KR20060040954A

KR20060040954A - 자동차의 배기 메니폴드용 구상흑연주철재

Info

Publication number: KR20060040954A
Application number: KR1020040090242A
Authority: KR
Inventors: 고세진
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-11-08
Filing date: 2004-11-08
Publication date: 2006-05-11

Abstract

본 발명은 자동차의 배기 메니폴드용 구상흑연주철재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온에서 사용되는 배기 메니폴드용 합금의 구성 성분을 조정하여 조직 균일화 및 열변형 특성을 개선하고 고온 내산화성을 증대시킨 배기 메니폴드용 구상흑연주철재에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 탄소(C) 2.5∼3.0wt%, 규소(Si) 4.5∼5.5wt%, 니켈(Ni) 0.5∼1.5wt%, 몰리브덴(Mo) 0.8∼1.0wt%, 망간(Mn) 0∼0.3wt%, 마그네슘(Mg) 0.025∼0.05wt%, 황(S) 0.01∼0.02wt%를 포함하고 나머지는 불순물과 Fe로 조성되고, 구상화율 70∼100%, 흑연크기 10∼70 ㎛, 유리 시멘타이트(Cementite) 0∼5% 의 페라이트(Ferrite)기지로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차의 배기 메니폴드용 구상흑연주철재를 제공한다.

구상흑연주철재, 배기 메니폴드

Description

자동차의 배기 메니폴드용 구상흑연주철재{Ductile graphite cast iron for exhaust manifold of vehicle}

도 1은 자동차의 배기 메니폴드용 구상흑연주철재의 산화 실험 결과를 나타내는 그래프.

현재 자동차 엔진 배기계 재질로 사용되고 있는 재질은 FCD-H 및 FCD-50HS재질이 주류를 이루고 있으며, 이들 재질은 현재까지 출력 및 배기가스 온도가 그리 높지 않은 현 상황에서 적합하게 사용되어 왔다.

그러나, 최근 자동차 배기량의 증가와 출력의 증대 등으로 배기가스 온도가 급속히 높아져 최대 890℃ 실험이 진행되고 있는 바, 배기 메니폴드가 받게 되는 부하가 매우 커지고 있으며, 고온 산화스케일에 의한 촉매 공격성 또한 문제가 되고 있는 실정에 있다.

배기온도 상승에 따른 가장 큰 문제는 재질의 열변형 문제로서, 고온과 저온의 영역을 왕복하는 배기 메니폴드의 상황상 열팽창과 수축이 동반될 수 밖에 없는데 이러한 열변형에 의해 표면 산화주름이 야기되고, 이것이 진전하여 심지어는 관통 크랙까지 생길 수 있다.

이러한 산화주름 및 관통크랙은 상대적으로 박육부인 포트(Port)부 또는 합류부에서 빈번하게 발생하는데, 이는 포트부가 얇고 냉각에 따른 조직 불균형이 일부 영향을 주었을 것으로 판단된다.

이에, 배기온 상승을 통한 고속 성능이 향상되는 점에 따라 엔진의 배기온도를 점차 높이려는 시도가 되고 있으며, 따라서 이를 뒷받침에 줄 수 있는 보다 열변형 및 내산화성이 뛰어난 내열 주철재료의 개발이 시급한 시점에 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구 개발된 것으로서, 고온에서 사용되는 배기 메니폴드용 합금의 구성성분을 조정하여 조직 균일화 및 열변형 특성을 개선하고 고온 내산화성을 증대시킨 배기 메니폴드용 구상흑연주철재를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 탄소(C) 2.5∼3.0wt%, 규소(Si) 4.5∼5.5wt%, 니켈(Ni) 0.5∼1.5wt%, 몰리브덴(Mo) 0.8∼1.0wt%, 망간(Mn) 0∼0.3wt%, 마그네슘(Mg) 0.025∼0.06wt%, 황(S) 0.001∼0.02wt%를 포함하고 나머지는 불순물과 Fe로 조성된 것을 특징으로 하는 자동차의 배기 메니폴드용 구상흑연주철재를 제공한다.

바람직한 실시예로서, 상기 구상흑연주철재는 구상화율 70∼100%, 흑연크기 10∼70 ㎛, 유리 시멘타이트(Cementite) 0∼5% 의 페라이트(Ferrite)기지로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차의 배기 메니폴드용 구상흑연주철재를 제공한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 구상흑연주철재의 특징은 내산화성 및 조직을 페라이트화시키기 위하여 규소(Si)와 니켈(Ni)을 포함시킨 점에 있다.

본 발명에 따른 구상흑연주철재의 조성은 탄소(C) 2.5∼3.0wt%, 규소(Si) 4.5∼5.5wt%, 니켈(Ni) 0.5∼1.5wt%, 몰리브덴(Mo) 0.8∼1.0wt%, 망간(Mn) 0∼0.3wt%, 마그네슘(Mg) 0.025∼0.05wt%, 황(S) 0.01∼0.02wt%를 포함하고 나머지는 불순물과 Fe로 이루어진다.

여기서, 본 발명에 따른 구성흑연주철재의 각 조성 및 범위를 한정한 이유를 설명하면 다음과 같다.

1) 규소(Si) 4.5∼5.5wt%

규소(Si)를 많이 첨가할수록 Fe-C계에서 공정 및 공석 반응이 일반 Fe-C계보 다 높은 온도범위에서 일어나므로, 안정한 페라이트 기지 조직을 가지기 위해서 충분한 규소가 포함되어 공석반응의 온도범위를 높여야 한다.

규소(Si)범위가 부족하여 기지조직이 페라이트화가 되지 못하고 펄라이트가 존재하면 펄라이트는 온도의 승온 중 650℃이상에서 분해하여 열팽창의 원인이 된다.

그러나, 규소(Si)가 너무 많이 첨가될 경우, 취성이 증대되므로 4.5∼5.5wt%범위로 한정하는 것이 바람직하다.

보다 상세하게는, 규소(Si)가 4wt%이상 첨가될 경우, 표면 FeO산화층 내에 Fe₂SiO₄층을 형성하는데, 이 층은 매우 미세(fine)하여 산화가 진행되는 것을 줄여줄 수 있으므로, 규소(Si)를 4.5∼5.5wt%의 범위로 첨가할 경우 고온 산화스케일에 따른 촉매 공격성을 완화할 수 있는 효과가 있다.

2) 탄소(C) 2.5∼3.0wt%

탄소(C)의 범위는 2.5∼3.0wt%가 적합하다. 그 이유는 규소가 많이 첨가되었으므로 탄소가 이 범위보다 높을 경우 과공정이 일어날 수 있기 때문이다.

3) 니켈(Ni) 0.5∼1.5wt%

니켈(Ni)의 함량은 1.0∼1.5wt%정도 첨가되는 것이 바람직하다. 그 이유는 1.0∼1.5wt%의 니켈(Ni)은 흑연화 촉진원소로 조직과 흑연을 미세화시켜 재질 경도 향상에 도움을 주고, 주물의 두께 변화가 있는 경우에도 각 단면의 조직을 균일하게 해주기 때문이다.

따라서, 본 적용부품(배기 메니폴드)과 같이 후육부과 박육부의 차이가 크고 특히 박육부의 재질이 취약한 배기 메니폴드에서 재질의 균일화를 얻는데 니켈(Ni)이 기여할 수 있다.

또한, 니켈(Ni)은 급랭이나 박육부의 칠(chill) 발생을 방지하는 효과가 있어 차후 탈사 시간을 줄여 제품의 양산속도를 증가시킬 수 있다.

4) 몰리브덴(Mo) 0.8∼1.0wt%

재질의 고온 강도를 향상시키기 위해 몰리브덴(Mo)을 0.8∼1.0wt% 첨가하는 것이 좋다.

몰리브덴(Mo)을 0.8∼1.0wt% 첨가하는 이유는 몰리브덴이 0.8wt% 이하이면 출력이 증대된 개발엔진의 고온강도를 견디지 못하고, 1.0wt% 이상이면 수축 결함의 발생으로 재질 불량이 되기 때문이다.

5) 망간(Mn) 0∼0.3wt%,

망간(Mn)은 응고 중 조직 내부에 미세 분산상을 형성하여 현저한 강도 증가 및 0.5wt%이상 첨가시 주조품의 취성을 높이게 되므로 본 발명에서는 그 함량을 0∼0.3wt%로 제한한다.

6) 마그네슘(Mg) 0.025∼0.06wt%

마그네슘(Mg)는 주철재 내에서 흑연을 구상화시키는 원소로 구상흑연주철의 제조에 반드시 필요하나 0.06wt% 이상 첨가될 경우 탄화물을 형성하므로 0.025∼0.06wt%의 조성으로 한정한다.

7) 황(S) 0.001∼0.02wt%

황(S)는 Mg와 결합하여 황화물을 형성하여 초과시 구화불량을 일으킬 수 있는데 그 영향이 0.02wt%이상을 초과하면 더욱 현저해지므로 그 함량을 0.001∼0.02wt%로 한다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하고자 한다.

그러나, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 이들 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

실시예

탄소(C) 2.98wt%, 규소(Si) 5.00wt%, 니켈(Ni) 1.19wt%, 몰리브덴(Mo) 0.82wt%, 망간(Mn) 0.20wt%, 마그네슘(Mg) 0.037wt%, 황(S) 0.003wt%를 포함하고 나머지는 불순물과 Fe로 이루어진 본 발명의 구상흑연주철재를 이용하여 통상의 방법으로 배기 메니폴드를 제조하였다.

비교예1

탄소(C) 3.34wt%, 규소(Si) 3.62wt%, 망간(Mn) 0.27wt%, 마그네슘(Mg) 0.033wt% 를 포함하고 나머지는 불순물과 Fe로 이루어진 본 발명의 구상흑연주철재를 이용하여 통상의 방법으로 배기 메니폴드를 제조하였다.

비교예2

탄소(C) 3.51wt%, 규소(Si) 3.77wt%, 몰리브덴(Mo) 0.42wt%, 망간(Mn) 0.25wt%, 마그네슘(Mg) 0.034wt%, 황(S) 0.002wt%를 포함하고 나머지는 불순물과 Fe로 이루어진 본 발명의 구상흑연주철재를 이용하여 통상의 방법으로 배기 메니폴드를 제조하였다.

시험예1

실시예 및 비교예1,2의 구상흑연주철재에 대한 현미경 조직 검사를 실시하였는 바, 그 결과는 다음의 표 1에 나타낸 바와 같다.

위의 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 흑연 크기가 비교예1,2에 비하여 더욱 미세하며, 경도가 매우 높음을 확인할 수 있다(Ni, Mo 첨가효과).

또한, 실시예의 경우 박육부와 후육부의 경도 및 흑연 크기의 차이가 매우 미비하며, 반면에 비교예1,2는 차이가 큼을 알 수 있었다(Ni효과).

시험예2

배기가스 온도가 950℃이상 올라가게 되면, 배기계의 온도는 약 -100 ℃정도 인 850℃까지 상승한다. 따라서, 본 시험에서는 650℃에서 850℃까지 실시예 및 비교예1,2의 재질에 대한 산화 실험을 실시하되, 직경 5mm × 높이 5mm의 원통형 시험편을 밀폐된 시험로에서 100hr동안 실험하여 도 1에 그래프로 나타내었다.

도 1의 그래프에서 보는 바와 같이, 실시예에 따른 소재의 산화량은 온도에 민감하지 않게 일정하며, 비교예1,2와 비교하여 현저히 낮은 값을 보였다(Si첨가효과).

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차의 배기 메니폴드용 구상흑연주철재에 의하면, 고온에서 사용되는 배기 메니폴드용 합금의 구성성분을 조정하여 조직 균일화 및 열변형 특성을 개선하고 고온 내산화성을 증대시킬 수 있는 장점을 제공한다.

즉, 배기 메니폴드의 후육부 및 박육부 조직을 안정화시키고 균일하게 하며, 고온강도를 용이하게 확보할 수 있는 장점을 제공한다.

Claims

탄소(C) 2.5∼3.0wt%, 규소(Si) 4.5∼5.5wt%, 니켈(Ni) 0.5∼1.5wt%, 몰리브덴(Mo) 0.8∼1.0wt%, 망간(Mn) 0∼0.3wt%, 마그네슘(Mg) 0.025∼0.05wt%, 황(S) 0.01∼0.02wt%를 포함하고 나머지는 불순물과 Fe로 조성된 것을 특징으로 하는 자동차의 배기 메니폴드용 구상흑연주철재.
청구항 1에 있어서, 상기 구상흑연주철재는 구상화율 70∼100%, 흑연크기 10∼70 ㎛, 유리 시멘타이트(Cementite) 0∼5% 의 페라이트(Ferrite)기지로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차의 배기 메니폴드용 구상흑연주철재.