KR20100007090A

KR20100007090A - 페라이트계 구상흑연주철

Info

Publication number: KR20100007090A
Application number: KR1020080067558A
Authority: KR
Inventors: 김의준; 박주열; 이재기; 김종문
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2010-01-22
Also published as: KR101054771B1

Abstract

중량%로, 탄소 2.7~3.5%, 규소 4.5~5.0, 망간 0.35% 이하, 인 0.05 이하, 황 0.05% 이하, 몰리브덴 0.6~0.8%, 니켈 0.1% 이하, 구리 0.1% 이하, 마그네슘 0.025% 이상, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는 페라이트계 구상흑연주철이 소개된다. 이러한 구상흑연주철은 고온에서의 내열성 및 고온 물성 등이 우수하면서도 기존재 대비 원가가 저렴하다.

구상흑연, 주철, 내열, 내산화성

Description

페라이트계 구상흑연주철{FERRITIC NODULAR CAST IRON}

본 발명은 내열 특성을 갖는 페라이트계 구상흑연주철에 관한 것으로, 특히, 고온에서의 강도 및 내산화성이 우수한 고 규소 페라이트계 구상흑연주철에 관한 것이다.

차량 엔진 배기계의 배기 매니폴드나 터빈하우징 등과 같은 부품은 가열과 냉각과정에 반복 노출된다. 따라서, 이러한 부품은 우수한 고온 강도 및 내산화성이 요구된다.

현재 배기 매니폴드에 사용되는 재질은 주강을 제외하면 FCD500-SM1 및 FCD550-SM1 주철 등이 사용되고 있으며 고온에서의 물성 향상과 내산화성을 위하여 기존 구상흑연주철에 Si, Ni, Mo 성분 등을 첨가하여 사용하는 것이 특징이다. 이러한 재질은 배기계 온도 약 850℃ 이하에서 사용하는데 문제가 없다.

그러나, 최근 차량 배기량의 증가와 출력의 증대 등으로 배기가스 온도가 급속히 상승하고 있는 추세이며 최근 870℃ 이상의 배기가스에 견딜 수 있는 배기계 재질의 개발 요구가 증가하고 있는 실정이다. 배기온도가 상승함에 따라 발생되는 현 배기계 재질의 주요 문제점은 급격한 온도변화에 따른 재질의 열변형 및 이에 기인한 크랙발생과 고온 산화 스케일에 의한 촉매 공격 및 이로 인한 담체 손상이다.

일반적으로 주철의 고온강도 향상을 위해 첨가하는 원소는 Mo, V 등으로서 탄화물의 석출 및 고용강화를 통하여 고온에서의 물성을 확보한다. 종래의 소재는 고온강도의 확보를 위해 몰리브덴 함유량을 0.8~1.2wt% 정도로 설정하고 있으나 최근 유가금속인 몰리브덴의 가격이 급등하여 제조원가가 상승함에 따라 몰리브덴 첨가량이 제한적일 수밖에 없는 실정이다.

한편 규소는 기지의 페라이트화 및 내산화성 향상을 위해 첨가하지만 주조성 저하 및 절삭성 문제를 고려하여 실질적으로 4.5wt% 이내로 제한하고 있다. 따라서 종래의 소재로는 배기온도 상승에 따른 배기계 내부의 산화박리의 증가 및 이로 인한 촉매 담체 손상이 필연적으로 증가하고 있는 추세이다.

따라서 고온강도 향상에 필수 원소인 몰리브덴 사용량을 최적화하여 제조원가 상승에 대응하고 고규소 함량이라도 주조성의 영향을 최소화 시킬 수 있는 최적의 배기계 재질 개발과 이의 주조 조건이 절설히 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로 고온에서의 내열성 및 고온 물성 등이 우수하면서도 기존재 대비 원가가 저렴한 페라이트계 구상흑연주철을 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 고온에서 사용되는 배기 매니폴드용 합금의 구성 성분을 조정하고, 최적의 주조조건을 도출함으로써 Si를 4.5% 이상 첨가하여도 기지조직에 Si의 개재물 편석을 막을 수 있고, 또한 Mo 등의 정출 탄화물을 일정양 분해시킴으로서 이들 원소의 편석없이 이들 원소가 가지는 고유의 특성을 나타냄으로써 고온 강도 및 내산화성이 우수한 페라이트계 내열 주철을 제공함에 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 페라이트계 구상흑연주철은, 중량%로, 탄소 2.7~3.5%, 규소 4.5~5.0, 망간 0.35% 이하, 인 0.05 이하, 황 0.05% 이하, 몰리브덴 0.6~0.8%, 니켈 0.1% 이하, 구리 0.1% 이하, 마그네슘 0.025% 이상, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 이루어진다.

바람직하게는, 상기 페라이트계 구상흑연주철은, 출탕온도 1500~1600℃, 주입온도 1420~1460℃로 주조되어, 페라이트 기지조직이 80% 이상이며, 흑연 크기가 100㎛ 미만으로 구상화율이 70% 이상인 것이 좋다.

상술한 바와 같은 페라이트계 구상흑연주철은 기존의 내열 구상흑연 주철과 비교하여 고온 내산화성이 월등히 우수하다.

또한, Mo 함량 저감을 통해 적정수준의 고온인장 물성을 유지하면서도 원가절감 효과가 크다.

또한, 주철 내 실리콘 함량 증대에 따른 취성 발생이 없기 때문에 추가적인 열처리 공정을 필요로 하지 않는다.

본 발명에 따른 페라이트계 구상흑연주철은 위와 같은 특성과 함께 고온인장 강도 등의 고온 기계적 물성이 우수하여 고출력 엔진의 배기 매니폴드나 터보차저의 터빈 하우징에 이용될 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 페라이트계 구상흑연주철에 대하여 상세하게 살펴본다.

본 발명에 따른 페라이트계 구상흑연주철에 함유되는 성분들의 기능 및 함량 한정 이유를 살펴보면, 탄소(C)는 재료의 강도와 경도를 증가시키고 미세 합금원소가 탄화물을 석출하는데 필수적인 원소로서, 함량은 유동성 저하 및 초정 흑연정출을 고려하여 2.7~3.5wt%로 함유된다.

규소는(Si) 4.5~5.0wt% 포함된다. 규소는 공석 변화중에 형성되는 페라이트 양을 증가시키고 내산화성을 향상시킨다. 주조시 용탕흐름 및 절삭성을 고려하여 구상흑연주철의 규소 함량은 4.5wt% 미만으로 제한되는 것이 통상적이나, 본 발명에서는 내산화성 향상 목적으로 5.0wt%까지 첨가한다.

망간(Mn)은 페라이트에서 오스테나이트 변태 온도를 낮추기 때문에 0.35wt% 이하 범위로 한정된다. 망간은 대체로 원료인 스크랩을 통하여 유입되므로 공정상 함량의 상한치만이 세밀하게 관리된다.

인(P)은 스테다이트(Steadite)를 형성하고 취성과 전성에 영향을 미치므로 0.05wt% 이하(0% 포함)로 관리된다.

황(S)은 Fe₃C의 안정도를 증가시키나 흑연 정출을 저해하므로 0.05wt% 이하(0% 포함)로 관리된다.

몰리브덴(Mo)은, 페라이트에 고용강화 효과를 제공하며 석출 탄화물을 형성하여 고온 강도를 향상시키며, 또한 평균 열팽창 계수를 떨어뜨려 고온영역에서의 열응력 발생을 저감시킨다. 그 함유량은 0.6wt% 이상으로 관리되는데, 유가금속인 관계로 원가절감을 위해 0.8wt% 이하로 조절하여 요구되는 고온 강도 물성을 유지시킨다.

니켈(Ni)은 상온 연신율을 향상시킬 목적으로 소량 첨가하는데, 그 함량은 0.1wt% 이하(0% 불포함)로 제한된다. 원료인 스크랩을 통하여 유입된다.

구리(Cu)는 경도 및 내마모성 향상을 위해 첨가되며, 다량 첨가시 절삭성을 저하시키므로 그 함량은 0.1wt% 이하(0% 불포함)로 제한된다. 원료인 스크랩을 통하여 유입된다.

마그네슘(Mg)은 응고과정에서 흑연 구상화를 촉진하기 위해 소량 첨가하는 것으로, 그 함량은 0.025wt% 이상이어야 하며, 바람직하게는, 0.025~0.05wt%로 포함된다.

한편, 위와 같이 구상흑연주철에 규소가 4.5wt% 이상으로 많이 포함될 경우 산화 피막과 기지와의 계면에 밀접한 Fe₂SiO₄가 많이 생성되어 내산화성 향상에 유리하다. 그러나, 규소 함량의 증가로 인해 주조성이 문제가 되는데, 출탕온도 1500~1600℃(바람직하게는 1500℃), 주입온도 1420~1460℃로 유지하여 주조함으로써 규소 4.5wt% 이상에서도 주조성의 문제 없이 내산화성 및 고온강도가 우수한 물성치 확보가 가능하다. 제조되는 구상흑연주철은 페라이트 기지조직이 80% 이상이며, 흑연 크기가 100㎛ 미만으로 구상화율이 70%이고, 경도는 210~270HB인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 구상흑연주철의 성능 확인을 위한 일례로서, 아래의 표 1에 기재된 조성을 갖는 실시예 1,2와 비교예 1,2의 구상흑연주철 시편을 제조하여 고온에서의 인장강도 및 산화 시험을 실시하였다.

구분	조성 (wt%)
구분	C	Si	Mn	P	S	Mo	Ni	Cu	Mg
실시예1	3.05	5.00	0.20	0.035	0.0090	0.61	0.040	0.061	0.036
실시예2	3.01	5.00	0.20	0.035	0.0077	0.62	0.042	0.059	0.035
비교예1	3.74	3.60	0.17	0.04	0.0027	0.46	0.044	0.071	0.034
비교예2	3.18	4.33	0.21	0.036	0.0047	1.04	0.047	0.084	0.035

실시예 1

탄소 3.05wt%, 규소 5.00wt%, 망간 0.20wt%, 인 0.035wt%, 황 0.009wt%, 몰리브덴 0.61wt%, 니켈 0.04wt%, 구리 0.061wt%, 마그네슘 0.036wt%을 조성으로 하는 구상흑연주철 시편을 통상적인 주조 방식을 적용하여 제작하였다.

실시예 2

탄소C 3.01wt%, 규소 5.00wt%, 망간 0.20wt%, 인 0.035wt%, 황 0.0077wt%, 몰리브덴 0.62wt%, 니켈 0.042wt% 이하, 구리 0.059wt%, 마그네슘 0.035wt%을 조성으로 하는 구상흑연주철 시편을 통상적인 주조 방식을 적용하여 제작하되, 규소의 함량 증대로 인한 취성에 대한 개선효과의 확인을 위해 노(furnace)에서 930℃에서 90분간 유지한 다음, 500℃까지 노냉한 후에 공냉하는 열처리를 하였다.

비교예 1

탄소 3.74wt%, 규소 3.60wt%, 망간 0.17wt%, 인 0.04wt%, 황 0.0027wt%, 몰리브덴 0.46wt%, 니켈 0.044wt%, 구리 0.071wt%, 마그네슘 0.034wt%를 조성으로 구상흑연주철 시편을 통상적인 주조 방식을 이용하여 제작하였다.

비교예 2

탄소C 3.18wt%, 규소 4.33wt%, 망간 0.21wt%, 인 0.036wt%, 황 0.0047wt%, 몰리브덴 1.04wt%, 니켈 0.047wt%, 구리 0.084wt%, 마그네슘 0.035wt%를 조성으로 하는 구상흑연주철 시편을 통상적인 주조 방식을 이용하여 제작하였다.

시험 1 (고온 인장강도 시험)

실시예 1,2 및 비교예 1,2에 대한 물성을 비교하기 위하여 통상의 장비를 이용하여 고온인장 실험을 하였다.

그 결과, 도 1a 내지 도 1c에서 보듯이, 가혹한 배기계 모드인 재질 표면온도 700~800℃에서 비교예 2가 가장 높은 고온 인장강도를 나타났으며 그 다음으로 실시예 1,2 및 비교예 1의 순으로 나타났다. 이러한 결과로부터 고용강화 효과를 발휘하는 Mo 첨가량에 비례하여 고온 인장강도가 향상됨으로 알 수 있다. 한편, 실시예 1,2의 시험 결과에서 나타난 바와 같이 열처리 유무에 따른 인장강도의 변화는 없음을 알 수 있다.

시험 2 (고온 산화 시험)

실시예 1,2 및 비교예 1,2에 대해 통상의 장비를 이용하여 고온 산화 시험을 하였다. 시험은 700℃의 노에 각 시편을 넣은 후 시간에 따른 각 시편의 무게 변화량을 측정하고 현미경을 통한 산화스케일 두께를 측정하는 방식으로 진행되었다.

그 결과, 도 2에서 보듯이, 실시예 1,2가 가장 적은 무게 변화, 가장 적은 산화스케일이 발생되는 것으로 나타났다. Si 함량 증가에 따라 산화 피막과 기지와의 계면에 밀접한 Fe₂SiO₄가 많이 생성되어 내산화성이 향상되었기 때문일 것이다. 도 3에는 현미경을 통한 산화스케일 두께의 측정 결과가 나타나 있는데, 실시예들의 경우 산화스케일의 두께는 대략 100㎛ 이하로서, 산화스케일의 두께가 130~200㎛ 이상인 비교예들에 비하여 내산화성이 비교예들 보다 월등히 우수함을 알 수 있따.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 실시예와 비교예에 대한 고온 인장시험 결과를 나타낸 그래프로서, 도 1a는 700℃, 도 1b는 750℃, 도 1c는 800℃ 조건에서의 시험 결과이며,

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 실시예와 비교예에 대한 고온(700℃) 산화시험 결과를 나타낸 도면으로서, 도 2는 무게 변화량을 보인 그래프이며, 도 3은 표면 산화층의 두께를 보인 현미경 사진이다.

Claims

중량%로, 탄소 2.7~3.5%, 규소 4.5~5.0, 망간 0.35% 이하, 인 0.05 이하, 황 0.05% 이하, 몰리브덴 0.6~0.8%, 니켈 0.1% 이하, 구리 0.1% 이하, 마그네슘 0.025% 이상, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 페라이트계 구상흑연주철.
청구항 1에 있어서, 출탕온도 1500~1600℃, 주입온도 1420~1460℃로 주조되어, 페라이트 기지조직이 80% 이상이며, 흑연 크기가 100㎛ 미만으로 구상화율이 70% 이상인 것을 특징으로 하는 페라이트계 구상흑연주철.