KR20110132563A

KR20110132563A - 연소기관 및 일반 주조물용 고저항 회주철 합금을 얻기 위한 방법

Info

Publication number: KR20110132563A
Application number: KR1020117021279A
Authority: KR
Inventors: 오토 루치아노 몰 드 올리베라; 제퍼슨 핀토 빌라포트
Original assignee: 텍시드 도 브라질 엘티디에이.
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2011-12-08
Also published as: EP2396434B1; ES2400311T3; MX2011008492A; US20120087824A1; CN102317480A; PT2396434E; EP2396434A1; WO2010091486A1; JP2012517527A; JP5466247B2; KR101629215B1; CN102317480B; BRPI0922740A2; PL2396434T3; BRPI0922740B1; US9284617B2

Abstract

연소기관 및 일반 주조물용 고저항 회주철 합금을 얻기 위한 방법
본 출원의 목적은 회주철 합금의 기계적 및 물리적 특성, 예로 뛰어난 기계가공, 감쇠 진동, 열전도도, 낮은 수축 경향 및 우수한 미세구조 안정성, CGI 인장강도의 폭넓은 접점 범위를 나타내도록 하는 본 방법에 의해서 얻어지는 새로운 합금을 정의하는 것이다.

Description

연소기관 및 일반 주조물용 고저항 회주철 합금을 얻기 위한 방법{METHOD TO OBTAIN A HIGH RESISTANCE GRAY IRON ALLOY FOR COMBUSTION ENGINES AND GENERAL CASTS}

본 발명은 기존의 회주철(gray iron) 합금과 호환되는 기계 가공 조건을 유지하면서, 높은 인장 강도를 얻을 수 있는 새로운 방법으로 만들어지는 회주철 합금의 새로운 등급(class)을 정의한다. 더욱 상세히 말하자면, 이 방법으로 생성된 재료는 높은 압축속도를 가진 연소기관이나 중량감소가 목적인 일반적인 주조물(cast) 및 기존의 연소기관에서 사용될 수 있다.

19세기 말부터 알려진 회주철 합금은 특히 연소기관에서 요구되는 뛰어난 특성 때문에 자동차 산업의 절대적인 성공을 이끌었다. 이 회주철 합금의 특성 중 일부는 오랫동안 알려져 왔었다.

- 우수한 열 전도성

- 우수한 감쇠 진동 용량

- 우수한 기계 가공 수준

- 상대적으로 작은 수축 속도(주조물에 있는 내부 다공성의 낮은 경향)

- 우수한 열 피로 수준(몰리브덴 기반의 합금을 사용하는 경우)

그러나, 좀더 파워가 있고 연료소모가 적으며 환경을 위해 배기가스배출을 더 낮추고자 하는 연소기관의 증가되는 요구 때문에, 기존의 회주철 합금으로는 좀더 높은 압축속도를 가진 연소기관에 필요한 최소한의 인장강도를 달성할 수가 없었다. 일반적인 단순 참고로, 실린더 블록에 위치한 메인 베어링 혹은 실린더 헤드에 위치한 파이어 페이스(fire face)의 인장강도의 요구치는 최소 300Mpa에서 시작된다.

현재 회주철 합금의 가장 큰 제한은 좀더 높은 장력(tension)을 필요로 할 때 기계 가공 성질의 급격한 감소가 나타난다는 점이다.

그래서, 그와 같은 문제를 해결하기 위해서 몇몇 금속학자와 재료전문가들은 다른 합금(컴팩트 흑연을 베이스로 하는 컴팩트 흑연 주철(CGI))에 관심을 가지게 되었다. 많은 논문들에서 CGI의 특성에 대해서 논하고 있다.

- R.D. Grffin, H.G. Li, E. Eleftheriou, C.E. Bates, "Machinability of Gray Cast Iron". Atlas Foundry Company (Reprinted with permission from AFS)

- F.Koppka e A. Ellermeier, "O Ferro Fundido de Grafita Vermicular ajuda a dominar altas pressos de combustao", Revista MM, jan/2005.

- Marquard, R & Sorger, H. "Modern Engine Design". CGI Design and Machining Workshop, Sintercast -PTW Darmstadt, Bad Homburg, Germany, Nov 1997.

- Palmer, K. B. "Mechanical properties of compacted graphite iron". BCIRA Report 1213, pp 31-37, 1976

- ASM. Speciality handbook: cast irons. United States: ASM International, 1996, p. 33-267.

- Dawson, Steve et al. The effect of metallurgical variables on the machinability of compacted graphite iron. In: Design and Machining Workshop CGI, 1999.

실제로 CGI 공정에 대한 수 건의 특허출원이 요구되어 왔다.

- US 4,667,725 of May 26, 1987 in the name of Sinter-Cast AB (Viken, SE). A method for producing castings from cast-iron containing structure-modifying additives. A sample from a bath of molten iron is permitted to solidify during 0.5 to 10 minutes.

- WO9206809 (A1) of April 30, 1992 in the name of SINTERCAST LTD. A method for controlling and correcting the composition of cast iron melt and securing the necessary amount of structure modifying agent.

비록 CGI 합금이 뛰어난 인장강도를 나타낸다 하더라도, 그것의 특징 혹은 산업화와 관련된 다른 심각한 제한이 존재한다. 이러한 제한들을 강조할 수 있다.

- 낮은 열전도도

- 낮은 감쇠 진동 용량

- 낮은 기계 가공 수준(따라서, 높은 가공 비용)

- 높은 수축 속도(따라서, 내부 다공성의 높은 경향) 및

- 낮은 미세조직안정성(주물 벽 두께에 따라 달라짐)

본 발명은, 회주철 합금과 유사한 뛰어난 성질을 유지하면서, 부수적으로 CGI합금의 폭넓은 인장강도 접점을 유지하는 합금을 생성하는 것이 목적이다.

현재, 주조공장에서 회주철 합금을 얻는 방법은 다음의 단계를 따른다.

- 용해 단계(Melting Phase): 로드(load)(스크랩, 선철, 강철등)는 큐폴라, 유도 전기로(induction) 또는 아크로(arc furnaces)에 의해서 녹는다.

- 화학밸런스(Chemical Balance): 대개 요구되는 사양에 따라 화학적 요소(C, Si, Mn, Cu, S, 등)를 조정하기 위해, 유도전기로 내부의 리퀴드 배치에서 수행되었다.

- 접종 단계(Inoculation Phase): 일반적으로, 바람직하지 않은 탄화물 형성을 피하기 위한 충분한 핵을 촉진하기 위해 용탕 주입 래들(ladle) 이나 용탕 주입 주형(mold) 작업에서(용탕 주입 용광로를 사용하는 경우) 수행되었다.

- 용탕 주입 단계(Pouring Phase): 일반적으로 블로우 홀(blow hole), 번 인 샌드(burn in sand) 및 주조 응고 후의 수축을 막기 위한 범위 내로 지정된 용탕 주입 온도에서 성형라인이 수행되었다. 즉, 용탕 주입 온도가 실제로 주조 재료 건전성(soundness)의 함수로 정의된다.

- 쉐이크-아웃단계(Shake-Out Phase):일반적으로 주형(mold) 내부의 주조 온도가 공석온도(eutectoidic temperature)(근사값 700℃)아래로 안정적으로 냉각될 때 수행되었다.

상기 공정들은 전세계의 주조공장에서 적용되고 있으며, 많은 서적들, 논문 및 기술 문서에 나와 있다.

- Gray Iron Founders' Society: Casting Design, Volume II: Taking Advantage of the Experience of Patternmaker and Foundryman to Simplify the Designing of Castings, Cleveland, 1962.

- Straight Line to Production: The Eight Casting Processes Used to Produce Gray Iron Castings, Cleveland, 1962. Henderson, G.E. and Roberts,

- Metals Handbook, 8th Edition, Vols 1, 2, and 5, published by the American Society for Metals, Metals Park, Ohio.

- Gray & Ductile iron Castings Handbook (1971) published by Gray and Ductile Iron Founders Society, Cleveland, Ohio.

- Gray. Ductile and Malleable, Iron Castings Current Capabilities. ASTM STP 455, (1969)

- Ferrous Materials: Steel and Cast Iron by Hans Berns, Werner Theisen, G. Scheibelein, Springer; 1 edition (October 24, 2008)

- Microstructure of Steels and Cast Irons Madeleine Durand-Charre Springer; 1 edition (April 15, 2004)

- Cast Irons (Asm Specialty Handbook) ASM International (September 1, 1996)

본 출원의 목적은 CGI 인장강도의 폭넓은 접점 범위를 가지며, 회주철 합금의 기계적 및 물리적 성질을 나타내도록 하는 새로운 방법에 의해서 얻어지는 합금을 정의하는 것이다. 이 편상 흑연(flake graphite)을 기초로 하는 새로운 합금은 고성능 철(HPI)합금이다. 따라서, 높은 인장강도외, HPI 합금은 우수한 기계 가공, 감쇠 진동, 열전도도, 낮은 수축 경향 및 양질의 미세구조 안정성(회주철 합금과 호환)을 나타낸다.

상기 HPI의 특징은 다섯 가지 야금 기초들 사이의 특정한 상호작용으로 정의되는 방법에 의해서 얻을 수 있다. 화학분석(chemical analysis); 리퀴드 메탈의 산화(oxidation of the liquid metal); 리퀴드 메탈의 결정핵생성(nucleation of the liquid metal); 공용 응고(eutectic solidification) 및 아공용 응고(eutectoidic solidification).

도 1은 HPI 합금의 에칭되지 않은 미세구조(X100)를 나타낸 것이다.
도 2는 HPI 합금의 에칭된 미세구조(X100)를 나타낸 것이다.
도 3은 기존의 회주철 합금의 에칭되지 않은 미세구조(X100)를 나타낸 것이다.
도 4는 기존의 회주철 합금의 에칭된 미세구조(X100)를 나타낸 것이다.
도 5는 탈산(deoxidation) 공정 전 칠 테스트(chill test) 프로브(probe)를 나타낸 것이다.
도 6은 탈산(deoxidation) 공정 후 칠 테스트(chill test) 프로브(probe)를 나타낸 것이다.
도 7은 HPI 합금의 냉각 곡선 및 그것의 파생물(derivative)을 나타낸 것이다.
도 8은 기존의 회주철 합금의 냉각곡선 및 그것의 파생물(derivative)을 나타낸 것이다.
도 9는 회주철 합금과 HPI합금을 비교하는 야금학 다이어그램을 나타낸 것이다.
도 10은 접속된 Fe-C 와 Fe-Fe3C의 평형 다이어그램을 나타낸 것이다.

본 발명의 설명에 앞서서 % 와 같은 용어를 정의하면 이는 wt%를 의미한다.

본 발명은 편상 흑연(flake graphite)을 기초로 하고, 기존의 회주철 합금과 동일한 뛰어난 산업적 성질을 가지며, 보다 높은 인장강도(370Mpa만큼)를 가지며, CGI 합금과 비교하여 이 합금이 유리한 대안이 될 수 있는 새로운 합금을 정의한다.

분석적이고 실질적인 수단으로 다섯 가지 야금 기초들 사이의 상호작용이 있다. 이는 화학 분석(chemical analysis); 리퀴드 메탈의 산화(oxidation of the liquid metal); 리퀴드 메탈의 결정핵생성(nucleation of the liquid metal); 공용 응고(eutectic solidification) 및 아공용 응고(eutectoidic solidification)이다. 현재의 합금은, 여기서는 HPI라고 불리는 새로운 고성능 철 합금을 생산하기 위해서 상기 기초들 중 하나로부터 얻어진 가장 좋은 조건을 허용한다.

화학 분석( CHEMICAL ANALYSIS )

화학적 보정은 전통적인 방법으로 유도 전기로(induction furnace)에서 실행되며, 화학 원소는 시장에서 이미 알려진 것들인 C, Si, Mn, Cu, Sn, Cr, Mo, P 및 S이다. 그러나 바람직한 편상 흡연 모폴러지(flake graphite morphology)(Type A, size 4 to 7, 날카로운 끝단이 없는 편상), 바람직한 미세구조 매트릭스(100% 펄라이트(pearlitic), 최대 2% 탄소화물(carbides)) 및 바람직한 재료의 성질을 얻기 위해서 일부 화학 요소의 균형을 위해 다음과 같은 기준을 유지해야 한다.

- 탄소 등가물(CE)은 wt%로 3.6~4.0%의 범위 내로 정의되면서, 동시에 탄소(C)는 2.8~3.2% 까지 유지해야 한다. HPI 합금은 기존의 회주철과 비교해 보면 좀더 높은 아공정(hypoeutectic) 경향을 가진다.

- 크롬(Cr)은 최대 0.4%로 한정되는데 몰리브덴(Mo)와 결합될 때는 다음과 같은 기준을 따라야 한다: %Cr + %Mo ≤ 0.65%. 그것이 적절한 펄라이트(pearlitic) 제련을 허용할 것이다.

- 구리(Cu)와 주석(Sn)은 다음 기준에 따라 결합되어야 한다:

0.010% ≤ [%Cu/10 + %Sn] ≤ 0.021%.

- 황(S)과 망간(Mn)은 "액상선(liquidus) 온도" 바람직하게는 공정 시작 온도 근처) 아래에서 망간 황화물(MnS)의 평형 온도가 항상 발생하는 것을 보장하기 위해 계산된 %Mn / %S의 특정 범위 비 내에서 한정된다. 재료의 기계적 성질 향상 이외에, 이 기준은 리퀴드 배치 내에서 핵 형성을 초래한다. 표 1은 %망간(Mn)이 0.4%와 0.5% 사이로 정의된 디젤 실린더 블록용 기준의 적용을 나타낸다.

%Mn의 함수로서, 이상적인 "Mn/S" 범위

Mn = 0.40%	이상적 범위: Mn/S = 3.3 ~ 3.9
Mn = 0.47%	이상적 범위: Mn/S = 4.0 ~ 5.0
Mn = 0.50%	이상적 범위: Mn/S = 4.9 ~ 6.0

- 규소(Si)의 범위는 2.0% 내지 4.0%로 정의된다.

- 인(P)은 %P≤0.10%로 정의된다.

도 1,2,3 및 4는 기존의 회주철 합금과 HPI합금의 미세구조를 비교하여 보여주고 있으며, 여기서 흑연 모폴러지(morphology)와 매트릭스에서 흑연의 분포를 관찰할 수 있다.

리퀴드 배치의 산화

HPI합금을 얻기 위해서, 유도전기로 내의 리퀴드 배치는 핵을 촉진하지 않는 뭉쳐진 산화물(oxides)이 없도록 해야 한다. 게다가, 그것은 또한 리퀴드 배치를 따라 균질 해야 한다. 그래서 그와 같은 기준을 만족시키기 위해서 탈산(deoxidation)공정이 다음 단계에 따라 개발되었다.

- 이산화규소(SiO2) 평형온도 이상으로 용광로(furnace) 온도를 증가시키는 단계;

- 뭉쳐진 산화물(oxides) 및 기타 불순물의 부양을 촉진하기 위해 적어도 5분 동안 용광로(furnace)의 전원을 끄는 단계;

- 리퀴드 배치의 표면에 응집 에이전트(agent)를 퍼뜨림; 및

- 뭉쳐진 산화물(oxides)로 포화된 응집된 재료를 제거하여, 용광로(furnace)내부에 더 깨끗한 리퀴드 메탈을 남겨두는 단계.

이 작업이 결정핵생성(nucleation) 수준을 감소시킨다는 사실에도 불구하고(도 5 및 6에서 탈산(deoxidation)공정 전과 후의 칠 테스트(chill test) 프로브(probe)를 나타내고 있다), 상기 단계는 핵(nucleus)의 촉진제인 활성화 산화물이 리퀴드 배치에 남아있도록 해준다. 이러한 작업은 나중에 적용할 수 있는 접종물(inoculant)의 효과를 또한 증가시킨다.

리퀴드 배치의 결정핵생성( NUCLEATION )

기존의 회주철합금과 비교할 때 HPI합금의 중요한 특성은 정확하게 공정 셀(eutectic cell)의 수가 높다는 것이다. HPI 합금은 현재의 회주철 합금에서 수행한 동일한 캐스트(cast)와 비교하면 20%~100%이상의 셀을 보여주고 있다. 높아진 셀의 수는 직접적으로 좀더 작은 흑연(graphite) 사이즈를 촉진시키고, 그래서, HPI 소재의 인장강도를 직접적으로 증가시키는 데에 기여한다. 부가적으로 좀더 많은 셀 수는 역시 각 핵의 핵심을 형성하는 MnS가 보다 많이 있다는 것을 의미한다. 이러한 현상은 HPI 재료가 가공될 때 공수 수명을 증가시키는 데 있어 결정적 역할을 한다.

화학 보정(chemical correction) 및 탈산공정 후에, 용광로(furnace) 내부의 리퀴드 배치는 다음 방법에 따라 핵을 이루어야 한다:

- 특정 래들(ladle)에 용광로(furnace) 리퀴드 배치의 15%~30%를 용탕 주입하는 단계.

- 상기 작업을 하는 동안, 리퀴드 메탈 스트림(stream)에 딱 들어 맞게(right on), 갖 과립화된(as garanulated) Fe-Si-Sr 또는 Fe-Si-Ba-La 합금에 0.45wt% 내지 0.60wt%의 접종제를 접종하는 단계(inoculating).

- 강력한 메탈 플로우 작업을 유지하며 래들(ladle)에서 용광로(furnace)에 접종된(inoculated) 리퀴드 메탈을 반환하는 단계.

- 이러한 작업을 하는 동안, 용광로(furnace)의 전원을 켠 상태를 유지.

새로운 핵을 생성하는 것 이외에, 상기 방법은 용광로(furnace)안 리퀴드 메탈 내에 활성화 산화물의 수 또한 증가시킨다.

다음으로, 보통의 접종(inoculation)단계는 오랫동안 주조 공장에서 알려진 기존의 방법에 의해서 수행되어진다. 그러나, HPI합금에 대한 차이는 정확하게 용탕 주입 작업 전에 즉시 용탕 주입 래들(ladle) 혹은 용탕 주입 용광로(furnace)에 적용되는 접종물(inoculant)의 wt%의 범위이다: 0.45%에서 0.60%까지. 이것은 현재 기존의 회주철 합금을 만들기 위한 단계에서 적용되는 접종물(inoculant)의 wt%의 대략 두 배에 해당한다.

다음 단계는 열 분석에 의해 리퀴드 메탈의 결정핵생성(nucleation)을 명시한다. 본 출원의 목적인 상기 방법은 보다 효과적으로 바람직한 결정핵생성(nucleation) 수준을 보장하기 위해서 냉각 곡선에서 두가지 열 파라미터를 정의한다.

1) 공정에서 냉각온도(Eutectic Under-Cooling Temperature) "Tse" 및,

2) 공정 재휘 온도의 범위(Range of Eutectic Recalescence Temperature) "△T"

두 파라미터는 리퀴드 메탈이 HPI 요구사항과 충분히 호환될 수 있을 만큼 응집되는지 여부를 규정하기 위해서 함께 고려되어야만 한다.

바람직한 HPI합금의 결정핵생성(nucleation)은 다음 값에서 나타난다:

Tse → 최소1115℃; 및 △T → 최대 6℃

도 7은 냉각 곡선 및 두 열 파라미터가 요구되는 기준을 충족할 때, HPI합금으로 주조된 디젤 6 실린더 블록으로부터 유래한 그것의 파생물(derivative)을 보여준다. 상기 블록은 베어링 위치에서 인장강도 362Mpa 및 경도 240HB를 보여준다.

도 8은 일반 회주철로 주조한 동일한 블록의 냉각곡선을 보여주며, 여기에서 △T는 근사값 2℃로 발견되었고(HPI 결정핵생성(nucleation) 필요조건에 맞음), 그러나 Tse값은 1105℃(HPI 결정핵생성(nucleation) 필요조건에 맞지 않음)였다. 상기 기존의 회주철 블록은 베어링 위치에서 인장강도 249Mpa 및 경도 235HB를 보여준다.

참고로, 아래 표2는 두 개의 다른 접종물(inoculant)을 사용한 HPI 열 데이터의 비교를 나타낸다.

두개의 접종물(inoculant)인 Ba-La 기반Fe-Si합금과 Sr기반Fe-Si합금의 열 분석비교데이터

접종물	TL	TEE	TE	TSE	TRE	△T	△SN	△SC	TS	θ	Max∂T/∂t
FeSi-Ba-La	1210	1156	1181	1115	1123	6	41	33	1081	Sharp	(X/s)
FeSi-Sr	1210	1156	1176	1119	1124	5	37	32	1079	Sharp	(X/s)

Ba-La 접종물(Ba-La inoculants)을 적용한 주조(Cast)는 Ts= 346Mpa 및 2%의 탄화물(carbide)을 나타냈다. 반면에 Sr접종물(Sr inoculants)을 적용한 주조(Cast)는 Ts= 361Mpa및 탄화물(carbide) 미포함으로 나타났다. 이것은 리퀴드 배치의 결정핵생성(nucleation) 수준에서 관련 열 파라미터의 민감성을 보여준다.

공용 응고( EUTECTIC SOLIDIFICATION )

공정 단계는 놀랄만한 응고 현상으로써,후자 재료 성질을 특징짓는 시작을 나타낸다. 많은 책들과 논문들은 여러 가지 방법으로 공정 단계에 접근하며, 금속과 주형(mold)의 열교환, 화학, 흑연 결정화(graphite crystallization), 재휘(recalescence), 안정적이고 준-안정적인 온도 등의 몇몇 파라미터를 표시하고 있다.

그러나, HPI합금은 공정단계에서 두 임계 파라미터의 특정 상호작용이 용광로 공정과 캐스트 기하학에 직접적으로 관련되었다는 것을 다음과 같이 규정한다.

- 용탕 주입 온도 "Tp"; 및

- 전반적인 캐스트의 응고 계수 "Mc".

이에 특정 계산을 적용하면, 최적 용탕 주입 온도의 함수 "Tp" ,(+/- 10℃허용)로서, HPI는 전반적인 캐스트 계수 "Mc" 범위는 1.38 ≤ "Mc" ≤ 1.42로 규정된다.

이러한 기준은 공정 셀이 성장하고, 바람직한 기계적 및 물리적 성질을 달성하고, 주로 HPI 캐스트가 고체로 될 때 수축 형성을 철저하게 감소시키기 위한 효과적인 속도를 허용한다. 달리 말하자면, 이 합금은 전반적인 캐스트 계수의 함수로서 계산된 용탕 주입 온도를 필요로 한다. 이는 용탕 주입 온도가 대개 캐스트 건전성(soundness)의 함수가 되는 일반적인 관례와는 매우 다른 것이다.

아공정 응고( EUTECTOIDIC SOLIDIFICATION )

고체-고체 변환에서, 아공정(eutectoidic) 단계는 캐스트의 최종 미세구조를 형성한다. 그 다음, 플레이크 흑연 합금이 됨에도 불구하고, HPI 미세구조는 매트릭스상에 약간 감소된 흑연 함량이 나타난다: 2.3%이하(도 10과 같이, 참고로 Fe-Fe3C 평형 다이어그램을 가진 "레버 규칙(lever rule)"으로 계산)

상기 범위는, 그럼에도 불구하고, 공정 셀의 증가한 숫자로 좋은 기계 가공 파라미터를 유지하는 HPI 아공정(hypoeutectic) 경향을 확인한다. 또한, 펄라이트 정제의 획득을 활성화하기 위해 쉐이크-아웃(shake-out) 작업은 캐스트 벽의 두께 편차에 의하면, 캐스트 표면 온도 범위가 400℃와 680℃사이에 있을 때 수행된다.

상기 합금은 기존의 회주철과 비교할 때, 마지막 미세구조내에 일부 뛰어난 재료 특성의 차이점을 가지고 있다. 도 9의 야금 다이어그램 데이터에, HPI 입력 데이터가 고려될 때 상기 차이는 분명하다. 다이어그램에서 HPI 입력 데이터를 나타내는 도 9의 굵은 선은, 여기서 해당 출력 데이터는 기존의 회주철 결과를 고려해서 정의된다.

(기존의 회주철 합금에서 개발된)도 9 내 다이어그램에서 얻을 수 있는 것은, HPI 및 일반 회주철 성질 사이의 이러한 놀라운 차이를 시각화 할 수 있다는 것이다. 예를 들어, HPI방법으로 디젤 6 실린터 블록 캐스트를 고려하면, 찾아낸 입력 데이터는 "Sc = 0.86"(탄소 채도(carbon saturation); TL = 1210℃ (액상선 온도(Liquidus Temperature)) and C = 3.0% (탄소 함량) 이다.

참고:

- 두꺼운 선이 인장 스케일을 교차할 때, 이론적인 회주철은 드문 값인 근사값 30 Kg/mm2를 나타낸다. 대신, HPI 프로토타입은 실질적인 값인 36 Kg/mm2를 나타냈다. 만일 우리가 전형적인 시장의 회주철 합금이 28 Kg/mm2(실린더블록 또는 헤드용)이상을 도달할 수 없다고 고려한다면, 두 합금 사이의 첫 번째 차이를 여기서 관찰하는 것이 쉽다.

- 도 9 다이어그램에서 경도 스케일을 지금 관찰해보면, 우리는 이론적인 회주철 합금이 인장 값이 근사값 35 Kg/mm2를 나타내면, 관련된 경도값이 근사값 250HB가 된다는 것을 알 수 있을 것이다. 그러나, 현실의 인장값이 근사값 36 Kg/mm2를 가지는 프로토타입 실린더블록은 경도값이 근사값 240HB로 나타났다. 즉, 심지어 동일하거나 더 높은 인장 값을 나타내는 HPI 합금은 동일한 인장 값을 가지는 이론적인 회주철 합금과 비교해서 더 낮은 경도를 가지는 명확한 경향이 있다.

- 만일 우리가 인장값이 근사값 35 Kg/mm2를 가지는 동일한 이론적 회주철을 여전히 취하고 있다면, 도 9 다이어그램에서 관련된 탄소 당량 값(CEL)은 매우 낮은 근사값 3.49%를 나타낸다. 대신에, 인장값이 근사값 36 Kg/mm2를 가지는 HPI 실린더 블록 프로토타입은 CEL이 3.80%를 가지는데, 이것은 동일한 인장 값을 가지는 두 개의 합금에서, HPI합금이 상당히 낮은 수축 경향을 가지고 있다는 것을 의미한다.

상기 참고는 실린더블록 또는 헤드로 사용되는 기존의 고저항 회주철이 시장에서 발견되지 않는 이유를 설명한다. 만일 그와 같은 합금이 적용된다면, 그것은 심각한 기계 가공 및 건전성(soundness) 문제를 나타낸다(CGI 합금과 비교시). HPI합금의 목적은 그와 같은 기술적 요구를 정확히 충족하는 것이다.

회주철 합금( GI ), HPI 합금 및 CGI 합금의 기술적 데이터 비교

표 3에서는 상업적 주조물로부터 얻어진 기계적 및 물리적 특성의 범위를 기존의 회주철(GI); 고성능철(HPI) 및 컴팩트 흑연철(CGI)과 비교하여 제시하고 있다.

기존의 회주철(GI); 고성능철(HPI) 및 컴팩트 흑연철(CGI)의 기계적 및 물리적 특성의 범위 데이터

	GI	HPI	CGI
열전달속도(Heat Transfer Rate) (W/m°K)	근사값 50	근사값 50	근사값 35
경도(Hardness)(HB)	200 ~ 250	230 ~ 250	207 ~ 255
인장강도(Tensile Strength)(Mpa)	180 ~ 270	300 ~ 370	300 ~ 450
피로강도(Fatigue Strength)(Mpa): By Rotating Banding	근사값 100	근사값 180	근사값 200
열피로(Thermal Fatigue) (Cycles): Temperature Range 50 ℃ ~ 60 ℃	10.5＊10³	20＊10³	23＊10³
기계가공(Machinability)(Km): Milling By Ceramic Tool At 400m/Min Speed	12	10	6
미세구조(Micro Structure)	pearlite-ferrite; graph. A, 2/5	pearlite 100%; graph A, 4/7	pearlite 100%; compact graph. 80%; ductile graphite 20%
수축경향(Shrinkage Tendency) (%)	1.0	1.5	3.0
댐핑 팩터(Damping Factor) (%)	100	100	50
Poisson's Rate:(실온에서)	0.26	0.26	0.26

위 실험에 따르면, 높은 인장 강도 외에, HPI 합금은 우수한 기계 가공, 감쇠 진동, 열전도도, 낮은 수축 경향과 미세구조의 안정성(회주철 합금과 호환)을 제공한다.

Claims

고저항 회주철(gray iron)을 얻기 위한 방법에 있어서,
유도전기로(induction furnace)에서 리퀴드 메탈(liquid metal)을 환원시키는 방법으로써,
이산화 규소(SiO2) 평형온도 이상으로 용광로(furnace) 온도를 증가시키는 단계;
뭉쳐진 산화물(oxides) 및 기타 불순물의 부양을 촉진하기 위해 적어도 5분 동안 용광로(furnace)의 전원을 끄는 단계;
리퀴드 배치의 표면에 응집제를 퍼뜨리는 단계; 및
뭉쳐진 산화물(oxides)로 포화된 상기 응집된 재료를 제거하여, 용광로(furnace)내부에 더 깨끗한 리퀴드 메탈을 남겨두는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고저항 회주철을 얻기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
결정핵생성(nucleation)은 특정 래들(ladle)에 용광로(furnace) 리퀴드 배치의 15%~30%를 용탕 주입하는 단계;
상기 작업을 하는 동안, 리퀴드 메탈 스트림(stream)에 딱 들어 맞게(right on), 갖 과립화된(as granulated) Fe-Si-Sr 또는 Fe-Si-Ba-La 합금에 0.45wt% 내지 0.60wt%의 접종제를 접종하는 단계(inoculating);
강력한 메탈 플로우 작업을 유지하며 래들(ladle)에서 용광로(furnace)에 접종된(inoculated) 리퀴드 메탈을 반환하는 단계; 및
이러한 상기 작업중에, 용광로(furnace)는 전원을 켠 상태를 유지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고저항 회주철을 얻기 위한 방법.
제 1 항 및 제 2 항에 있어서,
결정핵생성(nucleation)은 냉각 곡선으로부터 다음의 두가지 열 파라미터
1) 공정에서 냉각온도(Eutectic Under-Cooling Temperature) Tse 최소 1115 ℃; 및
2) 공정 재휘 온도의 범위(Range of Eutectic Recalescence Temperature) △T 최대 6 ℃;를 가지며, 상기 두 파라미터는 함께 고려되어야만 하는 것을 특징으로 하는 고저항 회주철을 얻기 위한 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
접종단계는 접종제의 %wt가 0.45% 내지 0.60%의 범위내로 수행되는 것을 특징으로 하는 고저항 회주철을 얻기 위한 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
HPI 주조물용 상기 용탕 주입 온도 범위는 전반적인 캐스트 계수인 1.38과 1.52의 사이 범위를 가지기 위해서 최상의 용탕 주입온도 "Tp(+/- 10℃허용)"의 함수로써 정의되는 것을 특징으로 하는 고저항 회주철을 얻기 위한 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
아공정(eutectoidic)단계에서, HPI 미세구조는 그 매트릭스상의 약간 감소된 흑연함량을 나타내며, Fe-Fe3C 평형 다이어그램을 참조로 하는 “레버 규칙(lever rule)”으로 계산하여 ≤2.3% 가 되는 것을 특징으로 하는 고저항 회주철을 얻기 위한 방법.
제 1 항 내지 6항의 방법에 따른 고저항 회주철 합금에 있어서,
탄소(C)함량을 2.8%~3.2%로 유지하면서, 탄소 당량(CE)은 wt%로 3.6%~4.0%의 범위로 정의되고,
크롬(Cr)함량은 최대0.4%로 정의되며, 몰리브덴(Mo)과 결합된 경우 정의된 범위는 %Cr + %Mo ≤ 0.65%이고,
구리(Cu)와 주석(Sn)은 다음 식에 따라 결합되고: 0.010% ≤ [%Cu/10 + %Sn] ≤ 0.021%,
망간(Mn)함량이 0.4%와 0.5% 사이에서 정의될 때, 황(S) 및 망간(Mn)함량은 %Mn / %S의 특정 비율의 범위로 정의되며, 다음의 범위를 따라야 하고,
- Mn = 0.40% 범위: Mn/S = 3.3 내지 3.9
- Mn = 0.47% 범위: Mn/S = 4.0 내지 5.0
- Mn = 0.50% 범위: Mn/S = 4.9 내지 6.0
규소(Si)함량은 2.0%~2.40%로 정의되고,
인(P)함량은 %P≤0.10%로 정의되는 고저항 회주철 합금.
청구항 7에 있어서,
다음과 같은 물리적 특성을 가지는 고저항 회주철 합금:
열전달속도(Heat Transfer Rate)(W/m °K): 45 ~ 60
경도(Hardness)(HB): 230 ~ 250
인장강도(Tensile Strength)(Mpa): 300 ~ 370
피로강도(Fatigue Strength)(Mpa)(By Rotating Banding): 170 ~ 190
열피로(Thermal Fatigue)(Cycles)(Temperature Range 50℃-600℃): 20x10³
기계가공(Machinability)(Km)(Milling By Ceramic Tool At 400m/Min Speed): 9 ~ 11
미세구조(Micro Structure): pearlite 98-100%; graph A, 4/7
수축경향(Shrinkage Tendency)(%): 1.0 ~ 2.0
댐핑 팩터(Damping Factor)(%): 90 ~ 100
Poisson's Rate (실온에서): 0.25 ~ 0.27.