KR101282054B1

KR101282054B1 - 고-Ｃｒ 고-Ｎｉ 오스테나이트계 내열 주강 및 그것으로이루어진 배기계 부품

Info

Publication number: KR101282054B1
Application number: KR1020067020624A
Authority: KR
Inventors: 게이지로 하야시; 겐지 이토; 아키나가 오다이라; 고키 오쓰카
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2013-07-17
Also published as: US8241558B2; CN100537814C; JP4985941B2; JPWO2005103314A1; EP1741799B1; EP1741799A1; CN1942598A; EP1741799A4; WO2005103314A1; US20070217941A1; KR20060135864A

Abstract

본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강은, 주요 성분으로서 C, Si, Mn, Cr, Ni, W 및/또는 Mo, 및 Nb을 함유하고, 또한 중량 기준으로 N이 0.01∼0.5%, A1이 0.23% 이하, Ｏ가 0.07% 이하이며, 그 나머지로서 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 성분 조성을 가지며, 고온 내력, 내산화성, 열피로 수명이 우수하기 때문에, 배기계 부품으로 적절하게 이용될 수 있다.

오스테나이트계, 주철, 주강, 내열, 엔진, 배기, 매니폴드, 터빈

Description

고-Ｃｒ 고-Ｎｉ 오스테나이트계 내열 주강 및 그것으로 이루어진 배기계 부품{HIGH-Cr HIGH-Ni AUSTENITIC HEAT-RESISTANT CAST STEEL AND EXHAUST SYSTEM COMPONENT PRODUCED FROM SAME}

본 발명은 1000℃ 이상에서 열피로 수명이 우수한 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강, 및 이로부터 이루어지는, 예를 들면, 자동차 엔진용 배기계 부품에 관한 것이다.

종래, 자동차 엔진용 배기 매니폴드나 터빈 하우징 등의 배기계 부품은, 니레지스트 주철(Ni-Cr-Cu계 오스테나이트 주철) 등의 내열 주철이나 페라이트(ferrite)계 내열 주강 등에 의해 제조되고 있다. 그러나, 니레지스트 주철은 배기 가스 온도가 900℃까지는 비교적 고강도이지만, 900℃를 초과하는 온도에서는 내산화성 및 내열균열성이 저하되고, 내열성이나 내구성이 악화된다. 또한, 페라이트계 내열 주강은, 배기 가스 온도가 950℃ 이상이면 강도가 절대적으로 떨어지는 문제가 있다.

이러한 상황에서, 특개 2000-291430호에는, 엔진의 배기구에 배치되어 배기 가스 정화용 촉매의 초기 기능을 향상시킬 수 있는 두께가 얇은 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강 재질의 배기계 부품으로서, 배기 가스와 접하는 통로의 적어 도 일부가 두께 5mm 이하이며, 1010℃에서 200시간 대기중에 유지했을 때의 산화 감량이 50mg/cm² 이하, 1050℃에서 200시간 대기중에 유지했을 때의 산화 감량이 1OOmg/cm² 이하, 및 110O℃에서 200시간 대기중에 유지했을 때의 산화 감량이 200mg/cm² 이하이며, 가열 상한 온도 1000℃, 온도 진폭 800℃ 이상 및 구속율 0.25의 조건에서 가열 냉각하는 열피로 시험에 의해 측정된 열피로 수명이 200사이클 이상이며, 가열 상한 온도 1000℃, 온도 진폭 800℃ 이상 및 구속율 0.5의 조건에서 가열 냉각하는 열피로 시험에 의해 측정된 열피로 수명이 100사이클 이상이며, 1000℃를 초과하는 온도(특히, 1050℃ 근처, 또한 1100℃ 근처)의 배기 가스에 노출되었을 때의 내구성이 우수한 배기계 부품이 제안되어 있다.

특개 2000-291430호의 배기계 부품을 형성하는 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강은, 질량 기준으로, C: 0.2∼1.0%, Si: 2% 이하, Mn: 2% 이하, P: 0.04% 이하, S: 0.05∼0.25%, Cr: 20∼30%, Ni: 16∼30%, 그 나머지로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 이루어지고, 또한 W: 1∼4% 및/또는 Nb: 1% 초과 4% 이하를 포함할 수 있다.

근래, 환경 보전을 위하여, 자동차 엔진의 고성능화, 연비 향상, 배기 가스의 삭감이 요구되고 있다. 따라서, 엔진의 고출력화 및 고온 연소화가 진행되고 있지만, 이에 따라 배기 가스 온도가 상승하고, 배기계 부품은 종래보다 더 고온 영역까지 반복적으로 가열·냉각되며, 또한 엔진으로부터의 고온의 배기 가스에 직접 노출되므로, 엄격한 산화 환경하에서 사용되어야 한다.

배기계 부품이 황 산화물, 질소 산화물 등의 산화물을 함유하는 고온의 배기 가스나 고온 영역에서 대기에 노출되면, 부품 표면에 산화막이 형성된다. 산화막과 부품 기지(基地)와의 열팽창 차이 등에 의하여, 산화막을 기점으로 하는 미세 균열이 발생하고, 이를 통해서 배기 가스가 부품 내부에 침입해서 산화가 더 진행되는 동시에 균열이 증폭된다. 산화와 균열이 반복되면, 균열은 크게 진전되어서, 부품을 관통한다. 또한 산화막이 박리되고, 촉매 등을 오염시킬 뿐만 아니라, 터보 차저의 터빈 블레이드의 파손 등, 고장의 원인이 될 수도 있다. 따라서, 고온에서 산화물을 포함하는 배기 가스에 노출되는 배기계 부품에는 높은 내산화성이 요구된다.

또한, 고출력화 및 고온 연소화를 위하여, 자동차용 엔진으로서, 연소실 내에 가솔린을 직접 분사하는 소위 직접 분사형 엔진이 보급되고 있다. 직접 분사형 엔진에서는, 가솔린이 연료 탱크로부터 연소실로 직접 유도되므로, 만일, 자동차가 충돌해도, 외부로 누출되는 가솔린의 양이 적어서, 대형 사고로 쉽게 이어지지 않는다. 이로 인하여 종래부터, 배기 매니폴드, 터빈 하우징 등의 배기계 부품을 전방에 배치하고, 인텍 매니폴드, 컬렉터 등의 흡기계 부품을 후방에 배치하는 대신에, 엔진의 전방에 흡기계 부품을 배치해서 연소실에 차가운 공기를 받아들이는 동시에, 배기 가스 정화 장치와 직접 결합된 배기계 부품을 엔진의 후방에 배치해서 엔진 시동시에 배기 가스 정화용 촉매를 조기에 온도 상승시키고, 활성화하는 방법이 행해지고 있다. 그러나, 엔진의 후방에 배기계 부품을 배치하면, 자동차의 주행시에 바람과 접촉시키기 어려워져서 배기계 부품의 표면 온도가 상승하므로, 배 기계 부품에는 고온 영역에서 내열성 및 내구성이 더 필요하다.

환경 보전을 위하여, 엔진 시동시에 배기 가스 정화용 촉매를 온도 상승, 활성화할 필요가 있다. 이를 위해서는 배기계 부품을 통과할 때의 배기 가스의 온도저하를 감소시켜야만 한다. 배기 가스 온도가 저하되는 것을 억제하기 위해서는(배기 가스의 열을 빼앗기지 않도록 하기 위해서는), 배기계 부품의 열용량(heat mass)을 적게 할 필요가 있으며, 따라서 배기계 부품을 얇게 할 것이 요구되고 있다. 그러나, 배기계 부품을 얇게 할수록 배기 가스에 의한 온도 상승이 커지므로, 고온에서 우수한 내열성 및 내구성을 가질 필요가 있다.

이와 같이 자동차 엔진용 배기계 부품에는, 배기 가스 온도의 상승이나 산화에의 대응, 배기계 부품을 후방에 배치하는 것에 의한 표면 온도의 상승에의 대응, 얇게 함에 따른 온도 상승에의 대응 등, 점점 고온에서 가혹한 사용 조건에의 대응이 요구된다. 구체적으로는, 배기계 부품은 1000∼1150℃로 고온의 배기 가스에 노출될 수도 있는데, 이러한 고온의 배기 가스에 노출되면 배기계 부품 자체는 950∼1100℃까지 온도가 상승된다. 따라서, 배기계 부품에는, 이러한 고온하에서의 내열성, 내구성 및 긴 수명이 요구된다. 이러한 요구에 대응하기 위하여, 배기계 부품의 재료도 고온 강도, 내산화성, 연성, 내열균열성 등이 우수한 것이 요구된다.

고온 강도로서는, 단순히 고온에서의 인장 강도가 높을 뿐만 아니라, 고온에서 구속된 배기계 부품에 작용하는 압축 응력에 저항하고, 압축 응력에 기인하는 열변형(압축의 소성 변형)을 억제하는 강도, 즉 고온 내력이 높은 것도 필요하다. 따라서, 고온 강도는 고온 내력 및 고온 인장 강도를 지표로 한다.

내산화성으로서는, 산화물을 포함하는 고온의 배기 가스에 노출되어도 균열의 기점이 되는 산화막의 생성을 억제할 수 있는 것이 필요하다. 내산화성은 산화 감량을 지표로 한다. 엔진의 정지에 의해 배기계 부품은 고온으로부터 대기온도까지 냉각되지만, 냉각 과정에서는 고온에서 발생한 압축 응력은 인장 응력으로 변한다. 냉각 과정에서의 인장 응력은 균열이나 갈라짐의 요인이 되므로, 배기계 부품은 균열이나 갈라짐의 발생을 실온 영역에서 억제할 수 있는 연성을 가질 필요가 있다. 따라서, 연성은 실온 연신을 지표로 한다.

이들 고온 강도, 내산화성 및 연성을 종합적으로 나타내는 파라미터로서 내열균열성이 있다. 내열균열성은, 열피로 수명[운전(가열)과 정지(냉각)의 반복에 의해 생기는 균열이나 갈라짐에 의해 열피로 파괴에 이르기까지의 사이클 수]을 지표로 한다.

배기계 부품에는, 생산 과정, 엔진에의 배치 및 장착 과정, 자동차의 시동시나 운전 중 등의 상황에서 기계적인 진동이나 충격 등이 가해진다. 배기계 부품에는 이들 기계적인 진동이나 충격에 의해 발생하는 외력에 저항하고, 균열이나 갈라짐이 생기지 않도록 하기에 충분한 실온 연신을 가질 필요도 있다.

특개 2000-291430호에 개시된 배기계 부품은 특히 내산화성이 우수하지만, 최근의 고성능화의 요구에 대응하여, 1000℃ 이상의 배기 가스에 노출되었을 때의 열피로 수명 및 실온 연신이 더 향상될 필요가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 높은 고온 내력, 내산화성 및 실온 연신을 가지며, 특히 1000℃ 이상의 고온의 배기 가스에 노출되었을 때의 열피로 수명이 우수한 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 100O℃ 이상의 고온의 배기 가스에 노출되었을 때의 내구성이 우수하고, 엔진의 후방에 배치되어 배기 가스 정화용 촉매의 초기 기능을 향상시킬 수 있는 두께가 얇은 배기계 부품을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 특개 2000-291430호의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강의 고온 내력, 고온 인장 강도, 내산화성, 열피로 수명 등의 고온 특성, 및 실온 연신을 향상시키기 위하여 연구를 거듭한 결과, (a) 1OOO℃ 이상의 온도의 배기 가스에 노출되었을 때의 내열성, 내구성 및 수명을 향상시키기 위해서는, 고온 강도 및 실온 연신을 더 향상시켜야 하며, 내산화성의 확보가 중요하고, (b) 주요 성분으로서, C, Si, Mn, Cr, Ni, W 및/또는 Mo, 및 Nb의 각 원소의 함유량을 적정화하면, 고온 강도와 내산화성이 향상되는 동시에, Al의 함유량을 억제하는 동시에 N의 함유량을 적정화하면 특히 고온 내력 및 실온 연신이 향상되고, 또한 열피로 수명이 대폭 향상되는 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강을 얻을 수 있음을 발견하여, 본 발명에 이르렀다.

즉, 본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강은, 주요 성분으로서 C, Si, Mn, Cr, Ni, W 및/또는 Mo, 및 Nb를 함유하고, 그 나머지로 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로부터 이루어지는 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강으로서, 중량 기준으로 N이 0.01∼0.5%이며, Al이 0.23% 이하이며, 또한 Ｏ가 0.07% 이하인 것을 특징으로 한다.

주요 성분으로서 C, Si, Mn, Cr, Ni, W 및/또는 Mo, 및 Nb를 함유함으로써, 1000℃ 이상의 배기 가스 온도에서 배기계 부품은 우수한 고온 강도 및 내산화성을 가진다. 또한, Al의 함유량을 0.23중량% 이하로 억제함으로써, 실온 연신을 저하시키는 고온 내력을 향상시키고, 구속하에서 고온에 노출되었을 때에 생기는 압축 응력에 저항하는 충분한 강도를 확보하고, 압축에 의한 배기계 부품의 소성 변형을 억제할 수 있다. 동시에 오스테나이트 안정화 원소인 N의 함유량을 0.01∼0.5중량%로 함으로써, 고온 강도뿐만 아니라, 실온 영역에서의 파단 연신(실온 연신)이 향상된다. N의 함유에 의한 실온 연신의 향상은, 고온에서 배기계 부품에 발생한 압축 응력이, 냉각 과정에서 인장 응력으로 변하여, 이러한 인장 응력에 기인하는 균열이나 갈라짐의 발생을 감소시키는데도 지극히 유효하다. 이러한 Al의 함유량을 억제하는 동시에, N의 함유량을 적정화함으로써, 고온 내력 및 실온 연신이 향상되고, 또한 열피로 수명이 대폭 개선된 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강이 얻어진다.

일반적으로 주강은, 출탕전의 용탕에 탈산제를 투입하여 강제 탈산한 후에 형에 주입된다. 탈산제는, 산소와의 친화력이 Fe보다 강한 탈산 원소(Si, Al, Ti, Mn 등)로 이루어진 금속이며, 순도 99% 이상의 금속 알루미늄이 가장 일반적이다. 그러나, Al은 강력한 탈산 작용을 가지지만, 주강의 고온 내력 및 실온 연신을 현저하게 저하시키는 것을 발견했다. 한편, Al의 함유량을 억제하면, 탈산 효과가 불충분해지므로, 용탕 또는 주물 중의 Ｏ의 함유량이 많아진다. 그 결과, 산화물계 개재물 또는 빈 구멍으로 이루어진 미세한 소(巢)(이하, "공공소(空孔巢)"라 지칭함)의 생성이나, 주조시에 핀홀이나 블로우홀 등의 가스 결함의 발생이 조장된다. 본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강에서는, Al의 함유량을 0.23중량% 이하로 억제하는 동시에, Ｏ의 함유량을 0.07중량% 이하로 억제함으로써, 개재물, 공공소 및 가스 결함의 발생을 억제했다.

구체적으로는, 본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강은, 중량 기준으로 C: 0.2∼1.0%, Si: 3% 이하, Mn: 2% 이하, S: 0.5% 이하, Cr: 15∼30%, Ni: 6∼30%, W 및/또는 Mo: 0.5∼6%([W]+2[Mo], 단 [W]와 [Mo]은 각각 W, Mo의 중량%), Nb: 0.5∼5%, N: 0.01∼0.5%, Al: 0.23% 이하, 및 Ｏ: 0.07% 이하, 그 나머지로서 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 하는 것이 바람직하다. 주요 성분, 및 N, Al 및 Ｏ를 상기 조성 범위로 함으로써, 높은 고온 내력, 내산화성 및 실온 연신을 가지며, 특히 1000℃ 이상의 고온의 배기 가스에 노출되었을 때의 열피로 수명이 우수한 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강이 얻어진다.

본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강의 바람직한 조성은, 중량 기준으로 C: 0.3∼0.6%, Si: 2% 이하, Mn: 0.5∼2%, S: 0.05∼0.3%, Cr: 18∼27%, Ni: 8∼25%, W 및/또는 Mo: 1∼4%([W]+2[Mo], 단 [W]와 [Mo]은 각각 W, Mo의 중량%), Nb: 0.5∼2.5%, N: 0.05∼0.4%, Al: 0.17% 이하, 및 Ｏ: 0.06% 이하, 그 나머지로서 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.

주조시의 가스 결함의 발생에 미치는 영향력은 Ｏ가 N의 약 6배 정도이므로, Ｏ와 N의 합계량으로서, 6[Ｏ]+[N] ( 단, [Ｏ]와 [N]은 각각 Ｏ, N의 중량%임)을 이용한다. (6[Ｏ]+[N])은 0.6중량% 이하로 하는 것이 바람직하다. (6[Ｏ]+[N])을 0.6중량% 이하로 함으로써, 가스 결함이 없거나, 지극히 적은 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강을 얻을 수 있다.

본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강은, 높은 고온 내력, 내산화성 및 실온 연신을 가지며, 특히 1000℃ 이상의 고온 배기 가스에 노출되었을 때의 열피로 수명이 우수하다. 또한, 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어지는 두께가 얇은 배기계 부품은, 100O℃ 이상의 고온 배기 가스에 노출되었을 때의 내구성이 우수하고, 엔진의 후방에 배치했을 때에 배기 가스 정화용 촉매의 초기 기능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 배기 매니폴드, 터빈 하우징, 접속부 및 촉매 케이스를 포함하는 배기계 부품을 나타내는 사시도이다.

도 2의 (a)는 가스 결함의 면적율을 구하기 위한 평판형 시험편을 나타내는 개략도이다.

도 2의 (b)는 평판형 시험편의 투과 X선 사진에 대응하는 개략도이다.

도 3의 (a)는 터빈 하우징의 일례를 나타내는 측면도이다.

도 3의 (b)는 터빙 하우징의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 4는 실시예의 터빈 하우징의 내구 시험 종료 후의 웨이스트 게이트(waste gate) 근처를 나타내는 확대도이다.

도 5는 비교예의 터빈 하우징의 내구 시험 종료 후의 웨이스트 게이트 근처를 나타내는 확대도이다.

[1] 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강

[A] 조성

본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강의 조성을 아래에 상세하게 설명하며, 각 원소의 함유량(%)은 특별한 언급이 없는 한 중량 기준이다.

(1) C(탄소): 0.2∼1.0%

C는 용탕의 유동성(주조성)을 향상시키면서, 기지를 고용 강화한다. 또한, 1차 및 ２차 탄화물을 형성하고, 내열 주강의 고온 강도를 높인다. 또한, Nb와 공정(共晶) 탄화물을 형성해서 주조성을 높이는 동시에, 고온 강도를 향상시킨다. 이러한 작용을 효과적으로 발휘하기 위해서, C는 0.2% 이상 필요하다. 한편, C가 1.0%를 넘으면 공정 탄화물이나 그 밖의 탄화물의 석출량이 지나치게 많아져서, 내열 주강이 취화(脆化)되어, 연성이 저하되는 동시에 가공성이 악화된다. 따라서, C의 함유량을 0.2∼1.0%로 한다. C의 함유량은 0.3∼0.6%인 것이 바람직하다.

공정 탄화물(NbC)을 형성하는 Nb는 C의 8배이지만, 다른 석출 탄화물을 얻기 위해서는, 공정 탄화물을 생성하는 양을 초과하는 양의 C이 필요하다. 고온 강도 및 주조성이 우수한 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강을 얻기 위해서는, (C-Nb/8)은 0.05% 이상인 것이 바람직하다. 그러나, (C-Nb/8)이 0.6%를 넘으면, 내열 주강은 단단하고 지나치게 취화되어서, 연성 및 가공성이 악화된다. 따라서, (C-Nb/8)은 0.05∼0.6%인 것이 바람직하다. 특히, 얇은 주물에서는 공정 탄화물의 비율은 주조성에 있어서 중요하므로, (C-Nb/8)은 0.1∼0.5%인 것이 보다 바람직하다.

(2) Si(규소): 3% 이하

Si는, 용탕의 탈산제 역할을 하는 것 이외에, 내산화성의 개선에 효과적인 원소이다. 그러나, 과잉으로 함유하면 오스테나이트 조직이 불안정하게 되고, 주조성의 열화를 초래한다. 따라서, Si의 함유량은 3% 이하이며, 2% 이하인 것이 바람직하다.

(3) Mn(망간): 2% 이하

Mn은, Si와 동일하게 용탕의 탈산제로서 효과적이지만, 너무 많이 함유하면 내열 주강의 내산화성이 열화된다. 따라서, Mn의 함유량은 2% 이하이며, 0.5∼2%인 것이 바람직하다.

(4) S(황): 0.5% 이하

S는, 주강에서는 구상 또는 괴상의 황화물을 생성시키고, 기계 가공에 있어서 절단 분말의 분단을 촉진해서 피삭성을 향상시킨다. 그러나, S의 함유량이 지나치게 많으면 입자계에 석출되는 황화물이 지나치게 많아져서, 내열 주강의 고온 강도를 열화시킨다. 따라서, S의 함유량은 0.5% 이하이며, 0.05∼0.3%인 것이 바람직하다.

(5) Cr(크롬): 15∼30%

Cr은, 오스테나이트계 내열 주강의 기본 원소이며, 특히 내산화성을 높이는 것 이외에, 탄화물을 형성해서 고온 강도를 높이는 데도 효과적이다. 특히, 100O℃ 이상의 고온 영역에서 효과적이기 위해서는, Cr을 I5% 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, Cr의 함유량이 30%를 넘으면, 과잉의 ２차 탄화물이 석출되고, 나아 가서 σ상 등의 취화된 석출물 등이 석출되어, 현저하게 취화된다. 따라서, Cr의 함유량은 15∼30%이며, 18∼27%인 것이 바람직하다.

(6) Ni(니켈): 6∼30%

Ni은, Cr과 동일하게 오스테나이트계 내열 주강의 기본 원소이며, 주강의 오스테나이트 조직을 안정화하는 동시에, 주조성을 높이는 데도 효과적이다. 특히, 두께가 얇은 배기계 부품의 주조성을 양호하게 하기 위해서는, Ni은 6% 이상 필요하다. 그러나, Ni이 30%를 넘으면 상기 특성을 향상시키는 효과는 포화되고, 그만큼 경제적으로 불리하다. 따라서, Ni의 함유량은 6∼30%이며, 8∼25%인 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이, Cr과 Ni이 공존함에 따라서, 내열 주강의 고온 강도 및 내산화성이 향상될 뿐만 아니라, 주강 조직의 오스테나이트화 및 안정화가 촉진 되는 동시에, 주조성이 높아진다. Cr에 대한 Ni의 함유량이 증가하면 내열 주강의 내산화성 및 고온 강도는 향상되지만, Cr/Ni의 중량비가 1.0 미만이면 Ni를 많이 함유시켜도 그 첨가 효과는 포화되며, 경제적으로 불리해진다. 한편, Cr/Ni의 중량비가 1.5를 넘으면, Cr의 ２차 탄화물이 과잉으로 석출되고, 또한 σ상 등의 취화된 석출물 등이 석출되어서, 현저하게 취화된다. 따라서, Cr/Ni의 중량비는 1.0∼1.5로 하는 것이 바람직하다.

(7) W 및 Mo의 적어도 1종: 0.5∼6%([W]+2[Mo])(단 [W]와 [Mo]은 각각 W, Mo의 중량%임)

W와 Mo는 모두 내열 주강의 고온 강도를 개선하기 위하여, 적어도 하나를 함유시키지만, 양자 모두 내산화성을 열화시키므로, 과잉으로 함유시키는 것은 바람직하지않다. 따라서, W를 단독으로 첨가할 경우, W의 함유량은 0.5∼6%이며, 1∼4%인 것이 비람직하다. Mo는 W=2Mo의 비율로 W와 거의 동일한 효과를 발휘하므로, W의 일부 또는 전량을 Mo로 치환할 수도 있다. Mo를 단독으로 첨가할 경우, Mo의 함유량은 0.25∼3%이며, 0.5∼2%인 것이 바람직하다. 양자를 복합 첨가할 경우에는, ([W]+2[Mo])로 0.5∼6%, 바람직하게는 1∼4%로 한다.

(8) Nb(니오브): 0.5∼5%

Nb는, C와 결합해서 미세한 탄화물을 형성함으로써 내열 주강의 고온 강도 및 열피로 수명을 증대시키며, Cr 탄화물의 생성을 억제함으로써 내열 주강의 내산화성 및 피삭성을 향상시킨다. 또한, Nb는 공정 탄화물을 생성하므로, 두께가 얇은 배기계 부품의 주조성을 향상시킨다. 따라서, Nb의 함유량은 0.5% 이상으로 한다. 그러나, Nb의 함유량이 지나치게 많으면, 결정 입자계에 생성되는 공정 탄화물이 많아지고, 내열 주강은 취화되어, 그 강도 및 연성은 현저하게 저하된다. 따라서, Nb의 함유량의 상한은 5%이며, 하한은 0.5%이다. 따라서, Nb의 함유량은 0.5∼5%이며, 0.5∼2.5%인 것이 바람직하다.

(9) N(질소): 0.01∼0.5%

N은, 강력한 오스테나이트 생성 원소이며, 내열 주강의 오스테나이트 기지를 안정적으로 하고, 고온 강도를 향상시킨다. 또한 결정 입자 미세화에 효과적인 원소이며, 단조, 압연 등의 가공에 의한 결정 입자 미세화가 불가능한 복잡한 형상의 주조 부재의 결정 입자를 미세화시키는데도 지극히 효과적이다. 결정 입자 미세화에 의해 구조물로서 중요한 연성이 높아지고, 또한 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내 열 주강에 특유한 저피삭성 문제를 해소할 수 있다. 또한, N은 C의 확산 속도를 지연시키므로, 석출 탄화물의 응집을 지연시켜서 탄화물의 조대화(粗大化)를 방지한다. 따라서, N은 내열 주강이 취화되는 것을 방지하는데에도 효과적이다.

이와 같이, N은 고온 강도, 연성, 인성 등의 특성의 향상에 지극히 효과적이어서, 미세한 함유량이라도 내열 주강의 고온 인장 강도, 고온 내력 및 실온 연신을 향상시키고, 또한 열피로 수명을 대폭 향상시킨다. 이러한 효과를 충분히 얻는 위해서는, N의 함유량은 0.01% 이상이어야 한다. 그러나, 0.5%를 넘으면, Cr₂N 등의 질화물의 석출량이 증가하고, 오히려 내열 주강의 취화가 촉진될 뿐 아니라, 유효한 Cr량이 감소하기 때문에 내열 주강의 내산화성이 열화된다. 또한, Al과 결합하여 AlN이 석출되지만, AlN이 과잉이 되면, 실온 및 고온에서의 인성을 현저하게 악화시키면서 동시에, 크리프 강도를 저하시킨다. 또한, 과잉의 N의 함유는 주조시에 핀홀이나 블로우홀 등의 가스 결함의 발생을 조장하고, 주조 수율을 악화시킨다. 따라서, N의 함유량은 0.01∼0.5%이고, 바람직하게는 0.05∼0.4%이며, 보다 바람직하게는 0.1∼0.3%이다.

(10) Al(알루미늄): 0.23% 이하

본 발명에서는, Al의 함유량을 규제한다. Al은 용탕에 대하여 강력한 탈산작용을 가지고, Ｏ와 반응해서 산화물계 개재물인 Al₂Ｏ₃를 생성한다. Al₂Ｏ₃의 대부분은 슬러그 형태로 용탕에서 제거되므로, Al은 주강 중의 Ｏ의 함유량을 저감시키게 된다. 주강에 잔류하는 Al₂Ｏ₃는 산화에 대한 보호막으로서 작용하고, 주강의 내산화성을 높인다. 또한, N과의 공존에 의해 미세한 AlN을 석출시켜서, 주강의 결정 입자를 미세화해서 연성을 개선한다. 그러나, Ｏ나 N의 함유량이 많은 용탕에 Al을 다량 첨가하면, Al₂Ｏ₃ 및 AlN이 다량 생성된다. Al₂Ｏ₃의 일부는 개재물로서 주강 중에 잔류한다. 또한, AlN은 현저하게 단단하고, 취화성이 있으므로, 과잉으로 석출되면 실온 및 고온에서의 인성을 현저하게 악화시키는 하는 동시에, 크리프 강도를 저하시킨다. 이들 개재물 및 석출물은, 균열이나 갈라짐의 기점이 되고, 내열 주강의 고온 내력 및 고온 인장 강도를 저하시킬 뿐만 아니라, 오히려 내산화성을 열화시키고, 또한, 모두 단단하고 취화성이 있으므로 때문에, 실온 연신 및 피삭성을 저하시킨다.

Al의 함유량의 상한을 0.23%로 제한하면, 내열 주강의 고온 내력 및 고온 인장 강도의 저하를 억제할 수 있다. 따라서, A1의 함유량은 0.23% 이하로 하고, 바람직하게는 0.17% 이하로 한다. Al의 함유량을 억제하기 위해서는, Ｏ의 함유량을 규제하면서, 용해 및 출탕 과정에서의 Al의 첨가량을 최소한으로 억제한다.

(11) Ｏ(산소): 0.07% 이하

Ｏ는 주강 중 Al₂Ｏ₃, Si0₂ 등의 산화물계 개재물로서 존재하는 동시에, 공공소로도 존재한다. 또한, 본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강은 다량의 Cr을 함유하므로, Cr₂Ｏ₃도 다량 형성된다. 산화물계 개재물이나 공공소는 균열이나 갈라짐의 기점이 될 뿐만 아니라, 지극히 단단한 개재물은 연성, 인성 및 피삭성을 저하시킨다. 또한, 0를 과잉으로 함유하면, 가열에 의한 오스테나이트 결정 입자의 성장이 촉진되어, 내열 주강을 취화시킬 뿐만 아니라, 주조시에 핀홀이나 블로우홀 등의 가스 결함의 발생이 조장된다. 따라서, Ｏ의 함유량은 0.07% 이하로 하며, 0.06% 이하인 것이 바람직하다.

용탕 중의 Ｏ의 함유량과 Al의 함유량은 상반 관계에 있다. 일반적으로 주강 중의 Al의 함유량을 규제하면, Ｏ의 함유량은 많아지는 경향이 있지만, Ｏ의 함유량도 소량으로 규제해야만 한다. 구체적으로는, 용해 원재료인 강철 가루(스크랩)나 재활용 가루(주조 리턴 재료)로서 Ｏ의 함유량이 많은 원재료를 철저히 피하는 동시에, 용해 전에 미리 분석한 Ｏ의 함유량 및 용탕 중의 다른 원소의 분석값에 따라 탈산제의 첨가량을 조정함으로써, Ｏ의 함유량을 억제한다. 또한, 매번 작업시에는 Ｏ의 함유량을 기록하고, 원재료의 조성, 첨가 합금의 첨가 시기, 라이닝의 종류나 용손 등, 조업 조건에 의한 Ｏ의 함유량의 변동량을 감시하는 것도 효과적이다. 이들 작업에 의해, Ｏ를 0.07% 이하로 할 수 있다.

(12) (6[Ｏ]+[N])(단 [Ｏ]와 [N]은 각각 Ｏ, N의 중량%): 0.6% 이하

Al의 함유량을 규제함에 따라서 Ｏ의 함유량이 많아지고, 또한 고온 강도, 실온 연신 및 열피로 수명의 향상을 위해서 N을 첨가하므로, 본 발명의 내열 주강에서는 Ｏ 및 N의 함유량이 많아지는 경향이 있다. 따라서, 주강 중의 산화물계 개재물, 질화물, 공공소 등의 생성을 억제하는 동시에, 주조시에 핀홀이나 블로우홀 등의 가스 결함의 발생을 방지하기 위해, Ｏ 및 N의 각 함유량을 규제할 뿐만 아니라, Ｏ 및 N의 합계량도 규제하는 것이 바람직하다. 가스 결함의 발생에 미치는 영향력은 Ｏ가 N의 약 6배이므로, Ｏ 및 N의 합계량으로서, (6[Ｏ]+[N])을 이용하는 것이 적당하다. (6[Ｏ]+[N])이 0.6%를 넘으면 가스 결함이 발생하기 쉬워지므로, (6[Ｏ]+[N])은 0.6% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.5% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

(13) 기타 원소

본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강은, 고온 내력, 내산화성, 실온 연신 및 열피로 수명을 해치지 않은 범위에서, 하기 원소를 함유할 수도 있다.

Co, Cu 및 B는, 고온 강도, 연성 및 인성을 개선하는데에도 효과적이다. 특히, Co와 Cu는 오스테나이트 생성 원소이며, Ni과 동일한 오스테나이트 조직을 안정화시켜서 고온 강도를 높인다. 그러나, 지나치게 많으면 효과는 포화되며, 경제적으로 불리해진다. 따라서, 이들의 원소를 첨가할 경우에는, Co는 20% 이하, Cu는 7% 이하, B은 0.1% 이하로 하는 것이 바람직하다.

내열 주강의 피삭성을 개선하는 원소로서, Se, Ca, Bi, Te, Sb, Sn 및 Mg로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 일종을 첨가해도 된다. 그러나, 다량 첨가하면, 피삭성의 개선 효과가 포화될 뿐 아니라, 고온 강도, 연성 및 인성을 저하시킨다. 따라서, 이들의 원소를 첨가할 경우에는, Se는 0.5% 이하, Ca는 0.1% 이하, Bi는 0.5% 이하, Te는 0.5% 이하, Sb는 0.5% 이하, Sn은 0.5% 이하, 및 Mg는 0.1%이하로 하는 것이 적당하다.

Ta, V, Ti, Zr 및 Hf는, 내열 주강의 고온 강도를 향상시키는 동시에, 결정 입자를 미세화해서 인성을 향상시키는데에도 효과적이다. 그러나, 다량 첨가해도 그에 따른 효과의 증대는 얻어지지 않고, 오히려 탄화물이나 질화물의 생성을 촉진 해서 취화되고, 강도와 연성을 저하시키게 된다. 따라서, 이들 원소를 첨가할 경우에는, Ta, V, Ti, Zr 및 Hf의 적어도 1종을 5% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Y 및 REM(희토류 원소)은 특히 고온에서의 내산화성을 향상시키고, 또한 인성을 개선한다. Y 및 REM은 비금속 개재물을 형성하지만, 기지 중에 분산된 비금속 개재물은 기계 가공에 있어서 절단 분말의 분단을 촉진하고, 내열 주강의 피삭성을 향상시킨다. 또한, Y 및 REM은 개재물의 형태를 구상 또는 괴상으로 해서, 내열 주강의 연성을 향상시킨다. 따라서, 이들 원소를 첨가할 경우에는, Y는 1.5% 이하, REM은 0.5% 이하로 하는 것이 바람직하다.

(14) 불가피한 불순물

본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강에 함유되는 불가피한 불순물은 주로 P이다. P는 원료로 불가피하게 혼입되지만, 결정 입자계에 편석되어 인성을 현저하게 저하시키므로 적을수록 바람직하고, O.1% 이하로 하는 것이 바람직하다.

[B] 특성

본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강은, 가열 상한 온도 1000℃, 온도 진폭 800℃ 이상, 및 구속율 0.25의 조건에서 가열 냉각하는 열피로 시험에 의해 측정한 열피로 수명이 500사이클 이상인 것이 바람직하다. 배기계 부품에는, 엔진의 운전(가열)과 정지(냉각)의 반복에 대한 열피로 수명이 길어야 한다. 열피로 수명은, 내열성 및 내구성의 우열을 나타내는 지표의 일종이며, 열피로 시험에서의 가열 냉각의 반복에 의해 생기는 균열이나 변형에 의해, 열피로 파괴에 이르기까지의 사이클 수가 많을수록 열피로 수명이 길고 내열성 및 내구성이 우수함을 나타낸다.

열피로 수명은, 예를 들면, 표점간 거리 25mm, 및 직경 10mm의 평활한 환상 봉형 시험편에, 대기중에서 가열 상한 온도를 1000℃, 냉각 하한 온도를 150℃, 온도 진폭을 800℃ 이상, 1사이클을 온도 상승 시간 2분, 유지 시간 1분, 및 냉각 시간 4분의 합계 7분으로, 가열 냉각 사이클을 반복하고, 가열 냉각에 수반되는 신축을 기계적으로 구속해서 열피로 파괴를 일으키게 함으로써 평가할 수 있다. 본 명세서에서는, 열피로 수명은, 가열 냉각의 반복에 따른 하중의 변화로부터 구해지는 하중-온도 선도에서, 2사이클째의 최대 인장 하중(냉각 하한 온도에서 발생)을 기준으로 해서 기준의 최대 인장 하중으로부터 하중이 25% 저하될 때까지의 사이클 수에 의해 나타낸다. 기계적인 구속의 정도는, (자유 열팽창 연신-기계적 구속하에서의 연신)/(자유 열팽창 연신)으로 정의되는 구속율로 나타낸다. 예를 들면, 구속율 1.0은, 시험편이, 예를 들면 150℃에서 1000℃까지 가열되었을 때에, 전혀 연신을 허용하지 않는 기계적 구속 조건을 말한다. 또한, 구속율 0.5는, 자유 팽창 연신이, 예를 들면 2mm 연신인 경우에, 1mm의 연신 밖에 허용되지 않는 기계적 구속 조건을 말한다. 따라서 구속율 0.5에서는, 온도 상승 중에는 압축 하중이 미치고, 온도 하강 중에는 인장 하중[역위상(out of phase)의 하중]이 미친다. 실제의 자동차 엔진용 배기계 부품의 구속율은, 어느 정도 연신을 허용하는 0.1∼0.5 정도이다.

가열 상한 온도 l000℃, 온도 진폭 800℃ 이상, 및 구속율 0.25의 조건에서 의 열피로 수명이 500사이클 이상이면, 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강은 우수한 열피로 수명을 가지는 것을 의미하며, 1000℃ 이상의 고온 배기 가스에 노출되는 배기계 부품에 바람직하다. 본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품은, 1000℃ 이상의 배기 가스에 노출되는 환경하에서도 내열성 및 내구성이 우수하고, 열피로 파괴에 이르기까지의 수명이 충분히 길다.

또한, 가열 상한 온도 1000℃, 온도 진폭 800℃ 이상, 및 구속율 0.5의 조건에서 가열 냉각하는 열피로 시험에 의해 측정된 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강의 열피로 수명은 300사이클 이상인 것이 보다 바람직하다. 기계적 구속 조건을 구속율 0.25 내지 0.5로 가혹하게 한 경우의 열피로 수명이 300사이클 이상이라면, 내열성 및 내구성이 우수하고, 열피로 파괴에 이르기까지의 수명이 충분하며, 1000℃ 이상의 배기 가스에 노출되는 배기계 부품에 더욱 바람직하다.

내열변형성을 고려해서 배기계 부품에는 높은 고온 내력이 요구되므로, 본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강은 우수한 고온 내력 및 실온 연신을 가지는 것이 바람직하다. 구체적으로는 1050℃에서의 0.2% 내력이 50MPa 이상이며, 실온 연신이 2.0% 이상인 것이 바람직하다. 1050℃에서의 0.2% 내력이 50MPa 이상이면, 배기계 부품은 고온에서의 구속에 의해 생기는 압축 응력에 저항하는 충분한 강도를 가지고, 또한 충분한 내구성을 가진다. 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강의 1050℃에서의 0.2% 내력은 60MPa 이상인 것이 보다 바람직하다.

고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강의 실온 연신이 2.0% 이상이면, 배기 계 부품이 고온에서 실온 근처까지 냉각되었을 때, 고온에서 발생한 압축 응력으로부터 변한 인장 응력에 저항해서 균열이나 갈라짐이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 실온 연신이 2.0% 이상이면, 배기계 부품의 생산 중, 엔진에의 배치, 장착 등의 취급중이나, 자동차의 시동시나 운전중 등에 합류되는 기계적인 진동이나 충격에 저항하고, 균열이나 갈라짐을 억제할 수 있다. 따라서, 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강의 실온 연신은 2.0% 이상, 바람직하게는 2.8% 이상, 보다 바람직하게는 3.0% 이상으로 한다. 우수한 고온 내력 및 실온 연신을 가지는 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품은, 실온 근처에서 1000℃ 이상의 고온 배기 가스에 노출되었을 때의 가열 냉각을 반복적으로 받아도, 충분한 내구성을 가진다.

[2] 배기계 부품

본 발명의 배기계 부품은, 상기 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강을 이용해서 제조된다. 배기계 부품의 바람직한 예는, 배기 매니폴드, 터빈 하우징, 터빈 하우징과 배기 매니폴드를 일체로 주조한 터빈 하우징 일체 배기 매니폴드, 촉매 케이스, 촉매 케이스와 배기 매니폴드를 일체로 주조한 촉매 케이스 일체 배기 매니폴드, 또는 배기 아웃렛이다. 본 발명의 배기계 부품은 1000℃ 이상의 고온 배기 가스에 노출되어도 우수한 내구성을 발휘한다. 게다가, 배기계 부품의 배기 가스에 접하는 통로의 최소한 일부의 두께를 5mm 이하, 특히 4mm 이하로 얇게 하는 동시에, 엔진의 후방에 배치함으로써, 배기 가스 정화용 촉매의 초기 기능을 향상시킬 수 있다.

도 1은, 배기 매니폴드(1), 터빈 하우징(2), 배기 아웃렛, 디퓨저, 체결 플랜지 등으로 지칭되는 접속부(3), 및 촉매 케이스(4)를 포함하는 배기계 부품의 일례를 나타낸다. 엔진(도시하지 않음)으로부터의 배기 가스(화살표 A로 나타냄)를 배기 매니폴드(1)로 집합시키고, 배기 가스의 운동 에너지로 터빈 하우징(2) 내의 터빈(도시하지 않음)을 회전시키고, 이 터빈과 동축상의 압축기를 구동해서 흡입된 공기(화살표 B로 나타냄)을 압축하고, 고밀도의 공기를 엔진에 공급함(화살표 C로 나타냄)에 의해, 엔진의 출력을 높인다. 터빈 하우징(2)으로부터의 배기 가스는, 접속부(3)를 경유해서 촉매 케이스(4) 내의 촉매에 의해 배기 가스 중의 유해 물질이 저감되어서, 소음 머플러(5)을 경유해서 대기중으로 방출(화살표 D로 나타냄)된다.

배기 매니폴드(1)는, 형분할(parting)이나 조형 등의 주조 작업이 가능하면, 터빈 하우징(2)과 배기 매니폴드(1)를 일체로 주조한 터빈 하우징 일체 배기 매니폴드로 할 수도 있고, 또한 터빈 하우징(2)이 개재되지 않을 경우, 촉매 케이스(4)와 배기 매니폴드(1)를 일체로 주조한 촉매 케이스 일체 배기 매니폴드로 할 수도 있다.

도 1에 나타내는 배기계 부품에 있어서, 배기 가스 통로의 주요부는 복잡한 형상을 하고 있고, 이들의 두께는 통상, 배기 매니폴드(1)가 2.0∼4.5mm, 터빈 하우징(2)이 2.5∼5.0mm, 접속부(3)가 2.5∼3.5mm, 촉매 케이스(4)가 2.0∼2.5mm로 모두 얇다.

도 3의 (a) 및 (b)는, 터빈 하우징(32)의 일례를 나타낸다. 터빈 하우 징(32)은, 스크롤부(32a)가 감긴 조개 형상의 공동을 가지며, 그 공동은 한 방향으로부터 다른 방향을 향해서 공동의 면적이 커지는 복잡한 형상을 하고 있다. 또한, 터빈 하우징(32)에는, 밸브(도시하지 않음)를 개폐함으로써 잉여 배기 가스를 우회해서 배출하는 웨이스트 게이트부(32b)가 형성되어 있다. 이 웨이스트 게이트부(32b)는, 터빈 하우징의 각 부위 중에서도 고온의 배기 가스가 흐르기 때문에, 특히 내열균열성이 요구되는 부위이다.

본 발명을 아래 실시예에 의해 더 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되지 않는다. 여기에서도 특별한 언급이 없는 한, 원소의 함유량(%)은 중량 기준으로 나타낸다.

실시예 1∼47, 비교예 1∼14

표 l-1∼표 1-4는 실시예 1∼47의 내열 주강의 시료의 화학 조성을 나타내고, 표 2-1 및 표 2-2는 비교예 1∼14의 내열 주강의 시료의 화학 조성을 나타낸다. 비교예 1∼8은 Al의 함유량이 지나치게 많은 주강이며, 비교예 9는 N의 함유량이 지나치게 적은 주강이며, 비교예 10은 N의 함유량이 지나치게 많은 주강이며, 비교예 1l 및 12는 Ｏ의 함유량이 지나치게 많은 주강이며, 비교예 13은 Ｏ 및 N의 함유량이 지나치게 많은 주강이다. 또한, 비교예 14는 특개 2000-291430호에 기재된 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강의 일례이다.

실시예 1∼47 및 비교예 1∼14의 각 주강을, 100kg의 고주파 용해로(염기성 라이닝)를 이용해서 대기중에서 용해한 후, 1550℃ 이상으로 출탕하고, 즉시 1500℃ 이상에서 25mm×25mm×165mm의 1인치 Y 블록에 주입하여, 시료를 제조했다.

[표 1-1] 실시예의 시료의 조성(중량%)

[표 1-2] 실시예의 시료의 조성(중량%)

[표 1-3] 실시예의 시료의 조성(중량%)

[표 1-4] 실시예의 시료의 조성(중량%)

[표 2-1] 비교예의 시료의 조성(중량%)

[표 2-2] 비교예의 시료의 조성(중량%)

각 시료에 대하여 아래의 평가 시험을 행했다.

(1) 열피로 수명

열피로 수명을 평가하기 위하여, 각 시료에서 잘라낸 표점간 거리 25mm, 직경 10mm의 평활한 환상 봉형 시험편을, 유압 서보식 재료 시험기(주식회사시마즈제작소 제품, 상품명, 서보펄서 EHF-ED10TF-20L)에 2개의 구속율(가열 냉각에 따른 신축의 기계적 구속 정도) 0.25 및 0.5로 각각 장착했다. 각 구속율에 있어서, 각 시험편에 대기 중에서 냉각 하한 온도 150℃, 가열 상한 온도 1000℃, 및 온도 진 폭 850℃의 가열 냉각 사이클(온도 상승 시간 2분, 유지 시간 1분, 냉각 시간 4분의 합계 7분)을 반복했다. 2사이클째의 하중-온도 선도에서의 최대 인장 하중이 25% 저하될 때까지의 가열 냉각 사이클의 수를 카운트하고, 열피로 수명으로 했다. 시험 결과를 표 3-1∼표 3-3(간단히 표 3이라 지칭함)에 나타낸다.

표 3에서 명확히 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 및 2 이외의 실시예의 시험편의 열피로 수명은, 비교예 1∼14의 시험편의 열피로 수명의 최대값(구속율 0.25의 최대값 274사이클, 구속율 0.5의 최대값 138사이클)보다 길었다. 이를 통하여, 본 발명의 내열 주강은 열피로 수명이 우수한 것이 확인되었다.

실시예 1∼40에 대해서는, N의 함유량의 증가에 따라, 열피로 수명도 증가하는 경향이 있음을 알 수 있었다. 또한, N 이외의 원소의 조성 범위가 거의 동일한 실시예 46과 비교예 9의 열피로 수명을 대비하면, N을 0.426%(본 발명의 범위 내) 함유하는 실시예 46의 시험편은, N을 0.005%밖에 함유하지 않는 비교예 9의 시험편보다 열피로 수명이 약 4배 길고, N의 함유에 의해 열피로 수명이 대폭 향상되는 것을 알 수 있다. 그러나, 비교예 10의 시험편과 같이 0.5%를 초과하는 N을 함유하면, 오히려 열피로 수명은 짧아지는 것을 알 수 있다. 이는, N의 함유량이 지나치게 많으면, 균열이나 갈라짐의 기점이 되는 질화물, 공공소 및 가스 결함이 형성되기 쉬워져서, 고온 내력 및 고온 인장 강도가 저하되기 때문인 것으로 생각된다.

[표 3-1] 실시예의 평가 결과

[표 3-2] 실시예의 평가 결과

[표 3-3] 비교예의 평가 결과

(2) 고온 내력 및 고온 인장 강도

각 시료에서 잘라낸 표점간 거리 50mm, 직경 10mm의 평활한 환상 봉형 시험편을, 상기 열피로 수명 시험과 동일한 유압 서보식 재료 시험기에 부착하고, 각 시험편의 고온 내력 및 고온 인장 강도로서, 대기중 1050℃에서 0.2% 내력(MPa) 및 인장 강도(MPa)를 측정했다. 결과를 표 3에 나타낸다. 표 3으로부터 명확히 나타난 바와 같이, Al의 함유량을 본 발명의 범위 내(0.23% 이하)로 규제한 실시예 1∼47의 시험편의 고온 내력 및 고온 인장 강도는, Al의 함유량이 0.23%를 초과한 비교예 1∼8의 것보다 우수하다. 특히, Al의 함유량이 0.17% 이하에서는 고온 내력이 40MPa 이상이며, Al의 함유량을 감소시키는 것이 고온 강도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

비교예 11 및 12에서는 고온 내력이 50MPa 이상이지만, 모두 열피로 수명이 짧고, 실온 연신도 2.0% 미만으로 불충분하므로, 우수한 고온 내력, 열피로 수명 및 실온 연신을 가진 주강이 아니다. 이는, 0의 함유량이 지나치게 많기 때문에, 개재물, 공공소 및 가스 결함 등에 기인해서 연성이 저하된 것으로 생각된다.

(3) 실온 연신

각 시료에서 잘라낸 표점간 거리 50mm, 직경 10mm의 평활한 환상 봉형 시험편을, 상기 열피로 수명 시험과 동일한 유압 서보식 재료 시험기에 부착하고, 25℃에서의 실온 연신(%)을 측정했다. 결과를 표 3에 나타낸다. N을 0.01% 이상 함유하는 모든 실시예가, 본 발명의 바람직한 범위인 2.0% 이상의 실온 연신을 가지고 있음 비하여, N의 함유량이 적은 비교예 9 및 14의 실온 연신은 각각 1.8% 및 1.7%로서, 배기계 부품으로서는 불충분했다. N을 0.05% 이상 함유하는 실시예 3∼47에서는, 실온 연신이 본 발명의 것보다 바람직한 범위인 2.8% 이상이며, 실온 연신을 향상시키기 위해서는 N의 함유가 효과적인 것을 알 수 있다.

비교예 1∼6 및 10에서는 실온 연신이 2.0% 이상이지만, 모두 열피로 수명이 짧고, 고온 내력이 50MPa 미만으로 불충분하고, 우수한 고온 내력과 실온 연신을 가지고 있지 않다. 이는, 비교예 1∼6에서는 Al의 함유량이 지나치게 많기 때문에 개재물이나 석출물이 많고, 또한 비교예 10에서는 N의 함유량이 지나치게 많아서, 질화물, 공공소 및 가스 결함이 많고, 이들 각각이 균열이나 갈라짐의 기점이 되므로 고온 내력과 고온 인장 강도가 저하되었기 때문인 것으로 생각된다.

(4) 산화 감량

배기계 부품이 1000℃ 이상의 배기 가스에 노출되는 것을 가정하고, 1000℃ 및 1050℃에서의 내산화성을 평가했다. 내산화성의 평가는, 각 시료에서 잘라낸 직경 10mm 및 길이 20mm의 환상 봉형 시험편을, 대기중 1000℃ 및 1050℃의 각 온 도에서 200시간 유지하고, 꺼낸 후 숏 블라스트 처리를 행해서 산화 스케일을 제거하고, 산화 시험 전후의 단위 면적당의 질량 변화[산화 감량(mg/cm²)]를 구함으로써 수행했다. 결과를 표 3에 나타낸다.

표 3에서 명확히 나타낸 바와 같이, 실시예의 1050℃에서의 내산화성은, 본 출원인이 내산화성을 향상시키기 위하여 개발한 특개 2000-291430호에 기재된 내열 주강을 사용한 비교예 14의 것에 비하여 손색이 없었다. 따라서, 본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강은, 1000℃ 이상의 배기 가스에 노출되는 배기계 부품용으로 충분한 내산화성을 가지는 것이 확인되었다.

(5) 가스 결함 면적율

실시예 및 비교예의 내열 주강의 가스 결함의 발생 경향을 조사하기 위하여, 실제의 주물보다 가스 결함이 발생하기 쉬운 형상의 평판형 시험편을 제조했다. 이로 인하여, 가스 결함 면적율의 측정값은 실제의 주물보다 현저하게 많아졌다. 이 평판형 시험편(20)은, 도 2의 (a)에 나타낸 형상을 가지고, 폭(W): 50mm, 길이(L): 185mm, 및 두께(T): 20mm였다. 각 평판형 시험편(20)은, 평판형 시험편(20)과, 직경 25mm×높이 50mm의 압탕(押湯)(21)과, 탕구(22a)와, 탕도(22b)와, 제방(22c)으로 이루어지는 캐비티를 형성한 모래 주형에, 1인치 Y 블록과 동일한 각 용탕을, 1500℃ 이상으로 탕구(22a)로부터 주탕한 후, 냉각 및 형 마무리를 행하고, 압탕(21)을 절단하고, 숏 블라스트 처리를 실시함으로써 얻었다.

표면 및 내부의 가스 결함을 관찰하기 위하여, 각 평판형 시험편의 투과 X선 사진을, 투과 X선 촬영 장치(주식회사도시바 제품, 상품명 EX-260GH-3)를 이용하고, 관전압 192kV 및 조사 시간 3분의 조건에서 촬영했다. 도 2의 (b)는 투과 X선 사진의 일례를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 평판형 시험편에는 핀홀(28a)이나 블로우홀(28b)로 이루어지는 가스 결함(28)과, 연신된 소(29)가 있지만, 투과 X선 사진은 명료하므로, 콘트라스트의 차이 등에 의해 가스 결함인지 인신된 소인지의 여부는 용이하게 판별할 수 있었다. 판별 곤란한 가스 결함에 대해서는, 평판형 시험편을 절단해서 확인했다.

각 투과 X선 사진으로부터 육안에 의해 표면 및 내부의 가스 결함만을 추출하고, 트레이스한 후, 화상 해석 장치(아사히화성주식회사 제품, 상품명 IP-1000)를 이용해서 화상 처리하고, 가스 결함의 합계 면적(mm²)을 측정했다. 가스 결함의 합계 면적을 평판형 시험편의 전체 투영 면적으로 나누어, 가스 결함 면적율(%)을 구했다. 가스 결함 면적율이 작을수록 내열 주강으로서 우수함을 의미하는 것은 두말할 필요도 없다. 가스 결함 면적율의 측정 결과를 표 3에 나타낸다.

표 3에서 명확히 나타낸 바와 같이, N의 함유량 및/또는 Ｏ의 함유량이 본 발명의 범위를 넘지 않는 실시예 1∼47의 시험편은, 본 발명의 범위 이외인 비교예 10∼13의 시험편보다 가스 결함 면적율이 낮았다. 또한, N의 함유량 및/또는 Ｏ의 함유량의 증가에 따라 가스 결함 면적율이 증가하는 경향이 있는 것을 알 수 있다. 가스 결함 면적율은, 실시예에서는 최대 12.8%이었지만, 비교예 10∼13에서는 15%이상이었다. 특히, N 및 Ｏ의 함유량이 모두 지나치게 많은 비교예 13에서는, 가스 결함 면적율이 21.8%로서 현저하게 높았다. 또한, (6[Ｏ]+[N])이 0.6%를 초과하면, 가스 결함 면적율이 급증하는 것이 발견되었다. 이와 같이, N, Ｏ 및 (6[Ｏ]+[N])의 함유량의 상한을 규정함으로써, 가스 결함의 발생 경향을 감소시킬 수 있는 것을 확인했다.

실시예 48

100kg 고주파 용해로(염기성 라이닝)를 이용해서 실시예 36의 주강을 대기 용해한 후, 1550℃ 이상에서 레이들(ladle)에 출탕하고, 즉시 1500℃ 이상에서, 도 3에 나타내는 터빈 하우징(32)용 모래 주형에 주탕했다. 경량화를 위하여, 터빈 하우징(32)의 주요부의 두께를 5.0mm 이하로 했다. 또한, 터빈 하우징(32)의 플랜지 등에 기계 가공을 실시했다. 얻어진 터빈 하우징(32)에는, 핀홀이나 블로우홀 등의 가스 결함, 연신 소, 탕회(湯廻) 불량 등의 주조 결함은 관찰되지 않았으며, 또한 기계 가공에서의 절삭 문제나 절삭 공구의 이상 마모, 손상 등도 없었다.

배기량 2000cc의 직렬 4기통 고성능 가솔린 엔진에 상당하는 배기 시뮬레이터에, 본 실시예의 터빈 하우징(32)을 장착하고, 균열 발생까지의 수명 및 균열의 발생 상황을 조사하는 내구 시험을 실시했다. 내구 시험 조건은, 전체 부하시의 배기 가스 온도가 터빈 하우징(32)의 입구에서 1100℃이며, 터빈 하우징(32)의 표면의 가열 상한 온도가 웨이스트 게이트부(32b)에서 약 1050℃이며, 냉각 하한 온도가 웨이스트 게이트부(32b)에서 약 80℃(온도 진폭=약 970℃)이며, 가열 10분 및 냉각 10분을 1사이클로 했다. 가열 냉각 사이클의 목표는 1500사이클로 했다.

도 4는, 내구 시험 종료 후의 터빈 하우징(32)의 웨이스트 게이트부(32b)를 나타낸다. 이 터빈 하우징(32)은 1500사이클의 내구 시험을 행한 결과, 도 4에 도시한 바와 같이, 고온의 배기 가스가 통과하는 웨이스트 게이트부(32b)에도 균열이 발생하지 않았다. 또한, 웨이스트 게이트부(32b) 뿐만 아니라 다른 부위에서도 산화가 적고, 열변형에 의한 배기 가스의 누출도 없었다.

터빈 하우징(32)에는, 압탕 및 탕도의 절단, 주조 처리, 반송, 절삭, 장착 등에 의해 실온에서 통상적인 기계적인 진동이나 충격이 가해졌지만, 균열이나 갈라짐은 발생하지 않았다. 따라서, 본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어지는 터빈 하우징(32)은 실용적으로 충분한 연성을 가지는 것이 확인되었다.

비교예 15

비교예 5의 주강을 사용하고, 실시예 48과 동일한 조건에서 동일 형상의 터빈 하우징(52)을 제조한 결과, 주조 결함이나 기계 가공에서의 문제는 없었다. 얻어진 터빈 하우징(52)을 배기 시뮬레이터에 장착하고, 실시예 48과 동일한 조건에서 1500사이클을 목표로 내구 시험을 실시한 바, 1000사이클에서 터빈 하우징(52)에 배기 가스가 누출되어서, 내구 시험을 중단했다. 도 5는, 내구 시험 종료 후의 터빈 하우징(52)의 웨이스트 게이트부(52b)를 나타낸다. 도 5에 도시한 바와 같이, 웨이스트 게이트부(52b)에 큰 균열(52d)이 발생하고, 시트면(52c)은 변형되어 있었다. 웨이스트 게이트부(52b)에 발생한 균열(52d)의 일부는 외부까지 도달하는 관통 균열이며, 이것이 배기 가스 누출의 원인이 되었다. 또한, 웨이스트 게이트부(52b) 이외의 부위에도 다수의 균열이 발생했다. 또한, 실시예 48의 터빈 하우 징(32)에 비하여, 배기 가스 통로인 스크롤부의 내벽에 산화가 진행되어 있었다.

상기한 바와 같이, 열피로 수명이 우수한 본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강을 이용해서 제조한 배기계 부품은, 100O℃ 이상의 고온 배기 가스에 노출되었을 때의 내구성이 우수함이 확인되었다. 본 발명의 얇은 배기계 부품은, 엔진 후방에 배치함으로써 배기 가스 정화용 촉매의 초기 기능을 향상시킬 수 있으므로, 자동차 엔진용 배기계 부품으로서 바람직하다.

이상 자동차 엔진용 배기계 부품에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강은, 예를 들면, 건설 기계, 선박, 항공기 등의 연소 기관이나, 용해로, 열처리로, 소각로, 킬른, 보일러, 열병합 발전 장치 등의 열기기나, 석유 화학 플랜트, 가스 플랜트, 화력 발전 플랜트, 원자력 발전 플랜트 등의 각종 플랜트 설비 등에 있어서, 고온 강도, 내산화성, 연성, 열피로 수명 등의 내열성과 내구성이 요구되는 주물 부품에도 사용 가능하다.

Claims

중량 기준으로 C: 0.2∼1.0%, Si: 0 초과 3% 이하, Mn: 0 초과 2% 이하, S: 0 초과 0.5% 이하, Cr: 15∼30%, Ni: 6∼30%, W 및 Mo 중 적어도 1종: 0.5∼6%([W]+2[Mo], 단 [W]와 [Mo]은 각각 W, Mo의 중량%), Nb: 0.5∼5%, N: 0.01∼0.5%, Al: 0.001~0.23%, 및 Ｏ: 0.012~0.07%, 및 그 나머지로서 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 6[Ｏ]+[N] ( 단 [Ｏ]와 [N]은 각각 Ｏ, N의 중량%)이 0.5% 이하인 것을 특징으로 하는 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강.
제1항에 있어서,

중량 기준으로 C: 0.3∼0.6%, Si: 0 초과 2%, Mn: 0.5∼2%, S: 0.05∼0.3%, Cr: 18∼27%, Ni: 8∼25%, W 및 Mo 중 적어도 1종: 1∼4%([W]+2[Mo], 단 [W]와 [Mo]은 각각 W, Mo의 중량%), Nb: 0.5∼2.5%, N: 0.05∼0.4%, Al: 0.001~0.17%, 및 Ｏ: 0.012~0.06%, 및 그 나머지로서 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강.
제1항에 있어서,

가열 상한 온도 1000℃, 온도 진폭 800℃ 이상, 및 구속율 0.25의 조건에서 가열 냉각하는 열피로 시험에 의해 측정된 열피로 수명이 500사이클 이상인 것을 특징으로 하는 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강.
제1항에 있어서,

가열 상한 온도 1000℃, 온도 진폭 800℃ 이상, 및 구속율 0.5의 조건에서 가열 냉각하는 열피로 시험에 의해 측정된 열피로 수명이 300사이클 이상인 것을 특징으로 하는 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강.
제1항에 있어서,

1050℃에서의 0.2% 내력(耐力)이 50MPa 이상이며, 실온 연신이 2.0% 이상인 것을 특징으로 하는 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강.
제1항에 따른 고-Cr 고-Ni 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어진 것을 특징으로 하는 배기계 부품.
제6항에 있어서,

상기 배기계 부품이 배기 매니폴드, 터빈 하우징, 터빈 하우징 일체 배기 매니폴드, 촉매 케이스, 촉매 케이스 일체 배기 매니폴드, 또는 배기 아웃렛인 것을 특징으로 하는 배기계 부품.
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