Investigation of Structural Characteristics of Hot Extruded Leaded-Brass Alloy

Abstract

황동합금(Cu-Zn계 합금)은 연성, 가공성이 우수함과 동시에 내산화성이 우수하여 복잡한 형상가공이 필요한 수전 관련 부품에 널리 사용되는 소재이다. 그 중 납이 포함된 유연황동합금(Cu-Zn-Pb 합금)의 경우 절삭시 납이 압출 공정은 금형의 모양과 크기에 따라 다양한 제품을 만들 수 있는 장점이 있으나 열간 압출이 진행됨에 따라 마찰에 의해 온도가 상승하여 여러 가지 문제점을 야기한다. 특히 열간 직접 압출의 경우 마찰열과 소성가공시 발생하는 여분의 열로 인하여 따라서 압출시 공정 결함을 최소화하면서도 공정에 필요한 에너지를 절약 가능한 이점을 가질 수 있는 압출 온도 범위의 최적화가 필요하다. 본 논문은 열간압출공정 상에서 유연황동합금의 구조적 특성에 관한 연구로, 미세구조 및 기계적특성을 분석하여 이와 절삭성과의 상관관계를 이해하고자 하였다. 부연하며, 절삭성이 우수한 합금인 Cu58Zn39Pb3 조성의 상용제품에 대하여 산업적 대형 스케일에서의 공정 최적화를 위해 열간압출공정에 따른 미세구조 변화를 압출 온도 및 시편 위치에 따라 면밀하게 관찰하였다. 이때, Widmanstätten 구조가 나타났던 주조 시편이 압출이 이루어지는 온도 영역에 따라 미세구조상에서 homogeneity가 다르게 나타나는 것을 확인하였고, Vickers hardness test와 Uniaxial tensile test를 통해 기계적 특성 또한 미세구조의 homogeneity와 연관지어 해석하였다. 최종적으로는 드릴링 절삭성 평가를 진행함으로써, 미세구조 및 기계적 특성과 절삭성과의 관계를 알아보고자 하였다. 분석 결과를 통해 소성가공시 발생하는 열로 인하여 상태도 상에서의 beta 안정 평형 온도보다 낮은 온도에서 압출을 시행하여도 안정적으로 단일 beta 영역에서 압출이 가능함을 확인하였으며, 절삭성 개선을 위해서는 기계적 특성 뿐만 아니라 blocky 구조의 alpha 상을 가지면서 균일한 분포의 Pb가 중요한 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다. 위 결과를 바탕으로 본 논문은 유연황동합금의 실제 상용제품에 대한 산업적 대형 스케일에서 온도 제어를 통해 공정 결함을 최소화하면서 에너지를 절약할 수 있는 열간압출공정의 최적화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

The brass alloy (Cu-Zn-based alloy) exhibits excellent ductility, machinability, and oxidation resistance, making it a widely used material for parts related to complex shape processing in oil and gas pipelines, machinery, and ships. However, for leaded-brass alloy (Cu-Zn-Pb alloy) containing lead, the hot extrusion process, while advantageous in producing various products based on die shape and size, introduces challenges due to the temperature rise caused by friction during extrusion. Particularly, in the case of direct hot extrusion, the additional heat generated from friction and plastic deformation results in various process-related defects. Therefore, optimizing the extrusion temperature range is necessary to minimize process-related flaws while conserving energy during extrusion. This paper focuses on the investigation of the structural characteristics of the leaded-brass alloy during hot extrusion, aiming to comprehend the correlation between microstructure, mechanical properties, and machinability. Specifically, for the industrially relevant Cu58Zn39Pb3 wt.% alloy, known for its superior machinability, we meticulously observed the microstructure changes during hot extrusion at different temperatures and specimen locations. The analysis revealed variations in microstructural homogeneity based on the temperature regions where extrusion occurred, considering the presence of the Widmanstätten structure in the cast specimen. Additionally, we interpreted the mechanical properties, assessed through Vickers hardness test and uniaxial tensile test, in relation to the microstructural homogeneity. Finally, drilling tests were conducted to explore the relationship between microstructure, mechanical properties, and machinability. The results confirmed that extrusion at temperatures lower than the β phase's equilibrium temperature in the phase diagram was achievable with stable extrusion within the single β phase region, even when subjected to heat during plastic deformation. Furthermore, we identified that achieving an isotropic blocky α phase with a uniform distribution of Pb particles played a crucial role in enhancing machinability. Based on these findings, this paper is expected to contribute to the optimization of the hot extrusion process for flexible brass alloys at an industrial scale, effectively minimizing process-related flaws while conserving energy through temperature control.