KR20130094792A

KR20130094792A - 매니폴드용 열전달체

Info

Publication number: KR20130094792A
Application number: KR1020137003309A
Authority: KR
Inventors: 가즈나리 이마카와; 요시히로 오카; 사다유키 나카무라; 마나부 오쿠
Original assignee: 닛신 세이코 가부시키가이샤
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2013-08-26
Also published as: JP2012036867A; EP2604819A4; CN103069123A; US20130139493A1; WO2012020727A1; EP2604819A1

Abstract

매니폴드 본체의 열 피로를 억제할 수 있고, 또, 고온 강도 및 내산화성이 양호한 매니폴드용 열전달체를 제공한다.　매니폴드용 열전달체(11)의 적어도 일부를 페라이트계 스테인리스강으로 형성한다. 페라이트계 스테인리스강은, 질량%로, 0.03% 이하의 C와, 2.0% 이하의 Si와, 2.0% 이하의 Mn과, 10~30%의 Cr과, 0.8% 이하의 Nb 및 0.8% 이하의 Ti의 적어도 1종과, 0.03% 이하의 N를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 또, A값=Nb＋Ti－4(C＋N)로 하는 (1)식의 A값이 0.10 이상이며, 또, B값=Cr＋15Si로 하는 (2)식의 B값이 18 이상이 되도록 페라이트계 스테인리스 강의 합금성분을 조정한다.

Description

매니폴드용 열전달체{HEAT TRANSFER ELEMENT FOR MANIFOLD}

본 발명은, 엔진으로부터의 고온의 배기가스를 매니폴드 컨버터나 배기관 등으로 유도하는 이그조스트 매니폴드(Exhaust manifold)에 있어서, 배기가스의 열을 매니폴드 본체에 전달하기 위한 매니폴드용 열전달체에 관한 것이다.

종래, 이그조스트 매니폴드에서는, 엔진으로부터의 배기가스가 플랜지를 사이에 두고 매니폴드 본체로 유입되고, 유입된 배기가스가 집합부에서 집합하여 집합부의 유출구로부터 매니폴드 컨버터나 배기관 등으로 유출된다.

이와 같은 이그조스트 매니폴드에서는, 매니폴드 본체의 엔진측인 상류측은, 플랜지의 접촉면이 엔진의 수냉 등에 따라 냉각되기 때문에, 배기가스로부터의 열전달에 의해 재료 온도가 상승하기 어렵기는 하지만, 매니폴드 본체의 집합부측인 하류측이 됨에 따라 배기가스로부터의 열전달에 의해 재료 온도가 상승한다. 그 때문에, 매니폴드 본체의 하류측에서는, 이그조스트 매니폴드에 의한 배기가스의 발열효과가 저하하고, 집합부나 집합부 부근에서는, 온도 상승에 수반하는 열변형이 발생하여, 이른바 열 피로라고 하는 파괴가 발생하게 된다. 특히, 최근에는, 저연비화나 환경 대책의 관점에서 엔진의 배기가스 온도는 상승하는 경향이 있기 때문에, 매니폴드 본체의 열 피로를 억제하는 것이 중요시되고 있다.

그래서, 이그조스트 매니폴드의 재료로서 내열성을 개선시킨 페라이트계 스테인리스강이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조.).

일본 특허출원 평 6－88168호 (제3－6페이지, 도 1)

그렇지만, 향후 더욱더 엔진개선 등으로부터 배기가스 온도가 더 상승할 것으로 예상되고 있고, 상술과 같은 재료면으로부터의 내열성의 향상뿐만 아니라, 이그조스트 매니폴드에 있어서의 구조면으로부터도 매니폴드 본체의 열 피로를 억제하는 것도 중요하다.

본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 이루어진 것이며, 매니폴드 본체의 열 피로를 억제할 수 있고, 또, 고온 강도 및 내산화성이 양호한 매니폴드용 열전달체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

청구항 1에 기재된 매니폴드용 열전달체는, 이그조스트 매니폴드에서 엔진으로부터의 배기가스가 흐르는 매니폴드 본체의 적어도 상류측에 위치하고, 상기 엔진으로부터의 배기가스의 열을 매니폴드 본체에 전달하는 매니폴드용 열전달체로서, 적어도 일부가, 질량%로, 0.03% 이하의 C와, 2.0% 이하의 Si와, 2.0% 이하의 Mn과, 10~30%의 Cr와, 0.8% 이하의 Nb 및 0.8% 이하의 Ti의 적어도 1종과, 0.03% 이하의 N를 포함하고 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 동시에, A값=Nb＋Ti－4(C＋N)로 하는 (1)식으로 나타내는 A값이 0.10 이상이고 또 B값=Cr＋15Si로 하는 (2)식으로 나타내는 B값이 18 이상이 되도록 합금성분이 조정된 페라이트계 스테인리스강으로 형성된 것이다.

청구항 2에 기재된 매니폴드용 열전달체는, 청구항 1 기재의 매니폴드용 열전달체에 있어서, 페라이트계 스테인리스강은, 질량%로, 3.0% 이하의 Cu, 3.0% 이하의 Mo 및 3.0% 이하의 W 중 적어도 1종을 함유하는 것이다.

본 발명에 의하면, 배기가스의 열을 매니폴드 본체에 전달하고 배기가스의 온도를 저하시키고 매니폴드 본체의 열 피로를 억제할 수 있으며, 또, 고온 강도 및 내산화성이 양호하다.

도 1은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 매니폴드용 열전달체가 설치된 이그조스트 매니폴드의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는, 상기 매니폴드용 열전달체의 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 3은, 상기 매니폴드용 열전달체의 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 4는, 상기 매니폴드용 열전달체의 다른 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 5는, 상기 매니폴드용 열전달체의 다른 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 6은, 상기 매니폴드용 열전달체의 다른 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 7은, 가열 시험에 이용한 이그조스트 매니폴드 및 매니폴드용 열전달체의 구성을 나타내는 표이다.

이하, 본 발명의 일실시 형태의 구성에 대하여 도 1 내지 도 6을 참조하면서 상세하게 설명한다.

도 1에 있어서, 11은 매니폴드용 열전달체이며, 이 매니폴드용 열전달체(11)는, 이그조스트 매니폴드(12)의 매니폴드 본체(13)에 설치되어 있다.

매니폴드 본체(13)는, 엔진(14)에 부착된 플랜지(15)와 이 플랜지(15)에 접속된 관 형상의 관 형상체(16)를 갖추고 있다.

플랜지(15)는, 대략 사각형 형상으로 형성되며, 폭방향의 대략 중앙부에 길이방향을 따라 늘어선 복수, 예를 들면 4개의 원형상의 유입구(17)가 서로 이간되어 형성되어 있다. 이들 유입구(17)는, 엔진(14)의 도시 하지 않은 배출구에 연이어 통해 있다. 또, 플랜지(15)의 폭방향의 양단부 근방에는, 각각 8씩의 원형상의 볼트구멍(18)이 서로 길이방향을 따라 이간되어 형성되어 있다. 플랜지(15)는, 엔진(14)에 직접 접촉한 상태로 볼트구멍(18)에 도시 하지 않은 볼트를 나사 부착시켜 고정되어 있다.

관 형상체(16)는, 프레스 성형된 상하의 제 1 프레스재(19) 및 제 2 프레스재(20)로 구성되어 있다. 이 관 형상체(16)는, 유입구(17)의 수에 대응한 복수, 예를 들면 4개의 통 형상의 관 형상부(23, 24, 25, 26)와, 이들 관 형상부(23, 24, 25, 26)에 일체로 설치된 집합부(27)를 가진다. 이른바 모나카 구조(Monaka structure; 소위 샌드위치 구조)이다. 또, 관 형상부(23, 24, 25, 26)는, 한 단이 유입구(17)에 각각 접속되며, 다른 단이 집합부(27)에 접속되어 집합된다.

관 형상부(23, 24, 25, 26) 중 외측에 위치하는 관 형상부(23, 26)는, 유입구(17)로부터 하류측으로 대략 직선 형상으로 뻗는 직선 관부(28)와, 이 직선 관부(28)로부터 대략 수직 방향으로 만곡하여 집합부(27)에 접속되는 만곡 관부(29)를 가지고 있다.

또, 관 형상부(23, 24, 25, 26) 중 안쪽에 위치하는 관 형상부(24, 25)는, 유입구(17)로부터 집합부(27)로 대략 직선 형상으로 뻗는 직선 관부(30)를 가지고 있다.

집합부(27)는, 관 형상부(23, 24, 25, 26)의 하류측인 타단이 집합하는 집합 관부(32)와, 이 집합 관부(32)의 하면에 형성된 원형상의 유출구(33)를 가지고 있다. 이 유출구(33)에는, 도시 하지 않은 매니폴드 컨버터나 배기관이 접속된다.

매니폴드 본체(13)내에서는, 유입구(17)와 관 형상부(23, 24, 25, 26)와 집합부(27)가 엔진(14)으로부터의 배기가스의 유로가 된다. 즉, 매니폴드 본체(13)내의 배기가스 유로는, 상류측에서 하류측으로 향하는 순서로 위치하는 유입구(17), 관 형상부(23, 24, 25, 26), 집합 관부(32) 및 유출구(33)로 구성되어 있다.

매니폴드용 열전달체(11)는, 매니폴드 본체(13)의 상류측에 위치하도록 유입구(17)에 설치되며, 배기가스 유로에 있어서 엔진(14)으로부터의 배기가스와 접촉한다.

매니폴드용 열전달체(11)는, 유입구(17)의 테두리에 일체로 접속된 4개의 봉 형상의 열전달부(34)를 가지며, 이들 열전달부(34)가 대략 수직으로 교차한 대략 십자형상으로 형성되어 있다. 또, 매니폴드용 열전달체(11)는, 플랜지(15)를 프레스 가공할 때에, 펀칭에 의해 유입구(17)와 동시에 형성된다.

매니폴드용 열전달체(11)는, 질량%로, C：0.03% 이하와, Si：2.0% 이하와, Mn：2.0% 이하와, Cr：10~30%와, Nb：0.8% 이하 및 Ti：0.8% 이하의 적어도 1종과, N：0.03% 이하를 포함하고 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 동시에, A값=Nb＋Ti－4(C＋N)으로 하는 (1)식의 A값이 0.10 이상이며, 또, B값=Cr＋15Si로 하는 (2)식의 B값이 18 이상이 되도록 합금성분이 조정된 페라이트계 스테인리스강으로 형성되어 있다.

여기서, 이 페라이트계 스테인리스강을 구성하는 각 합금성분 및 이들 합금성분의 함유량에 대하여 설명한다. 한편 각 합금성분의 함유량은, 특별히 기재하지 않는 한 질량%로 한다.

C(탄소) 및 N(질소)는, 일반적으로 크리프 강도 등의 고온 강도를 향상시키기 위해서 유효한 원소이지만, 0.3%를 넘어 과잉으로 함유시키면, 산화 특성, 가공성, 저온 인성 및 용접성이 저하한다. 따라서, C의 함유량 및 N의 함유량은, 각각 0.03% 이하로 했다.

Si(규소)는, 고온 산화 특성을 향상하기 위해서 유효한 원소이지만, 2.0%를 넘어 과잉으로 함유시키면, 경도가 상승하고, 가공성 및 저온 인성이 저하한다. 따라서, Si의 함유량은 2.0% 이하로 했다.

Mn(망간)은, 고온 산화 특성, 특히 스케일 박리성을 향상하기 위해서 유효한 원소이지만, 2.0%를 넘어 과잉으로 함유시키면, 가공성 및 용접성이 저하한다. 또, Mn는, 오스테나이트 안정화 원소이기 때문에, 다량으로 첨가하면 마르텐사이트상이 생성하기 쉬워져, 열 피로 특성 및 가공성의 저하의 원인이 된다. 따라서, Mn의 함유량은 2.0% 이하로 했다.

Cr(크롬)은, 페라이트상을 안정화하는 동시에, 고온 재료에 있어서 중요한 내산화성을 향상하기 위한 유효한 원소이다. 이들 작용을 충분히 발휘하기 위해서는, 10% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 한편, 30%를 넘어 과잉으로 함유시키면, 취화나 가공성 열화의 원인이 된다. 따라서, Cr의 함유량은 10% 이상 30% 이하로 했다.

또, 내산화성에 영향을 주는 Si 및 Cr에 대하여, B값=Cr＋15Si로 하는 (2)식에서 B값이 18 이상이 되도록 Si 및 Cr의 함유량을 조정함으로써, 배기가스 환경하에 있어서도 내산화성이 양호하게 된다. 따라서, 상기의 Si 및 Cr의 함유량에 있어서, (2)식의 B값이 18 이상이 되도록 Si 및 Cr의 함유량을 조정하는 것으로 했다.

Nb(니오브) 및 Ti(티탄)은, 고온 강도를 향상하기 위해서 유효한 원소이지만, C나 N과의 친화력이 강하고, 과잉인 첨가는 가공성이나 저온 인성의 저하 요인이 되는 석출물을 형성하기 쉬워진다. 따라서, Nb의 함유량 및 Ti의 함유량은 각각 0.8% 이하로 하는 동시에, 0.8% 이하의 Nb 및 0.8% 이하의 Ti 중 적어도 한쪽을 함유시키는 것으로 하였다.

또, 고온 강도에 영향을 주는 C, N, Nb 및 Ti에 대하여, A값=Nb＋Ti－4(C＋N)로 하는 (1)식에서 A값이 0.10 이상이 되도록 함유량을 조정함으로써, 배기가스의 고온 환경하에 있어서도 고온 강도가 양호하게 된다. 따라서, 상기의 C, N, Nb 및 Ti의 함유량에 있어서, (1)식의 A값이 0.10 이상이 되도록 C, N, Nb 및 Ti의 함유량을 조정하는 것으로 했다.

Mo(몰리브덴) 및 W(텅스텐)은, 고용강화에 의한 고온 강도를 향상하기 위해서 유효한 원소이므로, 함유시킴으로써 고온 강도를 향상시킬 수 있으므로 바람직하다. 그렇지만, 3.0%를 넘어 과잉으로 함유시키면, 탄화물이나 Laves상을 형성하여 고온 강도나 저온 인성을 저해하는 요인이 된다. 따라서, Mo 및 W는 필요에 따라 함유시키고, 함유시키는 경우 Mo의 함유량 및 W의 함유량은 3.0% 이하로 했다.

Cu(구리)는, ε-Cu상의 미세 분산 석출 현상을 이용하여 600℃전후에서 강도를 높이고, 열 피로 특성을 향상시키며, 또, 850℃를 넘는 고온역에서는, Cu의 고용강화를 이용하여 고온 강도를 향상시키므로, 함유함으로써 고온 강도를 향상시킬 수 있으므로 바람직하다. 그렇지만, 3.0%를 넘어 과잉으로 함유시키면, 가공성, 저온 인성 및 용접성을 저하시키게 된다. 따라서, Cu는 필요에 따라서 함유시키는 것으로 하고, 함유시키는 경우 Cu의 함유량은 3.0% 이하로 했다.

그리고, 매니폴드용 열전달체(11)는, 상기와 같이 조정된 페라이트계 스테인리스강으로 형성되어 있으므로, 엔진(14)으로부터의 배기가스가 유입구(17)를 통과할 때에, 배기가스의 열을 빼앗을 수 있는 동시에, 빼앗은 열을 매니폴드 본체(13)에 전달할 수 있다. 따라서, 매니폴드 본체(13)를 흐르는 배기가스의 온도를, 엔진(14)으로부터 배출되었을 때의 온도보다 저하할 수 있고, 고온의 배기가스에 의한 집합부(27)나 집합부(27) 근방 등의 재료 온도 상승을 억제할 수 있기 때문에, 온도 상승에 기인하는 열변형 등의 발생을 방지하고, 이그조스트 매니폴드(12)에 있어서의 구조면으로부터 매니폴드 본체(13)의 열 피로를 억제할 수 있다. 한편 배기가스의 온도를 저하할 수 있음으로써, 집합부(27)의 유출구(33)에 접속되는 매니폴드 컨버터 등의 촉매의 열화를 방지할 수 있다.

또, 매니폴드용 열전달체(11)는, 상기와 같이 조정된 페라이트계 스테인리스강으로 형성되어 있으므로, 매니폴드 본체(13)의 열 피로를 억제 가능할 뿐만 아니라, 고온 강도 및 내산화성이 양호하다. 따라서, 배기가스에 노출됨에 따른 매니폴드용 열전달체(11) 자체의 열 피로 및 이상 산화를 억제할 수 있다.

한편, 상기 일실시 형태에서는, 매니폴드용 열전달체(11)는, 이른바 모나카 구조의 이그조스트 매니폴드(12)에 설치된 것으로 했지만, 이와 같은 구성으로 한정되지 않고, 예를 들면, 파이프를 굽혀 관 형상체가 형성된, 이른바 파이프 구조의 이그조스트 매니폴드 등, 모나카 구조 이외의 이그조스트 매니폴드에도 적용할 수 있다.

매니폴드용 열전달체(11)는, 매니폴드용 열전달체(11) 전체가 상기와 같이 조정된 페라이트계 스테인리스강으로 형성되어 있을 필요는 없고, 적어도 일부가 상기와 같이 조정된 페라이트계 스테인리스강으로 형성되어 있으면 좋다.

매니폴드용 열전달체(11)는, 플랜지(15)의 프레스 가공 시에 펀칭에 의해 유입구(17)와 동시에 형성되며, 유입구(17)의 테두리에 일체로 접속된 구성으로 했으나, 이와 같은 구성으로 한정되지 않고, 플랜지(15)와는 별개로 형성한 것을, 유입구(17)에 접합하여 부착하는 구성으로 해도 좋다.

또, 매니폴드용 열전달체(11)는, 유입구(17)에 설치된 구성으로 한정되지 않고, 매니폴드 본체(13)의 적어도 상류측에 위치하고 있으면 좋고, 예를 들면, 관 형상체(16) 내부에 설치해도 좋다.

또한, 매니폴드용 열전달체(11)는, 전체가 매니폴드 본체(13)의 상류측에 위치하는 구성으로 한정되지 않고, 매니폴드 본체(13)의 적어도 상류측에 위치하고 있으면, 예를 들면, 매니폴드용 열전달체(11)의 일부가 매니폴드 본체(13)의 하류측이나 매니폴드 본체(13) 외에 위치한 구성으로 해도 좋다.

매니폴드용 열전달체(11)는, 대략 십자형상으로 했지만, 이와 같은 구성으로 한정되지 않고, 그 형상은, 도 2 내지 도 6에 나타내는 변형예의 형상 등과 같이 적당히 설계할 수 있다.

도 2 및 도 3에 나타내는 매니폴드용 열전달체(41)는, 2개의 대략 사각형 형상의 열전달판(42)으로 형성되어 있다. 이들 열전달판(42)은, 일단부의 대략 중앙으로부터 열전달판(42)의 대략 중심에 걸쳐 직선 형상의 절개부(43)가 형성되어 있다. 이와 같은 2개의 열전달판(42)은, 절개부(43)를 사이에 두고 서로 대략 수직인 상태로 걸어 맞출 수 있다. 또, 매니폴드용 열전달체(41)는, 걸어 맞춘 2개의 열전달판(42)으로 형성된 4개의 열전달부(44)를 가지고 있다. 이들 4개의 열전달부(44)는 대략 수직으로 교차하고 있다.

또, 매니폴드용 열전달체(41)는, 매니폴드 본체(13)의 관 형상부(23, 24, 25, 26)의 직선 관부(28, 30)내에 위치하도록 제 1 프레스재(19)와 제 2 프레스재(20)와의 사이에 설치되어 있다.

또한, 매니폴드용 열전달체(41)는, 제 1 프레스재(19)와 제 2 프레스재(20)를 용접하여 관 형상체(16)를 형성할 때에, 각 열전달부(44)의 선단부가 관 형상부(23, 24, 25, 26)의 내주부에 접촉하도록, 제 1 프레스재(19) 및 제 2 프레스재(20)에 용접하여 부착된다.

이와 같은 구성의 매니폴드용 열전달체(41)는, 직선 관부(28, 30)내에서 배기가스의 유동방향에 있어서 열전달부(44)가 면형상으로 되기 때문에, 배기가스와 접촉 가능한 면적을 충분히 확보할 수 있고, 배기가스의 열을 효과적으로 빼앗을 수 있다. 또, 각 열전달부(44)의 선단이 관 형상부(23, 24, 25, 26)의 내주부에 접촉하고 있기 때문에, 배기가스로부터 빼앗은 열을 효율 좋게 관 형상부(23, 24, 25, 26)에 전달할 수 있다. 따라서, 배기가스의 온도를 효과적으로 저하할 수 있고 매니폴드 본체(13)의 열 피로를 억제할 수 있다.

또, 배기가스의 유동방향에 있어서 열전달부(44)가 면형상으로 되므로, 배기가스 유로의 개구 면적을 충분히 확보할 수 있고, 매니폴드용 열전달체(41)가 배기가스의 유동에 대한 장해가 되기 어렵다.

도 4에 나타내는 매니폴드용 열전달체(46)는, 플랜지(15)의 유입구(17)에 접속되며, 대략 수직으로 교차한 4개의 열전달부(47)를 가지고 있다. 이들 열전달부(47)는, 유입구(17)의 테두리에 접속된 봉 형상의 기초부(48)와, 이 기초부(48)로부터 하류측으로 향하여 돌출하는 부채 형상의 돌출부(49)를 가지고 있다.

이와 같은 매니폴드용 열전달체(46)는, 기초부(48)로부터 하류측으로 돌출하는 돌출부(49)를 가지기 때문에, 통과하는 배기가스와 접촉 가능한 면적을 충분히 확보할 수 있고, 배기가스의 열을 빼앗기 쉽다. 또, 기초부(48)가 유입구(17)의 테두리에 접속되므로, 돌출부(49)에서 빼앗은 배기가스의 열을 매니폴드 본체(13)에 전달하기 쉽다. 따라서, 배기가스의 온도를 효과적으로 저하할 수 있고 매니폴드 본체(13)의 열 피로를 억제할 수 있다.

또, 매니폴드용 열전달체(46)는, 봉 형상의 기초부(48)가 유입구(17)의 테두리에 접속되며, 이 기초부(48)로부터 부채 형상의 돌출부(49)가 하류측으로 돌출하므로, 유입구(17)의 개구 면적을 충분히 확보할 수 있고, 배기가스의 유동에 대한 장해가 되기 어렵다.

도 5에 나타내는 매니폴드용 열전달체(51)는, 유입구(17)에 설치된 1개의 봉 형상의 열전달부(52)를 가지며, 일자 형상으로 형성되어 있다. 즉, 열전달부(52)는, 유입구(17)를 횡단하도록 설치되어 있다.

이와 같은 매니폴드용 열전달체(51)는, 플랜지(15)를 프레스 가공할 때에, 펀칭에 의해 유입구(17)와 동시에 형성된다. 따라서, 매니폴드용 열전달체(51)는, 간단한 구성으로 용이하게 형성할 수 있다.

도 6에 나타내는 매니폴드용 열전달체(54)는, 교차한 8개의 봉 형상의 열전달부(55)를 가지고 있다. 이들 열전달부(55)는, 매니폴드용 열전달체(54)의 중심부로부터 방사 형상으로 뻗어 유입구(17)의 테두리에 접속되어 있다.

이와 같은 매니폴드용 열전달체(54)는, 플랜지(15)를 프레스 할 때, 펀칭에 의해 유입구(17)와 동시에 형성할 수 있다.

또, 매니폴드용 열전달체(54)는, 복수의 열전달부(55)가 교차하여 중앙부로부터 방사 형상으로 뻗어 있기 때문에, 도 5에 나타내는 구성에 비하여, 배기가스와 접촉 가능한 면적을 크게 확보할 수 있어 배기가스의 열을 빼앗기 쉬운 동시에, 배기가스로부터 빼앗은 열을 각 열전달부(55)에서 다방향으로 전달할 수 있으므로, 열의 전달 작용이 양호하고, 배기가스의 온도를 효과적으로 저하할 수 있다.

[실시예]

이하, 실시예 및 비교예에 대하여 설명한다.

우선, 표 1에 나타내는 합금성분의 페라이트계 스테인리스강을 이용하여 매니폴드용 열전달체를 형성했다

[표 1]

강종 A 내지 강종 J는, 상기의 규정을 만족하는 페라이트계 스테인리스강을 이용한 실시예이다.

강종 K는, A값=Nb＋Ti－4(C＋N)으로 하는 (1)식으로 나타내는 A값이 0.10 미만이며, 또, B값=Cr＋15Si로 하는 (2)식으로 나타내는 B값이 18 미만의 페라이트계 스테인리스강을 이용한 비교예이다.

강종 L은, (1)식으로 나타내는 A값이 0.10 미만이며, (2)식으로 나타내는 B값이 18 이상의 페라이트계 스테인리스강을 이용한 비교예이다.

강종 M은, (1)식으로 나타내는 A값이 0.10 이상이며, (2)식으로 나타내는 B값이 18 미만의 페라이트계 스테인리스강을 이용한 비교예이다.

그리고, 이들 실시예 및 비교예에 대하여, 고온 강도를 평가하기 위해서 900℃에 있어서의 고온 인장시험을 행하고, 내산화성을 평가하기 위해서 수증기량 10% 분위기중에서 900℃-200h의 연속 산화시험을 행하였다. 이들 고온 인장시험 및 연속 산화시험의 결과를 표 2에 나타낸다.

한편, 고온 인장시험에서는, 900℃에서의 0.2% 내력을 측정하고, 20N/㎟ 이상인 것을 ◎로 표시하고, 15N/㎟ 이상 20N/㎟ 미만인 것을 ○로 표시하고, 10N/㎟ 이상 15N/㎟ 미만인 것을 △로 표시하고, 10N/㎟ 미만인 것을 ×로 표시하고, 10N/㎟ 이상이면 고온 강도가 양호하다고 평가했다.

또, 연속 산화시험에서는, 10% 수증기 분위기에서 900℃ 연속 산화시험 후의 산화 증량을 측정하여, 1㎎/㎠ 이하인 것을 ◎로 표시하고, 1㎎/㎠ 초과 10㎎/㎠ 이하인 것을 ○로 표시하고, 10㎎/㎠ 초과 20㎎/㎠ 이하인 것을 △로 표시하고, 20㎎/㎠ 초과인 것을 ×로 표시하고, 20㎎/㎠ 이하이면, 이상 산화가 생기지 않고 내산화성이 양호하다고 평가했다.

[표 2]

표 2에 나타내는 바와 같이, (1)식의 A값이 0.10 이상이며 또 (2)식의 B값이 18 이상인 강종 A 내지 강종 J의 실시예는, 900℃의 0.2% 내력이 10N/㎟ 이상으로 높고, 고온 강도가 우수한 것에 더하여 900℃-200h의 산화 증량이 20㎎/㎠ 이하로 낮고, 내산화성도 우수했다.

한편, (1)식의 A값이 0.10 미만이며 또 (2)식의 B값이 18 미만인 강종 K의 비교예는, 900℃의 0.2% 내력이 10N/㎟보다 낮고, 고온 강도가 우수하지 않은데 더하여 900℃-200h의 산화 증량이 20㎎/㎠ 초과하여 높고, 내산화성도 우수하지 않았다.

(1)식의 A값이 0.10 미만이며, (2)식의 B값이 18 이상인 강종 L의 비교예는, 900℃의 0.2% 내력이 10N/㎟보다 낮고, 고온 강도가 우수하지는 않지만, 900℃-200h의 산화 증량이 20㎎/㎠ 이하로 낮고, 내산화성이 우수했다.

(1)식의 A값이 0.10 이상이며, (2)식의 B값이 18 미만인 강종 M의 비교예는, 900℃의 0.2% 내력이 10N/㎟ 이상으로 높고, 고온 강도가 우수하기는 하지만, 900℃-200h의 산화 증량이 20㎎/㎠ 초과하여 높고, 내산화성이 우수하지 않았다.

다음으로, 도 7에 나타내는 바와 같이, 이른바 모나카 구조의 이그조스트 매니폴드를 이용하고, 상기 각 실시예 및 비교예의 페라이트계 스테인리스강으로 형성한 매니폴드용 열전달체를 설치하고, 이그조스트 매니폴드의 가열 시험을 행했다.

이그조스트 매니폴드는, 관 형상체에 SUS430J1L/2mmt의 프레스품을 이용했다. 또, 플랜지는, 표 1에 나타내는 각 강종/3.0mmt를 각각 이용하고, 십자형상으로 펀칭하여 매니폴드용 열전달체를 형성했다. 또한, 참고예로서 플랜지를 원형상으로 펀칭하고, 매니폴드용 열전달체를 설치하지 않은 경우에 있어서도 가열 시험을 행했다.

가열 시험에서는, 전기 히터식의 가열 장치를 이용하고, 이그조스트 매니폴드의 유입구측의 가스 온도를 1100℃로 하고, 송풍량이 각 관 형상부에서 1.5㎥/분이 되도록 조정했다. 또, 플랜지의 냉각은, SUS304제의 접속 블록을 수냉하고, 플랜지의 재료 온도가 340℃가 되도록 수량을 조정했다.

그리고, 이그조스트 매니폴드의 집합부에 있어서, 재료 온도 및 배기가스 온도를 측정했다. 또, 강종 E, H, J의 실시예 및 강종 K의 비교예를 이용하여, 가열 시험의 조건으로 100h 연속운전하고, 연속운전 후의 매니폴드용 열전달체에 대하여, 연속가열에 의한 변형 및 이상 산화의 정도를 조사했다. 이 결과를 표 3에 나타낸다.

한편, 재료 온도 및 배기가스 온도의 측정에 있어서의 △T는, 실시예 및 비교예의 측정 온도와, 참고예의 측정 온도와의 차이이다. 즉, △T=측정 온도-참고예의 측정 온도이다. 또, 변형 조사에서는, 변형으로 좌굴(座屈)의 발생이 인정된 것을 ×로 표시하고, 특히 변형이 인정되지 않은 것을 ○로 표시했다. 또한 이상 산화의 조사에서는, 이상 산화에 의한 두께 감소가 발생한 것을 ×로 표시하고, 특히 감육이 발생하지 않은 것을 ○로 표시했다.

[표 3]

표 3에 나타내는 바와 같이, 실시예 및 비교예의 결과와 참고예의 결과를 비교하면, 매니폴드용 열전달체를 설치함으로써, 이그조스트 매니폴드의 집합부에서의 재료 온도가 저하하는 동시에, 이그조스트 매니폴드의 집합부에서의 배기가스 온도가 저하하고 있고, 실시예 및 비교예 모두 우수한 발열성을 나타냈다.

또, 실시예인 강종 E, H, J는, 100h 연속 운전 후에 있어서, 변형 및 이상 산화에 의한 균열이나 두께 감소의 발생이 인정되지 않고, 우수한 고온 강도 및 내산화성을 나타내는 동시에, 표 3에 나타내지는 않았지만, 100h 연속운전 후에 있어서도, 참고예에 비하여 배기가스의 온도가 50℃ 전후 저하하고, 발열성은 양호했다.

한편, 비교예인 강종 K는, 100h 연속운전 후에 있어서, 변형 및 이상 산화에 의해 일부가 결손하고, 100h 연속 운전 후에 있어서, 참고예에 비해 배기가스의 온도에 50℃ 정도의 저하를 볼 수 없고, 발열성이 저하되고 있었다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명은, 엔진으로부터의 고온의 배기가스를 매니폴드 컨버터나 배기관 등으로 유도하는 이그조스트 매니폴드에 있어서, 배기가스의 열을 매니폴드 본체에 전달하기 위한 매니폴드용 열전달체로서 이용 가능하다.

11: 매니폴드용 열전달체
12: 이그조스트 매니폴드
13: 매니폴드 본체
14: 엔진
41: 매니폴드용 열전달체
46: 매니폴드용 열전달체
51: 매니폴드용 열전달체
54: 매니폴드용 열전달체

Claims

이그조스트 매니폴드에서 엔진으로부터의 배기가스가 흐르는 매니폴드 본체의 적어도 상류측에 위치하고, 상기 엔진으로부터의 배기가스의 열을 매니폴드 본체에 전달하는 매니폴드용 열전달체로서,
적어도 일부가, 질량%로, C：0.03% 이하와, Si：2.0% 이하와, Mn：2.0% 이하와, Cr：10~30%와, Nb：0.8% 이하 및 Ti：0.8% 이하의 적어도 1종과, N：0.03% 이하를 포함하고 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 동시에, 하기 (1)식으로 나타내는 A값이 0.10 이상이며 또 하기 (2)식으로 나타내는 B값이 18 이상이 되도록 합금성분이 조정된 페라이트계 스테인리스강으로 형성된 것을 특징으로 하는 매니폴드용 열전달체.
(1)식：A값=Nb＋Ti－4(C＋N)
(2)식：B값=Cr＋15Si
제 1 항에 있어서,
페라이트계 스테인리스강은, 질량%로, Cu：3.0% 이하, Mo：3.0% 이하 및 W：3.0% 이하 중 적어도 1종을 함유하는 것을 특징으로 하는 매니폴드용 열전달체.