KR20140061165A - 고강도와 고인성의 구상 흑연 주철 및 이로부터 제조된 자동차용 부품 - Google Patents

고강도와 고인성의 구상 흑연 주철 및 이로부터 제조된 자동차용 부품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구상 흑연 주철에 있어서, 탄소(C) 3.2-3.8중량%, 규소(Si) 2.6-3.3중량%, 망간(Mn) 0.1-0.5중량%, 구리(Cu) 0.4-0.8중량%, 주석(Sn) 0.001-0.03중량%, 비스무트(Bi) 0.001-0.03중량% 및 불가피한 불순물 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 구상 흑연 주철 및 이로부터 제조된 자동차용 부품에 관한 것이다.

Description

고강도와 고인성의 구상 흑연 주철 및 이로부터 제조된 자동차용 부품{NODULAR GRAPHITE CAST IRON WITH HIGH STRENGTH AND HIGH TOUGHNESS AND PARTS OF AN AUTOMOBILE MANUFACTURED FROM THE SAME}
본 발명은 구상 흑연 주철 및 이로부터 제조된 자동차용 부품에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 비열 처리형 구상 흑연 주철로서, 합금 성분의 원소 함량을 제어하여 고강도와 고인성을 확보할 수 있는 구상 흑연 주철 및 이로부터 제조된 자동차용 부품에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 너클(knuckle)/캐리어는 주철 또는 알루미늄과 같은 소재를 적용하고 있다. 특히 중소형 차량의 경우 저가의 구상 흑연 주철을 사용하고 있다.
이를 위해 열처리를 통한 고강도화된 구상 흑연 주철(예:오스템퍼링 구상 흑연 주철, ADI) 및 비열 처리 상태에서 성분과 공정 조건의 제어를 통한 GCD 700-800 등급의 고강도 일반 구상 흑연 주철이 사용되고 있다. 그러나, 열처리를 통한 고강도 구상 흑연 주철은 열처리 및 고경도로 인한 가공성 열세로 비용 상승을 수반할 수 있다. 또한 GCD 700-800 비열 처리형 고강도 주철은 신율이 2% 수준으로 물성이 좋지 않을 수 있다.
이와 관련하여, 한국등록특허 제10-0325125호(등록일:2002.02.05, 발명의 명칭:내열용 구상 흑연 주철재 및 그 열처리 방법)는 내열성, 내마모성 및 내산화성을 가지는, C:2.2-3.8중량%, Si:3.0-5.5중량%, Mn:1.0중량% 이하, Ni:0.5중량% 이하, Cr:0.5중량% 이하, W:0.01-6.0중량%, Mo:3.0중량% 이하를 포함하고, 나머지는 Fe, 불가피한 불순물 또는 흑연의 구상화를 위하여 첨가되는 Mg, Zr, Bi 및 희토류 원소의 복합물이 각각 또는 합으로 0.001-0.6중량% 조성으로 이루어지는 구상 흑연 주철을 개시하고 있다.
본 발명의 목적은 인장강도와 항복강도가 높고 신율도 높은 구상 흑연 주철을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 경량화 효과 및 안정성이 높고, 강건성을 확보할 수 있는 구상 흑연 주철을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 구상 흑연 주철로 제조된 자동차용 부품을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 관점인 구상 흑연 주철은 구상 흑연 주철에 있어서, 탄소(C) 3.2-3.8중량%, 규소(Si) 2.6-3.3중량%, 망간(Mn) 0.1-0.5중량%, 구리(Cu) 0.4-0.8중량%, 주석(Sn) 0.001-0.03중량%, 비스무트(Bi) 0.001-0.03중량% 및 불가피한 불순물 및 잔량의 철(Fe)을 포함할 수 있다.
상기 비스무트(Bi)는 0.01-0.02중량%로 포함될 수 있다.
상기 구상 흑연 주철은 마그네슘(Mg) 0.015-0.04중량%, 인(P) 0.004-0.01중량%, 및 황(S) 0.001-0.004중량%를 더 포함할 수 있다.
상기 구상 흑연 주철은 인장강도가 700 MPa 이상, 항복강도가 420 MPa 이상, 연신율이 7% 이상이 될 수 있다.
본 발명의 다른 관점인 구상 흑연 주철의 제조 방법은 탄소(C) 3.2-3.8중량%, 규소(Si) 2.6-3.3중량%, 망간(Mn) 0.1-0.5중량%, 구리(Cu) 0.4-0.8중량%, 주석(Sn) 0.001-0.03중량%, 비스무트(Bi) 0.001-0.03중량% 및 불가피한 불순물 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 구상 흑연 주철재를 1350-1500℃에서 용탕을 주입하고 45-90분 동안 몰드 내에서 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점인 자동차용 부품은 상기 구상 흑연 주철로 제조될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 인장강도와 항복강도가 높고 신율도 높은 구상 흑연 주철을 제공하였다. 또한, 경량화 효과 및 안정성이 높고, 강건성을 확보할 수 있으며 자동차의 NVH(noise, vibration, and hardness) 강건성을 확보할 수 있는 구상 흑연 주철을 제공하였다.
본 발명의 일 관점인 구상 흑연 주철은 중량 기준으로 구상 흑연 주철에 있어서, 탄소(C) 3.2-3.8중량%, 규소(Si) 2.6-3.3중량%, 망간(Mn) 0.1-0.5중량%, 구리(Cu) 0.4-0.8중량%, 주석(Sn) 0.001-0.03중량%, 비스무트(Bi) 0.001-0.03중량% 및 불가피한 불순물 및 잔량의 철(Fe)을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 구상 흑연 주철에서 각 원소에 대해 상세하게 설명한다.
탄소(C)는 구상 흑연 주철에서 주로 구형의 흑연 입자로 존재하고, 회주철에서 존재하는 긴 리본 모양의 프레이크 흑연에 비하여 강도, 연신율 및 충격 특성과 같은 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
탄소(C)는 구상 흑연 주철 중 3.2-3.8중량%, 바람직하게는 3.3-3.6중량%, 더 바람직하게는 3.48-3.50중량%로 포함될 수 있다. 탄소(C) 함량이 3.2중량% 미만인 경우, 주철의 신율이 7% 미만으로 원하는 물성을 얻을 수 없다. 탄소(C) 함량이 3.8중량% 초과인 경우, 인장강도와 항복강도가 낮아 주철로 사용할 수 없다.
구상 흑연 주철에서 흑연은 평균 입경 10㎛ 이하, 바람직하게는 7-9 ㎛가 될 수 있다.
규소(Si)는 구상 흑연 주철에서 기지 조직을 형성하는 기본 합금 원소이다.
규소(Si)는 구상 흑연 주철 중 2.6-3.3중량%, 바람직하게는 2.7-2.9중량%, 더 바람직하게는 2.74-2.9중량%로 포함될 수 있다. 규소(Si) 함량이 2.6중량% 미만인 경우, 신율이 7% 미만으로서 원하는 물성을 얻을 수 없다. 규소(Si) 함량이 3.3중량% 초과인 경우, 내산화성이 좋지 않고 파괴인성과 충격특성이 저하될 수 있다.
망간(Mn)은 구상 흑연 주철에서 강도 향상을 위한 펄라이트 조장 원소로 첨가된다. 망간(Mn)은 0.1-0.5중량%, 바람직하게는 0.3-0.4중량%, 더 바람직하게는 0.3-0.33중량%로 포함될 수 있다. 망간(Mn) 함량이 0.1중량% 미만인 경우, 황(S)에 의한 불순물로 인해 물성저하 및 조직 불안정을 초래할 수도 있다. 망간(Mn) 함량이 0.5중량% 초과인 경우, 강도/조직상 영향도 없으며, 비용의 상승이 발생한다.
구리(Cu)는 시효 강화 특성이 있어 강도 및 경도를 증대시킬 수 있다.
구리(Cu)는 0.4-0.8중량%, 바람직하게는 0.4-0.5중량%, 더 바람직하게는 0.45-0.50중량%, 가장 바람직하게는 0.45-0.47중량%로 포함될 수 있다. 구리(Cu)가 0.4중량% 미만인 경우, 인장강도, 항복강도 및 신율이 좋지 않을 수 있다. 구리(Cu)가 0.8중량% 초과인 경우, 인장강도, 항복강도가 좋지 않을 수 있다.
주석(Sn)은 구상 흑연 주철 중 0.001-0.03중량%, 바람직하게는 0.005-0.015중량%, 더 바람직하게는 0.005-0.011중량%, 가장 바람직하게는 0.008-0.011중량%로 포함될 수 있다. 주석(Sn)이 0.001중량% 미만인 경우, 스크랩을 많이 사용하는 주출 소재 특성상 관리가 쉽지 않을 뿐만 아니라, 관리 부주의로 인한 물성 불안정을 초래할 수 있다. 주석(Sn)이 0.03중량% 초과로 포함될 경우, 인장 및 항복 강도는 상승하나, 신율의 저하를 발생시키는 문제점이 있을 수 있다.
비스무트(Bi)는 탄소(C), 규소(Si), 구리(Cu), 망간(Mn), 주석(Sn)을 포함하는 구상 흑연 주철에 있어서, 흑연의 형상을 개선하고 신율을 향상시키는 역할을 한다. 비스무트(Bi)는 구상 흑연 주철 중 0.001-0.03중량%, 바람직하게는 0.005-0.02중량%, 더 바람직하게는 0.01-0.02중량%로 포함될 수 있다. 비스무트(Bi)가 0.001 중량% 미만으로 포함될 경우 인장강도, 항복강도 또는 신율이 좋지 않을 수 있다. 비스무트(Bi)가 0.03중량% 초과로 포함될 경우 인장성질을 해치는 탄화물과 바람직하지 못한 흑연조직 형상을 조장할 수 있다.
본 발명의 구상 주철 합금은 상술한 성분 이외에, 마그네슘(Mg), 인(P) 및 황(S)을 더 포함할 수 있다. 이들 원소는 탄소(C), 황(Si), 망간(Mn), 구리(Cu), 주석(Sn) 및 비스무트(Bi)로 구성되는 주절 합금에서 흑연 구상화를 촉진할 수 있다. 마그네슘(Mg)은 0.015중량% 이상, 바람직하게는 0.015-0.05중량%로 포함될 수 있다. 인(P)은 0.05중량% 이하, 바람직하게는 0.001-0.01중량%로 포함될 수 있다. 황(S)은 0.05중량% 이하, 바람직하게는 0.001-0.01중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 구상 흑연 주철은 인장강도 700 MPa 이상, 항복강도 420 MPa 이상, 신율 7% 이상을 달성할 수 있다. 바람직하게는 인장강도는 700-850 MPa, 항복강도는 450-490 MPa, 신율은 9.0-10.5 %가 될 수 있다.
본 발명의 구상 흑연 주철은 자동차용 너클/캐리어 등의 샤시 부품 소재로 사용될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 관점인 구상 흑연 주철의 제조 방법은 중량 기준으로 구상 흑연 주철에 있어서, 탄소(C) 3.2-3.8중량%, 규소(Si) 2.6-3.3중량%, 망간(Mn) 0.1-0.5중량%, 구리(Cu) 0.4-0.8중량%, 주석(Sn) 0.001-0.03중량%, 비스무트(Bi) 0.001-0.03중량% 및 불가피한 불순물 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 조성물을 비열 처리 방법으로 하여 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
비열 처리에 의해 구상 흑연 주철을 제조하는 방법은 당업자에게 공지되어 있다. 예를 들면, 1350-1500℃에서 상기 조성물의 용탕을 주입하고 45-90분 동안 몰드 내에서 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점인 자동차용 부품은 상기 구상 흑연 주철로 제조될 수 있다. 상기 자동차용 부품은 제한되지 않는데, 예를 들면 자동차 너클/캐리어 등이 될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 1-2와 비교예 1-4
하기 표 1에 기재된 조성 및 잔량의 Fe를 혼합하고 전기로를 이용하여 1350-1500℃에서 용탕을 주입하고(규소와 비스무트계 접종을 행함), 45-90분 동안 몰드 내에서 냉각시켜 주철을 제조하였다.
C Si Mn Cu Sn Bi Mg P S
실시예 1 3.48 2.90 0.33 0.46 0.011 0.01 0.04 0.010 0.004
실시예 2 3.50 2.74 0.30 0.46 0.008 0.02 0.04 0.004 0.001
비교예 1 3.86 2.80 0.30 0.08 0.010 - 0.04 0.004 0.001
비교예 2 2.82 2.36 0.27 0.54 0.008 0.01 0.04 0.020 0.003
비교예 3 3.55 2.60 0.45 0.33 0.007 0.01 0.05 0.030 0.010
비교예 4 3.79 2.75 0.32 0.12 0.042 - 0.04 0.030 0.001
상기 제조된 합금에 대해 통상의 방법으로 인장강도, 항복강도 및 신율을 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
인장강도(MPa) 항복강도(MPa) 신율(%)
실시예 1 781 485 10.4
실시예 2 806 454 9.0
비교예 1 580 372 14.0
비교예 2 865 489 6.2
비교예 3 650 470 9.0
비교예 4 728 492 3.0
상기 표 2에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 구상 흑연 주철은 인장강도가 700MPa 이상, 항복강도가 420 MPa 이상 및 신율이 7% 이상의 물성을 가질 수 있다.
반면에, 본 발명의 구상 흑연 주철에서 탄소(C), 규소(Si), 구리(Cu), 주석(Sn), 비스무트(Bi) 함량을 벗어나는 비교예 1-4의 경우 주철 합금의 항복강도, 인장강도 또는 신율이 좋지 않았다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (6)

  1. 구상 흑연 주철에 있어서, 탄소(C) 3.2-3.8 중량%, 규소(Si) 2.6-3.3 중량%, 망간(Mn) 0.1-0.5 중량%, 구리(Cu) 0.4-0.8 중량%, 주석(Sn) 0.001-0.03 중량%, 비스무트(Bi) 0.001-0.03 중량% 및 불가피한 불순물 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 구상 흑연 주철.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비스무트(Bi)는 0.01-0.02 중량%로 포함되는 구상 흑연 주철.
  3. 제1항에 있어서, 상기 구상 흑연 주철은 마그네슘(Mg) 0.015-0.04 중량%, 인(P) 0.004-0.01 중량%, 및 황(S) 0.001-0.004 중량%를 더 포함하는 구상 흑연 주철.
  4. 제1항에 있어서, 상기 구상 흑연 주철은 인장강도가 700 Mpa 이상, 항복강도가 420 MPa 이상, 연신율이 7 % 이상인 구상 흑연 주철.
  5. 탄소(C) 3.2-3.8 중량%, 규소(Si) 2.6-3.3 중량%, 망간(Mn) 0.1-0.5 중량%, 구리(Cu) 0.4-0.8 중량%, 주석(Sn) 0.001-0.03 중량%, 비스무트(Bi) 0.001-0.03 중량% 및 불가피한 불순물 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 구상 흑연 주철재를 포함하는 용탕을 1350-1500 ℃에서 주입하고 45-90 분 몰드 내에서 냉각하는 단계를 포함하는 구상 흑연 주철의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 구상 흑연 주철로 제조된 자동차용 부품.
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