KR20080053776A

KR20080053776A - 차량 배기매니폴드용 합금재료

Info

Publication number: KR20080053776A
Application number: KR1020060125723A
Authority: KR
Inventors: 김정훈; 고승운; 김상범
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2008-06-16

Abstract

본 발명은 고온하에서도 배기매니폴드가 열변형과 열균열이 발생하지 않게 함과 아울러 균일한 조직과 고온 열변형 및 고온 균열 특성을 개선하도록 된 합금재료에 관한 것이다.

본 발명에 따른 차량 배기매니폴드용 합금재료는, 탄소(C) 2.5∼3.8wt%, 규소(Si) 4.0∼5.0wt%, 몰리브덴(Mo) 0.4∼1.0wt%, 바나듐(V) 0.25∼0.5wt%, 망간(Mn) 0.2wt%이하, 마그네슘(Mg) 0.1wt%이하, 황(S) 0.1wt%이하를 포함하고 나머지는 불가피한 불순물과 Fe로 조성된다.

상기의 차량 배기매니폴드용 합금재료에 따르면, 차동차의 엔진출력 향상 및 고마력화로 인한 배기가스 상승으로 고온하에서도 배기매니폴드가 열변형과 열균열이 발생하지 않게 함과 아울러 균일한 조직과 고온 열변형 및 고온 균열 특성을 개선할 수 있다.

구상흑연주철, 배기매니폴드.

Description

차량 배기매니폴드용 합금재료{COMPOUND ALLOY FOR EXHAUST MANIFOLD OF VEHICLE}

도 1은 일반적인 차량용 배기매니폴드를 나타낸 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 배기매니폴드용 합금재료의 실시예에 따른 시험편의 제조방법을 나타낸 흐름도,

도 3은 본 발명에 따른 배기매니폴드용 합금재료와 종래의 기술에 따른 구상흑연주철재의 고온 인장시험 결과를 나타낸 그래프.

본 발명은 차량의 배기매니폴드를 제작하는 합금재료에 관한 것으로, 특히 차량의 엔진출력 향상 및 고마력화로 인한 배기가스 상승으로 고온하에서도 배기매니폴드가 열변형과 열균열이 발생하지 않게 함과 아울러 균일한 조직과 고온 열변형 및 고온 균열 특성을 개선하도록 된 합금재료에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 차량용 배기매니폴드 소재는 보통 구상흑연주철(KS D 4302규격의 GCD400 및 GCD600재질)을 많이 사용하고 있다. 이들 재질은 현재까지 출력 및 배기가스 온도가 그리 높지 않은 현 상황에서 적합하게 사용되어왔다.

그러나, 최근 자동차 배기량의 증가와 출력의 증대 등으로 배기가스 온도가 급속히 높아져, 배기매니폴드가 받게 되는 열적 부하가 매우 커지고 있으며, 고온 산화 스케일(Scale)에 의한 촉매 공격성 또한 문제가 되고 있다. 배기가스 온도상승에 따른 가장 큰 문제는 재질의 열변형문제로서, 고온과 저온의 영역을 왕복하는 배기매니폴드의 상황상 열팽창과 수축이 동반될 수밖에 없는데, 이러한 열변형에 의해 표면 산화 스케일이 발생하고, 이것이 진전하여 심지어는 크랙까지 생기는 등, 소재의 내구성에 문제가 발생하고 있다.

즉, 상기 산화 스케일 및 크랙은 도 1에 도시된 것과 같이, 상대적으로 박육부인 배기매니폴드(100)의 포트(Port)부(110) 또는 합류부(120)에서 빈번하게 발생하는데, 이는 상기 포트부(110)가 얇고 냉각에 따른 조직 불균형이 큰 영향을 주기 때문이라 판단된다.

따라서, 엔진출력 향상 및 고마력화로 인하여 엔진의 배기가스 온도가 상승되고 있는 상황을 뒷받침해 줄 수 있도록 보다 고온 내균열 변형 및 내산화성이 뛰어난 내열주철소재의 개발이 시급한 시점에 있다.

이에 본 발명은 종래의 배기매니폴드용 소재가 갖는 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 배기가스의 온도상승에 따라 발생하는 배기매니폴드의 고온 열변형 에 따른 고온 열균열 및 내산화성을 개선시킨 차량 배기매니폴드용 합금재료를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 탄소(C) 2.5∼3.8wt%, 규소(Si) 4.0∼5.0wt%, 몰리브덴(Mo) 0.4∼1.0wt%, 바나듐(V) 0.25∼0.5wt%, 망간(Mn) 0.2wt%이하, 마그네슘(Mg) 0.1wt%이하, 황(S) 0.1wt%이하를 포함하고 나머지는 불가피한 불순물과 Fe로 조성된 것을 특징으로 하는 차량의 배기매니폴드용 합금재료를 제공한다.

본 발명에 따른 배기매니폴드용 합금재료에 있어서, 상기 합금재료는 구상화율 80%이상, 80%이상의 페라이트(Ferrite)기지로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 페라이트기지의 조직내에 몰리브덴 및 합금성분에 의한 유리시멘타이트(Cementite) 및 탄화물(Carbide)이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이하 첨부의 도면을 참조로 본 발명에 따른 배기매니폴드용 합금재료의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 합금재료의 특징은 내산화성 및 조직을 페라이트화시키기 위하여 규소(Si)와 몰리브덴(Mo)을 포함시킨 점에 있다.

본 발명에 따른 합금재료의 조성은 탄소(C) 2.5∼3.8wt%, 규소(Si) 4.0∼5.0wt%, 몰리브덴(Mo) 0.4∼1.0wt%, 바나듐(V) 0.25∼0.5wt%, 망간(Mn) 0.2wt%이 하, 마그네슘(Mg) 0.1wt%이하, 황(S) 0.1wt%이하를 포함하고 나머지는 불가피한 불순물과 Fe로 이루어진다.

여기서, 본 발명에 따른 구성흑연주철재의 각 조성 및 범위를 한정한 이유를 설명하면 다음과 같다.

1) 탄소(C) 2.5∼3.0wt%

탄소(C)의 범위는 2.5∼3.0wt%가 적합하다. 그 이유는 규소(Si)가 많이 첨가되었으므로 탄소(C)가 이 범위보다 높을 경우 과공정이 일어날 수 있기 때문이다.

2) 규소(Si) 4.0∼5.0wt%

규소(Si)를 많이 첨가할수록 Fe-C계에서 공정 및 공석반응이 일반 Fe-C계 보다 높은 온도범위에서 일어나므로, 안정한 페라이트기지조직을 가지기 위해서 충분한 규소(Si)가 포함되어 공석반응의 온도범위를 높여야 한다. 규소(Si) 범위가 부족하여 기지조직이 페라이트화가 되지 못하고 펄라이트가 존재하면 펄라이트는 온도의 승온시 650℃이상에서 분해하여 열팽창의 원인이 된다.

그러나, 규소(Si)가 너무 많이 첨가될 경우, 취성이 증대되므로 4.0∼5.0wt%범위로 한정하는 것이 바람직하다. 보다 상세하게는, 규소(Si)가 4wt%이상 첨가될 경우, 표면 FeO 산화층내에 Fe₂SiO₄층을 형성하는데, 이층은 매우 미세하여 산화가 진행되는 것을 줄여줄 수 있으므로, 규소(Si)를 4.0∼5.0wt%의 범위로 첨가할 경우 고온 산화스케일에 따른 촉매공격성을 완화할 수 있는 효과가 있다.

3) 몰리브덴(Mo) 0.4∼1.0wt%

재질의 고온강도를 향상시키기 위해 몰리브덴(Mo)을 0.4∼1.0wt% 첨가하는 것이 좋다. 몰리브덴(Mo)을 0.4∼1.0wt% 첨가하는 이유는 몰리브덴(Mo)이 0.4wt% 이하이면 출력이 증대된 엔진에서 고온 강도가 떨어지며, 1.0wt% 이상이면 수축결함이 발생하여 재질 불량이 되기 때문이다.

4) 바나듐(V) 0.25∼0.5wt%

탄화물 형성능력이 커서 미립탄화물을 만들어 기지조직을 미세화시키므로 고장력주철 및 각종 특수합금주철에 이르기까지 많이 사용되고 있다. 템퍼링연화저항성도 Mo보다 좋다. 고온강도도 대폭 향상시키지만 산화물인V₂O₅는 증기압이 높아서 고온증발하므로 첨가량에 한계가 있다.

따라서, 본 발명에서는 기본 재료에 0.25∼0.5% V를 첨가한 시료를 만들어 고온인장시험을 실시하였다. V의 미치는 영향은 V첨가량 0.5%이상에서는 AC1 변태온도 영역(900℃)에서는 합금화 효과가 인정되지 않으나, 0.25% V 첨가에서는 700∼850℃ 구간에서는 인장강도가 현저히 증가하였으며, 700℃인 경우에는 약 20%, 850℃인 경우 25% 이상의 인장강도가 향상된다.

5) 망간(Mn) 0.2wt%이하

망간(Mn)은 응고중 조직내부에 미세 분산상을 형성하여 현저한 강도증가 및 0.5wt%이상 첨가시 주조품의 취성을 높이게 되므로 본 발명에서는 그 함량을 0.2wt%이하로 제한한다.

6) 황(S) 0.1wt%이하

황(S)은 마그네슘(Mg)과 결합하여 황화물을 형성하여 초과시 구상화불량을 일으킬 수 있는데 그 영향이 0.1wt%이상을 초과하면 더욱 현저해지므로 그 함량을 0.1wt%이하로 한다.

7) 마그네슘(Mg) 0.1wt%이하

마그네슘(Mg)은 주철재 내에서 흑연을 구상화시키는 원소로, 본 발명에 따른 합금재료의 제조에 반드시 필요하나 0.1wt%이상 첨가될 경우 탄화물을 형성하므로 0.1wt%이하 조성으로 한정한다.

상기의 조성물로 이루어진 본 발명에 따른 배기매니폴드용 합금재료의 실시예의 조성을 종래의 구상흑연주철재와 비교하여 표로 나타내면 다음의 표 1과 같다.

성 분(wt%)	C	SI	Mn	P	S	Mo	Cu	V	Mg
종래기술에 따른 구상흑연주철재	3.3 ~3.8	2.0 ~3.0	0.1 ~1.0	0.15 ~0.1	0.1 이하	-	-	-	0.02 이상
본 발명에 따른 합금재료	2.5 ~3.8	4.0 ~5.0	0.2 이하	0.06 이하	0.1 이하	0.04 ~1.0	0.5 2.5	0.25 ~0.5	0.1 이하

표 1과 같은 조성을 갖는 본 발명의 합금재료의 기계적, 열적 성질 및 조직 특성을 조사하기 위해, 도 2에 도시한 바와 같은 방법에 따라 시험편을 제작한다. 즉, 선철과 강고철 등을 용해로에서 1520℃까지 용해하여(S10) 상기와 같은 화학성분을 분광분석 후 1500℃의 출탕온도에서 레이들에 출탕하고(S20), 출탕 레이들은 용탕내의 흑연을 미세화시키기 위하여 Fe-Si계 접종제 및 희토류원소가 함유된 구상화재로 접종 및 구상화처리를 행한다(S30).

그런 다음, 용탕처리가 된 용탕을 공시재 주형에 주입하여 조직관찰 시험편 및 열팽창 시험편, 고온 인장시험편을 제작하여 고온 특성을 시험하였다.

또한, 본 발명에 따른 배기매니폴드용 합금재료의 실시예의 조직을 현미경으로 관찰하였다.

이와 같은 시험 및 관찰의 결과를 표로 정리하면 아래 표 2와 같다.

재 질	기계적 성질				조직 관찰(기지조직)
재 질	인장강도 (N/㎟)	항복강도 (N/㎟)	연신율 (%)	경도 (HB)	구상화율 (%)	페라이트 (%)	펄라이트 (%)	유리시멘타이트(%)
종래기술에 따른 구상흑연주철재	600	370	3	200	75	48	42	-
본 발명에 따른 합금재료	603	377	3	203	85	85	6	5

시험결과에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 배기매니폴드용 합금재료는 종래기술에 따른 구상흑연주철에 비해 기계적 성질은 다소 향상된 동등 수준이다. 또한 표 2에서 본 발명에 따른 합금재료의 실시예는 구상화율이 85%인 것으로 표시되었으나, 구상화율이 85% 이상만 되어도 비슷한 수준의 기계적 강도를 확보할 수 있는 것으로 파악되었다.

한편, 본 발명에 따른 배기매니폴드용 합금재료의 실시예 및 종래기술에 따른 구상흑연주철재를 팽창계(Dilatomater)로 시험하여 열팽창을 측정한 결과는 다음의 표 3과 같다.

재질	열팽창시험 결과
재질	선팽창계수 (△L/Lo)	열팽창계수 (α)	상변태온도 (℃)
종래기술에 따른 구상흑연주철재	1.39x10^-3	1.54 x10^-5	738
본 발명에 따른 합금재료	1.35x10^-3	1.52 x10^-5	918

표 3에 나타난 시험결과에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 합금재료는 종래기술에 따른 구상흑연주철재에 비해 특히 상변태온도가 180℃나 더 높음은 알 수 있다. 이는 곧 본 발명에 따른 합금재료가 종래기술에 비해 높은 온도에서도 기계적 강도를 유지할 수 있음을 뜻한다.

또한, 본 발명에 따른 배기매니폴드용 합금재료의 실시예 및 종래기술에 따른 구상흑연주철재의 내산화성을 시험한 결과는 다음 표 4와 같다.

재질	700℃,100시간 항온유지			850℃,100시간 항온유지
재질	무게차	산화층두께	HB경도	무게차	산화층두께	HB경도
종래기술에 따른 구상흑연주철재	0.38g	300㎛	130	0.42g	450㎛	100
본 발명에 따른 합금재료	0.03g	30㎛	277	0.02g	15㎛	286

표 4에 나타난 시험결과에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 합금재료는 특히 700℃ 이상 고온에서의 내산화성이 매우 뛰어남을 알 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 합금재료의 실시예(A)와 종래기술에 따른 구상흑연주철(B)의 700℃ 고온 인장시험결과이다. 도 3에서 인장력을 가로축으로, 응력을 세로축으로 하여 도시한 그래프에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 합금재료(A)의 고온 인장강도가 종래기술에 따른 구상흑연주철재(B)의 고온 인장강도에 비해 높다는 것을 알 수 있다.

따라서, 표 2, 표 3, 표 4 및 도 3에 나타난 본 발명에 따른 합금재료의 특성을 종합적으로 고려해보면, 본 발명의 합금재료가 고온 내열성, 내산화성 및 인장강도 면에서 매우 우수한 성질을 갖고 있다는 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 배기매니폴드용 합금재료에 의하면, 각종 차량의 배기가스 환경규제 대책으로 엔진출력 향상 및 고마력화로 인한 배기가스 상승으로 고온하에서도 열변형 및 열균열이 발생하지 않고 사용 가능하며, 합금 구성성분을 단일 또는 조합하여 균일한 조직과 고온 열변형 및 고온 균열 특성을 개선하고, 고온 내균열성과 내산화성이 우수하며 고온강성을 대폭 증가시켜 내구 수명을 향상시키는 효과가 있다.

Claims

탄소(C) 2.5∼3.8wt%, 규소(Si) 4.0∼5.0wt%, 몰리브덴(Mo) 0.4∼1.0wt%, 바나듐(V) 0.25∼0.5wt%, 망간(Mn) 0.2wt%이하, 마그네슘(Mg) 0.1wt%이하, 황(S) 0.1wt%이하를 포함하고 나머지는 불가피한 불순물과 Fe로 조성된 것을 특징으로 하는 배기매니폴드용 합금재료.
제1항에 있어서,

구상화율 80%이상이고, 80%이상의 페라이트(Ferrite)기지로 이루어진 것을 특징으로 하는 배기매니폴드용 합금재료.
제2항에 있어서,

상기 페라이트기지의 조직내에 몰리브덴 및 합금성분에 의한 유리시멘타이트(Cementite) 및 탄화물(Carbide)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기매니폴드용 합금재료.