KR20080035160A

KR20080035160A - 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 내열주철

Info

Publication number: KR20080035160A
Application number: KR1020060101452A
Authority: KR
Inventors: 신호철
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2008-04-23
Also published as: US20080092995A1; CN101165200A; DE102006056124A1

Abstract

본 발명은 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 내열 주철에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온의 사용 조건하에서 우수한 내산화성과 내열 균열성의 효과가 있는 고 규소계 구상흑연주철에 관한 것으로서, 가열과 냉각 반복과정을 거치는 자동차 엔진의 배기계 부품인 배기 매니폴드나 터빈하우징 등에 매우 적합하게 이용될 수 있는 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 내열 주철에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 철(Fe)를 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 2.5~3.8 wt%, 규소(Si) 5.0~7.0 wt%, 망간(Mn) 0.2~0.8 wt%, 인(P) 0.05 wt% 이하, 황(S) 0.02 wt% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.5~1.2wt%, 니켈(Ni) 0.1wt% 이하, 바나듐(V) 0.5wt% 이하, 크롬(Cr) 0.01~0.1wt%, 안티몬(Sb) 0.05wt이하가 함유된 것을 특징으로 하는 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 내열 주철을 제공한다.

고 규소, 페라이트계, 내열 주철, 고온 강도, 내산화성

Description

고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 내열 주철{High Strength and High Oxidation Resist Hi Silicon Ferritic Cast Iron}

도 1은 본 발명에 따른 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 내열 주철에 대한 고온 인장 시험 결과를 나타내는 그래프,

도 2는 본 발명에 따른 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 내열 주철에 대한 고온 산화 시험 결과를 나타내는 그래프.

현재 배기 매니폴드에 사용되는 재질은 FCD-HS 및 SiMo주철 등이 사용되고 있으며, 이러한 재질은 고온에서의 물성 향상과 내산화성을 위하여 기존 구상흑연주철재에 Si, Cr, Mo 성분 등을 첨가하여 사용되고 있는 것으로서, 내열주철을 사용하는 배기계의 일반적인 온도범위는 약 630~750℃ 정도이다.

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.

종래의 소재로는 규소를 약 4~4.5% 함유하는 구상흑연주철이 주조성이 좋고, 제조 원가가 비교적 저렴하기 때문에 최근 배기계 재료로서 많이 채택되어 사용되 고 있다.

이와 같은 고 규소 구상흑연주철은 예를 들어 통상의 규소함유량이 3.5~5.0wt% 정도로 설정하고 있으나, 실제의 시험결과 규소의 함유량이 4.0wt%를 초과하지 않으면 내산화성에서 기존재와 차이가 없고 4.5wt% 를 초과하게 되면, 기지조직에 규소 페라이트라는 경하고 잘부서지는 개재물로서 편석해서 상온 연신율과 절삭성을 나쁘게 한다.

따라서, 현재 고 규소 함유 주철재의 경우, 규소의 함유량을 4.0~4.5wt% 로 한정하는 하고 있다.

이러한 문제점을 감안하여, 배기가스 고온화에 대응이 가능한 배기계 부품용의 내열 구상흑연 주철로서 니켈(Ni)을 다량 함유한 오스테나이트계의 고니켈 구상흑연주철이 사용되고 있다.

그러나, 이와 같은 고 니켈 구상흑연 주철의 성분 중 고가인 니켈을 25~35 wt% 정도 함유하고 있기 때문에 주조성 및 절삭성 뿐만 아니라 비용적으로도 큰 부담이 되고 있다.

한편, 일본공개특허 평09-087796에는 C(2.7~3.2), Si(4.4~5.0), Mn(0.6이하), Cr(0.5~1.0), Ni(0.1~1.0), Mo(1.0이하), 구상화처리제(0.1이하), 잔부 Fe인 것이 특징으로 하는 내열구상흑연주철이 개시되어 있고, 일본공개특허 2002-371335에는 C(2.5~4.1), Si(3.4~5.0), Mn(1.0이하), P(0.1이하), S(0.01이하), Mg(0.02~0.10), Mo(0.1~1.5), Ni(0.5~2.0), 잔부 Fe인 것을 특징으로 하는 내산화성이 우수한 배기계부품용 내열구상흑연주철이 개시되어 있는 바, 이들 특허와 달 리 열변형 및 내산화성이 뛰어난 내열 주철재료의 개발이 요구되고 있다.

상기와 같은 점을 감안하여, 본 발명자는 상기한 문제점을 해결하고자 노력한 결과, Fe에 C, Si,, Mn, Mo, Ni, Cr 및 V의 한계값을 규정하고, 이들 조성으로 이루어진 페라이트계 주철을 제조하였으며, 고온에서의 내열성 및 고온 물성 등 우수함을 알아내어 본 발명을 완성하였다.

이에, 본 발명은 고온에서 사용되는 배기 매니폴드용 합금의 구성 성분을 조정하고, 주조된 제품에 열처리를 실시하면, Si의 양을 4.5%이상 첨가하여도 기지조직에 Si의 개재물 편석을 막을 수 있고, 또한 Mo, Cr의 정출 탄화물을 일정양 분해시킴으로서 이들 원소의 편석없이 이들 원소가 가지는 고유의 특성을 나타냄으로써 고온 내산화성과 고온강도를 증대시켜, 내구신뢰성 향상 및 산화스케일에 의한 촉매손상을 최소화시킬 수 있는 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 내열 주철을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은:

철(Fe)를 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 2.5~3.8 wt%, 규소(Si) 5.0~7.0 wt%, 망간(Mn) 0.2~0.8 wt%, 인(P) 0.05 wt% 이하, 황(S) 0.02 wt% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.5~1.2wt%, 니켈(Ni) 0.1wt% 이하, 바나듐(V) 0.5wt% 이하, 크롬(Cr) 0.01~0.1wt%, 안티몬(Sb) 0.05wt% 이하가 함유된 것을 특징으로 하는 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 내열 주철을 제공한다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 고 규소 페라이트 구상흑연 주철 재료는 고온에서의 내산화 특성이 매우 우수하고 고온인장 강도 등의 고온 기계적 물성이 우수하여 배기계의 배기 매니폴드 및 터보차저의 터빈 하우징에 매우 적합하게 적용할 수 있도록 조성된 것이다.

본 발명의 고 규소 주철재료는 구상흑연에 페라이트 기지조직을 나타내며, 화학성분 중 Si, Mo, Ni, V, Cr가 첨가되어 고온물성을 향상시킬 수 있도록 조성된 것이다.

이를 위해, 본 발명의 고 규소 페라이트계 내열 주철은 탄소(C) 2.5~3.8 wt%, 규소(Si) 5.0~7.0 wt%, 망간(Mn) 0.2~0.8 wt%, 인(P) 0.05 wt% 이하, 황(S) 0.02 wt% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.5~1.2wt%, 니켈(Ni) 0.1wt% 이하, 바나듐(V) 0.5wt% 이하, 크롬(Cr) 0.01~0.1wt%, 안티몬(Sb) 0.05wt이하, 철(Fe) 나머지 중량%로 조성된다.

여기서, 본 발명의 주철재에 함유된 각 성분의 첨가 이유 및 함량 범위 한정 이유를 설명하면 다음과 같다.

1) 탄소(C) 2.5~3.8 wt%

탄소의 함량은 유동성 저하 및 초정 흑연 정출을 고려해서, 2.5~3.8 wt%로 한정한다.

2) 규소(Si) 5.0~7.0 wt%

규소는 흑연정출에 기여하고자 함유되는 원소로서, 기지의 페라이트화 작용 및 내산화성 향상 및 페라이트에서 오스테나이트 변태 상승 효과, 그리고 주조시 용탕흐름 및 절삭성을 고려하여 그 함량을 5.0~7.0 wt%로 제한하는 것이 좋다.

3) 망간(Mn) 0.2~0.8 wt%

망간은 공정셀 경계에 편석하는 바, 이 편석 부분에 대해 페라이트에서 오스테나이트 변태 온도를 낮추기 때문에 0.2~0.8 wt/% 범위로 한정한다.

4) 인(P) 0.05 wt% 이하

인은 스테다이트를 형성시키므로, 0.05wt/% 이하로 관리한다.

5) 황(S) 0.02 wt% 이하

황은 흑연구상화에 유해하므로, 0.02wt/% 이하로 관리하는 것이 좋다.

6) 몰리브덴(Mo) 0.5~1.2wt%

몰리브덴은 탄소와 화합해서 석출 탄화물을 형성하고, 평균 열팽창 계수가 낮아져서 고온영역에서 열응력 발생을 낮게 해서 고온 강도를 향상시키기 위해 첨가되는 바, 다량 첨가시 입계 탄화물이 증가해 절삭성 및 상온 연신율 저하시키므로 0.5~1.2wt%로 제한하는 것이 바람직하다.

7) 니켈(Ni) 0.1wt% 이하

니켈은 상온 연신율을 향상시킬 목적으로 소량 첨가시켰고, 0.1wt% 이하로 제한하기로 한다.

8) 크롬(Cr) 0.01~0.1wt%

크롬은 Cr계 산화물을 형성하고 내산화성을 향상시키는 원소로 첨가되며, 다량 첨가시 절삭성을 저하시키므로 0.01~0.1wt%로 한정한다.

9) 바나듐(V) 0.5wt% 이하

바나듐은 고온강도를 개선하는 효과(VC에 의한 석출강화)를 얻고자 첨가되고, 0.5 wt% 이하로 국한시키며, 그 이상 첨가는 효과가 같아 의미가 없다.

10) 안티몬(Sb) 0.05wt% 이하

안티몬은 흑연입수를 증가시킴으로써, 흑연간 원소의 편석을 완화시키는 효과를 가질 목적으로 0.05 wt%이하 첨가시킨다.

이러한 조성을 갖는 본 발명의 주철재는 960℃까지 가열속도 20℃/분으로 승온 한 후, 20분간 유지한 다음, 400℃까지 20℃/분으로 온도로 서냉한 후에 공냉하는 열처리를 통하여 제조되며, 또한 본 발명의 주철재는 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 통상적인 주조 방식에 의해 제조될 수 있다.

이렇게 제조된 본 발명의 고 규소 주철은 바나듐(V) 첨가에 의해 기지에 바나듐계 탄화물(VC)이 형성되고, 이들 조직이 고온강도를 향상시키게 된다.

또한, 몰리브덴(Mo) 첨가로 인하여 페라이트에 고용강화의 효과가 제공되어 고온 강도를 향상시키게 된다.

한편, 내산화성 향상을 위하여 산화 피막과 기지와의 계면에 밀접한 Fe₂SiO₄ 을 많이 생성시키는 것이 유리하여 본 주철재에는 규소를 5.0% 이상을 첨가시켰다.

일반적으로, Si은 앞에서 언급하였듯이 내산화성 향상 이외에도 페라이트에 서 오스테나이트 변태 온도를 올리는 원소이지만 규소(Si) 양이 4.4 wt %를 초과하면 페라이트 경도가 높아져 연성이 저하하기 때문에 본 발명의 소재는 내산화성 향상과 연성 저하를 막기 위해 주조 후에 상기와 같이 열처리를 실시한 것이다.

따라서, 본 발명의 고 규소 주철재료는 고온용 주철합금 소재로서 우수한 내열특성과 내산화성을 나타내게 되어, 고출력 엔진의 배기 매니폴드에 적합하게 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

본 발명에 따른 고 규소 페라이트계 내열 주철재로서, 아래의 표 1에 기재된 바와 같이, 탄소(C) 2.8wt%, 규소(Si) 5.10wt%, 망간(Mn) 0.35wt%, 인(P) 0.042wt%, 황(S) 0.008wt%, 몰리브덴(Mo) 0.8wt%, 니켈(Ni) 0.03wt% 이하, 바나듐(V) 0.30wt%, 크롬(Cr) 0.04wt%, 안티몬(Sb) 0.02wt%, 철(Fe) 나머지 중량%로 조성된 주철 합금 소재를 통상적인 주조 방식을 적용하되, 960℃까지 가열속도 20℃/분으로 승온 한 후, 20분간 유지한 다음, 400℃까지 20℃/분으로 온도로 서냉한 후에 공냉하는 열처리를 하여, 시편을 제작하였다.

비교예1

현재 배기 매니폴드 재질로 사용되고 있는 내열 구상흑연 주철재로서, 위의 표 1에 기재된 바와 같이 탄소(C) 3.31wt%, 규소(Si) 4.16wt%, 망간(Mn) 0.32wt%, 인(P) 0.048wt%, 황(S) 0.03wt%, 몰리브덴(Mo) 0.65wt%, 니켈(Ni) 0.03wt%, 크롬(Cr) 0.02wt%, 마그네슘(Mg) 0.026wt%, 철(Fe) 나머지 중량%로 조성된 주철 합금 소재를 통상적인 주조 방식을 이용하여, 시편을 제작하였다.

비교예2

현재 배기 매니폴드 재질로 사용되고 있는 내열 구상흑연 주철소재로서, 위의 표 1에 기재된 바와 같이 탄소(C) 3.69wt%, 규소(Si) 2.84wt%, 망간(Mn) 0.26wt%, 인(P) 0.042wt%, 황(S) 0.02wt%, 몰리브덴(Mo) 0.45wt%, 니켈(Ni) 0.13wt%, 크롬(Cr) 0.06wt%, 마그네슘(Mg) 0.034wt%, 철(Fe) 나머지 중량%로 조성된 주철 합금 소재를 통상적인 주조 방식을 이용하여, 시편을 제작하였다.

시험예1

실시예 및 비교예1,2에 대한 물성을 비교하기 위하여 통상의 장비를 이용하여 고온인장 실험을 하였다.

그 결과, 가혹한 배기계 모드인 재질 표면온도 800℃에서 실시예가 가장 높은 고온 인장강도를 나타냄을 알 수 있었고, 이는 Mo첨가에 의한 고용강화 효과로 고온강도가 향상되는 것이고, V첨가에 의해 VC의 석출 강화의 효과로 고온강도가 향상된 것이며, 또한 이들의 복합첨가에 의해 고온 강도의 상승 효과가 큼을 알 수 있었다.

시험예2

실시예 및 비교예1,2에 대한 물성을 비교하기 위하여 통상의 장비를 이용하여 고온 산화 시험을 하였다.

고온산화 시험 결과, 실시예가 가장 낮은 산화 감량을 보였는 바, 그 이유는 Si 함량에 따른 내산화성 향상에는 산화 피막과 기지와의 계면에 밀접한 Fe₂SiO₄ 을 많이 생성시키는 것이 유리하였기 때문이다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 내열 주철에 의하면, 기존의 내열 구상흑연 주철과 비교하여 고온특성, 고온내산화성 등의 물성이 월등하게 향상되는 효과가 있고, 이러한 물성의 향상과 더불어 가격도 저렴한 실용적인 배기다기관용 내열 구상흑연주철을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims

철(Fe)를 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 2.5~3.8 wt%, 규소(Si) 5.0~7.0 wt%, 망간(Mn) 0.2~0.8 wt%, 인(P) 0.05 wt% 이하, 황(S) 0.02 wt% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.5~1.2wt%, 니켈(Ni) 0.1wt% 이하, 바나듐(V) 0.5wt% 이하, 크롬(Cr) 0.01~0.1wt%, 안티몬(Sb) 0.05wt이하가 함유된 것을 특징으로 하는 고온 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 내열 주철.