KR920000516B1 - 주철, 특히 구불구불한 흑연을 함유한 주철의 제조법 - Google Patents

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Description

주철, 특히 구불구불한 흑연을 함유한 주철의 제조법

본 발명은 조직 조절 첨가제, 바람직하게는 탄소가 구불구불한 흑연(Vermicular graphite)형태로 석출되도록 하는 첨가제를 함유한 주철의 제조법에 관한 것이다.

구불구불한 흑연은 ISO/R 945-1969에서는 “형Ⅲ”으로, 그리고 ASTM 규격 A247에 따라서는 “타입Ⅳ” A로 정의된다.

주철은 산업적인 주조공정에서 가장 필수적인 재료들중의 하나이며, 응고중 탄소가 세멘 타이트, Fe₃C 형태로 석출되어 백주철은 형성하거나, 흑연 형태로 석출하여 회주철은 형성한다. 백주철은 취약하나 높은 압축강도와 높은 내마모성을 갖는다. 회주철은 가공이 용이하여 기계 기술분야에서 아주 광범위하게 쓰이고 있다.

회주철내에서 흑연은 편상형(flake form)으로 정상적으로 석출된다. 이는 주철내의 한정된 파괴 변형(0.5%)을 일어나게 한다. 회주철은 양호한 열전도도를 갖으나 상승된 온도에서 지속적인 체적 변화를 겪어 이는 일정목적에 사용하는데 제한을 가하게 된다.

결론적으로 일정 첨가제를 혼합함으로써 석출된 흑연의 형태를 변경하고자 하는 시도가 있어 왔다. 이러한 점에서, 마그네슘 혹은 쎄륨과 같은 회토류 금속과 혼합된 마그네슘이 보통 사용되며, 이들 조절 첨가제는 편상흑연의 성장을 방지하고 흑연내에서 작은 구형 혹은 단괴형태로 나타난다.

이 재료는 구상 흑연 주철 혹은 타원형 구상철로 알려져 있다. 구조재로서의 구상철의 사용이 구조분야에서 광범위하게 신장되어 왔다. 이 분야내에서는 대부분이 얻어졌으나 기술상 사용이 제한된 다른 흑연 형태의 창조라는 부가적인 발전이 있었다. 그러나 소위 압분 흑연 주철 혹은 소위 구불구불한 철은 특별한 잇점을 제공하고 여러가지 상이한 사용범위에 대해 회주철과 구상철에 우수성을 주는 특성을 갖는다는 것이 발견되어 왔다.

원하는 첨가제 양에서의 최소한의 벗어남과 불순물의 존재는 값싼 원료를 사용하는 것을 불가능하게 하는 요소이며 따라서 제조가 수많은 시험과 실험을 통해 그리고 경험을 통해 잘 규정된 그리고 종종 비싼 원료와 첨가제를 사용하여, 전문기술을 쌓아 올린 몇몇 공장에 한정되어 있다. 따라서 주철재의 어떠한 용융조의 준비가 재생산될 수 있는 구불구불한 철로 상기 중탕(bath)을 고용화하는 식으로 조절될 수 있는 방법이 분명히 필요하다.

금속의 주조에 있어서, 용융조 성분의 결정화에 선행하는 경로에 영향을 주는 물리적 상태와 다른 요소가 또한 최종제품의 최종 성질에 대해 결정적인 중요성이 있으나, 가장 중요한 것은 용융조의 조성에 있다. 합금원소, 불순물, 가스량등과 같은 중탕의 화학조성은 필요한 교정이 될 수 있는 현재적인 분석 장치의 도움으로 재빨리 조정되고 점검될 수 있다.

그러나, 비록 많은 실험과 시험이 행해져 관계 문헌에 기술되어 있고, 이에 관계된 특허출원이 많이 있기는 하지만, 널리 알려진 응고 조건하에서 응고하는중 용융재의 주어진 중탕이 얻을 수 있는 결정구조의 성질을 빨리 그리고 믿을 수 있게 예견하고 조절할 수 있는 방법이 아직까지는 완전히 개발되지 못하고 있다.

주조재는 응고 공정의 성질에 따라 두 개의 주요 그룹으로 나누어질 수 있다. 즉 주요 그룹중 첫째는 단일상으로 응고화하는 재료를 포함한다(일차 응고화 공정). 이 그룹은 모든 타입의 강, 알루미늄 합금과 동합금을 혼합한다. 다른 그룹은 둘이상의 상으로 응고화하는 재료를 포함한다(2차 응고화 공정). 이 그룹에 속하는 재료의 예로는 여러 타입의 주철 실루민타입의 알루미늄 합금(Al, 8-12% Si)이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 2차 응고화 공정, 주로 용융 주철의 고용화에 있어서의 2차 응고화 공정을 조절하는 방법을 제공함에 있으며, 그럼으로써 종래의 쉽게 구입할 수 있는 철원료와 강스크랩으로 구성된 시발재로부터 이제까지는 불가능했던 조밀한 흑연 주철이나 구불구불한 주철을 얻게 된다. 이 목적을 위해 열분석 기술이 이용되는데 용융욕에서 취한 여러 조각의 샘플에서 유력한 온도가 시간에 따라 측정되고 기록된다.

이 온도-시간 기록 기술은 그 자체로는 신기한 것이 아니며 전환온도와 용해온도를 측정하는 전형적인 방법이다. 결정상의 전환은 보통 주어진 온도 혹은 주어진 온도 범위내에서 발생한다. 이러한 기술에서는 온도계, 열전소자, 써미스터(thermistor)등과 같은 온도 반응장치는 샘플이나 시험용기와 접촉되어 놓이게 되며, 이는 설정프로그램에 따라 가열되거나 냉각된다. 전환온도는 임의의 응고곡선의 유도 혹은 공지 재료에 대한 대응값 사이의 측정차로서 기록된다.

이 방법은 야금분야에서 빠른 화학분석을 행하는데, 예를들면 그 중심에 위치한 열전소자를 갖는 주물사 샘플 비키내에 용융조의 샘플을 주입함으로써 주철내의 소위 탄소당량(carbon equivalent)을 검출하는데 사용되어 왔다.

철결정(오스테나이트)이 용융재로부터 형성될때 플래토우(Plateau)는 응고 곡선에서 간단히 해석될 수 있는데 이 플래토우는 적용 샘플링 방법의 측정에 따라 탄소 당량을 나타낸다. 따라서 종래 사용된 장치는 주로 철의 조성의 빠른 분석에는 적합하다. 형성된 오스테나이트의 가능한 결정형태에 대하여는 아무것도 나타내지 못한다. 이러한 장치는 상품명 “TECTIP”로 미국의 Leeds ＆amp; Northrup사에서 판내되고 있다.

유사장치가 또한 철-탄소-실리콘계내에서 공정 성장온도를 측정하는데 사용되어 왔고 공정 반응에 앞서 과냉의 정도를 측정하는데 사용되고 있다. 그러나 이렇게 얻어진 측정결과는 용융조의 응고화와 상술한 공정반응중 기대될 수 있는 결정구조의 만족스런 징후를 보이지 않는다.

용융재가 냉간 모울드내에 주입되는 이러한 장치에서는 모울드 냉벽(cold wall)가까이에 고체상의 표피가 순간적으로 형성되며, 여기서 흑연상을 갖는 철과 탄화물 상을 갖는 철이 발생해 각상에 대한 적절한 성장온도에서 상기 상들이 아주 간단히 과냉 임계치에 도달함이 없이 성장해 새로운 혹은 다시 새로운 핵 생성에 영향을 미칠수가 있다. 구상 흑연 주철에 관한 이 방법의 유용성에 대한 비판적 검토가 최근 AFS 보고서 82 : 131/307-311페이지에 발표되었다.

이 검토는 구조를 검사하는데 이 방법이 제공하는 정확성의 신뢰도가 80%의 확실치를 나타내며 이는 상업적 생산방법에 대해서는 매우 불만족스럽다는 것을 보여준다. 더욱이 구불구불한 흑연의 형성을 예견하려고 할때 보다 나쁜 결과들이 예상될 수 있으며, 이는 측정방법이 보다 훨씬 정확할 것을 필요로 한다. 그러나 현재의 열분석 기술의 이러한 근본적인 결함은 스웨덴 특히 공보 제350606호에 서술된 기술에 의해 부분적으로 극복되어 왔다.

이 기술로 샘플링 용기를 용융조에 담그거나 다른 방법으로 이 용기를 가열함으로써 샘플링 용기와 그 내용물 모두가 냉각공정의 개시에 앞서 결정화온도는 이상의 온도에서 열평형에 도달될 수 있도록 결정의 형성과 성장동안 실제의 과냉과 성장온도를 측정할 수 있다.

응고화의 과정중 여러가지 결정 성장 현상의 개선된 징후는 핵생성, 재열(recalescence)(결정화의 방출열에 의한 재열)강도와 내구(확실한 유도의 최대치와 내구로 가장 간단히 표현된)에 앞서 과냉 온도를 측정함으로써 얻어질 수 있다. 그러나 주철의 공정 반응을 측정할때 근본적인 문제는 남는다 ; 즉 재열역할과 성장온도들은 성장 형태에만 부수적인것이 아니라 형성된 흑연 결정의 농도(단위체적당 흑연 결정의 수)에도 부수적인 것이며, 이 방법은 조직 형성을 예견하기 위하여 그리고 이 공정이 우방향으로 영향을 받을 수 있도록 하기 위하여 필요한 구별과 같은 이들 두 요소 사이의 구별을 할 수 없다.

응고재의 다른 특성, 예를들면, 치수변화(팽창계)고용화 온도 이하인 약 100℃의 완전히 고용화된 샘플내의 열전도도와 같은 특성을 측정하는 것이 가능하다(스웨덴 특허출원 제7805633-0). 그러나 형태나 흑연상의 분산정도에 관해 충분한 정확성을 갖는 조직 형성을 이들 방법의 도움으로 측정하는 것은 가능하지 않다.

이제 본 발명의 결과로 열분석에 기초한 새로 개발된 기술을 적용함으로써 실제 응고화 공정중 응고화 중탕의 조직 형성을 확실히 확립하는 것이 가능하다. 이 새로운 기술에 따르면, 용융조에서 취한 당해 샘플량은 샘플링과 시험용기로 이동되며 이 용기는 결정화온도 이상의 온도에서 그안에 담긴 용융 샘플과 용기사이의 온도평형까지 가열되며, 샘플의 중앙과 샘플용기의 벽에 아주 인접한 위치에서의 시간에 따라 발생하는 온도 변화에 대한 기록이 있게 된다.

이 방법으로 주조중 응고화 공정에 관한 보다 완전한 정보를 제공할 수 있는 두개의 상호 분리된 고용화 곡선이 얻어진다(이후 오직 샘플용기만을 참조로 할것이나, 시험용기에서도 마찬가지이다).

본 발명은 조직 조절 첨가제를 함유한 주철 용융물로부터 주물을 생산하는 방법에 관한 것으로서, 최초의 주철 중탕을 만들고 샘플링 용기의 도움으로 중탕의 샘플량을 제거하고, 샘플링 용기와 샘플량이 중탕의 결정화온도 이상의 온도에서 사실상 열평형이 되는 상태에서 샘플량이 응고되도록 하고, 0.5∼10분이상 샘플량이 완전히 응고되도록 함으로써 주물을 생산하는 것을 특징으로 하는 방법에 관한 것이다.

이때 온도-시간 시퀸스(sequence)는 두개의 온도 반응장치에 의해 동시에 측정되고 기록되는데 하나는 샘플량의 중앙에 놓이고, 다른 하나는 샘플링 용기의 벽 아주 가까이에 있는 용융재내에 놓여 있다. 동일 샘플링 공정에 대한 공지의 기준치에 관한 흑연상의 분산도는 용융재내 용기벽에서의 일차 결정화중 측정된 온도용기벽에서의 재열(rek_v), 상기 벽에서의 온도와 샘플량의 중앙내에서의 온도 사이의 양차(positive difference) 그리고

(T_cmax)(샘플량의 중앙내에서의 공정성장의 짧은 기간 동안은 적어도 거의 일정한 (

c=0) 선택적으로는 온도차의 최대 음값(Tmax)으로 표현되는 공정 성장 프론트 이후의 샘플내에서의 온도 기울기의 도움으로 평가되며, 그것으로 용융조가 불충분한 결정핵을 갖는 경우에 흑연생성제가 그안으로 유도되며, 반대로 결정핵들이 과잉임이 발견될때, 이 과잉은 감소된다.

흑연석출의 형태는 중탕중심에서의 결정온도(T_c ^*), 중심에서의 재열(rek_c) 그리고 최대 성장온도(T_cmax)의 온도의 도움으로 동일 샘플링 공정동안 공지의 기준치에 관련하여 결정되며, 주조후, 주철 용융물의 고용화중 흑연이 구불구불한 형태로 석출되도록 조직 조절 첨가제의 양이 조정된다.

이하 본 발명을 첨부도면을 참고로 보다 상세히 설명한다. 제1도는 구불구불한 주철을 생산할때 얻어진 측정치로부터 유도된 응고 다이아그램의 그래프도이며, 제2,3,4도는 본 발명에 따른 방법을 실시할때 사용에 적합한 샘플링 용기의 여러가지 실시예를 나타내고 있다. 제1도는 온도(T)-시간(τ)곡선으로, 곡선 Ⅰ의 샘플링 용기외벽에 가까운 위치에서의 응고경로를 나타내고, 곡선 Ⅱ는 용기내의 샘플 중앙에서의 응고 곡선을 표시한다.

이 양곡선에서, 참조번호 1은 단상 오스테나이트의 형성에 의해 발생된 열에 기인한 단위 시간당 온도감소의 하락이 있는 점을 나타낸다. 곡선 Ⅱ상의 참조번호 2는 오스테나이트 결정(수지상(나무가지 모양) 형태)이 전체 샘플량에 걸쳐 형성되는 점을 나타낸다.

다음에, 용융샘플재는 탄소를 갖는 오스테나이트 결정들(다른 합금 원소들)사이에서 풍부해져 샘플온도의 감소가 계속될때 점차적으로 공정 조성이 도달된다. 곡선 Ⅰ상의 참조번호 3은 온도 강하가 끝나는 점을 나타낸다. 흑연 결정들은 충분한 과냉으로 용기벽에서 형성되며, 이들 흑연 결정들은 공정 혼합물내에서 철상과 함께 성장한다. 응고화 공정의 이 단계후, 용융 샘플들은 공정 혼합물의 평형 온도를 향해 재가열된다(재열을 통해).

이것이 제1도의 점선 TEu로 표시되어 있다. 그러나 공정반응의 이 초기 단계에서 메커니즘을 금하는 성장에 관련한 성장에서의 정상 상태는 아직까지 완전히 도달되지 않고 있으며, 재열이 발생하는 율은 대체로 단위체적당 활성흑연핵의 수를 나타낸다. 마찬가지로, 곡선 Ⅱ의 참조번호 4는 최대 과냉의 점 T_c ^*을 나타낸다.

6은 재열 곡선을 나타내며, 7은 샘플링 용기의 중앙내 정상상태에서의 현재의 성장온도를 나타낸다. 이 값들은 공정 고용상태에서의 성장 매커니즘에 관한 정보를 제공한다. 벽에서의 온도는 용융재(얇은벽)의 제한 체적내에서의 결정화 경로의 “순간 이메이지(momentary image)”를 나타내는것으로 일컬어질 수 있으며, 용기 중앙에서의 온도는 샘플내부 전체에 걸친 열행등의 “통합 이메이지(integrated image)”를 나타낸다.

샘플량내 두개의 측정 위치사이의 반경을 따른 온도는 전방으로 퍼지고, 내부로 진행되는 공정 고용 프론트를 따라 성장 시퀸스를 반사하는 온도파를 포함한다. 이것은 실제에 있어서 외부 열전소자가 얇은 벽으로 둘러싸인 주물의 것에 대응하는 응고공정을 가리킨다는 것을 의미한다. 반면 중앙 열전소자는 주물의 보다 두꺼운 부분에서의 응고 현상에 관한 정보를 제공한다. 이러한 결합된 정보를 가질때만 오직 주조와 고용화 공정중 두께가 바뀌는 주물에서 원하는 조직을 형성하기 위한 용융재의 능력에 관한 결론을 끌어내는 것이 가능하다.

고용화 공정의 이러한 설명은 주로 과공석 주철 조성에 관한 것이다. 그러나 이 방법은 또한 공정과 과공석 조성의 주철에 또한 적용될 수 있다. 일차 결정성장은 공정조성의 고용화에는 일어나지 않으며, 오직 과공정 조성의 경우 일차 흑연 석출에 대해서만 일어나게 된다. 불충분한 과냉, 취약한 재열, 그리고 고성장 온도가 응고공정중 우세할때, 편상 흑연이 형성된다는 사실이 실험을 통해 발견되었다.

반면, 만약 고과냉온도, 작은 재열 그리고 낮은 성장온도가 우세하다면, 이는 흑연이 구상 형태로 고용화되며 구상 흑연 주철 혹은 타원형의 구상 흑연철이 얻어짐을 의미한다. 구불구불한 흑연이 응고중 분리될때, 고과냉, 강한 재열 그리고 고성장 온도가 얻어진다.

곡선에 의해 표시된 벗어남에서 볼때, 미세한 눈금이 이들 주요 그룹내에서 만들어진다는 것을 알 수 있으며, 그럼으로써 높은 확실성으로 구불구불한 흑연의 형성을 예견하는 것이 가능하며, 이것은 또한 공정이 미세한 한계내로 조절될 수 있게 한다.

외적 조건이 경우에 따라 같은것으로 남아 있다고 가정한다면, 샘플링 용기의 벽 근처와 용융 샘플량의 중앙에 놓여 있는 온도 반응장치에 의해 기록된 두개의 값 사이의 비교와 용융조상의 상이한 시험사이의 비교를 하는 것이 가능하다. 물론, 기술의 차이와 샘플링 용기의 기하학과 그안에 놓인 재료들이 너무 작아 재생산 할 수 있고 비교할 수 있는 결과가 상이한 샘플로부터 얻어질 수 있을 필요는 있다.

응고시험을 할때 사용에 적합한 많은 샘플 용기를 제2∼4도를 참고하여 이하 서술한다. 물론 적용한 방법들이 온도평형이 용융재와 샘플링 용기 사이에서 얻어지도록 각 샘플 혹은 시험과 같은 것이어야 한다. 샘플링 용기 둘레의 온도는 조절되어 용융재가 0.5∼10분 이상 고용화 될 수 있도록 샘플링 용기로부터 열이 방출된다.

하한은 보다 빠른 냉각이 준안정계에 따라 세멘타이트의 형성을 야기한다는 사실에 의해 좌우된다. 10분이하의 서냉은 생산이라는 관점에서 볼때 비 실용적이며, 더우기 얻어진 측정 결과의 정확성은 용기내와 둘레에서 발생하는 다른 반응 그리고 대류에 의해 손상된다. 이상적인 냉각시간은 2∼4분이다. 실용상의 이유로 용기의 지름이 약 2㎝ 이상 10㎝ 이하이어야 한다. 샘플링 혹은 시험용기의 치수는 그렇게 중요한 것은 아니다.

적당한 지름은 3∼6㎝이며, 용기가 몇 ㎝의 높이까지 적당히 채워지며 샘플의 채워진 높이가 그 지름보다 커야한다는 것이 이해될것이다. 방사상의 방향으로 샘플링 용기로부터 열이 방출된다는 것이 바람직하게도 보장된다. 이는 샘플량의 상, 하 표면을 절연함으로써 얻어질 수 있다. 적용한 샘플링 기술이 계속하여 바뀌어지나, 물론 비교될것은 특정샘플 시리이즈내에서 같은 것이어야 한다.

용융조 재료를 샘플링할때 샘플링 용기는 예를들면 용융조내에 잠기어 중탕의 온도로 가열될때까지 그곳에 있게 된다. 선택적으로 샘플링 용기는 중탕 온도를 예열된 후 용융조 재료로 채워질 수 있으며 반면, 다른 적당한 방법은 시험용기와 그안에 담긴 용융샘플이 응고곡선의 기록에 앞서 별개의 오븐이나 킬론(kiln)내에 놓여 평형까지 가열되는 방법이 있다.

샘플링 용기를 용융조내에 담그고 취한 샘플의 응고곡선을 기록하고, 그후 응고된 샘플과 함께 용기를 중탕내에 다시 담그어, 응고된 샘플이 재용해되어 용기가 신선한 샘플로 다시 채워지게 하는 실험을 반복할 수 있다. 잠열의 방출과 공정성장 프론트, (적절한 성장 매커니즘에 좌우된다) 프론트후의 응고층의 열전도들은 공정조직내의 흑연 결정의 수와 상기 결정의 형태에 대단히 좌우된다. 이러한 합성함수를 결정하는 적합한 방법은 응고중 용기중앙에 있는 온도 반응장치가 공정 정상상태에서의 온도 T_cmax에 상응하는 플래토우 온도를 기록하는 시간 이상동안 용기벽 근처에 있는 온도반응장치의 작용을 통해 얻어진 기울기

를 결정함으로써 얻어지며, 따라서

c는 0이다.

또한 이 합성함수는 응고공정중 두개의 곡선 사이의 최대차(△Tmax)를 측정하여 결정될 수도 있다. 편상 흑연인 회주철은 두개의 응고 곡선사이에 오직 작은 온도차만을 일으킨다. 구상 흑연철은 △Tmax의 큰값을 만들며, 반면 구불구불한 철로 고용화 되는 주철은 그들사이에 값을 만들어, 각 용융조의 응고 특성의 미분평가를 위한 풍부한 가능성을 제공한다. 공석 천이에서(오스테나이트에서 페라이트와 세멘타이트까지의 고체상(점 8)), 율, 게다가 최종조직은 두개의 측정점에서의 벗어남을 비교함으로써 특히 시간 전위와 도함수의 크기를 비교함으로써 상세히 이해될 수 있다.

상술한 미지의 샘플에서 이중 응고곡선을 기록할 가능성과 이들 곡선의 구성을 공지의 결정특성을 갖는 샘플에서 얻어진 대응곡선과 비교하는 가능성외에(도식적으로 혹은 데이터프로세서와 같은 다른 기록매체), 구불구불한 형태로 응고하는 흑연을 함유한 주철을 생산할때 다음 성질들이 특색을 이룬다. 구불구불한 성장형태를 확인하는 가장 믿을만한 방법은 이 목적을 위해 중심(T_c ^*)에서의 파냉, 재열시퀸스(rek_c) 그리고 최대공정 성장온도(T_cmax)를 이용하는 것이다.

실제의 분산도(여기서는 흑연 결정수/단위체적으로 정의됨)는 벽에서의 재열시퀸스(rek_v), 일차공정 핵생성의 온도 곡선을 통한 T_cmax에서의 △Tmax 혹은

v에 의해 결정될 수 있다. 일차 핵생성은 보통 과냉도 T_v ^*로 설명되나, 매우 효과적인 핵 생성의 경우는 냉각곡선에서의 정점(arrest)는 소량의 편상 흑연의 형성을 가리킨다. 여기서 인용된 모든 크기는 정확히 그리고 용융조의 고유의 결정화 특성이 평가될 수 있게하는 재생가능성을 갖고 측정된다.

전술한 모든 변수가 항상 필요한 것은 아닌데 왜냐하면 전술한 것에서 명백히 알 수 있듯이 이들 변수들이 상호 관계가 있기 때문이다. 따라서 잘 보정된 시스템에서는 각 용융조의 결정화 특성을 결정하기 위해서는 상기 변수중 몇몇, 어떤 경우에는 오직 하나 혹은 두개의 변수만을 사용하는 것으로 충분하다. 이와같은 시스템에서는 단일의 편심으로 놓인 열반응장치로부터 주요부의 관련정보를 얻는 것이 가능하다.

주조 기술이 연마된 사람은 제시된 데이터중 어느것이 안정한 구불구불한 주철의 실제생산에 채택될 것인가를 결정할 수 있고 어떤 방법으로 측정 데이터가 기록되고 구해질 것인가를 결정할 수 있다. 당연히 이들 값들이 또한 자동데이터 처리를 통해 디지탈 형태로 비교될 수 있기는 하나 보정된 기준곡선을 얻어진 측정값에 기초한 기록된 곡선과 비교하는 것이 가장 간단한 방법이다.

이들 여러 가능성을 명백하게 하기 위해, 제1도에는 두곡선 사이의 차에 대비하여 시간 τ가 기입된 곡선이 도식적으로 나타나있다 ; 즉 곡선 Ⅰ-곡선 Ⅱ=△T, 양의 T값의 영역은 빗금영역으로 표시되고, 끝으로

는 두개의 곡선으로 그려져 있는데, 상술한 값들은 유도된 형태로 도시되어 있고, rek_v와 rek_c는 양값의 빗금 영역으로 나타나 있다.

따라서 이곡선으로부터 원하는 결과를 얻기 위해 이들 측정치중 어느것을 택할것인가를 판독하는 것이 가능하며, 임의로 그 이상의 샘플을 택해 그 이상의 시험을 함으로써 원하는 결과가 얻어진것을 알아보는 것이 가능하다. 용융욕의 결정화 특성을 알므로써 관련 물질의 필요한 첨가나 제거를 할 수가 있으며, 또한 결정화 특성을 완전 자동으로 측정하고난후, 구불구불한 주철을 얻기 위해 데이터 프로그래밍 기술의 도움으로 용융욕의 조성을 자동으로 고치는것은 당 기술분야의 숙련된 사람의 전문 기술범위내에 있다. 응고 속도는 용기벽의 열전도도, 벽두께, 샘플의 체적-표면비와 주위온도에 좌우된다.

이러한 모든 매개변수가 바뀔수 있으나, 이들이 샘플링이나 시험방법이 실제방법으로 행해질 수 있도록 채택되어야 하며, 여러치수의 주물에 채택되어야 한다는 것이 이해될 것이다. 응고가 주철의 융점과 주위온도사이의 온도에서 오븐내에서 일어나게끔 함으로써 응고화의 경로를 늘리는 것이 편리할지 모르나, 샘플링 용기는 대기중에서 주위온도에서 단순히 냉각된다.

응고시간은 또한 샘플링 용기를 격리하거나 응고공정중 절연자킷내에 용기를 둠으로써 연장될 수 있다. 원한다면 응고공정은 또한 냉각공기 딤스프레이(dim-spray) 혹은 유사한 수단으로 가속될 수 있다.

다음의 크레임에서 인용된 조건을 얻기 위해 샘플링과 시험방법을 고안하는 것이 이 기술분야에 숙련된자의 전문기술분야에 있기는 하나, 샘플링 장치가 택해야 하는 형태를 개괄적으로 설명하는 것은 가능하지 않다. 측정 공정을 개시하기에 앞서, 전체 배치, 샘플링 용기 온도실과 그안에 존재하는 용융재가 샘플의 융점 이상의 온도에서 충분히 열평형이 되어야 한다. 이는 주철의 경우 1200∼1400℃의 온도를 나타낸다.

이러한 평형상태는 예를들면, 온도반응 장치와 함께 샘플링 용기를 이들이 1200∼1400℃의 온도로 가열된 용융조내에 잠길 수 있도록 그리고 모든 장치가 이온도로 가열될때까지 중탕내에 있을 수 있도록 그런후 중탕으로부터 제거되어 냉각될 수 있도록 구성함으로써 도달될 수 있다. 온도반응장치들은 몇가지 형태의 기록장치와 연결되어 있는덴데, 이들은 에널로그 혹은 디지탈 형태로 측정데이터를 저장한다.

따라서 샘플링 혹은 테스트 용기나 상이한 방법으로 구성될 수 있다는 것이 이해되며 제2∼4도에서 세가지의 적절한 샘플링 혹은 테스트 용기의 실시예들이 도시되어 있다. 제2도에서 고온 용융조내로 잠기는데 적합한 샘플링 혹은 실험용기의 실시예가 도시되어 있는데, 상기 용기는 내열재의 적합기는 쎄라믹재의 슬라이브(1)로 구성되어 있다.

슬리이브(1)는 관상부재(2)에 붙어 있는데 이것을 이용해 용기가 중탕내에 유지되며 잠길 수 있다. 슬리이브(1)에는 구멍(3)이 마련되어 있는데, 여기를 통해 용융재가 슬리이브내로 유입될 수 있다. 슬리이브(1)내에는 두개의 열전소자(4, 5)가 배치되어 있는데, 하나는 슬리이브벽(4) 바로 근처에 놓여 있으며, 다른 하나는 슬리이브 중앙(5)에 놓여있다. 열전소자들은 콘덕터(6)에 의해 기록장치(도시안됨)에 연결되어 있다.

제3도는 분석을 할 목적으로 고온중탕재로 채워질 수 있는 샘플링이나 시험용기의 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예의 용기는 그 하부를 통해 끼워진 온도 반응장치(8, 9)를 갖는 슬리이브로 구성되어 있는데, 상기 온도반응장치의 하나(8)는 슬리이브벽 근처에 놓여 있으며, 다른 하나(9)는 슬리이브의 중앙에 놓여 있다.

용기는 용기를 예열하기 위해 가열코일(10)로 둘러싸여 있다. 온도반응장치(8, 9)는 콘턱터(11)에 의해 기록장치(도시안됨)에 연결되어 있다. 제4도는 샘플링 혹은 시험장치의 또 다른 실시예를 도시하고 있는데, 이용기는 용기와 그 안에 담긴 샘플을 재가열하기 위한 고주파 가열장치(13)로 둘러싸여 있는 슬리이브(12)로 구성되어 있다. 용융재는 래들의 도움으로 용기로 이송될 수 있다.

이 실시예의 슬리이브(12)는 리드(lid)를 슬리이브(12)위에 놓기 위한 가이드(15)와 아래쪽으로 뻗어 있으며, 콘덕터(18)에 의해 기록장치(도시안됨)에 연결되어 있는 온도반응장치(16, 17)가 마련되어 있는 리드(14)에 상호작용하도록 배열되어 있다. 온도반응장치를 옮기는 리드는 차후에 용기와 그 안에 들은 샘플을 필수온도까지 가열하는 슬리이브(12)위에 놓인다.

본 발명을 실시할때, 화학분석에 따라 원하는 값으로 화학조성이 조절되는 종래의 주철 용융조가 생산된다. 중탕의 한 샘플이 본 발명에 따른 열 분석을 위해 취해지며 응고곡선이 기록된다. 용융조의 고유의 핵형성능이 평가되고 원하는 일차 핵형성능을 얻기 위해 어떠한 산화물 황화물 형성재의 필수첨가물이 만들어진다. 적합한 산화물-황화물 형성 첨가제의 예로는 칼슘, 알루미늄과 마그네슘이 있다. 흑연 핵 형성을 위한 또 다른 필수조건은 탄소 당량, CE가 충분히 높다는 것이다.

결론적으로 핵형성은 탄소당량 CE, 을 부분적으로 증가하는 물질 예를들면 폐로-실리콘 석영, 혹은 탄화실리콘을 첨가함으로써 촉진될 수 있다. 핵형성제의 첨가가 당기술분야에서 공지의 사실이나, 이제까지는 알려진 측정방법으로 충분히 정확하게 주조에 앞서 그러한 첨가를 할 필요를 확인하는 것이 가능하지 않았다.

시스템을 조사한 후, T_v ^*와 rek_v그리고 △T-함수의 핵형성능에 관한 특별히 중요한 정보가 얻어진다. 행형성제의 부족은 증가된 과냉을 야기할 수 있어, 어떤 경우에는 이것이 너무 크게 증가하여 준안정계로의 천이가 샘플링 용기의 끝에서 발생한다. 극단적으로 빠른 재열을 백주철이 응고할때 발생한다. 구상 흑연철을 형성하기 위해서는, 핵형성이 편상 흑연을 형성하는데 필요한 것보다 수백배 커야한다. 구불구불한 철을 얻기 위해서는 핵형성능이 구상 흑연 철을 형성하는데 필요한 것보다 작아야 한다. 적합하기는 1/10의 크기이어야 한다.

만약 대단히 낮은 핵형성능이 측정되면 핵형성 촉진제가 첨가될 수 있는 반면 만약 핵형성능을 낮출것이 요망되면, 용융욕은 단순히 주어진 시간동안 그대로 두게되는데, 왜냐하면 핵형성능이 연장된 보유시간에 따라 감소하기 때문이다. 활성 조직 조절제의 양은 용융재의 중앙에서의 과냉(T_c ^*)재료 중앙에서의 재열(rek_v) 그리고 최대 성장온도(T_cmax)에 관해서 조절된다. 샘플이 응고할때, 활성조직 조절재의 양은 결정성장을 조절한다.

구상 흑연을 형성할때, 흑연석출이 일정수준에 도달하면 성장은 3방향으로 제한된다. 그러나 만약 활성조직 조절제의 양이 얻어진 구상 흑연에 필요한 것에 관하여 약간 감소하면, 결정성장은 오직 두 방향으로 제한되며, 용융재로부터의 결정성장 가능성이 세번째 방향으로 발생하도록 하여 그러한 결정 성장은 벌레모양의 흑연 결정을 형성한다. 앞에 주어진값(T_c ^*, rek_v그리고 T_cmax)의 분석은 용융욕이 충분히 조직 조절제를 포함하는가의 여부를 알려준다.

이양이 불충분한 것으로 발견되면, 조직 조절원소가 첨가된다. 쎄륨과 같은 희토류금속과 함께 임의로 마그네슘이 이목적으로 쓰일 수 있다.

지나치게 많은 양의 조직 조절제는 산화에 의해 수정될 수 있는데, 산화는 중탕내에 산소를 넣음으로써 혹은 마그네타이트와 같은 산화제를 첨가함으로써, 실행될 수 있다. 산화는 또한 금속표면을 몇분동안 공기중에 노출시킴으로써 실행될 수 있다. 티타늄과 같은 억제제가 또한 활성 조직 조절제의 양을 감소시키기 위해 중탕내에 첨가될 수 있다.

본 발명은 일차적으로 구불구불한 흑연 석출을 갖는 고용화로 주조공정을 조절하는 문제를 해결하고자 하는데 있다. 그러나 이러함에도 불구하고, 본 발명은 또한 회주철을 생산할때 분산도를 정확하게 결정하는 값진 가능성을 제공하며 그럼으로써 석출된 편성 흑연의 타입을 조절할 수 있도록 한다. 또한 조직 조절제의 양 및 타원형 구상철을 만들때 원하는 분산도를 정확하게 결정하는 것이 가능하며, 그럼으로써 비싼 첨가제의 사용에서 절약을 할 수 있게 한다.

고용상 끝가까이, 그 중앙에서 샘플을 측정할때 얻어진 고용곡선에서의 불규칙은 또한 가능한 탄화물 형성을 보여줄 수 있는데, 이것은 미세조직으로 분리된 탄화물 안정화 원소와 함께 핵형성제내에 결점이 있음을 나타내준다. 또한 주조기술에서는 국부조건에 부수적이며, 용해기의 타입이나 구조상의 배치 그리고 용해처리 장치, 열보유장치, 생산할 주물 형태의 주조장치를 통합하는 잘된 보정이 이용되는 것이 이해될 것이다. 이용가능한 분석 측정 방법들이 최대한 이 작업에서 사용되며, 본 발명은 주조 산업에서 널리 퍼져 있는 어려운 재료조절 문제에 대한 해결책을 제공한다.

주조공정을 조절할때, 일련의 상호 다른 인자들이 응고곡선으로부터 끌어내릴 수 있으며, 이 곡선에 의해 택한 배치는 대개 마음대로 분석될 수 있으며 공지의 총 공정개발과 비교될 수 있다. 현대의 데이터 기술로 중요한 값을 연산 방법으로 구할 수 있고 대응데이터와 비교할 수 있으며, 완전히 자동화된 시스템내에서는 그것을 기초로 마음대로 용해처리 공정을 조절할 수 있다.

Claims (5)

1. 용융 주철조를 준비하고 ; 샘플링과 시험용기의 도움으로 중탕의 샘플량을 제거하고 ; 용기와 샘플량이 중탕의 결정화 온도이상의 온도에서 충분히 열평형이 되는 상태에서 0.5∼10분이상 샘플량이 완전히 고용화되도록하며, 이때 하나는 샘플량의 중앙에 그리고 다른것은 용기벽의 가까운 위치의 용융재내에 있는 두개의 온도반응장치에 의해 온도-시간시퀸스가 동시에 측정, 기록되며 ; (T_v ^*)로 표시되는 상기 용기벽에서 측정된 공정반응의 1차 핵형성이 일어나는동안 측정된 온도의 도움으로 마무리된 주조에 관해 같은 샘플링 및 시험공정에 대한 공지의 참조값에 관련한 분산도, 용기벽에서의 재열(rek_v), 용기벽에서의 온도와 그 중앙에서의 온도사이의 양차(△T⁺), 샘플량의 중간에서의 일정공정 성장온도

   

   =0을 위한 시간동안의 상기 용기벽에서의 온도 감소도 함수

   

   v(T_cmax), 선택적으로 온도차의 최대음값(△Tmax)을 평가하고, 이때 중탕의 불충분한 결정핵을 갖는 경우에는 흑연 핵형성제가 그곳으로 도입되고, 반대로 결정핵이 과도하게 존재하면 주조에 앞서 중탕을 보유함으로써 분산도를 낮추고 ; 용융재의 중앙(T_v ^*)에서 발생한 과냉의 도움으로 같은 샘플링 및 시험방법에 대한 공지의 참조값에 관련한 흑연석출의 형태, 중앙에서의 재열(rek_c)과 최대성장온도(T_cmax)를 평가하고, 주조후 용융주체의 응고중 예정된 형태로 흑연석출이 발생하도록 조직조절장치의 양을 정정하는 것을 특징으로 하는 조직조절 첨가제를 함유한 주철로부터의 주물 제조법.
2. 제1항에 있어서, 용융주철이 주조후에 구불구불한 형태의 흑연을 갖고 고용화하도록 양 핵형성 및 조직조절제의 중탕량이 조절되며, 이것은 알려진 구불구불한 조직의 주철에 사용된 똑같은 샘플링 및 시험기술로 얻어진 대응데이터와 기록된 측정 데이터가 일치하도록 함으로써 성취되는 것을 특징으로 하는 주철주물의 제조법.
3. 제1항에 있어서, 샘플용기를 중탕내에 담그고, 용융재로 이것을 채운후 상기 용기를 제거하며, 중탕의 온도까지 상기 용기를 가열함으로써 샘플이 용융조에서 취해지는 것을 특징으로 하는 제조법.
4. 제1항에 있어서, 용융조에서 샘플을 제거하고 상기 샘플을 샘플이 고용화하기전에 용융재의 온도와 거의 같은 온도로 예열되는 샘플링 및 시험용기로 이송하는 것을 특징으로 하는 제조법.
5. 제1항에 있어서, 용융조에서 샘플을 제거하고 상기 샘플을 샘플링 및 시험용기로 이송하고, 계속하여 샘플이 고용화하기전에 용융조의 온도에 대응하는 온도평형까지 용기 및 그 안에 든 용융재를 가열하는 것을 특징으로 하는 제조법.

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