KR101013843B1

KR101013843B1 - 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계ｃｇｉ 흑연주철

Info

Publication number: KR101013843B1
Application number: KR1020070114210A
Authority: KR
Inventors: 신호철
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2011-02-14
Also published as: US20090123321A1; KR20090048024A

Abstract

본 발명은 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 CGI 흑연주철에 관한 것으로서, 고온의 사용 조건하에서 우수한 내산화성과 내열 균열성의 효과가 있고, 가열과 냉각 반복과정을 거치는 자동차 엔진의 부품인 터빈하우징 등에 매우 적합하게 이용할 수 있는 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 CGI 흑연주철에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 3.00~3.60 중량%, 규소(Si) 4.00~4.80 중량%, 망간(Mn) 0.10~0.30 중량%, 인(P) 0.07 중량% 이하, 황(S) 0.02 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.30~1.20 중량%, 크롬(Cr) 0.01~0.1 중량%, 니켈(Ni) 0.30~1.20 중량%, 바나듐(V) 0.30~1.20 중량%, 티탄(Ti) 0.2중량% 이하, 마그네슘(Mg) 0.050 중량% 이하가 함유된 것을 특징으로 하는 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 CGI 흑연주철을 제공한다.

고 규소, 페라이트계, CGI, 흑연주철

Description

고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 ＣＧＩ 흑연주철{High Strength and High Oxidation Resist Hi Silicon Ferritic CGI Cast Iron}

종래에는, 기계적물성(인장강도)를 용이하계 확보하기 위해 구상흑연 주철 베이스(BASE)에서 마그네슘 접종을 정밀하게 제어하여 CGI주철을 제조하는데 이를 위해 정밀한 제어 장치, 인과 황의 함량이 낮은 고급자재를 사용하고도, 조건변화에 민감하여 재질 불량 및 주조불량 가능성이 높은 문제점이 있었다.

특히, 종래의 재질은 규소를 약 4.5~5.5 wt% , 니켈을 30~40wt% 함유하는 고 니켈 오스테나이트 구상흑연주철로 주조성이 좋지 않고, 제조 원가가 고가이고 또 한 절삭성도 좋치 않기 때문에 비용적으로도 큰 부담이 되고 있다.

한편, 내열 구상흑연주철 재질도 사용되고 있으나 고온강도가 부족하여 저배기량 차종에 일부 사용되고 있다.

이에 본 발명자는 상기한 문제점을 해결하기 위해 연구 노력한 결과, 흑연 형태를 구상에서 컴팩트 흑연으로 비꾸고 Fe에 C, Si,, Mn, Mo, V, Ni, Cr, Ti 및 Mg의 한계값을 규정하고, 이 조성으로 이루어진 페라이트계 CGI흑연주철을 제조하였으며, 이 재질에 고온에서의 내열성 및 고온 물성 등 우수함을 알아내어 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 고온에서 사용되는 자동차 부품인 터빈하우징 합금의 구성 성분을 조정하고, 흑연의 형태는 컴팩트 흑연을 60% 이상, 그외는 구상흑연, Si의 양을 4.0% 이상, 또한 Mo, V의 정출 탄화물을 일정양 분해시켜, 이들 원소의 편석없이 이들 원소가 가지는 고유의 특성을 나타냄으로써, 고온 내산화성과 고온강도를 증대시켜, 고온강도와 고온내열 특성이 우수한 자동차 부품인 터빈하우징에 적용할 수 있는 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 CGI 흑연주철을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 3.00~3.60 중량%, 규소(Si) 4.00~4.80 중량%, 망간(Mn) 0.10~0.30 중량%, 인(P) 0.07 중량% 이하, 황(S) 0.02 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.30~1.20 중량%, 크롬(Cr) 0.01~0.10 중량%, 티탄(Ti) 0.2중량% 이하, 니켈(Ni) 0.3~1.20 중량%, 바나듐(V) 0.30~1.20 중량%, 마그네슘(Mg) 0.050 중량% 이하가 함유된 것을 특징으로 하는 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 CGI 흑연주철을 제공한다.

상기와 같은 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

본 발명의 고 규소 페라이트계 CGI 흑연주철은 기존의 내열 구상흑연 주철과 비교하여 고온특성, 고온 내산화성 등의 물성이 월등하게 향상된 것으로 확인되었으며, 이러한 물성의 향상과 더불어서 가격도 저렴한 실용적인 터빈하우징을 제조할 수 있는 효과가 있으며, 본 발명의 합금재료는 터보차저의 터빈하우징에 적용시 고온강도와 고온내열특성을 증대시켜 기존 고 니켈 주철재질을 대체 할 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 고 규소 페라이트 CGI 흑연주철 재료는 고온에서의 내산화 특성이 매우 우수하고 고온 인장강도 등의 고온 기계적 물성이 우수하여 터보차저의 터빈 하우징에 매우 적합하게 사용할 수 있다.

본 발명의 고 규소 페라이트 CGI 흑연주철은 컴팩트 흑연에 페라이트 기지조직을 나타내며, 화학성분 중 Si, Mo, V, Ni, Cr가 첨가되어 고온물성을 향상시키고자 한 것으로서, 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 3.00~3.60 중량%, 규소(Si) 4.00~4.80 중량%, 망간(Mn) 0.10~0.30 중량%, 인(P) 0.07 중량% 이하, 황(S) 0.02 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.30~1.20 중량%, 크롬(Cr) 0.01~0.10 중량%, 티탄(Ti) 0.2중량% 이하, 니켈(Ni) 0.3~1.20 중량%, 바나듐(V) 0.30~1.20 중량%, 마그네슘(Mg) 0.050 중량% 이하가 함유된 고 규소 페라이트계 CGI 흑연주철(Compact Graphite Cast Iron)을 제공하고자 한 것이다.

여기서, 본 발명에 따른 CGI 흑연주철의 각 성분에 대한 첨가 및 함량비 한정 이유를 설명하면 다음과 같다.

(1) 탄소(C) 3.00~3.60 중량%

유동성 저하 및 초정 흑연 정출을 고려해서, 3.00~3.60 중량%로 제한한다.

(2) 규소(Si) 4.00~4.80 중량%

규소는 흑연 정출에 기여하는 원소로서, 기지의 페라이트화 작용, 내산화성 향상 및 페라이트에서 오스테나이트 변태 상승 효과, 주조시 용탕흐름 및 절삭성을 고려해서, 그 함량을 4.00~4.80 중량%로 제한하며, 그 이유는 4.00 중량% 이하에서는 고온 내산화성이 저하되고 4.80 중량% 이상에서는 개발재의 재질이 경해져서 취성을 유발하기 때문에 제한을 둔다.

보다 상세하게는, 내산화성 향상에는 산화 피막과 기지와의 계면에 밀접한 Fe₂SiO₄ 을 많이 생성시키는 것이 유리하여 본 재료에는 규소를 4.00중량% 이상을 첨가시켰는 바, 일반적으로 Si은 앞에서 언급하였듯이 내산화성 향상 이외에도 페라이트에서 오스테나이트 변태 온도를 올리는 원소이지만 Si 양이 4.80중량%를 초과하면 페라이트 경도가 높아져 연성이 저하하기 때문에 본 발명의 흑연주철 재료는 내산화성 향상과 연성 저하를 막기 위해 그 첨가량을 제한하였다.

(3) 망간(Mn) 0.10~0.30 중량%

망간은 공정셀 경계에 편석해서 이 부분에 대한 페라이트에서 오스테나이트 변태 온도를 낮춰 열균열 수명을 저하시키므로 0.10~0.30 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

(4) 인(P) 0.07 중량% 이하

인은 일종의 불순물로서, 스테다이트를 형성시키므로 0.07 중량% 이하로 관리하는 것이 바람직하다.

(5) 황(S) 0.02 중량% 이하

황은 일종의 불순물로서, 흑연구상화에 유해하므로 0.02 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

(6) 몰리브덴(Mo) 0.30~1.20 중량%

몰리브덴은 탄소와 화합해서 석출 탄화물을 형성하고, 평균 열팽창 계수가 낮아져서 고온영역에서 열 응력 발생을 낮게 해서 고온 강도 향상시키는 원소로서, 다량 첨가시 입계 탄화물이 증가해 절삭성 및 상온 연신율 저하시키므로 0.30~1.20 중량%로 제한한다.

몰리브덴(Mo) 첨가 효과로서 페라이트에 고용강화의 효과로 고온 강도를 향상시킬 수 있다.

(7) 크롬(Cr) 0.01~0.10 중량%

크롬은 Cr계 산화물을 형성하여 내산화성을 향상시키는 원소로서, 0.01~0.10중량% 이하로 한정하며, 이 범위를 벗어나면 첨가시 절삭성이 저하된다.

(8) 니켈(Ni) 0.30~1.20 중량%

니켈은 상온 연신율을 향상시킬 목적으로 첨가시켰고, 0.30~1.20 중량%의 범위를 벗어나면 기지의 퍼얼라이트화가 강하게 나타나므로 1.20 중량% 이하가 바람직함.

(9) 바나듐(V) 0.30~1.20 중량%

바나듐은 고온강도 개선 효과(VC에 의한 석출강화)를 얻을 수 있는 원소로서, 0.30~1.20 중량% 범위로 한정하는 것이 바람직하며, 1.20 중량% 이상 첨가하면 탈탄반응이 촉진되어 내산화성이 저하된다.

본 발명의 고 규소 페라이트계 CGI 흑연주철은 바나듐(V) 첨가에 의해 기지에 바나듐계 탄화물(VC)이 형성되어 있는 조직이고, 이들 조직이 고온강도를 향상시킬 수 있다.

(10) 티탄(Ti) 0.2중량% 이하

티탄(Ti)의 경우, 흑연의 형상에 영향을 주기 때문에 0.2중량% 이하가 바람 직하다.

(11) 마그네슘(Mg) 0.050 중량%

마그네슘은 CGI 흑연 핵생성 및 성장 촉진을 위하여 첨가되며, 흑연구상화 및 수축불량을 감안하여 0.050 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기한 조성의 고 규소 페라이트계 CGI 흑연주철 재료는 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 통상적인 주조 방식에 의해 제조될 수 있으며, 본 발명에 의해 한정하지는 않는다.

이와 같은 본 발명의 고 규소 페라이트계 CGI 흑연주철은 고온용 주철합금 소재로서 우수한 내열특성과 내산화성을 나타내므로, 고출력 엔진의 터보차저의 터빈 하우징에 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 더욱 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예

실시예로서, 하기의 표 1에 나타낸 바와 같이 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 3.13 중량%, 규소(Si) 4.30 중량%, 망간(Mn) 0.20 중량%, 인(P) 0.05 중량%, 황(S) 0.01 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.20 중량%, 크롬(Cr) 0.08 중량%, 니켈(Ni) 0.66 중량%, 바나듐(V) 0.50 중량%, 티탄(Ti) 0.2중량%, 마그네슘(Mg) 0.03 중량%가 함유된 조성으로 물성을 측정하기 위하여 통상의 주조 방식으로 고 규소 페라이트계 CGI 흑연주철 시편을 제작하였다.

비교예는 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 터빈 하우징 재질로 사용되고 있는 내열 구상흑연 주철재로서, 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 3.31 중량%, 규소(Si) 4.16 중량%, 망간(Mn) 0.32 중량%, 인(P) 0.048 중량%, 황(S) 0.03 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.65 중량%, 크롬(Cr) 0.02 중량%, 니켈(Ni) 0.03 중량%, 마그네슘(Mg) 0.026 중량%가 함유된 조성으로 물성을 측정하기 위하여 통상의 주조 방식으로 내열 구상흑연 주철재 시편을 제작하였다.

시험예

시험예로서, 실시예 및 비교예에 따른 시편에 대하여 고온인장 및 고온산화시험을 다음과 같이 실시하였다.

고온인장 실험 결과, 가혹한 내구 모드인 재질 표면온도 800℃에서 통상의 장비를 이용하여 고온 인장강도 시험을 하였는 바, 그 결과는 도 1의 그래프에서 보는 바와 같이 실시예가 비교예에 비하여 높은 고온 인장강도를 나타냄을 알 수 있었다.

이에, Mo첨가에 의한 고용강화 효과로 고온강도가 향상될 수 있고, 또한 V첨가에 의해 VC의 석출 강화의 효과로 고온강도가 향상될 수 있음을 알 수 있었으며, 이들의 복합첨가에 의해 고온 강도는 상승효과가 더 클 수 있음을 알 수 있었다.

고온산화 시험은 실시예와 비교예에 따른 시편을 가로 20mm , 세로 20mm, 높이 2mm의 정사각형의 시험편으로 제작하여, 시험편을 분위기 온도 700℃ 가열 보온로에서 300시간 유지한 후 시편을 가열 보온로 꺼내 공기 중에 냉각시킨 후에 쇼트 브러스트 처리를 해서 산화스케일을 제거한 후, 산화시험 전후의 단위 면적당 질량 변화 즉 산화감량(g/㎟)을 구하여 평가하였는 바, 그 결과는 도 2의 그래프에 나타낸 바와 같다.

고온산화 시험결과, 실시예가 가장 낮은 산화 감량을 보인 이유는 Si 함량에 따른 내산화성 향상에는 산화 피막과 기지와의 계면에 밀접한 Fe₂SiO₄을 많이 생성시키는 것이 유리하였기 때문이다.

도 1은 실시예 및 비교예에 따른 시편에 대한 고온 인장강도 시험 결과를 나타내는 그래프,

도 2는 실시예 및 비교예에 따른 시편에 대한 고온산화 시험 결과를 나타내는 그래프.

Claims

탄소(C) 3.00~3.60 중량%, 규소(Si) 4.00~4.80 중량%, 망간(Mn) 0.10~0.30 중량%, 인(P) 0.07~0.05 중량%, 황(S) 0.02~0.01 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.30~1.20 중량%, 크롬(Cr) 0.01~0.10 중량%, 티탄(Ti) 0.2 중량%, 니켈(Ni) 0.3~1.20 중량%, 바나듐(V) 0.30~1.20 중량%, 마그네슘(Mg) 0.050~0.03 중량%가 함유되고, 잔부는 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 CGI 흑연주철.