KR20170002153A - 편상 흑연 주철 및 주물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도 및 우수한 가공성 가지는 편상 흑연 주철 및 주물에 대한 것으로서 본 발명의 일 관점에 따르면, 3.2 내지 3.4 중량%의 탄소, 2.0 내지 2.2 중량%의 규소, 1.8 내지 4.0 중량%의 망간, 0.08 내지 0.14 중량%의 황, 0.04 중량% 미만(0중량% 초과)의 인, 총합이 0.1 내지 0.3 중량%인 하나 이상의 희토류원소 및 나머지는 철로 이루어지며, 상기 망간 함량의 상기 황 함량에 대한 비(Mn/S)가 12.0 내지 50.0 범위, 상기 망간 함량의 상기 희토류원소 함량의 총합에 대한 비(Mn/R.E.)가 6.0 내지 40.0 범위인 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철 및 주물이 제공된다.

Description

편상 흑연 주철 및 주물{Flake graphite cast iron and casting}

본 발명은 편상 흑연 주철에 관한 것으로서, 더 상세하게는 높은 강도와 우수한 가공성을 가지며 두께 3mm급 이하의 박육화가 가능한 편상 흑연 주철 및 주물에 관한 것이다.

편상 흑연 주철(Flake Graphite Cast Iron)은 가격이 싸고, 주조성, 가공성 및 진동감쇠성 등이 매우 우수한 소재이다. 비철계 소재 대신 편상 흑연 주철을 사용하여 자동차용 주물부품을 박육화할 수 있다면, 부품 중량을 비철계 주물부품 수준으로 가볍게 하면서, 특성 및 성능을 비철계 주물부품에 비하여 획기적으로 향상시킬 수 있다.

그러나 편상 흑연 주철 부품의 박육화에는 많은 기술적 어려움이 따른다. 박육화가 진행될수록 응고시 냉각속도가 빨라지게 되며, 이러한 빠른 냉각속도로 인하여 취약한 기계적 특성을 보이는 조직인 칠(chill)의 형성 가능성이 증가된다. 또한 주물의 두께가 얇아짐에 따라 부족해지는 강도도 문제가 될 수 있다.

한편, 칠 조직이 억제되었다 하더라도 편상 흑연 주철 부품의 고강도화에는 많은 기술적 어려움이 존재한다. 고강도화를 위해 합금원소를 첨가할 경우 탄화물이 안정화될 뿐만 아니라 제조비용이 증가하게 되고, 강도와 함께 경도가 동반 증가함에 따라 가공성이 크게 저하되는 문제점 등이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 높은 강도 및 우수한 가공성 가지는 편상 흑연 주철 및 주물을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 3.2 내지 3.4 중량%의 탄소, 2.0 내지 2.2 중량%의 규소, 1.8 내지 4.0 중량%의 망간, 0.08 내지 0.14 중량%의 황, 0.04 중량% 미만(0중량% 초과)의 인, 총합이 0.1 내지 0.3 중량%인 하나 이상의 희토류원소 및 나머지는 철로 이루어지며, 상기 망간 함량의 상기 황 함량에 대한 비(Mn/S)가 12.0 내지 50.0 범위, 상기 망간 함량의 상기 희토류원소 함량의 총합에 대한 비(Mn/R.E.)가 6.0 내지 40.0 범위인 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철이 제공된다.

보다 구체적으로, 상기 망간 함량의 상기 황 함량에 대한 비(Mn/S)가 20.0 내지 40.0 범위, 상기 망간 함량의 상기 희토류원소 함량의 총합에 대한 비(Mn/R.E.)가 10.0 내지 20.0 범위일 수 있다.

상기 하나 이상의 희토류원소는 세륨(Ce) 및 란탄 (La)을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 관점에 따르면 상술한 편상 흑연 주철로 이루어진 주물이 제공될 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고강도 및 우수한 가공성을 가지는 편상 흑연 주철 및 주물을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.

본 발명은, 종래에 비해 망간(Mn)의 함량이 높은 편상 흑연 주철로서, 망간의 증가에 따른 고강도화를 구현하면서도 망간의 증가에 따른 내충격성 및 가공성의 악화를 해결하는 것을 중요한 기술적 특징 중 하나로 한다.

망간이 첨가될 경우 펄라이트 형성온도가 낮아져서 펄라이트 층상간격이 미세화되는 효과가 있다. 또한 황 및 희토류원소와 반응하여 흑연의 핵생성자리(nucleation site)가 될 수 있는 (R.E.,Mn)_xS_y (이하 복합황화물 이라함)을 형성할 수 있다. 그러나 망간 함량이 과다할 경우 기계적 특성이 취약한 칠(chill) 조직의 형성 등으로 인해 내충격성 및 가공성이 크게 악화되며, 따라서 현재 상용화된 편상 흑연 주철의 경우에는 첨가되는 함량을 0.4 ~ 0.9 중량% 수준으로 제한하고 있다.

본 발명의 발명자는 희토류원소를 포함하는 첨가원소의 함량과 첨가되는 원소들간의 비율을 적절히 조절함으로써 망간을 종래에 비해 더 높은 수준으로 함유하면서도 높은 망간의 함량으로 인한 가공성 악화를 해결한 편상 흑연 주철을 구현하였다. 특히 본 발명을 따르는 편상 흑연 주철은 고강도 및 우수한 가공성으로 인해 박육 주물, 예를 들어, 3mm 급 두께를 가지는 자동차 엔진용 주철부품에 성공적으로 적용될 수 있다.

구체적으로 본 발명에 따른 고망간 편상 흑연 주철은 3.2 내지 3.4 중량%의 탄소, 2.0 내지 2.2 중량%의 규소, 1.8 내지 4.0 중량%의 망간, 0.08 내지 0.14 중량%의 황, 0.04 중량% 미만(0 중량% 초과)의 인, 총합이 0.1 내지 0.3 중량%인 하나 이상의 희토류원소 및 나머지는 철로 이루어진 편상 흑연 주철을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 주철은, 상기 화학조성에 한정될 뿐 아니라,상기 망간 함량의 상기 황 함량에 대한 비(Mn/S)가 12.0 내지 50.0 범위, 상기 망간 함량의 상기 희토류원소 함량의 총합에 대한 비(Mn/R.E.)가 6.0 내지 40.0 범위, 상기 희토류원소 함량의 총합의 상기 황 함량에 대한 비(R.E./S)가 0.5 내지 4.0 범위인 것을 특징으로 할 수 있다.

더욱 구체적으로 상기 망간 함량의 상기 황 함량에 대한 비(Mn/S)가 20.0 내지 40.0 범위, 상기 망간 함량의 상기 희토류원소 함량의 총합에 대한 비(Mn/R.E.)가 10.0 내지 20.0 범위, 상기 희토류원소 함량의 총합의 상기 황 함량에 대한 비(R.E./S)가 1.0 내지 3.0 범위인 것을 특징으로 할 수 있다.

이때, 상기 희토류원소는, 예를 들어, 세륨(Ce) 및 란탄(La)을 함유하는 미시메탈(misch metal)을 포함할 수 있다. 구체적인 예를 들어, 65 중량% 세륨과 35 중량%의 란탄의 조성비를 가지는 미시메탈을 포함할 수 있다.

이하, 본 발명인 편상 흑연 주철에서 각각의 구성성분의 작용 기능 및 특성에 미치는 영향을 상세히 설명하고, 각 구성성분의 수치한정이 갖는 기술적 의의에 대해 상술한다.

본 발명의 구성 성분 중 탄소(C)는 주철의 기본원소로서 기지에 흑연을 정출시키는 원소이다. 본 발명에 따른 편상 흑연 주철은 탄소를 3.2 내지 3.4 중량%를 포함할 수 있다. 탄소의 함유량이 3.2 중량% 미만이면 인장강도는 높아지나, 고 냉각속도 하에서 칠이 형성되기 쉽고, 가공성 및 유동성이 나빠진다. 3.4 중량%를 초과하면 칠 형성이 억제되나, 흑연의 과다한 정출 및 조대화, 페라이트의 분율 증가 등으로 인장강도가 악화될 수 있다.

규소(Si)는 철에 고용되어 경도를 높이는 작용 및 흑연화를 유도하는 작용을 한다. 본 발명에 따른 편상 흑연 주철은 2.0 내지 2.2 중량%를 포함할 수 있다. 상기 규소의 함유량이 2.0 중량% 미만이면 인장강도 측면에서는 유리하나, 흑연 핵생성능이 낮아져서 칠이 형성되기 쉽다. 2.2 중량%를 초과하면 흑연의 핵생성능이 증가하나, 페라이트 형성량 증가, 펄라이트 층상간격의 조대화 등으로 인장강도가 낮아진다.

인(P)은, 예컨대, 0.04 중량% 미만(0 중량% 초과)을 포함할 수 있다. 인은 인화철(Fe₃P)의 화합물을 형성하여 페라이트, 탄화철과 함께 3원 공정 스테다이트(steadite)로서 존재할 수 있다. 상기 인의 함유량이 0.04 중량% 이상이면 취성이 급격히 증가하는 문제점이 있다. 따라서 상기 인의 함유량을 0.04 % 미만으로 한정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 편상 흑연 주철은 망간(Mn)을 종래에 비해 높은 수준인 1.8 내지 4.0 중량% 범위까지 포함할 수 있다. 망간의 함량이 증가하면, 펄라이트 형성온도가 감소하면서 펄라이트 층상간격이 감소하면서 더 미세화될 수 있다. 이러한 펄라이트 조직의 미세화로 인장강도의 증가가 나타날 수 있다. 다만, 인장강도의 증가와 함께 가공성의 악화도 같이 나타날 수 있으나, 본 발명에서는 희토류원소 함량의 총합을 0.1 내지 0.3 중량% 범위로 포함시켰으며, 황(S)은 0.08 내지 0.14 중량% 범위로 포함시킴으로써 상술한 문제점 해결할 수 있었다.

또한 제조된 편상 흑연 주철의 고강도 및 우수한 가공성을 확보하기 위해서는 상기 망간 함량의 상기 황 함량에 대한 비(Mn/S)가 12.0 내지 50.0 범위, 상기 망간 함량의 상기 희토류원소 함량의 총합에 대한 비(Mn/R.E.)가 6.0 내지 40.0 범위, 상기 희토류원소 함량의 총합의 상기 황 함량에 대한 비(R.E./S)가 0.5 내지 4.0 범위로 유지하는 것이 필요하다. 보다 바람직하게는 상기 망간 함량의 상기 황 함량에 대한 비(Mn/S)가 20.0 내지 40.0 범위, 상기 망간 함량의 상기 희토류원소 함량의 총합에 대한 비(Mn/R.E.)가 10.0 내지 20.0 범위, 상기 희토류원소 함량의 총합의 상기 황 함량에 대한 비(R.E./S)가 1.0 내지 3.0 범위로 할 수 있다.

이러한 조건 하에서 주철의 기지에는 망간, 희토류원소 및 황의 반응으로 형성된 다수의 복합황화물이 미세하게 분포하면서 바람직한 흑연구조인 A형태의 흑연구조가 나타났다.

망간의 함량이 1.8 중량% 미만이면, 강도향상의 효과가 충분하지 않았으며, 4.0 중량%를 초과하면, 흑연화가 매우 힘들어져서, 조직은 칠(chill)화되기 십상이고, 내충격성 및 가공성이 급격히 떨어지는 양상을 나타내었다.

희토류원소의 경우, 상술한 망간의 함량 범위에서 적절한 복합황화물 형성을 통해 A형태의 건전한 흑연조직을 얻기 위해서는 0.1 내지 0.3 중량% 범위가 바람직하였다.

황의 경우에는, 함유량이 0.08 중량% 미만이면 망간, 희토류원소 등과의 반응을 통한 복합황화물의 형성이 충분치 못하여, 고 냉각속도 하에서 칠이 형성되기 쉽다. 0.14 중량%를 초과하면 과잉의 황이 탄화물 안정화 원소로 작용하게 되어 칠이 형성되기 쉽고, 황의 편석으로 인한 기계적 특성 저하가 발생할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실험예를 제공한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.

(실험예)

용해로에 하기 <표 1>과 같은 조성을 갖는 용탕을 레이들(Ladle)에 일부를 출탕한 후 상기 레이들에 희토류원소로서 미시메탈(65 중량% 세륨과 35 중량%의 란탄의 조성비)을 넣어 접종 처리하였다. 접종 처리가 완료된 후 상기 용해로에 잔류하는 나머지 용탕을 상기 접종 처리된 레이들로 출탕하였다. 레이들 내에서 용탕 교반 및 슬래그(Slag) 제거를 한 후 1,400 ℃에서 원통형 시편용 주형과 쐐기형 시편용 주형에 용탕을 주입하여 시편을 제조 하였다.

구분	C (wt%)	Si (wt%)	S (wt%)	Mn (wt%)	R.E.(wt%)	흑연형태
실험예1	3.3	2.0	0.11	0.9	0.23	A
실험예2	3.3	2.1	0.10	2.0	0.21	A
실험예3	3.3	2.2	0.08	2.9	0.18	A
실험예4	3.3	2.1	0.10	4.0	0.20	A
비교예1	3.2	2.2	0.12	0.8		A
비교예2	3.3	2.2	0.14	1.9		A+B
비교예3	3.2	2.1	0.10	2.9		A+B+D
비교예4	3.4	2.2	0.12	3.8		A+B+D

상기 <표 1>의 조성에 따라 제조된 실험예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 칠(chill) 깊이, 공정셀수, 공절셀크기, 펄라이트 층상간격, 인장강도, 경도를 각각 측정하여 <표 2>에 나타내었다.

구분	칠(Chill) 깊이 (㎜)	공정셀 수 (/㎟)	공정셀 크기 (㎛)	층상간격 (㎚)	인장강도 (MPa)	경도 (HB)
실험예1	4.7	2.05	797	251	234	208
실험예2	7.5	2.18	754	162	309	233
실험예3	8.5	2.69	700	123	328	248
실험예4	8.9	2.86	598	107	359	285
비교예1	10.1	1.15	1379	323	195	168
비교예2	20.7	0.65	1372	186	276	246
비교예3	완전 칠화	0.40	1739	176	292	306
비교예4	완전 칠화	0.25	2370	118	309	495

<표 1> 및 <표 2>를 참조하면, 희토류원소 첨가 이외에 다른 합금원소의 함량이 거의 동일한 시편간의 특성을 비교할 경우, 희토류원소가 첨가된 경우(실시예 1 내지 4)가 그렇지 않은 경우(비교예 1 내지 4)에 비해 더 작은 칠 깊이를 나타내었다. 또한 망간(Mn)의 함유량이 증가할수록 실험예 및 비교예 모두 칠 깊이가 증가하는 경향을 보이나, 실험예의 경우, 망간의 함유량 증가에 따른 칠 깊이의 증가 경향이 비교예보다 둔화되는 것을 알 수 있다. 이로부터 망간의 함유량이 증가됨에 따라 나타나는 칠(chill) 조직화를 희토류원소가 억제하였음을 알 수 있다.

펄라이트 층상간격의 경우, 실험예 및 비교예 모두 망간의 함유량이 증가됨에 따라 미세화되는 경향을 보였으나, 희토류원소가 첨가된 경우(실시예 1 내지 4)가 그렇지 않은 경우(비교예 1 내지 4)에 비해 더 미세화되는 결과를 나타내었다.

공정셀의 크기와 관련하여, 실험예의 경우, 망간의 함유량이 증가할수록 공정셀 크기가 감소하고, 이로 인하여, 공정셀 밀도(단위면적당 공정셀의 수)가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 반하여, 비교예의 경우, 망간의 함유량이 증가할수록 오히려 공정셀 크기가 증가하고, 이로 인하여, 공정셀 수가 감소하는 것을 알 수 있다. 즉, 실험예의 경우, 망간 함유량의 증가에 따라 공정셀이 미세화 되나, 비교예의 경우에는 이와 반대로 망간 함유량의 증가에 따라 공정셀이 조대화 되는 것을 알 수 있다.

형성된 흑연형태의 경우도 실험예의 경우, 망간의 함유량이 증가하여도 A형 흑연 비율이 높은 상태로 유지되나, 비교예의 경우, 망간의 함유량이 증가함에 따라 A형 흑연 비율이 급격히 줄어들고, B, D 형태가 늘어났다.

실험예의 경우, 비교예에 비해 공정셀의 크기 및 펄라이트 층상간격이 더 미세하였으며, 이로 인해 상대적으로 더 높은 인장강도를 나타내었다. 그러나 경도는 오히려 실험예의 경우가 비교예에 비해 더 낮은 값을 나타내었다. 특히 망간의 함량이 2중량% 이상인 실험예 2 내지 4의 경우에는 인장강도가 300 MPa 및 350 MPa 이상급의 우수한 값을 나타내었음에도, 경도는 강도 대비 높지 않은 적정 수준인 것으로 확인되었다.

이로부터 본 발명에 있어서는 망간의 함유량이 높은 수준임에 따라 인장강도는 크게 증가하나, 경도는 인장강도에 비하여 크게 증가하지 않는 것을 알 수 있다. 이는, 주철의 고강도화 및 가공성의 동시 만족 시에 유리한 이점으로 작용할 수 있다.

상술한 본 발명의 실시예들에 따른 편상 흑연 주철은 고강도화 및 가공성이 우수하여, 예를 들어, 3㎜ 이하 두께의 고강도 박육 주철을 구현할 수 있다. 또한, 상기 3㎜ 이하 두께의 고강도 박육 주철은, 내연기관용 엔진 바디, 형상이 복잡하여 후육부와 박육부가 동시에 존재하는 엔진 실린더 블록, 엔진 실린더 헤드 또는 이들 모두에 적용될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

1. 3.2 내지 3.4 중량%의 탄소, 2.0 내지 2.2 중량%의 규소, 1.8 내지 4.0 중량%의 망간, 0.08 내지 0.14 중량%의 황, 0.04 중량% 미만(0중량% 초과)의 인, 총합이 0.1 내지 0.3 중량%인 하나 이상의 희토류원소 및 나머지는 철로 이루어지며,
   상기 망간 함량의 상기 황 함량에 대한 비(Mn/S)가 12.0 내지 50.0 범위, 상기 망간 함량의 상기 희토류원소 함량의 총합에 대한 비(Mn/R.E.)가 6.0 내지 40.0 범위인 것을 특징으로 하는, 편상 흑연 주철.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 망간 함량의 상기 황 함량에 대한 비(Mn/S)가 20.0 내지 40.0 범위, 상기 망간 함량의 상기 희토류원소 함량의 총합에 대한 비(Mn/R.E.)가 10.0 내지 20.0 범위인 것을 특징으로 하는, 편상 흑연 주철.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 하나 이상의 희토류원소는 세륨 및 란탄을 함유하는 미시메탈(misch metal)을 포함하는, 편상 흑연 주철.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 편상 흑연 주철로 이루어진, 주물.