KR101040658B1

KR101040658B1 - 초저온용 구상흑연주철

Info

Publication number: KR101040658B1
Application number: KR1020100120509A
Authority: KR
Inventors: 한용구
Original assignee: (주)희원금속
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2011-06-10

Abstract

본 발명은 탄소 3.37~3.97wt%, 망간 0.100~0.149wt%, 인 0.025~0.033wt%, 황 0.001~0.01wt%, 크롬 0.01~0.05wt%, 마그네슘 0.030~0.044wt%, 규소 1.69~2.09wt%, 니켈 0.850~0.900wt%를 포함하여 이루어지고, 나머지는 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어지는 초저온용 구상흑연주철에 관한 것으로서, 높은 인장강도와 경도로 인하여 초저온에서도 높은 기계적 특성인 저온충격특성 및 높은 연신율을 갖아 극지방을 운행하는 특수선박의 부품이 저온에서 파괴되는 것을 방지하는 초저온용 구상흑연주철에 관한 분야이다.
또한 본 발명에 의한 초저온용 구상흑연주철은 높은 인장강도와 경도로 인하여 초저온에서도 높은 기계적 특성인 저온충격특성 및 높은 연신율을 갖아 극지방을 운행하는 특수선박의 부품이 저온에서 쉽게 냉각되어 외부충격에 의해 파괴되는 문제를 해결하는 효과가 있다.

Description

초저온용 구상흑연주철{Spheroidal graphite cast iron for ultra low temperature}

본 발명은 탄소 3.37~3.97wt%, 망간 0.100~0.149wt%, 인 0.025~0.033wt%, 황 0.001~0.01wt%, 크롬 0.01~0.05wt%, 마그네슘 0.030~0.044wt%, 규소 1.69~2.09wt%, 니켈 0.850~0.900wt%를 포함하여 이루어지고, 나머지는 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어지는 초저온용 구상흑연주철에 관한 것으로서, 높은 인장강도와 경도로 인하여 초저온에서도 높은 기계적 특성인 저온충격특성 및 높은 연신율을 갖아 극지방을 운행하는 특수선박의 부품이 저온에서 쉽게 냉각되어 외부충격에 의해 파괴되는 것을 방지하는 초저온용 구상흑연주철에 관한 분야이다.

일반적으로 주철은 흑연이 편상흑연조직이므로 응력을 받을 때 흑연을 따라 균열이 발생하기 쉽고 취성이 있으며 강도가 작은 결점이 있는데 반해, 구상흑연주철은 보통 주철의 조직에 나타나는 흑연을 본래의 엽편상에서 구상으로 변화시켜 구상흑연이 존재하게 함으로써 흑연에서의 균열 생성을 방지하여 강도가 우수할 뿐만 아니라 연성도 갖게 되므로 주철의 공학적 이용에 큰 제한요소인 저강도와 취성을 동시에 극복한 우수한 재료로 다양한 용도를 갖고 있으며 특히 구상흑연주철은 기계적 특성이 우수하여 각종 내연기관용 부품의 기본 재료로 널리 사용되고 있다.

상기에서 살펴본 구상흑연주철은 인장강도 뿐만 아니라 충격강도 및 연신률이 타 주철에 비해 높고 타재질에 비해 가격이 저렴하고 윤활성이 좋아 고기능을 요구하는 제철소 설비용 부품이나 자동차 및 선박용 부품의 기본 소재로 널리 이용되고 있는 추세이다.

상기와 같은 구상흑연주철은 최근 극지방 기온 및 빙해역을 운항할 수 있는 Ice-class급 수송선박이 증가하여, 극지방 운행용 선박에 사용되는 주철, 주강 부품의 경우 저온에서의 기계적특성을 고려한 특수합금이 각광을 받고 있다.

아울러 상기의 원리와 특성을 가진 구상흑연주철에 관해 종래의 기술을 살펴보면 다음과 같다.

국내등록특허 10-0435324호는 고온 내산화성을 갖는 내열구상흑연주철에 관한 것으로서, 철을 기재로 하고 여기에 탄소, 규소, 망간, 인, 황, 크롬, 몰리브덴 및 니켈이 포함된 내열구상흑연주철로, 상기 내열구상흑연주철이 고온에서의 내열특성 및 내산화성이 우수한 효과를 제시하였으나, 저온 취성 현상 문제가 발생하였다. 또한 국내등록특허 10-0333311호는 연성 및 강도특성이 우수한 페라이트계 구상흑연주철재의 제조방법에 관한 것으로서, 제철소 설비부품 및 자동차 및 선박용 부품에 사용되는 높은 연성의 고온용 페라이트계로 탄소, 규소, 망간, 니켈, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴과 철 및 희토류 원소를 포함하여 연성이 뛰어나고 강도 특성이 우수한 효과를 제시하였으나, 극지방을 운행하는 특수선박의 경우 저온 취성 문제가 발생하여 그에 대한 연구개발이 요구되고 있다.

본 발명은 종래 구상흑연주철에 관한 기술에 따른 문제점들을 개선하고자 안출된 기술로써,

종래 기술에 의한 구상흑연주철은 철을 기재로 하고 탄소, 규소, 망간, 인, 황, 크롬, 몰리브덴 및 니켈이 포함된 내열구상흑연주철은 저온에서 충격에 대한 효과가 없어 극지방을 운행하는 특수선박의 경우 저온 취성 현상이 발생하는 문제와, 탄소, 규소, 망간, 니켈, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴과 철 및 희토류 원소를 포함된 구상흑연주철 역시 저온에서 외부충격(빙하와의 충돌 등)과 부품이 냉각되는 문제에 대한 효과가 없어 극지방을 운행하는 특수선박의 경우 저온 취성 현상이 발생하여 이를 해결하는 해결점을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 소기의 목적을 실현하고자,

탄소 3.37~3.97wt%, 망간 0.100~0.149wt%, 인 0.025~0.033wt%, 황 0.001~0.01wt%, 크롬 0.01~0.05wt%, 마그네슘 0.030~0.044wt%, 규소 1.69~2.09wt%, 니켈 0.850~0.900wt%를 포함하여 이루어지고, 나머지는 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어지는 초저온용 구상흑연주철을 제시한다. 또한 본 발명은 상기 초저온용 구상흑연주철을 오스테나이트화 공정과, 오스테나이트화 공정 처리된 초저온용 구상흑연주철을 페라이트화 공정처리하는 것을 포함하여 구성되는 초저온용 구상흑연주철의 제조방법을 제시한다.

본 발명에 의한 초저온용 구상흑연주철은 상기의 수단으로써,

높은 인장강도와 경도로 인하여 초저온에서도 높은 기계적 특성인 저온충격특성 및 높은 연신율을 갖아 극지방을 운행하는 특수선박의 부품이 저온에서 쉽게 냉각되어 외부충격(빙하와의 충돌 등)에 의해 파괴되는 문제를 해결하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 초저온용 구상흑연주철 질량효과(mass effect) 시험편의 두께별 미세조직사진.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 초저온용 구상흑연주철 질량효과 시험편의 두께별 조직사진 및 구상화율 측정사진.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 초저온용 구상흑연주철의 최적의 열처리 조건 유지시간을 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 초저온용 구상흑연주철의 열처리 유지시간 별 표면 조직사진.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 초저온용 구상흑연주철 질량효과 시험편의 두께별 조직사진.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 초저온용 구상흑연주철의 열처리 후 니켈 첨가량에 따른 미세조직사진.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 초저온용 구상흑연주철의 니켈 첨가량에 따른 열처리 전, 후의 기계적 특성 그래프.

본 발명은 초저온용 구상흑연주철 및 초저온용 구상흑연주철의 제조방법에 관한 것으로, 탄소 3.37~3.97wt%, 망간 0.100~0.149wt%, 인 0.025~0.033wt%, 황 0.001~0.01wt%, 크롬 0.01~0.05wt%, 마그네슘 0.030~0.044wt%, 규소 1.69~2.09wt%, 니켈 0.850~0.900wt%를 포함하여 이루어지고, 나머지는 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어지는 초저온용 구상흑연주철 및 초저온용 구상흑연주철을 오스테나이트화 공정과 오스테나이트화 공정 처리된 초저온용 구상흑연주철을 페라이트화 공정을 포함하여 구성되는 초저온용 구상흑연주철의 제조방법에 관한 것이다.

이하 본 발명을 첨부한 도면 1 내지 7을 참고하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

우선 종래 기술에 의한 구상흑연주철은 철을 기재로 하고 여기에 탄소, 규소, 망간, 인, 황, 크롬, 몰리브덴 및 니켈이 포함된 내열구상흑연주철에 관한 것으로, 주철이 고온에서의 내열특성 및 내산화성이 우수한 효과를 제시하였으나, 저온에서의 저온충격치가 낮아 저온 취성 현상이 발생할 우려가 있었다. 또한 제철소 설비부품 및 자동차 및 선박용 부품에 사용되는 높은 연성의 고온용 페라이트계로 탄소, 규소, 망간, 니켈, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴과 철 및 희토류 원소를 포함하여 연성이 뛰어나고 강도 특성이 우수한 효과를 제시하였으나, 저온에서의 저온충격치가 낮아 저온 취성 현상이 발생할 우려가 있었다.

이에 대하여 본 발명은 거시적으로 탄소, 망간, 인, 황, 크롬, 마그네슘, 규소, 니켈을 포함하여 이루어지고, 나머지는 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어지는 초저온용 구상흑연주철을 제시하여, 초저온에서도 높은 기계적 특성인 저온충격특성 및 높은 연신율을 갖아 극지방을 운행하는 특수선박의 부품이 저온에서 쉽게 냉각되어 외부충격에 의해 파괴되는 문제를 해결하는 효과를 실현하였다.

구체적으로, 상기 초저온용 구상흑연주철은 탄소, 망간, 인, 황, 크롬, 마그네슘, 규소, 니켈을 포함하여 이루어지고, 나머지는 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어지는 초저온용 구상흑연주철로 구성되는데, 탄소(C)는 구상흑연주철에 있어서 가장 중요한 원소로, 탄소의 함량으로 흑연의 입자수 및 분포를 결정지으며, 바람직한 탄소의 함량은 3.37~3.97wt%로써 탄소가 3.37wt% 미만이면 흑연의 구상화가 어려워 기계적 특성이 감소하고, 3.97wt%를 초과하면 흑연화가 조장되므로 상기 범위의 탄소 함량을 유지하는 것이 바람직하다. 또한 탄화물 촉진 원소인 망간(Mn)의 함량은 0.100~0.149wt%를 갖는 것이 바람직한데, 망간의 함량이 0.100wt% 미만이면 효과가 미미하여 강도향상의 효과를 기대할 수 없고, 0.149wt%를 초과하면 열처리 후 완전한 페라이트 조직을 얻기 어려워 연성 및 내식성이 저하되기 때문에 상기 범위의 망간 함량을 유지하는 것이 바람직하고, 구상흑연주철의 취성을 증가시키는 원소인 인(P)은 0.025~0.033wt% 함량을 갖는데, 인이 0.025wt% 미만이면 효과가 미미하여 경도와 강도가 저하되고, 0.033wt%를 초과하면 완전한 페라이트화가 되지 않으므로 바람직하게는 인이 0.03wt%의 함량을 가질 때 저온충격특성을 만족시키는 완전한 페라이트화가 되는 효과를 발휘한다. 또한 마그네슘과 강한 친화력을 가지며 구상화처리로 마그네슘이 쓰일 경우 탈황 반응으로 황화마그네슘(MgS)을 쉽게 형성하게 되는 황(S)은 0.001~0.01wt%의 함량을 갖는데, 황이 0.001wt% 미만이면 구상화 처리에 대한 용탕의 반응이 좋지 않아 탄화물이 생성이 되고, 0.01wt%를 초과하면 탈황 반응으로 인해 주물 내에 드로스를 형성하여 결함이 발생하므로, 황의 함량을 0.006wt%를 가지는 것이 바람직하고, 구상흑연주철에서 탄화물 형성을 조장하는 원소인 크롬(Cr)은 0.01~0.05wt%의 함량을 갖는데, 크롬이 0.01wt% 미만이면 산화막의 증가 억제력이 저하되고, 0.05wt%를 초과하면 탄화물이 과잉으로 형성되어 소재의 인성을 저하시키는 문제가 발생하므로 상기의 범위를 유지하는 것이 바람직하다. 또한 구상흑연을 생성하기 위한 구상화처리제로 널리 쓰이는 마그네슘(Mg)은 0.030~0.044wt%의 함량을 갖는데, 마그네슘이 0.030wt% 미만이면 강도의 저하를 유발하고, 0.044wt%를 초과하면 공정탄화물 형성을 촉진하므로 상기의 범위를 유지하는 것이 바람직하고, 탄화물 생성을 촉진하지 않는 펄라이트 조장원소인 구리(Cu)는 저온충격특성을 만족시키기 위하여 페라이트 기지조직을 필요로 한다면 첨가량을 0.03wt% 이하로 제어하거나 첨가하지 않아도 무관한 원소이다. 또한 본 발명의 저온충격특성의 효과에 기여하는 규소와 니켈에 있어서, 탄소를 제외한 상기 원소 중 공정상태의 탄소함량에 가장 큰 영향을 미치는 규소(Si)는 탄소함량을 낮추면서 공정점으로 이동시키는 역할을 하며, 1wt%의 규소 함량이 공정조성의 탄소함량을 0.31wt% 낮춰주는 규소는 1.69~2.09wt%의 함량을 갖는데 규소가 1.69wt% 미만이면 내산화성이 약해지고, 2.09wt%를 초과하면 저온취성을 저하시킬 우려가 있으므로 바람직하게 규소는 1.84wt%의 함량을 가질 때 충격강도는 낮추고, 연성 및 취성의 천이온도를 높여 고강도 저온 내충격성의 효과를 발휘한다. 또한 규소와 더불어 저온충격특성의 효과에 기여하는 니켈에 있어서, 페라이트 구상흑연주철의 저온 성질을 향상시키고, 저규소 구상흑연주철의 인장강도와 내력을 개선시키는 효과가 있는 니켈(Ni)은 1wt%를 첨가할 때마다 0.06% 공정 탄소함량을 낮게 하여 철에 대한 탄소의 고용도를 감소시키고, 안정된 오스테나이트-흑연 공정온도를 높여주어 탄화물 생성을 감소시키는 니켈은 0.850~0.900wt%의 함량을 갖는데, 니켈이 0.850wt% 미만이면 탄화물이 생성되고, 0.900wt%를 초과하면 완벽한 구상화를 이루지 못하여 연신율이 떨어져 저온취성을 저하시킬 우려가 있으므로 바람직하게 니켈은 0.875wt%의 함량을 가질 때 탄화물 생성이 억제되어 100% 페라이트 기지를 생성할 수 있고 저온 내충격성의 효과를 발휘하며, 또한 초저온용 구상흑연주철을 형성하는 상기 원소와 나머지는 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 초저온에서도 높은 기계적 특성인 저온충격특성 및 높은 연신율을 갖는 초저온용 구상흑연주철의 구성이 가능하다.

아울러 상기 탄소, 망간, 인, 황, 크롬, 마그네슘, 규소, 니켈 및 나머지는 철 및 불가피한 불순물로 구성되는 초저온용 구상흑연주철은 탄화물 조장원소인 마그네슘과 망간을 각각 0.030~0.044wt%, 0.100~0.149wt%로 구성을 하여 탄화물 생성을 억제하고, 탄화물 생성 억제 및 규소의 함량을 제어하기 위해 니켈을 0.850~0.900wt%로 첨가하여 페라이트 기지조직을 90~100%로 구성을 할 때 저온충격특성을 확보하는 효과를 발휘한다.

상기와 더불어 상기 초저온용 구상흑연주철은 페라이트 기지조직이 90~100%로써, 도 1과 같이 30mm, 50mm, 100mm의 구상흑연주철 질량효과 시편의 기지조직이 완전한 페라이트화가 된 것으로 보아 질량에 무관하게 열처리 유지시간은 충분하였고, 균질한 페라이트 기지조직을 90~100% 얻는 효과를 발휘한다. 또한 상기 초저온용 구상흑연주철은 도 2와 같이 구상화율이 90~100%로써, 30mm, 50mm, 100mm의 구상흑연주철 질량효과 시편을 영상분석기(image analyser)를 사용하여 구상화율을 측정 비교하였을 때, 구상흑연주철의 주물 두께에 따른 에칭 전 조직사진은 큰 차이를 보이지 않았으나, 에칭 후 흑연의 분포 및 구상화율은 질량효과 시험편의 두께가 두꺼워질수록 구상흑연의 크기가 커지고, 구상화율이 90~100%를 얻는 효과를 발휘한다.

또한 통상적인 구상흑연주철을 제조할 때 철 기지속의 흑연조직을 구상화시켜 우수한 기계적 효과를 발휘하게 하는 구상화제는 Fe-Si-Mg계 및 Ni-Mg계 등을 당업자의 판단에 따라 선택 가능하게 사용하나, 본 발명의 초저온용 구상흑연주철의 구상화율이 90~100%의 효과를 발휘하기 위해서는 표 1과 같이 니켈의 함량은 증가하고 규소의 함량은 감소하나, 니켈이 규소에 비해 흑연화능이 상대적으로 작음에도 불구하고 니켈이 어느 정도 흑연 구상화에 기여를 하고, 니켈 base에 16.5~18.5wt% 마그네슘을 포함하는 Ni-Mg계의 구상화제를 사용하는 것이 바람직하다.

다음은 본 발명에 의한 초저온용 구상흑연주철을 제조하기 위한 초저온용 구상흑연주철 제조방법에 관한 실시예이다. 하기의 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 보호 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

탄소 3.37~3.97wt%, 망간 0.100~0.149wt%, 인 0.025~0.033wt%, 황 0.001~0.01wt%, 크롬 0.01~0.05wt%, 마그네슘 0.030~0.044wt%, 규소 1.69~2.09wt%, 니켈 0.850~0.900wt%를 포함하여 이루어지고, 나머지는 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어지는 구상흑연주철을 800~840℃의 온도에서 9~11시간 동안 가열하는 오스테나이트화 공정과, 상기 오스테나이트화 공정 처리된 구상흑연주철을 3시간 동안 800~840℃에서 660~700℃까지 온도를 떨어뜨리는 공정과, 상기 오스테나이트화 공정 처리된 구상흑연주철을 660~700℃의 온도에서 1~3시간 동안 항온 유지한 후, 60시간 동안 200℃까지 서서히 로냉하여 페라이트화 공정처리하는 것을 포함하여 구성되는 초저온용 구상흑연주철의 제조방법에 관한 것이다.

상기 초저온용 구상흑연주철의 저온취성 향상을 위해서는 기지조직의 완전한 페라이트화가 필수적이므로, 구상흑연주철에 합금원소의 첨가로 주방상태에서 100% 페라이트 기지를 생성할 수도 있지만, 합금원소의 첨가에 의한 저온성질이 저하될 우려가 있기 때문에 열처리를(본 발명에서 열처리는 상기의 오스테나이트화 공정과 페라이트 공정을 의미함. 하기에서 열처리는 동일한 의미로 봐도 무관함.) 통해 기지조직을 페라이트화 하는 것이 효과적이다.

일반적인 페라이트 기지의 생성 기구는 A1 온도(A1 온도는 1333℃이다.) 이상의 상부변태구역에서 오스테나이트가 페라이트와 흑연으로 변태하는 안정한 철-흑연 평형변태이나, 본 발명에서는 표 2와 같이 탄소 3.37~3.97wt%, 망간 0.100~0.149wt%, 인 0.025~0.033wt%, 황 0.001~0.01wt%, 크롬 0.01~0.05wt%, 마그네슘 0.030~0.044wt%, 규소 1.69~2.09wt%, 니켈 0.850~0.900wt%를 포함하여 이루어지고, 나머지는 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어지는 초저온용 구상흑연주철을 도 3과 같이 A1 온도보다 낮은 온도인 800~930℃ 온도로 가열하는데 바람직하게는 6시간동안 820℃까지 가열하여 불안정한 철-흑연 변태에 따라 진행하는 펄라이트 변태로 대체되고, 생성된 펄라이트는 A1 온도 직하점인 820℃에서 10시간 유지하는 동안 페라이트+흑연으로 분해되는 오스테나이트화 공정으로 이루어지는데, 도 4와 같이 상기 생성된 펄라이트를 820℃에서 5시간 미만으로 유지하였을 때 오스테나이트화 유지시간이 10시간에 비해 상대적으로 짧아 페라이트 변태 개시 후 탄소가 확산할 수 있는 시간이 충분치 못해서 페라이트로의 변태가 완벽하게 되지 못하였고, 10시간을 초과하여 15시간 동안 유지하였을 때는 유지시간이 길어질수록 표 3과 같이 경도값이 저하되므로 상기 범위의 유지시간을 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 오스테나이트화 공정 처리된 초저온용 구상흑연주철을 3시간 동안 820℃에서 680℃까지 온도를 떨어뜨려야 탄소가 페라이트로 완벽히 변태가 되고, 680℃의 온도에서 2시간 동안 항온 유지한 후, 60시간 동안 200℃까지 서서히 로냉하여 탄소가 페라이트로의 완벽한 변태가 되는 페라이트화 공정으로 제조되는 초저온용 구상흑연주철 제조방법으로 구성되고 도 5와 같이 질량효과 시험편의 두께가 두꺼워질수록, 즉 냉각속도가 느릴수록 페라이트 환의 크기가 증가하는 양상을 보이며, 일반적으로 구상흑연의 입자수가 많을수록, 냉각속도가 느릴수록 페라이트 환의 크기가 증가하고 탄소가 결합할 수 있는 구상흑연의 수가 많을수록 탄소가 이동할 확산거리가 짧아져 오스테나이트가 더 완벽하게 페라이트로 분해하는데 충분한 시간을 허용하게 되어 완벽한 페라이트가 나타난다.

아울러 상기 초저온용 구상흑연주철 제조방법에 있어서, 도 6과 같이 니켈 0.0wt%, 0.5wt%, 0.8wt%, 1.1wt%를 구상흑연주철에 첨가하여 오스테나이트화 처리 유지시간을 10시간으로 유지하였을 때 니켈의 첨가량이 증가할수록 미세조직상 페라이트 기지조직은 미세해지고, 구상흑연의 개체 수 및 입자 크기 또한 증가하였지만, 니켈의 첨가량이 1.1wt%일 때 구상흑연의 형태가 완벽한 구상이지 못하였고 표 4와 같이 연신율이 가장 낮은 수치를 나타내었으며, 니켈 첨가량에 따른 열처리 전, 후의 기계적특성은 도 7과 표 5와 같이 열처리 전 니켈의 첨가량이 증가할수록 인장강도, 경도값 및 항복강도가 증가하고 연신율은 감소하는 양상을 보였으나, 표 5의 (a)와 같이 열처리 후 구상흑연주철의 인장강도 및 경도는 감소하였고, 연신율은 증가하였는데 열처리 후 균일한 페라이트 기질을 얻었기 때문이며, 초저온용 구상흑연주철의 저온취성 향상 및 극지환경 운항선박용 구상흑연주철의 첨가되는 바람직한 니켈의 함유량은 0.850~0.900wt%일 때 표 5의 (b)와 같이 저온충격특성이 15.7J로 가장 우수한 효과를 발휘한다.

또한 도 7의 (a)~(d)와 같이 니켈 0.850~0.900wt%를 구상흑연주철에 첨가하여 오스테나이트화 처리 전, 후(오스테나이트화 유지시간을 10시간)의 기계적특성을 평가하였을 때, 열처리 전 높은 인장강도와 낮은 연신율이 열처리 후에 기지조직의 페라이트화로 인하여 항복강도와 연신율은 증가하였고, 인장강도와 경도값은 감소한 반면 규소의 첨가량을 줄이고 니켈을 첨가하여 저온충격특성치가 상당히 증가하여 초저온용 구상흑연주철의 저온취성이 향상되는 효과를 발휘한다.

상기와 더불어 페라이트화 공정 처리된 초저온용 구상흑연주철은 페라이트 기지조직이 90~100%로써, 상기 도 1과 같이 30mm, 50mm, 100mm의 구상흑연주철 질량효과 시편의 상기 오스테나이트화 처리 유지시간을 10시간으로 열처리하였을 때, 30mm, 50mm, 100mm의 구상흑연주철 질량효과 시편의 기지조직이 완전한 페라이트화가 된 것으로 보아 질량에 무관하게 열처리 유지시간이 충분하였고, 본 발명의 구상흑연주철의 두께는 35mm 이하의 주물이기 때문에 오스테나이트화 처리 유지시간을 10시간을 유지하여도 균질한 페라이트 기지조직을 90~100% 얻는 효과를 발휘한다. 또한 페라이트화 공정 처리된 초저온용 구상흑연주철은 구상화율이 90~100%로써, 상기 도 2과 같이 30mm, 50mm, 100mm의 구상흑연주철 질량효과 시편의 상기 오스테나이트화 처리 유지시간을 10시간으로 열처리하고 에칭 전, 후의 영상분석기(image analyser)를 사용하여 구상화율을 측정 비교하였을 때, 구상흑연주철의 주물 두께에 따른 에칭 전 조직사진은 큰 차이를 보이지 않으나, 에칭 후 흑연의 분포 및 구상화율은 질량효과 시험편의 두께가 두꺼워질수록 구상흑연의 크기가 커지며, 구상화율이 90~100%를 얻는 효과를 발휘한다.

다음은 본 발명에 의한 초저온용 구상흑연주철을 제조하기 위한 초저온용 구상흑연주철 제조방법에 관한 시험예와 통상의 제조방법으로 제조한 비교예이다. 또한 하기는 시험예와 비교예에 의하여 제조된 구성흑연주철의 화학조성에 관한 표 6 과 기계적인 특성을 나타내는 표 7 및 결과이다. 아울러 본 발명에 의하여 제조된 시험예 및 통상의 제조방법으로 제조한 비교예는 본 발명의 구체적인 실시를 제한하지 않는다.

[시험예 1]

1. 오스테나이트화 공정

가. 탄소 3.62g, 망간 0.124g, 인 0.029g, 황 0.006g, 크롬 0.03g, 마그네슘 0.037g, 규소 1.84g, 니켈 0.875g을 포함하고, 나머지는 철 및 불가피한 불순물을 포함하는 초저온용 구상흑연주철을 100g 준비한다.

나. 초저온용 구상흑연주철을 6시간 동안 820℃까지 가열한다.

다. 가열된 초저온용 구상흑연주철을 820℃에서 10시간 동안 가열 유지한다.

2. 페라이트화 공정

1. 오스테나이트화 공정

가. 상기 오스테나이트화 공정으로 준비된 초저온용 구상흑연주철을 3시간 동안 820℃에서 680℃까지 온도를 떨어뜨린다.

나. 상기 초저온용 구상흑연주철을 680℃에서 2시간 동안 항온 유지한다.

다. 680℃의 초저온용 구상흑연주철을 60시간 동안 200℃까지 로에서 로냉한다.

[비교예 1]

1. 오스테나이트화 공정

가. 탄소 3.67g, 망간 0.28g, 인 0.12g, 황 0.01g, 크롬 0.03g, 마그네슘 0.089g, 구리 0.004g, 규소 2.62g, 니켈 1.06g을 포함하고, 나머지는 철 및 불가피한 불순물을 포함하는 초저온용 구상흑연주철을 100g 준비한다.

2. 페라이트화 공정

[결과]

상기의 표 6과 표 7의 결과와 같이 시험예는 비교예 1에 비하여 규소의 함량과 니켈의 함량이 감소하여 저온충격특성치가 증가해 초저온에서 높은 기계적 특성이 우수하게 나타나고, 시험예는 비교예 1에 비하여 탄화물 조장제어 원소인 망간의 함량이 감소하고, 구상화원소인 마그네슘의 함량이 감소되어 탄화물 등의 이상 조직이 발견되지 않고, 열처리 후 완벽한 페라이트 기지가 되어 초저온용 구상흑연주철의 효과를 나타내었다.

Claims

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탄소 3.37~3.97wt%, 망간 0.100~0.149wt%, 인 0.025~0.033wt%, 황 0.001~0.01wt%, 크롬 0.01~0.05wt%, 마그네슘 0.030~0.044wt%, 규소 1.69~2.09wt%, 니켈 0.850~0.900wt%를 포함하여 이루어지고, 나머지는 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어지는 구상흑연주철을 800~840℃의 온도에서 9~11시간 동안 가열하는 오스테나이트화 공정과;
상기 오스테나이트화 공정 처리된 구상흑연주철을 3시간 동안 800~840℃에서 660~700℃까지 온도를 떨어뜨리는 공정과;
상기 오스테나이트화 공정 처리된 구상흑연주철을 660~700℃의 온도에서 1~3시간 동안 항온유지 공정과;
상기 항온 유지한 구상흑연주철을 60시간 동안 200℃까지 서서히 로냉하는 페라이트화 공정;을 포함하여 처리된 구상흑연주철의 페라이트 기지조직이 90~100%이며, 구상화율이 90~100%인 것을 특징으로 하는 초저온용 구상흑연주철의 제조방법.
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