KR20160091041A

KR20160091041A - 터보차저 터빈하우징용 오스테나이트계 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 터보차저 터빈하우징

Info

Publication number: KR20160091041A
Application number: KR1020150011150A
Authority: KR
Inventors: 김형준; 김기용; 장성식; 이성학; 정승문
Original assignee: (주)계양정밀; 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2016-08-02
Also published as: WO2016117731A1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 내열주강은 C : 0.4~0.5 wt%, Si : 1.0~2.0 wt%, Mn : 1.0~2.0 wt%, Ni : 9.0~12.0 wt%, Cr : 21~24 wt%, Nb : 1.0~2.5 wt%, W : 0.5~3.5 wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것으로 고비용의 Ni을 최소한도로 첨가하면서도 필요한 고온에서의 내구성이 향상된 터보차저 터빈하우징의 제조가 가능해진다.

Description

오스테나이트계 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 터보차저 터빈하우징{AUSTENITIC HEAT-RESISTING CAST STEEL AND TURBINE HOUSING FOR TURBOCHARGER USING THE SAME}

본 발명은 고온에서 물성이 우수한 오스테나이트계 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 터보차저 터빈하우징에 관한 것이다.

터보차저는 엔진의 실린더 내부로 보다 많은 공기를 압축하여 공급함으로써 엔진의 출력을 향상시키는 것으로, 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 터빈하우징(turbine housing) 내의 터빈휠(turbine wheel)을 회전시키며, 터빈휠의 회전시 발생되는 회전력을 전달하여 대기의 공기를 압축시키는 압축기 하우징(compressor housing) 내의 압축기휠(compressor wheel)을 회전시켜 엔진으로 공급하는 구조로 이루어진다.

이러한 터빈휠을 감싸는 터빈하우징은 엔진에서 배출되는 800~900 의 배기가스와 지속적으로 접촉하게 되므로 엔진의 출력에 따라 대단히 높은 열충격을 받게되므로 터빈하우징은 높은 내구성을 필요로 하게 된다.

현재 차량의 터빈하우징에 사용되는 재질은 SCH22 내열 스테인리스강(heat resistant stainless steel)등이 사용되고 있으나, SCH22 내열 스테인리스강의 경우고가의 Ni이 19 ~22 wt%가 사용되고 있어 상업적으로 적용하기에는 원가적인 측면에서 한계가 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

독일 등록특허 1,231,018

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 고비용의 Ni을 최소한도로 첨가하면서도 필요한 고온에서의 내구성이 향상된 오스테나이트계 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 터보차저하우징을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 내열주강은 C : 0.4~0.5 wt%, Si : 1.0~2.0 wt%, Mn : 1.0~2.0 wt%, Ni : 9.0~12.0 wt%, Cr : 21~24 wt%, Nb : 1.0~2.5 wt%, W : 0.5~3.5 wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 내열주강의 P은 P : 0.04 wt% 이하(0을 포함하지 않음) 및 S : 0.15 이하 (0을 포함하지 않음)가 더 포함된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 내열주강의 C는 C : 0.42~0.48 wt%, Si : 1.25 ~ 1.75 wt% 및 Nb : 1.2~2.5 wt%인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 내열주강의 Nb는 Nb : 1.2 ~ 2.2 wt%인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 내열주강의 W는 W : 0.8 ~ 2.2 wt%인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 내열주강의 W는 W : 2.2초과 ~ 3.5 wt%인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 오스테나이트계 내열주강을 이용하여 제조된 터보차저하우징은 C : 0.42~0.48 wt%, Si : 1.25 ~ 1.75 wt%, Mn : 1.0~2.0 wt%, Ni : 9.0~12.0 wt%, Cr : 21~24 wt%, Nb : 1.2~2.2 wt%, W : 0.5~2.5 wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 오스테나이트계 내열주강을 이용하여 제조된 터보차저하우징의 W은 0.8 ~ 2.2 wt%인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 내열주강을 이용한 터빈하우징의 W는 W : 2.2초과 ~ 3.5 wt%인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 오스테나이트계 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 터보차저하우징에 따르면, 고비용의 Ni을 최소한도로 첨가하면서도 필요한 고온에서의 내구성이 향상된 터보차저하우징의 제조가 가능해진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 상온 인장시험결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고온 인장시험결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 인장시험에 사용된 인장시편의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 쉐플러선도(Schaeffler Diagram)이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 오스테나이트계 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 터보차저하우징에 대하여 살펴본다.

본 발명의 오스테나이트계 내열주강은 Fe에 C 0.4~0.5 wt%, Si 1.0~2.0 wt%, Mn 1.0~2.0 wt%, Ni 9.0~12.0 wt%, Cr 21~24 wt%, Nb 1.0~2.5 wt%, W 0.5~3.5 wt%가 포함된다. 이러한 본 발명의 오스테나이트계 내열주강은 고온에서 인장강도(tensile strength) 및 연신율(elongation)이 우수하여 800 ~ 900 의 고온환경(최대 950 ~ 1050 )에서 작동되는 터보차저 터빈하우징에 매우 적합하다.

C는 강력한 오스테나이트(austenite) 안정화 원소로 알려져 있으며, 또한 기지조직에 고용강화되어 고온에서의 강도에 중요한 역할을 한다. 그 외에도 Cr, Nb 등과 같은 탄화물 생성원소(Carbide former)와 결합하여 탄화물(Carbide)를 형성함으로써, 액상의 주조성을 향상시키고 고온강도를 향상시킨다. 이러한 C의 효과를 얻기 위해 0.4% ~ 0.5 wt% C을 첨가한다.

Si는 고온 내산화성을 향상시키는 효과가 있으며, 합금의 용융(melt)내의 환원제(deoxidizer) 역할을 한다. Si는 Cr에 의한 산화방지를 도와주는 역할을 함으로써 내산화성을 향상시킨다. Si에 의해 형성되는 Silica 입자들은 Cr에 의해 합금 표면에 형성하는 피막 아래에 석출되어 부동태 피막의 형성을 돕고, Cr 이온이 불필요하게 빠져나가는 것을 억제한다.

특히 Si의 이러한 효과는 고온에서 더욱 강화된다. 따라서 Si의 효과는 1.0%이상의 Si가 첨가되어야 한다. 그러나 Si는 과다 첨가시 고온 크립 저항성을 낮추고, 페라이트(ferrite) 안정화 원소로써, 오스테나이트(austenite) 기지조직을 불안정하게 한다. 따라서 Si은 2%보다 낮게 첨가되어야 한다. 따라서 Si의 함량은 1.0~2.0%로 제한된다.

Mn은 오스테나이트(austenite) 안정화 원소로 작용하며, Si와 비슷하게 용융(melt)내에서 환원제(deoxidizer) 역할을 한다. 그러나 내산화성 및 크립강도(creep strength)를 저하시키는 효과가 있어 2.0 wt% 이상 첨가되지 않는다.

Ni은 강한 오스테나이트(austenite) 안정화 원소로써, 오스테나이트(austenite)계 스테인리스강(stainless steel, STS)에 다량 첨가되고 있다.

Ni이 스테인리스강에 첨가될 경우 인성과 연성의 증가와 함께 내부식성, 고온 안정화 측면에서 합금의 성능을 다방면에서 우수하게 한다. 이러한 Ni의 효과를 보기 위해 9.0 wt%이상이 첨가되어야 한다. 그러나 Ni은 고가의 원소로, 경제적인 측면을 고려하여, 12.0 wt %를 넘지 않아야 한다.

Cr은 스테인리스강의 우수한 내산화성, 내식성의 가장 핵심적인 원소로 합금의 표면에 Cr2O3 형태의 안정한 부동태 피막을 형성하여 내식성을 향상시킨다.

Cr의 함유량이 높을수록 내식성은 증가하며, 고온에서의 내산화, 내식성 향상에도 기여한다. 우수한 내식성을 향상 효과를 위해 Cr은 21.0 wt% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. Cr은 페라이트 안정화 원소로 과다 첨가시 페라이트상을 형성시킬 수 있고, 다량의 탄화물을 형성할수 있어 24.0 wt%이하로 제한한다.

Nb은 C와 결합하여 고온에서 분해되지 않는 탄화물을 형성하며, 이로 인해 고온 강도 및 고온 크립 저항성(creep sexixtance) 향상에 효과가 있다. 또한 Cr과 C가 결합하여 크롬-탄화물(Cr-carbide)의 형성을 억제함으로써 내산화성을 향상시킨다.

Nb 탄화물은 공융(eutectic) 형태로 형성되어 주조성을 향상시키므로, 자동차 배기계와 같은 복잡한 형태의 주조물 제작에 효과적이다. 이러한 효과를 얻기 위해 Nb은 1.0 wt%이상 첨가된다.

그러나 Nb은 과다 첨가시 Cell 경계에 다량의 Nb 탄화물을 형성시켜 합금을 깨지기 쉽게(brittle)하게 만들고, 강도와 연성을 저하시킨다. 따라서 Nb의 함량은 1.0~2.5 wt% 첨가된다.

W은 고온 강화 효과를 가지는 원소로써, 내열 주강에 많이 투입된다. W은 기지조직에 고용되어 고온 강도를 향상시키는 효과를 가지며 0.5 wt%이상 첨가되어야 한다. 그러나 W은 고가의 원소이며, 과다 투입시 C와 결합하여 M2C, M7C3 와 같은 형태의 탄화물을 형성하므로 투입량을 3.5 wt%로 제한한다.

이러한 오스테나이트 내열주강에는 P : 0.04 wt% 이하(0을 포함하지 않음) 및 S : 0.15 이하 (0을 포함하지 않음)가 더 포함될 수 있다.

S는 합금 내에서 MnS와 같은 황화물(sulfide)을 형성하여 합금의 가공성을 향상시킨다. 그러나 이러한 황화물(sulfide)는 합금의 전반적인 물성을 저하시키므로 S의 함량은 0.15%이하로 제한되는 것이 바람직하며, P는 합금 내에 편석(segregation)을 발생시켜 합금에 부정적인 영향을 끼칠수 있으므로 P의 함량은 0.04 wt% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

앞에서 검토한 내열 주강의 조성물 중 C는 가공성 다량의 Cr 탄화물의 석출을 방지하고, 가공성을 개선하기 위하여 0.42~0.48 wt% 범위에서 사용될 수 있다.

이때, Si은 오스테나이트 기지조직을 안정화시키고, 고온 크립 저항성을 높이기 위하여 1.25 ~ 1.75 wt% 범위에서 사용될 수 있으며, Nb는 내산화성 및 취성(brittle)을 개선하기 위하여 1.2~2.5 wt% 범위에서 사용되는 것이 바람직하다.

Nb는 내산화성 및 취성(brittle)을 개선 효과를 증대시키기 위하여 실시예에 따라 1.2~22.0 wt% 범위에서 사용될 수도 있다.

또한, 오스테나이트계 내열주강에 있어 W은 과다 투입시 C와 결합하여 탄화물을 형성하므로 0.8 ~ 2.2 wt% 또는2.2 ~ 3.5 wt% 범위에서 사용하는 것이 바람직하다.

위에서 언급한 오스테나이트계 내열주강의 경우 최대사용가능한 온도는 재질의 표면온도 800~900 로 배기가스 온도 950~1050 까지 사용이 가능하다. 따라서 본 발명에 따른 오스테나이트 내열 주강품은 배기가스와 직접 맞닿는 터보차저하우징에 적합하게 사용될 수 있다.

하기의 표 1은 본 발명에 따른 오스테나이트 내열주강의 실시예 1, 실시예2 및 실시예 3과 비교예의 성분조성(단위 wt%)을 나타낸 것이다.

	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Nb	W
실시예1	0.45	1.5	1.5	0.04	0.15	10	22	1.5	1
실시예2	0.45	1.5	1.5	0.04	0.15	10	22	1.5	2
실시예3	0.45	1.5	1.5	0.04	0.15	10	22	1.5	3
비교예	0.44	1.17	0.69	0.04	0.14	9.8	20.1	1.22	2.53

실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3은 본 발명이 제시하는 오스테나이트 내열 주강품이고, 비교예는 종래의 내열주강품이다.

실시예1, 실시예2 및 실시예3과 비교예에 대한 시험 결과는 도 1 및 도 2에 나타나 있다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 상온 인장시험결과를 나타낸 그래프이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고온 인장시험결과를 나타낸 그래프이다.

인장시험의 인장시편은 도 3에 도시된 바와 같이 ASTM E8 내 봉상 시험 규격을 사용하였으며 인장시편의 규격은 표 2와 같으며 단위는 인치(inch)이다.

평행부 길이 (Length of reduced section, A)	지름 (diameter, D)	표점거리 (gage length, G)	어깨부의 반지름 (radius of filet, R)
1.25	0.250±0.005	1.0±0.005	3/16

인장시험은 ASTM E8에 따라 상온(room temperature, 약 25)과 고온(900)에서 진행하였다.

하기의 표 3 도 1 내지 도 2와 함께 상기의 시험결과를 나타낸 것이다.

	상온			900
	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	연신율 (%)	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	연신율 (%)
실시예1	393	635	7.9	156	185	30.3
실시예2	405	639	7.7	172	203	25.3
실시예3	388	647	7.5	170	205	31.4
비교예	365	548	7.0	149	177	30.0

상기와 같이 상온 및 고온 인장시험의 결과 상온에서의 항복강도 및 인장강도는 비교예 대비 6.3~10.96%, 12.88~18.07% 증가된 것을 볼 수 있으며, 상온 연신율 또한 개선된 것을 알 수 있다.

고온에서의 항복강도 및 인장강도 역시 비교예 대비 4.70~15.82%, 4.52~14.69% 증가된 것을 알 수 있다.

아울러 본 발명의 실시예에 따른 쉐플러선도(Schaeffler Diagram)인 도 4를 참조하면 실시예1, 실시예 2 및 실시예3은 비교예에 비하여 오스테나이트 안정도를 증가시켜 고온에서 항복강도 및 인장강도를 증가시킨 것을 알 수 있다.

Claims

C : 0.4~0.5 wt%, Si : 1.0~2.0 wt%, Mn : 1.0~2.0 wt%, Ni : 9.0~12.0 wt%, Cr : 21~24 wt%, Nb : 1.0~2.5 wt%, W : 0.5~3.5 wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 오스테나이트계 내열주강.
제1항에 있어서,
상기 오스테나이트계 내열주강은 P : 0 wt% 초과 ~ 0.04 wt% 및 S : 0 wt% 초과 ~ 0.15 wt% 이하가 더 포함되는 오스테나이트계 내열 주강.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 오스테나이트계 내열주강은 C : 0.42~0.48 wt%, Si : 1.25 ~ 1.75 wt% 및 Nb : 1.2~2.5 wt%인 오스테나이트계 내열 주강.
제3항에 있어서,
상기 오스테나이트계 내열주강은 Nb : 1.2 ~ 2.2 wt%인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열 주강.
제3항에 있어서,
상기 오스테나이트계 내열주강은 W : 0.8 ~ 2.2 wt%인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열 주강.
제3항에 있어서,
상기 오스테나이트계 내열주강은 W : 2.2 초과 ~ 3.5 wt%인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열 주강.
C : 0.42~0.48 wt%, Si : 1.25 ~ 1.75 wt%, Mn : 1.0~2.0 wt%, Ni : 9.0~12.0 wt%, Cr : 21~24 wt%, Nb : 1.2~2.2 wt%, W : 0.5~3.5 wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 오스테나이트계 내열주강을 이용하여 제조된 터보차저하우징.
제7항에 있어서,
상기 W은 0.8 ~ 2.2 wt%인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열주강을 이용하여 제조된 터보차저하우징.
제7항에 있어서,
상기 오스테나이트계 내열주강은 W : 2.2 초과 ~ 3.5 wt%인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열 주강을 이용하여 제조된 터보차저하우징.