KR910006639B1 - 고강도 내마모성 흑연주철 - Google Patents

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내용 없음.

Description

고강도 내마모성 흑연주철

제1도는 본 발명상의 일실시예로서 주조도니 시브이(CV) 흑연 주철의 현미경 조직사진.

제2도는 상기 제1도의 흑연주철 조직을 탄화물을 중심으로 배율을 확대하여 본 현미경 조작사진.

제3도는 본 발명상의 흑연주철 조직의 계면부의 현미경 조직사진.

본 발명은 고강도 내마모성 흑연주철에 관한 것이다. 특히, 그중에서도 본 발명은 인(P), 보른(B), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn) 등의 성분을 첨가하여 합금화하므로써 고강도 시브이(CV:Compacted Vermicular) 흑연주철 소재를 공급하기 위한 고강도 내마모성 흑연주철에 관한 것이다.

지금까지, 예컨데 선박용 또는 자동차용 엔진, 실린더, 피스톤 및 관련 부품들을 고효율과 고압력, 저질연료유의 사용을 위한 기술상의 연구와 개발이 끊임없이 이루어져 왔고, 계속 이루어지고 있긴 하나 이에 따라 엔진 등의 재질은 점점 더 심한 기계적 및 열적부하를 받고 또한 여기에 조악한 연료유의 사용이 증대되므로써 이에 따른 부식 및 마모가 심각한 문제로 대두되고 있는 실정이다.

특히, 디젤엔진에 있어서, 엔진의 압력을 증가시켜야만 열효율을 더욱더 크게 증가시킬 수 있으나 그만큼 내구성, 즉, 기계적 성질 및 열전도도 등의 성질을 향상시켜야만 되지만, 현재의 엔진보다 발전 지향적인 고효율 엔진의 설계, 제작에 있어서, 특히 실린더, 피스톤링 및 피스톤 라이너 등의 재질, 특히 열전도도, 강도와 내마모성의 획기적 향상없이는 근본적인 문제를 해결할 수 없는 것이다.

일례로 실린더 라이너(cylinder liner)의 제작에 있어, 서독의 만, 비엔더블유(Man, B W) 사이에서는 1977년 이래 타칼로이(Tarkalloy)라는 합금을 개발하여 사용하여 왔다.

이 합금재료는 소량의 보론(B)와 인(P)을 함유한 편상 흑연주철로서는 다소 재질이 개선된 것이라곤 하지만, 이것도 고내마모성의 희생없이는 더 이상의 강도증가를 가져올 수 없는 제약이 있다. 종래의 것으로, 강도 및 내마모성 아울러 엔진에서 요구되는 어느 정도 이상의 수준을 얻는 것은 현재로서는 불가능한 것이나 다름없다.

이에 따라 동일한 정도의 고내마모성을 나타내면서도 아울러 강도가 더욱 높은 고강도, 고내마모성 주철이 끊임없이 연구되어, 최근에는 소위 "CV(Compacted Vermicular) 흑연주철"이라 하여 이러한 특성을 나타낼 수 있는 주철이 개발되어 있다. 이 CV 흑연주철은 그 기본원리에 있어, 그 기계적 성질은 구상흑연주철에 가까운 바 있으나 흑연형태는 열적 안정성을 위하여 편상 흑연주철 또는 회주철에 가깝다. 또한, 용고수축율이 낮아 주조성도 좋으며, 내마모성은 거의 편상흑연주철에 가까운 성질을 나타낸다. 그러나, 이들 종래의 CV 주철은 고강도, 고내마모성이 요구되는 곳에는 종래의 기술로서는 요구조건을 만족시키지 못하고 있는 실정이다. 종래의 흑연조직의 경우, 회주철의 편상흑연조직은 열전도성, 내마모성은 좋으나 내충격성이 근본적이으로 취약하고, 구상흑연주철 등의 구상흑연조직은 강도는 우수한 38Kg/mm²이상의 고강도를 얻기 어렵고, 더욱이 구상흑연조직으로 인해 열전도성이 불량하여 외부로의 열발산에 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 고강도와 아울러 고내마모성을 가진 흑연주철을 공급하기 위하여 장시간 대학원 연구실과 산업체에서의 시험 연구결과 개발한 것으로, 인장강도는 약 150% 이상 향상되고, 내마모성은 최소한 종래의 회주철에 비하여 같거나 더욱 향상된 주철을 개발하기 위하여 종래의 CV 흑연주철의 제조시 남아 있는 문제점인 주철의 흑연조직의 훼라이트(Ferrite)화 경향을 억제시키면서 미세한 퍼얼라이프(Pearlite) 지지조직을 얻기 위하여 동(Cu), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo) 등을 복합적으로 첨가하고, 내마모성 증대를 위하여 경질상의 공정인화물(Phosphide eutectic)의 생성 및 그 경도향상을 위하여 인(P), 보른(B) 등을 적정량 첨가한 고강도, 고내마모성 CV 흑연주철을 제조함에 그 목적이 있다. 아울러 다량의 열이 발생되므로써 신속히 대량으로 열을 외부로 발산시키지 않으면 안되는 엔진 및 그 관련부재 등에 사용하기 위하여 엔진 등의 내연기관으로부터 발생되는 열의 신속발산을 위한 주철의 흑연조직의 개량을 도모하므로써 상술한 고강도에 의한 내충격성, 내마모성 외에도 열전도성이 양호한 흑연주철을 제조함에 또 다른 목적이 있다.

본 발명은, 장시간의 연구와 실험을 거쳐 상술한 목적을 가진 흑연주철을 얻기 위하여, 주철제품의 성분이 탄소(C) 3.1-3.95 중량%, 실리콘(Si) 1.50-1.85 중량%, 망간(Mn) 0.5-0.8 중량%, 동(Cu) 1.2-1.6 중량%, 주석(Sn) 0.03-0.06 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.1-0.6 중량%, 보론(B) 0.03-0.15 중량%, 인(P) 0.2-0.8 중량% 및 잔류 마그네슘(Mg) 0.01-0.017 중량%을 합금성분으로 하는 CV 흑연합금주철을 개발한 것으로, 이하에 보다 구체적으로 상세히 설명한다.

주철재료의 내마모성 및 강도와 열전도도를 아울러 향상시키기 위해서는 흑연조직 자체를 편상흑연이나 구상흑연 어느쪽으로 치우칠 수 없으므로, 그 기지(site) 조직을 완전한 퍼얼라이트화 하면서 조직입자를 미세화하며, 아울러 열전도도를 향상시키기 위하여 흑연상을 가급적 편상흑연에 가깝도록 하는 것이 본 발명의 기본 원리인 것이다.

본 발명은 상술한 원리에 입각하여, 우선 흑연의 CV화를 위하여 소정의 Fe-Si-Mg계 흑연화제를 래들(ladle) 내에서 접종처리하며, 적어도 70% 이상의 CV 흑연조직을 얻도록 하고, CV 흑연주철의 페라이트 경향을 억제시키면서 미세한 퍼얼라이트 기지조직을 얻기 위하여 구리, 주석 및 몰리브덴을 복합적으로 첨가하여, 내마모성 향상을 위하여 경질상인 공정인화물의 기지조직 생성 및 그 경도향상을 위하여 인과 보론을 적정량 첨가한 획기적인 신규 CV 흑연 합금주철을 개발한 것이다.

즉, 흑연의 CV화 처리를 위하여 샌드위치법(Sandwichprocess)에 의하여 Fe-Si-Mg계 CV 흑연화제를 미리 예열하여 둔 래들에 첨가하여, 용탕을 주입시 용탕이 CV 흑연화제와 즉시 접촉하게 되면 CV 화제의 산화손실이 크므로 용탕이 래들에 어느 정도 충전된 후 CV 화제 위에 약 0.5-5cm 정도의 두께로 덮어주고, CV 화제의 반응이 종료된 다음 후접종 처리한 후 주형에 주입한다. 다음, 완전한 퍼얼라이트 기지를 갖도록 오스테나이트(austenite)내의 탄소활동도를 낮추어 탄소용해도를 높이는 원소인 망간을 0.4-0.1중량% 첨가하여 오스테나이트의 안정화를 도모하였다. 특히, 망간을 0.5-0.8 중량% 첨가시키면 순조롭게 퍼얼라이트의 안정화를 가져오며, 또한, 오스테나이트와 흑연의 계면에 합금성분이 농축되는 성질을 가진 동과 주석을 첨가하므로써 오스테나이트 내의 탄소가 확산이행될 수 없도록 장벽을 만들어 주므로써 기지조직에 있어 99% 이상의 펄라이트화를 얻을 수 있게 하였다.

한편, 실리콘 성분은 일반적으로 주철에 칠(chill)이나 탄화물제거를 위하여 첨가하는 것으로, 실리콘성분은 탄소당량(C₁E₂)을 높이며, 페라이트 생성을 촉진시켜 재질에 강도상 나쁜 영향을 미치고, 또한, A₁온도-즉, 펄라이트 생성온도를 높이기 때문에 펄라이트 조직의 조대화를 유발하는 문제가 있으므로 고강도 주철의 제조를 위하여는 실리콘 함량을 가급적 낮추는 것이 좋다. 본 발명에서는 가급적 일반구상흑연주철의 경우인 2.5% 실리콘보다 낮추도록 하였다.

상술한 펄라이트의 미새화는 주형내에서 연속냉각시 오스테나이트-페라이트 변태 반응의 개시시간을 장시간 축으로 밀어주고 변태온도를 낮추는 효과가 강력한 몰리브덴(Mo), 바나듐(Ⅴ) 등을 첨가하면 효과가 있는데, 이들 중 몰리브덴은 공정 셀(eu-tectic cell) 수를 증가시키고 펄라이트의 층간거리를 미세화시키므로써 주철의 강도를 향상시키면서 아울러 칠(chill)의 관리에 대한 염려없이 경화능 증대에 사용될 수 있는 원소이므로, 본 발명에서는 몰리브덴을 강도향상과 미세화에 효과적인 범위인 0.1% 이상으로 하였다. 그러나, 몰리브덴은 펄라이트의 변태반응 자체를 지연시키는데 는 강력한 효과를 나타내나, 오스테나이트 내의 탄소확산을 용이하게 하여 페라이트의 생성을 촉진하는 역효과 역시 강력하므로, 시험결과 0.8% 이상 첨가는 곤난하며 더욱이 몰리브덴 첨가만으로는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 펄라이트 조직의 미세화 목적으로 몰리브덴을 첨가하면서 아울러 페라이트 생성 억제를 위하여 구리 및 주석과 같은 펄라이트 생성촉진 원소와 복합적으로 첨가하므로써 기지의 완전한 펄라이트화와 아울러 조직의 미세화를 이룰 수 있었다. 구리의 경우, 상술한 효과를 위하여 1.2% 이상 첨가하는 것이 효과적이다. 예컨데 1.6% 이상 첨가하면 차츰 조직이 취약해져 특히 인장강도가 저하될 염려가 있다. 주석의 경우에는 미량 첨가하여 0.03-0.06 중량%가 가장 적합한 것임을 알게 되었다. 이는 주석을 0.06 중% 이상 첨가시킬 경우 기지조직의 퍼얼라이트화에 장애가 되는 결정입계에의 편석현상 발생으로 강도, 내마모성 및 조직상의 취약을 가져오고, 반대로 0.03% 이하로 첨가할 경우 상술한 페라이트 생성을 촉진하는 좋지 않은 효과가 있기 때문이다.

그러나, 예컨데 엔진의 실린더라이너와 같은 주철재료가 요구하는 내마모성은 기지조직의 완전한 퍼얼라이트 및 퍼얼라이트의 미세화만으로는 충분치 못하므로, 경질상의 성분을 기지조직내에 추가적으로 혼재시키므로써 높은 내마모성을 얻을 수 있다. 즉, 용탕에 인(P)을 0.2-0.8 중량% 정도의 비교적 다량을 첨가하여 경질상인 공정인화물(phosphide eutectic)이 기지조직내에 생성되도록 하였다. 물론, 인함량이 0.8% 이상되면 공정인화물 생성량 과다로 인장강도 및 내마모성 저하를 초래한다. 그러나, 이러한 공정인화물도, 예컨대 고출력화되고 있는 선박용 디젤엔진의 실린더라이너가 요구하는 내마모성의 확보에는 한계가 있으므로 기지조직에 미치는 영향없이 공정인화물의 경도를 높이기 위하여 가장 안정화되어 있는 원소인 보론(B)을 추가로 0.03-0.15 중량% 정도로 첨가해 주므로써 소기의 목적을 달성할 수 있는 것이다.

[실시예]

인(P), 보론(B), 몰리브덴(Mo)을 제외한 타 화학성분이 일정한 합금조성 범위내에 들어가도록 선철과 합금철을 적량 배합하고, 마그네시아 내화물로 된 유도용해로(25Kg)에 장입하여 대기중에서 용해하였다. 다음, Fe-Mo, 가탄제, Fe-Mn, Fe-Si, Cu(순동), Sn(순주석)을 첨가하고, 마지막으로 Fe-B, Fe-P를 첨가하였다.

첨가된 성분 및 첨가량은 다음 표 1과 같다.

[표 1]

상술한 첨가성분은 용탕온도 1300℃에서부터 첨가하기 시작하여 1403℃에서 첨가완료하고, 용탕의 온도를 1450℃로 승온시킨 후 24Kg의 용탕을 출탕하였다. CV 흑연화 처리는 Fe-Si-Mg계 CV 흑연화제를 단독 소량 첨가하는 방법을 이용하였으며, 미리 예열하여 둔 래들에서 샌드위치법으로 실시하였다.

다음, CV 흑연화제의 반응안정화를 도모하기 위하여 네일스크랩을 표면에 약 3cm 두께로 피복시켰으며, CV 흑연화제의 반응이 종료된 직후 Ca-Si를 후접종 처리하고, 표준형 와이-블럭(Y-block)을 주조하였다. 이때의 용탕온도는 1399℃였다. 이때, 사용된 주형은 생사(green sand)였다.

이와 같이 하여 얻어진 상기 와이-블럭(Y-block) 형의 흑연주철의 기계적 성질과 그 조직은 다음 표 및 첨부사진과 같았다.

[표 2]

본 발명상의 CV 흑연주철은 제1도 내지 제3도의 현미경 사진에서 보는 바와 같이 편상에 가까운, 그러나 비교적 두께가 두꺼운 형태의 흑연이 기지에 석출됨에 따라 열전도도가 양호하게 되고, 조직의 취약성을 면하며 더욱이 기지는 제3도에 나타난 바와 같이, 거의 대부분 층상의 퍼얼라이트(lamellerpearlite) 조직으로 되어 있음을 알 수 있다.(제3도의 L로서 흰 띄 부분의 조직이 층상 펄라이트 조직임). 또한, 계면은 경질상의 공정인화물(제2도의 A)로 채워지므로써 경도향상이 되고, 이는 보론 등의 첨가로 안정화 되어 있으며, 흑연조직(제1도 및 제2도의 B 참조)은 누에 등의 버미쿨러(Vermicular) 형상으로 되어 열전도도가 양호하여 특히 내연기관에서의 발생열을 방출하기 용이하도록 되어 있어, 본 발명상의 흑연주철은 표 2에서 보는 바와 같이 내마모성과 아울러 인장강도 등의 향상을 거쳐오는 획기적인 것이라 아니할 수 없다.

Claims (1)

1. 주로 내연기관의 소재로 사용되는 CV(Compacted Vermicular) 흑연주철에 있어서, 탄소(C) 3.1-3.95 중량%, 실리콘(Si) 1.50-1.85 중량%, 망간(Mn) 0.5-0.8 중량%, 동(Cu) 1.2-1.6 중량%, 주석(Sn) 0.03-0.06 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.1-0.6 중량%, 보론(B) 0.03-0.15 중량%, 인(P) 0.2-0.8 중량% 및 잔류 마그네슘(Mg) 0.01-0.017 중량%의 합금성분으로 되고, 특히 인과 보론의 첨가에 의하여 공정인화물(phospide eutectic)이 기지조직내에 생성되도록 한 것을 특징으로 하는 고강도 고내마모성 시브이(CV) 흑연주철.

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