KR20010063311A - 엔진용 ｃｖ흑연주철의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진용 CV흑연주철(Compacted Vermicular Graphite Iron)의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 엔진용 재료로 쓰이는 회주철(Gray Iron) 및 알루미늄의 한계를 극복할 수 있도록 일정량의 마그네슘을 함유시켜 고강도의 CV흑연주철을 조성하고, 이를 특정온도 범위내에서 주조함으로써, 기계적 물성이 우수하고 출력 증대 및 경량화 효과를 나타낼 뿐만 아니라, 고강도, 강성에 따른 높은 치수 안정성을 가지며, 소음진동감쇄 효과의 향상에 유효한 엔진용 CV흑연주철의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

엔진용 ＣＶ흑연주철의 제조 방법{Method of manufacturing compacted vermicular graphite iron for engine block}

본 발명은 엔진용 CV흑연주철(Compacted Vermicular Graphite Iron; CGI)의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 엔진용 재료로 쓰이는 회주철(Gray Iron) 및 알루미늄의 한계를 극복할 수 있도록 일정량의 마그네슘을 함유시켜 고강도의 흑연을 얻기 위한 효과적인 형상을 조성하고, 이를 특정온도 범위내에서 주조함으로써, 기계적 물성이 우수하고 출력 증대 및 경량화 효과를 나타낼 뿐만 아니라, 고강도, 강성에 따른 높은 치수 안정성을 가지며, 소음진동감쇄효과의 향상에 유효한 엔진용 CV흑연주철의 제조 방법에 관한 것이다.

자동차를 비롯한 산업용 엔진은 고성능, 고출력화에 따라 그 작동조건이 더욱 가혹해지고 있다. 이러한 엔진의 재료로서 기존에는 대부분 일반 회주철이 사용되어 왔으며, 경량화를 목적으로 일부 알루미늄이 사용되는 경우도 있다.

이중, 회주철의 경우 흑연의 형상 및 배열이 연속적이어서 열전도도, 진동감쇄능, 가공성이 좋기는 하지만 모서리가 날카로워 균열 발생 장소로 작용할 수 있는 단점이 있다.

또한, 일단 균열이 발생되면 연속적으로 흑연 표면을 따라 전파되어 벽개파면(cleavage plane)을 이루어 파손되므로 저강도와 취성(brittleness)의 직접적인 원인이 된다.

따라서, 기존의 회주철이 지닌 저강도와 취성을 극복할 수 있는 기술적, 환경적, 경제적인 요건 등을 만족시킬 수 있는 재료의 개선이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 엔진용 재료로서 종래의 회주철을 대신하여 철을 주성분으로 하고 탄소, 규소, 망간, 인, 황, 크롬, 몰리브덴, 구리, 주석의 조성에 일정량의 마그네슘을 첨가시켜 특정 온도범위에서 제조함으로써, 흑연의 형상을 최적화하여 인장강도, 항복강도, 탄성계수, 강성 등의 기계적 물성을 증가시킴과 동시에, 소음진동감쇄 효과와 엔진의 성능 및 내구 신뢰성을 향상시킬 수 있는 엔진용 CV흑연주철 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a는 본 발명에 따른 최적의 CV흑연주철을 얻기위한 냉각시간에 따른 용탕내의 온도거동을 나타낸 것이고,

도 1b는 본 발명에 따른 최적의 CV흑연주철을 얻기위한 냉각시간에 따른 마그네슘의 함량을 도식화한 것이다.

본 발명은 철을 주성분으로 하고, 여기에 탄소, 실리콘, 망간, 인, 황, 크롬, 몰리브덴, 구리 및 주석을 포함하는 주철을 이용한 CV흑연주철의 제조방법에 있어서,

상기 주철에 추가로 마그네슘 0.020 ∼ 0.028 중량%가 첨가되어 있는 1500 ∼ 1560℃ 온도의 용탕을 몰드에 주입하고, 이어서 용탕내 마그네슘 함량이 0.01 ∼ 0.017 중량% 범위를 가지도록 추가적으로 마그네슘을 재첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 CV흑연주철의 제조방법을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 CV흑연주철을 사용함으로써, 종래 회주철 보다 우수한 물성을 부여하고 안정된 품질의 얻을 수 있는 마그네슘의 함량과 온도 범위조건을 확립하는 방법에 관한 것이다.

CV흑연주철은 회주철과 구상흑연주철의 중간적인 미세조직 특성을 지니고 있으며 모서리가 둥글고 불규칙적인 벌레 모양(vermicular)의 흑연 입자들로 인해 균열민감도가 저감되며, 기지조직내 고립된 흑연입자를 지니므로 상대적으로 넓은 탄성영역을 지니고 있다. 또한, CV흑연주철이 회주철에 비해 탄소 당량이 높아 파장을 흡수하고 약화시키는 흑연의 절대량이 많아 소음진동감쇄 효과가 높아지게된다.

이와 같은 본 발명에서는 CV흑연주철을 그 제조방법에 의거하여 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 CV흑연주철을 얻기 위해서는, 초기 몰드주입 직전의 원탕의 조성에 대하여 정확한 파악을 한 다음, 마그네슘을 추가로 첨가함으로써, 흑연 형상 및 분포를 제어해야만 이상적인 CV흑연주철을 얻을 수 있다.

본 발명에서는 용탕에서 일정량의 시편을 채취한 후, 탐침기를 사용하여 열분석을 실시하면서, 출탕 후, 초기 및 말기의 몰드내의 용탕 거동을 시간에 따른 온도변화와 마그네슘의 소멸량을 측정하고, 첨가 유무를 즉시 판단하여 추가 처리 후 시편을 제조한다.

특히, 본 발명은 상기 조성을 포함한 주철에 마그네슘을 0.020 ∼ 0.028 중량%로 첨가하여 원탕을 제조한 다음, 출탕 후, 몰드에 주입한다. 용탕의 초기 온도 범위 1500 ∼ 1560℃(순철의 융점 1538±3℃)내에서, 냉각속도가 7 ∼ 16 ℃/분을 가지도록 냉각하면서, 몰드 주입시 평균 13 ∼ 17분의 소요시간 이내에 용탕의 몰드 주입을 완료한다. 용탕의 거동에 따라 보정을 한 결과, 몰드 주입 완료시 용탕의 온도 범위는 1350 ∼ 1420℃이며, 마그네슘함량은 0.01 ∼ 0.017 중량% (감량속도(fading rate)가 0.001 중량%/분)의 조성을 가지는 것이 바람직하다.

이에 대하여 첨부도면 도 1a 및 도 1b로 설명하면 다음과 같다.

도 1a는 본 발명에 따른 최적의 CV흑연주철을 얻기위한 냉각시간에 따른 용탕내의 온도거동을 나타낸 것이고, 도 1b는 본 발명에 따른 최적의 CV흑연주철을얻기위한 냉각시간에 따른 마그네슘의 함량을 도식화한 것이다. 주입완료시 몰드내 잔류 마그네슘이 과도한 경우(영역 A에 해당)에는 주철의 구성화율이 커지면서 구상흑연주철이 될 위험이 높아지고, 마그네슘함량이 충분하지 못한 경우(영역 C에 해당)에는 ASTM의 D형 흑연이 정출한 회주철이 될 위험이 높다. 주조조건의 차이로 인해 주입완료까지의 온도와 소요시간 및 출탕량 등이 달라질 경우라도, 도 1a와 도 1b의 빗금친 영역(B)에 근거하여 온도, 마그네슘의 첨가량을 보정하면 안정된 CV흑연주철을 얻을 수 있다.

또한, 용탕이 서냉시 응고 초기에는 서냉에 의한 초정 오스테나이트(austenite)가 정출되며, 응고 말기에는 상당량의 마그네슘이 임계치 미만으로 소멸되면서, 오스테나이트가 페라이트(ferrite) 및 D형 흑연으로 변태하게된다. 이를 억제하기 위하여, 오스테나이트의 정출량에 비례하여 마그네슘 첨가량을 결정하여 추가접종을 하고, 회주철로 변태되기전에 주조작업이 이루지는 것이 바람직하다. 이상적인 벌레모양 형태(vermicular)의 CV흑연주철을 얻기 위해서는, 미세조직내의 균질한 흑연 분포와 낮은 기지 페라이트 분율을 갖도록, 몰드 주입 후 1시간 이내에 탈사하여 서냉을 억제하는 것이 바람직하다.

이상과 같이 제조된, 본 발명에 따른 상기 CV흑연주철은 물성이 우수하고, 고강도, 강성에 따른 높은 치수안정성을 가지므로 이를 이용하여 자동차용과 산업용 엔진을 제조하기에 적합하다..

이와 같은 본 발명은 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

비교예

주철에 마그네슘을 첨가하지 않는 기존의 방법으로 회주철을 제조하였다.

실시예

다음 표 1과 같은 조성과 함량으로 CV흑연주철을 제조하였다.

실험예 1

상기 실시예에서 상기 표 1의 조성을 포함한 주철에 마그네슘을 0.020 ∼ 0.028 중량%로 첨가하여 원탕을 제조한 다음, 출탕 후, 몰드에 주입한다. 용탕의 초기 온도 범위 1500 ∼ 1560℃(순철의 융점 1538±3℃)내에서, 냉각속도가 7 ∼ 16 ℃/분을 가지도록 냉각하면서, 몰드 주입 시 평균 13 ∼ 17분의 소요시간 이내에 용탕의 몰드 주입을 완료시킨 후 1시간 이내에 탈사하여 CV흑연주철을 제조하였다.

출탕 후 보정 및 몰드주입 완료시까지의 시간에 따른 용탕의 온도와 마그네슘함량의 변화는 도1a 와 도 1b에 도식화하였다.

몰드주입 완료시 보정을 통하여 마그네슘 함량이 0.01 ∼ 0.017 중량% (감량속도(fading rate)가 0.001 중량%/분)가 되는 주입 완료 온도는 1350 ∼ 1420℃로 확인되었다.

CV흑연주철을 이용하여 엔진블록을 제조하기 위한 기본 처리제 및 출탕량의 평균치를 표 2에 나타내었다.

실험예 2

ⅰ) 기계적 물성 테스트

상기 실시예의 조성에 의거하여 제조된 시편과 비교예의 물성을 측정하고, 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다.

상기 표 2에서, 흑연의 미세 조직형상은 주사전자현미경(×100)으로 확인하였으며, 인장강도, 항복강도, 탄성계수, 및 연신율은 통상적인 방법으로 시험하였다. 또한, 충격시험은 샤르피(Charpy) 충격 시험기를 사용하여 측정하였으며, 경도는 브린넬 경도계를 사용하여 통상적인 방법으로 수행하였다. 물성 종합 비교 평가를 실시예의 결과가 비교예의 결과에 비해 탁월한 기계적 물성을 나타내었다.

ⅱ) 가공성 테스트

실험예 1의 조건에 의거하여 제조된 CV흑연주철과 회주철을 다음의 밀링 테스트 조건하에서 가공성 테스트를 하였다.

절삭 속도 ; 135 m/min, 2.69 mm/rev, 0.19 mm/tooth

회전 속도 ; 268 rev/min

피드 ; 720 mm/min

절삭 깊이 ; 2.0 mm

냉각재 ; 없음 (건조 밀링)

시편의 수 ; 24 개

절삭가공 길이 ; 2,500 mm/piece

총 길이 ; 60,000 mm

동일한 가공 조건하에서 회주철은 절삭 부하가 과도하고, 10대 가공 이후 발열이 심하였으나, CV흑연주철은 절삭 부하가 회주철 대비 상대적으로 양호하였으며, 15대 가공 이후 열이 발생하였다. 그 결과, CV흑연주철이 밀링 가공성 측면에서 기존의 회주철보다 더 양호한 것으로 나타났다. 가공칩 형상측면에서도 일반적으로 단속가공시 칩 형상은 2∼3 curl이 가장 이상적으로 나타나는데, 본 실험에서 회주철은 1 curl이하로 나타나 형상 불량이 다량 발생한 반면, CV흑연주철은 기존재보다 긴 2 curl 이상의 양호한 칩 형상을 나타내었다.

ⅲ) 소음진동감쇄 테스트

실험예 1에 의거하여 CV흑연주철로 제조된 엔진블록의 소음진동감쇄 테스트를 실시한 결과, 기존의 회주철에 비해 CV흑연주철은 최고 2㏈ 까지의 소음진동감쇄 개선 효과를 얻을 수 있었다.

ⅳ) 내구성 테스트

실험예 1에 의거하여 CV흑연주철로 제조된 엔진블록을 220 시간 가동 후, 내구시험에서 엔진을 분해한 검사 결과, 종래의 회주철로 제작된 엔진블록은 마모 및 파손이 진행된 반면에, CV흑연주철로 제작된 것은 양호한 상태로서 파손, 마모, 변형의 이상은 전혀 관찰되지 않았다.

레이싱 내구시험에서 2배 이상의 토크를 증가시키는 가혹한 조건하에서 실시한 결과, 출력이 138마력에서 349마력으로, 토크는 18.3 kgㆍm 에서 42.3 kgㆍm으로 각각 증대되었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 엔진용 내구소재로서 마그네슘함량을 보정하여 제조된 CV흑연주철을 사용함으로써, 기존의 회주철 대비 기계적 물성이 우수하고 출력 증대 및 경량화 효과를 나타낼 뿐만 아니라, 고강도, 강성에 따른 높은 치수 안정성과 소음진동감쇄의 향상에 효과가 있음을 알 수 있다.

Claims (1)

1. 철을 주성분으로 하고, 여기에 탄소, 실리콘, 망간, 인, 황, 크롬, 몰리브덴, 구리 및 주석을 포함하는 주철을 이용한 CV흑연주철의 제조방법에 있어서,

   상기 주철에 추가로 마그네슘 0.020 ∼ 0.028 중량%가 첨가되어 있는 1500 ∼ 1560℃ 온도의 용탕을 몰드에 주입하고, 이어서 용탕내 마그네슘 함량이 0.01 ∼ 0.017 중량% 범위를 가지도록 추가적으로 마그네슘을 재첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 CV흑연주철의 제조방법.