KR20170063709A

KR20170063709A - 열피로 특성이 우수한 오스테나이트계 내열 주강 및 그것으로 이루어지는 배기계 부품

Info

Publication number: KR20170063709A
Application number: KR1020177009956A
Authority: KR
Inventors: 히로후미 기무라; 도모노리 나미토; 스스무 가쓰라기; 준지 하야카와
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2014-10-03
Filing date: 2015-10-05
Publication date: 2017-06-08
Also published as: KR102453685B1; CA2963369A1; CN107075633B; WO2016052750A1; JP6481692B2; MX2017004302A; US20170298489A1; JPWO2016052750A1; BR112017006063A2; EP3202939A4; BR112017006063B1; EP3202939A1; CN107075633A; US10815555B2; CA2963369C; EP3202939B1

Abstract

질량 기준으로, C: 0.3∼0.6%, Si: 0.5∼3%, Mn: 0.5∼2%, Cr: 15∼30%, Ni: 6∼30%, Nb: 0.6∼5%, N: 0.01∼0.5%, S: 0.01∼0.5%를 함유하고, C/N가 4∼7이며, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 또한 식(1): A=8.5C-Nb＋0.05Cr＋0.65Ni-5, 및 식(2): B=7.8Nb에 의해 나타내는 Cr 탄화물 생성 지수 A와 Nb 탄화물 생성 지수 B의 비율 A/B가 0.6∼1.7인 열피로 특성이 우수한 오스테나이트계 내열 주강.

Description

열피로 특성이 우수한 오스테나이트계 내열 주강 및 그것으로 이루어지는 배기계 부품{AUSTENITIC HEAT-RESISTANT CAST STEEL HAVING EXCELLENT THERMAL FATIGUE CHARACTERISTICS, AND EXHAUST SYSTEM COMPONENT COMPRISING SAME}

본 발명은 자동차용 배기계 부품, 특히 터빈 하우징 등에 적합한 열피로 특성이 우수한 오스테나이트계 내열 주강, 및 그것으로 이루어지는 배기계 부품에 관한 것이다.

최근, 지구 규모의 환경 부하의 저감이나 환경 보전이 주장되고, 자동차에 대하여, 대기 오염 물질의 배출량을 삭감하기 위한 배기 가스의 정화와, 지구 온난화의 한 요인인 CO₂의 배출량 억제를 위한 연비 효율의 향상(저연비화)이 강하게 요구되고 있다. 이 때문에, 엔진 자체의 고성능화 및 저연비화, 배기 가스의 정화, 차량의 경량화, 차체의 공기 저항의 저감, 엔진으로부터 구동계로의 손실이 적은 효율적인 동력 전달 등의 다양한 기술이 개발되고, 실용화되어 왔다.

엔진 자체의 고성능화 및 저연비화를 위한 기술로서, 연료의 직접 분사화, 연료 분사의 고압화, 압축비의 증대, 터보차저(turbocharger)(과급기)의 채용에 의한 배기량의 삭감, 엔진의 소형 경량화(다운사이징) 등을 예로 들 수 있고, 고급차에 한정되지 않고 대중차에도 도입되어 오고 있다. 그 결과, 연료를 보다 고온 고압으로 연소시키는 경향이 있고, 이에 따라 엔진의 연소실로부터 배기계 부품에 배출되는 배기 가스의 온도도 상승하는 경향이 있다. 예를 들면, 대중차에서도 배기 가스 온도는 고급 스포츠카와 같이 1000℃ 이상으로 되고, 배기계 부품의 표면 온도 도 900℃를 초과하는 경우가 있다. 이와 같이 고온의 산화성 가스에 노출되는 배기계 부품은, 종래보다 엄격한 산화 환경에서 엔진의 운전 및 정지에 의한 가열/냉각의 반복 열 사이클을 받으므로, 종래보다 한층 더 내열성이나 내구성(耐久性)의 향상이 요구된다.

종래, 자동차에 사용하는 터빈 하우징, 배기 매니폴드 등의 배기계 부품은 형상이 복잡하므로, 형상 자유도가 높은 주물(鑄物)에 의해 제조되어 있고, 또한 사용 조건이 고온에서 가혹하므로, 고Si 구상흑연주철, 니레지스트 주철(Ni-Cr계 오스테나이트 주철) 등의 내열 주철, 페라이트계 내열 주강, 오스테나이트계 내열 주강 등이 사용되고 있다. 특히 배기계 부품의 표면 온도가 900℃ 이상으로 되는 경우에는, 배기계 부품의 재료로서는, 페라이트계 내열 주강 또는 오스테나이트계 내열 주강이 사용되고 있다.

그러나, 페라이트계 내열 주강은 통상 900℃ 이상에서의 고온 강도가 뒤떨어진다는 문제가 있으므로, 950℃를 초과하는 온도역에서의 채용은 곤란하다. 페라이트계 내열 주강보다 고온에 견딜 수 있는 재료로서, 오스테나이트계 내열 주강이 있다. 예를 들면, WO 2005/103314는, 중량 기준으로 C: 0.2∼1.0%, Si: 3% 이하, Mn: 2% 이하, Cr: 15∼30%, Ni: 6∼30%, W 및/또는 Mo: 0.5∼6%(W＋2Mo으로서), Nb: 0.5∼5%, Al: 0.23% 이하, N: 0.01∼0.5%, S: 0.5% 이하, 및 O: 0.07% 이하를 함유하고, 실질적으로 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 고Cr-고Ni 오스테나이트계 내열 주강을 제안하고 있다. 상기 오스테나이트계 내열 주강은, 높은 고온 내력(耐力), 내산화성 및 실온 신장을 가지고, 특히 1000℃ 이상으로 고온의 배기 가스에 노출되었을 때의 열피로 특성이 우수하므로, 자동차용 엔진의 배기계 부품 등에 바람직하다.

그런데, 배기계 부품에는, 엔진으로부터 배출되는 가스에 의한 온도 상승이나 산화에 대한 대응 외에도 가혹한 사용 조건에 대한 대응이 요구되고 있다. 예를 들면, 배기 가스 정화 처리(배기 가스 정화 장치에 내장된 촉매나 필터에 의해 배기 가스 중의 유해 물질 등을 제거하는 처리)에 있어서는, 엔진 시동 시에 촉매를 조기에 승온(昇溫)하여 활성화시키거나, 배기 가스를 촉매나 필터 전체에 균등하게 공급하여 정화 성능을 향상시킬 필요가 있다. 촉매의 조기 활성화를 위해서는, 배기계 부품을 통과하는 배기 가스의 온도 저하를 적게, 즉 배기 가스의 열이 최대한 빼앗기지 않도록 해야만 한다. 따라서, 배기 통로의 히트 매스(열용량)를 작게 하기 위해 배기계 부품에는 박육화(薄肉化)가 요구되고 있다. 그러나, 배기계 부품은 박육화할수록 배기 가스에 의한 온도 상승이 커진다.

최근의 터보차저의 채용에 의한 배기량 삭감, 엔진의 소형 경량화의 트랜드는, 배기계 부품의 사용 환경을 한층 가혹한 것으로 하고 있다. 즉, 엔진의 소형화에 따라 배기계 부품도 소형화한다. 전술한 배기 가스 정화 처리를 위한 배기계 부품의 박육화에 더하여, 배기계 부품의 소형화에 의해 부품 전체의 히트 매스가 작아지므로, 배기계 부품은 온도 상승이 커진다.

터보차저 등의 과급에 의해 흡기 가스량이 증가하면, 배기 가스량도 증가한다. 배기 가스량의 증가는, 배기계 부품에 가해지는 열 유량의 증대로 되고, 이것은 배기계 부품의 단위 시간당 온도 상승(승온 속도)을 크게 한다. 배기계 부품은 박육부(薄肉部)나 후육부(厚肉部)를 포함하고, 또한 배기 가스가 접촉하는 부위와 접촉하지 않는 부위를 포함하는 복잡한 형상을 가지므로, 배기 가스가 통과한 배기계 부품 내에 온도차가 생긴다. 일반적으로, 금속 부재에 온도차, 즉 온도 구배(句配)에 의해 열응력이 발생하면, 균열이나 파손의 경향이 높아진다. 과급에 의해 열 유량이 증대하면, 배기계 부품의 승온 속도가 커지고, 배기계 부품은 부재 내의 온도 구배가 확대된다. 온도 구배가 크면, 발생하는 열응력도 높아지므로, 배기계 부품은 균열이나 파손의 경향이 높아진다. 배기계 부품의 온도 구배의 확대는, 과급압이나 과급 효율이 높아질수록 현저해진다.

이와 같이 자동차용 배기계 부품은, 배기 가스에 의한 온도 상승 및 산화, 박육화나 히트 매스 감소에 의한 온도 상승, 열 유량 증대에 의한 온도 구배의 확대 등에 대응해야만 한다. 구체적으로는, 배기계 부품은 950∼1100℃로 고온의 배기 가스에 노출되는 경우도 있으며, 이와 같은 고온의 배기 가스에 노출되면 배기계 부품 자체는 900∼1050℃와 1000℃ 부근까지 상승한다. 배기계 부품은 이와 같은 고온역에서의 우수한 내열성이나 내구성을 가질 필요가 있다. 이 요구에 부응하기 위해, 배기계 부품을 구성하는 재료는 열피로 특성, 내산화성, 고온 강도, 연성(신장) 등이 우수한 것이 요구된다. WO 2005/103314의 오스테나이트계 내열 주강은, 1000℃ 이상의 배기 가스에 노출되는 배기계 부품에 대한 사용을 상정하고 있지만, 상기와 같은 가혹한 조건에 노출되는 배기계 부품에 사용하는 데에는 충분하지 않고, 특히 열피로 특성에 개량의 여지가 있다.

따라서 본 발명의 목적은, 1000℃ 부근에서의 열피로 특성이 우수한 오스테나이트계 내열 주강, 및 이 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어지는 터빈 하우징 등의 배기계 부품을 제공하는 것이다.

오스테나이트계 내열 주강의 내열성, 특히 열피로 특성을 향상시킬 수 있는 조성(組成) 범위를 발견하기 위해 예의(銳意) 연구한 결과, 본 발명자들은 C, Cr, Ni 및 Nb 등의 주요 합금 원소의 함유량을 적정 범위로 한정함으로써, 열피로 특성이 대폭 향상된 오스테나이트계 내열 주강을 얻을 수 있는 것을 발견하고, 본 발명에 이르렀다.

즉, 열피로 특성이 우수한 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은, 질량 기준으로,

C: 0.3∼0.6%,

Si: 0.5∼3%,

Mn: 0.5∼2%,

Cr: 15∼30%,

Ni: 6∼30%,

Nb: 0.6∼5%,

N: 0.01∼0.5%, 및

S: 0.01∼0.5%를 함유하고,

C와 N의 함유량비 C/N이 4∼7이며,

잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고,

또한 하기 식(1) 및 (2)에 의해 나타내는 Cr 탄화물 생성 지수 A와 Nb 탄화물 생성 지수 B의 비율 A/B가 0.6∼1.7인 것을 특징으로 한다.

A=8.5 C-Nb＋0.05 Cr＋0.65 Ni-5 … (1)

B=7.8 Nb … (2)

[단, 각각의 식 중 원소 기호는 그 함유량(질량%)을 나타냄 ]

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은 0.005∼0.5 질량%의 Zr을 더 함유하는 것이 바람직하다. Zr을 함유하는 상기 오스테나이트계 내열 주강은, 조직 중의 원 상당 직경이 1.5㎛ 이상인 Zr 질화물 입자의 수가 시야 면적 0.25㎟당 20∼150개인 것이 바람직하다.

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은, 시험 온도 900℃, 변형 진폭 0.5%, 변형 속도 0.1%/초, 및 압축 유지 시간 1분의 조건에서 인장(引張)ㆍ압축에 의해 변형을 가감하는 고온 저사이클 피로 시험에 의해 측정한 피로 수명이 1500사이클 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 배기계 부품은, 상기 열피로 특성이 우수한 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 배기계 부품의 예로서, 터빈 하우징, 배기 매니폴드, 터빈 하우징 일체 배기 매니폴드, 촉매 케이스, 촉매 케이스 일체 배기 매니폴드, 및 배기 아웃렛(exhaust outlet)을 들 수 있다.

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은 우수한 내열성이나 내구성을 가지고, 또한 1000℃ 부근에서 높은 열피로 특성을 가지므로, 그것으로 이루어지는 터빈 하우징 등의 배기계 부품은 1000℃ 부근의 고온에서 가혹한 조건으로 사용 가능하다.

도 1은, 실시예 35의 시험편의 전자 현미경 사진이다.

[1] 오스테나이트계 내열 주강

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강의 구성에 대하여 이하 상세하게 설명한다. 그리고, 내열 주강을 구성하는 각 원소의 함유량은, 특별히 단서가 없는 한 질량%로 나타낸다.

(A) 조성

(1) C(탄소): 0.3∼0.6%

C는 용탕의 유동성, 즉 주조성(鑄造性)을 양호하게 하고, 일부 기지(matrix)를 고용 강화하고, 또한 탄화물을 형성하여 고온 강도를 향상시킨다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘하기 위하여, C의 함유량은 0.3% 이상 필요하다. 그러나, C가 0.6%를 초과하면 탄화물이 지나치게 많아져, 내열 주강의 열피로 특성 및 피삭성이 저하되고, 또한 연성이 저하된다. 따라서, C의 함유량은 0.3∼0.6%로 한다. C의 함유량의 하한은 바람직하게는 0.35%이며, 보다 바람직하게는 0.4%이다. 또한, C의 함유량의 상한은 바람직하게는 0.55%이며, 보다 바람직하게는 0.5%이다.

(2) Si(규소): 0.5∼3%

Si는 용탕의 탈산제로서의 역할을 가지는 것 외에, 내산화성의 향상과, 이에 기인하는 열피로 특성의 개선에 유효한 원소이다. 이와 같은 작용을 얻기 위해 Si의 함유량은 0.5% 이상 필요하다. 그러나, 과잉의 Si는 오스테나이트 조직을 불안정하게 하고, 내열 주강의 주조성을 열화시키고, 경화에 의해 피삭성을 더 악화시킨다. 그러므로, Si의 함유량은 3% 이하로 한다. 따라서, Si의 함유량은 0.5∼3%로 한다. Si의 함유량의 하한은 바람직하게는 0.8%이며, 보다 바람직하게는 1%이다. 또한, Si의 함유량의 상한은 바람직하게는 2%이며, 보다 바람직하게는 1.6%이다.

(3) S(유황): 0.01∼0.5%

S는 Mn이나 Cr과 결합하여 MnS, (Mn/Cr)S 등의 황화물을 형성하고, 황화물의 윤활 작용에 의해 내열 주강의 피삭성을 향상시킨다. 이 효과를 얻기 위해서는, S는 0.01% 이상 필요하다. 그러나, S가 0.5%를 초과하면, 내열 주강의 고온 강도나 연성의 열화 경향이 높아지고, 또한 황화물이 과잉으로 생성되어 내열 주강의 열피로 특성을 악화시킨다. 그러므로, S의 함유량은 0.01∼0.5%로 한다. S의 함유량의 하한은 바람직하게는 0.05%이며, 보다 바람직하게는 0.1%이다. 또한, S의 함유량의 상한은 바람직하게는 0.3%이며, 보다 바람직하게는 0.2%이다.

(4) Mn(망간): 0.5∼2%

Mn은, Si와 마찬가지로 용탕의 탈산제로서 유효한 것 외에, S와 결합하여 MnS 등의 황화물을 형성함으로써 내열 주강의 피삭성을 개선한다. 이들 효과를 발휘시키기 위해, Mn의 함유량은 0.5% 이상 필요하다. 그러나, 과잉의 Mn은 내열 주강의 내산화성을 열화시키므로, Mn의 함유량은 2% 이하로 한다. 그러므로, Mn의 함유량은 0.5∼2%로 한다. Mn의 함유량의 하한은 바람직하게는 0.7%이며, Mn의 함유량의 상한은 바람직하게는 1.3%이다.

(5) Cr(크롬): 15∼30%

Cr은, 후술하는 Ni와 함께 내열 주강의 조직을 오스테나이트화하는 것에 의해, 내열 주강의 내열성(고온 강도 및 내산화성)을 높이는 데 유효한 원소이다. 특히 1000℃ 부근의 고온역에서의 내열성 효과를 발휘시기키 위해서는, Cr은 15% 이상 필요하다. 그러나, Cr은 Cr₂₃C₆ 및 Cr₇C₃을 주체로 하는 Cr 탄화물을 정출시키는 원소이다. Cr 탄화물은 결정 구조적으로 오스테나이트 기지와 맞지 않으므로, Cr 탄화물과 오스테나이트의 공정(共晶) 계면은 취약하고, 균열의 전파 경로로 된다. Cr의 함유량이 30%를 초과하면 Cr 탄화물의 정출이 많아지게 되어, 균열의 전파가 촉진되는 경향이 높아지고, 내열 주강의 열피로 특성 및 연성을 현저하게 저하시킨다. 또한, Cr은 과잉으로 함유하면, 조직 중에 페라이트가 정출되어 고온 강도가 저하된다. 그러므로, Cr 함유량은 15∼30%로 한다. Cr의 함유량의 하한은 바람직하게는 20%이며, 보다 바람직하게는 24%이다. 또한, Cr의 함유량의 상한은 바람직하게는 28%이며, 보다 바람직하게는 26%이다.

(6) Ni(니켈): 6∼30%

Ni는 오스테나이트 생성 원소이며, 내열 주강의 오스테나이트 조직을 안정화하고, 또한 Cr과 함께 내열 주강의 고온 강도 및 내산화성을 높이는 것 외에, 얇고 복잡한 형상의 배기계 부품의 주조성을 높인다. 이와 같은 작용을 발휘하기 위하여, Ni의 함유량은 6% 이상일 필요가 있다. 그러나, 30%를 초과하여 Ni를 함유하면, 기지 중으로의 Ni의 고용량의 증가에 따라, 기지의 C의 고용 한계((solid solution limit)를 저하시키고, Cr 탄화물의 정출이 과잉으로 되어, 내열 주강의 열피로 특성을 저하시킨다. 또한, Ni는 30%를 초과하여 함유해도 상기 특성의 향상 효과는 포화되고, 또한 고가의 원소이기 때문에 경제적으로 불리하다. 그러므로, Ni 함유량은 6∼30%로 한다. Ni의 함유량의 하한은 바람직하게는 10%이며, 보다 바람직하게는 11%이다. 또한, Ni의 함유량의 상한은 바람직하게는 25%이며, 보다 바람직하게는 22%이다.

(7) Nb(니오브): 0.6∼5%

Nb는 Cr보다 우선적으로 C와 결합하여, 미세한 Nb 탄화물을 형성한다. 이로써, Cr 탄화물의 정출을 억제하여 간접적으로 내열 주강의 고온 강도 및 열피로 특성을 향상시킨다. 또한, Nb는 오스테나이트와 Nb 탄화물의 공정 탄화물을 형성하기 때문에, 배기계 부품과 같은 얇고 복잡한 형상의 주물을 제조할 때 중요한 주조성을 향상시킨다. 이와 같은 목적으로, Nb는 0.6% 이상 필요하다. 한편, Nb가 5%를 초과하면, 결정 입계에 생성되는 경질의 공정 탄화물이 많아져, 오히려 내열 주강의 고온 강도 및 열피로 특성이 저하되고, 또한 취화되어 연성이 현저하게 저하된다. 게다가, 과잉의 Nb는, 입경이 작은 Nb 탄화물과 오스테나이트의 공정 탄화물을 콜로니형으로 밀집하여 생성하고, 산화 경향을 조장하기 때문에, 내열 주강의 내산화성을 저하시킨다. 따라서, Nb 함유량은 0.6∼5%로 한다. Nb의 함유량의 하한은 바람직하게는 0.8%이다. 또한, Nb의 함유량의 상한은 바람직하게는 3%이며, 보다 바람직하게는 2.2%이다.

(8) N(질소): 0.01∼0.5%

N은 강력한 오스테나이트 생성 원소이며, 내열 주강의 오스테나이트 기지를 안정화하여 고온 강도를 향상시킨다. N은 또한, 결정입자 미세화를 위한 단조 또는 압연을 행할 수 없는 복잡 형상의 주조품의 결정립을 미세화시키는 데 유효한 원소이다. N을 함유함으로써 결정립이 미세화되고, 이로써 내열 주강의 연성 및 피삭성이 향상된다. 또한, N은 C의 확산 속도를 지연시키므로, 석출 탄화물의 응집을 지연시켜 탄화물의 조대화(粗大化)를 억제하고, 이로써 취화를 유효하게 방지한다. 이와 같은 효과를 얻기 위하여, N의 함유량은 0.01% 이상 필요하다. 그러나, 0.5% 초과의 N은, Ni와 마찬가지로, 기지의 C의 고용 한계를 저하시켜, Cr 탄화물의 정출이 과잉으로 되어, 내열 주강의 열피로 특성을 저하시킨다. 또한, N은 0.5%를 초과하여 다량으로 함유하면, 기지 중으로의 N의 고용량이 증가하여, 내열 주강이 경화되고, 또한 Cr 및 Al와 결합하여 Cr₂N, AlN 등의 경질이며 취약한 질화물을 다량으로 석출시켜, 내열 주강의 고온 강도 및 연성을 악화시킨다. 또한, 과잉의 N은 주조 시에 핀홀이나 블로우홀(blowhole) 등의 가스 결함의 발생을 조장하여, 주조 수율을 악화시킨다. 그러므로, N의 함유량은 0.01∼0.5%로 한다. N의 함유량의 하한은 바람직하게는 0.05%이며, 보다 바람직하게는 0.06%이다. 또한, N의 함유량의 상한은 바람직하게는 0.4%이며, 보다 바람직하게는 0.2%이다.

(9) C/N: 4∼7

C와 N의 함유량비(C/N)의 최적화는, 탄질화물의 정출을 제어하기 위한 하나의 수단이다. 침입형 원소인 C와 N은, 모두 기지 중에 고용되어 오스테나이트 기지를 안정되게 고온 강도를 향상시킨다. 또한, C 및 N은 기지에 고용됨으로써 고정되므로, 이들과 결합하여 응고 말기에 입계에 정출되는 탄질화물이 감소하여 열피로 특성의 저하가 억제된다. 특히, Cr 함유량이 많은 본 발명의 내열 주강에 있어서는, Cr₂₃C₆ 및 Cr₇C₃을 주체로 하는 판형 또는 그물코형의 Cr 탄화물이 입계에 정출되어 열피로 특성을 현저하게 악화시키므로, C는 가능한 한 기지 중에 고용시키는 것이 바람직하다. C를 기지에 고용하기 위해서는 N의 함유량을 최대한 저감시키는 것도 고려할 수 있지만, 본 발명의 내열 주강에 있어서는, N은 오스테나이트 결정립의 미세화에 의한 연성 및 피삭성의 향상, 및 석출 탄화물의 조대화 억제에 의한 취화 방지에도 유효하게 작용하기 때문에 적당량 필요로 된다. C와 N을 적량 함유한 데에다, 기지 중으로의 C의 고용을 촉진하기 위해서는, C/N을 최적화하는 것이 유효하다. C/N의 최적화에 의해, N 함유의 효과를 향수하면서, C의 고용 한계를 크게 할 수 있다.

N에 대하여 C가 상대적으로 적으면(C/N가 작음), 기지 중으로의 N의 고용이 많아져, C의 고용 한계를 내리므로, Cr 탄화물의 정출이 많아져 열피로 특성을 저하시킨다. 양호한 열피로 특성을 얻기 위해서는, C/N는 4 이상 필요하다. 한편, N에 대하여 C가 상대적으로 많으면(C/N가 큼), 기지 중으로의 C의 고용이 많아져, N의 고용 한계를 내린다. C보다 N 쪽이 오스테나이트 기지를 안정화되는 효과가 높으므로, N의 고용이 억제되면 고온 강도를 저하시킨다. 양호한 고온 강도를 얻기 위해서는, C/N는 7 이하일 필요가 있다. 이상으로부터, C/N는 4∼7로 한다. C/N는 바람직하게는 5∼6이다.

(10) A/B: 0.6∼1.7

본 발명에서는, 각 원소가 상기 조성 범위를 만족시킨 데에다, 하기 식(1) 및 (2)로 나타내는 Cr 탄화물 생성 지수 A와 Nb 탄화물 생성 지수 B의 비율 A/B가 0.6∼1.7을 만족시키는 것이 바람직하다.

A=8.5C-Nb＋0.05Cr＋0.65Ni-5 … (1)

B=7.8Nb … (2)

[단, 각각의 식 중, 원소 기호는 그 함유량(질량%)을 나타냄]

식(1)에 대하여, Cr 탄화물의 정출 경향을 나타내는 Cr 탄화물 생성 지수 A는, C, Cr 및 Ni의 함유량이 많아지면 커지고(Cr 탄화물의 정출이 많아지고), Nb의 함유량이 많아지면 작아진다(Cr 탄화물의 정출이 적어짐). 식(2)에 대하여, Nb 탄화물의 정출 경향을 나타내는 Nb 탄화물 생성 지수 B는, Nb의 함유량에 비례하여 커지게 된다(Nb 탄화물의 정출이 많아짐).

C, Cr, Ni 및 Nb의 함유량에 의해 Cr 탄화물 및 Nb 탄화물의 정출량이 변화되고, 또한 양자의 정출량이 대략 동일할 때, 열피로 특성이 최대화된다. 따라서, A/B가 크면, Nb에 의한 C의 고정이 적고, Cr 탄화물의 정출이 많아져 열피로 특성 및 연성이 저하된다. 한편, A/B가 작으면, Cr 탄화물의 정출은 적어지지만 Nb 탄화물의 정출이 많아져 열피로 특성, 고온 강도 및 연성이 저하된다. 양호한 열피로 특성을 얻기 위해서는, A/B는 0.6∼1.7이 바람직하고, 0.7∼1.3이 보다 바람직하고, 0.8∼1.2가 가장 바람직하다.

A/B를 원하는 범위로 하기 위해, Ni 함유량에 따라 Nb 함유량을 조정하는 것이 바람직하다. 예를 들면, Ni 함유량이 10% 정도인 경우, Nb 함유량은 0.6∼1%로 하는 것이 바람직하고, Ni 함유량이 13% 정도인 경우, Nb 함유량은 0.75∼1.2%로 하는 것이 바람직하고, Ni 함유량이 20% 정도인 경우, Nb 함유량은 1.3∼2%로 하는 것이 바람직하다.

(11) Zr(지르코늄): 0.005∼0.5%

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은, Zr의 함유에 의해, 결정립이 미세화된 오스테나이트로 이루어지는 기지에, Cr 탄화물 입자, Nb 탄화물 입자, MnS 등의 황화물 입자 및 Zr 질화물 입자가 분산된 조직을 가진다. 특히, 원 상당 직경이 1.5㎛ 이상인 Zr 질화물 입자가 시야 면적 0.25㎟당 20∼150개 가지면, 내열 주강의 기지가 강화되어 내열 주강의 열피로 특성이 향상된다.

Zr의 함유에 의해 생성되는 ZrO₂, ZrN, ZrC 등의 산화물, 질화물 및 탄화물은 내열 주강의 기지에 분산되어, Nb 탄화물 및 MnS 등의 황화물의 생성핵으로 되므로, Nb 탄화물 및 MnS 등의 황화물은 미세 분산된다. 그리고, 응고의 말기에 정출되는 Cr 탄화물은, ZrO₂, ZrN, ZrC 등의 생성핵이 아니고, 응고의 초기에 정출되는 Nb 탄화물의 미세 분산 및 오스테나이트 결정립의 미세화에 의해, 간접적으로 미세 분산된다고 추측된다.

Zr을 함유하지 않는 경우, Nb 탄화물 입자는 Nb 탄화물과 오스테나이트의 공정 탄화물이 콜로니형 또는 라멜라형(lamella shape)으로 밀집하여 다량으로 생성된다. 산화 경향이 강한 Nb 탄화물이 밀집하여 정출되면, Nb 탄화물 입자끼리 지나치게 접근하여, 산화가 진행되기 쉬워진다. 그 결과, 내열 주강의 내산화성은 저하되고, 이로써 열피로 특성도 저하된다. Zr의 함유에 의해, Nb 탄화물은 덩어리형으로 되고 또한 미세 분산된다. 그 결과, Nb 탄화물 입자간의 거리가 커져서 산화 경향을 저감하여, 내열 주강의 열피로 특성이 향상된다.

또한, Zr은 N과 결합하여 Nb 탄화물 및 MnS 등의 황화물의 생성핵으로서 기능하는 ZrN을 생성할 뿐만 아니라, 생성핵과는 별도로 단독의 미세하게 분산된 Zr 질화물을 정출하고, 기지를 강화한다. 그 결과, 내열 주강의 열피로 특성을 향상된다.

전술한 효과를 얻기 위해 Zr을 함유시키는 경우, Zr은 0.005% 이상이 바람직하다. 한편, Zr이 0.5%를 초과해도 그에 따른 효과의 증대는 얻어지지 않고, ZrN이나 ZrC 등의 탄질화물이 과잉으로 정출되어 취화되고, 고온 강도, 연성 및 피삭성을 저하시키고, 또한 고가의 원소이기 때문에 경제적으로 불리해진다. 그러므로, Zr을 함유시키는 경우에는, 그 함유량은 0.005∼0.5%로 한다. Zr의 함유량의 하한은 바람직하게는 0.01%이며, 보다 바람직하게는 0.03%이며, 가장 바람직하게는 0.04%이다. 또한, Zr의 함유량의 상한은 바람직하게는 0.3%이며, 보다 바람직하게는 0.2%이며, 가장 바람직하게는 0.1%이다.

(12) 불가피한 불순물

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강에 함유되는 불가피한 불순물은 주로, 원재료 및/또는 탈산제로부터 혼입되는 P, Al, W 및 Mo이다. P는 결정 입계에 편석 하여 인성을 현저하게 저하시키므로, 적을수록 바람직하고, 0.06% 이하로 하는 것이 바람직하다. Al은 Al₂O₃으로 이루어지는 슬래그(slag slug)??라는 개재물을 생성하여 주조 결함을 조장하여 주조 수율을 악화시키고, 또한 경질이며 취약한 AlN을 생성하여, 연성 및 피삭성을 저하시킨다. 그러므로, Al은 적을수록 바람직하고, 0.05% 이하로 하는 것이 바람직하다. W 및 Mo는 탄화물을 생성하여 연성을 저하시킨다. 또한, W 및 Mo는, 기지에 고용되어 Cr의 기지에 대한 고용량을 감소시킴으로써, 기지의 내산화성을 저하시키고, 또한 Cr 탄화물의 정출을 촉진함으로써 열피로 특성을 악화시키므로, 적을수록 바람직하고, W 및 Mo를 각각 0.5% 이하로 하는 것이 바람직하고, 합계로도 0.5% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

(B) 조직

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은 Zr을 함유함으로써, 조직 중에 원 상당 직경이 1.5㎛ 이상인 Zr 질화물 입자를 시야 면적 0.25㎟당 20∼150개 가지는 것이 바람직하다. 원 상당 직경이 1.5㎛ 이상인 Zr 질화물 입자가 시야 면적 0.25㎟ 당 20개 이상 존재하면, 기지가 강화되고, 내열 주강의 열피로 특성이 향상된다. 그리고, 원 상당 직경이 1.5㎛ 미만인 Zr 질화물 입자에서는 열피로 특성의 향상 효과가 크지 않으므로, 본 발명에서는 원 상당 직경이 1.5㎛ 이상인 Zr 질화물 입자의 수를 규정하였다. 한편, Zr 질화물 입자는 경질이며 취약하므로, 시야 면적 0.25㎟ 당 Zr 질화물 입자의 수가 150개를 넘으면, 내열 주강의 연성 및 피삭성을 저하시킨다. 시야 면적 0.25㎟당 원 상당 직경이 1.5㎛ 이상인 Zr 질화물 입자의 수는 30∼100개인 것이 보다 바람직하다. 그리고, 내열 주강의 연성 및 피삭성을 향상시키기 위하여, Zr 질화물 입자는 미세할수록 바람직하다. 구체적으로는, Zr 질화물 입자의 사이즈는 평균 원 상당 직경으로 1.5∼10㎛가 바람직하고, 1.5∼5㎛가 보다 바람직하고, 1.5∼3㎛가 가장 바람직하다.

(C) 열피로 특성

배기계 부품에는, 엔진의 운전(가열)과 정지(냉각)의 반복에 대한 열피로 수명이 긴 것이 요구된다. 열피로 수명은 열피로 특성의 우열을 나타내는 지표(指標)의 하나이다. 열피로 시험에서의 가열 냉각의 반복으로 생기는 균열이나 변형에 의해, 열피로 파괴에 이를 때까지의 사이클수가 많을수록 열피로 수명이 길고, 열피로 특성이 우수하다. 열피로 수명을 평가하기 위한 열피로 시험에는, (a) 재료를 구속하여 가열과 냉각에 의한 온도 진폭을 반복하여 부여함으로써, 가열 냉각에 따른 신축을 기계적으로 구속하여 열피로 파괴를 일으키게 하는 열피로 수명 시험(TMF: Thermo-Mechanical Fatigue)과, (b) 재료를 일정 온도 및 일정 변형 진폭으로 인장ㆍ압축에 의해 반복 변형을 가제(加除)함으로써 열피로 파괴를 일으키게 하는 고온 저사이클 피로 시험(LCF: Low-Cycle Fatigue)이 있다.

TMF는 가열 냉각에 의한 열피로 수명을 평가하는 것으로, 실제의 엔진에 가까운 시험이라고 할 수 있지만, 예를 들면, 냉각 하한 온도 150℃, 가열 상한 온도 1000℃ 및 온도 진폭 850℃로, 승온 시간 2분, 유지 시간 1분 및 냉각 시간 4분의 합계 7분을 1 사이클로 하는 가열 냉각 사이클을 반복하는 시험이므로, 시험에 요하는 시간이 방대한 데에다, 가열 냉각에 의한 팽창ㆍ수축으로 시험 중에 재료가 네킹(necking)하기 때문에, 양호한 정밀도로 열피로 수명을 평가할 수 없는 경우가 있다. 한편, LCF는 변형의 가제 10초 및 압축 유지 1분으로 합계 1분 10초(70초)를 1 사이클로 하는 인장ㆍ압축 사이클을 반복하는 시험이므로, 시험 시간이 짧고, 또한 시험 온도가 일정하므로 재료의 팽창ㆍ수축에 의한 네킹이 일어나지 않기 때문에, TMF와 비교하여 양호한 정밀도로 열피로 수명을 평가할 수 있다. 따라서, TMF 및 LCF 양쪽의 열피로 시험을 실시하고, LCF에 의해 내열 주강의 열피로 특성을 평가하고, TMF는 참고로 하였다.

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은, 시험 온도 900℃, 변형 진폭 0.5%, 변형 속도 0.1%/초, 및 압축 유지 시간 1분의 조건으로 인장ㆍ압축에 의해 변형을 가제하는 고온 저사이클 피로 시험(LCF)에 의해 측정한 피로 수명이 1500사이클 이상인 것이 바람직하다. LCF에 의한 열피로 수명이 1500사이클 이상이면, 오스테나이트계 내열 주강은 우수한 열피로 특성을 갖는다고 할 수 있고, 950∼1100℃의 배기 가스에 노출되어, 1000℃ 부근까지 온도가 상승하는 배기계 부품에 바람직하다. LCF에 의한 열피로 수명은 1800사이클 이상이 보다 바람직하고, 1900사이클 이상이 더 바람직하고, 2000사이클 이상이 가장 바람직하고, 2200사이클 이상이 특히 바람직하다.

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강에 있어서, A/B를 0.6∼1.7로 하고, 또한 Zr 함유량을 0.005∼0.5%로 함으로써, LCF에 의한 열피로 수명을 2000사이클 이상으로 할 수 있다.

[2] 배기계 부품

본 발명의 배기계 부품은 상기 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어진다. 배기계 부품의 바람직한 예는 터빈 하우징, 배기 매니폴드, 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, 물론 한정적이 아니다.

본 발명의 배기계 부품은, 950∼1100℃의 배기 가스에 노출되어 900∼1050℃에 달해도 높은 내열성 및 내구성을 발휘한다. 즉 본 발명의 배기계 부품은, 고온에서 가혹한 사용 조건에 대응할 수 있으므로, 엔진의 고성능화 및 저연비화의 기술을 대중차에도 적용하는 것을 가능하게 하고, 자동차의 배기 가스 정화나 연비 개선에 공헌하는 것이 기대된다.

본 발명을 이하의 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 여기에서도, 오스테나이트계 내열 주강을 구성하는 각 원소의 함유량은, 특별히 단서가 없는 한 「질량%」로 나타낸다.

<실시예 1∼실시예 25 및 비교예 1∼비교예 33>

실시예 1∼실시예 25의 오스테나이트계 내열 주강의 화학 조성, C/N 및 A/B를 표 1-1 및 표 1-2에 나타내고, 비교예 1∼비교예 33의 내열 주강의 화학 조성, C/N 및 A/B를 표 2-1 및 표 2-2에 나타낸다. 비교예 1∼비교예 33은 화학 조성, C/N 및 A/B 중 적어도 하나가 본 발명의 범위 밖이다. 비교예 33은 WO 2005/103314에 기재된 고Cr 고Ni 오스테나이트계 내열 주강의 일례이며, 2.8 질량%의 W를 함유한다. 그리고, 비교예 33의 W를 제외하고, 각 내열 주강 중의 불가피한 불순물로서, P는 0.02% 이하, Al은 0.03% 이하, W는 0.1% 이하 및 Mo는 0.1% 이하였다.

[표 1-1]

[표 1-2]

[표 2-1]

[표 2-2]

실시예 1∼실시예 25 및 비교예 1∼비교예 33의 각 원료를, 100kg의 고주파 용해로(염기성 라이닝)를 사용하여 대기 용해한 후, 1550∼1600℃에서 출탕하고, 즉시 1500∼1550℃에서 1인치 Y블록용 주형에 주탕하여 각각의 주강의 공시재를 얻었다. 각 공시재로부터 시험편을 잘라내어, 이하의 평가를 행하였다.

(1) 열피로 특성

열피로 특성으로서, 열피로 수명 시험(TMF) 및 고온 저사이클 피로 시험(LCF)에 의해 열피로 수명을 측정하였다.

(a) 열피로 수명 시험(TMF)

1인치 Y블록의 각 공시재로부터 표점간 거리 25㎜ 및 직경 10㎜의 평활 환봉 시험편을 잘라내고, 이것을 전기-유압 서보식 재료 시험기[가부시키가이샤 시마즈 세이사쿠쇼(Shimadzu Corporation) 제조, 상품명 서보펄서(servopulser) EHF-ED10TF-20L]에 구속률 0.25로 장착하고, 각 시험편에 대하여 대기 중에서, 냉각 하한 온도 150℃, 가열 상한 온도 1000℃ 및 온도 진폭 850℃로, 1사이클을 승온 시간 2분, 유지 시간 1분 및 냉각 시간 4분의 합계 7분으로 하는 가열 냉각 사이클을 반복하고, 가열 냉각에 따른 신축을 기계적으로 구속하여 열피로 파괴를 일으키게 함으로써, 열피로 수명을 측정하였다.

기계적인 구속의 정도는, [(자유 열팽창 신장-기계적 구속하에서의 신장)/(자유 열팽창 신장)]으로 정의되는 구속률로 나타낸다. 예를 들면, 구속률 1.0이란, 시험편이 150℃로부터 1000℃까지 가열되었을 때, 전혀 신장을 허락하지 않는 기계적 구속 조건을 말한다. 또한, 구속률 0.5란, 자유 팽창 신장이 예를 들면, 2㎜ 신장되는 곳을 1㎜의 신장밖에 허락하지 않는 기계적 구속 조건을 말한다. 따라서 구속률 0.5에서는, 승온 중에는 압축 하중이 걸리고, 강온(降溫) 중에는 인장 하중이 걸린다. 실제의 자동차용 배기계 부품의 구속률은, 어느 정도 신장을 허용하는 0.1∼0.5 정도이므로, 열피로 특성을 구속률 0.25로 평가하였다.

열피로 수명의 판정 기준은, 가열 냉각의 반복에 따른 하중의 변화로부터 구해지는 하중-온도 선도(線圖)에 있어서, 2사이클째의 최대 인장 하중(냉각 하한 온도에서 발생)을 기준(100%)으로 하여, 각 사이클에서 측정되는 최대 인장 하중이 75%로 저하될 때까지의 가열 냉각 사이클수라고 하였다. 실시예 1∼실시예 25 및 비교예 1∼비교예 33의 TMF에 의한 열피로 수명의 측정 결과를 각각 표 3 및 표 4에 나타낸다.

1000℃ 부근에서 충분한 내열성을 가지기 때문에, 가열 상한 온도 1000℃, 온도 진폭 850℃ 및 구속률 0.25의 조건으로 가열 냉각시키는 TMF에 의해 측정한 열피로 수명(이하, TMF 열피로 수명이라고 함)은, 900사이클 이상인 것이 바람직하다. TMF 열피로 수명이 900사이클 이상인 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품은, 엔진의 가열 냉각의 반복에 의해 생기는 균열이나 변형에 의해 열피로 파괴에 이를 때까지의 수명이 길다.

표 3 및 표 4로부터 명백한 바와 같이, 실시예 1∼실시예 25의 TMF 열피로 수명은 모두 900사이클 이상이었다. 이로부터, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은 열피로 특성이 우수하여, 1000℃ 부근의 온도까지의 가열과 냉각을 반복하는 배기계 부품에 사용한 경우에, 배기계 부품이 충분한 내열성 및 내구성을 발휘하는 것이 기대된다. 이에 대하여, 비교예 1∼비교예 33의 주강은, 비교예 2를 제외하고 모두 TMF 열피로 수명이 900사이클 미만이었다. 그리고, 비교예 2는 LCF에 의한 열피로 수명이 짧았다.

(b) 고온 저사이클 피로 시험(LCF)

고온 저사이클 피로 시험(LCF)은, 2003년 6월 2일 (사) 일본 재료 학회 발행의 「고온 저사이클 피로 시험법 표준(JSMS-SD-7-03)」에 준거하여, 이하와 같이 실시하였다. 즉, 1인치 Y블록의 각 공시재로부터 표점간 거리 25㎜ 및 직경 10㎜의 평활 환봉 플랜지 부착 시험편을 잘라내고, 이것을 TMF와 동일한 전기-유압 서보식 재료 시험기에 장착하고, 각 시험편에 대하여 대기 중에서, 900℃의 일정 온도로, 변형 파형을 압축 유지되게 하고, 변형 진폭 0.5%, 변형 속도 0.1%/초, 및 압축 유지 시간 1분의 조건으로, 1사이클을 인장에 의한 0.25%의 변형 가제를 5초, 압축에 의한 0.25%의 변형 가제를 5초, 및 압축에 의한 0.25%의 변형 유지를 60초의 합계 70초로 하는 인장ㆍ압축에 의해 변형의 가제를 반복하였다. 그리고, 변형 진폭을 0.5%로 한 것은, 실제의 자동차용 배기계 부품에서 균열이 발생하는 부위에서의 변형량이 약 0.5%라고 추정되기 때문이며, 변형 속도를 0.1%/초로 한 것은, 「고온 저사이클 피로 시험법 표준(JSMS-SD-7-03)」에서 추천하는 변형 속도가 0.1%/초이기 때문이다.

열피로 수명의 판정 기준은, 인장ㆍ압축의 반복에 따른 하중(응력)의 저하를 기준으로 하여, 인장 하중이 균열 발생 이전의 인장 하중의 변화 경향의 외삽선(外揷線)으로부터 75%로 저하될 때까지의 인장 압축 사이클수로 하였다. 실시예 1∼실시예 25 및 비교예 1∼비교예 33의 LCF에 의한 열피로 수명의 측정 결과를 각각 표 3 및 표 4에 나타낸다.

1000℃ 부근에서 충분한 내열성을 가지므로, 시험 온도 900℃, 변형 진폭 0.5%, 변형 속도 0.1%/초, 및 압축 유지 시간 1분의 조건으로 인장ㆍ압축에 의해 변형을 가제하는 LCF에 의해 측정한 피로 수명(LCF 열피로 수명)은, 1500사이클 이상인 것이 바람직하다. LCF 열피로 수명이 1500사이클 이상인 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품은, 엔진의 가열 냉각의 반복에 의해 생기는 균열이나 변형에 의해 열피로 파괴에 이르기까지의 수명이 길다.

표 3으로부터 명백한 바와 같이, 실시예 1∼실시예 25의 LCF 열피로 수명은 모두 1500사이클 이상이었다. 그 중에서도, Cr 함유량을 24∼26%, Ni 함유량을 11∼22%, 및 A/B를 0.7∼1.3으로 한 실시예 9∼실시예 13, 실시예 15∼실시예 21 및 실시예 23에서는, LCF 열피로 수명은 1800사이클 이상이었다.

이상의 결과로부터, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은 열피로 특성이 우수하고, 1000℃ 부근의 온도까지의 가열과 냉각을 반복하는 배기계 부품에 사용한 경우에, 배기계 부품이 충분한 내열성 및 내구성을 발휘하는 것이 기대된다. 이에 대하여, 표 4로부터 명백한 바와 같이, 비교예 1∼비교예 33의 주강은 모두 LCF 열피로 수명이 1500사이클 미만이었다.

(2) 산화 감량

엔진으로부터의 950∼1100℃의 배기 가스(유황 산화물, 질소 산화물 등의 산화성 가스를 함유함)에 노출되는 배기계 부품의 표면에는, 산화막이 형성된다. 산화가 진행되면 산화막을 기점(起点)으로 균열이 생기고, 배기계 부품 내부까지 산화가 진전되고, 최종적으로는 배기계 부품의 표면으로부터 이면까지 균열이 관통하여 배기 가스의 누설이나 배기계 부품의 균열을 초래한다. 그러므로, 배기계 부품의 1050℃에서의 내산화성을 평가하기 위해, 이하의 방법에 의해 산화 감량을 구하였다. 즉, 1인치 Y블록의 각 공시재로부터 직경 10㎜ 및 길이 20㎜의 환봉 시험편을 잘라내고, 이것을 대기 중 1050℃에서 200시간 유지한 후, 숏 블라스트(shot blast) 처리를 행하여 산화 스케일을 제거하고, 산화 시험 전후의 단위 면적당 질량 변화[산화 감량(mg/㎠)]를 구하였다. 실시예 1∼실시예 25 및 비교예 1∼비교예 33에서의 산화 감량을 각각 표 3 및 표 4에 나타낸다.

1000℃ 부근에서 충분한 내열성을 발

휘하기 위해서는, 산화 감량은 30mg/㎠ 이하인 것이 바람직하고, 20mg/㎠ 이하인 것이 보다 바람직하고, 10mg/㎠ 이하인 것이 가장 바람직하다. 표 3으로부터 명백한 바와 같이, 실시예 1∼실시예 25의 산화 감량은 모두 30mg/㎠ 미만이었다. 이로부터, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은 내산화성이 우수하고, 1000℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용한 경우에 충분한 내산화성을 발휘하는 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 표 4로부터 명백한 바와 같이, Si, Cr, Ni 또는 Nb의 함유량이 지나치게 적은 비교예 7, 비교예 11 및 비교예 13, 및 Mn 또는 Nb의 함유량이 지나치게 많은 비교예 9 및 비교예 22는, 모두 산화 감량이 30mg/㎠를 초과하고 있었다. 이것은, 비교예 7, 비교예 9, 비교예 11, 비교예 13 및 비교예 22의 주강은 1000℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용한 경우에 충분한 내산화성을 발휘할 수 없는 것을 의미한다.

(3) 고온 내력

배기계 부품에는, 엔진의 운전(가열)과 정지(냉각)의 반복에 의해서도 열 변형이 쉽게 생기지 않는 내열 변형성이 요구된다. 충분한 내열 변형성을 확보하기 위해서는, 높은 고온 강도를 가지는 것이 바람직하다. 고온 강도는, 1050℃에서의 0.2% 내력(고온 내력)에 의해 평가할 수 있다. 1인치 Y블록의 각 공시재로부터 표점간 거리 50㎜ 및 직경 10㎜의 평활 환봉 플랜지 부착 시험편을 잘라내고, 이것을 TMF와 동일한 전기-유압 서보식 재료 시험기에 장착하고, 각 시험편에 대하여 대기 중 1050℃에서의 0.2% 내력(MPa)을 측정하였다. 실시예 1∼실시예 25 및 비교예 1∼비교예 33의 고온 내력을 각각 표 3 및 표 4에 나타낸다.

1000℃ 부근에서 충분한 내열성을 발휘하기 위해, 1050℃에서의 0.2% 내력은 20MPa 이상인 것이 바람직하다. 1050℃에서의 0.2% 내력이 20MPa 이상인 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품은, 구속 하에서 950∼1100℃에 노출되어도 균열 및 파손의 발생을 억제하는 데 충분한 강도를 가진다. 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강의 1050℃에서의 0.2% 내력은 30MPa 이상이 보다 바람직하다.

표 3으로부터 명백한 바와 같이, 실시예 1∼실시예 25의 시험편의 고온 내력은 20MPa 이상이었다. 이로부터, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은 고온 내력이 우수하고, 1000℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용한 경우에 충분한 고온 강도를 발휘하는 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 표 4로부터 명백한 바와 같이, N의 함유량이 지나치게 적은 비교예 23, 및 C, Si, S, Cr, Nb, N 또는 Zr의 함유량지나치게 많은 비교예 6, 비교예 8, 비교예 10, 비교예 12, 비교예 22 및 비교예 24는 모두 고온 내력이 20MPa 미만이었다. 이것은, 비교예 6, 비교예 8, 비교예 10, 비교예 12 및 비교예 22∼비교예 24의 주강은 고온 내력이 불충분하고, 1000℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용한 경우에 충분한 고온 강도를 발휘할 수 없는 것을 의미한다.

(4) 실온 신장

배기계 부품에는, 엔진의 운전(가열)과 정지(냉각)의 반복에 의해서도 열변형이 쉽게 생기지 않는 내열 변형성이 요구된다. 충분한 내열 변형성을 확보하기 위해서는, 높은 고온 내력 외에 높은 연성을 가지는 것이 바람직하다. 연성을 평가하기 위해, 1인치 Y블록의 각 공시재로부터 표점간 거리 50㎜ 및 직경 10㎜의 평활 환봉 플랜지 부착 시험편을 잘라내고, 이것을 TMF와 동일한 전기-유압 서보식 재료 시험기에 장착하고, 각 시험편의 대기 중 25℃에서의 실온 신장(%)을 측정하였다. 실시예 1∼실시예 25 및 비교예 1∼비교예 33의 실온 신장을 각각 표 3 및 표 4에 나타낸다.

본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은 실온에서의 신장이 2.0% 이상인 것이 바람직하다. 실온 신장이 2.0% 이상인 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품은, 고온으로부터 실온 부근까지 냉각되었을 때, 고온에서 발생한 압축 응력으로부터 전환된 인장 응력에 의해 변형 및 균열이 발생하는 것을 억제하기에 충분한 연성을 가진다. 또한, 배기계 부품은 제조 중, 엔진으로의 조립 중, 자동차의 시동 시나 운전 중 등에 가해지는 기계적인 진동 및 충격에 저항하여, 균열 및 파손을 억제할 수 있다. 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강의 실온 신장은 3.0% 이상인 것이 보다 바람직하고, 4.0% 이상인 것이 가장 바람직하다.

표 3으로부터 명백한 바와 같이, 실시예 1∼실시예 25의 실온 신장은 모두 2.0% 이상이었다. 이로부터, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은 실온 신장이 우수하고, 또한 가열/냉각을 반복하는 배기계 부품에 사용한 경우에 충분한 내열 변형성을 발휘하는 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 표 4로부터 명백한 바와 같이, S, Cr, Nb, N 또는 Zr의 함유량이 지나치게 많은 비교예 10, 비교예 12, 비교예 22 및 비교예 24는, 실온 신장이 2.0% 미만이었다. 이것은, 비교예 10, 비교예 12, 비교예 22 및 비교예 24의 주강은 실온 신장이 불충분하고, 또한 가열/냉각을 반복하는 배기계 부품에 사용한 경우에 충분한 내열 변형성을 발휘할 수 없는 것을 의미한다.

상기와 같이, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은, 1000℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 요구되는 내열성 및 내구성을 발휘하기 위해 필요한 우수한 열피로 특성뿐만 아니라, 내산화성, 고온 강도 및 내열 변형성도 가지는 것을 알았다.

[표 3]

[표 4]

실시예 26∼실시예 49, 및 비교예 34

실시예 26∼실시예 49의 오스테나이트계 내열 주강, 및 비교예 34의 내열 주강의 화학 조성, C/N 및 A/B를 표 5-1 및 표 5-2에 나타낸다. 그리고, 각 내열 주강 중의 불가피한 불순물로서, P는 0.02% 이하, Al은 0.03% 이하, W는 0.1% 이하, 및 Mo는 0.1% 이하였다.

[표 5-1]

[표 5-2]

실시예 1∼실시예 25와 동일한 방법으로, 실시예 26∼실시예 49 및 비교예 34의 각 내열 주강을 제조하고, 열피로 특성, 산화 감량, 고온 내력, 실온 신장 및 Zr 질화물 입자의 수를 측정하였다. 측정 결과를 표 6에 나타낸다.

[표 6]

(1) 열피로 특성

표 6으로부터 명백한 바와 같이, 실시예 26∼실시예 49의 TMF 열피로 수명은 모두 1000사이클 이상이며, LCF 열피로 수명은 모두 2000사이클 이상이었다. 이로부터, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은 열피로 특성이 우수하고, 1000℃ 부근의 온도까지의 가열과 냉각을 반복하는 배기계 부품에 사용한 경우에, 배기계 부품이 충분한 내열성 및 내구성을 발휘하는 것이 기대된다. 이에 대하여, Nb 함유량이 지나치게 적고, C/N가 작은 비교예 34의 주조한 철강은 TMF 열피로 수명이 900사이클 미만이며, LCF 열피로 수명이 1500사이클 미만이었다.

(2) 산화 감량

표 6으로부터 명백한 바와 같이, 실시예 26∼실시예 49의 산화 감량은 모두 30mg/㎠ 미만이었다. 이로부터, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은 내산화성이 우수하고, 1000℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용한 경우에 충분한 내산화성을 발휘하는 것을 알 수 있다. 이에 대하여, Nb 함유량이 지나치게 적고, C/N가 작은 비교예 34의 주조한 철강은, 산화 감량이 30mg/㎠를 초과하고 있었다. 이것은, 비교예 34의 주조한 철강은 1000℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용한 경우에 충분한 내산화성을 발휘할 수 없는 것을 의미한다.

(3) 고온 내력

표 6으로부터 명백한 바와 같이, 실시예 26∼실시예 49의 고온 내력은 20MPa 이상이었다. 이로부터, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은 고온 내력이 우수하고, 1000℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 사용한 경우에 충분한 고온 강도를 발휘하는 것을 알 수 있다.

(4) 실온 신장

표 6으로부터 명백한 바와 같이, 실시예 26∼실시예 49의 실온 신장은 모두 2.0% 이상이었다. 이로부터, 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강은 실온 신장이 우수하고, 또한 가열/냉각을 반복하는 배기계 부품에 사용한 경우에 충분한 내열 변형성을 발휘하는 것을 알 수 있다.

상기와 같이, Zr을 함유하는 본 발명의 오스테나이트계 내열 주강도, 1000℃ 부근의 온도에 도달하는 배기계 부품에 요구되는 내열성 및 내구성을 발휘하기 위해 필요한 우수한 열피로 특성뿐만 아니라, 내산화성, 고온 강도 및 내열 변형성도 가지는 것을 알았다.

(5) Zr 질화물 입자의 수

실시예 35의 공시재의 1인치 Y블록의 바닥부로부터 잘라낸 조직 관찰용 시험편을 경면 연마하고, 부식없이, 전계 방출형 주사 전자 현미경[FE-SEM: 가부시키가이샤 히타치 하이테크노로지즈(Hitachi High-Technologies Corporation) 제조의 SU-70]을 사용하여, 158㎛×119㎛의 시야의 전자 현미경 사진을 찍었다. 도 1은 전자 현미경 사진 1매이다. 도 1에서, 연한 회색 부분은 오스테나이트상(1)이며, 백색 입자는 덩어리형의 Nb 탄화물(2)이며, 각형의 회백색 입자는 Zr 질화물(3)이며, 진한 회색 입자는 Cr 탄화물(4)이며, 흑색 입자는 MnS 등의 황화물 입자(5)이다. Zr 질화물 입자는, 전계 방출형 주사 전자 현미경에 장착된 에너지 분산형 X선 분석 장치[EDS: 아메텍 가부시키가이샤(AMETEK Co., Ltd.) 제조의 EDAX Genesis]를 사용한 분석에 의해 확인하였다.

각 공시재로부터 조직 관찰용 시험편을 잘라내고, 500㎛×500㎛(0.25㎟)의 임의의 3시야의 전자 현미경 사진을 찍어, 각 시야에 대하여, 화상 해석에 의해 원 상당 직경이 1.5㎛ 이상인 Zr 질화물 입자의 수를 카운트하고, 3시야에 대하여 평균하였다. 실시예 26∼실시예 49 및 비교예 34의 결과를 표 6에 나타낸다. 표 6으로부터 명백한 바와 같이, Zr을 함유하는 실시예 26∼실시예 49의 내열 주강에서는, 조직 중의 원 상당 직경 1.5㎛ 이상인 Zr 질화물 입자의 수는 시야 면적 0.25㎟당 20∼150개였다.

Claims

질량 기준으로,
C: 0.3∼0.6%,
Si: 0.5∼3%,
Mn: 0.5∼2%,
Cr: 15∼30%,
Ni: 6∼30%,
Nb: 0.6∼5%,
N: 0.01∼0.5%, 및
S: 0.01∼0.5%를 함유하고,
C와 N의 함유량비 C/N가 4∼7이며,
잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고,
또한 하기 식(1) 및 식(2)에 의해 나타내는 Cr 탄화물 생성 지수 A와 Nb 탄화물 생성 지수 B의 비율 A/B가 0.6∼1.7인, 열피로 특성이 우수한 오스테나이트계 내열 주강:
A=8.5C-Nb＋0.05Cr＋0.65Ni-5 … (1)
B=7.8Nb … (2)
[단, 각각의 식 중, 원소 기호는 그 함유량(질량%)을 나타냄].
제1항에 있어서,
0.005∼0.5 질량%의 Zr을 더 함유하는, 오스테나이트계 내열 주강.
제2항에 있어서,
조직 중의 원 상당 직경 1.5㎛ 이상인 Zr 질화물 입자의 수가 시야 면적 0.25㎟당 20∼150개인, 오스테나이트계 내열 주강.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
시험 온도 900℃, 변형 진폭 0.5%, 변형 속도 0.1%/초, 및 압축 유지 시간 1 분의 조건으로 인장ㆍ압축에 의해 변형을 가제(加除)하는 고온 저사이클 피로 시험에 의해 측정한 피로 수명이 1500사이클 이상인, 오스테나이트계 내열 주강.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 오스테나이트계 내열 주강으로 이루어지는 배기계 부품.
제5항에 있어서,
터빈 하우징, 배기 매니폴드, 터빈 하우징 일체 배기 매니폴드, 촉매 케이스, 촉매 케이스 일체 배기 매니폴드, 또는 배기 아웃렛(exhaust outlet)인, 배기계 부품.