KR20120000420A - 고온 피로수명 및 연신율이 우수한 오스테나이트계 내열 주강 및 이를 이용하여 제조된 배기매니폴드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오스테나이트계 내열 주강에 관한 것으로서, 상기 오스테나이트계 내열 주강은, 탄소(C) 0.4∼0.6 wt％, 규소(Si) 0.5∼1.0 wt％, 망간(Mn) 1.0∼1.5 wt％, 니켈(Ni) 18∼22 wt％, 크롬(Cr) 23∼27 wt％, 나이오븀(Nb) 2.0∼3.0 wt％, 텅스텐(W) 1.5∼2.5 wt％ 및 질소(N) 0.02∼0.08 wt％ 및 잔부의 철(Fe)을 포함하는 것을 특징으로 하여, 가혹한 조건의 환경하에 설치되는 배기매니폴드를 본 오스테나이트계 내열 주강으로 성형할 수 있게 된다.

Description

고온 피로수명 및 연신율이 우수한 오스테나이트계 내열 주강 및 이를 이용하여 제조된 배기매니폴드{Austenitic Casting Steel with Superior Fatigue Life and Elongation on High Temperature and Exhaust Manifold Using The Same}

본 발명은 오스테나이트계 내열 주강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온 피로수명 및 고온 연신율이 우수한 오스테나이트계 내열 주강을 형성하여 가혹한 조건에서 고내열 물성이 요구되는 부품에 적용한 오스테나이트계 내열 주강에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 오스테아니트계 내열 주강을 이용하여 제조된 배기매니폴드에 관한 것이다.

일반적으로, 차량에 구성된 배기매니폴드(exhaust manifold)는 각 기통에서 배출되는 배출가스를 하나의 흐름으로 모으는 배기관을 일컫는다.

이러한 배기매니폴드는 실린더헤드에서 나온 배기가스를 가장 먼저 받는 곳에 놓여져 있기 때문에, 엔진의 출력에 따라 대단히 높은 열충격을 받는다. 하지만, 배기매니폴드에는 엔진과는 달리 냉각수 등의 쿨러가 없으므로 엔진의 가속시에는 800∼900℃ 정도의 고온까지 올라가고 엔진의 정지시에는 주위의 공기 온도까지 급속도로 공냉된다. 이러한 과정을 하루에도 몇 번씩 반복하므로 배기매니폴드의 열충격은 매우 가혹한 정도이며, 엔진 내 부품 중에서 가장 큰 내구성이 요구되어 왔다.

이와 같은 배기매니폴드에 사용되는 재질은 고온 내산화 주철소재로 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℃ 정도이며, 이를 배기가스 온도로 보면 약 700∼800℃ 정도이다. 이 온도범위에서 위의 재질들은 피로수명이 300사이클(cycle)이하, 연신율 15％ 이하이다.

그러나, 최근들어서는 자동차의 출력 증대 및 배기가스 규제 강화에 따라 이를 만족시키기 위해 배기가스 온도가 지속적으로 상승되고 있으며, 내구성 및 품질에 대한 측면도 강화되면서 배기계가 받게 되는 부하는 점점 더 커지고 있다. 따라서, 더욱 높은 온도 범위에서 피로수명과 연신율의 향상이 요구된다.

이에, 본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 철(Fe)에 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 나이오븀(Nb), 텅스텐(W) 및 질소(N)의 성분을 더 포함한 오스테나이트계 내열 주강을 형성함으로써 고온에서 우수한 피로수명과 연신율을 갖는 오스테나이트계 내열 주강을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기 오스테아니트계 내열 주강을 이용하여 제조된 배기매니폴드를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적은, 오스테나이트계 내열 주강을 구성함에 있어서, 상기 오스테나이트계 내열 주강은, 탄소(C) 0.4∼0.6 wt％, 규소(Si) 0.5∼1.0 wt％, 망간(Mn) 1.0∼1.5 wt％, 니켈(Ni) 18∼22 wt％, 크롬(Cr) 23∼27 wt％, 나이오븀(Nb) 2.0∼3.0 wt％, 텅스텐(W) 1.5∼2.5 wt％ 및 질소(N) 0.02∼0.08 wt％ 및 잔부의 철(Fe)을 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열 주강에 의해 달성된다.

또한, 상기 목적은 상기 오스테나이트계 내열 주강을 이용하여 제조된 배기매니폴드에 의해 달성된다.

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강에 따르면, 오스테나이트계 내열 주강이 고온에서의 피로수명이 개선되어 우수한 피로수명과 연신율을 갖음으로써 본 오스테나이트계 내열 주강을 가혹한 조건의 환경하에 설치되는 배기매니폴드로 제조할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 오스테나이트계 내열 주강의 고온인장 시험 결과를 보인 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 오스테나이트계 내열 주강의 고온 피로시험 결과를 보인 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

첨부도면 도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 오스테나이트계 내열 주강의 고온인장 시험 결과와 고온 피로시험 결과를 보인 그래프이다.

본 발명에 따른 오스테나이트계 내열 주강재는 고온 피로수명 및 연신율이 우수하여 배기계의 배기매니폴드에 매우 적합하다.

이러한 본 발명의 오스테나이트 내열 주강은 화학성분 중 크롬(Cr), 니켈(Ni), 규소(Si), 나이오븀(Nb), 텅스텐(W) 및 질소(N)가 포함되어 고온물성을 향상시킨다. 기지를 오스테나이트로 하는 것은 페라이트 기지 대비 고온 피로강도가 우수하므로 고온에서 사용되는 재질에 크게 유리하며, 온도 상승 및 냉각 중에 펄라이트의 생성을 억제하여 상변태로 인한 팽창도 막을 수 있기 때문에 유리하다.

상기와 같은 오스테나이트계 내열 주강재는 종래의 재질과는 첨가성분이 완전히 차별화되어 주요 첨가 원소로 탄소(C) 0.4∼0.6 wt％, 규소(Si) 0.5∼1.0 wt％, 망간(Mn) 1.0∼1.5 wt％, 니켈(Ni) 18∼22 wt％, 크롬(Cr) 23∼27 wt％, 나이오븀(Nb) 2.0∼3.0 wt％, 텅스텐(W) 1.5∼2.5 wt％ 및 질소(N) 0.02∼0.08 wt％를 포함한다.

여기서, 탄소(C) 성분은 용탕의 유동성, 즉 주조성을 개선하고, 나이오븀(Nb)와 공정탄화물을 생성해서 주조성을 높이는 작용을 한다. 이와 같은 작용을 효과적으로 발휘하기 위해 탄소(C)은 0.4∼0.6 wt％으로 제한하는 것이 바람직하다.

규소(Si) 성분은 본 발명의 주요원소로서, 오스테나이트 주강에서 고온 피로강도 향상에 영향을 주기 때문에, 보다 향상된 효과를 위해서 규소(Si)의 함량은 0.5∼1.0 wt％로 제한하는 것이 바람직하다.

니켈(Ni) 성분은 내열 주강에서 고온물성을 향상시키는데 첨가되는 대표적인 원소로서, 첨가시 고온에서의 피로수명 뿐 아니라 연신율 및 연성을 증대시키는데 큰 영향을 주는 원소이다. 그러나, 가격이 매우 고가이고 최근 원자재의 가격이 더욱 증가하면서 니켈(Ni)이 첨가된 재질은 니켈(Ni)의 가격에 따라 재질의 가격이 변동되는 단점이 있다. 따라서, 니켈(Ni)의 첨가를 최소화하면서 동일한 물성을 가지는 재질의 개발이 필수적이다. 이에, 본 발명에서는 니켈(Ni)의 함량이 22wt％가 넘지 않도록 18∼22 wt％로 제한하였다. 이는, 오스테나이트 내열 주강재의 고온물성의 향상에 필요한 최소 요구치이고, 여타의 내부식성 및 내열성의 보완은 상대적으로 경제적인 크롬(Cr)을 첨가하여 보완하였다.

크롬(Cr) 성분은 내산화성에 기여하는 원소로서, 본 발명에서 상대적으로 적은 함량의 니켈(Ni)을 보완하여 니켈(Ni)과 유사한 피로수명 및 물성을 향상시키는 역할을 한다. 크롬(Cr)은 니켈(Ni)에 비해 원가가 약 20∼40％ 정도이므로 경제적으로도 매우 탁월한 배기매니폴드의 제작이 가능하다. 또한, 본 발명에서 크롬(Cr)을 23∼27 wt％ 첨가하는 이유는 23 wt％ 미만 첨가시는 효과가 미미하고, 27 wt％ 초과시는 기지조직이 오스테나이트가 아닌 페라이트로 되기 때문이다.

나이오븀(Nb) 성분은 탄소(C)와 결합하여 미세한 탄화물을 형성해 고온에서 피로수명을 증대시키는 원소로서, 피로수명의 원활한 증대를 위해 그 함량은 2.0∼3.0 wt％로 제한하는 것이 바람직하다.

텅스텐(W) 성분은 나이오븀(Nb)와 유사하게 탄소(C)와 결합하여 미세한 탄화물을 형성해 고온에서 피로수명을 증대시키는 원소로서, 피로수명의 원활한 증대를 위해 그 함량은 1.5∼2.5 wt％로 제한하는 것이 바람직하다.

질소(N) 성분은 탄소(C)와 같이 오스테나이트 안정화 원소로서 고온 피로수명을 개선하며, 크롬(Cr)과 질화물 석출에 의한 취성을 막기 위해 0.08 wt％ 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

망간(Mn) 성분은 함량 증가시 별도의 열처리 없이 응고 중 조직 내부에 미세분산상(dispersoid)이 형성되어 피로수명 증가효과를 나타내며, 과도하게 첨가되는 경우 연성 및 내식성이 저하되는 점을 고려하여 본 발명에서는 그 함량을 1.0∼1.5 wt％로 제한하는 것이 바람직하다.

그리고, 철(Fe)은 오스테나이트계 내열 주강의 주성분으로서, 전술한 원소의 조성을 제외한 나머지 조성을 포함한다.

상기한 조성의 오스테나이트 내열 주강은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 통상적인 주조 방식에 의해 제조될 수 있으며, 본 재질의 최대 사용 가능한 온도는 재질의 표면온도 800∼900℃로 배기가스 온도 950∼1050℃까지 사용이 가능하다.

따라서, 본 발명의 오스테나이트 내열 주강 제품은 고출력 엔진의 배기매니폴드에 적합하게 사용될 수 있다.

이하, 하기의 실시예에 의하여 상세히 설명한다.

하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 및 비교예 1∼2>

화학성분

구분	화학성분 (wt％)
	C	Si	Mn	Ni	Cr	Nb	W	N
실시예	0.53	0.81	1.10	20.14	25.61	2.56	2.04	0.05
비교예1	0.34	1.11	1.04	11.3	21.4	1.78	2.89	-
비교예2	0.4	1.13	1.03	13.2	24.5	1.74	-	-

위 표 1에서 실시예는 본 발명에 따른 오스테나이트 내열 주강품이고, 비교예 1,2 는 일반적인 오스테나이트 내열 주강품이다.

<실험예> 고온 인장시험 및 고온 피로 시험

고온인장 시험의 경우, KS D 0026의 "철강재료 및 내열 합금의 고온 인장시험 방법"에 따라 800℃, 900℃에서 시험한 후, 연신율을 측정하였다.

고온 피로 시험의 경우, ASTM E606 "Standard Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing"에 입각하여 800℃, 900℃에서 변형률 진폭 0.3％와 0.5％로 실험하였다.

물성 시험결과 (온도는 시험편의 온도임)

구분	연신율 (％)		피로수명 (Cycle)
	800℃	900℃	800℃		900℃
			0.3％	0.5％	0.3％	0.5％
실시예	34.0	41.3	1260	1150	260	213
비교예1	16.1	21.7	790	675	151	108
비교예2	15.9	22.6	776	673	142	111

고온물성의 실험 결과, 가혹한 배기계 모드인 재질 표면온도 800∼900℃에서 실시예가 가장 높은 고온 피로수명 및 연신율을 나타내었다.

이것은 니켈(Ni), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 나이오븀(Nb), 질소(N)가 고온 피로수명의 향상과, 니켈(Ni)이 연신율의 향상에 크게 기여한 결과로 측정된다.

Claims (2)

1. 오스테나이트계 내열 주강을 구성함에 있어서,
   상기 오스테나이트계 내열 주강은, 탄소(C) 0.4∼0.6 wt％, 규소(Si) 0.5∼1.0 wt％, 망간(Mn) 1.0∼1.5 wt％, 니켈(Ni) 18∼22 wt％, 크롬(Cr) 23∼27 wt％, 나이오븀(Nb) 2.0∼3.0 wt％, 텅스텐(W) 1.5∼2.5 wt％ 및 질소(N) 0.02∼0.08 wt％ 및 잔부의 철(Fe)을 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열 주강.
2. 청구항 1의 오스테나이트계 내열 주강을 이용하여 제조된 배기매니폴드.

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