KR20000041083A - 연성 및 강도 특성이 우수한 페라이트계 구상흑연주철재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제철소 설비부품 및 자동차 및 선박용 부품에 사용되는 높은 연성의 고온용 페라이트계 고 Si 함유 구상흑연 주철재의 제조방법에 관한 것으로, 중량%로, C:2.2-3.8%, Si:3.0-6.0%, Mn:1.0% 이하, Ni:5.0% 이하, Cr:3.0% 이하, W:2.0%이하, Mo:2.0%이하를 포함하고 나머지는 Fe와 불가피한 불순물 및 흑연의 구상화를 위하여 첨가되는 Mg,Zr,Bi 그리고 희토류 원소의 복합물을 각각 또는 합으로 0.001-1.0% 함유하여 구성되는 내열구조용 구상흑연주철재를 용해로에서 용해하고 흑연 구상화를 위하여 접종처리하여 제조하는 방법에 있어서, 흑연 또는 구리 몰드를 통해 연속주조하여 평균 크기 10-16㎛의 미세한 구상흑연입자로 이루어진 2-20㎜의 표면강화층을 형성시킨 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해 제조된 구상흑연주철재는 종래재에 비해 연성이 뛰어나고 강도 특성이 우수하여 컨베이어롤과 같은 내열용 부품의 수명을 향상시키고 생산효율을 높여 매우 경제적이고 효율적인 제철소 이송설비 부품용 재질과 자동차 및 선박용 소재를 제공한다.

Description

연성 및 강도 특성이 우수한 페라이트계 구상흑연주철재의 제조방법

본 발명은 제철소 설비부품 및 자동차 및 선박용 부품에 사용되는 합금 소재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 연성을 갖고 고온에 사용되는 페라이트계 고 Si 함유 구상흑연 주철재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 구상흑연 주철재는 인장강도 뿐만 아니라 충격강도 및 연신률이 타 주철재에 비해 높아서 고기능을 요구하는데 주로 이용되고 있다.

특히, 구상흑연 주철재는 타재질에 비해 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 타 재질에 비해 가격이 저렴하고 윤활성이 좋아 제철소 설비용 부품이나 자동차 및 선박용 부품의 기본 소재로 널리 사용되고 있다.

또한 FCD50과 FCD60과 같은 펄라이트(Pearlite) 기지조직을 갖는 구상흑연주철은 인장강도 및 항복강도는 높지만 낮은 연성과 충격특성을 나타낸다.

그러나 FCD40과 같은 페라이트(Ferrite) 기지조직을 갖는 구상흑연주철은 인장강도는 낮지만 연성과 충격특성이 우수하다.

그리고 고온에 노출되는 설비부품에 적용되는 경우, 펄라이트 기지조직을 갖는 구상흑연 주철재는 노출온도에 따라 펄라이트의 일부 또는 전부가 페라이트로 변태하기 때문에 상대적으로 약한 페라이트 편재 부위가 국부적으로 변형되는 문제점이 있다.

종래의 선재 컨베이어롤 재료의 경우에는 사형주조된 3.0%Si-3.2%C계 구상흑연 주철재를 많이 사용하고 있다.

또한 최근에는 미국특허 4,889,687호와 같이 Bi를 중량비로 0.0015-0.015%를 첨가시켜 저온 충격특성을 향상시킨 기술이 있으며, 미국특허 4,475,956호에서는 페라이트계 고 Si 합금의 연성을 증가시키기 위하여 주조 후에 오스테나이트 영역에서 1-8시간동안 열처리한 후에 최대 시간당 35℃로 서냉하여 650-760℃에서 6-10시간동안 주철재를 열처리하고 있다.

그러나 상기 종래기술에 있어서 미국특허 4,889,687호는 Si이 1.5-2.3%로 낮아서 내산화성이 상대적으로 열악하다는 단점이 있으며, 사형주조된 3.0%Si-3.2%C계 선재 컨베이어롤은 몰드 재질의 혼입에 의한 개재물 존재나 응고속도가 낮기 때문에 형성되는 주조결함등이 다수 존재하여 기계적 특성의 재현성이 낮고 강도가 낮은 결점이 있다.

그리고 미국특허 4,475,956호는 복잡한 열처리 공정도입을 통하여 연성을 증가시키므로 경제적이지 못하다.

이외에 구상흑연주철의 인장강도를 향상시키기 위하여 기지조직을 마르텐사이트 또는 펄라이트, 베이나이트등으로 개질시킨 일본특허 88-021,728호, 일본특허 88-047,774호가 있지만, 고온(500-800℃)에 노출되는 경우에는 기지조직이 페라이트로 변태하기 때문에 국부적으로 강도가 약화되어 부품이 휘어지는 원인이 되며 상온 인장연신률이 4%로 매우 낮다는 단점이 있다.

한편, 최근에 선재 제조기술에서 생산효율 증대를 위해 공정온도와 생산속도가 증가되고 있을 뿐만 아니라 제품 전체 하중이 증가하는 경향에 있어 선재 컨베이어롤에 대한 부하가 점점 가혹해지고 있는 실정이다.

일반적으로 선재 컨베이어롤은 이송되는 선재의 재질, 치수, 온도, 인발속도, 냉각조건 및 사용조건에 적절한 재질을 선택해야 한다. 특히, 선재 컨베이어롤은 측면에 냉각핀 역할을 하는 홈을 만들어 냉각효율을 향상시키고 있지만, 선재의 품질 제어면에서 냉각장치 설치가 어려워 고온의 선재 이송에 의해 600-900℃의 고온에 쉽게 노출된다.

그러므로 선재 컨베이어롤에서 고온의 선재가 이송되는 중심부와 롤의 가장자리와는 상당한 온도차가 발생되고, 롤의 중심부가 고온이고 높은 하중을 받으므로 롤이 굽힘 하중을 받게된다. 즉, 회전하는 선재 컨베이어롤의 중심부 하단쪽에는 반복되는 굽힘하중을 받으므로 선재 이송에 의한 손상부위에 형성된 미소균열의 성장에 의해 롤이 파손되는 경우가 발생할 수 있다.

일반적으로 소재의 연성이 우수할수록 피로균열의 생성이 어려운 것으로 잘 알려져 있다(S.S.Manson and M.H.Hirschberg ; Fatigue : An Interdisciplinary Approach, 1964, p. 133).

또한, 롤이 장시간 동안 사용되는 경우, 피로현상에 의해 롤이 휘어지는 현상이 발생하며, 롤이 휘어지면 선재 이송시 롤이 회전하는 경우에 선재가 롤과 롤 사이에 끼이는 현상이 발생되어 조업을 중단시키는 결과를 초래하여 선재의 생산성을 감소시킬 뿐만 아니라 설비부품의 심한 손상을 발생시킨다.

일반적으로 롤의 수명은 롤 소재의 강도에 비례하므로 롤의 굽힘변형에 대한 저항력을 높이기 위해서는 소재의 항복강도가 높아야 하고, 선재가 끼이는 경우에 발생하는 급격한 부하에 의한 롤의 절손에 의한 조업사고를 막기 위해서도 강도 및 연성이 우수해야 한다.

본 발명은 상기 설명한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 연성 및 강도 특성이 우수하여 내열용 부품의 소재로 적합한 구상흑연주철재의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1 은 응고속도 제어에 따른 구상흑연 주철재의 인장 연신율의 변화를 보여주는 도면이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구상흑연 주철재 제조방법은,중량%로, C:2.2-3.8%, Si:3.0-6.0%, Mn:1.0% 이하, Ni:5.0% 이하, Cr:3.0% 이하, W:2.0%이하, Mo:2.0%이하를 포함하고 나머지는 Fe와 불가피한 불순물 및 흑연의 구상화를 위하여 첨가되는 Mg,Zr,Bi 그리고 희토류 원소의 복합물을 각각 또는 합으로 0.001-1.0% 함유하여 구성되는 내열구조용 구상흑연주철재를 용해로에서 용해하고 흑연 구상화를 위하여 접종처리하여 제조하는 방법에 있어서, 흑연 또는 구리 몰드를 통해 연속주조하여 평균 크기 10-16㎛의 미세한 구상흑연입자로 이루어진 2-20㎜의 표면강화층을 형성시킨 것을 특징으로 하는 구성이다.

이하에서는 양호한 실시예와 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 응고속도를 변화시킬 수 있는 여러가지 주조방법으로 구상흑연 주철재를 제조하여 기계적 특성을 평가하였다. 그 결과, 연성 및 강도가 우수한 구상흑연주철재를 개발하게 되었는데, 본 발명의 구상흑연주철재는 구상흑연입자의 밀도가 350개/㎟ 이상인 영역이 표면으로부터 2-20㎜까지 형성되어 표면강화층을 이루고 있는 것을 특징으로 한다.

이 발명재는 선재 컨베이어롤의 소재로서 뿐만 아니라 내열성과 함께 고강도, 고인성을 요구하는 자동차 및 선박용 부품 및 제철소의 이송설비 및 윤활성을 요구하는 내마모 부품에 소요되는 소재로서 유용하다.

이하에서는 본 발명의 구상흑연주철재 제조방법에 대해 설명한다.

도 1 과같이, 응고속도가 매우 빠른 금형주조법을 이용하여 제조한 구상흑연 주철재는 주철재 내부에 응력이 잔류하는 문제점이 있어서 금형주조된 구상흑연 주철재의 인장 연신률은 2-7%로 낮은 값을 나타낸다.

한편, 상대적으로 응고속도가 매우 느린 일반 사형주조법에 의하면, 사형 몰드가 300℃이상에서 연화되기 시작하기 때문에 용탕 주입시에 쉽게 손상되어 제품내로 혼입되고, 이 결과로 인하여 제품품질에 대한 재현성이 떨어지고 연성과 인장강도와 같은 기계적 특징이 열화된다. 그 결과 사형주조된 구상흑연 주철재의 인장연신률은 3-16%로 매우 광범위한 범위를 보인다.

반면에 도 1 과같이, 본 발명에 따라 연속주조된 구상흑연 주철재의 응고속도는 금형주조에 비해서는 느리기 때문에 주철재 내부의 잔류응력을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 그리고 사형몰드를 사용하지 않고 흑연이나 Cu 몰드를 사용하기 때문에 몰드 손상에 의한 개재물이나 불순물의 혼입이 없고 응고속도가 느린 사형주조에 흔히 발생하는 합금원소의 편석을 효과적으로 저감시킬 수 있다.

또한 연속주조된 구상흑연 주철재는 표면이 흑연이나 Cu 몰드를 통과함으로써 구상흑연의 평균입경이 20-30㎛인 제품의 내부에 비해 평균입경 10-16㎛의 미세한 구상흑연 입자의 밀도가 350개/㎟ 이상인 영역이 표면으로부터 2-20㎜까지 존재하는 표면강화층을 얻을 수 있다.

이때 주조속도는 분당 0.3∼0.8m가 바람직하다.

이러한 이중 조직으로 이루어진 연속주조된 구상흑연 주철재는 표면의 인장강도, 연성 그리고 피로 저항성등과 같은 기계적 특성이 우수하기 때문에 표면이 주로 접촉하여 반복 하중을 받는 제철소의 이송설비부품, 자동차 및 선박용 내마모 부품에 적합하다.

특히, 내열용 소재로 이용되는 구상흑연 주철재는 기본적인 내산화성을 확보하기 위하여 Si을 3.0-6.0% 함유하여야 한다.

Si은 구상흑연주철에서 기지조직을 형성하는 기본 합금원소로서 기본적인 내산화성을 확보하기 위하여 3.0-6.0%로 그 범위를 한정한다. Si이 3.0%미만이 되면 기지조직의 내산화성이 열악해지고, 6.0% 초과시에는 기지조직의 고유한 연성이 저하되어 파괴인성 및 충격특성이 나빠지는 단점이 있다.

C는 구상화 흑연주철에서 Mg, Zr, Bi 그리고 회토류 원소의 화합물과 함께 첨가하여 주로 구형의 흑연입자로서 존재하며 회주철에서 존재하는 긴 리본모양의 플레이크(flake) 흑연에 비해 강도, 연신률 그리고 충격특성과 같은 기계적 특성을 향상시킨다. 2.2% 미만의 C 함유량에서는 흑연의 구상화가 어려워 플레이크 흑연 형성아 조장되므로 주철재의 기계적 특성을 현저히 감소되는 단점이 있고, 또한 3.8%를 초과하면 흑연화가 조장되어 구상화가 어려우므로 2.2-3.8%로 제한한다.

또한, 이상과 같이 Fe-Si-C을 기본 합금계로 하여 다음과 같은 원소를 각각 또는 함께 첨가하여 내산화성, 고온강도 그리고 인성을 부여할 수 있다.

내산화성을 부여하기 위해서는 Cr을 0.01-3%까지 첨가할 수 있는데, Cr은 탄화물 형성을 조장하는 원소로서 Cr 함유량이 3.0%를 초과하게 되면 탄화물이 과잉으로 형성되어 소재의 인성을 저하시키므로, 3.0% 이하로 제한한다.

고온강도와 내산화성을 동시에 부여시키기 위하여 Mo과 W을 각각 0.01-2.0%까지 첨가할 수 있다. W과 Mo은 무거운 원소의 하나로서 고온산화시에 W과 Mo 원자의 확산속도가 느리기 때문에 산화막 형성을 억제하는 역할을 담당한다. 0.01%이하에서는 그 효과가 미미하고 Mo과 W의 총 함량이 4.0%를 초과하면 셀간 탄화물이 다량 형성되어 인성이 저하되는 단점이 있다. 또한 Mo을 W과 동시에 0.01-4.0%까지 첨가하여 그 효과를 극대화할수 있으며, 이 때 셀간 탄화물이 과잉으로 형성되는 Mo의 함량은 2.0%를 넘지 않아야 한다.

그리고 주철재에 인성을 부여하기 위하여 Ni을 0.01-5%까지 첨가할 수 있다. Ni은 Mn과 마찬가지로 펄라이트 조장원소로 첨가되기도 하지만 그 가격이 고가이어서 특별한 이유 없이는 사용하지 않으며, 5%를 초과하면 펄라이트 조직이 과다하게 형성될 뿐만 아니라 재료의 가격을 상승시키므로 이 범위로 제한한다.

Mn은 강도향상을 위한 펄라이트 조장원소로 첨가되기도 하지만, 1.0%를 초과하면 펄라이트의 양이 과다하게 형성될 뿐만 아니라 셀간 탄화물 형성을 조장하여 인성의 열화를 초래하게 된다.

본 발명의 연속주조된 구상흑연 주철재는 700-1200℃의 온도범위에서 오스테나이트화하여 서냉하면 기지조직 전체를 페라이트화하여 열팽창계수를 작게할 수 있을 뿐만 아니라 열전도도가 우수한 특성을 갖을 수 있고 연신률과 같은 기계적 특성을 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 연속주조된 구상흑연 주철재에 대해 200-700℃에서 미소 잔류응력을 풀어주는 열처리공정을 실시하면 기계적 특성을 한층 향상시킬 수 있다.

그리고 상온 기계적 특성을 향상시키기 위하여 연속주조된 주철재를 700-1200℃의 온도범위에서 오스테나이트화하고 공냉 또는 급냉한 후에 300-750℃에서 템퍼링하여 주철재의 기지조직을 마르텐사이트나 펄라이트로 제어함으로써 상온 인장강도 및 내마모 특성을 향상시킬 수 있다.

이하에서는 실시예와 관련하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

실시예

표 1에 표시한 바와 같은 성분조성을 가지며 직경 115㎜인 여러 가지 구상흑연 주철재를, 전기로를 이용하여 용해 및 접종처리한 후에 사형주조, 금형주조 그리고 구리 몰드를 사용하여 연속주조를 통하여 제조하였다.

구상흑연 주철재의 경도시험은 로크웰(Rockwell) B등급에서 100kg 하중에서 10번 이상 측정한 후에 평균하였다. 인장특성은 상온에서 항복강도, 인장강도 그리고 연신률을 측정하였다. 기계적 특성평가는 모두 주조된 상태의 재질을 이용하여 수행하였다.

합금종류	화학조성(중량%)
	C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	W
비교재1	3.20	3.15	0.42	0.14	0.033	-	-
비교재2	3.31	3.60	0.31	0.02	0.023	-	-
발명재1	3.43	3.43	0.46	0.02	0.120	-	-
발명재2	3.36	3.85	0.23	0.02	0.027	-	-
발명재3	3.36	3.40	0.49	0.02	0.120	0.18	-

표 2는 기존 제조방법으로 제조된 주철재와 본 발명에 의해 제조된 주철재의 표층부와 중심부의 경도차를 나타낸 것이다.

합금종류	경도(HR8)
	표면부	중심부
비교재1	84.9	86.7
비교재2	84.9	88.2
발명재1	90.0	87.1
발명재2	95.4	94.1
발명재3	93.0	92.0

본 발명에 의해 제조된 주철재의 경도가 기존 방법으로 제조된 재질에 비해 중심부에 비해 표층부가 상대적으로 높음을 알 수 있다. 이 결과는 표면에 주로 접촉하는 이송설비 부품이나 자동차의 내마모 부품의 수명향상에 기여할 것이다.

합금종류	상온인장특성
	항복강도(kg/mm2)	인장강도(kg/mm2)	연신율(%)
	표면부	중심부	표면부	중심부	표면부	중심부
비교재1-A*	43.2	46.7	48.6	48.2	6.5	2.5
비교재1-B*	43.7	45.7	48.7	56.3	5.6	13.2
비교재2	45.7	47.6	48.6	57.5	1.7	5.1
발명재1	47.1	50.2	59.3	61.2	17.9	17.1
발명재2	49.2	48.6	60.7	62.5	18.7	15.6
발명재3	52.3	53.2	65.2	66.9	20.1	19.8
* 비교재1-A 와 1-B는 사형몰드 혼입으로 주조품 부 위에 따라 불균일한 연신율을 보임

또한, 표 3에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명재의 연신률은, 사형주조된 비교재1이 2.5-13.2% 이고 금형주조된 비교재2가 1.7-5.1% 인 것에 비해 15.6-20.1%를 나타내어 크게 향상된 결과를 보인다.

그리고 본 발명 제조방법의 적용에 의해 표 3에서 보는 바와 같이 항복강도와 인장강도도 기존 사형주조 및 금형주조된 재질에 비해 5-10% 향상됨을 알 수 있다.

따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명에 의해 제조된 구상흑연주철재는 종래재에 비해 연성이 뛰어나고 강도 특성이 우수하여 컨베이어롤과 같은 내열용 부품의 수명을 향상시키고 생산효율을 높여 매우 경제적이고 효율적인 제철소 이송설비 부품용 재질과 자동차 및 선박용 소재를 제공한다.

Claims (1)

1. 중량%로, C:2.2-3.8%, Si:3.0-6.0%, Mn:1.0% 이하, Ni:5.0% 이하, Cr:3.0% 이하, W:2.0%이하, Mo:2.0%이하를 포함하고 나머지는 Fe와 불가피한 불순물 및 흑연의 구상화를 위하여 첨가되는 Mg,Zr,Bi 그리고 희토류 원소의 복합물을 각각 또는 합으로 0.001-1.0% 함유하여 구성되는 내열구조용 구상흑연주철재를 용해로에서 용해하고 흑연 구상화를 위하여 접종처리하여 제조하는 방법에 있어서, 흑연 또는 구리 몰드를 통해 연속주조하여 평균 크기 10-16㎛의 미세한 구상흑연입자로 이루어진 2-20㎜의 표면강화층을 형성시킨 것을 특징으로 하는 구상흑연 주철재의 제조방법.