KR20130136335A - 배기계용 오스테나이트계 내열주강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기계용 오스테나이트계 내열주강에 관한 것으로, 탄소(C) 0.4 ~ 0.6 중량%, 실리콘(Si) 0.5 ~ 0.8 중량%, 니켈(Ni) 3.5 ~ 4.5 중량%, 크롬(Cr) 20 ~ 22 중량%, 나이오븀(Nb) 1.0 ~ 2.0 중량%, 텅스텐(W) 0.8 ~ 1.5 중량%, 질소(N) 0.35 ~ 0.45 중량%, 망간(Mn) 3.5 ~ 4.5 중량% 및 잔부의 철을 포함하여 소재의 내열성, 내산화성, 고온강도 및 고온피로수명 등이 크게 향상된 배기계용 오스테나이트계 내열주강에 관한 것이다.

Description

배기계용 오스테나이트계 내열주강{Austenitic heat resisting cast steel for exhaust system}

본 발명은 고온강도가 우수한 배기계용 오스테나이트계 내열주강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가열과 냉각과정을 반복적으로 거치는 차량 엔진의 배기계 부품인 배기 매니폴드(exhaust manifold) 등에 이용되는 내열성, 내산화성, 고온강도 및 고온피로수명이 개선된 배기계용 오스테나이트계 내열주강에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 배기 매니폴드는 각 기통에서 배출되는 배출가스를 하나의 흐름으로 모으는 배기관 장치인데, 상기 배기 매니폴드는 가스킷의 내경, 헤드 및 배기 매니폴드의 내경이 서로 달라 심한 저항을 받으며, 헤드에서 나온 배기가스를 가장 먼저 받는 곳에 위치하기에 엔진의 출력에 따라 상당한 부하를 받는다.

또한, 엔진과는 달리 배기 매니폴드는 냉각수 등의 쿨러가 없으므로 엔진 가동시에 800 ~ 900 ℃의 고온까지 올라가고 엔진 가동 중단시에 급격한 공냉을 거친다.

이와 같이, 상기 배기 매니폴드는 가열과 냉각과정을 반복적으로 거치는데, 최근에 GDI 엔진(gasoline direct injection engine)이나 터보엔진 등이 장착된 차량의 증가 및 배기규제강화에 의해 차량의 배기가스 온도가 지속적으로 상승하고 있다. 즉, 배기계가 받는 부하가 커짐에 따라 상기 배기 매니폴드는 점차 가혹한 조건에 놓이고 있으며, 더욱 높은 온도범위에서 내구성, 내열성 등의 물성 향상이 요구되고 있다.

현재 상기 배기 매니폴드 등의 배기계 부품은 고온 내산화 주철소재로서 FCD-HS 주철, 실리콘(Si)-몰리브덴(Mo) 주철 및 다량의 니켈(Ni)이 첨가된 고 니켈(Ni) 오스테나이트계주강 등으로 제조된다.

특히, FCD-HS 주철 및 실리콘(Si)-몰리브덴(Mo) 주철은 고온에서의 물성 향상 및 내산화성을 위하여 기존 구상흑연주철재에 실리콘(Si)이나 몰리브덴(Mo) 등을 첨가하여 사용하고 있다.

다만, 상기 내열 주철을 사용하는 배기계의 일반적인 온도범위는 약 630 ~ 760℃이며, 배기가스의 온도 측면에서는 약 700 ~ 800℃ 온도범위에 이르는데, 상기 온도범위에서 상기 내열 주철의 피로수명(Fatigue Life) 즉, 반복응력을 받은 재료가 파괴될 때까지의 반복 횟수가 200 사이클(cycle) 이하로서 고내열 물성이 요구되는 고출력 엔진의 배기계 부품 적용에 부적합한 문제가 있다.

뿐만 아니라, 상기 내열 주철보다 내열성, 내구성 등의 고온 물성이 우수한 고 니켈(Ni) 오스테나이트계 주강을 사용할 수 있지만, 고가인 니켈(Ni)의 함유량이 10 중량% 이상이기에 원가 측면에서 사용에 한계가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 니켈의 함유량을 낮춤으로써 고 니켈(Ni) 오스테나이트계 주강보다 상대적으로 저렴하며, 조성비를 조절함으로써 내열성, 내산화성, 고온강도 및 고온피로수명이 개선된 배기계용 오스테나이트계 내열주강을 제공하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 배기계용 오스테나이트계 내열주강은 탄소(C) 0.4 ~ 0.6 중량%, 실리콘(Si) 0.5 ~ 0.8 중량%, 니켈(Ni) 3.5 ~ 4.5 중량%, 크롬(Cr) 20 ~ 22 중량%, 나이오븀(Nb) 1.0 ~ 2.0 중량%, 텅스텐(W) 0.8 ~ 1.5 중량%, 질소(N) 0.35 ~ 0.45 중량%, 망간(Mn) 3.5 ~ 4.5 중량% 및 잔부의 철을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 배기계용 오스테나이트계 내열주강은 니켈(Ni) 당량 대비 크롬(Cr) 당량의 비율(크롬 당량 / 니켈 당량)이 0.65 ~ 0.85인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 배기계용 오스테나이트계 내열주강은 배기 매니폴드에 이용되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는, 종래 오스테나이트계 내열주강과 비교하여 고온에서의 인장강도 및 저주기 피로수명이 우수하므로 고내열 물성이 요구되는 배기계의 가혹한 조건에도 적용가능한 장점이 있다.

또한, 종래 오스테나이트 재질 대비 합금성분의 최적화로 인해 용탕의 용융점을 낮춰 생산량을 증가시킬 수 있다.

뿐만 아니라, 질소(N) 및 망간(Mn) 첨가를 통하여 고가의 니켈(Ni) 중량% 를 최소화하는 등 조성비를 조절함으로써 상기 효과를 달성하여 원가적인 측면에서 상업적 적용성이 뛰어난 장점도 있다.

도 1은 차량 엔진의 배기계 부품인 배기 매니폴드를 나타내는 도면이다.
도 2는 고온 인장시험결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 고온 저주기피로시험결과를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 일 관점에서 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 나이오븀(Nb), 텅스텐(W) 및 질소(N)를 포함하는 배기계용 오스테나이트계 내열주강에 관한 것이다.

앞서 설명한 바와 같이 배기 매니폴드가 받는 부하가 증가되는 것에 대응하여, 본 발명은 가혹한 조건에서도 적용할 수 있는 내열성 및 내산화성 등이 우수한 배기계용 오스테나이트계 내열주강을 제공한다.

구체적으로 본 발명에 의한 상기 오스테나이트계 내열주강은,

탄소(C) 0.4 ~ 0.6 중량%, 실리콘(Si) 0.5 ~ 0.8 중량%, 니켈(Ni) 3.5 ~ 4.5 중량%, 크롬(Cr) 20 ~ 22 중량%, 나이오븀(Nb) 1.0 ~ 2.0 중량%, 텅스텐(W) 0.8 ~ 1.5 중량%, 질소(N) 0.35 ~ 0.45 중량%, 망간(Mn) 3.5 ~ 4.5 중량% 및 잔부의 철을 포함하며 오스테나이트 기지조직을 나타낸다.

상기 오스테나이트 기지조직을 나타내는 내열주강은 페라이트 기지조직을 나타내는 것과 비교하여 고온피로강도가 우수하며, 온도 상승 및 냉각 중에 펄라이트의 생성을 억제하여 상변태로 인한 팽창을 방지할 수 있는 이점이 있다.

한편, 상기 탄소(C)는 재료의 강도와 경도를 증가시키고 미세합금원소가 탄화물을 석출하기 위한 필수적인 원소로서 흑연정출 및 용탕 유동성, 즉 주조성에 기여하는바 0.4 중량% 이상이 바람직하고, 조대 흑연정출을 고려하여 0.6 중량% 이하가 바람직하다.

또한, 상기 실리콘(Si)은 오스테나이트계 주강에서 고온피로강도 향상에 영향을 주는 원소로서 용탕 유동성, 즉 주조성을 고려하여 0.5 중량% 이상이 바람직하고, 주조 후 유해한 상의 형성으로 인한 취성을 고려하여 0.8 중량% 이하가 바람직하다.

또한, 상기 니켈(Ni)은 내열주강에서 고온물성을 향상시키는데 첨가되는 대표적인 원소로서 고온에서 피로수명뿐만 아니라 크립저항성 및 연성을 증대시키므로 3.5 중량% 이상이 바람직하고, 상기 니켈(Ni)의 가격이 매우 고가인바 오스테나이트계 내열주강재의 고온물성의 향상에 필요한 최소 요구치를 고려하여 4.5 중량% 이하가 바람직하다. 이 때, 본 발명에서는 상대적으로 저렴한 질소(N) 및 크롬(Cr)을 첨가하여 내열성 및 내부식성 등을 보완한다.

또한, 상기 크롬(Cr)은 내산화성에 기여하는 원소로서 니켈(Ni)과 유사한 역할을 수행하는데, 첨가된 니켈(Ni)을 보완하여 피로수명 및 물성을 향상시키므로 20 중량% 이상이 바람직하고, 기지조직의 페라이트화를 방지하기 위해 22 중량% 이하가 바람직하다.

또한, 상기 나이오븀(Nb)은 탄소(C)와 결합하여 미세한 탄화물을 형성하고 내열주강의 고온강도와 고온피로수명을 향상시키므로 1.0 중량% 이상이 바람직하고, 결정입계에 생성되는 공정탄화물에 의한 강도 및 연성의 저하를 고려하여 2.0 중량% 이하가 바람직하다.

또한, 상기 텅스텐(W)은 상기 나이오븀(Nb)과 유사한 역할을 수행하는데, 탄소(C)와 결합하여 미세한 탄화물을 형성하고 내열주강의 고온강도 및 고온피로수명을 향상시키므로 0.8 중량% 이상이 바람직하고, 강도 및 연성의 저하를 고려하여 1.5 중량% 이하가 바람직하다.

또한, 상기 질소(N)는 오스테나이트 안정화 원소로서 상기 니켈(Ni)과 유사한 역할을 수행하는데, 고온강도 및 고온피로수명을 향상시키는바 0.35 중량% 이상이 바람직하고, 크롬(Cr)과 질화물 석출에 의한 취성을 고려하여 0.45 중량% 이하가 바람직한데, 상기 질소(N)의 원가는 상기 니켈(Ni)의 원가 대비 약 5% 미만인바 배기 매니폴드 등의 배기계 부품 제조시 상기 질소(N)의 사용은 경제적인 이점을 가져다준다.

또한, 상기 망간(Mn)은 함량 증가시에 별도의 열처리 없이 응고 중 조직 내부에 미세분산상(dispersoid)이 형성되어 피로수명 증가 효과를 나타내고, 질소(N)의 기지조직 내 고용도를 높여주는바 3.5 중량% 이상이 바람직하고, 연성 및 내식성 저하를 고려하여 4.5 중량% 이하가 바람직하다.

한편, 본 발명의 오스테나이트계 내열주강의 기지조직에 있어서 오스테나이트는 면심입방구조(Face Centered Cubic, FCC)를 가지므로 상기 오스테나이트의 고온 안전성을 더욱 높이기 위해서는 니켈(Ni) 당량을 높이고, 크롬(Cr) 당량을 낮춰 니켈(Ni) 당량에 대한 크롬(Cr) 당량의 비율이 최소화되도록 하는 것이 바람직하다.

이 때, 니켈 당량(nickel equivalent)은 주강의 조성을 추정할 때 사용하는 용어로 조직상 니켈(Ni) 및 상기 니켈(Ni)과 똑같은 작용을 하는 다른 원소 중량%에 그것의 작용효과에 따른 계수를 곱하여 그 합계로 표시한 값인데, 구체적으로 오스테나이트와 같은 면심입방구조를 가지는 니켈(Ni), 탄소(C), 질소(N), 망간(Mn)을 그 작용효과에 따라 계수를 곱한 값을 의미한다.

또한, 크롬 당량(chromium equivalent)은 역시 주강의 조성을 추정할 때 사용하는 용어로 조직상 크롬(Cr) 및 상기 크롬(Cr)과 똑같은 작용을 하는 다른 원소 중량%에 그것의 작용효과에 따른 계수를 곱하여 그 합계로 표시한 값인데, 구체적으로 체심입방구조(Body Centered Cubic, BCC)를 가지는 크롬(Cr), 실리콘(Si), 나이오븀(Nb), 텅스텐(W)을 그 작용효과에 따라 계수를 곱한 값을 의미한다.

따라서, FCC 구조를 가지는 오스테나이트를 안정화시키기 위한 상기 조성에 따른 니켈(Ni) 당량 대비 크롬(Cr) 당량의 비율(크롬 당량/니켈 당량)은 0.65 ~ 0.85 인 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

구분	화학성분(중량 %)								크롬당량 /니켈당량
	C	Si	Mn	Ni	Cr	Nb	W	N
실시예1	0.53	0.69	3.98	3.97	21.2	1.56	1.06	0.41	0.70
비교예1	0.34	1.11	1.04	11.3	21.4	1.53	2.79	-	1.17
비교예2	0.4	1.13	1.03	13.2	24.5	1.74	-	-	1.05

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 1은 본 발명에 의한 조성을 가진 오스테나이트계 내열주강이고, 상기 비교예 1 및 비교예 2는 종래 오스테나이트계 내열 주강품이다.

- 니켈 당량 = 니켈 중량% + 30*(탄소 중량% + 질소 중량%) + 0.5*망간 중량%

- 크롬 당량 = 크롬 중량% + 1.5*실리콘 중량% + 0.5*나이오븀 중량% + 0.72*텅스텐 중량%

도 2는 고온 인장시험결과를 나타내는 도면인데, ASTM E21 'Standard test methods for elevated temperature tension tests of metallic materials'에 의해 시험편 온도 800℃, 900℃ 에서 인장강도를 측정한 결과를 나타낸다.

도 3은 고온 저주기피로시험결과를 나타내는 도면인데, ASTM E606 'Standard Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing'에 의해 시험편 온도 800℃, 900℃ 에서 변형률 진폭 0.6%, 1.0%로 측정한 피로수명 결과를 나타낸다.

구분	고온 인장강도(MPa)		저주기 피로수명(cycle)
	800℃	900℃	800℃		900℃
			0.6%	1.0%	0.6%	1.0%
실시예 1	301	174	3356	201	2178	104
비교예 1	243	126	2854	153	1643	92
비교예 2	234	119	2873	125	1621	87

상기 표 2는 도 2 및 도 3의 고온 물성 실험결과를 정리한 것인데, 고온물성실험결과 실시예 1(100)의 800℃, 900℃ 고온 인장강도는 각각 301MPa, 174MPa 로, 비교예 1(110) 및 비교예 2(120)의 800℃, 900℃ 고온 인장강도보다 높은 강도를 나타냄을 알 수 있다.

이는 탄소(C), 텅스텐(W) 등의 첨가에 따른 탄화물 석출 및 오스테나이트 안정화 원소로서 질소(N)의 첨가 등으로 고온강도가 향상되었기 때문이다.

또한, 실시예 1의 800℃에서 0.6% 저주기 피로수명(200)은 3356 사이클, 1.0% 저주기 피로수명(230)은 201 사이클이고, 900℃에서 0.6% 저주기 피로수명(200)은 2178 사이클, 1.0% 저주기 피로수명(230)은 104 사이클로서, 비교예 1의 800℃, 900℃에서 0.6% 저주기 피로수명(210), 1.0% 저주기 피로수명(240) 및 비교예 2의 800℃, 900℃에서 0.6% 저주기 피로수명(220), 1.0% 저주기 피로수명(240) 보다 높은 것을 확인할 수 있다.

이는 나이오븀(Nb) 등의 첨가에 따른 탄화물 석출, 망간(Mn)의 첨가에 따른 미세분산상 형성 및 오스테나이트 안정화 원소로서 질소(N)의 첨가 등으로 고온피로강도가 향상되었기 때문이다.

이와 같이, 상기 조성을 가진 본 발명의 배기계용 오스테나이트계 내열주강은 고온용 주강합금 소재로서 우수한 내열성, 내산화성, 고온강도 및 고온피로수명 등을 나타내며, 고 니켈(Ni) 오스테나이트계 주강보다 상대적으로 저렴하기에 배기 매니폴드 등의 배기계 부품에 적합하게 이용될 수 있다.

100 : 실시예 1 110 : 비교예 1
120 : 비교예 2
200 : 실시예 1의 0.6% 저주기 피로수명
210 : 비교예 1의 0.6% 저주기 피로수명
220 : 비교예 2의 0.6% 저주기 피로수명
230 : 실시예 1의 1.0% 저주기 피로수명
240 : 비교예 1의 1.0% 저주기 피로수명
250 : 비교예 2의 1.0% 저주기 피로수명

Claims (3)

1. 탄소(C) 0.4 ~ 0.6 중량%, 실리콘(Si) 0.5 ~ 0.8 중량%, 니켈(Ni) 3.5 ~ 4.5 중량%, 크롬(Cr) 20 ~ 22 중량%, 나이오븀(Nb) 1.0 ~ 2.0 중량%, 텅스텐(W) 0.8 ~ 1.5 중량%, 질소(N) 0.35 ~ 0.45 중량%, 망간(Mn) 3.5 ~ 4.5 중량% 및 잔부의 철을 포함하는 배기계용 오스테나이트계 내열주강.
   
2. 제1항에 있어서, 니켈(Ni) 당량 대비 크롬(Cr) 당량의 비율(크롬 당량 / 니켈 당량)이 0.65 ~ 0.85인 것을 특징으로 하는 배기계용 오스테나이트계 내열주강.
   
3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기계용 오스테나이트계 내열주강은 배기 매니폴드에 이용되는 것을 특징으로 하는 배기계용 오스테나이트계 내열주강.

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