KR950014491B1 - 주조결함 및 응고조직의 개선을 위한 주편제조방법 및 그 주형 - Google Patents

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내용 없음.

Description

주조결함 및 응고조직의 개선을 위한 주편제조방법 및 그 주형

제1도는 본 발명의 주편제조 방법에 적절히 사용되는 본 발명의 주형설비의 개략도,

제2도는(a)는 본 발명의 방법에 의해 제조된 주편 하단단면의 응고조직도 (b)는 종래방법에 의한 주편 하단단면의 응고조직도,

제3도는(a)는 본 발명의 방법에 의해 제조된 주편 중단단면의 응고조직도 (b)는 종래방법에 의한 주편 중단단면의 응고조직도,

제4도는(a)는 본 발명의 방법에 의해 제조된 주편 중단단면의 편석대 관찰사진 (b)는 종래방법에 의한 주편 중단단면의 편석대 관찰사진,

제5도는(a)는 본 발명의 방법에 의해 제조된 주편 상단단면의 응고조직도 (b)는 종래방법에 의한 주편 상단단면의 응고조직도,

제6도는(a)는 본 발명의 방법에 의해 제조된 주편 최 상단단면의 응고조직도 (b)는 종래방법에 의한주편 최 상단단면의 응고조직도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 주형 11 : 냉각수통로

11 : 주형벽 13 : 유압장치

12a : 가변주형벽

본 발명은 철 또는 강, 비철금속의 주편응고시 발생되는 주조결함 및 응고조직을 개선하는 방법 및 그 주형에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 주형에서 응고시 반응고 가공에 의해 주조결함 및 응고조직을 개선시킬 수 있는 주편제조방법 및 그 주형에 관한 것이다.

통상, 금속가공공정은 주형에서 완전히 응고시킨 후 고상상태에서 여러가지 가공, 예를들면, 열간압연(hot rolling), 단조(forging), 압출(extrusion)을 한 후 소재 흑은 중간제품으로 사용하고 있다.

그러나, 주조후 응고과정에서 생성되는 여러가지 결함을 예를들면, 핀홀(pin hole), 쉬링크 흘(shrink hole), 수링케지 캐비티(shrinkage cavity), 중심편석(center segregation)에 의해 응고직후 주편을 직접 가공공정의 소재로 사용하기에는 많은 제약을 받아왔다.

상기한 결함을 제거하기 위한 많은 시도가 행해졌으며, 그 대표적인 방법으로서 반응고 가공공정을 들 수있는데, 이 반응고 공정은 격렬히 교반된 반응고 상태의 금속을 주조, 단조, 압출 및 스트립 캐스팅(Strip Casting)에 응용한 연속 주조공정으로 성형하는 기술로서 다음과 같은 특징을 갖고 있다. 즉, 1)종래 주조방법에서 발생하는 균열, 편석 등을 제거하여 고품질의 주조 제품의 제조가 가능하고, 2), 수지상이 없는 미세하고 균일한 주조조직을 얻을 수 있고, 3)다이 케스팅(Die Casting)의 경우 다이(Die) 수명을 연장시키면서 원가절감이 가능하고, 4)반응고 상태에서 강화재료를 혼입시킨 복합재료의 경제적 제조가 가능하고, 5)주조 및 압연공정의 결합이 가능할 뿐만 아니라, 6)연속 주조시 주조속도 증가로 생산성을 향상시킬 수 있다는 여러가지 장점이 있다. 그러나, 종래의 반응고 제조기술은 주로 연속주조의 분야에서 고상과 액상의 공존영역의 온도범위에서 용탕을 기계교반방식을 이용하여 반응고 슐러리(Slurry)를 제조하는 기계교반기술, 전자장의 회전력을 교반력으로 이용하는 전자력 교반기술, 용탕을 냉각시키면서 일련의 교반상태(Tortuous Path)를 통과시키면서 강한 난류를 유도하여 교반력을 얻는 기술등으로 대부분 교반방식으로 사용중에 있는 실정이다.

통상 잉곳트(Ingot)의 제조시나 주형에 주조를 하여 응고를 하는 경우에 이러한 반응고가공이 적용되지 않고 있는 상황이기 때문에 주조결함의 발생을 억제하기가 불가능한 실정이다 통상, 주편의 응고시에 벌징(bulging) 및 쉬링크 홀(shrink hole)에 의한 균열이 발생하기 때문에 가공후 중심부가 취약하거나 균열이 잔존하기 때문에 소재로 사용하기에 부적합한 경우가 있다. 또한, 중심부에 편석대가 형성되어 주편의 주조후 편석을 균질화하기 위한 시간이 상당히 소요되기 때문에 열처리공정에서 열처리 비용이 상승되며, 편석이 심한 경우에는 장시간 열처리에도 불구하고 중심편석의 잔존으로 인한 제품품질 특성이 열악해지는 단점이 있다. 그리고 응고의 말기 부분에 해당되는 주편의 최상단 부위에는 응고시 체적감소로 인한 쉬링케지케비티(shrinkage cavity)가 발생되어 후공정의 가공이 불가능하여, 이부분을 제거시켜야 하는 문제점이 있기 때문에 주편의 실수율이 낮아지는 단점이 있다.

이에, 본 발명자들은 통상 잉곳트 및 주조제품의 주조결함을 저감할 수 있는 방법에 관해 깊이 있게 연구한 결과, 주편의 응고시 기계적 및 전기적인 교반방법에 의하지 않고 고상 액상공존영역의 온도에서 응고도중 기계적 변형을 주어 반응고 가공을 부여하는 방식으로 고상의 비율이 약 20% 에서 반응고 가공을 시작하여 고사의 비율이 약 90% 가 될때 반응고 가공을 완료하면 주편의 하단 및 중단부위에서는 반응고 가공에 의해 수지상정의 끝부분이 부딪쳐, 맞물린 상태에서 응고가 완료되며, 특히, 중단 부위에서는 반응고 가공에 의해 중심 균열과 중심편석을 방지할 수 있으며, 주편의 상단부분에서는 등축정의 형성을 촉진시켜 주조조직을 수지상정에서 등축정으로의 전환이 가능하여 주조조직이 개선되며, 최 상단부위에는 쉬링케지 케비티의 생성을 억제하여 주편의 실수율을 높일 수 있다는 것을 인식하고, 이에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 주편 응고시 외부에서의 기계적인 변형(응력)을 가하여 주조결함의 제거 및 응고조직을 개선시킬 수 있는 주편의 제조방법 및 그 주형을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 철, 강, 또는 비철금속 용탕을 주형에 주입하여 주편을 제조하는 방법에 있어서, 주형의 적어도 한쪽벽을 가변으로 형성하고 ; 상기 가변인 주형벽을 일정각도로 눕힌 상태에서 용량을 주입하고 ; 그리고 주형내의 용탕이 응고하여 고상과 액상이 공존할때 상기 가변주형벽을 세워 주형내에 기계적 변형을 주어 반응고 가공을 부여하므로써 구조결함 및 응고조직 개선하는 주편 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 도면에 의해 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 바람직하게 적용될 수 있는 주편제조를 위한 주형이 제1도에 나타나 있다.

제1도에 나타난 바와같이, 본 발명의 주편제조를 위한 주형(10)은 냉각수가 소통될 수 있는 냉각수동로(11)가 내부에 구비되어 있는 주형벽(12)을 포함하며, 이 주형벽(12) 중 적어도 하나의 주형벽(12a)은 가변될 수 있도록 구성되고, 이 가변주형벽(12a)에는 유압장치(13)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 냉각수 통로(11)에는 냉가수 유입부(11a) 및 낭각수 배출부(11b)가 냉각수 소통관계로 연결되어 있다.

상기 가변주형벽(12a) 장방형 주형의 경우에는 용탕과의 접촉면적이 근 주형벽으로 형성시키는 것이 바람직하며, 용강과의 접촉면적이 동일한 주형벽들로 주형이 구성되는 경우에는 어느 주형벽으로 형성하여도 무관하다. 이하, 본 발명에 따라 주편을 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

주형벽(12) 중 가변주형벽(12a)을 일정각도로 눕힌 다음, 철, 강 또는 비철용탕을 주입한다.

이때 가변주형벽의 경사각()은 10-30°로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 경사각이 10°이하인 경우에는 주형 하부에 잔존하는 액상이 상부로 거의 이동을 하지 않기 때문에 주편 중단 부분에서 쉬링크 홀이 생성되며, 또한 주형의 상단 부위에서는 수지 상정의 개선효과가 없고, 최상단 부위에서는 쉬링케지 케비티가 형성되어 반응고 가공 효과를 기대할 수 없기 때문이고, 30°이상인 경우에는 유압장치를 이용하여 주형의 한쪽벽을 수직으로 세우는데 소모되는 시간이 주형내에서 응고가 완료되는데 소모되는 시간보다 길기 때문에, 반응고 가공의 효과가 없을 뿐만 아니라, 최종 잉고트의 하부두께와 상부두께가 서로 다르기 때문에, 응고후 후공정인 압연이 불가능하기 때문이다.

상기와 같이 주입한 후 용탕이 응고하여 고상과 액상이 공존할때 가변주형벽(12a)을 세워 주형내에 기계적변형을 가하여 반응고 가공을 부여한다.

이때, 주형내의 기계적변형을 가하여 반응고가공을 부여하는 경우 주형내의 고상의 비율이 20% 에 이를때 반응고 가공을 시작하여 고상의 비율이 90% 가 될때 반응고 가공을 완료하는 것이 바람직하다.

주형내의 고상의 비율이 약 20% 에서 반응고 가공을 시작하여 고상의 비율이 약 90% 가 될때 반응고 가공을 완료하는 것이 바람직한 이유는 반응고 가공 개시점의 고상비율이 약 20% 이하일 경우에는 주편의 하단 및 중단 부분의 용액이 너무 빨리 상부에로의 유동이 완료되어, 주편의 최상단 부분은 반응고 가공의 효과를 받을 수 없어 쉬링케지 케비티(shrinkage cavity)가 발생하고, 반응고, 가공 완료점의 고상의 비율이 약 90% 이상일 경우에는 응고말기까지 기계적 변형을 주는 주편의 높이이하의 부분에 용강의 공급이 되지 않아 응고시 수축에 의한 쉬링크 홀(shrink hole)이 형성되어 중심부에 파이프(pipe)와 편석대가 형성되기 때문이다.

주편의 높이에 따라 본 발명에 도입한 반응고 가공의 효과를 설명하면 다음과 같다.

종래 응고과정의 주편하단부분에서는 응고시 포정반응의 결과로 응고수축이 일이나서 주형과 주편사이에 에어갭(air gap)이 형성하게 된다. 이러한 에어갭으로 인해 주편의 열전달이 지연되면서 응고가 지연된다. 위의 결과로 표면부위의 수지상정의 방향은 응고잠열의 이동방향에 따라 수직방향이나 응고말기 중심부위의 응고시점에서는 액상과 고상의 온도차이가 거의 없는 상태에서 응고가 완료되어 중심부에서는 무방향성을띄게된다. 본 발명에 의한 제조방법을 적용하게 되면 주편 하단부분에서는 응고말기까지 주형과 주편이 서로 접촉되어 열전달이 빠르게 되어 온도 구배가 높은 상태에서 응고가 완료되어 응고조직이 중심부까지 수지상정의 조직을 띄게된다. 또한 반응고 가공에 의해 수지상정의 끝부분이 서로 부딪쳐 교차된 상태에서 응고 말기까지 외부 응력을 받는 상태로 응고가 완료되기 때문에 중심부위에서는 수지상정의 방향이 서로 다르게 엉켜져 있게 되며, 반응고 가공에 의해 절단된 수지상정의 절단부위와 중심부에 존재하는 과냉각된 부분은 외부의 기계적인 힘에 의해 상부로 상승하게 된다.

종래 주편 중단부분에서는 주편의 하단 부분이 이미 응고가 거의 완료되는 시점에, 용강이 이 부분의 중심부분에 낙하되므로, 철정압(ferrostatic pressure)이 증가하게 되고 이로 인한 두께 방향으로 용강의 유동이 발생하여 벌징(bulging) 현상이 나타나게 된다. 이러한 벌징현상은 주편 중심 부위에서의 균열발생을 초래할 가능성이 매우 높게되며 실제 통상 응고과정중 대부분 균열이 발생된다. 반면 본 발명에 의한 제조방법을 적용하게 되면, 외부의 기계적 힘에 의해 용강의 유동을 두께 방향으로 억제하여 벌징(bulging)에 의한 중심균열의 생성이 억제되고 이와 병행하여 발생되는 소제의 중심편석의 억제가 가능하다.

종래 주조방법에 의한 주조시 주편 상단부위에서는 상단부의 철장압이 낮아져 주형과 주조시편사이에 공간이 생김으로서 열전달이 늦어지게 되고 주편하부에서의 복사열로 인해 응고를 지연시키면서 고상과 액상사이의 온도차이가 없는 상태에서 응고가 완료되기 때문에 중심부위 작은 영역에서만 등축정들이 형성하게 된다. 반면 본 발명에 의한 제조방법을 적용하게 되면 중단 및 하단부위에서 응고시 고상과 액상의 2상 영역인 머쉬존(Mushy zone)에서 반응고 가공에 의해 인위적인 용강의 유동방향이 하부에서 상부로 진행하게 된다. 이때 유입된 주상정의 끝부분이 응고과정에서 등축정 형성의 핵으로 작용하고 중단 및 하단 부분에서 과냉각된 용강이 상단부위로 유입됨으로써 과냉각된 부분이 넓어져, 응고시 등축정의 생성을 촉진하게 되어 등축정의 면적 분율이 현저히 증가하게 된다.

종래 주조방법에 의한 주조시 주편의 최상단부위에서는 응고 말기 부분에 응고 체적수축으로 인한 쉬링케지 케비티가 형성된다. 반면 본 발명에 의한 제조방법을 적용하게 되면 중단 및 하단부위에서 인위적인 용강의 유동방향이 하부에서 상부로 진행하게 되어 응고말기까지 주편의 최상단 부분까지 용강을 공급하여 줌으로써 쉬링케지 케비터 생성의 억제가 가능하다.

이하, 본 발명을 실시예에 따라 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

하기 표 1과 같이 조성되는 용강을 제1도에서와 같이 한쪽 주형벽이 가변인 주형에 주입하여 주조를 행하고, 주조시 고상액상 공존영역의 온도에서 고상의 비율이 약 20% 에서 가변주형벽을 세워 반응고 가공을 시작하여 고상의 비율이 약 90% 가 될때 반응고 가공을 완료하였다. 이때, 유압장치의 용량은 10ton 이고, 주형의 높이는 60mm, 주형의 폭은 500mm 이였다.

그리고, 주형에 잔존되어 있는 수분을 제거하기 위하여 주조전에 주형을 약 100℃까지 가열하였으며, 주조전 주형의 냉각수를 작동시켰으며, 냉각수가 주형을 통과하는 속도는 약 8m/sec, 냉각수량은 약 60ℓ/min이였다.

상기와 같이 제조된 주편의 각 부위 즉, 하단부분, 중단부분, 상단부분과 최상단 부분에서 시편을 채취하여 응고조직을 관찰하고 그 결과를 종래방법 의해 제조된 주편의 응고조직과 함께 제2도-제6도에 각각 나타내었다.

이때, 주편 각 부위에서 채취된 응고조직은 HCI 4% 의 용액을 끓여 부식시킨 후 광학현미경을 이용하여 관찰했으며, 편석대는 맵핑 어날라이져(mapping analyzer)를 이용하여 관찰하였다.

[표 1]

제2도의(a)는 본 발명의 방법에 의해 제조된 주편 하단부분의 응고조직이며(b)는 종래방법에 의한 주편 하단단면의 응고조직을 관찰한 것으로서, 반응고 가공을 적용한 경우[제2도(a)]에서는 중심 부위에서는 응고시 수지상정의 방향이 서로 부딪쳐 방향이 다르게 엉켜져 있는 반면에, 반응고 가공을 미적용한 경우 [제2도(b)]에는 표면부위에서 수지상정의 방향이 응고잠열의 이동방향에 따라 수직방향이나 중심부위에서는 과냉각에 의한 무방향성을 나타내고 있음을 알 수 있다.

제3도의 (a)는 본 발명의 방법에 의해 제조된 주편 중단단면의 응고조직이며 (b)는 종래방법에 의한주편 중단단면의 응고조직을 관찰한 것으로서, 반응고 가공을 적용한 경우 [제3도(a)]에는 벌징(bulging)에 의한 중심균열의 생성이 억제되는 반면에, 반응고 가공의 처리를 않은 경우 [제3도(b)] 벌징(bulging)(2mm)에 의한 균열이 생성됨을 알 수 있다.

제4도의 (a)는 본 발명의 방법에 의해 제조되 주편 중단단면의 망간(Mn)편석을 관찰한 것이며 (b)는 종래방법에 의한 주편 중단단면의 편석을 관찰한 사진으로서, 반응고 가공방법에 의해 제조된 주편의 중심편석대는 반응고 가공을 하지 않은 주편 대비 현저한 편석대의 형성을 억제시킬 수 있음을 알 수 있다.

제5도의 (a)는 본 발명에 의해 제조된 주편 상단단면의 응고조직이며 (b)는 종래방법에 의한 주편 상단단면의 응고조직을 관찰한 것으로서, 반응고 가공을 한 시편의 경우 [제5도(a)]에는 등축정의 면적 분율이 반응고 가공을 하지 않은 경우 [제5도(b)]대비 현저히 증가되어 있음을 알 수 있다.

제6도(a)는 본 발명의 방법에 의해 제조된 주편 최 상단단면의 응고조직이며 (b)는 종래방법에 의한 주편 최 상단단면의 응고조직을 관찰한 것으로서, 반응고 가공을 한 시편의 경우 [제6도(a)]에는 쉬링케이지 케비티의 형성을 반응고 가공을 하지 않은 경우 [제6도(a)]에 비하여 방지할 수 있음을 알 수 있다. 상술한 바와같이, 본 발명법인 반응고 가공방법을 적용한 경우 통상 제조방법에 비하여 주편의 중심부위에서는 벌징(bulging)에 의한 중심균열을 방지할 수 있으며, 주편의 상단부위에서는 등축정의 면적분율이 현저히 증가한 응고조직을 얻을 수 있고 또한, 최상단 부위에서는 응고말기의 쉬링케이지 캐비티 형성을 억제할 수 있으므로, 본 발명은 후공정에서 편석을 균질화 시키기 위한 열처리 시간을 단축할 수 있어 생산원가의 절감이 가능하며, 중심부에 크랙(crack)을 방지하여 품질이 우수한 주편을 제조할 수 있을 뿐만 아니라 최상단 부분의 쉬링케이지 케비티의 생성을 억제함으로서, 주편의 실수율을 향상 시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (3)

1. 철, 강 또는 비철금속용탕을 주형에 주입하여 주편을 제조하는 방법에 있어서, 주형의 적어도 한쪽벽을 가변으로 형성하고 ; 상기 가변 주형벽을 일정각도로 눕힌 상태에서 용탕을 주입하고 ; 그리고 주형내의 용탕이 응고하여 고상과 액상이 공존할 때 상기 가변주형벽을 세워 주형내에 기계적 변형을 주어 반응고 가공을 부여하는 것을 특징으로 하는 주조결함 및 응고조직 개선을 위한 주편제조방법.
2. 제1항에 있어서, 가변주형벽의 경사각이 10-3O°이고 ; 그리고 주형내의 고상의 비율이 20% 에 이를때 가변 주형벽을 세워 반응고 가공을 개시하여 고상의 비율이 90% 에 이를때 반응고 가공을 완료하는 것을 특징으로 하는 주조결함 및 응고조직개선을 위한 주편 제조방법.
3. 주편제조용 주형에 있어서, 주형(10)의 벽(12)중 하나의 주형벽(12a)이 가변 주형벽이고 ; 그리고 상기 가변주형벽에는 유압장치가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 주편제조용 주형.