KR101024150B1 - 실린더 헤드용 회주철 - Google Patents

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Abstract

제어된 탄소, 규소, 인, 황, 망간 및 크롬 함량을 함유하는 용융된 회주철 금속을 제공하는 단계; 용융된 회주철 금속을 약 0.05 내지 약 0.10%의 총 주석 함량으로 주석과 합금한 뒤 주입하는 단계; 용융된 주석 합금 회주철 금속에 회주철 접종체를 접종하여 약 0.10 내지 약 0.12%의 추가의 규소를 첨가한 뒤 주입하는 단계; 및 접종 후, 가능한 한 빨리, 접종, 용융된 주석 합금 회주철 금속으로부터 회주철 부품을 주조하는 단계를 포함하는, 회주철로 부품을 주조하는 방법이 개시된다.
회주철 금속, 접종체, 합금, 실린더 헤드

Description

실린더 헤드용 회주철{GRAY CAST IRON FOR CYLINDER HEADS}
본 발명은 회주철을 사용하는 주조 방법에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는, 회주철로 크랭크실(crank case) 및 실린더 헤드를 제조하기 위한 주조 방법에 관한 것이다.
회주철은 주조성이 뛰어나기 때문에 바람직한 주조 재료이고, 단가가 낮아서 크랭크실 및 실린더 헤드와 같은 물품의 제조에 여러 쓸모가 있다. 이러한 제조 부품에는 고강도, 무소음, 양호한 기계적 절삭성, 치수의 안정성 및 일정한 특성이 요구된다. 이러한 품질을 획득하기 위해서는, 주물의 모든 부분에서 일정한 금속성 구조를, 구체적으로는 일정한 펄라이트 구조를 달성하는 것이 중요하다. 이러한 소망하는 특성을 달성하기 위한 시도로서, 일반적으로 주조 공정 도중, 회주철 재료에 합금을 첨가하였는데, 이러한 회주철에 대한 합금의 효과는 예를 들면 "A Modern Approach To Alloying Gray Iron", Janowak & Gundlach, AFS Transactions, Vol. 90, 1982, 및 "Effect of Manganese and Sulfur on Mechanical Properties and Structure of Flake Graphite Cast Irons", Fuller, AFS Transactions, Vol. 94, 1986에서 지적한 바와 같이 집중적으로 연구되어 왔다.
이러한 선행 연구에도 불구하고, 요구되는 강도를 충족시키기 위하여, 크랭크실 및 실린더 헤드용 회주철 주물은 용융된 회주철과 크롬을 합금함으로써 제조되었지만, 이렇게 하면 냉경 및 탄화철 형성으로 인한 주물내 경화부(hard spot)를 유발하여, 기계적 절삭성 어려움, 주물 손상, 및 절단 도구 수명과 성능 저하를 초래한다. 냉경 경향을 부분적으로나마 줄이고자 하는 시도로서, 회주철 베이스내 규소 함량과 규소계 접종체의 첨가량을 용융된 회주철에서 증가시켜 보았지만, 이렇게 하면 제조 단가가 상당히 높아진다. 또한, 여분의 규소는 크롬 강화 합금에 대한 요구를 증가시켜, 단가와, 탄화철 경화부 및 냉경 형성 경향을 추가로 증가시켰다. 또한, 합금 비율이 높아진 결과로서, 만들어진 크랭크실 및 실린더 헤드의 응고 응력이 높아져, 공정 도중 주물이 변형되고 부서지는 것을 최소화하기 위해 탈응력 열처리가 요구된다. 비교적 낮은 온도에서 흔들어 빼기(shake out)를 해야 할 필요가 있어서, 즉 900 내지 1200℉의 온도에서 주형으로부터 빼내야 할 필요가 있어서, 주물 응력은 더 높아졌다.
따라서, 응고될 때 탄화철 경화부와 냉경 형성이 최소화되고, 완성된 주물의 탈응력 열처리에 대한 요구가 최소화된 회주철을 사용하여 크랭크실 및 실린더 헤드를 경제적으로 제조하기 위한 방법이 여전히 요구되고 있는 실정이다.
발명의 간단한 설명
본 발명의 방법은 응고될 때 탄화철 경화부와 냉경 형성이 최소화되고, 완성된 주물의 탈응력 열처리에 대한 요구가 최소화된 회주철 크랭크실 및 실린더 헤드를 경제적으로 제조하기 위한 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 추가적인 공정 장치를 요구하지 않으며, 짧은 냉각 시간, 곧 높은 흔들어 빼기 온도라는 이점을 지닌다.
회주철로부터 크랭크실 및 실린더 헤드를 제조하기 위한 본 발명의 방법은 약 3.4 내지 약 3.45% 탄소를 포함하는 약 4.05%의 탄소 등가물, 및 약 1.80 내지 약 1.90%의 규소와, 약 0.03%보다 적은 인을 함유하는 용융된 회주철 금속을 제공하면서, 용융된 회주철 금속 중의 황은 약 0.05 내지 약 0.07%로, 망간은 황 비율(%)의 약 1.7배 + 약 0.30% 내지 약 0.40%로, 베이스 철 크롬은 약 0.10%보다 적게 유지하는 단계를 포함한다. 용융된 회주철 베이스 금속을 주입레들(pouring ladle)에 전달하고, 용융된 회주철 금속을 총 주석 함량이 약 0.05 내지 약 0.10%가 되도록 주입레들내에서 주석과 합금하여, 용융된 주석 합금 회주철 금속을 제공하도록 한다. 용융된 주석 합금 회주철 금속에 규소계 접종체를 접종하여, 약 0.10 내지 약 0.12%의 규소를 추가로 첨가하고, 생성된 접종, 용융된 주석 합금 회주철 금속을 가능한 한 빨리, 바람직하게는 접종한 후 7분 내지 10분이 지나기 전에 레들에서 주물 주형으로 주입한다.
이러한 제조 방법에서, 선행기술의 제조 방법에 비해, 용융된 회주철 금속의 탄소 함량은 실질적으로 높아졌고, 인 함량은 낮아졌으며, 크롬 함량은 상당히 낮아졌고, 황 함량은 다소 낮아졌으며, 또한 펄라이트 안정제로서 주석을 사용하여 합금함으로써 실질적으로 탄화철 경화부와 냉경에 대한 가능성을 감소시켰으며, 회주철내 상당히 감소된 규소 함량 및 최소한의 접종체 첨가를 허용한다. 또한, 만들어진 주물에 대한 높은 흔들어 빼기 온도는 합금을 첨가해야 할 필요성을 최소화하였고 잔류 응력이 낮은 주물을 제공한다.
본 발명의 제조 방법은, 물질을 접종하는 것으로 인한 이의 화학적 조성에 의해 예상될 수 있는 것보다 훨씬 강도 높은 주물을 만들어내고, 만들어지는 주물의 탈응력 열처리에 대한 요구를 최소화하는 동시에, 통상적으로 사용되는 것보다 단가를 낮추었다.
도 1은 회주철 주물의 제조시 본 발명의 단계를 도해한 블록형식의 다이어그램이다.
도 1에 도해한 바와 같이, 본 발명의 제조 방법 중 제 1 단계는 함량이 제어된 용융된 회주철 베이스 금속을 제조하는 것이다. 용융된 회주철 금속은 전기용광로내에서, 스크랩 스틸, 회주철 주괴(ingot), 및 제조 공정으로부터 회수된 회주철 스크랩으로부터 제조된다. 용융된 회주철 금속의 함량은 스크랩 스틸, 회주철 주괴, 및 회수된 회주철 스크랩을 분광학적으로 분석하고, 이러한 각각의 세가지 성분의 상대적인 양을 필요한 정도로 조정한 뒤, 필요에 따라 규소, 인, 망간 및 크롬 중 1가지 이상을 첨가하여 용융된 회주철에 보충하는 것에 의해 제어된다. 용융된 회주철 금속에서 인, 황, 및 크롬의 함량은 일반적으로는 낮게 유지되기 때문에, 이러한 합금 금속은 존재한다면 감소된 양이 필요하다.
방법의 제 2 단계에서는, 함량이 제어된 용융된 회주철 금속을 추가의 공정을 위해 주입레들안에 주입한다. 제 3 단계에서는, 함량이 제어된 용융된 회주철 금속을 주입레들안에서, 주조되는 부품의 횡단면에 따라, 총 주석 함량이 약 0.05 내지 약 0.10%가 되게, 더욱 바람직하게는 0.55 내지 약 0.95%가 되게 주석과 합금한다. 제 3 단계에서 함량이 제어된 회주철 금속에 첨가되어야 할 주석의 비율(%)은 주조되는 부품의 보다 중요한 부분에 따라 달라진다. 중요한 부분은 가장 큰 강도 및/또는 절삭성을 가져야 할 부분들을 말한다. 중요한 부분은 부분의 기능에 따라, 주물의 가장 얇은 부분 또는 가장 두꺼운 부분일 수 있다. 용융된 회주철 금속과 합금되는 주석의 양은 약 0.05 내지 약 0.10% 범위인데, 상한 값에서는 중요한 부분의 온도가 보다 서서히 강하하고(즉, 보다 서서히 식고), 하한 값에서는 중요한 부분이 보다 신속하게 식는다. 주물의 얇은 부분이라 하더라도, 얇은 부분에 대한 열 급원으로서 작용하는 근접한 두꺼운 주물 부분 때문에 온도가 서서히 식는 경우에는, 상기 범위의 상한 값으로 합금을 첨가할 필요가 있을 수도 있다.
방법의 제 4 단계에서는, 용융된 주석 합금 회주철 금속에 약 0.10 내지 약 0.12%의 규소가 첨가될 때까지 규소계 접종체를 접종한다. 바륨 및/또는 칼슘이 함유된 규소계 접종체가 본 발명의 실시에 바람직하다. 이어서, 용융된 주석 합금 회주철 금속을 접종한 다음에, 가능한 한 빨리, 바람직하게는 7 내지 10분이 지나지 않아, 주조 부품에 대한 1종 이상의 주형에 레들의 내용물을 주입하여, 부품을 주조한다.
1400℉가 넘는 온도, 바람직하게는 약 1500 내지 1600℉ 범위의 온도에 있을 때 주형으로부터 주조 부품을 제거한다. 1500 내지 1600℉의 흔들어 빼기 온도가 바람직하지만, 본 발명에서 중요한 사항은 아니고, 흔들어 빼기 온도는 정해진 냉각 시간 간격 후에 주형으로부터 주조 부품을 제거하는 것으로 결정될 수 있으며, 이것은 1400℉가 넘는, 바람직하게는 약 1500 내지 1600℉ 범위의 주물 부품 온도를 초래하는 것으로 경험적으로 결정되어 왔다. 비교적 높은 흔들어 빼기 온도 덕분에, 주물에 대한 공정 시간은 감소된다.
본 발명을 엔진 블록 및 크랭크실을 주조하는 데 사용하면, 부품의 기계적 절삭성을 저하시키는 탄화철 및 냉경에서 유래한 주조품의 경화부를 최소화하고, 주물에 더욱 일정한 펄라이트 구조를 제공하여, 강도를 증가시킨다.
본 발명은 엔진 블록 및 크랭크실의 제조시에 사용되는 것으로서 기술되었지만, 당업자라면, 첨부된 청구범위에서 일탈하지 않고 다른 부품을 주조하는 데에 사용되는 것을 허용하는, 기술된 바람직한 양태의 변형이 본 발명에 포함될 수 있는 것으로 인지할 것이다.

Claims (17)

  1. 용융된 회주철 금속에 황은 0.05 내지 0.07%로, 망간은 황 비율(%)의 1.7배 + 0.30% 내지 0.40%로, 크롬은 0.10%보다 적게 유지하면서, 3.40 내지 3.45% 탄소를 포함하는 4.05%의 탄소 등가물, 및 1.80 내지 1.90%의 규소와, 0.03%보다 적은 인과 잔부 철 및 불순물을 함유하는, 함량이 제어된, 용융된 회주철 금속을 제공하는 단계;
    상기의 함량이 제어된, 용융된 회주철 금속을 주입레들에 전달하는 단계;
    함량이 제어된 용융된 회주철 금속을 주석의 총 함량이 0.05 내지 0.10%가 되도록 주입레들내에서 주석과 합금하여, 함량이 제어된, 용융된 주석 합금 회주철 금속을 제공하는 단계;
    함량이 제어된, 용융된 주석 합금 회주철 금속에 회주철 접종체를 접종하여, 0.10 내지 0.12%의 규소를 추가로 첨가하는 단계;
    함량이 제어되고 접종, 용융된 주석 합금 회주철 금속을 접종후 10분 안에 주물 주형에 주입하는 단계; 및
    1400℉가 넘는 온도에 있는 동안, 주물 주형에서 생성된 주물을 흔들어 제거하는 단계를 포함하는, 회주철로부터의 크랭크실 및 실린더 헤드 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 함량이 제어된, 용융된 회주철 금속을 제공하는 단계가
    스크랩 스틸, 회주철 주괴 및 회수된 회주철 스크랩 물질의 탄소, 규소, 인, 황, 망간 및 크롬 함량을 결정하는 단계;
    스크랩 스틸, 회주철 주괴 및 회수된 회주철 스크랩을 함량이 제어된, 용융된 회주철 금속의 어림잡은 상대적인 비율로 용융시키는 단계; 및
    상기에서 어림잡은, 함량이 제어된, 용융된 회주철 금속의 탄소, 규소, 인, 황, 망간 및 크롬 함량을 필요한 정도로 조정하여 함량이 제어된, 용융된 회주철 금속을 제공하는 단계를 포함하는 것이 특징인 회주철로부터의 크랭크실 및 실린더 헤드 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 함량이 제어된, 용융된 회주철 금속은 주조될 부품의 가장 큰 강도 또는 절삭성이 필요한 부분의 냉각속도에 따라 달라지는 비율(%)의 주석과 합금되는 것이 특징인 회주철로부터의 크랭크실 및 실린더 헤드 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 함량이 제어된, 용융된 회주철 금속은 가장 큰 강도 또는 절삭성이 필요한 부분이 다른 부분보다 천천히 식어야 하는 부품인 경우에는, 비율(%) 범위의 상한 값의 주석과 합금되는 것이 특징인 회주철로부터의 크랭크실 및 실린더 헤드 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서, 함량이 제어된, 용융된 회주철 금속은 가장 큰 강도 또는 절삭성이 필요한 부분이 다른 부분보다 신속하게 식어야 하는 부품인 경우에는, 비율(%) 범위의 하한 값의 주석과 합금되는 것이 특징인 회주철로부터의 크랭크실 및 실린더 헤드 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 3.40 내지 3.45% 탄소를 포함하는 4.05%의 탄소 등가물, 1.80 내지 1.90%의 규소와, 0.03%보다 적은 인, 0.05 내지 0.07%의 황, 황 비율(%)의 1.7배 + 0.30% 내지 0.40%의 망간, 0.10%보다 적은 크롬과 잔부 철 및 불순물을 함유하는, 용융된 회주철 금속을 제공하는 단계;
    상기의 용융된 회주철 금속을 주입하기 전에, 주석의 총 함량이 0.05 내지 0.10%가 되도록 주석과 합금하여, 용융된 주석 합금 회주철 금속을 제공하는 단계;
    용융된 주석 합금 회주철 금속을 주입하기 전에, 회주철 접종체를 접종하여, 0.10 내지 0.12%의 규소를 추가로 첨가하는 단계; 및
    접종후 10분 안에, 내연 기관 부품을 주조하는 단계를 포함하는, 회주철로 내연 기관 부품을 주조하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 용융된 회주철 금속을 제공하는 단계가 스크랩 스틸, 회주철 주괴 및 회수된 회주철 스크랩 물질의 탄소, 규소, 인, 황, 망간 및 크롬 함량을 결정하는 단계, 스크랩 스틸, 회주철 주괴 및 회수된 회주철 스크랩을 함량이 제어된, 용융된 회주철 금속의 어림잡은 상대적인 비율로 용융시키는 단계; 및
    상기에서 어림잡은, 함량이 제어된, 용융된 회주철 금속의 탄소, 규소, 인, 황, 망간 및 크롬 함량을 필요한 정도까지 조절하는 단계를 포함하는 것이 특징인 회주철로 내연 기관 부품을 주조하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 용융된 회주철 금속이 주조될 내연 기관 부품의 가장 큰 강도 또는 절삭성이 필요한 부분의 냉각속도에 따라 달라지는 비율(%)의 주석과 합금되는 것이 특징인 회주철로 내연 기관 부품을 주조하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 가장 큰 강도 또는 절삭성이 필요한 부분이 다른 부분에 비하여 천천히 식어야 하는 경우에는 용융된 회주철 금속이 상기 비율(%) 범위의 상한 값의 주석과 합금되는 것이 특징인 회주철로 내연 기관 부품을 주조하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 가장 큰 강도 또는 절삭성이 필요한 부분이 다른 부분에 비하여 신속히 식어야 하는 경우에는 용융된 회주철 금속이 상기 비율(%) 범위의 하한 값의 주석과 합금되는 것이 특징인 회주철로 내연 기관 부품을 주조하는 방법.
  14. 제9항에 있어서, 추가적으로 1400℉가 넘는 온도에 있는 동안, 주물 주형에서 생성된 주물을 흔들어 제거하는 단계를 포함하는 회주철로 내연 기관 부품을 주조하는 방법.
  15. 용융된 회주철 금속에 보다 적게 유지하면서, 3.40 내지 3.45% 탄소를 포함하는 4.05%의 탄소 등가물, 및 1.80 내지 1.90%의 규소와, 0.03%보다 적은 인, 0.05 내지 0.07%의 황, 황 비율(%)의 1.7배 + 0.30% 내지 0.40%인 망간, 0.10%보다 적은 크롬, 0.05 내지 0.10%의 주석과 잔부 철 및 불순물을 함유하는, 주입하기 위한, 용융된 회주철 금속을 준비하는 단계;
    상기 용융된 회주철 금속에서 상기 주석을 제외하고 상기 용융된 회주철 금속을 주입레들에 전달하는 단계;
    상기 용융된 회주철 금속을 주석의 총 함량이 0.05 내지 0.10%가 되도록 주입레들내에서 주석과 합금하여, 용융된 주석 합금 회주철 금속을 제공하는 단계;
    상기 용융된 회주철 금속에 회주철 접종체를 접종하여, 0.10 내지 0.12%의 규소를 추가로 첨가하는 단계;
    상기 용융된 회주철 금속을 접종후 10분 안에 주물 주형에 주입하는 단계; 및
    1400℉가 넘는 온도에 있는 동안, 주물 주형에서 생성된 주물을 흔들어 제거하는 단계를 포함하는, 내연 기관 부품을 주조하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 생성된 주물은 가장 큰 강도 또는 절삭성이 필요한 부분이 다른 부분보다 천천히 식고 상기 용융 회주철 금속은 주입시에 주석의 총 함유량이 0.1%인 것을 특징으로 하는 내연 기관 부품을 주조하는 방법.
  17. 제15항에 있어서, 생성된 주물은 가장 큰 강도 또는 절삭성이 필요한 부분이 다른 부분보다 신속히 식고, 상기 용융 회주철 금속은 주입시에 주석의 총 함유량이 0.05%인 것을 특징으로 하는 회주철로 내연 기관 부품을 주조하는 방법.
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