KR20050087082A - Lead-free cutting bronze alloy and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 무연 쾌삭 청동합금 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 무연 쾌삭 청동합금은, 구리(Cu) 100 중량부에 대하여, 주석(Sn) 3.5∼6.9 중량부와, 비스무스(Bi) 1.2∼2.4 중량부와, 규소(Si) 0.6∼1.2 중량부와, 아연(Zn) 4.6∼14.8 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 유해한 납(Pb) 원소를 실질적으로 수중에 용출시키지 않아 친환경적인 소재가 될 수 있을 뿐만 아니라 납(Pb) 원소의 대체원소로 비스무스(Bi)가 첨가되는 종래의 무연 청동합금보다 경제적으로 제조할 수 있으면서도 납(Pb) 원소의 대체원소로 첨가되는 비스무스(Bi) 원소의 영향으로 인한 취성을 억제할 수 있어 주조성, 절삭가공성 등의 기계적 성질이 납(Pb)의 용출 문제를 해결하지 못한 현재의 청동합금보다 크게 저하되지 않게 할 수 있게 된다. The present invention relates to a lead-free free cutting bronze alloy and a method for producing the same. The lead-free free-cut bronze alloy according to the present invention has 3.5 to 6.9 parts by weight of tin (Sn), 1.2 to 2.4 parts by weight of bismuth (Bi), and 0.6 to 1.2 parts by weight of silicon (Si) based on 100 parts by weight of copper (Cu). And 4.6 to 14.8 parts by weight of zinc (Zn). As a result, it is possible to become an environmentally friendly material by substantially not eluting harmful lead (Pb) elements in water, and economically, compared to conventional lead-free bronze alloys in which bismuth (Bi) is added as an alternative element of lead (Pb) elements. Although it can be manufactured, brittleness due to the influence of bismuth (Bi) element added as an alternative element of lead (Pb) element can be suppressed, and mechanical properties such as castability and machinability do not solve the problem of dissolution of lead (Pb). It can be prevented from being significantly lower than that of the current bronze alloy.
Description
본 발명은, 무연 쾌삭 청동합금 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 납(Pb) 함량이 0.2중량% 이하가 되도록 하면서도 납(Pb) 원소의 대체원소로 비스무스(Bi)가 첨가되는 종래의 무연 청동합금보다 경제적으로 제조할 수 있으면서도 비스무스(Bi) 원소의 영향으로 인한 취성을 억제하여 절삭가공성이 납(Pb)의 용출 문제를 해결하지 못한 현재의 청동합금보다 크게 저하되지 않게 할 수 있는 무연 쾌삭 청동합금 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a lead-free free-cut bronze alloy and a method for manufacturing the same, and more particularly, bismuth (Bi) is added as an alternative element of lead (Pb) while the content of lead (Pb) is 0.2% by weight or less. It can be manufactured more economically than conventional lead-free bronze alloys, while suppressing brittleness due to the influence of bismuth (Bi) elements, so that the machinability can not be significantly lowered than current bronze alloys, which have not solved the problem of dissolution of lead (Pb). It relates to a lead-free free-cut bronze alloy and a method for producing the same.
넓은 의미의 청동(Bronze)은 황동 이외의 모든 구리합금을 말하는 것이지만, 좁은 의미의 청동이라 함은 구리합금 중에서 가장 오래 전부터 사용되어 왔던 구리(Cu)-주석(Sn)계의 합금을 말한다. 청동은 주석청동이라고도 하는데 황동 다음으로 대표적인 동합금으로, 황동에 비해 내식성 및 기계적 성질이 우수하나 값이 비싼 단점이 있으며, 일반적으로 주조품으로 사용되며 탈산과 가소성을 양호하게 하기 위해 인(P)과 아연(Zn) 등을 첨가하는 경우가 많다. Bronze in the broad sense refers to all copper alloys other than brass, but bronze in the narrow sense refers to the copper (Cu) -tin (Sn) -based alloy which has been used for the longest time among copper alloys. Bronze, also known as tin bronze, is the second best copper alloy after brass. It has superior corrosion resistance and mechanical properties compared to brass, but it is expensive. It is generally used as a cast product to improve deoxidation and plasticity. (Zn) or the like is often added.
이와 같은 청동은 주로 기기류, 미술공예품, 일용품, 화폐, 종 및 동상 등에 널리 이용된다. 주석의 함유량과 용도에 따라 종류도 다양하여, 포금(구리 86∼90%, 주석 15∼25%, 아연 소량), 종청동(구리 75∼85%, 주석 15∼25%), 경청동(구리 65∼70%, 주석 30∼35%), 화폐청동(구리 95% 전후, 주석 5% 전후, 아연 소량), 납(Pb)을 함유하는 베어링 청동이 있다. 이밖에 인청동, 알루미늄청동, 망간청동 등이 있는데, 이들은 특수청동이라고 불리고 있다. 청동의 색깔은 5% 주석까지 적동색이지만 주석 함량이 증가함에 따라 황색기를 띄고 15% 주석이 되면 등황색으로 된다. 특히 청동주물 1종은 유동성, 절삭성이 좋으며 밸브, 주수기, 베어링, 명판, 일반 기계부품 등에 사용되고 있으며, 청동주물 6종은 내압성, 내마모성, 절삭성, 주조성이 좋아 밸브, 펌프몸체, 임펠러, 급수전, 베어링, 슬리브, 부시, 일반 기계부품 등에 사용되고 있다. Such bronze is widely used mainly in equipment, arts and crafts, daily necessities, money, bells and statues. Depending on the content and use of tin, there are also various types of metals: 86-90% copper, 15-25% tin, small amounts of zinc, seed bronze copper (75-85% copper, 15-25% tin), light bronze copper (copper 65 Bearing bronze containing -70%, tin 30-35%), money bronze (about 95% copper, about 5% tin, small amounts of zinc), and lead (Pb). In addition, there are phosphor bronze, aluminum bronze, and manganese bronze, which are called special bronzes. The bronze color is reddish to 5% tin but becomes yellowish with increasing tin content and becomes yellowish when 15% tin is reached. In particular, one bronze casting has good fluidity and cutting ability, and is used for valves, water dispensers, bearings, nameplates, and general mechanical parts. Six bronze castings have good pressure resistance, abrasion resistance, machinability, and casting ability. It is used for bearings, bearings, sleeves, bushes and general mechanical parts.
이러한 청동합금의 각종 첨가원소들을 살펴보면, 청동합금은 구리, 주석 및 아연을 주성분으로 하고 그밖에 수%의 납과 일부 원소들을 잔여 성분으로 포함하고 있는데, 그 중 대부분을 차지하는 구리에 대해, 주석은 주조성 뿐만 아니라 내식성을 향상시켜 납의 용출을 억제하기 위하여 첨가되어 동과 합금을 형성하고 경도를 상승시키는 역할을 하며, 아연은 주석과 유사한 효과를 가지며 융점을 내리고 용탕을 환원시키는 역할을 하는 것으로 모두 수 중량% 내지 십수 중량%의 비율로 함유되고 있다. 그리고 납(Pb)은 청동합금의 절삭가공성을 향상시키기 위해서 첨가된다. Looking at the various additive elements of these bronze alloys, bronze alloys contain copper, tin and zinc as the main component, and other components contain several percent of lead and some elements as residual components. For most of the copper, tin is castable In addition, it is added to suppress corrosion of lead by improving corrosion resistance and forms an alloy with copper and increases hardness. Zinc has a similar effect to tin, lowers melting point and reduces melt. It is contained in the ratio of% to tenth weight%. And lead (Pb) is added to improve the machinability of the bronze alloy.
청동 특히 주물용 청동합금에서 가장 많이 요구되는 물성 중의 하나인 절삭가공성을 위하여 청동합금을 생산할 때 첨가되는 납(Pb)은, 청동에서 고용도가 거의 없어 입자상태로 조직에 분포하게 됨에 따라 가공 중에 칩(chip)을 잘게 부수는 효과가 있고, 또한 가공 시 발생되는 열에 의해 상대적으로 융점이 낮은 납(Pb)이 윤활제 역할을 함에 따라 가공저항력을 감소시키는 효과가 있으며, 절삭공구의 수명을 연장시켜주는 효과도 동반하게 되므로 쾌삭 청동을 제조하는 데에는 필수적인 첨가물로 취급되어 왔다. Bronze (Pb) added when producing bronze alloy for cutting processability, which is one of the most demanded physical properties in bronze alloys, especially in castings. It has the effect of crushing chips and also reduces the machining resistance as lead (Pb), which has a relatively low melting point, acts as a lubricant due to heat generated during machining, and extends the life of cutting tools. It has also been treated as an essential additive in the manufacture of free-cut bronze, as it is accompanied by a giving effect.
그러나, 근래 환경보호나 건강 피해에 관한 관심이 높아지면서, 수돗물을 비롯한 수중의 납 용출이 문제되고 있다. 즉 주물용 청동합금에서 가장 많이 요구되는 물성 중의 하나인 우수한 절삭가공성을 갖는 청동합금을 사용한 급수전이나 배관, 펌프 부품 등에는 수%의 납이 포함되어 있기 때문에 수중으로 납이 용출되고, 그 물을 음료수 등으로서 사용한다면 건강에 해로움을 미칠 염려가 있는 것이다. 일반적으로 납(Pb)은 대기로부터의 호흡, 신체접촉 뿐만 아니라 음식물 및 식수 등을 통하여 인체의 내부로 흡수되어 뼈에 축적되어 성장기에 있는 어린이에게는 발육부진의 현상이 일어나고, 성인의 경우에는 골다공증을 유발하며, 피부와 눈의 황달현상, 구토, 소화장애, 무기력증, 잇몸의 블랙라인, 고혈압, 시각장애 등의 질병은 물론이고, 뇌에 영향을 미쳐 경련과 쇼크를 일으키게 되기 때문에, 납(Pb) 성분이 용출되는 청동합금의 사용이, 납(Pb) 성분이 용출되는 황동합금과 더불어 점차 엄격하게 규제되고 있는 실정이다. However, with increasing interest in environmental protection and health damage, lead elution in water, including tap water, has become a problem. In other words, water supply, pipes, pump parts, etc. using bronze alloy having excellent machinability, which is one of the most demanded properties of casting bronze alloys, contain some% of lead, and lead is eluted in water. If you use it as a drink, there is a risk of harm to health. In general, lead (Pb) is absorbed into the human body through food and drinking water as well as breathing from the atmosphere, body contact, and accumulate in the bones, causing developmental swelling in children in the growing phase, and osteoporosis in adults. Pb (Pb) because it causes skin and eye jaundice, vomiting, digestive disorders, lethargy, gum blackline, hypertension, visual impairment, as well as cramps and shock. The use of the bronze alloy to elute the component is increasingly stringent with the brass alloy to elute the lead (Pb) component.
이러한 이유로 인해 급수용으로 사용되는 황동에 대해서 선진국들과 국내 업체들은 무연황동 개발을 이미 시작하였으며, 최근 납(Pb)을 대신해 비스무스(Bi), 셀렌(Se) 등의 대체원소를 첨가한 제품들을 생산하고 있다. 그러나 청동의 경우 국내에서는 아직 그 예를 찾기가 어려운데, 이는 국내 청동주물의 사용범위가 지리적 특성상 급수용보다는 공업용으로 사용되고 있으며, 황동보다 값이 비싸기 때문으로 풀이된다. 또한 1998년에 'KS B 2308 볼 밸브' 산업규격 개정에서 '수도용 냉/온수는 탈 아연 대책용 황동재료(내식황동, 무연황동) 및 청동재료로 한다'는 것은, 청동 밸브 업계의 요청에 따라 볼 밸브 소재로서 내식성이 우수한 청동으로도 사용할 수 있도록 함께 개정된 것으로서, 내식 특성을 위해서는 가능하나, 일반적으로 가공용 황동에서 무연(lead-free)은 납 함량이 0.2 중량% 이하인 것을 의미하는 것으로 여기서 납은 의도적으로 첨가된 것이 아니라 재활용 스크랩에서 유입되는 납을 포함하는 것임을 감안하면, 무연에 대하여 특별한 규정이 없는 청동재료의 경우에 있어서는 납 용출 문제는 그대로 방치한 결과를 초래하였다. 따라서, 국내 업체로서는 청동소재의 경우에 함유된 납의 용출 문제를 해결할 필요성이 절실히 대두되고 있다. For this reason, developed countries and domestic companies have already begun developing lead-free brass for brass used for water supply, and recently, products containing bismuth (Bi) and selenium (Se) instead of lead (Pb) have been added. Produces. However, bronze is still difficult to find an example in Korea, which is interpreted because the scope of use of domestic bronze casting is used for industrial purposes rather than water supply because of its geographical characteristics, and it is more expensive than brass. Also, in 1998, the KS B 2308 Ball Valve Industrial Standard was revised that 'cold / hot water for water is made of brass material (corrosion-resistant brass, lead-free brass) and bronze material for de-galvanization, according to the request of the bronze valve industry. As a ball valve material, it has been revised so that it can be used as a bronze having excellent corrosion resistance, but it is possible for corrosion resistance, but in general, lead-free in processing brass means that the lead content is 0.2% by weight or less. Considering that silver is not added intentionally but contains lead from recycled scrap, the lead elution problem has been neglected in the case of bronze materials that do not have specific requirements for lead-free. Therefore, there is an urgent need for domestic companies to solve the elution problem of lead contained in bronze materials.
이와 관련하여 해외의 기술을 살펴보면, 이러한 문제점을 고려하여 납(Pb) 성분 대신에 비스무스(Bi)를 첨가하여 가공절삭성을 향상시킨 몇 가지 청동합금이 일본국 공개특허공보 특개평5-279771호 및 미국특허공보 제5,330,712오 등에서 소개된 바 있다. In this regard, when looking at foreign technologies, in view of these problems, some bronze alloys having improved workability by adding bismuth (Bi) instead of lead (Pb) are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-279771 and US Patent Publication No. 5,330,712 Oh et al.
그런데, 종래의 쾌삭 무연 청동합금에 있어서는, 납(Pb) 성분 대신에 상대적으로 고가인 비스무스(Bi)를 첨가하므로 경제적인 측면에서 불리할 뿐만 아니라 소량의 비스무스(Bi)으로도 구리가 극도의 취성을 띠게 되는데 절삭가공성 향상을 위한 비스무스(Bi)의 과다 첨가로 인하여 취성을 띠게 되어 기계적 특성이 저하되는 문제점이 있었다.However, in the conventional free cutting lead-free bronze alloy, relatively expensive bismuth (Bi) is added in place of the lead (Pb) component, which is disadvantageous in terms of economics, and copper is extremely brittle even with a small amount of bismuth (Bi). However, due to excessive addition of bismuth (Bi) for improving the machinability, the brittleness becomes poor, resulting in a decrease in mechanical properties.
따라서, 본 발명의 목적은, 종래의 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 유해한 납(Pb) 원소를 실질적으로 수중에 용출시키지 않아 친환경적인 소재가 될 수 있을 뿐만 아니라 납(Pb) 원소의 대체원소로 비스무스(Bi)가 첨가되는 종래의 무연 청동합금보다 경제적으로 제조할 수 있으면서도 납(Pb) 원소의 대체원소로 첨가되는 비스무스(Bi) 원소의 영향으로 인한 취성을 억제할 수 있어 주조성, 절삭가공성 등의 기계적 성질이 납(Pb)의 용출 문제를 해결하지 못한 현재의 청동합금보다 크게 저하되지 않게 할 수 있는 무연 쾌삭 청동합금 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention, in order to solve such a problem in the prior art, it is possible to not only elute harmful lead (Pb) element in the water and become an environmentally friendly material, but also bismuth as an alternative element of the lead (Pb) element It can be manufactured more economically than the conventional lead-free bronze alloy to which (Bi) is added, but can suppress brittleness due to the influence of bismuth (Bi) element added as an alternative element of lead (Pb) element. It is to provide a lead-free free-cut bronze alloy and its manufacturing method which can be made so that the mechanical properties of the Pb is not significantly lower than the current bronze alloy that does not solve the problem of dissolution of lead (Pb).
상기 목적은, 본 발명에 따라, 구리(Cu) 100 중량부에 대하여, 주석(Sn) 3.5∼6.9 중량부와, 비스무스(Bi) 1.2∼2.4 중량부와, 규소(Si) 0.6∼1.2 중량부와, 아연(Zn) 4.6∼14.8 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 쾌삭 청동합금에 의해 달성된다.According to the present invention, the above object is based on 100 parts by weight of copper (Cu), 3.5 to 6.9 parts by weight of tin (Sn), 1.2 to 2.4 parts by weight of bismuth (Bi), and 0.6 to 1.2 parts by weight of silicon (Si). And 4.6-14.8 parts by weight of zinc (Zn).
여기서, 상기 구리(Cu) 100 중량부에 대하여, 인(P) 0.04∼0.18 중량부를 더 포함하도록 하면 비스무스(Bi)가 결정립계에서 필름형태로 형성되는 것을 억제할 수 있어 바람직하다.Here, it is preferable to further contain 0.04 to 0.18 parts by weight of phosphorus (P) with respect to 100 parts by weight of copper (Cu) because it can suppress the formation of bismuth (Bi) in the form of a film at grain boundaries.
한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 81.0∼87.0 중량%의 구리(Cu)와, 0.2중량% 이하의 납(Pb)과, 0.3중량% 이하의 철(Fe)과, 3.0∼6.0중량%의 주석(Sn)과, 0.8중량% 이하의 니켈(Ni)과, 1.0∼2.0중량%의 비스무스(Bi)와, 0.5∼1.0중량%의 규소(Si)와, 0.03∼0.15중량%의 인(P)과, 4.0∼12.0 중량%의 아연(Zn)으로 구성된 화학조성을 가지도록, 동 및 동합금 스크랩, 아연(Zn), 주석(Sn), 비스무스(Bi), 인(P) 지금(地金)을 배합 계산하여 용해로에 장입하여 1050℃∼1100℃ 범위에서 교반하면서 1∼2시간 동안 용해시켜 상기 화학조성을 맞추는 단계; 및 상기 용해로의 온도를 1100℃∼1200℃로 올려 5∼15분간 교반하면서 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고 출탕시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 쾌삭 청동합금의 제조방법이 제공된다.Meanwhile, according to another field of the present invention, 81.0 to 87.9% by weight of copper (Cu), 0.2% by weight or less of lead (Pb), 0.3% by weight or less of iron (Fe), and 3.0 to 6.0% by weight Tin (Sn), 0.8 wt% or less nickel (Ni), 1.0 to 2.0 wt% bismuth (Bi), 0.5 to 1.0 wt% silicon (Si), and 0.03 to 0.15 wt% phosphorus (P ) And copper and copper alloy scraps, zinc (Zn), tin (Sn), bismuth (Bi), phosphorus (P), and so on to have a chemical composition composed of 4.0 to 12.0 wt% zinc (Zn). Charging the mixture to dissolve for 1 to 2 hours while stirring in a range of 1050 ° C to 1100 ° C to adjust the chemical composition; And raising and lowering the temperature of the melting furnace to 1100 ° C. to 1200 ° C. while stirring for 5 to 15 minutes to remove the non-metallic inclusions in the slag state and tapping them. A method of manufacturing a lead-free free-cut bronze alloy, comprising: .
이하에서는 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 무연 쾌삭 청동합금은, 구리(Cu) 100 중량부에 대하여, 주석(Sn) 3.5∼6.9 중량부와, 비스무스(Bi) 1.2∼2.4 중량부와, 규소(Si) 0.6∼1.2 중량부와, 아연(Zn) 4.6∼14.8 중량부와, 인(P) 0.04∼0.18 중량부와, 불가피한 불순물의 화학성분 조성을 갖는데, 납(Pb) 대신에 비스무스(Bi)를 첨가하되 상대적으로 고가인 비스무스(Bi)를 2.0 중량%로 제한하고 대신 규소(Si)를 첨가하여 비스무스(Bi) 함량이 저하되더라도 절삭가공성을 크게 저하되지 않도록 하였다. 그리고 인(P)은, 자세히 후술하겠지만, 비스무스(Bi)가 결정립계에서 필름형태로 형성되는 것을 억제하여 취성을 감소시키기 위하여 첨가되는 것이므로 만약 인(P) 성분 없이도 원하는 절삭가공성을 얻을 수 있다면 인(P)을 첨가하지 않을 수 있음은 물론이다.The lead-free free-cut bronze alloy according to the present invention has 3.5 to 6.9 parts by weight of tin (Sn), 1.2 to 2.4 parts by weight of bismuth (Bi), and 0.6 to 1.2 parts by weight of silicon (Si) based on 100 parts by weight of copper (Cu). Part, 4.6 to 14.8 parts by weight of zinc (Zn), 0.04 to 0.18 parts by weight of phosphorus (P), and a chemical composition of unavoidable impurities. Bismuth (Bi) is added in place of lead (Pb), but it is relatively expensive. Bismuth (Bi) was limited to 2.0% by weight and silicon (Si) was added instead to reduce the machinability even if the bismuth (Bi) content is reduced. And phosphorus (P) will be described later in detail, bismuth (Bi) is added to reduce the brittleness by suppressing the formation of the film form at the grain boundary, so if the desired machinability can be obtained without the phosphorus (P) component It goes without saying that P) may not be added.
본 발명에서 납(Pb)의 대체 원소로 비스무스(Bi), 규소(Si), 그리고 인(P)을 첨가한 이유에 대하여 설명하기 전에 납(Pb)에 대하여 설명하면, 청동합금의 절삭가공성은 0.5∼3.0중량%의 납을 첨가함으로써 현저하게 향상될 수 있다. 납(Pb)은 고체상태에서는 구리에 거의 녹지 않지만 액체상태에서는 상당한 용해도를 갖는다. 응고 중에 납(Pb)은 석출되어 제2상 입자로서 분산되어 결정립 내부와 입계를 따라 균일하게 분포한다. 절삭가공 중에 이들 입자는 칩을 부러뜨리는 역할을 하며 공구와 피절삭물이 달라붙는 현상을 방지한다. 많은 배관용 부대설비가 이러한 재료로 만들어진다. 미국에서만 매년 약 500,000톤의 납 함유 동합금이 사용된다. 그러나 전술한 바와 같이 의학적인 연구에 의하면 납(Pb)은 독성이 있으므로 쾌삭 청동합금에 들어가는 납을 대신할 다른 성분을 찾는 것이 필요하다.In the present invention, before explaining the reason for adding bismuth (Bi), silicon (Si), and phosphorus (P) as an alternative element of lead (Pb), the lead (Pb) will be described. It can be remarkably improved by adding 0.5 to 3.0% by weight of lead. Lead (Pb) is hardly soluble in copper in the solid state but has significant solubility in the liquid state. During solidification, lead (Pb) precipitates and is dispersed as second phase particles, which are uniformly distributed along the grain boundaries and grain boundaries. During cutting, these particles break the chip and prevent the tool and the workpiece from sticking together. Many plumbing fittings are made from these materials. About 500,000 tons of lead-containing copper alloys are used annually in the United States alone. However, as mentioned above, medical research has shown that lead (Pb) is toxic, so it is necessary to find other components to replace lead in free-cut bronze alloys.
이제 본 발명에서 납(Pb)의 대체 원소로 비스무스(Bi), 규소(Si), 그리고 인(P)을 첨가한 이유에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다. Cu-X합금(X는 Te, Se, Tl, Bi, S 중 하나)의 2원계 상태도로부터 이들 원소는 납과 마찬가지로 고체상태에서 구리에 극히 제한된 고용도를 가지며 납과 비슷한 역할을 할 수 있다고 알려졌다. 텔루르(Te), 셀렌(Se), 황(S)의 경우에는 금속간 화합물을 형성하여 납의 경우와 마찬가지로 균일하게 분산됨으로써 절삭성에도 같은 효과를 가져온다. 그러나 불행히도 이들 원소는 심각한 문제점을 가졌다. 텔루르(Te), 셀렌(Se), 탈륨(Tl)은 독성이 있으며 값도 비싸다. 그리고 황(S)은 구리나 구리의 합금에 쓰이는 다른 원소와 함께 해로운 반응을 일으킨다. 무독성이나 소량 으로도 구리가 극도의 취성을 띠게 한다. 따라서 비스무스(Bi)는 이 문제만 극복할 수 있다면 쾌삭 청동합금에서 납(Pb)을 대신할 수 있는 훌륭한 후보가 된다.Now, the reason for adding bismuth (Bi), silicon (Si), and phosphorus (P) as an alternative element of lead (Pb) in the present invention will be described in detail. From binary diagrams of Cu-X alloys (where X is one of Te, Se, Tl, Bi, and S), it is known that these elements, like lead, have very limited solubility in copper in the solid state and can play a role similar to lead. . In the case of tellurium (Te), selenium (Se), and sulfur (S), an intermetallic compound is formed and uniformly dispersed as in the case of lead, thereby bringing the same effect on machinability. Unfortunately, these elements have serious problems. Tellurium (Te), selenium (Se), and thallium (Tl) are toxic and expensive. Sulfur (S), along with other elements used in copper or its alloys, causes harmful reactions. Non-toxic and even in small amounts, copper is extremely brittle. Bis is therefore a good candidate to replace Pb in free-cut bronze alloys if only this problem can be overcome.
그런데, 비록 Cu-Pb상태도와 Cu-Bi상태도는 비슷하지만 이들 2원계 합금에서 2차상의 분산형태는 매우 다르다. Cu-Pb합금에서 Pb입자는 결정립계와 내부에 균일하게 분포하므로 이 합금의 역학적 특성에 해롭지 않다. 또한 Pb는 그 자체가 면심입방격자(Face-Centered Cubic lattice ; FCC)구조이므로 고유한 연성을 나타낸다. 따라서 Cu-Pb합금은 30중량%의 납(Pb)까지도 상당히 연성을 갖는다. 비스무스(Bi)도 Cu-Bi합금의 결정립 내부에 입자로 존재하므로 바람직한 측면이 있지만, 결정립계에는 비스무스(Bi)가 구형입자가 아니라 필름 형태로 존재한다. 이러한 필름의 존재는 합금을 취화시키며, 또한 비스무스(Bi)의 결정구조가 사방(斜方)육면체(Rhombohedral)이어서 그 자체가 원래 취성을 갖는다. 그러므로 Cu-Bi합금을 성공적으로 개량한다면 그것은 결정립계의 필름을 입자 형태로 바꾸어 주는 것이다.However, although the Cu-Pb state and the Cu-Bi state are similar, the dispersion form of the secondary phase in these binary alloys is very different. In Cu-Pb alloys, Pb particles are uniformly distributed in grain boundaries and inside, and therefore are not detrimental to the mechanical properties of the alloy. Pb also exhibits inherent ductility because it is a face-centered cubic lattice (FCC) structure. Thus, Cu-Pb alloys are considerably ductile, even up to 30% lead (Pb). Since bismuth (Bi) is also present as particles inside the grains of the Cu—Bi alloy, there is a preferable aspect. However, bismuth (Bi) is present in the form of a film rather than spherical particles. The presence of such a film embrittles the alloy, and the crystal structure of bismuth (Bi) is a tetrahedron (Rhombohedral), which itself is inherently brittle. Therefore, if the Cu-Bi alloy is successfully improved, it transforms the grain boundary film into a particle form.
결정립계에 비스무스(Bi) 필름이 형성되는 것은 액상에서의 구리(Cu)와 비스무스(Bi)의 표면장력 차이에 직접적인 관련이 있다. 즉 문제의 해결은 합금원소를 첨가하여 구리(Cu)의 표면장력을 낮추거나 비스무스(Bi)의 표면장력을 높임으로써 해결할 수 있다. 납(Pb)과 탈륨(Tl)만이 구리(Cu)에 녹지 않으면서 비스무스(Bi)에는 녹아서 비스무스(Bi)의 표면장력을 높여줄 수 있는 원소들이나 모두 독성이 있으므로 고려할 대상에서 제외한다. 반면에 인(P), 인듐(In), 주석(Sn), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 알루미늄(Al)은 구리(Cu)에는 녹으나 비스무스(Bi)에는 녹지 않으며 구리(Cu)의 표면장력을 현저히 감소시킬 수 있다고 알려졌다. 따라서 이들 원소 중에서 가장 적합한 원소를 선정할 수 있게 된다.The formation of bismuth (Bi) films at grain boundaries is directly related to the difference in surface tension between copper (Cu) and bismuth (Bi) in the liquid phase. That is, the solution of the problem can be solved by adding an alloying element to lower the surface tension of copper (Cu) or to increase the surface tension of bismuth (Bi). Only lead (Pb) and thallium (Tl) are soluble in bismuth (Bi) without melting in copper (Cu), but all of them are toxic and are not considered because they are toxic. On the other hand, phosphorus (P), indium (In), tin (Sn), germanium (Ge), gallium (Ga), zinc (Zn) and aluminum (Al) are dissolved in copper (Cu) but not in bismuth (Bi). It is known that it can significantly reduce the surface tension of copper (Cu). Therefore, the most suitable element can be selected from these elements.
이에 본 발명에서는 비스무스(Bi)가 결정립계에서 필름형태로 형성되는 것을 억제하기 위해 인(P)을 첨가하였으며, 또한 전술한 바와 같이 상대적으로 고가인 비스무스(Bi)의 함량을 낮춤으로서 경제적인 측면에서 유리할 뿐만 아니라 비스무스(Bi)의 과다 첨가로 인한 기계적 특성이 취약해지는 문제점을 줄이고자 비스무스(Bi)의 함량을 줄이는 대신 규소(Si)를 추가하여 본 발명을 완성하였다. Therefore, in the present invention, phosphorus (P) was added to suppress the formation of bismuth (Bi) in the form of a film at grain boundaries, and as described above, it is economical by lowering the content of relatively expensive bismuth (Bi). In order to reduce the problem that the mechanical properties due to excessive addition of bismuth (Bi) is not only advantageous, silicon (Si) was added instead of reducing the content of bismuth (Bi) to complete the present invention.
그런데, 본 발명에 따른 무연 쾌삭 청동합금은 주로 기존의 동 및 동합금 스크랩을 사용하여 제조되기 때문에 기존의 스크랩을 사용하는 경우, 위 조성원소에 포함되지 않은 납(Pb), 철(Fe), 니켈(Ni)을 배제하기란 대단히 어려울 뿐만 아니라 그 처리비용이 과다하므로, 본 발명에 따른 무연 쾌삭 청동합금은, 81.0∼87.0 중량%의 구리(Cu)와, 0.2중량% 이하의 납(Pb)과, 0.3중량% 이하의 철(Fe)과, 3.0∼6.0중량%의 주석(Sn)과, 0.8중량% 이하의 니켈(Ni)과, 1.0∼2.0중량%의 비스무스(Bi)와, 0.5∼1.0중량%의 규소(Si)와, 0.03∼0.15중량%의 인(P)과, 4.0∼12.0 중량%의 아연(Zn)으로 구성된 화학조성을 가질 수 있다.By the way, the lead-free free-cut bronze alloy according to the present invention is mainly manufactured using the existing copper and copper alloy scrap, when using the existing scrap, lead (Pb), iron (Fe), nickel not included in the above composition It is extremely difficult to exclude (Ni) and the processing cost thereof is excessive. Therefore, the lead-free free-cut bronze alloy according to the present invention comprises 81.0 to 87.9% by weight of copper (Cu), 0.2% by weight or less of lead (Pb) and , 0.3 wt% or less of iron (Fe), 3.0 to 6.0 wt% of tin (Sn), 0.8 wt% or less of nickel (Ni), 1.0 to 2.0 wt% of bismuth (Bi), and 0.5 to 1.0 It may have a chemical composition composed of weight percent silicon (Si), 0.03 to 0.15 weight percent phosphorus (P), and 4.0 to 12.0 weight percent zinc (Zn).
다음은, 본 발명에 따른 무연 쾌삭 청동합금에 참가되는 주요 성분들의 영향에 대하여 설명한다. Next, the influence of the main components participating in the lead-free free-cut bronze alloy according to the present invention.
비스무스(Bi)는 납과 비슷한 역할 즉 절삭가공성을 향상시키는 역할을 하나, 비스무스(Bi) 자체가 취성재료이면서, 청동합금의 취성을 나타낸다. 1.0중량% 미만에서는 절삭가공성을 향상시키는 작용이 불충분하므로 이를 고려하고 또한 취성과 경제적인 점을 고려하여 1.0∼2.0중량%로 한정하였다.Bismuth (Bi) plays a role similar to lead, that is, improves machinability, but bismuth (Bi) itself is a brittle material and exhibits brittleness of bronze alloy. If less than 1.0% by weight, the effect of improving the machinability is insufficient, considering this and limiting to 1.0 to 2.0% by weight in consideration of brittleness and economic point.
규소(Si)는 합금 내에 균질하게 고용되었을 경우 규소(Si)는 동합금의 응력부식균열에 대한 민감성을 감소시키고 아울러 열처리 시 아연(Zn)의 증발을 억제시킨다. 규소(Si)는 0.5중량% 미만이면 비스무스(Bi)가 줄어들어 절삭가공성이 감소된 효과를 어느 정도 보상하는 효과를 기대하기가 어렵게 되고 1.0중량% 이상이면 기계적 특성을 저해할 수 있으므로 0.5∼1.0중량%로 한정하였다. When silicon (Si) is homogeneously dissolved in the alloy, silicon (Si) reduces the susceptibility to stress corrosion cracking of the copper alloy and suppresses the evaporation of zinc (Zn) during heat treatment. If silicon (Si) is less than 0.5% by weight, bismuth (Bi) is reduced, so it is difficult to expect the effect of compensating for the effect that the machinability is reduced to some extent. It was limited to%.
인(P)은 용탕 중의 산화물과 반응하여 P2O5로 되어 350℃에서 기화한다. 탈산에 의하여 용탕의 흐름이 양호하게 되지만, 수소흡수의 경향이 강하게 된다. 또한 구리(Cu)의 표면장력을 감소시킴으로써 비스무스(Bi)가 결정립계에서 필름형태로 존재하는 것을 억제하는 역할을 한다. 0.03중량% 미만이면 이러한 효과가 불충분하고 0.15중량% 이상이면 수소흡수의 경향이 강해지므로 0.03∼0.15중량%로 한정하였다.Phosphorus (P) reacts with the oxide in the molten metal to form P 2 O 5 to vaporize at 350 ° C. The deoxidation improves the flow of the molten metal, but the tendency of hydrogen absorption becomes strong. In addition, by reducing the surface tension of copper (Cu) serves to suppress the bismuth (Bi) to exist in the form of a film at the grain boundary. If it is less than 0.03 weight%, such an effect is inadequate, and if it is 0.15 weight% or more, since the tendency of hydrogen absorption will become strong, it was limited to 0.03 to 0.15 weight%.
아연(Zn)은 용탕 중의 주석(Sn)의 산화물 생성을 억제한다. 또한 비등점이 낮기 때문에 아연(Zn)의 증기 분압이 높게 되어 다른 수증기 또는 수소분압이 감소하여 가스흡수가 작게 된다. 또한 이 비등에 의해 흡수되었던 가스도 제거되게 된다.Zinc (Zn) suppresses oxide generation of tin (Sn) in the molten metal. In addition, since the boiling point is low, the vapor partial pressure of zinc (Zn) becomes high, and other water vapor or hydrogen partial pressure decreases, so that gas absorption becomes small. In addition, the gas that was absorbed by the boiling is also removed.
이러한 화학조성을 갖는 본 발명에 따른 무연 쾌삭 청동합금의 제조방법에 대하여 설명하면 다음과 같다. Referring to the method for producing a lead-free free cutting bronze alloy according to the present invention having such a chemical composition as follows.
우선, 81.0∼87.0 중량%의 구리(Cu)와, 0.2중량% 이하의 납(Pb)과, 0.3중량% 이하의 철(Fe)과, 3.0∼6.0중량%의 주석(Sn)과, 0.8중량% 이하의 니켈(Ni)과, 1.0∼2.0중량%의 비스무스(Bi)와, 0.5∼1.0중량%의 규소(Si)와, 0.03∼0.15중량%의 인(P)과, 4.0∼12.0 중량%의 아연(Zn)으로 구성된 화학조성을 가지도록, 동 및 동합금 스크랩, 아연(Zn), 주석(Sn), 비스무스(Bi), 인(P) 지금(地金)을 배합 계산하여 용해로에 장입하여 1050℃∼1100℃ 범위에서 교반하면서 1∼2시간 동안 용해시켜 전술한 화학조성을 맞춘다. 그리고 용해는 도가니(Crucible type) 유도로나 채널형(Channel type) 유도로에서 행해진다.First, 81.0 to 87.9% by weight of copper (Cu), 0.2% by weight or less of lead (Pb), 0.3% by weight or less of iron (Fe), 3.0 to 6.0% by weight of tin (Sn), and 0.8% by weight Nickel (Ni) of not more than%, 1.0 to 2.0% by weight of bismuth (Bi), 0.5 to 1.0% by weight of silicon (Si), 0.03 to 0.15% by weight of phosphorus (P), 4.0 to 12.0% by weight Copper and copper alloy scraps, zinc (Zn), tin (Sn), bismuth (Bi), phosphorus (P) haeju (Calcium) and charged into the melting furnace to have a chemical composition consisting of zinc (Zn) 1050 Dissolve for 1 to 2 hours while stirring in the range of 1 ℃ to 1100 ℃ to meet the above-described chemical composition. Melting is carried out in crucible or induction furnaces.
그런 다음에, 용해로의 온도를 1100℃∼1200℃로 올려 5∼15분간 교반하면서 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 제거하고 빌렛 및 잉고트 상태의 금속으로 출탕한다. 비금속개재물은 제품 내부결함 및 외부결함을 유발시키는 요인이 되므로, 용해로 온도를 1100℃∼1200℃로 올려 5∼15분간 교반시키면서, 슬래그 상태로 부상된 비금속개재물을 반드시 제거시켜야 한다.Then, the temperature of the melting furnace is raised to 1100 ° C. to 1200 ° C. while stirring for 5 to 15 minutes to remove the non-metallic inclusions in the slag state and tapping with the billet and ingot metal. Since the nonmetallic inclusions cause the internal and external defects of the product, the nonmetallic inclusions in the slag state must be removed while raising the furnace temperature to 1100 ° C to 1200 ° C and stirring for 5 to 15 minutes.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교실시예를 통하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through Examples and Comparative Examples.
표 1은 본 발명에 따른 무연 쾌삭 청동합금의 제1실시예 내지 제5실시예와 본 발명의 청동합금과 상이한 비교예의 화학조성범위를 기재한 표이다. Table 1 is a table showing the chemical composition range of the first to fifth examples of the lead-free free-cut bronze alloy according to the present invention and the comparative example different from the bronze alloy of the present invention.
표 1에 기개된 바와 같이, 제1실시예 내지 제5실시예는 전술한 성분 조성에 맞춘 본 발명에 따른 무연 쾌삭 청동합금의 실시예들이며, 비교예는 이 들과 비교되는 본 발명의 청동합금과 상이한 실시예이다. As described in Table 1, Examples 1 to 5 are examples of the lead-free free-cut bronze alloy according to the present invention in accordance with the above-described component composition, and Comparative Examples are the bronze alloys of the present invention compared with these. Is a different embodiment from.
표 2는 각각 표 1의 비교예와 제1실시예 내지 제5실시예에 대한 가공특성 변화를 측정한 결과를 도시한 표로서, 가공성이 우수한 경우에는 절삭저항력이 낮으며 칩(chip)이 잘게 부스러지는 전단형의 형상을 나타내고, 가공성이 불량한 경우는 절삭저항력이 높고 칩(chip)이 말리는 현상을 나타내므로 가공특성의 판단을 위하여 절삭저항력 시험을 수행하여 그 결과치를 도시한 것이다. 절삭저항력은 드릴에 의한 방법을 이용하였으며, 드릴은 직경 3.5mm의 고속도강 드릴로 하고, 절삭속도는 1100rpm과 절삭깊이 10mm의 조건에서 시행하였다. 참고적으로 이러한 실험조건에서 절삭저항력이 4kgf·cm 이하인 경우에 기계가공성이 우수한 것으로 알려져 있다. Table 2 shows the results of measuring changes in machining characteristics for the comparative examples of Table 1 and the first to fifth embodiments, respectively. When the workability is excellent, the cutting force is low and the chips are finely cut. In the case of a shear-like shear type, and poor machinability, the cutting force is high and the chip curls. Thus, the cutting force test is performed to determine processing characteristics. The cutting force was used by a drill method. The drill was a high speed steel drill with a diameter of 3.5 mm, and the cutting speed was performed at 1100 rpm and a cutting depth of 10 mm. For reference, it is known that the machinability is excellent when the cutting resistance is less than 4kgf · cm under these experimental conditions.
표 2에 도시된 바와 같이, 비스무스(Bi)가 1.25∼1.75중량% 첨가된 경우에 모두 절삭저항력이 4kgf·cm 이하이므로 가공성이 우수함을 알 수 있다. 특히 비스무스(Bi)의 함량이 증가될수록 절삭성이 향상되는 것을 알 수 있으나, 비스무스(Bi)는 고가의 금속이면서 열간가공 시 표면에 크랙이 발생시키고 비스무스(Bi)가 다량 함유된 합금이 스크랩으로 돌아올 경우 재활용하기가 어려운 단점이 있다. 제3실시예와 제5실시예를 비교하면 절삭성이 0.75중량%의 규소(Si) 및 0.1중량% 인(P)의 첨가로 크게 향상되는 것을 알 수 있다.As shown in Table 2, when the bismuth (Bi) is added 1.25 to 1.75% by weight, the cutting resistance is 4kgf · cm or less, it can be seen that the workability is excellent. In particular, as the content of bismuth (Bi) is increased, the machinability is improved, but bismuth (Bi) is an expensive metal and cracks are generated on the surface during hot working, and an alloy containing a large amount of bismuth (Bi) is returned to the scrap. This is difficult to recycle. Comparing the third example and the fifth example, it can be seen that the machinability is greatly improved by the addition of 0.75 wt% of silicon (Si) and 0.1 wt% of phosphorus (P).
이상과 같이, 본 발명에서는, 구리(Cu) 100 중량부에 대하여, 주석(Sn) 3.5∼6.9 중량부와, 비스무스(Bi) 1.2∼2.4 중량부와, 규소(Si) 0.6∼1.2 중량부와, 아연(Zn) 4.6∼14.8 중량부를 포함하도록 무연 쾌삭 청동합금을 구성함으로써, 납(Pb) 원소의 용출을 억제하여 친환경적인 소재가 될 수 있을 뿐만 아니라 종래 납(Pb) 대체원소로 첨가되는 비스무스(Bi) 원소의 영향으로 인한 취성을 억제하여 절삭가공성을 종래 보다 향상시킬 수 있게 된다.As mentioned above, in this invention, 3.5-6.9 weight part of tin (Sn), 1.2-2.4 weight part of bismuth (Bi), 0.6-1.2 weight part of silicon (Si), with respect to 100 weight part of copper (Cu), By forming lead-free free-cut bronze alloy to contain 4.6-14.8 parts by weight of zinc (Zn), bismuth is added to lead (Pb) as an environmentally friendly material by suppressing elution of lead (Pb) elements. By suppressing brittleness due to the influence of the (Bi) element it is possible to improve the cutting workability than before.
전술한 실시 예에서는, 인(P)이 비스무스(Bi)가 결정립계에서 필름형태로 형성되는 것을 억제하여 취성을 감소시키기 위하여 인(P)이 비스무스(Bi), 규소(Si) 등과 함께 청동에 첨가된 구성에 대하여 상술하였으나, 만약 인(P) 성분 없이도 원하는 절삭가공성이 나타난다면 인(P)을 청동에 첨가하지 않을 수 있음은 물론이다.In the above-described embodiment, phosphorus (P) is added to the bronze together with bismuth (Bi), silicon (Si), etc. to reduce the brittleness by suppressing the formation of bismuth (Bi) in the form of a film at grain boundaries. Although the above-described configuration has been described above, phosphorus (P) may not be added to bronze if the desired machinability appears even without the phosphorus (P) component.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 유해한 납(Pb) 원소를 실질적으로 수중에 용출시키지 않아 친환경적인 소재가 될 수 있을 뿐만 아니라 납(Pb) 원소의 대체원소로 비스무스(Bi)가 첨가되는 종래의 무연 청동합금보다 경제적으로 제조할 수 있으면서도 납(Pb) 원소의 대체원소로 첨가되는 비스무스(Bi) 원소의 영향으로 인한 취성을 억제할 수 있어 주조성, 절삭가공성 등의 기계적 성질이 납(Pb)의 용출 문제를 해결하지 못한 현재의 청동합금보다 크게 저하되지 않게 할 수 있도록 한 무연 쾌삭 청동합금 및 그 제조방법이 제공된다.As described above, according to the present invention, a harmful lead element may not be substantially eluted in water, thereby making it an environmentally friendly material, and bismuth (Bi) is added as an alternative element of the lead element (Pb). It can be manufactured more economically than lead-free bronze alloys, but it can suppress brittleness due to the influence of bismuth (Bi) element added as an alternative element of lead (Pb) element. The present invention provides a lead-free free-cut bronze alloy and a method for producing the same, which can be made not to be significantly lower than the current bronze alloy which does not solve the dissolution problem.
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