KR20200080933A - 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법 및 현가 부품 - Google Patents

흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법 및 현가 부품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가공성이 향상된 오스템퍼드 구상흑연주철의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 오스템퍼드 구성흑연주철 제품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원료 용탕에 구상화제 및 1차 접종제를 첨가하여 기지조직의 심부까지 균질한 구상흑연을 생성하고, 2차 접종으로 몰드에 2차 접종제를 국부 도포하여 2차 접종제가 도포된 몰드에 구상화제 및 1차 접종제를 첨가된 원료 용탕을 주입하여 2차 접종제가 도포된 국부조직을 가공에 용이한 미세흑연으로 구상흑연 미세화함으로써 종래 오스템퍼드 구상흑연주철 대비 가공성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 오스템퍼드 구상흑연주철의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 오스템퍼드 구성흑연주철을 포함하는 자동차용 제품에 관한 것이다.

Description

흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법 및 현가 부품{Method for Cast-Iron Product Based on Graphite Fine Organization and Suspension Component Thereof}
본 발명은 주철 주물 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가공이 필요한 부위만 국부적으로 가공성을 향상시킨 주철 주물로 제조된 차량의 현가 시스템의 현가 부품에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 현가시스템을 구성하는 주요 부품인 너클(Knuckle)은 휠에 장착된 상태에서 암(예, 컨트롤 암 또는 로어/어퍼 암)과 스테빌라이저 바 등이 연결되는 특성상 우수한 기계적 특성과 우수한 가공성의 요구 물성을 함께 갖추어야 한다.
상기 너클의 요구 물성을 충족하는 예로 주철 주물이 있고, 특히 주철 주물중 오스템퍼드 구상흑연주철(Austempered ductile cast iron, 이하 ADI)로 특정할 수 있다.
일례로 상기 ADI는 구상흑연주철(FCD: Ferrum casting Ductile)로 주철 주물을 제조한 다음 열처리(예, 오스템퍼링(Austempering))을 통하여 주철 주물내부의 기지조직(Matrix)을 개선하여 구상흑연주철(FCD)의 성질을 오스템퍼드(Austempered)로 강인화 시킨 조직이다.
그러므로 상기 ADI는 페라이트(Ferrite)와 펄라이트(Pearlite)의 혼합 조직을 기지조직으로 가짐으로써 탄소강, 합금강, 단조강과 같은 강소재 보다 강도 및 내마모성이 떨어지는 구상흑연주철(FCD))의 단점을 오스템퍼링을 통한 베이나이트(bainite)의 기지조직으로 극복하여 준다. 그 결과 상기 ADI는 구상흑연주철(FCD) 대비 높은 강도와 함께 연성, 인성, 피로강도 및 내마모성이 우수한 기계적 특성을 가질 수 있다.
따라서 상기 ADI는 우수한 기계적 특성과 함께 우수한 가공성을 충족하여야하는 너클에 적합한 재료로 사용될 수 있다.
그러나 너클의 요구 가공성은 ADI로 충족하기에 한계성을 가질 수밖에 없는데, 이는 ADI의 베이나이트 기지조직이 갖는 높은 강도와 인성으로 인해 가공성이 떨어지기 때문이다.
이로 인하여 상기 ADI의 취약한 가공성을 향상시키기 위한 여러 기술 개발이 시도되고 있으나, 현재까지의 기술개발은 고가의 원소를 사용함에 따른 비용상승으로 경쟁력 저하를 가져오고 있다.
일본특허공보 제2000-239780호
이에 상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 주철 주물 제조 시 용탕에 대한 적어도 2회의 접종제 도포 효과로 강도와 인성이 낮춰진 ADI(Austempered ductile cast iron)로 전환시킴으로써 우수한 가공성을 부여하여 주고, 특히 가공이 필요한 부위로 국한된 국부 가공성 향상 구조로 접종제 사용에 따른 원가 상승 억제가 가능함으로써 제품 경쟁력도 우수한 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법 및 현가 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법은 원소재의 원료 용탕에 첨가되는 접종제가 상기 원료 용탕의 응고 전에 1,2차로 구분되어 2회 접종되는 접종 공정이 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 원소재는 고철, 선철, 합금철 등으로 합금성분을 조절할 수 있다.
바람직하게 상기 접종제의 1차 접종은 상기 원료 용탕이 담긴 로에서 이루어지고, 2차 접종은 상기 원료 용탕이 주입되는 몰드에서 이루어진다. 상기 접종제는 상기 1차 접종과 상기 2차 접종에서 성분을 달리한다.
바람직하게 상기 접종 공정은 용탕 공정과 주입 공정으로 이루어지고; 상기 용탕 공정은 상기 응고전에 상기 접종제가 상기 원료 용탕으로 투여되는 1차 접종과 함께 구상화제가 투여되는 구상화를 수행하여, 로에서 상기 원료 용탕을 접종 용탕으로 전환시키며; 상기 주입 공정은 상기 몰드에 상기 접종제가 투여되는 2차 접종 수행 후 상기 접종 용탕을 주입한 다음 상기 몰드에서 상기 응고를 통해 상기 접종 용탕을 주철 주물로 전환시켜 준다.
바람직하게 상기 1차 접종은 Fe-Si을 상기 접종제로 사용하고, 상기 Fe-Si는 상기 원료 용탕 전체 조성에 대해 Si가 0.3중량% 내지 0.7중량%로 포함되고, Fe를 잔부로 한다.
바람직하게 상기 구상화제는 Fe 또는 Fe-Mg 합금철로 이루어진다.
바람직하게 상기 2차 접종은 Fe-Si-Bi를 상기 접종제로 사용하고, 상기 Fe-Si-B는 상기 접종 용탕 전체 조성에 대해 Si가 0.3중량% 내지 0.7중량%이면서 비스무트(Bi)가 0.2 중량% 내지 0.5 중량%로 포함되고, Fe를 잔부로 한다.
바람직하게 상기 2차 접종은 상기 주철 주물의 가공부에 이루어지고, 상기 가공부는 상기 주철 주물의 전체 영역 중 일부 영역으로 형성된다.
바람직하게 상기 원료 용탕은 상기 접종제의 투여 또는 상기 구상화제의 투여 전 상기 원료 용탕의 성분 조절 필요성이 확인된다.
바람직하게 상기 주철 주물은 상기 몰드 내에서 응고가 완료되면 상기 몰드에서 꺼내어 열처리를 수행하여, 상기 주철 주물을 ADI로 전환시켜준다.
바람직하게 상기 열처리는 오스템퍼링이다.
바람직하게 상기 ADI는 가공을 거쳐 현가 시스템의 너클로 제조된다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 현가 부품은 Fe-Si를 접종제로 한 1차 접종과 함께 Fe 또는 Fe-Mg합금철을 구상화제로 한 구상화 처리된 다음 Fe-Si-Bi 를 접종제로 한 2차 접종 후 응고 상태에서 오스템퍼링 열처리된 ADI로 제조되고, 상기 ADI의 전체 영역 중 상기 2차 접종으로 흑연 미세 조직화을 갖는 가공부에 대한 가공으로 너클로 제품화되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 ADI는 상기 가공부의 평균 구상 흑연의 크기가 30㎛ 이하이면서 단위 면적당(1mm3) 흑연립 수가 310개 내지 450개이며, 상기 가공부 이외 비가공부는 평균 구상 흑연의 크기가 40㎛ 내지 50㎛이면서 단위 면적당(1mm3) 흑연립 수가 320개 내지 350개이다.
바람직하게 상기 가공부의 구상화율은 65% 내지 75%이고, 상기 비가공부의 구상화율은 61% 내지 64%이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법에 의하면, 주철 주물이 차별적인 접종제 투여에 의한 흑연 미세 조직화로 강도와 인성을 낮춘 ADI로 제조됨으로써 현가 시스템의 너클이 요구하는 우수한 가공성을 가지면서도 저비용에 따른 제품 경쟁력도 월등이 향상된 효과가 있다.
또한 본 발명의 ADI 제조방법에 의하면, 몰드의 제품 가공부에 도포된 2차 접종제에 의해 가공부의 조직이 국부적으로 30㎛ 이하의 미세흑연이 형성되어 미세흑연이 형성되지 않은 구상흑연주철(FCD)의 가공성 100%를 기준으로 가공부의 가공성이 120%로 향상되며, 또한 이를 오스템퍼링(Austempering)이라는 열처리를 통하여 ADI을 형성하는 경우의 가공부의 가공성은 70%정도로 유지되는 바, 기존 ADI에서 나타난 20% 정도의 가공성보다 가공성이 월등이 향상된 효과가 있다.
아울러, 본 발명의 ADI 제조방법은 니켈(Ni) 등과 같은 고가의 금속이 아닌 2차 접종제로 비스무트(Bi)를 사용함으로써 상대적으로 비용이 저렴하기 때문에 제품의 양산 시 그 제조 단가를 낮출 수 있는 가능성이 있다.
도 1은 본 발명의 현가 부품에 적용되는 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법을 간략하게 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 흑연 미세 조직화 주철 주물이 강도와 인성을 낮춰 가공성 향상된 ADI로 전환된 상태이다.
도 3은 본 발명의 ADI를 가공하여 현가 부품의 너클로 제조되는 상태이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 비가공부의 구상흑연주철(FCD)의 기지조직을 광학 현미경으로 관찰한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따라 오스템퍼링(Austempering) 열처리를 통해 형성된 오스템퍼드 구상흑연주철(ADI)의 비가공부에 대한 기지조직을 광학 현미경으로 관찰한 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 3에 따른 구상흑연주철(FCD)의 가공부에 대한 기지조직을 광학 현미경으로 관찰한 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 3에 따라 오스템퍼링(Austempering) 열처리를 통해 형성된 ADI의 가공부에 대한 기지조직을 광학 현미경으로 관찰한 사진이다.
도 8은 본 발명의 오스템퍼드 구상흑연주철 제조방법에서 몰드에 2차 접종만 실시할 경우 ADI의 가공부에 대한 기지조직을 광학 현미경으로 관찰한 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 ADI을 포함하는 제품의 가공부에서 기계적 가공성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명의 가공성이 향상된 오스템퍼드 구상흑연주철의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 오스템퍼드 구상흑연주철(ADI)의 제품에 대해 설명한다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 “포함한다” 또는 “첨가한다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또한 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한 본 발명의 오스템퍼드 구상흑연주철(ADI)의 제조방법에서 '접종'이라는 것은 흑연 형상 및 미세 조직의 형성을 위해 원료 용탕에 접종제를 첨가하여 기지조직의 균일화 시키는 과정을 의미한다.
도 1을 참조하면, 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법은 S10의 용해 공정, S20의 용탕 공정, S30의 주입 공정, S40의 후처리 공정, S50의 제품 공정으로 구현된다.
구체적으로 상기 S10~S40의 용해/용탕/주입/후처리 공정을 도 2와 함께 설명하면 하기와 같다. 특히 상기 용탕 공정(S20)과 상기 주입 공정(S30)은 접종 공정으로 특화되어 원소재의 용탕에 참가되는 접종제가 용탕의 응고 전에 1,2차로 구분되어 2회 접종된다.
일례로 상기 용해 공정(S10)은 목표 합금성분에 맞춰 원소재를 계량한 뒤, 로(1)(예, 전기로 또는 용광로)에 용해시킨다. 이를 위해 상기 용해 공정(S10)은 S11의 목표합금성분 설정 및 계량 단계와 같이 고철, 선철, 합금철 등으로 원소재의 합금성분을 조절하고, S12의 로 투입 및 용해 단계와 같이 로(1)에 계량된 원소재를 투입해 용해 시켜 준다. 그 결과 상기 용해 공정(S10)에서는 S13의 원료 용탕(10-1)이 확보된다.
일례로 상기 용탕 공정(S20)은 성분분석 장비를 통해 미세 성분 조절이 이루어지면서 흑연의 형상을 조절하기 위해 접종 및 구상화처리 등을 수행한다. 이 경우 상기 접종을 주입 공정(S30)의 접종과 구분하기 위해 1차 접종으로 명명된다.
이를 위해 상기 용탕 공정(S20)은 S21의 미세성분조절 단계와 같이 성분분석기(3)를 통해 원료 용탕(10-1)의 성분을 미세하게 조절하고, S22의 1차 접종 단계와 같이 로(1)에 담긴 원료 용탕(10-1)에 접종제를 접종하며, S23의 구상화 단계와 같이 로(1)에 담긴 원료 용탕(10-1)에 흑연의 형상을 구형 형상으로 조절하기 위해 구상화제를 첨가한다. 이 경우 상기 1차 접종 단계(S22)와 상기 구상화 단계(S22)는 접종제 투여에 이은 구상화제 투여 또는 구상화제 투여에 이은 접종제 투여로 구현될 수 있다.
그 결과 상기 용탕 공정(S20)은 원료 용탕(10-1)에서 내부적으로 진행된 흑연 구상화로 전체적으로 균질한 구상 흑연을 갖는 접종용탕(10-2)이 확보된다.
이 경우 상기 성분분석기(3)는 용탕 내의 성분을 측정하며, 원료 성분의 함량의 함량비를 특정하게 조절할 수 있는 통상적인 장비이다.
특히 상기 구상화제는 Fe 또는 Fe-Mg 합금철을 사용함이 바람직하며, 상기 Fe-Mg 합금철의 구상화제인 경우 특별히 한정되지 않는 Mg은 원료 용탕(10-1)의 전체 중량대비 0,015 중량%이상이 첨가되면서 Fe를 잔부로 함이 바람직하다. 상기 1차 접종제는 Fe-Si으로 이루어진 것이 바람직하며, 상기 1차 접종제의 첨가량도 특별히 한정되지 않으나 원료 용탕(10-1)의 전체 조성에 대해 Si가 0.3중량% 내지 0.7중량%로 포함되면서 Fe를 잔부로 함이 바람직하다. 이 경우 Si 함량은 전체 주물품에 대해 2.0 중량% 내지 3.0 중량%로 규제된다.
일례로 상기 주입 공정(S30)은 로(1)의 이동에 따른 몰드(5)을 준비하여 접종용탕(10-2)이 주입되기 전 몰드(5)에서 접종을 수행한다. 이 경우 상기 접종을 용탕 공정(S20)의 접종과 구분하기 위해 2차 접종으로 명명된다. 특히 상기 2차 접종은 몰드(5)의 제품 형상(예, 도 3의 너클(10))에 맞춰 부분적으로 이루어짐을 특징으로 하고, 제품 형상에 맞춘 부분부위는 밀링(milling), 드릴링(drilling) 및 리밍(reaming) 등과 같은 기계적인 가공공정이 수행되는 가공부이고, 이러한 가공부를 제외한 가공공정이 수행되지 않는 부분은 비가공부로 구분한다.
이를 위해 상기 주입 공정(S30)은 S31의 접종 용탕 몰드로 이동 단계와 같이 로(1)의 접종 용탕(10-2)을 주입하는 몰드(5)가 준비되고, S32의 접종 부위 선정 단계와 같이 2차 접종이 요구되는 가공부를 선정하며, S33의 2차 접종 단계와 같이 몰드(5)의 2차 접종 선정부에 접종제를 다시 접종하고, S34의 응고 단계와 같이 접종 용탕(10-2)을 몰드(5)로 주입한 다음 냉각시켜 준다.
그 결과 상기 주입 공정(S30)은 상온으로 냉각된 주철 주물(10-3)을 확보한다. 이 경우 상기 주철 주물(10-3)은 구상흑연주철(FCD)로서, 특히 2차 접종제가 도포된 부위인 가공부에서 2차 접종제가 원료 용탕에 용해되어 국부 조직의 구상 흑연의 미세화 진행으로 흑연 미세 조직화 주철 주물로 제조된다. 일례로 상기 주철 주물(10-3)의 가공부는 흑연크기 30㎛ 이하인 반면 비가공부는 흑연크기 60㎛ 이하이고, 상기 비가공부를 가공성 100%(기준)로 할 때 가공부는 가공성 120%로 향상된다. 이 경우 가공성 100%는 보통 단위 시간당 절삭 깊이(cm/min)를 나타내는 공작 기계를 이용한 금속 재료 가공의 용이성에 대하 기준치를 의미한다.
특히 상기 2차 접종제는 기계적 가공성이 향상되도록 기지조직에서 구상 흑연의 미세화를 진행할 수 있는 접종제이다.
이러한 상기 2차 접종제로는 Fe-Si-Bi으로 이루어진 것이 바람직하다. 상기 Fe-Si-Bi로 이루어진 2차 접종제에서 상기 접종 용탕(10-2)의 전체 조성에 대해 Si가 0.3중량% 내지 0.7중량%이면서 비스무트(Bi)가 0.2 중량% 내지 0.5 중량%를 포함되고, Fe를 잔부로 하는 것이 바람직하다. 일 구체예로 상기 Fe-Si-Bi는 Si가 접종 용탕(10-2)의 전체 조성에 대해 0.4 중량%이고, Bi가 상기 접종 용탕(10-2)의 전체 조성에 대해 0.4 중량% 비스무트(Bi)의 함량으로 이루어지며, Fe가 잔부로 되는 2차 접종제로 조성함이 가장 바람직하다. 이 경우 Si는 전체 주물품에 대해 2.0 중량% 내지 3.0 중량%로 규제된다.
일례로 상기 후처리 공정(S40)은 몰드(5)에서 꺼낸 주철 주물(10-3)을 오스템퍼링(austempering) 열처리에 의해 ADI(10-4)로 전환시켜 준다.
이를 위해 상기 후처리 공정(S40)은 S41의 몰드 추출단계와 같이 냉각된 주철 주물(10-3)을 몰드(5)에서 꺼내고, S42의 열처리 단계와 같이 오스템퍼링 열처리하여 준다. 그 결과 상기 후처리 공정(S40)은 ADI(10-4)를 확보한다. 이 경우 상기 ADI(10-4)의 비 가공부는 열처리로 효과로 가공성 20% 향상되는데 비해 가공부는 열처리로 효과로 가공성 70% 향상이 이루어진다.
특히 상기 ADI(10-4)을 제조하는 오스템퍼링 열처리 방법은, 일 구체예로 구상흑연주철(FCD)인 주철 주물(10-3)을 오스테나이트화(austenite) 되도록 소정의 온도로 가열처리하고, 이를 냉각시켜 베이나이트(bainite)화시켜 소재 표면에 베이나이트 조직이 안정적으로 형성되도록 등온 유지하는 과정을 통해 제조할 수 있다. 이때 상기 가열 처리하는 890℃ 내지 930℃의 온도 범위로 1분 내지 10분 동안 가열처리 할 수 있다.
상기 오스템퍼링 열처리 방법은 상기 제시된 방법에만 한정되지 않고, ADI(10-4)을 제조할 수 있는 다양한 방법으로 온도와 시간 범위 조건이 변경되어 적용될 수 있다.
구체적으로 상기 S50의 제품 공정을 도 3과 함께 설명하면 하기와 같다.
일례로 상기 제품 공정(S50)은 ADI(10-4)를 제품으로 제조하여 준다. 이를 위해 상기 제품 공정(S50)은 S51의 ADI 단계와 같이 설계 형상에 맞춰 필요한 표면/홀/탭 가공을 위한 밀링(milling), 드릴링(drilling) 또는 리밍(reaming)을 이용하고, 이를 통해 S52의 현가부품을 확보한다.
이 경우 상기 현가부품은 너클(10)로 제조된다.
이하 본 발명을 실시예 및 비교예를 통해 상세히 설명하며, 이러한 실시예 및 비교예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 반드시 한정되지 않는다. 또한 이하에선 로(1)는 전기로나 용광로를 포함하나 용광로로 설명되고, 원료용탕(10-1)/접종 용탕(10-2)을 원료 용탕으로 명칭 통일하고, 주철주물(10-3)/ADI(10-4)를 구상흑연주철로 명칭 통일 하여 설명된다. 또한 Fe-Si 및 Fe-Si-Bi에 대한 중량%의 함량 표시는 용탕 전체 조성 성분을 100%로 할 때 잔부 Fe를 베이스로 하여 Si와 Bi를 중량%로 포함한다.
실시예 1은 용광로에서 용융된 원료 용탕에 0,015 중량%이상의 Mg와 잔부 Fe의 Fe-Mg 합금철로 이루어진 구상화제와 Fe-Si로 이루어진 1차 접종제를 첨가하여 흑연 구상화를 진행한 원료 용탕을 제조한 다음, 이를 2차 접종제로 0.4 중량% Fe-Si와 0.1 중량% Bi로 이루어진 Fe-Si-Bi가 가공부에만 국부 도포된 몰드에 상기 제조된 원료 용탕을 주입하였다. 그리고 제조된 구상흑연주철(FCD) 소재의 제품을 오스템퍼링 열처리를 수행하였다.
실시예 2는 2차 접종제로 0.4 중량% Fe-Si와 0.2 중량% Bi로 이루어진 Fe-Si-Bi를 사용한 것만 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 3은 2차 접종제로 0.4 중량% Fe-Si와 0.4 중량% Bi로 이루어진 Fe-Si-Bi를 사용한 것만 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 4는 2차 접종제로 0.4 중량% Fe-Si와 0.5 중량% Bi로 이루어진 Fe-Si-Bi를 사용한 것만 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
비교예 1은 용광로에서 용융된 원료 용탕에 0,015 중량%이상의 Mg와 잔부 Fe의 Fe-Mg 합금철로 이루어진 구상화제를 첨가하고, Fe-Si로 이루어진 접종제를 1차 접종하여 흑연 구상화를 진행하고, 이에 다시 Fe-Si로 이루어진 접종제를 2차 접종하여 원료 용탕을 제조한 후 이를 몰드에 주입하였다. 그리고 제조된 구상흑연주철(FCD) 소재의 제품을 오스템퍼링 열처리를 수행하였다.
비교예 2는 2차 접종되는 접종제로 0.4 중량% Fe-Si와 0.4 중량% Bi로 이루어진 Fe-Si-Bi를 사용한 것만 제외하고 상기 비교예 1과 동일하게 실시하였다.
비교예 3은 2차 접종제로 0.4 중량% Fe-Si를 상기 몰드에 도포하여 사용한 것만 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3에서 각각 제조된 오스템퍼드 구상흑연주철(ADI)에서 가공부 및 비가공부의 표면에서 10mm 지점을 채취한 시험편의 구상화율, 평균흑연크기, 흑연 면적, 흑연립 수에 대한 각 물성을 평가하여 측정 결과를 하기 표 1과 표 2에 나타내었다. 이 경우 구상화율(%)과 평균 흑연크기(㎛) 및 흑연립 수(개/mm2)은 다양한 방법으로 측정 가능하나 KS D 4302:2011에 의한 구상화율 값, ISO 945-1:2008에 의한 평균 흑연크기 값, ISO 945-1:2008에 의한 흑연립 수 값을 적용하였다. 특히 비스무트(Bi)의 함량이 본 발명의 적용 범위를 벗어난 표 1의 실시예 1과 표 2의 실시예 1에서 알 수 있는 바와 같이, 흑연크기 상이함은 비스무트(Bi)의 함량 차이로 좌우된다.
구분 접종방법 접종제 가공부 기지조직(가공부 표면에서 10mm지점)
구상화율(%) 평균흑연크기(㎛) 흑연면적(%) 흑연립수(개/mm2)
비교예 1 용탕 Fe-Si 0.4% 68.0 59 7.7 256
비교예 2 용탕 Fe-Si 0.4%+Bi 0.4% 65.5 49 7.6 309
비교예 3 몰드 Fe-Si 0.4% 58.8 46 7.3 325
실시예 1 몰드 Fe-Si 0.4%+Bi 0.1% 64.7 39 7.0 317
실시예 2 몰드 Fe-Si 0.4%+Bi 0.2% 66.4 29 5.9 373
실시예 3 몰드 Fe-Si 0.4%+Bi 0.4% 73.1 26 5.8 443
실시예 4 몰드 Fe-Si 0.4%+Bi 0.5% 74.9 27 5.8 433
구분 2차 접종제접종방법 2차 접종제 비가공부 기지조직(표면에서 10mm지점)
구상화율(%) 평균흑연크기(㎛) 흑연면적(%) 흑연립수(개/mm2)
비교예 1 용탕 Fe-Si 0.4% 69.8 57 7.8 239
비교예 2 용탕 Fe-Si 0.4%+Bi 0.4% 62.7 50 7.4 315
비교예 3 몰드 Fe-Si 0.4% 70.2 59 7.7 242
실시예 1 몰드 Fe-Si 0.4%+Bi 0.1% 62.9 47 7.6 330
실시예 2 몰드 Fe-Si 0.4%+Bi 0.2% 61.3 47 7.4 329
실시예 3 몰드 Fe-Si 0.4%+Bi 0.4% 62.5 48 7.7 336
실시예 4 몰드 Fe-Si 0.4%+Bi 0.5% 63.1 46 7.5 346
접종제 도포량(g) 미세조직 생성 깊이 (mm)
※흑연크기 30㎛ 이하 기준
A 1 0 ~ 0.5 mm
B 5 6 ~ 7 mm
C 10 12 ~ 14 mm
D 20 20 mm
E 50 ↑
※ 상기 표 3에서, 도포 접종제 : Fe-Si 0.4% + Bi 0.4%, 몰드 주조 중량 : 5kg/개
특히 표 3은 2차 국부 도포 접종시 접종제의 도포량에 따라 미세조직의 생성 깊이가 결정(단, 부품의 두께에 따라 가변적으로 적용 가능)되며, 20g 이상 도포시 20mm 이상 미세조직 생성으로, 형상에 따라 전체 깊이가 미세흑연 형성되는 효과를 예시한다.
또한, 상기 실시예 3 및 비교예 3에서 각각의 제조 방법으로 제조된 구상흑연주철(FCD)의 기지조직 및 구상흑연주철을 오스템퍼링 열처리하여 제조된 ADI의 기지조직을 광학 현미경으로 확인하였으며, 그 결과를 하기 도 4 내지 도 6에 나타낸 바와 같다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에서 제조된 비가공부 구상흑연주철(FCD)의 기지조직을 광학현미경으로 관찰한 것으로, 기지조직(Matrix)을 살펴보면 페라이트(Ferrite)와 펄라이트(Pearlite)의 혼합 조직으로 이루어져 있고, 흑연 크기가 40㎛ 내지 60㎛로 나타나며, 인장강도가 500MPa 정도로 나타났다. 이 경우 인장강도 500MPa 는 KS B 0802:2003에 의한 측정값을 예시한다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에서 오스템퍼링(Austempering) 열처리를 통해 형성된 ADI의 비가공부에 대한 기지조직을 광학 현미경으로 관찰한 사진이다. 이와 같은 기지 조직을 살펴보면 흑연 크기는 40㎛ 내지 60㎛로 열처리 전과 동일하지만 기지조직이 베이나이트(bainite)으로 변경되어 인장강도는 1000MPa 정도로 고강도인 오스템퍼드 구상흑연주철이 형성됨을 확인할 수 있었다.
도 6은 본 발명의 실시예 3에서 제조된 가공부 구상흑연주철(FCD)의 기지조직을 광학현미경으로 관찰한 것으로, 기지조직을 살펴보면 70%의 구상화율로 흑연 크기는 30㎛ 이하로 미세 흑연이 형성됨을 확인할 수 있었다.
도 7은 본 발명의 실시예 3에서 오스템퍼링(Austempering) 열처리를 통해 형성된 ADI의 가공부에 대한 기지조직을 광학 현미경으로 관찰한 사진이다. 그 결과 흑연 크기는 30㎛ 이하로 열처리 전과 동일함을 확인할 수 있었다.
도 8은 본 발명의 ADI 제조방법에서 용광로에서 용융된 원료 용탕에 Fe-Si로 이루어진 1차 접종제를 첨가하지 않고 제조된 원료 용탕을 2차 접종제로 0.4 중량% Fe-Si와 0.4 중량% Bi로 Fe-Si-Bi를 도포한 몰드에 주입하여 하고 오스템퍼링 열처리를 통해 형성된 ADI의 기지조직을 광학 현미경으로 관찰한 사진이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 1차 접종제를 접종하지 않고 몰드에 2차 접종제 접종만 실시할 경우 원료 용탕 내에 흑연의 생성이 불량 및 심부 구상 흑연 생성이 제대로 이루어지지 못함을 확인할 수 있었다.
이와 같은 결과를 통해 ADI 제조방법에서 용탕에서의 1차 접종과 몰드에서의 2차 접종 과정이 모두 수행되어야 기지조직이 안정적으로 형성되고 가공성 향상된 ADI을 제조될 수 있음을 확인할 수 있었다.
도 9는 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 ADI 제품의 가공부에서 기계적 가공성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 이때 오스템퍼링 열처리 전인 구상흑연주철(FCD)에서의 밀링, 드릴링 및 리밍의 가공성을 100% 기준으로 가공성을 평가하였다.
도 9에 도시된 바와 같이, 기존 ADI인 경우 오스템퍼링 열처리 후 오스템퍼링 열처리 전인 구상흑연주철(FCD)의 가공성을 100% 기준으로 할 때, 모든 가공 공정에서 20% 정도의 가공성으로 가공성이 크게 향상되지 않는다. 그러나 본 발명의 ADI의 가공성은 오스템퍼링 열처리 후 밀링, 드릴링 및 리밍의 가공공정에서 모두 60% 이상의 가공성을 나타내는 바, 가공성이 향상됨을 확인할 수 있었다.
앞서 살펴본 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일뿐이며, 전술한 예시 및 첨부한 도면에 한정되는 것이 아니다. 따라서 본 발명의 기술적 사상을 벋어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 및 변경 등이 가능하다.
1 : 로 3 : 성분 분석기
5 : 몰드 10 : 너클
10-1 : 원료 용탕 10-2 : 접종 용탕
10-3 : 주철 주물 10-4 : ADI(Austempered ductile cast iron)
100 : 밀링 머신 200 : 드릴 머신

Claims (16)

  1. 원소재의 원료 용탕에 첨가되는 접종제가 상기 원료 용탕의 응고 전에 1,2차로 구분되어 2회 접종되는 접종 공정이 포함되는 것을 특징으로 하는 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접종제의 1차 접종은 상기 원료 용탕이 담긴 로에서 이루어지고, 2차 접종은 상기 원료 용탕이 주입되는 몰드에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 접종제는 상기 1차 접종과 상기 2차 접종에서 성분을 달리하는 것을 특징으로 하는 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 접종 공정은 용탕 공정과 주입 공정으로 이루어지고; 상기 용탕 공정은 상기 응고 전에 상기 접종제가 상기 원료 용탕으로 투여되는 1차 접종과 함께 구상화제가 투여되는 구상화를 수행하여, 로에서 상기 원료 용탕을 접종 용탕으로 전환시키며; 상기 주입 공정은 몰드에 상기 접종제가 투여되는 2차 접종 수행 후 상기 접종 용탕을 주입한 다음 상기 몰드에서 상기 응고를 통해 상기 접종 용탕을 주철 주물로 전환시켜 주는 것을 특징으로 하는 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 1차 접종은 Fe-Si을 상기 접종제로 사용하는 것을 특징으로 하는 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 Fe-Si의 함량은 용탕 전체 조성에 대해 Si가 0.3중량% 내지 0.7중량%으로 포함되고, Fe를 잔부로 하는 것을 특징으로 하는 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 구상화제는 Fe 또는 Fe-Mg 합금철로 이루어진 것을 특징으로 하는 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 2차 접종은 Fe-Si-Bi를 상기 접종제로 사용하는 것을 특징으로 하는 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 Fe-Si-Bi는 용탕 전체 조성에 대해 Si가 0.3중량% 내지 0.7중량%이면서 비스무트(Bi)가 0.2 중량% 내지 0.5 중량%로 포함되고, Fe를 잔부로 하는 것을 특징으로 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법.
  10. 제4항에 있어서, 상기 2차 접종은 상기 주철 주물의 가공부에 이루어지는 것을 특징으로 하는 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법.
  11. 제4항에 있어서, 상기 주철 주물은 상기 몰드 내에서 응고가 완료되면 상기 몰드에서 꺼내어 오스템퍼링(austempering) 열처리를 수행하여, 상기 주철 주물을 ADI(Austempered ductile cast iron)로 전환시켜 주는 것을 특징으로 하는 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 ADI는 가공을 거쳐 현가 시스템의 너클로 제조되는 것을 특징으로 하는 흑연 미세 조직화 주철 주물 제조방법.
  13. Fe-Si를 접종제로 한 1차 접종과 함께 Fe 또는 Fe-Mg 합금철을 구상화제로 한 구상화 처리된 다음 Fe-Si-Bi 를 접종제로 한 2차 접종 후 응고 상태에서 오스템퍼링(austempering) 열처리된 ADI(Austempered ductile cast iron)로 제조되고, 상기 ADI의 전체 영역 중 상기 2차 접종으로 흑연 미세 조직화을 갖는 가공부에 대한 가공으로 성형된 너클이 포함되는 것을 특징으로 하는 현가 부품.
  14. 제13항에 있어서, 상기 ADI는 상기 가공부의 평균 구상 흑연의 크기가 30㎛ 이하이면서 단위 면적당(1mm3) 흑연립 수가 310개 내지 450개이며, 상기 가공부이외 비가공부는 평균 구상 흑연의 크기가 40㎛ 내지 50㎛이면서 단위 면적당(1mm3) 흑연립 수가 320개 내지 350개 인 것을 특징으로 하는 현가 부품.
  15. 제14항에 있어서, 상기 가공부의 구상화율은 65% 내지 75% 인 것을 특징으로 하는 현가 부품.
  16. 제14항에 있어서, 상기 비가공부의 구상화율은 61% 내지 64%인 것을 특징으로 하는 현가 부품.
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