KR900006701B1 - High strength cupper alloy and method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 본발명에 따른 고력황동합금의 조직을 100배로 확대한 현미경 사진이고,FIG. 1 is a micrograph at 100 times magnification of the tissue of high-strength brass according to the present invention.
제2도는 본발명에 따른 고력황동합금의 조직을 400배로 확대한 현미경 사진이다.FIG. 2 is a micrograph showing a magnification of 400 times the structure of high-strength brass according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
a : MnSi 조직a: MnSi structure
본 발명은 고력황동합금과 이 합금을 제조하는 방빕에 관한 것으로, 특히 충격저항과 마찰토오크를 크게받는 동력전달기구를 제작하는데 쓰여질 수 있는 내구성이 큰 고력황동합금(High Strength Brass)과 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-strength brass alloy and a bangbi for producing the alloy, particularly a high-strength high-brass alloy (High Strength Brass) that can be used to manufacture a power transmission mechanism that receives a large impact resistance and friction torque and a manufacturing method thereof. It is about.
일반적으로 고력황동합금은 Cu-Zn에 Mn, Al, Ni등과 같은 원소를 첨가해서 제조된 것으로, 내마모성이 크고 항장력(降張力)도 크며 인성(靭性)이 크기 때문에 비철합금중에서는 강력한 구조용 재료로 많이 사용되고 있는바, 특히 자동차용 싱크로나이저링(Synchronizer Ring)이라던가 일반기계용으로서의 워엄휘일과 베어링, 압축기용 슬리퍼(Slipper) 및 기타 고속운동용 부품을 만드는데 주로 많이 사용되고 있다. 그러나 종래의 고력황동합금으로 만들어진 상기 부품들은 내마모성이 작아서 장시간 사용할때 회전운동에 의한 마모와 충격으로 인해 이를 부품이 이루는 기구가 완전하게 작동하지 못하게되어 소음이 심하게 발생하게되고 또 부품의 수명이 단축되거나 때로는 부품이 파손된다고 하는 문제점이 있다.In general, high-strength brass alloy is manufactured by adding elements such as Mn, Al, Ni, etc. to Cu-Zn, and is a strong structural material in nonferrous alloys because of its high wear resistance, high tensile strength and high toughness. In particular, it is mainly used to make synchronous wheels and bearings, slippers for compressors, and other high-speed parts for automobiles, such as synchronizer rings for automobiles. However, the parts made of conventional high-strength brass alloys have low abrasion resistance, and thus, the wear and impact caused by the rotational movement of the parts do not operate completely due to wear and impact caused by the long-term use, resulting in severe noise and shortening the life of the parts. Or sometimes parts are broken.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소시켜주기 위해 발명된 것으로, 종래의 고력황동합금을 이루는각 성분의 화학적인 조성을 조절하고 별도의 열처리를 통해 조직을 보다 미세화시켜 내마모성등과 같은 기졔적성질을 향상시겨주는 한편, 가공성이 뛰어나 제품성형작업이 용이해지도록 한 고력황동합금과 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.Therefore, the present invention was invented to solve the above problems, by adjusting the chemical composition of each component of the conventional high-strength brass alloy and further refine the tissue through a separate heat treatment to improve the mechanical properties such as wear resistance It is an object of the present invention to provide a high-strength brass alloy and a method of manufacturing the same, which improves the processability and facilitates a product forming operation.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본발명에 따른 방법은 일만 고력황동합금의 화학적인 조성에다 Mn과 Al. Ni, Cr, Pb 등과 같은 성분원소의 조성을 적절히 조정배합해주는 배합단계와, 이 배합단계에서 조정된 합금을 용해해서 열처리해주는 일처리단계 및 이 열처리단계에서 황동의 기지조직(基地組織)을 이루는 α+β 조직에 MnSi가 석출되도록 해주는 접종단계로 구성되어, 경도 및 인장강도가 크고 가공성이 뛰어나는 한편, 별도의 열처리를 해주지 않아도 주조된 상태 그대로 제품으로 성형제작할 수 있도록 되어, 고속운동부품인 자동차용 싱크로나이저링과 쉬프트포오크둥의 부품에서 요구되는 성질에 적합한 재질을 얻을 수있도록 되어 있다.The method according to the present invention for achieving the above object is the chemical composition of ten thousand high strength brass alloy Mn and Al. A blending step of properly adjusting and mixing the composition of elemental elements such as Ni, Cr, Pb, a work treatment step of dissolving and heat-treating the alloy adjusted in this blending step, and α forming a matrix structure of brass in this heat treatment step It consists of an inoculation step that allows MnSi to precipitate in the + β tissue. Its hardness and tensile strength are large and excellent in processability, and it can be molded into the product as it is cast without additional heat treatment. It is designed to obtain materials suitable for the properties required for components of synchronizer rings and shift forks.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 고력황동합금의 화학적인 성분을 조정배합해주는 배합단계와, 이 배합단계에서 혼합된 조성물을 1050℃∼1060℃와 1200℃에서 각각 용융, 열처리하는 열처리단계 및, 이 열처리단계에서 황동의 기지조직에 MnSi를 석출강화시키는 접종단계로 구성되는바, 그중 첫번째 단계인 배합단계는 일반적인 고력황동의 화학적인 조성을 이루는 Mn과 Al, Si, Ni, Cr, Pb 등의 양을 조정 배합시켜 미세화된 기지조직에 MnSi를 석출시킬 수 있도록 성분을 조정, 배합해주는 단계로서, 이 단계에서 본발명에 따른 고력황동합금의 화학조성은 표1로 나타내어진 비율로 배합되게 된다.The present invention is a blending step of adjusting and blending the chemical components of the high-strength brass alloy, a heat treatment step of melting and heat-treating the composition mixed in this blending step at 1050 ℃ ~ 1060 ℃ and 1200 ℃, respectively, It consists of an inoculation step to precipitate and strengthen MnSi in the base tissue, and the first step, the compounding step, is refined by adjusting the amount of Mn and Al, Si, Ni, Cr, Pb, etc. which constitute the chemical composition of general high-strength brass. As a step of adjusting and blending the components to precipitate MnSi in the matrix, the chemical composition of the high-strength brass alloy according to the present invention is compounded at the ratio shown in Table 1.
[표 1] 본 발명에따른 고력황동합금의 화학조성 (단위 중량%)[Table 1] Chemical composition of high strength brass alloy according to the present invention (unit weight%)
이에 대한 실시예를 예로들어 각 성분별로 상세히 설명하면 다음과 같다.Taking the embodiment for this example in detail for each component as follows.
먼저, 표1에 도시된 바와같이 2.50∼3.50% Mn 조성범위중에서 Nn량을 2.68%,1.90∼3.50% Al에서Al량을 3.15%로 해주게되면 합금의 경도값과 인장강도값이 최적상태로 되는데, 여기서 Al의 양은 소량만을 투여하여도 기계적 성질에 미치는 영향은 매우 크게되며, 또 0.90∼1.00% Ni에서 Ni량을 0.92%로 해주었을때 합금의 내식성이 뛰어나게 되고, Cr량을 0.5%로 해주었을 때 조직의 미세화 및 가공성이 제일 뛰어나게 된다.First, as shown in Table 1, when the Nn content is 2.68% and the Al content is 3.15% at 1.90 to 3.50% Al in the 2.50 to 3.50% Mn composition range, the hardness and tensile strength of the alloy become optimal. In this case, even if only a small amount of Al is greatly influenced on the mechanical properties, and when the amount of Ni is 0.92% at 0.90 to 1.00% Ni, the corrosion resistance of the alloy is excellent and the amount of Cr is 0.5%. When the microstructure and processability of the tissue is the best.
한편, Si는 Al을 투입시켜줌에 따라 상기 Mn과 함께 황동의 기지조직(α+β)에 MnSi 조직을 석출시키게 되는데, 이 MnSi가 내마모성을 향상시켜 주게되는 조직이 되며, Pb는 소량을 투여하여도 그 자체가 갖는 가소성(可塑'性)으로 인해 기계부품성형시 튀틀림을 방지하여 가공성이 뛰어나도록 탄성을 부여해주게되는 한편, 또 이 Pb는 제작된 부품이 회전운동을 받을때 금속조직학상으로 합금의 조직내에 미세하게 분산되어 있으면서 조직간의 점성윤활작용을 해주게 된다.On the other hand, Si is precipitated MnSi structure in the base structure of the brass (α + β) with the Mn in addition to Al, this MnSi becomes a structure that improves the wear resistance, Pb is administered by administering a small amount Due to the plasticity itself, it prevents flipping during molding of the machine part, thereby giving elasticity to be excellent in workability. In addition, the Pb has a metallographic structure when the manufactured part is subjected to rotational motion. The finely dispersed within the alloy structure, the viscous lubrication between the structures will be.
다음, 상기와 같은 화학적 조성으로 배합된 본 발명에 따른 고력황동합금을 용해·열처리해주게되는 열처리단계에 대해 설명한다.Next, a heat treatment step of dissolving and heat-treating the high-strength brass alloy according to the present invention formulated with the chemical composition as described above will be described.
먼저 소정의 동지금(銅地金)을 용해로에 넣고 가열해서 용해시킨다음, 표1에 나타내어진 각 성분을 소정량만큼 별도로 용해시킨 것을 차례로 상기 동(銅)의 용탕에 투입시키고, 그 온도를 1050∼1060℃ 범위로 유지해 주면서 완전히 용해시켜주게 되는바, 이때 만일 상기 온도 범위(1050∼1060℃)에서 그대로 용해작업을 완료하게되면 표1의 성분중 Al, Mn등이 용탕의 표면에서 거품처럼 끓어오르는 현상(표면출이현상)이 일어나게되고, 이들 거품이 용탕전체에 분산된 상채로 응고되게되면 합금조직에 미세한 기공(氣孔)이 산재하게 되어 기계적 성질이 극히 조악한 품뭄이 되기때문에 상기와 같은 용해상태(표면출이현상)에 있는 용랑을안정시키기위해서, 이 용탕을 1200℃까지 다시 승온(昇溫)시켜 약 2∼3분동안 항온유지시켜준다음. 약 650℃정도로 냉각시켜 그 온도로 유지시켜주면 상기와 같은 표면출이현상이 나타나지 않으면서 또 거품이 용탕의 내면으로도 확산되지 않게 된다.First, a predetermined copper foil is placed in a melting furnace and heated to dissolve it. Then, each of the components shown in Table 1 is separately dissolved in a predetermined amount, and then the temperature is added to the molten copper. It is completely dissolved while maintaining in the range of 1050 ~ 1060 ℃, if the melting process is completed as it is in the temperature range (1050 ~ 1060 ℃) Al, Mn among the components of Table 1 like bubbles on the surface of the molten metal Boiling phenomenon (surface extraction phenomenon) occurs, and when these bubbles solidify with the dispersed dispersion throughout the molten metal, fine pores are scattered in the alloy structure, and the mechanical properties are extremely poor. In order to stabilize the molten metal in the dissolved state (surface extraction phenomenon), the molten metal was heated to 1200 ° C. again and kept at a constant temperature for about 2 to 3 minutes. If it is cooled to about 650 ° C. and maintained at that temperature, the surface outbreak does not occur as described above, and bubbles do not diffuse to the inner surface of the molten metal.
또한, 상기와 같이 용탕을 1200℃까지 승온시켜주는 또다른 목적은 황동(Cu-Zn)의 평형상태도에서 6/4황동의 기본조직이되는 α+β 조직에 본 발명에 따른 Mn과 Si와의 새로운 석출화합물인 MnSi 조직의 석출을 강화시켜주고자 함인데, 이 MnSi 조직은 참조도면에 "a"로 표시된 바와같이 빗살무늬 조직으로서 내마모성이 매우 큰 조직인 것이다.In addition, another purpose of raising the molten metal to 1200 ℃ as described above is the new structure of Mn and Si according to the present invention in the α + β structure that is the basic structure of 6/4 brass in the equilibrium diagram of brass (Cu-Zn) It is intended to strengthen the precipitation of MnSi, a precipitation compound, which is a comb-patterned tissue as indicated by the letter “a” in the reference drawing, and is a highly wear resistant tissue.
다음, 상기와 같은 MnSi 조직이 석출되도록 하는 접종단계를 설명한다.Next, the inoculation step to precipitate the MnSi tissue as described above will be described.
일반적으로 고력황동합금이 사용되는 곳은 기계적 운동부분 즉, 경도(硬度)가 커서 내마모성이 뛰어나야하고, 인장강도가 커서 인성이 있어야한다는 조건이 따르는데, 여기서 상기 경도와 인장강도는 항상 서로 비례하는 물성치가 아니기 때문에, 금속조직학적으로 이를 해결하기위해 MnSi와 같이 내마모성이 큰 조직을 석출시키되 이를 미세하고 균등하게 분포되도록 해주는 것이 주요 포인트가 된다. 왜냐하면 내마모성(경도)이 큰 조직이라 하더라도 이것이 침상(針狀) 또는 편상(片狀)으로 크고 거칠게 석출되게되면 이 조직과 기지조직과의 경도차로 말미암아 오히려 석출조직자체가 방향성이 있는 취성(脆'性)을 갖기 때문이다.In general, where high-strength brass is used, it is subject to mechanical movement, that is, its hardness must be excellent in abrasion resistance due to its high hardness, and its tensile strength must be large so that toughness and tensile strength are always proportional to each other. Since it is not a physical property, in order to solve this problem in metallography, the main point is to precipitate a highly abrasion resistant structure such as MnSi, but to distribute it finely and evenly. Because even if the wear resistance (hardness) is large, if it is large or roughly precipitated by needles or flaps, the precipitation tissue itself is oriented to brittleness due to the hardness difference between the tissue and the base tissue. Because it has sex.
따라서 본 발명에서는 적정량의 Al을 용탕에 접종(接種)시켜주되, Al량을 3.15%로 해주고 Cr량을 0.5%로 해주면 용탕에서 Mn, Al의 표면출이현상이 사라지면서 사진으로 대체된 제2도에서 "a"로 표시된 바와같이 짧게 끊어진 MnSi 조직이 미세하고 균등하게 기지조직에 석출되게 된다. 이때의 경도 및 인장강도의 값도 표2에 도시된 바와같이 최상의 값으로 산출되며, 이와같은 접동단계는 본발명에서의 핵심적인 작업단계가 된다.Therefore, the present invention inoculates the appropriate amount of Al in the molten metal, but if the amount of Al to 3.15% and the amount of Cr to 0.5%, the surface of the Mn, Al in the melt disappears and replaced with a second photo As indicated by "a" in the figure, the short-broken MnSi tissue is deposited finely and evenly on the matrix. The hardness and tensile strength at this time are also calculated as the best value, as shown in Table 2, such a sliding step is a key work step in the present invention.
[표 2] 기계적 성질 비교[Table 2] Mechanical Properties Comparison
이상과 같이 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 고력황동합금의 작용효과를 설명한다.As described above, the effect of the high-strength brass alloy produced by the manufacturing method according to the present invention will be described.
상시 표2에 도시된 바와같이 종래예에서보다 본 발명에 따른 고력황동합금의 기계적 성질은 비철합금에서는 아주 우수한 것으로, 먼저 재결정온도가 낮아(O℃이하)상온에서 연성 및 전성이 풍부한 Pb가 첨가됨으로써 결과적으로 합금의 기지조직에 상당한 량의 소성을 부가해주게 되기 때문에 신율(伸卒)이 상당하게 증가되게되고, 또한 이러한 Pb의 소성부가효과는 가공성을 증가시켜 주게되어 본발명에 따른 고력합금을 단조작업등을 통해 기계부품으로 성형시켜줄 때에도 소재의 소성변형(塑'性變形)에 중요한 인자로 작용하게되어 기지조직간의 소성변형이 용이하게 이루어지면서 제품으로 성형시킬 수 있도록 됨으로서, 이를 소재로제작한 부품이 운동부위에 사용될때에도 제품자체에 상당한 점성윤활작용을 부여하여 결과적으로 제품의 마모를 감소시켜주는 역할을 하게 된다.As shown in Table 2, the mechanical properties of the high-strength brass alloy according to the present invention are excellent in nonferrous alloys, as shown in Table 2. First, Pb is rich in ductility and malleability at room temperature due to low recrystallization temperature (below 0 ° C). As a result, a large amount of plasticity is added to the matrix structure of the alloy, and thus the elongation is considerably increased. Also, the plasticity addition effect of Pb increases the workability, thereby increasing the high strength alloy according to the present invention. When forming into mechanical parts through forging, etc., it plays an important role in plastic deformation of the material, so that plastic deformation between base tissues can be easily made and molded into a product. Even when the part is used on the moving part, it gives a viscous lubrication effect to the product itself. Is the role to cattle.
또 앞서 설명된 바와같이 Cr의 첨가로 조직이 미세화되고, 또 MnSi가 석출강화되어 균일하게 분포되어있기 때문에 인장강도 및 경도가 크게 향상되어 제품의 내구성이 증대되게 된다.In addition, as described above, the addition of Cr makes the structure finer and MnSi precipitates and is uniformly distributed so that the tensile strength and hardness are greatly improved, thereby increasing the durability of the product.
한편, 표3 및 표4는 본발명에 따른 고력황동합금을 소재로 하여 제작된 자동차용 싱크로나이저링 및 쉬프트포오크(Shift Fork)와. 종래의 소재로 만든 싱크로나이저링 및 쉬프트포오크를 각각 실제 엔진에 장착시켜 주행시험을 한 뒤 이들의 내마모성을 시험한 결과를 나타내는 것으로 표3은 시험조건, 표4는 내마모량 시험결과를 각각 나타낸다.On the other hand, Table 3 and Table 4 and the synchronizer and shift fork (Shift Fork) for automobiles made of high-strength brass alloy according to the present invention. Synchronizing rings and shift forks made of conventional materials were mounted on actual engines to test the wear resistance of the engine. Table 3 shows the test conditions and Table 4 shows the results of the wear resistance test.
[표 3] 시험조건[Table 3] Test conditions
(엔진 최대 회저수 : 4000 RPM)(Maximum engine count: 4000 RPM)
[표 4] 내마모량 시험결과[Table 4] Wear Resistance Test Results
즉, 상기 표3에 표시된 바와같은 엔진작동조건과 변속방식으로 실시된 내마모량시험에서 얻어진 결과를 분석해보면, 먼저 싱크로나이저일의 경우, 상기 표4에 나타낸 바와같이 저속기어인 1만의 경우 본발명에 따른 소재를 사용한 싱크로나이저링의 마모량이 기준치인 0.8mm 이하이기는 하나 종래품에 비해 마모량이4% 정도 많은 것으로 나타나고 있으나, 이는 상기 설명에서와 같이 본발명품의 재질이 MnSi의 석출강화에 따른 내마모성이 증가됨으로 말이암아 변속레버의 조작력이 증가되기 때문에 이에 따라 마모량도 증가되게 된 것이다.In other words, when analyzing the results obtained in the engine operating conditions and the wear resistance test carried out in the shifting method as shown in Table 3, first, in the case of a synchronizer, as shown in Table 4, only 10,000 low-speed gears Although the wear amount of the synchronizer ring using the material according to the present invention is less than 0.8 mm, which is the reference value, the wear amount is 4% higher than that of the conventional product. This increases the operating force of the shift lever, thereby increasing the amount of wear.
그러나, 2단이상의 고속기어의 경우 본발명품의 마모량은 종래품에 비해 5.3%∼26%정도 감소되어 본발명에 따른 싱크로나이저링이 중·고속운전상태에서 그 마모량이 현저하게 감소되게되는 우수한 내마모성을 갖게됨음 알 수가 있다.However, in the case of high speed gears of two or more stages, the wear amount of the present invention is reduced by 5.3% to 26% compared to the conventional products, and the wear resistance of the synchronizer ring according to the present invention is significantly reduced in medium and high speed operation. You can see that
한편, 쉬프트포오크의 경우의 내마모량 시험결과는 더욱 뚜렷하게 나타나는바, 즉 본발명품의 마모량은 종래품에 비해 1,2단기어 사용시에는 59%,3 ,4단기어 사용시에는 87%이상의 마모감소효과를 가져오는 것으로 나타나, 상기 설명에서의 싱크로나이저링이 상대회전운동에 따른 마찰력을 받게되는 반면, 이 쉬프트포오크는 변속레버의 작동력을 직접 전달하게되는 왕복운동에 따른 마찰력을 받게된다는 것을 감안할때, 본발명에 따른 소재를 사용한 제품의 내마모성이 매우 우수하다는 것을 알 수가 있다.On the other hand, the wear resistance test results in the case of shift forks are more pronounced. That is, the wear amount of the invention is more than 59% when using the 1st and 2nd gears, and 87% or more when the 3rd and 4th gears are used. Considering that the synchronizing ring in the above description is subjected to a frictional force according to the relative rotational movement, while the shift fork is subjected to a frictional force due to the reciprocating motion directly transmitting the operating force of the shift lever, It can be seen that the wear resistance of the product using the material according to the present invention is very excellent.
이상의 설명에서와 같이, 본발명에 따른 고력황동합금 제조방법은 소정의 배합단계와 열처러 및 접종단계로 이루어져 제조공정이 비교적 간단해지고, 그에 따른 열처리 설비 또한 소형화가 가능해지며, 본발명에 따라 제조된 고력황동합금은 Cr 및 Al을 적정량 첨가시킴으로써 황동의 기지조직(α+β)에 내마모성이 큰 MnSi 조직이 미세하고 균등하게 석출되게되어 자동차용 싱그로나이저링과 쉬프트포오그등과 같이 고속회전 및 왕복웅동을 받게되는 고속운동부품에 요구되는 내마모성 및 인성을 부여해 줄수있개되는 우수한 부품을 만들 수 있는 것이다.As described above, the high-strength brass alloy manufacturing method according to the present invention consists of a predetermined mixing step, heat treatment and inoculation step, the manufacturing process is relatively simple, the heat treatment equipment according to the present invention can be miniaturized, manufactured according to the present invention The high-strength brass made of Cr and Al adds an appropriate amount of Cr and Al so that the wear resistant MnSi structure is finely and evenly deposited on the brass base structure (α + β). And it is possible to make excellent parts that can give the wear resistance and toughness required for the high-speed movement parts subjected to reciprocating motion.
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