KR20090025667A - 고온 강도가 우수한 자동차용 페라이트계 내열 주강재부품의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기 매니폴드를 포함한 자동차용 페라이트계 내열 주강재 부품의 제조방법에 관한 것으로서, 기존 오스테나이트 및 페라이트 재질 대비 저렴하면서 합금성분의 최적화로 인해 용탕의 용융점을 낮춰 생산이 더욱 용이하며, 고온에서의 내열특성이 기존 주강 대비 동등 이상의 수준으로 매우 우수하여 가혹한 조건에서의 물성이 요구되는 고출력 엔진의 배기 매니폴드 제조에 적합하게 이용될 수 있도록 한 고온 강도가 우수한 자동차용 고내열 페라이트계 주강재 부품의 제조방법에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은, 배기 매니폴드를 포함한 자동차용 페라이트 주강재 부품의 제조방법에 있어서, Fe를 기재로 하여 여기에 C 0.3 ~ 0.5 중량%, Si 0.5 ~ 2.0 중량%, Mn 0.5 ~ 1.0 중량%, Ni 1.0 ~ 1.5 중량%, Cr 18 ~ 22 중량%, Nb 1.0 ~ 3.0 중량%, 및 W 1.5 ~ 2.5 중량%를 첨가한 합금 용탕을 사용하되, 이를 사용하여 주조 후 800 ~ 900 ℃에서 120분간 열처리하는 것을 특징으로 하는 고온 강도가 우수한 자동차용 페라이트계 내열 주강재 부품의 제조방법을 제공한다.

페라이트계, 주강재, 고온 강도, 고내열, 배기 매니폴드

Description

고온 강도가 우수한 자동차용 페라이트계 내열 주강재 부품의 제조방법{Method for Manufacturing High Strength Ferritic Cast Steel Parts}

본 발명은 자동차용 페라이트계 내열 주강재 부품의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존 오스테나이트 및 페라이트 재질 대비 저렴하면서 합금성분의 최적화로 인해 용탕의 용융점을 낮춰 생산이 더욱 용이하며, 고온에서의 내열특성이 기존 주강 대비 동등 이상의 수준으로 매우 우수하여, 가혹한 조건에서의 물성이 요구되는 고출력 엔진의 배기 매니폴드 제조에 적합하게 이용될 수 있도록 한 고온 강도가 우수한 고내열 페라이트계 주강재 부품의 제조방법에 관한 것이다.

통상적으로 배기 매니폴드(exhaust manifold)는 각 기통에서 배출되는 배출가스를 하나의 흐름으로 모으는 배기관을 말하며, 이러한 매니폴드는 가스킷의 내경과, 헤드의 내경, 매니폴드의 내경이 서로 달라 심한 저항을 받게 된다.

배기 매니폴드는 실린더 헤드에서 나온 배기가스를 가장 먼저 받는 곳에 놓여져 있기 때문에 엔진의 출력에 따라 대단히 높은 열 충격을 받기 마련이며, 엔진 에서와 달리 냉각수 등의 쿨러가 없으므로 엔진의 가속시에는 800 ~ 900 ℃ 정도의 고온까지 올라가고, 엔진 오프시에는 주위의 공기 온도까지 급속도로 공냉된다.

이러한 과정을 하루에도 몇 번씩 반복해야 되므로, 배기 매니폴드의 열 충격은 매우 가혹한 정도이며, 또한 엔진 내 부품 중에서 배기 매니폴드의 내구성이 크게 필요하다.

현재 배기 매니폴드에 사용되는 재질은 고온 내산화 주철 소재로 FCD-HS 및 SiMo 주철 등이 있다. 이러한 재질은 고온에서의 물성 향상과 내산화성을 위하여 기존 구상흑연 주철재에 Si 성분, Mo 성분 등을 첨가하여 사용되고 있다.

이러한 내열 주철을 사용하는 배기계의 일반적인 온도범위는 약 630 ~ 760 ℃ 정도이고, 이를 배기가스 온도로 보면 약 700 ~ 800 ℃ 정도이며, 이 온도범위에서 위의 재질들은 75MPa 정도의 인장강도를 가지므로 이 강도범위가 온도가 허용되는 사용영역이 된다.

그러나, 최근 자동차 출력 증대 및 배기규제 강화에 따라 이를 만족시키기 위해 배기가스 온도가 지속적으로 상승되고 있으며, 내구성 및 품질에 대한 측면도 강화되면서 배기계가 받게 되는 부하는 점점 더 커지고 있다.

이에, 본 발명자는 상기한 문제점을 해결하고자 노력한 결과, Fe에 C, Si, Mn, Ni, Cr, Nb 및 W의 한계값을 새로이 규정하여 상기 조성으로 이루어진 페라이트계 주강 부품을 제조하였고, 상기 재질에 대한 최적 열처리 조건을 확립하여 고온에서의 내열성 및 고온 물성 등의 우수함을 알아내어 본 발명을 완성하였는 바, 본 발명은 고온에서의 기계적 물성을 개선하여 우수한 고온 강도를 갖는 새로운 페라이트계 내열 주강 부품을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 배기 매니폴드를 포함한 자동차용 페라이트계 주강재 부품의 제조방법에 있어서, Fe를 기재로 하여 여기에 C 0.3 ~ 0.5 중량%, Si 0.5 ~ 2.0 중량%, Mn 0.5 ~ 1.0 중량%, Ni 1.0 ~ 1.5 중량%, Cr 18 ~ 22 중량%, Nb 1.0 ~ 3.0 중량%, 및 W 1.5 ~ 2.5 중량%를 첨가한 합금 용탕을 사용하고, 이를 사용하여 주조 후 800 ~ 900 ℃에서 120분간 열처리하는 것을 특징으로 하는 고온 강도가 우수한 자동차용 페라이트계 내열 주강재 부품의 제조방법을 제공한다.

상기한 특징을 갖는 본 발명의 제조방법에 의하면, 기존의 내열 구상흑연 주 철과 비교하여 고온 물성이 월등하게 향상된 것으로 확인되었으며, 이러한 물성의 향상과 더불어서 가격도 저렴하여 기존의 페라이트계 내열 주강에 비해 경제적이고 실용적인 배기 매니폴드용 내열 스테인레스 주강을 제조할 수 있는 효과를 제공한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 고온에서의 내열성 등의 고온 기계적 물성이 우수하여 배기계의 배기 매니폴드를 포함한 자동차 주조 부품의 제조에 매우 적합하게 이용할 수 있는 페라이트계 내열 주강재 부품의 제조방법을 제공하고자 한 것이다.

본 발명에 따른 페라이트계 내열 주강재 부품은 페라이트(ferrite) 기지조직을 나타내며, 화학성분 중 Cr, Ni, Si, Nb 및 W이 첨가되어 고온 물성이 향상될 수 있다.

기지를 페라이트계로 하는 것은 오스테나이트 기지 대비 페라이트 기지가 열팽창계수가 작으므로 고온에서 사용되는 재질에 크게 유리하며, 온도 상승 및 냉각 중에 펄라이트의 분해가 되어 발생하는 상 변태로 인한 팽창도 막을 수 있기 때문에 유리하다.

본 발명에 따른 페라이트 내열 주강재는 종래의 재질과는 첨가성분이 완전히 차별화되어 주요 첨가원소로 C 0.3 ~ 0.5 중량%, Si 0.5 ~ 1.0 중량%, Mn 0.5 ~ 1.0 중량%, Ni 1.0 ~ 1.5 중량%, Cr 18 ~ 22 중량%, Nb 1.0 ~ 3.0 중량%, 및 W 1.5 ~ 2.5 중량%를 포함한다.

본 발명의 주요 구성원소 및 그 함량의 한정 이유에 대해 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

1) C 0.3 ~ 0.5 중량%

오스테나이트 기지 생성을 막고, 용해온도를 안정화시키기 위해 함량을 0.3 ~ 0.5 중량%로 제한한다.

2) Si 0.5 ~ 2.0 중량%

Si 성분은 본 발명의 주요 원소로서, 그 함량은 0.5 ~ 2.0 중량%가 포함되고, 페라이트 주강재에서 고온 인장강도 향상에 영향을 준다.

상기 성분범위 미만으로 첨가될 경우에는 고온 인장강도의 향상 효과를 보기 어려우며, 2.0 중량%를 초과하여 첨가될 경우에는 용탕의 유동성을 저해하여 생산성을 악화시킨다.

3) Mn 0.5 ~ 1.0 중량%

Mn은 함량 증가시 응고 중 조직 내부에 미세 분산상(dispersoid)이 형성되어 강도 증가를 나타내며, 과도하게 첨가되는 경우에는 연성 및 내식성이 저하되는 점을 고려하여 본 발명에서는 그 함량을 0.5 ~ 1.0 중량%로 한다.

4) Ni 1.0 ~ 1.5 중량%

Ni은 내열 주강에서 고온 물성을 향상시키는데 첨가되는 대표적인 원소로, 첨가시 고온에서는 강도뿐 아니라 연신율 및 연성을 증대시키는데 큰 영향을 주는 원소이다.

그러나, 가격이 매우 고가이고 최근 원자재의 가격이 더욱 증가하면서 Ni이 첨가된 재질은 Ni 가격에 따라 재질의 가격이 변동되는 문제가 빈번히 발생하고 있다.

따라서, Ni의 첨가를 최소화하면서 동일한 물성을 가지는 재질의 개발이 필수적이다.

이에 본 발명에서는 Ni의 함량을 1.0 ~ 1.5 중량%로 제한한다.

이는 페라이트 내열 주강재의 고온 물성의 향상에 필요한 최소 요구치이며, 여타의 내부식성 및 내열성의 보완은 상대적으로 경제적인 Cr을 첨가하여 보완하였다.

5) Cr 18 ~ 22 중량%

Cr은 내산화성에 기여하는 성분으로, 본 발명에서 상대적으로 적은 Ni을 보완하여 Ni과 유사한 고온 강도 및 물성을 향상시키는 역할을 수행하며, Cr은 Ni 대비 원가가 약 20 ~ 40 % 정도이므로 경제적으로도 매우 탁월한 배기 매니폴드의 제작이 가능하다.

또한 본 발명에서 Cr을 18 ~ 22 중량% 첨가하는 이유는 기지조직을 페라이트로 안정화시키기 위해서이다.

일반적으로 주강 내에 탄소는 약 0.3 ~ 0.4 중량% 정도 첨가되는데, 탄소는 오스테나이트 안정화 원소로 본 성분범위에서 오스테나이트 기지를 생성시킨다.

이를 저지하기 위해 탄소 함량을 적게 할 경우에 용해온도를 크게 올려야 하 므로 이것은 생산성을 저해하는 요인으로 작용할 수 있다.

따라서, 기지 내 오스테나이트를 형성시키지 않으면서 용해온도도 낮추기 위한 방안이 Cr의 첨가이다.

Cr은 페라이트 안정화 원소로 기지를 페라이트화시키는 역할을 하지만, 상기 상한치 이상을 첨가할 경우에는 내산화성의 촉진 효과가 그리 크지 않고 재질의 취성을 증가시키므로 배기 매니폴드의 재료로서 적합하지 않게 된다.

6) Nb 1.0 ~ 3.0 중량%

Nb 성분은 1.0 ~ 3.0 중량%로 제한하는데, 이는 재료의 고온성질 향상에 일부 기여한다.

또한 본 발명에서는 Cr이 과다 첨가되므로 Cr 카바이드를 형성할 가능성이 다분하며, 이러한 Cr 카바이드는 매우 취성이 약하여 재료 내에서 인성을 저하시킬 뿐만 아니라 연신율을 매우 불량하게 하므로 없애도록 하여야 한다.

또한 Cr 카바이드가 형성되면 주강 내 Cr 성분의 양이 적어져 내부식성을 저해할 우려도 있으므로 카바이드의 형성을 막아야 한다.

이를 위하여 Nb을 첨가하였다.

Nb은 Cr보다 카바이드의 형성이 더 잘 되는 원소로 우선적으로 잔여 탄소와 반응하여 Nb 카바이드를 형성한다.

Nb 카바이드는 재료 내에서 입계 파괴를 방지하고 내식성을 증대시키는 등 오히려 긍정적인 역할을 하므로 본 발명에서 Nb의 첨가는 필수적이다.

상기한 조성의 페라이트계 내열 주강재 부품, 예컨대 배기 매니폴드를 포함 한 자동차용 주강재 부품은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 통상적인 주조 방식에 의해 제조될 수 있으며, 본 발명에 의해 한정하지는 않는다.

다만, 상기한 조성의 합금 용탕을 사용하여 주조한 뒤 응력 제거 및 최적 미세조직 최적화를 위하여 열처리 공정이 추가되어야만 한다.

도 1은 본 발명에 사용된 열처리 공정의 개략도이며, 열처리 전, 후의 미세조직 변화를 도 2에 나타내었다.

즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서는 Fe를 기재로 하여 여기에 C 0.3 ~ 0.5 중량%, Si 0.5 ~ 2.0 중량%, Mn 0.5 ~ 1.0 중량%, Ni 1.0 ~ 1.5 중량%, Cr 18 ~ 22 중량%, Nb 1.0 ~ 3.0 중량%, 및 W 1.5 ~ 2.5 중량%를 첨가한 합금 용탕을 사용하되, 이를 사용하여 제품을 주조한 뒤 800 ~ 900 ℃에서 120분간 열처리 후 공냉한다.

열처리의 목적은 미세조직에 분포하는 탄화물들을 골고루 분포시켜 배기 매니폴드에 적용 가능한 기계적 성질을 얻고자 함이다.

이 과정에서, 800 ℃ 미만의 온도로 열처리를 하는 경우에는 탄화물이 기지조직 전체로 확산하기에 충분한 고온 영역에 도달하지 못하여 과도한 열처리 시간이 요구되므로 생산성을 현저히 떨어뜨리는 문제가 있게 되며, 900 ℃를 초과하는 온도에서 열처리를 하는 경우에는 산화 및 탈탄 화학반응 및 결정립 조대화 등의 금속학적 현상이 발생하는 문제가 있는 바, 본 발명에서는 800 ~ 900 ℃의 온도범위 내에서 열처리를 실시한다.

도 2를 참조하면, 열처리 전에는 탄화물들이 재질 전체에 퍼져있어 취성을 높이고, 경도를 상승시켜 가공성을 악화시킨다.

반면, 열처리 후의 미세조직은 탄화물 크기가 작고, 페라이트 결정립이 잘 발달되어 있는 것을 확인할 수 있다.

여러 분석을 통하여 본 발명자는 하기의 실시예 및 시험예를 통하여, 상기 제조된 내열 주강품이 페라이트 기지에 탄화물이 형성되어 있는 조직임을 확인하였고, 본 재질의 최대 사용 가능한 온도는 재질의 표면온도 850 ℃로 배기가스 온도 900 ~ 950 ℃까지 사용이 가능하며, 이로써 종래의 내열 주철재(750 ℃ 이하), 오스테나이트계 내열 주철재(800 ℃ 이하)에 비해 매우 우수함을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 페라이트계 내열 주강품은 우수한 내열특성과 내산화성을 갖고 있어 기존의 배기계에 사용되는 재질을 대체하여 적용 가능하고, 고출력 엔진의 배기 매니폴드에 적합하게 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예1 ~ 2

실시예는 상술한 본 발명의 페라이트계 내열 주강품이고, 비교예1은 종래 배기 매니폴드 재질로 사용되고 있는 내열 구상흑연 주철품이며, 비교예2는 종래 배기 매니폴드 재질로 사용되고 있는 페라이트계 내열 주철품으로서, 그 성분 및 함량비는 다음의 표 1에 기재된 바와 같다.

위의 표 1에 기재된 함량비를 갖는 실시예의 페라이트계 내열 주강 및 비교예1 ~ 2에 따른 종래 재질의 물성을 비교하기 위하여 통상의 방법으로 시편을 제작하였다.

실시예의 경우 상기 조성의 합금 용탕을 사용하여 주조한 뒤 870 ℃에서 120분간 열처리를 실시하여 주강품을 만들고, 그로부터 시편을 제조하였다.

시험예

시험예로서, 실시예 및 비교예1, 2에 따른 시편에 대하여 고온 인장시험을 실시하였으며, 그 결과는 도 3의 그래프에 도시된 바와 같다.

고온 인장실험 결과, 전 온도 범위에서 실시예가 가장 높은 고온 인장강도 (Ultimate Tensile Strength)를 갖는다는 점이 확인되었다.

가혹한 배기계 모드인 재질 표면온도 800 ℃ 이상에서 내열 주철재인 비교예1이 가장 낮은 인장강도를 나타내었는 바, 이것은 주철재의 특성상 내부에 흑연조직에 의한 것으로 판단되며, 내열 주철이라 하더라도 본 온도범위에서 사용이 불가할 것으로 사료된다.

같은 페라이트계 주강재인 실시예 및 비교예2를 비교해 보아도 전체 온도영역에서 실시예가 약 2배 가량 높은 인장강도를 나타내었는 바, 이는 동일한 페라이트계 기지의 주강재이나 첨가되는 원소의 차이에 따른 것으로 생각되며, 합금의 최적화가 필요한 부분이다.

도 1은 본 발명에 적용된 열처리 선도,

도 2는 본 발명에서 열처리 전, 후 미세조직의 사진,

도 3은 본 발명의 실시예와, 비교예1, 2에 따른 시편에 대하여 고온 인장시험을 실시한 결과를 나타내는 그래프,

도 4는 본 발명에 따른 페라이트계 내열 주강재를 이용하여 제조되는 배기 매니폴드를 나타낸 개략도.

Claims (1)

1. 배기 매니폴드를 포함한 자동차용 페라이트계 주강재 부품의 제조방법에 있어서,

   Fe를 기재로 하여 여기에 C 0.3 ~ 0.5 중량%, Si 0.5 ~ 2.0 중량%, Mn 0.5 ~ 1.0 중량%, Ni 1.0 ~ 1.5 중량%, Cr 18 ~ 22 중량%, Nb 1.0 ~ 3.0 중량%, 및 W 1.5 ~ 2.5 중량%를 첨가한 합금 용탕을 사용하고, 이를 사용하여 주조 후 800 ~ 900 ℃에서 120분간 열처리하는 것을 특징으로 하는 고온 강도가 우수한 자동차용 페라이트계 내열 주강재 부품의 제조방법.

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