KR20100114596A - 강도와 연성이 향상된 고절삭 구리합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아연(Zn), 칼슘(Ca) 또는 칼슘 및 규소(Si)를 포함하고 주조립미세화재를 미량 첨가한 강도와 연성이 향상된 고절삭 구리합금에 관한 것이다.

본 발명에 의한 강도와 연성이 향상된 고절삭 구리합금은, 구리(Cu), 아연(Zn), 칼슘(Ca), 규소(Si) 및 주조립미세화재를 포함하여 구성된다. 보다 상세하게는, 상기 구리(Cu)는 57.0 내지 59.4 중량%, 아연(Zn)은 40 중량%, 칼슘(Ca)은 0.5 내지 1.0 중량%, 규소(Si)는 2.0 중량% 미만이 포함되며, 잔부(殘部)는 주조립미세화재이다. 그리고, 상기 주조립미세화재는, 20 내지 100ppm의 인(P) 및 10 내지 80ppm의 지르코늄(Zr)을 포함하여 구성된다. 이와 같이 구성되는 구리합금은 절삭가공성 향상뿐만 아니라, 강도 및 가공성도 향상되는 이점이 있다.

고강도, 고절삭, 칼슘, 규소, 주조립미세화재, 압연, 구리합금

Description

강도와 연성이 향상된 고절삭 구리합금{ A high cutting copper alloy with improved strength and ductility }

도 1 은 종래 구리합금(75Cu-24Zn-1Ca)의 광학현미경 사진.

도 2 는 본 발명에 의한 고절삭 구리합금의 바람직한 실시예 및 비교예의 합금 조성과 경도를 나타낸 표.

도 3 는 본 발명에 의한 고절삭 구리합금의 바람직한 실시예와 비교예의 주조 합금의 광학 현미경 비교 사진.

도 4 은 본 발명에 의한 고절삭 구리합금의 바람직한 실시예와 비교예를 열간압연하여 형성된 합금의 광학현미경 비교 사진.

도 5 는 본 발명에 의한 고절삭 구리합금의 실시예 2(주조 합금)와 종래의 구리합금(C3604)을 드릴 가공시 발생되는 토크를 비교한 도표.

도 6 은 본 발명에 의한 고절삭 구리합금의 실시예2(주조 합금)와 종래의 납 함유 구리합금(C3604)의 드릴 가공에 의해 발생되는 칩 형상을 비교한 실물 사진.

도 7 은 본 발명에 의한 고절삭 구리합금의 비교예 및 실시예의 인장 성질을 비교하여 나타낸 그래프.

도 8 은 도 7을 정리한 표.

본 발명은 구리합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구리(Cu) 및 아연(Zn)으로 이루어진 구리합금에 칼슘 및 규소(Si)를 첨가하고 추가적으로 인(P) 및 지르코늄(Zr) 등의 주조립미세화재를 미량 첨가시켜 절삭가공성, 열간 및 냉간가공성, 강도 및 연성이 향상되도록 한 고절삭 구리합금에 관한 것이다.

최근 구리의 사용 용도가 다양하게 확대됨에 따라 여러 가지 형상을 구현하기 위하여 가공성이 향상된 구리합금 개발에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

하지만 구리는 연신율이 높아 절삭공구로 가공시에 공구에 구리가 흡착되기 쉬우며 이로 인하여 가공성이 감소되는 문제를 유발하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 새로운 합금 조성을 갖는 고절삭 구리합금 개발 등의 다양한 연구가 진행되고 있다.

예를 들어, 구리합금의 절삭 가공성을 높이기 위한 연구가 활발히 이루어지던 초기에는 구리에 2.5 ~ 3.7 중량%의 납(Pb)을 첨가하여 납황동을 제조하였으며 절삭성 측면에서 매우 우수한 성질을 얻을 수 있었다.

그러나 납의 인체에 대한 유해성이 발견되어 전세계적으로 납 사용에 대한 강력한 규제를 행하게 되었으며, 구리에서 납을 제거하는 방법이 매우 까다로워 재활용성이 낮기 때문에 유한 자원의 효율적 이용 측면에서도 문제가 제기되었다. 이에 따라 납을 대체할 수 있는 첨가물에 대한 연구가 진행되었다.

이런 결과로, 구리에 납 대신 비스무스(Bi)를 첨가한 고절삭 무연황동이 개 발되었다. 그러나 비스무스 역시 인체에 대한 유해 여부가 아직까지 명확히 규명되지 않았으며 재활용성 또한 납의 경우와 마찬가지로 낮아 재료의 지속가능성 측면에서도 비스무스의 사용이 제한적인 실정이다.

고절삭 구리합금에서는 우선 기본적으로 구리합금 내에 거의 고용이 되지 않으며 인성이 우수하지 않은 금속간화합물을 제2상으로 형성시키는 원소를 첨가하게 되는데, 대한민국 특허청 출원번호 제10-2007-0009294호 및 제10-2007-0009295호에는 구리의 절삭성을 높이기 위해 칼슘을 첨가한 "쾌삭성 구리합금"이 출원되어 있다.

칼슘은 구리합금 내에 고용도가 거의 없으며 주로 Cu₅Ca 금속간화합물을 생성하는 것으로 알려져 있으며 이러한 금속간화합물은 파괴인성이 매우 낮아서 구리합금 내에 고르게 분포될 경우 구리합금의 절삭성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

그러나, 상기 쾌삭성 구리합금은 칼슘 첨가에 의하여 절삭성은 향상되었으나 열간 및 냉간가공성이 저하되는 결과를 초래하였다. 이는 도 1에서와 같이 주조립 경계를 따라 연속적으로 생성된 Cu₅Ca 상에 의하여 구리합금 기지의 연속성이 저해되고 가공 중에 금속간화합물이 우선적으로 파괴되어 전체 합금의 연성을 크게 감소시키게 되었기 때문이다.

따라서 가공성 즉 연성을 향상시키기 위해서는 개발된 칼슘 첨가합금의 미세조직을 제어할 필요가 있다. 공정조직의 Cu₅Ca 상은 응고시 판상 형태로 생성될 가 능성이 매우 크기 때문에 주조조직 또는 입자의 미세화를 진행시킬 경우 Cu₅Ca 상은 판상 형태 보다는 구형에 가깝게 생성되고 그 크기도 감소할 가능성이 있다.

이런 경우 구리합금 기지의 연속성을 크게 향상시킴으로써 연성을 증가시킬 수 있을 것으로 판단된다.

한편, 상기 쾌삭성 구리합금은 구조용 부품 등으로 주요 사용되어지기 때문에 구조물로서의 강도를 유지해야 하며 이때 고강도를 갖는 구리합금의 경우에는 보다 낮은 강도의 구리합금에 비하여 동일 부피의 경량 부품 또는 동일 질량의 대형 부품의 제조가 가능해지므로 고강도 쾌삭 구리합금의 용도가 급격히 증가될 수 있을 것으로 기대된다.

또한 대량 생산이 가능한 압연 방법으로 제조가 될 경우 생산성이 증가될 뿐만 아니라 압연에 의하여 연속적으로 생성되기 쉬운 제2상을 비연속적으로 균일하게 분포시킬 수 있을 것으로 기대된다.

본 발명의 목적은 구리 및 아연에 소정의 칼슘 및 규소를 첨가하고 추가적으로 주조립미세화재를 첨가하여 연속개재물을 제거하며 열간압연을 통하여 개재물 분포를 제어함으로써 절삭가공성 향상뿐만 아니라, 강도 및 가공성도 향상되도록 한 고절삭 구리합금을 제공하는 것에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 강도와 연성이 향상 된 고절삭 구리합금은, 구리(Cu), 아연(Zn), 칼슘(Ca), 규소(Si) 및 주조립미세화재를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 구리(Cu)는 57.0 내지 59.4 중량%, 아연(Zn)은 40 중량%, 칼슘(Ca)은 0.5 내지 1.0 중량%, 규소(Si)는 2.0 중량% 미만이 포함되며, 잔부(殘部)는 주조립미세화재인 것을 특징으로 한다.

상기 주조립미세화재는, 20 내지 100ppm의 인(P) 및 10 내지 80ppm의 지르코늄(Zr)을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

80% 이하의 열간가공율과 60% 이하의 냉간가공율로 기계가공이 가능한 것을 특징으로 한다.

200 Hv 이상의 경도를 갖는 것을 특징으로 한다.

20% 이상의 연신율을 갖는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따르면, 절삭성뿐만 아니라 연성이 향상되어 전체적인 기계가공성이 향상되는 이점이 있으며 규소(Si)가 첨가됨으로써 강도도 크게 증가하는 이점이 있다.

이하 첨부된 도 2를 참조하여 본 발명에 의한 강도와 연성이 향상된 고절삭 구리합금(이하 '고절삭 구리합금'이라 칭함)의 구성을 살펴본다.

도 2에는 본 발명에 의한 고절삭 구리합금의 바람직한 실시예 및 비교예의 합금 조성과 경도를 나타낸 표가 도시되어 있다.

도 2와 같이, 본 발명에 의한 고절삭 구리합금은 구리(Cu), 아연(Zn), 칼슘(Ca), 규소(Si), 주조립미세화재를 포함하여 구성된다.

상기 주조립미세화재는 구리합금 내부에 연속개재물이 형성되지 않도록 하여 구리합금의 냉간가공성을 높이기 위한 구성이다. 또한 순 칼슘(Ca)의 경우 가격이 높아 첨가물로 사용시 제조단가의 상승을 유발할 수 있으나 칼슘-규소 화합물은 매우 저렴한 가격으로 구할 수 있는 장점이 있으며 부가적으로 강도가 향상된 구리합금을 얻을 수 있는 장점이 있다.

상기 구리합금을 전술한 바와 같은 중량 범위 내에서 도 2와 같이 다양한 실시예를 제조하였다.

즉, 실시예1 내지 실시예4에 따른 구리합금은, 구리(Cu)와 아연(Zn), 칼슘(Ca) 및 규소(Si)의 함량을 각각 58.5wt.% 40wt%, 0.5wt%, 1.0wt%로 고정한 상태로 25에서 50ppm의 인(P) 및 지르코늄(Zr)을 포함시켰다.

또한, 실시예3 및 실시예4에 따른 구리합금은, 구리(Cu)와 아연(Zn), 칼슘(Ca) 및 규소(Si)의 함량을 각각 57.0wt.% 40wt%, 1.0wt%, 2.0wt%로 고정한 상태로 50에서 100ppm의 인(P) 및 50에서 80ppm의 지르코늄(Zr)을 포함시켰다.

반면, 비교예1 내지 비교예3에 따른 구리합금은, 구리(Cu)와 아연(Zn) 및 칼슘(Ca)의 함유량을 각각 59.4wt%, 40wt%, 0.6wt%로 고정한 상태로 20에서 100ppm의 인(P) 및 10에서 80ppm의 지르코늄(Zr)을 선택적으로 포함시켰으며, 규소(Si)는 첨가되지 않았다.

상기와 같은 조성으로 제조된 비교예와 실시예의 강도를 비교해보면, 비교예1 내지 비교예3의 구리합금의 경도는 도 2와 같이, 111.3(Hv) 이상 158.3(Hv) 이하의 경도를 갖는 것을 알 수 있으며, 이러한 경도는 일반적인 구리합금의 경도보다 대등하거나 높은 수준이다.

바면 실시예1 내지 실시예4의 구리합금의 경도는 도 2와 같이, 196.8(Hv) 이상 257.6(Hv) 이하의 매우 높은 경도를 갖는 것을 알 수 있다.

본 발명에 의하여 주조된 고절삭 구리합금의 광학현미경 사진을 도 3에 도시하였다. 도면과 같이, 비교예 및 실시예 모두 주조립 조직을 나타내고 있으나 주조립미세화재의 첨가에 의하여 연속적인 개재물이 감소한 것을 확인할 수 있다.

이러한 연속적인 개재물의 감소는 향후 압연 등의 가공 공정에서 가공성을 증가시킬 수 있는 요인으로 작용될 수 있어 효과적인 주조가 이루어졌다고 할 수 있다.

상기 주조된 가공용 고강도 고절삭 구리합금을 700℃에서 7회에 걸쳐서 총 두께압하율 80%로 열간압연하였으며 비교예 및 실시예의 합금들은 모두 양호하게 압연되었다.

열간압연된 고절삭 구리합금의 광학현미경 사진을 도 4를 참조하여 살펴보면, 주조된 합금에 비하여 열간압연된 합금은 압연에 의하여 주조립 조직이 분해되어 제2상 개재물들이 비교적 고르게 분산 분포하는 것을 알 수 있다.

이러한 개재물의 고른 분포는 구리합금의 가공성을 향상시킬 뿐만 아니라 절삭성 향상에도 효과적으로 작용할 수 있다.

상기와 같이 제조된 구리합금은 드릴공구를 이용하여 가공시에 깊이가 깊어짐에 따라 드릴공구에 전달되는 토크(Torque)를 통해 절삭 가공성을 알 수 있다.

도 5와 같이 주조립미세화재가 첨가되지 않은 구리합금(왼쪽 사진)과 주조립 미세화재가 포함된 실시예2의 구리합금(오른쪽 사진)의 주조된 합금에서 시편을 채취하여 8㎜ 지름을 가지는 고속도공구강 재질의 드릴공구로 드릴링했을 때 드릴공구에 전달되는 토크의 크기를 비교하면, 토크의 크기가 유사한 것을 알 수 있다.

또한 쾌삭황동인 C3604 구리합금의 절삭시 토크와 비교하였을 때도 토크의 크기가 크게 차이 나지 않으며 절삭된 칩의 형상도 쾌삭황동과 유사한 형상을 얻을 수 있었다(도 6 참조).

이것은 상기 구리합금에 주조립미세화재를 첨가하더라도 구리합금의 절삭성이 저하되지 않은 것을 증명해주는 것이다.

한편 열간압연된 합금에서 시편을 채취하여 절삭 가공성을 평가한 결과 주조된 합금보다 토크의 크기가 전반적으로 감소하였는데 이는 상기 기술한 바와 같이 열간압연에 의하여 주조립 조직이 분해되고 제2상 개재물들이 비교적 고르게 분산되어 절삭성이 향상되었기 때문이다.

도 7에는 본 발명에 의한 주조 후 두께압하율 80%로 열간압연된 구리합금의 비교예 및 실시예의 기계적성질을 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 8에는 도 7을 정리한 표이다.

이들 도면과 같이, 비교예와 실시예의 인장강도(TS)는 407~667 MPa를 나타냈으며, 연신율(Elongation)은 5.5~30.1%를 나타내었다. 이러한 비교예와 실시예의 인장강도는 상용화된 C3604BE의 인장강도 335MPa와 비교할 때 월등히 높은 것을 알 수 있다.

특히 규소가 첨가된 실시예의 경우 인장강도가 50% 이상 증가된 것을 알 수 있다. 반면에 연신율은 상용화된 C3604BE의 연신율 20%와 비교할 때 실시예1 및 실시예2의 경우에는 유사하거나 다소 높은 값을 나타내었으나 실시예3 및 실시예4에서는 매우 감소된 연신율을 얻을 수 있었다.

따라서 상용 쾌삭황동에 비하여 유해원소인 납(Pb)을 포함하지 않으면서도 높은 강도를 갖으면서 절삭성 및 가공성도 유사한 고절삭 구리합금의 제조가 가능한 것을 알 수 있다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

위에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 고절삭 구리합금에 따르면, 구리 및 아연에 소정의 칼슘(Ca) 및 규소(Si)를 첨가하고 추가적으로 인(P) 및 지르코늄(Zr) 등의 주조립미세화재를 미량 첨가시켜 연속개재물이 제거되도록 하였으며 열간압연을 통하여 개재물 분포를 비교적 고르게 제어하였다.

이에 따라서, 열간압연성이 확보되면서도 인장강도, 절삭성 등의 기계 가공성이 향상되는 이점이 있다.

또한, 연신율이 증가하여 냉간가공 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (6)

1. 구리(Cu), 아연(Zn), 칼슘(Ca), 규소(Si) 및 주조립미세화재를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 강도와 연성이 향상된 고절삭 구리합금.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 구리(Cu)는 57.0 내지 59.4 중량%, 아연(Zn)은 40 중량%, 칼슘(Ca)은 0.5 내지 1.0 중량%, 규소(Si)는 2.0 중량% 미만이 포함되며, 잔부(殘部)는 주조립미세화재인 것을 특징으로 하는 강도와 연성이 향상된 고절삭 구리합금.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 주조립미세화재는, 20 내지 100ppm의 인(P) 및 10 내지 80ppm의 지르코늄(Zr)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 강도와 연성이 향상된 고절삭 구리합금.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 80% 이하의 열간가공율과 60% 이하의 냉간가공율로 기계가공이 가능한 것을 특징으로 하는 강도와 연성이 향상된 고절삭 구리합금.
5. 제 4 항에 있어서, 200 Hv 이상의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 강도와 연성이 향상된 고절삭 구리합금.
6. 제 4 항에 있어서, 20% 이상의 연신율을 갖는 것을 특징으로 하는 강도와 연성이 향상된 고절삭 구리합금.

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