KR102608392B1 - 구상 흑연 주철의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 주철 용탕을 레이들로 출탕하는 출탕 단계; 및 상기 레이들에 수용된 상기 주철 용탕을 주형으로 주입하는 주입 단계;를 포함하되, 상기 출탕 단계에 접종제를 투입하지 않고 상기 주입 단계에만 접종제를 투입하는 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철의 제조 방법을 개시한다.
Description
본 발명은 주철의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구상 흑연 주철의 제조 방법에 관한 것이다.
다중 제어 밸브(MCV)는 건설 기계에 탑재되는 필수 부품이며 모든 동작을 제어하는 핵심 부품이다. 또한, 다중 제어 밸브는 건설 기계 외에 농기계, 방산 기계 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 일반적으로 다중 제어 밸브(MCV)의 재질은 주철이며, 특히 구상 흑연 주철을 이용한다. 구상 흑연 주철 내의 흑연은 편상(lamellar) 또는 구상(spheroidal) 형태로 존재할 수 있다. 구상의 흑연은 강도 및 연성 특성에서 유리하다. 흑연이 취하는 형상, 크기 및 개수 밀도(mm2 당 nodule 개수) 뿐만 아니라 탄화 철 대비 흑연의 양은 주철의 고형화 동안 흑연의 형성을 촉진하는 특정한 첨가제들에 의해 제어될 수 있다. 이러한 첨가제들은 접종제(inoculants)로 지칭되며, 그리고 주철에 대한 접종제들의 추가는 접종(inoculation)으로 지칭된다.
일반적으로 접종 처리 방법에 따라, 흑연립수 기준(예를 들어, 100개/mm2)을 하회하여 미달하거나, 미세수축 결함이 발생하거나, 강도나 연신율이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
관련 선행 기술로는 한국공개특허 제1990-0003382호가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 흑연립수 기준(예를 들어, 100개/mm2)을 만족하고, 미세수축 결함을 방지하고, 강도 및 연신율을 확보할 수 있는 구상 흑연 주철의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 구상 흑연 주철의 제조 방법은 주철 용탕을 레이들로 출탕하는 출탕 단계; 및 상기 레이들에 수용된 상기 주철 용탕을 주형으로 주입하는 주입 단계;를 포함하되, 상기 출탕 단계에 접종제를 투입하지 않고 상기 주입 단계에만 접종제를 투입하는 것을 특징으로 한다.
상기 구상 흑연 주철의 제조 방법의 상기 주입 단계에서 상기 접종제를 투입하되, 상기 접종제의 투입량은 상기 주철 용탕을 기준으로 0.01 ~ 0.1 중량%일 수 있다.
상기 구상 흑연 주철의 제조 방법에서, 상기 주철 용탕은 I(C: 3.7 중량%, Si: 1.3 중량%), II(C: 4.07 중량%, Si: 1.3 중량%) 및 III(C: 3.7 중량%, Si: 2.4 중량%)의 탄소(C) 함량 및 규소(Si) 함량을 꼭지점으로 가지는 제1 도형 내부의 일 지점에 의해 규정되는 조성을 가질 수 있다.
상기 구상 흑연 주철의 제조 방법에서, 상기 주철 용탕은 탄소(C): 3.7 중량% 이상 및 규소(Si): 1.3 중량% 이상을 함유하고, 탄소당량(CE)은 4.5 이하일 수 있다.
상기 구상 흑연 주철의 제조 방법에서, 상기 접종제는 Si: 68 ~ 73 중량%, Ca: 1.2 ~ 2.0 중량%, Ba: 1.0 ~ 2.0 중량%, Al: 1.0 ~ 1.5 중량% 및 잔부가 Fe와 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
상기 구상 흑연 주철의 제조 방법에서, 주철 용탕을 레이들로 출탕하기 전에 상기 레이들 내에 구상화제를 먼저 투입할 수 있다.
상기 구상 흑연 주철의 제조 방법에서, 상기 구상화제는 Si: 45 ~ 47 중량%, Mg: 5.8 ~ 6.0 중량%, Ca: 2.4 ~ 2.6 중량%, Al: 0.6 ~ 0.7 중량%, RE(희토류 원소): 0.6 ~ 0.7 중량% 및 잔부가 Fe와 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 후육 제품은 상술한 제조 방법으로 구현된 구상 흑연 주철로 이루어지되, 모듈러스 3.0 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 흑연립수 기준(예를 들어, 100개/mm2)을 만족하고, 미세수축 결함을 방지하고, 강도 및 연신율을 확보할 수 있는 구상 흑연 주철의 제조 방법을 구현할 수 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구상 흑연 주철의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실험예들에 따른 흑연 형성능 평가 인자 1 및 2를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예들에 따른 흑연 형성능 평가 인자 1(GRF1)과 용탕점수(MQ)의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예들에 따른 흑연 형성능 평가 인자 2(GRF2)와 용탕점수(MQ)의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예1에 의하여 구현된 구상 흑연 주철에 대한 품질 평가를 수행한 시뮬레이션 결과이다.
도 6은 본 발명의 실험예2에 의하여 구현된 구상 흑연 주철에 대한 품질 평가를 수행한 시뮬레이션 결과이다.
도 7은 본 발명의 실험예3에 의하여 구현된 구상 흑연 주철에 대한 품질 평가를 수행한 시뮬레이션 결과이다.
도 8은 본 발명의 실험예1, 실험예2, 실험예3의 품질 평가 결과를 종합하여 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실험예에 의하여 구현된 구상 흑연 주철을 적용한 시제품에 대한 구상화율을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실험예에 의하여 구현된 구상 흑연 주철을 적용한 시제품에 대한 인장강도를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실험예에 의하여 구현된 구상 흑연 주철을 적용한 시제품에 대한 경도를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실험예들에서 접종제 투입량에 따라 용탕점수(MQ)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법으로 구현되는 구상 흑연 주철의 조성범위를 도해하는 도면이다.
도 14는 건설 기계의 핵심 부품인 다중 제어 밸브를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실험예들에 따른 흑연 형성능 평가 인자 1 및 2를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예들에 따른 흑연 형성능 평가 인자 1(GRF1)과 용탕점수(MQ)의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예들에 따른 흑연 형성능 평가 인자 2(GRF2)와 용탕점수(MQ)의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예1에 의하여 구현된 구상 흑연 주철에 대한 품질 평가를 수행한 시뮬레이션 결과이다.
도 6은 본 발명의 실험예2에 의하여 구현된 구상 흑연 주철에 대한 품질 평가를 수행한 시뮬레이션 결과이다.
도 7은 본 발명의 실험예3에 의하여 구현된 구상 흑연 주철에 대한 품질 평가를 수행한 시뮬레이션 결과이다.
도 8은 본 발명의 실험예1, 실험예2, 실험예3의 품질 평가 결과를 종합하여 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실험예에 의하여 구현된 구상 흑연 주철을 적용한 시제품에 대한 구상화율을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실험예에 의하여 구현된 구상 흑연 주철을 적용한 시제품에 대한 인장강도를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실험예에 의하여 구현된 구상 흑연 주철을 적용한 시제품에 대한 경도를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실험예들에서 접종제 투입량에 따라 용탕점수(MQ)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법으로 구현되는 구상 흑연 주철의 조성범위를 도해하는 도면이다.
도 14는 건설 기계의 핵심 부품인 다중 제어 밸브를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구상 흑연 주철의 제조 방법을 상세하게 설명한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 적절하게 선택된 용어들로서, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구상 흑연 주철의 제조 방법으로 구현된 주철은 건설 기계, 농기계, 방산기계 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.
주철은(Cast iron)은 1.7 중량% 이상의 탄소를 함유하는 철의 합금이다. 보통 탄소량은 2.06 ~ 6.7 중량%로 나타나 있으나 흔히 사용되는 것은 3 ~ 4 중량%이다. 탄소가 많아서 단단하고 부서지기가 쉬우므로 압연, 단조 등의 가공은 할 수 없으나, 강에 비해서 융점이 낮아 쉽게 용해되기 때문에 주물로 쓰기에는 편리하다. 주철 제품은 강도가 높고 강에 비해 녹이 덜 슬며 가격도 싸기 때문에 기계 부품에서 용도가 넓고 또 많이 쓰이고 있다.
주철의 탄소는 시멘타이트(cementite)의 형태로 존재하는 경우와 단독의 탄소가 흑연의 형태로 존재하는 경우의 두 가지가 있으며, 또한 주철로서의 성질도 다르다. 탄소가 세멘타이트의 형태로 되느냐, 흑연의 형태로 되느냐 하는 것은 주철 속의 탄소와 규소의 함량 및 주조할 때의 냉각 속도에 관계된다. 탄소나 규소가 적고 급랭되면 세멘타이트로 된다. 세멘타이트는 굳은 화합물이므로, 세멘타이트를 많이 함유하는 주철은 단단하고 내마모성은 우수하지만 부서지기가 쉽다. 이와 같은 주철의 단면은 조직이 치밀하고 백색으로 빛나기 때문에 백주철이라고 한다. 냉각속도가 느리고 탄소나 규소가 많은 경우에는 탄소가 유리되어 흑연의 형태로 되기 쉽다.
백주철에 비해서 연하지만 잘 깨어지지 않는 성질을 가졌으며, 단면에는 검은 색깔의 흑연이 덮여 있으므로 회색으로 보인다. 이러한 주철을 회주철이라고 부른다. 이 주철에 마그네슘이나 칼슘을 약간 첨가하면, 이 흑연은 구상으로 변화하여 회주철의 2 ~ 3배나 강하고 질긴 주철이 된다. 이러한 주철은 구상 흑연 주철(nodular cast iron)로 분류하며, 연성이 필요한 중요 기계 부품 등에 사용한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구상 흑연 주철의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 구상 흑연 주철의 제조 방법은 용해로에서 주철 용탕을 제공하는 단계(S10), 용해로에서 레이들로 주철 용탕을 출탕하는 출탕 단계(S20), 출탕이 완료되어 주철 용탕이 모두 레이들에 수용된 출탕 완료 단계(S30), 레이들에 수용된 주철 용탕을 주형(mold)에 주입하는 주입 단계(S40) 및 주입이 완료되어 주철 용탕이 모두 주형 내에 수용된 주입 완료 단계(S50)를 순차적으로 포함한다.
구상 흑연 주철 내의 흑연은 편상(lamellar) 또는 구상(spheroidal) 형태로 존재할 수 있다. 구상의 흑연은 강도 및 연성 특성에서 유리하다. 흑연이 취하는 형상, 크기 및 개수 밀도(mm2 당 nodule 개수) 뿐만 아니라 탄화 철 대비 흑연의 양은 주철의 고형화 동안 흑연의 형성을 촉진하는 특정한 첨가제들에 의해 제어될 수 있다. 이러한 첨가제들은 접종제(inoculants)로 지칭되며, 그리고 주철에 대한 접종제들의 추가는 접종(inoculation)으로 지칭된다.
접종제를 투입하는 방법은 투입 시기에 따라 다음과 같이 구분할 수 있다.
출탕 스트림 접종 단계(S21)는 용해로에서 레이들로 주철 용탕을 출탕하는 출탕 단계(S20) 동안 수행될 수 있다. 이 경우 접종제는 출탕되는 주철 용탕에 주입될 수 있다.
레이들 접종 단계(S29)는 출탕 완료 단계(S30) 전에 수행될 수 있다. 이 경우, 접종제를 레이들에 먼저 투입한 후 출탕 단계(S20)를 수행할 수 있다. 레이들 접종 단계(S29)에서 투입되는 접종제는, 예를 들어, Si: 73 ~ 75 중량%, Ca: 1.3 ~ 1.8 중량%, Ba: 0.2 ~ 1.2 중량%, Al: 1.5 ~ 2.0 중량% 및 잔부가 Fe로 이루어지되, 접종제 입자 평균 크기는 1 ~ 3mm일 수 있다.
주입 스트림 접종 단계(S41)는 레이들에 수용된 주철 용탕을 주형(mold)에 주입하는 주입 단계(S40) 동안 수행될 수 있다. 이 경우, 접종제는 주입되는 주철 용탕에 주입될 수 있다. 주입 스트림 접종 단계(S41)에서 투입되는 접종제는, 예를 들어, Si: 68 ~ 73 중량%, Ca: 1.2 ~ 2.0 중량%, Ba: 1.0 ~ 2.0 중량%, Al: 1.0 ~ 1.5 중량% 및 잔부가 Fe로 이루어지되, 접종제 입자 평균 크기는 0.2 ~ 0.7mm일 수 있다.
인몰드(in-mold) 접종 단계(S49)는 주입 완료 단계(S50) 전에 수행될 수 있다. 이 경우, 접종제를 주형에 먼저 투입한 후 주입 단계(S40)를 수행할 수 있다.
주입 스트림 접종 단계(S41) 및 인몰드(in-mold) 접종 단계(S49)는 출탕이 완료된 후에 수행되는 단계로서 후접종(post-inoculation)으로 이해될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구상 흑연 주철의 제조 방법에서는 상기 출탕 단계(S20)에 접종제를 투입하지 않고 상기 주입 단계(S40)에만 접종제를 투입하는 것을 특징으로 한다. 즉, 레이들 접종 단계(S29)를 수행하지 않고 주입 스트림 접종 단계(S41)만을 수행하는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 구상화율, 인장강도 및 경도에 대한 요구 특성을 만족함을 확인하였다.
한편, 본 발명의 구상 흑연 주철의 제조 방법에서, 주철 용탕을 레이들로 출탕하기 전에 상기 레이들 내에 구상화제를 먼저 투입할 수 있다. 상기 구상화제는 상기 접종제와 구분되는 것으로서, 예를 들어, 상기 구상화제는 Si: 45 ~ 47 중량%, Mg: 5.8 ~ 6.0 중량%, Ca: 2.4 ~ 2.6 중량%, Al: 0.6 ~ 0.7 중량%, RE(희토류 원소): 0.6 ~ 0.7 중량% 및 잔부가 Fe와 불가피한 불순물로 이루어질 수 있으며, 구상화제 입자 평균 크기는 1 ~ 10mm일 수 있다.
본 발명의 구상 흑연 주철의 제조 방법으로 구현된 주철은 GCD600급 이상인 고강도 제품의 재질로 적용될 수 있으며, 나아가, 모듈러스 3.0 이상의 후육 제품에 적용될 수 있다. 모듈러스는 제품의 부피를 단위면적으로 나눈 값으로 이해할 수 있다. 이러한 고강도 후육 구상 흑연 주철 부품의 예로서 건설 기계용 유압밸브류 부품(MCV 등)이 대표적이며, 그 외에도 적용 가능 부품이 다양하다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 다음의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 다음의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
표 1은 본 발명의 실험예에 따른 접종 구성의 개요를 나타낸 것이며, 표 2는 본 발명의 실험예에 따른 접종 구성의 접종제와 접종량을 나타낸 것이며, 표 3은 본 발명의 실험예에 따른 접종제의 성분(단위: 중량%)과 입자 평균 크기(단위: mm)를 나타낸 것이다.
| 접종 구성 | |
| 실험예1 | 레이들 접종 단계(S29) 1회 |
| 실험예2 | 레이들 접종 단계(S29) 1회 & 주입 스트림 접종 단계(S41) 1회 |
| 실험예3 | 주입 스트림 접종 단계(S41) 1회 |
| 레이들 접종제 | 레이들 접종량 | 주입 스트림 접종제 |
주입 스트림 접종량 |
|
| 실험예1 | 제1접종제 | 0.1중량% | - | - |
| 실험예2 | 제1접종제 | 0.1중량% | 제2접종제 | 0.03중량% |
| 실험예3 | - | - | 제2접종제 | 0.03중량% |
| Si | Ca | Ba | Al | Fe | size(mm) | |
| 제1접종제 | 73~75 | 1.3~1.8 | 0.2~1.2 | 1.5~2.0 | Bal. | 1~3 |
| 제2접종제 | 68~73 | 1.2~2.0 | 1.0~2.0 | 1.0~1.5 | Bal. | 0.2~0.7 |
표 1 내지 표 3을 참조하면, 본 발명의 실험예1에 따른 구상 흑연 주철의 제조 방법은 본 발명의 비교예에 따른 접종제 투입 방법으로서 레이들 접종 단계(S29)만 1회 실시하되, 접종제가 투입되는 주철 용탕을 기준으로 0.1중량%의 접종량으로 제1 접종제를 투입한다. 제1 접종제는 Si: 73 ~ 75 중량%, Ca: 1.3 ~ 1.8 중량%, Ba: 0.2 ~ 1.2 중량%, Al: 1.5 ~ 2.0 중량% 및 잔부가 Fe로 이루어지되, 접종제 입자 평균 크기는 1 ~ 3mm이다.
본 발명의 실험예2에 따른 구상 흑연 주철의 제조 방법은 본 발명의 비교예에 따른 접종제 투입 방법으로서 레이들 접종 단계(S29)를 1회 먼저 실시하되, 접종제가 투입되는 주철 용탕을 기준으로 0.1중량%의 접종량으로 제1 접종제를 투입한다. 제1 접종제는 Si: 73 ~ 75 중량%, Ca: 1.3 ~ 1.8 중량%, Ba: 0.2 ~ 1.2 중량%, Al: 1.5 ~ 2.0 중량% 및 잔부가 Fe로 이루어지되, 접종제 입자 평균 크기는 1 ~ 3mm이다. 계속하여, 레이들 접종 단계(S29) 후에 주입 스트림 접종 단계(S41)를 1회 실시하되, 접종제가 투입되는 주철 용탕을 기준으로 0.03중량%의 접종량으로 제2 접종제를 투입한다. 제2 접종제는 Si: 68 ~ 73 중량%, Ca: 1.2 ~ 2.0 중량%, Ba: 1.0 ~ 2.0 중량%, Al: 1.0 ~ 1.5 중량% 및 잔부가 Fe로 이루어지되, 접종제 입자 평균 크기는 0.2 ~ 0.7mm이다.
본 발명의 실험예3에 따른 구상 흑연 주철의 제조 방법은 본 발명의 실시예에 따른 접종제 투입 방법으로서 주입 스트림 접종 단계(S41)만 1회 실시하되, 접종제가 투입되는 주철 용탕을 기준으로 0.03중량%의 접종량으로 제2 접종제를 투입한다. 제2 접종제는 Si: 68 ~ 73 중량%, Ca: 1.2 ~ 2.0 중량%, Ba: 1.0 ~ 2.0 중량%, Al: 1.0 ~ 1.5 중량% 및 잔부가 Fe로 이루어지되, 접종제 입자 평균 크기는 0.2 ~ 0.7mm이다.
본 실험예에서는 구현된 구상 흑연 주철에 대하여 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 품질 평가를 수행하였다. 상기 품질 평가를 위한 시뮬레이션 소프트웨어 명칭은 NovaCast Systems 사에서 개발한 "ATAS METSTAR"이다. ATAS 소프트웨어에서 주철의 품질 평가는 용탕점수(MQ)의 파라미터를 이용한다. 상기 용탕점수(MQ)가 높을수록 구상 흑연 주철에서 흑연립수 기준(예를 들어, 100개/mm2) 달성, 미세수축 결함 방지, 강도 및 연신율 확보 측면에서 유리해진다.
표 4는 ATAS 소프트웨어에서 평가하는 12가지 주조 공정의 인자를 나타낸다.
표 4를 참조하면, ATAS 소프트웨어에서 도출되는 용탕점수(MQ)는 12가지 인자를 평가하여 도출한다. 즉, 상기 용탕점수(MQ)는 초정 응고상 형성이 시작되는 온도(TL), 공정반응이 본격적으로 시작되는 온도(TELow), 공정반응 중 최고온도(TEHigh), 응고가 종료되는 온도(TS), 공정반응이 시작되는 온도(TES), 재휘온도와 과냉온도의 차이(R), 공정반응 중 형성된 흑연량에 관계된 인자(GRF1), 응고가 종료되는 온도에서의 1차미분 피크 각도로 계산한 인자(GRF2), 초정 오스테나이트 형성량에 관계된 인자(S1), 응고가 종료되는 온도에서의 1차미분 피크 깊이로 계산한 인자(dT/dtTS), 공정반응이 시작되는 온도에서의 1차미분 피크 깊이로 계산한 인자(dT/dt TES), 액상온도 등으로부터 계산한 탄소당량(ACEL)의 12가지 인자를 평가하여 도출한 파라미터이다.
| 구분 | 단위 | 인자 | 인자 설명 |
| 액상온도, TL | ℃ | TL | 초정 응고상 형성이 시작되는 온도 |
| 과냉온도, TU | ℃ | TELow | 공정반응이 본격적으로 시작되는 온도(본격적 성장) |
| 재휘온도, TR | ℃ | TEHigh | 공정반응 중 최고온도 |
| 고상온도, TS | ℃ | TS | 응고가 종료되는 온도 |
| 공정반응개시온도, TEStart | ℃ | TES | 공정반응이 시작되는 온도(핵 생성 수준) |
| 재열도, ΔTR | ℃ | R | 재휘온도와 과냉온도의 차이 |
| 흑연인자1 | - | GRF1 | 공정반응 중 형성된 흑연량에 관계된 인자 |
| 흑연인자2 | - | GRF2 | TS에서의1차미분 피크 각도로 계산한 인자 |
| 초정영역 면적비율 | % | S1 | 초정 오스테나이트 형성량에 관계된 인자 |
| 고상온도1차미분 | ℃/s | dT/dt TS | TS에서의1차미분 피크 깊이로 계산한 인자 |
| 공정반응개시온도1차미분 | ℃/s | dT/dt TES | TES에서의1차미분 피크 깊이로 계산한 인자 |
| 활성탄소당량 | % | ACEL | 액상온도 등으로부터 계산한 탄소당량 |
상기 12가지 인자 중, 예를 들어, 공정반응 중 형성된 흑연량에 관계된 인자인 GRF1 인자와 응고가 종료되는 온도에서의 1차미분 피크 각도로 계산한 인자인 GRF2 인자는 접종 효율성(흑연 형성능)을 평가하는 대표적인 인자이다.
공정반응 중 형성된 흑연량에 관계된 인자인 GRF1 인자는 높을수록 흑연 형성능이 좋다고 알려져 있으며, 응고가 종료되는 온도에서의 1차미분 피크 각도로 계산한 인자인 GRF2 인자는 낮을수록 흑연 형성능이 좋다고 알려져 있다.
도 2는 본 발명의 실험예들에 따른 흑연 형성능 평가 인자 1 및 2를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실험예3에 의하여 구현된 구상 흑연 주철은 실험예1 및 실험예2에 의하여 구현된 구상 흑연 주철보다, 공정반응 중 형성된 흑연량에 관계된 인자인 GRF1 인자가 상대적으로 높으며, 응고가 종료되는 온도에서의 1차미분 피크 각도로 계산한 인자인 GRF2 인자는 상대적으로 낮다. 따라서, 본 발명의 실험예3에 의하여 구현된 구상 흑연 주철은 접종 효율성(흑연 형성능)이 가장 우수함을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실험예들에 따른 흑연 형성능 평가 인자 1(GRF1)과 용탕점수(MQ)의 상관관계를 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 실험예들에 따른 흑연 형성능 평가 인자 2(GRF2)와 용탕점수(MQ)의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 정반응 중 형성된 흑연량에 관계된 인자인 GRF1 인자가 상대적으로 높을수록 용탕점수(MQ)가 높으며, 응고가 종료되는 온도에서의 1차미분 피크 각도로 계산한 인자인 GRF2 인자가 낮을수록 용탕점수(MQ)가 높다는 것을 확인할 수 있다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실험예에 의하여 구현된 구상 흑연 주철에 대한 품질 평가를 수행한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면들이다.
구체적으로, 도 5는 본 발명의 실험예1에 의하여 구현된 구상 흑연 주철에 대한 품질 평가를 수행한 시뮬레이션 결과이고, 도 6은 본 발명의 실험예2에 의하여 구현된 구상 흑연 주철에 대한 품질 평가를 수행한 시뮬레이션 결과이고, 도 7은 본 발명의 실험예3에 의하여 구현된 구상 흑연 주철에 대한 품질 평가를 수행한 시뮬레이션 결과이고, 도 8은 본 발명의 실험예1, 실험예2, 실험예3의 품질 평가 결과를 종합하여 도시한 그래프이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실험예1에 의하여 구현된 구상 흑연 주철에 대한 용탕점수(MQ)는 78이며, 본 발명의 실험예2에 의하여 구현된 구상 흑연 주철에 대한 용탕점수(MQ)는 83이며, 본 발명의 실험예3에 의하여 구현된 구상 흑연 주철에 대한 용탕점수(MQ)의 평균은 89이다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 구상 흑연 주철의 제조 방법으로서 실험예3은 24회를 반복 수행하여 재현성을 확인하였다.
이에 의하면, 접종 공정을 주입 스트림 접종 단계(S41) 1회만 수행하고 최적 투입량을 개선하고 효율화한 실험예3의 경우 용탕점수(MQ)가 가장 우수한 범위로 향상됨을 검증할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실험예에 의하여 구현된 구상 흑연 주철을 적용한 시제품에 대한 구상화율을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 실험예3에 의하여 구현된 구상 흑연 주철의 구상화율은 실험예1, 실험예2에 의하여 구현된 구상 흑연 주철의 구상화율과 대등한 수준을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실험예에 의하여 구현된 구상 흑연 주철을 적용한 시제품에 대한 인장강도를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 실험예3에 의하여 구현된 구상 흑연 주철의 인장강도는 실험예1, 실험예2에 의하여 구현된 구상 흑연 주철의 인장강도보다 높아 요구 특성 기준을 만족함을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실험예에 의하여 구현된 구상 흑연 주철을 적용한 시제품에 대한 경도를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 실험예3에 의하여 구현된 구상 흑연 주철의 경도는 실험예2에 의하여 구현된 구상 흑연 주철의 경도 보다 높아 요구 특성 기준을 만족함을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실험예들에서 접종제 투입량에 따라 용탕점수(MQ)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하면, 실험예3에서 접종제의 투입량은 상기 주철 용탕을 기준으로 0.01 ~ 0.1 중량%인 경우, 실험예1, 실험예2 대비 용탕점수(MQ)가 높아서 구상 흑연 주철에서 흑연립수 기준(예를 들어, 100개/mm2) 달성, 미세수축 결함 방지, 강도 및 연신율 확보 측면에서 유리함을 이해할 수 있다. 즉, 실험예3에서 접종제의 최적 투입량은 시제품의 모듈러스에 따라 차이가 있는데 주철 용탕을 기준으로 0.01 ~ 0.1 중량%의 수준으로 조절될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서 구상 흑연 주철을 구현하기 위한 주철 용탕이 소정의 조성범위를 가지는 경우, 구상화율, 흑연립수 밀도, 인장강도, 연신율 및 경도 측면에서 양호한 물성을 가지는 것을 확인하였는바, 이하에서는 구상 흑연 주철의 조성 범위에 대한 설명을 한다.
다만, 후술하는 조성 범위는 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 구상 흑연 주철 제조 방법의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 의한 구상 흑연 주철의 제조 방법은 상기 조성 범위 이외의 조성에서도 적용될 수 있음은 명백하다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법으로 구현되는 구상 흑연 주철의 조성범위를 도해하는 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법으로 구현되는 구상 흑연 주철은 I(C: 3.7 중량%, Si: 1.3 중량%), II(C: 4.1 중량%, Si: 1.3 중량%) 및 III(C: 3.7 중량%, Si: 2.5 중량%)의 탄소(C) 함량 및 규소(Si) 함량을 꼭지점으로 가지는 제1 도형 내부의 일 지점에 의해 규정되는 조성을 가진다.
상기 제1 도형은 가로축이 탄소 함량(단위: 중량%)이고 세로축이 규소 함량(단위: 중량%)인 2차원 평면에서 세 개의 점인 I(C: 3.7 중량%, Si: 1.3 중량%), II(C: 4.1 중량%, Si: 1.3 중량%) 및 III(C: 3.7 중량%, Si: 2.5 중량%)을 꼭지점으로 하는 삼각형일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법으로 구현되는 구상 흑연 주철은 탄소(C): 3.7 중량% 이상 및 규소(Si): 1.3 중량% 이상을 함유하고, 탄소당량(CE)은 4.5 이하인 조성범위를 가질 수 있다.
탄소(C)는 건전한 구상 흑연을 생성시키는 원소이다. 이러한 탄소(C)의 함량이 3.7 중량% 미만이면 단위 면적(1㎟)당 탄소 확산을 위한 구상 흑연의 수가 감소한다. 또한, 탄소(C)의 함량이 상기 제1 도형 외부의 조성으로서 상기 제안된 범위를 초과하는 경우 초정 흑연이 과도하게 형성되거나, 흑연 부상이 발생하여 건전한 구상 흑연 주철을 얻기 어려울 수 있다.
규소(Si)의 함량이 1.3 중량% 미만이면 구상 흑연의 수가 감소하거나, 용탕의 최종 응고부에 수축 결함이 일어날 수 있다. 또한 규소(Si)의 함량이 상기 제1 도형 외부의 조성으로서 상기 제안된 범위를 초과하는 경우 청키흑연이 발생하여 연신율이 저하될 수 있다.
상기 구상 흑연 주철에서 규소(Si)와 탄소(C)의 비(Si/C)는 0.3 이상 0.7 이하일 수 있다.
상술한 조성범위를 만족하는 구상 흑연 주철은 구상화율: 80% 이상, 흑연립수: 150 개/mm2 이상, 인장강도: 550 MPa 이상, 연신율: 2% 이상, 경도: 160 ~ 270HB일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법으로 구현되는 구상 흑연 주철은, 상술한 탄소 및 규소 외에, 망간(Mn): 0 초과 0.5 중량% 이하, 인(P): 0초과 0.05 중량% 이하 및 황(S): 0초과 0.02 중량%를 더 포함할 수 있다.
망간(Mn)은 펄라이트(Pearlite)를 생성시키는 대표적인 원소이면서 황(S)과 반응하여 구상 흑연의 핵생성 사이트를 형성하기도 한다. 이러한 망간(Mn)의 함량이 0.5 중량%를 초과하면 기지조직에 펄라이트 비율이 증가하고, 흑연형성능이 저하된다.
인(P)은 구상 흑연 주철의 제조과정에서 자연적으로 첨가되는 불순물이다. 이러한 인(P)은 그 함량이 0.05 중량%를 초과하면 취성이 급격하게 증가되어 가공성이 저하될 수 있다.
황(S)은 구상 흑연 주철의 제조과정에서 자연적으로 첨가되는 불순물이다. 황(S)의 함량은 특별히 한정되지 않으나, 황(S)의 함량이 0.02 중량%를 초과하면 흑연의 구상화가 저해되어 편상 흑연의 형성을 초래할 수 있다.
나아가, 상기 구상 흑연 주철은 주석(Sn): 0.001 ~ 0.1 중량%, 구리(Cu): 0.001 ~ 1.0 중량%, 안티몬(Sb): 0.002 ~ 0.007 중량%, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.3 중량%, 알루미늄(Al): 0.001 ~ 0.05 중량% 및 희토류 원소(RE): 0.001 ~ 0.003 중량% 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
주석(Sn)은 구상 흑연 주철 총중량 중 0.001 ~ 0.1 중량% 함유될 수 있다. 주석(Sn)의 함량이 0.1 중량%를 초과하면, 인장 및 항복 강도는 상승하나, 신율의 저하를 발생시키는 문제점이 있을 수 있다.
구리(Cu)는 구상 흑연 주철의 기지조직을 강화 원소로서, 펄라이트(Pearlite)의 생성을 촉진시키고 미세화시키는 작용을 한다. 이러한 구리(Cu)가 첨가되지 않거나 너무 낮으면 펄라이트(Pearlite)의 생성이 저하되어 요구되는 인장 강도를 얻기 어려울 수 있다. 또한, 구리(Cu)의 함량이 1.0 중량%를 초과하면, 펄라이트(Pearlite)가 과도하게 생성되어 표면 경도가 과도하게 상승함에 따라 취성을 유발할 수 있다.
상술한 본 발명의 기술적 사상에 따른 구상 흑연 주철의 제조 방법으로 구현된 주철은 건설 기계, 농기계, 방산 기계 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 일 예로서, 상기 구상 흑연 주철은 건설 기계의 핵심 부품인 다중 제어 밸브에 적용될 수 있다.
도 14는 건설 기계의 핵심 부품인 다중 제어 밸브를 나타내는 도면이다.
도 14를 참조하면, 다중 제어 밸브(MCV)는 건설 기계에 탑재되는 필수 부품이며 모든 동작을 제어하는 핵심 부품이다. 상술한 상술한 본 발명의 기술적 사상에 따른 구상 흑연 주철의 제조 방법으로 구현된 주철을 다중 제어 밸브에 적용할 경우, 흑연립수 기준(예를 들어, 100개/mm2)을 달성하고, 미세수축 결함이 발생하지 않으며, 조대 흑연, 청키 흑연 발생의 문제가 발생하지 않는 등 양호한 품질을 확보할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
Claims (8)
- 주철 용탕을 레이들로 출탕하는 출탕 단계; 및
상기 레이들에 수용된 상기 주철 용탕을 주형으로 주입하는 주입 단계;를 포함하되,
상기 출탕 단계에 접종제를 투입하지 않고 상기 주입 단계에 접종제를 투입하는 것을 특징으로 하되,
상기 주철 용탕은 I(C: 3.7 중량%, Si: 1.3 중량%), II(C: 4.07 중량%, Si: 1.3 중량%) 및 III(C: 3.7 중량%, Si: 2.4 중량%)의 탄소(C) 함량 및 규소(Si) 함량을 꼭지점으로 가지는 제1 도형 내부의 일 지점에 의해 규정되는 조성을 가지며,
상기 접종제는 Si: 68 ~ 73 중량%, Ca: 1.2 ~ 2.0 중량%, Ba: 1.0 ~ 2.0 중량%, Al: 1.0 ~ 1.5 중량% 및 잔부가 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지며,
상기 주입 단계에서 상기 접종제를 투입하되, 상기 접종제의 투입량은 상기 주철 용탕을 기준으로 0.01 ~ 0.03 중량%인 것을 특징으로 하는,
구상 흑연 주철의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
주철 용탕을 레이들로 출탕하기 전에 상기 레이들 내에 구상화제를 먼저 투입하는 것을 특징으로 하는,
구상 흑연 주철의 제조 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 구상화제는 Si: 45 ~ 47 중량%, Mg: 5.8 ~ 6.0 중량%, Ca: 2.4 ~ 2.6 중량%, Al: 0.6 ~ 0.7 중량%, RE(희토류 원소): 0.6 ~ 0.7 중량% 및 잔부가 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진,
구상 흑연 주철의 제조 방법. - 삭제
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210167106A KR102608392B1 (ko) | 2021-11-29 | 2021-11-29 | 구상 흑연 주철의 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102608392B1 (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007182620A (ja) * | 2005-12-07 | 2007-07-19 | Asahi Tec Corp | 黒鉛球状化剤 |
| JP2018104750A (ja) * | 2016-12-26 | 2018-07-05 | 株式会社栗本鐵工所 | 球状黒鉛鋳鉄管、および、球状黒鉛鋳鉄管の製造方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09291333A (ja) * | 1996-04-25 | 1997-11-11 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 接種調製快削鋳鉄及びその切削方法 |
-
2021
- 2021-11-29 KR KR1020210167106A patent/KR102608392B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007182620A (ja) * | 2005-12-07 | 2007-07-19 | Asahi Tec Corp | 黒鉛球状化剤 |
| JP2018104750A (ja) * | 2016-12-26 | 2018-07-05 | 株式会社栗本鐵工所 | 球状黒鉛鋳鉄管、および、球状黒鉛鋳鉄管の製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20230079896A (ko) | 2023-06-07 |
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