KR101056653B1 - 연속주조기의 더미 바 회전부 부시용 구상흑연주철 - Google Patents

연속주조기의 더미 바 회전부 부시용 구상흑연주철 Download PDF

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Abstract

본 발명의 연속주조기의 더미 바 회전부용 구상흑연주철은 연속주조기에서 더미 바의 회전부를 구성하며 슬리브(Sleeve)와 상기 슬리브에 삽입되는 핀(Pin) 및 상기 핀과 슬리브 사이에 삽입되는 부시(Bush)로 이루어지는 연속주조기의 더미 바 회전부용 구상흑연주철에 관한 것으로서, 상기 슬리브와 핀 및 부시는 C 2.5 ~ 3.8중량%, Si 2.0 ~ 2.7중량%, Mn 0.02 ~ 0.4중량%, P 0.08중량% 이하, S 0.02중량% 이하, Cu 0.6중량% 이하, Mg 0.025 ~ 0.06중량%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지고, 상기 슬리브 및 핀은 열팽창계수가 12E-5/K ~ 18E-5/K 이며, 상기 부시는 열팽창계수가 1.1E-5/K ~ 1.5E-5/K인 것을 특징으로 한다.
이에 따라 본 발명은 연속주조기의 더미 바 회전부가 고온환경에서 열변형이 적도록 하고 부시의 마찰을 원활하게 하며 우수한 내마멸 특성을 갖도록 대체소재로 구상흑연주철을 활용함으로써 연속주조기의 더미 바 회전부의 수명을 연장하도록 할 수 있고, 정비시간 단축 및 회전부의 재 구매비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
연속주조, 더미 바, 회전부, 핀, 슬리브, 부시, 구상흑연주철, 대체소재

Description

연속주조기의 더미 바 회전부 부시용 구상흑연주철{Dutile Cast Iron for Dummy Bar Bush of Continuous Casting Machine}
본 발명은 연속주조기의 더미 바 회전부용 부시(Bush)의 구상흑연주철에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제철소에서 주괴 생산시 최초 용턍을 받기 위해 쇳물의 초도역할을 담당하는 더미 바(Dummy Bar)의 회전부에 적용되는 부시(Bush)의 회전마찰을 원활하게 하고 내열성을 갖도록 하여 수명을 연장하도록 하는 연속주조기의 더미 바 회전부용 구상흑연주철을 제공하는 것이다.
연속주조법은 종래의 조괴에서 분괴압연을 거쳐 슬래브나 블륨을 만드는 방법에 비하여 잉곳케이스(Ingot Case)의 주조, 형발, 균열, 분괴압연을 생략하고 직접 용강을 주형에 주입하여 냉간, 응고시켜 연속적으로 블래브나 블륨, 빌릿 등을 제조하는 방법이다. 이 방법은 분괴공정을 생략한 연속주조법으로 설비비의 삭감 외에 에너지 절감, 제품실수율 향상, 제품생산원가 절감, 납기단축 등 큰 이점이 있으며, 자동화 및 기계화가 용이하여 작업환경을 개선시킬 수 있다. 연속주조설비는 위에서 주입되는 용강이 주형을 통하여 아래로 흐름에 따라 주형의 단면형상으 로 응고되면서 연속 생산하는 방식으로 되어 있다. 정림하게 온도를 맞추어 출강된 용강을 래들(ladle)에 의해 연속주조기 주상으로 이송한 다음 중간 용기인 턴디시(Tundish)로 주입한다. 턴디시에서는 용강중 게재물을 부상 분리시키며 몰드 내로 용강을 주입한다. 여기서 다시 여러가닥의 주형에 주입하는데 주형은 냉각수를 통하게 되어 있어 내부의 용강은 점차 응고된다. 주입된 용강은 주형의 밑바닥에 미리 받쳐져 있는 더미바(Dummy Bar)의 선단에 응고, 고착되고 더미바를 핀치롤(Pinch Roll)로 잡아당겨 늘림으로서 응고된 주편이 내려가며 주형을 상하로 운동시켜 강편이 주형에 부착되는 것을 방지한다.
주형은 용착을 방지하기 위해 강제 진동시켜서 주입된 용강을 소정의 단면 크기로 신속하고 균일하게 외측으로부터 응고시키기 위하여 냉각수를 사용하여 강제로 냉각시킨다. 주형에서 나온 주편은 2차 냉각대로 들어가며 2차 냉각대에서는 주편 중심의 응고를 가급적 신속히 진행시키기 위해 주편 표면에 물을 분사시킨다. 주편의 변형을 방지하기 위해 롤러가이드(Roller Guide)가 설치된다. 롤러가이드를 통과한 후 벤딩디바이스(Bending Device)에 의해 소정의 곡률로 굽어진다. 냉각대는 여러 가지 핀치롤이 설치되어 있어 여기서 주편의 전중량을 지탱하면서 소정의 주입상태에 맞춰서 주편을 인발한다. 굽어진 주편은 교정기에서 똑바로 펴서 가스절단기에서 소정의 길이로 자른다.
연속주조기 주형은 조괴주형과 달리 밑바닥이 없으며, 주조 초기 주형에 용강을 주입할 때 용강이 누출되지 않도록 막아주는 바닥이 필요하다. 이와 같이 제철소에서 주괴 생산시 최초 용탕을 받기 위해 쇳물의 초도역할을 담당하는 역할을 하는 것이 더미 바(Dummy Bar)이다. 더미 바의 끝부분 즉, 주형바닥에 상당하는 부분을 더미바 헤드(Dummy Bar Head)라 하며 초기 용강은 이 부분에서 응고되어 더미 바와 결합하고 핀치롤(Pinch Roll)에 의해 인발된다.
이때, 더미 바의 회전부에는 부시(Bush)가 적용되는데 회전부의 마찰을 줄이기 위해 종래에는 청동(Bronze)을 사용하였다. 청동은 재질 특성상 경도가 낮고, 특히 고온의 환경에서 사용시 열 영향에 의해 변형이 발생하고 회전이 원활치 않아 더미 바(Dummy Bar)의 작동이 불가하게 되는 일이 많이 발생된다. 이러한 열변형으로 작동불량이 발생하여 현장의 원활한 설비운영에 지장을 초래하여 현장 개선사항이 요구되고 있으나 국내의 대체 소재 연구 및 검토가 전무한 상태이다.
따라서, 더미 바(Dummy Bar)의 회전부에 적용되는 부시(Bush)의 마찰을 원활하게 하고 내열성을 갖는 대체소재의 개발이 요구되고 있다.
상기한 문제점을 개선하기 위한 것으로 본 발명의 목적은 연속주조기에 사용되는 더미 바(Dummy Bar)의 회전부에 적용되는 부시(Bush)에 적용되는 대체소재로서 고온환경에서 열변형이 적도록 하며, 부시(Bush)의 마찰을 원활하게 하는 연속주조기의 더미 바 회전부 부시용 구상흑연주철을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연속주조기에서 더미 바의 회전부를 구성하며 슬리브(Sleeve)와 상기 슬리브에 삽입되는 핀(Pin) 및 상기 핀과 슬리브 사이에 삽입되는 부시(Bush)로 이루어지는 연속주조기의 더미 바 회전부용 구상흑연주철에 관한 것으로서, 상기 슬리브와 핀 및 부시는 C 2.5 ~ 3.8중량%, Si 2.0 ~ 2.7중량%, Mn 0.02 ~ 0.4중량%, P 0.08중량% 이하, S 0.02중량% 이하, Cu 0.6중량% 이하, Mg 0.025 ~ 0.06중량%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지고, 상기 슬리브 및 핀은 열팽창계수가 12E-5/K ~ 18E-5/K 이며, 상기 부시는 열팽창계수가 1.1E-5/K ~ 1.5E-5/K인 것을 특징으로 한다.
또한, 500 ~ 700℃ 사이의 온도에서 상기 슬리브와 부시 사이의 간격이 10~60㎛ 이 되도록 열팽창되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 부시와 핀 사이의 접촉응력은 250MPa 내지 300MPa 인 것을 특 징으로 한다.
또한, 상기 구상흑연주철의 풀림처리는 100℃/hr 이하로 온도를 상승시켜 850±20℃에서 4시간 이상 유지시킨 다음, 100℃/hr 이하로 하강시키고 300℃이하로 공냉시키는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 구상흑연주철의 질화처리는 열처리 로내에 질화가스를 채우고 200±20℃에서 1시간동안 유지한 후, 온도를 상승시켜 400±20℃에서 1시간 동안 유지하며, 온도를 상승시켜 550±20℃에서 20시간 동안 유지한 후 300±20℃ 까지 로내에서 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 연속주조기의 더미 바 회전부가 고온환경에서 열변형이 적도록 하고 부시의 마찰을 원활하게 하며 우수한 내마멸 특성을 갖도록 대체소재로 구상흑연주철을 활용함으로써 연속주조기의 더미 바 회전부에 사용되는 부시(Bush)의 수명을 연장하도록 할 수 있고, 정비시간 단축 및 회전부의 재 구매비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 연속주조기의 더미 바 회전부용 부시(Bush)인 구상흑연주철에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 연속주조기의 더미 바 회전부의 구조를 나타낸 부분 단면사시도이다.
보통의 주철은 흑연이 편상흑연조직이므로 응력을 받을 때 흑연을 따라 균열이 발생하기 쉽고 취성이 있으며 강도가 작은 결점이 있는데 반해, 구성흑연주철은 보통 주철의 조직에 나타나는 흑연을 본래의 엽편상(葉片狀)에서 구상(球狀)으로 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 있다. 특히, 구상흑연주철은 기계적 특성이 우수하여 각종 내연기관용 부품의 기본 재료로 널리 사용되고 있다.
본 발명은 이러한 구상흑연주철의 특성을 이용하여 종래의 청동으로 사용하는 연속주조기의 더미 바 회전부의 부시(Bush)를 구상흑연주철로 대체함으로써 수명을 연장하는 목적을 갖는다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 연속주조기에서 더미 바의 회전부를 구성하는 슬리브(Sleeve)와 핀(Pin)은 크롬(Cr) 몰리브덴(Mo)강으로 이루어지며, 상기 핀과 슬리브 사이에 삽입되는 부시(Bush)로 이루어지는 연속주조기의 더미 바 회전부용 구상흑연주철계 부시(Bush)에 관한 것으로서, 상기 부시는 C 0.38 ~ 0.43중량%, Si 0.15 ~ 0.35중량%, Mn 0.60 ~ 0.85중량%, P 0.03중량% 이하, S 0.03중량% 이하, Cr 0.9 ~ 1.2중량%, Mo 0.15 ~ 0.30중량% 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진다.
C함량이 2.5중량% 미만인 경우에는 흑연의 구상화가 어려워 플레이크흑연의 형성이 조장되므로 주철재의 기계적 특성이 감소한다. 또한, 3.8중량%를 초과하면 흑연화가 조장되어 구상화가 어렵게 되고, 열처리 후의 신율 감소현상이 발생한다.
Si는 구상흑연주철에서 기지조직을 형상하는 기본 합금원소로서, 철의 보조를 받아 접종제로도 작용하고, 균질한 상기 첨가제를 얻기 위하여 주철재에 함유된 필수원소이다. 백선화를 방지하고, 안정된 조직의 페라이트 조직이나 펄라이트조직을 조정하는 역할을 한다. Si의 함량이 2.0중량% 미만이 되면 기지조직의 시멘타이트 조직이 형성되기 쉽고, 2.7중량%를 초과할 때는 충격특성이 저하되는 단점이 있다.
Mn은 강도향상을 위한 펄라이트조직의 조장 원소로 첨가된다. Mn는 0.02 ~ 0.4중량%의 함량조건을 갖고 이 범위를 벗어나면 셀간 탄화물 형성을 조장하여 인성이 좋지 않게 된다.
P는 원료에 함께 유입되므로 그 함유가 불가피하나, P는 인성을 열화시키는 원소로, 그 첨가는 0.08중량% 이하로 최소화하는 것이 바람직하다.
S의 양이 많아지면 상대적으로 Mn의 역할이 줄어들게 된다.
Cu는 구상화 입자를 고르게 분포시키며 신율을 향상시키고 열처리 효과를 높이는 역할을 한다. 특히 펄라이트량을 증가시켜 열처리성을 증대시키는 효과가 있다. 하지만, 그 첨가량이 많아지면 경도와 강도는 높으나 취약하게 되고, 제조원가가 상승하기 때문에 최대 0.6중량%를 첨가하는 것이 좋을 것이다.
Mg는 흑연의 구상화를 위해 첨가되는 원소로서 그 함량은 0.025 ~ 0.06중량% 로 한정하는 것이 좋다. Mg량이 너무많으면 Mg 수율(yield)의 손실이 있으며, 그리고 첨가제가 과도하게 반응하여 분쇄 또는 액상주철로 유입될 때 작업에 위험성이 존재한다. 또한, 하한치보다 작으면 흑연의 구상화에 충분한 작용을 수행치 못하게 된다.
본 발명에 적용한 슬리브와 핀의 재질 특성은 [표 1]과 같다.
[표 1] 슬리브와 핀의 재질 특성
Figure 112008041800353-pat00001
또한, 본 발명에 적용한 부시(Bush) 소재의 재질 특성과 종래에 사용된 부시 소재의 특성을 비교하면 [표 2]와 같다.
[표 2] 본 발명의 부시와 종래의 부시의 특성 비교
Figure 112008041800353-pat00002
본 발명은 열응력을 해석하기 위해 유한요소법을 활용하여 열응력을 해석하 였다. 시뮬레이션(Simulation) 해석 수행에 있어서 기본적으로 각 재료별 물성치가 Program상에 입력되어야 한다. 전술한 표에 표기된 각 재료별의 3가지 값(영률, 포아송비, 열팽창계수) 중 열응력 해석에서 가장 필요로 하는 물성치는 열팽창계수로서 이 값은 온도변화에 따른 재료별 조직의 팽창하는 값을 표기하는 기초 데이터이다. 본 발명에서 각 부품별로 대응하는 슬리브(Sleeve), 핀(Pin), 부시(Bush)의 열팽창계수 값 중 공통으로 대표하는 열팽창계수 값 1개만을 지목하여 해석 수행에 접목시켰다.
도 1은 열응력해석을 유한요소법을 활용하기 위하여 메시(Mesh)를 생성한 상태를 나타낸 도면이다.
메시(Mesh) 생성후 유한요소해석을 활용하여 열응력을 해석한 결과를 도 1과 도 2에 도시하였다.
도 2는 종래에 사용된 브론즈계(CAC603) 소재의 열응력해석결과를 나타내며, 도 3은 본 발명의 구상흑연주철을 이용한 열응력해석결과를 나타낸다.
도 2에서 종래에 사용된 브론즈계(CAC603) 소재는 가상의 가동조건(작동온도 600℃)에서 최고응력(Max. Von Mises Stress)이 126.1MPa(약 1285.9kg/cm2)로 부시(Bush)와 핀(Pin)사이에 나타났으며(도면에서 빨강색으로 도시된 부분), 약 126MPa의 접촉응력이 발생된 것으로 해석되었다.
도 3에서 본 발명의 구상흑연주철(FCD400)을 적용한 경우에는 동일조건에서 최고응력(Max. Von Mises Stress)가 276.7MPa(약 2,821.6kg/cm2)로 부시와 핀 사이 에 나타났으며(도면에서 빨강색으로 도시된 부분), 약 277MPa의 큰 접촉응력이 발생된 것으로 해석되었다.
상기 슬리브 및 핀은 열팽창계수가 12E-5/K ~ 18E-5/K 이며, 상기 부시는 열팽창계수가 1,1E-5/K ~ 1.5E-5/K인 것이 바람직하다. 이와 같이 부시의 열팽창계수가 슬리브 및 핀의 열팽창계수보 다 작게 되면 열팽창시 부시가 핀과 접촉응력이 크게 되며 슬리브와 부시 사이에는 간격(Clearance)가 발생되어 마모 발생을 줄일 수 있게 된다.
고온(500~700℃)에서 상기 부시와 핀 사이의 접촉응력은 250MPa 내지 300MPa 인 것이 바람직하다. 부시와 핀의 접촉응력이 너무 크면 부시의 변형이 발생될 수 있고, 부시와 핀의 접촉응력이 너무 작으면 부시가 핀과 결합시 너무 헐겁게 되어 분리될 수 있으므로 적당한 접촉응력을 갖는 것이 바람직하다.
도 4와 도 5는 동일 치수 및 조건에서의 열팽창시 슬리브와 부시 사이의 간격(Clearance)을 해석한 것이다.
도 4는 브론즈계(CAC603) 소재를 적용한 경우이고, 도 5는 본 발명의 구상흑연주철(FCD400)을 적용한 경우이다.
도 4에 도시된 바와 같이 종래의 브론즈계(CAC603) 소재를 적용한 경우에는 작동온도 600℃에서 부시와 슬리브 사이에 간격이 거의 없는 것으로 나타났다. 이는 브론즈계 소재로 된 부시의 열팽창계수가 커서 슬리브에 접촉된 것으로 부시와 슬리브 사이의 간격이 거의 없게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 구상흑연주철을 적용한 경우에는 작동온도 600℃에서 부시와 슬리브 사이의 간격이 약 35㎛ 인 것으로 나타났다. 이는 구상흑연주철로 된 부시의 열팽창계수가 작아서 부시와 슬리브 사이의 간격이 발생되게 된다.
이와 같이 본 발명은 500 ~ 700℃ 사이의 온도에서 상기 슬리브와 부시 사이의 간격이 10~60㎛ 이 되도록 열팽창되는 구상흑연주철을 연속주조기의 더미 바 회전부에 적용하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 슬리브와 부시 사이의 간격이 너무 크면 슬리브와 부시 사이의 마모가 작게 되나 슬리브와 부시가 분리될 우려가 있고, 간격이 너무 작으면 슬리브와 부시 사이의 마모가 크게 되어 원활한 회전을 하지 못하고 수명이 단축되게 되므로 적당한 간격을 갖는 것이 바람직하다.
이 경우 구상흑연주철(FCD400)로 제작된 부시는 고온 상태 시 핀(Pin)과는 매우 큰 접촉응력이 발생하므로, 실제 사용시 핀(Pin)의 직경은 부시(Bush)보다 작도록 헐거운 끼워맞춤으로 결합시키도록 하여 고온에서 팽창 후 큰 접촉응력을 방지 할 수 있게 된다.
시험
1. 시료 준비
시험에 사용된 각 시료의 성분을 [표 3]과 [표 4]에 나타내었다.
[표 3] 종래의 브론즈계(CAC603) 소재의 성분
Figure 112008041800353-pat00003
[표 4] 각 시료의 성분
Figure 112008041800353-pat00004
2. 구상흑연주철(FCD400)의 풀림처리
구상흑연주철의 풀림처리 공정을 도 6에 도시하였다.
풀림처리는 100℃/hr 이하로 온도를 상승시켜 850±20℃에서 4시간 이상 유지시킨 다음, 다시 100℃/hr 이하로 하강시키고 300℃이하로 공냉시킨다.
3. 시료별 기계적 특성 시험
가. 열 인장 시험.
시험조건은 600℃에서 실시하였으며 시편규격은 KS B 0802이다. 시험방법은 재질별 3회 실시하여 평균치 산출하였으며, 시료의 항복점을 지나 파단시까지 실시하였다. 시험 후 파단된 시료의 사진을 도 7에 나타내었고 도 8에서는 각 시료의 열 인장시험 특성을 나타내었다. 사진에서와 같이 시험조건을 600℃까지 가열 후 시험을 실시하여 시료의 표면은 까맣게 변색된 것을 알 수 있다. 좌측 상부와 하부 는 주철계 시료이며 FC계열의 성분특성상 인성이 부족하여 파단시 시료의 적은 연신율 특성으로 파단면에 변형이 거의 없이 깨끗하게 파단 되었다. 우측 상부의 시료는 기존에 사용된 브론즈(Bronze)계 제품의 시료로써 Bronze계 특성은 온도가 높아질수록 인장강도가 감소되며, 연신율도 온도가 올라감에 따라 감소되는 것을 알 수 있다. 또한 사진에서와 같이 파단면의 미관이 제일 좋지 않았다. 우측 하부 S45C 시료는 구조용 특수강의 특성을 잘 나타내고 있는데, 각 시험 DATA 결과 값에서 가장 좋은 기계적 특성을 나타내고 있다.
도 8에 나타낸 그래프는 열인장 시험 후의 시험DATA 이다. 모든 기계적 시험에 있어서 S45C가 가장 좋은 기계적 성질을 나타내고 있으나, 본 발명에서 대체소재로서 주목하고 있는 구상화흑연주철인 FCD400을 Bronze계 CAC603과 대비하여 비교해 보면, 인장강도에서는 구상화흑연주철(FCD400)이 Bronze계(CAC603)보다 약5배 정도의 강도를 보이고 있다. 항복강도에서는 구상화흑연주철(FCD400)이 6배정도의 강도를 보이고 있으며, 연신율에서는 구상화흑연주철(FCD400)이 3배 정도의 연신율이 뛰어난 것을 알 수 있다. 단면 수축율에서는 21배의 뛰어난 성능을 보여주고 있는데, 이는 구상흑연주철이 Bronze계 재질보다 큰 내구성을 지니고 있다는 것을 나타내는 것이다. 이와 같이 본 발명에서 사용된 구상흑연주철의 열 인장 시험의 결과 값에서 구상흑연주철(FCD400)이 Bronze(CAC603)보다 고온 환경중의 사용에 있어서 탁월한 기계적 성질을 갖고 있다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 열 인장시험결과 구상화흑연주철(FCD400)이 Bronze계(CAC603)보다 인장강도에서 5배, 항복강도에서 6배, 연신율 3배, 단면 수축율에서 21배의 뛰어난 기계적 성질을 갖고 있다는 것은 실제 제철소의 더미 바(Dummy Bar) 사용 시 고온의 사용 환경 속에서 더미 바(Dummy Bar)에 기존품 브론즈(CAC603)계 보다 모든 기계적 성질면에서 뛰어난 구상화흑연주철(FCD400)계 부시(Bush)가 적용된다면 브론즈(CAC603)계 보다 부시(Bush)의 사용수명이 크게 늘어날 수 있을 것이라는 결론을 낼 수 있다.
나. 마모 시험.
시험조건은 마찰거리를 150m로 하고, 마찰속도는 기어 비를 B/A = 50:60(변속비=1.14)으로 하며, 마찰하중은 3.2Kg으로 하였다. 시험방법은 시편 1개에 편측 1회씩, 양면에 2회 실시하고, 평균치 산출 후, DATA 결과 값에 따라 재실시 여부를 결정하여 실시하였다.
마모시험 후 마모된 시료의 사진을 도 9에 나타내었고 도 10에서는 각 시료의 마모시험 특성을 나타내었다. 우측은 구상흑연주철계 시료로서 외관상 사진에서 보이듯이 마모량이 타 시료보다 많은 마모량을 나타낸 것을 알 수 있다. FC계열의 내마모성 특징은 조직성분상 페라이트의 양이 증가하면 마모량이 증가하는데, 화학조성은 탄소 3.5%~3.0% 범위에서는 별 영향이 없으며, Si는 페라이트를 석출하지 않는 범위에서 많은 것이 좋다. 또한 흑연입자가 적어지면 내마모성이 떨어지는데, 편상흑연주철보다 구상흑연주철이 내마모성이 좋은 이유는 경도와 강도가 편상흑연주철보다 비교적 높고, 흑연 형상이 구상이기 때문이다. 좌측 하부의 사진은 기존 사용 중인 브론즈(Bronze)계 제품의 시료로써 시험결과 황동계열의 특징을 잘 나타내고 있는데 FC주철 계열의 재료보다는 내마멸성 시험에 좋은 기계적 성질을 갖고 있다는 것을 알 수 있었다. 좌측 상부 S45C 시료는 구조용 특수강의 특성을 잘 나 타내고 있는데, 각 시험DATA 결과 값 에서 가장 좋은 기계적 특성을 나타내고 있다.
실시된 시험은 더미 바 부시(Dummy Bar Bush)의 대체소재 선정을 위한 비교 시험으로서, 실시된 시험은 4종류의 시험편을 재질별 기계적 특성파악을 위한 마모시험이다. 도 10의 그래프는 마모시험 후의 시험DATA로서 각 재질별 결과 값이 큰 차이를 보였다. 모든 기계적 시험에 있어서 S45C가 가장 좋은 기계적 성질을 나타내고 있으나, 본 발명에서 대체소재로서 주목하고 있는 구상화흑연주철인 FCD400을 Bronze계 CAC603과 대비하여 비교해 보면, 시험 후 질량변화에서 구상화흑연주철(FCD400)이 Bronze계(CAC603)보다 약21배 정도의 마모가 진행 된 것을 볼 수 있다. 마모길이에서는 구상화흑연주철(FCD400)이 약 3배정도의 마모길이가 진행된 것을 알 수 있으며, 마모량에서는 구상화흑연주철(FCD400)의 마모량이 13배정도의 마모가 진행 된 것을 알 수 있었다.
마모시험 결과 기계적 내마멸 특성에 있어서는 브론즈(Bronze)계통의 재질이 구상흑연주철계 재료보다는 우수한 내마멸 특성을 나타내고 있으나, 실제 더미 바(Dummy Bar)의 사용 환경에 있어서는 마모에 의한 파손보다 열 변형에 의한 파손이 더 많기 때문에 마모시험 결과 값에 대해서는 큰 비중을 두지 않았다.
그러나 브론즈계통의 재질에 비해 내마모성의 과도한 저하 방지를 위하여 아래와 같은 가스 연질화를 통하여 표면의 경도를 높이고 고온에서의 열인장이 우수한 특성 효과를 유지할 수 있도록 하였다.
가스 연질화 과정을 도 11에 도시하였다.
가스 연질화는 열처리 로내에 질화가스를 채우고 200±20℃에서 1시간동안 유지한 후 온도를 상승시켜 400±20℃에서 1시간 동안 유지하며, 다시 온도를 상승시켜 550±20℃에서 20시간 동안 유지한 후 300±20℃ 까지 로내에서 냉각시키게 된다. 상기 열처리 CYCLE의 과정을 거치면 표면에서부터 깊이 0.4mm~0.6mm구간에 경화층이 생기게 되며, 표면의 경도는 HV500~600가 된다. 이 경화층은 마모시험 시 나타난 FCD400재질의 내마모성의 약점을 보완하여 더미 바 부시(Dummy bar bush)의 대체소재로 채용이 가능하다.
도 1은 열응력해석을 유한요소법을 활용하기 위하여 메시(Mesh)를 생성한 상태를 나타낸 도면.
도 2는 종래에 사용된 브론즈계(CAC603) 소재의 열응력해석결과를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 구상흑연주철을 이용한 열응력해석결과를 나타낸 도면.
도 4는 브론즈계(CAC603) 소재를 적용한 한 것으로 열팽창시 슬리브와 부시 사이의 간격(Clearance)을 해석한 것을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 구상흑연주철(FCD400)을 적용한 한 것으로 열팽창시 슬리브와 부시 사이의 간격(Clearance)을 해석한 것을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 구상흑연주철(FCD400)의 풀림처리 공정을 나타낸 도면.
도 7은 열 인장시험 후 파단된 시료의 사진.
도 8은 각 시료의 열 인장시험 특성을 나타낸 그래프.
도 9는 마모시험 후 마모된 시료의 사진.
도 10은 각 시료의 마모시험 특성을 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명의 구상흑연주철의 가스질화 열처리 공정을 나타낸 도면.

Claims (6)

  1. 연속주조기에서 더미 바의 회전부를 구성하며 슬리브(Sleeve)와 상기 슬리브에 삽입되는 핀(Pin) 및 상기 핀과 슬리브 사이에 삽입되는 부시(Bush)로 이루어지는 연속주조기의 더미 바 회전부용 구상흑연주철에 관한 것으로서, 상기 슬리브와 핀 및 부시는 C 2.5 ~ 3.8중량%, Si 2.0 ~ 2.7중량%, Mn 0.02 ~ 0.4중량%, P 0.08중량% 이하, S 0.02중량% 이하, Cu 0.6중량% 이하, Mg 0.025 ~ 0.06중량%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지고, 상기 슬리브 및 핀은 열팽창계수가 12E-5/K ~ 18E-5/K 이며, 상기 부시는 열팽창계수가 1.1E-5/K ~ 1.5E-5/K이고, 풀림처리는 100℃/hr 이하로 온도를 상승시켜 850±20℃에서 4시간 이상 유지시킨 다음, 100℃/hr 이하로 하강시키고 300℃이하로 공냉시키는 것을 특징으로 하는 연속주조기의 더미 바 회전부용 구상흑연주철.
  2. 연속주조기에서 더미 바의 회전부를 구성하며 슬리브(Sleeve)와 상기 슬리브에 삽입되는 핀(Pin) 및 상기 핀과 슬리브 사이에 삽입되는 부시(Bush)로 이루어지는 연속주조기의 더미 바 회전부용 구상흑연주철에 관한 것으로서, 상기 슬리브와 핀 및 부시는 C 2.5 ~ 3.8중량%, Si 2.0 ~ 2.7중량%, Mn 0.02 ~ 0.4중량%, P 0.08중량% 이하, S 0.02중량% 이하, Cu 0.6중량% 이하, Mg 0.025 ~ 0.06중량%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지고, 상기 슬리브 및 핀은 열팽창계수가 12E-5/K ~ 18E-5/K 이며, 상기 부시는 열팽창계수가 1.1E-5/K ~ 1.5E-5/K이고, 질화처리는 열처리 로내에 질화가스를 채우고 200±20℃에서 1시간동안 유지한 후, 온도를 상승시켜 400±20℃에서 1시간 동안 유지하며, 온도를 상승시켜 550±20℃에서 20시간 동안 유지한 후 300±20℃ 까지 로내에서 냉각시키는 것을 특징으로 하는 연속주조기의 더미 바 회전부용 구상흑연주철.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    500 ~ 700℃ 사이의 온도에서 상기 슬리브와 부시 사이의 간격이 30~100㎛ 이 되도록 열팽창되는 것을 특징으로 하는 연속주조기의 더미 바 회전부용 구상흑연주철.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 부시와 핀 사이의 접촉응력은 200 내지 250MPa 인 것을 특징으로 하는 연속주조기의 더미 바 회전부용 구상흑연주철.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 부시와 핀은 상온에서 헐거운 끼워 맞춤으로 결합된 것을 특징으로 하는 연속주조기의 더미 바 회전부용 구상흑연주철.
  6. 삭제
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