KR102073900B1 - 상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강 - Google Patents

상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강 Download PDF

Info

Publication number
KR102073900B1
KR102073900B1 KR1020180078739A KR20180078739A KR102073900B1 KR 102073900 B1 KR102073900 B1 KR 102073900B1 KR 1020180078739 A KR1020180078739 A KR 1020180078739A KR 20180078739 A KR20180078739 A KR 20180078739A KR 102073900 B1 KR102073900 B1 KR 102073900B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
weight
austenitic steel
high temperature
content
copper
Prior art date
Application number
KR1020180078739A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200005244A (ko
Inventor
이성학
유지성
김기용
김형준
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
(주)계양정밀
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 포항공과대학교 산학협력단, (주)계양정밀 filed Critical 포항공과대학교 산학협력단
Priority to KR1020180078739A priority Critical patent/KR102073900B1/ko
Publication of KR20200005244A publication Critical patent/KR20200005244A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102073900B1 publication Critical patent/KR102073900B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/58—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/34—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with more than 1.5% by weight of silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/42—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with copper
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/001—Austenite

Abstract

본 발명은 터보차저나 자동차 배기계와 같이 고온에 사용되는 내열 스테인리스강(heat resistant stainless steel)으로, 이 합금에 다량 포함되는 고가의 합금원소인 니켈(Ni)과 크롬(Cr)의 함량을 줄여 제조 비용을 절감함과 동시에, 고온에서의 안정성을 더 향상시킨 오스테나이트강을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 고온용 오스테나이트강은 탄소(C): 0.35~0.5중량%, 실리콘(Si): 1.0~2.0중량%, 망간(Mn): 5.0~8.0중량%, 니켈(Ni): 15.5~18.5중량%, 크롬(Cr): 20~23중량%, 구리(Cu): 0.5~3.5중량%, 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하며, 상기 합금원소 중 니켈(Ni) 함량에 대한 망간(Mn) 함량의 비율, CMn/CNi이 0.3~0.6인 것을 특징으로 한다.

Description

상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강 {AUSTENITIC STEEL EXCELLENT IN HIGH TEMPERATURE STRENGTH COMPRISING COPPER}
본 발명은 고온 강도가 우수한 오스테나이트강으로, 보다 구체적으로는 터보차저나 자동차 배기계와 같이 고온 환경에 사용되는 내열 스테인리스강(heat resistant stainless steel)으로, 이 합금에 다량 포함되는 고가의 합금원소인 니켈(Ni)을 저가 합금원소로 대체하고 크롬(Cr)의 함량을 줄여 제조 비용을 절감함과 동시에, 고온에서의 안정성을 더 향상시킨 오스테나이트강에 관한 것이다.
고온용 오스테나이트강은, 우수한 경도, 강도, 열적-기계적 피로 수명, 및 파괴인성을 가질 뿐 아니라, 열적으로 안정된 미세조직을 가지기 때문에, 자동차의 터보차저나 배기계용에 사용되어 왔다.
터보차저는 엔진의 실린더 내부에 많은 공기를 압축하여 공급함으로써 엔진의 출력을 향상시키는 것으로, 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 터빈 하우징(turbine housing) 내의 터빈 휠(turbine wheel)을 회전시키며, 터빈 휠의 회전시 발생하는 회전력을 전달하여 대기의 공기를 압축시키는 압축기 하우징(compressor housing) 내의 압축기 휠(compressor wheel)을 회전시켜 엔진으로 공급하는 구조로 이루어진다.
이러한 터빈 휠을 수용하는 터빈 하우징은 엔진에서 배출되는 800~900℃의 배기가스와 지속적으로 접촉하게 되므로 엔진의 출력에 따라 대단히 높은 열 충격을 받게 되므로 터빈 하우징은 고온에서 우수한 강도와 그 형상을 지속적으로 유지하는 물성이 필요하다.
이러한 터빈 하우징용 재료로는, 현재 SCH 22종 내열 스테인리스강과 같은 고온용 오스테나이트강이 사용되고 있는데, 이러한 내열 스테인리스강은 고온에서 오스테나이트 조직의 안정성을 높이기 위하여, 고가의 합금원소인 Ni을 20중량% 이상 첨가하고 있어, 터빈 하우징의 제조비용을 높이는 주요한 원인이 되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 특허문헌에는 탄소(C): 0.4~0.5중량%, 실리콘(Si): 1.0~2.0중량%, 망간(Mn): 1.0~2.0중량%, 니켈(Ni): 9.0~12.0중량%, 크롬(Cr): 21~24중량%, 나이오븀(Nb): 1.0~2.5중량%, 텅스텐(W): 0.5~3.5중량%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 합금을 통해, 니켈(Ni)의 함량을 대폭적으로 줄이면서 나이오븀(Nb) 및 텅스텐(W)을 첨가함으로써, 주조성과 고온 강도를 높이고자 하는 기술이 개시되어 있다.
그런데 니켈(Ni)을 대체하기 위하여 첨가된 나이오븀(Nb)과 텅스텐(W)도 고가의 합금원소이고, 특히 나이오븀(Nb)의 경우 주조성은 향상시킬 수 있으나, 나이오븀(Nb) 탄화물을 형성할 경우 합금의 취성을 증대시키는 문제점도 있다.
특히, 최근 고성능 자동차 엔진 개발의 요구로 인해, 차량 배기가스의 온도는 1050℃까지 상승하게 되어 이에 대응 가능한 고온용 소재 개발이 필요할 뿐아니라, 종래에 비해 더 저비용으로 더 높은 온도에서 안정적으로 사용할 수 있는 소재의 개발이 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제2016-0091041호
본 발명은 고가 원소인 니켈(Ni)과 크롬(Cr)의 함량을 줄여 제조 원가를 낮추면서, 기존의 합금에 비해 고온 안정성이 향상된 오스테나이트강을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 탄소(C): 0.35~0.5중량%, 실리콘(Si): 1.0~2.0중량%, 망간(Mn): 5.0~8.0중량%, 니켈(Ni): 15.5~18.5중량%, 크롬(Cr): 20~23중량%, 구리(Cu): 0.5~3.5중량%, 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하며, 상기 합금원소 중 니켈(Ni) 함량에 대한 망간(Mn) 함량의 비율, CMn/CNi이 0.3~0.6인, 고온 강도가 우수한 오스테나이트강을 제공한다.
본 발명에 따른 오스테나이트강은, 고온에서 오스테나이트 조직을 유지하면서, 니켈(Ni)이 소정 비율이 되도록 상대적으로 저렴한 합금원소인 망간(Mn)으로 대체하고, 나이오븀(Nb)과 텅스텐(W)을 첨가하지 않고, 오스테나이트 안정화원소인 구리(Cu)의 함량을 조절하여 페라이트상의 생성을 억제화하면서 M7C3상 탄화물의 비율을 3~4.5%로 유지하도록 하는 합금설계를 통해, 상온에서의 인장강도가 630MPa 이상, 900℃에서의 인장강도가 140MPa 이상으로 높으면서, 형상유지성능이 우수하여, 터보차저의 터빈하우징용으로 적합하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 오스테나이트강은 니켈(Ni)을 20중량% 이상 포함하는 기존의 오스테나이트강에 비해 상당한 가격 절감 효과와 함께 상온 강도 및 고온 강도를 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 본 명세서에서 언급되지 않은 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예 2와 비교예 1 및 2에 따른 오스테나이트강의 광학현미경 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1~3과 비교예 1 및 2에 따른 오스테나이트강의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2와 비교예 2에 따른 오스테나이트강의 구리(Cu)에 대한 WDS 분석결과를 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 2에 따른 오스테나이트강을 900℃에서 고온인장 시험을 수행한 후에, 구리(Cu)에 대한 WDS 분석결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1~3과 비교예 1 및 2에 따른 오스테나이트강의 상온(25℃) 인장시험 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1~3과 비교예 1 및 2에 따른 오스테나이트강의 고온(900℃) 인장시험 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예들을 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 의미이다. 그리고 포함한다의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작. 요소 및/또는 성분을 구체화하며 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작. 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미이다. 또한, 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술 문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 갖는 것으로 추가 해석되고 정의되지 않는 한, 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지는 않는다.
본 발명자들은 가격 경쟁력을 유지하면서 900℃ 이상의 고온 환경에 견딜 수 있는 강도를 구현할 수 있는 합금에 대해 연구한 결과, 고온에서 오스테나이트 조직을 유지하기 위하여 다량 첨가하던 니켈(Ni)의 함량은 다소 감소시키고, 동시에 나이오븀(Nb)이나 텅스텐(W)과 같은 고가의 탄화물 형성원소를 사용하지 않고, 니켈(Ni) 함량에 대한 망간(Mn) 함량을 소정 비율이 되도록 대체하고, 동시에 오스테나이트 안정화원소인 구리(Cu)를 소정량 첨가하여 오스테나이트강의 기지(matrix)의 안정성을 높일 경우, 가격 경쟁력을 높이면서도, 상온 및 고온 강도를 향상시킬 수 있음을 밝혀내고 본 발명에 이르게 되었다.
일반적으로, M7C3 탄화물 상은 상온 및 고온 강도를 증가시키는 역할을 하므로 비율을 증가시키는 것이 강도 향상에 바람직하나, 본 발명자들은 상기 탄화물 상의 면적비율이 높아질 경우 오스테나이트 기지 조직에 고용되는 탄소의 양이 줄어들어 오히려 오스테나이트강 전체의 물성을 저하될 수 있는 점을 고려하여, 탄화물의 면적비율을 5% 이하로 낮추면서, 오스테나이트 안정화 원소인 구리(Cu)의 첨가를 통해 기지 조직을 강화하도록 설계하였다.
본 발명에 따른 오스테나이트강은, 탄소(C): 0.35~0.5중량%, 실리콘(Si): 1.0~2.0중량%, 망간(Mn): 5.0~8.0중량%, 니켈(Ni): 15.5~18.5중량%, 크롬(Cr): 20~23중량%, 구리(Cu): 0.5~3.5중량%, 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하며, 상기 합금원소 중 니켈(Ni) 함량에 대한 망간(Mn) 함량의 비율, CMn/CNi이 0.3~0.6인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 불가피한 불순물 중에, 인(P): 0.04중량% 이하, 황(S): 0.04중량% 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 오스테나이트강의 성분을 상기와 같이 한정한 이유는 다음과 같다.
탄소(C): 0.35~0.5중량%
탄소(C)는 강력한 오스테나이트(austenite) 안정화 원소로 알려져 있으며, 또한 기지조직에 고용강화되어 고온에서의 강도에 중요한 역할을 한다. 그 외에도 본 발명에 포함되는 크롬(Cr)과 같은 합금원소들과 탄화물을 형성하여 액상의 주조성을 향상시키고 고온 강도를 향상시킨다. 이러한 탄소(C)의 효과를 얻기 위해 0.35중량% 이상의 탄소가 필요하며, 0.5중량%를 초과할 경우, 탄화물의 조대화로 인해 전반적인 기계적 특성과 크리프 저항성의 저하를 가져올 수 있으므로, 상기 범위가 바람직하며, 보다 바람직한 탄소(C) 함량은 0.35~0.45중량%이다.
실리콘(Si): 1.0~2.0중량%
실리콘(Si)은 고온 내산화성을 향상시키는 효과가 있으며, 합금의 용탕 내에서 환원제 역할을 한다. 실리콘(Si)은 크롬(Cr)에 의한 산화방지를 도와주는 역할을 함으로써 내산화성을 향상시킨다. 실리콘(Si)에 의해 형성되는 실리콘 산화물 입자들은 크롬(Cr)에 의해 합금 표면에 형성하는 피막 아래에 석출되어 부동태 피막의 형성을 돕고, 크롬(Cr) 이온이 불필요하게 빠져나가는 것을 억제한다. 실리콘(Si)의 이러한 효과는 고온에서 더욱 강화된다. 1.0중량% 미만일 경우 상기한 실리콘(Si)의 효과를 충분하게 얻기 어렵고, 실리콘(Si)이 과다하게 첨가될 경우 고온 크립 저항성을 낮출뿐 아니라, 실리콘(Si)이 페라이트(ferrite) 안정화 원소이므로 오스테나이트 기지조직을 불안정하게 하기 때문에, 2.0중량% 이하로 첨가되어야 한다.
망간(Mn): 5.0~8.0중량%
망간(Mn)은 오스테나이트 안정화 원소로 작용하며, 실리콘(Si)과 유사하게 용탕 내에서 환원제 역할을 한다. 본 발명에 따른 오스테나이트강에서는 오스테나이트 안정화 원소인 니켈(Ni)의 함량을 기존의 합금에 비해 적게 첨가하기 때문에, 망간(Mn)의 함량이 5.0중량% 미만일 경우 오스테나이트 기지조직을 불안정하게 하여 페라이트상이 생길 수 있고, 8.0중량%를 초과할 경우, 고온에서의 내산화성 및 고온 성형성을 저하시키므로, 8.0중량% 이하로 유지한다. 보다 바람직한 망간(Mn)의 함량은 5.0~6.5중량%이다.
니켈(Ni): 15.5~18.5중량%
니켈(Ni)은 오스테나이트 안정화원소로, 인성을 포함한 제반 기계적 특성과 내식성 및 내산화성 향상에 필수적인 원소인데, 15.5중량% 미만일 경우 고온 강도가 저하되어 바람직하지 않고, 18.5%중량%를 초과할 경우 제조비용을 줄이는 효과가 줄어들어 바람직하지 않기 때문이다. 보다 바람직한 니켈(Ni)의 함량은 15.5~16.5중량%이다.
크롬(Cr): 20~23중량%
크롬(Cr)은 스테인리스강의 우수한 내산화성, 내식성의 가장 핵심적인 원소로 합금의 표면에 Cr2O3 형태의 안정한 부동태 피막을 형성하여 내식성을 향상시킨다. 크롬(Cr)의 함유량이 높을수록 내식성은 증가하며, 고온에서의 내산화, 내식성 향상에도 기여한다. 내식성 향상을 위해 크롬(Cr)은 20중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다.
한편, 크롬(Cr)은 페라이트 안정화 원소로 과다 첨가하게 되며, 페라이트상을 형성시킬 수 있고 크롬 탄화물의 분율이 증가하여 오스테나이트 기지 내의 탄소(C) 고용량이 줄어들어 고용강화 효과가 감소하여 상온 인장강도가 저하될 수 있으며, 다량의 탄화물을 형성할 수 있어, 23중량% 이하로 제한한다. 상온 인장강도 향상의 측면에서, 크롬(Cr)의 함량은 20~22중량%인 것이 보다 바람직하다.
구리(Cu): 0.5~3.5중량%
구리(Cu)는 오스테나이트 안정화원소로, M7C3 상 면적분율을 5% 이하로 낮게 유지하면서 오스테나이트 기지 내에서 고용강화 효과를 발생시켜 상온과 고온 강도를 동시에 향상시킨다.
구리(Cu)의 함량이 0.5중량% 미만일 경우 전술한 구리 첨가의 효과가 적어 강화 효과를 얻기 어렵고, 3.5중량% 초과일 경우 구리(Cu)의 낮은 녹는점으로 인해 주조 조직을 따라 편석이 발생하여, 오스테나이트강의 연신율을 크게 저하시키므로, 3.5중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하며, 1~3중량%가 보다 바람직하다.
니켈(Ni) 함량에 대한 망간(Mn) 함량의 비율, C Mn /C Ni 0.3~0.6
상기 합금원소 중 니켈(Ni) 함량(중량%)에 대한 망간(Mn) 함량(중량%)의 비율이 0.3 미만이거나 0.6 초과일 경우, 탄소 고용에 의한 기지강화 효과를 충분히 얻지 못하거나 탄화물이 분율이 지나치게 적어져 강도가 저하될 수 있으므로, 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
인(P): 0.04중량% 이하
인(P)은 불순물로서 불가피하게 혼입되는 성분으로, 합금 내에 편석되어 합금의 물성에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로 0.04중량% 이하로 유지하는 것이 바람직하며, 0.03중량% 이하로 유지하는 것이 보다 바람직하다.
황(S): 0.04중량% 이하
황(S)은 합금 내에서 MnS와 같은 황화물을 형성하여 합금의 가공성을 향상시키나, 형성된 황화물은 합금의 전반적인 물성을 저하시키므로 0.04중량% 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 오스테나이트강의 미세조직에 있어서, M7C3 상의 면적분율은 3% 미만이거나, 4.5%를 초과할 경우, 상온 및 고온 강도 향상에 바람직하지 않으므로, 3~4.5% 범위 내로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 오스테나이트강의 미세조직에 있어서, 페라이트상의 면적분율이 1%를 초과할 경우 고온 안정성을 저하시키므로, 1% 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 오스테나이트강은, 바람직하게 상온에서의 인장강도가 630MPa 이상, 900℃에서의 인장강도가 140MPa 이상일 수 있다.
또한, 상기 오스테나이트강은, 오스테나이트상의 기지(matrix)의 경도와, 오스테나이트강 전체 경도의 차이가 15 HV 이하인 것이 바람직하고, 12HV 이하인 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 오스테나이트강은 터보 하우징용으로 사용될 수 있다.
[실시예]
아래 표 1은 본 발명에 따른 오스테나이트강의 실시예 1~3과, 실시예와의 비교를 위해, 구리(Cu) 첨가량을 비교예 1 및 2의 조성을 나타낸 것이다.
강종 조성 (중량%)
C Si Mn P S Ni Cr Cu Fe
비교예 1 0.40 1.2 5.6 0.04 0.04 16 21 0 Bal.
실시예 1 0.40 1.2 5.6 0.04 0.04 16 21 1 Bal.
실시예 2 0.40 1.2 5.6 0.04 0.04 16 21 2 Bal.
실시예 3 0.40 1.2 5.6 0.04 0.04 16 21 3 Bal.
비교예 2 0.40 1.2 5.6 0.04 0.04 16 21 4 Bal.
위 표 1에 나타낸 조성을 갖도록 5종류의 원료를 준비한 후, 용해로에서 용해한 후, 1550℃∼1600℃에서 출탕하고 즉시 1500℃∼1550℃에서 원통형 시험편용 주형에 주입하여 시험편을 얻었다.
이와 같이 얻은 시험편에 대하여 광학현미경, 전자현미경, XRD와 EBSD(Electron Back-scatter Diffraction)를 사용하여 상(phase)을 분석하고 상의 분율을 측정하였으며, WDS(Wavelength Dispersive Spectroscopy)를 사용하여 원소의 분포를 시각화하였으며, 상온(25℃)과 고온(900℃)에서 경도시험과 인장시험을 수행하였다.
도 1은 본 발명의 실시예 2와 비교예 1 및 2에 따른 오스테나이트강의 광학현미경 분석 결과를 나타낸 것이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 2와 비교예 1 및 2는 모두 오스테나이트 조직을 기지조직으로 하고, 약간의 M7C3 탄화물을 포함하는 미세조직을 가지는 것으로 확인된다.
도 2는 본 발명의 실시예 1~3과 비교예 1 및 2에 따른 오스테나이트강의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다. 도 2에서 확인되는 바와 같이, 모든 오스테나이트강에서 고온에서 불안정한 페라이트상이 검출되지 않았다.
도 3은 본 발명의 실시예 2와 비교예 2에 따른 오스테나이트강의 구리(Cu)에 대한 WDS 분석결과를 나타낸 것이다. 도 3에서 확인되는 바와 같이, 합금원소 중에서 녹는점이 가장 낮은 구리(Cu)의 첨가에 의해 주조 조직을 따라 구리(Cu)의 편석대가 형성됨이 관찰된다. 한편, 실시예 2의 경우, 구리(Cu)의 함량이 2% 이하로 상대적으로 낮은 부분이 오스테나이트 기지 내에 비교적 고르게 분산되어 분포함에 비해, 비교예 2의 경우 4~6%의 높은 함량의 구리(Cu) 편석대가 주조 조직을 따라 형성되어 있음을 알 수 있다.
도 4는 비교예 2에 따른 오스테나이트강을 900℃에서 고온인장 시험을 수행한 후에, 구리(Cu)에 대한 WDS 분석결과를 나타낸 것이다. 도 4에서 확인되는 바와 같이, 900℃ 고온인장 시험에도 도 3에서 확인되는 주조 조직을 따른 구리(Cu) 편석대가 해소되지 않고, 이를 따라 파단이 발생하였음을 알 수 있다.
아래 표 2는 EBSD를 사용하여, 도 1 및 도 2에서 확인되는 강의 미세조직에서 페라이트(ferrite) 상과 M7C3 상이 차지하는 분율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
강종 분율 (%) 주조 셀 크기 (㎛)
페라이트 탄화물
(M7C3)
비교예 1 - 3.3 ± 0.4 42.3 ± 3.0
실시예 1 - 3.9 ± 0.5 43.3 ± 4.2
실시예 2 - 4.2 ± 0.4 40.6 ± 5.0
실시예 3 - 4.4 ± 0.3 48.0 ± 4.9
비교예 2 - 4.8 ± 0.5 48.8 ± 5.1
위 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1~3에 따른 오스테나이트강에서는 페라이트 상이 검출되지 않았다. 실시예 1~3과 비교예 2를 통해 구리(Cu) 첨가에 따라 주조 셀의 크기와 M7C3 탄화물의 면적분율이 소량 증가하나 탄화물의 면적 분율이 5% 이내로 제어됨을 확인할 수 있다.
일반적으로 탄화물 상은 상온 및 고온 강도를 증가시키는 역할을 하지만, 탄화물의 분율이 크게 증가할 경우, 오히려 오스테나이트 기지에 고용되는 탄소 함량이 감소하여 고온 물성이 저하될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서는 M7C3 탄화물의 면적 분율을 5% 이내로 유지한 채 기지조직을 강화시킬 수 있도록 구리(Cu)를 첨가하였다.
또한, 크롬(Cr)은 탄화물 형성 원소임과 동시에 페라이트 안정화 원소이기 때문에, 본 발명에 따른 오스테나이트강에서는, 크롬(Cr)의 일부를 오스테나이트 안정화 원소인 구리(Cu)로 대체함으로써, 오스테나이트 기지 조직의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.
아래 표 3은, 본 발명의 실시예 1~3과 비교예 1 및 2에 따른 오스테나이트강의 상온 및 고온에서의 경도 및 인장 시험 결과를 나타낸 것이다.
강종 상온 인장특성 고온 인장특성 (900℃)
기지경도 (HV) 전체경도
(HV)		 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 연신율
(%)		 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 연신율
(%)
비교예 1 175 ± 4 200 ± 5 270 ± 5 625 ± 6 45.2 ± 2.4 101 ± 1.5 134 ± 1.4 14.7 ± 1.8
실시예 1 187 ± 7 201 ± 5 289 ± 9 644 ± 9 41.2 ± 3.6 119 ± 2.6 146 ± 2.8 15.6 ± 1.4
실시예 2 195 ± 6 206 ± 4 322 ± 9 675 ± 8 36.8 ± 1.7 123 ± 1.1 153 ± 1.7 13.0 ± 2.0
실시예 3 209 ± 6 219 ± 6 328 ± 6 687 ± 5 34.9 ± 3.8 134 ± 1.4 157 ± 1.6 8.7 ± 1.3
비교예 2 216 ± 8 223 ± 5 350 ± 8 692 ± 5 29.9 ± 1.8 140 ± 0.9 162 ± 1.0 3.8 ± 1.2
표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1~3는 구리(Cu) 함량을 1~3 중량% 포함하는데, 구리(Cu)를 전혀 포함하지 않는 비교예 1과 대비하면, 오스테나이트 기지의 경도가 뚜렷하게 증가하는 현상을 나타내며, 이와 비례하게 상온 및 고온 강도가 크게 향상되는 결과를 나타낸다.
또한, 기지 경도의 증가로 인해 오스테나이트강 전체 경도와의 차이가 비교예 1의 경우 약 25 HV에서 본 발명의 실시예에서는 약 10 HV로 감소하는데, 이는 기지 조직이 내부에 존재하는 탄화물을 단단히 잡아줌을 의미한다. 이러한 상태의 기지 조직은 특히 고온 환경에 노출된 강이 견딜 수 있도록 하는 역할을 할 수 있기 때문에, 본 발명의 실시예 1~3에 따른 오스테나이트강의 기지 경도가 증가함에 따라 고온 인장강도 증가율이 상온 인장강도 증가율에 비해 더욱 큰 이유라고 할 수 있다.
이러한 이유로, 탄화물 면적분율 5% 이하를 유지한 상태에서 고온 강도를 향상시키기 위해서는 오스테나이트 기지의 경도와 오스테나이트강 전체의 경도의 차이가 15 HV 이하로 조절되는 것이 바람직하다.
한편, 비교예 2에 따른 오스테나이트강과 같이, 구리(Cu) 함량이 4중량%로 3.5중량%를 초과하게 되면, 고온 강도는 162 MPa로 크게 향상되나, 고온 연신율이 현저하게 감소하는 현상을 나타낸다. 이는 도 3 및 도 4에서 확인되는 바와 같이, 주조 조직을 따라 형성되는 구리(Cu) 편석대가 고온 인장 시 급격한 파단의 기점을 제공하는데서 기인하는 것으로 보인다.
고온에서의 형상유지성능은 고온 강도와 주요하게 연관되나, 고온 연신율 역시 재료의 고온 피로수명과 관계되기 때문에, 고온 연신율이 5% 이하로 낮아질 경우 고온에서의 형상유지성능이 저하될 수밖에 없다. 따라서, 구리(Cu) 함량은 고온 연신율을 5% 이상으로 유지할 수 있는 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.

Claims (8)

  1. 탄소(C): 0.35~0.5중량%, 실리콘(Si): 1.0~2.0중량%, 망간(Mn): 5.0~8.0중량%, 니켈(Ni): 15.5~18.5중량%, 크롬(Cr): 20~23중량%, 구리(Cu): 0.5~3.5중량%, 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하며,
    상기 합금원소 중 니켈(Ni) 함량에 대한 망간(Mn) 함량의 비율, CMn/CNi이 0.3~0.6인, 고온 강도가 우수한 오스테나이트강.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오스테나이트강의 기지(matrix)에서의 탄소(C) 함량이 0.35~0.45중량% 미만인, 고온 강도가 우수한 오스테나이트강.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 오스테나이트강에 있어서, M7C3 상의 면적분율이 3~4.5%인, 고온 강도가 우수한 오스테나이트강.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불순물 중, P: 0.04중량% 이하, S: 0.04중량% 이하인, 고온 강도가 우수한 오스테나이트강.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    오스테나이트상의 기지(matrix)의 경도와, 오스테나이트강 전체 경도의 차이가 15 HV 이하인, 고온 강도가 우수한 오스테나이트강.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스테나이트강이 미세조직에 있어서, 페라이트상의 면적분율은 1% 이하인, 고온 강도가 우수한 오스테나이트강.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스테나이트강은, 상온에서의 인장강도가 630MPa 이상, 900℃에서의 인장강도가 140MPa 이상인, 고온 강도가 우수한 오스테나이트강.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 오스테나이트강으로 제조한 터보하우징.
KR1020180078739A 2018-07-06 2018-07-06 상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강 KR102073900B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180078739A KR102073900B1 (ko) 2018-07-06 2018-07-06 상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180078739A KR102073900B1 (ko) 2018-07-06 2018-07-06 상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200005244A KR20200005244A (ko) 2020-01-15
KR102073900B1 true KR102073900B1 (ko) 2020-02-05

Family

ID=69156721

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180078739A KR102073900B1 (ko) 2018-07-06 2018-07-06 상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102073900B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100428572B1 (ko) 1999-12-09 2004-04-28 주식회사 포스코 내열강도 및 내산화성이 우수한 내열스테인레스강
KR100766251B1 (ko) 2006-06-09 2007-10-12 주식회사 포스코 고온특성이 우수한 니켈 저감형 오스테나이트계 내열스테인레스강.
JP2014208875A (ja) 2013-03-22 2014-11-06 トヨタ自動車株式会社 オーステナイト系耐熱鋳鋼およびその製造方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05148591A (ja) * 1991-11-27 1993-06-15 Aichi Steel Works Ltd 被削性の優れた排気弁用鋼
KR970009506B1 (ko) * 1994-12-14 1997-06-14 삼미종합특수강 주식회사 오스테나이트(Austenite)계 내열강의 제조방법
JPH11323479A (ja) * 1998-05-13 1999-11-26 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 耐熱鋳鋼
KR20160079997A (ko) * 2014-12-26 2016-07-07 주식회사 포스코 니켈 저감형 스테인리스강
KR20160091041A (ko) 2015-01-23 2016-08-02 (주)계양정밀 터보차저 터빈하우징용 오스테나이트계 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 터보차저 터빈하우징

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100428572B1 (ko) 1999-12-09 2004-04-28 주식회사 포스코 내열강도 및 내산화성이 우수한 내열스테인레스강
KR100766251B1 (ko) 2006-06-09 2007-10-12 주식회사 포스코 고온특성이 우수한 니켈 저감형 오스테나이트계 내열스테인레스강.
JP2014208875A (ja) 2013-03-22 2014-11-06 トヨタ自動車株式会社 オーステナイト系耐熱鋳鋼およびその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200005244A (ko) 2020-01-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102037086B1 (ko) 지열 발전 터빈 로터용 저합금강 및 지열 발전 터빈 로터용 저합금 물질, 및 이들의 제조 방법
EP2113581B1 (en) Heat and corrosion resistant cast stainless steels with improved high temperature strength and ductility
KR0175075B1 (ko) 증기터빈용 회전자 및 그 제조방법
JP5232620B2 (ja) 球状黒鉛鋳鉄
EP2610360A1 (en) Co-based alloy
KR101809853B1 (ko) 고온강도가 우수한 오스테나이트강
EP2765214B1 (en) Stainless steel alloys, turbocharger turbine housings formed from the stainless steel alloys, and methods for manufacturing the same
EP3287540A1 (en) Cr-mn-n austenitic heat-resistant steel and a method for manufacturing the same
KR102374800B1 (ko) 가스 터빈 디스크재 및 그 열처리 방법
EP2980253B1 (en) Stainless steel alloys and turbocharger turbine housings formed from the stainless steel alloys
KR20160091041A (ko) 터보차저 터빈하우징용 오스테나이트계 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 터보차저 터빈하우징
KR101918408B1 (ko) 고온강도가 우수한 오스테나이트강
KR102073900B1 (ko) 상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강
KR101974815B1 (ko) 크롬(Cr) 저감을 통한 상온 및 고온강도가 우수한 오스테나이트강
JPH11209851A (ja) ガスタービンディスク材
JP2016065265A (ja) 蒸気タービン動翼用耐熱鋼および蒸気タービン動翼
KR102135185B1 (ko) 상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강
JP5981357B2 (ja) 耐熱鋼および蒸気タービン構成部品
JPH1036944A (ja) マルテンサイト系耐熱鋼
JPH06228713A (ja) 高温強度および被削性の優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼およびそれからなる排気系部品
JP3662151B2 (ja) 耐熱鋳鋼及びその熱処理方法
US20230085990A1 (en) Cast iron alloy for automotive engine applications with superior high temperature oxidation properties
KR20180010814A (ko) 텅스텐 저감형 터보차저 터빈하우징용 내열주강 및 이를 이용한 터보차저 터빈하우징
JPS6141750A (ja) 蒸気タ−ビンロ−タ
KR20230125712A (ko) 고강도 및 고연성을 갖는 크롬-몰리브덴 강 및 이의 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant