Comparative Evaluation of the Characteristics of High Si-High Mo Ductile Cast Iron, High Si-High Mo C. V. Cast Iron and Ni-resist Cast Iron

(1)

고규소 고몰리브덴 구상흑연주철 , 고규소 고몰리브덴 C. V. 주철 및 Ni-resist 주철 특성의 비교 평가

주영규^†·최경환· 이상목· 김명호 *· 윤상원 **· 이경환

한국생산기술연구원, *인하대학교 금속공학과, **(주)캐스텍 코리아

Comparative Evaluation of the Characteristics of High Si-High Mo Ductile Cast Iron, High Si-High Mo C. V. Cast Iron and Ni-resist Cast Iron

Young-kyu Ju^†, Kyeong-hwan Choe, Sang-mok Lee, Myung-ho Kim*, Sang-weon Yun**, and Kyong-whoan Lee Korea Institute of Industrial Technology, Incheon, 406-840, Korea

*Inha University, Incheon, 402-751, Korea., **Castec Korea Co., Ltd, Busan, 617-843, Korea

Abstract

The characterestics of high Si-high Mo ductile cast iron, high Si-high Mo C.V. cast iron and Ni-resist cast iron were compared and evaluated. The nodule count of the last one was lower and the nodularity was higher than those for the first one, respectively.

The first two had ferritic matrices with small amounts of molybdenum carbides. The first one had the highest tensile strength and the last one the lowest elongation. This had the highest high temperature strength and that of the second one was greatly increased from the room temperature strength. The volumes of the first two were decreased during cooling and that of the last one changed little. The thermal expansion coefficient of the last one was the highest and the first one the lowest. During high temperature oxidation, even though the volume of the first one was increased, the weight was decreased and the volume and weight of the second one were increased. The change of the increased weight of the last one was more than that of thickness.

Key words: Ductile cast iron, C.V. cast iron, Ni-resist cast iron, Mechanical properties, High temperature properties, Oxidation, Oxide layers.

(Received March 4, 2009 ; Accepted May 13, 2009)

1. 서 론

최근 수송기계의 배기 가스 규제 및 연비 향상의 추세와 관련 하여 자동차용 엔진의 고 출력화가 요구되고 있다. 특히 디젤 차 량의 경우, 엔진 고 출력화에 따른 폭발력의 증대로 알루미늄 실 린더 블럭보다는 주철 실린더 블럭을 사용하는 것이 일반적이 다. 그러나 종래 주로 사용하던 회주철로 요구되는 기계적 성질 을 만족 시키려면 지나치게 무거워지고 구상흑연주철을 사용하 면 흡진성이 떨어져 소음 및 진동의 원인이 되므로 최근 C.V.

(Compacted-Vermicular)주철의 이용에 대한 관심이 고조되고 있 다. 이러한 추세는 실린더 블럭 뿐만 아니라 터보 챠져 하우징과 같은 내열부품들에서도 마찬가지이며 반복가열 시 400~500^oC영 역에서 나타나는 구상흑연주철의 Middle Temperature Brittleness (MTB)를[1-2] 개선하기 위한 대책으로서도 C.V. 주철의 활용이 주목받고 있다[3].

자동차용 내열부품 소재로는 종래 오스테나이트계 Ni-resist 주 철이 주로 사용되어 왔지만 최근 Ni 등 전략 금속의 가격 급등

으로 인해 페라이트계 주철 소재로의 전환이 급속히 이루어지고 있으며 그 대표적인 소재로서 고규소 고몰리브덴 구상흑연주철 을 들 수 있다. 고규소 고몰리브덴 구상흑연주철의 경우, 3.0- 4.5wt.% 범위의 Si과 0.3-0.7wt.% 범위의 Mo가 첨가되는데 일 반주철에 비해 고온산화 저항성과 고온에서의 기계적 성질이 향 상된 소재이며, 고온에서의 치수안정성도 뛰어난 것으로 알려져 있다.

주철 소재가 고온에 노출되면, Fe 기지의 산화 과정과 흑연의 탈탄 과정으로 인해 복잡한 산화거동을 나타낸다[4]. 이러한 산 화거동은 내열주철의 동작특성 신뢰성, 기계적 특성, 부품의 수 명 등을 결정하는 중요한 변수가 되므로 전통적인 내열주철에 대 한 미세조직 특성과 제반 물성에 관한 연구는 많이 보고되어 왔 으나[5-10] C.V. 주철의 고온 특성을 포함한 제반특성 평가에 관 한 자료는 상대적으로 적은 편이다. EURO 5 및 6 등 점차 엄격 해지는 배기가스 규제 현황에 능동적으로 대응하기 위해서도 C.V.

주철에 대한 내열특성 등 다양한 특성 검토가 더욱 필요한 시점이다.

본 연구에서는 자동차 부품용 내열소재로서 고규소 고몰리브

†

E-mail : [email protected]

(2)

고규소 고몰리브덴 구상흑연주철, 고규소 고몰리브덴 C. V. 주철 및 Ni-resist 주철 특성의 비교 평가-주영규 et al.

−

121

−

덴 구상흑연주철(SiMo-DCI)[11]과 고규소 고몰리브덴 C.V. 주철 (SiMo-CV 주철) 및 Ni-resist 주철의 3 종에 대해 상온 및 고온 에서의 기초물성 및 산화거동 등을 비교, 평가하여 자동차 부품 으로서의 CV주철의 적용가능성 검토에 필요한 기초자료를 얻었다.

2. 실험 방법 2.1 시편제조

본 실험에서 시험주조한 고규소 고몰리브덴 구상흑연주철과 고 규소 고몰리브덴 C.V. 주철은 Si 함량이 4.2∼4.6wt.% 그리고 Mo 함량이 0.5%wt.% 정도의 페라이트 기지 주철이었고 Ni-resist 주 철은 D5S등급으로 Ni 함량이 34.5wt.%이었다. 용해 주조 작업 은 현장의 생산라인을 활용하여 표준화된 공정을 따라 실시하였 다. 큐폴라에서 용해한 원탕을 3톤 용량의 고주파 유도로에서 미 세합금 조정한 후 레이들에서 샌드위치 법으로 용탕처리 하여 Fig.

1에서 보이는 바와 같은 Y 블록 사형주형에 주입하였다. 모든 주 조 작업에서 용탕의 주입온도는 1,450~1,470^oC로 유지하였다. 주 조된 합금주철의 화학조성을 Table 1에 나타내었다. 물성평가에 사용한 다양한 시편은 Y 블록의 유효부에서 채취하여 Fig. 2에 서 보이는 바와 같은 규격으로 가공하였다.

2.2 열팽창 특성 및 기계적 특성 평가

열팽창 특성 평가는 dilatometer (DIL 402PC, NETZSCH)를 활용하여 ASTM E831에 준하여 N2 gas 분위기 하에서 5 K/min 의 승온 속도로 930^oC까지 승온 시키면서 진행하였다. 상온의 기 계적 특성은 250 kN 용량의 AUTOGRAPH AG-1(일본 SHIMADZU사)를 활용하여 KS B 0801 10호 시험편을 가공하 여 평가하였다. 고온에서의 특성 평가 시에는 같은 인장시험 장 비에 extensometer를 부착하였으며, 장비 특성에 맞는 시험편 규 격을 적용하여 810^oC에서 15분간 유지하여 인장시험편의 온도 를 균일하게 한 후 실시하였다(Fig. 2 참조). 모든 경우 상온 특 성평가 시 크로스헤드 속도는 2 mm/min 고온 특성 평가 시에는 0.5 mm/min로 하였다.

2.3 고온 산화 특성 평가

고온 산화 특성 평가를 위한 시편은 Fig. 2(c)에서 보인 것과 같이 10×10_×10 mm의 정육면체로 가공하였고, 분석하고자 하 는 한 면을 연마지를 2,000번까지 순차적으로 사용하여 경면 연 마하였으며, 그 후 세정 처리하였다. 준비된 시편을 열처리로에 장입하여 대기 분위기에서 분당 5^oC/min의 승온 속도로 900^oC 까지 승온시킨 다음 100시간 유지한 후 로냉하였다. 각 시편의 산화특성은 고온산화시험 전후의 무게와 두께를 정밀하게 측정 하여 산화거동에 따른 중량과 두께 변화를 각각 다음의 식 (1) 및 (2)를 이용해 산출하였다.

(1)

(2)

W: 무게변화(%), Wf: 산화시험 후의 중량(mg), Ws: 산화시험 전의 중량(mg), T: 두께변화 (%), Tf: 산화시험 후의 시편의 두 께(mm) Ts: 산화시험 전의 시편의 두께(mm)

W W_f–W_s W_s

---×100

=

T T_f–T_s T_s ---×100

=

Fig. 2. specimens.

Fig. 1. Y-block test casting.

Table 1. Chemical composition of test specimen.

Specimen Chemical composition (wt.%)

C Si Mn Mo Mg S P Ni Cr

SiMo-DCI 3.40 4.15 0.20 0.55 0.050 0.010 0.04 - -

SiMo-C.V. 3.07 4.32 0.19 0.52 0.008 0.013 0.04 0.4 0.06

Ni-resist 2.05 5.06 0.52 - 0.090 0.017 0.03 34.5 1.65

(3)

고온산화 시험 후의 미세조직 비교 평가를 위해 SEM-EDX (JSM-6369/JEOL) 분석과 XRD (D8-02/BRUKER AXS GMBH) 분석을 복합적으로 수행하여 기지조직과 흑연조직의 산 화 거동을 고찰하였고 산화층에 대한 조성 분석도 수행하였다.

3. 결과 및 고찰 3.1 미세조직 특성

Fig. 3에 본 연구에서 시험주조한 3 가지 내열주철의 대표적 미 세조직을 나타내었다. 고규소 고몰리브덴 구상흑연주철은 전형 적 페라이트 기지조직을 나타냈으며 90% 이상의 높은 구상화율 을 보였다. 고규소 고몰리브덴 C.V. 주철의 구상화율은 30% 안 팎으로 나타났다. 구상의 흑연을 갖는 고규소 고몰리브덴 구상 흑연주철과 Ni-resist 주철의 미세조직을 상호 비교해보면 오스 테나이트 기지인 Ni-resist 주철이 탄소 함량이 낮고 규소 함량이 높은 것에 기인하여 단위면적당 흑연립 수가 적게 나타났으며, 90% 이상의 높은 구상화율을 보였다. 또한 소량 첨가된 크롬의 영향으로 크롬 탄화물로 여겨지는 석출물이 화살표처럼 셀 경계 에서 관찰되었다. 한편 고규소 고몰리브덴 구상흑연주철과 C.V.

주철 공히 화살표로 표시한 것과 같이 Mo 탄화물로 여겨지는 석 출물이 관찰되었다.

3.2 열팽창 특성

Fig. 4는 상온에서 930^oC까지의 온도증가에 따른 각 내열주철 시편의 길이 변화를 열팽창계를 이용하여 측정한 결과를 나타낸

것이다. 기지조직이 페라이트인 고규소 고몰리브덴 구상흑연주 철과 고규소 고몰리브덴 C.V. 주철은 각각 843 및 894^oC 부근에 서 A1변태의 결과로 보이는 변곡점이 관찰되는 반면, Ni-resist 주철은 이러한 특이점이 나타나지 않았다. 열팽창특성 시험구간 에서 A1 변태온도가 나타나는 소재에서는 Fe 충진율 68%의 BCC 격자가 74%의 FCC 격자로 변태하기 때문에 시편의 부피 수축 이 발생하며 이런 수축과정이 열팽창 곡선에서 특이점으로 관찰 된다. 소재의 내열 안정성을 확보하기 위해서는 부품의 동작온 도 범위 내에 이러한 A1 변태온도가 포함되지 않도록 합금설계 를 하고 소재를 개발하는 것이 중요하다. 일반적으로 규소 원소 는 A1 변태온도를 높이는 것으로 알려져 있는데[12], 본 실험에 서 제조한 고규소 고몰리브덴 C.V. 주철의 Si함량이 고규소 고 몰리브덴 구상흑연주철에 비해 높기 때문에 A1변태온도가 약간 더 높게 나타난다.

고온 재료 특성을 판단하는 또 다른 지표로 사용될 수 있는 열 팽창 계수의 측정은 200~780^oC의 온도범위에서 수행되었고, 열 팽창계수는 오스테나이트 기지의 Ni-resist 주철이 가장 높게 나 타났다. 페라이트계 내열주철인 고규소 고몰리브덴 구상흑연주 철과 고규소 고몰리브덴 C.V. 주철의 열팽창계수 값은 각각 14.5

×10^-6및 14.9×10^-6/^oC 로 측정되었는데 고규소 고몰리브덴 구 상흑연주철이 비슷한 범위이지만 약간 더 높게 나타난다.

3.3 상온 및 고온에서의 인장 특성

Fig. 5에 상온 및 810^oC에서의 각 내열주철의 인장시험 결과 를 나타내었다. 상온에서의 인장강도는 고규소 고몰리브덴 구상 흑연주철(562 MPa), 고규소 고몰리브덴 C.V. 주철(479 MPa) 및 Ni-resist 주철(444 MPa)의 순으로 높게 나타난 반면, 연신율은 고 규소 고몰리브덴 C.V. 주철의 경우가 4% 정도로 가장 낮게 나 타났다. C.V. 주철의 경우는, 구상흑연주철 소재에 비해 연신율 이 많이 낮은 경향을 나타내는데, 인장응력 부가시 C.V. 흑연의 장축 끝부분에 응력이 집중하여 외부하중에 의한 초기 균열 발 생에 취약해짐에 따라 연신율이 급격히 떨어지는 것으로 이해되 고 있으며, 여러 가지 주철소재의 기계적 성질에 미치는 흑연형 상에 대한 영향은 기존부터 많이 연구되고 있다[13]. 한편 C.V.

주철은 편상흑연주철과 구상흑연주철의 중간 정도의 물리적 특 성을 보유하고 있어 제반 기계적 특성, 화학적 특성, 제진성 및 동작특성 등 종합적 사항이 검토되어야만 하는 자동차용 고급 부 품 쪽으로의 사용이 증대되고 있는 상황이다. Ni-resist 주철은 오 스테나이트 기지조직으로 이루어져 있어 페라이트계인 규소-몰 Fig. 3. microstructures of specimens.

Fig. 4. Dilatation curves of various heat-resistant cast irons together with summary of coefficients of thermal expansion.

(4)

−

123

−

리브덴계 내열주철보다 강도는 낮은 반면 높은 연성을 가지고 있 음이 확인되었다.

810^oC에서의 고온 인장강도의 경우 Ni-resist 주철의 강도는 74 MPa 수준으로 페라이트계인 고규소 고몰리브덴 구상흑연주 철이나 고규소 고몰리브덴 C.V. 주철의 값인 30 및 27 MPa 정도 에 비해 월등히 높은 값을 나타내었다. 또한 연신율은 상온에서 낮은 연신율을 보였던 고규소 고몰리브덴 C.V. 주철이 고온에서 는 고규소 고몰리브덴 구상흑연주철에 버금가는 수준으로 향상 된 특징을 보였고 이로서 흑연형상이 고온에서의 기계적 성질에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 이로서 현재 Ni-resist 주철에 비해 가격경쟁력이 월등한 페라이트계 고규소 고몰리브 덴 C.V. 내열주철의 고온인장 특성 향상에 관한 집중적인 연구 의 필요성이 대두되고 있다.

3.4 고온 산화 특성

고온산화 시험을 한 모든 시편의 산화층은 내부 산화층과 외 부 산화층으로 구분되어 나타나는데, 외부 산화층은 원래 시편 표면 위에 그리고 내부 산화층은 원래 시편 표면의 내측에 존재 하였다(Fig. 6 참조). 고규소 고몰리브덴 구상흑연주철과 고규소 고몰리브덴 C.V. 주철에서는 동일한 형태의 산화층이 발견되었 다. 외부 산화층은 기공을 다수 포함하고 있으며, 고규소 고몰리 브덴 C.V. 주철의 경우 내부의 흑연 주위 기지조직에서도 산화 층이 관찰되었다. Ni-resist 주철의 외부 산화층은 규소-몰리브덴 계열 주철의 산화층에 비해 기공이 적고 얇고 치밀한 조직을 가 지고 있으며 외부 산화층과는 다른 형태의 내부 산화층도 생성 됨을 확인할 수 있었다. 특이한 사실은 외부 산화층의 두께가 얇

은 부분에서는 내부 산화층의 깊이도 좁게 나타난다는 것이다(Fig.

6(c) 화살표 참조).

주철 소재는 고온의 산화분위기에 노출되면 산화반응과 동시 에 탈탄반응이 일어나며 특정 온도에서 산화반응과 탈탄반응 중 어느 반응이 지배적인가에 따라 중량 변화가 결정된다. 즉, 고온 산화 실험에 의한 시편의 중량 변화는 금속의 산화반응으로 생 성되는 금속 산화물에 의한 질량 증가 요인과 흑연의 탈탄반응 으로 인한 질량의 감소 요인의 상대적 기여에 의해 발생된다[14].

Fig. 7은 900^oC 산화분위기에서 시편을 100시간 유지하였을 때 의 각 내열주철별 중량 및 산화층의 두께변화를 나타낸 것이다.

산화실험 후 시편의 두께 변화는 고규소 고몰리브덴 C.V. 주철, 고규소 고몰리브덴 구상흑연주철 및 Ni-resist 주철 순으로 크게 나타났으며, 시편의 중량은 고규소 고몰리브덴 C.V. 주철과 Ni- resist 주철은 증가한 반면 고규소 고몰리브덴 구상흑연주철은 감 소하는 것으로 관찰되었다.

Fig. 8에 각 산화 실험한 시편의 산화층의 종단면 모습과 산화 층 직하에 위치한 부위에서의 대표적 미세조직 모습을 주사전자 현미경으로 관찰한 결과를 나타내었다. 산화실험 후 나타나는 시 편의 중량변화는 앞서 설명한 대로 금속기지의 산화반응과 흑연 의 탈탄반응의 교호관계에 의해 좌우되는데, 이는 생성되는 산 화층의 형태와 흑연의 형상에 의존한다[3]. Fig. 8(a), 단면, 에 나 타나는 바와 같이 고규소 고몰리브덴 구상흑연주철의 산화층 근 처에서는 금속 기지도 산화되지만, Fig. 8(a), 종단면, 과 같이 산 화층 밑의 기지조직의 횡단면 미세조직을 보면 금속 기지조직의 산화는 거의 이루어지지 않은 반면 흑연의 일부가 산화되어 없 어진 것을 알 수 있다 (화살표 참조). 이로 미루어 시편 내부에 Fig. 6. Photomicrographs showing the oxide layer of the specimen after exposed to air at 900^oC.

Fig. 5. Mechanical properties of various heat-resistant cast irons.

(5)

서도 일부 탈탄반응이 일어나 시편의 중량이 감소한 것으로 사 료된다. 즉, 금속산화물 형성에 의한 중량 증가 요인과 탈탄에 의 한 중량 감소 요인의 결과가 합해졌을 때, 탈탄에 의한 중량 감 소 요인이 더 커서 Fig. 7(b)와 같은 중량 감소 결과가 나타난 것 으로 유추된다. 종합적으로 산화실험에 의한 중량변화 만으로 주 철소재의 내산화성을 평가하는 것은 무리가 있다고 판단된다.

한편 Fig. 8(b)의 고규소 고몰리브덴 C.V. 주철의 산화층 근처 미세조직을 보면 산화층은 물론 산화층 아래에서도 흑연주위 기 지조직이 상당부분 산화되어 금속산화물이 형성 되므로써 산화 시편의 중량 증가의 원인이 된 것으로 보인다. 이는 C.V. 주철에 서는 벌레모양의 흑연들이 3차원적으로 불연속 네트워크를 이루 며 형성되어 있기 때문에 흑연들 간의 간격이 좁거나 일부 서로 연결되어 있어 산화실험 도중 흑연과 금속기지의 경계로 산소가 침투하여 산화반응이 많이 이루어지기 때문이라고 생각된다. Ni- resist 주철은 금속재료의 내산화성을 향상시키는 합금원소로 잘 알려진 Cr의 첨가로 인한 Cr 산화층의 형성과 더불어 산화 시 융 점이 높고 전도성이 낮으며, 조밀한 산화층을 형성하는 Ni의 영 향으로 Fig. 8(c), 단면, 에서 보는 바와 같이 상대적으로 산화층 이 치밀하고, 흑연의 산화도 적기 때문에, 두께 변화 폭 정도에 해당하는 중량 증가가 나타난 것으로 분석된다. Table 2에 각 산

화시편의 산화층 조성을 주사전자현미경-X선 에너지 분산 분석 (SEM-EDX)으로 분석하여 그 결과를 정리하였다. 조성분석 결 과 Ni-resist 주철과 고규소 고몰리브덴 C.V. 주철의 흑연 주위에 존재하는 산화층의 조성은(Table에서 2에 해당하는 조성) 시편표 면의 내부 산화층의 화학조성(Table에서 3에 해당하는 조성)과 거 의 일치하는 것으로 나타났다. 이러한 사실은 산화시험 도중 시 편 외부에서 산소의 유입으로 인한 내부 산화층 생성과 더불어 일정 깊이의 시편 내부에서도 이와 동일한 반응에 노출된 것을 의미한다. 한편 고규소 고몰리브덴 구상흑연주철의 경우에는 산 화층 밑의 기지조직의 산화가 거의 일어나지 않아 산화물의 형 성에 의한 중량 증가 없이 산화층에서만 일부 기지금속이 산화 되고 흑연입자의 탈탄에 의한 중량감소 기여도가 더 커서 결과 적으로 산화 실험 후 시편의 중량감소가 이루어졌다고 판단되 며, 이러한 기구 고찰에 대한 연구가 현재 진행 중에 있다.

Fig. 9는 각 산화시편의 내부에서부터 산화층으로의 Fe와 Si의 조성분포를 분석하고자 주사전자현미경-전자 프로브 미세분석 (SEM-EPMA) 결과를 나타내고 있다. Fig. 6과 마찬가지로 모든 시편의 산화층은 내부 산화층과 외부산화층의 두 층으로 형성되 어 있음을 확인하였다. 일반적으로 내열주철의 산화과정은 내부 의 원소들이 시편 표면 외부로 확산 유출됨으로써 산소와의 반 Fig. 8. Scanning electron micrographs of oxide layers.

Fig. 7. High temperature oxidation characteristics of the specimens.

(6)

−

125

−

응에 의해 외부 산화층이 생성되고, 외부의 산소가 시편의 내부 쪽으로 확산 유입됨에 따라 일어나는 반응으로 내부 산화층이 형 성되는 기구에 의해 진행된다. 고규소 고몰리브덴 구상흑연주철 과 고규소 고몰리브덴 C.V. 주철은 Fe함량이 내부 산화층보다 외 부 산화층에서 높게 나타났다. 반면, Si함량은 내부 산화층에서 더 높은 농도를 가지는 것으로 나타났다.

반면, Ni-resist 주철에서는 Fe는 내부 산화층에서 외부 산화층 에 이르면서 철 원자가 급격히 증가하는 농도 기울기를 보였다.

규소의 농도는 내부 산화층, 산화층 밑의 내부 및 외부 산화층 순 으로 높게 나타났으며 대부분이 내부 산화층에 농축되어 있는 경 향을 확인하였다. 또한, 모든 시편에서 외부로부터 확산 침투하

는 산소는 외부 경계부로부터 시편의 안쪽으로 이르면서 농도 기 울기가 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 경향으로 미 루어 보아 본 실험에서의 산화반응은 철 원자의 외부 확산으로 인해 형성되는 철 산화물과 산소 원자의 내부 확산으로 인해 형 성되는 Si 산화물로 이루어진다고 할 수 있다. 그에 비해 고온 내 산화 특성이 좋은 것으로 잘 알려진 Ni-resist 주철[15]은 Cr과 Ni 이 편석되어 있는 치밀한 내부 산화층의 역할 때문인 것으로 보 이나 더 구체적인 연구가 필요한 상황이다 (크롬 및 니켈의 조성 분포 선 분석 결과는 생략).

Fig. 10은 각 산화 시편의 산화 표면을 X-선 회절로 분석한 결 과이다. 고규소 고몰리브덴 계열 시편은 전체 표면이 Fe2O₃산 Fig. 9. Profiles of Fe and Si contents across the oxide layers.

Table 2. Energe Dispensive X-ray analysis results of various oxide layers(Each number represents the designated area of each specimens denoted in Fig. 8.

Specimen Analysis point in Fig. 8.

Chemical composition (at.%)

Fe Kα O Kα C Kα Si Kα Cr Kα Ni Kα Mn Kα

SiMo-DCI

1 29.67 54.28 16.05 - - - -

2 21.56 50.76 22.10 5.58 - - -

3 -

SiMo-C.V.

1 24.07 43.86 31.74 - - - 0.33

2 19.66 44.32 31.18 4.84 - -

3 13.16 39.26 40.14 7.43 - -

Ni-resist

1 25.72 48.58 25.70 - - - -

2 13.66 44.02 28.92 7.48 0.92 4.48 0.52

3 10.85 38.74 22.89 14.95 1.10 10.85 0.62

(7)

화층으로 둘러 쌓여있는 반면, Ni-resist 주철은 Fe2O₃산화층과 함께 (Fe,Ni)7Cr₂ 성분도 많이 나타나는데, 본문에 명시하지는 않 았지만 주사전자현미경-X선 에너지 분산 분석(SEM-EDX) 성분 분석 결과에 의하면 Fe2O₃산화층이 없는 지역에서 Cr0.19Fe_0.70 Ni_0.11조성의 상들이 많이 나타나고 있는 것을 확인하였다. Ni-resist 주철의 산화층에 대한 정성분석 및 형성 기구에 대한 연구가 현 재 진행 중이다.

본 실험에서는 대기 산화성 분위기에서의 고온산화특성을 비 교 평가하였지만, 실제 배기가스의 분위기는 수분이나 NOX 등 대 기와는 전혀 다른 조건이 가미된 환경이므로 본 실험의 결과가 곧 자동차 배기부품의 동작특성과 연관되는 것을 의미하지는 않 는다. 향후 자동차 배기가스 환경을 포함한 다양한 분위기 조건 하에서의 산화실험을 통하여 적정한 배기계통 부품 특성평가가 이루어져야 할 것이다.

4. 결 론

고규소 고몰리브덴 구상흑연주철, 고규소 고몰리브덴 C.V. 주 철 및 Ni-resist 주철의 미세조직, 상온 및 고온 기계적 특성, 열 팽창 특성 그리고 고온산화 특성을 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) Ni-resist 주철의 단위면적당 흑연립 수는 고규소 고몰리브 덴 구상흑연주철에 비하여 더 적었으며 구상화율은 더 높았다.

고규소 고몰리브덴 구상흑연주철 및 C.V. 주철의 경우 공히 소 량의 Mo 탄화물이 정출된 페라이트 기지조직을 나타내었다.

2) 상온에서 인장강도는 고규소 고몰리브덴 구상흑연주철이 가 장 높았고, 연신율은 Ni-resist 주철이 가장 컸으며, 고규소 고몰 리브덴 C.V. 주철은 연신율이 낮았다. 고온강도는 Ni-resist 주철 이 높았으나 고온 연신율은 고규소 고몰리브덴 C.V. 주철이 상 온 값에 비해 크게 증가 하였다.

3) 고규소 고몰리브덴 구상흑연주철 및 C.V. 주철은 냉각 시 부 피가 감소하였고 Ni-resist 주철은 큰 변화가 없었다. 열팽창 계 수는 Ni-resist 주철이 가장 높았으며, 고규소 고몰리브덴 C.V. 그 리고 고규소 고몰리브덴 구상흑연주철 순으로 나타났다.

4) 고온산화실험 결과, 고규소 고몰리브덴 구상흑연주철은 부 피의 증가에도 불구하고 무게가 감소하였고 고규소 고몰리브덴 C.V. 주철은 부피와 중량이 증가하였다. Ni-resist 주철은 두께 변 화 폭에 비해 중량 증가 폭이 크게 나타났다.

참고문헌

[1] R. N. Wright and T. R. Farrell: AFS Trans, "Elevated Tem- perature Brittleness of Ferritic Ductili Iron", 137 (1985) 853- 858.

[2] M. Takanezawa, Y. Tomota and Y. Kobayashi: ISIJ Inter., "A New Heat Resistant Cast Iron for Thin Wall Exhaust Manifold", 38(1) (1998) 106-108.

[3] L. Delin and R. Logan: SAE transactions, "High Silicon Cast Iron with Mixed Graphite (MG) Shape for Elevated Tem- perature Applications", 116(5) (2007) 530-538.

[4] Y. Komatsu et al.: J. JFS, "High temperature Oxidation of low Alloyed Spheroidal Graphite Cast Iron", 50(12) (1978) 727-732.

[5] D. C. Choi et al.: J. Kor. Foundrymen's Soc., "Widening Applications of Spheroidal Graphite Cast Iron", 10(4) (1990) 294-298.

[6] H. J. Bang: J. Kor. Foundrymen's Soc., "Ductile Cast Irons for Elevated Temperature Service", 12(2) (1992) 102-107.

[7] J. H. Lee and H. Y. Ra: J. Kor. Foundrymen's Soc., "The High Temperature Deformation Behavior of Ductile Cast Iron", 22(1) (2002) 11-16.

[8] S. W. Kim, K. D. Woo, S. W. Han, J. K. Kim and D. Y. Kim: J.

Kor. Foundrymen's Soc., "The study on high Si and Mo DCI with high temperature oxidation resistance property", 18(2) (1998) 63-69.

[9] H. I. Park and H. Y. Jeong: J. Kor. Foundrymen's Soc., "High temperature properties of vanadium and molybdenum added high silicon ductile iron", 27(5) (2007) 203-208.

[10] J. Y. Jun et al.: J. Kor. Inst. Met. & Mater, "Effects of Si Content on the Microstructure and Properties of Spherical Graphite Cast Irons Manufactured by Continuous Cast Process", 39(5) (2001) 602-608.

[11] D. Li, R. Perrin, G. Burger, D. McFarlan, B. Black, R. Logan and R. Williams: Society of Automotive Engineers, "Solidi- fication Behavior, Microstructure, Mechanical Properties, Hot Oxidation and Thermal Fatigue Resistance of High Silicon SiMo Nodular Cast Irons", 1838 (2004) 49-58.

[12] Y. Komatsu: J. JFS, "The Effect of Silicon content on Mechanical and Anti-oxidation properties of Spheroidal Fig. 10. XRD spectra of the oxide layer.

(8)

−

127

−

Graphite Cast Iron", 51(6) (1980) 345-350.

[13] M. K. Roh and H. M. Kwon: J. Kor. Foundrymen's Soc., "The Influences of Graphite Shape and Alloying Elements (Mn, Ni) on the Thermal Properties of Cast Iron", 9(1) (1989) 80-89.

[14] T. Hareyama, T. Yamada, and H. Maki: J. JFS, "Effects of

silicon and Chromium on High Temperature Oxidation Characteristic of Austenitic Spheroidal Graphite Cast Iron", 79(4) (2007) 179-183.

[15] J. D. Mullins, Rio Tinto Iron & Titanium Inc., "Ductile Iron Data for Design Engineers", (1990) 5.7-5.16.