KR20230148822A - 주철 재료, 주철 재료의 용도 및 성형 툴의 제조 및/또는 라이닝 방법 - Google Patents

주철 재료, 주철 재료의 용도 및 성형 툴의 제조 및/또는 라이닝 방법 Download PDF

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짐펠캄프 마쉬넨-운트 안라겐바우 게엠베하
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Abstract

본 발명은 주철 재료에 관한 것이다.
본 발명은 또는 주철 재료의 용도 및 마지막으로 몰드를 제조 및/또는 라이닝하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 -60℃에서 440℃, 특히 0℃에서 420℃의 온도 범위에서 가능한 가장 작은 길이 및/또는 체적 팽창을 갖는, 몰드, 프레싱 툴 또는 프레스의 제조 및/또는 라이닝을 위한 주철 재료를 개발하는 것으로, 이 길이 변화는 가능하면 작거나, 탄소 섬유 강화 폴리머 또는 유리 섬유 강화 플라스틱의 길이 변화와 유사하다.
이를 위해, 적어도 다음의 원소 또는 화합물을 중량%로 다음 비율로 포함하는 주철 재료가 제안된다.
대략 1.5% 내지 4.0% 범위의 탄소,
대략 1.0% 내지 5.0% 범위의 실리콘,
대략 0.1% 내지 1.5% 범위의 망간,
대략 36.5% 내지 48.0% 범위의 니켈,
대략 0.01% 내지 0.25% 범위의 크롬,
최대 약 0.08%의 인,
최대 약 0.5%의 구리,
최대 약 0.150%의 마그네슘
잔부는 철과 불가피한 불순물.

Description

주철 재료, 주철 재료의 용도 및 성형 툴의 제조 및/또는 라이닝 방법
본 발명은 주철 재료에 관한 것이다.
본 발명은 또한 주철 재료의 용도에 관한 것이다.
본 발명은 주철 재료에 관한 것이다. 주철 재료는 높은 온도 불변성이며, 온도 제어 공정 예를 들어 연속적으로 또는 불연속적으로 작동하는 프레스, 연삭 장치, 피팅 및/또는 유사한 장치의 라이닝을 하는 데에 특히 적합하다. "주철 재료(cast iron material)"라는 용어는 주조 또는 주조 가능한 철계 재료를 의미할 수 있다. 따라서 "주조(casting)"는 본래의 성형(moulding) 공정인 "주조"에 대한 참조로 이해될 수 있다.
DE 10 2011 051 446 A1호는, 내열성이 높고 전반적으로 연속 또는 불연속 작동 프레스의 라이닝에 적합한 주철 재료로, 개시된 주철 재료는 높은 실리콘 함량을 통해 탄화물(carbide) 형성을 방지하여 부식 어닐링이 필요없는 주철 재료를 기재하고 있다. 몰리브덴의 일부를 대체하기 위해 니오븀이 추가된다.
그러나, 일반적으로 유리하게 설계되고 실제로 많은 용도로 사용될 수 있는 이 주철 재료는 온도가 증가함에 따라 길이가 변한다는 단점을 나타낸다. 이는 실온으로 냉각할 때 발생하는 수축 치수가 설계에서 이미 고려되어야 한다는 것을 의미한다. 이는 무엇보다도 수축 치수가 부품 형상 및 재료 특성에 따라 달라질 뿐만 아니라 환경에서 우세한 기후 조건과 같은 냉각 중 구성 및/또는 환경적 영향의 약간의 편차로 인해 달라질 수 있다는 사실로 인해 공정 기술과 관련하여 일부 경우에서는 편리하지 않거나 심지어 실용적으로 불가능하다.
여기서는 다른 벽 두께를 거의 방지할 수 없고, 벽 두께가 다른 영역에서 냉각 속도가 달라질 수 있기 때문에, 이것은 특히 대형 주조품을 설계할 때 문제가 된다. 대형 주조품은 그에 상응하는 유효 레버 길이(effective lever length)도 길다. 견해 및 다양한 참조 문헌에 따라서는, 길이가 수 센티미터에서 최대 약 1.0m, 1.5m 또는 2m에 이르는 통상적인 주조품보다 예를 들어 길이가 3m, 5m 또는 심지어 10m를 초과하는 대형 주조품에서는 몇 십분의 일 도의 비틀림(distortion)이 명확하게 더 문제가 될 수 있다.
따라서 대형 주조품은 주형의 뒤틀림과 주물, 성형품 또는 압축 부품의 손상에 매우 쉽게 기여할 수 있으며, 불량률 또는 후처리 노력을 증가시키거나 심지어는 잔류 응력 발생으로 인한 균열이 발생함에 따라 단일품(single-piece) 주조를 불가능하게 만들 수도 있다.
주조 워크피스의 최대 길이가 길면 길수록 문제는 더 커진다.
또한 이러한 문제는 각 공정 사이클의 온도 제어 공정에서 재발하며 생산 공정 자체에 국한되지 않는다.
대형 주물이 프레스 제품, 특히 프레싱 툴이고, 프레스 또는 프레싱 툴이 탄소 또는 유리 섬유 부품이 있는 복합재를 제조하는 데 사용될 수 있어야 하는 경우, 추가 문제가 발생한다.
이는, 탄소 섬유 성분이 있는 복합재, 특히 탄소 섬유 메시가 내장된 열가소성 플라스틱 예컨대 CFRP 자체는 매우 낮은 길이 또는 부피 팽창을 가지며, 어떤 경우에는 섬유 층의 방향 또는 섬유 층과 일정 각도, 특히 직각 방향으로 큰 차이가 있기 때문이며, 이는 상당히 약화된 형태의 유리 섬유 플라스틱에도 적용된다.
그 대가로, 이러한 복합재는 특히 열간 제조 또는 열간 가공 공정 중에 강제 팽창을 거의 견딜 수 없다. 특히 소위 "프리프레그(prepregs)" 또는 "오가노 시트(organo sheet)"가 온도 제어 가공 공정에서 가공되는 경우, 프레싱 툴 또는 프레싱 다이의 길이 팽창은 가공 가능성의 결정적인 한계를 쉽게 나타낼 수 있다. 이러한 이유로, 달성 가능한 균질성 및 품질과 같은 주요 단점이 종종 수반되더라도 많은 CFRP 구성요소는 여전히 프리프레그에서 프레스되는 대신 소위 RTM 공정에서 주조된다. 단지 하나의 프레싱 툴 또는 다이 부품만이 예를 들어, 프리프레그 또는 오가노 시트 또는 일반적으로 생산되거나 기계가공되는 워크피스의 길이 또는 부피 변화와 다른 길이 또는 부피 변화를 경험하는 경우, 적어도 캐리어 층 부분의 영역들에서 변위를 겪고, 이는 내부적으로 또는 표면에 도달하여 결과적으로 종종 적어도 구조적 부분도 파손되어 더 이상 계획된 구조적 강도를 유지할 수 없다.
본 발명의 목적은 가능한 가장 작은 길이 및/또는 체적 팽창을 갖는, 몰드, 프레싱 툴 또는 프레스의 제조 및/또는 라이닝을 위한 주철 재료를 개발하는 것이다. 이는 -60℃에서 440℃, 특히 0℃에서 420℃의 온도 범위에서 특히 적용된다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 합금으로 제조되거나 상기 합금으로 라이닝된 툴 주형에서 생산된 워크피스가 특히 생성될 워크피스를 제거하기 전에 냉각 공정에서 상호 수축을 최소화, 특히 방지하기 위해, 쉽게 분리될 수 있다는 것일 수 있다.
본 발명의 목적은 적어도 다음의 원소 또는 화합물을 중량 백분율로 다음 비율로 포함하는 주철 재료에 의해 달성된다.
대략 1.0% 내지 4.0% 범위의 탄소,
대략 1.0% 내지 5.0% 범위의 실리콘,
대략 0.1% 내지 1.5% 범위의 망간,
대략 36.5% 내지 48.0% 범위의 니켈,
대략 0.01% 내지 0.25% 범위의 크롬,
최대 약 0.15%의 마그네슘,
최대 약 0.5%의 구리,
최대 약 0.08%의 인,
잔부는 철과 불가피한 불순물.
이것은 주철 재료가 오스테나이트 결정 격자로부터 냉각되고, -60℃에서 440℃의 온도 범위, 특히 0℃에서 420℃의 온도 범위에서 극도로 작은 체적 및 길이 변화(양의 방향: 체적 또는 길이의 팽창)를 갖는다는 이점이 있다.
또한, 그러한 주철 재료의 체적 변화 거동이 적어도 명시된 온도 범위 내에서 CFRP 재료의 체적 변화 거동과 크게 일치한다는 점에서 유리하다. 또한, 주철 재료의 열전도율은, 흑연 형태로 석출된 탄소로 인해 주강의 열전도율보다 훨씬 우수하여, 열 공정에서 제품의 보다 유리한 거동이 달성된다.
따라서 이러한 주철 재료의 부피 변화 거동이 GRP 재료, 특히 CFRP 재료의 부피 변화 거동과 매우 유사하다는 것이 특히 유리하다. 놀랍게도 이것은 비교 목적을 위해 제조되는 다른 응용 분야의 합금과 완전히 다른, 극복해야 할 온도 차이와 관련된 절대값 예를 들어 공정에 의해 지정되는 값에만 적용되는 것이 아니라 길이 및/또는 부피 변화의 전체 과정에도 적용된다. 이것은 성형 워크피스 구조 내에서 미시적이거나 거시적인 변위를 최소화하거나 방지하는 목표를 달성하는 유일한 방법이다.
또한, 주철 소재로서의 합금은 주강 재료 합금에 비해 상당한 이점이 있다. 응고 과정에서 용융물에서 용해된 탄소가 석출됨으로 인해, 복합재가 궁극적으로 주철로 성형된다. 재료의 부피 변화와 관련된 이 석출 과정은 주강에 비해 주철의 수축 거동에 유리한 영향을 미친다. 이는 수축 거동이 낮아지고, 궁극적으로 수축 공동 형성이 낮아지고 특히 온도 영향 하에서 길이 또는 부피 변화 거동의 진행과 관련하여 훨씬 더 명확한 거동 자체가 존재한다. 또한, 그로부터 생산되는 부품을 공정 기술적으로 보다 쉽게 견고한 품질로 생산할 수 있어 궁극적으로 경제적 이점도 있다. 동시에 원래의 응고 과정 후에 정기적으로 열처리를 받는 주강과 달리 추가 열처리가 종종 필요하지 않다.
나열된 원소들 외에도, 주철 재료에는 약 0.0% 내지 5.0%, 바람직하게는 0.0% 내지 1.0%, 매우 바람직하게는 0.0% 내지 0.5% 범위의 불순물이 포함될 수 있다. "나열된" 원소들은 따라서 "불순물"로 간주되지 않는 청구범위에 언급된 특별히 사용된 합금 성분을 나타낸다. 스크랩을 재활용할 때, 다른 재료가 포함되어 예컨대 나트륨, 칼륨, 스트론튬 및 주기율표의 다른 원소들이 출현하게 된다. 그 결과 불순물이 발생하지만, 주요 특성은 대부분 유지된다. 따라서 이러한 불순물은 "불가피한" 또는 "피할 수 없는" 불순물이라고도 한다.
추가 실시형태에서, 상기 언급된 주철 재료는 약 1.0% 내지 4.0%, 바람직하게는 약 1.0% 내지 2.5%, 특히 바람직하게는 약 1.3% 내지 2.0%의 탄소를 구비한다.
이는 한편으로 반응성 물질이 탄소와 지나치게 빨리 반응하지 않아 상기 언급된 주철 재료로 만들어진 프레싱 툴로부터 주물을 더 쉽게 분리할 수 있다는 장점이 있다. 이는 예를 들어 CFRP 또는 GRP의 수지가 상기 언급된 의미에서 반응성 물질 중 하나이기 때문에, 주철 재료가 프레싱 툴 및/또는 프레싱 다이의 제조에 사용되는 경우 특히 유리하다. 또한, 상기 언급된 범위의 탄소 비율은 전기음성도를 변화시키고, 이는 본 합금을 사용하여 제조된 부품, 특히 프레싱 툴 또는 프레싱 다이의 부식 거동의 개선에 기여하고, 이에 따라 무엇보다도 조업 시에 경제적 유용성을 상당히 증가시킨다.
대안적으로, 탄소의 비율이 약 2.0% 내지 4.0%, 바람직하게는 약 2.06% 내지 4.0%, 특히 바람직하게는 약 2.2% 내지 4.0%로 제공될 수 있다. 예를 들어 탄소 비율이 높을수록 주조성이 특히 우수해진다.
추가의 실시형태에서, 상기 언급된 주철 재료는 약 36.5% 내지 48.0%, 바람직하게는 약 37.0% 내지 45%, 특히 바람직하게는 약 37.5% 내지 43.0%, 훨씬 더 바람직하게는 약 40.1% ~ 43.0% 범위의 니켈 비율을 갖는다.
이는 주철 재료가 느린 응고 중에도 오스테나이트 결정 격자에 남아 있고, 입방체 체심 결정 격자로 합쳐지지 않는다는 이점이 있다. 또한 주철 재료는 상자성이다. 결정 격자는 부피가 자기적으로 약간 미리 늘어난다. 온도가 증가하면, 자성이 감소하고 내부 길이 변화가 증가한다. 그러나 결정 격자가 사전 연신되어 있기 때문에, 외부 길이 변화와 관련하여 두 효과가 서로 상쇄되어 바깥쪽으로 길이 변화가 없다. 이것은 퀴리 온도 이하에서 주철 재료의 극히 작은 길이 변화만이 발생한다는 것을 의미한다.
따라서 기존의 주철 재료는 원하는 온도 범위에서 자기 제한이 길이 및/또는 부피 팽창과 관련하여 최적의 효과를 갖는 방식으로 정의된 온도 범위를 통과하는 정의된 공정을 위해 결정 구조에 적용된다.
주철 재료로 만든 주물, 예컨대 프레스의 상부 툴과 하부 툴은 0 내지 420℃ 범위에서 길이 팽창을 변경하지 않는다. CFRP 또는 GRP 부품을 제조하는 경우, 이를 통해 수지가 400℃ 미만으로 경화된 다음 프레싱 툴의 치수 안정성으로 인해 압축된 부품의 뒤틀림 없이 냉각될 수 있다.
추가 실시형태에서, 상기 언급된 주철 재료는 약 0.020% 내지 0.150%, 바람직하게는 약 0.040% 내지 0.100%, 특히 바람직하게는 약 0.065 내지 0.090%의 마그네슘을 구비한다.
이는 황이 결합되어 있고, 구상 흑연 형성을 위해 결정 배아가 존재한다는 장점이 있다.
추가 실시형태에서, 상기 언급된 주철 재료는 약 1.0 내지 5.0%, 바람직하게는 약 1.1 내지 5.0%, 특히 바람직하게는 약 1.15 내지 5.0%, 훨씬 더 바람직하게는 약 1.3 내지 5.0% 범위의 실리콘을 구비한다.
이는 바람직한 미세구조가 달성될 수 있다는 이점을 갖는다. 부작용으로, 우수한 강도와 인성 특성뿐만 아니라 충분한 내산화성을 얻을 수 있다.
추가 실시형태에서, 상기 언급된 주철 재료는 0.33% 미만, 특히 0.22% 미만, 아주 특히 0.11% 미만의 니오븀의 비율을 가질 수 있다.
비록 종래 기술이 온도 제어 공정을 받는 구성요소의 양호한 내열성을 달성하기 위한 니오븀의 제공을 교시하고, 따라서 프레싱 툴의 제조와 관련하여 근본적으로 긍정적인 효과를 가질 수 있지만, 프레싱 툴의 라이닝 및/또는 프레싱 다이는 예를 들어 CFRP 부품의 생산 및/또는 처리와 같은 온도 제어 프레싱 프로세스와 관련하여 사용된다. 그러나 놀랍게도 니오븀은 위에서 설명한 현상의 비교 가중치를 방해하고, 예상되는 (길이 또는 부피 팽창) 곡선을 고온 영역으로 이동시키는 대신에 소량으로도 여기 존재하는 합금의 온도 팽창 거동에 부정적인 영향을 미친다는 것을 알게 되었다.
일 실시형태에서, 상기 언급된 주철 재료는 성형 툴 또는 프레싱 툴의 제조 및/또는 라이닝에 사용되는 주철 재료로부터 생성되는 주물에 사용된다.
추가 실시형태에서, 상기 언급된 주철 재료는 프레스에서 상부 프레싱 툴 및 하부 프레싱 툴을 위한 재료로 사용되는 주철 재료에 사용되며, 여기서 프레싱 툴은 연속 또는 불연속 조업으로 작동된다.
상기 제조 및/또는 실시형태의 주철 재료는 바람직하게는 주철 재료가 워크피스와 직접 접촉하도록 프레싱 툴을 라이닝하는 데 사용된다. 제조 동안, 상응하는 부품, 예를 들어 프레싱 툴, 라이닝 및/또는 다이가 이러한 방식으로 주철 재료로부터 일체형으로 제조될 수 있다는 것이 특히 유리하다.
본 발명에 따른 주철 재료는 특히 바람직하게는 유리 섬유 플라스틱(GRP) 또는 탄소 섬유 플라스틱(CFRP)으로 만들어진 제품의 제조를 위한 주형 역할을 하는 벽이 두껍고 대형인 주물의 제조에 적합하다. 본 발명은 주조 워크피스의 적어도 하나의 길이가 3000㎜, 특히 적어도 5000㎜, 특히 적어도 8000㎜, 또는 심지어 적어도 11500㎜를 초과하고 및/또는 주조 워크피스의 중량이 적어도 0.5t, 특히 적어도 0.75t, 아주 특히 적어도 1.25t 또는 적어도 2t 초과, 5t 초과 또는 8t 초과인 대형 주물을 가리킨다. 본 발명의 일부로서, 최대 벽 두께가 100㎜ 초과, 바람직하게는 200㎜ 초과, 특히 바람직하게는 300㎜를 초과하는 대형 주조품이 제조될 수 있으며, 여기서 주물은 고력(high force)을 흡수할 수 있다.
놀랍게도, 본 발명에 따른 주철 재료는 언급된 영역으로 이동하는 적응성 부피 변화 거동의 이점을 실질적으로 상실하지 않으면서, 심지어 1.41보다 큰 최대 벽 두께 비율을 허용할 수 있게, Ni 함량이 적어도 37.5%인 경우에는 1.51보다 훨씬 더 크게 그리고 특히 더 놀랍게도 Ni 함량이 39.25%를 상회하는 경우에는 1.65보다 훨씬 더 크게 주철 재료로부터 주물을 단편으로 제작할 수 있게 한다. Ni 비율이 36.0%를 상회하는 주철 재료의 제조가 더 이상 더 이상의 이점을 제공하지 않을 뿐만 아니라 반대로 불필요하게 비용이 많이 들 뿐만 아니라 상당한 단점을 수반한다고 지금까지 가정되었기 때문에 이것은 더욱 놀라운 일이다. 따라서, 종래 기술에서는 무엇보다도 Ni 비율이 36.0%를 초과하면 근본적으로 주철 재료 구조의 형성을 방지할 것이라고 가정되었다.
수지 및 유리 섬유 매트 또는 탄소 섬유 매트로 제조된 제품, 특히 일체형 프레싱 툴은 프레싱 툴(또는 프레싱 툴의 라이닝 및/또는 다이)의 이러한 특성을 달성함으로써 주물이나 주형의 뒤틀림(warping)에 기인하는 섬유 파손이 거의 없다. 금형의 뒤틀림은 제품에 균열을 포함한 수지의 변형이 발생할 수 있기 때문에 불량 제품에서 감지될 수 있다. 이러한 변형은 서로의 상부에 위치한 복수의 유리 섬유 매트 또는 탄소 섬유 매트에서 유리 섬유 또는 탄소 섬유의 파손을 초래할 수 있다. 따라서 제품의 벽 두께와 수지 분포가 달라질 수 있다. 또한, 유리 섬유 매트 또는 탄소 섬유 매트의 배열에 의해 구조가 형성될 수 있으며, 이는 최종 배열에서 폐쇄되거나 덮힌 중공 공간을 형성하여 구조의 안정화를 유발하고 진동을 허용하며 또한 다른 구성요소와의 상호 작용에서 이들을 감쇠시킨다. 따라서 섬유가 끊어지지 않고 따라서 힘을 흡수할 수 있는 것이 중요하다. 성형 공정 또는 프레스 공정 중에, GRP 또는 CFRP가 매립된 수지와 관련하여 프레싱 툴 또는 성형 툴의 치수 안정성은 0 내지 420℃의 온도 범위에서 적합성(fit)을 보장한다.
금형이나 프레싱 툴의 뒤틀림이 없다. 벽 두께가 커서, 수지 경화 시간이 조금 더 걸린다. 그럼에도 불구하고, 효과를 얻으려면 경화 시간이 지나치게 길어서는 안 되며, 이는 온도 상승에 의해 긍정적인 영향을 받을 수 있다. 그러나 이것은 또한 프레싱 툴 또는 성형 툴의 길이 팽창이 유리 섬유 플라스틱 또는 탄소 섬유 플라스틱의 길이 팽창과 정확히 일치하거나 매우 유사하다는 것을 의미한다.
또한 CFRP 재료로 만들어진 매우 얇은 열가소성 프리프레그로 개방형 프레싱 툴을 덮는 과정에서 변위가 방지되는 것도 유리하다. CFRP 재료로 제작된 대형 구성요소를 생산하기 위해서는 웨이퍼처럼 얇은(예: 0.04mm ~ 0.72mm) 프리프레그를 여러 개 쌓아야 하므로, 프레스의 폐쇄 공정 전이나 폐쇄 공정에서 아주 작은 변위라도 프레스가 닫힌 상태에서 압력 분포와 관련하여 심한 불균일을 발생시키기에 충분하여 생산되는 제품이 제대로 제작되지 않는다.
본 발명에 따른 주철 재료를 제조하기 위해, 재료, 예를 들어 스크랩, 조철, 니켈 등이 적당한 용광로에서 용해된다. 싹(germ) 생산을 촉진하기 위해 철-실리콘 접종제가 용융물에 첨가된다. 이것은 또한 필요한 경우 주조 조에 추가된다. 그런 다음 주조 온도는 생산할 워크피스의 벽 두께에 맞게 조정되어야 하며, 약 1330℃ 내지 약 1480℃ 이상이면, 생산할 워크피스의 벽이 얇아진다.
그런 다음 용융물이 준비된 주조 금형으로 주입되며, 여기서 주형의 중공 공간은 최종 성형 툴 또는 프레싱 툴, 예를 들어 상부 툴, 하부 툴, 롤러, 프레스용 라이닝을 나타낸다. 냉각 후 주물을 제거하고 추가 처리하거나 사용할 준비를 한다.
내부 응력을 줄이기 위해 일반적으로 주물을 다시 약 500℃ 내지 약 650℃까지 가열하고, 서냉한다. 그런 다음 주물을 마무리하고, 성형 툴 또는 프레싱 툴의 라이닝으로 설치하며, 이는 궁극적으로 오가노 시트 또는 그와 유사한 열가소성 반제품의 재성형 공정에 사용할 수 있다. 놀랍게도, 전술한 바와 같은 이러한 열처리는 본 발명에 따른 주철 재료 합금의 경우, 종래 기술에서는 통상적으로 사용되지만 특히 정밀 부품의 생산을 위한 대형 주조 부품의 제조에 적용되는 경우에 필요하지 않다.
광학 방출 분광법 및 X선 형광을 사용하여 주철 재료의 조성을 결정할 수 있다. 구상 흑연의 형성을 결정하기 위해, 금속 조직 연삭이 이루어진다. 즉, 재료 샘플을 채취하고 절단하고 이미지를 광학현미경이나 주사전자현미경으로 생성한다. 구상 흑연은 이미지에서 더 원형으로 나타나고, 층상 흑연은 이미지에서 더 길쭉한 형태로 나타난다.
주사 전자 현미경은 X-선의 투과 영역에서 재료 샘플의 기본 조성이 연마를 통해 적어도 통합적으로 결정될 수 있도록 X-선 형광을 측정하기 위한 부착물을 가질 수 있다. 이를 통해 중량 백분율을 결정하고 청구된 중량 백분율과 비교할 수 있다.
구상 흑연 구조의 유리한 형성의 존재는 예를 들어 위에서 설명한 단점을 가진 주강 구조물의 존재에 비해 음속 측정장치로 비파괴적으로 결정 또는 확인할 수 있다.
주철 재료로부터 생성된 주물은 성형 툴 또는 프레싱 툴의 제조 및/또는 라이닝에 매우 유리하게 사용된다.
또한 상기 주철 재료는 연속적 또는 불연속적으로 작동되는 상부 프레싱 툴 및 하부 프레싱 툴의 소재로서 매우 유리하게 사용된다.
작업 표면을 설명하는 적어도 하나의 길이가 적어도 2m, 3m, 5m 또는 심지어 8m 이상 측정되는 큰 작업 표면을 갖는 프레스용 프레싱 툴은, 본 발명을 사용함으로써 특히 경제적으로 제조될 수 있으며, 우수한 감쇠 거동과 매우 낮은 열팽창 거동으로 인해 이에 매우 적합하다.
또한, 주철 재료가 프레싱 툴 또는 프레싱 다이의 제조 및/또는 라이닝에 사용되는 경우 특히 유리하며, 여기서 정확한 화학 조성은 특히 프레싱될 재료의 각각의 팽창 거동 특히 프레싱될 복합 재료 및 이를 위해 제공되는 공정 온도에 맞게 수정된다.
마지막으로, 용융물에 존재하는 탄소의 적어도 일부가 석출되어 주철 재료를 형성하는 주조 공정에서 성형 툴 또는 프레싱 툴을 제조 및/또는 라이닝하는 방법에서, 재료 조성은 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 주철 재료를 얻기 위해 사용되는 것이 유리한데, 이는 본 발명의 주철 재료가 특히 양호한 감쇠 거동 및 극도로 낮은 열팽창 거동을 나타내기 때문이다.
전술한 발명의 주제와 관련하여, 같은 날에 제출된 특허출원 "프레싱 시스템 및 프레스 시스템용 프레싱 툴, 및 워크피스 제조 방법"을 참조하며, 그 공개 내용 전체가 본 특허 출원의 일부가 된다.
유리한 예시적 실시형태에 기초하여 본 발명을 추가로 설명한다.
제1 실시형태에서는 주철 재료를 제조하기 위해 8t 용량의 전기유도로에 조철 1t, 스크랩 4t, 니켈 3t, 탄소 담지체(carrier) 200㎏을 투입하고, 1500℃에서 용해시켰다. 용융 후 용융물 표면에 형성된 불순물을 제거하고, 재료 분석을 위해 샘플을 채취하고 필요한 경우 용융물 조성을 보정하였다. 노에서 용융물이 배출되면, 구상 흑연 형성을 보장하기 위해 마그네슘 함유 예비-합금을 추가하여 처리한다. 그런 다음 준비된 주형에 용융물을 채운다. 주형에는 성형 툴 또는 프레싱 툴의 라이닝 형상에 해당하는 중공 공간이 있다. 잔류 응력을 줄이기 위해 주형에서 서냉한 후, 주물을 금형에서 빼내서 세척하였다. 기계 가공 후 주물을 성형 툴 또는 프레싱 툴의 라이닝으로 설치하였다.
주물에서 채취한 재료 샘플을 분석하면 재료 구성의 다음 비율(중량%)이 나온다.
탄소 1.50%
실리콘 1.50%
망간 0.20%
인 0.025%
구리 0.10%
니켈 38.00%
크롬 0.10%
마그네슘 0.065%
잔부는 철과 불순물.
제2 실시형태에서, 1.5t의 조철, 3.3t의 스크랩, 3.2t의 니켈 및 150㎏의 탄소 캐리어를 8t 용융을 위해 전기 유도로에 추가하였다.
주물에서 채취한 재료 샘플을 분석하면 재료 구성의 다음 비율(중량%)이 나온다.
탄소 1.70%
실리콘 1.70%
망간 0.25%
인 0.025%
구리 0.10%
니켈 40.00%
크롬 0.10%
마그네슘 0.070%
잔부는 철과 불순물.
제3 실시형태에서, 2t의 조철, 2.6t의 스크랩, 3.4t의 니켈 및 100kg의 탄소 캐리어가 8t 용융을 위해 전기 유도로에 추가된다.
주물에서 채취한 재료 샘플을 분석하면 재료 구성의 다음 비율(중량%)이 나온다.
탄소 1.80%
실리콘 1.70%
망간 0.25%
인 0.025%
구리 0.10%
니켈 42.00%
크롬 0.10%
마그네슘 0.080%
나머지는 철과 불순물.
제4 실시형태에서, 3.2t의 조철, 1.8t의 스크랩, 3t의 니켈 및 280㎏의 탄소 캐리어가 8t 용융을 위해 전기 유도로에 추가된다.
주물에서 채취한 재료 샘플을 분석하면 재료 구성의 다음 비율(중량%)이 나온다.
탄소 2.55%
실리콘 1.8%
망간 0.30%
인 0.02%
구리 0.08%
니켈 37.75%
크롬 0.20%
마그네슘 0.08%
나머지는 철과 불순물.
제5 실시형태에서, 3t의 조철, 1.9t의 스크랩, 3.1t의 니켈 및 220㎏의 탄소 캐리어가 8t 용융을 위해 전기 유도로에 추가된다.
주물에서 채취한 재료 샘플을 분석하면 재료 구성의 다음 비율(중량%)이 나온다.
탄소 2.06%
실리콘 1.65%
망간 0.25%
인 0.02%
구리 0.10%
니켈 38.75%
크롬 0.15%
마그네슘 0.10%
나머지는 철과 불순물.
제6 실시형태에서, 3.2t의 조철, 1.75t의 스크랩, 3.05t의 니켈 및 350㎏의 탄소 캐리어가 8t 용융을 위해 전기 유도로에 추가된다.
주물에서 채취한 재료 샘플을 분석하면 재료 구성의 다음 비율(중량%)이 나온다.
탄소 3.00%
실리콘 1.95%
망간 0.25%
인 0.02%
구리 0.10%
니켈 38.05%
크롬 0.15%
마그네슘 0.10%
나머지는 철과 불순물.
제2 내지 제6 실시형태, 예를 들어 제4 내지 제6 실시형태도 제1 실시형태에서 설명한 상황에서 제조되는 것이 바람직하다. 8t의 용량은 최대 생산 가능 중량이 아니라 실시형태들에서 가정한 전기 유도로의 탑재량(payload)을 의미하는 것으로 이해되는 것이 당연하다.
본 발명은 제시되고 설명된 예시적인 실시형태에 제한되지 않고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 독립항에 의해 정의된 보호 범위 내에서 합리적으로 수정 및/또는 보완될 수 있다. 특히, 응용 사례에 따라, 언급된 합금 비율의 다수의 중간 범위가 다양한 추가 실시형태에 대해 생각할 수 있고 합리적이다. 특히, 특별한 실시형태에 대한 니켈 함량은 본 발명의 교시로부터 벗어나지 않고 좁은 중간 범위를 가정할 수 있다. 물론, 언급된 예시적인 실시형태는 또한 다른 총량으로 확장될 수 있다.
본 발명은 제시되고 설명된 예시적인 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 의미 내에서 동일한 효과를 갖는 모든 실시형태를 포함한다. 예시적인 실시형태가 조합된 모든 특징에 제한되지 않는다는 것이 명백하게 강조된다; 오히려 각각의 개별적인 부분적 특징은 다른 모든 부분적 특징과 별개로 독창적인 의미를 가질 수도 있다. 또한, 본 발명은 지금까지 청구항 1에 정의된 특징의 조합에 제한되지 않고, 전체적으로 개시된 모든 개별 특징의 특정 특징의 임의의 다른 조합에 의해 정의될 수도 있다. 이는 실질적으로 청구항 1의 모든 개별 특징이 생략되거나 출원의 다른 곳에 개시된 적어도 하나의 개별 특징으로 대체될 수 있음을 의미한다.

Claims (15)

  1. 적어도 다음의 원소 또는 화합물을 중량%로 다음 비율로 포함하는 주철 재료.
    대략 1.0% 내지 4.0% 범위의 탄소,
    대략 1.0% 내지 5.0% 범위의 실리콘,
    대략 0.1% 내지 1.5% 범위의 망간,
    대략 36.5% 내지 48.0% 범위의 니켈,
    대략 0.01% 내지 0.25% 범위의 크롬,
    최대 약 0.08%의 인,
    최대 약 0.5%의 구리,
    최대 약 0.15%의 마그네슘
    잔부는 철과 불가피한 불순물.
  2. 제1항에 있어서, 나열된 원소들 외에, 주철 재료 내에 약 0.0% 내지 5.0%, 바람직하게는 0.0% 내지 1.0%, 더 바람직하게는 0.0% 내지 0.5% 범위의 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 주철 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탄소 함량의 범위가 약 1.0% 내지 3.2%, 바람직하게는 약 1.0% 내지 2.5%, 특히 바람직하게는 약 1.3% 내지 2.0%인 것을 특징으로 하는 주철 재료.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탄소 함량의 범위가 약 2.0% 내지 4.0%, 바람직하게는 약 2.06% 내지 4.0%, 특히 바람직하게는 약 2.2% 내지 4.0%인 것을 특징으로 하는 주철 재료.
  5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 니켈 함량의 범위가 약 37.0% 내지 48.0%, 바람직하게는 약 37.0% 내지 45.0%, 특히 바람직하게는 약 37.5% 내지 43.0%, 가장 바람직하게는 약 40.1% 내지 43.0%인 것을 특징으로 하는 주철 재료.
  6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 마그네슘 함량의 범위가 약 0.020% 내지 0.150%, 바람직하게는 약 0.040% 내지 0.100%, 특히 바람직하게는 약 0.065% 내지 0.090%인 것을 특징으로 하는 주철 재료.
  7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 실리콘 함량의 범위가 약 1.1% 내지 5.0%, 바람직하게는 약 1.15% 내지 5.0%, 특히 바람직하게는 약 1.3% 내지 5.0%인 것을 특징으로 하는 주철 재료.
  8. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 니오븀 함량의 범위가 0.33% 미만, 특히 0.22% 미만, 더 특히 0.11% 미만인 것을 특징으로 하는 주철 재료.
  9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 코발트 함량의 범위가 4.0% 미만, 특히 2.75% 미만, 더 특히 0.005% 내지 1.5%인 것을 특징으로 하는 주철 재료.
  10. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 함량의 범위가 1.0% 미만, 특히 0.75% 미만, 더 특히 0.001% 내지 0.500%인 것을 특징으로 하는 주철 재료.
  11. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 탄소가 적어도 주로 구상 흑연으로 존재하는 것을 특징으로 하는 주철 재료.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 주철 재료의 용도로, 주철 재료로 얻어진 주물이 성형 툴 또는 프레싱 툴의 제조 및/또는 라이닝으로 사용되는 것을 특징으로 하는 주철 재료의 용도.
  13. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 따른 주철 재료의 용도로, 주철 재료가 프레스에서 상부 프레싱 툴 및 하부 프레싱 툴용 재료로 사용되고, 상기 프레싱 툴은 연속적이거나 단속적인 조업으로 작동되는 것을 특징으로 하는 주철 재료의 용도.
  14. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 주철 재료의 용도로, 프레싱 툴 또는 프레싱 다이의 제조 및/또는 라이닝으로 사용되고, 화학적 조성은 프레스될 재료의 각 팽창 거동 특히 프레스될 복합 재료 및 이를 위해 제공되는 공정 온도에 적합한 것을 특징으로 하는 주철 재료의 용도.
  15. 용융물 내에 존재하는 적어도 탄소의 일부가 석출되어 주철 재료를 형성하는 주조 공정으로, 성형 툴 또는 프레싱 툴을 제조 및/또는 라이닝하는 방법으로, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 주철 재료를 달성하기 위해 재료 성분이 사용되는 것을 특징으로 하는 성형 툴 또는 프레싱 툴을 제조 및/또는 라이닝하는 방법.
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