KR101473205B1

KR101473205B1 - 배기가스 경로부재용 페라이트계 스테인레스강

Info

Publication number: KR101473205B1
Application number: KR1020097015121A
Authority: KR
Inventors: 마나부 오쿠; 타케오 토미타
Original assignee: 닛신 세이코 가부시키가이샤
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2014-12-16
Also published as: ES2542693T3; JP2008189974A; US20100050617A1; CN102392194A; WO2008093888A1; EP2112245A1; KR20090109540A; JP5010301B2; EP2112245A4; CN101611162A; EP2112245B1

Abstract

본 발명은 질량%로 C:0.03% 이하, Si:1% 이하, Mn:1.5% 이하, Ni:0.6% 이하, Cr:10 내지 20%, Nb:0.5 초과 내지 0.7%, Ti:0.05 내지 0.3%, Cu:1 초과 내지 2%, V:0.2 이하, N:0.03% 이하, B:0.0005 내지 0.02%, 또 필요에 따라서 Al:0.1% 이하, 또는 또 Mo, W, Zr, Co의 1종 이상을 합계로 4% 이하의 범위로 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 장직경 0.5㎛ 이상의 Cu상 및 Nb 화합물상이 모두 10개/25㎛² 이하인 조직을 갖는 자동차 배기가스 경로부재용 스테인레스강이다. 이 스테인레스강은 최고 도달 온도가 높은 타입과 낮은 타입의 어떤 배기가스 경로부재에 적용하여도 뛰어난 열 피로 특성을 나타내고, 또한 저온 인성도 뛰어나다.

배기가스 경로부재, 페라이트계 스테인레스강, 배기 매니폴드, 촉매 컨버터

Description

배기가스 경로부재용 페라이트계 스테인레스강{Ferritic stainless steel for exhaust gas passage member}

본 발명은 배기 매니폴드, 촉매 컨버터의 케이스(외통), 전방 파이프, 중심 파이프로 대표되는 배기가스 경로부재에 사용하는 페라이트계 스테인레스강, 및 이것을 사용한 자동차 배기가스 경로부재에 관한 것이다.

배기 매니폴드, 촉매 컨버터의 케이스(외통), 전방 파이프, 중심 파이프 등의 배기가스 경로부재에는 내열성이 양호한 SUS444계의 재료가 많이 사용되고 있다. 또 700℃를 넘는 고온영역에서의 내(耐)고온 산화성 및 고습 가도를 개선한 재료로서 특허문헌 1, 2에는 Cu를 1 ~ 2질량% 정도 첨가한 페라이트계 스테인레스강이 개시되어 있다. 강(鋼) 중의 Cu는 가열에 의해 Cu상으로서 석출하고, 고온 강도나 열 피로 특성을 향상시키는 작용을 갖는다. 이 종류의 Cu 함유강은 배기가스 온도가 높은 타입의 엔진에 접속되는 배기가스 경로부재에 특히 적합하다.

특허문헌 1 : 국제공개 제03/004714호 팜플릿

특허문헌 2 : 일본특허공개공보 2006-117985호

발명이 해결하고자 하는 과제

최근의 자동차 엔진의 배기가스 경로부재는 엔진 주위에 탑재되는 각종 장치의 증가에 따라 한정된 공간에 수용할 필요가 높아져, 엄격한 가공이 실시되어 사용되는 경우가 증가하고 있다. 이 때문에, 배기가스 온도가 그다지 높지 않은 엔진에 적용되는 부재에 있어서도 극히 뛰어난 열 피로 특성을 구비하고, 또 뛰어난 저온 인성을 갖는 것이 요구되게 되었다.

페라이트계 스테인리스강의 고온 강도나 열 피로 특성을 개선하는 수단으로서는 상술한 특허문헌 1, 2와 같이 Cu를 적량 첨가하는 수단이 알려져 있고, 특히 특허문헌 2에서는 700℃를 넘는 고온역에서의 고온 강도를 높이는 목적으로 Nb를 최대 0.6질량%까지 함유시키는 수단을 채용하고 있다. 하지만 발명자들의 상세한 조사에 의하면, 특허문헌 1, 2의 Cu 함유강에서는 최고 도달 온도가 높은 경우의 열 피로 특성(예를 들면 200 내지 900℃)은 양호하지만, 최고 도달 온도가 낮은 경우의 열 피로 특성(예를 들면 200 내지 750℃)에 관해서는 SUS444계의 재료에 약간 떨어지는 경우가 있는 것을 알 수 있었다. 이 때문에 특허문헌 1, 2의 강은 배기 온도가 높은 고출력 엔진의 탑재차에 대한 적용은 유리하지만, 배기 온도가 비교적 낮은 소형 엔진의 탑재차에 대한 적용에는 그다지 적합하지 않았다. 또, 고출력 엔진이어도 사용방식에 따라서는 배기 온도가 변동될 수 있기 때문에, 배기가스 경로부재로서는 최고 도달 온도가 낮은 경우에도 양호한 열 피로 특성을 나타내는 재료를 사용하는 것이 요구된다.

본 발명은 최고 도달 온도가 높은 경우와 낮은 경우의 어떤 배기가스 경로부재에 적용하여도 뛰어난 열 피로 특성을 나타내고, 또 저온 인성(靭性)에도 뛰어난 페라이트계 스테인레스강을 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

상술한 바와 같이 최고 도달 온도가 예를 들면 900℃ 이상으로 높은 경우의 열 피로 특성은 Cu상의 석출을 이용함으로써 개선된다. 그런데, 더욱 검토한 결과, 최고 도달 온도가 예를 들면 750℃ 정도 이하로 낮은 경우의 열 피로 특성에 대해서는 Nb의 석출 형태를 제어함으로써 개시되는 것이 판명되었다. 즉 Cu상과 Ni 화합물상의 석출 형태를 제어함으로써 최고 도달 온도가 높은 경우와 낮은 경우 양쪽에 대응할 수 있는 페라이트계 스테인레스강을 실현할 수 있다.

본 발명에서는 질량%로 C:0.03% 이하, Si:1% 이하, Mn:1.5% 이하, Ni:0.6% 이하, Cr:10 내지 20%, Nb:0.5 초과 내지 0.7%, Ti:0.05 내지 0.3%, Cu:1 초과 내지 2%, V:0.2 이하, N:0.03% 이하, B:0.0005 내지 0.02%, 또 필요에 따라서 Al:0.1% 이하, 또는 또 Mo, W, Zr, Co의 1종 이상을 합계로 4% 이하의 범위로 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 (1)식으로 정의되는 [Ti] 값에 따라서 하기 (2)식 또는 (3)식으로 정의되는 [Nb] 값이 0.5 내지 0.65의 범위가 되는 조성을 갖고, 장직경 0.5㎛ 이상의 Cu상이 10개/25㎛² 이하, 또 장직경 0.5㎛ 이상의 Nb 화합물상이 10개/25㎛² 이하로 조정된 조직을 갖는 배기가스 경로부재용 스테인레스강이 제공된다.

[Ti]=Ti-4(C+N) …… (1)

[Ti]≥0일 때, [Nb]=Nb …… (2)

[Ti]<0일 때, [Nb]=Nb+0.5[Ti] …… (3)

(1)식의 Ti, C, N의 개소, 및 (2)식, (3)식의 Nb의 개소에는 질량%로 나타내지는 상기 원소의 함유량의 값이 대입된다. 상기 배기가스 경로부재로서 예를 들면 자동차의 배기 매니폴드, 촉매 컨버터, 전방 파이프, 중심 파이프가 적절한 대상이 된다. 물론, 자동차 이외의 각종 배기가스 경로부재로서 사용하여도 상관없다.

본 발명에 의하면, 최고 도달 온도가 높은 경우의 열 피로 특성(예를 들면 200 내지 900℃)과 최고 도달 온도가 낮은 경우의 열 피로 특성(예를 들면 200 내지 750℃)을 동시에 개선한 페라이트계 스테인레스강재를 실현할 수 있었다. 따라서 본 발명의 페라이트계 스테인레스강은 배기가스 경로부재로서 높은 배기가스 온도에서 사용되는 경우부터 낮은 배기가스 온도에서 사용되는 경우까지 폭 넓게 적용할 수 있다. 또 이 강재는 자동차 배기가스 경로부재에 요구되는 기본적인 내열성(내고온 산화성, 고온 강도)을 구비하고 있고, 저온 인성도 뛰어나기 때문에 엄격한 가공 조건이 요구되는 작금의 배기가스 경로부재로서 극히 유용하다.

발명의 바람직한 형태

본 발명의 강(鋼)의 Cu와 Nb를 함유하는 것이며, Cu상과 Nb 화합물상이 다른 타입의 석출상이 실제의 사용환경에서 형성됨으로써 최고 도달 온도가 높은 경우나 낮은 경우에도 뛰어난 열 피로 특성을 발휘한다.

여러가지 검토한 결과, 후술하는 조성을 만족하는 강에 있어서, 장직경 0.5㎛ 이상의 Cu상이 10개/25㎛² 이하, 또 장직경 0.5㎛ 이상의 Nb 화합물상이 10개/25㎛² 이하로 조정된 조직 상태를 나타내고 있을 때, 사용시의 가열에 의해서 미세 석출물의 형성이 충분히 일어나고, 열 피로 특성의 현저한 개선이 초래되는 것을 알았다. 다시 말하면 Cu상 및 Nb 화합물 모두 장직경 0.5㎛ 이상의 석출상이 소재 중에 미리 10개/25㎛²를 초과하는 밀도로 다량으로 존재하고 있으면, 가열에 의해 미세한 석출상이 충분히 발생하지 않고, 안정된 열 피로 특성의 개선 효과를 기대할 수 없다. 또, Cu 또는 Nb가 후술하는 규정을 벗어나 과잉으로 함유되어 있는 경우에는 소재 중에 조대(粗大)한 Cu상 또는 Nb 화합물상이 존재하여도 미세한 석출상을 생성할 수 있으면 열 피로 특성의 개선이 가능한 경우는 있다. 하지만 이 경우는 조대한 석출상의 존재에 의해서 저온 인성이 저하되는 등의 폐해를 초래하기 때문에 바람직하지 않다.

Cu상은 이른바 ε-Cu라고 불리는 석출상이고, 이것은 1방향으로 성장하기 쉽기 때문에 통상은 로드형의 형상이 된다. Nb 화합물상은 Fe₂Nb를 주체로 하는 석출물이며, Mo를 함유하는 경우는 Fe₂(Mo, Nb)의 형태를 취하는 것이 일반적이다. 이 Nb 화합물상도 1방향으로 성장하기 쉽기 때문에 통상은 로드형의 형상이 된다. 따라서 이들의 석출상의 사이즈는 직경에 따라서 평가하는 것이 타당하다. 구체적으로는 투과형 전자현미경(TEM)에 의한 관찰상에 나타나는 석출물의 장직경(관찰면에 있어서의 투영 길이에 상당하는 것)을 여기서 말하는 장직경으로서 채용하면 좋다. Cu상인지 Nb 화합물상인지는 TEM에 구비되어 있는 분석장치(EDX 등)를 사용하여 동정(同定)할 수 있다. 또 Nb 탄화물, Nb 질화물은 여기서 말하는 Nb 화합물상으로부터 제외된다. 탄화물 및 질화물은 덩어리형 또는 구형(球形)을 나타내는 것이 많고, 그 형상으로부터 비교적 용이하게 Fe₂Nb형의 석출상과 구별할 수 있다. 형상으로부터의 구별이 곤란한 경우에는 상술한 석출장치(EDX 등)를 사용하여 동정할 수 있다.

사용시의 최고 도달 온도가 900℃℃ 정도 또는 그 이상으로 높아지는 경우에는 그 가열에 의해서 Cu는 충분히 재고용(再固溶)하고, 주로 500 내지 700℃에서 미세한 Cu상이 석출된다. 이것에 의해 반복 가열에 있어서의 피로 특성(즉 열 피로 특성)이 개선된다. 한편, 최고 도달 온도가 750℃ 정도 이하로 낮은 반복 가열의 경우는 Cu가 충분히 재고용되지 않는다. 이 때문에, Cu상의 미세 석출에 의한 열 피로 특성의 개선 효과를 충분히 얻을 수 없다.

본 발명에서는 Cu상만으로는 충분히 개설할 수 없는 최고 도달 온도가 낮은 경우의 열 피로 특성을 Nb 화합물상의 미세 석출에 의해서 보충한다. Nb 화합물상은 700 내지 750℃의 가열에 의해서 극히 단시간이기는 하지만 석출 강도를 초래한다. 이 단시간의 석출 강화 현상이 200 내지 750℃와 같은 범위에서의 열 피로 특성을 현저하게 개선하는 것을 알았다. 그 메커니즘에 대해서는 현시점에서 불분명한 점이 많지만, Nb 화합물상에 의한 단시간의 석출 강화에 의해서 반복 가열의 초기에 있어서의 래칫(ratchet) 변형이나 압축 응력에 의한 벌징(balging)이 억제되고, 이것이 최고 도달 온도가 낮은 경우의 열 피로 특성에 있어서 유리하게 작용하고 있다고 추정된다.

이하 성분 조성에 대해서 설명한다.

C 및 N은 일반적으로 크리프(creep) 강도 등의 고온 강도 향상에 유효한 원소가 되지만 과잉으로 함유하면 산화 특성, 가공성, 저온 인성, 용접성이 저하된다. 본 발명에서는 C, N 모두 0.03질량% 이하로 제한한다.

Si는 내고온 산화성의 개선에 유효하다. 또 용접시에 분위기 중의 산소와 결합하고, 강 중으로의 산소의 침입을 방지하는 작용을 보인다. 하지만 Si 함유량이 과잉이 되면 경도가 상승하고, 가공성, 저온 인성의 저하를 초래한다. 본 발명에서는 Si 함유량은 1질량% 이하로 억제되고, 예를 들면 0.1 내지 0.6질량%로 제한할 수 있다.

Mn은 내고온 산화성, 특히 내(耐)스케일 박리성을 개선한다. 또 Si와 마찬가지로 용접시에 분위기 중의 산소와 결합하여, 강 중으로의 산소의 침입을 방지하는 작용을 나타낸다. 단 과잉 첨가는 가공성, 용접성을 저해한다. 또 Mn은 오스테나이트 안정화 원소이기 때문에, 다량으로 첨가하면 마텐자이트상이 생성되기 쉬워지고, 가공성 등의 저하 요인이 된다. 이 때문에 Mn 함유량은 1.5질량% 이하로 제한되고, 1.3질량% 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 예를 들면 0.1 내지 1질량% 미만으로 규정할 수도 있다.

Ni는 오스테나이트 안정 원소이고, 과잉으로 함유시키면 Mn과 마찬가지로 마텐자이트상의 생성을 초래하여, 가공성 등의 저하 요인이 된다. Ni 함유량은 0.6질량%까지 허용된다.

Cr은 페라이트상을 안정화시키는 동시에 고온 재료에 중시되는 내산화성의 개선에 기여한다. 단, 과잉의 Cr 함유는 강재의 취화(脆化)나 가공성 저하를 초래한다. 이 때문에 Cr 함유량은 10 내지 20질량%로 한다. Cr 함유량은 바람직하게는 재료의 사용 온도에 맞추어 조정된다. 예를 들면 950℃까지의 뛰어난 내고온 산화성이 요구되는 경우에는 16질량% 이상의 Cr 함유가 요구되고, 900℃까지이면 12 내지 16질량%의 범위이어도 좋다.

Nb는 700℃를 넘는 고온역에서의 고온 강도를 확보하기 위해서 아주 유효한 원소이다. 이 고온 강도의 향상은 본 성분계에서는 Nb의 고용 강화에 의한 기여가 크다고 생각된다. 또 Nb는 C, N을 고정하고, 인성 저하의 방지에도 유효하다. 이들의 Nb의 작용은 종래 일반적인 것이지만, 본 발명에서는 또 Nb 화합물상의 미세 석출을 이용하여 최고 도달 온도가 750℃ 정도 이하로 낮은 경우에 있어서의 열 피로 특성의 향상을 꾀하고 있다(상술). 이러한 Nb의 작용을 충분히 얻기 위해서는 0.5질량%를 초과하는 Nb 함유량을 확보할 필요가 있고, 0.6질량%를 초과하는 Nb 함유량을 확보하는 것이 더욱 효과적이다. 단 과잉의 Nb 첨가는 가공성의 저하, 저온 인성의 저하, 용접 고온 균열 감수성의 증대를 초래하기 때문에 Nb 함유량은 0.7질량% 이하로 제한된다.

한편 Nb는 C, N과 결합하기 쉽다. Nb가 탄화물, 질화물로서 소비되어 버리면 고용 Nb에 의한 고온 강도의 향상이나 Nb 화합물상에 의한 열 피로 특성의 향상이 불충분해진다. 그래서 하기 (1)식으로 정의되는 [Ti] 값에 따라서 하기 (2)식 또는 (3)식으로 정의되는 [Nb] 값, 즉 유효 Nb량을 정의하고 있다.

[Ti]=Ti-4(C+N) …… (1)

[Ti]≥0일 때, [Nb]=Nb …… (2)

[Ti]<0일 때, [Nb]=Nb+0.5[Ti] …… (3)

C, N과 결합할 수 있는 양 이상의 Ti 함유량이 확보되어 있을 때, 즉 유효 Ti량 [Ti]가 0이상일 때에는 (2)식과 같이 Nb 함유량의 값을 그대로 유효 Nb량 [Nb]로 하여 채용하여도 좋다. 한편 유효 Ti량 [Ti]가 0보다 작을 때에는 유효 Ti량을 보충할 만큼의 Nb 함유량을 확보할 필요가 있고, (3)식과 같이 Nb 함유량보다 작은 값도 유효 Nb량 [Nb]를 채용한다.

본 발명에서는 Nb 함유량 : 0.5 초과 내지 0.7질량%의 범위에 있어서, 또 유효 Nb량 [Nb]를 0.5 내지 0.65의 범위로 규정한다. 즉 극히 좁은 범위에서 Nb 함유량을 엄밀하게 규정하는 것이 고온 강도, 저온 인성에 덧붙여 최고 도달 온도가 낮은 경우의 열 피로 특성을 향상시키는 데 중요하게 된다.

Ti는 일반적으로 C, N을 고정하고, 성형성의 개선 및 인성 저하의 방지에 유효하다. 특히 본 발명에서는 상술한 바와 같이 유효 Nb량을 확보하는 관점에서 Ti 함유량에 대해서도 엄밀한 관리가 필요하다. 구체적으로는 Ti 함유량은 0.05질량% 이상을 확보할 필요가 있다. 하지만 과잉의 Ti 첨가는 TiN의 다량 생성에 기인하는 표면 성상의 열화를 초래하고, 또 용접성, 저온 인성에도 악영향을 초래하게 된다. 이 때문에 Ti 함유량은 0.05 내지 0.3질량%로 규정된다.

Al은 탈산제이고 또 내고온 산화성을 개선하는 원소이다. 본 발명에 있어서는 0.1질량% 이하의 범에서 Al을 함유시킬 수 있다. 과잉의 Al 함유는 용접시에 다량의 산화물을 형성하고, 가공 균열의 기점으로서 작용하는 경우가 있다.

Cu는 고온 강도를 높이기 위한 중요한 원소이다. 즉 본 발명에서는 상술한 바와 같이 Cu상의 미세 분산 석출 현상을 이용하여 특히 최고 도달 온도가 900℃ 정도 이상으로 높은 경우에 있어서의 500 내지 700℃에서의 강도를 높인다. 이를 위해서는 1질량%를 초과하는 Cu 함유가 필요하다. 단 과잉의 Cu 함유는 가공성, 저온 인성, 용접성을 저하시키기 때문에 Cu 함유량은 2질량% 이하로 제한된다.

V는 Nb, Cu와의 복합 첨가에 의해서 고온 강도의 향상에 기여한다. 또 Nb와의 공존에 의해 가공성, 저온 인성, 내입계(耐粒界) 부식 감수성, 용접 열 영향의 인성을 개선한다. 단, 과잉 첨가하면 가공성, 저온 인성을 초래하게 되기 때문에 0.2질량% 이하의 범위에서 함유시킨다. V 함유량은 0.01 내지 0.2질량%의 범위로 하는 것이 바람직하고, 0.03 내지 0.15질량%로 하는 것이 한층 바람직하다.

B는 2차 가공 취성을 개선하기 위해서 유효하다. 그 메커니즘은 입계 고용 C의 감소나 입계 강화에 의한 것으로 추찰된다. 하지만 과잉의 B첨가는 제조성이나 용접성을 열화시킨다. 본 발명에서는 0.0005 내지 0.02질량%의 범위에서 B를 함유시킨다.

Mo, W, Zr, Co는 본 성분계의 페라이트계 스테인레스강의 고온 강도를 향상시키기 위해서 유효하다. 필요에 따라서 이들의 1종 이상을 첨가할 수 있다. 단 다량의 첨가는 강의 취화를 초래하기 때문에 이들의 원소를 첨가하는 경우에는 그 합계 함유량이 4질량% 이하가 되도록 한다. 합계 함유량이 0.5 내지 4질량%의 범위가 되도록 첨가하는 것이 더욱 효과적이다.

이상의 조성을 갖는 페라이트계 스테인레스강은 일반적인 스테인레스강의 제강 프로세스로 용제(溶製)할 수 있고, 그 후, 예를 들면 「열간 압연→소둔→산세」의 공정 또는 또 「냉간 압연→소둔→산세」를 1회 또는 복수회 행하는 공정에 의해서 판 두께가 예를 들면 1 내지 2.5mm 정도의 소둔 강판으로 한다. 단, 완성 소둔에 있어서는 Nb의 석출 온도역과 Cu의 석출 온도역에 있어서 각각 적정한 냉각 속도로 하는 것이 중요하다. 예를 들면 완성 소둔 조건으로서 강재를 950 내지 1100℃ 바람직하게는 1000 내지 1100℃로 가열한 후, Nb 화합물상의 석출 온도역인 1000 내지 700℃의 평균 냉각 속도(가열 온도가 1000℃ 미만일 때는 상기 가열 온도로부터 700℃까지의 평균 냉각 속도)를 30초과 내지 100℃/초로 하고, Cu상의 석출 온도인 700 내지 400℃의 평균 냉각 속도를 5 내지 50℃/초로 하는 조건을 채용할 수 있다. 상기한 조성 조정과 이러한 열 처리 조건에 의해서 장직경 0.5㎛ 이상의 Cu상의 10개/25㎛² 이하, 또 장직경 0.5㎛ 이상의 Nb 화합물상이 10개/25㎛² 이하로 조정된 조직상태의 강재(소둔강판)를 얻을 수 있다. 여기서 「완성 소둔」이란 강재의 제조 단계에서 행하여지는 최후의 소둔이다.

이 소둔강판을 사용하여 배기가스 경로부재가 구축된다. 관 형상 부재의 경우에는 상기 소둔강판을 소정의 관 형상으로 롤 포밍(roll forming)하고, 소재의 맞댐부를 용접함으로써 제조하여 용접강판을 얻을 수 있다. 용접 방법으로서는 TIG 용접, 레이저 용접, 고주파 용접 등, 공지의 관 제조 용접법을 적용할 수 있다. 얻어진 강관은 필요에 따라서 열 처리 공정이나 산세 공정을 거친 후, 배기가스 경로부재로 성형 가공된다.

표 1에 나타내는 조성의 페라이트계 스테인레스강을 용제하여 「열간 압연→소둔·산세→냉간압연→소둔·산세」의 공정에서 판 두께 2mm의 소둔강판을 얻었다. 또 주조 슬래브의 일부를 사용하여 열간 단조에서 직경 약 25mm의 환봉을 만들고 이것을 완성 소둔하였다. 판재에 있어서의 완성 소둔 및 봉재에 있어서의 완성 소둔은 강 No.19를 제외하고, 모두 1050℃×균열 1분 유지 후, 1000℃부터 700℃까지의 평균 냉각 속도가 30 초과 내지 100℃/초의 범위가 되고, 또 700℃부터 400℃까지의 평균 냉각 속도가 5 내지 50℃/초의 범위가 되는 조건으로 행하였다. 강 No.19에서는 1000℃부터 700℃까지의 평균 냉각 속도가 10 내지 20℃/초의 범위가 되도록 제어한 것 이외에, 다른 예와 같은 조건으로 완성 소둔을 하였다(판재, 봉재 모두 공통 조건).

판재의 압연방향 및 봉재의 길이방향을 각각 L방향이라고 부를 때, 완성 소둔 후의 부재 및 봉재에 대해서 각각 L방향에 수직인 단면에 있어서의 금속 조직 관찰을 하였다. 투과형 전자현미경(TEM)을 사용하여 Cu상 및 Nb 화합물상의 사이즈를 조사하여, 25㎛²당 관찰되는 장직경 0.5㎛ 이상의 Cu상 및 Nb 화합물상의 수를 계측하였다. 1개의 시료에 대해 적어도 10 시야의 관찰을 행하고, 평균을 채택하였다. 석출상의 종류는 TEM에 부속되는 EDX(에너지 분산형 형광 X선 분석)장치로 Fe, Nb, Mo, Cu를 정량화함으로써 분류하였다. 석출상이 미세한 경우에는 강 소지(素地)의 성분 원소가 함께 검출되기 때문에, 석출상에 조준을 한 상기 4원소의 석출치에 있어서 Cu가 50질량% 이상이 되는 것을 Cu상, Nb가 30질량% 이상이 되는 것을 Nb 화합물상으로 분류하였다. 장직경 0.5㎛ 이상의 Cu상이 10개/25㎛² 이하인 것을 ○(양호), 이 이외의 것을 ×(불량)로 하고, 표 2의 Cu상의 난에 결과를 나타내었다. 또 장직경의 0.5㎛ 이상의 Nb 화합물상이 10개/25㎛² 이하인 것을 ○(양호), 그 이외의 것을 ×(불량)로 하고, 표 2의 Nb 화합물상의 난에 결과를 나타내었다. 각 강 모두 판재와 봉재의 사이에서 결과에 차는 없었기 때문에, 표 2에 나타내는 석출상의 평가는 판재, 봉재 어디에나 적당하다.

판재를 사용하여 충격시험을 실시하여 저온 인성을 평가하였다. 충격을 부여하는 방향이 판의 압연방향이 되도록 V노치 충격시험편을 채취하고, JIS Z2242의 충격시험을 -75 내지 50℃의 범위에서 25℃ 노치로 행하고, 연성 취성(脆性) 천이 온도를 구하였다. 천이 온도가 -25℃보다 낮은 것(-25℃라도 연성 파면을 나타내는 것)을 ○(양호), 그 이외의 것을 ×(불량)로 하여 평가하였다.

봉재를 사용하여 열 피로 시험을 실시하여 200 내지 750℃ 및 200 내지 900℃의 열 피로 특성을 조사하였다. 직경 10mm, 평균부 길이 20mm가 되도록 표점간부를 절삭 가공하여(표점간 길이는 15mm), 표점간 중앙 위치에 직경이 7mm가 되도록 R=5.7mm의 노치를 형성한 환봉 시험편을 제작하고, 대기 중에서 하기의 조건으로 시험 및 평가를 하였다. 또 응력이 균열 발생시의 응력의 75%로 저하되었을 때의 반복수를 열 피로 수명으로 정의한다.

〔200 내지 750℃의 열 피로 특성〕

구속율(열 팽창에 대한 부여 왜곡의 비)을 25%로 하고, 「200℃×0.5분 유지→승온 속도 약 3℃/초로 750℃까지 승온→750℃에서 2.0분간 유지→냉각 속도 약 3℃/초로 200℃까지 냉각」을 1사이클로 하는 히트 사이클을 반복하여, 열 피로 수명이 1800사이클 이상을 ○(양호), 1500사이클 이상 1800사이클 미만을 △(약간 불량), 1500사이클 미만을 ×(불량)로 평가하고, ○평가를 합격으로 하였다.

〔200 내지 900℃의 열 피로 특성〕

구속율(열 팽창에 대한 부여 왜곡의 비)을 20%로 하고, 「200℃×0.5분 유지→승온 속도 약 3℃/초로 900℃까지 승온→900℃에서 0.5분 유지→냉각 속도 약 3℃/초로 200℃까지 냉각」을 1사이클로 하는 히트 사이클을 반복하여, 열 피로 수명이 900사이클 이상을 ○(양호), 900사이클 미만을 ×(불량)로 평가하고, ○평가를 합격으로 하였다.

이들의 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 규정하는 화학 조성 및 Cu상·Nb 화합물상의 석출 형태를 만족하는 본 발명예는 최고 도달 온도가 높은 경우의 열 피로 특성(200 내지 900℃) 및 최고 도달 온도가 낮은 경우의 열 피로 특성(200 내지 750℃)의 양쪽이 개선되어 있고, 저온 인성도 양호하였다.

이것에 대해서 비교예인 No.13 내지 15, 17은 Nb 함유량이 적고, 유효 Nb량 [Nb]도 부족하였기 때문에 최고 도달 온도가 750℃로 낮은 경우에 미세한 Nb 화합물상의 생성이 불충분해지고, 200 내지 750℃ 열 피로 특성이 떨어졌다. No.16은 Cu 및 Nb를 과잉으로 함유하기 때문에 조대한 Cu상 및 Nb 화합물상이 많이 존재하였음에도 불구하고, 열 피로 특성의 개선이 가능하였다. 하지만 저온 인성이 떨어졌다. No.18은 SUS444에 상당하는 종래 강이며, Cu 함유량이 낮지만 Mo 함유량이 높기 때문에 200 내지 900℃에서의 열 피로 특성은 양호하였다. 하지만 유효 Nb량이 불충분하기 때문에 200 내지 750℃에서의 열 피로 특성은 개선되지 않았다. No.19는 본 발명에서 규정하는 조성을 갖는 강이지만, 완성 소둔에 있어서 Nb 화합물상 석출 온도역의 냉각 속도가 지나치게 늦음으로써 조대한 Nb 화합물상이 생성되어 버리고, 그 후의 가열에서 미세한 Nb 화합물상의 석출이 충분히 일어나지 않았기 때문에 200 내지 750℃의 열 피로 특성이 떨어졌다. 또 조대한 Nb 화합물상의 영향에 의해 저온 인성도 떨어졌다.

Claims

질량%로 C:0.03% 이하, Si:1% 이하, Mn:1.5% 이하, Ni:0.6% 이하, Cr:10 내지 20%, Nb:0.5 초과 내지 0.7%, Ti:0.05 내지 0.3%, Cu:1 초과 내지 2%, V:0.2 이하, N:0.03% 이하, B:0.0005 내지 0.02%, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 (1)식으로 정의되는 [Ti] 값에 따라서 하기 (2)식 또는 (3)식으로 정의되는 [Nb] 값이 0.5 내지 0.65의 범위가 되는 조성을 갖고, 장직경 0.5㎛ 이상의 Cu상이 10개/25㎛² 이하, 또 장직경 0.5㎛ 이상의 Nb 화합물상이 10개/25㎛² 이하로 조정된 조직을 갖는 배기가스 경로부재용 스테인레스강.

[Ti]=Ti-4(C+N) …… (1)

[Ti]≥0일 때, [Nb]=Nb …… (2)

[Ti]<0일 때, [Nb]=Nb+0.5[Ti] …… (3)
제 1 항에 있어서, Al:0.1질량% 이하를 함유하는 조성을 추가로 갖는 배기가스 경로부재용 스테인레스강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, Mo, W, Zr, Co의 1종 이상을 합계로 4% 이하의 범위로 함유하는 조성을 추가로 갖는 배기가스 경로부재용 페라이트계 스테인레스강.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 스테인레스강으로 이루어진 자동차 배기가스 경로부재로서, 상기 배기가스 경로부재는 자동차의 배기 매니폴드, 촉매 컨버터, 전방 파이프, 중심 파이프 중 어느 하나인 자동차 배기가스 경로부재.
제 3 항에 기재된 스테인레스강으로 이루어진 자동차 배기가스 경로부재로서, 상기 배기가스 경로부재는 자동차의 배기 매니폴드, 촉매 컨버터, 전방 파이프, 중심 파이프 중 어느 하나인 자동차 배기가스 경로부재.