KR20090037883A - 높은 온도에서 양호한 내산화성을 갖는 주철 합금 - Google Patents

Abstract

800 ~ 950℃의 표면 온도에서 높은 내산화성을 갖는 주철 제품용 주철 합금으로서, 2.8 ~ 3.6중량% C, 2.0 ~ 3.0중량% Si, 2.5 ~ 4.3중량% Al, 1.0중량% 이하의 Ni, 0.8중량% 이하의 Mo, 0.3중량% 이하의 Mn, 0.002 ~ 0.1중량% Ce, 0.023 ~ 0.06중량% Mg, 0.01중량% 이하의 S, 나머지로 Fe 및 통상적인 불순물로 이루어진 화학적 조성을 갖는 주철 제품용 주철 합금이 제시된다.

주철 제품, 열 팽창 계수, 파단 연신율, 브리넬 경도, 마그네슘 전로, 배기 매니폴드, 터보 과급기

Description

높은 온도에서 양호한 내산화성을 갖는 주철 합금 {CAST IRON ALLOY WITH GOOD OXIDATION STABILITY AT HIGH TEMPERATURES}

본 발명은 높은 표면 온도에서 높은 내산화성을 갖는 주철 제품용 주철 합금에 관한 것이다.

자동차 제조자는 새로운 배기 방출 표준에 대응하도록 요구된다. 촉매 컨버터는 배출 가스 온도가 더 높을 때 더 잘 작동한다. 팔라듐은 촉매 물질로서 플라티늄 대신에 사용될 수 있으며, 최대 배출 가스 온도는 현재의 850℃에서 950℃로 증가할 것이다. 이 온도들에서, 지금까지 알려진 주철 합금은 내스케일성에 관한 문제를 수반한다. 이전의 페라이트 합금에서, 페라이트 격자로부터 오스테나이트 격자로의 상 전이는 약 860℃ 보다 높은 온도에서 일어난다. 페라이트 격자의 팽창 거동은 오스테나이트 격자의 팽창 거동과 다르다. 오스테나이트 격자의 열 팽창 계수가 페라이트 격자의 열 팽창 계수보다 더 크고 또한 더 크게 변화하기 때문에, 전이 온도에서 부피의 변화가 발생한다. 이 부피 변화는 주조부의 비균일 팽창 거동 및 미소 균열을 가져온다. 빈번한 온도 변화를 겪는 주조부는 이 비균일 팽창 및 균열에 의해 기계적인 스트레스를 받게 된다. 이 결과, 얇은 산화물 층(= 스케일(scale))이 주조부의 표면으로부터 떨어지게 된 다. 이상적으로는, 긴 기간동안 잘 부착되고 산소 확산을 막는 얇은 산화물 층은 배출 가스에 노출되는 터보 과급기(turbocharger) 하우징 및/또는 배기 매니폴드의 표면에 형성되어야 한다.

EP 076 701 B1 은 구상 흑연을 갖는 내열성 페라이트 주철을 개시하고 있다. 이 합금은 3.4중량% 이하의 C, 3.5 ~ 5.5중량% Si, 0.6중량% 이하의 Mn, 0.1 ~ 0.7중량% Cr, 0.3 ~ 0.9중량% Mo, 및 0.1중량% 이하의 구상 흑연 형성 성분을 함유한다. 상기 합금은 모터 차량 제조에 있어서 터보 과급기 하우징의 제조에 사용된다.

EP 1 386 976 B1 은 높은 열적 안정성을 갖는 주철 제품을 위한 합금을 개시하고 있다. 이 합금은 2.5 ~ 2.8중량% C, 4.7 ~ 5.2중량% Si, 0.5 ~ 0.9중량% Mo, 0.5 ~ 0.9중량% Al, 0.04중량% 이하의 Mg, 0.02중량% 이하의 S, 0.1 ~ 1.0중량% Ni, 0.1 ~ 0.4중량% Zr, 나머지로 Fe 및 통상적인 불순물로 구성된다. 상기 합금은 모터 차량 제조에 있어서 배기 매니폴드 및 터보 과급기 하우징에 사용된다.

이 종래 기술에 기초하여, 본 발명의 목적은 가능한 한 높은 온도에서 사용될 수 있고, 가능한 한 경제적으로 제조될 수 있으며, 빈번한 온도 변화 하에서도 가능한 한 긴 사용기간을 보장하는 주철 합금을 제공하는 것이다.

이 목적은, 2.8 ~ 3.6중량% C, 2.0 ~ 3.0중량% Si, 2.5 ~ 4.3중량% Al, 1.0중량% 이하의 Ni, 0.8중량% 이하의 Mo, 0.3중량% 이하의 Mn, 0.002 ~ 0.1중량% Ce, 0.023 ~ 0.06중량% Mg, 0.01중량% 이하의 S, 나머지로 Fe 및 통상적인 불순물로 이루어진 화학적 조성을 가지며, 800 ~ 950℃의 표면 온도에서 높은 내산화성을 갖는 주철 제품용 주철 합금에 의하여 성취된다.

본 발명의 바람직한 개선점들은 종속항에서 발견될 수 있다.

주조부는 작동 온도에서 가능한 한 규칙적으로 탄성적으로 팽창하는 것이 유리하다. 이는, 합금의 페라이트 상에서 오스테나이트 상으로의 전이 온도가 880℃ 보다 높음으로써 성취된다. 이는 또한 팽창계에 의해 측정되는 합금 시편의 열 팽창이 880℃의 온도까지 균일하고 일정하게 변화함에 의해서도 성취된다. 이는 또한 25℃에서 8 ~ 12 10^-6/K 그리고 900℃에서는 13.5 ~ 15.5 10^-6/K 의 열 팽창 계수를 갖는 합금에 의해서도 성취된다. 이는 온도에 대해 점철되며 표준 명칭이 D5S 또는 GJSA XNiSiCr35-5-2 인 소위 저항성 Ni 합금의 값보다 항상 약 30% 더 낮은 값이다.

실온에서 주조부가 취성이 되지 않도록 하는 것이 유리하다. 이는 인장 강도 R_m 에 대해 500 ~ 650 MPa, 항복점 R_p0.2에 대해 470 ~ 620 MPa, 그리고 파단 연신율 A₅ 에 대해 2.0 ~ 4.0 의 강도 값을 갖는 합금에 의해 성취된다. 이는 소위 저항성 Ni 합금의 값의 약 1.3 ~ 1.5 배인 강도 값이다. 여기에 제안되는 주철 합금의 연성은 860℃ 초과의 온도에 노출될 수 없는 표준의 상업적인 페라이트 재료의 평균값에 해당한다.

주조부가 쉽게 가공가능한 것이 또한 유리하다. 이는 220 ~ 250 의 브리넬(Brinell) 경도를 갖는 합금에 의해 성취된다.

합금은 가능한 한 경제적인 원소로 구성되는 것이 또한 유리하다. 이는 0.8중량% 미만의 Mo, 1중량% 미만의 Cr 및 1중량% 미만의 Ni를 함유하는 합금에 의해 성취된다. 저항성 Ni 합금은 전형적으로 약 30 ~ 35중량% Ni 및 약 2 ~ 5중량% Cr을 함유한다. 몰리브덴으로 합금되는 스페로 캐스트(spherocast) 합금은 보통 약 0.8중량% 몰리브덴을 함유한다.

또한, 주조부는 열에 가능한 한 둔감한 것이 유리하다. 이는 25℃에서 25 W/mK 의 열 전도도를 가지며 900℃에서는 26 W/mK 의 열 전도도를 갖는 합금에 의해 성취된다. 저항성 Ni 합금은 400℃에서 20 ~ 50% 더 낮은 열 전도도를 갖는다.

본 발명의 주요 개념은 터보 과급기 및 배기 매니폴드에서 높은 내스케일성과 함께 가능한 한 높은 작동 온도를 허용하고, 주조 과정에서 가능한 한 경제적으로 또한 가능한 한 간단하게 제조될 수 있는 주철 합금을 제공하는 것이다. 더 높은 작동 온도를 위한 이전의 표준적인 방안은 비싼 주강 및 오스테나이트 주철의 사용 또는 정교하게 제조된 시트 금속 설계의 사용에 있다.

도 1 은 본 발명의 합금이 온도에 따라 페라이트 상으로부터 오스테나이트 상으로 전이하는 것을 나타낸다. 여기서 평형 상 전이는 약 900℃에서 일어남을 알 수 있다. 여기서 또한 합금이 1240 ~ 1280℃ 의 용융 온도에서 집합 상태를 변화시키는 방식도 알 수 있다.

도 2 는 명칭이 SiMo1000플러스인 새로운 합금의 열 팽창 계수를 다른 주철 합금과 비교하여 나타내며, 열 팽창 계수는 온도에 따라 측정되었다.

도 3 은 온도에 따라서 다른 주철 합금과 비교한 합금 SiMo1000플러스의 열 전도도를 나타낸다. 여기서, D5S는 소위 저항성 Ni 합금을 나타내며, GJV SiMo 및 SiMoNi 는 이미 알려진 약 1% Mo로 합금된 스페로 캐스트 합금을 나타낸다.

3.02중량% C, 2.96중량% Si, 2.53중량% Al, 0.79중량% Ni, 0.65중량% Mo, 0.23중량% Mn, 0.04중량% Cu, 0.031중량% P, 0.026중량% Cr, 0.023중량% Mg, 0.017중량% Ti, 0.01중량% 미만의 S 및 0.002중량% Ce 의 화학 조성을 갖는 자동차의 연소 엔진을 위한 스페로 캐스트로 만들어진 배기 매니폴드는 페라이트 격자를 갖는다. 이 배기 매니폴드는 GF 전로에서 마그네슘으로 사전 처리된 용융물로부터 주형 안에서 직접 주조된다. 용체화 풀림(solution annealing) 또는 오스템퍼링(austempering)과 같은 시간이 소비되는 후속 열 처리는 필요하지 않다.

마그네슘으로의 처리는 합금의 황 함량에 바람직한 영향을 미치며, 구상 또는 구불구불한 형상의 흑연(graphite)의 형성을 보장한다. 구형결석(= 구상 흑연 입자) 의 성장을 촉진하기 위해 충분한 Mg 가 고용되어 있어야 하지만, 마그네슘은 탈황 효과를 갖는다. 약 0.025중량%의 Mg 함량이 약 2.5중량%의 본 발명의 Al 함량에 이상적이다. 합금 시편은 비교될 만한 통상적인 주철 합금의 밀도보다 적어도 5% 더 낮은 밀도를 갖는다.

2.8 ~ 3.6중량%의 탄소 함량은 공융점에 가까운 조성을 보장한다. 2.8% 미만의 탄소는 주조부의 공급 원료에 바람직하지 않다. 3.6% 초과의 탄소는 합금의 고온 특성에 바람직하지 않다.

세륨은 결정핵 생성 촉진제로서 0.002 ~ 0.1중량%의 양으로 첨가된다. 0.1% 초과의 Ce는 바람직하지 않으며 소위 응집상 흑연의 형성을 유발한다.

본 합금의 2 ~ 3중량%의 실리콘 함량은 페라이트 상의 형성에 긍정적인 영향을 미치며, 용융물의 유동성을 향상시키고, 항복점을 높이며 주조부의 내열성을 향상시킨다. 2% 미만의 Si는 냉경 깊이(chill depth)에 바람직하지 않다. 3% 초과의 Si는 주조부의 취성을 증가시킨다.

2.5 ~ 4.3중량%의 알루미늄 함량 역시 페라이트 상의 형성에 긍정적인 영향을 미치며, 질소를 중화시킨다. 2.5% 미만의 Al은 흑연 안정화에 바람직하지 않다. 4.3% 초과의 Al은 구상 흑연의 형성에 바람직하지 않다.

0.1 ~ 1중량%의 니켈 함량은 취성을 실질적으로 증가시키지 않고 항복점을 높이며, 내부식성을 향상시킨다. 0.1% 미만의 Ni는 흑연 안정화에 바람직하지 않다. 1% 초과의 Ni는 주조부의 더 얇은 영역에서 베이나이트 및 마르텐사이트의 형성에 바람직하지 않다. 니켈은 비교적 비싼 합금 원소이다.

0.4 ~ 0.8중량%의 몰리브덴 함량은 항복점, 열적 안정성, 크리프 강도 및 열적 순환 안정성을 증가시키는데 긍정적인 효과를 갖는다. 0.4% 미만의 Mo는 흑연 안정화에 바람직하지 않다. 0.8% 초과의 Mo는 탄화물 및 기포의 형성에 바람직하지 않다. 몰리브덴은 매우 비싼 합금 원소이다.

0.3중량% 이하의 망간 함량은 황의 결합에 긍정적인 영향을 미친다. 0.3% 초과의 Mn은 결정립계 탄화물의 형성에 바람직하지 않으며 결정핵 생성 상태를 손상시킨다. 너무 많은 Mn은 결정 격자에서 펄라이트의 형성을 촉진한다. 베이나이트 격자는 더욱 취성이 된다.

1중량% 이하의 크롬 함량은 주조물의 크리프 강도 및 열적 안정성에 긍정적인 효과를 미친다.

일반적으로, 합금 첨가제의 낮은 함량은 실온에서 결정립계 탄화물의 형성 및 취성을 감소시키는데 바람직하다. 이는 예를 들어 구리 및 티타늄 함량의 경우이다.

주강과 비교하여, 스페로 캐스트의 용융 온도는 약 100 내지 200℃ 더 낮다. 이는 더 적은 에너지가 소비되며 더 적은 합금 원소가 증발에 의해 주변으로 방출된다는 것을 의미한다.

Claims (12)

1. 800 ~ 950℃의 표면 온도에서 높은 내산화성을 갖는 주철 제품용 주철 합금으로서, 2.8 ~ 3.6중량% C, 2.0 ~ 3.0중량% Si, 2.5 ~ 4.3중량% Al, 1.0중량% 이하의 Ni, 0.8중량% 이하의 Mo, 0.3중량% 이하의 Mn, 0.002 ~ 0.1중량% Ce, 0.023 ~ 0.06중량% Mg, 0.01중량% 이하의 S, 나머지로 Fe 및 통상적인 불순물로 이루어진 화학적 조성을 갖는 주철 제품용 주철 합금.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 합금은 0.1 ~ 1중량% Ni, 0.4 ~ 0.8중량% Mo 및 1.0중량% 이하의 Cr 을 함유하는 것을 특징으로 하는 주철 제품용 주철 합금.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 합금의 페라이트 상에서 오스테나이트 상으로의 전이의 온도가 880℃ 보다 높은 것을 특징으로 하는 주철 제품용 주철 합금.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 팽창계로 측정되는 상기 합금의 열 팽창은 880℃의 온도까지 균일하고 일정하게 변화하는 것을 특징으로 하는 주철 제품용 주철 합금.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 25℃에서 8 ~ 12 10^-6/K 그리고 900℃에서는 13.5 ~ 15.5 10^-6/K 의 열 팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 주철 제품용 주철 합금.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 인장 강도 R_m 에 대해 500 ~ 650 MPa, 항복점 R_p0.2에 대해 470 ~ 620 MPa, 그리고 파단 연신율 A₅ 에 대해 2.0 ~ 4.0 의 강도 값을 갖는 것을 특징으로 하는 주철 제품용 주철 합금.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 220 ~ 250 의 브리넬(Brinell) 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 주철 제품용 주철 합금.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 25℃에서 20 ~ 25 W/mK 의 열 전도도를 가지며 900℃에서는 23 ~ 29 W/mK 의 열 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 주철 제품용 주철 합금.
9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 비교될 만한 통상적인 주철 합금의 밀도보다 적어도 5% 더 작은 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 주철 제품용 주철 합금.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 황이 매우 적은 합금이 얻어 지도록 상기 합금이 마그네슘 전로에서 처리되는 것을 특징으로 하는 주철 제품용 주철 합금.
11. 마그네슘 전로에서의 사전 처리 후에, 상기 합금은 주형안에서 주조되며 어떠한 후속 열처리도 받지 않는 것을 특징으로 하는 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 주철 합금을 제조하는 방법.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주철 합금은 자동차 제조에서 배기 매니폴드 및/또는 터보 과급기(turbocharger)로서 사용되는 것을 특징으로 하는 주철 제품용 주철 합금.

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