KR20090049637A - 배기계용 오스테나이트계 내열 주강재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기계용 오스테나이트계 내열 주강재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존 오스테나이트계 주철재에 비하여 저렴하면서도 고온에서 매우 안정적인 내열성을 가지고, 엔진의 구동 후 촉매를 공격하는 산화문제를 해결할 수 있도록 한 배기계용 오스테나이트계 내열 주강재에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 배기계용 자동차 오스테나이트계 내열 주강재에 있어서, 철(Fe)를 기지로 하고, 여기에 탄소(C) 0.3~0.5중량%, 규소(Si) 0.5~1.0중량%, 망간(Mn) 0.5~1.5중량%, 니켈(Ni) 18~22중량%, 크롬(Cr) 22~26중량%, 니오븀(Nb) 2.5~3.3중량%을 첨가된 것을 특징으로 하는 배기계용 오스테나이트계 내열 주강재를 제공한다.

배기계, 오스테나이트계, 내열 주강재, 배기 매니폴드

Description

배기계용 오스테나이트계 내열 주강재{Austenitic Cast Steel Parts of Exhaust Manifold}

본 발명은 배기계용 오스테나이트계 내열 주강재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존 오스테나이트계 주철재에 비하여 저렴하면서도 고온에서 매우 안정적인 내열성을 가지고, 엔진의 구동 후 촉매를 공격하는 산화문제를 해결할 수 있도록 한 배기계용 오스테나이트계 내열 주강재에 관한 것이다.

최근 전 세계적으로 환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 자동차의 배기가스에 대한 규제가 강화되고 있으며, 또한 엔진의 성능 향상 및 출력 증대에 따라 배기가스의 온도 상승으로 배기매니폴드 및 터빈 등의 배기계가 받게 되는 저항이 매우 심해져 이의 높은 내구성이 요구되고 있다.

배기매니폴드는 엔진의 실린더헤드와 연결된 부분에 위치하며, 엔진에서 사용되고 나온 가스가 밖으로 배출되기 전에 지나가는 통로의 역할을 하는 기관으로 자동차에 사용되는 모든 기관중에 가장 높은 열응력을 받게 되는 바, 기존에는 이 부분의 온도가 약 배기온 800 ℃ 였으나, 상기한 이유로 인하여 최근에는 배기온 850 ℃ 정도가 통상적이며, 향후 900℃ 이상까지 높아질 것으로 예상하고 있다.

현재 배기계에 사용되는 재질은 고온 내산화 주철 소재로 FCD-HS 및 D5S(오스테나이트계 주철재) 등이 사용되고 있다.

상기 고온 내산화 주철 소재는 고온에서의 물성 향상과 내산화성 증대를 위해 기존 구상흑연주철에 내산화성 증대 원소인 Si를 함유하고, 고온강도증대를 위해 Ni를 함유하고 있으며, 현재 이러한 재질은 약 700 ℃정도에서 사용되며, 이 온도범위에서 약 80MPa정도의 고온인장강도 값을 가진다.

그러나, 기존의 고온 내산화 주철 소재는 상승된 배기가스 온도범위에서 실험을 진행한 결과, 기존 주철재 재질에서는 과도한 산화스케일이 발생되었으며, 이는 향후 촉매 파손 및 터빈 블레이드를 손상시킬 수 있어 2차적인 성능 저하 문제를 야기할 소지가 있다.

또한, 기존의 고온 내산화 주철 소재는 내열성의 저하로 재질의 내열한계 온도범위를 초과하여 배기온 850 ℃ 이상에서의 사용이 어려운 단점이 있다.

따라서, 최근의 추세에 따라 배기온 850 ℃ 이상에서도 배기계가 사용됨에 따라 850 ℃ 이상에서도 사용 가능한 배기계 재질의 개발이 요구되고 있다.

이에, 본 발명자는 상기한 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, Fe에 C, Si, Mn, Ni, Cr, Nb의 한계값을 규정하여, 이 조성으로 이루어진 오스테나이트계 주강품을 제조하였고, 이 조성에 대해 고온 내열성 및 고온 물성 등의 우수함을 알아내어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 고온에서의 기계적 물성을 개선하여 우수한 고온 강도를 갖는 새로운 배기계용 오스테나이트계 내열 주강재를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 배기계용 자동차 오스테나이트계 내열 주강재에 있어서, 철(Fe)를 기지로 하고, 여기에 탄소(C) 0.3~0.5중량%, 규소(Si) 0.5~1.0중량%, 망간(Mn) 0.5~1.5중량%, 니켈(Ni) 18~22중량%, 크롬(Cr) 22~26중량%, 니오븀(Nb) 2.5~3.3중량%을 첨가된 것을 특징으로 하는 배기계용 오스테나이트계 내열 주강재를 제공한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

본 발명의 내열 주강재는 기존의 내열 구상흑연 주철과 비교하여 700~900 ℃에서의 고온 물성이 월등하게 향상된 것으로 하기의 실험예를 통하여 확인되었으며, 기존 오스테나이트계 주철에 비하여 경제적이고 산화스케일의 발생도 적은 배기계용 내열 오스테나이트계 스테인레스 주강재 부품을 제조할 수 있는 효과를 제 공한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 고온에서의 내열성 등의 고온 기계적 물성이 우수하여, 첨부한 도 3의 사진에서 보는 바와 같이 배기계의 배기 매니폴드를 포함한 자동차 주조 부품의 제조에 매우 적합하게 이용할 수 있는 오스테나이트계 내열 주강재를 제공하고자 한 것이다.

본 발명에 따른 오스테나이트 내열 주강재는 종래의 주철 재질과는 달리 그 첨가 성분이 일정부분 달라지며, 기존의 흑연의 삭제로 고온에서의 강도 향상에 더욱 유리한 조성을 갖는 바, 주요 첨가 원소로는 탄소(C) 0.3~0.5중량%, 규소(Si) 0.5~1.0중량%, 망간(Mn) 0.5~1.5중량%, 니켈(Ni) 18~22중량%, 크롬(Cr) 22~26중량%, 니오븀(Nb) 2.5~3.3중량%를 포함한다.

여기서, 본 발명의 주요 구성원소 및 그 함량의 한정 이유에 대해 설명하면 다음과 같다.

1) 탄소(C) 0.3 ~ 0.5 중량%

탄소는 용해온도를 안정화시키기 위해 첨가되며, 그 함량을 0.3 ~ 0.5 중량%로 제한한다.

2) 규소(Si) 0.5 ~ 1.0 중량%

규소는 고온 인장강도 향상 및 용탕의 유동성을 좋게 하기 위해 첨가되며, 0.5중량% 미만으로 첨가될 경우 고온 인장강도의 향상 효과를 보기 어려우며, 용탕의 유동성을 좋게 하기 위해 1.0중량% 미만으로 첨가한다.

3) 망간(Mn) 0.5 ~ 1.5 중량%

망간(Mn)은 오스테나이트의 강력한 포머(former)로서, 0.5중량% 이상 첨가하여 기지를 안정화시키고, 1.5중량% 미만으로 첨가하여 연성 및 내식성의 저하를 방지하는 것이 바람직하다.

4) 니켈(Ni) 18 ~ 22 중량%

니켈(Ni)은 내열주강에서 고온 물성을 향상시키기 위하여 첨가되는 대표적인 원소로서, 첨가시 고온에서 강도 뿐만 아니라 연신율 및 연성을 증대시키는데 큰 영향을 주는 원소이다.

그러나, 가격이 매우 고가이고 최근 원자재의 가격이 급등하면서 니켈의 가격에 따라 재질의 가격이 변동되는 문제가 빈번히 발생되고 있다.

따라서, 니켈의 첨가를 최소화 할 필요가 있다.

이에, 본 발명에서는 기존에 주철재에서 사용되던 함량인 34~38중량%에 비하여 그 함량을 18~22중량%로 대폭 감소시켰으며, 그 감소된 함량을 고려하여 내부식성 및 내열성의 보완으로 크롬(Cr)을 첨가하여 성능의 저하를 방지하였다.

본 발명에서 니켈의 함량을 18~22중량%로 한정한 이유는 18중량% 이하로 첨가하면 오스테나이트 기지 안정화를 저해하고, 22중량% 이상 첨가될 경우에는 높은 니켈 가격에 의해 부품 단가가 상승되므로, 본 발명에서는 18~22중량%로 한정한 것이다.

5) 크롬(Cr) 22 ~ 26 중량%

크롬(Cr)은 내산화성에 기여하는 성분으로 첨가되며, 본 발명에서 상대적으로 적은 함량을 갖는 니켈을 보완하여 니켈과 유사한 고온 강도 및 물성을 향상시키는 역할을 수행한다.

본 발명에 첨가된 크롬(Cr)은 니켈(Ni) 대비 원가가 약 20 ~ 40 % 정도이므로 경제적으로도 매우 탁월한 배기 매니폴드의 제작이 가능한 잇점을 제공하게 된다.

만일, 크롬을 26중량% 이상으로 첨가하면, 크롬이 기지내에 고르게 분산하여 고온에서의 니켈 첨가량 감소에 따른 강도 및 경도 부족을 완화시키고, 또한 표면에 크롬 산화물(Cr oxide)층을 형성하여 철(Fe)이 산화되는 것을 방지할 수 있으며, 결국 부품의 산화가 되는 것을 방지하고 산화층을 생성시키지 않으므로 산화층이 떨어져서 생기는 터빈 블레이드 및 촉매의 파손을 미연에 방지할 수 있다.

그러나, 크롬을 26중량% 이상으로 첨가하면, 카바이드 석출 증대에 따른 카바이드가 성장될 우려가 있으므로 22~26중량% 범위로 제한하는 것이 바람직하며, 크롬 카바이드가 과대 성장될 경우 이는 결정립계 주위에 분포하여 결정립계를 취약하게 만들며, 작은 충격에 의해서도 균열의 기점 및 진전 통로로 작용하여 배기계의 수명을 짧게 할 수 있으므로 피해야 할 상이다.

6) 니오븀(Nb) 2.5 ~ 3.3 중량%

니오븀 성분은 2.5~3.3 중량%로 제한하는데, 이는 재료의 고온성질 향상에 일부 기여하기 위함이다.

또한, 본 발명에서 니오븀은 크롬이 과다 첨가하여 형성하게 될 크롬 카바이드를 형성하지 못하도록 먼저 니오븀 카바이드를 형성시킨다.

즉, 니오븀은 탄소와 만나면 크롬보다 카바이드를 더 잘 만드는 원소로 우선적으로 탄소와 반응하여 니오븀 카바이드를 형성한다.

상기 니오븀 카바이드는 재료 내에서 입계 파괴를 방지하고 내식성을 증대시키는 등 오히려 긍정적인 역할을 하므로, Nb의 첨가 결과는 매우 긍정적이며, 이에 니오븀의 첨가량은 기본적으로 탄소 함량보다 약 10배 정도로 하는 것이 적당하므로 2.5~3.3 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

이와 같은 조성의 오스테나이트계 내열 주강재를 기반으로, 예컨대 배기매니폴드를 포함한 자동차용 주강재 부품은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 통상적인 주조 방식에 의해 제조될 수 있으며, 본 발명에 의해 한정하지는 않는다.

이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 더욱 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예

하기의 표 1에 기재된 바와 같이, 철(Fe)를 기지로 하고, 여기에 탄소(C) 0.32중량%, 규소(Si) 0.4중량%, 망간(Mn) 1.2중량%, 니켈(Ni) 18.2중량%, 크롬(Cr) 22.3중량%, 니오븀(Nb) 2.5중량%가 첨가된 주강재를 통상의 주조 방식에 의하여 자동차의 배기계 부품을 위한 시편으로 제조하였다.

비교예1 및 비교예2

하기의 표 1에 기재된 바와 같이, 비교예1은 철(Fe)를 기지로 하고, 여기에 탄소(C) 3.2중량%, 규소(Si) 4.4중량%, 망간(Mn) 0.33중량%, 몰리브덴(Mo) 0.85중량%, 황(S) 0.03중량%, 마그네슘(Mg) 0.02중량%가 첨가된 SiMo 주철재를 이용하여 통상의 주조 방식에 의하여 자동차의 배기계 부품을 위한 시편으로 제조하였다.

비교예2는 철(Fe)를 기지로 하고, 여기에 탄소(C) 2.3중량%, 규소(Si) 5.0중량%, 망간(Mn) 0.45중량%, 니켈(Ni) 36.2중량%, 몰리브덴(Mo) 0.02중량%, 황(S) 0.03중량%, 마그네슘(Mg) 0.08중량%가 첨가된 오스테나이트계 주철재를 이용하여 통상의 주조 방식에 의하여 자동차의 배기계 부품을 위한 시편으로 제조하였다.

실험예

실시예 및, 비교예1,2에 의한 시편 주물을 각각 800℃에서 300시간동안 산화시험을 하였고, 각 시험편에 대한 고온인장시험을 통상의 측정장비를 이용하여 실시하였다.

그 결과로서, 첨부한 도 1은 산화 시험 결과로서 산화층 두께를 측정한 결과를 나타내는 전자현미경 사진이며, 도 1의 사진에서 보는 바와 같이 본 발명으로 제작된 실시예의 표면에는 800℃에서 매우 뚜렷한 산화안정성을 보이는 반면, 비교예1 및 2에서는 100㎛이상의 산화층이 관찰되었다.

첨부한 도 2는 실시예 및 비교예1,2에 따른 시험편에 대한 고온인장시험을 실시하여 그 결과를 도시한 그래프로서, 배기매니폴드가 필요한 고온 영역에서 실시예가 매우 안정한 인장강도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.

가혹한 배기계 모드인 재질표면온도 800℃ 이상에서 비교예 1, 2는 다소 취약한 인장강도를 나타내었는데, 이는 주철재의 특성상 내부에 흑연 조직이 존재하기 때문으로 판단되며, 내열주철이라 하더라도 더 고온으로 배기온이 상승될 경우 사용이 다소 어려울 것으로 판단된다.

도 1은 본 발명에 따른의 실시예와, 비교예 1, 2에 따라 제작된 시편에 대한 조직 및 산화층 두께 사진,

도 2는 본 발명에 따른 실시예와, 비교예 1, 2에 따라 제작된 시편에 대하여 고온인장시험을 실시한 결과를 나타내는 그래프,

도 3는 본 발명에 따른 오스테나이트계 내열 주강재를 이용하여 제조되는 배기 매니폴드를 나타낸 개략도.

Claims (1)

1. 배기계용 자동차 오스테나이트계 내열 주강재에 있어서,

   철(Fe)를 기지로 하고, 여기에 탄소(C) 0.3~0.5중량%, 규소(Si) 0.5~1.0중량%, 망간(Mn) 0.5~1.5중량%, 니켈(Ni) 18~22중량%, 크롬(Cr) 22~26중량%, 니오븀(Nb) 2.5~3.3중량%을 첨가된 것을 특징으로 하는 배기계용 오스테나이트계 내열 주강재.

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