KR20190067781A

KR20190067781A - 버미큘라 주철 합금 및 내연 기관 헤드

Info

Publication number: KR20190067781A
Application number: KR1020197009411A
Authority: KR
Inventors: 윌슨 루이스 게스세르; 안드레 코에리치 라모스; 카를로스 데 소우자 카베자스; 헥토르 만차 몰리나르
Original assignee: 투피 에스.에이.
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2019-06-17
Also published as: CN109937264B; BR102016021139A2; ZA201902299B; BR102016021139B1; JP2019531414A; MX2016016208A; WO2018049497A1; EP3512975A4; CN109937264A; US20190256956A1; EP3512975A1; US11377717B2

Abstract

본 발명은 자동차 및 유사 응용을 위한 주철 합금의 기술 분야에 관한 것이다.
해결해야 할 과제: 현재, 내연 기관의 구조 부품은 고온에서 안정 상태를 유지하지 못하는 버미큘라 주철 합금 또는 350 MPa 이상의 인장 강도 한계를 거의 갖지 못하는 회주철 합금으로 제조된다.
과제 해결책: 열 저항 계수 (HRF) (HRF = 3 × (Mo%) + 1 × (Sn%) + 0.25 × (Cu%))가 0.5 내지 1.7%가 되도록 하는 양의 몰리브덴, 구리 및 주석의 첨가로 실온 내지 300 ℃까지에서 500 내지 550 MPa의 인장 강도 한계와 400 ℃에서 430 내지 450 MPa의 인장 강도 한계가 달성된다.

Description

버미큘라 주철 합금 및 내연 기관 헤드

본 발명은 내연 기관 헤드의 제조용으로 고안된 신규 버미큘라 주철 합금, 특히 고온 기계적 성질에 대해 특별히 요구되는 사항을 가져 고효율 내연 기관 헤드를 제조하는데 특히 적합한 버미큘라 주철 합금에 관한 것이다.

본 발명은 또한 본원에 개시된 바와 같은 버미큘라 주철 합금으로 제조된 내연 기관 헤드에 관한 것이다.

당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 내연 기관은 화학 반응으로부터의 에너지를 사용가능한 기계 에너지로 전환하는데 능한 기계들을 포함한다. 일반적으로, 에너지 전환 과정은 연료의 물리 화학적 특성의 제어된 조작에 따라 발생하며, 부피, 압력 및 온도 변화를 겪는다. 물론, 연료의 물리 화학적 특성의 제어된 조작은 제어된 환경 내에서, 즉 내연 기관 자체 내에서 일어난다. 이러한 의미에서, 내연 기관, 특히 자동차에 적용되는 제어된 환경은 보통 엔진 블록 및 엔진 헤드로 알려진 구조 부품의 이음매로 인한 부피로 정의되는 것으로 알려져 있다.

이것은 이러한 구조 부품의 구성 재료가 전체적으로 내연 기관의 효율에 직접적으로 영향을 미친다는 것을 의미하며, 결국 이러한 구성 재료는 함께 이들 구조 부품을 부피, 압력 및 연료 온도 변화를 견딜 수 있도록 하는 특수 기능을 가져야 한다.

따라서, 기계적 강도가 높은 주조 재료에 대한 요구가 엔진 출력 증가를 겨냥하여 자동차 산업에서 강렬해지고 있음을 알 수 있다.

어쨌든, 내연 기관의 구조 부품은 종종 고강도 회주철 또는 고강도 버미큘라 주철로 제조되고 있다는 것은 당업자에게 주지이다.

내연 기관 헤드의 제조에 특히 사용되는 회주철 합금의 일례가 특허 문헌 US 9,132,478에 기술되어 있다. 이 문헌은 주철에 기본적으로 탄소 (2.80% 내지 3.60%), 규소 (1.00% 내지 1.70%), 망간 (0.10% 내지 1,20%), 황 (0.03% 내지 0.15%), 크롬 (0.05% 내지 0.30%), 몰리브덴 (0.05% 내지 0.30%) 및 주석 (0.05% 내지 0.20%)을 첨가한 것으로 이루어진 라멜라 회주철 합금을 기술하며, 상기 합금의 구조 매트릭스는 최대 5%의 페라이트로 구성된다. 특허 문헌 US 9,132,478에 기술된 회주철 합금은 양호한 기계적 성질을 제공하는데 유리한 고함량의 몰리브덴을 함유하지만, 여전히 회주철에 관한 것이며, 따라서 최대 350 MPa의 제한된 강도 값을 갖는다.

합리적인 가치의 고온 강도와 함께 크롬 및 몰리브덴이 첨가된 다른 회주철 합금도 또한 공지되었다. 그러나 새로운 엔진에서 연소 가스의 온도 증가는 이러한 기술이 새로운 상황에 더 이상 적합하지 않다는 것을 보여준다. 0.35%까지의 몰리브덴 함량 증가는 회주철에 대한 한계값인 최대 350 MPa의 저항 한계로 제한되기 때문에 명확한 해결책을 적용하지 않고도 어느 정도까지 고온 저항을 증가시켜 문제를 부분적으로 해결한다.

이것은 공지된 회주철 합금이 350 MPa보다 큰 인장 강도 한계 범위를 갖는 경우는 드물다는 것을 의미하며, 이것은 보다 높은 기계적 응력 수준을 갖는 내연 기관의 구조 부품의 제조를 위해 이러한 개념의 합금 유형의 사용을 제한한다.

버미큘라 주철 합금과 관련하여, 구에세르 등 (Guesser et al.) (브라질, RS, 카시어스 도 술에서 2011년 4월 11일부터 15일까지 개최된 6차 브라질 제조 엔지니어링 회의에서 발표된 시추 테스트를 통한 버미큘라 주철의 가공성 평가)은 특허 문헌 US 3,421,886에 기술된 바와 같이, 화학 조성의 오류로 인해 노듈라 주철의 제조 중에 우연히 얻어진 버미큘라 주철이 1965년 중반 이후 선행 기술의 일부임을 교시한다. 개념적인 관점에서 볼 때, 버미큘라 주철은 펄라이트 또는 심지어 페라이트/펄라이트 매트릭스에 배열된 웜-모양의 흑연 (길고 무작위로 배향된 형태, 둥근 단부를 가짐)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

특허 문헌 US 3,421,886에 기술된 바와 같은 최초 버미큘라 주철 합금은 주철에 기본적으로 탄소 (2% 내지 4%), 규소 (1.5% 내지 3.5%), 니켈 (약 36%), 마그네슘 (0.005% 내지 0.06%), 주기율표 3B 족 금속 중 하나 (0.001% 내지 0.015%) 및 티탄 (0.15% 내지 0.5%)이 첨가된 것으로 구성되며, 이때 마그네슘, 주기율표 3B 족 금속 및 티타늄은 주철에서 버미큘라 형태의 흑연 발생 (적어도 50%)을 제어하는데 효과적이다. 현재 이러한 버미큘라 흑연의 양은 최소 80%의 버미큘라 흑연을 수립한 국제 표준의 블록 및 엔진 헤드에 의해 더 이상 인정되지 않는다.

물론, 버미큘라 주철 합금은 여러 가지 상이한 용도에 따라 수십년 동안 진화해왔다.

자동차 응용을 위한 버미큘라 주철 합금의 일례가 특허 문헌 PI 0105987-4에 기재되어 있다. 이 문헌에는 주철에 기본적으로 탄소 (3.5% 내지 3.8%), 규소 (2.0% 내지 2.6%), 크롬 (0.05% 미만), 망간 (0.40% 미만) 및 티탄 (0.015% 미만)을 첨가한 것으로 이루어진 버미큘라 주철 합금과 함께, 크롬, 망간 및 티탄이 라멜라 흑연이 없는 주철의 미세 조직에서 10 내지 13%의 주로 버미큘라 흑연 및 20% 이하의 주로 노듈라 흑연의 발생을 제어하는데 효과적이라고 기재하였다. 또한, 특허 문헌 PI 0105987-4에 개시된 버미큘라 주철 합금은 금속 매트릭스가 페라이트 및 펄라이트로 이루어지고, 펄라이트 비가 50% 이상인 미세구조를 포함하는 것이 추가로 확인되었다.

특허 문헌 PI 0105987-4에 기재된 버미큘라 주철 합금은 실온에서 높은 기계적 성질을 갖는 것으로 밝혀졌지만, 이러한 특성은 고온에서 안정하게 유지되지 않기 때문에, 이러한 합금을 고온에서 작동하는 내연 기관의 구조 부품 제조에 사용하는데 제한이 따른다.

자동차 응용을 위한 철 합금의 또 다른 예가 특허 문헌 JP 1986026754에 기술되어 있다. 이 문헌은 주철에 기본적으로 탄소 (2.5% 내지 4.0%), 규소 (0.8% 내지 1.5%), 망간 (0.3% 내지 1.5%), 인 (0.05% 내지 1.5%), 황 (0.3% 미만), 니켈 (0.5 이하%), 크롬 (1.5% 이하), 몰리브덴 (0.8% 이하), 주석 (0.5% 이하), 구리 (4.0 0% 이하) 및 지르코늄 (1% 이하)이 첨가된 것으로 이루어진 주철 합금 (가단 주철, 회주철 또는 버미큘라 주철일 수 있음)을 기재한다. 구체적으로, 이러한 주철 합금은 내연 기관의 이중벽 실린더 라이너의 제조에 특히 사용된다.

특허 문헌 JP 1986026754에 개시된 합금은 크롬 및 몰리브덴 포스파이드 (고온에서 경질의 안정한 입자)과 같은 경질 입자의 형성으로 인해 높은 고온 내마모성을 제공한다. 이러한 합금은 실린더 라이너와 같은 단순한 기하학적 부품에서 마모에 강한 경질 입자의 형성에 적합하지만 엔진 헤드와 같은 복잡한 주조 부품의 생산과는 양립할 수 없는 높은 인 함량 (> 0.05%)을 가지며, 고함량의 인의 효과는 미세 수축의 존재를 지향하여 내부 온전성에 엄청난 어려움을 가져온다. 또한, 이러한 합금은 전통적인 회주철 합금으로 일어나는 것과 동일한 방식으로, 결국 미세 구조 내 인화물의 존재가 인장 강도를 감소시키기 때문에 높은 인장 강도 값, 예를 들어 500 MPa 이상을 나타내지 않으며, 이들 입자는 기계적 응력 하에서 매트릭스에 균열 형성을 유도하고 이것은 높은 인 함량으로 기인하는 미세 다공성 존재로 해서 더욱 악화된다. 특수 마모 응용 분야에서 이같은 일은 큰 문제가 아니고 따라서 실린더 라이너에는 적합하지만 복잡한 형상의 부품 및 높은 수준의 기계적 응력 하에서 사용하는 경우 이 대안은 해결책이 되지 못한다. 따라서, 본 발명은 이러한 시나리오에 기초하여 시작하게 되었다.

발명의 목적

따라서, 본 발명의 주된 목적은 실온 내지 300 ℃까지에서 인장 강도 한계가 500 내지 550 MPa이고, 400 ℃에서 430 내지 450 MPa의 인장 강도 한계를 가지는 신규 버미큘라 주철 합금을 개시하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 실온 내지 300 ℃까지에서 인장 강도 한계가 500 내지 550 MPa이고, 400 ℃에서 430 내지 450 MPa의 인장 강도 한계를 가지는 신규 버미큘라 주철 합금으로 제조된, 높은 작동 온도와 높은 수준의 기계적 응력을 견딜 수 있는 내연 기관 헤드를 개시하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 실온 내지 300 ℃까지에서 인장 강도 한계가 500 내지 550 MPa이고, 400 ℃에서 430 내지 450 MPa의 인장 강도 한계를 가지는 신규 버미큘라 주철 합금으로 제조된, 내연 기관에서 매우 중요한 열 추출 조건을 최적화할 수 있는 내연 기관 헤드를 개시하는 것이다.

본 발명은 다음의 도면에 기초하여 더욱 상세하게 설명될 것이다:
도 1은 기존 클래스 #450과 비교하여 Sn, Cu 및 Mo와 관련된 버미큘라 철의 기계적 특성 결과와 미세 구조를 보여준다. 블록 Y의 두께 25 mm.
도 2는 HRF = 1.15% (버미큘라 흑연 입자 및 정제된 펄라이트)의 Sn, Mo 및 Cu를 함유한 버미큘라 철의 전형적인 미세 구조를 보여준다.

발명의 상세한 설명

즉, 상기 기술적 과제와 효과를 달성하기 위해, 본 발명에 따른 버미큘라 주철 합금이 기술된다.

이러한 의미에서, 본 발명의 일반적인 장점은 예를 들면, 높은 수준의 인 (> 0.05%)과 관련된 크롬 등과 같이, 경질 인화물을 형성할 수 있는 다른 원소를 첨가하지 않고 버미큘라 주철에 이미 통상적으로 사용되는 합금 원소 목록에 몰리브덴, 구리 및 주석이 적절한 균형 비율로 첨가된 것이다.

그의 전형적인 조성 및 일반적인 함량으로, 예컨대 탄소 (3.0 내지 3.9%), 망간 (0.1 내지 0.6%), 규소 (1.5 내지 3.0%), 마그네슘 (0.005 내지 0.030%), 세륨 (0.005 내지 0.030%), 및 잔여 원소, 예를 들면 황 (0.030% 미만) 및인 (0.050% 미만)과 같이 버미큘라 주철에 이미 사용된 가능한 합금 원소 중에 다음을 버미큘라 주철에 합금에 첨가하는 것이 본 발명의 목적이다: 몰리브덴, 주석 및 구리.

구체적으로, 이러한 합금 원소는 특히 다음 비율로 첨가된다:

몰리브덴 - 합금 총량의 0.05% 내지 0.40%의 범위.

주석 - 합금 총량의 0.01% 내지 0.13% 범위.

구리 - 합금 총량의 0.2% 내지 1.30%의 범위.

이러한 몰리브덴, 구리 및 주석의 양은 열 저항 계수 (Hot Resistance Factor, HRF)가 0.5 내지 1.7%가 되도록 균형을 이루어야 한다. 이러한 계수는 다음과 같이 정의된다:

HRF = 3 × (Mo%) + 1 × (Sn%) + 0.25 × (Cu%) (중량 백분율)

명백하게, 본 발명의 대상인 버미큘라 주철 합금은 목적하는 특징을 변경 또는 손상시키지 않는 주철의 더 전형적인 불순물을 여전히 함유할 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 목적하는 결과 - 주변 온도 내지 300 ℃까지에서 인장 강도 한계 500 내지 550 MPa 및 400 ℃에서 430 내지 450 MPa의 인장 강도 한계 -는 특히 몰리브덴, 주석 및 구리를 상기 언급된 범위로 전술한 고온 저항 계수 (Hot Resistance Factor) 내에서 첨가함으로써 달성된다. 이러한 몰리브덴, 구리 및 주석의 첨가는 용융로, 이송 또는 주입 팬, 주입 노 또는 주입 제트에서 수행될 수 있다.

상기 열거된 합금 원소를 상기 기술된 방법에 의해 위에서 주어진 비율로 첨가한 최종 결과로서, 미세 구조가 미세한 펄라이트 매트릭스를 포함하고, 주로 버미큘라 형태의 흑연 입자이고 최대 20%의 흑연 노듈라가 존재하며 펄라이트의 평균 층간 간격이 25 mm 두께의 블록 Y에서 예를 들어, 도 1에 예시된 바와 같이 0.32 ㎛에서 0.25 ㎛로 감소된 버미큘라 철이 얻어진다.

펄라이트의 평균 층간 간격의 감소 (도 2)가 본 발명의 대상인 버미큘라 주철 합금의 기계적 강도 증가의 주된 원인 중 하나를 이룬다는 것도 강조할만 하다.

결과적으로, (중량 백분율로 표시하여) 특히 합금 총량의 0.01% 내지 0.13% 범위의 주석, 합금 총량의 0.2% 내지 1.3% 범위 구리, 및 합금 총량의 0.05% 내지 0.40% 범위의 몰리브덴이 첨가된, 통상적인 함량의 탄소 (3,0 내지 3.9%), 망간 (0.1 내지 0.6%), 규소 (1.5 내지 3.0%), 마그네슘 (0.005 내지 0.030%), 세륨 (0.005 내지 0.030%), 및 잔여 원소, 예컨대 황 (0.030% 미만) 및 인 (0.050% 미만)을 함유하는 상기 주철 합금으로 내연 기관 헤드 (및 부수적으로 내연 기관의 다른 구조 부품)를 제조하는 것이 가능해졌다. 이러한 몰리브덴, 구리 및 주석의 양은 열 저항 계수 (HRF)가 0.5 내지 1.7%가 되도록 균형을 이루어야 한다. 이러한 계수는 다음과 같이 정의된다:

HRF = 3 × (Mo%) + 1 × (Sn%) + 0.25 × (Cu%) (중량 백분율)

어떤 경우든, 버미큘라 주철 합금의 미세 구조 매트릭스와 동일한 특징 (주로 버미큘라 형태로 흑연 입자를 가지고 흑연 노듈이 20% 이하로 존재하는 미세 펄라이트 매트릭스)과 원하는 결과 (실온 내지 300 ℃까지에서 인장 강도 한계 500 내지 550 MPa, 400 ℃에서 인장 강도 한계 430 내지 450 MPa)가 내연 기관 헤드에 전적으로 존재한다.

결과적으로, 이러한 높은 값의 고온 강도는 구성 요소의 긴 수명을 가능하게 하고, 대안적으로, 내연 기관 헤드의 중요한 측면인 개선된 열 추출 조건을 가져오도록 섹션 두께를 감소시키는 헤드 치수의 설계 수정을 가능케 한다.

즉, 본 발명에 의해 높은 엔진 작동 온도 및 높은 수준의 기계적 응력에 적합한 우수한 성능의 엔진 헤드를 개발하는 것이 가능하다.

Claims

통상적인 함량의 원소 탄소 (3.0 내지 3.9%), 망간 (0.1 내지 0.6%), 규소 (1.5 내지 3.0%), 마그네슘 (0.005 내지 0.030%), 세륨 (0.005 내지 0.030%) 및 잔여 원소, 예컨대 황 (0.030% 미만) 및 인 (0.050% 미만)을 함유하는 버미큘라 주철 합금으로서,
다음의 합금 원소를 그의 각각의 비율로 포함하고:
합금 총량의 0.01% 내지 0.13% 범위로 존재하는 주석,
합금 총량의 0.2% 내지 1.3% 범위로 존재하는 구리, 및
합금 총량의 0.05% 내지 0.40% 범위로 존재하는 몰리브덴,
상기 수준은 다음과 같이 정의되는 열 저항 계수 (HRF)가 0.5 내지 1.7%가 되도록 균형을 이루며:
HRF = 3 × (Mo%) + 1 × (Sn%) + 0.25 × (Cu%) (중량 백분율),
상기 버미큘라 주철 합금의 미세 구조의 매트릭스는 주로 버미큘라 형태로 흑연 입자를 갖고 20% 이하로 흑연 노듈라가 존재하는 미세한 펄라이트 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 버미큘라 주철 합금.
통상적인 함량의 원소 탄소 (3.0 내지 3.9%), 망간 (0.1 내지 0.6%), 규소 (1.5 내지 3.0%), 마그네슘 (0.005 내지 0.030%), 세륨 (0.005 내지 0.030%), 및 잔여 원소, 예컨대 황 (0.030% 미만) 및 인 (0.050% 미만)을 함유하고,
다음의 합금 원소를 포함하며:
합금 총량의 0.01% 내지 0.13% 범위로 존재하는 주석,
합금 총량의 0.2% 내지 1.3% 범위로 존재하는 구리, 및
합금 총량의 0.05% 내지 0.40% 범위로 존재하는 몰리브덴,
상기 수준은 다음과 같이 정의되는 열 저항 계수 (HRF)가 0.5 내지 1.7%가 되도록 균형을 이루며:
HRF = 3 × (Mo%) + 1 × (Sn%) + 0.25 × (Cu%) (중량 백분율),
상기 버미큘라 주철 합금의 미세 구조의 매트릭스는 주로 버미큘라 형태로 흑연 입자를 갖고 20% 이하로 흑연 노듈라가 존재하는 미세한 펄라이트 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관 헤드.
적어도 다음의 합금 원소를 그의 각각의 비율로 포함하는 버미큘라 주철 합금으로서:
합금 총량의 3.0% 내지 3.9%의 범위로 존재하는 탄소,
합금 총량의 0.1% 내지 0.6%의 범위로 존재하는 망간,
합금 총량의 1.5% 내지 3.0%의 범위로 존재하는 규소,
합금 총량의 0.00% 내지 0.030%의 범위로 존재하는 마그네슘,
합금 총량의 0.005% 내지 0.030%의 범위로 존재하는 세륨,
합금 총량의 0.030% 미만의 범위로 존재하는 황,
합금 총량의 0.050% 미만의 범위로 존재하는 인,
특히 다음의 합금 원소를 그의 각각의 비율로 더 포함하고:
합금 총량의 0.01% 내지 0.13%의 범위로 존재하는 주석,
합금 총량의 0.2% 내지 1.3%의 범위로 존재하는 구리, 및
합금 총량의 0.05% 내지 0.40%의 범위로 존재하는 몰리브덴;
상기 수준은 다음과 같이 정의되는 열 저항 계수 (HRF)가 0.5 내지 1.7%가 되도록 균형을 이루며:
HRF = 3 × (Mo%) + 1 × (Sn%) + 0.25 × (Cu%) (중량 백분율),
상기 버미큘라 주철 합금의 미세 구조의 매트릭스는 주로 버미큘라 형태로 흑연 입자를 갖고 20% 이하로 흑연 노듈라가 존재하는 미세한 펄라이트 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 버미큘라 주철 합금.
다음의 합금 원소를 그의 각각의 비율로 포함하고:
합금 총량의 3.0% 내지 3.9%의 범위로 존재하는 탄소,
합금 총량의 0.1% 내지 0.6%의 범위로 존재하는 망간,
합금 총량의 1.5% 내지 3.0%의 범위로 존재하는 규소,
합금 총량의 0.00% 내지 0.030%의 범위로 존재하는 마그네슘,
합금 총량의 0.005% 내지 0.030%의 범위로 존재하는 세륨,
합금 총량의 0.030% 미만의 범위로 존재하는 황,
합금 총량의 0.050% 미만의 범위로 존재하는 인,
합금 총량의 0.01% 내지 0.13%의 범위로 존재하는 주석,
합금 총량의 0.2% 내지 1.3%의 범위로 존재하는 구리,
합금 총량의 0.05% 내지 0.40%의 범위로 존재하는 몰리브덴;
상기 수준은 다음과 같이 정의되는 열 저항 계수 (HRF)가 0.5 내지 1.7%가 되도록 균형을 이루며:
HRF = 3 × (Mo%) + 1 × (Sn%) + 0.25 × (Cu%) (중량 백분율),
미세 구조의 매트릭스는 주로 버미큘라 형태로 흑연 입자를 갖고 20% 이하로 흑연 노듈라가 존재하는 미세한 펄라이트 매트릭스를 포함하는 버미큘라 주철 합금으로 제조된 것을 특징으로 하는, 내연 기관 헤드.