KR101576069B1

KR101576069B1 - 오스테나이트계 내열 주강 및 그것으로 이루어지는 배기계 부품

Info

Publication number: KR101576069B1
Application number: KR1020107015874A
Authority: KR
Inventors: 마사히데 가와바타
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2015-12-09
Also published as: JPWO2009104792A1; JP5353716B2; US8388889B2; US20110000200A1; EP2258883B1; EP2258883A1; KR20100113520A; EP2258883A4; WO2009104792A1; CN101946018A; CN101946018B

Abstract

본 발명은, 질량%로, C: 0.3~0.6%, Si: 1.1~2%, Mn: 1.5% 이하, Cr: 17.5~22.5%, Ni:8~13%, W 및 Mo 중 적어도 1종: (W+2Mo)로 1.5~4%, Nb: 1~4%, N: 0.01~0.3%, S: 0.01~0.5%, 잔부(殘部) Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 또한 하기 식(1), (2), (3) 및 (4)를 만족시키는, 오스테나이트계(austenitic) 내열(耐熱) 주강(鑄鋼)에 관한 것이다.

여기서, 각 식 중의 원소 기호는 주강 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.

Description

오스테나이트계 내열 주강 및 그것으로 이루어지는 배기계 부품{AUSTENITIC HEAT-RESISTANT CAST STEEL AND EXHAUST SYSTEM COMPONENTS MADE THEREFROM}

본 발명은, 자동차용의 가솔린 엔진 및 디젤 엔진의 배기계(排氣系) 부품 등에 적합한 내열 주강(鑄鋼)에 관한 것이며, 특히 내산화성, 열피로(熱疲勞) 수명 등의 내열성 및 용접성이 우수한 오스테나이트계(austenitic) 내열 주강과 그것으로 이루어지는 배기계 부품에 관한 것이다.

최근, 지구 규모에서의 환경 부하의 저감이나 환경 보전을 주장하고 있고, 자동차에 있어서의 환경 보전에 대한 대응으로서 대기 오염 물질의 배출을 저감하기 위한 배기 가스의 정화와, 지구 온난화의 한 요인인 CO₂의 배출 억제를 위한 에너지 절약이나 연비 성능의 향상(저연비화)이 강하게 요구되고 있다. 자동차의 배기 가스 정화나 연비 개선에는, 엔진 자체의 고성능화나 저연비화, 엔진으로부터 배출되는 대기 오염 물질의 후처리에서의 정화, 차량의 경량화, 차체의 공기 저항의 저감, 엔진으로부터 구동계에 대한 손실이 적은 효율적인 동력 전달 등, 다양한 대책 기술이 개발 및 채용되어 오고 있다.

이 중, 엔진 자체의 고성능화나 저연비화를 위한 대응 기술로서는, 연료 분사 방식의 직분화(直噴化), 연료의 고압 분사, 압축비의 증대, 터보 차져(과급기)의 부스트압의 상승, 배기량 저감, 과급화에 의한 엔진의 경량 컴팩트화(다운사이징) 등을 들 수 있고, 이들 기술이 고급차에 한정되지 않고 대중적인 차에도 도입되고 있다. 그 결과, 엔진을 보다 고온 및 고압으로 연소시키는 경향이 있고, 이에 따라 엔진의 연소실로부터 배기계 부품에 배출되는 배기 가스의 온도도 상승하는 경향이 있다. 예를 들면, 대중적인 차에 있어서도 배기 가스의 온도가 고급 스포츠카와 같은 수준의 1000℃ 이상으로 되고, 배기계 부품 자체의 온도가 표면 온도로 950℃를 초과하는 경우도 있다. 배기계 부품은 이와 같은 고온 지역에서 산화성(酸化性)의 가스나 대기 중의 산소에 노출되어 종래보다 더욱 엄격한 산화 환경에 있게 되고, 또한 엔진의 운전 및 정지에 의해 가열 및 냉각의 반복 열사이클을 받게 된다. 따라서, 배기계 부품에는 종래보다 더욱 내산화성, 열피로 수명 등의 내열성이나 내구성의 향상이 요구되고 있다.

종래, 자동차용의 가솔린 엔진 및 디젤 엔진의 구성 부재인 배기 가스 매니폴드, 터빈 하우징 등의 배기계 부품은, 형상이 복잡하므로 형상 자유도가 높은 주물(鑄物)에 의해 제조되고 있고, 또한 사용 조건이 고온에서 가혹한 것으로부터, 내열성 및 내산화성이 우수한, 고Si 구형(球狀) 흑연 주철, 니레지스트 주철(Ni-Cr계 오스테나이트 주철) 등의 내열 주철, 페라이트계 내열 주강, 오스테나이트계 내열 주강 등이 사용되고 있다.

그러나, 고Si 구형 흑연 주철이나 니레지스트 주철이라는 종래의 내열 주철은, 배기 가스 온도로 900℃ 이하, 배기계 부품의 온도로서 850℃ 정도 이하까지는 비교적 높은 강도를 가지지만, 900℃를 초과하는 배기 가스에 노출되는 환경 하에서는 강도가 저하되고, 또한 내산화성 및 열피로 수명 등의 내열성이 저하된다. 또한, 니레지스트 주철은 희소 금속(레어 메탈)인 Ni를 질량비로 35% 전후로 많이 함유하므로 고가로 되는 등의 문제가 있다. 또한, 페라이트계 내열 주강도 통상 900℃ 이상에서의 고온 강도가 뒤떨어진다는 문제가 있다.

내열 주철이나 페라이트계 내열 주강보다 고온에 견디는 재료로서, 오스테나이트계 내열 주강이 있다. 일본공개특허 제1995-228948호는, 자동차용 엔진의 배기계 부품 등에 바람직한 오스테나이트계 내열 주강으로서, 질량비로, C: 0.2 ~1.0%, C-Nb/8: 0.05~0.6%, Si: 2% 이하, Mn: 2% 이하, Cr: 15~30%, Ni: 8~20%, W: 1~6%, Nb: 0.5~6%, N: 0.01~0.3%, S: 0.01~0.5%, 잔부(殘部) Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 오스테나이트계 내열 주강에 대하여 개시되어 있다. 일본공개특허 제1995-228948호는, 20Cr-10Ni계의 오스테나이트계 내열 주강에, Nb, W, N 및 S를 적당량 첨가하여 이루어지는 내열 주강은, 900℃ 이상의 고온 강도가 향상되고, 또한 주조성(鑄造性) 및 피삭성(被削性)이 우수하므로 배기계 부품에 가장 바람직한 것으로 기재되어 있다.

그러나, 일본공개특허 제1995-228948호에 기재된 20Cr-10Ni 오스테나이트계 내열 주강은, 배기계 부품의 온도가 900~950℃ 정도에서의 사용을 상정하여 제안된 것이며, 1000℃ 부근의 온도에서는, 내산화성이나 열피로 수명이 충분하지 않아 내열성이나 내구성이 뒤떨어진다. 특히, 열피로 수명은 만족스럽지 않으므로 개량의 여지가 있다. 따라서, 표면 온도가 1000℃ 부근에 달하도록 한 배기계 부품(예를 들면, 높은 부스트압이 설정된 터보 챠져의 터빈 하우징)에는 사용할 수 없다.

일본공개특허 제2000-291430호는, 고온의 사용 조건 하에서의 내구성을 보다 향상시킨 오스테나이트계 내열 주강제의 배기계 부품으로서, 질량비로, 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%, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하는 조성으로 이루어지고, 또한 W: 1~4% 및/또는 Nb: 1% 초과 4% 이하를 포함하고, Cr/Ni의 질량비를 1.0~1.5로 한 고Cr 고Ni 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품이 개시되어 있다. 일본공개특허 제2000-291430호에 기재된 고Cr 고Ni 오스테나이트계 내열 주강은, 20Cr-10Ni 오스테나이트계 내열 주강보다 주요 합금 원소인 Cr 및 Ni 함유량을 증가시킨 25Cr-20Ni계의 오스테나이트계 내열 주강을 베이스로, 재료의 조성 범위나 조직 형태를 제어하여 고온 강도뿐아니라 내산화성을 대폭 개량한 것이며, 1000℃를 초과하는(특히 1050℃ 부근, 또한 1100℃ 부근) 배기 가스에 노출되는 배기계 부품에 바람직하다.

그러나, 일본공개특허 제2000-291430호에 기재된 25Cr-20Ni 오스테나이트계 내열 주강은, 고온 특성이나 내열성을 확보하기 위해 고가의 희소 금속인 Cr 및 Ni를 다량으로 함유하고 있다. 이들 희소 금속은 특정 국가나 지역에 있어서 소량 밖에 산출되지 않으므로, 고가일뿐아니라 세계 경제 정세의 영향을 받기 쉬워 안정된 공급이 어렵고, 또한 투자 대상으로 되어 가격이 상승하는 등의 문제점이 있었다. 일본공개특허 제2000-291430호에 기재된 25Cr-20Ni 오스테나이트계 내열 주강은, Cr 및 Ni를 각각 25 질량% 및 20 질량% 정도 함유하고 있으므로 제조 비용이 높아져, 대중적인 차량 전용 엔진의 배기계 부품에 사용하는 데는 경제성 및 안정성의 면에서 문제가 있었다.

배기계 부품에는, 자동차의 배기 가스 정화나 연비의 개선을 달성하기 위해, 전술한 내열성이나 내구성 이외에도 다양한 개량해야 할 기술적 과제가 있다. 예를 들면, 후처리에서의 배기 가스 정화 처리[배기 가스 정화 장치에 내장한 촉매나 필터에 의해 배기 가스 중의 유해 물질 등을 제거하는 처리]에 있어서는, 엔진 시동 시에 촉매를 조기에 온도 상승시켜 활성화시키거나 배기 가스를 촉매나 필터 전체에 균등하게 공급하거나 하여 정화 성능을 향상시킬 필요가 있다. 촉매의 조기 활성화를 위해서는, 배기계 부품을 통과하는 배기 가스의 온도 저하를 적게, 즉 배기 가스의 열이 극력(極力) 빼앗기지 않도록 하지 않으면 안된다. 따라서, 배기 통로의 열용량(히트 매스)을 적게 하기 위해, 배기계 부품에는 박형화가 요구되고 있다. 또한, 촉매 등의 정화 성능의 향상뿐아니라, 엔진의 출력 저하 방지, 과급기의 효율 향상 등을 위해서는, 배기 가스의 흐름을 원활하게 하거나 압력 손실을 감소시키는 것이 요구되고 있다. 이를 위해서는, 배기 가스의 유동 저항의 저감, 배기 분배의 개선, 난류나 배기 간섭의 방지 등이 유효하고, 예를 들면, 배기계 부품의 배기 통로의 단축이나 급격한 방향 변경의 방지 등을 배려한 설계가 요구되고 있다.

또한, 자동차에는, 저연비화를 목적으로 한 차량의 경량화나 차체의 공기 저항의 저감, 또한 안전성의 향상도 요구되고 있다. 예를 들면, 공력(空力) 특성을 개선하기 위한 차체 형상의 연구로서 엔진룸 바로 위쪽의 보닛 높이를 낮게 하는, 충돌시의 안전성을 확보하기 위해 엔진룸 내에 충격 흡수(크러시블(crusible))영역을 형성하는 등의 대책이 도모되어 있다. 이들 대책에 의해 엔진룸 내의 레이아웃 설계의 자유도는 감소하고 있어, 배기계 부품에도 중량이나 용적의 저감이 요구되고 있다. 이와 같이, 자동차의 경량화나 안전성의 향상에 대한 요구의 견지로부터도, 배기계 부품에는 경량화, 컴팩트화, 배기 통로의 원활화 등에 대한 대응이 필요해진다.

전술한 배기계 부품에 대한 요구에 따르기 위해, 예를 들면, (a) 배기 가스 매니폴드에 있어서 배기 통로인 분기관의 관형부를 얇은 판금제 또는 파이프제의 부재로 하고, 실린더 헤드나 터빈 하우징 등 상대 부재와의 체결부인 장착 플랜지나 집합 케이스를 주물제의 부재로 하여, 양자를 용접 접합하여 성형함으로써, 배기 통로의 열용량이 적은 얇고 경량인 배기 가스 매니폴드로 하는, (b) 장척의 배기 가스 매니폴드를 복수 개의 주물 부재로 분할하여, 상기 주물 부재끼리를 벨로즈형의 파이프 부재로 용접 접합함으로써, 열팽창에 기인하는 균열을 방지하고 배기 가스 매니폴드로 하는, (c) 배기 가스 매니폴드와 터빈 하우징을 모두 주물 부재로 하는 경우에, 통상, 볼트로 체결되는 곳, 양자를 용접 접합으로 하여 볼트 체결을 위한 두께의 플랜지나 체결 작업을 위한 공구 삽입 스페이스를 불필요하게 하여, 열용량을 저감한 경량 컴팩트한 배기계 부품으로 하는 등의 제안이 있었다.

상기 예시한 것처럼, 배기계 부품에 요구되는 높은 내열성이나 내구성, 또한 박형화, 경량화, 컴팩트화, 배기 통로의 원활화 등에 대응하는 데는, 판금 부재나 파이프 부재와 주물 부재, 또는 주물 부재끼리를 용접에 의해 접합하는 것이 유효하다. 복잡한 형상으로 되기 쉬운 배기계 부품은, 높은 형상 자유도를 가지는 주물 부재를 구성 부재에 포함하고, 또한 용접에 의해 성형 가능하도록 함으로써, 그 설계의 자유도나 제작 용이성이 향상되고, 체결 볼트나 가스켓 등의 부품을 저감할 수 있다.

용접 접합하여 배기계 부품을 성형하기 위해서는, 용접 균열이 생기지 않는 충분한 용접성이 필요하다. 또한, 용접성은, 부재끼리의 접합뿐아니라 주물 부재의 주조 결함의 용접 보수에 있어서도, 그 우열이 생산 수율이나 생산성에 영향을 미치는 중요한 특성이다. 이와 같이 배기계 부품을 구성하는 재료에는, 내열성이나 내구성에 더하여 용접성을 가질 것이 요구된다. 일본공개특허 제1995-228948호 및 일본공개특허 제2000-291430호에 기재된 오스테나이트계 내열 주강은, 모두 경제성을 배려하면서 내열성이나 내구성을 확보하고, 또한 용접성을 개선하는 견지로부터의 검토는 충분하지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은, 1000℃ 부근에서의 내산화성이나 열피로 수명이라는 내열성 및 용접성이 우수하고, 또한 희소 금속의 함유량이 적고, 경제성, 자원의 유효 활용성, 안정 공급성 등이 양호한 오스테나이트계 내열 주강과, 이 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어지는, 자동차용 엔진의 구성 부품으로서 바람직한 배기계 부품을 제공하는 것에 있다.

일본공개특허 제1995-228948호에 기재된 20Cr-10Ni계는 1000℃ 부근에서의 내열성이나 내구성이 뒤떨어지지만, 희소 금속인 Cr 및 Ni의 함유량이 비교적 적고, 한편, 일본공개특허 제2000-291430호에 기재된 25Cr-20Ni계는 1000℃를 넘어서의 내열성이나 내구성이 우수할뿐, Cr 및 Ni의 함유량이 많으므로, 본 발명자는, 20Cr-10Ni 오스테나이트계 내열 주강을 베이스로 내열성이나 내구성에 기여하고 있는 Cr 및 Ni를 저감해도 25Cr-20Ni계와 동등한 1000℃ 부근에서의 내열성이나 내구성을 부여할 수 없는지를, 합금 원소나 조성 범위를 여러 가지 변경하여 검토했다.

그 결과, Si 함유량을 증가시키면, Cr 및 Ni가 적은 20Cr-10Ni계라도 25Cr-20Ni계와 동등한 내열성을 얻을 수 있지만, 다량의 Si 함유는 용접성을 현저하게 악화시키는 것을 알 수 있었다. 그래서, 본 발명자는, Si를 증가시켜도 용접성을 악화시키지 않고, 내열성과 내구성을 부여할 수 있는 조성 범위를 발견하기 위해 더욱 예의 연구한 결과, (a) 고온 강도, 내산화성 등 기본적인 내열성을 확보하기 위해서는, Si를 증가하면서, C, Mn, Cr, Ni, W, Mo, Nb, N 및 S 등 주요 합금 원소의 각각의 함유량을 적정 범위로 한정하고, (b) 열피로 수명을 향상시키기 위해서는, Si와 W 및/또는 Mo를 특정한 관계 하에서 함유하고, (c) Si를 증가시키면서 양호한 용접성을 확보하기 위해서는, C, Si, Cr, Ni, W, Mo 및 Nb에 대한 각각의 함유량뿐아니라, 그 총량이 특정한 관계로 되도록 규정하면 된다는 새로운 지견을 얻고, 본 발명에 이르렀다.

즉, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은,

질량%로,

C: 0.3~0.6%,

Si: 1.1~2%,

Mn: 1.5% 이하,

Cr: 17.5~22.5%,

Ni: 8~13%,

W 및 Mo 중 적어도 1종: (W+2Mo)로 1.5~4%,

Nb: 1~4%,

N: 0.01~0.3%,

S: 0.01~0.5%,

잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 또한 하기 식(1), (2), (3) 및 (4)를 만족시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은, 1000℃에 있어서 200시간 대기 중에 유지했을 때의 산화(酸化) 감량이 20mg/cm² 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은, 가열 상한 온도 1000℃, 온도 진폭 850℃ 이상, 및 구속율 0.25의 조건 하에서 가열 냉각시키는 열피로 시험에 의해 측정한 열피로 수명이 800 사이클 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 배기계 부품은, 상기한 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 배기계 부품으로서는, 배기 가스 매니폴드, 터빈 하우징, 터빈 하우징 일체 배기 가스 매니폴드, 촉매 케이스, 촉매 케이스 일체 배기 가스 매니폴드, 또는 배기 가스 아웃렛인 것이 바람직하다.

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은, 1000℃ 부근에서의 내산화성 및 열피로 수명 등의 내열성에 더하여 우수한 용접성을 가지는 동시에, Cr 및 Ni 등 고가의 희소 금속을 비교적 저렴한 Si로 대체하여 내열성을 부여하고 있으므로, 원재료 비용을 저감할 수 있는 경제적 효과뿐아니라, 희소 금속 자원의 유효 활용이나 안정적인 공급에도 공헌한다. 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은 자동차용의 배기계 부품용으로서 바람직하다.

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품은, 자동차의 배기 가스 정화, 연비 개선 및 안전성 향상을 위해 요구되는 높은 내열성이나 내구성을 가지고, 또한 우수한 용접성을 가지므로, 박형화, 경량화, 컴팩트화, 배기 통로의 원활화 등에 대응 가능하다. 또한, 희소 금속을 저감하여 염가로 제조할 수 있으므로, 대중적인 차에 대한 적용도 가능하며, 자동차용 엔진의 구성 부품으로서 바람직하다.

도 1은 오스테나이트계 내열 주강의 시차 주사 열량 측정(DSC)에 의한 열분석 결과를 나타낸 모식도이다.
도 2는 Si 및 (W+2Mo)의 조성과 오스테나이트계 내열 주강의 열피로 수명과의 관계를 나타낸 그래프이다.

[1] 오스테나이트계 내열 주강

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강의 구성에 대하여 이하 상세하게 설명한다. 그리고, 합금을 구성하는 각 원소의 함유량은, 특히 한정하지 않는 한 질량%로 나타낸다.

(1) C(탄소): 0.3~0.6%

C는, (a) 용탕(溶湯)의 유동성, 즉 주조성을 양호하게 하는 작용, (b) 일부 베이스에 고용(固溶)하여 고용을 강화하는 작용, (c) Cr의 정출(晶出) 탄화물이나 석출(析出) 탄화물을 형성하고, 고온 강도를 높이는 작용, 및 (d) Nb와 공정(空晶) 탄화물을 형성하고, 주조성을 높이는 동시에 고온 강도를 향상시키는 작용이 있다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘하기 위해, C의 함유량은 0.3% 이상 필요하다. 그러나, C가 0.6%를 넘으면 Cr의 정출 탄화물이나 석출 탄화물이 너무 많아져 약해지므로, 연성(延性)이 저하되는 동시에 가공성이 열화된다. 또한, Cr의 정출 탄화물이 너무 많으면 용접성이 열화된다. 따라서, C의 함유량은 0.3~0.6%로 규정한다. C의 바람직한 함유량은 0.4~0.55%이다.

(2) Si(규소): 1.1~2%

Si는, 용탕의 탈산제(脫酸劑)로서의 역할을 가지는 외에, 내산화성의 향상과, 이에 기인하는 열피로 수명의 개선에 유효한 원소이다. 내산화성은, 주물의 표면 부근의 산화층의 조성과 밀접하게 관계되어 있다. 본 발명의 20Cr-10Ni계의 내열 주강에 있어서, 1000℃ 부근으로 가열되었을 때의 표면 부근의 산화층에 주목하면, Si 함유량이 적은 경우에는, 표면 바로 아래의 최표층(最表層)에 성장이 빠른 Fe 리치의 산화층을 형성하므로 내산화성은 뒤떨어지지만, Si 함유량이 많으면 최표층에는 Cr의 산화층이, 그 내측에는 Si의 산화상(酸化相)이 덩어리형으로 형성된다. Cr 및 Si의 산화층의 성장은 늦으므로, 양호한 내산화성을 나타낸다. 최표층에 Cr의 산화층, 그 내측에 Si의 산화상을 형성하기 위해서는, 적어도 1.1% 이상의 함유량의 Si가 필요하다. 그러나, Si는 과잉으로 가하면 오스테나이트 조직이 불안정하게 되어, 주조성의 열화를 초래한다. 또한, 어느 정도의 Si의 증가는 용접성을 개선할뿐, Si가 과잉으로 되면 용접성이 현저하게 악화되어 용접 균열이 발생하기 쉬워지므로, Si의 함유량은 2% 이하로 한다. 그러므로, Si의 함유량은 1.1~2%로 규정한다. Si의 함유량은, 바람직하게는 1.25~1.8%이며, 보다 바람직하게는 1.3~1.6%이다.

(3) Mn(망간): 1.5% 이하

Mn은, Si와 마찬가지로 용탕의 탈산제로서 유효하지만, 과잉으로 함유하면 내산화성이 열화되므로, Mn의 함유량은 1.5% 이하로 한다.

(4) Cr(크롬): 17.5~22.5%

Cr은, 후술하는 Ni와 함께 내열 주강의 조직을 오스테나이트화함으로써 고온 강도나 내산화성을 높이는 것 외에 정출 탄화물이나 석출 탄화물을 형성하여 고온 강도를 높이는 극히 중요한 원소이다. 특히 1000℃ 부근의 고온역에서 이들의 효과를 발휘하게 하기 위해서는, Cr을 17.5% 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, Cr은, 22.5%를 넘게 함유하면 조직 중에 페라이트가 정출된다. 수% 정도의 근소한 정출 페라이트는 용접 균열의 발생을 억제하여 용접성을 향상시키지만, 페라이트가 증가하면 고온 강도가 저하되어 버린다. 또한, Cr이 과잉으로 함유되면 정출 탄화물이 너무 많아지게 되어 약해지므로, 연성을 저하시킨다. 또한, Cr은 희소 금속이기 때문에 경제성의 관점으로부터 과잉의 함유는 억제해야 한다. 그러므로, Cr 함유량은 17.5~22.5%로 규정한다.

(5) Ni(니켈): 8~13%

Ni는, 전술한 Cr과 함께 내열 주강을 오스테나이트 조직으로 하고, 그 조직을 안정적으로 하는 동시에 일반적으로 얇고 복잡 형상인 배기계 부품의 주조성을 높이는 데 유효한 원소이다. 이와 같은 작용을 발휘하기 위해서는, Ni는 8% 이상 함유하는 것이 필요하다. 그러나, Ni는 Cr와 마찬가지로, 희소 금속이기 때문에 가격뿐아니라 자원의 유효 활용이나 안정적인 공급 등 경제성의 관점으로부터, 과잉의 함유는 피해야 하는 것이다. 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은, Si의 함유량을 1.1% 이상으로 하여 25Cr-20Ni 오스테나이트계 내열 주강과 동등한 1000℃ 부근에서의 내열성을 부여하고 있으므로, Ni의 함유량은 13% 이하로 억제할 수 있다. 그러므로, Ni 함유량은 8~13%로 규정한다. Ni의 바람직한 함유량은 9~12%이다.

(6) W(텅스텐) 및 Mo(몰리브덴) 중 적어도 1종: (W+2Mo)으로 1.5~4%

W 및 Mo는, 모두 내열 주강의 고온 강도를 개선한다. 이 효과는 적어도 한쪽을 함유시킴으로써 얻어지지만, 양자 모두 다량으로 함유하면 내산화성을 열화시킨다. 따라서, W를 단독으로 첨가하는 경우, W의 함유량은 1.5~4%로 하고, 바람직하게는 2~3.5%이다. Mo는, 질량비로 W = 2Mo의 비율로 W와 대략 동일한 효과를 발휘하므로, W의 일부 또는 전량을 Mo로 치환하는 것도 가능하다. Mo를 단독으로 함유하는 경우, Mo의 함유량은 0.75~2%로 하고, 바람직하게는 1~1.75%이다. 양자를 복합 첨가하는 경우에는, (W+2Mo)로서 1.5~4%로 하고, 바람직하게는 2~3.5%이다.

(7) Nb(니오브): 1~4%

Nb는, C와 결합하여 미세한 탄화물을 형성하고, 내열 주강의 고온 강도와 열피로 수명을 향상시킨다. 또한, Cr의 정출 탄화물의 생성을 억제함으로써 내산화성과 피삭성을 향상시킨다. 또한, Nb는 공정 탄화물을 생성하므로, 배기계 부품과 같은 얇고 복잡 형상의 주물을 제조할 때 중요한 주조성을 향상시킨다. 이와 같은 목적으로 Nb의 함유량은 1% 이상 필요하다. 그러나, Nb가 다량으로 함유되면, 결정(結晶) 입계(粒界)에 생성하는 공정 탄화물이 많아져 약해지므로, 강도와 연성이 현저하게 저하된다. 따라서, Nb의 함유량은, 1~4%로 한다.

(8) N(질소): 0.01~0.3%

N은, 강력한 오스테나이트 생성 원소이며, 내열 주강의 오스테나이트 베이스를 안정적으로 하여 고온 강도를 향상시킨다. 그러나, N은 다량으로 함유하면, 실온 부근의 충격값을 저하시키고, 또한 주조 시에 핀홀(pin hole)이나 블로우홀(blow hole) 등의 가스 결함의 발생을 조장하여 주조 수율을 악화시킨다. 그러므로, N의 함유량은 0.01~0.3%로 한다.

(9) S(유황): 0.01~0.5%

S는, 주강에 있어서는 구형 또는 덩어리형의 황화물을 생성하고, 이 황화물은 윤활 효과를 가지므로 피삭성을 향상시킨다. 이 효과를 얻으려면, S는 0.01% 이상 필요하다. 그러나, S가 0.5%를 넘게 함유하면, 실온 부근의 충격값이 저하된다. 그러므로, S의 함유량은 0.01~0.5%로 한다. S의 바람직한 함유량은 0.05~0.2%이다.

(10) 불가피적 불순물

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강에 함유되는 불가피적 불순물의 주된 것은, 원재료로부터 혼입되는 P이다. P는 결정 입계에 편석(偏析)하여 인성(靭性)을 현저하게 저하시키므로 적을수록 바람직하고, 0.04% 이하로 하는 것이 바람직하다.

이상, 기본 성분의 적정한 함유 범위에 대하여 설명하였으나, 본 발명에서는 각 합금 원소가 상기한 조성 범위를 단지 만족시키고 있는 것만으로는 불충분하여,하기 식(1), (2), (3) 및 (4)의 관계도, 각각 병행하여 만족시킬 필요가 있다. 그리고, (1)~(4)의 각 식 중의 원소 기호는 내열 주강 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.

(11) 식(1): 0.05≤(C-Nb/8)≤0.6

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은, Nb의 공정 탄화물을 생성시켜 주조성을 높이는 동시에, 적당량의 탄화물을 석출시켜 높은 강도를 얻고 있다. 공정 탄화물(NbC)은, 질량비 비율로 C와 C의 8배의 Nb로 형성되지만, 공정 탄화물(NbC)이외에 석출 탄화물을 적당량 얻기 위해서는, 공정 탄화물의 형성에 의해 소비되는 양을 초과하는 양의 C를 확보하는 것이 필요해진다. 우수한 주조성과 고온 강도를 얻기 위해서는, 식(1)에 의해 표현되는 (C-Nb/8)이 0.05 이상 필요하다. 그러나, (C-Nb/8)가 0.6을 넘으면, 탄화물이 과잉으로 되어 딱딱하고 약해져, 연성과 피삭성이 열화된다. 따라서, 식(1)의 (C-Nb/8)은 0.05~0.6으로 한다. 특히, 얇은 두께의 주물에서는 높은 주조성을 필요로 하여, 공정 탄화물의 비율은 중요하다. 식(1)의 (C-Nb/8)의 바람직한 범위는 0.1~0.3이다.

(12) 식(2): 17.5≤17.5Si-(W+2Mo), 및 식(3): 5.6Si+(W+2Mo)≤13.7

전술한 바와 같이, 본 발명자는, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강에 있어서, Si와 W 및/또는 Mo와의 함유량의 관계가, 열피로 수명에 영향을 미치는 것을 발견하였다. 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은, Si 함유량을 증가시켜 양호한 내산화성을 부여하고 있지만, 본 발명에서 규정하는 기본 성분의 범위에 있어서, Si가 적은 또는 많은 범위에서, W 및/또는 Mo를 증량하면, 내산화성에는 큰 영향은 없지만, 열피로 수명이 악화된다는 새로운 지견을 얻었다. 즉, 본 발명의 기본 성분의 범위 내에서, Si를 감량하여 W 및/또는 Mo를 증량하면, 오스테나이트 베이스 중의 석출 탄화물이 증가하고, 한편, Si를 증량하여 W 및/또는 Mo를 증량하면, 고온 강도가 낮은 페라이트가 생성된다. 오스테나이트 베이스 중의 석출 탄화물이 증가하면 연성이 저하되므로, 또한 고온 강도가 낮은 페라이트가 생성되면 베이스 중의 강도가 약한 상(相)에 응력이 집중되므로, 모두 열피로 수명이 악화된다.

우수한 열피로 수명을 가지는 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강을 얻기 위해서는, 단지 Si와 W 및/또는 Mo의 각각의 함유량을 한정하는 것만 아니고, 각각 동일한 효과를 발휘하는 W 및 Mo를 (W+2Mo)로 하여 Si와 (W+2Mo)와의 관계를 감안할 필요가 있다. 식(2) 및 식(3)은, 상기 지견에 기초하여, Si와 W 및/또는 Mo의 함유량과, 열피로 수명과의 관계를 조사, 검토한 결과로부터 규정한 것이며, 긴 열피로 수명을 확보하는 데는, 식(2) 및 식(3)을 모두 만족시킬 필요가 있다. 식(2)에 나타낸 17.5≤17.5Si-(W+2Mo)는, 오스테나이트 베이스 중의 석출 탄화물의 증가를 억제하기 위해 필요한 조건이며, 식(3)에 나타낸 5.6Si+(W+2Mo)≤13.7은, 고온 강도가 낮은 페라이트의 생성을 억제하기 위해 필요한 조건이다. 열피로 수명을 향상시켜 내열성과 내구성을 부여하기 위해서는, 식(2) 및 식(3)을 만족시킬 필요가 있다. 식(3)의 좌측 변의 값은 12.7 이하로 하는 것이 바람직하다.

(13) 식(4): 0.08Si+(C-Nb/8)+0.015Cr+0.011Ni+0.03W+0.02Mo≤0.96

본 발명의 20Cr-10Ni계의 오스테나이트계 내열 주강은, 내열성을 얻기 위해 단지 Si를 증량한 것만으로는 용접성이 악화된다. 그래서, 본 발명자는, C, Si, Cr, Ni, W, Mo 및 Nb의 총량이, 용접성에 영향을 미친다는 지견을 얻어, 용접성을 손상시키지 않는 C, Si, Cr, Ni, W, Mo 및 Nb로 이루어지는 상기 식(4)에 의해 규정되는 성분 파라미터를 발견하였다. 식(4)는, Si를 증량해도 용접성을 확보하기 위해 필요한 조건으로, 식(4)를 만족시킴으로써 특정한 응고 온도 범위의 온도 폭이 축소되므로, 용접 균열의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.

일반적으로, 철강 재료에 있어서는, 용접 균열 발생의 감수성(感受性)은, 재료의 응고 개시로부터 종료까지의 응고 온도 범위 ΔT와 상관이 있고, ΔT가 작을수록 용접 균열이 쉽게 발생하지 않도록 되어 있다. 이에 대하여, 본 발명자가 열분석도 포함하여 조사, 검토한 결과, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강에서는, 용접 균열 감수성은, ΔT보다, 응고 개시로부터 약 70%의 응고가 종료하기까지의 응고 온도 범위 ΔT₀ _.7과 상관이 있고, ΔT₀ _.7을 작게 함으로써, 용접 균열을 억제할 수 있는 것을 알 수 있었다.

오스테나이트계 내열 주강의 응고 과정을, 시차 주사 열량 측정(DSC)에 의해 열분석한 결과를 도 1에 모식적으로 나타낸다. 본 발명의 내열 주강은, A점에서 응고를 개시하고, 최초에 오스테나이트가 정출하고(B점), 다음에, Nb 탄화물(NbC)과 오스테나이트와의 공정이 정출하고(C점), 이어서, Nb 탄화물과 오스테나이트의 정출 말기에 MnS가 정출되고(D점), 최후에 Cr 탄화물과 오스테나이트와의 공정이 정출하여(E점), F점에서 응고가 종료한다. 도 1에 나타낸 ΔT는 응고 개시(A점)로부터, 모든 응고가 종료(F점)할 때까지의 온도 범위이며, ΔT₀ _.7은, 응고 개시(A점)로부터 70%의 응고가 종료하기까지의 온도 범위이다. 여기서, 70%의 응고가 종료하기까지의 온도란, 열분석에 의해 얻어진 온도와 열흐름의 관계에 대한 열분석 곡선을 화상 해석 처리하여, 얻어진 도 1의 사선으로 나타낸 면적을 총계(100%)로 하고, 이에 대하여, 응고 개시(A점)를 기점(起点)으로 하여 단위 온도마다 열흐름의 면적이 누적되고, 그 누적 면적이 70%에 달했을 때의 온도이다.

본 발명자가, 각종의 조성 범위의 내열 주강의 열분석 결과와 용접 균열 발생의 관계에 대하여 조사한 바, 도 1에 나타낸 E점의 피크(골의 깊이)의 열흐름값이 작은 내열 주강에서는 용접 균열의 발생이 적은 것, 및 조성은 상이하지만 ΔT가 대략 동일하며, E점의 피크의 열흐름값이 상위한 몇 가지의 내열 주강을 비교하면, 이 열흐름값이 작은 내열 주강 쪽이, 응고 온도 범위 ΔT₀ _.7이 작아져, 용접 균열의 발생이 적은 것을 알 수 있었다.

용접 균열은, 일반적으로 응고 후기의 잔존한 액상(液相)에 열응력이 작용하여 생기는 것으로 되어 있지만, 응고 온도 범위가 축소되면, 응고 개시 후에 신속하게 응고가 진행되므로, 잔존하는 액상의 양이 감소하여, 열응력을 받아도 균열이 생기기 전에 응고가 완료되므로 용접 균열이 감소하는 것으로 생각된다. 또한, 조속한 응고의 진행은, 다수의 응고핵의 발생을 촉진하는 한편, 발생한 응고핵의 성장이 억제되어 응고 조직이 미세화되어 강도가 향상되고, P 등의 저융점 불순물 원소의 결정 입계에 대한 편석을 방지하여 입계의 연성 저하를 억지하고, 이들의 작용에 의해 용접 균열을 억제하는 효과도 있는 것으로 생각된다. 전술한 액상의 잔존량 등의 용접 균열에 영향을 미치는 요소는, 주강의 조성에 기인하고 있고, 그 조성은, 최후의 액상이 소멸되어 응고가 모두 종료하는 응고 종료까지의 응고 온도 범위 ΔT가 아니고, 응고 개시로부터 70%의 응고가 종료하기까지의 응고 온도 범위 ΔT_0.7에 현저하게 반영되므로, ΔT가 대략 동일할 경우, ΔT₀ _.7이 작은 쪽이 용접 균열이 생기지 않을 것으로 추측된다.

전술한 바와 같이, 도 1에 나타낸 E점의 피크의 열흐름값을 작게 하면 ΔT₀ _.7이 작아진다. E점은, 응고 후기의 Cr 탄화물과 오스테나이트의 공정이 정출하는 것에 동반하여 생기는 열흐름의 변화이다. 따라서, Cr 탄화물과 오스테나이트의 공정의 정출량을 감소할 수 있으면, E점의 피크의 열흐름값을 작게 하여, ΔT₀ _.7을 작게 할 수 있을 것으로 생각된다.

상기 조사 결과에 따라, 본 발명자는, 용접성을 개선하기 위해 기본 성분의 함유량에 대하여 더 검토하여, Cr 탄화물과 오스테나이트의 공정의 정출량을 제어하기 위한 성분 파라미터를 발견하였다. 즉, Si, Cr, Ni, W 및 Mo의 함유량을 적게 하여, 상기 식(1)의 (C-Nb/8)이 작아지도록 제어하면, 응고 후기에 생기는 Cr 탄화물과 오스테나이트의 공정의 정출량이 감소하고, 도 1에 나타낸 E점의 피크의 열흐름값이 작게 되어 ΔT₀ _.7이 작아지므로, 용접 균열 발생의 감수성이 낮아진다.

식(4)는, 상기 검토로부터 발견된, Cr 탄화물과 오스테나이트와의 공정의 정출을 제어하기 위한 성분 파라미터이며, 용접 균열 발생의 감수성을 저감하여 용접성을 개선하는 지표이다. 구체적으로는, C, Si, Cr, Ni, W, Mo 및 Nb의 함유량으로부터 식(4)에 의해 부여되는 좌측 변의 값을 0.96 이하로 하면, 용접 균열 발생의 감수성을 저감하여, Si를 증량해도 용접성이 양호한 오스테나이트계 내열 주강으로 할 수 있다. 한편, 식(4)의 좌측 변의 값이 0.96을 넘으면, 각각의 원소의 함유량이 전술한 본 발명의 범위 내에 있어도, Cr 탄화물과 오스테나이트의 공정의 정출량이 많아지게 되어, E점의 피크의 열흐름값이 커져서 ΔT₀ _.7이 확대되어, 용접 균열의 발생을 초래한다. 그러므로, 본 발명에 있어서는, 용접성을 개선하기 위해, 전술한 C, Si, Cr, Ni, W, Mo 및 Nb의 각각의 함유량의 한정에 더하여, 식(4)의 좌측 변의 값을 0.96 이하로 한정했다.

응고 온도 범위 ΔT₀ _.7과 식(4)의 좌측 변의 값, 및 용접 균열 발생의 관계에 대하여 조사한 결과, 본 발명의 조성 범위 내에 있어서, 식(4)의 좌측 변의 값이 0.96 이하이면, ΔT₀ _.7은 70℃ 이하로 되어 용접 균열의 발생은 없고, 한편, 식(4)의 좌측 변의 값이 0.96을 넘으면, ΔT₀ _.7이 70℃를 넘어 용접 균열이 발생하는 경우를 알 수 있었다.

용접성의 견지만으로부터 보면, 응고에 있어서, 도 1에 나타낸 E점이 생기지 않으면, ΔT₀ _. ₇뿐아니라, ΔT도 작게 되어 용접성은 대폭 향상된다. E점이 생기지 않도록 하기 위해서는, Cr 탄화물과 오스테나이트의 공정을 정출시키지 않도록 식(4)의 좌측 변의 값이 가능한 한 작아지도록 관계되는 합금 원소의 함유량을 규정하면 된다. 그러나, Cr 탄화물과 오스테나이트의 공정의 정출이 극단으로 감소하면, 고온 강도나 내산화성이 부족하여 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강의 본래 기능인 내열성과 내구성을 확보할 수 없다. 따라서, 식(4)에 의해 부여되는 좌측 변의 값의 하한은, 전술한 Si, Cr, Ni, W 및 Mo의 함유량 및 (C-Nb/8)의 값에 따라 제한된다.

이와 같이, C, Si, Cr, Ni, W, Mo 및 Nb에 대한 각각의 함유량뿐아니고, 그 총량을 상기 식(4)의 범위 내로 제한함으로써, Cr 탄화물과 오스테나이트와의 공정에 의한 정출량을 감소시켜, 응고 온도 범위 ΔT₀ _.7을 축소시킬 수 있다. 그 결과, 응고 개시 후에 신속하게 응고가 진행되므로, 그 결과 용접 균열 감수성이 대폭 저하된다.

[2] 특성

(14) 산화 감량: 20mg/cm² 이하

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은, 1000℃의 대기 중에 200시간 유지했을 때의 산화 감량이 20mg/cm² 이하인 것이 바람직하다. 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품은, 엔진으로부터의 배기 가스에 의해 고온으로 되고, 유황 산화물, 질소 산화물 등의 산화성 가스에 노출되어 부재 표면에 산화막을 생성한다. 또한, 산화가 진행되면, 생성한 산화막을 기점으로 균열이 생겨 부재 내부까지 산화가 진행된다. 최종적으로는 부재의 표면으로부터 배면까지 균열이 관통하여 배기 가스의 누출이나 부재의 균열을 초래한다.

오스테나이트계 내열 주강을, 1000℃를 초과하는 온도의 배기 가스에 노출되는 배기계 부품에 사용하는 경우, 배기계 부품의 표면 온도는 950~1000℃ 부근에 도달한다. 1000℃의 대기 분위기에 200시간 유지했을 때의 산화 감량이 20mg/cm²를 넘으면, 균열의 기점으로 되는 산화막의 생성이 많아지게 되어, 내산화성이 불충분해진다. 이 조건 하에서의 산화 감량이 20mg/cm² 이하라면, 산화막의 생성 및 균열의 발생이 억제되므로, 내산화성이 우수하고, 높은 내열성 및 내구성과 긴 수명을 가지는 오스테나이트계 내열 주강을 얻을 수 있다. 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강의 산화 감량은 15mg/cm² 이하인 것이 보다 바람직하고, 10mg/cm² 이하인 것이 가장 바람직하다.

(15) 열피로 수명: 800 사이클 이상

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은, 가열 상한 온도 1000℃, 온도 진폭 850℃ 이상, 및 구속율 0.25의 조건 하에서 가열 냉각시키는 열피로 시험에 의해 측정한 열피로 수명이 800 사이클 이상인 것이 바람직하다. 배기계 부품에는, 엔진의 운전(가열)과 정지(냉각)의 반복에 대한 열피로 수명이 길 것이 요구된다. 열피로 수명은, 내열성 및 내구성의 우열을 나타내는 지표 중 하나이다. 열피로 시험에서의 가열 냉각의 반복에 의해 생기는 균열이나 변형에 의해, 열피로 파괴에 이를 때까지의 사이클수가 많을수록 열피로 수명이 길므로, 내열성 및 내구성이 우수하다.

열피로 수명은, 예를 들면, 목표점 간 거리 25mm, 및 직경 10mm의 평활한 환봉(丸棒) 시험편에, 대기 중에서 가열 상한 온도를 1000℃, 냉각 하한 온도를 150℃, 온도 진폭을 850℃ 이상, 1사이클을 온도 상승 시간 2분, 유지 시간 1분, 및 냉각 시간 4분의 합계 7분으로 하여, 가열 냉각 사이클을 반복하고, 가열 냉각에 따른 신축(伸縮)을 기계적으로 구속하여 열피로 파괴를 일으키게 하는 것에 의해 평가할 수 있다. 열피로 수명의 판정 기준은, 가열 냉각의 반복에 따른 하중의 변화로부터 구해지는 하중-온도 선도에 있어서, 2사이클째의 최대 인장 하중(냉각 하한 온도에서 발생)을 기준(100%)으로 하여, 각 사이클에서 측정되는 최대 인장 하중이 75%로 저하되었을 때의 사이클수로 하였다. 기계적인 구속의 정도는, (자유 열팽창 신장-기계적 구속 하에서의 신장)/(자유 열팽창 신장)으로 정의되는 구속율로 나타낸다. 예를 들면, 구속율 1.0이란, 시험편이 예를 들면, 150℃에서 1000℃까지 가열되었을 때, 전혀 신장을 허락하지 않는 기계적 구속 조건을 말한다. 또한, 구속율 0.5란, 자유 팽창 신장이, 예를 들면 2mm 신장하는 곳을 1mm의 신장 밖에 허락하지 않는 기계적 구속 조건을 말한다. 따라서, 구속율 0.5에서는, 온도 상승 중에는 압축 하중이 걸리고, 강온 중에는 인장 하중이 걸리는 것이다. 실제의 자동차 엔진용의 배기계 부품의 구속율은, 어느 정도 성장을 허용하는 0.1~0.5 정도이므로, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강의 열피로 수명은 구속율 0.25로 규정하였다.

가열 상한 온도 1000℃, 온도 진폭 850℃ 이상, 및 구속율 0.25의 조건 하에서의 열피로 수명이 800 사이클 이상이면, 오스테나이트계 내열 주강은 우수한 열피로 수명을 가질 수 있어, 1000℃ 이상과 고온의 배기 가스에 노출되는 배기계 부품에 바람직하다. 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품은, 1000℃ 이상의 배기 가스에 노출되는 환경 하에서도 내열성 및 내구성이 우수하고, 열피로 파괴에 이를 때까지의 수명이 길다. 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은, 전술한 것과 동일한 조건의 열피로 시험에 의해 측정한 열피로 수명이 850 사이클 이상인 것이 보다 바람직하고, 900 사이클 이상인 것이 가장 바람직하다.

[3] 배기계 부품

본 발명의 배기계 부품은, 상기 20Cr-10Ni계의 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강을 사용하여 제조된다. 배기계 부품의 바람직한 예는, 배기 가스 매니폴드(이그조스트 매니폴드)), 터빈 하우징, 터빈 하우징과 배기 가스 매니폴드를 일체로 주조한 터빈 하우징 일체 배기 가스 매니폴드, 촉매 케이스, 촉매 케이스와 배기 가스 매니폴드를 일체로 주조한 촉매 케이스 일체 배기 가스 매니폴드, 또는 배기 가스 아웃렛이지만, 이에 한정되지 않고, 판금제 또는 파이프제의 부재와 용접 접합하여 사용되는 주물 부재를 포함하고, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어지는 주조제의 어떠한 배기계 부품도 대상으로 된다.

본 발명의 배기계 부품은, 1000℃ 이상의 고온의 배기 가스에 노출되어, 배기계 부품 자체의 표면 온도가 950~1000℃ 부근에 달해도 높은 내산화성과 열피로 수명 등 우수한 내열성과 내구성을 발휘한다. 또한, 우수한 용접성도 가지므로, 판금 부재나 파이프 부재와 주물 부재, 주물 부재끼리의 용접 접합, 또는 주조 결함의 용접 보수에 있어서 용접 균열이 생기지 않는다. 또한, 희소 금속을 저감하여 염가로 제조할 수 있으므로 경제성도 우수하다. 즉 본 발명의 배기계 부품은, 상기 부품에 요구되는 높은 내열성이나 내구성을 가지고, 또한 경량화나 컴팩트화 등에 대응 가능하며, 대중적인 차에도 적용이 용이하므로, 자동차의 배기 가스 정화, 연비 개선 및 안전성의 향상에 공헌할 것이 기대된다.

본 발명을 이하의 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다. 여기에서도 특별히 언급하지 않는 한, 합금을 구성하는 각 원소의 함유량은 질량%로 나타낸다.

[실시예 1 내지 실시예 28 및 비교예 1 내지 비교예 22]

실시예 1 내지 실시예 28 및 비교예 1 내지 비교예 22의 내열 주강 공시재(供試材)의 화학 조성을 표 1 및 표 2에 나타낸다. 표 1 및 표 2에 있어서, 식(1)의 값 내지 식(4)의 값은, 각각 본 발명에서 규정하는 식(1) 내지 식(4) 중의 식의 값이며, 구체적으로는 식(1)의 값이란 (C-Nb/8)의 값, 식(2)의 값이란 [17.5Si-(W+2Mo)]의 값, 식(3)의 값이란 [5.6Si+(W+2Mo)]의 값, 식(4)의 값이란 [ 0.08Si+(C-Nb/8)+0.015Cr+0.011Ni+0.03W+0.02Mo]의 값이다(여기서, 각 식 중의 원소 기호의 전(前)의 수는 주강 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.)

실시예 1 내지 실시예 28은 본 발명에서 규정하는 조성 범위 내의 오스테나이트계 내열 주강이다. 비교예 1, 비교예 2, 비교예 8 내지 비교예 17은, C, Ni, Mn, Cr, W, Mo, (W+2Mo) 및 Nb 중 어느 1개 이상의 원소의 함유량이, 본 발명에서 규정하는 조성 범위 밖의 주강으로서, 이 중 비교예 2 및 비교예 16은 식(4)의 값이 너무 큰 주강이다. 비교예 3 내지 비교예 5는 식(2)의 값이 너무 작은 주강으로서, 이 중 비교예 4는 Si의 함유량이 너무 적은 주강이며, 비교예 5는 일본공개특허 제1995-228948호에 기재된 20Cr-10Ni계의 오스테나이트계 내열 주강의 일례이다. 비교예 6 및 비교예 7은 식(3)의 값이 너무 큰 주강으로서, 이 중 비교예 7은 Si의 함유량이 너무 많은 주강이다. 비교예 18 내지 비교예 21은 식(4)의 값이 너무 큰 주강이다. 비교예 22는 일본공개특허 제2000-291430호에 기재된 25Cr-20Ni계의 고Cr 고Ni 오스테나이트계 내열 주강의 일례이다.

실시예 1 내지 실시예 28 및 비교예 1 내지 비교예 22의 각 주강을, 100kg 고주파 용해로(염기성 라이닝)를 사용하여 대기(大氣) 용해한 후, 1550~1600℃에서 출탕(出湯)하고, 즉시 1500~1550℃에서 JIS 규격 Y형 B호 공시재로 되는 제1 주형과, 용접성 평가의 원통형 시험편으로 되는 제2 주형에 주탕(注湯)하여 공시재를 제작하였다. 각 공시재에 대하여 이하의 평가 시험을 행하였다.

표 1(계속)

표 1(계속)

식(1)의 값: (C-Nb/8)

식(2)의 값: 17.5Si-(W+2Mo)

식(3)의 값: 5.6Si+(W+2Mo)

식(4)의 값: 0.08Si+(C-Nb/8)+0.015Cr+0.011Ni+0.03W+0.02Mo

표 2(계속)

표 2(계속)

식(1)의 값: (C-Nb/8)

식(2)의 값: 17.5Si-(W+2Mo)

식(3)의 값: 5.6Si+(W+2Mo)

식(4)의 값: 0.08Si+(C-Nb/8)+0.015Cr+0.011Ni+0.03W+0.02Mo

(1) 고온 내력(耐力)

배기계 부품의 고온 강도의 지표로서 1000℃에 있어서의 0.2% 내력(MPa)을 평가했다. 각 공시재로부터 잘라낸 목표점 간 거리 50mm, 직경 10mm의 평활한 환봉 플랜지를 가지는 시험편을, 전기-유압 서보식 재료 시험기(가부시키가이샤 시마즈 세이사쿠쇼제, 서보 펄서 EHF-ED10T-20L)에 장착하고, 각 시험편의 고온 내력으로서 대기 중 1000℃에서 0.2% 내력(MPa)을 측정하였다. 평가 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다. 표 3 및 표 4로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 28의 시험편의 고온 내력은 50MPa 이상이며, 특히 C함유량이 0.40% 이상에서는 고온 내력이 안정적으로 60MPa 이상이며, C함유량의 증가가 고온 강도의 향상에 기여하는 것을 알 수 있다.

(2) 산화 감량

배기계 부품이 1000℃ 부근의 배기 가스에 노출되는 것을 상정하고, 1000℃에 있어서의 내산화성을 평가했다. 내산화성의 평가는, 각 공시재로부터 잘라낸 직경 10mm, 길이 20mm의 환봉 시험편을 제작하고, 이것을 대기 중 1000℃에 200시간 유지하고, 인출한 후 숏블라스트(shot blast) 처리를 행하여 산화 스케일을 제거하고, 산화 시험 전후의 단위 면적당의 질량 변화[산화 감량(mg/cm²]를 구함으로써 행하였다. 평가 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다.

표 3 및 표 4로부터 명백한 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 28은 Cr 및 Ni의 함유량이 적음에도 불구하고, 산화 감량은 모두 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강의 바람직한 산화 감량인 20mg/cm² 이하로 적고, 25Cr-20Ni계의 고Cr 고Ni 오스테나이트계 내열 주강의 비교예 22에서 동등한 내산화성을 나타내는 것을 알 수 있다. 한편, Si 함유량이 적은 비교예 4, Mn 함유량이 많은 비교예 9, Cr 함유량이 적은 비교예 10, W함유량이 많은 비교예 13, Mo 함유량이 많은 비교예 15, Nb 함유량이 적은 비교예 16은, 모두 산화 감량이 20mg/cm²를 넘어 많다. 이 결과로부터 본 발명의 내열 주강은, 20Cr-10Ni계이면서, 1000℃ 이상의 배기 가스에 노출되는 배기계 부품용으로 충분한 내산화성을 가지는 것이 확인되었다.

(3) 열피로 수명

열피로 수명은, 각 공시재로부터 잘라낸 목표점 간 거리 25mm, 직경 10mm의 평활한 환봉 시험편을, 상기 고온 내력 시험과 같은 전기-유압 서보식 재료 시험기에 구속율 0.25로 장착한 후, 각 시험편에 대기 중에서, 냉각 하한 온도 150℃, 가열 상한 온도 1000℃, 온도 진폭 850℃에서, 1사이클을 온도 상승 시간 2분, 유지 시간 1분, 및 냉각 시간 4분의 합계 7분으로 하여 가열 냉각 사이클을 반복 평가했다. 2사이클째의 하중-온도 선도에 있어서의 최대 인장 하중을 기준(100%)으로, 최대 인장 하중이 75%로 저하되었을 때의 가열 냉각 사이클의 수를 카운트하여 열피로 수명으로 하였다. 평가 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다.

표 3 및 표 4로부터 명백한 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 28은 Cr 및 Ni의 함유량이 적음에도 불구하고, 열피로 수명은 모두 800 사이클 이상으로 길고, 25Cr-20Ni계의 고Cr 고Ni 오스테나이트계 내열 주강의 비교예 22와 동등한 열피로 수명을 나타내는 것을 알 수 있다. 한편, C함유량이 적은 비교예 1, 식(2)의 값이 너무 작은 비교예 3 내지 비교예 5, 식(3)의 값이 너무 큰 비교예 6, 비교예 7, Ni 함유량이 적은 비교예 8, Cr, W, Mo, (W+2Mo), Nb 중 어느 하나 1개 이상의 함유량이 본 발명에서 규정하는 조성 범위 밖의 비교예 10 내지 비교예 17은, 모두 열피로 수명이 800사이클 미만으로 짧다. 특히, 종래의 20Cr-10Ni계의 오스테나이트계 내열 주강에 상당하는 비교예 5는, 식(2)의 값이 본 발명에서 규정하는 17.5보다 작고, 열피로 수명이 800 사이클 미만이었다. 이 결과로부터 본 발명의 내열 주강은, 20Cr-10Ni계이면서, 1000℃ 이상의 배기 가스에 노출되는 배기계 부품용으로 충분한 열피로 수명을 가지는 것이 확인되었다.

Si 및 (W+2Mo)의 조성과 오스테나이트계 내열 주강의 열피로 수명과의 관계를 도 2에 나타낸다. 도 2에는, 실시예 1 내지 실시예 28과, Si, W, Mo, (W+2Mo), 식(2)의 값 및 식(3)의 값을 제외하고 그 외의 조성 및 관계식의 값이 본 발명에서 규정하는 범위 내의 비교예 3 내지 비교예 7 및 비교예 12 내지 비교예 15가 작성되어 있다. 각 점의 형상은, 열피로 수명(사이클수)을 나타내고, 800 미만의 것을 다이아 표시(◆), 800 이상 850 미만의 것을 삼각 표시(△), 850 이상 900 미만의 것을 사각 표시(□), 900 이상의 것을 동그라미(○)로 나타낸다. 실선의 굵은 프레임은, 본 발명의 규정 범위로 되는 Si: 1.1~2의 영역, (W+2Mo): 1.5~4의 영역, 식(2)에 나타낸 17.5≤17.5Si-(W+2Mo)의 영역, 식(3)에 나타낸 5.6Si+(W+2Mo)≤ 13.7의 영역에 대한 각각의 경계선을 나타내고, 이 실선의 굵은 프레임 범위로 에워싸인 영역 내가 본 발명에서 규정하는 Si 및 (W+2Mo)의 조성 범위를 만족시키는 영역이다. 도 2로부터, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은, Si 및 (W+2Mo)이, 이 영역 내에 있으면 열피로 수명으로서 800 사이클 이상을 가지는 것을 알 수 있다. 이로부터 오스테나이트계 내열 주강에 있어서는, 단지 Si와 W 및/또는 Mo의 각각의 함유량에 근거한 조성 범위가 아니고, 우수한 열피로 수명을 이루는 Si와 (W+2Mo)와의 관계에 근거한 조성 범위가 존재하는 것을 의미하고 있다.

(4) 용접성

용접성은, 각 공시재로부터 외경 50mm, 두께 5mm, 용접부의 개선 형상을 I형으로 한 한 쌍의 원통형 시험편을 제작하고, 이것을 하기의 용접 조건 하에서 맞댐 용접 후, 용접 개시 부분 및 용접 종료 부분을 제외한 7개소를 절단하여 균열의 발생 상황을 확인함으로써 평가했다. 표 3 및 표 4에 용접성의 평가 결과를 나타낸다.

[용접 조건]

용접 방법: MIG 펄스 용접

와이어: φ1.2mm, JIS Z 3321 Y310 솔리드 와이어

평균 전류: 200A

전압: 20V

이송 속도: 110cm/min

노즐-공작물 간 거리: 10mm

차폐 가스의 종류: Ar-2%O₂

차폐 가스의 유량: 15L/min

토치 각도: 10°(전진법)

예열: 없음

배기계 부품에는, 판금 부재나 파이프 부재와 주물 부재, 또는 주물 부재끼리의 용접 접합, 또는 주물 부재의 주조 결함의 용접 보수에 있어서 용접 균열이 생기지 않는 충분한 용접성이 필요하다. 표 3 및 표 4로부터 명백한 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 28에는 용접 균열은 없었다. 그러나, C함유량이 너무 많고, 또한 식(4)의 값이 너무 큰 비교예 2, Si 함유량이 너무 많은 비교예 7, 식(4)의 값이 너무 큰 비교예 16, 비교예 18 내지 비교예 22는, 용접 균열이 발생하였다. 균열의 발생 상황으로서는, Si가 너무 많은 비교예 7은 모재 측에 균열이 발생하고, 그 이외의 비교예 2, 비교예 16, 비교예 18 내지 비교예 22는 비드의 균열이 발생하였다. 이 결과로부터 본 발명의 내열 주강은, 배기계 부품에 필요한 용접성을 가지는 것이 확인되었다.

(5) 응고 온도 범위 ΔT₀ _.7

응고 온도 범위 ΔT₀ _.7은, 각 공시재로부터 잘라낸 직경 2mm, 길이 2mm의 시험편을 시차 주사 열량 측정 장치(DSC(SETARAM제))에 의해, 아르곤 분위기 중 900℃까지의 온도 상승 속도를 15℃/분, 900~1600℃까지의 온도 상승 속도를 5℃/분으로 온도 상승시켜 얻은 열분석 곡선으로부터, 화상 해석 장치(아사히 가세이제 IP 1000형)에 의해 다음과 같이 화상 해석 처리하여 구하였다. 즉, 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 응고 개시로부터 모든 응고가 종료하기까지의 응고 온도 범위 ΔT에서의 온도와 열흐름의 관계로부터 도 1의 사선으로 나타낸 면적을 총계(100%)로 하여 산출하고, 이에 대하여, 응고 개시를 기점으로서 단위 온도마다 열흐름의 면적을 누적하고, 그 누적 면적이 70%에 달했을 때의 온도를 응고 온도 범위 ΔT₀ _. ₇으로 하였다. 얻어진 응고 온도 범위 ΔT₀ _.7(℃)을 표 3 및 표 4에 나타낸다.

표 3 및 표 4로부터 명백한 바와 같이, 식(4)의 값이 0.96 이하이며, 응고 온도 범위 ΔT₀ _.7이 70℃ 이하의 실시예 1 내지 실시예 28에는 용접 균열은 찾아볼 수 없었다. 그러나, 식(4)의 값이 0.96을 넘어, 응고 온도 범위 ΔT₀ _.7이 70℃를 넘은 비교예 2, 비교예 16, 비교예 18 내지 비교예 22는, 용접 균열이 발생하였다. 이 결과로부터 본 발명의 내열 주강은, 응고 온도 범위 ΔT₀ _. ₇를 70℃ 이하로함으로써 양호한 용접성을 확보할 수 있는 것이 확인되었다. 그리고, 비교예 7은, 식(4)의 값이 0.96 이하이며 응고 온도 범위 ΔT₀ _.7이 70℃ 이하라도 관계없이 용접 균열이 발생하였다. 비교예 7의 붕괴 발생 개소가 비드가 아니고 모재이므로, 비교예 7은 Si 함유량이 단독으로 과잉으로 되므로, 주강 모재의 결정 입계에 농화(濃化)된 저융점의 Si가, 용접 시의 입열(入熱)에 의해 국부적으로 용융되어 균열이 생긴 것으로 생각된다.

[실시예 29]

실시예 15의 오스테나이트계 내열 주강을 사용하여, 자동차용 배기계 부품의 배기 가스 매니폴드(주요 두께 4.0~5.0mm)를 주조한 후, 캐스팅한 채 기계 가공하였다. 얻어진 배기 가스 매니폴드에는 수축공(shrinkage cavity), 탕 순환 불량, 가스 결함 등의 주조 결함은 볼 수 없었고, 또한 기계 가공에서의 절삭 문제점이나 절삭 공구의 이상(異常) 마모, 손상 등도 없었다.

다음에, 배기량 2000cc의 직렬 4기통 고성능 가솔린 엔진에 상당하는 배기 시뮬레이터에, 본 실시예의 배기 가스 매니폴드를 조립하여 관통 균열 발생까지의 수명, 균열 및 산화의 발생 상황을 조사하는 내구(耐久) 시험을 실시하였다. 내구 시험은, 전체 부하 시의 배기 가스 온도가 배기 가스 매니폴드의 배기 가스 하류측 이 되는 집합부의 출구에서 약 1050℃, 배기 가스 매니폴드 표면의 가열 상한 온도가 집합부에서 약 1000℃, 냉각 하한 온도가 집합부에서 약 90℃(온도 진폭= 약 910℃)의 조건 하에서, 10분간의 가열 및 10분간의 냉각으로 이루어지는 가열 냉각 사이클을 1사이클로서 행하였다. 그리고, 가열 냉각 사이클의 목표는 1500 사이클로 하였다.

내구 시험의 결과, 본 실시예의 배기 가스 매니폴드는, 배기 가스의 누출이나 균열이 생기지 않아, 1500 사이클의 내구 시험을 클리어 했다. 내구 시험 후의 상세한 관찰(육안 관찰 및 침투 탐상 시험)의 결과, 침투 탐상 시험에 있어서 지관(枝管)의 일부에 극미소한 균열이 발생하고 있는 것이 확인될 뿐, 관통 균열은 원래 육안 관찰에 의해 확인할 수 있는 균열은 발생하지 않아, 부품 전체의 산화도 적었다. 이로써, 본 실시예의 배기 가스 매니폴드는 우수한 내열성이나 내구성을 가지는 것이 확인되었다.

[비교예 23]

비교예 5의 주강을 사용하여, 실시예 29와 같은 조건 하에서 동일 형상의 배기 가스 매니폴드를 제조한 바, 주조 결함이나 기계 가공에서의 문제점은 없었다. 얻어진 배기 가스 매니폴드를 배기 시뮬레이터에 조립하고, 실시예 29와 동일 조건 하에서 1500 사이클을 목표로 내구 시험을 실시하였다. 내구 시험에서의 배기 가스 매니폴드의 집합부의 표면 온도는 실시예 29와 대략 같았다.

내구 시험의 결과, 비교예 23의 배기 가스 매니폴드는, 배기 가스의 누출이나 균열이 생기지 않고, 1500 사이클의 내구 시험을 클리어했다. 내구 시험 후의 실시예 29와 동일한 상세한 관찰의 결과, 집합부에, 관통에는 이르지 않기는 했지만 육안 관찰에 의해 확인할 수 있는 균열을 볼 수 있었고, 또한 침투 탐상 시험에 있어서 지관에 작은 균열이 발생하고 있는 것이 확인되었다. 또한, 부품 전체의 산화는 적기는 하지만, 산화의 정도는 실시예 29의 배기 가스 매니폴드와 비교하면많았다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강을 사용하여 제조한 배기계 부품은, 배기계 부품의 온도로서 1000℃ 부근에서의 높은 내산화성이나 열피로 수명을 가지고, 내열성과 내구성이 우수한 것이 확인되었다. 본 발명의 배기계 부품은, 희소 금속의 함유량이 적고, 가격이나 자원 절약의 점에서 경제성이 양호한 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어지므로, 자동차용 엔진의 구성 부품으로서 바람직하다.

이상, 자동차 엔진용의 배기계 부품에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은, 예를 들면, 건설 기계, 선박, 항공기 등의 연소 기관이나, 용해로, 열처리로, 소각로, 킬른(kiln), 보일러, 열병합 발전 장치 등의 열 기기나, 석유 화학 플랜트, 가스 플랜트, 화력 발전 플랜트, 원자력 발전 플랜트 등 각종 플랜트 설비 등의, 높은 내산화성이나 열피로 수명 등 우수한 내열성이나 내구성과 동시에 용접성이 요구되는 주물 부품에도 사용 가능하다.

Claims

질량%로,
C: 0.3~0.6%,
Si: 1.1~2%,
Mn: 0% 초과 1.5% 이하,
Cr: 17.5~22.5%,
Ni: 8~13%,
W 및 Mo 중 적어도 1종: (W+2Mo)로 1.5~4%,
Nb: 1~4%,
N: 0.01~0.3%,
S: 0.01~0.5%,
잔부(殘部) Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 오스테나이트계(austenitic) 내열(耐熱) 주강(鑄鋼)으로서, 하기 식(1), (2), (3) 및 (4)를 만족시키고,

여기서, 각 식 중의 원소 기호는 주강 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타내고,
상기 오스테나이트계 내열 주강은 20Cr-10Ni 계의 오스테나이트계 내열 주강이며, Cr의 산화층이 최표층에 형성되고, Si의 산화상(酸化相)이 덩어리형으로 상기 최표층의 내부에 형성되고, 가열 상한 온도 1000℃, 온도 진폭 850 ℃ 이상, 및 (자유 열팽창 신장 - 기계적 구속 하에서의 신장) / (자유 열팽창 신장)으로 정의되는 구속율 0.25의 조건 하에서 가열 냉각시키는 열피로(熱披勞) 시험에 의해 측정한 열피로 수명이 800 사이클 이상인, 오스테나이트계 내열 주강.
제1항에 있어서,
1000℃에 있어서 200시간 대기 중에 유지했을 때의 산화(酸化) 감량이 20mg/cm² 이하인, 오스테나이트계 내열 주강.
제1항 또는 제2항에 기재된 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어지는, 배기계(排氣系) 부품.
제3항에 있어서,
상기 배기계 부품은 배기 가스 매니폴드, 터빈 하우징, 터빈 하우징 일체 배기 가스 매니폴드, 촉매 케이스, 촉매 케이스 일체 배기 가스 매니폴드, 또는 배기 가스 아웃렛인, 배기계 부품.
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