KR101116282B1 - 주철의 인몰드 접종을 위한 바인더리스 브리켓 제조용 조성물, 이로부터 제조된 바인더리스 브리켓 및 바인더리스 브리켓의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주철의 인몰드 접종을 위한 바인더리스 브리켓 제조용 조성물, 이로부터 제조된 바인더리스 브리켓 및 바인더리스 브리켓의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 바인더리스 브리켓 제조용 조성물은, 조성물의 전체 중량을 기준으로, 10중량% 이하의 Mg, 8중량% 이하의 CaF₂, 20~80중량% BMA 및 5~65중량%의 Fe를 포함한다.

주철, 접종, 인몰드, 바인더리스, 브리켓, 용탕처리

Description

주철의 인몰드 접종을 위한 바인더리스 브리켓 제조용 조성물, 이로부터 제조된 바인더리스 브리켓 및 바인더리스 브리켓의 제조방법{Compositions for binderless briquette of in-mold innoculant of cast iron, binderless briquettes manufactured from the same, and manufacturing method of binderless briquettes}

본 발명은 주철의 인몰드 접종을 위한 바인더리스 브리켓 제조용 조성물,이에 의해 제조된 바인더리스 브리켓 및 바인더리스 브리켓의 제조방법에 관한 것이다.

좋은 재질의 주철주물품을 생산하기 위해서는 주철의 화학조성, 응고 및 냉각속도 그리고 용해?주입 과정 중의 적절한 용해공정(장압재의 조성, 양, 투입방법 및 순서 등) 및 용탕처리가 중요하다. 그 중에서도 용탕의 접종과 구상화 처리 등은 주철의 매크로 조직 및 흑연의 형상에 크게 영향을 미치므로 크게 신경을 써야하는 부분이다. 주철의 생산 현장에서는 이러한 기본지식이 있다 하더라도 그때 그때 주물제품의 크기와 형상에 따라서 이를 어떻게 적용하여야 할지는 각사의 노하우가 필요한 부분이라고 할 수 있다.

인몰드 접종 방법은 주입시간이 길거나 이에 따른 용탕의 온도저하가 큰 경우에 사용되는 방법 중 가장 경제적이며 효과가 있는 방법 중에 하나이다. 그러나 이 기술은 적합한 탕도나 주입구의 설계에 주의가 요구되며 주철 용탕과 접종제의 상호작용에 의한 반응물이 생성되지 않도록 하거나 설혹 반응물들이 생성되더라도 이들이 주물 캐비티에 침입하는 것을 억제하고 주입공정 중에 충분히 반응을 마칠 수 있도록 하는 것이 매우 중요하다 하겠다. 인몰드 접종재는 입상의 상태로 사용하는 경우도 있으며 반응 및 미반응 생성물의 주형내 침투를 막고 주조 또는 합형 공정의 간소화를 위해 일정한 형상으로 성형하여 브리켓으로 만들어 사용하기도 한다.

브리켓 형상으로 제조하는 방법에는 적정접종재의 합금용해 방법과 분말성형 방법이 있는데 분말야금학적 방법으로 브리켓을 제조하는 방법은 합금용해방법에 비해 원재료의 회수율이 높고 제조 공정에 드는 전력 소모가 적으므로 보다 더 경제적인 방법이라 할 수 있겠다.

구상 흑연 주철에서는 일반적으로 사용되는 접종제와 마찬가지로 인몰드 접종제 역시 보통 3-20% 이내의 마그네슘을 포함하여 실리콘, 철, 니켈, 구리 등의 금속과 함께 어우러져 있으며 적은 량이지만 칼슘, 희토류 금속, 베릴륨, 알루미늄 등도 포함되어서 긍정적인 영향을 미치고 있다. 이러한 것들은 합금용해방법으로 제조하게 되면 전력의 소모는 물론이고 고가의 성분원소들이 증발손실 됨은 피할 수 없게 된다. 따라서 기계적 혼합방식이 요구되는 것도 이 때문이다.

몇몇 외국 기업에서는 바인더재로 유동 유리, 크레이, 시멘트, 물 등을 브리 켓에 함유시켜 적용하기도 하는데 이것은 슬래그와 가스발생을 유발하여 주철에 악영향을 끼칠 수도 있다.

따라서, 본 발명의 첫번째 목적은 생산라인이나 주조품의 특성에 의해 주입시간이 용탕처리의 훼이딩이 일어날 수 있도록 충분히 긴 경우 효과적으로 사용할 수 있는 주철의 인몰드 접종을 위한 바인더리스 브리켓 제조용 조성물을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 두번째 목적은 상기 조성물을 주성분으로 바인더 없이 성형을 하여, 보다 우수한 품질의 주철을 생산할 수 있는 바인더리스 브리켓 및 이의 제조방법을 제공하는데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 구성은, 주철의 인몰드 접종을 위한 바인더리스 브리켓 제조용 조성물로서, 상기 조성물의 전체중량을 기준으로, 2~10중량% Mg, 2~8중량% CaF₂, 20~80중량% BMA 및 5~65중량%의 Fe를 포함한다. 여기서, BMA는 Base Metal Alloy의 약칭으로 기본조성합금을 의미한다.

바람직하게는, 상기 바인더리스 브리켓 제조용 조성물은, 조성물의 전체중량을 기준으로, 1.0 ~ 2.5 중량%의 미시메탈(misch metal)을 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 바인더리스 브리켓 제조용 조성물은 조성물의 전체중량을 기준으로, 1.5 ~ 3.5중량%의 Ba을 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 바인더리스 브리켓 제조용 조성물은 조성물의 전체중량 을 기준으로, 10중량%의 Mg, 5중량%의 CaF₂, 35중량% BMA 및 50중량%의 Fe를 포함한다.

바람직하게는, 상기 BMA는 BMA의 전체중량을 기준으로, 1~10중량% Mg, 0.1중량% 내지 1.5중량% Ca, 0.1중량% 내지 1.0중량% Al, 20~40중량% Fe 및 50~70중량% Si를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 구성은, 주철의 인몰드 접종을 위한 바인더리스 브리켓으로서, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 바인더리스 브리켓 제조용 조성물의 분말을 혼련한뒤 몰드에 넣고 바인더를 첨가하지 않은 상태에서 성형압력을 가하여 얻어진다.

바람직하게는, 상기 성형압력은 200MPa 내지 600MPa이다.

바람직하게는, 상기 바인더리스 브리켓의 기공도는 7 ~ 25%이다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 구성은 주철의 인몰드 접종을 위한 바인더리스 브리켓의 제조방법으로서, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 바인더리스 브리켓 제조용 조성물의 분말을 준비하는 단계; 및 상기 분말을 혼련한 뒤 몰드에 넣고 바인더를 첨가하지 않은 상태에서 성형압력을 가하여 성형하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 성형압력은 200MPa 내지 600MPa이다.

본 발명에 의하면, 생산라인이나 주조품의 특성에 의해 주입시간이 용탕처리 의 훼이딩이 일어날 수 있도록 충분히 긴 경우 효과적으로 사용할 수 있는 주철의 인몰드 접종을 위한 바인더리스 브리켓 제조용 조성물을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 상기 조성물을 주성분으로 바인더 없이 성형을 하여, 보다 우수한 품질의 주철을 생산할 수 있는 바인더리스 브리켓 및 이의 제조방법을 얻을 수 있다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예들과 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 바인더리스 브리켓 제조용 조성물에 첨가되는 각종 원소들의 영향을 정리하면 다음과 같다.

(1) Mg

주철용탕에서 강력한 탈산, 탈류(脫硫)능력을 포함하고 있다. 주철용탕의 구상화처리시 탈탄(脫炭)의 경향이 있지만 첨가량이 과도하지 않는 한 탄화물을 안정화시키지는 않는다. Fe에 고용되지 않으며 비등점이 낮기 때문에 용탕첨가시 표면으로 심하게 떠오르는 경향이 있다. 따라서, Si, Ca 등의 첨가는 Mg의 증기압을 감소시켜 반응을 조용히 유도한다. 주조품의 두께에 따라 잔류 Mg는 0.02~0.07%의 범위에서 양호한 흑연의 구상화가 이루어진다. 본 발명의 바인더리스 브리켓 제조용 조성물에 첨가되는 Mg의 양은 2~10중량%로 한다.

(2) Si

탈산 작용을 하여 안정화된 산화물을 생성한다. BMA 내 Mg와 합금되어서 흑연의 구상화제로 사용될 때는 Mg의 증기압을 감소시켜 Mg 단독으로 쓰일 때 보다 격렬한 용탕과의 구상화 반응을 훨씬 완화시킨다. 용탕중 흑연화를 촉진하는 접종의 능력이 있다. 본 발명에서, BMA에 첨가되는 Si의 양은 BMA의 전체 중량을 기준으로, 50 내지 70 중량%로 한다.

(3) Al

Fe-Si 생산공정에서 필연적으로 함유되기 때문에 구상화제 중에 미량이지만 항상 존재한다. 탈산의 역할이 있으며 Si 접종 효과를 개선하는 역할을 한다. BMA내 과량의 혼입은 기계적 성장을 저해한다. 따라서, 본 발명에서, BMA에 첨가되는 Al의 양은 BMA의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 1.0 중량%로 한다.

(4) Ca

Si와 마찬가지로 Mg와 합금된 상태에서 구상화제로 사용될 때 용탕과의 반응을 조용히 진행시킨다. Si의 접종효과를 개선시킨다. 강력한 탈류 작용이 있다. Mg처럼 Fe에 고용되지 않으므로 안정된 슬래그를 생성한다. 본 발명에서, BMA에 첨가되는 Ca의 양은 BMA의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 1.5 중량%로 한다.

(5) 미시메탈(희토류)

유황, 산소 등 흑연의 구상화에 유해한 원소들을 완충시키는 역할을 하며 Ce 과 La이 주성분이다. Ce이 흑연핵으로의 용융금속의 확산을 어렵게 하며 표면장력을 증가시키므로 Mg와 같이 흑연 구상화를 촉진시킨다. 강력한 탈산, 탈류의 능력이 있으며 융점이 매우 높은 안정한 류화물을 생성한다. 응고시 수축을 감소시키는 역할을 한다. 본 발명의 바인더리스 브리켓 제조용 조성물에 첨가되는 미시메탈의 양은 상기 조성물의 전체 중량을 기준으로 1.0 내지 2.5 중량%로 한다.

(6) Ba

용탕의 페이딩(fading) 현상을 억제시키는 역할을 한다. 본 발명의 바인더리스 브리켓 제조용 조성물에 첨가되는 Ba의 양은 상기 조성물의 전체 중량을 기준으로 1.5~3.5중량%로 한다.

(7) Fe

순 Si보다 저렴한 Fe-Si로서 구상화제를 생산하기 때문에 구상화제에는 항상 Fe를 포함하고 있다. Fe가 다량 함유될수록 구상화제의 비중이 증가한다. 본 발명의 바인더리스 브리켓 제조용 조성물에 첨가되는 Fe의 양은 상기 조성물의 전체 중량을 기준으로 5 내지 65 중량%로 한다.

(8) CaF₂

혼합분말을 압축성형시 상온에서의 브리켓압축강도를 증대시켜 취급하기 좋은 기계적 성질을 발현시킨다. 주철용탕과의 반응시용탕의 플럭싱효과를 증대시켜 Mg의 산화반응을 억제시키고 용탕의 표면산화 및 온도저하를 억제한다. 본 발명의 바인더리스 브리켓 제조용 조성물에 첨가되는 CaF₂의 양은 상기 조성물의 전체 중량을 기준으로 2~8 중량%로 한다.

(실시예)

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 주철의 인몰드 접종을 위한 바인더리스 브리켓 제조용 조성물은, 브리켓 제조용 조성물의 전체중량을 기준으로하여, 바람직하게는 브리켓 성형에 적절한 분말 형태로, 2~10중량% Mg, 2~8중량% CaF₂, 20~80중량% BMA 및 5~65중량%의 Fe를 포함한다.

브리켓 성형을 위해 구성 분말을 분말혼합기 믹서에서 약 30분간 혼련한 후 혼합분말 15g을 SKD11 재질의 가로세로 각 50㎜, 높이 100㎜의 몰드 캐비티를 갖는 금형몰드에 넣고 유압식 프레스를 사용하여 분말성형압력을 200MPa에서부터 300MPa, 400MPa, 500MPa, 600MPa까지로 변화시켜 상온에서 5분간 압축성형하여 압축성형체를 얻었다. 기공율 측정방법은 내화벽돌의 기공율 측정방법인 한국의 KSL3114와 동일한 방법으로 측정하였으며 브리켓의 취급시 내구성을 알아보기 위해 단축압축강도를 측정하였다.

얻어진 브리켓의 분해시간(dissolution time)측정은 1450℃로 유지된 250㎏용량의 선철용탕레이들에서 용탕 면 아래 30㎝지점에 까지 플런져를 이용하여 압축 성형된 브리켓을 찔러 넣고 브리켓의 용탕과의 반응으로 인한 불꽃 및 기포 반응이 진정되는 시간까지 유지 측정하였다.

일반적으로, 분말성형 브리켓 용탕처리제를 만들 때에는 다양한 요구사항의 고려가 필요하지만 그중에서도 혼합분말의 성분이 가장 중요하다. 브리켓의 화학조성은 주철용탕의 응고후 목적에 적합한 미세조직을 발현할 수 있어야 하고 동시에 분말 야금학적 제조기술의 관점에서 용탕처리제 안의 조성비를 확실하게 제어할 수 있어야 한다. 본 발명의 분말성형 브리켓 용탕처리제 개발에서 전제되는 조건은 그들 구성요소에 용탕의 오염원으로 작용할 수 있는 비금속 바인더 이를테면 클래이, 유리 성분재 들은 제외된다는 것이다. 동시에 브리켓 용탕처리제 제조의 중요한 기술적 요소로서 가압 분말 성형체의 밀도(기공도)와 브리켓의 기술적 내구성과의 관련 특성이 탐구되어야 한다. 브리켓의 기공도는 브리켓의 취급시 적절한 기계적 강도 뿐 아니라 브리켓의 분해 속도에 결정적 영향을 미친다. 그리고 구상 흑연주철용탕에 사용할 경우에는 마그네슘이 기본적으로 포함된다. 마그네슘은 용해 온도가 약 1100℃로 낮은 반면 선철의 용해 온도는 1450℃에 가까우므로 구상화 처리시 상당량의 산화 손실을 막을 수 없으나 브리켓 형태로는 다른 원소들 즉, 실리콘, 플럭스, 철, 니켈 등 다른 조성들과 함께 어우러져 있으며 반응표면적도 비교적 작으므로 손실을 줄일 수 있게 된다. 이때 브리켓에 넣는 마그네슘의 양은 2 ~ 10%가 적합하였으며 마그네슘 양을 11%보다 더 넣게 되면 산화 손실량이 증가하여 부적절하였다.

이를 바탕으로 이하에서는 브리켓의 조성, 성형압력, 밀도 그리고 내구성의 관계들을 조사하였다.

1. 각종 브리켓 용탕처리제의 특성

다양한 조성의 브리켓 용탕처리제에 대하여 성형압력과 밀도(기공도)의 상호관계에 대하여 조사하였다.

1-1. 간단한 2종 분말(기본조성합금 분말과 철 분말)로 제조한 브리켓 용탕처리제

브리켓 제조시 사용된 기본조성합금(Base Metal Alloy)의 화학조성을 아래 표 1에 나타내었다.

[표 1] 기본조성합금(BMA)의 화학조성(중량%)

Mg	Ca	Al	Fe	Si	기타 미량원소
7.6	0.34	0.84	39.1	51.5	0.62%

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표 2에는 두 분말의 다양한 배합비를 나타내었다.

[표 2] 철과 기본조성합금의 분말로부터 얻어지는 브리켓의 조성

조성물 No.	조성(중량%)		이론 밀도 g/㎤
	기본조성합금	철
1	---	100	7.80
2	20	80	6.26
3	40	60	5.23
4	60	40	4.49
5	80	20	3.93
6	100	---	3.50

상기 브리켓 조성에 대하여 압축성형압력과 밀도(기공도)와의 관계를 도 1에 나타내었다.

도 1에서는 서로 다른 배합비를 가진 2종 분말 브리켓의 기공도에 미치는 압축 압력의 영향을 나타내었는데 압축 압력증가에 따라 브리켓의 기공도가 감소하는 단순한 경향을 나타내고 있다. 이는 철분말에 비하여 BMA분말의 분말입자 분산효과가 더 크기 때문으로 생각되며 이는 BMA분말이 철분말에 비하여 입도분포범위가 보다 넓은 것에 기인한다. 브리켓의 BMA 분말 함유량이 80%이상으로 증가하면 압축 특성이 급격히 변하는데 그것은 철분말과 취성이 큰 BMA분말의 혼합 분산도가 급격히 떨어지기 때문이다.

1-2. 4종 분말로 제조한 브리켓 용탕처리제의 마그네슘의 영향

브리켓의 성형에 영향을 미치는 마그네슘 함유량 연구를 위하여 0~10%까지 마그네슘 함유량을 변화시켰다. 마그네슘 함유량을 그 이상으로 증가시키는 것은 용해 중 분해된 마그네슘의 과다한 산화반응(pyroeffect)의 발생 때문에 불합리하다. 도 2에, 4종 분말로 이루어진 브리켓 조성에서, 마그네슘 함량의 변화에 의한 기공도의 변화를 나타내고 있다.

압축 압력의 영향은 도 2에서 보듯이 브리켓의 마그네슘 함유량보다 기공도에 미치는 영향이 더 적은 것을 알 수 있다. 브리켓 안의 마그네슘 함유량이 증가하면 기공도는 줄어든다(동일한 압축압력에서). 이는 마그네슘은 매우 높은 가소성을 가지고 있고, 분말 조성물의 소성변형 과정을 용이하게 하기 때문이다.

1-3. 4종 분말로 제조한 브리켓 용탕처리제의 플럭스(CaF ₂ ) 함유량의 영향

도 3에서는 다양한 플럭스(CaF₂) 함유량을 가진 브리켓의 조성이 부기되어 있으며, 서로 다른 플럭스(CaF₂) 함량을 가진 4종 분말 브리켓의 밀도(기공도)에 미치는 압축 압력의 영향을 나타내었다.

여기서 보여진 바와 같이 플럭스의 함량(8% 이내)은 기공도에 영향을 미칠 수 있을 만큼 충분한 량이 첨가되지 않은 것을 알 수 있다. 이는 마그네슘과 달리 플럭스는 충분한 가소성을 갖고 있지 않기 때문이다. 따라서, 단순히 기공도는 주로 압축압력에만 의존하는 것을 알 수 있다.

1-4. 4종 분말로 제조한 브리켓 용탕처리제의 철분말과 BMA 분말 배합비 변화의 영향

도 4에는, 다양한 철 분말과 BMA 분말 배합비를 가진 브리켓 조성이 부기되어 있으며, 4종 분말로 제조한 브리켓 용탕처리제의 철분말과 BMA 분말 배합비 변화가 브리켓의 기공도에 미치는 영향은 2종 분말에 비하여 상대적으로 매우 작으며 다만 압력에 크게 의존하는 것으로 나타났다. 이는 다양한 입도 분포에 기인한 것으로 생각된다.

2. 주철 용탕과 브리켓의 반응성

브리켓과 주철용탕의 완전한 반응은 브리켓의 조성과 기공도에 달려있다.

2-1. 용탕과의 반응에 따른 브리켓 분해 시간과 기공도의 영향

연구를 위해 표 2의 1에서 5번까지의 브리켓 용탕 처리제를 선택하였다. 브리켓의 분해속도에 영향을 주는 것은 용탕과의 반응 시에 얼마나 빨리 브리켓이 뜨거워지느냐 하는 것인데 이것은 브리켓의 열전도도와 내구성(초기붕괴 속도)에 직접적인 관계가 있다. 분해시간 측정결과는 도 5에 나타내었으며 가장 긴 분해시간 동안 분해한 것은 녹는 온도가 가장 높은 순수한 철 분말로 이루어진 것이고 비슷한 조성을 가진 브리켓의 분해 속도에 영향을 주는 것은 그들의 열 전도성과 브리켓의 내구성에 의존한다. 브리켓의 기공도가 20%정도까지 증가할 때 브리켓 분해 시간은 점차적으로 감소하고 있는데 이것은 브리켓의 내구성 감소로 인한 초기붕괴(부분탈락)시간이 짧아지기 때문이며 기공도가 20% 이상으로 증가할 때에는 브리켓의 분해속도가 다시 완만하게 증가하는데 이는 브리켓의 내구성에 따른 초기붕괴시간은 비슷한 반면 밀도감소로 인한 브리켓 물질의 열전도 매체의 질량 감소에 따른 열전도도의 감소에 기인한 것으로 생각된다.

한편 도 5에서와 같이 BMA 파우더의 함량 증가에 따른 브리켓 분해시간이 감소하는 이유는 조성에 따른 용융온도의 감소에 기인한 것으로 생각된다.

2-2. 마그네슘 함량에 따른 용탕처리 브리켓 분해 시간에 미치는 기공도의 영향

도 6을 살펴보면 마그네슘 함량이 다른 분위기하에서 브리켓의 분해 시간이 기공도에 영향을 받고 있음을 보여주고 있다. 처음에는 기공도가 증가함에 따라 분해시간도 증가하다가 임계값을 지나게 되면 다시 분해시간이 짧아지는 경향을 보이고 있다. 이는 초기에 기공도가 약간 증가할 때에는 용탕과 브리켓의 마그네슘의 접촉 면적이 작아서 분해시간이 약간 증가하지만 일정한 시간이 지나서면 브리켓의 열적포화상태가 최고조에 달한 후에 브리켓의 부분적 열적 미소붕괴가 급격히 진행되므로 기공도의 증가에 따른 분해시간의 감소현상이 나타나게 된다. 브리켓의 마그네슘 함량이 증가할수록 브리켓의 분해시간은 급격히 증가하게 되는데 이는 마그네슘과 용탕과의 급격한 반응으로 인한 마그네슘의 급격한 증발소모로 인해 브리켓의 온도가 빠른 시간안에 떨어지는 효과에 의한 것으로 사료된다.

결과적으로 브리켓 분해 시간의 최소치는 마그네슘 함량이 브리켓에 가장 적을때 나타남을 알 수 있다. 그러나 마그네슘이 전혀 들어있지 않은 경우에는 그림에서 보는 바와 같이 브리켓의 기공도와 열전도율의 상호작용 최적화로 다른 경향을 보이고 있다.

2-3. 플럭스(CaF₂ )의 함량에 따른 용탕처리 브리켓의 분해시간에 미치는 기공도 영향

도 3에 나타난 것과 같은 조성에서 용탕처리 브리켓의 분해시간을 조사하였다. 그 결과는 표 3에 나타내었는데 다음과 같은 결과를 도출하였다. 플럭스의 량은 분해시간에 별 영향이 없었다. 그러나 약간의 플럭스의 첨가는 소결의 효과를 나타내어 브리켓 강도가 향상되었다. 실험에서 브리켓이 0~4%의 플럭스를 포함하였을 때에는 용탕표면의 산화방지 플럭싱 효과가 나타나지만 플럭스량이 5~8%로 증가되었을 때는 플럭싱 효과가 더 이상 존재하지 않았다. 그래서 최적의 플럭스량은 5%임을 알 수 있었다.

표 3. 플럭스의 함량에 따른 브리켓 분해 시간

조성물 No.	샘플 No.	기공도(%)	분해시간(초)
12	1	21	17
	2	14	18
	3	9	19
13	1	20	16
	2	14	18
	3	9	19
14	1	20	16
	2	13	17
	3	10	18
15	1	20	17
	2	13	18
	3	10	19
16	1	20	18
	2	13	19
	3	9	20

2-4. BMA 분말 함량에 따른 용탕처리 브리켓의 분해 시간에 미치는 기공도의 영향(마그네슘과 플럭스 함량은 동일)

도 4에 표시된 용탕처리제의 조성을 갖는 브리켓에서 조성과 기공도에 따른 브리켓의 분해시간을 조사한 결과 도 7와 같은 결과를 얻었다.

도 7는 마그네슘과 플럭스 함량이 동일한 상태에서 BMA 분말 함량이 변화할 때 기공도에 따른 브리켓 분해시간의 관계를 보여주고 있다.

도 7에서 볼 수 있듯이 기공도가 13-26%으로 증가할 때 분해 시간은 감소하 였는데 이는 브리켓의 인성의 감소와 기공도 증가량에 따른 브리켓과 용탱 접촉면의 증가로 설명할 수 있다. 브리켓 조성에서 BMA 분말의 함량이 20-80%로 증가할 때 분해 시간은 감소하고 최소분해시간은 브리켓에 BMA 분말 60-80%, 철 분말 %-25%의 량을 가질 때 나타난다. 이것은 BMA 분말의 융점이 낮고 융점이 높은 철 분말이 최소로 되기 때문이다.

3. 최적화된 용탕 처리 브리켓의 성형압력과 강도

이상 본 발명에서 가장 최적화된 용탕처리제의 조성은 10% Mg, 5% CaF₂, 35%BMA 및 50% Fe이다. 이 조성의 용탕처리제는 성형압력 200-600MPa에서 충분히 짧은 분해시간(12-14초)를 갖고 있다. 한편, 해당조성의 브리켓이 취급하는데 필요한 충분한 강도를 발현하는 것이 중요하므로 압축성형압력에 따른 브리켓의 강도를 측정하였다. 도 8은 성형압력에 따른 축방향 강도시험의 결과를 보여준다. 도 8은 최적화된 브리켓의 압축 압력에 따른 브리켓 기공도의 변화를 나타낸 것이다.

압축성형 압력에 따른 브리켓의 기공도에 관한 실험은 성공적이었는데 이 실험 결과는 도 8에 나타나 있다. 압축 압력이 100-600MPa로 증가할 때, 기공도는 30에서 13%로 감소하였다. 압축 압력이 증가할 때 기공도의 감소는 분말(50%)과 마그네슘 분말(10%)의 소성변형에 크게 기인한다.

도 9에서 볼 수 있듯이 압축성형압력은 브리켓의 축강도에 큰 영향을 미친다. 압축압력이 100-600MPa으로 증가할 때 축강도 역시 연속적으로 20에서 160MPa 까지 증가한다. 축 강도에 관한 압축압력의 중요한 영향인자는 브리켓의 조성과 관련이 있어서 60%(10%Mg, 50%Fe)를 점유하고 있는 소성변형 재료들은 브리켓의 내구성에 매우 중요한 요소이다.

본 발명에 따른 주철의 인몰드 접종용 바인더리스 용탕 처리 브리켓의 성형 및 용탕과의 반응에 의한 분해시험결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 브리켓 제조 시 브리켓 안의 마그네슘 함유량이 증가하면 기공도는 줄어들며 마그네슘 함량이 4~10% 범위에서 마그네슘 함량이 증가할 수록 분해시간은 증가한다.

2. 플럭스인 CaF₂는 브리켓 용탕처리제의 기공도에는 그다지 영향을 미치지 않지만 기계적 성질 향상을 통해 취급시의 내구성 향상에는 매우 유용한 원료이며 이는 용탕과의 반응에서도 좋은 플럭싱 효과를 나타내며 5%의 첨가에서 가장 좋은 효과를 얻었다.

3. 가장 최적화된 용탕처리제의 조성은 10%-Mg, 5%-CaF₂, 35%-BMA, 50%-Fe이었다.

도 1은 브리켓 조성의 변화에 따른 성형 압력의 함수로서 브리켓 기공도를 나타낸다.

도 2는 마그네슘 함량의 변화에 따른 성형 압력의 함수로서 브리켓 기공도를 나타낸다.

도 3은 플럭스 함량의 변화에 따른 성형 압력의 함수로서 브리켓 기공도를 나타낸다.

도 4는 플럭스 함량의 변화에 따른 성형 압력의 함수로서 브리켓 기공도를 나타낸다.

도 5는 BMA의 다른 함량에 따른 기공도에 대한 브리켓 분해시간의 의존성을 나타낸다.

도 6은 마그네슘의 함량에 대한 브리켓 분해시간의 의존성을 나타낸다.

도 7은 Mg와 CaF₂의 일정한 함량과 BMA의 변화된 함량에 따른 기공도에 대한 분해시간의 의존성을 나타낸다.

도 8은 브리켓 성형의 압력에 대한 브리켓 기공도의 의존성을 나타낸다.

도 9는 10%Mg, 5%CaF₂, 35%BMA, 50%Fe의 조성을 갖는 용탕처리제에 대한 성형 압력에 대한 브리켓의 축 강도의 의존성을 나타낸다.

Claims (10)

1. 주철의 인몰드 접종을 위한 바인더리스 브리켓 제조용 조성물로서,

   상기 조성물의 전체중량을 기준으로, 2~10중량% Mg, 2~8중량% CaF₂, 20~80중량% BMA 및 5~65중량%의 Fe를 포함하는 것을 특징으로 하는 바인더리스 브리켓 제조용 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 조성물의 전체중량을 기준으로, 1.0 ~ 2.5 중량%의 미시메탈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바인더리스 브리켓 제조용 조성물.
3. 제1항에 있어서, 상기 조성물의 전체중량을 기준으로, 1.5 ~ 3.5중량%의 Ba을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바인더리스 브리켓 제조용 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 조성물의 전체중량을 기준으로, 10중량%의 Mg, 5중량%의 CaF₂, 35중량% BMA 및 50중량%의 Fe를 포함하는 것을 특징으로 하는 바인더리스 브리켓 제조용 조성물.
5. 제1항에 있어서, 상기 BMA는 BMA의 전체중량을 기준으로, 1~10중량% Mg, 0.1중량% 내지 1.5중량% Ca, 0.1중량% 내지 1.0중량% Al, 20~40중량% Fe 및 50~70중량% Si를 포함하는 것을 특징으로 하는 바인더리스 브리켓 제조용 조성물.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 바인더리스 브리켓 제조용 조성물의 분말을 혼련한뒤 몰드에 넣고 바인더를 첨가하지 않은 상태에서 성형압력을 가하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 주철의 인몰드 접종을 위한 바인더리스 브리켓.
7. 제6항에 있어서, 상기 성형압력은 200MPa 내지 600MPa인 것을 특징으로 하는 주철의 인몰드 접종을 위한 바인더리스 브리켓.
8. 제7항에 있어서, 상기 바인더리스 브리켓의 기공도는 7 ~ 25% 인 것을 특징으로 하는 주철의 인몰드 접종을 위한 바인더리스 브리켓.
9. 주철의 인몰드 접종을 위한 바인더리스 브리켓의 제조방법으로서,

   제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 바인더리스 브리켓 제조용 조성물의 분말을 준비하는 단계; 및

   상기 분말을 혼련한 뒤 몰드에 넣고 바인더를 첨가하지 않은 상태에서 성형압력을 가하여 성형하는 단계를 포함하는 바인더리스 브리켓의 제조방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 성형압력은 200MPa 내지 600MPa인 것을 특징으로 하는 주철의 인몰드 접종을 위한 바인더리스 브리켓의 제조방법.

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