KR20210055129A - 자동차 구동부품의 내구성을 강화하기 위한 주철 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 주철 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 부품에 적용되는 변속장치 및 조향장치에 적용되는 기존의 금속 소재(회주철)를 부품의 사용 환경에 따른 내구성 강화를 위하여 구상화흑연주철로 소재를 변경 적용하고 적용된 구상화흑연주철의 안정적 인장강도 및 항복강도를 유지하기 위한 자동차 구동부품의 내구성을 강화하기 위한 주철 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 주철에 관한 것이다.

Description

자동차 구동부품의 내구성을 강화하기 위한 주철 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 주철{MANUFACTURING METHOD FOR CAST IRON FOR DURABILITY REINFORCED FARMING MACHINE AND CAST IRON THEREBY}

본 발명은 자동차 부품에 적용되는 변속장치 및 조향장치 등의 자동차 구동부품에 적용되는 기존의 금속 소재(회주철)를 부품의 사용 환경에 따른 내구성 강화를 위하여 구상화흑연주철로 소재를 변경 적용하고 적용된 구상화흑연주철의 안정적 인장강도 및 항복강도를 유지하기 위한 자동차 구동부품의 내구성을 강화하기 위한 주철 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 주철에 관한 것이다.

기존의 자동차 구동부품의 금속 적용 소재는 회주철을 주로 사용하고 있으며 미국(John Deere, AGCO) 및 일본(Kubota)의 자동차 부품 제조 기업에서 구상화흑연주철(FCD400)을 일부 적용하고 있다.

특히 트렉트형 자동차의 주요 시장이 동남아 및 남미, 아프리카 지역에서 특수자동차 시장이 활성화됨에 따라 지역 환경에 따른 사용 환경에 매우 척박해 특수자동차에 적용되는 부품의 높은 내구성이 필요로 함에 따라 다소 열악한 특수자동차의 사용 환경조건에 의한 부품의 “마모” 또는 “충격”에 취약한 사용 환경에 의한 “피로파괴 현상”으로 부품의 교환주기가 짧은 환경조건으로는 특수자동차 생산기업에서는 유지보수 및 관리 측면에서 많은 애로사항이 발생이 예상됨으로 적용 부품의 내구성 강화를 위한 기술적 검토가 깊이 있는 검토가 실행 되어지고 있다.

일반적인 주철은 기지에 포함된 흑연의 모양, 크기, 분포 상태에 따라 차이가 생기는데 주철이라 불리는 회주철의 인장강도는 약 200N/㎟ 정도이다.

회주철은 우수한 주조성, 진동감쇄능, 그리고 높은 열전도율을 가지고 있지만, 강도가 비교적 낮은 특성을 가지고 있다.

이러한 회주철의 물성을 개선한 주철로서 구상 흑연 주철이 있다.

구상흑연주철(spherical graphite cast iron)은 보통의 주철(회주철) 조직에 나타나는 흑연을 본래의 엽편상 조직에서 구상 조직으로 변화시켜 강인성을 향상 시킨 주철이다.

이러한 구상흑연주철은 노듈러 주철(nodular cast iron) 혹은 덕타일 주철(ductile cast iron) 이라고도 불린다.

상기 구상흑연주철은 내마모성, 내열성, 내식성 등이 우수하고 일반 회주철보다 탄성계수가 크고, 브리넬 경도가 200 정도나 되며, 절삭성도 같은 굵기의 보통 주철보다 좋다.

그런데, 구상흑연주철의 경우, 특수자동차의 사용 환경에 따른 높은 강도 특성을 가지기는 하지만 복잡한 형태로 만들기에는 주조성이 부족하고, 낮은 열전도율의 특성 있다.

그러나 특수자동차의 주요 사용지역이 미개발 지역 또는 사용 환경이 척박한 지역에서 주로 수요 시장이 형성됨으로 사용 환경에 의한 기계적 내구성 강화가 우선적 요건으로 작용하고 있는 것이 현실이다.

대한민국 공개특허 제10-1994-0011644호 "구상흑연 주철의 구상화 처리방법" (1994.06.21. 공개)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 회주철을 이용하여 제작되는 종래의 자동차 구동부품의 내구성 문제를 해결하기 위하여, 강성을 향상시킨 구상흑연주철을 이용하여 자동차 구동부품을 생산할 수 있도록 하기 위한, 자동차 구동부품의 내구성을 강화하기 위한 주철 제조 방법을 제시하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 용해로에 주철을 용융하여 주철 용탕을 준비하는 주철 용탕 준비단계 ; 상기 주철 용탕 준비단계 이후, 상기 주철 용탕을 출탕 온도 1560±10℃로 상기 용해로에서 래들로 출탕하면서 상기 주철 용탕의 전체 중량에 대하여 탄소 3.5 내지 4.0 중량%, 규소 2.0 내지 2.7 중량%, 망간 0.3 중량% 이하, 인 0.05 중량% 이하, 황 0.02 중량% 이하 및 잔량의 철(Fe)의 구성을 갖도록 첨가물을 첨가하여 상기 주철 용탕의 성분을 조정함으로써 성분 조정 주철 용탕을 얻는 주철 용탕 성분 조정단계 ; 상기 주철 용탕 성분 조정단계 이후, 상기 성분 조정 주철 용탕을 금형에 주입하여 자동차 구동부품용 주철을 제조하는 자동차 구동부품용 주철 제조단계 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 사상으로, 탄소 3.5 내지 4.0 중량%, 규소 2.0 내지 2.7 중량%, 망간 0.3 중량% 이하, 인 0.05 중량% 이하, 황 0.02 중량% 이하 및 잔량의 철(Fe)로 구성되며, 인장강도가 400N/㎟ 이상, 항복강도 260 N/㎟이상, 탄소당량 4.35~4.5, 흑연의 구상화율(Nodularity)이 85~90%인 것을 특징으로 하는 자동차 구동부품용 주철이 제공된다.

상기와 같이 본 발명에 의한 자동차 구동부품의 내구성을 강화하기 위한 주철 제조 방법은, 주철에 망간(Mn) 접종제를 접종하여 구상흑연주철을 제작하여 종래의 회주철을 이용한 제품보다 뛰어난 기계적 특성을 가진 자동차 구동부품을 제작할 수 있도록 하는, 자동차 구동부품의 내구성을 강화하기 위한 주철 제조 방법을 제시한다.

도 1은 본 발명의 일 실시례에 의한 자동차 구동부품의 내구성을 강화하기 위한 주철 제조 방법에 따른 구상흑연주철 제조 및 제품 주조 과정을 순서대로 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시례에 의한 자동차 구동부품의 내구성을 강화하기 위한 주철 제조 방법에 따른 금속소재의 조성을 나타낸 표,
도 3은 도 2의 금속소재의 기계적 성질을 나타낸 표,

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시례를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시례에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

구상화흑연주철은 구상화 금속재료를 용광로에서 용융한 구상흑연주철 용융액을 용광로에서 녹인 쇳물 원탕을 다른 곳으로 옮기는 기구인 래들(ladle)로 출탕할 때, 망간(Mn)의 함량을 정밀하게 제어함으로써 제조될 수 있다.

구상화흑연주철에서 안정적인 기계적 물성(인장강도)을 확보하기 위해서는 용융/출탕 온도와 망간(Mn)양 등을 정밀하게 제어하는 것이 필요한데, 이를 위해서는 정밀한 제어장치와 작업자의 숙련도, 불순물의 함량이 낮은 고급 선철을 사용하는 것 등이 필수적으로 요구된다. 이러한 정밀한 제어에도 불구하고, 망간(Mn) 함량, 출탕 위치, 출탕 온도, 출탕 속도 등 다양한 요구조건에서 발생되는 오차로 인하여 구상화흑연주철의 재질 불량 및 주조 불량이 자주 발생하는 등의 문제점이 있다.

본 발명에서는, 안정적인 물성과 주조 불량이 발생하지 않도록 하는 범위로 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(P)의 함량을 제어하여, 인장강도(Tensile Strength)와 항복강도(Yield Strength)가 각각 400N/㎟ min, 260N/㎟ min 범위로 조절된 금속을 제공하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시례에 의한 자동차 구동부품의 내구성을 강화하기 위한 주철 제조 방법에 따른 구상흑연주철 제조 및 제품 주조 과정을 순서대로 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시례에 의한 자동차 구동부품의 내구성을 강화하기 위한 주철 제조 방법은, 주철 용탕(200)의 성분함량을 미세 조절하여 내구성이 향상된 금속소재인 구상흑연주철을 얻기 위한 것이다.

본 실시례의 자동차 구동부품의 내구성을 강화하기 위한 주철 제조 방법은, 주철 용탕 준비단계(S1), 주철 용탕 성분 조정단계(S2)를 포함하여 이루어진다.

본 실시례에 따라 제조된 구상흑연주철 용탕(220)을 금형(120)에 주입하면 구상흑연주철 소재의 자동차 구동부품을 제작할 수 있다.

주철 용탕 준비단계(S1)는 용해로(100)에 주철을 용융시켜 완전히 용해된 주철 용탕(200)을 준비하는 단계이다. 주철 용탕(200)은 일반적인 주철(선철)을 용해로(100)에서 용해시켜 얻는다.

본 실시례에서는 주철 용탕에 다른 첨가물을 첨가하여 성분 함량을 손쉽게 조정할 수 있도록, 순도 높은 주철을 용융하여 순도 높은 주철 용탕(200)을 얻을 수 있도록 한다.

용융된 주철 용탕(200)은 용해로(100)에서 래들(radle,110)로 출탕된다. 출탕되는 주철 용탕(200)의 온도는 1560±10℃(즉 1550℃ 내지 1570℃)가 되도록 한다.

주철 용탕(200)이 용해로(100)에서 래들(110)로 출탕될 때, 주철 용탕 성분 조정단계(S2)가 수행된다.

주철 용탕 성분 조정단계(S2)는 출탕되는 주철 용탕(200)에 첨가물을 첨가하여 주철 용탕(200)의 성분을 조정하는 단계이다.

상기의 단계에서 주철 용탕(200)의 전체 중량에 대하여 탄소 3.5 내지 4.0 중량%, 규소 2.0 내지 2.7 중량%, 망간 0.1 내지 0.3 중량% 이하, 인 0.06 중량% 이하, 황 0.02 중량% 이하가 되도록 성분이 조정된다.

탄소(C)는 강화흑연(compacted graphite)의 정출을 위하여 첨가되는 것으로서, 본 실시례에서 탄소 함량은 3.5 내지 4.0 중량%가 되도록 한다.

만약 탄소의 함량이 3.5 중량% 미만이 되면 박육부(thin-walled part)에서 칠(chill)화 거동이 관찰될 수 있으며, 탄소의 함량이 4.0 중량%를 초과하게 되면 흑연의 구상화 수축 및 유동 불량이 발생하게 된다.

규소(Si)는 탄소와 최적 비율로 첨가될 경우 강화흑연의 정출량을 극대화할 수 있으며 주철의 강도를 증가시킬 수 있다. 본 실시례에서 규소의 함량은 2.0 내지 2.7 중량%가 되도록 조절된다.

만약 규소의 함량이 2.0 중량% 미만이 되면 강화흑연 정출량이 낮아지는 문제가 발생하게 되고, 규소의 함량이 2.7 중량%를 초과하게 되면 연성이 낮아지는 문제가 발생하게 된다.

인(P)은 펄라이트를 안정화하기 위한 역할을 하는 성분으로서, 주철의 제조 공정에서 공기 중에서 자연적으로 첨가되는 불순물이기도 하다. 본 실시례에서 인은 그 함량이 0.05 중량% 이하가 되도록 조정된다.

인의 함량이 0.05 중량%를 초과하게 되면 취성이 급격하게 증가되며, 편석(segregation)으로 인한 수축 결함을 유발하게 된다.

주철의 원료 성분에는 소량의 인의 함유되어 있으며, 인의 함량을 '0'이 되도록 조절하는 것은 현실적으로 불가능하다.

인 함량을 최소화하기 위하여 불순물을 제거하는 공정을 거치더라도 주철을 용융시켜 출탕하는 과정에서 주철 용탕(200)에 인이 자연적으로 유입될 수밖에 없다. 따라서 인의 함량이 0.05 중량%를 넘지 않도록 제어하는 것이 중요하다.

황(S)은 강화흑연(compacted graphite)의 생성처 역할을 한다. 황의 함량이 0.02 중량%를 초과할 경우 강화흑연 생성을 위한 마그네슘(Mg)의 비율이 함께 증가되어야 한다. 즉, 마그네슘의 함량이 한정된 상태에서 황의 함량이 필요 이상 많아지게 되면 강화흑연이 편상화되는 문제가 발생한다.

따라서 황의 함량은 0.02 중량% 이하가 되도록 관리되어야 한다. 그러나 황의 함량이 '0'이 되도록 조절하는 것은 현실적으로 불가능하다.

인과 마찬가지로 황의 함량을 최소화하기 위하여 불순물을 제거하는 공정을 거치더라도 주철을 용융시켜 출탕하는 과정에서 주철 용탕(200)에 황이 자연적으로 유입될 수밖에 없다. 따라서 황의 함량이 0.02 중량%를 넘지 않도록 제어하는 것이 중요하다.

철(Fe)은 주철 용탕(200)의 주성분으로서 주철 용탕(200)을 구성하는 다른 성분을 제외한 잔량의 성분이다.

주철 용탕 성분 조정단계(S2)를 거치면, 우선 탄소, 규소, 인, 황의 함량이 조정된 성분 조정 주철 용탕(210)을 얻게 된다.

주철 용탕 성분 조정단계(S2) 이후, 망간의 미세 조정을 위하여 망간 접종제 접종단계(S3)가 추가적으로 수행된다.

망간 접종제 접종단계(S3)는 출탕된 성분 조정 주철 용탕(210)에 망간(Mn) 접종제(300)를 접종하여 성분 조정 주철 용탕(210)의 망간 함량을 조정하고 흑연을 구상화하여 구상흑연주철 용탕(220)을 얻는 단계이다.

본 단계에서는 망간 접종제(300)를 접종하여 안정적인 조직과 물성을 갖는 구상흑연주철 제품 제조가 가능한 구상흑연주철 용탕(220)을 얻을 수 있도록 한다.

본 실시례에서 망간 접종제 접종단계(S3)는 주철 용탕 성분 조정단계(S2) 이후에 이루어진다. 그러나 실시례에 따라서 따라서 망간 접종제 접종단계(S3)는 주철 용탕 성분 조정단계(S2)와 동시에 이루어질 수도 있다. 즉, 주철 용탕(200)의 성분을 조정하기 위하여 첨가물을 첨가하는 과정에서 망간 접종제(300)가 함께 투입될 수도 있다.

즉 망간 접종제 접종단계(S3)는 주철 용탕 성분 조정단계(S2)의 일부이다.

본 실시례의 망간 접종제(300)는 망간 와이어(Mn Wire)이다. 와이어 형태의 망간 접종제(300)를 이용하면 래들(110)에 망간 접종제(300)를 손쉽게 투입할 수 있으며, 투입되는 망간의 양 또한 정밀하게 조절할 수 있다.

망간 접종제(300)를 접종하기 이전에 성분이 조정된 성분 조정 주철 용탕(210)을 열분석하여, 성분 조정 주철 용탕(210)의 망간 함량을 파악하는 과정이 선행된다. 출탕 과정에서 성분 조정 주철 용탕(210)의 망간 함량이 변경될 수 있으므로, 망간 함량을 파악하는 과정을 거쳐서 망간 접종제(300)의 투입량을 결정하도록 한다.

망간은 흑연을 미세화하고 구상화하며 펄라이트를 안정화한다. 망간은 흑연을 구상화하는 주된 성분으로서, 세륨(Ce), 희토류 원소(RE), 캄륨(Ca) 등의 성분이 보조적으로 이용될 수 있다.

본 실시례에서는 망간 함량이 전체 중량의 0.1 내지 0.3 중량%가 되도록 망간 접종제(300)가 투입된다.

망간은 흑연의 미세화와 펄라이트 안정화를 위하여 첨가된다.

망간 함량이 0.1 중량% 미만이면 제품의 경도가 저하될 수 있으며, 망간의 함량이 0.3 중량%를 초과하면 제품의 경도는 높아지나 취성이 함께 높아지게 된다.

따라서 제조된 제품이 일정 이상의 경도를 가지면서 취성이 지나치게 높아지지 않도록 하기 위해서는 반드시 망간의 함량을 정밀하게 조정하여 0.1 내지 0.3 중량%가 되도록 하여야 한다.

한편, 본 방법에 의하여 제조된 구상흑연주철 용탕(220)의 탄소당량(Carbon equivalent)은 4.35 내지 4.5가 된다. 탄소당량이 4.35 미만인 경우에는 구상흑연주철 용탕(220)을 이용하여 제품을 주조하는 과정에서 박육부(thin-walled part)에 칠(chill)이 발생되고, 탄소당량이 4.5를 초과하는 경우에는 초정 흑연(primary graphite)의 과도한 생성에 의해 수축 및 유동불량이 발생된다.

이때, 탄소 당량(CE)은 '탄소 + (규소+인) X 1/3'로 정의되며, 그 값은 제품의 물성과 품질의 제어를 위해 조절될 수 있다

본 발명의 일 실시례에 의한 자동차 구동부품의 내구성을 강화하기 위한 주철 제조 방법에 의하여 제조된 구상흑연주철 용탕(220)으로 자동차 구동부품을 주조하면, 주조된 부품의 인장강도(Tensile strength)는 400N/㎟ 이상이 되고 항복강도(Yield strength)는 260N/㎟ 이상이 된다.

아울러 주조된 부품의 브리넬 경도값(Brinell hardness)은 201 이상이 된다. 그리고 흑연의 구상화율(Nodularity)은 85% 내지 90% 정도이며, 탄소당량은 4.35 내지 4.5가 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시례에 의한 자동차 구동부품의 내구성을 강화하기 위한 주철 제조 방법에 따른 금속소재의 조성을 나타낸 표이며, 도 3은 도 2의 금속소재의 기계적 성질을 나타낸 표이다.

도 2에 10개의 실시예와 10개의 비교예에 의한 금속소재의 조성을 제시하였다.

출탕 전에 CE meter를 이용하여 탄소의 함량을 측정 및 조절하고, TL(액상선 온도)을 기준으로 1,120±1℃로 맞추어 원탕을 준비하였다.

탄소(C) 3.5~4.0 중량%, 규소(Si) 2.0~2.7 중량%, 망간(Mn) 0.3이하 중량%, 인(P) 0.05이하 중량%, 황(S) 0.02 이상 중량% 및 잔량의 철(F)를 첨가하여 래들을 준비하고, 출탕 온도를 균일하게 약 1,560℃ 내외로 일정하게 유지되도록 하면서 상기 원탕을 래들로 출탕하였다.

상기 출탕된 원탕을 열분석하여 최종적으로 포함될 망간(Mn)의 함량을 고려하여 추가될 망간(Mn)의 양을 결정하고 와이어(wire) 형태의 망간(Mn)을 합금 성분을 조절한 후 1,450±10℃에서 몰드에 주입하였다.

상기 도 1의 조성에 따라 제조된 주철의 인장강도(TS), 항복강도(YS), 경도 (Hardness) 및 구상화율(nodularity)를 측정하여 도 3에 표시하였다. 여기서 경도는 브리넬 경도로서 HB 브리넬 경도값이다.

상기에서 보는 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 주철은 인장강도(Tensile Strength)는 401 내지 480 MPa(N/mm2)의 범위이고, 항복강도(Yield Strength)가 270 내지 280MPa(N/mm2)의 범위이고, HB브리넬 경도값이 201 이상의 범위임을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 주철은 안정적인 인장강도와 항복강도를 가지며 적절한 경도를 가져서, 특수자동차 구동용 부품에 적용 가능한 주철 제조에 용이하게 적용될 수 있다.

본 발명에서 구상흑연주철의 주조에 관련된 특성을 설명한다.

1) 구상흑연주철의 응고 특성

Fe-C계 평형상태도 상에서 아공정조성에서 구상흑연주철의 응고 양상을 나타내고 있다.

용액이 액상선에 이르러 초정 오스테나이트가 정출하고 나서 수지상으로 성장한다.

공정온도에 도달하면 초정 오스테나이트의 근방에 구상 흑연이 정출하고 오스테나이트가 즉시 구상 흑연을 포위한다.

그 후 구상흑연의 성장은 오스테나이트 셀을 통하여 탄소의 확산에 의해서 진행된다.

흑연의 정출과 오스테나이트의 포위에 의한 공정응고 과정은 공정온도 범위에 걸쳐서 진행한다.

이 오스테나이트 셀에 둘러싸인 구상흑연이 한 개의 공정셀에 해당된다.

편상 흑연주철의 경우 흑연은 공정셀의 끝단에서 융액 중에 접하고 있고,흑연의 성장은 융액중의 탄소의 액체 확산에 의해서 진행한다.

이와 반대로 구상흑연 주철의 성장은 전술한 바와 같이 흑연을 둘러싼 오스테나이트 셀을 통해서 탄소의 고체 확산에 의해서 진행한다.

전자에 비하여 후자의 확산속도가 매우 느리므로 구상흑연주철의 용탕은 과냉 되기 쉽다. 구상흑연주철이 편상흑연주철에 비하여 칠화되기 쉬운 것은 이와 같이 두 가지 주철의 응고에 있어서 공정셀의 성장 과정의 차이 때문이다.

공정 응고 말기로 되어 공정셀이 서로 접촉하여 용액이 없어지면 공정응고는 완료하고 오스테나이트와 흑연 조직으로 된다.공석변태 온도에 달하면 기지조직의 생성과정에서 기술한 바와 같이 펄라이트는 흑연 사이의 오스테나이트 중에 석출하고 페라이트는 구상흑연 주위에 직접 석출한다.

또한 페라이트와 펄라이트가 공존하는 경우는 우선 구상흑연의 주위에 페라이트가 석출하고 이어서 페라이트와 오스테나이트의 경계로부터 펄라이트가 석출하고, 페라이트와 펄라이트의 공존조직으로 된다

2) 흑연 구상화 처리 방법

주철 용탕을 그대로 응고시키면 편상흑연주철로 되므로 구상흑연주철을 얻기 위해서는 흑연 구상 원소를 첨가하는 흑연구상화 처리가 필요하다.

흑연구상화원소는 1947년에 영국의 H.Morrogh가 주철에 세륨(Ce)를 첨가하고 또한 1948년에 미국의 A.P.Gagnabin,K.D.Millis등은 주철에 망간(Mn)를 첨가하여 구상흑연이 얻어지는 것을 보여주었다.

그 이후 망간(Mn), 세륨(Ce), 희토류 원소(RE)및 칼슘(Ca)에 흑연 구상화 작용이 있는 것이 판명되었고 흑연 구상화 원소로서 사용되어 왔다.현재는 망간(Mn)가 구상화제의 주성분으로 이용되고,RE,Ca 는 보조적으로 이용되고 있는데 Fe-Si-Mn-Re-Ca의 합금이 구상화제로서 주류를 점하고 있다.또한 이들 구상화 원소의 함유량과 그 회수율이 명확하게 되어 있고 구상화 원소가 적은 처리제가 많이 이용되게 되었다.

이들 구상화 원소의 특성은 다음과 같다.

① S 및 O와 강한 친화력을 가지고 S,O를 제거하는 작용이 있다.

②철에 대한 용해도가 작다.

③응고 시에 매우 편석하기 쉽다.

④융점,비점이 낮다. 구상화 원소의 특성과 유사하다.

흑연 구상화제는 주로 망간(Mn) 합금이 이용되고 구상화 처리 방법과 관련하여 여러 종류의 구상화제가 사용되고 있으나,Fe-Si-망간(Mn) 합금에 RE 및 Ca가 함유된 구상화제가 많이 사용되고 있다.

흑연 구상화 처리 방법은 아래와 같다.

① 샌드위치법

래들 바닥에 포켓을 만들고 여기에 구상화제를 넣고 카바제를 덮은 후에 용탕을 주입하면 카바제가 녹아서 구상화제와 반응하는 방법으로 가장 많이 사용되고 있는 방법.

② 플런저 법

구멍이 뚫린 도가니 상의 용기에 망간(Mn)합금을 채워놓고 용탕을 삽입하는 방법으로 비교적 망간(Mn)의 회수율이 양호하다.

③ 압력첨가법

압력 용기 중에 망간(Mn)의 증기압보다 높은 압력을 주어서 순 망간(Mn)를 첨가하는 방법으로 구상화제의 비용이 낮고 용탕 처리량이 많은 경우에 적합하다.

④ 컨버터법

횡으로 놓인 컨버터의 포켓부에 순 망간(Mn)을 집어넣고 용탕을 주입함과 동시에 컨버터를 수직으로 하여 망간(Mn)를 반응시키는 방법으로 대용량의 연속처리에 적합하다.

⑤ 인몰드법

주형 내의 반응실에서 망간(Mn)합금과 용탕을 반응시키는 방법으로 구상화반응에 의한 흰 연기가 발생하지 않는다는 이점이 있으나 탕구께의 방안에 대한 고려가 필요하다.

그 외에 접종처리 경우와 같은 와이어 첨가에 의한 구상화처리 방법도 있다.

구상흑연주철에서는 기지부의 연속성이 편상흑연의 경우 보다 훨씬 높다.

또한 구상화율이 일정이상(약 0.7 이상)이되면,연속성의 정도는 흑연의 동그란 형상 (구상화율)이나 치수의 근소한 차에 의해 거의 변화하지 않는다.

기지가 연성적인 경우에 파괴는 흑연구를 핵으로 하여,또는 공정셀 경계,미세 석출물 등을 핵으로 한 보이드(Void)(공극)이나 연성균열의 성장,합체에 의해 생성된다.최종파 면은 흑연구의 표면을 따라서 형성된다.

편상흑연주철의 경우와 같이 전체의 강도는 기지의 연속부분의 면적에 기지의 강도를 곱한 값이라고 볼 수 있다.

하지만 흑연의 체적률이나 형상의 변동은 기지부의 체적에는 크게 영향을 미치지 않는다.

따라서, 구상흑연주철의 강도는 기지부의 강도에 의해 거의 정해지게 된다.

기지가 취성적인 경우에는 흑연편을 발생점으로 하는 취성균열의 전파, 연결에 의해서 파괴가 진행된다.

피로 파괴도 또한 기지가 거의 탄성적인 상태에서 진행한다.

이러한 경우에는 기지가 취성적인 경우와 동일하게 흑연구 및 흑연구의 집단이 응력 집중부로서 기능한다.

따라서 흑연의 형상, 치수 그 분포가 강도에 영향을 미친다.

페라이트 결정 입도도 또한 이것들의 강도에 영향을 주게 된다.

3) 기계적 특성

편상 흑연주철의 강도는 CE값에 의해서 크게 변화하지만 구상흑연주철의 강도는 CE값에 거의 의존하지 않는다.

CV(벌레상)흑연주철에서는 양쪽의 중간정도 되는 것으로 분류된다.

편상 흑연주철의 강도는 기지의 연속성(기지가 분단되지 않고 연속되는 정도), 다시 말해 흑연편의 형상이나 분포상태에 크게 의존한다.

그러나,구상흑연주철에서는 구상흑연 (체적률로 약 10%)이 서로 독립·분산되어있고, 나머지 90%가 기지로 되어있으므로 기지의 연속성은 편상 흑연주철과 비교해서 상당히 크다.

그러므로 구상흑연주철에서의 강도는 기지의 특성에 크게 의존하고 있기 때문에 이것이 CE값에 거의 영향을 받지 않는 이유이다.

인장강도는 흑연 구상화율에 비례해서 증가해서 350∼500MPa로 된다.

연신율은 흑연 구상화율이 80%이상으로 되면 급격히 증가해서 20∼30%로 된다.때문에 구상흑연주철의 특징인 큰 변형능을 충분히 발휘되도록 하기 위해서는 구상화율이 80% 이상이 되도록 하는 것이 중요하다.

구상흑연주철의 기계적 성질은 기본적으로 페라이트와 펄라이트 또는 서로 간의 양에 의해서 결정된다.

펄라이트 면적률이 증가함에 따라 인장강도가 증가하고 연신율은 펄라이트 면적률이 조금 증가하면 급격하게 감소한다. 이후에 완만한 감소 경향을 나타난다.

구상흑연주철의 기지는 페라이트로 체심입방정을 가지므로 강과 같이 저온취성을 나타내는 재료이다.

인장특성은 저온으로 되면 인장강도는 증가하고, 항복 강도도 증가하지만, 연신율은 감소되기 때문에 취화된다.

인장강도는 페라이트기지의 경우도 펄라이트 기지의 경우도 약 200‘C까지는 실온과 별 차이가 없지만, 300’C 이상이 되면 저하된다.

한편,연신율은 온도상승과 함께 감소하지만 펄라이트기지의 경우 300‘C 이상이 되면 점점 증가하고 페라이트기지는 약 600’C 이상이 되면 급격히 증가한다.

이러한 주철의 온도에 대한 인장 거동의 변화는 페라이트결정립의 재결정, 세멘타이트의 분해, 결정립계의 슬립 등이 원인으로 작용하고 있다고 생각된다.

또한 구상흑연주철을 변태점 상하로 반복하여 가열 및 냉각을 하면, 성장 현상이 일어나서 체적팽창이 생긴다.

이러한 성장량의 증가에 따라 인장강도와 경도는 저하한다.

공기중에서 가열 및 냉각을 반복한 경우에 구상흑연주철의 성장에 의한 재질 변화는 흑연구주위에 방사상으로 작은 공동이 발달하고 흑연에 공동이 생성되는 것이 원인이다.

흑연의 방사상으로 발달하고,흑연이 없는 공동이 연속 하는 것에 의해 주철이 해면상의 구조로 변화한다.

주물의 두께에 차이가 있으면 얇은 두께 부분과 두꺼운 부분에서는 냉각 속도의 차이가 발생하므로 응고조직이 달라져서 재질이 변화한다.

이러한 두께에 의한 재질 변화가 발생한 정도를 두께 민감도 또는 두께 감수성이라고 한다.

두께 감수성이 낮으면 두께가 달라져도 거의 균일한 재질로 되므로 좋다.

또한 주물 제조에 있어서는 조직이나 기계적 특성에 미치는 주물 두께의 영향을 고려해서 그에 대응하는 것이 중요하다.

펄라이트기지에서는 주물 두께의 증가에 대하여 인장강도는 크게 저하된다.

또한 강도의 변화는 펄라이트기지의 경우가 크다.

이것은 두께의 증가에 의해서 기지조직에 페라이트가 증가하는 것이 영향을 준다.

또한 페라이트기지의 경우에서도 두께 민감성이 약간 있는데 이것은 두께의 증가에 따른 흑연구상화율의 저하나 페라이트 결정립의 조대화 등의 영향에 기인하고 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시례들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 용해로 110 : 래들
120 : 금형
200 : 주철 용탕 210 : 중간단계 주철 용탕
220 : 구상흑연주철 용탕
300 : 망간 접종제

Claims (2)

1. 용해로에 주철을 용융하여 주철 용탕을 준비하는 주철 용탕 준비단계 ;
   상기 주철 용탕 준비단계 이후, 상기 주철 용탕을 출탕 온도 1560±10℃로 상기 용해로에서 래들로 출탕하면서 상기 주철 용탕의 전체 중량에 대하여 탄소 3.5 내지 4.0 중량%, 규소 2.0 내지 2.7 중량%, 망간 0.3 중량% 이하, 인 0.05 중량% 이하, 황 0.02 중량% 이하 및 잔량의 철(Fe)의 구성을 갖도록 첨가물을 첨가하여 상기 주철 용탕의 성분을 조정함으로써 성분 조정 주철 용탕을 얻는 주철 용탕 성분 조정단계 ;
   상기 주철 용탕 성분 조정단계 이후, 상기 성분 조정 주철 용탕을 금형에 주입하여 자동차 구동부품용 주철을 제조하는 자동차 구동부품용 주철 제조단계 ;
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 구동부품의 내구성을 강화하기 위한 주철 제조 방법.
   
2. 탄소 3.5 내지 4.0 중량%, 규소 2.0 내지 2.7 중량%, 망간 0.3 중량% 이하, 인 0.05 중량% 이하, 황 0.02 중량% 이하 및 잔량의 철(Fe)로 구성되며, 인장강도가 400N/㎟ 이상, 항복강도 260 N/㎟이상, 탄소당량 4.35~4.5, 흑연의 구상화율(Nodularity)이 85~90%인 것을 특징으로 하는 자동차 구동부품용 주철.
   

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