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컴팩트 흑연주철(CGI)- 디젤엔진, 실린더헤드·블록

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작성자 관리자 작성일16-01-06 08:12 조회8,138회 댓글0건

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독일에서 실시된 주요국 정상회의(하이 리겐담 서미트)에서도 활발히 논의되고 회의의 중심이 됐던 지구온난화 대책을 위한 국제적 연계가 확보됐다. 교토의정서의 발효로 인해, 지구온난화의 주범인 온실효과 가스 배출량에 대해 각 나라마다 설정된 법적 구속력이 있는 목표수치를 달성 하기 위해 많은 선진국에서 여러 가지의 규칙이 정해지면서 온갖 노력이 이루어지고 있다.


  자동차 산업계에서도 엔진의 소형화·경량화 연비(燃費)를 향상시켜 온실효과 가스의 하나인 CO₂ 배출량을 줄이기 위한 연구개발이 전세계적으로 밤낮을 가리지 않고 진행되고 있다. 그 중에 서도 CO₂ 배출량이 적은 디젤엔진이 각광을 받고 있어 유럽연합 등의 서유럽국가에서는 일본과는 달리 대형 트럭뿐만 아니라 보통 승용차도 디젤차의 보급률이 일반적으로 높아서 전체적으로 30%를 넘을 정도이다.


  디젤엔진의 연비향상이라는 관점에서 실린더헤드나 실린더블록은 부품의 박육경량(薄肉輕量)화가 이뤄지고 있다. 한편 기관의 높은 내압(內壓)을견뎌내려면 고강도와 고강성의 엔진을 확보해야 한다. 상반되는 이 요구조건을 충족시킬 수 있는 고강도의 재료로 컴팩트 흑연주철(Compacted Graphite Iron, 이하 CGI라고 한다)이 크게 주목되고 있다. 특히 유럽을 중심으로 실용화가 진행되고 있는데 일본에서도 트럭이나 SUV용 엔진 용도로 일부에서는 실용화되고 있어 앞으로는 더욱 가속화될 조짐을 보이고 있다<그림 1>. 본고에서는 이와 같은 부재(部材)의 고능률 가공을 지원하는 절삭공구와 가공방법에 대해 재료 특성을 곁들여 소개한다.

CGI의 주 이점은 내구성으로  CGI는 75% 높은 내구성 (durability)과 45% 높은 강성(stiffness), 85%의 인장강도 (tensile strength) 그리고 일반 회색주철보다 2배의 피로강성 (fatigue strength) 특성을 보여준다.

일반 강철은 25kg/m㎡ 인장강도를 갖고 있는 반면 CGI 사양은 45kg/m㎡가 요구되며. CGI는 강하며 NVH 특징이 좋다.
 
내구성뿐 아니라 엔진전체의 무게로 환산하면 9% 가량 경량화및 소형화가 가능하다.
일반엔진블록과 비교시 CGI 엔진블록은 22%의 경량화를 이룰 수 있으며 15%의 길이 5%의 높이와 너비를 소형화 할 수 있다.

이것은 12L 디젤엔진을 기준으로 73Kg 가량 경량화 실현이 가능하다.

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     CGI의 고강성으로 인해 실린더 라이너 없이도 엔진설계가 가능해 경량화 소형화가 가능하다.


CGI의 첫 상용화 적용은 유럽에서 고속열차의 디스크 제작에  쓰였으며 이후 네덜란드의 트럭메이커인 DAF의 12.6L의 480마력 일반엔진을 CGI로 변경하면서 530마력으로 출력이 늘고 반대로 무게는 경량화 되었다.

CGI 엔진은 주로 포드, 아우디, 벤츠, BMW 등 유럽업체들 중심으로 채택하고 있었으며 레이싱 업체에서 엔진이나 기타 부품 제조등에 제한적으로 쓰여왔다.

강도,강성,경성이 높다는 장점이 반대로 CGI 엔진의 제조에 필요한 가공성이 떨어진다는것이 가장 큰 걸림돌이며 각 업체마다 고유의 가공기술을 가지고 있지만 기본적으로는 스웨덴의 Sintercast 의 도움을 받고 있다.


 

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         CGI는 레이싱에도 제한적으로 쓰여왔으며 월드랠리챔피언 (WRC)에서도 쓰였다.

1. CGI의 재료 특성

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여기서는 일반적으로 CGI라고 사용되는 일이 많은 회주철(이하 FC라고 한다)과 구상흑연 주철 (이하 FCD라고 한다)의 차이를 소개한다. CGI, FC와 FCD에서는 기본적으로 화학성분의 차이를 볼 수 없다. 주조 공정 중인 주철 용탕에 약간 첨가되는 마그네슘 Mg 등의 흑연 구상화제나 지속시간 등에 따라 흑연 입자의 형상이나 흑연 구상화율이 변하고, 또 재료의 바탕 조직(matrix structure)도 달라지기 때문에 재료 특성에서 차이가 생긴다<그림 2>.각 주철의 흑연입자 형상은 다음과 같이 되어 있다.

  FC 편상(片狀) 흑연 FCD 구상(球狀) 흑연 CGI 유충상(狀) 흑연 CGI의 유충상 흑연입자란 FC의 편상 흑연과 FCD의 구상 흑연을 합쳐놓은 것과 같은 중간적인 형상을 말한다<그림 3>. 이들 형상의 차이에 따라 재료 각각의 물리적, 기계적 성질이 크게 달라진다. 여기서는 재료의 피삭성에 크게 관련 하는 성질인 열전도율과 인장강도에 대해 재료마 다의 흑연 형상이 각각의 물성치에 어떻게 영향을 끼치는지 개략적으로 설명한다<표 1>.

 1.1 열전도율
 흑연 자체의 열전도율이 높은 것은 영향을 준다. FC와 같이 흑연이 내부에 적당히 늘어선 재료일 경우엔 재료 자체의 열전도율도 높아지고, 반대로 FCD처럼 흑연이 구상으로 독립해서 존재하는 재료일 경우 열전도율은 낮아진다. CGI 에서는 흑연입자의 형상이나 분포가 <그림 2>에 나타내는 바와 같이 FC와 FCD의 중간적인 모습 이기 때문에 CGI의 열전도율도 FC와 FCD의 중간적인 수치를 나타낸다.

 1.2 인장강도
 주철 중의 흑연은 철 바탕과의 결합력이 약하기 때문에 흑연은 그 자체가 내부 노치(notch)로 간주 되어 재료 내부에 균열 형태의 결함이 산재해 있는 것과 같은 상태로 되어 있다. FC의 흑연 입자는 적당히 늘어서 있고, 또 끝이 뾰족한 형상을 드러내고 있기 때문에 인장 하중을 가했을 경우에 응력이 집중하여 균열이 발생하고 전파(傳播)되기 쉽기 때문에 인장강도는 작아져 있다. 반대로 FCD는 흑연이 구상(球狀)으로 독립해서 존재하기 때문에 응력집중이나 균열발생 및 전파가 일어나기 힘들고 바탕에 의존하지만 대체로 인장강도는 커진다. 즉 FCD는 재료의 강도가 커져있다. 이것도 열전도율과 마찬가지로 CGI에서는 흑연입자의 형상 및 분포가 <그림 2>에 나타내는 바와 같이 FC와 FCD의 중간적인 모습을 하고 있기 때문에 CGI의 인장강도도 FC와 FCD의 중간적인 수치를 나타낸다.
  이러한 점에서 볼 때 CGI는 FC(감쇠능, 열전도율)와 FCD(강성, 강도, 인장강도)의 물리적, 기계적 성질을 적당히 둘 다 갖춘 중간적 재료로 되어 있음을 알 수 있어 피삭성에 있어서도 마찬가지로 중간적 성질을 띨 것이라고 생각한다
2. CGI의 가공특성
CGI의 피삭성에 영향을 주는 요소와 각각의 가공 특성상의 포인트를 열거하면 다음과 같다.
 ① 소재의 형상, 두께 일반 주철과 마찬가지로 박육부에서는 응고하는 냉각속도가 빨라져 소재의 경도가 고르지 않기 때문에 피삭성이 나빠진다.
 ② 합금성분, 금속조직, 바탕조직 페라이트가 많은 바탕조직 자체가 피삭성은 양호 하다. 하지만 강도가 저하되기 때문에 현실적으로는 페라이트+펄라이트 또는 펄라이트 바탕조직이 사용되고 있다.
  화학성분으로 Ti나 Cr이 존재하고 있기 때문에 그것들의 탄화물이 생성하여 피삭성이 매우 저하된다. Ti 0.02% 이하, Cr 0.1% 이하의 함유량으로 제어해서 탄화물의 생성을 최소화한다.
 ③ 흑연 구상화율 흑연 구상화율이 낮은 쪽의 피삭성이 좋다. 왜냐하면 흑연 구상화율이 높아지면 재료강도가높아지기 때문이다.
 ④ 커터지름 Dc와 절삭폭 ae정면 밀링가공에서 절삭폭 ae가 크면 절삭공구의 마모가 진행되기 쉽다.
 ⑤ 팁 재종(材種)과 날끝 형상⑥ 절삭조건 Vc, fz⑦ 건식·습식 절삭 정면 밀링가공에서는 드라이 가공을 권장한다.
  위에 열거한 요소들을 폭넓게 고려하여 재료를 만들고 시험가공을 하여 가장 적당한 가공 프로 세스를 검토하게 되는데 최신 공구를 적용하면 요구는 까다롭지만 CGI 가공이 곤란할 정도는 아니다. 여기서 CGI를 가공할 때의 포인트, 그리고 FC 가공과 비교했을 경우의 차이를 정리하면 다음과 같다.
 ① 가장 적당한 공구 : 코팅 초경 재종, 포지티 브를 권장한다.
 ② 다듬질면 거칠기 : Rz은 FC보다 약 50% 좋아진다.
 ③ 절삭날 결함 : FC와 같은 절삭날 결함은 잘일어나지 않지만 버가 발생하기 쉽다.
 ④ 칩 형상 : FC보다 커지지만 칩 처리성은 양호하다. 팁의 칩 포켓은 크게 하는 것이 좋다.
 ⑤ 소비전력 : FC에 비해 약 15~25% 높다(인장강도에 따름).
 ⑥ 공구 수명 : 재료의 조직, 바탕조직에 따라 달라지기도 하지만 FC와 같은 조건으로 가공했을 경우와 비교하면 약 20~50% 정도 짧아진다.
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