KR20030055751A - 고온 내산화성을 갖는 내열구상흑연주철 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 내산화성이 우수한 내열구상흑연주철에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 철을 기재로 하고 여기에 C, Si, Mn, P, S, Cr, Mo 및 Ni가 포함된 내열구상흑연주철에 관한 것으로, 본 발명의 주철은 고온에서의 내열특성 및 내산화성이 매우 우수하여 가혹한 조건에서의 물성이 요구되는 고출력 엔진의 배기 매니폴드에 적합하게 사용할 수 있다.

Description

고온 내산화성을 갖는 내열구상흑연주철{Cast iron with improved oxidation resistance at high temperature}

본 발명은 고온 내산화성이 우수한 내열구상흑연주철에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 철을 기재로 하고 여기에 C, Si, Mn, P, S, Cr, Mo 및 Ni가 포함된 내열구상흑연주철에 관한 것으로, 본 발명의 주철은 고온에서의 내열특성 및 내산화성이 매우 우수하여 가혹한 조건에서의 물성이 요구되는 고출력 엔진의 배기 매니폴드에 적합하게 사용할 수 있다.

배기 매니폴드(exhaust manifold)는 각 기통에서 배출되는 배출가스를 하나의 흐름으로 모으는 배기관을 일컫는다. 상기 매니폴드는 가스킷의 내경과, 헤드, 매니폴드의 내경이 서로 달라 심한 저항을 받게 된다. 배기 매니폴드는 헤드에서 나온 배기가스를 가장 먼저 받는 곳에 놓여져 있기 때문에 엔진의 출력과 밀접한 관계를 가진다.

현재 배기 매니폴드(배기다기관)에 사용되는 고온 내산화 주철소재는 FCD50M, FCD45F, FCD-H 및 FCD-50HS 등이 있으며(표 1 참조), 고온에서의 물성 향상과 내산화성을 위하여 기존 구상흑연주철재에 Si 성분, Mo 성분 등을 첨가하여 사용되고 있다.

내열주철을 사용하는 배기계에서 약 630 ∼ 760 ℃ 사이의 온도가 사용 가능하다고 한다면 약 75 MPa 지점에서 인장강도의 저하가 최대가 되므로 이 지점 온도가 허용되는 사용 영역이다. 현재 자동차용 배기계 조건은 약 730 ∼ 900 ℃ 까지 가혹한 상태로 도달하였다.

또한 자동차 출력의 증대로 갈수록 배기계는 가혹한 조건, 즉 높은 배기온도, 촉매와의 상관성, 배기가스의 규제등이 높아지고 있어, 현재의 내열주철재료가 갖는 물성으로는 대응이 어려워지고 있는 상황이다.

따라서 보다 우수한 내열주철의 개발과 아울러 국내 주조업체의 소재 개발에 따른 자체 기술 개발 부분도 요구되는 상황이다.

기본적으로 고온 인장강도가 고온 피로강도 및 크립 특성 등과 비례하여 Mo, Ni, 및 Cr 성분 등의 특수 합금원소의 첨가로 변화를 가져올 수 있다.

이에 본 발명자는 상기한 문제점을 해결하고자 노력한 결과, 주철에 C, Si, Mn, P, S, Cr, Mg, Mo 및 Ni의 한계값을 규정하고 상기 조성으로 이루어진 주철을 제조하였고 상기 주철이 구상화율이 75% 이상, 흑연크기가 70 ㎛ 이하, 유리 시멘타이트가 5% 이하인 오스테나이트 기지조직을 갖는 내열구상흑연주철을 제조하였으며, 상기 주철이 고온에서의 내열성 및 내산화성이 우수함을 알아내어 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 고온에서의 기계적 물성을 개선하여 우수한 고온 강도와 내산화성을 갖는 새로운 내열구상흑연주철을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예 및 비교예의 온도에 따른 인장강도 변화를 나타낸 그래프이다.

도 2는 본 발명에 따른 실시예 및 비교예의 내산화성을 나타낸 그래프이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

주철에 C 2.5 ∼ 3.0 중량%, Si 2.0 ∼ 3.0 중량%, Mn 0.8 ∼ 1.2 중량%, P 0 ∼ 0.1 중량%, S 0.001 ∼ 0.02 중량%, Cr 1.7 ∼ 3.0 중량%, Mg 0.025 ∼ 0.06 중량%, Mo 0.15 ∼ 0.4 중량%, Ni 17.0 ∼ 20.0 중량% 및 잔부 Fe가 포함된 배기 매니폴드용 내열구상흑연주철을 제공한다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 내열구상흑연주철은 고온에서의 내산화특성이 매우 우수하고 내열성 등의 기계적 물성이 우수하여 배기계의 배기 매니폴더에 매우 적합하다.

본 발명의 내열흑연구상주철은 오스테나이트(austenite) 기지조직을 나타내며, 화학성분중 내산화성에 영향을 미치는 주요인자는 Si, Mo, Cr, Ni이며, 각 성분 영역에 따라 재질의 등급이 분류된다.

종래 사용되는 FCD계(표 1 참조)는 페라이트 조직이 주요 기지조직이다. 그중 FCD-H의 경우 Mo가 미첨가 되고, Si 3.2 ∼ 3.8 중량%로 한정된다. 이는 일반 주철보다 매우 높은 함량의 Si의 범위를 나타내며, 그 주 목적이 기지조직에서 페라이트를 안정화시키고 A1 변태온도를 상승시켜 사용 영역에서 재료 내부적으로 상변태(Phase Transformation)의 발생에 따른 재료적, 치수적 변화를 억제하기 위함이다. 따라서 고온재료 일수록 Si의 규제 범위를 상승시킨다.

FCD-50의 경우 FCD-H와 가장 차별화되는 성분적 특성은 좀더 좁은 범위의 Si의 규제와 Mo의 0.4 ∼ 0.6 중량%를 첨가한다. 상술한 바와 같이 Si의 하한치 상향 조절은 역시 고온 영역에서의 산화 특성 향상을 목적으로 하며, Mo의 첨가는 고온에서의 강도를 상승시키기 위한 것과 내산화성에 기여한다.

최대 사용가능한 재질은 온도는 내산화성의 확보 및 고온 강도의 유지를 고려하여 판단되어야 한다. 그 결과 본 발명의 실시예에 따르면 FCD-H의 경우 730 ℃이하, FCD50-HS의 경우 750 ℃이하이며, 이때 내산화성은 FCD-H의 경우 FCD50-HS에 비해 3배 이상 낮은 것을 알 수 있다.

본 발명의 내열구상흑연주철은 상기 종래의 재질과는 첨가 성분에서 완전히 차별화되어 주요 첨가 원소 Mo 0.15 ∼ 0.4 중량%, Ni 17 ∼ 20 중량%, Cr 1.70 ∼ 3.0 중량%를 포함한다.

Mo 성분은 본 발명의 주요원소로서 그 함량은 0.15 ∼ 0.4 중량%가 포함되고, 두께가 큰 제품의 심부까지 균일한 조직을 형성시키며 냉각속도에 기인한 조직의 변화를 억제하여 균일한 조직을 얻는다. 상기 Mo에 의하여 고온에서의 강도 증가 및 내공식성 향상을 유도하게 되고, 다량첨가는 인성, 연성의 저하를 초래하고 가격이 상승하게 되므로 그 함량을 제한한다. 실험결과 Mo의 첨가는 산화물 자체의 생성, 성장을 억제하는 특성도 관찰이 되고 Mo를 미첨가한 종래의 것에 비하여 우수한 내산화성이 나타남을 확인할 수 있었으며, 또한 고온강도, 크립 특성에 매우 중요한 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

Cr은 내산화성이 기여하는 성분으로 고온 상태하에서 배기계 표면에 Cr₂O₃라는 산화물층을 생성하나 기존 주철재료의 FeO 산화물에 비해 산화 증량을 억제하며 치밀한 산화 조직을 형성하여 산화막의 증가를 억제한다. 과다로 첨가되는 경우 재료 강도 성질이 저하되어, 그 함량을 1.7 ∼ 3.0 중량% 로 한정한다.

Ni 성분은 재료의 내산화성 측면에서 Cr과 동일한 역할을 하여 또한 재료 자체의 고온 강도를 유지시켜 주며 본 발명에서는 그 함량을 17.0 ∼ 20.0 중량%로 제한한다.

Si는 탈산제로 작용하고 강도 및 피로 성질을 증가시키는 역할을 하며 본 발명에서는 강도 및 연성의 균형면에서 그 함량을 2.0 ∼ 3.0 중량%로 제한한다.

C는 성형가공성이나 인성의 관점에서 함량이 낮은 것이 바람직하며,본 발명에서는 그 함량을 2.5 ∼ 3.0 중량%로 한다.

Mn은 함량 증가시 별도의 열처리 없이 응고 중 조직 내부에 미세분산상(dispersoid)가 형성되어 현저한 강도증가를 나타내며, 과도하게 첨가되는 경우 연성 및 내식성이 저하되는 점을 고려하여 본 발명에서는 그 함량을 0.8 ∼ 1.2 중량%로 한다

P는 인성을 열화시키는 원소로서, 그 영향은 특히 0.1 중량%를 초과하면 현저해지므로, 0 ∼ 0.1 중량%로 한다.

S는 황화물을 생성하여 내공식성을 열화시키는 유해한 원소이다. 그 악영향은 0.02 중량%를 초과하면 현저해지므로, 그 함량을 0.001 ∼ 0.02 중량%로 한다.

Mg은 그 함량에 따라 열전도 감소 및 주물에 산화물형성이 많아 주조 품질의 영향과 열처리에 의해 신율 저하 및 함량 미달시 강도의 저하를 유발하게 되므로 그 함량을 0.025 ∼ 0.06 중량%로 제한한다.

상기한 조성의 오스테나이트계 내열구상흑연주철은 이 분야의 통상의 지식을가진 자에 의해 통상적인 주조 방식에 의해 제조될 수 있으며, 본 발명에 의해 한정하지는 않는다.

여러 분석을 통하여 본 발명자는 상기 제조된 내열구상흑연주철이 구상화율이 75 ∼ 100%, 흑연크기가 10 ∼ 70 ㎛, 유리 시멘타이트가 0 ∼ 5%인 오스테나이트 기지조직을 갖음을 확인하였다. 또한 최대 사용가능한 재질의 온도는 850 ℃로 종래 FCD-H(730 ℃ 이하), FCD50-HS(750 ℃)에 비하여 매우 우수함을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 내열구상흑연주철은 기존의 배기계에 사용되는 재질을 대체하여 적용가능하고, 고온용 주철합금 소재로서 우수한 내열특성과 내산화성을 나타낸다. 또한 고출력 엔진의 배기 매니폴드에 적합하게 사용될 수 있다.

이하, 하기 실시예에 의하여 상세히 설명한다.

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

실시예 및 비교예 1 ∼ 5

본 발명의 내열구상흑연주철 및 종래 내열주철의 물성을 비교하기 위하여 시편을 제작하였고 하기 표 2에 그 결과를 나타내었다. 각 시험조건은 동일하며 본 발명의 내열구상흑연주철(실시예)의 경우 700±14 ℃ 까지 가열한 다음, 그 온도에서 도달한 때로부터 1 시간을 유지한 후 300 ℃까지 노(盧) 안에서 냉각한 후공랭하였다.

하기 표 2에서, 인장강도, 항복강도, 연신율, 경도 등은 통상적인 방법으로 시험하였다. 그리고, 주철 조직은 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 구상화율, 흑연크기 및 기지 조직을 확인하였다(표 3).

실험예 1 : 고온에서의 강도 특성

일반적으로 물성은 상온에서의 특성을 규정하지만 실제 작동은 고온 영역이므로 고온에서의 특성이 더욱 중요하다. 고온 특성은 일반적으로 저온과 역전되며 그 결과는 하기 표 4 및 도 1에 나타내었다.

상기 표 4 및 도 1에 따르면, 비교예 1 ∼ 5의 내열흑연주철은 약 730 ∼ 750 ℃ 부근에서 인장강도 75 MPa 을 나타내고 있다. 이러한 수치는 현재 자동차 배기계 조건이 약 730 ∼ 900 ℃ 까지 가혹한 상태에 있는 것에 만족할 만한 결과를 가져다 주지 못한다. 이에 비하여 본 발명(실시예)의 내열구상흑연주철은 상온에서는 상기 비교예 1 ∼ 5의 그것에 비하여 낮은 인장강도 수치를 나타내고있으나, 온도가 증가할수록 인장강도가 비교예 1 ∼ 5의 그것에 비하여 높은 수치를 나타냄을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 내열구상흑연주철은 고온에서의 물성이 우수하여 자동차의 배기계 등 고온에서 작동되는 부품에 적합하게 사용할 수 있다.

실험예 2 : 고온에서의 내산화성 측정

상기 실시예 및 비교예 1 ∼ 5의 고온영역에서의 내산화성을 측정하기 위하여 직경 5 mm×길이 10 mm가 되도록 원통형 시험편을 준비하고, 동일하게 가공 후 시험로에서 760 ℃로 고정시킨 상태에서 50 시간마다 총 200 시간까지 단계별로 대기중에서 산화시키면서 시간에 따른 시험편의 산화 증가량을 단위면적으로 계산하였다. 이러한 결과를 하기 표 5 및 도 2에 나타내었다.

상기 표 5 및 도 2에 따르면, 낮은 Si 성분과 Mo 성분의 미첨가로 비교예 1(FCD50M)의 경우 다른 비교예 2∼5 및 실시예와 비교하여 내산화성의 열세가 실험초기부터 가속화된 양상을 나타낸다. 산화된 함량은 실시예와 비교하여 최대 4.5 배, 평균 약 3배의 산화량을 나타내고 있어 낮은 Si 성분과 Mo 성분의 미첨가는 고온 내산화성 및 강도저하를 동시에 나타내응 요인임을 알 수 있다. 다소의 가격상승을 고려하더라도 Ni 성분이 함유된 실시예의 내열구상흑연주철이 내열 특성 및 내산화성이 모두 우수하다.

따라서, 본 발명에 의해 Si, Mo 및 Ni의 한계값을 규정하여 내열구상흑연주철을 제조하였고, 상기 제조된 주철이 고온에서의 내열성 및 내산화성이 종래의 그것에 비해 매우 우수함에 따라 가혹한 조건에서 작동되는 자동차 배기계에 적합하게 사용될 수 있다.

Claims (2)

1. 주철에 C 2.5 ∼ 3.0 중량%, Si 2.0 ∼ 3.0 중량%, Mn 0.8 ∼ 1.2 중량%, P 0 ∼ 0.1 중량%, S 0.001 ∼ 0.02 중량%, Cr 1.7 ∼ 3.0 중량%, Mg 0.025 ∼ 0.06 중량%, Mo 0.15 ∼ 0.4 중량%, Ni 17.0 ∼ 20.0 중량% 및 잔부 Fe가 포함된 배기 매니폴드용 내열구상흑연주철.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 내열구상흑연주철은 구상화율이 75 ∼ 100%, 흑연크기가 10 ∼ 70 ㎛, 유리 시멘타이트가 0 ∼ 5%인 오스테나이트 기지조직을 갖는 것을 특징으로 하는 내열구상흑연주철.