KR101438825B1

KR101438825B1 - 페라이트계 구상흑연 주철재

Info

Publication number: KR101438825B1
Application number: KR1020080058956A
Authority: KR
Inventors: 신호철
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2014-09-05
Also published as: KR20090132798A

Abstract

중량%로, C: 3.0~3.6%, Si: 4.3~5.0%, Mn: 0.5% 이하(0은 불포함), P: 0.05% 이하(0은 불포함), S: 0.03% 이하(0은 불포함), Cr: 0.1% 이하(0은 불포함), Ni: 1.0% 이하(0은 불포함), Mo: 0.5~1.5%, V: 0.5~1.5%, 구상화 처리제 0.1% 이하(0은 불포함), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는 페라이트계 구상흑연 주철재가 소개된다. 이러한 주철재는 고온에서의 강도, 내열성 및 내산화성이 우수하다.

구상흑연주철, 고온강도, 내산화성, 고온내열특성

Description

페라이트계 구상흑연 주철재{FERRITIC NODULAR CAST IRON}

본 발명은 고온 사용 조건하에서의 강도와 내산화성이 우수한 고규소-바나듐-몰리브덴계 페라이트 구상흑연 주철재에 관한 것이다.

가열과 냉각의 반복과정을 거치는 차량 엔진의 배기계 부품인 배기 매니폴드나 터보 차저의 터빈하우징 등에 사용되는 재료는 고온 특성이 좋아야 한다.

일례로서, 최근 들어 차량의 출력 증대 및 배기규제 강화에 따라 이를 만족시키기 위해 배기가스 온도가 지속적으로 상승되고 있는 실정이며 이에 따라 내구성 및 품질에 대한 측면도 강화되면서 배기계가 받게 되는 부하는 점점 더 커지고 있다.

현재 주조 배기 매니폴드의 재료로 저실리콘 몰리브덴, 고실리콘 몰리브덴 구상흑연주철, Ni-resist 주철 및 주강 등이 사용되고 있으나, 이러한 배기 매니폴드 재료는 고온 특성이 우수하여야 하지만 이에 못지 않게 비용 또한 고려될 필요가 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 고온 강도 및 내산화성이 우수하며 비교적 저가인 페라이트 구상흑연 주철재를 제공함을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 페라이트계 구상흑연 주철재는, 중량%로, C: 3.0~3.6%, Si: 4.3~5.0%, Mn: 0.5% 이하(0은 불포함), P: 0.05% 이하(0은 불포함), S: 0.03% 이하(0은 불포함), V: 0.5~1.5%, Mo: 0.5~1.5%, Ni: 1.0% 이하(0은 불포함), Cr: 0.1% 이하(0은 불포함), 구상화 처리제 0.1% 이하(0은 불포함), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는다.

상술한 바와 같은 페라이트계 구상흑연 주철재는, 기존의 구상흑연 주철재와 비교하여 고온에서의 강도, 내열성 및 내산화성이 우수하며 제조비용 또한 저렴하다.

따라서, 상기 구상흑연 주철재는 우수한 고온 특성을 요구하는 주조 합금으로 사용될 수 있으며, 특히 고출력 엔진의 배기 매니폴드, 터빈하우징 등에의 이용이 가능하다.

상기 과제 해결수단에 기재된 바와 같은 본 발명에 따른 페라이트계 구상흑연 주철재에 대하여, 첨부된 도면을 참조하면서 구체적인 실시예를 들어 설명한다.

상기된 구상흑연 주철재는 고규소-바나듐-몰리브덴계로서, 구상흑연에 페라이트 기지조직을 나타내며, 조성 중에 특히 Si, V, Mo가 첨가되어 고온 특성이 우수하다.

탄소(C)는 주조시의 유동성(저하) 및 초정 흑연 정출(조대화)을 고려하여 3.0~3.6 wt% 포함된다.

규소(Si)는 흑연 정출에 기여하는 원소로서 4.3~5.0wt% 포함된다. 특히, Si는 기지와의 정합성이 우수한 Fe₂SiO₄ 산화 피막을 많이 생성하여 내산화성을 향상시키는데, 기지조직의 페라이트화 작용, 페라이트에서 오스테나이트 변태 상승 효과 및 주조시 용탕흐름 및 절삭성 등을 고려할 때, 5.0wt% 정도까지 포함되는 것이 바람직하다. Si의 함량이 4.3wt% 미만인 경우, 내산화성 향상 효과가 저하된다.

망간(Mn)은 공정셀 경계에 편석되어 이 부분에서의 페라이트 → 오스테나이트 변태 온도를 낮춘다. 함량은 0.5wt% 이하(0은 불포함)가 바람직하다.

인(P)은 스테다이트(Steadite)를 형성시키므로 그 함량은 0.05wt% 이하(0은 불포함)로 관리될 필요가 있다.

황(S)은 흑연 구상화에 유해하므로 0.03wt% 이하(0은 불포함)로 제한된다.

크롬(Cr)은 C계 산화물을 형성하여 내산화성을 향상시키는데, 다량 포함시 절삭성을 저하시키므로 0.1wt% 이하(0은 불포함)로 관리된다. 이 정도의 Cr 함량은 대개 스크랩으로부터 자연적으로 포함되는 정도의 양이다.

니켈(Ni)은 상온 연신율을 향상시키며 1.0wt% 이하(0은 불포함) 포함된다. 1.0wt%을 초과하는 경우, 기지의 퍼얼라이트화가 너무 강하게 나타난다.

몰리브덴(Mo)은 페라이트에 고용강화의 효과로 고온 강도를 향상시키는데, 특히, 상기 조성의 C와 결합되어 석출 탄화물을 형성하여, 평균 열팽창 계수를 낮추며 고온영역에서 열 응력 발생을 낮게 하여, 고온 강도를 향상시킨다. 다만, 다량 첨가시 입계 탄화물이 증가해 절삭성 및 상온 연신율을 저하시키므로 0.5~1.5wt%로 포함된다. 함량이 0.5wt% 미만인 경우, 750~800℃ 이상의 고온 특성 향상 효과가 떨어진다.

바나듐(V)은 VC에 의한 석출 강화를 통하여 고온 강도를 향상시키며, 0.5~1.5 wt%로 포함된다. 1.5wt% 초과하여 포함되는 경우 탈탄 반응의 증가로 내산화성이 저하되며, 0.5wt% 미만으로 포함되는 경우 750~800℃ 이상의 고온 특성 향상 효과가 떨어진다.

구상화 처리제는 0.1wt% 이하(0은 불포함)로 포함된다. Mg(마그네슘), Ce(세륨), Ca(칼슘) 등의 이용이 가능한데, Mg의 사용이 바람직하며, 일례로서, 약 0.08wt% 정도 첨가되며 흑연 구상화 처리 후 함량은 0.06 wt% 정도이다. 구상화 처리제가 0.1wt%를 초과하여 포함되는 경우, 탄화물이 발생하며 흑연 및 산화물 드로스(Dross)가 용탕 주입 중에 혼입되어 제품 결함을 발생시킨다.

상기된 바와 같은 조성을 갖는 고규소-바나듐-몰리브덴계 페라이트 구상흑연 주철재는 Si의 첨가에 의해 고온 내산화성이 향상되며, Mo의 고용 강화로 인하여 고온 특성이 향상되며, 나아가 V, Mo의 첨가에 따른 (V, Mo) 복합탄화물의 석출에 의해 고온 강도 및 내열 특성이 더욱 향상된 것이다.

위와 같은 구상흑연 주철재의 우수한 고온 특성은 아래의 실험예로부터 확인할 수 있다. 하나의 예로서, 아래의 [표 1]에 기재된 조성을 갖는 실시예와 비교에 대한 고온에서의 인장강도 및 내산화성 측정시험 결과를 설명한다. 여기서, 비교예 1의 조성은 배기 매니폴드 재질로 사용되고 있는 고 실리콘계 내열 구상흑연 주철품에 해당하며, 비교예 2의 조성은 저 실리콘계 내열 구상흑연 주철품에 해당한다.

구분	화학성분(wt%)
구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	V	Mg
실시예	3.18	4.44	0.24	0.05	0.01	0.08	0.36	1.22	0.90	0.041
비교1	3.31	4.16	0.32	0.048	0.03	0.02	0.03	0.65	-	0.026
비교2	3.69	2.84	0.26	0.042	0.02	0.06	0.13	0.45	-	0.034

고온 인장 시험은 통상의 인장 강도 시험 조건에 따라 실시되었으며, 그 결과, 도 1에서 보듯이, 가혹한 배기계 모드인 재질 표면온도 800℃에서 실시예가 가장 높은 고온 인장강도를 나타냈다. 이는 Mo 첨가에 의한 고용강화, V첨가에 의해 VC 석출 강화 및 V, Mo의 복합첨가에 의해 (V, Mo) 복합 탄화물 석출로 고온강도가 향상됨에 기인한 것으로 판단된다.

한편, 고온 산화 시험은 실시예와 비교예 1, 2에 따른 조성의 가로 20mm , 세로 20mm, 높이 2mm의 정사각형 시험편들을 제작하여 각 시험편을 분위기 온도 700℃의 가열 보온로에서 300시간 동안 대기 중에 유지하고, 가열 보온로에서 꺼내 공냉시킨 다음, 쇼트 블라스트 처리를 해서 산화스케일을 제거한 후에 산화 시험 전,후의 단위 면적당 질량 변화 즉 산화 감량(g/mm₂)을 구하는 방식으로 진행되었다. 이러한 실험결과, 도 2에서 보듯이, 실시예가 가장 낮은 산화 감량을 보였다. 이는 특히, Si의 적정 첨가에 의해 내산화성 향상됨에 기인한 것으로, 기지와의 계면에 밀접한 Fe₂SiO₄을 많이 생성시키기 때문인 것으로 판단된다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예와 종래예의 고온 인장시험 결과를 나타낸 그래프,

도 2는 본 발명의 일실시예와 종래예의 고온 산화시험 결과를 나타낸 그래프이다.

Claims

중량%로, C: 3.0~3.6%, Si: 4.3~5.0%, Mn: 0.5% 이하(0은 불포함), P: 0.05% 이하(0은 불포함), S: 0.03% 이하(0은 불포함), Cr: 0.1% 이하(0은 불포함), Ni: 1.0% 이하(0은 불포함), Mo: 1.1~1.5%, V: 0.5~1.5%, 구상화 처리제 0.1% 이하(0은 불포함), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 페라이트계 구상흑연 주철재.