KR100555854B1 - 무연 쾌삭 청동합금 - Google Patents

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.

청동합금, 무연, 비스무스(Bi), 규소(Si), 절삭가공성, 납(Pb)

Description

무연 쾌삭 청동합금{Lead-Free cutting bronze alloy}

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.

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.

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.

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.

청동 특히 주물용 청동합금에서 가장 많이 요구되는 물성 중의 하나인 절삭가공성을 위하여 청동합금을 생산할 때 첨가되는 납(Pb)은, 청동에서 고용도가 거 의 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.

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.

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 국 내에서는 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

이하에서는 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

다음은, 본 발명에 따른 무연 쾌삭 청동합금에 참가되는 주요 성분들의 영향에 대하여 설명한다.

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.

규소(Si)는 합금 내에 균질하게 고용되었을 경우 규소(Si)는 동합금의 응력 부식균열에 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.

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.

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.

이러한 화학조성을 갖는 본 발명에 따른 무연 쾌삭 청동합금의 제조방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.

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.

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.

이하, 본 발명을 실시예 및 비교실시예를 통하여 상세히 설명하기로 한다.

표 1은 본 발명에 따른 무연 쾌삭 청동합금의 제1실시예 내지 제5실시예와 본 발명의 청동합금과 상이한 비교예의 화학조성범위를 기재한 표이다.

	Cu	Pb	Fe	Sn	Bi	Al	Ni	Si	P	Zn
비교예 (M410)	58.8	3.2	〈0.35	〈0.45	〈0.04	〈0.03	〈0.3	〈0.03	〈0.01	38.1
제1실시예 (LFBZ1)	82.0	〈0.2	〈0.3	4.5	1.00	〈0.005	〈0.8	0.75	0.10	11.7
제2실시예 (LFBZ2)	82.0	〈0.2	〈0.3	4.5	1.25	〈0.005	〈0.8	0.75	0.10	11.4
제3실시예 (LFBZ3)	82.0	〈0.2	〈0.3	4.5	1.50	〈0.005	〈0.8	0.75	0.10	11.2
제4실시예 (LFBZ4)	82.0	〈0.2	〈0.3	4.5	1.75	〈0.005	〈0.8	0.75	0.10	10.9
제5실시예 (LFBZ5)	83.0	〈0.2	〈0.3	4.5	1.40	〈0.005	〈0.8	〈0.03	〈0.01	11.1

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.

	절삭저항력(kgf*cm)
비교예(M410)	2.68
제1실시예(LFBZ1)	4.63
제2실시예(LFBZ2)	3.39
제3실시예(LFBZ3)	3.70
제4실시예(LFBZ4)	3.25
제5실시예(LFBZ5)	4.17

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (3)

1. 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 포함하며,

   상기 구리(Cu) 100 중량부에 대하여, 인(P) 0.04∼0.18 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 쾌삭 청동합금.
2. 삭제
3. 삭제