KR20080038218A

KR20080038218A - 열피로 특성이 우수한 Ｃｒ 함유 강

Info

Publication number: KR20080038218A
Application number: KR1020087006108A
Authority: KR
Inventors: 준이찌 하마다; 하루히꼬 가지무라; 노부히꼬 히라이데; 도시오 고지마; 다이하루 도이
Original assignee: 닛폰 스틸 앤드 스미킨 스테인레스 스틸 코포레이션
Priority date: 2006-07-04
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2008-05-02
Also published as: EP2036994A1; CN101346487B; CN101346487A; US20100218856A1; JP2008144263A; EP2036994A4; WO2008004506A1; JP5208450B2; EP2036994B1

Abstract

본 발명은 열피로 특성이 우수한 Cr 함유 강을 제공하는 것으로, 질량％로, C : 0.01 ％ 이하, N : 0.015 ％ 이하, Si : 0.8 내지 1.0 ％, Mn : 0.2 내지 1.5 ％, P : 0.03 ％ 이하, S : 0.01 ％ 이하, Ni : 0.2 ％ 이하, Cu : 0.2 ％ 이하, Cr : 13 내지 15 ％, Mo : 0.1 ％ 이하, Nb : 0.3 내지 0.5 ％, Ti : 0.05 내지 0.2 ％, V : 0.01 내지 0.2 ％, Al : 0.015 내지 1.0 ％, B : 0.0002 내지 0.0010 ％를 함유하고, 또한 (Nb ＋ 1.9 × Ti)/(C ＋ N) ≤ 50을 만족시키고, 잔여부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강에 있어서, 800 ℃에서 10 시간 이상 시효 처리한 후의 800 ℃에 있어서의 0.2 ％ 내력이 20 ㎫ 이상, 또한 200 ℃에 있어서의 단면 수축값이 35 ％ 이상이고, 800 ℃에서 100 시간 이상의 시효 처리를 실시한 후의 고용 Nb량 ＋ 고용 Ti량이 0.08 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 열피로 특성이 우수한 Cr 함유 강이다.

Cr 함유 강, 스테인리스 강, Laves상, 열치로 시험, 고주파 유도 가열 코일

Description

열피로 특성이 우수한 Ｃｒ 함유 강 {Cr-CONTAINING STEEL EXCELLENT IN THERMAL FATIGUE CHARACTERISTICS}

본 발명은, 특히 고온 강도나 내산화성이 필요한 배기계 부재 등의 사용에 가장 적합한 열피로 특성이 우수한 Cr 함유 강에 관한 것이다.

자동차의 배기 매니폴드, 프론트 파이프 및 센터 파이프 등의 배기계 부재는 엔진으로부터 배출되는 고온의 배기 가스를 통과시키기 위해, 배기 부재를 구성하는 재료에는 내산화성, 고온 강도, 열피로 특성 등 다양한 특성이 요구된다.

종래, 자동차 배기 부재에는 주철이 사용되는 것이 일반적이었지만, 배기 가스 규제의 강화, 엔진 성능의 향상, 차체 경량화 등의 관점에서, 스테인리스 강제의 배기 매니폴드가 사용되게 되었다. 또한, 최근에는 배기 가스 온도가 800 내지 900 ℃ 정도로 고온화되어 있어, 고온이고, 또한 장시간 사용된 환경에 있어서의 내산화성, 고온 강도 및 열피로 특성을 갖는 재료가 요구되고 있다.

스테인리스 강 중에서 오스테나이트계 스테인리스 강은 내열성이나 가공성이 우수하지만 열팽창 계수가 크기 때문에, 배기 매니폴드와 같이 가열ㆍ냉각을 반복해서 받는 부재에 적용한 경우, 열피로 파괴가 생기기 쉽다.

한편, 페라이트계 스테인리스 강은 오스테나이트계 스테인리스 강에 비해 열 팽창 계수가 작기 때문에 열피로 특성이 우수하다. 또한, 배기 가스 온도에 따라서, 고온 강도를 높이기 위해, Cr, Mo, Nb 등의 합금 첨가량을 조정한 강이 사용되고 있다. 배기 가스 고온화에 수반하여 이들 합금 첨가량은 증가하고 있지만, 가장 중요한 특성인 열피로 수명이 반드시 길어진 것은 아니었다. 또한, 합금 첨가량의 과도한 증가는 비용 증가로 연결되므로, 경제적이지 못한 결점도 갖는 경우가 있었다.

일본 특허 출원 공개 평7-145453호 공보에는 자동차 배기 매니폴드용으로, 내산화성, 고온 강도, 열피로 특성이 우수한 페라이트계 스테인리스 강이 개시되어 있다. Cr량이 11 내지 14 ％로 비교적 저Cr 함유량이고, Si 첨가에 의해 900 ℃ 이상에 있어서의 내산화성, 고온 강도, 열피로 특성을 향상시키는 기술이다. 이 중에서 열피로 특성은 200 내지 900 ℃에 있어서 50 ％ 구속한 조건으로 행해져, 발명 강은 열피로 수명이 길어졌지만, 구속률이 낮거나, 800 ℃ 정도의 온도가 되어, 부여되는 사이클이 길어지는 조건에서는 충분한 특성을 얻을 수 없었다. 이 요인으로서는, 장시간 사용 환경에 노출된 조건, 즉 재료를 시효 처리했을 때의 고온 강도 및 고온 연성이 부족했기 때문이라고 판단된다. 또한, 상기 일본 특허 출원 공개 평7-145453호 공보에서는 Ti와 Nb의 복합 첨가의 실시예가 있지만, 이 경우 실제의 성형 부품에 가공하는 도중에 균열이 생기는 현상(2차 가공 균열)이 발생하여 부재 성형을 할 수 없거나, 미소 균열때문에 열피로 특성이 현저하게 열화되는 경우가 있었다.

일본 특허 출원 공개 평9-279316호 공보에는 Si/Mn을 제어하여 900 ℃에서의 내력을 15 ㎫ 이상으로 하여 고온 특성을 향상시키는 발명이 개시되어 있다. 이 경우에도 제품판의 900 ℃에 있어서의 인장 내력을 규정한 것만으로는 장시간 사용 환경에 있어서는 불충분했다. 또한, Mn이 0.7 내지 1.3 ％ 첨가되어 있으므로 연성이 낮아, 부재에 가공할 때의 성형성이나, 고온 연성의 저하에 의한 열피로 수명의 저하가 생기는 문제가 있었다.

일본 특허 출원 공개 제2002-105605호 공보에는 성분 조정에 의해 900 ℃에서 1시간 유지한 후의 0.2 ％ 내력을 18 ㎫ 이상으로 하는 것이 개시되어 있다. 여기서는, 고온에서 1시간 이상의 유지를 행함으로써, 사용 환경 하에서의 강도를 향상시키는 것이 기술 사상으로 되어 있지만, 열사이클을 받는 경우, 고온 강도를 향상시키는 것만으로는 열피로 수명이 향상되지 않는 경우가 있었다.

일본 특허 출원 공개 평9-279312호 공보, 일본 특허 출원 공개 제2000-169943호 공보 및 일본 특허 출원 공개 평10-204590호 공보에는 고온 특성이 우수한 페라이트계 스테인리스 강으로서, B를 함유한 강이 개시되어 있지만, 가공성 개선의 관점에서 첨가되어 있고, 종래 지견에 있어서 고온 특성으로의 영향은 명확하지 않았다. 가공성 개선에 있어서의 B의 역할은 입계 편석에 의한 입계 강도를 향상시켜 2차 가공성을 향상시키는 것이지만, 본 발명에 있어서는 B 첨가에 의해 석출물을 미세화시켜 고온 강도 향상을 도모한 것이다. 또한, 상기 3건의 특허에는 V가 첨가되어 있지만, 용접부의 내식성 향상, C나 N의 고정에 의한 가공성의 향상의 관점에서 첨가되어 있는 경우가 있었다.

본 발명은, 특히 배기 온도를 800 ℃ 근방에 대응시킬 수 있는 재료로서, 고온에서 장시간 사용되거나, 가열ㆍ냉각을 반복해서 받는 환경에 있어서, 우수한 내산화성, 고온 강도, 열피로 특성을 갖고, 비교적 저렴한 Cr 함유 강을 제공한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명자들은 Cr 함유 강의 내산화성, 고온 강도, 열피로 특성에 관하여, 성분 및 고온 변형 특성과의 관련을 조사하였다. 이 중에서, 특히 열사이클을 받는 환경을 고려하여 고온 영역에서의 변형 특성에 부가하여 저온 영역에서의 변형 특성이 열피로 수명에 어떻게 작용하는지를 상세하게 조사하였다. 그리고, 이러한 목적을 달성하기 위해 다양한 검토를 거듭한 결과, 이하의 지견을 얻었다. 이 특징으로서는, 주로 내산화성의 관점에서 Cr과 Si를 첨가하고, 고온 특성 향상의 관점에서 Nb-Ti 복합 첨가, 또한 V, B 첨가한 신규 성분에 있어서의 각 성분 조정에 의해, 장시간 사용 시에 있어서의 강도 및 연성을 확보하여 열피로 특성을 대폭으로 향상시키는 것이다. 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 질량％에서, C : 0.01 ％ 이하, N : 0.015 ％ 이하, Si : 0.8 내지 1.0 ％, Mn : 0.2 내지 1.5 ％, P : 0.03 ％ 이하, S : 0.01 ％ 이하, Ni : 0.2 ％ 이하, Cu : 0.2 ％ 이하, Cr : 13 내지 15 ％, Mo : 0.1 ％ 이하, Nb : 0.3 내지 0.55 ％, Ti : 0.05 내지 0.2 ％, V : 0.01 내지 0.2 ％, Al : 0.015 내지 1.0 ％, B : 0.0002 내지 0.0010 ％를 함유하고, 또한 (Nb ＋ 1.9 × Ti)/(C ＋ N) ≤ 40을 만족시키고, 잔여부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열피로 특성이 우수한 Cr 함유 강.

(2) 800 ℃에서 100 시간 이상 시효 처리한 후의 800 ℃에 있어서의 0.2 ％ 내력이 20 ㎫ 이상, 또한 200 ℃에 있어서의 단면 수축값(reduction of area)이 35 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 열피로 특성이 우수한 Cr 함유 강.

(3) 800 ℃에서 100 시간 이상의 시효 처리를 실시한 후의 고용 Nb량 ＋ 고용 Ti량이 0.08 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 열피로 특성이 우수한 Cr 함유 강.

(4) Mn/Ti ≥ 3을 만족시키는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 열피로 특성이 우수한 Cr 함유 강.

도1은 (Nb ＋ 1.9 Ti)/(C ＋ N)과 상온에서의 파단 연신률의 관계를 나타내는 도면이다.

도2는 열피로 수명에 미치는 Ti 첨가의 영향을 나타내는 도면이다.

도3은 800 ℃에서 시효한 후의 800 ℃에 있어서의 내력을 나타내는 도면이다.

도4는 800 ℃에서 시효한 후의 200 ℃에 있어서의 단면 수축값을 나타내는 도면이다.

도5는 800 ℃에서 시효한 후의 200 ℃에 있어서의 단면 수축을 도시하는 도면이다.

도6은 Mn/Ti와 900 ℃에서 200 h 연속 산화 시험했을 때의 Cr₂O₃ 두께의 관 계를 나타내는 도면이다.

이하에 본 발명의 한정 이유에 대해 설명한다.

C는 성형성과 내식성을 열화시켜, 고온 강도의 저하를 초래하므로, 그 함유량은 적을수록 좋기 때문에 0.015 ％ 이하로 하였다. 단, 과도한 저감은 정련 비용의 증가로 연결되므로, 또한 0.001 내지 0.005 ％가 바람직하다.

N은 C와 마찬가지로, 성형성과 내식성을 열화시켜, 고온 강도의 저하를 초래하므로, 그 함유량은 적을수록 좋기 때문에 0.015 ％ 이하로 하였다. 단, 과도한 저감은 정련 비용의 증가로 연결되므로, 또한 0.001 내지 0.010 ％가 바람직하다.

Si는 본 발명에 있어서 내산화성과 고온 특성을 개선하기 위해 중요한 원소이다. 내산화성이나 고온 강도는 Si량의 증가와 함께 향상되어, 그 효과는 0.8 ％ 이상에서 발현된다. 또한, Si는 고온에서 Laves상이라 불리는 Fe와 Nb를 주체로 하는 금속간 화합물의 석출을 촉진한다. Laves상이 과도하게 석출되면 고온 강도를 확보하기 위해 필요한 고용 Nb량이 저감된다. 또한, 과도하게 Si를 첨가하면, 상온 가공성이 열화되는 것 외에, 장시간 사용 중에 있어서의 연성을 저하시켜 열피로 수명의 저하를 초래한다. 이들 관점에서, 상한을 1.0 ％로 하였다. 또한, 바람직하게는 0.8 내지 0.9 ％이다.

Mn은 탈산제로서 첨가되어 고온 강도를 향상시키는 원소이고, 0.2 ％ 이상으로부터 효과가 발현된다. 또한, Ti와의 복합 첨가 강에 있어서는, Mn 첨가에 의해 연속 산화 시에 Ti의 산화를 억제하여 내산화성이 향상되는 것이 판명되었다. 한 편, 1.5 ％ 초과의 첨가는 연성을 저하시키는 것 외에, MnS를 형성하여 내식성을 저하시킨다. 또한, 과도한 첨가는 내산화성의 열화를 초래한다. 따라서, 0.2 내지 1.5 ％로 하였다. 또한, 고온 연성이나 스케일 밀착성을 고려하면, 0.3 내지 1.0 ％가 바람직하다.

P는 Mn이나 Si와 마찬가지로 고용 강화 원소이고, 재질상 그 함유량은 적을수록 좋기 때문에 상한은 0.03 ％가 바람직하다. 단, 과도한 저감은 정련 비용의 증가로 연결되므로, 하한은 0.01 ％가 바람직하다. 또한, 정련 비용과 내식성을 고려하면 0.012 내지 0.025 ％가 바람직하다.

S는 내식성이나 내산화성을 열화시키는 원소이지만, Ti나 C와 결합하여 가공성을 향상시키는 효과가 0.0001 ％로부터 발현되므로, 하한을 0.0001 ％로 하였다. 한편, 적절한 첨가에 의해 Ti나 C와 결합하여 고용 Ti량을 저감시키는 동시에, 석출물의 조대화를 초래하고, 고온 강도를 저하시키기 때문에 상한을 0.01 ％로 하였다. 또한, 정련 비용이나 고온 산화 특성을 고려하면 0.0010 내지 0.0090 ％가 바람직하다.

Cr은 본 발명에 있어서 내산화성 확보를 위해 필수적인 원소이다. 13 ％ 미만에서는, 그 효과는 발현되지 않고, 15 ％ 초과에서는 가공성을 저하시키거나, 인성의 열화를 초래하기 때문에 13 내지 15 ％로 하였다. 또한, 고온 연성, 제조 비용을 고려하면 13.2 내지 14.5 ％가 바람직하다.

Ni는 인성 향상, 내고온 염해 부식성 향상에 유효하다. 그러나, 오스테나이트 형성 원소라서, 내산화성에 악영향을 미치거나, 고가이기 때문에, 0.2 ％ 이하 로 하였다.

Cu는 고온 강도 향상에 유효하지만, 연성을 저하시키거나, 내산화성에 악영향을 미치기 때문에, 0.2 ％ 이하로 하였다.

Mo는 내식성을 향상시키는 동시에, 고온 산화를 억제하거나, 고용 강화에 의한 고온 강도 향상에 대해 유효하다. 그러나, 고온 연성의 저하를 초래하는 것 외에, 고가이기 때문에 0.2 ％ 이하로 하였다. 더 바람직하게는, 0.1 ％ 이하이다.

Nb는 고용 강화 및 석출물 미세화 강화에 의한 고온 강도 향상을 위해 필요한 원소이다. 또한, C나 N을 탄질화물로서 고정하여, 제품판의 내식성이나 r값에 영향을 미치는 재결정 집합 조직의 발달에 기여하는 역할도 있다. 이들의 효과는 0.3 ％ 이상으로부터 발현된다. 한편, 사용 환경 중에서는 온도에 의해 라페스상으로서 석출한 경우, 고용 강화 능력을 잃기 때문에 과도하게 첨가해도 효과는 포화된다. 또한, 과도한 첨가는 저온 영역에서의 연성이 저하되어 열피로 수명이 짧아진다. 본 발명에서는 Ti와의 복합 첨가에 의해 고용 Nb량을 확보하고 있고, 이 경우에 그 작용은 0.55 ％에서 포화되므로, 0.3 내지 0.55 ％로 하였다. 또한, 성형성, 입계 부식성 및 제조 비용을 고려하면, 0.32 내지 0.45 ％가 바람직하다.

Ti는 C, N, S와 결합하여 내식성, 내입계 부식성, 딥드로잉을 향상시키는 원소이다. 또한, Nb와의 복합 첨가에 있어서, 적량 첨가함으로써 장시간 고온에서 노출된 후의 고온 강도의 향상, 고온 연성의 향상을 초래하여 열피로 특성을 향상시킨다. 이들의 효과는 0.05 ％ 이상으로부터 발현되지만, 0.2 ％ 초과의 첨가에 의해, 고용 Ti량이 증가하여 성형성을 열화시키는 것 외에, 표면 손상의 발생이나 인성의 저하, 내산화성의 열화를 초래하므로, 0.05 내지 0.2 ％로 하였다. 또한, 제조성을 고려하면, 0.05 내지 0.15 ％가 바람직하다.

V는 0.01 ％ 이상의 첨가에 의해 미세한 탄질화물을 형성하여, 석출 강화 작용이 생겨 고온 강도 향상에 기여한다. 한편, 0.2 ％ 초과의 첨가에서 저온 연성이 저하되고, 반대로 열피로 수명은 저하되므로, 상한을 0.2 ％로 하였다. 또한, 제조 비용이나 제조성을 고려하면, 0.08 내지 0.15 ％가 바람직하다.

Al은 탈산 원소로서 첨가되는 것 외에, 내산화성, 고용 강화에 의해 고온 강도를 향상시키는 원소이고, 본 발명에 있어서 필수 원소이다. 그 작용은 0.015 ％로부터 발현되지만, 1.0 ％ 초과의 첨가는 경질화되거나, 표면 손상의 발생이나 용접성을 열화시키므로, 0.015 내지 1.0 ％로 하였다. 또한, 정련 비용을 고려하면 0.3 내지 0.7 ％가 바람직하다.

B는 제품의 프레스 가공 시의 2차 가공성을 향상시키는 원소이다. 특히, Ti 첨가 강은 2차 가공 균열이 발생하기 쉽기 때문에, 본 발명에 있어서는 필수 원소이다. 이것 외에, 본 발명과 같은 Nb, Ti가 첨가되고, 또한 Si가 첨가된 성분계에 있어서는, 고온 강도의 향상에 기여하는 것을 발견하였다. 일반적으로 B는 고온 영역에서 (Fe, Cr)23 (C, B)6이나 Cr2B를 형성하거나, 입계 편석한다고 되어 있지만, Si가 첨가된 성분계에 있어서는, 이들 석출물은 석출되지 않고, 전술한 Laves를 미세 석출시키는 효과가 있는 것이 판명되었다. Laves상은 고용 Nb량의 저감을 초래하여, 통상 조대화되기 때문에, 특히 장시간 시효 후의 고온 강화 능력은 거의 없지만, B 첨가에 의해 미세 석출되므로, 석출 강화 능력을 갖고, 고온 강도의 향 상에 기여하게 된다. B가 Laves상을 미세 석출시키는 요인으로서는, 입계 편석에 의해 계면 에너지가 저하되어, 입계 석출되기 어려워진다고 추정된다.

이들의 효과는 0.0002 ％ 이상에서 발현되지만, 과도한 첨가는 경질화나 입계 부식성을 열화시키는 것 외에, 용접 균열이 생기기 때문에, 0.0002 내지 0.0010 ％로 하였다. 또한, 성형성이나 제조 비용을 고려하면, 0.0003 내지 0.0007 ％가 바람직하다. Ti와 Nb의 복합 첨가인 경우, 양자가 과도하게 첨가되면 고용 Ti, 고용 Nb가 증가하여 상온 연성을 현저하게 저하시키는 것이 판명되었다.

본 발명에서는, 도1에 도시한 바와 같이, (Nb ＋ 1.9 × Ti)/(C ＋ N) ≤ 50으로 함으로써, 상온에서의 파단 연신률을 32 ％ 이상 확보할 수 있다. 여기서, Ti, Nb, C, N량이 다른 14 ％ Cr 강, 판 두께 2 ㎜에 대해, 압연 방향으로 JIS13호 B 시험편을 채취하여 인장 시험을 행하여, 파단 연신률을 측정하였다. 파단 연신률이 32 ％ 이상이면, 판재로부터 배기 부재로의 프레스 가공이나 파이프 형상으로 가공 후 구부림이나 확관 가공을 실시해도 균열이나 잘록함이 발생하지 않는 레벨이다.

또한, 열피로 수명 향상에 대해서는, 시효 후의 고온 강도 외에, 연성이 중요하다는 것을 발견하였다. 여기서, 열피로 시험에 대해 설명한다. 제품판을 전봉(電縫) 용접에 의해 제관(외경 38.1 ㎜)하여 열피로 시험에 제공하였다.

열피로 시험은 컴퓨터 제어식 전기적 유압 제어 피로 시험기에 의해 행하였다. 부여하는 온도 사이클은 200℃로부터 800 ℃까지 120 sec로 승온하고, 800 ℃에서 30 sec 유지한 후에 300 ℃까지 120 sec로 냉각하고, 또한 200 ℃까지 90 sec 로 냉각하는 패턴으로 하였다. 가열은 고주파 유도 가열 코일로 행하고, 냉각은 시험관 내부에 공기를 공급하여 행하였다. 구속률은 자유 팽창량에 대해 일정 비율이 되도록 압축 왜곡을 부여하도록 하였다. 즉, 예를 들어 50 ％ 구속인 경우, 자유 팽창의 절반의 팽창량이 되도록 압축 왜곡을 기계적으로 부여하였다.

제공 시험 재료의 화학 성분은 표1에 나타내고 있고, 강 A는 본원 발명의 적합 강이고 강 B는 비교 강이다. 여기서, 강 B는 범용적으로 사용되고 있는 내열 스테인리스 강판이다.

[표1]

도2로부터, 본원 발명의 강은 어떠한 구속률에 있어서도, 비교예보다도 높은 수명을 얻고 있다. 이는, 고온 강도의 시효 열화, 즉 장시간 열사이클을 부여해도 강도 저하가 거의 없는 것 외에, 열사이클의 저온 영역에 있어서 고연성을 유지하고 있기 때문이다. 열사이클을 받고 있는 동안, 고온에서는 재료에 압축 하중이 부여되는 것 외에, 800 ℃ 유지에 있어서는 클리프 변형 혹은 응력 완화 현상이 생기기 때문에, 800 ℃에 있어서의 0.2 ％ 내력의 증가가 열피로 수명의 연장에 유효하다고 판단된다. 한편, 800 ℃로부터 200 ℃까지의 냉각 과정에 있어서는, 재료는 인장 응력이 부여된다. 이 인장 응력은 고온 영역에서의 압축 응력보다도 매우 큰 응력이고, 또한 열사이클에서 손상(결함)이 생긴 경우, 이 부위에서의 소성 변형은 현저하다. 따라서, 재료의 200 ℃에 있어서의 연성(가공)의 증가는 냉각 과정에서의 손상 진전을 억제하는 효과가 있다고 판단된다.

도3 및 도4에 800 ℃에서 시효 처리한 후의 고온에서의 인장 강도와 단면 수축을 나타낸다. 본 발명 강은 800 ℃에서 10 hr 이상의 장시간 시효 처리를 실시해도 고온 강도가 20 ㎫ 이상으로 고강도이고, 200 ℃의 단면 수축값이 35 ％ 이상으로 고연성이다. 이는, 열피로 과정에서 장시간의 열사이클 처리를 받아도, 최고 온도에서의 강도가 높고, 또한 최저 온도에서의 연성이 높은 것을 의미한다. 이에 의해, 도2에서 도시한 바와 같이 어떠한 구속률에 있어서도 열피로 수명이 향상되는 것으로 연결된다고 판단된다. 종래의 발명에서는 열사이클을 받는 경우의 최고 온도에서의 강도를 향상시키는 것만이 기술 사상이었지만, 본 발명에서는 최저 온도에 있어서의 연성을 향상시킴으로써 열피로 수명이 매우 향상되는 것을 발견하였 다.

200 ℃에서의 단면 수축값 향상은 앞서 나타낸 상온에서의 파단 연신률의 확보와 시효 열화가 억제된 것에 따른다고 판단된다. 즉, Ti, Nb의 첨가 밸런스가 중요하다는 것이 본 발명에서 명백해진 것이다. 한편, 800 ℃에서의 고온 강도의 향상에 대해서는 고용 Nb량과 고용 Ti량이 영향을 미치고 있다. 도5에 800 ℃에서 시효한 후의 고용 Nb량 ＋ 고용 Ti량과 800 ℃에서의 고온 강도의 관계를 나타낸다. 고용 Nb량 ＋ 고용 Ti량이 0.08 ％ 이상에 있어서 800 ℃에서의 고온 강도가 20 ㎫ 이상으로 되어 있다. 이로부터 고온 강도 20 ㎫ 이상을 얻고, 열피로 수명을 향상시키기 위해, 고용 Nb량 ＋ 고용 Ti량은 0.08 ％ 이상으로 하였다.

본 발명에서는 적정량의 Ti를 Nb와 복합 첨가함으로써, 장시간 시효 후의 고온 강도, 고온 연성의 향상을 초래하여 열피로 특성을 향상시키고 있지만, 반대로 내산화성에 대해 열화 작용이 있다. 본 발명에 나타내는 Si, Cr, Mn, Ti를 함유하는 강을 대기 중에서 연속 산화하면, 스케일은, 외층에는 TiO₂, Cr, Mn을 주로 포함하는 스피넬형 산화물이, 내층에는 Cr₂O₃가 형성된다. Ti량이 증가함에 따라서, 내층의 Cr₂O₃ 피막이 두꺼워져 내산화성이 열화된다. 본 발명자들은 Mn의 영향에 대해 검토한바, Mn을 증가시키면 외층의 TiO₂량이 감소되고, 내층의 Cr₂O₃ 피막의 성장이 억제되어 있어, 이에 의해 내산화성이 향상되는 것을 발견하였다. 도6에 Ti/Mn과 900 ℃에서 200 h 연속 산화한 후의 내층의 Cr₂O₃ 피막 두께를 나타낸다. Cr₂O₃ 내층 스케일의 두께가 5 ㎛ 초과인 경우, 스케일 박리 등이 생겨 내산화성이 뒤떨어지지만, Mn/Ti ≥ 3인 경우에는 Cr₂O₃ 내층 스케일의 두께가 얇아, 내산화성이 우수하다. Ti는 내층의 Cr₂O₃를 개재하여 외측 확산되지만, Mn에 의해 Ti의 외측 확산이 억제된 결과, 내층의 Cr₂O₃ 피막의 성장이 억제되었다고 판단된다. 양호한 내산화성을 얻기 위해서는, 내층의 Cr₂O₃ 피막의 성장을 억제하는 것이 중요하고, 900 ℃에 있어서 200 h, 대기 중에서 연속 산화시켰을 때에 생성되는 Cr₂O₃ 내층 스케일의 두께를 5 ㎛ 이하로 하기 위해, Mn/Ti ≥ 3으로 하였다.

(실시예)

표2에 나타내는 성분 조성의 강을 용제하여 슬라브에 주조하고, 슬라브를 열간 압연하여 5 ㎜ 두께의 열연 코일로 하였다. 그 후, 열연 코일을 어닐링ㆍ산세정을 실시하여, 2 ㎜ 두께까지 냉간 압연하고, 어닐링ㆍ산세정을 실시하여 제품판으로 하였다. 냉연판의 어닐링 온도는 결정 입도 번호를 6 내지 8 정도로 하기 위해, 980 내지 1050 ℃로 하였다. 이와 같이 하여 얻게 된 제품판으로부터, 고온 인장 시험편을 채취하여 200 ℃ 및 800 ℃에서 인장 시험을 행하였다. 또한, 800 ℃에서 100 시간 시효 처리를 실시한 후에 상기와 마찬가지로 고온 인장 시험을 행하였다. 또한, 제품판을 전봉 용접에 의해 제관(외경 38.1 ㎜)하여 열피로 시험에 제공하였다. 부여하는 온도 사이클은 200 ℃로부터 800 ℃까지 120 sec로 승온하고, 800 ℃에서 30 sec 유지한 후에, 300 ℃까지 120 sec로 냉각하고, 또한 200 ℃ 까지 90 sec로 냉각하는 패턴으로 하고, 구속률은 50 ％로 하였다. 또한, 내산화성의 평가를 위해, 제품판으로부터 폭 20 ㎜, 길이 25 ㎜인 시험편을 잘라내어, 에머리지로 ＃600까지 연마한 후, 900 ℃에서 200 h의 대기 중 연속 산화 시험을 행하였다. Cr₂O₃ 내층 스케일의 두께는 SEM(주사형 전자 현미경)에 의해 단면 관찰하여 구하였다.

표2로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에서 규정하는 성분 조성을 갖는 강을 상기와 같은 통상의 방법으로 제조한 경우, 비교예에 비해 상온 연신률이 높아, 가공성이 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 고온 강도에 대해서도 상기 범위를 만족시키고 있어, 열피로 특성이 우수하다. 비교예에 있어서, 강 번호 12와 13은 C나 N이 높기 때문에, 상온에서의 파단 연신률이 낮고, 고온에서의 단면 수축값도 낮다. 또한, 탄질화물 생성에 의해 고온 강도가 낮다. 강 번호 14는 Si가 낮기 때문에, 시효 후의 고온 강도가 낮다. 강 번호 15, 17, 18, 19, 20은 각각 Mn, S, Ni, Cu, Cr이 높기 때문에, 상온 가공성이 나빠서, 시효 후의 단면 수축값이 낮다. 강 번호 16은 S가 상한에서 벗어나고, 시효 후의 고용 Ti ＋ Nb량이 낮아져, 시효 후 고온 강도가 낮다. 강 번호 21, 22, 23, 24, 25, 26은 Mo, Nb, Ti, V, Al, B가 상한을 벗어나 있다. 이들은, 고온 강도에는 기여하지만, 상온 가공성이 나빠서 200 ℃에서의 가공이 낮기 때문에 열피로 수명이 짧다.

내산화성에 있어서, 본 발명 강의 내층 스케일 두께는 5 ㎛ 이하로 양호하다. 비교예에 있어서, Si가 본 발명 범위로부터 벗어나고, Mn/Ti이 작은 강 번호 14, 17, 23, 24, 26은 내층 스케일 두께가 5 ㎛를 초과하고 있어, 내산화성이 뒤떨어진다.

또한, 강판의 제조 방법에 대해서는, 특별히 규정하지 않지만, 열연 조건이나 열연판 두께, 열연판 및 냉연판 어닐링 온도, 분위기 등은 적절하게 선택하면 된다. 또한, 냉연ㆍ어닐링 후에 조질 압연이나 텐션 레벨러를 부여해도 상관없다. 또한, 제품판 두께에 대해서도 요구 부재 두께에 따라서 선택하면 된다.

[표2]

본 발명에 따르면, 특별히 고가의 합금 원소를 첨가하지 않아도, 열피로 특성이 우수한 Cr 함유 강을 제공할 수 있고, 특히 자동차 등의 배기계 부재에 적용함으로써 환경 대책 등에 큰 효과를 얻을 수 있다.

Claims

질량％로,

C : 0.01 ％ 이하,

N : 0.015 ％ 이하,

Si : 0.8 내지 1.0 ％,

Mn : 0.2 내지 1.5 ％,

P : 0.03 ％ 이하,

S : 0.01 ％ 이하,

Ni : 0.2 ％ 이하,

Cu : 0.2 ％ 이하,

Cr : 13 내지 15 ％,

Mo : 0.1 ％ 이하,

Nb : 0.3 내지 0.55 ％,

Ti : 0.05 내지 0.2 ％,

V : 0.01 내지 0.2 ％,

Al : 0.015 내지 1.0 ％,

B : 0.0002 내지 0.0010 ％를 함유하고,

또한 (Nb ＋ 1.9 × Ti)/(C ＋ N) ≤ 50을 만족시키고, 잔여부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열피로 특성이 우수한 Cr 함유 강.
제1항에 있어서, 800 ℃에서 100 시간 이상 시효 처리한 후의 800 ℃에 있어서의 0.2 ％ 내력이 20 ㎫ 이상, 또한 200 ℃에 있어서의 단면 수축값이 35 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 열피로 특성이 우수한 Cr 함유 강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 800 ℃에서 100 시간 이상의 시효 처리를 실시한 후의 고용 Nb량 ＋ 고용 Ti량이 0.08 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 열피로 특성이 우수한 Cr 함유 강.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, Mn/Ti ≥ 3을 만족시키는 것을 특징으로 하는 열피로 특성이 우수한 Cr 함유 강.