KR100400905B1

KR100400905B1 - 내산성이 우수한 고규소주철 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100400905B1
Application number: KR10-2001-0029024A
Authority: KR
Inventors: 백승한; 손용철; 김정철; 한동운; 백진현
Original assignee: 주식회사 우진
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2003-10-08
Also published as: JP2003013172A; JP3735318B2; CN1184340C; CN1390971A; KR20020090456A

Abstract

본 발명은 내산성이 우수한 고규소주철에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제조공정의 단순화와 화학성분의 안정화를 통하여 강도와 취성이 개선된 내산성이 우수한 고규소주철에 관한 것으로서, 중량%로서 실리콘(Si) 13.5∼15.5%, 탄소(C) 0.7∼1.1%, 망간(Mn) 1.4~2.2%를 함유하고, 크롬(Cr) 1∼ 5%, 몰리브덴(Mo) 1∼5% 중에서 1종 또는 2종 원소를 함유하면서 나머지는 불가피한 불순물과 Fe로 이루어지는 조성물을 용해한 용탕을 1650℃ 이상으로 가열한 후, 용탕중량의 0.1∼0.4중량%의 미쉬메탈(Mischmetal)이 첨가된 래이들에 용탕을 출탕하여 용탕의 주조주입온도를 주조가능한 최저온도인 1270∼1350℃로 제어하여 주조하는 것을 특징으로 하는 내산성이 우수한 고규소주철 및 그 제조방법을 제공한다.

이와 같이, 본 발명에 따른 내산성이 우수한 고규소주철 및 그 제조방법은 추가적인 장치 없이 제조공정을 개선하여 종래의 고규소주철과 비교하여 향상된 인장강도를 가질 뿐 아니라 저렴한 가격으로 양산이 가능한 내산성이 우수한 고규소주철을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

내산성이 우수한 고규소주철 및 그 제조방법{HIGH SILICON CAST IRON WITH IMPROVED ACID-RESISTANCE, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 내산성이 우수한 고규소주철에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제조공정의 단순화와 화학성분의 안정화를 통하여 강도와 취성이 개선된 내산성이 우수한 고규소주철에 관한 것이다.

화학공업이 발전함에 따라 강한 부식환경에 노출되는 설비에 사용될 수 있는 재료에 대한 필요성이 대두되었고, 이러한 필요성에 부합하도록 개발된 재료중의 하나가 고규소주철이다. 이러한 고규소주철은 거의 모든 산에 우수한 저항성을 가지므로 부식성 유체가 사용되는 환경의 파이프 및 연결장치로 주로 사용되고 있으며, 또한 산이나 표백제, 세척제 또는 부식성 유체 등을 배출하거나 취급하는 거의 모든 곳에 응용이 가능하다.

그러나, 고규소주철은 이러한 우수한 성질에도 불구하고 제조방법이 까다롭고, 매우 취약하여 작은 충격에도 깨지는 단점으로 인하여 공업적 용도가 극히 제한되어 왔으며, 이러한 단점을 개선하기 위하여 많은 연구들이 진행되고 있다.

일반적으로 고규소주철은 수소가스에 의한 가스결함과, 실리콘(Si) 원재료에 포함되어 있는 불순물에 의해서 형성되는 개재물에 의한 기계적 성질의 저하가 가장 큰 문제점으로 대두되고 있으며, 이와 같은 문제점은 Si 원재료 자체에 포함되어 있는 수분과, 주조후 응고시 흡수되는 수소가스와, Si 원재료 자체의 불균질성에 기인하는 것으므로 고규소주철의 기계적 성질을 향상시키기 위해서는 이들 문제점을 반드시 해결하여야 한다.

종래의 고규소주철을 제조하는 방법은 1차용해를 통하여 모합금을 제조한 후, 2차용해에서 모합금을 신속하게 용해하여 수소가스가 흡수되는 것을 방지하는 방법과, 용탕 중에 교반장치를 삽입하여 용해시간을 단축시킴으로써 수소가스의 흡수를 방지하는 방법, 용탕 안에 불활성가스를 취입시켜 탈수소처리하는 방법 등이 있으나, 이러한 방법들은 이중용해와 부가장치들이 필요하여 생산원가의 상승과 기존 생산공정에 쉽게 적용하기 어렵다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 추가적인 장치 없이 제조공정을 개선하여 종래의 고규소주철과 비교하여 향상된 인장강도를 가질 뿐 아니라 저렴한 가격으로 양산이 가능한 내산성이 우수한 고규소주철 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 철(Fe)-실리콘(Si)의 이원계 평형상태도;

도 2는 본 발명에 따른 내산성이 우수한 고규소주철에 있어서 첨가되는 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)의 함유량에 따른 부식감량을 나타내는 그래프도;

도 3a는 본 발명에 따른 내산성이 우수한 고규소주철에 있어서 용해온도 1400℃-주조주입온도 1350℃인 비교재의 파단면에 대한 조직사진도;

도 3b는 본 발명에 따른 내산성이 우수한 고규소주철에 있어서 용해온도 1650℃-주조주입온도 1350℃인 발명재의 파단면에 대한 조직사진도;

도 3c는 본 발명에 따른 내산성이 우수한 고규소주철에 있어서 용해온도 1650℃-주조주입온도 1450℃인 비교재의 파단면에 대한 조직사진이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 중량%로서 실리콘(Si) 13.5∼15.5%, 탄소(C) 0.7∼1.1%, 망간(Mn) 2.2% 이하를 함유하고, 크롬(Cr) 1∼5%, 몰리브덴(Mo) 1∼5% 중에서 1종 또는 2종 원소를 함유하면서 나머지는 불가피한 불순물과 철(Fe)로 이루어지는 내산성이 우수한 고규소주철을 제공한다.

또한, 본 발명은 중량%로서 실리콘(Si) 13.5∼15.5%, 탄소(C) 0.7∼1.1%, 망간(Mn) 2.2% 이하를 함유하고, 크롬(Cr) 1∼5%, 몰리브덴(Mo) 1∼5% 중에서 1종 또는 2종 원소를 함유하면서 나머지는 불가피한 불순물과 철(Fe)로 이루어지는 조성물을 용해한 용탕을 1650℃ 이상으로 가열하는 단계와; 상기 1650℃ 이상으로 가열된 용탕을 용탕중량의 0.1∼0.4%의 미쉬메탈(Mischmetal)이 첨가된 래이들에 출탕하는 단계와; 상기 미쉬메탈이 첨가된 용탕의 온도를 주조가능한 최저온도인 1270∼1350℃로 제어하는 단계와; 상기 1270∼1350℃로 제어된 용탕을 주입하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 고규소주철의 제조방법을 제공하게 된다.

이하, 본 발명에 따른 합금조성의 수치한정 이유에 대하여 상세히 설명한다.

(1) 실리콘(Si) : 13.5∼15.5 중량%

실리콘이 13.5% 이하일 때는 강도는 증가하나 내식성이 저하되고, 15.5% 이상인 경우는 내식성은 증가하나, 도 1에 도시된 상태도에서 나타나듯이 취약한 에타(η)상(Fe₅Si₃)이 출현하여 합금의 취성이 증가하기 때문에 15.5% 이하로 제한하였다.

(2) 탄소(C) : 0.7∼1.1 중량%

탄소 함량이 0.7% 이하인 경우 용탕의 응고시 횡방향 수축이 심하여 제품의 형상이 복잡할 경우 크랙과 같은 결함이 발생되기 쉬우며, 1.1% 이상인 경우는 키쉬흑연과 같은 조대한 편상흑연이 정출되어 주물결함이 발생하여 취약하게 된다. 따라서 탄소는 주조시 수축에 의한 결함발생과 취급의 어려움을 피하기 위하여 0.7∼1.1 중량%로 제한하였다.

(3) 망간(Mn) : 1.4~2.2 중량% 이하

탄소:망간의 비율이 1:2가 될 경우, 연성천이온도가 낮아져 상온취성을 개선할 수 있으며, 망간 함량이 증가할 경우 탄화물이 과도하게 석출되어 취성이 증가하므로 망간함량은 탄소함량 범위의 2배인 1.4~2.2%로 제한하였다.

(4) 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) : 1∼5 중량%

내산성을 향상시키기 위하여 크롬과 몰리브덴을 첨가하는데, 이는 고규소주철의 경우 대부분의 산에 매우 우수한 내산성을 갖고 있으나, 염산에 대한 내산성이 저하하는 단점을 개선하기 위하여 첨가하였다. 도 2에 도시된 본 발명의 연구결과에 나타나듯이 크롬과 몰리브덴 첨가량이 1% 이상일 경우 염산에 대한 내산성이 크게 개선되었으나, 5% 이상으로 첨가될 경우 더 이상의 개선효과는 없었고, 또한 합금의 탄화물이 다량 석출되기 때문에 5% 이하로 제한하였다.

이하, 본 발명에 따른 내산성이 우수한 고규소주철의 제조방법에 있어서 용해조건 및 미쉬메탈(Mischmetal)의 접종, 주조주입온도의 한정에 대하여 상세하게 설명한다.

(1) 상기 조성물을 용해한 용탕을 1650℃ 이상으로 가열하는 단계는 실리콘(Si) 원재료에 포함된 불순물들을 완전히 제거하여 주조응고후 개재물 형성을 억제하기 위하여 1650℃ 이상의 고온에서 충분한 시간을 유지하여 용탕 내의 불순물을 완전히 제거하는 단계이다.

(2) 상기 1650℃ 이상으로 가열된 용탕을 용탕중량의 0.1∼0.4중량%의 미쉬메탈(Mischmetal)이 첨가된 래이들에 출탕하는 단계는 일반적으로 고규소주철의 조직이 강도가 낮은 편상흑연과, 경하고 취약한 실리코-페라이트(Silico-Ferrite)로 구성되어 있어 경하고 취약하기 때문에 흑연 형상을 제어하여 인장강도를 향상시키기 위하여 철(Fe)과 비철원소를 합금화한 미쉬메탈을 용탕중량의 0.1∼0.4%까지 첨가하는 단계이다.

(3) 상기 미쉬메탈이 첨가된 용탕의 온도를 주조가능한 최저온도인 1270∼1350℃로 제어하는 단계는 1350℃ 이상의 고온상태의 용탕을 주입하는 경우보다 상대적으로 응고시 수소가스 혼입량을 감소시켜 응고 후 가스결함이 감소하도록 용탕의 온도를 제어하는 단계이다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

일반적으로 고규소주철은 주입후 응고시 수소가스의 혼입으로 가스결함이 발생하여 인장강도가 매우 낮은 단점이 있다. 이를 개선하기 위하여 종래에는 1차용해를 통하여 모합금을 만들고, 다시 2차용해를 실시하거나, 1400℃ 정도의 온도에서 신속하게 용해하여 주입하는 방법을 실시하고 있다. 그러나 이러한 방법들의 경우, 10㎏f/㎟ 이상의 인장강도를 얻을 수 없다. 이는 실리콘 원재료에 포함된 불순물들이 완전히 제거되지 못하여 주조후 개재물을 형성하기 때문이다.

따라서, 본 발명에서는 실리콘 원재료에 포함된 불순물을 제거하기 위하여 1650℃ 이상에서 충분히 불순물을 제거하는 방법을 실시하였다. 표 1에서 용해온도가 1650℃ 이하인 경우, 즉 비교재 1 내지 9의 경우는 도 3a에 도시된 바와 같이, 파면에 개재물이 존재하는 것을 관찰할 수 있었으며, 용해온도가 1650℃ 이상인 경우, 즉 비교재 10 내지 18, 발명재 1 내지 9에서는 도 3b에 도시된 바와 같이, 개재물이 없는 치밀한 조직을 얻을 수 있었으며, 이러한 치밀한 조직에 의해서 인장강도 값이 개선되는 효과를 얻을 수 있었다. 즉 용해온도를 1650℃ 이상으로 하여 불순물을 충분히 제거함으로써 개재물이 없는 치밀한 조직을 얻을 수 있었다.

또한, 용탕을 1650℃에서 충분히 시간을 두어 불순물을 제거한 후, 용탕온도를 제어하여 1270∼1350℃ 범위로 하여 주입을 실시하였는데, 주입온도가 1250℃ 이하의 경우는, 주조주입 자체가 불가능하였으며, 주입온도가 1350℃ 이상인 경우, 즉 비교재 10 내지 12는 응고 후 개재물은 파단면에서 관찰되지 않았으나, 도 3c에 도시된 바와 같이, 파단면에 가스결함이 존재하여 인장강도 값이 현저하게 감소되었다. 이는 주입온도가 높아서 상대적으로 수소가스 혼입량이 많아 응고 후 가스결함의 증가가 강도저하를 초래한 결과이다.

반면, 주입온도가 1350℃보다 낮은 경우인 비교재 13 내지 18과 발명재 1 내지 9는 응고 후 파단면에서 개재물과 가스결함을 관찰되지 않았으며, 인장강도 값이 크게 향상되는 것으로 나타났다.

본 발명에 따른 고규소주철의 흑연구조를 제어하여 강도를 향상시키기 위하여 접종되는 미쉬메탈을 용탕중량의 0.1∼0.4 중량%로 첨가된 래이들에 1650℃에서 충분히 불순물 제거단계를 거친 용탕을 출탕하는 경우(비교재 14, 16, 18 및 발명재 1 내지 9), 미쉬메탈을 첨가하지 않은 경우(비교재 13, 15, 17)보다 현저하게 증가된 인장강도 값을 나타내었으며,

이러한 미쉬메탈(Mischmetal)은 철(Fe)과 철이 아닌 원소를 합쳐 합금화를 하여 제조된 것으로 탈산제, 접종제, 흑연구상화제용으로 사용되나, 본 발명에서는 합금에서 탄소성분이 바늘처럼 침상형으로 있어서 가공성을 저해하는 미세 편상흑연을 의편상 또는 공정상으로 바꾸어 가공성이나 강도를 높이기 위해서 도입되는 것이며, 이러한 미쉬메탈의 조성이 철합금이고, 첨가량이 적기 때문에 합금조성에는 큰 영향을 미치지 않는다. 그러나 다량 첨가될 경우 합금조성을 변화시키면서 좋지 못한 영향을 미치게 된다.

따라서, 이러한 미쉬메탈이 첨가되는 경우, 그 첨가량은 제한된다. 즉, 미쉬메탈의 첨가량이 0.6%인 경우인 비교재 14, 16 및 18의 경우, 0.4% 첨가되는 경우인 발명재 3, 6 및 9와 비교해 강도개선효과는 나타나지 않아 미쉬메탈의 첨가량을 0.4% 이하로 제한하였다. 반면, 미쉬메탈이 접종되지 않은 종래재보다는 인장강도면에서 현저한 개선효과를 보이고 있다.

따라서, 본 발명은 중량%로서 실리콘(Si) 13.5∼15.5%, 탄소(C) 0.7∼1.1%, 망간(Mn) 2.2% 이하를 함유하고, 크롬(Cr) 1∼5%, 몰리브덴(Mo) 1∼5% 중에서 1종 또는 2종 원소를 함유하면서 나머지는 불가피한 불순물과 Fe로 이루어지는 조성물을 용해한 용탕을 1650℃ 이상으로 가열하여 불순물을 제거하여 용탕중량의 0.1∼0.4%의 미쉬메탈(Mischmetal)이 첨가된 래이들에 용탕을 출탕한 후, 주조용탕온도를 주조가능한 최저온도인 1270∼1350℃로 제어하여 주입함으로써 가스결함과 개재물이 없는 치밀한 미세조직을 얻을 수 있어 기계적 성질이 향상된 내산성이 우수한 고규소주철을 제조할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 내산성이 우수한 고규소주철 및 그 제조방법은 추가적인 장치 없이 제조공정을 개선하여 종래의 고규소주철과 비교하여 향상된 인장강도를 가질 뿐 아니라 저렴한 가격으로 양산이 가능한 내산성이 우수한 고규소주철을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims

중량%로서 실리콘(Si) 13.5∼15.5%, 탄소(C) 0.7∼1.1%, 망간(Mn) 1.4~2.2%를 함유하고, 크롬(Cr) 1∼5%, 몰리브덴(Mo) 1∼5% 중에서 1종 또는 2종 원소를 함유하면서 나머지는 불가피한 불순물과 철(Fe)로 이루어지는 내산성이 우수한 고규소주철.
중량%로서 실리콘(Si) 13.5∼15.5%, 탄소(C) 0.7∼1.1%, 망간(Mn) 1.4~2.2%를 함유하고, 크롬(Cr) 1∼5%, 몰리브덴(Mo) 1∼5% 중에서 1종 또는 2종 원소를 함유하면서 나머지는 불가피한 불순물과 철(Fe)로 이루어지는 조성물을 용해한 용탕을 1650℃ 이상으로 가열하는 단계와;

상기 1650℃ 이상으로 가열된 용탕을 용탕중량의 0.1∼0.4%의 미쉬메탈(Mischmetal)이 첨가된 래이들에 출탕하는 단계와;

상기 미쉬메탈이 첨가된 용탕의 온도를 주조가능한 최저온도인 1270∼1350℃로 제어하는 단계와;

상기 1270∼1350℃로 제어된 용탕을 주형에 주입하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 고규소주철의 제조방법.