Effects of Thickness, Si and Mn Contents on the Mechanical Properties of 3.3 wt%C-0.1 wt%S Thin-Section Gray Cast Iron

3.3 wt%C-0.1 wt%S 박육 주철의 기계적 성질에 미치는 두께, 규소 및 망간의 영향

이우종·김태형 *·권해욱 **^†

영남대학교 대학원 신소재공학과, *한국생산기술연구원 인천연구센터, **영남대학교 공과대학 신소재공학부

Effects of Thickness, Si and Mn Contents on the Mechanical Properties of 3.3 wt%C-0.1 wt%S Thin-Section Gray Cast Iron

Woo-Jong Lee, Tae-Hyeong Kim*, and Hae-Wook Kwon**^† Dept. of Met. Eng., Graduated School, Yeungnam Univ., Gyeongbuk 712-749, Korea

*Incheon R&D center, Korea Institute of Industrial Technology, Incheon 406-840, Korea

**School of Mat. Sci & Eng., Yeungnam univ., Gyeongbuk 712-749, Korea

Abstract

The effects of thickness, silicon and manganese contents on the mechanical properties of 3.3 wt%C-0.1 wt%S thin-section gray cast iron plates were investigated. The eutectic cell counts and volume fraction of pearlite in the matrix decreased with increased thickness and therefore the strength and hardness decreased with it. Even though the eutectic cell count increased with increased sil- icon content, the volume fraction of pearlite decreased and the strength and hardness decreased with it. The pearlite was refined more with increased manganese content and therefore the strength and hardness increased with it.

Key words : Gray cast iron, Thin-section, Silicon and Manganese contents, Mechanical properties.

1. 서 론

현재 세계적으로 강화되고 있는 환경 규제에 대응하여 국제 수송 기계류 시장에서는 친환경, 경량 및 고연비화의 중요성이 증가하고 있다. 이를 위해서는 고강도·박육화 기술을 통하여 각종 산업 기계부품들은 경량화 및 연비 향상 극대화가 이루 어져야 하며, 특히 고강도·박육 주철제품 제조를 위한 주조 기술 확보가 매우 중요하다.

고강도의 회주철을 얻기 위해서는 편상 흑연과 기지조직을 고려하여야 한다[1]. 이 두 가지 조직에 영향을 미치는 인자로 는 여러 가지가 있다. 대표적인 인자로는 냉각속도, 접종처리 및 화학조성 등을 들 수 있다. 주철의 응고 과정에서 냉각 속 도가 느릴 경우에는 안정한 상태의 오스테나이트-흑연 공정 반 응에 의하여 흑연이 형성하나 박육의 경우와 같이 냉각 속도

가 빠를 경우에는 핵생성 속도가 증가하여 공정 셀 수가 많아 지고 크기는 감소하는 경향이 있으나 냉각속도가 너무 빠르면 오스테나이트-Fe3C (시멘타이트) 공정 반응에 의하여 준안정 평형상인 탄화물이 형성하기도 한다[2]. 탄화물이 형성할 경우 취성이 증가하고 기계 가공성이 떨어지는 등 여러 가지 문제 가 발생할 수 있다. 주철 용탕을 접종 처리하면 A 형태의 흑 연 조직이 형성하여 공정 셀 수가 증가하고, 칠 깊이가 감소 하여 건전한 조직이 형성한다[3-6].

기지 조직 중 펄라이트의 부피 분률이 증가하거나 미세화 되면 강도와 경도가 증가하며, 페라이트의 부피 분률이 증가하 면 강도와 경도는 감소한다[1]. 그리고 기지 조직은 냉각속도와 규소 및 망간의 함량에 따라서 달라진다. 주철의 두께가 박육 화될수록 냉각속도는 빨라지며 이 경우 탄소의 확산 시간이 감소하여 상대적으로 탄소 함량이 낮은 페라이트 보다는 펄라

Received: July 20, 2012 ; Accepted: September 7, 2012

†

Corresponding author: Hae-Wook Kwon (Yeungnam Univ.) Tel: +82-53-810-2477, Fax: +82-53-810-4628

E-mail: [email protected]

Journal of Korea Foundry Society 2012. Vol. 32 No. 5, pp. 211~218 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2012.32.5.211 ISSN 1598-706X

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original work is properly cited.

연화를 위해서는 최적의 Mn/S 비가 존재하며 MnS의 효과는 의문이 있으나 황은 희토류 원소와 같은 금속 원소와 결합하여 형성한 화합물은 흑연의 핵생성 자리로 작용하는 것으로 알려 져 있다[7-9]. 따라서 본 연구 에서는 황 함량이 0.1 wt%로 높고 탄소 함량이 3.3 wt%로 일정한 4, 5 및 10 mm 두께의 판형 시편을 주조 시, 기계적 성질 및 조직에 미치는 두께와 규소 및 망간의 영향을 연구하였다. 열분석 및 칠 시험을 통 하여 공정 조직의 변화의 원인을 분석하였으며 두께 및 규소 와 망간 함량의 변화에 따른 판형 시편의 기계적 성질 변화를 분석하여 박육 주철 제품의 경량화 및 고강도화를 위한 기초 자료를 얻었다.

2. 실험 방법

2.1 시험 주조품과 칠 시험용 사형 조형

가로(또는 폭) 및 세로(또는 높이)가 각각 120 및 90 mm이 며 두께가 4, 5 및 10 mm인 판재 주조 시편을 얻기 위한 목 형과 주형 상자를 설계하여 주문·제작 하였으며 계단형 시험 주조품의 모양과 크기는 Fig. 1에서 보이는 바와 같다. 박판형 의 주형 공간을 용탕으로 확실하게 충진시켜 시편을 얻기 위하 여 주형의 위쪽에 압탕 겸 주입구를 두어 수직으로 주조할 수 있게 하였다. 그리고 수직 주형의 위로부터 3, 5 및 10 mm 두께의 판재 시편과 2.5, 3.5 및 4 mm 두께의 판재 시편을 얻을 수 있도록 배열된 2종류의 목형을 이용하였다. 목형을 주 형 상자와 조립한 후 사형은 펩셋형으로 조형하였다.

용탕의 칠 시험을 위하여 ASTM A367 규격의 칠 시편을 주조하기 위한 사형 조형용 금형을 이용하였다. 펩셋 형으로 조 형하였으며 조형된 사형을 20 mm 두께의 동판 위에 놓아 용탕 주입 시 급랭되도록 하였다.

2.2 열분석 시험

탄소 당량 측정 장치의 탄소 당량 측정용 쉘컵 받침대 3개 를 K-형태의 열전대를 사용하여 온도를 기록하기 위한 소프트 웨어가 내장된 컴퓨터에 연결하여 구상한 열분석 장치(NI SCXD 1303)를 이용하여 열분석 하였다. 오스테나이트-탄화물 공정 반응이 일어날 때의 냉각 곡선으로부터 탄화물 공정 온도 를 측정하기 위하여 세 종류의 쉘컵을 사용하였다. Te을 넣은 쉘컵, 실제 시험하고자 하는 용탕의 과냉 온도와 공정 온도를 측정하기 위하여 아무것도 넣지 않은 쉘컵 그리고 충분히 접종 된 상태에서 오스테나이트-흑연 공정 온도를 측정하기 위하여

미세한 1.0 wt%Ba-Fe-Si 분말을 넣은 쉘컵을 사용하였다. 오 스테나이트-흑연 공정 온도, 오스테나이트-탄화물 공정 온도, 시 험 용탕의 과냉 및 재휘 온도(recalescence temperature)를 측 정하였으며 시험 용탕의 과냉 온도와 오스테나이트-탄화물 공정 온도의 차이(∆T₁)을 계산하였다. 모든 경우에 3회 시험하여 재 현성을 확인하고 평균값을 얻었다.

2.3 용해 및 접종 처리 실험

75 kW 용량의 고주파 유도 용해로를 이용하여 용해하였다.

용해 및 접종 처리의 전 과정은 Fig. 2에서 보이는 바와 같다.

탄소의 목표 함량을 3.3 wt%로 하여 21.2 kg의 주물용 선철과 3.8 kg의 강 고철을 장입하여 25 kg의 용탕을 얻었다. 망간의 함량을 2.0 wt% 및 4.0 wt%로 높이는 경우에도 장입물인 페로 망간에 함유된 탄소의 비율에 맞추어 25 kg의 용탕을 얻었다.

규소의 목표 함량을 얻기 위하여 규소 함량이 약 75%인 페로 실리콘을 노중 용탕에 첨가하였다. 규소 함량 변화의 영향을 시험한 경우에는 노중 규소 첨가량을 변화시켰다. R-형태의 열 전대를 부착시킨 침적식 온도계를 이용하여 용탕 온도를 측정 하였으며 접종 처리, 주입 및 용탕의 유지 온도를 1,450~

1,500^oC 범위로 일정하게 하였다.

Fig. 1.

용탕의 온도가 이 범위에 도달하였을 때 소형 레이들을 이 용하여 열분석용 쉘컵, 칠 시험용 주형 및 화학 분석용 시편 금형에 용탕을 주입하고 주입용 레이들에 출탕하여 계단형 시 험 주조품 주형에 주입하였다. 접종 처리의 경우에 직경이 약 1.0~3.0 mm 크기의 입자형 1.0 wt%Ba-Fe-Si 접종제를 노에 첨가하여 규소 함량을 0.5 wt% 증가시키는 방법으로 접종 처 리하였다. 접종제가 모두 용해한 후 열분석용 쉘컵, 칠 시험용 주형, 화학 분석용 시편 금형, 계단형 시험 주조품 주형에 각 각 주입하였다. 사용한 장입 재료, 접종제 및 기본 원소 첨가 제의 화학 조성은 Table 1에서 보이는 바와 같다.

2.4 시험 변수

기계적 성질과 조직에 미치는 판형 시편의 두께 그리고 규소 및 망간 함량의 영향을 시험하였다. 두께 3, 5 및 10 mm와 2.5, 3.5 및 4 mm의 판형 시편을 얻을 수 있는 두 종류의 목 형을 이용하여 조형 및 주조한 후 4, 5 및 10 mm의 두께 변 화에 따른 기계적 성질과 조직의 변화를 시험하였다. 탄소와 황 함량을 각각 3.3 및 0.1 wt%로 일정하게 하고 규소 함량을 2.1~3.5 wt% 범위에서 0.7 wt% 간격으로 그리고 망간 함량을 0.7, 2.0 및 4.0 wt%로 변화시켜 이들의 기계적 성질과 조직에 미치는 영향을 시험하였다.

2.5 화학 조성 분석, 미세 및 거시 조직 관찰

기본 용탕, 접종 처리 후 화학 분석용 시편을 얻었으며 이 시편의 표면을 조연마한 후 에미션 스펙트로미터를 이용하여 화학 조성을 분석하였다. 4, 5 및 10 mm 두께의 계단형 시험

주조품을 인장시편으로 가공 후 판재 인장시편의 그립 부분을 절단하여 가로 및 세로가 각각 15 mm 크기인 시편을 얻었다.

이 시편을 마운팅한 후 단면을 일반적인 방법으로 조연마하고 1µm 등급까지의 다이아몬드 슬러리로 세연마하였다. 3% 나이 탈 용액으로 부식시켜 미세조직 관찰 후 같은 방법으로 연마하 여 Stead의 용액으로 부식시켜 거시 조직을 관찰하고, 화상 분 석 장치를 이용하여 공정 셀 크기와 단위 면적당 공정 셀 수를 측정하였다.

2.6 기계적 성질 시험

각 조성의 계단형 시험 주조품을 주조하여 얻은 후 기계 가 공하여 판형 인장시편을 얻었다. 판재 인장시편의 모양과 크기 는 Fig. 3에서 보이는 바와 같다. 만능재료시험기(INSTRON Series 4480)를 이용하여 분당 0.5 mm 크로스헤드 속도 조건 에서 인장 시험하였다. 그리고 판형 시편의 인장시험은 3개를 시험하여 인장 강도의 평균값을 얻었다. 인장 시험 후 판형 인장시편의 그립 부분을 절단 및 연마하여 경도 시험을 하였 다. 판형 시편이라 브리넬 경도 시험을 할 수 없어서, 로크웰 경도 시험(Akashi RH-10)하여 브리넬 경도값으로 환산하였다.

5회 시험 한 후 최대값과 최소값을 제외한 나머지 값의 평균 값을 얻었다.

3. 실험 결과 및 고찰 3.1 화학 조성 분석 결과

탄소 및 황의 함량이 각각 3.3 및 0.1 wt%로 일정한 박판 형 회주철 시편의 기계적 성질 및 조직에 미치는 규소 및 망

Fig. 2.

Table 1.

Material Elements, wt%

Remarks

C Si Mn P S Ba Ca

Pig iron 3.83 1.65 0.64 0.11 0.029 0.01

Steel scrap 0.03 0.016 0.22 0.009 0.08

Fe-Si 0.033 75.31

Fe-Mn 6.72 0.50 75.55

Fe-S 0.16 1.52 49.32

1.0 wt% Ba-Fe-Si 72.44 1.32 1.40 Inoculant

Fig. 3.

간의 영향을 시험한 모든 경우에 얻은 화학조성분석 시편을 분석하였으며, 그 결과는 Table 2에서 보이는 바와 같다.

3.3 wt%가 목표 함량인 탄소의 함량은 3.27~3.34 범위, 그리고 0.1 wt%가 목표 함량인 황의 함량은 0.09~0.11 wt% 범위였다.

2.1~3.5 wt% 범위에서 0.7 wt% 간격으로 변화시킨 규소 함량은 각각 2.09~2.12, 2.80~2.82 및 3.48~3.49 wt% 범위인 것으로 나타났으며, 0.7, 2.0 및 4.0 wt%로 변화시킨 망간의 함량은 각 각 0.68~0.73, 2.05~2.11, 그리고 4.08~4.11 wt% 범위로 나타

화에 따른 기계적 성질 변화는 Fig. 4(a)에서 보이는 바와 같 다. 판형 시편의 두께가 4~10 mm 범위에서 증가함에 따라 강 도와 경도는 감소하였다. 이와 같은 결과의 원인을 분석하기 위하여 거시조직과 미세조직을 관찰하였다. 공정 셀 수 및 크 기의 변화와 기지 중 펄라이트 부피 분률의 변화는 각각 Fig.

4(b) 및 (c) 그리고 Fig. 5에서 보이는 바와 같다.

두께가 증가함에 따라 공정 셀 크기는 증가하고 공정 셀 수 는 감소하였다. 이것을 두께가 얇을수록 용탕 주입 시 과냉(과 냉도)이 증가하여 공정 셀의 핵생성 속도는 증가하였을 것이다.

그러나 온도가 낮아 응고가 일어나는 동안 액상 내에서의 탄 소의 확산이 일어날 시간적 여유가 충분하지 않아 공정 셀의 크기는 감소하고, 수는 증가하였을 것이다. 그리고 미세조직 중 흑연 조직은 Fig. 6에서 보이는 바와 같이 시편의 두께가 4 및 5 mm로 얇은 경우 B 및 D 형태가 섞여있으며, 두께가 10 mm인 경우에는 A 및 B 형태가 섞여있다. 그리고 두께가 증가함에 따라 흑연의 크기도 상대적으로 조대해졌다. 또한 기

Fig. 4.

2.8 2.0 3.28 2.82 2.05 0.08 0.10 4.0 3.31 2.84 4.12 0.08 0.10

3.5

0.7 3.34 3.48 0.73 0.09 0.10 2.0 3.30 3.48 2.12 0.10 0.10 4.0 3.29 3.49 4.08 0.08 0.10

*The aim contents of carbon and surfur were 3.30 and 0.10 wt%, respectively.

지 중 펄라이트의 부피 분률도 두께가 증가함에 따라 감소하였 다. 이와 같은 흑연 조직과 기지 조직의 두께에 따른 변화로 인하여 두께가 증가할수록 강도 및 경도는 감소하였을 것이다.

3.3 기계적 성질과 조직에 미치는 규소의 영향

3.3 wt%C-0.7 wt%Mn 조성으로 탄소와 망간 함량이 일정한 두께 4 mm의 판형 시편의 규소 함량에 따른 기계적 성질 변 화는 각각 Fig. 7(a)에서 보이는 바와 같다. 규소 함량이 증가

함에 따라 강도와 경도는 감소하였다. 이러한 결과의 원인을 규명하기 위하여 거시조직과 미세조직을 관찰하였으며 두께가 4 mm로 일정한 대표적인 시편의 규소 함량 변화에 따른 거시 조직과 공정 셀 수 및 크기의 변화 그리고 펄라이트 부피 분 률의 변화는 각각 Fig. 7(b) 및 (c)에서 보이는 바와 같다.

규소 함량이 증가함에 따라 공정 셀 수는 증가하고 공정 셀 크기는 감소하였다. Fig. 7(d) 및 (e)에서 보이는 바와 같이 규소 함량이 증가함에 따라 칠 깊이는 감소하고 ∆T₁은 대체로 증가하는 결과로부터 예측할 수 있는 결과이다. 주철 용탕 중 규소는 흑연화 촉진 원소이며, 규소 함량이 증가함에 따라 탄 소당량도 증가하여 응고가 일어나는 동안 흑연의 핵생성 및 성장 잠재력이 증가하였기 때문이다.

또한 Fig. 7(c)에서 보이는 바와 같이 규소 함량이 증가함에 따라 기지 중 펄라이트 부피 분률은 감소하였다. 이것은 규소 가 응고 후 고체 상태에서 탄소의 업힐 확산(uphill diffusion) 을 야기시켜 기지 중 탄소 함량을 감소시켜고 페라이트 형성을 촉진하여 펄라이트 부피 분률을 감소시키기 때문이다. 흑연조직 과 기지조직에 미치는 이와 같은 규소의 복합적인 영향이 있으 나 기계적 성질에 미치는 기지 조직의 영향이 더 우세하여 규 소의 함량이 증가함에 따라 기계적 성질은 감소하였을 것이다.

Fig. 5.

Fig. 6.

3.4 기계적 성질과 조직에 미치는 망간의 영향

3.3 wt%C-2.1 wt%Si 조성으로 탄소와 규소 함량이 일정한 두께 4 mm의 판형 시편의 망간 함량 변화에 따른 기계적 성 질 변화는 Fig. 8(a)에서 보이는 바와 같다. 망간 함량이 증가 함에 따라 강도와 경도는 증가하였다. 이와 같은 결과의 원인 을 밝히기 위하여 거시조직과 미세조직을 관찰하였으며 두께가 4 mm로 일정한 대표적인 시편의 망간 함량 변화에 따른 거시 조직과 공절 셀 수 및 크기의 변화 그리고 펄라이트 부피 분 률의 변화는 각각 Fig. 8(b) 및 (c)에서 보이는 바와 같다.

망간 함량의 변화에 따른 공정 셀 수와 공정 셀 크기의 변 화는 그 경향이 그렇게 뚜렷하지는 않으나 망간 함량이 증가함 에 따라 공정 셀 수는 대체로 감소하고 공정 셀 크기는 대체

로 증가하였다. 망간 함량의 변화에 따른 칠 깊이와 ∆T₁의 변 화는 뚜렷하게 나타났으며 그 결과는 각각 Fig. 8(d) 및 (e)에 서 보이는 바와 같다. 망간 함량이 증가함에 따라 칠 깊이는 증가하고 ∆T₁은 감소하였다. 주철 용탕 중 망간은 탄화물 형성 촉진 원소로 작용하여 흑연의 핵생성과 성장을 방해한다[10].

또한 Fig. 8(c) 및 9에서 보이는 바와 같이 망간 함량이 증 가함에 따라 기지 중 펄라이트 부피 분률은 큰 변화가 없었지 만 층간 간격은 미세화되었다. 망간은 고체 상태에서 오스테나 이트의 변태가 일어나는 동안 탄소의 확산을 억제하여 기지 중 펄라이트 형성을 촉진하며 미세화시킨다[11]. 따라서 흑연 조직 과 기지 조직에 미치는 이와 같은 복합적인 영향으로 망간 함 량이 증가함에 따라 강도와 경도가 증가한 것으로 판단된다.

Fig. 7.

∆T

4. 결 론

탄소와 황 함량이 각각 3.3 및 0.1 wt%로 일정한 박육 주 철의 기계적 성질에 미치는 두께, 규소 함량 및 망간 함량의

영향을 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 두께가 증가할수록 냉각 속도가 감소하여 공정 셀 수와 기지조직 중 펄라이트 부피 분률이 감소하여 강도와 경도는 감소하였다.

Fig. 8.

for 4 mm thickness specimens of 3.3 wt%C-2.1 wt%Si-0.7 wt%Mn gray cast iron.

Fig. 9.

감사의 글

본 연구는 지식경제부의 산업원천기술개발사업의 일환으로 이 루어졌으며 이에 감사드립니다.

참고문헌

[1] R.Fuoco and C.S.Cabezas, Trans. AFS, “Influence of graphite/

austenite Interface on formation of ferrite or pearlite in cast iron”, 112 (2004) 925-944.

[2] Park HI and Kim MH, J. KFS, “A consideration for the alloy

“Nucleation during the solidification of cast iron”, 95 (1967) 3.

[7] J.F.Wallace, Trans. AFS, “Effects of minor elements on the structure of cast irons”, 83 (1975) 363-377.

[8] J.F.Wallace and R.D.Maier, Proc.of AFS CMI Conf., AFS, Rosemont I.L. (1979) 41-74.

[9] T.Kowata, Lee SH, H.Horie, S.Hiratsuka and T.Hareyama, J.

JFS, “Effect of sulfide shape on graphization of flake graphite cast iron”, 74 (2002) 578-583.

[10] M.Gagn’e et. al, The sorelmetal Book of Ductile Iron, Rio Tinto Iron & Titanium INC, Montreal (2004) 26.

[11] W.F.Smith, Structure and Properties of Engineering Alloys, McGraw-Hill,Inc., Tokyo (1993) 142.