KR102388131B1 - 컴팩트 흑연 주철 및 이를 포함하는 엔진 부품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소(C) 3.65 내지 3.8중량%, 규소(Si) 2 내지 2.3중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.6중량%, 인(P) 0.04중량% 이하, 황(S) 0.008 내지 0.02중량%, 구리(Cu) 1.2 내지 1.4중량%, 주석(Sn) 0.07 내지 0.1중량%, 마그네슘(Mg) 0.007 내지 0.018중량% 및 잔량으로 철(Fe)을 포함하는 컴팩트 흑연 주철에 관한 것이다.

Description

컴팩트 흑연 주철 및 이를 포함하는 엔진 부품{COMPACTED GRAPHITE CAST IRON AND ENGINE COMPONENT COMPRISING THE SAME}
본 발명은 엔진 부품(예를 들어, 실린더 블록)을 제조하는데 사용되는 컴팩트 흑연 주철(CGI)에 관한 것이다.
엔진의 연소 시 발생하는 Cox나 NOx와 같은 오염물질의 배출량을 줄이고, 연비를 향상시키기 위해서는 엔진의 폭발 압력을 높이는 것이 필요하다. 이와 같이 엔진의 폭발 압력을 높이기 위해서는 엔진의 실린더 블록과 실린더 헤드가 높은 강도를 가지는 것이 요구된다.
종래에는 실린더 블록, 또는 실린더 헤드 제조 시 인장강도 250~300㎫인 편상 흑연 주철을 적용하였다. 이러한 편상 흑연 주철을 실린더 블록, 또는 실린더 헤드의 제조 시 적용하는 이유는 주조성, 진동감쇠능(비감쇠능), 열전도율 등이 우수하기 때문이다. 그러나 상기 편상 흑연 주철은 강도가 낮아 폭발 압력이 높은 엔진의 실린더 블록에 적용하는 데는 한계가 있었다.
한편, 구상 흑연 주철은 편상 흑연 주철에 비해 강도가 높아 엔진의 실린더 블록이 가져야 하는 강도는 만족하지만, 주조성, 진동감쇠능, 열전도율 등이 낮고 가공성이 떨어져 엔진의 실린더 블록에 적용하는데 한계가 있었다.
이에 따라 최근에는 편상 흑연 주철과 구상 흑연 주철의 중간 정도의 주조성, 진동감쇠능, 열전도율을 가지면서, 편상 흑연 주철에 비해 강도가 높은 컴팩트 흑연 주철(CGI)을 엔진의 실린더 블록, 또는 실린더 헤드에 적용하는 비중이 증가하고 있다.
그러나, 이러한 컴팩트 흑연 주철(CGI)도 편상 흑연 주철에 비해 가공성이 떨어져, 이 역시 엔진의 실린더 블록에 적용하는데 한계가 있었다.
대한민국 공개특허공보 제2012-0009172호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 열전도율, 주조성, 진동감쇠능 및 가공성이 우수하면서 고강도를 가지는 컴팩트 흑연 주철을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 컴팩트 흑연 주철을 포함하는 엔진 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 탄소(C) 3.65 내지 3.8중량%, 규소(Si) 2 내지 2.3중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.6중량%, 인(P) 0.04중량% 이하, 황(S) 0.008 내지 0.02중량%, 구리(Cu) 1.2 내지 1.4중량%, 주석(Sn) 0.07 내지 0.1중량%, 마그네슘(Mg) 0.007 내지 0.018중량% 및 잔량으로 철(Fe)을 포함하고, 절단면 전체 조직에서 흑연 조직이 차지하는 면적비율이 5 내지 15%인 컴팩트 흑연 주철을 제공한다.
상기 컴팩트 흑연 주철에 포함된 황(S)의 함량 대비 마그네슘(Mg)의 함량의 비(Mg/S)는 0.44 내지 2.86일 수 있다.
상기 컴팩트 흑연 주철은 탄소 당량이 4.32 내지 4.57중량%일 수 있다.
상기 컴팩트 흑연 주철은 비감쇠능을 ASTM E756 규격에 의거하여 평가 시 3.3 내지 3.8%일 수 있다.
한편 본 발명은 상기 컴팩트 흑연 주철을 포함하는 엔진 부품을 제공한다.
본 발명의 컴팩트 흑연 주철은 특정 범위의 탄소, 규소, 망간, 인, 황, 구리, 주석 및 마그네슘을 포함하고, 절단면 전체 조직에서 흑연 조직이 차지하는 면적비율이 5 내지 15%이기 때문에 진동감쇠능 및 가공성이 우수하며 고강도를 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 컴팩트 흑연 주철의 제조과정을 나타낸 참고도이다.
도 2는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 참고도이다.
도 3은 본 발명의 실험예 1을 설명하기 위한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실험예 3을 설명하기 위한 참고도이다.
이하, 본 발명을 설명한다.
본 발명의 컴팩트 흑연 주철(이하, '주철'이라는 용어는 컴팩트 흑연 주철을 의미한다)은 탄소, 규소, 망간, 인, 황, 구리, 주석 및 마그네슘을 특정 범위로 포함함에 따라 기지 조직 내 컴팩트 흑연이 연속성을 가지도록 정출되어 주철 가공 시 발생하는 크랙진행이 원활이 이루어지고 열전도율 및 진동감쇠능이 우수하며 고강도를 가지게 되는데, 이에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 컴팩트 흑연 주철은 탄소(C)를 3.65 내지 3.8중량%로 포함한다. 탄소는 컴팩트 흑연(또는 Vermicular 흑연)을 정출시키는 역할을 한다. 이러한 탄소의 함량이 3.65중량% 미만이면 박육부(thin-walled part)에서 칠(chill)화 거동이 관찰될 수 있고, 3.8중량%를 초과하면 컴팩트 흑연이 과도하게 생성되거나 엔진 부품 제조 시 수축 결함 증가, 인장강도 저하, 열분석 오류 등이 발생할 수 있다. 따라서 탄소는 상기 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 컴팩트 흑연 주철은 규소(Si)를 2 내지 2.3중량%로 포함한다. 규소는 컴팩트 흑연(compacted graphite) 정출량을 극대화시키고 주철의 강도를 증가시키는 역할을 한다. 이러한 규소의 함량이 2중량% 미만이면 컴팩트 흑연 정출량이 낮아질 수 있고, 2.3중량%를 초과하면 주철의 강도 및 연성이 저하될 수 있다. 따라서 규소는 상기 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
또한 컴팩트 흑연 정출량은 규소와 탄소의 비율에 따라 달라지기 때문에 컴팩트 흑연 정출량을 최적화하기 위해서는 규소와 탄소의 함량비율을 조절하는 것이 요구된다. 이에 따라 본 발명에서는 규소와 탄소의 함량비율(C/Si)을 1.59 내지 1.9로 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명의 컴팩트 흑연 주철은 망간(Mn)을 0.3 내지 0.6중량%로 포함한다. 망간은 흑연 조직을 미세화하고 펄라이트 생성을 안정화시키는 역할을 한다. 이러한 망간의 함량이 0.3중량% 미만이면 주철의 경도가 저하될 수 있고, 0.6중량%를 초과하면 주철의 취성이 증가할 수 있다. 따라서 망간은 상기 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 컴팩트 흑연 주철은 인(P)을 0.04중량% 이하로 포함한다. 인은 주철의 제조과정에서 자연적으로 첨가되는 불순물의 일종이다. 이러한 인은 펄라이트를 안정화시키는 역할을 하지만, 그 함량이 0.04중량%를 초과하면 주철의 취성이 급격히 증가할 수 있다. 따라서 인은 0.04중량% 이하, 구체적으로는 0.001 내지 0.04중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 컴팩트 흑연 주철은 황(S)을 0.008 내지 0.02중량%로 포함한다. 황은 주철 용탕에 포함되어 있는 미량 원소와 반응하여 흑연의 핵 생성처인 황화물을 형성하는 역할을 한다. 또한, 망간과 반응하여 황화망간(MnS)을 형성하여 주철의 가공성을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 황의 함량이 0.008중량% 미만이면 흑연의 구상화율이 증가되어 가공성이 저하될 수 있고, 0.02중량%를 초과하면 구상 흑연이 편상 흑연으로 변화되어 주철의 가공성이 저하될 수 있다. 따라서 황은 상기 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 컴팩트 흑연 주철은 구리(Cu)를 1.2 내지 1.4중량%로 포함한다. 구리는 펄라이트 생성을 촉진하고 미세화시켜 주철의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 이러한 구리의 함량이 1.2중량% 미만이면 주철의 강도가 저하될 수 있으며, 1.4중량%를 초과하면 그 초과량에 따른 효과가 크지 않다. 따라서 구리는 상기 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 컴팩트 흑연 주철은 주석(Sn)을 0.07 내지 0.1중량%로 포함한다. 주석은 구리와 마찬가지로 펄라이트 생성을 촉진시켜 주철의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 이러한 주석의 함량이 0.07중량% 미만이면 주철의 강도가 저하될 수 있고, 0.1중량%를 초과하면 주철의 취성이 급격히 증가할 수 있다. 따라서 주석은 상기 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 컴팩트 흑연 주철은 마그네슘(Mg)을 0.007 내지 0.018중량%로 포함한다. 마그네슘은 흑연을 구상화(nodularity)시킴과 동시에 콤팩트 흑연(compacted graphite)의 핵생성 및 성장을 촉진시키는 역할을 한다. 이러한 마그네슘의 함량이 0.007 중량% 미만이면 편상 흑연의 생성이 증가되어 주철의 강도가 저하될 수 있으며, 0.018중량%를 초과하면 구상 흑연이 과도하게 형성되어 주철의 수축 불량을 야기하거나 가공성 및 진동감쇠능 등이 저하될 수 있다. 따라서 마그네슘은 상기 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 컴팩트 흑연 주철은 상기 성분들 이외에 잔량으로 철(Fe)을 포함한다. 이러한 철은 주철의 주재료이다.
이와 같은 본 발명의 컴팩트 흑연 주철은 절단면 전체 조직에서 흑연 조직이 차지하는 면적비율이 5 내지 15%임에 따라 주철의 강도를 높일 수 있고, 이를 이용하여 엔진 부품 제조 시 우수한 가공성을 나타낼 수 있다. 구체적으로 본 발명의 컴팩트 흑연 주철을 임의의 지점에서 수직으로 절단한 후 절단된 단면(절단면)을 이미지 분석기로 분석할 경우, 절단면에서 흑연 조직이 차지하는 면적은 절단면 전체 면적의 5 내지 15%인 것이다. 또한 본 발명의 컴팩트 흑연 주철에서 흑연 조직이 차지하는 비율을 부피%로 나타내면 컴팩트 흑연 주철 총 부피를 기준으로, 5 내지 15부피%이다.
한편 본 발명의 컴팩트 흑연 주철은 강도 및 가공성을 고려할 때, 컴팩트 흑연 주철에 포함된 황(S)의 함량 대비 마그네슘(Mg)의 함량의 비(Mg/S)가 0.44 내지 2.86인 것이 바람직하다. 또한 탄소 당량(C.E: Carbon Equivalent)을 C중량%+Si중량%/3의 식을 기준으로 계산했을 때, 4.32 내지 4.57중량%인 것이 바람직하다.
본 발명의 컴팩트 흑연 주철은 비감쇠능을 ASTM E756 규격에 의거하여 평가 시 3.3 내지 3.8%를 나타낼 수 있다. 또한, 본 발명의 컴팩트 흑연 주철은 황삭밀링, 정삭밀링 및 드릴링 등으로 가공성을 평가할 경우 우수한 가공성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 컴팩트 흑연 주철은 공구 최대 마모 폭(VBmax) 0.45㎜를 기준으로 황삭밀링을 평가할 경우 평균 6.62m를 나타낼 수 있고, 공구 최대 마모 폭(VBmax) 0.25㎜를 기준으로 정삭밀링을 평가할 경우 평균 2.6m를 나타낼 수 있으며, 공구 최대 마모 폭(VBmax) 0.3㎜를 기준으로 드릴링을 평가할 경우 평균 19m를 나타낼 수 있다.
이러한 본 발명의 컴팩트 흑연 주철을 제조하는 방법은 특별히 한정되지 않으나, 주철 원탕을 준비한 후 이를 래들에 출탕하여 제조할 수 있는데, 이에 대해 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S) 및 철(Fe)을 포함하는 주철 재료를 용해로(100)에서 용융하여 주철 원탕(110)을 제조한다.
다음 구리(Cu), 주석(Sn) 및 마그네슘(Mg)이 배치된 래들(ladle)(200)에 주철 원탕(110)을 출탕하여 주철 용탕(210)을 제조한다. 이때 주철 원탕(110)의 출탕 온도는 1520±10℃로 조절하는 것이 바람직하다. 또한 주철 원탕(110)은 출탕하기 전에 탄소당량 측정기, 탄소/황 분석기 및 분광 분석기 등으로 성분을 분석하여, 각 성분이 요구되어 있는 함량으로 포함되어 있는지 확인하는 과정을 거칠 수 있다.
그 다음 주철 용탕(210)에 포함된 마그네슘의 함량을 열분석기(300)로 분석한 후 추가되어야 할 마그네슘의 함량을 결정한다.
다음 주철 용탕(210)에 와이어 형태의 마그네슘(400)을 결정된 추가량만큼 첨가한다. 이때, 최종 얻어지는 컴팩트 흑연 주철의 안정화를 위해 페로실리콘 접종제를 와이어 형태로 추가할 수 있다.
이와 같은 과정에 의해 탄소(C) 3.65 내지 3.8중량%, 규소(Si) 2 내지 2.3중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.6중량%, 인(P) 0.04중량% 이하, 황(S) 0.008 내지 0.02중량%, 구리(Cu) 1.2 내지 1.4중량%, 주석(Sn) 0.07 내지 0.1중량%, 마그네슘(Mg) 0.007 내지 0.018중량% 및 잔량으로 철(Fe)을 포함하는 주철 용탕(210)이 얻어지게 되며, 이를 금형(500)에 주입하여 원하는 형태의 컴팩트 흑연 주철을 제조할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 컴팩트 흑연 주철은 다양한 산업 분야에서 사용될 수 있으나, 실린더 블록, 또는 실린더 헤드와 같은 엔진 부품 제조 시 유용하게 사용될 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명하나, 하기 실시예는 본 발명의 한 형태를 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5]
상기에서 설명한 제조방법에 따라 하기 표 1의 조성을 가지는 컴팩트 흑연 주철을 도 2에 도시된 Y블록 형태로 각각 제조하였다.
구분 C Si Mn P S Cu Sn Mg C.E Mg/S 흑연
면적(%)
실시예 1 3.65 2.00 0.30 0.02 0.0080 1.20 0.07 0.0070 4.32 1.14 5.0
실시예 2 3.65 2.30 0.47 0.02 0.0080 1.20 0.10 0.0180 4.42 0.44 14.5
실시예 3 3.80 2.30 0.47 0.02 0.0200 1.23 0.09 0.0070 4.57 2.86 7.5
실시예 4 3.80 2.00 0.50 0.02 0.0200 1.22 0.09 0.0180 4.47 1.11 15.0
실시예 5 3.70 2.15 0.50 0.02 0.0090 1.24 0.07 0.0120 4.42 0.75 13.5
비교예 1 3.64 1.99 0.47 0.02 0.0080 1.20 0.08 0.0070 4.30 1.14 4.5
비교예 2 3.70 2.15 0.48 0.02 0.0080 1.22 0.10 0.0190 4.42 0.42 45.0
비교예 3 3.65 2.30 0.45 0.02 0.0210 1.20 0.08 0.0070 4.42 3.00 4.0
비교예 4 3.83 2.35 0.50 0.02 0.0120 1.35 0.09 0.0150 4.61 0.80 48.0
비교예 5 3.75 2.15 0.43 0.02 0.0060 1.23 0.10 0.0060 4.47 1.00 4.7
각 성분의 함량 단위: 중량%
[실험예 1] 절단면 확인
실시예 5, 비교예 1 및 2에서 각각 제조된 컴팩트 흑연 주철의 절단면(구체적으로, 도 2의 밑금친 부분을 절단함)을 이미지 분석기(금속현미경 LEICA DM2500M/LeicaMW)로 확인하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 컴팩트 흑연 주철인 실시예 5는 적정량의 흑연이 균일하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다. 반면, 비교예 1은 흑연이 소량으로 생성되었으며, 비교예 2는 흑연이 과량으로 생성된 것을 확인할 수 있다.
[실험예 2] 가공성 평가
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5에서 각각 제조된 컴팩트 흑연 주철의 가공성을 하기와 같은 방법으로 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
1. 황삭밀링: 공구(초경 insert tip)의 최대 마모 폭(VBmax) 0.45㎜가 마모될 때까지 컴팩트 흑연 주철을 가공한 후 가공된 길이를 측정하였다.
2. 정삭밀링: 공구(초경 insert tip)의 최대 마모 폭(VBmax) 0.25㎜가 마모될 때까지 컴팩트 흑연 주철을 가공한 후 가공된 길이 구를 측정하였다.
3. 드릴링: 공구의 최대 마모 폭(VBmax) 0.3㎜가 마모될 때까지 컴팩트 흑연 주철을 가공한 후 가공된 길이를 측정하였다.
구분 황삭밀링(㎜) 정삭밀링(㎜) 드릴링(㎜)
실시예 1 6.5 2.5 18
실시예 2 6.5 2.6 19
실시예 3 6.7 2.7 20
실시예 4 6.8 2.7 20
실시예 5 6.6 2.5 18
평균 6.62 2.6 19
비교예 1 4.5 1.6 9.7
비교예 2 3.8 1.2 8.7
비교예 3 3.9 1.5 8.8
비교예 4 4.2 1.3 9.2
비교예 5 4.8 1.5 9.5
평균 4.24 1.42 9.18
상기 표 2를 참조하면, 본 발명의 컴팩트 흑연 주철인 실시예 1 내지 5는 가공성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
[실험예 3] 비감쇠능 평가
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5에서 각각 제조된 컴팩트 흑연 주철의 비감쇠능을 하기와 같은 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
* 비감쇠능: ASTM E756(EN-Standard Test Method for measuring Vibration-Damping Properties of Materials)에 의거하여 측정하였다.
구체적으로 시험편을 장비에 고정시키고(도 4 참조), 시험편에 진동을 감지하는 센스를 부착한 다음 시험편에 임의의 충격을 가하여 데이터를 수집하고, 이를 하기 수학식에 의거하여 비감쇠능을 측정하였다.
[수학식]
Figure 112015011818481-pat00001

구분 비감쇠능(%)
실시예 1 3.3
실시예 2 3.5
실시예 3 3.8
실시예 4 3.8
실시예 5 3.5
평균 3.58
비교예 1 2.48
비교예 2 2.68
비교예 3 2.57
비교예 4 2.62
비교예 5 2.52
평균 2.574
상기 표 3을 참조하면, 본 발명의 컴팩트 흑연 주철인 실시예 1 내지 5는 비감쇠능이 우수한 것을 확인할 수 있다. 이러한 점은 진동감쇠능이 우수하다는 것을 뒷받침한다.
[실험예 4] 인장강도 및 항복강도 평가
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5에서 각각 제조된 컴팩트 흑연 주철의 인장강도 및 항복강도를 하기와 같은 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
1. 인장강도: KS B0802:2003 금속재료의 인장시험방법에 의거하여 측정하였으며, 사용된 인장시험편은 KS B 0801에 규정된 4호 인장시험편을 사용하였다.
2. 항복강도: 상기 인장강도의 측정방법과 동일한 방법으로 측정하였다.
구분 인장강도(㎫) 항복강도(㎫)
실시예 1 515.0 455.0
실시예 2 490.0 430.0
실시예 3 458.0 398.0
실시예 4 460.0 400.0
실시예 5 485.0 425.0
평균 481.6 421.6
비교예 1 530.0 470.0
비교예 2 520.0 460.0
비교예 3 530.0 470.0
비교예 4 420.0 360.0
비교예 5 490.0 430.0
평균 498 438
상기 표 4를 참조하면, 본 발명의 컴팩트 흑연 주철인 실시예 1 내지 5는 높은 강도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
100: 용해로 110: 주철 원탕
200: 래들(ladle) 210: 주철 용탕
300: 열분석기
400: 와이어 형태의 마그네슘과 기타 접종제
500: 금형

Claims (5)

  1. 탄소(C) 3.65 내지 3.8중량%, 규소(Si) 2 내지 2.3중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.6중량%, 인(P) 0중량% 초과 0.04중량% 이하, 황(S) 0.008 내지 0.02중량%, 구리(Cu) 1.2 내지 1.4중량%, 주석(Sn) 0.07 내지 0.1중량%, 마그네슘(Mg) 0.007 내지 0.018중량% 및 잔량으로 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하고,
    절단면 전체 조직에서 흑연 조직이 차지하는 면적비율이 5 내지 15%이고,
    비감쇠능을 ASTM E756 규격에 의거하여 평가 시 3.3 내지 3.8%이고,
    상기 황(S)의 함량 대비 상기 마그네슘(Mg)의 함량의 비(Mg/S)가 0.44 내지 2.86인,
    컴팩트 흑연 주철.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    탄소 당량은 탄소(C)중량% + 규소(Si)중량%/3으로 정의되며, 그 값이 4.32 내지 4.57중량%인 컴팩트 흑연 주철.
  4. 삭제
  5. 제1항 및 제3항 중 어느 한 항의 컴팩트 흑연 주철을 포함하는 엔진 부품.
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