KR20160045182A

KR20160045182A - 실린더 라이너용 회주철 및 이를 이용한 실린더 라이너의 제조방법

Info

Publication number: KR20160045182A
Application number: KR1020140139790A
Authority: KR
Inventors: 남덕현
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2016-04-27
Also published as: CN106032560A; JP2016079498A; US20160108503A1; DE102015204244A1

Abstract

본 발명은 회주철을 제조하기 위한 용강을 이루는 성분을 함량을 조절하여 피로강도 및 열충격 특성을 우수하게 유지할 수 있는 실린더 라이너용 회주철 및 이를 이용한 실린더 라이너의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 실린더 라이너용 회주철은 C: 3.2 ~ 3.7wt%, Si: 2.0 ~ 2.8wt%, Mn: 0.50 ~ 1.0wt%, P: 0.20wt% 이하(0wt% 제외), S: 0.10wt% 이하(0wt% 제외), Cr: 0.50wt% 이하(0wt% 제외), Cu: 0.20 ~ 0.80wt%, Mo: 0.10 ~ 0.40wt%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기의 [식 1]을 만족하는 것을 특징으로 한다.
0.8 ≤ Cu + 1.5Cr + 1.2Mo ≤ 1.5 ……………… [식 1]
[식 1]에서, Cu, Cr 및 Mo는 각 성분의 함량(wt%)을 의미함.

Description

실린더 라이너용 회주철 및 이를 이용한 실린더 라이너의 제조방법{GRAY CAST IRON FOR CYLINDER LINER AND METHOD FOR MANUFACTURING CYLINDER LINER USING THE SAME}

본 발명은 실린더 라이너용 회주철 및 이를 이용한 실린더 라이너의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회주철을 제조하기 위한 용강을 이루는 성분의 함량을 조절하여 피로강도 및 열충격 특성을 우수하게 유지할 수 있는 실린더 라이너용 회주철 및 이를 이용한 실린더 라이너의 제조방법에 관한 것이다.

회주철은 비교적 가격이 저렴하고 성능이 우수하기 때문에 차량용 엔진의 실린더 블록, 실린더 헤드, 실린더 라이너 용으로 널리 사용되는 재료이다. 이러한 구성품들은 사용시 재료의 인장강도, 피로강도 등의 물성과 비용, 가공성 등의 생산성이 상호 절충되는 관계이기에, 다양한 성분을 적정 수준으로 조합해서 사용되고 있다.

근래에는 차량 출력의 증가, 환경규제의 강화 등에 의해 블록, 헤드 및 라이너에 걸리는 부하가 증가되고 있으며, 이에 따라 물성을 향상시키면서 생산성을 유지할 수 있는 새로운 회주철에 대한 필요성이 증대되고 있다.

한편, 엔진 실린더 라이너는 실린더 블록의 내부에 삽입되어 연소실을 구성하는 핵심 부품이다. 종래의 실린더 라이너는 주로 250MPa의 인장강도를 갖는 일반적인 회주철 소재를 사용한다. 이러한 회주철의 경우 연소압 및 하중 부하가 낮은 일반적인 가솔린 엔진에는 적합하나, 최근 개발되는 고출력 엔진이나 디젤엔진 용으로 사용되기에는 내구성에서 문제를 유발할 우려가 있다.

이를 극복하기 위해 종래의 250MPa급 주철에 합금원소를 첨가하여 제조된 400MPa급 주철이 대형 디젤엔진 등에 일부 적용되고 있으나, 이는 종래재에 비해 원가가 높다는 단점이 있다.

예를 들어 "고강도 회주철 및 그 제조방법(공개특허 10-2012-013378; 특허문헌 1)"에서는 고망간 강판 스크랩을 활용하여 고강도 회주철을 제조하는 방법에 대한 기술이 제안되었다.

하지만, 특허문헌 1은 스크랩을 활용하여 생산 원가를 낮추면서 고강도를 유지할 수는 있었지만, 여전히 고가의 합금원소를 첨가하여야 하는 단점이 있었다.

공개특허 10-2012-013378 (2012. 12. 11)

본 발명은 고가의 합금원소 첨가 없이 펄라이트를 안정화시키고 기지조직의 경도를 향상시키는 합금성분의 함량을 조절하여 피로강도 및 열충격 특성을 우수하게 유지할 수 있는 실린더 라이너용 회주철 및 이를 이용한 실린더 라이너의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 실린더 라이너용 회주철은 C: 3.2 ~ 3.7wt%, Si: 2.0 ~ 2.8wt%, Mn: 0.50 ~ 1.0wt%, P: 0.20wt% 이하(0wt% 제외), S: 0.10wt% 이하(0wt% 제외), Cr: 0.50wt% 이하(0wt% 제외), Cu: 0.20 ~ 0.80wt%, Mo: 0.10 ~ 0.40wt%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기의 [식 1]을 만족하는 것을 특징으로 한다.

0.8 ≤ Cu + 1.5Cr + 1.2Mo ≤ 1.5 ……………… [식 1]

[식 1]에서, Cu, Cr 및 Mo는 각 성분의 함량(wt%)을 의미함.

상기 회주철은 인장강도가 300MPa 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 회주철은 피로강도가 140MPa 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 실린더 라이너 제조방법은 C: 3.2 ~ 3.7wt%, Si: 2.0 ~ 2.8wt%, Mn: 0.50 ~ 1.0wt%, P: 0.20wt% 이하(0wt% 제외), S: 0.10wt% 이하(0wt% 제외), Cr: 0.50wt% 이하(0wt% 제외), Cu: 0.20 ~ 0.80wt%, Mo: 0.10 ~ 0.40wt%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 제조하고, 상기 용강을 원심주조하되, 상기 용강을 이루는 성분은 하기의 [식 1]을 만족하는 것을 특징으로 한다.

0.8 ≤ Cu + 1.5Cr + 1.2Mo ≤ 1.5 ……………… [식 1]

[식 1]에서, Cu, Cr 및 Mo는 각 성분의 함량(wt%)을 의미함.

상기 원심주조 후 실린더 라이너는 인장강도가 300MPa 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 원심주조 후 실린더 라이너는 피로강도가 140MPa 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 회주철을 제조하기 위한 용강을 이루는 성분 중 펄라이트 안정화 및 기지조직의 경도 향상에 영향을 미치는 합금성분의 함량을 최적으로 조절함에 따라 기존 250MPa급 회주철 대비 인장강도가 20% 향상된 300MPa급 회주철 소재를 제조할 수 있는 효과가 있다.

이를 통해 피로강도 또한 기존 100MPa 대비 약 40% 향상된 140MPa을 얻을 수 있고, 더불어 열충격 특성을 대폭 향상시켜 고온/고압의 연소실 환경에서도 적용이 가능한 회주철을 제조할 수 있으며, 그럼에도 불구하고 가공성은 기존재와 유사한 수준을 유지하여 생산 측면에서도 큰 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실린더 라이너용 회주철의 미세조직 사진이고,
도 2는 비교예에 따른 회주철의 미세조직 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명은 C: 3.2 ~ 3.7wt%, Si: 2.0 ~ 2.8wt%, Mn: 0.50 ~ 1.0wt%, P: 0.20wt% 이하(0wt% 제외), S: 0.10wt% 이하(0wt% 제외), Cr: 0.50wt% 이하(0wt% 제외), Cu: 0.20 ~ 0.80wt%, Mo: 0.10 ~ 0.40wt%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 회주철을 대상으로 한다.

탄소(C)의 양은 3.2wt% 이상 3.7wt% 이하인 것이 바람직하다. 탄소는 응고중에 편상흑연을 형성시키며, 탄화물을 석출시켜 경도와 내마모성을 향상시키는데 필수적인 원소이다. 탄소량과 규소량에 의해서 계산되는 탄소당량 (Ceq=C+1/3Si)이 공정점(4.3wt%)에 가까울수록 용탕의 융점이 낮아져 유동성이 향상된다는 장점이 있으나, 과량 첨가될 경우 경도 및 강도가 낮은 흑연의 정출량이 많아져 주철의 강도가 저하된다. 또한 탄소량이 낮을 경우에는 용탕의 유동성이 저하되어 주조불량을 유발할 수 있으며, 편상흑연의 양이 줄어들어 윤활특성이 저하되는 단점이 있다. 따라서 적정량의 탄소 함량이 매우 중요하며, 본 실시예에서는 탄소의 함량을 3.2 ~ 3.7wt%로 한정하는 것이 바람직하다. 이때 탄소 함량이 범위보다 작아질 경우 주조불량이 유발되며, 탄소 함량이 범위보다 높을 경우 강도와 피로수명이 저하되는 문제가 있다.

규소(Si)의 양은 2.0wt% 이상 2.8wt% 이하인 것이 바람직하다. 규소는 탄소와 함께 탄소당량을 결정하는 주요 원소중의 하나로, 흑연 형성에 기여하며 내산화성을 향상시키는 원소이다. 탄소량과 규소량에 의해서 계산되는 탄소당량 중 규소 함량이 높을수록 흑연의 형성을 촉진시키기 때문에 동일 탄소당량에서도 흑연의 정출량을 증대시킬 수 있다. 또한 규소는 내열성을 높이고, 산화 환경에서 Si계 내산화 피막을 형성하여 재료의 열충격특성을 향상시켜주는 효과가 있다. 그래서, 본 실시예에서는 규소 함량을 2.0 ~ 2.8wt%로 한정하여 적정수준의 주조성과 내산화성을 갖도록 하였다.

망간(Mn)의 양은 0.50wt% 이상 1.0wt% 이하인 것이 바람직하다. 망간은 황(S)과 결합하여 윤활상인 MnS를 형성시키며, 탄화물을 안정시켜 강도를 향상시키는 원소이다. 하지만, 망간 함량이 제시된 범위보다 낮을 경우에는 MnS가 충분히 형성되지 않아 원하는 수준의 윤활성을 확보할 수 없고, 망간 함량이 제시된 범위보다 높아질 경우 흑연 정출을 방해하고, 조대 탄화물 형성을 촉진시켜 마찰특성이 감소하는 문제가 있다. 그래서 본 실시예에서는 망간의 함량을 0.50 ~ 1.0wt%로 한정하였고, 이에 따라 적정량의 MnS 윤활상이 형성되어 마찰특성을 향상시킬 수 있다.

인(P)의 양은 0.20wt% 이하(0wt% 제외)인 것이 바람직하다. 인은 일반적으로 불순물로 분류되나, 다량 첨가될 경우 기지조직에 Fe₃P의 조성을 갖는 고경도의 스테다이트 상을 형성시켜 내마모성을 향상시킨다. 적정량의 스테다이트 상이 가지조직 내에 균일하게 분포될 경우 그 효과가 우수하지만, 조대한 스테다이트 상은 가공성을 저하시키므로, 본 실시예에서는 그 함량을 0.2% 이내로 제한하였다.

크롬(Cr)의 양은 0.50wt% 이하(0wt% 제외)인 것이 바람직하고, 구리(Cu)의 양은 0.20wt% 이상 0.80wt% 이하인 것이 바람직하며, 몰리브덴(Mo)의 양은 0.10wt% 이상 0.40wt% 이하인 것이 바람직하다. 구리(Cu), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo)은 모두 펄라이트를 안정화시키고 기지조직 경도를 향상시키는 원소로서, 고용 및 석출강화 효과를 통해 제품의 강도를 증가시키지만, 과량 첨가될 경우 가공성을 저하시킬 수 있다.

특히 구리는 펄라이트 안정화에 가장 중요한 원소로서, 적정량의 첨가가 중요하다. 또한 몰리브덴의 경우 기지조직에 일부 고용되어 고온에서 기지조직의 연화저항성을 높여줄 수 있기 때문에, 본 발명의 목적과 같이 열충격에 노출되는 부품의 경우, 적정량을 첨가할 경우 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 Cr, Cu, Mo 함량의 최적 비율에 대해 많은 시험을 통해 고찰하였으며, 그 결과 Cr 최대 0.5wt%, Cu 0.2 ~ 0.8wt%, Mo 0.1 ~ 0.4wt%의 함량을 최적으로 한정하였다.

본 발명은 피로강도 및 열충격 특성이 우수한 실린더 라이너를 제조하기 위하여 상기와 같은 조성을 갖는 용강을 통상의 원심주조 방법을 사용한다.

특히, 용강 각 성분의 함량을 조절하는 경우에 실린더 라이너의 인장강도를 300MPa 이상으로 유지하고, 피로강도를 140MPa 이상으로 유지시키기 위해서 Cu, Cr 및 Mo의 양을 보다 한정적으로 제한하는 것이 바람직하다. 예를 들어 하기의 [식 1]을 만족하는 것이 바람직하다.

0.8 ≤ Cu + 1.5Cr + 1.2Mo ≤ 1.5 ……………… [식 1]

[식 1]에서 Cu + 1.5Cr + 1.2Mo에 의해 연산되는 값은 설명의 편의를 위하여 "A"로 정의하고, Cu, Cr 및 Mo는 각 성분의 함량(wt%)을 의미한다.

상기 [식 1]로 연산되는 값인 A는 Cu, Cr 및 Mo의 함량에 의해 결정되는데, Cu, Cr 및 Mo는 기지조직에 고용되면서 일부는 미세탄화물을 형성하기 위한 원소로서, A의 값이 0.8 ~ 1.5 범위를 만족하는 경우에, 가공성의 저하를 최소화하면서 목표하는 물성을 확보할 수 있다. 만약 A의 값이 제시된 범위를 초과하는 경우에는 조대한 유해탄화물이 형성될 수 있고, 제시된 범위에 미달할 경우에는 목표하는 물성에 미달된다.

[실시예]

이하 비교예 및 실시예를 사용하여 본 발명을 설명한다.

상업 생산되는 실린더 라이너의 생산 조건에 따라 최종 제품을 생산하고, 최종 제품에서 시편을 제작한 다음, 경도, 인강강도, 피로강도, 열피로 수명 및 가공성을 측정하였다.

구체적으로는 표 1의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 5와 같이 성분 함량이 조정된 용강을 준비한 다음 원심주조법으로 실린더 라이너를 제작하였다. 그리고, 제작된 실린더 라이너로 시편을 제작하였다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Mo	Fe	A	비고
실시예 1	3.4	2.5	0.8	0.05	0.05	0.22	0.44	0.15	Rem.	0.95
실시예 2	3.5	2.4	0.75	0.08	0.06	0.4	0.54	0.25	Rem.	1.44
비교예 1	3.5	2.2	0.7	0.05	0.05	0.05	0	0	Rem.	0.075	기존재
비교예 2	3.3	2.6	0.8	0.16	0.05	0.6	0.28	0.05	Rem.	1.24	유사성분계
비교예 3	3.4	2.5	0.83	0.08	0.04	0.4	0.7	0.25	Rem.	1.6	유사성분계
비교예 4	3.4	2.7	0.8	0.1	0.06	0.15	0.3	0.15	Rem.	0.705	유사성분계
비교예 5	3.6	2.2	0.75	0.06	0.05	0.35	0.7	0.05	Rem.	1.285	유사성분계

한편, 경도 측정은 제작된 시편을 평탄하게 가공한 뒤 브리넬 경도기를 사용하여 경도를 측정하였고, 인장강도 측정은 실린더 라이너를 KS D0801 8A 시험편으로 가공하여 측정하였으며, 무노치 형상의 시편을 제작하여 회전굽힘 피로시험 후 피로수명 100만 cycle 이상일 때의 하중을 피로강도로 정하였다. 그리고, 열피로 수명은 열기계피로시험(Thermal Mechanical Fatigue)조건으로 구속률 40% 조건으로 온도 100 ~ 350℃ 구간에서 가열과 냉각을 반복하여 실시하였으며, 가공성은 라이너 내경의 황삭 가공시의 툴 수명을 기준으로 산출하였다. 그리고, 각 측정값을 표 2에 나타내었다. 또한, 실시예 및 비교예의 미세조직을 촬영(광학현미경, 100배)하여 도 1 및 도 2에 나타내었다.

구분	경도 (HRB)	인장강도 (Mpa)	피로강도 (Mpa)	열피로 수명 (cycles)	가공성
실시예 1	99	310	141	630	0.98
실시예 2	102	321	150	598	0.96
비교예 1	93	260	98	135	1
비교예 2	103	285	106	167	0.88
비교예 3	105	317	139	415	0.73
비교예 4	98	291	123	243	0.95
비교예 5	100	329	145	215	0.84

[표 2]에 나타난 바와 같이, 실시예 1 및 2는 비교예 1(기존재)과 비교할 때 경도 5 ~ 10%, 인장강도 20%, 피로강도 40~50% 의 기계적 특성 향상을 볼 수 있다. 또한 열피로수명은 약 3배 이상 크게 증가된 것을 볼 수 있으며, 가공성은 90%이상의 수준을 유지하고 있다. 또한 도 1은 본 발명에 따른 실린더 라이너용 회주철의 미세조직 사진으로서, 실시예 1 및 2의 미세조직 사진에는 펄라이트 기지조직상에 미세탄화물이 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있었다.

또한, 실시예 1 및 2를 비교예 2 내지 5의 결과와 비교해보면, 경도, 인장강도, 피로강도 등에서는 비교예가 더 우수하게 나타나는 경우도 존재하지만, 각 특성의 조합 측면에서 비교예 2 내지 5가 실시예 1 및 2에 미치지 못하는 것을 알 수 있다.

한편, 도 2는 비교예에 따른 회주철의 미세조직 사진이다.

각각의 비교예를 좀 더 살펴보면, 비교예 1은 종래 250MPa급의 실린더 라이너를 생산하는 일반적인 회주철 소재로서, 경도 93(HRB), 인장강도 260Mpa, 피로강도 98Mpa, 열피로 수명 135 cycle을 보였으며, 가공성은 비교예 1의 황삭 가공시의 툴 수명을 기준(100%)로 정하였다. 또한, 도 2에서 알 수 있듯이 비교예 1은 펄라이트 기지조직에 편상흑연이 형성된 것을 확인할 수 있었다.

한편, 비교예 2는 본 발명에서 제시한 Cu, Cr, Mo 성분량의 합계 범위인 A값의 범위를 만족하지만, 각각의 원소는 본 발명에서 제시된 범위를 벗어나는 경우이다. 이 경우 Cr 함량이 규격을 초과하여 도 2에 나타난 바와 같이 조대한 Cr계 탄화물들이 다량 형성되었으며, 이로 인해 기존재인 실시예 1과 대비해서 경도는 향상되나 그 외의 물성은 크게 향상되지 않은 것을 볼 수 있다.

또한, 비교예 3은 각각의 원소는 본 발명에서 제시된 범위를 만족시키지만, Cu, Cr, Mo 성분량의 합계 범위인 A값을 초과하는 경우로서, 도 2에 나타난 바와 같이 과도한 미세탄화물 형성으로 인해 경도가 크게 상승한 반면에, 가공성은 크게 저하되는 것을 볼 수 있다.

그리고, 비교예 4는 각각의 원소는 본 발명에서 제시된 범위를 만족시키지만, Cu, Cr, Mo 성분량의 합계 범위인 A값에 미달하는 경우로서, 도 2에 나타난 바와 같이 미세탄화물이 원하는 수준으로 형성되지 않아 비교예 1에 비하여 물성이 향상되었지만, 실시예 1 및 2에 비하여 피로강도 및 열피로 수명이 원하는 수준을 만족하지 못하는 것을 볼 수 있다.

또한, 비교예 5는 본 발명에서 제시한 Cu, Cr, Mo 성분량의 합계 범위인 A값의 범위는 만족하지만, Mo 함량이 규격을 미달하는 경우로서. 도 2에 나타난 바와 같이 미세탄화물이 원하는 수준으로 형성되지 않아 대부분의 물성은 목표 수준을 만족하지만, 열피로 수명은 실시예 1 및 2에 비하여 크게 저하되는 것을 볼 수 있다.

따라서, 펄라이트 기지조직에 미세 탄화물을 적정수준으로 형성시켜 원하는 수준의 경도, 인장강도, 피로강도, 열피로 수명 및 가공성을 확보하기 위해서는 [식 1]에서 표현되는 A의 값이 0.8 이상이면서 1.5 이하가 되도록 Cu, Cr 및 Mo의 함량을 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims

C: 3.2 ~ 3.7wt%, Si: 2.0 ~ 2.8wt%, Mn: 0.50 ~ 1.0wt%, P: 0.20wt% 이하(0wt% 제외), S: 0.10wt% 이하(0wt% 제외), Cr: 0.50wt% 이하(0wt% 제외), Cu: 0.20 ~ 0.80wt%, Mo: 0.10 ~ 0.40wt%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
하기의 [식 1]을 만족하는 실린더 라이너용 회주철.
0.8 ≤ Cu + 1.5Cr + 1.2Mo ≤ 1.5 ……………… [식 1]
[식 1]에서, Cu, Cr 및 Mo는 각 성분의 함량(wt%)을 의미함.
청구항 1에 있어서,
상기 회주철은 인장강도가 300MPa 이상인 실린더 라이너용 회주철.
청구항 1에 있어서,
상기 회주철은 피로강도가 140MPa 이상인 실린더 라이너용 회주철.
C: 3.2 ~ 3.7wt%, Si: 2.0 ~ 2.8wt%, Mn: 0.50 ~ 1.0wt%, P: 0.20wt% 이하(0wt% 제외), S: 0.10wt% 이하(0wt% 제외), Cr: 0.50wt% 이하(0wt% 제외), Cu: 0.20 ~ 0.80wt%, Mo: 0.10 ~ 0.40wt%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 제조하고, 상기 용강을 원심주조하되,
상기 용강을 이루는 성분은 하기의 [식 1]을 만족하는 실린더 라이너 제조방법.
0.8 ≤ Cu + 1.5Cr + 1.2Mo ≤ 1.5 ……………… [식 1]
[식 1]에서, Cu, Cr 및 Mo는 각 성분의 함량(wt%)을 의미함.
청구항 4에 있어서,
상기 원심주조 후 실린더 라이너는 인장강도가 300MPa 이상인 실린더 라이너 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 원심주조 후 실린더 라이너는 피로강도가 140MPa 이상인 실린더 라이너 제조방법.