KR20230025184A - 제조성이 우수한 cgi 주철 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20230025184A
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김정엽
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현대두산인프라코어(주)
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Abstract

본 발명은 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 구리(Cu), 주석(Sn) 및 마그네슘(Mg)을 각각 특정함량 범위로 조절하되, 구리 당량(Copper Equivalent, Cueq)이 특정 범위가 되도록 제어한 화학 조성을 가지는 CGI 주철 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에서는 높은 강성과 인성을 나타냄과 동시에 우수한 주조성 및 가공성을 확보하여 엔진 실린더 블록, 실린더 헤드 등의 엔진 부품에 적용 가능한 CGI 주철을 제공할 수 있다.

Description

제조성이 우수한 CGI 주철 및 그 제조방법{CGI CAST IRON HAVING ENHANCED MANUFACTURABILITY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 제조성이 우수한 CGI(Compacted Graphite Iron) 주철 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 강성과 인성을 나타냄과 동시에 우수한 주조성 및 가공성을 확보하여 고출력 엔진 부품에 적용 가능한 CGI 주철 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 환경규제 및 시장에서의 고출력 엔진에 대한 요구로 인해 엔진의 폭발 압력을 높이는 것이 필연적이다. 엔진의 폭발 압력이 높아짐에 따라 이에 대응하기 위한 실린더 블록 및 헤드의 강성 향상이 불가피하다.
실린더 블록 및 헤드에 사용되는 주철은 200~300 MPa의 인장강도를 갖는다. 종래 실린더 블록에 일반적으로 사용되는 재료는 회주철로서, 이러한 회주철은 우수한 진동 감쇠능, 열전도도, 주조성 및 가공성을 갖는 반면, 상대적으로 낮은 인장강도로 인하여 230 bar 이상, 즉 23 MPa 이상의 엔진 폭발 압력에는 대응하기 어렵다는 문제점이 있다.
전술한 회주철의 물성을 개선한 주철로서 구상흑연주철이 있다. 구상흑연주철은 회주철의 미세조직에서 나타나는 흑연의 형상을 편상 조직에서 구상 조직으로 변화시켜 강성 및 인성을 향상시킨 주철이다. 이러한 구상흑연주철은 높은 폭발 압력을 요구하는 엔진에서 필요로 하는 고강도를 가지고 있는 반면, 회주철 대비 진동감쇠능, 열전도도, 주조성 및 가공성이 저조하여 형상이 복잡한 엔진 실린더 블록 및 헤드에 적용하기에는 한계가 있다.
한편 CGI(Compacted Graphite Iron) 주철은, 회주철의 장점인 진동감쇠능, 열전도도, 주조성 및 가공성을 가지면서 구상흑연주철의 높은 강성과 인성을 동시에 보유하므로, 차세대 엔진 부품용 소재로 적용되고 있다. 다만 인장강도 460 MPa을 초과하는 CGI 주철 재질의 경우, 회주철과 비교하여 용탕 유동성 및 가공성이 현저하게 저조하여 상용 디젤엔진에 적용하는 것에 한계가 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 주철에 포함되는 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 구리(Cu), 주석(Sn) 및 마그네슘(Mg)의 함량을 특정범위로 조절함과 동시에 구리(Cu)와 주석(Sn)과 마그네슘(Mg)의 양을 정밀하게 제어함으로써 안정적인 물성, 미세조직, 주조성 및 가공성을 가지는 CGI 주철 및 그 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한 본 발명은 전술한 CGI 주철을 포함하여 고출력의 디젤엔진에 구비되는 실린더 블록 및 헤드 등의 엔진 부품을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기 발명의 상세한 설명 및 청구범위에 의해 보다 명확하게 설명될 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 전체 중량에 대하여 탄소(C) 3.4~3.8 중량%, 규소(Si) 2.1~2.4 중량%, 망간(Mn) 0.2~0.4 중량%, 구리(Cu) 0.4~0.8 중량%, 주석(Sn) 0.02~0.06 중량%, 마그네슘(Mg) 0.009~0.02 중량%, 및 100 중량%를 만족시키는 잔량의 철(Fe)을 포함하며, 구리 당량(Copper Equivalent, Cueq)이 1.1 내지 1.6인 CGI 주철을 제공한다.
본 발명에 따른 일 실시예를 들면, 상기 CGI 주철은 페라이트-펄라이트 2상 혼합 기지조직(matrix structure)을 포함하며, 면적 분율로 17 내지 39%의 페라이트 및 61 내지 83%의 펄라이트로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예를 들면, 상기 기지조직에 분포된 흑연의 구상화율(Nodularity)은 5 내지 30%일 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예를 들면, 상기 CGI 주철의 탄소 당량(Carbon Equivalent, C.E.)은 4.1 내지 4.6일 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예를 들면, 상기 CGI 주철은 20 ± 5℃하에서 (i) 400 내지 460MPa의 인장강도(Tensile Strength); (ii) 300 내지 335 MPa의 항복강도(Yield Strength); (iii) 1 내지 3%의 연신율(Elongation); 및 (iv) 185 내지 230 HBW의 브리넬 경도를 만족할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예를 들면, 상기 CGI 주철은 1360 ± 40℃의 용탕 주입 온도에서의 유동 길이(Fluidity Length)가 700 내지 850 mm일 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예를 들면, 상기 CGI 주철의 열전도도는 34.5 내지 45 W/m·K일 수 있다.
또한 본 발명은 전술한 CGI 주철을 포함하며, 엔진 실린더 블록 및 엔진 실린더 헤드 중 적어도 하나에 적용되는 엔진 부품을 제공한다.
나아가, 본 발명은 전술한 CGI 흑연주철의 제조방법으로서, (i) 탄소(C) 3.4~3.8 중량%, 규소(Si) 2.1~2.4 중량%, 망간(Mn) 0.2~0.4 중량%, 및 100 중량%를 만족시키는 잔량의 철(Fe)을 포함하는 CGI 주철 재료를 용광로에서 용융하여 주철 원탕을 제조하는 단계; (ii) 구리(Cu) 0.4~0.8 중량%, 주석(Sn) 0.02~0.06 중량%, 및 마그네슘(Mg) 0.009~0.02 중량%이 배치된 래이들(Ladle)을 준비하는 단계; (iii) 상기 주철 원탕을 상기 레이들에 출탕하여 주철 용융액을 제조하되, 상기 주철 용융액의 구리 당량(Copper Equivalent, Cueq)을 1.1~1.6로 조절하는 단계; (iv) 제조된 주철 용융액에 포함된 마그네슘 함량을 결정한 후, 상기 주철 용융액에 마그네슘(Mg)을 2차 첨가하는 단계; 및 (v) 상기 단계 (iv)의 주철 용융액을 주형에 주입하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예를 들면, 상기 단계 (i)의 주철 원탕은 탄소 당량(C.E.)이 4.1~4.6로 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예를 들면, 상기 단계 (iii)의 출탕 온도는 1510 ± 20℃로 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예를 들면, 상기 단계 (iv)에서 2차 첨가되는 마그네슘은 와이어(Wire) 형태의 마그네슘(Mg)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 주철을 구성하는 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 구리(Cu), 주석(Sn) 및 마그네슘(Mg)의 함량을 특정범위로 조절함과 동시에 구리(Cu)와 주석(Sn)과 마그네슘(Mg)의 양을 정밀하게 제어하여, 400~460 MPa의 인장강도, 300~335MPa의 항복강도, 185~230의 브리넬 경도(HBW) 등의 높은 기계적 물성을 가진 CGI 주철을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 CGI 주철은, 종래 회주철 대비 동등 수준의 용탕 유동성과, 종래 상용화된 CGI 주철 대비 우수한 가공성을 확보함에 따라, 고출력 및 고마력의 디젤 엔진에 구비되는 실린더 블록 및 헤드 제조에 유용하게 적용될 수 있다.
특히 본 발명에서는 마그네슘(Mg) 함량의 정밀 제어를 통해 고마력의 디젤엔진용 실린더 블록 및 헤드용으로 적용할 수 있을 정도의 높은 강도와 균질한 미세 조직을 갖는 CGI 주철을 제조할 수 있으며, 더불어 합금원소인 구리(Cu)와 망간(Mn)과 주석(Sn)의 양의 제어에 의하여 경도 및 인장강도를 다양하게 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 보다 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 실시예 1~7 및 비교예 1~8에서 제조된 CGI 주철의 인장강도(Tensile Strength)를 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 1~7 및 비교예 1~8에서 제조된 CGI 주철의 항복강도(Yield Strength)를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1~7 및 비교예 1~8에서 제조된 CGI 주철의 연신율(Elongation)을 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1~7 및 비교예 1~8에서 제조된 CGI 주철의 경도를 나타낸 그래프이다.
도 5 및 도 6은 각각 실험예 2의 유동성 측정에 사용되는 나선 시험편 제작을 위한 금형을 나타낸 평면도 및 단면도이다.
도 7은 실시예 1 ~7 및 비교예 1~8에서 제조된 용탕의 유동성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1, 비교예 3 및 비교예 7~8에서 제조된 CGI 주철의 가공성을 나타낸 공구 마모량 사진이다.
도 9는 비교예 6의 회주철, 실시예 1의 CGI 주철, 및 비교예 8의 구상 흑연 주철의 미세조직 사진이다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 다른 정의가 없다면, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
또한 본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다. 또한 명세서 전체에서, "위에" 또는 "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 위쪽에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 그리고, 본원 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 임의의 순서 또는 중요도를 나타내는 것이 아니라 구성요소들을 서로 구별하고자 사용된 것이다.
또한 본 명세서에서 사용되는 "바람직한" 및 "바람직하게"는 소정 환경 하에서 소정의 이점을 제공할 수 있는 본 발명의 실시 형태를 지칭한다. 그러나, 동일한 환경 또는 다른 환경 하에서, 다른 실시 형태가 또한 바람직할 수 있다. 추가로, 하나 이상의 바람직한 실시 형태의 언급은 다른 실시 형태가 유용하지 않다는 것을 의미하지 않으며, 본 발명의 범주로부터 다른 실시 형태를 배제하고자 하는 것은 아니다.
<CGI 주철>
본 발명에 따른 일 실시예는, 회주철의 열전도도, 주조성 및 가공성과, 구상 흑연 주철의 높은 강성과 인성을 동시에 갖는 CGI 주철(Compacted Graphite Iron)로서, 종래 450MPa 이상급 상용화된 CGI 주철 대비 우수한 용탕 유동성과 가공성을 갖는다는 점에서 차별화된다.
일 구체예를 들면, 상기 CGI 주철은, 전체 중량에 대하여 탄소(C) 3.4~3.8 중량%, 규소(Si) 2.1~2.4 중량%, 망간(Mn) 0.2~0.4 중량%, 구리(Cu) 0.4~0.8 중량%, 주석(Sn) 0.02~0.06 중량%, 마그네슘(Mg) 0.009~0.02 중량%, 100 중량%를 만족시키는 잔량의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하며, 이와 동시에 구리(Cu)와 주석(Sn)과 마그네슘(Mg)의 양을 정밀하게 제어하여 1.1 ~ 1.6의 구리 당량(Copper Equivalent, Cueq)을 만족하는 화학 조성을 갖는다.
여기서, CGI 주철을 구성하는 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 구리(Cu), 주석(Sn) 및 마그네슘(Mg)의 각 함량; 상기 구리, 망간, 마그네슘 함량비 조절에 따른 구리 당량(Cueq)은, 700~850 mm의 용탕 유동도(Fluidity Length)와 가공성 뿐만 아니라 400~460 MPa의 인장강도, 300~335MPa의 항복강도, 185~230의 브리넬 경도(HBW)을 갖는 CGI 주철을 제조하는데 중요한 인자이다. 이에 따라, 본 발명의 CGI 주철은 하기 화학조성으로 한정하는 것이 필요하다.
이하, 본 발명에 따른 CGI 주철의 각 구성 성분 및 함량에 대하여 설명한다. 여기서, 각 원소의 첨가량은 중량%이며, 이하 내용에서는 단순히 %로 표시할 수도 있다.
1) 탄소(C) 3.4~3.8 중량%
탄소는 강화 흑연(Compacted Graphite) 정출을 위해 첨가되는 원소이다. 본 발명에 따른 CGI 주철에서 탄소의 함량이 3.4 중량% 미만이면 박육부(Thin-walled part)에서 칠(Chill)화 거동이 관찰되고, 3.8 중량%를 초과하면 흑연 구상화 수축 및 유동불량이 발생한다. 다양한 두께를 가지는 고강도 실린더 블록에서의 불량을 예방하기 위하여, 본 발명에서는 탄소의 함량을 3.4~3.8 중량%로 설정한다.
2) 규소(Si) 2.1~2.4 중량%
규소는 탄소와 최적 비율로 첨가될 경우 강화 흑연(Compacted Graphite) 정출량을 극대화하고 주철의 강도를 증가시킨다. 본 발명에 따른 CGI 주철에서, 규소의 함량이 2.1 중량% 미만이면 강화 흑연의 정출량이 낮아지는 문제가 발생하고, 2.4 중량%를 초과하면 연성이 낮아지는 문제가 발생하게 된다. 이에 따라, 본 발명에서는 규소의 함량을 2.1~2.4 중량%로 설정한다.
3) 망간(Mn) 0.2~0.4 중량%
망간은 흑연의 미세화와 펄라이트(Pearlite) 안정화를 위하여 첨가된다. 본 발명에 따른 CGI 주철에서 망간의 함량이 0.2 중량% 미만이면 경도가 저하되고, 0.4 중량%를 초과하면 취성이 증가하게 된다. 이에 따라, 본 발명에서는 망간의 함량을 0.2~0.4 중량%로 설정한다.
4) 구리(Cu) 0.4~0.8 중량%
구리는 펄라이트(Pearlite) 생성을 촉진하고 미세화시키는 작용하기 때문에 강도확보를 위해 필요한 원소이다. 본 발명에 따른 주철에서는 구리의 함량이 0.4 중량% 미만일 경우 강도의 부족을 초래하고 그 함량이 0.8 중량%를 초과하면 주조성이 저하된다. 이에 따라, 본 발명에서는 구리의 함량을 0.4~0.8 중량%로 설정한다.
5) 주석(Sn) 0.02~0.06 중량%
주석은 매우 강력한 펄라이트(Pearlite) 생성 촉진 원소로서, 구리와 마찬가지로 강도 향상을 목적으로 첨가된다. 본 발명에 따른 주철에서 주석의 함량이 0.02 중량% 미만일 경우 강도의 저하가 초래되고, 0.06 중량%를 초과할 경우 취성이 급격하게 증가하고 주조성도 저하된다. 이에 따라, 본 발명에서는 주석의 함량을 0.02~0.06 중량%로 설정한다.
6) 마그네슘(Mg) 0.009~0.02 중량%
마그네슘은 흑연의 구상화(Nodularity) 기능을 하면서 동시에 강화 흑연(Compacted Graphite)의 핵 생성 및 성장 촉진 역할을 한다. 본 발명에 따른 주철에서는 마그네슘의 함량이 0.009 중량% 미만이 되는 경우 흑연이 편상화되고, 0.02 중량%를 초과하게 되면 흑연의 구상화율이 증가되어 수축불량을 야기하므로, 그 함량을 0.009~0.02 중량% 범위로 한정한다.
7) 철(Fe): 잔량
철은 본 발명에 따른 주철의 주재이다. 이러한 철의 함량은 당해 CGI 주철의 총량이 100 중량%가 되도록 만족시키는 잔량일 수 있다.
8) 불가피한 불순물
본 발명에 따른 CGI 주철은 불가피한 불순물을 일부 포함할 수 있다. 이러한 불가피한 불순물로는 인(P), 황(S) 등이 있다.
인(P)은 CGI 주철의 제조 과정에서 자연적으로 첨가되는 불순물로, 기지 조직 내에 고용되지만, 대부분은 인화물인 스테다이트(Steadite)라는 상(相)으로 존재한다. 이러한 스테다이트(Steadite)는 기지 조직을 강화시키며 주철의 융점을 낮춰 용탕의 유동성 및 주조성을 향상시킬 수 있다. 이러한 인의 함량은 특별히 한정되지는 않으나, 인의 함량이 약 0.06 중량%을 초과하면, 과도한 인화물의 형성으로 인하여 취성이 급격하게 증가되어 가공성이 저하될 수 있다. 이에 따라, 인의 함량은 당해 CGI 주철의 총량을 기준으로 약 0.06 중량% 이하, 구체적으로 0 중량% 초과, 0.03 중량% 이하로 조절하는 것이 바람직하다.
또한 황(S)은 흑연의 구상화를 저해하는 원소로서, 이의 함량은 특별히 한정되지 않는다. 다만, 본 발명에 따른 CGI 주철에서 황의 함량이 약 0.01 중량%를 초과할 경우, 강화 흑연(Compacted Graphite) 생성이 저해되고 편상 흑연의 형성을 초래할 수 있다. 이에 따라, 황의 함량은 당해 CGI 주철의 총량을 기준으로 약 0.01 중량% 이하, 구체적으로 0 중량% 초과, 0.01 중량% 이하로 조절하는 것이 바람직하다
9) 구리 당량(Copper Equivalent, Cu eq )
본 발명에서는 CGI 주철을 구성하는 화학 조성을 상기와 같이 한정함과 동시에 후술되는 구리 당량(Cueq)을 1.1 내지 1.6 범위가 되도록 조절한다. 여기서, 구리 당량은 하기 식 1에 따라 산출될 수 있다. 참고로, 구리 당량의 단위는 중량%이나, 당 분야에서 통상적으로 단위를 생략하여 표시한다.
[식 1]
Figure pat00001
상기 식에서,
Cu는 당해 CGI 주철의 총량 대비 구리의 함량(중량%)이며,
Mn는 당해 CGI 주철의 총량 대비 망간의 함량(중량%)이며,
Sn는 당해 CGI 주철의 총량 대비 주석의 함량(중량%)이다.
본 발명에 따른 CGI 주철에서, 구리 당량(Cueq)이 약 1.1 미만일 경우 충분한 양의 펄라이트(Pearlite)가 생성되지 못하여 인장강도가 저하될 수 있다. 한편 구리 당량(Cueq)이 약 1.6 초과할 경우 주조성 및 가공성이 저하될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서는 구리 당량(Cueq)을 1.1 내지 1.6으로 조절함으로써 인장강도, 항복강도, 연신율, 경도 등의 기계적 물성이 안정될 뿐만 아니라 주조성 및 가공성이 우수하고 높은 열전도도를 갖는 CGI 주철을 제조할 수 있다.
10) 탄소 당량(Carbon Equivalent, C.E.)
본 발명의 CGI 주철은, 탄소 당량(Carbon Equivalent, C.E.)을 4.1 내지 4.6 범위가 되도록 한다. 여기서, 탄소 당량(Carbon Equivalent, C.E.)은 하기 식 2에 따라 산출될 수 있다. 참고로, 탄소 당량(Carbon Equivalent, C.E.)의 단위는 중량%이나, 당 분야에서 통상적으로 단위를 생략하여 표시한다.
[식 2]
Figure pat00002
상기 식에서,
C는 당해 CGI 주철의 총량 대비 탄소의 함량(중량%)이며,
Si는 당해 CGI 주철의 총량 대비 규소의 함량(중량%)이다.
본 발명에 따른 CG 주철에서, 탄소 당량이 4.1 미만인 경우 박육부(Thin-walled part)의 칠(Chill)화 경향이 발생하고, 4.6를 초과하는 경우에는 초정흑연(Primary Graphite)의 과도한 생성에 의해 수축 및 유동 불량이 발생하게 된다. 이에 따라, 본 발명에서는 탄소 당량(C.E.)을 4.1 내지 4.6로 한정한다.
일례에 따르면, 본 발명의 CGI 주철은 페라이트-펄라이트 2상 혼합 기지조직(matrix structure)을 포함하며, 면적 분율로 17 내지 39%의 페라이트 (ferrite) 및 61 내지 83%의 펄라이트(pearlite)로 구성될 수 있다.
다른 일례에 따르면, 본 발명의 CGI 주철은 상기 기지조직 내에 분포된 흑연을 포함하되, 탄소에 의해 형성되는 흑연의 구상화율(Nodularity)이 5 내지 30% 일 수 있다.
다른 일례에 따르면, 본 발명의 CGI 흑연 주철은 약 20±5℃의 실온에서 (i) 인장강도(Tensile Strength)가 400 내지 460MPa이고, (ii) 항복강도(Yield Strength)가 300 내지 335 MPa이며; (iii) 연신율(Elongation)이 1 내지 3%이고, (iv) 브리넬 경도가 185 내지 230 HBW 일 수 있다.
다른 일례에 따르면, 본 발명의 CGI 흑연 주철은 열전도도가 약 34.5 내지 45 W/m·K일 수 있다.
또 다른 일례에 따르면, 본 발명의 CGI 흑연 주철은 1360 ± 40℃의 용탕 주입 온도에서의 유동 길이(Fluidity Length)가 약 700 내지 850 mm일 수 있다.
전술한 화학 조성을 갖는 본 발명의 CGI 주철은 종래 450MPa 이상급 상용화된 CGI 주철 대비 현저히 우수한 용탕 유동성 및 가공성을 가질 뿐만 아니라 이와 동등 이상의 기계적 물성을 나타낼 수 있다. 이와 같이 안정적인 기계적 물성, 우수한 용탕 유동성, 및 가공성을 동시에 확보함으로써 고출력 디젤엔진의 실린더 블록 및/또는 헤드에 유용하게 적용될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 CGI 주철의 제조방법에 대해 설명한다. 그러나 하기 제조방법에 의해서만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 공정의 단계가 변형되거나 또는 선택적으로 혼용되어 수행될 수 있다.
상기 제조방법의 일 실시예를 들면, (i) 탄소(C) 3.4~3.8 중량%, 규소(Si) 2.1~2.4 중량%, 망간(Mn) 0.2~0.4 중량%, 및 100 중량%를 만족시키는 잔량의 철(Fe)을 포함하는 CGI 주철 재료를 용광로에서 용융하여 주철 원탕을 제조하는 단계; (ii) 구리(Cu) 0.4~0.8 중량%, 주석(Sn) 0.02~0.06 중량%, 및 마그네슘(Mg) 0.009~0.02 중량%이 배치된 래이들(Ladle)을 준비하는 단계; (iii) 상기 주철 원탕을 상기 레이들에 출탕하여 주철 용융액을 제조하되, 상기 주철 용융액의 구리 당량(Copper Equivalent, Cueq)을 1.1~1.6로 조절하는 단계; (iv) 제조된 주철 용융액에 포함된 마그네슘 함량을 결정한 후, 상기 주철 용융액에 마그네슘(Mg)을 2차 첨가하는 단계; 및 (v) 상기 단계 (iv)의 주철 용융액을 주형에 주입하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
(i) 주철 원탕의 제조
본 발명에 따른 주철 원탕을 제조하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 일례로 주철의 대표 원소인 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn) 등이 함유된 주철 원료를 목표 화학 조성이 되도록 칭량한 후, 용광로에서 용융하여 주철 원탕을 제조한다. 이때, 원료 용탕이 전체 중량을 기준으로, 탄소(C) 3.4~3.8 중량%, 규소(Si) 2.1~2.4 중량%, 망간(Mn) 0.2~0.4 중량%, 및 100 중량%를 만족시키는 잔량의 철(Fe)을 포함하도록, 각 원료의 함량을 조절한다. 특히 상기 주철 원탕에서 탄소 당량(Carbon Equivalent, C.E.)이 4.1~4.6가 되도록 조절한다.
상기와 같이 제조된 원료 용탕은 출탕 전에, 발광 분석기(Emission Spectrometer), 탄소/황 분석기(carbon/sulfur determinator), 탄소 당량 측정기 등을 이용하여 원탕의 성분 분석을 완료한다.
(ii) 래이들 준비
용광로에서 용융된 주철 원탕을 출탕하기 위한 용기인 래이들(Ladle)에, 주철의 나머지 성분인 구리(Cu) 0.4~0.8 중량%, 주석(Sn) 0.02~0.06 중량% 및 마그네슘(Mg) 0.009~0.02 중량%을 배치하여 래이들을 준비한다. 특히, 구리(Cu), 망간(Mn) 및 주석(Sn)은 전술한 함량 범위로 조절하되, 구리 당량(Cueq)이 1.1~1.6 범위가 되도록 각 성분의 양을 조절하여 래이들에 배치한다.
(iii) 주철 용융액의 제조
상기 제조된 주철 원탕을, 소정 함량의 구리(Cu), 주석(Sn) 및 마그네슘(Mg)이 배치된 래이들로 출탕하여 주철 용융액을 제조한다.
이때 출탕온도는 1510 ± 20℃가 되도록 조절할 수 있으며, 침적식 타입의 온도계를 사용하여 측정할 수 있다. 또한 상기와 같이 제조된 주철 용융액은 발광 분석기(Emission Spectrometer), 탄소/황 분석기(carbon/sulfur determinator), 구리 당량 측정기 등을 이용하여 성분 분석을 완료한다.
(iv) 마그네슘 2차 첨가 및/또는 접종
출탕된 주철 용융액에 포함된 마그네슘(Mg) 함량을 파악하여 추가될 마그네슘(Mg) 양을 결정한다. 이때 마그네슘(Mg) 함량을 파악하기 위하여 열분석기를 사용할 수 있다.
열분석 완료 시 열분석기에서 추가해야 할 마그네슘의 양이 결정된다. 이때 추가해야 할 마그네슘의 양이 0일 경우 마그네슘을 별도로 첨가하지 않으며, 추가하여야 하는 마그네슘의 양이 0 초과일 경우 열분석기에서 결정된 마그네슘의 양만큼 출탕된 주철 용용액에 2차 첨가한다. CGI 주철 형성을 위해, 2차 첨가되는 마그네슘(Mg)은 와이어(wire) 형태의 마그네슘을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니다. 열분석기에서 결정된 만큼의 마그네슘을 2차 첨가하지 않을 경우, 제조되는 CGI 주철의 기계적 물성이 현저하게 저하되므로, 반드시 결정된 양만큼의 마그네슘(Mg)을 2차 첨가하여야 한다.
전술한 마그네슘 첨가와 더불어, 주철 제조과정에서 일반적으로 사용되는 통상의 접종제를 첨가할 수 있다. 상기 접종제는 특별히 제한되지 않으며, 일례로 실리콘계 접종제를 사용할 수 있다. 실리콘계 접종제는 상업적으로 시판되는 것을 구입하여 사용할 수 있다. 또한 접종제의 종류 및 그 함량은 필요에 따라 당업자가 용이하게 선정 및 결정할 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 전술한 접종제 또한 와이어 형태를 사용할 수 있다.
(v) 주형 주입
마그네슘(Mg)이 첨가된 주철 용융액을 일정 형태의 주형(Mold)에 주입한다. 이어서, 주형으로부터 탈사 처리하여 주조품을 얻은 다음, 필요에 따라 연마(grinding) 등과 같은 기계적 가공을 통해 최종 형상 및 요구한 표면 품질을 갖는 CGI 주철 제품을 얻을 수 있다.
상기와 같이 제조된 본 발명의 CGI 주철은, 400~460 MPa의 인장강도, 700~850 mm의 용탕 유동도(Fluidity Length) 등의 안정적인 물성, 미세조직, 주조성 및 가공성을 가지므로, 형상이 복잡한 엔진 실린더 블록, 엔진 실린더 헤드, 피스톤, 피스톤링 등과 같은 엔진 부품에 유용하게 적용될 수 있다. 전술한 용도 이외에, 배기 매니폴드, 터보차저 하우징, 터보차저 하우징 일체형 배기 매니폴드, 촉매 케이스, 촉매 케이스 일체형 배기 매니폴드, 배기 출구 등의 배기계 부품; 소각로나 열처리로의 노 바닥, 혹은 카트 등의 연소로용 부품 등에 사용할 수 있고, 또한 디스크 브레이크 로터 등 슬라이드 이동 부품 등에도 제한 없이 사용할 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 보다 자세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이로써 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1~7]
하기 표 1의 화학 조성에 따라 실시예 1 내지 7의 CGI 주철을 제조하였다.
일례로, 먼저 표 1의 조성에 따라 탄소(C) 3.4~3.8 중량%, 규소(Si) 2.1~2.4 중량%, 망간(Mn) 0.2~0.4 중량%, 및 잔부 철(Fe)이 함유된 CGI 주철 재료를 용광로에서 융용하여 주철 원탕을 제조하였다. 출탕 전에 탄소 당량 측정기를 이용하여 탄소 당량(CE)이 4.1~4.6 범위가 포함되도록 조절하였다.
상기 주철 원탕을 출탕하기 위한 용기인 래이들(Ladle)에 구리(Cu) 0.4~0.8 중량%, 주석(Sn) 0.02~0.06 중량% 및 마그네슘(Mg) 0.009~0.02 중량%을 각각 배치하되, 구리 당량(Copper Equivalent, Cueq)이 1.1~1.6 범위가 되도록 구리(Cu), 주석(Sn) 및 마그네슘(Mg)의 양을 각각 조절하였다.
상기 래이들에 주철 원탕을 출탕하여 주철 용융액을 제조하였으며, 이때 출탕 온도는 1510±20℃로 조절하였다. 이어서, 주철 용융액에 포함된 마그네슘(Mg)의 함량을 파악한 후, 추가되어야 할 마그네슘의 양을 결정하였다. 추가되어야 할 마그네슘의 양을 첨가하기 위하여, 와이어(wire) 형태의 마그네슘을 주철 용융액에 첨가하였으며, 이어서 주철 용융액을 주형(Mold)에 주입하여 CGI 주철 제품을 제조하였다.
화학 조성(중량%)
C.E. Cueq C Si Mn P S Mg Cu Sn Fe
실시예1 4.2 1.49 3.5 2.2 0.3 0.017 0.008 0.012 0.66 0.07 잔량
실시예2 4.2 1.45 3.5 2.3 0.3 0.018 0.007 0.014 0.64 0.07 잔량
실시예3 4.2 1.47 3.5 2.3 0.3 0.018 0.006 0.009 0.64 0.07 잔량
실시예4 4.3 1.41 3.5 2.5 0.3 0.02 0.008 0.013 0.60 0.07 잔량
실시예5 4.3 1.46 3.5 2.3 0.3 0.019 0.007 0.013 0.65 0.06 잔량
실시예6 4.3 1.45 3.5 2.3 0.3 0.019 0.008 0.015 0.65 0.06 잔량
실시예7 4.5 1.12 3.8 2.1 0.3 0.017 0.006 0.016 0.75 0.02 잔량
비교예1 4.2 1.79 3.42 2.42 0.30 0.028 0.005 0.01 0.822 0.082 잔량
비교예2 4.3 0.78 3.4 2.6 0.3 0.026 0.006 0.011 0.20 0.04 잔량
비교예3 4.3 2.30 3.5 2.3 0.3 0.019 0.01 0.012 1.25 0.09 잔량
비교예4 4.5 2.35 3.74 2.2 0.3 0.02 0.01 0.011 1.3 0.09 잔량
비교예5 4.4 2.48 3.65 2.24 0.44 0.019 0.01 0.017 1.36 0.09 잔량
비교예6 4.0 1.43 3.3 2.2 0.7 0.027 0.074 0 0.58 0.05 잔량
비교예7 3.9 0.81 3.19 2.21 0.6 0.035 0.07 0 0.51 0 잔량
비교예8 4.4 1.18 3.66 2.11 0.23 0.047 0.007 0.041 0.771 0.03 잔량
[비교예 1~8]
하기 표 1의 화학 조성에 따라 비교예 1~8에 의한 주철을 각각 제조하였다. 구체적으로, 비교예 1~5의 경우 상용으로 사용되고 있는 인장강도 450MPa 이상급 CGI 주철이며, 비교예 6~7의 경우 현재 디젤 엔진 실린더 블록 및 헤드에 범용적으로 사용되고 있는 300 MPa급 회주철(GC300)이다. 또한 비교예 8의 경우 유압기기용 케이싱 등에 사용되고 있는 구상 흑연 주철(GCD600)이다.
하기 도 9에 나타난 바와 같이, 비교예 6의 회주철의 경우 편상 흑연 조직을 확인할 수 있으며, 마그네슘 (Mg) 함량이 높은 비교예 8의 구상 흑연 주철의 경우 미세조직 상 흑연(검은색 부분) 형상이 완전한 구(球) 형태로 형성된 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 1: CGI 주철의 기계적 물성 평가]
본 발명에 따른 CGI 주철의 기계적 물성을 하기와 같이 평가하였다.
구체적으로, 실시예 1~7 및 비교예 1~8의 주철 용융액을 이용하여, KS B 0801의 '금속재료 인장시험편'의 규격의 시험편으로 제작한 후, KS B 0802 규격에 준하여 만능재료시험기를 이용하여 상온(20±5℃) 하에서 인장강도(Tensile Strength), 항복강도(Yield Strength) 및 연신율(Elongation)을 각각 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2 및 도 1 내지 도 4에 각각 나타내었다.
이때 회주철 재질(GC300)인 비교예 6 및 7의 경우, 회주철의 특성상 항복강도(Yield Strength)와 연신율(Elongation)은 측정이 불가하기 때문에 '-'로 표시하였다.
탄소
당량
(C.E.)		 구리
당량
(Cueq)		 인장강도
(MPa)		 항복강도
(MPa)		 연신율
(%)		 경도
(HBW)		 구상화율
(%)		 펄라이트
분율
(%)
실시예1 4.2 1.49 456 326 2 223 6 76
실시예2 4.2 1.45 460 331 2 219 5 78
실시예3 4.2 1.47 442 325 2 224 17 75
실시예4 4.3 1.41 432 317 2 217 10 80
실시예5 4.3 1.46 417 315 3 208 8 83
실시예6 4.3 1.45 403 305 2 186 24 61
실시예7 4.5 1.12 411 314 1 199 23 74
비교예1 4.2 1.79 501 367 2 231 2 94
비교예2 4.3 0.78 340 210 3 170 5 21
비교예3 4.3 2.30 485 375 1 252 3 100
비교예4 4.5 2.35 490 384 1 253 3 99
비교예5 4.4 2.48 514 422 1 267 17.8 100
비교예6 4.0 1.43 330 - - 235 0 100
비교예7 3.9 0.81 325 - - 231 0 100
비교예8 4.4 1.18 679 390 4 236 87 91
[실험예 2: CGI 주철의 주조성 평가]
본 발명에 따른 CGI 주철의 주조성을 하기와 같이 평가하였다.
구체적으로, 도 5 및 6과 같이 AFS(American Foundry Society)에서 지정한 표준 유동도 스파이럴(Standard Fluidity Spiral) 시험편용 주형(Mold)를 제작한 후, 실시예 1~7 및 비교예 1~8에서 제작된 각각의 주철 용융액을 상기 주형에 주입하여 시험편을 제작하였다. 제작된 시험편에 50mm 간격으로 일정하게 표시되어 있는 Point를 이용하여 각 주철 용융액의 유동도 길이(Fluidity Length)를 측정하여 주조성을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 3 및 도 7에 각각 나타내었다.
주입온도 (℃) 유동도(mm)
실시예1 1327 720
실시예2 1322 700
실시예3 1330 730
실시예4 1342 750
실시예5 1368 850
실시예6 1384 850
실시예7 1388 760
비교예1 1331 600
비교예2 1360 720
비교예3 1369 650
비교예4 1362 640
비교예5 1380 580
비교예6 1350 770
비교예7 1327 750
비교예8 1417 650
상기 표 3에 따르면, 비교예 1, 3~5의 상용화된 CGI 주철과 비교예 8의 구상 흑연 주철의 경우 유동도 길이가 580 ~ 650 mm 정도를 나타내어, 주조성이 저조하다는 것을 알 수 있었다. 이때 비교예 2의 CGI 주철의 경우 주입온도가 높으며 첨가된 화학성분의 함량이 적기 때문에, 전술한 저조한 기계적 물성 대비 우수한 유동도 결과를 나타냈다.
이에 비해, 실시예 1~7에서 제조된 CGI 주철 용액의 유동도 길이는 700 ~ 850 mm를 나타내어, 회주철인 비교예 6~7의 유동도 길이(750 ~ 770mm)와 동등 이상 수준으로 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.
전술한 결과를 통해, 본 발명에 따른 특정 화학조성을 만족하는 CGI 주철은 유동성이 우수하므로, 본 발명의 CGI 주철을 이용하여 엔진 실린더 블록 및 헤드와 같은 복잡한 형상의 주물을 제작 시, 미스런(Mis-rum), 표면 결함 등과 같은 주조 결함 발생 없이 온전한 형상의 주물을 제작할 수 있음을 확인하였다.
[실험예 3: CGI 주철의 가공성]
본 발명에 따른 CGI 주철의 가공성을 하기와 같이 평가하였다.
구체적으로 실시예 1, 비교예 3 및 7에서 제조된 각 주철 재질을 이용하여 230××70×125mm 크기의 시험편으로 제작한 후, 하기 표 4와 같은 가공 조건하에서 페이스 밀링(Face Milling) 가공을 진행하고, 총 47열까지 가공했을 때의 사용한 공구의 마모량(mm)을 광학 현미경을 통해 측정하여 가공성을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 5 및 도 8에 각각 나타내었다.
항목 단위 페이스 밀링 가공성 평가
Spindle 속도 rpm 1000
Feed rate mm/min. 300
절삭 깊이 mm 3
공구 재질 - 초경
냉각 조건 - 건식
비고 - 5 Layer 가공 후 공구마모도 평가
탄소 당량
(C.E.)		 구리 당량
(Cueq)		 공구 마모량
(mm)
실시예 1 4.2 1.49 0.1
비교예 3 4.3 2.30 0.3
비교예 7 3.9 0.81 0.1
비교예 8 4.4 1.18 0.6
표 5에 따르면, 상용 CGI 재질인 비교예 3의 공구 마모량은 0.3mm를 나타내었다. 또한, 상용 구상흑연주철 재질인 비교예 8의 공구 마모량은 0.6mm인 것을 확인할 수 있다. 이에 비해, 실시예 1에서 제조된 CGI 재질은 가공 시 공구마모량이 0.1 mm를 나타내어, 회주철인 비교예 7의 공구 마모도와 동등 수준의 우수한 가공성을 갖는다는 것을 알 수 있었다.
이에 따라, 본 발명에 따른 특정 화학 조성을 갖는 CGI 주철은 우수한 가공성을 통해 엔진 실린더 블록 및 헤드와 같은 주물을 제작 시, 가공 공정상의 변형 없이 온전한 주물 가공품을 제작할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 4: CGI 주철의 열전도도 평가]
본 발명에 따른 CGI 주철의 열전도도를 하기와 같이 평가하였다.
구체적으로, 실시예 1 및 비교예 3, 7-8에서 제조된 각 주철 재질을 이용하여 Φ12.5×4mm 크기의 시험편으로 제작한 후, LFA(Laser Flash Apparatus)를 이용하여 열전도도를 평가하고, 그 측정 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
탄소 당량
(C.E.)		 구리 당량
(Cueq)		 열전도도
(W/m·K)
실시예 1 4.2 1.49 39.89
비교예 3 4.3 2.30 34.22
비교예 7 3.9 0.81 44.98
비교예 8 4.4 1.18 32.5
표 6에 따르면, 실시예 1의 열전도도는 회주철인 비교예 7과 비교하여 낮은 열전도도를 나타낸 반면, 현재 실린더 블록용으로 상용화되고 있는 비교예 3의 CGI 주철 보다 5 W/m·K 정도 높았으며, 구상 흑연 주철인 비교예 8과 비교하여 월등히 우수하다는 것을 알 수 있었다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 특정 화학 조성을 갖는 CGI 주철은 일반적으로 사용되고 있는 범용 CGI 재질과 대비하여 우수한 열전도도를 발휘하므로, 본 발명의 CGI 주철을 이용하여 엔진 실린더 블록 및 헤드와 같은 주물을 제작 시 높은 폭발압에서도 안전하게 운용이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (12)

  1. 전체 중량에 대하여 탄소(C) 3.4~3.8 중량%, 규소(Si) 2.1~2.4 중량%, 망간(Mn) 0.2~0.4 중량%, 구리(Cu) 0.4~0.8 중량%, 주석(Sn) 0.02~0.06 중량%, 마그네슘(Mg) 0.009~0.02 중량%, 및 100 중량%를 만족시키는 잔량의 철(Fe)을 포함하며,
    하기 식 1에 따른 구리 당량(Copper Equivalent, Cueq)이 1.1 내지 1.6인, CGI 주철:
    [식 1]
    Figure pat00003

    상기 식에서,
    Cu는 당해 CGI 주철의 총 중량 대비 구리의 중량%이고,
    Mn은 당해 CGI 주철의 총 중량 대비 망간의 중량%이고,
    Sn은 당해 CGI 주철의 총 중량 대비 주석의 중량%이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 CGI 주철은 페라이트-펄라이트 2상 혼합 기지조직(matrix structure)을 포함하며, 면적 분율로 17 내지 39%의 페라이트 및 61 내지 83%의 펄라이트로 구성되는, CGI 주철.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기지조직에 분포된 흑연의 구상화율(Nodularity)은 5 내지 30%인, CGI 주철.
  4. 제1항에 있어서,
    탄소 당량(Carbon Equivalent, C.E.)이 4.1 내지 4.6인, CGI 주철.
  5. 제1항에 있어서,
    20 ± 5℃하에서 하기 조건 (i) 내지 (iv)을 만족하는, CGI 주철:
    (i) 400 내지 460MPa의 인장강도(Tensile Strength);
    (ii) 300 내지 335 MPa의 항복강도(Yield Strength);
    (iii) 1 내지 3%의 연신율(Elongation); 및
    (iv) 185 내지 230 HBW의 브리넬 경도.
  6. 제1항에 있어서,
    1360 ± 40℃의 용탕 주입 온도에서의 유동 길이(Fluidity Length)가 700 내지 850 mm인, CGI 주철.
  7. 제1항에 있어서,
    열전도도가 34.5 내지 45 W/m·K인, CGI 주철.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 CGI 주철을 포함하며,
    엔진 실린더 블록 및 엔진 실린더 헤드 중 적어도 하나에 적용되는 엔진 부품.
  9. (i) 탄소(C) 3.4~3.8 중량%, 규소(Si) 2.1~2.4 중량%, 망간(Mn) 0.2~0.4 중량%, 및 100 중량%를 만족시키는 잔량의 철(Fe)을 포함하는 CGI 주철 재료를 용광로에서 용융하여 주철 원탕을 제조하는 단계;
    (ii) 구리(Cu) 0.4~0.8 중량%, 주석(Sn) 0.02~0.06 중량%, 및 마그네슘(Mg) 0.009~0.02 중량%이 배치된 래이들(Ladle)을 준비하는 단계;
    (iii) 상기 주철 원탕을 상기 레이들에 출탕하여 주철 용융액을 제조하되, 상기 주철 용융액의 구리 당량(Copper Equivalent, Cueq)을 1.1~1.6로 조절하는 단계;
    (iv) 제조된 주철 용융액에 포함된 마그네슘 함량을 결정한 후, 상기 주철 용융액에 마그네슘(Mg)을 2차 첨가하는 단계; 및
    (v) 상기 단계 (iv)의 주철 용융액을 주형에 주입하는 단계;
    를 포함하는 CGI 주철의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단계 (i)의 주철 원탕은 탄소 당량(C.E.)이 4.1~4.6로 조절된 것인, 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 단계 (iii)의 출탕 온도는 1510 ± 20℃로 조절하는 것인, CGI 주철의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 단계 (iv)에서 2차 첨가되는 마그네슘은 와이어(Wire) 형태의 마그네슘(Mg)인, CGI 주철의 제조방법.
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