KR101844577B1 - 내열성 및 내응축수 부식성이 개선된 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법 - Google Patents

내열성 및 내응축수 부식성이 개선된 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

내열성 및 내응축수 부식성이 개선된 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강에 따르면, 중량%로, C: 0.01% 이하, Si: 0.5 내지 1.0%, Mn: 0.5% 이하, P: 0035% 이하, S: 0.01% 이하, Cr: 11 내지 18%, N: 0.013% 이하, Ti: 0.15 내지 0.5%, Sn: 0.03% 내지 0.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강 모재 및 상기 스테인리스강 모재 상에 형성된 알루미늄 도금층을 포함하는 페라이트계 스테인리스강에 있어서, 상기 스테인리스강 모재 및 상기 알루미늄 도금층 사이의 계면에 (Al19FeMnSi2)5,31(Aluminum Iron Manganese Silicide)을 포함하는 도금 화합물을 포함한다.

Description

내열성 및 내응축수 부식성이 개선된 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법{FERRITIC STAINLESS STEEL FOR AUTOMOTIVE EXHAUST SYSTEM WITH IMPROVED HEAT RESISTANCE AND CORROSION RESISTANCE FOR WATER CONDENSATION AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차 배기계에 요구되는 특성을 만족시키기 위하여 내열성 및 내응축수 부식성이 개선된 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
스테인리스강 중 특히 페라이트계 스테인리스 냉연제품은 열팽창율, 열피로 특성 등의 고온 특성이 우수하고 응력부식균열에 강하다. 이에 따라서, 페라이트계 스테인리스강은 자동차 배기계 부품, 가정용 기구, 구조물, 가전 제품, 엘리베이터 등에 널리 사용되고 있다.
일반적으로 자동차 배기계 부재는 배기가스의 온도에 따라 고온부재(Hot part)와 저온부재(Cold part)로 구분되어 있다. 고온부재의 자동차 부품은 매니폴드(Exhaust manifold), 컨버터(Converter) 및 벨로우즈(Bellows) 등이 있고, 이들 부품의 사용온도는 주로 600 이상으로 고온강도, 고온열피로 및 고온염부식 특성 등이 우수해야 한다. 반면, 저온부재(Cold part)는 사용온도가 400 이내로 주로 자동차 배기가스의 소음을 저감하는 머플러(muffler) 등의 부재가 여기에 해당된다. 자동차 배기계 저온부재(Cold part)는 자동차 연료 중의 유황(S)성분에 의하여 발생되는 응축수 부식특성, 겨울철 제설염 사용에 따른 외면발청 부식특성 등의 이유로 스테인리스(또는 STS) 409, 409L, 439, 436L 또는 Al 도금 스테인리스 409 등의 소재가 사용되고 있다.
예를 들어, 스테인리스 강 중 가장 저렴한 STS 409L 소재는 Cr을 11% 정도에 C, N을 Ti으로 안정화 하여 용접부의 예민화 방지와 가공성이 우수한 강종으로 700℃ 이하의 온도에 주로 사용을 하고 있고 자동차 배기계에서 발생하는 응축수 성분에 대하여서도 다소의 부식저항성을 가지고 있기 때문에 가장 많이 사용되고 있는 강종이다.
고내식을 요구하는 부식환경에서는 Cr 17%인 STS 439 및 STS 439강에 Mo을 약 1%정도 함유한 STS 436L강을 사용하고 있으나 부품 재료비가 상승하는 문제가 있다.
최근 자동차 생산 보급율은 급격하게 증가하고 있는 중국, 중남미, 인도 등의 국가의 경우, 가솔린 성분 중에 황(S) 함유량이 기타 선진국에 비하여 상당히 많이 함유되어 있는 실정에 있다. 예를 들어, 한국, 일본의 경우 가솔린 성분 중에 황(S) 함유량을 10ppm 이하로 규정하고 있지만, 중국의 경우 500ppm 이하로 규정하고 있으며 실제는 지역에 따라 그 이상의 황(S) 성분을 함유하고 있다.
가솔린 성분 중 황(S) 성분은 자동차 배기가스의 응축수 성분 중의 황산이온(SO4 2-)으로 농축되며, pH가 2 이하의 부식성이 강한 황산(H2SO4) 분위기를 형성하며, 이에 따라 기존의 STS 409L으로는 내식성을 확보할 수 없어, 점차적으로 STS 439, 436L 등과 같이 Cr 성분을 17% 이상 또는 Mo가 함유한 고크롬 계통의 스테인리스 소재의 적용을 하고 있다. 그러나, 상기 소재의 경우 자원 가격이 점점 상승하는 문제가 있으므로, Cr, Mo 등의 고가의 원소를 첨가하지 않거나 또는 미량의 원소 만을 첨가한 예들 들어, 기존의 Al 도금 스테인리스 409강보다 우수한 내공식성 및 내응축수 부식성을 가지는 스테인리스 소재의 개발이 요구된다.
한국 공개특허문헌 제10-2008-0110662호
본 발명의 실시예들은 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강에 Sn를 함유시키고 Sn을 스테인리스강의 표면에 농화시킬 뿐만 아니라, 모재 상에 Al 도금층을 형성하여 모재와 도금층의 계면에 도금 화합물을 형성시킴에 따라 내열성 및 응축수 분위기에서의 내식성 등의 자동차 배기계에 요구되는 특성을 만족시킬 수 있는 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 상기 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강에 따르면, 중량%로, C: 0.01% 이하, Si: 0.5 내지 1.0%, Mn: 0.5% 이하, P: 0035% 이하, S: 0.01% 이하, Cr: 11 내지 18%, N: 0.013% 이하, Ti: 0.15 내지 0.5%, Sn: 0.03% 내지 0.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강 모재 및 상기 스테인리스강 모재 상에 형성된 알루미늄 도금층을 포함한다.
상기 스테인리스강 모재 및 상기 알루미늄 도금층 사이의 계면에 (Al19FeMnSi2)5,31(Aluminum Iron Manganese Silicide)을 포함하는 도금 화합물을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도금 화합물은 Al9FeSi2(Aluminum Iron Silicon), Al3FeSi2(Aluminum Iron Silico), Al(Aluminum)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알루미늄 도금층에 인접한 상기 스테인리스강 모재의 표면부에 Sn이 상기 스테인리스강 모재 대비 4.5배 이상 농화될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강 모재의 표면부에 Sn이 상기 스테인리스강 모재 대비 4.5 내지 6.1배 농화될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, Sn: 0.05 내지 0.5%를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 응축수 부식 특성 평가(JASO-B M611-92)시, 최대 공식 깊이가 0.4mm 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강의 열처리 전후의 표면 색차(△E)는 10 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법에 따르면, 중량%로, C: 0.01% 이하, Si: 0.5 내지 1.0%, Mn: 0.5% 이하, P: 0035% 이하, S: 0.01% 이하, Cr: 11 내지 18%, N: 0.013% 이하, Ti: 0.15 내지 0.5%, Sn: 0.03% 내지 0.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 페라이트계 스테인리스강을 열간 압연, 냉간 압연 및 알루미늄 도금 공정을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 페라이트계 스테인리스강은 통상의 STS 409L 제조 공정으로 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 알루미늄 도금된 상기 페라이트계 스테인리스강을 300 내지 500℃의 온도에서 48시간 이내로 열처리 하는 단계를 더 포함하며, 열처리 전후의 표면 색차(△E)는 10 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예들은 종래 페라이트계 스테인리스강 중 기존 11Cr 스테인리스강인 STS 409에 약 0.05% 이상 Sn 첨가로 원가상승 및 제조성의 저하를 초래하지 않고, 내열성 및 내응축수 부식성이 개선된 페라이트 스테인리스강을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 페라이트계 스테인리스강을 이용하여 자동차 배기계용 머플러 관련 소재 등의 배기계 엔드파트용 등으로 사용할 경우, 기존 고유황 연료 지역인 중국 등의 지역에서 제조 원가 상승이 없이 우수한 내식성을 보증하는 자동차 배기계용 부품을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 Sn를 첨가한 스테인리스강과 미첨가한 스테인리스강의 자동차 배기계 응축수용액에서의 최대 공식 깊이를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 Sn를 첨가한 스테인리스강의 Al 도금층 및 스테인리스강 모재와의 계면을 투과전자현미경(TEM) EDS(Energy-Dispersive Spectroscopy)로 분석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 Sn를 첨가한 스테인리스강의 Al 도금층부터 모재까지 투과전자현미경(TEM) EDS(Energy-Dispersive Spectroscopy)로 라인(line) 분석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 Sn를 첨가한 스테인리스강의 Al 도금층 및 스테인리스강 모재와의 계면을 X선 회절(XRD) 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 Sn를 미첨가한 스테인리스강의 Al 도금층부터 모재까지 투과전자현미경(TEM) EDS(Energy-Dispersive Spectroscopy)로 라인(line) 분석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 Sn를 미첨가한 스테인리스강의 Al 도금층 및 스테인리스강 모재와의 계면을 X선 회절(XRD) 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 Sn를 첨가한 스테인리스강과 미첨가한 스테인리스강의 열처리 전후를 관찰한 사진이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.01% 이하, Si: 0.5 내지 1.0%, Mn: 0.5% 이하, P: 0035% 이하, S: 0.01% 이하, Cr: 11 내지 18%, N: 0.013% 이하, Ti: 0.15 내지 0.5%, Sn: 0.03% 내지 0.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
Ti(C, N) 탄질화물 형성원소로 침입형으로 존재하는 C 및 N는, C, N 함량이 높아지면 Ti(C, N) 탄질화물 형성하지 않고, 고용으로 존재하는 C, N는 소재의 연신율 및 저온충격특성을 저하시키고, 용접 후 600℃ 이하에서 장시간 사용하는 경우 Cr23C6 탄화물이 생성되어 입계부식이 발생되기 때문에 그 함량은 C의 경우는 0.01% 이하, N은 0.01% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
뿐만 아니라, C+N 함량이 높아지면, Ti 함량을 높게 첨가할 경우 제강성 개재물 증가로 스캡(scab)과 같은 표면결함이 많이 발생하고, 또한 연주시 노즐 막힘 현상이 발생하는 문제점과 고용 C, N 증가에 의한 연신율 및 충격특성이 저하되기 때문에 C+N 함량은 0.02% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
Si은 탈산원소로 첨가되는 원소이며 페라이트 상 형성원소로 함량 증가시 페라이트 상의 안정성이 높아진다. Si은 함량의 증가시, 공식전위의 향상 및 내산화특성이 증가하게 된다. 본 발명에서는 공식전위의 향상 및 내산화특성을 목적으로 최소한 0.5% 이상 첨가하는 하는 것이 바람직하다. Si의 함량이 1.0% 이상으로 증가할 경우, 제강성 Si 개재물의 증가 및 표면결함 등의 문제점 발생으로 최대 1.0% 이상을 초과하지 않는 것으로 제어하는 것이 바람직하다.
Mn은 함량이 높아지면 MnS 등의 석출물을 형성하여 내공식성을 저하시킨다. 그러나 Mn의 과도한 저감은 정제 비용의 증가 등을 발생시키므로 0.5% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
P, S 는 입계편석 및 MnS 석물물 등을 형성하여 열간가공성을 저하시키므로 가능한 적을수록 바람직한다. 그러나, 과도한 저감은 정제 비용의 증가 등을 발생시키므로 P의 경우는 0.035% 이하, S는 0.01% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
Cr은 스테인리스강의 내식성을 확보하기 위한 필수 원소로 있다. Cr의 함량이 낮으면 응축수 분위기에서 내식성이 저하하고 함량이 너무 높아지면 내식성 등이 향상이 되나 강도가 높고 연신율, 충격성이 저하 및 제조원가 상승으로 인해 그 함량을 10 내지 18%로 제어하는 것이 바람직하다.
Ti은 C, N을 고정화하여 입계부식발생을 방지하는 유효한 원소이다. 그러나, Ti/(C+N)비가 낮아지면 용접부 등에 입계부식이 발생하여 내식성이 저하하는 문제점이 발생하기 때문에, Ti은 최소 0.15% 이상으로 제어하는 것이 바람직하다. 그러나, Ti의 첨가량이 너무 높아지면, 제강성 개재물이 증가하여 스캡(scab)과 같은 표면결함이 많이 발생하고, 또한 연주시 노즐 막힘 현상이 발생하는 문제점이 발생하기 때문에 그 함량을 0.5% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
Sn는 본 발명의 목표로 하는 내열성 및 응축수분위기에서의 내식성을 확보하기 위한 필수 원소이다.
본 발명에서는 내열성 및 내응축수 부식성을 확보하기 위하여서는 Sn을 최소한 0.03% 이상으로 제어하는 것이 바람직하다. 그러나 Sb의 과도한 첨가로 인한 제조공정상의 저하를 초래하기 때문에 그 상향을 0.5%로 제어하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Sb의 함량은 0.05 내지 0.5%로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 Al 도금 페라이트계 스테인리스강일 수 있으며, 이는 스테인리스강 모재 및 상기 스테인리스강 모재 상에 형성된 알루미늄 도금층을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 상기 스테인리스강 모재 및 상기 알루미늄 도금층 사이의 계면에 도금 화합물로서 (Al19FeMnSi2)5,31(Aluminum Iron Manganese Silicide)을 포함한다.
이와 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 상기 스테인리스강 모재 및 상기 알루미늄 도금층 사이의 계면에 도금 화합물로서 Al17(Fe32Mn0.8)Si2(Aluminum Iron Manganese Silicon)를 포함하지 않는다. 이는 Sn 미첨가 Al 도금 스테인리스강에 형성되는 도금 화합물로서, 즉, Sn 첨가 유무에 따라 상기 스테인리스강 모재 및 상기 알루미늄 도금층 사이의 계면에 형성되는 도금 화합물의 조성에 차이가 발생한다.
예를 들어, 상기 도금 화합물은 Al9FeSi2(Aluminum Iron Silicon), Al3FeSi2(Aluminum Iron Silico), Al(Aluminum)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 상기 알루미늄 도금층에 인접한 상기 스테인리스강 모재의 표면부에 Sn이 상기 스테인리스강 모재 대비 4.5배 이상 농화되어 있다. Sn은 다른 원소들에 비하여 비교적으로 산소 친화력이 강하여 산화스케일이 형성되는 스테인리스강의 표면부에 농화될 수 있다.
예를 들어, 상기 스테인리스강 모재의 표면부에 Sn이 상기 스테인리스강 모재 대비 4.5 내지 6.1배 농화되어 있을 수 있다.
상기 스테인리스강은 표면부에 Sn이 농화된 영역을 가질 뿐만 아니라, 상기 스테인리스강 모재 및 상기 알루미늄 도금층 사이의 계면에 도금 화합물로서 (Al19FeMnSi2)5,31(Aluminum Iron Manganese Silicide)을 포함함으로써, Sn를 포함하지 않거나, 표면부에 농화되지 않은 페라이트계 스테인리스강에 비하여, 목적하는 개선된 내열성 및 내응축수 부식성을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 Sn를 첨가한 스테인리스강과 미첨가한 스테인리스강의 자동차 배기계 응축수용액에서의 최대 공식 깊이를 도시한 그래프이다.
도 1의 실시예는 본 발명의 실시예에 따른 Sn을 첨가한 페라이트계 스테인리스강이며, 비교예는 기존의 Al 도금 409L강을 대상으로 응축수 부식 특성 평가(JASO-B M611-92) 후 최대 공식 깊이를 나타낸 것이다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 응축수 부식 특성 평가(JASO-B M611-92)시, 최대 공식 깊이가 0.4mm 이하일 수 있다. 이와 달리 기존의 Al 도금 409L강은 약 0.6mm 초과의 최대 공식 깊이를 나타낸다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 상기 스테인리스강의 열처리 전후의 표면 색차(△E)는 10 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법은 상기 조성을 포함하는 페라이트계 스테인리스강 슬라브를 열간 압연, 열연 소둔, 열연 산세, 냉간 압연 및 마무리 소둔하는 공정을 거쳐 제조될 수 있으며, 이러한 제조 공정은 통상의 STS 409L 제조 공정일 수 있다. 이후, 냉연 강판에 알루미늄 도금 공정을 거쳐 Al 도금 페라이트계 스테인리스강을 제조할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법은 알루미늄 도금된 상기 페라이트계 스테인리스강을 300 내지 500℃의 온도에서 48시간 이내로 열처리 하는 단계를 더 포함하며, 이때에 상기 스테인리스강의 열처리 전후의 표면 색차(△E)는 10 이하일 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강을 실시예들을 통하여 상세하게 설명하고자 한다.
발명예
발명강 1
하기 표 1의 발명강 1의 조성과 같이 조성된 페라이트계 스테인리스강 슬라브를 제조하였다. 슬라브를 1,150℃의 온도에서 열간 압연하여 3.0mmt의 열연 강판을 제조하였다. 상기 열연 강판을 소둔, 산세 후 냉간 압연하여 1.2mmt의 냉연 강판을 제조하여 마무리 소둔, 산세 공정을 수행한 후, Al 도금을 실시하여 최종 Al 도금 페라이트계 스테인리스강 제품을 제조하였다.
발명강 2
하기 표 1의 발명강 2의 조성을 사용한 것을 제외하고는 상기 발명강 1과 동일하게 제조하였다.
발명강 3
하기 표 1의 발명강 3의 조성을 사용한 것을 제외하고는 상기 발명강 1과 동일하게 제조하였다.
비교강 1
하기 표 1의 비교강 1의 조성을 사용한 것을 제외하고는 상기 발명강 1과 동일하게 제조하였다.
비교강 2
하기 표 1의 비교강 2의 조성을 사용한 것을 제외하고는 상기 발명강 1과 동일하게 제조하였다.
(wt%) C Si Mn P S Cr Ti Sn N Ti/(C+N)
발명강1 0.005 0.597 0.30 0.021 <0.003 11.14 0.22 0.048 0.0074 17.4
발명강2 0.005 0.613 0.31 0.023 <0.003 11.21 0.21 0.11 0.0089 15.1
발명강3 0.006 0.592 0.30 0.019 <0.003 11.24 0.24 0.2 0.0072 18.2
비교강1 0.005 0.62 0.30 0.023 <0.003 11.24 0.22 0 0.0074 17.7
비교강2 0.006 0.594 0.30 0.020 <0.003 11.29 0.23 0.02 0.0072 18.8
하기 표 2는 상기 발명강 3의 스테인리스강 모재 및 알루미늄 도금층에 인접한 상기 스테인리스강 모재의 표면부의 농화층에서의 주요 성분을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
농화층1 (wt%) 농화층2 (wt%) 농화층3 (wt%) 모재 (wt%)
Fe 79.11074 83.80825 82.11589 88.5022
Cr 11.32846 9.647609 10.79504 10.30857
Al 6.784723 4.033176 4.799919 0.157073
Si 1.798595 1.204887 1.276994 0.781254
Sn 0.977485 1.306278 1.012158 0.214902
농화층Sn/모재Sn 4.5 6.1 4.7 -
도 2는 본 발명의 Sn를 첨가한 스테인리스강의 Al 도금층 및 스테인리스강 모재와의 계면을 투과전자현미경(TEM) EDS(Energy-Dispersive Spectroscopy)로 분석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 2 및 표 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 상기 알루미늄 도금층에 인접한 상기 스테인리스강 모재의 표면부에 Sn이 상기 스테인리스강 모재 대비 4.5 내지 6.1배 농화되어 있음을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 Sn를 첨가한 스테인리스강의 Al 도금층부터 모재까지 투과전자현미경(TEM) EDS(Energy-Dispersive Spectroscopy)로 라인(line) 분석한 결과를 나타내는 도면이다. 도 4는 본 발명의 Sn를 첨가한 스테인리스강의 Al 도금층 및 스테인리스강 모재와의 계면을 X선 회절(XRD) 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 도금층으로부터 모재를 향하여 Cr 및 Sn을 측정한 결과, 상기 알루미늄 도금층에 인접한 상기 스테인리스강 모재의 표면부에 Sn이 농화됨을 확인할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 스테인리스강 모재 및 상기 알루미늄 도금층 사이의 계면에 도금 화합물로서 (Al19FeMnSi2)5,31(Aluminum Iron Manganese Silicide), Al9FeSi2(Aluminum Iron Silicon), Al3FeSi2(Aluminum Iron Silico), Al(Aluminum)을 포함하는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 Sn를 미첨가한 스테인리스강의 Al 도금층부터 모재까지 투과전자현미경(TEM) EDS(Energy-Dispersive Spectroscopy)로 라인(line) 분석한 결과를 나타내는 도면이다. 도 6은 Sn를 미첨가한 스테인리스강의 Al 도금층 및 스테인리스강 모재와의 계면을 X선 회절(XRD) 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, Sn을 미첨가한 스테인리스강으로 도금층으로부터 모재를 향하여 Cr 및 Sn을 측정한 결과, 상기 스테인리스강 모재의 표면부에 당연히 Sn이 농화되지 않음을 확인할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 스테인리스강 모재 및 상기 알루미늄 도금층 사이의 계면에 도금 화합물로서 Al17(Fe32Mn0.8)Si2(Aluminum Iron Manganese Silicon), Al9FeSi2(Aluminum Iron Silicon), Al3FeSi2(Aluminum Iron Silico), Al(Aluminum)을 포함하는 것을 확인할 수 있다. 즉, Sn 첨가강에서 형성되는 (Al19FeMnSi2)5,31(Aluminum Iron Manganese Silicide)의 도금 화합물이 형성되지 않음을 확인할 수 있다.
하기 표 3 내지 표 5는 Sn를 첨가한 상기 발명강 3의 스테인리스강 및 Sn를 미첨가한 상기 비교강 1의 스테인리스강을 열처리 전후의 백색도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
실험예 1
상기 발명강 3의 스테인리스강 및 상기 비교강 1의 스테인리스강을 각각 350℃에서 24시간 동안 열처리를 수행한 후 열처리 전후의 백색도를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
열처리 전 백색도 열처리 후 백색도 색차(△E)
발명강3 77.84 78.04 7.11
비교강1 78.27 71.52 10.83
실험예 2
상기 발명강 3의 스테인리스강 및 상기 비교강 1의 스테인리스강을 각각 400℃에서 24시간 동안 열처리를 수행한 후 열처리 전후의 백색도를 측정하여 하기 표 4에 나타내었다.
열처리 전 백색도 열처리 후 백색도 색차(△E)
발명강3 77.93 80.04 5.70
비교강1 77.27 68.97 13.59
실험예 3
상기 발명강 3의 스테인리스강 및 상기 비교강 1의 스테인리스강을 각각 450℃에서 24시간 동안 열처리를 수행한 후 열처리 전후의 백색도를 측정하여 하기 표 5에 나타내었다.
열처리 전 백색도 열처리 후 백색도 색차(△E)
발명강3 78.95 79.50 5.38
비교강1 77.59 65.80 15.35
도 7 및 도 8은 본 발명의 Sn를 첨가한 스테인리스강과 미첨가한 스테인리스강의 열처리 전후를 관찰한 사진이다.
도 7은 상기 실험예 2에 따른 스테인리스강들의 표면을 촬영한 사진이며, 도 8은 상기 실험예 3에 따른 스테인리스강들의 표면을 촬영한 사진이다.
상기 실험예들과 도 7 및 도 8을 참조하면, Sn 미첨가강의 경우 열처리 후 강재 표면의 색상이 어두워지며 백색도가 저하됨을 알 수 있으나, Sn 첨가강의 경우 열처리를 수행하더라도 백색도의 저하가 거의 없으며, 예를 들어 백색도의 차이가 10 이하를 나타냄을 알 수 있다. 이에 따라, Sn 첨가강의 경우 Sn 미첨가강에 비하여 내열성이 우수함을 확인할 수 있다.
내식성의 평가는 일본 규격인 JASO-B M611-92에 따라 응축수 부식성을 평가하였다. 즉, Cl- 농도: 100ppm, NO3 - 농도: 20pmm, SO3 2- 농도: 600pmm, SO4 2- 농도: 600pmm, CH3COO- 농도: 800pmm, pH: 8.0±0.2의 수용액에서 80℃에 24시간 유지를 5회 반복 후 250℃에서 24시간 유지를 1 사이클(cycle)로 하여, 총 4 사이클 반복 후 최대 공식 깊이를 측정하였다.
상기 발명강 3 및 비교강 1에 따른 스테인리스강을 상기 방법에 따라 응축수 부식성을 평가한 후 최대 공식 깊이를 측정하여 하기 표 6에 나타내었다.
최대 공식 깊이(mm)
발명강3 0.35
비교강1 0.66
도 1은 본 발명의 Sn를 첨가한 스테인리스강과 미첨가한 스테인리스강의 자동차 배기계 응축수용액에서의 최대 공식 깊이를 도시한 그래프이다.
도 1의 실시예는 발명강 3의 Sn을 첨가한 페라이트계 스테인리스강이며, 비교예는 비교강 1의 기존의 Al 도금 409L강이다. 도 1 및 표 6을 참조하면, 상기 발명강 3은 응축수 부식 특성 평가(JASO-B M611-92)시, 최대 공식 깊이가 0.35mm를 나타내며, 상기 비교강 1은 0.66mm를 나타냄을 알 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 실시예들에 따른 Sn 첨가한 Al 도금된 페라이트계 스테인리스강의 경우, 우수한 내응축수 부식성 및 내열성을 가짐을 알 수 있다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 중량%로, C: 0.01% 이하, Si: 0.5 내지 1.0%, Mn: 0.5% 이하, P: 0035% 이하, S: 0.01% 이하, Cr: 11 내지 18%, N: 0.013% 이하, Ti: 0.15 내지 0.5%, Sn: 0.03% 내지 0.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강 모재 및 상기 스테인리스강 모재 상에 형성된 알루미늄 도금층을 포함하는 페라이트계 스테인리스강에 있어서,
    상기 스테인리스강 모재 및 상기 알루미늄 도금층 사이의 계면에 (Al19FeMnSi2)5,31(Aluminum Iron Manganese Silicide)을 포함하는 도금 화합물을 포함하는 내열성 및 내응축수 부식성이 개선된 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도금 화합물은 Al9FeSi2(Aluminum Iron Silicon), Al3FeSi2(Aluminum Iron Silico), Al(Aluminum)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함하는 내열성 및 내응축수 부식성이 개선된 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 도금층에 인접한 상기 스테인리스강 모재의 표면부에 Sn이 상기 스테인리스강 모재 대비 4.5배 이상 농화되어 있는 내열성 및 내응축수 부식성이 개선된 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스테인리스강 모재의 표면부에 Sn이 상기 스테인리스강 모재 대비 4.5 내지 6.1배 농화되어 있는 내열성 및 내응축수 부식성이 개선된 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강.
  5. 제1항에 있어서,
    Sn: 0.05 내지 0.5%를 포함하는 내열성 및 내응축수 부식성이 개선된 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강.
  6. 제1항에 있어서,
    응축수 부식 특성 평가(JASO-B M611-92)시, 최대 공식 깊이가 0.4mm 이하인 내열성 및 내응축수 부식성이 개선된 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스테인리스강의 열처리 전후의 표면 색차(△E)는 10 이하인 내열성 및 내응축수 부식성이 개선된 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강.
  8. 중량%로, C: 0.01% 이하, Si: 0.5 내지 1.0%, Mn: 0.5% 이하, P: 0035% 이하, S: 0.01% 이하, Cr: 11 내지 18%, N: 0.013% 이하, Ti: 0.15 내지 0.5%, Sn: 0.03% 내지 0.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 페라이트계 스테인리스강을 열간 압연, 냉간 압연, 알루미늄 도금 공정 및 알루미늄 도금된 페라이트계 스테인리스강을 300 내지 500℃의 온도에서 48시간 이내로 열처리하는 단계를 포함하며,
    열처리 전후의 표면 색차(△E)는 10이하인 내열성 및 내응축수 부식성이 개선된 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 페라이트계 스테인리스강은 통상의 STS 409L 제조 공정으로 제조되는 내열성 및 내응축수 부식성이 개선된 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법.


  10. 삭제
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JP2014152368A (ja) 2013-02-12 2014-08-25 Nippon Steel & Sumikin Stainless Steel Corp 耐テンパーカラー性と加工性に優れた高純度フェライト系ステンレス鋼板およびその製造方法

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