KR102107585B1 - Copper alloy material with excellent wear resistance and method for producing same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 내마모성이 우수한 동합금재 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn), 망간(Mn) 및 규소(Si)를 포함하는 내마모성 동합금재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a copper alloy material having excellent abrasion resistance and a method for manufacturing the same, specifically, a copper alloy material comprising copper (Cu), zinc (Zn), tin (Sn), manganese (Mn) and silicon (Si), and It relates to a manufacturing method thereof.
구리(Cu)는 내식성, 가공성, 합금성, 항균성, 열전도성 및 전기전도성 등의 특성으로 인해 산업 전반에 걸쳐 핵심적인 소재로 사용되고 있다. 구리(Cu)가 철강이나 알루미늄에 비해 비교적 고가임에도 불구하고 산업 전반에 광범위하게 사용되는 가장 큰 이유는 다른 원소와 합금성이 우수하여 첨가되는 원소에 따라 기계적 강도, 전기전도성, 내식성, 내마모성, 낮은 마찰계수 등 다양한 특성을 구현한 동합금재를 수득할 수 있기 때문이다. Copper (Cu) is used as a core material throughout the industry due to its properties such as corrosion resistance, processability, alloying properties, antibacterial properties, thermal conductivity, and electrical conductivity. Although copper (Cu) is relatively expensive compared to steel or aluminum, the main reason for its widespread use throughout the industry is its excellent alloyability with other elements, depending on the element added, mechanical strength, electrical conductivity, corrosion resistance, wear resistance, low This is because it is possible to obtain a copper alloy material having various characteristics such as a friction coefficient.
동합금 중 하나인 고력황동(high strength brass)은 구리(Cu)와 아연(Zn)합금에 알루미늄(Al), 철(Fe), 니켈(Ni) 망간(Mn), 주석(Sn) 등을 첨가하여 제조되는 것으로, 기계적 성질 및 내마모성이 우수하여 선박용 프로펠러(propeller), 임펠러(impeller), 기어(gear), 감속기(reducer) 부품, 압축기용 슬리퍼(slipper), 자동차 싱크로나이저 링(synchronizer ring), 굴삭기, 불도저 등 각종 기기 구동부 부품으로 사용된다. High strength brass, one of copper alloys, is made by adding aluminum (Al), iron (Fe), nickel (Ni) manganese (Mn), tin (Sn) to copper (Cu) and zinc (Zn) alloys. It is manufactured and has excellent mechanical properties and abrasion resistance. It is used for propellers for ships, impellers, gears, reducer parts, slippers for compressors, automobile synchronizer rings, and excavators. , It is used as a part for driving various devices such as bulldozers.
고력황동은 아연(Zn) 함유량에 따라 생성되는 α와 β상의 분포량과 고용강화 및 석출강화 원소의 첨가량, 금속간화합물의 생성량을 조절함으로써 내마모성을 극대화시킬 수 있다. 특히, 내마모성 향상에 가장 중요한 역할을 하는 대표적인 금속간화합물은 철-크롬(Fe-Cr(Co))계, 니켈(Ni-rich)계, 망간-규소(Mn-Si)계 등이 있는데, 그 중 망간-규소(Mn-Si)계 금속간화합물은 결정화되어 마모에 대해 높은 저항력을 가지기 때문에 내마모성에 크게 기여하지만 첨가량이 많아지면 금속간화합물이 침상으로 조대하게 석출되어 기지(matrix) 조직과 강도 차이가 심하고 불균일해지기 때문에 열간압연성 및 냉간압연성이 매우 저하된다. 또한 철-크롬(Fe-Cr(Co))계, 니켈(Ni-rich)계 금속간화합물도 역시 내마모성을 크게 증대시키나 첨가되는 원소의 함량이 매우 높아 가공성을 저하시키는 단점이 있다. High-strength brass can maximize wear resistance by controlling the distribution of α and β phases, the amount of solid solution strengthening and precipitation strengthening elements, and the amount of intermetallic compounds produced depending on the zinc (Zn) content. In particular, typical intermetallic compounds that play the most important role in improving wear resistance include iron-chromium (Fe-Cr (Co)), nickel (Ni-rich), and manganese-silicon (Mn-Si). Medium manganese-silicon (Mn-Si) intermetallic compounds are crystallized and have a high resistance to abrasion, thus greatly contributing to abrasion resistance, but as the amount added increases, the intermetallic compound precipitates coarsely into a bed and matrix structure and strength. Because the difference is severe and non-uniform, hot rolling and cold rolling are very low. In addition, iron-chromium (Fe-Cr (Co))-based and nickel (Ni-rich) -based intermetallic compounds also greatly increase abrasion resistance, but have a disadvantage of deteriorating processability due to a very high content of added elements.
한편, 고력황동 이외에도 내마모성이 우수하다고 알려진 동합금은 구리(Cu)-알루미늄(Al), 구리(Cu)-주석-(Sn)-비스무트(Bi), 구리(Cu)-니켈(Ni)-주석(Sn)-철(Fe), 구리(Cu)-주석(Sn)-니켈(Ni) 등이 있으나, 고력황동과 마찬가지로 첨가되는 원소의 함유량이 매우 높아 가공성이 좋지 않다. On the other hand, copper alloys known to have good wear resistance in addition to high-strength brass are copper (Cu) -aluminum (Al), copper (Cu) -tin- (Sn) -bismuth (Bi), copper (Cu) -nickel (Ni) -tin ( Sn) -iron (Fe), copper (Cu) -tin (Sn) -nickel (Ni), and the like, but like high-strength brass, the content of the added element is very high, resulting in poor processability.
상술한 내마모성 동합금들은 대량 생산이 불가능하기 때문에 사형 주조(sand mold casting), 원심 주조(centrifugal casting) 등의 주조법 또는 분말소결법(powder sintering)을 이용하여 제조되는데, 이러한 제조 방법들은 소량 제조 방법들이므로, 물량의 대량 생산이 불가능하여 제조 단가가 매우 비싼 단점이 있다. Since the abrasion-resistant copper alloys described above cannot be mass-produced, they are manufactured using a casting method such as sand mold casting, centrifugal casting, or powder sintering. However, it is impossible to mass-produce the quantity, so the manufacturing cost is very expensive.
또한, 제조 비용을 낮추기 위하여, 대량 생산 방법인 수평 연속 주조(horizontal continuous casting) 방법이 고려되었으나, 수평 연속 주조 방법도 역시 첨가되는 원소에 의해 가공성이 저하되기 때문에, 후 공정에서 로스(loss)가 과다하게 발생하여 수율이 크게 떨어지는 단점이 있다. In addition, in order to lower the manufacturing cost, the horizontal continuous casting method, which is a mass production method, was considered, but the horizontal continuous casting method also reduces the workability due to the added element, resulting in a loss in the post process. There is a disadvantage that the yield is greatly reduced due to excessive occurrence.
따라서, 상기에 언급된 합금들을 대신하여 내마모성이 우수한 동합금재와 이를 대량 생산할 수 있는 제조 방법을 개발할 필요성이 여전히 존재한다. Therefore, there is still a need to develop a copper alloy material having excellent wear resistance in place of the above-mentioned alloys and a manufacturing method capable of mass-producing it.
대한민국 등록특허공보 제10-0257722호는 구리(Cu)-알루미늄(Al)계 합금 내에 망간-규소(Mn-Si)를 첨가하여 망간-규소(Mn-Si) 화합물이 결정화하여 분산됨으로써 내마모성을 향상시킨 동합금재를 제안하였으나, 알루미늄(Al) 7 내지 12중량%, 망간(Mn) 1.5 내지 5.5중량% 및 규소(Si) 0.45 내지 2.7중량% 범위로 포함하므로, 망간 및 규소의 총 함량이 상당히 높아서 망간-규소(Mn-Si) 금속간 화합물이 침상형태로 존재하고, 금속간화합물 크기도 조대하여 열간압연성 및 냉간압연성이 좋지 않아, 사형주조 등을 통해 소량 생산할 수 밖에 없다. Republic of Korea Patent Publication No. 10-0257722 improves wear resistance by crystallizing and dispersing manganese-silicon (Mn-Si) compounds by adding manganese-silicon (Mn-Si) in a copper (Cu) -aluminum (Al) -based alloy. The proposed copper alloy material was proposed, but since aluminum (Al) 7 to 12 wt%, manganese (Mn) 1.5 to 5.5 wt% and silicon (Si) 0.45 to 2.7 wt% are included, the total content of manganese and silicon is considerably high. Manganese-silicon (Mn-Si) intermetallic compounds exist in a needle form, and the intermetallic compound size is also coarse, so hot rolling and cold rolling are not good, so it is inevitable to produce small amounts through sand casting.
대한민국 등록특허공보 제10-1374493호는 베어링 미끄럼성을 좋게 하기 위해 통상 첨가되는 납(Pb) 대신 비스무트(Bi)를 첨가하는 것을 제안하지만, 동합금재의 제조 방법이 분말 소결법(Powder sintering)이기 때문에, 공정이 난해하며 단가가 비싼 단점이 있다.Korean Patent Registration No. 10-1374493 proposes to add bismuth (Bi) instead of lead (Pb), which is usually added to improve bearing slipperiness, but because the method of manufacturing the copper alloy material is powder sintering, The disadvantage is that the process is difficult and the unit price is expensive.
상술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 내마모성이 우수한 동합금재 및 이를 대량 생산할 수 있는 경제적인 제조 방법을 제공하고자 한다.In order to solve the above problems, the present invention is to provide a copper alloy material having excellent wear resistance and an economical manufacturing method capable of mass-producing the same.
본 발명의 한 실시양태는 18 내지 28중량%의 아연(Zn), 0.4 내지 1.6중량%의 주석(Sn), 0.01 내지 1.0중량%의 망간(Mn), 0.005 내지 0.8중량%의 규소(Si), 잔부량의 구리(Cu) 및 0.2중량% 이하의 불가피한 불순물로 이루어지는 내마모성 동합금재로서, 상기 불가피한 불순물은 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 철(Fe), 크롬(Cr), 납(Pb), 인(P), 비스무트(Bi)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 원소이고, 상기 동합금재의 압연방향에 평행한 단면의 조직은 평균 결정 입경이 50㎛ 이하이며, 결정입내에 구상의 망간-규소(Mn-Si) 금속간화합물이 30㎚ 이하로 미세하게 분산 석출되어 형성되고, 상기 내마모성 동합금재의 평균 마찰계수(Average friction coefficient)는 무윤활(상온, 습도 50 내지 70%)에서 마모재 6mm SUJ2 볼, 임계하중 5N, 회전속도 190mm/s, 마찰 거리 100M 조건에서 0.5 이하이다. 상기 동합금재는 인장강도는 600MPa 이상, 경도는 210Hv 이상, 전기전도도는 20%IACS 이상이다. One embodiment of the present invention is 18 to 28% by weight of zinc (Zn), 0.4 to 1.6% by weight of tin (Sn), 0.01 to 1.0% by weight of manganese (Mn), 0.005 to 0.8% by weight of silicon (Si) , Abrasion-resistant copper alloy made of the remaining amount of copper (Cu) and 0.2% by weight or less of unavoidable impurities, the unavoidable impurities being nickel (Ni), aluminum (Al), iron (Fe), chromium (Cr), lead (Pb) ), Phosphorus (P), bismuth (Bi) is at least one element selected from the group, the structure of the cross section parallel to the rolling direction of the copper alloy material has an average crystal grain diameter of 50 µm or less, and spherical manganese in the crystal grains- Silicon (Mn-Si) intermetallic compound is formed by finely dispersed and precipitated to 30 nm or less, and the average friction coefficient of the wear-resistant copper alloy material is 6 mm of abrasive material at no lubrication (room temperature, humidity 50 to 70%). It is less than 0.5 under SUJ2 ball, critical load 5N, rotation speed 190mm / s, and friction distance 100M. The copper alloy material has a tensile strength of 600MPa or more, a hardness of 210Hv or more, and an electrical conductivity of 20% IACS or more.
본 발명의 또 다른 실시양태는 (a) 18 내지 28중량%의 아연(Zn), 0.4 내지 1.6중량%의 주석(Sn), 0.01 내지 1.0중량%의 망간(Mn), 0.005 내지 0.8중량%의 규소(Si), 및 잔부량의 구리(Cu)를 용해 및 주조하여 슬라브(slab) 형태로 주괴를 수득하는 단계, (b) 상기 주괴를 750 내지 900℃에서 1 내지 5시간 동안 균질화 열처리하고 압하율 85 내지 95%로 열간압연한 후 수냉하는 단계, (c) 압하율 50% 이상으로 1차 냉간압연하는 단계, (d) 340 내지 510℃에서 1 내지 10시간 동안 석출 열처리하는 단계, 및 (e) 압하율 20% 이상으로 최종 냉간압연하는 단계를 포함하는, 본 발명에 따르는 내마모성 동합금재의 제조 방법이다. Another embodiment of the invention is (a) 18 to 28% by weight of zinc (Zn), 0.4 to 1.6% by weight of tin (Sn), 0.01 to 1.0% by weight of manganese (Mn), 0.005 to 0.8% by weight of Dissolving and casting silicon (Si), and the remaining amount of copper (Cu) to obtain an ingot in a slab form, (b) homogenizing the ingot at 750 to 900 ° C. for 1 to 5 hours and subjecting it to pressure reduction Hot rolling at a rate of 85 to 95%, followed by water cooling, (c) first cold rolling at a rolling reduction of 50% or more, (d) precipitation heat treatment at 340 to 510 ° C. for 1 to 10 hours, and ( e) a method of manufacturing a wear-resistant copper alloy material according to the present invention, comprising the step of final cold rolling at a rolling reduction of 20% or more.
본 발명의 또 다른 실시양태는 상기 방법에 따라 제조된 동합금재로 만들어지는 내마모성 자동차 부품이다.Another embodiment of the present invention is a wear-resistant automotive part made of a copper alloy material produced according to the above method.
본 발명의 또 다른 실시양태는 상기 방법에 따라 제조된 동합금재로 만들어지는 전기·전자 부품이다.Another embodiment of the present invention is an electrical / electronic component made of a copper alloy material manufactured according to the above method.
본 발명은 내마모성이 우수한 동합금재를 제조할 수 있고, 이를 저렴한 비용으로 대량생산할 수 있다.The present invention can manufacture a copper alloy material having excellent abrasion resistance, and can mass-produce it at a low cost.
도 1은 본 발명에 따르는 동합금재의 평균 마찰계수(average friction coefficient)를 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 2에 따라 제조된 동합금의 망간-규소(Mn-Si) 금속간화합물을 관찰한 FE-SEM(field emission scanning electron microscope) 사진이다.1 is a graph showing an average friction coefficient of a copper alloy material according to the present invention.
FIG. 2 is a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of a manganese-silicon (Mn-Si) intermetallic compound of a copper alloy prepared according to Example 2.
본 발명은 내마모성이 우수한 동합금재 및 이를 대량 생산할 수 있는 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a copper alloy material having excellent wear resistance and a manufacturing method capable of mass-producing it.
본 명세서에서 함량에 대한 표시로 %가 사용된 경우에는, 달리 지시되지 않는 한, 중량%를 의미한다. When% is used as an indication for the content in this specification, unless otherwise indicated, it means weight%.
본 발명에 따르는 동합금재Copper alloy material according to the present invention
본 발명에 따르는 내마모성 동합금재는 18 내지 28중량%의 아연(Zn), 0.4 내지 1.6중량%의 주석(Sn), 0.01 내지 1.0중량%의 망간(Mn), 0.005 내지 0.8중량%의 규소(Si), 잔부량의 구리(Cu) 및 0.2중량% 미만의 불가피한 불순물로 이루어지고, 상기 불가피한 불순물은 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 철(Fe), 크롬(Cr), 납(Pb), 인(P) 및 비스무트(Bi)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 원소이다. The abrasion-resistant copper alloy material according to the present invention is 18 to 28% by weight of zinc (Zn), 0.4 to 1.6% by weight of tin (Sn), 0.01 to 1.0% by weight of manganese (Mn), and 0.005 to 0.8% by weight of silicon (Si) , The balance of copper (Cu) and less than 0.2% by weight of inevitable impurities, the inevitable impurities are nickel (Ni), aluminum (Al), iron (Fe), chromium (Cr), lead (Pb), phosphorus (P) and bismuth (Bi).
이하, 본 발명에 따르는 동합금재를 구성하는 성분 원소와 그의 한정 이유를 설명한다. Hereinafter, the component elements constituting the copper alloy material according to the present invention and the reasons for the limitation will be described.
(1) 아연(Zn)(1) Zinc (Zn)
아연(Zn)은 구리(Cu) 함께 기지(matrix) 조직을 구성하며, 내마모성을 향상시키면서 강도와 인성을 부여하는 성분이다. 본 발명에 따르는 동합금재의 아연(Zn)의 성분 함량은 18 내지 28중량% 범위이다. 아연(Zn) 함량이 18중량% 미만이면 강도와 인성을 충분히 얻을 수 없고 28중량% 초과일 경우에는 열화 현상이 발생하는 원인이 되고, β상이 기지(matrix) 내에 불균일하게 형성되어 냉간압연성에 악영향을 미친다. Zinc (Zn) is a component that together with copper (Cu) composes a matrix structure and imparts strength and toughness while improving wear resistance. The content of zinc (Zn) in the copper alloy material according to the present invention is in the range of 18 to 28% by weight. If the zinc (Zn) content is less than 18% by weight, strength and toughness cannot be sufficiently obtained, and if it exceeds 28% by weight, deterioration occurs, and the β phase is formed non-uniformly in the matrix, adversely affecting cold rolling properties. Insane.
(2) 주석(Sn)(2) Tin (Sn)
주석(Sn)은 아연(Zn)과 함께 구리(Cu) 기지 내에 고용되어 강화되며 내마모성 향상 효과가 우수한 합금 원소이다. 또한 본 발명에 따르는 동합금재에서는 망간-규소(Mn-Si) 금속간화합물을 미세화시키는 역할을 하여 강도 및 내마모성 향상에 기여하는 중요한 원소이다. 본 발명의 동합금재에서 주석의 함량은 0.4 내지 1.6중량% 범위이다. 주석(Sn) 함량이 0.4중량% 미만이면 상술한 강도 및 내마모성 향상 효과를 수득하기에 부족하다. 그러나 주석의 함량이 1.6중량%보다 초과되면 합금이 취화되어 열간압연시 측면 균열(side crack)을 유발시킨다. Tin (Sn) is an alloy element that is strengthened by being solidified in a copper (Cu) matrix together with zinc (Zn) and has an excellent effect of improving wear resistance. In addition, in the copper alloy material according to the present invention, manganese-silicon (Mn-Si) is an important element contributing to the refinement of strength and abrasion resistance by acting to refine the intermetallic compound. The content of tin in the copper alloy material of the present invention is in the range of 0.4 to 1.6% by weight. If the tin (Sn) content is less than 0.4% by weight, it is insufficient to obtain the effect of improving the strength and wear resistance described above. However, if the content of tin exceeds 1.6% by weight, the alloy embrittles and causes side cracking during hot rolling.
(3) 망간(Mn)(3) Manganese (Mn)
망간(Mn)은 아연(Zn), 주석(Sn)과 함께 기계적 성질을 향상시키며 특히 내마모성을 향상시키는 망간-규소(Mn-Si) 금속간화합물을 석출시키는 필수 원소이며, 함량은 0.01 내지 1.0중량% 범위이다. 망간(Mn) 함량이 0.01중량% 미만이면 망간-규소(Mn-Si) 금속간화합물 양이 부족하여 내마모성을 얻을 수 없고 1.0중량% 초과시 주조성 및 열간압연성을 저하시키며 망간-규소(Mn-Si) 금속간화합물이 침상으로 조대하게 석출되고, 소성변형에 의해 일정한 방향성을 갖게 되므로 그 방향성에 따라 내마모성이 좌우되므로 품질 특성이 불균일해진다. Manganese (Mn) is an essential element for precipitating manganese-silicon (Mn-Si) intermetallic compounds that improve mechanical properties with zinc (Zn) and tin (Sn), and in particular improve abrasion resistance.The content is 0.01 to 1.0 wt. % Range. If the content of manganese (Mn) is less than 0.01% by weight, the amount of manganese-silicon (Mn-Si) intermetallic compound is insufficient, and abrasion resistance cannot be obtained. When it exceeds 1.0% by weight, castability and hot rolling are reduced, and manganese-silicon (Mn- Si) Since the intermetallic compound precipitates coarsely as a needle and has a certain directionality due to plastic deformation, wear resistance depends on the directionality, resulting in uneven quality characteristics.
(4) 규소(Si)(4) Silicon (Si)
규소(Si)는 α+β 황동의 강도와 내구성을 향상시키는 원소이며, 망간(Mn)과 금속간화합물을 형성하는 필수 원소이다. 본 발명에 따르는 동합금재에서는 규소의 첨가량이 0.005 내지 0.8중량%으로, 0.005중량% 미만이면 망간-규소(Mn-Si) 금속간화합물 생성량이 감소하여 내마모성을 구현하기 어려워지고, 0.8중량% 초과이면 주조성 및 열간압연성이 저하된다. Silicon (Si) is an element that improves the strength and durability of α + β brass, and is an essential element for forming an intermetallic compound with manganese (Mn). In the copper alloy material according to the present invention, if the amount of silicon added is 0.005 to 0.8% by weight, and less than 0.005% by weight, the amount of manganese-silicon (Mn-Si) intermetallic compound decreases, making it difficult to implement abrasion resistance. Castability and hot rolling properties are deteriorated.
(5) 불가피한 불순물(Ni, Al, Fe, Cr, Pb, P, Bi)(5) Unavoidable impurities (Ni, Al, Fe, Cr, Pb, P, Bi)
본 발명에 따르는 동합금재는 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 철(Fe), 크롬(Cr), 납(Pb), 인(P), 비스무트(Bi)로 이루어진 그룹으로부터 선택적으로 1종 이상의 원소를 불가피한 불순물로서 포함할 수 있다. 상기 불순물은 의도적으로 첨가한 것은 아니지만, 용해 주조 등의 동합금재의 제조 공정 과정을 통해 자연스럽게 첨가되는 성분으로, 상기 불가피한 불순물의 총 함량은 0.2중량% 미만으로 제어된다. 당업자는 총 함량의 상한치의 설정을 참고하여, 해당 불순물 총 함량을 제어할 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따르는 내마모성 동합금재는 다원계(6종 이상) 동합금재가 아니며 첨가된 합금 원소의 함량의 총합이 낮은 편이므로, 열간압연성 및 냉간압연성이 우수하다. The copper alloy material according to the present invention is one or more elements selectively selected from the group consisting of nickel (Ni), aluminum (Al), iron (Fe), chromium (Cr), lead (Pb), phosphorus (P), and bismuth (Bi). May be included as an unavoidable impurity. The impurity is not intentionally added, but is a component that is naturally added through a process of manufacturing a copper alloy material such as melt casting, and the total content of the inevitable impurities is controlled to less than 0.2% by weight. Those skilled in the art can control the total content of the impurity by referring to the setting of the upper limit of the total content. As described above, the abrasion-resistant copper alloy material according to the present invention is not a multi-based (six or more) copper alloy material, and since the total content of added alloy elements is low, it is excellent in hot rolling properties and cold rolling properties.
본 발명에 따르는 동합금재의 제조 방법Method for manufacturing copper alloy material according to the present invention
본 발명에 따르는 동합금재는 후술되는 제조 방법으로 제조된다. 본 발명에 적용되는 제조 방법은 대량 생산이 가능한 반-수직 연속 주조(semi-vertical continuous casting 또는 vertical semi-continuous casting) 방법이며 첨가되는 망간-규소(Mn-Si)의 양이 소량이기 때문에, 동합금재의 가공성이 확보되므로 주괴(ingot)를 슬라브(slab) 형태로 만들어 열간압연 및 냉간압연이 가능하다. 그러므로, 전술된 본 발명의 동합금재의 조성 및 후술되는 본 발명의 동합금재의 제조 방법에 따를 때, 비로소 내마모성과 전기전도도 특성이 모두 우수한 동합금재를 대량 생산할 수 있다.The copper alloy material according to the present invention is manufactured by the manufacturing method described below. The manufacturing method applied to the present invention is a semi-vertical continuous casting or vertical semi-continuous casting method capable of mass production, and since the amount of manganese-silicon (Mn-Si) added is small, copper alloy Since the workability of the ash is secured, it is possible to hot roll and cold roll the ingot in the form of a slab. Therefore, according to the composition of the copper alloy material of the present invention described above and the method of manufacturing the copper alloy material of the present invention described below, it is possible to mass-produce a copper alloy material having both excellent abrasion resistance and electrical conductivity properties.
본 발명에 따르는 동합금재의 제조 방법은 (a) 18 내지 28중량%의 아연(Zn), 0.4 내지 1.6중량%의 주석(Sn), 0.01 내지 1.0중량%의 망간(Mn), 0.005 내지 0.8중량%의 규소(Si), 및 잔부량의 구리(Cu)를 용해 및 주조하여 슬라브(slab) 형태로 주괴를 제조하는 단계; (b) 수득된 주괴를 750 내지 900℃ 온도에서 1 내지 5시간의 균질화 열처리에 이어서, 압하율 85 내지 95%의 열간압연한 후 수냉하는 단계; (c) 압하율 50% 이상으로 1차 냉간압연하는 단계; (d) 수득된 생성물을 340 내지 510℃에서 1 내지 20시간 동안 석출 열처리하는 단계; 및 (e) 압하율을 20% 이상으로 하여 최종 냉간압연하는 단계를 포함한다.The method for producing a copper alloy material according to the present invention is (a) 18 to 28% by weight of zinc (Zn), 0.4 to 1.6% by weight of tin (Sn), 0.01 to 1.0% by weight of manganese (Mn), 0.005 to 0.8% by weight Dissolving and casting silicon (Si), and the remaining amount of copper (Cu) to prepare an ingot in a slab form; (b) following the homogenization heat treatment of the obtained ingot at a temperature of 750 to 900 ° C. for 1 to 5 hours, followed by hot rolling with a reduction rate of 85 to 95%, followed by water cooling; (c) first cold rolling with a reduction ratio of 50% or more; (d) subjecting the obtained product to precipitation heat treatment at 340 to 510 ° C. for 1 to 20 hours; And (e) final cold rolling with a rolling reduction of 20% or more.
이하에서, 상기 기재된 본 발명에 따르는 동합금재의 제조방법의 각 단계를 구체적으로 설명한다.Hereinafter, each step of the method for manufacturing a copper alloy material according to the present invention described above will be described in detail.
먼저 (a) 18 내지 28중량%의 아연(Zn), 0.4 내지 1.6중량%의 주석(Sn), 0.01 내지 1.0중량%의 망간(Mn), 0.005 내지 0.8중량%의 규소(Si), 및 잔부량의 구리(Cu)를 용해 및 주조하여 슬라브(slab) 형태로 주괴를 수득한다. 본 발명에 따르는 내마모성 동합금재의 제조 방법에서, 전술한 성분 원소의 함량을 기반으로, 용해 및 주조 단계는 당업계의 일반적인 공정 방식으로 수행할 수 있다. 본 발명에 따르는 동합금재의 각 성분 원소에 대해서는 앞서 설명되어 있으므로, 중복 설명을 생략한다. First (a) 18 to 28% by weight of zinc (Zn), 0.4 to 1.6% by weight of tin (Sn), 0.01 to 1.0% by weight of manganese (Mn), 0.005 to 0.8% by weight of silicon (Si), and cup An ingot in a slab form is obtained by dissolving and casting an amount of copper (Cu). In the method of manufacturing a wear-resistant copper alloy material according to the present invention, based on the content of the above-mentioned component elements, the melting and casting steps may be performed in a general process manner in the art. Each component element of the copper alloy material according to the present invention has been described above, and thus redundant description is omitted.
한편, 최종 수득되는 본 발명에 따르는 동합금재는 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 상기 불가피한 불순물은 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 철(Fe), 크롬(Cr), 납(Pb), 인(P), 비스무트(Bi)로 이루어진 그룹으로부터 선택적으로 1종 이상의 원소로서, 상기 불가피한 불순물의 합계 총량은 0.2중량% 미만이다. 상기 불가피한 불순물은 용해 또는 주조 등의 제조 공정에서 자연스럽게 포함되는 성분이며, 0.2중량% 미만의 함량으로 제어되어 본 발명의 동합금재의 특성, 특히 가공성에 악영향을 미치지 않는다. Meanwhile, the copper alloy material according to the present invention, which is finally obtained, may contain unavoidable impurities. The inevitable impurities are one or more elements selectively selected from the group consisting of nickel (Ni), aluminum (Al), iron (Fe), chromium (Cr), lead (Pb), phosphorus (P), and bismuth (Bi), The total total amount of the inevitable impurities is less than 0.2% by weight. The inevitable impurities are components that are naturally included in the manufacturing process such as melting or casting, and are controlled to a content of less than 0.2% by weight, so that they do not adversely affect the properties of the copper alloy material of the present invention, particularly processability.
(b) 상기 주괴를 750 내지 900℃ 온도에서 1 내지 5시간의 균질화 열처리하고, 압하율 85 내지 95%로 열간압연한 후 수냉한다. 상기 균질화 열처리는 750 내지 900℃ 범위에서 1 내지 5시간 동안 실시된 후, 압하율 85 내지 95%로 열간압연해야 방향성이 없는 등방성 재결정 조직을 얻을 수 있다. 균질화 열처리는 열간압연을 위해 수반되는 필수 공정으로 주괴가 냉간압연이 아닌 충분히 가열된 상태에서 열간압연되어 주조조직을 제거하고 새로운 재결정 조직을 만들기 위한 과정이기 때문에 상기 범위 내에서 실시한다. 열간압연을 종료함과 동시에 수냉한다. 상기 수냉으로 용질 원소들을 고용된다. 열간압연 후 서냉하면 냉각 중 석출물이 먼저 생성된 상태로 냉간압연 공정과 석출공정을 거치게 되므로 석출공정에서 물성 향상의 효과를 기대할 수 없다. (b) The ingot is subjected to a homogenization heat treatment at a temperature of 750 to 900 ° C. for 1 to 5 hours, hot-rolled with a rolling reduction of 85 to 95%, followed by water cooling. The homogenization heat treatment is performed for 1 to 5 hours in the range of 750 to 900 ° C., and then hot rolling with a rolling reduction of 85 to 95% can obtain an isotropic recrystallized structure having no orientation. Homogenization heat treatment is an essential process involved for hot rolling, and is performed within the above range because the ingot is hot rolled in a sufficiently heated state, not cold rolled, to remove the casting structure and to create a new recrystallized structure. Upon completion of hot rolling, water cooling is performed. The solute elements are dissolved by the water cooling. When the slow rolling is followed by hot rolling, the precipitation is first generated during cooling, and thus the cold rolling process and the precipitation process are performed. Therefore, an effect of improving physical properties in the precipitation process cannot be expected.
다음으로, (c) 압하율 50% 이상으로 1차 냉간압연을 실시한다. 상기 냉간압연으로 높은 변형에너지를 축적하여 이후 석출 공정에서 석출물 생성의 구동력을 증대시킬 수 있다. Next, (c) primary cold rolling is performed at a reduction ratio of 50% or more. By accumulating high strain energy through the cold rolling, a driving force for generating precipitates may be increased in a subsequent precipitation process.
그 후, 앞 단계에서 수득된 생성물을 (d) 340 내지 510℃의 범위에서 1 내지 20시간 동안 석출 열처리한다. 석출 온도가 340℃ 미만인 경우, Cu3Sn 금속간화합물이 석출되어 가공성의 저하를 야기시키며, 510℃ 초과시 결정립의 크기가 조대해져 기계적 특성의 저하를 초래한다. 본 발명에 따르는 동합금재는 상기 석출 공정을 통해 결정립내에 구상의 망간-규소(Mn-Si) 금속간화합물을 미세하고 균일하게 형성시켜 강도가 향상됨과 동시에 내마모성도 향상되며, 또한 상기 석출 공정을 통해 냉간압연 공정에서 축적된 소재 내부의 응력을 제거할 수 있다. Thereafter, the product obtained in the previous step is subjected to precipitation heat treatment in the range of (d) 340 to 510 ° C for 1 to 20 hours. When the precipitation temperature is less than 340 ° C, the Cu 3 Sn intermetallic compound precipitates, causing deterioration of workability, and when it exceeds 510 ° C, the grain size becomes coarse, resulting in deterioration of mechanical properties. The copper alloy material according to the present invention finely and uniformly forms a spherical manganese-silicon (Mn-Si) intermetallic compound in the crystal grains through the precipitation process to improve strength and abrasion resistance, and also cold through the precipitation process. It is possible to remove the stress inside the material accumulated in the rolling process.
이어서, (e) 압하율 20% 이상으로 최종 냉간압연한다. 상기 압하율 범위 내에서, 최종 생산물의 요구 물성에 따라 적절한 압하율을 선택할 수 있다. Subsequently, (e) final cold rolling is performed at a rolling reduction of 20% or more. Within the above reduction rate range, an appropriate reduction rate may be selected according to the required physical properties of the final product.
마지막으로, 최종 생산물의 용도에 따라 선택적으로, 수득된 생성물을 (f) 300 내지 700℃에서 2 내지 3000초간 응력완화 처리할 수 있다. 응력완화 처리는 수득된 생성물의 소성 변화에 의해 형성된 응력을 열을 가하여 해소하는 공정으로, 실시시 응력완화 처리가 300℃ 미만 또는 2초 미만으로 실시되면 내부 응력이 해소되지 못하고, 700℃ 초과 또는 3000초 초과에서는 회복 구간을 지나 연화(softening)가 발생되어 기계적 성질인 인장강도가 저하될 수 있다. 최종 수득물 제조 후 응력완화처리는, 탄성강도가 요구되는 초소형 단자에는 필수적인 공정이나, 그 외 타용도로 사용시에는 생략 가능하며, 당업자는 이러한 최종 용도에 따라 응력완화처리를 생략할지 여부를 용이하게 결정할 수 있다. 본 발명이 목적으로 하는 내마모성 확보 측면에서는 응력완화처리는 필수적으로 실시하는 것은 아니기 때문에 특별히 규정되지 않는다.Finally, depending on the use of the final product, optionally, the obtained product may be subjected to stress relaxation treatment at (f) 300 to 700 ° C for 2 to 3000 seconds. The stress relaxation treatment is a process of releasing the stress formed by the plasticity change of the obtained product by applying heat, and when the stress relaxation treatment is performed at less than 300 ° C or less than 2 seconds, the internal stress cannot be relieved and exceeds 700 ° C or If it exceeds 3000 seconds, softening occurs after the recovery period, and the tensile strength, which is a mechanical property, may deteriorate. After the final product is prepared, the stress relaxation treatment is an essential process for ultra-small terminals requiring elastic strength, but can be omitted when used for other purposes, and those skilled in the art can easily determine whether to omit the stress relaxation treatment according to the final use. Can decide. In the aspect of securing the abrasion resistance, which is the object of the present invention, the stress relaxation treatment is not necessarily performed, and thus is not particularly defined.
본 발명에 따르는 동합금재의 특성 및 용도Characteristics and uses of copper alloy material according to the present invention
일반적으로, 동합금재에서 강도와 전기전도도의 특성을 동시에 개선시키는 것은 매우 어려운 일이나, 본 발명에 따르는 동합금재는 구성성분인 망간(Mn)과 규소(Si)가 석출 열처리에 의해 반응하여 망간-규소(Mn-Si) 금속간화합물이 석출되어 강도 및 전기전도도의 우수한 특성을 양립시킬 수 있다. In general, it is very difficult to simultaneously improve strength and electrical conductivity properties in a copper alloy material, but in the copper alloy material according to the present invention, the constituent components of manganese (Mn) and silicon (Si) react by precipitation heat treatment, thereby manganese-silicon. The (Mn-Si) intermetallic compound can be precipitated to achieve excellent properties of strength and electrical conductivity.
본 발명에 따르는 동합금재는, 상술한 조성 및 제조 방법을 통해, 구리(Cu) 기지 내에 아연(Zn), 주석(Sn)을 첨가시켜 고용강화 효과를 얻을 수 있고, 이와 더불어 결정립내에 구상의 망간-규소(Mn-Si) 금속간화합물을 30㎚ 이하의 크기로 미세하고 균일하게 석출시켜 금속간화합물에 의한 석출강화 효과를 획득하여, 결과적으로 우수한 내마모성과 전기전도도 특성을 얻을 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따르는 동합금재는 인장강도 600MPa 이상, 경도 210Hv 이상, 전기전도도 20%IACS 이상이고, 평균 마찰계수(average friction coefficient)는 무윤활(상온, 습도 50 내지 70%)에서 마모재 6mm SUJ2 볼, 임계하중 5N, 회전속도 190mm/s, 마찰 거리 100m 조건에서 0.5 이하이다. The copper alloy material according to the present invention can obtain a solid solution strengthening effect by adding zinc (Zn) and tin (Sn) into a copper (Cu) matrix through the above-described composition and manufacturing method, and in addition, spherical manganese in a crystal grain- Silicon (Mn-Si) intermetallic compound is precipitated finely and uniformly with a size of 30 nm or less to obtain a precipitation strengthening effect by the intermetallic compound, and as a result, excellent wear resistance and electrical conductivity properties can be obtained. Specifically, the copper alloy material according to the present invention has a tensile strength of 600MPa or more, a hardness of 210Hv or more, an electrical conductivity of 20% IACS or more, and an average friction coefficient (average friction coefficient) of 6mm at no lubrication (room temperature, humidity 50 to 70%) SUJ2 ball, critical load 5N, rotation speed 190mm / s, friction distance of 100m or less is less than 0.5.
본 발명에 따르는 동합금재는 내마모성을 요구하는 부품에 적합한 수준 내지 그 이상의 강도가 필요하다. 일반적으로 내마모성은 소재의 강도와 상관관계가 있다. 내마모성이란, 연마 마모(abrasive wear)와 응착 마모(adhesive wear)로 오는 손상에 견디는 능력을 말한다. 구체적으로, 연마 마모는 부드러운 표면에 거친 물질이 닿았을 때 발생하며, 응착 마모는 두 면이 서로 맞물려서 움직일 때 갈려 나오는 미세 입자에 의해서 발생한다. 상술한 바와 같이, 소재의 강도가 부족하면 마모 상대재와 마찰에 견딜 수 없기 때문에 연마 마모 및 응착 마모가 심하게 발생하여 내마모성이 현저하게 저하된다. 따라서, 소재의 강도를 향상시켜 마모에 대한 저항을 최대한 줄여야 내마모성이 향상된다.The copper alloy material according to the present invention requires a level suitable for parts that require abrasion resistance, or higher strength. In general, wear resistance is correlated with the strength of the material. Abrasion resistance refers to the ability to withstand damage from abrasive wear and adhesive wear. Specifically, abrasive wear occurs when a rough material comes into contact with a soft surface, and adhesion wear is caused by fine particles that are split when two surfaces move in engagement with each other. As described above, if the strength of the material is insufficient, since it cannot withstand friction with the wear counterpart, abrasive wear and adhesion wear occur severely and wear resistance is remarkably deteriorated. Therefore, the abrasion resistance is improved when the strength of the material is improved to minimize the resistance to abrasion.
동합금재의 강도는 인장강도와 경도로 측정할 수 있는데, 내마모성 부품, 특히 자동차용 내마모성 부품으로 사용하기 위해서는 인장강도 600MPa 이상 및 경도 210Hv 이상이어야 한다. 본 발명에 따르는 동합금재는 후술되는 실시예에서 확인할 수 있듯이 상기 인장강도와 경도 기준을 모두 만족시킨다. The strength of the copper alloy material can be measured by tensile strength and hardness. In order to use it as a wear-resistant part, in particular, a wear-resistant part for automobiles, the tensile strength should be 600 MPa or more and a hardness of 210 Hv or more. The copper alloy material according to the present invention satisfies all of the tensile strength and hardness standards as can be seen in the examples described below.
본 발명에 따르는 동합금재는 전기 전자 부품으로 사용하기 위해서 전기전도도가 20%IACS 이상이어야 한다. 동합금재는 첨가되는 원소에 의해 강도가 증가되면, 전기전도도가 감소되는 경향을 보인다. 즉, 일반적으로 전기전도도는 강도와 반비례하는 특성을 가지므로, 강도 특성과 전기전도도 특성을 동시에 만족시키기는 어렵다. 그러나, 본 발명에 따르는 동합금재는 기지 내에 미세하게 석출된 망간-규소 금속간화합물 덕분에, 상술한 바와 같이 강도 특성을 만족시키는 동시에 우수한 전기전도도 특성을 가진다. The copper alloy material according to the present invention must have an electrical conductivity of 20% IACS or higher in order to use it as an electrical and electronic component. When the strength of the copper alloy material is increased by the added element, the electrical conductivity tends to decrease. That is, in general, since electrical conductivity has an inversely proportional property to strength, it is difficult to satisfy both the strength property and the electrical conductivity property at the same time. However, the copper alloy material according to the present invention has excellent electrical conductivity characteristics while satisfying the strength characteristics as described above, thanks to the manganese-silicon intermetallic compound finely precipitated in the matrix.
본 발명에 따르는 동합금재는 내마모성 특성이 일정 수준 이상이 되어야 한다. 구체적으로, 본 발명에 따르는 동합금재의 평균 마찰계수(average friction coefficient)는 무윤활(상온, 습도 50 내지 70%)에서 마모재 6mm SUJ2 볼, 임계하중 5N, 회전속도 190mm/s, 마찰 거리 100m 조건에서 측정할 때 0.5 이하이어야 한다. The copper alloy material according to the present invention should be at least a certain level of abrasion resistance. Specifically, the average friction coefficient of the copper alloy material according to the present invention is 6 mm SUJ2 ball, critical load 5 N, rotational speed 190 mm / s, friction distance 100 m condition at no lubrication (room temperature, humidity 50 to 70%) It should be less than 0.5 when measured at.
상술한 특성들 덕분에, 본 발명에 따르는 동합금재는 내마모성이 요구되는 용도에 유리하게 그리고 유익하게 사용될 수 있다. 특히, 자동차 엔진 베어링 부품의 경우, 다른 부품 위에서 슬라이딩 운동을 하기 때문에 내마모성이 더욱 중요하다. 그 중에서도 내마모성 특성이 중요한 커넥팅 로드 부싱으로 특히 유리하게 활용할 수 있다. Thanks to the above-mentioned properties, the copper alloy material according to the present invention can be advantageously and advantageously used in applications requiring wear resistance. Particularly, in the case of automobile engine bearing parts, abrasion resistance is more important because sliding motion is performed on other parts. Among them, it can be advantageously used as a connecting rod bushing in which wear resistance is important.
이와 관련하여 부연하면, 커넥팅 로드(connecting rod)란 자동차 엔진 부품 중 엔진 구동에서 피스톤과 더불어 중요한 역할을 하는 피스톤과 크랭크축을 연결하는 부품으로, 피스톤의 왕복운동을 크랭크축 회전운동으로 변환시키고, 피스톤이 받은 동력을 크랭크축에 전달해 크랭크축에 회전토크가 발생되도록 하는 역할을 한다. 커넥터 로드는 크랭크 축과 연결되는 대단부(big end)와 피스톤과 연결되는 소단부(small end), 그리고 본체(body)로 구성된다. 이 중 소단부쪽에 들어가는 부싱(bushing)을 커넥팅 로드 부싱(connecting rod bushings)이라고 하는데, 이 부싱(bushing)의 역할은 피스톤 핀이 가스 압력을 피스톤에서 커넥팅 로드까지 전달하는 동안, 이 베어링에 의해 커넥팅 로드 소단부는 피스톤 핀과 연결되어 진동 운동을 할 수 있게 해 준다. 이 때문에 이 커넥팅 로드 부싱은 소단부 부싱(small end bushing)으로도 불린다. In this connection, the connecting rod is a part that connects the piston and the crankshaft, which plays an important role together with the piston in the engine driving among automobile engine parts, converts the reciprocating motion of the piston into the crankshaft rotational motion, and the piston It transmits the received power to the crankshaft and serves to generate rotational torque on the crankshaft. The connector rod is composed of a large end connected to the crankshaft, a small end connected to the piston, and a body. The bushing that enters the small end is called connecting rod bushings, and the role of the bushing is to be connected by this bearing while the piston pin transmits gas pressure from the piston to the connecting rod. The rod end is connected to the piston pin to enable vibrational movement. For this reason, this connecting rod bushing is also called small end bushing.
커넥팅 로드 부싱은 내마모성이 아주 중요하게 요구된다. 보통 마찰은 두 표면 사이에 발생하는 상대 운동에 대한 저항을 의미하는데, 마찰로 인한 마모가 소재의 수명을 감소시키기 때문이다. 마찰계수가 낮을수록 두 표면의 미끄러짐이 더 수월해지므로 내마모성이 높아진다.Wear resistance of connecting rod bushing is very important. Usually friction refers to the resistance to relative motion occurring between the two surfaces, since wear due to friction reduces the life of the material. The lower the coefficient of friction, the easier the sliding of the two surfaces, the higher the wear resistance.
본 발명에 따르는 동합금재는 전기전도도 특성이 요구되는 용도에도 유리하다. 특히, 최근에 전자 기기 부품의 소형화에 수반하여 단자, 커넥터, 스위치, 릴레이 등도 소형화되고 있기 때문에 이러한 부품에 사용하기 위해서는 고강도를 가지면서 신호전달에 꼭 필요한 전기전도도 특성이 만족되어야 한다. 상기 기준을 만족시킬 때, 소형의 단자, 커넥터, 스위치, 릴레이 등을 포함하는 전기 전자 부품 용도로 적용가능하다. 즉, 전기 접점 재료로 널리 사용되기 위해서는 전기전도도가 적어도 20%IACS 이상이 되어야 하는데, 황동의 경우 전기전도도는 25~28%IACS로 기준에 만족하지만, 인장강도가 약 450~550MPa로 강도 측면에서 부족한 물성을 나타내기 때문에 전기 전자 부품 소형화에 대응하기에는 한계가 있다. 또한 인청동의 경우에는 강도 및 스프링성이 우수하여 단자 및 커넥터 소재로 많이 사용되지만 다량의 주석(Sn) 성분으로 인하여 전기전도도가 약 13%IACS 밖에 되지 않아 정보전달 및 전기 접점 재료로 사용되기에는 다소 부족하다. 반면에 본 발명에 따르는 동합금재는 인장강도가 600MPa 이상, 전기전도도가 20%IACS 이상으로 소형의 전기·전자 부품 등 다양한 전기 접점 소재에 적용이 가능하다.The copper alloy material according to the present invention is also advantageous in applications requiring electrical conductivity characteristics. In particular, with the recent miniaturization of electronic device components, terminals, connectors, switches, relays, etc. have also been miniaturized, and therefore, electrical conductivity characteristics necessary for signal transmission must be satisfied while having high strength to be used for these components. When the above criteria are satisfied, it is applicable for use in electrical and electronic components including small terminals, connectors, switches, relays, and the like. That is, in order to be widely used as an electrical contact material, the electrical conductivity must be at least 20% IACS or higher. In the case of brass, the electrical conductivity is 25 to 28% IACS, which satisfies the standard, but the tensile strength is about 450 to 550MPa in terms of strength. Since it exhibits insufficient physical properties, there is a limit to respond to miniaturization of electrical and electronic components. In the case of phosphor bronze, it is often used as a terminal and connector material due to its excellent strength and spring properties, but due to its large amount of tin (Sn), its electrical conductivity is only about 13% IACS, making it somewhat difficult to be used as an information and electrical contact material. Lack. On the other hand, the copper alloy material according to the present invention has a tensile strength of 600 MPa or more and an electrical conductivity of 20% IACS or more, and can be applied to various electrical contact materials such as small electrical and electronic components.
실시예
하기 실시예는 본 발명 및 그 이점을 보다 잘 이해하기 위해 제공하는 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단지 본 발명의 실시를 위한 예시로서 제공된다. Example
The following examples are provided to better understand the present invention and its advantages, and are not intended to limit the present invention, but are provided only as examples for the practice of the present invention.
실시예 1 내지 7Examples 1 to 7
본 발명에 따르는 동합금재를 제조하기 위하여, 실시예 1 내지 7의 시료는 하기 표 1에 개시된 성분 원소의 조성(기타 불순물 제외) 및 하기 표 2에 개시된 공정 조건으로 제조하였다. 하기 표 1의 기타 불순물은 의도적으로 추가하는 것이 아니라, 제조 공정에서 특정 수치 이하로 제어되는지 여부를 확인하기 위해 용해 과정에서 측정하였다. In order to prepare the copper alloy material according to the present invention, the samples of Examples 1 to 7 were prepared under the composition (excluding other impurities) of the component elements set forth in Table 1 below and the process conditions set forth in Table 2 below. Other impurities in Table 1 below were not intentionally added, but were measured in the dissolution process to confirm whether they were controlled below a certain value in the manufacturing process.
구체적으로, 표 1에 개시된 조성으로 성분 원소(기타 불순물 제외)를 조합한 후 고주파 용해로로 용해와 주조를 실시하여, 총 중량 2kg이며 두께 25mm, 폭 100mm, 길이 150mm의 슬라브(slab) 주괴를 제조하였다. 이 슬라브 주괴를 판재로 제조하기 위해서 870℃에서 2시간 동안 11mm까지 열간압연하고 수냉하였다. 열간압연의 압하율은 85 내지 95%이었다. 이후 산화 스케일을 제거하기 위해 양 표면을 0.5mm 두께로 면삭하였다. 이후 두께를 2mm까지 1차 냉간압연 후 표 2에 기재된 온도 및 시간으로 석출열처리를 실시하였다. 이후 20% 이상의 압하율로 냉간압연을 실시하여 시료로서 최종 수득물을 제조하였다. Specifically, after combining the elemental elements (excluding other impurities) with the composition disclosed in Table 1, melting and casting were performed with a high-frequency melting furnace to prepare a slab ingot having a total weight of 2 kg, a thickness of 25 mm, a width of 100 mm, and a length of 150 mm. Did. In order to manufacture the slab ingot as a plate material, it was hot rolled at 870 ° C. for 2 hours to 11 mm and water cooled. The rolling reduction of hot rolling was 85 to 95%. Then both surfaces were chamfered to a thickness of 0.5 mm to remove the oxidation scale. After the first cold rolling to a thickness of 2 mm, precipitation heat treatment was performed at the temperature and time shown in Table 2. Thereafter, cold rolling was performed at a reduction rate of 20% or more to prepare a final product as a sample.
비교예 1 내지 8Comparative Examples 1 to 8
비교예들의 조성은 표 1에 따르고, 전체적인 제조 방법은 상술한 실시예의 제조 방법과 동일하게 하되, 구체적인 조건을 표 2에 개시된 내용으로 하여 제조하여 각 시료를 수득하였다. The composition of the comparative examples is in accordance with Table 1, and the overall production method is the same as the production method of the above-described Example, but the specific conditions are set forth in Table 2 to obtain each sample.
Fe:0.0021
P:0.00070Ni: 0.0320
Fe: 0.0021
P: 0.00070
Cr:0.0009Ni: 0.0027
Cr: 0.0009
Al:0.0021
P:0.00090Fe: 0.0114
Al: 0.0021
P: 0.00090
Bi:0.0008
Pb:0.0007Al: 0.0022
Bi: 0.0008
Pb: 0.0007
Bi:0.0005
Pb:0.0010Al: 0.0017
Bi: 0.0005
Pb: 0.0010
Bi:0.0008Fe: 0.0034
Bi: 0.0008
Bi:0.0008
P:0.0007Ni: 0.0012
Bi: 0.0008
P: 0.0007
Fe:0.0017
P:0.0008Ni: 0.0021
Fe: 0.0017
P: 0.0008
Pb:0.0006Fe: 0.0035
Pb: 0.0006
Fe:0.0018
Cr:0.0009Ni: 0.0027
Fe: 0.0018
Cr: 0.0009
Bi:0.0008Pb: 0.0006
Bi: 0.0008
Ni:0.0017Pb: 0.0006
Ni: 0.0017
Ni:0.0011
Fe:0.0014
Cr:0.0010P: 0.0300
Ni: 0.0011
Fe: 0.0014
Cr: 0.0010
P:0.00070Ni: 0.0020
P: 0.00070
Fe:0.0014Ni: 0.0011
Fe: 0.0014
Pb:0.0010Al: 0.0017
Pb: 0.0010
Cr:0.0007Fe: 0.0016
Cr: 0.0007
상술한 바와 같이, 표 2는 동합금재의 제조 공정 조건을 표시하였다. As described above, Table 2 shows the manufacturing process conditions of the copper alloy material.
압하율(%)(c) 1st cold rolling
Rolling down rate (%)
(℃* min)(d) Precipitation heat treatment
(℃ * min)
압하율(%)(e) Final cold rolling
Rolling down rate (%)
시험예Test example
이하, 상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 동합금재의 특성 분석 방법에 대하여 기술한다. Hereinafter, a method of analyzing characteristics of the copper alloy material manufactured according to the above-described examples and comparative examples will be described.
강도는 인장강도 및 경도로 나뉘어 측정되었다. 인장강도는 KS B 0802에 준거하여 독일 ZWICK ROELL社의 만능시험기를 사용하여 압연 방향으로 측정하였고, 경도는 KS B 0811의 규격으로 측정되었다. Strength was measured by dividing it into tensile strength and hardness. Tensile strength was measured in the rolling direction using a universal testing machine from ZWICK ROELL, Germany, in accordance with KS B 0802, and hardness was measured in accordance with KS B 0811.
전기전도도는 KS D 0240 규격에 준거하여 측정되었다. Electrical conductivity was measured according to the KS D 0240 standard.
내마모성은 ASTM G 133규격에 준거하여 측정되었다. 내마모성 측정 조건은, 앞서 발명의 상세한 설명에 기술된 바와 같이, 무윤활(상온, 습도 50 내지 70%)에서 마모재를 6mm SUJ2 볼을 이용하여 5N의 임계하중을 주고 회전속도 190mm/s, 마찰 거리 100m이었다. 구체적으로, 볼 온 디스크(Ball on Disc) 방식의 스위스 안톤 파르(Anton Paar) 사(社)의 장비를 사용하여 평균 마찰계수(average friction coefficient)를 측정하여 계산되었다. 참고로 마찰계수의 수치가 낮을수록 내마모성이 더 우수하다. Abrasion resistance was measured according to ASTM G 133 standard. The abrasion resistance measurement conditions, as described in the detailed description of the present invention, is a non-lubricating material (at room temperature, humidity 50 to 70%), using a 6mm SUJ2 ball to apply a critical load of 5N and a rotational speed of 190mm / s, friction The distance was 100m. Specifically, it was calculated by measuring the average friction coefficient using the equipment of Anton Paar (Switzerland) of the Ball on Disc method. For reference, the lower the coefficient of friction, the better the wear resistance.
상술한 바와 같이 실시한 동합금재의 물성 측정 결과를 표 3에 표시하였다.Table 3 shows the measurement results of the properties of the copper alloy material as described above.
(MPa)The tensile strength
(MPa)
(Hv)Hardness
(Hv)
(%IACS)Electrical conductivity
(% IACS)
본 발명에 따라 제조된 동합금재는 고강도, 중전기전도도 및 고내마모성을 동시에 나타낸다. 표 3을 보면, 실시예 1 내지 7에 따라 제조된 시편은 인장강도는 600MPa 이상, 경도는 210Hv 이상으로 우수한 기계적 특성과 전기전도도가 20%IACS 이상으로 양호한 전기적 특성을 나타냈으며, 뿐만 아니라 평균 마찰계수(average friction coefficient)가 0.5 이하로 우수한 내마모성을 나타냈다. 도 1은 본 발명에 따르는 동합금재의 평균 마찰계수(average friction coefficient)를 나타낸 그래프이다.The copper alloy material produced according to the present invention simultaneously exhibits high strength, heavy electrical conductivity, and high wear resistance. Looking at Table 3, the specimens prepared according to Examples 1 to 7 exhibited excellent electrical properties such as excellent mechanical properties and electrical conductivity of 20% IACS or more, with tensile strength of 600 MPa or more and hardness of 210 Hv or more, as well as average friction. The coefficient (average friction coefficient) showed excellent abrasion resistance at 0.5 or less. 1 is a graph showing an average friction coefficient of a copper alloy material according to the present invention.
실시예 2의 경우에서 평균 마찰계수(average friction coefficient)가 0.32로 아주 우수한 강도와 내마모성을 나타냈다. 실시예 2에 따라 제조된 동합금재 시료를 FE-SEM로 관찰한 결과, 도 2와 같이 합금 성분과 석출열처리 온도 및 시간 등 제조공정 최적화로 인해 결정립내에 구상의 망간-규소(Mn-Si) 금속간화합물(도 2에서 흰색의 구상)이 30㎚ 이하의 크기로 미세하고 균일하게 석출되어 있는 것을 볼 수 있었다. 이러한 미세하고 균일한 망간-규소(Mn-Si) 금속간화합물이 마모에 대한 저항력을 높여 기계적 강도 증가와 함께 전기전도도 및 우수한 내마모성을 나타낸 것으로 확인되었다. In the case of Example 2, the average friction coefficient was 0.32, which showed very good strength and wear resistance. As a result of observing the copper alloy sample prepared according to Example 2 with FE-SEM, as shown in FIG. 2, spherical manganese-silicon (Mn-Si) metal in the crystal grains due to the optimization of the manufacturing process such as the temperature and time of the alloy component and precipitation heat treatment It was found that the liver compound (the white sphere in Fig. 2) was finely and uniformly precipitated to a size of 30 nm or less. It was confirmed that such a fine and uniform manganese-silicon (Mn-Si) intermetallic compound increased the resistance to abrasion and showed an increase in mechanical strength, electrical conductivity and excellent wear resistance.
한편, 비교예 1은 망간(Mn)과 규소(Si)가 전혀 첨가되지 않아 강도 및 내마모성이 저조하였다. On the other hand, in Comparative Example 1, manganese (Mn) and silicon (Si) were not added at all, resulting in low strength and wear resistance.
비교예 2는 망간(Mn)과 규소(Si)가 지나치게 다량으로 첨가되어, 열간압연에서 균열이 발생하여 더 이상 석출 열처리 등 후속 공정을 진행할 수 없었다. In Comparative Example 2, manganese (Mn) and silicon (Si) were added in an excessively large amount, and cracks were generated in hot rolling, so that subsequent processes such as precipitation heat treatment could not be performed.
비교예 3은 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn)에 망간(Mn)과 규소(Si)를 첨가하였지만 석출 온도가 510℃를 초과하여, 결정립의 크기가 조대해져 소재가 연화되어 강도 및 내마모성이 크게 저하되었다. In Comparative Example 3, manganese (Mn) and silicon (Si) were added to copper (Cu), zinc (Zn), and tin (Sn), but the precipitation temperature exceeded 510 ° C, resulting in coarse grain size and softening of the material. Strength and abrasion resistance were greatly reduced.
비교예 4는 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn)에 망간(Mn)과 규소(Si)를 첨가하였지만, 석출 온도가 340℃ 미만이기 때문에 내마모성은 확보되지 못했다. 이러한 원인은 Cu3Sn상이 석출되기 쉬운 온도 범위에서 석출 열처리를 실시하여 소재가 취약해졌기 때문인 것으로 보인다. In Comparative Example 4, manganese (Mn) and silicon (Si) were added to copper (Cu), zinc (Zn), and tin (Sn), but abrasion resistance was not secured because the precipitation temperature was less than 340 ° C. This seems to be because the material was vulnerable by performing precipitation heat treatment in a temperature range in which the Cu 3 Sn phase is likely to precipitate.
비교예 5는 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn)에 망간(Mn)과 규소(Si)를 첨가하였지만 석출 열처리 시간이 20시간을 벗어나 소재가 연화되어 강도 및 내마모성이 크게 저하되었다.In Comparative Example 5, manganese (Mn) and silicon (Si) were added to copper (Cu), zinc (Zn), and tin (Sn), but the material was softened because the precipitation heat treatment time exceeded 20 hours, resulting in a significant decrease in strength and wear resistance. .
비교예 6은 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn)에 망간(Mn)과 인(P)를 첨가하여 망간-인(MnP)의 석출로 인한 석출강화 효과를 기대하였지만, 충분한 내마모성 확보할 수 없었다. Comparative Example 6 expected the precipitation strengthening effect due to the precipitation of manganese-phosphorus (MnP) by adding manganese (Mn) and phosphorus (P) to copper (Cu), zinc (Zn), and tin (Sn), but sufficient abrasion resistance Could not secure.
비교예 7 및 8은 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn)에 망간(Mn), 규소(Si)를 각각 단독으로 첨가하여 고용강화에 의한 내마모성을 기대하였지만, 본 발명에서 한정한 석출 열처리 조건에서 충분한 강도와 내마모성이 확보되지 않았다. In Comparative Examples 7 and 8, manganese (Mn) and silicon (Si) were added to copper (Cu), zinc (Zn), and tin (Sn), respectively, and anti-abrasion resistance by solid solution strengthening was expected. Under the precipitation heat treatment conditions, sufficient strength and wear resistance were not secured.
비교예 9는 아연(Zn) 함량을 줄이고 주석(Sn) 함량을 늘려 주석(Sn)에 의한 강도 향상과 더불어 내마모성 향상을 기대하였지만, 본 발명에서 제시된 아연(Zn)함유량이 벗어나 강도 및 내마모성이 크게 감소하였다.In Comparative Example 9, the zinc (Zn) content was reduced and the tin (Sn) content was increased to improve the strength due to tin (Sn) and to improve the wear resistance, but the zinc (Zn) content suggested in the present invention was out of strength and wear resistance. Decreased.
비교예 10은 원소재 가격이 저렴한 아연(Zn) 함량을 늘이고 원소재 가격이 비싼 주석(Sn) 함량을 줄여, 원소재 가격을 낮추면서 아연(Zn) 함량 증가에 따른 고용강화 효과를 기대하였지만 강도 및 내마모성 모두 만족하지 못한 결과를 나타냈다. Comparative Example 10 was expected to increase the strength of zinc (Zn) with a low raw material price, reduce the content of tin (Sn) with a high raw material price, and lower the raw material price while increasing the strength of the zinc (Zn) content. And abrasion resistance.
이와 같이 본 발명의 동합금재는 결정립내에 구상의 망간-규소(Mn-Si) 금속간화합물이 30㎚ 이하로 매우 미세한 균일하게 분포되어 인장강도 600MPa 이상의 기계적 강도와 더불어 20%IACS 이상의 전기전도도, 평균 마찰계수(Average friction coefficient)가 0.5 이하인 우수한 내마모특성을 확인하였다. 따라서, 본 발명에 따르는 동합금재는 내마모성이 요구되는 부품 및 전기·전자 부품에 적용가능하며, 특히 높은 내마모성과 강도가 요구되는 커넥팅 로드 부싱에 적합하다.As described above, in the copper alloy material of the present invention, the spherical manganese-silicon (Mn-Si) intermetallic compound in the crystal grains is very finely uniformly distributed at 30 nm or less, and the mechanical strength of tensile strength of 600 MPa or more, electrical conductivity of 20% IACS or more, and average friction. Excellent abrasion resistance with an coefficient of friction of 0.5 or less was confirmed. Therefore, the copper alloy material according to the present invention is applicable to parts and electric / electronic parts requiring wear resistance, and is particularly suitable for connecting rod bushings requiring high wear resistance and strength.
Claims (6)
인장강도는 600MPa 이상, 경도는 210Hv 이상, 전기전도도는 20%IACS 이상인 내마모성 동합금재. According to claim 1,
Abrasion-resistant copper alloy material with tensile strength of 600MPa or more, hardness of 210Hv or more, and electrical conductivity of 20% IACS or more.
(b) 상기 주괴를 750 내지 900℃에서 1 내지 5시간 동안 균질화 열처리하고 압하율 85 내지 95%로 열간압연한 후 수냉하는 단계,
(c) 압하율 50% 이상으로 1차 냉간압연하는 단계,
(d) 340 내지 510℃에서 1 내지 10시간 동안 석출 열처리하는 단계, 및
(e) 압하율 20% 이상으로 최종 냉간압연하는 단계
를 포함하는, 제 1 항 또는 제 2 항에 따르는 내마모성 동합금재의 제조 방법.(a) 18 to 28 wt% zinc (Zn), 0.4 to 1.6 wt% tin (Sn), 0.01 to 1.0 wt% manganese (Mn), 0.005 to 0.8 wt% silicon (Si), and balance Dissolving and casting copper (Cu) to obtain an ingot in a slab form,
(b) homogenizing heat treatment of the ingot at 750 to 900 ° C. for 1 to 5 hours, followed by hot rolling with a reduction ratio of 85 to 95%, followed by water cooling;
(c) first cold rolling with a rolling reduction of 50% or more,
(d) heat treatment for precipitation for 1 to 10 hours at 340 to 510 ° C, and
(e) Final cold rolling with a rolling reduction of 20% or more
A method for producing a wear-resistant copper alloy material according to claim 1 or 2, comprising a.
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