KR0151154B1 - 침전경화 페라이트-피얼라이트 강 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

침전경화 페라이트-퍼얼라이트 강

본 발명은 특히 내연기관의 가스변환 밸브용 재료로서의 침전경화 페라이트-퍼얼라이트 강에 관한 것이다.

가스밸브는 기관내의 가스변환을 제어하고 실린더 실을 밀폐시키는 내연기관 내의 입구 및 출구 밸브이다.

고출력을 목표로 하는 기관 개발로 인해 밸브에는 항상 많은 열응력이 가해지고, 고온 연소 가스가 흐르는 출구 밸브는 작동 온도가 약 850℃까지 이르게 되었다. 이에 반해, 입구 밸브는 탄소 연료에 의해 냉각되기 때문에 좀처럼 550℃ 이상으로 온도가 올라가지 않는다.

밸브 재료에는 고내열성 뿐만 아니라 제1도에 개략적으로 도시한 바와 같은 사용 특성이 요구된다(1).

이러한 성질을 얻기 위해, DIN 17480으로 규격화된 특수 밸브 재료가 개발된 바 있다(2). 이러한 재료는 다음의 세 그룹으로 나눌 수 있다.

- 재료일련번호 1.4718, 1.4731, 1.4748 등의 마르텐사이트-카바이드강

- 재료일련번호 1.4873, 1.4875, 1.4882, 1.4785 등의, 일부는 침전 경화 가능한 오스테나이트-카바이드강

- 재료일련번호 2.4955, 2.4952 등의 오스테나이트-침전 경화 합금.

다른 하중에 놓이는 밸브를 설계하는 경우, 상기 밸브 재료의 각기 다른 성질을 고려하여야 한다. 예로서, 경하중을 받는 입구 밸브는 강 1.4718 ( X 45 CrSi 93)로 만들어지는 단일 금속 밸브(모노 밸브)의 형태로 제작되는 것이 보통이다. 예를 들어 경화되고 템퍼링된 연마 로드는 부분적으로 가열되고 페어(pear) 형상으로 가열 성형된다. 밸브 디스크는 드롭 단조(drop forging)에 의해 형성되고, 이어서 경화 및 템퍼링 또는 단순한 템퍼링이 행해지고 최종적으로 기계 가공된다. 큰 응력을 받는 출구 밸브의 경우, 밸브 재료를 다른 것들과 적절히 결합시킬 필요가 있다.

제1도에 도시한 바와 같이, 예를 들어 침전 경화 오스테나이트계 강의 고온 가스에 대한 내식성 및 고내열성과, 경화성 마르텐사이트계 강의 고내마모성 및 우수한 활주 특성은, 강 1.4871 (X 53 CrMnNiN 219) 밸브 디스크와 강 1.4718 (X 45 CrSi 93)을 마찰 용접한 바이메탈(bimetallic) 밸브에 의해서 결합될 수 있다.

현재의 기술 상태에서는, 입구 밸브 및 약한 응력을 받는 출구 밸브와 입구 및 출구 바이메탈 밸브의 스템(stem)용으로 사용하기 위한 전체 밸브 재료의 반 이상이 강 1.4718 (X 45 CrSi 93) 또는 그 변형물로서 이루어진다. 이러한 강들은 제2도 및 제3도에 도시한 주 생산 공정에 따라 처리된다.

본 발명의 목적은, 생산공정에 따라 여러 가지 열처리 단계를 거치는 종래 사용되었던 마르텐사이트 카바이드강을 열처리를 하지 않더라도 원하는 밸브 특성을 얻고 기계 가공에 의해 슬래핑하기에 많은 경비가 소요되지 않는 강으로 대체하는데 있다.

제1도는 마찰 용접된 바이메탈 출구밸브이다.

제2도는 종래 기술에 따른 마르텐사이트-카바이드 (예 : X 45 CrSi 93) 또는 다른 마르텐사이트계 밸브 강의 주요 제조공정도이다.

제3도는 종래 기술에 따른 마르텐사이트-카바이드 (예 : X 45 CrSi 93) 또는 다른 마르텐사이트계 밸브 강의 주요 제조공정도이다.

제4도는 상승된 온도에서의 강도 특성을 도시한 도면이다.

제5도는 비교 재료 1.4718 (X 45 CrSi 93)과 AFP 강의 크립 파괴 강도를 도시한 도면이다.

제6도는 본 발명에 따른 내연기관의 가스 밸브용 AFP 강의 주요 제조공정도이다.

제7도는 본 발명에 따른 내연기관의 가스 셔터 밸브용 AFP 강의 주요 제조공정도이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 청구범위에서 제시한 조성물의 침전 경화 페라이트-퍼얼라이트강을 제공한다.

첨가 원소에 대한 조성 한정 이유는 다음과 같다.

1. 탄소(C)

탄소는 강의 강도를 결정하는 필수 원소이다. 페라이트+퍼얼라이트 혼합 조직에서 퍼얼라이트의 분율 및 그에 따른 강의 강도는 탄소 함량에 의해 결정된다. 0.20% C의 하한은 강도 범위의 하한이 확실히 보장될 수 있게 한다. 반면에, 탄소는, 조직내의 퍼얼라이트의 분율을 제한하기 위해서 최대 0.5%까지로 제한되어야 한다. 이것이 파단시 연신율 값, 파단시 면적 감소 및 노치 바 충격 가공이 전술한 강도 범위에 걸쳐서 확실히 얻어질 수 있게 한다.

2. 실리콘(Si)

망간과 마찬가지로, 실리콘은 페라이트+퍼얼라이트의 혼합 조직에서 페라이트의 강도를 증가시키는데 기여한다. 0.2%의 하한 Si 함량은, 원소 망간 및 바나듐과 조합하여 페라이트+퍼얼라이트의 혼합 조직내에 페라이트의 균질 분포를 달성하는데 필요하다. 반면에, 0.95%를 초과하는 실리콘 함량은, 페라이트의 분율이 과도하게 증가하고 페라이트 입자가 조악해져 각 경우에서 강도의 저하를 가져오므로, 피해야 한다. 바람직한 함량은 따라서 0.4 내지 0.8%의 Si이 될 것이다.

3. 망간(Mn)

적절한 강도를 확보하기 위해서, 최소 망간 함량은 0.5%가 요구된다. 하한 미만에서는, 페라이트의 강도의 저하 때문에 강도의 하한이 확실히 보장될 수 없다. 망간 함량을 높이면 강의 변태 관성을 증가시킨다. 망간 함량의 상한은, 오스테나이트 범위로부터 제어 압연 중에 경질점이 생성되는 것을 막기 위해서 1.8%이어야 한다. 경질점의 생성은, 그것들이 한편으로는 인성을 감소시키고 다른 한편으로는 구조용강 생산용으로의 자유 가공성의 심각한 열화를 가져오기 때문에 피하여야 한다. 망간의 가장 바람직한 범위는 따라서 1.0 내지 1.6%이다.

4. 황(S)

황은, 황화물의 형성시 강 인성의 저하, 특히 횡 방향으로 인성의 저하를 가져오므로, 그 함량이 강중에서 가능한 한 억제되어야 하는 원소이다. 반면에, 고황 함량은 쾌삭 가공에 유리하다. 이것은, 예를 들면 자동차 구조용 강에서와 같이 대량 생산되는 구조용 강에 제조시 중요한 인자가 된다. 0.2% 이하의 황이 자유 가공성 측면에서 요구된다. 불순물에 대한 황화물의 분율이 악화되고 인성이 심각하게 악화되므로 더 이상의 함량은 피해야 한다.

5. 크롬(Cr)

강도 및 변태 거동의 측면에서, 0.7% 이하의 크롬이 강중에 첨가되어야 한다. 반대로, 경질점의 생성 및 그에 따른 손실을 막기 위해서 그 이상의 크롬 함량은 피해야 한다.

6. 알루미늄(Al)

용융 야금에서 행해지는 알루미늄 탈산화 때문에, 강은 대개 0.1% 이하의 알루미늄 함량을 가지고 주로 0.01 내지 0.05%의 범위내에 있다. 산화물 불순물을 적당한 정도로 유지하기 위해서는 더 높은 알루미늄 함량은 피해야 한다. 또한, 그것들은 탈산화가 최적으로 행해지지 않았음을 의미한다. 또한, 통상의 질소 함량에 부합하지 않게 높은 알루미늄 함량은 조악한 입자의 형성을 가져온다. 조악한 입자의 형성 및 부적절한 산화물 함량은 특히 인성에 악영향을 가져온다.

7. 질소(N)

용융 조업시, 강은 0.004 내지 0.04의 질소 함량을 가지고, 바람직하게는 그 함량은 0.008 내지 0.030%의 범위내에 있다. 질화물 석출은 조악한 입자의 형성을 막기 때문에 최소 0.004%N의 함량이 극히 바람직하다. 0.004%를 초과하는 과잉 질소 함량은 과도한 질화물 형성을 가져오고, 특히 입계 영역에서 과도한 질화물 형성을 가져와서, 그 결과 인성에 악영향을 준다. 최대 질소 함량은 또한 연속 주조중 열간 단락을 막을 수 있도록 0.04%까지이어야 한다.

8. 티타늄(Ti)

최대 온도 이하에서의 내미립성 때문에, 질화물 또는 탄화물에 대한 티타늄 함량은 0.05% 이하이어야 한다. 0.05%를 넘는 함량은, 내미립성에서 기계적 성질의 어떠한 향상도 가져올 수 없다. 고 티타늄 함량으로는, 입성장을 방해하는데 효과적이지 못한 상대적으로 조악한 티타늄 함유 석출물이 형성된다.

9. 바나듐 및 니오븀

바나듐 및 니오븀은 석출 경화를 일으키므로 AFP 강의 강도를 강화한다. 0.2% V 및/또는 Nb를 초과하는 함량은, 그 석출물이 조악해지기 때문에 강도에 있어서의 어떠한 증가도 가져오지 못한다. 실제로, 0.05% 미만의 함량으로는, 그러한 첨가물이 없는 강과 비교할 때 석출 경화에 의해 강도가 향상되는 것은 거의 없다고 볼 수 있다.

와이어로 압연한 후와 대기 중 열간 성형 온도로부터의 냉각과 동시에 업셋팅 또는 단조 후(BY 조건)에 AFP 강은 강 1.4718의 기계적 기술적 가치와 비견될 만한 가치를 가진다는 것이 밝혀졌다. 표1에 화학 조성을 보여주고, 표2 및 제4도에 상온 및 고온에서의 강도특성을 보여준다. 표3과 제5도는 비교 재료 1.4718 (X 45 CrSi 93)과 AFP 강의 크립 파단 강도를 나타내며 BY 조건에서 AFP 강이 종래 기술에 의한 강 1.4718에 대한 가능한 대안이 될 수 있음을 보여준다.

업셋팅 및 다이-단조 후, 본 발명에 따른 AFP 강으로 밸브 제조회사가 제조한 입구 밸브를 대기 중에서 냉각시키고 추가 열처리 없이 엔진에서 시험하였다. 얻어진 결과 역시 긍정적이었으며 이전에 사용되던 강 1.4718과 비교했을 때도 적당하였다.

본 발명에 따른 강은 제6도 및 제7도에 나타낸 순서로 경제적으로 용이하게 제조할 수 있다는 점에서 가스밸브용으로 사용되던 기존의 재료보다 유리하다.

제2도 및 제3도에 나타낸 종래 기술의 주요 생산 공정도와 본 발명의 제6도 및 제7도에 나타난 공정도를 비교하면 AFP 강은 기존의 밸브 강과는 달리 중간-열처리를 요하지 않음을 알 수 있다.

또 다른 장점은 AFP 강이 공지의 밸브 강 1.4718에 비해 크랙 및 탈탄에 대한 민감성이 낮고 또한 열처리를 생략해서 탈탄이 없어지기 때문에, 강 1.4718의 경우 현재 요구되는 추가 압연을 위한 반-완제품의 100% 유연 연마가 AFP 강의 경우 부분 연마로 대체된다는 사실이다. 더우기, AFP 강으로 가스 밸브를 제조할 때 드로잉된 로드를 연마(ground) 로드로 대체하는 경우, 로드 강의 센터레스(centerless) 연마의 절삭량을 감소시킬 수 있거나 완전히 없앨 수 있다.

크랙 및 탈탄에 대한 낮은 민감성에 부가하여, AFP 강은 마르텐사이트 카바이드 밸브 강에 비해 다음과 같은 장점을 추가로 갖는다:

※ 저렴한 합금 경비

※ 개선된 연속 주조성

※ 조립 재결정화에 대한 보다 낮은 민감성

※개선된 기계 가공성

대개, 이러한 장점들은 내연기관의 가스 밸브용으로 AFP 강을 사용함으로써 제강업자와 밸브 제조업자 모두에 있어 경비 절감 효과를 얻을 수 있게 한다.

Claims (2)

1. 탄소 : 0.20-0.60%, 실리콘 : 0.20-0.95%, 망간 : 0.50-1.80%, 질소 : 0.004-0.04%, 바나듐 및/또는 니오븀 : 0.05-0.20%로 구성되고, 그리고 선택적으로, 황 : 0.2% 이하, 크롬 : 0.70% 이하, 알루미늄 : 0.10% 이하, 티타늄 : 0.05% 이하를 개별적으로 또는 조합하여 첨가하고, 철 및 제련에 관련된 불순물로 이루어지는 그 나머지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 가스 변환 밸브용 재료로 사용되는 침전 경화 페라이트-퍼얼라이트 강.
2. 제1항에 있어서, 탄소 : 0.35-0.50%, 실리콘 : 0.40-0.80%, 망간 : 1.00-1.60%, 크롬 : 0.05-0.50%, 알루미늄 : 0.01-0.05%, 질소 : 0.008-0.03%, 바나늄 : 0.05-0.12%, 황 : 0.05% 이하, 니오븀 : 0.05% 이하, 티타늄 : 0.025% 이하 및 철 및 제련에 관련된 불순물로 이루어지는 그 나머지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 가스 변환 밸브용 재료로 사용되는 침전 경화 페라이트-퍼얼라이트 강.

Images