KR20140110621A - 선회 또는 고정스크롤용 cv 흑연주철 및 그를 이용한 선회 또는 고정스크롤의 제조방법 - Google Patents

선회 또는 고정스크롤용 cv 흑연주철 및 그를 이용한 선회 또는 고정스크롤의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선회 또는 고정스크롤용 CV 흑연주철 및 그를 이용한 선회 또는 고정스크롤의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면에 의하면, 중량비로 C: 3.4~3.9%, Si: 1.7~2.6%, Mn: 0.2~0.8%, P: 0.02~0.07%, S: 0.01~0.03%, Ti: 0.02~0.1% 및 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, CV율이 50% 이상인 선회 또는 고정 스크롤용 흑연주철이 제공된다.

Description

선회 또는 고정스크롤용 CV 흑연주철 및 그를 이용한 선회 또는 고정스크롤의 제조방법{COMPACTED GRAPHITE CAST IRON FOR ORBITAL OR FIXED SCROLL AND MANUFACTURING METHOD OF ORBITAL OR FIXED SCROLL USING THE SAME}
본 발명은 선회 또는 고정스크롤용 CV 흑연주철 및 그를 이용한 선회 또는 고정스크롤의 제조방법에 관한 것으로서, 스크롤 압축기에서 압축부로 이용되는 선회 및 고정스크롤을 제조하기 위한 재질 및 그를 이용한 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 스크롤 압축기는 고정 스크롤과 상기 고정 스크롤에 대해서 선회운동하도록 배치되는 선회 스크롤에 의해 형성되는 압축실의 체적을 변화시켜 냉매가스를 압축하는 압축기이다. 스크롤 압축기는 왕복동식 압축기 또는 로타리 압축기에 비해 효율이 높고, 진동 및 소음이 낮으며, 소형 및 경량화가 가능하여 특히 공기조화기에 넓게 사용되고 있다.
상기 선회 및 고정 스크롤은 각각 경판부 및 랩부를 포함하고 있는데, 상기 랩부는 경판에 대해서 나선형으로 연장되면서, 서로 맞물려 압축실을 형성하게 된다. 이러한 스크롤 압축기에 있어서, 운전효율에 영향을 주는 인자는 다양하지만 그 중 하나가 상기 랩부의 높이 및 두께의 비율(H/T)이다. 제한된 범위 내에서, 랩부의 두께가 작고 높이가 높을수록 압축기의 압축 효율이 증가하게 된다.
다만, 전체 압축기의 체적은 정해져 있으므로 높이를 증가시키는 데에는 한계가 있기 때문에, 압축 효율을 높이기 위해서는 두께를 줄여야 한다. 그러나, 이는 상기 랩부의 재질이 갖는 강도에 의해 제한된다.
종래의 선회 또는 고정 스크롤은 회주철을 이용하여 주조 방법에 의해 제조되는데, 회주철이 갖는 특성상 두께를 줄이는 데에는 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술이 갖는 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 종래의 회주철을 대신하여 랩부의 두께를 더욱 축소시킬 수 있는 선회 또는 고정스크롤용 CV 흑연주철을 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.
본 발명은 또한 상기와 같은 CV 흑연주철을 이용하여 선회 또는 고정 스크롤을 제조하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 삼고 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 중량비로 C: 3.4~3.9%, Si: 1.7~2.6%, Mn: 0.2~0.8%, P: 0.02~0.07%, S: 0.01~0.03%, Ti: 0.02~0.1% 및 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, CV율이 50% 이상인 선회 또는 고정 스크롤용 흑연주철이 제공된다.
종래의 회주철의 경우 우수한 주조성, 진동감쇄성 및 열전도율을 가져서 주조에 적합한 특성을 갖지만, 상술한 바와 같이 강도 및 인성이 낮아 내마모성 및 내충격성이 낮은 문제를 갖고 있다. 한편, 상기 회주철의 물성을 개선한 재질로서 구상흑연주철이 있다. 구상흑연주철은 석출된 흑연이 구형태를 갖는 것으로서, 내마모성, 내열성, 내식성 등이 우수하고 강도 및 인성이 높으며 절삭성도 좋아 주조에 매우 적합한 특징을 가지고 있다. 그렇지만, 상기 구상흑연주철의 경우 낮은 열전도율을 갖고 있어 복잡한 형태로 제조하기가 어려운 문제가 있었다.
한편, 스크롤 압축기에 있어 선회 또는 고정 스크롤의 형태도 압축효율에 큰 영향을 주게 된다. 그 중 하나가, 랩부의 높이(H) 및 두께(t)의 비이다. 즉, 랩부의 두께가 작고, 높이가 높을수록 압축기의 기체 압력 용적이 커지고 작업효율도 높아진다. 다만, 압축기의 외형을 늘리는 데에는 한계가 있으므로 랩부의 높이는 제한되기 때문에, 압축효율을 높이기 위해서는 두께를 축소시켜야 한다. 그러나, 종래의 회주철은 두께를 축소할 경우 강도를 만족하기 어려운 문제가 있고, 구상흑연주철의 경우 주조성의 문제로 인해서 얇은 두께를 갖도록 랩부를 주조하는 것이 쉽지 않은 문제가 있다.
CV 흑연주철은 기지조직 내에 석출되는 흑연의 형태가 편상흑연과 구상흑연의 중간형태를 갖는 주철을 의미하며, 버미큘라(vermicular) 흑연주철 또는 컴팩트(compacted) 흑연주철이라고도 불리운다. 이는 회주철과 구상흑연주철이 갖는 장점을 모두 갖고 있다. 따라서, 상기와 같은 특성을 갖는 CV 흑연주철을 선회 또는 고정 스크롤의 재질로서 사용하게 되면, 효과적으로 두께를 축소시킬 수 있어 스크롤 압축기의 압축효율을 향상시킬 수 있게 된다.
여기서, CV율이란 조직 내에 석출된 흑연이 갖는 면적 대비 CV화된 흑연의 면적의 비율을 의미한다. 본 발명자의 연구결과 상기 CV율이 50% 이상인 경우에 스크롤 압축기의 선회 또는 고정 스크롤의 재질로서 적합함을 확인할 수 있었다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 중량비로 C: 3.4~3.9%, Si: 1.7~2.6%, Mn: 0.2~0.8%, P: 0.02~0.07%, S: 0.01~0.03%, Ti: 0.02~0.1% 및 잔부는 Fe가 되도록 원료를 혼합하여 제련하는 단계; 용탕을 로에서 꺼내어 구상화제를 주입하는 단계; 구상화제가 주입된 용탕에 반구상화제를 주입하는 단계; 용탕을 주형에 주입하고 냉각하는 단계; 및 냉각된 반제품을 최종 치수 및 형상이 되도록 기계가공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선회 또는 고정 스크롤의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 상기 측면에서는 CV 흑연주철을 제조함에 있어서, 구상화제를 주입하여 구상화를 진행되도록 한 상태에서 반구상화제를 주입하여 구상화의 진행을 저지함으로써 CV흑연이 석출되도록 한 것이다. 종래에는 CV 흑연주철을 wire feeding method를 사용하거나, vermicular agent를 주입하여 제조하였지만, 이는 생산 원가가 높고 적적 비율의 CV율을 갖도록 제어하기가 어려운 문제가 있었다. 그러나, 본 발명에서는 상기와 같은 구상화제 및 반구상화제를 이용하여 용이하게 CV 흑연주철을 생산할 수 있도록 하고 있다.
여기서, 상기 구상화제로 희토류실리콘마그네슘 합금(FeSiMg6RE1)을 사용할 수 있다. 이때, 상기 구상화제는 용탕 중량의 0.5~0.9% 만큼 첨가할 수 있다.
그리고, 상기 반구상화제는 용탕을 주형에 주입하는 과정에서 주입될 수 있다.
또한, 상기 반구상화제는 Si, S, O 및 Al을 주요 성분으로 할 수 있다.
그리고, 상기 구상화제를 주입하는 단계에서 바륨실리콘철 합금(FeSi72Ba2)을 접종제로서 주입할 수 있고, 그 함량은 상기 접종제는 용탕질량의 0.4~1.0% 만큼 주입할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 회주철과 구상흑연주철이 갖는 장점을 갖는 CV 흑연주철을 선회 또는 고정 스크롤의 재질로서 사용하는 것을 통해, 랩부의 두께를 강성 저하없이 효과적으로 축소시킬 수 있어 스크롤 압축기의 압축효율을 향상시킬 수 있게 된다. 아울러, CV흑연주철의 낮은 밀도로 인해서 압축기의 무게도 줄일 수 있게 된다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 구상화제 및 반구상화제를 순차적으로 사용하는 것을 통해서 CV 흑연주철을 제조할 수 있으므로, 종래에 wire feeding method를 사용하거나, vermicular agent를 주입하는 경우에 비해서, 용이하게 CV 흑연주철을 생산할 수 있도록 하고 있다.
도 1은 본 발명에 따른 CV 흑연주철의 일 실시예의 내부 구조를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 CV 흑연주철의 또 다른 실시예의 내부 구조를 나타낸 사진이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 CV 흑연주철 및 그 제조방법의 실시예에 대해서 설명하도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 선회 또는 고정 스크롤의 재질로서 CV 흑연주철을 이용하고 있고, 스크롤 압축기에서 요구되는 성능에 맞도록 각 성분의 적정범위를 한정하고 있다. 이하 각 성분에 대해서 설명하며, 특별히 표시하지 않는 한 각 함량은 중량비이다.
(1) 탄소 (C) : 3.4 ~ 3.9%
주철의 내부에 존재하는 탄소는 흑연으로서 존재하거나 Fe3C로 표기되는 탄화물(또는 카바이드)의 형태로 존재하게 된다. 따라서, 탄소의 함유량이 적은 경우 대부분의 탄소는 탄화물의 형태로 존재하므로 구상흑연 조직이 잘 나타나지 않으므로 3.4% 이상으로 첨가하여 전체적으로 균일한 구상흑연 조직을 얻을 수 있도록 한다. 한편, 탄소의 함량이 높을수록 응고점이 낮아지므로 주조성을 개선하는데는 도움이 되지만 흑연석출량이 지나치게 많아져 취성을 높이고 인장강도에 좋지 않은 영향을 미친다. 즉, 탄소포화도(Sc)가 대략 0.8 내지 0.9인 경우에 가장 큰 인장강도를 가질 수 있으므로, 그 최대 한도를 3.9%로 하여 양호한 인장강도를 얻을 수 있도록 한다.
(2) 규소 (Si) : 1.7 ~ 2.6%
규소는 흑연화촉진원소로서 탄화물을 분해하여 흑연으로서 석출하도록 하는 역할을 한다. 즉, 규소의 첨가는 탄소량을 증가시키는 것과 같은 효과를 제공한다. 아울러, 규소는 주철 내에 존재하는 미세한 흑연조직을 편상흑연 조직으로 성장하도록 하는 역할을 하게 된다. 이렇게 성장된 편상흑연 조직은 마그네슘이나 구상화제 등에 의해 구상흑연으로 생성되게 된다. 특히, 베이나이트 기지조직의 기계적 성능은 Si 함량의 증가에 따라서 높아진다. 즉, 규소는 다량으로 첨가되는 경우 베이나이트 기지조직을 강화하여 인장강도를 높이는 역할도 겸하게 되는데, 이는 규소의 함량이 2.6% 이하인 경우에 더 뚜렷하게 나타난다. 이는 규소 함량의 증가에 따라서 흑연의 구경이 작아지고 페라이트 양이 증가되어 베이나이트 전환을 촉진시키게 되기 때문이다.
즉, Si/C가 커지면 흑연의 양이 적어지고 고규소로 인한 기지조직 강화 효과로 인해 인장강도가 향상될 수 있으며, 이는 용탕에 접종을 행한 경우에 더욱 뚜렷하게 나타난다.
그러나, 규소 함량이 2.6%를 초과하면 그러한 효과가 포화된다. 아울러, 규소 함량이 지나치게 높으면 탄화물의 함량을 감소시켜서 재료의 경도와 내마모성을 낮게 하고, 재료의 용해가 어려워질 뿐만 아니라 오스테나이트 구조가 후속의 냉각과정 중에 마르텐사이트 구조로 전환되어 취성이 증가하는 문제가 있다. 아울러, 규소의 함량이 많을수록 열전도성이 저하되어 냉각 또는 가열 중에 온도분포가 불균일해져 잔류응력이 커지게 된다. 따라서, 규소의 함량을 2.0 ~ 3.0%로 결정하였다.
(3) 망간 (Mn) : 0.2 ~ 0.8%
망간은 탄소의 흑연화를 방해하는 백주철화 촉진원소로서 화합탄소(즉 세멘타이트)를 안정화시키는 역할을 한다. 또한 망간은 페라이트의 석출을 방해하고 퍼얼라이트를 미세화시키므로 주철의 기지조직을 퍼얼라이트화하는 경우에 유용하다. 특히 망간은 주철 중의 황과 결합하여 황화망간을 만들며, 이 황화망간은 용탕의 표면으로 떠올라 슬래그로서 제거되거나 응고된 후 비금속 개재물로써 주철 중에 남게 되어 황화철이 생성되는 것을 방지한다. 즉, 망간은 유황의 해를 중화시키는 원소로서도 작용한다. 퍼얼라이트화 촉진 및 황 성분의 제거를 위해 0.2 ~ 0.8% 함유한다.
(4) 인 (P) : 0.02 ~ 0.07% 이하
인은 인화철(Fe3P)의 화합물을 형성하여 페라이트, 탄화철과 함께 3원 공정 스테다이트로서 존재한다. 상기 인화철은 과냉되기 쉬우며 주물에서 편석을 잘 일으킨다. 이로 인해서, 인의 함유량이 증가할수록 취성이 증가하고 인장강도도 급속히 떨어진다. 따라서, 인의 함량은 0.02 ~ 0.07%로 한다.
(5) 황 (S) : 0.01 ~ 0.03% 이하
황은 다량으로 첨가될수록 용탕의 유동성을 저하시키고 수축량을 증가시키며, 수축공이나 균열발생의 원인이 되기도 한다. 따라서, 가급적 적게 함유하는 것이 바람직하다. 다만, 0.01 ~ 0.03% 이하로 함유되는 경우에는 그러한 악영향이 크게 드러나지 않으므로 상기 함량이 되도록 관리한다.
(6) 티탄 (Ti) : 0.02 ~ 0.1%
티탄은 흑연을 세분화하고 퍼얼라이트 형성을 촉진하며, 퍼얼라이트의 고온 안정성을 높인다. 아울러, 티탄은 용탕에 대하여 탈산, 탈질 작용이 강하다. 따라서 티탄을 첨가시키면 흑연화가 조장된다. 티탄은 흑연의 크기를 작게 하기 때문에 인장강도를 증가시키며, 칠(chill)화를 방지하고, 내마모성도 양호하게 된다. 이를 위해, 0.02 ~ 0.1% 만큼 함유한다.
상기와 같은 특성을 갖는 원소들을 혼합하여, 본 발명에 따른 CV 흑연주철을 생산할 수 있고, 이는 스크롤 압축기의 선회 또는 고정 스크롤을 제조하는데 사용될 수 있다. 이제, 그 제조공정에 대해서 설명한다.
(1) 제련(smelting)
상술한 원소들을 적정 비율로 선택하여 원료를 조제하고, 이를 중주파 유도전기로(middle frequency induction furnace)에 넣고 원료가 모두 용해되도록 가열하여 제련한다. 제련된 용탕을 래들을 이용하여 인출하는데, 이때 로에서 용탕을 꺼내는 온도는 대략 1500 ~ 1540℃이다.
(2) 구상화처리 및 접종(inoculation)
상기 제련 단계에서 제련되어 래들에 담긴 용탕에 흑연의 구상화를 위한 구상화제 및 접종제를 접종한다. 이때, 구상화제로는 흑연의 구상화를 촉진시키는 것으로 알려진 원소인 Mg, Ca 및 희토류(RE)를 포함한 것을 이용할 수 있고, 구체적으로는 Mg：5.5-6.5%, Si：44-48%, Ca：0.5-2.5%, AL<1.5%, RE：0.8-1.5%,와 같은 성분을 갖는 희토류 실리콘철마그네슘 합금(FeSiMg6RE1)을 용탕의 질량 대비 0.5 ~ 0.9%를 첨가한다.
한편, 접종은 흑연핵을 많이 발생시켜 흑연화를 촉진하고, 흑연의 분포를 균일화하여 강도를 증가시키는데 도움을 주며, 접종제로는 바륨실리콘철 합금(FeSi72Ba2)을 사용하고, 그 첨가량은 상기 용탕의 질량의 0.4 ~ 1.0%이다.
(3) 반구상화처리
구상화처리 및 접종이 완료된 용탕에 반구상화제를 주입하여, 구상화의 진행을 정지시킨다. 이때, 반구상화제로는 주요 성분으로서 Si, S, O, Al를 포함하는 것을 사용할 수 있고, 그 첨가량은 용탕 질량 대비 0.01 ~ 0.02%이다.
(4) 주조(casting)
상기 반구상화제가 투입된 용탕을 원하는 형태의 캐비티를 갖도록 사전에 제작한 주형에 상기 용탕을 주입한 후 냉각시킨다. 이때, 상기 반구상화제는 래들에 직접 주입될 수도 있고, 상기 주형에 용탕을 주입하는 단계에서 함께 주입할 수도 있다.
(4) 기계가공(machining)
상기 주조 단계에서 얻은 반제품을 연마하여 최종 치수 및 형태를 갖도록 기계가공하여 완성한다.
하기의 표 1은 상기 제조방법에 따라 제조된 6개의 실시예의 조성 및 측정된 CV율을 나타낸 것이다. 하기 6개의 실시예는 황(S)의 함량, 구상화제 및 반구상화제의 주입비율만을 달리한 것이며, 모두 50% 이상의 CV율을 가지고 있음을 알 수 있다. 여기서, 상기 실시예들의 C, Si, Mn, P 및 Ti의 함량은 하기 표 2와 같다.
실시예 S 구상화제 반구상화제 CV율
1 0.012 0.58 0.011 75%
2 0.019 0.75 0.011 65%
3 0.013 0.75 0.011 55%
4 0.019 0.58 0.02 63%
5 0.019 0.58 0.011 50%
6 0.012 0.58 0.02 78%
7 0.013 0.75 0.02 85%
8 0.016 0.68 0.011 65%
성분 C Si Mn P Ti
함량 3.4 2.2 0.52 0.06 0.06
한편, 도 1 및 도 2는 각각 상기 실시예 중 2개의 실시예의 내부조직을 나타낸 사진으로서, 모두 적정 범위의 CV흑연주철을 포함하고 있음을 알 수 있다.

Claims (8)

  1. 중량비로 C: 3.4~3.9%, Si: 1.7~2.6%, Mn: 0.2~0.8%, P: 0.02~0.07%, S: 0.01~0.03%, Ti: 0.02~0.1% 및 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, CV율이 50% 이상인 선회 또는 고정 스크롤용 흑연주철.
  2. 중량비로 C: 3.4~3.9%, Si: 1.7~2.6%, Mn: 0.2~0.8%, P: 0.02~0.07%, S: 0.01~0.03%, Ti: 0.02~0.1% 및 잔부는 Fe가 되도록 원료를 혼합하여 제련하는 단계;
    용탕을 로에서 꺼내어 구상화제를 주입하는 단계;
    구상화제가 주입된 용탕에 반구상화제를 주입하는 단계;
    용탕을 주형에 주입하고 냉각하는 단계; 및
    냉각된 반제품을 최종 치수 및 형상이 되도록 기계가공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선회 또는 고정 스크롤의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 구상화제로 희토류실리콘마그네슘 합금(FeSiMg6RE1)을 사용하는 것을 특징으로 하는 선회 또는 고정 스크롤의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 구상화제는 용탕 중량의 0.5~0.9% 만큼 첨가하는 것을 특징으로 하는 선회 또는 고정 스크롤의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 반구상화제는 용탕을 주형에 주입하는 과정에서 주입되는 것을 특징으로 하는 선회 또는 고정 스크롤의 제조방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 반구상화제는 Si, S, O 및 Al을 주요 성분으로 하는 것을 특징으로 하는 선회 또는 고정 스크롤의 제조방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 구상화제를 주입하는 단계에서 바륨실리콘철 합금(FeSi72Ba2)을 접종제로서 주입하는 것을 특징으로 하는 선회 또는 고정 스크롤의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 접종제는 용탕질량의 0.4~1.0% 만큼 주입하는 것을 특징으로 하는 선회 또는 고정 스크롤의 제조방법.
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