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문제 정의
- 주철 용탕 중 흑연화를 위해서는 최적의 Mn/S 비가 존재하며 MnS의 효과는 의문이 있으나 황은 희토류 원소와 같은 금속 원소와 결합하여 형성한 화합물은 흑연의 핵생성 자리로 작용하는 것으로 알려져 있다[7-9]. 따라서 본 연구에서는 황 함량이 0.1 wt%로 높고 탄소 함량이 3.3 wt%로 일정한 4, 5 및 10 mm 두께의 판형 시편을 주조 시, 기계적 성질 및 조직에 미치는 두께와 규소 및 망간의 영향을 연구하였다. 열분석 및 칠 시험을 통하여 공정 조직의 변화의 원인을 분석하였으며 두께 및 규소와 망간 함량의 변화에 따른 판형 시편의 기계적 성질 변화를 분석하여 박육 주철 제품의 경량화 및 고강도화를 위한 기초자료를 얻었다.
- 3 wt%로 일정한 4, 5 및 10 mm 두께의 판형 시편을 주조 시, 기계적 성질 및 조직에 미치는 두께와 규소 및 망간의 영향을 연구하였다. 열분석 및 칠 시험을 통하여 공정 조직의 변화의 원인을 분석하였으며 두께 및 규소와 망간 함량의 변화에 따른 판형 시편의 기계적 성질 변화를 분석하여 박육 주철 제품의 경량화 및 고강도화를 위한 기초자료를 얻었다.
- 판형 시편의 두께가 4~10 mm 범위에서 증가함에 따라 강도와 경도는 감소하였다. 이와 같은 결과의 원인을 분석하기 위하여 거시조직과 미세조직을 관찰하였다. 공정 셀 수 및 크기의 변화와 기지 중 펄라이트 부피 분률의 변화는 각각 Fig.
제안 방법
- 이 시편을 마운팅한 후 단면을 일반적인 방법으로 조연마하고 1 µm 등급까지의 다이아몬드 슬러리로 세연마하였다. 3% 나이탈 용액으로 부식시켜 미세조직 관찰 후 같은 방법으로 연마하여 Stead의 용액으로 부식시켜 거시 조직을 관찰하고, 화상 분석 장치를 이용하여 공정 셀 크기와 단위 면적당 공정 셀 수를 측정하였다.
- 기본 용탕, 접종 처리 후 화학 분석용 시편을 얻었으며 이 시편의 표면을 조연마한 후 에미션 스펙트로미터를 이용하여 화학 조성을 분석하였다. 4, 5 및 10 mm 두께의 계단형 시험 주조품을 인장시편으로 가공 후 판재 인장시편의 그립 부분을 절단하여 가로 및 세로가 각각 15 mm 크기인 시편을 얻었다. 이 시편을 마운팅한 후 단면을 일반적인 방법으로 조연마하고 1 µm 등급까지의 다이아몬드 슬러리로 세연마하였다.
- 규소 함량 변화의 영향을 시험한 경우에는 노중 규소 첨가량을 변화시켰다. R-형태의 열전대를 부착시킨 침적식 온도계를 이용하여 용탕 온도를 측정하였으며 접종 처리, 주입 및 용탕의 유지 온도를 1,450~1,500℃ 범위로 일정하게 하였다.
- 가로(또는 폭) 및 세로(또는 높이)가 각각 120 및 90 mm이며 두께가 4, 5 및 10 mm인 판재 주조 시편을 얻기 위한 목형과 주형 상자를 설계하여 주문·제작 하였으며 계단형 시험주조품의 모양과 크기는 Fig. 1에서 보이는 바와 같다.
- 각 조성의 계단형 시험 주조품을 주조하여 얻은 후 기계 가공하여 판형 인장시편을 얻었다. 판재 인장시편의 모양과 크기는 Fig.
- 0 wt%로 높이는 경우에도 장입물인 페로망간에 함유된 탄소의 비율에 맞추어 25 kg의 용탕을 얻었다. 규소의 목표 함량을 얻기 위하여 규소 함량이 약 75%인 페로실리콘을 노중 용탕에 첨가하였다. 규소 함량 변화의 영향을 시험한 경우에는 노중 규소 첨가량을 변화시켰다.
- 박판형의 주형 공간을 용탕으로 확실하게 충진시켜 시편을 얻기 위하여 주형의 위쪽에 압탕 겸 주입구를 두어 수직으로 주조할 수 있게 하였다. 그리고 수직 주형의 위로부터 3, 5 및 10 mm 두께의 판재 시편과 2.5, 3.5 및 4 mm 두께의 판재 시편을 얻을 수 있도록 배열된 2종류의 목형을 이용하였다. 목형을 주형 상자와 조립한 후 사형은 펩셋형으로 조형하였다.
- 기계적 성질과 조직에 미치는 판형 시편의 두께 그리고 규소 및 망간 함량의 영향을 시험하였다. 두께 3, 5 및 10 mm와 2.
- 기본 용탕, 접종 처리 후 화학 분석용 시편을 얻었으며 이 시편의 표면을 조연마한 후 에미션 스펙트로미터를 이용하여 화학 조성을 분석하였다. 4, 5 및 10 mm 두께의 계단형 시험 주조품을 인장시편으로 가공 후 판재 인장시편의 그립 부분을 절단하여 가로 및 세로가 각각 15 mm 크기인 시편을 얻었다.
- 기계적 성질과 조직에 미치는 판형 시편의 두께 그리고 규소 및 망간 함량의 영향을 시험하였다. 두께 3, 5 및 10 mm와 2.5, 3.5 및 4 mm의 판형 시편을 얻을 수 있는 두 종류의 목형을 이용하여 조형 및 주조한 후 4, 5 및 10 mm의 두께 변화에 따른 기계적 성질과 조직의 변화를 시험하였다. 탄소와 황 함량을 각각 3.
- 3에서 보이는 바와 같다. 만능재료시험기(INSTRON Series 4480)를 이용하여 분당 0.5 mm 크로스헤드 속도 조건에서 인장 시험하였다. 그리고 판형 시편의 인장시험은 3개를 시험하여 인장 강도의 평균값을 얻었다.
- 1에서 보이는 바와 같다. 박판형의 주형 공간을 용탕으로 확실하게 충진시켜 시편을 얻기 위하여 주형의 위쪽에 압탕 겸 주입구를 두어 수직으로 주조할 수 있게 하였다. 그리고 수직 주형의 위로부터 3, 5 및 10 mm 두께의 판재 시편과 2.
- 0 wt%Ba-Fe-Si 분말을 넣은 쉘컵을 사용하였다. 오스테나이트-흑연 공정 온도, 오스테나이트-탄화물 공정 온도, 시험 용탕의 과냉 및 재휘 온도(recalescence temperature)를 측정하였으며 시험 용탕의 과냉 온도와 오스테나이트-탄화물 공정 온도의 차이(∆T1)을 계산하였다. 모든 경우에 3회 시험하여 재현성을 확인하고 평균값을 얻었다.
- 용탕의 온도가 이 범위에 도달하였을 때 소형 레이들을 이용하여 열분석용 쉘컵, 칠 시험용 주형 및 화학 분석용 시편 금형에 용탕을 주입하고 주입용 레이들에 출탕하여 계단형 시험 주조품 주형에 주입하였다. 접종 처리의 경우에 직경이 약 1.
- 이 시편을 마운팅한 후 단면을 일반적인 방법으로 조연마하고 1 µm 등급까지의 다이아몬드 슬러리로 세연마하였다.
- 그리고 판형 시편의 인장시험은 3개를 시험하여 인장 강도의 평균값을 얻었다. 인장 시험 후 판형인장시편의 그립 부분을 절단 및 연마하여 경도 시험을 하였다. 판형 시편이라 브리넬 경도 시험을 할 수 없어서, 로크웰 경도 시험(Akashi RH-10)하여 브리넬 경도값으로 환산하였다.
- 용탕의 온도가 이 범위에 도달하였을 때 소형 레이들을 이용하여 열분석용 쉘컵, 칠 시험용 주형 및 화학 분석용 시편 금형에 용탕을 주입하고 주입용 레이들에 출탕하여 계단형 시험 주조품 주형에 주입하였다. 접종 처리의 경우에 직경이 약 1.0~3.0 mm 크기의 입자형 1.0 wt%Ba-Fe-Si 접종제를 노에 첨가하여 규소 함량을 0.5 wt% 증가시키는 방법으로 접종 처리하였다. 접종제가 모두 용해한 후 열분석용 쉘컵, 칠 시험용 주형, 화학 분석용 시편 금형, 계단형 시험 주조품 주형에 각각 주입하였다.
- 탄소 당량 측정 장치의 탄소 당량 측정용 쉘컵 받침대 3개를 K-형태의 열전대를 사용하여 온도를 기록하기 위한 소프트웨어가 내장된 컴퓨터에 연결하여 구상한 열분석 장치(NI SCXD 1303)를 이용하여 열분석 하였다. 오스테나이트-탄화물공정 반응이 일어날 때의 냉각 곡선으로부터 탄화물 공정 온도를 측정하기 위하여 세 종류의 쉘컵을 사용하였다.
- 탄소 및 황의 함량이 각각 3.3 및 0.1 wt%로 일정한 박판형 회주철 시편의 기계적 성질 및 조직에 미치는 규소 및 망간의 영향을 시험한 모든 경우에 얻은 화학조성분석 시편을 분석하였으며, 그 결과는 Table 2에서 보이는 바와 같다. 3.
- 5 및 4 mm의 판형 시편을 얻을 수 있는 두 종류의 목형을 이용하여 조형 및 주조한 후 4, 5 및 10 mm의 두께 변화에 따른 기계적 성질과 조직의 변화를 시험하였다. 탄소와 황 함량을 각각 3.3 및 0.1 wt%로 일정하게 하고 규소 함량을 2.1~3.5 wt% 범위에서 0.7 wt% 간격으로 그리고 망간 함량을 0.7, 2.0 및 4.0 wt%로 변화시켜 이들의 기계적 성질과 조직에 미치는 영향을 시험하였다.
- 탄소와 황 함량이 각각 3.3 및 0.1 wt%로 일정한 박육 주철의 기계적 성질에 미치는 두께, 규소 함량 및 망간 함량의 영향을 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 인장 시험 후 판형인장시편의 그립 부분을 절단 및 연마하여 경도 시험을 하였다. 판형 시편이라 브리넬 경도 시험을 할 수 없어서, 로크웰 경도 시험(Akashi RH-10)하여 브리넬 경도값으로 환산하였다. 5회 시험 한 후 최대값과 최소값을 제외한 나머지 값의 평균값을 얻었다.
- 용탕의 칠 시험을 위하여 ASTM A367 규격의 칠 시편을 주조하기 위한 사형 조형용 금형을 이용하였다. 펩셋 형으로 조형하였으며 조형된 사형을 20 mm 두께의 동판 위에 놓아 용탕주입 시 급랭되도록 하였다.
대상 데이터
- 탄소 당량 측정 장치의 탄소 당량 측정용 쉘컵 받침대 3개를 K-형태의 열전대를 사용하여 온도를 기록하기 위한 소프트웨어가 내장된 컴퓨터에 연결하여 구상한 열분석 장치(NI SCXD 1303)를 이용하여 열분석 하였다. 오스테나이트-탄화물공정 반응이 일어날 때의 냉각 곡선으로부터 탄화물 공정 온도를 측정하기 위하여 세 종류의 쉘컵을 사용하였다. Te을 넣은 쉘컵, 실제 시험하고자 하는 용탕의 과냉 온도와 공정 온도를 측정하기 위하여 아무것도 넣지 않은 쉘컵 그리고 충분히 접종된 상태에서 오스테나이트-흑연 공정 온도를 측정하기 위하여 미세한 1.
데이터처리
- 5 mm 크로스헤드 속도 조건에서 인장 시험하였다. 그리고 판형 시편의 인장시험은 3개를 시험하여 인장 강도의 평균값을 얻었다. 인장 시험 후 판형인장시편의 그립 부분을 절단 및 연마하여 경도 시험을 하였다.
- 오스테나이트-흑연 공정 온도, 오스테나이트-탄화물 공정 온도, 시험 용탕의 과냉 및 재휘 온도(recalescence temperature)를 측정하였으며 시험 용탕의 과냉 온도와 오스테나이트-탄화물 공정 온도의 차이(∆T1)을 계산하였다. 모든 경우에 3회 시험하여 재현성을 확인하고 평균값을 얻었다.
이론/모형
- 용탕의 칠 시험을 위하여 ASTM A367 규격의 칠 시편을 주조하기 위한 사형 조형용 금형을 이용하였다. 펩셋 형으로 조형하였으며 조형된 사형을 20 mm 두께의 동판 위에 놓아 용탕주입 시 급랭되도록 하였다.
성능/효과
- 1) 두께가 증가할수록 냉각 속도가 감소하여 공정 셀 수와 기지조직 중 펄라이트 부피 분률이 감소하여 강도와 경도는 감소하였다.
- 2) 두꼐와 망간 함량이 일정할 때 규소 함량이 증가할수록 공정 셀 수는 증가하였으나 펄라이트 부피 분률이 감소하여 강도와 경도는 감소하였다.
- 11 wt% 범위였다. 2.1~3.5 wt% 범위에서 0.7 wt% 간격으로 변화시킨 규소 함량은 각각 2.09~2.12, 2.80~2.82 및 3.48~3.49 wt% 범위인 것으로 나타났으며, 0.7, 2.0 및 4.0 wt%로 변화시킨 망간의 함량은 각각 0.68~0.73, 2.05~2.11, 그리고 4.08~4.11 wt% 범위로 나타났다. 망간과 규소 함량의 경우 일부 실험오차 범위를 넘어서는 경우도 있기는 하나 대부분의 경우 실험오차 범위 내에 있으며 실험결과를 분석하는 데에는 별 문제가 없는 것으로 판단되었다.
- 3) 두께와 규소 함량이 일정할 때 망간 함량이 증가할수록 기지조직 중 펄라이트가 미세화되어 인장 강도와 경도는 증가하였다.
- 1 wt%로 일정한 박판형 회주철 시편의 기계적 성질 및 조직에 미치는 규소 및 망간의 영향을 시험한 모든 경우에 얻은 화학조성분석 시편을 분석하였으며, 그 결과는 Table 2에서 보이는 바와 같다. 3.3 wt%가 목표 함량인 탄소의 함량은 3.27~3.34 범위, 그리고 0.1 wt%가 목표 함량인 황의 함량은 0.09~0.11 wt% 범위였다. 2.
- 7(a)에서 보이는 바와 같다. 규소 함량이 증가함에 따라 강도와 경도는 감소하였다. 이러한 결과의 원인을 규명하기 위하여 거시조직과 미세조직을 관찰하였으며 두께가 4 mm로 일정한 대표적인 시편의 규소 함량 변화에 따른 거시 조직과 공정 셀 수 및 크기의 변화 그리고 펄라이트 부피 분률의 변화는 각각 Fig.
- 규소 함량이 증가함에 따라 공정 셀 수는 증가하고 공정 셀 크기는 감소하였다. Fig.
- 두께가 증가함에 따라 공정 셀 크기는 증가하고 공정 셀 수는 감소하였다. 이것을 두께가 얇을수록 용탕 주입 시 과냉(과냉도)이 증가하여 공정 셀의 핵생성 속도는 증가하였을 것이다.
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