페라이트 기지 내열 구상흑연주철은 규소(Silicon, Si)와 몰리브덴(Molybdenum, Mo)을 각각 4.0 ~ 6.0, 그리고 0.4 ~ 2.0wt% 함유한 주철로서 터보차저(Turbocharger)의 터빈 하우징(turbine housing)이나 배기 매니폴드(Exhaust manifold) 등 자동차 배기계 부품에 많이 사용되고 있다. 최근 전 세계적으로 강화되고 있는 자동차에 대한 환경규제 및 연비규제에 대응하기 위해 엔진의 배기가스 온도가 점차 상승하고 있고, 따라서 배기계 모듈 부품에 대한 내열성 또한 점차 높은 수준이 요구되고 있다. 이에 대응하기 위해 페라이트 기지 내열주철의 합금 설계 및 최적화를 통해 내열성을 향상시키기 위한 연구가 많이 진행되고 있는 상황이다. 한편 자동차 배기계와 같은 사용 환경에서 요구되는 물성은 다음과 같다; 내산화성, 조직의 안정성, 고온강도, 반복 가열냉각에 대한 저항성.
본 연구에서는 페라이트 기지 내열 구상흑연주철의 내열성 향상을 위해, 고온 안정성에 미치는 합금원소의 영향을 Si, Mo, Cu, V, Cr 등에 대하여 미세조직, 기계적 특성, 열팽창 특성, 고온산화 특성 측면에서 연구한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
페라이트 기지 내열 구상흑연주철의 미세조직은 페라이트, 공정 셀 경계에 정출된 공정 복합 탄화물, 결정립 내에 석출된 탄화물 및 흑연으로 이루어져 있다. 주방상태에서 일부 펄라이트가 공정탄화물 주위에 존재하였으나 930℃ 어닐링 처리에 의해 모두 제거할 수 있었다.
Si 함량이 증가할수록 석출 탄화물의 수와 크기는 감소하고 Full ferrite 기지조직이 형성되었다. 상온에서는 취성이 증대하였으며 고온강도는 상승하였다. Si 함량의 증가에 따라 페라이트-오스테나이트 변태 시작온도와 열팽창계수가 증가하였다. 1,000℃에서의 성장량은 Si 6.0wt%에서 가장 작게 나타났는데, 이는 기지조직의 탄소 고용도 차이에 의한 탄소 이동의 영향으로 판단된다. 시편을 어닐링 처리하면, 변태영역으로 가열시 변태수축이 발견되지 않는데, 이는 어닐링 처리시 탄소 이동에 의한 흑연의 재분포가 일어났기 때문이다.
Mo 함량이 증가할 때, 공정 탄화물의 크기가 증가하였고, 그 주변의 석출탄화물과 펄라이트의 양이 증가하였다. 어닐링 처리에 의해 펄라이트는 제거되었는데, 정출/석출 탄화물이 입자 조대화 효과에 의해 그 크기가 증가하였다. 페라이트-오스테나이트 변태시의 수축은 Mo 함량이 증가할수록 감소하였으며, 고온에서의 성장은 950℃와 1,000℃에서 서로 다른 양상을 나타냈다.
Si 4.2~4.8wt% 수준에서 Si과 Mo 함량이 증가할수록 인장강도가 상승하였고, 페라이트-오스테나이트 변태온도 또한 상승하였다. 하지만, 0.81wt% 이상의 Mo 함량에서는 그 증가폭이 완만해졌다. 이는 0.81wt% 이상 첨가한 Mo은 기지조직에 고용되지 않고 정출상으로 존재하기 때문으로 판단된다.
Cu 함량이 증가함에 따라 미세한 결정립이 증가하였는데, 이는 고용도 차이에 의해 기지조직으로부터 Cu가 석출되고 이것이 페라이트 결정립의 성장을 방해하였기 때문으로 사료된다. Cu 첨가에 따라 페라이트-오스테나이트 변태시의 수축이 보이지 않는데, 이는 Cu 석출물의 기지조직으로의 고용으로 인한 체적팽창과 계속되는 가열에 의한 팽창이 변태수축을 보상하기 때문으로 판단된다.
Cr 첨가 시편을 오스테나이트 영역에서 냉각시킬 때 오스테나이트-페라이트 변태시의 변태온도는 냉각속도의 증가와 함께 낮은 온도 쪽으로 이동하였으며, 변태팽창량도 감소하였다. 오스테나이트 영역에서의 유지시간이 짧으면 변태팽창량이 약간 큰 것으로 나타났다. 이는 Cr 첨가에 의해 오스테나이트 영역에서의 탄소 확산속도가 감소하여 냉각변태시 펄라이트로의 변태가 많아졌기 때문이다.
V 첨가에 의해 결정립 내 미세한 석출탄화물의 양이 증가하는데, 이는 페라이트 변태 도중 또는 이후에 석출된 것으로 보이며 이로 인하여 페라이트 결정립이 미세화되었다. 미세한 결정립은 상온 인장특성의 향상을 가져왔고, V 탄화물은 고온에서 안정하기 때문에 고온 인장강도를 상승시켰다. 하지만, V 산화물의 낮은 융점으로 인해 표면의 산화층이 부풀어 오르는 문제점이 있었다.
V과 Cr을 복합 첨가하였을 때 주방상태에서 공정탄화물과 함께 펄라이트가 생성되었으나 어닐링 처리에 의해 분해되어 미세한 입내 석출물이 다수 존재하였다. 합금원소 첨가에 의해 페라이트-오스테나이트 변태과정에서의 변태온도와 체적변화를 모두 감소시켰다. 이는 많은 양의 탄화물로 인해 변태과정에서의 탄소이동을 감소시켰기 때문으로 판단된다. 600℃⇔1,000℃ 에서의 반복적인 가열냉각에 의한 성장 또한 SiMo-0.5V-0.7Cr에서 가장 작게 나타났는데, 고온에서 안정한 탄화물로 인한 것으로 사료된다. Cr 첨가에 의해 V 산화물에 의한 산화증량의 증가를 어느 정도 감소시킬 수 있었다. SiMo-0.5V-0.7Cr에 미량(0.3wt%)의 Ni을 첨가하여 고온강도의 상승 및 산화피막의 성장량 감소를 얻을 수 있었다.