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문제 정의
- 본 연구에서는 박육주철을 주조하기 위한 기초적인 데이터를 얻기 위해 5 및 10 mm 두께의 판형 회주철 시편을 주조할때 공정 셀 수와 칠 깊이에 미치는 탄소, 규소 및 망간 등 기본 원소의 영향을 연구하고 5가지 접종제의 접종능을 평가하였으며 3 - 컵 열분석 및 칠 시험을 통하여 이들 결과의 원인을 분석하였다. 그리고 주입 후 시험 용탕을 5분간 유지하여 페이딩 거동을 평가하였다.
제안 방법
- 탄소 함량의 영향 시험을 하는 경우에도 비율에 맞추어 25 kg의 용탕을 얻었다. 2.30wt%의 최종 시험 주조품의 규소 함량을 얻기 위하여 기본 용탕의 목표 규소 함량을 1.80wt%로 하여 규소함량이 약 75%인 페로실리콘을 노중 용탕에 첨가하였다. 규소함량과 접종에 의한 규소 첨가량의 변화의 영향을 시험한 경우에는 각각 노중 첨가량을 변화시켰다.
- 목형과 주형 상자를 조립한 후 사형은 펩셋형으로 조형하였다. 20 kg의 규사를 화학 점결 주물사 혼련기에 장입한 후 주물사 중량의 각각 1%의 점결제를 첨가하고 20초 동안 혼련하였다. 경화제와 경화 촉진제를 첨가하고 다시 20초 동안 혼련한 후 배출시켰다.
- 탄소 당량 측정 장치의 탄소 당량 측정용 쉘컵 받침대 3개를 K-형태의 열전대를 사용하여 온도를 기록하기 위한 소프트웨어가 내장된 컴퓨터에 연결하여 구상한 열분석 장치를 이용하여 열분석하였다. Fig. 3에서 보이는 바와 같이 오스테나이트- 탄화물 공정 반응이 일어날 때의 냉각 곡선으로부터 탄화물공정 온도를 측정하기 위하여 Te을 넣은 쉘컵, 실제 시험하고자하는 용탕의 과냉 온도와 공정 온도를 측정하기 위하여 아무것도 넣지 않은 쉘컵 그리고 충분히 접종된 상태에서 오스테나이트 - 흑연 공정 온도를 측정하기 위하여 미세한 1.0wt% Ba-FeSi 분말을 넣은 쉘컵의 세 종류의 쉘컵을 사용하였다. 오스테나이트 - 흑연 공정 온도, 오스테나이트 - 탄화물 공정 온도, 시험 용탕의 과냉 및 재휘 온도(recalescence temperature)를 측정하였으며 시험 용탕의 과냉 온도(TU)와 오스테나이트 - 탄화물 공정 온도(TCE)의 차이(∆T=TU − TCE)를 계산하였다.
- 규소함량과 접종에 의한 규소 첨가량의 변화의 영향을 시험한 경우에는 각각 노중 첨가량을 변화시켰다. R-형태의 열전대를 부착시킨 침적식 온도계를 이용하여 용탕 온도를 측정하였다. 용탕 중 규소와 탄소의 평형 반응은 다음과 같으며 이 반응의 역전온도 범위는 1,390~1,440oC로 알려져 있다[12].
- 이 시편을 절단 및 마운팅 한 후 가운데 단면을 일반적인 방법으로 조연마하고 1 µm 등급까지의 다이아몬드 슬러리로 세연마하였다. Stead 의 부식액으로 부식시켜 거시 조직을 관찰하고 공정 셀 크기와 단위면적당 공정 셀 수를 측정하였다.
- 가로(또는 폭) 및 세로(또는 높이)가 각각 120 및 90 mm이며 두께가 3, 5 및 10 mm인 판재 주조 시편을 얻기 위한 목형과 주형 상자를 설계하여 주문·제작 하였으며 목형의 모양과 크기는 Fig. 1에서 보이는 바와 같다.
- 규소 함량의 영향을 시험하기 위하여, 탄소 및 망간 함량을 각각 3.40 및 0.70wt%로 일정하게 하고, 규소 함량을 1.90~2.70wt% 범위에서 0.20wt% 간격으로 변화시켰으며 그 결과와 칠 및 열분석 시험 결과는 Fig. 10에서 보이는 바와 같다. 규소 함량이 증가함에 따라 공정 셀 수는 증가하고 공정 셀 크기는 감소하였다.
- 접종제가 모두 용해한 후 열분석용 쉘컵, 칠 시험용 주형, 화학 분석용 시편 금형 및 계단형 시험 주조품 주형에 각각 주입하였다. 그리고 1,450~1,500oC의 온도 범위에 용탕을 5분 동안 유지한 후 다시 쉘컵, 각종 주형 및 금형에 용탕을 주입하여 페이딩 거동을 평가하기 위한 시험을 하였다. 사용한 장입 재료, 접종제 및 기본 원소 첨가제의 화학 조성은 Table 1에서보이는 바와 같다.
- 30wt%로 일정하게 하였다. 그리고 1.0wt%Ba-Fe-Si, Alinoc, ZINOZr, Superseed Extra 및 Ultraseed 등 5가지의 접종제의 성능을 평가하였으며 각 접종제의 화학 조성은 Table 2에서 보이는바와 같다.
- 주형의 위쪽에 가로 및 세로가 각각 120및 80 mm이며 높이가 45 mm인 압탕 겸 주입구를 단면의 가로 및 세로가 각각 20 mm인 목부분을 통하여 판재 시험 주조품 주형 공간과 연결시켰다. 그리고 수직 주형의 위로부터 3,5 및 10 mm 두께의 판재 시편을 얻을 수 있도록 배열하였다.
- 용탕의 온도가 이 범위에서 도달하였을 때 소형 레이들을 이용하여 열분석용 쉘컵, 칠 시험용 주형 및 화학 분석용 시편 금형에 용탕을 주입하고 주입용 레이들에 출탕하여 계단형 시험주조품 주형에 주입하였다. 그리고 접종에 의한 규소 첨가량의 영향 시험을 제외한 모든 경우에 직경이 약 1.0~3.0 mm 크기의 입자형 1.0wt%Ba-Fe-Si 접종제를 사용하여 그리고 접종제의 성능 평가를 하는 경우에는 각 접종제를 사용하여 규소 함량을 0.50wt% 증가시키는 방법으로 접종 처리하였다. 접종제가 모두 용해한 후 열분석용 쉘컵, 칠 시험용 주형, 화학 분석용 시편 금형 및 계단형 시험 주조품 주형에 각각 주입하였다.
- 본 연구에서는 박육주철을 주조하기 위한 기초적인 데이터를 얻기 위해 5 및 10 mm 두께의 판형 회주철 시편을 주조할때 공정 셀 수와 칠 깊이에 미치는 탄소, 규소 및 망간 등 기본 원소의 영향을 연구하고 5가지 접종제의 접종능을 평가하였으며 3 - 컵 열분석 및 칠 시험을 통하여 이들 결과의 원인을 분석하였다. 그리고 주입 후 시험 용탕을 5분간 유지하여 페이딩 거동을 평가하였다.
- 기본 용탕, 접종 처리 후 그리고 접종의 페이딩 거동을 평가하기 위하여 용탕을 유지한 후 각각 화학 분석용 시편을 얻었으며 이 시편의 표면을 조연마한 후 에미션 스펙트로미터를 이용하여 화학 조성을 분석하였다. 계단형 시험 주조품의 5 및 10 mm 두께 판재 부분을 절단하여 가운데로부터 가로 및 세로가 각각 15 mm 크기인 시편을 얻었다.
- 먼저 탄소, 규소, 접종에 의한 규소, 그리고 망간 등 기본원소의 영향을 시험하였다. 탄소 함량의 영향을 시험하는 경우에는 탄소 함량을 3.
- 경화제와 경화 촉진제를 첨가하고 다시 20초 동안 혼련한 후 배출시켰다. 목형과 주형 상자의 조립체에 주물사를 충진시켜 조형하였다. 좌형과 우형을 각각 조형하였으며 주형이 경화된 후 방출시켜 합형하였다.
- 오스테나이트 - 흑연 공정 온도, 오스테나이트 - 탄화물 공정 온도, 시험 용탕의 과냉 및 재휘 온도(recalescence temperature)를 측정하였으며 시험 용탕의 과냉 온도(TU)와 오스테나이트 - 탄화물 공정 온도(TCE)의 차이(∆T=TU − TCE)를 계산하였다.
- 좌형과 우형을 각각 조형하였으며 주형이 경화된 후 방출시켜 합형하였다. 용탕을 주입하였을 때 압력에 의한 주형 분리력에 기인하여 나타나는 두께 변화를 최소화하기 위하여 볼트, 너트와 클램프를 이용하여 고정하였다.
- C 범위로 일정하게 하였다. 용탕의 온도가 이 범위에서 도달하였을 때 소형 레이들을 이용하여 열분석용 쉘컵, 칠 시험용 주형 및 화학 분석용 시편 금형에 용탕을 주입하고 주입용 레이들에 출탕하여 계단형 시험주조품 주형에 주입하였다. 그리고 접종에 의한 규소 첨가량의 영향 시험을 제외한 모든 경우에 직경이 약 1.
- 용탕의 칠 시험을 위하여 ASTM A367 규격의 칠 시편을 주조하기 위한 사형 조형용 금형을 주문·제작하였으며 칠 시편의 모양과 크기는 Fig. 2에서 보이는 바와 같다.
- 이 시편을 절단 및 마운팅 한 후 가운데 단면을 일반적인 방법으로 조연마하고 1 µm 등급까지의 다이아몬드 슬러리로 세연마하였다.
- 접종에 의한 규소 첨가량의 영향을 시험하기 위하여, 탄소, 규소 및 망간 함량을 각각 3.40, 2.30 및 0.70wt%로 일정하게 하고, 접종에 의한 규소 첨가량을 0.30~0.70wt% 범위에서 0.20wt% 간격으로 변화시켰으며 그 결과와 칠 및 열분석 시험 결과는 Fig. 11에서 보이는 바와 같다. 최종 규소 함량이 2.
- 목형과 주형 상자의 조립체에 주물사를 충진시켜 조형하였다. 좌형과 우형을 각각 조형하였으며 주형이 경화된 후 방출시켜 합형하였다. 용탕을 주입하였을 때 압력에 의한 주형 분리력에 기인하여 나타나는 두께 변화를 최소화하기 위하여 볼트, 너트와 클램프를 이용하여 고정하였다.
- 박판형의 주형 공간을 용탕으로 확실하게 충진시켜 시편을 얻기 위하여 수직으로 주조할 수 있게 하였다. 주형의 위쪽에 가로 및 세로가 각각 120및 80 mm이며 높이가 45 mm인 압탕 겸 주입구를 단면의 가로 및 세로가 각각 20 mm인 목부분을 통하여 판재 시험 주조품 주형 공간과 연결시켰다. 그리고 수직 주형의 위로부터 3,5 및 10 mm 두께의 판재 시편을 얻을 수 있도록 배열하였다.
- 탄소 당량 측정 장치의 탄소 당량 측정용 쉘컵 받침대 3개를 K-형태의 열전대를 사용하여 온도를 기록하기 위한 소프트웨어가 내장된 컴퓨터에 연결하여 구상한 열분석 장치를 이용하여 열분석하였다. Fig.
- 먼저 탄소, 규소, 접종에 의한 규소, 그리고 망간 등 기본원소의 영향을 시험하였다. 탄소 함량의 영향을 시험하는 경우에는 탄소 함량을 3.20~3.60wt% 범위에서 0.20wt% 간격으로 변화시켰으며 규소 및 망간의 함량을 2.30wt% 및 0.70wt%로 일정하게 하였다. 규소 함량의 영향을 시험하는 경우에는 규소함량을 1.
- Table 2에서 보이는 바와 같은 5가지 종류의 접종제를 평가하였다. 탄소와 망간 함량을 각각 3.40 및 0.70wt%로 일정하게 하고 기본 용탕의 규소 함량을 1.80wt%로 일정하게 한 후, 각 접종제를 사용하여 규소 함량을 0.50wt% 증가시키는 방법으로 접종 처리하였으며 그 결과는 Fig. 13에서 보이는 바와 같다. 5가지의 접종제 중 Superseed Extra는 접종 처리한 경우에 공정 셀 수가 제일 많고 공정 셀 크기가 가장 작은 것으로나타나 가장 좋은 것으로 평가되었으며 공정 셀 수는 Alinoc접종제로 접종한 경우에 가장 적고 공정 셀 크기는 ZINO-Zr이 접종능이 상대적으로 나쁜 것으로 나타났다.
- 2에서 보이는 바와 같다. 펩셋 형으로 조형하였으며 조형된 사형을 20 mm 두께의 동판 위에 놓아 용탕 주입시 급랭이 되도록 하였다.
대상 데이터
- 기본 용탕, 접종 처리 후 그리고 접종의 페이딩 거동을 평가하기 위하여 용탕을 유지한 후 각각 화학 분석용 시편을 얻었으며 이 시편의 표면을 조연마한 후 에미션 스펙트로미터를 이용하여 화학 조성을 분석하였다. 계단형 시험 주조품의 5 및 10 mm 두께 판재 부분을 절단하여 가운데로부터 가로 및 세로가 각각 15 mm 크기인 시편을 얻었다. 이 시편을 절단 및 마운팅 한 후 가운데 단면을 일반적인 방법으로 조연마하고 1 µm 등급까지의 다이아몬드 슬러리로 세연마하였다.
데이터처리
- 오스테나이트 - 흑연 공정 온도, 오스테나이트 - 탄화물 공정 온도, 시험 용탕의 과냉 및 재휘 온도(recalescence temperature)를 측정하였으며 시험 용탕의 과냉 온도(TU)와 오스테나이트 - 탄화물 공정 온도(TCE)의 차이(∆T=TU − TCE)를 계산하였다. 모든 경우에 3회 시험하여 재현성을 확인하고 평균값을 얻었다.
성능/효과
- 1) 접종 처리에 의하여 공정 셀 수는 증가하고 칠 깊이는 감소하였으며 용탕 유지시 전자는 감소하고 후자는 약간 증가하였다.
- 2) 주조 시편의 두께가 5 mm로 작은 경우에 공정 셀 수는 더 많았다.
- 3) 열분석 시험 결과는 거시 조직의 변화와 잘 일치하였다.
- 4) 탄소, 규소 그리고 전체 규소 함량이 일정한 조건에서 접종에 의하여 규소 함량이 증가함에 따라 공정 셀 수는 증가하고 칠 깊이는 감소하였다.
- 5) 망간 함량이 증가함에 따라 공정 셀 수는 감소하고 공정셀 크기는 증가하였다.
- 13에서 보이는 바와 같다. 5가지의 접종제 중 Superseed Extra는 접종 처리한 경우에 공정 셀 수가 제일 많고 공정 셀 크기가 가장 작은 것으로나타나 가장 좋은 것으로 평가되었으며 공정 셀 수는 Alinoc접종제로 접종한 경우에 가장 적고 공정 셀 크기는 ZINO-Zr이 접종능이 상대적으로 나쁜 것으로 나타났다. 칠 깊이와 ∆T의 측정 결과도 Fig.
- 6) 5가지의 접종제 중 Superseed Extra 접종제의 성능이 가장 우수한 것으로 나타났다.
- 공정 셀 수 및 칠 깊이에 미치는 기본 원소의 영향과 접종제의 성능을 시험한 모든 경우에 얻은 화학 조성 분석 시편을 분석하였으며 그 결과 모든 기본 원소의 함량은 실험 오차 범위 내에 있으며 각 원소의 영향과 접종제 성능을 평가한 실험결과를 분석하는 데에는 별 문제가 없는 것으로 판단되었다.
- 10에서 보이는 바와 같다. 규소 함량이 증가함에 따라 공정 셀 수는 증가하고 공정 셀 크기는 감소하였다. 이것은 규소 함량이 증가함에 따라 칠 깊이는 감소하고 ∆T는 대체로 증가한 결과로부터 예측할 수 있는 결과이다.
- 5(a) 및 (b)에서 각각 보이는 바와 같다. 기본 용탕을 주입하여 얻은 판재 시편의 공정 셀 수는 적고 공정 셀크기는 크나 접종 처리 후 전자는 크게 증가하고 후자는 크게 감소하였다. 용탕 유지에 따라 전자는 감소하고 후자는 증가하였다.
- 70wt%로 일정하게 하였다. 또한 기본 용탕의 규소 함량을 2.00~1.60wt% 범위에서 0.20wt% 간격으로 감소시켜 최종 규소 함량은 모든 경우에 2.30wt%로 일정하게 하였다. 망간 함량의 영향을 시험하는 경우에는 망간 함량을 0.
- 12(a) 및 (b)에서 보이는 바와 같다. 망간 함량이 증가함에 따라 공정 셀 수는 감소하고 공정 셀 크기는 증가하였다. 이것은 Fig.
- 50wt% 존재하여 이들 원소의 황화물 또는 산화물이 흑연의 핵생성 서브스트레이트로 작용하였기 때문으로 생각된다. 이 접종제의 페이딩 거동은 1.0wt%Ba-Fe-Si접종제 보다는 좋지 않으나 다른 접종제에 비해서는 우수하여 성능이 가장 뛰어난 것으로 판단되었다.
- 11에서 보이는 바와 같다. 최종 규소 함량이 2.30wt%로 일정한 조건에서, 접종에 의한 규소 함량이 증가함에 따라 공정 셀 수는 대체로 증가하고 공정 셀 크기는 감소하였다. 이것은 접종에 의한 규소 첨가량이 증가함에 따라 칠깊이는 감소하고 ∆T는 증가한 결과로부터 예측할 수 있는 결과이다.
- 탄소 함량이 증가함에 따라 공정 셀 수는 대체로 증가하고 공정 셀 크기는 감소하였다. 이것은 탄소 함량이 증가함에 따라 칠 깊이는 감소하고 ∆T는 증가하는 것으로 알 수 있는 바와 같이 탄소 함량이 증가함에 따라 탄소 당량이 증가하여 용탕의 응고가 일어나는 동안 흑연화 잠재력(graphitzation potential)이 증가하였기 때문으로 생각된다.
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