Influence of RE element on Microstructural Behaviors and Mechanical Characteristics in Metal Mold Cast of DCI : 구상흑연주철의 금형 주조시 미세조직의 거동과 기계적 성질에 미치는 희토류 원소의 영향원문보기
Kim, Ki Kon
(Graduate School of Chonbuk National University
금속공학(금속공학)
국내석사)
현대의 산업구조는 고효율성을 가진 청정산업 즉, 공장내외의 환경의 개선, 효율적인 에너지 사용 및 제품의 신뢰성 및 고부가가치성 등을 요구하고 있다. 금형주조는 이러한 사형주조 방식에서 탈피하여 작업 환경이 개선되고 산업 폐기물이 적으며 초기 투자 설비비가 적게 든다. 또한 정밀하여 절삭 가공시 가공성이 좋고, 조직이 균일하고 작은 결정립으로 사형주조 보다 치밀하며, 미세한 결정립으로 되어 있어 가공후 표면 조도 및 치수 정밀도가 좋다. 뿐만 아니라 기계적 성질이 사형주조에 비하여 우수하다. 그러나 금형에 주입되므로 ...
현대의 산업구조는 고효율성을 가진 청정산업 즉, 공장내외의 환경의 개선, 효율적인 에너지 사용 및 제품의 신뢰성 및 고부가가치성 등을 요구하고 있다. 금형주조는 이러한 사형주조 방식에서 탈피하여 작업 환경이 개선되고 산업 폐기물이 적으며 초기 투자 설비비가 적게 든다. 또한 정밀하여 절삭 가공시 가공성이 좋고, 조직이 균일하고 작은 결정립으로 사형주조 보다 치밀하며, 미세한 결정립으로 되어 있어 가공후 표면 조도 및 치수 정밀도가 좋다. 뿐만 아니라 기계적 성질이 사형주조에 비하여 우수하다. 그러나 금형에 주입되므로 탄화물이 발생하기 쉽고, 이로 인해 열처리를 해주어야 하며, 금형의 열용량이 제한되어 있어 주입 중량 및 회수율이 낮은 단점이 있다. 금형주철의 재질 특성에서 보면 회주철은 1980년대까지 크게 발전되어 왔고 현재는 구상흑연 주철에 관심을 갖게되어 금형, 도형 및 장치 등에 계속 연구 실험한 결과 실용단계에 도달하게 되었다. 금형주조 제품을 보면 공정 흑연주철은 맨홀, 하수도 뚜껑용 일용품 주물과 에어 컨디션용 콤프레셔 등을 생산하며 구상흑연 주철은 송전용 애자의 캡, 조인트 볼트 등 구조재로 사용되고 있다. 금형의 두께에 따른 냉각속도와 화학적 조성의 변화에 따른 시편의 조직과 금형 벽면에 형성되는 탄화물 및 역칠의 변화를 알아보기 위하여 금형의 두께를 25~45mm로 제작하였다. 시편은 C : 3.5~3.8%, Si : 2.5~2.9%, RE : 0~0.4% 의 조성으로 제조하였다. 특히 Rare-Earth의 첨가량을 조절하여 구상흑연립과 탄화물의 형성에 대한 영향을 조사하였다. 6Kg 용량의 알루미나 도가니를 이용하여 고주파 유도로(10KW)를 사용하였고, 접종 및 구상화처리는 샌드위치 폭발법을 이용하여 시행하였다. 금형에 K-type의 열전대를 이용하여 시편의 냉각속도를 측정하였다. 또한 탄화물의 분해를 위해서 920℃에서 인치당 40분동안 유지후 강제공냉 하였다. 주방상대의 시편과 노멀라이징 처리한 시편을 광학 현미경으로 조직을 관찰하였고, 모든 기계적 성질 평가는 열처리 시편으로 행해졌다. 구상흑연립의 수, 크기, 면적은 구상흑연립 측정 프로그램으로 측정되었다. 경도는 로크웰 경도기를 사용하였고, 마모시험은 pin-on-disc 형 마모시험기를 이용하여 마모시험을 행했다. 마모 속도는 0.3m/s, 거리는 3000m, 하중은 200N을 주었다. 마모시편은 지름 30mm 시편을 그대로 사용하였고, 높이는 18.8mm로 가공하였다. 주방상태에서 10mm시편은 냉각속도가 너무 빨라 준안정계의 냉각을 나타내고, 30mm와 50mm시편은 흑연이 먼저 정출되고, 그 이어 탄화물이 정출되는 안정계에 의한 냉각이 진행되었다. Si량이 적은 시편에서는 흑연립 주의에 페라이트가 성형되어있지 않고, 다른 조직보다 탄화물이 현저하게 관찰된다. 그러나 Si량이 많은 시편에서는 불스아이조직이 나타났고, 탄화물이 존재하지만 양이 많지 않다. RE원소의 첨가량에 따른 조직의 차이는 0.2%RE를 첨가한 시편이 무첨가 시편보다 탄화물이 적은 것을 관찰할 수 있었고, 0.4%RE를 첨가 시에는 탄화물이 증가하였다. 규소의 증가로 흑연립수가 크게 증가함을 알 수 있지만 탄소량의 증가는 흑연립수의 증가에 영향을 크게 미치지 못하는 것을 알 수 있다. RE첨가에 따른 흑연립수를 보면 RE를 0.2%첨가하였을 때 가장 많은 흑연립이 관찰되었고, 0.4%를 첨가했을 때 오히려 흑연립이 감소하거나 무첨가와 유사한 값을 가졌다. 또한 탄소량과 규소량이 증가할수록 0.2%RE원소에 의한 흑연립수의 증가량이 감소하여 D시편에서의 증가량은 극히 적었다. 흑연립의 크기는 대체적으로 흑연립수가 많은 시편에서 흑연립 크기는 작았다. 흑연면적은 탄소량과 규소량 이 증가한 시편에서 가장 많은 흑연면적이 관찰되었다. 또한 0.2%RE를 첨가한 시편에서 가장 많은 흑연면적이 나타나는 것으로 측정되었다. 열처리로 인해 페라이트와 흑연립이 많은 생성되었고, 또한 열처리 동안 펄라이트는 흑연립이 많은 시편에서 더 많이 분해되었다. 따라서 상대적으로 규소가 많은 시편에서 페라이트가 많이 형성됨을 알 수 있다. 열처리된 시편에서도 규소량이 많은 시편에서 많은 흑연립수를 갖는다. 0.2%RE를 첨가한 시편에서는 변화량이 그리 많지가 않았다. 하지만 0.4%RE를 첨가한 시편은 많은 량의 변화가 이루어졌다. 경도의 차는 페라이트와 펄라이트의 비에 따라서 펄라이트가 많은 시편에서 높은 경도가 나타났다고 페라이트가 가장 많은 시편이 가장 낮은 경도를 가졌다. 흑연립의 수와 크기에 따른 영향은 거의 나타나지 않았다. 마모량은 경도가 높을 수록 낮은 마모량이 나타났다. 피로균열의 paris zone에서 펄라이트기지를 갖는 시편은 균열 편향이 심하여 균열 닫힘 효과가 발생하여 낮은 균열 성장 속도를 가지며, 페라이트기지에 미세한 흑연립을 가지는 시편에서는 비교적 높은 균열 성장 속도를 가졌다. 결과적으로, 금형주조시 탄소량과 상관없이 2.5%Si를 갖는 시편에서는 펄라이트 기지를 갖고, 2.9%Si를 첨가한 시편에서는 bull’s eye 조직을 가졌다. 0.2%RE를 첨가했을 때 주방상태에서 가장 미세하고 많은 흑연립을 얻을 수 있었다. 탄화물을 없애고 많은 양의 구상흑연을 형성하는데 노멀라이징 처리가 필요하다. 펄라이트 기지를 갖는 시편을 열처리 했을 때 가장 좋은 기계적 성질을 얻었다. RE가 첨가된 노멀라이징 시편은 기계적인 성질을 감소시켰다.
현대의 산업구조는 고효율성을 가진 청정산업 즉, 공장내외의 환경의 개선, 효율적인 에너지 사용 및 제품의 신뢰성 및 고부가가치성 등을 요구하고 있다. 금형주조는 이러한 사형주조 방식에서 탈피하여 작업 환경이 개선되고 산업 폐기물이 적으며 초기 투자 설비비가 적게 든다. 또한 정밀하여 절삭 가공시 가공성이 좋고, 조직이 균일하고 작은 결정립으로 사형주조 보다 치밀하며, 미세한 결정립으로 되어 있어 가공후 표면 조도 및 치수 정밀도가 좋다. 뿐만 아니라 기계적 성질이 사형주조에 비하여 우수하다. 그러나 금형에 주입되므로 탄화물이 발생하기 쉽고, 이로 인해 열처리를 해주어야 하며, 금형의 열용량이 제한되어 있어 주입 중량 및 회수율이 낮은 단점이 있다. 금형주철의 재질 특성에서 보면 회주철은 1980년대까지 크게 발전되어 왔고 현재는 구상흑연 주철에 관심을 갖게되어 금형, 도형 및 장치 등에 계속 연구 실험한 결과 실용단계에 도달하게 되었다. 금형주조 제품을 보면 공정 흑연 주철은 맨홀, 하수도 뚜껑용 일용품 주물과 에어 컨디션용 콤프레셔 등을 생산하며 구상흑연 주철은 송전용 애자의 캡, 조인트 볼트 등 구조재로 사용되고 있다. 금형의 두께에 따른 냉각속도와 화학적 조성의 변화에 따른 시편의 조직과 금형 벽면에 형성되는 탄화물 및 역칠의 변화를 알아보기 위하여 금형의 두께를 25~45mm로 제작하였다. 시편은 C : 3.5~3.8%, Si : 2.5~2.9%, RE : 0~0.4% 의 조성으로 제조하였다. 특히 Rare-Earth의 첨가량을 조절하여 구상흑연립과 탄화물의 형성에 대한 영향을 조사하였다. 6Kg 용량의 알루미나 도가니를 이용하여 고주파 유도로(10KW)를 사용하였고, 접종 및 구상화처리는 샌드위치 폭발법을 이용하여 시행하였다. 금형에 K-type의 열전대를 이용하여 시편의 냉각속도를 측정하였다. 또한 탄화물의 분해를 위해서 920℃에서 인치당 40분동안 유지후 강제공냉 하였다. 주방상대의 시편과 노멀라이징 처리한 시편을 광학 현미경으로 조직을 관찰하였고, 모든 기계적 성질 평가는 열처리 시편으로 행해졌다. 구상흑연립의 수, 크기, 면적은 구상흑연립 측정 프로그램으로 측정되었다. 경도는 로크웰 경도기를 사용하였고, 마모시험은 pin-on-disc 형 마모시험기를 이용하여 마모시험을 행했다. 마모 속도는 0.3m/s, 거리는 3000m, 하중은 200N을 주었다. 마모시편은 지름 30mm 시편을 그대로 사용하였고, 높이는 18.8mm로 가공하였다. 주방상태에서 10mm시편은 냉각속도가 너무 빨라 준안정계의 냉각을 나타내고, 30mm와 50mm시편은 흑연이 먼저 정출되고, 그 이어 탄화물이 정출되는 안정계에 의한 냉각이 진행되었다. Si량이 적은 시편에서는 흑연립 주의에 페라이트가 성형되어있지 않고, 다른 조직보다 탄화물이 현저하게 관찰된다. 그러나 Si량이 많은 시편에서는 불스아이조직이 나타났고, 탄화물이 존재하지만 양이 많지 않다. RE원소의 첨가량에 따른 조직의 차이는 0.2%RE를 첨가한 시편이 무첨가 시편보다 탄화물이 적은 것을 관찰할 수 있었고, 0.4%RE를 첨가 시에는 탄화물이 증가하였다. 규소의 증가로 흑연립수가 크게 증가함을 알 수 있지만 탄소량의 증가는 흑연립수의 증가에 영향을 크게 미치지 못하는 것을 알 수 있다. RE첨가에 따른 흑연립수를 보면 RE를 0.2%첨가하였을 때 가장 많은 흑연립이 관찰되었고, 0.4%를 첨가했을 때 오히려 흑연립이 감소하거나 무첨가와 유사한 값을 가졌다. 또한 탄소량과 규소량이 증가할수록 0.2%RE원소에 의한 흑연립수의 증가량이 감소하여 D시편에서의 증가량은 극히 적었다. 흑연립의 크기는 대체적으로 흑연립수가 많은 시편에서 흑연립 크기는 작았다. 흑연면적은 탄소량과 규소량 이 증가한 시편에서 가장 많은 흑연면적이 관찰되었다. 또한 0.2%RE를 첨가한 시편에서 가장 많은 흑연면적이 나타나는 것으로 측정되었다. 열처리로 인해 페라이트와 흑연립이 많은 생성되었고, 또한 열처리 동안 펄라이트는 흑연립이 많은 시편에서 더 많이 분해되었다. 따라서 상대적으로 규소가 많은 시편에서 페라이트가 많이 형성됨을 알 수 있다. 열처리된 시편에서도 규소량이 많은 시편에서 많은 흑연립수를 갖는다. 0.2%RE를 첨가한 시편에서는 변화량이 그리 많지가 않았다. 하지만 0.4%RE를 첨가한 시편은 많은 량의 변화가 이루어졌다. 경도의 차는 페라이트와 펄라이트의 비에 따라서 펄라이트가 많은 시편에서 높은 경도가 나타났다고 페라이트가 가장 많은 시편이 가장 낮은 경도를 가졌다. 흑연립의 수와 크기에 따른 영향은 거의 나타나지 않았다. 마모량은 경도가 높을 수록 낮은 마모량이 나타났다. 피로균열의 paris zone에서 펄라이트기지를 갖는 시편은 균열 편향이 심하여 균열 닫힘 효과가 발생하여 낮은 균열 성장 속도를 가지며, 페라이트기지에 미세한 흑연립을 가지는 시편에서는 비교적 높은 균열 성장 속도를 가졌다. 결과적으로, 금형주조시 탄소량과 상관없이 2.5%Si를 갖는 시편에서는 펄라이트 기지를 갖고, 2.9%Si를 첨가한 시편에서는 bull’s eye 조직을 가졌다. 0.2%RE를 첨가했을 때 주방상태에서 가장 미세하고 많은 흑연립을 얻을 수 있었다. 탄화물을 없애고 많은 양의 구상흑연을 형성하는데 노멀라이징 처리가 필요하다. 펄라이트 기지를 갖는 시편을 열처리 했을 때 가장 좋은 기계적 성질을 얻었다. RE가 첨가된 노멀라이징 시편은 기계적인 성질을 감소시켰다.
The aim of this study is to investigate the effect of RE element addition on microstructural behaviors and its mechanical properties of ductile cast iron prepared by metal mold casting. Cylindrical metal molds of 100mm outside diameter, 150mm length and inside diameter of 10, 30, 50mm were used in t...
The aim of this study is to investigate the effect of RE element addition on microstructural behaviors and its mechanical properties of ductile cast iron prepared by metal mold casting. Cylindrical metal molds of 100mm outside diameter, 150mm length and inside diameter of 10, 30, 50mm were used in this study. Ingots for specimens were manufactured according to contents of C, Si and RE by using high frequency furnace. All the specimens were normalized (920℃, 40min/inch) to decompose carbides formed by metal mold casting. The size, count and amount of spheroidal graphite for as-cast and normalized specimens were investigated with computer analysis program. Mechanical properties were only investigated for normalized specimens. Hardness and tensile strength were measured. Wear test were conducted with pin-on-disk type tester as the fixed conditions; distance:2000m, velocity: 0.3m/s, load:200N. Fatigue test were conducted with Hydro servo fatigue tester under the following conditions; frequency:15Hz, R=0.1. In this paper, as-cast of 3.5~3.8%C, 2.9%Si and addition of 0.2 %RE had more number of graphite nodule than other specimen and was composed of bull’s eye structure. However, specimens normalized with RE addition were found to be not suitable for wear, fatigue properties because of an increase in ferrite formed by the decomposition of Fe₃C in pearlite.
The aim of this study is to investigate the effect of RE element addition on microstructural behaviors and its mechanical properties of ductile cast iron prepared by metal mold casting. Cylindrical metal molds of 100mm outside diameter, 150mm length and inside diameter of 10, 30, 50mm were used in this study. Ingots for specimens were manufactured according to contents of C, Si and RE by using high frequency furnace. All the specimens were normalized (920℃, 40min/inch) to decompose carbides formed by metal mold casting. The size, count and amount of spheroidal graphite for as-cast and normalized specimens were investigated with computer analysis program. Mechanical properties were only investigated for normalized specimens. Hardness and tensile strength were measured. Wear test were conducted with pin-on-disk type tester as the fixed conditions; distance:2000m, velocity: 0.3m/s, load:200N. Fatigue test were conducted with Hydro servo fatigue tester under the following conditions; frequency:15Hz, R=0.1. In this paper, as-cast of 3.5~3.8%C, 2.9%Si and addition of 0.2 %RE had more number of graphite nodule than other specimen and was composed of bull’s eye structure. However, specimens normalized with RE addition were found to be not suitable for wear, fatigue properties because of an increase in ferrite formed by the decomposition of Fe₃C in pearlite.
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