KR101836713B1

KR101836713B1 - 배기계 부품용 니켈 합금

Info

Publication number: KR101836713B1
Application number: KR1020160131804A
Authority: KR
Inventors: 강민우; 차성철; 최중길
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2018-03-09
Also published as: US20180100217A1; CN107937755A; US10544486B2

Abstract

본 발명은 고온 환경에서 인장강도, 피로강도, 내산화성 및 내마모성이 우수한 배기계 부품용 니켈 합금에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 배기계 부품용 니켈 합금은 차량 엔진의 배기계에 사용되는 부품을 위한 니켈 합금으로서, 중량%로, C: 0.01 ~ 0.2%, Si: 0.1 ~ 1.0%, Mn: 0.1 ~ 1.5%, Cr: 8 ~ 24%, Nb: 0.1 ~ 2.5%, Al: 0.1 ~ 4.0%, Co: 0.01 ~ 1%, Mo: 0.01 ~ 5.0%, W: 0.01 ~ 4%, Ta: 0.1 ~ 1%, Ti: 0.1 ~ 2.4%, Fe: 4.0 ~ 11.0%, 나머지 Ni 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

배기계 부품용 니켈 합금{NICKEL ALLOY FOR EXHAUST SYSTEM COMPONENTS}

본 발명은 배기계 부품용 니켈 합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온 환경에서 인장강도, 피로강도, 내산화성 및 내마모성이 우수한 배기계 부품용 니켈 합금에 관한 것이다.

화석연료 매장량의 한계점 도달, 국제 유가의 지속적인 급등 및 급변으로 인하여 차량 연비향상에 대한 관심이 높아지고 있는 실정이다.

이에 따라 다양한 방식을 차량의 연비를 향상시키는 기술이 연구되고 있는데, 그 중 하나가 차량을 경량화시키는 기술이다.

차량을 경량화시키는 기술도 여러 분야가 연구되고 있고, 그 중 엔진의 출력을 높이면서 사이즈를 줄이는 기술이 연구되어 적용되고 있다.

하지만, 출력을 높이면서 다운사이징된 엔진 적용으로 인하여 배기 가스의 온도가 상승하게 되었고, 이에 따라 배기계를 구성하는 부품의 내구품질에 문제가 발생하였다.

그래서 배기계를 구성하는 부품에 구상흑연주철 및 스테인리스강 등 다양한 강종의 성분을 제어하여 원하는 물성을 향상시키는 기술이 적용되고 있다.

공개특허공보 10-2008-0053774 (2008. 06. 16)

본 발명은 합금 성분 및 그 함량을 최적화하여 조직 내에 안정적인 Ta-Ti계 화합물과 복합 탄화물을 생성시킴으로서, 인장강도, 피로강도, 내산화성 및 내마모성이 우수한 배기계 부품용 니켈 합금을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 배기계 부품용 니켈 합금은 차량 엔진의 배기계에 사용되는 부품을 위한 니켈 합금으로서, 중량%로, C: 0.01 ~ 0.2%, Si: 0.1 ~ 1.0%, Mn: 0.1 ~ 1.5%, Cr: 8 ~ 24%, Nb: 0.1 ~ 2.5%, Al: 0.1 ~ 4.0%, Co: 0.01 ~ 1%, Mo: 0.01 ~ 5.0%, W: 0.01 ~ 4%, Ta: 0.1 ~ 1%, Ti: 0.1 ~ 2.4%, Fe: 4.0 ~ 11.0%, 나머지 Ni 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

상기 니켈 합금은 조직 내에 Ta-Ti계 화합물과 복합 탄화물로 (Cr,Mo)₂₃C₆이 존재하는 것을 특징으로 한다.

상기 니켈 합금은 상온보다 높은 고온에서 인장강도가 950Mpa 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 니켈 합금은 상온보다 높은 고온에서 피로강도가 350Mpa 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 니켈 합금은 상온보다 높은 고온에서 산화증량이 0.7g/㎡ 이하인 것을 특징으로 한다.

상기 니켈 합금은 상온보다 높은 고온에서 마모량이 2.0㎎ 이하인 것을 특징으로 한다.

상기 니켈 합금은 상온에서 인장강도가 1050MPa 이상이고, 상온보다 높은 고온에서 A5 연신율은 13% 이상인 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명의 일 실시형태에 따른 배기계 부품용 니켈 합금은 차량 엔진의 배기계에 사용되는 부품을 위한 니켈 합금으로서, 조직 내에 Ta-Ti계 화합물과 복합 탄화물로 (Cr,Mo)₂₃C₆이 존재하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 주요 합금 성분의 함량을 최적화함에 따라 조직 내에 원하는 수준의 Ta-Ti계 화합물과 복합 탄화물을 생성시킬 수 있고, 이에 따라 고온 환경에서 인장강도는 950Mpa 이상이고, 피로강도는 350Mpa 이상이며, 산화증량은 0.7g/㎡ 이하이고, 마모량은 2.0㎎ 이하를 만족하는 우수한 고온 물성을 갖는 니켈 합금을 얻을 수 있다.

도 1은 실시예와 비교예의 성분을 나타내는 표이고,
도 2는 실시예와 비교예의 물성 및 성능을 나타내는 표이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 니켈 합금의 온도별 상변태 계산 결과를 보여주는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명에 따른 배기계 부품용 니켈 합금은 차량의 배기계에 사용되는 니켈 합금으로서, 주요 합금 성분의 함량을 최적화함에 따라 고온 환경에서 인장강도, 피로강도, 내산화성 및 내마모성과 같은 물성을 향상시킨 니켈 합금이다. 구체적으로는 중량%로, C: 0.01 ~ 0.2%, Si: 0.1 ~ 1.0%, Mn: 0.1 ~ 1.5%, Cr: 8 ~ 24%, Nb: 0.1 ~ 2.5%, Al: 0.1 ~ 4.0%, Co: 0.01 ~ 1%, Mo: 0.01 ~ 5.0%, W: 0.01 ~ 4%, Ta: 0.1 ~ 1%, Ti: 0.1 ~ 2.4%, Fe: 4.0 ~ 11.0%, 나머지 Ni 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 니켈 합금을 대상으로 한다.

본 발명에서 합금성분 및 그 조성범위를 한정하는 이유는 아래와 같다. 이하, 특별한 언급이 없는 한 조성범위의 단위로 기재된 %는 중량%를 의미한다.

탄소(C) : 0.01 ~ 0.2%

탄소(C)는 (Cr,Mo)₂₃C₆ 및 NbC과 같은 복합 탄화물을 형성시켜 강도 및 경도를 상승시키는 역할을 한다. 그리고 450 ~ 850℃에서 입계민감화로 인한 내산화성을 향상시킨다.

탄소(C)의 함량이 0.01% 미만일 경우 탄화물 생성 및 강도의 저하를 초래한다. 반면, 탄소(C)의 함량이 0.2%를 초과할 경우 민감성이 과도하게 증대되는 단점이 발생된다. 따라서 탄소(C)의 함량은 0.01 ~ 0.2% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

규소(Si) : 0.1 ~ 1.0%

규소(Si)는 탈산제 역할 및 연신율을 제어하는 역할을 한다. 특히 내산화성, 내응력부식크랙킹(SCC; stress corrosion craking)성, 내산화성 및 주조성을 증대시킨다.

규소(Si)의 함량이 0.1% 미만일 경우 내산화성 및 주조성의 저하를 초래한다. 반면, 규소(Si)의 함량이 1.0%를 초과할 경우 연성 및 용접성이 악화되는 단점이 발생된다. 따라서 규소(Si)의 함량은 0.1 ~ 1.0% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

Mn(망간) : 0.1 ~ 1.5%

Mn(망간)은 강도를 향상시키는 역할을 한다. 특히, 경화능, 질소(N) 용해성 및 항복강도를 증대시키고 냉각속도를 저하시킨다.

Mn(망간)의 함량이 0.1% 미만일 경우 경화능의 저하를 초래한다. 반면, Mn(망간)의 함량이 1.5%를 초과할 경우 타원소의 효과를 저감시키는 단점이 발생된다. 따라서 Mn(망간)의 함량은 0.1 ~ 1.5% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr) : 8.0 ~ 24.0%

크롬(Cr)은 고용강화제 및 탄화물을 형성시키는 역할을 한다. 그리고 강도 및 산화저항성을 증대시키고, Cl산화 및 γ상 형성을 억제시키며, Ni 및 Mn과 함께 오스테나이트 안정화 원소이다.

크롬(Cr)의 함량이 8.0% 미만일 경우 내산화성 및 조직 안정성의 저하를 초래한다. 반면, 크롬(Cr)의 함량이 24.0%를 초과할 경우 타원소의 효과를 저감시키는 단점이 발생한다. 따라서 크롬(Cr)의 함량은 8.0 ~ 24.0% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

니오븀(Nb) : 0.1 ~ 2.5%

니오븀(Nb)은 고용강화제 역할 및 고온강도에 영향을 주는 원소로서, 탄화물도 형성시킨다. 특히, 저온구간의 강도 및 용접성에 영향을 주는 γ" 상(Ni₃Nb)의 생성을 억제하고, Ni와 함께 취성 및 크랙기점에 영향을 주는 σ/δ 상의 생성을 억제한다. 또한, 기계적 물성이 우수한 γ'상, 페라이트를 생성하고, γ상 및 laves상이 생성을 억제한다. 그리고 고함량시에는 내열성도 향상시킨다.

니오븀(Nb)의 함량이 0.1% 미만일 경우 고온강도 및 용접성의 저하를 초래한다. 반면, 니오븀(Nb)의 함량이 2.5%를 초과할 경우 물성을 저하시키는 Intermetallic 상을 생성시킨다. 따라서 니오븀(Nb)의 함량은 0.1 ~ 2.5% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

알루미늄(Al) : 0.1 ~ 4.0%

알루미늄(Al)은 고용강화제 역할을 하는 원소이다. 특히, 산화저항성을 증대시키고, 조직을 미세화 및 균일화시킨다. 그리고 기계적 물성이 우수한 γ＇상 및 γ+γ＇상을 생성시킨다.

알루미늄(Al)의 함량이 0.1% 미만일 경우 고온강도 및 조직균일화의 저하를 초래한다. 반면, 알루미늄(Al)의 함량이 4.0%를 초과할 경우 탄화물의 생성이 저하되는 단점이 발생한다. 따라서 알루미늄(Al)의 함량은 0.1 ~ 4.0% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

코발트(Co) : 0.01 ~ 1.0%

코발트(Co)는 고온에서 조직이 거대화되는 것을 억제하는 원소이다. 특히 크립강도 및 텀퍼링 물성을 향상시킨다.

코발트(Co)의 함량이 0.01% 미만일 경우 고온에서의 조직이 거대화되는 것을 방지하는 효과가 미비하고, 크립강도의 저하를 초래한다. 반면, 코발트(Co)의 함량이 1.0%를 초과할 경우 타원소의 효과를 저감시키는 단점이 발생한다. 따라서 코발트(Co)의 함량은 0.01 ~ 1.0% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo) : 0.01 ~ 5.0%

몰리브덴(Mo)은 고용강화제 역할을 하는 원소이다. 특히, 탄화물 형성하고, Cl산화를 억제하며, Ni₃Mo를 생성하여 기계적물성, 내피팅성 및 내크랙성을 향상시킨다. 그리고 γ상의 생성을 억제하고, 크립강도도 증대시킨다. 또한, 크립강도, 상온연성, 인성 및 내산화성을 악화시키는 μ상의 생성 제어에 필요하다.

몰리브덴(Mo)의 함량이 0.01% 미만일 경우 탄화물의 생성이 저하되어 탄화물 생성으로 인한 강도 향상의 효과가 저하되는 단점이 있다. 반면, 몰리브덴(Mo)의 함량이 5.0%를 초과할 경우 물성을 저하시키는 Intermetallic 상을 생성시킨다. 따라서 몰리브덴(Mo)의 함량은 0.01 ~ 5.0% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

텅스텐(W) : 0.01 ~ 4.0%

텅스텐(W)은 고용강하제 역할을 하는 원소이다. 특히, 탄화물을 형성하여 결정립계 슬라이딩을 억제하고, Cl산화를 억제하며, γ상 및 μ상의 생성에 관여되고, 조직이 거대화되는 것을 억제한다.

텅스텐(W)의 함량이 0.01% 미만일 경우 강도가 저하되고 조직이 거대화되는 단점이 있다. 반면, 텅스텐(W)의 함량이 4.0%를 초과할 경우 물성을 저하시키는 Intermetallic 상을 생성시킨다. 따라서 텅스텐(W)의 함량은 0.01 ~ 4.0% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

탄탈럼(Ta) : 0.1 ~ 1.0%

탄탈럼(Ta)은 고온 및 저온 내산화성을 부여하는 원소이다. 특히, 고용강화시 크립강도를 증대시킨다. 다만, 희귀 원소로 고가이다.

탄탈럼(Ta)의 함량이 0.1% 미만일 경우 내산화성 및 강도가 악화되는 단점이 있다. 반면, 탄탈럼(Ta)의 함량이 1.0%를 초과할 경우 가격이 상승하는 단점이 있다.

티타늄(Ti) : 0.1 ~ 2.4%

티타늄(Ti)은 고용강화제 역할을 하는 원소이다. 특히, 탄화물을 형성하여 결정립계 슬라이딩을 억제하고, 고온강도를 증대시킨다. 또한, 기계적 물성이 우수한 γ+γ＇상을 생성시키고, 조직 미세화 및 내민감성을 증대시키고, 질화를 방지 및 크립강도를 증대시킨다.

티타늄(Ti)의 함량이 0.1% 미만일 경우 강도 및 내민감성이 저하되는 단점이 있다. 반면, 티타늄(Ti)의 함량이 2.4%를 초과하는 경우 질화 제어가 어려운 단점이 있다.

철(Fe) : 4.0 ~ 11.0%

철(Fe)은 고용강화제 역할을 하는 원소이다. 특히, Cr 및 Ni과 함께 오스테나이틱 γ상을 형성시킨다. 다만, 산소 친화력이 높아 수분 산화에 취약하다.

철(Fe)의 함량이 4.0% 미만일 경우 고용강화 및 γ상의 형성이 저하되는 단점이 있다. 반면, 철(Fe)의 함량이 11.0%를 초과하는 경우 수분에 기인한 내산화성이 악화되는 단점이 있다.

상기한 성분 이외의 잔부는 Ni 및 불가피하게 함유되는 불순물이다.

이하, 비교예 및 실시예를 사용하여 본 발명을 설명한다.

도 1과 같이 각 성분의 함량을 변경하면서 생산된 용강을 이용하여 진공 주조(vacuum casting)하여 시편을 획득하였다. 이렇게 획득한 각 시편을 920 ~ 1250℃에서 1 ~ 2시간 동안 고용화 열처리를 실시한 후 공냉시켜 각 시편을 준비하였다. 단, 본 실험에서는 본 발명에서 기대하는 효과에 직접적인 영향을 미치지 않는 것으로 판단되는 C, Si 및 Mn의 함량은 본 발명에서 제시된 범위로 고정하고 다른 성분의 함량을 변경하였다. 이에 따라 도 1에는 C, Si 및 Mn의 함량을 표시하지 않았지만 C : 0.01 ~ 0.2%, Si : 0.1 ~ 1.0%, Mn : 0.1 ~ 1.5%의 범위 내에서 비교예 및 실시예를 동일한 조건으로 실시하였다.

다음으로, 상기와 같이 제조된 종래합금, 실시예 및 비교예에 다른 시편의 물성 확인을 위한 시험예를 살펴본다.

각각의 종래합금, 실시예 및 비교예에 따른 시편의 상온인장강도(20℃), 고온인장강도(850℃), A5 연신율(850℃), 피로강도(850℃, 10⁷회), 산화증량(850℃, 100h) 및 고온마모량(850℃, 2Km)에 대하여 시험을 실시하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

상온 및 고온 인장강도의 측정은 KS B 0802에 따라 20ton 시험기를 사용하여 각 시편들에 대하여 실시하였고, A5 연신율은 850℃ 분위기에서 측정하였고, 피로강도는 KS B ISO 1143에 따라 850℃ 분위기에서 시편들에 대한 회전 굽힘 피로시험을 통해 측정하였다.

또한, 산화증량은 각 시편을 준비한 다음 무게를 측정하고, 이후에 시편을 850℃에서 100시간 유지한다. 이때 각 시편은 N₂(20%), O₂(10%) 및 H₂O에 노출시킨다. 100시간 경과 후, 시편의 무게를 측정하고 처리 전후 시편의 무게를 비교하여 얻는다.

그리고 고온마모량은 고온 마찰마모시험(pin on disc)을 통하여 측정하였다. 시험 조건은 각 시편을 850℃에서 20N의 하중을 부여한 상태로 0.1m/s의 속도로 2Km의 거리 동안 이동시킨 후 마모량을 측정하였다.

도 2에서 알 수 있듯이, 종래합금인 713C는 Co, W, Ta, Ti 및 Fe가 함유되지 않았고, Al의 함량이 본 발명에서 제안한 함량 범위를 만족하지 못하여 상온 및 고온 인장강도, 피로강도, 산화증량 및 고온마모량에 대한 본 발명의 규정 요건을 충족시키지 못하였다.

실시예 1 및 실시예 2는 본 발명에서 규정하고 있는 합금 성분의 함량을 만족하는 실시예로서, 상온(20℃)보다 높은 고온(850℃)에서 인장강도는 950Mpa 이상, 피로강도는 350Mpa 이상, 산화증량은 0.7g/㎡ 이하, 고온마모량은 2.0㎎ 이하를 만족하였다. 또한, 상온(20℃) 인장강도는 1050Mpa 이상, A5 연신율은 13% 이상을 만족하였다.

반면에, 비교예 1 내지 비교예 18은 각각 본 발명에서 규정하고 있는 합금 성분의 함량을 만족하지 못하는 비교예로서, 종래합금 대비 상온 및 고온 인장강도, A5 연신율, 피로강도, 산화증량 및 고온마모량이 부분적으로 개선되었지만 본 발명의 규정 요건을 모두 충족시키지 못하였다.

특히, 비교예 5는 Al의 함량이 규정 요건보다 적게 함유된 경우이고, 비교예 9는 Mo의 함량이 규정 요건보다 적게 함유된 경우로서 A5 연신율은 본 발명의 규정 요건을 만족하였지만 상온 및 고온 인장강도, 피로강도, 산화증량 및 고온마모량에 대한 본 발명의 규정을 만족하지 못한 것으로 확인되었다.

한편, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 니켈 합금의 온도별 상변태 계산 결과를 보여주는 그래프로서, 본 발명에 따른 합금조성을 만족하는 경우에 종래합금 대비 연신 및 고온 취성에 부정적인 상(SIGMA; σ)이 적게 생성되는 반면에, Ta-Ti계 화합물과 복합 탄화물과 같은 물성에 유리한 상이 형성되어 고온 인장강도 및 피로강도의 향상과 산화증량 및 고온마모량의 감소를 기대할 수 있다는 것을 보여준다.

도 3의 범례에 기재된 FCC_L12은 matrix γ를 의미하고, FCC_L12#2 및 FCC_L12#3는 γ'/γ"를 의미하며, Mu는 μ를 의미하고, M23C6는 (Cr,Mo)₂₃C₆와 같은 복합 탄화물을 의미하며, Ni3Ti는 (NiTa)₃(AlTi)와 같은 Ta-Ti계 화합물을 의미한다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims

차량 엔진의 배기계에 사용되는 부품을 위한 니켈 합금으로서,
중량%로, C: 0.01 ~ 0.2%, Si: 0.1 ~ 1.0%, Mn: 0.1 ~ 1.5%, Cr: 8 ~ 24%, Nb: 0.1 ~ 2.5%, Al: 0.1 ~ 4.0%, Co: 0.01 ~ 1%, Mo: 0.01 ~ 5.0%, W: 0.01 ~ 4%, Ta: 0.1 ~ 1%, Ti: 0.1 ~ 2.4%, Fe: 4.0 ~ 11.0%, 나머지 Ni 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
850℃에서 측정한 산화증량이 0.7g/㎡ 이하이고, 마모량이 2.0㎎ 이하인 것을 특징으로 하는 배기계 부품용 니켈 합금.
청구항 1에 있어서,
상기 니켈 합금은 조직 내에 Ta-Ti계 화합물과 복합 탄화물로 (Cr,Mo)₂₃C₆이 존재하는 것을 특징으로 하는 배기계 부품용 니켈 합금.
청구항 1에 있어서,
상기 니켈 합금은 850℃에서 측정한 인장강도가 950Mpa 이상인 것을 특징으로 하는 배기계 부품용 니켈 합금.
청구항 1에 있어서,
상기 니켈 합금은 850℃에서 측정한 피로강도가 350Mpa 이상인 것을 특징으로 하는 배기계 부품용 니켈 합금.
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 니켈 합금은 상온에서 인장강도가 1050MPa 이상이고, 850℃에서 측정한 A5 연신율은 13% 이상인 것을 특징으로 하는 배기계 부품용 니켈 합금.
차량 엔진의 배기계에 사용되는 부품을 위한 니켈 합금으로서,
중량%로, C: 0.01 ~ 0.2%, Si: 0.1 ~ 1.0%, Mn: 0.1 ~ 1.5%, Cr: 8 ~ 24%, Nb: 0.1 ~ 2.5%, Al: 0.1 ~ 4.0%, Co: 0.01 ~ 1%, Mo: 0.01 ~ 5.0%, W: 0.01 ~ 4%, Ta: 0.1 ~ 1%, Ti: 0.1 ~ 2.4%, Fe: 4.0 ~ 11.0%, 나머지 Ni 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
조직 내에 Ta-Ti계 화합물과 복합 탄화물로 (Cr,Mo)₂₃C₆이 존재하며,
850℃에서 측정한 인장강도가 950Mpa 이상이고, 피로강도가 350Mpa 이상인 것을 특징으로 하는 배기계 부품용 니켈 합금.