KR19990035468A

KR19990035468A - 배기다기관용 스테인레스 주강재료

Info

Publication number: KR19990035468A
Application number: KR1019970057271A
Authority: KR
Inventors: 반형오
Original assignee: 정몽규; 현대자동차 주식회사
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1997-10-31
Publication date: 1999-05-15

Abstract

본 발명은 기존의 페라이트계 SUS 주강재료에 첨가되는 W, Nb 대신에 Ti, Al을 첨가하고 Si함량을 높인 배기다기관용 스테인레스 주강재료에 관한 것이다.

본 발명의 배기다기관용 스테인레스 주강재료는 탄소 0.08중량% 이하, 규소(Si) 3.5 내지 4.5중량%, 망간(Mn) 1.00중량% 이하, 유황(S) 0.04중량% 이하, 크롬(Cr) 18.0 내지 19.0중량%, 몰리브덴(Mo) 0.2 내지 0.5중량%, 그리고 티타늄(Ti) 0.06 내지 1.02중량% 및 알루미늄(Al) 0.02 내지 0.04중량%를 포함하여 구성된다.

본 발명의 배기다기관용 스테인레스 주강재료는 기존의 SUS 주강재료와 비교하여 열용량성, 고온특성, 고온내산화성 등의 물성이 동등이상이면서 가격이 저렴하여 경제적이고 실용적인 재료이다.

Description

배기다기관용 스테인레스 주강재료

본 발명은 배기다기관용 스테인레스 주강재료에 관한 것으로서, 상세하게는 기존의 페라이트계 SUS 주강재료에 첨가되는 W, Nb 대신에 Ti, Al을 첨가하고 Si함량을 높인 배기다기관용 스테인레스 주강재료에 관한 것이다. 본 발명의 배기다기관용 스테인레스 주강재료는 기존의 SUS 주강재료와 비교하여 열용량성, 고온특성, 고온내산화성 등의 물성이 동등이상이면서 가격이 저렴하여 경제적이고 실용적인 재료이다.

일반적으로, 배기다기관은 엔진성능의 저하를 방지하기 위해 배기간섭이 적은 구조로 되어야 하며, 엔진 시동 직후에 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO) 등의 유해가스 성분 방출을 낮추기 위하여 촉매가 작동하는 활성화온도까지 단시간에 상승할 수 있도록 열용량이 적은 구조로 되어야 한다.

또한, 배기다기관은 700 내지 950℃의 고온 배기가스가 통과하기 때문에 고온강도, 고온피로강도, 크리프(Creep)강도, 고온내산화성이 요구된다.

현재 자동차용 배기다기관의 재료로는 내열구상흑연주철이 가장 많이 사용되고 있으나, 이 재료는 재료 특성상 내열성의 한계가 있기 때문에 박육(薄肉)화가 불가능하여 대열용량을 가질 수 밖에 없고 이로 인하여 촉매의 라이트-오프 시간(Light-Off Time) 지연으로 시동초기에 배기가스량이 증가하는 문제점이 있다.

최근 외국에서는 상기의 이유 때문에 열팽창계수가 작고 내열특성이 우수한 페라이트(Ferrite)계 SUS 주강재료를 사용하고 있는데 기존의 SUS 주강재료는 고온특성 및 고온내산화성을 높히기 위하여 W, Nb 등의 성분을 첨가한 재료(美 Hitchner社 특허재료)를 사용하고 있다. 그러나 기존의 SUS 주강재료에 첨가되는 W, Nb는 고가이므로 기존의 SUS 주강재료의 사용은 경제적인 면에서 불리하여 산업상 이용이 제한된다는 문제점이 있다.

이에 본 발명자는 기존의 SUS 주강재료에 첨가되는 고가의 W, Nb를 배제하고 대신에 가격이 저렴하여 구입이 용이하고 산업상 이용하는데 제한요소를 가지지 않는 다른 금속을 첨가하여 기존의 SUS 주강재료에 비하여 그 물성이 동등하거나 그 이상인 배기다기관용 스테인레스 주강재료를 얻기 위하여 연구한 결과 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 기존의 페라이트계 SUS 주강재료에 비하여 열용량성, 고온특성, 고온내산화성 등의 물성이 동등하거나 그 이상인 배기다기관용 스테인레스 주강재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 배기다기관용 스테인레스 주강재료를 기존의 SUS 주강재료(TR115)와 비교하면 기존 재료의 규소 함량은 1.00중량% 이하이지만 본 발명의 재료의 규소 함량은 3.5 내지 4.5중량%로서 기존의 재료에 비하여 본 발명의 재료가 규소를 많이 함유한다. 그리고 기존의 재료는 W, Nb를 함유하지만 본 발명의 재료는 그것들 대신에 Ti, Al을 함유한다. 본 발명의 재료에 함유되는 Ti 및 Al은 기존 재료의 W 및 Nb보다 가격이 저렴하여 구입이 용이하여 경제적이고 또한 산업상 이용하는데 제한요소가 적으며, 본 발명의 주강재료의 물성에 기여하는 정도가 W 및 Nb가 기존의 재료의 물성에 기여하는 정도에 비하여 뒤지지 않는다. 따라서 본 발명의 주강재료는 기존의 주강재료에 비하여 가격이 저렴하여 경제적이고 산업에 실용적으로 이용될 수 있으며, 재료의 물성도 기존의 것에 비하여 뒤지지 않는다.

이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.

화학성분 비교

물질	화학적 조성(중량%)
물질	C	Si	Mn	Ni	S	Cr	Mo	Nb	W	Ti	Al
TR115기존재료	0.06 이하	1.00 이하	1.00 이하	-	0.04 이하	18.0~20.0	0.2~ 0.5	0.7~ 1.2	1.8~ 2.3	-	-
본 발명의 재료	0.08 이하	3.5~ 4.5	1.00 이하	-	0.04 이하	18.0~19.0	0.2~ 0.5	-	-	0.6~ 1.02	0.02~0.04

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 주강재료는 기존의 재료에 비하여 Si 함량이 많으며, 기존 재료의 성분인 W, Nb를 함유하지 않고 그 대신에 Ti, Al을 함유한다.

첨가된 중요성분의 역할

1) Si

실리콘은 강력한 페라이트(Ferrite) 생성원소로 탄화물의 안정화를 저해하여 강도향상에는 거의 기여하지 못하지만 내식성, 피팅(Pitting) 개선에 대단히 효과적이며, 비정질의 Fe₂SiO₄, SiO₂피막이 Cr₂O₃하에 형성되어 스케일의 고착성을 좋게 하므로 내산화성을 향상시킨다. Si 함량이 상기 범위보다 많으면 고온강도가 떨어지고 적으면 고온내산화성이 나빠진다.

2) Al

알루미늄은 페라이트 생성원소로 질소 혹은 산소와 결합하여 미립자의 분산강화에 도움을 주고 고온에서 선택산화에 의하여 α-Al₂O₃피막을 형성하여 내산화성을 개선한다. 미량 첨가로도 상기 효과가 가능하다.

3) Ti

티타늄은 결정립(Grain)안에 침탄질화물(Carbonitride) 형태로 석출하고 나머지는 매트릭스(Matrix)안에 고용되어 고온강도를 높히는 역할을 한다. 미소량은 상기 효과를 발휘할 수 없으며 첨가량이 많으면 편석되어 고온피로강도 저하를 유발시킨다.

이하에서는 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기의 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

하기 표 2의 비교예 및 실시예의 조성비에 따라 배기다기관용 스테인레스 주강재료를 통상적인 방법으로 제조하였다.

물질	화학적 조성(중량%)
물질	C	Si	Mn	Cr	Mo	Nb	W	Ti	Al
비교예	0.05	0.5	0.5	19	0.15	1	2	-	-
실시예 1	0.07	4.0	0.01	18	0.3	-	-	1.0	0.03
실시예 2	0.07	2.5	0.01	17	1.0	-	-	2.0	0.03

<시험예>

고온인장강도 시험

고온인장강도 시험은 25톤 인장시험기(Instron)에서 실시하였으며, 시험온도는 상온, 300, 600, 900℃의 4단계로 설정하였다. 각 설정온도에서의 유지시간은 20분이며 시험속도는 1mm/분이다. 그리고 시험결과를 하기 표 3에 나타내었다.

시험편종류	비교예	실시예 1	실시예 2
RT	TS(kgf/mm²)	42.4	40.1	38
RT	E(%)	4	4	4
300℃	TS(kgf/mm²)	37.3	36.9	34.5
300℃	E(%)	8	10	13
600℃	TS(kgf/mm²)	30.9	29.1	24
600℃	E(%)	17	17	19
900℃	TS(kgf/mm²)	12.6	10.8	9.4
900℃	E(%)	35	38	41

상기 표 3에서 보는 바와 같이 고온인장강도는 기존재질이 가장 우수한 것으로 판명되었다. 그러나 그 차이는 미약하여 실제품 상태에서는 동등한 효과를 나타낼 것으로 예상된다.

내산화성 시험

내산화성 시험은 시험편 상태에서 시험재질의 고온내산화성 특성을 측정하기 위하여 실시한 시험이다. 시험방법은 각각의 설정온도(800, 900, 1000℃)에서 시험편을 전기로안에서 200시간 동안 유지시킨 후 시험편의 중량변화 및 산화층 깊이, 산화층 표면 성분 등을 검사하였다.

시험후 각 시험편의 중량 증가량을 표 4에 나타내었으며, 중량변화량 측정방법은 다음과 같다.

중량변화량(mg/cm²) = (W₂- W₁)/S

W₁= 시험편의 시험전 중량

W₂= 시험편의 시험후 중량

S = 시험편의 표면적

물질	중량 증가량(mg/cm²)
물질	800℃	900℃	1000℃
비교예	0.62	1.63	2.2
실시예 1	0.14	0.89	1.36
실시예 2	0.89	2.71	4.63

그리고 시험후 각 시험편의 산화층 깊이는 표 5에 나타내었다.

물질	산화층 깊이(㎛)
물질	800℃	900℃	1000℃
비교예	12	13.4	23
실시예 1	9	15	19
실시예 2	17	29	48

내산화성 시험에서는 실시에 1이 가장 우수한 결과를 나타내었다. 그 원인을 살펴보면 약 4% 함량의 실리콘이 비정질의 Fe2SiO4, SiO2 피막을 CrO2하에 형성하여 스케일(Scale)의 고착성을 좋게하여 내산화성을 향상시켰기 때문이다.

고온피로 시험

고온에서의 열피로특성은 내산화성과 함께 배기다기관이 갖춰야 할 중요한 특성이므로 다음과 같은 시험조건하에서 피로시험을 실시하였으며 그 결과를 표 6에 나타내었다.

시험온도 : 600℃

응력 : 15, 17, 20 kgf/mm²

시험속도 : 1 Hz

조작방법 : 로드 콘트롤(load control)(인장-인장)

시험기 : 25톤 용량의 인스트론(Instron) 8502

응력(kgf/mm²)	파단수명(Nf)
응력(kgf/mm²)	비교예	실시예 1	실시예 2
20	1,101	1,204	457
17	54,212	49,561	52,112
15	199,458	178,919	100,101

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명은 W, Nb 등이 첨가되는 기존의 페라이트계 SUS 주강재료에서 W, Nb 대신에 Ti 및 Al을 첨가하고 Si 함량을 기존의 재료보다 많이 첨가한 배기다기관용 스테인레스 주강재료에 관한 것으로서, 본 발명의 주강재료는 기존 재료에 비하여 물성이 동등하거나 그 이상으로 우수하면서도 고가의 W, Nb를 함유하지 않고 저렴한 Ti, Al을 함유함으로써 경제적 가치가 크며 또한 실용적이다.

Claims

탄소 0.08중량% 이하, 규소(Si) 3.5 내지 4.5중량%, 망간(Mn) 1.00중량% 이하, 유황(S) 0.04중량% 이하, 크롬(Cr) 18.0 내지 19.0중량%, 몰리브덴(Mo) 0.2 내지 0.5중량%, 그리고 티타늄(Ti) 0.06 내지 1.02중량% 및 알루미늄(Al) 0.02 내지 0.04중량%를 포함하여 구성된 배기다기관용 스테인레스 주강재료.