KITECH 생산기술 전문지

고강도 후육주철(GCD600~700급 및 모듈러스 3~6급)은 조선, 방산, 원전, 건설 등 많은 산업분야에 고부가가치 핵심 부품으로 확대 적용되고 있으며, 글로벌 탑브랜드 수요처의 요구사양 기준이 매우 엄격한 편이다. 고강도 후육주철 부품의 종류나 재질의 세부 등급에 따라 다소 차이는 있으나, 미세조직 측면에서는 구상화율 80% 이상, 흑연립수 100ea/mm² 이상이 요구된다. 기계적 특성 측면에서는 인장강도 550MPa 이상, 연신율 3% 이상 등이 최소기준으로 요구된다. 이때 건전한 양산부품을 확보하기 위해서는 조대흑연, 흑연부상, 미세수축, 청키흑연 등의 결함이 억제되어야 한다 [1]. 특히 미세수축, 청키흑연 결함은 연신율을 감소시키고, 양산 부품에 고압 및 충격이 가해지는 사용 환경에서 내구성에 심각한 문제를 야기할 수 있어 고강도 후육주철에서 매우 치명적이다. 미세수축 결함의 경우, 구상화 처리 공정 (성분, 투입량, 입도 크기), 조형 공정 (주형 강도), 주조방안 설계 (압탕 방안)를 최적화하는 방법 등으로 제어할 수 있다. 청키흑연 결함을 제어하기 위해서는 구상화 처리 공정 (성분, 투입량, 입도 크기), 주입공정 (용탕온도), 접종 공정(시기, 접종량 등) 등의 최적화 방법 등이 존재한다. 이 중 구상화 처리는 미세 수축 및 청키흑연 결함과 상관관계가 높은 공정이다. (그림 1(a)). 구상화 처리 공정의 개선 방안은 물리적, 화학적 측면으로 나누어 생각해 볼 수 있다 (그림 1(b)). 물리적 측면에는 마그네슘의 반응 효율을 높이기 위해 레이들의 형상 (높이와 직경 비), 처리 시 용탕 온도를 제어하는 방법 등이 있다. 화학적 측면에는 용탕 내 원소를 통제하기 위해 구상화제 성분, 투입량 및 입도 크기를 조절하는 방법 등이 있다. 일반적인 구상흑연주철에서는 용탕 내 S함량의 제어가 중요하다. 그런데 후육주철 제조 시에는 용탕 내에 높은 Si함량, 구상화제의 핵심 원소인 Mg과 R.E. 함량도 중요한 문제가 될 수 있다 [2]. Mg은 강력한 탄화물 안정화 원소이기 때문에 잔류 용탕 내 함량의 증가는 흑연의 형성을 저해하여 미세수축 결함을 촉진하게 된다 [3]. R.E.(Rare Earth)는 공정 반응 중에 오스테나이트의 성장을 촉진하기 때문에 C가 불스아이(Bull’s eye) 구조의 구상흑연 형성에 사용되는 것이 저해된다. 따라서 청키흑연의 발생이 야기된다 [4, 5]. 본 연구에서는 잔류 Mg 함량과 R.E. 함량을 제어하여, 결함을 억제하고 흑연 조직 요구 기준을 만족시키고자 하였다.

키워드 고강도, 후육주철, 결함억제, 구상화