KR20080112843A

KR20080112843A - 터빈하우징/배기메니폴드용 주형재

Info

Publication number: KR20080112843A
Application number: KR1020070061804A
Authority: KR
Inventors: 한제원; 김윤택
Original assignee: 보그워너 인코포레이티드
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2008-12-26
Also published as: WO2009002013A1

Abstract

본 발명에 따른 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재는 탄소, 실리콘, 인, 망간, 마그네슘 성분을 갖으며, 바나듐(V)을 0.5 내지 2%, 몰리브덴(MO)을 0.5 내지 3%, 니켈(Ni)을 0.1 내지 2%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자동차의 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재에 의하면, 고온에서 사용되는 터빈하우징/배기매니폴드용 합금의 구성성분을 변경하여 열변형 특성을 개선하고 고온 내산화성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

터빈하우징/배기메니폴드용 주형재 {turbine housing/manifold cast iron}

도 1은 본 발명에 따른 주형재와 비교예의 인장강도를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 주형재의 연신률을 도시한도면.

도 3은 본 발명에 따른 주형재의 항복점 특성을 도시한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 주형재의 열전도도 특성을 도시한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 주형재의 열산화 특성을 도시한 도면.

도 6은 본 발명에 따른 주형재의 열팽창률 특성을 도시한 도면.

도 7은 본 발명에 따른 주형재의 E-module 특성을 도시한 도면.

본 발명은 자동차의 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온에서 사용되는 터빈하우징/배기매니폴드용 합금의 구성 성분을 변경하여 고온에서의 열전도도, 열팽창율, 열충격, 열변형 등의 특성을 개선하고 고온 내산화성을 증대시킨 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재에 관한 것이다.

현재 자동차 엔진 배기계 재질로 사용되고 있는 재질은 FCD-H 및 FCD-50HS재질이 주류를 이루고 있으며, 이들 재질은 현재까지 출력 및 배기가스 온도가 그리 높지 않은 현 상황에서 적합하게 사용되어 왔다.

그러나, 최근 자동차 배기량의 증가와 출력의 증대 등으로 배기가스 온도가 급속히 높아져 가솔린 기관인 경우 최대 1000℃ 전후, 디젤기관인 경우 830℃ 내외에서 작동 시, 배기매니폴드, 터빈하우징 등의 부품은 열적 부하가 매우 커지게 된다.

배기온도 상승에 따른 가장 큰 문제는 재질의 열변형 문제로서, 고온과 저온의 영역을 왕복하는 배기매니폴드의 상황상 열팽창과 수축이 동반될 수 밖에 없는데 이러한 열변형에 의해 표면 산화주름이 야기될 수 있고, 이것이 진전하여 심지어는 관통크랙까지 생길 수 있다.

이러한 산화주름 및 관통크랙은 상대적으로 박육부인 포트(Port)부 또는 합류부에서 빈번하게 발생하는데, 이는 포트부가 얇고 냉각에 따른 조직 불균형이 일부 영향을 주었을 것으로 판단된다.

이에, 배기온도 상승을 통한 고속성능이 향상되는 점에 따라 엔진의 배기온도를 점차 높이려는 시도가 되고 있으며, 따라서 이를 뒷받침에 줄 수 있는 보다 열변형 및 내산화성이 뛰어난 내열 주형재료의 개발이 시급한 시점에 있다.

게다가 현재까지 사용되고 있는 터빈하우징/배기매니폴드 재질은 800℃ 미만의 작동범위 내에서는 GGV, HiSiMo, Super-HiSiMo, SiMoCr과 같은 저가의 재질이 사용되어 왔으나 엔진출력 및 배기가스 규제의 강화에 따라 디젤엔진에서도 800~830℃ 사용함에 따라 D5S 재질을 사용할 수밖에 없게 되었다.

그러나 이 D5S 재질은 니켈(Ni)이 30~35wt% 함유되어 있고 최근의 Ni 가격 급등으로 재료비 부담이 상당히 클 수밖에 없게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구 개발된 것으로서, 고온에서 사용되는 터빈하우징/배기매니폴드용 합금의 구성성분을 변경하여 열변형 특성을 개선하고 고온 내산화성을 증대시킨 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재를 제공하는데 그 목적이 있다.

터빈하우징/배기매니폴드 재질에 바나듐(V; 0.5- 2.0%), 몰리브덴(Mo; 0.5-3.0%), 니켈(Ni; 0.1-2.0%) 성분을 포함시킨 고온에서의 기계적 성질을 향상시킨 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 고가의 Ni을 사용하지 않고 기존 GGV에 바나듐(V), 몰리브덴(Mo)를 추가하여 고온의 작동환경에서도 요구되는 기계적 물성을 갖도록 하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재는 탄소, 실리콘, 인, 망간, 마그네슘 성분을 갖으며, 바나듐(V)을 0.5 내지 2%, 몰리브덴(MO)을 0.5 내지 3%, 니켈(Ni)을 0.1 내지 2%를 포함하는 것을 특징으 로 한다.

상기 주형재는 600℃ 내지 900℃에서 내열성을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 주형재의 고온 인장강도는 700℃에서 140N/mm²인 것을 특징으로 한다.

상기 주형재의 고온 인장강도는 800℃에서 75 내지 80N/mm² 인 것을 특징으로 한다.

상기 주형재의 연신률은 800℃에서 35 내지 45%인 것을 특징으로 한다.

상기 주형재의 항복점은 800 ℃에서 55 N/mm² 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 주형재의 열전도도는 20 내지 40W/mk인 것을 특징으로 한다.

상기 주형재의 열산화로 인한 중량 증가는 16mg/cm² 인 것을 특징으로 한다.

상기 주형재의 열팽창률은 800℃에서 05% 내지 1.5% 인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

여기서, 본 발명에 따른 주형재의 각 조성 및 범위를 한정한 이유를 설명하면 다음과 같다.

그리고 본 발명에 따른 주형재는 탄소, 실리콘, 인, 망간, 마그네슘 성분을 갖으며 바나듐(V)을 0.5 내지 2%, 몰리브덴(MO)을 0.5 내지 3%, 니켈(Ni)을 0.1 내지 2%를 포함하고 있다.

본 발명에 따른 주형재의 각 조성 및 범위를 살려보면 다음과 같다.

1) 몰리브덴(Mo) (0.5)~(3)wt%

본 발명의 주형재에는 몰리브덴(Mo)을 0.3 내지 3.5wt%를 첨가할 수 있으며 바람직하게는 0.5 내지 3.0wt%를 첨가할 수 있다.

이와 같이 주형재에 첨가되는 몰리브덴은 상기 주형재의 고온 인장강도, Creep성질, 파단강도 개선 및 고온에서 보호피막 형성하여 내산화성을 향상시킬 수 있다.

그러나 저온에서의 인성 및 내충격성은 저하될 수 있다. 따라서 상기 주형재에서 몰리브덴의 함량은 0.5 내지 3wt%를 갖는 것이 바람직하다.

2) 바나듐(V) (0.5)~(2) wt%

본 발명의 주형재에는 바나듐(V)을 0.3 내지 2.5W%를 첨가할 수 있으며, 바람직하게는 0.5 내지 2.0%를 첨가할 수 있다. 상기 바나듐은 본 발명의 주형재의 고온에서 산화방지 및 고온에서의 변형을 방지할 수 있다.

3) 규소(Si) (4)∼(4.6)wt%

본 발명에 따른 주형재에는 규소성분을 3 내지 5wt%를 첨가할 수 있으며, 바람직하게는 4 내지 4.6wt%를 첨가할 수 있다.

상기 규소(Si)성분을 많이 첨가할수록 상기 주형재의 내열성, 구조의 특성 증진 등의 효과를 얻을 수 있다.

그리고 페라이트(Ferrite)계 구상 흑연 주철의 성질에 중요한 영향을 미친다. 탄소와 함께 Ferrite/Austenite 천이온도를 상승시켜 상기 주형재의 치수안정도 향상시키며, 상기 규소의 Si + O₂ → SiO₂ 반응에 의해 상기 주형재의 표면에 보호피막 형성, 내산화성을 향상시킬 수 있다.

한편, 규소(Si)범위가 부족하면 상기 주형재에 기지조직이 페라이트화가 되지 못하고 펄라이트가 존재할 수 있다. 따라서 펄라이트는 온도의 승온 중 650℃ 이상에서 분해하여 주형재가 열팽창되는 원인이 될 수 있다.

따라서 상기한 이유로 규소(Si)가 너무 많이 첨가될 경우, 취성이 증대되므로 (4)∼(4.6))wt%범위로 한정하는 것이 바람직하다.

보다 상세하게는, 규소(Si)성분이 4wt% 이상 첨가될 경우, 표면 산화철(FeO)산화층 내에 Fe₂SiO₄층을 형성하는데, 이 층은 매우 미세(fine)하여 산화가 진행되는 것을 줄여줄 수 있으므로, 규소(Si)성분을 4~4.6 wt%의 범위로 첨가할 경우 고온 산화스케일에 따른 촉매공격성을 완화할 수 있는 효과가 있다.

4) 탄소(C) (3)∼(3.6)wt%

본 발명에 따른 주형재는 2.5 내지 4.0wt%의 탄소를 첨가할 수 있으며, 바람직하게는 3∼3.6wt%의 탄소를 첨가할 수 있다.

상기 탄소성분의 3 내지 3.6wt%의 함량은 상기 주형재에 규소성분이 많이 첨가되었으므로 상기 탄소성분이 이 범위보다 높을 경우 과공정이 일어날 수 있기 때문이다.

따라서 상기 주형재에 첨가되는 탄소량은 상기 주형재의 경도를 향상시킬 수 있지만 상기 주형재의 내식성이 저하시킬 수 있으므로 3 내지 3.6W%를 첨가하는 것이 바람직하다.

5) 니켈(Ni) (0.1)~(2.0)wt%

본 발명에 따른 주형재는 니켈 성분을 0.1 내지 2.5wt%를 첨가할 수있으며, 바람직하게는 0.1 내지 2.0 wt%를 첨가할 수 있다.

상기 주형재에 첨가는 니켈(Ni)성분은 재료의 내식성을 향상시킬 수 있으며 상기 주형재의 재질을 질기게 할 수 있다. 게다가 상기 니켈 성분은 일정량이상을 첨가할 때 상기 주형재의 열팽창계수를 감소시킬 수 있다.

따라서, 상기 주형재에서 니켈성분은 0.1 내지 2.0wt%를 첨가하는 것이 바람직하다.

6) 망간(Mn) (0.3)wt% 이하

본 발명에 따른 주형재에는 망간(Mn)성분을 0.5wt%이하를 첨가할 수 있으며, 바람직하게는 망간성분을 0.3wt% 첨가할 수 있다.

상기 망간성분은 상기 주형재의 경도와 고온강도를 향상시킬 수 있으며, 상기 주형재의 인성을 향상시킬 수 있다.

따라서 상기 망간성분은 0.3wt% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

7) 인(P) 0.047wt% 이하 , 황(S) 0.02%wt 이하

본 발명에 따른 주형재는 다수의 혼합물을 첨가하여 형성할 수 있다. 따라서 상기 주형재에는 다수의 혼합성분을 혼합하면서 다수의 불순물이 첨가될 수 있다.

그러나 상기 불순물을 완전히 제거하기는 어려울 수 있으며, 상기 불순물의 함량을 최소화시키는 것이 중요하다. 그래서 상기 주형재의 내식성과 강도를 저하시킬 수 있으며, 각종 취성의 원인이 될 수 있는 인과 황의 첨가량을 최소화시키는 것이 바람직하다.

따라서 상기 주형재에 첨가되는 인성분은 0.047wt% 이하가 바람직하고, 상기 황성분은 0.02wt% 이하가 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하고자 한다.

그러나, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 이들 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

아래의 비교/실시예들은 800℃ 이하의 온도조건에서 현재 사용되는 터빈하우징/배기매니폴드에 사용 되는 주형재의 대표적인 재질들이다

실시예

본 발명에 따른 주형재 즉, GGV-VMo는 상기에 설명한 바와 같이, 탄소(C) (3~3.6)wt%, 규소(Si) (4~4.6)wt%, 망간(Mn) (0.3)wt%이하, 인(P) 0.047wt%이하, 황(S) 0.02wt% 이하, 마그네슘 (0.05)wt%이하 몰리브덴(Mo) (0.5~0.3)wt%, 니켈(Ni) 0.1 내지 2wt%, 바나듐(V)을 0.5 내지 2wt%를 포함하고 나머지는 불순물과 Fe로 이루어진 본 발명의 주형재를 이용하여 통상의 방법으로 배기 메니폴드를 제조하였다.

비교예

종래의 GGV는 재질명 관련해서 공식적인 규격에 의한 명칭은 없으며, Heat resistant Ductile cast steel에 대하여 회사별로 조금씩 성분을 수정하여 부르고 있습니다. 상기 GGV는 기존의 미국에서 불리우는 CGI (Compacted graphite Iron)를 터빈하우징 재질로 조금개량하면서 독일에서 GGV라고 명하였습니다.

비교예의 GGV(Gusseisen mit Vermikular graphit) : Cast iron with vermicular graphite의 독일표기) 는 탄소(C) (3~3.6)wt%, 규소(Si) (4~4.6)wt%, 망간(Mn) (0.3)wt%이하, 인(P) 0.047wt%이하, 황(S) 0.02wt% 이하, 마그네슘 (0.05)wt%이하 몰리브덴(Mo) (0.4~0.7)wt%, 니켈 ( 0.60 wt% 이하, 를 포함하고 나머지는 불순물과 Fe로 이루어진 본 발명의 GGV합금을 이용하여 통상의 방법으로 배기메니폴드를 제조하였다.

물성특성 및 결과

독일공업규격(DIN EN 1002-1) 및 한국 공업 규격 KSD 0801 ~ 0811 에 규정되어있는 시험규격에 따르며 상기 실시예와 비교예에 대한 물성특성 및 결과는 아래와 같다.

상기 실시예와 비교예들의 시편은 k=5.65, D=10±0.075mm, S₀=78.5mm², Lc=55mm 인 사각형 시편사용 하였으며, 상기 시편으로 상기 주형재의 연장강도, 연신율, 항복점 등을 각각의 측정장치를 이용하여 측정하였다.

그리고 본 발명의 주형재의 물성특성을 측정하기 기준은 배기가스 온도가 950℃이상 올라가게 되면, 배기계 (즉, 주형재)의 온도는 약 -100 ℃정도 저하된 800℃까지 상승할 수 있다.

따라서, 본 시험에서는 600℃에서 800℃까지 실시예 및 비교예의 재질에 대한 열적강도를 측정하였다.

도 1 내지 도 7은 본 발명에 따른 주형재의 특성을 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 주형재(GGV-VMo)는 고온 인장시험(Tensile strength)을 온도에 따라 실시하였으며, 700℃에서 140 N/mm², 800℃에서는 75~80N/mm²의 특성을 나타내고 있다. 즉, 종래의 GGV와 비교하여 고온 인장강도 특성이 비슷하거나 양호한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 주형재의 연신률을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 주형재의 연신률은 800℃에서 40%내외의 특성을 보이며, 종래의 GGV와 비교하여 연신률 특성이 거의 동일한 특성을 나타내는 것을 볼 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 주형재의 항복점 특성을 도시한 도면이다.

도3을 참조하면, 본 발명의 주형재는 800℃에서 55N/mm² 내외의 특성을 나타내며, 종래의 GGV 대비 거의 비슷한 항복점특성을 보임을 알 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 주형재의 열전전도도 특성을 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 주형재는 30W/mk 내외의 열전도도 특성을 보이며, 이는 종래의 GGV와 비교하여 향상됨을 알 수 있다.

이는 상기 주형재가 주변으로 열방출 특성이 향상되어 열충격으로부터 주형재의 형상을 유지할 수 있는 특성이 향상됨을 알 수 있는 것이다.

도 5 내지 도 7은 각각 본 발명에 따른 주형재의 열산화, 열팽창, E-module에 대한 특성을 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 주형재의 열산화 특성은 750℃에서 100시간 동안 측정한 데이터로 100시간에 열 산화되어 중량증가는 16mg/cm²로 종래의 GGV에 비해서 열산화에 대한 고온에서도 산화되지 않는 것을 알 수 있다.

따라서 상기 주형재는 고온에서도 내산화성이 향상됨을 알 수 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 주형재는 열팽률이 800℃에서 5mm로 약 1.25%의 열팽창률을 나타내며, 종래의 GGV에 비교하여 열팽창률이 낮은 것을 알 수 있다. 상기와 같이 열팽창률이 낮게 측정됨으로써 상기 주형재는 고온에서 열팽창에 인한 주형재의 형상변형 등의 특성을 향상됨을 알 수 있다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 주형재의 E-module이 800℃에서 50GPa로 측정되어 종래의 GGV와 비교하여 비슷한 특성을 나타냄을 알 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차의 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재에 의하면, 고온에서 사용되는 터빈하우징/배기매니폴드용 합금의 구성성분을 변경하여 열변형 특성을 개선하고 고온 내산화성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재는 터빈하우징/배기매니폴드 재질에 바나듐(V; 0.5- 2.0%), 몰리브덴(Mo; 0.5-3.0%), 니켈(Ni; 0.1-2.0%) 성분을 포함시켜 고온에서의 기계적 성질을 향상킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 고온의 작동환경에서도 요구되는 기계적 물성을 갖으면서 바나듐(V), 몰리브덴(Mo), 고가의 Ni을 사용하지 않기 때문에 제조비용을 저감할 수 있는 효과가 있다.

Claims

탄소, 실리콘, 인, 망간, 마그네슘 성분을 갖으며, 바나듐(V)을 0.5 내지 2%, 몰리브덴(MO)을 0.5 내지 3%, 니켈(Ni)을 0.1 내지 2%를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재.
제1항에 있어서,

상기 주형재는 600℃ 내지 900℃에서 내열성을 갖는 것을 특징으로 하는 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재.
제 1항에 있어서,

상기 주형재의 고온 인장강도는 700℃에서 140N/mm²인 것을 특징으로 하는 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재.
제 1항에 있어서,

상기 주형재의 고온 인장강도는 800℃에서 75 내지 80N/mm² 인 것을 특징으 로 하는 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재.
제 1항에 있어서,

상기 주형재의 연신률은 800℃에서 35 내지 45%인 것을 특징으로 하는 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재.
제 1항에 있어서,

상기 주형재의 항복점은 800 ℃에서 55 N/mm² 이상인 것을 특징으로 하는 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재.
제 1항에 있어서,

상기 주형재의 열전도도는 20 내지 40W/mk인 것을 특징으로 하는 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재.
제 1항에 있어서,

상기 주형재의 열산화로 인한 중량 증가는 16mg/cm² 인 것을 특징으로 하는 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재.
제 1항에 있어서,

상기 주형재의 열팽창률은 800℃에서 05% 내지 1.5% 인 것을 특징으로 하는 터빈하우징/배기매니폴드용 주형재.