 No. S1.4, S21.4, S30.2). 불가피적 불순물의 바람직한 범위를 초과하는 양의 Sn, Al을 함유하면, γ상이 출현하거나, 또는 많아지거나, 혹은 β, γ상의 성질이 변화한다고 생각된다. 그 결과, 신돗값이 감소되어, 밸런스 지수 f8이 나빠지고, 피삭성이 나빠졌다. 또, 응고 온도 범위가 넓어져, 주조성이 나빠지고, 충격값도 낮아졌다(합금 No. S1.7, S26.2, S26.6).
7) α상 중에, Bi를 주성분으로 하는 입자가 존재하면, 피삭성이 양호했다. Bi를 0.5mass%의 양으로 함유해도, Si가 소정량보다 적으며, 그리고, α상 중에 Bi를 주성분으로 하는 입자가 존재하지 않는 것은, 피삭성이 뒤떨어졌다(합금 No. S1, S20~S28, S102, S111, S114).
8) 조성 관계식 f1이 56.3보다 작으면, 신돗값이 낮아졌다. f1이 59.5보다 크면 피삭성이 나빠지고, 인장 강도가 낮아졌다. 또, 응고 온도 범위가, 25℃를 초과하여 주조성이 나빴다. 또, 양자 모두, 600℃에서의 열간 가공성이 나빠졌다(합금 No. S101, S105).
9) f1이 56.8 이상에서, 신돗값, 충격값이 높아졌다. f1이 59.0 이하에서, 피삭성이 양호해지고, 인장 강도가 높아졌다(예를 들면 합금 No. S20~S40).
10) 조성 관계식 f2가 0.5 이상이면, 피삭성은, 매우 양호했다. 관계식 f3~f7의 조건이 바람직한 범위에 있으면, 외주 절삭의 피삭성 지수로, 대략 95의 높은 수치가 얻어졌다. f2가 0.5 이상이어도, Si 함유량이 적으면 피삭성이 나빴다. 또한, 신돗값이 조금 낮아지고, 밸런스 지수 f8이 조금 낮았다(합금 No. S20, S23, S25, S111, S112).
11) f2가 0.5 미만이어도, Si양이 0.35mass%를 초과하고, 조성·조직 관계식 f6, f7이 바람직한 범위 내에 있으면, 즉, f6의 값이 10.0 이상, 또한 f7의 값이 0.6 이상, 특히 Si양이 0.50mass%를 초과하고, f6이 11.0 이상, 또한 f7이 1.0 이상이면, 외주 절삭의 피삭성 지수가 대략 90 이상이 되어, 절삭 부스러기는, 미세하게 분단되었다. 본 실시형태에 있어서, 피삭성을 향상시키는 항의 가산식 (f6)과, 피삭성의 상호 작용을 나타내는 식 (f7)이 중요하다고 생각된다(합금 No. S1, S20~S22, S24, S26~S28, S37).
12) γ상이 약 1%이면, 토크 지수가 낮아져, 드릴 절삭이 양호해졌다. γ상이 0%여도, β상의 양이 약 20% 이상이며, 관계식 f1~f7을 충족시키면, 양호한 피삭성, 높은 강도가 얻어졌다(예를 들면 합금 No. S1, S38 등). γ상의 비율이 4%를 초과하면, 피삭성이 나빠지고, 신돗값이 낮아지며, 밸런스 지수 f8이 낮았다(예를 들면 합금 No. S26.6, S106).
13) β상의 양이 적고 α상의 양이 많으면, 피삭성이 나쁘고, 강도가 낮았다. β상의 양이 중가함에 따라, 피삭성이 양호해지고, 강도도 높아졌다(합금 No. S105, S33, S41).
14) β상의 양이 많이 α상의 양이 적으면, 신도가 낮아졌다. α상의 양이 증가하면 신도가 회복되었다(합금 No. S101, S32).
15) f6, f7을 충족시키지 않으면 조성, 다른 관계식을 충족시켜도, 만족하는 피삭성이 얻어지지 않았다(합금 No. S103, S108, S109, S113).
15-1) f6, f7이 높으면, 피삭성은 양호했지만, 신도가 낮아지고, 밸런스 지수 f8이 나빠졌다(합금 No. S112).
15-2) β상 중에 Si가 적어도, 0.3mass% 이상 함유되어 있는 것이 확인되고, 다른 요건에도 좌우되지만, β상 중의 Si의 양이, 0.5mass% 이상, 0.7mass% 이상, 1.0mass% 이상이 됨에 따라, 보다 양호한 피삭성, 높은 강도를 구비하여, 밸런스 지수 f8이 양호해지는 것이 확인되었다(합금 No. S1~S41).
16) f1을 충족시키면, 600℃에서 양호한 열간 가공성을 나타내고, 600℃보다 낮은 온도에서, 열간 압출, 열간 단조가 생겼다. 열간 가공 온도가 650℃를 초과하면, 인장 강도가 조금 낮아져, 피삭성과 강도·신도의 밸런스가 조금 나빠졌다(예를 들면 합금 No. S1, S20, S21, 공정 No. AH1, CH1, FH2).
17) 열간 가공 조건에 의하여, β상, γ상이 차지하는 비율이 변화하여, 피삭성이나, 인장 강도, 신도, 도전율에 영향을 주었다(예를 들면, 합금 No. S1, 각 공정).
18) 주물에 관하여, 조성, 관계식 f1~f7을 충족시키면, 피삭성의 평가가, "양호" 이상이며, 100HV 이상이었다. 주조성은, f1과의 관계가 깊고, 특히 f1이 바람직한 범위에 있으면, 응고 온도 범위가 좁으며, 양호한 주조성을 나타냈다. 주물을 소재로 한 단조품에 대해서도, 압출재를 소재로 한 단조품과 동일한, 피삭성, 기계적 성질을 나타냈다(공정 No. D1, F3).
19) 열간 압출 후, 열간 단조 후, 주조 후의 530℃부터 450℃의 평균 냉각 속도에 있어서 약 50℃/분이, 금속 조직 관찰로 P를 포함하는 화합물이 존재하는지 아닌지의 경곗값이었다. P를 포함하는 화합물이 존재하면, 피삭성이 향상되었다(공정 No. A1, AH2, C1, CH2, F1, FH2).
20) 열간 가공재를, 열처리 조건식 f9가 1100~1162가 되는 조건으로 저온 소둔하고, 굴곡을 측정하면 1m당 0.1mm 이하의 굴곡이 적은 봉재가 얻어졌다. 저온 소둔의 조건에 따라서는, γ상이 석출되는 합금이 있어, 토크 지수가 향상되었다(합금 No. S1, 공정 No. A4, A5).
이상으로부터, 본 실시형태의 합금과 같이, 각 첨가 원소의 함유량 및 조성 관계식 f1, f2, 조직 관계식 f3~f5, 조성·조직 관계식 f6, f7이 적정한 범위에 있는 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금은, 열간 가공성(열간 압출, 열간 단조)이 우수하고 피삭성, 기계적 성질도 양호하다. 또, 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금에 있어서 우수한 특성을 얻기 위해서는, 열간 압출, 열간 단조에서의 제조 조건, 열처리에서의 조건을 적정 범위로 함으로써 달성할 수 있다.
산업상 이용가능성
본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금은, Pb, Bi의 함유량을 소량으로 두며, 열간 가공성, 피삭성이 우수하고, 고강도이며, 강도와 신도의 밸런스가 우수하다. 이 때문에, 본 실시형태의 쾌삭성 구리 합금은, 자동차 부품, 전기·전자 기기 부품, 기계 부품, 문구, 완구, 슬라이딩 부품, 계기 부품, 정밀 기계 부품, 의료용 부품, 음료용 기구·부품, 배수용 기구·부품, 공업용 배관 부품, 수소 등의 액체나 기체에 관한 부품에 적합하다.
구체적으로는, 상기 분야에 이용되는 밸브, 이음매, 콕, 급수전, 기어, 축, 베어링, 샤프트, 슬리브, 스핀들, 센서, 볼트, 너트, 플레어 너트, 펜 촉, 인서트 너트, 캡 너트, 니플, 스페이서, 나사 등의 명칭으로 사용되고 있는 것의 구성재 등으로서 적합하게 적용할 수 있다.
Claims (7)
- 57.5mass% 초과 64.5mass% 미만의 Cu와, 0.20mass% 초과 1.20mass% 미만의 Si와, 0.001mass% 초과 0.20mass% 미만의 Pb와, 0.10mass% 초과 1.00mass% 미만의 Bi와, 0.001mass% 초과 0.20mass% 미만의 P를 포함하며, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
상기 불가피적 불순물 중, Fe, Mn, Co 및 Cr의 합계량이 0.45mass% 미만이며, 또한 Sn, Al의 합계량이 0.45mass% 미만이고,
Cu의 함유량을 [Cu]mass%, Si의 함유량을 [Si]mass%, Pb의 함유량을 [Pb]mass%, Bi의 함유량을 [Bi]mass%, P의 함유량을 [P]mass%로 한 경우에,
56.3≤f1=[Cu]-4.8Х[Si]+0.5Х[Pb]+0.5Х[Bi]-0.5Х[P]≤59.5
0.12≤f2=[Pb]+[Bi]<1.0
의 관계를 가지며,
비금속 개재물을 제외한 금속 조직의 구성상에 있어서, α상의 면적률을 (α)%, γ상의 면적률을 (γ)%, β상의 면적률을 (β)%로 한 경우에,
20≤f3=(α)≤85
15≤f4=(β)≤80
0≤f5=(γ)<4
8.5≤f6=([Bi]+[Pb])1/2Х10+[P]1/2Х6+(β)1/2Х[Si]1/2Х0.8+(γ)1/2Х0.5≤18.0
0.45≤f7=(([Bi]+[Pb])1/2-0.05)Х((β)1/2-3)Х([Si]1/2-0.2))≤3.6
의 관계를 갖고,
α상 내에 Bi를 주성분으로 하는 입자가 존재하고 있는 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리 합금. - 58.5mass% 이상 64.0mass% 이하의 Cu와, 0.35mass% 초과 1.15mass% 미만의 Si와, 0.003mass% 이상 0.095mass% 이하의 Pb와, 0.12mass% 이상 0.49mass% 이하의 Bi와, 0.010mass% 이상 0.15mass% 이하의 P를 포함하며, 잔부가 Zn 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
상기 불가피적 불순물 중, Fe, Mn, Co 및 Cr의 합계량이 0.35mass% 이하이며, 또한 Sn, Al의 합계량이 0.35mass% 이하이고,
Cu의 함유량을 [Cu]mass%, Si의 함유량을 [Si]mass%, Pb의 함유량을 [Pb]mass%, Bi의 함유량을 [Bi]mass%, P의 함유량을 [P]mass%로 한 경우에,
56.8≤f1=[Cu]-4.8Х[Si]+0.5Х[Pb]+0.5Х[Bi]-0.5Х[P]≤59.0
0.15≤f2=[Pb]+[Bi]<0.50
의 관계를 가짐과 함께,
비금속 개재물을 제외한 금속 조직의 구성상에 있어서, α상의 면적률을 (α)%, γ상의 면적률을 (γ)%, β상의 면적률을 (β)%로 한 경우에,
28≤f3=(α)≤75
25≤f4=(β)≤72
0≤f5=(γ)<2
10.0≤f6=([Bi]+[Pb])1/2Х10+[P]1/2Х6+(β)1/2Х[Si]1/2Х0.8+(γ)1/2Х0.5≤16.0
0.6≤f7=(([Bi]+[Pb])1/2-0.05)Х((β)1/2-3)Х([Si]1/2-0.2))≤2.4
의 관계를 가지며,
α상 내에 Bi를 주성분으로 하는 입자가 존재하고, 또한 β상 내에 P를 포함하는 화합물이 존재하고 있는 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리 합금. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
전기 전도율이 15% IACS 이상이고, 또한 적어도 인장 강도 S(N/mm2)가 430N/mm2 이상이며,
상기 인장 강도 S와 신도 E(%)의 밸런스를 나타내는 f8=SХ(100+E)/100이 580 이상인 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리 합금. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
자동차 부품, 전기·전자 기기 부품, 기계 부품, 문구, 완구, 슬라이딩 부품, 계기 부품, 정밀 기계 부품, 의료용 부품, 음료용 기구·부품, 배수용 기구·부품, 공업용 배관 부품에 이용되는 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리 합금. - 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법으로서,
1 이상의 열간 가공 공정을 갖고, 상기 열간 가공 공정 중, 최종의 열간 가공 공정에 있어서는, 열간 가공 온도가 530℃초과 650℃미만이며, 열간 가공 후의 530℃부터 450℃까지의 온도 영역에 있어서의 평균 냉각 속도가 0.1℃/분 이상 50℃/분 이하인 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법. - 청구항 5에 있어서,
냉간 가공 공정, 교정 가공 공정, 및 소둔 공정으로부터 선택되는 1 이상의 공정을 더 갖는 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법. - 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
상기 열간 가공 공정, 냉간 가공 공정, 교정 가공 공정, 및 소둔 공정 중, 최종의 공정 후에 실시하는 저온 소둔 공정을 더 갖고, 상기 저온 소둔 공정에서는, 유지 온도가 250℃이상 430℃이하이며, 유지 시간이 10분 이상 200분 이하인 것을 특징으로 하는 쾌삭성 구리 합금의 제조 방법.
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