KR920008956B1

KR920008956B1 - 저열팽창 주철 및 그를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱 안테나 리플렉터 성형용 금형 엘리먼트

Info

Publication number: KR920008956B1
Application number: KR1019890015855A
Authority: KR
Inventors: 다까노부 니시무라; 모뚜 스쯔끼
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바; 아오이 죠이찌
Priority date: 1988-11-02
Filing date: 1989-11-02
Publication date: 1992-10-12
Also published as: EP0368565A1; DE68929180T2; EP0368565B1; JPH02125837A; US5049354A; JPH0699777B2; KR900008055A; DE68929180D1

Abstract

내용 없음.

Description

저열팽창 주철 및 그를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱 안테나 리플렉터 성형용 금형 엘리먼트

제1도는 Ni와 열팽창 계수 사이의 관계를 도시한 그래프.

제2도는 파라미터로서 Ni와 Co의 총함유량을 택하여 온도와 열팽창 계수 사이의 관계를 도시한 그래프.

제3도는 총 탄소함유량과 고용 탄소함유량 사이의 관계를 도시한 그래프.

제4a도는 본 발명의 첫번째 구체적 실시예에 따라 주조된 CFRP 성형용 금형의 형태를 도시한 평면도.

제4b도는 제4a도에서 화살표 IVB-IVB을 따라 취한 단면도.

본 발명의 오스테나이트계의 저열팽창 주철 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱 안테나 리플렉터 성형용 금형 엘리먼트에 관한 것으로서, 특히 매우 낮은 열팽창 계수를 지니며 주조성, 절삭성 및 진동흡수력이 매우 뛰어난 저열팽창 주철에 관한 것이다.

공지되어 있는 바와 같이 주철은 기초적인 산업용 재료로서 널리 사용되고 있다.

이와 같은 이유는 상기 재료가 우수한 주조성을 지니고 있어서 매우 다양한 복합적 형태로 쉽게 성형될 수 있고; 절삭과 가공이 용이하며 ; 그리고 재료 및 용융에 소요되는 비용이 비교적 저렴하여 제품이 소규모 공장에서도 쉽게 제조될 수 있기 때문이다.

그러나 최근에는 금속 이외의 플라스틱과 같은 많은 유기 및 무기 물질이 개발되었고, 각각의 특성을 이용한 기능 물질이 널리 보급되어 있고, 특히 전자산업의 발전과 더불어 공작기계, 측정기계, 성형금형 및 기타의 제조 기계류에 사용하기 위하여 고 정밀도 및 우수한 기능을 제공할 수 있는 재료가 요구되고 있다.

상기의 요구에 부응하기 위하여 주철의 종래의 특성에 추가하여 내열성 및 내식성 뿐만 아니라 저열팽창 계수, 향상된 진동흡수력을 지니는 주철 재료가 또한 개발되고 있다.

실시예들은 인바아(invar) 주철(36.5% Ni-Fe 합금) 및 그의 개량재인 Ni-레지스트 D5(ASTM A439 타입 D-5)주철이다.

상기 주철의 실시예들의 화학 성분은 다음의 표 1에 설명되어 있다.

[표 1]

인바아(invar)는 철에 34% 내지 37%의 니켈을 함유하고 있고(이하에서 모든 성분들의 비율은 중량%로 표현되어 있다), 상온 부근(0에서 200℃)에서 약 1.5×10^-6/℃의 저열팽창 계수를 지닌다.

상기 인바아 합금의 저 팽창 매카니즘은 ＂인바아 효과＂라고 불리는 자연 발생적인 용적 자기 변형 효과에 근거한다.

초 인바아(super invar)는 철/니켈 베이스에 4% 내지 6%의 코발트를 합금화하여 제조되고, 상온 부근에서의 열팽창 계수는 인바아의 열팽창 계수보다도 낮은 0.5×10^-6/℃이다.

그러나 전술한 인바아 및 초인바아는 모두가 낮은 주조성, 절삭성 및 진동 흡수력을 지니기 때문에 이들의 실용적인 적용은 매우 좁은 분야에만 한정되고 있다.

또한 표 1의 3, 4 및 5열에 나타내어져 있는 저열팽창 주철은 개량되고 있다.

예를들면 인바아의 실시예에서와 동일한 양의 니켈을 그래파이트 구조를 지니는 주철에 합금화 시킴으로써 Ni-레지스트 D-5가 획득된다.

상기 Ni-레지스트 D-5는 34% 내지 36%의 니켈을 일반적인 덕타일 주철과 동일한 양의 탄소, 실리콘 및 망간을 실질적으로 지니고 있는 철에 합금화 시킴으로써 성형되어 주철이 지니는 장점인 주조성, 절삭성 및 진동억제력을 유지시키고 더우기 ＂인바아 효과＂에 기인한 저 팽창 계수를 제공할 뿐만 아니라 내열성 및 내식성을 제공한다.

이러한 유형의 재료의 다른 실시예로서는 일본국 특개소60-51547에 나타내어져 있는 노비나이트(Novinite)주철이 있다.

이러한 합금주철에 있어서 주조성, 절삭성 및 저팽창은 초인바아의 실시예에서와 동일한 양의 니켈 및 코발트를 일반적인 덕타일 주철에 합금화 시킴으로써 획득된다.

그러나 전술한 Ni-레지스트 D-5 및 노비나이트 주철은 일반적인 덕타일 주철과 동일한 양의 탄소, 실리콘 및 망간을 함유하기 때문에 인바아 및 초인바아와 같은 저팽창을 지니지는 않는다.

특히 본 출원의 발명자들이 측정한 바에 따르면 각각의 열팽창 계수는 온도 0-200℃의 범위에서 5×10^-6/℃ 및 4×10^-6/℃의 큰 값을 갖는다.

따라서 전술한 주철 합금은 열 팽창 계수를 더욱 축소하려는 현대적인 요구들을 만족스럽게 충족시키지 못한다.

저열팽창 계수를 지니는 재료가 최근의 정밀 장치 및 FRP용 정밀 금형 재료로서 요구되고 있다.

종래의 값 보다 낮은 4×10^-6/℃의 열팽창 계수와 주조성, 절삭성 및 진동흡수력을 지니는 전술한 요구들에 부응하는 재료를 제공하기 위하여 본 출원의 발명자들은 수많은 실험과 통계 분석을 통하여 다양한 합금 성분들의 양과 열팽창 계수 및 기계적인 특성들 사이의 관계를 조사하였다.

그 결과로서 본 출원의 발명자들은 일본국 특개소 62-268249(1988. 10. 26에 출원된 미합중국 출원 번호 07/262784호)의 내용인 신규한 저열팽창 주철을 발견하였다.

상기 저열팽창 주철은 표(1)의 마지막 열에 나타내어져 있는 조성을 지니고 있다.

특히 오스테나이트계 철 매트릭스를 포함하는 주철에서 성분은 적어도 : 1.0%이상 3.5%이하의 탄소와 1.5%이하의 실리콘, 32%이상 39.5%이하의 니켈, 0.1%이상 4%이하의 코발트로 구성되고 전술한 니켈과 코발트의 총함유량이 41%이하인 주철을 사용한다.

발명자들은 최초로 주철을 사용하여, (1) 저열팽창 계수(2×10^-6/℃), 및 (2) 우수한 주조성, 절삭성, 진동흡수력 및 기계적인 강도를 지니는 저열팽창 물질을 제공할 수 있게 되었다.

특히 다양한 유형의 계속된 실험의 결과로서, 본 발명자들은 1% 내지 4%의 코발트가 1% 내지 3.5%의 탄소 및 32% 내지 39.5%의 니켈을 함유하는 주철에 첨가되고 실리콘은 1.5%이하 바람직하기로는 1%이하로 첨가될 때 열팽창 계수가 매우 작고 우수한 주조성 및 절삭성을 지니는 주철이 획득됨을 발견하였다.

이와 같은 저열팽창 주철을 개발함으로써 더욱 고정밀의 가공품을 제공할 수 있게 되었다.

그러나 기계의 대형화 및 고정밀화에 따라서 기존의 저열팽창 주철이 충분히 대응할 수 없는 사태가 종종 발생되게 되었다.

예를들면 최근에 위성통신과 같은 통신기술의 발전에 따라 전송 및 수신 장치에 사용되는 파라볼릭 안테나는 대형화되어 있고 또한 고도로 정밀 가공되어야만 한다. 예를들면 안테나 리플렉터로서는 고강도와 내식성을 지니는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)이 일반적으로 사용된다.

그러나 이 CFRP의 열팽창 계수가 매우 작기 때문에(약 1.5×10^-6/℃), 성형후 제품의 높은 치수 정밀도(dimensional accuracy)를 획득하기 위하여 성형용 금형은 같은 정도의 열팽창 계수를 지니는 재료로 만들어져야만 한다.

따라서 기존의 금형 재료의 열팽창 계수 보다 작은 즉 1.5×10^-6/℃이하의 열팽창 계수를 지니고 우수한 기계적인 특성을 지니는 것이 요구된다.

따라서 본 발명의 목적은 향상된 저열팽창 주철 조성물을 제공하는 것이고, 본 발명의 다른 목적은 높은 주조성, 절삭성 및 진동흡수력 뿐만 아니라 매우 낮은 열팽창 계수를 지니는 향상된 주철을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 CFRP를 성형하는 금형 재료로서 사용되고 우수한 주조성, 절삭성 및 약 1.5×10^-6/℃의 열팽창 계수를 지니며 바람직하기로는 그 이하의 열팽창 계수를 지니는 저열팽창 주철을 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성함에 있어서, 본 발명의 한 측면에 따라 오스테나이트계 철 매트릭스에 그래파이트 구조를 지니고 중량%로 약 1.0%이상 3.5%이하의 탄소, 약 1.0%이하의 실리콘, 약 29%이상 34%이하의 니켈, 약 4%이상 8%이하의 코발트 및 나머지는 거의 철로 구성된 주철이 제공된다.

본 발명의 다른 견지에 따라서 약 1.5×10^-6/℃(0-200℃에서)의 열팽창 계수를 지니는 전술한 바와 같은 주철 조성물로 구성된 대체로 디스크 모양의 금형 엘리먼트로 구성되는 탄소 섬유 강화 플라스틱 안테나 리플렉터 성형용 금형 엘리먼트가 제공된다.

본 발명의 기타의 목적, 특징 및 장점들이 첨부된 바람직한 구체적 실시예들의 상세한 설명을 통해 명확하게 될 것이다.

실험의 분석을 통하여 본 발명자들은 주조성과 절삭성을 향상시키기 위하여 그래파이트가 주조 공정시 합금 구조 내에서 결정화 될 수 있는 최소 성분 조건들 및 저열팽창성을 획득하기 위한 최적 성분 조건들을 발견하였다.

특히 본 발명에 따른 저열팽창 주철은 중량%로 탄소함유량이 약 1.0%이상 약 3.5%이하이고 바람직하기로는 약 2.0%이상 약 3.0%이하이며, 실리콘함유량은 약 1.0%이하이고 바람직하기로는 약 0.5%이하이며, 니켈함유량은 29%이상 34%이하이며, 코발트 함유량은 약 4%이상 약 8%이하인 점에 특징이 있다.

상기 성분에 추가하여, 주철이 약 1.0% 바람직하기로는 약 0.5%이하의 망간과 약 0.1%이하의 마그네슘을 포함하는 것이 바람직하다.

0°-200℃에서 본 발명의 주철 조성물용의 열팽창 계수는 약 4×10^-6/℃이하이고 바람직하기로는 약 3×10^-6/℃이하이며 더욱 바람직하기로는 약 2×10^-6/℃이하이고 가장 바람직하기로는 약 1.5×10^-6/℃ 혹은 그 이하가 바람직하다.

상기의 조성 범위는 본 발명자들이 수행한 다양한 실험들 및 분석을 통해 획득된 하기의 결과들을 근거로 하여 정해진 것이다.

제1의 결과는 열팽창 계수와 다양한 성분들의 함유량 사이의 관계를 구한 것으로서, 아래에 식(1) 및 (2)로 도시된 관계가 획득된다.

열팽창 계수( ×10^-6/℃)

= 14.905+0.1[고용 C 함유량]%

+1.49×[Si 함유량](%)

-0.32×[Ni 함유량](%)

-0.70×[Co 함유량](%)

+1.35×[Mn 함유량](%)

열팽창 계수( ×10^-6/℃)

=-2.14+1.75[고용 C 함유량]%

+2.11×[Si 함유량](%)

+0.14×[Ni 함유량](%)

+0.28×[Co 함유량](%)

+0.25×[Mn 함유량](%)………………(2)

제1도의 Fe-Ni 합금의 열팽창 계수와 Ni 함유량 사이의 관계를 도시한 도면이다.

도면에서 알 수 있는 바와 같이 Ni 함유량이 약 36%이면, 열팽창 계수는 매우 작다.

따라서 식(1)은 Ni 함유량이 최소의 열팽창 계수를 제공하는 Ni 함유량보다 작은 범위내에서 다양한 합금성분들을 분석한 결과로써 획득된 열팽창 계수들의 관계를 나타내고 있다.

이와 비교하여 식(2)는 Ni 함유량이 최소의 열팽창 계수를 제공하는 Ni 함유량보다 큰 범위내에서 다양한 합금 성분들을 분석함으로써 획득된 열팽창 계수들의 관계를 나타내고 있다.

식(1)과 식(2)에서의 다양한 계수들을 비교하면 Si 함유량(%)의 계수가 제일 큰 것을 알 수 있다.

즉 실리콘 함유량은 열팽창 계수에 커다란 정비례의 영향을 미친다.

따라서 더욱 낮은 열팽창 계수는 실리콘 함유량을 최대 한도로 감소시킴으로써 획득될 수 있다는 것을 알 수 있다.

종래에는 총 탄소함유량이 Fe-Ni 합금에서 탄소함유량의 열팽창 계수에 대한 효과에 대하여 상당한 영향을 미친다고 생각되고 있었다.

그러나 본 발명의 결과에 따라서 이와 같은 영향을 미치는 것은 총 탄소함유량이 아니고 고용 탄소함유량임이 발견되었다.

그다음 두번째 결과로서 Ni와 Co의 총함유량이 변화될 때의 온도와 열팽창 계수 사이의 관계가 제2도에 도시되어 있다.

이 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 특정한 Ni+Co 함유량에 따른 각각의 온도 대 열팽창 계수 곡선에는 열팽창 계수의 온도 의존도가 급격히 증가하는 변곡점 B가 나타내어져 있다.

또한 Ni+Co 함유량이 증가됨에 따라 상기 변곡점 B에 해당하는 온도(이하에서 변곡점 온도라고 명명됨)가 고온쪽으로 이동하게 된다.

따라서 제2도에서는 Ni+Co 양이 증가할 때 변곡점 온도가 고온쪽으로 이동되는 것을 알 수 있다.

결과적으로 정상 온도에서 200℃까지의 실용 온도 범위내에서 열팽창 계수는 높아진다.

이와 비교하여 실용 온도 범위 (0°에서 200℃)내에서 변곡점이 325℃이하 바람직하기로는 200℃-250℃로 되도록 조성이 세팅되면 열팽창 계수를 획득할 수 있다.

실험을 통하여 이러한 변곡점과 다양한 성분들의 함유량과의 관계를 발견함으로써 발명자들은 하기의 식(3)을 획득하였다.

변곡점 온도(℃)

=22.5×[Ni(%)+Co(%)]-22×Mn(%)-600.3 ……………(3)

식(3)으로부터 변곡점 온도를 Mn을 첨가시킴으로써 저온 범위로 이동시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.

다음에, 세번째 결과로서 고용 탄소함유량과 카바이드 함유량을 감소시킴으로써 주조성과 절삭성이 향상되고 또한 진동 흡수력이 향상된다는 것이 확인되었다.

즉 고용탄소 이외의 탄소가 그래파이트 또는 카바이드의 형태로 존재한다.

그안에 그래파이트 결정량이 많으면 많을수록 주조시 수축홀(shrinkage hole)의 수가 작아져서 절삭 가공성 즉 절삭성 : 진동흡수력이 증가된다.

한편 카바이드가 침전될 때에는 역효과가 나타나서 미세구멍(microcavity)이 발생되며 따라서 절삭성이 악화된다.

그러므로 고용 C 함유량과 침전된 카바이드량을 가능한한 작게 하고 그래파이트 결정량을 가능한한 크게 하는 것이 필요하게 된다.

네번째 결과로서 식(4) 내지 (7)로 나타내어지는 고용 탄소함유량과 기계적인 강도 사이의 관계가 획득된다.

인장강도(kgf/㎟)

=19.6+93[고용 C 함유량](%) …………………… (4)

내력(kgf/㎟)

=4.8+135.5[고용 C 함유량](%) …………………… (5)

영율(kgf/㎟)

=6982.5+19750[고용 C 함유량](%) …………………… (6)

강도(HB)

=128.6+133[고용 C 함유량](%) …………………… (7)

식(1) 및 (2)에서 열팽창 계수를 축소시키기 위하여는 고용 C 함유량을 감소시키는 것이 바람직하다.

그러나 상기의 식(4) 내지 (7)에서 알 수 있는 바와 같이 기계적인 강도를 증가시키기 위하여는 고용 C 함유량을 증가시키는 것이 필요하다.

그러므로 최적의 범위는 저열팽창 특성과 우수한 기계적인 특성을 동시에 만족시킬 수 있도록 결정된다.

마지막으로 다섯번째 결과로서 고용 탄소함유량과 총 탄소 함유량 사이의 관계가 발견되어 제3도에 도시되어 있다.

상기의 제3도에서 알 수 있는 바와 같이 고용 탄소함유량은 총 탄소함유량이 증가함에 따라 감소한다.

이와 같은 이유는 총 C 함유량이 많을 때 응고초기의 결정량이 증가하여 부근의 고용 C가 안정된 그래파이트로 되는 사이트(site)를 제공하는 역할을 한다.

따라서 응고 종료시의 고용 C 함유량이 감소될 때, 동시에 카바이드로 되는 C의 양도 감소되게 된다.

제3도에서 고용 C 함유량과 총 C 함유량 사이의 관계가 식(8)로 나타내어져 있다.

[고용 C 함유량](%)

=0.65-0.20[총 C 함유량](%) …………………… (8)

식(8)의 관계를 식(1) 내지 식(7)에 대입함으로써 총 탄소 함유량(총 C 함유량)과 다양한 특성들 사이의 관계식이 도출된다.

본 발명에 따른 저열팽창 주철의 조성이 전술한 실험 결과에서 획득된 결과에 따라 결정된다.

다양한 성분들의 함유량이 범위 및 한정 이유들과 관련하여 더욱 상세하게 설명한다.

우선 탄소함유량이 약 1 내지 3.5중량% 바람직하기로는 약 1.5 내지 3중량% 그리고 더욱 바람직하기로는 2.2 내지 2.3중량%로 설정된다.

주철내에서 탄소는 그래파이트로 결정화되는 탄소와 철내에서의 고용 탄소로 나누어진다.

본 발명의 목적인 주조성, 절삭성 및 저열팽창성을 증가시키기 위한 중요한 요점은 그래파이트로서 결정화되는 탄소의 양을 가능한한 크게 늘리고 고용 탄소함유량을 가능한한 크게 줄이는 것이다.

주철내에서 총 탄소함유량과 고용탄소함유량 사이의 관계와 관련하여 제3도 및 식(8)에서 알 수 있는 바와 같이 총 탄소함유량을 늘리는 것이 본 발명의 목적과 일치하는 것이다.

그러나 고용 탄소함유량과 그래파이트로 결정되는 탄소량은 주철 재료의 기계적인 특성에 커다란 영향을 미친다.

특히 식(6)에 식(8)을 대입함으로써 영율과 총 탄소함유량 사이의 관계가 하기의 식(9)로 나타내어진다.

영률(kgf/㎟)

=19820-3950[총 탄소함유량](%) …………………… (9)

즉, 영율은 총 탄소함유량이 증가할 때 감소한다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 재료를 사용하려는 제품은 CFRP 금형이다.

본 발명의 재료가 이와 같은 목적에 사용될 때에는 적어도 9,000kgf/㎟의 영율이 요구된다.

따라서 식(9)로부터 필요한 총 탄소함유량이 약 2.8%이상이 될 수는 없다.

본 발명의 재료를 알루미늄 합금 정도의 영률이 요구되는 구조 부재에 사용할 가능성을 고려하면 총 탄소함유량의 상한치는 약 3.5%까지 확대될 수도 있다.

또한 열팽창 계수와 다양한 합금 성분들과의 관계는 식(1) 및 식(8)에서 하기의 식(10)으로 도출될 수 있다.

열팽창 계수(×10^-6/℃)

= 14.97-0.02[총 C 함유량]%

+1.49×[Si 함유량](%)

-0.32×[Ni 함유량](%)

-0.70×[Co 함유량](%)

+1.36×[Mn 함유량](%) …(10)

식(10)으로부터 총 탄소함유량이 크면 클수록 재료의 열팽창 계수가 적어진다는 것이 명백하다.

따라서 총 탄소함유량이 가능한한 최대값으로 설정되는 것이 바람직하다.

그러나 총 탄소함유량이 3.5%를 초과하면 고용 탄소가 감소되어 기계적인 강도가 떨어지고 주조성이 약해진다.

한편 총 탄소함유량의 하한치는 그래파이트가 결정화되는 경향과 열팽창 계수 사이의 관계로부터 결정된다. 특히 획득하고자 하는 우수한 그래파이트 조성물을 위한 총 탄소함유량의 하한치는 약 1%이다.

약 1%이하에서는 응고시 그래파이트 핵이 불충분하게 형성되고 카바이드가 형성되어 절삭성을 크게 손상시킨다.

이러한 이유 때문에 총 탄소함유량은 약 1%이상 약 3.5%이하 바람직하기로는 약 2.0%이상 3.0%이하로 설정된다.

그다음 실리콘 함유량은 약 1.0%이하로 설정된다.

식(10)에 나타내어져 있는 관계에서 실리콘 함유량의 계수는 최대치이고 이는 실리콘 함유량이 열팽창 계수에 미치는 영향이 크다는 것을 나타낸다.

따라서 실리콘 함유량이 적을수록 저열팽창 계수가 획득된다.

실리콘은 그래파이트 결정을 촉진시키기 위하여 필요한 성분이다.

그러나 일반적인 주철과는 달리 본 발명의 저열팽창 주철은 그래파이트화 촉진 성분이 약 30%의 니켈을 함유한다.

따라서 접종 효과(inoculation effect)를 발생시키기 위해 필요한 실리콘의 최소량은 예를들어 약 0.3 또는 그 이상의 실리콘을 첨가시킴으로써 제공된다는 것이 발견되었다.

또한 그래파이트 입자가 접종제로서 사용된다면 실리콘의 함유량이 극소량일지라도 만족스러운 그래파이트 조성물이 획득될 수 있다는 것이 발견되었다.

그러나 일반적인 주조 시이트에 있어서는 철-실리콘이 접종제로서 사용되고 있고, 본 실시예의 경우에는 약 0.5%의 최대첨가량이 바람직하다.

그다음, 망간의 함유량은 약 1.0%이하로 설정된다.

망간을 첨가시킴으로써 제2도에 도시되어 있는 변곡점은 저온측으로 이동되어 상온에서 200℃까지의 실용온도 범위내에서 열팽창 계수를 낮추는데 효과적이다.

그러나 실리콘의 경우에서와 같이 망간함유량이 약 1%를 초과하면 열팽창 계수가 증가되는 역효과가 나타난다.

따라서 망간의 첨가량은 약 1.0%이하 바람직하기로는 0.5%이하로 설정된다.

그 다음 Ni 함유량은 약 29%에서 34%까지 설정된다.

상기의 범위내에서 설정되는 이유는 Ni 함유량이 29%이하이거나 혹은 34%이상이면, 양경우에 있어서 열팽창 계수가 증가되기 때문이다.

또한 Co 함유량은 약 4%에서 8%까지의 범위내에서 설정된다.

Co 함유량이 약 4%이하이면 열팽창 계수는 증가하지만 약 8%를 초과하면 제2도에 도시된 변곡점이 고온측으로 이동하게 되어 열팽창 계수는 상온에서 200℃까지의 실용온도 범위내에서 증가하게 된다.

Ni 함유량 및 Co 함유량의 적정한 범위는 탄소, 실리콘 및 망간함유량에 의해 영향을 받게 된다는 것에 주의해야 한다.

실험적인 결과로부터 열팽창 계수가 최소값이 되는 Ni 함유량은 하기의 식(11)로 주어진다.

열팽창 최소치에서의 Ni 함유량(%)

=35-0.29×[Co 함유량](%)

-6.0[0.65-2.0 총 C 함유량](%)

+0.57[Mn 함유량](%)

+0.45[Si 함유량](%) …………… (11)

전술한 이유 때문에 총 탄소함유량이 1.5%, 실리콘 함유량 및 망간함유량이 0%이면 열팽창 최소치에서 Ni 함유량(%)은 하기의 식(12)로 주어진다.

열팽창 최소치에서 Ni 함유량(%)

=33-0.29[Co 함유량](%) ………… (12)

한편 Ni와 Co의 총함유량은 제2도에 도시되어 있는 저열팽창 계수곡선에서 변곡점 B에 해당하는 온도(변곡점 온도θ)에 영향을 미치고, 또한 변곡점 B에서 열팽창 계수의 값에 영향을 미친다.

변곡점 온도θ이하의 범위에서, 열팽창 계수의 온도의 변화 범위는 작지만 변곡점 온도θ이상의 범위에서는 급격하게 증가된다.

하기의 식(13)은 변곡점 온도(θ)와 Ni와 Co의 총함유량 사이의 관계를 실험적으로 확인하여 구해진다.

변곡점 온도θ(℃)

=22.5×[Ni 함유량(%)+Co 함유량(%)]-600.7 ………………… (13)

정상온도에서 약 200℃까지의 실용온도에서 사용되는 CFRP 금형을 본 발명의 주철이 적용되는 대상이라고 가정하고, 변곡점 온도θ가 200℃-250℃에 설정되어 있다면, Ni와 Co의 총함유량의 적정범위는 하기의 식(14)로 주어진다.

Ni 함유량(%)+Co 함유량(%)

=36-38(%) ………………… (14)

식(14)와 식(12)와의 관계에서 최적 Ni 함유량은 약 29%-38%에서 그리고 최적 Co 함유량은 약 4%-7%에서 산출된다.

따라서 상기 함유량은 이 조성 범위내에 설정된다.

마그네슘은 그래파이트를 구형으로 결정시키는데 필요한 성분이고 함유량은 약 0.1중량% 이하로 설정된다.

마그네슘 함유량이 약 0.1%를 초과하면, 카바이드를 형성하기 때문에 바람직하지 않다.

따라서 마그네슘 함유량은 약 0.04%에서 0.1%까지의 범위내에 있는 것이 바람직하다.

도면과 표를 참조하면서 본 발명의 특정한 바람직한 구체적 실시예들에 대해 설명한다.

[실시예 1]

CFRP 성형용 금형은 제4a도 및 b도에 도시된 바와 같이 주조된다.

금형은 높이 70cm, 폭 65cm, 두께 6cm 및 중량 130kg이다.

용해를 위해 300kg 용량의 고주파 전기로를 사용하여 하기의 표 2에 도시된 물질을 용해한다.

[표 2]

하기의 표 3에 나태내어져 있는 바와 같이 조성은 2.0% 탄소, 0.15% 실리콘, 0.03% 망간, 30% 니켈, 6% 코발트 및 0.05% 마그네슘과 나머지 불순물을 함유하는 오스테나이트계 주철이다.

1인치 킬 블록(keel block)용 모래 주형에서 샘플을 채취한다. 다양한 특성들을 측정한 결과가 표 4에 도시되어 있다.

표 4에서 1.5×10^-6/℃의 열팽창 계수, 인장강도 40kgf/㎟, 신장도 22% 및 12000kgf/㎟의 영율이 획득된다.

따라서 획득된 금형은 CFRP의 예비성형체를 200℃에서 가열하면서 프레스성형하는 공정에서 사용된다.

CFRP의 열팽창 계수는 1.0-1.5×10^-6/℃이기 때문에 CFRP의 열팽창 계수와 비숫한 열팽창 계수를 지니는 본 실시예의 금형을 사용함으로써 CFRP생산품의 치수 정밀도를 크게 향상시키는 것이 가능하다.

전술한 바와 같이 본 실시예의 조성을 지니는 주철과 더불어 일반적인 주철이 지니는 계수와 비슷한 정도의 주조성, 절삭성 및 기계적 특성을 유지하고 인바아 합금의 계수가 비슷한 저 팽창 계수가 획득 가능하다.

[실시예 2]

표 3에 나타내어져 있는 바와 같이 주철의 총 C 함유량은 2.8%이고 Si 함유량은 0.4%이다.

이러한 조성을 지니는 주철은 향상된 진동흡수력을 획득하고자 할 때 사용된다.

특히 총 C함유량을 2.8%까지 높여줌으로써 17%의 댐핑능력(damping capacity) 즉 일반적인 주철의 경우보다 4 내지 5배의 진동흡수능력이 획득된다.

또한, 경도는 약 125-135HB이다. 즉 재료는 알루미늄 합금의 경우와 동일한 연도(softness)를 나타낸다.

이와 같은 사실은 그래파이트에 의한 윤활효과와 함께 결합되는 부재를 손상시킴이 없이 커플링(coupling) 및 그리핑(gripping)용 지그(jig)부재로서 유용하다.

따라서 고정밀도를 요구하는 반도체 및 전자제조장치용 재료로서 사용가능하다.

전술한 바와 같이 일반적인 주철(FC 30재)의 경우보다 약 4 내지 5배의 진동 흡수력 및 알루미늄 합금에서와 같은 연도가 획득된다.

[실시예 3]

표 3에서 나타내어져 있는 바와 같이 주철의 탄소함유량은 1.20%의 낮은 값에 설정된다.

다른 성분들은 상기 실시예에서와 근사하다. 이 경우에는 미소한 그래파이트 결정이 존재하며, 표 4에 나타내어져 있는 바와 같이 가공성이 허용범위 내에 있다.

[실시예 4]

표 3에 나타내어져 있는 바와 같이 실리콘 함유량은 0.9%의 높은 값에 설정된다.

다른 성분들의 함유량은 상기 실시예에서와 근사하다.

이 경우에는 표 4에 나타내어져 있는 바와 같이 열팽창 계수는 약간 크지만 여전히 허용범위내에 있다.

[실시예 5]

표 3에 나타내어져 있는 바와 같이 망간 함유량은 0.9%에 설정된다.

다른 성분들의 함유량은 상기 실시예에서와 근사하다.

이 경우에는 표 4에 나타내어져 있는 바와 같이 열팽창 계수가 크지만 여전히 허용범위 내에 있다.

[실시예 6]

표 3에 나타내어져 있는 바와 같이 망간 함유량은 0.7에 설정된다.

다른 성분들의 함유량은 상기 실시예에서와 근사하다. 또한 이 경우에도 열팽창 계수는 허용 범위내에 있다. 다양한 합금 성분들을 사용하여 본 발명이 실시될 때 전술한 실시예의 경우와는 다르지만 본 발명의 범위내에서 전술한 바와 유사한 탁월한 특성을 지니는 주철이 획득하다.

[비교예 1]

표 3에서와 같이 탄소함유량은 0.71%의 매우 작은 값에 설정된다.

다른 성분들의 함유량은 상기 실시예에서와 근사하다.

이 경우에는 표 4에 나타내어져 있는 바와 같이 가공성, 주조성 및 진동흡수력이 불량하다.

[비교예 2]

표 3에 나타내어져 있는 바와 같이 탄소함유량은 3.6%의 높은 값에 설정된다.

다른 성분들은 상기 실시예에서와 근사하다.

이 경우에는 표 4에 나타내어져 있는 바와 같이 신장력과 강도가 저하되고 다수의 주조결함이 발생된다.

[비교예 3]

표 3에 나타내어져 있는 바와 같이 실리콘 함유량은 1.2%의 높은 값에 설정된다.

다른 성분들은 상기 실시예에서와 근사하다.

이 경우에는 표 4에 도시된 바와 같이 열팽창 계수는 매우 크다.

[비교예 4]

표 3에 나타내어져 있는 바와 같이 니켈 함유량은 28.0%의 낮은 값에 설정된다.

다른 성분들은 상기 실시예에서와 근사하다.

이 경우에는 표 4에 나타내어져 있는 바와 같이 열팽창 계수가 높다.

[비교예 5]

표 3에 나타내어져 있는 바와 같이 니켈함유량은 37.0%의 높은 값에 설정된다.

다른 성분들은 상기 실시예에서와 근사하다.

이 경우에는 표 4에 도시된 바와 같이 열팽창 계수가 높다.

[비교예 6]

표 3에 나타내어져 있는 바와 같이 코발트 함유량은 3.5%의 낮은 값에 설정된다.

다른 성분들의 함유량은 상기 실시예들에서와 근사하다.

[비교예 7]

표 3에 나타내어져 있는 바와 같이 코발트 함유량은 8.2%의 높은 값에 설정된다.

다른 성분들은 상기 실시예에서와 근사하다.

제3도에 도시된 바와 같이 총 니켈 및 코발트 함유량은 42.5%의 높은 값에 설정된다.

다른 성분들은 상기 실시예에서와 근사하다.

[표 3]

[표 4]

전술된 바와 같이 본 발명에 따른 성분을 지니는 주철 내에 의해 1.5 내지 3.0×10^-6/℃의 저열팽창 특성이 획득 가능함과 동시에 일반적인 주철과 같은 정도의 주조성 및 절삭성도 획득 가능하다.

또한 필요하다면 진동흡수능력을 일반적인 주철의 경우보다 4 내지 5배 증가시킬 수 있고 알루미늄 합금의 경우와 같은 정도의 연도를 획득할 수도 있다.

전술한 설명 및 실시예들은 단지 본 발명을 예시하기 위하여 설명된 것이며 제한하고자 하는 것은 아니다.

본 발명의 정신 및 요지를 실시하는 전술된 실시예들에 대한 수정이 본 발명이 속한 기술분야에 숙련된 사람들에게는 가능하기 때문에 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위 및 그와 유사한 예들에 한정되어져야 한다.

Claims

오스테나이트계 철 매트릭스에 그래파이트 구조를 지니고 있고, 중량%로 0.1% 이상 3.5%이하의 탄소, 1.0%이하의 실리콘, 29%이상 34%이하의 니켈, 4%이상 8%이하의 코발트 및 나머지는 철로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 저열팽창 주철.
오스테나이트계 철 매트릭스에 그래파이트 구조를 지니고 있고, 중량%로 1.0% 이상 3.5%이하의 탄소, 0.1%이하의 실리콘, 29%이상 34%이하의 니켈, 4%이상 8%이하의 코발트, 1.0이하의 망간 및 나머지는 철로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 저열팽창 주철.
오스테나이트계 철 매트릭스에 그래파이트 구조를 지니고 있고, 중량%로 1.0% 이상 3.5%이하의 탄소, 1.0%이하의 실리콘, 29%이상 34%이하의 니켈, 4%이상 8%이하의 코발트, 0.1%이하의 마그네슘 및 나머지는 철로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 저열팽창 주철.
오스테나이트계 철 매트릭스에 그래파이트 구조를 지니고 있고, 중량%로 1.0이상 3.5%이하의 탄소, 1.0%이하의 실리콘, 29%이상 34%이하의 니켈, 4%이상 8%이하의 코발트, 1.0%이하의 망간, 0.1%이하의 마그네슘 및 나머지는 철로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 저열팽창 주철.
제1항에 있어서, 탄소가 2.0%-3.0%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 저열팽창 주철.
제1항에 있어서, 실리콘이 0.3%-0.5%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 저열팽창 주철.
제2항에 있어서, 망간이 0.5%이하의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 저열팽창 주철.
제1항에 있어서, D-200℃에서 약 3.0×10^-6/℃ 이하의 열팽창 계수를 지니는 것을 특징으로 하는 저열팽창 주철.
1.5×10^-6/℃의 열팽창 계수(0-200℃에서)를 지니며 제1항에 따라 정의되는 주철 조성물로 이루어진 일반적으로 디스크 모양의 금형 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱 안테나 리플렉터 성형용 금형 엘리먼트.