KR101087562B1 - 내연기관용 피스톤 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
일체로 주조된 주강으로 이루어지는 내연기관용 피스톤으로서, 상기 주강이 질량비로, (a) C: 0.8% 이하, Si: 3% 이하, Mn: 3% 이하, S: 0.2% 이하, Ni: 3% 이하, Cr: 6% 이하, Cu: 6% 이하, Nb: 0.01∼3%, 및 나머지는 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지거나, (b) C: 0.1∼0.8%, Si: 3% 이하, Mn: 3% 이하, S: 0.2% 이하, Ni: 10% 이하, Cr: 30% 이하, Cu: 6% 이하, Nb: 0.05∼8%, 및 나머지는 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지는 내연기관용 피스톤.
내연기관용 피스톤, 주강, 질량비, 디젤엔진, 고온 내력, 고온 강성, 눌어붙음 내성, 열균열 내성, 연소압력
Description
본 발명은 자동차용 엔진, 특히 디젤엔진 등에 바람직한 내연기관용 피스톤 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
자동차용 엔진의 연소온도 및 압력은 고출력화 및 저연비화를 도모하기 위해, 점점 상승하는 경향이 있다. 이로 인해, 특히 디젤엔진용 피스톤에서는 고온 내력, 고온 강성, 열균열 내성 등의 내열성이나, 고출력화 및 저연비화를 얻기 위한 경량화가 요구되고 있다. 흔히 예를 들면, 피스톤의 스커트부와 실린더 라이너 사이, 피스톤의 핀보스부와 피스톤 핀 사이, 피스톤의 링홈과 피스톤 링 사이 등의 슬라이딩 부위에 있어서, 이상 마모, 갉아먹음, 눌어붙음 등이 생기지 않도록, 내마모성, 눌어붙음 내성, 저열팽창성 등의 특성의 향상이 요구되고 있다. 특히 눌어붙음 내성(「스커핑 내성」 또는「스콜링(squalling) 내성」이라고도 함)이 낮으면, 피스톤이나 상대 부재의 표면에 흠이 생겨, 마모가 조장될 뿐 아니라, 갉아먹음이나 눌어붙음에 이르는 경우도 있다. 이로 인해, 눌어붙음 내성은 피스톤에 있어서 매우 중요한 특성이다.
종래 디젤엔진용 피스톤에는 경량화를 목적으로, JIS AC8A 등의 알루미늄합금이 이용되고 있었다. 그러나, 알루미늄합금으로 이루어지는 피스톤에서는 열적 및 기계적인 내구온도가 350℃ 정도로 낮고, 또 열팽창량도 크기 때문에, 눌어붙음이나 갉아먹음이 발생하기 쉬운 문제가 있다. 이로 인해, 최근 알루미늄합금 대신, 약 400℃까지의 내구성이 비교적 높고, 또한 조직 내의 흑연에 의한 자기 윤활성에 의해 눌어붙음 내성이 양호한 구상흑연주철이 채용되었다(예를 들면 일본 특개평10-85924호 참조).
그러나, 구상흑연주철제 피스톤은 충분한 연성을 가지는 것이나, 피스톤 온도가 450℃ 이상이 되면 내열성이 부족하여, 열적 기계적 부하의 반복에 의해 립(lip) 등에 열균열이 발생하는 문제가 있다. 또한 15MPa 정도의 연소압력까지는 흑연에 의한 자기 윤활성에 의해 비교적 양호한 눌어붙음 내성을 발휘하지만, 20MPa 이상 상승하면, 흑연윤활에 의한 눌어붙음 내성이 만족할 수 없게 되는 동시에, 고온 내력 및 고온 강성이 저하되어, 실린더 라이너 등의 상대 부재와의 강한 접촉에 의해 피스톤 및 상대 부재의 마모가 진행하여 블로바이(blow-by)가 커지고, 또 조정불량(misalignment) 등에 기인하여, 갉아먹음, 눌어붙음, 파손 문제가 생겨, 엔진 성능을 손상시킬 우려가 있다.
경량화를 위해, 구상흑연주철제 피스톤의 두께를 얇게 하려고 하면, 고온 강성이 지나치게 낮아져, 립 이외에 핀보스부, 스커트부 등에서도 균열이 발생할 우려가 있다. 이로 인해, 구상흑연주철제 피스톤에서는 대폭적인 경량화에 한계가 있다.
미국특허 제5,136,992호는 연소온도 및 압력의 상승에 대응하기 위해, 피스톤의 핀보스부를 포함하는 헤드부와 스커트부를 별도로 제작하여, 일체로 조립한 피스톤을 제안하고 있다. 도 9는 그 피스톤(100)의 일례의 단면도이다. 피스톤(100)은 연소실(105), 정상면(106) 및 연소실(105)의 개구에지(립)(107)를 가지는 헤드부(101)와, 스커트부(102)와, 톱랜드(top land)(108)와, 피스톤 링이 장착되는 링홈(109)과, 핀보스부(104)와, 오일이 순환하여 연소실(105)을 냉각하는 쿨링 채널 또는 갤러리라고 불리는 냉각 공동부(103)를 가진다. 100h는 핀구멍 중심으로부터 정상면(106)까지의 치수의 컴프레션 하이트(compression height)를 나타낸다.
헤드부(101) 및 핀보스부(104)는 높은 내열성을 가지기 때문에, 중량비로, C: 0.32∼0.45%, Si: 0.4∼0.9%, Mn: 1.0∼1.8%, P: 0.035% 이하, S: 0.065% 이하, V: 0.06∼0.15%, 나머지: Fe로 이루어지는 석출경화한 페라이트-퍼얼라이트조직의 단조강으로 이루어지고, 스커트부(102)는 알루미늄 등의 경합금으로 이루어진다. 이러한 구성에 의해, 종래의 FebalCr42Mo4합금(JIS SCM440 상당)보다 저비용으로 제조할 수 있다고 기재되어 있다.
그러나, 단조강 피스톤(100)은 고온 강성이 우수하지만, 조직 중에 자기 윤활성을 가지는 흑연이 존재하지 않기 때문에, 연소압력이 20∼25MPa로 상승하면, 눌어붙음 내성 및 내마모성이 부족할 우려가 있다. 또한 단조법으로 제조되기 때문에, 황화물이나 비금속 개재물이 단조시의 주 변형 방향으로(단류선을 따라) 가늘게 신연되고, 이것이 기점이 되어 높은 열적 기계적 부하 하에서 연소실(105)의 립(107) 등에 열균열이 발생할 우려가 있다.
또한 헤드부(101)와 스커트부(102)의 조립 공정이 필요하기 때문에, 제조비 용이 높다고 하는 문제도 있다. 또 냉각 공동부(103)를 가공하기 위해서 바이트를 삽입하는 공간이 필요하며, 컴프레션 하이트(100h)를 크게 하지 않을 수가 없기 때문에, 컴팩트화가 어렵다. 또 단조법으로서는 냉각 공동부(103)를 포함하는 피스톤을 하나의 공정에서 일체로 제조할 수 없기 때문에, 냉각 공동부(103)의 가공 공정과, 공동부(103)를 막는 덮개 f를 고착하는 공정 등이 필요하며, 제조비용 상승이 원인이 된다.
일본국특허 제2,981,899호는 내마모성 및 눌어붙음 내성을 향상시키기 위해서 표면을 질화하여 사용되는 피스톤 링 부재로서, 중량%로, C: 0.6∼1.1%, Si: 2.0% 이하, Mn: 2% 이하, Cr: 10.0∼18.0%, Mo 및/또는 W(Mo+1/2W): 0.5∼4.0%, V 및/또는 Nb(V+1/2Nb): 0.05∼2.0%, Ni: 2.5% 이하, Co: 12% 이하, Ni+Co: 0.5% 이상, P: 0.015% 이하, S: 0.005% 이하, O: 30ppm 이하, 나머지: Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 황산분위기 중에서 부식마모특성 및 피로특성이 우수한 피스톤 링 부재를 제안하고 있다. V 및 Nb는 결정입자를 미세화하여 인성을 향상시킬 뿐 아니라, 탄화물을 형성하여 내마모성 및 눌어붙음 내성을 향상시키고, 또한 템퍼링 연화저항을 향상시키는 것으로 기재되어 있다.
그러나 피스톤 링은 폭이 좁은 판재를 링형으로 가공한 것으로, Cr 탄화물을 다량 함유하는 강재로도 용이하게 제작할 수 있다. 그러나 피스톤과 같이 복잡한 형상이고 가공량이 많은 일체형 주조품을 제조하려고 해도, 주조 및 가공이 곤란하기 때문에 제조생산성이 낮고, 또는 방대한 비용과 공정이 필요한 등의 문제가 있다. 이로 인해, 상기 피스톤 링 부재로부터 피스톤을 일체로 주조하는 것은 공업적으로 매우 곤란하다. 또 상기 피스톤 링 부재는 피스톤에 필요한 레벨의 고온 내력, 고온 강성, 열균열 내성 등의 내열성, 및 눌어붙음 내성 등을 겸비하지 않고 있기 때문에, 일체형 주조 피스톤에 사용할 수는 없다.
특히 디젤엔진용 피스톤에서는 연소온도의 상승에 따라 피스톤 온도가 450∼500℃ 정도로 상승하고, 연소압력이 20MPa∼25MPa 정도로 상승하는 것으로 예상되고 있다. 이로 인하여 피스톤에는 이러한 고온고압에 견디는 내열성을 가지는 것이 요구된다. 또한, 열적 기계적 부하가 높은 조건에서의 슬라이딩 중에, 실린더 라이너, 피스톤 핀, 피스톤 링 등의 상대 부재와의 접촉에 의해 갉아먹음이나 눌어붙음 등이 생기지 않도록, 높은 눌어붙음 내성이 요구된다. 또 엔진의 고출력화 및 저연비화를 도모하기 위해, 피스톤의 왕복운동시의 관성력의 저감, 피스톤의 경량화, 마찰의 저감, 엔진의 소음저감, 엔진의 소형화 등의 요구도 있다. 그러므로 피스톤의 박형화, 컴프레션 하이트의 저감 등이 요망되고 있다.
또한, 피스톤에는 열적 기계적 부하가 높은 상황에서 사용하더라도 진동이나 충격에 의해서 균열이나 파열이 발생하지 않도록, 높은 강도와 연성을 가지는 것이 요구된다. 특히 균열이나 파열을 발생시키지 않기 위해, 연성은 엔진 내에서의 사용에서 요구될 뿐 아니라, 생산 공정이나 조립 공정 등에서도 요구된다. 일반적으로 상온 이하의 저온에서의 연성은 상온 연신으로 대표된다.
따라서, 본 발명의 목적은 양호한 상온 연신을 가지는 동시에, 피스톤 온도가 450℃ 이상, 연소압력이 20MPa 이상으로 상승하더라도 사용 가능하도록 높은 고온 내력, 고온 강성 및 열균열 내성을 가지고, 또한 눌어붙음 내성에도 우수한 자 동차용 엔진, 특히 디젤엔진 등에 바람직한 내연기관용 피스톤을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 하나의 목적은 이러한 내연기관용 피스톤을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 감안하여 예의 연구한 결과, 내열성, 내식성, 내마모성을 가지는 주강을 일체로 주조한 피스톤은 450℃ 이상의 피스톤 온도 및 20MPa 이상의 연소압력이라는 가혹한 조건에서도 충분한 고온 내력, 고온 강성, 열균열 내성 및 눌어붙음 내성을 발휘하고, 또한 경량화가 가능한 것을 발견하여 본 발명에 도달하였다. 본 발명의 내연기관용 피스톤은 일체로 주조되어 있는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명의 내연기관용 피스톤은 헤드부와, 핀보스부와, 스커트부가 일체로 주조되어 있다. 일체로 주조된 내연기관용 피스톤은 냉각 공동부를 갖는 것이 바람직하다. 이 내연기관용 피스톤은 디젤엔진에 바람직하며, 특히 헤드부에 연소실을 가지고, 상기 연소실의 근방에 냉각 공동부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 내연기관용 피스톤을 형성하는 제1 주강은 질량비로, C: 0.8% 이하, Si: 3% 이하, Mn: 3% 이하, S: 0.2% 이하, Ni: 3% 이하, Cr: 6% 이하, Cu: 6% 이하, Nb: 0.01∼3%, 나머지: 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물, 로 이루어지는 조성을 갖는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 조성은 질량비로, C: 0.1∼0.55%, Si: 0.2∼2%, Mn: 0.3∼3%, S: 0.005% 초과하여 0.2% 이하, Ni: 1% 이하, Cr: 3% 이하, Cu: 1∼4%, Nb: 0.1∼3%, 나머지: 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물, 로 이루어진다.
본 발명의 내연기관용 피스톤을 형성하는 제2 주강은 질량비로, C: 0.1∼0.8%, Si: 3% 이하, Mn: 3% 이하, S: 0.2% 이하, Ni: 10% 이하, Cr: 30% 이하, Cu: 6% 이하, Nb: 0.05∼8%, 나머지: 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물, 로 이루어지는 조성을 갖는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 조성은 질량비로, C: 0.1∼0.55%, Si: 0.2∼2%, Mn: 0.3∼3%, S: 0.05∼0.2%, Ni: 0.5∼6%, Cr: 6∼20%, Cu: 1∼4%, Nb: 0.2∼5%, 나머지: 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물, 로 이루어진다. C, Ni 및 Nb의 함유량은 0.05 < (C%+0.15Ni%-0.12Nb%) ≤ 0.8의 요건을 만족하는 것이 바람직하다. 베이스 조직의 오스테나이트상은 주강 조직 전체의 30% 미만인 것이 바람직하다.
본 발명의 내연기관용 피스톤용 제1 및 제2 주강은 또 V 및/또는 Ti를 0.5질량% 이하 함유하는 것이 바람직하다. 제1 및 제2 주강 모두는 또한, Al, Mg 및 Ca의 적어도 1종을 0.04질량% 이하 함유하는 것이 바람직하다.
제1 주강에는 주조 후 850℃ 이상 유지한 후에 공랭시키는 열처리를 실시하는 것이 바람직하다. 또한 제2 주강에는 주조 후 450℃ 이상 유지한 후에 공랭시키는 열처리를 실시하는 것이 바람직하다. 제2 주강에는 주조 후 1000℃ 이상 유지한 후에 급랭시키고, 계속해서 450℃ 이상 유지한 후에 공랭시키는 열처리를 실시하는 것이 보다 바람직하다.
주강으로는 (1) 베이스 조직이 α-페라이트상 및 퍼얼라이트상으로 이루어지는 주강(이하, 단순히「α-P계 주강」이라고 함), 및 (2) 베이스 조직이 δ-페라이트상 및 마르텐사이트상으로 이루어지고, 오스테나이트상이 30% 미만인 주강(이하, 단순히「(δ-M계 주강」이라고 함)을 사용하는 것이 바람직하다. 특히 디젤엔진용 피스톤 등의 가혹한 열적 기계적 부하에 견디기 위해서는 δ-M계 주강을 이용하는 것이 바람직하고, δ-M계 주강으로는, 구체적으로는 석출경화형 스테인리스주강인 SCS24(JIS)나, 석출경화형 스테인리스강인 SUS630(JIS)(통칭 17-4PH)와 같은 내열성, 내식성, 내마모성을 가지는 재료를 베이스로, 눌어붙음 내성을 갖도록 조성을 수정한 주강이 바람직하다.
정밀정형(Near-net-shape)으로 일체로 주조함으로써, 구성부분의 조립이나 접합이 불필요하게 될 뿐 아니라, 가공비를 적게 할 수 있다. 이로 인하여, 냉각 공동부의 가공이나 공동부의 덮개의 장착 및 헤드부와 스커트부의 조립이 필요한 미국특허 제5,136,992호 기재의 조립식 단조 피스톤보다, 제조비용이 현저하게 낮다고 하는 이점을 가진다. 또 일체형 주조 피스톤에서는 냉각 공동부를 가공할 때 가공공간이 불필요하게 되어, 컴프레션 하이트를 낮출 수 있기 때문에, 피스톤의 경량화와 컴팩트화가 가능하게 된다. 피스톤의 구성 부분이 되는 헤드부와, 핀보스부와, 스커트부를 포함시켜 주조로 일체로 형성하면, 냉각 공동부를 필요로 하지 않는 가솔린 엔진용 피스톤으로서 사용할 수 있다. 또 냉각 공동부를 포함해서 주조로 일체로 형성하면, 디젤엔진용 피스톤으로서 적절하다. 특히 피스톤의 헤드부에 연소실을 가지고, 연소실의 근방에 냉각 공동부가 형성되어 있는 직접분사형의 디젤엔진용 피스톤으로서 최적이다.
고온 내력, 고온 강성, 열균열 내성은 물론, 상온 연신을 확보하는 동시에, 눌어붙음 내성을 겸비하는 데에는 조직 중의 공정(共晶) 탄화물의 면적율을 1∼35%로 한다. 피스톤 조직 중에 면적율로 1∼35% 포함되는 고경도의 공정 탄화물은 예를 들면, 실린더 라이너 부재에 포함되는 스테다이트, 피스톤 링 부재에 포함되는 Cr탄화물, 피스톤 핀 부재의 표면의 침탄담금질에 의한 마르텐사이트 등 상대 부재에 포함되는 고경도의 상으로부터 피스톤에 대한 공격성을 완화시킨다. 또한 적정량의 공정 탄화물을 포함함으로써 비교적 응착성이 높은 매트릭스상(즉, 베이스 조직)의 면적율이 감소하기 때문에, 피스톤과 상대 부재 사이의 매트릭스상의 응착을 억제하여 눌어붙음 내성을 향상시킬 수 있다. 전술한 효과는 공정 탄화물의 면적율이 1% 이상에서 얻어지지만, 이것이 35%를 초과하면, 공정 탄화물이 고경도이기 때문에, 오히려 상대 부재에 대한 공격성이 증가하여 상대 부재의 마모를 진행시키는 동시에 눌어붙음 내성이 저하되고, 또한 연성이 저하된다. 이로 인하여 조직 중의 공정 탄화물의 면적율은 1∼35%로 규정한다. 또한, 면적율이란, 시야의 전체 측정 면적에 차지하는 공정 탄화물의 총면적의 비율(백분율)을 말한다.
또한, 조직 중의 공정 탄화물이 조직 중에 균일하게 분산된 상태가 아니라, 공정 탄화물과 매트릭스상(베이스 조직)의 집합체인 공정 콜로니를 형성하여, 이 공정 콜로니가 분산되어 존재하는 것으로, 연성을 크게 손상시키지 않고서, 눌어붙음 내성을 향상시킬 수 있다. 공정 콜로니란, 도 5에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 매트릭스상(53) 중에 미세한 공정 탄화물(51)이 밀집하여 정출(晶出)되고, 공정 탄화물(51)과 매트릭스상(53)이 한 덩어리의 집합체의 형태로 존재하는 것을 말한다. 공정 탄화물은 경도가 높기 때문에, 전술한 바와 같이, 내마모성 확보와 눌어붙음 내성 향상에 기여하지만, 또한 이것이 공정 콜로니로서 조직 중에 분산되어 존재하면 눌어붙음 내성이 한층 향상된다. 즉, 피스톤으로서 사용된 경우, 상대 부재와의 슬라이딩에 의해, 공정 콜로니 내에서의 공정 탄화물끼리의 사이나, 공정 콜로니끼리의 사이에 존재하는 비교적 경도가 낮은(연질의) 매트릭스상이 우선적으로 오목형으로 마모된다. 이 오목형의 영역은 윤활유 등의 오일 집합소로서 작용하기 때문에, 피스톤의 보유성(保油性)이 향상되고, 그 결과, 눌어붙음 내성이 향상된다. 또한 통상, 탄화물의 증가는 연성 저하를 초래하지만, 탄화물이 미세한 공정 탄화물로서 매트릭스상에 둘러싸여 존재하기 때문에 연성의 저하가 대폭 억제된다.
본 발명의 피스톤은 상대 부재로서, 예를 들면 FC300 상당의 P(인) 성분이 높은 편상흑연주철로 이루어지는 실린더 라이너와의 슬라이딩에서는 피스톤에 포함되는 공정 탄화물이 실린더 라이너 조직 중에 존재하는 고경도의 스테다이트의 공격성을 완화시켜 피스톤이 손상되는 것을 방지하여 내마모성이 확보되고, 동시에 전술한 보유성이 향상되는 것에 의한 상승 효과에 의해, 눌어붙음 내성이 우수한 것으로 된다. 또한 상대 부재로서, 예를 들면 침탄담금질한 CrMo강 또는 Cr강으로 이루어지는 피스톤 핀과의 슬라이딩에서는 피스톤에 포함되는 공정 탄화물이 피스톤 핀에 포함되는 고경도의 침탄상에 의한 피스톤의 마모를 억제하여, 내마모성과 눌어붙음 내성이 우수한 피스톤이 된다.
본 발명의 내연기관용 피스톤에서는 상기 공정 탄화물의 평균 원 상당 직경이 3㎛ 이하인 것이 바람직하다. 공정 탄화물의 평균 원 상당 직경을 3㎛ 이하로 함으로써 공정 탄화물의 절결 감도를 저하시키고, 피스톤을 가공할 때의 피삭성을 확보하여, 연성을 크게 저하시키지 않는다. 또한, 공정 탄화물의 탈락에 의한 연마성 마모를 억제하는 효과에 의해, 눌어붙음 내성을 한층 더 향상시키는 것이 가능하게 된다. 또, 공정 탄화물의 평균 원 상당 직경이란, 공정 탄화물의 면적을 동일한 면적을 가지는 원으로 환산했을 때의 원(가상 원)의 직경의 평균값을 말한다.
또한 상기 공정 콜로니는 1개(한 덩어리)의 공정 콜로니의 면적이 50㎛2 이상인 것의 수가, 조직 단면적 1㎟ 중(즉, 단위 평방밀리미터 면적당)에 10개 이상인 것이 바람직하다. 조직 중의 공정 콜로니의 크기와, 그 단위 면적당의 수를 상기와 같이 규정함으로써, 피스톤 자체의 내마모성과 보유성, 상대 부재에 대한 공격성 등의 밸런스가 적정하게 유지되어, 피스톤의 눌어붙음 내성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
또, 공정 탄화물을 생성하는 데에는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta의 IVa족, Va족의 원소를 함유하면 된다. 이들 원소는 C와 결합하여 공정 탄화물을 미세화시키는 동시에, 공정 탄화물을 매트릭스상에 둘러싸인 집합체의 형태, 즉, 공정 콜로니로서 정출시켜서, 눌어붙음 내성, 내마모성 향상에 기여한다. 이 중 특히 공정 탄화물이 Nb 탄화물(NbC)을 포함하면, 눌어붙음 내성, 내마모성의 향상 외에, 후술하는 작용 효과에 의해, 주조성의 개선이나 피삭성의 확보가 촉진되어 보다 바람직하다.
도 1은 본 발명의 피스톤을 나타내는 단면도이다.
도 2는 실시예 41의 금속조직 현미경사진(100배)이다.
도 3은 비교예 5의 금속조직 현미경사진(100배)이다.
도 4는 실시예 41의 금속조직 현미경사진(400배)이다.
도 5는 공정 탄화물과 공정 콜로니의 개략도이다.
도 6은 열균열 시험 장치의 개략도이다.
도 7은 왕복동 마찰마모 시험의 개략도이다.
도 8은 핀온 디스크 시험의 개략도이다.
도 9는 별도로 제작한 핀보스부를 포함하는 헤드부와 스커트부를 조립한 종래의 피스톤을 나타내는 단면도이다.
[1] 주강의 조성
(A) 제1 주강(α-P계 주강)
(1) C: 0.8% 이하
C는 공정 탄화물을 생성시키는 동시에, 응고온도를 저하시키고, 용탕의 유동성, 즉 주조 시의 용탕의 흐름성을 향상시키는 등 주조성을 양호하게 한다. 이 효과는 피스톤을 박형으로 주조하는 경우에 대단히 중요하다. 그러나, C가 0.8%를 초과하면 공정 탄화물의 면적율이 35%를 초과하여 다량으로 정출되거나, Cr 등의 석출탄화물이 증가하여, 오히려 눌어붙음 내성과 연성이 저하되는 동시에, 상대 부재에 대한 공격성이 강하게 된다. 따라서, C는 0.8% 이하이다. C의 함유량은 바 람직하게는 0.1∼0.55%이며, 보다 바람직하게는 0.3∼0.55%이다.
(2) Si: 3% 이하
Si는 용탕의 탈산제로서의 역할을 하고, CO 가스 등에 기인하는 가스결함을 방지하는 등 주조성을 확보한다. Si가 3%를 초과하면, 내열충격성, 피삭성을 저하시킨다. 따라서, Si는 3% 이하, 바람직하게는 0.2∼2%이다.
(3) Mn: 3% 이하
Mn은 용탕의 탈산작용 및 비금속 개재물을 생성하여 피삭성을 개선시킨다. 그러나 Mn이 3%를 초과하면 인성이 저하되기 때문에, Mn은 3% 이하, 바람직하게는 0.3∼3%, 보다 바람직하게는 0.3∼2%로 한다.
(4) Ni: 3% 이하
Ni는 피스톤 온도가 450℃ 이상으로 상승하더라도, 고온 내력, 고온 강도의 저하를 억제하고, 또한 고온 강성을 확보하는 것으로, 피스톤의 정밀하게 가공된 치수 정밀도를 유지하며, 마모, 블로바이, 갉아먹음, 눌어붙음, 파손 등의 문제를 방지한다. 이러한 작용을 하는 Ni의 함유량은 3% 이하이며, 바람직하게는 1% 이하이다.
(5) Cr: 6% 이하
Cr은 베이스 조직을 강화하여 고온 내력을 높이는 작용을 한다. 또 피스톤 표면에 부동태 피막을 형성하여, 피스톤 내부의 베이스 조직이 직접 상대 부재에 접촉하는 기회를 감소시킨다. 그러나 6%를 초과하면 주강의 피삭성을 저하시키기 때문에, Cr은 6% 이하로 한다. Cr의 함유량은 보다 바람직하게는 4% 이하이며, 특 히 3% 이하이다.
(6) Cu: 6% 이하
Cu는 베이스 조직 중에 미세하게 석출하여, 자기 윤활성을 높이고, 눌어붙음을 방지한다. 그러나, 6%를 초과하면 고온 강성과 연성을 저하시키기 때문에, Cu는 6% 이하로 한다. Cu는 바람직하게는 1∼4%이다.
(7) Nb: 0.01∼3%
Nb는 C와 결합하여, 미세한 공정 탄화물(NbC)을 공정 콜로니의 형태로 정출시키고, 피스톤의 눌어붙음 내성 및 내마모성을 높인다. 또 주조 시의 용탕 흐름성을 개선시키는 동시에, 응고수축에 의해 생기는 공동, 갈라짐(열간 균열) 등의 주조 결함을 방지하는 등 주조성을 향상시킨다. 또한 Nb는 Cr 탄화물 등의 석출형의 조대 탄화물의 생성을 억제하기 때문에, 연성 저하나 상대 부재에 대한 공격성의 증가를 억제하는 동시에, 가공 시의 피삭성을 확보한다. 또 공정 탄화물의 이외에, 탄질화물을 형성하여 퍼얼라이트를 강화하는 작용이 있다. 상기의 효과를 얻기 위해서는 0.01% 이상의 Nb가 필요하다. 한편, 3%를 초과하면, 공정 탄화물의 면적율이 35%를 초과하여, 오히려 눌어붙음 내성과 연성의 저하나 상대 부재에 대한 공격성의 증가를 초래하는 동시에, 열균열 내성 및 피삭성을 저하시킨다. 따라서, Nb는 0.01∼3%로 한다. Nb는 바람직하게는 0.1∼3%, 보다 바람직하게는 0.2∼3%이다.
(8) S: 0.2% 이하
S는 Mn, Cr과 황화물을 생성하여 눌어붙음 내성을 향상시키는 동시에, S계 개재물을 생성하여 주강의 피삭성을 개선시키는 작용을 한다. 그러나, S가 0.2%를 초과하면, S계 개재물이 과잉이 되고, 열균열 내성이 악화된다. 황화물을 균형적으로 생성시켜, 적절한 열균열 내성, 눌어붙음 내성 및 피삭성을 얻기 위해서는, S는 0.2% 이하, 바람직하게는 0.005∼0.2%, 보다 바람직하게는 0.03∼0.2%이다.
(9) Mo: 5% 이하
Mo는 고온 강도를 상승시키기 위해서 5% 이하, 바람직하게는 1% 이하로 한다.
(10) Co: 5% 이하
Co는 베이스 조직에 고용(固溶)하여 고온 내력, 고온 강도, 고온 강성을 개선시키기 위해서 5% 이하, 바람직하게는 3% 이하로 한다.
(11) Al, Mg 및 Ca의 적어도 1종: 0.04% 이하
Al, Mg 및 Ca는, 용탕의 탈산제로서의 효과가 있고, 또한 피삭성에 효과가 있는 황화물의 핵으로서 작용하고, 이것을 미세하게 분산시키는 효과를 가지기 때문에, 함유시킬 수 있다. 한편, 이들을 지나치게 함유시키면 비금속 개재물로서 베이스 조직 중에 잔류하여, 열균열 내성을 저하시킨다. 따라서, 필요에 따라 Al, Mg 및 Ca의 적어도 1종을 0.04% 이하로 함유시킬 수 있다.
(12) 기타 원소
Ti, Zr, Hf, V, Ta 등의 IVa족, Va족의 원소도 Nb와 동일한 효과를 가진다. V 및 Ti의 함유량은 각각 0.5% 이하인 것이 바람직하다. 또한 W는 5% 이하를 함유 할 수도 있고, B는 0.05% 이하를 함유할 수도 있고, N은 0.1% 이하를 함유할 수도 있다.
(B) 제2 주강(δ-M계 주강)
(1) C: 0.1∼0.8%
제1 주강의 경우와 마찬가지로, C는 공정 탄화물을 생성하는 데 필수적이며, 주조성을 양호하게 하는 작용을 한다. 그러나, C가 0.8%를 초과하면 공정 탄화물의 면적율이 35%를 초과하여 다량으로 정출되거나, Cr 등의 석출탄화물이 증가하여, 오히려 눌어붙음 내성과 연성이 저하되는 동시에, 상대 부재에 대한 공격성이 강하게 된다. 따라서, C의 함유량은 0.1∼0.8%이며, 바람직하게는 0.1∼0.55%이며, 보다 바람직하게는 0.1∼0.4%이다.
(2) Si: 3% 이하
제1 주강과 동일한 이유에 의해, Si는 3% 이하이며, 바람직하게는 0.2∼2%이다.
(3) Mn: 3% 이하
제1 주강과 동일한 이유에 의해, Mn은 3% 이하이며, 바람직하게는 0.3∼3%이다.
(4) Ni: 10% 이하
제1 주강과 동일한 이유에 의해, Ni는 바람직하게는 0.5∼6%이다.
(5) Cr: 30% 이하
Cr은 피스톤 표면에 부동태 피막을 형성하여, 피스톤 내부의 베이스 조직이 직접 상대 부재에 접촉하는 기회를 감소시킨다. 또한 Ni나 Cu의 조합으로 베이스 조직을 마르텐사이트로 하여 피스톤의 강도를 높이는 작용을 한다. 30% 이상 함유하더라도 효과의 정도는 변화되지 않고, 합금 비용이 상승하여 비경제적인 점 외에, C와의 석출탄화물이 증가하여, 연성이나 가공 시의 피삭성의 저하나 상대 부재에 대한 공격성의 증가를 초래하는 점에서 30% 이하로 한다. Cr은 바람직하게는 6∼20%이다.
(6) Cu: 6% 이하
Cu는 베이스 조직 중에 미세하게 석출하여, 자기 윤활성을 높여, 눌어붙음을 방지한다. 그러나, 6%를 초과하면 고온 강성과 연성을 저하시키기 때문에, Cu는 6% 이하로 한다. Cu는 바람직하게는 1∼4%이다.
(7) Nb: 0.05∼8%
Nb는 C와 결합하여, 미세한 공정 탄화물(NbC)을 공정 콜로니의 형태로 정출시키고, 피스톤의 눌어붙음 내성, 내마모성을 높인다. 또 주조 시의 용탕 흐름성을 개선시키는 동시에, 응고수축에 의해 생기는 공동, 갈라짐(열간 균열) 등의 주조 결함을 방지하는 등 주조성을 향상시킨다. 또한 Nb는 Cr 탄화물 등의 석출형의 조대 탄화물의 생성을 억제하기 때문에, 연성 저하나 상대 부재에 대한 공격성의 증가를 억제하는 동시에, 가공 시의 피삭성을 확보한다. 또 NbC는 고온 내력을 향상시키는 효과도 가진다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.05% 이상의 Nb 함유량이 필요하다. 한편, 8%를 초과하면, 공정 탄화물의 면적율이 35%를 초과하여, 오히려 눌어붙음 내성과 연성의 저하나 상대 부재에 대한 공격성의 증가를 초래하는 동시 에, 열균열 내성 및 피삭성을 저하시킨다. 따라서, Nb는 0.05∼8%로 한다. Nb는 바람직하게는 0.2∼5%, 보다 바람직하게는 0.2∼3.5%로 한다.
(8) S: 0.2% 이하
S는 Mn 및 Cr과 황화물을 생성하여 눌어붙음 내성을 향상시키는 동시에, 열균열 내성을 저하시키는 S계 개재물을 생성하여, 그 내부윤활작용에 의해서 피삭성을 개선시킨다. 그러나, S가 0.2%를 초과하면, S계 개재물이 과잉이 되고, 열균열 내성을 악화시킨다. 황화물을 균형적으로 생성시켜, 적절한 열균열 내성, 눌어붙음 내성 및 피삭성을 얻기 위해서, S는 0.2% 이하이며, 바람직하게는 0.05∼0.2%이며, 보다 바람직하게는 0.1∼0.2%이다.
(9) Mo: 5% 이하
제1 주강과 동일한 이유에 의해, Mo는 5% 이하이며, 바람직하게는 3% 이하이다.
(10) Co: 5% 이하
제1 주강과 동일한 이유에 의해, Co는 5% 이하이며, 바람직하게는 3% 이하이다.
(11) C, Ni 및 Nb의 비율
C, Ni 및 Nb의 함유량은 0.05 < (C%+0.15Ni%-0.12Nb%) ≤ 0.8(질량비)의 조건을 충족시키는 것이 바람직하다. 피스톤을 저비용으로 주조하기 위해서는 저가인 원재료를 이용하는 것이 필요하다. 원재료가 되는 스크랩재에 따라서는, 주조 시의 용탕 흐름성 등, 주조성의 확보를 위해, C의 함량을 높게 하여 주조해야 하는 경우도 있다. δ-M계 주강에서는 C의 양이 많아지면 Ms점을 저하시키고, 상온에서 오스테나이트가 다량 잔류하여, 고온 내력, 고온 강성이 얻어지지 않는 경우가 있다. NbC를 생성시키고, 오스테나이트 중의 C의 양을 저하시키고, 결과로서 베이스의 Ms점의 저하를 방지하는 작용이 있는 Nb와, Ms점의 저하를 초래하는 Ni의 양을 0.05 < (C%+0.15Ni%-0.12Nb%) ≤ 0.8의 범위로 제한하는 것으로, 원하는 고온 내력 및 고온 강성이 얻어진다.
(12) Al, Mg 및 Ca의 적어도 1종: 0.04% 이하
제1 주강과 동일한 이유에 의해, Al, Mg 및 Ca의 적어도 1종을 0.04% 이하로 함유할 수도 있다.
(13) 기타 원소
Ti, Zr, Hf, V, Ta 등의 IVa족, Va족의 원소도 Nb와 동일한 효과를 가진다. V 및 Ti의 함유량은 각각 0.5% 이하인 것이 바람직하다. 또한 W는 5% 이하를 함유할 수도 있고, B는 0.05% 이하를 함유할 수도 있고, N은 0.1% 이하를 함유할 수도 있다.
(14) 불가피한 불순물
P는 원료로부터 불가피하게 혼입되지만, 인성을 저하시키기 때문에 적을수록 바람직하고, 구체적으로는 0.05% 이하로 하는 것이 바람직하다.
[2] 내연기관용 피스톤의 조직 및 특성
주강은 조직 중의 공정 탄화물이 면적율로 1∼35%이며, 상기 공정 탄화물이 공정 콜로니(공정 탄화물과 매트릭스상의 집합체)를 형성한 조직을 갖는 것이 바람 직하다. 공정 탄화물의 평균 원 상당 직경은 3㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 공정 콜로니는 하나의 공정 콜로니의 면적이 5O㎛2 이상인 것의 수가 조직 단면적 1㎟ 중에 10개 이상인 것이 바람직하다. 상기 공정 탄화물은 Nb 탄화물을 포함하는 것이 바람직하다.
제1 및 제2 내연기관용 피스톤에 있어서, 조직 중의 Mn, Cr의 적어도 1종을 포함하는 황화물의 면적율이 0.2∼3.0%이며, 전체 황화물의 수 중에서 원형도(圓形度)가 0.7 이상인 황화물의 수가 70% 이상인 것이 바람직하다.
피스톤의 부재로서, 내열성, 내식성, 내마모성을 가지는 주강 중에서 재료를 적절하게 선택함으로써, 피스톤 온도가 450℃ 이상으로 상승하고, 연소압력이 20MPa 이상으로 상승하더라도, 충분한 고온 내력, 고온 강성, 열균열 내성을 구비한 피스톤이 된다. 예를 들면, 주강은 구상흑연주철 등에 비해, 열균열 내성이 높기 때문에 고온이 되는 연소실이나 그 근처의 립에 열균열이 발생하기 어렵고, 또한 고온 강성이 높기 때문에 경량화를 위해 주요부의 두께를 얇게 하더라도 형상치수를 유지할 수 있기 때문에, 마모, 블로바이 갉아먹음, 눌어붙음, 파손 등의 문제를 발생하기 어려워 엔진 성능을 손상시키는 일이 없다. 또 피스톤의 경량화나 컴프레션 하이트를 낮게 하는 등의 컴팩트화에 의해, 엔진 전체의 중량저감, 엔진의 고출력화와 저연비화, 엔진의 소음저감, 엔진의 소용량화를 도모하는 것이 가능하게 된다. 또한 공정 탄화물의 면적율을 규정함으로써 충분한 연성(상온 연신)이 확보되고, 엔진에서의 사용은 물론, 부품으로서의 생산 중, 엔진에의 배치, 장착 등 취급 중간에 균열이나 파열을 발생시키지 않는다.
상기 주강은 350℃ 내지 500℃의 범위에 있어서, 350MPa 이상의 0.2% 내력, 및 140GPa 이상의 종탄성계수를 가진다. 구체적으로는 350∼500℃의 범위에 있어서, 0.2% 내력은 350℃에서 400MPa 이상, 450℃에서 350MPa 이상, 500℃에서 300MPa 이상을 확보하는 것이 바람직하다. 또한 고온 강성의 지표가 되는 종탄성계수는 피스톤 온도 450℃ 이상에서 100GPa 이상을 확보하는 것이 바람직하다. 이와 같이 고온에서의 내력과 강성이 확보되면, 그 상승 효과에 의해 열균열 내성도 확보된다. 또 연성의 지표가 되는 상온 연신은 실용상 문제가 없는 레벨로서 3.0% 이상을 확보할 수 있다.
저열팽창성을 나타내는 지표인 상온으로부터 500℃까지의 평균 선팽창 계수는 10∼16×10-6/℃인 것이 바람직하다. 이에 따라, 편상흑연주철제의 실린더 라이너의 평균 선팽창 계수(20∼480℃의 온도범위에서 13.1×10-6/℃)와 대략 동등하게 되어, 상온 내지 450∼500℃의 온도영역에서 사용하더라도 피스톤의 외경과 실린더 라이너와의 클리어런스를 작고, 또한 적정하게 확보, 유지할 수 있고, 윤활을 위한 오일소비를 적게 한다. 또한 연소가스가 피스톤, 피스톤 링, 실린더 라이너의 클리어런스를 통하여 크랭크케이스로 누출되는, 이른바 블로바이를 저감하여 엔진의 출력을 확보하고, 또한 피스톤, 피스톤 링, 실린더 라이너 사이에 생성된 유막을 손상시키지 않고 이들 부품의 마모를 억제하고, 또한 엔진의 소음을 저감시킬 수 있다.
[3] 내연기관용 피스톤의 제조 방법
(A) α-P계 주강 피스톤
제1 내연기관용 피스톤의 제조 방법은 α-P계 주강을 주조 후, 850℃ 이상으로 유지하여 공랭시키는 것을 특징으로 한다. 주조된 피스톤에서는 제품형상, 방안배치, 주형형상 등의 요인으로, 피스톤 각부의 응고냉각속도가 각양각색이 되는 경우가 있기 때문에, 열처리에 의해 재질을 균일화하고, 내마모성, 경도 및 기계적 성질을 조정하는 것이 바람직하다. 주조 후 850℃ 이상으로 가열 유지한 후, 공랭시키는 불림(normalizing) 처리를 실시함으로써 초석(初析) 페라이트와 치밀한 퍼얼라이트의 혼합조직이 얻어지고, 피스톤재로서 필요한 강도와 내마모성을 확보할 수 있다.
가열 온도가 850℃ 미만에서는 완전히 오스테나이트화하지 않는다. 일단, 전체 조직을 오스테나이트화하기 위해서는 850℃ 이상으로 가열해야 한다. 바람직한 가열 유지온도는 900∼950℃이다.
가열 유지시간은 피스톤의 크기, 형상 등에 의해 결정되기 때문에 일률적으로 말할 수는 없지만, 소형 피스톤에서 0.5시간 이상, 대형 피스톤에서 1시간 이상이다.
(B) δ-M계 주강 피스톤
제2 내연기관용 피스톤의 제조 방법은 δ-M계 주강을 주조 후, (a) 450℃ 이상으로 유지하여 공랭시키거나, (b) 1000℃ 이상으로 유지하여 급랭시킨 후, 450℃ 이상으로 유지하여 공랭시키는 것을 특징으로 한다. 피스톤은 사용 중의 재질 변 화에 의해 영구변형이 생기면, 블로바이나 마모, 눌어붙음 또는 파손 등의 문제가 생겨, 엔진 성능을 손상시키기 때문에, 재질 변화는 미리 극소화해 놓아야 한다. 이로 인하여, 사용 온도 초과의 온도로 유지하여 재질을 안정화시키는 것이 유효하다. 구체적으로는 주조 후, 피스톤의 사용 온도인 450℃ 이상으로 유지하여 공랭시키는 시효 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 또 이 시효 처리에 앞서서, 주조 후, 1000℃ 이상으로 유지하여 급랭시키는 고용화 처리를 실시하여 놓으면, 재료 중의 연질 탄화물(예를 들면 Cr 탄화물)이 고용화하여, 인성 및 연성이 확보되기 때문에 보다 바람직하다.
고용화 처리와 시효 처리에 있어서의 가열 유지시간은 피스톤의 크기, 형상 등에 의해 결정되기 때문에 일률적으로 말할 수는 없지만, 소형의 것에서 전자 0.5시간 이상, 후자 2시간 이상, 대형의 것에서는 전자 1.5시간 이상, 후자 4시간 이상을 기준으로 한다.
본 발명을 이하의 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되지 않는다.
실시예 1∼20, 비교예 1∼4, 종래예 1, 2
(1) 샘플의 제작
표 1은 본 실시예, 비교예 및 종래예에 사용한 샘플의 화학조성(질량%)을 나타낸다. 실시예 1∼20은 Cr 함유량이 적은 α-P계 주강(본 발명의 조성 범위 내)으로 이루어지는 샘플을 나타내고, 비교예 1∼4는 본 발명의 조성 범위 밖의 α-P계 주강의 샘플을 나타낸다. 비교예 1은 Nb의 함유량이 지나치게 적은 주강이며, 비교예 2는 Nb의 함유량이 지나치게 많은 주강이며, 비교예 3은 S의 함유량이 지나치게 많은 주강이며, 비교예 4는 Nb의 함유량이 적고 S의 함유량이 지나치게 많은 주강이다. 또한 종래예 1은 일본 특개평10-85924호에 개시된 구상흑연주철(JIS FCD600)을 사용한 예이며, 종래예 2는 미국특허 제5,136,992호에 개시된 단조강을 사용한 예이다.
실시예 1∼20 및 비교예 1∼4의 주강을 100kg 고주파 용해로(염기성 라이닝)에서 용해한 후, 1550℃ 이상에서 레이들에 배출하여, 즉시 1500℃ 이상으로 1인치 Y 블록에 주입했다. 실시예 16 및 20 이외의 실시예 1∼20의 주강, 및 비교예 1∼4의 주강에 대하여, 주조 후 850∼1000℃에서 1시간 유지하고, 계속해서 공랭시키는 불림 열처리를 실시하여, 베이스 조직이 페라이트상 및 퍼얼라이트상으로 이루어지는 샘플로 했다.
JIS FCD600 상당의 구상흑연주철의 종래예 1에 있어서는, 100kg 고주파 용해로(산성 라이닝)에서 용해하여, 1500℃ 이상에서 레이들에 배출 중에, Fe-75%Si와 Fe-Si-4% Mg를 이용한 샌드위치법으로 구상화 처리하고, 또한 주입 직전에, Fe-75%Si로 2차 접종을 행하고, 1인치 Y 블록에 주입하여 샘플로 했다. 또한 미국특허 제5,136,992호에 개시된 단조강제 피스톤에 상당하는 조성을 가지는 종래예 2의 주강은 진공용해하여 잉곳에 주입하고, 계속해서 잉곳을 1100℃에서 단조연신 한 후, 950℃에서 불림 열처리를 실시하여 샘플로 했다.
표 1
| 예시 번호 |
Fe 이외의 화학조성 (질량%) | |||||||||
| C | Si | Mn | S | Ni | Cr | Cu | Nb | V | 기타 | |
| 실시예 1 | 0.09 | 0.16 | 0.22 | 0.003 | 0.01 | 0.02 | 0.02 | 0.01 | - | - |
| 실시예 2 | 0.11 | 0.25 | 0.32 | 0.006 | 0.04 | 0.09 | 0.03 | 0.11 | - | - |
| 실시예 3 | 0.20 | 0.21 | 0.32 | 0.021 | 0.12 | 0.25 | 0.05 | 0.17 | - | - |
| 실시예 4 | 0.54 | 1.44 | 0.56 | 0.084 | 0.87 | 1.66 | 1.59 | 0.59 | - | - |
| 실시예 5 | 0.55 | 1.95 | 1.97 | 0.147 | 0.98 | 2.93 | 3.66 | 2.46 | - | - |
| 실시예 6 | 0.79 | 2.87 | 2.56 | 0.194 | 2.86 | 5.98 | 5.94 | 3.00 | - | - |
| 실시예 7 | 0.20 | 0.55 | 2.86 | 0.030 | 0.50 | 0.10 | 0.11 | 0.06 | - | - |
| 실시예 8 | 0.31 | 0.87 | 1.52 | 0.033 | 0.11 | 0.08 | 1.10 | 0.10 | - | - |
| 실시예 9 | 0.55 | 2.47 | 0.97 | 0.022 | 0.07 | 0.05 | 2.50 | 0.50 | - | - |
| 실시예 10 | 0.37 | 2.51 | 0.30 | 0.150 | 2.70 | 0.31 | 0.10 | 0.37 | - | - |
| 실시예 11 | 0.40 | 0.91 | 0.40 | 0.030 | 0.05 | 3.16 | 0.08 | 0.48 | - | - |
| 실시예 12 | 0.41 | 2.36 | 0.68 | 0.022 | 0.05 | 5.99 | 0.01 | 0.12 | - | - |
| 실시예 13 | 0.30 | 0.65 | 0.65 | 0.033 | 0.11 | 0.08 | 5.80 | 0.05 | - | - |
| 실시예 14 | 0.35 | 0.80 | 1.98 | 0.022 | 0.08 | 0.03 | 0.08 | 0.04 | 0.12 | Ti: 0.008 |
| 실시예 15 | 0.42 | 0.68 | 1.01 | 0.040 | 0.08 | 0.10 | 0.03 | 0.31 | 0.03 | Ti: 0.004 |
| 실시예 16* | 0.42 | 0.68 | 1.01 | 0.040 | 0.08 | 0.10 | 0.03 | 0.31 | 0.03 | Ti: 0.004 |
| 실시예 17 | 0.40 | 0.89 | 0.41 | 0.120 | 0.10 | 0.10 | 0.12 | 0.06 | - | Mo: 1.69 |
| 실시예 18 | 0.46 | 0.76 | 0.33 | 0.132 | 0.09 | 0.12 | 0.09 | 0.06 | - | Co: 2.52 |
| 실시예 19 | 0.43 | 0.61 | 1.01 | 0.020 | 0.10 | 0.03 | 3.70 | 0.20 | - | Al: 0.021 |
| 실시예 20* | 0.43 | 0.61 | 1.01 | 0.020 | 0.10 | 0.03 | 3.70 | 0.20 | - | Al: 0.021 |
| 비교예 1 | 0.41 | 0.80 | 1.00 | 0.020 | 0.11 | 0.10 | 0.12 | 0.005 | - | - |
| 비교예 2 | 0.38 | 0.85 | 0.98 | 0.019 | 0.12 | 0.15 | 0.12 | 3.22 | - | - |
| 비교예 3 | 0.45 | 0.87 | 1.10 | 0.211 | 0.11 | 0.05 | 0.05 | 0.04 | - | - |
| 비교예 4 | 0.57 | 0.55 | 1.75 | 0.209 | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.005 | 0.50 | - |
| 종래예 1 | 3.70 | 2.23 | 0.35 | 0.006 | 0.03 | 0.02 | 0.67 | - | - | Mg: 0.042 |
| 종래예 2 | 0.41 | 0.65 | 1.17 | 0.030 | 0.10 | 0.11 | 0.11 | - | 0.08 | - |
주: * 열처리 없음
(2) 공정 탄화물 및 공정 콜로니의 해석
얻어진 각 샘플의 금속조직을 관찰하여, 공정 탄화물 및 공정 콜로니에 대해 해석했다. 각 샘플로부터 잘라낸 시험편을 수지에 매립, 에머리 페이퍼(emery paper)로 #1000번까지 연마하고, 또한 15㎛, 9㎛, 3㎛, 1㎛의 다이아몬드입자에 의한 연마 및 콜로이드 실리카에 의한 마무리 연마를 순서대로 행한 후, 관찰면을 나이탈(질산+알콜) 부식액으로 에칭 처리했다.
화상해석 장치(아사히화성(주)제, 상품명 IP-1000)를 이용하여, 배율 200배 로, 30396.6㎛2의 임의의 5시야에 대해, 공정 탄화물의 면적율(%) 및 평균 원 상당 직경(㎛)을 측정했다. 공정 탄화물의 면적율은 각 시야 내의 공정 탄화물의 면적의 합계를 전체 시야 면적(30396.6㎛2)으로 나눈 값을 5시야로 평균한 값이다. 또한, 비금속 개재물은 공정 탄화물의 면적율과 평균 원 상당 직경의 측정 대상으로부터 제외했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
면적이 50㎛2 이상인 공정 콜로니 수에 있어서는, 우선 연마, 부식된 샘플을 광학현미경에 의해 배율 100배로 임의의 5시야를 촬영했다. 얻어진 현미경사진으로부터, 10㎛ 이하로 접근 또는 접촉한 복수의 공정 탄화물의 집합을 하나의 공정 콜로니로 정의한다. 공정 콜로니의 면적은 도 5의 개략도에 나타낸 바와 같이, 공정 콜로니(52)를 둘러싸는 포락선 L을 빼어, 이 포락선 L에 의해서 둘러싸이는 면적으로 정의한다. 공정 탄화물(51)이 작고 불명료한 경우나, 공정 탄화물(51)끼리의 거리가 불명확한 경우, 관찰부분을 100배 이상으로 확대하여, 그 크기나 거리를 판별했다. 다음에, 상기 화상해석 장치에 의해 면적 50㎛2 이상의 공정 콜로니의 수를 측정하고, 이것을 측정 면적으로 나누어 얻어진 값을 5시야로 평균하여, 단위면적 1㎟당 공정 콜로니의 수를 구했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
(3) 눌어붙음 내성
각 샘플에 대하여, 피스톤과 피스톤 핀의 슬라이딩에 상당하는 왕복동 마찰마모 시험과, 피스톤과 실린더 라이너의 슬라이딩에 상당하는 핀온디스크 시험을 행하고, 눌어붙음 내성을 평가했다.
(a) 핀 눌어붙음 내성
왕복동 마찰마모 시험은 이하의 순서로 행했다. 우선 각 샘플을 60mm×20mm×5mm의 판형시험편(71)으로 가공하고, 0.1∼0.2㎛의 평균표면거칠기 Ra(JIS B 0601)로 연마했다. 도 7에 도시한 바와 같이, 각 판형시험편(71)을 도시하지 않은 왕복운동 동마찰 시험기((주)오리엔테크제, 상품명 AFT-15M 형)에 장착했다. 판형시험편(71)의 표면에 윤활유(10W-30 상당)를 화살표(76)로 나타내는 방향으로부터 적하했다. 상대재로서 피스톤 핀에 상당하는 고탄소크롬베어링강 SUJ2(JIS G 4805)제의 직경 5㎜의 구(72)를 판형시험편(71)에 58.8N의 스러스트 하중(75)으로 접촉시킨 상태에서 판형시험편(71)을 1cm의 슬라이딩폭 및 1.6초의 왕복 시간으로 화살표(74)로 나타내는 방향으로 왕복 슬라이딩시키고, 마찰력을 측정했다. 마찰력이 6.86N에 도달하기까지의 왕복 슬라이딩 회수(이하, 「마찰회수」라고 함)를 구하고, 이하의 기준으로 핀 눌어붙음 내성을 평가했다.
◎: 마찰회수가 400회 이상
○: 마찰회수가 300회 이상 400회 미만
△: 마찰회수가 200회 이상 300회 미만
×: 마찰회수가 200회 미만
(b) 라이너 눌어붙음 내성
핀온디스크 시험은 도 8에 도시된 장치로 실시했다. 핀온디스크 시험 장치는 시험편을 지지하는 원반형 홀더(82)와, 원반형 홀더(82)에 대향하여 배치된 상 대재에 상당하는 재질로 이루어지는 디스크(83)와, 시험편에 스러스트 하중(85)을 걸기 위해서 원반형 홀더(82)에 설치된 수단(도시하지 않음)과, 디스크(83)를 화살표(84) 방향으로 회전시키는 수단(도시하지 않음)을 가진다.
각 샘플을 5mm×5mm×10mm의 각기둥형으로 기계가공하고, 표면거칠기 0.5㎛Ra 이하로 마무리한 핀시험편(81)을 제작했다. 디스크(83)는 직경 80mm×두께 12mm에서, FC300 상당의 P(인) 함량이 높은 편상흑연주철에 의해 형성했다. 원반형 홀더(82)에 장착한 4개의 핀시험편(81)을 디스크(83)에 접촉시키고, 시험편(81)과 디스크(83)의 접촉면에 윤활유(10W-30 상당)를 화살표(86)의 방향으로부터 적하했다. 이 상태에서 디스크(83)를 회전시켜, 스러스트 하중(85)을 단계적으로 증대시켰다. 스러스트 하중(85)은 핀시험편(81)과 디스크(83)의 접촉면의 면압이며, 디스크(83)의 회전 속도는 슬라이딩 속도이다. 하기 (1)∼(7)의 조건에서 핀온디스크 시험을 실시했다.
(1) 시험개시 면압: 15kgf/㎠
(2) 시험종료 면압: 500kgf/㎠
(3) 면압 증가 간격: 5kgf/㎠씩 상승
(3) 각 면압에서의 하중 유지시간: 1min
(5) 디스크 슬라이딩 속도: 2m/s
(6) 윤활유 온도: 10℃(점도 등급 100)
(7) 윤활유 공급조건: 시험개시 면압으로 10㎤/min의 속도로 1분간 공급한 후, 공급을 정지했다.
핀시험편(81) 및 디스크(83)의 한 쪽에 손상이 발생한 시점에서의 하중을 눌어붙음 하중(kgf)으로 하여, 이하의 기준으로 라이너 눌어붙음 내성을 평가했다.
◎: 눌어붙음 하중이 120kgf 이상
○: 눌어붙음 하중이 100kgf 이상 120kgf 미만
△: 눌어붙음 하중이 80kgf 이상 100kgf 미만
×: 눌어붙음 하중이 80kgf 미만
왕복동 마찰마모 시험 및 핀온디스크 시험의 결과를 표 2에 나타낸다.
표 2
| 예시 번호 |
공정 탄화물 |
공정 콜로니 수(1) (개/㎟) |
핀 눌어붙음 내성 |
라이너 눌어붙음 내성 |
|||
| 면적율 (%) |
평균원 상당 직경(㎛) |
마찰회수 (회) |
평가 |
눌어붙음 하중 (kgf) |
평가 |
||
| 실시예 1 | 0.1 | 0.1 | 3 | 300 | ○ | 101 | ○ |
| 실시예 2 | 0.2 | 0.2 | 3 | 305 | ○ | 105 | ○ |
| 실시예 3 | 0.3 | 0.3 | 3 | 310 | ○ | 110 | ○ |
| 실시예 4 | 6 | 1.6 | 30 | 521 | ◎ | 125 | ◎ |
| 실시예 5 | 10.0 | 1.7 | 26 | 530 | ◎ | 130 | ◎ |
| 실시예 6 | 15.0 | 2.0 | 12 | 510 | ◎ | 120 | ◎ |
| 실시예 7 | 1.0 | 0.9 | 8 | 318 | ○ | 115 | ○ |
| 실시예 8 | 1.4 | 1.0 | 12 | 350 | ○ | 119 | ○ |
| 실시예 9 | 6.1 | 1.7 | 40 | 470 | ◎ | 150 | ◎ |
| 실시예 10 | 4.7 | 1.7 | 35 | 471 | ◎ | 140 | ◎ |
| 실시예 11 | 5.4 | 1.7 | 38 | 450 | ◎ | 140 | ◎ |
| 실시예 12 | 1.7 | 1.1 | 10 | 330 | ○ | 130 | ◎ |
| 실시예 13 | 1.0 | 0.8 | 10 | 340 | ○ | 110 | ○ |
| 실시예 14 | 0.7 | 0.8 | 5 | 385 | ○ | 125 | ◎ |
| 실시예 15 | 4.5 | 1.6 | 34 | 420 | ◎ | 125 | ◎ |
| 실시예 16* | 4.8 | 1.8 | 32 | 450 | ◎ | 130 | ◎ |
| 실시예 17 | 1.1 | 1.1 | 10 | 370 | ○ | 125 | ◎ |
| 실시예 18 | 1.0 | 1.0 | 17 | 388 | ○ | 120 | ◎ |
| 실시예 19 | 4.1 | 1.3 | 32 | 411 | ◎ | 135 | ◎ |
| 실시예 20* | 4.3 | 1.6 | 30 | 421 | ◎ | 137 | ◎ |
| 비교예 1 | 0.0 | - | - | 253 | △ | 98 | △ |
| 비교예 2 | 11.0 | 1.90 | 20 | 452 | ◎ | 120 | ◎ |
| 비교예 3 | 0.0 | - | - | 267 | △ | 89 | △ |
| 비교예 4 | 0 | - | - | 263 | △ | 100 | ○ |
| 종례예 1 | 0.0 | - | - | 289 | △ | 102 | ○ |
| 종례예 2 | 0.0 | - | - | 254 | △ | 100 | ○ |
주: (1) 50㎛2 이상의 공정 콜로니의 수.
표 2로부터 명확히 나타난 바와 같이, 공정 탄화물의 면적율은 실시예 1∼3 및 14에로서는 1% 미만이지만, 실시예 4∼13 및 15∼20에서는 본 발명의 바람직한 범위(1∼35%) 내이다. 또한 공정 탄화물의 평균 원 상당 직경에 있어서는, 실시예 1∼20은 모두 본 발명의 바람직한 범위(3㎛ 이하) 내이다. 단위 면적당의 면적 50㎛2 이상의 공정 콜로니의 수는 실시예 1∼3, 7 및 14 이외의 실시예에서는, 본 발명의 바람직한 범위(10개/㎟ 이상) 내이다. 공정 콜로니의 수가 10개/㎟ 미만의 주강에서는 조직 중에 공정 콜로니가 다량 정출되고, 분산되지 않고 연결되어 조대한 콜로니가 형성되어 있다고 고려된다.
표 2로부터, 왕복동 마찰마모 시험에 있어서 실시예 1∼20은 모두 마찰 회수가 300회 이상으로 많고, 우수한 핀 눌어붙음 내성을 가지는 것을 알 수 있다. 또 핀온디스크 시험에 있어서 실시예 1∼20은 모두 눌어붙음 하중이 100kgf 이상으로 크고, 우수한 라이너 눌어붙음 내성을 가지는 것을 알 수 있다. 이것에 대하여, 3.22질량%로 과잉의 Nb를 함유하는 비교예 2의 시험편은 핀 눌어붙음 내성 및 라이너 눌어붙음 내성 모두 우수했지만, 열균열 내성이 뒤떨어지고 있었다. 또한 기타 비교예의 시험편은 모두 핀 눌어붙음 내성 및 라이너 눌어붙음 내성이 뒤떨어지고 있었다.
공정 탄화물의 면적율 및 평균 원 상당 직경, 및 단위면적당 50㎛2 이상의 공정 콜로니의 수가 클수록 눌어붙음 내성(핀 눌어붙음 내성 및 라이너 눌어붙음 내성)이 커지는 경향이 확인되었다.
(4) 황화물
(a) 황화물의 면적율
각 샘플로부터 잘라낸 시험편을 수지에 매립, 에머리 페이퍼로 #1000번까지 연마하고, 또한 15㎛, 9㎛, 3㎛ 및 1㎛의 다이아몬드입자에 의한 연마 및 콜로이드 실리카에 의한 마무리 연마를 순서대로 행했다. 각 시험편의 연마면을 아사히화성(주)제의 화상해석 장치(IP-1000)를 이용하여 배율 200배로 관찰하고, 각 황화물입자를 동일한 면적의 원으로 환산하여 직경을 구했다. 직경이 1.0㎛ 이상인 원에 상당하는 황화물입자에 대해 시야에서의 면적율(%)을 구했다. 결과를 표 3에 나타낸다.
(b) 원형도 0.7 이상인 황화물의 비율
황화물의 원형도는 상기와 동일한 시험편을 화상해석 장치로 관찰하여 얻어진 각 황화물입자의 상으로부터, (4×π×황화물입자의 면적)/(황화물입자의 둘레길이)2의 식으로 산출했다. 이로부터, 원형도가 0.7 이상인 황화물입자의 수를 구하고, 이것과 전체 황화물의 수의 비를 계산하여, 원형도 0.7 이상인 황화물의 비율(%)로 했다. 결과를 표 3에 나타낸다.
(5) 조직
오스테나이트율(γ율)은 Rigaku제의 X선 응력 측정 장치(스트레인플렉스 MSF-2M)를 이용하여, 체적율(%)로서 측정했다. 결과를 표 3에 나타낸다.
(6) 상온 연신
각 샘플로부터 JIS Z 2201에 따라 4호 시험편을 제작하고, 암슬러(Amsler) 인장시험기로 25℃에서의 상온 연신(%)을 측정했다. 결과를 표 3에 나타낸다.
(7) 고온 내력
각 샘플로부터 잘라낸 시험편에 대하여, 고온 내력으로서, JIS G 0567의 철강재료 및 내열합금의 고온인장 시험 방법」에 따라서, 350℃, 450℃ 및 500℃에서의 0.2% 내력(MPa)을 측정했다. 결과를 표 3에 나타낸다.
표 3
| 예시 번호 |
황화물의 면적율(%) |
원형도가 0.7이상인황화물/전체황화물(%) | γ율 (%) |
상온연신 (%) |
0.2%의 내력(MPa) | ||
| 350℃ |
450℃ |
500℃ |
|||||
| 실시예 1 | 0.0 | - | 0.0 | 29.7 | 378 | 321 | 279 |
| 실시예 2 | 0.0 | - | 0.0 | 28.1 | 369 | 331 | 286 |
| 실시예 3 | 0.1 | 96 | 0.0 | 24.5 | 401 | 341 | 298 |
| 실시예 4 | 1.1 | 88 | 0.0 | 8.8 | 467 | 387 | 354 |
| 실시예 5 | 1.3 | 85 | 0.0 | 7.9 | 488 | 401 | 384 |
| 실시예 6 | 1.7 | 84 | 0.0 | 3.7 | 504 | 410 | 345 |
| 실시예 7 | 0.3 | 87 | 0.0 | 23.5 | 412 | 356 | 308 |
| 실시예 8 | 0.3 | 88 | 0.0 | 19.6 | 433 | 370 | 312 |
| 실시예 9 | 0.3 | 88 | 0.0 | 12.4 | 510 | 403 | 336 |
| 실시예 10 | 1.2 | 81 | 0.0 | 3.0 | 521 | 435 | 356 |
| 실시예 11 | 0.4 | 88 | 0.0 | 9.8 | 567 | 452 | 374 |
| 실시예 12 | 0.2 | 90 | 0.0 | 5.0 | 753 | 525 | 457 |
| 실시예 13 | 0.3 | 87 | 0.0 | 6.3 | 455 | 398 | 345 |
| 실시예 14 | 0.2 | 85.1 | 0.0 | 8.7 | 411 | 366 | 301 |
| 실시예 15 | 0.6 | 90 | 0.0 | 14.6 | 450 | 374 | 310 |
| 실시예 16* | 0.6 | 88.9 | 0.0 | 13.3 | 410 | 322 | 298 |
| 실시예 17 | 1.1 | 84 | 0.0 | 2.2 | 743 | 510 | 420 |
| 실시예 18 | 1.0 | 88 | 0.0 | 4.0 | 576 | 453 | 378 |
| 실시예 19 | 0.2 | 88 | 0.0 | 4.5 | 550 | 453 | 396 |
| 실시예 20* | 0.3 | 87 | 0.0 | 4.0 | 575 | 462 | 388 |
| 비교예 1 | 0.2 | 92 | 0.0 | 18.0 | 399 | 354 | 308 |
| 비교예 2 | 0.1 | 98 | 0.0 | 4.5 | 564 | 44 | 368 |
| 비교예 3 | 3.1 | 68 | 0.0 | 16.5 | 401 | 342 | 301 |
| 비교예 4 | 3.2 | 62.5 | 0.0 | 7.9 | 470 | 388 | 312 |
| 종래예 1 | 0.0 | - | 0.0 | 9.7 | 411 | 358 | 245 |
| 종래예 2 | 0.7 | 54 | 0.1 | 16.8 | 449 | 377 | 303 |
표 3으로부터 명확히 나타난 바와 같이, 실시예 1∼3을 제외하고 모든 실시예에서는 황화물의 면적율이 0.2∼3%의 바람직한 범위 내에 있고, 또한 실시예 1 및 2를 제외하고 모든 실시예에서는 원형도 0.7 이상인 황화물의 비율이 70% 이상의 바람직한 범위 내에 있었다. 오스테나이트율에 있어서는, 모든 실시예에서 0%이며, 30% 이하라는 바람직한 범위 내에 있었다. 상온 연신 및 고온 내력에 있어서는, 실시예 1∼20은 비교예 1∼4 및 종래예 1 및 2와 대략 동등했다.
(8) 고온 강성
고온 강성 측정용 시험편으로서, JIS Z 2280의 「금속 재료의 고온영률 시험 방법」에 따라서, 각 샘플로부터 1.5mm×10mm×60mm의 전체면을 연마 가공한 판형시험편을 제작했다. 각 시험편을 각각 350℃, 450℃ 및 500℃의 대기분위기의 로 내에 넣고, 자유 지지식 정전 구동 방식으로 진동을 가하여 진동의 공진주파수를 검출하고, 공진주파수로부터 종탄성계수(GPa)를 산출했다. 결과를 표 4에 나타낸다.
(9) 열균열 내성
도 6에 나타내는 열균열 시험 장치(60)를 이용하여, 열균열 내성의 시험을 행했다. 열균열 시험 장치(60)는 냉각수(62)를 넣는 승강식 수조(61)와, 고주파 발진기(63)와, 고주파 발진기(63)에 접속하여 고주파를 발진하는 코일(64)과, 시험편(67)을 선단에 장착하는 로드(66)와, 로드(66)를 회전 가능하게 지지하는 샤프트(65)와, 시험편(67)에 접착시키는 열전대(68)와, 열전대(68)에 접속한 온도데이터의 기록계(69)를 가진다. 시험편(67)은 직경 90mm×두께 50mm로 가공했다.
(1) 시험편(67)을 수평으로 한 상태에서 고주파 발진코일(64)에 의해 시험편(67)의 표면을 450℃로 가열하고, (2) 시험편(67)을 하방으로 선회시킨 후에 수조(61)를 상승시켜(2점쇄선으로 나타냄), 상온의 냉각수(62)에 의해 급랭시키고, (3)수조(61)를 하강하는 동시에 시험편(67)을 원래의 수평상태로 되돌리는 공정으로 이루어지는 가열냉각사이클(5초)을 1000회 반복한 후, 열균열 내성의 지표로서 시험편 단면의 최대 균열 길이(㎛)를 측정했다. 열균열 내성의 평가 기준은 이하와 같다.
◎: 최대 균열 길이가 50㎛ 이하
○: 최대 균열 길이가 50㎛ 초과이고 100㎛ 이하
△: 최대 균열 길이가 100㎛ 초과이고 150㎛ 이하
×: 최대 균열 길이가 150㎛ 초과
최대 균열 길이의 측정 결과 및 열균열 내성의 평가 결과를 표 4에 나타낸다.
(10) 상온∼500℃의 평균 선팽창 계수
직경 5mm×두께 20mm로 가공한 시험편을 열기계분석 장치(리가쿠덴키(주)제, THEMOFLEX TAS-200 TAS8140C)를 이용하여, 대기분위기 중에서 온도 상승속도 3℃/분의 조건으로 상온∼500℃의 범위에서 열팽창량을 측정했다. 얻어진 열팽창량으로부터 평균 선팽창 계수를 구했다. 결과를 표 4에 나타낸다.
표 4
| 예시 번호 |
세로탄성계수 (GPa) | 열균열 내성 |
상온~500℃의 평균선팽창계수 (×10-6/℃) |
|||
| 350℃ |
450℃ |
500℃ |
최대균열 길이(㎛) |
평가 |
||
| 실시예 1 | 194 | 177 | 161 | 90 | ○ | 12.9 |
| 실시예 2 | 193 | 173 | 160 | 94 | ○ | 12.8 |
| 실시예 3 | 195 | 176 | 160 | 87 | ○ | 12.4 |
| 실시예 4 | 192 | 175 | 158 | 80 | ○ | 12.5 |
| 실시예 5 | 191 | 176 | 158 | 80 | ○ | 12.1 |
| 실시예 6 | 193 | 177 | 157 | 88 | ○ | 12.2 |
| 실시예 7 | 194 | 171 | 153 | 95 | ○ | 11.8 |
| 실시예 8 | 196 | 172 | 153 | 94 | ○ | 11.9 |
| 실시예 9 | 197 | 173 | 155 | 55 | ○ | 12.1 |
| 실시예 10 | 197 | 164 | 157 | 51 | ○ | 12.5 |
| 실시예 11 | 198 | 168 | 156 | 47 | ◎ | 12.4 |
| 실시예 12 | 197 | 168 | 158 | 50 | ◎ | 11.9 |
| 실시예 13 | 199 | 173 | 154 | 90 | ○ | 12.6 |
| 실시예 14 | 195 | 173 | 155 | 89 | ○ | 12.8 |
| 실시예 15 | 194 | 172 | 155 | 87 | ○ | 12.6 |
| 실시예 16* | 193 | 168 | 154 | 98 | ○ | 12.4 |
| 실시예 17 | 198 | 171 | 155 | 49 | ◎ | 12.4 |
| 실시예 18 | 195 | 174 | 157 | 60 | ○ | 12.2 |
| 실시예 19 | 195 | 168 | 155 | 46 | ◎ | 12.0 |
| 실시예 20* | 195 | 168 | 155 | 46 | ◎ | 12.0 |
| 비교예 1 | 194 | 174 | 152 | 117 | △ | 12.1 |
| 비교예 2 | 197 | 174 | 155 | 100 | ○ | 12.6 |
| 비교예 3 | 194 | 171 | 151 | 178 | × | 12.6 |
| 비교예 4 | 195 | 176 | 148 | 156 | × | 12.6 |
| 종래예 1 | 175 | 160 | 135 | 325 | × | 13.1 |
| 종래예 2 | 194 | 174 | 155 | 121 | △ | 14.0 |
고온 강성에 관해서는, 실시예 1∼20은 비교예 1∼4 및 종래예 1 및 2와 대략 동등했다. 그러나 열균열 내성에 관해서는 비교예 1∼4 및 종래예 1 및 2에서서는 모두 최대 균열 길이가 100㎛ 이상이었던 데 대하여, 실시예 1∼20에서는 모두 최대 균열 길이가 100㎛ 미만이었다.
이들 결과로부터, 본 발명의 요건을 만족하는 퍼얼라이트계 주강은 다른 재질과 동등한 상온 연신, 고온 내력 및 고온 강성을 가지는 동시에, 다른 재질보다 현저하게 우수한 눌어붙음 내성 및 열균열 내성을 가지는 것을 알 수 있다.
실시예
21∼45,
비교예
5∼11
(1) 샘플의 제작
표 5는 본 실시예 및 비교예에 사용한 샘플의 화학조성(질량%)을 나타낸다. 실시예 21∼45는 Cr 함유량이 많은 δ-M계 주강(본 발명의 조성 범위 내)으로 이루어지는 샘플을 나타내고, 비교예 5∼11은 본 발명의 조성 범위 밖의 δ-M계 주강의 샘플을 나타낸다. 비교예 5는 C 및 S의 함유량이 지나치게 적은 주강이며, 비교예 6 및 7은 C의 함유량이 지나치게 적고 S의 함유량이 지나치게 많은 주강이다. 비교예 8∼10은 S의 함유량이 지나치게 많은 주강이며, 비교예 11은 Nb의 함유량이 지나치게 적은 주강이며, 비교예 12는 Nb의 함유량이 지나치게 많은 주강이다.
실시예 21∼45 및 비교예 5∼11의 주강을 100kg 고주파 용해로(염기성 라이닝)에서 용해한 후, 1550℃ 이상으로 레이들에 배출하고, 즉시 1500℃ 이상에서 1인치 Y 블록에 주입했다. 실시예 31 및 비교예 6, 8∼10 및 12 이외의 실시예 및 비교예의 주강에 대하여, 주조 후 1000∼1200℃에서 1시간 유지 후 급랭시키는 고용화 열처리를 실시한 후, 550∼630℃에서 2∼4시간 유지 후 공랭시키는 시효 처리를 실시했다. 열처리한 각 주강의 베이스 조직은 δ-페라이트상 및 마르텐사이트상을 함유하고, 오스테나이트상이 30% 미만이었다.
표 5
| 예시 번호 |
Fe 이외의 화학조성 (질량%) | ||||||||||
| C | Si | Mn | S | Ni | Cr | Cu | Nb | V | Ti | 기타 | |
| 실시예 21 | 0.10 | 0.15 | 0.21 | 0.005 | 0.48 | 5.87 | 0.04 | 0.05 | - | - | - |
| 실시예 22 | 0.12 | 0.18 | 0.35 | 0.027 | 0.51 | 6.24 | 0.03 | 0.15 | - | - | - |
| 실시예 23 | 0.11 | 0.22 | 0.32 | 0.052 | 0.52 | 6.05 | 1.27 | 0.21 | - | - | - |
| 실시예 24 | 0.13 | 0.21 | 0.31 | 0.054 | 1.79 | 8.26 | 2.14 | 0.38 | - | - | - |
| 실시예 25 | 0.24 | 0.35 | 0.42 | 0.102 | 2.84 | 12.48 | 2.53 | 0.51 | - | - | - |
| 실시예 26 | 0.39 | 1.02 | 0.98 | 0.148 | 3.15 | 13.51 | 2.76 | 3.49 | - | - | - |
| 실시예 27 | 0.55 | 1.92 | 1.95 | 0.197 | 5.76 | 18.24 | 3.97 | 4.95 | - | - | - |
| 실시예 28 | 0.78 | 2.88 | 2.63 | 0.198 | 9.58 | 19.76 | 5.82 | 7.96 | - | - | - |
| 실시예 29 | 0.10 | 0.64 | 0.66 | 0.025 | 3.97 | 16.52 | 2.99 | 0.56 | - | - | - |
| 실시예 30 | 0.11 | 0.70 | 0.65 | 0.051 | 4.02 | 16.41 | 2.85 | 0.90 | - | - | - |
| 실시예 31* | 0.11 | 0.70 | 0.65 | 0.051 | 4.02 | 16.41 | 2.85 | 0.90 | - | - | - |
| 실시예 32 | 0.27 | 0.65 | 0.50 | 0.060 | 3.87 | 15.92 | 2.99 | 2.60 | - | - | - |
| 실시예 33 | 0.47 | 0.66 | 0.59 | 0.060 | 3.91 | 16.65 | 2.75 | 4.99 | - | - | - |
| 실시예 34 | 0.17 | 0.68 | 0.56 | 0.052 | 3.93 | 16.64 | 2.88 | 1.55 | - | - | - |
| 실시예 35 | 0.16 | 0.61 | 0.49 | 0.063 | 4.56 | 14.77 | 3.12 | 1.46 | - | - | - |
| 실시예 36 | 0.17 | 0.66 | 0.44 | 0.128 | 3.98 | 16.50 | 2.97 | 1.55 | - | - | - |
| 실시예 37 | 0.18 | 0.55 | 0.65 | 0.198 | 3.96 | 16.44 | 3.05 | 1.57 | - | - | - |
| 실시예 38 | 0.11 | 0.56 | 0.48 | 0.060 | 4.03 | 16.10 | 3.00 | 0.30 | 0.008 | 0.004 | - |
| 실시예 39 | 0.12 | 0.58 | 0.47 | 0.061 | 3.89 | 16.10 | 2.90 | 1.00 | 0.008 | 0.005 | - |
| 실시예 40 | 0.29 | 0.57 | 0.47 | 0.066 | 5.00 | 16.46 | 3.00 | 2.47 | 0.009 | 0.008 | Mg:0.032 |
| 실시예 41 | 0.18 | 0.56 | 0.48 | 0.060 | 3.76 | 16.37 | 3.00 | 1.59 | 0.008 | 0.005 | Ca:0.034 |
| 실시예 42 | 0.43 | 0.55 | 0.50 | 0.071 | 4.00 | 15.50 | 2.80 | 4.10 | 0.009 | 0.007 | - |
| 실시예 43 | 0.12 | 0.72 | 0.58 | 0.053 | 3.97 | 16.25 | 2.76 | 0.90 | - | - | Mo: 2.59 |
| 실시예 44 | 0.11 | 0.68 | 0.57 | 0.048 | 4.01 | 16.38 | 2.81 | 0.88 | - | - | Co: 2.76 |
| 실시예 45 | 0.11 | 0.69 | 0.62 | 0.051 | 4.12 | 16.13 | 2.55 | 0.79 | - | - | Al:0.035 |
| 비교예 5 | 0.07 | 0.63 | 0.55 | 0.035 | 4.11 | 16.78 | 2.99 | 0.40 | 0.007 | 0.003 | - |
| 비교예 6* | 0.07 | 0.60 | 0.41 | 0.220 | 3.94 | 16.60 | 3.00 | 0.31 | 0.008 | 0.005 | - |
| 비교예 7 | 0.07 | 0.60 | 0.41 | 0.290 | 3.94 | 16.60 | 3.00 | 0.31 | 0.007 | 0.005 | - |
| 비교예 8* | 0.15 | 0.60 | 0.41 | 0.237 | 3.94 | 16.60 | 3.02 | 1.61 | 0.008 | 0.005 | - |
| 비교예 9* | 0.55 | 0.55 | 0.48 | 0.310 | 4.07 | 16.30 | 3.00 | 0.30 | 0.008 | 0.004 | - |
| 비교예 10* | 0.18 | 0.58 | 0.48 | 0.408 | 6.54 | 16.30 | 3.00 | 1.50 | 0.007 | 0.008 | - |
| 비교예 11 | 0.22 | 0.44 | 0.86 | 0.016 | 4.06 | 15.52 | 2.98 | 0.04 | - | - | - |
| 비교예 12* | 0.19 | 0.60 | 0.90 | 0.033 | 3.88 | 16.37 | 3.11 | 8.57 | - | - | - |
주: * 열처리 없음.
표 5(계속)
| 예시 번호 | C%+0.15Ni%-0.12Nb% (질량%) |
| 실시예 21 | 0.17 |
| 실시예 22 | 0.18 |
| 실시예 23 | 0.16 |
| 실시예 24 | 0.35 |
| 실시예 25 | 0.60 |
| 실시예 26 | 0.44 |
| 실시예 27 | 0.82 |
| 실시예 28 | 1.26 |
| 실시예 29 | 0.63 |
| 실시예 30 | 0.61 |
| 실시예 31* | 0.61 |
| 실시예 32 | 0.54 |
| 실시예 33 | 0.46 |
| 실시예 34 | 0.57 |
| 실시예 35 | 0.67 |
| 실시예 36 | 0.58 |
| 실시예 37 | 0.59 |
| 실시예 38 | 0.68 |
| 실시예 39 | 0.58 |
| 실시예 40 | 0.74 |
| 실시예 41 | 0.55 |
| 실시예 42 | 0.54 |
| 실시예 43 | 0.61 |
| 실시예 44 | 0.61 |
| 실시예 45 | 0.63 |
| 비교예 5 | 0.64 |
| 비교예 6* | 0.62 |
| 비교예 7 | 0.62 |
| 비교예 8* | 0.55 |
| 비교예 9* | 1.12 |
| 비교예 10* | 0.98 |
| 비교예 11 | 0.82 |
| 비교예 12* | -0.26 |
(2) 공정 탄화물 및 공정 콜로니의 해석
얻어진 각 샘플에 대하여, 실시예 1∼20과 마찬가지로 공정 탄화물의 면적율(%) 및 평균 원 상당 직경(㎛), 및 면적 50㎛2 이상의 공정 콜로니의 수를 측정했다. 결과를 표 6에 나타낸다. 단, 관찰면의 에칭 처리는 혼합산용액(H2O: 10㎤, HCl 20㎤, HNO3: 4㎤, H2SO4: 1.3㎤의 혼합 용액)으로 행했다.
실시예 41의 주강의 조직을 도 2(100배의 현미경사진) 및 도 4(400배의 현미경사진)에 나타낸다. 조직 중에는 베이스 조직인 마르텐사이트상(23), δ-페라이트상(24), 미세한 공정 탄화물과 매트릭스상(23)의 집합체인 공정 콜로니(22), 및 비금속 개재물(25)이 관찰된다. 또한 도 4에는 공정 탄화물(41), 공정 콜로니(42), 베이스 조직인 마르텐사이트상(43), 및 비금속 개재물(45)이 관찰된다.
공정 탄화물의 조성을 에너지분산형 X선 분광기가 부착된 전계방사형 주사 전자현미경(FE-SEM EDS, (주)히타치세이샤쿠쇼제 S-4000, EDX KEVEX DELTA 시스템)을 이용하여 분석했다. 그 결과, 공정 탄화물의 조성은 주로 Nb 탄화물(NbC)로 이루어지는 것이 확인되었다. 도 3은 비교예 5의 광학현미경사진(100배)을 나타낸다. 이 조직 중에는 베이스 조직인 마르텐사이트상(33)과 δ-페라이트상(34), 및 비금속 개재물(35)이 관찰되지만, 공정 탄화물은 관찰되지 않는다.
(3) 눌어붙음 내성
각 샘플에 대하여, 피스톤과 피스톤 핀의 슬라이딩에 상당하는 왕복동 마찰마모 시험과, 피스톤과 실린더 라이너의 슬라이딩에 상당하는 핀온디스크 시험을 행하고, 눌어붙음 내성을 평가했다.
(a) 핀 눌어붙음 내성
실시예 1∼20과 같이 하여 왕복동 마찰마모 시험을 행하고, 이하의 기준으로 핀 눌어붙음 내성을 평가했다.
◎: 마찰 회수가 400회 이상
○: 마찰 회수가 300회 이상 400회 미만
△: 마찰 회수가 200회 이상 300회 미만
×: 마찰 회수가 200회 미만
(b) 라이너 눌어붙음 내성
실시예 1∼20과 같이 하여 핀온디스크 시험을 행하고, 이하의 기준으로 라이너 눌어붙음 내성을 평가했다.
◎: 눌어붙음 하중이 120kgf 이상
○: 눌어붙음 하중이 100kgf 이상 120kgf 미만
△: 눌어붙음 하중이 80kgf 이상 100kgf 미만
×: 눌어붙음 하중이 80kgf 미만
왕복동 마찰마모 시험 및 핀온디스크 시험의 결과를 표 6에 나타낸다.
표 6
| 예시 번호 |
공정 탄화물 |
공정 콜로니 수(1) (개/㎟) |
핀 눌어붙음 내성 |
라이너 눌어붙음 내성 |
|||
| 면적율 (%) |
평균원 상당 직경(㎛) |
마찰회수 (회) |
평가 |
눌어붙음 하중 (kgf) |
평가 |
||
| 실시예 21 | 0.1 | 0.1 | 21 | 300 | ○ | 105 | ○ |
| 실시예 22 | 0.1 | 0.1 | 21 | 304 | ○ | 110 | ○ |
| 실시예 23 | 0.1 | 0.1 | 20 | 310 | ○ | 115 | ○ |
| 실시예 24 | 0.2 | 0.2 | 42 | 321 | ○ | 110 | ○ |
| 실시예 25 | 0.3 | 0.2 | 38 | 324 | ○ | 115 | ○ |
| 실시예 26 | 15.0 | 2.0 | 39 | 520 | ◎ | 125 | ◎ |
| 실시예 27 | 27.0 | 2.2 | 23 | 500 | ◎ | 133 | ◎ |
| 실시예 28 | 33.0 | 2.2 | 15 | 503 | ◎ | 130 | ◎ |
| 실시예 29 | 3.7 | 1 | 28 | 311 | ○ | 110 | ○ |
| 실시예 30 | 3.9 | 1.1 | 32 | 416 | ◎ | 125 | ◎ |
| 실시예 31* | 3.9 | 1.1 | 32 | 416 | ◎ | 125 | ◎ |
| 실시예 32 | 8.1 | 2.1 | 69 | 588 | ◎ | 133 | ◎ |
| 실시예 33 | 32.8 | 3.3 | 12 | 502 | ◎ | 122 | ◎ |
| 실시예 34 | 4.6 | 1.4 | 50 | 521 | ◎ | 130 | ◎ |
| 실시예 35 | 4.9 | 1.3 | 52 | 523 | ◎ | 129 | ◎ |
| 실시예 36 | 4.9 | 1.3 | 55 | 533 | ◎ | 131 | ◎ |
| 실시예 37 | 4.7 | 1.4 | 54 | 541 | ◎ | 131 | ◎ |
| 실시예 38 | 0.1 | 0.1 | 5 | 305 | ○ | 110 | ○ |
| 실시예 39 | 1.2 | 0.5 | 55 | 310 | ○ | 115 | ○ |
| 실시예 40 | 7.1 | 1.8 | 35 | 540 | ◎ | 125 | ◎ |
| 실시예 41 | 5.0 | 1.5 | 55 | 521 | ◎ | 130 | ◎ |
| 실시예 42 | 27 | 3 | 18 | 510 | ◎ | 120 | ◎ |
| 실시예 43 | 5.0 | 1.3 | 52 | 520 | ◎ | 123 | ◎ |
| 실시예 44 | 4.6 | 1.2 | 53 | 500 | ◎ | 120 | ◎ |
| 실시예 45 | 4.7 | 1.2 | 50 | 512 | ◎ | 135 | ◎ |
| 비교예 5 | 0.0 | - | - | 210 | △ | 88 | △ |
| 비교예 6* | 0 | - | - | 26 | × | 60 | × |
| 비교예 7 | 0 | - | - | 30 | × | 66 | × |
| 비교예 8* | 0.0 | - | - | 223 | △ | 89 | △ |
| 비교예 9* | 0.1 | 0.12 | 3 | 33 | × | 80 | △ |
| 비교예 10* | 6 | 1.4 | 61 | 251 | △ | 88 | △ |
| 비교예 11 | 0.0 | - | - | 154 | × | 82 | △ |
| 비교예 12* | 35.7 | 3.3 | 9.0 | 275 | △ | 103 | ○ |
주: (1)(50pm2 이상의 공정 콜로니의 수.
표 6으로부터 명확히 나타난 바와 같이, 공정 탄화물의 면적율은 실시예 21∼25 및 38에서는 l% 미만이지만, 실시예 26∼37, 39∼45에서는 본 발명의 바람직한 범위(1∼35%) 내이다. 또한 공정 탄화물의 평균 원 상당 직경에 관해서는 실시예 33 이외의 어느 실시예도 본 발명의 바람직한 범위(3㎛ 이하) 내이다. 단위면 적당의 면적 50㎛2 이상인 공정 콜로니의 수는 실시예 38 이외의 어느 실시예에서도 본 발명의 바람직한 범위(10개/㎟ 이상) 내이다. 이것에 대하여, 비교예 9 및 10(눌어붙음 내성 및 열균열 내성이 떨어짐) 이외의 비교예 5∼12는 모두 본 발명의 바람직한 범위 밖이다.
표 6으로부터, 왕복동 마찰마모 시험에 있어서 실시예 21∼45는 모두 마찰 회수가 300회 이상으로 많고, 우수한 핀 눌어붙음 내성을 가지는 것을 알 수 있다. 또 핀온디스크 시험에 있어서 실시예 21∼45는 모두 눌어붙음 하중이 100kgf 이상으로 크고, 우수한 라이너 눌어붙음 내성을 가지는 것을 알 수 있다. 이것에 대하여, 비교예 5∼12는 핀 눌어붙음 내성 및 라이너 눌어붙음 내성이 모두 뒤떨어지고 있었다.
공정 탄화물의 면적율 및 평균 원 상당 직경, 및 단위면적당의 50㎛2 이상인 공정 콜로니의 수가 클수록 눌어붙음 내성(핀 눌어붙음 내성 및 라이너 눌어붙음 내성)이 커지는 경향이 확인되었다.
(4) 황화물
(a) 황화물의 면적율 및 원형도 0.7가 이상인 황화물의 비율
실시예 1∼20과 같이 하여 각 샘플의 황화물의 면적율(%) 및 원형도 0.7 이상의 황화물의 비율을 구했다. 결과를 표 7에 나타낸다.
(5) 조직
실시예 1∼20과 같이 하여 각 샘플의 오스테나이트율(γ율)을 측정했다. 결 과를 표 7에 나타낸다.
(6) 상온 연신 및 고온 내력
실시예 1∼20과 같이 하여 각 샘플의 25℃에서의 상온 연신(%), 및 350℃, 450℃ 및 500℃에서의 0.2% 내력(MPa)을 측정했다. 결과를 표 7에 나타낸다.
표 7
| 예시 번호 |
황화물의 면적율(%) |
원형도가 0.7이상인황화물/전체황화물(%) | γ율 (%) |
상온연신 (%) |
0.2%의 내력(MPa) | ||
| 350℃ |
450℃ |
500℃ |
|||||
| 실시예 21 | 0.1 | 98 | 0.0 | 27.8 | 502 | 415 | 375 |
| 실시예 22 | 0.2 | 84 | 0.0 | 23.0 | 512 | 431 | 388 |
| 실시예 23 | 0.5 | 88 | 0.0 | 23.6 | 488 | 405 | 370 |
| 실시예 24 | 0.6 | 84 | 0.0 | 21.6 | 553 | 451 | 401 |
| 실시예 25 | 0.8 | 85 | 1.0 | 20.0 | 563 | 460 | 421 |
| 실시예 26 | 1.2 | 75 | 4.0 | 14.7 | 642 | 622 | 531 |
| 실시예 27 | 2.7 | 74 | 12.0 | 15.6 | 470 | 387 | 364 |
| 실시예 28 | 2.9 | 70 | 29.9 | 9.7 | 321 | 287 | 286 |
| 실시예 29 | 0.2 | 86 | 6.2 | 16.2 | 781 | 721 | 622 |
| 실시예 30 | 0.8 | 87 | 4.2 | 16.5 | 631 | 611 | 528 |
| 실시예 31* | 0.8 | 87 | 4.2 | 16.5 | 631 | 611 | 528 |
| 실시예 32 | 0.8 | 87 | 2.2 | 9.8 | 625 | 604 | 512 |
| 실시예 33 | 0.8 | 86 | 3.6 | 3.5 | 655 | 633 | 551 |
| 실시예 34 | 0.5 | 95 | 6.5 | 12.4 | 771 | 692 | 621 |
| 실시예 35 | 0.7 | 88 | 6.0 | 10.9 | 681 | 633 | 554 |
| 실시예 36 | 1.1 | 84 | 7.5 | 9.5 | 696 | 622 | 541 |
| 실시예 37 | 3.0 | 70 | 6.0 | 6.4 | 542 | 465 | 367 |
| 실시예 38 | 1 | 88.9 | 12.0 | 16.1 | 531 | 455 | 358 |
| 실시예 39 | 0.9 | 92.5 | 10.0 | 15.5 | 661 | 610 | 544 |
| 실시예 40 | 1 | 87.7 | 28.8 | 9.8 | 686 | 623 | 545 |
| 실시예 41 | 0.8 | 81 | 5.8 | 9.9 | 677 | 633 | 541 |
| 실시예 42 | 1.1 | 88 | 6.6 | 2.6 | 645 | 611 | 533 |
| 실시예 43 | 0.6 | 88 | 3.2 | 10.3 | 655 | 621 | 535 |
| 실시예 44 | 0.5 | 84 | 4.0 | 9.7 | 661 | 629 | 541 |
| 실시예 45 | 0.5 | 89 | 4.0 | 12.5 | 630 | 605 | 526 |
| 비교예 5 | 0.2 | 86.4 | 6.2 | 16.2 | 781 | 721 | 622 |
| 비교예 6* | 2.8 | 66.7 | 8.7 | 10.5 | 671 | 610 | 510 |
| 비교예 7 | 3.1 | 65 | 11 | 10.1 | 665 | 606 | 503 |
| 비교예 8* | 2.8 | 67 | 8.7 | 11.1 | 671 | 610 | 510 |
| 비교예 9* | 3.3 | 61.3 | 96 | 12.2 | 446 | 437 | 398 |
| 바교예 10* | 3.8 | 58.9 | 33.1 | 11.6 | 512 | 468 | 432 |
| 비교예 11 | 0.1 | 89 | 18.2 | 12.1 | 621 | 601 | 561 |
| 비교예 12* | 0.2 | 90 | 7.7 | 1.1 | 633 | 608 | 541 |
표 7로부터 명확히 나타난 바와 같이, 실시예 21 이외의 모든 실시예에서는 황화물의 면적율이 0.2∼3%의 바람직한 범위 내에 있고, 또한 모든 실시예에서는 원형도 0.7 이상의 황화물의 비율이 70% 이상의 바람직한 범위 내에 있었다. 오스테나이트율에 관해서는 모든 실시예가 30% 미만이라는 본 발명의 바람직한 범위 내에 있었다.
상온 연신 및 고온 내력에 관해서는 실시예 21∼45는 비교예 5∼12와 동등 이상이었다.
(7) 고온 강성
실시예 1∼20과 같이 하여 각 샘플의 종탄성계수(GPa)를 측정했다. 결과를 표 8에 나타낸다.
(8) 열균열 내성
실시예 1∼20과 같이 하여 각 샘플의 최대 균열 길이(㎛)를 측정하여, 이하의 기준으로 평가했다.
◎: 최대 균열 길이가 50㎛ 이하
○: 최대 균열 길이가 50㎛ 초과 100㎛ 이하
△: 최대 균열 길이가 100㎛ 초과 150㎛ 이하
×: 최대 균열 길이가 150㎛ 초과
최대 균열 길이의 측정 결과 및 열균열 내성의 평가 결과를 표 8에 나타낸다.
(9) 상온∼500℃의 평균 선팽창 계수
실시예 1∼20과 같이 하여 각 샘플의 상온∼500℃의 평균 선팽창 계수를 구했다. 결과를 표 8에 나타낸다.
표 8
| 예시 번호 |
세로탄성계수 (GPa) | 열균열 내성 | 상온~500℃의 평균선팽창계수 (×10-6/℃) |
|||
| 350℃ |
450℃ |
500℃ |
최대균열 길이(㎛) |
평가 |
||
| 실시예 21 | 197 | 177 | 161 | 98 | ○ | 12.1 |
| 실시예 22 | 198 | 178 | 163 | 95 | ○ | 12.5 |
| 실시예 23 | 199 | 177 | 162 | 90 | ○ | 12.2 |
| 실시예 24 | 197 | 177 | 155 | 78 | ○ | 12.3 |
| 실시예 25 | 197 | 176 | 154 | 47 | ◎ | 12.3 |
| 실시예 26 | 196 | 177 | 156 | 44 | ◎ | 12.2 |
| 실시예 27 | 196 | 176 | 159 | 54 | ○ | 12.1 |
| 실시예 28 | 197 | 172 | 159 | 87 | ○ | 12.1 |
| 실시예 29 | 195 | 182 | 161 | 33 | ◎ | 12.1 |
| 실시예 30 | 197 | 184 | 151 | 62 | ○ | 11.9 |
| 실시예 31* | 197 | 184 | 151 | 62 | ○ | 11.9 |
| 실시예 32 | 194 | 170 | 153 | 48 | ◎ | 12.0 |
| 실시예 33 | 196 | 171 | 152 | 97 | ○ | 12.1 |
| 실시예 34 | 191 | 176 | 163 | 27 | ◎ | 12.1 |
| 실시예 35 | 196 | 177 | 156 | 40 | ◎ | 12.1 |
| 실시예 36 | 190 | 178 | 155 | 42 | ◎ | 12.5 |
| 실시예 37 | 190 | 175 | 161 | 80 | ○ | 12.4 |
| 실시예 38 | 190 | 177 | 156 | 31 | ◎ | 11.8 |
| 실시예 39 | 195 | 170 | 155 | 20 | ◎ | 11.6 |
| 실시예 40 | 193 | 177 | 155 | 54 | ○ | 12.5 |
| 실시예 41 | 193 | 175 | 165 | 26 | ◎ | 12.6 |
| 실시예 42 | 190 | 178 | 158 | 44 | ◎ | 11.5 |
| 실시예 43 | 195 | 176 | 155 | 41 | ◎ | 12.2 |
| 실시예 44 | 192 | 176 | 156 | 42 | ◎ | 12.3 |
| 실시예 45 | 191 | 177 | 157 | 50 | ◎ | 12.1 |
| 비교예 5 | 195 | 182 | 161 | 35 | ◎ | 12.1 |
| 비교예 6* | 169 | 158 | 138 | 162 | × | 11.5 |
| 비교예 7 | 171 | 155 | 136 | 179 | × | 12.5 |
| 비교예 8* | 169 | 158 | 138 | 162 | × | 11.5 |
| 비교예 9* | 162 | 154 | 132 | 110 | △ | 18 |
| 비교예 10* | 164 | 156 | 135 | 122 | △ | 17.2 |
| 비교예 11 | 193 | 171 | 150 | 168 | × | 12.4 |
| 비교예 12* | 194 | 171 | 149 | 150 | △ | 12.2 |
고온 강성에 관해서는 실시예 21∼45는 모두 140GPa 이상이라는 본 발명의 바람직한 범위 내였다. 열균열 내성에 관해서도, 실시예 21∼45는 모두 우수했다. 이것에 대하여, 비교예 6∼12에서는 모두 최대 균열 길이가 100㎛를 초과하였다. 비교예 5는 최대 균열 길이가 35㎛로 작지만, 눌어붙음 내성이 뒤떨어지고 있었다.
이들 결과로부터, 본 발명의 요건을 만족하는 마르텐사이트계 주강은 다른 재질과 동등 이상의 상온 연신, 고온 내력 및 고온 강성을 가지는 동시에, 다른 재질보다 현저하게 우수한 눌어붙음 내성 및 열균열 내성을 가지는 것을 알 수 있다.
실시예
46
0.24질량%의 C, 0.61질량%의 Si, 0.57질량%의 Mn, 3.87질량%의 Ni, 15.92질량%의 Cr, 2.99질량%의 Cu, 2.10질량%의 Nb, 및 0.072질량%의 S를 함유하는 마르텐사이트계 주강을 이용하여, 도 1에 나타내는 피스톤(10)을 일체로 주조했다. 이 피스톤(10)은 헤드부(11), 스커트부(12), 냉각 공동부(13), 핀보스부(14), 핀결합내경(14d), 연소실(15), 정상면(16), 립(17), 톱랜드(18), 및 링홈(19)을 가진다. 10h는 컴프레션 하이트(compression height)를 나타내고, D는 외경을 나타낸다.
상기 주강의 특성은 이하와 같았다.
공정 탄화물의 면적율: 7.7%
공정 탄화물의 평균 원 상당 직경: 2.0㎛
면적이 50㎛2 이상인 공정 콜로니 수: 50개/㎟
핀 눌어붙음 내성(마찰회수): 561회
라이너 눌어붙음 내성(눌어붙음 하중): 130Kgf
황화물의 면적율: 0.7%
원형도 0.7 이상인 황화물/전체 황화물: 86%
γ율: 6.1%
상온 연신: 9.8%
0.2% 내력
350℃에서: 625Mpa
450℃에서: 604Mpa
500℃에서: 512Mpa
종탄성계수
350℃에서: 194Gpa
450℃에서: 170GPa
500℃에서: 153GPa
열균열 내성(최대 균열 길이): 48㎛
상온∼500℃ 평균 선팽창 계수: 12.1×10-6/℃
상기 주강을 1610℃에서 레이들에 배출하고, 도 1에 나타내는 피스톤 형상의 캐비티를 가지는 모래주형에 1520℃에서 주입했다. 주조 후, 1040℃로 1시간 유지한 후 급랭시키는 고용화 열처리를 행하고, 또한 600℃에서 4시간 유지 후 공랭시키는 시효 처리를 행했다. 계속해서 피스톤(10)의 외주에 절삭 가공 및 연삭 가공을 행했다. 경량화를 도모하기 위해, 피스톤(10)의 주요부의 평균 두께를 3.0㎜ 이하로 했다. 주조 공정에서 공동, 용탕 회전 불량, 가스결함 등의 문제가 되는 주조 결함은 발생하지 않고, 또한 가공 공정에서도 절삭 문제나 가공공구의 이상 마모 등의 문제는 생기지 않았다.
얻어진 피스톤(10)의 스커트부(12), 핀보스부(14) 및 링홈(19)에 있어서, 공 정 탄화물의 면적율은 3.2∼12.6%이며, 공정 탄화물의 평균 원 상당 직경은 1.8∼2.4㎛이며, 단위면적당의 면적 50㎛2 이상의 공정 콜로니 수는 48∼72개/㎟이었다.
얻어진 피스톤(10)을 10,000cc의 6기통 디젤엔진에 탑재하여, 피스톤 온도 452℃, 및 연소압력 20MPa의 조건에서, 400시간의 내구시험을 실시했다. 내구시험 중에 블로바이나 눌어붙음 등의 문제는 생기지 않았다. 또한 내구시험 후에 피스톤(10)의 상태를 관찰한 바, 스커트부(12), 핀보스부(14) 등에 마모, 갉아먹음, 파손 등이 없었고, 또한 립(17)에 열균열이 없었다.
비교예
13
종래예 1의 주철을 사용하여, 실시예 46과 같이 피스톤을 제작했다. 얻어진 피스톤은 스커트부, 핀보스부 및 링홈의 임의의 어느 것에도 공정 탄화물이 관찰되지 않았다. 이 피스톤에 대하여 실시예 46과 동일한 조건으로 내구시험을 행한 바, 시험개시 5시간 후에 이상음이 생겨, 엔진의 출력이 저하되었기 때문에, 내구시험을 중지했다. 내구시험 후의 피스톤의 상태를 관찰한 바, 스커트부에 강력한 접촉을 나타내는 스커핑 흔적이 보였고, 립에는 미소한 열균열이 발생하고 있었다. 이 내구시험 결과로부터, 흑연의 자기 윤활성에 의해 눌어붙음 내성이 비교적 양호한 종래예 1의 주철로 이루어지는 피스톤에서도, 주요부의 평균 두께를 3.0㎜ 이하로 하면, 피스톤 온도 450℃ 이상, 및 연소압력 20MPa 이상이라는 가혹한 조건에서는 내열성, 내구성 및 눌어붙음 내성이 부족하다는 것을 알 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 내연기관용 피스톤은 양호한 상온 연신을 가지는 동시에, 피스톤 온도가 450℃ 이상이고 연소압력이 20MPa 이상이라는 가혹한 조건에서도 충분한 고온 내력, 고온 강성, 눌어붙음 내성 및 열균열 내성을 가진다. 이러한 내연기관용 피스톤은 자동차용 엔진, 특히 디젤엔진에 적절하다.
Claims (22)
- 일체로 주조된 주강으로 이루어지는 내연기관용 피스톤으로서,상기 주강이 질량비로, C: 0.8% 이하(0%를 포함하지 않음), Si: 3% 이하(0%를 포함하지 않음), Mn: 3% 이하(0%를 포함하지 않음), S: 0.02~0.2%, Ni: 3% 이하(0%를 포함하지 않음), Cr 6% 이하(0%를 포함하지 않음), Cu: 6% 이하(0%를 포함하지 않음), Nb: 0.01∼3%, 및 나머지는 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지고, 상기 주강 조직 중에는 공정(共晶) 탄화물이 포함되어 있고, 상기 공정 탄화물이 공정 콜로니를 형성한 조직을 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제1항에 있어서,상기 주강이 질량비로, C: 0.1∼0.55%, Si: 0.2∼2%, Mn: 0.3∼3%, S: 0.02~0.2%, Ni: 1% 이하(0%를 포함하지 않음), Cr: 3% 이하(0%를 포함하지 않음), Cu: 1∼4%, Nb: 0.1∼3%, 및 나머지는 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 일체로 주조된 주강으로 이루어지는 내연기관용 피스톤으로서,상기 주강이 질량비로, C: 0.1∼0.8%, Si: 3% 이하(0%를 포함하지 않음), Mn: 3% 이하(0%를 포함하지 않음), S: 0.05~0.2%, Ni: 10% 이하(0%를 포함하지 않음), Cr: 30% 이하(0%를 포함하지 않음), Cu: 6% 이하(0%를 포함하지 않음), Nb: 0.05∼8%, 및 나머지는 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지고, 상기 주강 조직 중에는 공정 탄화물이 포함되어 있고, 상기 공정 탄화물이 공통 콜로니를 형성한 조직을 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제3항에 있어서,상기 주강이 질량비로, C: 0.1∼0.55%, Si: 0.2∼2%, Mn: 0.3∼3%, S: 0.05∼0.2%, Ni: 0.5∼6%, Cr: 6∼20%, Cu: 1∼4%, Nb: 0.2∼5%, 및 나머지는 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제3항 또는 제4항에 있어서,상기 주강이 질량비로, C, Ni, Nb를 0.05 < (C%+0.15Ni%-0.12Nb%) ≤ 0.8의 범위로 함유하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제3항 또는 제4항에 있어서,상기 주강은 베이스 조직의 오스테나이트상이 30% 미만인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 주강이 추가적으로 V 및 Ti 중 적어도 1종을 0.5질량% 이하(0%를 포함하지 않음)로 함유하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 주강이 추가적으로 Al, Mg 및 Ca 중 적어도 1종을 0.04질량% 이하(0%를 포함하지 않음)로 함유하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 주강 조직 중의 공정 탄화물이 면적율로 1~35%인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제9항에 있어서,상기 공정 탄화물의 평균 원(圓) 상당 직경이 3㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 공정 클로니를 둘러싸는 포락선에 의해 둘러싸인 면적을 상기 공정 클로니의 면적으로 할 때, 50㎛2 이상의 면적을 가지는 공정 콜로니의 수가 1㎟의 조직 단면 중에 10개 이상인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제9항에 있어서,상기 공정 탄화물이 Nb 탄화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 주강 조직 중의 황화물의 면적율이 0.2∼3.0%이고, 전체 황화물의 수에 대한 원형도(圓形度)가 0.7 이상인 황화물의 수(數)가 70% 이상인 내연기관용 피스톤.
- 제13항에 있어서,상기 황화물은 Mn 및 Cr 중 적어도 1종과 S로 생성된 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 주강이 350℃∼500℃의 범위에서 350MPa 이상의 0.2% 내력 및 140GPa 이상의 종탄성계수를 가지고, 또한 상온∼500℃에서의 평균 선팽창 계수가 10∼16×10-6/℃인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제1항 또는 제2항에 기재된 내연기관용 피스톤을 제조하는 제조 방법에 있어서,상기 주강을 주조한 후 850℃ 이상으로 유지한 후 공랭시키는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제3항 또는 제4항에 기재된 내연기관용 피스톤을 제조하는 제조 방법에 있어서,상기 주강을 주조한 후 450℃ 이상으로 유지한 후 공랭시키는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제17항에 있어서,상기 주강을 주조한 후 1000℃ 이상으로 유지하여 급랭한 후, 450℃ 이상으로 유지한 후 공랭시키는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제조 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,헤드부, 핀보스부, 및 스커트부가 일체로 주조되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제19항에 있어서,냉각 공동부를 더 포함하여 일체로 주조되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제20항에 있어서,상기 피스톤이 디젤엔진용 피스톤이며, 상기 헤드부에 연소실을 가지고, 상기 연소실의 근방에 냉각 공동부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 삭제
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