KR100352365B1 - 압탕을 구비하지 않는 구상 흑연주철의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압탕(hot top)을 구비하지 않는 구상 흑연주철(nodular graphite cast iron)의 제조 방법에 관한 것으로, 제조되는 흑연주철의 내부결합 방지 및 회수율 상승의 효과를 얻는, 압탕을 구비하지 않는 구상 흑연주철의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

압탕을 구비하지 않는 구상 흑연주철의 제조 방법{THE METHOD OF MANUFACTURING NODULAR GRAPHITE CAST IRON WITHOUT HOT TOP}

본 발명은 압탕(hot top)을 구비하지 않는 구상 흑연주철(nodular graphite cast iron)의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제조되는 흑연주철의 내부결합 방지 및 회수율 상승의 효과를 얻는 압탕을 구비하지 않는 구상 흑연주철의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 구상 흑연주철은 보통 주철 중에 있는 편상 흑연을 구상화(球狀化)한 조직을 갖게 한 주철로서 기지(基地)의 종류에 따라 퍼얼라이트(pearlite)형과 페라이트(ferrite)형이 있는데 상기 퍼얼라이트형은 퍼얼라이트 기지에 구상 흑연이 분포된 것으로 인장 강도는 80~100kg/mm²에 달하며, 연율은 1~5% 가량이다.상기 페라이트형은 구상 흑연의 주위에 페라이트로 둘러싸인 불스 아이(bull's eye) 형상, 조직, 및 페라이트 기지로 형성되어 있고, 그 인장 강도는 50~80kg/mm², 연율은 10~20%이다. 퍼얼라이트형 조직은 700~750℃에서 1~5시간 풀림하면 페라이트화가 촉진되어 연율이 증가된다. 내열성, 내마모성은 보통 주철보다 좋으나, 주조할 때에 수축이 크고 또한 가스가 발생하기 쉽다. 구상 흑연 주철은 각종 기관의 크랭크축, 캠축, 밸브, 로울러, 잉곳 케이스, 주철관, 각종 기어, 및 내연기관의 실린더 등에 널리 사용된다.

구상 흑연주철 제조법에는 T·C(전 탄소량);3.4~4.2%, Si;1.6~2.0%, Mn <0.4%, S; 0~0.05%, P <0.2%의 성분을 가진 용해 쇳물에 금속 Mg, Mg 합금, 또는 Cu-Ni 합금을 소량 첨가한다(보통 Mg 0.05~0.08%가 잔류하도록 성분을 조절함). Mg 대신으로 Ce 합금, 및 Ca 등도 사용되고, 또한 S, P가 적을수록 Mg 첨가량이 적어도 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 현장 작업자의 경험을 기초로 하여 구상 흑연주철을 소재로 주조품을 제조하는 공정은; 최종 완성품을 목표로 한 (1) 주조품의 설계, 상기 주조품을 최적으로 만들기 위한 (2) 주조방안의 작성, 상기 주조방안에 따른 (3) 모형의 제작, (4) 주물사의 제조, (5) 주형의 제작, 주물의 (6) 용해, (7) Mg 처리, (8) 후접종 처리, 상기 용해, Mg처리, 및 후접종 처리를 거친 주물 용액의 (9) 주입, (10) 후처리, (11) 열처리, (12) 검사 및 시험의, 단계들로 이루어진다.

여기서, Mg 처리는 마그네슘 합금을 예로 들면, Mg 90% 내외와 Al, Zn, 및 Mn 등의 2원 내지 4원 합금이 주로 사용되는데, 알루미늄 합금 보다 비중이 작고, 기계적 성질이 우수한 것이 특색이나 내식성이 나쁘다. 비행기, 자동차 등 강도를 필요로 하지 않는 부분품에 사용된다.

상기 후접종은 쇳물 주입 전에 접종제(接種劑)로서 Ca-Si를 첨가하여 주철 중의 C, Si가 적어서 생기는 백선화(白銑化)를 방지하는데 사용한다. 또한 후처리는 형의 해체, 및 주물로부터 모래의 제거를 뜻한다.

후처리는 주입 금속이 응고되면 주형을 해체하고 철주물과 같은 것은 쇳물 아궁이를 해머로 쳐서 절단하고, 정밀하고 중요한 것은 쇠톱으로 절단하는 것을 말한다.

열처리는 용융 금속이 주형에 넣어져 냉각·응고되는 과정에서 급랭되어 발생되는 주조 내부 응력 및 변형을 방지한다.

종래에는 작업자가 현장경험을 바탕으로 위의 5개 공정을 시행착오법(Trial Error)을 이용해 처리함으로써, 주조품 내에 내부 결함이 빈번히 발생되게 되었다. 그에 따라서, 주조품의 생산성 저하, 품질 저하, 납기 연장, 및 주조 제품에 대한 신뢰성 하락의 결과를 가져왔다.

게다가, 흑연정출에 의한 팽창은 고려하지 않고 액상수축 및 응고수축만 고려하여, 후육부에 압탕을 세웠기 때문에 회수율이 감소되었다. 이와 같이, 주물의 생산성을 향상시키기 위해서는 회수율(주물중량/전체중량)이 높아야 하는데, 후육부에 항상 압탕을 설치하였기 때문에 회수율 감소의 원인으로 작용하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 압탕(hot top)을 구비하지 않는 구상 흑연주철의 제조 방법(method of manufacturing nodular graphite cast iron without hot top)에 있어서,

주형을 제작하는 제 1단계;

구상 흑연 정출용 조성물을 조성하는 제 2단계;

상기 조성된 구상 흑연 정출용 조성물을 선철과 함께 용해로에 투입하여 용탕을 제조하는 제 3단계; 및

상기 제 3단계의 용탕(molten metal)을 상기 주형에 주입하는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 압탕을 구비하지 않는 구상 흑연주철의 제조 방법을 특징으로 함으로써, 제조되는 흑연주철의 내부결합 방지 및 회수율 상승의 효과를 얻는, 압탕을 구비하지 않는 구상 흑연주철의 제조 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 일반적으로 작업자의 현장 경험에 기초한 소정의 제조 단계들을 거쳐 구상 흑연주철의 주조품을 제작하는 공정을 나타내는 도면,

도 2는 본 발명의 구상흑연 주철품의 제조 방법을 나타내는 도면이다.

상기 제 1단계에는 CO₂주형, 펩셋(pepset) 주형, 및 후탄 주형의 3가지가 있으며, CO₂주형은 건조한 주물사(moulding sand)에 3% 내지 6%의 규산소다를 첨가하여 혼련(mulling)한 후, 주형에 CO₂가스를 취입(blowing)하여 경화시키는 조형법(moulding method)이고; 펩셋 주형은 건조한 주물사에 페놀 수지(phenol resin)와 경화촉진제를 첨가하여 혼련시킨 후, 상온에서 자경(self hardening)시키는 조형법이며; 후탄 주형은 건조한 주물사에 후탄계 수지 및 경화촉진제를 첨가하여 혼련시킨 후, 상온에서 자경시키는 조형법이다.

상기 제 2단계에서는 구리(Cu) 및 니켈(Ni)을 사용하며, 망간(Mn), 크롬(Cr), 및 몰리브덴(Mo)의 사용을 자제한다. 구리 및 니켈은 강도의 저하없이 구상흑연을 정출(crystallization)시키지만, 망간, 크롬, 및 몰리브덴은 강도는 향상시키지만, 구상흑연의 정출을 방해하기 때문이다.

또한, 상기 제 2단계에서는 잔류 마그네슘의 함량이 0.04 중량% 보다 커지면, 구상흑연의 정출이 방해된다.

상기 제 3단계에서는 선철(pig iron)을 첨가한다. 선철은 100 중량%인 것이 바람직하다. 선철은 철광석에서 직접 제조한 철의 일종으로, 불순물이 많으며, 탄소 함유량은 2.6% 내지 5%이다. 일반적으로, 질이 취약하여 주철 주물을 만드는데 적합하다. 선철 중에서 파면이 회색인 것을 회색선철(gray pig iron)이라 하며, 백색의 것을 백선철(white pig iron)이라 하고, 양자가 혼합된 것을 반선이라고 한다.

또한, 상기 제 3단계에서는 고주파유도용해로(high frequency induction melting furnace)를 사용한다. 이것은 유도 용해로 중에서 500 Hz 내지 수만 Hz의 중, 고주파 전류를 사용하는 용해로로, 유도 전류에 의해서 전기 에너지가 열 에너지로 변환하여 재료를 가열 용해하는 것이다. 유도로 용해에서는 전자력 때문에 용탕이 교반되며 표면적도 작으므로, 슬래그에 의한 정련은 불가능하다. 고주파로의 용도는 원료 지금이 정선되는 합금 주강 기타의 특수 합금에 한정되는데, 이들 합금의 용해에는 우수한 장점을 나타낸다.

상기 제 4단계에서는 주입온도가 1200℃ 내지 1400℃인 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 4단계에서는 주형 내에 벤트(vent)를 설치하는데, 이것은 주형 내에 발생한 가스를 주형 밖으로 배출시키기 위한 목적을 갖는다.

게다가, 상기 제 4단계에서는 용탕의 흐름을 통해 후접종을 실시하는데, 후접종은 용탕에 FeSi와 같은 물질을 뿌려주는 작업을 의미하며, 구상 흑연주철의 정출량을 증가시키기 위한 목적을 갖는다.

본 발명에서, 구상 흑연주철은 주입후 냉각 과정중 액상수축, 흑연정출에 의한 팽창, 및 응고수축을 하기 때문에, 상기 응고 특성을 이용하면, 압탕을 구비하지 않은 구상 흑연주철의 제조 방법 및 이에 따른 주물의 회수율 증가가 가능하다.

구상 흑연주철은 주입후 응고에 이르기까지 액상수축, 응고수축, 및 고상수축 3종류의 수축과정을 거친다. 상기 액상수축은 주입온도에서 응고개시 온도까지 액체 상태의 부피수축을 의미하고; 상기 응고수축은 응고개시 온도에서 응고 종료 온도까지의 (액상+고상) 혼합 상태의 부피 수축을 의미하며; 고상수축은 응고 종료온도에서 실온에 이르기까지 고상 상태의 부피 수축을 의미한다.

구상 흑연주철의 경우, 주강 및 비철과는 달리 응고과정에서 흑연이 정출되어 부피가 팽창하게 되는데, 이를 흑연정출에 의한 팽창이라고 한다.

구상 흑연주철은 상술된 바와 같이, 주형에 주입되어 응고과정을 거쳐 실온에 이르기까지 액상수축, 응고수축, 및 고상수축을 일으키기 때문에 부피가 수축된다. 따라서, 상기 부피수축을 보완하기 위해서, 주조품의 상부 또는 횡부에 설치하는 보조 주조품을 압탕(hot top)이라고 한다.

주물의 회수율과 압탕 부피의 관계를 살펴보면, 주물의 회수율 = 주조품의 부피/(압탕의 부피 + 주조품의 부피)이므로, 압탕의 부피와 회수율은 반비례하는 것을 알 수 있다.

구상 흑연주철 주조품의 경우, 상술된 바와 같이 응고수축 과정에서 흑연정출에 의한 팽창이 일어나므로, 상기 팽창을 수축과 상쇄시키면 압탕을 구비하지 않는 제조 방법을 생성하는 것이 가능하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 압탕을 구비하지 않는 구상 흑연주철의 제조 방법에 의하면, 제조되는 흑연주철의 내부결합 방지 및 회수율 상승의 효과를 얻는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 압탕(hot top)을 구비하지 않는 구상흑연주철의 제조 방법에 있어서,

   주형을 제작하는 제 1단계;

   구상 흑연 정출용 조성물을 조성하는 제 2단계;

   상기 조성된 구상 흑연 정출용 조성물을 선철과 함께 용해로에 투입하여 용탕을 제조하는 제 3단계; 및

   상기 제 3단계의 용탕(molten metal)을 상기 주형에 주입하는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 압탕을 구비하지 않는 구상 흑연주철의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1단계는 CO₂주형, 펩셋(pepset) 주형, 후탄 주형을 포함하는 것을 특징으로 하는, 압탕을 구비하지 않는 구상 흑연주철의 제조 방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서, 상기 제 2단계의 구상 흑연 정출용 조성물이 탄소(C) 및 규소(Si)의 함유량 합 4.3중량%, 구리(Cu) 및 니켈(Ni), 잔류 마그네슘의 함량 0.04 중량% 미만을 포함하는 것을 특징으로 하는, 압탕을 구비하지 않는 구상 흑연주철의 제조 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 제 3단계는 고주파유도용해로(high frequency induction melting furnace)를 사용하는 것을 특징으로 하는, 압탕을 구비하지 않는 구상 흑연주철의 제조 방법.
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서, 상기 제 4단계는 주입온도가 1200℃ 내지 1400℃인 것을 특징으로 하는, 압탕을 구비하지 않는 구상 흑연주철의 제조 방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 제 4단계는 상기 주형 내에 벤트(vent)가 설치된 것을 특징으로 하는, 압탕을 구비하지 않는 구상 흑연주철의 제조 방법.
10. 제 1항에 있어서, 상기 제 4단계는 용탕 주입시 용탕의 흐름을 통해 후접종을 실시하는 것을 특징으로 하는, 압탕을 구비하지 않는 구상 흑연주철의 제조 방법.