KR101845761B1

KR101845761B1 - 배기계용 페라이트계 구상흑연주철

Info

Publication number: KR101845761B1
Application number: KR1020120054347A
Authority: KR
Inventors: 신호철; 이윤기
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2018-04-05
Also published as: KR20130130490A

Abstract

본 발명은 배기계용 페라이트계 구상흑연주철에 관한 것으로, 탄소(C) 2.8~3.8 중량%, 실리콘(Si) 2.5~3.5 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.5~0.9 중량%, 알루미늄(Al) 1.4~2.8 중량%, 바나듐(V) 0.4~0.8 중량%, 니켈(Ni) 0.4~1.0 중량% 를 포함하고, 망간(Mn) 0.5 중량% 이하, 인(P) 0.05 중량% 이하, 황(S) 0.03 중량% 이하의 불순물, 구상화처리제 및 잔부의 철을 더 포함하여 소재의 고온강도, 내산화성, 내열성 등이 크게 향상되는 배기계용 페라이트계 구상흑연주철에 관한 것이다.

Description

배기계용 페라이트계 구상흑연주철{Ferritic spheroidal cast iron for exhaust system}

본 발명은 배기계용 구상흑연주철에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가열과 냉각과정을 반복적으로 거치는 차량 엔진의 배기계 부품인 배기 매니폴드(exhaust manifold) 또는 터보차저(turbocharger)의 터빈하우징 등에 이용되는 내열성 및 내산화성이 개선된 배기계용 페라이트계 구상흑연주철에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 배기 매니폴드는 각 기통에서 배출되는 배출가스를 하나의 흐름으로 모으는 배기관 장치인데, 상기 배기 매니폴드는 가스킷의 내경, 헤드 및 매니폴드의 내경이 서로 달라 심한 저항을 받으며, 헤드에서 나온 배기가스가 가장 먼저 유입되기에 엔진의 출력과 밀접한 관련이 있다.

또한, 내연기관에서 필연적으로 발생하는 엔진의 배출가스 압력을 이용해 터빈을 돌린 후, 이 회전력을 이용해 흡입하는 공기를 대기압보다 강한 압력으로 밀어넣어 출력을 높이기 위한 장치인 터보차저의 터빈하우징 역시 엔진의 출력 및 배출가스 압력과 밀접한 관련이 있다.

상기 배기 부품계 부품은 일반적으로 고실리콘 몰리브덴 구상흑연주철, Ni-rest 주철 및 주강 등으로 제조되는데, 최근에 GDI 엔진(gasoline direct injection engine)이나 터보엔진등이 장착된 차량의 증가 및 배기규제강화에 의해 차량의 배기가스 온도가 지속적으로 상승됨에 따라 가혹한 조건에 놓이고 있다.

특히 차량의 배기가스 온도가 지속적으로 상승됨에 따라 상기 배기 매니폴드 또는 터빈하우징 등 배기계가 받는 부하 역시 증가되고 있는데, 이에 대응하여 종래 배기계 소재의 물성으로는 대응하기 어려운 문제가 있다.

뿐만 아니라 내열성, 내구성 등의 물성을 개선하기 위해 스테인리스 주강 등을 사용할 수 있지만, 고가라는 문제가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 스테인리스 주강보다 상대적으로 저렴하며 소재의 고온강도, 내산화성, 내열성 등을 개선하기 위해 배기계용 페라이트계 구상흑연주철을 제공하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 배기계용 페라이트계 구상흑연주철은 탄소(C) 2.8~3.8 중량%, 실리콘(Si) 2.5~3.5 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.5~0.9 중량%, 알루미늄(Al) 1.4~2.8 중량%, 바나듐(V) 0.4~0.8 중량%, 니켈(Ni) 0.4~1.0 중량% 를 포함하고, 망간(Mn) 0.5 중량% 이하, 인(P) 0.05 중량% 이하, 황(S) 0.03 중량% 이하의 불순물, 구상화처리제 및 잔부의 철을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 구상화처리제는 마그네슘(Mg), 마그네슘계 합금 및 칼슘계 합금 중에서 어느 하나인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 구상화처리제가 마그네슘(Mg)인 경우, 구상화처리 단계 이후에 포함되는 마그네슘(Mg)이 0 중량% 초과 0.1 중량% 이하인 것이 더 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 배기계용 구상흑연주철은 배기 매니폴드에 이용되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 배기계용 구상흑연주철은 터보차저의 터빈하우징에 이용되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는, 종래 내열 구상흑연주철과 비교하여 소재의 고온강도, 내산화성, 내열성 등이 크게 향상되어 배기계의 가혹한 조건에도 적용가능한 장점이 있다.

뿐만 아니라, 조성비의 조절 및 저가의 대체 성분을 사용함으로써 상기 효과를 달성하여 경제적이고 실용적인 장점도 있다.

도 1은 차량 엔진의 배기계 부품인 배기 매니폴드를 나타내는 도면이다.
도 2는 고온인장시험결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 고온산화시험결과를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 일관점에서 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 바나듐(V), 니켈(Ni) 등을 함유한 배기계용 페라이트계 구상흑연주철에 관한 것이다.

앞서 설명한 바와 같이 배기 매니폴드 또는 터보차저의 터빈하우징 등이 받는 부하가 증가되는 것에 대응하여, 본 발명은 가혹한 조건에서도 적용할 수 있는 고온 인장강도 및 내산화성 등이 우수한 배기계용 페라이트계 구상흑연주철을 제공한다. 이 때 상기 구상흑연주철은 일반적으로 주철의 조직에 나타나는 흑연을 본래의 엽편상에서 구상으로 변화시켜 강인성을 향상시킨 주철이다.

구체적으로 본 발명에 의한 상기 구상흑연주철은,

탄소(C) 2.8~3.8 중량%, 실리콘(Si) 2.5~3.5 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.5~0.9 중량%, 알루미늄(Al) 1.4~2.8 중량%, 바나듐(V) 0.4~0.8 중량%, 니켈(Ni) 0.4~1.0 중량% 를 포함하고,

망간(Mn) 0.5 중량% 이하, 인(P) 0.05 중량% 이하, 황(S) 0.03 중량% 이하의 불순물, 구상화처리제 및 잔부의 철을 더 포함하며, 페라이트 기지조직을 나타낸다.

상기 페라이트 기지조직을 나타내는 구상흑연주철은 일반적인 주철보다 내식성이 양호한데 이는 부식액이 침입할 수 있는 입자 간격이 좁기 때문이다.

한편, 상기 탄소(C)는 재료의 강도와 경도를 증가시키고 미세합금원소가 탄화물을 석출하기 위한 필수적인 원소로서 흑연정출 및 용탕 유동성에 기여하므로 2.8 중량% 이상이 바람직하고, 조대 흑연정출을 고려하여 3.8 중량% 이하가 바람직하다.

또한, 상기 실리콘(Si)은 흑연정출에 기여하는 원소로서, 기지(matrix)의 페라이트화작용, 산화 피막과 기지의 계면에 Fe₂SiO₄를 생성시킴에 따라 내산화성 향상 및 페라이트에서 오스테나이트로 상변태 온도를 상승시키므로 2.5 중량% 이상이 바람직하고, 주조 시 용탕 흐름 및 절삭성을 고려하여 3.5 중량% 이하가 바람직하다.

또한, 상기 몰리브덴(Mo)은 내공식성 개선원소이며, 열처리에 의한 경화능 증대 역할을 하는 원소로서, 탄소(C)와 화합해서 석출 탄화물을 형성하고, 페라이트에 고용강화의 효과로 고온 강도를 향상시키므로 0.5 중량% 이상이 바람직하고, 다량 첨가시 입계 탄화물이 증가하여 절삭성 및 상온 연신율을 저하시키는바 0.9 중량% 이하가 바람직하다.

또한, 상기 알루미늄(Al)은 흑연화를 촉진시키고, 주조 표면에서 Al₂O₃ 산화 피막을 형성하여 산소와의 접촉을 차단시킴으로써 내산화성을 향상시키고, 이로 인해 배기 매니폴드의 균열 전파를 억제하는데, 치밀한 상기 산화피막의 형성을 위해 1.4 중량% 이상이 바람직하며, 용탕 주입시 드로스(dross)에 의한 유동성 및 핀홀 결함 등을 고려하여 2.6 중량% 이하가 바람직하다.

또한, 상기 바나듐(V)은 바나듐계 탄화물(VC)의 석출에 의한 고온강도 개선 효과를 고려하여 0.4 중량% 이상이 바람직하고, 탈탄반응의 증가에 따른 내산화성 저하를 방지하기 위해 0.8 중량% 이하가 바람직하다. 더욱이, 바나듐 및 몰리브덴의 복합첨가에 따른 복합탄화물의 석출은 상기 구상흑연주철의 내열성을 크게 향상시킨다.

또한, 상기 니켈(Ni)은 상온 연신율의 향상을 고려하여 0.4 중량% 이상이 바람직하고, 기지의 펄라이트화가 강하게 나타나는 것을 방지하기 위해 1.0 중량% 이하가 바람직하다.

한편 금속 속에 다른 원소가 주입되는 경우, 그 원소가 주입되는 것이 물성에 유리한 경우에는 상기 원소를 합금원소, 불리한 경우에는 불순물이라고 한다. 일반적으로 다른 원소를 의도적으로 주입하면 상기 원소를 합금원소라고 하고, 제조 과정에서 기술상의 문제로 불가피하게 주입되며, 그 함유량을 허용량 이하로 제한함으로써 그 존재가 인정되는 것이 불순물이다. 상기 불순물 원소의 제한량은 상기 불순물이 금속에 미치는 유해성이 어느 정도인가에 따라 달라진다.

구체적으로, 제조 과정에서 불가피하게 사용되는 대표적인 불순물에는 망간(Mn), 인(P), 황(S) 등이 있는데, 상기 망간(Mn)은 공정셀(eutectic cell)의 경계에 편석(segregation)하여 페라이트에서 오스테나이트 변태 온도를 낮추기 때문에 0 중량% 초과 5 중량% 이하가 바람직하고, 상기 인(P)은 스테다이트(steadite)를 형성시키므로 0 중량% 초과 0.05 중량% 이하가 바람직하며, 상기 황(S)은 흑연구상화에 유해하므로 0 중량% 초과 0.03 중량% 이하가 바람직하다.

또한, 구상화처리제로서 효과적인 구상화처리를 위해 마그네슘(Mg), 마그네슘계 합금(일례로 38.1% Fe, 44.8% Si, 13.5% Mg) 또는 칼슘계 합금(일례로 60.0% Si, 25.0% Ca)등을 사용할 수 있는데, 용탕 중에 작용범위를 확산시키기 위해서 첨가 후에 잘 교반할 필요가 있다. 바람직한 미세조직을 갖는 구상흑연주철을 제조하기 위해서는 구상화처리단계를 거쳐야 하는데 상기 구상화처리제의 첨가에 의해 흑연이 구상으로 석출하여 성장할 조건이 부여된다.

특히, 상기 구상화처리제가 마그네슘인 경우에 0 중량% 초과 0.1 중량% 이하인 것이 바람직한데, 0.1 중량%를 초과하는 경우 탄화물이 발생하고 드로스가 용탕 주입 중에 혼입되어 제품의 결함이 발생할 수 있기 때문이다.

이와 같이, 상기 조성을 가진 본 발명의 배기계용 페라이트계 구상흑연주철은 고온용 주철합금 소재로서 우수한 내열성, 내산화성 및 고온강도 등을 나타내며, 스테인리스 주강에 비해 상대적으로 저렴하기에 배기계의 배기 매니폴드 또는 터보차저의 터빈하우징 등에 이용될 수 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.

구분	화학성분(중량 %)
구분	C	Si	Mn	P	S	Al	Ni	Mo	V	Mg
실시예	3.43	2.82	0.24	0.03	0.01	2.30	0.68	0.75	0.60	0.041
비교예1	3.31	4.16	0.32	0.048	0.03	-	0.03	0.65	-	0.026
비교예2	3.69	2.84	0.26	0.042	0.02	-	0.13	0.45	-	0.034

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 상기 실시예는 본 발명에 의한 조성을 가진 구상흑연주철이고, 상기 비교예 1은 종래 배기 매니폴드로 사용되고 있는 고 실리콘계 내열 구상흑연주철의 조성이며, 상기 비교예 2는 종래 배기 매니폴드로 사용되고 있는 저 실리콘계 내열 구상흑연주철의 조성이다.

도 2는 고온인장시험결과를 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 전체적으로 실시예(100)의 인장강도가 비교예 1(110) 및 비교예 2(120)의 인장강도보다 크며, 특히 배기계의 가혹한 고온 조건을 나타내는 800℃에서 실시예(100)는 약 90MPa, 비교예 1(110)은 약 70MPa, 비교예 2(120)는 약 50MPa 의 인장강도를 나타냄에 따라 실시예(100)의 인장강도가 가장 큰 값을 나타냄을 알 수 있다.

이는 실시예(100)에서 몰리브덴(Mo)에 의한 고용강화, 바나듐(V)에 의한 바나듐계 탄화물(VC)의 석출 및 바나듐(V)과 몰리브덴(Mo)의 복합첨가에 따른 (V, Mo) 복합탄화물의 석출로 고온강도가 향상되었기 때문이다.

도 3은 고온산화시험결과를 나타내는 도면이다.

상기 고온산화시험을 위해 가로 20mm, 세로 20mm, 높이 2mm의 시편을 제작한 다음, 분위기 온도 700℃인 가열 보온로에서 300 시간 대기 중에 유지한 후, 상기 시편을 가열 보온로에서 꺼내 공냉시켰다. 그 다음, 쇼트 브러스트 처리를 하여 산화스케일을 제거한 후 산화시험 전 후의 단위 면적당 질량 변화 즉 산화감소량(g/mm²)을 측정하였다. 이 때, 상기 산화감소량이 작을수록 내산화성이 큰 것을 의미한다.

도시된 바와 같이, 실시예(100)의 산화감소량은 약 35 g/mm² 으로 비교예 1(110)의 산화감소량 150 g/mm², 비교예 2(120)의 산화감소량 225 g/mm²보다 낮은 값을 나타냄을 알 수 있다.

이는 비교예 1(110) 및 비교예 2(120)에서 실리콘(Si)에 의해 Fe₂SiO₄의 산화막이 생성되지만, 실시예(100)에서는 알루미늄(Al)에 의한 Al₂O₃ 및 실리콘(Si)에 의한 Fe₂SiO₄의 복합 산화피막층이 생성되기 때문에 비교예 1(110) 및 비교예 2(120)보다 더 큰 내산화성을 가지게 되는 것이다.

100 : 실시예
110 : 비교예 1
120 : 비교예 2

Claims

탄소(C) 2.8~3.8 중량%, 실리콘(Si) 2.5~3.5 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.5~0.9 중량%, 알루미늄(Al) 1.4~2.8 중량%, 바나듐(V) 0.4~0.8 중량%, 니켈(Ni) 0.4~1.0 중량% 를 포함하고,
망간(Mn) 0.5 중량% 이하, 인(P) 0.05 중량% 이하, 황(S) 0.03 중량% 이하의 불순물, 구상화처리제 0 중량% 초과 0.1 중량% 이하 및 잔부의 철을 더 포함하며,
상기 구상화처리제는 마그네슘(Mg)인 것을 특징으로 하는 배기계용 페라이트계 구상흑연주철.
제1항에 있어서, 상기 구상화처리제가 마그네슘계 합금인 경우, 13.5%의 마그네슘(Mg)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기계용 페라이트계 구상흑연주철.
삭제
제1항 또는 제 2항에 있어서, 배기 매니폴드에 이용되는 것을 특징으로 하는 배기계용 페라이트계 구상흑연주철.
제1항 또는 제 2항에 있어서, 터보차저의 터빈하우징에 이용되는 것을 특징으로 하는 배기계용 페라이트계 구상흑연주철.