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문제 정의
- 본 연구에서는 고주파 유도로에서 주철 용탕을 얻은 후 일정한 온도에서 유지하면서 일정한 시간 간격으로 열분석 시험을 하여 Fe-75%Si, Fe-75%Si(접종용), l%Ba-Fe-Si, 16%Ca-l%Ba-Si 및 16%Ca-Si의 5 종류의 접종제의 접종능과 감쇄 현상을 평가하여 새로운 접종제를 개발하기 위한 기초 자료를 얻고자 하였다.
가설 설정
- 15~ 2.20%의 범위에서 약간 감소하였으나 거의 일정 둥!.다고봐도 무방할 것이다. 다른 접종제를 사용한 경우에는 일정하게 유지되는 것으로 나타났다.
- 녹은 CaSi와 SiC 입자 주위에서도 규소의 함량이 증가하고 흑연이 핵생성하는 비슷한 기구가 제안되었다[2丄 이와 같이 접종제가 녹은 주위에서는 규소와 칼슘의 산화물 및 칼슘의 황화물이 형성하여 흑연이 핵생성 하여 성장할 수 있는 핵생성 자리를 공급한다고 가정한다.
제안 방법
- 5%의 규소 함량을 증가시키기 위하여 16%Ca-Si를 제외한 네 가지 서로 다른 접종제로 노중 용탕에 첨가하였다. 16%Ca-Si 접종제의 경우에는용탕 중량의 02%를 첨가하였으며 부족한 규소의 함량은 Fe-75%Si로 조절하였다. 처음에 용탕을 레이들에 출탕을 하면서 스트림 접종을 하고자 하였으나 용 탕의 양이 충분하지 않아서 온도강하가 심하였으며 충분히 녹아 들어가지 않아서 노중 용탕에 접종제를 첨가하는 방법으로 접종처리를 하였다.
- 보이는 바와 같다. 규소의 함량은 0.5% 증가시키기 위하여 Fe-75%Si, Fe-75%Si(접종용) 및 l%Ba- Fe-Si 접종제는 각각 용탕 중량의 0.62%를 그리고 16%Ca-l%Ba-Si 접종제는 용탕 중량의 0.76%를 첨가하였다. 그리고 16%Ca-Si 접종제의 경우에는 Ca의 함량이 매우 높기 때문에 Ca의 목표 조성을 0.
- 76%를 첨가하였다. 그리고 16%Ca-Si 접종제의 경우에는 Ca의 함량이 매우 높기 때문에 Ca의 목표 조성을 0.06%로 하여 첨가량을 결정하였으며 0.2%를 첨가하였다. 이때 규소의 함량을 0.
- 결과와 비교하고자 하였으나 실험자료가 변화가 심하고 비교하기가 어려웠다. 그리고 실험과정에서 얻은 광학현미경 조직 시편의 공정 셀 조직을 한 예로 Fc- 75%Si 접종제로 접종한 후 1, 450〜1, 500吃의 온도 범위에서 15분 유지된 시편의 거시조직은 Fig. 7에서 보이는 바와 같으며 단위 면적당 공정 셀의 수를 측정하여 비교하였다. 정성적으로는 열분석 결과와 일치하는 것으로 나타났으며 열분석 실험이 접종제로 평가하기 위하여 가장 신뢰성이 있는 방법이라고 판단되었다.
- 기본 용탕, 접종 후 그리고 정온 유지시 용탕의 화학 조성의 변화를 조사하기 위하여 열분석 시험 탄소 당량을 측정하기 위하여 용탕을 레이들에 출탕하여 네 개의 컵에 주입한 후 바로 화학적 분석 시험용 시편을 얻기 위한 금형과 칠 시편을 얻기 위한 ASTM 방법 日의 2C 형태의 칠 시편용 쉘 주형에 주입하였다. 화학 성분 분석용 시편은 Shimadzu사의 방출 스펙트럼분석 장치 (PDA-5500 II Model)로 분석하였으며 칠 시편은 파괴하여 파면으로부터 cleai■칠과 전체 칠 깊이를 즉정하였다.
- 다섯 가지의 접종제의 성능을 평가하기 위하여 용 탕을 얻어 접종 처리를 한후 일정한 온도 범위에서 유지하면서 열분석 시험을 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 85% Si로 그 조성이 낮았다(Table 1). 따라서 기본 용탕의 조성 3.5%C 및 2.0%Si인 25 kg의 용탕을 얻기 위하여 17.4 kg의 인고트와 7.6 kg의 주물선을 용해한 후 규소의 함량을 044%증가시키기 위하여 용탕중량의 0.58% 인 144 g의 75%Si 조성의 페로실리콘을 첨가하여 규소의 함량을 조절하였다. 이때 용해한 주물선과 75%Si 조성의 페로실리콘의 화학적 조성은 각각 Table 1 및 2에서 보이는 바와 같다.
- 따라서 첫 번째 용해에서는 장입물이 용해된후 용탕 중 탄소가 산화되고 규소가 보호되는 온도인 1, 450시, 5OTC 에서 유지시키면서 접종제의 접종능 및 감쇄 현상을 시험하였다. 두 번째 용해에서는 규소가 산화되는 온도인 1, 350〜1, 400。(2의 온도 범위에서 유지시켰다.
- 이때 용해한 주물선과 75%Si 조성의 페로실리콘의 화학적 조성은 각각 Table 1 및 2에서 보이는 바와 같다. 또한 두 번째 용해의 경우에는 150 kg 의 인고트를 주조하였으며 그 조성도 Table 1에서 보이는 바와 같이 2.80%C 인 1.83%Si로 낮았으며 이때에는 30 kg의 용탕을 얻기 위하여 15.5 kg의인고트와 14.5 kg의 -주물선을 장입하여 용해한 후 규소의 함량을 0.57% 중가시키기 위하여 용탕 중량의 0.75%인 224 g의 75%Si 조성의 페로실리콘을 첨가하여 규소의 함량을 조절하였다. 두 번째 용해에서는 장 입물을 용해한 후 l, 350~l, 40(rC의 온도 범위에서 유지하였다.
- 먼저 기본 장입물의 조성을 일정하게 하기 위하여 3.5%C 및 2.0%Si> 목표 조성으로 주물선 및 고철을 용해하여 100 kg의 인고트를주조하였다. 1, 450-l, 500℃ 의 온도 범위에서 용탕 유지 실험을 한 첫 번째 용해에서 사용한 인고트의 조성은 3.
- 2에서 보이는 바와 같다. 실험 과정의 재현성 확인과 의미 있는 평균값을 얻기 위하여 동일한 접종제를 1, 450〜1, 50042의 고온에서 용탕을 유지한 첫 번째 용해의 경우에는 2 차례 1, 350〜1, 40이의 저온에서 용탕을 유지한 두 번째 용해의 경우에는 3 차례 반복하여 실험하였다.
- 열분석 실험 결과와 실제 용탕의 접종 결과와 감쇄 현상을 비교하기 위하여 응고후 시험 용탕을 주입한 컵으로부터 얻은 시편을 열전대 끝 부분인 바닥에서 32 mm 위치에서 절단하여 광학현미경 조직 시험용 시편을 얻어서 마운팅하였다. 전통적인 방법으로 조연 마 및 세연마를 한 후 공정 셀 조직을 관찰하고 수를 측정하기 위하여 Stead의 부식액으로 부식시켰으며 10 배에서 광학 현미경으로 관찰하였다.
- 오스테나이트틴화물공정이 일어날 때의 냉각 곡선으로부터 탄화물 공정온도를 측정하기 위하여 Te을 넣은 컵 , 실제 시험하고 있는 용탕의 접종능과 감쇄현상을 평가하기 위한 아무것도 넣지 않은 컵, 그리고 충분히 접종된 상태에서 오스테나이트-혹연 공정 온도를 측정하기 위하여 미세한 16%Ca-l%Ba-Si 분말을 넣은 컵의 3 종류의 컵을 사용하였다.
- 2%를 첨가하였다. 이때 규소의 함량을 0.82%를 증가시키기 위하여 75%Si 조성의 페로실리콘으로 조절하였다.
- 접종제를 노중 용 탕에 첨가하여 모두 용해된 후 다시 열분석 시험과 탄소 당량 측정을 하였으며 용탕 유지 온도에서 4()분까지 각각 유지하면서 5분 간격으로 열분석 시험과 탄소 당량 측정을 하여 감쇠 현상을 평가하였다. 이때 액상선 온도, 오스테나이트-혹연 공정 온도, 一$스테나이트-탄화물 공정 온도, 시험 용탕의 공정 반응 과 냉온도 및 재휘온도(rec이escence temperature)를 즉정하였으며 이 공정 반응 과냉 온도와 오스테나이트-탄화물 공정 온도의 차이(厶T)를 계산하였다. 용해 및 용 탕 유지 실험의 전체 과정을 Fig.
- 장입물을 용해한 후 기본 용탕의 열분석 장치와 탄소 당량 측정기를 이용하여 열분석 시험과 탄소 당량을 측정한 후 접종 처리를 하였다. 접종제를 노중 용 탕에 첨가하여 모두 용해된 후 다시 열분석 시험과 탄소 당량 측정을 하였으며 용탕 유지 온도에서 4()분까지 각각 유지하면서 5분 간격으로 열분석 시험과 탄소 당량 측정을 하여 감쇠 현상을 평가하였다.
- 장입물이 모두 용해한 후 용탕의 온도가 유지 온도에 도달하였을 때 규소의 함량 2.5%를 목표로 용 탕 중량의 0.5%의 규소 함량을 증가시키기 위하여 16%Ca-Si를 제외한 네 가지 서로 다른 접종제로 노중 용탕에 첨가하였다. 16%Ca-Si 접종제의 경우에는용탕 중량의 02%를 첨가하였으며 부족한 규소의 함량은 Fe-75%Si로 조절하였다.
- 얻어서 마운팅하였다. 전통적인 방법으로 조연 마 및 세연마를 한 후 공정 셀 조직을 관찰하고 수를 측정하기 위하여 Stead의 부식액으로 부식시켰으며 10 배에서 광학 현미경으로 관찰하였다.
- 이 자료로부터 뚜렷한 결론을 얻기 어려우나 초기 접종능도 우수하고 다른 접종제에 비하여 감쇄도 크게 일어나지 않는 16%Ca- l%Ba-Si 접종제의 경우가 가장 우수한 것으로 생각되었다. 접종능과 감쇄 거동의 차이를 비교하기 위하여 모든 자료 점의 평균값을 접종제별로 표시하고 직선으로 나타내었다. 그 결과는 Fig.
- 측정한 후 접종 처리를 하였다. 접종제를 노중 용 탕에 첨가하여 모두 용해된 후 다시 열분석 시험과 탄소 당량 측정을 하였으며 용탕 유지 온도에서 4()분까지 각각 유지하면서 5분 간격으로 열분석 시험과 탄소 당량 측정을 하여 감쇠 현상을 평가하였다. 이때 액상선 온도, 오스테나이트-혹연 공정 온도, 一$스테나이트-탄화물 공정 온도, 시험 용탕의 공정 반응 과 냉온도 및 재휘온도(rec이escence temperature)를 즉정하였으며 이 공정 반응 과냉 온도와 오스테나이트-탄화물 공정 온도의 차이(厶T)를 계산하였다.
- 16%Ca-Si 접종제의 경우에는용탕 중량의 02%를 첨가하였으며 부족한 규소의 함량은 Fe-75%Si로 조절하였다. 처음에 용탕을 레이들에 출탕을 하면서 스트림 접종을 하고자 하였으나 용 탕의 양이 충분하지 않아서 온도강하가 심하였으며 충분히 녹아 들어가지 않아서 노중 용탕에 접종제를 첨가하는 방법으로 접종처리를 하였다.
- 탄소 당량 측정 장치의 탄소 당량 측정용 쉘 컵 받침대 3개를 K-형태의 열전대로 온도 기록용 소프트웨어가 내장된 컴퓨터에 연결하여 구성한 열분석 장치를 이용하여 열분석 시험을 하였다. 오스테나이트틴화물공정이 일어날 때의 냉각 곡선으로부터 탄화물 공정온도를 측정하기 위하여 Te을 넣은 컵 , 실제 시험하고 있는 용탕의 접종능과 감쇄현상을 평가하기 위한 아무것도 넣지 않은 컵, 그리고 충분히 접종된 상태에서 오스테나이트-혹연 공정 온도를 측정하기 위하여 미세한 16%Ca-l%Ba-Si 분말을 넣은 컵의 3 종류의 컵을 사용하였다.
- 화학 성분 분석용 시편은 Shimadzu사의 방출 스펙트럼분석 장치 (PDA-5500 II Model)로 분석하였으며 칠 시편은 파괴하여 파면으로부터 cleai■칠과 전체 칠 깊이를 즉정하였다.
대상 데이터
- 기본 용탕의 화학적 조성은 3.5%C 및 2.0%Si을 목표로 하였으며 목표 탄소 당량은 4.17%였다. 화학적 성분 분석 결과는 탄소 함량이 목표 조성보다 약간 낮은 경우가 많았으나 3.
성능/효과
- 유지한 경우가 1, 350〜1, 400。(2의 낮은 온도 범위에서의 경우보다 접종 효과가 더 좋았으며 재현성도 더 좋았다.
- 1) 1, 450〜1, 500。(2의 높은 온도 범위에서는 접종 처리 및 유지한 경우 유지 시간에 따라 탄소 함량은 감소하였으나 규소의 함량은 거의 일정하게 유지되었다.
- 4(a) 및 (b)에서 보이는 바와 같다. 1, 450-1, 500℃ 의 높은 온도 범위에서 용탕을 유지한 경우에도 규소와 다른 금속의 불순물 원소가 보호되고 탄소가 산화가 될 것이므로 실험결과가 재현성이 있는 것으로 나타났으나 1, 350~1, 4001의 낮은 온도 범위에서는 자료가 넓게 분산이 되어있으며 재현성이 떨어지는 것으로 나타났다. 이것은 낮은 온도 범위에서는 규소를 포함하는 다른 불순물 원소가 산화하여 접종처리도 일관성이 없고 떨어지는 것으로 생각한다.
- 5에서 보이는 바와 같다. 1, 450~1, 500吃의 높은 온도 범위에서 유지한 경우에는 이 값이 접종 후 크게 증가하였다가 약간 감소하거나 감소하여 오히려 증가하는 경향을 보였다. 그러나 1, 350~1, 400吃의 낮은 온도 범위에서 유지한 경우에는 이 값이 일관성이 없으며 넓은 범위에서 크게 변화하는 것으로 나타났다.
- 3) l%Ba-Fe-Si 접종제가 다섯 가지 접종 제 중에서 가장 접종 효과가 우수하고 감쇄 속도가 느린 것으로 나타났다.
- 다른 말로 하면 FeSi 입자가 녹은 바로 주위에의 액상의 온도보다 흑연의 액상선 온도를 훨씬 더 높게 한다. 결과적2로, 용탕 내 또는 입자와 용 탕 사이의 계면에서 형성하는 대부분의 고체 개재물이 흑연을 형성시키는 활성이 큰 핵생성 자리가 될 것이다.
- 이것은 이 공정을 위한 핵생성 자리의 수가 중가하는 것과 관련이 있다. 결과적으로, 공정 응고의 온도■가 가장 높을 때에 방향^이 없고 균일하게 분포한 편상 혹연(ASTM A 형태의 공정이 형성한다[2]. 각 공정은 기본적으로 셀의 형태로 응고한다.
- 1, 450~1, 500吃의 높은 온도 범위에서 유지한 경우에는 이 값이 접종 후 크게 증가하였다가 약간 감소하거나 감소하여 오히려 증가하는 경향을 보였다. 그러나 1, 350~1, 400吃의 낮은 온도 범위에서 유지한 경우에는 이 값이 일관성이 없으며 넓은 범위에서 크게 변화하는 것으로 나타났다. 이 자료로부터 뚜렷한 결론을 얻기 어려우나 초기 접종능도 우수하고 다른 접종제에 비하여 감쇄도 크게 일어나지 않는 16%Ca- l%Ba-Si 접종제의 경우가 가장 우수한 것으로 생각되었다.
- 그러나 1, 350~1, 400吃의 낮은 온도 범위에서 유지한 경우에는 이 값이 일관성이 없으며 넓은 범위에서 크게 변화하는 것으로 나타났다. 이 자료로부터 뚜렷한 결론을 얻기 어려우나 초기 접종능도 우수하고 다른 접종제에 비하여 감쇄도 크게 일어나지 않는 16%Ca- l%Ba-Si 접종제의 경우가 가장 우수한 것으로 생각되었다. 접종능과 감쇄 거동의 차이를 비교하기 위하여 모든 자료 점의 평균값을 접종제별로 표시하고 직선으로 나타내었다.
- 이중 특히 접종제의 접종능과 감쇠 거동은 시험 용탕으로부터 얻은 냉각 곡선으로부터 얻은 공정 반응의 과냉 온도와 오스테나이트탄화물 공정 온도의 차이를 측정하여 비교함으로써 평가할 수 있다. 접종 효과가 좋을수록 응고 도중 공정 반응이 일어나기 시작하는 과냉 온도가 높을 것이므로 이 두 가지 온도의 차이가 클수록 접종 능이 좋을 것이며 이 온도의 차이가 용탕 유지 시간에 따라 크게 감소하지 않을수록 감쇠가 잘 일어나지 않는다는 것을 나타낼 것이다.
- 6에서 보이는 바와 같다. 접종능이 좋고 높은 온도 범위에서는 약간 감쇠하나 낮은 온도에서는 오히려 접종 효과가 감쇠하지 않는 16%Ca-l%Ba-Si 접종제의 경우가 가장 좋은 것으로 나타났다. 그리고 접종시 일관성이 있고 좋은 접종 효과를 얻으려면 규소가 보호되는 고온에서 접종을 하여야 할 것으로 생각한다.
- 50%로 나타났다. 접종제의 접종능 평가와 용탕 유지에 따른 접종능 감쇄 경향을 비교하는데 적당한 결과로 나타났다. 그리고 접종 후 용탕 유지 시간어】 따라 한 예로 첫 번째 용해의 첫 번째 용탕의 경우에 Table 1에서 그리고 사용한 접종제별로 규소의 평균함량의 변화는 Fig.
- 7에서 보이는 바와 같으며 단위 면적당 공정 셀의 수를 측정하여 비교하였다. 정성적으로는 열분석 결과와 일치하는 것으로 나타났으며 열분석 실험이 접종제로 평가하기 위하여 가장 신뢰성이 있는 방법이라고 판단되었다.
- 첫 번째 용해의 경우에는 탄소가 산화되는 높은 온도 범위인 1, 450〜1, 500吃의 온도 범위에서 용탕을 유지하였으므로 용탕 유지시간에 따라 탄소 함량은 감소할 것으로 예측되었다. 그 결과는 한 예로 75%Si 조성의 페로실리콘으로 접종하여 시험한 첫 번째 용해의 첫 번째 용탕의 경우의 화학 성분 분석 결과는 Table 3에서 보이는 바와 같으며 각 접종제별로 평균값의 변화는 Fig.
- 17%였다. 화학적 성분 분석 결과는 탄소 함량이 목표 조성보다 약간 낮은 경우가 많았으나 3.38~3.54%의 범위로 나타났으며 규소 함량은 칼슘의 함량으로 인하여 접종제의 양을용탕 중량의 0.2%를 첨가한 16%Ca-Si 접종제의 경우에는 2.14 및 2.20%로 나타났으나 다른 접종제를 사용한 경우에는 1.98〜2.02%의 범위로 대체로 목표 조성의 범위에서 크게 벗어나지 않는 것으로 나타났다.
후속연구
- 이 입자들은 다른 개재물과 뭉친다. 또한 이 개 재물들은 온도가 낮아져서 산소와 황의 용해도가 감소함에 따라 산화물과 황화물을 생기게 하는 핵생성 자리로 작용할 것이다. 이와 같은 개재물/핵이 노출됨에 따라서, 그 수는 감소하게 되고 특성이 충분히 바뀌어서 혹연을 핵생성시키는 효과가 떨어진다.
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