KR101877511B1

KR101877511B1 - 공작기계용 합금주철 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101877511B1
Application number: KR1020170127517A
Authority: KR
Inventors: 박흥수
Original assignee: 주식회사동방금속
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2018-07-11

Abstract

본 발명은 공작기계용 합금주철 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 철을 주재료로 포함하는 공작기계용 합금주철에 있어서, 상기 합금주철의 성분조성이 중량부로, C: 3.1~3.2, Si: 1.7~1.9, Mn: 0.6~1.0, P: 0초과~0.06이하, S: 0초과~0.06이하, Cr: 0.1~0.25, Cu: 0.1~0.5, V: 0.01~0.6, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

공작기계용 합금주철 및 그 제조방법{Alloy cast iron for machine tools and manufacturing method thereof}

본 발명은 공작기계용 합금주철 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공작기계용 주물의 일반적 요구특성을 만족하면서 내열성 및 내부식성이 우수한 합금주철을 제조하는 것을 특징으로 하는, 공작기계용 합금주철 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래부터, 공작 기계용 구조 재료로서, 진동 감쇠능이 비교적 우수한 편상 흑연납 주철이 주로 사용되어 왔다. 편상 흑연 주철은 편상 흑연을 다량으로 포함하는 것에 의한 복합형 방진 기구를 갖기 때문에, 강 등에 비해 감쇠능이 높고, 또한 대형의 구조재를 제작하는 데 있어서의 성형성 및 비용의 면에서 유리한 특징을 갖고 있다.

또한, 편상 흑연 주철을 대신하는 공작 기계 구조재로의 적용을 생각하여, 콘크리트계 재료, 천연 그라나이트, CFRP 등 우수한 감쇠능을 갖는 재료의 연구가 행해져 왔다. 그러나, 모두 강성의 낮음, 가공성, 비용 등의 문제로 실용화에 이르지 않았다.

현재, 편상 흑연 주철은 감쇠성, 주조성, 비용의 점에서 우수하므로, 공작 기계의 베드, 테이블, 컬럼 등 구조재료에 널리 사용되고 있다. 그러나, 가공 경화가 심한 난가공성 재료 등의 가공을 행하는 공작 기계에는 대(大) 절입을 안정적으로 유지하는 높은 강성과, 유해한 진동의 발생을 억제하는 높은 진동 감쇠능이 필요하다.

이와 같이, 진동 감쇠능이 더욱 심하게 요구되는 경우에는, 기존의 편상 흑연 주철에서는 진동의 영향 때문에, 가공 효율, 가공품의 정밀도가 충분히 얻어지지 않는 경우가 있다.

종래부터 공작 기계 등에 사용되고 있는 FC300 등의 편상 흑연 주철은, 복합형 감쇠 기구를 발현하는 편상 흑연을 다량으로 포함하고 있다. 그로 인해, 종래 재료 중에서는 진동 감쇠능이 우수한 구조 재료이다. 이 편상 흑연 주철의 진동 감쇠능을 개선하기 위해서는, 편상 흑연의 양을 증가시키면 된다. 그러나, 편상 흑연 주철이 증가하는 것에 수반하여 동적 영률(이하, 단순히 영률이라고 칭함)이 저하되어 버리는 문제가 있다. 편상 흑연 주철의 흑연량의 조정은 C 및 Si의 양에 의해 제어할 수 있다. 공작 기계의 구조 재료로서는, 영률이 저하되면 강성 유지를 위해 구조 재료의 두께를 증가시킬 필요가 생긴다. 그로 인해, 구조 설계상의 문제가 발생할 뿐만 아니라, 비용도 증가하게 되어 바람직하지 않다.

또한, 일반 공작기계 주물의 요구 특성은 인장강도, 경도가 우수하여야 하고, 치수 정밀도가 우수해야 하며, 내마모성 등을 갖추어야 한다. 이러한 성질 외에 공작시 마찰, 충격 등으로 인한 내열성, 산 또는 알칼리에 견딜 수 있는 내부식성이 요구되는데 이러한 특성을 만족시킬 만한 공작기계용 주철의 개발 필요성이 제기되고 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 소63-140064호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특허 출원 공개 제2001-200330호 공보 특허 문헌 3 : 일본 특허 출원 공개 제2002-348634호 공보

본 발명인 공작기계용 합금주철 및 그 제조방법이 해결하고자 하는 과제는 다음과 같다.

일반 공작기계 주물의 요구 특성인 인장강도, 경도가 우수하여야 하고, 치수 정밀도가 우수해야 하며, 내마모성 등을 갖추며, 그 외에 공작시 마찰, 충격 등으로 인한 내열성, 산 또는 알칼리에 견딜 수 있는 내부식성 특성을 만족시키는 공작기계용 주철 개발이 본 발명이 해결하고자 하는 과제이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명인 공작기계용 합금주철 및 그 제조방법은, 철을 주재료로 포함하는 공작기계용 합금주철에 있어서, 상기 합금주철의 성분조성이 중량부로, C: 3.1~3.2, Si: 1.7~1.9, Mn: 0.6~1.0, P: 0초과~0.06이하, S: 0초과~0.06이하, Cr: 0.1~0.25, Cu: 0.1~0.5, V: 0.01~0.6, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1항의 공작기계용 합금주철을 제조하는 방법에 있어서, 상기 주재료인 상기 철은 선철 8∼12중량부, 고철 40∼60중량부 및 회수철 20∼30중량부로 구성되고, 상기 철을 용해로에 장입하는 단계; 상기 철이 장입된 용해로에 가탄제(C)를 투입하는 단계; 상기 가탄제가 투입된 용해로를 가열하는 단계; 상기 가열되는 용해로의 온도가 500∼700℃에서 Fe-Mn, Fe-S, Fe-P, Fe-Cr, Fe-V 및 Fe-Cu를 포함하는 부재료를 용해로에 투입하는 단계; 상기 부재료를 투입한 용해로를 가열하여 용탕 발생 후 성분 테스트를 하는 단계; 상기 성분 테스트를 한 용탕을 1510∼1550℃의 출탕온도에서 출탕하는 단계; 상기 출탕시 접종제(Fe-Si)를 투입하는 단계; 상기 접종제가 투입된 용탕에서 분석용 시편을 채취하는 단계; 상기 분석용 시편이 채취된 용탕을 몰드에 주입하는 단계; 상기 용탕이 주입된 몰드를 상온에서 냉각하는 단계; 및 상기 냉각된 몰드를 150℃∼Ar1변태점 미만에서 해체하여 탈형하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 성분테스트를 하는 단계는, 상기 부재료를 투입한 용해로를 가열하여 용탕 발생 후 상기 용탕이 1480℃인 때 1차 성분 테스트를 하는 단계; 및상기 1차 성분 테스트한 용탕을 가열하여 1520℃인 때 2차 성분 테스트를 하는 단계;를 포함하도록 할 수 있다.

또한, 상기 성분테스트를 하는 단계는, 상기 2차 성분 테스트를 거친 후 상기 주재료 및 부재료의 성분을 조절하는 단계; 및 성분 조절 후 최종 성분 테스트를 하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 몰드에 주입하는 단계에서 1380∼1450℃의 주입온도를 유지하도록 할 수 있다.

또한, 상기 탈형단계는, 주조되는 공작기계용 합금주철의 두께가 50mm초과 150mm 이하인 두꺼운 합금 주철과 형상이 복잡한 합금 주철은 탈형온도를 200℃±100℃로 하고, 두께가 0초과 50mm이하의 얇은 합금 주철과 형상이 간단한 합금 주철은 300초과 723℃이하를 탈형온도로 할 수 있다.

본 발명에 의한 공작기계용 합금주철 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 일반 공작기계 주물의 요구특성인 인장강도, 경도가 우수하며, 치수 정밀도에서도 우수하며, 내마모성 및 내 충격성을 갖도록 하고 있다.

둘째, 공작기계 작동시 발생하는 마찰 충격을 인한 열에 견딜 수 있는 내열성, 산 등에 부식되지 않도록 하는 내부식성까지 갖춘 합금주철을 제조할 수 있는 효과가 있다.

셋째, 탈형시간의 조절을 통해 다양한 형태의 제품에 따른 주물 요구 성질을 만족 시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공작기계용 합금주철 제조방법을 간략히 도시한 순서도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공작기계용 합금주철 제조방법에 있어서 성분 테스트방법을 간략히 도시한 순서도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 공작기계용 합금주철 제조방법에 있어서 두께가 얇은 합금주철의 탈형시간 및 탈형온도간 상관관계를 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 공작기계용 합금주철 제조방법에 있어서 두께가 두꺼운 합금주철의 탈형시간 및 탈형온도간 상관관계를 도시한 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결 되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 간접적으로 연결 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공작기계용 합금주철 제조방법을 간략히 도시한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공작기계용 합금주철 제조방법에 있어서 성분 테스트방법을 간략히 도시한 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 공작기계용 합금주철 제조방법에 있어서 두께가 얇은 합금주철의 탈형시간 및 탈형온도간 상관관계를 도시한 그래프이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 공작기계용 합금주철 제조방법에 있어서 두께가 두꺼운 합금주철의 탈형시간 및 탈형온도간 상관관계를 도시한 그래프로서 함께 설명한다.

본 발명의 일실시예에 따른 공작기계용 합금주철 은 철을 주재료로 포함하는 공작기계용 합금주철에 있어서, 상기 합금주철의 성분조성이 철 100중량부를 기준으로 중량부로, C: 3.1~3.2, Si: 1.7~1.9, Mn: 0.6~1.0, P: 0초과~0.06이하, S: 0초과~0.06이하, Cr: 0.1~0.25, Cu: 0.1~0.5, V: 0.01~0.6 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공작기계용 합금주철을 제조하는 방법은, 상기 주재료인 상기 철은 선철 8∼12중량부, 고철 40∼60중량부 및 회수철 20∼30중량부로 구성되고, 상기 철을 용해로에 장입하는 단계; 상기 철이 장입된 용해로에 가탄제(C)를 투입하는 단계; 상기 가탄제가 투입된 용해로를 가열하는 단계; 상기 가열되는 용해로의 온도가 500∼700℃에서 Fe-Mn, Fe-S, Fe-P, Fe-Cr, Fe-V 및 Fe-Cu를 포함하는 부재료를 투입하는 단계; 상기 부재료를 투입한 용해로를 가열하여 용탕 발생 후 성분 테스트를 하는 단계; 상기 성분 테스트를 한 용탕을 1510∼1550℃의 출탕온도에서 출탕하는 단계; 상기 출탕시 접종제(Fe-Si)를 투입하는 단계; 상기 접종제가 투입된 용탕에서 분석용 시편을 채취하는 단계; 상기 분석용 시편이 채취된 용탕을 몰드에 주입하는 단계; 상기 용탕이 주입된 몰드를 상온에서 냉각하는 단계; 및 상기 냉각된 몰드를 150℃∼Ar1변태점 미만에서 해체하여 탈형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 C, Si, Mn, P, S, Cr, Cu, V 등의 원소가 내마모성 등 공작기계 주물의 특성을 부여하는 주요 인자임에 착안하여 이들 중 합금 주철이 갖는 본연의 특성은 그대로 유지하면서 공작기계가 요구하는 내마모성, 내충격성, 치수정밀도, 경도, 인장강도, 진동흡수능, 내열성, 내부식성을 갖도록 적정한 성분조성을 이루도록 한 것이다.

즉 본 발명의 일실시예에 따른 공작기계용 합금 주철의 성분조성은 철 100중량부를 기준으로 중량부로, C: 3.1~3.2, Si: 1.7~1.9, Mn: 0.6~1.0, P: 0초과~0.06이하, S: 0초과~0.06이하, Cr: 0.1~0.25, Cu: 0.1~0.5, V: 0.01~0.6 를 포함하도록 이루어 진다.

본 출원인은 다년간의 연구 개발 끝에 주철의 기본적 부가재료인 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S) 이외에, Cr이 내마모성을 향상시킨다는 점, Cu의 특성이 인장강도 향상에 있고, V가 시멘타이트를 안정화시켜 고합금 주철의 경도를 증가시키고 흑연의 분포를 균등하게 한다는 점에 착안하여 상기 Cr, Cu, V의 원소를 재구성하고, 특수한 제조방법을 통해 본 발명이 목적하는 바를 달성할 수 있었다.

각 원소별 재질에 미치는 특성을 살펴보면 다음과 같다. 하기의 각 성분함량은 철 100중량부를 기준으로 한다.

C: 선철 중의 탄소는 화합탄소 및 흑연탄소의 형태로서 존재한다. 흑연탄소가 많으면 주철은 연하고, 결정이 거칠게 되고, 유동성이 증가한다. 화합탄소는 주철을 경하게 하며, 또 취성이 있고, 유동성을 나쁘게 한다. 위의 2종의 탄소는 냉각 속도와 Si 및 Mn의 함유량에 따라 그 성분이 영향을 받는다. 냉각 속도가 느릴수록, 또 Si량이 많을수록 흑연탄소를 석출하기 쉽다. 주철중의 전 탄소량이 3.3중량부를 넘으면 다른 원소에 관계없이 조직이 조대하게 되고 연하게 된다. 반대로 전 탄소량이 적을수록 인장강도 및 경도가 증가된다. 따라서 탄소는 적을수록 좋으나, 주철을 큐우폴라에서 용해할 때는 조업 기술상 탄소를 2.4중량부보다 적게 하기는 곤란하다. 따라서 탄소 3.1~3.2중량부를 목표로 한다.

탄소당량은 3.66 내지 3.71 중량부로 한다. 탄소당량은 커지면 진동 감쇠능이 개선되고 영률이 저하된다. 탄소당량의 증감으로는 양자의 양립은 할 수 없지만, 진동 감쇠능과 영률에 미치는 영향은 크기 때문에 적절한 값으로 할 필요가 있다.

본 발명의 경우, 탄소당량(C.E.)이 3.71 중량부를 초과하면, 진동 감쇠능이 크게 개선되지만, 영률이 크게 저하된다. 이는, 탄소당량이 공정 조성을 초과하여 과공정으로 되기 때문이라고 생각된다. 한편, 탄소당량이 작은 경우에는, 흑연의 형성량이 감소하므로 영률이 개선된다. 그러나, 진동 감쇠능이 저하되므로, 3.66 중량％ 이상의 탄소당량이 필요하다. 따라서, 탄소당량은 3.66 내지 3.71으로 하였다.

Si: 규소(실리콘)는 탄소 C를 흑연 화시키는 데 도움이 된다. 이 흑연화작용은 주철 중의 탄소량과 주물의 두께와의 영향을 받게 된다. 즉 전 탄소량이 많을수록 흑연 화는 촉진되고, 또 흑연의 형상이 Si와 C와의 양적 관계로서 여러 가지로 변한다. 즉 C가 많으면 Si량 여하에 관계없이 흑연탄소는 편상으로 석출하여 편상 조직을 만드나, C가 적으면 Si량에 따라 준국목조직 또는 국목조직을 나타내어 우수한 주철을 만든다. 상기 탄소와 규소의 함유량의 관계에 비추어 본 발명에서는 1.4∼2.1중량부를 규격으로 하고, 더욱 바람직하게는 1.7∼1.9중량부를 목표치로 하고 있다.

Mn: 망간은 통상의 편상 흑연 주철의 경우와 마찬가지로, 0.6 내지 1.0 중량부로 한다. 이 이유는, Mn은 0.25 중량부 이상에서는 주철의 강도, 경도를 증가시키지만, 1.0 중량부를 초과하면 주철을 세멘타이트화시켜, 단단하고 부서지기 쉽게 하므로, 강도 경도의 일정한 향상을 위해 상기 수치 범위로 하였다.

P: P는 통상의 편상 흑연 주철의 경우와 마찬가지로 0 초과∼0.06 중량부 이하로 한다. 이 이유는, P는 0.06 중량부를 초과하면, 철과 반응하여 단단한 화합물인 스테다이트를 형성하여 주철을 깨지기 쉽게 하므로, 상기 수치 범위로 하였다.

S: S는 통상의 편상 흑연 주철의 경우와 마찬가지로 0 초과∼0.06 중량부 이하로 한다. 이 이유는, S가 0.06 중량부를 초과하면, 용탕의 유동성을 나쁘게 하는 동시에, 주철을 세멘타이트화시켜 단단하고 부서지기 쉽게 하기 때문이다.

Cu: 기계적 성질이 개선되고, 단면 변화가 심한 주물에서 균일한 조직을 만드는데 효과가 크다. 내식성, 기계가공성을 향상시킨다. 구리는 강화흑연화를 위한 원소로서, 펄라이트 생성을 촉진하고 미세화시키는 작용을 하기 때문에 강도확보를 위해 필요한 원소이다. 본 발명에 따른 주철에서는 구리의 함량이 0.1 중량부 미만일 경우 강도의 부족을 초래하지만, 그 함량이 0.5 중량부를 초과하더라도 그 초과분에 해당하는 첨가 효과는 없다. 따라서 본 발명에서는 구리의 함량을 0.1∼0.5중량부로 설정한다. 0.22중량부일때 가장 바람직한 결과가 도출되고 있다.

Cr: 인장강도를 증가시키고 경도를 증가시킨다. 내식성을 증가시켜며 내마모성을 증가시킨다. 크롬은 매우 강력한 펄라이트 생성 촉진 원소로서, 구리와 마찬가지로 강도향상을 목적으로 첨가된다. 본 발명에 따른 주철에서는 주석의 함량이 0.1 중량부 미만일 경우 강도의 저하가 초래되고, 0.25 중량부를 초과하여 첨가될 경우에는 취성을 급격하게 증가시키게 되므로, 그 함량을 0.1~0.25 중량부로 설정한다.

V: 매우강한 카바이드 조직 안정화 원소로 인장강도와 경도를 증가시킨다. 또한, 내식성 내마모성을 향상시킨다. 흑연의 형성을 개선시키고, 펄라이트를 미세화 및 조밀하게 한다. V는 0.01중량부 이하에는 인장강도 등의 저하가 생기고, 0.6중량부 초과시에는 취성을 증가가 초래되므로, 그 함량을 0.01∼0.6중량부로 설정한다.

상기 Cu, Cr, V는 상기한 바와 같은 특성을 가질 수 있도록 상기와 같은 수치범위로 하였다.

이하에서 상술한 바와 같은 성분조성을 갖는 합금 주철의 내마모성, 내충격성, 치수정밀도, 경도, 인장강도, 진동흡수능, 내열성, 내부식성 등의 특성을 향상시키기 위한 제조방법을 살펴본다. 이러한 제조방법을 통해 인장강도 34∼40 N/mm2, 경도 220∼250 HB, 조직은 A Type으로 조절된 합금주철이 제공된다.

실시예를 들어 상세히 설명한다.

[실시예]

(1) 철을 용해로에 장입하는 단계

상기 단계(1)에서 상기 주재료인 상기 철은 선철 8∼12중량부, 고철 40∼60중량부 및 회수철 20∼30중량부로 구성되고, 상기 철을 용해로에 장입하는 단계이다. 철광석을 제철소의 고로에서 용해하여 첫 번째로 만들어 지는 것이 선철이다. 이 선철은 철광석의 산지와 제철 기술에 따라 불순물의 함유량이 매우 다르다. 즉 좋지 않은 선철은 불순물의 함량이 많아서 주물의 기계적 성질을 저하시킨다. 선철은 전체 장입량의 8∼12중량부 이지만 처녀성의 특성 때문에 나머지 장입재료인 고철 및 회수철의 성질을 지배한다. 따라서 좋은 선철은 재질을 좋게하므로 좋은 선철을 사용해야 한다. 고순도선철을 이용하여 품질이 일정하게 생산되도록 하는 것이 바람직하다.

(2) 가탄제 투입단계

상기 단계(2)는 상기 철이 장입된 용해로에 가탄제(C)를 투입하는 단계이다. 선철 중의 탄소는 화합탄소 및 흑연탄소의 형태로서 존재하게 되는데, 흑연탄소가 많으면 주철은 연하고, 결정이 거칠게 되고, 유동성이 증가한다. 화합탄소는 주철을 경하게 하며, 또 취성이 있고, 유동성을 나쁘게 한다. 위의 2종의 탄소는 냉각 속도와 Si 및 Mn의 함유량에 따라 그 성분이 영향을 받는다. 냉각 속도가 느릴수록, 또 Si량이 많을수록 흑연탄소를 석출하기 쉽다. 주철중의 전 탄소량이 3.3중량부를 넘으면 다른 원소에 관계없이 조직이 조대하게 되고 연하게 된다. 반대로 전 탄소량이 적을수록 인장강도 및 경도가 증가된다. 따라서 탄소는 적을수록 좋으나, 주철을 큐우폴라에서 용해할 때는 조업 기술상 탄소를 2.4중량부보다 적게 하기는 곤란하다. 따라서 탄소 3.1~3.2중량부를 목표로 한다.

본 발명의 경우, 탄소당량(C.E.)이 3.71 중량%를 초과하면, 진동 감쇠능이 크게 개선되지만, 영률이 크게 저하된다. 이는, 탄소당량이 공정 조성을 초과하여 과공정으로 되기 때문이라고 생각된다. 한편, 탄소당량이 작은 경우에는, 흑연의 형성량이 감소하므로 영률이 개선된다. 그러나, 진동 감쇠능이 저하되므로, 3.66 중량％ 이상의 탄소당량이 필요하다. 따라서, 탄소당량은 3.66 내지 3.71으로 하고 있다.

(3) 가열단계

상기 단계(3)은 상기 가탄제가 투입된 용해로를 가열하는 단계이다. 가열단계 이전 상기 철과 가탄제를 혼합한 상태에서 가열함으로써 유동성을 좋게 하기 위함이다. 가열은 서서히 온도를 올려가며 500℃ 가량에서 부재료를 투입하게 된다. 상기 용해로는 전기로를 이용할 수 있다. 용탕온도는 출탕온도가 1520∼1540℃가 될 수 있도록 충분히 가열하여 주재료와 부재료가 충분히 혼합될 수 있도록 하고 있다.

(4) 부재료 투입단계

상기 단계(4)는 상기 가열되는 용해로의 온도가 500∼700℃에서 Fe-Mn, Fe-S, Fe-P, Fe-Cr, Fe-V 및 Fe-Cu를 포함하는 부재료를 용해로에 투입하는 단계이다. 이후 상기 부재료를 투입한 상태의 용탕의 성분 테스트를 통해 각 성분을 정밀하게 제어함으로서 상기 특성을 가지는 합금주철로 제조될 수 있다. 이때 합금주철의 안정적인 기계적 물성을 확보하기 위해서는 용융온도, 출탕온도, 및 상기 부재료의 함량을 정밀하게 제어하는 것이 필요한데 본 발명은 이러한 요구조건을 만족하는 방법을 제공하고자 한다.

(5) 성분 테스트 단계

상기 단계(5)는 상기 부재료를 투입한 용해로를 가열하여 용탕 발생 후 용탕의 성분 테스트를 하는 단계이다. 상기 성분테스트를 하는 단계는, 상기 부재료를 투입한 용해로를 가열하여 용탕 발생 후 상기 용탕이 1480℃인 때 1차 성분 테스트를 하는 단계; 및 상기 1차 성분 테스트한 용탕을 가열하여 1520℃인 때 2차 성분 테스트를 하는 단계;를 포함할 수 있고, 이에 더하여 상기 2차 성분 테스트를 거친 후 상기 주재료 및 부재료의 성분을 조절하는 단계; 및 성분 조절 후 최종 성분 테스트를 하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 1차,2차로 나누어 테스트를 하는 이유는 온도에 따라 달리 측정될 수 있고, 두 번을 행함으로서 오차를 최대한 줄이도록 하기 위함이다.

상기 2차 성분 테스트에서 상기 성분 함량 비율이 맞지 않으면 부족한 성분을 더 추가함으로써 정밀하게 성분함량을 조절하게 된다. 조절된 성분함량이 적정비율에 해당하는지를 다시 추가적으로 성분 테스트한 뒤 출탕하게 됨으로써 용탕에서의 성분함량 부분에서 정밀도를 기할 수 있도록 하고 있다. 즉 도 2에서 도시된 바와 같이, 1,2차 성분테스트를 거친 후 성분함량이 적절하면 출탕단계로 가고, 부적절하다면 성분함량을 조절하고 다시 2차 성분테스트 단계로 순환하게 되는 방식이다. 결국 정확한 성분함량을 가진 용탕이 출탕하도록 하게 된다.

(6) 출탕단계

상기 단계(6)은 상기 성분 테스트를 한 용탕을 1510∼1550℃의 출탕온도에서 출탕하는 단계이다.

출탕온도도 주조된 제품의 품질에 지대한 영향을 끼치게 되므로 상기와 같은 온도에서 출탕되도록 원탕을 출탕하기 위한 용기인 래들을 미리 예열하여야 하며, 출탕시간을 15분 이내로 준수함이 바람직하다.

(7) 접종제 투입단계

상기 단계(7)은 접종제를 투입하는 단계로서, 접종제는 Fe-Si로, Fe-Si 100중량부 기준 Si 함량이 70∼75중량부인 것을 사용할 수 있다. 접종제는 조직을 미세화하고, 균질화 하며, 가공성을 향상시키고 조직을 개선한다. 이러한 접종제 투입은 출탕과 동시에 원탕을 다른 곳으로 옮기는 기구인 래들로 출탕할 때 상기 접종제의 함량을 정밀하게 제어함으로서 상기 본 발명인 합금 주철의 특성을 발현하도록 하고 있다.

(8) 분석용 시편 채취단계

상기 단계(8)은 상기 접종제가 투입된 용탕에서 분석용 시편을 채취하는 단계이다. 상기 시편을 채취하여 목표하는 특성이 발현되는지 여부를 판단하기 위한 단계이다. 래들로 출탕할 때 상기 접종제를 투입한 후 시편을 채취하게 된다.

(9) 몰드 주입단계

상기 단계(9)는 상기 분석용 시편이 채취된 용탕을 몰드에 주입하는 단계이다. 출탕은 FC래들로 하며, 출탕시 래들은 예열상태를 유지하여야 하며, 몰드 주입시 주입온도는 1380∼1450℃를 유지하도록 하며, 상기 온도는 침적식 온도계를 이용하여 측정할 수 있다. 주입시간은 15분 이내(1회/래들)로 한다.

(10) 냉각단계

상기 단계(10)은 상기 용탕이 주입된 몰드를 상온에서 냉각하는 단계이다. 이때 몰드도 처음부터 상온 상태에서 출탕되어 몰드에 주입되는 경우가 일반적이다. 다만, 몰드의 온도를 일정한 온도(150∼780℃)까지 상승시킨 후 몰드 주입함으로써 상온에서 냉각하도록 하여, 몰드내 주물의 냉각속도를 둔화시킴으로서 본 발명의 일실시예에 따른 합금 주철의 상기 성질을 가지도록 유도할 수도 있다. 상기 몰드는 금형 또는 사형(모래)일 수 있다.

(11) 탈형단계

상기 단계(11)은 상기 냉각된 몰드를 150℃∼Ar1변태점 미만에서 해체하여 탈형하는 단계이다. 탈형시간은 본 발명인 합금 주철의 성질을 결정짓는데 중요한 요소이며, 탈형시간의 펄라이트와 페라이트 비율에도 영향을 미쳐 결국 소재의 기계적 특성에도 영향을 미치게 된다. 또한 제품생산의 회전율과 밀접한 관계가 있어 최적의 탈형시간을 결정하여야 한다. 통상의 주물의 경우 약 590℃이하에서 탈형하는 것이 일반적인다. 관리된 탈형온도 및 시간내에서는 두꺼운 주물에서의 열변형을 억제함으로서 제품의 성질을 결정하게 된다. 따라서 최소 탈형시간은 주물의 형상과 밀접한 관련이 있다. 판이나 원판과 같은 단순한 형상의 제품은 주입 후 응고 완료 후 탈형시간을 빠르게 해도 제품의 특성에 두꺼운 제품이나 복잡한 형상의 제품보다 기계적 성질 등의 특성에 미치는 영향이 적다. 두께 편차가 큰 제품은 공기 중에서 냉각했을 때 내외부간 온도 편차가 심하다 그러므로 제품 속의 응력이 증가하며, 꼬임의 발생이나 심한 경우 크랙이 발생하게 된다. 그러므로 적절한 탈형온도는 주물의 형상, 두께, 주형내의 주물 온도, 주형밖의 공기온도 등에 의해서 냉각 속도를 조절해야 한다. 높은 온도에서 탈형시 급랭 경화된 조직이 되며, 그 결과 열처리를 하여야 하고 그에 따른 경제적 손실이 발생하게 된다. 따라서 적절한 탈형시간과 온도를 설정하여 탈형할 필요가 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 공작기계용 합금 주철은 몰드에 주입 후 탈형온도를 723℃이하에서 탈형하게 되는데(이 경우, 몰드 주입후 2시간 내지 2시간 30분 경과 후 탈형), 이는 변태점 즉 Ar1 변태점 이하에서 탈형하게 된다. 상기 Ar1 변태점이란 합금 주철의 경우 고온에서 서서히 냉각하면 720℃ 부근에서 변태를 일으키게 되며 펄라이트 조직이 나타나게 된다. 이러한 펄라이트 조직을 형성한 후 탈형하도록 하는 것이다. 그러나 상술한 바와 같이 높은 온도에서 탈형시 위와 같은 부작용이 있으므로, 탈형온도는 200℃±20℃에서 탈형하는 것이 바람직하다(이 경우 몰드 주입 후 5시간 내지 10시간 후 탈형). 그러나 제품에 따라 200℃ 부근에서 탈형할 시 제품 내부의 응력은 적게 되어 꼬임현상이 없어 양호하나, 인장강도, 경도가 떨어져 일정수준의 특성을 만족시키기 어려운 경우가 발생한다.

따라서 본 발명의 경우, 상기 탈형단계는, 주조되는 공작기계용 합금주철의 두께가 50mm초과 150mm 이하인 두꺼운 합금 주철과 형상이 복잡한 합금 주철은 탈형온도를 200℃±100℃로 하고 그 시간은 두께에 따라 5시간 내지 10시간을 소요하게 된다. 두께가 0초과 50mm이하의 얇은 합금 주철과 형상이 간단한 합금 주철은 300초과 723℃이하를 탈형온도로 하고, 그 시간은 2시간 내지 2시간 30분 정도를 소요하게 된다. 상기 형상이 간단한지 복잡한지는, 두께의 변화가 있거나 리브, 홀, BOSS 등이 있는 경우 등이 복잡한 경우에 해당된다고 할 수 있다.

이와 같은 사항은 도 3 및 도 4에 도시되어 있다.

즉 도 3의 경우 두께가 0초과 50mm이하의 얇은 합금 주철과 형상이 간단한 합금 주철은 300초과 723℃이하를 탈형온도로 하는 것이어서 2시간 내지 2시간 30분 소요시까지의 몰드 주입 후 탈형까지의 시간(탈형시간)과 온도(탈형온도)간의 상관관계를 도시한 것이다.

이에 반해, 도 4는 주조되는 공작기계용 합금주철의 두께가 50mm초과 150mm 이하인 두꺼운 합금 주철과 형상이 복잡한 합금 주철은 탈형온도를 200℃±100℃를 탈형온도로 하여, 5시간 내지 10시간 소요시까지의 몰드 주입후 탈형까지의 시간과 온도간 상관관계를 도시한 것이다.

도 3과 도 4를 비교해보면, 도 4는 2시간 30분 이후의 시간과 온도간 상관관계가 도시되어 있고, 냉각속도는 몰드 주입후 2시간 가량보다 서서히 느리게 됨을 알 수 있다. 상기와 같은 두께가 두껍거나 복잡한 형상을 가진 경우 목적하는 합금주철의 특성이 발현되도록 하기 위해서는, 도 4와 같은 냉각과정을 거치도록 하는 것이 바람직하다.

[시험예 1]

본 발명의 공작기계용 합금주철 제조방법에 따라 제조된 두께가 50mm인 평판을 2시간 후 탈형한 경우와 5시간 후 탈형한 경우의 경도, 조직, 인장강도, 기계가공성, 응력, 연신율, 비틀림, 가공후 치수정밀도, 열처리 필요성 등에 대해 살펴보았다.

	2시간 후 탈형	5시간 후 탈형
경도(HB)	190∼210	160∼180
조직	펄라이트 50∼60%	펄라이트 10∼30%
인장강도(Kg/㎟)	48∼55	46∼49
기게가공성	나쁨	정상
응력	많음	적음
연신율(%)	9∼14	10∼18
비틀림	많음	적음
가공 후 치수정밀도	많음	적음
열처리필요성(응력제거)	필요	불필요

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 두께가 두꺼운 평판의 경우, 5시간 후 탈형한 경우가 2시간 후 탈형한 경우보다 경도, 인장강도가 미약하게 떨어지기는 하나, 정상 수치(경도 156HB, 인장강도 45Kg/㎟)를 웃돌고, 기계가공성, 응력, 연신율, 비틀림, 가공후 치수 정밀도 및 열처리 필요성 측면에서는 우수한 성질을 나타내고 있다.

[시험예 2]

본 발명의 공작기계용 합금주철 제조방법에 따라 제조된 두께가 16mm인 평판을 탈형시간마다의 경도, 조직, 인장강도, 연신율 등에 대해 살펴보았다.

	2시간	3시간	4시간	6시간	10시간
펄라이트량(%)	15∼25	15∼20	10∼15	10∼15	10∼15
페라이트량(%)	75∼85	80∼85	85∼90	85∼90	85∼90
경도(HB)	170∼190	165∼185	160∼180	150∼170	140∼160
인장강도(Kg/㎟)	48∼55	47∼49	46∼49	46∼49	46∼49
연신율(%)	10∼12	10∼14	12∼16	14∼16	14∼20

상기 표 2의 시간은 탈형시간이며, 펄라이트량과 페라이트량의 합은 100%이다. 펄라이트량과 페라이트량은 2시간 과 3시간 후 탈형시간에 따른 변화가 발생하나 4시간 이후의 경우 변화가 없다. 따라서 약 3시간 이후에는 미미한 변화가 있을 뿐이어서 그 시간을 넘겨 탈형할 의미가 없다는 것을 알 수 있다. 이러한 변화는 경도, 인장강도 및 연신율에서도 거의 유사한 결과치를 나타내고 있다. 따라서 두께가 얇은 평판의 경우 상기와 같은 2시간 내지 2시간 반의 탈형시간을 가지도록 하는 것이 생산사이클 측면과 공작기계용 합금주철이 요구하는 특성을 모두 만족하는 길이 될 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 일실시예에 따른 공작기계용 합금주철 및 그 제조방법은, 일반 공작기계 주물의 요구특성인 인장강도, 경도가 우수하며, 치수 정밀도에서도 우수하며, 내마모성 및 내 충격성을 갖도록 하고 있고, 공작기계 작동시 발생하는 마찰 충격을 인한 열에 견딜 수 있는 내열성, 산 등에 부식되지 않도록 하는 내부식성까지 갖춘 합금주철을 제조할 수 있는 효과가 있고, 탈형시간의 조절을 통해 다양한 형태의 제품에 따른 주물 요구 성질을 만족 시킬 수 있는 장점이 있다.

이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

부호 없음

Claims

철을 주재료로 포함하는 공작기계용 합금주철에 있어서,
상기 합금주철의 성분조성이 철 100중량부를 기준으로 중량부로,
C: 3.1~3.2, Si: 1.7~1.9, Mn: 0.6~1.0, P: 0초과~0.06이하, S: 0초과~0.06이하, Cr: 0.1~0.25, Cu: 0.1~0.5, V: 0.01~0.6 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 공작기계용 합금주철.
제1항의 공작기계용 합금주철을 제조하는 방법에 있어서,
상기 주재료인 상기 철은 선철 8∼12중량부, 고철 40∼60중량부 및 회수철 20∼30중량부로 구성되고, 상기 철을 용해로에 장입하는 단계;
상기 철이 장입된 용해로에 가탄제(C)를 투입하는 단계;
상기 가탄제가 투입된 용해로를 가열하는 단계;
상기 가열되는 용해로의 온도가 500∼700℃에서 Fe-Mn, Fe-S, Fe-P, Fe-Cr, Fe-V 및 Fe-Cu를 포함하는 부재료를 용해로에 투입하는 단계;
상기 부재료를 투입한 용해로를 가열하여 용탕 발생 후 성분 테스트를 하는 단계;
상기 성분 테스트를 한 용탕을 1510∼1550℃의 출탕온도에서 출탕하는 단계;
상기 출탕시 접종제(Fe-Si)를 투입하는 단계;
상기 접종제가 투입된 용탕에서 분석용 시편을 채취하는 단계;
상기 분석용 시편이 채취된 용탕을 몰드에 주입하는 단계;
상기 용탕이 주입된 몰드를 상온에서 냉각하는 단계; 및
상기 냉각된 몰드를 150℃∼Ar1변태점 미만에서 해체하여 탈형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 공작기계용 합금주철 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 성분테스트를 하는 단계는,
상기 부재료를 투입한 용해로를 가열하여 용탕 발생 후 상기 용탕이 1480℃인 때 1차 성분 테스트를 하는 단계; 및
상기 1차 성분 테스트한 용탕을 가열하여 1520℃인 때 2차 성분 테스트를 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 공작기계용 합금주철 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 성분테스트를 하는 단계는,
상기 2차 성분 테스트를 거친 후 상기 주재료 및 부재료의 성분을 조절하는 단계; 및
성분 조절 후 최종 성분 테스트를 하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 공작기계용 합금주철 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 몰드에 주입하는 단계에서 1380∼1450℃의 주입온도를 유지하는 것을 특징으로 하는, 공작기계용 합금주철 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 탈형단계는, 주조되는 공작기계용 합금주철의 두께가 50mm초과 150mm 이하인 두꺼운 합금 주철과 형상이 복잡한 합금 주철은 탈형온도를 200℃±100℃로 하고, 두께가 0초과 50mm이하의 얇은 합금 주철과 형상이 간단한 합금주철은 300초과 723℃이하를 탈형온도로 하는 것을 특징으로 하는, 공작기계용 합금주철 제조방법.