KR100212817B1 - 주철합금 및 이를 소재로 한 고인성 구상흑연주철의 제조방법 - Google Patents

주철합금 및 이를 소재로 한 고인성 구상흑연주철의 제조방법 Download PDF

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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C22C33/08—Making cast-iron alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D5/00—Heat treatments of cast-iron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/04—Cast-iron alloys containing spheroidal graphite

Abstract

본 발명은 주철합금 및 이를 소재로 한 고인성 구상흑연주철의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, C 3.2
Figure kpo00001
3.7중량%, Si 2.0
Figure kpo00002
2.5중량%, Mn 0.1
Figure kpo00003
0.4중량%, P 0.01
Figure kpo00004
0.07중량%, S 0.001
Figure kpo00005
0.02중량%, Mg 0.02
Figure kpo00006
0.05중량%, Mo 0.2
Figure kpo00007
0.4중량%, Cu 0.6
Figure kpo00008
1.2중량% 또는 Ni 1.2
Figure kpo00009
2.0중량%를 포함하고 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되며, 구상화율 80%이상, 흑연수 150개/
Figure kpo00010
이상, 페라이트 8
Figure kpo00011
30%, 펄라이트 70

Description

주철합금 및 이를 소재로 한 고인성 구상흑연주철의 제조방법
본 발명은 주철합금 및 이를 소재로 한 고인성 구상흑연철의 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세히는 저렴한 가격으로 기존의 강으로 된 각종 부품을 대체하여 적용가능한 물성을 지닌 주철합금 및 이의 열처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 금속제품의 재료로서 탄소함유량 0.035%
Figure kpo00014
1.7%의 강(steel) 대신에 탄소함유량이 1.7%
Figure kpo00015
6.67%의 주철(cast iron)을 사용하면 가격을 낮출 수 있고 기계부품에는 소음도 줄일 수 있으며, 내마모성의 증가로 수명도 늘릴 수 있고, 강의 비중보다 주철의 비중이 작으므로 경량화도 가능하다. 그러나, 이러한 주철은 충격 하중에 약하여 쉽게 파손되는 단점을 가진다.
종래에, 이러한 주철의 문제점을 보완하여 일반 강과 대등한 고인성 및 피로강도를 갖도록 하기 위해 고온에서 흑연화를 위해 일정시간 유지한 후 유냉(Oil quenching)하는 주철의 열처리방법이 사용되고 있다. 즉, 구상흑연주철을 970
Figure kpo00016
로 가열하여 10시간 이상 유지시킨 후(탄소의 흑연화) 다시 800
Figure kpo00017
로 낮춘 다음 일정시간 유지하고 공기중에서 냉각하고 다시 870
Figure kpo00018
로 가열하여 일정시간 유지 후 유냉한 다음 580
Figure kpo00019
로 템퍼링하면 인장강도는 40
Figure kpo00020
/㎟이상이고 신율이 20%이상인 탄소주강품(cast steel)과 성질이 비슷한 재료를 얻을 수 있다. 그러나, 이러한 열처리방법은 비용이 많이 들기 때문에 기존의 강제품보다 가격이 비싸서 널리 활용되지 못하고 있다.
또한, 주철의 문제점을 보강하여 내충격성을 높여 강과 비슷한 성질을 얻기 위한 다른 방법으로서 오우스템퍼링(Austempering) 열처리법이 사용되는데, 이것은 미합금상태 또는 합금상태의 구상흑연주철을 890
Figure kpo00021
Figure kpo00022
910
Figure kpo00023
로 가열한 후 250
Figure kpo00024
450
Figure kpo00025
로 급냉하여 일정시간 유지시키면 주철의 조직이 강의 성질에 접근하는 베이나이트(bainate)조직으로 변태하여 인장강도가 90
Figure kpo00026
170
Figure kpo00027
/㎟이상이고 신율이 4
Figure kpo00028
15%로서 인장강도와 신율이 우수한 ADI(Austemper Dustile Iron) 재료를 얻을 수 있다.
그런데, 이를 위해서는 기존의 강을 대체하기 위해 소요의 물성치를 나타낼 수 있는 합금성분의 선택이나 합금성분에 따른 템퍼링온도의 설정도 쉽지 않기 때문에 그 활용이 미진한 실정이다.
본 발명은 전술한 바와같은 종래의 고인성 제조상의 문제점에 착안하여 제안된 것으로서, 일정한 조직을 균일하게 형성시켜서 강제품에 요구되는 소요의 인성과 신율 및 강도를 발휘할 수 있는 새로운 주철합금 및 이를 이용한 고인성 구상 흑연주철의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
제1도는 본 발명에 따른 주철합금의 일차성형품의 구성도.
제2도와 제3도는 본 발명에 적용되는 시험편의 구성도.
제4도는 본 발명에 따른 오스템퍼링 열처리 사이클도.
제5도는 템퍼링온도에 따른 경도와 충격치의 관계를 보여주는 도면.
제6도는 템퍼링온도에 따른 인장강도와 신율의 관계를 보여주는 도면.
제7도는 본 발명에 따른 고인성주철용 열처리 사이클도.
본 발명에 따르면, C 3.2
Figure kpo00029
3.7중량%, Si 2.0
Figure kpo00030
2.5중량%, Mn 0.1
Figure kpo00031
0.4중량%, P 0.01
Figure kpo00032
0.07중량%, S 0.001
Figure kpo00033
0.02중량%, Mg 0.02
Figure kpo00034
0.05중량%, Mo 0.2
Figure kpo00035
0.4중량%, Cu 0.6
Figure kpo00036
1.2중량% 또는 Ni 1.2
Figure kpo00037
2.0중량%를 포함하고 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되며, 구상화율 80%이상, 흑연수 150개/
Figure kpo00038
이상, 페라이트 8
Figure kpo00039
30%, 펄라이트 70
Figure kpo00040
92%로 이루어진 것을 특징으로 하는 주철합금이 제공된다.
본 발명에 따르면, C 3.2
Figure kpo00041
3.7중량%, Si 2.0
Figure kpo00042
2.5중량%, Mn 0.1
Figure kpo00043
0.4중량%, P 0.01
Figure kpo00044
0.07중량%, S 0.001
Figure kpo00045
0.02중량%, Mg 0.02
Figure kpo00046
0.05중량%, Mo 0.2
Figure kpo00047
0.4중량%, Cu 0.6
Figure kpo00048
1.2중량% 또는 Ni 1.2
Figure kpo00049
2.0중량%를 포함하고 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되며, 구상화율 80%이상, 흑연수 150개/
Figure kpo00050
이상, 페라이트 8
Figure kpo00051
30%, 펄라이트 70
Figure kpo00052
92%로 이루어진 주철합금을 무산화분위기로에서 소재의 심부까지 850
Figure kpo00053
1,000
Figure kpo00054
로 가열한 후 그 온도에 도달한 때로부터 1
Figure kpo00055
10시간 유지시킨 후 상온까지 1
Figure kpo00056
5
Figure kpo00057
이하/분의 속도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 고인성 구상주철합금의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또다른 특징에 따르면, C 3.2
Figure kpo00058
3.7중량%, Si 2.0
Figure kpo00059
2.5중량%, Mn 0.1
Figure kpo00060
0.4중량%, P 0.01
Figure kpo00061
0.07중량%, S 0.001
Figure kpo00062
0.02중량%, Mg 0.02
Figure kpo00063
0.05중량%, Mo 0.2
Figure kpo00064
0.4중량%, Cu 0.6
Figure kpo00065
1.2중량% 또는 Ni 1.2
Figure kpo00066
2.0중량%를 포함하고 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되며, 구상화율 80%이상, 흑연수 150개/
Figure kpo00067
이상, 페라이트 8
Figure kpo00068
30%, 펄라이트 70
Figure kpo00069
92%로 이루어진 주철합금을 무산화분위기 로에서 소재의 심부까지 400
Figure kpo00070
700
Figure kpo00071
에서 예열한 후, 고온염욕로 또는 무산화분위기로에서 890
Figure kpo00072
910
Figure kpo00073
에 도달시켜서 1
Figure kpo00074
3시간 유지시킨 후 교반중인 저온 염욕로에 넣어 250
Figure kpo00075
450
Figure kpo00076
에 도달하도록 냉각시켜서 1
Figure kpo00077
2.5시간 유지시킨 후 공기중에 냉각하는 것을 특징으로 하는 고인성 구상흑연주철의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기한 열처리 전에 신율로 증가시키기 위해 무산화분위기 로에서 750
Figure kpo00078
980
Figure kpo00079
로 도달시킨 후 2시간이상 유지하고 로내에서 서냉하는 것을 특징으로 하는 고인성 구상흑연주철의 제조방법이 제공된다.
이하에서 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명한다. 상기한 조성을 가진 소재의 혼합물을 전기로, 유도로 또는 기타 용해로로 용해하고, 흑연을 구상화시키기 위한 처리를 하여 주조하여 구상흑연주철을 제조한다.
본 발명에 금속소재의 성분규정의 이유를 설명하면 C는 3.2
Figure kpo00080
3.7중량% 포함되는데 C가 3.2% 이하일 때에는 구상화과정에서 편석이 발생할 확률이 높으며 3.7% 이상일 때에는 열처리 후의 신율 감소현상이 생긴다.
Mo는 0.2
Figure kpo00081
0.4중량% 포함되는데 Mo는 열처리시(ADI시) 냉각속도의 조절역할, 즉 두께차가 큰 제품의 심부까지 균일한 조직을 형성시키는 역할을 하며 베이나이트화 과정에서 냉각속도차에 따른 조직의 변화를 억제하여 균일한 조직을 이루도록 한다. 0.4중량% 이상 사용할 때는 편석을 일으키기 쉬우며 흑연화를 위한 고온유지시간이 장시간 필요하게 된다. 0.2중량% 이하로 사용할 때에는 냉각시 조직이 불균일 해지는 문제가 있다.
Mn은 열처리시 베이나이트화를 촉진하는 효과가 있으나 0.4중량% 이상을 사용하면 편석으로 인한 국부경화가 발생하고 균일한 조직을 만들지 못하고 취약해지며 신율 및 충격강도를 저하시킨다. 0.2중량% 이하 사용하면 베이나이트화가 저하된다.
Cu와 Ni는 Mo와 함께 사용되어 신율과 충격강도의 저하를 막아준다. Cu와 Ni는 동시에 첨가되어도 무방하나 주조원가의 절감을 위해 같이 사용할 필요가 없다.
S는 0.001
Figure kpo00082
0.02중량% 사용되나 S의 양이 많아지면 Mn의 양은 상대적으로 줄어들게 된다. 특히 고인성주철에서는 S의 양이 0.01%이하가 좋다.
Si와 P의 조성비는 일반적인 주철합금에 적용되는 값이다. Mg는 구상화를 위해 최소한 0.02% 사용되지만 0.05% 이상 사용할 때에는 소재를 취약하게 하고 소요의 신율을 얻을 수 없다.
이러한 조성의 합금재료(표 1 참조)를 가지고 2회이상 구상화접종처리를 하여 하기의 표 2와 같은 물성을 가진 구상흑연주철 합금을 얻는다. 구상화율이 80% 미만일 경우에는 열처리후에 부분적인 편석이 발생하고 경도가 불균일하기 때문에 고온에서 장시간의 흑연화작업이 필요하게 되고, 열처리비용이 올라가서 바람직하지 않게 된다. 또한, 흑연입수가 많을수록 열처리후의 신율이 향상되는데, 150개/
Figure kpo00083
이하가 되면 열처리후, 신율과 충격강도가 급격히 떨어져서 목적하는 제품을 얻을 수 없다. 구상화조직 내에는 페라이트조직과 펄라이트조직이 분포되어 있으며, 펄라이트 조직이 70%미만이 되면 열처리후의 조직이 균일하지 못하고, 인장과 신율이 불규칙하게 되며, 92%이상이 되면 열처리후의 신율상승을 저해하여 원하는 성질의 제품을 얻을 수 없다. 이러한 조성의 구상흑연주철을 가지고 전술한 바와같은 열처리를 하였을 때 신율과 인장강도에서 강제품에 상응하는 고인성 구상흑연주철을 만들 수 있다.
Figure kpo00084
Figure kpo00085
[실시예 1]
[주철합금소재제작]
소재는 고철과 회수철에 가탄제를 혼합하고 저주파 유도로에 장입하고 가열하여 용탕을 만든 뒤 용기에 출탕(출탕온도 1,500
Figure kpo00086
정도)하고 용기에서 Fe-Si-Mg를 2회이상 접종하여 구상화처리를 하여 제1도와 같은 형성으로 조형된 사형에 주입하여 냉각시켰다. 일차 주조품의 성분분석결과에 따라 부족한 금속재료를 추가하여 표 3과 같은 시험편을 제작하였으며, 이들 시험편을 제1도의 빗금친 부분을 절개하여 제2도와 같은 인장시험편(KSB 0801)을 제작하여 열처리전 주철의 물성치를 시험한 결과는 아래의 표 4와 같았다.
Figure kpo00087
Figure kpo00088
[실시예 2]
[오스템퍼링 열처리]
제2도와 같이 만든 시험편 다수를 무산화분위기로에서 400
Figure kpo00089
700
Figure kpo00090
로 예열한 후 900
Figure kpo00091
의 염욕로 또는 900
Figure kpo00092
도의 무산화분위기 로에서 온도도달 후 2시간 유지시킨 후 250
Figure kpo00093
450
Figure kpo00094
의 저온염욕로에 급냉하여 1.5시간 유지시킨 후 공랭하였다. (제4도 참조)
이렇게 제작된 시험편의 물성치를 시험한 결과 물성의 평균치는 표 5와 같았다. 그 결과는 제5도 및 제6도에서 나타난 바와같이 템퍼링온도가 낮은쪽으로 갈수록 경도와 인장강도는 상승하고 충격치와 신율은 390
Figure kpo00095
까지는 계속 상승하다가 400
Figure kpo00096
이상의 온도에서는 조금씩 떨어지다가 420
Figure kpo00097
이상이 되면 급격히 감소하는 현상을 나타낸다. 그러므로 제품에 적용할 수 있는 템퍼링온도는 250
Figure kpo00098
450
Figure kpo00099
가 적당하며, 이 범위에서는 인장강도 100
Figure kpo00100
/㎟이상, 신율은 6%이상을 나타낸다. 이러한 물성치는 강 제품의 대체소재로 만족스럽게 사용될 수 있으며, 제6도는 그 구체적인 적용제품을 예시한다.
Figure kpo00101
* 내마모성은 같은 성질을 가진 강과 동시마찰시험을 하여 얻은 결과임
Figure kpo00102
[실시예 3]
[고인성주철의 열처리]
실시예 1로 만든 소재를 제1도의 빗금친 부분을 절개하여 제2도와 같은 금속재료 인장시험편(KSB 0801) 및 제3도와 같은 금속재료 시험편(JIS Z 2274)을 다수 제작하여 850
Figure kpo00103
1000
Figure kpo00104
의 무산화분위기로에서 제품이 목표온도 도달후 1
Figure kpo00105
10시간 유지하고 로내에서 1
Figure kpo00106
5
Figure kpo00107
/분의 속도로 서서히 냉각하였다. (제7도 참조) 냉각시 제품온도가 300
Figure kpo00108
이하일 때에는 대기중에서 공랭시켜서 된다. 이와같이 제작된 시험편의 물성치의 시험결과는 아래의 표와 같으며, 고온유지온도가 높을수록 신율과 피로강도는 높아지나 인장강도와 경도는 떨어지고 고온유지시간이 길어지면 신율과 피로강도는 증가하고 인장강도와 경도는 낮아지는 것으로 나타났다. 대체로 처리제품의 두께가 두꺼울수록 고온유지시간은 길어져야 한다. 이러한 결과는 탄소강 주강품(KS SC37
Figure kpo00109
SC49)에 대체할 수 있다는 것을 보여주며, 내마모성은 기존의 주강품보다 좋기 때문에 수명이 증가하는 결과를 얻을 수 있다. 이렇게 제조된 고인성 주철은 표 9와 같은 용도로 사용될 수 있다.
Figure kpo00110
Figure kpo00111
Figure kpo00112
이상에서 설명한 본 발명에 따르면, 저렴한 가격으로 기존의 강으로 된 각종 부품을 대체하여 적용가능한 주철합금소재와 이를 이용하여 경제적이고도 신뢰할 수 있는 고인성 구상흑연주철의 제조방법이 제공된다.

Claims (3)

  1. C 3.2
    Figure kpo00113
    3.7중량%, Si 2.0
    Figure kpo00114
    2.5중량%, Mn 0.1
    Figure kpo00115
    0.4중량%, P 0.01
    Figure kpo00116
    0.07중량%, S 0.001
    Figure kpo00117
    0.02중량%, Mg 0.02
    Figure kpo00118
    0.05중량%, Mo 0.2
    Figure kpo00119
    0.4중량%, Cu 0.6
    Figure kpo00120
    1.2중량% 또는 Ni 1.2
    Figure kpo00121
    2.0중량%를 포함하고 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되며, 구상화율 80%이상, 흑연수 150개/
    Figure kpo00122
    이상, 페라이트 8
    Figure kpo00123
    30%, 펄라이트 70
    Figure kpo00124
    92%로 이루어진 것을 특징으로 하는 주철합금.
  2. C 3.2
    Figure kpo00125
    3.7중량%, Si 2.0
    Figure kpo00126
    2.5중량%, Mn 0.1
    Figure kpo00127
    0.4중량%, P 0.01
    Figure kpo00128
    0.07중량%, S 0.001
    Figure kpo00129
    0.02중량%, Mg 0.02
    Figure kpo00130
    0.05중량%, Mo 0.2
    Figure kpo00131
    0.4중량%, Cu 0.6
    Figure kpo00132
    1.2중량% 또는 Ni 1.2
    Figure kpo00133
    2.0중량%를 포함하고 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되며, 구상화율 80%이상, 흑연수 150개/
    Figure kpo00134
    이상, 페라이트 8
    Figure kpo00135
    30%, 펄라이트 70
    Figure kpo00136
    92%로 이루어진 주철합금을 무산화분위기로에서 소재의 심부까지 850
    Figure kpo00137
    1,000
    Figure kpo00138
    로 가열한 후 그 온도에 도달한 때로부터 1
    Figure kpo00139
    10시간 유지시킨 후 상온까지 1
    Figure kpo00140
    5
    Figure kpo00141
    이하/분의 속도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 고인성 구상흑연주철의 제조방법.
  3. C 3.2
    Figure kpo00142
    3.7중량%, Si 2.0
    Figure kpo00143
    2.5중량%, Mn 0.1
    Figure kpo00144
    0.4중량%, P 0.01
    Figure kpo00145
    0.07중량%, S 0.001
    Figure kpo00146
    0.02중량%, Mg 0.02
    Figure kpo00147
    0.05중량%, Mo 0.2
    Figure kpo00148
    0.4중량%, Cu 0.6
    Figure kpo00149
    1.2중량% 또는 Ni 1.2
    Figure kpo00150
    2.0중량%를 포함하고 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되며, 구상화율 80%이상, 흑연수 150개/
    Figure kpo00151
    이상, 페라이트 8
    Figure kpo00152
    30%, 펄라이트 70
    Figure kpo00153
    92%로 이루어진 주철합금을 무산화분위기 로에서 소재의 심부까지 400
    Figure kpo00154
    700
    Figure kpo00155
    에서 예열한 후, 고온염욕로 또는 무산화분위기로에서 890
    Figure kpo00156
    910
    Figure kpo00157
    에 도달시켜서 1
    Figure kpo00158
    3시간 유지시킨 후 교반중인 저온 염욕로에 넣어 250
    Figure kpo00159
    450
    Figure kpo00160
    에 도달하도록 냉각시켜서 1
    Figure kpo00161
    2.5시간 유지시킨 후 공기중에 냉각하는 것을 특징으로 하는 고인성 구상흑연주철의 제조방법.
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