KR20050015849A

KR20050015849A - Composition of cast iron and automobile engine exhaust using it

Info

Publication number: KR20050015849A
Application number: KR1020030054998A
Authority: KR
Inventors: 박성환
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2005-02-21

Abstract

PURPOSE: To provide a composition for cast iron having excellent oxidation resistance capable of improving durability reliability and minimizing catalyst damage due to oxidation scale by controlling constituents of an alloy for engine exhaust systems such as exhaust manifolds used at high temperature, thereby increasing oxidation resistance of the alloy at high temperature, and an automobile exhaust manifold using the same. CONSTITUTION: The composition for cast iron comprises iron(Fe) as a basic constituent, 4.0 to 4.7 wt.% of silicon(Si), 0.05 to 0.6 wt.% of aluminum(Al), 0.4 to 0.6 wt.% of molybdenum(Mo), 2.9 to 3.8 wt.% of carbon(C), 0.5 wt.% or less of manganese(Mn), 0.04 wt.% or less of phosphorus(P) and 0.02 wt.% or less of sulfur(S), wherein the composition for cast iron comprises iron(Fe) as a basic constituent, 4.24 wt.% of silicon(Si), 0.23 wt.% of aluminum(Al), 0.55 wt.% of molybdenum(Mo), 3.1 wt.% of carbon(C), 0.22 wt.% of manganese(Mn), 0.031 wt.% of phosphorus(P) and 0.006 wt.% of sulfur(S). The automobile engine exhaust manifold is characterized in that it is manufactured using the composition for cast iron.

Description

Composition of cast iron and automobile engine exhaust using it

본 발명은 주철 조성물 및 이를 이용한 자동차 배기 다기관에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철을 기본성분으로 하고, 여기에 규소(Si) 4.0 내지 4.7 중량%, 알루미늄(Al) 0.05 내지 0.6 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.4 내지 0.6 중량%, 탄소(C) 2.9 내지 3.8 중량%, 망간(Mn) 0.5 중량% 이하, 인(P) 0.04 중량% 이하, 황(S) 0.02 중량% 이하가 함유된 것을 특징으로 하는 주철 조성물을 제공함으로써, 자동차의 배기 다기관 등에 적용시, 내구신뢰성 향상 및 산화스케일에 의한 촉매손상을 최소화 시킬 수 있는 주철 조성물 및 이를 이용한 자동차 배기 다기관에 관한 것이다.The present invention relates to a cast iron composition and to an automobile exhaust manifold using the same, and more particularly, based on iron, in which silicon (Si) is 4.0 to 4.7 wt%, aluminum (Al) 0.05 to 0.6 wt%, and molybdenum ( Mo) 0.4 to 0.6 wt%, carbon (C) 2.9 to 3.8 wt%, manganese (Mn) 0.5 wt% or less, phosphorus (P) 0.04 wt% or less, sulfur (S) 0.02 wt% or less The present invention relates to a cast iron composition and a vehicle exhaust manifold using the same, which can be applied to an exhaust manifold of an automobile, thereby improving durability and minimizing catalyst damage due to oxidation scale.

일반적으로 자동차의 배기계통은 엔진성능의 저하를 방지하기 위해 배기간섭이 적은 구조로 구성되어 있어야 하며, 엔진 시동 직후에 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO) 등의 유해가스 성분 방출을 낮추기 위하여 촉매기 작동하는 활성화온도까지 단시간에 상승할 수 있도록 열용량이 적은 재질로 구성되어 있어야 하며, 또한 700~950℃의 고온 배기가스가 통과하기 때문에 기본적으로 고온강도, 고온피로강도, 크리프강도, 고온내산화성 등의 물성이 요구된다.In general, the exhaust system of automobiles should be composed of a structure that has little interference in order to prevent the deterioration of engine performance, and the catalyst to reduce the emission of harmful gas components such as hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) immediately after starting the engine. It should be made of a material with low heat capacity so that it can rise to a working activation temperature in a short time, and also because high temperature exhaust gas of 700 ~ 950 ℃ passes, it is basically high temperature strength, high temperature fatigue strength, creep strength, high temperature oxidation resistance, etc. Physical properties are required.

따라서, 현재 사용되고 있는 자동차 엔진 배기계용 재료의 특성은 내 산화성 보다는 고온강도 향상을 중시하였다.Therefore, the characteristics of the materials for automobile engine exhaust systems that are currently used emphasized the improvement of high temperature strength rather than oxidation resistance.

예를 들어, 배기 매니폴드용 구상흑연주철의 경우에도 그 요구조건을 만족시키기 위해 강도 향상 원소인 니켈(Ni), 크롬(Cr), 구리(Cu) 등의 펄라이트화 원소를 많이 첨가한 로우 실리콘(low silicon) 구상흑연주철을 사용해왔다.For example, even in the case of spheroidal graphite iron for exhaust manifolds, low silicon containing a large amount of perlite elements such as nickel (Ni), chromium (Cr), and copper (Cu), which are strength enhancing elements, in order to satisfy the requirements. Low silicon nodular cast iron has been used.

하지만 갈수록 엔진의 출력향상 및 배기가스 규제 강화에 따른 촉매 형태의 변화 등으로 인하여 배기가스의 온도가 급격히 상승하고 있는 바, 기존 구상흑연주철의 내 산화성으로는 그 요구조건을 만족하지 못하였다.However, the temperature of exhaust gas is rapidly increasing due to the increase of engine output and the change of catalyst form due to the tightening of exhaust gas regulations. As a result, the oxidation resistance of the existing nodular cast iron did not satisfy the requirements.

또한, 배기가스 온도상승에 따른 펄라이트의 변태발생 등의 문제점이 발생되고 있는 바, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 내 산화성 우수하고 기지조직이 페라이트인 고규소 구상흑연주철에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다.In addition, problems such as the occurrence of perlite transformation due to the rise in exhaust gas temperature have been generated. In order to solve such problems, studies on high silicon spheroidal graphite cast iron having excellent oxidation resistance and ferrite structure have been actively conducted. to be.

일 예로서, 최근 외국에서는 상기와 같은 이유로 열팽창계수가 작고 내열특성이 우수한 페라이트계 SUS 스테인레스 주강재료를 사용하고 있는 바, 종래의 SUS 스테인레스 주강재료는 고온물성 향상을 위하여 텅스텐(W), 니오븀(Nb) 등의 성분을 첨가하였다.As an example, in recent years, foreign countries have used ferritic SUS stainless steel casting materials having a low coefficient of thermal expansion and excellent heat resistance. Nb) and the like were added.

그러나, 상기와 같은 원소는 고가이므로 기존의 SUS 스테인레스 주강재료의 사용은 경제적인 면에서 불리하여 산업상 이용이 제한된다는 문제점이 있다.However, since such elements are expensive, the use of the existing SUS stainless steel casting material is disadvantageous in terms of economics, and there is a problem in that industrial use is limited.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 발명한 것으로서, 고온에서 사용되는 배기 매니폴드와 같은 엔진 배기계용 합금의 구성성분을 조정하여 고온 내산화성을 증대함으로써, 내구신뢰성 향상 및 산화스케일에 의한 촉매손상을 최소화 시킬 수 있는 내산화성이 우수한 주철 조성물 및 이를 이용한 자동차 배기 다기관을 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, the present invention is invented to solve the above problems, by adjusting the components of the alloy for engine exhaust system such as exhaust manifold used at high temperature to increase the high temperature oxidation resistance, thereby improving the durability reliability and oxidation scale An object of the present invention is to provide a cast iron composition having excellent oxidation resistance and a vehicle exhaust manifold using the same, which can minimize catalyst damage caused by the catalyst.

이하, 본 발명에 따른 주철 조성물 및 이를 이용한 자동차 배기 다기관을 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the cast iron composition and the vehicle exhaust manifold using the same according to the present invention will be described in detail.

본 발명은 내산화성을 증대함으로써 내구신뢰성을 향상시키는 동시에 산화스케일에 의한 촉매손상을 최소화 시킬 수 있도록 한 주철 조성물 및 이를 이용한 자동차 배기 다기관을 제공하고자 한 것이다.The present invention is to provide a cast iron composition and an automobile exhaust manifold using the same to increase the oxidation resistance to improve the durability and at the same time minimize the catalyst damage caused by the oxidation scale.

본 발명에 따른 주철 조성물은 철(Fe)을 기본성분으로 하고, 여기에 규소(Si) 4.0 내지 4.7 중량%, 알루미늄(Al) 0.05 내지 0.6 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.4 내지 0.6 중량%, 탄소(C) 2.9 내지 3.8 중량%, 망간(Mn) 0.5 중량% 이하, 인(P) 0.04 중량% 이하, 황(S) 0.02 중량% 이하가 함유된 것이다.Cast iron composition according to the present invention is based on iron (Fe), silicon (Si) 4.0 to 4.7% by weight, aluminum (Al) 0.05 to 0.6% by weight, molybdenum (Mo) 0.4 to 0.6% by weight, carbon (C) 2.9 to 3.8 wt%, manganese (Mn) 0.5 wt% or less, phosphorus (P) 0.04 wt% or less, sulfur (S) 0.02 wt% or less.

일반적으로 자동차의 엔진 배기계용으로 사용되는 주철재는 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P) 등과의 합금을 사용한다.In general, the cast iron used for the engine exhaust system of the automobile uses an alloy of carbon (C), silicon (Si), manganese (Mn), phosphorus (P) and the like.

본 발명은 종래의 엔진 배기계용 주철 조성물에 비해, 내산화성을 증대 시키고 조직을 페라이트화 하기 위하여 이상의 조성에 규소(Si)의 함량을 일정하게 조정하고, 알루미늄(Al)을 추가적으로 포함시켰다.Compared with the cast iron composition for the engine exhaust system of the prior art, in order to increase oxidation resistance and ferrite the structure, the content of silicon (Si) is constantly adjusted to the above composition, and aluminum (Al) is additionally included.

이때, 상기 규소(Si)의 함량은 전체 함량 중 4.0 내지 4.7 중량% 범위가 바람직하다.In this case, the content of the silicon (Si) is preferably in the range of 4.0 to 4.7% by weight of the total content.

왜냐하면, 첨부한 도 2에서 도시한 바와 같이, 규소의 함량이 4.0 중량% 미만으로 첨가될 경우에는 주철재의 산화가 시간에 따라 지속적으로 증가하기 때문에 시간에 따른 추가적인 산화가 발생하지 않게 하기 위해서는 규소가 최소 4.0 중량% 이상으로 첨가 되어야 한다.Because, as shown in the accompanying Figure 2, when the silicon content is added less than 4.0% by weight because the oxidation of the cast iron continuously increases with time in order to prevent further oxidation over time Should be added at least 4.0% by weight.

즉, 상기 규소(Si)의 함량이 4.0 중량% 보다 낮을 경우에는 내산화성이 부족하게 되고, 규소(Si)의 함량이 4.7 중량% 보다 높을 경우에는 취성의 증대 등으로 바람직하게 않기 때문에, 그 범위를 4.0 내지 4.7 중량%로 한정하였다.That is, when the content of silicon (Si) is lower than 4.0% by weight, the oxidation resistance is insufficient, and when the content of silicon (Si) is higher than 4.7% by weight, it is not preferable to increase brittleness, and the like. Was limited to 4.0 to 4.7% by weight.

이와 더불어 탄소(C)는 2.9 내지 3.8 중량%가 적합한 바, 이는 상기 탄소(C)의 함량이 2.9 중량% 보다 낮을 경우에는 경도의 증가로 가공성이 저하되고, 탄소(C)의 함량이 3.8 중량% 보다 높을 경우에는 과 공정이 되어 흑연의 익스플로어(explore) 현상이 발생되어 물성이 현저하게 저하되기 때문에, 그 범위를 2.9 내지 3.8 중량%로 한정하였다.In addition, the carbon (C) is suitable 2.9 to 3.8% by weight, which is when the carbon (C) content is lower than 2.9% by weight, the workability is reduced by the increase in hardness, the content of carbon (C) is 3.8 weight If it is higher than%, an over-process causes an explosion phenomenon of graphite, which significantly lowers the physical properties. Therefore, the range is limited to 2.9 to 3.8 wt%.

또한, 알루미늄(Al)의 함량은 0.05 내지 0.6 중량%를 첨가하는 것이 바람직한 바, 알루미늄(Al)의 함량이 0.05 중량% 보다 낮을 경우에는 내 산화성이 부족하게 되고, 알루미늄(Al)의 함량이 0.6 중량% 보다 높을 경우에는 철알루미늄 탄화물(FeAlC)의 분산석출로 급격히 취하되기 때문에 그 범위를 0.05 내지 0.6 중량%로 한정하였다.In addition, the content of aluminum (Al) is preferably added to 0.05 to 0.6% by weight. When the content of aluminum (Al) is lower than 0.05% by weight, the oxidation resistance is insufficient, the content of aluminum (Al) is 0.6 When higher than the weight%, the range is limited to 0.05 to 0.6 weight% because it is rapidly taken out by dispersion precipitation of iron aluminum carbide (FeAlC).

또한, 본 발명은 재질의 고온강도를 향상시키기 위해 몰리브덴(Mo)을 0.4 내지 0.6 중량%의 범위로 포함시킨다.In addition, the present invention includes molybdenum (Mo) in the range of 0.4 to 0.6% by weight to improve the high temperature strength of the material.

상기 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.4 중량% 보다 낮을 경우에는 고온강도의 부족현상이 발생하고, 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.6 중량% 보다 높을 경우에는 수축결함의 발생 가능성이 높아 0.6 중량% 미만으로 규제하는 것이 바람직한 바, 그 범위를 0.4 내지 0.6 중량%로 한정하였다.When the content of molybdenum (Mo) is lower than 0.4% by weight, a shortage of high temperature strength occurs, and when the content of molybdenum (Mo) is higher than 0.6% by weight, there is a high possibility of shrinkage defects to be less than 0.6% by weight. It is preferable to regulate the range, and the range is limited to 0.4 to 0.6% by weight.

왜냐하면, 상기 몰리브덴(Mo)은 고온에서 열역학적으로 안정하므로 주물 제작시 용탕에서 가장 먼저 탄화물(탄소와의 화합물)이 생성되게 되어 탄소를 고갈시키기 때문이다.This is because the molybdenum (Mo) is thermodynamically stable at high temperature, so that carbides (compounds with carbon) are first generated in the molten metal during casting production, thereby depleting carbon.

상기와 같은 성분 이외에 본 발명은 망간(Mn) 0.5 중량% 이하, 인(P) 0.04 중량% 이하, 황(S) 0.02 중량% 이하를 포함한다.In addition to the above components, the present invention includes 0.5 wt% or less of manganese (Mn), 0.04 wt% or less of phosphorus (P), and 0.02 wt% or less of sulfur (S).

상기 망간(Mn)을 0.5 중량% 이하로 첨가시킨 이유는 주철의 기본 5대 원소로서 첨가된 것이고, 펄라이트를 촉진하는 원소이며, 과량 첨가시에 재질이 브리틀(brittle)해질 수 있으므로, 상기와 같이 한정하였다.The reason why the manganese (Mn) is added to 0.5 wt% or less is added as the basic five major elements of cast iron, and is an element that promotes pearlite, and the material may brittle when excessively added. It was limited as well.

또한, 상기 인(P)을 0.04 중량% 이하로 첨가시킨 이유는 주철의 기본 5대 원소로서 첨가된 것이고, 0.04 중량%를 초과하게 되면, 탄화물이 생성되므로 그 이하로 첨가시키는 것이 바람직하다.The reason why the phosphorus (P) is added at 0.04% by weight or less is that it is added as the basic five major elements of cast iron, and when it exceeds 0.04% by weight, carbides are formed, so it is preferable to add it below.

상기 황(S)을 0.02 중량% 이하로 첨가시킨 이유는 주철의 기본 5대 원소로서 첨가된 것이고, 0.02 중량%를 초과하게 되면, 개재물이 생성되어 그 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.The reason why the sulfur (S) was added at 0.02% by weight or less is that it is added as the basic five major elements of cast iron, and when it exceeds 0.02% by weight, inclusions are generated and preferably added below.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하는 바, 본 발명에 다음 실시예에 한정되는 것은 아니다.이러한 것들이 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

실시예Example

철(Fe)을 기본성분으로 하고, 여기에 규소(Si) 4.24 중량%, 알루미늄(Al) 0.23 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.55 중량%, 탄소(C) 3.1 중량%, 망간(Mn) 0.22 중량%, 인(P) 0.031 중량%, 황(S) 0.006 중량%가 함유된 주철 조성물을 5 Ton 전기로를 이용하여 용탕의 온도를 1550℃ 이상의 온도로 균일하게 유지하여 통상의 주조방법으로 자동차 엔진용 배기계를 제조한 후, 내산화성 시험을 하였는 바, 그 결과는 다음 후술하는 바와 같다.Based on iron (Fe), 4.24% by weight of silicon (Si), 0.23% by weight of aluminum (Al), 0.55% by weight of molybdenum (Mo), 3.1% by weight of carbon (C), and 0.22% by weight of manganese (Mn) Cast iron composition containing%, 0.031% by weight of phosphorus (P), 0.006% by weight of sulfur (S) using a 5 Ton electric furnace to uniformly maintain the temperature of the molten metal at a temperature of 1550 ℃ or more for the automotive engine in a conventional casting method After the exhaust system was manufactured, an oxidation resistance test was carried out. The results are as described below.

또한, 본 발명 주철재의 경우 실리콘 및 몰리브덴의 함량이 높아 용탕의 유동성이 낮고 첨가원소의 국부적인 편석 등이 발생할 가능성이 높기 때문에, 이를 방지하게 위해서 용해로는 용탕의 교반이 잘 되고 높은 온도로 균일 유지할 수 있는 5 Ton 전기로를 이용하여 용탕을 만들었다.In addition, in the cast iron of the present invention, since the content of silicon and molybdenum is high, the flowability of the molten metal is low, and local segregation of additive elements is likely to occur, so that the melting furnace is well stirred and uniform at a high temperature to prevent this. The melt was made using a sustainable 5 Ton electric furnace.

다음의 표 1은 본 발명에 따른 실시예 및 비교예 1~2의 구성성분을 각각 나타내는 것이다.Table 1 below shows the constituents of Examples and Comparative Examples 1 and 2 according to the present invention, respectively.

또한, 다음의 표 2는 본 발명에 따른 실시예 및 비교예의 합금을 사용하여 700℃ 및 950℃의 배기가스가 배기되는 부위에서 300시간동안 내산화성 시험을 실시한 결과를 나타내는 것이다.In addition, Table 2 below shows the results of the oxidation resistance test for 300 hours at the site of the exhaust gas of 700 ℃ and 950 ℃ using the alloy of Examples and Comparative Examples according to the present invention.

상술한 바와 같은 목적에 상응하도록 도 1 및 표 2는 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 고온 내산화성 시험결과를 나타낸 것으로서, 그 구성성분은 상기 표 1에 나타난 바와 같으며, 700℃에서 300시간동안 내산화성 시험을 실시한 결과 실시예는 산화량이 약 119 g/m²이고, 비교예 1은 218 g/m²이며, 비교예 2는 294 g/m²를 나타내고 있다.1 and Table 2 show the results of the high temperature oxidation resistance test of the Examples and Comparative Examples according to the present invention, the components are as shown in Table 1, 300 hours at 700 ℃ As a result of performing the oxidation resistance test for Example, the amount of oxidation was about 119 g / m ² , Comparative Example 1 was 218 g / m ² , and Comparative Example 2 showed 294 g / m ² .

또한, 950℃에서 300시간동안 내산화성 시험을 실시한 결과 실시예는 산화량이 약 371 g/m²이고, 비교예 1은 616 g/m²이며, 비교예 2는 799 g/m²를 나타내고 있다.In addition, as a result of performing an oxidation resistance test at 950 ° C. for 300 hours, the amount of oxidation was about 371 g / m ² , Comparative Example 1 was 616 g / m ² , and Comparative Example 2 showed 799 g / m ² . .

즉, 본 발명에 따른 실시예는 비교예에 비하여 산화되는 양이 현저히 감소됨을 알 수 있다.That is, the embodiment according to the present invention can be seen that the amount of oxidation is significantly reduced compared to the comparative example.

따라서, 본 발명은 상기와 같이 주철 조성물의 함량을 조정하는 바, 특히 규소(Si)의 함량을 일정하게 조정하고, 알루미늄(Al)을 추가적으로 포함시킴으로써, 종래 엔진 배기계용 구상흑연주철에 비하여, 고온 내산화성을 증대시킬 수 있는 새로운 자동차의 엔진 배기계용 주철재를 기대할 수 있다.Therefore, the present invention is to adjust the content of the cast iron composition as described above, in particular by adjusting the content of silicon (Si) constant, and by additionally containing aluminum (Al), compared to the conventional graphite cast iron for engine exhaust system, high temperature It can be expected that the cast iron material for the engine exhaust system of a new vehicle that can increase the oxidation resistance.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 주철 조성물 및 이를 이용한 자동차 배기 다기관에 의하면, 기존의 엔진 배기계용 주철 조성물과 비교하여 고온 내산화성의 물성이 향상된 것으로 확인하였으며, 이로 인해 엔진 출력의 추가적인 향상을 가능하게 한다.As seen above, according to the cast iron composition and the vehicle exhaust manifold using the same according to the present invention, it was confirmed that the physical properties of the high temperature oxidation resistance compared to the existing cast iron composition for the engine exhaust system, thereby further improving the engine output Make it possible.

또한, 상기와 같은 물성의 향상과 더불어 기존의 SUS 스테인레스 주강재료와 비교하여 가격도 저렴하여 경제적이고 실용적인 엔진 배기계용 주철재를 제조할 수 있는 효과가 있다.In addition, in addition to the physical properties as described above, compared to the existing SUS stainless steel cast material, the price is also low, there is an effect that can be produced economical and practical cast iron for engine exhaust system.

도 1은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 고온 내산화성 시험결과를 나타내는 그래프1 is a graph showing the results of high temperature oxidation resistance test of Examples and Comparative Examples according to the present invention

도 2는 구상흑연주철의 내 산화성에 미치는 실리콘 함량에 관한 기 보고된 문헌자료를 도시한 도면FIG. 2 shows previously reported literature on silicon content on the oxidation resistance of spheroidal graphite iron

Claims

Iron (Fe) as a basic component, silicon (Si) 4.0 to 4.7% by weight, aluminum (Al) 0.05 to 0.6% by weight, molybdenum (Mo) 0.4 to 0.6% by weight, carbon (C) 2.9 to 3.8 weight %, Manganese (Mn) 0.5% by weight or less, phosphorus (P) 0.04% by weight or less, sulfur (S) 0.02% by weight or less, characterized in that the cast iron composition.

The method according to claim 1,

Based on iron (Fe), 4.24% by weight of silicon (Si), 0.23% by weight of aluminum (Al), 0.55% by weight of molybdenum (Mo), 3.1% by weight of carbon (C), and 0.22% by weight of manganese (Mn) %, 0.031% by weight of phosphorus (P), 0.006% by weight of sulfur (S) composition.

An automobile engine exhaust manifold made using the cast iron composition according to claim 1.