KR20150028904A

KR20150028904A - 고온 내마모성이 우수한 내열주철

Info

Publication number: KR20150028904A
Application number: KR20130107151A
Authority: KR
Inventors: 박성환
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2015-03-17

Abstract

본 발명은 고온 내마모성이 우수한 내열주철에 관한 것으로서, 전체 내열주철 중량에 대하여, 망간(Mn) 6.0~7.0중량%, 니켈(Ni) 6.0~8.0중량%, 크로뮴(Cr) 0.1~0.3중량%, 구리(Cu) 0.5~1.0중량%, 인(P) 0.1~0.2중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물 등을 포함함으로써 열팽창계수 및 고온강도 등은 종래 내열주철과 대등하지만, 내마모성은 향상되고 원가절감을 가능하게 하여 경제성을 향상시킬 수 있는 고온 내마모성이 우수한 내열주철에 관한 것이다.

Description

고온 내마모성이 우수한 내열주철{Heat resistant cast iron having excellent wear resistance at high temperature}

본 발명은 뛰어난 고온 내마모성을 요구하는 곳에 이용되는 내열주철에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 니켈(Ni), 크로뮴(Cr), 구리(Cu), 인(P) 및 잔부의 철(Fe) 등을 포함하는 고온 내마모성이 우수한 내열주철에 관한 것이다.

일반적으로 주철은 1.7중량% 이상의 탄소(C)를 함유하는 철의 합금이다. 상기 주철에 탄소가 많으면, 단단하고 부서지기가 쉬우므로 압연 및 단조 등의 가공은 할 수 없으나, 강(steel)에 비해서 융점이 낮아 쉽게 용해되기 때문에 주물로 사용하기에 편리하다.

또한, 상기 주철은 강도가 높고 강(steel)에 비해 녹이 덜 발생하며, 가격도 저렴하기 때문에 기계 부품 및 취사도구 등에 이르기까지 폭넓게 사용되고 있다.

상기 주철의 탄소(C)는 세멘타이트(cementite, Fe₃C)의 형태로 존재하는 경우와 탄소가 단독으로 흑연의 형태로 존재하는 경우와 같이 두 가지가 존재 형태가 있으며, 주철의 성질도 다르게 한다. 상기 탄소(C)가 세멘타이트의 형태로 존재하느냐 아니면, 흑연의 형태로 되느냐 하는 것은 주철 속의 탄소(C)와 실리콘(Si)의 양 및 주조할 때의 냉각 속도에 따라 결정된다.

보다 구체적으로, 탄소(C)나 실리콘(Si)가 적고 주조 시 급랭되면 탄소는 세멘타이트가 된다. 상기 세멘타이트는 굳은 화합물이므로 상기 세멘타이트를 많이 함유하는 주철은 단단하고 내마모성이 우수하지만 부서지기 쉬운 취성이 증가하며, 단면은 백색으로 빛난다.

반면, 주조 시 냉각속도가 느리고 탄소(C) 및 실리콘(Si)가 풍부하면, 탄소(C)가 유리되어 흑연의 형태로 되기 쉽다. 이것은 연하지만 잘 깨어지지 않는 성질을 가졌으며, 단면은 검은 색깔의 흑연이 섞여 있어 회색으로 보인다.

상기 주철은 비교적 가격이 저렴하고 감쇠 진동 용량, 기계 가공성, 내열성 및 열전도성 등의 특성이 우수하기 때문에 다양한 원소 비율을 조절한 주철 합금이 개발되어 널리 사용되고 있다.

한편, 종래 가솔린 엔진의 피스톤은 알루미늄 합금 소재 등이 사용되었지만, 가솔린 엔진의 연비향상 및 다운사이징 등을 위해 고출력의 직분사 엔진인 GDI 및 T-GDI엔진 등이 개발됨에 따라, 엔진 연소실 내부의 압력과 온도가 증가하여 종래의 알루미늄 합금 소재인 가솔린 엔진 피스톤만으로는 내구성에 무리가 있어 디젤 엔진의 피스톤에 사용되는 주철소재의 인서트 링을 장착한 피스톤을 사용하게 되었다.

그러나 가솔린 엔진에 디젤 엔진과 동일한 인서트 링이 적용됨에 따라 원가상승의 문제가 발생하였으며, 느리게 움직이는 디젤 엔진과는 달리 가솔린 엔진은 고속으로 움직이기 때문에 상기 주철 소재의 인서트 링은 더 높은 고온 내마모성이 필요하게 되었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 니켈(Ni), 크로뮴(Cr), 구리(Cu), 인(P) 및 잔부의 철(Fe) 등을 포함함에 의하여 내열주철의 고온 내마모성을 향상시킬 뿐만 아니라 원가 절감을 통하여 경제성을 향상시키는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전체 내열주철 중량에 대하여, 망간(Mn) 6.0~7.0중량%, 니켈(Ni) 6.0~8.0중량%, 크로뮴(Cr) 0.1~0.3중량%, 구리(Cu) 0.5~1.0중량%, 인(P) 0.1~0.2중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 내열주철에 관한 것이다.

이 때, 상기 본 발명은 탄소(C) 2.4~2.8중량% 및 실리콘(Si) 1.8~2.4중량% 등을 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 탄소(C)와 실리콘(Si)에 의해서 결정되는 탄소당량(Ceq = C + 1/3(Si))은 3.3중량%인 것이 바람직하다.

또한, 상기 탄소(C)는 2.6중량%, 실리콘(Si)은 2.1중량%, 망간(Mn)은 6.5중량%, 니켈(Ni)은 7.0중량%, 크로뮴(Cr)은 0.2중량%, 구리(Cu)는 0.8중량% 및 인(P)은 0.15중량%인 것이 바람직하다.

또한, 상기 내열주철은 피스톤의 인서트 링 등에 적용되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 니켈(Ni), 크로뮴(Cr), 구리(Cu), 인(P) 및 잔부의 철(Fe) 등을 포함함으로써, 열팽창계수 및 고온강도는 종래 주철과 대등하지만, 내마모성은 향상되고 원가절감을 가능하게 하여 경제성을 향상시킬 수 있다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명은 고온 내마모성이 우수한 내열주철에 관한 것으로, 이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

1. 본 발명의 구성성분

본 발명은 우수한 고온 내마모성 등을 위해서, 전체 내열주철 중량에 대하여, 망간(Mn) 6.0~7.0중량%, 니켈(Ni) 6.0~8.0중량%, 크로뮴(Cr) 0.1~0.3중량%, 구리(Cu) 0.5~1.0중량%, 인(P) 0.1~0.2중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물 등을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 탄소(C) 2.4~2.8중량% 및 실리콘(Si) 1.8~2.4중량% 등을 더 포함하는 것이 바람직하다.

특히, 본 발명은 종래 주철에 비하여 고가의 크로뮴(Cr), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)의 함량을 낮추는 반면, 망간(Mn) 및 인(P)의 함량을 높여 원가절감은 물론 고온 내마모성 등을 향상시킬 수 있다.

이하, 각 구성성분에 대하여 구체적으로 설명한다.

1.1. 탄소(C)

상기 탄소(C)는 용융된 주철이 냉각되면서 응고될 때 흑연(graphite)을 형성하며, 상기 탄소는 주철 내에 다른 원소와 탄화물(carbide)을 형성하여 주철의 경도와 내마모성 등의 물성을 향상시키는 역할을 한다.

여기서, 상기 탄소(C)는 2.4~2.8중량%인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 탄소(C)가 2.4중량% 미만일 경우, 흑연이 충분히 형성되지 않아 주철 용융물의 유동성이 급격히 저감되어 주조불량이 유발될 수 있으며, 운동 마찰에 대한 내마멸성, 내소착성 및 윤활특성 등이 저하될 수 있지만, 상기 탄소(C)가 2.8중량% 초과일 경우, 흑연의 조대화로 인하여 주철의 강도 및 피로수명 등 물성이 저하될 수 있다.

또한, 탄소(C)와 실리콘(Si)에 의해서 결정되는 탄소당량(carbon equivalent, Ceq = C + 1/3(Si))이 3.0~3.6중량%인 것이 바람직하며, 3.3중량%인 것이 더욱 바람직하다. 반복된 실험 경험으로 상기 탄소당량이 3.3중량%인 경우, 주철의 고온 내열성이 우수하다는 것을 알 수 있었다.

1.2. 실리콘(Si)

상기 실리콘(Si)은 함량이 높을수록 주철 내의 세멘타이트(cementite, 탄화철(Fe₃C)) 조직을 유리 탄소(free carbon)와 철로 분해하는 흑연화 현상을 일으키기 때문에 흑연의 형성을 촉진시시켜 주철의 내식성 등을 향상키고 취성 등을 감소시키는 역할을 한다.

여기서, 상기 실리콘(Si)은 1.8~2.4중량%인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 실리콘(Si)이 1.8중량% 미만일 경우, 단단하지만 취성이 큰 세멘타이트 조직이 증대하게 되므로 주철의 취성이 증가하는 문제가 있으며, 상기 실리콘(Si)이 2.4중량% 초과일 경우, 흑연이 조대화되기 때문에 주철의 강도가 저하될 수 있다.

1.3. 망간(Mn)

상기 망간(Mn)은 경제적으로 주철의 기지조직인 펄라이트 조직을 마모에 강한 오스테나이트 조직으로 변태하는 것을 촉진하는 역할을 한다.

여기서, 상기 망간(Mn)은 6.0~7.0중량%인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 망간(Mn)이 6.0중량% 미만일 경우, 오스테나이트 조직으로 변태가 저감되어 주철의 내마모성이 저감될 수 있으며, 상기 망간(Mn)이 7.0중량% 초과일 경우, 오스테나이트 조직으로 지나친 변태로 인해 주철의 취성이 증가할 수 있다.

1.4. 니켈(Ni)

상기 니켈(Ni)은 상기 망간(Mn)과 같이 주철의 기지조직인 펄라이트 조직을 오스테나이트 조직으로 변태하는 것을 촉진하는 역할을 하며, 가격이 상기 망간(Mn)보다 고가이지만 효율이 높아 본 발명에 포함된다.

여기서, 상기 니켈(Ni)은 6.0~8.0중량%인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 니켈(Ni)이 6.0중량% 미만일 경우, 충분한 오스테나이트 조직으로 변태가 어려워 주철의 내마모성이 저감될 수 있으며, 상기 니켈(Ni)이 8.0중량% 초과일 경우, 상기 니켈(Ni)에 의한 효과의 상승보다 원가상승의 문제가 증가할 수 있다.

1.5. 크로뮴(Cr)

상기 크로뮴(Cr)은 주철의 펄라이트 조직에 고용체를 형성하여 고용강화 효과에 의해 상기 펄라이트 조직의 경도 및 내마모성 등을 향상시키는 역할을 한다.

여기서, 상기 크로뮴(Cr)은 0.1~0.3중량%인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 크로뮴(Cr)이 0.1중량% 미만일 경우, 충분한 고용체를 형성하기 여려워 주철의 경도 및 내마모성 등이 저감될 수 있으며, 상기 크로뮴(Cr)이 0.3중량% 초과일 경우, 경도의 지나친 증가로 오히려 취성이 증가할 수 있는 문제가 있다.

1.6. 구리(Cu)

상기 구리(Cu)는 상기 크로뮴(Cr)과 마찬가지로 주철의 펄라이트 조직에 고용체를 형성하여 고용강화 효과에 의해 상기 펄라이트 조직의 경도 및 내마모성 등을 향상시키는 역할을 한다.

여기서, 상기 구리(Cu)는 0.5~1.0중량%인 것이 바람직하며 그 한정 이유는 상기 크로뮴(Cr)의 한정 이유와 동일하다.

1.7. 인(P)

상기 인(P)은 기지조직에 인화철(Fe₃P)의 조성을 갖는 고경도의 스테다이트(steadite)를 형성하여 주철의 내마모성을 향상시키는 역할을 한다.

상기 인(P)은 0.1~0.2중량%인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 인(P)이 0.1중량% 미만일 경우, 충분한 스테다이트를 형성하기 어려워 주철의 내마모성이 부족할 수 있으며, 상기 인(P)이 0.2중량% 초과일 경우, 상기 스테다이트가 조대화 될 수 있으므로 주철의 가공성이 저하될 수 있다.

2. 용도

본 발명에 따른 내열주철은 고온에서 우수한 내마모성 등의 내구성을 요구하는 구조재, 장치 및 부품 등에 적용하는 것이 바람직하며, 특히 자동차 피스톤의 인서트 링 등에 적용하는 것이 보다 바람직하다.

[실시예]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

본 발명에 따른 고온 내마모성이 우수한 내열주철의 물성을 비교하기 위하여 하기 표 1과 같은 함량을 포함하는 실시예 및 비교예를 통상의 방법으로 제조 후, 열팽창계수, 고온강도, 고온신율 및 내마모성 시험결과를 하기 표 2에 비교 정리하였다.

구분	단위	C	Si	Mn	P	Cr	Ni	Cu
실시예1	중량%	2.6	2.1	6.5	0.15	0.2	7.0	0.8
비교예1	중량%	2.6	2.1	5.0	0.15	0.2	7.0	0.8
비교예2	중량%	2.6	2.1	8.0	0.15	0.2	7.0	0.8
비교예3	중량%	2.6	2.1	6.5	0.02	0.2	7.0	0.8
비교예4	중량%	2.6	2.1	6.5	0.15	0.2	5.0	0.8
비교예5	중량%	2.6	2.1	6.5	0.15	0.05	7.0	0.4

상기 표 1은 실시예 및 비교예의 함량을 비교한 표이며, 상기 표를 참조하여 통상의 방법으로 실시예 및 비교예를 제조하였다. 상기 비교예 1의 경우, 오스테나이트 변태와 관련 있는 망간(Mn)의 함량이 본 발명의 범위를 벗어났으며, 비교예 3은 내마모성과 관련 있는 인(P)의 함량이, 비교예 4는 오스테나이트 변태와 관련 있는 니켈(Ni)의 함량이, 비교예 5는 내마모성과 관련 있는 크로뮴(Cr)과 구리(Cu)의 함량이 본 발명의 범위를 벗어났다.

구분	열팽창계수(10^-6/℃)				고온강도 (MPa)	고온신율 (%)	내마모성
구분	0~100℃ 평균값	100~200℃ 평균값	200~300℃ 평균값	300~400℃ 평균값	250℃	250℃	마찰계수 (μ)	마모량 (㎜)
실시예1	18.7	19.5	20.0	20.0	199	4.1	0.043	0.023
비교예1	12.3	13.1	13.8	14.2	118	3.8	0.046	0.027
비교예2	18.8	19.6	20.1	20.1	205	1.3	0.044	0.025
비교예3	18.6	19.4	19.9	19.9	199	4.4	0.091	0.087
비교예4	12.3	13.1	13.8	14.2	118	3.8	0.045	0.026
비교예5	18.7	19.5	20.0	20.0	203	4.3	0.092	0.090

상기 표 2는 상기 표 1에 제시된 함량을 참조하여 제조한 실시예 및 비교예의 열팽창계수, 고온강도, 고온신율 및 내마모성 시험결과를 비교한 표이다. 상기 시험결과 실시예의 열팽창계수, 고온강도 및 고온신율은 비교예와 대등한 반면, 상기 실시예의 내마모성 시험의 마찰계수는 가장 낮으며 마모량 역시 가장 낮아 상기 실시예의 내마모성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명은 고온에서 우수한 내마모성을 요구하는 곳에 적용하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있었다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

Claims

전체 내열주철 중량에 대하여, 망간(Mn) 6.0~7.0중량%, 니켈(Ni) 6.0~8.0중량%, 크로뮴(Cr) 0.1~0.3중량%, 구리(Cu) 0.5~1.0중량%, 인(P) 0.1~0.2중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 내열주철.
제1항에 있어서,
탄소(C) 2.4~2.8중량% 및 실리콘(Si) 1.8~2.4중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내열주철.
제2항에 있어서,
상기 탄소(C)와 실리콘(Si)에 의해서 결정되는 탄소당량(Ceq = C + 1/3(Si))은 3.3중량%인 것을 특징으로 하는 내열주철.
제2항에 있어서,
상기 탄소(C)는 2.6중량%, 실리콘(Si)은 2.1중량%, 망간(Mn)은 6.5중량%, 니켈(Ni)은 7.0중량%, 크로뮴(Cr)은 0.2중량%, 구리(Cu)는 0.8중량% 및 인(P)은 0.15중량%인 것을 특징으로 하는 내열주철.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 내열주철이 적용되는 피스톤의 인서트 링.