KR101883290B1

KR101883290B1 - 오스템퍼드 구상흑연 주철의 제조방법

Info

Publication number: KR101883290B1
Application number: KR1020170057831A
Authority: KR
Inventors: 이광래
Original assignee: 우경금속주식회사
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2018-07-31

Abstract

본 발명은 Mo과 Ni과 같은 합금 성분을 사용하지 않고 값싼 Cu를 사용하여 일정한 조직을 균일하게 형성시켜서 강 제품에 요구되는 인성과 신율 및 강도를 발휘할 수 있는 오스템퍼드 구상흑연 주철의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

Description

오스템퍼드 구상흑연 주철의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING FOR AUSTEMPERED DUCTILE CAST IRON}

본 발명은 오스템퍼드 구상흑연 주철의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내식과 내열 그리고 강인성 등을 위해 첨가하는 고가 성분(Ni, 및 Mo 등) 을 사용하지 않고 저가인 Cu를 이용하여 조직이 균일하게 형성되면서 강 제품에서 요구되는 인성과 신율 및 강도를 가진 오스템퍼드 구상흑연 주철(ADI)을 제조할 수 있게 한 것이다.

구상흑연 주철을 오스템퍼 처리한 ADI(Austempered Ductile Iron)는 연신률, 충격치, 피로강도가 높고 내마모성이 우수한 제품으로, 단강풍이나 특수강 등 가혹한 조건에서 사용하는 부품 제작에 많이 사용한다. 이러한 오스템퍼드 구상흑연주절은, 아래의 특허문헌 1 및 특허문헌 2와 같은 구상흑연 주철을 특허문헌 3과 같이 오스템퍼링 처리하여 제조한다.

(특허문헌 1) 한국공개특허 제10-2015-0099103호

엔진 배기계 부품에 사용되는 구상흑연 주철은 전체 중량에 대하여 탄소(C) 3.0~3.4wt%, 규소(Si) 4.2~4.5wt%, 망간(Mn) 0.1~0.3wt%, 황(S) 0.002~0.01wt%, 인(P) 0.05wt% 이하, 마그네슘(Mg) 0.035~0.055wt%, 몰리브덴(Mo) 0.9~1.2wt%, 니켈(Ni) 0.2~0.5wt%, 바나듐(V) 0.4~0.6wt%, 니오븀(Nb) 0.1~0.4wt%, 세륨(Ce) 0.005~0.01wt%, 알루미늄(Al) 0.003~0.007wt% 및 잔량의 철(Fe)을 포함한다. 이에 따라, 구상흑연 주철은 보다 얇은 표면 산화층을 가질 수 있으며, 향상된 유동도를 가질 수 있다.

(특허문헌 2) 한국공개특허 제10-2017-0035133호

구상흑연 주철의 제조방법에 있어서, 탄소(C) : 3.0~3.5 중량%, 실리콘(Si) : 1.7~2.2 중량%, 망간(Mn) : 0.3~0.8 중량%, 니켈(Ni) : 1.5~2.5 중량%, 크롬(Cr) : 0.1~0.6 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.6 중량%, 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 주철 용탕을 래들로 출탕한다. 상기 주철 용탕에 FeSi계 물질 및 FeSiBi계 물질의 접종제를 첨가하여 제1 접종처리한다. 상기 제1 접종처리된 상기 주철 용탕에 NiMg계 물질을 포함하는 구상화제를 첨가하여 구상화처리한다. 상기 구상화 처리된 상기 주철 용탕에 FeSi계 물질 및 FeSiBi계 물질의 접종제를 첨가하여 제2 접종처리한다. 상기 제2 접종처리된 상기 주철 용탕을 몰드에 주입하여 주조한다.

(특허문헌 3) 한국등록특허 제0372011호

오스템퍼드 구상흑연 주철 및 그 제조방법에 관한 것으로, 첫째 C 2.6∼4.0%, Si 2.0∼3.5%, Mn 0.5% 이하, P 0.1% 이하, S 0.3% 이하, Mo 0.2∼0.5% 이하, Ni 0.5∼1.5%, Cu 0.1∼0.4% 및 Mg 0.03∼0.05% 및 나머지 Fe로 이루어진 합금으로 오스템퍼드 구상흑연 주철을 주조하는 공정; 상기 주조된 구상흑연 주철을 900℃×1시간 항온처리하여 그 조직을 오스테나이트화 한 다음, 기름에 소입시켜주는 열처리 공정; 및 900℃×2시간 항온처리한 다음, 350℃×2시간 항온처리하는 오스템퍼링 공정을 거치거나, 둘째로 상기와 같은 합금으로 구상흑연 주철을 주조하는 공정; 상기 주조된 구상흑연 주철을 700℃×1시간 동안 항온처리하는 공정; 및 900℃×2시간 항온처리한 다음, 350℃×2시간 항온처리하는 오스템퍼링 공정을 거치거나, 셋째로 상기와 같은 합금으로 구상흑연 주철을 주조하는 공정; 및 900℃×2시간 항온처리한 다음, 다시 260℃×10분 동안 항온처리하는 공정을 거쳐, 350℃×2시간 항온처리하는 오스템퍼링 공정을 거쳐 제조되며, 이와같이 제조된 각각의 오스템퍼드 구상흑연 주철은 종래 오스템퍼드 구상흑연 주철에 비하여 가공성이 크게 향상되었으며, 이에 따라 종래 기계 가공성이 좋지 않아 산업응용에 많은 제약을 받아 왔던 오스템퍼드 구상흑연 주철을 구조용 재료, 특히 자동차 재료로 대체 사용할 수 있게 됨으로써 기존의 탄소강을 사용할 때 보다 자동차를 10% 정도 경량화할 수 있고 30% 정도 제조원가를 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

이처럼 기존의 구상흑연 주철은 열처리를 통해 강과 대등한 고인성과 피로강도 등을 갖게 한다. 이때의 열처리는 통상 고온에서 흑연화를 통해 일정 시간을 유지한 다음 유냉 방식으로 열처리한다. 즉, 구상흑연 주철을 970℃로 가열하여 10시간 이상 유지하여 탄소를 흑연화한 다음, 다시 800℃로 낮춘 뒤 일정시간 유지하고 공기중에서 냉각하고, 이어 870℃로 가열하여 일정시간 유지 후 유냉한 다음 580℃로 템퍼링하면 인장 강도는 40kg/㎟이상이고 신율이 20%이상인 탄소 주강품(Cast Steel)과 성질이 비슷한 재료를 얻을 수 있다. 그러나, 이러한 열처리방법은 비용이 많이 들기 때문에 기존의 강 제품보다 가격이 비싸서 널리 활용되지 못하고 있다.

한편, 주철의 내충격성을 높여 강과 비슷한 성질을 얻을 수 있는 방법으로 오스템퍼링 열처리 방법이 있다. 오스템퍼링은 미합금 상태 또는 합금상태의 구상흑연 주철을 890℃∼910℃로 가열한 후 250∼450℃로 급냉하여 일정시간 유지하면 주철의 조직이 강의 성질에 접근하는 오스페라이트(Ausferrite)조직으로 변태하여 인장 강도가 90∼170kg/㎟이상이고 신율이 4∼15%로서 인장 강도와 신율이 우수한ADI(Austemper Ductile Iron) 재료를 얻을 수 있다.

하지만, 기존의 주철에는 여러 가지 합금 성분을 함유하고 있는데, 그 중에서도 Ni, Mo, Mn, 그리고 Cu 중에서 적어도 두 개 성분을 포함하는 경우가 많다. 이는, 합금 성분이 신율이나 강성을 높이는 데 효과적이나, 고가인 점을 고려하면 제조원가가 늘어나서 가격이 높아지게 하는 문제가 발생한다.

한국공개특허 제10-2015-0099103호 (공개일 : 2015.08.31) 한국공개특허 제10-2017-0035133호 (공개일 : 2017.03.30) 한국등록특허 제0372011호 (등록일 : 2003.01.29)

본 발명은 이러한 점을 고려한 것으로, Mo과 Ni과 같은 합금 성분을 사용하지 않고 값싼 Cu를 사용하여 일정한 조직을 균일하게 형성시켜서 강 제품에 요구되는 인성과 신율 및 강도를 발휘할 수 있는 오스템퍼드 구상흑연 주철의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 오스템퍼드 구상흑연 주철의 제조방법은, 전체 중량에 대하여, C 3.2∼3.8중량%, Si 2.0∼2.8중량%, Mn 0.1∼0.4중량%, P 0.01∼0.07중량%, S 0.001∼0.02중량%, Mg 0.02∼0.05중량%, Cu 0.3~1.2중량%, 나머지는 Fe과 불가피한 불순물로 이루어지며, 구상화율 90~98%이고 흑연수 120~300개/㎟이며, 면적분률로 페라이트 3∼15%와 펄라이트 85∼97%인 구상흑연 주철을, (1) 무산화 분위기 로에서 870∼950℃ 온도로 30분∼3시간 유지한 다음, (2) 150~250℃ 온도를 유지하는 저온 염욕로에 넣어 10초~5분간 유지하며, (3) 250∼430℃ 온도를 유지하는 저온 염욕로에 넣어 45분~2시간 유지한 다음 수냉, 또는 공기 중에 냉각하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 오스템퍼드 구상흑연 주철의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

(1) 합성 합금 성분으로 사용하는 Ni과 Mo 등을 사용하지 않고 Cu 성분을 사용하더라도 강 제품에서 요구하는 인성과 신율 그리고 강도를 얻을 수 있다.

(2) 이는, 고가인 합성 합금 성분의 함량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 오스템퍼드 구상흑연 주철의 제조 원가를 줄여 가격을 낮출 수 있다.

(3) 특히, 이처럼 저렴하면서도 일정한 조직을 균일하게 형성하여 있다.

[도 1]은 본 발명에 따른 구상흑연 주철에 대한 열처리 조건을 보여주는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최고의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 따라 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 한가지 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형례가 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

(구성)

본 발명에 따른 오스템퍼드 구상흑연 주철의 제조방법은, 구상흑연 주철을, (1) 무산화 분위기 로에서 870∼950℃ 온도로 30분∼3시간 유지한 다음, (2) 150~250℃ 온도를 유지하는 저온 염욕로에 넣어 10초~5분간 유지하며, (3) 250∼430℃ 온도를 유지하는 저온 염욕로에 넣어 45분~2시간 유지한 다음 수냉, 또는 공기 중에 냉각하여 제조한다.

특히, 상기 구상흑연 주철은 고가인 합금 성분을 사용하지 않거나 최소화하여 제조 비용을 낮추면서도 강 제품에서 요구하는 인성과 신율 그리고 강도를 얻을 수 있게 한 것이다.

이하, 이러한 구성에 관해 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. 여기서, 본 발명은 구상흑연 주철을 제조하고, 제조한 구상흑연 주철에 열처리(오스템퍼링 처리)하는 과정으로 이루어지며, 이에 제조 과정과 열처리로 나눠서 설명한다.

<구상흑연 주철의 제조>

본 발명에 따른 구상흑연 주철은 전체 중량에 대하여, C 3.2∼3.8중량%, Si 2.0∼2.8중량%, Mn 0.1∼0.4중량%, P 0.01∼0.07중량%, S 0.001∼0.02중량%, Mg 0.02∼0.05중량%, Cu 0.3~1.2중량%, 나머지는 Fe과 불가피한 불순물로 이루어진다. 이러한 구상흑연 주철은 고철과 회수철에 가탄제를 혼합하고 저주파 유도로에 장입·가열하여 용탕을 만든 뒤 용기에 1,500℃ 정도의 온도로 출탕하고, 용기에서 Fe-Si-Mg를 2회 이상 접종하여 구상화처리를 한 다음 사형에 주입·냉각하여 제조할 수 있다.

<구상흑연 주철의 열처리>

본 발명에 따른 구상흑연 주철의 열처리는, [도 1]과 같이, 세 단계로 나눠서 이루어진다.

(1) 무산화 분위기 로에서 870∼950℃ 온도로 30분∼3시간 유지.

(2) 150~250℃ 온도를 유지하는 저온 염욕로에 넣어 10초~5분간 유지.

(3) 250∼430℃ 온도를 유지하는 저온 염욕로에 넣어 45분~2시간 유지한 다음 수냉, 또는 공기 중에 냉각.

한편, 이처럼 이루어진 본 발명에 따른 구상흑연 주철에 대하여 열처리한 결과로 얻어진 기계적 성질은 다음과 같다.

<구상흑연 주철의 열처리에 따른 기계적 성질>

우선, 기계적 성질을 얻기 위해, 다음의 [표 1]과 같은 성분(단위는 중량%)으로 10개의 시편을 제작했다.

시편	C	Si	Mn	P	S	Mg	Cu
1	3.25	2.4	0.28	0.022	0.01	0.035	0.81
2	3.26	2.28	0.22	0.02	0.008	0.038	0.73
3	3.65	2.37	0.26	0.02	0.008	0.049	0.63
4	3.56	2.35	0.24	0.022	0.008	0.046	0.33
5	3.37	2.45	0.22	0.024	0.09	0.038	0.42
6	3.26	2.28	0.28	0.02	0.01	0.036	0.53
7	3.65	2.51	0.22	0.022	0.015	0.048	0.62
8	3.65	2.36	0.18	0.017	0.012	0.037	0.95
9	3.27	2.23	0.25	0.019	0.009	0.04	0.66
10	3.36	2.42	0.27	0.021	0.011	0.036	0.33

그리고, 이렇게 제작한 시편에 대하여 열처리 온도는 900℃로 가열하고, 두 번에 걸쳐 냉각하되 1차는 200℃에서 1분 동안 냉각하고, 2차는 390℃에서 아래의 [표 2] 내지 [표 4]와 같이 가열 유지 시간과 냉각 시간을 달리하여 Cu 함량에 따른 물성치를 얻었다. 여기서, 열처리 시간은 [표 2] 내지 [표 4]에서의 가열 유지 시간을, 2차 냉각 시간은 [표 2] 내지 [표 4]에서의 냉각 유지 시간을 각각 나타낸다.

Cu 함량 (중량%)	흑연입수 (ea/㎟)	구상화율 (%)	펄라이트 (%)	페이라트 (%)	가열유지 시간(분)	냉각유지 시간(분)	인장강도 (kg/㎟)	신율 (%)	경도 (HB)
0.81	125	90	83	15	60	50	95	6	285
						80	90	7	277
						120	90	8	269
					120	50	90	6.5	277
						180	93	7	277
						120	90	9.2	269
					180	50	91	9	277
						80	94	9.8	277
						120	92	10.6	269
0.73	130	92	95	5	60	50	90	12	269
						80	92	14	269
						120	90	10	269
					120	50	90	11.4	269
						80	95	12	277
						120	92	12.5	269
					180	50	98	13	286
						80	93	12	277
						120	90	12.5	269

0.63	150	92	91	9	60	50	98	12	302
						80	95	13.5	286
						120	90	12.5	269
					120	50	101	12.5	302
						180	95	13.2	286
						120	96.5	12.8	286
					180	50	63.1	13.2	277
						80	92.8	12.5	286
						120	90	11.4	269
0.33	165	93	96	4	60	50	101	10.5	302
						80	102	11	302
						120	97	10.2	293
					120	50	92	11	277
						80	96	11.2	286
						120	92	10.8	269
					180	50	93	11.2	269
						80	92.5	12.5	269
						120	91.4	12.6	269
0.42	145	88	80	20	60	50	92.5	6	269
						80	95	6.2	277
						120	93	6.8	269
					120	50	93	7.2	269
						80	92	8.1	269
						120	98	8.5	286
					180	50	93.2	9.3	277
						80	92.8	10	277
						120	95	10.5	286
0.53	162	90	90	10	60	50	95.4	10.5	293
						80	93.8	11	277
						120	95	11.4	293
					120	50	92.6	10.8	269
						80	94	12	277
						120	90	12.3	269
					180	50	95	11.5	286
						80	93	12	277
						120	95	12.2	286
0.62	185	92	93	7	60	50	93	11.5	269
						80	92.8	12.3	269
						120	93.1	12	269
					120	50	95	12.2	277
						80	93	13	269
						120	92	12	269
					180	50	90	13.8	269
						80	89.5	14.5	269
						120	92	12.6	269

0.95	168	90	91	9	60	50	92.5	12.3	269
						80	92	13.2	269
						120	90	13	269
					120	50	91.3	11.8	269
						80	92.8	15.2	269
						120	96	13.4	277
					180	50	98	11.5	286
						80	95	12.2	277
						120	93	11.1	269
0.66	185	90	79	21	60	50	95	4	277
						80	94	6	277
						120	95	5	277
					120	50	93.8	6.2	269
						80	92.7	7.8	269
						120	91	8.2	269
					180	50	95	9.5	286
						80	94	10.5	277
						120	92	10	269
0.33	177	93	92	8	60	50	94.5	12.3	277
						80	95.2	14.2	286
						120	96	13	286
					120	50	95	13.8	286
						80	93	15.5	277
						120	97	14	286
					180	50	100	15.6	302
						80	96	14.8	293
						120	92	13	269

이처럼, 상술한 [표 1]과 같은 조성으로 제작한 시편에 대하여, 무산화 분위기에서 900℃의 온도에서 1~3시간 유지한 다음, 200℃의 1차 염욕로에 넣어 1분 유지한 후, 390℃ 온도를 유지하는 2차 염욕로에 넣어 60분~180분간 유지한 후 수냉한 시편에 대한 기계적 성질은 위의 [표 2] 내지 [표 4]와 같다.

[표 2] 내지 [표 4]와 같이, 통상적으로 제작한 기존의 인장 강도가 90∼170kg/㎟ 이상이고 신율이 4∼15% 정도인 기존의 ADI(Austemper Ductile Iron)과 비교하여, Cu 함량은 0.3%이상이면 목표하는 성질을 만들어 낼 수 있으나 0.5%이상이 바람직하며, 구상화율은 85% 이상이어야 하고 특히 펄라이트 비율이 85%이상이 되어야 열처리 효과가 좋은 재질을 만들 수가 있는 것을 확인할 수가 있다. 특히, 구상화율은 90% 미만이면 열처리 후에 부분적으로 편석이 생기고 경도가 불균일하므로 고온에서 오랜 시간 흑연화 작업이 필요하고, 열처리비용이 올라가므로, 구상화율은 90% 이상인 것이 바람직하다.

이때, 펄라이트(Pearlite) 조직이 85% 미만이면 가열할 때 고온 유지시간이 장시간 필요하고 항온냉각 시간도 길어져 열처리 비용이 많아지므로 바람직하지 않고, 장시간 가열로 생산성이 떨어지므로 펄라이트 조직이 85% 이상 차지하는 것이 바람직하다.

그리고, 흑연수는 흑연입수가 많을수록 열처리 후의 신율이 좋아지나, 120개/㎟이하이면 열처리 후, 신율과 충격강도가 급격히 떨어져서 목적하는 제품을 얻을 수 없다.

따라서, 본 발명에 따른 오스템퍼드 구상흑연 주철의 제조방법으로 제조한 오스템퍼드 구상흑연 주철은 구상화율 90~98%이고, 흑연수 120~300개/㎟이며, 면적분률로 페라이트 3∼15%, 펄라이트 85∼97%로 이루어지게 하여 신율과 인장 강도에서 강 제품에 상응하는 오스템퍼드 구상흑연 주철을 제조할 수 있다.

Claims

전체 중량에 대하여, C 3.2∼3.8중량%, Si 2.0∼2.8중량%, Mn 0.1∼0.4중량%, P 0.01∼0.07중량%, S 0.001∼0.02중량%, Mg 0.02∼0.05중량%, Cu 0.3~1.2중량%, 나머지는 Fe과 불가피한 불순물로 이루어지며, 구상화율 90~98%이고 흑연수 120~300개/㎟이며, 면적분률로 페라이트 3∼15%와 펄라이트 85∼97%인 구상흑연 주철을,
(1) 무산화 분위기 로에서 870∼950℃ 온도로 30분∼3시간 유지한 다음,
(2) 150~250℃ 온도를 유지하는 저온 염욕로에 넣어 10초~5분간 유지하며,
(3) 250∼430℃ 온도를 유지하는 저온 염욕로에 넣어 45분~2시간 유지한 다음 수냉, 또는 공기 중에 냉각하는 것을 특징으로 하는 오스템퍼드 구상흑연 주철의 제조방법.