KR20140080643A

KR20140080643A - 강화흑연강, 엔진실린더헤드 및 차량

Info

Publication number: KR20140080643A
Application number: KR1020120144952A
Authority: KR
Inventors: 이정섭; 남덕현
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2014-07-01
Also published as: US20140161657A1

Abstract

Fe를 주성분으로 하고, C: 3.4~4.2 wt%, Si: 1.5~2.5 wt%, P: 0.10 wt% 이하(0은 불포함), S: 0.10 wt% 이하(0은 불포함), Cr: 0.10 wt% 이하(0은 불포함), Mn: 0.1~0.6 wt%, Cu: 0.2~1.6 wt%, Sn: 0.1 wt% 이하(0은 불포함), Mg: 0.05 wt% 이하(0은 불포함), Mo: 0.05~0.5 wt% 및 V: 0.05~0.5 wt% 또는 Ti: 0.05~0.5 wt% 중 하나 이상의 성분과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 강화흑연강, 엔진실린더헤드 및 차량이 소개된다.

Description

강화흑연강, 엔진실린더헤드 및 차량 {COMPACTED GRAPHITE IRON, ENGINE CYLINDER HEAD AND VEHICLE}

본 발명은 엔진 실린더 헤드 등 자동차 부품 등에 사용하기 적합한 CGI에 관한 것으로서, 특히 인장 강도 및 열기계 피로 수명이 우수한 강화흑연강, 그 강화흑연강으로 성형된 엔진실린더헤드 및 그 엔진실린더헤드가 장착된 차량에 관한 것이다.

엔진 실린더 헤드와 같은 자동차 부품은 엔진 구동에 의한 압력과 열을 견디기 위해서는 적절한 수준의 인장 강도와 열기계 피로 수명이 필요하다. 또한, 출력 향상 등에 대한 요구를 만족할 필요가 있다.

특히, 실린더 헤드(cylinder head)는 실린더 윗부분을 씌우는 덮개로, 헤드 가스켓을 사이에 두고 실린더 블록에 볼트로 설치되며, 피스톤, 실린더와 함께 연소실을 형성한다. 수냉식 엔진의 헤드는 전체 실린더 또는 몇 개의 실린더로 나누어 일체 주조하며, 냉각용 물 재킷이 마련되어 있다. 공랭식 엔진의 헤드는 실린더마다 별개로 제작하며, 냉각판이 설치되어 있고, 실린더 헤드 아래쪽에는 연소실과 밸브 시트가 있거나, 위쪽에는 가솔린 엔진의 경우 점화 플러그, 디젤 엔진의 경우 예열 플러그 및 분사 노즐의 설치 구멍과 밸브 개폐기구의 설치 부분이 마련되어 있다.

이러한 실린더 헤드는 연소실을 형성하는 부품이기에 고온 고압의 팽창가스에 노출되기 때문에 충분한 강도와, 일정한 온도(200~500℃)에서 작동될 수 있도록 열기계 피로 수명이 우수한 재질을 사용해야 한다.

한편, 가솔린이나 승용 디젤 엔진은 알루미늄 합금을 주로 사용하는 반면, 상용 디젤 엔진은 연소압이 높기 때문에 편상흑연주철이나 CGI를 실린더 헤드의 재료로 사용한다. 그 중 CGI는 편상흑연주철 대비 인장 강도가 우수하기 때문에 고출력의 상용디젤엔진 실린더 헤드에 많이 사용된다. 하지만, 편상흑연주철에 비해 열전도율이 부족해 열기계 피로 수명이 낮은 단점이 있어 CGI의 경쟁력을 확보하기 위해서는 열기계 피로 수명 확보가 매우 중요하다. 그러므로 실린더 헤드용 CGI 재질은 인장 강도와 열기계 피로 수명의 향상이 필요하다.

종래의 KR10-2009-0093291 A "ＣＧＩ 주철"은 "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."을 제시한다.

그러나 상기와 같은 성분의 강화흑연강에 의하더라도, 인장 강도와 열기계 피로 수명의 확보가 부족하였는바, 이를 향상시킬 수 있는 새로운 강화흑연강의 조성개발이 시급하였던 것이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR

10-2009-0093291

A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 엔진 실린더 헤드 등 자동차 부품 등에 사용하기 적합한 CGI에 관한 것으로서, 특히 인장 강도 및 열기계 피로 수명이 우수한 강화흑연강, 그 강화흑연강으로 성형된 엔진실린더헤드 및 그 엔진실린더헤드가 장착된 차량을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 강화흑연강은, Fe를 주성분으로 하고, C: 3.4~4.2 wt%, Si: 1.5~2.5 wt%, P: 0.10 wt% 이하(0은 불포함), S: 0.10 wt% 이하(0은 불포함), Cr: 0.10 wt% 이하(0은 불포함), Mn: 0.1~0.6 wt%, Cu: 0.2~1.6 wt%, Sn: 0.1 wt% 이하(0은 불포함), Mg: 0.05 wt% 이하(0은 불포함), Mo: 0.05~0.5 wt% 및 V: 0.05~0.5 wt% 또는 Ti: 0.05~0.5 wt% 중 하나 이상의 성분과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 구성된다.

또한, 본 발명의 엔진실린더헤드는 상기 강화흑연강을 포함하는 조성으로 제조된다.

그리고, 본 발명의 차량은 상기 강화흑연강을 포함하는 조성으로 제조된 엔진 실린더 헤드가 장착된다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 강화흑연강, 엔진실린더헤드 및 차량에 따르면, 기존 CGI 대비 열기계 피로 수명을 향상시키는 Mo, V, Ti 원소가 첨가되고, 기지 조직 강화를 통해 인장 강도를 향상시키는 Sn 원소가 추가되며, 펄라이트 미세화를 통해 인장 강도를 향상시키는 Mo 원소가 추가되고, 그리고 기타 합금 성분의 최적화를 통해 고온 안정상인 Mo/V/Ti Carbide의 형성이 가능하다.

특히, 흑연정출을 담당하는 Si와 펄라이트의 미세화를 담당하는 Mo의 성분을 상호 조화되는 범위에서 선택함으로써 두 가지의 효과를 모두 얻을 수 있게 된다.

이를 통하여, 기존의 CGI 재질에 비해 인장 강도는 10% 이상, 열기계 피로 수명은 20% 이상 향상된 CGI를 얻을 수 있다.

또한, 양호한 compacted graphite 흑연이 형성되고, 미세 펄라이트 조직 형성으로 인하여 기존 CGI 대비 인장 강도 및 열기계 피로 수명이 우수하여 출력 향상이 요구되는 엔진 실린더 헤드에 적합하게 사용할 수 있다.

도 1 내지 2는 본 발명의 실시예에 따른 강화흑연강과 종래의 강화흑연강의 인장시험 및 피로수명시험 결과를 나타낸 그래프.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 강화흑연강, 엔진실린더헤드 및 차량에 대하여 살펴본다.

본 발명의 강화흑연강(CGI)은 Fe를 주성분으로 하고, C: 3.4~4.2 wt%, Si: 1.5~2.5 wt%, P: 0.10 wt% 이하(0은 불포함), S: 0.10 wt% 이하(0은 불포함), Cr: 0.10 wt% 이하(0은 불포함), Mn: 0.1~0.6 wt%, Cu: 0.2~1.6 wt%, Sn: 0.1 wt% 이하(0은 불포함), Mg: 0.05 wt% 이하(0은 불포함), Mo: 0.05~0.5 wt% 및 V: 0.05~0.5 wt% 또는 Ti: 0.05~0.5 wt% 중 하나 이상의 성분과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 구성된다.

본 발명의 CGI는 기존의 CGI 수준의 재질과 비교하여 인장 강도 및 열기계 피로 수명이 매우 우수하다. 따라서 본 발명에 따른 CGI 재질은 실린더 헤드의 고출력화에 이용될 수 있다.

본 발명의 CGI는 화학성분 중 Mo, V, Ti이 첨가되어 열기계 피로 수명을 향상시키고, Sn을 추가하여 매트릭스인 펄라이트 조직을 강화 및 Mo를 추가하고, Si 함량의 상한치를 규정하여 미세한 펄라이트 조직을 확보하여 우수한 인장 강도를 확보시킨다.

본 발명에 따른 CGI에 함유되는 성분들의 기능 및 함량을 살펴보면 아래와 같다.

탄소(C)는 고온 안정상 형성에 필수적인 원소로서, 유동성 저하 및 초정 흑연 정출을 고려하여 3.4~4.2 wt%로 조성함이 바람직하다.

규소(Si)는 1.5~2.5 wt%로 조성되는데, 규소는 흑연 정출에 기여하며, 이를 위해 1.5 wt% 이상의 함유가 필요하다. 규소는 펄라이트의 미세화를 방해하는 대표적인 원소이다. 그러므로 펄라이트 미세화를 통해 인장 강도를 향상시키기 위해서는 규소 함량을 가능한 낮춰야 하고, 만약 규소 함량이 높은 경우에는 더 많은 양의 펄라이트 미세화 원소 첨가(Mo 등)가 필요하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 펄라이트 미세화를 방해하지 않을 수준인 2.5 wt% 이하로 규소 함량을 정하였다.

특히, 펄라이트 미세화 원소 첨가(Mo 등)를 과도하게 요구하지 않는 선에서 규소의 함량을 2.5 wt% 이하로 규정한 것이다. 몰리브덴의 경우, 0.5 wt%를 초과하면 주조성 및 절삭성이 낮아지는 효과가 있기 때문에, 몰리브덴의 펄라이트 조직을 미세화하여 인장 강도를 향상시켜주는 역할을 수행하면서 동시에 펄라이트 미세화를 방해하지 않을 수준으로 하며 흑연 정출에 기여하는 규소(Si)의 함량을 최적화한 것이다.

한편, 인(P)은 0.10 wt% 이하가 포함된다. 인은 스테다이트(steadite)를 형성시키고 취성에 영향을 미치므로 0.10 wt% 이하로 그 함량을 제한함이 바람직하다.

황(S)은 0.10 wt% 이하가 포함된다. 황은 Mn과 결합해 MnS를 형성해 절삭성을 향상시키는 반면, 0.10 wt%를 초과하면 취성에 영향을 미치기 때문에 0.10 wt% 이하로 제한함이 바람직하다.

또한, 크롬(Cr)은 0.10 wt% 이하가 포함된다. 그 양이 0.10 wt%를 초과하면 절삭성이 낮아지는 경향이 있기 때문에 크롬(Cr)은 0.10 wt% 이하로 제한함이 바람직하다.

망간(Mn)은 0.1~0.6 wt% 포함된다. 펄라이트 매트릭스를 강화시켜 인장 강도를 향상시킨다. 그러나 그 함량이 0.6 wt%를 초과하면 절삭성이 낮아지는 경향이 있기 때문에 망간(Mn)은 0.1~0.6 wt%로 함이 바람직하다.

한편, 구리(Cu)는 0.2~1.6 wt% 포함된다. 구리는 펄라이트 매트릭스를 조성하는 원소로서 매트릭스를 강화시키고 인장 강도를 향상시킨다. 그러나 1.6 wt% 초과하면 그 효과가 포화되기 때문에 구리(Cu)는 0.2~1.6 wt%로 함이 바람직하다.

주석(Sn)은 0.1 wt% 이하가 포함된다. 구리에 비해 펄라이트 매트릭스를 조성하는 효과가 크기에 이를 통해 인장 강도를 향상시킬 수 있다. 하지만 0.1 wt% 초과하면 그 효과가 포화되기 때문에 주석(Sn)은 0.1 wt% 이하로 제한하는 것이다.

마그네슘(Mg)은 0.05 wt% 이하가 포함된다. 마그네슘은 흑연 형상을 편상과 구상의 중간 형태인 compacted graphite로 생성시켜주기 위해 필요한 원소이다. 그러나 마그네슘이 0.05 wt%를 초과되면 흑연이 구상화되기 때문에 마그네슘(Mg)은 0.05 wt% 이하로 제한함이 바람직하다.

특히, 몰리브덴(Mo)은 0.05~0.5 wt%가 포함된다. 몰리브덴은 기지 조직인 펄라이트를 미세화 시켜주는 원소로서, 구리(Cu) 및 주석(Sn)에 의해 조성된 펄라이트 조직을 미세화하여 인장 강도를 향상시켜주는 역할을 하기에 반드시 포함되어야 한다. 또한 탄소(C)와 결합하여 Mo Carbide를 형성하여 열기계 피로 수명을 향상시키는 고온 안정상을 형성시키기도 한다. 하지만, 0.5 wt%를 초과하면 주조성 및 절삭성이 낮아지는 효과가 있어 몰리브덴(Mo)은 0.05~0.5 wt%로 함이 바람직하다.

이와 동시에, 규소(Si)는 1.5~2.5 wt%로 조성함으로써 흑연 정출에 기여하며 펄라이트 미세화를 방해하지 않을 수준으로 한정함은 앞서 살핀 바와 같다.

한편, 바나듐(V), 티타늄(Ti) 중 하나 이상의 원소가 0.05~0.5 wt% 포함됨이 필요하다. 이는 탄소(C)와 결합하여 V/Ti Carbide를 형성하며, 열기계 피로 수명을 향상시키는 고온 안정상을 형성시킨다. 다만, 바나듐(V), 티타늄(Ti) 중 하나 이상의 원소가 0.5 wt%를 초과하면 주조성 및 절삭성이 낮아지는 효과가 있기 때문에, 바나듐(V), 티타늄(Ti) 중 하나 이상의 원소는 0.05~0.5 wt%로 제한함이 바람직할 것이다.

한편, 본 발명의 강화흑연강의 효과는 비교예와의 비교를 통해 확인될 수 있으며, 구체적인 비교예 및 실시예의 조성은 아래와 같다.

상기한 실시예1, 2, 3의 조성은 본 발명이 제시하는 강화흑연강의 조성이며, 비교예의 조성은 종래의 엔진 실린더 헤드의 재질로 제시된 인장 강도 400MPa 수준의 강화흑연강에 해당한다.

인장 시험의 경우, KS B 0802 (금속재료 인장시험 방법)에 의하였다. 시험편은 KS B 0801 (금속재료 인장시험편)에 따라 8호 시험편을 사용하였다. 그 결과, 도 1에서 보듯이 실시예1, 2, 3은 비교예에 비해 10% 이상 향상된 높은 인장강도를 나타내었으며, 이는 Sn에 의한 펄라이트 매트릭스 강화 효과 및 Mo에 의한 펄라이트 매트릭스 미세화 효과로 판단된다. 즉 종래에 비해 Sn이 좀 더 추가되어 펄라이트가 강화되었고, Mo의 신규 추가로 인하여 펄라이트가 미세화되었기 때문이다.

한편, 열기계 피로 수명 시험의 경우, 온도 조건은 상온~450℃, 응력 조건은 변형율을 ±0.75%으로 조절하여, 200 sec/cycle로 진행하였다. 도 2에서 볼 수 있듯이, 실시예1, 2, 3은 각각 비교예 대비 20% 이상의 열기계 피로 수명이 증가했음을 알 수 있으며, 이는 Mo, V, Ti 첨가에 따른 고온 안정상인 Mo/V/Ti Carbide의 생성에 의한 효과인 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims

Fe를 주성분으로 하고, C: 3.4~4.2 wt%, Si: 1.5~2.5 wt%, P: 0.10 wt% 이하(0은 불포함), S: 0.10 wt% 이하(0은 불포함), Cr: 0.10 wt% 이하(0은 불포함), Mn: 0.1~0.6 wt%, Cu: 0.2~1.6 wt%, Sn: 0.1 wt% 이하(0은 불포함), Mg: 0.05 wt% 이하(0은 불포함), Mo: 0.05~0.5 wt% 및 V: 0.05~0.5 wt% 또는 Ti: 0.05~0.5 wt% 중 하나 이상의 성분과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 강화흑연강.
청구항 1의 강화흑연강을 포함하는 조성으로 제조된 엔진 실린더 헤드.
청구항 1의 강화흑연강을 포함하는 조성으로 제조된 엔진 실린더 헤드가 장착된 차량.