KR20150065870A

KR20150065870A - 피삭성이 우수한 페라이트계 내열 주강 및 그것으로 이루어지는 배기계 부품

Info

Publication number: KR20150065870A
Application number: KR1020157011966A
Authority: KR
Inventors: 스스무 가쓰라기; 마사히데 가와바타; 도모노리 사쿠타; 가나 모리시타; 겐이치 이노우에
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2013-10-04
Publication date: 2015-06-15
Also published as: US20150275344A1; CN104718304B; KR102087129B1; WO2014057875A1; US9758851B2; EP2907885B1; EP2907885A1; JPWO2014057875A1; CN104718304A; EP2907885A4; JP6160625B2

Abstract

질량 기준으로, C: 0.32∼0.48 %, Si: 0.85% 이하, Mn: 0.1∼2 %, Ni: 1.5% 이하, Cr: 16∼23 %, Nb: 3.2∼5 %, Nb/C: 9∼11.5, N: 0.15% 이하, S: 0.05∼0.2 %, 및 Al: 0.01∼0.08 %를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 피삭성이 우수한 페라이트계 내열 주강, 및 그것으로 이루어지는 배기계 부품.

Description

피삭성이 우수한 페라이트계 내열 주강 및 그것으로 이루어지는 배기계 부품{FERRITIC HEAT-RESISTANT CAST STEEL WITH EXCELLENT MACHINABILITY AND EXHAUST COMPONENT CONSISTING OF SAME}

본 발명은, 자동차용 가솔린 엔진 및 디젤 엔진의 배기계 부품 등에 적합한 내열 주강(鑄鋼)에 관한 것이며, 특히 피삭성이 우수한 페라이트계 내열 주강, 및 그것으로 이루어지는 배기계 부품에 관한 것이다.

최근, 지구 규모의 환경 부하의 저감이나 환경 보전에 대해 부르짖고 있으며, 자동차에 대하여, 대기 오염 물질의 배출량을 삭감하기 위한 배기 가스의 정화와, 지구 온난화의 한 요인인 CO₂의 배출량 억제를 위한 연비 성능의 향상(저연비화)이 강하게 요구되고 있다. 자동차의 배기 가스 정화 및 연비 개선의 대책으로서, 차체의 경량화 및 공기 저항 저감, 엔진의 고성능화 및 저연비화, 엔진으로부터 구동계로의 동력 전달의 효율화, 배기 가스의 정화 등의 다양한 기술이 채용되어 왔다.

그 중에서도, 엔진의 고성능화 및 저연비화의 기술로서, 연료의 직분화(直噴化), 연료 분사의 고압화, 압축비의 증대, 터보차저(turbocharger; 과급기)의 채용에 의한 엔진 배기량의 저감, 엔진의 소형 경량화(다운사이징) 등을 예로 들 수 있으며, 고급차로 한정되지 않고 대중차에도 도입되고 있다. 그 결과, 연료를 보다 고온 고압에서 연소시키는 경향이 있으며, 이에 따라 엔진으로부터 배기계 부품으로 배출되는 배기 가스의 온도도 상승하는 경향이 있다. 예를 들면, 대중차라도 배기 가스 온도는 1000℃ 근처까지 상승하고, 배기계 부품의 표면 온도도 900℃에 도달하는 경우가 있다. 이와 같이 고온의 배기 가스에 노출되는 배기계 부품은, 종래보다 내산화성, 고온 강도, 내열 변형성, 내열 균열성 등의 내열 특성의 향상이 더욱 요구된다.

종래, 자동차의 가솔린 엔진 및 디젤 엔진에 사용하는 배기 매니폴드, 터빈 하우징 등의 복잡 형상의 배기계 부품은, 형상 자유도가 높은 주물(鑄物)에 의해 제조되고 있고, 또한 사용 조건이 고온이며 가혹하므로, 고(高)Si 구형(球形) 흑연 주철, 니레지스트 주철(Ni-Cr계 오스테나이트 주철) 등의 내열 주철, 페라이트계 내열 주강, 오스테나이트계 내열 주강 등이 사용되고 있다.

페라이트계의 고Si 구형 흑연 주철은, 800℃ 부근까지 비교적 양호한 내열 특성을 나타내지만, 그것을 초과하는 온도에서는 내구성(耐久性)이 뒤떨어진다. Ni, Cr, Co 등의 희소(稀少) 금속(레어 메탈)을 많이 함유하는 니레지스트 주철 등의 내열 주철이나 오스테나이트계 내열 주강은 800℃ 이상에서의 내산화성 및 내열 균열성을 동시에 만족시킨다. 그러나, 니레지스트 주철은 Ni 함유량이 많기 때문에 고가일 뿐만 아니라, 오스테나이트계 기지(基地) 조직이므로 선 팽창률이 크고, 또한 미크로 조직에 파괴의 기점(起點)으로 되는 흑연이 존재하고 있으므로, 내열 균열성이 뒤떨어진다. 또한, 오스테나이트계 내열 주강은, 파괴의 기점으로 되는 흑연은 없지만, 선 팽창률이 크기 때문에 900℃ 부근에서의 내열 균열성이 불충분하다. 또한, 희소 금속을 많이 함유하므로 고가이고, 세계 경제 정세의 영향을 받기 쉬워, 원료의 안정적 공급에 불안이 있다.

배기계 부품용 내열 주강은, 경제성 및 원료의 안정적 공급뿐만 아니라 자원의 유효 활용의 관점에서, 희소 금속의 함유량을 최대한 억제하고 필요한 내열 특성을 확보하는 것이 바람직하다. 이로써, 염가로 고성능 배기계 부품을 얻을 수 있어 저연비화의 기술을 저렴한 대중차에도 적용할 수 있고, CO₂ 가스의 배출량의 삭감에 공헌할 수 있다. 희소 금속의 함유량을 최대한 억제하기 위해서는, 합금의 기지 조직을 오스테나이트보다 페라이트(ferrite)로 하는 것이 유리하다. 또한, 페라이트계 내열 주강은 오스테나이트계 내열 주강보다 선 팽창률이 작으므로, 엔진의 시동 및 발진에 따라 발생하는 열응력이 작고, 내열 균열성이 우수하다.

또한, 배기계 부품은, 주조(鑄造) 후에 엔진 및 주변 부품과의 장착면, 장착공 등의 연결 부위나, 높은 치수 정밀도를 요하는 부위 등에 절삭 등의 기계 가공을 행한 후, 자동차에 조립되므로, 높은 피삭성을 가질 필요가 있다. 그런데, 배기계 부품에 사용되는 내열 주강은 일반적으로 피삭성이 좋지 못한 난삭재료(難削材料)이며, 특히 페라이트계 내열 주강은, Cr을 많이 함유하여 고강도를 가지므로, 피삭성이 뒤떨어진다. 그러므로, 페라이트계 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품을 절삭하는 경우, 높은 경도 및 강도를 가지는 비교적 고가의 절삭 공구를 필요로 하고, 공구 수명도 짧으므로, 공구 교환의 빈도가 많고, 가공 비용이 상승하고, 또한 저속에서의 절삭을 피할 수 없게 되어, 절삭에 장시간을 요하므로, 가공 능률이 낮다. 이와 같이 페라이트계 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품의 기계 가공에는, 생산성 및 경제성이 낮은 문제점이 있다.

주조성 개선을 위하여, 일본공개특허 평7-197209호는, 중량 비율로, C: 0.15∼1.20 %, C-Nb/8: 0.05∼0.45 %, Si: 2% 이하, Mn: 2% 이하, Cr: 16.0∼25.0 %, W 및/또는 Mo: 1.0∼5.0 %, Nb: 0.40∼6.0 %, Ni: 0.1∼2.0 %, 및 N: 0.01∼0.15 %를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성을 가지고, 통상의 α상(相)(α페라이트상) 이외에γ상(오스테나이트상)으로부터 α＋탄화물로 변태한 상(이하 「α'상」이라고 함)을 가지고, α'상의 면적 비율[α'/(α＋α')]이 20∼70 %이며, 주조성이 우수한 페라이트계 내열 주강을 제안하고 있다. 이 페라이트계 내열 주강은 NbC의 형성에 필요한 양 이상의 C(오스테나이트화 원소)를 함유하므로, 기지 조직에 고용(固溶)한 C에 의해 응고 시에 γ상이 생성되고, 냉각 과정에서 γ상은 α'상으로 변태하고, 이에 따라 연성 및 내산화성이 향상되고 있다. 그러므로, 이 페라이트계 내열 주강은 900℃ 이상에서 사용되는 배기계 부품에 적절하다.

그러나, 주물 방치 상태로는 γ상으로부터 α'상으로의 변태가 충분히 진행하지 않고, γ상으로부터 마르텐사이트(martensite)상으로 변태한다. 마르텐사이트상은 고경도이므로, 상온에서의 인성(靭性) 및 피삭성을 현저하게 악화시킨다. 충분한 인성 및 피삭성을 확보하기 위해서는, 승온(昇溫)에 의해 마르텐사이트상을 소멸시키고 α'상을 석출시키는 열처리가 필요한 경우가 있다. 그러나, 열처리는 일반적으로 제조 비용을 상승시키므로, 희소 금속의 함유량이 적은 페라이트계 내열 주강의 경제적 장점을 손상시킨다.

피삭성 개선을 위하여, WO 2012/043860은, 중량 비율로, C: 0.32∼0.45 %, Si: 0.85% 이하, Mn: 0.15∼2 %, Ni: 1.5% 이하, Cr: 16∼23 %, Nb: 3.2∼4.5 %, Nb/C: 9∼11.5, N: 0.15% 이하, S: (Nb/20-0.1)∼0.2 %, W 및/또는 Mo: 합계 3.2% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지고, δ페라이트와 Nb 탄화물(NbC)과의 공정(共晶)(δ＋NbC) 상의 면적 비율이 60∼80 %이며, 망간 크롬 황화물 (MnCr)S의 면적 비율이 0.2∼1.2 %인 조직을 가지고, 우수한 탕 흐름성, 내(耐) 가스 결함성, 인성 및 피삭성을 가지는 페라이트계 내열 주강을 제안하고 있다.

WO 2012/043860의 페라이트계 내열 주강은, C 및 Nb의 함유량을 증가시키고, 또한 양자의 함유량의 밸런스를 최적화함으로써, 응고 개시 온도가 저하되어 탕 흐름성이 개선되고, 또한 초정(初晶) δ상과 공정(δ＋NbC)상의 결정입자의 미세화에 의해 인성이 대폭 향상되어 있다. 또한, 적량의 S를 함유함으로써 망간 크롬 황화물 (MnCr)S가 정출(晶出)되고, 응고 종료 온도가 저하되고, 또한 응고 온도 범위가 확대하고, 내가스 결함성이 개선되었다. 그러나, WO 2012/043860의 페라이트계 내열 주강은, 오로지 탕 흐름성, 내가스 결함성 및 인성을 개선하는 것을 노린 것으로, 피삭성을 개선하는 견지에 대한 검토는 충분하지 않았다. 즉, WO 2012/043860은, 마르텐사이트로 변태하는 γ상의 정출, 탄화물의 석출량의 증가, 및 기지 조직으로의 고용량의 증가 등의 작용에 의해 피삭성을 악화시키는 합금 원소의 함유량을 규제함으로써 피삭성의 저하를 억제하는 것을 제안하고 있지만, 적극적으로 피삭성을 개선하는 수단을 개시하고 있는 것은 아니다.

상기한 바와 같이 일본공개특허 평7-197209호 및 WO 2012/043860의 페라이트계 내열 주강에는 피삭성을 개선할 여지가 있으므로, 더욱 높은 피삭성을 가지는 페라이트계 내열 주강이 요구된다.

일본공개특허 평7-197209호 WO 2012/043860

따라서, 본 발명의 목적은, 900℃ 부근에서의 우수한 내열 특성을 확보하면서, 우수한 피삭성을 가지는 페라이트계 내열 주강, 및 이러한 페라이트계 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품을 제공하는 것이다.

상기 목적을 감안하여 예의(銳意) 연구한 결과, 본 발명자들은, 일본공개특허 평7-197209호 및 WO 2012/043860의 페라이트계 내열 주강에 소정량의 Al 및 S를 첨가하고, C, Mn, Ni, Cr, Nb 및 N의 함유량을 적정 범위로 한정하면, 900℃ 부근에서의 우수한 내열 특성을 확보하면서 피삭성을 개선할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 피삭성이 우수한 본 발명의 페라이트계 내열 주강은 질량 기준으로,

C: 0.32∼0.48 %,

Si: 0.85% 이하,

Mn: 0.1∼2 %,

Ni: 1.5% 이하,

Cr: 16∼23 %,

Nb: 3.2∼5 %,

Nb/C: 9∼11.5,

N: 0.15% 이하,

S: 0.05∼0.2 %, 및

Al: 0.01∼0.08 %

를 함유하고,

잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 페라이트계 내열 주강은, W 및/또는 Mo를 합계하여 0.8∼3.2 질량% 더 함유할 수도 있다.

본 발명의 페라이트계 내열 주강은 또한, Nb 및 Al이 하기 식(1):

0.35≤0.1Nb＋Al≤0.53 ···(1)

(단, 원소 기호는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타냄)을 만족시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 페라이트계 내열 주강의 조직은, 시야 면적 14000㎛² 당 20개 이상의 황화물 입자를 함유하는 것이 바람직하다.

본 발명의 배기계 부품은, 상기 페라이트계 내열 주강으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 배기계 부품의 바람직한 예로서, 배기 매니폴드, 터빈 하우징, 터빈 하우징 일체화 배기 매니폴드, 촉매 케이스, 촉매 케이스 일체화 배기 매니폴드, 및 배기구(exhaust outlet)를 들 수 있다.

본 발명의 페라이트계 내열 주강은, 900℃ 부근에서의 우수한 내열 특성을 확보하면서, 양호한 피삭성을 가지므로, 절삭 공구에 사용했을 때 장수명으로 할 수 있을 뿐만 아니라 절삭 속도를 높일 수 있고, 절삭 가공의 생산성 및 경제성을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 희소 금속의 함유량을 억제하고 있으므로, 원료 비용의 억제뿐만 아니라, 자원의 유효 활용이나 안정적 공급에도 공헌한다. 또한, 피삭성을 개선하기 위한 열처리가 불필요하므로, 제조 비용의 상승을 초래하지 않고, 에너지 절약에도 기여한다. 이와 같은 특징을 가지는 본 발명의 페라이트계 내열 주강을 사용하면, 자동차용의 배기계 부품을 저비용으로 효율적으로 제조할 수 있으므로, 저연비화 기술의 적용 범위를 확대시켜, 자동차 등의 CO₂ 가스의 배출량의 삭감에 공헌한다.

도 1은 실시예 67의 페라이트계 내열 주강의 미크로 조직을 나타내는 현미경 사진이다.
도 2는 비교예 47의 주강의 미크로 조직을 나타내는 현미경 사진이다.

[1] 페라이트계 내열 주강

본 발명의 페라이트계 내열 주강의 조성 및 조직을 이하에서 상세하게 설명한다.그리고, 각 원소의 함유량은 특별히 한정되지 않는 한 질량%로 나타낸다.

[A] 조성

(1) C(탄소): 0.32∼0.48 %

C는 페라이트계 내열 주강용 용탕(溶湯)의 응고 개시 온도를 하강시켜 유동성(탕흐름성, 주조성)을 높인다. 또한, C는 초정 δ상의 형성에 기여하지만, 초정 δ상보다 응고 개시 온도가 더욱 저하되고, 탕흐름성이 향상된다. 또한, C는 Nb와 결합하여 δ상과 Nb 탄화물(NbC)과의 공정(δ＋NbC)상을 형성하고, 페라이트계 내열 주강의 고온 강도를 높인다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘하기 위하여, 본 발명의 페라이트계 내열 주강은, 0.32% 이상의 C를 함유할 필요가 있다. 그러나, C함유량이 0.48%를 넘으면, 공정(δ＋NbC)상이 지나치게 많아져서, 페라이트계 내열 주강은 취화(脆化)하고, 상온 인성이 저하되고, 또한 피삭성이 열화된다. 그러므로, C 함유량은 0.32∼0.48 %로 한다. C 함유량의 상한은 바람직하게는 0.45%이며, 더욱 바람직하게는 0.44%이며, 가장 바람직하게는 0.42%이다.

(2) Si(규소): 0.85% 이하

Si는 용탕의 탈산제로서 작용하고, 또한 내산화성을 개선한다. 그러나, 0.85%를 넘으면, Si는 기지 조직의 페라이트에 고용하여, 기지 조직을 현저하게 취화시킨다. 그러므로, Si의 함유량은 0.85% 이하(0%를 포함하지 않음)로 한다. Si 함유량의 하한은 바람직하게는 0.2%이며, 더욱 바람직하게는 0.3%이다. 또한, Si 함유량의 상한은 바람직하게는 0.6%이다.

(3) Mn(망간): 0.1∼2 %

Mn은 Si와 마찬가지로 용탕의 탈산제로서 작용한다. 또한, Mn은 Cr 및 S와 결합하여, 망간 황화물(MnS)이나 망간 크롬 황화물 (MnCr)S 등의 황화물을 형성하고, 내열 주강의 피삭성을 개선한다. 특히 망간 크롬 황화물 (MnCr)S는 페라이트계 내열 주강의 응고 온도 범위를 확대하고, 수소를 재료의 외부로 도피 및 분산시키는 경로로서 작용하므로, 내가스 결함성의 향상에 기여한다. 이들 효과를 유효하게 발휘하게 하기 위하여, Mn의 함유량은 0.1% 이상 필요하다. 그러나, 2%를 초과하는 Mn은 페라이트계 내열 주강의 내산화성 및 인성을 열화시킨다. 그러므로, Mn의 함유량은 0.1∼2 %로 한다. Mn 함유량의 하한은 바람직하게는 0.15%이며, 더욱 바람직하게는 0.2%이다. 또한, Mn 함유량의 상한은 바람직하게는 1.85%이며, 더욱 바람직하게는 1.5%이다.

(4) Ni(니켈): 1.5% 이하

Ni는, 오스테나이트 안정화 원소이며 γ상을 형성한다. 오스테나이트는, 상온까지 냉각되는 동안 인성 및 피삭성을 현저하게 악화시키는 마르텐사이트로 변태한다. 따라서, Ni 함유량은 최대한 적은 것이 바람직하지만, Ni는 통상 원료로 되는 스테인레스계강 부스러기의 스크랩(scrap)재에 함유되어 있으므로, 불가피하게 페라이트계 내열 주강에 혼입될 가능성이 높다. 인성 및 피삭성에 대한 악영향이 실질적으로 없는 Ni 함유량의 상한은 1.5%이다. 그러므로, Ni 함유량은 1.5% 이하(0%를 포함함)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∼23 %

Cr은 페라이트 조직을 안정화하여 내산화성을 높일 뿐만 아니라, Mn 및 S와의 결합에 의해 (MnCr)S를 형성하여 피삭성 및 내가스 결함성을 향상시킨다. 특히 900℃ 부근에서의 내산화성을 향상시키고, 또한 피삭성을 개선하기 위해서는, Cr은 16% 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 페라이트 기지에 있어서 Cr이 23%를 넘으면, 시그마 취성이 발생하기 쉽게 되어, 인성 및 피삭성이 현저하게 악화된다. 그러므로, Cr 함유량은 16∼23 %로 한다. Cr 함유량의 하한은 바람직하게는 17%이며, 더욱 바람직하게는 17.5%이다. 또한, Cr 함유량의 상한은 바람직하게는 22.5%이며, 더욱 바람직하게는 22%이다.

(6) Nb(니오브): 3.2∼5 %

강한 탄화물 형성 능력을 가지는 Nb는, 응고시에 C를 탄화물(NbC)에 고정시키므로, 강력한 오스테나이트 안정화 원소인 C가 기지 조직의 페라이트에 고용하여γ상을 정출하는 것을 억제할 뿐만 아니라, 초정 δ상의 결정입자 및 공정(δ＋NbC)상의 결정입자를 미세화하여 인성을 현저하게 향상시킨다. 또한, Nb는, 공정(δ＋NbC)상의 형성에 의해 고온 강도를 향상시킬 뿐만 아니라, 응고 개시 온도를 저하시켜 양호한 탕흐름성을 확보한다. 또한, 후술하는 바와 같이, NbC의 형성에 의해 절삭시의 절삭 온도가 상승하고, 이에 따라 구성 날끝의 억제에 의해 피삭성이 향상되고, 공구 수명이 개선된다. 전술한 효과를 충분히 발휘하기 위하여, Nb는 3.2% 이상 필요하다. 그러나, Nb가 5%를 넘으면, 경질(硬質) 탄화물(NbC)을 포함하는 공정(δ＋NbC)상이 지나치게 많아지게 되어 피삭성이 오히려 악화될 뿐만 아니라, 취화에 의해 인성이 현저하게 저하된다. 또한, Nb가 5%를 넘으면, 응고 개시 온도가 저하되어 탕흐름성은 개선되지만, 응고 온도 범위가 축소하여 단시간에 응고가 종료하므로, 가스 결함의 발생 경향이 현저하게 높아진다. 따라서, Nb 함유량은 3.2∼5 %로 한다. Nb 함유량의 하한은 바람직하게는 3.4%이다. 또한, Nb 함유량의 상한은 바람직하게는 4.5%이며, 더욱 바람직하게는 4.2%이며, 가장 바람직하게는 3.8%이다.

(7) Nb/C: 9∼11.5

본 발명의 페라이트계 내열 주강이 필요한 특성을 양호한 밸런스로 겸비하기 위해서는, C와 Nb의 함유량의 밸런스가 중요하다. 구체적으로는, Nb와 C의 함유량의 비(Nb/C)를 소정 범위로 규제함으로써, 초정 δ상과 공정(δ＋NbC)상의 결정입자를 미세화하고, 또한 잉여의 C를 Nb 탄화물(NbC)로서 정출시킨다. 그 결과, C 및 Nb는 페라이트 기지에 거의 고용하지 않고, 인성에 유해한 γ상의 정출을 저지하고, δ상으로의 Nb의 고용을 억제하고, 이에 따라 인성 및 피삭성의 열화를 억제한다.

Nb/C가 지나치게 작은 경우, Nb에 결합하지 않는 잉여의 C는 기지 조직에 고용하고, δ상을 불안정화하여 γ상을 정출시킨다. γ상은 상온에 도달할 때까지 인성 및 피삭성을 저하시키는 마르텐사이트상으로 변태한다. 또한, Nb/C가 작으면 초정 δ상의 정출량이 지나치게 많아지게 되고, 그 성장이 촉진되므로, 초정 δ상의 결정입자가 미세하지 않게 되어, 인성이 향상되지 않는다. γ상의 정출을 억제하고, 또한 초정 δ상의 결정입자 및 공정(δ＋NbC)상의 결정입자를 미세화하기 위해서는, Nb/C는 9 이상일 필요가 있다.

한편, Nb/C가 지나치게 큰 경우, Nb는 δ상에 고용하여, δ상에 격자 변형을 부여하고, δ상의 인성을 저하시킨다. 또한, Nb/C가 지나치게 크면, 공정(δ＋NbC)상의 정출량이 지나치게 많아지게 되고, 그 성장이 촉진되므로, 공정(δ＋NbC)상의 결정입자의 미세화가 불충분해지고, 인성이 향상되지 않는다. Nb의 δ상으로의 고용을 억제하고, 또한 초정 δ상의 결정입자 및 공정(δ＋NbC)상의 결정입자를 미세화하기 위해서는, Nb/C는 11.5 이하일 필요가 있다. 이상을 점을 고려하여, Nb/C는 9∼11.5로 한다. Nb/C의 하한은 바람직하게는 9.3이며, 더욱 바람직하게는 9.5이다. 또한, Nb/C의 상한은 바람직하게는 11.3이며, 더욱 바람직하게는 11이며, 가장 바람직하게는 10.5이다.

(8) N(질소): 0.15% 이하

N은 강력한 오스테나이트 안정화 원소이며, γ상을 형성한다. γ상은 상온까지 냉각되는 동안 마르텐사이트화하여, 인성 및 피삭성을 열화시킨다. 그러므로, N은 최대한 적은 것이 바람직하지만, N은 원래 강 부스러기(스크랩) 등의 원료에 함유되어 있으므로, 불가피한 불순물로서 혼입된다. 인성 및 피삭성을 실질적으로 악화시키지 않는 N의 상한은 0.15%이므로, N 함유량은 0.15% 이하(0%를 포함함)로 한다. N 함유량의 상한은 바람직하게는 0.13%이며, 더욱 바람직하게는 0.11%이며, 가장 바람직하게는 0.10%이다.

(9) S(유황): 0.05∼0.2 %

S는, 본 발명의 페라이트계 내열 주강에 있어서 피삭성을 개선하는 중요한 원소이다. S는 Mn 및 Cr과 결합하여 MnS, (MnCr)S 등의 구형(球形) 또는 덩어리형의 황화물을 형성하고, 피삭성을 향상시킨다. 구형 또는 덩어리형의 황화물 입자는 절삭시에 윤활 작용을 가지고, 칩을 분단함으로써 피삭성을 향상시키는 것으로 알려져 있다. 그러나, S와 Al의 병용에 의해 황화물 단독의 경우보다 큰 피삭성 향상 효과가 얻어지는 것을 알 수 있었다. 이는 본 발명의 중요한 특징이다. 또한, S는 Mn 및 Cr과 결합하여 망간 크롬 황화물 (MnCr)S를 형성하고, 응고 온도 범위를 확대하여 내가스 결함성을 향상시킨다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, S는 0.05% 이상 필요하다. 그러나, S가 0.2%를 넘으면, 인성의 저하가 현저하게 된다. 그러므로, S의 함유량은 0.05∼0.2 %로 한다. S 함유량의 하한은 바람직하게는 0.08%이며, 더욱 바람직하게는 0.1%이며, 가장 바람직하게는 0.12%이다. 또한, S 함유량의 상한은 바람직하게는 0.18%이다.

(10) Al(알루미늄): 0.01∼0.08 %

Al도 피삭성을 개선하는 중요한 원소이다. Al는, 통상 강부스러기(스크랩) 등의 원료나, 용해 공정 및 출탕 공정에서 사용하는 탈산제로부터 페라이트계 내열 주강에 불가피하게 혼입된다. 본 발명은, S와의 병용에 의해 현저한 피삭성 향상 효과를 얻기 위하여, Al의 임계적인 함유량을 규정하였다. 예를 들면, 내열 주강을 공구에 의해 절삭하는 경우, 내열 주강의 기지 중에 고용한 Al은, 절삭 가공으로 발생하는 열에 의해 대기 중의 산소와 반응하고, 내열 주강의 표면에 고융점 산화물인 Al₂O₃를 형성한다. Al₂O₃는 보호 피막으로서 기능하고, 공구로의 내열 주강의 소부(燒付)를 방지한다. 그 결과, 내열 주강의 피삭성은 향상되고, 공구 수명을 연장시킨다. 피삭성 향상 효과는, Al의 단독 첨가에서는 얻어지지 않으며, 소정량의 S와의 병용에 의해 비로소 달성된다. 또한, Al은 황화물 입자를 균일하게 미세화하고, 구성 날끝을 억제하여 내열 주강의 피삭성을 향상시킨다.

Al에 의한 피삭성 향상 효과를 가시화시키기 위하여, Al은 임계적인 함유량으로서 0.01% 이상 필요하다. 따라서, 불가피한 불순물로서 함유되는 Al 함유량이 0.01%에 미치지 않는 경우에는, 전술한 효과를 얻기 위해 Al을 적극적으로 첨가하지 않으면 안된다. 그러나, Al이 0.08%를 넘으면, 내열 주강을 용제(溶製)할 때 Al₂O₃ 등의 산화물이나 AlN 등의 질화물로 이루어지는 개재물이 다량으로 생성된다. 경질이며 부수어지기 쉬운 개재물이 되는 Al₂O₃나 AlN은, 다량으로 생성되면 피삭성을 오히려 저하시킬 뿐만 아니라, 균열 및 깨짐의 기점으로 되어 고온 강도 및 연성을 저하시킨다. 또한, Al₂O₃ 등의 산화물은 주조 결함의 원인이 되고, 또한 용탕의 유동성을 저하시켜 주조 수율을 악화시킨다. 그러므로, Al의 함유량은 0.01∼0.08 %로 한다. Al의 함유량의 하한은 바람직하게는 0.02%이며, 더욱 바람직하게는 0.03%이며, 가장 바람직하게는 0.035%이다. 또한, Al의 함유량의 상한은 바람직하게는 0.07%이며, 더욱 바람직하게는 0.06%이며, 가장 바람직하게는 0.055%이다.

본 발명의 페라이트계 내열 주강에서의 피삭성 향상은, S 및 Al 중 어느 한쪽을 함유하는 것만으로는 달성되지 않으며, 양자를 함께 함유하는 경우에 달성되는 것을 알았다. 그 이유는 반드시 명확하지는 않지만, 내열 주강 중에 형성되는 MnS 등의 황화물 입자는 연성이 풍부하고, 윤활 작용을 가지고, 또한 절삭 가공 시의 절삭 온도의 상승에 의해 형성되는 Al₂O₃는 공구의 보호 작용을 가진다. 서로 화합하기 쉬운 MnS 및 Al₂O₃는 윤활 작용 및 보호 작용을 가지는 양호한 복합 피막을 형성하고, 공구와 피삭재와의 직접 접촉에 의한 부착을 완화하고, 절삭 저항을 저하시켜 공구의 마모를 억제하고, 이에 따라 피삭성을 대폭 향상시키는 동시에 공구의 수명을 늘리는 것으로 추측된다. 이와 같이, S, Al 및 Mn의 함유량을 전술한 범위로 한정함으로써 복합 윤활 보호 피막이 충분히 형성된 본 발명의 페라이트계 내열 주강은, 우수한 피삭성을 발휘한다.

(11) W(텅스텐) 및/또는 Mo(몰리브덴): 바람직하게는 합계하여 0.8∼3.2 %

W 및 Mo는 모두 탄화물을 생성하여 피삭성을 저하시키지만, 기지 조직의 δ상에 고용함으로써 고온 강도를 개선한다. 피삭성을 현저하게 손상시키지 않는 범위에서 페라이트계 내열 주강의 고온 강도를 더욱 향상시키는 경우, W 및/또는 Mo를 부가적으로 함유시킬 수도 있다. 강 부스러기(스크랩) 등의 원료로부터 혼입되는 W 및 Mo는 통상 페라이트계 내열 주강에 각각 0.5% 미만 정도 불가피하게 포함되지만, 고온 강도 개선 효과를 가시화시키기 위해서는, W 및/또는 Mo를 합계하여 0.8% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. W 및 Mo의 단독 첨가에서도 복합 첨가에서도, 3.2%를 넘으면 페라이트계 내열 주강에 조대(粗大)한 탄화물이 생성되고, 인성 및 피삭성이 현저하게 열화된다. 그리고, 고온 강도 개선 효과에 대해서는, W 및 Mo의 단독 첨가에서도 복합 첨가에서도, 약 3%에서 포화한다. 따라서, W 및/또는 Mo의 함유량은 합계하여 0.8∼3.2 %로 한다. W 및/또는 Mo의 합계 함유량의 하한은 바람직하게는 1.0%이다. 또한, W 및/또는 Mo의 합계 함유량의 상한은 바람직하게는 3.0%이며, 더욱 바람직하게는 2.5%이다.

(12) 식(1): 0.35≤0.1Nb＋Al≤0.53

피삭성을 한층 향상시키기 위하여, 전술한 조성 범위의 요건을 만족시키고, 또한 식(1)을 만족시키는 것이 바람직하다. 그리고, 식 중의 원소 기호는 그 함유량(질량%)을 나타낸다. 본 발명자들은, (a) 본 발명의 페라이트계 내열 주강의 피삭성에 영향을 미치는 인자로서, (A) 절삭 가공에서의 구성 날끝의 억제, 및 (B) 내열 주강 중의 공정 탄화물 및 개재물의 제어가 중요한 것, 및 (b) 이들 인자는 내열 주강 중의 Nb 및 Al의 함유량에 의존하고, 피삭성 및 공구 수명에 영향을 주는 것을 발견하였다. 보다 양호한 피삭성을 본 발명의 페라이트계 내열 주강에 부여하기 위해서는, Nb 및/또는 Al의 함유량 뿐만 아니라, 양자의 관계를 식(1)에 나타낸 바와 같이 규정하는 것이 바람직하다. 식(1)의 값을 0.35 이상으로 하는 것은 절삭 가공에 있어서 구성 날끝을 억제하기 위한 조건(A)이며, 식(1)의 값을 0.53 이하로 하는 것은 내열 주강 중의 공정 탄화물 및 개재물을 제어하기 위한 조건(B)이다.

구성 날끝은, 절삭 가공 중에 발생하는 마찰열에 의해 연화한 피삭재의 일부가 공구의 날끝에 부착된 경질의 퇴적물이며, 2차적인 날끝으로 되어 절삭 날 대신에 절삭에 관여하고, 공구 수명에 큰 영향을 미친다. 생성량이 적으면 공구의 날끝을 보호하여 공구 수명을 늘리지만, 구성 날끝의 생성량을 제어하는 것은 통상적으로 용이하지 않다. 특히 페라이트계 내열 주강의 기지 조직을 구성하는 δ상으로 이루어지는 페라이트는 끈적하며 공구에 부착되기 쉬우므로, 생성된 구성 날끝이 탈락하기 어렵고, 성장하여 조대화하는 경향이 있다. 절삭 가공 중에 조대한 구성 날끝이 탈락할 때 공구의 날끝이 크게 결손(缺損)(치핑)하므로, 피삭성을 열화시킬 뿐만 아니라 공구 수명을 짧게 한다.

(A) 구성 날끝의 억제에 대하여

구성 날끝을 억제하는 방법으로서는, (A-1) 공정 탄화물(NbC)을 적량 형성하고 절삭 온도를 상승하는 것, 및 (A-2) 황화물 입자를 균일하고 미세하게 분산시키는 것이 유효하다. 상기 방법 (A-1) 및 (A-2)에 의한 구성 날끝의 억제 메커니즘은 밝혀지지는 않았지만, 하기와 같이 추측된다.

(A-1) 공정 탄화물(NbC)의 형성

내열 주강 중에 경질인 공정 탄화물(NbC)이 적량 형성되면, 절삭 가공 시에 절삭 저항이 증대하고, 절삭에 의해 발생하는 마찰열의 상승에 따라 피삭재, 칩 및 공구 날끝의 온도(절삭 온도)가 상승한다. 구성 날끝은 절삭 온도의 상승에 의해 연화 또는 용융 상태로 되어, 공구 날끝으로부터 용이하게 탈락하므로, 그 생성 및 성장이 억제된다. 그 결과, 조대화한 구성 날끝의 탈락에 의한 공구 날끝의 결손이 방지되는 것으로 여겨진다. 전술한 효과를 얻기 위해서는, 전체 조직에 대한 공정 탄화물(NbC)의 면적 비율은 20% 이상인 것이 바람직하다. 공정 탄화물(NbC)의 면적 비율을 제어하기 위해서는, C 및 Nb의 함유량 및 Nb/C비를 전술한 범위로 규제한다.

(A-2) 황화물 입자의 균일 미세화

내열 주강 중에 균일하고 미세하게 형성된 MnS, (MnCr)S 등의 황화물 입자에 의한 절삭시의 윤활 작용이나 칩의 분단 작용에 의해, 내열 주강의 피삭성은 개선된다. 황화물 입자가 균일하고 미세하게 분산되어 있을수록, 공구 수명을 연장하는 효과가 크다. 황화물 입자는, 절삭시에 피삭재의 미소한 크랙의 생성 사이트, 즉 취화의 기점이 되고, 그 윤활 작용 및 칩의 분단 작용에 의해 피삭성을 향상시킨다. 특히 미소 크랙에 의한 칩의 분단 작용에 의해 구성 날끝은 작고 또한 탈락하기 쉬워지므로, 그 생성 및 성장이 억제된다.

미소 크랙의 생성 사이트를 다수 존재시키기 위해서는, 황화물 입자는 균일하고 미세하게 분산되어 있는 것이 바람직하다. 황화물 입자가 균일하고 미세하게 분산되도록 제어하기 위해서는, Al의 함유가 유효하다. Al 함유에 의해 형성되는 Al₂O₃ 등의 Al의 산화물은, 주로 δ상의 결정립계를 따라 분산되고, 또한 황화물의 정출핵으로서 작용하여 황화물의 생성을 촉진하고, 황화물 입자를 균일하고 미세하게 정출시킨다. 그러나, Al 함유량이 적으면 황화물 입자가 조대화하는 동시에 불균일하게 분산되며, 칩의 분단 작용이 발휘되지 않고, 구성 날끝이 조대하게 성장한다. 황화물 입자의 조대 불균일 분산의 원인은, Al 함유량의 부족 및 Si나 Mn 등의 탈산 작용에 의한 용강(溶鋼) 중의 산소 농도의 저하에 의해 황화물의 정출핵이 되는 Al₂O₃ 등의 산화물이 감소하기 때문인 것으로 여겨진다. 그리고, Al 산화물에 의한 황화물 입자의 균일 미세화의 작용은, 절삭 가공에서의 발열에 의해 기지에 고용한 Al로부터 형성된 고융점의 Al₂O₃가 공구를 보호하는 작용과는 상이하다.

경질 탄화물은 피삭성을 저하시켜 공구 수명을 단축하는 것으로 생각할 수 있지만, 본 발명의 페라이트계 내열 주강에서는 반대로, (A-1) 경질인 공정 탄화물(NbC)의 형성에 의한 절삭 온도의 상승, 및 (A-2) Al에 의한 황화물 입자의 균일 미세화의 상승(相乘) 효과에 의해, 구성 날끝이 억제되어 피삭성이 향상되고, 이에 따라 공구 수명이 개선된다. 이는, 종래의 기술 상식으로부터는 예상되지 않는 현저한 효과이다. 방법 (A-1) 및 (A-2)에 의한 상기 상승 효과를 얻기 위해서는, 식(1)의 값은 0.35 이상으로 하는 것이 바람직하다.

(B) 내열 주강 중의 공정 탄화물 및 개재물의 제어

피삭성에 영향을 미치는 공정 탄화물 및 개재물의 정출을 규제하는 것이 중요하다. 공정 탄화물(NbC)에 대해서는, 그 정출량이 많아지면 구성 날끝의 억제 효과가 포화할뿐만 아니라, 경질이기 때문에 그 증가에 따라 공구와 피삭재의 사이에서 발생하는 마찰이 커지고, 마모에 의해 공구 수명을 짧게 한다. 공구 수명의 단축을 억제하기 위해서는, 전체 조직에 대한 공정 탄화물(NbC)의 면적 비율은 40% 이하인 것이 바람직하다. 공정 탄화물(NbC)의 면적 비율을 제어하기 위해서는, C 및 Nb의 함유량 및 Nb/C비를 전술한 범위로 규제한다.

개재물의 제어의 관점에서 볼 경우, 황화물 입자의 균일 미세 분산에 기여함으로써 구성 날끝을 억제하는 효과가 있는 Al 산화물은, 그 정출량이 많아지면 구성 날끝의 억제 효과는 포화한다. 한편, Al 함유에 의해 생성되는 Al₂O₃나 AlN 등의 개재물은 경질이므로, 그 생성량의 증가에 따라 피삭성을 저하시킨다. 또한, Al₂O₃는 용강 중에서 응집하여 조대화하기 쉽기 때문에, 그 생성량이 많아지면, 그것을 핵으로 하여 정출하는 황화물 입자도 조대화하여 불균일하게 분산되어, 구성 날끝의 억제 효과가 저하된다. 본 발명의 페라이트계 내열 주강에 있어서는, 공정 탄화물이나 개재물의 정출을 규제함으로써, 피삭성의 악화가 억제되어 공구 수명이 개선된다. 상기한 효과를 얻기 위해서는 식(1)의 값을 0.53 이하로 할 필요가 있다.

[B] 조직

(1) 황화물 입자: 시야 면적 14000㎛² 당 20개 이상

조직 중에 정출하는 황화물 입자가 많을수록, 본 발명의 페라이트계 내열 주강의 피삭성은 향상되고, 공구 수명은 연장되는 경향이 있다. 양호한 피삭성을 얻기 위해서는, 내열 주강 조직 중에 정출하는 황화물 입자의 수는, 시야 면적 14000㎛² 당 20개 이상인 것이 바람직하고, 30개 이상인 것이 더욱 바람직하고, 40개 이상인 것이 가장 바람직하다. 여기서, 황화물 입자의 수는, 배율 500배의 현미경 사진(시야: 140㎛×100㎛)에 있어서 1㎛ 이상의 입경(粒徑)(원 상당 직경)의 황화물 입자를 화상 해석에 의해 카운트하여 구한 것이다.

단위 면적당의 황화물 입자의 수가 많을수록, 환언하면 황화물 입자의 개수 밀도가 높을수록, 황화물 입자는 작고, 균일하고 미세하게 분산되어 있다. 황화물 입자가 미세하게 분산되어 있을수록, 독립적으로 존재하는 황화물 입자끼리의 거리가 짧으므로, 절삭시에 황화물 입자를 기점으로 발생한 크랙이 칩 내를 효율적으로 전파하고, 칩의 분단이 촉진되어 구성 날끝의 생성 및 성장을 억제한다. 한편, 황화물 입자가 조대하고 불균일하게 분산되어 있으면, 크랙이 칩 내부에서 효율적으로 전파하지 않기 때문에 칩의 분단에 이르지 않고, 구성 날끝의 생성 및 성장이 조장된다. 내열 주강 중의 황화물 입자의 수를 전술한 범위 내로 제어하면, 절삭시의 윤활 작용 및 칩의 분단 작용에 의한 구성 날끝의 억제 효과가 효과적으로 발휘되므로, 피삭성은 한층 향상된다.

이상과 같이, S 및 Al 모두 함유하는 본 발명의 페라이트계 내열 주강은, (a) 황화물 입자의 윤활 작용과, (b) 절삭 가공 시에 형성된 고융점의 Al 산화물에 의한 공구의 보호 작용과, (c) Nb 첨가에 의해 형성된 공정 탄화물(NbC)에 의한 절삭 온도의 상승 및 Al 산화물에 의한 황화물 입자의 균일 미세 분산에 의한 구성 날끝의 억제 작용에 의해, 대폭 향상된 피삭성을 가진다.

[2] 배기계 부품

상기 페라이트계 내열 주강을 사용하여 제조되는 본 발명의 배기계 부품은 어떠한 주조 배기계 부품도 포함하지만, 그 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, 배기구 등이다. 물론, 본 발명의 배기계 부품은 이들로 한정되지 않고, 예를 들면, 금속판제 또는 파이프제의 부재와 용접되는 주조 부품도 포함한다.

본 발명의 배기계 부품은, 1000℃ 이상의 고온의 배출 가스에 노출되고, 자체의 표면 온도가 900℃ 부근에 이르러도 충분한 내산화성, 내열 변형성, 내열 균열성 등의 내열 특성을 확보하고 있으므로, 배기 매니폴드, 터빈 하우징, 터빈 하우징 일체 배기 매니폴드, 촉매 케이스, 촉매 케이스 일체 배기 매니폴드, 및 배기구로서 매우 적합하고, 높은 내열성 및 내구성을 발휘한다. 또한, 우수한 피삭성을 가지므로, 기계적 가공에서의 생산성이나 경제성을 향상하여 제조할 수 있는 동시에, 희소 금속의 함유량을 억제하고, 열처리가 불필요하므로, 높은 제품 수율로 염가로 제조할 수 있다. 그러므로, 저연비화에 기여하는 동시에 높은 내열성 및 내구성을 가지는 저렴한 배기계 부품을, 대중차와 같은 저가격의 자동차에도 사용하는 것이 가능하게 되고, CO₂ 삭감에 공헌할 것으로 기대된다.

본 발명을 이하의 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 물론 본 발명은 이들에 의해 한정되는 것은 아니다. 이하의 실시예 및 비교예에 있어서 페라이트계 내열 주강의 원소 함유량을 나타내는 「%」는, 특별히 언급하지 않는 한 「질량%」를 의미한다.

실시예 1∼88, 및 비교예 1∼55

실시예 1∼42의 주강의 화학 조성 및 식(1)의 값을 표 1-1 및 1-2에, 비교예 1∼26의 주강의 화학 조성 및 식(1)의 값을 표 2-1 및 2-2에, 실시예 43∼88의 주강의 화학 조성 및 식(1)의 값을 표 3-1 및 3-2에, 비교예 27∼55의 주강의 화학 조성 및 식(1)의 값을 표 4-1 및 4-2에 각각 나타내었다. 실시예 1∼88은 본 발명의 조성 범위 내의 페라이트계 내열 주강이며, 비교예 1∼55는 본 발명의 조성 범위 외의 주강이다.

비교예의 주강 중,

비교예 1 및 27의 주강은 C 함유량이 지나치게 적고,

비교예 2 및 28의 주강은 C 함유량이 지나치게 많고,

비교예 3 및 29의 주강은 Si 함유량이 지나치게 많고,

비교예 4 및 30의 주강은 Mn 함유량이 지나치게 적고,

비교예 5 및 31의 주강은 Mn 함유량이 지나치게 많고,

비교예 6 및 32의 주강은 S 함유량이 지나치게 적고,

비교예 7 및 33의 주강은 S 함유량이 지나치게 많고,

비교예 8 및 34의 주강은 Ni 함유량이 지나치게 많고,

비교예 9 및 35의 주강은 Cr 함유량이 지나치게 적고,

비교예 10 및 36의 주강은 Cr 함유량이 지나치게 많고,

비교예 11 및 37의 주강은 N 함유량이 지나치게 많고,

비교예 12∼14 및 38∼40의 주강은 Nb 함유량이 지나치게 적고,

비교예 15∼17 및 41∼43의 주강은 Nb 함유량이 지나치게 많고,

비교예 18 및 44의 주강은 Nb/C가 지나치게 작고,

비교예 19 및 45의 주강은 Nb/C가 지나치게 크고,

비교예 20∼22 및 46∼49의 주강은 Al 함유량이 지나치게 적고,

비교예 23∼25 및 50∼52의 주강은 Al 함유량이 지나치게 많고,

비교예 26 및 53의 주강은 S 및 Al 함유량이 지나치게 적고,

비교예 54의 주강은 W 함유량이 지나치게 많고,

비교예 55의 주강은 Mo 함유량이 지나치게 많다.

실시예 1∼88 및 비교예 1∼55의 각 원료를, 100 kg의 고주파 용해로(염기성 라이닝)를 사용하여 대기 용해한 후, 1600∼1650 ℃에서 출탕하고, 즉시 약 1550℃에서 1인치 Y블록용 주형 및 피삭성 평가에 사용하는 원통형 시험편용 주형에 주탕(注湯)하고, 각 주강의 공시재를 얻었다. 주물 방치한(열처리하지 않음)의 각 공시재로부터 시험편을 잘라내고, 이하의 평가를 행하였다.

(1) 공구 수명

각 공시재로부터 잘라낸 외경 96 ㎜, 내경 65 ㎜ 및 높이 120 ㎜의 원통형 시험편의 단면에 대하여, TiAlN을 PVD 코팅한 초경(超硬) 인서트를 사용하여 이하의 조건 하에서 슬라이스 절삭하였다.

절삭 속도 : 150 m/분

날당 이송 :0.2 ㎜/날

절입량 : 1.0 ㎜

이송 속도 : 48∼152 ㎜/분

회전 속도 : 229∼763 rpm

절삭액 : 없음(건식)

각각의 원통형 시험편의 슬라이스 절삭에 있어서, 초경 인서트의 여유면의 마모량이 0.2 ㎜가 되었을 때 수명에 도달한 것으로 판정하고, 거기에 도달할 때까지의 절삭 시간(분)을 공구 수명으로 하였다. 각각의 원통형 시험편의 피삭성을 공구 수명에 의해 나타낸다. 말할 필요도 없이, 공구 수명이 길수록 피삭성이 양호하다. 표 1-3에 실시예 1∼42의 공구 수명을 나타내고, 표 2-3에 비교예 1∼26의 공구 수명을 나타내고, 표 3-3에 실시예 43∼88의 공구 수명을 나타내고, 표 4-3에 비교예 27∼55의 공구 수명을 나타낸다.

공구 수명은 W 및/또는 Mo의 유무에 영향을 받으므로, W 및/또는 Mo의 유무에 영향을 받지 않는 피삭성 개선 효과의 지표로서 「공구 수명 개선율」을 사용하였다. 공구 수명 개선율은, 각각의 실시예의 주강의 공구 수명 A를, Al 함유량이 본 발명의 하한값(0.01%) 미만인 비교예의 주강의 공구 수명 중 가장 긴 공구 수명 B로 나눈 값(A/B)이다. 실시예 1∼88 및 비교예 1∼55의 공구 수명 개선율(배)을 표 1-3, 2-3, 3-3 및 4-3에 나타내었다.

공구 수명 개선율이 1.2배 이상이면, 페라이트계 내열 주강은 양호한 피삭성을 가진다고 할 수 있다. 본 발명의 페라이트계 내열 주강의 공구 수명 개선율은 1.3배 이상인 것이 보다 바람직하고, 1.35배 이상인 것이 더욱 바람직하고, 1.4배 이상인 것이 더 한층 바람직하고, 1.5배 이상인 것이 가장 바람직하다.

표 1-3 및 표 2-3으로부터 밝혀진 바와 같이, W 및/또는 Mo의 합계 함유량이 적은(0.3% 이하) 주강에서는, Al 함유량이 0.01% 미만에서 가장 공구 수명이 긴 비교예 21의 주강의 공구 수명(112분)에 대하여, 실시예 1∼42 모두 공구 수명 개선율이 1.2배 이상이었다. 이에 비해, 비교예 2, 4, 6, 8∼18 및 20∼26은 모두 공구 수명 개선율이 1.2배 미만이었다. 또한, 표 3-3 및 표 4-3으로부터 밝혀진 바와 같이, W 및/또는 Mo의 합계 함유량이 많은(0.8% 이상) 주강에서는, Al 함유량이 0.01% 미만에서 가장 공구 수명이 긴 비교예 47의 주강의 공구 수명(62분)에 대하여, 실시예 43∼88 모두 공구 수명 개선율이 1.2배 이상이었다. 이에 비해, 비교예 28, 30, 32, 34∼44, 및 46∼55는 모두 공구 수명 개선율은 1.2배 미만이었다. 이러한 결과로부터, 본 발명의 페라이트계 내열 주강은 양호한 피삭성을 가지는 것을 알 수 있다.

(2) 조직

피삭성 평가 후의 각각의 원통형 시험편의 단부로부터 잘라낸 조직 관찰용 시험편에서의 MnS, (Cr/Mn)S 등의 황화물 입자의 개수를, 각 시험편을 경면 연마하고, 부식(腐食)없이 임의의 5시야의 광학 현미경 사진을 찍고, 각 시야에 대하여 화상 해석에 의해 140㎛×100㎛의 관찰 영역(시야 면적: 14000㎛²)에서의 1㎛ 이상의 입경(원 상당 직경)의 황화물 입자의 개수를 카운트하고, 그것을 5시야에 대하여 평균함으로써 구하였다. 실시예 1∼42의 결과를 표 1-3에 나타내고, 비교예 1∼26의 결과를 표 2-3에 나타내고, 실시예 43∼88의 결과를 표 3-3에 나타내고, 비교예 27∼55의 결과를 표 4-3에 나타낸다. 그리고, 황화물 입자는, 전계 방출형 주사 전자 현미경에 장착된 에너지 분산형 X선 분석 장치(FE-SEM EDS: 가부시키가이샤 히타치 세이사쿠쇼에서 제작한 S-4000, EDX KEVEX DELTA 시스템)를 사용한 분석에 의해 특정했다.

표 1-3 및 표 3-3으로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 1∼88에서는 시야 면적 14000㎛² 당의 황화물 입자는 20개 이상이었다. 이에 비해, 표 2-3 및 표 4-3으로부터 밝혀진 바와 같이, Al 함유량이 지나치게 적은 비교예 20∼22, 26, 46∼49 및 53에서는 모두 황화물 입자는 20개 미만이었다.

도 1은 본 발명의 범위 내의 Al를 함유하는 실시예 67의 페라이트계 내열 주강의 미크로 조직을 나타내고, 도 2는 Al 함유량이 지나치게 적은 비교예 47의 주강의 미크로 조직을 나타낸다. 도 1 및 도 2에 있어서, 백색 부분은 페라이트 상(1)이며, 회색 부분은 라멜라(lamella)상(狀)의 Nb의 공정 탄화물(NbC)(2)이며, 흑색 입자는 황화물 입자(3)이다.

실시예 67에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이 미세한 황화물 입자가 분산되어 있고, 큰 황화물 입자가 적다. 실시예 67에서는 5시야 평균으로 시야 면적 14000㎛² 당의 황화물 입자는 54개이며, 공구 수명은 102분으로 길고, 공구 수명 개선율은 1.65배로 높았다. 이러한 사실로부터, 실시예 67의 페라이트계 내열 주강은 우수한 피삭성을 가지는 것을 알 수 있다. 이에 비해, 비교예 47에서는, 도 2에 나타낸 바와 같이 황화물 입자는 응집하고 조대화하여, 미세한 황화물 입자가 분산되어 있지 않다. 비교예 47에서는 5시야 평균으로 시야 면적 14000㎛² 당의 황화물 입자는 12개이며, 공구 수명은 62분으로 짧고, 공구 수명 개선율은 1.0배였다.

(3) 산화 감량

엔진으로부터 배기되는 1000℃에 가까운 고온의 배기 가스(유황 산화물, 질소산화물 등의 산화성 가스를 함유함)에 노출되는 배기계 부품의 표면에는, 산화막이 형성된다. 산화가 진행하면 산화막을 기점으로 균열이 형성되고, 배기계 부품 내부까지 산화가 진전하고, 최종적으로는 배기계 부품의 표면으로부터 이면(裏面)까지 균열이 관통하여 배기 가스의 누설이나 배기계 부품의 균열을 초래한다. 엔진으로부터 배출되는 배기 가스의 온도가 1000℃ 가까이 상승하면, 배기계 부품의 온도도 900℃에 도달하는 경우가 있으므로, 900℃에서의 내산화성을 평가하기 위하여, 하기의 방법에 의해 각 주강의 산화 감량을 구하였다. 즉, 1인치 Y블록의 각 공시재로부터 직경 10 ㎜ 및 길이 20 ㎜의 환봉(丸棒) 시험편을 잘라내고, 이것을 대기 중 900℃로 200시간 유지한 후, 숏 블라스트(shot blast) 처리를 행하여 산화 스케일을 제거하고, 산화 시험 전후의 단위 면적당의 질량 변화[산화 감량(mg/cm²)]를 구하였다. 실시예 1∼42에서의 산화 감량을 표 1-4에 나타내고, 비교예 1∼26에서의 산화 감량을 표 2-4에 나타내고, 실시예 43∼88에서의 산화 감량을 표 3-4에 나타내고, 비교예 27∼55에서의 산화 감량을 표 4-4에 나타낸다.

페라이트계 내열 주강이 900℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용하기에 충분한 내열성을 가지기 위해서는, 900℃의 대기 분위기에 200시간 유지했을 때의 산화 감량이 20 mg/cm² 이하인 것이 바람직하고, 10 mg/cm² 이하인 것이 더욱 바람직하다. 산화 감량이 20 mg/cm²를 넘으면, 균열의 기점으로 되는 산화막의 생성이 많아지게 되어, 내산화성이 불충분하게 된다.

표 1-4 및 표 3-4로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 1∼88의 산화 감량은 모두 20 mg/cm² 이하였다. 이 결과로부터, 본 발명의 페라이트계 내열 주강은 내산화성이 우수하고, 900℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용한 경우에 충분한 내산화성을 발휘하는 것을 알 수 있다. 이는, 본 발명의 페라이트계 내열 주강이 900℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용하여 충분한 내산화성을 가지는 것을 의미한다. 이에 비해, 표 2-4 및 표 4-4로부터 밝혀진 바와 같이, Mn 함유량이 지나치게 많은 비교예 5 및 31의 주강, 및 Cr 함유량이 지나치게 적은 비교예 9 및 35의 주강은 모두, 산화 감량이 20 mg/cm²를 초과하여, 내산화성이 뒤떨어졌다.

(4) 고온 내력(耐力)

배기계 부품에는, 엔진의 운전(가열)과 정지(냉각)의 반복에 의해서도 열변형을 쉽게 생기지 않는 내열 변형성이 요구된다. 충분한 내열 변형성을 확보하기 위해서는, 높은 고온 강도를 가지는 것이 바람직하다. 고온 강도는, 900℃에서의 0.2% 내력(고온 내력)에 의해 평가할 수 있다. 1인치 Y블록의 각 공시재로부터 표점간 거리 50 ㎜ 및 직경 10 ㎜의 평활 환봉에 플랜지가 부착된 시험편을 잘라내고, 이것을 전기-유압 서보식 재료 시험기(가부시키가이샤 시마즈 제작소 제조, 상품명 서보펄서(servopulser) EHF-ED10T-20L)에 장착하고, 각 시험편에 대하여 대기 중 900℃에서의 0.2% 내력(MPa)을 측정하였다. 실시예 1∼42에서의 고온 내력의 측정 결과를 표 1-4에 나타내고, 비교예 1∼26에서의 고온 내력의 측정 결과를 표 2-4에 나타내고, 실시예 43∼88에서의 고온 내력의 측정 결과를 표 3-4에 나타내고, 비교예 27∼55에서의 고온 내력의 측정 결과를 표 4-4에 나타낸다.

일반적으로 금속 재료는 고온일수록 강도가 저하되고, 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 요인으로 고온 내력이 있다. 900℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용하기 위해서는, 900℃에서의 0.2% 내력은 20 MPa 이상이 바람직하고, 25 MPa 이상이 더욱 바람직하다.

표 1-4 및 표 3-4로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 1∼88의 900℃에서의 0.2% 내력(고온 내력)은 모두 20 MPa 이상이었다. 그 중에서도, 표 3-4에 나타낸 바와 같이 W 및/또는 Mo를 0.8% 이상 함유하는 실시예 43∼88은, 고온 내력이 25 MPa 이상이며, 고온 강도 및 내열 변형성이 우수하였다. 이들 결과로부터, 본 발명의 페라이트계 내열 주강은 고온 내력이 우수하고, 900℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용한 경우에 충분한 고온 강도를 발휘하는 것을 알 수 있다. 한편, C 및/또는 Nb의 함유량이 지나치게 적은 비교예 1, 12∼14, 27 및 38∼40, Nb/C비가 지나치게 작은 비교예 18, 및 Al 함유량이 지나치게 많은 비교예 23∼25의 고온 내력은 20 MPa 미만이었다. 그리고, 비교예 44는 Nb/C비가 작음에도 불구하고, 또한 비교예 50∼52는 Al 함유량이 많음에도 불구하고 고온 내력이 높았다. 그 이유는 W 및/또는 Mo를 많이 함유하였기 때문으로 여겨진다. 단, 비교예 44 및 50∼52는 표 4-4에 나타낸 바와 같이 상온 충격값이 낮았다.

(5) 상온 충격값

배기계 부품에는 생산 과정이나 엔진으로의 조립 과정 등에서 기계적 진동 및 충격이 가해지므로, 거기에 사용하는 페라이트계 내열 주강은, 기계적 진동 및 충격에도 균열 및 깨짐이 생기지 않도록, 충분한 상온 인성을 가질 필요가 있다. 인성의 평가에 인장(引張) 신장(연성(延性))을 측정하는 경우도 있지만, 기계적 진동 및 충격에 대한 저항력(균열 및 깨짐의 발생하기 어려움)을 평가하기 위해서는, 인장 시험 보다 균열의 진전이 빠른 샤피(Charpy) 충격 시험에 의한 상온 충격값을 측정하는 것이 현실에 부합한다.

1인치 Y블록의 각 공시재로부터, JIS Z 2242에 나타낸 형상 및 치수의 노치 없음의 샤피 충격 시험편을 잘라내었다. 용량 50 J의 샤피 충격 시험기를 사용하고, JIS Z 2242에 따라 3개의 시험편에 대하여 23℃에서 충격 시험을 행하여, 얻어진 충격값을 평균하였다. 실시예 1∼42에서의 충격 시험 결과를 표 1-3에 나타내고, 비교예 1∼26에서의 충격 시험 결과를 표 2-3에 나타내고, 실시예 43∼88에서의 충격 시험 결과를 표 3-3에 나타내고, 비교예 27∼55에서의 충격 시험 결과를 표 4-3에 나타낸다.

배기계 부품의 생산 과정 등에서 균열이나 깨짐을 발생시키지 않는 인성을 가지기 위해서는, 상온 충격값은 10×10⁴ J/m² 이상이 바람직하고, 15×10⁴ J/m² 이상이 더욱 바람직하다. 표 1-3 및 표 3-3으로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 1∼88의 상온 충격값은 모두 10×10⁴ J/m² 이상이었다. 본 발명의 페라이트계 내열 주강은, 원하는 양의 C 및 Nb를 함유하고, 초정 δ상과 공정(δ＋NbC)상이 결정입자의 미세화 효과를 얻을 수 있는 최적인 비율로 공존하고 있으므로, 높은 상온 충격값(우수한 인성)을 가지는 것으로 여겨진다.

이에 비해, 비교예 1 및 27은 C가 지나치게 적고, 비교예 2 및 28은 C가 지나치게 적고, 비교예 3 및 29는 Si가 지나치게 많고, 비교예 5 및 31은 Mn이 지나치게 많고, 비교예 7 및 33은 S가 지나치게 많고, 비교예 8 및 34는 Ni가 지나치게 많고, 비교예 10 및 36은 Cr이 지나치게 많고, 비교예 11 및 37은 N이 지나치게 많고, 비교예 12∼14 및 38∼40은 Nb가 지나치게 적고, 비교예 15∼17 및 41∼43은 Nb가 지나치게 많고, 비교예 18 및 44는 Nb/C가 지나치게 작고, 비교예 19 및 45는 Nb/C가 지나치게 크고, 비교예 23∼25 및 50∼52는 Al이 지나치게 많고, 비교예 54 및 55는 W 또는 Mo가 지나치게 많고, 모두 상온 충격값이 낮으며, 인성이 뒤떨어졌다.

(6) 열피로 수명

배기계 부품에는, 엔진의 운전(가열)과 정지(냉각)의 반복에 의해서도 열균열이 쉽게 생기지 않는 내열 균열성이 요구된다. 내열 균열성은 열피로 수명에 의해 평가할 수 있다. 열피로 수명은, 1인치 Y블록의 각 공시재로부터 표점간 거리 20 ㎜ 및 직경 10 ㎜의 평활 환봉 시험편을 잘라내고, 이것을 상기 고온 내력의 시험과 동일한 전기-유압 서보식 재료 시험기에 구속율 0.5로 장착하고, 각 시험편에 대하여 대기 중에서, 냉각 하한 온도 150℃, 가열 상한 온도 900℃, 및 온도 진폭 750℃로, 1 사이클을 승온 시간 2분, 유지 시간 1분, 및 냉각 시간 4 분의 합계 7분으로 하는 가열 냉각 사이클을 반복하고, 가열 냉각에 따른 신축을 기계적으로 구속하여 열피로 파괴를 일으키게 하는 열피로 시험에 의해 평가했다. 열피로 시험에서의 가열 냉각의 반복에 의해 생기는 균열이나 변형에 의해 열피로 파괴에 이를 때까지의 사이클수가 많을수록 열피로 수명이 길고, 내열성(내열 균열성) 및 내구성이 우수하다고 할 수 있다.

기계적인 구속의 정도는, [(자유 열팽창 신장-기계적 구속하에서의 신장)/(자유 열팽창 신장)]으로 정의되는 구속율로 나타낸다. 예를 들면, 구속율 1.0이란, 시험편이 150℃에서 900℃까지 가열되었을 때, 전혀 신장을 허락하지 않는 기계적 구속 조건을 말한다. 또한, 구속율 0.5란, 자유 팽창 신장에서는, 예를 들면, 2 ㎜ 신장되지만 1 ㎜의 신장하고 밖에 허락하지 않는 기계적 구속 조건을 말한다. 따라서, 구속율 0.5에서는, 승온 중에는 압축 하중이 가해지고, 강온(降溫) 중에는 인장 하중이 가해진다. 실제 자동차 엔진의 배기계 부품의 구속율은 어느 정도 신장을 허용하는 0.1∼0.5 정도이므로, 열피로 수명을 구속율 0.5로 평가했다.

열피로 수명은, 가열 냉각의 반복에 따른 하중의 변화로부터 구해지는 하중-온도 선도(線圖)에 있어서, 2사이클째의 최대 인장 하중을 기준(100%)으로 하고, 각 사이클에서 측정되는 최대 인장 하중이 75%로 저하될 때까지의 가열 냉각 사이클수로 했다. 실시예 1∼42에서의 열피로 수명을 표 1-4에 나타내고, 비교예 1∼26에서의 열피로 수명을 표 2-4에 나타내고, 실시예 43∼88에서의 열피로 수명을 표 3-4에 나타내고, 비교예 27∼55에서의 열피로 수명을 표 4-4에 나타낸다.

900℃ 부근에서 충분한 내열성을 가지기 위해, 가열 상한 온도 900℃, 온도 진폭 750℃ 이상, 및 구속율 0.5의 조건 하에서 가열 냉각시키는 열피로 시험에 의해 측정한 열피로 수명은 1000 사이클 이상인 것이 바람직하다. 열피로 수명이 1000 사이클 이상의 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품은 내열 균열성이 우수하고, 엔진의 가열 냉각의 반복에 의해 생기는 균열 및 변형에 의해 열피로 파괴에 이를 때까지의 수명이 길다. 본 발명의 페라이트계 내열 주강은, 상기 열피로 시험에 의해 측정한 열피로 수명이 1400 사이클 이상인 것이 더욱 바람직하고, 1500 사이클 이상인 것이 가장 바람직하다.

표 1-4 및 표 3-4로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 1∼88의 열피로 수명은 모두 1400 사이클 이상이었다. 이 결과로부터, 본 발명의 페라이트계 내열 주강은 열피로 수명이 우수하고, 900℃ 부근의 온도까지의 가열과 냉각을 반복하는 배기계 부품에 사용한 경우에 충분한 내열 균열성을 발휘하는 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) 외에, 우수한 피삭성을 가진다.

[표 1-1]

[표 1-2]

[표 1-3]

[표 1-4]

주: (1) 구속율 0.5.

[표 2-1]

[표 2-2]

[표 2-3]

[표 2-4]

주: (1) 구속율 0.5.

[표 3-1]

[표 3-2]

[표 3-3]

[표 3-4]

주: (1) 구속율 0.5.

[표 4-1]

[표 4-2]

[표 4-3]

[표 4-4]

주: (1) 구속율 0.5.

1: 페라이트상
2: 공정 탄화물(NbC)
3: 황화물 입자

Claims

질량 기준으로,
C: 0.32∼0.48 %,
Si: 0.85% 이하,
Mn: 0.1∼2 %,
Ni: 1.5% 이하,
Cr: 16∼23 %,
Nb: 3.2∼5 %,
Nb/C: 9∼11.5,
N: 0.15% 이하,
S: 0.05∼0.2 %, 및
Al: 0.01∼0.08 %
를 함유하고,
잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는, 피삭성이 우수한 페라이트계 내열 주강(鑄鋼).
제1항에 있어서,
질량 기준으로, W 및/또는 Mo를 합계하여 0.8∼3.2 % 더 함유하는 피삭성이 우수한 페라이트계 내열 주강.
제1항 또는 제2항에 있어서,
또한 Nb 및 Al이 하기 식:
0.35≤0.1Nb＋Al≤0.53 ···(1)
[단, 각 원소 기호는 그 함유량(질량%)을 나타냄]
을 만족시키는, 페라이트계 내열 주강.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
황화물 입자가 시야 면적 14000㎛² 당 20개 이상의 조직을 가지는, 페라이트계 내열 주강.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 페라이트계 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품.