KR20010056345A

KR20010056345A - 오스템퍼드 구상흑연주철 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20010056345A
Application number: KR1019990057777A
Authority: KR
Inventors: 김석원; 우기도
Original assignee: 이준식; 사단법인 대학산업기술지원단
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2001-07-04
Also published as: KR100372011B1

Abstract

본 발명은 오스템퍼드 구상흑연주철 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 첫째 C 2.6∼4.0%, Si 2.0∼3.5%, Mn 0.5% 이하, P 0.1% 이하, S 0.3% 이하, Mo 0.2∼0.5% 이하, Ni 0.5∼1.5%, Cu 0.1∼0.4% 및 Mg 0.03∼0.05% 및 나머지 Fe로 이루어진 합금으로 오스템퍼드 구상흑연주철을 주조하는 공정; 상기 주조된 구상흑연주철을 900℃×1시간 오스테나이트한 다음, 기름에 소입시켜주는 열처리 공정; 및 900℃×2시간 항온처리한 다음, 350℃×2시간 항온처리하는 오스템퍼링 공정을 거치거나, 둘째로 상기와 같은 합금으로 구상흑연주철을 주조하는 공정; 상기 주조된 구상흑연 주철을 700℃×1시간 동안 열처리하는 공정; 및 900℃×2시간 항온처리한 다음, 350℃×2시간 항온처리하는 오스템퍼링 공정을 거치거나, 셋째로 상기와 같은 합금으로 구상흑연주철을 주조하는 공정; 및 900℃×2시간 항온처리한 다음, 다시 260℃×10분 동안 열처리 공정을 거쳐, 350℃×2시간 항온처리하는 오스템퍼링 공정을 거쳐 제조되며, 이와같이 제조된 각각의 오스템퍼드 구상흑연주철은 종래 오스템퍼드 구상흑연주철에 비하여 가공성이 크게 향상되었으며, 이에 따라 종래 기계 가공성이 좋지 않아 산업응용에 많은 제약을 받아 왔던 오스템퍼드 구상흑연주철을 구조용 재료, 특히 자동차 재료로 대체 사용할 수 있게 됨으로써 기존의 탄소강을 사용할 때 보다 자동차를 10% 정도 경량화할 수 있고 30% 정도 제조원가를 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

오스템퍼드 구상흑연주철 및 그 제조방법{Austempered ductile cast iron and manufacturing method thereof}

본 발명은 오스템퍼드 구상흑연주철 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기계적 성질이 종래의 탄소강보다 우수할 뿐만 아니라 기계가공성에 있어서도 단조강보다 우수하여 자동차 산업 및 다른 산업에 널리 사용할 수 있는 오스템퍼드 구상흑연주철 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래의 오스템퍼드 구상흑연주철(Conventional and normal austempered ductile cast iron: 이하, CN-ADI)은 탄소강이나 단조강에 비하여 우수한 강인성을 가지고 있지만 기계가공성이 좋지 못해 제품가공에 있어서 여러 가지 문제점이 발생되어 자동차 산업 및 다른 산업에 사용하는 데 많은 제약을 받아왔다.

자동차의 캠샤프트(Camshaft), 크랭크샤프트(Crankshaft), 피트먼(Pitman), 티밍기어(Timming gear) 및 커넥팅 로드(Connecting rod) 등에 현재 사용되고 있는 재료는 탄소강을 단조한 단조강으로서, 이들을 기계적 성질이 우수한 오스템퍼드 구상흑연주철로 대체할 경우 경량화는 물론 생산성도 증대되므로 전체적인 제조원가가 낮출 수 있으나, 가공성이 단조강에 비하여 나쁘기 때문에 단조강의 대체 소재로서 그 사용이 이루어지지 않았으며 더욱이 산업화가 이루어지지 못하였다.

본 발명의 목적은 상기와 같이 오스템퍼드 구상흑연주철의 가공성이 떨어지는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 가공성이 좋지 않은 재료를 오스템퍼링하기 전에 전조직(Prior structure)을 부여해 주는 프리퀀칭(Pre-Quenching), 프리히팅(Pre-Heating)과 같은 특수열처리를 실시하여 준 후 일반적인 오스템퍼링을 실시하여 기계적 성질 및 가공성이 우수한 오스템퍼드 구상흑연주철을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 이와같은 오스템퍼드 구상흑연주철을 제조하는 방법을 제공하는 데도 그 목적이 있다.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 오스템퍼드 구상흑연주철은 C 2.6∼4.0%, Si 2.0∼3.5%, Mn 0.5% 이하, P 0.1% 이하, S 0.3% 이하, Mo 0.2∼0.5% 이하, Ni 0.5∼1.5%, Cu 0.1∼0.4% 및 Mg 0.03∼0.05% 및 나머지 Fe로 이루어진 것을 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 오스템퍼드 구상흑연주철은 상기와 같은 조성의 구상흑연주철을 주조하는 공정; 주조된 구상흑연주철을 900℃×1시간 오스테나이트한 다음, 기름에 소입시켜주는 열처리 공정; 및 900℃×2시간 항온처리한 다음, 350℃×2시간 항온처리하는 오스템퍼링 공정을 거쳐 제조되는 데 그 특징이 있다.

본 발명의 오스템퍼드 구상흑연주철은 상기와 같은 조성의 구상흑연주철을 주조하는 공정; 주조된 구상흑연 주철을 700℃×1시간 동안 열처리하는 공정; 및900℃×2시간 항온처리한 다음, 350℃×2시간 항온처리하는 오스템퍼링 공정을 거쳐서도 제조할 수 있다.

그리고, 본 발명의 오스템퍼드 구상흑연주철은 상기와 같은 조성의 구상흑연주철을 주조하는 공정; 및 900℃×2시간 항온처리한 다음, 다시 260℃×10분 동안 열처리 공정을 거쳐, 350℃×2시간 항온처리하는 오스템퍼링 공정을 거쳐 제조할 수도 있다.

도 1은 주조상태의 합금의 종류에 따른 기계적 성질, 즉 인장강도, 연신율, 충격에너지 및 경도치와의 관계를 나타낸 그래프이고,

도 2는 특수 열처리 곡선으로서, 도 2a는 종래 오스템퍼드 구상흑연주철(CN-ADI)의 열처리 곡선이고, 도 2b는 PQ(Pre-Quenching) 오스템퍼드 구상흑연주철(PQ-ADI)의 열처리 곡선이며, 도 2c는 PH(Pre-Heating) 오스템퍼드 구상흑연주철(PH-ADI)의 열처리 곡선이고, 도2d는 ST(Step) 오스템퍼드 구상흑연주철(ST-ADI)의 열처리 곡선이다.

도 3은 특수 열처리한 각 합금의 절삭가공성을 나타낸 그래프로서, 도3a는 특수 열처리한 합금의 종류에 따른 절삭 주분력과의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 3b는 열처리에 따른 각 합금의 절삭 주분력의 관계를 나타낸 그래프이며, 도 3c는 특수 열처리한 Mo-Cu 합금 오스템퍼드 구상흑연주철(Mo-Cu ADI)의 이송거리와 표면조도와의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 4는 각 합금을 특수 열처리시 잔류 오스테나이트 량의 변화를 나타낸 그래프로서, 도 4a는 특수 열처리시 합금의 종류에 따른 잔류 오스테나이트 량의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 4b는 각 합금에서 특수 열처리에 따른 잔류 오스테나이트 량의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 5는 특수열처리한 Mo-Cu 합금의 주사전자현미경을 이용한 조직의 사진(×2000)으로서, 도 5a는 종래 오스템퍼드 구상흑연주철(CN-ADI)의 사진이고, 도5b는 PQ 열처리한 구상흑연주철(PQ-ADI)의 조직사진이다.

통상적으로 오스템퍼링 공정은 과냉 오스테나이트를 항온으로 베이나이트로 변화시키는 처리를 뜻하는 것으로서, 일종의 열욕소입(hot bath quenching)이며, 소입온도로 가열된 강재를 Ms점 이상의 고온냉각매체에 소입하여 등온 변태를 완료시켜서 냉각조작만으로 소입, 템퍼링된 것과 같은 결과를 얻을 수 있는 열처리 방법 중의 하나이다.

본 발명에서는 높은 피로강도, 우수한 가공성 및 생산원가의 절감 등 세가지 점을 동시에 만족시킬 수 있는 구상흑연주철을 특수열처리를 통하여 전 조직(prior structure)을 부여하여준 다음, 오스템퍼링처리를 하면 지금까지 제조해온 종래 오스템퍼드 구상흑연주철(CN-ADI라 함)보다 훨씬 기계가공성이 개선된 구상흑연주철을 얻을 수 있다.

다음 표 1에 대표적인 오스템퍼드 구상흑연주철용 합금을 나타내었다.

	합금조성(중량%)
	C	Si	Mn	P	S	Mg	Cu	Ni	Mo	Fe
무합금 구상흑연주철	3.5∼3.8 C2.5∼2.8 Si0.2∼0.3 Mn0.3∼0.45 Mg0.15 이하 P0.12 이하 S				나머지
Mo-Cu 합금 구상흑연주철		0.2∼0.3		0.2∼0.3	나머지
Mo-Ni-Cu 합금 구상흑연주철		0.2∼0.3	0.7∼1.4	0.2∼0.3	나머지
Mo-Ni 합금 구상흑연주철			0.7∼1.4	0.2∼0.4	나머지

무합금 구상흑연주철(UN-DCI)은 마그네슘의 원소를 비롯하여 5대 원소(C, Si, Mn, P, S)를 첨가하여 구성된 것이고, 합금 구상흑연주철로는 Mo-Cu 구상흑연주철(이하, DCI라 함), Mo-Ni-Cu DCI, Mo-Ni DCI의 세가지 종류를 선택하여 비교실험하였다.

상기 표 1의 각 구상흑연주철의 주조상태에서의 기계적 성질 즉, 인장강도, 경도 및 연신율은 도 1에 나타낸 바와 같다.

여기서, 인장강도는 KSB 0801/0802 방법에 의거 측정한 것이고, 경도는 KSB 0805 방법에 의거 측정한 것이며, 연신율은 KSB 0801/0802에 의거 측정한 결과이다.

도 1로부터, Mo-Cu-Ni DCI의 경우 인장강도가 높고, 무합금 DCI의 경우 충격에너지가 높음을 알 수 있다.

본 발명에서는 이와같은 점을 고려하여 구상흑연주철 합금 조성을 C 2.6∼4.0%, Si 2.0∼3.5%, Mn 0.5% 이하, P 0.1% 이하, S 0.3% 이하, Mo 0.2∼0.5% 이하, Ni 0.5∼1.5%, Cu 0.1∼0.4% 및 Mg 0.03∼0.05% 및 나머지 Fe로 구성한다.

통상, 구상흑연주철을 좀더 강인화하기 위해 오스템퍼링을 실시하여 강인화시킬 수 있으나, 이들의 열처리 후에 기지조직의 영향으로 절삭가공성이 떨어지므로 부품제조산업의 응용에 많은 문제점이 남아 있어 그 사용에 어려운 점이 많음은 상술한 바 있다.

따라서, 이들의 절삭가공성이 크게 개선되지 않는 한 오스템퍼드 구상흑연주철의 응용의 한계는 남아 있다.

오스템퍼드 구상흑연주철이 가공성이 좋지 않은 이유는 오스템퍼링을 실시할 때 주조응고시 흑연주위나 임계부근에 합금원소의 편석 등으로 오스템퍼링 후에 가공성에 크게 영향을 주는 기지조직에 잔류하는 잔류 오스테나이트가 흑연주위나 입계 주위에 덩어리(blocky) 형태로 잔류하게 되기 때문이다.

그리하여, 이들 잔류 오스테나이트가 절삭 가공 중에 불안정하여 소성유기 변태를 일으켜 가공성이 아주 나쁜 마르텐사이트의 조직으로 변태되기 때문이다.

그러나, 이들의 가공성을 개선하기 위한 방법으로 합금원소의 편석과 기지조직을 조절하여 덩어리 형태의 잔류 오스테나이트를 미세한 층상형태로 바꾸어주면 훨씬 바람직한 가공성을 얻을 수 있을 것에 착안하여, 본 발명에서는 기계가공성을 향상시킬 목적으로 오스템퍼링을 하기 전에 전조직(Prior structure)을 부여하기 위하여 전 단계의 열처리를 수행한다.

이때, 전 단계의 열처리 방법은 세 가지로서, 첫 번째 방법은 조직내의 합금원소의 편석을 감소시키며 결정입이 미세하게 되도록 900℃×1시간 정도 오스테나이트 한 다음 기름에 소입시켜주는 전단계 열처리 공정과; 결정입의 미세화와 상기미세화된 결정입으로부터 변태된 베이나이트 및 잔류 오스테나이트를 미세하게 변태되도록 900℃×2시간 항온처리한 다음, 다시 350℃×2시간 항온처리하는 오스템퍼링 공정(이하, 'PQ(Pre-Quenching) 오스템퍼링' 공정이라 함)이다.

두 번째 방법은 주조된 구상흑연 주철을 700℃×1시간 동안 열처리하는 공정; 및 900℃×2시간 항온처리한 다음, 350℃×2시간 항온처리하는 오스템퍼링 공정(이하, 'PH(Pre-Heating) 오스템퍼링' 공정이라 함)이고, 세 번째 방법은 900℃×2시간 항온처리한 다음, 다시 260℃×10분 동안 열처리 공정을 거쳐, 350℃×2시간 항온처리하는 오스템퍼링 공정(이하, 'ST(Step) 오스템퍼링' 공정이라 함)이다.

도 2에 전 조직을 부여하기 위하여 사용된 특수 열처리 곡선을 개략적으로 나타내었는 바, 도 2a는 통상의 오스템퍼드 구상흑연주철의 열처리 곡선이고, 도 2b는 PQ 오스템퍼드 구상흑연주철의 열처리 곡선이며, 도 2c는 PH 오스템퍼드 구상흑연주철의 열처리 곡선이고, 도 2d는 ST 오스템퍼드 구상흑연주철의 열처리 곡선이다.

PQ와 PH 오스템퍼링 공정은 오스템퍼드 처리하기 전에 조직 내의 합금원소의 편석을 감소시키며 결정입이 미세하도록 전 조직을 만든 다음, 오스템퍼링 처리하는 방법이고, ST 오스템퍼링 공정은 전 조직으로서 미세한 하부 베이나이트의 조직과 상부 베이나이트의 조직의 혼합조직을 얻기 위한 열처리 방법이다.

PH-ADI는 900℃에서 오스테나이트함으로써 전체의 조직이 오스테나이트화가 된 후에 기름에 소입시켜서 얻은 미세한 마르텐사이트 조직을 보통의 오스템퍼링 제조공정에 따라서 열처리를 실시한 것이다.

표 2에 통상의 오스템퍼드 구상흑연주철(CN-ADI), PQ 오스템퍼드 구상흑연주철(PQ-ADI), PH 오스템퍼드 구상흑연주철(PH-ADI), ST 오스템퍼드 구상흑연주철(ST-ADI)의 전처리 및 오스템퍼링 조건을 개략적으로 나타내었다.

	전처리	오스템퍼링
CN-ADI	없음	900℃×2시간 → 350℃×2시간
PQ-ADI	900℃×1시간→오일 소입	900℃×2시간 → 350℃×2시간
PH-ADI	720℃×1시간	900℃×2시간 → 350℃×2시간
ST-ADI	없음	900℃×2시간 → 260℃×10분 →350℃×2시간

이들의 조직은 전처리의 과정에서 결정입이 미세화되고, 또한 소입과정을 통해서 석출된 탄화물들에 의하여 오스템퍼링시 결정입이 미세하고 그 미세한 결정입으로부터 변태된 베이나이트 및 잔류 오스테나이트는 미세하게 변태되었기 때문에 기계적 성질이 우수하고 특히 피로강도가 우수하다.

이를 확인하기 위한 합금 종류 및 열처리 종류에 따른 구상흑연주철의 기계적 성질을 표 3에 나타내었다.

여기서, 인장강도는 KSB 0801/0802에 의거 측정하였고, 항복강도는 KSB 0805에 의거 측정하였으며, 충격치는 KSB 0809에 의거 측정하였고, 경도는 KSB 0805에 의거 측정하였다.

오스템퍼드 구상흑연주철의 종류	열처리 종류	인장강도(MPa)	항복강도(MPa)	충격치(J)	경도(HBS)
무합금	CN	1203	1096	122.5	297
	PQ	1200	1019	115.6	280
	PH	1048	953	125	296
	ST	1186	1115	59	350
Mo-Cu 합금	CN	1157	1008	95.1	298
	PQ	1184	1072	109.7	276
	PH	947	892	77.5	298
	ST	1061	984	61	324
Mo-Ni-Cu 합금	CN	1070	992	92.2	925
	PQ	1157	1040	94.5	277
	PH	961	838	70.7	290
	ST	962	867	55	316
Mo-Ni 합금	CN	1111	1051	60.7	290
	PQ	1129	1036	48.1	278
	PH	926	857	44.8	291
	ST	939	881	32	317

또한, 기계가공성을 나타내는 주분력(Vertical component of cutting force)과 가공후의 조도(Surface roughness)의 실험결과를 도 3에 나타내었는 바, 도 3a는 특수열처리한 각 합금종류에 따른 절삭주분력의 관계를 나타내었고, 도 3b는 각 합금의 특수열처리 조건에 따른 절삭주분력의 관계를 나타낸 것이고, 도 3b는 특수열처리한 Mo-Cu 오스템퍼드 구상흑연주철의 이송거리와 표면조도와의 관계를 나타낸 것이다.

도 3의 결과로부터, 기계가공성에 있어서도 PQ 및 PH 오스템퍼드 구상흑연주철은 잔류 오스테나이트가 덩어리 형태로 잔류하지 않고 베이나이트 사이에 층상으로 미세하게 잔류하기 때문에 기계 절삭성이 우수함을 알 수 있다.

또한, 도 4에 가공성에 미치는 잔류 오스테나이트 양을 비교한 결과를 나타내었는 바, 도 4a는 특수열처리에서 합금의 종류에 따른 잔류 오스테나이트량의 관계를 나타낸 것이고, 도 4b는 각 합금에서 특수열처리 조건에 따른 잔류 오스테나이트량의 관계를 나타낸 것이다.

도 4a로부터, 동일 조건에서 열처리한 후에 가공성에 미치는 잔류 오스테나이트의 양을 비교해보면 PQ, PH 오스템퍼드 구상흑연주철이 종래의 오스템퍼드 구상흑연주철에 비하여 잔류 오스테나이트량이 적게 잔류함으로써 기계가공성이 우수하다는 것을 알 수 있는 바, 그 이유는 가공 중에 잔류 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되는, 즉 소성 유기변태를 일으키는 잔류 오스테나이트량이 적어 크게 가공성이 향상되었기 때문이다. 그러나, ST 오스템퍼드 구상흑연주철은 잔류 오스테나이트량은 적으나 경도가 너무 높아 가공성이 크게 떨어짐을 알 수 있다.

그리고, 도 5a에 종래 오스템퍼드 구상흑연주철의 주사전자현미경 사진을 통해 관찰한 조직 사진을 나타내었고, 도 5b에 PQ 오스템퍼드 구상흑연주철의 주사전자현미경 사진을 통해 관찰한 조직 사진을 나타내었다.

이를 참조하여 보면, 잔류 오스테나이트의 형태가 서로 다르게 나타남을 알 수 있는 바, 도 5a에서는 덩어리 형태의 잔류 오스테나이트가 나타났으며, 도 5b에서는 베이나이트 사이에 층상으로 짧게 나타나 있는 것을 알 수 있다.

이는 PQ 오스템퍼드 구상흑연주철이 종래의 것에 비하여 기계가공 중에 잔류 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태가 되지 않기 때문에 기계 가공성 측면에서 훨씬 우수하다는 것을 보여주는 결과이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 특수 열처리를 실시하여 얻은 구상흑연주철은 종래 오스템퍼드 구상흑연주철에 비하여 가공성이 크게 향상되었으며, 이에 따라 종래 기계 가공성이 좋지 않아 산업응용에 많은 제약을 받아왔던 오스템퍼드 구상흑연주철을 구조용 재료, 특히 자동차 재료로 대체 사용할 수 있게 됨으로써 기존의 탄소강을 사용할 때 보다 자동차를 10% 정도 경량화할 수 있고 30% 정도 제조원가를 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims

C 2.6∼4.0%, Si 2.0∼3.5%, Mn 0.5% 이하, P 0.1% 이하, S 0.3% 이하, Mo 0.2∼0.5% 이하, Ni 0.5∼1.5%, Cu 0.1∼0.4% 및 Mg 0.03∼0.05% 및 나머지 Fe로 이루어진 오스템퍼드 구상흑연주철.
제 1 항의 합금으로 구상흑연주철을 주조하는 공정;

상기 주조된 구상흑연주철을 900℃×1시간 오스테나이트한 다음, 기름에 소입시켜주는 열처리 공정; 및

900℃×2시간 항온처리한 다음, 350℃×2시간 항온처리하는 오스템퍼링 공정을 포함하는 오스템퍼드 구상흑연주철의 제조방법.
제 1 항의 합금으로 구상흑연주철을 주조하는 공정;

상기 주조된 구상흑연 주철을 700℃×1시간 동안 열처리하는 공정; 및

900℃×2시간 항온처리한 다음, 350℃×2시간 항온처리하는 오스템퍼링 공정을 포함하는 오스템퍼드 구상흑연주철의 제조방법.
제 1 항의 합금으로 구상흑연주철을 주조하는 공정; 및

상기 주조된 구상흑연 주철을 900℃×2시간 항온처리한 다음, 다시 260℃×10분 동안 열처리 공정을 거쳐, 350℃×2시간 항온처리하는 오스템퍼링 공정을 포함하는 오스템퍼드 구상흑연주철의 제조방법.