KR20040105278A

KR20040105278A - 자동차의 엔진 배기계용 주철 조성물

Info

Publication number: KR20040105278A
Application number: KR1020030035977A
Authority: KR
Inventors: 김종문
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-16
Also published as: CN1572894A; JP2004360071A; DE102004027366A1; US20040223866A1; CN1303239C

Abstract

본 발명은 자동차의 엔진 배기계용 주철 조성물에 관한 것으로서, 철을 주재로 하고, 여기에 탄소(C) 2.9 ~ 3.8 중량%, 규소(Si) 4.0 ~ 4.5 중량%, 망간(Mn) 0.3 중량% 이하, 인(P) 0.05 중량% 이하, 황(S) 0.1 중량% 이하, 몰리브데늄(Mo) 0.8 ~ 1.2 중량%, 마그네슘(Mg) 0.025 ~ 0.045 중량% 가 함유된 것을 특징으로 하는 주철 조성물을 제공함으로써, 자동차의 배기 다기관이나 터보차져의 터빈 하우징에 적용 시, 고온 강도와 고온 내열특성을 증대시킬 수 있는 자동차의 엔진 배기계용 주철 조성물에 관한 것이다.

Description

자동차의 엔진 배기계용 주철 조성물{Composition of cast iron for engine exhaust system in automobile}

본 발명은 자동차의 엔진 배기계용 주철 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철(Fe)을 주재로 하고 이에 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 몰리브데늄(Mo) 그리고, 마그네슘(Mg)을 적절히 포함시킨 엔진 배기계용 주철 조성물을 배기 매니폴드나 터빈 하우징에 적용함으로써, 고온의 사용조건 하에서 우수한 내산화성 및 고온강도 증대효과를 이룰 수 있는 자동차의 엔진 배기계용 주철 조성물에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 배기계통은 엔진성능의 저하를 방지하기 위해 배기간섭이 적은 구조로 구성되어 있어야 하며, 엔진 시동 직후에 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO) 등의 유해가스 성분 방출을 낮추기 위하여 촉매가 작동하는 활성화온도까지 단시간에 상승할 수 있도록 열용량이 적은 재질로 구성되어 있어야 하며, 또한 700 ∼ 950 ℃ 의 고온 배기가스가 통과하기 때문에 기본적으로 고온강도, 고온피로강도, 크리프(CREEP)강도, 고온내산화성 등의 물성이 요구된다.

현재 사용되고 있는 자동차용 배기 다기관의 재료로는 니켈(Ni)을 다량 함유한 오스테나이트계의 고니켈 구상흑연주철이 가장 많이 사용되고 있으나, 상기 재료는 재료의 특성상 내열성에 한계가 있기 때문에 박육화가 불가능하여 대열용량을 가질 수 밖에 없고, 이로 인하여 촉매의 라이트-오프 시간(light-off-time) 지연으로 시동초기에 배기가스량이 증가하는 문제점이 있다.

따라서, 최근 외국에서는 상기의 이유 때문에 열팽창계수가 작고 내열특성이 우수한 페라이트(Ferrite)계 SUS 스테인레스 주강재료를 사용하고 있는데, 종래의 SUS 스테인레스 주강재료는 고온물성 향상을 위하여 텅스텐(W), 니오븀(Nb) 등의 성분을 첨가하였다.

그러나, 상기 원소는 고가이므로 기존의 SUS 스테인레스 주강재료의 사용은 경제적인 면에서 불리하여 산업상 이용이 제한된다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 한국 특허출원 제 1997-57271호는 텅스텐과 니오븀 대신 티타늄, 알루미늄을 첨가하고, 규소의 함량을 증가시킨 SUS 스테인레스 주강재료를 개시하고 있으나, 상기 주강재료는 고온강도 측면에서 기존 주강재와의 차별화 측면에서 문제점이 지적되었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 고온에서 사용되는 자동차의 엔진 배기계용 합금 즉, 구상흑연주철재료의 구성성분 중, 규소(Si) 및 몰리브데늄(Mo)의 함량을 일정하게 조정하여, 고온 내산화성과 고온강도를 증대시키는 동시에, 주조성을 양호하도록 함으로서, 내구 신뢰성 향상 및 산화 스케일에 의한 촉매 손상을 최소화할 수 있는 자동차의 엔진 배기계용 주철 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 고온 인장강도 시험결과를 나타내는 히스토그램,

도 2는 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 고온 내산화성 시험결과를 나타내는 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 실시예에 따라 제조된 주철의 후육부를 나타내는 현미경사진,

도 4는 본 발명에 따른 실시예에 따라 제조된 주철의 포트(port)부를 나타내는 현미경사진,

도 5는 종래의 비교예에 따라 제조된 주철의 후육부를 나타내는 현미경사진,

도 6은 종래의 비교예에 따라 제조된 주철의 포트부를 나타내는 현미경사진이다.

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 자동차의 엔진 배기계용 주철 조성물에 있어서,

철을 주재로 하고, 여기에 탄소(C) 2.9 ~ 3.8 중량%, 규소(Si) 4.0 ~ 4.5 중량%, 망간(Mn) 0.3 중량% 이하, 인(P) 0.05 중량% 이하, 황(S) 0.1 중량% 이하, 몰리브데늄(Mo) 0.8 ~ 1.2 중량%, 마그네슘(Mg) 0.025 ~ 0.045 중량% 가 함유되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 자동차의 엔진 배기계용으로 사용되는 주철재는 탄소, 규소, 망간, 인, 황, 마그네슘(Mg) 및 몰리브데늄(Mo) 등과의 같은 합금을 사용한다.

이때, 본 발명은 종래의 자동차의 엔진 배기계용 주철 조성물에 비하여, 재질의 내산화성을 증대시키기 위해 이상의 조성에 규소(Si)의 함량을 일정하게 조정하고, 페라이트(ferrite) 비율 감소 및 탄화물 형성에 따른 매트릭스(matrix)를 강화하여 고온강도를 증대시킬 수 있도록 몰리브데늄(Mo)을 조정하도록 하는 것이다.

이때, 상기 규소(Si)의 함량은 전체 함량 중 4.0 ~ 4.5 중량% 범위가 바람직하다.

왜냐하면, 이 범위를 벗어나게 되어 4.0 중량% 미만일 경우에는 내산화성이 부족하여 기존재와 별차이가 없게 되고, 4.5 중량%를 초과하게 될 경우, 주물용탕의 유동성이 급격히 저하되어 주조성에서 많은 어려움이 있게 되므로, 규소(Si)의함량을 4.0 ~ 4.5 중량%로 한정하는 것이 극히 타당하다고 할 수 있다.

또한, 상기 몰리브데늄(Mo)은 전체함량 중 0.8 ~ 1.2 중량% 범위이다.

이 몰리브데늄(Mo)이 0.8 중량% 미만일 경우에는 고온강도의 부족 현상이 발생된다는 점에서 바람직하지 않으며, 1.2 중량%를 초과할 경우에는 펄라이트(pearlite) 생성이 증가하여 경도, 인장강도는 증가하지만, 반대로 신율, 충격치 등은 감소하는 문제점이 발생하게 된다.

한편, 상기 성분 이외에 본 발명은 탄소(C) 2.9 ~ 3.8 중량%, 망간(Mn) 0.3 중량% 이하, 인(P) 0.05 중량% 이하, 황(S) 0.1 중량% 이하, 마그네슘(Mg) 0.025 ~ 0.045 중량% 를 포함한다.

이때, 상기 탄소(C)의 함량이 2.9 중량% 미만이면, 수축결함이 일어나게 되고, 3.8 중량%를 초과하게 되면, 탄소 플로테이션(carbon flotation)이 발생하여 문제점이 있다.

또한, 상기 망간(Mn)을 0.3 중량% 이하로 첨가시킨 이유는 주철의 기본 5대원소로서 첨가시킨 것이고, 펄라이트를 촉진하는 원소이며, 과량 첨가시에 재질이 브리틀(brittle)해질 수 있으므로, 상기와 같이 한정하였다.

상기 인(P)을 0.05 중량% 이하로 첨가시킨 이유는 주철의 기본 5대원소로서 첨가시킨 것이고, 0.05 중량%를 초과하게 되면, 탄화물이 생성되므로 그 이하로 첨가시키는 것이 바람직하다.

상기 황(S)을 0.1 중량% 이하로 첨가시킨 이유는 주철의 기본 5대원소로서 첨가시킨 것이고, 0.1 중량% 를 초과하게 되면, 개재물이 생성되어 그 이하로 첨가시키는 것이 좋다.

마지막으로 마그네슘(Mg)을 0.025 ~ 0.045 중량%로 첨가시킨 이유는 마그네슘(Mg)의 함량이 상기 중량%를 초과하면 강도는 증가하나 연성은 감소하고, 그 함량이 상기 중량% 미만이면 반대로 연성은 증가하나 강도는 감소한다.

다음의 표 1은 본 발명에 따른 실시예 및 비교예 1~ 2의 구성성분을 각각 나타내는 것이다.

한편, 상술한 바와 같은 목적에 상응하도록 도 1과 도 2는 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 고온 인장강도 시험결과와 고온 내산화성 시험결과를 나타낸 것으로서, 그 구성성분은 상기 표 1에 나타난 바와 같으며, 이와 같은 구성성분으로 이루어진 실시예는 비교예에 비하여 인장강도 및 고온 내산화성이 월등하게 우수함을 알 수 있다.

이를 더욱 상세하게 설명하자면, 고온 인장강도 시험결과, 시험온도를 700℃에서 800℃로 유지하게 될 시, 온도가 상승하게 되면 인장강도는 감소하게 되는데, 이때 실시예는 120 ~ 60Mpa의 인장강도를 유지하고, 비교예 1은 100 ~ 50Mpa의 인장강도를 유지하며, 비교예 2는 70 ~ 40Mpa의 인장강도를 유지하고 있다.

또한, 고온 내산화성 시험결과, 온도 700℃, 시간 300(hr)에서, 실시예는 산화감소량이 약 110g/m²이고, 비교예 1은 약 235g/m²이며, 비교예 2는 약 290g/m²을 나타내고 있다.

한편, 다음 표 2는 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 페라이트 조직 및 경도를 나타내는 것으로서, 본 발명에 따른 엔진 배기계용 주철에 있어서, 후육부(해당 제품에서 상대적으로 두께가 두꺼운 부위를 말함)와 포트부의 페라이트 비율을 최소 80% 이상으로 제어하였으며, 시제품 분석 결과, 부위에 관계없이 상기 요건을 만족하는 것으로 판단되는 바, 본 발명에 따른 실시예는 몰리브데늄(Mo)의 다량 첨가에 의한 페라이트 비율 감소 및 탄화물의 생성에 따라 비교예에 비하여 약 30%의 경도(HB)향상에 기인함을 알 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 주철 조성물의 함량을 조정하는 바, 특히 규소(Si)와 몰리브데늄(Mo)의 함량을 달리하여 종래의 고니켈 구상흑연주철재 및 SUS 스테인레스 주강재에 비하여, 고온 강도와 고온 내열특성을 증대시킬 수 있는 새로운 자동차의 엔진 배기계용 주철재를 기대할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차의 엔진 배기계용 주철 조성물에 의하면, 기존의 구상흑연주철재료와 비교하여, 고온내산화성 및 고온강도 등의 물성이 각각 약 50%, 20% 정도 향상된 것으로 확인되었으며, 이러한 물성의 향상과 더불어 기존의 SUS 스테인레스 주강재료에 비교하여 가격도 저렴하여 경제적이고 실용적인 엔진 배기계용 합금을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims

자동차의 엔진 배기계용 주철 조성물에 있어서,

철을 주재로 하고, 여기에 탄소(C) 2.9 ~ 3.8 중량%, 규소(Si) 4.0 ~ 4.5 중량%, 망간(Mn) 0.3 중량% 이하, 인(P) 0.05 중량% 이하, 황(S) 0.1 중량% 이하, 몰리브데늄(Mo) 0.8 ~ 1.2 중량%, 마그네슘(Mg) 0.025 중량% 이하가 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차의 엔진 배기계용 주철 조성물.