KR102223539B1

KR102223539B1 - 구상 흑연 주철

Info

Publication number: KR102223539B1
Application number: KR1020157036535A
Authority: KR
Inventors: 카즈시게 미토; 나오토 사이토
Original assignee: 가부시끼가이샤 리켄
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2021-03-08
Also published as: JP5655115B1; JP2015010255A; CN105283571A; EP3015560A4; CN105283571B; WO2014208240A1; KR20160025518A; US9822433B2; EP3015560B1; US20160160325A1; EP3015560A1

Abstract

강도와 연성이 모두 높은 구상 흑연 주철을 제공한다. 질량%로 C:3.3~4.0%, Si:2.1~2.7%, Mn:0.20~0.50%, S:0.005~0.030%, Cu:0.20~0.50%, Mg:0.03~0.06%를 함유하고 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 인장 강도가 550MPa 이상, 신장이 12% 이상인 구상 흑연 주철이다.

Description

구상 흑연 주철{SPHEROIDAL GRAPHITE CAST IRON}

본 발명은 구상 흑연 주철에 관한 것으로, 특히 자동차 바퀴 부분의 부품과 엔진 부품에 알맞게 적용되는 구상 흑연 주철에 관한 것이다.

자동차 등의 연비 향상을 위하여, 차량용 부품의 경량화가 더욱 요구되고 있다. 차량용 부품의 경량화를 위한 방법으로서, 종래부터 사용되고 있던 구상 흑연 주철을, 비중이 작은 알루미늄 합금과 마그네슘 합금 등의 가벼운 합금으로 바꾸는 것을 들 수 있다. 그러나 가벼운 합금의 영률은 구상 흑연 주철보다 낮기 때문에, 자동차 바퀴 부분의 부품과 엔진 부품 등에 가벼운 합금을 적용할 경우에는 강성을 확보하기 위해서 단면적을 크게 할 필요가 있고, 비중에 따른 경량화를 얻기는 어렵다. 또 가벼운 합금은 구상 흑연 주철보다 재료 원가가 높으므로 가벼운 합금의 적용은 한정되어 있다.

한편, 금속판을 판금 가공하여 차량용 부품을 제조하는 것으로, 박막화와 경량화를 도모하는 방법이 있다. 그러나 판금 가공은 재료의 가공성, 성형성 등의 제한이 있어서 형상 자유도가 작고 복잡한 형상의 경우는 일체 성형이 어려워진다. 이 때문에 차량용 부품을 복수의 부재로 나눠서 각 부재를 판금 가공한 뒤 부재들을 접합할 필요가 있으며, 접합부의 강도 저하, 부품 개수의 증가, 제조 원가 상승이 발생하는 문제가 있다.

그런데 이전부터 자동차 바퀴 부분의 부품에 이용하는 구상 흑연 주철로서, 인장 강도가 400~450MPa의 FCD400재와 FCD450재(JIS G 5502에 준거) 등이 다수 사용되고 있다. 그리고 구상 흑연 주철을 이용하여 부품의 경량화를 도모하는 방법으로서 FCD400재와 FCD450재보다 강도가 높은 FCD500재와 FCD600재(JIS G 5502에 준거) 등을 이용하여, 부품의 단면적을 줄이는 것을 들 수 있다(특허 문헌 1).

일본특허공개공보 특개평4-308018호

그러나 상술한 FCD500재와 FCD600재는 인장 강도는 높아지나 신장(伸張) 및 충격 값이 현저히 저하되고 취약해지기 때문에, 차량 충돌 시 부품의 파단을 억제하기 위한 신장 및 충격 값이 충분하다고는 할 수 없다. 특히, 재료가 약하게 되면, 소성 변형을 동반하지 않은 돌발적 파괴인 취성 파괴를 일으키기 쉽게 된다. 그리고 자동차 바퀴 부분의 부품과 엔진 부품은 단시간에 큰 부하가 생기는 것과 같은 충격 하중이 작용한 경우에도 파단(분리)하지 않는 것이 필요하고, 취성 파괴되기 어렵고 강도, 연성(延性), 인성(靭性)을 가진 재료가 요망된다.

자동차 바퀴 부분의 부품에 일반적으로 요구되는 기계적 성질은 예를 들면 FCD450재의 경우 신장(伸張) 10% 이상, 상온에서의 충격 값(U형 노치로 평가)는 10J/㎠ 이상, 취성 파면률(破面率)은 50%이하이다.

본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 강도와 연성이 모두 높은 구상 흑연 주철을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 구상 흑연 주철은, 질량%로 C:3.3~4.0%, Si:2.1~2.7%, Mn:0.20~0.50%, S:0.005~0.030%, Cu:0.20~0.50%, Mg:0.03~0.06%를 함유하고 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 인장 강도가 550MPa 이상, 신장(伸張)이 12% 이상이다.

질량%로, Mn과 Cu를 합해 0.45~0.60% 함유하는 것이 바람직하다.

질량%로 Si의 함유량과 Mn과 Cu의 합계 함유량의 비(Si/(Mn+Cu)가 4.0~5.5인 것이 바람직하다.

흑연 입자의 수가 300개/㎟ 이상, 또 흑연의 평균 입경이 20㎛ 이하인 것이 바람직하다.

상온 및 -30℃의 충격 값이 10J/㎠ 이상인 것이 바람직하다.

0℃의 충격 파단 면의 취성 파면률이 50% 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에 의해, 강도와 연성이 모두 높은 구상 흑연 주철을 얻을 수 있다.

도 1은 실시 예를 작성하기 위한 캐비티 형상의 베타 세트 주형을 나타내는 상면도이다.
도 2는 실시 예 1의 시험 편 단면의 조직 사진을 나타내는 도면이다.
도 3은 실시 예 2의 시험 편 단면의 조직 사진을 나타내는 도면이다.
도 4는 비교 예 1의 시험 편 단면의 조직 사진을 나타내는 도면이다.
도 5는 비교 예 2의 시험 편의 단면의 조직 사진을 나타내는 도면이다.
도 6은 실시 예 1의 충격 시험(RT:실온) 후의 시험 편의 파면(破面) 사진을 나타내는 도면이다.
도 7은 실시 예 2의 충격 시험(RT:실온) 후의 시험 편의 파면(破面) 사진을 나타내는 도면이다.
도 8은 비교 예 1의 충격 시험(RT:실온) 후의 시험 편의 파면(破面) 사진을 나타내는 도면이다.
도 9는 비교 예 2의 충격 시험(RT:실온) 후의 시험 편의 파면(破面) 사진을 나타내는 도면이다.
도 10은 각 실시 예(본 발명재)및 비교 예의 인장 강도와 신장의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 각 실시 예(본 발명재)및 비교 예의 충격 값과 온도의 관계를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다. 또 본 발명에서 %는 특별히 언급이 없는 한 질량%를 나타낸다.

본 발명의 실시 형태에 관한 구상 흑연 주철은 질량%로 C:3.3~4.0%, Si:2.1~2.7%, Mn:0.20~0.50%, P:0.05% 이하, S:0.005~0.030%, Cr:0.1% 이하, Cu:0.20~0.50%, Mg:0.03~0.06%를 함유하고 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 인장 강도가 550MPa 이상, 신장이 12% 이상이다.

<조성>

C(탄소)는 흑연 조직이 되는 원소이다. C의 함량이 3.3% 미만이면 흑연 입자 수가 감소하고 퍼얼라이트(pearlite)가 많아지면서 강도는 향상되지만, 신장 및 충격 값이 저하한다. C 함유량이 4.0%를 넘으면 흑연 입경이 커져서 폭발상(爆發狀) 흑연이 되어 구상화 비율이 낮아지고 신장 및 충격 값이 저하한다. 따라서, C 함유량은 3.3~4.0%로 한다.

Si는 흑연의 결정을 촉진시키는 원소이다. Si의 함유량이 2.1% 미만의 경우 신장은 커지지만 강도가 저하될 수 있다. Si의 함유량이 2.7%를 넘으면 실리콘 페라이트의 영향으로 충격 값이 저하할 수 있다. 그래서, Si의 함유량은 2.1~2.7%로 하는 것이 바람직하며 기지 조직에 최적인 양을 고용하도록 Si의 함유량을 2.1~2.4%로 하는 것이 더 바람직하다. Si의 함유량을 2.7% 이하로 하면 기지 조직에 대한 Si의 고용량도 감소하고 저온에서의 취화가 경감되고, 충격 흡수 에너지가 커질 것으로 생각된다.

Mn은 퍼얼라이트 조직의 안정화 원소이다. Mn의 함유량이 0.20% 미만인 경우 강도가 저하한다. Mn의 함유량이 0.5%를 넘으면 퍼얼라이트가 많아지면서 신장 및 충격 값이 저하한다. 따라서, Mn의 함유량은 0.20~0.5%로 한다.

S의 함유량이 0.005% 미만이면, 흑연 입자의 수가 300개/㎟ 미만으로 감소하고 퍼얼라이트가 많아지면서 신장 및 충격 값이 저하한다. S의 함유량이 0.030%를 넘으면 흑연화를 저해하는 동시에 흑연의 구상화 비율이 떨어지므로 신장 및 충격 값이 떨어진다. 따라서, S의 함유량을 0.005~0.030%로 한다.

Cu는 퍼얼라이트 조직의 안정화 원소이고, Cu 함유량이 높아지면 기지 조직의 퍼얼라이트 비율이 높아지고, 강도는 높아진다. Cu의 함유량이 0.2% 미만에서는 강도가 저하한다. 한편, Cu의 함유량이 0.5%를 넘으면 퍼얼라이트가 지나치게 많아지고 신장 및 충격 값이 떨어진다. 따라서, Cu의 함유량은 0.2~0.5%로 한다.

Mg는 흑연의 구상화에 영향을 주는 원소이며, 잔류 Mg 양이 흑연의 구상화를 판단하는 지표가 된다. Mg의 잔류량이 0.03% 미만이면 흑연 구상화 비율이 저하하고 강도 및 신장이 저하한다. 잔류 Mg 양이 0.06%를 넘으면 탄화물(칠조직)이 석출하기 쉬워지고 신장 및 충격 값이 크게 낮아진다. 따라서, Mg의 함유량은 0.03~0.06%로 한다.

Mn과 Cu를 합해서 0.45~0.60% 함유하는 것이 바람직하다. Mn 및 Cu의 함유량이 0.45% 미만이면 인장 강도가 충분히 향상되지 않고, 0.60%를 넘으면 충격 값이 저하하고 필요한 기계적 성질을 얻을 수 없다.

Si의 함유량과, Mn과 Cu의 합계 함유량의 비(Si/(Mn+Cu)를 4.0~5.5로 함으로써 강도와 신장을 골고루 향상하고 Mn과 Cu의 첨가량을 최소화할 수 있다. 상기 비율이 4.0 미만인 경우, 신장, 충격 값이 현저히 저하한다. 또 상기 비율이 5.5를 넘으면, 인장 강도가 저하될 수 있다.

구상 흑연 주철 중에 Mn과 Cu를 일정량 함유시킴으로써, 기지 조직의 퍼얼라이트를 증가시켜 인장 강도를 높일 필요가 있다. 그러나 Mn과 Cu를 다량 함유시키면 퍼얼라이트가 과잉이 되어 신장과 충격 값이 크게 저하된다. 한편, 기지 조직의 페라이트를 증가시킴으로써 신장과 충격 값을 유지할 수 있다. 그리고 페라이트화한 기지 조직에 Si를 고용하면, 인장 강도를 높일 수 있다. 단, Si를 과잉 고용시키면 충격 값이 저하한다.

이런 점에서 기지 조직의 퍼얼라이트와 페라이트의 비율을 특정 범위로 균형있게 되도록 상기 비(Si/(Mn+Cu)를 규정함으로써, 인장 강도를 높이고, 또한 신장과 충격 값을 향상시킬 수 있다.

또 기지 조직의 퍼얼라이트 면적률(퍼얼라이트률)은, 주철 단면의 금속 조직 사진으로부터 영상 처리에 의해, (1) 흑연을 제외한 조직을 추출하고, (2) 흑연 및 페라이트를 제외하고, 퍼얼라이트 조직을 추출하여, (퍼얼라이트의 면적)/(퍼얼라이트+페라이트의 면적)으로 산출했다.

퍼얼라이트률은 30~55%인 것이 바람직하다.

불가피한 불순물로는 P, Cr을 들 수 있다. P의 함량이 0.05%를 넘으면 스테다이트가 과잉으로 생기는 영향으로 충격 값 및 신장이 저하한다. Cr 함량이 0.1%를 넘으면 탄화물이 석출하기 쉬워져 충격 값 및 신장이 저하한다.

구상 흑연 주철의 흑연 입자 수가 300개/㎟ 이상, 그리고 흑연의 평균 입경이 20㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 기지 조직의 퍼얼라이트와 페라이트 비율을 특정 범위에 균형을 맞출 때, 페라이트화를 위해서 실리콘 등의 흑연화 원소를 첨가하면, 흑연의 입자 수는 증가하고 흑연 입경은 작아진다. 그래서, 흑연 입자 수가 300개/㎟ 이상, 그리고 흑연의 평균 입경이 20㎛ 이하이면, 미소한 흑연이 많이 분포하고 충격 값 특성이 향상된다. 한편, 조대(粗大)한 흑연이 조직에 존재하면, 내부 결절 효과가 크고 균열 길이도 길게 합체하기 쉬워지기 때문에, 파단되기 쉬워진다. 또 흑연 입자 수가 300개/㎟ 이상, 그리고 흑연의 평균 입경이 20㎛ 이하가 되는 조건으로는, C의 용해도를 증가시키는 원소의 첨가(Mn과 Cr)를 줄이거나 냉각 속도를 높히는 것을 들 수 있다.

본 발명의 구상 흑연 주철은, 주조하고 가공하지 않은 상태에서 인장 강도가 550MPa 이상, 신장이 12% 이상, 상온 및 -30℃의 충격 값이 10J/㎠ 이상, 0℃의 충격 파단 면의 취성 파면률이 50% 이하가 된다.

그러므로 본 발명의 구상 흑연 주철은 보다 강인성이 요구되는, 예를 들면 스티어링 너클, 하부 암, 상부 암, 서스펜션 등의 바퀴 주변 부품이나 실린더 헤드, 크랭크 샤프트, 피스톤 등의 엔진 부품에 적용이 가능하다.

본 발명의 구상 흑연 주철을 제조하는 경우, 주조 시에 Ca, Ba, Al, S 및 RE로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 2종 이상을 포함한 Fe-Si 합금(페로 실리콘)등의 접종제를 첨가하는 것이 좋다. 접종 방법은 제품 형상이나 제품 두께 등에 따라 취과 접종과 주탕류 접종, 주형 내 접종을 선택할 수 있다.

주조 시에 La, Ce 및 Nd로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 RE을 첨가하면, 흑연 입자 수가 증가하므로 바람직하다.

접종제로서 RE와 S를 첨가하는 경우는 (RE/S)의 배합비(질량비)가 2.0~4.0이어야 한다. S는 S 단독이나 Fe-S의 형태 중 어느 것으로 첨가해도 좋다.

또, 흑연 입자 수를 늘리는 방법으로서, 란타노이드의 황화물을 흑연의 핵으로 하여 생성시키는 것이 알려져 있으나, 용탕 중에 있는 S만으로는 핵 생성이 불충분하다. 또 특허 문헌 1에 기재되어 있는 것처럼 흑연 구화(球化)) 처리 직전에 황화물을 첨가하면 황화물이 과잉으로 첨가된 경우에는 구화 불량의 원인이 된다. 이런 점에서 구상화 처리 반응 후에 접종 재료를 첨가하는 것이 좋다.

실시 예

고주파 전기로를 이용하여 Fe-Si계 용탕을 용해하고, 여기에 구상화 처리제(Fe-Si-Mg)을 첨가하여 구상화 처리를 하고, 이어서 접종제로 Ba, S, RE을 포함한 Fe-Si합금(Si:70~75%)에 대해 (RE/S)의 배합비가 2.0~4.0이 되도록 Fe-S을 가해, 이들 접종제의 합계가 용탕 전체에 대해 약 0.2질량%가 되도록 조정하고, 표 1에 나타낸 조성으로 하였다.

이 용탕을 도 1에 나타낸 캐비티 형상의 베타 세트 주형(10)에 붓고, 상온까지 주형 내 냉각한 뒤, 주형으로부터 주조품을 꺼냈다. 베타 세트 주형(10) 캐비티 형상은, 차량용 부품의 스티어링 너클의 두께를 상정하고, 단면 지름이 25mm 정도의 원형 봉(3)을 복수 설치한 형상으로 되어 있다. 도 1의 부호 1은 탕구((湯口)를 나타내며, 부호 2는 압탕(押湯)을 나타낸다.

또 비교 예 1,2는 각각 JIS G 5502에 준거한 FCD400재, FCD550재이다.

얻어진 주조품에 대해서 다음의 평가를 했다.

흑연 입자 수 및 흑연의 평균 입경: 광학 현미경의 배율을 100배로 하여 관찰 부위를 화상으로 캡처한 뒤, 화상 해석 시스템에 의한 2치화를 하고 매트릭스보다 어두운 부분(흑연에 상당)의 개수 및 평균 입경의 측정을 했다. 측정 결과는 5군데의 관찰 부위에 대해서 평균치로 하였다. 또 대상으로 하는 흑연의 측정 조건은 평균 입경 10㎛ 이상으로 하였다. 또 평균 입경은 원에 상당하는 지름이다.

구상화 율은 JIS G 5502에 준거한 방법으로 측정했다.

도 2~도 5는 각각 실시 예 1, 실시 예 2, 비교 예 1, 비교 예 2의 시험 편의 단면의 조직 사진을 나타낸다.

인장 강도와 파단 신장: 주조품의 원형 봉(3)을 절단하여, 선반 가공에 의해 JIS Z 2241에 준거한 인장 시험 편을 제작하고, 암슬러 만능 시험기(1000kN)을 이용하여 JIS Z 2241에 준거하여 인장 시험을 행하고, 인장 강도와 파단 신장을 측정했다.

충격 값과 취성 파면률: 주조품의 원형 봉(3)으로부터 JIS Z 2241에 준거한 U노치 충격 시험 편을 제작하고 샤르피 충격 시험기(50J)를 이용하여 충격 시험을 행하여, 충격 값을 측정했다. 또, 충격 시험 후, 시험 편의 파면(破面)을 마이크로스코프에서 화상으로 캡처한 뒤, 면적 계산 소프트웨어를 이용하여 취성 부분(금속광택이 있는 부분)의 면적 비율을 측정하고, 취성 파면률을 구했다.

도 6~도 9는 각각 실시 예 1, 실시 예 2, 비교 예 1, 비교 예 2의 충격 시험(RT:실온) 후의 시험 편의 파면 사진을 나타낸다. 파면에서 금속광택을 띤 흰 부분이 취성 파면이다. 단, 파면의 상부의 흰 부분은 U노치부이므로, U노치부를 제외한다.

[표 1]

[표 2]

표 1, 표 2에서 밝혀진 것처럼, Mn과 Cu를 합해 0.45~0.60% 함유하고, 또 비(Si/(Mn+Cu)가 4.0~5.5인 각 실시 예의 경우, 인장 강도가 550MPa 이상, 신장이 12% 이상이 되어 강도와 연성이 모두 향상됐다. 또 각 실시 예의 경우 흑연 입자 수가 300개/㎟ 이상이고 또한 흑연의 평균 입경이 20㎛ 이하이며, 상온 및 -30℃의 충격 값이 10J/㎠ 이상, 0℃의 충격 파단 면의 취성 파면률이 50% 이하가 되어 인성도 향상됐다.

한편, Mn과 Cu의 합계 함유량이 0.45% 미만이고, 비(Si/(Mn+Cu)가 5.5를 넘은 비교 예 1의 경우 강도가 저하했다.

Mn과 Cu의 합계 함유량이 0.60%를 넘고, 비(Si/(Mn+Cu)가 4.0 미만인 비교 예 2의 경우 연성이 떨어졌다.

도 10은 각 실시 예(본 발명재) 및 비교 예의 인장 강도와 신장의 관계를 나타낸다. 비교 예 1은 신장이 20% 이상으로 높지만 강도에 대한 신장의 감수성이 높아(강도 증가로 인한 신장의 저하가 커서), 근소한 강도 증가로 신장이 급격히 떨어져서 재료의 안정성에 떨어진다. 한편, 각 실시 예의 경우 강도에 대한 신장의 감수성은 낮아 안정되어 있다.

도 11은 각 실시 예(본 발명재) 및 비교 예의 충격 값과 온도의 관계를 나타낸다. 비교 예 2는 저온(-30℃)에서의 충격 값이 10J/㎠ 미만이었다.

1: 탕구(湯口)
2: 압탕(押湯)
3: 원형 봉
10: 베타 세트 주형

Claims

질량%로 C:3.3~4.0%, Si:2.1~2.7%, Mn:0.20~0.50%, S:0.005~0.030%, Cu:0.20~0.50%, Mg:0.03~0.06%를 함유하고 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고,
Mn과 Cu를 합해 0.45~0.60% 함유하며,
Si의 함유량과 Mn과 Cu의 합계 함유량의 비(Si/(Mn+Cu))가 4.0~5.5이고,
인장 강도가 550MPa 이상, 신장이 12% 이상, 상온 및 -30℃의 충격 값이 10J/㎠ 이상인 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
흑연 입자의 수가 300개/㎟ 이상, 또 흑연의 평균 입경이 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철.
삭제
제1항 또는 제4항에 있어서,
0℃의 충격 파단 면의 취성 파면률이 50% 이하인 것을 특징으로 하는 구상 흑연 주철.