[논문]고특성 편상흑연주철 개발을 위한 열역학 분석법 활용

이상환; 이상목

고특성 편상흑연주철 개발을 위한 열역학 분석법 활용
Application of Thermodynamic Analysis Method for the Development of Flake Graphite Cast Irons with Superior Properties 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.33 no.1, 2013년, pp.32 - 40

이상환 (한국생산기술연구원 주조공정연구그룹) , 이상목 (한국생산기술연구원 주조공정연구그룹)

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문제 정의

본 연구에서는 편상흑연주철의 개발과정에서 주로 발생하게 되는 다음과 같은 사항들에 대해 열역학적으로 어떻게 접근하고 해석해야 할지를 소개하고자 하며, 아울러 합금설계를 위한 기초 이론을 열역학적인 관점에서 제공하고자 한다.

가설 설정

Fe-C-2%Si-0.7%Mn계 상태도 (a) 안정 및 준안정 평형상태도 (b) 공정반응영역 확대도.
Fig. 4(b)의 준안정 평형상태도에서 Mn 첨가에 의해 T_E,C와 A_e1,C가 모두 감소한다. Mn이 각 반응온도에 미치는 영향으로 인해 발생하게 되는 특성 변화도 3장에서 설명하기로 한다.
Fig. 3(b)의 준안정 평형상태도에서 Si 첨가에 의해 T_E,C는 감소하고, A_e1,C는 증가한다. Si이 각 반응온도에 미치는 영향으로 인해 발생하게 되는 특성 변화는 3장에서 설명하기로 한다.

제안 방법

다양한 원소들의 첨가에 따라 편상흑연주철의 특성이 어떻게 변하는지를 예측하기 위해 각 반응온도에 미치는 다양한 원소들의 영향을 정량적으로 분석하였다.
열역학적 방법에 의해 편상흑연주철에서 주요 반응별 상 형성거동 및 특성 변화를 예측하였다. 다양한 원소들의 첨가에 따라 편상흑연주철의 특성이 어떻게 변하는지를 예측하기 위해 각 반응온도에 미치는 다양한 원소들의 영향을 정량적으로 분석하였다.
편상흑연주철의 응고 도중 주요 반응들을 엘링감 도표(Ellingham Diagram), 안정 및 준안정 평형상태도(Stable/Metastable Equilibrium Phase Diagram)를 통해서 해석하였다. 이를 통해 각 원소의 첨가함량에 따라 편상흑연주철의 특성의 변화 양상을 예측하였다.
따라서 안정 평형상태도에서 시멘타이트는 평형상으로서 나타나지 않는다. 준안정 평형상태도는 속도론적으로 느리게 형성되는 흑연이 배제된 불완전한 평형상태를 나타낸 결과이며, 이 때 평형계산은 흑연을 제외한 나머지 모든 상의 열역학적 안정성을 비교하여 실시한다. 특정온도에서의 유지시간이 짧거나, 냉각속도가 빠른 경우에 안정 평형상태도보다 준안정 평형 상태도를 활용한 예측 및 해석이 더 적합하다.
편상흑연주철의 특성을 결정하는 요인들을 열역학 측면에서 상 형성반응과 연관 지어서 검토하였다. 편상흑연주철의 응고 도중 주요 반응들을 엘링감 도표(Ellingham Diagram), 안정 및 준안정 평형상태도(Stable/Metastable Equilibrium Phase Diagram)를 통해서 해석하였다.

대상 데이터

편상흑연주철에서 형성되는 산화물 및 황화물의 결정구조, 용해온도, 열역학 물성치 등을 문헌[16,17]으로부터 수집하였고, 이를 정리하여 Table 1에 나타내었다. Table 1의 열역학 물성 치를 이용하여 편상흑연주철에서 주로 형성되는 산화물 및 황화물의 표준형성자유에너지(Standard Free Energy of Formation, ∆G^o)를 계산하였고, 이를 Fig.

이론/모형

편상흑연주철의 특성을 결정하는 요인들을 열역학 측면에서 상 형성반응과 연관 지어서 검토하였다. 편상흑연주철의 응고 도중 주요 반응들을 엘링감 도표(Ellingham Diagram), 안정 및 준안정 평형상태도(Stable/Metastable Equilibrium Phase Diagram)를 통해서 해석하였다. 이를 통해 각 원소의 첨가함량에 따라 편상흑연주철의 특성의 변화 양상을 예측하였다.

성능/효과

1) 산화물, 황화물 등 생성물의 ∆G^o를 비교하여, 생성물의 열역학적 안정성과 효과적인 접종원소를 쉽고 간편하게 판단할수 있다.
4) 공석반응 시 기지조직 형성상 비율, 펄라이트 층상간격 등에 영향을 미치는 A_e1,G, A_e1,C 등의 변화를 예측하여 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
Ca, Sr, Ba이 포함된 산화물 및 황화물의 ∆Gº를 비교한 결과에서 산화물 형성 경향은 Ca, Sr, Ba 순으로 강하게 나타났고, 황화물 형성 경향은 Ca, Ba, Sr 순으로 강하게 나타났다.
V의 경우 1%당 T_E,G를 약 25℃ 감소시키고, T_E,C를 약 7℃ 감소시킨다. 결과적으로 V은 1%당 약 18℃의 ∆T_E감소 효과가 있으며, 강력한 시멘타이트 안정화 원소로써 작용한다. 공정반응에 대해 V과 유사한 변화 경향을 가진 Mn의 경우 1%당 약 4℃의 ∆T_E감소 효과가 있다.
아공정 주철에서 유동특성을 확보하기 위해 C.E. < 4.3%범위 내에서 C 함량을 증가시키는 방법은 흑연의 형성량을 많게 하여 응고수축을 방지하는데 효과적이고, Si 함량을 증가시키는 방법은 흑연의 핵생성을 촉진하여 Chill을 억제하는데 효과적이다.
편상흑연주철의 개발과정에서 열역학 시뮬레이션 기법을 통해 실험횟수를 최소화하여 개발시간을 단축하는 것과 함께 개발비용을 절감하는 것이 가능하다. 양산화과정에서 열역학 시뮬레이션 기법을 통해 합금설계를 최적화하여 제품특성을 극대화하는 것이 가능하고, 고가원소를 최소화하여 제조비용을 절감하는 것이 가능하다. 열역학 시뮬레이션 기법을 활용하게 되면, 경제적으로 평균 3~9배의 투자수익률(Return on Investment, R.
준안정 평형상태도는 속도론적으로 느리게 형성되는 흑연이 배제된 불완전한 평형상태를 나타낸 결과이며, 이 때 평형계산은 흑연을 제외한 나머지 모든 상의 열역학적 안정성을 비교하여 실시한다. 특정온도에서의 유지시간이 짧거나, 냉각속도가 빠른 경우에 안정 평형상태도보다 준안정 평형 상태도를 활용한 예측 및 해석이 더 적합하다. Fe-C계 상태도는 철강, 주강, 주철 등 철계 소재의 연구에 공통적으로 사용한다.

후속연구

2) T_L 및 고액공존영역의 변화를 열역학적으로 예측하여, 유동특성 및 제품 형상능을 확보하기 위한 화학조성 및 주입온도 설정에 활용할 수 있다.
3) 공정반응 시 흑연 및 공정 셀의 형성에 영향을 미치는 T_E,G, T_E,C 및 ∆T_E의 변화를 예측하여, 건전하게 강도를 향상시키기 위한 합금설계에 활용할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	편상흑연주철이 최근 주목받는 이유는 무엇인가?	최근 비철계 소재 대신 편상흑연주철을 사용하여 차량용 주물부품을 박육 경량화하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다[10,11]. 편상흑연주철은 Euro-6 등 국제 환경규제 강화에 대응 가능한 디젤 및 대형 특수 차량용 주물부품 소재로써 특히 주목받고 있다.
	편상흑연주철의 개발과정에서 열역학 시뮬레이션 기법 사용시의 장점은 무엇인가?	편상흑연주철의 개발과정에서 열역학 시뮬레이션 기법을 통해 실험횟수를 최소화하여 개발시간을 단축하는 것과 함께 개발비용을 절감하는 것이 가능하다. 양산화과정에서 열역학 시뮬레이션 기법을 통해 합금설계를 최적화하여 제품특성을 극대화하는 것이 가능하고, 고가원소를 최소화하여 제조비용을 절감하는 것이 가능하다. 열역학 시뮬레이션 기법을 활용하게 되면, 경제적으로 평균 3~9배의 투자수익률(Return on Investment, R.O.I.) 이 발생한다는 연구 보고가 있다[12]. 기술적으로는 신소재 적용 제품의 개발을 가속화하고, 학문적으로는 특성 변화 요인에 대해 열역학 이론에 기반한 원론적 이해가 가능해진다.
	편상흑연주철은 어떠한 장점을 가지는가?	편상흑연주철(Flake Graphite Cast Iron)은 철계 소재 중에서 제조비용이 가장 낮으면서, 주조성, 가공성, 진동감쇠성 등의 특성이 우수하다[1-9]. 최근 비철계 소재 대신 편상흑연주철을 사용하여 차량용 주물부품을 박육 경량화하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다[10,11].

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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