KR101381544B1 - 하이크롬강 원심주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증기터빈용 씰, 관, 실린더 라이너와 같이 다양한 종류의 중공주물 제품에 우수한 기계적 성질을 가지기 위해 사용되는 하이크롬강(Hi-Cr Steel)을 원심주조방법에 의해 제조하기 위한 하이크롬강 원심주조방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 전기 유도로를 이용하여 크롬(Cr), 망간(Mn), 규소(Si), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 합금을 1650±20℃로 용해하여 하이크롬강 소재를 만드는 합금용해과정; 원심주조기를 이용하여 미리 230±30℃로 예열된 금형을 회전시키면서, 상기 합금용해과정으로 합금된 소재를 1550±20℃에서 주입하여 하이크롬강을 원심주조하는 원심주조과정; 상기 원심주조 3~5분 후부터 금형의 표면에 냉각수를 분사하여 냉각을 실시하고, 상기 금형 내부에 냉각조절수단을 투입하여 하이크롬강의 냉각속도를 조절하는 냉각과정; 상기 하이크롬강이 냉각되면 금형의 상부 뚜껑을 개방하고 금형과 소재를 분리하는 분리과정;으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

하이크롬강 원심주조방법{Hi-Cr Steel Centrifugal Casting Method}

본 발명은 하이크롬강 원심주조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 증기터빈용 씰, 관, 실린더 라이너와 같이 다양한 종류의 중공주물 제품에 우수한 기계적 성질을 가지기 위해 사용되는 하이크롬강(Hi-Cr Steel)을 원심주조방법에 의해 제조하기 위한 하이크롬강 원심주조방법에 관한 것이다.

크롬강이란, 크롬을 함유한 강으로서, C가 많은 경우에는 Cr은 대개 C와 결합해서 탄화크롬이 되고, 이것은 다시 다른 원소와 작용해서 복탄화물로 된다.

그 결과 이 종류의 강의 조직은 극히 미세하여 연신율의 감소를 수반하지 않고, 인장력과 탄성을 높인다.

예를 들면 0.3~0.5 C, 0.6~1.8 Cr 강의 인장강도는 64~85㎏/㎟, 연신율 3~18%, HB 경도 210~350이다.

Cr은 또 강의 깊은 담금질(深燒入)을 가능케 하고 또 내마모성을 크게 하기 때문에 공구강에는 Cr을 첨가하는 것이 적지 않다.

예를 들면 0.8~1.0 C 강에 3.0~4.5 Cr을 첨가한 것은 고온 프레스 또는 단조 다이스로써 적당하다.

그러나 Cr을 12% 정도까지 증가한 것은 내마모성이 커서 공기 소입이 가능하므로 다이스, 스피닝 공구, 성형 롤 등에 쓰인다.

햄프틴강(12.5 Cr, 0.5 Ni, 0.25 Mn, 2.1 C), 퓨론강(12.5 Cr, 1 V, 2 C) 크로카강(13 Cr, 2.2 C, 0.8 V, 0.5 Co) 등은 모두 이 예이다.

이상 외에 볼 또는 롤러 베어링의 볼 또는 롤러 혹은 레이스 등으로 하는 고탄소 고크롬강(이하 하이크롬강이라 칭함)의 일종이다.

그 성분 비율은 0.9~1.1 C, 0.8~1.6 Cr이다. Cr은 또 강의 내열성, 내식성을 크게 하는 것이다.

일반적으로 금속제품의 제조 방법은, 금속을 녹여 주형에 주입하여 원하는 모양의 주물을 만드는 주조방법과, 금속을 가열한 상태에서 공구와 금형을 사용해 기계적 성질이 성장한 결정입자를 파괴하여 조직을 밀도 있게 변성하거나 성형하는 단조방법 등이 있다.

주조방법은 복잡한 형상 및 대형인 것도 간단하고 빨리 만들 수 있는 장점이 있지만, 기공, 편석, 주조조직 등으로 인하여, 기계적 성질이 떨어지는 문제점이 있다.

증기터빈용 씰(Seal) 내지 실린더 라이너 등 다양한 종류의 중공주물은 높은 기계적 성질이 요구됨으로 단조방법에 의한 재료를 주로 사용하고 있으나, 제조공정이 길고 제조 원가가 높은 단점이 있다.

종래의 일반적인 주조법은 단조방법에 비하여 주물 조직이 치밀하지 못하고 밀도가 불균일하여 기계적 성질이 낮은 문제점이 있어, 회전하는 원통주형 내에 소재를 넣고 회전시켜 원심력에 의하여 주형 내면에 압착, 응고하도록 하여 관(管), 실린더 라이너(Cylinder Liner) 등과 같은 중공주물(中空鑄物)을 얻는 원심주조법 등이 사용되고 있다.

그러므로, 단조에 의해 가공생산되는 고탄소의 하이크롬강 제품을 원심주조에 의해 제조하여 원심주조가 가지고 있는 장점과 고탄소의 하이크로강이 가지고 있는 장점을 동시에 만족할 수 있는 하이크롬강 원심주조 방법이 절실히 요구되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 증기터빈용 씰, 관, 실린더 라이너와 같이 다양한 종류의 중공주물 제품에 우수한 기계적 성질을 가지기 위해 사용되는 하이크롬강(Hi-Cr Steel)을 원심주조방법에 의해 제조하기 위한 하이크롬강 원심주조방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 원심주조 후 냉각시 외부와 내부의 냉각 속도를 조절하여 하이크롬강 주물조직의 밀도를 치밀하게 하고, 하이크롬강의 우수한 기계적 성질을 최대로 유지하며, 냉각속도에 따른 하이크롬강의 불량률을 최소로 하는 하이크롬강 원심주조방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 원심주조를 이용하여 제품의 크기에 따라, 원심주조기의 회전속도를 다르게 하여 주물조직의 밀도를 치밀하게 하고, 제품의 제작 기간을 단축하는 하이크롬강 원심주조방법을 제공함에 있다.

그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 하이크롬강 원심주조방법은 전기 유도로를 이용하여 크롬(Cr), 망간(Mn), 규소(Si), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 합금을 1650±20℃로 용해하여 하이크롬강 소재를 만드는 합금용해과정; 원심주조기를 이용하여 미리 230±30℃로 예열된 금형을 회전시키면서, 상기 합금용해과정으로 합금된 소재를 1550±20℃에서 주입하여 하이크롬강을 원심주조하는 원심주조과정; 상기 원심주조 3~5분 후부터 금형의 표면에 냉각수를 분사하여 냉각을 실시하고, 상기 금형 내부에 냉각조절수단을 투입하여 하이크롬강의 냉각속도를 조절하는 냉각과정; 상기 하이크롬강이 냉각되면 금형의 상부 뚜껑을 개방하고 금형과 소재를 분리하는 분리과정;으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 하이크롬강 합금은 크롬(Cr) 14.0~16.0 %, 망간(Mn) 최대 1.0 %, 규소(Si) 최대 1.0 %, 몰리브덴(Mo) 최대 1.5 %, 티타늄(Ti) 최대 0.75 % 와 합금의 전체적인 혼합 바란스를 위해 철(Fe)이 정량 혼합된 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 냉각조절수단은 원심주조기의 회전에 의해 하이크롬강 내부표면에서 발열하여 소각되는 왕겨로 형성됨이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 냉각조절수단은 하이크롬강 소재 두께의 3분1 내지 절반의 두께를 이루게 투입됨이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 원심주조과정; 에서는, 상기 하이크롬강 소재의 외경이 400~600㎜인 경우, 원심주조기의 회전은 300~450rpm 으로 회전되고, 상기 하이크롬강 소재의 외경이 601~800㎜인 경우, 원심주조기의 회전은 250~300rpm 으로 회전되고, 상기 하이크롬강 소재의 외경이 801~1000㎜인 경우, 원심주조기의 회전은 200~250rpm 으로 회전되고, 상기 하이크롬강 소재의 외경이 1001~1200㎜인 경우, 원심주조기의 회전은 170~200rpm 으로 회전되고, 상기 하이크롬강 소재의 외경이 1201~1500㎜인 경우, 원심주조기의 회전은 120~170rpm 으로 회전되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 하이크롬강 원심주조방법은 증기터빈용 씰, 관, 실린더 라이너와 같이 다양한 종류의 중공주물 제품에 우수한 기계적 성질을 가지기 위해 사용되는 하이크롬강(Hi-Cr Steel)을 원심주조방법에 의해 간편하게 제조할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

또한, 하이크롬강의 원심주조 후 냉각시 냉각조절수단에 의해 하이크롬강 외부와 내부의 냉각 속도를 조절하여 하이크롬강의 주물조직의 밀도를 치밀하게 하고, 하이크롬강의 우수한 기계적 성질을 최대로 유지하며, 냉각속도에 따른 하이크롬강의 균열과 같은 불량률을 최소로 하는 탁월한 효과가 있다.

또한, 하이크롬강 원심주조방법을 이용하여 제품의 크기에 따라, 원심주조기의 회전속도를 다르게 하여 하이크롬강 주물조직의 밀도를 치밀하게 하고, 제품의 제작 기간을 단축하는 탁월한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하이크롬강 원심주조방법을 도시한 순서도 이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 하이크롬강 원심주조방법의 냉각방법을 개략적으로 도시한 순서도 이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 하이크롬강 원심주조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 제품을 생산하는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 하이크롬강 원심주조방법은 합금용해과정(S10), 원심주조과정(S20), 냉각과정(S30), 분리과정(S40)으로 이루어진다.

상기 합금용해과정(S10)은 전기 유도작용에 의해서 전기 에너지를 열로 변환하여 이용하는 전기 유도로를 이용하여 크롬(Cr), 망간(Mn), 규소(Si), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti) 합금을 1650ㅁ20℃로 용해하여 소재를 만드는 과정을 수행한다.

이때, 상기 합금은 크롬(Cr) 14.0~16.0 %, 망간(Mn) 최대 1.0 %, 규소(Si) 최대 1.0 %, 몰리브덴(Mo) 최대 1.5 %, 티타늄(Ti) 최대 0.75 % 와 합금의 전체적인 혼합 바란스를 위해 철(Fe)이 정량 혼합된 하이크롬강 합금으로 이루어진다.

상기 원심주조과정(S20)은 원심주조기를 이용하여 230±20℃로 미리 예열된 금형을 회전시키면서, 상기 합금용해과정(S10)을 통해에 얻어진 상기 하이크롬강 합금을 1550±20℃에서 주입한다.

이때, 상기 금형의 온도가 낮으면 주물의 외측이 백선화(白銑化)되는 경향이 있으므로 미리 예열하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 원심주조과정(S20) 에서는, 제품의 외경이 400~600㎜인 경우, 원심주조기의 회전은 300~450rpm 으로 회전되고, 제품의 외경이 601~800㎜인 경우, 원심주조기의 회전은 250~300rpm 으로 회전되고, 제품의 외경이 801~1000㎜인 경우, 원심주조기의 회전은 200~250rpm 으로 회전되고, 제품의 외경이 1001~1200㎜인 경우, 원심주조기의 회전은 170~200rpm 으로 회전되고, 제품의 외경이 1201~1500㎜인 경우, 원심주조기의 회전은 120~170rpm 으로 회전되는 것을 포함하여 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.

상기와 같은 원심주조과정(S20)에 의해 제품의 크기에 따라, 원심주조기의 회전속도를 다르게 하여 하이크롬강 주물조직의 밀도를 치밀하게 하여 요구되는 기계적 성질을 얻을 수 있고, 제품의 제작 기간을 단축하여 비용을 줄일 수 있다.

상기 냉각과정(S30)은 원심주조 3~5분(용탕주입후 1-2분) 후부터 금형의 표면에 냉각수를 분사하여 주조된 하이크롬강의 냉각을 실시하고, 상기 금형 내부에 냉각조절수단을 투입하여 하이크롬강의 외부 및 내부의 냉각속도를 조절하기 위한 것이다.

상기 냉각조절수단은 원심주조기의 회전에 의해 하이크롬강 내부표면에서 발열하여 소각되는 왕겨로 형성됨이 바람직하다.

아울러, 상기 냉각조절수단은 시중에 유통되는 화학재질로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 목재 내지 야자열매 등 자연친화적인 여러 재질을 가공하여 형성될 수 있다.

아울러, 상기 냉각조절수단은 하이크롬강 소재의 두께에 비례하여 3분1 내지 절반의 두께를 이루게 투입됨이 바람직하나, 사용자의 선택 및 하이크롬강의 합금 비율 내지 냉각속도에 의해 자유로이 변경될 수 있음은 물론이다.

그 한 예로 하이크롬강의 두께가 10cm이면, 냉각조절수단인 왕겨가 하이크롬강 소재의 내측에 달라붙어 소각되면서 이루는 두께가 3cm~5cm 정도를 이루게 투입되는 것이다.

상기와 같은 냉각과정(S30)은 도 2에 도시된 바와 같이 이루어지며, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 원심주조기(미도시)가 회전되고 있는 상태에서 금형(10)의 외부에 냉각수를 분사한다.

그리고, (b)에 도시된 바와 같이 냉각조절수단(20)을 금형(10)의 내부에 투입하게 된다.

이때, 투입되는 냉각조절수단은 원심주조기의 회전에 의한 원심력에 의해 금형(10)의 주조물 내측으로 달라붙게 된다.

그리고, (c)에 도시된 바와 같이 냉각조절수단(20)은 주조물의 높은 온도에 의해 발화되어 주조물의 내측에서 서서히 (약 30초)산화된다.

이때, 상기 냉각조절수단(20)의 발화에 의해 하이크롬강(30)은 냉각수에 의한 외부의 급작스런 냉각속도에 의해 내부 또는 내측이 급속하게 냉각되는 냉각속도를 늦추어 외부에서 내부로 서서히 균일하게 냉각할 수 있는 열을 냉각조절수단(20)의 발화에 의해 발생하게 된다.

그러므로, 상기 냉각조절수단에 의해 냉각수에 의한 주조물 외부와 내부 및 내측면의 급작스런 냉각에 의한 하이크롬강 내부의 균열과 같은 문제점을 해소할 수 있다.

또한, 상기 냉각조절수단에 의해 냉각속도를 용이하게 조절함으로 하이크롬강의 조직을 더욱 치밀하게 하여 하이크롬강의 우수한 기계적 성질을 더욱 용이하게 유지할 수 있는 것이다.

아울러, 주조물의 내외경 냉각속도를 균일하게 맞추어 보다 더 치밀하고 건전한 주조조직을 얻음은 물론이고, 주조물 내경의 가공여유를 최소화하여 제품 회수율 극대화 할 수 있는 것이다.

아울러, 왕겨와 같은 자연친화적 재질을 사용하여 자원 재활용 및 환경오염과 같은 문제를 최소화 할 수 있는 것이다.

상기 분리과정(S40)은 하이크롬강이 냉각되면 금형의 상부 뚜껑을 개방하고 금형과 하이크롬강 소재를 분리하여 하이크롬강을 외부로 꺼내기 위한 것이다.

아울러, 상기 분리과정(S40)후, 주조 된 하이크롬강 소재를 열처리-로에서 가열하고, 제품의 두께에 따라 온도유지 시간을 조정하여 유지한 후, 열처리-로 내에서 소재를 공기 냉각하는 열처리과정(미도시)을 이룸이 더욱 바람직하다.

이때, 상기 열처리과정에서는, 200℃/Hr의 속도로 가열하여 970ㅁ10℃에서 두께에 따라 1인치(Inch)당 최소 30분씩 온도를 유지하다가 120℃까지 열처리로 내에서 공기냉각시키는 열처리를 실시하여 요구되는 기계적 성질을 얻는 것이 더욱 바람직하다.

상기와 같은 본원발명의 하이크롬강 원심주조방법을 이용하면 통상적인 단조방법에 의한 하이크롬강에 비하여 제품의 제작 기간을 단축할 수 있게 되고, 그에 따른 비용을 줄일 수 있으며, 하이크롬강의 우수한 기계적 성질을 유지할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 하이크롬강 원심주조방법을 실시하기 위한 하나의 실시 예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

10: 금형
20: 냉각조절수단
30: 하이크롬강

Claims (5)

1. 하이크롬강 원심주조방법에 있어서,
   전기 유도로를 이용하여 크롬(Cr), 망간(Mn), 규소(Si), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 합금을 1650±20℃로 용해하여 하이크롬강 소재를 만드는 합금용해과정;
   원심주조기를 이용하여 미리 230±30℃로 예열된 금형을 회전시키면서, 상기 합금용해과정으로 합금된 소재를 1550±20℃에서 주입하여 하이크롬강을 원심주조하는 원심주조과정;
   상기 원심주조 3~5분 후부터 금형의 표면에 냉각수를 분사하여 냉각을 실시하고, 상기 금형 내부에 냉각조절수단을 투입하여 하이크롬강의 냉각속도를 조절하는 냉각과정;
   상기 하이크롬강이 냉각되면 금형의 상부 뚜껑을 개방하고 금형과 소재를 분리하는 분리과정;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이크롬강 원심주조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 하이크롬강 합금은 크롬(Cr) 14.0~16.0 %, 망간(Mn) 최대 1.0 %, 규소(Si) 최대 1.0 %, 몰리브덴(Mo) 최대 1.5 %, 티타늄(Ti) 최대 0.75 % 와 합금의 전체적인 혼합 바란스를 위해 철(Fe)이 정량 혼합된 것을 특징으로 하는 하이크롬강 원심주조방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각조절수단은 원심주조기의 회전에 의해 하이크롬강 내부표면에서 발열하여 소각되는 왕겨로 형성됨을 특징으로 하는 하이크롬강 원심주조방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각조절수단은 하이크롬강 소재 두께의 3분1 내지 절반의 두께를 이루게 투입됨을 특징으로 하는 하이크롬강 원심주조방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 원심주조과정; 에서는,
   상기 하이크롬강 소재의 외경이 400~600㎜인 경우, 원심주조기의 회전은 300~450rpm 으로 회전되고,
   상기 하이크롬강 소재의 외경이 601~800㎜인 경우, 원심주조기의 회전은 250~300rpm 으로 회전되고,
   상기 하이크롬강 소재의 외경이 801~1000㎜인 경우, 원심주조기의 회전은 200~250rpm 으로 회전되고,
   상기 하이크롬강 소재의 외경이 1001~1200㎜인 경우, 원심주조기의 회전은 170~200rpm 으로 회전되고,
   상기 하이크롬강 소재의 외경이 1201~1500㎜인 경우, 원심주조기의 회전은 120~170rpm 으로 회전되는 것을 특징으로 하는 하이크롬강 원심주조방법.

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