KR101988150B1

KR101988150B1 - 배기계 부품

Info

Publication number: KR101988150B1
Application number: KR1020177026809A
Authority: KR
Inventors: 신이치 데라오카; 요시하루 이노우에; 준이치 하마다; 아츠히사 야카와
Original assignee: 닛폰 스틸 앤드 스미킨 스테인레스 스틸 코포레이션
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2019-06-11
Also published as: CN107429358B; WO2016159011A1; CN107429358A; EP3279359B1; EP3279359A1; JP6239192B2; US20180080106A1; ES2890333T3; JPWO2016159011A1; EP3279359A4; PL3279359T3; KR20170123647A

Abstract

배기 매니폴드의 이중관 내관이나 터보 차저 부품 등의 자동차 배기계 부품으로서 바람직하게 사용할 수 있는, 표면 흠집이 없고, 높은 고온 강도, 내식성을 갖고, 고온에서의 취화가 발생하지 않고, 또한, 높은 내산화성을 발휘하는 스테인리스 강판이며, 소정의 성분 조성을 갖고, Cr+20Mo≥24.0％, 및 Si+20C+15N≥5.8％를 만족시키는 스테인리스 강판. 또한, 상기 스테인리스 강판을 사용한 모재와 용접부의 내산화성이 모두 우수한 배기계 부품이며, 용접 금속과 모재인 상기 스테인리스 강판의 판 두께 변화의 구배가 15도 이하인 배기계 부품.

Description

배기계 부품

본 발명은 단속 산화 특성이 우수한 내열 스테인리스 강판, 및 배기계 부품에 관한 것이다. 본 발명의 배기계 부품은, 특히 자동차 엔진의 배기 매니폴드나 터보 차저 부품과 같이, 1000℃ 이상의 고온으로 반복 가열되는 환경 하에서 사용되는 부품으로서 바람직하다.

자동차의 배기계 부품에 사용되는 재료는, 고온의 배기 가스 분위기에 노출되고, 반복 가열 냉각되기 때문에, 높은 열 피로 특성이 필요하게 됨과 함께, 고온에서의 내산화성, 산화 스케일의 내박리성이 우수할 것이 요구되고 있다. 예를 들어, 종래, 배기 매니폴드, 프론트 파이프, 컨버터 셸용으로, SUH409, SUS429, SUS430J1L, SUS436L, SUS444 등의 페라이트계 스테인리스강이 사용되어 왔다. 이들 강은, 700∼900℃ 정도의 내열성을 갖고, 또한 비교적 저렴하기 때문이다. 필요한 내열 온도에 따라, 이 중의 보다 고합금의 스테인리스강이 적용된다.

또한, 배기 매니폴드에는 오스테나이트계 스테인리스강 SUS310S(25Cr-20Ni-0.5Si)나 SUS302B(18Cr-8Ni-2Si), XM15J1(20Cr-12Ni-3Si), DIN1.4828(19Cr-11Ni-2Si) 등도 사용되고 있다. 페라이트계 스테인리스강에 비하여 고가이며, 지역마다의 입수성이나 성형 기술 등의 환경 요인으로부터 강종 선택이 이루어지고 있다.

그러나, 900℃를 초과하는 온도에서는, 페라이트계 스테인리스강에서는 강도가 부족하고, 오스테나이트계 스테인리스강에서는 열 피로나 스케일 박리가 문제가 되어, 어느 것도 사용할 수 없다는 문제가 있었다.

또한, 배기 매니폴드나 터보 차저 부품에는 내열 주강이나, 특허문헌 1에 기재된 바와 같은 스테인리스 주강도 사용되고 있는데, 자동차 부품의 경량화 요구는 높고, 주물 부품을 판재의 프레스 성형 부품으로 치환하는 대처가 행해지고 있다.

최근에는 자동차의 연비 향상 요구가 극히 높아져, 연비 향상 수단의 하나로서, 엔진의 소형 고출력화가 진행되어, 배기 가스 온도가 상승하는 경향이 있다. 특허문헌 2에서는, 페라이트계 스테인리스강인 SUS444에 추가로 Mo나 Nb, Cu, W 등을 첨가하여 고온 강도를 높임으로써 950℃에서의 내열성을 확보하는 재료가 개시되어 있다. 그러나, 실온에서의 가공성이나 제조성에 과제가 있고, 배기 매니폴드의 같은 복잡 형상으로 가공하는 때에는 문제가 있었다. 또한, 박판을 제조할 때에도 판 파단 등의 문제가 있었다.

한편, 오스테나이트계 스테인리스강을 적용하는 경우, 강도면에서는 문제 없지만, 열 피로의 문제가 크다. 특허문헌 3에서는, 900℃ 이상의 반복 가열 냉각 환경에 있어서, Mo 함유량을 가능한 한 저감하고, 미량의 V를 첨가하여, 열연판의 결정립 직경과 표면 조도를 제어함으로써, 내열성이 우수한 열연 강판으로 하는 것이 개시되어 있다. 그러나 자동차 배기계 부품에 필요한 판 두께를 열연으로 만드는 것은 어려워, 필요한 판 두께 정밀도가 얻어지지 않는다는 문제가 있었다.

또한, 내열성을 배기계 부품의 구조로부터 개선하기 위해, 배기 매니폴드나 터보 차저 부품을 2중관 구조로 하는 것도 행해지고 있다. 구체적으로는, 내측에 오스테나이트계 스테인리스강, 외측에 페라이트계 스테인리스강을 사용함으로써, 내측의 오스테나이트계 스테인리스강 부재의 구속을 완화하여 열변형을 저감한다. 이에 의해, 외측의 페라이트계 스테인리스강을 직접 고온의 배기 가스에 접촉시키지 않음으로써, 온도를 낮추는 것이 가능해진다. 이러한 이중 구조 부품은 고가이지만, 배기 가스 온도가 1000℃ 이하인 배기 매니폴드에 종종 사용되고 있다. 또한, 900℃ 이하의 배기 가스 온도여도, 배기 매니폴드 외면의 산화를 억제하여, 의장성을 높이기 위하여 사용되는 경우도 있다. 그러나, 이들의 대처도, 1000℃를 초과하는 온도로 배기 가스 온도가 상승하면, 효과가 상실되어, 충분한 내열성을 얻을 수 없다. 그 때문에, 1000℃ 이상의 배기 가스 환경에서 내열성을 갖는 배기계 부품이 요구되고 있었다.

일본 특허 공개 제2006-118048호 공보 일본 특허 공개 평9-87809호 공보 일본 특허 공개 제2012-207252호 공보

본 발명은 배기 매니폴드의 이중관 내관이나 터보 차저 부품(이중관 구조의 경우를 포함한다) 등의 자동차 배기계 부품으로서 바람직하게 사용할 수 있는, 표면 흠집이 없고, 높은 고온 강도, 내식성을 갖고, 고온에서의 취화가 발생하지 않고, 또한, 높은 내산화성을 발휘하는 스테인리스 강판을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 더욱이, 상기 스테인리스 강판을 사용하여, 모재와 용접부의 내산화성이 모두 우수한 자동차 배기계 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 먼저 성분 조성의 재검토를 행하였다. 내산화성이 좋은 오스테나이트계 스테인리스강으로서는, 전술한 SUS302B, XM15J1, DIN1.4828과 같이, Si를 높인 스테인리스강이나 REM을 첨가한 스테인리스강이 일반적으로 사용되고 있다.

본 발명자들은, 상기 오스테나이트계 스테인리스강이 1050℃의 환경에 견딜 수 있을지 확인하기 위해서, 자동차 배기 가스 환경을 모의한 분위기 가스 중에서의 단속 산화 시험을 행했는데, 어느 강종도 산화에 의한 중량 감소가 현저하게 나타나서, 1050℃에서의 내산화성은 없다고 판단되었다.

그래서, 본 발명자들은, 1050℃의 환경에 견딜 수 있는 재료 조성을 밝히기 위해, 여러가지 검토를 거듭하였다.

그 결과, Cr, Mo, Si량을 적정량으로 제어하면서, 오스테나이트 모상을 안정시키기 위해서, Ni, C, N을 소정의 양 첨가할 때에 오스테나이트상의 입성장을 억제하는 탄질화물의 양의 확보, 및 석출 형태를 제어함으로써, 단속 산화 환경에 있어서도 보호성이 높은 스케일을 형성시키는 방법에 의해, 1050℃에 견딜 수 있는 내산화성을 갖는 스테인리스 강판이 얻어짐을 알아내었다.

구체적으로는, Cr, Mo량을 소정의 범위로 제어함으로써, 스케일 중의 산소 이온의 확산, 금속 원자의 확산이 일어나기 어려운 Cr₂O₃를 주체로 하는 산화물 스케일을 형성시킨다.

이 스케일이 가열 냉각 시의 모재의 열팽창 수축에 의해 박리되지 않도록 내부 산화층을 형성시킨다. 내부 산화층은, 오스테나이트 입계에 형성되는 Si 산화물을 가리키는 것이다. 표면에 보호성이 높은 Cr₂O₃를 주체로 하는 스케일이 형성되지 않으면 이 입계 산화가 얕아져, 스케일 박리를 방지하는 것이 곤란하다. 또한, 오스테나이트 입자가 성장하면, 입계의 이동에 의해, 입계 산화가 억제되기 때문에, 내산화성이 손상되기 때문에, 입성장을 억제하기 위하여 석출물을 분산시킨다.

도 1은, Cr, Mo와 Si, C, N이 단속 산화에 있어서의 내산화성에 미치는 영향을 조사한 결과를 도시한 것이다. 시험 방법은 이하와 같다.

각종 조성의 오스테나이트계 스테인리스강을 랩 용해하고, 1250℃에 1시간 가열하고, 열간 압연하여 판 두께 3mm로 한 후, 열연판 어닐링을 1100℃에서 20초 행하고, 바로 수랭하고, 쇼트 블라스트한 후, 황산과 질불산으로 스케일을 제거하였다.

계속하여 냉간 압연하여, 판 두께 1.2mm로 하였다. 또한 1100℃에서 20초의 어닐링을 행한 후, 수랭하고, 솔트로 스케일 개질을 행한 후, 산세하였다.

표면을 SiC지로 #600 연마한 후, 자동차 배기 가스 분위기 하에서, 1050℃와 200℃의 사이에 가열 냉각을 반복하는 단속 산화 시험을 행하였다. 반복 사이클수 2000사이클에 있어서, 판 두께 감소가 0.4mm 초과인 것을 불합격, 0.4mm 이하를 합격으로 하였다. 이 시험 결과를 정리하면 도 1에 도시한 바와 같이, 표면의 산화 억제에는 Cr과 Mo이, 스케일의 박리 억제에는 Si, C, N가, 도면 중에 나타내는 계수로 효과를 나타내는 것이 밝혀졌다. 또한, 도 1에 있어서, 백색 동그라미의 플롯이 합격을 나타내고, 흑색 동그라미의 플롯이 불합격을 나타낸다.

이들 성분적인 대책에 의해, 박판에서는 1050℃에 견딜 수 있는 내산화성이 얻어진다. 그러나, 배기계 부품과 같이 용접 구조가 되면, 그것만으로는 불충분하다. 도 2에 겹침 필렛 용접한 샘플의 단면 형상과, 산화 시험 후의 판 두께 감소를 도시했다. 이 샘플을 단속 산화 시험에 제공한 바, 용접 열 영향부에 있어서 산화가 현저해지고, 판 두께 감소가 커진 결과, 샘플이 분리되어버리는 경우도 보였다(도 2 아래 사진의 좌측 상단부). 그로 인해, 용접 열 영향부가 배기계 부품의 수명을 지배함을 알았다. 용접 열 영향부가 선택적으로 산화되는 실태를 조사한 바, 이 부분에는 표면에 Cr₂O₃를 주체로 하는 스케일이 균일하게 형성되어 있지 않고, 입계 산화도 별로 일어나 있지 않음을 알았다.

그래서, 용접 열 영향부와 모재의 조성을 조사한 바, 차이가 보이지 않았던 것으로부터, 모재와 용접 열 영향부의 산화 거동의 차이는, 열팽창, 수축에 의한 변형이 영향을 미치고 있다고 생각되었다. 즉, 용접 금속과 모재의 판 두께에 의해, 가열, 냉각 시에 용접 금속과 모재의 사이에 온도차가 발생하고, 이 온도차에 따른 열팽창 수축 응력에 의해, 경계선에 있는 용접 열 영향부에서 스케일이 박리되기 쉬워지는 것이라고 생각되었다.

이 샘플의 용접부에 있어서의 판 두께 변화의 구배(지단 각도)를 측정한 바, 산화가 작았던 샘플은 지단(止端) 각도가 약 10도로 작은 것에 비해서, 내산화성이 떨어진 샘플에서는 지단 각도가 20도로 크다는 것을 알았다. 또한, 본 발명에 있어서, 「판 두께 변화의 구배(지단 각도)」란, 용접부 측면의 단면 관찰에 있어서, 모재의 면과, 용접 비드(용접 금속)의 표면 접선이 교차하는 각도를 X도(degree)로 할 때, (180-X)의 각도로 나타낸 것을 가리킨다. 지단 각도는 통상 0부터 90도의 범위에서 표시된다. 일반적으로 용접 비드는 복수의 지단을 가지므로, 복수의 지단의 각도가 존재하는데, 본 발명에 있어서의 지단 각도는, 그 단면 시야 중에서 가장 큰 각도의 것이라 정의한다. 지단 각도가 크다는 것은, 용접 비드 표면의 팽창(융기)에 의해 판 두께가 변화하는 구배가 급준한 것을 의미한다.

그래서, 이하의 시험에 의해, 용접 금속과 모재의 판 두께차가 내산화성에 미치는 영향을 조사한 바, 특정한 판 두께차 이상이 되면 용접 열 영향부에서 스케일 박리를 발생시켜서 내산화성이 저하됨을 알았다.

구체적으로는, 24Cr-12Ni-0.1C-0.02N-2.0Si-1Mn-0.5Mo-0.05Al-0.05V 강을 랩 용해하고, 1250℃에 1시간 가열하고, 열간 압연하여 판 두께 3mm로 한 후, 열연판 어닐링을 1100℃에서 20초 행하고, 바로 수랭하고, 쇼트 블라스트한 후, 황산과 질불산으로 스케일을 제거하였다. 계속하여 냉간 압연하여 판 두께 1.2mm로 하였다.

또한 1100℃에서 20초의 어닐링을 행한 후, 수랭하고, 솔트로 스케일 개질을 행한 후, 질산과 불산의 혼산 중에서 침지 산세하였다. 이 판을 Tig 용접으로 겹침 필렛 용접하였다. 용접은 백 비드가 나오는 조건에서 행하고, 용접 와이어에는 SUS310S를 사용하였다. 용접 입열과 용접 속도를 바꿈으로써, 용접 비드 형상을 변화시키고, 판 두께 변화의 구배를 바꾸었다.

용접선을 시험편의 중심에 두고, 산화 시험편을 제작한 후, 자동차 배기 가스 환경 하에서, 200℃와 1050℃ 사이에서 가열 냉각하는 단속 산화 시험을 2000사이클 행하였다. 용접 열 영향부의 판 두께 감소를 측정하고, 판 두께 감소가 0.4mm 이하를 합격으로 하였다. 그 결과, 용접 금속과 모재의 판 두께차가 있어도 그 판 두께 변화의 구배를 15도 이하로 함으로써, 용접 열 영향부의 스케일 박리를 경감하는 것이 가능해짐을 알았다.

겹침 필렛 용접 이외에, 맞댐 용접에 대해서도 그 효과를 조사했지만, 어느 경우든지 판 두께 변화의 구배를 15도 이하로 함으로써 용접 열 영향부의 산화를 크게 경감하는 것이 가능함을 알았다. 또한, 판 두께 변화의 구배를 저감함으로써 용접 열 영향부의 산화는 보다 경감되고, 판 두께 변화의 구배가 없어지면 모재와 같은 내산화성을 가지게 되지만, 15도 초과에서의 내산화성 개선 효과는 작은 것을 알았다. 또한, 본 발명에서는 용접 방법의 종류를 한정하지 않지만, 특히 아크 용접의 경우에 양호한 결과가 얻어진다. 다른 용접 방법에서도 본 발명이 개시하는 기술적 메커니즘에 기초하여 손색이 없는 효과가 얻어진다.

상술한 바와 같이, 모재의 성분 설계의 최적화와 용접 금속의 형상 제어에 의해, 배기계 부품으로서의 내구성을 1050℃에서 견딜 수 있는 것으로 하는 것이 가능함을 알았다.

본 발명은 상기 지견에 기초하여 이루어진 것으로서, 그 요지는 이하와 같다.

(1) 질량％로, C: 0.05∼0.15％, Si: 1.0％∼4.0％, Mn: 0.5∼3.5％, P: 0.010∼0.040％, S: 0.0001∼0.010％, Cr: 20∼30％, Ni: 8∼25％, Mo: 0.01∼1.5％, Al: 0.001∼0.10％, 및 N: 0.13∼0.50％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이며, Cr, Mo, Si, C, 및 N의 함유량이 Cr+20Mo≥24.0％, 및 Si+20C+15N≥5.8％를 만족시키는 것을 특징으로 하는 단속 산화 특성이 우수한 배기계 부품용 스테인리스 강판.

(2) 또한, 질량％로, Cu: 0.1∼3.0％, V: 0.03∼0.5％, Ti: 0.001∼0.3％, Nb: 0.001∼0.3％, B: 0.0001∼0.0050％, 및 Ca: 0.001∼0.010％ 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 단속 산화 특성이 우수한 배기계 부품용 스테인리스 강판.

(3) 또한, 질량％로 W: 0.01∼3.00％, Zr: 0.05∼0.30％, Sn: 0.01∼0.10％, Co: 0.01∼0.30％, 및 Mg: 0.0002％∼0.010％ 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)의 단속 산화 특성이 우수한 배기계 부품용 스테인리스 강판.

(4) 상기 (1)∼(3) 중 어느 것의 스테인리스 강판을 모재로서 사용한 용접 구조를 갖고, 용접부에 있어서의 판 두께 변화의 구배가 15도 이하인 것을 특징으로 하는 배기계 부품.

본 발명에 따르면, 배기계 부품용 스테인리스 강판 및 배기계 부품의 내산화성을 높이는 것이 가능하고, 또한, 강판에 표면 흠집이 발생하는 경우가 적기 때문에, 박판 제조 시의 표면 연삭 공정(CG)을 생략, 또는 간략화하는 것이 가능하다. 내산화성을 높이는 것에 의해, 배기계 부품의 판 두께를 얇게 하는 것이 가능해지고, 부품의 경량화에 의해, 자동차의 연비 향상의 효과도 얻어진다.

도 1은, 박판에 1050℃의 내단속 산화 특성에 미치는 성분의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 2는, 겹침 필렛 용접된 용접 금속의 단면에 있어서의 판 두께 변화 형상을 나타낸다. 상단은 용접부에 있어서의 판 두께 변화의 구배가 11도, 하단은 동 구배가 25도인 경우를 나타낸다.
도 3은, 판 두께 변화의 구배가 1050℃인 내산화성(판 두께 감소)에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다. 먼저, 본 실시 형태의 스테인리스 강판의 강 조성을 한정한 이유에 대하여 설명한다. 또한, 조성에 관한 ％의 표기는, 특별히 단서가 없는 경우에는, 질량％를 의미한다.

C: 0.05∼0.15％

C는, 오스테나이트 조직의 안정과 고온 강도를 높이기 위하여 유효하다. 또한, Cr과 탄화물을 형성하고 오스테나이트 입자의 성장을 억제하고 입계 산화를 적절하게 성장시켜, 내스케일 박리 특성을 향상시킨다. 이 효과는 0.05％ 이상의 C로 발현되기 때문에, 하한을 0.05％로 한다. 입성장을 안정적으로 억제하기 위해서는 0.10％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 0.15％ 초과에서는, Cr 탄화물의 양이 증가하고, 입계의 크롬 결핍층이 증가하고, 본 강과 같은 고Cr오스테나이트계 스테인리스강이어도, 자동차의 배기 매니폴드 부재나 터보 차저 부품으로서도 필요하게 되는 내식성을 유지할 수 없게 되기 때문에, 상한을 0.15％ 이하로 한다. 내식성의 관점에서는 0.12％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Si: 1.0％∼4.0％

Si는 내산화성에 효과가 있고, 특히 단속 산화에 있어서의 스케일 박리의 방지에 효과가 있다. 1000℃를 초과하는 환경에서 입계 산화를 형성하고, 표면의 스케일 박리를 억제하기 위해서는 1.0％ 이상의 Si가 필요하다. 내산화성을 높이기 위해서는 2.0％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한 Si는 페라이트 안정화 원소이며, 응고 조직에 있어서의 δ 페라이트량을 증가시켜, 열간 압연에 있어서 열간 가공성의 저하가 문제가 되기 때문에, 4.0％ 이하로 한다. 그 밖에, Si는 시그마층의 생성도 촉진하여 고온 장시간 사용 시의 취화도 위구되기 때문에 3.5％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Mn: 0.5∼3.5％

Mn은, 탈산제로서 첨가되는 원소임과 함께, 오스테나이트 단상 영역을 확대하여 조직의 안정화에 기여한다. 그 효과는 0.5％ 이상에서 명확하게 드러나기 때문에 0.5％ 이상으로 한다. 또한 황화물을 형성하고, 강 중의 고용 S량을 저감시킴으로써 열간 가공성을 향상시키는 효과도 있는 것으로부터, 1.0％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 과도한 첨가는 내식성을 저하시키기 때문에 3.5％ 이하로 한다. 또한 내산화성의 점에서는 Cr₂O₃ 주체의 산화물이 바람직하고, Mn의 산화물은 바람직하지 않기 때문에, 2.0％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

P: 0.010∼0.040％

P는, 원료인 용선이나 페로크롬 등의 주원료 중에 불순물로서 포함되는 원소이다. 열간 가공성에 대해서는 유해한 원소이기 때문에, 0.040％ 이하로 한다. 또한, 바람직하게는 0.030％ 이하이다. 과도한 저감은 고순도 원료의 사용을 필수로 하는 등, 비용의 증가로 이어지기 때문에, 0.010％ 이상으로 한다. 경제적으로 바람직하게는, 0.020％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

S: 0.0001∼0.010％

S는, 황화물계 개재물을 형성하고, 강재의 일반적인 내식성(전면 부식이나 공식)을 열화시키기 때문에, 그 함유량의 상한은 적은 쪽이 바람직하고, 0.010％로 한다. 또한, S의 함유량은 적을수록 내식성은 양호해지지만, 저S화에는 탈황 부하가 증대하고, 제조 비용이 증대하므로, 그 하한을 0.0001％로 하는 것이 바람직하다. 또한, 바람직하게는 0.001∼0.008％이다.

Cr: 20∼30％

Cr은, 본 발명에 있어서, 내산화성이나 내식성 확보를 위하여 필수적인 원소이다. 20％ 미만에서는, 이들 효과는 발현되지 않고, 한편, 30％ 초과에서는 오스테나이트 단상 영역이 축소되어, 제조 시의 열간 가공성을 손상시키기 때문에, 20∼30％로 한다. 또한, 내산화성의 관점에서는 24％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, Cr량을 높게 하면 시그마상의 형성에 의해 취화되기 때문에, 27％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Ni: 8∼25％

Ni는, 오스테나이트상을 안정화시키는 원소이며, Mn과 달리 내산화성에 유효한 원소이다. 이들 효과는 8％ 이상에서 얻어지기 때문에, 하한을 8％ 이상으로 한다. 시그마상의 생성을 억제하는 효과도 있어서 10％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 과도한 첨가는 응고 균열 감수성을 높임과 함께, 열간 가공성도 저하시키기 때문에, 25％ 이하로 한다. 또한, 단속 산화에 있어서의 스케일 박리를 억제하기 위해서는, 15％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Mo: 0.01∼1.5％

Mo도 Si나 Cr과 함께, 표면의 보호성 스케일 형성에 유효하고, 그 효과는 0.01％에서 얻어지기 때문에, 그 하한을 0.01％ 이상으로 한다. 또한 내식성의 향상에도 유효한 원소이기 때문에, 0.3％ 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 한편, 페라이트 안정화 원소이며, Mo 첨가량이 증가하면 Ni의 첨가도 증가시킬 필요가 발생하기 때문에, 과도한 첨가는 바람직하지 않다. 또한, 시그마상의 형성을 촉진하여 취화를 발생시키는 경우가 있기 때문에, 1.5％ 이하로 한다. 내식성이나 내산화성의 향상 효과는 0.8％ 이상에서 거의 포화되기 때문에, 0.8％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Al: 0.001∼0.10％

Al은, 탈산 원소로서 첨가되는 외에, 내산화성을 향상시키는 원소이다. 그 효과는 0.001％ 이상에서 얻어지기 때문에, 하한을 0.001％ 이상으로 한다. 탈산 효율을 높이기 위해서는 0.003％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 과도한 첨가는 질화물을 형성하여 고용 N량을 저하시키고, 고온 강도가 저하되기 때문에, 상한을 0.10％ 이하로 한다. 용접성도 고려하면 0.05％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

N: 0.13∼0.50％

N은, 본 발명에 있어서 매우 중요한 원소의 하나이다. C와 마찬가지로 고온 강도를 높이는 것 이외에, 오스테나이트 안정도를 높임으로써, Ni의 저감도 가능해진다. 또한 C보다도 예민화에 의한 내식성 저하 영향이 작기 때문에, C보다도 다량의 첨가가 가능하다. 고온 환경에 견디는 고온 강도를 얻기 위해서, 0.13％ 이상으로 한다. Ni의 저감 효과도 고려하면, 0.25％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편 다량으로 첨가하면, 제강 공정에서 응고 시에 기포계 결함이 발생하기 때문에 상한을 0.50％ 이하로 한다. 그 밖에도, 상온에서의 강도가 너무 높아서 냉간 압연 시의 부하가 높아져서, 생산성을 손상시키기 때문에, 0.30％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

[Cr+20Mo≥24.0％, 또한 Si+20C+15N≥5.8％]

1050℃에서 내산화성을 발휘하기 위해서는, 표면에 보호성이 높은 산화 스케일을 형성함과 함께, 단속 산화 시의 스케일 박리를 억제하기 위해서, 스케일 아래의 오스테나이트상에 있어서, Si 산화물에 의한 입계 산화를 형성시킬 필요가 있다. 그것을 위해서는, 각 원소를 상기 조건 범위로 하는 것만으로는 불충분해서, 보호성이 높은 스케일을 형성시키기 위해서, Cr 및 Mo의 함유량을 Cr+20Mo를 24％ 이상으로 하고, 오스테나이트의 입성장을 억제하고, 또한 입계 산화를 형성시키기 위해서는 Si, C, 및 N의 함유량을, Si+20C+15N을 5.8％ 이상으로 할 필요가 있다. Cr+20Mo는 27.0％ 이상이 보다 바람직하고, 30.0％ 이상이 더욱 바람직하다. Si+20C+15N은 7.0％ 이상이 보다 바람직하고, 8.5％ 이상이 더욱 바람직하다.

[모재와 용접 금속의 판 두께 변화의 구배를 15도 이하]

자동차의 배기 매니폴드나 터보 차저 등의 배기계 부품의 대부분이 용접 구조를 갖고 있다. 모재와 용접 금속의 판 두께차가 크면, 가열 냉각 시의 온도차에 의해 열변형을 발생시켜서, 고온 시에 표면에 생성된 스케일이 박리되기 쉬워져, 반복 가열 시에 표면이 보호되지 않고 산화에 의한 판 두께 감소가 진행한다. 모재와 용접 금속의 판 두께 변화의 구배가 작을수록 열변형이 완화되는데, 판 두께 변화의 구배가 15도 이하로 되면, 내산화성의 개선 효과가 커지기 때문에, 15도 이하로 하였다. 내산화성을 의해 높이기 위해서는, 판 두께 변화의 구배를 10도 이하로 저감하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 스테인리스 강판에는, 상기 원소에 추가로, Cu: 0.1∼3.0％, V: 0.03∼0.5％, Ti: 0.001∼0.3％, Nb: 0.001∼0.3％, B: 0.0001∼0.0050％, Ca: 0.001∼0.010％ 중 1종 또는 2종 이상을 임의로 첨가해도 된다.

Cu: 0.1∼3.0％

Cu는, 오스테나이트 안정화 원소로서 Ni를 대체하는, 상대적으로 저렴한 원소이다. 또한, 간극 부식이나 공식의 진전 억제에 효과가 있고, 그것을 위해서는 0.1％ 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 단, 오스테나이트계 스테인리스강의 제조에 있어서, Cu는 스크랩 등의 원료로부터 혼입되는 경우가 많고, 불가피하게 불순물로서 0.2％ 정도 포함되는 경우가 많다. 단, 3.0％를 초과하면 열간 가공성을 저하시키기 때문에 3.0％ 이하로 한다.

V: 0.03∼0.5％

V는, 스테인리스강의 합금 원료에 불가피적 불순물로서 혼입되고, 정련 공정에서의 제거가 곤란하기 때문에, 일반적으로 0.01∼0.10％의 범위에서 함유된다. 또한, 미세한 탄질화물을 형성하고, 입성장 억제 효과를 갖기 때문에, 필요에 따라, 의도적인 첨가도 행해지는 원소이다. 그 효과는 0.03％ 이상의 첨가에서 안정적으로 발현되기 때문에, 하한을 0.03％로 한다. V의 변동에 의해, 결정립 직경이 변화하는 것은 바람직하지 않으므로, 결정립 직경의 일정 범위에 만들어 두기 위해서는, 0.08％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 과잉으로 첨가하면, 석출물의 조대화를 초래할 우려가 있어, 그 결과, ?칭 후의 인성이 저하되어버리기 때문에, 상한을 0.5％로 한다. 또한, 제조 비용이나 제조성을 고려하면, 0.2％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Ti: 0.001∼0.3％

Ti는, Nb와 마찬가지로 탄질화물을 형성함으로써, 스테인리스강에 있어서의 크롬 탄질화물의 석출에 의한 예민화나 내식성의 저하를 억제하는 원소이다. 그러나, 대형의 제강 개재물을 형성함으로써, 표면 흠집의 원인이 되기 쉽기 때문에, 그 상한은 0.3％ 이하로 한다. 고용 C, N량의 확보에 의한 고온 강도 향상을 고려하면, 0.01％ 이하로 하는 것이 바람직하다. Ti는 함유하고 있지 않아도 된다.

Nb: 0.001∼0.3％

Nb는, 탄질화물을 형성함으로써, 스테인리스강에 있어서의 크롬 탄질화물의 석출에 의한 예민화나 내식성의 저하를 억제하는 원소이다. 그러나, 대형의 제강 개재물을 형성함으로써, 표면 흠집의 원인이 되기 쉽기 때문에, 그 상한은 0.3％로 한다. 고용 C, N량의 확보에 의한 고온 강도 향상을 고려하면, 0.01％ 이하로 하는 것이 바람직하다. Nb는 함유하고 있지 않아도 된다.

B: 0.0001∼0.0050％

B는, 열간 가공성의 향상에 유효한 원소이며, 그 효과는 0.0001％ 이상에서 발현되기 때문에, 0.0001％ 이상 첨가해도 된다. 더 넓은 온도 영역에 있어서의 열간 가공성을 향상시키기 위해서는, 0.0005％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 과도한 첨가는 열간 가공성의 저하에 의해, 표면 흠집의 원인이 되기 때문에, 0.0050％를 상한으로 한다. 내식성도 고려하면 0.0025％ 이하가 바람직하다.

Ca: 0.001∼0.010％

Ca는, 탈황 원소로서 첨가되어, 강 중의 S를 저감하여 열간 가공성을 향상시키는 효과가 있다. 일반적으로는, 용해 정련 시의 슬래그 중에 CaO로서 첨가시키고, 이 일부가 강 중에 Ca로서 용해된다. 또한, CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO 등의 복합 산화물로서도 강 중에 함유된다. 열간 가공성의 개선 효과는 0.001％부터 얻어지기 때문에, 0.001％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 다량으로 함유하면 비교적 조대한 수용성 개재물 CaS가 석출되고, 내식성을 저하시키기 때문에 0.010％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 원소 추가로, W: 0.01∼3.00％, Zr: 0.05∼0.30％, Sn: 0.01∼0.10％, Co: 0.01∼0.30％, Mg: 0.0002∼0.010％ 중 1종 또는 2종 이상을 임의로 첨가해도 된다.

W: 0.01∼3.0％

W는, Cr이나 Mo와 마찬가지로 내식성을 향상시키는 원소이다. 또한 고용 강화에 의해 고온 강도를 높이는 효과도 있다. 이들 효과를 발현하기 위해서는, 0.01％ 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 한편, 시그마상의 석출을 촉진하는 원소이며, 시효 취화에 의한 재료의 강도 저하를 발생시키기 때문에, 3.0％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, Mo, Nb와 마찬가지로 고가의 원소이기 때문에, 1.5％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

Zr: 0.05∼0.30％

Zr은, Ti, Nb와 마찬가지로 탄질화물을 형성함으로써, 스테인리스강에 있어서의 크롬 탄질화물의 석출에 의한 예민화나 내식성의 저하를 억제하는 원소이다. 그러나, 대형의 제강 개재물을 형성함으로써, 표면 흠집의 원인이 되기 쉽기 때문에, 그 상한은 0.30％ 이하로 한다. 고용 C, N량의 확보에 의한 고온 강도 향상을 고려하면, 0.1％ 이하로 하는 것이 바람직하다. Zr은 함유하고 있지 않아도 된다.

Sn: 0.01∼0.10％

Sn은, ?칭 후의 내식성 향상에 유효한 원소이며, 필요에 따라 0.02％ 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 단, 과도한 첨가는 열연 시의 모서리 균열을 촉진하기 때문에, 0.10％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Co: 0.01∼0.30％

Co는, 오스테나이트계 스테인리스강에 있어서는, 합금 원료로부터 불가피적 불순물로서 혼입되기 쉬운 원소이다. 또한 고온 강도의 향상에 유효한 원소이기 때문에, 0.01％ 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 단, 과도한 첨가는 열간 가공성의 저하에 의한 표면 흠집의 원인이 되기 때문에, 0.30％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Mg: 0.0002∼0.010％

Mg는, Ca와 마찬가지로 탈황 원소로서 첨가되어, 일반적으로는 슬래그 중으로부터 용강 중으로 평행량이 고용되는 이외에, 복합 산화물 중에 MgO로서 함유되는 경우도 있다. 또한 내화물 중의 MgO가 용강 중에 녹기 시작하는 경우도 있다. 탈황 효과는 0.0002％ 이상에서 나타나기 때문에, 하한을 0.0002％로 하는 것이 바람직하다. 한편, 과도한 첨가는, 수용성 개재물 MgS가 조대 석출되어, 내식성을 저하시키기 때문에, 0.010％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

성분 조성의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물이란, 본 발명에서 규정하는 성분 조성을 갖는 스테인리스 강판을 공업적으로 제조할 때에, 원료나 제조 환경 등으로부터, 의도적으로 함유시킨 것이 아니고, 불가피하게 혼입되는 것을 말한다.

상술한 임의로 첨가되는 원소도, 함유를 의도하지 않더라도 불가피적 불순물로서 혼입되는 경우가 있지만, 상술한 함유량의 상한 이하라면 특별히 문제는 없다. 또한, 상술한 이외의 원소도, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서 함유시킬 수 있다.

상술한 성분 조성을 가짐으로써 높은 내산화성을 발휘하는 스테인리스 강판을 얻을 수 있다. 또한, 상술한 용접 형상을 가짐으로써, 모재와 용접부의 내산화성이 모두 우수한 배기계 부품을 얻을 수 있다.

실시예

이하, 실시예에 의해 본 발명의 효과를 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에서 사용한 조건에 한정되는 것은 아니다.

먼저, 표 1에 나타내는 성분 조성의 강을 용제하여 200mm 두께의 슬래브로 주조하였다. 이 슬래브를 1200℃로 가열 후, 조 열연, 마무리 열연을 거쳐서 판 두께 4mm의 열연 강판으로 하고, 800℃의 온도 영역에서의 권취를 시뮬레이션하기 위해서, 800℃의 열처리로에 삽입하고, 1시간 유지 후 공랭하였다. 계속해서, 열연판 어닐링을, 1100℃에서 20초 행한 후, 수랭하였다. 그 후, 쇼트 블라스트하고, 산세하여 스케일을 제거하였다. 표면 흠집의 유무를 육안 및 배율 10배의 돋보기로 관찰하여 평가하였다. 육안 또는 돋보기 관찰 중 어느 것에서 표면 흠집을 확인할 수 있는 것을 불합격으로 하였다.

그 후, 냉간 압연을 행하여 판 두께를 1.2mm로 한 후, 냉연판 어닐링을 1100℃에서 20초 행하였다. 표면의 산화 피막을 솔트로 개질하고, 질불산으로 산세하여 산세 표면으로 하였다.

냉연판의 고온 강도를 1000℃에서 측정하고, 0.2％ 내력이 30MPa 이상인 것을 합격으로 하였다. 또한, 700℃에서 300시간 산화시킨 뒤, 표면을 연마한 박판을 제작하고, 균열이 발생한 것을 고온 취화에서 불합격으로 하였다.

또한, 이 박판을 JIS의 염수 분무 시험에 제공하고, 녹이 발생한 것을 내식성 불합격으로 하였다. 내산화성의 평가에는, 산세인 채로의 평판과 평판을 겹침 필렛 용접한 시험편으로 행하였다. 산화 시험의 분위기는, H₂O가 5∼10％, O₂가 0.2∼1.0％이고 잔부가 질소가 되는 분위기에서 행하였다. 분위기 가스 조성은, 자동차 배기 가스를 모의하여 주기적인 변화를 가하였다. 시험편을 1050℃로 가열, 유지, 200℃까지 냉각을 1사이클로 하여 2500사이클까지 시험을 행하고, 외관을 기록함과 함께, 중량 변화를 측정하였다. 가장 산화가 진행된 장소를 기록함과 함께, 그 부분의 판 두께를 평가하고, 0.8mm 이상을 내산화성이 양호(○)로 하였다.

비교예로서, 조성 및 용접부 형상이 본 발명 외로 되는 샘플에 대해서도 동일한 평가를 행하였다.

표 1, 2로부터 명백해진 바와 같이, 본 발명에서 규정하는 성분 조성, 성분 파라미터를 갖는 본 발명예에서는, 모재의 내산화성이 양호해서, 표면 흠집, 고온 강도 및 고온 취화가 합격이며, 내식성도 양호하였다. 특히, NO.1∼NO.30은 용접 비드 형상을 본 발명 범위로 제어한 결과, 모재 뿐만 아니라, 용접부의 내산화성도 양호한 결과가 되었다. 한편, 본 발명으로부터 벗어나는 성분 조성에서는, 내산화성이 불량인 것 이외에, 표면 흠집, 고온 강도, 고온 취화, 내식성 및 내산화성의 각 특성을 양립시키는 것이 곤란해서, 비교예에 있어서, 어느 것인가의 특성이 불합격이었다. 이에 의해, 비교예는 본 발명예보다도 특성이 떨어짐을 알 수 있다.

구체적으로는, 시험 NO.31은 C가 낮기 때문에, NO.33은 Si가 낮기 때문에, NO.36은 Mn이 높기 때문에, NO.43은 Mo가 낮기 때문에, NO.45는 V가 높기 때문에, NO.49, 53은 Cr+20Mo가 낮거나, Si+20C+15N이 낮기 때문에, 모재, 용접부 모두에 내산화성 불량이었다. NO.32는 C가 높기 때문에 내식성이 불량이었다.

NO.34는 Si가 높기 때문에, NO.35는 Mn이 낮기 때문에, NO.37은 P가 높기 때문에, NO.42는 Ni가 높기 때문에, NO.48은 N이 높기 때문에, 표면 흠집이 발생하고, 불량이었다. NO.38은 S가 높고, Al이 낮기 때문에 표면 흠집이 불량하고, 내식성도 불량이었다. NO.39는 Cr이 낮고, Cr+20Mo가 낮기 때문에, 표면 흠집이 불량이고, 모재와 용접부의 내산화성도 불량이었다.

NO.40은 Cr이 높고, NO.41은 Ni가 낮고, NO.44는 Mo가 높기 때문에, 고온 취화가 불량이었다. NO.46은 Al이 높고, NO.47은 N이 낮기 때문에, 고온 강도가 불량이었다.

또한, NO.49는, Mo를 포함하지 않고, 이것에도 기인하여 Cr+20Mo가 낮기 때문에, 모재와 용접부의 내산화성이 모두 불량이었다.

NO.50∼52, 54, 55는 용접부에 있어서의 판 두께 변화의 구배가 컸기 때문에, 용접부의 내산화성이 불량이었다.

이들 중, NO.50∼52는, 공시강으로서 본 발명의 규정을 충족하고 있는 A23을 사용하였다. 그로 인해, NO.50∼52는 용접부의 내산화성만이 불량하지만, 모재의 내산화성을 비롯한 다른 성상, 성능은 만족할 수 있는 것이었으므로, 용접이 불필요한 부품에는 적용이 가능하다.

또한, NO.55는, 사용한 공시강이 B20이며, Cr+20C+15N의 값이 5.60이 되고, 본 발명에서 규정하는 하한값에 미치지 못하기 때문에, 모재와 용접부의 내산화성에 대하여 불량이었다.

NO.54, 55는 용접부에 있어서의 판 두께 변화의 구배가 큰데다가 공시강 B3의 Si가 낮았기 때문에, 용접부에 추가로, 모재의 내산화성도 불량이었다.

이들 결과로부터 상술한 지견을 확인할 수 있고, 또한, 상술한 각 강 조성 및 교정을 한정하는 근거를 뒷받침할 수 있었다.

본 발명의 단속 산화 특성이 우수한 배기계 부품용 스테인리스 강판 및 배기계 부품은, 내산화성을 높이는 성분 설계와 함께, 용접부의 형상 제어에 의해 용접 열 영향부의 내산화성을 높이는 것이 가능하다. 또한, 표면 흠집이 적기 때문에 박판 제조 시의 표면 연삭 공정(CG)을 생략, 또는 간략화하는 것이 가능하다. 또한, 내산화성을 높임으로써, 배기계 부품의 판 두께를 얇게 하는 것이 가능해지고, 부품의 경량화에 의해, 자동차의 연비 향상의 효과도 얻어지므로, 사회적인 의미는 커서, 본 발명의 산업상 이용 가능성은 크다.

Claims

질량％로,
C: 0.05∼0.15％,
Si: 1.0％∼4.0％,
Mn: 0.5∼3.5％,
P: 0.010∼0.040％,
S: 0.0001∼0.010％,
Cr: 20∼30％,
Ni: 8∼25％,
Mo: 0.01∼1.5％,
Al: 0.001∼0.10％,
N: 0.13∼0.50％, 및
Mg: 0.0002％∼0.010％
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이며,
Cr, Mo, Si, C, 및 N의 함유량이
Cr+20Mo≥24.0％, 및
Si+20C+15N≥5.8％
를 만족시키는 스테인리스 강판을 모재로서 사용한 용접 구조를 갖고, 용접부에 있어서의 판 두께 변화의 구배가 15도 이하인 것을 특징으로 하는 배기계 부품.
제1항에 있어서, 상기 스테인리스 강판이, 또한, 질량％로,
Cu: 0.1∼3.0％,
V: 0.03∼0.5％,
Ti: 0.001∼0.3％,
Nb: 0.001∼0.3％,
B: 0.0001∼0.0050％, 및
Ca: 0.001∼0.010％
중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 배기계 부품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스테인리스 강판이, 또한, 질량％로
W: 0.01∼3.00％,
Zr: 0.05∼0.30％,
Sn: 0.01∼0.10％, 및
Co: 0.01∼0.30％
중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 배기계 부품.
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