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문제 정의
- 과 공정조성의 구상 흑연 주철은 초정상이 수지상이 아닌 구상 흑연이며 이 용탕의 유동도 특히 4 ~6%의 규소를 함유하고 있는 과공정 조성의 고규소 구상 혹연 주철용 탕의 유동도에 미치는 주조 변수의 영衲〕관한 연구는 거의 없다. 따라서 본 연구에서는 2.80~3.40%C, 3.60~4.50%Si, 0.40~0.70%Mn 및 0.03~0.07%Mg 조성의 고규소 내열 구상 흑연 주철, 특히 과공정 조성영역에서의, 용탕의 유동도에 미치는 화학적 조성 및 탕 구의 높이 둥 주조 변수의 영향을 조사하여 주조 결함에 의한 불량 발생을 방지하기 위한 기초 자료를 얻었다.
- 모든 시험 주조품의 미세 조직이 고규소 구상 흑연 주철의 전형적인 미세 조직인지의 여부와 유동도에 미치는 다른 변수의 영향을 시험하기 위하여 얻은 자료의 신뢰성을 확인하기 위하여 모든 시험 주조품의 미세 조직을 관찰하였다. Fig.
- 본 연구는 주물기술 산학연 공동연구 기반구축사업 중 2002년도 중소기업 현장 애로기술 지원으로 이루어 졌으면 이에 감사드린다
가설 설정
- 그러나 용탕의 주입 온도가 높아 액상선 온도 이상으로 과열되면 이와 같은 핵생성은 지연되고유동도는 증가할 것이다[6, 7]. 따라서 주입 온도가 증가함에 따라 유동도는 중가하였을 것이다.
제안 방법
- 조직을 관찰하였다. Fig. 1에서 보이는 바와 같은 모양의 유동도 스파이랄 주조품 중 웰 (well片분의 가운데의 조직을 광학현미경으로 관찰하였으며 그 결과 얻은 구상화율과 단위 면적당 구상 혹연의 수는 각 시험 조건별로 Table 4~7에서 각각 보이는 바와 같다. 구상화율, 단위 면적당 구상 흑연의 수 그리고 기지조직의 페라이트 분률은 각각 85.
- 표준 유동도 스파이랄 시험용 주형의 경우 탕구의 높이는 55 mm였다. Fig. 1에서 보이는 바와 같은 표준유동도 스파이랄 금형을 이용하여 상형과 하 형사이에 높이 85 mm의 주형 상자를 끼워 넣어 탕구 높이를 140 mm가 되게하여 조형한 후 주입하여 얻은 유동도 시험 결과를 상형과 하형만으로 조형한 주형에 주입하여 얻은 결과와 비교하였다. 이때 용탕의 화학적 조성은 3.
- 5 mm인 웰(well挥분의 가운데를 절단하여 미세 조직 검사용 시편을 얻었다. 가로, 세로 및 높이가 각각 20, 15 5 mm 크기의 시편을 마운팅하고 조연 마한 후 1 gm 등급의 다이아몬드 페이스트로 세 연마하여 광학 현미경으로 관찰하였다. 화상 분석 장치를 이용하여 부식시키지 않은 상태에서 구상화율과 단위 면적당 구상 혹연의 수를 측정하고 부식시킨 후기지 조직의 페라이트와 펄라이트의 비율을 측정하였다.
- 각 시험 조건별로 주입하여 세 개의 주조품을 얻었으며 각 경우의 화학적 조성 분석용 시편을 얻어 분석하였다. 대표적인 화학적 조성 분석 결과는 Table 3에서 보이는 바와 같다.
- 조직 검사를 하였다. 각 시험 주조품의 주입시 얻은 화학적 성분 분석용 시편을 60번 등급의 연마 지로 조연 마한 후 방출 스펙트럼 분석 장치 (emission spectrometer)로 분석하였다. 주입한 용탕이 응고되고 완전히 상온으로 냉각된 후 탈사하여 얻은 유동도 시험용 주조품£로부터 얻은 하부 직경과 높이가 각각 31.
- 고규소 구상 혹연 주철 용탕의 유동도에 미치는 탕구 높이의 영향을 조사하기 위하여 Fig. 1에서 보이는 바와 같은 유동도 스파이랄 금형을 사용하고 상형과 하형 사이에 85 mm 높이의 생형사를 다져 넣은 주형 상자를 끼워 넣어 탕구의 높이를 140 mm로 증가시켜용탕을 주입하였다. 용탕의 탄소 및 규소 함량은 각각 3.
- 고규소 구상 혹연 주철의 유동도를 즉정하기 위하여 표준 유동도 스파이랄 금형 (standard fluidity spiral pattern)을 이용중}여 유동도 측정용 주형을 생형으로 조형하였으며 그 개략적인 모양을 Fig. 1에서 보이는 바와 같다[4, 5]. 용해 및 용탕 처리한 후 용탕의 온도가 원하는 온도에 도달하였을 때 주입하였다' 각 조건에 대하여 3차례 주입하여 세 개의 유동도 시험 주조품을 얻어 탈사한 후 유동도 스파이랄 길이를 측정하여 얻은 세 값의 평균값을 얻었다.
- 고규소 구상 흑연 주철 용탕은 유동도에 미치는 탄소 함량의 영향을 시험하기 위하여 탄소 함량을 2.80-3.40% 범위에서 0.2% 간격으로 변화시켰다. 규소 함량은 4.
- 고규소 구상 흑연 주철 용탕의 유동도에 미치는 규소 함량의 영향을 시험하기 위하여 규소 함량을 3.60-4.40% 범위에서 04% 간격으로 변화시켰다. 탄소 함량과 주입 온도는 각각 3.
- 규소 함량을 조절하기 위하여 페로실리콘을 첨가한 후 R-형태의 열전대를 사용한 침적식 온도계로 용 탕의 온도를 측정하였다. 용탕의 온도가, 유동도에 미치는 주입 온도의 영향을 시험하기 위한 첫 번째 용해 시를 제외하고, 1, 55(FC에 도달하였을 때 5%Mg-Fe-Si 구상 화제를 사용하여 용탕을 구상화 처리하였으며 구상 화제의 화학적 조성은 Table 1에서 보이는 바와 같다.
- 네 번째 용해에서는 탕구 높이의 영향을 시험하였다. 표준 유동도 스파이랄 시험용 주형의 경우 탕구의 높이는 55 mm였다.
- 두 번째 용해에서는 유동도에 미치는 탄소 함량의 영향을 시험하였다. 탄소의 함량을 2.
- 모든 조건의 시험 주조품의 경우 화학적 조성이 고 규소 구상 혹연 주철의 사양 범위와 목표 조성을 벗어나지 않는지의 여부와 전형적인 미세 조직을 가지는지의 여부를 확인하기 위하여 화학적 성분 분석과 미세 조직 검사를 하였다. 각 시험 주조품의 주입시 얻은 화학적 성분 분석용 시편을 60번 등급의 연마 지로 조연 마한 후 방출 스펙트럼 분석 장치 (emission spectrometer)로 분석하였다.
- 세 번째 용해에서는 우동도에 미치는 규소 함량의 영향을 시험하였다. 규소의 함량을 3.
- 용탕을 구상화 처리한 후 용탕의 규소 함량을 03% 증가시키는 방법으로 Table 1에서 보이는 바와 같은 화학적 조성의, 2-4 mm 크기의 입자형 Fe-75%Si 접종제를 사용하여 후접종 처리하였다. 그리고 용탕의 몰리브덴 함량을 0.
- 용탕을 얻은 후 규소의 함량을 증가시키기 위하여 규소의 함량이 76.37%인 지름 2~4 mm 크기의 입자 형 페로실리콘을 첨가하였으며 화학적 조성은 Table 1 에서 보이는 바와 같다. 고규소 구상 혹연 주철의 유동도에 미치는 규소 함량의 영향을 조사하기 위한 세 번째 용해의 경우를 제외하면, 규소의 최종 목표 함량을 4.
- 측정하였다. 용탕의 온도가, 유동도에 미치는 주입 온도의 영향을 시험하기 위한 첫 번째 용해 시를 제외하고, 1, 55(FC에 도달하였을 때 5%Mg-Fe-Si 구상 화제를 사용하여 용탕을 구상화 처리하였으며 구상 화제의 화학적 조성은 Table 1에서 보이는 바와 같다. 직경이 2~4nm 크기인 입자 형태의 구상화제를 알루미늄 포일로 싼 다음 플런져에 장착시킨 후 유도로 의용 탕 속으로 플런징하여 구상화 처리하였다.
- 주입 온도를 1, 400~1, 550。(2의 범위에서 50℃ 간격으로 변화시켰다. 이때 용탕의 탄소, 규소 및 잔류 마그네슘 함량은 각각 3.20, 4.00 및 0.04%로 일정하게 하였다.
- 1에서 보이는 바와 같은 표준유동도 스파이랄 금형을 이용하여 상형과 하 형사이에 높이 85 mm의 주형 상자를 끼워 넣어 탕구 높이를 140 mm가 되게하여 조형한 후 주입하여 얻은 유동도 시험 결과를 상형과 하형만으로 조형한 주형에 주입하여 얻은 결과와 비교하였다. 이때 용탕의 화학적 조성은 3.20%C, 4.00%Si 및 0.04%Mg로 그리고 주입온도는 l, 50(TC로 하였다.
- 첫 번째 용해에서는 고규소 구상 흑연 주철 용탕의유동도에 미치는 주입 온도의 영향을 시험하였다. 주입 온도를 1, 400~1, 550。(2의 범위에서 50℃ 간격으로 변화시켰다.
- 최적 주입 온도를 결정하기 위한 자료를 얻기 위하여 고규소 구상 혹연 주철 용탕의 유동도에 미치는 주입 온도의 영향을 시험하였다. 1, 400~1, 550。<2의 범위에서 50℃ 간격으로 주입 온도를 변화시켰으며 그 결과는 Table 4 및 Fig.
- 4% 간격으로 변화시켰다. 최종 목표 규소 함량이 각각 3.60 및 4.40%인 두 가지 경우에 구상화 처리 전의 규소 함량이 각각 2.36 및 3.16%가 되게 페로실리콘을 첨가하였다.
- 시험하였다. 탄소의 함량을 2.80-3.40 범위에서 0.20% 간격으로 변화시켰으며 1, 50이의 온도에서 용 탕을 주형에 주입하였다. 이때 용탕의 규소 및 마그네슘 함량을 각각 4.
- 가로, 세로 및 높이가 각각 20, 15 5 mm 크기의 시편을 마운팅하고 조연 마한 후 1 gm 등급의 다이아몬드 페이스트로 세 연마하여 광학 현미경으로 관찰하였다. 화상 분석 장치를 이용하여 부식시키지 않은 상태에서 구상화율과 단위 면적당 구상 혹연의 수를 측정하고 부식시킨 후기지 조직의 페라이트와 펄라이트의 비율을 측정하였다.
대상 데이터
- 각 시험 주조품의 주입시 얻은 화학적 성분 분석용 시편을 60번 등급의 연마 지로 조연 마한 후 방출 스펙트럼 분석 장치 (emission spectrometer)로 분석하였다. 주입한 용탕이 응고되고 완전히 상온으로 냉각된 후 탈사하여 얻은 유동도 시험용 주조품£로부터 얻은 하부 직경과 높이가 각각 31.8 및 63.5 mm인 웰(well挥분의 가운데를 절단하여 미세 조직 검사용 시편을 얻었다. 가로, 세로 및 높이가 각각 20, 15 5 mm 크기의 시편을 마운팅하고 조연 마한 후 1 gm 등급의 다이아몬드 페이스트로 세 연마하여 광학 현미경으로 관찰하였다.
성능/효과
- 1) 주입 온도와 규소 함량이 1,500吃와 4.00%로 일정할 때 탄소 함량이 2.80-3.40% 범위에서 증가함에 따라 유동도는 증가하였다.
- 4) 탕구의 높이가 140 mm로 큰 경우의 유동도가 55 mm로 작은 경우보다 훨씬 더 컸다
- 0%로 일정하게 하였다. 5%Mg-Fe-Si 구상 화제를 첨가하여 용탕을 구상화 처리하였을 때의 규소의 함량증가를 고려하여 구상화 처리하기 전의 규소 함량을 2.76%로 일정하게 하였다. 세 번째 용해시에는 Table 2에서 보이는 바와 같은 사양상 허용 범위인 3.
- 1에서 보이는 바와 같은 모양의 유동도 스파이랄 주조품 중 웰 (well片분의 가운데의 조직을 광학현미경으로 관찰하였으며 그 결과 얻은 구상화율과 단위 면적당 구상 혹연의 수는 각 시험 조건별로 Table 4~7에서 각각 보이는 바와 같다. 구상화율, 단위 면적당 구상 흑연의 수 그리고 기지조직의 페라이트 분률은 각각 85.0-96.0%, 130~ 160/mm2 그리고 92.2~98.9%의 범위로 나타나 페라이트 기지의 구상 혹연 주철 조직으로 전형적인 고규소 구상 혹연 주철의 조직이었다.
- 규소 함량의 영향을 시험하기 위하여 얻은 세 가지 주조품의 규소 함량이 3.66, 4.08 및 4.37%로 증가함에 따라 탄소 당량은 4.47, 수57 및 4.63 %로 과 공정조성 범위에서 증가하였다. 이 경우에도 규소 함량의 증가에 따른 3원계 상태도의 단면의 변화를 고려하여 과열, 응고 범위 및 초정상인 구상 흑연 등의 상대적인 영향으로 설명할 수 있을 것이다.
- 05% 범위내에 있어 사양상 허용 범위 내에 있다. 따라서 모든 경우에 목표 조성과 차이가 크지 않으며 유동도에 미치는 화학적 조성 및 다른 변수의 영향을 분석하는데 문제가 없는 것으로 판단되었다.
- 0%와 크게 차이가 나지 않았다. 세 번째 용해시 목표 조성이 3.60~440% 범위에서 040%간격인 세 가지 주조품에 대하여 3.66, 4.08 및 4.37%로 나타나 목표 조성과 차이가 크지 않았다. 그리고 몰리브덴과 마그네슘 함량은 각각 0.
- 5에서 보이는 바와 같다. 실제 규소 함량이 3.66, 4.08 및 4.37%로 증가함에 따라 유동도 스파이랄 길이는 787, 939 및 1, 104 mn로 증가하였다.
- 2에서 보이는 바와 같다. 실제 주입 온도가 1, 406, 1, 447, 1, 499 및 1, 55(TC로 중가함에 따라 유동도 스파이랄 길이는 787, 880, 939 및 1, 242 mm但 각각 나타났으며 일반적으로 잘 알려져 있는 바와 같이 주입 온도가 증가함에 따라 유동도는 중가하였다.
후속연구
- 3) 다른 주조 변수가 일정할 때 유동도에 미치는 탄소 및 규소 함량의 영향에 관한 결과는 응고 범위 (freezing range 또는 mushy zone)의 영향에 관한 이론으로는 설명되지 않았으며 초정 흑연 입자의 정 출시 방출되는 응고 잠열의 영향으로 생각되나 그 근거는 더 연구 검토할 필요고 있다.
- 또한, 이들의 영향은 이 정도로 작은 조성의 차이에 의해서는 그리 크지 않을 것으로 생각된다. 과공정 조성의 경우 초 정상이 구상 혹연이며 구상 흑연이 정출할 때에 응고 잠열이 방출되어 국부적으로 용탕을 가열하였을 것을 판단된다[9L 따라서 유동도가 증가하였을 것이며 이 탄소 당량의 범위에서는 과열이나 응고 범위의 영향에 비하여 초정 구상 혹연에 의한 영향이 더 컸을 것으로 생각되며 이와 같은 결과에 대하여는 더 연구 검토할 필요가 있다.
- 가 증가하였을 것으로 생각된다. 그러나 이 결과 또한 그 근거를 더 연구검토할 필요가 있다.
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