KR930000845B1 - 오스템퍼링 처리된 구상흑연주철재의 커넥팅 로드 제조방법 - Google Patents

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Description

오스템퍼링 처리된 구상흑연주철재의 커넥팅 로드 제조방법

제1도는 본 발명의 오스템퍼링의 사양을 도시하는 그래프.

제2도는 구상흑연주철을 약 350℃ 이하의 온도에서 열처리하므로서 생성되는 침상 베이나이트 조직의 전자 현미경 조직.

제3도는 본 발명에 채용된 구상흑연주철재를 약 400℃ 이상에서 열처리하므로서 생성되는 퍼얼라이트 조직의 전자 현미경 조직.

제4도는 구상흑연주철의 소재상태를 약 400배율로 촬영한 전자 현미경 조직.

제5도는 구상흑연주철의 오스템퍼링 처리된 상태를 400배율로 촬영한 전자 현미경 조직.

제6도는 제5도의 현미경 조직을 약 2500배율로 확대 촬영한 전자 현미경 조직.

본 발명은 커넥팅 로드(Connecting rod)의 재질에 관한것으로 특히, 오스템퍼링 처리된 구상흑연주철의 커넥팅 로드의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 커넥팅 로드는 자동차 및 기타 내연기관의 피스톤과 크랭크축에 연결되어 실린더내에서 연소되는 연료의 폭발에너지를 차륜에 전달하는 매개체로서 실린더에서 연소되는 연료의 폭발엔너지에 견디고 무수히 많은 동작을 반복 수행해야 하기 때문에 내열성 및 피로강도가 매우 중요한 요인으로 작용한다. 현재 사용하고 있는 커넥팅 로드의 소재는 단조소재(S₅₃C)를 사용하여 퀸칭 또는 템퍼링 등과 같은 열처리공정을 수행하여 단조가공하므로써 절삭 및 연마과정을 걸쳐 최종적으로 완성한다. 상기에서 언급한 단조소재 S₅₃C의 주요성분은 C : 0.48~0.55중량%, Si : 0.15~0.04중량%, Mn : 0.30~0.60중량%, P : ＜0.045중량%, S : ＜0.045중량% 및 잔유물 : Fe의 조성비로 이루어져 있다.

이러한 조성비로 이루어진 케넥팅 로드의 가공방법을 간략히 설명하면 다음과 같다.

내연기관의 피스톤이나 케넥팅 로드와 같이 피로강도 및 내열성이 특히 강조디는 부품을 구상 흑연주철(Nodular Graphite Cast Iron)로 대체될 수 있는데 이는 흑연이 그조직내에서 구상화(Spheroidized Structure)상태로 존재하기 때문에 효과적인 고강도를 기대할 수 있는 것이다. 따라서, 구상 흑연 주철은 실린더 라이너 및 브레이크 슈우, 커넥팅 로드 등의 소재로 널리 사용되고 있다. 통상의 커넥팅 로드는 소단부에 대단부를 일체로 연결하는 커넥팅 로드부로 구성되어 있으며, 각 부분의 가공방법은 다음과 같다. 상기 커넥팅 로드의 양측 표면을 그라인딩하고 소단부와 대단부를 보링가공 후 대단부의 볼트 체결 부위를 브로칭 머신(Broaching machine)을 통해 가공한 후 대단부를 절단(분할)한다, 상기 대단부는 한쌍의 반원형상이 겹쳐져 하나의 원이 형성된 것으로 그 절단편(Joint Face)을 연마한 후 볼트공 및 오일공을 가공한다. 상기 대단부는 가동된 한쪽의 반원형 커버를 볼트로 체결하여 조립한다. 또한 케넥팅 로드의 소단부내에는 부쉬가 압입 설치되며 상기 대단부내에는 메탈 베어링이 설치된다. 이와같이 조립된 케낵팅 로드는 다시 재연마 과정을 수행하며 그 양단부의 내면을 호닝 가공작업을 통해 완성된다. 완성된 종래의 커넥팅 로드의 물리적 성질은 대략 인장강도 89㎏/㎟, 항복강도 71㎏/㎟, 연신율 23% 정도의 성질을 갖는다. 그러나, 이러한 케넥팅 로드의 재질은 단조 작업 과정시 취성이 발생될 수 있기 때문에 이를 피하기 위해 가공의 제약이 따르며 이러한 제약을 해소하기 위해 불필요한 각종 열처리 공정을 수반해야 하는 문제점이 발생한다. 또한, 단조 가공하여 제작되는 케넥팅 로드는 대개 단위면적당 고밀도의 조직으로 형성되어 그 비중이 매우 높기 때문에 피스톤의 왕북운동시 보다 많은 연료의 낭비를 초래하여 결국 출력의 저항, 소음 및 진동의 발생을 초래하게 된다.

따라서 본 발명은 종래의 커넥팅 로드의 가공상에 발생되는 문제를 해소하고 더욱 더 개선된 재질을 갖는 케넥팅 로드를 고안하게 된 것이다.

본 발명의 목적은 구상흑연주철을 주조성형하여 제작할 수 있는 케넥팅 로드를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적을 더욱더 향상된 물리적 성질과 기계적 성질을 갖는 케넥팅 로드를 제공하고자 하는 것이다.

이하, 본 발명의 오스템퍼링 처리된 구상흑연주철의 커넥팅 로드의 조성은 다음과 같다, C : 3.2~3.6중량%, Si : 2.0~2.6중량%, Mn : 0.2~0.3중량%, P:＜0.03 중량%, S:＜0.08중량%, Mo:0.15~0.35중량%, Ni:0.5~1.0중량%, Cu:05~1.0중량% 및 잔유물 Fe로 조성되어 있다.

상기의 조성물중 C는 기지조직내에 구상흑연을 생성시키는 것으로 주철의 기계적 성질이 현저하게 향상시키며 내마모성을 증가시킨다.

Si는 기지조직내에 탄화물 생성을 억제하는 원소로서 탄화물이 생성되면 취성이 발생되므로 취성을 방지하기 위해 첨가되며 실험결과 Si:2.0중량% 이상인 것이 효과적인 것으로 나타났다.

Mo,Ni,Cu는 상기 조성물로 제조된 커넥팅 로드를 오스템퍼링 처리함에 있어 그 기지 조직내에 균질한 베이나이트(bainite) 조직을 형성하는 촉진제로 사용되며 완전한 열처리를 위한 경화능 향상원소로서 Mo : 0.15~0.35중량%, Ni : 0.5~1.0중량%, Cu : 05 ~1.0중량%의 이상일때 실험결과 취성이 발생되었으며, 이하일 경우 열처리의 효과가 감소되는 것을 알 수 있었다. 특히 Mo는 경화능을 향성시키는 우수한 원소로서 0.35중량%를 초과하면 기지 조직의 입계에 편석하여 강도가 저하되는 것을 알게 되었으며 그 상한치를 0.35% 이하로 제한하는 것이 바람직하다는 것을 알았다. 또한, Cu의 경우 베이나이트 변태를 촉진하는 원소로서, 커넥팅 로드와 같이 내마모성이 요구되는 제품에 내마모성을 향상시키기 위해 첨가된다. 그러나, 내마모성 실험결과 Cu의 중량%가 1.0중량% 범위에서 가장 효과적인 것을 알 수 있었다.

또한 , Mn, P 및 S는 불순물로 분류되면 정상적인 상변태를 위한 원소이다.

위와 같은 조성비로 이루어진 구상흑연 주철의 커넥팅 로드는 오스템퍼링 (Austempering) 열처리 즉, 과냉 오스테나이트(Austenite)를 등온으로 베이나이트로 변화되도록 열처리를 햄함에 있어 열처리(오스템퍼링)조건은 열처리로에서 약 900℃에서 1시간동안 균질화 가열을 행한 뒤 약 240~400℃의 온도범위로 염욕을 하고 약 240~400℃의 온도범위에서 약 1시간동안 유지시킨다. 이와같은 오스템퍼링 열처리이후 주조상태의 구상흑연주철의 기지조직이 퍼얼라이트 및 페라이트 조직이었으나 열처리이후의 조직이 내마모성이 우수한 베이나이트와 잔류 오스테니이트 조직으로 변태하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 구상흑연주철은 상기으 조성비로 이루어진 시편(Y블록)을 주조하여 그 하단부에 거 25㎜×25㎜×250㎜크기의 각 봉을 2개씩 채취하여 인장시편(JIS규격 제4호 시험편)으로 가공하였다. 가공편 인장시편에 대하여 열처리(오스템퍼링)을 제1도에 도시한 바와 같이 약900℃에서 1시간 동안 균질화 가열을 한뒤 약 240~400℃ 온도범위로 염욕을 행한 뒤 240~400℃의 온도범위에서 약 1시간동안 오스템퍼링을 실시하였다. 그 결과 인장강도는 100~140kg·f/㎟, 항복강도 80~ 120kg·f/㎟, 연신율 1~10% 정도의 결과치를 획득할 수 있었다. 상기의 물리적 성질은 열처리시 항온유지온도에 따라 그 성질이 변동되게 되는데 예를들면, 약 350℃의 온도번위를 기준으로 그 이상의 온도범위를 기준으로 그 이상의 온도에서는 인장강도, 항복강도는 상술한 측정치의 하한치로 나타남을 알 수 있었고 그 온도(350℃) 이하에서는 강도는 항상되었지만 연신율 및 충격치가 감소되어 결국 인성이 감소되는 것을 알게 되었다. 따라서, 구상흑연주철의 오스템퍼링 온도는 역시 부품의 기지조직에 큰영향을 미치는데 약 350℃이하에서는 도면 제2도와 같은 침상 베이나이트 조직이 되어 커텍팅 로드의 소재로서 부적합하다. 그 이유는 침상 베이나이트 조직은 가공성이 낮아 제품의 가공의 어려움이 발생하기 때문이다. 또한, 400℃이상에서는 도면 제3도에서와 같이 퍼얼라이트 조직으로 나타나므로 이 온도구간 역시 적합한 열처리 온도 구간이 되지 못한다. 따라서 커넥팅 로드가 요구하는 기계적 성질을 만족시키기 위해서는 오스템퍼링 온도 범위가 350~400℃인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있었다.

결국, 열처리로에서 약 900℃에서 1시간동안 균질화가열을 행한 뒤 약 350~400℃의 온도범위로 염욕을 하고 약 350~400℃의 각 온도범위에 따른 온도범위에서 1시간동안 상기 시편을 오스템퍼링 열처리를 행하였다.

상술한 온도범위(350~400℃)로 열처리된 시편을 인장시험을 통해 각 온도범위에 따른 인장강도, 항복강도, 연신율, 경도를 측정하여 아래와 같은 측정값을 얻었다.

상기 표에서 연신율 C : 3.2~3.6중량, Si : 2.0~2.6중량%, Mn : 0.2~0.3중량 %, Mo : 0.6중량%, Ni : 0.2중량%, Cu : 0.6중량%에 관한 것이다.

상기 표의 측정치에서 알 수 있는 바와 같이 커넥팅로드에 요구되는 연성은 375℃에서 가장 우수한 것으로 판단되게 되었다. 또한 오스템퍼링 처리된 구상흑연주철재의 커넥팅 로드의 내구성을 알아보기 위해 정격하중의 130% 및 180%에서 피로시험을 실시하였으며 그 결과는 다음과 같다.

[피로시험결과]

상기 표에서 보는 바와같이 정격 하중의 130% 조건에서 내구성 시험 반복횟수인 1000만회를 상회하였으나 커넥팅 로드에는 아무런 이상이 없었으며, 180% 조건에서는 체결볼트(재질 SCM₄12.9T규격)가 먼저 파손되어 정격 사용 조건하에서 오스템퍼링 처리된 구상흑연주철재의 커넥팅 로드가 안전한 내구성을 지니고 있음을 알 수 있다.

따라서 시편의 경우와 같은 성분 즉, C : 3.2∼3.6중량%, Si : 2.0∼2.6중량 %, Mn : 0.2∼0.3중량%, P : 〈0.03중량%, S : 〈0.08중량%, Ni : 0.2중량% Mo : 0.6중량% 및 Cu : 0.6중량% 및 Fe로 이루어진 구상혹연주철로 커넥팅 로드의 주물소재를 주조하여 가공한다. 열처리가된 제품은 경도치가 높고 가공중 잔류 오스테나이트가 마프텐사이트로 변태하므로 열처리전에 가공을 마치고 열처리후 대단부 절단 및 절단면 연마, 측면연마 호닝가공을 실시한다. 오스템퍼링은 열처리후 체적 팽창을 수반하는데 상기의 온도구간(375℃)에서는 약 0.25% 정도이다. 따라서, 열처리전 가공시 체적 패창량을 감안하여 가공을 한다.

구상흑연주철재의 커넥팅 로드의 제작순서는 다음과 같다. 열처리를 실시하기 전 주방상태에서 커넥팅 로드 소재의 양측면을 그라인딩 연마하고 수단부를 드릴 가공을 하는데 소재 상태에서 구멍을 형성한다. 또한 대단부의 구멍 가공과 볼트체결 부위의 브로우치 가공을 행한다. 볼트 체결부위도 소재 상태에서 평면을 형성할 수 있으므로 브로우칭 가공량을 줄일 수 있다. 이어서 볼트구멍 및 오일구멍으 가공한다. 이와같이 가공된 소재를 870℃∼930℃에서 60∼90분간 가열한뒤 350∼400℃의 염욕에 급냉시켜 60∼90분동안 유지시킨다.

특히 염욕온도를 375℃에서 약 60∼90분 정도 유지시키는 것이 바람직하다.

이상의 열처리 공정이 끝나면 대단부를 1/2로 절단하여 그 절단면을 연마한 뒤 볼트로 체결한다. 상기 커넥팅 로드의 소단부에 부쉬를 압입하고 측면 재연마 및 호닝 가공으로 가공을 종료한다. 커넥팅 로드에 채용된 구상흑연주철의 현미경 사진은 도면 제4,5,6도에 잘나타나 있다.

도면 제4도는 구상흑연 주철의 소재상태의 400배율로 촬영된 현미경 조직이고, 제5도는 오스템퍼링 처리된 소재의 400배율로 촬영한 조직의 형사이며, 제6도는 제5도의 조직을 2500배율로 확대촬영한 조직이다.

이상에서 설명한 바와같이 그 기지조직이 요구하는 기계적 또는 물리적 성질을 갖는 구상흑여주철재의 커넥팅로드의 조직으로 형성할 수 있었으며 탄화물 을 억제하는 Si와, 경화능을 향상시키기 위한 Mo, 베이나이트 변태를 촉진하는 Ni 및 Cu를 적당히 첨가하여 주조상태로 커넥팅 로드를 제조할 수 이쓰므로 단조시 발생하는 취성에 따른 가공의 제약을 해소할 수 있으며, 중량감소에 따른 출력의 향상 및 소음 및 진동의 감소를 기대할 수 있게 되었다. 또한 경제적인 측면에서도 소재 상태에서 40% 이상 원가절감을 기대할 수 있고 제품상태에서도 약 20% 이상의 제조원가를 절감할 수 있는 효과가 있다. 도한 퀀칭 및 오스템퍼링 처리된 단강품 보다 절삭성이 뛰어나며 가공하고자 하는 제품의 원형에 거의 근접하게 원소재를 제작할 수 있기 때문에 불필요한 가공을 줄일 수 있다.

Claims (2)

1. 구상흑연주철재의 커넥팅 로드에 있어서, C : 3.2∼3.6중량%, Si : 2.0∼2.6중량%, Mn : 0.2∼0.3중량%, P : 〈0.03중량%, S : 〈0.08중량%, Mo : 0.15~0.35중량 %, Ni : 0.5~1.0중량%, Cu : 0.5~1.0중량%, 잔유물 Fe로 이루어진 구상흑연주철을 약 870°∼930°에서 약 60∼90분간 가열한 뒤 350∼400℃에서 60∼90분동안 냉각시켜 그 기지 조직이 베이타이트와 잔류 오스테나이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 구상흑연주철재의 커넥팅 로드 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 구상흑연주철의 오스템퍼링 온도가 375℃인 것을 특징으로 하는 구상흑연주철재의 커넥팅로드 제조방법.