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미량원소 첨가에 따른 페라이트기지 미세분산형 흑연회주철의 제조방법 미량원소 첨가에 따른 페라이트기지 미세분산형 흑연회주철의 제조방법 관리자 기자입력 2006-11-09 10:55:09

ENG 강좌 - 한국기계연구원

1. 발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술

본 내용은 페라이트기지 미세분산형 흑연회주철의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주철의 용해과정 중에 Ti와 Mg를 미량첨가하여 흑연이 분산되도록 접종처리를 함으로써 소재의 절삭가공성이 향상되도록 하는 미량원소 첨가에 따른 페라이트기지 미세분산형 흑연회주철의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 회주철은 유동성이 우수하여 복잡한 형상의 주조가 쉽고 가공성이 우수하며, 넓은 범위로 경도값을 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 내마모성이 우수하여 자동차, 산업용 기기의 부품과 가전 기기의 압축기용 실린더의 소재 등으로 널리 사용되고 있다.
회주철은 일반적으로 C:2.5~4.0wt%, Si:1.0~3.0wt%, Mn:0.25~1.0wt%, S:0.02~0.25wt%, P:0.05~1.0wt%, Fe:나머지의 성분범위를 가지고 사형주조에 의하여 제조된다.
사형주조된 회주철은 성분과 주조 후 냉각속도, 열처리 등에 의해 조직과 기계적 성질이 결정되며, 사형주조한 회주철의 경우 퍼얼라이트기지에 일부 페라이트를 함유하며 흑연의 형상은 편상을 갖는다.
<그림 1>은 일반적인 회주철의 미세 조직사진을 보인 것으로, 일반적으로 응고후 냉각속도가 빠르면 퍼얼라이트의 간격이 좁고, 인장강도와 경도가 높아지며, 반대로 냉각속도가 늦어지면 그 반대의 현상이 나타난다.
또한 퍼얼라이트의 간격과 페라이트의 양은 주조품의 열처리에 의해서도 어느정도 조절이 가능하며 이는 열처리중 퍼얼라이트를 구성하는 탄화물(Fe3C)이 철(Fe)과 흑연(C)으로 분해되는 흑연화 현상에 기인된다. 주조후 흑연화에 의해 흑연의 형상은 변화되지 않으며 일반적으로 편상을 유지한다.
사형주조방법으로 회주철을 주조하는 경우의 응고과정은 초정 오스테나이트를 정출한 후 나머지 용융액상이 흑연과 오스테나이트로 정출하며 온도가 내려감에 따라 초정 오스테나이트에 존재하던 과포화 탄소가 편상흑연의 형태로 석출한다. 생성된 오스테나이트는 다시 페라이트와 Fe3C로 되는 공석반응을 일으키는데 이것이 퍼얼라이트이다.
따라서 <그림 1>과 같이 퍼얼라이트 기지에 일부 페라이트가 존재하며 편상흑연이 석출되어 있는 미세구조를 갖게 된다. 그러나 이와 같은 조직을 가지는 회주철은 경도가 높고, 가공시 공구가 쉽게 마모되기 때문에 가공성이 좋지 못한 단점이 있다.
반면에 냉각속도가 사형주조에 비하여 상대적으로 빠른 금형주조에 의하여 제조되는 회주철은 흑연의 형상을 분류하는 ASTM A247의 D타입 흑연을 갖는데, 이는 냉각속도가 사형주조에 비해 상대적으로 빠르기 때문에 나타난다.
이러한 점은 응고공정 중 일정온도로 유지되는 금형에 의해 냉각속도가 조절되어지고, 이에 따라 용탕에 과냉(UNDERCOOLING)현상이 나타남에 의해 가능하다.
이 경우의 기지는 페라이트가 되며 흑연들은 미세하게 분산된 공정흑연으로 나타난다. 금형주조에 의해 제조된 페라이트기지의 D타입 흑연을 갖는 소재는 전체적으로 균일한 성질과 공구의 마모를 감소시키는 장점이 있다.
그러나 이와 같은 금형주조에 의한 회주철의 주조는 고가의 금형을 사용해야 하므로 제조원가가 상승될 뿐만 아니라, 생산성의 향상에 한계가 있는 문제점을 가지고 있는 것이었다.



2. 발명이 이루고자 하는 기술적 과제

이와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 금형주조에 비하여 상대적으로 저가인 사형주조에 의하여 주조되고, 용해과정 중 Ti과 Mg를 미량첨가하여 접종처리를 함으로써, 페라이트기지를 가지며 흑연이 미세하게 분산된 회주철을 제조하는 미량원소 첨가에 따른 페라이트기지 미세분산형 흑연회주철의 제조방법을 제공함에 있다.

3. 발명의 구성 및 작용

본 발명의 목적을 달성하기 위하여 철원료를 용융하여 회주철을 주조하는 방법에 있어서, 철원료를 용해하여 보온로에 저장하고, 그 용탕에 소정양의 Ti를 첨가하여 용탕이 페라이트기지로 응고되도록 한다.
그리고 Ti가 첨가된 용탕에 소정양의 Mg와 Fe-Si로 접종처리하여 흑연이 미세하고 균일하게 분포되도록 조절하고, 그 접종처리된 용탕을 사형에 주입하여 응고시켜서 C:3.05~3.5wt%, Si:2.4~3.0wt%, Mn:0.25~1.0wt%, S:0.02~0.25wt%, P:0.05~1.0wt%, Ti:0.191~0.210, Mg:0.081~0.120, Fe:나머지의 조성범위를 가지며, 페라이트 기지에 퍼얼라이트가 30% 이하인 금속조직을 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 미량원소 첨가에 따른 페라이트기지 미세분산형 흑연회주철의 제조방법이 제공된다.
이하, 상기와 같은 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
<그림 2>에 도시된 본 발명의 제조공정도를 참고로 설명하면, 선철과 고철 등을 용해한 용탕을 탈류처리 후 보온로에 옮기고, 본 발명에서의 핵심 첨가원소 중의 하나인 Ti를 첨가하여 성분을 조절하며, Mg로 접종처리하여 흑연을 미세화시킨 후, 다시 Fe-Si로 접종처리하였다.
접종은 주철의 용탕에 다른 원소를 첨가하여 그 조직 및 성질을 개량하는 것을 의미하며 주철에서는 흑연화를 촉진하고 분포를 균일화하는 등 흑연조직을 개선하여 재질의 강도를 높이는데 목적이 있다.
일반적인 회주철의 경우는 Mg 접종처리는 하지 않는 것이 보통이나 본 발명에서는 좀더 미세한 흑연분포를 얻기 위하여 Mg접종을 수행하였다. 접종후 용탕온도가 1380~1420℃로 조절된 상태에서 미리 조형된 사형에 주입하여 응고되도록 함으로써, C:3.05~3.5wt%, Si:2.4~3.0wt%, Mn:0.25~1.0wt%, S:0.02~0.25wt%, P:0.05~1.0wt%, Ti:0.191~0.210, Mg:0.081~0.120, Fe:나머지의 조성범위를 가지는 회주철이 얻어진다.







- C 함량 및 Si 함량의 결정 : 주철에서 탄소의 함량이 3% 이하로 적은 경우는 초정 오스테나이트의 양이 매우 많기때문에 수지상 사이에 흑연이 분포된 조직이 되기 쉽다. 탄소량이 증가하면 초정 오스테나이트가 정출한 후 초정과 용융금속의 경계에서 편상흑연을 가진 셀(CELL)이 다량 발생해서 전체적으로 균일한 편상흑연의 조직이 되고 냉각이 진행됨에 따라 오스테나이트가 퍼얼라이트로 변태된다.
사형주조로 제조된 일반적인 회주철에서 일반적으로 나타나는 조직이 이러한 조직이다. 탄소량이 더욱 증가된 공정성분 부근의 탄소량에 있어서는 초정 오스테나이트가 적어지고 응고가 주변에서부터 시작하여 과냉된 용융 금속중에 공정 셀(CELL)이 생성되므로 D 타입 흑연이 생기기 쉽고 냉각속도가 빠르면 이러한 경향은 더욱 커진다.
그러나 탄소의 함량을 공정성분 부근까지 높여 D 타입 흑연을 생성시키는 경우 과다한 흑연의 석출로 재료의 강도 및 경도 등의 기계적 특성이 저하되는 단점이 있다. 주철 조직의 탄소함량 의존성은 Si의 첨가량에 따라 변화하는데 주철에서는 Si의 함량이 증가할수록 공정반응이 일어나는 공정점이 저탄소 영역으로 이동하고 공정온도는 상승하며 Fe에 대한 C의 고용도를 감소시킨다.
따라서 Si 함량의 증가에 따라 적은 탄소량임에도 불구하고 초정 오스테나이트의 정출양이 적어지고 공정조직이 생성되기가 쉬워지는 과냉의 효과를 갖게 된다. 또한 Si는 페라이트에 고용되어 페라이트의 강도를 증가시킴으로 가공성 및 강도가 동시에 향상되는 역할을 한다. 이러한 점을 고려하여 본 발명에서는 일반적인 회주철 보다 높은 Si 함량을 갖도록 하였으며 C를 3.05∼3.5wt%, Si를 2.4∼3.0wt%로 결정하였다.

- Mn : Mn은 S와 결합하여 MnS를 만드는데 이것은 대부분 용탕의 표면에 뜨게 되어 제거될 수 있으므로 S의 해로운 영향을 중화시키는 작용을 한다. 보통 주철에서 Mn은 공정온도에 영향을 주지는 않으나 흑연화를 방해한다. Mn의 함량은 보통 회주철의 범위인 0.25∼1.0wt%로 결정하였다.

- P : P는 융점을 낮추기 때문에 유동성을 좋게 한다. 그러나 P는 Fe3C의 생성을 촉진하여 백주철이 되도록 하며 1% 이상 포함하면 조대한 침상, 판상의 Fe3C가 생성되어 좀처럼 미세하게 되지 않는다. 따라서 본 발명에서는 P의 농도를 0.05∼1.0wt%로 결정하여 유동성은 좋으면서 Fe3C 생성에 영향을 미치지 않도록 하였다.

- S : S는 C의 용해도를 감소시킨다. S가 증가함에 따라 공정온도가 점차 내려가고 흑연조직은 편상에서 점차 미세하게 되어 공정상으로 변화한다. S가 흑연 정출을 촉진하는 원소이기는 하나 동시에 공정상의 하나인 오스테나이트의 정출을 방해하기 때문에 흑연의 공정응고가 진행되지 못하게 하여 결과적으로 P의 경우처럼 백주철화를 촉진한다.
S는 이와 같이 주철에서 좋지 않은 영향을 미치므로 Mn의 첨가를 통해 제거하는 등 될 수 있으면 함량을 줄이는 것이 좋은데 완전히 제거하기 힘들므로 일반적인 방법으로 S의 잔류량을 최소화하는 범위인 0.02∼0.25wt%로 결정하였다.

- Ti : 주철의 주조시에 Ti을 첨가하는 경우 과냉의 효과를 나타내어 공정흑연의 생성이 용이하도록 하며 이러한 Ti의 효과는 0.191wt% 이하에서는 미미하고, Ti의 함량이 증가할수록 증가한다. 따라서 과냉효과만을 고려하면 Ti의 함량이 높을수록 공정흑연의 생성이 용이하다.
그러나 Ti가 0.210wt% 이상으로 과다하게 함유될 경우 Ti가 고용되지 못하고 TiC 형태의 탄화물로 석출하기 때문에 주철의 성질을 저하시킨다. 따라서 과냉의 효과를 극대화시키면서 TiC의 생성을 최소화하는 조성의 범위가 필요하며 이러한 점을 고려하여 본 발명에서는 Ti의 함량을 0.19∼0.21wt%로 결정하였다.

- Mg : 보통의 경우 주철에서 Mg는 흑연구상화의 목적으로 첨가된다. 본 발명에서 는 공정 흑연 조직을 좀 더 미세화하고 균질화할 목적으로 Mg이 포함된 접종처리를 실시하였으며 이로 인해 Mg가 잔류하게 된다.
Mg의 함량이 0.081wt% 이하로 작은 경우는 접종의 효과가 적어지기 때문에 미세한 분포의 흑연상이 석출되기가 힘들고 0.120wt% 이상으로 많은 경우에는 주조 후에 잔류하는 Mg의 양이 많아지게 되어 흑연이 구상화 및 조대화되기 때문에 본 발명에서 형성시키고자 하는 D 타입에서 벗어나게 된다. 따라서 Mg의 효과를 극대화시킬 수 있는 접종처리가 요구되며 본 발명에서는 잔류되는 Mg의 양을 0.081wt%∼0.120wt%의 범위로 제한하였다.

<표 1>에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제조방법으로 제조된 회주철의 경도는 브리넬 경도 165~185이고, 일반적인 회주철은 브리넬 경도 190~220으로 본 발명의 방법에 의해 제조되는 소재의 경도가 낮다.
본 발명은 회주철의 가공성 향상에 주 목표를 두고 있는데, 주철의 경우에 가공시 공구의 마모정도는 재료의 경도보다 오히려 조직에 많이 의존하는 것으로 알려져 있으며, 퍼얼라이트의 양이 증가할수록 경도는 높아지고 공구의 수명은 짧아지게 된다.
따라서, 주조품이 사용되는 환경을 고려하여 요구되는 경도 또는 강도의 범위에서 페라이트와 퍼얼라이트의 함량을 조절하면 우수한 가공성을 갖는 회주철을 만들수 있게 됨을 알 수 있고, 본 발명품 역시 이러한 배경에 의하여 제조되었다.



4. 실시예

상술한 본 발명의 제조방법에 따라 고철과 선철을 용융한 용탕에 Ti를 첨가하고, Mg로 접종처리를 한 후, Fe-Si로 접종처리를 하여 용탕이 1,400℃인 상태에서 사형에 주입하여 아래의 <표 2>와 같은 성분비를 가지는 회주철 잉고트를 제조하였다.상기와 같이 제조된 회주철의 경도는 177.8로 나타났다.
<표 3>은 실시예에 의하여 제조된 소재의 절삭부하를 측정한 것으로, 종래의 일반적인 회주철의 절삭부하를 100%로 하였을때, 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 회주철의 상대적인 절삭부하를 나타냈다.
본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 회주철의 드릴링(DRILLING)부하, 리밍(RIMMING)부하, 태핑(TAPPING)부하가 모두 종래의 일반 회주철보다 감소하였으며, 금형주조에 의하여 제조되는 회주철의 절삭부하 보다도 낮게 나타났다.



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