KR20130087213A

KR20130087213A - 희토류 원소를 이용한 고강도 편상 흑연 주철 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20130087213A
Application number: KR1020120008330A
Authority: KR
Inventors: 양식; 정기환; 황재형; 심동섭
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2013-08-06
Also published as: KR101822201B1

Abstract

본 발명은 고강도와 우수한 유동성을 가진 편상 흑연 주철 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주철의 5대 원소인 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 황(S)에 희토류 원소(Rare Earth Element, RE)를 첨가하되, 이들의 함량과 황과 희토류 원소의 함량비(RE/S)를 제어하여 제조함으로써, 800mm이상의 유동성과, 300MPa 이상의 인장강도를 가지며 적절한 범위의 경도를 가지는 고강도 편상 흑연 주철과 그 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

희토류 원소를 이용한 고강도 편상 흑연 주철 및 그 제조방법{HIGH STRENGTH FLAKE GRAPHITE IRON USING RARE EARTH ELEMENT AND PREPARATION METHOD THEREOF}

본 발명은 고강도 편상 흑연 주철의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조되는 편상 흑연 주철에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주철을 구성하는 주성분과 첨가 성분의 함량들을 제어함으로써, 흑연 형상이 균일하고 높은 강도와 우수한 유동성과 주조성을 발휘하는 편상 흑연 주철 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 환경규제의 강화로 인하여 엔진에서 배출되는 COx나 NOx와 같은 환경 오염물질의 함량을 줄이는 것이 필연적이다. 디젤엔진의 경우, 상기 COx나 NOx와 같은 환경 오염물질의 배출량을 줄이기 위해서는 엔진의 폭발 압력을 높이는 것이 필요하다. 이와 같이 엔진의 폭발압력을 높이기 위해서는 엔진을 구성하는 엔진의 실린던 블록이나 헤드의 강도가 높아져야만 한다.

종래 실린더 블록에 일반적으로 사용되는 재료는 주철인데, 보통의 주철(common grade cast iron)은 일반적으로 회주철이다. 회주철은 주조(鑄造)할 때 탄소가 흑연으로 분리·생성되어 표면이 회색을 띠기 때문에 회주철이라고 불리우며, 또는 편상흑연 조직이므로 편상 흑연 주철이라고도 한다.

일반적으로 주철은 기지에 포함된 흑연의 모양, 크기, 분포 상태에 따라 차이가 많이 생기는데, 일반적으로 주철이라 불리는 편상 흑연 주철의 인장강도는 약 15∼20 kg/mm² 정도이다. 이러한 편상 흑연 주철은 우수한 주조성, 진동감쇄능, 그리고 열전도율을 가지고 있지만, 현재까지의 개발된 재질은 강도가 낮기 때문에 폭발 압력이 높은 엔진의 실린던 블록 재료로 사용되는 데는 한계가 있다.

상기 편상 흑연 주철의 물성을 개선한 주철로서, 구상 흑연 주철이 있다. 구상 흑연 주철(spherical graphite cast iron)은 보통의 주철(회주철) 조직에 나타나는 흑연의 엽편상(葉片狀) 조직을 구상(球狀) 조직으로 변화시켜 강인성 (强靭性)을 향상시킨 주철이다. 이러한 구상흑연주철은 노듈러 주철(nodular cast iron) 혹은 덕타일 주철(ductile cast iron)이라고도 불린다. 상기 구상흑연주철은 내마모성, 내열성, 내식성 등이 우수하고 일반 편상 흑연 주철에 비해 탄성계수가 크고, 브리넬 경도 220 정도나 되며, 절삭성(切削性)도 같은 굳기의 보통 주철보다 좋다. 전술한 구상흑연 주철은 실린더 블록에 적용할 수 있을 정도의 높은 강도를 가지는 반면, 유동성, 주조성이 부족하고, 낮은 열전도율을 가져 복잡한 형상의 실린더 블록에 적용되기에는 한계가 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 주철의 5대 원소인 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 황(S), 인(P)에 희토류 원소(Rare Earth Element, RE)를 첨가하되, 이들의 함량, 황과 희토류 원소의 함량 비(RE/S)를 특정 범위로 제어함으로써, 고강도와 우수한 가공성과 유동성을 동시에 갖는 편상 흑연 주철 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 황(S)과 희토류 원소(RE)의 사용비율을 정밀하게 제어함으로써 안정적인 조직과 우수한 유동성, 높은 인장강도와 경도(Hardness)를 가지는 주철을 제공하는 데 그 목적이 있으며, 특히 형상이 복잡한 디젤엔진의 엔진 실린더 블록 및/또는 엔진 실린더 헤드에 적용 가능한 편상 흑연 주철을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 (i) 전체 중량%에 대하여 탄소(C) 3.3~3.4 중량%, 규소(Si) 2.0~2.2 중량%, 망간(Mn) 0.6~0.8 중량%, 인(P) 0.04 중량% 이하, 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 주철 재료를 용광로에서 용융하여 주철 원탕을 제조하는 단계; (ⅱ) 상기 용융된 주철 원탕에 황(S) 0.15~0.2 중량% 및 희토류 원소(RE) 0.01~0.03 중량%을 조절하여 첨가하는 단계; (ⅲ) 레들로 출탕되는 상기 주철 원탕에 Sr계 접종제를 접종처리하는 단계; 및 (ⅳ) 상기 접종처리된 주철 용융액을 사형에 주입하는 단계를 포함하는 편상 흑연 주철의 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 희토류 원소(RE) 함량의 상기 황(S) 함량에 대한 비(RE/S)는 0.05 내지 0.2 범위로 조절되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 단계 (ⅱ)의 주철 원탕은 용광로에서 용융된 주철 원탕(i)에 황(S) 0.15~0.2 중량%를 투입하여 용융시킨 후, 희토류 원소(RE) 0.01~0.03%를 투입하여 제조되는 것이 가능하다.

이때 상기 희토류 원소(RE)는 주철 원탕과 직접적으로 접촉하지 않은 상태로 주철 원탕에 투입되는 것이 바람직하다. 일례로, 상기 희토류 원소(RE)는 주철 원탕과의 직접 접촉을 방지하는 접촉방지부재의 내부에 구비되어 주철 원탕에 투입되는 것일 수 있다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 주철 원탕에서 탄소 당량(CE: Carbon Equivalent)은 3.97~4.13 범위가 되도록 조정한다.

또한 본 발명의 일례에 따르면, 상기 출탕 온도는 1520 ± 10℃ 범위로 조정한다.

아울러 본 발명은 전술한 제조방법에 의해 제조된 편상 흑연 주철을 제공한다.

여기서, 상기 편상 흑연 주철은 전체 중량%에 대하여 탄소(C) 3.3~3.4 중량%, 규소(Si) 2.0~2.2 중량%, 망간(Mn) 0.6~0.8 중량%, 황(S) 0.15~0.2 중량%, 희토류 원소(RE) 0.01~0.03 중량%, 인(P) 0.04 중량% 이하, 및 100 중량%를 만족시키는 잔량의 철(Fe)을 포함하며, 상기 희토류 원소(RE) 함량의 상기 황(S) 함량에 대한 비(RE/S)가 0.05 내지 0.2 범위의 조성을 지닌다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 편상 흑연 주철의 탄소 당량(CE: Carbon Equivalent)은 CE = 탄소+(규소+인)×1/3의 방법으로 계산하였을 때, 3.97~4.13 범위가 되도록 한다.

또한 본 발명의 일례에 따르면, 상기 편상 흑연 주철의 인장강도(Tensile Strength)는 300~350 MPa 범위이며, 브리넬 경도값(BHW)이 200~230 범위인 것이 가능하다.

한편 본 발명의 일례에 따르면, 상기 편상 흑연 주철은 유동성(Fluidity) 시험편의 나선의 길이가 800~850 mm인 것이 가능하다.

아울러, 본 발명의 일례에 따르면, 상기 편상 흑연 주철은 실린더 헤드, 실린더 블록, 또는 브레이크 디스크용 주철로 사용 가능하다.

본 발명에 따르면, 황(S)과 희토류 원소(RE)의 함량 비(RE/S)에 따라 인장 강도, 유동도, 브리넬 경도가 달라질 수 있는데, 형상이 복잡한 디젤엔진의 실린더 블록에 적용하기 위해서는 RE/S 함량 비율(RE/S)이 0.05~0.2가 되도록 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 주철에 첨가되는 희토류 원소(RE)의 양, 및 희토류 원소(RE) 함량의 황(S) 함량에 대한 비(RE/S)를 정밀하게 제어함으로써, 합금철의 사용없이 300~350 MPa의 높은 인장강도와 800mm 이상의 우수한 유동성, 200~230 범위의 브리넬 경도를 가진 편상 흑연 주철을 제공할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 편상 흑연 주철은 높은 인장강도, 우수한 유동성 및 적절한 경도를 동시에 가지므로, 복잡한 형상을 가진 디젤엔진의 실린더 블록, 실린더 헤드 등의 엔진 부품에 유용하게 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 편상 흑연 주철의 제조공정의 일례를 간략히 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 편상 흑연 주철의 유동도 측정용 나선 시험편 제작을 위한 금형을 나타낸 것이다.
<부호의 간단한 설명>
100: 용해로 110: 주철 용융액
200: 황(S) 210: 희토류 원소(Rare Earth Element)
220: Sr계 접종제 300: 금속막대
400: 래들(ladle) 500: 사형

이하, 구체적인 예시를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

종래 편상 흑연 주철의 고강도화를 위해 첨가된 합금철에 의한 칠(chill)화를 방지하고자 용탕에 희토류 원소를 첨가하기도 하였으나, 이 경우 희토류 원소의 강한 산화성으로 인해 투입 효과를 얻기 어려웠을 뿐만 아니라, 오히려 첨가된 희토류 원소에 의해 용탕의 유동성 저하와 Chill화가 촉진되어 형상이 복잡한 엔진 실린더 블록 소재로 적용하기에는 한계가 있었다.

그러나 본 발명에서는 합금철의 사용 없이, 주철에 희토류 원소만을 첨가하되, 주철을 구성하는 5대 원소(예, C, Si, Mn, S, P)와 희토류 원소(RE)의 함량, 및 황과 희토류 원소의 함량비(RE/S)를 각각 특정 범위로 정밀하게 제어함으로써, 첨가된 희토류 원소에 의한 용탕의 유동성 저하가 발생하지 않고 건전한 A형 편상 흑연의 성장 및 정출을 보조하여 고강도와 우수한 가공성, 유동성 및 경도를 가지는 편상 흑연 주철을 제공할 수 있다.

이때 첨가되는 희토류 원소(RE)의 함량, 및 주철 내 희토류 원소(RE)와 황(S)과의 함량비(RE/S)는 인장강도가 300 MPa 이상이면서 유동성이 800mm 이상인 편상 흑연 주철을 제조하는데 가장 중요한 인자이다. 따라서 본 발명의 편상 흑연 주철은 하기에 예시되는 제조방법 및 해당 화학조성으로 한정하는 것이 필요하다.

이하, 본 발명에 따른 편상 흑연 주철의 제조방법 및 제조된 편상 흑연 주철의 화학조성에 대해 설명한다. 그러나 하기 제조방법에 의해서만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 공정의 단계가 변형되거나 선택적으로 혼용되어 수행될 수 있다.

여기서, 각 원소의 첨가량은 중량%이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 먼저 전체 중량%에 대하여 탄소(C) 3.3~3.4 중량%, 규소(Si) 2.0~2.2 중량%, 망간(Mn) 0.6~0.8 중량%, 인(P) 0.04 중량% 이하, 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 주철 용융액 원탕(110)을 제조한다.

본 발명에 따른 주철 용융액 원탕(110)을 제조하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 일례로 주철의 5대 원소인 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 황(S), 인(P)이 전술한 함량 범위로 함유된 주철 재료를 용광로(100)에서 용융하여 주철 용융액 원탕(110)을 준비한다.

이때 인(P)은 주조를 하기 위한 원재료에 불순물로 포함될 수 있으며, 또는 별도로 첨가할 수도 있다. 한편, 본 발명에서 상기 주철 원탕 중의 화학조성의 한정이유는 후술하는 편상 흑연 주철의 화학조성의 경우에서 기술하는 이유와 동일하므로, 이에 관한 설명은 생략한다.

상기와 같이 용융된 주철 용융액 원탕(110)에 황(S) 0.15~0.2 중량% 및 희토류 원소(RE) 0.01~0.03 중량%을 조절하여 첨가한다.

이때 희토류 원소(RE)는 산화성이 높은 물질이므로, 적절한 투입 시기와 투입방법이 필수적으로 요구된다. 본 발명에서는 주철 용융액 원탕(110)에 황(S)과 희토류 원소(RE)를 첨가시, 먼저 황(S) 0.15~0.2 중량%를 투입하여 용융시킨 후, 다음으로 희토류 원소(RE) 0.01~0.03%를 투입하는 것이 바람직하다.

또한 산화성이 강한 희토류 원소(RE)는 주철 용융액 원탕(110)에 직접 접촉한 상태로 투입하면 희토류 원소의 투입 효과가 거의 나타나지 않게 되므로, 주철 원탕과 직접적으로 접촉하지 않은 상태로 투입하는 것이 필요하다. 이에, 본 발명에서는 주철 원탕(110)과의 직접 접촉을 방지하는 접촉방지부재의 내부에 희토류 원소(RE)를 구비한 상태로 주철 원탕에 투입한다.

상기 접촉방지 부재는 주철 원탕(110)과 희토류 원소(RE)의 직접 접촉을 방지하면서, 투입된 이후 주철 원탕의 조성에 영향을 주지 않는 물질이라면 이의 성분, 형태, 함량 등에 특별한 제한이 없다. 사용 가능한 접촉방지 부재의 비제한적인 예로는 알루미늄 호일 등이 있다.

본 발명에 따른 황(S)과 희토류 원소(RE) 첨가단계(ⅱ)의 일례를 들면, 황(200)을 우선적으로 투입한 후 용해를 완료하고, 이후 알루미늄(Al) 호일로 개별적으로 포장된 강 산화성 희토류 원소(210)를 투입하여 주철 용융액 원탕(110)과의 투입시 반응을 최소화한다. 투입된 희토류 원소(210)가 원탕(110)내에 균일하게 포함될 수 있도록 금속막대(300)를 이용하여 교반을 실시한다.

이때 본 발명에서는 편상 흑연 주철의 화학조성을 상기와 같이 한정함과 동시에, 상기 첨가되는 희토류 원소(RE) 함량의 상기 황(S) 함량에 대한 비(RE/S)를 0.05~0.2 범위로 한정할 필요가 있다. 상기 RE/S의 비가 0.05 미만이면 강도의 저하가 초래되고, RE/S의 비가 0.2를 초과하면 가공성이 저하될 수 있다. 이와 같이 RE/S 비를 한정함으로써, 안정적인 A형의 편상 흑연을 얻을 수 있고, Chill화를 감소시키기 때문에 인장강도가 300MPa 이상이면서, 가공성이 우수한 엔진 실린더 블록용 고강도 편상 흑연 주철을 얻을 수 있다.

상기와 같이 제조된 주철 용융액 원탕(110)은 탄소 당량 측정기, 탄소/황 분석기 및 분광분석기를 이용하여 원탕의 성분 분석을 완료한다.

이후 상기 주철 원탕(110)을 출탕하기 위한 용기인 래들(400, ladle)을 준비하고 출탕하는데, 고강도 편상 흑연 주철의 재질의 안정화 측면에서 레들(400)로 출탕되는 상기 주철 용융액 원탕(110)에 Sr계 접종제(220)를 스트림(Stream) 접종을 하면서 출탕한다. 이와 같이 주철 원탕을 래들에 출탕할 때 Sr계 접종처리를 하면, 안정적인 A형의 편상 흑연을 정출시켜, 안정적인 기계적 특성과 유동성을 갖는 편상 흑연 주철을 얻게 된다.

이때 투입되는 접종제의 크기는 직경 1~3mm 범위일 수 있으며, 고강도 편상 흑연 주철의 재질 안정화 효과를 얻기 위한 접종제의 투입량은 중량비(%)로 0.3±0.05% 로 한정하는 것이 바람직하다.

이어, 출탕이 완료된 레들(400)의 용탕 온도를 침적식 타입의 온도계를 사용하여 측정하고, 온도를 측정한 후 준비된 사형(500)에 주철 용융액(110)을 주입하여 고강도 편상 흑연 주철의 제조를 완성한다.

상기와 같이 제조된 본 발명의 고강도 편상 흑연 주철은, 현재 엔진 실린더 블록 및 헤드에 사용되는 인장강도 250MPa급 편상 흑연 주철보다 높은 300~350 MPa 강도를 가지면서도 800mm 이상의 우수한 유동성과 적절한 경도를 보여준다. 따라서 본 발명에 따른 편상 흑연 주철은 형상이 복잡하고, 폭발압 상승에 따라 더욱 높은 수준의 강성이 요구되는 디젤엔진의 실린더 블록 및/또는 헤드에 적용 가능한 아공정(hypoeutectic) GC (gray cast iron) 주철에 해당된다.

또한 본 발명의 편상 흑연 주철은 높은 인장강도와 경도, 유동성을 모두 가지고 있기 때문에, 단면 두께가 10mm 이상인 후육부와 단면 두께가 5mm 이하인 박육부가 동시에 존재하는 복잡한 형상의 엔진 실린더 블록 및 헤드에 유용하게 적용될 수 있다.

본 발명에서는 전술한 방법에 의해 제조된 고강도 편상 흑연 주철을 제공한다. 보다 구체적으로, 상기 편상 흑연 주철은 전체 중량%에 대하여 탄소(C) 3.3~3.4 중량%, 규소(Si) 2.0~2.2 중량%, 망간(Mn) 0.6~0.8 중량%, 황(S) 0.15~0.2 중량%, 희토류 원소(RE) 0.01~0.03 중량%, 인(P) 0.04 중량% 이하, 및 100 중량%를 만족시키는 잔량의 철(Fe)을 포함하며, 상기 희토류 원소(RE) 함량의 상기 황(S) 함량에 대한 비(RE/S)가 0.05 내지 0.2 범위의 조성을 지닌다.

이하, 본 발명에서 상기 편상 흑연 주철에 함유된 각 성분의 첨가 이유 및 첨가된 함량의 범위를 한정하는 이유는 다음과 같다.

1) 탄소(C) 3.3~3.4 중량%

탄소는 흑연(graphite) 정출을 위해 첨가된다. 본 발명에 따른 편상 흑연 주철에서 탄소의 함량이 3.3 중량% 미만이면 단면 두께가 5mm 이하인 박육부(thin-walled part)에서 칠(chill)화 거동이 관찰되고, 3.4 중량%를 초과하면 강도 저하가 발생한다. 따라서, 다양한 두께를 가지는 고강도 실린더 블록에서 안정적인 강도와 안정적인 흑연 조직을 확보하기 위하여, 본 발명에서는 탄소의 함량을 3.3~3.4 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

2) 규소(Si) 2.0~2.2 중량%

규소는 탄소와 최적 비율로 첨가될 경우 흑연(graphite) 정출량을 극대화하고 주철의 강도를 증가시킨다. 본 발명에 따른 편상 흑연 주철에서 규소(Si)의 함량이 2.0 중량% 미만이면 흑연 정출량이 낮아지는 문제가 발생하고, 2.2 중량%를 초과하면 연성이 낮아지고, 편상 흑연의 과다 발생에 따른 강도의 저하가 발생하게 된다. 따라서 본 발명에서는 규소(Si)의 함량을 2.0~2.2 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

3) 망간(Mn) 0.6~0.8 중량%

망간은 펄라이트의 미세화로 편상 흑연 주철의 강도의 향상을 위해 첨가되는 원소이다. 본 발명에 따른 편상 흑연 주철에서 망간(Mn)의 함량이 0.6 중량% 미만이면 강도가 저하되고, 0.8 중량%를 초과하면 탄화물 생성에 따라 취성이 증가하고 가공성이 저하된다. 따라서 본 발명에서는 망간(Mn)의 함량을 0.6~0.8 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

4) 황(S) 0.15~0.2 중량%

황은 주철 원탕에 포함되어 있는 미량 원소(예, 희토류 원소)와 반응하여 황화물을 형성하며, 이러한 황화물은 편상 흑연(graphite)의 핵 생성처 역할을 하여 편상 흑연의 성장을 보조하는 역할을 한다. 본 발명에 따른 편상 흑연 주철에서 황(S)의 함량이 0.15 중량% 미만이면 희토류 원소와 반응하여 많은 흑연 핵생성처를 생성하지 못하므로 강도의 저하가 초래되고, 0.2 중량%를 초과할 경우에는 취성이 증대되는 문제가 발생하게 된다. 따라서 본 발명에서는 황(S)의 함량을 0.15~0.2 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

5) 인(P) 0.04 중량% 이하

인은 주철 제조공정 중 공기에서 자연적으로 첨가되는 불순물의 일종이기도 하다. 이러한 인은 펄라이트를 안정화하는 역할도 하나, 그 함량이 0.04 중량%를 초과하게 되면 취성을 급격히 증가시키게 되고, 이는 편석(segregation)으로 인한 수축 결함과도 연관이 있다. 따라서 본 발명에 따른 편상 흑연 주철에서는 인(P)의 함량이 0.04 중량% 이하가 되도록 한정하는 것이 바람직하다.

한편 주철 원료성분에서 인(P)의 함량이 0이 되도록 하는 것은 현실적으로 어려움이 있으며, 설령 주철 원료성분에서 인의 함량이 0이라 하더라도 주철의 제조공정에서 인이 함유될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 인의 함량이 0.04 중량%을 넘지 않도록 조절하는 것이 중요하다.

6) 희토류 원소(Rare Earth Element, RE) 0.01~0.03 중량%

희토류 원소는 강력한 흑연의 핵 생성처로 작용하여 미세한 흑연의 많은 정출을 위해 첨가된다. 본 발명에 따른 편상 흑연 주철에서 희토류 원소(RE)의 함량이 0.01 중량% 미만이면 흑연의 정출량이 작아 유동성 저하 및 칠(chill) 발생이 야기되고, 0.03 중량% 초과하면 과도한 흑연의 정출에 따른 강도의 저하와 유동성의 급격한 저하가 발생되게 된다. 따라서 본 발명에서는 희토류 원소의 함량이 0.01~0.03 중량%로 조절하는 것이 바람직하다.

7) 철(Fe)

철은 본 발명에 따른 주철의 주재이다. 상기 성분 이외의 잔량의 성분은 철(Fe)이며, 그 외 불가피한 불순물이 일부 포함될 수 있다.

본 발명의 편상 흑연 주철은 상기 화학조성에 한정될 뿐 아니라, 상기 희토류 원소(RE) 함량의 황(S) 함량에 대한 비(RE/S)를 0.05~0.2 범위로 한정함으로써, 안정적인 A형 편상 흑연을 얻을 수 있고, 인장강도가 300MPa 이상이면서, 가공성이 우수하여 엔진 실린더 블록 및 헤드로 적용 가능한 고강도 편상 흑연 주철을 얻을 수 있다.

본 발명의 일례에 따르면, 탄소 당량(CE: carbon equivalent)은 3.97~4.13이 되도록 한다. 본 발명에 따른 주철에서는 탄소 당량(CE)이 3.97 미만인 경우에는 단면의 두께가 5mm 이하인 박육부(thin-walled part)에서 칠(chill)이 발생하여 주조불량 및 유동성 저하가 초래되며, 탄소 당량(CE)이 4.13을 초과하는 경우에는 초정 흑연(primary graphite)의 과도한 생성에 의해 강도의 저하가 발생하게 된다. 따라서 본 발명에서는 탄소 당량(CE)의 범위를 3.97~4.13으로 한정하는 것이 바람직하다. 이 때, 탄소 당량(CE)은 탄소 + (규소+인) × 1/3로 정의되며, 그 값은 엔진 실린더 블록 및 헤드의 기계적 성질, 제품의 물성과 품질의 제어를 위해 적절히 조절될 수 있다.

본 발명의 일례에 따르면, 전술한 화학조성을 가진 편상 흑연 주철의 인장강도(Tensile Strength)는 300~350MPa 범위이며, 브리넬 경도값(BHW)은 200~230 정도이다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 화학조성을 가진 편상 흑연 주철을 적용한 유동성(Fluidity) 시험편의 나선의 길이가 800~850mm 범위이다. 이때 유동성 시험편은 하기 도 2와 같이 도시될 수 있다.

아울러 본 발명의 편상 흑연 주철은 인장강도가 300MPa 이상인 고강도 소재이므로, 디젤엔진용 부품, 특히 형상이 복잡하여 후육부와 박육부가 동시에 존재하는 엔진 실린더 블록, 엔진 실린더 헤드, 브레이크 디스크 또는 이들 모두에 적용하는 것이 가능하다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시된 것으로, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안되며, 본 발명의 사상을 일탈하지 않고 하기의 실시예들로부터 다양한 변형 및 변경이 가능하다.

<실시예 1~5 및 비교예 1~5>

하기 표 1의 조성에 따라 실시예 1~5 및 비교예 1~5에 의한 편상 흑연 주철을 제조하였다.

구분	C	Si	Mn	S	P	Cr	Sn	Cu	RE	RE/S	Fe
실시예1	3.31	2.15	0.68	0.157	0.026	-	-	-	0.02	0.127	잔량
실시예2	3.34	2.10	0.63	0.20	0.028	-	-	-	0.02	0.096	잔량
실시예3	3.34	2.0	0.58	0.180	0.028	-	-	-	0.02	0.11	잔량
실시예4	3.31	2.0	0.65	0.20	0.027	-	-	-	0.01	0.05	잔량
실시예5	3.39	2.21	0.66	0.151	0.028	-	-	-	0.03	0.2	잔량
비교예1	3.33	2.05	0.61	0.081	0.027	-	-	-	0.04	0.49	잔량
비교예2	3.33	2.13	0.63	0.104	0.028	-	-	-	0.005	0.05	잔량
비교예3	3.42	1.95	0.67	0.18	0.024	-	-	-	0.008	0.04	잔량
비교예4	3.38	2.1	0.67	0.08	0.032	0.18	0.06	-	-	-	잔량
비교예5	3.31	1.95	0.67	0.053	0.03	0.2	0.07	0.40	-	-	잔량

먼저 표 1의 조성에 따라 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 황(S), 인(P)이 함유된 원탕을 준비하였다. 이때 원탕을 구성하는 각 성분의 단위는 중량%이다. 인(P)의 경우 취성문제와 수축문제로 인하여 0.04 중량% 이하가 되도록 하였다.

상기와 같이 제조된 주철 용융액 원탕은 탄소 당량 측정기, 분광분석기를 이용하여 원탕의 성분 분석을 완료하였다. 이와 같이 용융된 주철 용융액 원탕에 황(S) 0.15~0.2 중량% 및 희토류 원소(RE) 0.01~0.03 중량%을 조절하여 첨가하였다. 이때 희토류 원소(RE)가 포함되지 않는 비교예 4~5의 경우에는 크롬(Cr), 주석(Sn), 구리(Cu)를 용융액 원탕에 출탕 직전에 적정 중량을 조절하여 첨가하였다.

이후 상기 주철 원탕을 출탕하기 위한 용기인 래들을 준비하고 출탕하는데, Sr계 접종제를 투입하면서 출탕하였다. 레들에 출탕을 완료한 후 용탕의 온도를 측정하고, 준비된 주형에 용탕을 주입하여 엔진 실린더 블록 및 헤드용 편상 흑연 주철 제품을 제조하였다.

상기 표 1의 조성에 따라 제조된 실시예 1~5 및 비교예 1~5의 주철의 탄소당량, 인장강도, 경도, 및 유동도를 각각 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

구분	탄소 당량 (C.E.)	인장강도 (N/mm²)	경도 (HBW)	유동도 (mm)
실시예1	4.03	308	227	845
실시예2	4.04	302.5	217.7	832
실시예3	4.01	315.7	209.3	815
실시예4	3.98	349	229.7	801
실시예5	4.13	306.2	207.5	849
비교예1	4.01	271	197.3	795
비교예2	4.04	284	217.3	625
비교예3	4.07	253.7	211	680
비교예4	4.08	273.5	191.7	808.5
비교예5	3.96	305.7	208	642.5

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, RE/S 비가 0.05~0.2 범위로 조절된 실시예 1~5에 따른 주철의 인장강도는 300~350 MPa 범위이며, 브리넬 경도값은 200~230 HB 범위이며, 유동도는 800mm 이상인 것을 알 수 있었다.

참고로, 비교예 1과 3은 실시예 1~5의 원탕과 동일하고, 단 RE 함량과 RE/S 비가 본 발명의 조성 범위를 벗어난 예이다.

비교예 2는 실시예 1~5의 원탕과 동일하고, 단 RE 함량이 본 발명의 조성 범위를 벗어난 예이다.

비교예 4는 종래 엔진실린더 블록 및 헤드용 편상 흑연 주철로 사용하고 있는 인장강도 250 MPa급 소재의 일례이다.

비교예 5는 종래 엔진 실린더 블록 및 헤드용 고강도 편상 흑연 주철로 사용하고 있는 300MPa급 소재로서, 낮은 유동도를 보이는 일례이다.

Claims

(i) 전체 중량%에 대하여 탄소(C) 3.3~3.4 중량%, 규소(Si) 2.0~2.2 중량%, 망간(Mn) 0.6~0.8 중량%, 인(P) 0.04 중량% 이하, 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 주철 재료를 용광로에서 용융하여 주철 원탕을 제조하는 단계;
(ⅱ) 상기 용융된 주철 원탕에 황(S) 0.15~0.2 중량% 및 희토류 원소(RE) 0.01~0.03 중량%을 조절하여 첨가하는 단계;
(ⅲ) 레들로 출탕되는 상기 주철 원탕에 Sr계 접종제를 접종처리하는 단계; 및
(ⅳ) 상기 접종처리된 주철 용융액을 사형에 주입하는 단계
를 포함하는 편상 흑연 주철의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 희토류 원소(RE) 함량의 상기 황(S) 함량에 대한 비(RE/S)는 0.05 내지 0.2 범위로 조절되는 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (ⅱ)의 주철 원탕은 용광로에서 용융된 주철 원탕(i)에 황(S) 0.15~0.2 중량%를 투입하여 용융시킨 후, 희토류 원소(RE) 0.01~0.03%를 투입하여 제조되는 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 희토류 원소(RE)는 주철 원탕과 직접적으로 접촉하지 않은 상태로 주철 원탕에 투입되는 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 희토류 원소(RE)는 주철 원탕과의 직접 접촉을 방지하는 접촉방지부재의 내부에 구비되어 주철 원탕에 투입되는 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 주철 원탕에서 탄소 당량(CE: Carbon Equivalent)은 3.97~4.13 범위인 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 출탕 온도는 1520±10℃ 범위로 조절되는 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철의 제조방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 편상 흑연 주철.
제8항에 있어서, 상기 주철은 전체 중량%에 대하여 탄소(C) 3.3~3.4 중량%, 규소(Si) 2.0~2.2 중량%, 망간(Mn) 0.6~0.8 중량%, 황(S) 0.15~0.2 중량%, 희토류 원소(RE) 0.01~0.03 중량%, 인(P) 0.04 중량% 이하, 및 100 중량%를 만족시키는 잔량의 철(Fe)을 포함하며,
상기 희토류 원소(RE) 함량의 상기 황(S) 함량에 대한 비(RE/S)가 0.05 내지 0.2 범위의 조성을 지닌 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철.
제8항에 있어서, 인장강도(Tensile Strength)가 300~350 MPa인 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철.
제 8항에 있어서, 유동성(Fluidity) 시험편의 나선의 길이가 800~850 mm인 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철.
제 8항에 있어서, 탄소 당량(CE: Carbon Equivalent)이 3.97~4.13인 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철.
제 8항에 있어서, 브리넬 경도값(BHW)이 200~230 범위인 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철.
제8항에 있어서, 실린더 헤드, 실린더 블록, 또는 브레이크 디스크용 주철인 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철.