KR101371715B1 - 오스테나이트계 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 배기매니폴드 - Google Patents

Abstract

C : 0.4~0.6 wt%, Si : 0.5~1.0 wt%, Mn : 2.1~2.9 wt%, Ni : 2.1~2.9 wt%, Cr : 18~22 wt%, Nb : 1.0~2.0 wt%, W : 2.0~3.0 wt%, N : 0.25~0.35 wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 오스테나이트계 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 배기매니폴드가 소개된다.

Description

오스테나이트계 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 배기매니폴드 {AUSTENITIC HEAT-RESISTING CAST STEEL AND EXHAUST MANIFOLD USING THE SAME}

본 발명은 고온에서 저주기피로수명 및 크립저항성이 탁월한 오스테나이트계 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 배기매니폴드에 관한 것이다.

차량의 배기매니폴드(exhaust manifold)는 각 기통에서 배출되는 배출가스를 하나의 흐름으로 모으는 배기관을 일컫는다. 배기매니폴드는 헤드에서 나온 배기가스를 가장 먼저 받는 곳에 놓여져 있기 때문에 엔진의 출력에 따라 대단히 높은 열충격을 받는다. 배기매니폴드 상에는 엔진에서와 달리 냉각수 등의 쿨러가 없으므로 엔진의 가속시에는 800~900 ℃정도의 고온까지 올라가고 엔진 오프시에는 주위의 공기 온도까지 급속도로 공냉된다. 이러한 과정을 하루에도 몇 번씩 반복해야 되므로 배기매니폴드의 열충격은 매우 가혹한 정도이며, 엔진내 부품 중에서 내구성이 크게 필요하다.

현재 차량의 배기매니폴드에 사용되는 재질은 고온 내산화 주철소재로 FCD-HS주철, SiMo주철 및 다량의 Ni이 첨가된 고-Ni 오스테나이트계 주강 등이 있다. 여기서, FCD-HS주철 및 SiMo주철 재질은 고온에서의 물성 향상과 내산화성을 위하여 기존의 구상흑연주철재에 Si 성분, Mo 성분 등을 첨가하여 사용되고 있다. 이러한 내열주철을 사용하는 배기계의 일반적인 온도범위는 약 630~760℃정도이며, 이를 배기가스 측면에서의 온도범위로 보면 약 700~800℃정도이다. 이 온도범위에서 위의 재질들은 피로수명이 200 사이클 이하, 크립수명이 200 시간 이하이다. 또한, 주철재질보다 고온에서의 물성이 우수한 고-Ni 오스테나이트계 주강이 사용 중에 있으나, 고가의 Ni 첨가량이 10 wt% 이상으로 높아 상업적으로 적용하기에는 원가적인 측면에서 한계가 있다.

더욱이, 최근에는 자동차 출력 증대 및 배기규제 강화에 따라 이를 만족시키기 위해 배기가스 온도가 지속적으로 상승되고 있으며, 내구성 및 품질에 대한 측면에서도 강화되면서 배기계가 받게 되는 부하는 점점 더 커지고 있다. 따라서, 배기매니폴드의 경우 더욱 높은 온도 범위에서의 피로수명과 크립저항성의 향상이 요구되는 것이 현실이다. 그러나 고량의 Ni을 첨가하는데에는 제조원가의 측면에서 분명 한계가 있는바, 이러한 고비용의 Ni을 최소한도로 첨가하면서도 필요한 고온에서의 피로수명과 크립저항성을 향상시킬 필요가 있었던 것이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 고비용의 Ni을 최소한도로 첨가하면서도 필요한 고온에서의 피로수명과 크립저항성이 향상된 오스테나이트계 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 배기매니폴드를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 오스테나이트계 내열주강은, C : 0.4~0.6 wt%, Si : 0.5~1.0 wt%, Mn : 2.1~2.9 wt%, Ni : 2.1~2.9 wt%, Cr : 18~22 wt%, Nb : 1.0~2.0 wt%, W : 2.0~3.0 wt%, N : 0.25~0.35 wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

상기 오스테나이트계 내열주강은 Ni 당량 대비 Cr 당량의 비율(Cr당량/Ni당량)이 0.8 ~ 0.9일 수 있다.

상기 오스테나이트계 내열주강은 오스테나이트로만 구성된 기지에 미세 탄화물이 형성된 조직일 수 있다.

상기 오스테나이트계 내열주강으로 제조된 제품의 최대 표면사용온도는 800 ~ 900℃일 수 있다.

또한, 상기 오스테나이트계 내열주강을 이용하여 제조된 배기매니폴드는, C : 0.4~0.6 wt%, Si : 0.5~1.0 wt%, Mn : 2.1~2.9 wt%, Ni : 2.1~2.9 wt%, Cr : 18~22 wt%, Nb : 1.0~2.0 wt%, W : 2.0~3.0 wt%, N : 0.25~0.35 wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 재질로 구성된다.

상기 배기매니폴드의 최대 사용 배기가스온도는 950~1050℃일 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 오스테나이트계 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 배기매니폴드에 따르면, 고비용의 Ni을 최소한도로 첨가하면서도 필요한 고온에서의 피로수명과 크립저항성이 향상된 배기매니폴드의 제조가 가능해진다.

또한, 그에 따라 최근의 고효율 및 고연비 엔진에도 저렴한 비용으로 안정적으로 적용이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 내열주강의 저주기 피로시험결과를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 내열주강의 크립시험결과를 나타낸 그래프.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 오스테나이트계 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 배기매니폴드에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 오스테나이트계 내열주강은, C : 0.4~0.6 wt%, Si : 0.5~1.0 wt%, Mn : 2.1~2.9 wt%, Ni : 2.1~2.9 wt%, Cr : 18~22 wt%, Nb : 1.0~2.0 wt%, W : 2.0~3.0 wt%, N : 0.25~0.35 wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다. 여기서, Ni 당량 대비 Cr 당량의 비율(Cr당량/Ni당량)은 0.8 ~ 0.9가 되도록 할 수 있다.

또한, 상기 오스테나이트계 내열주강은 오스테나이트로만 구성된 기지에 미세 탄화물이 형성된 조직일 수 있다. 그리고, 상기 오스테나이트계 내열주강으로 제조된 제품의 최대 표면사용온도는 800 ~ 900℃일 수 있다.

한편, 상기 오스테나이트계 내열주강을 이용하여 제조된 배기매니폴드는, C : 0.4~0.6 wt%, Si : 0.5~1.0 wt%, Mn : 2.1~2.9 wt%, Ni : 2.1~2.9 wt%, Cr : 18~22 wt%, Nb : 1.0~2.0 wt%, W : 2.0~3.0 wt%, N : 0.25~0.35 wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 재질로 구성된다. 그리고 상기 배기매니폴드의 최대 사용 배기가스온도는 950~1050℃일 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 내열주강은 Fe에 C 0.4~0.6 wt%, Si 0.5~1.0 wt%, Mn 2.1~2.9 wt%, Ni 2.1~2.9 wt%, Cr 18~22 wt%, Nb 1.0~2.0 wt%, W 2.0~3.0 wt% 및 N 0.25~0.35 wt%가 포함된다. 이러한 본 발명의 오스테나이트계 내열주강재는 고온 피로수명 및 연신율이 우수하여 배기계의 배기매니폴드에 매우 적합하다.

본 발명의 오스테나이트 내열주강은 화학성분 중 Cr, Ni, Mn, Si, Nb, W 및 N이 첨가되어 고온물성을 향상시킨다. 기지를 오스테나이트로 하는 것은 페라이트 기지 대비 고온피로강도가 우수하므로 고온에서 사용되는 재질에 크게 유리하며, 온도 상승 및 냉각 중에 펄라이트의 생성을 억제하여 상변태로 인한 팽창도 막을 수 있기 때문에 유리하다.

또한, 기지에 일부의 페라이트 생성 없이 완전한 오스테나이트로 하고, 오스테나이트의 고온 안정성을 더욱 높이기 위해서는 Ni 당량을 높이고, Cr 당량을 낮추어야 한다. Ni은 결정 구조가 면심입방 구조로 같은 면심입방구조인 오스테나이트를 안정화 시키는 원소이고, Ni과 유사한 역할을 하는 원소에는 C, N, Mn이 있다.

반면, Cr은 결정구조가 체심입방구조로 같은 체심입방 구조인 페라이트를 안정화시키는 원소이고, Cr과 유사한 역할을 하는 원소에는 Si, Nb, W, Mo가 있다. 따라서, Cr 당량을 높이는 원소들의 첨가량을 증가시키지 않고, Ni 당량을 높이는 원소들을 증가시켜 Ni 당량 에 대한 Cr 당량의 비율이 최소화 되도록 설계하였다.

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강재는 종래의 재질과는 첨가성분이 완전히 차별화되어 주요 첨가 에 C 0.4~0.6 wt%, Si 0.5~1.0 wt%, Mn 2.1~2.9 wt%, Ni 2.1~2.9 wt%, Cr 18~22 wt%, Nb 1.0~2.0 wt%, W 2.0~3.0 wt% 및 N 0.25~0.35 wt%을 포함한다. C 성분은 용탕의 유동성, 즉 주조성을 개선하고, Nb과 공정탄화물을 생성해서 주조성을 높이는 작용을 한다. 이와 같은 작용을 효과적으로 발휘하기 위해 C은 0.4~0.6 wt%로 제한한다. 0.4 wt% 미만으로 첨가시에는 그 효과가 미미하며, 0.6 wt%초과로 첨가시에는 효과가 포화되어 불필요한 첨가량이 된다.

Si 성분은 본 발명의 주요원소로서 그 함량은 0.5 ~ 1.0 wt%가 포함되고, 오스테나이트 주강에서 고온피로강도 향상에 영향을 준다. 0.5 wt% 미만으로 첨가시에는 주조시에 용탕의 유동성이 저하되어 주조성에 악영향을 미치며, 1.0 wt%초과로 첨가시에는 주조 후 유해한 상이 형성되어 취성이 발생된다.

Ni 성분은 내열주강에서 고온물성을 향상시키는데 첨가되는 대표적인 원소로 첨가시 고온에서는 피로수명뿐만 아니라 크립저항성 및 연성을 증대시키는 데 큰 영향을 주는 원소이다. 그러나, 가격이 매우 고가이고 최근 원자재의 가격이 더욱 증가하면서 Ni이 첨가된 재질은 Ni 가격에 따라 재질의 가격이 변동되는 문제가 빈번히 발생하고 있다. 따라서, Ni의 첨가를 최소화 하면서 동일한 물성을 가지는 재질의 개발이 필수적이다. 따라서 본 발명에서는 Ni의 함량이 2.9 wt% 가 넘지 않도록 2.1 ~ 2.9 wt%로 제한한다. 이는 오스테나이트 내열 주강재의 고온물성의 향상에 필요한 최소 요구치이며, 여타의 내열성 및 내부식성의 보완은 상대적으로 경제적인 N, Cr을 첨가하여 보완하였다.

Cr은 내산화성에 기여하는 성분으로 본 발명에서 상대적으로 적은 Ni을 보완하여 Ni과 유사한 피로수명 및 물성을 향상시키는 역할을 수행한다. Cr은 Ni 대비 원가가 약 10~30 %정도이므로 경제적으로도 매우 탁월한 배기매니폴드의 제작이 가능하다. 또한, 본 발명 내에 Cr을 18 ~ 22 wt% 첨가하는 이유는 18 wt% 미만 첨가시 효과가 미미하며, 22 wt% 초과시 기지조직이 오스테나이트가 아닌 페라이트로 되기 때문이다.

Nb 성분 1.0 ~ 2.0 wt%은 C와 결합하여 미세한 탄화물을 형성해 고온에서 피로수명을 증대시킨다. W성분 2.0~3.0 wt%는 Nb과 유사하게 C와 결합하여 미세한 탄화물을 형성해 고온에서 피로수명을 증대시킨다.

N 성분은 Ni과 같이 오스테나이트 안정화 원소로 고온 피로수명 및 크립저항성을 향상시키는 주요한 원소이며, Ni 대비 원가가 약 5% 미만이므로 경제적으로도 매우 탁월한 배기매니폴드의 제작이 가능하다. 0.25 wt% 미만 첨가시에는 Ni의 고온물성을 대체할 만큼의 효과를 내지 못하며, 과도하게 첨가되는 경우 Cr과 질화물 석출에 의한 취성이 발생하므로 0.35 wt%로 제한한다.

Mn은 함량 증가시 별도의 열처리 없이 응고 중 조직 내부에 미세분산상(dispersoid)가 형성되어 피로수명 증가 효과를 나타내며, N의 기지조직내에 고용도를 높여준다. 2.1 wt% 미만으로 첨가 시에는 N의 고용도가 낮아져, 고온 안정성이 저하되며, 과도하게 첨가되는 경우 연성 및 내식성이 저하되는 점을 고려하여 본 발명에서는 그 함량을 2.1~2.9 wt%로 제한다.

상기 조성에 의해 Ni 당량 대비 Cr 당량의 비율 (Cr당량/Ni당량)을 0.80~0.90로 하여 오스테나이트를 안정화하였다.

이러한 본 재질의 최대 사용 가능한 온도는 재질의 표면온도 800~900℃ 로 배기가스 온도 950~1050℃까지 사용이 가능하다. 따라서, 본 발명의 오스테나이트 내열 주강품은 고출력 엔진의 배기매니폴드에 적합하게 사용될 수 있다.

하기의 표 1은 본 발명에 따른 내열주강의 실시예와 비교예의 성분조성을 나타낸 것이다.

여기서, Ni 당량은 원소를 첨가함으로써, Ni과 동일한 역할을 하는 정도를 나타낸 값으로, Ni + 30(C+N) + 0.5Mn으로 계산된다. 그리고, Cr 당량은 원소를 첨가함으로써, Cr과 동일한 역할을 하는 정도를 나타낸 값으로, Cr + 1.5Si + 0.5Nb + 0.72W로 계산되며, 실시예의 경우 본 발명이 제시하는 오스테나이트 내열 주강품이고, 비교예 1, 2는 종래의 내열주강품이다.

한편, 상기 실시예와 비교예에 대한 시험 결과는 도 1 및 2에 나타나 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 내열주강의 저주기 피로시험결과를 나타낸 그래프이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 내열주강의 크립시험결과를 나타낸 그래프이다.

먼저, 고온 저주기피로 시험의 경우, ASTM E606 ‘Standard Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing’에 입각하여 800℃, 900℃에서 변형률 진폭 0.6%와 1.0%로 실험하였다. 그리고, 크립시험의 경우 ASTM E139 ‘Standard Test Methods for Conducting Creep, Creep-Rupture, and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials’에 따라 800℃/60MPa, 900℃/60MPa에서 시험한 후, 파단시간을 측정하였다.

하기의 표 2는 도 1 내지 2와 함께 상기의 시험결과를 나타낸 것이다.

상기와 같은 고온물성에 대한 실험 결과, 가혹한 배기계 모드인 재질 표면온도 800~900℃에서 본 발명에 따른 실시예가 가장 높은 고온 피로수명 및 크립수명을 나타내었다. 또한 크립수명 역시 본 발명의 실시예가 비교예보다도 높게 측정되었다. 이것은 Ni, Cr, Mn, W, Nb, N이 고온 피로수명 향상에 기여하고, N이 연신율 향상에 크게 기여한 결과라고 볼 수 있을 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (6)

1. C : 0.4~0.6 wt%, Si : 0.5~1.0 wt%, Mn : 2.1~2.9 wt%, Ni : 2.1~2.9 wt%, Cr : 18~22 wt%, Nb : 1.0~2.0 wt%, W : 2.0~3.0 wt%, N : 0.25~0.35 wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 오스테나이트계 내열주강.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 오스테나이트계 내열주강은 Ni 당량 대비 Cr 당량의 비율(Cr당량/Ni당량)이 0.8 ~ 0.9인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열주강.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 오스테나이트계 내열주강은 오스테나이트로만 구성된 기지에 미세 탄화물이 형성된 조직인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열주강.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 오스테나이트계 내열주강으로 제조된 제품의 최대 표면사용온도는 800 ~ 900℃인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열주강.
5. C : 0.4~0.6 wt%, Si : 0.5~1.0 wt%, Mn : 2.1~2.9 wt%, Ni : 2.1~2.9 wt%, Cr : 18~22 wt%, Nb : 1.0~2.0 wt%, W : 2.0~3.0 wt%, N : 0.25~0.35 wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 재질로 구성된 오스테나이트계 내열주강을 이용하여 제조된 배기매니폴드.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 배기매니폴드의 최대 사용 배기가스온도는 950~1050℃인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열주강을 이용하여 제조된 배기매니폴드.

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