KR102409243B1 - 주조품 제조방법 및 이에 의하여 제조된 주조품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 주조품 제조방법 및 이에 의하여 제조된 주조품에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강을 이용한 펌프 임펠러 등의 중대형 주조품의 제조 시 크랙 발생을 방지할 수 있는 주조품 제조방법 및 이에 의하여 제조된 주조품에 관한 것이다. 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명은, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강으로 주조품을 제조하는 주조품 제조방법으로서, 상기 주조품 제조방법은, 상기 강을 용융시켜 강 용융물을 생성하는 용해(鎔解)공정(S10)과; 상기 강 용융물을 주형에 주입 및 응고시켜 주조품의 형상을 성형하는 성형공정(S20)과; 상기 주형 해체 및 상기 주조품의 탈사를 수행하는 분리공정(S30)과; 상기 주조품에 불필요한 이물체를 절단하여 제거하는 절단공정(S50)을 포함하며; 상기 분리공정(S30)은, 상기 주조품의 압탕 표면온도 기준 750℃ 내지 1100℃에서 상기 주형을 해체하는 해체공정(S31)과; 상기 주조품 중 교차부의 표면온도가 750℃ 내지 1100℃에서 450℃ 내지 550℃로 낮춰지는 동안 상기 주조품의 탈사를 수행하는 탈사공정(S32)을 포함하며; 상기 탈사공정(S32)은, 상기 주조품 중 교차부의 표면온도가 750℃ 내지 1100℃에서 450℃ 내지 550℃로 낮춰지는 동안 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 주조품 제조방법을 개시한다.

Description

주조품 제조방법 및 이에 의하여 제조된 주조품 {MANUFACTURING METHOD OF CASTING PRODUCT AND CASTING PRODUCT MANUFACTURED BY THE SAME METHOD}
본 발명은, 주조품 제조방법 및 이에 의하여 제조된 주조품에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강을 이용한 중대형 주조품의 제조 시 크랙 발생을 방지할 수 있는 주조품 제조방법 및 이에 의하여 제조된 주조품에 관한 것이다.
듀플렉스 스테인리스 강은 고내식성을 발휘하는 오스테나이트(γ) 상과 고강도를 발휘하는 페라이트(α) 상이 결합한 강으로서, 공식(pitting corrosion), 틈 부식 (crevice corrosion) 응력부식균열 (stress corrosion cracking)에 대한 저항성이 우수하며, 우수한 항복강도(오스테나이트 스테인리스 강보다 최소 1.8배 이상)에 의한 내마모성을 가지고 있어 여러 산업분야에서 다양한 용도로 각광받고 있다.
특히, 상기 듀플렉스 스테인리스 강에 다량의 크롬, 몰리브덴, 질소, 텅스텐, 구리 등을 첨가시킨 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강은 내식성과 기계적 성질이 상당히 우수하여 가혹한 부식환경에서 내식성 및 내마모성이 요구되는 해수 담수화 설비, 발전 플랜트, 선박 및 석유화학 설비의 해수, 산 (acid) 및 해수 + 산 복합 환경 등의 산업분야의 부품소재로 사용되고 있다.
그러나, 상기 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강은 고강도, 고내식성을 가지는 대신 충격 인성 및 내식성을 저하시키는 취약한(brittle) 금속 간 화합물의 일종인 시그마(sigma, σ) 상 및 카이(chi, χ) 상의 구성원소인 Cr, Mo, W을 다량 함유하고 있어 주조 후 상온까지 응고 시에 형성된 이들 석출상이 주조품뿐만 아니라, 압탕(riser), 런너(runner), 게이트(gate), 리브(rib) 등에 관계없이 전반적으로 형성되는 문제가 있었다.
특히, 해수 담수화 설비, 발전 플랜트, 선박 및 석유화학 설비의 해수, 산(acid) 및 해수 + 산 복합 환경에서 필수적으로 사용되는 부품인 중대형 펌프 임펠러(impeller)의 주조 후 상온까지 냉각 시에 형성되는 열응력 (thermal stress)과 함께 취성의 금속 간 화합물이 형성될 때 매우 높은 내부 인장응력 (internal tensile stress, 예컨대 9 부피% 시그마 형성시 약 3.4 GPa의 인장응력 발생)과 임펠러의 구조적인 특성상, 압탕(riser)의 수축에 의해 형성되는 인장응력이 두께 차가 큰 교차부, 예컨대 두꺼운 슈라우드(shroud)와 얇은 날개(vane)의 교차부에 집중적으로 인가하게 된다. 이러한 열응력과 인장응력은 날개부분에 형성된 취약한 σ 상 및 χ 상을 기점으로 크랙을 발생시키는 치명적인 문제가 있었다.
추가로, 열응력과 인장응력에 의한 임펠러 날개의 크랙 발생뿐만 아니라, 가우징 (gouging) 또는 고압 산소 랜스(lance)를 이용하여 이물체인 압탕을 절단할 때 제품의 절단면에도 크랙이 발생하게 되며, 이에 값비싼 용가재 (filler metal) 투입 및 인건비의 상승을 야기시키는 보수 용접을 행할 수밖에 없고, 심지어 크랙이 아주 심할 경우 재주입을 하게 되므로 경제성이 저하되는 문제가 발생하였다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하고자, 고온에서 탈사공정(S32)을 1회에 완료하며, 상기 탈사공정(S32) 완료 직후 열처리공정을 수행함으로써 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강 주조품의 크랙 발생을 방지할 수 있는 주조품 제조방법 및 이에 의하여 제조된 주조품을 제공하는데 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명은, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강으로 주조품을 제조하는 주조품 제조방법으로서, 상기 주조품 제조방법은, 상기 강을 용융시켜 강 용융물을 생성하는 용해(鎔解)공정(S10)과; 상기 강 용융물을 주형에 주입 및 응고시켜 주조품의 형상을 성형하는 성형공정(S20)과; 상기 주형 해체 및 상기 주조품의 탈사를 수행하는 분리공정(S30)과; 상기 주조품에 불필요한 이물체를 절단하여 제거하는 절단공정(S50)을 포함하며; 상기 분리공정(S30)은, 상기 주조품의 압탕 표면온도 기준 750℃ 내지 1100℃에서 상기 주형을 해체하는 해체공정(S31)과; 상기 주조품 중 교차부의 표면온도가 750℃ 내지 1100℃에서 450℃ 내지 550℃로 낮춰지는 동안 상기 주조품의 탈사를 수행하는 탈사공정(S32)을 포함하며; 상기 탈사공정(S32)은, 상기 주조품 중 교차부의 표면온도가 750℃ 내지 1100℃에서 450℃ 내지 550℃로 낮춰지는 동안 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 주조품 제조방법을 개시한다.
상기 주조품 제조방법은, 상기 분리공정(S30) 직후 및 상기 절단공정(S50) 이전에, 상기 주조품을 열처리하는 열처리공정(S40)을 수행할 수 있다.
상기 열처리공정은, 압탕을 포함하는 상기 주조품을, 상기 압탕의 표면온도 기준 1040℃ 내지 1150℃으로 가열하는 가열공정(S41)과; 상기 압탕의 중심온도를 미리 설정된 시간 동안 1040℃ 내지 1150℃로 유지하는 유지공정(S42)과; 상기 압탕을 포함한 주조품을 냉각하는 냉각공정(S43)을 포함할 수 있다.
상기 유지공정에서 미리 설정된 시간은 압탕의 최대두께가 10 inches 이하일 때 3 내지 10 시간, 10 inches를 초과할 때 3 + ( t - 10 ) × 0.5 내지 10 + ( t - 10 ) × 0.5 시간 (식 중, t는 inch로 표시한 압탕의 최대두께)일 수 있다.
상기 주조품 제조방법은, 상기 절단공정(S50) 이후, 상기 주조품을 쇼트 블라스트 (shot blast), 연마 및 보수용접하는 보수공정(S60)과; 상기 보수공정(S60)을 마친 상기 주조품을 열처리하는 추가 열처리공정(S70)을 포함할 수 있다.
상기 주형의 재질은, Al2O3 및 SiO2를 포함할 수 있다.
상기 강은, 미국재료시험협회규격 ASTM A890 및 A995에 등재된 공식저항당량지수 (PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) = 중량% Cr + 3.3×중량% Mo + 16×중량% N) 40 이상의 Grade 5A, 6A 및 1C의 조성을 가질 수 있다.
상기 강은, 부피%로, 페라이트상(α) : 30 내지 60% 오스테나이트상(γ) : 40 내지 70%로 이루어진 강 조직을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 주조품 제조방법에 따라 제조된 주조품을 개시한다.
상기 주조품은, 중형 및 대형 임펠러 뿐만 아니라, 디스차지 볼, 석션 벨, 케이싱 및 프로텍터 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 주조품 제조방법 및 이에 의하여 제조된 주조품은, 상기 주조품의 압탕 표면온도 기준 750℃ 내지 1100℃에서 상기 주형을 해체하는 해체공정(S31)과; 상기 주조품 중 교차부의 표면온도가 750℃ 내지 1100℃에서 450℃ 내지 550℃로 낮춰지는 동안 중간 열처리 과정 없이 단 1회에 고온 탈사 작업을 완료하는 탈사공정을 포함함으로써 주조품, 그 중에서도 특히 두께 차가 큰 교차부의 크랙 발생을 방지할 수 있으며, 열처리 비용이 감소하여 경제적이고, 작업성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 주조품 제조방법 및 이에 의하여 제조된 주조품은, 분리공정(S30) 직후 및 절단공정(S50) 이전에, 상기 주조품의 압탕을 1040℃ 내지 1150℃에서 열처리하는 열처리공정(S40)을 수행함으로써 절단공정에서 압탕 절단시의 크랙 발생을 방지하며 주조품의 생산 수율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 주조품 제조방법 및 이에 의하여 제조된 주조품은, 주형의 재질을 Al2O3 및 SiO2 를 포함하는 인공사 재질을 적용함으로써 고온 탈사시간을 감소시켜 탈사공정에 소요되는 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은, 본 발명에 따른 주조품 제조방법의 순서를 보여주는 흐름도이다.
도 2는, 종래 주조품 제조방법에 따라 제조된, 크랙이 발생한 주조품을 보여주는 이미지이다.
도 3a 내지 3b는, 도 2의 A부분을 현미경을 이용하여 확대한 확대 이미지이다.
도 4는, 본 발명에 따른 주조품 제조방법에 따라 제조된, 크랙이 발생하지 않은 건전한 주조품을 보여주는 이미지이다.
도 5a 내지 도 5c는, 본 발명에 따른 주조품 제조방법에 따라 제조된 압탕 모사 잉곳(ingot)의 시험결과를 보여주는 이미지이다.
이하 본 발명에 따른 주조품 제조방법 및 이에 의하여 제조된 주조품에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
본 명세서에서 '교차부'란 주조품을 구성하는 요소들 중 두꺼운 요소와 얇은 요소가 만나는 부위를 가리키는 것으로서, 예컨대 펌프 임펠러에서 두꺼운 슈라우드(shroud)와 얇은 날개(vane)가 만나는 교차부를 들 수 있다.
본 발명은, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강으로 주조품을 제조하는 주조품 제조방법으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 주조품 제조방법은, 상기 강을 용융시켜 강 용융물을 생성하는 용해공정(S10)과; 상기 강 용융물을 주형에 주입 및 응고시켜 주조품의 형상을 성형하는 성형공정(S20)과; 상기 주형 해체 및 상기 주조품의 탈사를 수행하는 분리공정(S30)과; 상기 주조품에 불필요한 이물체를 절단하여 제거하는 절단공정(S50)을 포함할 수 있다.
여기서 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강은, 미국재료시험협회규격 ASTM A890 및 ASTM A995에 등재된 공식저항당량지수 (PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) = 중량% Cr + 3.3×중량% Mo + 16×중량% N) 40 이상의 고강도 초내식성을 가진 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강이다.
일례로서, 상기 강은, PREN 40 이상의 Gr. 5A(CE3MN, UNS J93404)로서, 중량 %로, Cr : 24.0 내지 26.0 %, Ni : 6.0 내지 8.0 %, Mo : 4.0 내지 5.0 %, N : 0.1 내지 0.3 % 를 만족하는 동시에 잔량부가 철(Fe) 및 불가피 불순물로 이루어질 수 있다.
다른 예로서, 상기 강은, PREN 40 이상의 Gr. 6A(CD3MWCuN, UNS J93380)로서, 중량 %로, Cr : 24.0 내지 26.0 %, Ni : 6.5 내지 8.5 %, Mo : 3.0 내지 4.0 %, N : 0.2 내지 0.3 %, W : 0.5 내지 1.0 %, Cu : 0.5 내지 1.0% 를 만족하는 동시에 잔량부가 철(Fe) 및 불가피 불순물로 이루어질 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 강은, PREN 40 이상의 Gr. 1C(CD3MCuN, UNS J93373)로서, 중량 %로, Cr : 24.0 내지 26.7 %, Ni : 5.6 내지 6.7 %, Mo : 2.9 내지 3.7 %, N : 0.22 내지 0.33 %, Cu : 1.4 내지 1.9 % 를 만족하는 동시에 잔량부가 철(Fe) 및 불가피 불순물로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 강은 부피 %로, 페라이트상(α) : 30 내지 60%, 오스테나이트상(γ) : 40 내지 70% 로 이루어진 강 조직을 포함할 수 있다.
한편, 상기 용해공정(S10)은, 상기 강을 용융시켜 강 용융물을 생성하는 공정으로서, 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 용해공정(S10)은 상술한 조성 중 어느 하나를 가지는 강 원재료를 용해로 내에 장입하고, 상기 용해로에 설치된 고주파 유도가열 코일에 전류를 인가하여 용해로 내부의 온도를 상승시킴으로써 강 원재료를 용융시킬 수 있다.
이때, 강 원재료는 다양한 온도조건에서 용융될 수 있으며, 예를 들어 1600℃일 수 있다.
상기 성형공정(S20)은, 상기 강 용융물을 주형에 주입 및 응고시켜 주조품의 형상을 성형하는 공정으로서, 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 성형공정(S20)은 상술한 용해공정(S10)에서 용융된 강 용융물을, 강 용융물보다 온도가 낮은 상태에서 (예컨대, 강 용융물이 1600℃일 때 1550℃로 온도가 낮아진 상태에서) 주형에 주입하며, 상기 강 용융물은 냉각 및 응고되어 주형의 내부 형상에 따라 주조품의 형상으로 성형됨으로써 수행될 수 있다.
한편, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강 용융물은 주조 후 상온까지 냉각되는 과정 중, 650~1,000℃ 범위에서 공석 반응 (eutectoid reaction, α → σ/χ + γ2)에 따라 페라이트 (α) 상의 일부가 취성의 σ 상 / χ 상과 2차 오스테나이트 (γ2)상으로 변태하여 σ 상 및 χ 상이 석출되며, 상기 석출상으로 인해 주조품에 크랙이 발생하는 문제가 있었다.
이에 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 문제점을 인식하고 이를 해결하고자, 듀플렉스 스테인리스 강 용융물의 응고과정에서 σ 상 및 χ 상이 석출되더라도 크랙 발생을 방지할 수 있는 분리공정(S30)을 발명한바, 이하에서 보다 자세하게 설명한다.
본 발명의 분리공정(S30)은, 상기 주형 해체 및 상기 주조품의 탈사를 수행하는 공정으로서, 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
구체적으로 상기 분리공정(S30)은, 상기 주조품의 압탕 표면온도 기준 750℃ 내지 1100℃에서 상기 주형을 해체하는 해체공정(S31)과; 상기 주조품 중 교차부의 표면온도가 750℃ 내지 1100℃에서 450℃ 내지 550℃로 낮춰지는 동안 상기 주조품의 탈사를 수행하는 탈사공정(S32)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 해체공정(S31)은, 상기 주조품을 주형으로부터 탈사하기 위하여 상기 주형을 해체하는 공정으로서, 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
이때, 상기 해체공정(S31)은, 750℃ 내지 1100℃ 범위의 다양한 온도조건에서 수행될 수 있으며, 예를 들어 1050℃의 온도조건에서 수행될 수 있다.
여기서, 상기 주형은, 다양한 재질을 가질 수 있다.
다만, 상기 주형이 자연사인 모래를 이용하여 제작되는 경우, 고온 탈사 시 붕괴성이 열악하여 탈사공정에 소요되는 시간이 증가하여 주조품의 표면온도가 감소하는 문제가 발생할 수 있으므로, 붕괴성이 우수한 인공사(Al2O3 및 SiO2 포함)의 재질로 제조되어 고온 탈사 시간을 단축시킴이 바람직하다.
한편, 상기 탈사공정(S32)은, 상기 주형으로부터 상기 주조품의 탈사를 수행하는 공정으로서, 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
여기서 탈사공정(S32)은, 다양한 온도조건 범위에서 수행될 수 있으나, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강이 가지고 있는 고유의 고온 연성을 이용하여 σ 상 및 χ 상이 석출되더라도 크랙 발생을 방지할 수 있도록 450℃ 내지 1100℃의 고온조건에서 수행됨이 바람직하다.
구체적으로 상기 탈사공정(S32)은, 상기 주조품 중 교차부의 표면온도가 750℃ 내지 1100℃에서 450℃ 내지 550℃로 낮춰지는 온도조건에서 주형으로부터 주조품을 탈사시킴으로써 수행될 수 있다.
예를 들어 상기 탈사공정(S32)은, 상기 주조품 중 교차부의 표면온도를 1050℃ 내지 500℃로 냉각하는 동안 주형으로부터 주조품을 탈사시킴으로써 수행될 수 있다.
또한, 상기 탈사공정(S32)은, 상기 주조품 중 교차부의 표면온도 기준 750℃ 내지 1100℃에서 450℃ 내지 550℃로 낮춰지는 동안 중간 열처리과정 없이 단 1회 연속적으로 수행됨이 바람직하다.
나아가, 탈사가 용이하지 않은 조건, 예들 들어, 탈사가 까다로운 복잡 형상의 대형 밀폐형 임펠러 등을 탈사하는 경우와 탈사 장비의 고장 등으로 인해 탈사시간이 지연되는 경우 중간 열처리 과정을 2회 내지 3회 추가하여 탈사할 수 있다.
한편, 상기 절단공정(S50)은, 상기 주조품에 불필요한 이물체, 예컨대 압탕(riser), 런너(runner), 게이트(gate), 리브(rib) 등을 절단하여 제거하는 공정으로서, 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 이물체들 중에 특히 임펠러 제품 보스(boss) 부위와 연결된 압탕 두께가 가장 두꺼워서 상대적으로 냉각속도가 느리기 때문에 취성의 금속간 화합물이 매우 용이하게 형성되므로 크랙에 민감하다. 따라서 분리공정 직후 열처리를 통해 금속간 화합물을 제거하여 주어야 한다. 일반적으로 임펠러 제품인 경우 압탕 두께는 두께가 가장 큰 보스(boss)두께와 같으나, 디스차지 보울 (discharge bowl)과 케이싱(casing) 제품인 경우 압탕 두께는 제품 두께가 가장 큰 부위의 두께보다 1.8 배 더 두껍다.
예를 들어, 상기 절단공정(S50)은, 가우징(gouging) 또는 고압 산소 랜스 (lance)를 이용하여 상기 주조품에 형성되는 상기의 불필요한 이물체들을 절단할 수 있다.
다만, 종래에는 분리 공정없이 상온까지 냉각시킨 상기의 불필요한 이물체들의 절단공정(S50) 수행 시, 앞서 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강의 냉각과정에서 상기의 불필요한 이물체들에 발생한 취약한 석출 상으로 인하여 제품의 절단면에 크랙이 발생하는 문제가 있었다.
이에 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 문제를 인식하고 이를 해결하고자 상기 분리공정(S30) 직후 및 상기 절단공정(S50) 이전에, 상기 주조품을 열처리하는 열처리공정(S40) 발명한 바, 이하에서 상기 열처리공정(S40)에 대하여 보다 자세하게 설명한다.
상기 열처리공정은, 상기 분리공정(S30) 직후 및 상기 절단공정(S50) 이전에, 상기 주조품을 열처리하는 공정으로서, 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 열처리공정은, 상기 절단공정(S50) 이전에 상기 주조품을 열처리함으로써 분리공정에서 형성된 취성의 석출상을 페라이트 상으로 역변태(원자 상태로 페라이트 기지금속에 고용)시켜 절단공정(S50) 수행시에 크랙발생을 방지하게 할 수 있다.
여기서 상기 열처리공정(S40)은 상기 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강의 이물체들 중에 특히 가장 두꺼운 압탕의 두께 및 열처리로에 주물품이 적체(積滯)된 정도에 따라 다양한 시간 및 온도범위에서 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 열처리공정은 상기 압탕을, 상기 압탕의 표면온도 기준 1040℃ 내지 1150℃으로 가열하는 가열공정(S41)과; 상기 압탕의 중심온도를 미리 설정된 시간 동안 1040℃ 내지 1150℃로 유지하는 유지공정(S42)과; 상기 압탕을 포함한 주조품을 냉각, 예컨대 수냉(water cooling)하는 냉각공정(S43)을 포함할 수 있다.
여기서 상기 가열공정(S41)은, 상기 압탕을, 상기 압탕의 표면온도 기준 1040℃ 내지 1150℃으로 가열하는 공정으로서, 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 가열공정(S41)은, 상기 분리공정(S30) 직후, 표면온도 450℃ 내지 550℃의 압탕을 600℃의 열처리로에 장입시킨 후 1040℃ 내지 1150℃ 로 급열함으로써 수행될 수 있다.
이때, 상기 압탕의 표면온도를 가열하는 온도범위는 1040℃ 내지 1150℃에서 다양하게 선택될 수 있으며, 예를 들어 1080℃ 내지 1150℃일 수 있다.
상기 유지공정(S42)은, 상기 압탕의 중심온도를 미리 설정된 시간 동안 1040℃ 내지 1150℃로 유지하는 공정으로서, 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 유지공정(S42)은, 상기 가열공정(S41)에서 표면온도가 1040℃ 내지 1150℃로 가열된 압탕을 미리 설정된 시간 동안 유지함으로써 수행될 수 있다.
이때 상기 중심온도는, 두께가 가장 두꺼운 압탕의 중심부의 온도로 설정될 수 있다.
여기서 미리 설정된 시간은 압탕의 최대두께가 10 inches 이하일 때 3 내지 10 시간, 10 inches를 초과할 때 3 + ( t - 10 ) × 0.5 내지 10 + ( t - 10 ) × 0.5 시간 (식 중, t는 inch로 표시한 압탕의 최대두께)일 수 있다. 또는, 열처리로에 적체(積滯)된 주조품에 따라 다양한 조건으로 설정될 수 있고, 예를 들어 '기본시간 × 주물 두께(inch) + 여유시간'으로 설정될 수 있다.
여기서 기본시간은 다양하게 설정될 수 있으며, 예를 들어, 상기 기본시간은 특정 값을 기준으로 제1기본시간 및 제2기본시간으로 나뉠 수 있다.
구체적으로 상기 제1기본시간 및 상기 제2기본시간은 서로 다른 시간을 가질 수 있으며, 상기 제1기본시간은 특정 값 이하의 두께에, 상기 제2기본시간은 특정 값 이하를 제외한 나머지 두께에 곱해질 수 있다.
예를 들어 열처리로에 적체된 주조품이 많을 경우 압탕 두께가 10 inches이고 특정 값이 5 inches인 경우, 제1기본시간은 1 시간으로 제2기본시간은 0.5 시간으로 설정하면, 상기 미리 설정된 시간은 (1시간×5)+(0.5시간×5) = 7.5 시간으로 도출될 수 있다.
또한, 압탕 두께가 10 inches인 경우 두께에 관계없이 기본시간을 0.5 시간으로 하여 0.5시간*10 = 5 시간으로 할 수도 있다.
또한, 상기 여유시간은 필요에 의해 조절될 수 있고, 예를 들어 2 시간일 수 있다.
또한, 열처리로에 적체된 주조품이 적을 경우 압탕 두께가 10 inches인 경우 제품 두께에 관계없이 3 시간으로 할 수도 있다.
상기 냉각공정(S43)은, 상기 압탕 등을 포함한 주조품을, 예컨대 압탕의 중심온도를 기준으로 냉각하는 단계로서, 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 냉각공정(S43)은 상기 유지공정(S42)에서 중심온도가 1040℃ 내지 1150℃로 유지된 압탕 등을 포함한 주조품을, 수냉(water cooling)시킴으로써 상온으로 냉각시킬 수 있다.
한편, 상기 주조품 제조방법은, 상기 절단공정(S50) 이후, 상기 주조품을 쇼트 블라스트 (shot blast), 연마 및 보수용접하는 보수공정(S60)과; 상기 보수공정(S60)을 마친 상기 주조품을 열처리하는 추가 열처리공정(S70)을 추가로 포함할 수 있다.
여기서 보수공정(S60)은, 상기 절단공정(S50) 이후, 상기 주조품의 표면을 매끄럽게 사상하여 쇼트 블라스트 (shot blast), 연마 및/또는 보수용접하는 공정으로서 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
여기서 추가 열처리 공정(S70)은, 상기 보수공정(S60)을 마친 상기 주조품의 내부 잔류응력을 제거하고 용접 열영향부에 석출된 크롬 질화물(Cr2N)을 기지금속으로 고용시키며, 용접 열 영향부에 형성된 높은 페라이트 함량을 기지금속 수준으로 감소시켜 주기 위하여 상기 주조품을 열처리하는 공정으로서 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
구체적으로 상기 추가 열처리공정(S70)의 목적은 보수 용접 후 용접금속 및 열영향부의 내식성을 모재 수준으로 근접시키기 위한 것으로, 상기 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강의 조성에 따라 다양한 시간 및 온도범위에서 수행될 수 있다.
일례로서, ASTM A890 및 A995에 등재된 Gr. 5A 강은 최소 1120℃로 급열 및 유지 후, 최소 1045℃까지 로냉 및 유지되며, 이후 수냉될 수 있다.
다른 예로서, ASTM A890 및 A995에 등재된 Gr. 6A 강은 최소 1100℃로 급열 및 유지 후 수냉될 수 있다.
또 다른 예로서, ASTM A890 및 A995에 등재된 Gr. 1C 강은 최소 1040℃로 급열 및 유지 후 수냉될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 주조품 제조방법의 효과는 아래 실험에 따라 명확하게 확인된 바, 이하에서 상기 실험의 실시예 1 및 2 로 제조된 주조품을 통하여 본 발명의 효과에 대해 자세하게 설명한다.
상기 실시예 1 및 2에서 사용된 강은, Gr. 5A 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 주강으로서, ASTM A890/995 표준 규격에 규정된 화학 조성 범위 내에서 PREN 41급 (Cr: 25.14 중량%, Mo: 4.03 중량%, N: 0.188 중량%, 이하 표 1의 조성 분석 참조)을 만족하도록 316L 오스테나이트계 스테인리스강 고철 판재 및 2205 듀플렉스 스테인리스강 고철 판재가 동일하게 사용되었다.
Cr Ni Mo Mn Si S C N Fe PREN
범위1) 24~26 6~8 4~5 <1.5 <1.0 <0.04 <0.03 0.1~0.3 Bal. 38.8~47.3
분석 25.14 7.5 4.03 0.72 0.48 0.005 0.022 0.188 Bal. 41.4
<Gr. 5A 임펠러의 화학성분, 중량%>
1) ASTM A890 및 ASTM A995,
2) PREN = 중량% Cr + 3.3×중량%Mo + 16×중량% N
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
실시예
하기 비교예 및 실시예 모두 316L 오스테나이트계 스테인리스강 고철 판재 및 2205 듀플렉스 스테인리스강 고철 판재를 고주파 유도로에서 용해 후 로중 탈산 및 레이들 탈산을 각각 Ca-Si에 의한 통상적인 방법에 의한 탈산을 행한 후 1,550℃에서 펌프 임펠러 주형에 용탕를 주입하였다.
비교예
본 비교예에서는, 종래의 주조품 제조방법에 따라, 상기 주형에 용탕을 주입한 후 대기 중에서 상온까지 냉각시킨 후 주형 해체 및 탈사를 수행하여 Gr. 5A 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 주강 임펠러(1,100 kg)를 제조하였다.
이때, 제조된 임펠러의 날개부에는, 도 2에 도시된 바와 같이, A부분 및 B부분에 크랙이 발생함이 확인되었다.
보다 구체적으로, 주사전자현미경을 이용하여 도 2의 A부분의 파단면을 분석한 도 3a의 이미지를 참고하면, 취성파괴가 발생함이 확인되며, 광학현미경을 이용하여 도 2의 A부분의 파단면을 분석한 도 3b의 이미지를 참고하면, 열응력과 함께 시그마 상 석출시 발생한 매우 높은 내부 인장응력과 압탕 수축에 의한 인장응력이 페라이트 (α) 및 오스테나이트 (γ)의 계면에 석출된 취약한 시그마 (σ)상에 인가되었기 때문임을 확인할 수 있었다.
실시예
본 실시예에서는, 본 발명에 따른 주조품 제조방법에 따라, 상기 주형에 용탕을 주입한 후 주조품 압탕의 표면온도 1000℃에서 주형을 해체하고 주조품 중 교차부의 표면온도가 약 500℃로 냉각될 때까지 약 500℃의 온도구간범위에서 추가 열처리 과정 없이 단 1회로 탈사공정(S32)을 완료한 직후, 주조품 중 교차부의 표면온도 500℃의 주조품을 600℃로 유지된 열처리로에 장입한 후 1080℃ 내지 1150℃로 급열한 후 9.5 시간 동안 상기 온도를 유지한 다음 수냉한 Gr. 5A 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 주강 임펠러(2,280 kg)와 상기 임펠러의 압탕(직경 10 inches, 254mm)을 모사한 잉곳(직경 200mm 및 250mm, 도 5a 참고)을 제조하였다. 그리고 이와 동일한 과정을 거치되 9.5 시간 대신 3.5 시간 동안만 유지 후 수냉한 별도의 상기 압탕 모사 잉곳을 제조하였다.
이때 제조된 임펠러의 날개부에는, 도 4에 도시된 바와 같이 크랙이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 온도에서 각각 9.5 시간 및 3.5 시간 동안 유지 후 수냉된 잉곳들은 도 5b에 도시된 바와 같이 고압 산소 랜스(lance)를 이용하여 절단한 후 액체 침투탐상시험(liquid penetration, PT)이 수행되었으며, 이때, 도 5c에 도시된 바와 같이, 붉은 액체가 상기 잉곳 내부로 침투하지 못한 것으로 보아 크랙이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
정리하면, 종래의 주조품 제조방법으로 만들어진 임펠러의 경우 크랙이 발생하나, 본 발명에 따른 주조품 제조방법으로 만들어진 임펠러 및 본 발명에 따른 주조품 제조방법으로 만들어진 임펠러의 압탕을 모사한 잉곳의 경우 크랙이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
한편, 본 발명은 상술한 주조품 제조방법으로 제조된 주조품을 개시한다.
여기서 상기 주조품은 다양한 형상 및 크기를 가질 수 있음은 물론이며, 예를 들어, 두께가 균일한 소형의 주조품뿐만 아니라, 두께 차이가 큰 0.5 내지 1톤의 중형 및 1톤 이상의 대형 주조품일 수 있다.
특히, 상기 주조품은 고내식성 및 고강도성을 가지는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강으로 제조되는 동시에 크랙이 발생하지 않으므로 해수 담수화 설비, 발전 플랜트, 선박 및 석유화학 설비의 해수, 산 (acid) 및 해수 + 산 복합 환경 등의 산업분야의 부품소재에 필수적으로 사용되는 중형 및 대형의 임펠러(impeller), 디스차지 볼(discharge bowl), 석션 벨(suction bell), 케이싱(casing) 및 프로텍터(protector) 등의 주물 부품과 상기 주물 부품에 사용되는 밸브 바디(valve body), 본넷(bonnet), 디스크(disk), 볼(ball)일 수 있다.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강으로 주조품을 제조하는 주조품 제조방법으로서,
    상기 주조품 제조방법은,
    상기 강을 용융시켜 강 용융물을 생성하는 용해(鎔解)공정(S10)과;
    상기 강 용융물을 주형에 주입 및 응고시켜 주조품의 형상을 성형하는 성형공정(S20)과;
    상기 주형 해체 및 상기 주조품의 탈사를 수행하는 분리공정(S30)과;
    상기 주조품에 불필요한 이물체를 절단하여 제거하는 절단공정(S50)을 포함하며;
    상기 분리공정(S30)은,
    상기 주조품 압탕의 표면온도 기준 750℃ 내지 1100℃에서 상기 주형을 해체하는 해체공정(S31)과;
    상기 주조품 중 교차부의 표면온도가 750℃ 내지 1100℃에서 450℃ 내지 550℃로 낮춰지는 동안 중간 열처리 과정 없이 단 1회에 상기 주조품의 탈사를 수행하는 탈사공정(S32)을 포함하며;
    상기 탈사공정(S32)은, 상기 주조품 중 교차부의 표면온도가 750℃ 내지 1100℃에서 450℃ 내지 550℃로 낮춰지는 동안 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하고,
    상기 주조품은 중형 및 대형 임펠러이고,
    상기 분리공정(S30) 직후 및 상기 절단공정(S50) 이전에, 상기 주조품을 열처리하는 열처리공정(S40)을 포함하고,
    상기 열처리공정은,
    압탕을 포함하는 상기 주조품을, 상기 압탕의 표면온도 기준 1040℃ 내지 1150℃로 가열하는 가열공정(S41)과;
    상기 가열공정(S41)에서 표면온도가 1040℃ 내지 1150℃로 가열된 압탕을 미리 설정된 시간 동안 유지하는 유지공정(S42)과;
    상기 압탕을 포함하는 주조품을 냉각하는 냉각공정(S43)을 포함하고,
    상기 절단공정(S50) 이후,
    상기 주조품을 쇼트 블라스트 (shot blast), 연마 및 보수용접하는 보수공정(S60)과;
    상기 보수공정(S60)을 마친 상기 주조품을 하기 (i) 내지 (iii) 에 따라 추가 열처리공정(S70)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 주조품 제조방법:
    (i) Gr. 5A 강일 경우 최소 1120℃ 이상의 온도로 급열 및 유지 후, 1045℃까지 로냉 및 유지되며, 이후 수냉
    (ii) Gr. 6A 강일 경우 최소 1100℃ 이상의 온도로 급열 및 유지 후 수냉
    (iii) Gr. 1C 강일 경우 최소 1040℃ 이상의 온도로 급열 및 유지 후 수냉
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 주형의 재질은, Al2O3 및 SiO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조품 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 강은, 미국재료시험협회규격 ASTM A890 및 A995에 등재된 공식저항당량지수 (PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) = 중량% Cr + 3.3×중량% Mo + 16×중량% N) 40 이상의 Grade 5A, 6A 및 1C의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 주조품 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 강은,
    부피 %로,
    페라이트상(α) : 30 내지 60%
    오스테나이트상(γ) : 40 내지 70%로 이루어진 강 조직을 포함하는 것을 특징으로 하는 주조품 제조방법.
  8. 청구항 1 및 청구항 5 내지 7 중 어느 하나의 항에 따른 주조품 제조방법에 따라 제조된 주조품.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 주조품은, 중형 및 대형 임펠러인 주조품.
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