흑연 구상화율 측정·평가의 효율화

덕타일 주철이란

「덕타일 주철(FCD재)」은 흑연(그라파이트)을 구상화함으로써 뛰어난 기계적 특성을 지닌 주철 중 하나로, 구상 흑연 주철 또는 노듈러 주철이라고도 불립니다.
대표적인 주철인 회주철(FC재)과 덕타일 주철의 차이는 회주철은 함유된 흑연이 편상이라 응력이 집중하기 쉬워 무름(인성 저하)의 원인이 됩니다. 반면에 덕타일 주철은 Mg(마그네슘 원소)를 0.04%, Ce(세륨)와 Ca(칼슘)를 각각 0.02% 이상 함유하고 있어, 결정화된 구상 흑연에 의해 내마찰성과 강한 점성(인성) 등 뛰어난 기계적 특성을 실현합니다.
덕타일 주철의 주요 용도로 상하수도 및 가스 등의 각종 배관 재료가 있습니다. 이 밖에도 자동차 부품 등 인성과 내마찰성이 요구되는 용도에서 폭넓게 이용되고 있습니다.

흑연 구상화율·진원도 계수와 기계적 특성

덕타일 주철과 같은 구상 흑연 주철 제품은 흑연이 분포하는 비율(흑연 구상화율)과 흑연의 구상 정도(진원도 계수)가 그 내마모성 및 인성, 인장 강도, 연성 등의 기계적 성질에 크게 관여합니다.
따라서 덕타일 주철의 평가 시 흑연 구상화율과 진원도 계수의 정량적인 측정 및 평가가 품질과 특성을 보증하는 데 있어 매우 중요합니다.

진원도 계수 구하는 방법

흑연의 구상화를 평가하기 위해 사용하는 「진원도 계수(R)」는 그림과 같이 재료 안에서 관찰되는 흑연의 최대 직경(장축)을 L, 면적을 S, 최대 직경을 직경으로 삼는 원을 D로 하여 S의 면적을 D의 면적으로 나누어 구합니다.

즉, 각각의 값은 다음과 같은 관계가 됩니다.

이를 정리하면 진원도 계수를 구하는 계산식은 다음과 같습니다.

흑연 구상화율 구하는 방법

흑연 구상화율을 구할 때는 공업 규격에 따라 표준화된 진원도 계수에 의한 분류 및 사이즈에 따른 참조 번호를 이용합니다. ISO 945에 의거한 분류와 규격 및 이를 이용해 구상화율을 산출하는 방법 등을 소개합니다.

다음은 ISO에 의거한 기준이지만 적시에 규격이 개정될 수 있습니다. 반드시 최신 규격도 확인해 주십시오.

진원도 계수에 따른 분류

Ⅵ:

구상 흑연(spheroidal graphite)
진원도 계수(R): ≧0.80

V:

약간 불규칙적인 구상 흑연(slightly irregular spheroidal graphite)
진원도 계수(R): 0.60≦~<0.80

IV:

불규칙적인 구상 흑연(irregular spheroidal graphite)
진원도 계수(R): 0.45≦~<0.60

III:

버미큘러(컴팩트) 흑연(Vermicular [compacted] graphite)
진원도 계수(R): 0.10≦~<0.45

I:

라멜러(분말) 흑연(lamellar [flake] graphite)
진원도 계수(R): <0.10

사이즈에 따른 참조 번호(size class) 분류

참조 번호	흑연 사이즈(mm)
1	≧1
2	0.5≦~<1
3	0.25≦~<0.5
4	0.12≦~<0.25
5	0.06≦~<0.12
6	0.03≦~<0.06
7	0.015≦~<0.03
8	<0.015

ISO 기준 10 μm 미만인 흑연은 카운트 대상이 아닙니다.

흑연 구상화율의 계산 방법

흑연 구상화율 계산은 10 μm 이상의 사이즈이며 진원도 계수에서 「V」와 「VI」으로 분류된 흑연의 면적을 사이즈가 10 μm 이상인 흑연의 총면적으로 나눈 값입니다.
구상화율을 구하는 계산식과 대입하는 값에 대한 설명은 다음과 같습니다.

AvI:

최소 사이즈(10 μm) 이상이며 진원도 계수에서 「VI」으로 분류된 흑연의 면적.

Av:

최소 사이즈 이상이며 진원도 계수에서 「V」로 분류된 흑연의 면적.

Aall:

최소 사이즈 이상인 흑연의 총면적.

흑연 구상화율의 자동 면적 계측·카운트

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 깊은 피사계 심도를 실현한 독자적인 관찰 시스템을 통해 시야 전체에서 초점이 맞는 화상을 간단하게 얻을 수 있습니다. 따라서 선명한 4K 화상에서 샘플에 함유된 흑연과 그 형상을 포착합니다. 이처럼 고해상도 화상을 이용하여 흑연의 고정도 자동 면적 계측·카운트를 끊김없이 실시할 수 있으므로 정량적인 해석 결과를 신속하게 취득할 수 있습니다.

또한 자동 면적 계측·카운트 기능은 지정한 조건에서 구상화한 흑연을 판별하여 개수와 면적 외에 총면적, 총면적율, 나아가 흑연의 최대 직경과 그 평균, 표준 편차, 최대값, 최소값 등 다양한 데이터를 자동으로 신속하게 취득할 수 있습니다.

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흑연 구상화율의 리포트 작성 효율화

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 구상화한 흑연을 고정도로 자동 계측할 수 있을 뿐만 아니라 취득한 화상 데이터와 수치 데이터를 사용한 리포트를 자동으로 작성할 수도 있습니다.
「VHX 시리즈」에 직접 Excel을 인스톨할 수 있으므로 PC를 사용하지 않고도 그대로 리포트를 출력할 수 있습니다. 목적에 맞는 템플릿으로 해석 데이터를 출력하여 규격에 의거하는 값을 자동으로 산출하고 표시합니다. 또한, 해석 대상으로 삼은 화상의 레이아웃도 자동으로 구축할 수 있습니다.

아래 이미지는 「VHX 시리즈」 1대로 흑연의 관찰 화상·해석 데이터를 취득하여 Excel 템플릿으로 출력한 예입니다. 이처럼 ISO에 의거한 진원도 계수에 따른 분류(type) 및 참조 번호(size class), 개수(count), 각종 면적 계측 결과, 그리고 흑연 구상화율(nodularity)을 나타내는 리포트를 자동으로 작성할 수 있습니다.
지금까지 해석과 계산, 데이터 관리 등 리포트 작성에 소요됐던 공정 수와 시간이 크게 줄어듭니다.

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