KR19980076417A

KR19980076417A - 주철합금 및 이를 소재로 한 고인성주철 및 오스템퍼 구상흑연주철의 제조방법

Info

Publication number: KR19980076417A
Application number: KR1019970013119A
Authority: KR
Inventors: 이광래
Original assignee: 이광래
Priority date: 1997-04-07
Filing date: 1997-04-07
Publication date: 1998-11-16
Also published as: KR100212817B1

Abstract

본 발명은 주철합금 및 이를 소재로 한 고인성주철 및 오스템퍼 구상흑연철의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, C 3.2∼3.7중량%, Si 2.0∼2.5중량%, Mn 0.1∼0.4중량%, P 0.01∼0.07중량%, S 0.001∼0.02중량%, Mg 0.02∼0.05중량%, Mo 0.2∼0.4중량%, Cu 0.6∼1.2중량% 또는 Ni 1.2∼2.0중량%를 포함하고 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되며, 구상화율 80% 이상, 흑연수 150개/mm²이상, 페라이트 8∼30%, 펄라이트 70∼92%로 이루어진 것을 특징으로 하는 주철합금과 이에 대한 열처리방법이 제공된다.

Description

주철합금 및 이를 소재로 한 고인성주철 및 오스템퍼 구상흑연주철의 제조방법

본 발명은 주철합금 및 이를 소재로 한 고인성주철 및 오스템퍼 구상흑연철의 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세히는 저렴한 가격으로 기존의 강으로 된 각종 부품을 대체하여 적용가능한 물성을 지닌 고인성주철(high elongation ductile iron)이나 오스템퍼 구상흑연주철 제조용 주철소재 및 이의 열처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 금속제품의 재료로서 탄소함유량 0.035%∼1.7%의 강(steel) 대신에 탄소함유량이 1.7%∼6.67%의 주철(cast iron)을 사용하면 가격을 낮출 수 있고 기계부품에는 소음도 줄일 수 있으며, 내마모성의 증가로 수명도 늘릴 수 있고, 강의 비중보다 주철의 비중이 작으므로 경량화도 가능하다. 그러나, 이러한 주철은 충격하중에 약하여 쉽게 파손되는 단점을 가진다.

종래에, 이러한 주철의 문제점을 보완하여 일반 강과 대등한 고인성 및 피로강도를 갖도록 하기 위해 고온에서 흑연화를 위해 일정시간 유지한 후 유냉(Oil quenching)하는 주철의 열처리방법이 사용되고 있다. 즉, 구상흑연주철을 970℃로 가열하여 10시간 이상 유지시킨 후(탄소의 흑연화) 다시 800℃로 낮춘 다음 일정시간 유지하고 공기중에서 냉각하고 다시 870℃로 가열하여 일정시간 유지 후 유냉한 다음 580℃로 템퍼링하면 인장강도는 40kg/mm²이상이고 신율이 20% 이상인 탄소주강품(cast steel)과 성질이 비슷한 재료를 얻을 수 있다. 그러나, 이러한 열처리방법은 비용이 많이 들기 때문에 기존의 강제품보다 가격이 비싸서 널리 활용되지 못하고 있다.

또한, 주철의 문제점을 보가하여 내충격성을 높여 강과 비슷한 성질을 얻기 위한 다른 방법으로서 오우스템퍼링(Austempering) 열처리법이 사용되는데, 이것은 미합금상태 또는 합금상태의 구상흑연주철을 890℃∼910℃로 가열한 후 250∼450℃로 급냉하여 일정시간 유지시키면 주철의 조직이 강의 성질에 접근하는 베이나이트(bainate)조직으로 변태하여 인장강도가 90∼170kg/mm²이상이고 신율이 4∼15%로서 인장강도와 신율이 우수한 ADI(Austemper Ductile Iron) 재료를 얻을 수 있다.

그런데, 이를 위해서는 기존의 강을 대체하기 위해 소요의 물성치를 나타낼 수 있는 합금성분의 선택이나 합금성분에 따른 템퍼링온도의 설정도 쉽지 않기 때문에 그 활용이 미진한 실정이다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 고인성주철의 제조상의 문제점을 착안하여 제안된 것으로서, 일정한 조직을 균일하게 형성시켜서 강제품에 요구되는 소요의 인성과 신율 및 강도를 발휘할 수 있는 새로운 주철합금 및 이를 이용한 고인성주철 및 오스템퍼 구상흑연주철의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 주철합금의 일차성형품의 구성도.

도 2와 도 3은 본 발명에 적용되는 시험편의 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 오스템퍼링 열처리 사이클도.

도 5는 템퍼링온도에 따른 경도와 충격치의 관계를 보여주는 도면.

도 6은 템퍼링온도에 따른 인장강도와 신율의 관계를 보여주는 도면.

도 7은 본 발명에 따른 고인성주철용 열처리 사이클도.

본 발명에 따르면, C 3.2∼3.7중량%, Si 2.0∼2.5중량%, Mn 0.1∼0.4중량%, P 0.01∼0.07중량%, S 0.001∼0.02중량%, Mg 0.02∼0.05중량%, Mo 0.2∼0.4중량%, Cu 0.6∼1.2중량% 또는 Ni 1.2∼2.0중량%를 포함하고 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되며, 구상화율 80% 이상, 흑연수 150개/mm²이상, 페라이트 8∼30%, 펄라이트 70∼92%로 이루어진 것을 특징으로 하는 주철합금이 제공된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, C 3.2∼3.7중량%, Si 2.0∼2.5중량%, Mn 0.1∼0.4중량%, P 0.01∼0.07중량%, S 0.001∼0.02중량%, Mg 0.02∼0.05중량%, Mo 0.2∼0.4중량%, Cu 0.6∼1.2중량% 또는 Ni 1.2∼2.0중량%를 포함하고 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되며, 구상화율 80% 이상, 흑연수 150개/mm²이상, 페라이트 8∼30%, 펄라이트 70∼92%로 이루어진 주철합금을 무산화분위기로에서 소재의 심부까지 850∼1,000℃로 가열한 후 그 온도에 도달한 때로부터 1∼10시간 유지시킨 후 상온까지 1∼5℃ 이하/분의 속도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 고인성주철의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 또다른 특징에 따르면, C 3.2∼3.7중량%, Si 2.0∼2.5중량%, Mn 0.1∼0.4중량%, P 0.01∼0.07중량%, S 0.001∼0.02중량%, Mg 0.02∼0.05중량%, Mo 0.2∼0.4중량%, Cu 0.6∼1.2중량% 또는 Ni 1.2∼2.0중량%를 포함하고 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되며, 구상화율 80% 이상, 흑연수 150개/mm²이상, 페라이트 8∼30%, 펄라이트 70∼92%로 이루어진 주철합금을 무산화분위기로에서 소재의 심부까지 400∼700℃에서 예열한 후, 고온염욕로 또는 무산화분위기로에서 890∼910℃에 도달시켜서 1∼3시간 유지시킨 후 교반중인 저온 염욕로에 넣어 250∼450℃에 도달하도록 냉각시켜서 1∼2.5시간 유지시킨 후 공기중에 냉각하는 것을 특징으로 하는 오스템퍼 구상흑연주철의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기한 열처리 전에 신율을 증가시키기 위해 무산화분위기로에서 750∼980℃로 도달시킨 후 2시간 이상 유지하고 로내에서 서냉하는 것을 특징으로 하는 오스템퍼 구상흑연주철의 제조방법이 제공된다.

이하에서 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명한다. 상기한 조성을 가진 소재의 혼합물을 전기로, 유도로 또는 기타 용해로로 용해하고, 흑연을 구상화시키기 위한 처리를 하여 주조하여 구상흑연주철을 제조한다.

본 발명에 금속소재의 성분규정의 이유를 설명하면 C는 3.2∼3.7중량% 포함되는데 C가 3.2% 이하일 때에는 구상화과정에서 편석이 발생할 확률이 높으며 3.7% 이상일 때에는 열처리 후의 신율 감소현상이 생긴다.

Mo는 0.2∼0.4중량% 포함되는데, Mo는 열처리시(ADI시) 냉각속도의 조절역할, 즉 두께차가 큰 제품의 심부까지 균일한 조직을 형성시키는 역할을 하며 베이나이트화 과정에서 냉각속도차에 따른 조직의 변화를 억제하여 균일한 조직을 이루도록 한다. 0.4중량% 이상 사용할 때는 편석을 일으키기 쉬우며 흑연화를 위한 고온유지시간이 장시간 필요하게 된다. 0.2중량% 이하로 사용할 때에는 냉각시 조직이 불균일해지는 문제가 있다.

Mn은 열처리시 베이나이트화를 촉진하는 효과가 있으나 0.4중량% 이상을 사용하면 편석으로 인한 국부경화가 발생하고 균일한 조직을 만들지 못하고 취약해지며 신율 및 충격강도를 저하시킨다. 0.2중량% 이하 사용하면 베이나이트화가 저하된다.

Cu와 Ni는 Mo와 함께 사용되어 신율과 충격강도의 저하를 막아준다. Cu와 Ni는 동시에 첨가되어도 무방하나 주조원가의 절감을 위해 같이 사용할 필요가 없다.

S는 0.001∼0.02중량% 사용되나 S의 양이 많아지면 Mn의 양은 상대적으로 줄어들게 된다. 특히 고인성주철에서는 S의 양이 0.01% 이하가 좋다.

Si와 P의 조성비는 일반적인 주철합금에 적용되는 값이다. Mg는 구상화를 위해 최소한 0.02% 사용되지만 0.05% 이상 사용할 때에는 소재를 취약하게 하고 소요의 신율을 얻을 수 없다.

이러한 조성의 합금재료(표-1 참조)를 가지고 2회 이상 구상화접종처리를 하여 하기의 표-2와 같은 물성을 가진 구상흑연주철 합금을 얻는다. 구상화율이 80% 미만일 경우에는 열처리후에 부분적인 편석이 발생하고 경도가 불균일하기 때문에 고온에서 장시간의 흑연화작업이 필요하게 되고, 열처리비용이 올라가서 바람직하지 않게 된다. 또한, 흑연입수가 많을수록 열처리후의 신율이 향상되는데, 150개/mm²이하가 되면 열처리후, 신율과 충격강도가 급격히 떨어져서 목적하는 제품을 얻을 수 없다. 구상화조직 내에는 페라이트조직과 펄라이트조직이 분포되어 있으며, 펄라이트 조직이 70% 미만이 되면 열처리후의 조직이 균일하지 못하고, 인장과 신율이 불규칙하게 되며, 92% 이상이 되면 열처리후의 신율상승을 저해하여 원하는 성질의 제품을 얻을 수 없다. 이러한 조성의 구상흑연주철을 가지고 전술한 바와 같은 열처리를 하였을 때 신율과 인장강도에서 강제품에 상응하는 고인성주철 및 오스템퍼 구상흑연주철을 만들 수 있다.

[표 1]

주철합금의 화학성분

[표 2]

주철합금의 조직성분

[실시예 1]-주철합금소재 제작

소재는 고철과 회수철에 가탄제를 혼합하고 저주파 유도로에 장입하고 가열하여 용탕을 만든 뒤 용기에 출탕(출탕온도 1,500℃ 정도)하고 용기에서 Fe-Si-Mg를 2회 이상 접종하여 구상화처리를 하여 도 1과 같은 형성으로 조형된 사형에 주입하여 냉각시켰다. 일차 주조품의 성분분석결과에 따라 부족한 금속재료를 추가하여 표 3과 같은 시험편을 제작하였으며, 이들 시험편을 도 1의 빗금친 부분을 절개하여 도 2와 같은 인장시험편(KSB 0801)을 제작하여 열처리전 주철의 물성치를 시험한 결과는 아래의 표 4와 같았다.

[표 3]

시험편의 화학성분

[표 4]

시험편의 기계적 성질 및 조직성분

[실시예 2]-오스템퍼링 열처리

도 2와 같이 만든 시험편 다수를 무산화분위기로에서 400∼700℃로 예열한 후 900℃의 염욕로 또는 900℃의 무산화분위기로에서 온도 도달후 2시간 유지시킨 후 250∼450℃이 저온염욕로에 급냉하여 1.5시간 유지시킨 후 공랭하였다(도 4 참조).

이렇게 제작된 시험편의 물성치를 시험한 결과 물성의 평균치는 표 5와 같았다. 그 결과는 도 5 및 도 6에서 나타난 바와 같이 템퍼링온도가 낮은쪽으로 갈수록 경도와 인장강도는 상승하고 충격치와 신율은 390℃까지는 계속 상승하다가 400℃ 이상의 온도에서는 조금씩 떨어지다가 420℃ 이상이 되면 급격히 감소하는 현상을 나타낸다. 그러므로 제품에 적용될 수 있는 템퍼링온도는 250∼450℃가 적당하며, 이 범위에서는 인장강도 100kg/mm²이상, 신율은 6% 이상을 나타낸다. 이러한 물성치는 강제품의 대체소재로 만족스럽게 사용될 수 있으며, 도 6은 그 구체적인 적용제품을 예시한다.

[표 5]

템퍼링온도에 따른 기계적 성질의 변화

* 내마모성은 같은 성질을 가진 강과 동시마찰시험을 하여 얻은 결과임

[표 6]

템퍼링온도에 따른 적용제품

[실시예 3]-고인성주철의 열처리

실시예 1로 만든 소재를 도 1의 빗금친 부분을 절개하여 도 2와 같은 금속재료 인장시험편(KSB 0801) 및 도 3과 같은 금속재료 시험편(JIS Z 2274)을 다수 제작하여 850∼1000℃의 무산화분위기로에서 제품이 목표온도 도달후 1∼10시간 유지하고 로내에서 1∼5℃/분의 속도로 서서히 냉각하였다(도 7 참조). 냉각시 제품온도가 300℃ 이하일 때에는 대기중에서 공랭시켜서 된다. 이와 같이 제작된 시험편의 물성치의 시험결과는 아래의 표와 같으며, 고온유지온도가 높을수록 신율과 피로강도는 높아지나 인장강도와 경도는 떨어지고 고온유지시간이 길어지면 신율과 피로강도는 증가하고 인장강도와 경도는 낮아지는 것으로 나타났다. 대체로 처리제품의 두께가 두꺼울수록 고온유지시간은 길어져야 한다. 이러한 결과는 탄소강 주강품(KS SC37∼SC49)에 대체할 수 있다는 것을 보여주며, 내마모성은 기존의 주강품보다 좋기 때문에 수명이 증가하는 결과를 얻을 수 있다. 이렇게 제조된 고인성주철은 표 9과 같은 용도로 사용될 수 있다.

[표 7]

고온유지온도에 따른 기계적 성질(유지시간 3시간)

[표 8]

고온유지시간에 따른 기계적 성질

[표 9]

고인성주철의 적용가능 제품

이상에서 설명한 본 발명에 따르면, 저렴한 가격으로 기존의 강으로 된 각종 부품을 대체하여 적용가능한 주철합금소재와 이를 이용하여 경제적이고도 신뢰할 수 있는 고인성주철 및 오스템퍼 구상흑연주철의 제조방법이 제공된다.

Claims

C 3.2∼3.7중량%, Si 2.0∼2.5중량%, Mn 0.1∼0.4중량%, P 0.01∼0.07중량%, S 0.001∼0.02중량%, Mg 0.02∼0.05중량%, Mo 0.2∼0.4중량%, Cu 0.6∼1.2중량% 또는 Ni 1.2∼2.0중량%를 포함하고 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되며, 구상화율 80% 이상, 흑연수 150개/mm²이상, 페라이트 8∼30%, 펄라이트 70∼92%로 이루어진 것을 특징으로 하는 주철합금.
C 3.2∼3.7중량%, Si 2.0∼2.5중량%, Mn 0.1∼0.4중량%, P 0.01∼0.07중량%, S 0.001∼0.02중량%, Mg 0.02∼0.05중량%, Mo 0.2∼0.4중량%, Cu 0.6∼1.2중량% 또는 Ni 1.2∼2.0중량%를 포함하고 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되며, 구상화율 80% 이상, 흑연수 150개/mm²이상, 페라이트 8∼30%, 펄라이트 70∼92%로 이루어진 주철합금을 무산화분위기로에서 소재의 심부까지 850∼1,000℃로 가열한 후 그 온도에 도달한 때로부터 1∼10시간 유지시킨 후 상온까지 1∼5℃ 이하/분의 속도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 고인성주철의 제조방법.
C 3.2∼3.7중량%, Si 2.0∼2.5중량%, Mn 0.1∼0.4중량%, P 0.01∼0.07중량%, S 0.001∼0.02중량%, Mg 0.02∼0.05중량%, Mo 0.2∼0.4중량%, Cu 0.6∼1.2중량% 또는 Ni 1.2∼2.0중량%를 포함하고 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되며, 구상화율 80% 이상, 흑연수 150개/mm²이상, 페라이트 8∼30%, 펄라이트 70∼92%로 이루어진 주철합금을 무산화분위기로에서 소재의 심부까지 400∼700℃에서 예열한 후, 고온염욕로 또는 무산화분위기로에서 890∼910℃에 도달시켜서 1∼3시간 유지시킨 후 교반중인 저온염욕로에 넣어 250∼450℃에 도달하도록 냉각시켜서 1∼2.5시간 유지시킨 후 공기중에 냉각하는 것을 특징으로 하는 오스템퍼 구상흑연주철의 제조방법.
제3항에 있어서, 상기한 열처리 전에 신율을 증가시키기 위해 무산화분위기로에서 750∼980℃로 도달시킨 후 2시간 이상 유지하고 로내에서 서냉하는 것을 특징으로 하는 오스템퍼 구상흑연주철의 제조방법.