KR20100015118A - 차량의 배기계 부품용 구상흑연주철 - Google Patents

Abstract

중량%로, 탄소 2.8∼3.4%, 규소 2.5∼3.5%, 알루미늄 3.0∼3.5%, 몰리브덴 0.6∼1.0%, 망간 0.3% 이하, 마그네슘 0.025∼0.05%, 황 0.02% 이하, 바나듐 0.3~0.5%, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가져, 내산화성이 우수하며 열균열 억제 특성을 갖는 차량의 배기계 부품용 구상흑연주철이 소개된다.

구상흑연주철, 배기매니폴드, 알루미늄

Description

차량의 배기계 부품용 구상흑연주철{DUCTILE CAST IRON FOR EXHAUST SYSTEM COMPONENTS OF A VEHICLE}

본 발명은 차량의 배기계 부품용 구상흑연주철에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온에서의 내산화성 및 내구성이 우수한 차량의 배기계 부품용 구상흑연주철에 관한 것이다.

현재 차량의 배기매니폴드용으로서, 800℃ 미만의 온도 조건에서 사용되는 배기매니폴드에는 내열 주철(구상흑연주철) 재질이 사용되고 그 이상의 온도에서 견뎌야 하는 배기매니폴드에는 대부분 스테인리스 판재의 주강 재질이 사용되고 있다.

그러나, 스테인리스 판재의 주강은 내열 주철 대비 원가가 약 8~10배 정도 증가되므로 배기매니폴드에의 적용에 어려움이 있다. 따라서, 현재 사용되고 있는 내열주철의 내구성을 더욱 증대시키고 허용온도를 향상시킬 수 있는 방안이 필요하다. 뿐만 아니라, 최근 차량 배기량의 증가와 출력의 증대 등으로 배기가스 온도가 급속히 높아지고 배기규제도 강화되어 연비 및 성능을 향상시키려는 노력에 의해 엔진의 배기가스 온도가 지속적으로 높아지고 있는 실정이다. 예로서, 터보 및 GDI 엔진의 적용으로 배기가스의 온도는 850~950℃정도까지 높아지고 있으며, 이에 따라 배기매니폴드가 받게 되는 부하가 매우 커지고 있으며, 고온 산화스케일에 의한 촉매 및 터보 손상 또한 문제가 되고 있는 실정에 있다.

한편, 배기온도 상승에 따른 가장 큰 문제는 재질의 열변형 문제로서, 고온과 저온의 영역을 왕복하는 배기매니폴드의 상황상 열팽창과 수축이 동반될 수밖에 없는데 이러한 열변형에 의해 표면 산화주름이 야기되고, 이것이 진전되어 심지어는 관통 크랙까지 생길 수 있다. 따라서 이러한 문제의 대응을 위해서는 내산화성이 우수하며 열변형에 따른 크랙 성장(열균열)의 억제가 가능한 내열 주철재료의 개발이 시급한 시점이라 하겠다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 내산화성이 우수하며 열균열 억제 특성을 갖는 배기매니폴드용 구상흑연주철을 제공함을 목적으로 한다.

또한, 내구성이 우수한 배기매니폴드용 구상흑연주철을 제공함을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량의 배기계 부품용 구상흑연주철은, 중량%로, 탄소 2.8∼3.4%, 규소 2.5∼3.5%, 알루미늄 3.0∼3.5%, 몰리브덴 0.6∼1.0%, 망간 0.3% 이하, 마그네슘 0.025∼0.05%, 황 0.02% 이하, 바나듐 0.3~0.5%, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는다.

본 발명에 따른 구상흑연주철은 알루미늄을 3wt% 이상 첨가하는 것에 일 특징이 있다. 알루미늄을 3wt% 이상 첨가될 경우, 알루미늄은 공기 중의 산소와 반응하여 안정적인 박막의 Al₂O₃를 형성한다. 이러한 알루미늄 산화막은 고온 산화를 방지하며, 고온에서 열피로에 의한 균열이 발생되었을 때 발생된 균열에 다시 새로운 Al₂O₃ 박막을 형성함으로써, 크랙 끝단(tip)으로부터 균열이 전파되는 것을 방지한다. 한편, 알루미늄 3wt% 이상의 첨가를 통해 제품 경량화를 상당 정도 달성할 수 있게 된다.

본 출원인은 한국 특허출원 제2008-0067558호에서 구상흑연주철의 고온 성능을 향상시키기 위해 실리콘을 4wt% 이상 과다 첨가하여 주철 표면에 Fe₂SiO₄층을 형성시킬 것을 제안한 바 있다. 본 발명에서는 실리콘 대신 알루미늄을 3wt% 이상 첨가한다. 실리콘만큼이나 알루미늄은 주조성을 저해하기 때문에, 종래 구상흑연주철 성분으로 알루미늄을 첨가하는 것은 금기시되어왔다. 그러나, 상기된 조성을 가질 때, 구상흑연주철은 내산화성이 우수할 뿐만 아니라 주조성 또한 저해되지 않는 것으로 나타났다. 다만, 알루미늄이 3.5wt% 초과하여 함유되는 경우, 주조성이 열악해진다.

최근의 배기매니폴드는 고내구성을 대단히 필요로 한다. 유럽 Euro 4 배기규제를 만족하기 위해 최근의 배기계에는 기본적으로 터빈이 장착되는데, 이 중량을 배기매니폴드가 다 지탱해야 하는 경우가 대부분이다. 또한 배기계 이후로 장착되는 촉매 등의 영향으로 진동 및 중량을 견뎌야 한다. 따라서, 본 재질의 내구성을 증대시키기 위해 바나듐을 첨가한다. 바나듐은 기지의 입계에 미세하게 석출되어 고온에서의 강도를 증대시킨다.

한편, 상기된 바와 같은 구상흑연주철은, 바람직하게는, 구상화율이 80∼100%이며 흑연 크기가 80㎛ 미만이고 유리 시멘타이트가 5% 이하(0% 포함)인 페라이트 기지로 이루어진다. 크기 80㎛ 이상으로 조대화된 흑연은 결함으로 작용하며, 유리 시멘타이트가 5% 이하로 관리되지 못하면 취성이 문제가 된다.

상술한 바와 같은 구상흑연주철은, 표면에 알루미늄 산화막이 형성되어 내산화성 및 열균열 억제 특성이 우수하며, 온도범위 900℃ 정도의 온도에 견뎌야 하는 차량 배기계 부품용, 특히 배기매니폴드용으로 사용될 수 있다.

또한, 물성 향상에 가벼운 알루미늄이 이용되므로, 배기계 부품의 경량화에 기여한다.

또한, 바나듐의 첨가 등에 의해 내구성이 우수하다.

또한, 니켈이 첨가되지 않으므로 니켈이 35wt%정도 들어간 기존의 D5S재질을 대체할 수 있으며 기존 원가 대비 50% 이상 절감할 수 있게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 배기매니폴드용 구상흑연주철에 대하여 보다 구체적으로 살펴본다.

먼저, 상기 구상흑연주철에 포함되는 합금 성분의 한정 이유를 살펴본다.

(ⅰ) 탄소(C) 2.8∼3.4wt%

탄소는, 재료의 강도와 경도를 증가시키고 미세 합금원소가 탄화물을 석출하는데 필수적인 원소로서, 유동성 저하 및 초정 흑연정출을 고려하여 2.8~3.4wt%로 함유된다.CE값을 적정하게 하여 과공정이 일어나지 않도록 하여야 한다.

(ⅱ) 규소(Si) 2.5∼3.5wt%

규소는 공석 변화중에 형성되는 페라이트 양을 증가시키고 내산화성을 향상시킨다. 규소를 많이 첨가할수록 Fe-C계에서 공정 및 공석 반응이 일반 Fe-C계보다 높은 온도범위에서 일어나므로, 안정한 페라이트 기지 조직을 가지기 위해서 충분 한 규소가 포함되어 공석반응의 온도범위를 높여야 한다. 규소의 함량이 부족하여 기지조직이 페라이트화가 되지 못하고 펄라이트가 존재하는 경우, 이 펄라이트는 온도 승온 중 650℃이상에서 분해하여 열팽창의 원인이 된다. 다만, 주조시 용탕흐름 및 절삭성을 고려하여 규소 함량은 3.5wt% 이하로 제한된다.

(ⅲ) 알루미늄(Al) 3.0∼3.5wt%

앞서 본 출원인은 한국 특허출원 제2008-0067558호에서 구상흑연주철에 규소를 4wt%이상 함유시켜 표면에 Fe₂SiO₄층을 형성시킴으로써 산화를 지연시키는 방안을 제시한 바 있다고 하였다. 그러나, 이러한 Fe₂SiO₄층은 고온 산화의 지연에 탁월한 성능을 가지나, 일단 배기매니폴드의 열응력 집중부에서 열피로에 의해 균열이 시작되면 그 균열의 전파를 방지하기에는 한계가 있다.

따라서, 본 발명에 따라 구상흑연주철에 함유된 알루미늄은 주조시 주조표면에 Al₂O₃라는 매우 견고하고 얇은 막을 형성하여 공기 중의 산소와의 접촉을 차단하는 베리어의 역할을 할 뿐만 아니라, 배기매니폴드가 열 응력을 받게되어 열 팽창/수축이 일어나서 표면 균열이 발생되면, 발생된 새 표면에 다시 Al₂O₃ 박막을 생성시켜 균열의 전파를 억제한다. 이것은 알루미늄의 산화가 상온 이상에서 가역 반응으로 매우 빠르게 일어나기 때문이며 이로써 균열이 발생되어도 균열이 발생된 팁(tip)부에 다시 산화막이 채워져 균열이 진전되는 속도를 지연시킬 수 있게 된다. 알루미늄의 함량이 3.0wt% 미만일 경우 내산화성 향상 효과가 미미하며, 3.5wt%를 초과할 경우 주조성을 저해한다.

한편, 본 발명에서 알루미늄을 첨가하는 또 다른 이유는 배기계 부품의 경량화 때문이다. 알루미늄은 비중이 2.6으로 주철의 7.3에 비해 약 1/3정도의 수준이므로, 상당한 중량을 갖는 배기매니폴드 등의 제품 경량화에 기여한다.

(ⅳ) 몰리브덴(Mo) 0.6∼1.0wt%

재질의 고온 강도를 향상시키기 위해 몰리브덴을 0.6∼1.0wt% 첨가하는 것이 좋다. 몰리브덴이 0.6wt% 미만이면 출력이 증대된 최근 개발 엔진의 고온강도를 견디지 못하고, 1.0wt%를 초과하면 수축 결함의 발생으로 재질 불량이 발생된다.

(ⅴ) 망간(Mn) 0.3wt% 이하

망간은 응고 중 조직 내부에 미세 분산상을 형성하여 강도를 향상시킨다. 그러나, 0.5wt% 이상, 보다 한정적으로는 0.3wt% 이상 첨가 시 주조품의 취성을 높이게 되므로 0.3wt% 이하로 제한될 필요가 있다. 망간은 대체로 원료인 스크랩을 통하여 유입되므로 공정상 함량의 상한치만이 세밀하게 관리된다.

(ⅵ) 마그네슘(Mg) 0.025∼0.05wt%

응고과정에서 흑연 구상화를 촉진하기 위해 첨가되는 원소로 구상흑연주철의 제조에 반드시 필요하나, 0.05wt%를 초과하여 함유될 경우 탄화물을 형성하므로 그 함량은 0.025~0.05wt%으로 한정된다.

(ⅶ) 황(S) 0.02wt%

황은 마그네슘과 결합하여 황화물을 형성하여 과다 포함될 경우 구화불량을 일으킬 수 있는데, 이러한 영향은 황의 함량이 0.02wt% 이상을 초과할 때 더욱 현저해지므로, 그 함량은 0.02wt% 이하로 관리된다. 대체로 0.001~0.02wt% 정도로 포 함된다.

(ⅷ) 바나듐 (V) 0.3~0.5wt%

바나듐(V)는 주철재 내에서 VC 및 VN을 형성시켜 기지의 입계에 미세하게 석출되어 고온에서 강도를 높여준다. 이러한 바나듐 첨가 효과가 나타나기 위해서는 0.3wt%이상 되어야 하며, 바나듐은 탄화물 안정화 경향이 강하여 연성을 저해할 수 있으므로 그 최대 함량은 기본적인 연신율을 확보할 수 있는 정도인 0.5wt% 이하로 제한한다.

다음으로 본 발명에 따른 구상흑연주철의 특성 확인을 위한 실험예를 살펴본다.

실험예 1

아래의 표 1에 기재된 바와 같은 실시예와 비교예 1,2의 조성을 갖는 구상흑연주철 시편을 제작하여, 현미경 조직 검사를 실시하였다.

구분	조성 (wt%)
	C	Si	Al	Mo	Mn	Mg	S	V
실시예	3.02	2.2	3.33	0.7	0.022	0.35	0.006	0.35
비교예1	3.51	4.22	-	0.72	0.023	0.31	0.008	-
비교예2	3.2	3.7	-	0.42	0.021	0.29	0.007	-

현미경 검사 결과는 아래의 표 2에 기재되어 있다. 표 2에서 보듯이, 실시예 및 비교예 1,2 모두 거의 유사한 조직을 얻을 수 있으나, 밀도가 현격히 차이가 나며 경도 또한 실시예가 우수했다. 현재 차량의 다운사이징이 전세계 차량 개발의 화두로 떠오르고 있는 이때에 동일한 형상으로 훨씬 경량화된 제품을 만들 수 있음(Al 첨가효과)을 확인할 수 있다.

구분	현미경 조직				밀도 (g/㎤)	경도 (HB)
	구상화율(%)	흑연크기(㎛)	기지	Fe3C(%)
실시예	80% 이상	80㎛ 이상	페라이트	5% 이하	6.8	210~230
비교예1	80% 이상	80㎛ 이상	페라이트	5% 이하	7.3	208~224
비교예2	80% 이상	80㎛ 이상	페라이트	5% 이하	7.3	181~198

실험예 2

배기가스 온도가 950℃이상 올라가게 되면, 배기계의 온도는 그 보다 약 100℃ 적은 850℃ 정도까지 상승한다. 이에 650℃에서 850℃까지 실시예 및 비교예1,2에 대한 산화 실험을 실시하였다. 구체적으로, 실험은 실시예 및 비교예 1,2에 따른 직경 5mm × 높이 5mm의 원통형 시편을 밀폐된 시험로에서 100hr동안 넣어두고 산화량을 측정하는 방식으로 진행하였다. 시험로 온도는 각각 650℃, 700℃, 750℃, 800℃, 850℃이었다.

실험 결과, 도 1의 그래프에서 보는 바와 같이, 실시예에 따른 소재의 산화량은 온도에 민감하지 않게 일정한 값을 갖는 것으로 나타났다. 실시예의 산화량은 비교예2 보다 현저히 낮았으며, 비교예 보다 전 온도 범위에 걸쳐 낮은 것으로 나타났다. 알루미늄 첨가에 따른 내산화성 향상 효과로 판단된다.

실험예 3

고온에서의 내구성을 확인하기 위해 실시예 및 비교예1,2에 따른 시편에 대해 고온 인장시험을 실시하였다.

실험 결과, 도 2의 그래프에서 보는 바와 같이, 실시예의 경우 700℃ 이상의 고온에서 비교예1,2 대비 높은 인장강도 값을 나타내었다. 바나듐이 첨가에 따른 고온에서의 기지 강화효과 때문인 것으로 판단된다. 도 2에서 실시예와 비교예 1,2를 서로 비교해 볼 때, 700℃ 이하의 온도 범위에서 실시예의 인장강도가 낮은 것으로 나타난다. 그러나, 배기계 부품은 집중적인 하중을 견디는 부품이 아니기 때문에, 700℃ 이하의 온도 범위에서의 실시예의 인장강도는 충분히 만족스러운 수치임에 유의할 필요가 있다.

한편, 참고를 위해 실시예에 따른 시편의 조직사진을 도 3에 게재하였다. 도 3에서 보듯이 바나듐이 첨가된 주철 조직에는 동그라미로 표시된 (V,Mo)카바이드가 형성되었으며, 도면으로 도시되지는 않았으나 TEM으로 측정할 경우 50~100nm 정도의 바나듐 카바이드가 입계 및 입내 쌍정에 형성되는 것이 관찰된다.

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 1은 실시예와 비교예의 고온 산화시험 결과 그래프,

도 2는 실시예와 비교예의 고온 인장시험 결과 그래프,

도 3은 실시예에 따른 구상흑연주철의 표면 조직사진이다.

Claims (2)

1. 중량%로, 탄소 2.8∼3.4%, 규소 2.5∼3.5%, 알루미늄 3.0∼3.5%, 몰리브덴 0.6∼1.0%, 망간 0.3% 이하, 마그네슘 0.025∼0.05%, 황 0.02% 이하, 바나듐 0.3~0.5%, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는 차량의 배기계 부품용 구상흑연주철.
2. 청구항 1에 있어서, 구상화율이 80∼100%이며, 흑연 크기가 80㎛ 미만이고, 유리 시멘타이트가 5% 이하인 페라이트 기지로 이루어진 차량의 배기계 부품용 구상흑연주철.

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