KR20030051050A

KR20030051050A - 자동차 머플러용 페라이트계 스테인레스 합금강

Info

Publication number: KR20030051050A
Application number: KR1020010081948A
Authority: KR
Inventors: 최재웅
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-06-25

Abstract

본 발명은 자동차 머플러용 페라이트계 스테인레스 합금강에 관한 것으로, 상세하게는 페라이트계 스테인레스강의 첨가 원소 중, Mn, Ti, Mo 및 Al의 함량을 최적화함으로써, 고온의 배기가스 및 응축수 등과 같은 유해물질에도 쉽게 산화되지 않게 되어 머플러의 수명을 효과적으로 연장시킬 수 있다.

Description

자동차 머플러용 페라이트계 스테인레스 합금강{Stainless alloy with ferrite for automobile muffler }

일반적으로 자동차 배기계에 속해 있는 머플러는 주역할이 엔진에서 발생하는 맥동압력(폭발압력)을 감쇠함으로써, 엔진의 소음을 저감하며, 소음기(消音器)라고도 한다. 그러나 머플러는 단지 소리를 적게하는 역할외에도 엔진의 성능을 결정하는 중요한 역할을 담당하고 있다. 고온고압의 배기가스를 냉각시키는 기능은 머플러 케이스 및 파이프의 단면변화를 이용하여 배기가스의 온도 압력 변화를 유도하는 역할을 한다. 또한, 배기가스 흐름유도 기능은 엔진에서 발생한 배기가스를 인체나 차량에 영향이 없는 곳으로 유도하는 역할을 한다.

한편, 머플러 시스템은 그 설치위치가 자동차의 외부 밑면으로서 항상 외부에 노출되어 있으며, 운행중일 때는 고온이지만, 정지 시는 주변온도 부근으로 급격히 떨어지므로, 이에 따른 고온과 상온 하에서 부식과정이 나타나게 된다.

또한 내부를 통해 배출되는 배기가스 자체에 포함되어 있는 유해물질(응축수 등)과 접촉하는 시간이 많게 된다. 상기 응축수는 스테인레스강의 부식을 촉진하는 Cl^-, NH₄ ⁺등의 성분을 포함하고 있으므로 이들 응축수에 대한 내식성이 필요하다. 이와 더불어 자동차가 운행중일때 응축수는 100 ℃정도의 고온 분위기 하에서 유지되지만, 정지 시 응축수의 온도가 대기온도와 비슷하게 되므로 이러한 문제도 고려되어야 한다.

따라서 상기한 사항을 모두 만족하도록 내부식성이 크게 요구되며 자동차 주행 시 약 300 ∼ 900℃에 이르게 되는 고온의 배기가스가 내부를 통과하게 되므로 우수한 고온에서의 내산화성이 요구된다.

특히 겨울철에는 결빙을 방지할 목적으로 도로의 제설작업에 사용되는 염화칼슘에도 그대로 노출되는데, 살포하는 염화칼슘(KCl)에 있는 염소성분은 스테인레스강의 공식을 유발시킨다. 또한 자동차 배기가스 성분들이 들어있는 응축수속에도 Cl기가 포함되어 있으므로 상기 Cl기에 의한 내부식성이 요구된다.

따라서 종래에는 자동차 머플러의 재질로 저가의 SACD나 자동차 경량화 추세 및 내부식성 강화의 목적으로 스테인레스강 등의 재료가 널리 사용되어 지고 있다. 그러나 상기 스테인레스강의 경우 주로 SUS409를 사용하고 있으나, 600 ℃ 에서 800 ℃ 정도의 고온 배기가스 내에서는 그 내산화성이 저하되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 고온에서도 우수한 내산화성을 유지하는 새로운 스테인레스강을 개발함으로써, 고온의 배기가스 및 응축수 등과 같은 유해물질에도 쉽게 산화되지 않게 되어 자동차 머플러의 수명이 연장될 수 있는 합금을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 자동차용 배기계의 구조 및 이에 따른 온도를 나타낸 것이다.

본 발명은 Cu 0 ∼ 0.03 중량%, Mn 0 ∼ 0.50 중량%, P 0 ∼ 0.04 중량%, S 0 ∼ 0.03 중량%, Si 0 ∼ 1.00 중량%, Cr 10.50 ∼ 11.75 중량%, Ni 0 ∼ 0.25 중량%, Ti 0 ∼ 0.25 중량%, Mo 0.5 ∼ 0.8 중량%, Al 0 ∼ 0.08 중량% 및 잔부가 Fe로 포함된 자동차 머플러용 페라이트계 스테인레스 합금강을 그 특징으로 한다.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 페라이트계 스테인레스 합금강은 고온산화 부식 특성 및 내화학성이 우수하여 자동차의 머플러에 적합하게 적용함으로써 머플러의 수명을 연장시킬수 있다.

본 발명은 페라이트계 스테인레스강의 첨가 원소 중, Mn, Ti, Mo 및 Al의 함량을 최적화하였고, 각 성분은 하기와 같다(표 1 참조).

C는 성형가공성이나 인성의 점에서 그 함량이 낮은 것이 바람직하다. 특히 페라이트계 스테인레스강의 경우 성형성 및 내입계 부식성능이 부족하여 이를 방지하기 위해 C의 함량을 0 ∼ 0.03 중량%로 함유한다.

Mn은 탈산제로 작용함과 동시에 강도를 증가시키는 원소이다. 그러나 과도하게 첨가되었을 경우 연성의 저하와 내식성의 저하를 초래하기 때문에 강도와 연성 및 내식성면에서 0 ∼ 0.5 중량%로 함유하는 것이 바람직하다.

P는 인성을 열화시키는 원소로서, 그 영향은 특히 0.05 중량%를 초과하면 현저해지므로, 0 ∼ 0.04 중량% 함유하는 것이 바람직하다.

S는 황화물을 생성하여 내공식성을 열화시키는 유해한 원소이다. 그 악영향은 0.03 중량%를 초과하면 현저해지므로, 0 ∼ 0.03 중량%로 함유하는 것이 ㅂ람직하다.

Si는 탈산제로 작용하고, 또한 강도를 증가시키는 작용을 갖는 원소이지만1.0 중량%를 초과하면 연성이 저하되기 때문에 0 ∼ 1.0 중량%로 함유하는 것이 바람직하다. 특히, 강도와 연성의 균형면에서 0.05 내지 0.5 중량%의 범위로 첨가하는 것이 좋다.

Cr은 합금의 내식성 및 내열성의 향상에 유용한 원소로서, 강의 표면에 산화막인 "passive"를 형성하여 부식방지의 역할을 하며, 10.5 ∼ 11.75 중량%로 함유하는 것이 바람직하다.

Ni은 내식성 향상에 유효한 원소로서 첨가량이 증가할수록 내식성은 향상된다. 그러나 다량첨가는 고온역에서의 오스테나이트상의 생성을 초래하여 연성의 저하를 발생시키기 쉽다. 특히 0.5 중량%를 초과하면 그 영향이 현저해지므로, 0 ∼ 0.5 중량%로 함유하는 것이 바람직하다.

Ti는 성형성 향상과 용접부의 내입계부식성을 향상시킨다. 그러나 다량의 첨가는 TiN의 응집 및 조대화로 인한 표면결함(스트링거상 결함)을 초래하고, 0.25 중량%를 초과하면 현저해지므로, 0 ∼ 0.25 중량%로 함유하는 것이 바람직하다.

Mo는 본 발명의 주요원소로서, 고온강도 증가, 내염해성 향상, 내공식성 향상 및 항복강도, 인장강도, 경도의 증가에 영향을 준다. 그러나 Mo의 다량첨가는 인성, 연성의 저하를 초래하고 가격이 상승하게 되므로 0.5 ∼ 0.8 중량%로 함유하는 것이 좋다.

Al은 탈산제로 작용하지만 0.08 중량%를 초과하면 탈산생성물이 대형화되고, 내식성의 열화나 표면결함의 원인이 되기 때문에 0 ∼ 0.08 중량%로 함유하는 것이바람직하다.

상기한 조성의 페라이트계 스테인레스 합금강은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 통상적인 주조 방식에 의해 제조될 수 있으며, 본 발명에 의해 한정하지는 않는다.

본 발명의 페라이트계 스테인레스 합금강은 자동차의 머플러에 적용하도록 고안되었으며, 이에 종래 사용되고 있는 SUS409(비교예)와 물성을 비교 측정한 결과, 기계적 강도가 더욱 우수하고, 고온에서 산화에 의한 무게 증가가 훨씬 적어 내열성이 매우 우수함을 알 수 있었다. 또한 내식성을 알아보기 위하여 염수 분무 실험결과 SUS409의 경우 10일 경과후 적녹이 발생하였으나, 본 발명의 페라이트계 스테인레스 합금강은 60일 경과 후에도 적녹현상이 나타나지 않음을 확인하였다. 고온산화 부식 실험에서는 SUS409의 경우 원판의 70% 이상이 부식되었으나, 페라이트계 스테인레스 합금강의 경우 40% 내외로 고온산화에 대한 저항성이 우수함을 증명하였고, 응축수 부식 실험에서는 SUS409의 경우 24 시간 이후 100% 부식이 발생한 것에 비하여 본 발명은 페라이트계 스테인레스 합금강은 20% 내외의 부식이 진행됨을 확인함에 따라 내식성이 우수함을 증명할 수 있었다.

이하, 하기 실시예에 의하여 상세히 설명한다.

하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예

하기 표 2에 나타낸 바의 조성으로 물성 측정을 위한 시편을 제조하였다. 이때 사용된 방법은 통상적인 방법의 준하여 제작하였다. 비교예로서는 종래 사용되고 있는 SUS409를 채택하였다. 이때 함량은 단위가 중량% 이며, 잔부는 Fe이다.

실험예

(1) 기계적 성질 비교

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 시편으로 다음과 같은 기계적 강도 특성을 비교하였다.

A. 인장강도(tensile strength, MPa)

인장강도 시험편은 JIS Z 2201의 13B호 시험편으로 하며, JIS Z 2241(금속재료 인장 시험방법)의 시험방법으로 측정하였고 그 결과를 하기 표 3에 나타냈다.

B. 항복강도(yeild strength, MPa)

항복강도 시험편은 JIS Z 2201의 13B호 시험편으로 하며, JIS Z 2241(금속재료 인장 시험방법)의 시험방법으로 측정하였고 그 결과를 하기 표 3에 나타냈다.

C. 신율(%)

신율은 인장시험기를 사용하여 측정하였고 그 결과를 표 3에 나타냈다.

D. 경도(Hv)

비커스 경도기를 이용하여 JIS Z 2244(비커스 경도 시험방법)의 시험방법으로 측정하였고 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

상기 표 3에 의하면, 본 발명(실시예)의 페라이트계 스테인레스 합금강이 항복강도, 인장강도, 연신율 및 경도가 비교예 보다 우수함을 알 수 있다.

(2) 내열성 실험

본 발명의 페라이트계 스테인레스 합금강을 내열성이 반드시 요구되는, 고온의 배기가스를 배출하는 장치인 자동차 배기계의 머플러에 적용하기 위하여 내열성을 측정하였다.

상기 실시예 및 비교예의 재료를 시편으로 제조한 다음, 내열성을 평가하기 위해 온도를 600℃로 유지하면서 각 시간대의 무게변화 및 변색정도를 측정하였으며, 이러한 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

상기 표 4에 따르면, SUS409는 360시간 경과 후 16.17 g/m2로 무게 증가를 나타났으며, 이는 산화 정도가 크게 나타남을 의미하고, 본 발명의 페라이트계 스테인레스 합금강의 경우 0.22 g/m²으로 낮은 값을 보여주어 산화가 그만큼 적음을 확인할 수 있었다.

(3) 염수분무 실험

본 발명의 페라이트계 스테인레스 합금강을 자동차의 머플러에 적용시 염소(Cl) 분위기에 노출되는 시간이 많으므로, 내식성이 요구되며 통상 염수분무 실험에 의하여 Cl기에 대한 내식성을 평가하였다.

본 실험에서는 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 시편을 이용하여 60일간 염수분무 실험 후 적녹발생 유무에 의해 내식성을 판단하였으며, 이러한 결과를 하기 표 5에 나타내었다.

(4) 고온산화부식 실험

본 발명의 페라이트계 스테인레스 합금강을 자동차의 머플러에 적용시, 상기 머플러의 온도는 운행중 일때는 고온이지만, 정지 시는 주변온도 부근으로 급격히 떨어진다. 이에 따라 배기계 소재도 고온과 상온 하에서 부식과정을 거치므로 이들 반복조건에 대한 내부식성이 요구된다.

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 시편을 이용하여 내부식성을 평가하기 위하여 염수분무 1일, 600 ℃ 산화 1일을 반복하여 총 30일간 실험한 후 무게 감량 및 최대부식깊이를 측정하였으며, 이러한 결과를 하기 표 5에 나타내었다.

상기 표 5에 따르면, 종래 SUS409의 경우 염수분무 10일 경과 후 적녹이 발생하였으나, 본 발명의 페라이트계 스테인레스 합금강은 60일 경과 후에도 적녹이 발견되지 않으므로 우수한 내식성을 가진 것이 확인되었다.

고온산화 부식실험 결과 SUS409의 경우, 원판의 70%이상이 부식되었으나, 본 발명의 페라이트계 스테인레스 합금강은 원판의 40%내외로 부식되어 고온산화에 우수한 성질을 가짐이 입증되었다.

(5) 내응축수 부식실험

본 발명의 페라이트계 스테인레스 합금강을 자동차의 머플러에 적용시, 자동차 배기가스가 수분에 의해 응축되어 머플러 내부에 응축되고, 상기 응축수가 스테인레스강의 부식을 촉진하는 Cl^-, NH₄ ⁺등의 성분을 포함하고 있으므로, 이들 응축수에 대한 내식성이 요구된다. 일반적으로, 자동차가 운행중일때 응축수는 100℃정도의 고온 분위기 하에서 유지되지만, 정지 시 응축수의 온도는 대기온도와 비슷하게 되기 때문에, 내응축수 부식실험을 고온 및 상온에서 수행하였다.

구체적으로, 응축수 침적 부식실험은 시편을 비이커에 집어넣은 후 응축수를 시편의 반정도 유지하여 80 ℃ 1일, 상온 1일 과정을 40일 동안 실시하였다. 실험 중 응축수는 계속 증발하므로, 시편을 상온에서 1일 유지 후 증발된 액량만큼 보충하여 80 ℃에서 침적실험을 계속하였으며, 침적실험 실시 후 무게감량을 측정하였다. 이때, 실제 조성의 응축수를 가지고 침적실험을 실시하면 시간이 오래 걸리므로 본 실험에서는 실제 응축수 조성의 10배 농도를 가지는 액으로 침적실험을 실시하였으며, 상기 응축수 조성(g/l)은 하기 표 6에 나타낸 바와 같다.

42일 경과후, 응축수에 따른 부식에 의한 무게 감소(g/m²)를 측정한 결과, 비교예(SUS409)가 0.36 및 본 발명의 페라이트계 스테인레스 합금강 0.37로 모두 큰 차이 없이 양호한 결과를 보였다.

(6) 염화제이철 부식실험

본 발명의 페라이트계 스테인레스 합금강을 자동차의 머플러에 적용시, 겨울철 도로에 눈이 내리면 결빙을 방지할 목적으로 살포하는 염화칼슘(KCl)에 있는 염소성분은 스테인레스강의 공식을 유발시키므로, 이에 대한 부식성 및 상기 표 6과 같이 자동차 배기가스 성분들이 들어있는 응축수 속에도 Cl기가 포함되어 있으므로 상기 머플러는 Cl기에 의한 내 부식성이 요구된다.

Cl기에 의한 내식성 평가방법은 일반적으로 염수분무 시험이 많이 이용되나 스테인레스강은 고내식성 강이므로 적청을 보이는데도 기간이 길뿐만 아니라, Cl기에 의한 공식현상까지 보기는 힘드므로, Cl기에 대한 스테인레스강의 내공식성은 염수분무시험보다 가혹하여 공식을 유발시키는 조건인 염화제이철 침적실험을 통하여 평가할 수 있다.

염화제이철 침적실험은 35 ℃의 10% FeCl₃·6H₂O(=약 6% FeCl₃농도)용액에 일정시간 침적부식 시킨 후 시편의 무게감량 및 표면양상을 조사하였다.

염화제2철부식 무게감소(g/m₂)를 측정한 결과, 비교예(SUS409)의 경우 24시간 경과 후 시편부식이 100% 진행되어 (무게감소 : 2278.27 g/m²) 형상을 확인할 수 없었으나, 본 발명의 페라이트계 스테인레스 합금강의 경우 무게 감소가 428.75 g/m²로 20% 내외의 부식이 진행되어 내식성이 우수한 것으로 확인되었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 페라이트계 스테인레스강의 첨가원소 중 Mn, Ti, Mo, Al의 첨가량을 최적화함으로써, 고온의 배기가스에 대한 저항성이 우수하고 염수에 강한 고온 내식성능을 갖는 페라이트계 스테인레스강판을 제공할 수 있게 된다.

Claims

Cu 0 ∼ 0.03 중량%, Mn 0 ∼ 0.50 중량%, P 0 ∼ 0.04 중량%, S 0 ∼ 0.03 중량%, Si 0 ∼ 1.00 중량%, Cr 10.50 ∼ 11.75 중량%, Ni 0 ∼ 0.25 중량%, Ti 0 ∼ 0.25 중량%, Mo 0.5 ∼ 0.8 중량%, Al 0 ∼ 0.08 중량% 및 잔부가 Fe로 포함된 것임을 특징으로 하는 자동차 머플러용 페라이트계 스테인레스 합금강.