[논문]금형주조 구상흑연주철의 칠 형성 경향에 미치는 화학조성 및 열처리의 영향

김석원; 박진성; 김기곤

문제 정의

따라서 본 연구에서는 금형으로 주조한 구상흑연주철의 칠 형성 경향을 방지할 수 있는 제조법을 개발하기 위하여 합금원소인 탄소(Carbon), 규소(Silicon), 희토류원소(Rare Earth Element)7} 칠 형성 경향에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 주조 후의 열처리(Post heat-treatment)의 칠형성 경향에 미치는 영향을 체계적으로 연구하여 서로의 관계를 규명하고 그 결과를 자료화하여 이론적 및 현장적으로 응용할 수 있게 하기 위한 연구를 하였다.
칠 형성 경향에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 주조 후의 열처리(Post heat-treatment)의 칠형성 경향에 미치는 영향을 체계적으로 연구하여 서로의 관계를 규명하고 그 결과를 자료화하여 이론적 및 현장적으로 응용할 수 있게 하기 위한 연구를 하였다.
금형으로 인하여 냉각속도가 증가된 시편 가장자리 부분에서 많은 양의 탄화물이 생성되었다. 본 연구에서 제조된 시편 중 특히 규소 첨가량과 희토류 원소가 적정량 이상으로 첨가된 시편에서 탄화물량이 많이 관찰되었으며 기지 조직에 형성된 탄화물을 제거하기 위하여 열처리를 실시하였다. Fig.

제안 방법

선철, 고철, 가탄제(99%), Fe-Si(75%), Fe-Mn(60%)을 이용하여 C, Si 및 RE의 화학 조성을 조절하였으며 그 결과 얻은 화학조성은 Table 1에서 보는 바와 같다. 레이들에서 Mg을 사용하여 구상화 처리하였으며 1350℃ 온도에서 Fig. 1과 같은 10, 30와 50 mm 직경을 가지는 금형에 주입하였다. 이때 시편의 응고 속도는 K 형태의 열전대를 이용하여 측정하였다.
14는 열처리 시편의 마모량을 나타낸 그래프이다. 마모시험은 마모속도: 0.4 m/s, 마모거리: 2000 m, 마모하중: 47.2 N의 마모조건에서 행하였다. 흑연립은 마모 시험에서 시편과 상대마모재 사이에 윤활제 역할을 수행하여 흑연립이 존재하는 주철은 내마모재로 많이 사용되고 있다.
자동변위 측정 장치가 부착된 25 ton 만능재료시험기를 이용하여 KS B 0802 규격의 금속재료 시험 방법에 따라 상온에서 Imm/min의 크로스 헤드 속도로 인장시험을 하였다. 마모시험후 표면의 형상과 마모 손실량과 같은 마모 특성을 조사하기 위하여 동일한 마모조건(마모하중: 47.2 N, 마모 거리: 2000 m, 마모 속도: 0.4m/s)으로 pin-on-disc 형태의 마모시험을 하였다. 상대 마모재는 HRc60 의 경도를 가지도록 SKD 11 재료를 열처리하여 사용하였으며, 직경 및 높이가 각각 8, 9 및 18 mm인 원주형의 시편을 가공하여 사용하였다.
제조된 시편를 92(TC의 온도에서 1 hr/in의 냉각속도를 유지하여 노말라이징하였다. 시편은 각각 0.3 μm 알루미나로 정연마 하였으며 이미지 분석기를 통하여 흑연립의 수, 크기 및 구상화율을 측정하였다. 자동변위 측정 장치가 부착된 25 ton 만능재료시험기를 이용하여 KS B 0802 규격의 금속재료 시험 방법에 따라 상온에서 Imm/min의 크로스 헤드 속도로 인장시험을 하였다.
3)im의 거칠기로 연마하고, 시험전에 아세톤으로 세척하였다. 시험 전후 측정한 마모 시험편의 무게 차이를 정밀 저울을 이용하여 0.01 g 까지 측정하여 그 결과를 이용하여 마모 특성을 고찰하였다.
3 μm 알루미나로 정연마 하였으며 이미지 분석기를 통하여 흑연립의 수, 크기 및 구상화율을 측정하였다. 자동변위 측정 장치가 부착된 25 ton 만능재료시험기를 이용하여 KS B 0802 규격의 금속재료 시험 방법에 따라 상온에서 Imm/min의 크로스 헤드 속도로 인장시험을 하였다. 마모시험후 표면의 형상과 마모 손실량과 같은 마모 특성을 조사하기 위하여 동일한 마모조건(마모하중: 47.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 시편을 알루미나 도가니를 장착한 고주파 유도로를 이용하여 용해하여 제조하였다. 선철, 고철, 가탄제(99%), Fe-Si(75%), Fe-Mn(60%)을 이용하여 C, Si 및 RE의 화학 조성을 조절하였으며 그 결과 얻은 화학조성은 Table 1에서 보는 바와 같다.
4m/s)으로 pin-on-disc 형태의 마모시험을 하였다. 상대 마모재는 HRc60 의 경도를 가지도록 SKD 11 재료를 열처리하여 사용하였으며, 직경 및 높이가 각각 8, 9 및 18 mm인 원주형의 시편을 가공하여 사용하였다. 상대 마모재와 마모시험편의 접촉면은 Ra = 0.
유도로를 이용하여 용해하여 제조하였다. 선철, 고철, 가탄제(99%), Fe-Si(75%), Fe-Mn(60%)을 이용하여 C, Si 및 RE의 화학 조성을 조절하였으며 그 결과 얻은 화학조성은 Table 1에서 보는 바와 같다. 레이들에서 Mg을 사용하여 구상화 처리하였으며 1350℃ 온도에서 Fig.

성능/효과

6wt%Si)에서 희토류원소의 첨가량에 따른 조직을 보여준다. 0.2% RE를 첨가했을 때 첨가하지 않은 시편보다 탄화물이 감소된 것을 관찰할 수 있었고, 0.4%RE를 첨가 시에는 탄화물이 증가하였다. 희토류원소는 강력한 탄화물 조장제로 알려져 있다.
1) 구상흑연주철에서 금형 주조시 규소량에 따라 펄라이트형 주철과 불스아이형 구상흑연 주철을 얻을 수 있었다. 규소량을 2.
2) 구상흑연주철에서 금형주조시 주방 상태의 시편은 0.2%RE를 첨가할 때 많은 미세한 흑연립이 형성되었다.
3) 탄화물이 가장 많이 존재하던 A02 시편을 노말라이징 처리 시 탄화물은 완전히 제거되었으며 펄라이트의 량은 전체 기지의 58%를 차지하여 경도값이 HRB105로 가장 높게 형성되었다.
4) 탄화물이 가장 적게 존재하던 CO2 시편을 노말라이징 처리 시 페라이트 분율은 전체 기지의 85%이상을 차지하며 경도값은 HRB97로 가장 낮게 형성되었다.
반면에 응고 속도가 느린 시편에서는 조대한 흑 연립과 탄화물이 관찰되지만 탄화물의 생성량은 적었다. Fig. 2에서 보이는 바와 같은 시편의 응고 현상을 분석하기 위하여 K 형태 열전대를 이용하여 측정한 결과 50mm시편에서 초정과 공정영역의 범위가 2 배정도 넓게 형성되었으며 공석범위까지 응고 속도는 3 배정도 느려짐을 Fig. 3을 통해 확인할 수 있었다. 따라서 흑연과 탄화물이 조대하게 성장되었다고 사료된다.
4%를 첨가했을 때 오히려 흑연립이 감소하거나 첨가하지 않은 경우와 유사한 값을 가졌다. 또한 0.2% RE 원소의 효과는 Si 량의 증가에 따라서 Si 효과에 의해 많이 상쇄됨을 D 시편에서 관찰할 수 있었다. 희토류원소가 0.
10은 시편의 조성에 따른 주방상태의 시편을 노말라이징 처리한 시편의 조직을 보여주고있다. 열처리하는 동안 펄라이트 중의 탄소는 3상흑연으로 확산하여 탄소가 고갈된 페라이트 영역이 증가되었으며 이러한 현상은 3상흑연수가 많았던 C와 D 시편에서 상대적으로 더 뚜렷한 현상이 나타났다. 또한 탄화물량이 가장 많았던 시편에서도 페라이트량이 증가하였다.
열처리는 920。(3에서 25 mm당 1 시간의 냉각속도로 유지한 후 강제 공냉 처리하였다. 주방상태 시편을 보면 가장자리 부분에는 많은 양의 탄화물이 존재하고, 시편의 중심부와 중간부에서도 탄화물이 존재하는 것을 볼 수 있었다. 금형으로 인하여 냉각속도가 증가된 시편 가장자리 부분에서 많은 양의 탄화물이 생성되었다.
현재 연구에서의 마모 결과는 경도가 높을수록 낮은 마모량이 나타났다. 즉, 펄라이트 기지가 많은 A02시편이 가장 우수한 내마모성을 나타내었고, 그와 반대로 페라이트 기지가 많은 C04 시편에서 많은 량의마모량이 나타났다. 마모실험에서 내 마모성에 미치는 중요한 변수는 흑연립의 수나 크기보다는 기지경도에 의해 지배받는다고 사료된다.
2%첨가된 시편이 미세한 흑연립이 많이 형성되었으며 Si가 많이 첨가된 경우 흑연립이 조대해진 것을 확인할 수 있었다. 특히 희토류원소를 0.4%첨가시 첨가하지 않은 경우보다 흑연립수와 크기가 현저히 감소됨을 알 수 있었다. 이것은 C가 탄화물 생성, 성장 하는데 하였기 때문이다.
일반적으로 경도는 기지에 크게 영향을 받는다. 페라이트와 펄라이트의 비에 따라서 펄라이트가 많은 시편에서 높은 경도가 나타났고 페라이트가 가장 많은 C04시편이 가장 낮은 경도가 나타남을 알 수 있었다. 또한 미세한 흑연립이 많이 형성될수록 경도값이 증가하지만 C04시편에서는 기지 경도의 감소에 미세한 흑 연립 경도 증가가 상쇄되어 나타났다고 사료된다.
흑연립은 마모 시험에서 시편과 상대마모재 사이에 윤활제 역할을 수행하여 흑연립이 존재하는 주철은 내마모재로 많이 사용되고 있다. 현재 연구에서의 마모 결과는 경도가 높을수록 낮은 마모량이 나타났다. 즉, 펄라이트 기지가 많은 A02시편이 가장 우수한 내마모성을 나타내었고, 그와 반대로 페라이트 기지가 많은 C04 시편에서 많은 량의마모량이 나타났다.
2% RE 원소의 효과는 Si 량의 증가에 따라서 Si 효과에 의해 많이 상쇄됨을 D 시편에서 관찰할 수 있었다. 희토류원소가 0.2%첨가된 시편이 미세한 흑연립이 많이 형성되었으며 Si가 많이 첨가된 경우 흑연립이 조대해진 것을 확인할 수 있었다. 특히 희토류원소를 0.
7(a)에서 응고 속도를 지연하는 원소인 규소의 증가로 흑연립 수가 크게 증가함을 알 수 있지만 탄소량의 증가는 흑연립수의 증가에 영향을 크게 미치지 못하는 것을 알 수 있다. 희토류첨가에 따른 흑연립수를 보면 희토류원소를 0.2%첨가하였을 때 가장 많은 흑연립이 관찰되었고, 0.4%를 첨가했을 때 오히려 흑연립이 감소하거나 첨가하지 않은 경우와 유사한 값을 가졌다. 또한 0.

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