구상흑연주철의 진보와 응용

구상흑연주철의 진보와 응용

---

구상흑연주철은 주로 자동차 부품 및, 단품, 프레스품 등 고강도 부품에 광범위하게 사용되 고 있다. 이렇게 다양한 분야에 이용되고 있는 고강도 부품용 주철 재료의 역사는 1919년에 발표되었던 펄라이트 가단주철로부터이며 것은 형재에도 슬리브 요크, 소형 크랭크 샤프트, 커넥팅 로드, 기어 등이 Ni-C 및 Co-C 합금에서 흑연을 구상화하는데 성공하였고, 1948년 는 회주철에 Ce을 사용하여 흑연의 구상화에 성공하였다.

그러나 이때의 구상 흑연 주철은 당시의 가단주철과 비교하여 저온 인성이 떨어졌으므로 당초 기대했던 것만큼 고강도 부품 에의 사용은 어려웠다. 가단주철은 저온에서의 인성이 우수하며 특히 직접유냉형의 펄라이트 가단주철은 고피로강 도, 고내마모성, 고절삭성의 3조건이 구비되어 있어 유니버셜 조인트의 슬리브 요크에 사용 할 경우에는 다른 재료에서는 볼 수 없는 우수한 성질(특성)이 나타난다. 그러나 이것은 주 조시에는 백선조직을 나타며 또 열처리시에는 흑연을 석출시키기 때문에 원료에 대한 제품 비율이나 조재의 취급, 균열발생의 관리 및 열처리 비용 등 문제점으로 가격이 높아지기 쉽 다는 단점이 있다. 이에 반해 구상흑연주철은 응고시에 이미 흑연을 정출하고 냉각과정을 컨트롤함으로써 페 라이트 조직 및 펄라이트 조직을 임의대로 선택할 수 있으며 더욱이 가단주철과 같은 제조 상의 문제점이 적을 뿐만 아니라 경제적인 잇점도 있다. 구상흑연주철의 인성은 Si 함량에 따라 달라진다. <그림 1>과 같이 2.5% Si 를 경계로 신 율 및 단면수축률이 크게 변화하는 것이다.

그림 1

1976년에는 Si가 2.4%이하인 구상흑연주철이 양산되었는데 종전의 것보다 기지조직 및 흑 연부분이 더욱 개량되어 기계적 성질이 크게 향상되었다. <그림 2>에 이것을 나타내었다. 일반적으로 인장강도가 커지면 신율은 작아지나 강도가 증가함에도 불구하고 신율이 어느정 도 증가하여 기계적 성질이 향상됨을 알 수 있다. 이와 같은 개선은 형상의 설계를 자유롭게 할 수 있도록 해주며 경제적인 잇점을 부영해 주었다. 최근에는 여기에 경량화를 추가, 기계부품의 기능을 향상시키기 위한 구사흑연주철 의 사용이 증가하고 있다. 그 중에서도 자동차 부품에의 진출은 현저하다. <그림 3>은 일본에서 1970년부터 1990년 까지의 자동차용 구상흑연주철 생산량의 추이곡선으로 10년간의 평균 신장율은 연 11%에 달한다. 이처럼 자동차 자체의 중량이 감소되어도 생산량이 늘어남은 진실한 의미에서의 경 량화 재료인 구상흑연주철에로의 재료전환이 급소속히 진행되고 있는 것을 의미한다.

그림 2

---

1. 구상흑연주철-정의와 명칭

---

구상흑연주철이란 주철 용탕에 적당한 처리를 하여 주방상태에서도 구상흑연을 정출할 수 있는 주철을 일컫는 것이다. 즉, 기본적으로 회주철 되어야 할 용탕에 Mg,Ca,Ce등 또는 이 들이 포함하는 합금을 첨가하여 페로실리콘(Ferrosilicon)또는 칼슘, 실리콘 등으로 접종을 하여 주방상태에서 구상흑연을 정출하고 있는 주철이다. 그러나 위와 같은 용탕처리시 냉각 속도가 크거나 흑연구상화제의 양이 많을 때는 백선으 로 된다. 그렇지만 이것을 어닐링해주면 구상흑연이 석출하며 이런 경우도 구상흑연주철이 라고 말한다. 최근에는 일본규격에 있어서도 구상흑연의 제조방법이 정해져 있지 않으며 당지 구상흑연 이 정출 또는 석출되어 있는 주철을 구상흑연주철이라고 말하고 있다. 구상흑연주철은 이 명칭에도 여러가지로 불리워지고 있다. 일본 문헌에는 “Ductile cast iron” 및 “Nodular graphite cast iron” 이라고 명명되어져 있으며 영국에서는 “Spheroidal graphite cast iron” 또 독일에서는 Kugelforming graphite guesseisen 등으로 불리우고 있다. 또한 우리나라에서도 연성주철 및 노듈라주철 등으로 부르기도 한다. 그러나 실제로 시료를 관찰한 결과 구상흑연주철이라고 부르는 것이 가장 적절하다고 여겨진다. 따라서 JIS에서는 것으로 만든 부품을 구상흑연주철품(Sphe-roidal graphite iron castings) (JIs G5502),오스템퍼 구상흑연주철품(Austempered spheroidal graphite iron castings) (JIs G5503), 오스테나이트 주철품(Anstenitic iron castings) (JIs G5510)이라고 부르고 있다. 그러나 주철관에 대해서는 세계적인 관례에 따라 연성주철관(Ductile iron pipes) (JIs G5526), 연성주철이형관(Ductile iron fittings) (JIs G5527)이라고 불리어지고 있다. 이상과 같이 정식이름은 구상흑연주철로 차츰 정착되어 가고 있으나 일반적으로 작업현장 에서는 간단히 연성 또는 닥타일주철이라고 불리우는 일이 많다. 이 밖에도 간단하게 DCI라 고 말하는 경우도 있으나 이것은 최초 특허권을 가지고 있던 International Nickel사의 상품 명이다.

---

2. 구상흑연주철의 발명과 발전

---

(1)구상흑연주철의 발명 일반적으로 주철이란 깨지기 쉬운 재료이며 따라서 사람들은 이 재료를 어떻게 하면 강인 하고 깨지지 않는 재료로 만들수 있을까? 하고 생각하게 되었다. 이렇게 해서 처음 만들어진 것이 1722년 프랑스의 Reaumur에 의해 발명된 백심가단주철로 백선을 표면탈탄하여 강과 같은 재질로 만든 것이다. 한편 1826년에 미국의 Seth Boyden에 의해 발명된 흑심가단주철은 백선을 일차 흑연화 어닐링(약900℃) 및 이차 흑연화하 어닐링 (약700℃)을 행해 세멘타이트를 분해, 흑연화하여 괴상의 흑연을 석출시킨 것이었다. 이들은 모두 인장강도도 크고 신율도 지녔으므로 어느정도 주철의 결점을 보완하였다, 그러나 이들 은 모두 장시간의 어닐링처리가 필요하였기 때문에 주방상태에서 강도도 있고 신율도 지닌 또 다른 것을 발명하도록 하는 요인이 되었다. 인장강도를 증가시키는 방법으로는 1916년부터 1926년 사이에 스크랩을 다량으로 사용하는 Emmel의 방법, 고온용해의 필요성을 제창하는 Piwowarski의 방법, Smalley가 제창하는 접 종법등이 있으며 이런 방법들을 행할 경우 회주철은 약300N/mm2이상의 인장강도를 얻을 수 있다. 일본에서는 같은 시기에 “Ishikawa”가 Chrysan-themum structure 주철로서 강인주철을 만들었다. 그러나 어떠한 주철의 경우에도 흑연이 편상이었으므로 신율을 얻을 수가 없었다. 그후 1937∼38년경 독일에서 C.Adey가 흑연강 및 회주철의 조성법위안에서 고온 및 고염 기성 슬러그용해를 행한 다음 비교적 빨리 낸각시켜 줌으로써 주방상태에서 구상흑연을 정 출시키는 개가를 올렸다. 그러나 이 방법은 실용화되지 못했다. 한편, 영국에는 H.Morrogh 가 1934년경에 구상흑연을 인식, 회토류 원소 특히 Cerium misch metal을 회주철로 될 용탕에 첨가하여 접종을 하여 주방상태에서 구상흑연을 얻는 방법을 연구하게 되었다. 그러나 가장 일반적으로 알려진 것으로는 1947년JISI에 발표된 것으로 선철의 역 Chill부 근처에 구상흑연이 정출되어 있는 현상을 확인한 것으로부터이다. 그 후 구상흑연은 과냉상 태에하에서 정출함을 알게되었고, 이것을 기초로 연구하게 되었다. 다음해 1948년에는 칼슘 실리콘을 첨가하여 Ce을 0.02%이상 유지시키고 나중에 SMZ(Si-Mn-Zr합금)으로 접종함으 로써 주방상태에서 구상흑연을 정출시켜 강인하고 신율도 있는 주철을 얻을 수 있었다. 같은 시기(1948년)에 미국에서는 A.P Gagnebin K.D.Milis가 회주철에 Mg 또는 Mg합금을 첨가하여 Mg를 0.04%이상 유지시키고 나중에 칼슘 실리콘으로 접종하여 주방상태에서 구 상흑연주철을 얻었다. Ce 및 Mg에 의한 구상흑연주철의 제조방법이 1948년 5월 미국에서 발표되어 이것에 의해 세계에서는 이 재료에 관한 실험이 행해졌다. (2)실험시작부터 제조방법의 확립 문헌에 의한 구상흑연주철의 제조방법으로서는 Mg첨가법에 의한 것이 최초였다. 그러나 사실은 Ce첨가법도 Mg첨가법과 동시에 발표(영국)되었다. 그러나 영국의 문헌이 1949년에 는 일본에는 들어와 있지 않으므로 수개월 늦어진 결과를 가져왔다. Mg 첨가법에서문제가 된 것은 첨가합금인데 문헌에 의하면 첨가합금은 Cu-Mg,(20%) Ni-Mg(20, 50%)이다. Cu-Mg의 첨가합금은 누구나 다 자신이 제작하였다. 물론 플럭스를 사용하여 합금을 제작 하는 것이었지만 플럭스의 혼입이 생기기 쉽고, 공기중으로 수분을 흡수하여 풍화되는 일이 많이 생겼으므로 매우 힘든 일이었다. 한편 Ni-Mg 제법은 비교적 쉬었다. 이합금은 이미 Ni 화폐등을 용제할 때 탈산제로서 사 용되어 시판되고 있었으며 또 실험에서는 순 Mg도 사용하는 실정이었다. 다음에 문제로 된 것은 원료로서의 선철이다. 당시 일반적인 회주철의 용탕으로는 선철, 스크랩, 리턴 스크랩 등이 사용되었으며 대체적 으로 큐폴라에서 용제하고 일부는 아크로에서도 용제되고 있엇다. 이들 용탕을 사용하여 직접 흑연구상화제를 첨가하여도 쉽게 흑연구상화는 되지 않았다. 단, 실험적으로는 Sweden목탄재만을 용해하고, Si등의 성분을 조정하여 용탕에 흑연구상화 제를 첨가했을때에 비교적 쉽게 흑연이 구상화되었다. 초기에는 흑연구상화를 지배하는 요소의 하나로서 선철이 고려되어 다양한 선철의 적, 부 적의 연구가 시험되었다. 당시 제조되고 있던 일반의 주물용 선철은 반드시 좋은 결과만을 내지 못했다. 그러는 사이 당시 가단주철용 선철이 구상흑연철에 적합하다고 하는 것에서 이것을 개량하여 흑연 구상화 저해원소가 적은 선철이 제조되게 되었다. 이것이 무엇보다도 구상흑연주철의 제조를 쉽게 해 주었다. 1960년에는 주물용선철 제3종으로서 규격화 되었다. 한편 1951년에 일본에도 Mg에 의한 구상흑연주철의 특허가 공고 되었다. 일본에서는 이 특허권의 관리가 International Nickel사이에서 행해지며 이 특허권을 얻기 위해서는 시험설 비 Stuff가 어떠한 기준 이상의 것이 필요하였으므로 한정된 회사에서만 제작이 허락되었다. 그래서 이 특허를 사용하지 않는 방법 즉 Mg를 사용하지 않는 구상흑연주철의 제조방법 을 얻기 위한 연구가 진행되었다. “Kusakawa”등에 의한 Ca첨가에 의한 구상흑연주철의 연구, 또 “Homma”등에 의한 주철의 환원정련용해법에 의한 센다이트 metal이 그것이다. 이것은 주로 애벌레모양의 흑연을 가지는 주철이았다. Mg계 구상흑연주철은 그후 1949년이 되서 Myskowski(미국)에 의해 Fe-Si-Mg합금이 제안되어 Mg10%, 20%의 것이 최초로 사 용되었다. 실제로 일본에 전래된 것은 1년쯤 후이며 실제 제품으로 된 것은 그로부터 더욱 수년 후이다 이 합금은 페로 실리콘과 Mg의 합금으로, 주철면에서 볼 때 통상의 조성범위 내의 원소이며 또 가격적으로도 문제가 없는 것이었다. 그후 Mg의 양은 점차 감소되어 5% 또는 이 이하의 것도 있으며 이들은 모두 현재에도 사용되고 있는 안정된 첨가합금이다. 한편 용해법에는 초기에 염기성 아크로 또는 고주파로가 사용되었으며, 염기성 큐폴라도 일부 사용되고 있었다. 1960년대 중반부터 주철에도 저주파로가 사용되기 시작했다. 후에 상 세히 기술하겠만 주철의 저주파로 용해는 심한 교반에 의해 용탕에 정련효과가 나타나며 이 것은 구상흑연주철의 제조시에 적합한 용탕으로 작용한다. 또 이외에도 전력면에서도 경제 적인 잇점을 가져와 이 용해 방법이 매우 증가되는 결과를 가져왔다. 그러나 최근에 와서 저주파로는 “Starting block재” 를 사용하거나 또는 용탕의 일부를 남기지 않으면 용해가 되지 않는다는 단점이 발견되어 500cycle의 고주파로가 많이 사용되고 있다. 흑연구상화금속의 첨가방법도 초기와 비교해 보면 많이 변화하였다. 맨처음에는 소규모이 기 때문인지 표면첨가법이 사용되었으나 차츰 계속해서 놓고 붓는법, plunger법이 사용되다 가 요즘에는 샌드위치법이 많이 사용되고 있는 추세이다. 한편 주철관을 제조하는 회사에서 만 순Mg를 사용한 압력첨가법이 사용되고 있다. 흑연구상화처를 한 후에는 후기접종을 하는 것이 일반적이다. 일반 주철에는 후기접종이 필요없지만 구상흑연주철의 경우에는 그 화학조성이 공정 또는 과공정 조성이므로 백선화 경향이 강하기 때문에 반드시 법종이 필요하다. 이 기구에 대해서는 최근에야 명백하게 밝 혀졌다. 또 주물의 경우 처음부터 안쪽 draw hole,때로는 바깥쪽 draw hole이 크고 기타 pin hole의 발생율이 높았으며 dross의 발생율도 높은 등의 결함을 볼 수 있다. 들은 일반 주철의 경우에는 생각하지도 못할 일들이었다. 그러나 지금에 와서는 이들 결점의 원인은 점차 밝혀지고 거의 해결되었다. 주형에 대해서는 보통 주철주물과 큰 차이는 없으나 draw hole의 발생을 방지하기 위해 형의 경도를 높게 해줄 필요가 있다. (3)재질과 용도 구상흑연주철은 강의 기지내에 구상의 흑연(Graph-ite)이 분산된 조직으로 이루어져 있다. 따라서 그것의 성질은 기지의 성질과 흑연의 상태에 따라 달라진다. 흑연을 형성하는 탄소 의 양 및 기지조직에 포함되는 탄소량의 비율과 상태는 열처리 이력에 의해 다르게 된다. 이 때문에 동일성분의 구상흑연주철에서도 주조시와 그후의 처리방법에 따라 성질을 크게 변화시킬 수 있는 것이다. 구상흑연주철의 기계적 성질은 기지조직에 의해 지배되지만 그 발전 상황은 후술하기로 하 고 여기에서는 흑연부분의 개량에 대하여 기술하기로 한다.

전에는 구상흑연주철내의 흑연부분은 단지 비어있는 것으로 생각하여 노치효과를 주는 것 으로서 주로 구상화율의 영향을 문제삼아 왔으며, 흑연의 구상화율은 대충 70%이상이면 좋 다고 알려져 왔다. 흑연의 탄성계수는 Golf grab의 shaft나 낚시대등에서 알려진 흑연섬유일 경우에는 4×10 5∼7×105 N/mm2으로 강의 2배 이상이나 높은 값을 가진다. 그러나 구상흑연일 경우는 < 그림 4>에서 볼 수 있는 것과 같이 얇은 층이 겹쳐진 것 같은 모양들이 표면을 따라서 있 고 이 때문에 힘의 방향은 겹쳐진 판모양의 결정에 직각이 되어 결국 외관상의 탄성계수는 비교적 작은 값으로 나타난다. 그림 4

<그림 4>는 중심부에 공동이 있는 비교적 거친 구조를 보여주고 있지만 주조후의 열이력 에 의해 중심부까지 치밀한 층이 겹쳐있는 것, 층의 일부가 떠 있는 것처럼 거칠게 되어 있 는 것 또는 오래 사용한 것 같이 얼룩이 있는 것 등 구상흑연의 단면구조는 여러가지 모양 을 갖는다. 결국 외광상의 탄성계수는 비교적 크므로 하중의 일부를 부담하기 때문에 기지 부분에 생기는 응력을 감소시킨다. 제조과정에서 치밀한 구상흑연을 갖도록 처리된 구상흑연주철은 그렇지않은 구상흑연주철 에 비해 피로한도에서는 약 20%, 탄성계수에서는 약 16%나 높은 값을 나타낸다. <그림 5> 는 흑연의 탄성효과가 있는 것과 없는 것의 피로한도를 비교한 것이다.

그림 5

그림 6

흑연의 탄성효과가 없는 경우에 대해 있는 경우의 피로한도의 상승율은 흑연의 탄성효과, ζ로 표시한다. ζ는 또한 <그림 6>처럼 탄성계수와도 밀접한 관계가 있으며 따라서 음속 등에 의해 탄성계수를 측정, 관리함으로써 ζ를 관리할 수 있다.

구상흑연주철의 피로강도에는 흑연의 크기도 영향을 준다. <그림 7>은 흑연의 입경(크기) 과 피로한도의 관계를 표시한 것으로서 흑연입경이 작을수록 피로한도가 증가됨을 보여준 다. 탄소량이 같을 경우 흑연의 크기(입경)가 작으면 흑연의 수는 많아지며 흑연입수가 많으 면 기지조직이 균일해지므로 피절삭성등 여러 성질이 개선된다. 이외에도 흑연의 정출시기 를 늦춰주어 흑연을 작게한 구상흑연주철은 탕흐름이 좋다. 한편, 구상흑연주철의 피로한도와 탄성계수는 흑연의 탄성효과와 흑연입경을 이용해서 다 음 식(1) 및 (2)에서 구할 수 있다. σw: 피로한도 , HBg: 브리넬 경도 fg: 그연 면적율, ζ: 흑연의 탄성효과 Dg: 평균흑연입경 (mm) E: 탄성계수 MPa, Em: 기지의 탄성계수 MPa α: 흑연을 포함하는 공 응력집중계수 재질에 있어서는 이미 거의 안정된 상태이지만 초기에는 불안정된 재질이었다.

그림 7

즉, 구상화 처리전의 용탕의 성상이나 구상화처리 방법의 문제등으로 흑연의 구상화가 불안전할 때가 많았었다. 그러나 그후 제조방법의 안정화가 진행됨에 따라 기계적 성질도 안정화되었다. < 표 1, 2> 그리고 <그림 8>은 1961년에 처음으로 제작된 구상흑연주철의 JIS규격으로 인장 강도는 비교적 쉽게 얻을 수 없었다. 그러나 그후 선철, 스크랩의 품질 및 용해로, 탈유등의 기술의 발전으로 신율이 증가하게 되었으며 품질의 제어도 쉽게 할 수 있게 되어 오늘의 JIS규격으로까지 발전하게 되었다.

표 1

특히 최근에는 기지조직을 개량한 오스템퍼 구상흑연주철품(JIS G5503), 오스테나이트 주 철품(JIS G5510)등도 규격화 되어있다. 구상흑연주철은 지금까지는 주철관에 가장 많이 사용되고 있으며 다음이 자동차 부품이다. 이외에도 공작기계등 많은 부분에 그 적용을 확대해 가고 있다.

그림 8

3.새로운 구상흑연주철과 그 실례 (1)페라이트형 구상흑연주철 실리콘의 함량이 낮아서 기지조직이 완전히 페라이트 (표 4의 오른쪽에 위치함)화된 페라 이트형 고연성 구상흑연주철은 신율이 매우 좋다. 이것을 이용하여 구부러진 부품을 설계할 수 있다. 또 고강성 설계도 비교적 쉬워서 두께 3∼4mm정도의 얇은 살주조기술의 응용(적용)으로 승용차의 서스펜션 부분등에 그 사용이 증가하고 있다. 그림 9 그림 10 <그림 11>의 Lower Arm은 그 일례로 <표 3>과 같이 알루미늄 제품이나 프레스 제품보 다도 가볍고 강하게 설계된다. <표 4>에 페라이트형 고연성 구상흑연주철의 기계적 성질을 표시했다. 앞에서 본 예들에서도 그렇듯이 새로운 구상흑연주철(페라이트형 구상흑연주철)은 기계적 성질과 형상설계가 자유롭다는 특색을 살려, 경량화를 포함한 기능향상을 위한 수단 으로서 “모델에 의한 주물부품 합리화 설계수법” 이 개발되어 이용되고 있다. 표 3 그림 11 표 4 (2)페라이트형 구상흑연주철 인장강도가 500N / mm2 이상을 필요로하는 구상흑연주철이 사용되고 있다. <그림 12>는 Si가 2%일때의 Fe-C 안정평형상태도이다. 주조시 펄라이트 조직의 구상흑연 주철을 각각 A-B 함량을 갖는 페라이트와 오스테나이트 혼합구역에 유지시킨 다음 곧 공 냉하면 페라이트 펄라이트가 치밀하게 혼합된 조직을 얻을 수 있다. 이때 기지의 탄소 중 일부는 흑연주변에 석출하기 때문에 흑연의 충전도가 높게 얻어지는 것이다. 그림 12 이것은 일반적Bulls eye 형의 펄라이트 구상흑연주철과는 다른 것으로 이 자체가 지닌 경도에 비해서 피로강도가 높고 저온에서의 인성이 좋으므로 주로 트럭의 주행부 부품 에 사용된다. <그림 13> 은 주강에서 구상흑연주철로 전환된 스프링 시트의 충격속도 26m / s, 충격에너지 20KN -m, 온도 20℃ 및 -35℃에서의 충격파괴된 모습이다. FCD500로 만 들어진 부품(그림에서 오른쪽)은 니같은 조건에서 유리와 같이 분쇄되었으나 페라이트.펄라 이트형 구상흑연주철인 HNM50H(왼쪽)으로 만들어진 부품은 균열이 정지해서 본래의 형 (태)를 그대로 갖고 있는 것을 알 수 있다. 그림 13 결국 이런 형태의 <그림 14>는 높은 피로간도와 우수한 주조성을 갖는 구상흑연주철을 이 용, 대폭적인 비용절감과 경량화에 성공한 예이다. 즉, 전에는 프론트 드라이브 엑셀하우징 의 중앙 하우징부분은 철판 프레스로, 양단의 소케트는 주강으로 해서 총13개의 부품을 용 접하여 만들었던 것을 지금은 전부 주조로 만들고 있다. <표 5>에 페라이트·펄라이트형 고인성 구상흑연주철의 기계적 성질과 조직을 표시했다. 그림 14 표 5 (3)펄라이트형 구상흑연주철 크랭크 샤프트에는 옛날부터 주철이 사용되고 있었으나 최근, 터보나 DOHC의 사용에 따라 고도(powerup)의 엔진을 요구하므로 지금까지 사용하던 것 이상의 강도와 내마모성을 필요 로 하게 되었다. <표 6>은 이러한 고강도 고내마모 요구에 대응하기 위해 개발된 구상흑연 주철이다. 표 6 흑연의 결정립수를 증가시키고, 기지조직을 완전한 펄라이트로 하며 또, 흑연의 충진도를 높 힘으로써 고도의 기계적 성질을 내고 동시에 흑연을 이용하는 공간에 축수 메탈을 손상하지 않게끔 되어 있다. 주조로 제작된 크랭크 샤프트의 특색은 크랭크 핀을 내부가 비도록(공간 이 되도록)할 수 있다는 것이다. 이렇게 중공화함으써 회전질량은 경감되지만, 축 구석의 응 력집중을 완화하며, 살두께증가에 의한 강도저하를 방지할 뿐 아니라 강도의 향상도 도모할 수 있다. 그림 15 <그림 15>는 중공인 크랭크 샤프트의 모습이다. 구상흑연주철의 경우 축 구석부위를 롤로 전압하면 피로강도가 1.5∼2배로 강하게 되는데 효과가 지속되므로 강도향상의 유효한 수단 이 되고 있다. 이 재료는 기어재로서도 우수한 성질을 지녀, Hob 절삭으로 6㎛정도의 양호한 치면을 얻을 수 있다. <그림 16>에서는 FCD 80으로 표시되어 있는데 이것은 피팅의 발생상황을 경도 HB 33에 조질강(SCM 435)과 비교한 것이다. FCD 80은 경도가 낮음(HB 285)에도 불구하 고 피팅발생이 매우 적다. (4)오스테나이트·베이나이트형 구상흑연주철 오스테나이트·베이나이트형 구상흑연주철은 열처리법에서 Austempered Ductile Iron(ADI)으로 불리워지나 1977년에 GM사가 최종단의 감속 기어에 사용하여 큰 반향을 얻 었다. 그림 16 이것은 고강도 부품의 구상흑연추철화 질화처리등을 시행가고 있던 단조품을 포함하 여 구상흑연주철화 대상품이 크게 획대되게 하는 계기가 되었다. 구상흑연주철은 900℃ 부근의 온도로 가열한 다음 250∼400℃의 염욕중에 급냉 그대로 1∼ 2시간 유지한 후 실온까지 급냉한다. 오스템퍼 처리를 하면 기지조직은 오스테나이트와 베 이나이트의 혼합직으로 된다. <그림 17>은 개략적인 오스템퍼 열처리곡선을 나타낸것이다. ADI는 주철이면서도 인장강 도가 900MPa 이상이며 10%이상인 아주 우수한 기계적 성질을 지닌다. 또 인성과 내마모성 도 뛰어나고, 열처리 변형도 적다. 그림 17 <표 7>은 ADI의 대표적인 기계적 성질의 값을 나타낸 것이다. ADi의 특색의 하나는 표면 을 쇼트 피닝 하거나 롤링해주면 경화되어 피로강도가 크게 향상된다는 것이다. 이것은 통 상적인 강의 가공경화와는 달리 잔류 어스테나이트의 편평화에 의한 것이므로 효과가 크고 지속적이다. 표 7 이것은 침탄경화나 고주파경화를 해서 사용하는 단조재를 ADI재료로 대치하는 것을 가능 하게 해준다. <그림 18>에서 왼쪽 것은 구상흑연주철로 시험제작된 트럭의 앞차축의 너클 스핀들이며 오른쪽이 종래의 단조품이다. 각각 이 부품들의 효과에 대해서는 <표 8>에 나 타내었다. 많은 하중을 받는 크랭크 샤프트에의 응용도 시도되고 있으나, 지금 ADI화가 가장 활발히 연구되고 있는것은 침탄경화용 기어류이다. ADI기어의 피팅강도가 그 이상이므로 ADI기어 가 경량화 및 소음감소, 비용절감, 전달효율향상, 펌핑효과, 스코핑(Scarfing)의 감소는 물론 열처리 변형 발생도 줄어드는 등의 잇점을 얻을 수 있다, 그림 18 표 8 그림 20 그림 19 모든 가공이 끝난 후 오스템퍼 처리를 하고 쇼트 피닝을 하는 것이 일반적인 방법이지만 최근에는 재료 및 가공방법의 개선으로 오스템퍼 처리 후에도 하이스 호브 (Hob)로 절삭하 는 것이 가능하게 되었다. 이때에 Hob 절삭정도는 JIS 2∼3급을 얻을 수 있다. <그림 19>와 <그림 20>은 각각 ADI기어의 피팅 수명과 피로수명곡선을 나타낸 것이다. 가까운 장래에, 소음이 적으면서 효율은 높고 중량도 가벼우며 값이 싼 기어가 구상흑연주 철로 생산될 것이라고 여겨진다. ADI는 미경험의 재료이므로 아직 보급정도가 낮다. 그러나 당초의 비용절감 목적에서 연구와 사용경험등이 축적, 진행됨에 따라 경량화 및 내마모, 내 충격, 저소음 등의 많은 기능상의 잇점이 발견되었고 또, 지금까지 난점이라고 생각되어 왔 던 절삭상의 문제등이 그다지 문제가 되지 않는다는 사실도 명백하게 되었으므로 앞으로 급 속히 보급될 것이라고 예상된다.