KR102148756B1

KR102148756B1 - 내열 구상흑연주철, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 엔진 배기계

Info

Publication number: KR102148756B1
Application number: KR1020140028909A
Authority: KR
Inventors: 주영규; 정기환; 정종권; 양식; 황재형; 심동섭; 김상범
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2020-08-27
Also published as: US10294550B2; WO2015137627A1; KR20150106624A; CN106103766A; EP3118340A4; EP3118340B1; CN106103766B; EP3118340A1; US20170073798A1

Abstract

내열 구상흑연주철은 전체 중량 대비 3.2-3.4 wt%의 탄소(C), 4.3-4.8 wt%의 실리콘(Si), 0.2-0.3 wt%의 망간(Mn), 0.8-1.0 wt%의 몰리브덴(Mo), 0.4-0.6 wt%의 바나듐(V), 0.2-0.4 wt%의 크롬(Cr), 0.2-0.4 wt%의 니오븀(Nb), 불가피한 불순물 및 잔량의 철(Fe)을 포함한다. 또한, 상기 내열 구상흑연주철은 전체 중량 대비 0.0045-0.0075wt%의 바륨(Ba)을 더 포함하고, 상기 크롬(Cr) 및 상기 바륨(Ba)의 함량비(Cr/Ba)가 26 내지 89의 범위일 수 있다. 상기 내열 구상흑연주철은 향상된 고온 인장강도를 가질 수 있다.

Description

내열 구상흑연주철, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 엔진 배기계{HEAT-RESISTANT SPHERICAL GRAPHITE CAST IRON, METHODS OF PREPARING SPHERICAL GRAPHITE CAST IRON AND EXHAUST SYSTEM PART INCLUDING SPHERICAL GRAPHITE CAST IRON}

본 발명은 내열 구상흑연주철, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 엔진 배기계에 관한 것이다. 보다 상세하게는 특정한 조성을 가지며, 석출물을 제어하여, 종래보다 향상된 고온물성(예를 들어, 변태 온도 및 고온 인장강도)을 발휘하는 내열 구상흑연주철, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 엔진 배기계에 관한 것이다.

최근 연비 향상에 대한 요구가 증가하고 전세계적으로 환경규제가 강화됨에 따라 엔진의 고출력화가 이루어지고, 이로 인해 배기계부품의 연소온도가 필연적으로 상승하고 있다. 이처럼 내열부품의 지속적인 온도상승 요구에 대응하기 위해 기존 소재보다 내열특성이 우수한 내열소재 개발은 필수적이다.

현재에는 자동차 배기계 부품과 같이 고온에서 높은 특성을 필요로 하는 부품에 적용되어 사용되고 있는 소재는 실리콘(이하, Si)과 몰리브덴(이하, Mo)이 다량 첨가된 내열 구상흑연주철이다. 내열 구상흑연주철은 공석변태에 의한 큰 수축/팽창이 나타나기 때문에 공석변태 변태온도 상승을 위해 Si 함량을 증가시키고, 고온에서 탄화물을 석출시켜 높은 강도를 유지하기 위해 Mo과 같은 탄화물을 형성할 수 있는 성분을 첨가시킨다.

특히, 800℃에 이르는 배기계 연소온도에 견디기 위해서는 일반 Si-Mo 내열구상흑연 주철보다 높은 고온 물성과 변태온도, 낮은 열팽창을 갖는 내열특성이 요구된다.

Si-Mo계 내열 구상흑연주철을 바탕으로 하는 소재의 내열성을 향상시키는 연구가 많이 이루어져 왔다. 종래의 기술은 탄화물 생성 촉진원소 및 기타 합금원소를 투입하여 내열특성을 향상시키고자 하였으나, 합금원소 선정 및 첨가비율에 대한 합금설계 시 석출상 예측에 대한 정량적 검토가 부족하였다. 이로 인해, Si-Mo계 내열 구상흑연주철 소재의 특허 및 개발 수준은 700℃에서 약 80-90MPa의 고온 인장강도를 가지고, 800℃에서 약 45-58 MPa의 고온 인장강도를 가지는 것에 그쳤다. 종래의 기술에서는 고온 인장강도와 같은 고온 물성의 상승에 한계가 있었고, 기타 기지조직 불안정 등과 같은 문제로 양산 적용에는 어려움이 있었다. 고온 인장강도의 상승은 작동소재 안정성에 크게 영향을 미치므로, 고온 물성의 상승을 위해 다양하게 연구 중이다.

본 발명의 일 목적은 우수한 내열특성을 갖는 내열 구상흑연주철을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 우수한 내열특성을 갖는 내열 구상흑연주철의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 우수한 내열특성을 갖는 내열 구상흑연주철을 포함하는 엔진 부품 및 배기계를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 일 목적을 실현하기 위한 내열 구상흑연주철의 제조 방법에 있어서, 전체 중량 대비 약 3.2-3.4 wt%의 탄소(C), 약 4.3-4.8 wt%의 실리콘(Si), 약 0.2-0.3 wt%의 망간(Mn), 약 0.8-1.0 wt%의 몰리브덴(Mo), 약 0.4-0.6 wt%의 바나듐(V), 약 0.2-0.4 wt%의 크롬(Cr), 약 0.2-0.4 wt%의 니오븀(Nb), 불가피한 불순물 및 잔량의 철(F)을 포함하는 주철 용탕을 제조한다. 상기 주철 용탕을 레이들에 출탕한다. 상기 출탕된 주철 용탕을 준비된 주형에 주입한다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 출탕된 주철 용탕을 준비된 주형에 주입하는 단계 전에, 상기 주철 용탕에 바륨(Ba)을 첨가할 수 있다. 이때, 상기 크롬(Cr) 및 상기 바륨(Ba)의 함량비(Cr/Ba)가 약 26 내지 89의 범위가 되도록 조절할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 바륨(Ba)의 첨가량은 전체 중량 대비 약 0.0045-0.0075wt%일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 주철 용탕을 제조하는 단계는 전체 중량 대비 약 3.2-3.4 wt%의 탄소(C), 약 4.3-4.4 wt%의 실리콘(Si), 약 0.2-0.3 wt%의 망간(Mn), 불가피한 불순물 및 잔량의 철을 포함하는 주철 원탕을 제조하는 단계 및 상기 주철 원탕에 약 0.8-1.0 wt%의 몰리브덴(Mo), 약 0.4-0.6 wt%의 바나듐(V), 약 0.2-0.4 wt%의 크롬(Cr) 및 약 0.2-0.4 wt%의 니오븀(Nb)을 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 주철 용탕을 상기 레이들에 출탕하는 단계는 상기 주철 용탕에 제1 접종제를 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 출탕된 주철 용탕을 준비된 주형에 주입하는 단계는 상기 주철 용탕에 제2 접종제를 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 주철 용탕을 제조하는 단계는 예비 용탕을 제조하는 단계, 상기 예비 용탕의 성분을 열분석기 또는 스펙트로미터 성분측정기로 분석하는 단계 및 상기 예비 용탕에 부족한 성분을 추가적으로 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.

상술한 본 발명의 다른 일 목적을 실현하기 위한 내열 구상흑연주철은 전체 중량 대비 약 3.2-3.4 wt%의 탄소(C), 약 4.3-4.8 wt%의 실리콘(Si), 약 0.2-0.3 wt%의 망간(Mn), 약 0.8-1.0 wt%의 몰리브덴(Mo), 약 0.4-0.6 wt%의 바나듐(V), 약 0.2-0.4 wt%의 크롬(Cr), 약 0.2-0.4 wt%의 니오븀(Nb), 불가피한 불순물 및 잔량의 철(Fe)을 포함한다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상온 인장강도가 약 670MPa 이상이고, 고온 인장강도(High Temperature Tensile Strength)가 약 700℃에서 약 100 MPa이상이며, 약 800℃에서 약 60 MPa 이상일 수 있다.

또한, 구상흑연주철의 열팽창계수(coefficient of expansion)가 약 13.5㎛/mㆍ℃이하이고, 공석변태온도 (eutectoid transformation temperature)가 920 ℃ 내지 940 ℃ 일 때 엔진 배기계통 부품에 가장 바람직하다.

예시적인 실시예들에 있어서, 전체 중량 대비 약 0.0045-0.0075wt%의 바륨(Ba)을 더 포함하고, 상기 크롬(Cr) 및 상기 바륨(Ba)의 함량비(Cr/Ba)가 약 26 내지 89의 범위일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 고온 인장강도가 약 800℃에서 약 59MPa 내지 70Mpa일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 내열 구상흑연주철은 50% 이상의 페라이트화된 기지조직으로 구성될 수 있다.

상술한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 엔진 배기계는 앞서 언급한 내열 구상흑연주철로 구성된 배기 매니폴드를 포함한다.

전술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 내열 구상흑연주철은 탄화물을 형성할 수 있는 바나듐(V), 크롬(Cr) 및 니오븀(Nb)을 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 추가적인 성분의 함량을 정밀하게 제어함으로써, 연성을 감소시키지 않고, 고온 인장강도와 같은 고온 물성을 개선할 수 있다. 또한, 상기 내열 구상흑연주철은 바나듐(V), 크롬(Cr) 및 니오븀(Nb)뿐만 아니라, 추가적으로 바륨(Ba)을 더 포함할 수 있다. 특히, 크롬(Cr)과 바륨(Ba)의 함량비를 조절하여, 상온에서 취성을 유발할 수 있는 크롬 탄화물의 생성을 억제하고, 흑연 핵생성을 촉진하여, 안정적인 물성 및 조직을 갖는 내열 구상흑연주철을 제공할 수 있다. 상기 내열 구상흑연주철은 향상된 고온 인장강도와 같은 고온 물성을 가지므로, 고온에서 작동되는 엔진 배기계의 배기 매니폴드에 사용될 수 있다.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 내열 구상흑연주철의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 내열 구상흑연주철의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 모식도이다.
도 3 및 도 4는 예시적인 실시예들에 따른 내열 구상흑연주철의 미세 조직을 나타내는 광학 현미경 이미지들이다.
도 5는 예시적인 실시예들 및 비교 실시예들에 따른 내열 구상흑연주철의 800℃에서의 고온인장강도를 나타낸 것이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 내열 구상흑연주철을 포함하는 엔진 배기계를 나타낸 것이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서는 일반적으로 사용되는 Si-Mo계열의 내열 구상흑연주철에 있어서, 바나듐(V), 크롬(Cr) 및 니오븀(Nb)을 추가하고, 이들의 함량을 미세하게 조절하여 우수한 고온 물성을 갖는 내열 구상흑연주철을 제공할 수 있다. 또한, 상기 내열 구상흑연주철에 바륨(Ba)을 추가적 첨가할 수 있으며, 이때 바륨과 크롬의 함량비를 조절함으로써 고온 인장 강도와 같은 고온 물성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 내열 구상흑연주철의 화학 조성 및 이의 제조방법에 대해 설명한다.

내열 구상흑연주철의 제1 조성

예시적인 실시예들에 따르면, 내열 구상흑연주철의 제1 조성은 종래의 Si-Mo계 내열 구상흑연주철을 바탕으로, 향상된 내열특성을 달성하기 위한 추가적인 성분들을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 종래의 Si-Mo계 내열 구상흑연주철은 철(Fe), 탄소(C), 실리콘(Si), 몰리브덴(Mo), 인(P) 및 황(S)을 포함할 수 있다. 이때, 높은 Si함량에 의한 흑연형상 불량을 방지하기 위해서, Si 함량은 제한될 수 있다.

한편, 추가적인 성분들은, 예를 들어, 바나듐(V), 크롬(Cr) 및 니오븀(Nb) 등을 포함할 수 있다. 이때, 바나듐(V), 크롬(Cr), 니오븀(Nb)의 함량은 내열특성 향상 효과 및 각 원소의 고용도 등을 고려하여 결정될 수 있다. 즉, 바나듐(V), 크롬(Cr), 니오븀(Nb)의 함량이 상기 내열 구상흑연주철의 내열특성을 결정하는 요소일 수 있다.

아래에서, 각 원소의 함량은, 상기 내열 구상흑연주철의 전체 중량을 기준으로 wt%로 표시한다.

예시적인 실시예들에 따르면, 상기 내열 구상흑연주철은 전체 중량 대비 탄소(C) 약 3.2-3.3wt%, 실리콘(Si) 약 4.3-4.8wt%, 망간(Mn) 약 0.2-0.3wt%, 몰리브덴(Mo) 약 0.8-1.0wt%, 바나듐(V) 약 0.4-0.6wt%, 크롬(Cr) 약 0.2-0.4wt%, 니오븀(Nb) 약 0.2-0.4wt% 및 100%를 만족시키는 잔량의 철(Fe)을 포함할 수 있다.

한편, 상기 내열 구상흑연주철의 원재료에 포함된 인(P) 및 황(S)은 별도로 첨가하지 않더라도, 상기 내열 구상흑연주철에 미량으로 남아있을 수 있다. 또한, 마그네슘(Mg)은 상기 내열 구상흑연주철을 제조하는 과정에서 Mg처리 공정(즉, 구상화 처리 공정)에 의해서 첨가될 수 있다.

이하, 본 발명에서 상기 내열 구상흑연주철에 함유된 각 성분의 첨가 이유 및 첨가된 함량의 범위를 한정하는 이유는 다음과 같다.

1) Si(실리콘) 4.3-4.8wt%

실리콘(Si)은 탄소(C)의 흑연 정출량을 증가시키고, 기지의 페라이트(ferrite)화에 효과가 있다. 또한, 내열 구상흑연주철에서 실리콘(Si)함량이 증가됨에 따라 내열성 및 내산화성을 향상될 수 있다. 본 발명에 따른 내열 구상흑연주철에서 실리콘(Si) 함량이 약 4.3wt% 미만으로 낮을 경우, 공석변태온도가 저하되며, 약 4.8wt%를 초과하여 과다 첨가될 경우 주조성 및 유동성이 감소할 수 있다.

2) Mn(망간) 0.2-0.3wt%

망간(Mn)는 내열 구상흑연주철의 재료에 불가피적으로 포함되는 황(S)을 MnS의 형태로 고정화하여, 황의 효과를 억제하므로, 내열 구상흑연주철의 필요 불가결한 원소이다. 또한, 고용 강화에 의해서 기지의 페라이트화를 강화할 수 있는 한편, 탄화물의 생성을 촉진하여, 기지의 펄라이트(pearlite) 석출을 촉진하는 작용을 가진다. 저산소(O) 및 저유황(S)의 내열 구상흑연주철에 있어서는, 망간(Mn) 함유량이 많아도 인성의 저하가 적을 수 있다. 본 발명에 따른 내열 구상흑연주철에서, 망간(Mn)이 약 0.3wt% 초과하여 과잉 첨가되면, 기지의 펄라이트 석출이 지나치게 촉진되어 취성이 증가되고 가공성이 저하될 수 있다.

3) Mo(몰리브덴) 0.8-1.0wt%

몰리브덴(Mo)는 니켈(Ni)과 같이 고온에서 인장강도 및 내력을 강화해 내열 균열성을 향상시킬 수 있다. 또한, 바나듐(V)과 같이 고온에서 기계적 성질, 특히, 내력을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 내열 구상흑연주철에서, 몰리브덴(Mo)의 함량이 약 0.8wt% 미만으로 낮은 경우, 충분한 내열성 향상 효과를 가질 수 없다. 반면에 몰리브덴(Mo)의 함량이 약 1.0wt% 초과하여 과잉 첨가될 경우, 탄화물 및 펄라이트 비율의 증가 등에 의해 신율 저하와 경도가 높아져 피삭성이 나빠질 수 있다.

4) Cr(크롬) 0.2-0.4wt%

크롬(Cr)은 내산화성의 향상 및 기지의 페라이트화 강화에 의한 내열 균열성을 향상시킬 수 있다. 즉, 고온 사용을 목적으로 하여, 내산화성 및 고온강도 향상을 위해 첨가될 수 있다. 다만, 본 발명에 따른 내열 구상흑연주철에서, 크롬(Cr)의 함량이 약 0.2wt% 미만으로 낮은 경우에는 내열성 및 내산화성 향상 효과를 가질 수 없다. 반면에, 본 발명에 따른 내열 구상흑연주철에서, 크롬(Cr)의 함량이 약 0.4wt% 초과하여, 과잉 첨가될 경우, 탄화물의 증가 등에 의해 경도가 높아져 피삭성이 나빠지고, 유동성도 저하될 수 있다.

5) V(바나듐) 0.4-0.6wt%

바나듐(V)은 실온으로부터 약 850℃정도의 고온까지 강도를 향상시킬 수 있다. 바나듐(V)은, 고융점의 미세한 바나듐 탄화물(VC)을 페라이트 내에 석출시켜, 고온에서 발생하는 응력에 의한 변형과 이동을 방지할 수 있으므로, 고온 강도를 크게 개선할 수 있다. 특히, 위에서 정해진 약 0.4-0.6wt%의 함유량에서 연성을 감소시키지 않고, 고온강도를 개선할 수 있다. 다만, 바나듐(V) 함유량이 약 0.6wt% 초과하여 과잉 첨가시 조대 바나듐 탄화물이 공정 셀간에 편석을 일으킬 수 있다. 이에 따라, 고온강도는 개선되지 않을 수 있으며, 반대로 경도상승이나 취약화를 촉진될 수 있다.

6) Nb(니오븀) 0.2-0.4wt%

니오븀(Nb)은 결정립을 미세화시키고, 인장강도, 충격강도 등의 기계적 성질을 향상시킨다. 특히 탄소나 질소와의 친화력이 커서 내열 구상흑연주철 중에서 탄화물을 석출시키고, 니오븀 탄질화물 석출에 의한 석출강화 효과를 가질 수 있다. 또한, 오스테나이트와 페라이트(γ/α)의 공석변태를 억제할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 내열 구상흑연주철은 종래기술에 따른 주철과 비교하여, 바나듐(V), 크롬(Cr) 및 니오븀(Nb)을 추가적으로 포함할 수 있다. 바나듐(V), 크롬(Cr) 및 니오븀(Nb)은 탄화물 또는 탄질화물의 석출하여, 상기 내열 구상흑연주철의 내열특성을 향상시킬 수 있다.

내열 구상흑연주철의 제2 조성

예시적인 실시예들에 따르면, 내열 구상흑연주철의 제2 조성은 앞서 언급한 내열 구상흑연주철의 제1 조성을 바탕으로 하여, 향상된 내열특성을 달성하기 위한 추가적인 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 추가적인 성분은 바륨(Ba)일 수 있다.

이에 따라, 상기 내열 구상흑연주철의 제2 조성은 전체 중량 대비 탄소(C) 약 3.2-3.3wt%, 실리콘(Si) 약 4.3-4.8wt%, 망간(Mn) 약 0.2-0.3wt%, 몰리브덴(Mo) 약 0.8-1.0wt%, 바나듐(V) 약 0.4-0.6wt%, 크롬(Cr) 약 0.2-0.4wt%, 니오븀(Nb) 약 0.2-0.4wt%, 바륨(Ba) 약 0.0045-0.0075wt% 및 100%를 만족시키는 잔량의 철(Fe)을 포함할 수 있다. 이때, 주철의 성분으로 미량의 바륨(Ba)을 사용하되, 상기 크롬(Cr)과 상기 바륨(Ba)의 함량비(Cr/Ba)는 약 26 내지 약 89 사이의 범위를 가질 수 있다. 그리고 바륨의 함량은 ICP 화학분석으로 측정하였다.

주철 내 크롬(Cr)과 바륨(Ba)의 함량을 특정 범위로 제어하면, 접종능이 최대가 되어, 구상흑연의 핵 생성 사이트 역할을 하여 칠(Chill)화를 억제하고 건전한 흑연의 생성 및 정출을 보조하여 고온강도와 우수한 가공성을 동시에 도모할 수 있음을 착안하였다.

이하, 본 발명에서 상기 내열 구상흑연주철에 함유된 Ba(바륨) 첨가 이유 및 첨가된 함량의 범위를 정밀하게 한정하는 이유는 다음과 같다.

1) Ba(바륨) 0.0045-0.0075wt%

Ba(바륨)은 구상흑연주철 제조 시 발생하는 페이딩을 지연하고, 높은 수의 구상흑연을 정출시킨다. 다만, Ba(바륨)의 함유량이 약 0.0045wt% 미만으로 낮을 경우 주로 산화물로 소비되고, 흑연 형성능이 저하되어 칠(Chill)화가 촉진된다. 0.0075wt% 초과하여 과잉 첨가 시 마찬가지로 공정셀 수와 접종효과가 저하되며 페이딩 방지효과가 감소한다.

Ba(바륨)은 내산화성의 향상 및 기지의 페라이트화 강화에 의한 내열 균열성을 향상시킬 수 있다. 즉, 고온 사용을 목적으로 하여, 내산화성 및 고온강도 향상을 위해 첨가될 수 있다. 다만, 본 발명에 따른 내열 구상흑연주철에서, 크롬(Cr)의 함량이 약 0.2wt% 미만으로 낮은 경우에는 내열성 및 내산화성 향상 효과를 가질 수 없다. 반면에, 본 발명에 따른 내열 구상흑연주철에서, 크롬(Cr)의 함량이 약 0.4wt%를 초과하여, 과잉 첨가될 경우, 탄화물의 증가 등에 의해 경도가 높아져 피삭성이 나빠지고, 유동성도 저하될 수 있다.

또한, 상기 크롬(Cr)과 상기 바륨(Ba)의 함량비(Cr/Ba)는 약 26 내지 약 89 사이로 한정할 필요가 있다. 상기 Cr/Ba의 비가 26-89를 벗어나면 고온강도가 저하되며, 크롬탄화물의 과포화로 인해 가공성 및 유동성이 저하된다. 한편, 상기 내열 구상흑연주철의 원재료에 포함된 인(P) 및 황(S)은 별도로 첨가하지 않더라도, 상기 내열 구상흑연주철에 미량으로 남아있을 수 있다. 또한, 마그네슘(Mg)은 상기 내열 구상흑연주철을 제조하는 과정에서 Mg 처리 공정에 의해서 첨가될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 내열 구상흑연주철은 탄화물을 형성할 수 있는 바나듐(V), 크롬(Cr) 및 니오븀(Nb) 뿐만 아니라, 추가적으로 바륨(Ba)을 더 포함할 수 있다. 특히, 크롬(Cr)과 바륨(Ba)의 함량비를 조절하여, 상온에서 취성을 유발할 수 있는 크롬 탄화물의 생성을 억제하고, 흑연 핵생성을 촉진하여, 안정적인 물성 및 조직을 갖는 내열 구상흑연주철을 제공할 수 있다.

내열 구상흑연주철의 제조 방법

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 내열 구상흑연주철의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. 도 2는 예시적인 실시예들에 따른 내열 구상흑연주철의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 모식도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 주철 재료를 용해로(100)에 용융시켜 제1 용탕 (110)을 제조한다(단계 S10).

예시적인 실시예들에 따르면 제1 용탕(110)은 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P) 및 황(S)을 포함하는 주철 성분을 포함할 수 있다. 상기 주철 성분은 제조 후 내열 구상흑연주철의 총 중량 대비 탄소(C) 약 3.2 -3.4 wt%, 실리콘(Si) 약 4.3-4.8 wt%, 망간(Mn) 0.2-0.3 wt%의 중량비로 제1 용탕(110)에 함유될 수 있으며, 제1 용탕(110)의 원재료 내에는 황(S) 및 인(P)이 불가피하게 포함될 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 제1 용탕(110)은 추가적인 성분으로서 바나듐(V), 크롬(Cr) 및 니오븀(Nb)을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 추가 성분은 제조 후 내열 구상흑연주철의 총 중량 대비 바나듐(V) 약 0.4-0.6wt%, 크롬(Cr) 약 0.2-0.4wt%, 니오븀(Nb) 약 0.2-0.4wt%의 중량비로 제1 용탕(110)에 함유될 수 있다.

제1 용탕(110)은 상술한 중량비로 상기 주철 성분 및 상기 추가 성분을 포함하며, 잔량의 철을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 주철 성분들 및 상기 추가 성분들이 함께 제1 용탕(110)으로 제조될 수 있다. 다른 일 실시예에 따르면, 상기 주철 성분으로 원탕이 제조될 수 있으며, 상기 원탕에 상기 추가 성분이 별도로 첨가되어 제1 용탕(110)이 제조될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 예비 용탕을 제조하고 열분석기 또는 스펙트로미터 성분측정기를 통해 상기 예비 용탕의 성분 분석을 수행한 후, 부족한 성분이 있으면 추가로 주입함으로써 상술한 중량비를 만족하는 제1 용탕(110)을 수득할 수 있다.

이어서, 제1 용탕(110)을 레이들(ladle, 200) 내부로 출탕시킨다(단계 S20). 상기 출탕시 Mg 처리(즉, 구상화 처리)를 실시하고, 상기 출탕과 동시에 제1 접종제(210)에 의해 제1 접종 공정이 수행될 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 제1 접종제(210)는 철-실리콘(Fe-Si) 계열 접종제를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제1 접종 공정에서 미량의 바륨(Ba)이 추가될 수 있다. 예를 들어, 상기 바륨(Ba)의 함량은 제조 후 내열 구상흑연주철의 총 중량 대비 약 0.0045-0.0075wt%일 수 있다.

레이들(200) 내부에서 제1 용탕(110)에 대해서 상기 제1 접종 공정을 수행함으로써, 제2 용탕(120)을 수득할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 레이들(200) 내부의 제2 용탕(120)에 대해 열분석기 또는 스펙트로미터 성분측정기 등을 사용한 성분 분석을 수행하여 부족한 성분에 대해서는 더 추가할 수 있다. 이에 따라, 상기 출탕 과정에서 소실된 성분에 대한 보충이 수행될 수 있다. 특히, 크롬(Cr) 및 바륨(Ba) 함량이 정밀하게 조절될 수 있다. 즉, 제2 용탕(120)의 크롬(Cr)과 바륨(Ba)의 함량비(Cr/Ba)는 약 26 내지 약 89 사이일 수 있다.

이어서, 레이들(200) 내부의 제2 용탕(120)을 주형(mold, 300) 내부로 주입한다(단계 S30). 예시적인 실시예들에 따르면, 주형(300)으로의 주입 공정과 함께 제2 접종제(220)에 의한 제2 접종 공정이 수행될 수 있다.

주형(300)은 제2 용탕(120)이 주입되는 주입부(310) 및 주형 본체(320)를 포함할 수 있다. 주입부(310) 및 주형 본체(320)는 일체로 구성될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2 접종 공정은 탕류(pouring basin, 315)를 이용하여 수행될 수 있다. 이 경우, 주형(300)의 주입부(310)에는 제2 용탕(120)이 일시적으로 잔류하는 탕류(315)가 구비될 수 있으며, 탕류(315) 내부에는 제2 접종제(220)가 배치될 수 있다.

제2 접종제(220)로서 제1 접종제(210)와 실질적으로 동일하거나 유사한 접종제를 사용할 수 있다. 예를 들어, 제2 접종제(220)로서 Fe-Si 계열 접종제를 사용할 수 있다.

제2 접종제(220)를 통한 상기 제2 접종 공정이 수행됨으로써 제2 용탕(120)은 주철 용융액으로 변환될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 주형(300)은 탕류(315)와 주형 본체(320) 내부를 유체 연결시키는 주입로(330)가 구비될 수 있다. 상기 주철 용융액은 주입로(330)를 통해 주형 본체(320) 내부로 유입될 수 있다.

이후, 일정 시간 동안 상기 주철 용융액을 주형 본체(330) 내부에서 주조한 후, 냉각 공정을 통해 최종 내열 구상흑연주철을 제조할 수 있다(S40 단계). 상기 내열 구상흑연주철은, 예를 들어 배기 매니폴드와 같은 엔진 배기계 부품에 이용될 수 있다.

실시예 및 비교예

먼저, 본 발명에 따른 내열 구상흑연주철을 제조하는 과정에서, 표 1의 조성에 따라, 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 황(S), 인(P)이 함유된 원탕을 준비하였다. 황(S), 인(P)의 경우 원재료에 포함된 불순물이다. 추가적으로, 주철 용탕에 몰리브덴(Mo) 약 0.8-1.0wt%, 바나듐(V) 약 0.4-0.6wt%, 크롬(Cr) 약 0.2-0.4wt% 및 니오븀(Nb) 약 0.2-0.4wt%를 첨가하였다. 출탕 전에 스펙트로미터 성분측정기를 이용하여 각 원소별 성분을 상기 표 1과 같은 조성으로 조절하였다.

이후, 출탕시 마그네슘(Mg) 처리를 실시하였고, 이때 출탕과 동시에 Fe-Si 계 접종제를 투입하였다. 레이들(ladle)에 출탕을 완료한 후 용탕의 온도를 측정하고, 준비된 주형에 용탕을 주입할 때 후접종을 추가로 실시하여 엔진 배기계용 내열 구상흑연주철 제품을 제조하였다.

한편, 종래 기술에 따른 내열 구상흑연주철도 표 1의 조성에 따라 준비되었다. 즉, 바나듐(V), 크롬(Cr) 및 니오븀(Nb)을 첨가하지 않았다는 점을 제외하면, 본 발명에 따른 내열 구상흑연주철과 비교하여, 실질적으로 유사한 방법으로 제조되었다.

[표 1]

이후, 본 발명에 따른 내열 구상흑연주철과 종래기술에 따른 내열 구상흑연주철의 상온 인장강도 및 고온 인장강도(700℃ 및 800℃)를 측정하였다. 표 2의 시험결과에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 내열 구상흑연주철재료는 적정한 합금설계 기술로 인해 종래기술에 따른 내열 구상흑연주철과 비교하여 향상된 상온 및 고온 인장강도를 가진다.

[표 2]

한편, 본 발명에 따른 배기계용 내열 구상흑연주철에 대해 Dilatometer를 이용하여 열팽창계수 및 공석변태온도를 측정한 결과는 다음의 표 3과 같다. 배기계 부품의 사용온도가 공석변태온도에 이를 경우 격자구조의 변경으로 인해 수축/팽창의 공석변태가 일어나므로 제품의 파손을 유도하므로 배기계 부품에서 공석변태 온도 상승을 위한 소재의 발명은 필수적이다. 공석변태 온도 상승을 위한 주요 원소는 실리콘(Si)이며, 그 외 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo)과 같은 탄화물원소도 공석변태 온도를 상승시키는데 일부 기여한다. 즉, 본 발명에 따른 내열 구상흑연주철의 제1 조성은 종래기술에 비해서 향상된 공석변태온도 및 낮은 열팽창계수를 가짐을 확인하였다.

[표 3]

표 4는 본 발명에 따른 실시예 1~7 및 비교예 1~6의 내열 구상흑연주철의 조성 및 고온 인장강도를 나타낸다. 즉, 본 발명에 따른 실시예들 및 비교예들의 내열 구상흑연주철은 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 마그네슘(Mg), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 크롬(Cr), 니오븀(Nb) 및 바륨(Ba)을 포함한다. 다만, 크롬(Cr) 및 바륨(Ba)의 함량비를 변화시켰다. 즉, 본 발명에 따른 실시예 1~7에서, 크롬(Cr)의 함량은 약 0.2-0.4wt%이고, 크롬(Cr)과 바륨(Ba)의 함량비(Cr/Ba)는 약 26 내지 약 89 사이이다.

반면에, 비교예 1~3에서와 같이 Ba의 함량이 0.0045보다 작거나 0.0075wt%보다 큰 경우 구상흑연주철의 고온인장 값이 상당히 낮았다.

비교예 4 및 5와 같은 조성의 구상흑연주철은 고온인장 강도가 본 발명에 비하여 상당히 낮았다.

비교예 6는 실시예 1~5에 첨가되는 원소는 동일하나, 바나듐(V)의 함량이 0.4% 이하로 조성범위에서 벗어난 예이다.

비교예 7 및 8과 같이 크롬(Cr)의 함량이 각각 0.13% 및 0.72%로, 실험예의 조성범위에서 벗어난 예이다. 이때, 비교예 7 및 8의 구상흑연주철의 고온인장 강도가 본 발명 대비 상당히 낮았다.

비교예 9 내지 11과 같이 니오븀(Nb)의 함량이 각각 0.12%, 0.52% 및 0.78%로, 실험예의 조성범위에서 벗어난 예이다. 이때, 비교예 9 내지 11의 구상흑연주철의 고온인장 강도가 본 발명 대비 상당히 낮았다.

[표 4]

도 3 및 도 4는 예시적인 실시예들에 따른 내열 구상흑연주철의 미세 조직을 나타내는 이미지들이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 내열 구상흑연주철은 상기 이미지들 내에서 약 50% 이상의 면적을 차지하고 있으며, 백색으로 표시된 페라이트 조직(A)과 상기 이미지들 내에서 약 40% 이하의 면적을 차지하고 있으며, 흑색으로 표시된 펄라이트 조직(B)을 포함한다. 또한, 도 3 및 도 4에서, 상기 페라이트 조직 내에 석출되며, 구상 형태를 갖는 흑연(C)과 상기 펄라이트 조직 내에 석출되며, 밝은 색으로 표시된 탄화물(D)이 관찰되었다. 상기 탄화물은 크롬 탄화물, 바나듐 탄화물 및 니오븀 탄화물로 확인되었으며, 이들 탄화물에 의해서, 상기 내열 구상흑연 주철의 고온 물성이 향상됨을 확인하였다.

도 5는 예시적인 실시예들 및 비교예들에 따른 내열 구상흑연주철의 800℃에서의 고온인장강도를 나타낸 것이다. 도 5 및 표 4를 참조하면, 크롬(Cr)의 함량은 약 0.2-0.4wt%이고, 크롬(Cr)과 바륨(Ba)의 함량비(Cr/Ba)는 약 26 내지 약 89 사이인 경우, 상기 내열 구상흑연주철은 약 800℃에서 약 59MPa 이상의 높은 고온인장강도를 가질 수 있다. 반면에, 비교예 1 내지 3에 따른 내열 구상흑연주철은 약 800℃에서 약 49MPa 이하의 고온인장강도를 가질 수 있다. 특히, 크롬(Cr)과 바륨(Ba)의 함량비(Cr/Ba)가 약 89를 초과하는 경우, 크롬 탄화물이 적정함량 이상으로 증가하여, 상온에서의 취성 및 가공성 저하 등의 문제가 발생하고, 접종능이 저하될 수 있다. 결과적으로, 상기 내열 구상흑연주철의 제2 조성의 크롬(Cr)과 바륨(Ba) 함량을 조절하여, 고온인장강도를 20% 이상 향상시킬 수 있다.

도 6은 예시적인 실시예들에 따른 내열 구상흑연주철을 포함하는 엔진 배기계를 나타낸 것이다.

엔진 배기계용 부품은 엔진의 각 기통별 연소실의 배기포트(도시되지 않음)에 개별적으로 연결된 배기 매니폴드(410), 배기 매니폴드(410)의 후미에 결합되는 프론트 파이프(420) 및 프론트 파이프(420) 외주에 설치되어 배기시 발생하는 충격파에 의한 진동을 흡수하는 진동 완충장치(430) 등을 포함할 수 있다.

특히, 배기 매니폴드(410)는 엔진의 연소실에서 배기되는 고온의 배기 가스와 접촉하므로, 우수한 내열 특성을 가질 필요가 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 배기 매니폴드(410)는 앞서 설명한 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 내열 구상흑연주철을 포함할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 내열 구상흑연주철은 탄화물을 형성할 수 있는 바나듐(V), 크롬(Cr) 및 니오븀(Nb) 뿐만 아니라, 추가적으로 바륨(Ba)을 더 포함할 수 있다. 특히, 크롬(Cr)과 바륨(Ba)의 함량비를 조절하여, 상온에서 취성을 유발할 수 있는 크롬 탄화물의 생성을 억제하고, 흑연 핵생성을 촉진하여, 안정적인 물성 및 조직을 갖는 내열 구상흑연주철을 제공할 수 있다. 상기 내열 구상흑연주철은 향상된 고온 인장강도를 가지므로, 고온에서 작동되는 엔진 배기계의 배기 매니폴드에 사용될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 용해로 110: 제1 용탕
120: 제2 용탕 200: 레이들
210: 제1 접종제 220: 제2 접종제
300: 주형 310: 주입부
315: 탕류 320: 주형 본체
330: 주입로 410: 배기 매니폴드
420: 프론트 파이프 430: 진동 완충장치

Claims

전체 중량 대비 3.2-3.4 wt%의 탄소(C), 4.3-4.8 wt%의 실리콘(Si), 0.2-0.3 wt%의 망간(Mn), 0.8-1.0 wt%의 몰리브덴(Mo), 0.5-0.6 wt%의 바나듐(V), 0.2-0.4 wt%의 크롬(Cr), 0.2-0.4 wt%의 니오븀(Nb), 0.0045-0.0075wt%의 바륨(Ba), 불가피한 불순물 및 잔량의 철(Fe)을 포함하고,
상기 크롬(Cr) 및 상기 바륨(Ba)의 함량비(Cr/Ba)가 26 내지 89의 범위인 것을 특징으로 하는 엔진 부품용 내열 구상흑연주철.
제1항에 있어서, 상온 인장강도가 670MPa 이상이고, 고온 인장강도(High Temperature Tensile Strength)가 700℃에서 100 MPa이상이며, 800℃에서 60 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 엔진 부품용 내열 구상흑연주철.
제1항에 있어서, 열팽창계수(coefficient of expansion)가 13.5㎛/mㆍ℃이하이고, 공석변태온도 (eutectoid transformation temperature)가 920 내지 940 ℃인 것을 특징으로 하는 엔진 부품용 내열 구상흑연주철.
제1항에 있어서, 상기 니오븀(Nb)의 함량은 전체 중량 대비 0.3-0.4 wt%인 것을 특징으로 하는 엔진 부품용 내열 구상흑연주철.
제1항에 있어서, 고온 인장강도가 800℃에서 59MPa 내지 70MPa인 것을 특징으로 하는 엔진 부품용 내열 구상흑연주철.
제1항에 있어서, 50% 이상의 페라이트화된 기지조직 및 40% 이하의 펄라이트화된 기지조직으로 구성되고, 상기 페라이트화된 기지조직 내에는 구상 형태를 갖는 흑연이 석출되며 상기 펄라이트화된 기지조직 내에는 탄화물이 석출된 것을 특징으로 하는 엔진 부품용 내열 구상흑연주철.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 내열 구상흑연주철로 구성된 엔진 배기계용 부품소재.
전체 중량 대비 3.2-3.4 wt%의 탄소(C), 4.3-4.8 wt%의 실리콘(Si), 0.2-0.3 wt%의 망간(Mn), 0.8-1.0 wt%의 몰리브덴(Mo), 0.5-0.6 wt%의 바나듐(V), 0.2-0.4 wt%의 크롬(Cr), 0.2-0.4 wt%의 니오븀(Nb), 불가피한 불순물 및 잔량의 철(F)을 포함하는 주철 용탕을 제조하는 단계;
상기 주철 용탕에 바륨(Ba)을 첨가하되, 상기 바륨(Ba)의 첨가량은 전체 중량 대비 0.0045-0.0075wt%이고 상기 크롬(Cr) 및 상기 바륨(Ba)의 함량비(Cr/Ba)가 26 내지 89의 범위가 되도록 조절하여 첨가하는 단계;
상기 주철 용탕을 레이들에 출탕하는 단계; 및
상기 출탕된 주철 용탕을 준비된 주형에 주입하는 단계를 포함하는 내열 구상흑연주철의 제조 방법.
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제8항에 있어서, 상기 주철 용탕을 제조하는 단계는,
전체 중량 대비 3.2-3.4 wt%의 탄소(C), 4.3-4.8 wt%의 실리콘(Si), 0.2-0.3 wt%의 망간(Mn), 불가피한 불순물 및 잔량의 철을 포함하는 주철 원탕을 제조하는 단계; 및
상기 주철 원탕에 0.8-1.0 wt%의 몰리브덴(Mo), 0.4-0.6 wt%의 바나듐(V), 0.2-0.4 wt%의 크롬(Cr) 및 0.2-0.4 wt%의 니오븀(Nb)을 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내열 구상흑연주철의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 주철 용탕을 상기 레이들에 출탕하는 단계는 상기 주철 용탕에 제1 접종제를 첨가하는 단계를 포함하고,
상기 출탕된 주철 용탕을 상기 준비된 주형에 주입하는 단계는 상기 주철 용탕에 제2 접종제를 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내열 구상흑연주철의 제조 방법.
제8항에 있어서, 상기 주철 용탕을 제조하는 단계는,
예비 용탕을 제조하는 단계;
상기 예비 용탕의 성분을 열분석기 또는 스펙트로미터 성분측정기로 분석하는 단계; 및
상기 예비 용탕에 부족한 성분을 추가적으로 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내열 구상흑연주철의 제조 방법.