KR101918329B1 - Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강 및 이를 이용한 EGR 쿨러 장치 - Google Patents

Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강 및 이를 이용한 EGR 쿨러 장치 Download PDF

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Abstract

Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강 및 이를 이용한 EGR 쿨러 장치가 소개된다.
본 발명의 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강은 중량 %로, C : 0.03~0.07, Si : 0.7~0.9, Mn : 0.7~0.9, Cr : 20~22, Ni : 3.8~4.2, Mo : 0.4~0.6, Cu : 0.2~0.4, N : 0.18~0.22, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강 및 이를 이용한 EGR 쿨러 장치{A low-nickel austenitic Casting Steel with Superior Tensile Strength and Resistance to Oxidation on High Temperature and EGR cooler system using the same}
본 발명은 Ni 저감형 고내열 오스테나이트계 고내열 주강 및 이를 이용한 EGR 쿨러 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 Ni 함유량을 저감하면서도 고내열 및 내산화성을 개선한 Ni 저감형 고내열 오스테나이트계 고내열 주강 및 이를 이용한 EGR 쿨러 장치에 관한 것이다.
EGR (Exhaust Gas Recirculation) 장치란, 엔진에서 배출되는 배기가스 일부를 다시 연소실로 재순환 시킴으로써 유해물질인 NOx를 저감시키는 장치이다.
통상 배기가스 재순환 시, 더 많은 양의 배기가스를 재순환할 수 있도록 체적을 축소하는 것이 바람직한데, 이를 위해 냉각장치를 부착, 배기가스 온도를 낮추게 되는바, 이러한 장치를 EGR 쿨러라 일컫는다.
EGR 쿨러의 입구는 고온의 배기가스에 직접 노출 되기 때문에 엔진 가속 시 700~900℃ 정도의 고온까지 상승하고, 엔진 off 시 주위 공기 온도까지 급속도로 공냉된다.
이러한 과정을 하루에도 몇 번씩 반복해야 되므로 본 부품들의 열충격은 매우 가혹할 정도로 상당한바, 엔진 내 부품 중에서도 매우 큰 내구성을 요한다.
현재 EGR 쿨러에 사용되는 재질은 주로 다량의 Ni이 첨가된 SUS 304 오스테나이트계 내열 주강이 사용되는데, SUS 304 내열 주강은 다량의 Ni이 첨가된 고 Ni 오스테나이트계 주강이다.
종래 고 Ni 오스테나이트계 주강의 경우, 800℃ 고온 인장강도가 150~160MPa, 산화량 25~30mg/cm2 수준의 물성을 나타내며, 작동온도 700~850℃까지 적용이 가능하다.
그러나, 최근 자동차 출력 증대 및 배기 규제 강화 동향에 따라 배기가스 온도는 지속적으로 상승되고 있는 것은 물론, 내구성 및 품질에 대한 성능도 강화되면서 배기계가 받게 되는 부하는 점점 더 커지고 있다.
따라서, 더욱 높은 수준의 인장강도와 내산화성의 향상이 요구된다.
또한 기존의 고 Ni 오스테나이트 주강은 Ni 첨가량이 약 8~10 wt% 로 상당히 높아 원가적인 측면에서 한계가 있어, 저가 내열 원소의 대체를 통해 Ni 첨가량의 저감이 필요하다.
이에 본 발명자는 상기한 문제점을 해결하고자 노력한 결과, Fe에 C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Cu 및 N의 한계값을 규정하고 상기 조성으로 이루어진 오스테나이트계 고내열 주철을 제조하였고 상기 재질에 고온에서의 인장강도 및 내산화성이 우수함을 알아내어 본 발명을 완성하였다.
상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
한국공개특허 제2013-0004513호(2013.01.10)
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 Ni을 저감하면서도 고내열, 내산화성 특성을 구현한 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강 및 이를 이용한 EGR 쿨러 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강은, 중량 %로, C : 0.03~0.07, Si : 0.7~0.9, Mn : 0.7~0.9, Cr : 20~22, Ni : 3.8~4.2, Mo : 0.4~0.6, Cu : 0.2~0.4, N : 0.18~0.22, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강은, 중량 %로, C : 0.03~0.07, Si : 0.7~0.9, Mn : 0.7~0.9, Cr : 20~22, Ni : 3.8~4.2, Mo : 0.4~0.6, Cu : 0.2~0.4, N : 0.18~0.22, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, Cr 당량 (Creq)/Ni 당량 (Nieq)는 1.75 ~ 2.05, 산화 저항 지수는 28~33인 것을 특징으로 한다.(Cr 당량 (Creq) = Cr + Mo +1.5Si, Ni 당량 (Nieq) = Ni + 0.5Mn + 30C + 30N + 0.5Cu, 산화 저항 지수 = Creq + 3.3 Mo + 30N)
800℃에서의 인장강도는 198MPa 이상인 것을 특징으로 한다.
800℃에서 200 시간 동안의 산화량은 20mg/㎤ 이하인 것을 특징으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 EGR 쿨러 장치는 중량 %로, C : 0.03~0.07, Si : 0.7~0.9, Mn : 0.7~0.9, Cr : 20~22, Ni : 3.8~4.2, Mo : 0.4~0.6, Cu : 0.2~0.4, N : 0.18~0.22, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강으로 제조된다.
EGR 쿨러 장치는, Cr 당량 (Creq)/Ni 당량 (Nieq)는 1.75 ~ 2.05, 산화 저항 지수는 28~33이며, 800℃에서의 인장강도는 198MPa 이상, 800℃에서 200 시간 동안의 산화량은 20mg/㎤ 이하인 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강으로 제조된다.
본 발명은 상기한 기술적 구성으로 인해 Ni 함량을 저감하면서도 고내열, 내산화 특성을 구현함으로써, 엔진 배기계용 EGR 쿨러 장치 등에 사용할 수 있는 이점이 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강 및 EGR 쿨러 장치에 대하여 설명한다.
본 발명의 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강은, 중량 %로, C : 0.03~0.07, Si : 0.7~0.9, Mn : 0.7~0.9, Cr : 20 ~ 22, Ni : 3.8~4.2, Mo : 0.4~0.6, Cu : 0.2~0.4, N : 0.18~0.22 및 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
본 발명의 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강은 고온 인장강도 및 내산화성이 우수하여 배기계의 EGR 쿨러에 매우 적합한 재료이다.
본 발명의 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강 성분 중 Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Cu 및 N는 고온 물성을 향상시킨다. 기지를 오스테나이트로 하는 것은 페라이트 기지 대비 고온 강도가 우수하기 때문이다. 즉, 오스테나이트를 기지로 하는 경우 고온에서 사용되는 재질에 크게 유리하며, 온도 상승 및 냉각 중에 펄라이트의 생성을 억제하여 상 변태로 인한 팽창도 막을 수 있다.
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 면심입방 구조인 오스테나이트를 안정화 시키는 원소이고, Ni과 유사한 역할을 하는 원소에는 C, Mn, Cu, N 이 있다.
반면, Cr은 결정구조가 체심입방구조로 같은 체심입방 구조인 페라이트를 안정화 시키는 원소이고, Cr과 유사한 역할을 하는 원소에는 Si, Mo 가 있다.
따라서, Cr 당량을 높이는 원소들의 첨가량을 증가시키지 않고, Ni 당량을 높이는 원소들을 증가시켜 Ni 당량 에 대한 Cr 당량의 비율이 최소화 되도록 설계하였다.
또한, 내산화성을 고려하기 위해 내산화성 향상 원소인 Cr, Mo, N 첨가량을 최적화 하였다.
이하에서는 본 발명의 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강을 구성하는 성분의 수치한정 이유에 대하여 설명한다.
C 성분은 용탕의 유동성, 즉 주조성을 개선하고, Cr, Mo와 결합하여 고온 강도를 향상시키는 원소이다. 0.03 wt% 미만으로 첨가하는 경우 그 효과가 미미하고, 0.07 wt% 초과하여 첨가하는 경우에는 Cr과 과도하게 결합하여 내산화성이 감소되므로, 0.03~0.07 wt%로 첨가량을 제한한다.
Si 성분은 오스테나이트 주강에서 주조성 향상에 영향을 준다. 0.7 wt% 미만으로 첨가 시에는 주조 시에 용탕의 유동성이 저하되어 주조성에 악영향을 미치며, 0.9 wt% 초과로 첨가하는 경우에는 주조 후 유해한 상이 형성되어 취성이 발생하므로, 그 함량은 0.7~0.9wt%로 제한한다.
Mn 성분은 함량 증가 시 별도의 열처리 없이 응고 중 조직 내부에 미세분산상(dispersoid)가 형성되어 고온강도 증가 효과를 나타내며, N의 기지조직 내에 고용도를 높여준다. 0.7 wt% 미만으로 첨가하는 경우에는 N의 고용도가 낮아져, 고온 안정성이 저하되며, 0.9 wt%를 초과하여 과도하게 첨가되는 경우 연성 및 내산화성이 저하되는바, 그 함량은 0.7~0.9 wt%로 제한한다.
Cr은 내산화성에 기여하는 성분으로, 20 wt% 미만 첨가 시 그 효과가 미미하며, 22wt% 초과 시 기지조직이 오스테나이트가 아닌 페라이트로 되어 내열성이 저하되는바, 그 함량은 20 ~ 22wt%로 제한한다.
Ni 성분은 내열 주강에서 고온 물성을 향상시키기 위해 첨가되는 대표적인 원소로 첨가 시 고온에서는 인장강도뿐만 아니라 피로특성 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 필수적인바, 이러한 점을 고려하여 본 발명에서는 Ni 함량이 4.2wt%가 넘지 않도록 조절하였는바, 그 함량은 3.8 ~ 4.2 wt%로 제한한다. 이는 오스테나이트 내열 주강재의 고온물성의 향상에 필요한 최소 요구치이며, 여타의 내열성 및 내산화성의 보완은 상대적으로 경제적인 N, Cr, Cu, Mo를 첨가하여 보완하였다.
Mo 성분은 C와 결합하여 미세한 탄화물을 형성해 고온강도 및 내산화성을 증대시킨다. 0.4wt% 미만으로 첨가하는 경우에는 내산화성 향상 효과가 미미하며, 0.6wt%를 초과하여 첨가하는 경우에는 페라이트 상이 형성되어 내열성이 오히려 감소되므로, 그 함량은 0.4 ~ 0.6wt%로 제한한다.
Cu는 Ni과 유사한 오스테나이트 안정화 원소로 기지조직의 내열성을 향상시킨다. 0.2wt% 미만으로 첨가 시에는 그 효과가 미미하며, 0.4wt% 초과하여 첨가하는 경우에는 그 효과가 포화되므로 0.2~0.4wt%로 제한한다.
N 성분은 Ni과 같이 오스테나이트 안정화 원소로 고온 강도 및 크립 저항성을 향상시키는 주요한 원소이며, Ni 대비 원가가 약 5% 미만이므로 경제적이므로, EGR쿨러 제작에 효과적이다. 0.18wt% 미만으로 첨가하는 경우에는 Ni의 고온물성을 대체할 만큼의 효과를 내지 못하며, 0.22wt%를 초과하는 경우 Cr과 질화물 석출에 의한 취성이 발생하므로, 그 함량은 0.18~0.22 wt%로 제한한다.
본 발명의 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강은 Ni 당량 대비 Cr 당량의 비율 (Cr당량/Ni당량)을 1.75 ~ 2.05 로 조절하여 오스테나이트를 안정화 하였다.
또한, 산화 저항 지수를 28 ~ 33 으로 하여 내산화성을 확보하였다.
Cr당량/Ni당량이 낮을수록 내열성이 우수하며, 산화저항지수는 높을수록 산화 저항성이 우수하다.
Cr 당량 (Creq) = Cr + Mo +1.5Si
Ni 당량 (Nieq) = Ni + 0.5Mn + 30C + 30N + 0.5Cu
산화 저항 지수 = Creq + 3.3 Mo + 30N
(상기 “eq”는 당량을 표현하는 “equivalent”의 약자이다.)
본 발명의 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 통상적인 주조 방식에 의해 제조될 수 있다.
여러가지 분석을 통하여 본 발명자는 본 발명의 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강을 이용하여 제조된 주철이 오스테나이트 기지에 탄화물이 형성되어 있는 조직임을 확인하였고, 본 재질의 최대 사용 가능한 온도는 재질의 표면온도 700~850℃로 배기가스 온도 800~950℃까지 사용이 가능함을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 오스테나이트계 고내열 주강품은 고출력 엔진의 EGR 쿨러 장치에 적합하게 사용될 수 있다.
구분 화학성분 (wt%) Creq/Nieq 산화
저항
지수		 비고
C Si Mn Cr Ni Mo Cu N
실시예 0.05 0.79 0.81 21.1 4.10 0.48 0.33 0.21 1.83 30.6
비교예1 0.04 1.0 0.7 18.5 8.5 - - - 1.99 20.0 SUS304
비교예2 0.08 0.84 0.77 21.3 4.08 0.51 0.28 0.19 1.82 30.5 C 상
비교예3 0.02 0.78 0.82 21.5 4.20 0.50 0.29 0.18 2.15 30.2 C 하
비교예4 0.04 0.91 0.72 21.9 4.08 0.45 0.33 0.21 1.96 31.5 Si 상
비교예5 0.03 0.68 0.75 22.0 4.12 0.43 0.31 0.19 2.08 30.6 Si 하
비교예6 0.05 0.89 0.92 21.5 4.11 0.40 0.33 0.21 1.85 30.9 Mn 상
비교예7 0.05 0.79 0.69 21.3 4.09 0.42 0.30 0.18 1.99 29.7 Mn 하
비교예8 0.06 0.73 0.78 22.1 3.91 0.52 0.37 0.22 1.84 32.0 Cr 상
비교예9 0.07 0.72 0.90 19.9 3.98 0.57 0.40 0.18 1.78 28.8 Cr 하
비교예10 0.05 0.71 0.88 20.0 4.21 0.49 0.38 0.21 1.71 29.5 Ni 상
비교예11 0.05 0.72 0.70 20.5 3.78 0.53 0.36 0.19 1.92 29.6 Ni 하
비교예12 0.04 0.85 0.75 21.3 4.19 0.61 0.20 0.20 1.95 31.2 Mo 상
비교예13 0.06 0.87 0.76 20.9 4.01 0.39 0.25 0.19 1.88 29.6 Mo 하
비교예14 0.07 0.90 0.77 21.1 3.89 0.54 0.42 0.19 1.87 30.5 Cu 상
비교예15 0.06 0.87 0.81 21.0 3.80 0.60 0.19 0.20 1.89 30.9 Cu 하
비교예16 0.05 0.79 0.79 20.8 3.89 0.48 0.23 0.23 1.76 30.9 N 상
비교예17 0.04 0.79 0.80 21.1 4.03 0.50 0.20 0.17 2.10 29.5 N 하
표 1에서 실시예는 본 발명의 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강품이고, 비교예 1은 기존 오스테나이트계 주강품, 비교예 2 내지 비교예 17은 주요 원소의 합금량을 변화한 주강품이며, Cr 당량, Ni 당량, 산화 저항 지수는 하기의 식으로 정의된다.
Cr 당량 (Creq) = Cr + Mo + 1.5Si
Ni 당량 (Nieq) = Ni + 0.5Mn + 30C + 30N + 0.5Cu
산화 저항 지수 = Creq + 3.3Mo + 30N
본 발명자는 본 발명의 고온 인장강도 및 내산화성에 대한 효과를 확인하기 위하여 이에 대한 시험을 진행하였는바, 고온 인장시험의 경우, ASTM E21 'Elevated Temperature Tension Tests of Metallic Materials'에 입각하여 800℃ 에서 실험하였고, 내산화 시험의 경우, ASTM G111-97 'Guide for Corrosion Tests in High Temperature or High-Pressure Environment, or Both' 800℃/200시간 기준으로 평가하였으며, 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.
Figure 112014096226228-pat00001
고온 물성 평가는 EGR 쿨러 작동 온도를 감안하여 800℃에서 수행하였으며,고온 물성 실험 결과, 가혹한 배기계 모드인 재질 표면온도 800℃에서 실시예는 기존 내열 주강인 비교예 1보다 우수한 고온 강도 및 산화 특성을 나타내었다.
이것은 Cr, Mo, Cu, N이 Ni을 대신해 고온 인장강도 및 내산화성 향상에 크게 기여 한 결과로 사료된다.
또한, 실시예와 비교예 2~17와 비교 결과, 실시예가 가장 우수한 고온 인장강도 및 산화 특성을 나타내었다.
비교예 9,10의 경우 고온 인장강도는 우수하나 내산화성이 기존재인 비교예 1 대비 열세이며, 비교예 4, 8은 내산화성은 우수하나, 고온 인장강도 측면에서 기존재인 비교예 1 대비 열세이어서, 실시예가 가장 고온 작동환경에서 가장 우수한 재질이라 할 수 있다.
이는 본 발명이 제시하는 C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Cu 및 N의 적정 함량 범위에서 최적의 고온 물성이 나타나는 결과를 보여준다.
본 발명은 특정한 실시 예에 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. 고온 인장강도 및 내산화성이 우수한 오스테나이트계 주강으로서,
    중량 %로, C : 0.03~0.07, Si : 0.7~0.9, Mn : 0.7~0.9, Cr : 20~22, Ni : 3.8~4.2, Mo : 0.4~0.6, Cu : 0.2~0.4, N : 0.18~0.22, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, Cr 당량 (Creq)/Ni 당량 (Nieq)는 1.75 ~ 2.05, 산화 저항 지수는 28~33를 만족하여 800℃에서의 인장강도는 198MPa 이상이고, 800℃에서 200 시간 동안의 산화량은 20mg/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는, Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강.
    (Cr 당량 (Creq) = Cr + Mo +1.5Si, Ni 당량 (Nieq) = Ni + 0.5Mn + 30C + 30N + 0.5Cu, 산화 저항 지수 = Creq + 3.3 Mo + 30N)
    (Cr 당량 (Creq)/Ni 당량 (Nieq) 및 산화 저항 지수에서 Cr, Mo, Si, Ni, Mn, C, N 및 Cu는 해당 합금성분의 함유량을 중량%로 나타낸 값이다.)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 고온 인장강도 및 내산화성이 우수한 오스테나이트계 주강을 이용한 EGR 쿨러 장치로서,
    중량 %로, C : 0.03~0.07, Si : 0.7~0.9, Mn : 0.7~0.9, Cr : 20~22, Ni : 3.8~4.2, Mo : 0.4~0.6, Cu : 0.2~0.4, N : 0.18~0.22, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, Cr 당량 (Creq)/Ni 당량 (Nieq)는 1.75 ~ 2.05, 산화 저항 지수는 28~33를 만족하여 800℃에서의 인장강도는 198MPa 이상이고, 800℃에서 200 시간 동안의 산화량은 20mg/㎤ 이하인 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강으로 제조된, EGR 쿨러 장치.
    (Cr 당량 (Creq) = Cr + Mo +1.5Si, Ni 당량 (Nieq) = Ni + 0.5Mn + 30C + 30N + 0.5Cu, 산화 저항 지수 = Creq + 3.3 Mo + 30N)
    (Cr 당량 (Creq)/Ni 당량 (Nieq) 및 산화 저항 지수에서 Cr, Mo, Si, Ni, Mn, C, N 및 Cu는 해당 합금성분의 함유량을 중량%로 나타낸 값이다.)
  6. 삭제
KR1020140136132A 2014-10-08 2014-10-08 Ni 저감형 오스테나이트계 고내열 주강 및 이를 이용한 EGR 쿨러 장치 KR101918329B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2000355738A (ja) 1999-06-15 2000-12-26 Kubota Corp 耐熱疲労性・耐腐食疲労性およびドリル加工性等に優れたフェライト−オーステナイト二相ステンレス鋼および製紙用サクションロール胴部材
JP2009249658A (ja) * 2008-04-02 2009-10-29 Daido Steel Co Ltd 耐熱部品用オーステナイト系ステンレス鋼及びこれを用いた耐熱部品
JP2011057615A (ja) 2009-09-10 2011-03-24 Fujiyama:Kk 溶岩パウダーを配合した塩

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