[논문]고출력디젤엔진용 CV 흑연주철 실린더블록 생산기술의 개발

봉전굉지; 대죽강지; 안달직공

문제 정의

본 자료는 개발된 CV주철의 제조방법에 대한 개략적 해설을 기술하였다.
다음으로 Ce 효과를 파악하기 위해 고찰을 행하였다. Fig.
결정된 구상화제의 조건을 근거로, 구상화율의 편차발생에 대한 개선조치를 설명하고자 한다. Fig.
4%로 고정)을 첨가하였다. Cu 등의 원소를 첨가함으로써 페라이트화는 억제 가능하지만, 과잉으로 첨가되면 반대로 경질문제가 발생하기 때문에 가공성을 고려하여 경도상한은 비커스경도(Hv) 280이하, 페라이트율은 보어부에서 5% 이하를 목표하였다. Fig.
본 절에서는 CV주철 실린더블록 주조성에 대한 평가를 행하였다. 실린더블록 등 복잡한 형상의 부품은 두께변화가 심해 수축기공 및 핀홀 결함발생이 우려된다.
또한, 안정적으로 가공하기 위해 가공부의 구상화율을 20∼40%로 목표하였다.

제안 방법

여기서, CV주철을 기존의 구상흑연주철의 생산방법인 직주법(直注法)을 기본으로 하여, 저비용으로 안정된 품질로 양산가능한 CV주철 제조방법을 개발하였다. Fig.
먼저 실린더블록의 보어, 져널부의 강도로 구상화율 20% 이상에서 400MPa 이상 확보가능한 구상화제를 종류별로 평가하였다. 용해는 강재 스크랩(60%)과 선철(40%)을 사용하여 2톤 고주파용해로에서 행하였다.
용해는 강재 스크랩(60%)과 선철(40%)을 사용하여 2톤 고주파용해로에서 행하였다. Table 1에 나타낸 조성으로 조정한 후 레들내에서 직주법으로 1000Kg의 구상화처리를 행하였다. Fig.
구상화에 기여하는 잔류Mg량이 공정조건에 의해 변화하는 것이 구상화율의 편차를 일으키는 요인으로 생각하여, 그림중의 ①∼④와 같이 편차발생 요인들을 분류하였다.
또한 Mg량과 Ce량의 구상화에 대한 영향을 확인하기 위해, 구상화제의 Mg와 Ce의 함량을 변화시켜 구상화율을 측정하였다. Fig.
5에 사형에 주조한 10 mm, 20 mm, 40 mm 단형상 시험편의 Mg와 Ce의 잔류량과 10 mm 두께 부분의 구상화율 판정결과를 나타내었다. 실험방법은 Ce량(mish metal 사용)을 잔류량이 0.005, 0.010, 0.015%로 되는 3단계로 하고, 여기에 Mg계 구상화제를 적당량 배합시킨 구상화제를 제조하여 Fig. 3의 시험편 제작법과 동일한 방법으로 구상화처리를 행하였다. 그 결과, 구상화에 대한 Ce량의 효과는 Mg량의 약 1/3 이지만 일정량 이상 함유하면 칠형성을 촉진(10 mm 시험편 부분에서는 0.
요인①은 Mg합금 투입량의 편차이다. 기존공정의 재료계량은 재료를 진동식 피드로 운송하여, 로드셸로 계량을 하지만, 이번 실험에서는 정확성을 높이기 위해 시간당 운송량을 줄여 운송시간을 2배로 연장하여, 피더 정지 후 투입량의 편차를 감소시켰다. 또 계량결과에 대하여 설정값을 벗어나면 공정을 중지시키도록 조치하였다.
또한 출탕시에 용해로 잔탕량에 의해 출탕 경동각도가 변화되기 때문에, 레들에 떨어지는 용탕의 위치가 변한다. 이점을 고려하여, 잔탕량에 대응한 레들의 위치를 결정하고, 항시 레들내의 동일한 위치에 용탕이 떨어지도록 유의하였다. 이 결과, 출탕시 반응의 차이를 억제하는 것이 가능하였다.
Mg와 결합성이 높은 원소로는 산소와 유황(이하 S로 표기)이 알려져 있다[3, 4]. 먼저 산소의 영향을 조사하기 위해 용탕중의 산소량을 측정하였다. CV주철용 원용탕의 산소량은 4 ppm이었다.
여기서, Ca의 산화에 착안하여 요인으로 선택하였다. 커버링제량이 낮은 수준을 A1, 높은 수준을 A2, 탈산제량이 낮은 수준을 B1, 높은 수준을 B2로 각 2수준으로 하였다. 산소량과 S량은 자유롭게 수준을 선택하는 것이 어렵지만, 어느 것이든 많으면 구상화를 저해하는 것이 명백하므로 조합오차인자로 선택하였다.
산소량과 S량은 자유롭게 수준을 선택하는 것이 어렵지만, 어느 것이든 많으면 구상화를 저해하는 것이 명백하므로 조합오차인자로 선택하였다. N1에서 구상화율이 낮은 조건, 즉 산소량과 S량의 합이 커질 때이지만, 산소량은 크게 변화하지 않기 때문에 현재 4 ppm 그대로, S량은 유화철(이하 Fe-S로 표기)을 첨가하여 0.02%로 조정하였다. N2는 구상화율이 크게 되는 조건, 즉 산소량과 S량의 합이 적게 될 때이지만, 이것도 산소량 4ppm, S량 0.
실험방법은 Mg 5%, Ce 5% 함량의 구상화제를 0.3% 첨가한 직주법으로 1500 Kg 처리 후, 실린더블록을 10대 주조하고, 보어·져널부의 구상화율을 측정하였다.
커버링제가 적은 A1, 탈산제량은 많은 B2에서 SN비가 크며, 결과적으로 편차를 적게 한다. 이 결과에 더하여, 다시 적정수준을 확인하는 추가실험을 행한 결과, 적정 첨가량으로 커버링제 0.6%, 탈산제(접종제) 0.3%로 결정하였다.
다음으로 S량의 영향에 대해서는, 원용탕중의 S량이 잔류Mg량에 영향을 끼치므로, Mg합금의 첨가량을 조정하는 방안으로 실험하였다. Fig.
012% 이상부터 감소경향으로 되며, S량의 1차식으로 표현할 수 있다. 이것을 검량선으로 S량에 의해 감소하는 잔류 Mg량을 계산으로 예측하여, 이 부분을 보정 Mg량으로 추가시켰다. Fig.
9는 제조라인의 분석실에 설치한 Mg합금량 판정 모니터이다. 원용탕의 S량 분석값을 입력하면 필요한 Mg합금량이 계산되어 합금계량공정으로 지시되도록 하였다. 또, S량 0.
조직의 페라이트화를 억제시키는 방법으로, 퍼얼라이트화 촉진원소인 동(이하 Cu로 표기), 주석(이하 Sn로 표기), 망간(이하 Mn로 표기, Mn은 원탕의 기준량인 0.4%로 고정)을 첨가하였다. Cu 등의 원소를 첨가함으로써 페라이트화는 억제 가능하지만, 과잉으로 첨가되면 반대로 경질문제가 발생하기 때문에 가공성을 고려하여 경도상한은 비커스경도(Hv) 280이하, 페라이트율은 보어부에서 5% 이하를 목표하였다.
10에 합금량을 변화시켜 주조한 실린더블록의 페라이트율과 보어부 경도측정결과를 나타내었다. 첨가원소는 Mn량을 0.4%로 고정하고, Cu량과 Sn량을 각각 3수준으로 변화시켰다. Cu, Sn 모두 페라이트 억제효과가 확인되었다.
구상화율 20∼40%에서 음속은 초속 5200∼5420 m 사이를 나타내어, 이 결과를 바탕으로 전수 초음파측정을 실시하여 불량여부를 판정하였다.
다음으로는 주조결함에 영향을 미치는 것으로 추정된 용탕성분[6]의 영향을 평가하여, 안정적으로 결함이 생기지 않는 제조조건을 확립하기 위한 실험을 행하였다. 다음에 그 예를 나타낸다.
여기서, CE값의 목표를 변경하였다. 이상과 같이 주조품질을 확보하기 위한 주조조건 결정을 행하였다.
011%로 하였다. 실험은 조합오차인자 N1, N2 조건으로, 총 8회 행하였다. 실험방법은 Mg 5%, Ce 5% 함량의 구상화제를 0.

대상 데이터

요인②는 구상화처리 초기에 발생되는 편차로, Mg합금 반응 중에 나타나는 Mg증발과 부유로 인한 것이다. Mg에 의한 격렬한 반응을 억제하여, 회수율이 높게 Mg를 용탕에 잔존시키도록 하기위해, 전술한 바와 같이 Ce합금을 보조로 혼합, 사용하였다. 이 조치로 반응을 완화시킬 수 있었다.
커버링제(펀치 스크랩을 사용)는 반응속도를 조정하는 역할이 있으며, 그 영향을 조사하기 위한 요인으로 선택하였다. 탈산제는 Ca계의 접종제로, Ca함량 25%, 규소함량 60%의 성분을 사용하였다. 여기서, Ca의 산화에 착안하여 요인으로 선택하였다.

데이터처리

3% 첨가한 직주법으로 1500 Kg 처리 후, 실린더블록을 10대 주조하고, 보어·져널부의 구상화율을 측정하였다. 구상화율의 편차를 측정하기 위해, SN비[5]를 계산하였다. SN비는 구상화율 측정 데이터의 평균값과 표준오차 비의 2승에 상용대수를 10배로 한 데시벨 단위의 수치이다.

성능/효과

9%의 범위로 변화시켰다. 사용된 모든 구상화제는 흑연형상, 강도차이 없이 목표강도인 400MPa 이상을 만족하였다. 그러나 Ca계는 혼합물로 구상화제 계량단계에서 편석을 일으켜 사용상의 문제로 선택에서 제외시켰다.
4는 이상의 방법으로 실험한 시료의 주입횟수와 주조된 봉상의 구상화율 관계를 나타낸다. Ce계 구상화제가 처리용탕의 경과시간에 따른 구상화율의 저하(페이딩)이 적은 것으로 나타나 Ce첨가의 유효성이 확인되었다.
3의 시험편 제작법과 동일한 방법으로 구상화처리를 행하였다. 그 결과, 구상화에 대한 Ce량의 효과는 Mg량의 약 1/3 이지만 일정량 이상 함유하면 칠형성을 촉진(10 mm 시험편 부분에서는 0.015%에서 일부 칠이 형성되었음)하여, 제품두께에 대한 고려가 필요[2]함을 알 수 있었다. 추가검증 실험을 행하여 Ce 잔류량은 가공부의 최소 두께를 기준으로 0.
이상의 결과에 의해 구상화제는 저Mg합금과 Ce합금을 혼합한 것을 사용하고, 혼합율은 Mg와 Ce의 중량비로 약 1:1로 결정하였다.
이점을 고려하여, 잔탕량에 대응한 레들의 위치를 결정하고, 항시 레들내의 동일한 위치에 용탕이 떨어지도록 유의하였다. 이 결과, 출탕시 반응의 차이를 억제하는 것이 가능하였다.
그 결과, 합금첨가량은 Sn량 0.075 ± 0.005%, Cu량 0.80 ± 0.05%로 결정하여 페라이트율, 경도값 목표를 모두 만족하는 것이 가능하였다.
4%로 고정하고, Cu량과 Sn량을 각각 3수준으로 변화시켰다. Cu, Sn 모두 페라이트 억제효과가 확인되었다. 경도는 첨가량과 거의 비례하지만, Cu의 효과가 약간 강한 조건으로 설정하였다.
본 실험으로, 기존의 구상화흑연주철의 생산방식인 직주법을 근본으로, 큰 투자 혹은 공정변경없이 저렴하고 안정적인 품질의 CV주철 생산조건을 결정하였으며, 생산기술 구축이 가능하였다. 본 해설이 다소나마 고품질의 주철주물 제조에 기여하기를 바란다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디젤엔진은 점차 까다로워지는 연비규제, 배기가스 규제강화 및 고출력화에 대응키 위해 무엇을 요구되고있는가?	디젤엔진은 점차 까다로워지는 연비규제, 배기가스 규제강화 및 고출력화에 대응키 위해 실린더 내압의 고압력화가 요구되고 있다. 이를 위해 실린더블록은 보다 경량이며 고강도화가 필요하다.
	CV주철이 높은 신뢰성이 요구되는 양산제품에는 많이 적용되지 못하는 이유는 무엇인가?	한편, 최근에는 특히 디젤엔진을 대상으로 고출력화를 위한, 보다 높은 강도 재료가 요구되고 있어 실린더블록용 재료로 CV흑연주철(이하 CV주철로 표기) 주목받고 있다. CV주철은 종래부터 일부 부품으로 사용되고 있었지만, 불안정한 품질, 닥타일주철의 불량조직, 난가공재료 등으로 인식되어 높은 신뢰성이 요구되는 양산제품에는 그다지 많이 적용되지 않았다. 그러나, 조직제어된 CV주철은 안정적이며 높은 강도와, 높은 열전도율[1] 등 보통주철의 장점을 지니며 가공성을 포함하여 실린더블록용 재료로써 적합한 것으로 여겨진다.

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