KR0169172B1 - 철-크롬계 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온특성이 우수한 Fe-Cr계 합금, 또 이 합금을 사용하여 제조한 디젤기관용 구금부재에 관한 것이다. 본 발명의 Fe-Cr계의 합금은 중량%로, C : 0.1 ~ 0.2%, Si : 0.1 ~ 2%, Mn : 0.1 ~ 2%, Cr : 16 ~ 20%, Mo : 1.1 ~ 2.4%, Nb : 0.3 ~ 2.1%, Ta : 0.1 ~ 2.2%, n : 0.02 ~ 0.15%를 함유하며, 나머지가 Fe와 불가피한 불순물로 조성된다. Fe의 일부가 0.2 ~2.5중량%의 Co로 치환될 수 있으며, 그 경우에는, Fe의 일부가 0.2 ~ 2.5중량%의 Ni 및 0.2 ~ 2.5중량%의 W 중의 1종 또는 2종으로 치환될 수 있다.

Description

철-크롬계 합금

제1도는 일반적인 디젤기관의 구성을 개략적으로 표시한 종단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 구금부재 2 : 분사노즐

3 : 예열플러그 4 : 실린더블럭

5 : 피스톤

본 발명은 고온특성이 우수한, 특히, 내고온변형성, 내열충격성 및 고온강도가 있는 철-크롬계 합금, 그리고, 디젤기관의 부연소실 분구부(噴口部)를 구성하는 구금부재(口金部材)에 관한 것이다.

제1도는 일반적인 디젤기관의 구성을 개략적으로 표시하는 종단면도이다. 이러한 종류의 디젤기관에서는 이미 알려져 있는 바와 같이, 분사노즐(2)로부터 부연소실의 내부로 연료를 분무하며, 이 연료를 예열플러그(3)로 점화시킨다. 점화된 연료는 부연소실을 형성하는 구금부재(1)를 거쳐서, 실린더블럭(4)과 피스톤(5)에 의해 형성되는 연소실의 내부로 공급된다.

구금부재(1)는 예컨대 Fe-Cr계 합금의 단조가공재 등으로 형성된 것으로, 그러한 구금부재의 한 예가 일본국 특개소 56-96057호 공보 및 일본국 특개평 3-115544호 공보에 기재되어 있다.

최근에는 디젤기관의 성능과 출력이 눈부시게 발전하며, 이에 따라서 디젤기관의 부연소실의 분구부를 형성하는 구금부재의 사용환경도 더욱 가혹하게 되어, 더욱 고온의 분위기로 되는 경향이 있다. 그런데, 상기한 종래의 Fe-Cr계 합금으로 형성된 구금부재는 충분한 고온특성, 특히, 내고온변형성, 내열충격성 및 고온강도가 없기 때문에, 종래보다도 과혹한 고온의 분위기에서는 변형이나 균열이 발생하기 쉬우며, 따라서, 비교적 짧은 시간에 사용수명에 도달할 염려가 있다.

본 발명자들은 상기한 바와 같은 사정을 감안하여, 고온특성이 더욱 우수한 Fe-Cr계 합금 및 디젤기관용 구금부재를 개발하고자 연구를 계속하였으며, 그 결과, 중량%(이하 %는 중량%를 표시하는 것이다)로,

C : 0.1 ~ 0.2%, Si : 0.1 ~ 2%,

Mn : 0.1 ~2%, Cr : 16 ~ 20%,

Mo : 1.1 ~ 2.4%, Nb : 0.3 ~ 2.1%,

Ta : 0.1 ~ 2.2%, N : 0.02 ~ 0.15%를

함유하며, 나머지가 Fe와 불가피한 불순물로 조성되는 Fe-Cr계 내열합금의 주물로 디젤기관용 구금부재를 구성하면, 이 디젤기관용 구금부재는 종래의 구금부재 보다도 더욱 우수한 고온특성, 즉, 내고온변형성, 내열충격성 및 고온강도를 나타내므로, 더욱 높은 고온의 분위기에서의 사용에 충분히 대응할 수 있다는 것을 알게 되었다. 본 발명은 상기한 바와 같은 연구 결과를 기초로 하여 된 것이다.

다음에, 구금부재의 주물재료에 적합한 Fe-Cr계 합금의 조성을 상기한 바와 같이 한정하는 이유를 설명한다.

(a) C

C성분은 주조성을 향상시키며 탄화물을 형성하여 고온강도와 내고온형성을 향상시키는 작용이 있는데, 그 함유량이 0.1% 미만이면 상기한 각 작용이 충분하지 않게 되며, 한편, 그 함유량이 0.2%를 초과하면 내열충격성이 급격하게 저하하게 되므로, 그 함유량을 0.1 ~ 0.2%로 한정하였다.

(b) Si

Si성분은 용탕의 탈산 및 주조성을 부여하기 때문에 불가결한 성분이며, 이러한 작용을 충분히 발휘하도록 하기 위해서는 0.1% 이상을 함유할 필요가 있다. 한편, 그 함유량이 2%를 초과하면 내산화성이 저하하기 때문에, 그 함유량을 0.1 ~ 2%로 한정하였다. 합금의 조성 중에 Co를 함유하지 않는 경우에는, Si의 함유량이 0.4 ~ 1.2%인 것이 바람직하며, 또, Co의 함유 여부에 관계없이 Si의 함유량이 0.5 ~ 0.9%인 것이 더욱 바람직하다.

(c) Mn

Mn성분도 Si와 마찬가지로 탈산작용이 있는 외에, 소지(素地)에 고용(固溶)하여 상온 인성을 향상시키는 작용이 있는데, 그 함유량이 0.1% 미만이면 상기한 작용을 충분히 발휘시킬 수 없으며, 한편, 그 함유량이 2%를 초과하면 내산화성이 저하하게 되므로, 그 함유량을 0.1 ~ 2%로 한정하였다. 합금의 조성 중에 Co를 함유하지 않는 경우에는 Mn의 함유량이 0.2 ~ 1.0%인 것이 바람직하며, 또, Co의 함유 여부에 관계없이 Mn의 함유량이 0.3 ~ 0.7%인 것이 더욱 바람직하다.

(d) Cr

Cr성분은 내고온산화성을 현저하게 향상시키는 작용이 있는데, 그 함유량이 16% 미만이면 필요로 하는 내고온산화성의 향상효과를 얻을 수 없으며, 한편, 그 함유량이 20%를 초과하면 급격하게 취화(脆化)하게 되므로, 그 함유량을 16 ~ 20%로 한정하였다.

(e) Mo

Mo성분은 소지에 고용하여 고온강도, 내고온변형성 및 내열충겨성을 향상시키는 작용이 있는데, 그 함유량이 1.1% 미만이면 상기한 작용에 있어서의 필요로 하는 효과를 얻을 수 없으며, 한편, 그 함유량이 2.4%를 초과하면 내열충격성이 저하하게 되므로, 그 함유량을 1.1 ~ 2.4%, 바람직하게는 1.6 ~ 2.2%로 한정하였다.

(f) Nb 및 Ta

이들 성분은 공존한 상태에서, 두 성분이 모두 탄화물을 형성하여, 고온강도, 내고온변형성 및 내열충격성을 향상시키는 작용이 있다. 즉, Ta는 단독으로 첨가된 경우에도 합금 중에서 주로 탄화물을 형성하여, 고온강도, 내고온변형성 및 내열충격성을 향상시키는 효과가 있는데, Nb와 공존한 경우에는 이들 효과가 더욱 증가한다. 그리고, Ta는 그 일부가 소지에 고용하므로서 주로 Cr에 의해 형성되는 산화막을 치밀하게 하여 산화막의 밀착성을 증가시키므로, 합금의 고온에서의 내산화성을 향상시키는 효과도 있다. 따라서, Nb 및 Ta 중의 어느 한 성분도, Nb가 0.3% 미만 또는 Ta가 0.1% 미만인 경우에는 상기한 작용이 불충분하게 되어 필요로 하는 효과를 얻을 수 없게 된다. 한편, 이들 성분 중의 어느 한 성분도 Nb가 2.1% 또는 Ta가 2.2%를 초과하면 내고온변형성이 저하하게 되므로, 그 함유량을 Nb는 0.3 ~ 2.1%, 바람직하게는 1.2 ~ 1.9%, Ta는 0.1 ~ 2.2%, 바람직하게는 0.2 ~ 1.0%로 한정하였다.

(g) N

N성분은 질화물을 형성하여, 고온강도 및 내고온변형성을 향상시키는 작용이 있는데, 그 함유량이 0.02% 미만이면 상기한 작용에 있어서 필요로 하는 효과를 얻을 수 없으며, 한편, 그 함유량이 0.15%를 초과하면 내열충격성이 급격하게 저하하게 되므로, 그 함유량을 0.02 ~ 0.15%, 바람직하게는 0.05 ~ 0.15%, 더욱 바람직하게는 0.06 ~ 0.12%로 한정하였다.

또, 이상과 같은 함유량으로 조성되는 Fe-Cr계 합금에 있어서, 필요한 경우에는, Fe의 일부를 0.2 ~ 2.5%의 Co로 치환할 수도 있다. Co성분은 소지에 고용하여 고온강도 및 내고온변형성을 향상시키는 작용이 있는데, 그 함유량이 0.2% 미만이면 상기한 작용이 불충분하게 된다. 한편, 그 함유량이 2.5%를 초과하면 상기한 작용이 저하하게 되므로, Co를 첨가하는 경우에는 그 함유량을 0.2 ~ 2.5%, 바람직하게는 0.4 ~ 1.8%로 할 수 있다.

또, Co를 첨가하는 경우나 첨가하지 않는 경우 모두에 있어서, Fe의 일부를 0.2 ~ 2.5중량%의 Ni 및 0.2 ~ 2.5중량%의 W중의 어느 한 성분 또는 두 성분과 치환할 수도 있다. Ni 및 W성분은 두 성분 모두 소지에 고용하여 고온강도 및 내고온변형성을 더욱 향상시키는 작용을 한다. 단, 이들 성분의 함유량이 Ni가 0.2% 미만, 또, W가 0.2% 미만인 경우에는 상기한 작용이 불충분하게 되며, 한편, 이들 함유량이 Ni가 2.5%를 초과, 또, W가 2.5%를 초과하면 내열충격성이 저하하게 되므로, Ni 및 W의 함유량을 Ni는 0.2 ~ 2.5%, 바람직하게는 0.4 ~ 1.8%, W는 0.2 ~ 2.5%, 바람직하게는 0.3 ~ 1.7%로 한정하였다.

또, 본 발명의 Fe-Cr계 합금의 용도는, 디젤기관용 구금부재로만 한정되는 것은 아니며, 구금부재와 같이 우수한 고온특성이 요구되는 내열부재에는 어느 경우에도 적합하게 사용할 수 있다.

[실시예]

다음에, 본 발명의 Fe-Cr계 합금 및 구금부재의 효과를 실험예를 열거하면서 구체적으로 설명한다.

[실험1]

일반적인 고주파유도 용해로를 사용하여, 표1 및 표2에 표시된 함유량으로 조성된 Fe-Cr계 합금의 용탕을 각각 대기 중에서 만들며, 각 용탕을 로스트왁스법에 의해 조형한 주형에 주입하므로서, 본 발명의 구금부재 1 ~ 15, 비교예의 구금부재 1 ~ 10 및 고온강도를 평가하기 위한 고온 인장시험용 시험편을 각각 주조하였다. 구금부재는 어떤 것도 모두 제1도에 표시한 형상의 것으로, 그 치수는, 상단부 외경×상단부 내경×높이는 30㎜×25㎜×20㎜로 하였다. 고온 인장시험용 시험편은 직경×길이가 12㎜×80㎜인 환봉이다.

또, 비교예의 구금부재 1 ~ 10dms 고온강도, 내고온변형성 및 내열충격성에 영향을 미치는 성분 중의 어느 한 성분의 함유량이 본 발명의 범위로부터 벗어난 함유량으로 조성된 Fe-Cr계 합금으로 구성하였다.

다음에, 상기한 각 구금부재를 배기량이 2000㏄인 디젤기관에 조립하고, 기관의 회전수를 5500rpm으로 하여 5분간 운전한 후 2분간 정지하는 작동을 1싸이클로 하며, 이러한 작동을 2000싸이클 실시하는 가혹한 조건으로 실제의 시험을 실시하였다. 시험 후에 구금부재를 탈거하고, 내고온변형성을 평가하기 위하여 구금부재의 저면 분구부에 있어서의 최대 변형량(최대 돌출량)을 표면거칠기 측정기를 사용하여 측정하였으며, 내열충격성을 평가하기 위하여 구금부재의 저면 분구부에서 발생한 균열의 최대 길이(최대 균열길이)를 측정하여, 그 결과를 표3에 표시한다. 또, 표3에는 800℃의 고온 인장시험으로부터 측정한 고온 인장강도를 함께 표시한다.

표1 ~ 표3에 표시된 결과로부터 본 발명의 구금부재 1 ~ 15는 어떤 경우도 고온강도, 내고온변형성 및 내열충격성이 모두 우수한 특성을 가지고 있는 것이 판명된다. 한편, 비교예의 구금부재 1 ~ 10에서와 같이, Fe-Cr계 합금을 구성하는 성분 중의 어느 한 성분의 함유량이 본 발명의 범위로부터 벗어난 경우에는 고온강도, 내고온변형성 및 내열충격성 중의 적어도 어떤 특성이 열화한다는 것이 판명된다.

[실험2]

실험 1과 동일한 방법에 의해 표4 ~ 표6에 표시된 함유량으로 조성된 Fe-Cr계 합금의 용탕을 만들고, 각 용탕을 로스트왁스법에 의해 조형한 주형에 주입하므로서, 본 발명의 구금부재 16 ~ 39, 비교예의 구금부재 11 ~ 22 및 고온강도를 평가하기 위한 고온 인장시험용 시험편을 각각 주조하였다. 구금부재 및 고온 인장시험용 시험편의 치수는 실험 1의 경우와 동일하다.

또, 비교예의 구금부재 11 ~ 22는 고온강도, 내고온변형성 및 내열충격성에 영향을 미치는 성분 중의 어느 한 성분의 함유량이 본 발명의 범위로부터 벗어난 함유량으로 조성된 Fe-Cr계 합금으로 구성하였다.

다음에, 상기한 각 구금부재를 배기량이 2000㏄인 디젤기관에 조립하고, 기관의 회전수를 6000rpm으로 하여 5분간 운전한 후 5분간 정지하는 작동을 1싸이클로 하며, 이러한 작동을 2500싸이클 실시하는 가혹한 조건으로 실제의 시험을 실시하였다. 시험 후에 구금부재를 탈거하고, 내고온변형성을 평가하기 위하여 구금부재의 저면 분구부에 있어서의 최대 변형량(최대 돌출량)을 표면거칠기 측정기를 사용하여 측정하였으며, 내열충격성을 평가하기 위하여 구금부재의 저면 분구부에서 발생한 균열의 최대 길이을 측정하여, 그 결과를 표7과 표8에 표시한다. 또, 표7과 표8에는 850℃의 고온 인장시험으로부터 측정한 고온 인장강도를 함께 표시한다.

표 4 ~ 표8에 표시된 결과로부터, 본 발명의 구금부재 16 ~ 39는 어떤 경우도 고온강도, 내고온변형성 및 내열충격성이 모두 우수한 특성을 가지고 있는 것이 판명된다. 한편, 비교예의 구금부재 11 ~ 22에서와 같이, Fe-Cr계 합금을 구성하는 성분 중의 어느 한 성분의 함유량이 본 발명의 범위로부터 벗어난 경우에는 고온강도, 내고온변형성 및 내열충격성 중의 적어도 어떤 특성이 열화한다는 것이 판명된다.

[실험3]

실험 1에서 사용한 본 발명의 구금부재 1 ~ 15 및 비교예의 구금부재 1 ~ 10을 배기량이 2500㏄인 디젤기관에 조립하고, 기관의 회전수를 3800rpm으로 하여 2분간 운전한 후 3분간 정지하는 작동을 1싸이클로 하며, 이러한 작동을 4000싸이클 실시하는 조건으로 실제의 시험을 실시하였다. 시험 후에 구금부재를 탈거하고, 내고온변형성을 평가하기 위하여 구금부재의 저면 분구부에 있어서의 최대 변형량(최대 돌출량)을 표면거칠기 측정기를 사용하여 측정하였으며, 내열 충격성을 평가하기 위하여 구금부재의 저면 분구부에서 발생한 균열의 최대 길이를 측정하여, 그 결과를 표9에 표시한다.

표9에 표시된 결과로부터 알 수 있듯이, 실험 3의 조건에 있어서도, 본 발명의 구금부재 1 ~ 15는 고온강도, 내고온변형성 및 내열충격성의 어떤 성질에서도 모두 우수한 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 한편, 비교예의 구금부재 1 ~ 10에서와 같이, Fe-Cr계 합금을 구성하는 성분 중의 어떤 성분의 함유량이 본 발명의 범위로부터 벗어난 경우에는 고온강도, 내고온변형성 및 내열충격성 중의 적어도 어느 한 특성이 열화한 것으로 되었다.

[실험4]

실험 2에서 사용한 본 발명의 구금부재 16 ~ 39 및 비교예의 구금부재 11 ~ 22를 배기량이 2500㏄인 디젤기관에 조립하고, 기관의 회전수를 4200rpm으로 하여 2분간 운전한 후 3분간 정지하는 작동을 1싸이클로 하며, 이러한 작동을 4500싸이클 실시하는 조건으로 실제의 시험을 실시하였다. 시험 후에 구금부재를 탈거하고, 내고온변형성을 평가하기 위하여 구금부재의 저면 분구부에 있어서의 최대 변형량(최대 돌출량)을 표면거칠기 측정기를 사용하여 측정하였으며, 내열충격성을 평가하기 위하여 구금부재의 저면 분구부에서 발생한 균열의 최대 길이를 측정하여, 그 결과를 표10과 표11에 표시한다.

표10 및 표11에 표시된 결과로부터 알 수 있듯이, 실험 4의 조건에 있어서도, 본 발명의 구금부재 16 ~39는 고온강도, 내고온변형성 및 내열충격성의 어떤 성질에서도 모두 우수한 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 한편, 비교예의 구금부재 11 ~ 22에서와 같이, Fe-Cr계 합금을 구성하는 성분 중의 어떤 성분의 함유량이 본 발명의 범위로부터 벗어난 경우에는 고온강도, 내고온변형성 및 내열충격성 중의 어느 한 특성이 열화한 것으로 되었다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 Fe-Cr계 합금 및 디젤기관용 구금부재는 고온특성이 더욱 우수하여, 예컨대 가혹한 고온의 분위기에서의 사용이 불가피한 고성능 및 고출력의 디젤기관에 사용한 경우에도 장기간 동안 현저하게 우수한 성능을 발휘한다.

Claims (4)

1. 중량%로, C ; 0.1 ~ 0.2%, Si ; 0.1 ~ 2%, Mn ; 0.1 ~ 2%, Cr ; 16 ~ 20%, Mo ; 1.1 ~ 2.4%, Nb ; 0.3 ~ 2.1%, Ta ; 0.1 ~ 2.2%, N ; 0.02 ~ 0.15%를 함유하며, 나머지가 Fe와 불가피한 불순물로 조성되는 Fe-Cr계 합금.
2. 제1항에 있어서, 상기한 Fe의 일부가 0.2 ~ 2.5 중량%의 Co로 치환되어 있는 Fe-Cr계 합금.
3. 제1항에 있어서, 상기 Fe의 일부가 0.2 ~ 2.5 중량%의 Ni 및 0.2 ~ 2.5 중량%의 W중의 1종 또는 2종으로 치환되어 있는 Fe-Cr계 합금.
4. 제2항에 있어서, 상기 Fe의 일부가 0.2 ~ 2.5 중량%의 Ni 및 0.2 ~ 2.5 중량%의 W중의 1종 또는 2종으로 치환되어 있는 Fe-Cr계 합금.