KR101193719B1 - 주조롤의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주조롤의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 내층재가 구상흑연주철로 조성되는 주조롤을 제조하되, 최종응고부의 조성적 과냉을 방지하도록 주형의 내부 하단에 Re와 Bi성분을 포함하는 접종제를 투입하고, 상기 주형에 용탕을 주입하여 응고시킨다. 그리고, 상기 접종제는 Si: 65~75wt%, Ca: 1.0~2.0wt%, Al: 0.001~1.0wt%, Re: 0.4~1.0wt%, Bi: 0.6~1.0wt% 및 잔부 Fe을 포함한다.
본 발명은 부정형 흑연 생성을 억제하고 구상흑연주철에서 이상적인 조직인 블즈아이 조직을 갖는 구상흑연이 형성되게 하는 것은 물론, 흑연이 균일하고 미세하게 분포되도록 하므로 인장강도, 항복강도, 경도 및 내마모성 등이 향상된 주조롤을 제조할 수 있는 이점이 있다.
부정형 흑연, 구상흑연주철

Description

주조롤의 제조방법{Manufacturing Method of casting roll}
본 발명은 주조롤의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내층재가 구상흑연주철로 조성되는 주조롤에서 부정형 흑연(Chunky graphite) 발생을 억제하여 주조롤의 품질을 향상시킬 수 있도록 한 주조롤의 제조방법에 관한 것이다.
주조롤 제조방법은, 전기로 또는 유도로에서 출탕된 용탕이 주형 내에 주입되는 과정에서 코아와 셀 부위로 각각 주입되어 응고되는 제작과정을 갖는다.
즉, 전기로 혹은 유도로 조업에서 스크랩과 합금철을 용해하여 원하는 용탕 성분과 온도를 얻고, 축의 방향에 따라 수직형 또는 수평형으로 나누어지는 원통모양의 주형에 이종재질의 용탕을 시간차를 두고 2차에 걸쳐 분할 주입하여 응고시키게 된다.
이때, 주형은 그 중심축의 둘레로 회전하면서 회전에 의한 원심력을 이용하여 1차로 주입된 용탕을 응고시키고, 다음으로 정지된 상태에서 2차로 용탕이 주입되면 이를 응고시켜 주조롤을 제조하게 된다. 물론, 사용목적에 따라 고정식 주형에 용탕을 주입하고 연속적으로 응고시켜 주조롤을 제조할 수도 있다.
이러한 주조롤은 압연롤로서 많이 사용되고 있다. 압연롤로 사용되는 주조롤 은 기본적으로 셀 부위(외층재)가 내마모성이 강한 고속도강(High Speed Steel; HSS)또는 고크롬주강으로 조성되고, 코아(내층재)가 인성이 풍부한 구상흑연주철로 조성된다.
구상흑연주철은 용탕에 Mg 등의 합금원소를 투입하여 C를 구상의 흑연으로 정출시킨 것이다. 구상흑연주철은 균열발생을 어렵게 하고 강도 및 연신율을 크게 한 주철로 페라이트와 펄라이트의 조직을 가지며, 강도, 파괴인성 등이 우수하여 주조롤의 내층재로 적합하다.
그러나 상기한 바와 같은 주조롤은 상하 최종응고부에 부정형 흑연(chunky graphite)이 발생되는 문제점이 있다.
부정형 흑연은 주조롤의 인장강도, 항복강도 및 경도 등을 낮추는 원인이 되므로 그 발생을 억제시키는 것이 중요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 내층재가 구상흑연주철로 조성되는 주조롤에서 부정형 흑연 발생이 억제되도록 하는 주조롤의 제조방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은 내층재가 구상흑연주철로 조성되는 주조롤을 제조하되, 최종응고부의 조성적 과냉을 방지하도록 외층재가 주입된 주형의 내부 하단에 Re와 Bi성분을 포함하는 접종제를 투입하고, 상기 주형에 내층재 제조용 용탕을 주입하여 응고시킨다.
상기 접종제는 Si: 65~75wt%, Ca: 1.0~2.0wt%, Al: 0.001~1.0wt%, Re: 0.4~1.0wt%, Bi: 0.6~1.0wt% 및 잔부 Fe과 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 Bi, Re의 함량은 Bi/Re=1.0~1.7의 식을 만족한다.
상기 접종제는 용탕 1톤당 0.5~2kg이 투입된다.
상기 접종제는 분쇄된 0.4~3mm 크기의 분말 형태로 투입된다.
내층재가 구상흑연주철로 조성되는 주조롤 제조시, 부정형 흑연의 생성을 억 제하도록 Si: 65~75wt%, Ca:1~2wt%, Al: Al: 0.001~1.0wt%, Re: 0.4~1.0wt%, Bi: 0.6~1.0wt% 및 잔부 Fe과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 접종제를 첨가한다.
상기 Bi, Re의 함량은 Bi/Re=1.0~1.7의 식을 만족한다.
본 발명은 부정형 흑연 발생을 억제하기 위한 주조롤의 제조방법에 관한 것인바, 주형의 내부 하단에 Re와 Bi성분을 포함하는 접종제를 투입하고, 상기 주형에 내층재 제조용 용탕을 주입하여 응고시킴에 의해 주조롤의 최종응고부의 조성적 과냉을 방지한다.
조성적 과냉 방지는 부정형 흑연 생성을 억제하고 구상흑연주철에서 이상적인 조직인 블즈아이 조직을 갖는 구상흑연이 형성되게 한다.
또한 본 발명의 접종제는 흑연이 균일하고 미세하게 분포되도록 하므로 주조롤의 두께에 따른 기계적 성질의 편차를 줄이는 역할을 한다.
따라서, 인장강도, 항복강도 경도 및 내마모성 등이 향상된 주조롤을 제조할 수 있으므로 주조롤에 대한 제품신뢰도가 향상되는 효과를 가진다.
이하 본 발명에 의한 주조롤의 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 외층재가 주입된 주형의 내부 하단에 Re와 Bi성분을 포함하는 접종제를 투입하고, 접종제가 투입된 주형 내에 내층재 제조용 용탕을 주입하여 응고시킴에 의해 주조롤을 제조한다.
이는 내층재가 구상흑연주철로 조성되는 주조롤에서 최종응고부인 상하 네크부에 부정형 흑연(chunky graphite)이 발생되는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 부정형 흑연은 흑연이 뭉쳐나온 형태를 갖는다. 이러한 부정형 흑연은 도 1의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 구상흑연과 동일한 흑연구조를 가지나 흑연이 뭉쳐 있어 주조롤의 인장강도, 항복강도 및 경도 등을 낮추게 된다.
부정형 흑연은 흑연의 폭발적 생성이 원인으로, 이는 도 2에 도시된 주형내 용탕의 냉각패턴에 기인한다.
도 2에 도시된 바에 의하면, 주형에 주입된 내층재 제조용 용탕은 코아 중심부에 비해 상하 네크부(A)(B)의 냉각속도가 느리다. 이와 같이 냉각속도가 느리면 미량원소들이 편석되어 구상흑연이 아닌 부정형 흑연이 생성되기 쉽다.
부정형 흑연의 발생기구는 도 3에 도시된 바와 같다.
일반적으로 주형 내에 주입된 용탕은 응고되면서 흑연핵이 생성되고 흑연 주위로 오스테나이트가 성장하여 흑연을 둘러싸는 구상흑연 조직이 된다.
그러나, 냉각속도가 느린 액상의 최종응고부는 용탕의 응고가 진행될 수록 Sn, B, Al, Ti, Nb 등의 미량원소들이 액상쪽인 최종응고부로 모이고, 이러한 미량원소가 과냉도를 증가시켜 액상선 온도를 낮춘다.
액상선 온도가 낮으면 흑연 핵생성의 구동력이 증가하고 도 3에 도시된 바와 같이, 잔류 액상에서 흑연이 폭발적으로 생성된다. 이와 같이 흑연이 폭발적으로 생성되면 흑연이 뭉쳐나온 형태의 부정형 흑연(chunky graphite)이 되는 것이다.
구상흑연주철은 균일하고 치밀한 블즈아이 조직(Bull's eye structwcke)이 이상적이다.
블즈아이 조직은 구상의 흑연 주위에 페라이트가 둘러싸인 조직으로 기지조직은 페라이트와 펄라이트이다. 이러한 블즈아이 조직은 경도, 내마모성, 압축강도가 크다.
따라서, 구상흑연주철에서 최종응고부의 부정형 흑연 발생을 방지하고 균일하고 치밀한 블즈아이 조직을 갖도록 Re와 Bi성분을 포함하는 접종제(이하, '접종제'라 칭함)가 투입된다.
접종제는 외층재가 주입된 주형의 내부 하단에 내층재 제조용 용탕이 주입되기 전 투입된다. 이는 주형 내 용강이 주입되면 최종응고부의 조성적 과냉을 감소시키고 흑연을 미세화하는 역할을 한다.
접종제는 Si: 65~75wt%, Ca: 1.0~2.0wt%, Al: 0.001~1.0wt%, Re: 0.4~1.0wt%, Bi: 0.6~1.0wt% 및 잔부 Fe과 기타 불가피한 불순물을 포함한다. 상기 접종제는 부정형 흑연 방지 효과를 위해 Re 및 Bi가 함유되는데 특징이 있다,
접종제의 성분요소 및 각 성분요소들의 효능은 다음과 같다.
Si는 흑연 핵생성 사이트를 제공하기 위해 첨가된다. Si는 65wt% 이상 첨가되어야 흑연의 생성이 촉진되며, 75wt%를 초과하면 과도한 흑연화로 강도가 저하될 수 있다.
Ca는 흑연 미세화를 위해 첨가된다. 흑연이 미세화되면 기지조직이 치밀화 되어 기계적 성질이 향상된다. Ca는 1.0wt% 미만으로 첨가되면 흑연 미세화 효과가 미비하고, 2.0wt%를 초과하면 흑연이 균일하게 분포되지 않고 흑연라인이 생성된다. 흑연라인이 생성되면 강도 및 경도가 저하된다.
Al은 산소 제거 및 핀홀 억제를 위해 첨가된다. Al은 0.001wt% 미만으로 첨가되면 산소 제거 및 핀홀 억제 효과가 미비하고, 1.0wt%를 초과하면 부정형 흑연을 만드는 원소로 작용할 수 있다.
Re는 조성적 과냉을 감소시키기 위해 첨가된다. Re는 일정량이 첨가되면 조성적 과냉을 증가시키는 미량원소와 반응하여 Re화합물을 만든다. Re화합물은 조성적 과냉을 감소시켜 부정형 흑연 발생을 방지한다. Re는 0.4wt% 미만으로 첨가되면 부정형 흑연이 발생하고, 1.0wt%를 초과하여 첨가되면 Re가 부정형 흑연을 만드는 원소로 작용하게 된다.
도 4에 도시된 바에 의하면, Re 함량이 1.0wt%를 초과하면 부정형 흑연이 급격하게 증가한다. 이는 Re 함량이 일정량 이상 첨가된 접종제의 경우 오히려 부정형 흑연이 생성됨을 의미한다.
Bi는 흑연 미세화를 위해 첨가된다. 흑연이 미세화되면 페라이트 조직도 미세화되는 효과를 갖는다. Bi는 0.6wt% 미만으로 첨가되면 흑연 미세화 효과가 미비하고, 1.0wt%를 초과하면 흑연이 균일하게 분포되지 않고 흑연라인이 생성된다. 흑연라인이 생성되면 강도 및 경도가 저하된다.
상기 Bi, Re의 함량은 Bi/Re=1.0~1.7의 식을 만족하도록 한다.
Bi대 Re의 함량비는 부정형 흑연 방지와 흑연 미세화를 동시에 만족하기 위한 것이다. Bi/Re는 1.0 미만이면 부정형 흑연 억제 효과가 미비하고, 1.7을 초과 하면 흑연 구상화가 깨지고 부정형 흑연이 생성될 수 있다.
도 5에 도시된 바에 의하면, Bi/Re가 1.0~1.7를 만족하는 범위에서 부정형 흑연 발생이 억제된다. 이는 Bi와 Re의 함량비가 부정형 흑연 발생에 중요함을 의미한다.
상술한 성분요소를 포함하는 접종제는 용탕 1톤당 0.5~2kg이 투입된다. 접종제는 용강 1톤당 0.5kg 미만으로 투입되면 부정형 흑연 억제 효과가 미비하고, 용강 1톤당 2kg을 초과하면 Bi및 Re의 함량이 많아져 오히려 부정형 흑연이 생성될 수 있다.
접종제는 반응성을 높이기 위해 분쇄된 분말 형태의 0.4~3mm 크기로 투입된다.
이러한 접종제는 상술한 성분 외에도 실질적으로 Fe 및 원료, 제조설비 등의 상황에 따라 함유되는 불가피한 불순물의 미세한 혼입이 허용된다.
이하에서는 상기한 바와 같은 성분요소를 포함하는 접종제를 투입하여 주조롤을 제조하는 방법을 실시예를 통해 설명하기로 한다.
[실시예]
도 6에 도시된 바와 같이, 외층재(10)가 주입된 주형(M)의 내부 하단(B)에 접종제(12)를 투입하고, 접종제(12)가 투입된 주형(M) 내에 내층재 제조용 용탕(14)을 주입하여 응고시킴에 의해 주조롤을 제조하였다. 접종제는 Re와 Bi성분을 포함하는 접종제 또는 Ba성분을 포함하는 접종제를 사용하였다.
Ba성분을 포함하는 접종제는 구상흑연주철의 주조시 흑연 구상화를 위해 일 반적으로 사용되는 접종제이다.
참고로, 접종제는 용탕 1톤당 1kg을 투입하였으며, 용탕과의 반응성을 높이기 위해 0.4~3mm 크기의 분말 형태로 투입하였다.
아래의 표 1은 접종제를 발명예와 비교예로 나타낸 것이다.
(단위:wt%, 잔부 Fe)
구분 Si Ca Al Re Bi Ba 네크부(최종응고부) 조직
발명예1 74.0 1.34 0.66 0.52 0.93 - 블즈아이
발명예2 64.7 1.96 0.85 0.80 0.83 - 블즈아이
비교예 66.0 1.70 0.80 - - 0.80 부정형 흑연
발명예 1과 발명예 2의 접종제를 투입한 경우 주조롤의 최종응고부인 네크부에 블즈아이 조직이 형성된 반면, 비교예의 경우에는 부정형 흑연이 생성되었다.
비교예의 접종제를 적용한 주조롤의 조직은 도 1에 도시되어 있으며, 발명예1의 접종제를 적용한 주조롤의 조직은 도 8에 도시되어 있다.
발명예 1의 접종제를 주형 내부 하단에 투입한 경우 용탕의 응고과정은 도 7에 나타내었다.
도 7에 도시된 바에 의하면, 발명예 1의 접종제가 투입된 주형 내부에 내층재 제조용 용탕을 주입하면 응고되는 과정에서 흑연 핵이 생성되고, 이 흑연 핵 주위에 초정 오스테나이트가 생성된다.(도 6의 (a)) 이 후, 흑연 및 오스테나이트가 성장함에 따라(도 6의 (b),(c)) 흑연이 구상화되어 흑연 주위에 페라이트가 있는 블즈아이 조직이 된다.(도 6의(d))
도 7의 (d)에 도시된 바에 의하면, 블즈아이 조직은 바탕이 페라이트와 펄라이트이며, 구상의 검은 부분이 흑연이고 구상흑연 주위의 둥글고 흰 부분이 페라이트이다.
이와 같이 제조된 주조롤의 네크부 조직은 도 8에 도시되어 있다.
도 8의 (a),(b),(c),(d)를 살펴보면, 주조롤의 최종응고부인 네크부(A)(B) 전체에서 균일하고 치밀한 블즈아이 조직이 관찰됨을 알 수 있다.
상술한 실시예를 통해 외층재가 주입된 주형의 내부 하단에 Re와 Bi성분을 포함하는 접종제를 투입하고, 접종제가 투입된 주형 내에 내층재 제조용 용탕을 주입하여 응고시키는 것에 의해 부정형 흑연 발생을 억제할 수 있음을 알 수 있다.
특히, 상술한 방법은 흑연을 균일하고 미세하게 한다. 따라서 흑연 크기의 차이를 줄임으로써 두께에 따른 기계적 성질의 편차를 줄이는 역할도 한다.
상기 방법은 직경이 400~1400mm인 후육주물에서 부정형 흑연 발생을 위해 꼭 필요하다.
참고로, 본 실시예에서는 접종제를 외층재가 주입된 주형의 내부 하단에 내층재 제조용 용탕이 주입되기 전 투입하는 것으로 설명하였으나, 이는 최종응고부인 네크부의 접종 효과를 극대화 하기 위한 것일 뿐 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
예컨데, 생산하고자 하는 주조롤의 두께에 따라 접종제를 내층재 제조용 용탕의 주형 주입 후에 주형 내에 투입할 수도 있고, 용탕의 주형 주입 중 주형 내에 투입할 수도 있다.
그리고, 상기 접종제는 흑연생성을 용이하게 하기 위해 FeSi와 함께 투입될 수도 있다. 그리고, FeSi는 상기 접종제의 투입 후 투입될 수도 있다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
도 1은 주조롤 최종응고부에 발생된 부정형 흑연을 보인 조직사진.
도 2는 주조롤 제조시 내층재의 응고에 따른 냉각패턴을 보인 모식도.
도 3은 부정형 흑연의 발생기구를 보인 모식도.
도 4는 Re함량과 부정형 흑연 면적과의 관계를 보인 그래프.
도 5는 Bi/Re 함량비와 부정형 흑연 면적과의 관계를 보인 그래프.
도 6은 본 발명에 의한 주조롤의 제조방법의 바람직한 실시예를 보인 작업도.
도 7은 본 발명에 의한 주조롤의 제조방법을 적용함에 따른 용탕의 응고과정을 보인 그래프.
도 8은 본 발명에 의한 주조롤의 상하 네크부의 미세조직을 보인 현미경 조직사진.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10: 외층재 12: 접종제
14: 내층재 제조용 용탕 M: 주형
A,B: 네크부

Claims (7)

  1. 내층재가 구상흑연주철로 조성되는 주조롤을 제조하되,
    최종응고부의 조성적 과냉을 방지하도록 외층재가 주입된 주형의 내부 하단에 Re와 Bi성분을 포함하는 접종제를 투입하고, 상기 주형에 내층재 제조용 용탕을 주입하여 응고시키며,
    상기 접종제는 Si: 65~75wt%, Ca: 1.0~2.0wt%, Al: 0.001~1.0wt%, Re: 0.4~1.0wt%, Bi: 0.6~1.0wt% 및 잔부 Fe과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 주조롤의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 Bi, Re의 함량은 Bi/Re=1.0~1.7의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 주조롤의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 접종제는 용탕 1톤당 0.5~2kg이 투입되는 것을 특징으로 하는 주조롤의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 접종제는 분쇄된 0.4~3mm 크기의 분말 형태로 투입되는 것을 특징으로 하는 주조롤의 제조방법.
  6. 내층재가 구상흑연주철로 조성되는 주조롤 제조시,
    부정형 흑연의 생성을 억제하도록 Si: 65~75wt%, Ca:1~2wt%, Al: Al: 0.001~1.0wt%, Re: 0.4~1.0wt%, Bi: 0.6~1.0wt% 및 잔부 Fe과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 접종제를 첨가하는 것을 특징으로 하는 주조롤의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 Bi, Re의 함량은 Bi/Re=1.0~1.7의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 주조롤의 제조방법.
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