자동차 엔진 터빈하우징용 차세대 모델 신소재 개발 기술지원 · 2011. 12....

자동차 엔진 터빈하우징용 차세대자동차 엔진 터빈하우징용 차세대자동차 엔진 터빈하우징용 차세대자동차 엔진 터빈하우징용 차세대

모델 신소재 개발 기술지원모델 신소재 개발 기술지원모델 신소재 개발 기술지원모델 신소재 개발 기술지원

2008. 1.2008. 1.2008. 1.2008. 1.

지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원::::

지원기업 주 캐스텍코리아지원기업 주 캐스텍코리아지원기업 주 캐스텍코리아지원기업 주 캐스텍코리아: ( ): ( ): ( ): ( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

관리번호 :

전문기업기술지원사업 기술지원성과보고서전문기업기술지원사업 기술지원성과보고서전문기업기술지원사업 기술지원성과보고서전문기업기술지원사업 기술지원성과보고서

사 업 명 자동차 엔진 터빈하우징용 차세대 모델 신소재 개발 기술지원

지원책임자소속 한국생산기술연구원:

성명 이경환:지원기간

부터2006. 11. 01

까지2007. 10. 31

사업비 규모

총 백만원220

지원기관의

참여연구원

조규섭

최경환

이진오

정 부 출 연 금 백만원: 110

기업부담금현금 백만원: 66

현물 백만원: 44

부품 소재전문기업기술지원사업운영요령 제 조의 규정에 의해 기술 지원사업 수행에18ㆍ

대한 기술 지원성과보고서를 제출합니다.

첨부 기술지원성과보고서 부: 5

년 월 일2008 1

작성자 지 원 책 임 자 이경환( ) :

지원기관장 한국생산기술연구원장 나경환( ) :

확인자 참여기업 대표 윤상원( ) :

한국부품소재산업진흥원장 귀하한국부품소재산업진흥원장 귀하한국부품소재산업진흥원장 귀하한국부품소재산업진흥원장 귀하

- 3 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 자동차 엔진 터빈하우징용 차세대 모델 신소제 개발 기술지원 지원“ ”(

기간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다: 2006. 11. 1. ~ 2007. 10. 31.) .

2008. 1. .2008. 1. .2008. 1. .2008. 1. .

지원기관지원기관지원기관지원기관 :::: 기관명 한국생산기술연구원기관명 한국생산기술연구원기관명 한국생산기술연구원기관명 한국생산기술연구원( )( )( )( )

대표자 나 경 환대표자 나 경 환대표자 나 경 환대표자 나 경 환( )( )( )( )

참여기업참여기업참여기업참여기업 :::: 기업명 주 캐스텍코리아기업명 주 캐스텍코리아기업명 주 캐스텍코리아기업명 주 캐스텍코리아( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )

대표자 윤 상 원대표자 윤 상 원대표자 윤 상 원대표자 윤 상 원( )( )( )( )

지원책임자 이 경 환지원책임자 이 경 환지원책임자 이 경 환지원책임자 이 경 환::::

참여연구원 조규섭 생기원참여연구원 조규섭 생기원참여연구원 조규섭 생기원참여연구원 조규섭 생기원: ( ): ( ): ( ): ( )

최경환최경환최경환최경환" : ( " )" : ( " )" : ( " )" : ( " )

이진오이진오이진오이진오" : ( " )" : ( " )" : ( " )" : ( " )

한창훈 캐스텍코리아한창훈 캐스텍코리아한창훈 캐스텍코리아한창훈 캐스텍코리아" : ( )" : ( )" : ( )" : ( )

하창식하창식하창식하창식" : ( " )" : ( " )" : ( " )" : ( " )

- 4 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

과제고유번호 06-FS-1-0048 연구기간 2006. 11. 1 ~ 2007. 10. 31.

연구사업명 부품소재전문기업기술지원사업

지원과제명 자동차 엔진 터빈하우징용 차세대 모델 신소재 개발 기술지원

지원책임자 이경환지원연구원

수

총 명: 3

내부 명: 3

외부 명:

총

사업비

정부 천원: 110,000

기업 천원: 110,000

계 천원: 220,000

지원기관명 한국생산기술연구원 소속부서명 신소재개발본부 신소재공정팀

지원기업 기업명 주 캐스텍코리아 기술책임자 안 병 원: ( ) , :

요약 연구결과를 중심으로 개조식 자 이내( 500 )보고서

면수85

내열주철의 물성 평가방법 도출o

열물질적 특성 열팽창특성 변태온도 열팽창계수 고온산화특성 산화중량 산화피- : ( , ), ( ,

막)

기계적 특성 상온인장특성 고온인장특성 상온충격에너지- : , ,

미세조직 계단시편 분석 냉각속도 열처리 유무의 영향- : (OM, SEM, EDX : , )

제반 특성과 미세조직 화학조성의 상호관계를 분석 정립- , ,

기존 생산제품의 물성평가o

의 열물리적 기계적 특성 분석- HisiMo, super HiSiMo, SiMoCr, Ni-resist ,

계단시편을 통한 미세조직 분석 제반 특성과 화학조성간의 상호관계 분석- ,

내열주철 개발방향의 도출o

흑연 형상에 따른 열물리적 기계적 특성 분석- ,

함량의 영향 분석- Si, Mo

색 인 어

각 개( 5

이상)

한 글 터보 차저 터빈하우징 터보 엔진 유로 내열주철, , , 5,

영 어Turbo charger, Turbine Housing, Turbo Engine, EURO 5,

Heat resistant cast iron

- 5 -

기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

금후 자동차는 공해물질 발생저감 및 연기향상을 위해 배기가스의 온도가 올라가◎

는 한편 연소효율을 올리기 위해 의 장착이 필연적이 되어 가고 있다Turbo-Charger .

연소가스의 온도가 상승하면 를 비롯한 배기계 부품 관련소재의 내Turbo-Charger◎

열 온도도 이를 커버할 수 있어야 한다.

고온용 자동차 배기계 부품소재로서 스텐인레스 스틸이나 주철 등이 종래Ni-resist◎

부터 사용되어 왔지만 판금제 스테인레스는 팽창율이 크고 고온시 변형하기 쉬울 뿐

만 아니라 형상자유도도 부족하다.

주철의 경우 내열성은 부족하지 않으나 등 전략금속 소재가격의 앙 등Ni-Resist Ni◎

으로 경제성에 문제가 있고 가공도 어렵다.

최근에는 고 주철에 고온성질을 강화한 고 계 페라이트 주철이 일부 사용되고 있Si Si◎

으나 이 역시 다량의 합금첨가로 인해 가공 전 열처리를 해야 하고 주조성도 나쁘다.

자동차 산업의 지속적 발전과 부품산업의 고도화를 위해서는 자동차 부품 전문업◎

체인 캐스텍코리아 사의 독자적인 주조용 내열소재의 개발을 목표로 한다.

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2.2.2.2.

- 6 -

자동차 엔진 터빈 하우징은 엔진 구동시는 이상의 고온에 직접 노출되고 엔80◎ ℃

진이 정지하면 상온 동절기는 영하의 온도에 노출되는 등 높은 내열성의 소제가 필요,

함

이러한 용도로 사용되고 있는 소재로는 스테인레스 스틸 주철 고 주, Ni-Resist , Si◎

철 등이 사용되고 있지만 실용성 경제성 작업성 등의 면에서 새로운 소재의 개발이, ,

시급한 실정

등 자동차 배기계부품 소재의 경우 다음과 같은 성질이 만졷되어Turbo-Charger◎

야 함

A● 1변태점을 사용온도 이상으로 올리거나 실온 이하로 내릴 것

열변형성을 개선할 것●

내열피로특성을 향상시킬 것●

내산화특성을 향상시킬 것●

따라서 자동차 배기계 부품용 내열 소재를 개발하기 위해서는 기존소재에 대한 상◎

기 특성을 정량화하고 이를 바탕으로 특화방향의 도출 및 합금설계가 이루어져야 함

이를 위해서는 상기 특성의 평가법을 개발하고 합금원소별 물성데이터베이스를 확◎

보하여야 하며 이를 바탕으로 합금설계의 방향 및 공정방안을 도출할 필요가 있다.

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

지원항목지원내용

비고기술지원前 지술지원後

내열주철의 물성

평가방법 도출

물성분석 및 평가기술 및

장비 미흡물성평가방법 확립

기존 생산제품의

물성 평가

원청업체로부터의

소재수주생산

기본 생산품의 물성 분석

성공

내열주철개발방향

의 도출

독자적 소재개발기술

미비내열주철개발 방향의 도출

※

지원항목 번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목별로 구분1. : 2

하여 기재

지원내용 지원항목별로 기술 상황을 비교하여 기재2. : 前後ㆍ

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

- 7 -

적용제품명o :

모 델 명o :

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

참고) 적용제품 주요수출국1. :

작성당시 환율기준2. :

- 8 -

수입대체 효과수입대체 효과수입대체 효과수입대체 효과5)5)5)5)

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

내열주철의 물성평가방법 확립o

기존 생산 내열주철의 물성 평가o

내열주철에 첨가되는 합금원소의 영향 평가o

향후 신소재 개발을 위한 방향 도출o

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

등 고가의 합금원소가 배제된 주철제 내열소재가 개발될 경우 의o Ni Turbo Charger

엔진의 구동온도를 높일 수 있어 자동차 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다 뿐만 아니.

라 이외에도 등 자동차 배기계 부품 등에도Turbo Charger Housing Exhaust manifold

적용할 수 있다 또한 주철이므로 일체형을 주조할 수 있는 등 자동차 부. Turbo-mani

품 생산기술의 획기적인 공정절감을 기할 수 있다.

또한 이 소재는 장비의 등 산업기계부품의 소재로 활용할o Die casting Goose neck

경우 보수기간을 배가할 수 있어 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있으며 소각로 등

의 소재로 활용할 경우 발생저감에도 기여할 수 있다Dioxin .

환경규제인 교토의정서 등에 부합되는 동작특성을 보유하는 자동o EURO 5, Tier 4,

차 부품소재 개발을 통하여 친 환경정책에 일조할 수 있음

고온동작용 각종 엔진부품 및 주요 모듈에 확대 개발되어 적용될 수 있는 기회가o

많아짐에 따라 환경정책과 에너지정책 부품소재 개발 활성화 정책을 모두 만족시킬,

수 있음

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) ,1) ,1) ,1) ,

- 9 -

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목 지원건수 지원성과

기술정보제공 건2최근 내열주철 개발 동향 및 내열주철관련

기술보고서 제공

시제품제작 건

양산화개발 건

공정개선 건

품질향상 건

시험분석 건132

열팽창분석 건 인장시험 고온 상온22 , ( , )

건 충격시험 건 분석48 , 22 , SEM (EDX

포함 건 등) 40

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건4

기술마케팅 경영자문/ 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건1

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

지원기업 방문회수 건20

기 타 건

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부※

- 10 -

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

부품소재종합기술지원사업에 의한 자동차 엔진 터빈하우징을 차세대 모델 신소재 개“

발 기술지원 기술지원결과 계획서상의 기술지원 효과와 더불어 내열주철의 물성평가” ,

방법을 확립하여 이를 이용하여 기존의 생산제품에 대한 물성을 평가하였고 이를 통,

하여 새로운 소재를 개발하기 위한 방향을 도출하여 향후 신소재 개발을 도모할 수

있을 것으로 판단됨

- 11 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )□□□□

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1.1.1.1.

논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과□□□□

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2.2.2.2.

특허 성과특허 성과특허 성과특허 성과□□□□

출원된 특허의 경우o

등록된 특허의 경우o

- 12 -

사업화 현황사업화 현황사업화 현황사업화 현황□□□□

고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과□□□□

- 13 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용□□□□

지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건1. :1. :1. :1. :

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

12006. 12. 22

~ 24

내열주체에 대한 기본 지식 제공 및 과제

진행 방향 토의

22007. 3. 31

~ 4. 1실험장치 설치 확인

32007. 4. 11

~ 4. 12

내열주철 최근 연구동향 교육 및 과제

진행계획 수립

42007. 4. 25

~ 26시험장치 시운전 및 추가 보완사항 토의

52007. 5. 24

~ 25예비실험 결과 분석 및 실험 일정 협의

62007. 6. 7

~ 8내열주철 주조실험 수행 및 추후 일정 협의

72007. 8. 23

~ 24실험분석 결과 제공 및 추후 일정 협의

82007. 9. 27

~ 28실험분석 결과 제공 및 추가 실험계획 토의

92007. 10. 12

~ 14과제 종결을 위한 현장용해 실험

102007. 10. 29

~ 30과제 결과 평가 및 보고서 작성 논의

가술정보제공 건가술정보제공 건가술정보제공 건가술정보제공 건2. :2. :2. :2. :


1 내열주체 특허 분석

2 내열주철 최근 연구 논문

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건3. :3. :3. :3. :

- 14 -

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건4. :4. :4. :4. :


1 열팽창 분석 건22

2 고온인장시험 건26

3 상온인장시험 건22

4 상온 충격시험 건22

5 분석 포함 건SEM (EDX ) 40

기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건5. :5. :5. :5. :

- 15 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 사업의개요제 장 사업의개요제 장 사업의개요제 장 사업의개요1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222

제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

제 절 가술지원 성과제 절 가술지원 성과제 절 가술지원 성과제 절 가술지원 성과2222

제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도4444

제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획5555

부 록부 록부 록부 록

- 16 -

제 장 개 요제 장 개 요제 장 개 요제 장 개 요1111

제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성1111

자동차 업체 원가절감 요구 및 의 다원화 전략에 따라 기술력이 없는 업체Vendor

는 존속한기 어려워져 가는 현실이다 대부분의 자동차 협력업체는 원청업체인 자.

동차 업체가 요구하는 규격을 단순 만족시키는 직품을 구현하는데 몰두하고 있기

때문에 중소업체는 국제 기술 경쟁력은 물론이고 국내 기술 경쟁력도 낮아 그에 따

른 가격 경쟁력은 기대하기 어려운 것이 현실이다 따라서 부품소재업체가 독보적.

기술력을 구현할 수 있는 소재기술을 확보한다면 기업의 생존경쟁 게임에서 절대적

위치를 차지할 수 있다.

최근 자동차산업의 발전방향인 연비 향상과 환경개선의 요구 조건을 충족시키기 위

해 점차 높아지는 자동차 엔진의 연소온도에 대응하기 위해서는 정도와 고900℃

온까지 일정 동작특성을 보유하는 가격경쟁력 있는 초내열 부품소재의 개발 필요성

이 절실히 대두되고 있는 실정이다 특히 미국의 및 유럽의. Tier 3 Tier 4, EURO 4

및 일본의 교토의정서 등 글로벌 환경규제 정책 중 배기가스 온도 상황EURO 5,

조정에 관한 사항은 점차 엄격해지는 추세여서 자동차용 내열소재 개발에 대한 지

속적인 노력 없이는 국내 자동차 산업의 미래는 불투명하다 여러 가지 내열 핵심.

부품 중 고온의 배기가스를 이용하여 공기의 압축 및 강제순환을 일으켜 연소효율

을 향상시키는 모듈인 는 자동차 출력 향상에 절대적인 역할을 담당turbo charger

하는데 향후 및 그 이상까지의 동작온도 특성을 만족시킬 수 있는, 820 turbo℃

소재의 개발은 필수적인 사항이나 현재가지의 소재로는 까지의 동작charger , 800℃

온도를 맞추기가 힘겨운 상황이다 그림 참조. ( 1 )

그림 의 구조 및 작동원리그림 의 구조 및 작동원리그림 의 구조 및 작동원리그림 의 구조 및 작동원리1 Turbo charger1 Turbo charger1 Turbo charger1 Turbo charger

- 17 -

의 핵심부품인 고온부 내열 임펠러 저온부 알루미늄 임펠Turbo charger housing, ,

러 고속회전 샤프트 및 베어링 중 소재는 내열특성과 기계적 특성을 겸비, housing

해야 하는 중요 요소부품으로 국내기술력으로 향후 시장 확장 및 유지 전망이 밝으

며 이를 위한 지속적인 연구개발이 필요한 실정이다, .

한편 현재까지 사용되어 온 소재 주철 함량 는 가격의, D5S (Ni-resist , Ni 36%) Ni

폭등으로 가격경쟁력을 유지할 수 없고 내열주철은 용탕관리 및 생산 공정이, A1

정립되지 않았으며 정도까지 함유된 주철 등은, Sidl 4~4.5wt% Hi-siMo, SiMoCr

동작온도 에서 정도까지 대응하고 있는 소재이나 등 첨가원소의780 800 , Mo℃ ℃

가격폭등 문제와 향후 정도까지의 내열소재로는 적당치 않은 문제가 있다830 .℃

또한 스테인레스 주강소재는 주철소재보다 배가량이나 비싼 가격문제와 함께 흡3 ,

진성 등에서 문제가 많아 만 까지 동작하는 샤프트의 진동과20 RPM turbo charger

도로 사정 등으로 인한 부품의 수명 및 안정성에서 검증이 필요한 상황이다 이러.

한 상황에도 불구하고 차세대 대응형 핵심부품 중 하나인turbo charger housing

제품의 동작온도를 향상시킬 수 있는 내열성 열간강도 내산화성 등의 부가되면서, ,

적정 고온 기계적 성질을 유지할 수 있는 소재의 개발 및 공정 확립에 따른 제품

개발은 자동차 산업 및 전후방 관련 산업의 지속적 발전에 있어 매우 중요한 요소

이다.

캐스텍 코리아 구 전자 주조공장 는 일찍부터 냉장고 에어컨 등의( LG ) , Compressor

관련 제품을 생산해 왔기 때문에 자동차용 와 같이 고도의 설계기술Turbo-Charger

과 가공기술이 필요한 정밀제품도 충분히 가공 조립 생산할 수 있는 능력을 갖춘, ,

회사이다 다만 아직까지는 원청업체로부터의 소재수주생산에 머물고 있지만 독자.

적인 내열합금소재기술을 확보할 경우 시장에서 국제경쟁력을 충분Turbo-Charger

히 갖출 수 있다 하지만 소재개발사업의 경우 고급인력 뿐만 아니라 고급 분석장.

비도 필요하므로 개발단계에서는 전문 연구기관의 도움이 없이는 불가능하다.

따라서 개발단계에서는 연구기관의 도움을 얻고 이를 바탕으로 생산현장에서는 공

정기술을 정립함으로서 명실상부한 산연 협력의 결과를 만들 수 있을 것이다.

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

현대자동차산업 발전방향에 대한 대 화두는 연비 향상과 환경개선이다 이를 위해2 .

각종소재의 경량화와 고효율화의 노력을 배가하고 있다 특히 고효율화를 위해서는.

배기가스를 이용하여 과량의 공기를 공급하는 과급기의 장착이 늘고 있으며 이는

디젤엔진은 물론 향후 가솔린 엔진에도 장착될 전망이다 과도기도 연비향상을 위.

해 내열온도가 점점 올라가는 추세인데 이에 따라 과급기 하우징의 재질이 문제가

되고 있다.

종래에는 주철을 사용함으로서 내열성을 어느 정도 커버할 수 있었는데 근Ni-resist

년 가격이 급등함에 따라 원가 면에서도 새로운 합금의 개발이 절실하다고 하겠Ni

다 이에 대한 대체소재로서 내열주철이나 내열주철 등이 개발되어. Hi-SiMo SiMoCr

있지만 이들은 열처리를 거쳐야 하는 등 공정이 번거롭고 가공성이 나빠 생산성에

도 문제가 있다.

- 18 -

또한 이외에도 등 자동차용 내열부품의Turbo-Charger Housing intake manifold

내열 요구조건도 동반하여 상승하고 있는 바 이에 부합하는 소재를 개발하기 위해

서는 내열소재의 소개물성 의 확보가 시급한 실정이다Data Base .

본 지도에서는 주철 주철 주철 주철 등에 대해Ni-Resister , Hi-SiMo , SiMoCr , Al

으로서 내열소재물성에 미치는 각종원소의 영향을 정략적Turbo Charger Housing

으로 평가하고 이를 바탕으로 새로운 내열소재를 개발 방향을 제시할 수 있는 Data

를 구축한다Base .

본 지원에서는 이러한 를 바탕으로 내열성을 좋으면서도 동시에 가공성Data Base ,

생산성도 개선할 수 있는 소재의 개발방향을 구체화하고자 한다.

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

기술지원의 목표 기술지원의 내용 기술지원범위

주철의 물성평가Ni-resist

기계적 성질평가1)

조직 평가2)

열적거동 평가3)

변태거동 평가4)

주철의 특성분석Ni-resist

및 중회귀분석용 자료수집

내열주철의 물성Hi-SiMo

평가


조직 평가2)



내열주철의 특성Hi-SiMo

분석 및 중회귀분석용 자

료수집

내열주철의 물성평SiMoCr

가


조직 평가2)



내열주철의 특성분SiMoCr

석 및 중회귀분석용 자료

수집

주철의 물성평가Al


조직 평가2)



주철의 특성분석 및 중Al

회귀분석용 자료수집

내열주철개발방향의 도출회귀분석 및 결정계수 향

상을 위한 보정실험

회귀분석을 통한 개발모델

도출

개발기술의 평가 시험편 제작 및 평가특성분석을 통한 소재특성

의 평가

- 19 -

제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222

국내 기술수준 및 동향국내 기술수준 및 동향국내 기술수준 및 동향국내 기술수준 및 동향1.1.1.1.

현재의 기술수준은 현재 대응형 합급과 내열주철 등o EURO 3 Hi-SiMo SiMoCr

이 제조되고 있는데 향후 및 에 합당한 신소재의 개발이 시급한 실정이EURO 4 5

며 디젤엔진용 내열합금 의 안정적인 생산기술 보유업체는 지원업체, turbo charger

인 주 캐스텍코리아가 국내 유일함( ) .

현재 수준의 주철 및 의 소재를o Si 4%, Mo 1% SiMo Si 4.5%, Mo 0.8% HiSiMo

근간으로 한 의 제조 및 영업활동이 전개되고 있으나turbo charger housing , 80

인 현 소재 수준에서도 소재의 상온취성 및 주조후 응력 등에 의한 크랙 발생0 ,℃

내열온도 한계점 등이 극복해야 할 사항이며 주철 의 경우 까, Ni-resist (D5S) 850℃

지 동작온도 특성은 유지되나 의 함유량이 까지 크기 때문에 원부자재 가격, Ni 36%

압력이 매우 높은 실정임

국외 기술수준 및 동향국외 기술수준 및 동향국외 기술수준 및 동향국외 기술수준 및 동향2.2.2.2.

초 내열소재의 경우 내열 임펠러 및 공기압축용 임펠러 부품은 항공기간업의 발o

달에 힘입어 상당한 발전한 상태이고 자동차용 의 경우에, Turbo charger housing

는 주철계나 소재류가 주류였으나 최근 등Ni-Resist HiSiMo, SiMoCr Ni, Mo, Cr

주요 고온합금 원소가격의 폭등 및 배기가스 기준온도가 점점 올라가 가격 성능,

면에서 새로운 내열소재 개발이 요구되고 있음

일본의 경우 내열소재에 해당하는 신 내열합금 및 저감형 주철 고 주o T900 V , Si

철 등에 관한 연구가 진행 중이며 일부 의미 있는 결과를 발표하고 있기 때문에,

이에 대응한 개발노력이 절실함

구미의 하니웰 보그워너사 등의 경우 초내옅 주철 개발을 진행중인데 이는o , CV ,

주철의 흡진성이 우수하기 때문인데 주철보다 조대하고 길쭉한 흑연형상으CV , DCI

로 인한 내산화성 저하 문제 등이 해결해야 할 숙제임.

- 20 -

제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

내열주철의 물성 평가 방법내열주철의 물성 평가 방법내열주철의 물성 평가 방법내열주철의 물성 평가 방법1.1.1.1.

가 내열주철의 요구 물성가 내열주철의 요구 물성가 내열주철의 요구 물성가 내열주철의 요구 물성....

자동차 엔진용 에 사용되는 내열주철은 다음과 같은 요건을turbo charger housing

갖추고 있어야 한다.

첫째 가 가동되는 고온에서 견딜 수 있는 내열성을 가지고 있어야, turbo charger

한다 내열성이란 반복되는 열응력 하에서의 안정적 작동 저열팽창 열전도특성. , , ,

제품의 표면에 형성된 산화막의 안정적 거동 등을 총망라하는 개념이다 먼저 열응.

력 하에서의 안정적 작동을 위해서는 고온에서 충분한 강도를 유지하여야 한다 재.

료의 고온강도는 이상에서는 급격히 저하하기 때문에 고온강도가 부족하다700℃

면 작은 응력에도 쉽게 변형 또는 판단을 일으키므로 의 사용온도에, turbo Charger

서 충분한 강도를 유지하여야 한다 철계재료를 이상의 고온에서 사용할 때. 700℃

문제가 되는 것이 기지조직을 이루는 의 상변태로 인한 팽창 수축이다 주철에서Fe / .

의 열팽창은 흑연조직이나 탄화물보다는 기지조직에 좌우되기 때문에 내열주철의

종류가 다르다고 해서 열팽창율이 크게 달라지지는 않는다 단 계열은. ( , Ni resist

기지조직이 오스테나이트이기 때문에 페라이트 기지인 다른 내열주철보다 큰 열팽

창율을 나타낸다 하지만 온도가.) , Acl 온도를 통과하게 되면 가 에서, Fe BCC FCC

로 온도 상승시 냉각시에는 그 반대 변태하므로 이로 인한 큰 수축 팽창 이 일어( ) ( )

나게 되고 만약 내열주철부품이 다른 곳에 구속되어 있다면 이로 인한 응력 발생으

로 제품의 변형 또는 파단이 발생하게 된다 따라서. Acl 변태온도를 사용온도구간을

피하도록 할 필요가 있다 일반적으로 주철의. Acl 변태온도는 의 함량에 큰 영항Si

을 받는데 함량이 증가할수록 변태온도는 상승하게 된다 그림 그 외에도, Si . ( 2)

합금성분의 첨가에 따라 다소 영향을 받는 것으로 알려져 있다 주철의 산화는 흑.

연조직과 기지조직에 따라 그 양상이 달라지는데 먼저 흑연조직의 영향을 살펴보,

면 흑연이 긴 편상인 회주철에서는 흑연을 따라 내부로 산화가 진행되어 표면의,

산화피막은 얇고 대신 내부로 깊이 산화가 진행된다 반면 구상흑연인 경우에는 흑. ,

연이 구상으로 서로 떨어져 있기 때문에 내부로의 진행은 어려운 반면 표면의 산,

화피막이 두꺼워진다 흑연은 그 중간의 양상을 띤다 기지조직은 오스테나이트. CV .

기지가 페라이트에 비해 산화에 강하고 같은 페라이트 기지라고 해도 함량이나Si

합금성분에 따라 달라진다.

- 21 -

그림 은 함량에 따른 산화 특성의 변화를 나타낸 것이다 내열주철에 있어서는3 Si .

먼저 산화가 기지조직 내부로 침투가 어려워야 되고 표면의 산화피막이 안정적이,

어서 피막 박리에 의해 추가적인 산화가 일어나지 않아야 한다.

그림 함량과그림 함량과그림 함량과그림 함량과2 Si A2 Si A2 Si A2 Si Aclclclcl 변태온도의 관계변태온도의 관계변태온도의 관계변태온도의 관계

그림 함량에 따른 페라이트 구상흑연주철의 산화증량 변화그림 함량에 따른 페라이트 구상흑연주철의 산화증량 변화그림 함량에 따른 페라이트 구상흑연주철의 산화증량 변화그림 함량에 따른 페라이트 구상흑연주철의 산화증량 변화3 Si3 Si3 Si3 Si

두 번째로 내열주철에 요구되는 특성은 일반적인 주철부품과 마찬가지로 주조성과

가공성을 유지하여야 한다 일반적으로 앞에서 말한 내열성을 높이기 위해서는. Si

함량을 높이거나 등과 같은 탄화물 조장원소의 첨가량을 늘리게 되는데 이렇Mo ,

게 될 경우 주조성도 나빠지고 상온취성이 발생한다.

- 22 -

고 내열주철소재의 상온취성은 다음의 가지 이유에 의해 발생된다고 판단된다Si 3 .;

취약한 규칙격자상의 집단변태 취약한 등 금속탄화물 등 입(1) , (2) Mo , (3) O, S

계 취화원소의 편석 및 주조 후 응력집중에 의한 입계파괴 그림 의 이원계. 4 Fe-Si

평형상태도에서와 같이 상온에서의 고용한도는 최대 정도이고Si 6wt.%(10at.%) ,

의 경우 최대 이다 현 기술 수준의 경우 의 양을 정도900 , 9wt.% (16at.%) . Si 5%℃

까지만 첨가하여도 고온생성상인 규칙격자상 입방장 형 대표화합물 구-FeSi ( , B2ε

조 과) á-Fe3 규칙격자상 입방정Si ( , Fe3 형의Al DO3 구조 이 비확산) order-disorder

집단변태를 통하여 형성되기 때문에 고 주철은 상온에서 매우 취약한 특성을 나Si

타내며 원자들의 장거리 확산을 유도할 수 있는 열처리 효과도 있을 수 없기 때문

에 주조방안 설계 및 주조공정 확립이 매우 어려움이 있다 또 를 포함한 각종. , Mo

고온감도증가용 합금원소들이 적정량 이상으로 투입되거나 또는 국부적 조건에 의,

해 응고도중 편석이 심하며 다양한 구조의 취약한 탄화물을 형성하여 재료를 취하

게 만드는 경향이 있다 따라서 이러한 문제점을 피하여 적절한 상온에서의 기계적.

성질을 가질 필요가 있다.

그림 상태도그림 상태도그림 상태도그림 상태도4 Fe-Si4 Fe-Si4 Fe-Si4 Fe-Si

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그림 함량과 상온에서의 기계적 성질간의 관계그림 함량과 상온에서의 기계적 성질간의 관계그림 함량과 상온에서의 기계적 성질간의 관계그림 함량과 상온에서의 기계적 성질간의 관계5 Si5 Si5 Si5 Si

나 물성 평가 방법나 물성 평가 방법나 물성 평가 방법나 물성 평가 방법....

앞에서 언급한 내열주철의 물성을 평가하기 위한 방법으로는 다음과 같은 것이 있다.

상온에서 기계적 성질 평가상온에서 기계적 성질 평가상온에서 기계적 성질 평가상온에서 기계적 성질 평가1)1)1)1)

상온에서의 기계적 성질을 평가하는 것은 상온취성이나 가공성을 알아볼 수 있는

지표이다 기지조직 내에 고용되는 의 함량이 증가하거나 등 탄화물 조장원소. Si Mo

에 의한 탄화물의 분율이 증가하게 되면 항복 인장강도는 증가하자만 연신율과 충/ ,

격값은 감소하게 된다 함량의 증가는 상온취성의 큰 원인이 되고 탄화물 분율. Si .

의 상승은 가공성을 저해하게 된다 비록 가공성을 직접적으로 측정할 수 있는 실.

험도 있지만 본 지원에서는 인장시험과 충격시험을 통해 간접적으로 평가해 보기로

하였다.

고온에서의 기계적 성질 평가고온에서의 기계적 성질 평가고온에서의 기계적 성질 평가고온에서의 기계적 성질 평가2)2)2)2)

고온에서의 소재의 강도를 평가하기 위한 실험으로는 고온인장시험과 열피로시험이

있다 고온인장시험은 제품이 사용되는 온두구간에서 소재가 어느 정도의 강도에.

견디느냐를 평가하는 것이다.

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고온인장시험은 온도에 따라 감소하게 되는데 당초 지원계획서 상에는 에서, 500℃

의 고온강도를 평가하고자 하였으나 지원기업과의 협의 결과 에서의 고온강, 810℃

도를 측정 평가해보기로 하였다 고온인장시험에서 얻을 수 있는 물성은 고온에서, .

의 항복 인장강도 연신율이 있고 인장시험 그래프로부터 강성율을 유추할 수 있는/ , ,

데 강성율이란 소재가 응력에 대해 얼마나 잘 버티느냐에 대한 척도로 강성율이, ,

높을수록 우수하다는 것을 뜻한다.

열팽창 특성 평가열팽창 특성 평가열팽창 특성 평가열팽창 특성 평가3)3)3)3)

내영주철소재를 를 이용하여 열팽창 특성을 평가하면 알 수 있는 것이Dilatometer

열팽창율과 변태온도이다 는 시간에 따라 일정한 속도로 온도를 상승시. Dilatometer

키면서 시편의 길이 변화를 관찰하는 장비로 여기에서 얻어진 곡선은 시간에 따른

시편의 길이 변화이고 이 길이 변화를 시간에 따라 미분한 것이 열팽창율이고 이

열팽창율이 크게 변하는 변곡점이 소재의 변태이온이다 측정온도구간은 상온에서.

로 하고 승온속도는 분당 그리고 대기 분위기에서 측정하였다930 5 , .℃ ℃

고온상화특성평가고온상화특성평가고온상화특성평가고온상화특성평가4)4)4)4)

고온산화 테스트는 사용온도 구간에서 소재가 어떤 산화특성을 나타내는가를 알아

보는 실험이다 고온산화특성은 온도나 실험 분위기에 따라 달라지는데 본 지원에. ,

서는 온도는 분위기는 대기 분위기에서 실험하였다 시간은 최대 시간까900 , . 250℃

지로 하였고 각각 정해진 사이클로 시편을 가열 유지한 다음 공냉하여 무게 변화, ,

를 측정하였다 시간 경화 후에는 시편의 단면을 잘라 산화피막과 그 내부 조직. 250

이 어떻게 달라졌는가를 비교하였다.

미세조직 평가미세조직 평가미세조직 평가미세조직 평가5)5)5)5)

주철 소재에 있어서 직접적인 물성의 측정이 어려울 경우 이용하는 것이 미세조직

과 기계적 물리적 성질 간의 관계를 정립한 다음 소재의 미세조직을 관찰하여 그/

특성을 유추하는 것이다 더구나 이나 와. turbo charger housing exhaust manifold

같은 제품의 경우 조직과 기계적 물리적 성질 간의 관계를 정립해 놓으면 제품의/ ,

형태가 바뀌더라도 그 제품의 물성을 어느 정도 예측할 수 있을 뿐 아니라 향후 신

소재 개발에 있어서 합금성분이나 열처리에 의해 달라지는 미세조직을 관찰함으로

써 개발 방향의 설정이 가능할 것이다.

기존 상용 내열주철의 물성 평가기존 상용 내열주철의 물성 평가기존 상용 내열주철의 물성 평가기존 상용 내열주철의 물성 평가2.2.2.2.

- 25 -

현재 지원기업에서 생산 중인 내열주철의 종류는 크게 이 약 첨가된Ni 36%

기지의 주철과 함량이 약 정도이고 가Austenite Ni resist(D5S) Si 4% Mo

첨가된 기지의 계열 주철로 나눌 수 있고 계열 주0.5~0.6% , ferrite Si-Mo , Si-Mo

철은 다시 의 함량과 의 첨가에 따라 로 나뉜Si Cr HiSiMo, Super HiSiMo, SiMoCr

다 먼저 신소재 개발의 방향 설정에 앞서 기존의 소재들은 어떤 물성을 가지고 있.

는가에 대해 알아보기 위해 앞에서 언급한 물성평가방법을 이용하여 각각의 소재에

대해 분석해 보았다.

분석에 사용할 시편을 얻기 위해 현재 지원기업에서 제품을 생산 중인 용탕을 이

용하여 그림 과 같이 인치 블록과 계단시편 형태의 시편을 주조하였다 표6 1 Y . 1

은 분석에 사용한 시편의 화학조성을 나타낸 것이다 인치 블록은 주철에서 물. 1 Y

성 분석용 시편을 얻기 위한 표준 시편의 하나이고 계단시편은 냉각속도에 따라,

미세조직이 어떻게 달라지는가를 알아보기 위하여 제작하였다 참고로 모듈러스 계.

산 결과 인치 블록은 계단시편의 최후육부에 상당하는 것으로 나타났다1 Y .

표 분석에 사용한 시편의 화학조성표 분석에 사용한 시편의 화학조성표 분석에 사용한 시편의 화학조성표 분석에 사용한 시편의 화학조성1111

인치 블록인치 블록인치 블록인치 블록a) 1 Ya) 1 Ya) 1 Ya) 1 Y 계단시편계단시편계단시편계단시편b)b)b)b)

그림 제작된 시편의 형상그림 제작된 시편의 형상그림 제작된 시편의 형상그림 제작된 시편의 형상6666

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가 물리적 특성가 물리적 특성가 물리적 특성가 물리적 특성....

열팽창 특성열팽창 특성열팽창 특성열팽창 특성1)1)1)1)

그림 은 각각의 소재에 대해 를 이용하여 열팽창 특성을 측정한 결과7 Dilatometer

이다 측정에 사용한 기기는 사의 로 대기 분위기에서 상온에. NETZSCH DIL 402 C

서 까지 분당 의 속도로 승온시키면서 길이 변화를 측정하였다 는930 5 . a~c℃ ℃

계열 주철의 측정결과를 는 주철의 측정결과를 보였다 계Si-Mo , d Ni-resist . Si-Mo

열 주철에서는 이상에서 수축하였다가 팽창하는 부분이 나타나는데800 ,℃

에서는 그러한 부분이 보이지 않는다 이는 가 에서 로 변태하Ni-resist . Fe BCC FCC

면서 결정구조의 차이로 인해 발생하는 것이고 는 기지조직이Ni-resist austenite

이므로 이러한 변태과정이 나타나지 않는 것이다 이 변태점을. Acl 변태온도라고 한

다 그리고 네 소재 모두 영역에서 팽창곡선의 기울기가 약간 변하는. 700~750℃

부분이 보이는데 이는 온도가 공석점을 통과하면서 기지조직에 있던 일부, pearlite

가 분해되면서 나타나는 것으로 판단된다.

온도 상승에 따른 길이의 증분을 온도로 미분하여 얻어지는 값이 열팽창율이다 그.

림 에서 보라색 실선이 시편 길이의 변화를 나타낸 것이고 이것을 온도에 따라7 1

차 미분한 것이 파란색 파선으로 이것이 열팽창율을 나타내는 것이다 실제로는. (

시간에 따라 미분한 것이고 온도와 시간은 정비례하므로 차 미분값은 절대값만, 1

달라질 뿐 그래프의 형태는 바뀌지 않는다 차 미분곡선을 살펴보면.) 1 , 700~750℃

구간에서 값이 약간 증가하고 영역에서는 크게 감소하였다가 급격히800~850℃

증가하는 것을 확인할 수 있다 각각의 변화점을 펄라이트 분해온도. , Acl 변태온도

라 정의하고 해당 온도는 차 미분값이 증가 감소하였을 때의 온도로 설정하였, 1 5% /

다 이렇게 얻어진 변태온도를 그림 에 보였다. 8 .

이렇게 구한 변태온도와 화학조성 간의 관계를 살펴보면 동일한 함량에 대해, Mo

함량이 증가함에 분해온도는 내려가고Si pearlite Acl 변태온도는 감소하는 것을 알

수 있다 그리고 첨가에 의해서도 마찬가지의 현상이 나타났다 에 있. Cr . Ni-resist

어서는 기지조직이 이기 때문에austenite Acl 변태온도는 보이지 않았고 분pearlite

해온도는 다른 것에 비해 정도 높게 나타났다50 .℃

그림 는 각각의 온도팽창곡선의 미분값에서 구한 열팽창계수를 나타낸 것이다 기9 .

지조직이 모두 로 동일한 계열 주철에서는ferrite Si-Mo 15~16x10-6

정도로 거의/℃

유사한 값을 나타냈고 기지조직이 인 는 이보다 정도 높은austenite Ni-resist 40%

값을 나타냈다.

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그림 열팽창 특성 측정 결과그림 열팽창 특성 측정 결과그림 열팽창 특성 측정 결과그림 열팽창 특성 측정 결과7.7.7.7.

그림 변태온도그림 변태온도그림 변태온도그림 변태온도8888

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그림 열팽창 계수그림 열팽창 계수그림 열팽창 계수그림 열팽창 계수9999

고온산화특성고온산화특성고온산화특성고온산화특성2)2)2)2)

고온산화실험은 대기 분위기에서 시간까지의 산화증량을 측정하고930 , 250 250℃

시간 후의 산화피막과 기지조직을 비교하였다 산화는 대기 중의 산소 농도에 따라.

달라지기 때문에 일정한 유속으로 산소를 불어넣으면서 산화시키는 경우도 있지만,

본 실험에서는 대기 분위기에서 실시하였고 열처리로에 넣어 승온시킨 다음 소정,

시간 유지 후 꺼내어 공냉시킨 다음 무게를 측정하였다.

대기분위기에서의 시간 동안의 산화증량을 그림 에 보였다 일반적으930 , 250 10 .℃

로 주철에서 의 함량이 올라가면 내산화성이 개선되는 것으로 알려져 있다 그런Si .

데 본 실험결과 함량이 상대적으로 높은 가 에 비해 산화, Si Super HiSiMo HiSiMo

증량이 큰 것으로 나타났다 한편 또한 철계 재료에서 내산화성을 향상시키는. , Cr

원소로 알려져 있는데 이 첨가된 또한 에 비해 높은 산화증량을, Cr SiMoCr HiSiMo

나타내었다 와 가 가장 낮은 산화증량을 보였다. HiSiMo Ni-resist .

그림 은 시간 후의 산화피막과 기지조직의 계면 그리고 그 직하조직을 나타10 250 ,

낸 것이다 비교를 위해 조성의 회주철의 산화조직을 같이 나타내었다 흑연. GC25 .

이 편상인 회주철에서는 흑연을 따라 내부 깊숙이 산화가 진행된 것을 알 수 있다.

반면 흑연이 구상인 상용 내열주철은 내부로의 산화의 진행이 심하지 않았다, .

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그림 산화증량그림 산화증량그림 산화증량그림 산화증량10101010

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GC 25GC 25GC 25GC 25 HiSiMoHiSiMoHiSiMoHiSiMo Super HiSiMoSuper HiSiMoSuper HiSiMoSuper HiSiMo

SiMoCrSiMoCrSiMoCrSiMoCr Ni-resistNi-resistNi-resistNi-resist

그림 산화피막과의 계면과 그 직하조직그림 산화피막과의 계면과 그 직하조직그림 산화피막과의 계면과 그 직하조직그림 산화피막과의 계면과 그 직하조직11.11.11.11.

나 기계적 특성 평가나 기계적 특성 평가나 기계적 특성 평가나 기계적 특성 평가....

상온에서의 기계적 성질상온에서의 기계적 성질상온에서의 기계적 성질상온에서의 기계적 성질1)1)1)1)

상온에서의 기계적 성질은 주철소재의 기본적인 성능과 가공성 등을 평가할 수 있

는 척도이다 각 상용주철을 인치 블록으로 만든 다음 시편을 가공하여 상온에. 1 Y

서 인장시험과 샤르피 충격시험을 하고 그 결과를 비교 분석하였다.

그림 는 상온에서의 인장시험 결과를 나타낸 것이고 그림 은 인장곡선에서 유12 13

추한 탄성율을 보인 것이다.

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의 함량이 같은 와 를 비교해 보면 첨가량의 증가로 인Mo HiSiMo Super HiSiMo , Si

해 쪽이 강도가 증가하고 연신율을 감소하였다 이는 의 페라이트super HiSiMo . Si

기지 강화효과로 인한 것으로 판단된다 하지만 둘 다 에 육박하는 높은 연신. , 20%

율을 보였다 그런데 이 첨가된 의 경우에는 인장강도는 더욱 증가하였지. , Cr SiMoCr

만 연신율은 크게 감소한 것을 알 수 있다 이는 첨가로 인해 탄화물의 양이, . Cr

크게 증가하였기 때문으로 판단된다 의 경우에는 기지조직이 오스테나이. Ni-resist

트이기 때문에 강도가 상대적으로 낮았고 특히 항복강도는 정도로 매우200MPa

낮았다 연신율 도 다른 소재에 비해 높은 값을 보였다 탄성율은 인장곡선에서 프. .ㄷ

로그램에 의해 계산된 값인데 인장강도와 유사한 양상을 보였다, .

그림 는 샤르피 충격 시험을 통해 얻어진 충격 에너지를 보인 것이다14 (Charpy) .

가 가장 무른 소재로 나타났으며 의 순서Ni-resist , HiSiMo, Super HiSiMo, SiMoCr

였다 와 를 살펴보면 함량의 증가로 취성이 상당히 증가. HiSiMo Super HiSiMo , Si

한 것을 알 수 있다 는 인장시험결과와 마찬가지로 첨가에 의한 탄화물. SiMoCr Cr

의 증가로 취성이 크게 증가한 것으로 사료된다.

그림 상온에서의 기계적 성질그림 상온에서의 기계적 성질그림 상온에서의 기계적 성질그림 상온에서의 기계적 성질12121212

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그림 상온에서의 탄성율 추정그림 상온에서의 탄성율 추정그림 상온에서의 탄성율 추정그림 상온에서의 탄성율 추정13 ( )13 ( )13 ( )13 ( )

그림 상온 충격 에너지그림 상온 충격 에너지그림 상온 충격 에너지그림 상온 충격 에너지14141414

고온에서의 기계적 성질고온에서의 기계적 성질고온에서의 기계적 성질고온에서의 기계적 성질2)2)2)2)

내열주철은 실제 사용시에 고온에 노출되기 때문에 고온에서의 기계적 성질은 매우

중요한 특성의 하나이다 그림 는 에서의 인장시험 결과이다 고온 인장강. 15 810 .℃

도는 그 시험조건에 따라 달라지므로 이를 정확히 할 필요가 있다 본 실험에서의.

시험조건은 에서 분간 유지 후 분당 의 변형속도로 인장력을 가하는810 15 0.5mm℃

것이다 고온에서는 원자의 이동이 활발해지기 때문에 응력을 받을 때의 변형 메커.

니즘이 상온일 때와는 달라져서 변형속도가 빠르면 그만큼 원자의 이동이 덜 이루,

어지기 때문에 인장강도가 증가하게 된다.

- 33 -

시험결과를 보면 상온에서와는 달리 함량의 증가로 인장강도가 감소하고 연신, Si

율이 증가하였다 역시 에 비해 작은 값을 보이는데 함량이 유사. SiMoCr HiSiMo , Si

한 보다는 큰 값을 보인다 기지조직이 오스테나이트인 는Super HiSiMo . Ni-resist

다른 소재보다 월등히 높은 인장강도를 보인다.

그림 은 고온인장시험으로 얻어진 인장곡선에서 유추된 탄성율을 나타낸 것이다16 .

인장강도와는 달리 의 순으로 상온 탄성율과 같은SiMoCr, Super HiSiMo, HiSiMo

경향을 나타낸다 탄성율은 소재의 를 나타내는 인자로 소재가 응력을 받을. rigidity

때 얼마나 쉽게 변형되는가를 나타내는 척도이다 인장강도는 고온과 상온에서 다.

른 경향을 보이는데 탄성율은 유사한 경향을 보인다는 것은 소재의 파단 메커니즘,

은 온도에 따라 다르지만 초기의 변형은 같은 메커니즘을 가진다고 사료된다, .

그림 고온에서의 기계적 성질그림 고온에서의 기계적 성질그림 고온에서의 기계적 성질그림 고온에서의 기계적 성질16 (810 )16 (810 )16 (810 )16 (810 )℃℃℃℃

그림 고온에서의 탄서율 추정그림 고온에서의 탄서율 추정그림 고온에서의 탄서율 추정그림 고온에서의 탄서율 추정17 (810 )17 (810 )17 (810 )17 (810 )℃℃℃℃

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다 미세조직 분석 결과다 미세조직 분석 결과다 미세조직 분석 결과다 미세조직 분석 결과....

주철의 미세조직은 흑연조직과 기지조직으로 나뉜다 일반적으로 에칭하지 않은 상.

태에서 흑연조직을 분석한 다음 등의 에칭액으로 에칭한 다음 기지조직을 분Nital

석한다 본 실험에서는 그림 에 보인 계단시편의 미세조직을 분석하였는데. 6 b. , ½

만 열처리하여 냉각속도와 열처리 유무에 따라 미세조직을 분석하였다.

냉각속도에 따른 미세조직의 변화냉각속도에 따른 미세조직의 변화냉각속도에 따른 미세조직의 변화냉각속도에 따른 미세조직의 변화1)1)1)1)

그림 는 구상흑연 내열주철의 계단시편의 흑연조직을 나타낸 것이다 그18 a)~d) .

리고 그림 는 그림 을 화상분석하여 얻은 결과이다 전체적으로 시편이 두꺼워19 18 .

질수록 즉 냉각속도가 감소할수록 흑연의 크기가 커진 것을 알 수 있다 구상화 정, .

도는 양호한 편이나 이 첨가된 는 다른 것에 비해 구상화율이 매우 떨어, Cr SiMoCr

졌다 이는 탄화물 안정화 원소이 이 흑연 정출을 방해했기 때문으로 사료된다. Cr .

함량만 차이를 보이는 와 를 비교해 보면 흑연립 수는 비Si HiSiMo Super HiSiMo ,

슷하지만 구상화율이나 평균입도에서 함량이 높은 쪽이 좀 더 높은 값을 보인, Si

다 이것은 의 안정화 효과와 함께 에서는 흑연립 수가 가장 많고 흑연. Si SiNi-resist

의 평균입도도 가장 작지만 부분적으로 큰 흑연이 발견되었다, .

그림 은 구상흑연 내열주철의 기지조직을 나타낸 것이다 먼저 를 살펴보20 . HiSiMo

면 기지조직은 주로 페라이트로 이루어져 있고 결정립계를 중심으로 펄라이트처럼, ,

보이는 조직이 발견된다 하지만 이 조직을 확대해 보면 층상조직인 펄라이트가 아. ,

니라 결정립계에 위치한 약간 조대한 탄화물과 그 주변의 미세한 탄화물로 이루어

져 있는 것을 알 수 있다 냉각속도가 느려짐에 따라 조대한 탄화물의 크기와 미세.

한 탄화물의 수는 증가하지만 분포위치는 감소한다 탄화물의 분포위치를 정확히, .

판단하기 위해 공정 를 판단할 수 있는 에칭액을 이용하여 부식시켜cell boundary

관찰하면 탄화물은 공정 경계에 위치한 것을 알 수 있다 전체적인 분율은 가, cell .

장 얇은 부분에서는 워낙 많이 분포하기 때문에 분율이 상대적으로 높지만 크기가,

증가함에 따라 약간 감소했다가 다시 증가하는 경향을 나타낸다.

보다 의 함량이 높은 에서는 전체적으로 탄화물의 양과 수HiSiMo Si Supe HiSiMo

가 감소하였다 이는 의 흑연 안정화 효과에 기인한 것으로 판단된다 양과 수를. Si .

제외한 전체적인 탄화물의 분포 양상은 와 유사하다 탄화물의 분율은 냉각HiSiMo .

속도가 느려짐에 따라 조금씩 증가하였다.

이 첨가된 는 탄화물의 위치는 유사하지만 그 형태과 양에서 다른 양상Cr SiMoCr ,

을 보인다 그 앙과 분포폭이 눈에 띄게 증가하였고 그 형태 또한 조대한 구상으로.

바뀌었다.

- 35 -

이는 첨가로 인한 탄화물의 형성으로 말미암은 것으로 판단된다Cr Cr .

각 탄화물의 형상을 정확히 알아보기 위하여 으로 관찰해 보았다 그림 에는SEM . 21

고배율로 관찰한 탄화물의 형상을 보였다 계열인 에. Si-Mo HiSiMo, Super HiSiMo

서는 조대한 탄화물이 페라이트 결정립 개가 만나는 부분에 형성된 모습을 확인할3

수 있다 형상은 조금 다른데 쪽이 하나의 결정립으로 보이는 반면. , HisiMo , Super

는 여러개의 탄화물이 연결된 것처럼 보인다 탄화물이 정확히 어떤 상인지HiSiMo .

를 확인하기 위해 로 분석해 보았으나 하나의 결정립으로 보이는 것도 위치에EDX ,

따라 너무 차이가 나는 조성값을 보였다 따라서 이것이 하나의 결정립인지 아니면. ,

와 같이 여러개의 탄화물이 뭉쳐진 것이지를 확인하기 위해 암Super HiSiMo 10%

모늄 퍼설페이트 용액으로 딥 에칭 을 해 보았다 그림 에는 딥 에(deep etching) . 22

칭으로 드러나게 한 탄화물의 형상을 보였다 광학현미경 상에서 하나의 덩어리로.

보였던 공정탄화물은 딥 에칭 결과 그 내부에 여러 개의 입자가 존재하는 것으로

판명되었다 각각의 탄화물의 상을 를 이용하여 판명해 보자고 하였으나 탄화. EDX

물의 크기가 너무 작고 자체의 한계로 인하여 확인하지 못하였다 이를 위해EDX .

서는 나 등을 이용한 추가적인 분석이 필요할 것이다EBSD TEM .

그림 는 시편의 탄화물을 크게 확대한 모습이다 탄화물의 크기가 다21 c) SiMoCr .

른 시편에 비해 크고 석출 탄화물이라 추정되는 탄화물의 크기도 수 에 달해~10㎛

공정 탄화물과 석출 탄화물의 구분도 모호한 형태이다 마찬가지로 상 판명을 위해.

로 분석해 보았으나 와 마찬가지로 같은 입자 내에서도 다른 조성값을EDX HiSiMo

보이는 등 정확한 상을 파악할 수 없었다 그림 는 한 상태를. 22 c) deep etching

확대한 모습으로 계열의 탄화물과 다른 형상을 나타내고 있다Si-Mo .

그림 는 각 시편에서의 탄화물 주위의 을 나타낸 것이다 페라이23~25 Line profile .

트 기지 내에서 탄화물에 가까이 갈수록 의 함량이 약간 높아지지만 그다지 큰Mo ,

차이는 보이지 않는다 공정 탄화물에는 의 함량이 높게 나타난다 따라. Fe, Mo, Si .

서 공정 탄화물은 탄화물이 아니라 탄화물로 판명되(Fe, Mo)xCy (Fe, Mo, Si)xCy

었다 냉각속도에 따른 나 의 분포 차이는 보이지 않았다 의 경우에는. Mo Si . SiMoCr

의 첨가로 인하여 공정 탄화물로 예상되는 부분에서 가 높게 나타났다Cr Cr peak .

그런데 입내의 탄화물의 경우 가 검출되지 않는 것으로 미루어 보아 기지 내에, , Mo

고용되어 있던 이 열처리 과정에서 석출된 것으로 판단된다Cr .

계열 주철에서 공정 탄화물의 형성과정은 다음과 같다고 할 수 있다 공정온Si-Mo .

도 구간에서 먼저 흑연이 정출하면 그 주위를 오스테나이트가 감싸면서 공정 셀이

형성된다 시간이 지남에 따라 공정 셀이 성장하면서 고용도가 낮은 는 공정 셀. Mo

밖으로 배출돼 농축되게 된다 공정 셀의 성장은 셀까지 서로 접하게 되면서 멈추게.

되고 공정 셀 사이에 남은 여액은 탄소와 로 농축되게 된다 그 모식도를 그림Mo .

에 보였다 공정 응고과정 마지막으로 이 여액이 응고하게 되는데 이 때 의26 . , Mo

함량이 충분히 높다면 탄화물이 형성되고 그렇지 못하다면 공정 탄화물은(Fe, Mo) ,

형성되지 않고 그대로 기지 내에 고용되게 된다 이러한 모습은 그림 에 보였다. 27 .

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이상 냉각속도에 따라 미세조직의 영향을 살펴본 결과 냉각속도는 응고과정에서,

흑연정출에 영향에 미치고 이에 따라 공정 셀의 크기에 영향을 미치게 된다 공정, .

응고 과정에서 공정 셀 바깥 부분에 농축된 의 함량이 충분하다면 이 부분에서Mo ,

탄화물이 형성되는데 냉각속도가 빨라 공정 셀이 많다면 이러한 공정(Fe, Mo) , ,

탄화물이 형성되는 사이트가 많아지므로 탄화물의 수는 증가하게 되는 반면 공정,

셀의 크기가 작은 만큼 사이트의 크기도 작기 때문에 탄화물의 크기는 감소하게 된

다 의 함량이 증가하면 의 흑연 안정화 효과로 인해 흑연의 크기가 약간 커지. Si , Si

고 탄화물의 크기는 감소하게 된다 기지 내 펄라이트도 감소하여 거의 보이지 않, .

게 된다 을 첨가하면 탄화물의 형상이 구상으로 바뀌고 크기도 커지며 분율 또. Cr , ,

는 이상으로 증가한다 냉각속도에 따른 미세조직의 변화는 화학조성에 관계10% .

없이 유사한 경향을 보인다.

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4.5mm4.5mm4.5mm4.5mm 8mm8mm8mm8mm

12mm12mm12mm12mm 20mm20mm20mm20mm

a) HiSiMoa) HiSiMoa) HiSiMoa) HiSiMo



b) Super HiSiMob) Super HiSiMob) Super HiSiMob) Super HiSiMo

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c) SiMoCrc) SiMoCrc) SiMoCrc) SiMoCr



d) Ni-resistd) Ni-resistd) Ni-resistd) Ni-resist

그림 구상흑연 내열주철의 흑연조직그림 구상흑연 내열주철의 흑연조직그림 구상흑연 내열주철의 흑연조직그림 구상흑연 내열주철의 흑연조직18181818

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흑연립수흑연립수흑연립수흑연립수a)a)a)a)

구상화율구상화율구상화율구상화율b)b)b)b) 평균입도평균입도평균입도평균입도c)c)c)c)

흑연분율흑연분율흑연분율흑연분율d)d)d)d)

그림 흑연조직의 화상분석 결과그림 흑연조직의 화상분석 결과그림 흑연조직의 화상분석 결과그림 흑연조직의 화상분석 결과19191919

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그림 구상흑연 내열주철의 기지조직그림 구상흑연 내열주철의 기지조직그림 구상흑연 내열주철의 기지조직그림 구상흑연 내열주철의 기지조직20202020

- 42 -




그림 탄화물의 형상그림 탄화물의 형상그림 탄화물의 형상그림 탄화물의 형상21212121

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그림 탄화물의 형상그림 탄화물의 형상그림 탄화물의 형상그림 탄화물의 형상22 (Deep etching)22 (Deep etching)22 (Deep etching)22 (Deep etching)

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CCCC FeFeFeFe

SiSiSiSi MoMoMoMo

a) t-2mma) t-2mma) t-2mma) t-2mm

CCCC FeFeFeFe

SiSiSiSi MoMoMoMo

b) t=4.5mmb) t=4.5mmb) t=4.5mmb) t=4.5mm

- 45 -

CCCC FeFeFeFe

SiSiSiSi MoMoMoMo

c) t=8mmc) t=8mmc) t=8mmc) t=8mm

CCCC FeFeFeFe

SiSiSiSi MoMoMoMo

d) t=20mmd) t=20mmd) t=20mmd) t=20mm

그림 에서의그림 에서의그림 에서의그림 에서의23 HiSiMo Line profile23 HiSiMo Line profile23 HiSiMo Line profile23 HiSiMo Line profile

- 46 -

CCCC FeFeFeFe

SiSiSiSi MoMoMoMo

a) t=2mma) t=2mma) t=2mma) t=2mm

CCCC FeFeFeFe

SiSiSiSi MoMoMoMo


- 47 -

CCCC FeFeFeFe

SiSiSiSi MoMoMoMo


CCCC FeFeFeFe

SiSiSiSi MoMoMoMo


그림 에서의그림 에서의그림 에서의그림 에서의24 Super HiSiMo Line profile24 Super HiSiMo Line profile24 Super HiSiMo Line profile24 Super HiSiMo Line profile

- 48 -

CCCC FeFeFeFe

SiSiSiSi MoMoMoMo

a) t=2mma) t=2mma) t=2mma) t=2mm

CCCC FeFeFeFe

SiSiSiSi MoMoMoMo


- 49 -

CCCC FeFeFeFe

SiSiSiSi MoMoMoMo


CCCC FeFeFeFe

SiSiSiSi MoMoMoMo


그림 에서의그림 에서의그림 에서의그림 에서의25 SiMoCr Line profile25 SiMoCr Line profile25 SiMoCr Line profile25 SiMoCr Line profile

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그림 편석 여액의 모식도그림 편석 여액의 모식도그림 편석 여액의 모식도그림 편석 여액의 모식도25 Mo25 Mo25 Mo25 Mo

공정 탄화물 형성공정 탄화물 형성공정 탄화물 형성공정 탄화물 형성a)a)a)a)

공정 탄화물 형성 안됨공정 탄화물 형성 안됨공정 탄화물 형성 안됨공정 탄화물 형성 안됨b)b)b)b)

그림 편석 정도에 따른 공정 탄화물 형성 여부그림 편석 정도에 따른 공정 탄화물 형성 여부그림 편석 정도에 따른 공정 탄화물 형성 여부그림 편석 정도에 따른 공정 탄화물 형성 여부26 Mo26 Mo26 Mo26 Mo

열처리에 따른 미세조직의 변화열처리에 따른 미세조직의 변화열처리에 따른 미세조직의 변화열처리에 따른 미세조직의 변화2)2)2)2)

그림 는 열처리가 미세조직에 미치는 영향을 알아보기 위하여 주방상태와27 a)~d)

열처리 후의 미세조직을 비교한 것이다.

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먼저 시편을 보면 페라이트 결정립계에 약간의 펄라이트가 존재하고 있다HiSiMo , .

펄라이트의 분포 양상은 탄화물의 그것과 유사한 형태로 보인다 이것이 열처리를.

거치면서 앞서 보았던 것처럼 탄화물만 존재하게 되는데 공정탄화물은 공정응고과,

정에서 형성되는 것이고 석출탄화물은 냉각과정 또는 열처리과정에서 형성되는데,

그 위치가 유사하기 때문에 각 탕화물의 기원을 밝혀내기란 쉽지 않을 것이다 그.

런데 내열강인 에 대한 보고에 의하면 의 기지조직에는 응고 시에 정, HK40 , HK40

출한 차 탄화물이 입계에 존재하고 이를 고온에서 사용하면 차 탄화물이 입내에1 2

미세하게 석출하여 강도를 유지하지만 시간과 더불어 응집 조대화한다고 한다, .ㆍ

주철의 탄화물 또한 이러한 석출특성을 지닐 것으로 예상되며 지지조직 내HiSiMo ,

의 미세한 탄화물은 주로 열처리 과정에서 석출되었고 만약 고온에서 계속 사용하,

면 이러한 탄화물이 계속 성장하여 재료를 약화시킬 것으로 사료된다, .

시편에서는 주방상태에서 입계에 펄라이트는 거의 보이지 않고 대신Super HiSiMo

탄화물만이 존재한다 이는 의 흑연 안정화 효과로 인해 결정립계 부근에서 보이. Si

던 펄라이트가 형성되지 않았기 때문이다 그림 은 열처리 전 후의 공정 탄화물. 27 /

과 그 주변의 조직을 확대해 보인 것이다 주방상태에서는 공정 탄화물 주위에. 1㎛

정도의 입상 탄화물이 약간 보이는데 열처리 후 조직을 보면 이보다 작은 탄화물, ,

이 다수 생성되었음을 알 수 있다.

시편은 다른 시편과 달리 주방상태에서 상당한 양의 펄라이트를 가지고 있SiMoCr

다 결정립계 중심에는 공정 탄화물이 존재하고 그 주위를 두터운 층의 펄라이트가.

감싸고 있는 형태이다 열처리를 거치면서 이러한 펄라이트는 완전히 분해되고 대.

신 탄화물층이 남게 된다.

시편에서는 계열 주철에서와 같은 펄라이트나 미세한 탄화물은 보Ni-resist Si-Mo

이지 않는다 대신 주방상태에서 결정립계에 존재하던 탄화물의 크기가 열처리를.

통해 증가한 것을 알 수 있다.

이상 열처리에 의한 미세조직의 변화를 정리하면 주방상태에서 존재하던 펄라이트,

는 열처리를 통해 완전히 분해되고 대신 미세한 탄화물을 석출한다 이러한 석출탄.

화물은 화학조성에 따라 그 크기와 형상이 바뀌며 고온에서 계속 사용하면 점점 성

장하여 재료를 열화시킬 것으로 예상된다.

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주방상태주방상태주방상태주방상태 열처리 후열처리 후열처리 후열처리 후

4.5mm4.5mm4.5mm4.5mm

8mm8mm8mm8mm

12mm12mm12mm12mm

20mm20mm20mm20mm


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8mm8mm8mm8mm

12mm12mm12mm12mm

20mm20mm20mm20mm

b) Super HisiMob) Super HisiMob) Super HisiMob) Super HisiMo

- 54 -



8mm8mm8mm8mm

12mm12mm12mm12mm

20mm20mm20mm20mm


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8mm8mm8mm8mm

12mm12mm12mm12mm

20mm20mm20mm20mm


그림 미세조직에 미치는 열처리 영향그림 미세조직에 미치는 열처리 영향그림 미세조직에 미치는 열처리 영향그림 미세조직에 미치는 열처리 영향27272727

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열처리 전열처리 전열처리 전열처리 전a)a)a)a) 열처리 후열처리 후열처리 후열처리 후b)b)b)b)

그림 시편에서 열처리 전 후의 탄화물그림 시편에서 열처리 전 후의 탄화물그림 시편에서 열처리 전 후의 탄화물그림 시편에서 열처리 전 후의 탄화물28 Super HiSiMo28 Super HiSiMo28 Super HiSiMo28 Super HiSiMo

- 57 -

내열주철개발방향의 도출내열주철개발방향의 도출내열주철개발방향의 도출내열주철개발방향의 도출3.3.3.3.

가 주철가 주철가 주철가 주철. CV(GJV). CV(GJV). CV(GJV). CV(GJV)

주철이란 흑연의 형태가 충상 충상 인 흑연을 가지고 있는 주철을 말하는데CV , ( ) CV ,

보통 구상화제의 양을 제어하거나 하여 얻어진다 흑연의 형태가 편상흑연과 구상.

흑연의 중간 형태이기 때문에 소재의 물성도 회주철과 구상흑연주철의 중간 정도를

가지게 된다 최근 유럽이나 미국 등지의 메이커에서 흑연의 형상을. turbo charger

제어함으로서 새로운 소재를 개발하기 위한 연구가 이루어지고 있다 따라서 본 지.

원에서는 주철이 어떠한 물성을 가지는가를 기존의 구상흑연주철과 비교 분석해CV

보기로 하였다.

표 는 본 실험에서 비교 분석에 이용한 주철의 화학조성을 나타낸 것이다2 CV .

와 재질은 구상흑연주철과 동일한 화학조성을 택하였는데 단 주HiSiMo SiMoCr , , CV

철의 특성상 함량을 구상흑연주철보다 다소 높게 잡았다 그리고Si . Super HiSiMo

대신 에서 의 함량을 높인 소재를 선택해 의 영향을 일부 알아보기로HiSiMo Mo Mo

하였다 주철에 대해서는 계단시편을 이용한 미세조직 분석은 생략하고 열물질적. CV

성질과 기계적 성질만을 분석하였다 마찬가지로 인지 블록을 제작 가공하여. 1 Y ,

분석용 시편을 얻었다.

표 실험에 이용한 주철의 화학조성표 실험에 이용한 주철의 화학조성표 실험에 이용한 주철의 화학조성표 실험에 이용한 주철의 화학조성2 CV2 CV2 CV2 CV

열물리적 성질열물리적 성질열물리적 성질열물리적 성질1)1)1)1)

가 열팽창 특성가 열팽창 특성가 열팽창 특성가 열팽창 특성))))

구상흑연주철과 마찬가지로 를 이용하여 주철의 열팽창 특성을 조사Dilatometer CV

하였다 그림 는 주철의 변태온도를 나타낸 것이고 그림 은 구상흑연주철. 29 CV , 30

과 주철의 변태온도를 비교한 것이다 먼저 함량의 증가로CV . Mo Acl 변태온도가 상

승하는 것을 확인할 수 있다 에서도. SiMoCr Acl 변태온도가 상승하였는데 함량, Si

의 차이 또한 존재하므로 첨가에 의한 영향을 확인할 수 없다Cr .

- 58 -

구상흑연주철과 주철을 비교해 보면 분해온도는 함량이 증가함에 따CV , Pearlite Si

라 감소하였는데 이는 함량 증가로 인한 공석점의 하강으로 말미암은 것으로, Si

판단된다 반면. , Acl 변태온도에 있어서는 에서는 함량의 증가에 따라 상HiSiMo Si

승하였는데 에서는 거의 유사한 값을 보였고 오히려 함량이 낮은 구상흑연, SiMoCr

주철의 Acl 변태온도가 더 높게 나타났다.

그림 주철의 변태온도그림 주철의 변태온도그림 주철의 변태온도그림 주철의 변태온도29 CV29 CV29 CV29 CV

분해 온도분해 온도분해 온도분해 온도a) Pearlitea) Pearlitea) Pearlitea) Pearlite b) Ab) Ab) Ab) Aclclclcl 변태온도변태온도변태온도변태온도

그림 구상흑연주철과 주철의 변태온도 비교그림 구상흑연주철과 주철의 변태온도 비교그림 구상흑연주철과 주철의 변태온도 비교그림 구상흑연주철과 주철의 변태온도 비교30 CV30 CV30 CV30 CV

나 고온산화특성나 고온산화특성나 고온산화특성나 고온산화특성))))

구상흑연주철과 마찬가지로 대기 분위기 에서 고온산화실험을 하여 그 결과, 900℃

를 그림 에 보였다 구상흑연주철과 마찬가지로 에 비해 의 산화증31 . HiSiMo SiMoCr

량이 매우 켰다 에서는 함량의 증가로 산화증량이 약간 증가하였다 그. HiSiMo Mo .

림 는 구상흑연주철과 주철의 산화증량을 비교한 것인데 와 에32 CV , HiSiMo SiMoCr

서 그 경향이 반대로 나타났다.

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그림은 은 주철에서 산화피막과 기지조직의 계면 그리고 그 직하조직을 나타33 CV ,

낸 것이다 주철에서의 산화는 내부를 향해서는 흑연조직을 따라 우선적으로 진행.

되기 때문에 흑연조직에 따라 산화 양상이 다르다 흑연이 편상인 회주철은 산화의.

침투깊이가 깊은 반면 표면의 산화피막의 두께가 얇고 구상흑연주철에서는 반대로, ,

침투깊이가 얕은 대신 산화피막이 두껍다 주철은 흑연의 형상이 편상흑연과 구. CV

상흑연의 중간이기 때문에 산화양상도 그 중간 형태를 가진다 최근 흑연의 형태를.

제어함으로써 내열주철의 산화특성을 제어하고자 하는 연구가 보고되고 있는데 흑,

연형태 단독의 효과뿐만 아니라 첨가되는 합금성분과의 복합적인 관계가 어떻게 되

는가에 대한 깊은 검토가 필요할 것이다.

그림 주철의 고온산화에서의 산화증량그림 주철의 고온산화에서의 산화증량그림 주철의 고온산화에서의 산화증량그림 주철의 고온산화에서의 산화증량31 CV31 CV31 CV31 CV

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그림 구상흑연주철과 주철의 산화증량 비교그림 구상흑연주철과 주철의 산화증량 비교그림 구상흑연주철과 주철의 산화증량 비교그림 구상흑연주철과 주철의 산화증량 비교32 CV32 CV32 CV32 CV

HiSiMoHiSiMoHiSiMoHiSiMo High Mo SiMoHigh Mo SiMoHigh Mo SiMoHigh Mo SiMo SiMoCrSiMoCrSiMoCrSiMoCr

그림 산화피막과의 계면과 그 직하조직그림 산화피막과의 계면과 그 직하조직그림 산화피막과의 계면과 그 직하조직그림 산화피막과의 계면과 그 직하조직33333333

기계적 성질기계적 성질기계적 성질기계적 성질2)2)2)2)

가 상온에서의 기계적 성질가 상온에서의 기계적 성질가 상온에서의 기계적 성질가 상온에서의 기계적 성질))))

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그림 는 주철 시편을 상온에서 인장시험을 하여 얻은 결과이다 먼저 항복강34 CV .

도와 인장강도를 살펴보면 와 의 첨가에 의해 강도가 증가한 것을 알 수 있, Mo Cr

다 이것은 와 의 탄화물 형상 조장으로 인한 강도 증가로 사료된다 그리고. Mo Cr .

연신율은 오히려 에서 가장 낮은 값을 보였는데 세 가지 모두 이하의HiSiMo , 3%

매우 낮은 연신율물 나타냈다 이는 흑연 첨단에서의 응력 집중에 의해 균열이. CV

쉽게 발생하고 전파되기 때문이다 그림 는 인장시험결과에서 유추된 탄성율인. 35

데 세 가지 모두 큰 차이가 없었다, .

그림 은 샤르피 충격 테스트 결과이다 전체적으로 이 안 되는 낮은 값을 보36 . 10J

였는데 특히 에서 가장 낮은 충격에너지를 가지는 것으로 나타났다 반면, SiMoCr . ,

함량의 변화는 충격에너지에 그다지 영향을 미치지 않았다Mo .

그림 은 구상흑연주철과 주철의 상온에서의 기계적 성질을 비교한 것이다 전37 CV .

체적으로 강도면이나 연신율 충격에너지 모두 구상흑연주철이 우수한 것으로 나타,

났다 이는 흑연 형상에 큰 영향을 받은 것으로 자료된다. .

그림 주철의 상온에서의 기계적 성질그림 주철의 상온에서의 기계적 성질그림 주철의 상온에서의 기계적 성질그림 주철의 상온에서의 기계적 성질34 CV34 CV34 CV34 CV

그림 주철의 상온에서의 탄성율 추정그림 주철의 상온에서의 탄성율 추정그림 주철의 상온에서의 탄성율 추정그림 주철의 상온에서의 탄성율 추정35 CV ( )35 CV ( )35 CV ( )35 CV ( )

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그림 주철의 상온에서의 충격에너지그림 주철의 상온에서의 충격에너지그림 주철의 상온에서의 충격에너지그림 주철의 상온에서의 충격에너지36 CV36 CV36 CV36 CV

인장 특성인장 특성인장 특성인장 특성a)a)a)a)

탄성율 추정탄성율 추정탄성율 추정탄성율 추정b) ( )b) ( )b) ( )b) ( )

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충격에너지충격에너지충격에너지충격에너지c)c)c)c)

그림 구상흑연주철과 주철의 기계적 성질 비교그림 구상흑연주철과 주철의 기계적 성질 비교그림 구상흑연주철과 주철의 기계적 성질 비교그림 구상흑연주철과 주철의 기계적 성질 비교37 CV37 CV37 CV37 CV

나 고온에서의 기계적 성질나 고온에서의 기계적 성질나 고온에서의 기계적 성질나 고온에서의 기계적 성질))))

구상흑연주철과 마찬가지로 주철도 고온에서의 인장시험을 통해 고온인장특성을CV

알아보았다 그림 은 주철의 에서의 인장특성을 나타낸 것이다 먼저 강. 38 CV 810 .℃

도를 보면 함량의 증가로 인해 인장강도가 증가한 것을 알 수 있다 반면, Mo . ,

는 에 비해 강도가 감소하였는데 이는 먼저 가 함량이SiMoCr HiSiMo , SiMoCr Si

에 비해 높은 영향이 있기 때문이라고 판단된다 그림 는 그림 의 인장HiSiMo . 39 38

시험결과에서 얻은 탄성율을 나타낸 것인데 인장강도와 유사한 경향을 보였다.

그림 은 구상흑연주철과 주철의 고온에서의 인장특성을 비교한 이다 고온40 CV + .

인장 강도에 있어서 주철이 구상흑연주철과 거의 동등한 강도를 가지는 것으로CV

나타났다 특히 에 있어서는 주철 쪽의 함량이 높다는 것을 감안한다면. HisiMo CV ,

오히려 높다고 볼 수도 있을 것이다 탄성율면에 있어서도 오히려 쪽이 더 높은. CV

값을 가지는 것으로 나타났는데 이는 주철이 구상흑연주철보다 고온에서의 강, CV「

성이 높은 것을 뜻한다.

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그림 주체의 고온에서의 인장특성그림 주체의 고온에서의 인장특성그림 주체의 고온에서의 인장특성그림 주체의 고온에서의 인장특성38 CV38 CV38 CV38 CV

그림 주철의 고온에서의 탄성율 추정그림 주철의 고온에서의 탄성율 추정그림 주철의 고온에서의 탄성율 추정그림 주철의 고온에서의 탄성율 추정39 CV ( )39 CV ( )39 CV ( )39 CV ( )

고온인장특성고온인장특성고온인장특성고온인장특성a)a)a)a)

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고온탄성율 추정고온탄성율 추정고온탄성율 추정고온탄성율 추정b) ( )b) ( )b) ( )b) ( )

그림 구상흑연주철과 주철의 고온에서의 인장특성 비교그림 구상흑연주철과 주철의 고온에서의 인장특성 비교그림 구상흑연주철과 주철의 고온에서의 인장특성 비교그림 구상흑연주철과 주철의 고온에서의 인장특성 비교40 CV40 CV40 CV40 CV

나 과 함량에 따른 영향나 과 함량에 따른 영향나 과 함량에 따른 영향나 과 함량에 따른 영향. Si Mo. Si Mo. Si Mo. Si Mo

앞서 양산 내열주철의 분석을 통해 함량을 증가하였을 때 열물리적 특성이나 기Si

계적 특성 미세조직 등이 어떻게 변하는지를 알 수 있었다 그런데 향후 재질을, . ,

개선하거나 새로운 소재를 개발하기 위해서는 각각의 원소가 정량적으로 어떠한 영

향을 미치는가에 대해 알아야 한다 본 지원에서 고려대상인 내열주철에서 기본이.

되는 원소는 과 이다 은 소재의 변태온도를 높이고 내산화성을 향상시키는Si Mo . Si

역할을 하고 은 탄화물을 적출시켜 고온에서의 강도를 유지시켜 내열성을 가지Mo

게 한다 따라서 기존의 와 에 의 첨가량을 늘려가면서. HiSiMo Super HiSiMo Mo Si

과 함량에 따라 소재의 물성이 어떻게 달라지는지를 살펴보았다 표 은 과Mo . 3 Si

함량의 영향을 알아보기 위해 제작한 시편의 화학조성이다 와Mo . HiSiMo Super

의 조정에서 함량을 각각 으로 늘려 제작하였다HiSiMo Mo ( ), ( ) .

표 과 의 영향을 알아보기 위한 시편의 화학조성표 과 의 영향을 알아보기 위한 시편의 화학조성표 과 의 영향을 알아보기 위한 시편의 화학조성표 과 의 영향을 알아보기 위한 시편의 화학조성3 Si Mo3 Si Mo3 Si Mo3 Si Mo

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열물리적 특성열물리적 특성열물리적 특성열물리적 특성1)1)1)1)

가 열팽창 특성가 열팽창 특성가 열팽창 특성가 열팽창 특성))))

그림 은 과 함량에 따라 주요 변태온도가 어떻게 변하는지를 보인 것이다41 Si Mo .

분해온도를 보면 먼저 함량이 증가함에 따라 낮은 온도쪽으로 이동하였Pearlite , Si

다 함량의 증가에 의해 약간 상승하는 모습을 보이지만 그 정도는 미미하였다. Mo .

Acl 변태온도에서는 함량의 증가로 인해 변태온도가 상승하였는데 함량이Si . Mo

증가하면 에서는 증가하였는데 그 이상에서는 증가하지 않았다 함량, Low Mo , . Si

이 높으면 함량 증가에 따라 변태온도의 상승폭이 감소하였다 이는 첨가에Mo . Mo

의한 Acl 변태온도의 상승효과가 함량에 영향을 받아 함량이 높을 때에는 기Si Si

지조직에 고용되는 의 양이 달라진다든가 계열의 복탄화물 형성 양상Mo Fe-Mo-Si

이 달라진다든가 하여 일어난다고 사료된다.

그림 는 를 이용하여 계산한 계 상태도이다 함량은42 Therme-Calc Fe-C-Si-Mo . C

이고 함량이 그림 는 는 이다 함량이 늘어( ) wt.% Si 42 a) Low Si, b) High Si . Mo

날수록 오스테나이트와 페라이트의 상경계출 이루는 온도가 상승하고 함량이 증Si

가하면 다른 상들이 생성되는 것으로 나타났다, .

그림 과 함량에 따른 변태온도의 변화그림 과 함량에 따른 변태온도의 변화그림 과 함량에 따른 변태온도의 변화그림 과 함량에 따른 변태온도의 변화41 Si Mo41 Si Mo41 Si Mo41 Si Mo

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a) Low Sia) Low Sia) Low Sia) Low Si

b) High Sib) High Sib) High Sib) High Si

그림 로 추정한 계 상태도그림 로 추정한 계 상태도그림 로 추정한 계 상태도그림 로 추정한 계 상태도42 Thermo calc Fe-C-Si-Mo42 Thermo calc Fe-C-Si-Mo42 Thermo calc Fe-C-Si-Mo42 Thermo calc Fe-C-Si-Mo

나 고온산화특성나 고온산화특성나 고온산화특성나 고온산화특성))))

그림 은 과 함량에 따라 변하는 산화증량을 나타낸 것이다 과 의 함43 Si Mo . Si Mo

량이 높으면 시간에 따라 산화증량이 거의 일어나지 않고 시간이 오래 지나면 오히

려 감소하는 모습을 보이는데 이는 고온에서 표면의 흑연이 연소됨에 따라 산화에,

의한 중량보다 연소에 의한 감량이 더 크기 때문에 발생하는 것으로 사료된다 다.

만 에서는 산화증량에 약간 일어났는데 앞에서 제시한 의Low Si, Low Mo , HiSiMo

그것보다는 작은 값이었다.

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그림 산화증량�

자동차 엔진 터빈하우징용 차세대 모델 신소재 개발 기술지원 · 2011. 12....

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