KR100665767B1 - 원심주조방법 - Google Patents

Abstract

축심을 중심으로 하여 회전하는 주형에 용융금속을 주입함에 있어서, 주입을 개시할 때부터 응고를 완료할 때까지의 사이에, 주형의 회전수를 강제적으로 변동시키며, 이때, 주형의 회전수의 증감속도를, 주입재료의 외표면에 부하되는 원심력의 증감속도가 중력배수로 0.5∼30G/s가 되도록 제어하는 것에 의하여 래미네이션 편석의 문제가 해소가능 한 원심주조방법을 제공한다.

Description

원심주조방법{CENTRIFUGAL CASTING METHOD}

본 발명은 원심주조방법에 관한 것이며, 특히 원심주조제품에 래미네이션 편석(偏析)등 조직의 불균일을 발생시키지 않는 원심주조방법에 관한 것이다.

예를 들면, 철강압연용 롤에서는 그 롤의 외각층(피압연재료와 접촉하는 원통형 부분)은 제조비용의 저감이나 에너지절감의 관점에서 축 중심을 중심으로 하여 회전하는 주형에 용융금속을 주입하는, 이른바 원심주조방법에 의해 제조하는 것이 유리하다.

종래의 원심주조방법에 있어서는 가능하면 조용히 응고시키는 것이 좋다는 기본사상에 입각하여, 외부의 힘이 가급적 작용하지 않도록 주형의 회전수를 일정하게 정밀하게 유지하며, 또한 주형의 진동을 억제하여 주입하는 것이 통례로 되어 있다.

또, 특허 제2778896호 공보에는 롤 외각층의 조직을 미세하고 균일하게 하여 내스캐브(scab)성, 내균열성을 향상시키기 위하여, 주형에의 용융금속(용탕)의 공급온도(주입온도)를 초정(初晶)생성온도 Tc(℃)로부터 Tc + 90(℃)에 걸친 온도영역으로 유지하여 평균 적층속도(주입속도)를 2∼40mm/분으로 관리하는 원심주조방법이 개시되어 있다.

이와 같은 롤 외각층 조직의 균일화를 겨냥한 발명에 있어서도, 주형의 회전수는 용탕표면의 원심력의 중력배수가 한 예에서는 140G, 다른 예에서는 120G가 되도록 일정한 값으로 설정되어 있다.

원심주조에 있어서의 응고과정에서는 주형의 반경방향으로 띠형상 혹은 얼룩 형상의 층을 형성하는 벤드형상 편석(래미네이션 편석이라고 칭함)이 생성된다. 예를 들면 원심주조된 열간압연용 롤에서는 도 3에 나타내는 바와 같이, 롤의 외각층(1)내에 덴드라이트(dendrite;수지상 결정)의 농화부(濃化部)(덴드라이트 농화층(2)와 경질의 탄화물 농화부(탄화물 농화층(3))가 교호로 적층된 형태의 래미네이션 편석이 형성된다. 이들 농화층은 30∼100mm정도의 두께 내에 2∼6개정도 생기는 경우가 많다. 이와 같은 래미네이션 편석은 압연에 사용하는 중에 마모에 따라서 몇차례나 연삭되는 롤 외각층의 마모면 혹은 연마면에 편석모양으로 되어 현출하여, 롤의 내스캐브성이나 내균열성 등의 롤특성을 열화시킨다. 또 다듬질 밀의 최종 스텐드에 래미네이션 편석이 존재하는 롤을 사용하면, 그 편석모양이 피압연재료의 표면에 전사되어 압연제품의 표면품질을 저하시키기 때문에 최근의 엄격한 표면품질을 요구하는 강판의 다듬질 압연에는 사용할 수 없다.

그런데, 이 래미네이션 편석은 종래의 원심주조법에 있어서는 회피할 수 없는 것으로 생각되어 왔다.

또한, 상기의 특허 제2778896호 공보에는 주조조직을 미세하고 균일하게 하는 방법이 개시되어 있으나, 이 방법에서는 주입속도가 현저히 작기 때문에 롤의 외각층 표면에 겹표면 결함이나 스패터링 형상의 결함이 생기기 쉽다. 또, 주입속 도가 극히 작을 뿐만 아니라, 주조온도가 낮고 관리범위도 Tc∼Tc + 90(℃)로서 좁기 때문에 용탕의 유동성을 확보하는 것이 곤란하며, 또 관리범위를 일탈하기 쉽기 때문에 안정적인 조업을 시행하기가 곤란하다.

그러나, 래미네이션 편석을 없앨 수 있다면, 극히 우수한 롤특성이 실현되며, 제조코스트의 삭감, 합금설계의 자유도의 증대, 압연제품 품질의 향상, 압연생산성의 향상, 압연코스트의 저감 등, 여러 가지 효과가 기대된다.

그래서, 본 발명은 래미네이션 편석을 해소시킬 수 있는 원심주조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

일반적으로, 금속재료를 원심주조로 제조하게 되면, 응고과정에서 용탕 중에 정출(晶出)한 덴드라이트 또는 탄화물이 용탕과의 비중차이에 의해서 원심분리된다(용탕보다 무거운 상(相)은 외주측, 가벼운 상은 중심측으로 이동한다).

한편, 래미네이션 편석은 덴드라이트 농화층과 탄화물 농화층이 교호로 중첩되어 벤드형상으로 편석한 형태를 나타내고 있다. 상기 벤드형상 편석(래미네이션 편석)이 형성되는 원인은 원심주조에 있어서의 응고과정에서 고상 - 액상계면(고·액 공존상)의 전단적 유동에 있다고 생각되며, 오나카 등(예를 들면, 주조공학 제69권(1997)제3호 제240∼246쪽 참조)은 가로형 원심주조에서의 래미네이션 편석의 발생에는 중력이 영향을 미치고 있다고 보고하고 있다. 이 사고방식에 의하면, 중력이 주형의 회전방향으로 작용하는 가로형 또는 경사형 원심주조를 행하는 한 래미네이션 편석을 회피한다는 것은 곤란하며, 현실에 있어서 경험하고 있는 바와 같다. 또한, 종래의 원심주조에 있어서는 상기한 바와 같이, 용탕에 진동이나 전단력이 가능한한 걸리지 않게 한다는 기본사상에 입각하여, 주조기와 기초의 강성을 높이고, 주형의 회전수를 극력 일정하게 제어하는 조업이 행해지고 있었으나 역시 래미네이션 편석은 회피할 수가 없었다.

본 발명자들은 상기와 같은 종래의 기본사상으로는 래미네이션 편석을 해소시킬 수 없다는 사실을 감안하여, 중력의 영향에 의해 래미네이션 편석이 생성된다고 한다면, 종래와는 반대로 용탕에 적극적으로 회전방향의 가속도를 부여하면, 거기서 생성된 전단력에 의하여 임의의 개수의 래미네이션 편석을 생성시킬 수 있는 것이 아닌가하고 생각하였다. 이 역전된 발상에 기초하여, 래미네이션 편석의 억제방법을 예의 검토한 결과, 주형의 회전속도를 연속적 혹은 단속적으로 변경시켜 주형의 회전방향으로 가속도를 부여하는 것에 의하여, 수없이 많은 래미네이션 편석을 생성시킬 수 있다는 것도 원리적으로 가능하며, 그렇다면 수없이 많은 래미네이션 편석을 생성시키면 매크로(macro)적으로는 균일한 조직이 얻어진 것이 되며, 실용에 있어서도 전혀 문제가 없다는 지견을 얻었다. 또, 주조제품의 응고과정에서 주형의 회전수를 강제적으로 변동시키면 고상 공존상 및 미응고 영역부가 교반되기 때문에, 성분 편석의 경감이나 조직의 미세화를 가져오게 한다.

본 발명은 이 지견을 기초로 하여 이루어진 것으로서, 그 요지는 다음과 같다. 즉 축심을 중심으로 하여 회전하는 주형에 용융금속을 주입함에 있어서, 주입의 개시로부터 응고완료까지의 사이에, 주형의 회전수를 강제적으로 변동시키는 것 을 특징으로 하는 원심주조방법이다(주입 후부터 응고도중에 적용하는 것도 포함한다).

본 발명은 원심주조에 있어서의 주형의 회전수를 강제적으로 변동시키는 것에 의하여 주조재료(주입재료)에 부하되는 원심력을 연속적 또는 단속적으로 변화시키며, 또한 주형의 회전방향으로 가속도를 부가시킴으로써, 응고진행과정에 있어서의 고·액 계면으로부터 액상영역을 연속적 또는 단속적으로 전단적(剪斷的)유동을 시켜 응고편석을 제어하는 주형회전수 변동식 원심주조방법이며, 편석의 분산작용에 더하여, 미응고 영역의 교반작용에 의해, 래미네이션 편석, 탄화물 편석, 성분 편석 등을 억제하는 것이다.

본 발명에서는 주형의 회전수를 주입재료의 외표면에 부하되는 원심력의 증감속도가 중력배수의 변화율로 0.5∼30G/s가 되도록 제어하는 것이 바람직하다.

여기에서, 상기 원심력의 증감속도란, 단위시간당 원심력의 변화량을 말한다.

또, 본 발명에서는 주형의 회전수 변동폭을 주형의 회전수가 최대일 때의 상기 원심력과 주형의 회전수가 최소일 때의 상기 원심력의 차이로 정의(定義)되는「대응 원심력 차이」가 3∼50G가 되도록 제어하는 것이 바람직하다(G ; 원심력의 중력배수).

도 1은 본 발명의 원심주조방법의 설명도.

도 2는 주형의 회전수 변경패턴의 예를 나타내는 파형도.

도 3은 래미네이션 편석의 형태예를 나타내는 모식도.

도 4는 실시예1의 주형의 회전수 변경패턴을 나타내는 파형도.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

1 ; 롤 외각(外殼)층 2 ; 덴드라이트 농화(濃化)층

3 ; 탄화물 농화층 4 ; 주형(鑄型)

원심력Gn = rω² / g (G), 전단력Gv = r(dw / dt) / g (G)

회전수n = (ω / 2π)x 60(rpm).

r ; 반경(m) ω ; 각속도(rad/s) g ; 중력가속도(9.8m/s²)

일정한 주형 회전속도로 원심주조하는 종래의 가로형 또는 경사형 원심주조방법에서는 중력(1G)의 영향으로 고·액 공존영역에 전단력이 작용하여 래미네이션 편석 등의 거칠고 큰 조직 편석이 불가피적으로 생성된다. 이에 대하여, 본 발명에서는 도 1에 나타내는 바와 같이 주입을 실시하는 중에 축심(O)을 중심으로 하여 회전하는 주형(4)의 회전수(n)를 강제적으로 변동시키도록 하였다. 이것에 의해서 주입재료에 부하되는 원심력(Gn)을 변동시킴과 동시에, 주입재료에 전단력(Gv)을 연속적 또는 단속적으로 부여하는 것(Gv≠0)이 가능하며, 따라서, 임의로 고·액 공존상의 전단작용과 미응고 영역의 교반작용을 부여할 수 있으며, 그 때문에 조직편석의 분산과 편석성분의 교반균일화를 유효하게 촉진시킬 수 있는 것이다.

주형의 회전수 변동패턴은 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 진폭, 주기를 함께 일정하게 연속적으로 변동시키는 패턴(도2(A))과, 진폭, 주기의 어느 한쪽 또는 양쪽을 변화시키면서 연속적으로 변동시키는 패턴(도2(B)), 단속적으로 변동시키는 패턴(도2(C))등, 원심력(Gn)의 변동 또는 전단력(Gv)을 부여할 수 있는 것이면 어떤 패턴이라도 좋다.

본 발명에서는 주형의 회전수의 증감속도(증가속도, 감소속도의 어느 한쪽 또는 양쪽. 이하 같음)를 주입재료의 외표면에 부하되는 원심력(중력배수로 나타냄. 이하 같음)의 증감속도를 0.5∼30G/s가 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 상기 원심력의 증감속도가 0.5G/s미만에서는 중력에 의한 래미네이션 편석이 형성되는 작용을 이겨내는 효과를 얻기 어렵고, 한편, 30G/s 초과로 하면 설비의 파워를 상당히 큰 것으로 할 필요가 있으며, 효과에 비해서는 경제적이지 못하다. 또한 충분한 효과를 얻는데는 상기 원심력의 증감속도는 1G/s이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

또, 교반작용을 충분한 것으로 하는데는 주형 회전수를 강제적으로 변동시킬 때, 그 변동폭을 주형의 회전수가 최대일 때의 상기 원심력과 주형의 회전수가 최소일 때의 상기 원심력의 차이로 정의되는 대응원심력의 차이를 3∼50G가 되도록 제어하는 것이 바람직하다.

대응원심력의 차이가 3G미만에서는 교반력이 부족하기 쉽게 되어 불균일한 조직이 출현하기 쉽게 되며, 한편, 50G를 초과하여도 교반의 효과가 포화한다.

본 발명에서는 응고과정에서의 고·액 공존영역에 전단력을 부여하는 것에 의하여 교반의 균일화가 달성되어 편석의 방지 및 조직의 미세화를 달성할 수 있기 때문에, 이것을 목적으로 한 주입속도나 주입온도의 엄밀한 관리는 필요치 않으며, 조업을 보다 안정화시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 주입되는 금속재료의 종류에 의해서 한정되는 것은 아니나, 그 중에서도 특히 래미네이션 편석에 의한 악영향이 문제가 되는 압연용 롤 외각층의 재료로서 사용되고 있는 고속도강, NiG주철, 고Cr주철, 고Cr주강, 에더마이트강 및 각종 고합금강에 적용시키면 그 효과가 한층 현저한 바, 이들 재료종류에 적용시키는 것이 바람직하다. 또, 원심주조 주철관의 주조에도 응용될 수 있다.

(실시예 1)

표1에 나타내는 조성의 재료(A)∼(C)(Tc=1250∼1350℃ ; 재료(D)도 같음)를 용해시켜 이루어지는 용탕을, 주입온도 1520℃±30℃로 가로형 원심주조기의 주형에 공급하고, 외경 250mm, 내경 150mm의 슬리브 롤을 주조하였다. 그런데 주입속도는 특별히 관리하지 않았다(실적에서는 1∼10kg/s 였다). 주입을 하는 중, 재료(A)에서는 본 발명에 따라서, 도 4에 나타내는 바와 같이 주형의 회전수(n)를 변동범위950∼900rpm, 주기6s로 연속적으로 변동시켜 실시예1로 하였다. 이때, 슬리브 롤 표면의 원심력은 n=950rpm일때 126G, n=900rpm일때 113G이기 때문에, 원심력의 증감속도는 평균 약 4.3G/s이다. 한편, 재료(B),(C)에서는 종래와 같이 n=950rpm(일정하게)으로 하여 비교예로 하였다. 비교예에서는 당연히 원심력의 증감은 없다.

주조한 후, 슬리브 롤 단면(롤 축에 직교하는 단면)을 연마한 후에 질산 수용액으로 에칭하여 현출(現出)시킨 매크로조직을 관찰한 바, 실시예1에서는 비교예에 비해 래미네이션 편석이 현저하게 억제되어 있는 것이 확인되었다.

(실시예2)

실시예2로서는 롤 동체부의 외경(Φ)710mm, 동체길이 2050mm, 전체길이 5800mm의 압연용 복합 롤을 다음과 같은 공정으로 제조하였다.

경사형 원심주조기의 주형의 회전수(n)를 본 발명을 따라 변동범위 600∼560rpm으로 하고, 도 2(C)의 패턴으로 단속적으로 변동시키면서, 주형 내에 표 1에서 나타내는 조성의 재료(D)를 용해시켜 이루어지는 용탕을 주입온도 150℃±20℃로 원심주조하여, 두께 70mm의 롤 외각층을 제조하였다. 회전수(n)의 증감속도는 최대 3rpm/s로 하였다. 이때, 롤 외각층 표면의 원심력은 n=600rpm일때 143G, n=560rpm일때 125G이며, 원심력의 증감속도는 최대 1.35G/s이다. 또, 증·감속의 휴지시간은 6초 이하로 설정하였다. 또한, 주입속도는 특별히 관리하지 않았다(실적에서는 대략 140∼160kg/s였다).

외각층을 주입한 18분 후에 중간층으로서 두께 40mm에 상당하는 양의 흑연강을 1490℃로 주입하였다. 그 후, 주형을 수직으로 세워서 상방으로부터 내층재료(축 재료)로서 구상(球狀)의 흑연 주철을 1400℃로 주입하여 최종제품으로 하였다.

제품의 외각층으로부터 샘플을 끊어내어 롤 축에 직교하는 단면을 연마한 후 초산 수용액으로 에칭하여 현출시킨 매크로조직을 관찰한 바, 래미네이션 편석이 거의 없는 것을 확인하였다.

따라서, 본 발명에 의해 래미네이션 편석이 거의 없는 원심주조 제품, 예를 들면, 주물, 롤, 주철관 등의 생산이 가능하다.

표 1 (WT%)

재료	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Nb
A	2.62	0.74	0.48	10.09	5.48	5.45	1.32
B	2.29	0.42	0.50	12.97	5.96	4.98	1.43
C	3.02	0.40	0.49	13.01	5.76	4.98	1.37
D	2.81	0.61	0.52	8.73	4.22	4.97	1.36

표 2

재료	주조조건		래미네이션 편석	비고
	주입온도	주형의 회전수
A	1520℃±30℃	변동	거의 없음	실시예1
B	1520℃±30℃	일정	현저히 현출	비교예1
C	1520℃±30℃	일정	현저히 현출	비교예2
D	1520℃±20℃	변동	거의 없음	실시예2

본 발명에 의하면, 주입의 관리규제를 완화시킨 더욱 안정적인 조업조건하에서 래미네이션 편석이 거의 없는 원심주조 제품을 생산할 수 있게 하는 뛰어난 효과를 발휘한다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 축심을 중심으로 하여 회전하는 주형에 용융금속을 주입함에 있어서, 주입을 개시할 때부터 응고를 완료할 때까지의 사이에, 주형의 회전수를 강제적으로 변동시키며, 그 회전수를 주입재료의 외표면에 부하되는 원심력의 증감속도가 0.5∼30G/s가 되도록, 연속적 또는 단속적으로 복수회 변동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 원심주조방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 주형의 회전수를 강제적으로 변동시킬 때, 그 변동폭을 대응 원심력 차이가 3∼50G가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 원심주조방법.
4. 삭제
5. 제2항 또는 제3항의 원심주조방법을 포함하는 원심주조제 롤의 제조방법.
6. 삭제

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