KR910009499B1 - 구리-주석-아연-비스무스계 합금 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

구리-주석-아연-비스무스계 합금

본 발명은 주조용 합금, 특히, 한정하는 것은 아니지만 인간이 소비하는 물(식수로 후술함) 공급용 급수장치의 부품 제조용 합금에 관한 것이다.

이제까지는, 예컨대, 수도꼭지, 밸브, 계량기 및 파이프 연결구같은 부품을 포금같은 구리를 기초로한 주조용 합금으로 제조하는 것이 일반적이었다. 최종 제품을 형성하기 위해서는 필수적으로 합금 주물을 기계 가공하여야 하기 때문에 기계 가공이 자유로운 합금을 사용하는 것이 필수적이다. 종래에는, 포금 및 다른 구리를 기초로한 합금에 통상 1-9중량%, 대개는 약 5중량%의 양의 납을 부가함으로써 기계 가공이 자유롭게 했다. 그러나, 최근 수년동안 물을 마심으로써 유발되는 유해한 납의 누적효과에 대해 여론의 관심이 쏠렸다. 어떤 연관을 용해시키는 물이 그러한 합금으로부터 납을 용이하게 용해시킨다. 또한, 그러한 합금의 제조 및 처리 주물 공장의 대기가 필수적으로 납을 함유하기 때문에 필연적으로 그러한 위험이 가중된다. 또한, 사용된 주물사같은 주물 공장 폐기물이 납을 함유하므로 폐기 문제를 야기시킨다.

그러므로, 최근 수년동안 실질적으로 납이 없는 식수 급수용 및 다른 용도의 합금으로 제조되는 부품을 개발하려는 노력이었으나 현재까지 상업 및 기술적으로 적합한 대체 합금을 발견했다는 것을 아는 바 없다. 이와 관련하여 특히, 식수 급수 장치용의 부품들과 관련하여, 그러한 어떤 종류의 대체 합금도 종래의 납함유 합금과 비교하여 가격 경쟁력이 있는 것이 바람직하며, 물론 적절한 가공특성, 기계적 특성 및 내마모성 특성을 지녀야 한다. 특히, 그 합금들은 허용가능한 강도 및 누설방지 성질을 지니면서도, 특히 자유로운 기계 가공으로서 마무리 다듬질될 수 있는 방음 및 내압 주조물로 주조가능해야 한다. 또한, 합금이 아연을 함유하는 경우에, 그 합금들은 탈아연에 견디거나 본질적으로 탈아연되지 말아야 한다.

이제 본 발명자들은 어떤 구리 합금에 대부분 또는 전체 납 대신에 비스무스를 투입함으로써, 예컨대, 식수 급수 장치 부품을 제조하는데 적합하며 공지된 심각한 오염문제를 전혀 지니지 않는 실질적으로 납이 없고 기계 가공이 자유로우며 탈아연되지 않는 주조용 합금을 제조할 수 있음을 발견했다.

그러므로, 본 발명의 한 특징에 따라서, 1.5 내지 7중량%의 비스무스, 5 내지 15중량%의 아연, 1 내지 12중량%의 주석을 함유하는 합금이 제공되어 있는바, 어떤 불순물 및 적은 양의 기본적인 부가제를 제외한 나머지는 구리이다.

비스무스 함량은, 1.5 내지 5중량%, 바람직하게는 2 내지 5중량%, 더욱 바람직하기로는 2 내지 3중량%이며, 아연 함량은, 바람직하기로는, 5 내지 12중량%, 더욱 바람직하기로는 5 내지 10중량%, 가장 바람직하기로는 6 내지 8중량%이며, 주석 함량은 2.5 내지 5중량%인 것이 바람직하다. 본 발명의특수 바람직한 합금은, 2 내지 3중량%의 비스무스, 5 내지 8중량%의 아연, 2.5 내지 5중량%의 주석 특히, 2 내지 2.2중량%의 비스무스, 7.1 내지 7.8중량%의 아연 및 3.3 내지 3.6중량%의 주석을 함유한다.

그 합금은, 합금이 필요로 하는 성질에 심각하게 악영향을 미치지 않고, 또한, 비록 독성이 있을지라도 그 합금이 식수 급수 장치용 부품에 사용되는 경우 식수에 의해 합금으로부터 상당량이 용해되지 않는다면, 특히 구리를 기초로한 주조용 합금에 보통 존재하는 불순물 및 기본적 부가제를 소량 함유할 수 있다. 이와 관련하여, 비스무스는 식수에 의해 본 발명의 합금으로부터 용해되어 나올 수 있는 양정도로는 필수적으로 독성이 없는 것으로 확인되고 있다. 불순물 총량은 1중량%를 초과하지 않는 것이 바람직하며, 대체로 어떤 계획된 부가제들은 약 3중량% 2중량%를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 허용된 불순물 및 부가제 및 그들의 바람직한 초대량의 예는 다음과 같다.

니켈 - 0 내지 2중량% 함유

납 - 0 내지 0.4중량% 함유

철/안티몬/비소 - 총 0 내지 0.75중량% 함유

알루미늄 - 0 내지 0.01중량% 함유

규소 - 0 내지 0.02중량% 함유

유황 - 0 내지 0.01중량% 함유

망간 - 0 내지 0.5중량% 함유

상기 사항중, 니켈 또는 철 또는 망간은, 예컨대, 합금의 성질을 약간 변경하기 위하여 계획적으로 부가될 수 있으며 선택적으로 불순물로 존재할 수 있다.

합금이 소량의 납을 함유할 수 있으나(부수적인 불순물로 대개 함유하지만 필수적인 것은 아님) 그 양은 기계 가공성을 향상시키기 위하여 이제까지 구리 합금에 첨가했던 양보다는 훨씬 더 적음이 주지될 것이다.

본 발명의 또 다른 특징에 따라서, 같은 식수 급수 설비용으로 사용되며, 본 발명의 합금으로 이루어진, 에컨대, 수도꼭지, 밸브, 계량기 또는 파이프 연결구 같은 부품이 제공된다.

비록, 본 명세서에서는, 어떤 금속 부분 및 특히 수도꼭지, 밸브, 수도계량기의 부품과 같은 사용시 식수에 노출되는 부분을“부품”이라고 표현하였지만, 그러한 부품의 본체를 본합금으로 제조하게 된다.

본 발명에 따른 합금은 통상적인 수단으로 제조 및 꼭공된다. 특히, 그것들은 주조할 수 있고 용이하게 기계 가공할 수 있다는 것이 특징이다.

또한 그 합금은, 일반적으로, 스톱 콕, 수도꼭지, 수도계량기, 게이트 밸브, 첵 밸브 및 특히 모세관 땜납 또는 기계적(예를들어 가압, 플랜지 또는 나사 결합) 형태의 관 연결구같은 음료수에 사용하기에 적합한 요소를 제조하는데 특히 적절하게하는 성질들을 지닌다. 그러한 요소들의 더욱 중요한 성질중에는 다음 것들이 있다.

내압(또는 낮은 다공도)

인장 특성

피로 특성

충격 특성

내침식성(탈아연에 대한 저항을 포함)

시효 특성

납땜 가능성(특히 모세관 납땜형 연결구의 경우)

실제로, 본 발명의 합금의 상기 특성은 주석 3중량%, 납 5중량%, 아연 8중량% 및 나머지가 구리인 공칭 조성(BS 1400(1985) Table 5의“LG1”으로 후술됨) 및 주석 5중량%, 납 5중량%, 및 아연 5중량%와 나머지가 구리인 공칭 조성(BS 1400(1985) Table 5의“LG2”로 후술됨)을 각기 지니는 보통 사용되는 납함유 포금의 상응하는 성질과 실제로 같다.

특히, 내침식성과 관련하여, 본 발명의 합금은 본질적으로 탈아연에 대해 저항을 지님을 발견했다.

다음의 실시예들은 본 발명을 예시한다.

[실시예 1-5]

표 I에 수록된 공칭 조성을 지니는 일련의 합금의 수록된 구성물을 함께 용해시킴으로써 제조했다. 조성성분중 아연의 탈가스화를 피하기 위하여 아연을 황동의 형태로 첨가했다.

[표 I]

그후에, 체적%, 다공도 및 인장과 충격 특성을 결정하기 위하여 본 합금들로 다수의 샘플을 주조했다.

하기의 표 II, III ,IV 및 V는 LG1 및/또는 LG2에 대해 상응하는 비교 데이터와 함께 얻어진 결과의 평균치를 제공한다.

퀸티멧 상분석기(Quantimet Inage Analyser)를 사용하여 미부식 상태의 연마된 시편으로 다공도를 측정했다.

인장 시험은 2가지 치수의 시편, 즉, 6.04mm의 직경 및 7.98mm의 직경을 각기 지니는 봉을 사용하여 다른 온도에서 수행했다.

충격 시험은 이조드(Izod) 기계를 사용하여 기계 가공되어 노치를 지니는 시편으로 다른 온도에서 수행했다.

[표 II]

[표 III]

[표 IV]

[표 V]

작은 주조 부분의 기계적 시험에 따른 공지의 난점 및 그러한 시험으로 일반적으로 받아들여지는 광범위한 결과의 관점에서, 상기 결과는 실시예 1 내지 5의 각각의 합금이 LG1으로 언급된 공지의 납 함유 포금 및, 결정되어 있는 경우에는, LG2로 언급된 공지의 납 함유 포금과 유리하게 비교가능함을 보여주고 있다.

또한, 그들 각각의 기계 가공성은 LG1 및 LG2의 그것과 비교가능한바 BS 1400(1985)에 따르면“탁월함”이라는 등급을 받는다.

또한, 주석/납 또는 주석/구리 연납 또는 주석/납 땜납 합금, 즉, 연관 업계에서 보통 사용되는 것들이 허용가능함은 물론이며 LG1과 LG2의 땜납 가능성과 비교가능하다.

마지막으로, 각각은 BS 2872에 규정된 바와 같이 탈아연에 대해 본질적으로 저항을 갖는 것으로 판명됐다.

또한, 실시예 1 내지 4의 합금 및 LG2를 150℃와 350℃ 사이의 높은 온도에서 유사한 인장 시험을 했다. 그 결과가 표 Ⅵ에 수록되어 있다.

[표 IV]

이들 결과들은 본 발명의 합금이 높은 온도에서 LG2와 비교할 만한 인장 특성을 지님을 보여주고 있다. 음요수용에 있어서는 물론, 비록 사용 요소들이 온수용에 동일하게 사용될 수 있지만, 이 경우에 최대 작용 온도가 약 70℃를 초과하기 어렵고 실제 도달될 최대 온도는 대개 약 20℃이기 때문에 높은 온도의 인장 특성이 사용 요소들에 관련되지는 않는다.

그러나, 본 발명의 어떤 합금의 높은 온도에서의 인장 특성은 고온 취성, 즉, 정규 작동 범위 이상의 온도에서 덜 무르게되는 경향을 보인다. 이는 가공과 관련되며, 특히 어떤 경우에는 주조된 부품내에 결합이 발생하는 것을 방지하기 위하여 비교적 저속으로 주물을 냉각하도록 허용하기에 바람직함을 의미한다.

[실시예 6]

다음의 조성(수록된 양의 ±1%의 정확도) 즉,

을 지니는 합금을 약 165.5kg의 중량의 배치(batch)내에서 용해시켜 셀 모울딩으로 주조하고 1358 15mm×1/2′ BSP 뒤판 엘보우 연결구(아이엠아이 요크셔 피팅스사의“제15번”연결구)로 기계 가공했다. 그러한 연결구는 1/2′ BSP 암나사부 및 예컨대, 벽에 연결구를 장착하기 위한 일체로된 뒷판상의 15mm 모세관 소켓을 포함한다. 몇가지 연결구들은 시험 목적을 위해 일상적 방법으로 설치했으며 나사 결합부 및 모세관 납땜 결합부 모두는 5bar의 시험 수압에서 모두 누출되지 않았다. 또한, 각각의 연결구( 및 특히 본체와 뒷판 사이의 결합부)는 충분히 허용가능한 강도를 지녔다.

24.5kg의 또 다른 배치에서 상기 합금을 셀 모울딩으로 주조하여 34 54mm ×2′ BSP 수(male)엘보우 관연결구(아이엠아이 요크셔 피팅스사의“제13번”연결구)로 기계 가공했다. 그 연결구는 54mm 모세관 소켓 및 2′BSP 수나사부를 포함한다. 그 연결구들은 시험 목적으로 일상적 방법으로 장착했으며 본체와 연결부들은 5bar의 시험 수압에서도 누출을 억제함을 발견했다.

[실시예 7]

다음 조성(기재된 양의 ±1%의 정확도), 즉

을 지니는 합금을 실시예 6과 유사한 치수의 배치내에서 용해하여 셀 모울딩으로 주조하여 그것을 기계 가공했다. 유사하게 훌륭한 누출 방지 특성(5bar의 수압에서) 및 강도 결과가 얻어졌다.

본 발명의 주조 합금은 최소한 90중량%의 구리+아연+주석 함량을 지니는 것이 바람직하고, 최소한 95중량%의 그러한 함량을 지니는 것이 더욱 바람직한 바, 즉, 최소 구리 함량이 63중량%인 것이 바람직하고 68중량%인 것이 더욱 바람직하다. 유기하기로는, 구리+아연+주석 함량이 95.7 내지 97.5중량%이고 구리 함량이 80 내지 90중량% 사이인 것이다.

본 발명의 범위로부터 벗어난 주로 구리, 아연, 주석 및 비스무스를 함유하는 합금을 제외한 본 발명의 범위내의 주조 합금 모두는 특히 식수 급수 장치에 사용하는 부품들을 주조(특히 주물사 또는 셀 모울드를 사용하는) 및 필요하면, 차후의 기계 가공에 의해 제조하기에 사용키 적합하도록 하는 특성을 지닌다. 실제로, 특정된 가장 넓은 구성 범위로부터 벗어나면, 전술된 특성중 한가지 이상의 특성이 현저하게 저하된다. 그러므로, 비스무스 함량이 1.5중량% 미만인 경우, 기계 가공중에 긴 줄 형태로 칩이 형성되어 자동 기계 공구로부터 분리하기가 극도로 어렵다. (다시말해, 1.5중량% 미만의 비스무스를 지니는 합금은 BS 1400에 규정된 바의“탁월함”의 등급을 받지 못하게 된다). 비스무스 함량이 7중량% 이상인 경우, 조조중의 고열 취성이 문제가 되며 또한 기계 가공중에 동력 소모가 증가하게 되어 공구의 부하 상승 및 공구 마모 현상이 나타나는바, 즉, BS 1400의“탁월함”이라는 기계 가공 등급으로부터 벗어난다.

주물의 결과적인 기계적 특성의 심각한 손실을 초래하는 비스무스 구성물의 입계 효과를 제한하기 위해서는 최소 5중량%의 아연이 필요하다. 15중량% 보다 더 많은 아연의 존재하면 허용 불가능한 다공도 및 현저한 탈아연 현상이 일어나기 쉽다.

식수 급수 장치용으로 특히 허용가능한 수준의 침식 저항을 제공하고 주조 공정중에 합금의 충분한 유동성을 제공키 위해서는 최소 1중량%의 주석이 필요하다. 그러나 12중량% 이상의 주석을 함유하면, 합금의 기계적 특성에 악영향을 주는 중간 금속상이 형성되기 쉽다.

Claims (12)

1.5 내지 7중량%의 비스무스, 5 내지 15중량%의 아연, 1 내지 12중량%의 주석 및 그 나머지가 구리로 이루어지고, 실질적으로 납을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 기계 가공이 자유로운 식수 급수 장치 부품 주조용 합금.

제1항에 있어서, 1.5 내지 5중량%의 비스무스를 함유하는 합금.

제2항에 있어서, 2 내지 3중량%의 비스무스를 함유하는 합금.

제1항에 있어서, 5 내지 12중량%의 아연을 함유하는 합금.

제4항에 있어서, 6 내지 8중량%의 아연을 함유하는 합금.

제1항에 있어서, 2.5 내지 5중량%의 주석을 함유하는 합금.

제1항에 있어서, 2 내지 2.2중량%의 비스무스, 7.1 내지 7.8중량%의 아연 및 3.3 내지 3.6중량%의 주석을 함유하는 합금.

제1항에 있어서, 총량이 약 1중량%를 초과하지 않는 불순물을 함유하는 합금.

제1항에 있어서, 납 함량이 약 0.4중량%를 초과하지 않는 합금.

제1항에 있어서, 니켈, 철 및 망간으로부터 선택되는 부가제를 총량의 3중량%까지 함유하는 합금.

제10항에 있어서, 2중량%까지의 니켈을 함유하는 합금.

1.5 내지 7중량%의 비스무스, 5 내지 15중량%의 아연, 1 내지 12중량%의 주석 및 그 나머지가 구리로 이루어지고, 실질적으로 납을 함유하지 않는 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 식수 급수 장치용 부품.