KR900006701B1 - 고력황동합금과 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

고력황동합금과 그 제조방법

제1도는 본발명에 따른 고력황동합금의 조직을 100배로 확대한 현미경 사진이고,

제2도는 본발명에 따른 고력황동합금의 조직을 400배로 확대한 현미경 사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

a : MnSi 조직

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.

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.

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.

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.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

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.

[표 1] 본 발명에따른 고력황동합금의 화학조성 (단위 중량%)

이에 대한 실시예를 예로들어 각 성분별로 상세히 설명하면 다음과 같다.

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.

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.

다음, 상기와 같은 화학적 조성으로 배합된 본 발명에 따른 고력황동합금을 용해·열처리해주게되는 열처리단계에 대해 설명한다.

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.

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.

다음, 상기와 같은 MnSi 조직이 석출되도록 하는 접종단계를 설명한다.

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.

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.

[표 2] 기계적 성질 비교

이상과 같이 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 고력황동합금의 작용효과를 설명한다.

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.

또 앞서 설명된 바와같이 Cr의 첨가로 조직이 미세화되고, 또 MnSi가 석출강화되어 균일하게 분포되어있기 때문에 인장강도 및 경도가 크게 향상되어 제품의 내구성이 증대되게 된다.

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.

[표 3] 시험조건

(엔진 최대 회저수 : 4000 RPM)

[표 4] 내마모량 시험결과

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.

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.

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.

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.

Claims (2)

1. 60.00-64.0%의 Cu와 26.5-33.6%의 Zn, 2.50~3.50%의 Mn, 1.90-3.5%ddddd의 Al, 0.60-1.00%의 Si, 0.90-1.00%의 Ni, 0.5% 이하의 Cr 및, 미량의 Pb의 화학조성을 갖는 고력황동합금.
2. 황동에 Al, Mn, Ni 등의 성분원소가 첨가된 고력황동합금의 제조방법에 있어서, Cu 60.00-64.0%, Mn 2.50-3.50% Al 1.90-3.50%, Si 0.60-1.00%, Ni 0.90-1.00%, Cr 0.5% 이하, Pb 미량, Zn 잔유로 배합시켜주는 배합단계와, 이렇게 배합된 화학적 조성물을 1050-1060℃ 범위에서 용해작업을 실시한 뒤 다시 1200℃까지 승온시켜 2-3분간 항온유지시킨다음 650℃ 정도로 냉각시켜 이 온도로 유지시켜주는 열처리단계 및, 이 상태로 유지된 용탕에 0.5%이하의 Cr 및 1.90-3.50%의 Al을 투입시켜 표면출이 현상이 소멸됨과 더불어 기지조직에 빗살무늬 MnSi조직이 미세하고 균등하게 석출되도록 하는 접종단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 고력황동금의 제조방법.

Images