KR100835915B1 - 스프링강용 턴디쉬 플럭스 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진밸브용 스프링강의 연속 주소시 주조전 용강의 재산화방지 및 개재물 제어를 위하여 턴디쉬 상부에 투입되는 스프링강용 턴디쉬 플럭스 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 스프링강용 턴디쉬 플럭스는 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스프링강용 턴디쉬 플럭스는 CaO: 33 ~ 40 중량%, SiO2: 55 ~ 65 중량%, Al2O3: 3 중량% 이하, 나머지 불가피한 불순물으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
턴디쉬, 플럭스, 스프링강, 개재물

Description

스프링강용 턴디쉬 플럭스 및 그 제조방법{Tundish flux for Spring steel and Method of Manufacturing the Same}
도 1은 종래 및 본 발명에 따른 턴디쉬 플럭스 조성 및 목표 개재물 조성을 나타내는 상태도이고,
도 2는 본 발명에 따른 턴디쉬 플럭스 적용 전, 후 개재물 조성 거동을 나타내는 상태도이다.
본 발명은 스프링강용 턴디쉬 플럭스 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진밸브용 스프링강의 연속 주소시 주조전 용강의 재산화방지 및 개재물 제어를 위하여 턴디쉬 상부에 투입되는 스프링강용 턴디쉬 플럭스 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 엔진밸브용 스프링강은 우수한 피로강도를 갖도록 요구되는 극청정강으로서, 자동차 엔진에 장착되어 110℃의 온도 및 4000rpm의 고속 반복피로 사 용 환경하에서 1억만회 이상의 피로수명이 요구되는 강종이다.
이러한 엔진밸브용 스프링강의 피로수명에 직접적인 영향을 미치는 인자는 비금속 개재물이고, 특히 Al2O3를 30% 이상 함유한 복합 산화물 및 Al2O3 단독 개재물이 피로수명에 가장 악영향을 주기 때문에 엄격하게 제어되어야 한다.
하지만, 제강 및 연주 공정에서 산소가 관여되는 한 산화물인 비금속 개재물을 완전히 제거하는 것은 현실적으로 어렵기 때문에 강 중에 존재하는 개재물을 제품 특성에 악영향을 미치지 않는 개재물로 무해화하는 기술이 널리 알려져 행해지고 있다.
한편, 엔진밸브용 스프링강과 같이 Si 탈산강을 제조하기 위한 공정에서 사용되는 레이들은 용강에 대한 내식성 및 내구성을 만족시키기 위하여 Al2O3계 내화물로 이루어진 레이들을 사용하는데, 이런 경우 용강 중으로 Sol. Al가 공급될 수 있어, 주조된 엔진밸브용 스프링강에서 Al2O3 성분이 30% 이상 함유된 복합 산화물이 관찰된다.
이를 방지하기 위해 현재 엔진밸브용 스프링강의 레이들 슬래그는 CaO 중량% / SiO2 중량 비(이하, 슬래그 염기도라 함), 즉 슬래그 염기도를 0.4 ~ 0.7 수준으로 제어하고 있다.
이러한 슬래그 조성 조건하에서 강 중 개재물은 저융점 조성으로 제어되어 무해화될 수 있는 것이다.
한편, 레이들에서 턴디쉬로 용강이 주입되는 과정에서는 용강 온도가 점점 낮아지므로 용강 중 Al의 용해도가 감소하여 Al2O3 생성을 촉진하는 여건이 조성되어 Al2O3성 개재물이 증가할 수 있다.
이러한 현상을 방지하기 위해 턴디쉬 플럭스 조성은 레이들 슬래그 염기도보다 더 낮거나 유사 수준을 유지하여야만 한다. 그래서, SiO2성 산화물을 턴디쉬 플럭스로 사용할 수 있으나, 이는 융점이 높아 용강상부에서 완전히 녹지 못하는 단점이 있어, 아직까지 많은 제철소에서는 이미 상용화된 저융점의 플럭스를 사용하고 있는 실정이다.
이렇게 종래에 상용화되어 일반적으로 사용되고 있는 저융점의 플럭스(이하 "저융점 플럭스"라 함)는 CaO: 40 ~ 48 중량%, SiO2: 48 ~ 56 중량%, Al2O3: 3 중량% 이하, 나머지 불가피한 불순물으로 이루어지는데, 이때 저융점 플럭스의 염기도가 대략 0.9 수준이다.
그러나, 엔진밸브용 스프링강의 주조시 턴디쉬 상부에 종래의 저융점 플럭스를 사용할 경우, 레이들 슬래그 염기도가 0.4 ~ 0.7 수준에서 턴디쉬 염기도 0.9로 증가하게 되어, 레이들 정련 후의 개재물 중 Al2O3 성분이 턴디쉬 공정을 거쳐 주편으로 주조될 때까지 대략 10 ~ 20 중량% 증가하여, 고융점의 개재물 조성으로 변화하는 현상이 발생되었다.
따라서, 레이들 정련 ~ 주조 공정 간 개재물 중 Al2O3 성분이 급격히 증가되는 현상을 억제하기 위하여 엔진밸브용 스프링강에 적합한 턴디쉬 플럭스의 개발이 필요하게 되었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 엔진밸브용 스프링강을 제조하는데 있어 레이들 정련을 통해 제어된 저융점의 개재물 조성이 턴디쉬 공정에서 Al2O3 성분의 급격한 증가에 의해 고융점의 유해한 개재물 조성으로 변하는 현상을 억제할 수 있는 스프링강용 턴디쉬 플럭스 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스프링강용 턴디쉬 플럭스는 CaO: 33 ~ 40 중량%, SiO2: 55 ~ 65 중량%, Al2O3: 3 중량% 이하, 나머지 불가피한 불순물으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 턴디쉬 플럭스는 입자크기가 50mm 이하이고, 전체 플럭스 중 입자크기가 5 ~ 30mm인 것이 80% 이상을 차지하는 것이 바람직하다.
이때 상기 턴디쉬 플럭스는 탄소(C) 0.53 ~ 0.67 중량%, 규소(Si) 1.3 ~ 2.6 중량%, 망간(Mn) 0.6 ~ 0.8 중량%, 크롬(Cr) 0.6 ~ 1.3 중량%, 바나듐(V) 0 ~ 0.21 중량%, 니켈(Ni) 0.25 ~ 0.55 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.05 ~ 0.15 중량%, 황(S) 0.01 중량% 이하, 인(P) 0.02 중량% 이하, 질소(N) 0.007 중량% 이하를 함유하고, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 스프링강의 주조시에 사용되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 스프링강용 턴디쉬 플럭스의 제조방법은 CaO: 40 ~ 48 중량%, SiO2: 48 ~ 56 중량%, Al2O3: 3 중량% 이하, 나머지 불가피한 불순물으로 이루어지는 저융점 플럭스와 SiO2 산화물을 중량비 1 : 0.15로 하여 혼합하는 단계와; 상기 혼합된 플럭스를 녹이는 단계와; 상기 혼합된 플럭스를 응고시킨 후 파쇄하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 스프링강용 턴디쉬 플럭스 및 그 제조방법을 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 및 본 발명에 따른 턴디쉬 플럭스 조성 및 목표 개재물 조성을 나타내는 상태도이고, 도 2는 본 발명에 따른 턴디쉬 플럭스 적용 전, 후 개재물 조성 거동을 나타내는 상태도이다.
본 발명에 따른 스프링강용 턴디쉬 플럭스는 CaO: 33 ~ 40 중량%, SiO2: 55 ~ 65 중량%, Al2O3: 3 중량% 이하, 나머지 불가피한 불순물으로 이루어진다.
상기와 같은 조성 및 함유량을 한정하는 이유는 턴디쉬 플럭스의 염기도를 레이들 슬래그 염기도와 유사한 수준으로 제조하기 위함이고, 상기와 같은 조성 및 함량비를 가질 때 턴디쉬 플럭스의 염기도는 대략 0.4 ~ 0.7로 제어할 수 있다.
이렇게 턴디쉬 플럭스의 염기도가 대략 0.4 ~ 0.7이 되면 엔진밸브용 스프링 강의 제조를 위해 제어되는 레이들 슬래그 조성과 유사하기 때문에, 레이들 용강이 턴디쉬로 주입되더라도 슬래그 조성 변화가 없어 레이들 정련 중에 저융점 조성으로 제어된 개재물의 조성이 크게 변화되지 않는다.
또한, 도 1에서 알 수 있듯이, 종래의 저융점 플럭스의 융점이 1500 ~ 1550℃ 수준이나, 본 발명의 턴디쉬 플럭스는 융점이 1400 ~ 1500℃ 수준으로 낮기 때문에, 종래의 저융점 플럭스보다 빠른 속도로 용융되며 액상상태로서 용강을 덮는 플럭스 양도 많아진다.
상기와 같이 턴디쉬 플럭스의 염기도를 0.7보다 크게 하는 이유는 종래의 저융점 플럭스와 유사한 조성이 되는 것이며, 염기도를 0.4보다 작게 하는 이유는 SiO2 성분 함량이 높아져 플럭스의 융점이 증가하게 되므로 용강 상부에서 잘 녹지 않아 용강을 충분히 액상 상태로 덮지 못해 용강 재산화를 유발하기 때문이다.
한편 본 발명에 따른 턴디쉬 플럭스의 입자크기를 50mm 이하로 제한하고, 전체 플럭스 중 입자크기가 5 ~ 30mm인 것이 80% 이상을 차지하도록 하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 5 ~ 30mm의 입자크기를 갖는 턴디쉬 플럭스의 비율을 제한하는 이유는 입자가 작을수록 용강 상부에 투입될 때 빠르게 용융되어 유리하나, 너무 작은 입자는 투입시 비산되는 등 투입상의 어려움이 발생하기 때문이고, 50mm 보다 큰 입자의 턴디쉬 플럭스는 녹는 속도가 느려 빠른 시간내 플럭스로서의 효과를 나타내기가 어렵기 때문에 그 크기를 제한하는 것이다.
상기와 같은 조성을 갖는 본 발명에 따른 스프링강용 턴디쉬 플럭스는 각각의 성분을 제시한 함량에 따라 혼합하여 제조할 수 있지만, 종래의 저융점 플럭스가 이미 상용화되어 사용되고 있다는 점을 고려하여, 본 발명에서는 종래의 저융점 플럭스를 이용하여 손쉽게 스프링강용 턴디쉬 플럭스를 제조하는 방법을 제시한다.
본 발명에 따른 스프링강용 턴디쉬 플럭스의 제조방법은 CaO: 40 ~ 48 중량%, SiO2: 48 ~ 56 중량%, Al2O3: 3 중량% 이하, 나머지 불가피한 불순물으로 이루어지는 저융점 플럭스와 SiO2 산화물을 중량비 1 : 0.15로 하여 혼합하는 단계와; 상기 혼합된 플럭스를 녹이는 단계와; 상기 혼합된 플럭스를 응고시킨 후 파쇄하는 단계를 포함한다.
상기와 같이 종래의 저융점 플럭스에 SiO2 산화물을 1 : 0.15의 중량비로 혼합하는 이유는 종래의 저융점 플럭스의 조성 범위내에서 본 발명에 따른 턴디쉬 플럭스의 조성을 안정적으로 맞출 수 있기 때문이다.
또한, 종래의 저융점 플럭스 조성 범위 내에서 SiO2 산화물을 상기의 비율보다 더 많이 혼합하면 CaO 성분이 본 발명 조성보다 낮게 제어되는 경우가 발생되며, 상기의 비율보다 더 적게 혼합하면 SiO2 성분이 본 발명 조성보다 낮게 제어되는 경우가 발생되기 때문이다.
이하, 본 발명에 따른 스프링강용 턴디쉬 플럭스와 종래의 저융점 플럭스를 비교하는 시험을 실시하였다.
Oil tempered 선에 대해 1900MPa급 인장강도를 나타내는 엔진밸브용 스프링강에 대해 실제 전로로부터 100톤 가량의 용강을 Al2O3계 내화물 재질의 레이들로 출강한 후, 레이들 정련에서 슬래그 염기도가 0.55이고, 슬래그 중 Al2O3 농도가 3.5 중량%이며, T.Fe 중량%와 MnO 중량%의 합이 8중량%이고, 기타 성분으로 구성된 슬래그 조성을 제어하여 저융점의 개재물 조성으로 제어하였다.
그리고, 턴디쉬로 용강을 주입하는 시점에 [실시예]에서는 본 발명에 따른 턴디쉬 플럭스를 주입 15톤 시점에 턴디쉬 좌, 우에 50Kg씩 투입하고, 탕유부에 20Kg을 투입하였다.
그리고, [비교예 1 및 2]에서는 종래의 저융점 플럭스를 주입 15톤 시점에 [실시예]와 동일하게 턴디쉬 좌, 우에 50Kg씩 투입하고, 탕유부에 20Kg을 투입하였다.
그리고, 전로 ~ 레이들정련 ~ 턴디쉬 ~ 주편 ~ 강편 공정간에 샘플을 각각 채취하여 공정별 슬래그성 복합 개재물 조성을 SEM/EDX를 이용하여 분석하였으며 그 결과를 도 2에 도시하였다.
도 2에서 알 수 있듯이, 종래의 저융점 플럭스를 사용한 [비교예 1 및 2]에서는 레이들 정련에서 턴디쉬 공정간에 개재물 조성이 Al2O3 성분이 10 ~ 20 중량%까지 증가하여 목표로 하는 저융점 개재물 조성을 벗어나 고융점의 복합개재물 조 성으로 변화하는 현상이 발생하는 것을 관찰할 수 있었으나, 본 발명의 턴디쉬 플럭스를 사용한 [실시예]에서는 Al2O3 성분이 5 ~ 10 중량% 증가하여 목표로 하는 저융점 개재물 조성 범위 내에서 제어되고 있음을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 바와같이, 본 발명에 따른 스프링강용 턴디쉬 플럭스를 사용하면 엔진밸브용 스프링강의 피로특성에 치명적인 영향을 주는 Al2O3성 개재물을 저융점의 연신성 개재물로 제어할 수 있어 엔진밸브용 스프링강의 개재물에 의한 피로특성 저하를 억제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래에 상용화된 저융점 플럭스와 SiO2를 혼합하는 적절한 조합비를 제시하여 스프링강용 턴디쉬 플럭스를 손쉽게 제조할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (4)

  1. CaO: 33 ~ 40 중량%, SiO2: 55 ~ 65 중량%를 함유하고, 나머지 불가피한 불순물로 이루어지는 스프링강용 턴디쉬 플럭스.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 턴디쉬 플럭스는 입자의 최대 직경이 50mm 이하이고, 전체 플럭스 중 입자의 최대 직경이 5 ~ 30mm인 것이 80% 이상을 차지하는 것을 특징으로 스프링강용 턴디쉬 플럭스.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 턴디쉬 플럭스는 탄소(C) 0.53 ~ 0.67 중량%, 규소(Si) 1.3 ~ 2.6 중량%, 망간(Mn) 0.6 ~ 0.8 중량%, 크롬(Cr) 0.6 ~ 1.3 중량%, 니켈(Ni) 0.25 ~ 0.55 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.05 ~ 0.15 중량%를 함유하고, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 스프링강의 주조시에 사용되는 것을 특징으로 하는 스프링강용 턴디쉬 플럭스.
  4. CaO: 40 ~ 48 중량%, SiO2: 48 ~ 56 중량%를 함유하고, 나머지 불가피한 불순물으로 이루어지는 저융점 플럭스와 SiO2 산화물을 중량비 1 : 0.15로 하여 혼합하는 단계와;
    상기 혼합된 플럭스를 녹이는 단계와;
    상기 혼합된 플럭스를 응고시킨 후 파쇄하여 CaO: 33 ~ 40 중량%, SiO2: 55 ~ 65 중량%를 함유하고, 나머지 불가피한 불순물로 이루어지는 플럭스를 생성하는 단계를 포함하는 스프링강용 턴디쉬 플럭스 제조방법.
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