KR100565862B1 - 몰리브덴을 함유한 철 합금 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 철 합금에 관한 것으로서 상기 철 합금은 1.5 내지 4.5 중량%의 탄소, 1.5 내지 4.5 중량%의 실리콘, 최소 1.0에서 6.5 중량%까지의 몰리브덴, 선택적으로 구리 및/또는 니켈(다만 %Mo + %Ni + %Cu는 6.5 중량%를 넘지 않도록 한다.), 잔여 철 및 미량의 불순물로 구성된다. 상기 합금은 구상흑연주철이 바람직하다. 본 합금은 브레이크 디스크 로터의 제조에 있어서 특히 용이하다.

Description

몰리브덴을 함유한 철 합금{Iron Alloy Containing Molybdenum}
본 발명은 철 합금과 그 제조 공정에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 특히 자동차 부품과 같은 차량 등의 디스크 브레이크에 사용되는 철 합금에 관한 것이다.
디스크 브레이크는 1950년대 후반 자동차에 도입되었다. 디스크 브레이크는 자동차 바퀴 축에 단단하게 연결된 디스크나 로터(rotor)로 구성된다. 둘 혹은 그 이상의 패드는 디스크 또는 로터에 작용하는 캘리퍼 액션에 의해 디스크나 로터의 회전을 중지시키기 위하여 닫히고 따라서 자동차에 브레이크가 걸린다. 패드는 석면재료로 구성된 프릭션 라이닝(friction lining)을 가지고 있다. 석면재료는 대체로 패드를 열과 광물질로부터 보호하는 기능을 한다. 그러나 석면재료의 과다한 독성 때문에, 브레이크 패드는 일반적으로 10∼20 부피%의 수지, 0∼10 부피%의 마찰 조절제(friction modifiers), 0∼10 부피%의 금속분말, 20∼40 부피%의 충진제 및 10∼50 부피%의 섬유재(석면, 금속, 유리섬유, 합성 미네랄화이바)를 함유하는 마찰재(friction material)로 구성된다.
디스크 브레이크의 도입 이래로 그레이 주철은 디스크나 로터의 제조를 위해 사용되었다. 노듈라 주철과 비교해 볼 때 그레이 주철은 높은 열전도도, 낮은 탄성률을 가지며, 500℃이상에서 양호한 치수 안정성을 가진다. 노듈라 주철은 매우 낮은 내열성으로 인해 디스크 브레이크로는 부적당하다.
그레이 주철은 디스크 브레이크에 적당한 많은 특성을 가지고 있지만, 비교적 인장강도가 낮다는 결함을 가지고 있다. 이러한 결점에 관해 많은 논문이 제기되고 있다.
Jimbo et. al, SAE Publication No.900002의 "브레이크 디스크 로터에 사용되는 높은 열전도도 주철의 개발"에서는 디스크 브레이크의 균열 문제를 다루고 있다. 이에 따르면 그레이 주철은 높은 열전도도로 인해 균열 저항력의 관점에서 볼 때 가장 적당한 로터 재료이라는 것이다. 또한 그레이 주철은 강도를 증가시키기 위해 높은 탄소 레벨(열 전도도를 최대화하기 위함), 낮은 실리콘 레벨 및 가능하면 낮은 합금성분 레벨을 가져야 한다고 언급하고 있다. 따라서 저자는 그레이 주철에 단일 합금 작용제로 몰리브덴을 첨가하였다. 여기서 0.32∼0.68% 범위의 몰리브덴을 함유하는 수많은 주철 합금을 시험하였으며, 그 결과 주철 합금은 3.7∼4.0 %의 탄소, 1.4∼2.0 %의 실리콘, 0.5∼0.6 %의 몰리브덴, 잔여 철 및 미량의 불순물을 구성요소로 하여야 한다는 결론을 얻었다.
웨스팅하우스 에어 브레이크사의 호주 특허 제426529(19758/67)호에서는 디스크 브레이크 로터의 주조 금속 성분에 관하여 언급하고 있다. 상기 특허는 그레 이 주철로부터 제조된 브레이크 로터 웨브(web of brake rotors)에서의 파열에 의한 곤란성을 다루고 있다. 그 선결조건의 하나로 이러한 결점을 피할 수 있도록 충분한 인장 강도가 있는 노듈라 또는 연성 주철을 사용할 것을 제시하고 있으나, 브레이킹 표면은 휘기 쉽다. 이는 상기 재료가 확실히 부적당하다는 점을 나타낸다. 상기 특허에서는 3.20∼3.55 %탄소, 0.15∼0.25 %크롬, 1.15∼1.35 %니켈, 0.30∼0.50 %몰리브덴, 0.50∼0.80 %망간, 1.80∼2.00 %실리콘, 0.10 %미만의 인, 0.08 %미만의 황 및 잔여 철로 구성된 크롬-니켈 주철을 제시하고 있다. 상기 합금은 최소 75 % A형태 흑연판이 고르게 분포된 균일한 미세결 무늬의 퍼얼라이트(pearlite)를 포함하는 미세조직을 가지고 있다.
일본 특허출원번호 제60-52553(스미모토 긴조꾸 코교 K.K)호에서는 디스크 브레이크 로터용 강철을 나타내며, 이는 0.1∼0.6 %탄소, 0.8 %미만의 실리콘 3 %미만의 망간, 0.2∼0.5 %니켈 및 선택적으로 하나 혹은 그 이상의 0.5∼5.0 %알루미늄, 0.1∼3.0 %구리, 0.2∼3.0 %티탄 및 0.1∼5.0 %몰리브덴을 포함한다. 상기 강철은 주조된 강철 로터가 열분해에 대한 저항력을 손상하지 않고도 주철과 동등한 브레이킹 저항력을 갖는다고 언급되고 있다.
미국 특허 제5,323,883호(Mibe et. al)는 자동 브레이크 시스템에 34관한 것이다. 상기 브레이크 시스템은 흑연 주철로 된 로터를 포함하며, 여기서 흑연 주철은 3.5∼4.0 %탄소, 1.6∼2.0 %실리콘 0.5∼0.8 %망간, 0.4∼1.2 %몰리브덴 및 잔여 철로 구성된다. 상기 성분의 매트릭스 구조는 퍼얼라이트 형태로 되어 있다. 상기 특허는 디스크 브레이크에 사용되는 재료에 있어서 양호한 열전도성을 강조하 고 있다. 또한 1.2 %이상의 몰리브덴이 첨가될 경우, 카아바이드 또는 주조 결함이 형성될 수 있으므로 몰리브덴의 최대치는 1.2 %로 고정한다. 여기서도 망간은 금속 합금에 있어서 중요한 성분이 된다.
미국특허 제1,762,109호(Taylor et. al.)에서는 통상의 주철보다 쉽게 경화되고 성형되는 주철 합금을 소개하고 있다. 여기서 주철 합금은 1.0∼4.0 %탄소, 0.5∼2.5 %실리콘 1.0∼4.0 %니켈 및 1.0 %이하의 몰리브덴, 잔여 철 및 미량의 불순물로 구성된다. 상기 합금은 일부는 단단한 표면을 가지는 반면 다른 부분은 비교적 연해서 성형하기 쉬워 물품이나 그밖에 태핏(tappets), 실린더 블록(cylinder block) 및 피스톤을 제조하는데 유용하다.
미국특허 제3,095,300호(Moore et. al)에서는 1.2∼5.3 %망간 및 0.40∼0.80 %몰리브덴을 함유하는 주철의 성분을 개시하고 있으며 이에 의한 주철은 주조한 것처럼 성형하기 쉽고 공기 중에 경화될 수 있다.
미국특허 제3,798,027호(Defranco et. al.)에서는 높은 인장강도와 낮은 경도의 그레이 주철을 개시하고 있다. 이는 1∼3 %알루미늄, 2∼4 %탄소, 1 %이하의 실리콘 및 잔여 철을 포함하며 또한 칼슘, 스트론듐 및 바륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 첨가물을 주입한다. 상기 특허는 내열성 혹은 내부식성과 같은 특정한 성질을 얻기 위해서는 0∼6 %구리, 0∼12 %니켈, 0∼5 %크롬, 0∼2 %몰리브덴 및 0∼1 %지르코늄과 같은 다양한 양의 합금 성분이 첨가되어야 한다고 제시하고 있다.
미국특허 제3,902,897호(Sobue. et. al.)에서는 구상흑연주철을 개시하며 이 는 2.3∼4.2 %탄소, 1.5∼5.0 %실리콘, 1.0 %이하의 망간, 1.5∼6.0 %니켈 및 0.1∼1.0 %몰리브덴, 0.2∼2.0 %알루미늄, 0.1 %이하의 구상화제 및 잔여 철을 포함한다. 상기 특허는 합금에 있어서 알루미늄의 중요성을 언급하고 있으며 또한 몰리브덴의 1.0 %의 함유는 생조물(생조물(as-cast))에 카아바이드가 다량 생성되는 결과를 낳으며 이는 지나치게 높은 경도를 갖게된다. 따라서 상기 특허는 몰리브덴의 최대치는 1.0 %로 분명히 밝히고있다.
미국특허 제4,166,756호(Geyes et. al)은 철로, 자동차, 트럭에 사용되는 내마모성의 댐핑 요소(damping element)의 야금에 대해서 언급하고 있다. 특히 상기 특허는 주조에 있어 바람직한 미세구조를 성장시키기 위해 화학 성분 및 예컨대 주탕 온도(pouring temp), 몰드 온도로부터의 하락 및 냉각 속도와 같은 공정 제어 인자를 개시하고 있다. 이러한 합금의 화학 성분으로서 3.00∼3.30 %탄소, 1.20∼1.50 %실리콘, 0.85∼1.00 %망간, 0.80∼0.90 %몰리브덴, 1.40∼1.60 %(니켈 및 구리), 잔여 철을 포함한다. 상기 화학 조성으로부터의 주물 공정은 매우 중요하다.
미국특허 제4,450,019호(Satou et.al)는 자동차 배출 분기관의 재료로서 사용될 경우 고온에서 높은 내산화성과 열 피로성을 나타내는 연성 주철에 관한 것이다. 상기 주철은 2.5∼3.8 %탄소, 3.5∼4.8 %실리콘, 1.0 % 혹은 그 미만의 망간, 0.1 % 혹은 그 미만의 인, 0.1 %미만의 황, 0.5∼2.0 %몰리브덴, 0.03∼0.1 %마그네슘, 0.02∼0.5 %양의 최소한 하나의 세륨 및 란탄 (니켈 및 구리), 잔여 철을 포 함한다. 만약 실리콘이 3.5 %미만으로 존재한다면 SiO2의 보호막은 배기 분기관 (exhaust manifold)에 형성될 수 없으며 또한 수축 공동(shrinkage cavity)과 같은 주물 결함이 탄소 포화도로 인해 생길 수 있다. 세륨과 란탄은 매우 중요한 성분이다. 만약 Ce와 La가 최소 한계인 0.02 %보다 적게 존재한다면 실리콘은 주물의 표면으로 분산되지 않을 것이며(이는 주물의 SiO2 보호막을 형성하는데 필요한 것이다.), 또한 Mo는 내산화성을 저해하는 성질이 있다. 따라서 Ce 및 La는 Mo가 주물에 존재함으로서 나타나는 상기의 단점을 극복하기 위해 반드시 존재하여야 한다.
미국특허 제4,153,017호(Behnke)에서는 내연엔진의 태핏(tappets)은 다음의 조성에 의한 철 합금에 의해 만들어진다. 즉 3.10∼3.60 %탄소, 2.00∼2.90 %실리콘, 0.60∼0.90 %의 망간, 0.20∼0.80 %크롬, 0.30∼0.60 %니켈 및 1.50∼5.00 %몰리브덴, 0.10∼0.50 %바나듐, 잔여 철이다. 몰리브덴은 다음의 몇 가지 이유에서 주요 합금 원소로 사용된다. 그 하나로 몰리브덴은 다음의 두 가지 형태의 카아바이드를 만들기 때문이다. 즉 면심입방 M23C6 철-몰리브덴 카아바이드와 사방정계 Fe3C 탄화철 카아바이드(cementite carbide)이다. M23C6 형태의 카아바이드가 더 안정적이다. 크롬 및 바나듐을 합금에 첨가하는데 이는 탄화철 카아바이드를 분해하기 위함이다.
브레이크 자동차 부품을 금속 매트릭스 성분(MMC's)으로부터 제조하려는 시도가 있어왔다. 예로 미국특허 제5,261,511호(Libsch)에서는 20∼80 부피% 실리콘 카아바이드 및 80∼20 부피%의 철 합금 성분으로부터 브레이크 로터를 제조하는 방 법을 기술하고 있다. 상기 특허는 철 합금은 0.4∼4.0 %중량의 탄소, 1.8∼18.0 %실리콘, 1.0∼10.0 %의 X(여기서 X는 Cr, Mo, Cu, Ni, P, S 및 잔유 철로 이루어진 군으로부터 선택된다.)를 주로 포함한다. 상기 특허에서는 1.0∼10.0 %로 X의 범위를 넓게 인용하지만 X는 1.51 중량%로 존재하며 이는 Cr(0.13), Mo(0.08), Cu(0.28), Mn(0.75), Ni(0.13), P(0.06) 및 S(0.08)이다. 또한 20∼80 %실리콘 카아바이드 입자 및 80∼20 %의 철 합금으로 혼합된 금속 매트릭스 성분은 브레이크 로터의 제조에 있어서 중요한 재료이다. 브레이크 로터의 제조에 있어서 철 합금의 존재는 말할 것도 없거니와 여기서는 실리콘 카아바이드 입자의 존재가 절대적으로 필요하다.
미국특허 제3,909,252호(Kuriyama et. al)에서는 내마모성과 자가 윤활 기능의 주철을 개시하고 있다. 상기 주철은 1.0∼3.5 %탄소, 0.5∼3.5 %실리콘, 0.1∼1.5 %의 망간, 0.1∼2.0 %크롬, 1.0∼15.0 %코발트, 0.5∼10.0 %몰리브덴, 0.1∼5.0 %니켈, 0.05∼2.0 %니오비움, 0.001∼0.1 %붕소 및 잔여 철로 구성되어 있다. 여기서 주철은 상당한 양의 코발트 및 크롬과 니오비움의 첨가물을 포함하며 특히 피스톤 링(piston ring)을 제조하는 데 적합하다.
미국특허 제3,559,775호(Miller)는 과공융점(hypereutectic) 그레이 주철로부터 제조된 브레이크 로터에 대해서 기술하고 있다. 퍼얼라이트 안정화 원자는 망간, 크롬, 구리, 주석 및 몰리브덴이다. 그러나 이 특허에 따르면 상기 퍼얼라이트 안정화 원자는 하나 또는 혼합되어 사용되는데, 그 예로 0.10∼0.20 %몰리브덴 또는 몰리브덴과 크롬의 혼합의 형태로서 몰리브덴을 퍼얼라이트 안정화 원자로 사용한다. 화학적으로 비결합된 탄소가 ASTM 형태 A 흑연(예로 흑연박편)의 비교적 크게 분리된 형태로서 존재한다.
본 발명의 목적은 디스크 브레이크 로터 제조 또는 다양한 자동차 부품등의 제조에 특히 적당한 철 합금을 제공하는 것에 있다.
본 발명은 첫 번째 측면에서 1.5∼4.5 %중량의 탄소, 1.5∼4.5 %실리콘, 최소 1.2 %에서 6.5 %까지의 몰리브덴, 선택적으로 니켈 및 구리로 여기서 (몰리브덴+니켈+구리)가 6.5 중량%가 초과하지 않도록 하며 기타 잔여 철과 미량의 불순물을 포함하는 철 합금을 제공한다.
본 명세서에서 모든 %단위는 중량%로 한다.
여기서 탄소의 양은 1.5∼3.8 %로 바람직하게는 3.0∼3.5 %, 좀 더 바람직하게는 3.0∼3.35 %의 범위를 가지며, 가장 바람직하게는 3.25%이다.
철 합금에서의 실리콘의 양은 바람직하게는 1.9∼2.5 %이며, 더 바람직하게는 2.1∼2.3 %이다.
몰리브덴은 합금에 있어서 중요한 성분이며 최소 1.2 %로 존재한다. 몰리브덴은 최소 1.2 % 내지 4.5 %가 바람직하며 더 바람직하게는 최소 1.2 % 내지 3.0 %이다. 합금에 1.5 %몰리브덴을 함유할 경우 승용차의 디스크 브레이크 로터에 적당한 반면, 경주용 차에 있어서는 3.0 %의 몰리브덴의 함유가 적당하다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면 철 합금은 구상흑연주철이다.
니켈 및/또는 구리가 존재할 수 있으며 합금의 조직을 미세하게 하고 강도를 개선하기 위한 합금 조절제의 기능을 한다. 바람직하게는 0.1 내지 4.5 %의 양으로 존재하며, 더 바람직하게는 0.1 내지 3.5 %, 가장 바람직하게는 1 %이다. 몰리브덴과 니켈 및/또는 구리의 총량은 6.5 %를 초과하지 않도록 한다.
미량의 불순물로서 망간, 황 및 인이 포함될 수 있다. 불순물의 양은 일반적으로 0.1 내지 0.8 %의 범위이며, 바람직하게는 0.04 %S 및 0.04 %P이다.
본 발명의 바람직한 합금으로 3 내지 3.35 %탄소, 1.9 내지 2.5 %실리콘, 최소 1 % 내지 3 %의 몰리브덴, 잔여 철 및 미량의 불순물이다.
경주용 차의 디스크 브레이크의 로터로서는 3.5 % 내지 4.5 %탄소, 2.1 % 내지 2.3 %실리콘, 2.5 % 내지 3.5 %의 몰리브덴, 잔여 철 및 미량의 불순물의 합금이 바람직하며 더 바람직하게는 3.7 % 내지 3.8 %탄소, 약 3 %의 몰리브덴, 2.1 % 내지 2.3 %실리콘, 잔여 철 및 미량의 불순물이 적당하다. 니켈 및/또는 구리가 상기의 양만큼 선택적으로 첨가될 수 있다.
특히 바람직한 합금의 탄소 당량(CE)는 일반적으로 3.8이다. 탄소 당량은 다음의 식에 의해 정해진다.
C.E = %C + 1/3(%Si) (1)
본 발명의 합금에서 니켈 및/또는 구리는 선택적으로 상기에서 언급한 바와 같은 양으로 첨가하자 치명적인 효과는 관측되지 않았다. 바람직한 실시예에 따르면 합금에 니켈 및 구리의 의도적인 첨가는 최소화하거나 피하는 것이 바람직하다. 또한 본 발명의 철 합금에는 니켈 및/또는 구리가 단지 불순물의 양 정도로 존재하는 것이 특히 바람직하다.
비슷하게 다른 합금 성분의 첨가는 피하는 것이 바람직하다. 특히, 크롬, 망간, 바나듐 및 다른 희토류 금속은 본 발명의 합금에 있어서 거의 제로 수준으로 존재하여야 하며, 불순물 수준보다 높아서는 안된다. 크롬 및 망간은 합금의 경도를 증가시키는 작용을 하므로 성형을 곤란하게 한다. 더 나아가 합금의 제조비용을 불필요하게 증가시킬 수 있으며, 합금의 미세구조 및/또는 물성에 알려지지 않은 또는 바람직하지 않은 효과를 줄 수 있다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면 철 합금은 구상흑연주철(노듈라 주철이라고도 함)이며, 철 합금은 또한 소량의 하나 또는 그 이상의 구상화제를 함유할 수 있다. 구상화제에는 전형적으로 망간이 포함되며, 따라서 철 합금에는 소량의 망간이 함유될 수 있다. 선택적으로 혹은 그와 함께 철 합금에는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 다른 구상화제에 사용되는 소량의 원소를 포함할 수 있다. 구상화제는 최대 0.1 %에서 0.2 %로 존재하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 가장 바람직한 철 합금으로는 3 % 내지 3.5 %의 탄소, 2.1 % 내지 2.3 %실리콘, 최소 1.0 % 내지 3 %몰리브덴, 잔여 철 및 미량의 불순물이 포함되며, 여기서 철 합금은 구상흑연주철이다.
몰리브덴은 본 발명의 철 합금에 첨가되는 중요한 합금 원소이다. 몰리브덴은 온도 변화가 발생할 때 합금의 상전이를 억제하는 작용을 한다는 점에서 합금을 안정화시키는 효과를 부여한다. 디스크 브레이크 로터의 제조에 사용되었을 경우, 브레이킹은 로터의 온도가 올라가고 내려가도록 한다. 몰리브덴의 안정화 효과는 상전이를 최소화하거나 억제하며 그 결과로 로터의 치수 안정성을 유지시켜 주며 또한 로터의 균열을 최소화하거나 억제하여 주는 역할을 한다. 또한 몰리브덴은 합금의 열전도도를 증가시켜줌으로써 로터로부터 열의 분산을 용이하게 한다. 몰리브덴은 또한 입자의 결을 고르게 하여 합금이 고른 결 크기(fine grain size)로 되도록 만든다.
본 발명자는 이에 관한 관련 선행 자료를 조사하였으나 상기에 언급된 성분의 합금은 찾아 볼 수 없었다. 본 발명의 또 다른 특이한 성질은 구상흑연주철의 형성에 있어서 세분화된 성분을 제공하는데 있다.
본 발명의 철 합금은 자동차, 비행기 및 기차와 같이 차량의 디스크 브레이크 로터를 제조하는 데에 특히 적합하다.
다른 면에서 본 발명은 전체적으로 혹은 부분적으로 본 발명의 첫 번째 측면인 철 합금으로 구성된 디스크 브레이크 로터를 제공하는 데에 있다. 본 발명의 철 합금이 디스크 브레이크의 제조에 사용되었을 경우 디스크 브레이크는 마모가 감소됨이 관찰되었다. 떨림, 균열 및 소음 또한 종래의 그레이 주철로 제조된 디스크 브레이크와 비교해 볼 때, 훨씬 감소되었다.
본 발명의 철 합금이 디스크 브레이크 로터의 제조에 특히 적합하지만 여러 가지 종류의 다른 물품의 제조에도 적합하다. 본 발명의 철 합금으로부터 제조되는 다른 물품의 예로는 자동차, 비행기, 배의 부품, 실린더 헤드, 실린더 블록 및 바퀴; 집진 장치, 분쇄 연료 라인(pulverised fuel line), 공기 조절용 웨어 플레 이트 또는 버너 박스, 특히 동력 장치에 사용되는 펌프 몸체 및 커버; 파이프 워크, 크러셔 부품(crusher part); 기어 휠 및 피니언; 웨어 플레이트; 더스트 공급 밸브; 물 공급 밸브; 커플링 및 파이프 연결 부품; 캐스트 플라이트; 맨홀 뚜껑 및 프레임; 그레이트(grate); 롤러; 캠쉐프트(camshafts); 서스펜션 시스템의 너클조인트; 플라이휠; 및 클러치 플레이트; 트럭 브레이크 로터; 및 차량의 브레이크 드럼 등이 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 철 합금의 제조 공정에는 다음의 단계에 의한다.
a) 철, 실리콘, 탄소, 몰리브덴 및 선택적으로 구리 및/또는 니켈을 포함하는 용융물을 만들고; 그리고
b) 상기 용융물을 주조한다.
바람직하게는 a)단계에는 주철, 페로 실리콘 합금, 가탄제(recarburiser) 및 페로 몰리브덴 합금을 용융하는 단계를 포함한다. 상기 용융물은 구상화제로 처리하는 것이 바람직하며, 이는 박편이 아닌 구상 혹은 노듈러스 합금의 제조에 있어서는 화학적으로 비결합된 탄소가 냉각된 합금에 존재하게끔 하기 위함이다.
a)의 용융 단계에는 적당한 장치로 수행될 수 있으며, 예컨대 유도로 같은 로(furnace)가 사용된다. 용융 성분은 합금원소가 고르게 분포되도록 잘 섞이는 것이 바람직하다. 로의 온도는 약 1350 ℃이상이 바람직하다. 로의 용융물은 예열된 래이들(ladle)에 부어진다. 철 합금은 주철, 구상흑연(SG)철 또는 건축용 강재(structural steel)가 될 수 있다. 바람직하게는 철 합금은 예컨대 BHP-300PLUS 이며 여기에는 0.22 %C, 0.50 %Si, 1.6 %Mn, 0.040 %P, 0.040 %S 및 0.45 %의 Ce가 포함되어 있다. 다른 원소 즉 0.40 %Cu, 0.50 %Ni, 0.30 %Cr 및 0.10 %Mo는 용융물에 첨가되는 베이스 철 합금(base iron alloy)에 존재할 수 있으며 다만, 전체 함량은 1.00 %를 넘지 않도록 한다.
바람직한 페로 실리콘 합금에는 70 % 내지 75 %Si, 1.5 % 내지 2 %Al, 잔여 철 및 미량의 불순물이 포함된다.
가탄제(recarburiser)는 합금의 탄소 함량을 증가시키는 작용을 하며, 분쇄된(crushed) 전극재가 될 수 있다. 예로 98.0 %탄소, 1.0 %수분, 0.5 %휘발물, 1.0 %재, 0.07 %황 및 0.02 %질소가 함유된 탄소 101이 있다.
바람직한 페로 몰리브덴 합금에는 67 %Mo, 1 %Si, 0.6 %S 및 0.04 %P, 잔여 철 및 미량의 불순물이 포함된다.
a)단계 다음에는 용융물은 박편을 구상으로 전환하는 구상화하는 금속처리를 선택적으로 한다. 이것은 6.3 %Mg, 46.6 %Si, 0.82 %Al, 1.09 %Ca 및 0.99 %Re, 잔여 철 및 미량의 불순물로 이루어진 마그네슘 페로 실리콘 합금을 첨가함으로써 달성될 수 있다. 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 다른 구상화제 또한 사용될 수 있으며, 여기에는 니켈 마그네슘 페로 실리콘 구상화제가 포함된다.
b)단계의 주입물은 합금의 입자를 미세하게 하고, 71 %Si, 1.6 %Al, 1.89 %Zr, 0.83 %Ca, 잔여 철 및 미량의 불순물을 포함하는 ZL80이 바람직하다.
스페로플럭스(Spheroflux)와 같은 노듈라 조절제는 필요하다면 용융물에 가 해진다.
주조단계는 페이드(fading)가 일어나기 전에 하는 것이 바람직하며, 그렇지 않으면, 주물은 조악하게 된다. 주조는 주입물 첨가 후 10분까지 하는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 약 7분이 적당하다. 주물은 바람직하게는 밤새도록 몰드에서 냉각되어 진다.
본 발명은 하기의 실시예와 도면에 의해 참고적으로 설명되며 본 발명의 범위는 이에 제한되는 것은 아니다.
제1도는 본 발명에 의한 철 합금으로부터 제조된 디스크 로터의 관성 검력(inertial dynamometer) 디스크 브레이크 마모 테스트의 결과에 관한 도면이다.
제2도는 종래 장치(original equipment, OE, original equipment, OE) 디스크 로터의 관성 검력 디스크 브레이크 마모 테스트 결과이다.
제3도는 본 발명의 로터에 의한 저압 마모 테스트 결과이다.
제4도는 종래 장치(original equipment, OE) 로터의 저압 마모 테스트 결과이다.
제5도는 본 발명에 의한 에칭 테스트 바(test bar)의 주조 날을 100배 확대한 현미경 사진이다.
제6도는 본 발명에 의한 테스트 바(test bar)의 중간반경 부분을 100배 확대 한 현미경 사진이다.
제7도는 상기 제6도에 나타난 테스트 바(test bar)의 전체를 500배 확대한 현미경 사진이다.
제8도는 상기 제7도와 유사하나 200배 확대한 현미경 사진이다.
실시예
본 발명은 다음의 실시예에서 자세히 설명된다. 본 실시예는 단지 예시를 위한 것이며 특허 청구 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예1
아래의 성분은 하기에 나타난 양만큼 유도로에 가해진다:
성분 양(kg)
BHP-300 PLUS 철 합금 400
페로 실리콘 합금 13.2
카보닌 101 가탄제 16.2
페로 몰리브덴 합금 8
상기의 성분은 1400 ℃의 온도에서 로에서 용융된다. 용융물은 7kg의 마그네슘페로 실리콘 합금 처리과정을 거치며 이는 구상화제로 작용한다. 또한 1.2kg의 주입제(innoculant) ZL80 및 0.8kg의 노듈라 조절제인 스페로플럭스(Spheroplux)로 처리한다. 용융물은 합금의 적당한 분산을 위하여 완 전히 교반된다. 티폿 레이들(teapot ladle)에서의 용융물 주조는 7분 안에 하며, 이는 페이딩(fading)현상을 예방하기 위함이다. 주물은 몰드에 부어지며 밤새도록 냉각을 한다.
결과물인 철 합금은 아래의 성분을 갖는다.
3.25 % 탄소;
2.1 % 실리콘;
1.5 % 몰리브덴; 및
93.15 % 철 및 미량의 불순물.
상기 합금 생성물은 통상의 승용차의 디스크 브레이크에서 떨림과 소음(squeal) 현상을 감소시키는 것으로 나타났다.
실시예2
상기 실시예1에서와 동일한 조건에서 수행하며 다만 하기의 성분이 유도로에 가해진다.
성분 수량(kg)
BHP-300 PLUS 철 합금 400
페로 실리콘 합금 13.2
카보닌 101 가탄제 16.2
페로 몰리브덴 합금 16
이에 따른 결과물인 철합금은 다음의 조성을 갖는다.
3.25 % 탄소;
2.1 % 실리콘;
3.0 % 몰리브덴; 및
91.65 % 철 및 미량의 불순물
상기 합금 생성물은 경주용 차의 디스크 브레이크에서 떨림과 소음(squeal) 현상을 감소시키는 것으로 나타났다.
실시예3
본 발명에 따른 철 합금이 디스크 브레이크의 디스크 로터 제조에 적당한지 시험하기 위해 상기 실시예1에 의한 철 합금으로 디스크 로터를 제조한다. 제조된 디스크 로터는 오스트레일리아 브레이크 회사에 의뢰하여 테스트를 행한다. 상기 테스트는 다음의 과정을 포함한다.
· 가상의 로터 웨어(wear)를 저압의 오프로드(off-load)한 상태에서 하는 저압 마모 테스트;
· 통상의 차량 20,000km 의 사용과 동일한 DTV 검력계(dynamometer) 테스트;
· 디스크 로터의 소음을 측정하는 댐핑(damping) 테스트; 및
· 서로 다른 속도로 다양한 가상 속도에서의 벤치 테스트를 포함하는 균열 테스트(crack test)이다.
아래의 표1은 본 발명에 따른 철 합금으로부터 제조된 로터의 관성 검력(inertial dynamometer) 디스크 브레이크 마모 테스트로부터 얻은 결과이며 표2는 종래 장치(original equipment, OE)디스크 로터에 관한 것이다. 상기 결과는 제1도 및 제2도에 도식화 되어있다.
위치 버니쉬 전 (Pre Burn) 버니쉬 후 (Post Burn) 50 Deg.C 75Deg.C 100Deg.C 125Deg.C
1 23.958 23.945 23.929 23.914 23.912 23.893
2 23.96 23.95 23.93 23.915 23.911 23.889
3 23.959 23.947 23.931 23.913 23.911 23.891
4 23.961 23.949 23.932 23.914 23.914 23.891
5 23.959 23.947 23.931 23.914 23.914 23.871
6 23.958 23.948 23.931 23.913 23.911 23.889
7 23.96 23.948 23.929 23.913 23.913 23.889
8 23.959 23.946 23.923 23.912 23.914 23.889
9 23.958 23.945 23.921 23.912 23.914 23.89
10 23.957 23.944 23.922 23.912 23.916 23.891
11 23.958 23.943 23.924 23.912 23.916 23.892
12 23.956 23.943 23.927 23.912 23.916 23.892
13 23.957 23.944 23.929 23.912 23.912 23.888
14 23.958 23.945 23.93 23.914 23.914 23.885
15 23.96 23.946 23.932 23.914 23.914 23.885
16 23.961 23.946 23.93 23.914 23.914 23.89
평균마모 (um) 0.005 0.013 0.018 0.015 -0.001 0.025
D.T.V(um) 0.005 0.007 0.011 0.003 0.006 0.008
무게 6923.7 6921.6 6917.9 6915.2 6913.5 6908.6
무게 손실 2.1 3.7 2.7 1.7 4.9
위치 버니쉬 전 (Pre Burn) 버니쉬 후 (Post Burn) 50 Deg.C 75Deg.C 100Deg.C 125Deg.C
1 23.904 23.9 23.893 23.858 23.849 23.798
2 23.905 23.902 23.894 23.86 23.852 23.802
3 23.904 23.901 23.894 23.859 23.854 23.801
4 23.903 23.9 23.895 23.86 23.852 23.798
5 23.904 23.901 23.894 23.857 23.849 23.801
6 23.904 23.902 23.894 23.86 23.848 23.8
7 23.905 23.902 23.893 23.86 23.851 23.8
8 23.904 23.903 23.893 23.86 23.848 23.8
9 23.903 23.903 23.895 23.86 23.849 23.801
10 23.903 23.903 23.894 23.86 23.854 23.803
11 23.902 23.902 23.806 23.857 23.85 23.802
12 23.901 23.901 23.895 23.861 23.85 23.802
13 23.902 23.902 23.895 23.861 23.85 23.803
14 23.901 23.901 23.894 23.861 23.85 23.803
15 23.901 23.901 23.895 23.86 23.851 23.806
16 23.902 23.902 23.895 23.862 23.855 23.806
평균마모 (um) 0.003 0.007 0.035 0.009 0.049
D.T.V(um) 0.002 0.003 0.003 0.005 0.007 0.008
무게 0 0 0 0 0 0
무게손실 0 0 0 0 0
본 발명에 의한 합금으로 제조된 로터의 전체 마모 측정치는 0.069mm이었다. 이에 반해 종래 장치(original equipment, OE) 로터는 전체 마모가 0.102mm로 나타났다.
도3은 본 발명에 의한 로터의 저압 마모 테스트의 실험결과이며(도3 및 도4에서 캠케스트 로터로 표기됨), 도4는 종래 로터(original equipment, OE)의 저압 마모 테스트 결과이다. 불행히도 테스트 과정의 어려움으로 도3 및 도4에서 보는 바와 같이 하중이 증가된 경우 마모가 감소되는 가에 대해서는 다소 불규칙한 결과를 얻었다. 이러한 테스트는 다시 수행되나 그 결과는 아직은 유용하지가 않다. 그렇지만 도3 및 도4에서 신뢰성있게 산출된 데이터는 본 발명에 의한 디스크 로터 가 종래의 로터에 비해 월등한 내마모성의 특성을 보여줌을 알 수 있다.
떨림 테스트 또한 수행되었다. 본 테스트를 행한 브레이크 컴퍼니는 내부 랭킹 스케일(internal ranking scale)을 사용하여 테스트를 하였으며, 10에서 8.5로 본 발명에 의한 디스크 로터의 등급을 매겼다. 이에 비해 종래(OE)로터는 10에서 5-6으로 평가된다. 떨림 테스트에서도 어떠한 떨림 기록도 관측되지 않았다는 결과를 얻었다.
실시예4
디스크의 두께 변화(disc thickness variation) 테스트가 본 발명의 합금에 의해 제조된 4개의 디스크 로터에 의해 수행되었다. 본 테스트의 결과는 아래의 표3에 의해 도표화하였으며, 이에 의해 디스크 로터의 두께의 변화가 매우 적음을 알 수 있다.
지금까지 본 발명에 의한 디스크 로터의 테스트 결과는 단지 초기 단계이라서 최종 결과를 얻기까지에는 더 많은 실험이 필요하다. 그러나 이러한 초기 단계 테스트 결과는 본 발명에 의한 디스크 로터가 종래의 로터보다 훨씬 월등한 성능을 가짐을 보여준다. 실제로 본 발명에 의한 디스크 로터는 종래의 디스크 로터와 비교해 볼 때 다음의 뛰어난 장점이 있다;
· 떨림 현상을 제거하고;
· 균열되지 않으며;
· 낮은 디스크 두께 변화값을 가지고;
· 낮은 항력 계수를 갖으며;
· 제품 안정성이 뛰어나고;
· 수명을 연장시켜 주며;
· 부식을 약화시키고;
· 얼로이 휠의 흑반(deposit of black residue)을 낮추고;
· 재료를 안정화 시키고;
· 제조공정을 용이하게 한다.
본 발명에 의한 성분을 가지는 테스트 샘플의 임시 미소축소 야금 분석이 수행되었다. 테스트 샘플은 30mm 직경의 테스트 바(test bar)의 형태로서 하기의 성분을 갖는다;
탄소 3.7 %
실리콘 2.58 %
망간 0.259 %
인 0.037 %
황 0.010 %
크롬 0.034 %
니켈 0.070 %
마그네슘 0.039 %
철 나머지(balance)
도5는 테스트 바의 주조 날(cast edge)의 현미경 사진을 100배 확대한 것이 다. 테스트 바는 2% 질산용액에 에칭되었다.
도5는 전형적인 노듈라 주철 구조를 나타내며, 조직에서 매우 정밀한 구상흑연(특히 표면과 표면 바로 아래 부분)을 나타낸다. 이는 초기 고형화 동안 형성된 페라이트, 퍼얼라이트 및 복합 카아바이드(complexcarbide)로 구성된다. 용융물이 액체로부터 냉각될수록 흑연은 노듈을 형성하며 이는 페라이트가 성장하는 주위에 핵으로 작용한다. 페라이트가 성장함에 따라 잔여 액체(탄소 및 합금 성분, 특히 몰리브덴이 풍부함)는 틈이 난 공간으로 이동하게 되는 것이다. 이러한 액체는 복합 카아바이드를 함유하게 되고 그와 결합하여 복합 카아바이드를 가진 오스테나이트(austenite)상을 형성한다. 상기 오스테나이트는 주물이 냉각됨에 따라 퍼얼라이트로 변이하게 된다. 복합 카아바이드는 상기 액체로부터 형성되므로 고르게 분산된다.
시야를 주물의 벌크로 이동할수록(주조 날에서 벗어나) 흑연의 구상조직은 퇴화되는 성질이 있다.(형태 Ⅵ로부터 형태 Ⅴ 및 Ⅳ로)
도6은 2% 질산 용액으로 에칭된 테스트 바의 현미경 사진을 100배 확대한 것이다. 이에 의해 구상흑연(주로 퇴화된 또는 적게 구상화 된 형태)과 함께 페라이트, 퍼얼라이트 및 복합 카아바이드 성분의 존재를 나타내는 미세구조를 알 수 있다. 상기 퍼얼라이트는 미세구조의 약 20 %(면적분율)로 존재한다.
Figure 112000007416765-pct00001
도7은 도6에 나타난 테스트 바의 동일한 부분을 질산용액으로 에칭한 500배 확대한 현미경 사진이다. 도8은 도7과 유사하나 200배 확대도이다. 미세구조의 세부부분은 도7에서 표시되었다. 상의 마이크로 경도(microhardness) 테스트는 100 gHv(비커 경도, vickers hardness)를 이용하여 수행되었으며, 하기에 그 결과를 표시하였다;
·A 퇴화된 흑연 노듈(형태 Ⅳ)
·B 흑연 노듈을 둘러싸는 페라이트, Hv 100 gm을 이용한 마이크로 경도는 전형적으로 400을 나타내었다.
·D M6C의 형태를 가진 복합 카아바이드로 여기서 M은 Fe, Mo 및 다른 카아바이드 형성 요소의 여러 가지 조합물이다.
복합 카아바이드는 초기에 내부수지상결정 부분에서 골격과 같은(skeleton-like) 화합물로서 존재하고 약 5 %(면적분율)의 미세구조를 나타낸다. 골격(카아바이드와 퍼얼라이트를 포함한)의 마이크로 경도 측정은 전형적으로 550 플러스였다.
테스트 바의 부분의 절단과 연마(polishing)에 앞서, Hv 20kg을 이용한 마이크로 경도 측정의 평균치는 214(중간 반경) 및 204(뒷 날, rear edge)이었다.
테스트 바는 바의 중심부를 향해서 퇴화된 구상흑연을 나타내었다. 반면 테스트 바는 여전히 분명하게 구상흑연주철로 분류되었다. 중심부 근처의 퇴화는 테스트 바의 비교적 큰 직경(30mm)으로 인한 그 부분의 서냉으로 발생된다. 전형적으로 두께 10 내지 12mm를 가진 디스크 브레이크 로터와 같은 좀 더 얇은 부품의 경우는 구상흑연 퇴화가 발생할 염려가 없거나, 있더라도 퇴화는 미소하다.
본 발명에 의한 합금에서 복합 카아바이드상의 존재는 예측되지 않았으며 테스트 검사관은 주철에서 이와 같은 상(phase)을 본 적이 없었다고 하였다. 합금은 비교적 부드럽고 연성의 페라이트에 의해 둘러싸인 매우 부드러운 흑연 노듈을 포함하는 미세구조를 가진다. 이러한 부드러운 부분은 퍼얼라이트상과 매우 강한 복합 카아바이드상에 의해 강화되고 경화된다. 흥미롭게도 지금까지 수행된 예비적인 현미경 사진 분석은 어떠한 베이나이트도 발견되지 않았다. 특히 상기에서 언급된 미세구조는 생조물(as-cast) 상태로부터 얻을 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (35)

  1. 중량비로 1.5 내지 4.5%의 탄소; 1.5 내지 4.5%의 실리콘; 1.2 내지 6.5%의 몰리브덴; 최대 0.2%로 존재하는 구상화제에 함유된 마그네슘; 불순물 함량보다 높지 않은 양으로 존재하는 크롬, 망간, 바나듐 및 희토류 금속; 잔여철; 및 미량의 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철 합금을 포함하는 주조용 성분 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (몰리브덴% + 니켈% + 구리%)가 6.5%를 초과하지 않도록 최대 5.3%의 니켈과 최대 5.3%의 구리가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 주조용 성분 조성물.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제2항에 있어서, 상기 철 합금 내의 니켈이 존재하지 않거나 또는 미량의 불순물 양으로만 존재하는 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철 합금을 포함하는 주조용 성분 조성물.
  16. 제2항에 있어서, 상기 철 합금 내의 구리가 존재하지 않거나 또는 미량의 불순물 양으로만 존재하는 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철 합금을 포함하는 주조용 성분 조성물.
  17. 제1항에 있어서, 상기 철 합금은 중량비로 3 내지 3.5%의 탄소; 1.9 내지 2.58%의 실리콘; 1.2 내지 1.5%의 몰리브덴; 최대 0.2%로 존재하는 구상화제에 함유된 마그네슘; 잔여철; 및 미량의 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철 합금을 포함하는 주조용 성분 조성물.
  18. 제1항에 있어서, 상기 철 합금은 중량비로 3 내지 3.35%의 탄소; 1.9 내지 2.58%의 실리콘; 3.0%의 몰리브덴; 최대 0.2%로 존재하는 구상화제에 함유된 마그네슘; 잔여철; 및 미량의 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철 합금을 포함하는 주조용 성분 조성물.
  19. 제1항에 있어서, 상기 철 합금은 중량비로 3.5 내지 4.5%의 탄소; 2.1 내지 2.3%의 실리콘; 2.5 내지 3.5%의 몰리브덴; 최대 0.2%로 존재하는 구상화제에 함유된 마그네슘; 잔여철; 및 미량의 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철 합금을 포함하는 주조용 성분 조성물.
  20. 제19항에 있어서, 상기 몰리브덴은 상기 철 합금 내에 3.0%의 양으로 존재하고, 상기 탄소는 3.7%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철 합금을 포함하는 주조용 성분 조성물.
  21. 제1항 및 제15항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 철 합금 내의 미량의 불순물의 중량 퍼센트는 0.8%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철 합금을 포함하는 주조용 성분 조성물.
  22. 제21항에 있어서, 상기 철 합금 내의 미량의 불순물은 최대 0.04%의 황 및 최대 0.04%의 인을 포함하는 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철 합금을 포함하는 주조용 성분 조성물.
  23. 제1항에 있어서, 상기 철 합금은 중량비로 1.5 내지 4.5%의 탄소; 1.5 내지 4.5%의 실리콘; 1.2 내지 4.5%의 몰리브덴; 최대 0.2%로 존재하는 구상화제에 함유된 마그네슘; 잔여철로 구성되고, 상기 크롬, 망간, 바나듐 및 희토류 금속은 불순물 함량 내로만 존재하는 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철 합금을 포함하는 주조용 성분 조성물.
  24. 제2항에 있어서, 상기 철 합금은 니켈을 0.1% 이하로 포함하는 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철 합금을 포함하는 주조용 성분 조성물.
  25. 제2항에 있어서, 상기 철 합금은 구리를 0.1% 이하로 포함하는 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철 합금을 포함하는 주조용 성분 조성물.
  26. 삭제
  27. 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 따른 구상 흑연 주철 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스크 브레이크 로터.
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 제27항에 있어서, 상기 구상 흑연 주철 합금은 중량비로 3 내지 3.5%의 탄소; 1.9 내지 2.58%의 실리콘; 1.2 내지 1.5%의 몰리브덴; 최대 0.2%로 존재하는 구상화제에 함유된 마그네슘; 잔여철; 및 미량의 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 디스크 브레이크 로터.
  31. 제27항에 있어서, 상기 구상 흑연 주철 합금은 중량비로 3 내지 3.35%의 탄소; 1.9 내지 2.58%의 실리콘; 3.0%의 몰리브덴; 최대 0.2%로 존재하는 구상화제에 함유된 마그네슘; 잔여철; 및 미량의 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 디스크 브레이크 로터.
  32. 제27항에 있어서, 상기 구상 흑연 주철 합금은 중량비로 3.5 내지 4.5%의 탄소; 2.1 내지 2.3%의 실리콘; 2.5 내지 3.5%의 몰리브덴; 최대 0.2%로 존재하는 구상화제에 함유된 마그네슘; 잔여철; 및 미량의 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 디스크 브레이크 로터.
  33. 중량비로 1.5 내지 4.5%의 탄소; 1.5 내지 4.5%의 실리콘; 1.2 내지 6.5%의 몰리브덴; 최대 0.2%로 존재하는 구상화제에 함유된 마그네슘; 불순물 함량보다 높지 않은 양으로 존재하는 크롬, 망간, 바나듐 및 희토류 금속; 잔여철; 및 미량의 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철 합금.
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