KR101822203B1 - 고강도 편상 흑연 주철의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 편상 흑연 주철, 상기 주철을 포함하는 내연기관용 엔진바디 - Google Patents

고강도 편상 흑연 주철의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 편상 흑연 주철, 상기 주철을 포함하는 내연기관용 엔진바디 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고강도, 우수한 가공성 및 유동성을 동시에 갖는 편상 흑연 주철 및 이의 제조방법, 상기 편상 흑연 주철을 포함하는 내연기관용 엔진바디에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주철의 5대 원소인 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 황(S), 인(P)과 고강도화 첨가제인 몰리브덴(Mo), 구리(Cu)를 포함하는 주철에 미량의 스트론튬을 첨가하되, 주철 내 황(S) 함량과 스트론튬(Sr) 함량에 대한 비(S/Sr)를 제어함으로써, 주조성이 향상되고, 합금철에 의한 Chill 발생 확률이 낮으며, 안정적인 인장강도와 항복강도를 가지며, 가공성이 우수한 엔진 실린더 블록 및 헤드용 편상 흑연 주철 제조방법에 관한 것이다.

Description

고강도 편상 흑연 주철의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 편상 흑연 주철, 상기 주철을 포함하는 내연기관용 엔진바디 {PREPARATION METHOD OF HIGH STRENGTH FLAKE GRAPHITE IRON AND FLAKE GRAPHITE IRON PREPARAED BY THE SAME METHOD, AND ENGINE BODY FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 고강도 편상 흑연 주철의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 편상 흑연 주철, 상기 주철을 포함하는 엔진 바디에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고강도화를 위해 합금철을 첨가하더라도, 주철 내 포함된 미량의 황(S)과 스트론튬(Sr)의 함량을 특정 비율로 제어함으로써, 박육부와 후육부의 흑연 형상이 균일하고, 칠(Chill) 형성 가능성이 낮아 고강도와 우수한 가공성을 발휘하는 편상 흑연 주철 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 환경규제의 강화로 인하여 엔진에서 배출되는 환경 오염물질의 함량을 줄이는 것이 반드시 필요하며, 이를 해결하기 위해서는 엔진의 폭발 압력을 높여 연소온도를 상승시키는 것이 필요하다. 이와 같이 엔진의 폭발압력을 높였을 때, 폭발압력을 견디기 위해서는 엔진을 구성하고 있는 엔진 실린더 블록 및 헤드의 강도가 높아져야만 한다.
현재 엔진 실린더 블록 및 헤드 소재로 사용되는 소재는 크롬(Cr), 구리(Cu), 주석(Sn) 등의 합금철이 미량 첨가된 편상 흑연 주철이다. 이러한 편상 흑연 주철은 열전도율, 진동 감쇄능이 우수하고, 합금철이 미량 첨가되었기 때문에 칠(Chill)화 가능성이 낮을 뿐만 아니라 주조성 또한 우수하다. 그러나 인장강도가 150~250 MPa 정도이므로, 180 bar를 초과하는 폭발 압력이 요구되는 엔진 실린더 블록 및 헤드 용도로 사용하는 것에는 한계가 있었다.
한편 180 bar를 초과하는 폭발 압력에 견디기 위한 엔진 실린더 블록 및 헤드 소재는 인장강도가 300MPa 정도의 고강도화가 요구된다. 이를 위해서는 구리(Cu), 주석(Sn) 등의 펄라이트 안정화 원소나, 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등의 탄화물 생성 촉진 원소를 추가로 첨가하여야 하나, 이러한 합금철의 첨가는 칠(Chill)화 경향을 잠재적으로 내포하고 있기 때문에, 복잡한 형상을 갖는 엔진 실린더 블록 및 헤드의 박육부에 칠(Chill)이 발생할 가능성을 가중시키는 문제점이 있다.
편상 흑연 주철의 고강도화를 위한 종래 기술로는, 주철 용탕에 첨가되는 망간(Mn)과 황(S)의 사용 비율, 즉 Mn/S를 특정 비율로 제어하여 MnS 유화물을 형성시키는 것이다. 이때 형성된 Mn/S 유화물은 흑연 핵 생성을 촉진하고 합금철 첨가에 의한 Chill화를 저감시키는 역할을 한다(특허문헌 1). 상기 방법은 망간(Mn) 함량이 1.1~3.0% 정도인 고망간 주철 용탕에만 적용될 수 있기 때문에, 종래 편상 흑연 제조시 첨가되는 망간(Mn)의 함량을 2배 이상 사용하여야 하므로, 재료비 상승이 불가피하다. 또한 망간(Mn)이 펄라이트 조직을 촉진시키고, 펄라이트 조직 내 시멘타이트 간격을 치밀하게 하여 매트릭스 조직을 강화하기는 하나, 이러한 망간(Mn)을 다량 첨가하는 경우 탄화물을 안정시켜 흑연 성장을 저해하기 때문에 Mn/S 비를 특정 범위로 제어하지 않으면, 오히려 망간의 고함량으로 인해 chill화가 더 촉진된다. 따라서 복잡한 구조를 갖는 엔진 실린더 블록 및 헤드용 소재로 적용하기에는 한계가 있었다.
최근에는 편상 흑연 주철의 우수한 주조성, 진동 감쇄능 및 열전도율을 가지면서, 이와 동시에 300MPa 이상의 높은 인장강도를 모두 만족하는 CGI(compacted graphite iron) 주철이 폭발압이 높은 엔진 실린더 블록 및 헤드 소재로 적용되고 있다. 인장 강도 300MPa 이상의 CGI 주철을 만들기 위해서는 황(S)과 인(P)과 같은 불순물의 함량이 낮은 고급 선철 및 용해재료를 사용해야 하며, 흑연 구상화 원소인 마그네슘(Mg)의 정밀 제어가 필요하다. 그러나 마그네슘(Mg)의 제어가 힘들고, 또한 출탕온도, 출탕속도 등 용해 및 주조 조건변화에 매우 민감하기 때문에, CGI 주철의 재질 불량 및 주조 불량이 발생할 가능성이 높으며, 제조 원가가 상승하는 문제점이 있다.
또한, CGI 주철은 편상 흑연 주철보다 상대적으로 가공성이 나쁘기 때문에, CGI 주철을 이용하여 엔진 실린더 블록 및 헤드 제조시, 기존의 편상 흑연 주철 전용 가공 라인에서 가공을 하지 못하고, CGI 주철 전용 가공 라인으로의 변경이 반드시 필요하다. 따라서 막대한 설비투자 비용 발생에 대한 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 주철에 첨가되는 미량의 성분 중 스트론튬(Sr)의 함량, 및 황(S)과 스트론튬(Sr)의 함량 비를 특정 범위로 제어함으로써, 고강도화를 위해 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 등의 합금철을 첨가하더라도, 고강도와 우수한 가공성과 유동성을 동시에 갖는 편상 흑연 주철 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 황과 스트론튬의 사용비율을 정밀하게 제어함으로써 안정적인 물성과 조직을 가지는 주철을 제공하는 데 그 목적이 있으며, 특히 형상이 복잡한 내연기관용 엔진 바디, 바람직하게는 엔진 실린더 블록 및/또는 엔진 실린더 헤드에 적용 가능한 편상 흑연 주철을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 (i) 전체 중량%에 대하여 탄소(C) 3.2~3.5%, 규소(Si) 1.9~2.3%, 망간(Mn) 0.4~0.9%, 황(S) 0.06~0.1%, 인(P) 0.06% 이하, 구리(Cu) 0.6~0.8%, 몰리브덴(Mo) 0.15~0.25%, 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 주철 용탕을 제조하는 단계; (ⅱ) 상기 용융된 주철 용탕에 스트론튬(Sr)을 첨가하되, 상기 황(S) 함량의 상기 스트론튬(Sr) 함량에 대한 비(S/Sr)가 16~98 범위가 되도록 조절하여 첨가하는 단계; 및 (ⅲ) 상기 주철 용탕을 레들에 출탕하여 준비된 주형에 주입하는 단계를 포함하는 고강도 편상 흑연 주철의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 스트론튬(Sr)의 첨가량은 주철 용탕 전체 중량% 대비 0.001% 내지 0.005% 범위인 것이 바람직하다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 단계 (i)의 주철 용탕은, 전체 중량%에 대하여 탄소(C) 3.2~3.5%, 규소(Si) 1.9~2.3%, 망간(Mn) 0.4~0.9%, 황(S) 0.06~0.1%, 인(P) 0.06% 이하 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 주철 재료를 용광로에서 용융하여 형성된 주철 용탕에, 구리(Cu) 0.6~0.8%, 및 몰리브덴(Mo) 0.15~0.25%를 첨가하여 제조되는 것이 가능하다.
또한 본 발명의 일례에 따르면, 상기 주철 용탕을 레들에 출탕시, Fe-Si계 접종제를 첨가하는 것이 가능하다.
아울러 본 발명은 전술한 제조방법에 의해 제조된 편상 흑연 주철, 바람직하게는 엔진 실린더 블록 및 헤드용 편상 흑연 주철을 제공한다.
여기서, 상기 편상 흑연 주철은 전체 중량%로서, 탄소(C) 3.2~3.5%, 규소(Si) 1.9~2.3%, 망간(Mn) 0.4~0.9%, 황(S) 0.06~0.1%, 인(P) 0.06% 이하, 구리(Cu) 0.6~0.8%, 몰리브덴(Mo) 0.15~0.25%, 스트론튬(Sr) 0.001~0.005%, 및 100%를 만족시키는 잔량의 철(Fe)을 포함하며, 상기 황(S) 함량의 상기 스트론튬(Sr) 함량에 대한 비(S/Sr)가 16~98 범위의 화학 조성을 지닌다.
본 발명의 일례에 따르면 상기 편상 흑연 주철의 탄소 당량(CE: Carbon Equivalent)은 CE=%C+%Si/3의 방법으로 계산하였을 때, 3.80~4.27 범위가 되도록 한다.
또한 본 발명의 일례에 따르면, 상기 편상 흑연 주철의 인장 강도(Tensile Strength)는 300 내지 350 MPa 범위이며, 브리넬 경도값(BHW)이 200~230 범위인 것이 가능하다.
한편 본 발명의 일례에 따르면, 상기 편상 흑연 주철은 쐐기 시험편의 칠(Chill) 깊이가 3mm 이하인 것이 가능하다.
또한 상기 편상 흑연 주철은 유동도 시험편에서 나선의 길이가 730mm 이상인 것이 가능하다.
본 발명은 전술한 편상 흑연 주철을 소재로 이루어지는 엔진 실린더 블록, 엔진 실린더 헤드 또는 이들 모두를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 엔진 바디를 제공한다.
여기서, 상기 엔진 실린더 블록 또는 엔진 실린더 헤드는 단면 두께가 5mm 이하인 박육부와 단면 두께가 10mm 이상인 후육부를 가지며, 상기 박육부를 구성하는 흑연 형태가 A+B형인 것이 가능하다.
본 발명에 따르면, 황(S)과 스트론튬(Sr)의 첨가량의 비(S/Sr)에 따라 인장강도, chill 깊이 및 유동도가 달라질 수 있는데, 형상이 복잡하여 후육부와 박육부가 동시에 존재하는 고강도 엔진 실린더 블록 및 헤드에 적용하기 위해서는 S/Sr 비가 16~98 범위가 되도록 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 스트론튬(Sr)의 양, 및 황(S) 함량의 스트론튬(Sr) 함량에 대한 비(S/Sr)를 정밀하게 제어함으로써, Cu, Mo 등의 합금철을 첨가하더라도 300 내지 350 MPa의 높은 인장강도와 우수한 가공성 및 유동도를 가지며, 예를 들어 내연기관의 엔진 부품 등에 이용하기에 적합한 편상 흑연 주철 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 엔진 실린더 블록 및 헤드용 고강도 편상 흑연 주철의 제조 공정의 일례를 간략히 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 편상 흑연 주철의 칠(Chill) 깊이를 측정하기 위한 쐐기 시편을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 편상 흑연 주철의 유동도 측정용 나선 시험편 제작을 위한 금형을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 실린더 블록에서 박육부를 보이도록 하는 평단면도이다.
도 5는 실시예 1의 편상 흑연 주철이 실린더 블록에 적용된 박육부의 표면 조직 사진이다.
도 6은 실시예 2의 편상 흑연 주철이 실린더 블록에 적용된 박육부의 표면 조직 사진이다.
도 7은 실시예 3의 편상 흑연 주철이 실린더 블록에 적용된 박육부의 표면 조직 사진이다.
도 8은 실시예 4의 편상 흑연 주철이 실린더 블록에 적용된 박육부의 표면 조직 사진이다.
도 9는 실시예 5의 편상 흑연 주철이 실린더 블록에 적용된 박육부의 표면 조직 사진이다.
도 10은 실시예 6의 편상 흑연 주철이 실린더 블록에 적용된 박육부의 표면 조직 사진이다.
도 11은 실시예 7의 편상 흑연 주철이 실린더 블록에 적용된 박육부의 표면 조직 사진이다.
도 12는 비교예 1의 편상 흑연 주철이 실린더 블록에 적용된 박육부의 표면 조직 사진이다.
도 13은 비교예 2의 편상 흑연 주철이 실린더 블록에 적용된 박육부의 표면 조직 사진이다.
도 14는 비교예 3의 편상 흑연 주철이 실린더 블록에 적용된 박육부의 표면 조직 사진이다.
도 15는 비교예 4의 편상 흑연 주철이 실린더 블록에 적용된 박육부의 표면 조직 사진이다.
도 16는 비교예 5의 편상 흑연 주철이 실린더 블록에 적용된 박육부의 표면 조직 사진이다.
도 17은 비교예 6의 편상 흑연 주철이 실린더 블록에 적용된 박육부의 표면 조직 사진이다.
<부호의 간단한 설명>
1: 엔진 실린더 블록 2: 단면 두께 5mm 이하의 박육부
100: 용광로 110: 주철 용융액
210: 구리, 몰리브덴 220: 스트론튬
300: 래들 400: 금형
이하, 구체적인 예시를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서는 주철의 성분으로 미량의 스트론튬(Sr)을 사용하되, 주철 내 황(S)과 스트론튬(Sr)의 함량비(S/Sr)를 특정 범위로 제어하면, 스트론튬(Sr)이 황(S)과 반응하여 황화물을 형성하고, 형성된 황화물이 편상 흑연의 핵 생성 사이트 역할을 하여 칠(Chill)화를 억제하고 건전한 A형 편상 흑연의 성장 및 정출을 보조하여 고강도와 우수한 가공성 및 유동성을 동시에 도모할 수 있음을 착안하였다.
이때 첨가되는 스트론튬(Sr)의 함량, 및 주철 내 스트론튬(Sr)과 황(S)과의 함량비(S/Sr)는 인장강도가 300 MPa 이상인 고강도 편상 흑연 주철을 제조하는데 가장 중요한 인자이다. 따라서 본 발명의 편상 흑연 주철은 하기에 예시되는 제조방법 및 해당 화학조성으로 한정하는 것이 필요하다.
이하, 본 발명에 따른 편상 흑연 주철의 제조방법 및 제조된 편상 흑연 주철의 화학조성에 대해 설명한다. 그러나 하기 제조방법에 의해서만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 공정의 단계가 변형되거나 선택적으로 혼용되어 수행될 수 있다.
여기서, 각 원소의 첨가량은 중량%이며, 이하 내용에서는 단순히 %로 표시한다.
도 1을 참조하여 설명하면, 먼저 전체 중량%에 대하여 탄소(C) 3.2~3.5%, 규소(Si) 1.9~2.3%, 망간(Mn) 0.4~0.9%, 황(S) 0.06~0.1%, 인(P) 0.06% 이하, 구리(Cu) 0.6~0.8%, 몰리브덴(Mo) 0.15~0.25%, 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 주철 용탕(110)을 제조한다.
본 발명에 따른 주철 용탕(110)을 제조하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 일례로 주철의 5대 원소인 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 황(S), 인(P)이 전술한 함량 범위로 함유된 주철 재료를 용광로에서 용융하여 주철 용탕을 제조하고, 여기에 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 등의 합금철(210)을 첨가하여 전술한 화학조성이 되도록 주철 용탕(110)을 준비한다.
이때 인(P)은 주조를 하기 위한 원재료에 불순물로 포함될 수 있으며, 또는 별도로 첨가할 수도 있다. 한편, 본 발명에서 상기 용탕 중의 화학조성의 한정이유는 후술하는 편상 흑연 주철의 화학조성의 경우에서 기술하는 이유와 동일하므로, 이에 관한 설명은 생략한다.
상기와 같이 용융된 주철 용탕(110)에 스트론튬(Sr, 220)을 첨가하되, 상기 황(S) 함량의 상기 스트론튬(Sr) 함량에 대한 비(S/Sr)가 16~98 범위가 되도록 조절하여 첨가한다. 이때 스트론튬(Sr, 220)의 첨가량은 주철 용탕 전체 중량% 대비 0.001 내지 0.005% 범위가 바람직하다.
본 발명에서는 편상 흑연 주철의 화학조성을 상기와 같이 한정함과 동시에, 상기 황(S) 함유량의 상기 스트론튬(Sr) 함유량에 대한 비(S/Sr)를 16~98 범위로 한정할 필요가 있다. 상기 S/Sr의 비가 상기 범위를 벗어나는 경우 경도가 높아져서 가공성이 저하되는 문제가 발생될 수 있다. 이와 같이 S/Sr 비를 한정함으로써, 고강도 편상 흑연 주철 제조를 위해 기지 강화 및 탄화물 안정화 원소인 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 등의 합금철을 첨가하더라도 A+B형의 편상 흑연을 얻을 수 있고, Chill화를 감소시키기 때문에 인장강도가 300MPa 이상이면서, 가공성이 우수한 엔진 실린더 블록 및 헤드용 고강도 편상 흑연 주철을 얻을 수 있다.
상기와 같이 제조된 주철 용탕(110)은 탄소 당량 측정기, 탄소/황 분석기 및 분광분석기를 이용하여 용탕의 성분 분석을 완료한다.
이후 상기 주철 용탕을 출탕하기 위한 용기인 래들(300, ladle)에 출탕하는데, 고강도 편상 흑연 주철의 재질의 안정화 측면에서 출탕과 동시에 Fe-Si계 접종제를 첨가한다. 이때 투입되는 접종제의 크기는 직경 1~3mm 범위일 수 있으며, 고강도 편상 흑연 주철의 재질 안정화 효과를 얻기 위한 접종제의 투입량은 중량비(%)로 0.3±0.05% 로 한정하는 것이 바람직하다.
출탕이 완료된 레들의 용탕 온도를 침적식 타입의 온도계를 사용하여 측정하고, 온도를 측정한 후 준비된 주형틀(400)에 용탕(110)을 주입하여 엔진 실린더 블록 및 헤드용 고강도 편상 흑연 주철의 제조를 완성한다.
상기와 같이 제조된 본 발명의 고강도 편상 흑연 주철은, 현재 엔진 실린더 블록 및 헤드에 사용되는 인장강도 250MPa 정도의 편상 흑연 주철보다 높은 강도를 가지면서도 대등한 가공성을 보여준다. 또한 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 등의 합금철을 첨가하더라도, 칠(Chill)화 경향이 현저히 낮다. 아울러, 본 발명의 편상 흑연 주철을 단면 두께가 10mm 이상인 후육부와 단면 두께가 5mm 이하인 박육부가 동시에 존재하는 복잡한 형상의 엔진 실린더 블록 및 헤드에 적용하더라도, 후육부와 박육부를 구성하는 A+B형 흑연의 함유 비율의 차이가 단면비로 10% 미만인 것이 가능하다.
본 발명에서는 전술한 방법에 의해 제조된 고강도 편상 흑연 주철을 제공한다. 보다 구체적으로, 상기 편상 흑연 주철은 전체 중량%로서, 탄소(C) 3.2~3.5%, 규소(Si) 1.9~2.3%, 망간(Mn) 0.4~0.9%, 황(S) 0.06~0.1%, 인(P) 0.06% 이하, 구리(Cu) 0.6~0.8%, 몰리브덴(Mo) 0.15~0.25%, 스트론튬(Sr) 0.001~0.005%, 및 100%를 만족시키는 잔량의 철(Fe)을 포함하며, 상기 황(S) 함량의 상기 스트론튬(Sr) 함량에 대한 비(S/Sr)가 16~98 범위의 화학 조성을 지닌다.
이하, 본 발명에서 상기 편상 흑연 주철에 함유된 각 성분의 첨가 이유 및 첨가된 함량의 범위를 한정하는 이유는 다음과 같다.
1) 탄소(C) 3.2~3.5%
탄소는 건전한 편상 흑연을 정출시키는 원소이다. 본 발명에 따른 편상 흑연 주철에서 탄소(C) 함량이 3.2% 미만이면, 엔진 실린더 블록 및 헤드의 단면의 두께가 10mm 이상인 후육부에는 A+B형 편상 흑연 정출이 가능하지만, 단면의 두께가 5mm 이하여서 상대적으로 냉각속도가 빠른 박육부에서는 건전하지 못한 편상 흑연인 D+E형 흑연이 정출하여 Chill 발생 확률이 높고, 가공성 저하가 초래된다. 또한 탄소(C) 함량이 3.5% 를 초과하면, 편상 흑연의 과다 정출로 인한 인장강도 저하로 인해 고강성 편상 흑연 주철을 얻을 수 없다. 따라서 다양한 두께를 가지는 고강도 엔진 실린더 블록 및 헤드에서 전술한 불량을 예방하기 위해서, 본 발명에서는 탄소(C)의 함량을 3.2~3.5%로 한정하는 것이 바람직하다.
2) 실리콘(Si) 1.9~2.3%
실리콘(Si)은 탄소와 최적 비율로 첨가될 경우 편상 흑연 정출량을 극대화 할 수 있으며, Chill 발생을 저하시키고 강도를 증가시킨다. 본 발명에 따른 편상 흑연 주철에서 실리콘(Si) 함량이 1.9% 미만이면, 용탕의 최종 응고부에 수축 결함을 야기시키게 되고, 그 함량이 2.3%를 초과하면 편상 흑연의 과다 정출로 인한 인장 강도 저하로 인해 고강성 편상 흑연 주철을 얻을 수 없다. 따라서 본 발명에서는 실리콘(Si)의 함량을 1.9~2.3% 로 한정하는 것이 바람직하다.
3) 망간(Mn) 0.4~0.9%
망간(Mn)은 펄라이트 내의 층간 간격을 조밀하게 하여 편상 흑연 주철의 기지를 강화시키는 원소이다. 본 발명에 따른 편상 흑연 주철에서 망간(Mn) 함량이 0.4% 미만이면, 기지 강화에 큰 영향을 미치지 못하기 때문에 고강성 편상 흑연 주철을 얻기가 힘들고, 망간(Mn) 함량이 0.9%를 초과하면, 기지 강화 효과 보다는 탄화물 안정화 효과가 크기 때문에 Chill 화 경향이 증가하여 가공성 저하가 초래된다. 따라서 본 발명에서는 망간(Mn)의 함량을 0.4~0.9%로 한정하는 것이 바람직하다.
4) 황(S) 0.06~0.1%
황(S)은 용탕에 포함되어 있는 미량 원소와 반응하여 황화물을 형성하는데, 이러한 황화물은 편상 흑연의 핵 생성 사이트 역할을 하여 편상 흑연의 성장을 보조하는 역할을 한다. 본 발명에 따른 편상 흑연 주철에서 황(S)의 함량은 0.06% 이상이어야 고강도 편상 흑연 주철을 제조할 수 있다. 또한 황(S) 함량이 0.1%를 초과하면 재료의 취성이 증가하기 때문에, 본 발명에 따른 황(S)의 함량은 0.06~0.1%로 한정하는 것이 바람직하다.
5) 인(P) 0.06% 이하
인은 공기 중에서의 주철 제조공정에서 자연적으로 첨가되는 불순물의 일종이기도 하다. 이러한 인(P)은 펄라이트를 안정화하고, 용탕에 포함되어 있는 미량 원소와 반응하여 인화물(스테다이트)을 형성하여 기지강화 및 내마모성을 향상시키는 역할을 하나, 상기 인(P)의 함량이 0.06%를 초과하면 취성이 급격히 증가하게 된다. 따라서 본 발명에서는 인(P)의 함량을 0.06% 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 이때 인(P) 함량의 하한치는 0 % 초과일 수 있으며, 특별히 한정할 필요는 없다.
6) 구리(Cu) 0.6~0.8%
구리(Cu)는 편상 흑연 주철의 기지 강화 원소로서, 펄라이트 생성을 촉진시키고 미세화시키는 작용을 하기 때문에 강도 확보를 위해 필요한 원소이다. 본 발명에 따른 엔진 실린더 블록 및 헤드용 고강도 편상 흑연 주철에서 구리(Cu)의 함량이 0.6% 미만이면 인장 강도의 부족을 초래하지만, 그 첨가량이 0.8%를 초과하더라도 그 초과분에 해당하는 첨가 효과가 거의 없어 재료비 상승의 문제점이 있다. 따라서 본 발명에서는 구리(Cu)의 함량을 0.6~0.8%로 한정하는 것이 바람직하다.
7) 몰리브덴(Mo) 0.15~0.25%
몰리브덴(Mo)은 편상 흑연 주철의 기지를 강화시키고, 이에 따라 재료의 강도를 향상시키고, 또한 고온에서의 강도를 향상시키는 원소이다. 본 발명에 따른 엔진 실린더 블록 및 헤드용 고강도 편상 흑연 주철에서 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.15% 미만이면 본 발명에서 요구하는 인장강도를 얻기가 힘들 뿐만 아니라, 동작온도가 높은 엔진 실린더 블록 및 헤드에 적용하기 위한 고온 인장강도의 부족이 초래된다. 반면 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.25%를 초과하면, 기지 강화효과가 크기 때문에 기존에 사용하고 있는 인장강도 250MPa급 편상 흑연 주철보다 가공성이 현저하게 저하된다. 따라서, 본 발명에서는 몰리브덴(Mo)의 함량을 0.15~0.25%로 한정하는 것이 바람직하다.
8) 스트론튬(Sr) 0.001~0.005%
스트론튬(Sr)은 미량으로도 응고시 황(S)과 반응하여 황화물을 형성하고, 흑연 핵이 성장할 수 있는 서브스트레이트를 형성하여 건전한 A type 흑연을 조장하는 강력한 흑연화 원소이다. 본 발명에서는 Mo, Cu 등의 합금철 첨가에 따른 Chill화를 방지하고 건전한 편상 흑연을 정출하여 강도의 향상을 위해서는 0.001% 이상의 스트론튬(Sr) 함량을 필요로 한다. 그러나 스트론튬(Sr)은 산화성이 크기 때문에 0.005% 이상 첨가하면 산화에 의해 편상 흑연의 핵 생성을 방해하여 D+E형 편상 흑연을 생성하고 Chill화를 조장하여, 가공성 저하가 초래된다. 따라서, 본 발명에서는 스트론튬(Sr)의 함량을 0.001~0.005%로 한정하는 것이 바람직하다.
9) 철(Fe)
철은 본 발명에 따른 주철의 주재이다. 상기 성분 이외의 잔량의 성분은 철(Fe)이며, 그 외 불가피한 불순물이 일부 포함될 수 있다.
본 발명의 편상 흑연 주철은 상기 화학조성에 한정될 뿐 아니라, 상기 황(S) 함유량의 상기 스트론튬(Sr) 함유량에 대한 비(S/Sr)를 16~98 범위로 한정함으로써, 고강도 편상 흑연 주철 제조를 위해 기지 강화 및 탄화물 안정화 원소인 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 등의 합금철을 첨가하더라도 A+B형의 편상 흑연을 얻을 수 있고, Chill화를 감소시키기 때문에 인장강도가 300MPa 이상이면서, 가공성이 우수한 엔진 실린더 블록 및 헤드용 고강도 편상 흑연 주철을 얻을 수 있다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 편상 흑연 주철의 탄소 당량(CE : Carbon Equivalent)은 CE=%C+%Si/3의 방법으로 계산하였을 때, 3.80~4.27 범위가 되도록 한다. 상기 탄소 당량이 3.80 미만일 경우에는 단면의 두께가 5mm 이하인 박육부(thin walled part)에 D+E형 편상 흑연이 생성되고 칠(Chill)이 발생하여, 주조불량 및 가공성의 저하가 초래된다. 또한 상기 탄소 당량이 4.27을 초과하면 공정 흑연의 과도한 정출로 인해 인장강도가 저하된다. 따라서 본 발명에서는 탄소 당량의 범위를 3.80~4.27 범위로 한정하는 것이 바람직하며, 그 범위 내에서는 엔진 실린더 블록 및 헤드의 기계적 성질과 품질 제어를 위해 적절히 조절될 수 있다.
본 발명의 일례에 따르면, 전술한 화학조성을 가진 편상 흑연 주철의 인장강도(Tensile Strength)는 300~350MPa 범위이며, 브리넬 경도값(BHW)은 200~230 정도이다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 화학조성을 가진 편상 흑연 주철을 적용한 쐐기 시험편의 Chill 깊이는 3mm 이하이다. 이때 칠(chill) 깊이를 측정하는 쐐기 시험편은 하기 도 2와 같이 도시될 수 있다.
또한 본 발명의 일례에 따르면, 상기 화학조성을 가진 편상 흑연 주철을 적용한 유동도 시험편의 나선의 길이가 730mm 이상이 가능하다. 이때 유동도 시험편은 하기 도 3과 같이 도시될 수 있으며, 상기 유동도 시험편에서 나선의 길이의 상한치는 특별한 제한이 없다. 일례로 유동도 시험편 규격이 갖는 나선 길이의 끝점일 수 있다.
아울러 본 발명의 편상 흑연 주철은 인장강도가 300MPa 이상인 고강도 소재이므로, 내연기관용 엔진 바디, 특히 형상이 복잡하여 후육부와 박육부가 동시에 존재하는 엔진 실린더 블록, 엔진 실린더 헤드 또는 이들 모두에 적용하는 것이 가능하다.
참고로, 후술되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서에 기재된 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 예컨대, 본 발명에서 엔진 바디는 엔진 실린더 블록과 엔진 실린더 헤드와 헤드 커버를 포함하는 엔진의 구성을 의미한다.
본 발명에 따라 편상 흑연 주철이 소재로 적용된 엔진 실린더 블록 및/또는 엔진 실린더 헤드는 단면 두께가 5mm 이하인 박육부와 단면 두께가 10mm 이상인 후육부를 가지며, 상기 박육부를 구성하는 흑연 형태가 A+B형인 것이 바람직하다. 실제로, 본 발명의 편상 흑연 주철이 실린더 블록에 적용된 박육부는 모두 A+B형 흑연 형태인 것을 확인할 수 있다(도 5 ~11 참조).
이하, 본 발명의 실시예에 대해 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시된 것으로, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안되며, 본 발명의 사상을 일탈하지 않고 하기의 실시예들로부터 다양한 변형 및 변경이 가능하다.
<실시예 1-7 및 비교예 1-6>
하기 표 1의 조성에 따라 실시예 1~7 및 비교예 1~6에 의한 편상 흑연 주철을 제조하였다.
구분 C Si Mn S P Cu Mo Sr S/Sr 기타 성분 Fe
실시예1 3.24 2.17 0.62 0.085 0.030 0.68 0.18 0.0024 35 잔량
실시예2 3.38 2.07 0.62 0.086 0.028 0.63 0.19 0.003 29 잔량
실시예3 3.42 2.11 0.71 0.065 0.041 0.71 0.23 0.004 16 잔량
실시예4 3.27 1.99 0.69 0.091 0.031 0.65 0.21 0.0021 43 잔량
실시예5 3.26 2.21 0.81 0.071 0.045 0.74 0.20 0.0035 20 잔량
실시예6 3.22 2.19 0.77 0.093 0.030 0.70 0.19 0.0013 71 잔량
실시예7 3.31 2.09 0.75 0.098 0.030 0.70 0.19 0.0010 98 잔량
비교예1 3.25 2.19 0.65 0.15 0.027 0.69 0.22 0.0014 107 잔량
비교예2 3.29 2.22 0.73 0.045 0.022 0.69 0.19 0.0047 9 잔량
비교예3 3.31 2.10 0.72 0.082 0.030 0.72 0.18 0.0008 103 잔량
비교예4 3.33 2.09 0.64 0.080 0.021 0.73 0.22 0.0075 10 잔량
비교예5 3.28 1.95 0.67 0.053 0.030 - - - - 0.07% Sn
0.2% Cr		 잔량
비교예6 3.23 2.12 0.70 0.092 0.028 0.45 - - - 0.07% Sn
0.036 Cr		 잔량
먼저 표 1의 조성에 따라 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 황(S), 인(P)이 함유된 원탕을 준비하였다. 인(P)의 경우 주조를 하기 위한 원재료에 포함된 불순물로 별도로 첨가하지 않고, 단지 그 함량이 0.06% 이하가 되도록 조절하였다.
출탕 전에 탄소 당량 측정기를 이용하여 탄소 당량(CE)을 측정하여 탄소(C)의 함량을 3.2~3.5%로 조절하고, 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 등의 합금철을 상기 표 1과 같은 조성으로 조절하였다. 스트론튬(Sr)을 첨가하여 용융을 완료한 후, 출탕을 실시하였다. 이때 출탕과 동시에 Fe-Si 계 접종제를 투입하였다. 레들에 출탕을 완료한 후 용탕의 온도를 측정하고, 준비된 주형에 용탕을 주입함으로써 엔진 실린더 블록 및 헤드용 편상 흑연 주철 제품을 제조하였다.
상기 표 1의 조성에 따라 제조된 실시예 1~7 및 비교예 1~6의 주철의 탄소 당량, 인장강도, 브리넬 경도, Chill 깊이를 각각 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
구분 탄소 당량
(C.E.)		 인장강도
(N/mm2)		 경도
(HBW)		 Chill 깊이
(mm)		 유동도
(mm)
실시예1 3.96 331 224 0 788
실시예2 4.07 315 220 0 761
실시예3 4.12 322 224 0 791
실시예4 3.93 331 224 1 782
실시예5 3.99 325 217 0 774
실시예6 3.95 315 217 0 765
실시예7 4.01 318 210 0 770
비교예1 3.98 290 243 6 689
비교예2 4.03 341 241 4 711
비교예3 4.01 287 243 5 701
비교예4 4.02 315 243 4 722
비교예5 3.93 270 210 0 845
비교예6 3.93 304 234 4 759
상기 표 2에서 보는 바와 같이, S/Sr 비가 16~98 범위로 조절된 실시예 1~7에 따른 주철의 인장강도는 300~350 MPa 범위이며, 브리넬 경도값은 200~230 HBW 범위인 것을 알 수 있었다. 또한 Chill 깊이가 3mm 이하이며, 유동도 시험편의 나선의 길이가 730mm 이상인 것을 알 수 있었다.
또한 인장강도 250 MPa급 소재인 비교예 5를 제외한 비교예 1~4 및 6은 모두 D+E형 흑연 형태를 갖는 것에 비해, 본원 실시예 1~7의 편상 흑연 주철이 실린더 블록에 적용된 박육부는 모두 A+B형 흑연 형태를 가진다는 것을 알 수 있었다(도 5 ~ 17 참조).
참고로, 비교예 1과 2의 주철은 실시예 1~7 의 조성의 함량 및 제조 과정은 동일하나, 황(S)의 함량과 S/Sr 비가 본 발명의 조성 범위에 벗어난 예이다.
비교예 3과 4는 실시예 1~7의 조성의 함량 및 제조 과정은 동일하나, 스트론튬(Sr)의 함량과 S/Sr 비가 본 발명의 조성 범위에서 벗어난 예이다.
비교예 5는 종래 엔진 실린더 블록 및 헤드용 편상 흑연 주철로 상용화되고 있는 인장강도 250MPa 급 소재이다.
비교예 6은 엔진 실린더 블록 및 헤드용 고강도 편상 흑연 주철을 제조하기 위하여 종래에 사용하고 있는 인장강도 250 MPa급 소재에 단순히 합금철만 첨가한 소재이다.
결과적으로, 본 발명에 따른 고강도 편상 흑연 주철은 안정적인 인장강도와 경도, Chill 깊이와 유동성을 모두 가지고 있기 때문에, 고강도를 요구하는 엔진 실린더 블록 및 헤드에 유용하게 적용할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (12)

  1. (i) 전체 중량%에 대하여 탄소(C) 3.2~3.5%, 규소(Si) 1.9~2.3%, 망간(Mn) 0.4~0.9%, 황(S) 0.06~0.1%, 인(P) 0.06% 이하, 구리(Cu) 0.6~0.8%, 몰리브덴(Mo) 0.15~0.25%, 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 주철 용탕을 제조하는 단계;
    (ⅱ) 상기 주철 용탕에 스트론튬(Sr)을 첨가하되, 상기 황(S) 함량의 상기 스트론튬(Sr) 함량에 대한 비(S/Sr)가 16~98 범위가 되도록 조절하여 첨가하는 단계; 및
    (ⅲ) 상기 주철 용탕을 레들에 출탕하여 준비된 주형에 주입하는 단계
    를 포함하는 고강도 편상 흑연 주철의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스트론튬(Sr)의 첨가량은 주철 용탕 전체 중량% 대비 0.001 내지 0.005% 범위인 것을 특징으로 하는 고강도 편상 흑연 주철의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (i)의 주철 용탕은, 전체 중량%에 대하여 탄소(C) 3.2~3.5%, 규소(Si) 1.9~2.3%, 망간(Mn) 0.4~0.9%, 황(S) 0.06~0.1%, 인(P) 0.06% 이하 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 주철 재료를 용광로에서 용융하여 제조된 주철 용탕에, 구리(Cu) 0.6~0.8%, 및 몰리브덴(Mo) 0.15~0.25%를 첨가하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고강도 편상 흑연 주철의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 주철 용탕을 레들에 출탕시, Fe-Si계 접종제를 첨가하는 것을 특징으로 하는 고강도 편상 흑연 주철의 제조방법.
  5. 전체 중량%로서, 탄소(C) 3.2~3.5%, 규소(Si) 1.9~2.3%, 망간(Mn) 0.4~0.9%, 황(S) 0.06~0.1%, 인(P) 0.06% 이하, 구리(Cu) 0.6~0.8%, 몰리브덴(Mo) 0.15~0.25%, 스트론튬(Sr) 0.001~0.005%, 및 100%를 만족시키는 잔량의 철(Fe)을 포함하며, 상기 황(S) 함량의 상기 스트론튬(Sr) 함량에 대한 비(S/Sr)가 16~98 범위의 화학 조성을 지닌 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철.
  6. 제5항에 있어서, 인장강도(Tensile Strength)가 300~350 MPa인 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철.
  7. 제5항에 있어서, 브리넬 경도값(BHW)이 200~230인 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철.
  8. 제5항에 있어서, 쐐기 시험편의 칠(Chill) 깊이가 3mm 이하인 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철.
  9. 제5항에 있어서, 유동도 시험편의 나선의 길이가 730mm 이상인 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철.
  10. 제5항에 있어서, 탄소 당량(CE: Carbon Equivalent)이 3.80~4.27 범위인 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철.
  11. 제5항의 편상 흑연 주철을 소재로 이루어지는 엔진 실린더 블록, 엔진 실린더 헤드 또는 이들 모두를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 엔진 바디.
  12. 제11항에 있어서, 상기 엔진 실린더 블록 또는 엔진 실린더 헤드는 단면 두께가 5mm 이하인 박육부와 단면 두께가 5mm를 초과하는 후육부를 가지며, 상기 박육부를 구성하는 흑연 형태가 A+B형인 것을 특징으로 하는 내연기관용 엔진 바디.
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