KR20130012957A

KR20130012957A - 상온 인성이 우수한 페라이트계 내열 주강 및 그것으로 이루어진 배기계 부품

Info

Publication number: KR20130012957A
Application number: KR1020127028477A
Authority: KR
Inventors: 마사히데 가와바타
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2013-02-05
Also published as: CN102822370B; JPWO2011125901A1; JP5626338B2; US8900510B2; EP2554703B1; US20130022489A1; EP2554703A4; CN102822370A; EP2554703B8; WO2011125901A1; EP2554703A1; KR101745927B1

Abstract

질량비로 0.32～0.48 %의 C, 0.85% 이하의 Si, 2% 이하의 Mn, 1.5% 이하의 Ni, 16～19.8 %의 Cr, 3.2～5 %의 Nb, 9～11.5의 Nb/C, 0.15% 이하의 N, 0.002～0.2 %의 S, 및 합계 0.8% 이하의 W 및/또는 Mo을 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지고, δ상과 Nb 탄화물(NbC)의 공정(共晶) (δ＋NbC)상(相)의 면적 비율이 60～90 %인 조직을 가지는 상온 인성(靭性)이 우수한 페라이트계 내열 주강(鑄鋼), 및 그것으로 이루어진 배기계 부품.

Description

상온 인성이 우수한 페라이트계 내열 주강 및 그것으로 이루어진 배기계 부품{FERRITE HEAT-RESISTANT CAST STEEL HAVING EXCELLENT NORMAL-TEMPERATURE TOUGHNESS AND EXHAUST SYSTEM COMPONENT FORMED FROM THE SAME}

본 발명은, 자동차용 가솔린 엔진 및 디젤 엔진의 배기계 부품, 특히 배기 매니폴드(exhaust manifold) 등에 적합한, 상온 인성(靭性)이 우수한 페라이트계 내열 주강(鑄鋼), 및 그것으로 이루어진 배기계 부품에 관한 것이다.

지구 온난화 방지를 위하여, 자동차로부터 배출되는 CO₂ 가스의 배출량의 삭감이 강하게 요구되고 있다. CO₂ 가스 배출량을 삭감하기 위해서는, 주로 자동차 연비 성능의 향상(저연비화)이 필요하다. 저연비화를 위한 대응 기술로서는, 연료 직분사(fuel direct injection) 방식의 채용, 압축비의 증대, 과급화(過給化)에 의한 엔진의 경량 컴팩트화(다운사이징), 과급기(turbocharger)의 부스트압의 상승 등을 예로 들 수 있다. 이들 기술의 도입에 따라 엔진에서의 연료의 연소는 보다 고온 및 고압이 되는 경향이 있으며, 그 결과, 엔진의 연소실로부터 배기 매니폴드나 촉매 케이스 등의 배기계 부품으로 배출되는 배기 가스의 온도는 1000℃ 근처까지 상승하게 되었다. 이와 같이 고온의 배기 가스에 노출되는 배기계 부품에는 우수한 내열 특성(내산화성, 내열 균열성, 내열 변형성)이 요구되고 있다. 배기계 부품 중에서도 배기 매니폴드 등에는, 특히 내산화성 및 내열 균열성이 중요하다.

종래, 사용 조건이 고온이며 가혹한 환경 하의 배기 매니폴드 등의 배기계 부품에는, 고Si 구형(球形) 흑연 주철, 니레지스트(Ni-resist) 주철(Ni-Cr계 오스테나이트 주철) 등의 내열 주철이나, 페라이트계 내열 주강, 오스테나이트계 내열 주강 등이 사용되고 있었다. 페라이트계의 4% Si-0.5% Mo의 구형 흑연 주철은, 800℃ 부근까지 비교적 양호한 내열 특성을 나타내지만, 그것을 초과하는 온도에서는 내구성이 뒤떨어진다. Ni, Cr, Co 등의 희소 금속을 많이 함유하는 니레지스트 주철 등의 내열 주철이나 오스테나이트계 내열 주강은 800℃ 이상에서의 내산화성 및 내열 균열성을 동시에 만족시킨다. 그러나, 니레지스트 주철은 Ni의 함유량이 많기 때문에 고가일 뿐만 하니라, 오스테나이트계 기지(基地) 조직이므로 선팽창율이 크고, 또한 마이크로 조직에 파괴의 기점(起點)이 되는 흑연이 존재하고 있으므로, 내열 균열성이 뒤떨어진다. 또한, 오스테나이트계 내열 주강은, 파괴의 기점이 되는 흑연은 없지만, 선팽창율이 크기 때문에 900℃ 부근에서의 내열 균열성이 불충분하다. 이뿐만 아니라, 희소 금속을 많이 함유하여 고가이며, 세계경제 정세의 영향을 받기 쉬워, 안정적인 원료 공급이 불안하다.

배기계 부품용 내열 주강은, 경제성 및 원료의 안정적인 공급뿐만 아니라 자원의 유효 활용의 관점에서, 희소 금속의 함유량을 최대한 억제하여 필요한 내열 특성을 확보하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 염가로 고성능의 배기계 부품을 얻을 수 있고, 저연비화의 기술을 염가인 대중차에도 적용할 수 있고, CO₂ 가스의 배출량의 삭감에 공헌할 수 있다. 희소 금속의 함유량을 최대한 억제하기 위해서는, 합금의 기지 조직을 오스테나이트로부터 페라이트로 변경하는 것이 유리하다. 여기에 더하여 페라이트계 내열 주강은 오스테나이트계 내열 주강보다 선팽창율이 작으므로, 엔진의 시동 및 발진에 따라 발생하는 열응력이 작고, 내열 균열성이 우수하다.

페라이트계 내열 주강은, 내산화성을 위해 Cr을 많이 함유하므로, 상온에서의 인성이 부족하다. 배기계 부품에는, 생산 과정이나 엔진에 조립 장착하는 과정 등에서 기계적 진동 및 충격이 가해진다. 그러므로, 배기계 부품에 사용하는 페라이트계 내열 주강은, 기계적 진동 및 충격에서도 균열 및 분열이 생기지 않도록, 충분한 상온 인성을 가질 필요가 있다.

일본 특허출원 공개번호 2007-254885호는, Fe를 주성분으로 하고, 0.10～0.50 질량%의 C, 1.00～4.00 질량%의 Si, 0.10～3.00 질량%의 Mn, 8.0～30.0 질량%의 Cr, 및 0.1～5.0 질량%의 Nb 및/또는 V를 함유하는 페라이트계 스테인레스 주강으로 이루어지고, 두께 1～5 mm의 박육부(薄肉部)를 가지고, 박육부의 조직에 있어서의 페라이트 상(相)의 평균 결정립 직경이 50～400 ㎛이므로 고온 강도가 향상된 박육 주물 부품에 대하여 개시하고 있다. 이 박육 주물 부품에서의 5 mm 이하의 박육부는, 주조 후에 급랭하기 때문에 페라이트 상의 평균 결정립 직경이 작아져, 고온에서의 내력(耐力), 인장 강도 및 파단 성장이 높다.

그러나, 배기계 부품에는, 실린더 헤드에 장착되는 플랜지, 차열판에 장착되는 보스, 볼트 체결 부위 등, 두께가 5 mm 이상이며 냉각 속도가 느린 부위가 많다. 또한, 두께가 5 mm 이하라도, 수축공(shrinkage cavity)을 방지하기 위한 압탕(押湯) 근방의 부위나, 사형(sand mold) 내에서 인접하는 캐비티로 형성되므로 과열되기 쉬운 부위에서도, 냉각 속도는 느리다. 이와 같은 냉각 속도가 느린 부위에서는 평균 결정립 직경이 크며, 상온 인성이 낮다. 그러나, 일본 특허출원 공개번호 2007-254885호에는 인성의 저하를 억제하는 수단에 대하여 개시되어 있지 않다. 또한, 일본 특허출원 공개번호 2007-254885호의 페라이트계 내열 주강에서는, 다량의 Si의 함유에 의해 융점을 낮추어 용탕(溶湯)의 유동성을 개선하고, 고온 강도, 내산화성, 내침탄성(耐侵炭性) 및 피삭성(被削性)을 개선하고 있지만, 1.00～4.00 질량%(실시예에서는 약 2% 이상)와 다량의 Si를 함유하므로, 페라이트 기지 조직에 Si가 고용(固溶)되어, 상온 인성이 저하된다. 높은 상온 인성을 얻기 위해 박육부 이외에도 평균 결정립 직경을 작게 하고, 취화(脆化) 방지를 위해 기지 조직으로의 합금 원소의 고용량을 최소한으로 억제할 필요가 있지만, 일본 특허출원 공개번호 2007-254885호는 이러한 점을 해결하고 있지 않다.

일본 특허출원 공개번호 평7-197209호는, 중량 비율로 0.15～1.20 %의 C, 0.05～0.45 %의 C-Nb/8, 2% 이하의 Si, 2% 이하의 Mn, 16.0～25.0 %의 Cr, 1.0～5.0 %의 W 및/또는 Mo, 0.40～6.0 %의 Nb, 0.1～2.0 %의 Ni, 0.01～0.15 %의 N, 및 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지고, 통상의 α상(α페라이트 상) 외에, γ상(오스테나이트상)으로부터 α＋탄화물로 변태한 상(α'상)을 가지고, 또한 α'상의 면적 비율 {α'/(α＋α')}을 20～70 %로 함으로써 주조성이 개선된 페라이트계 내열 주강에 대하여 개시하고 있다. 이 페라이트계 내열 주강은 NbC의 형성에 필요한 양 이상의 C(오스테나이트화 원소)를 함유하므로, 기지 조직에 고용된 C에 의해 응고 시에 γ상이 생성되며, 냉각 과정에서 γ상은 α'상으로 변태하며, 이에 따라 연성(延性) 및 내산화성이 향상된다. 그러므로, 이 페라이트계 내열 주강은 900℃ 이상에서 사용되는 배기계 부품에 적합하다.

그러나, 주조 상태에서는 γ상으로부터 α'상으로의 변태는 충분히 진행되지 않으며, γ상으로부터 마르텐사이트상으로 변태한다. 마르텐사이트상은 고경도이므로, 상온에서의 인성이나 피삭성을 현저하게 악화시킨다. 인성 및 피삭성을 확보하기 위해서는, 승온하여 마르텐사이트상을 소멸시키고, α'상을 석출하는 열처리가 필요하다. 열처리는 일반적으로 제조 비용을 상승시키므로, 희소 금속의 함유량이 적은 페라이트계 내열 주강의 경제적 이점을 해친다.

일본 특허출원 공개번호 평11-61343호는, 중량 비율로 0.05～1.00 %의 C, 2% 이하의 Si, 2% 이하의 Mn, 16.0～25.0 %의 Cr, 4.0～20.0 %의 Nb, 1.0～5.0 %의 W 및/또는 Mo, 0.1～2.0 %의 Ni, 0.01～0.15 %의 N, 및 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지고, 통상의 α상 외에 라베스상(laves phase)(Fe₂M)을 가지는 것에 의해 고온 강도, 특히 크리프 파단 강도가 우수한 페라이트계 내열 주강에 대하여 개시하고 있다. 이 페라이트계 내열 주강은, Nb, W, Mo, Ni 및 N의 조합에 의해 라베스상을 가지며, 이에 따라 고온 강도, 특히 크리프 파단 강도를 향상시키고 있지만, 합금 원소를 다량으로 함유하므로 상온 인성은 반드시 충분한 것은 아니다.

일본 특허출원 공개번호 2007-254885호 일본 특허출원 공개번호 평7-197209호 일본 특허출원 공개번호 평11-61343호

따라서, 본 발명의 목적은, 900℃ 부근에서의 내산화성 및 내열 균열성을 확보하면서, 상온 인성이 우수한 페라이트계 내열 주강, 및 이 페라이트계 내열 주강으로 이루어지는 배기 매니폴드 등의 배기계 부품을 제공하는 것이다.

상기 목적을 감안하여, 약 15～20 질량%의 Cr을 함유하는 페라이트계 내열 주강을 베이스로 하고, 내열 특성을 열화시키지 않고 주조 상태에서 상온 인성을 향상시키는 것에 대하여 검토를 거듭한 결과, 이하의 것을 알 수 있었다.

(1) 배기계 부품과 같은 박육하고 복잡한 형상의 주물을 제조하는 경우, 주조 재료에는 양호한 탕류성(湯流性)이 요구된다. 탕류성의 향상에는 일반적으로 C의 함유량을 증가시켜 응고 개시 온도를 저하시키는 것이 유효하지만, 단지 C를 증가시키는 것 만으로는 Cr 탄화물의 석출량의 증가나, 마르텐사이트로 변태하는 γ상의 정출(晶出)에 의해 인성이 악화된다. 인성의 저하를 억제하면서 탕류성을 향상시키기 위해서는, C와 함께 Nb를 증가시킬 필요가 있다는 것을 알았다. 일반적으로 체심 입방정(BCC) 구조로 이루어지는 δ상은, 강도 향상 등을 목적으로 합금 원소를 기지 조직에 고용시키거나, 정출물 또는 석출물을 형성시키면 인성이 저하되므로, 페라이트계 내열 주강에 C 및 Nb를 함께 다량으로 함유시키면 인성이 저하될 것으로 예상하였지만, 예상에 반해 인성이 대폭 향상되었다. 인성 향상의 이유는, C 및 Nb가 증가하면 δ상과 Nb 탄화물(NbC)의 공정(共晶) (δ＋NbC)상(相)이 증가하는 한편, 초정(初晶)의 δ상이 감소하므로, 초정 δ상의 성장 전에 공정 (δ＋NbC)상의 정출이 시작되어, 양자가 서로 성장을 억제한 결과, 초정 δ상 및 공정 (δ＋NbC)상의 양쪽의 결정립이 미세화되기 때문인 것으로 추측된다. 초정 δ상 및 공정 (δ＋NbC)상의 결정립을 미세화시키기 위해서는, 양자의 정출량을 최적으로 제어할 필요가 있다.

(2) 초정 δ상 및 공정 (δ＋NbC)상의 결정립의 미세화 외에, 인성에 유해한 γ상의 정출의 저지 및 δ상으로의 Nb의 고용의 억제를 위하여, C와 Nb의 함유량의 밸런스가 중요하다. Nb와 C의 함유량의 비(Nb/C)를 원하는 범위로 규제하면, Nb 및 C는 기지 조직의 페라이트에 거의 고용되지 않으며, 또한 잉여 C도 생성되지 않고 Nb 탄화물(NbC)로서 정출되는 것을 알았다. 그 결과, γ상이 정출되지 않고, Nb의 δ상으로의 고용이 최소화되어 인성의 열화가 억제된다.

따라서, C, Si, Nb 등의 함유량을 원하는 범위로 제어하고, 초정 δ상(δ페라이트 상)과, δ상과 Nb 탄화물(NbC)의 공정 (δ＋NbC)상을 최적 비율로 공존시키면, 900℃ 부근에서의 내산화성 및 내열 균열성을 확보하면서, 우수한 상온 인성을 가지는 페라이트계 내열 주강을 얻을 수 있다.

즉, 본 발명의 상온 인성이 우수한 페라이트계 내열 주강은, 질량비로

0.32～0.48 %의 C,

0.85% 이하의 Si,

2% 이하의 Mn,

1.5% 이하의 Ni,

16～19.8 %의 Cr,

3.2～5 %의 Nb,

9～11.5의 Nb/C,

0.15% 이하의 N,

0.002～0.2 %의 S, 및

합계 0.8% 이하의 W 및/또는 Mo

를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지고, δ상과 Nb 탄화물(NbC)의 공정 (δ＋NbC)상의 면적 비율이 60～90 %인 조직을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 배기계 부품은, 상기 페라이트계 내열 주강으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 배기계 부품으로서는, 배기 매니폴드, 터빈 하우징, 터빈 하우징 일체 배기 매니폴드, 촉매 케이스, 촉매 케이스 일체 배기 매니폴드, 또는 배기 가스 아웃렛을 예로 들 수 있으며, 특히 배기 매니폴드, 촉매 케이스, 촉매 케이스 일체 배기 매니폴드, 배기 가스 아웃렛이 바람직하다.

본 발명의 페라이트계 내열 주강은, 열처리를 행하지 않아도 900℃ 부근에서의 내산화성 및 내열 균열성을 확보하면서 우수한 상온 인성을 가지므로, 고성능이며, 또한 염가이다. 나아가서는, 희소 금속의 함유량을 억제하고 있으므로, 원료 비용 억제뿐만 아니라, 자원의 유효 활용과 안정적인 공급에도 공헌한다. 이와 같은 특징을 가지는 본 발명의 페라이트계 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품은 염가로 제조 가능하므로, 저연비화 기술의 적용 범위를 확대시켜, 자동차 등의 CO₂ 가스 배출량의 삭감에 공헌한다.

도 1은 실시예 8의 페라이트계 내열 주강의 마이크로 조직을 나타내는 광학 현미경 사진(100배)이다.
도 2는 시험편을 잘라낸 1 인치 Y 블록의 잉곳 A를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 시험편을 잘라낸, 단차를 가진 Y 블록의 잉곳 B를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 Nb 함유량과 상온 충격값의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 Nb 함유량과 공정 (δ＋NbC)상의 면적 비율의 관계를 나타내는 그래프이다.

[1] 페라이트계 내열 주강

본 발명의 페라이트계 내열 주강의 조성 및 조직을 이하에서 상세하게 설명한다. 그리고, 각 원소의 함유량을 나타내는 「%」는 특별히 언급하지 않는 한 「질량%」이다.

(A) 조성

(1) C(탄소): 0.32～0.48 %

C는, 응고 개시 온도를 강하시켜 용탕의 유동성, 즉 탕류성(주조성)을 양호하게 하는 작용을 가진다. 또한, C는 Nb와 결합하여 δ상과 Nb 탄화물(NbC)의 공정 (δ＋NbC)상을 형성하고, 고온 강도를 높이는 작용을 가진다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘하기 위하여, C 함유량은 0.32% 이상 필요하다. 그러나, C 함유량이 0.48%를 초과하면 공정 (δ＋NbC)상이 지나치게 많아져서, 페라이트계 내열 주강은 취화되어, 상온 인성이 저하된다. 따라서, C 함유량은 0.32～0.48 %로 한다. C 함유량은, 바람직하게는 0.32～0.45 %이며, 더욱 바람직하게는 0.32～0.44 %이며, 가장 바람직하게는 0.32～0.42 %이다.

(2) Si(규소): 0.85% 이하

Si는 용탕의 탈산제로서의 작용하는 것 외에, 내산화성을 개선하는 작용을 가진다. 그러나, Si는 0.85%를 초과하면 기지 조직의 페라이트에 고용되어, 기지 조직을 현저하게 취화시킨다. 그러므로, Si의 함유량은 0.85% 이하(0%를 포함하지 않음)로 한다. Si 함유량은, 바람직하게는 0.2～0.85 %이며, 더욱 바람직하게는 0.3～0.85 %이며, 가장 바람직하게는 0.35～0.85 %이다.

(3) Mn(망간): 2% 이하

Mn은, Si와 마찬가지로 용탕의 탈산제로서 유효하지만, 2%를 초과하면 페라이트계 내열 주강의 내산화성을 열화시킨다. 그러므로, Mn 함유량은 2% 이하(0%를 포함하지 않음)로 한다. Mn 함유량은, 바람직하게는 0.1～2 %이며, 더욱 바람직하게는 0.1～1.5 %이며, 가장 바람직하게는 0.2～1.2 %이다.

(4) Ni(니켈): 1.5% 이하

Ni은 오스테나이트 안정화 원소이며 γ상을 형성하고, 오스테나이트는 상온까지 냉각될 동안 마르텐사이트로 변태하고, 마르텐사이트는 상온 인성을 악화시킨다. 따라서, Ni 함유량은 매우 적은 것이 바람직하지만, Ni은 통상적으로 원료 스크랩재에 함유되어 있으므로, 불가피하게 페라이트계 내열 주강에 혼입된다. 상온 인성에 대한 악영향을 방지할 수 있는 Ni 함유량의 한계는 1.5% 이하이므로, Ni 함유량을 0～1.5 %로 한다. Ni 함유량은, 바람직하게는 0～1.25 %이며, 더욱 바람직하게는 0～1.0 %이며, 가장 바람직하게는 0～0.9 %이다.

(5) Cr(크롬): 16～19.8 %

Cr은 내산화성을 개선하고, 페라이트 조직을 안정시키는 원소이다. 900℃ 부근에서의 내산화성을 확보하기 위하여, Cr은 적어도 16% 필요하다. 한편, 페라이트 기지에 있어서 Cr이 19.8%를 초과하면, 시그마 취성이 발생하기 쉬워져 인성이 저하되고, 피삭성도 악화된다. 그러므로, Cr 함유량은 16～19.8 %로 한다. Cr 함유량은, 바람직하게는 17～19.8 %이며, 더욱 바람직하게는 17～19.5 %이며, 가장 바람직하게는 17.5～19.0 %이다.

(6) Nb(니오브): 3.2～5 %

Nb는 C와 결합하여 공정 (δ＋NbC)상을 형성하고, 고온 강도를 향상시키고, 또한 응고 개시 온도를 저하시킨다. 응고 개시 온도의 저하에 의해, 배기계 부품과 같은 박육이며 복잡한 형상의 주물의 제조에 중요한 탕류성이 향상된다. 또한, Nb는, 응고 시에 정출 탄화물(NbC)로서 C를 고정시키므로, 강력한 오스테나이트 안정화 원소인 C가 기지 조직의 페라이트에 고용되어 γ상을 정출하는 것을 방지하고, 이에 따라 인성의 저하를 방지한다. 또한, Nb는, 초정 δ상 및 공정 (δ＋NbC)상의 결정립의 미세화에 의해, 상온 인성을 현저하게 향상시킨다. Nb의 전술한 효과를 발휘하기 위하여, Nb 함유량은 3.2% 이상이 필요하다. 그러나, Nb가 5%를 초과하면, 공정 (δ＋NbC)상의 정출량이 과잉으로 되어, 페라이트계 내열 주강은 취화된다. 따라서, Nb 함유량은 3.2～5 %로 한다. 그리고, 본 발명의 페라이트계 내열 주강에 있어서 Nb에 의한 고온 강도, 탕류성 및 인성의 향상 효과는 약 4%에서 거의 달성할 수 있으며, 또한 Nb는 고가의 희소 금속이므로, Nb 함유량은 바람직하게는 3.2～4.0 %이다. Nb 함유량은 더욱 바람직하게는 3.2～3.9 %이며, 가장 바람직하게는 3.3～3.9 %이다.

(7) Nb/C: 9～11.5

Nb와 C의 함유량비(Nb/C)의 규제는, 900℃ 부근에서의 내산화성 및 내열 균열성을 확보하면서 우수한 상온 인성을 얻기 위해 가장 중요하다. Nb는 C와 탄화물을 형성하지만, C가 과잉되면(Nb/C비가 작으면), Nb 탄화물을 형성하지 않은 잉여 C는 기지 조직에 고용되어, δ상이 불안정하게 되어 γ상이 정출한다. 정출한 γ상은 상온에 도달할 동안 상온 인성을 저하시키는 마르텐사이트로 변태한다. 또한, Nb/C비가 작으면, 초정 δ상의 성장이 촉진되므로, 초정 δ상의 결정립의 미세화가 불충분하게 되어, 인성이 향상되지 않는다. γ상의 정출을 억제하면서 초정 δ상과 공정 (δ＋NbC)상의 결정립을 미세화하기 위해서는, Nb/C비는 9 이상 필요하다.

한편, Nb가 과잉이면(Nb/C비가 크면), Nb는 δ상에 고용되어, δ상에 격자 불균일을 부여하여, δ상의 상온 인성을 저하시킨다. 또한, Nb/C비가 크면, 공정 (δ＋NbC)상의 성장이 촉진되므로, 공정 (δ＋NbC)상의 결정립의 미세화가 불충분하게 되어, 인성이 향상되지 않는다. Nb의 δ상으로의 고용을 억제하면서 초정 δ상과 공정 (δ＋NbC)상의 결정립을 미세화하기 위해서는, Nb/C비는 11.5 이하일 필요가 있다. 이상의 이유에 따라, Nb/C비는 9～11.5로 한다. Nb/C비는 바람직하게는 9～11.3이며, 더욱 바람직하게는 9.3～11이며, 가장 바람직하게는 9.5～10.5이다.

(8) N(질소): 0.15% 이하

N는 강력한 오스테나이트 안정화 원소이며, γ상을 형성한다. γ상은 상온까지 냉각되는 동안 마르텐사이트화하여, 상온 인성을 악화시킨다. 그러므로, N 함유량은 가능한 적은 것이 바람직하지만, N는 원료 스크랩에 불가피하게 혼입되어 있다. 상온 인성에 대한 악영향을 미치지 않도록 하는 N의 한계는 0.15% 이하이므로, N 함유량을 0～0.15 %로 한다. N 함유량은, 바람직하게는 0～0.13 %이며, 더욱 바람직하게는 0～0.11 %이며, 가장 바람직하게는 0～0.10 %이다.

(9) S(유황): 0.002～0.2 %

S은 주강 중에서 구형 또는 괴상(塊狀)의 황화물을 생성하고, 황화물의 윤활 작용에 의해 피삭성을 향상시킨다. 이 효과를 얻으려면, S은 0.002% 이상 필요하다. 그러나, S이 0.2%를 초과하면, 페라이트계 내열 주강의 상온 인성이 저하된다. 그러므로, S 함유량은 0.002～0.2 %로 한다. S 함유량은, 바람직하게는 0.005～0.2 %이며, 더욱 바람직하게는 0.008～0.2 %이며, 가장 바람직하게는 0.01～0.2 %이다.

(10) W(텅스텐) 및/또는 Mo(몰리브덴): 합계 0.8% 이하

W 및 Mo은 기지 조직의 δ상에 고용되어, 페라이트 기지에 격자 불균일을 부여하고, 상온 인성을 악화시키므로, 가능한 적은 것이 바람직하다. 그러나, W 및 Mo은 통상적으로 원료 스크랩에 함유되어 있다. W 및 Mo이 모두 함유되어 있는 경우, 이들의 합계 (W＋Mo) 함유량이 0.8%를 초과하면, 조대(粗大)한 탄화물이 생성되어, 상온 인성이 저하된다. 따라서, W 및/또는 Mo의 함유량을 합계 0～0.8 %로 한다. W 및/또는 Mo의 함유량은 합계하여 바람직하게는 0～0.6 %이며, 더욱 바람직하게는 0～0.5 %이며, 가장 바람직하게는 0～0.3 %이다.

(B) 공정 (δ＋NbC)상의 면적 비율: 60～90 %

본 발명의 페라이트계 내열 주강에 있어서 δ상과 Nb 탄화물(NbC)의 공정 (δ＋NbC)상의 정출량을 제어하는 것은, 우수한 상온 인성을 확보하는데 있어서 중요하다. 본 발명의 페라이트계 내열 주강의 주조 시의 응고에서는, δ상이 먼저 초정으로서 응고된 후 비교적 단시간 후에, 비교적 다량의 공정 (δ＋NbC)상이 응고되다. 응고된 공정 (δ＋NbC)상에 의해 초정 δ상의 성장은 억제되고, 또한 공정 (δ＋NbC)상의 성장도 응고된 초정 δ상에 의해 억제된다. 이와 같이 초정 δ상 및 공정 (δ＋NbC)상이 서로 성장을 억제하므로, 초정 δ상과 공정 (δ＋NbC)상의 결정립은 모두 미세화되어, 인성이 현저하게 향상되는 것으로 추측된다. 이 효과를 얻기 위해서는, 조직 전체의 면적을 100%로 했을 때, 공정 (δ＋NbC)상의 면적 비율은 60～90 %일 필요가 있다. 공정 (δ＋NbC)상의 면적 비율이 60% 미만에서는, 초정 δ상의 결정립이 조대하게 되어, 상온 인성의 대폭적인 향상 효과를 얻을 수 없다. 공정 (δ＋NbC)상의 면적 비율이 90%를 초과하면, 공정 (δ＋NbC)상이 과잉이 되고, 그 결정립이 조대하고 또한 취화되어, 페라이트계 내열 주강의 인성은 저하된다. 공정 (δ＋NbC)상의 면적 비율을 60～90 %로 제어하기 위해서는, C 및 Nb의 함유량 및 Nb/C비를 전술한 범위로 규제할 필요가 있다. 공정 (δ＋NbC)상의 면적 비율은 바람직하게는 60～87 %이며, 더욱 바람직하게는 60～85 %이며, 가장 바람직하게는 60～80 %이다.

[2] 배기계 부품

상기 페라이트계 내열 주강으로 이루어지는 본 발명의 배기계 부품의 바람직한 예는, 배기 매니폴드, 터빈 하우징, 터빈 하우징과 배기 매니폴드를 일체로 주조한 터빈 하우징 일체 배기 매니폴드, 촉매 케이스, 촉매 케이스와 배기 매니폴드를 일체로 주조한 촉매 케이스 일체 배기 매니폴드, 및 배기 가스 아웃렛이지만, 이들로 한정되지 않고, 예를 들면, 금속판제 또는 파이프제의 부재와 용접하여 사용되는 주물 부재도 포함한다.

본 발명의 배기계 부품은 1000℃ 이상과 고온의 배기 가스에 노출되어, 표면 온도가 900℃ 부근에 이르지만, 높은 내산화성 및 내열 균열성은 유지되어, 우수한 내열성과 내구성을 발휘한다. 그러므로, 내산화성 및 내열 균열성이 특히 요구되는 배기 매니폴드, 촉매 케이스, 촉매 케이스 일체 배기 매니폴드, 및 배기 가스 아웃렛에 매우 적합하다. 또한, 우수한 상온 인성을 가지므로, 배기계 부품의 생산 과정, 엔진으로의 조립 과정 등에서 기계적 진동 및 충격 등을 받아도, 균열 및 깨짐이 생기지 않는다. 또한, 희소 금속의 함유량을 억제하고 있으므로 염가이다. 즉, 본 발명의 배기계 부품은, 높은 내열성 및 내구성을 가지면서, 염가이기 때문에 저연비화 기술을 확대할 수 있는 대중차에도 사용 가능하며, CO₂ 가스의 배출량의 삭감에 크게 공헌할 것으로 기대된다.

본 발명을 이하의 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들로 한정되지 않는다. 특별히 언급하지 않는 한 각 원소의 함유량은 질량%로 나타낸다.

실시예 1～ 20 및 비교예 1～21

실시예 1～ 20 및 비교예 1～21의 주강의 화학 조성을 표 1에 나타낸다. 실시예 1～20은 본 발명의 조성 범위 내의 페라이트계 내열 주강이며, 비교예 1～18은 본 발명의 조성 범위를 벗어난 주강이다. 비교예 1 및 2에서는 C 및 Nb의 함유량이 지나치게 적으며, 비교예 3 및 4의 주강은 C 및 Nb의 함유량이 지나치게 많고, 비교예 5의 주강은 Cr 함유량이 지나치게 적고, 비교예 6 및 7의 주강은 Cr 함유량이 지나치게 많고, 비교예 8의 주강은 C 함유량이 지나치게 적고, 비교예 9의 주강은 C 함유량이 지나치게 많고, 비교예 10의 주강은 Nb 함유량이 지나치게 적고, 비교예 11의 주강은 Nb 함유량이 지나치게 많고, 비교예 12의 주강은 Nb/C비가 지나치게 크고, 비교예 13 및 14의 주강은 Nb/C비가 지나치게 작고, 비교예 15 및 16의 주강은 Si 함유량이 지나치게 많고, 비교예 17의 주강은 W 함유량이 지나치게 많고, 비교예 18의 주강은 Mo 함유량이 지나치게 많다. 비교예 19의 주강은 일본 특허출원 공개번호 2007-254885호에 기재된 페라이트계 스테인레스 주강의 일례이며, 비교예 20의 주강은 일본 특허출원 공개번호 평7-197209호에 기재된 페라이트계 내열 주강의 일례이며, 비교예 21의 주강은 일본 특허출원 공개번호 평11-61343호에 기재된 페라이트계 내열 주강의 일례이다.

[표 1]

주: (1) 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이다.

(2) 「-」 기호는 W 및 Mo이 0.1 질량% 미만인 것을 의미한다.

각 주강을 용량 100 kg의 고주파 용해로(염기성 라이닝)를 사용하여 대기중에서 용해시킨 후, 1600～1650 ℃에서 출탕(出湯)하고, 즉시 1530～1560 ℃에서 2종류의 주형(鑄型)에 주입하여, 도 2에 나타낸 1 인치 Y블록의 잉곳 A, 및 도 3에 나타낸 단차를 가진 Y 블록의 잉곳 B를 주조했다. 각 잉곳의 치수는 도 2 및 도 3에 나타낸다. 잉곳 A의 바닥부로부터 약 30 mm의 부분으로부터 시험편을 잘라내고, 잉곳 B의 두께 10 mm의 부분으로부터 시험편을 잘라내어, 이하의 평가 시험에 사용하였다.

(1) 충격 시험

상온 인성을 평가하기 위하여, 샤르피 충격 시험(Charpy impact test)에 의한 충격값을 측정하였다. 인성의 평가에 인장(引張)에 의한 신장(연성)을 측정할 수도 있지만, 기계적 진동 및 충격에 대한 저항력(균열 및 깨짐의 발생 곤란성)을 평가하는 것은, 신장이 아닌 균열의 진전 속도가 빠른 깨짐에 대한 감수성을 평가하는 편이 실태를 반영하고 있다. 따라서, 인장 시험보다 균열의 진전 속도가 빠른 샤르피 충격 시험에 의해, 인성을 평가했다.

잉곳 B의 두께 10 mm의 부분으로부터 폭 7.5 mm의 시험편을 잘라내어, 노치(notch)가 없는 JIS Z 2242의 샤르피 충격 시험편으로 하였다. 용량 50 J의 샤르피 충격 시험기를 사용하여, JIS Z 2242에 따라 23℃에서 동일한 조건에서 3개의 시험편에 대한 충격 시험을 행하였고, 측정된 충격 값을 평균하였다. 충격 시험 결과를 표 2에 나타내었다.

배기계 부품의 생산 과정 등에서 균열 및 깨짐이 발생하지 않고 우수한 인성을 가지기 위해서는, 상온 충격값은 15×10⁴ J/m² 이상이 바람직하다. 실시예 1～20의 상온 충격값은 모두 15×10⁴ J/m² 이상이었다. 도 4는, Nb/C비가 10 정도의 실시예 4～7 및 비교예 1～4의 시험편에 대하여, Nb 함유량과 상온 충격값(×10⁴ J/m²)의 관계를 나타낸다. 도 4로부터 밝혀진 바와 같이, Nb 함유량이 3.2～5 %인 범위에서 상온 충격값은 15×10⁴ J/m² 이상이었다. 또한, Nb 함유량과 공정 (δ＋NbC)상의 면적 비율의 관계를 나타낸 도면 5로부터 밝혀진 바와 같이, Nb 함유량이 3.2～5 %인 범위에서 공정 (δ＋NbC)상의 면적 비율은 60～90 %였다. C 및 Nb의 함유량 및 Nb/C비의 요건을 만족시키는 본 발명의 페라이트계 내열 주강에서는, 초정 δ상과 공정 (δ＋NbC)상이 최적인 비율로 공존함으로써, 초정 δ상 및 공정 (δ＋NbC)상의 결정립이 모두 미세화되어, 높은 상온 충격값을 가지는 것으로 여겨진다.

한편, 본 발명의 조성 범위를 벗어난 비교예 1～4 및 6～21의 주강은 모두 상온 충격값이 낮다. 상온 충격값이 낮은 이유는, (1) 비교예 1 및 2는, C 및 Nb가 지나치게 적어, 공정 (δ＋NbC)상이 부족하기 때문이며, (2) 비교예 3 및 4는, C 및 Nb가 지나치게 많아, 공정 (δ＋NbC)상이 과잉이 되어, 취화되었기 때문이며, (3) 비교예 6 및 7은, Cr이 지나치게 많기 때문이며, (4) 비교예 8 및 10은, C 또는 Nb가 지나치게 적어, 공정 (δ＋NbC)상이 부족하기 때문이며, (5) 비교예 9는, 강력한 오스테나이트화 원소인 C가 과잉되어, 잉여 C가 고용된 기지 조직의 응고 시에 생성된 오스테나이트가 상온까지 냉각되는 동안 인성이 낮은 마르텐사이트로 변태했기 때문이며, (6) 비교예 11은, 원자 반경이 큰 Nb가 과잉되어, 잉여 Nb가 페라이트 기지에 고용될 때 격자 불균일을 초래하였기 때문이며, (7) 비교예 12는, Nb/C비가 지나치게 커서, 비교예 11과 마찬가지로 Nb가 잉여되었기 때문이며, (8) 비교예 13 및 14는, Nb/C비가 지나치게 작아, 비교예 9와 마찬가지로 강력한 오스테나이트화 원소인 C가 잉여되었기 때문이며, (9) 비교예 15 및 16은, Si가 지나치게 많아서 기지 조직의 페라이트가 취화되었기 때문이며, (10) 비교예 17 및 18은 각각 원자 반경이 큰 W 또는 Mo이 지나치게 많아서, W 또는 Mo이 기지 조직의 페라이트에 고용될 때 격자 불균일을 초래하였기 때문인 것으로 여겨진다.

일본 특허출원 공개번호 2007-254885호에 기재된 페라이트계 스테인레스 주강인 비교예 19는, Si를 2.8%로 다량으로 함유하고 있어서, Si가 기지 조직의 페라이트를 취화시켜 충격값이 낮다. 일본 특허출원 공개번호 평7-197209호에 기재된 페라이트계 내열 주강인 비교예 20은, Nb/C비가 지나치게 작기 때문에, 공정 (δ＋NbC)상이 부족하며, 또한 비교예 9와 마찬가지로 강력한 오스테나이트화 원소인 C가 과잉되어, 충격값이 낮다. 일본 특허출원 공개번호 평11-61343호에 기재된 페라이트계 내열 주강인 비교예 21은, 원자 반경이 큰 W이 지나치게 많기 때문에, W이 페라이트 기지에 고용될 때 격자 불균일을 초래하여, 충격값이 낮다. 그리고, Cr 함유량이 적은 비교예 5는, 충분한 충격값을 가지지만 산화 감량이 많아, 내산화성이 불충분하였다.

(2) 마이크로 조직

충격 시험 실시 후의 각 시험편의 단부로부터 잘라낸 샘플을 경면(鏡面) 연마하고, 부식 에칭 처리한 후, 배율 100배의 광학 현미경에 의해 임의의 5 시야의 사진을 촬영하고, 화상 해석에 의해 공정 (δ＋NbC)상의 면적 비율을 측정하여, 평균을 구하였다. 공정 (δ＋NbC)상의 면적 비율을 표 2에 나타내었다. 도 1은 실시예 8의 페라이트계 내열 주강의 마이크로 조직(100배)을 나타낸다. 마이크로 조직은 초정 δ상 2와 라멜라형(lamellar type)의 공정 (δ＋NbC)상(1)으로 이루어진다. 실시예 8에서는, 공정 (δ＋NbC)상의 면적 비율은 62%였다.

(3) 산화 감량

배기계 부품은, 질소산화물 등을 포함하는 산화성의 고온의 배기 가스에 노출되므로 내산화성이 요구된다. 엔진으로부터 배출되는 배기 가스의 온도는 약 1000℃이며, 배기 매니폴드나 촉매 케이스 등의 배기계 부품의 온도는 900℃ 부근에 도달하므로, 900℃에 있어서의 내산화성을 평가했다. 내산화성으로서 잉곳 A의 바닥면으로부터 약 30 mm의 부분으로부터 잘라낸 직경 10 mm 및 길이 20 mm의 둥근 막대형의 시험편을 대기중에서 900℃로 200시간 유지한 후, 숏블라스트(short blast) 처리를 실시하여 산화 스케일을 제거하고, 산화 시험 전후의 단위 면적당 질량 변화, 즉 산화 감량(mg/cm²)을 구하였다. 산화 감량의 측정 결과를 표 2에 나타내었다.

900℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용하는 페라이트계 내열 주강의 산화 감량(900℃의 대기 분위기에서 200시간 유지하는 조건에서 측정)은 20 mg/cm² 이하인 것이 바람직하다. 산화 감량이 20 mg/cm²를 초과하면, 균열의 기점이 되는 산화막이 많이 생성되어, 내산화성이 불충분하게 된다. 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1～20의 페라이트계 내열 주강은, 내산화성의 확보에 중요한 Cr을 16% 이상 함유하고 있으므로, 산화 감량이 모두 20 mg/cm² 이하이며, 900℃부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용하기에 충분한 내산화성을 가지고 있었다. 한편, Cr 함유량이 15.6%로 적은 비교예 5에서는 산화 감량은 105 mg/cm²로 많아, 900℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용하기에는 내산화성이 불충분하였다. 이들 결과로부터, 페라이트계 내열 주강이 필요한 내산화성을 가지기 위해서는, Cr 함유량이 16% 이상일 필요가 있는 것을 알 수 있었다.

(4) 고온 강도 및 내열 변형성

일반적으로 금속 재료는 고온일수록 강도가 저하되어, 열 변형되기 쉬워진다. 체심 입방정(BCC) 구조의 페라이트계 내열 주강은, 면심 입방정(FCC) 구조의 오스테나이트계 내열 주강보다 고온 강도 및 내열 변형성이 낮다. 고온 강도 및 내열 변형성에 영향을 미치는 주된 요인으로서 형상이나 치수 외에 고온 내력이 있다. 900℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용하기 위해서는, 900℃에 있어서의 0.2% 내력이 20 MPa 이상인 것이 바람직하다.

배기계 부품의 고온 강도 및 내열 변형성을 평가하기 위하여, 잉곳 A의 바닥면으로부터 약 30 mm 부분으로부터 잘라낸 평활한 플랜지를 가진 둥근 막대형 시험편[직경: 10 mm, 표점(guage mark)간 거리: 50 mm]을 전기-유압 서보식 시험기에 장착하여, 대기중 900℃에서 0.2% 내력을 측정하였다. 0.2% 내력의 측정 결과를 표 2에 나타내었다.

표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1～20의 900℃에 있어서의 0.2% 내력(고온 내력)은 20 MPa 이상으로서 높았다. 한편, C 및/또는 Nb의 함유량이 적은 비교예 1, 2, 8 및 10, 그리고 Nb/C비가 작은 비교예 13 및 14의 고온 내력은 20 MPa 미만이었다. 공정 (δ＋NbC)상의 면적 비율은, 실시예 1～20은 60% 이상인데 비해, 비교예 1, 2, 8, 10, 13 및 14는 60% 미만이었다. 이러한 사실로부터, 공정 (δ＋NbC)상을 비교적 많이 정출시킴으로써, 인성뿐만 아니라, 고온 강도 및 내열 변형성도 향상되는 것을 알았다. 그리고, 비교예 19는 C 함유량이 적기 때문에, 공정 (δ＋NbC)상이 부족함에도 불구하고 고온 내력이 높았다. 그 이유는, 비교예 19가 Si를 많이 함유하기 때문인 것으로 여겨진다. 또한, 비교예 20은, Nb 함유량이 적기 때문에, 공정 (δ＋NbC)상의 부족에도 불구하고 고온 내력이 높았다. 그 이유는, 비교예 20이 W을 많이 함유하기 때문인 것으로 여겨진다. 공정 (δ＋NbC)상을 많이 정출시킨 본 발명의 페라이트계 내열 주강은, Si 또는 W을 많이 함유하여 고온 강도를 향상시킨 비교예 19 및 20의 내열 주강과 동일한 고온 강도를 가진다.

(5) 열피로 수명

배기계 부품은, 엔진의 운전(가열)과 정지(냉각)의 반복에 의해 열균열이 쉽게 생기지 않을(열피로 수명이 길) 필요가 있다. 가열 냉각의 반복에 의해 생기는 균열이나 변형에 의해 열피로 파괴에 이를 때까지의 사이클수가 많을수록 열피로 수명이 길며, 내열성(내열 균열성) 및 내구성이 우수하다고 할 수 있다.

잉곳 A의 바닥면으로부터 약 30 mm의 부분으로부터 잘라낸 평활 환봉 시험편(직경: 10 mm, 표점간 거리: 20 mm)을 전기-유압 서보식 시험기에 0.5의 구속율로 장착한 후, 대기중에서, 냉각 하한 온도 150℃, 가열 상한 온도 900℃, 온도 진폭 750℃로, 1 사이클을 승온 시간 2분, 유지 시간 1분, 및 냉각 시간 4분의 합계 7분으로 하는 가열 냉각 사이클을 반복하였고, 가열 냉각에 따른 신축을 기계적으로 구속하여 열피로 파괴를 일으킴으로써, 열피로 수명을 측정하였다. 열피로 수명은, 가열과 냉각의 반복에 따른 하중의 변화로부터 구해지는 하중-온도 선도에 있어서 2사이클째의 최대 인장 하중을 기준(100%)으로 하여, 최대 인장 하중이 75%로 저하될 때까지의 사이클 수로 했다. 열피로 수명의 측정 결과를 표 2에 나타내었다.

기계적인 구속의 정도는, (자유 열팽창 신장-기계적 구속 하에서의 신장)/(자유 열팽창 신장)으로 정의되는 구속율로 나타낸다. 예를 들면, 구속율 1.0이란, 시험편이, 예를 들면, 150℃에서 900℃까지 가열되었을 때, 전혀 신장을 허용하지 않는 기계적 구속 조건을 말한다. 또한, 구속율 0.5란, 자유 팽창 성장이, 예를 들면, 2 mm의 시험편에서 1 mm의 성장 밖에 허용하지 않는 기계적 구속 조건을 말한다. 따라서, 구속율 0.5에서는 승온 중에 압축 하중이 걸리고, 강온 중에 인장 하중이 걸린다. 실제 자동차 엔진의 배기계 부품의 구속율은 어느 정도 성장을 허용하는 0.1～0.5 정도이므로, 여기서는 구속율을 0.5로 하였다.

페라이트계 내열 주강을 900℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용하기 위해서는, 가열 상한 온도 900℃, 온도 진폭 750℃ 이상 및 구속율 0.5의 조건에서의 열피로 수명이 1000 사이클 이상인 것이 바람직하다. 열피로 수명이 1000 사이클 이상이면, 페라이트계 내열 주강은 우수한 내열 균열성을 가진다고 할 수 있다. 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1～20의 열피로 수명은 모두 1400 사이클 이상으로서 충분히 길었다. 이러한 사실로부터, 본 발명의 페라이트계 내열 주강은 900℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 필요한 내열 균열성을 충분히 가지는 것을 알 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 페라이트계 내열 주강은, 900℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 요구되는 내열 특성(내산화성, 고온 강도, 내열 변형성 및 내열 균열성)과 함께, 우수한 상온 인성을 가진다.

[표 2]

주: (1) 대기중 900℃에서 측정.

(2) 대기중 900℃에서 측정.

실시예 21

실시예 6의 페라이트계 내열 주강을 사용하여 자동차용 배기 매니폴드(주요 두께 4.0～6.0 mm)를 주조한 후, 열처리를 실시하지 않고 주조 상태에서, 형 분해해[셰이크아웃(shake-out)] 공정, 주조 방안부(casting design portion)[언부(ingate portion)]의 절단 공정, 숏블라스트에 의한 청정 공정, 및 주조 버(burr) 등의 주조 마무리 공정을 거쳐, 기계 가공을 행하였다. 얻어진 배기 매니폴드에는, 균열 및 깨짐은 발생하고 있지 않으며, 수축공, 탕 유통 불량, 가스 결함 등의 주조 결함도 인식되지 않았다. 또한, 기계 가공에서의 절삭 불량이나 절삭 공구의 이상 마모, 손상 등도 없었다.

이 배기 매니폴드를, 배기량 2000 cc의 직렬 4 기통 고성능 가솔린 엔진에 상당하는 배기 시뮬레이터에 조립하여 장착하였다. 관통 균열 발생까지의 수명, 및 균열 및 산화의 발생 상황을 조사하기 위하여, 전체 부하 시의 배기 가스 온도가 배기 매니폴드의 집합부(배기 가스의 하류측이 됨)의 출구에서 약 1000℃, 배기 매니폴드 표면의 상한 온도가 집합부에서 약 910℃, 냉각 하한 온도가 집합부에서 약 90℃(온도 진폭 = 약 820℃)가 되는 조건에서, 10분간의 가열 및 10분간의 냉각으로 이루어지는 가열 냉각 사이클을 반복하여, 내구성 시험을 실시하였다. 가열 냉각 사이클의 목표는 1200 사이클이다.

내구성 시험의 결과, 이 배기 매니폴드는, 배기 가스의 누출이나 깨짐을 일으키지 않고, 1200 사이클의 내구 시험을 통과했다. 내구 시험 후의 육안 관찰 및 침투 탐상(探傷) 시험의 결과, 가장 박육부의 지관(枝管)을 포함한 어느 부위에도, 관통 균열은 물론, 균열 및 깨짐이 발생하지 않았고, 부품 전체의 산화도 적었다. 이로써, 본 발명의 배기 매니폴드는 내열성, 내구성 및 인성이 우수한 것으로 확인되었다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 페라이트계 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품은, 900℃ 부근에서도 높은 내산화성 및 내열 균열성을 가지며, 또한 우수한 상온 인성을 가진다. 본 발명의 배기계 부품은, 희소 금속의 함유량이 적은 페라이트계 내열 주강으로 이루어지므로, 저가이며, 저연비화 기술의 적용 범위를 확대시켜, CO₂ 가스의 배출량의 삭감에 공헌한다.

이상, 자동차 엔진용 배기계 부품에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 페라이트계 내열 주강의 용도는 전술한 것으로 한정되지 않으며, 예를 들면, 건설 기계, 선박, 항공기 등의 연소 기관이나, 용해로, 열처리로, 소각로, 킬른, 보일러, 열병합 발전 장치 등의 열 기기나, 석유화학 플랜트, 가스 플랜트, 화력발전 플랜트, 원자력 발전 플랜트 등, 우수한 내산화성 및 내열 균열성 등의 내열성 및 내구성과 함께 상온 인성이 요구되는 각종 주물 부품에도 사용 가능하다.

Claims

질량비로,
0.32～0.48 %의 C,
0.85% 이하의 Si,
2% 이하의 Mn,
1.5% 이하의 Ni,
16～19.8 %의 Cr,
3.2～5 %의 Nb,
9～11.5의 Nb/C,
0.15% 이하의 N,
0.002～0.2 %의 S, 및
합계 0.8% 이하의 W 및/또는 Mo
을 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지며, δ상과 Nb 탄화물(NbC)의 공정(共晶) (δ＋NbC)상(相)의 면적 비율이 60～90%인 조직을 포함하는 상온 인성(靭性)이 우수한 페라이트계 내열 주강(鑄鋼).
제1항에 기재된 상온 인성이 우수한 페라이트계 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품.