KR101845410B1 - 고강도 회주철 제품의 열처리 방법 및 이에 사용되는 고강도 회주철 조성물 - Google Patents

고강도 회주철 제품의 열처리 방법 및 이에 사용되는 고강도 회주철 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고강도 회주철 제품의 열처리 방법 및 이에 사용되는 고강도 회주철 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고강도 회주철 조성물을 용해로에 도입하여 용해하는 단계, 용해된 고강도 회주철 조성물을 원심주조하는 단계, 원심주조된 고강도 회주철 조성물을 금형 내에서 AC3 변태점까지 냉각하는 단계, 냉각된 고강도 회주철 조성물을 금형으로부터 분리하는 단계, 분리된 고강도 회주철 조성물을 오스테나이트화가 완료될 때까지 보온로에서 온도를 유지하는 단계, 오스테나이트화가 완료된 고강도 회주철 조성물을 염욕로에 투입하여 오스페라이트 조직이 형성되도록 염욕(salt bath) 급냉하는 단계, 염욕 급냉된 고강도 회주철 조성물을 오스페라이트화하는 단계를 포함하여, 주조 후의 냉각과정에서 제어냉각을 통해 열처리 공정을 단축하여 공정비용 및 시간을 줄이는 고강도 회주철 제품의 열처리 방법 및 이에 사용되는 고강도 회주철 조성물에 관한 것이다.

Description

고강도 회주철 제품의 열처리 방법 및 이에 사용되는 고강도 회주철 조성물{Heat treatment method of high strength gray cast irons and composition of high strength gray cast irons using thereof}
본 발명은 고강도 회주철 제품의 열처리 방법 및 이에 사용되는 고강도 회주철 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주조 후 냉각과정을 제어하여 경제성 및 강도를 향상시키기 위한 열처리 방법 및 이에 사용되는 고강도 회주철 조성물에 관한 것이다.
도 1은 상기 실린더 보어의 내경 면에 위치하여 피스톤 왕복운동의 가이드 및 윤활유 누설 방지 등의 역할을 하는 실린더 라이너를 나타낸 도면이다.
최근 엔진의 출력 증가에 따른 상기 실린더 라이너의 강도 및 내구성이 문제되고 있는데, 특히 내구성과 원가 절감을 고려한 열처리 방법 및 이에 사용되는 조성물이 관심의 대상이 되고 있다.
구체적으로, 상기 실린더 라이너는 주로 250MPa 급 회주철 또는 400MPa 급의 합금 주철로 제조되는데, 상기 회주철은 주철을 주형에 주입할 때 벽두께의 차이에 의해 냉각 속도가 지극히 느린 경우, 탄소가 흑연의 형태로 많이 석출됨에 따라 파단면이 회색을 띠는 주철이며, 상기 합금 주철은 보통의 주철 성분에 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 구리(Cu) 등을 함유하여 특수강 성질을 지닌 주철이다.
한편, 상기 회주철 또는 합금주철에 요구되는 성질, 즉 강도, 경도, 내마모성, 내충격성, 가공성, 자성 등의 제반 성능을 부여하기 위한 목적으로 가열과 냉각의 조작을 여러 가지로 조합시키는 열처리 방법이 사용되고 있는데, 이는 금속 또는 합금의 재결정, 원자의 확산, 상변태(相變態) 등을 이용하는 것이다.
즉, 이러한 열처리는 열을 가하거나 냉각하는 온도와 시간, 속도를 조절함으로써 재료의 성질을 개선하거나 특별한 성질을 부여하는 것인데, 담금질(Quenching), 뜨임(Tempering), 풀림(Annealing), 불림(Nomalizing) 등의 열처리 방법들이 있다.
이와 같이, 실린더 라이너에 사용되는 상기 합금 주철은 내구성이 우수한 장점이 있으나 고가 원소인 니켈(Ni)을 첨가하여야 하기에 원가 부담이 존재하며, 상기 회주철은 내구성 및 강도가 요구되는 수준에 비해 상대적으로 떨어지는 문제가 있다.
또한, 주철의 강도를 높이기 위한 열처리방법인 오스템퍼링(austempering)은 주로 구상흑연주철에 이용되는데, 주조품을 완전히 냉각시킨 후 다시 초기 가열온도보다 낮은 온도로 재가열 및 냉각시키므로, 공정이 복잡하여 공정비용 및 시간적인 측면에서 비효율적인 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 주조 후의 냉각과정에서 제어냉각을 통해 열처리 공정을 단축하여 공정비용 및 시간을 줄이는 고강도 회주철 제품의 열처리 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 강도 향상 및 원가 절감의 효과를 가지는 고강도 회주철 조성물을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 열처리 방법에 있어서, 고강도 회주철 조성물을 용해로에 도입하여 용해하는 단계, 용해된 고강도 회주철 조성물을 원심주조하는 단계, 원심주조된 고강도 회주철 조성물을 금형 내에서 AC3 변태점까지 냉각하는 단계, 냉각된 고강도 회주철 조성물을 금형으로부터 분리하는 단계, 분리된 고강도 회주철 조성물을 오스테나이트화가 완료될 때까지 보온로에서 온도를 유지하는 단계, 오스테나이트화가 완료된 고강도 회주철 조성물을 염욕로에 투입하여 오스페라이트 조직이 형성되도록 염욕(salt bath) 급냉하는 단계, 염욕 급냉된 고강도 회주철 조성물을 오스페라이트화하는 단계를 포함하는 고강도 회주철 제품의 열처리 방법인 것을 특징으로 한다.
나아가, 본 발명의 일실시예로 상기 고강도 회주철 조성물은 탄소(C) 2.6-3.2 중량%, 실리콘(Si) 1.7-2.5 중량%, 망간(Mn) 0.5-1.0 중량%, 구리(Cu) 0.4-1.0 중량%, 크롬(Cr) 0.2-0.8 중량%, 인(P) 0 중량% 초과 0.4 중량% 미만, 황(S) 0 중량% 초과 0.15 중량% 미만, 주석(Sn) 0 중량% 초과 0.1 중량% 미만, 몰리브덴(Mo) 0 중량% 초과 0.3 중량% 미만 및 잔부의 철을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예로 상기 용해하는 단계는 용해로에 도입된 고강도 회주철 조성물을 1350 ~ 1450℃ 의 온도 범위에서 용해하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예로 상기 냉각하는 단계는 금형 내에서 원심주조된 회주철 조성물을 800 ~ 870℃ 의 온도 범위까지 냉각하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예로 상기 유지하는 단계는 분리된 고강도 회주철 조성물을 800℃ 에서 30분 내지 60분 동안 유지되도록 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예로 상기 오스페라이트화하는 단계는 염욕 급냉된 고강도 회주철 조성물을 250 ~ 350℃ 의 온도 범위에서 60분 내지 120분 동안 등온으로 유지되도록 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명은 회주철 조성물에 있어서, 탄소(C) 2.6-3.2 중량%, 실리콘(Si) 1.7-2.5 중량%, 망간(Mn) 0.5-1.0 중량%, 구리(Cu) 0.4-1.0 중량%, 크롬(Cr) 0.2-0.8 중량%, 인(P) 0 중량% 초과 0.4 중량% 미만, 황(S) 0 중량% 초과 0.15 중량% 미만, 주석(Sn) 0 중량% 초과 0.1 중량% 미만, 몰리브덴(Mo) 0 중량% 초과 0.3 중량% 미만 및 잔부의 철을 포함하여, 고강도 회주철 조성물 제품을 열처리하기 위하여 사용되는 고강도 회주철 조성물인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는, 주철 강도를 향상시키기 위한 기존의 오스템퍼링 공정을 대신하여, 금형 분리 후 바로 보온로에서 온도를 유지함으로써 열처리 공정을 단축하여 공정 비용 및 공정 시간을 줄일 수 있다.
또한, 실린더 라이너용 회주철에 포함되는 성분 및 각 성분의 중량% 를 한정함으로써 상기 회주철의 강도 향상 및 원가 절감이라는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 조성을 가진 회주철로 실린더 라이너를 제조함에 따라 내구성이 개선되어 상기 실린더 라이너의 파손으로 인한 윤활유 누설 등의 문제를 방지할 수 있고, 소모품인 상기 부품의 교체 주기가 길어짐에 따른 경제적인 효과도 누릴 수 있다.
도 1은 실린더 라이너를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 고강도 회주철 조성물의 열처리 방법 및 실린더 라이너 제조 공정을 나타낸 개략도이다.
도 3은 종래 열처리 공정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 열처리 공정을 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예의 조성을 가진 고강도 회주철 조성물에 일반 주조 공정을 실시한 미세조직을 나타낸 도면이다.
도 6은 실시예의 조성을 가진 고강도 회주철 조성물에 본 발명에 의한 열처리 공정을 실시한 미세조직을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 일 관점에서 고강도 회주철 조성물의 열처리 과정에서 주조 후 냉각과정을 제어하여 열처리 공정 단축 및 이에 따른 비용과 시간을 줄이는 고강도 회주철 제품의 열처리 방법을 제공하는데 있다.
도 2는 본 발명에 의한 고강도 회주철 조성물의 열처리 방법 및 실린더 라이너 제조 공정을 나타낸 개략도이다.
도시된 바와 같이, 고강도 회주철 조성물을 큐폴라(cupola) 또는 전기로 등의 용해로에 도입하여 용해한다. (a)
그리고 상기 용해된 고강도 회주철 조성물을 원심주조(centrifugal casting)하고, 금형 내에서 AC3 변태점까지 냉각한다. (b)
이 때, 상기 원심주조는 회전하고 있는 중공 원통형 금형에 용해물을 주입하고 회전에 의한 원심력으로 관 또는 실린더 라이너 등의 중공 주물을 제조하는 방법이며, 금형 내에서 AC3 변태점 이하로 냉각하는 경우, 오스테나이트 조직을 형성할 수 없어 하기 공정을 실시하여도 원하는 물성을 얻을 수 없다.
특히, 상기 용해 및 원심주조는 소재의 균일성을 확보하기 위해 1350 ~ 1450℃의 온도 범위에서 실시하는 것이 바람직하며, 금형 내 냉각은 금형으로부터 소재의 분리 및 균일한 오스테나이트 조직을 형성하기 위해 AC3 변태점에 해당되는 적정온도인 800 ~ 870℃의 온도 범위까지 냉각시키는 것이 바람직하다.
그 후, 냉각된 고강도 회주철 조성물을 상기 금형으로부터 분리하고, 오스테나이트화가 완료될 때까지 보온로에서 상기 온도를 유지한다. (c)
즉 오스페라이트 조직으로 일컫는, 베이나이틱 페라이트 및 고탄소 잔류 오스테나이트 조직을 형성하여 원하는 물성을 얻기 위해서는 그 전제로 적정 온도를 유지하여 균일한 오스테나이트 조직으로 상변태시켜야 한다.(오스테나이트화)
특히, 균일한 오스테나이트 조직이 형성되기 위해서는 결정들이 충분히 확산(diffusion) 및 재분배(redistribution)되어야 하는데, 상기 조성을 가진 조성물의 경우 약 800℃ 에서 30분 내지 60분 동안 유지되는 것이 바람직하다.
그 다음, 제어냉각을 통해 오스페라이트 조직이 형성되도록 상기 소재를 염욕로(10)에 투입하여 염욕(salt bath) 급냉하고, 최종 조직이 균일한 오스페라이트가 되도록 상기 온도를 유지한다. (오스페라이트화) (d)
이 때, 균일한 오스페라이트 조직을 형성하기 위해 상기 온도는 250 ~ 350℃의 온도 범위에서 60분 내지 120분 동안 등온으로 유지하는 것이 바람직하다.
최종적으로 공냉 등을 통해 상기 소재를 상온으로 냉각하고, 절단 및 가공하면(d), 400~450MPa 급의 고강도를 가지며 열처리 공정의 단축으로 인한 공정 비용이 절감된 최종 고강도 회주철 제품이 완성된다. (e)
특히 주철의 강도 향상을 위한 열처리 방법에 있어서, 종래 공정과 비교하여 단축된 열처리 공정을 살펴보면, 도 3은 종래 열처리 공정을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 의한 열처리 공정을 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 종래 열처리 공정(300)은 주조품을 완전히 냉각시킨 이후에 오스테나이트화, 염욕 급냉 및 오스페라이트화 단계로 구성된 오스템퍼링 공정을 진행하지만, 본 발명에 의한 열처리 공정(310)은 금형 분리 후 바로 보온로에서 온도를 유지함으로써, 종래 열처리 공정(300)의 금형 분리/공냉 공정, 공정간 이송 공정 및 오스테나이트화를 위한 가열 공정을 생략하여 전체 공정을 단축시킬 수 있다.
또한, 종래 열처리 공정(300)은 금형 분리/공냉 과정을 통해 주조품을 생산한 다음, AC3 변태점 이상으로 가열하여 오스테나이트 조직으로 상변태시키는데, 본 발명에 의한 열처리 공정(310)은 주조 후에 바로 오스테나이트 조직을 형성하기에, 종래 열처리 공정(300)과 비교하여 오스테나이트화하는 시간이 50% 정도 단축되는 이점이 있다.
즉, 본 발명에 의한 열처리 공정(310)은 보온로를 금형 분리 라인에 설치함으로써 금형분리와 동시에 일정 온도로 유지함에 따라 균일한 제품의 생산을 가능하게 한다.
본 발명은 다른 관점에서 고강도 회주철 제품에 사용되는 원가 절감 및 강도가 향상된 고강도 회주철 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 실린더 라이너용 소재로 회주철 또는 합금 주철이 사용되는데, 상기 합금 주철은 내구성은 우수하나 고가인 니켈(Ni)을 포함하기에 원가가 비싼 단점이 있다. 따라서, 상기 고가의 성분들을 포함하지 않으면서 종래 회주철보다 강도가 우수한 소재의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
이에 본 발명은 실린더 라이너가 받는 부하가 증가되는 것에 대응하여, 강도가 우수하면서 원가 절감을 통해 생산성이 향상된 330 MPa 급의 고강도 회주철 조성물을 제공한다.
구체적으로 본 발명에 의한 고강도 회주철 조성물의 경우,
탄소(C) 2.6-3.2 중량%, 실리콘(Si) 1.7-2.5 중량%, 망간(Mn) 0.5-1.0 중량%, 구리(Cu) 0.4-1.0 중량%, 크롬(Cr) 0.2-0.8 중량%, 인(P) 0 중량% 초과 0.4 중량% 미만, 황(S) 0 중량% 초과 0.15 중량% 미만, 주석(Sn) 0 중량% 초과 0.1 중량% 미만, 몰리브덴(Mo) 0 중량% 초과 0.3 중량% 미만 및 잔부의 철을 포함한다.
본 발명에 따른 실린더 라이너용 회주철에 포함되는 성분 및 각 성분의 함량한정의 이유를 살펴보면,
상기 탄소(C)는 미세합금원소가 탄화물을 석출하여 재료의 경도 및 내마모성을 증가시키기 위한 필수적인 원소로서, 흑연정출 및 용탕 유동성에 기여하므로 2.6 중량% 이상이 바람직하고, 편상 흑연의 분율을 고려하여 3.2 중량% 이하가 바람직하다.
또한, 상기 실리콘(Si)은 탄소당량을 결정하는 주요 원소 중의 하나로, 흑연정출에 기여하고, 산화 피막과 기지의 계면에 Fe2SiO4를 생성시킴에 따라 내산화성을 향상시키므로 1.7 중량% 이상이 바람직하고, 주조 시 용탕 흐름, 절삭성 및 탄소 당량을 고려하여 2.5 중량% 이하가 바람직하다.
또한, 상기 망간(Mn)은 고용강화 원소로 일정한 강도 확보 및 인성 향상을 위하여 첨가되는 것인데, 탄화물을 안정시켜 강도 향상 효과를 나타내므로 0.5 중량% 이상이 바람직하고, 과량이 첨가될 경우 흑연 정출을 방해하므로 1.0 중량% 이하가 바람직하다.
또한, 상기 구리(Cu)는 펄라이트를 안정화시키고 기지조직의 경도를 향상시키므로 0.4 중량% 이상이 바람직하고, 가공성을 고려하여 1.0중량% 이하가 바람직하다.
또한, 상기 크롬(Cr)은 상기 구리(Cu)와 같이 펄라이트를 안정화시키고 기지조직의 경도를 향상시키며 기지에 고용되어 강도 증대의 효과를 나타내므로 0.2 중량% 이상이 바람직하고, 과량이 첨가될 경우 다량의 카바이드(carbide)에 따른 취성 및 가공성이 저하될 수 있으므로 0.8 중량% 이하가 바람직하다.
또한, 상기 인(P)은 기지조직에 스테다이트(steadite)를 형성시켜 내마모성을 향상시키지만, 가공성이 저하될 수 있으므로 0% 중량 초과 0.4 중량% 미만이 바람직하다.
또한, 상기 황(S)은 성형성 확보에 영향을 미치지만 윤활상인 황화망간(MnS) 등을 형성하므로 0% 중량 초과 0.15 중량% 미만이 바람직하다.
또한, 상기 주석(Sn)은 재료의 경도 및 강도를 어느 정도 향상시키지만, 취성을 나타내므로 0% 중량 초과 0.15 중량% 미만이 바람직하다.
또한, 상기 몰리브덴(Mo)은 탄화물을 형성시키고, 펄라이트 미세화 및 편상 흑연을 형성시키는 효과가 있지만, 과량이 첨가될 경우 조대 탄화물이 형성될 수 있으므로 0% 중량 초과 0.3 % 중량% 미만이 바람직하다.
이와 같이, 상기 조성을 가진 본 발명의 고강도 회주철 조성물은 고가의 성분인 니켈(Ni) 등을 사용하지 않아 400MPa 급의 합금주철보다 상대적으로 저렴할 뿐만 아니라 실린더 라이너의 소재로서 인장강도가 330MPa 급인 고강도를 나타내기에 주철 소재의 고강도화 기술에 이용될 수 있고, 이를 응용하여 타 부품에 확대 적용할 수도 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Figure 112012042325250-pat00001
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 상기 실시예는 본 발명에 의한 조성을 가진고강도 회주철 조성물이고, 상기 비교예는 종래 실린더 라이너에 사용되는 합금 주철의 조성물이다.
또한, 도 5는 상기 실시예의 조성을 가진 고강도 회주철 조성물에 일반 주조 공정을 실시한 미세조직을 나타낸 도면이고, 도 6은 상기 실시예의 조성을 가진 고강도 회주철 조성물에 본 발명에 의한 열처리 공정(310)을 실시한 미세조직을 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 일반 주조 공정을 실시한 경우 편상 흑연(100), 스테다이트(110) 및 펄라이트(120) 조직이 관측되는데, 본 발명에 의한 열처리 공정(310)을 실시한 경우 편상 흑연(100), 스테다이트(120) 및 오스페라이트(130) 조직이 분명하게 형성된 것을 확인할 수 있다.
Figure 112012042325250-pat00002
상기 표 2는 본 발명에 의한 조성을 가진 고강도 회주철 조성물에 기존 공정에 해당되는 종래 열처리 공정(300)과 개발 공정에 해당되는 본 발명에 의한 열처리 공정(310)을 실시하고, 비교예로서 종래 실린더 라이너에 사용되는 합금 주철의 조성물에 종래 열처리 공정(300)을 실시한 다음, 각각의 경도, 인장강도, 연신율 및 마모량을 나타낸 것이다.
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 경도측정결과는 개발공정이 109 HRB로 기존공정 102 HRB보다는 우수하지만 비교예와 비슷한 결과를 얻었다.
다만, 인장강도, 연신율 및 마모량 측정결과에 있어서 본 발명에 의한 열처리 공정(310)인 개발공정의 결과가 가장 우수하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
10 : 염욕로
100 : 편상 흑연 110 : 스테다이트
120 : 펄라이트 130 : 오스페라이트
300 : 종래 열처리 공정 310 : 본 발명에 의한 열처리 공정

Claims (7)

  1. 열처리 방법에 있어서,
    고강도 회주철 조성물을 용해로에 도입하여 용해하는 단계;
    용해된 고강도 회주철 조성물을 원심주조하는 단계;
    원심주조된 고강도 회주철 조성물을 금형 내에서 AC3 변태점까지 냉각하는 단계;
    냉각된 고강도 회주철 조성물을 금형으로부터 분리하는 단계;
    분리된 고강도 회주철 조성물을 오스테나이트화가 완료될 때까지 금형 분리 라인에 설치된 보온로에서 온도를 유지하는 단계;
    오스테나이트화가 완료된 고강도 회주철 조성물을 염욕로(10)에 투입하여 오스페라이트 조직이 형성되도록 염욕(salt bath) 급냉하는 단계;
    염욕 급냉된 고강도 회주철 조성물을 오스페라이트화하는 단계; 를 포함하는 고강도 회주철 제품의 열처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고강도 회주철 조성물은 탄소(C) 2.6-3.2 중량%, 실리콘(Si) 1.7-2.5 중량%, 망간(Mn) 0.5-1.0 중량%, 구리(Cu) 0.4-1.0 중량%, 크롬(Cr) 0.2-0.8 중량%, 인(P) 0 중량% 초과 0.4 중량% 미만, 황(S) 0 중량% 초과 0.15 중량% 미만, 주석(Sn) 0 중량% 초과 0.1 중량% 미만, 몰리브덴(Mo) 0 중량% 초과 0.3 중량% 미만 및 잔부의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 회주철 제품의 열처리 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 용해하는 단계는,
    용해로에 도입된 고강도 회주철 조성물을 1350 ~ 1450℃ 의 온도 범위에서 용해하는 것을 특징으로 하는 고강도 회주철 제품의 열처리 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 냉각하는 단계는,
    금형 내에서 원심주조된 회주철 조성물을 800 ~ 870℃ 의 온도 범위까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 고강도 회주철 제품의 열처리 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 유지하는 단계는,
    분리된 고강도 회주철 조성물을 800℃ 에서 30분 내지 60분 동안 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 고강도 회주철 제품의 열처리 방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 오스페라이트화하는 단계는,
    염욕 급냉된 고강도 회주철 조성물을 250 ~ 350℃ 의 온도 범위에서 60분 내지 120분 동안 등온으로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 고강도 회주철 제품의 열처리 방법.
  7. 제 1항의 열처리 방법으로 400 ~ 450MPa의 인장강도를 갖는 고강도 회주철 조성물.
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