1. 서론
구상흑연주철(Ductile Cast Iron; DCI)은 주조성, 연성 및 인성이 우수하고, 낮은 제조원가로 자동차 부품, 풍력 및 대형 롤 등 내마모성이 요구되는 분야에 많이 사용된다. 그러나 주조 공정 중에 상대적으로 냉각 속도가 늦어 미세조직을 제어하기 어려운 문제점이 있다[1,2]. 또한, 구상흑연주철은 다른 강과는 달리 비금속인 흑연이 기지 내에 불규칙한 상태로 존재하기 때문에, 마모 양상이 복잡하여 내마모성은 기지조직, 흑연조직 및 공정조직에 따라 다르다[3-5]. 따라서 많은 산업 분야에 응용하기 위해서, 우수한 특성을 갖는 구상주철의 개발에 관한 많은 연구가 필요하다.
구상흑연주철로 제조된 고온 열처리용 DCI 롤(specially heat-treated high strength graphite Iron; 이하 SGI 롤이라 한다)은 내마모성 낮고, 압연할 때 발생하는 크랙의 전파 속도가 빠르다[6]. 그래서 대형 롤은 편마모와 크랙에 의한 절손이 발생하고 있다. 특히 기존의 고온 열처리용 SGI 롤은 사용 중 심부 V형 하단부에 높은 압연 부하로 인하여 집중적인 마모가 발생함에 따라 롤 수명이 짧고, 열처리 균열 및 충격에 대한 저항이 낮아 절손사고가 자주 발생한다. 이로 인하여 열간 압연재의 표면 및 치수의 균일성을 저하하고, 또한 잦은 롤의 교체로 인한 생산성의 저하를 크게 유발한다. 그뿐만 아니라 롤의 재사용을 위한 심부 가공량이 많아지게 되어 가공 시간 및 가공비 상승과 더불어 롤 소모량 증가 등으로 인하여 전반적으로 철강 압연업계의 경쟁력을 하락시키는 큰 요인이 된다. 따라서 이러한 문제점 등을 개선할 롤의 개발이 필요하다. 그중 하나가 내부 경화능 경화형 DCI 롤(super specially heat-treated high strength graphite Iron; 이하 S-SHGI 롤이라 한다)을 개발하여 사용하는 것이다. S-SHGI 롤은 흑연과 탄화물의 체적분율을 조절하고 소지 금속의 조직도 변화시킴으로써 경도, 인성 및 내마모를 높이는 것은 물론 내/외부의 경도가 균일하다.
본 연구는 내/외부 경도의 균일성을 갖는 S-SHGI 롤을 제작하기 위하여, 탄소량이 다른 두 종류 구상흑연주철에서 롤 동체와 롤 넥의 깊이에 따르는 흑연과 탄화물 등의 체적 분율, 크기 및 공정조직 등의 변화를 연구하였다.
2. 시료 및 실험방법
2.1 시료 및 실험방법
본 연구에 사용된 탄소량이 다른 두 종류 구상흑연주철은 유도로에서 용해한 다음, 1,450℃에서 구상화제 Ni-Mg가 0.8 wt.% 들어있는 레이들에 출탕하였다. 그 후 접종제 Fe-Si 0.3 wt.%를 투입하여, 용탕 교반에 의한 접종 반응을 위하여 레이들 하부로 아르곤을 정압 3kg/㎟로 약 1분간 공급하여 교반하였다. 그리고 패딩 현상을 방지하기 위하여, 9분 이내에 용탕 온도를 1,375℃로 하여 구상흑연주철을 제작하였다.
주형은 지름 350㎜, 길이 600㎜ 크기의 넥과 두께 180㎜, 내경 700㎜ 및 길이 700㎜ 크기의 사형으로 만든 다음, 롤 동체에 해당하는 부분은 넥과 냉각 속도 차이를 얻기 위해 금형으로 제작하였다. 본 연구에 사용된 구상흑연주철의 화학성분을 Table 1에 나타낸다. Fig. 1은 제조된 롤의 형상을 나타낸다.
Table 1. Chemical composition of specimen(wt.%)
Fig. 1 Shape of roll
2.2 미세조직 및 경도관찰
탄소량이 다른 두 종류 롤의 미세조직은 롤 동체 및 롤 넥에서 관찰하였다. 롤 동체는 Fig. 1의 중앙부에서 채취하고, 롤 넥은 롤 동체에서 500mm 떨어진 곳에서 채취하였다. 냉각 속도 차이에 따른 미세조직은 광학현미경과 주사전자현미경으로 관찰하였다. 또한, 흑연과 시멘타이트의 체적 분율 및 흑연 크기는 화상 분석 시험기로 5회 측정하여 평균하였다. 구상화율은 구상화율 측정기로 5회 측정하여 구하였다.
두 종류 롤의 경도는 쇼어 경도기를 사용하여, 롤 동체 및 롤 넥의 표면에서 깊이로 20㎜ 간격으로 측정하였다. 경도는 5회 측정하여, 평균하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 미세조직
Fig. 2는 탄소의 영향을 조사하기 위하여, 구상흑연주철로 제작된 롤 동체를 광학현미경으로 관찰한 것이다. 두 종류의 롤 동체는 흑연이 구상화되어 있는 것을 확인할 수 있다. 그리고 탄소량 3.35% (b)는 흑연 양이 약간 많은 것을 확인할 수 있다. 이것은 탄소가 많아 과냉도가 크기 때문이다[6]. 그러나 흑연의 크기는 거의 비슷한 것으로 판단된다.
Fig. 2 Effect of carbon on the graphite at roll body. (a) 3.0%, (b) 3.35%
Fig. 3은 구상흑연주철로 제작된 롤 넥을 광학현미경으로 관찰한 것이다. 이것은 주형의 냉각 속도가 느린 롤 넥의 미세조직에 미치는 탄소의 영향을 조사하기 위한 것이다. 두 종류의 롤 넥은 흑연화가 되었지만, 롤 동체와 다르게 흑연 형상이 구상화되지 않았다. 이유는 롤 넥의 주형은 사형으로 제작되어 있어, 냉각 속도가 느려 공정 응고시간이 길어진다. 따라서 냉각되는 동안에 구상화되어 있던 흑연이 풀어지는 패딩 현상에 의한 접종 효과가 감소하기 때문이다[5,6]. 그리고 롤 동체와 같이 탄소량 3.35% (b)는 흡연량이 조금 많으며, 큰 것을 확인할 수 있다.
Fig. 3 Effect of carbon on the graphite at roll neck (a) 3.0%, (b) 3.35%
주입 전 흑연을 구상화 처리하여 주입하였지만, Fig. 2의 롤 동체는 흑연이 구상화되어 있지만, Fig. 3의 롤 넥은 구상화되지 않았다. 롤 동체는 금형에 의해 빠르게 냉각되어 흑연의 패딩 현상이 발생하지 않았지만, 롤 넥은 서냉으로 냉각되는 동안 구상화된 흑연의 패딩 현상이 발생하였기 때문이다[7,8].
Fig. 4는 롤 동체 및 롤 넥의 표면으로부터 깊이에 따른 미세조직을 나타낸 것이다. (a)(b)는 각각 롤 동체 및 롤 넥의 미세조직이다. 이것은 미세조직에 미치는 탄소의 영향을 조사하기 위한 것이다. 두 종류의 롤 동체 및 롤 넥은 오스테나이트 입계 또는 입계에서 입내로 시멘타이트가 석출된 것을 확인할 수 있다. 또한, 탄소량 3.35%는 시멘타이트량이 적고, 크기도 적은 것을 알 수 있다. 이와 같은 이유는 탄소량이 많아지면 응고 구동력이 향상돼 냉각 속도가 빨라져서, 시멘타이트의 석출과 성장 시간이 작아지기 때문이다[7-9].
Fig. 4 Effect of carbon on the cementite according to depth of (a) roll body and (b) roll neck
Fig. 4에서 미세조직은 냉각 속도가 느린 롤 넥의 시멘타이트량이 약간 적고 크기도 약간 적은 것을 확인할 수 있었다. 이것은 롤 동체는 금형 냉각이 빨라서 시멘타이트의 석출 및 성장이 적게 일어났기 때문이라 판단된다.
3.2 흑연 및 시멘타이트
Fig. 5는 탄소량이 다른 두 종류 롤 동체의 흑연량을 표면으로부터 깊이에 따라 나타낸 것이다. 이것은 롤의 냉각 속도가 빠른 동체에서 흑연량에 미치는 탄소의 영향을 조사하기 위한 것이다. 탄소량이 다른 두 종류 롤 동체는 표면에서 깊어질수록 흑연량이 증가하는 경향을 나타내고 있지만, 그 차이는 크지 않다. 그러나 탄소량이 많을수록 흑연량이 많은 것은 확인할 수 있다.
Fig. 5 Volume fraction of graphite according to body depth of two roll
Fig. 6은 탄소량이 다른 두 종류 롤 넥의 표면으로부터 깊이에 따른 흑연량을 나타낸 것이다. 이것은 냉각 속도가 느린 롤 넥의 흑연량에 미치는 탄소의 영향을 조사한 것이다. 냉각 속도가 빠른 롤 동체와 달리 탄소량이 다른 두 종류 롤 넥은 표면에서 깊어질수록 흑연량이 서서히 감소하는 경향을 나타내고 있지만, 그 차이는 크지 않다. 또한, 롤 동체와 같이 탄소량이 많은 경우가 적은 경우보다 전 영역에서 흑연 양이 많은 것을 확인할 수 있다. 이것은 탄소량이 많을수록 흑연화되는 양이 많기 때문이다.
Fig. 6 Volume fraction of graphite according to neck depth of two roll
Fig. 5와 6에서 롤 동체의 흑연량은 롤 넥보다 약간 적은 것을 알 수 있다. 롤 동체는 금형에 의해 빠르게 냉각되어 흑연화 및 성장이 롤 넥에 비해 적게 일어났기 때문이라 판단된다. 일반적으로 냉각 속도는 구상입자수 및 구상화율 등에 영향을 크게 영향을 미치지 않지만[10,11], 흑연의 체적분율에는 영향을 미치고 있다는 것을 알 수 있다.
Fig. 7은 탄소량 3.35%를 갖는 롤 동체의 표면으로부터 깊이에 따르는 흑연 크기를 조사하여 나타낸 것이다. 흑연 크기는 표면에서 깊이 약 100mm까지 직선적으로 증가하고, 120mm에서 급증하였다. 이것은 표면에서 깊어질수록 냉각되는 속도가 느려서 시간이 오래 걸리기 때문이다. 즉, 상대적으로 흑연 성장 시간이 길어지기 때문이라 판단된다[10].
Fig. 7 Graphite size according to roll body depth having 3.35% carbon
Fig. 8은 탄소량이 다른 두 종류 롤 동체 깊이에 따르는 구상화율을 나타낸 것이다. 이것은 흑연의 구상화율에 미치는 탄소의 영향을 조사하기 위한 것이다. 두 종류 롤 동체의 구상화율은 중심부로 갈수록 약간 감소하였다. 이것은 다른 연구결과와도 잘 일치한다 [10,11]. 구상화율은 탄소량이 적은 롤 동체에서 약간 높게 나타나고 있지만, 차이는 크지 않다. 한편, 롤 넥의 구상화율은 Fig. 2에서 패딩 현상에 의해 흑연화되지 않아 측정하지 않았다.
Fig. 8 Spherodization according to roll body depth
Fig. 9는 탄소량이 다른 두 종류 롤 동체의 시멘타이트량을 표면으로부터 깊이에 따라 나타낸 것이다. 이것은 탄소량이 다른 구상흑연주철로 제작된 롤 동체에서 시멘타이트량에 미치는 탄소의 영향을 조사한 것이다.
Fig. 9 Volume fraction of cementite according to roll body depth
탄소량이 다른 두 종류 롤 동체는 표면에서 깊어질수록 시멘타이트량이 서서히 감소하고 있다. 이와 같은 이유는 중심부로 갈수록 느린 냉각 속도로, 탄소가 흑연으로 확산하는 양이 많아지기 때문이다. 즉, 시멘타이트 석출량은 적어진다. 또한, 탄소량 3.35%의 롤 동체는 시멘타이트량이 작은 것을 알 수 있다. 많은 탄소량은 냉각에 필요한 구동력이 향상되기 때문에 빨리 냉각되어 상대적으로 시멘타이트의 석출 시간이 적어지기 때문이라 판단된다[11].
Fig. 10은 탄소량이 다른 두 종류 롤 넥의 시멘타이트량을 표면에서 깊이에 따라 나타낸 것이다. 이것은 탄소량이 다른 구상흑연주철로 제작된 롤 넥의 시멘타이트량에 미치는 탄소 영향을 조사하기 위한 것이다.
Fig. 10 Volume fraction of cementite according to roll neck depth
탄소량이 다른 두 종류 롤 동체는 표면에서 깊어질수록 시멘타이트량은 서서히 감소하고 있는 경향을 나타내지만, 차이는 크지 않다. 또한, 탄소량에 따른 시멘타이트량은 롤 동체와 달리 탄소량 3.0%가 적은 것을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 롤 넥은 사형에 의해 냉각되기 때문에 냉각 속도가 롤 동체에 비해 늦어 탄소가 흑연 성장에 많이 확산하였기 때문이라 판단된다.
Fig. 9와 10에서 롤 동체의 시멘타이트량이 많은 것을 알 수 있다. 이것은 롤 동체 냉각 속도가 빨라서 시멘타이트의 석출 시간이 적어지기 때문이라 판단된다[10].
3.3 경도 분포(Hs)
Fig. 11은 롤 탄소량이 다른 두 종류 롤 동체의 표면에서 깊이에 따른 경도를 나타낸다. 이것은 탄소량이 다른 구상흑연주철로 제작된 롤 동체의 경도에 미치는 탄소의 영향을 조사하기 위한 것이다.
Fig. 11 Hardness according to roll body depth
탄소량이 다른 두 종류 롤 동체는 표면에서 깊어질수록 경도는 서서히 감소하고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같은 이유는 중심부로 갈수록 냉각 속도가 느려 흑연 양이 많아지고, 상대적으로 석출되는 시멘타이트량이 적어지기 때문이라 판단된다[10]. 또한, 탄소량 3.35%의 롤 동체는 경도가 낮게 나타났다. 많은 탄소량은 냉각에 필요한 구동력이 향상돼 빨리 냉각되기 때문에, 상대적으로 시멘타이트의 석출 시간이 적어 경도가 높은 시멘타이트의 석출량이 적어지기 때문이라 판단된다[10].
Fig. 12는 탄소량이 다른 두 종류 롤 넥의 경도를 표면에서 깊이에 따라 조사하여 나타낸 것이다. 이것은 탄소량이 다른 구상흑연주철로 제작된 롤 넥의 경도에 미치는 탄소의 영향을 조사하기 위한 것이다.
Fig. 12 Hardness according to depth at roll neck
탄소량이 다른 두 종류 롤 넥은 표면에서 깊어질수록 경도는 서서히 감소하고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같은 이유는 깊어질수록 냉각 속도가 느려 흑연 양이 많아지고, 경도가 높은 시멘타이트량이 적어지기 때문이라 판단된다. 또한, 탄소량이 많은 롤 넥의 경도가 낮게 나타났다. 이것은 탄소량이 많아지면 냉각에 필요한 구동력이 향상돼 흑연 수가 많아지고 크기가 감소하고, 상대적으로 시멘타이트의 석출 시간이 적어 경도가 높은 시멘타이트의 석출량이 적어지기 때문이라 판단된다[10].
Fig. 11과 12에서 롤 동체의 경도가 롤 넥보다 높은 것을 알 수 있다. 이것은 Fig. 9와 10에서 알 수 있듯이 롤 동체는 경도가 높은 시멘타이트량이 많기 때문이라 판단된다.
4. 결론
본 연구는 경도, 인성 및 내마모성이 높고, 롤 내/외부 경도의 균일성을 갖는 롤 제작에 필요한 특성을 얻기 위하여, 탄소량이 다른 두 종류 구상흑연주철에서 흑연과 탄화물의 체적 분율, 크기 및 공정조직 등의 변화를 조사하였다. 얻어진 결과는 다음과 같다.
(1) 롤 동체는 구상흑연이 존재하고, 롤 넥은 입상의 흑연이 존재하였다.
(2) 롤 동체는 표면에서 깊어질수록 흑연 양이 많아지고, 넥은 흑연 양이 감소하지만, 크기는 증가하였다.
(3) 롤 동체는 표면에서 깊어질수록 시멘타이트량은 감소하고, 롤 넥은 시멘타이트량이 많고, 크기도 크다.
(4) 흑연과 시멘타이트량은 롤 동체보다 롤 넥이 많았다,
(5) 롤 동체와 롤 넥은 표면에서 깊어질수록 시멘타이트량이 감소하여 경도가 작아졌다. 그러나 롤 동체의 경도가 높았다.
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