KR20090093291A

KR20090093291A - Ｃｇｉ 주철

Info

Publication number: KR20090093291A
Application number: KR1020080018736A
Authority: KR
Inventors: 안정근; 신호철; 이재기; 홍명구
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2009-09-02

Abstract

본 발명은 CGI 주철에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소(C), 규소(Si), 잔류 마그네슘(Mg), 특히 미량원소인 구리(Cu) 및 주석(Sn)량을 제어하여, 기존의 주철주조 설비 및 자재 변경없이 주조성(수축, 유동성)이 우수하고, 주조품의 경도 및 인장강도 등 다양한 물성을 확보할 수 있도록 한 CGI 주철에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 3.45~3.55중량%, 실리콘(Si) 2.30~2.40중량%, 마그네슘(Mg) 0.002~0.008중량%, 구리(Cu) 0.10~0.90중량%, 주석(Sn) 0.01~0.09중량%, 크롬(Cr) 0.03~0.07중량%, 망간(Mn) 0.30~0.35중량%, 인(P) 0.1중량% 이하, 황(S) 0.1중량% 이하가 함유되며, 탄소당량(CE: Carbon Equivalent)은 4.3±0.05인 것을 특징으로 하는 CGI 주철을 제공한다.

Description

ＣＧＩ 주철{CGI Cast Iron}

일반적으로 디젤엔진의 실린더블록은 주철제 실린더 블록을 사용하는 바, 대부분의 디젤엔진용 실린더블록은 조질이 길고 연결성이 좋아, 빠른 열전달과 진동 및 폭발충격진동을 감쇄하는 능력이 탁월한 반면 강도가 약한 단점을 갖는 편상흑연주철, 또는 강도가 우수하지만 열전도 및 진동감쇄능력이 떨어지는 구상흑연주철, 또는 편상흑연주철과 구상흑연주철의 중간적인 성격을 갖는 강화흑연주철이 적용되고 있다.

상기 CGI(Compacted graphite iron)주철(강화흑연주철)은 회주철과 구상 흑연주철의 중간위치의 현미경조직과 특성을 지니고 있으며, 회주철과 비교했을 때 CGI 흑연입자는 더 짧고, 모서리가 둥글며, 아스펙트 비(Aspect Ratio: 장축/단축의 길이 비)가 10 미만인 특성을 갖는다.

종래에는, 기계적물성(인장강도)를 용이하계 확보하기 위해 구상흑연 주철 베이스(BASE)에서 마그네슘 접종을 정밀하게 제어하여 CGI주철을 제조하는데 이를 위해 정밀한 제어 장치, 인과 황의 함량이 낮은 고급자재를 사용하고도, 조건변화에 민감하여 재질 불량 및 주조불량 가능성이 높은 문제점이 있었다.

종래의 CGI 주철은 탄소(C) 3.6~3.8중량%, 실리콘(Si) 1.9~2.1중량%, 마그네슘(Mg) 0.01~0.015중량%, 구리(Cu) 0.05중량% 이하, 크롬(Cr) 0.05중량% 이하, 망간(Mn) 0.25~0.4중량%, 인(P) 0.05중량% 이하, 황(S) 0.05중량% 이하로 조성되며, 탄소당량(CE: Carbon Equivalent)은 4.45±0.05로 관리되고 있다.

이러한 종래의 조성을 기반으로, CGI 주철 제품을 제조하는 방법은 첨부한 도 6의 공정도에서 보는 바와 같이, 위의 조성을 용해시킨 다음, 출탕과 함께 1차 접종재를 투입하고, 이후 열분석 및 필요에 따라 마그네슘 및 실리콘 와이어로 추가적인 2차 접종을 실시한 후, 온도 측정 및 금형내 주입공정을 포함하여 진행되고 있다.

그러나, 종래의 CGI주철을 이용한 주조품 제조에 있어서, 기계적물성(인장강도)를 용이하계 확보하기 위해 구상흑연 주철 용탕 베이스(BASE)에서 마그네슘 접종량을 제어하여 CGI주철을 제조하는 바, 정밀한 제어 및 분석 장치 그리고 고급자재를 필요로 하며, 이렇게 제조된 주조품 또한 재질불량율, 소재수축 및 유동 불량율이 높고, 제조 후의 주조품 물성치가 한정적인 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, Mg 접종재 일정량을 출탕용 레들에 투입하고, CGI 주철 조성물의 용탕을 용해로에서 출탕하여, 안정적인 CGI 흑연을 정출시키고, 용탕의 구리(Cu) 및 주석(Sn) 함량을 제어함으로써, 기지조직 변화를 통한 다양한 물성을 갖도록 한 CGI 주철을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 3.45~3.55중량%, 실리콘(Si) 2.30~2.40중량%, 마그네슘(Mg) 0.002~0.008중량%, 구리(Cu) 0.10~0.90중량%, 주석(Sn) 0.01~0.09중량%, 크롬(Cr) 0.03~0.07중량%, 망간(Mn) 0.30~0.35중량%, 인(P) 0.1중량% 이하, 황(S) 0.1중량% 이하가 함유되며, 탄소당량(CE: Carbon Equivalent)은 4.3±0.05인 것을 특징으로 하는 CGI 주철을 제공한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

Mg 접종재 일정량을 출탕용 레들에 직접 투입하고, CGI 주철 조성물의 용탕을 용해로에서 출탕하여, 안정적인 CGI 흑연을 정출시키고, 특히 용탕의 구리(Cu) 및 주석(Sn) 함량을 제어함으로써, 기지조직 변화를 통한 다양한 가변 물성(인장강도 및 경도)을 갖도록 할 수 있다.

즉, 구리 및 주석 함량의 제어로 다양한 물성(경도, 인장강도)를 갖는 주조품의 제조를 용이하게 실시할 수 있다.

도 1은 본 발명 및 종래의 CGI 주철 흑연의 정출 과정을 설명하는 그래프,

도 2는 본 발명 및 종래의 CGI 주철에 대한 조직을 나타내는 전자현미경 사진,

도 3은 본 발명의 CGI 주철에 대한 물성 변화를 설명하는 도표,

도 4는 본 발명의 CGI 주철에 대한 물성 변화를 설명하는 그래프,

도 5는 본 발명의 CGI 주철 제품을 제조하는 과정을 순서대로 설명한 공정도,

도 6은 종래의 CGI 주철 제품을 제조하는 과정을 설명한 공정도.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 회주철계 CGI 주철 조성은 미량원소인 구리(Cu) 및 주석(Sn)량을 제어하여, 기존의 주철주조 설비 및 자재 변경없이 주조성(수축, 유동성)이 우수하고, 주조품의 경도 및 인장강도 등 다양한 기계적 물성을 확보할 수 있도록 한 것으로서, 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 3.45~3.55중량%, 실리콘(Si) 2.30~2.40중량%, 마그네슘(Mg) 0.002~0.008중량%, 구리(Cu) 0.10~0.90중량%, 주석(Sn) 0.01~0.09중량%, 크롬(Cr) 0.03~0.07중량%, 망간(Mn) 0.30~0.35중량%, 인(P) 0.1중량% 이하, 황(S) 0.1중량% 이하가 함유된 것으로 조성된다.

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

1) 탄소(C) 3.45~3.55중량%,

탄소는 공정흑연량 정출 비율을 극대화시키기 위하여 첨가되며, 3.45중량% 이하이면 흑연편상화가 발생되고, 3.55중량% 이상이면 흑연구상화 수축 및 유동불량이 발생하므로, 수축불량 및 유동불량을 감소시킴과 함께 물성을 확보할 수 있도록 3.45~3.55중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

2) 실리콘(Si) 2.30~2.40중량%

실리콘은 공정 CGI 흑연 정출량을 극대화시키기 위하여 첨가되며, 2.30중량% 이하이면 흑연편상화가 발생되고, 2.40중량% 이상이면 흑연 구성화 수축불량이 발생하므로, 그 함량을 2.30~2.40중량%로 한정하는 것이 좋다.

3) 마그네슘(Mg) 0.002~0.008중량%

마그네슘은 CGI 흑연 핵생성 및 성장 촉진을 위하여 첨가되며, 0.002wt% 이하이면 흑연편상화가 발생되고, 0.008wt%이상이면 흑연구상화 및 수축불량이 발생하므로, 0.002~0.008중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

4) 구리(Cu) 0.10~0.90중량%

구리는 함량을 제어하여 가공이 용이한 저경도 및 고인성 주철을 제조하기 위하여 첨가되며, 0.10중량% 미만이면 인장강도의 부족을 초래하고, 0.90중량% 이상이면 너무 고경도가 되어 취성을 초래하므로, 0.10~0.90중량%로 그 함량을 제어한다.

5) 주석(Sn) 0.01~0.09중량%

구리는 함량을 제어하여 가공이 용이한 저경도 및 고인성 주철을 제조하기 위하여 첨가되며, 0.01중량% 미만이면 인장강도의 부족을 초래하고, 0.09중량% 이상이면 시멘타이트 형성되어, 폭발상 흑연을 발생시키므로, 0.01~0.09중량%로 한정한다.

6) 크롬(Cr) 0.03~0.07중량%

크롬은 흑연미세화를 위하여 첨가되며, 0.03중량% 이하이면 경도가 저하되고, 0.07중량% 이상이면 시멘타이트가 형성되어 취성 및 수축이 발생되므로, 0.03~0.07중량%로 한정한다.

7) 망간(Mn) 0.30~0.35중량%

망간 또한 흑연미세화 및 퍼얼라이트 안정화를 위하여 첨가되며, 0.30중량% 이하이면 경도가 저하되고, 0.35wt% 이상이면 시멘타이트가 형성되어 취성 및 수축이 발생되므로, 0.30~0.35중량%로 한정한다.

8) 인(P) 0.1 중량% 이하

인은 펄라이트 안정화를 도모하지만, 0.1중량% 이상으로 관리하면 취성을 발생시키므로, 그 함량을 되도록 0.1중량% 이하로 관리한다.

9) 황(S) 0.1 중량% 이하

황은 CGI 흑연 형성을 보조하지만, 0.1중량% 이상으로 관리하면 CGI흑연 형성이 불량하게 되므로, 그 함량을 되도록 0.1중량% 이하로 관리한다.

이때, 탄소당량(CE)은 탄소함량 + (실리콘함량×1/3)로 결정되며, 제품의 수축불량 감소, 유동불량 감소, 물성 확보 등을 이유로 조절될 수 있다.

예를들어, 본 발명의 첨가함량을 기준으로, 탄소 3.45~3.55중량% + (실리콘 2.30~2.40중량%×1/3)을 계산하면, 탄소당량은 4.25~4.35중량% 가 된다.

그러나, 본 발명에 따르면 탄소당량이 4.25중량% 이하이면 흑연 편상화가 발생하고, 4.35중량% 이상이면 제품에 수축 및 유동 불량이 발생되므로, 그 함량비를 4.25~4.35중량% 로 조절해주는 것이 바람직하다.

이러한 본 발명의 CGI 회주철 조성을 이용하여 회주철 제품을 제조하는 방법을 첨부한 도 1 및 도 5를 참조로 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명 및 종래의 CGI 주철 흑연의 정출 과정을 설명하는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 CGI 주철 제품을 제조하는 과정을 순서대로 설명한 공정도이다.

본 발명에 따르면 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 3.45~3.55중량%, 실리콘(Si) 2.30~2.40중량%, 마그네슘(Mg) 0.002~0.008중량%, 구리(Cu) 0.10~0.90중량%, 주석(Sn) 0.01~0.09중량%, 크롬(Cr) 0.03~0.07중량%, 망간(Mn) 0.30~0.35중량%, 인(P) 0.1중량% 이하, 황(S) 0.1중량% 이하가 함유되며, 탄소당량(CE: Carbon Equivalent)은 4.3±0.05인 CGI 주철 조성을 용해시킨 다음, 로내 성분 검사를 광분석 및 CS분석을 통하여 검사한 후, 래들로 출탕시킨다.

로내 성분 확보가 정확히 이루어졌기 때문에, 기존과 같은 열분석 및 추가 접종 등의 제어 공정없이 Mg접종재 일정량을 출탕용 래들에 투입하여 곧바로 주입온도측정 및 금형내 주입이 가능하다.

예를들어, 용해과정후, Mg 함량 2.0%의 접종재를 용탕량 500kg대비 3.0kg를 래들내에 투입하여 잔류 Mg량을 0.002~0.008로 유지시키는 공정만을 더 진행하여, 래들내 용탕을 그 주입온도 측정하여 바로 금형에 주입할 수 있다.

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

실시예 1~4

실시예1로서, 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 3.40중량%, 실리콘(Si) 2.35중량%, 마그네슘(Mg) 0.004중량%, 구리(Cu) 0.7중량%, 주석(Sn) 0.07중량%, 크롬(Cr) 0.05중량%, 망간(Mn) 0.30중량%, 인(P) 0.1중량%, 황(S) 0.1중량%가 함유되며, 탄소당량(CE: Carbon Equivalent)은 4.3인 CGI 주철 조성을 용해시킨 다음, Mg접종재 3.0kg을 출탕용 래들에 투입하고, 곧바로 용탕의 주입온도를 측정하여 금형내 주입함으로써, CGI 주철 제품을 제조하였다.

실시예2는 실시예1과 각 조성의 함량 및 제조 과정이 동일하고, 단지 구리(Cu) 0.5중량%, 주석(Sn) 0.05중량%를 첨가하였다.

실시예3은 실시예1과 각 조성의 함량 및 제조 과정이 동일하고, 단지 구리(Cu) 0.4중량%, 주석(Sn) 0.04중량%를 첨가하였다.

실시예4는 실시예1과 각 조성의 함량 및 제조 과정이 동일하고, 단지 구리(Cu) 0.1중량%, 주석(Sn) 0.01중량%를 첨가하였다.

비교예

종래의 CGI 주철 즉, 철을 주성분으로 하고 탄소(C) 3.7중량%, 실리콘(Si) 2.0중량%, 마그네슘(Mg) 0.01중량%, 구리(Cu) 0.05중량%, 크롬(Cr) 0.05중량%, 망간(Mn) 0.3중량%, 인(P) 0.05중량%, 황(S) 0.05중량%로 조성되며, 탄소당량(CE: Carbon Equivalent)은 4.45로 관리된 주철 조성을 용해시킨 다음, 출탕과 함께 세륨첨가재, 커버재, 마그네슘 구화재와 같은 1차 접종재를 통상의 양으로 투입하고, 이후 열분석 및 필요에 따라 마그네슘 및 실리콘 와이어로 추가적인 2차 접종을 실시한 후, 용탕을 온도 측정 및 금형내 주입공정을 통하여 CGI 주철품을 제조하였다.

실험예 1

실시예 1~4 및 비교예에 의하여 제조된 주철품의 흑연조직을 전자광학현미경을 통하여 관찰하였는 바, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 CGI 흑연조직은 CGI흑연 95~100%, 구상흑연 0~5%로 나타났으며, 종래의 흑연조직은 CGI흑연 85~95%, 구상흑연 5~15%로 나타났음을 알 수 있었다.

실험예 2

실시예 1~4에 따라 제조된 CGI 주철 제품을 에칭공정을 통하여 식각시킨 다음, 그 표면을 전자 현미경으로 관찰하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 3에 나타낸 바와 같이 페라이트 기지 조직이 구리 및 주석 성분이 높을수록 낮게 나타남을 알 수 있었다.

구리 및 주석의 함량을 실시예 1~4에 따라 제어한 주철제품에 대하여 인장강도 및 경도를 측정하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같다.

즉, 실시예 1이 가장 높은 인장강도 및 경도를 나타내고, 실시예 4가 가장 낮은 인장강도 및 경도를 나타냄을 알 수 있었고, 이와 같이 용탕의 Cu 및 Sn 함량을 제어하여 기지조직 변화를 통한 다양한 물성의 CGI 주철을 제공할 수 있음을 알 수 있었다.

Claims

철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 3.45~3.55중량%, 실리콘(Si) 2.30~2.40중량%, 마그네슘(Mg) 0.002~0.008중량%, 구리(Cu) 0.10~0.90중량%, 주석(Sn) 0.01~0.09중량%, 크롬(Cr) 0.03~0.07중량%, 망간(Mn) 0.30~0.35중량%, 인(P) 0.1중량% 이하, 황(S) 0.1중량% 이하가 함유되며, 탄소당량(CE: Carbon Equivalent)은 4.3±0.05인 것을 특징으로 하는 CGI 주철.