KR20190067813A - 내연 기관 블록 및 헤드용 버미큘라 주철 합금 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 특수 요건의 기계적 강도 및 피로 강도를 갖춘, 내연 기관 블록 및 헤드용으로 특수 고안된 버미큘라 주철 합금에 관한 것이다. 내연 기관 블록 및 헤드의 제조를 위한 높은 기계적 강도 및 높은 피로 강도를 갖는 버미큘라 철 합금으로서, 펄라이트 매트릭스 및 주로 버미큘라 흑연 (> 70%)의 미세 구조를 갖고 최대 30%의 흑연 노듈이 존재하고, 여기서 흑연 미세 구조는 명세서에 정의된 미세 구조 계수 (FM)에 의해 0.94보다 높은 미세 구조 계수값을 갖는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 특수 요건의 기계적 강도 및 피로 강도를 갖춘, 내연 기관 블록 및 헤드용으로 특별히 고안된 버미큘라 주철 합금에 관한 것이다.
차량 중량을 감소시키고 엔진 출력을 증가시킬 목적으로 기계적 강도가 높은 주조 합금에 대한 요구가 자동차 산업에서 강해지고 있다. CGI 400 및 CGI 450 등급의 버미큘라 철이 출시됨에 따라 크기는 다르지만 모두 높은 출력 밀도를 갖는 엔진에서 블록뿐만 아니라 헤드를 새롭게 설계할 기회가 생겨나게 되었다. 이 버미큘라 주철은 강도 한계가 최대 450 MPa이고 항복 응력 0.2의 350 MPa에 이르러 회주철보다 훨씬 우수한 기계적 강도를 가지며. 평균 인장 0의 인장 압축 응력에서 피로 한계는 160 MPa 이상일 수 있다. 또한 열전도도는 노듈라 철과 회철 중간으로 우수하여 고온에 노출되는 부품에서 우수한 열 추출이 가능하다.
기술 표준 ISO 16112/200은 최대 500 MPa 강도 한계의 부류를 예견하고 있지만, 이것이 이러한 부류를 제공하기에 적합한 산업적 제조 기술을 의미하는 것은 아니다. 또한 이 부류의 경도는 표준 ISO에 따라 최대 260 HB일 수 있다. 표준 ASTM A 842는 버미큘라 철의 노듈성을 20%로 제한하기 때문에, 더 큰 노듈성을 필요로 할 것이기에 500 MPa의 강도 한계 부류를 전망하지 못한다. 표준 SAE J1887에서 노듈성이 최대 50%이고, 경도가 최대 269 HB인 500 부류가 예상되지만, 열전도도를 현저히 감소시키고 수축 존재 및 기계가공이라는 특별한 어려움이 따른다. 엄밀히 말하면, 상기 부류는 실린더 라이너 및 링과 같은 매우 간단한 기하학적 부분에만 적용된다. 또한 CN 101423914 특허에 기술된 버미큘라 철은 심지어 펄라이트 매트릭스와 함께 링과 같은 매우 단순한 기하학적 부분에만 적용할 수 있는데, 이는 높은 수준의 인을 함유하고 있기 때문에 복잡한 부품에서는 주조 결함의 존재 경향을 증가시켜 높은 기계적 강도, 특히 피로 강도의 값을 얻는 것이 불가능하기 때문이다. 더 오래된 1977년의 또 다른 특허인 미국 특허 4,036,641호는 철-규소-마그네슘-희토류-티타늄 합금을 사용하여 최대 0.15%까지 높은 티타늄 함량을 지닌 버미큘라 철을 생성함으로써 버미큘라 철을 제조하는 방법을 기술하고 있지만, 이 또한 내부 공극을 형성하려는 경향이 있어 높은 기계 강도값을 얻을 수 없기 때문에, 엔진 블록 및 헤드와 같은 복잡한 부품에는 적합하지 않다.
따라서 복잡한 기하 부품인 블록과 헤드에서 버미큘라 철의 사용 증가는 이 새로운 부류의 재료에 최소 500 MPa의 강도 한계와 260 HB를 초과하지 않는 경도값을 요구한다.
발명의 목적
이와 관련하여 본 발명은 특수 요건의 기계적 강도 및 피로 강도를 갖춘 버미큘라 주철 합금을 제공한다.
발명의 요약
펄라이트 매트릭스 및 주로 버미큘라 흑연 (> 70%)의 미세 구조를 갖고 최대 30%의 흑연 노듈이 존재하는, 내연 기관 블록 및 헤드의 제조를 위한 높은 기계적 강도 및 높은 피로 강도를 갖는 버미큘라 철 합금이 제공되며, 여기서 흑연 미세 구조는 하기 정의된 미세 구조 계수 (FM)에 의해 0.94보다 높은 미세 구조 계수값을 갖는 것으로 기술된다: FM = (8.70 × A1 - 0.541 × A2 + 0.449 × A3 + 0.064 × A4) / 1000, (A1 - 노듈화 퍼센트, 10 ㎛보다 작은 입자로 간주되는 흑연의 구형 입자수를 지칭함; A2 - mm2 당 10 ㎛보다 큰 흑연 입자의 수; A3 - mm2 당 10 ㎛보다 작은 흑연 입자의 수; 및 A4 - cm2 당 공정 셀의 수). 내연 기관 블록 및 헤드의 제조를 위한 기계적 강도가 높은 버미큘라 주철 합금은 500 MPa의 최소 강도 한계, 350 MPa의 최소 항복 응력, 190 MPa의 최소 피로 한계 (인장-압축, R = -1)를 나타낸다.
지지 베어링으로부터 얻은 샘플에서 500 MPa의 최소 강도 한계, 350 MPa의 최소 항복 응력, 190 MPa의 최소 피로 한계 (인장-압축, R = -1)를 나타내는 내연 기관 블록이 제공된다.
연소면으로부터 얻은 샘플에서 500 MPa의 최소 강도 한계, 350 MPa의 최소 항복 응력, 190 MPa의 최소 피로 한계 (인장-압축, R = -1)를 나타내는 내연 기관 헤드가 제공된다.
본 발명의 특허가 이하에 열거된 도면에 기초하여 상세히 설명될 것이다:
도 1은 본 발명의 목적인 버미큘라 철의 현미경 사진을 도시한다: (a) - 광학 현미경, 200배 배율, 공격 없음; (b) - 주사 전자 현미경, 깊은 공격, 1000배 배율;
도 2는 본 발명의 목적인 버미큘라 철의 미세 구조를 도시한다 (나이탈 공격 및 400배 배율).
도 3은 본 발명의 목적인 버미큘라 철에 대한 인장 강도 한계 및 항복 응력의 결과를 나타낸다. V6 기관 블록의 베어링으로부터 얻은 샘플. 표본 추출의 평균 강도 한계 = 540 MPa. 표본 추출의 평균 항복 응력 = 390 MPa.
도 1은 본 발명의 목적인 버미큘라 철의 현미경 사진을 도시한다: (a) - 광학 현미경, 200배 배율, 공격 없음; (b) - 주사 전자 현미경, 깊은 공격, 1000배 배율;
도 2는 본 발명의 목적인 버미큘라 철의 미세 구조를 도시한다 (나이탈 공격 및 400배 배율).
도 3은 본 발명의 목적인 버미큘라 철에 대한 인장 강도 한계 및 항복 응력의 결과를 나타낸다. V6 기관 블록의 베어링으로부터 얻은 샘플. 표본 추출의 평균 강도 한계 = 540 MPa. 표본 추출의 평균 항복 응력 = 390 MPa.
발명의 상세한 설명
본 발명은 높은 수준의 기계적 특성, 특히 피로 강도를 얻을 수 있는 미세 구조를 갖는 신규 버미큘라 주철 합금을 제공한다. 이 미세 구조는 도 1 및 2에서 볼 수 있으며, 펄라이트 매트릭스 및 주로 버미큘라 흑연 구조 (표준 ISO 945/1975의 III 형태), 최소 70%의 버미큘라 흑연으로 이루어져 있고 최대 30%의 흑연 노듈 (표준 ISO 945/1975의 VI 형태)이 존재한다. CGI 400 및 CGI 450 등급의 버미큘라 철과 비교하여 이 새로운 유형의 버미큘라 철의 주요 미세 구조 차이는 다음과 같이 정의되는 미세 구조 계수 (FM)로 설명된다:
FM = (8.70 × A1 - 0.541 × A2 + 0.449 × A3 + 0.064 × A4) / 1000,
상기에서, A1 - 노듈화 퍼센트, 10 ㎛보다 작은 입자로 간주되는 흑연의 구형 입자수를 지칭함; A2 - mm2 당 10 ㎛보다 큰 흑연 입자의 수; A3 - mm2 당 10 ㎛보다 작은 흑연 입자의 수; 및 A4 - cm2 당 공정 셀의 수임.
CGI 400 및 CGI 450 등급의 버미큘라 철은 0 내지 0.93의 미세 구조 계수 값을 나타내지만, 본 발명의 버미큘라 철은 0.94 초과의 미세 구조 계수를 나타낸다. 이 미세 구조의 차이는 금형에서 금속을 주조하기 전에 액체 배스를 처리하고, Mg (0.010 내지 0.070%), 희토류 (0.005 내지 0.050%) 및 Si가 풍부한 접종제 (0.005 내지 0.150%)를 균형잡힌 비율로 조합하여 첨가함으로써 얻어진다. 버미큘라 철의 화학적 조성은 특별한 합금 원소가 없는 이 물질의 특징이며, 중량 백분율로, 탄소 (3.0 내지 3.9%), 망간 (0.1 내지 0.6%), 규소 (1.5 내지 3.0%), 마그네슘 (0.005 내지 0.030%), 세륨 (0.005 내지 0.030%), 주석 (0.04 내지 0.12%), 구리 (0.2 내지 1.2%), 황 잔여물 (0.030% 미만), 인 잔여물 (0.050% 미만) 및 티타늄 잔여물 (0.020% 미만)을 함유한다. 주철 내에 다른 일반적인 불순물이 더 존재할 수 있다.
미세 구조 계수가 0.94를 초과한 이와 같이 얻어진 미세 구조에 의해 107 사이클의 인장-압축 시험에서 R = -1로 500 MPa의 최소 강도 한계, 350 MPa의 최소 항복 응력 및 190 MPa의 최소 피로 한계를 얻을 수 있다. 경도값은 255 HB 이하이다.
구체적으로, 상기 버미큘라 철 합금은 높은 기계적 특성 값으로 이어지는 미세 구조를 제공하는 것을 특징으로 한다. 기계적 특성은 107 사이클의 인장-압축 시험에서 500 MPa의 최소 강도 한계, 350 MPa의 최소 항복 응력 및 190 MPa의 최소 피로 한계를 특징으로 한다. 이 특성 집합은 펄라이트 매트릭스, 및 본원에 설명된 미세 구조 계수로 표현되는 흑연 형태 및 분포를 사용하여 얻은 것이다.
상기 미세 구조 계수는 주로 버미큘라 흑연 (> 70%)과 30% 이하의 노듈라 흑연의 존재로 최소값이 0.94이라고 가정해야 한다.
이러한 특성의 집합을 사용함으로써 구성 요소들의 중량를 줄이고 엔진 출력을 높이기 위해 새로운 엔진 블록 및 헤드를 설계하는 것이 가능하다.
도 3은 본 발명의 목적인 버미큘라 주철의 일련의 인장 시험 결과를 나타낸다. V6 기관 블록의 지지 베어링의 경우, 버미큘라 철은 부품에서 얻은 샘플에서 500 MPa 초과 강도 한계 및 350 MPa 초과 항복 응력을 나타내는 것으로 확인되었다. 이 샘플은 R = -1의 인장-압축 시험에서 계단 방법에 의해 193 MPa 값의 피로 한계를 제공하였다.
따라서, 높은 기계적 강도, 특히 높은 피로 강도를 갖는 본 발명의 버미큘라 철에 의해 높은 수준의 기계적 응력을 포함하여 고출력 밀도 엔진에 적합한 고성능 기관 블록 및 헤드를 개발하는 것이 가능하다.
Claims (4)
- 내연 기관 블록 및 헤드의 제조를 위한 높은 기계적 강도 및 높은 피로 강도를 갖는 버미큘라 철 합금으로서, 펄라이트 매트릭스 및 주로 버미큘라 흑연 (> 70%)의 미세 구조를 갖고 최대 30%의 흑연 노듈이 존재하고, 여기서 흑연 미세 구조는 하기 정의된 미세 구조 계수 (FM)에 의해 0.94보다 높은 미세 구조 계수값을 갖는 것을 특징으로 하는, 버미큘라 철 합금:
FM = (8.70 × A1 - 0.541 × A2 + 0.449 × A3 + 0.064 × A4) / 1000
상기에서,
A1은 노듈화 퍼센트로서, 10 ㎛보다 작은 입자로 간주되는 흑연의 구형 입자수를 지칭하고,
A2는 mm2 당 10 ㎛보다 큰 흑연 입자의 수이며,
A3은 mm2 당 10 ㎛보다 작은 흑연 입자의 수이고,
A4는 cm2 당 공정 셀 (eutectic cell)의 수이다. - 제1항에 있어서, 최소 강도 한계 500 MPa, 최소 항복 응력 350 MPa, 최소 피로 한계 190 MPa (인장-압축, R = -1)를 제공하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관 블록 및 헤드의 제조를 위한 높은 기계적 강도를 갖는 버미큘라 철 합금.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 지지 베어링으로부터 수득된 샘플에서, 최소 강도 한계 500 MPa, 최소 항복 응력 350 MPa, 최소 피로 한계 190 MPa (인장-압축, R = -1)를 제공하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관 블록.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 지지 베어링으로부터 수득된 샘플에서, 최소 강도 한계 500 MPa, 최소 항복 응력 350 MPa, 최소 피로 한계 190 MPa (인장-압축, R = -1)를 제공하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관 헤드.
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