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문제 정의
- 두께가 250 mm 이상으로 두꺼운 주방상태 페라이트 구상흑연주철을 제조하는데 있어서 흑연정출의 거동과 기계적 성질 및 청크흑연의 정출을 저지하기 위한 Sb/RE의 임계 첨가량에 대해 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 따라서 본 연구에서는 앞의 연구 결과[6]에서 보고한 시험 결과를 토대로 하여 더 가혹한 응고 조건하에서 후육 250 mm 이상의 주방상태 후육 페라이트 구상흑연주철을 제조하여 흑연정출의 거동과 기계적 성질과의 관계를 규명하고, 청크흑연의정출을 저지하기 위한 안티몬의 임계 첨가량에 대해서 검토하여 향후 대형 .후육 구상흑연주철 부품의 생산기술을 정립하기 위한 기초 자료로 얻고자 하였다.
- 또한 응고시 수축량을 흑연정출에 의한 팽창으로 적절히 보상해주기 위해서도 공정조성에 맞추었다. 즉 아공정, 공정, 과공 정의 구상 흑연주철 용탕을 생각해 보자.
- 향후 대형 .후육 구상흑연주철 부품의 생산기술을 정립하기 위한 기초 자료로 얻고자 하였다.
제안 방법
- 2 에 보이는바와 같이 A/D 컨버터를 통해서 컴퓨터에 연결한 후 응고 중의 온도 변화를 기록하였다. Sb/RE의 측정은 구상화제 중에 포함된 RE양과 Sb의 첨가양으로 구하였다.
- 충격시험편은 KS B 0809 4호 노치 규격을 사용하였고 상온에서 샤르피 충격시험을 행하였다. 경도시험은 브리넬 경도계 (3000 kg 하중, 10 mm 강구볼, 30초간 측정)를사용하였다.
- . 그리고 용탕이 주형에서 응고 할 때의 공정응고 구역에서의 정체부분의 냉각곡선을 측정하기 위해 주형에 12개의 R형 (13%Rh-Pt, Pt) 열전대를 주형에 십입하여 주조재 부위별 냉각곡선을 확보하였다. 열전대는 Fig.
- 35에 맞춘 후 레이들에 출탕하면서 Fe-Si-Mg-RE 합금을 사용하여 샌드위치법으로 구상화처리를 하였다. 그리고 주형에 주입 전 Fe-Si-Ca 합금철을 사용하여 접종처리를 하였다. 주입온도는 1300~1330。(2에서 주형에 주입하였다.
- 주입온도는 1300~1330。(2에서 주형에 주입하였다. 미량원소로서 안티몬의 조성은 0, 0.005 및 0.02% 3가지로 레이들에 첨가하였다. 각주 조재 시험편의 화학성분을 Table 1에 나타내었다.
- 그리고 적정 탄소당량에서 Si의 함량이 적을수록 청크흑연은효과적으로 억제되나, 기지조직의 페라이트 분율이 떨어져 충분한 인성을 확보하지 못하였다. 반면에 Si'함량을 증가시키면 기지조직은 주방상태에서 페라이트화는 되지만, 청크흑연이 정출하여 연신율과 충격치가 크게 감소하였으며 대책으로 소량의 Sb(이하 안티몬으로 표시) 원소를 용탕에 첨가하여 청크흑연억제를 할 수 있었다. 칠(chill) 설치를 통한 공정응고 시간의 단축, Si 첨가량 적정화, 안티몬 첨가 등의 공정변수 변화를 통하여 250 mm 후육 구상흑연주철을 제조할 수 있었고, 우수한 미세조직과 기계적 성질을 확보할 수 있었다.
- 이와 같이 본 연구에서는 공정 정체 시간을 가능한 찗게 하기 위한 수단의 하나로 주입온도를 최대한 낮게 하여 주입 후 빠른 시간 내에 공정 반응이 일어나도록 용탕을 사형 주형에 주입 전 용탕의 조건이 공정조성 상태인 것을 초정과 공정온도와의 차이를 탄소당량 측정기의 냉각곡선을 통해 확인하였다. 또한 응고시 수축량을 흑연정출에 의한 팽창으로 적절히 보상해주기 위해서도 공정조성에 맞추었다.
- 인장시험 후 인장시편의 파단면 부분을 절단, 연마 및 부식시킨 후 광학현미경으로 흑연조직과 기지조직을 관찰하였고, 상분석 장치를 이용하여 흑연 구상화율, 페라이트 면적율을 현미경 배율 50배로 무작위로 30 위치 이상 측정하여 정량적인 값을 구했다. 직경 5 nm 이하의 흑연입자는 분석에서 제외하였고, 페라이트 면적율도 흑연구상화 측정부위에서 함께 분석하였다.
- 배율 50배로 무작위로 30 위치 이상 측정하여 정량적인 값을 구했다. 직경 5 nm 이하의 흑연입자는 분석에서 제외하였고, 페라이트 면적율도 흑연구상화 측정부위에서 함께 분석하였다.
대상 데이터
- 그리고 인징.시험편은 KS B 0801 4호 규격을 사용하였고, 10mm/min의 cross head 속도 조건으로 시험하였다. 충격시험편은 KS B 0809 4호 노치 규격을 사용하였고 상온에서 샤르피 충격시험을 행하였다.
- 용해주조에 사용한 주요 장입재는 순철, 포항선철 및 강 고철을 4:3:3의 비율로 배합한 지금, 금속 Si과 전극 흑연이며, 최대 용해량 500 kg 고주파 유도용해로를 사용하였고, 용해 온도는 1500°C로 고정하였다. 용해 도중 금속 Si과 전극 흑연으로 목표성분의 탄소당량(Carbon Equivalent)을 4.
이론/모형
- 1500°C로 고정하였다. 용해 도중 금속 Si과 전극 흑연으로 목표성분의 탄소당량(Carbon Equivalent)을 4.30〜4.35에 맞춘 후 레이들에 출탕하면서 Fe-Si-Mg-RE 합금을 사용하여 샌드위치법으로 구상화처리를 하였다. 그리고 주형에 주입 전 Fe-Si-Ca 합금철을 사용하여 접종처리를 하였다.
- 시험편은 KS B 0801 4호 규격을 사용하였고, 10mm/min의 cross head 속도 조건으로 시험하였다. 충격시험편은 KS B 0809 4호 노치 규격을 사용하였고 상온에서 샤르피 충격시험을 행하였다. 경도시험은 브리넬 경도계 (3000 kg 하중, 10 mm 강구볼, 30초간 측정)를사용하였다.
성능/효과
- 1. 용탕에 안티몬을 첨가하지 않은 주조재의 경우 1/6 T(후육 42 mm)까지는 청크 흑연이 정출되지 않으나 그 이상의 두께에서는 청크흑연이 정출되고 중심부로 갈수록 청크흑연의 입자는 조대화 되지만, 인장강도와 항복강도에는 크게 영향을 미치지 않는 반면 연신율과 충격치는 크게 저하된다.
- 2. 구상화제 중에 포함되어 있는 RE는 청크흑연을 유빌 시키지만 Sb/RE 의 값이 0.8인 경우에는 청크흑연의 정출을 억제할 수 있다.
- 3. 안티몬을 임계허용치 이상 첨가 하였을 경우에 청크흑연의 정출은 억제되지만 과잉의 안티몬 단독효과가 나타나 스파이크 모양의 편상흑연정출과 퍼얼라이트 양의 증가로 인하여 연신율과 충격치는 안티몬을 첨가하지 않은 주조재보다도 저하하는 경향을 나타내었다
- 4. 용탕에 안티몬을 적정량을 첨가하여 250 mm 이상 주방 상태 후육 페라이트 구상흑연주철의 제조한 결과 중심부에서도 높은 구상화율 및 페라이트 분율을 얻었고 매우 우수한 기계적 성질을 확보할 수가 있었다.
- 각각의 주조재에 대한 부위별 연신율은 안티몬을 0.005% 첨가 한 주조재의 경우 1/6, 2/6 및 3/6 T 표면부에서 중심부로 갈수록 연신율이 떨어지는 경향을 나타내고 있지만 17, 15 및 14%로 가장 높은 값을 보였다. 한편 안티몬을 첨가하지 않은 주조재의 경우에는 3/6 T에서 연신율이 4%로 크게 떨어지는 경향을 보여 건전부(1/6 T)에 비해 2배 정도의 차이를 나타내어 청크흑연의 정출은 연신율 저하에 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
- 각각의 주조재의 샤르피 충격 에너지값은 안티몬을 첨가하지 않은 주조재의 경우는 1/6 T에서 제일 높은 값을 보이고 있고 2/6 및 3/6 T로 갈수록 충격치는 저하하는 경향을 나타내었다. 이와 같이 중심부 쪽으로 갈수록 충격치가 떨어지는 이유는청크흑연의 정출로 인한 결과로 사료된다.
- 이상의 결과를 종합해 보면 고 Si 함량의 경우, Si의 흑연화 작용으로 페라이트 기지를 얻을 수 있지만 공정정체 응고 시 간이 1 h 이상인 경우에는 청크흑연의 정출이 일어난다. 그러 나 안티몬을 일정량 첨가하면 청크흑연의 정출을 방지 할 수 가 있지만, 일정량이 초과하면 안티몬의 단독효과가 나타나 기 지의 퍼얼라이트화와 편상흑연이 정출하는 것을 실험의 결과를 통해 알 수 있었다.
- 6에 각 주조재의 부위별 인장강도, 항복강도, 연신율, 경도 및 충격치를 나타내었다. 안티몬을 0.005~0.02% 첨가한 주조 재의 경우 1/6 에서 3/6 T에 걸쳐 우수한 인장강도를 나타내고 있고 부위별 인장강도의 저하는 발견되지 않아 후육에따른 인장강도의 감수성은 예민하지 않다는 것을 알 수 있었다. 그러나 안티몬을 첨가하지 않은 주조재의 경우 후육에 따른 인장강도의 감수성이 안티몬을 0.
- 005% 첨가 한 주조재의 경우 1/6 丁에서 중심부 3/6 T에 걸쳐서 매우 양호한 구상흑연의 형태를 보이고 있고 어느 부위에서도 청크흑연의 정출은 없었다. 안티몬을 0.02% 첨가한 주조 재의 경우에는 1/6 및 2/6 T까지는 매우 양호한 구상흑연의 형태를 보이고 있지만, 중심부 3/6 T에서 구상흑연 주위에 스파이크 모양의 편상흑연이 정출 된 것이 확인되었으며, 청크흑연의 정출은 없었다. 이상의 조직 사진에서 안티몬은 청크흑연 정출의 효과적으로 억제하는 원소인 것을 알 수 있다.
- 그러나 중심부 3/6 T에서는 스파이크 모양의 편상흑연의 정출로 인하여 구상화율은 70%로 떨어지는 경향을 나타내었다. 이들의 결과에서 Sb을 0.005% 첨가한 주조재가 구상화율이 가장 우수 하였다. 페라이트 분율은 안티몬을 첨가하지 않은 주조재 및 0.
- 02% 첨가한 주조재의 경우에는 1/ 6 T에서도 페라이트 분율이 55%의 값을 보이고 중심부로 갈 수록 페라이트 분율은 감소하고 있고 중심부 3/6 T에서는 페 라이트 분율은 35%를 보이고 있어 안티몬은 일정 임계치를 초과하면 강한 퍼얼이트 안정화원소［기인 것을 알 수 있었다. 이상의 결과를 종합해 보면 고 Si 함량의 경우, Si의 흑연화 작용으로 페라이트 기지를 얻을 수 있지만 공정정체 응고 시 간이 1 h 이상인 경우에는 청크흑연의 정출이 일어난다. 그러 나 안티몬을 일정량 첨가하면 청크흑연의 정출을 방지 할 수 가 있지만, 일정량이 초과하면 안티몬의 단독효과가 나타나 기 지의 퍼얼라이트화와 편상흑연이 정출하는 것을 실험의 결과를 통해 알 수 있었다.
- 02% 첨가한 주조 재의 경우에는 1/6 및 2/6 T까지는 매우 양호한 구상흑연의 형태를 보이고 있지만, 중심부 3/6 T에서 구상흑연 주위에 스파이크 모양의 편상흑연이 정출 된 것이 확인되었으며, 청크흑연의 정출은 없었다. 이상의 조직 사진에서 안티몬은 청크흑연 정출의 효과적으로 억제하는 원소인 것을 알 수 있다. 안티몬을 첨가하지 않은 주조재의 경우 1/6 T에서는 청크 흑연이 정출되지 않았는데, 그 이유는 Fig.
- 반면에 Si'함량을 증가시키면 기지조직은 주방상태에서 페라이트화는 되지만, 청크흑연이 정출하여 연신율과 충격치가 크게 감소하였으며 대책으로 소량의 Sb(이하 안티몬으로 표시) 원소를 용탕에 첨가하여 청크흑연억제를 할 수 있었다. 칠(chill) 설치를 통한 공정응고 시간의 단축, Si 첨가량 적정화, 안티몬 첨가 등의 공정변수 변화를 통하여 250 mm 후육 구상흑연주철을 제조할 수 있었고, 우수한 미세조직과 기계적 성질을 확보할 수 있었다.
- 005% 첨가 한 주조재의 경우 1/6, 2/6 및 3/6 T 표면부에서 중심부로 갈수록 연신율이 떨어지는 경향을 나타내고 있지만 17, 15 및 14%로 가장 높은 값을 보였다. 한편 안티몬을 첨가하지 않은 주조재의 경우에는 3/6 T에서 연신율이 4%로 크게 떨어지는 경향을 보여 건전부(1/6 T)에 비해 2배 정도의 차이를 나타내어 청크흑연의 정출은 연신율 저하에 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 안티몬을 0.
후속연구
- 억제 작용[12]이 없어지고 과잉의 안티몬 단독영향이 나타나 흑연과 기지조직의 형태를 바꾸었다고 사료된다. 그리고 RE와 금속간 화합물에 대한 부분은 앞으로 더 연구할 필요가 있다.
- 이와 같이 발열 슬리브와 단열재를 설치한 목적은 500X500X500mm의 인고트를 제작하는데 로의 용해 용량의 허용치를 넘었기 때문이다. 본 실험에서 발열 슬리브와 단열재의 설치로 후육 250 mm 이상의 후 육 주물에서의 흑연형상과 기계적 성질을 평가하는데 전혀 문제가 없을 것이라고 사료된다..
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