KR20020044867A

KR20020044867A - 대형 실린더 헤드용 주철 재료

Info

Publication number: KR20020044867A
Application number: KR1020000074103A
Authority: KR
Inventors: 정승철
Original assignee: 이계안; 현대자동차주식회사
Priority date: 2000-12-07
Filing date: 2000-12-07
Publication date: 2002-06-19

Abstract

본 발명은 대형 실린더 헤드(Cylinder head)용 주철(cast iron)재료에 관한 것으로서, 구체적으로는 기존의 주철 조성물에 첨가되는 Si를 2.0 중량% 이하로, 몰리브덴(Mo) 성분을 배제하고, Cr 및 Cu의 함량은 보다 높게 조정함으로써 주조(casting)시 형성되는 페라이트 편석(ferrite segregation)을 최소화하고, 수축공(shrinkage hole)을 개선시키며, 기지조직 및 기계적 강도를 보강한 실린더 헤드용 주철 조성물에 관한 것이다.

Description

대형 실린더 헤드용 주철 재료{cast iron composition for casting cylinder head}

일반적으로 자동차 엔진의 개발에 있어서, 효율을 높이는 방법은 실린더 헤드가 열적, 기계적 응력을 받음에 있어 연소실내에서 또는 물챔버내에서 균열을 이겨낼 수 있도록 제공되는 것이다. 이러한 방법은 실린더 헤드의 구조를 개선시키거나 실린더 헤드를 제조함에 있어 사용되는 합금의 조성을 개선하는 두가지로 대별할 수 있다.

자동차 엔진 연소실에서는 공기를 고압으로 압축하고 연료를 분사하여 연소시킨 후 배출시키므로 연소실 상부면을 형성하는 실린더 헤드는 고온으로 가열되게 되고, 이렇게 가열된 실린더 헤드를 냉각시키기 위하여 냉각수를 흡배기 포트쪽으로 경유되도록 물챔버가 존재하므로, 실린더 헤드는 상기와 같은 과정을 겪는 동안의 기계적 부하 및 열부하를 이겨내지 못하여 균열되거나 파손되기 쉽다.

기존 대형 실린더 헤드 주조에 사용되는 주철 조성물은 탄소 3.1 ∼ 3.6 중량%, 규소 1.8 ∼ 2.3 중량%, 망간 0.55 ∼ 0.90 중량%, 인 0.10 중량% 이하, 황 0.10 중량% 이하, 니켈 0.2 중량% 이하, 크롬 0.1 ∼ 0.3 중량%, 몰리브덴 0.2 ∼ 0.4 중량%, 구리 0.35 ∼ 0.654 중량%, 주석 0.07 중량% 및 나머지는 철로 구성되어 있고, 그 물성은 서방특성으로 인해 주조시 후육부에서 40 % 이상의 지나친 페라이트 편석이 발생하며, 흑연의 성장은 ASTM #4∼6, 인장강도 약 24 kgf/㎟이며, 몰리브덴 함량 과대로 수축공이 발생하는 등 주조시 결함이 발생할 뿐 아니라 상기 재료로 제조된 실린더 헤드는 내구성, 내열성이 떨어진다는 문제점이 있었다.

특히, 편석(segregation)에 있어서는, 소형 실린더 헤드 주조의 경우 주물의 냉각시 모든 단면에 걸쳐 거의 동시에 응고를 시작하므로 생기는 미세한 냉각결정 사이에 불순물이 약간 포함되어 다소의 결정 편석이 일어나나, 전 단면의 안팎에 고르게 분포되므로 편석이 거의 문제되지 아니하나, 대형 실린더 헤드 주조의 경우에는 주형의 벽에 가까운 부분으로부터 응고가 시작되어 차례로 중앙 부분으로 응고해 나가므로 이때 주형의 벽에 접촉되어 급속히 응고한 부분은 비교적 불순물이 적고 순도가 높은 고용체로서 응고하지만 최종적으로 응고하는 중앙 상부로 불순물이 모여져 응고되므로 편석이 심한 문제점이 있다. 이러한 편석의 심화는 실린더 헤드의 내구성을 저하시키며 기계적 물성을 떨어뜨리는 원인이 된다.

이에 상기한 바와 같은 실린더 헤드에 부과되는 열부하 및 기계적 부하에 대한 강한 내성을 획득하기 위해서는 페라이트 편석이 최대 20 % 이하, 경도는 HB 약 179 ∼ 269, 인장강도는 적어도 24 kgf/㎟ 이상이어야 하며, 흑연 성장은 ASTM #4 이상일 것이 요구되는 점에 착안하여, 실린더 헤드용 주철 조성물에 첨가되는 성분의 조성을 일부 조정함으로써 상기와 같은 내성의 향상을 얻을 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 주조 조직 및 내구성 등의 물성이 우수한 실린더 헤드용 주철 재료를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 규소함량을 2.0 중량% 이하로 조절하고, 몰리브덴의 첨가를 배제하며, 크롬 및 구리의 함량을 높인 실린더 헤드용 주철 재료를 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 실린더 헤드용 주철 재료는 탄소 3.2∼3.5 중량%, 규소 1.8∼2.0 중량%, 망간 0.55∼0.90 중량%, 인 0.10 중량% 이하, 황 0.10 중량% 이하, 크롬 0.30∼0.60 중량%, 구리 0.4∼0.65 중량%, 주석 0.07 중량% 이하, 니켈 0.20 중량% 이하 및 나머지는 철로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 실린더 헤드용 주철 재료로 제조된 실린더 헤드의 물성은 페라이트 편석 10 % 이하, 흑연 성장 ASTM #4∼6으로 조직이 우수하며, 경도 HB 200 이상, 인장강도 32 kgf/㎟로서 기계적 강도가 우수하다.

상기 주철 재료 중 규소는 강력한 페라이트 생성원소로서 탄화물의 안정화를 저해하여 강도 향상에는 기여하지 못하지만 내식성, 피팅(pitting) 개선에 매우 효과적이며, 그 함량을 2.0 중량% 이하로 조절함으로써 주조시 형성되는 페라이트의 편석을 최소화하여 내구성을 개선한다.

주물의 응고시 부피감소로 인해 수축공이 발달되어 부품의 취화(brittle)가 유발되고 강도가 저하되므로, 본 발명에서는 기존의 주철 재료에서와는 달리 몰리브덴을 첨가하지 아니함으로써 수축공의 형성을 최소화한다.

구리 및 크롬은 기지 중에 일부 고용되어 기지의 기공을 채워 열전도도, 내식성 및 기계적 강도를 증가시킨다. 다량 첨가할 수록 바람직하나 최소 0.4 중량%이상으로 함이 바람직하며 0.65 중량% 이상으로 첨가되면 고용량이 너무 많아 오히려 강도 저하와 원가 상승의 요인이 된다.

본 발명의 주철 재료의 성분을 기존 재료의 성분과 비교하여 하기 표 1에 나타내었다.

구분	화학성분 (중량%)
구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Cu	Sn	Ni
기존재료 1	3.1∼3.6	1.0∼2.3	0.55∼0.60	0.10 이하	0.10 이하	0.20 이하	0.10 이하	0.20 이하	0.07 이하	0.20 이하
기존재료 2	3.1∼3.6	1.0∼2.3	0.55∼0.90	0.10 이하	0.10 이하	0.10∼0.30	0.23∼0.40	0.35∼0.65	0.07 이하	0.20 이하
본 발명 조성	3.2∼3.6	1.8∼2.0	0.55∼0.90	0.10 이하	0.10 이하	0.30∼0.60	-	0.40∼0.65	0.07 이하	0.20 이하

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예> 실린더 헤드용 주철 조성물의 제조

하기 표 2의 비교예 및 실시예의 조성비에 따라 대형 실린더 헤드용 주철 조성물을 사용하여 통상적인 방법으로 주철품을 제조하였다.

구분	화학성분 (중량%)
구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Cu	Sn	Ni
비교예	3.46	2.32	0.76	0.05	0.03	0.13	0.20	0.49	0.02	0.08
실시예	3.43	1.86	0.60	0.05	0.03	0.47	0.05	0.36	0.05	0.01

<시험예 1> 인장강도 및 경도 시험

인장강도 시험은 (10) 톤의 인장시험기(zwick사.)로 실시하였으며, 시험온도는 상온, 시험속도는 1 mm/분으로 하였다. 또한 경도 시험은 브린넬 경도계를 이용 1000 kg 하중조건으로 실시하였다. 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.

구분	인장강도 (kgf/㎟)	경도(HB)
구분	하면축	상면축	하면축	상면축
비교예	23	21	170∼241	163∼241
실시예	35	35	200∼250	205∼250

상기 표 3에서 보듯이, 본 발명의 주철품은 보다 우수한 인장강도 및 경도를 나타냄을 확인할 수 있었으며, 또한 본 발명의 주철품 내부의 인장강도 및 경도는 최소한 상기 표 3의 상면축의 결과로 균일하게 나타났다.

<시험예 2> 본 발명의 주철품의 현미경 조직의 관찰

본 발명의 실시예에 따라 제조된 주철품의 기지조직 및 흑연조직을 광학현미경을 사용하여 관찰한 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

구분	기지조직	흑연조직
구분	기지조직	페라이트 (%)	유리 탄화물 (%)	유형	성장
하면축(flame deck)	펄라이트 (pearlite)기지조직	5% 이하	5% 이하	ASTM A 형	ASTM #4-6 형
상면축(top deck)	펄라이트 (pearlite)기지조직	20% 이하	5% 이하	ASTM A 형	ASTM #4-6 형

상기 표 4에서 보듯이, 본 발명의 주철품의 기지조직 및 흑연조직이 개선되었음을 확인할 수 있다.

본 발명의 주철 조성물을 사용하면, 내열성 및 기계적 강도 등의 내구성이 우수한 대형 실린더 헤드를 제조할 수 있으므로, 주조 공정을 축소할 수 있을 뿐아니라 부품 교환을 최소화할 수 있으므로 제조에 있어서는 원가 절감 및 부품의 사용면에서는 수명을 연장할 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims

탄소 3.2∼3.5 중량%, 규소 1.8∼2.0 중량%, 망간 0.55∼0.90 중량%, 인 0.10 중량% 이하, 황 0.10 중량% 이하, 크롬 0.30∼0.60 중량%, 구리 0.4∼0.65 중량%, 주석 0.07 중량% 이하, 니켈 0.20 중량% 이하를 포함하여 구성되는 대형 실린더 헤드용 주철 조성물.