KR20150066759A

KR20150066759A - 고온강도가 우수한 실리콘-구리-텅스텐계 구상흑연주철

Info

Publication number: KR20150066759A
Application number: KR1020130152202A
Authority: KR
Inventors: 신호철
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2015-06-17

Abstract

C: 2.8~3.3 wt%, Si: 4.4~4.9 wt%, Cu: 1.0~3.5wt%, W: 2.5~4.0 wt% , Mn: 0.5 wt%이하(0은 불포함), P: 0.05 wt% 이하(0은 불포함), S: 0.03 wt% 이하(0은 불포함), 구상화처리제 0.1wt% 이하(0은 불포함), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 고온강도가 우수한 실리콘-구리-텅스텐계 구상흑연주철이 소개된다.

Description

고온강도가 우수한 실리콘-구리-텅스텐계 구상흑연주철 {High Strength Silicon-Cupper-Tungsten Ductile Cast Iron}

본 발명은 고온의 사용 조건하에서 우수한 내열 효과가 있는 고온강도가 우수한 실리콘-구리-텅스텐계 구상흑연주철에 관한 것이다.

본 발명은 고온의 사용 조건하에서 우수한 내열 효과가 있는 실리콘-구리-텅스텐계 구상흑연주철에 관한 것이고, 가열과 냉각 반복과정을 거치는 자동차 엔진의 배기계 부품인 배기매니폴드나 터빈하우징 등에 이용할 수 있다.

현재 주조재 배기매니폴드에 사용되는 재질은 실리콘-몰리브덴계 구상흑연주철, Ni-resist 주철 및 주강 등이 있다. 최근 자동차 출력 증대 및 배기규제 강화에 따라 이를 만족시키기 위해 배기가스 온도가 지속적으로 상승되고 있는 실정이며 이에 따른 내구성 및 품질에 대한 측면도 강화되면서 배기계가 받게 되는 부하는 점점 더 커지고 있다. 예를 들면GDI 및 터보 장착 차량의 출시 등이다.

따라서 이에 대응하기 위해 Ni-resist 주철, 스테인레스 주강 등의 고가의 재질을 사용하고 있지만, 원가 부담으로 인해 적용성에서 어려움이 있어 저가의 대체 재질이 요구 되어지고 있는 실정이다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자, Fe에 C, Si, Cu, 및W의 한계값을 규정하고 상기 조성으로 이루어진 실리콘-구리-텅스텐계 구상흑연주철을 제조하였고 상기 재질에 고온에서의 고온강도 및 내산화성 등 우수함을 부여한 것이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2013-0000727 A

본 발명은 고온의 사용 조건하에서 우수한 내열 효과가 있는 고온강도가 우수한 실리콘-구리-텅스텐계 구상흑연주철을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고온강도가 우수한 실리콘-구리-텅스텐계 구상흑연주철은, C: 2.8~3.3 wt%, Si: 4.4~4.9 wt%, Cu: 1.0~3.5wt%, W: 2.5~4.0 wt% , Mn: 0.5 wt%이하(0은 불포함), P: 0.05 wt% 이하(0은 불포함), S: 0.03 wt% 이하(0은 불포함), 구상화처리제 0.1wt% 이하(0은 불포함), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

상기와 같은 본 발명의 실리콘-구리-텅스텐계 내열 구상흑연 주철재료에 의하면, 기존의 내열 구상흑연 주철과 비교하여 고온특성, 고온내산화성 등의 물성이 향상되고, 이러한 물성의 향상과 더불어서 가격도 저렴한 실용적인 배기 다기관을 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1 내지 2는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 시험 결과 그래프.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.

본 발명은 고온에서 사용되는 배기매니폴드용 합금의 구성 성분을 주조성에 문제가 없는 범위 내에서 조정하고 Si의 양을 4.9%, Cu의 양을 3.5%까지 첨가하여 내산화성 및 고온강도를 향상시켰다. 또한 W의 양을 4.0% 까지 첨가함으로서 석출경화의 효과로 고온에서 고온강도를 증대시켜 고온내열 특성이 우수한 배기계용 실리콘-구리-텅스텐계 내열 구상흑연주철재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 고온강도가 우수한 실리콘-구리-텅스텐계 구상흑연주철은, C: 2.8~3.3 wt%, Si: 4.4~4.9 wt%, Cu: 1.0~3.5wt%, W: 2.5~4.0 wt% , Mn: 0.5 wt%이하(0은 불포함), P: 0.05 wt% 이하(0은 불포함), S: 0.03 wt% 이하(0은 불포함), 구상화처리제 0.1wt% 이하(0은 불포함), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

본 발명의 실리콘-구리-텅스텐계 구상흑연주철 재료는 고온인장 강도 및 내산화성 등의 고온 기계적 물성이 우수하여 배기계의 배기 매니폴드 및 터보차저의 터빈하우징에 매우 적합하다.

본 발명의 실리콘-구리-텅스텐계 내열구상흑연주철의 흑연조직은 구상이며, 화학성분 중 Si, Cu, W이 첨가되어 고온물성을 향상시킨다.

이하, 각 조성의 범위에 대하여 구체적으로 설명한다.

C: 재료의 강도와 경도를 증가시키고 미세 합금원소가 탄화물을 석출하는데 필수적인 원소로서 흑연정출 및 용탕 유동성에 기여하고, 조대흑연 흑연 정출을 고려해서 2.8 ~3.4 wt%로 제한한다.

Si: 흑연정출에 기여하는 원소이고, 기지의 페라이트화 작용, 내산화성 향상 및 페라이트에서 오스테나이트 변태온도 상승, 주조시 용탕 흐름 및 절삭성을 고려해서 Si : 4.4-4.9wt%로 제한한다.

Cu: 주철의 고온 항복강도를 향상시킨다. Cu가 4.0wt%를 넘으면 기지조직의 경해지고 연성이 저하되므로 균열 발생이 용이하게 된다. 따라서 4.0wt% 이하가 바람직하다.

W: 공석변태점 온도를 높이므로 배기가스 온도가 상승하더라고 배기계 부품이 오스테나이트 변태가 일어나기 어렵고 체적변화가 생기기 않아 균열 차원에서 유리하고 석출물에 의한 내열강도가 향상된다. 그리고 공정온도가 저하되므로 주조 용해온도를 낮추기 때문에 용해비용 절감 효과가 있다. 4.0wt % 이상이면 조대흑연이 증가해서 카본드로스나 수축공도 발생하기 쉽기 때문에 4.0 wt% 이하가 바람직하고, 2.5wt% 이하이면 강도향상의 효과가 미미하여 2.5wt% 이상이 바람직하다.

Mn: 공정셀 경계에 편석해서 이 부분에 대한 페라이트에서 오스테나이트 변태 온도를 낮추기 때문에 0.5 wt/% 이하가 바람직하다.

P: 스테다이트를 형성시키므로 0.05wt/% 이하가 바람직하다.

S: 흑연구상화에 유해하므로 0.03wt/% 이하로 제한한다.

구상화처리제: Mg(마그네슘), Ce(세륨), Ca(칼슘) 등을 이용하는 것이 가능하지만 주로 Mg을 사용한다. Mg의 경우 흑연 구상화 처리 후 함유량이 0.1 wt/% 이하로 제한한다. 그 이상이 되면 탄화물 발생 및 Dross(흑연 및 산화물 드로스)가 용탕 주입 중에 혼입되어 제품의 결함이 발생한다.

상기한 조성의 실리콘-구리-텅스텐계 구상흑연주철 재료는 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 통상적인 주조 방식에 의해 제조될 수 있으며, 본 발명에 의해 제조방법이 한정하지는 않는다.

본 발명은 상기 제조된 구상흑연주철은 실리콘(Si) 첨가에 의해 실리콘(Si)은 산화 피막과 기지와의 계면에 밀접한 Fe₂SiO₄ 을 생성시켜 내산화성 측면에서 유리하여 4.9 wt% 까지 첨가 시켰다.

또한 구리(Cu) 첨가에 의해 고온 항복강도를 향상시키고, 이로 인해 배기매니폴드의 균열 전파를 억제한다.

또한 텅스텐(W) 첨가에 의해 기지에 텅스텐 탄화물(WC)이 형성되어 있는 조직임을 확인하였고, 이들 조직이 고온강도를 향상시켰다.

따라서, 본 발명의 실리콘-구리-텅스텐계 구상흑연주철은 고온용 주철합금 소재로서 우수한 내열특성과 내산화성을 나타내어 고출력 엔진의 배기매니폴드 및 터빈 하우징에 적합하게 사용될 수 있다.

이하, 하기 실시예에 의하여 상세히 설명한다.

실시예는 본 발명이 제시하는 실리콘-구리-텅스텐 내열 구상흑연주철의 화학성분이다.

비교예 1 내지 8은 성분별 효과 비교를 위한 주요원소 합금량 변화를 나타내고, 비교예 9는 배기매니폴드 재질로 사용되고 있는 고 실리콘계 내열 구상흑연 주철재의 화학성분이다. 비교예 10은 배기매니폴드 재질로 사용되고 있는 저 실리콘계 내열 구상흑연 주철재의 화학성분이다.

본 발명의 실리콘-구리-텅스텐계 내열 구상흑연주철재료 및 종래 재질의 물성을 비교하기 위하여 시편을 제작하였다.

도 1은 고온 인장강도 시험이고, 도 2는 고온 산화시험에 관련된 결과 그래프이다.

고온인장 실험 결과, 가혹한 배기계 모드인 재질 표면온도800℃에서 실시예가 가장 높은 고온 인장강도를 나타내었다. 이는 W첨가에 의한 석출강화와 Cu 첨가에 의한 항복강도 증가로 인한 고온강도가 향상 되었기 때문이다.

고온산화 시험결과 실시예가 가장 낮은 산화 감소량을 보인 이유는 Si첨가에 의한 Fe₂SiO₄ 산화 피막층의 영향으로 내산화성 향상에 유리하였기 때문이다.

도 2의 고온산화 시험은 실시예와 비교예에서 가로 20mm , 세로 20mm, 높이 2mm의 정사각형의 시험편을 제작해, 시험편을 분위기 온도 700℃ 가열 보온로에서 300h 대기 중에 유지한 후 시편을 가열 보온로 꺼내 공기 중에 냉각시킨 후에 쇼트 브러스트 처리를 해서 산화스케일을 제거한 후에 산화시험 전 후의 단위 면적당 질량 변화 즉 산화감량(g/mm2)을 구해 평가한 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims

C: 2.8~3.3 wt%, Si: 4.4~4.9 wt%, Cu: 1.0~3.5wt%, W: 2.5~4.0 wt% , Mn: 0.5 wt%이하(0은 불포함), P: 0.05 wt% 이하(0은 불포함), S: 0.03 wt% 이하(0은 불포함), 구상화처리제 0.1wt% 이하(0은 불포함), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 고온강도가 우수한 실리콘-구리-텅스텐계-구상흑연주철.
청구항 1에 있어서,
구상화처리제는 Mg인 것을 특징으로 하는 고온강도가 우수한 실리콘-구리-텅스텐계-구상흑연주철.