KR101746837B1

KR101746837B1 - 제련된 사철을 이용한 불순물이 제거된 다층소재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다층소재

Info

Publication number: KR101746837B1
Application number: KR1020160033180A
Authority: KR
Inventors: 조남철; 한정욱; 조현경
Original assignee: 공주대학교 산학협력단
Priority date: 2016-03-21
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2017-06-14

Abstract

본 발명의 제련된 사철을 이용한 불순물이 제거된 다층소재의 제조방법에 따르면, 사철을 원료로 하여 생산한 사철 강괴를 정련 및 단접처리하는 공정을 수회 반복수행하여 강도 및 인성을 증가시키고, 불순물 및 공극을 제거하여 재료적 특성을 향상시키며, 고수율로 다층구조의 소재를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다층소재의 제조방법을 통해, 우리나라의 전통적인 정련 및 단접 기술을 파악하고, 체계화하여 사철을 이용한 다층구조의 소재 생산 기술을 확립할 수 있고, 다양한 철제품의 제작에 응용할 수 있다.

Description

제련된 사철을 이용한 불순물이 제거된 다층소재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다층소재{Method for manufacturing multi-layered material free of impurities using smelted iron sand and multi-layered material manufactured thereby}

본 발명은 사철을 원료로 1차 제련한 강괴에 포함된 불순물을 제거하고 다층소재를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 다층구조의 소재에 관한 것이다.

철(Fe)은 우리 인간생활에 필수적인 광물로서, 세계 어느 곳에나 분포되어 있으나, 생산 경제성으로 인해 집중화된 특정 지역의 철광석으로부터 철을 개발 및 사용하고 있으며, 산업발전의 중요한 위치를 점하고 있어 이른바 전략자원으로 분류되어 있다.

철광석은 경제적으로 채광작업을 할 수 있는 철을 함유한 광석을 말하며, 자철석(magnetite), 적철석(hematite), 갈철석(limonite) 또는 능철석(siderite) 등의 형태로 발견된다.

상기 철광석의 형태 중에서도, 사철(iron sand)은 자철석이 화성암 속에서 분해되거나 파쇄된 철입자가 모래의 형태로 바닷가, 호수, 하상 등에 퇴적되어 있으며, 오래된 사철이 제3기층에 층을 이루고 있는 산사철의 형태로 나타나고, 매장량이 천문학적인 것으로 알려져 있다. 사철은 주로 자철석으로 구성되어 있으며, 그 밖에 적철석, 갈철석, 티타늄 철석, 휘석, 석영 등이 포함되어 있는데, 주성분은 20 내지 60 중량%의 철, 3 내지 11 중량%의 이산화티탄(TiO₂)을 포함하는 것이 일반적이다. 상기 사철은 철광석으로 이용되거나, 티타늄이나 바나듐을 추출하기 위한 용도로 이용되며, 근간에 발견되는 사철 중에는 티타늄의 함량은 적고 철 함량이 높은 사철이 발견되고 있어, 사철에 대한 관심이 증가하고 있다.

일반적으로, 상기 사철은 제련로에서 가열하여 사철 철괴로 제조해 사용하고 있는데, 사철을 1차 제련하여 제조한 사철 철괴는 다공질이며, 미세조직이 불균일하고, 불순물이 많아 상기와 같은 사철 철괴를 이용하여 다양한 도구를 제작하기에는 재료적 성질이 적합하지 않다.

하지만, 종래에는 사철 철괴에 포함된 불순물을 제거하고, 미세조직을 균일하게 하여 도구를 제작할 수 있도록, 사철 철괴를 정련하는 방법에 관한 기술 내용이 개시된 바 없어, 이에 대한 연구가 필요하다.

한국등록특허 제10-1549101호 (공개일 : 2015.08.31) 한국공개특허 제10-1291403호 (공개일 : 2013.07.30)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 1차 제련하여 생산된 사철 철괴에 포함된 불순물을 효과적으로 제거하고, 조직을 균일하게 하여 재료적 특성이 향상된 강괴를 제조할 수 있는 방법에 관한 기술 내용을 제공하고자 한다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, (a) 사철을 제련하여 얻어진 사철 철괴를 단야로에서 가열하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 가열한 사철 철괴를 단조하여 사철 강괴를 제조하는 단계; (c) 상기 단계 (b)에서 제조한 사철 강괴의 외면을 숯과 황토로 코팅하는 단계; (d) 상기 단계 (c)에서 코팅한 사철 강괴를 가열하고, 가열한 사철 강괴를 길이방향을 따라 포갠 후, 단접하여 단접 사철 강괴를 제조하는 단계; 및 (e) 상기 단접 사철 강괴의 외면을 상기 숯과 황토로 코팅하고, 코팅한 단접 사철 강괴를 가열한 후, 상기 단접 사철 강괴를 길이방향을 따라 포개어 단접하는 단계;를 포함하되, 상기 단계 (e)를 복수회 수행하는 것을 특징으로 하는 다층소재의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 단계 (a)의 사철은, 산화철(FeO) 85 내지 95 중량%, 실리카(SiO₂) 3 내지 7 중량%, 산화알루미늄(Al₂O₃) 2 내지 4 중량%, 산화칼슘(CaO) 0.1 내지 0.5 중량%, 산화망간(MnO) 0.1 내지 0.5 중량%, 이산화티탄(TiO₂)0.4 내지 0.7 중량% 및 산화바나듐(V₂O₅)0.2 내지 0.5 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단계 (a), (d) 및 (e)는, 900 내지 1200 ℃의 단야로에서 가열하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단계 (e)를 11회 이상 반복수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단계(a)의 사철 철괴의 투입량 대비, 상기 단계 (e)를 14회 반복 수행한 후, 상기 단접 사철 강괴의 수율은 10% 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단계(a)의 사철 철괴의 불순물 및 공극의 비율이 25% 이상이고, 상기 단계 (e)를 14회 반복 수행한 후, 상기 단접 사철 강괴의 불순물 및 공극의 비율은 0.6%이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기에 기재된 방법으로 제조된 다층소재를 제공한다.

본 발명의 다층소재의 제조방법에 따르면, 사철을 원료로 하여 생산한 사철 강괴를 정련 및 단접처리하는 공정을 수회 반복수행하여 사철 강괴의 강도 및 인성을 증가시키고, 불순물 및 공극을 제거하여 재료적 특성을 향상시키며, 고수율로 다층구조의 단접 사철 강괴를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 다층소재의 제조방법을 통해, 우리나라의 전통적인 정련·단접 기술을 파악하고, 체계화하여 사철을 이용한 다층구조의 소재 생산 기술을 확립할 수 있고, 다양한 철제품의 제작에 응용할 수 있다.

특히, 상기 방법에 의해 사철 강괴를 15회 정련 및 단접처리한 단접 사철 강괴는 불순물 및 공극의 비율이 0.6% 이하로 우수한 특성을 나타내 다양한 분야의 제품 제조를 위해 활용이 가능하다.

도 1은 실시예에 따라 사철 강괴 제조를 위해 사용된 사철의 XRF 분석결과이다.
도 2는 실시예에 따른 방법에 의해 1차 제련한 철괴의 미세조직을 촬영한 (a) 금속현미경 이미지 및 (B) SEM 이미지이다.
도 3은 실시예에 따른 방법에 의해 사철 강괴를 이용하여 다층복합 소재를 제조하는 각 과정을 촬영한 실제 이미지이다.
도 4는 실시예에 따른 방법에 의해 1, 3, 6, 9, 12 및 15차 단접하여 제조한 강괴의 실제 이미지이다.
도 5는 실시예에 따른 방법에 의해 단접한 강괴의 금속현미경(50 배율) 이미지이다(단, (a)는 1차 단접한 강괴, (b)는 3차 단접한 강괴, (c)는 6차 단접한 강괴, (d)는 9차 단접한 강괴, (e)는 12차 단접한 강괴 및 (f)는 15차 단접한 강괴임).
도 6은 실시예에 따른 방법에 의해 제조된 강괴의 단접면에 있는 비금속 개재물을 나타낸 SEM 이미지 및 EDS 분석위치이다(단, A는 1차 단접한 강괴, B는 3차 단접한 강괴, C는 6차 단접한 강괴, D는 9차 단접한 강괴, E는 12차 단접한 강괴 및 F는 15차 단접한 강괴임).
도 7은 실시예에 따른 방법에 의해 제조된 강괴 내 비금속 개재물 및 공극의 분포도를 나타내는 도면이다(단, A는 1차 단접한 강괴, B는 3차 단접한 강괴, C는 6차 단접한 강괴, D는 9차 단접한 강괴, E는 12차 단접한 강괴 및 F는 15차 단접한 강괴이고, 백색은 금속부분이며 흑색은 비금속개재물과 공극의 위치를 나타냄).

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명은, (a) 사철을 제련하여 얻어진 사철 철괴를 단야로에서 가열하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 가열한 사철 철괴를 단조하여 사철 강괴를 제조하는 단계; (c) 상기 단계 (b)에서 제조한 사철 강괴의 외면을 숯과 황토로 코팅하는 단계; (d) 상기 단계 (c)에서 코팅한 사철 강괴를 가열하고, 가열한 사철 강괴를 길이방향을 따라 포갠 후, 단접하여 단접 사철 강괴를 제조하는 단계; 및 (e) 상기 단접 사철 강괴의 외면을 상기 숯과 황토로 코팅하고, 코팅한 단접 사철 강괴를 가열한 후, 상기 단접 사철 강괴를 길이방향을 따라 포개어 단접하는 단계;를 포함하되, 상기 단계 (e)를 복수회 수행하는 것을 특징으로 하는 다층소재의 제조방법을 제공한다.

상기 단계 (a)는 사철을 제련하여 얻어진 사철 철괴를 단야로에서 가열하는 단계이다.

상기 사철 철괴는 목탄이 공급된 제련로에 제련로의 송풍구를 통해 공기를 주입하여 목탄에 불을 붙여 제련로를 1300℃ 내지 1800℃ 정도로 가열하고, 1 : 2 내지 1 :3 정도의 중량비로 사철과 상기 목탄을 교대로 제련로에 투입하여 슬래그를 배출시키면서 사철을 환원시켜 형성시킨 것일 수 있다.

상기 사철 철괴는 사철을 제련로에서 1차 제련하여 제조된 상태로, 다공질이며, 미세조직이 불균일하고, 불순물이 많아 상기 사철 철괴를 직접 이용하여 다양한 도구를 제작하기에는 재료적 성질이 적합하지 않다.

본 단계에서는 상기 사철 철괴를 단야로에서 가열하여 반용융 상태로 만든 후, 후술할 단계에서 상기 사철 철괴를 정련 및 단접하여 사철 철괴의 특성을 향상시킬 수 있다. 상기와 같이 단야로에서 사철 철괴를 고온으로 가열하면, 철괴 내부에 불순물들이 녹아서 사철 철괴의 외부로 용출되는 효과를 기대할 수 있으며, 상기 사철 철괴를 바람직하게는 900 내지 1200 ℃의 단야로에서 가열하도록 구성할 수 있다.

상기와 같이 900 내지 1200 ℃의 단야로에서 가열하는 이유는, 900 ℃ 미만의 가열 온도에서 사철 철괴를 가열시, 후술할 단계에서 사철 철괴의 단조가 원활하지 않을 수 있고, 1200 ℃를 초과하는 온도에서 가열시에는 사철 철괴에 탈탄(decarbonization)이 발생할 수 있다.

상기와 같이 단야로를 가열하기 위해서는 숯을 사용할 수 있는데, 숯은 화력이 세고 불순물이 적은 소나무 숯을 백탄으로 만든 것을 바람직하게 사용할 수 있으며, 단야로의 내부에서 충분한 고온을 유지할 수 있도록 적당한 크기로 쪼개진 숯의 절편을 사용하여 단야로를 가열할 수 있다.

또한, 상기 사철 철괴는 바람직하게는, 산화철(FeO) 85 내지 95 중량%, 실리카(SiO₂) 3 내지 7 중량%, 산화알루미늄(Al₂O₃) 2 내지 4 중량%, 산화칼슘(CaO) 0.1 내지 0.5 중량%, 산화망간(MnO) 0.1 내지 0.5 중량%, 이산화티탄(TiO₂)0.4 내지 0.7 중량% 및 산화바나듐(V₂O₅)0.2 내지 0.5 중량%를 포함하는 사철을 사용하여 형성시킨 것일 수 있으며, 상기 사철을 1차 제련하여 제조한 사철 철괴는 유리질 슬래그 등의 조대한 비금속개재물이 상당량 존재하고, 불순물 및 공극의 비율이 25% 이상이며, 탄소함량이 일정하지 않을 뿐만 아니라, 복잡하게 맞물린 조대한 결정립인 비테만스테튼 조직(Widmanstatten)이 잔류하는 구조를 나타낸다. 이에 따라, 상기와 같이 1차 제련된 사철 철괴는 도구를 만들기에 적합한 소재가 될 수 없어 사철 철괴를 정련하는 과정이 필수적이다.

상기 단계 (b)는 상기 단계 (a)에서 가열한 사철 철괴를 단조하는 단계로서, 상기와 같이 가열한 사철 강괴를 미리 설정된 길이에 맞게 길이방향으로 단조하여 사철 강괴를 형성시킬 수 있다.

상기 단계 (c)는 상기 단계 (b)에서 단조한 사철 강괴의 외면을 숯과 황토로 코팅하는 단계이다.

본 단계에서는 상기와 같이 접합한 사철 강괴의 외면에 숯과 황토를 코팅하여 정련 및 단접 공정 중에 사철 강괴에 발생하는 탈탄을 방지하도록 구성하여, 사철 강괴에 발생되는 탈탄에 의한 연화를 방지하도록 구성할 수 있다.

상기 숯은 소나무 숯이 분쇄된 분말을 사용할 수 있고, 황토는 황토, 백토 및 물을 일정한 비율로 혼합한 황톳물을 사용할 수 있으며, 상기 비율에 제한받는 것은 아니다.

상기 단계 (d)는 상기 단계 (c)에서 코팅한 사철 강괴를 가열한 후, 상기 사철 강괴를 길이방향을 따라 포갠 후, 단접하는 단계로서, 불순물 및 공극이 많은 사철 강괴의 강도를 향상시킬 수 있도록, 가열된 사철 강괴를 길이방향을 따라 포개어 단조하는 단접공정을 통해 사철 강괴에 포함된 불순물을 제거하여 단접 사철 강괴를 제조할 수 있다.

본 단계에서는 상기와 같이 숯과 황토로 코팅된 사철 강괴를 해머 등으로 두들기거나 가압하는 기계적인 방법으로, 상기 사철 강괴를 길이방향으로 연신시키는 단접공정을 통해 단접 사철 강괴를 형성시킬 수 있다.

상기와 같이 기계적인 방법으로 사철 강괴를 지속적으로 가압하면, 압력에 의해 강괴의 외부로 불순물이 용출되는 효과가 있으며, 비금속개재물이 단접면을 따라 연신하고, 결정립이 미세화되어, 강도 및 인성의 증가와 함께 불순물 및 공극을 제거되어 재료적 특성이 획기적으로 향상된 단접 사철 강괴를 형성시킬 수 있다.

또한, 본 단계에서는 900 내지 1200 ℃의 단야로에서 상기 사철 강괴를 가열하는 것이 바람직하며, 900 ℃ 미만의 가열 온도에서 사철 강괴를 가열시 후술할 단계에서 접합된 사철 강괴의 양단이 잘 접합되지 않을 수 있는 문제가 있고, 1200 ℃를 초과하는 온도에서 가열시에는 사철 강괴에 탈탄(decarbonization)이 발생할 수 있다.

그리고, 상기한 사철 강괴를 포개기 위해서는 사철 강괴의 1부분을 절단하여 반으로 포개어 접합할 수 있고, 2부분을 절단하여 3단으로 포개어 접합할 수 있고, 여러 부분을 절단하여 다단으로 포개어 접합하는 것 또한 가능한데, 사철 강괴를 반으로 포개어 접합하는 것이 보다 바람직하다. 사철 강괴를 절단하기 위해서는, 도끼 등의 절단 도구를 사용할 수 있으나, 이에 제한 받는 것은 아니다.

상기 단계 (e)에서는, 상기 단접한 사철 강괴의 외면을 상기 숯과 황토로 코팅하고, 코팅한 사철 강괴를 가열한 후, 상기 사철 강괴를 길이방향을 따라 포개어 단접하는 단계이고, 상기 단계 (e)를 복수회 수행할 수 있다.

상기한 단접공정은 횟수가 증가할수록, 사철 강괴의 결정립이 미세해지고, 불순물 및 공극의 함량이 낮아질 수 있어, 본 발명에서는, 제조한 단접 사철 강괴를 이용해 상기 단계 (e)를 복수회 수행하도록 구성하여 상기 단접 사철 강괴의 재료적 특성을 더욱 향상시키도록 단접처리할 수 있고, 특허, 상기 단계 (e)를 11회 이상 반복수행하여 총 12회 이상 단접처리하도록 구성할 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 단계 (e)를 14회 반복수행하여, 총 15회 단접처리하도록 구성할 수 있다.

일례로, 상기와 같이 정련 및 단접 공정을 총 15회 단접처리한 단접 사철 강괴는 불순물 및 공극이 99% 이상 제거되고, 결정립이 미세화되며, 고른 탄소 함량을 갖는 균질한 강괴로서, 다양한 분야의 각종 도구 제조를 위해 효과적으로 활용이 가능하다.

또한, 상기와 같이 총 15회 수행한 경우, 상기 단계(a)에서 투입한 초기 사철 철괴의 투입량 대비, 상기 단접 사철 강괴의 수율이 10% 이상으로 우수하며, 단접 사철 강괴에 포함된 불순물 및 공극의 비율은 0.6% 이하로 우수한 특성을 보이며, 정련비율이 11% 이상으로 우수하다.

상기한 바와 같은, 본 발명의 다층소재의 제조방법에 따르면, 사철을 원료로 하여 생산한 사철 강괴를 정련 및 단접 처리하는 공정을 수회 반복수행하여 사철 강괴의 강도 및 인성을 증가시키고, 불순물 및 공극을 제거하여 재료적 특성을 향상시키며, 10% 이상의 고수율로 다층구조의 소재인 단접 사철 강괴를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 다층소재의 제조방법을 통해, 우리나라의 전통적인 정련·단접 기술을 파악하고, 체계화하여 사철을 이용한 다층구조의 소재 생산 기술을 확립할 수 있으며, 다양한 철제품의 제작에 응용할 수 있다.

특히, 상기 방법에 의해 사철 강괴를 15회 정련 및 단접처리한 단접 사철 강괴는 불순물 및 공극의 비율이 0.6% 이하로 우수한 특성을 나타내 다양한 분야에 활용이 가능하다.

상기 방법에 의해 15회 정련 및 단접하여 제조한 다층소재의 경우, 8192겹의 다층구조를 나타내고, 미세조직은 치밀해지고 불순물 함량이 낮아 다양한 분야에도 활용이 가능하다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다.

제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

<실시예>

(1) 사철 강괴의 제조

'세종실록 지리지'의 기록을 근거로 경북 경주시 감포읍 해안가에서 채취한 사철을 철괴를 생산하기 위한 원료로 사용하였으며, 제련 원료인 감포 사철을 X-선형광분석기(XRF)로 분석하여 표 1 및 도 1에 나타내었다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 감포사철의 XRF 성분 분석 결과, 철(Fe)의 양은 66.10%이며, 이산화티탄(TiO₂) 및 산화바나듐(V₂O₅)이 소량 포함되어 있는 것을 확인할 수 있었으며, 도 1에 나타난 바와 같이, 주요 화합물은 마그네타이트(magnetite)와 헤마타이트(hematite)임을 확인할 수 있었다(단, 도 1에서, H는 헤마타이트이고, M은 마그네타이트를 나타냄).

상기와 같은 성분을 포함하는 사철 70 kg을 3 단으로 설계한 제련로에 투입하고, 연료인 숯을 175 kg 사용해 제련하여 철괴를 제조하였다. 제조한 철괴의 무게는 22.0 kg으로 30.9 %의 회수율을 보였다.

또한, 제조한 철괴의 특성을 분석하기 위해서, 금속현미경 및 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 제조한 철괴의 미세조직을 분석하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

도 2(A)에 나타난 바와 같이, 200 배율의 금속현미경 관찰결과, 생산된 철괴는 아공석강의 연철로 탄소함량이 우측보다 많아 균일하지 못한 조성을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 도 2(B)에 나타난 바와 같이, 철괴의 미세 금속조직 내에는 상당량의 기공과 비금속개재물을 확인할 수 있었다.

또한, 상기와 같은 철괴 내의 비금속개재물을 확인하기 위해, 상기 철괴를 에너지 분산형 X선 형광분석을 수행하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

표 2에 나타난 바와 같이, 도 2(B)의 위치 1, 2 및 3에서는 SiO₂, Al₂O₃ 또는 CaO 등의 비금속개재물이 포함된 것을 확인할 수 있었다.

(2) 사철 강괴를 이용한 다층복합 소재의 제조

단야로(smithery hearth)에서 소나무숯을 연소시켜 단야로를 1200 ℃까지 가열하고, 가열된 단야로에 상기와 같이 제조한 철괴를 장입하였다. 가열된 철괴에서 내부의 불순물이 녹아나오게 되면 상기 철괴를 모루위에 위치시키고, 상기 철괴를 망치질하여 직사각형의 형태(bar)로 단조하여 강괴를 제조하였다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 제조한 강괴(A)를 단야로 외부로 꺼내, 강괴의 외면을 숯가루를 코팅(B)하고, 탈탄을 방지할 수 있도록 황토물을 코팅(C)하였으며, 코팅이 완료된 강괴를 다시 단야로에 장입(D)하여 10분 가량 가열한 후, 재가열된 강괴를 단야로에서 꺼내어 도끼 등의 절단 도구로 절단해 반으로 접어 접합(E)하였다. 접기 이전의 길이가 될 때까지, 반으로 접힌 강괴를 타격해 단조(F)하여 강괴의 내부 구조가 조밀해져 강괴 내부의 불순물을 외부로 추출시키고, 견고하고 순도가 향상된 강괴를 제조하였다(1차 단접).

제조한 강괴를 다시 단야로 외부로 꺼내, 숯가루 및 황토물을 코팅하고, 강괴를 다시 단야로에서 재가열(F)한 후, 접합하고, 단조하는 공정을 15회 반복하여, 총 15차 단접을 수행하여 강괴(G)를 제조하였다. 1차 단접을 위해 철괴를 가열하여 다음 단접까지 총 2시간이 소요되었다.

도 4는 1,3, 6, 9, 12 및 15차 단접하여 제조한 강괴의 실제 이미지이다.

도 4를 참조하면, 15차까지 단접하여 정련이 완료된 강괴는 2.52kg으로 하기의 수학식 1로 계산한 결과 강괴의 정련 비율이 11.45%인 것을 확인할 수 있었다.

[수학식 1]

<실험예 1> 제조한 강괴의 미세구조 분석

실시예에 따른 방법에 따라 단접한 강괴를 횟수별로 분류하고, 1, 3, 6, 9, 12 및 15차 단접한 강괴의 모서리의 일부를 절단하여 금속현미경(50 배율)으로 강괴의 표면을 관찰하였으며, 도 5에 나타내었다.

도 5는 실시예에 따른 방법에 의해 단접한 강괴의 금속현미경(50 배율) 이미지이다(단, (a)는 1차 단접한 강괴, (b)는 3차 단접한 강괴, (c)는 6차 단접한 강괴, (d)는 9차 단접한 강괴, (e)는 12차 단접한 강괴 및 (f)는 15차 단접한 강괴임).

도 5를 참조하면, 강괴는 접고 두드리는 과정에서 표면이었던 부분이 다시 내부로 들어가는 과정이 반복되면서 단접 방향으로 비금속개재물이 연신하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고, 3 및 6차 단접한 강괴의 내부의 펄라이트가 확인되었으며, 이를 통해, 강괴의 표면이었던 부분은 숯가루와 황토물로 인해 침탄 가열되었다가 다시 내부로 들어가게 된다는 사실을 확인할 수 있었다.

또한, 강괴는 페라이트 및 펄라이트로 이루어져 있으며, 강괴의 미세조직에 비금속개재물은 단접면을 따라 연신하고, 펄라이트와 페라이트의 경계 부분에는 비드만스테튼 조직이 확인되었다. 그리고, 단접 횟수가 증가할수록 결정립이 미세해지는 것을 확인할 수 있었다.

이에 따라, 정련 및 단접 과정을 통해 강괴에 포함된 불순물이 제거될 뿐 아니라, 강괴 결정립의 미세화와 고른 탄소 함량을 갖는 균질한 강괴가 생산됨을 미세조직 관찰을 통해 확인할 수 있었다. 또한, 12 및 15차 단접한 강괴에서는 단접면으로 추정되는 부분에 탄소함량이 많은 펄라이트가 형성되어 있었으며, 주변 조직보다 탄소함량이 높아 검게 보이는 부분으로 물결무늬를 이루고 있는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 주사전자현미경-에너지분산형 X-선 검출 분광기(SEM-EDS)으로 강괴의 미세조직 내에 남아있는 비금속개재물을 확인하고, 비금속개재물의 성분을 분석하였으며, 그 결과를 도 6 및 표 3에 나타내었다.

도 6은 실시예에 따른 방법에 의해 제조된 강괴의 단접면에 있는 비금속 개재물을 나타낸 SEM 이미지 및 EDS 분석위치이다(단, A는 1차 단접한 강괴, B는 3차 단접한 강괴, C는 6차 단접한 강괴, D는 9차 단접한 강괴, E는 12차 단접한 강괴 및 F는 15차 단접한 강괴임).

도 6을 참조하면, 1차 단접한 강괴의 비금속개재물에는 우스타이트(wustite) 및 파얄라이트(fayalite)가 확인되었고, 3차 단접한 강괴에서는 유리질 슬래그 또한 확인되었으며, 6차 단접한 강괴에서도 우스타이트(wustite) 및 파얄라이트(fayalite)가 확인된 점에서 동일한 양상을 보였다.

또한, 표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예에 따른 방법에 의해 단접한 강괴의 성분 분석 결과, CaO의 함량이 낮은 것을 확인할 수 있었고, 제련 시 조재제를 첨가하지 않아 노벽 혹은 연료의 재(ash) 성분에서 기인한 양이 그대로 강괴에까지 이어지는 것을 확인할 수 있었다. 상기 강괴의 비금속개재물은 함량의 차이는 있으나 TiO₂ 및 V₂O₅도 큰 변화 없이 일정한 양을 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다(단, 표 3에서 A는 1차 단접한 강괴, B는 3차 단접한 강괴, C는 6차 단접한 강괴, D는 9차 단접한 강괴, E는 12차 단접한 강괴 및 F는 15차 단접한 강괴이고, 1 내지 4는 위치를 나타냄).

또한, 9차 단접한 강괴의 비금속개재물에는 우스타이트가 형성되어있으며 다른 하나는 파얄라이트 바탕 위에 우스타이트가 위치하고 있는 것을 확인할 수 있었고, 12차 단접한 강괴에서는 유리질 슬래그 또한 확인되었으며, 유리질 바탕에 파얄라이트의 슬래그가 존재하였고, 단접이 거듭될수록 비금속개재물의 성상도 균질해지는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

특히, 15차 단접한 강괴에서는 유리질 슬래그에 미세한 미세한 비금속개재물들을 확인할 수 있었고, 12차 및 15차 단접한 강괴는 단접횟수가 증가함에 따라, 철괴 내부에 존재하는 비금속개재물의 양이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

<실험예 2> 정련 및 단접 공정에 의한 영향 분석

단접한 횟수에 따른 불순물의 함량 변화, 잔류하는 비금속개재물 및 완전히 단접되지 않아 형성된 공극의 량을 분석하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다.

도 7은 실시예에 따른 방법에 의해 제조된 강괴 내 비금속 개재물 및 공극의 분포도를 나타내는 도면이다(단, A는 1차 단접한 강괴, B는 3차 단접한 강괴, C는 6차 단접한 강괴, D는 9차 단접한 강괴, E는 12차 단접한 강괴 및 F는 15차 단접한 강괴이고, 백색은 금속부분이며 흑색은 비금속개재물과 공극의 위치를 나타냄).

도 7을 참조하면, 단점한 횟수가 증가할수록 불순물과 공극의 양이 줄어들고 금속 조직이 점차 치밀해지는 것을 확인할 수 있었다. 그리고, 불순물과 공극이 금속부분에서 차지하는 비율을 하기에 나타낸 수학식 2를 이용해 계산하였으며, 그 결과를 하기의 표 4에 나타내었다.

[수학식 2]

표 4에 나타낸 바와 같이, 1차 단접한 강괴의 경우 불순물과 공극의 비율이 26.09%인데 반해, 15차 단접한 강괴에서는 불순물과 공극의 비율이 0.55%까지 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 단접 횟수가 증가할수록 철괴는 정련되어 보다 치밀한 조직을 가지게 되고 불순물이 제거된다는 사실을 확인할 수 있었다.

Claims

(a) 사철을 제련하여 얻어진 사철 철괴를 단야로에서 가열하는 단계;
(b) 상기 단계 (a)에서 가열한 사철 철괴를 단조하여 사철 강괴를 제조하는 단계;
(c) 상기 단계 (b)에서 제조한 사철 강괴의 외면을 숯과 황토로 코팅하는 단계;
(d) 상기 단계 (c)에서 코팅한 사철 강괴를 가열하고, 가열한 사철 강괴를 길이방향을 따라 포갠 후, 단접하여 단접 사철 강괴를 제조하는 단계; 및
(e) 상기 단접 사철 강괴의 외면을 상기 숯과 황토로 코팅하고, 코팅한 단접 사철 강괴를 가열한 후, 상기 단접 사철 강괴를 길이방향을 따라 포개어 단접하는 단계;를 포함하되,
상기 단계 (a)의 사철은, 산화철(FeO) 85 내지 95 중량%, 실리카(SiO₂) 3 내지 7 중량%, 산화알루미늄(Al₂O₃) 2 내지 4 중량%, 산화칼슘(CaO) 0.1 내지 0.5 중량%, 산화망간(MnO) 0.1 내지 0.5 중량%, 이산화티탄(TiO₂)0.4 내지 0.7 중량% 및 산화바나듐(V₂O₅)0.2 내지 0.5 중량%를 포함하며,
상기 단계 (a), (d) 및 (e)에서의 가열은 900 내지 1200 ℃의 단야로에서 실시하고,
상기 단계 (e)를 14회 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 다층소재의 제조방법.
삭제
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삭제
제1항에 있어서,
상기 단계(a)의 사철 철괴의 투입량 대비, 상기 단계 (e)를 14회 반복 수행한 후, 상기 단접 사철 강괴의 수율은 10% 이상인 것을 특징으로 하는 다층소재의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계(a)의 사철 철괴의 불순물 및 공극의 비율이 25% 이상이고, 상기 단계 (e)를 14회 반복 수행한 후, 상기 단접 사철 강괴의 불순물 및 공극의 비율은 0.6% 이하인 것을 특징으로 하는 다층소재의 제조방법.
제1항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 제조된 다층소재.