KR101599520B1 - 회주철 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회주철에 관한 것으로, 보다 상세하게는 C 2.7 내지 3.7중량%, Si 2.0 내지 3.4중량%, Mn 0.4 내지 1.0중량%, P 0.05 내지 0.2중량%, S 0.05 내지 0.2중량%, Sb 0.02 내지 0.1중량% 및 Cu 0.3 내지 0.8중량%와 나머지 철 및 불가피한 불순물로 구성되며, 상기 Mn, Cu 및 Sb간에는 1.0≤Mn%+Cu%+Sb%≤1.7인 조합 수식을 만족하는 것을 특징으로 하는 회주철에 관한 것으로, 본 발명의 회주철은 연속주조공법을 활용한 기존제품에 비교적 저가의 합금 원소를 첨가하여 진동 감쇠능 특성을 유지하며 경도 강도를 향상시키고 내부 조직도 전체적인 페라이트 분율을 최소화하여 기존 연속주조에 의해 생산된 주철의 우수한 특성에 더하여 내마모, 내진동 및 강도/경도 특성을 크게 향상시킨 제품으로 자동차 트랜스퍼 기어(Transfer Gear)등 자동차용 엔진 부품 등에 사용하기 적합하다.

Description

회주철{A GREY CAST IRON}

본 발명은 회주철에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 연속주조에 의해 생산된 주철의 우수한 특성에 더하여 내마모, 내충격(내진동) 및 강도/경도 특성을 향상시켜 트랜스퍼 기어나 엑스-퍼 기어(X-FER Gear) 등의 자동차 부품에 사용하기 적합한 회주철에 관한 것이다.

철강산업은 자동차를 비롯하여 선박, 각종 중장비 등의 기계장치의 발전과 함께 발전을 하고 있다. 특히, 최근에는 회주철의 소재 특성을 개선하여 기계장치의 소재로 주목을 받고 있다. 보통의 회주철은 흑연이 편상조직이므로 응력을 받을 때 흑연을 따라 균열이 발생하기 쉽고 취성이 있으며 강도/경도가 작은 결점이 있다. 이런 결점을 보완하여 내마모, 내충격(내진동)성 저강도/경도을 향상시키고 약간의 인성을 부여하는 새로운 우수한 소재의 개발을 필요로 하였다. 일반 강(steel)의 사용과 함께 연속주철주조 공법으로 생산된 회주철 소재는 사형(Sand Casting)주조에 의해 생산된 소재에 비교하여 냉각 속도가 빨라 내부조직이 치밀하고 인장강도와 경도가 우수하여 산업기계, 유압 밸브, 자동차 산업 소재로 많이 활용 되고 있다.

특히, 자동차의 부품 소재에 있어서 주철의 경우는 진동 감쇠능이 매우 우수하고 일반 강(Steel)에 비교하여 열처리 변형이 적고, 기계가공성이 좋으며, 내마모성이 매우 우수한 특성을 가지고 있어 자동차 부품 소재로 많이 활용되고 있다. 현재의 급변하는 시장의 요구는 더욱 극한 상황에서 더 오래 견딜 수 있는 새로운 소재를 계속 요구하고 있고, 특히 자동차 산업에 있어서는 재질의 고품질화로 인하여 부품 수명의 연장을 계속해서 요구하므로 긍극적으로는 자동차의 수명을 연장하려고 하고 있다. 이러한 요구에 있어 기존 소재의 경우는 동일한 조건에서 사형 부품에 비교하여 내부 결함 및 경도 강도가 우수하지만, 계속되는 극한 상황에 의한 부품 수명의 연장에 있어서는 새로운 소재가 필요하게 되었다.

따라서, 최근 물성에 대한 요구를 충족시키기 위한 여러 가지 시도가 있어왔다. 또한, 일본 특개소 61-157655호에는, C: 3.0∼7.0%, Si: 5.0% 이하, Mn: 3.0% 이하, Ni: 0.5∼40.0% 및 Cr: 0.5∼20.0%에 더하여, Cu: 0.5∼30.0%, Co: 0.1∼30.0%, Mo: 0.1∼10.0%, W: 0.1∼10.0%, V: 0.05∼5.0%, Nb: 0.01∼3.0%, Zr: 0.01∼3.0% 및 Ti: 0.01∼3.0% 중에서 1종 이상을 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지고, 흑연의 면적율이 5.0% 이상, 정출(晶出)된 탄화물 또는 탄질화물의 면적율이 1.0% 이상인 합금 주철로 이루어진 주조 공구가 개시되어 있다.

본 출원인 역시 이미 기존에 회주철 소재를 개발하여 자동차용 부품 소재로 활용하고 있다. 그러나, 상기 문헌에 개시된 회주철을 비롯한 종래의 회주철은 고가의 귀금속인 니켈, 코발트, 몰리브덴, 텅스텐 등등이 다량 함유되어 제조원가가 고가이거나 본 출원인이 현재 생산중인 회주철은 내부조직이 완전한 펄라이트(Pearlite)조직이 형성되지 않고 페라이트(Ferrlite) 조직의 잔존 분율이 크므로 내마모성, 내충격(내진동)성 및 강도 경도등과 같은 기계적 특성에서 좋지 않은 특성이 나타나고 있는 문제가 있다.

일본 특개소 61-157655호

따라서, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같은 단점을 극복하기 위하여 연속주조공법을 활용한 기존제품에 비교적 저가의 합금 원소를 첨가하여 경도 강도를 향상시키고 내부 조직도 전체적인 페라이트 분율을 최소화하여 기존 연속주조에 의해 생산된 주철의 우수한 특성에 더하여 내마모 내충격(내진동)및 강도/경도 특성을 크게 향상시킨 제품으로 자동차용 부품에 활용이 가능한 회주철을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 C 2.7 내지 3.7중량%, Si 2.0 내지 3.4중량%, Mn 0.4 내지 1.0중량%, P 0.05 내지 0.2중량%, S 0.05 내지 0.2중량%, Sb 0.02 내지 0.1중량% 및 Cu 0.3 내지 0.8중량%와 나머지 철 및 불가피한 불순물로 구성되며, 상기 Mn, Cu 및 Sb간에는 1.0≤Mn%+Cu%+Sb%≤1.7인 조합 수식을 만족하는 것을 특징으로 하는 회주철을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 회주철의 페라이트 분율이 20% 미만인 것을 특징으로 하는 회주철을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 회주철이 연속주조공법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 회주철을 제공한다.

또한, 본 발명은 내경부와 외경부의 페라이트 분율이 15% 이내 범위로 차이가 있는 것을 특징으로 하는 회주철을 제공한다.

본 발명의 회주철은 연속주조공법을 활용한 기존제품에 비교적 저가의 합금 원소를 첨가하여 경도 강도를 향상시키고 내부 조직도 전체적인 페라이트 분율을 최소화하여 기존 연속주조에 의해 생산된 주철의 우수한 특성에 더하여 내마모 내충격(내진동)및 강도/경도 특성을 크게 향상시킨 제품으로 자동차용 엔진 부품등에 사용하기 적합하다

도 1은 본 발명의 연속식 주조공법을 개락적으로 설명하기 위한 시스템 구성도
도 2는 종래 본 출원인이 생산중인 Sb가 첨가되지 않은 회주철인 비교예 1의 광학현미경 및 페라이트/퍼얼라이트 분율 측정 사진(사진 중 위쪽은 외경부 아래쪽은 내경부임)
도 3은 비교예 2의 광학현미경 및 페라이트/퍼얼라이트 분율 측정 사진(사진 중 위쪽은 외경부 아래쪽은 내경부임)
도 4은 본 발명에 따른 실시예 1의 광학현미경 및 페라이트/퍼얼라이트 분율 측정 사진(사진 중 위쪽은 외경부 아래쪽은 내경부임)
도 5은 본 발명에 따른 실시예 2의 광학현미경 및 페라이트/퍼얼라이트 분율 측정 사진(사진 중 위쪽은 외경부 아래쪽은 내경부임)
도 6은 본 발명에 따른 실시예 3의 광학현미경 및 페라이트/퍼얼라이트 분율 측정 사진(사진 중 위쪽은 외경부 아래쪽은 내경부임)

이하에서 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 회주철은 C 2.7 내지 3.7중량%, Si 2.0 내지 3.4중량%, Mn 0.4 내지 1.0중량%, P 0.05 내지 0.2중량%, S 0.05 내지 0.2중량%, Sb 0.02 내지 0.1중량% 및 Cu 0.3 내지 0.8중량%와 나머지 철 및 불가피한 불순물로 구성되며, 상기 Mn, Cu 및 Sb간에는 1.0≤Mn%+Cu%+Sb%≤1.7인 조합 수식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

C(탄소)는 통상의 회주철에서 긴 리본 모양의 플레이크(flake)로 강도, 경도, 그리고 충격특성 등의 기계적 특성을 저하시키지만, 절삭성의 향상과 더불어 Si와 동일하게 용탕(溶湯)의 유동성을 향상시킴과 동시에, 주조시에 흑연을 정출시키는 원소이다. C는 회주철의 전체 조성을 기준으로 2.7 내지 3.7중량% 범위로 첨가되는 것이 바람직하다. C가 2.7중량% 미만이면 용탕의 유동성이 저하되어 소재 표면에 콜드메탈(Cold Metal)이 심화된다. 한편, C가 3.7중량%를 넘으면 흑연의 조대화로 인하여 기계적 성질이 저하되는 문제점이 발생하기 쉽기 때문이다.

Si(규소)는 주조시 흑연의 정출에 기여하고, 백선(chill)을 방지하고, 안정된 조직의 페라이트 조직이나 펄라이트 조직을 조정하는 작용을 한다. 또한, Si의 함유에 의해, 주철이 고온의 산화성 가스 중에 놓였을 때 표면에 치밀한 산화막이 형성되기 쉬워지며, 내산화성이 향상된다. 또한, Si는 외부로부터 침입한 산화성 가스와 반응하여, 흑연과 기지의 경계에 보호 피막을 생성하고, 흑연으로의 산화성 가스의 침입에 의한 흑연 및 그 주위 기지의 산화와, 흑연으로부터 C의 확산을 억제하는 기능을 향상시키는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 회주철에는 상기 Si가 2.0 내지 3.4중량% 범위로 혼입되는 것이 바람직하다. Si 함량이 2.0% 미만의 경우는 급냉에 따른 소재 외각부에 칠(Chill) 조직을 형성시키며, 3.4% 초과의 경우는 흑연의 정출을 촉진시켜 흑연립의 크기가 커짐에 따른 기계적 성질이 저하되고 충격강도가 저하되는 문제를 야기시킨다.

Mn(망간)은 통상 황과 결합하여 MnS의 형태로 존재하는 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 회주철에는 페라이트 형성을 방지하고 펄라이트를 형성하며, 강도, 경도 및 내부 조직 등에 지대한 영향을 미친다. 전체 조성 중 0.4 내지 1.0중량% 범위로 첨가되는 바람직하다. Mn의 함량이 0.4% 미만의 경우는 펄라이트 생성이 저하되어 기계적 성질이 약해지고, 1.0% 초과의 경우는 연속주조공정상 급냉에 따른 외경부 경도를 상승시켜 가공성이 저하되고 편석을 유발시키는 문제를 야기한다.

P(인)은 구상흑연주철의 취성을 증가시키는 원소로서 0.05 내지 0.2중량% 범위로 혼입되는데, 인이 0.05중량% 미만이면 효과가 미미하여 경도와 강도가 저하되고, 0.2중량%를 초과하면 Fe₃P라는 금속간 화합물이 입계에 형성하여 기계적 성질을 저하시키고 기계 가공성이 떨어지기 때문이다.

S(황)은 전체 구상흑연주철의 조성 중 0.05 내지 0.2중량% 범위로 혼입되는 것이 바람직한데, 황이 0.05중량% 미만이면 펄라이트 형성을 저해하여 경도를 저하시키고, 반면 0.2중량%를 초과하면 용탕의 유동성이 저하되고, 수축공을 유발시키며, 칠(Chill) 형성을 촉진하여 가공성을 저하시킨다.

Sb(안티몬)는 펄라이트 분률은 크게 향상시키지만 취성(Brittle)을 유발시켜 내충격(내진)성에서는 상당히 미흡한 성질이 있으며 금속 조직내에 편석의 영향으로 좋지 않은 단점이 존재하고, 특히 과량 혼합은 소재 외경부에 Chill(시멘타이트)조직을 형성시켜 가공성을 저하시키는 문제가 있어 주철 소재에는 일반적으로 사용하지 않는 것으로 알려져 있다. 그러나, 본 발명자들의 연구결과 Mn 및 Cu와 적절한 비율과 조성비로 첨가되는 경우 회주철 조직내의 펄라이트 비율을 높이면서 인장강도 및 경도를 크게 향상시킨다. 상기 Sb의 함량은 전체 회주철의 전체 조성을 기준으로 0.02 내지 0.1중량% 범위로 첨가되는 것이 바람직하다. Sb의 함량이 0.02% 미만의 경우는 펄라이트 형성이 미진하여 강도/경도 상승에 크게 기여하지 못하고 반면 0.1% 초과의 경우는 소재의 취성을 크게 향상시켜 기계 가공성을 저하시키는 작용을 한다.

Cu(구리)는 본 발명의 자동차부품용 회주철에 있어서 선택적으로 포함되며, 인장강도, 경도, 내마모성을 향상시키고 인성을 부가하는 역할을 한다. 특히, 펄라이트량을 증가시키고 흑연화를 촉진시키는 효과가 있다. 하지만, 그 첨가량이 많아지면 회주철의 응고 온도보다 Cu의 낮은 응고 온도로 인해 소재 표면에 Cold Metal 형성을 촉진하여 표면 불량의 원인을 유발하며, 제조원가가 상승하기 때문에 상기 Cu는 0.3 내지 0.8중량 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.

본 발명의 회주철에 있어서, 상기 Mn, Cu 및 Sb간에는 1.0≤Mn%+Cu%+Sb%≤1.7인 관계가 성립한다. 본 발명자들의 연구결과 Mn, Cu 및 Sb의 조성비 합이 1.0 미만인 경우에는 소재의 내부 조직에 있어 페라이트 분율이 상승하고 기계적 성질이 저하되어 내마모 특성이 좋지 않은 결과가 도출되고, 반면 조성비의 합이 1.7을 초과하는 경우에는 소재 외경부의 칠(Chill)화의 영향으로 강도 경도의 큰 상승으로 인하여 가공성이 현저히 떨어져 가공 원가의 상승이 유발되었다.

본 발명의 회주철은 그 제조방법이 특별히 제한되는 것은 아니지만, 연속주조공법에 의해 생산하는 것이 바람직하다. 본 출원인은 이미 탄소(C):3.1~3.5 중량%, 실리콘(Si):3.2~3.8 중량%, 망간(Mn):0.4 중량% 이하, 인(P):0.1 중량% 이하, 황(S):0.01 중량% 이하, 마그네슘(Mg):0.065 중량% 이하의 원소를 함유하면서 나머지는 불순물과 철로 이루어진 구상 흑연 주철재 조성물을, 1450 ~ 1600℃ 범위의 용해온도에서 전기 용해로에서 용해를 수행하고, 상기 전기 용해로에서 용해한 쇳물을 1270 ~ 1400℃ 범위의 래들 투입 온도에서 보온로로 투입하고, 상기 보온로로 투입한 쇳물이 1230 ~ 1350℃ 범위의 보온로 온도에서 유지되도록 온도를 유지하고, 상기 보온로에서 나온 쇳물을 냉각시키기 위한 냉각장치의 냉각수 온도를 최대 120℃ 이하로 유지하며, 상기 냉각장치에서 나온 쇳물을 인발되는 길이와 속도를 조절하는 인발장치에서 인발 속도를 1.0~26.0 mm/sec, 인발 길이를 10~100 mm로 인발하는 과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철의 연속 주철 주조 방법에 관하여 특허를 출원하여 등록받은 바 있다(대한민국 특허 제1024358호 참조). 도 1은 본 발명의 회주철의 연속주조공법을 개략적으로 설명하기 위한 시스템 구성도이다. 본 발명의 회주철은 전기한 본 출원인의 특허 제1024358호에 기재된 바와 동일하게 또는 상기 특허의 제조공법으로부터 당업자가 적절하게 선택하여 변경한 범위의 조건하에서 제조할 수 있다. 전술한 바와 같이, 사형(Sand Casting)주조에 의해 생산된 소재에 비교하여 냉각 속도가 빨라 내부조직이 치밀하고 인장강도와 경도가 우수하기 때문이고, 냉각 방식의 차이로 내부적인 내경부와 외경부의 페라이트 분율에 차이가 발생하게 된다. 본 명세서에서 내경부와 외경부의 의미는 소재의 표면을 약 2mm정도 선반(밀링)을 이용한 기계가공 후 가공면으로부터 약 5mm 안쪽까지를 외경부, 이후 소재 중심선까지를 내경부로 지칭한다. 본 발명의 회주철은 상기 내경부와 외경부의 페라이트 분율 차이는 15% 이내 범위이고, 내경부의 페라이트 분율이 외경부의 페라이트 분율보다 낮거나 동일한 것을 특징으로 하는데, 이러한 특징으로 인해 외부 기지의 페라이트로 인해 소음의 감쇠능 효과를 증가시키고 내부의 페라이트 분율 감소(펄라이트 분율 증가)는 소재의 기계적 성질을 향상시켜 극한 상황을 이길수 있는 이중적인 이점을 갖춘다.

이하에서 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 이해하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예

종래 본 출원인이 생산중인 회주철로서 Sb을 첨가하지 않은 것을 비교예 1로, 상기 비교예 1의 회주철에 Mn+Cu+Sb<1인 조성비를 갖게 첨가한 것을 비교예 2로, Mn+Cu+Sb>1.7인조성비를 갖게 조합한 것을 비교예3으로 하였다. 비교예2는 기존 생산중인 회주철에 Mn+Cu+Sb<1.0이 되도록 조합하여 첨가한 것으로 인장강도와 경도가 상승은 하였으나, 목표로 하는 성질에는 미치지 못하였고, 비교예3의 경우는 외경부에 칠(chill)화의 정도가 심하여 경도가 매우 높아 절단 및 가공에 문제점이 발생하였다. 실시예 1,2,3의 경우는 이상적인 1.0≤Mn+Cu+Sb≤1.7의 범위내에서 다양하게 실시한 것으로 소재의 강도 경도 뿐만 아니라 내외부 펄라이트 분율에도 좋은 결과를 도출하였다.

상기 비교예와 실시예들의 조성을 아래 표 1과 같이 정리하였다.

비교예 및 실시예	화학 성분(중량%)									비고
	Fe	C	Si	Mn	P	S	Sb	Cu	기타
비교예1	Base	3.30	2.75	0.50	0.05	0.05	*
비교예2	Base	3.25	2.50	0.48	0.074	0.065	0.052	0.45
비교예3	Base	3.21	2.60	0.83	0.071	0.064	0.10	0.80
실시예1	Base	3.17	2.56	0.58	0.065	0.062	0.042	0.48
실시예2	Base	3.00	2.45	0.65	0.074	0.065	0.038	0.55
실시예3	Base	3.15	2.69	0.73	0.068	0.069	0.044	0.61

도 2 및 도 3은 각각 종래의 생산중인 회주철로 Sb을 첨가하지 않은 비교예 1과 Mn+Cu+Sb<1인 비교예 2의 광학현미경 및 페라이트 분석 사진이고, 도 4 내지 도 6은 각각 본 발명에 따른 실시예 1, 2, 3의 광학현미경 및 페라이트 분석 사진이며, 하기 표 2는 비교예 및 실시예의 기계적 성질 및 페라이트 분율을 정량화한 것이다.

실시예 및 비교예	기계적 성질				비고
	인장강도 (N/)	브리넬 경도 (HBW 10/3000)	페라이트 분율(%)
			내부	외부
비교예1	187	156~192	72	75.3
비교예2	222	207~217	0.6	48
비교예3	*	302이상		시멘타이트조직 (Chill조직)	가공불가
실시예1	284	241~255	0.3	4.9
실시예2	274	255~269	0.9	0.9
실시예3	291	255~277	0.3	0.4

상기 도 2 내지 6 및 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 경우 고가의 소재를 사용하지 않고도 페라이트 분율을 낮출 수 있으면서도 기계적 특성이 우수함을 알 수 있다.

앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims (4)

1. C 2.7 내지 3.7중량%, Si 2.0 내지 3.4중량%, Mn 0.4 내지 1.0중량%, P 0.05 내지 0.2중량%, S 0.05 내지 0.2중량%, Sb 0.02 내지 0.1중량% 및 Cu 0.3 내지 0.8중량%와 나머지 철 및 불가피한 불순물로 구성되며,
   상기 Mn, Cu 및 Sb간에는 1.0≤Mn%+Cu%+Sb%≤1.7인 조합 수식을 만족하며,
   전체 페라이트 분율이 20% 미만이되, 내경부와 외경부의 페라이트 분율은 15% 이내 범위로 차이가 있는 것을 특징으로 하는 회주철.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 회주철은 연속주조공법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 회주철.
4. 삭제

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