KR20070004836A - 페라이트계 스테인리스강 - Google Patents

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KR20070004836A
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안드레아스 로스베리
케네트 괴란손
에바 비트
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산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
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Abstract

본 발명은, 균형잡힌 양의 크롬, 알루미늄 및 반응성 원소와 합금된 페라이트계 강으로서, 다음의 조성 (중량%) : Ni 1 이하, Cr 15 ∼ 25, Al 0.75 ∼ 3.7, Si 최대 0.6, Mo 및/또는 W 0 ∼ 3, Ti 및/또는 Nb 0 ∼ 1, C 0.2 이하, N 0.2 이하, 반응성 원소 Zr, Hf 및 REM 중 1 종 이상 > 0 를 함유하고, 잔부가 철 및 통상 발생하는 불순물이며, 식 Cr + 3 Al ≥26 을 만족하는 페라이트계 강을 제공한다. 상기 페라이트계 강은 600 ∼ 900 ℃ 의 온도에서 그리고 크롬과 알루미늄 함량 사이의 특정 관계에서 중차량의 디젤 엔진용 촉매 변환기의 기재 재료로서 사용되기에 적합하다.

Description

페라이트계 스테인리스강{FERRITIC STAINLESS STEEL}
본 발명은, 중차량 (heavy vehicle) 의 디젤 엔진용 촉매 변환기 (catalytic converter) 의 기재 재료로서 600 ∼ 900 ℃ 의 온도에서 그리고 크롬과 알루미늄 함량 사이의 특정 관계를 만족시키면서 사용되는 페라이트계 강 합금에 관한 것이다.
점점 많아지는 운송 요구와 관련하여, 최근 디젤로 구동되는 모터를 구비한 중차량의 수가 계속 증가하고 있고, 이로 인해 이들 모터로부터 나오는 배기 가스와 관련한 환경 문제가 커지고 있다. 건강에 해로운 영향을 미치는 것으로 생각되는 초미립자 외에도, 디젤 엔진은 바람직하지 않은 다량의 배기 가스 (무엇보다도 CO 와 NOX) 를 또한 발생시킨다. 무엇보다도 유럽과 미국에서의 새로운 규제 조건으로 인해, 디젤로 구동되는 차량, 특히 트럭, 버스, 산업용 트럭 등과 같은 중차량의 배기 배출 제어에 대한 요구가 증가함에 따라, 그러한 기술이 새로이 생산되는 디젤 차량의 주된 부분으로서 도입될 필요가 있다. 오늘날 디젤 차량에서 사용되는 기술에 기초하여 보면, 디젤 및 가솔린 엔진용 내연 기관들 사이의 현격한 차이로 인해, 특히 디젤 연소를 위한 촉매 변환기를 개발하고 개조할 필요 가 있다.
촉매 변환기용 모노리스 (monolith) 의 제조를 위해, 일반적으로 두 가지 방법이 사용된다 : 세라믹 재료의 압출 또는 Fe-Cr-Al 합금으로 이루어진 얇은 스트립 또는 포일의 코루게이션 (corrugation). 세라믹 모노리스의 장점은 일반적으로 금속 모노리스에 비해 제조 비용이 적게 든다는 것이다. 모노리스 크기가 커지면 (트럭, 버스, 산업용 트럭 등과 같은 중차량의 디젤 엔진의 경우), 세라믹 모노리스의 제조 비용은 금속 모노리스의 경우보다 더 빠르게 증가하고, 따라서 특정 크기 이상에서는 금속 변환기의 경제성이 더 양호하게 된다. 또한, 크기가 증가함에 따라 그리고 큰 디젤 차량에서 사용되는 경우, 세라믹 모노리스는 예컨대 불충분한 기계적 특성, 더 긴 가열 시간, 더 짧은 사용 수명, 큰 제조 비용과 같은 다른 단점을 갖는다. 예를 들어, 금속 모노리스는 더 얇은 벽 두께 (보통 대응하는 세라믹 모노리스에 비해 1/2 내지 1/3) 로 제조될 수 있으며, 이로 인해 압력 강하, 소위 "역압 (back pressure)"이 발생하고, 유효 면적이 커지며, 또한 촉매 용량 (catalytic capacity) 이 커진다. 이로써, 모노리스의 체적은 더 작아질 수 있으며, 설계 유연성이 더 커질 수 있다. 열전도율은 금속이 더 좋으므로, 세라믹 모노리스의 경우보다 과열 위험이 더 적다. 작동 기간이 길고 촉매 변환기의 차단 및 교체 비용이 큰 차량에서 디젤 엔진이 종종 사용된다. 그러므로, 촉매 변환기와 지지 재료 (supporting material) 의 사용 수명 및 신뢰도도 또한 높게 요구된다. 오늘날 디젤 엔진용 촉매 변환기로서 가장 일반적으로 사용되는 금속 포일은 가솔린 엔진에 사용되는 것과 동일하고, 19∼21 % 의 Cr, 5∼7 % 의 Al, 1 종 이상의 반응성 원소 (예컨대 Zr, Y, Hf, La 및 Ce) 및 통상적으로 발생하는 불순물을 포함하는 잔부 철로 이루어진 Fe-Cr-Al 로 주로 구성되어 있다. 이 재료는 디젤 엔진에서 사용되는 온도 범위에서 최적은 아니지만 수용가능한 산화 특성을 가지며, 알루미늄의 높은 함량으로 인해 불량한 기계적 특성을 가지므로, 기계가공 특성이 불량하고 제조 비용이 높다. 따라서, 600 ∼ 900 ℃ 의 범위 내 최대 온도에서의 반복 산화 (cyclic oxidation) 에 있어서의 양호한 특성 및 양호한 제조 경제성을 갖는 재료에 대한 요구가 존재한다.
오늘날의 배기 배출 제어 재료는, 900 ℃ 를 넘는 온도, 특히 1000 ∼ 1200 ℃ 에서 작동하는 가솔린 엔진으로부터 배출되는 배기 가스의 정화를 위해 최적화되어 있다. Fe-Cr-Al 합금은 900 ∼ 950 ℃ 를 넘는 온도에서 α-알루미늄 산화물을 형성하여, γ-알루미늄 산화물보다 산화물 성장이 더 작고 산화 특성이 더 양호하다는 것이 일반적으로 알려져 있다. 촉매 변환기에 적용되는 단상 (single-phase) α-알루미늄 산화물을 형성하기 위해서, Fe-Cr-Al 합금에 4.5 % 이상의 알루미늄 함량이 필요하다는 것이 실험을 통해 밝혀졌다. 디젤 엔진용 촉매 변환기는 600 ℃ 미만의 작동 온도 (최대 900 ℃ 까지 이르는 간헐적인 또는 규칙적인 피크가 존재함) 를 갖는 것으로 생각되며, 따라서 산화 특성에서 가장 임계적인 온도 범위는 600 ∼ 900 ℃이며, 이러한 조건으로 인해 상기 재료에 내산화성이 새로이 요구된다. 이러한 온도에서, Fe-Cr-Al 합금은 실질적으로 크롬 산화물과 γ-알루미늄 산화물로 이루어진 혼합된 산화물을 형성하며, 여기서 크롬 산화물은 덜 안정적이어서 표면으로부터 증발되거나 또는 필링 (peeling) 될 위험이 있 는 반면, 알루미늄 산화물은 더욱 더 안정적이다. 대부분 알루미늄 산화물로 이루어진 산화물은, 경험상, 피복부 (coating), 즉 완성된 모노리스의 금속 표면에 가해지는 이른바 와시코트 (wash-coat) 의 흡착에 유리하다. 그러나, 이 혼합된 산화물이 900 ℃ 미만의 온도에서 어떻게 거동하는지 그리고 강의 조성이 산화물의 성장 및 조성에 어떻게 영향을 미치는지는 비교적 알려지지 않았다. 일본특허출원 제 2000-297355 호에는 800 ℃ 이상의 온도에서 배기 시스템에 사용되기 위한 강이 개시되어 있으며, 이는 원리적으로 첨가제를 포함하는 (예컨대, 성형성 (workability) 향상을 위해 구리가 첨가된) Fe-Cr 합금이다. 그러나, 최대 0.15 % 의 낮은 알루미늄 함량으로 인해, 800 ℃ 이상의 온도에서 비교적 높은 산화 속도를 나타내고, 따라서 상기 재료는 산화 속도에 대한 요구가 큰 얇은 포일의 제조에 적합하지 않다. 일본특허출원 제 2002-004011 호는 650 ∼ 800 ℃ 의 온도에서 배기 시스템에서의 사용을 목적으로 하지만, 이전의 예에서처럼, 재료는 알루미늄과 합금되지 않았기 때문에, 유사한 내산화성을 가지며, 따라서 디젤 차량에서의 촉매 변환기의 포일 재료로 사용하기에는 적합하지 않다.
Fe-Cr-Al 합금의 제조 비용은, 열간 가공에서의 낮은 고온 연성 (hot ductility) 및 균열 민감도, 그리고 실온에서의 작은 충격 강도 및 성형성으로 인해, 일반적으로 높다. 그러므로, 제조 비용을 낮추기 위해 이들 기계적 특성의 향상이 바람직하고, 무엇보다도 중 (heavy) 디젤 엔진용 촉매 변환기에 있어서 바람직한데, 이는 이 촉매 변환기가 많은 양의 재료를 필요로 하고 그에 따라 상기한 것처럼 오늘날 사용되는 재료보다 더 가격에 민감하기 때문이다.
그러므로, 본 발명의 목적은, 중차량의 디젤 엔진용 촉매 변환기의 기재 재료로서 600 ∼ 900 ℃ 의 온도에서 그리고 크롬과 알루미늄 함량 사이의 특정 관계를 만족시키면서 사용되는 페라이트계 스테인리스강을 제공하는 것이다. 또한, 상기 강은 비용이 저렴해야 한다.
이러한 목적은, 균형잡힌 양의 크롬, 알루미늄 및 반응성 원소와 합금된 페라이트계 강으로서, 다음의 조성 (중량%) 을 갖는 페라이트계 강에 의해 달성된다:
Ni 1 이하,
Cr 15 ∼ 25,
Al 0.75 ∼ 3.7,
Si 최대 0.6,
Mo 및/또는 W 0 ∼ 3,
Ti 및/또는 Nb 0 ∼ 1,
C 0.2 이하,
N 0.2 이하,
반응성 원소 Zr, Hf 및 REM 중 1 종 이상 > 0 를 함유하고,
잔부가 철 및 통상 발생하는 불순물이며,
또한, 식 Cr + 3 Al ≥26 을 만족함.
반응성 원소가 Zr 및/또는 Hf 인 경우, Zr 및/또는 Hf 의 함량은 0 초과 0.5 중량% 이하이며, 바람직하게는 0 초과 0.2 중량% 이하이다. 반응성 원소가 Ce, Sc, La 및 Y 와 같은 REM 인 경우에는, 함량은 최대 0.2 중량% 이다. 어떠한 반응성 원소가 선택되었는지와 상관없이, 반응성 원소의 총 함량은 최대 0.5 중량%인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 합금의 표면에는, 900 ℃ 까지의 온도에서 하는 작업 동안 산화크롬이 형성되며, 이는 상기한 조성을 갖는 기재 (substrate) 에서 높은 크롬 함량과 알루미늄 함량 사이의 관계를 관찰할 수 있는 순수한 산화알루미늄의 형성을 촉진시킨다.
상기 합금의 크롬 함량은 15.0 ∼ 25.0 중량%, 바람직하게는 17.0 ∼ 23.0 중량%, 가장 바람직하게는 20 ∼ 23 중량% 이어야 한다.
중차량용 디젤 엔진의 촉매 변환기에서의 기재 재료용으로서 상기 합금의 특성을 최적화하기 위해서, 식 Cr + 3 Al ≥ 26, 바람직하게는 Cr + 3 Al ≥ 29 를 만족할 때, 강도 및 내산화성과 같은 사용 수명에 결정적인 특성에서 가장 양호한 결과가 얻어짐이 밝혀졌다.
Zr, Hf 및/또는 희토류 금속 (REM) (예컨대, Sc, Y, La 및 Ce) 과 같은 반응성 원소를 첨가하면, 필링 및 플레이킹 (flaking) 되는 경향, 즉 냉각시 또는 기계 변형시 금속으로부터 산화물 (산화알루미늄 및 산화크롬 모두) 이 점차 감소하는 경향이 감소함과 동시에, 내산화성이 향상된다.
희토류 금속 (REM) 의 총 함량은 최대 0.2 중량% 로 제한되어야 하며, 원소 Ce, La, Sc 및/또는 Y 중 1 종 이상이 첨가될 수 있다. REM 의 바람직한 함량은 0.01 ∼ 0.2 중량% 이어야 한다.
탄소 및 질소와 함께, 원소 Ti, Nb, Zr 및 Hf 중 1 종 이상을 첨가하면, 탄화물 및/또는 질화물이 석출되며, 이로써 상기 재료는 기계적 안정성 및 입자 성장에 대한 저항이 커지고, 재료의 기계적 특성이 향상된다.
하프늄은 상기 합금의 특성에 유사한 영향을 미치는 것으로 간주되기 때문에, 이 원소는 지르코늄을 완전히 또는 부분적으로 대체할 수 있다. Zr 및/또는 Hf 는 총 0.5 중량%의 함량까지 존재할 수 있다. 그러나, 지르코늄 및/또는 하프늄의 바람직한 함량은 최대 0.2 중량%이고, 이는 주로 경제적인 이유 때문이다. 이 함량은 0 초과 0.2 중량% 이하인 것이 바람직하다.
알루미늄과 합금된 페라이트계강에 있어서, 니켈은 취화 효과를 가지며, 따라서, Ni 함량은 최대 1.0 중량%, 바람직하게는 최대 0.7 중량%로 제한되어야 한다.
600 ℃ 를 넘는 온도에서 강도를 향상시키기 위해, 상기 합금에 몰리브덴이 첨가될 수 있다. 본 발명에 따른 합금에 있어서, 몰리브덴은 유사한 효과를 얻도록 텅스텐에 의해 완전히 또는 부분적으로 대체될 수 있다. Mo 및/또는 W 의 함량은 0 내지 3 중량%, 바람직하게는 0 초과 2.5 중량% 이하, 그리고 가장 바람직하게는 0 초과 1.0 중량% 이하이어야 한다.
이상 설명한 것 외에도, 상기 합금은 원재료와 제조 공정에 따라 불순물을 또한 포함할 수 있다. 그러한 일 예로 Mg 가 있으며, 이는 이러한 유형의 합금에서 주조시 공극 (pore) 을 발생시킬 수 있으므로, 0.05 중량% 초과의 함량으로 존재해서는 안 된다. 두 번째 예로는 V 가 있으며, 이는 강 중의 입자 크기에 긍정적인 효과를 미칠 수 있지만 비용이 커지므로, 0.1 중량% 초과의 함량으로 존재해서는 안 된다. 그러한 불순물의 세 번째 예로는 Co 가 있으며, 이는 재료의 비용을 증가시키므로, Co 함량은 최대 0.05 중량% 로 제한되어야 한다. 또한, Co 는 다른 강 그레이드를 오염 (contamination) 시킨다. 불순물의 다른 예로는 Cu 가 있다. Cu 는 이러한 유형의 합금에서 무엇보다도 고온 연성을 열하시키므로, 재료의 열간 가공이 어려워지고, 따라서 Cu 함량은 최대 0.5 중량%로 제한되어야 한다.
크롬과 알루미늄의 균형을 조절함으로써, 본 발명에 따른 재료는 디젤 엔진용 촉매 변환기의 지지 재료로서 사용함에 있어서의 임계 온도 범위인 600 ∼ 900 ℃ 의 온도 범위에서 매우 많이 감소한 산화 속도를 갖는다. 이러한 특성은 합금이 크롬과 알루미늄의 상기 제한 내에서 식 Cr + 3 Al ≥ 26, 바람직하게는 Cr + 3 Al ≥ 29 를 만족할 때 얻어지며, 이로써 바람직한 산화물 형성 및 산화물 조성이 얻어진다. 더욱이, 희토류 금속 (예컨대 Sc, Y, La 및/또는 Ce) 과 같은 반응성 원소의 첨가는 산화물의 양호한 흡착에 기여하므로, 이 온도에서의 필링과 플레이킹의 위험을 감소시킨다. 상기 합금은 또한 따듯한 상태와 차가운 상태 모두에서 양호한 기계적 특성을 가지므로, 제조 비용이 적게 들고 완성품의 경제성이 양호하다.
상기 재료로 이루어진 최종 제품은 두께가 200 ㎛ 미만인 스트립 또는 포일 형태 또는 직경이 200 ㎛ 미만인 와이어 형태로 제조되며, 최대 600 ∼ 900 ℃ 에 달하는 온도에서 디젤 엔진용 촉매 변환기의 지지 재료로서 사용하기 위한 것이다.
표 1 은 본 발명에 따른 합금의 조성의 몇몇 실시예 및 비교예를 보여준다.
Figure 112006073996802-PCT00001
본 발명에 따른 합금은, 잉곳 주조 또는 연속 주조를 사용하는 종래의 건식야금 및 주조, 그 다음에 이루어지는 최종 치수로의 열간 가공 및 냉간 가공에 의해 제조될 수 있다. 그 제품은 포일, 얇은 스트립 또는 와이어로 더 기계가공될 수 있다. 또한, 상기 합금은, 폭/두께 관계가 50 보다 크며 주조 후 두께가 5 ㎜ 미만인 스트립, 판금 플레이트 또는 포일로 직접 주조된 후, 냉간 가공, 또는 열간 및 냉간 가공 처리될 수 있다. 가능한 또다른 제조 방법은, 알루미늄 함량이 더 낮은 기재 재료를 순수한 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 도금하여 적절한 조성을 얻는 것이다. 기재 합금을 알루미늄 합금으로 도금하는 것은 종래 공지된 방법, 예컨대 용융물 내 침지, 전해 도금, 기재 합금과 알루미늄 합금의 스트립의 압연 접합, CVD 법 또는 PVD 법에 의한 가스 상으로부터 Al 고상 합금의 증착에 의해 이루어질 수 있다. Al 합금으로 도금하는 것은, 기재 합금이 제품의 원하는 최종 두께로 또는 더 큰 두께로 압연된 후에 행해질 수 있다. 후자의 경우, 재료의 균질화를 위해 확산 풀림이 행해질 수 있고, 그 후에 완성품을 얻기 위해 1 이상의 단계의 압연이 행해진다. 또한, 원하는 완성된 두께보다 더 큰 두께를 갖는 도금된 제품상에서 압연이 직접 행해질 수 있다. 이 경우, 압연 후에 풀림이 실시될 수 있다. PVD 증착에 의한 Fe-Cr-Al 합금으로 이루어진 포일의 제조 예가 미국특허 제 6 197 132 B1 호에 개시되어 있다.

Claims (8)

  1. 중량% 로,
    Ni 1 이하,
    Cr 15 ∼ 25,
    Al 0.75 ∼ 3.7,
    Si 최대 0.6,
    Mo 및/또는 W 0 ∼ 3,
    Ti 및/또는 Nb 0 ∼ 1,
    C 0.2 이하,
    N 0.2 이하,
    반응성 원소 Zr, Hf 및 REM 중 1 종 이상 > 0 를 함유하고,
    잔부가 철 및 통상적으로 발생하는 불순물이며,
    식 Cr + 3 Al ≥26 을 만족하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강 합금.
  2. 제 1 항에 있어서, Cr 함량은 17.0 ∼ 23.0 중량%, 바람직하게는 20.0 ∼ 23.0 중량% 인 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강 합금.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, Al 함량은 1.5 ∼ 3.5 중량%, 바람직하게는 2.5 ∼ 3.5 중량% 인 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강 합금.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, Zr 및/또는 Hf 함량은 0 초과 0.5 중량% 이하, 바람직하게는 0 초과 0.2 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강 합금.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, REM 함량은 최대 0.2 중량%, 바람직하게는 0.01 ∼ 0.2 중량% 인 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강 합금.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 촉매 변환기의 기재 재료.
  7. 중차량의 디젤 엔진용 촉매 변환기의 기재 재료로서의 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 페라이트계 스테인리스강 합금의 용도.
  8. 600 ∼ 900 ℃ 의 온도에서의 제 7 항에 따른 페라이트계 스테인리스강 합금의 용도.
KR1020067021290A 2004-04-16 2005-04-13 페라이트계 스테인리스강 KR20070004836A (ko)

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