KR20150099107A

KR20150099107A - 편상 흑연 주철 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR20150099107A
Application number: KR1020140020637A
Authority: KR
Inventors: 황재형; 양식; 이예니슬; 정기환; 정종권; 주영규; 심동섭
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2015-08-31
Also published as: CN104862580A; CN104862580B; KR102240112B1; JP2015158010A; JP6358975B2

Abstract

편상 흑연 주철은 전체 중량 대비 2.6 중량% 내지 3.2 중량%의 탄소(C), 1.6 중량% 내지 2.0 중량%의 규소(Si), 0.6 중량% 내지 0.8 중량%의 망간(Mn), 0.1 중량% 내지 0.15 중량%의 황(S), 적어도 0을 초과하며 0.05 중량% 이하의 인(P) 및 잔량의 철(Fe)을 포함한다. 탄소 및 황의 중량비(C/S)는 18 내지 27 이며, 망간 및 황의 중량비(Mn/S)는 4 내지 8이다. 탄소 및 황의 중량비 및 망간 및 황의 중량비를 조절하여 고강도의 편상 흑연 주철을 수득할 수 있다.

Description

편상 흑연 주철 및 이의 제조 방법{FLAKE GRAPHITE IRON AND METHODS OF PREPARING FLAKE GRAPHITE IRON}

본 발명은 편상 흑연 주철 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 각종 공작 기계에 활용 가능한 편상 흑연 주철 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 각종 공작 기계, 엔진 부품 등의 소재로서 편상 흑연 주철이 사용되고 있다. 편상 흑연 주철은 주조성, 열전도성 및 진동 감쇄능이 우수한 반면, 강도가 상대적으로 낮은 문제가 있다.

따라서, 편상 흑연 주철을 사용하여 공작기계 구성 부품을 제조하는 경우 공작 기계의 내구성 측면에서 문제가 발생할 수 있다. 특히, 상기 공작 기계를 지탱하는 구조물 역할을 하는 베드(bed), 칼럼(column) 또는 새들(saddle)과 같은 부품은 편상 흑연 주철의 강도가 낮을 경우, 높은 하중이 집중되는 부분에서 부품 처짐 현상이 발생할 수 있다.

상기 부품 처짐 현상을 억제하기 위해 공작 기계 또는 부품 자체의 구조를 변경하는 방법이 있으나, 이는 상기 공작 기계 전체의 설계 변경을 가져올 수 있으며, 고비용이 소요된다는 한계가 있다. 따라서, 상대적으로 낮은 비용으로 편상 흑연 주철 자체의 강성을 향상시키기 위한 연구가 필요하다.

본 발명의 일 목적은 고강도를 갖는 공작기계용 편상 흑연 주철을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고강도를 갖는 공작기계용 편상 흑연 주철의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 일 목적을 실현하기 위한 편상 흑연 주철은 전체 중량 대비 약 2.6 중량% 내지 약 3.2 중량%의 탄소(C), 약 1.6 중량% 내지 약 2.0 중량%의 규소(Si), 약 0.6 중량% 내지 약 0.8 중량%의 망간(Mn), 약 0.1 중량% 내지 약 0.15 중량%의 황(S). 적어도 0 중량%를 초과하며 약 0.05 중량% 이하의 인(P) 및 잔량의 철(Fe)을 포함한다. 여기서, 탄소 및 황의 중량비(C/S)는 약 18 내지 약 27 이며, 망간 및 황의 중량비(Mn/S)는 약 4 내지 약 8이다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 편상 흑연 주철은 약 0.1 중량% 내지 약 0.5 중량%의 구리(Cu), 약 0.03 중량% 내지 약 0.08 중량%의 주석(Sn) 및 약 0.2 중량% 내지 약 0.5 중량%의 크롬을 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 편상 흑연 주철에 포함된 흑연의 크기 분포는 약 70um 내지 약 130um일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 편상 흑연 주철에 포함된 흑연의 면적비율은 약 6% 내지 약 9%일 수 있다.

상술한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 편상 흑연 주철의 제조 방법에 따르면, 전체 중량 대비 약 2.6 중량% 내지 약 3.2 중량%의 탄소(C), 약 1.6 중량% 내지 약 2.0 중량%의 규소(Si), 약 0.6 중량% 내지 약 0.8 중량%의 망간(Mn), 약 0.1 중량% 내지 약 0.15 중량%의 황(S), 적어도 0 중량%를 초과하며 약 0.05 중량% 이하의 인(P) 및 잔량의 철(Fe)을 포함하며, 탄소 및 황의 중량비(C/S)가 약 18 내지 약 27이며, 망간 및 황의 중량비(Mn/S)가 약 4 내지 약 8인 제1 용탕을 제조한다. 상기 제1 용탕을 제1 접종제를 포함하는 레이들에 출탕하여 제2 용탕을 제조한다. 상기 제2 용탕을 주형에 주입하면서 제2 접종제로 접종 처리한다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 용탕은 전체 중량 대비 약 0.1 중량% 내지 약 0.5 중량%의 구리(Cu), 약 0.03 중량% 내지 약 0.08 중량%의 주석(Sn) 및 약 0.2 중량% 내지 약 0.5 중량%의 크롬(Cr) 을 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 접종제 및 상기 제2 접종제로서 철-규소(Fe-Si) 계열 접종제를 사용할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 주형은 상기 제1 용탕이 일시적으로 잔류하는 주입대야를 포함하며, 상기 제2 접종제는 상기 주입대야 내부에 배치될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 주형은 상기 주입대야를 포함하는 주입부, 주형 본체 및 상기 주입대야와 상기 주형 본체를 유체 연결시키는 주입로를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 주형은 베드(bed), 칼럼(Column) 또는 새들(saddle)과 같은 공작 기계 부품 제조용 주형일 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 상술한 편상 흑연 주철로 형성되며 베드(bed), 칼럼(Column) 또는 새들(saddle) 중 적어도 하나를 포함하는 공작기계가 제공된다.

전술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 편상 흑연 주철에 포함된 주철 원소인 탄소와 황 및 망간과 황의 함량비를 동시에 소정의 범위로 조절함으로써 편상 흑연 주철 내 흑연의 비율을 감소시킬 수 있다. 따라서, 추가적인 원소의 추가에 따른 제조원가 상승 없이 고강도의 편상 흑연 주철을 수득할 수 있다.

또한, 상기 편상 흑연 주철을 사용하여 공작 기계 부품을 제조하는 경우 고하중에 의한 부품 처짐 현상을 개선할 수 있다.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 편상 흑연 주철의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 편상 흑연 주철의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 모식도이다.
도 3a, 도3b 및 도 3c는 실시예 1, 비교예 2 및 비교에 4에 따른 편상 흑연 주철의 미세 조직을 나타내는 이미지들이다.
도 4는 테이블이 조립된 새들에 있어서 새들 처짐 현상을 개략적으로 나타내는 도면이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에 사용되는, 용어"약"은 개시된 함량, 농도 등과 같은 수치에 있어서, 전형적으로 언급된 수치의 균등물 범위에 있는 +/- 범위까지 포함하는 것으로 이해된다.

본 출원에서 사용되는 "잔량"이라는 용어는 언급된 성분들을 제외한 나머지 양을 의미하나, 추가적인 다른 성분들이 포함될 경우 가변적으로 변화될 수 있는 개방적 의미로 이해되어야 한다.

본 출원에 있어서, 일부 실시예들은 범위 형식으로 개시될 수 있다. 범위에 대한 설명은 모든 가능한 서브-범위들 뿐만 아니라, 그 범위 안에 있는 개별적 수치도 개시하는 것으로 이해된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일하거나 유사한 구성요소에 대해서는 동일하거나 유사한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

공작기계용 편상 흑연 주철

예시적인 실시예들에 따르면, 공작기계용 편상 흑연 주철은 주철 성분 및 강화 성분을 포함할 수 있다. 상기 주철 성분의 예로서 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P) 및 황(S)을 들 수 있다. 상기 강화 성분의 비제한적인 예로서 구리(Cu), 주석(Sn) 및 크롬(Cr)을 들 수 있다. 상기 편상 흑연 주철은 상기 주철 성분 및 상기 강화 성분을 포함하며, 잔량의 철(Fe)을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 상기 편상 흑연 주철은 전체 중량 대비 탄소 약 2.6 중량% 내지 약 3.2 중량%, 규소 약 1.6 중량% 내지 약 2.0 중량%, 망간 0.6 중량% 내지 약 0.8 중량%, 황 약 0.1 중량% 내지 약 0.15 중량% 및 인 약 0.05 중량% 이하의 중량비로서 상기 주철 성분을 포함할 수 있다.

상기 편상 흑연 주철은 상기 주철 성분에 부가하여 전체 중량 대비 약 0.3 중량% 내지 약 1 중량%의 상기 강화 성분을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 편상 흑연 주철은 상기 주철 성분에 부가하여 구리 약 0.1 중량% 내지 약 0.5 중량%, 주석 약 0.03 중량% 내지 0.08 중량%, 크롬 약 0.2 중량% 내지 0.5 중량% 및 잔량의 철을 포함할 수 있다.

예를 들면, 상기 편상 흑연 주철은 전체 중량 대비 약 93 중량% 내지 약 95 중량%의 철을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 편상 흑연 주철은 전체 중량 대비 약 94 중량% 내지 약 94.7 중량%의 철을 포함할 수 있다.

예를 들면, 탄소는 편상 흑연 정출을 위해 첨가될 수 있으며, 황은 흑연 형성을 보조하는 역할을 수행할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 편상 흑연 주철에 있어서 탄소 및 황의 중량비(C/S)는 약 18 내지 약 27 범위의 값을 가질 수 있다.

상기 탄소 및 황의 중량비가 약 18 미만인 경우, 응고 시 과냉각에 의해 칠(chill) 현상, 탄화물(carbide) 형성 등이 야기될 수 있다. 이에 따라, 상기 편상 흑연 주철의 가공성이 저하될 수 있다. 한편 상기 탄소 및 황의 중량비가 약 27을 초과하는 경우, 흑연의 크기가 지나치게 증가하여 상기 편상 흑연 주철의 강도가 저하될 수 있다.

예를 들면, 망간은 형성된 흑연 및 펄라이트(perlite)의 안정화를 위해 첨가될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 편상 흑연 주철에 있어서 망간 및 황의 중량비(Mn/S)는 약 4 내지 약 8 범위의 값을 가질 수 있다.

상기 망간 및 황의 중량비가 약 4 미만인 경우, 황의 함량이 지나치게 증가하여 과냉각에 의해 칠(chill) 현상, 탄화물(carbide) 형성 등이 야기될 수 있다. 또한, 황의 함량이 0.15 중량%를 초과할 경우 과다 함유로 인해 기지 조직으로부터 황이 정출될 수 있다. 한편, 상기 망간 및 황의 중량비가 약 8을 초과하는 경우 황 원소 전부가 황화망간(MnS) 형성으로 소진될 수 있으며, 흑연의 과성장을 야기할 수 있다. 이에 따라, 상기 편상 흑연 주철의 강도가 저하될 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 상술한 바와 같이 상기 편상 흑연 주철에 함유된 탄소 대 황의 중량비 및 망간 대 황의 중량비를 특정 범위 내로 조절함으로써, 추가적인 원소의 도입 없이 상기 편상 흑연 주철의 강도를 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 탄소 대 황 중량비 및 상기 망간 대 황 중량비를 최적 범위로 조절함으로써, 기지 조직 내 흑연의 과성장을 억제하여 흑연의 면적비를 억제할 수 있다. 또한, 기지 조직 내 칠 현상, 탄화물 형성 등의 부작용이 억제되고, 펄라이트 분율이 증가될 수 있다.

편상 흑연 주철은 우수한 주조성, 열전도성 및 진동 감쇄능 특성으로 인해 공작 기계의 베드(bed), 칼럼(column) 또는 새들(saddle)과 같은 부품에 적용될 수 있다. 그러나, 강도가 상대적으로 약한 편상 흑연 주철을 사용하는 경우, 높은 하중이 집중되는 부분에서 부품 처짐 현상이 발생할 수 있다. 상기 부품 처짐 현상을 억제하기 위해 상기 공작 기계 또는 부품 자체의 구조를 변경하는 방법이 있으나, 이는 상기 공작 기계 전체의 설계 변경을 가져올 수 있으며, 고비용이 소요된다는 한계가 있다.

또한, 상기 편상 흑연 주철의 강도 향상 목적으로 구리, 주석, 크롬과 같은 합금 원소를 다량 첨가하는 방법이 있으나, 구리 또는 주석과 같은 경우에는 상대적으로 고가의 비용이 소요되어 상기 공작기계의 제조 원가를 지나치게 상승시키는 문제점이 있다. 한편, 크롬의 경우에는 상대적으로 단가가 낮지만 상기 편상 흑연 주철에 과량 함유될 경우, 칠 현상을 심화시킨다는 문제가 있다.

그러나, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 별도의 공작 기계 구조 변경 및 합금 원소의 과량 추가 없이, 편상 흑연 주철에 포함되는 상기 주철 성분의 중량비를 최적화 함으로써 베드, 컬럼 및 새들과 같은 주물품의 하중에 의한 처짐량을 개선할 수 있는 고강도의 편상 흑연 주철을 제조할 수 있다. 예를 들면, 상기 편상 흑연 주철은 약 350MPa 이상의 강도를 가질 수 있다.

또한, 상기 편상 흑연 주철을 공작 기계의 베드, 칼럼 또는 새들에 적용하여 부품 처짐 현상이 억제된 가공 정밀도가 높은 공작 기계를 제작할 수 있다.

예시적인 실시예들에 따른 상기 편상 흑연 주철에 있어서, 규소는 상술한 탄소 및 황의 중량비 및 상기 망간 및 황의 중량비 범위에서 적정 범위로 첨가되어 편상 흑연 정출량을 촉진하며, 형성된 흑연을 안정화 하는 역할을 수행할 수 있다. 상술한 바와 같이, 규소는 약 1.6 중량% 내지 약 2.0 중량%의 함량으로 상기 편상 흑연 주철에 첨가될 수 있다.

규소의 함량이 약 1.6중량% 미만인 경우 칠 현상이 발생할 수 있으며, 충분한 편상 흑연 정출량이 확보되지 않을 수 있다. 한편, 규소의 함량이 약 2.0 중량%를 초과하는 경우, 흑연이 과다 정출되거나 페라이트량이 증가 될 수 있다. 따라서, 상술한 탄소 대 황 중량비 및 상기 망간/황 중량비 범위의 조건 하에서 약 1.6 중량% 내지 약 2.0 중량%의 함량으로 규소를 함유시킴으로써, 안정적인 기지 조직 구조 및 소정의 고강도를 갖는 공작기계 부품용 고강도 편상 흑연 주철을 수득할 수 있다.

인은 편상 흑연 주철에 일종의 불순물로서 첨가될 수 있다. 인의 함량이 과도한 경우 인화물이 형성되고 이로 인해 취성이 증가하는 문제점이 있다. 따라서, 인의 함량은 약 0.05중량%로 억제할 수 있다. 인 함량의 하한치는 특별히 제한되지 않으며 0 중량%로 포함될 수 있다. 그러나, 현실적으로 편상 흑연 주철의 제조 공정상 미량의 불순물로서 인이 포함되므로 0 중량%의 인 함량은 곤란할 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 상기 공작기계용 편상 흑연 주철은 상기 강화 성분으로서 구리, 주석 및/또는 크롬을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 편상 흑연 주철은 상술한 주철 성분과 함께 구리 약 0.1 중량% 내지 약 0.5 중량%, 주석 약 0.03 중량% 내지 0.08 중량%, 크롬 약 0.2 중량% 내지 0.5 중량% 및 잔량의 철을 포함할 수 있다.

상기의 강화 성분은 기지 조직 강화 원소로서 펄라이트 형성을 촉진하고 미세화하는 작용을 할 수 있다. 이에 따라, 적절량의 상기 강화 성분을 첨가하여 상기 편상 흑연 주철의 강도를 증가시킬 수 있다.

예를 들어, 구리의 함량이 약 0.1 중량% 미만인 경우 상술한 강도 향상 효과가 불충분할 수 있다. 구리의 함량이 약 0.5 중량%을 초과하는 경우 비용이 지나치게 증가하여 비경제적이다.

예를 들어, 주석의 함량이 약 0.03 중량% 미만인 경우 상술한 강도 향상 효과가 불충분할 수 있다. 한편, 주석의 함량이 약 0.08 중량%을 초과하는 경우 비용이 지나치게 증가하여 비경제적이며 취성이 증가한다는 문제점이 있다.

예를 들어, 크롬은 편상 흑연 주철의 강도 향상을 위한 강화 성분이지만 동시에 탄화물 형성을 촉진하도록 작용할 수도 있다. 크롬의 함량이 약 0.2 중량% 미만인 경우 상술한 강도 향상 효과가 불충분할 수 있다. 한편, 크롬의 함량이 약 0.5 중량%를 초과하는 경우 탄화물의 형성 경향이 지나치게 높아져 칠 현상, 취성증가 및 가공성 저하를 초래할 수 있다.

공작기계용 편상 흑연 주철의 제조 방법

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 편상 흑연 주철의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. 도 2는 예시적인 실시예들에 따른 편상 흑연 주철의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 모식도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 주철 재료를 용해로(100)에 용융시켜 제1 용탕 (110)을 제조한다(단계 S10).

예시적인 실시예들에 따르면 제1 용탕(110)은 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P) 및 황(S)을 포함하는 주철 성분을 포함할 수 있다. 상기 주철 성분은 제1 용탕(110)의 총 중량 대비 탄소 약 2.6 중량% 내지 약 3.2 중량%, 규소 약 1.6 중량% 내지 약 2.0 중량%, 망간 0.6 중량% 내지 약 0.8 중량%, 황 약 0.1 중량% 내지 약 0.15 중량% 및 인 약 0.05 중량% 이하의 중량비로 제1 용탕(110)에 함유될 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 제1 용탕(110)은 강화 성분으로서 구리(Cu), 주석(Sn) 및 크롬(Cr)을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 강화 성분은 제1 용탕(110)의 총 중량 대비 구리 약 0.1 중량% 내지 약 0.5 중량%, 주석 약 0.03 내지 0.08 중량% 및 크롬 약 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 중량비로 제1 용탕(110)에 함유될 수 있다.

제1 용탕(110)은 상술한 중량비로 상기 주철 성분 및 상기 강화 성분을 포함하며, 잔량의 철을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 주철 성분 및 상기 강화 성분들이 함께 철과 함께 제1 용탕(110)으로 제조될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 강화 성분은 별도로 제1 용탕(110)에 첨가될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 예비 용탕을 제조하고 예를 들면 분광분석장비를 통해 상기 예비 용탕의 성분 분석을 수행한 후, 부족한 성분이 있으면 추가로 첨가함으로써 상술한 중량비를 만족하는 제1 용탕(110)을 수득할 수 있다.

이어서, 제1 용탕(110)을 레이들(ladle, 200) 내부로 출탕시킨다(단계 S20). 상기 출탕과 함께 제1 접종제(210)에 의해 제1 접종 공정이 수행될 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 제1 접종제(210)는 철-규소(Fe-Si) 계열 접종제를 포함할 수 있으며, 바륨(Ba), 칼슘(Ca)과 같은 미량의 추가 원소를 더 포함할 수도 있다.

제1 용탕(110)에 대해 레이들(200) 내부에서 상기 제1 접종 공정을 수행함으로써 제2 용탕(120)을 수득할 수 있다.일 실시예에 있어서, 레이들(200) 내부의 제2 용탕(120)에 대해 열분석기 등을 사용한 성분 분석을 수행하여 부족한 성분에 대해서는 더 추가할 수 있다. 이에 따라, 상기 출탕 과정에서 소실된 성분에 대한 보충이 수행될 수 있다.

이어서, 레이들(200) 내부의 제2 용탕(120)을 주형(mold, 300) 내부로 주입한다(단계 S30). 예시적인 실시예들에 따르면, 주형(300)으로의 주입 공정과 함께 제2 접종제(220)에 의한 제2 접종 공정이 수행될 수 있다.

주형(300)은 제2 용탕(120)이 주입되는 주입부(310) 및 주형 본체(320)를 포함할 수 있다. 주입부(310) 및 주형 본체(320)는 일체로 구성될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 주형(300)은 베드(bed), 칼럼(Column) 또는 새들(saddle)과 같은 공작 기계용 부품 제조를 위한 주형일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2 접종 공정은 주입대야(pouring basin, 315)를 이용하여 수행될 수 있다. 이 경우, 주형(300)의 주입부(310)에는 제2 용탕(120)이 일시적으로 잔류하는 주입대야(315)가 구비될 수 있으며, 주입대야(315) 내부에는 제2 접종제(220)가 배치될 수 있다.

제2 접종제(220)로서 제1 접종제(210)와 실질적으로 동일하거나 유사한 접종제를 사용할 수 있다. 예를 들어, 제2 접종제(220)로서 철-규소 계열 접종제를 사용할 수 있으며, 바륨, 칼슘 등과 같은 미량의 추가 원소를 더 추가할 수도 있다.

제2 접종제(220)를 통한 상기 제2 접종 공정이 수행됨으로써 제2 용탕(120)은 주철 용융액으로 변환될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 주형(300)은 주입대야(315)와 주형 본체(320) 내부를 유체 연결시키는 주입로(330)가 구비될 수 있다. 상기 주철 용융액은 주입로(330)를 통해 주형 본체(320) 내부로 유입될 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 주형(300) 및/또는 주형 본체(320)는 공작 기계의 베드, 칼럼 또는 새들 등의 부품을 제조하기 위한 것일 수 있다.

이후, 일정 시간 동안 상기 주철 용융액을 주형 본체(330) 내부에서 주조한 후, 냉각 공정을 통해 최종 편상 흑연 주철을 제조할 수 있다. 상기 편상 흑연 주철은 상기 베드, 칼럼 또는 새들 등과 같은 공작 기계 부품으로 제공될 수 있다.

상술한 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 편상 흑연 주철의 제조 방법에 따르면, 2차에 걸쳐 접종 공정이 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 접종 공정은 레이들 내부에서의 인-레이들(In-Ladle) 접종 및 주형 내부에서 수행되는 인-몰드(In-Mold) 접종 공정을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 따른 상기 용탕은 고강도 편상 흑연 주철 형성을 위해 탄소의 함량이 상대적으로 부족할 수 있다. 따라서, 원하는 편상 흑연 형상을 형성하고, 칠 현상을 방지하기 위해 복수의 접종 공정을 수행할 필요가 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 접종 공정을 위해 별도의 공정 단계 및/또는 장비의 추가 없이 출탕 및 주조 단계와 동시에 접종 공정을 수행하므로, 비용 증가 없이 효과적으로 복수의 접종 공정이 수행될 수 있다.

이하에서는, 구체적인 실시예 및 비교예를 통해 공작기계용 편상 흑연 주철의 특성에 대해 설명한다.

실시예 및 비교예

표 1에 따른 조성비에 따라 실시예들 및 비교예들에 따른 용탕을 제조하고 이를 출탕시 Fe-Si 접종제를 통한 1차 접종 공정 이후 주입과 동시에 Fe-Si계열의 접종제를 사용하여 2차 접종을 하여 공작기계용 편상 흑연 주철을 제조하였다. 구체적으로, 탄소, 규소, 망간, 인을 포함하는 원탕을 제조하고 구리, 주석 및 크롬의 강화 성분을 표 1의 조성비로 조절되도록 첨가하였다. 한편, 황은 용융과정이 장시간 진행될 경우 탈황되는 경향이 있으므로 최종적으로 첨가하였다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Cu	Sn	Cr	Fe	C/S	Mn/S
실시예 1	2.70	1.60	0.60	0.030	0.150	0.15	0.050	0.20	잔량	18	4.0
실시예 2	2.65	1.90	0.78	0.021	0.150	0.25	0.070	0.30	잔량	18	5.2
실시예 3	2.60	1.60	0.79	0.040	0.100	0.15	0.051	0.21	잔량	26	7.9
실시예 4	2.88	1.90	0.80	0.030	0.150	0.15	0.069	0.21	잔량	19	5.3
실시예 5	2.71	1.75	0.79	0.030	0.150	0.23	0.007	0.28	잔량	18	5.3
실시예 6	2.73	1.78	0.80	0.029	0.100	0.20	0.063	0.23	잔량	27	8.0
비교예 1	2.75	1.80	0.81	0.030	0.100	0.15	0.052	0.21	잔량	28	8.1
비교예 2	2.60	1.89	0.56	0.021	0.150	0.25	0.070	0.28	잔량	17	3.7
비교예 3	2.95	1.90	0.82	0.033	0.080	0.25	0.050	0.22	잔량	37	10.3
비교예 4	3.20	1.88	0.89	0.037	0.110	0.01	0.010	-	잔량	29	8.1
비교예 5	3.10	2.00	0.59	0.027	0.16	0.31	0.007	0.28	잔량	21	3.7
비교예 6	3.00	1.78	0.50	0.029	0.149	0.20	0.050	0.15	잔량	20	3.4

실시예들 및 비교예들에 따라 제조된 각각의 편상 흑연 주철에 대해 인장 강도, 경도, 흑연 면적비율, 흑연크기 및 새들(Saddle)의 처짐량을 측정하였으며, 측정 결과를 하기의 표 2에 나타낸다.

구분	탄소 당량	인장강도 (MPa)	경도 (HBW)	흑연 면적비율 (%)	흑연 크기 (um)	새들 처짐량(um)
실시예 1	3.13	368	255	6.00	70∼110	16.9
실시예 2	3.28	373	257	7.23	80∼130	17.2
실시예 3	3.13	368	255	8.52	90∼130	17.2
실시예 4	3.51	355	243	9.00	70∼120	18.6
실시예 5	3.29	365	245	7.92	70∼120	18.5
실시예 6	3.32	365	241	7.42	70∼120	18.5
비교예 1	3.35	340	280	5.99	50∼69	19.1
비교예 2	3.23	345	285	9.11	50∼65	19.1
비교예 3	3.58	310	230	10.23	170∼220	20.5
비교예 4	3.83	280	212	11.35	200∼250	21.0
비교예 5	3.77	285	220	10.96	210∼250	21.0
비교예 6	3.59	285	225	9.88	150∼200	20.4

도 3a, 도3b 및 도 3c는 각각 실시예 1, 비교예 2 및 비교에 4에 따른 편상 흑연 주철의 미세 조직을 나타내는 이미지들이다. 구체적으로, 도 3a, 도3b 및 도 3c의 좌측 이미지들은 금속현미경에서 각각 100배의 배율로 촬영한 것이고, 우측 이미지들은 전자 현미경에서 각각 1,000배, 1,500배 및 400배의 배율로 촬영한 것이다.

표 1 및 표 2를 참조하면, 실시예들의 경우 탄소 및 황의 중량비(C/S), 및 망간 및 황의 중량비(Mn/S)가 각각 약 18 내지 약 27, 및 약 4 내지 약 8의 범위로 유지되었다. 반면, 비교예들의 경우 탄소 및 황 중량비, 및 망간 및 황 중량비가 상기의 범위들에서 벗어난 양으로 첨가되었다.

실시예들에 따른 조성으로 제조된 편상 흑연 주철의 경우 모두 약 350Mpa 이상의 강도를 갖는 것으로 측정되었으나, 비교예들의 경우 350Mpa에 미치지 못하는 강도를 기록하였다.

또한, 대체적으로 실시예들에 따른 편상 흑연 주철의 경우 마이크로미터(um)로 표시된 흑연의 크기가 약 70um 내지 130um의 범위의 분포를 가지며 약 6% 내지 약 9%의 흑연의 면적비율을 갖는 것으로 나타났다. 반면, 비교예들의 경우 약 250um까지 흑연 크기의 분포가 증가하며 흑연의 면적비율도 약 9% 이상으로 증가함을 알 수 있다. 이러한 흑연의 크기 및 면적비율은 금속현미경과 이미지 분석 프로그램을 사용하여 측정하였다. 상기 흑연의 크기는 독립적으로 존재하는 흑연을 길이 방향으로 측정을 하였고, 상기 흑연의 면적비율은 금속현미경을 사용하여 100배의 배율로 미세조직 사진을 촬영하고 이미지 분석 프로그램 중 조직사진의 명암 차이를 이용하여 상 분석을 할 수 있는 기능을 가진 이미지 분석 프로그램을 사용하여 측정하였다.

도 4는 테이블이 조립된 새들에 있어서 새들 처짐 현상을 개략적으로 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 4는 새들(400) 위에 테이블(410)이 조립되어 새들(400)의 좌측단으로 이동된 경우 새들(400)의 처짐 현상을 도시하고 있다.

실시예들 및 비교예들에 따른 편상 흑연 주철로 제조된 새들에 있어서, 무부하 조건에서 새들의 좌측단에서 발생하는 상술한 새들의 처짐 현상을 마이크로미터(um) 단위로 측정하여 표 2의 최우측 칼럼에 새들 처짐량으로 기록하였다. 표 2를 참조하면, 실시예들의 편상 흑연 주철로 제조된 새들의 경우 전체적으로 18.5um이하의 새들 처짐량을 나타내었다. 반면, 비교예들의 편상 흑연 주철로 제조된 새들의 경우 모두 19um을 초과하는 새들 처짐량을 나타내었으며, 특히 비교예 3 내지 비교예 6의 경우 새들 처짐량이 20um을 초과하였다.

상술한 바와 같이, 탄소/황 중량비 및 망간/황 중량비가 예시적인 실시예들에 따른 소정의 범위에서 벗어남에 따라 흑연의 크기 및 면적비율이 증가하며, 편상 흑연 주철의 강도가 감소함을 예측할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 편상 흑연 주철에 함유된 탄소 및 황 중량비와 망간 및 황 중량비를 소정의 범위로 제어함으로써, 흑연 크기 및 흑연 면적비율을 감소시키고 고강도의 편상 흑연 주철을 제조할 수 있다.

예시적인 실시예들에 따른 편상 흑연 주철은 우수한 가공성을 가짐과 동시에 고강도를 가지므로 공작 기계의 베드, 칼럼, 새들과 같은 부품에 적용되어 제조 원가의 상승 없이 공작 기계의 처짐 현상 등과 같은 불량을 효과적으로 개선할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 용해로 110: 제1 용탕
120: 제2 용탕 200: 레이들
210: 제1 접종제 220: 제2 접종제
300: 주형 310: 주입부
315: 주입대야 320: 주형 본체
330: 주입로 400: 새들
410: 테이블

Claims

전체 중량 대비 2.6 중량% 내지 3.2 중량%의 탄소(C), 1.6 중량% 내지 2.0 중량%의 규소(Si), 0.6 중량% 내지 0.8 중량%의 망간(Mn), 0.1 중량% 내지 0.15 중량%의 황(S), 적어도 0 중량%를 초과하고 0.05 중량% 이하의 인(P) 및 잔량의 철(Fe)을 포함하며,
탄소 및 황의 중량비(C/S)가 18 내지 27 이며, 망간 및 황의 중량비(Mn/S)가 4 내지 8인 것을 특징으로 하는 공작기계용 편상 흑연 주철.
제1항에 있어서, 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 구리(Cu), 0.03 중량% 내지 0.08 중량%의 주석(Sn) 및 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 크롬(Cr)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 편상 흑연 주철.
제1항에 있어서, 흑연의 크기 분포가 70마이크로미터(um) 내지 130마이크로터(um)인 것을 특징으로 하는 공작기계용 편상 흑연 주철.
제1항에 있어서, 흑연의 면적비율이 6% 내지 9%인 것을 특징으로 하는 공작기계용 편상 흑연 주철.
전체 중량 대비 2.6 중량% 내지 3.2 중량%의 탄소(C), 1.6 중량% 내지 2.0 중량%의 규소(Si), 0.6 중량% 내지 0.8 중량%의 망간(Mn), 0.1 중량% 내지 0.15 중량%의 황(S), 적어도 0 중량%를 초과하고 0.05 중량% 이하의 인(P) 및 잔량의 철(Fe)을 포함하며, 탄소 및 황의 중량비(C/S)가 18 내지 27 이며, 망간 및 황의 중량비(Mn/S)가 4 내지 8인 제1 용탕을 제조하는 단계;
상기 제1 용탕을 제1 접종제를 포함하는 레이들에 출탕하여 제2 용탕을 제조하는 단계; 및
상기 제2 용탕을 주형에 주입하면서 제2 접종제로 접종 처리하는 단계를 포함하는 공작기계용 편상 흑연 주철의 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 제1 용탕은 전체 중량 대비 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 구리(Cu), 0.03 중량% 내지 0.08 중량%의 주석(Sn) 및 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 크롬(Cr)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 편상 흑연 주철의 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 제1 접종제 및 상기 제2 접종제는 철-규소(Fe-Si) 계열 접종제를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 편상 흑연 주철의 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 주형은 상기 제1 용탕이 일시적으로 잔류하는 주입대야를 포함하며, 상기 제2 접종제는 상기 주입대야 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 공작기계용 편상 흑연 주철의 제조 방법.
제8항에 있어서, 상기 주형은,
상기 주입대야를 포함하는 주입부;
주형 본체; 및
상기 주입대야 및 상기 주형 본체를 유체 연결시키는 주입로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 편상 흑연 주철의 제조 방법,
제5항에 있어서, 상기 주형은 베드(bed), 칼럼(Column) 및 새들(saddle)로 구성된 그룹에서 선택된 공작 기계 부품 제조용인 것을 특징으로 하는 공작기계용 편상 흑연 주철의 제조 방법.
제1항에 따른 상기 편상 흑연 주철로 형성된 베드(bed), 칼럼(Column) 및 새들(saddle)로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 부품을 포함하는 공작 기계.