KR102286542B1 - 고강도 및 고인성을 갖는 페라이트계 주철합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도 및 고인성을 갖는 페라이트계 주철합금에 관한 것으로 항복강도와 신장율을 증대시킨 실리콘 고용강화형으로 제조하기 위해, Si 3.0 ~ 4.0 중량%, C 1.0 ~ 2.0 중량%, Mn 0.5 중량 %이하, P 0.05 중량 % 이하, 불가피한 불순물과 잔부인 Fe를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고강도 및 고인성을 갖는 페라이트계 주철합금{Ferritic cast iron alloys with high strength and toughness}

본 발명은 고강도 및 고인성을 갖는 페라이트계 주철합금에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 항복강도와 신장율을 증대시킨 실리콘 고용강화형의 고강도 및 고인성을 갖는 페라이트계 주철합금에 관한 것이다.

일반적으로 페라이트계 구상흑연 주철은 구형화 흑연(탄소), 규소 및 철을 함유하고 페라이트 조직을 가지는 주철로서, 가공성, 내열성 및 내산화성이 우수하고, 또한 비교적 저가의 금속 재료인 것 중에서 각종 산업분야의 내열 재료로서 널리 이용되고 있다.

보다 구체적으로는 예를 들면 자동차 엔진의 배기 다기관, 터보차저 등의 배기계 부품은 비교적 고온의 배기가스에 폭로되고 또한 가열 및 냉각이 반복되는 것 에서 우수한 내열성이 요구된다. 따라서 이들 자동차의 배기계 부품으로서 페라이트계 구상흑연 주철을 이용하는 것이 널리 알려져 있다.

또한, 페라이트계 구상흑연 주철은 일반적으로 규소를 4.0∼4.5 질량％ 정도 함유하고 있지만, 규소의 함유량을 증가시킴으로써 내열성이 향상되는 것도 알려져 있다.

한편, 주조 가능한 철계의 덕타일 합금(또는 연성 합금, ductile alloy)의 생산에서는 최종 제품에 향상된 내열 강도를 가져오는 철계의 합금 사용이 필요한 최종 제품의 몇개의 용도가 있다. 이러한 최종 제품은 폭넓은 용도로 이용되어 이들 용도의 하나에 배기 측(hot-side)의 엔진 부품이 있다. 이러한 부품의 전형이 자동차 산업 및 트럭(트랙) 산업으로 이용되는 터보차저, 센터 하우징, 백 플레이트, 에기조스트마니포르드 및 인테그레이티드타보마니포르드(integrated turbo manifold)이다. 자동차 산업의 다른 부품과 동일하게 이러한 제품의 시장은 매우 크고 생산될 필요성이 상당히 크다.

상기한 엔진 부품 중에서도 엔진 마운트 브라켓은 특히 엔진을 차체에 고정하기 위한 구조 부품인 동시에 엔진의 소음 및 진동이 차체로 전달되는 주된 전달 경로로서 엔진마운트 브라켓의 치수정밀도, 내부 결함, 기계적 특성 및 동작 특성 등에 따라 차체 안정성 및 소음성에 지대한 영향을 미치는 핵심 엔진 구조 부품이다.

이전 초기에는 상용차 및 승용차에 사용되는 엔진 마운트 브라켓은 주강 재질을 이용하여 단조가공 및 용접을 통하여 제작했으나, 대형차의 경우 진동 및 충격으로 인한 크랙 발생이 잦고, 소형차의 경우 경량화 및 엔진 소음, 진동 발생 등의 문제로 인하여 알루미늄 재질로 변화하였다.

이와 같은 자동차 부품들이 경량화를 위해 알루미늄 소재로 재질이 대체되었으나 내구성, 비용 등의 문제로 인해 주조품으로 전환되고 검토하고 있는 바 알루미늄 재질에 대응할 경량화를 위한 합급배합기술 및 공정개선을 통해 고강도 및 고인성을 갖는 주조품의 개발이 대두되고 있는 실정이다.

또한, 자동차에 대한 터보차져(turbu charger)화 및 DOHC(Dobule Over Head Cam) 등으로 인하여 엔진출력이 증대되면서 고강도, 우수한 내마모성 및 높은 충격강도를 나타내는 구상흑연주철 재질의 자동차 부품 대체에 대한 관심이 증가하고 있고, 자동차 소비자의 요구품질수준이 기능성 및 내구성에 만족되지 않고 차체 안전성이나 안락성의 중요성이 비약적으로 급증하고 있으며 제조물책임법 등 제조사의 제조품질에 대한 책임이 가중됨에 따라 구조적 기능과 안락성이 부각되고 있으며, 향후 연비나 환경적 요인으로 경량화를 위한 특수재질의 기술 확보가 시급한 실정이다.

일본특허공보 특허 제4904357호(2012.01.13 등록) 한국공개특허공보 10-2010-0094856호(2010.08.27 공개) 한국공개특허공보 10-2008-0068291호(20008.07.23 공개)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 항복강도와 신장율을 증대시킨 실리콘 고용강화형의 고강도 및 고인성을 갖는 페라이트계 주철합금에 주안점을 두고 그 기술적 과제로서 완성한 것이다.

위 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, Si 3.0 ~ 4.0 중량%, C 1.0 ~ 2.0 중량%, Mn 0.5 중량 %, P 0.05 중량 %, 불가피한 불순물과 잔부인 Fe를 포함하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 주철합금을 제공한다.

이때, 상기 페라이트계 주철합금은 항복강도가 실온으로 420 ~ 450 MPa 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 페라이트계 주철합금은 신장율이 실온에 있어서 10 ~ 18%인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 페라이트계 주철합금은 실리콘 고용강화형인 것을 특징으로 한다.

상기한 본 발명에 의하면 페라이트 주철합금을 형성함에 있어 규소(Si) 3.0 ~ 4.0 중량%, 탄소(C) 1.0 ~ 2.0 중량%, 망간(Mn) 0.5 중량 %, 인(P) 0.05 중량 %, 불가피한 불순물과 잔부인 Fe를 포함하여 페라이트계 주철합금을 형성함으로써 항복강도와 신장율을 증대시킴과 아울러, 고강도 및 고인성의 성질이 부여되도록 하는 등의 효과가 있다.

도 1은 주철의 조직도,
도 2는 주철 재질별 기계적 성질,

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명은 항복강도와 신장율을 증대시킨 실리콘 고용강화형의 고강도 및 고인성을 갖는 페라이트계 주철합금에 관한 것으로서 규소(Si), 탄소(C), 망간(Mn), 인(P) 및 철(Fe)을 포함하여 이루어진다.

본 발명의 페라이트계 주철합금을 제조하기 위해 사용되는 주철(Cast iron)은 2.0％ 이상의 탄소를 함유하는 철의 합금으로, 강에 비해 탄소함유량이 높기 때문에 융점이 현저하게 낮고 유동성이 좋다. 또한 응고 시에 흑현이 정출하기 때문에 체적팽창이 일어나서, 응고수축이 적고 주조하기 쉬운 재료이다.

또한, 흑연의 존재와 Si이 많기 때문에 진동흡수능, 절삭성, 내마모성, 열전도성, 내식성, 내산화성 등의 공업으로 우수한 특성을 지니고 있다.

페라이트(ferrite)는 900℃ 이하에서 안정한 체심입방결정(體心立方結晶)의 철에 합금원소 또는 불순물이 녹아서 된 고용체(固溶體)이다. 철강의 금속조직학상의 용어로서, α철을 바탕으로 한 고용체이므로, 외관은 순철과 같으나, 고용된 원소의 이름을 붙여 실리콘 페라이트 또는 규소철이라고도 한다.

또한, 페라이트는 α철, α-고용체라고도 불리고 극미량의 탄소를 함유하고 밀도 7.9, 인장강도 200∼400Mpa, 브리넬경도 HB 90∼150 정도의 체심입정의 연질이며, 주철 중에 페라이트는 Si을 고용하여 실리콘-페라이트라고도 불린다.

기존의 구상흑연주철에서 강도를 유지함과 동시에 연성을 향상시킨 합금 중에는 고용강화형 페라이트 구상흑연주철이 있으며, 기존 주철 대비 펄라이트 촉진 합금원소를 배제하고 Si 첨가량을 늘여 페라이트 기지 확보에 따른 연성 향상 및 Fe matrix 내 Si 함량 증가에 따른 고용강화를 꾀한 합금으로, DIN EN 1563에 명시된 EN-GJS-450-18 합금의 경우, 인장강도 450MPa-연신 18% 로서 기존 FCD450에서 나타나는 연신 12% 대비 50%이상 향상된 연신을 보여주고 있다.

한편, 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 알루미늄 합금은 구상 흑연 주철보다 재료 원가가 높으므로 차량용 부품에 적용하는 부분에는 한계가 있다.

이러한 문제점들로 인하여 이전부터 자동차 바퀴 부분과 엔진 부품에는 구상 흑연 주철이 주로 사용되어 왔으며, 인장 강도가 400~450MPa의 FCD400재와 FCD450재(JIS G 5502에 준거) 등이 다수 사용되고 있다.

아래 [표 1]에서는 주철과 타 강종 및 알루미늄 합금과의 특성을 비교한 데이터를 제시한다.

상기한 본 발명의 페라이트계 주철합금은 규소(Si) 3.0 ~ 4.0 중량%, 탄소(C) 1.0 ~ 2.0 중량%, 망간(Mn) 0.5 중량 %, 인(P) 0.05 중량 % , 불가피한 불순물과 잔부인 철(Fe)를 포함하여 이루어진다.

상기 규소(Si)는 Matrix내에 고용되어 경도 및 인장강도를 높이나 충격치는 감소되고, 강 속의 규소(Si)는 선철과 탈산제에서 잔류된다. SiO₂와 같은 화합물을 형성하지 않는 한 페라이트 속에 고용되므로 탄소강의 기계적 성질에는 영향을 미치지 않는다. 그리고 규소(Si)는 강한 탈산제이고 45％ 첨가량까지는 강도를 향상시키지만 2％ 이상 첨가시에는 인성을 저하시키고 소성 가공성을 해치므로 첨가량에 한계가 있다. 또한 템퍼링시 연화저항성을 증대시키는 효과가 있다.

상기 탄소(C)는 주철의 성질을 좌우하는 중요원소로서 강의 기계적 성질에 가장 큰 영향을 주며, 탄소 함량이 증가하면 경도, 강도는 증가하나 신장율, 단면 수축율은 감소된다. 그리고 용접성은 0.20％C 이상인 경우 저하된다. 오스테나이트에 고용하여 ??칭(quenching) 시 마르텐사이트 조직을 형성시키고, 탄소량의 증가와 함께 ??칭 경도를 향상시키지만 ??칭 시 변형유발가능성을 크게 한다. 그리고 Fe, Mo, V 등의 원소와 화합하여 탄화물을 형성하므로 강도와 경도를 향상시킨다.

상기 망간(Mn)은 대부분 강을 만드는 과정에서 용해되나 일부는 황(S)과 결합하여 “MnS” 형태로 존재하여 피삭성, 신장율을 향상시킨다. 이때 신장율을 감소시키지 않고 강도를 증가시키며, 소입성을 향상시킨다. 또한 MnS의 형성으로서 강 속의 S의 양이 감소하므로 결정립계에 형성되는 취약하고 저융점화합물인 FeS의 형성을 억제시킨다. 그리고 망간(Mn)에 의해서 펄라이트가 미세해지고 페라이트를 고용강화 시키므로써 탄소강의 항복강도를 향상시킨다. 또한 ??칭 시 경화 깊이를 증가시키지만 많은 양이 함유되어 있을때는 ??칭 균열이나 변형을 유발시키고, 망간(Mn)은 강의 내산성 및 내산화성을 저해하는 원소이다.

상기 인(P)은 강 속에 균일하게 분포되어 있으면 문제가 없으나, 보통 철(Fe)과 결합하여 Fe3P의 해로운 화합물을 형성한다. 이 화합물은 극히 취약하고 편석되어 있으며 풀림 처리를 하여도 균질화 되지 않고 단조, 압연 등의 가공을 하면 길게 늘어난다. 또한 충격저항을 감소시켜 상온 취성의 원인이 된다. 그리고 Fe3P는 입계에 편석하고 입자조대화를 촉진시키므로 불순물로 간주된다.

본 발명은 위와 같은 성질을 갖는 규소(Si), 탄소(C), 망간(Mn), 인(P), 불가피한 불순물과 잔부인 철(Fe)를 포함하여 이루어지도록 하여 항복강도와 신장율을 증대시킨 실리콘 고용강화형의 고강도 및 고인성을 갖는 페라이트계 주철합금을 형성토록 한 것이다.

본 발명은 고용강화(固溶强化)형 합금을 이루면서 재료의 강도가 높아지고,기존 주철합금에 비하여 우수한 신장율, 항복강도와 기계적 성질은 고용강화재질을 더 넓게 사용하게 만드는 중요한 특성을 갖는다.

본 발명의 페라이트계 주철합금은 항복강도가 실온으로 420 ~ 450 MPa이며, 신장율이 실온에 있어서 10 ~ 18%이다.

본 발명의 페라이트계 주철합금을 제조하기 위한 주물의 주조에 있어서, 주조불량 발생여부를 좌우하는 가장 중요한 요인은 주조방안 설계, 응고과정 중의 현상 제어이다. 실제품에 주조공정을 적용하기 전 주물의 결함을 예측하여 시간과 인력의 낭비를 최소화 시켜주는 해석 프로그램으로 응고해석을 하여 주물의 응고과정 중 열전달 해석을 통한 결함 및 기계적 성질을 예측함으로써 응고시간, 온도구배, 냉각속도 등을 측정하며 cooling curve, nodule 수, pearlite fraction, chill 발생 등을 예측하도록 한다.

또한, 합금 조성별 액상/고상선 예측 및 용탕주입조건/탈사온도를 결정하고, 주조시뮬레이션을 활용한 용탕충진/주조결함 예측 및 브라켓 제품 주조방안을 설계하며, 주조해석으로부터 예측된 결함과 시제품 내 주물결함을 비교분석하여 최적의 주조방안을 도출한다.

본 발명의 페라이트계 주철합금을 사용하여 주조법으로 제조되는 자동차의 엔진을 구성하는 주요 주물 부품인 엔진마운트 브라켓은 상기 페라이트계 주철합금에 사용되는 구상흑연주철은 용탕이 응고할 때 잉고트의 중심부로 갈수록 냉각속도가 느려져서 흑연과 오스테나이트의 정출 공정응고 시간이 증가되고, 또한, 페이딩 현상에 의한 접종효과의 감소로 흑연구상화율의 저하, 흑연입수의 감소, 구상흑연의 조대화, 흑연립 부유 등의 문제가 발생하며, 특히 Hi-Si base이기 때문에 이상 흑연조직의 하나인 chunky 흑연의 제어는 가장 필수적인 사항이 되고 있다.

이러한 용탕 유동성 및 신장율 향상이 가능한 저비용 Hi-Si 구상흑연주철 합금을 개발하기 위해 용탕 내 Si 함량에 따른 용탕 유동성 및 신장율 변화를 확인하고, Ferrite 기지 확보를 위한 고가원소 (예를 들면 Cu) 저감 합금을 설계하며, 열역학 계산 기반 Hi-Si 구상흑연주철 합금원소 성분을 설계하였다.

본 발명의 페라이트계 주철합금의 Si 고용강화를 통해 재료를 강화시키는 방법으로는 결정립 미세화, 고용강화, 석출강화, 가공경화가 있다. 합금화에 의한 고용 강화는 크기가 작은 불순물 용질원자는 전위주변의 응력을 완화하기 위해 전위위쪽에 모이고 전위의 이동도를 감소시켜 고용체 합금의 강도를 증가시키고, 크기가 큰 불순물 용질원자의 경우에도 전위주변의 응력을 완화하기 위해 전위아래쪽에 모이고 역시 전위의 이동도를 감소시켜 고용체 합금의 강도를 증가시킨다.

또한, Si의 치환형 고용강화로 고용체내 불순물원자 주변에 격자왜곡과 응력장을 형성하여 슬립이 일어날 때 응력장이 장애물 역할을 하여 인장강도, 항복강도를 증가시키고, 강도가 증가하면서 신율이 증가하여 고인성 주조품이 되는 것은 Si의 페라이트에 고용되어 실리콘 페라이트화 되어 인성이 증가하는 것이다.

상기 페라이트 구상흑연주철은 기 상술된 바처럼 용탕이 응고할 때 잉고트의 중심부로 갈수록 냉각속도가 느려져서 흑연과 오스테나이트의 정출 공정응고 시간이 증가되고, 페이딩 현상에 의한 접종효과의 감소로 흑연구상화율의 저하, 흑연입수의 감소, 구상흑연의 조대화, 흑연립 부유 등의 문제가 발생하며, 특히 이상 흑연조직의 하나인 chunky 흑연의 제어는 가장 필수적인 사항이 되고 있다. 상기 chunky 흑연은 최종 응고부위인 압탕 밑 부분 혹은 잉고트 후육부의 중심부 부근에 잘 발생되고, 이에 제품의 특성상 박육과 후육부위의 편차가 커 질량효과를 줄 수 있도록 접종하여야 한다.

상술된 바와 같은 본 발명의 고강도 및 고인성을 갖는 페라이트계 주철합금에 의하면 페라이트 주철합금을 형성함에 있어 규소(Si) 3.0 ~ 4.0 중량%, 탄소(C) 1.0 ~ 2.0 중량%, 망간(Mn) 0.5 중량 %, 인(P) 0.05 중량 %, 불가피한 불순물과 잔부인 Fe를 포함하여 페라이트계 주철합금을 형성함으로써 항복강도와 신장율을 증대시킴과 아울러, 고강도 및 고인성의 성질이 부여되도록 하게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은, 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 명확히 하여야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. Si 3.0 ~ 4.0 중량%, C 1.0 ~ 2.0 중량%, Mn 0.5 중량 %, P 0.05 중량 %, 불가피한 불순물과 잔부인 Fe를 포함하며,
   항복강도가 실온으로 420 ~ 450 MPa 이고,
   신장율이 실온에 있어서 10 ~ 18% 이며,
   실리콘 고용강화형이고, P은 강 속에 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 페라이트계 주철합금.
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