KR20180010814A - 텅스텐 저감형 터보차저 터빈하우징용 내열주강 및 이를 이용한 터보차저 터빈하우징 - Google Patents

텅스텐 저감형 터보차저 터빈하우징용 내열주강 및 이를 이용한 터보차저 터빈하우징 Download PDF

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KR20180010814A
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이성학
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(주)계양정밀
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Abstract

본 발명은 터보차저 터빈하우징용 내열주강 및 이를 이용한 터보차처 터빈하우징에 관한 것으로서, 고비용의 텅스텐을 최소한도로 첨가하면서도 고온에서의 기계적 내구성 및 열피로 수명이 향상된 터보차저 터빈하우징의 제조가 가능한 내열주강에 관한 것이다.

Description

텅스텐 저감형 터보차저 터빈하우징용 내열주강 및 이를 이용한 터보차저 터빈하우징{HEAT-RESISTING CAST STEEL SAVING TUNGSTEN FOR TURBINE HOUSING OF TURBOCHARGER AND TURBINE HOUSING FOR TURBOCHARGER USING THE SAME}
본 발명은 고온에서 물성이 우수한 텅스텐 저감형 터보차저 터빈하우징용 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 받게 되므로 터빈하우징은 높은 열적 내구성을 필요로 한다.
현재 차량의 터빈하우징에 사용되는 재질은 고내열 오스테나이트계 스테인리스강(heat resistant stainless steel)등이 사용되고 있으나, 고내열 오스테나이트계 스테인리스강의 경우 고가의 텅스텐(W)을 2.5 중량% 이상, 니켈(Ni)을 19 ~ 22 중량% 정도 다량 사용하고, 추가적으로 몰리브덴(Mo) 등을 함유하고 있어서, 원가가 비싸서 상업성이 크게 떨어지는 문제가 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 1,231,018호
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 고비용의 텅스텐을 최소한도로 첨가하면서도 필요한 고온에서의 내구성이 향상된 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 터보차저 터빈하우징을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 텅스텐 저감형 터보차저 터빈하우징용 내열주강을 제공하는데 있으며, 본 발명의 상기 내열주강은 탄소(C) 0.40 ~ 0.50 중량%, 규소(Si) 1.0 ~ 2.0 중량%, 망간(Mn) 1.0 ~ 2.0 중량%, 니켈(Ni) 9.0 ~ 12.0 중량%, 크롬(Cr) 21 ~ 24 중량%, 니오븀(Nb) 1.0 ~ 2.5 중량%, 텅스텐(W) 0.5 ~ 2.2 중량%, 인(P) 0.045 중량% 이하, 황(S) 0.05 ~ 0.18 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 포함한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 본 발명의 내열주강은 탄소 0.42 ~ 0.48 중량%, 규소 1.25 ~ 1.75 중량%, 망간 1.2 ~ 1.8 중량%, 니켈 9.5 ~ 11.5 중량%, 크롬 21.5 ~ 23.5 중량%, 니오븀 1.0 ~ 2.2 중량%, 텅스텐 0.7 ~ 2.1 중량%, 인 0.040 중량% 이하, 황 0.10 ~ 0.18 중량% 및 잔부의 철을 포함할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 본 발명의 내열주강은 상기 탄소, 규소, 망간, 니켈, 크롬, 니오븀, 텅스텐, 인, 황 및 철 외에 몰리브덴(Mo) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 본 발명의 내열주강은 니오븀을 1.2 ~ 2.2 중량%로 포함할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 본 발명의 내열주강은 텅스텐을 0.8 ~ 2.2 중량%로 포함할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 본 발명의 내열주강은 ASTM E8 봉상 시험규격에 의거하여 측정시, 900℃에서 인장강도 180 ~ 210 Mpa를 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 본 발명의 내열주강은 ASTM E8 봉상 시험규격에 의거하여 측정시, 900℃에서 항복강도 150 ~ 180 Mpa를 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 본 발명의 내열주강은 ASTM E8 봉상 시험규격에 의거하여 측정시, 900℃에서 연신율이 25.0 ~ 32.0%일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 본 발명의 내열주강은 ASTM E 2368시험 규격에 의거하여 열피로시험(Thermo-Mechanical Fatigue testing, TMF) 측정시, (0.70 ~ 1.00)× 103 (Number of cycles to failure)의 열피로 수명 값을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 앞서 설명한 다양한 형태의 내열주강을 이용하여 제조한 터보차저 터빈하우징을 제공하는데 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 내열주강 및 이를 이용하여 제조된 터보차저하우징에 따르면, 고비용의 텅스텐을 최소한도로 첨가하면서도 필요한 고온(최대 950℃)에서의 기계적 내구성이 향상 및 열피로 수명이 향상된 터보차저 하우징의 제조가 가능해진다.
도 1은 실시예 1에서 제조한 시편의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2에 따른 상온 인장시험결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2에 따른 고온 인장시험결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2에 따른 쉐플러선도(Schaeffler Diagram)이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 따른 열피로 수명 평가 결과로서, 합금별 변형률을 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 따른 열피로 수명 평가 결과로서, 열피로 수명값을 측정한 그래프이다.
이하에서는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 내열주강은 텅스텐 함량을 최소화시키면서도 현재 차량의 터빈하우징에 사용되는 재질인 기존 고내열 오스테나이트계 스테인리스강을 대체할 수 있는 물성을 가지면서도 경제성이 우수한 내열주강(또는 스테인리스강)에 관한 것이다.
이러한, 본 발명의 내열주강은 오스테나이트(austenite)계 내열주강으로서, 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 텅스텐(W), 인(P), 황(S) 및 철(Fe)을 포함하며, 이러한 본 발명의 내열주강은 고온에서 인장강도(tensile strength) 및 연신율(elongation)이 우수하여 800℃ ~ 950℃의 고온 환경에서 작동되는 터보차저 터빈하우징에 매우 적합하다.
본 발명의 내열주강 성분 중 상기 탄소(C)는 강력한 오스테나이트(austenite) 안정화 원소로 알려져 있으며, 또한 기지조직에 고용 강화되어 고온에서의 내열주강의 강도 유지에 중요한 역할을 한다. 그 외에도 크롬(Cr), 니오븀(Nb) 등과 같은 탄화물 생성원소(Carbide former)와 결합하여 탄화물(Carbide)를 형성함으로써, 액상의 주조성을 향상시키고 고온강도를 향상시킨다. 본 발명의 내열주강은 내열주강 전체 중량 중 탄소를 0.40 ~ 0.50 중량%로, 바람직하게는 0.42 ~ 0.48 중량%로, 더욱 바람직하게는 0.43 ~ 0.47 중량%로 포함할 수 있다. 이때, 탄소의 함량이 내열주강 전체 중량 중 0.40 중량% 미만이면 강한 탄화물의 형성과 오스테나이트 기지 조직 내에서 고용강화를 통해 고온 강도에 기여하는 탄소의 기능을 효과적으로 발휘되지 않는 문제점이 있을 수 있고, 0.50 중량%를 초과하면 강한 탄화물이 과다하게 형성되어 오히려 취성을 띄게 될 수 있으며, 이러한 탄화물이 열기계적 피로 환경 하에서 파단의 개시, 전파 장소로 사용되어 주강의 고온 물성이 감소하는 문제점이 있다.
규소(Si)는 고온 내산화성을 향상시키는 효과가 있으며, 합금의 용융(melt)내의 환원제(deoxidizer) 역할을 한다. 규소는 크롬(Cr)에 의한 산화방지를 도와주는 역할을 함으로써 내산화성을 향상시킨다. 규소에 의해 형성되는 실리카(Silica) 입자들은 크롬에 의해 합금 표면에 형성하는 피막 아래에 석출되어 부동태 피막의 형성을 돕고, 크롬 이온이 불필요하게 빠져나가는 것을 억제한다. 특히 규소의 이러한 효과는 고온에서 더욱 강화된다. 본 발명의 내열주강은 내열주강 전체 중량 중 규소를 1.0 ~ 2.0 중량%, 바람직하게는 1.25 ~ 1.75 중량%로 포함할 수 있는데, 규소의 함량이 내열주강 전체 중량 중 1.0 중량% 미만이면 크롬 이온에 의한 산화방지 효과가 크게 저감될 수 있고, 규소 함량이 2.0 중량%를 초과하면 고온 크립 저항성을 낮추고, 페라이트(ferrite) 안정화 원소로써, 오스테나이트(austenite) 기지 조직을 불안정하는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내로 함유하는 것이 좋다.
내열주강 전체 중량 중 망간(Mn)은 오스테나이트(austenite) 안정화 원소로 작용하며, 규소(Si)와 함께 용융(melt) 내에서 환원제(deoxidizer) 역할을 한다. 본 발명의 내열주강은 내열주강 전체 중량 중 망간 함량이 1.0 ~ 2.0 중량%, 바람직하게는 1.2 ~ 1.8 중량%, 더욱 바람직하게는 1.35 ~ 1.7 중량%로 포함하는데, 이때, 망간의 함량이 내열주강 전체 중량 중 1.0 중량% 미만이면 망간 함량에 따른 효과가 미미해지는 문제가 생길 수 있고, 2.0 중량%를 초과하면 오히려 내산화성 및 크립 강도(creep strength)를 저하시킬 수 있으므로 상기 범위 내로 함유하는 것이 좋다.
니켈(Ni)은 강한 오스테나이트(austenite) 안정화 원소로써, 일반적으로 오스테나이트(austenite)계 스테인리스강(stainless steel, STS)에 9 중량% 이상 다량 첨가되고 있다. 니켈이 스테인리스강에 첨가될 경우 인성과 연성의 증가와 함께 내부식성, 고온 안정화 측면에서 합금의 성능을 다방면에서 우수하게 한다. 이에 반해 본 발명의 내열주강은 내열주강 전체 중량 중 니켈 함량이 9.0 ~ 12.0 중량%, 바람직하게는 9.5 ~ 11.5 중량%, 더욱 바람직하게는 10.0 ~ 11.0 중량%로 포함하는데, 이때, 니켈 함량이 내열주강 전체 중량 중 9.0 중량% 미만이면 고온에서의 적정 인장강도 및 항복강도를 확보하지 못할 수 있고, 12.0 중량%를 초과하면 고온에서의 기계적 물성을 우수해지지만, 열피로 수명 안정성이 떨어지는 문제가 있을 수이 있다.
크롬(Cr)은 내열주강의 내산화성, 내식성 향상을 위한 핵심적인 원소 중 하나로서, 내열주강의 표면에 Cr2O3 형태의 안정한 부동태 피막을 형성하여 고온에서의 내산화성 및 내식성을 향상시키는 페라이트 안정화 원소 역할을 한다. 본 발명의 내열주강은 내열주강 전체 중량 중 크롬 함량이 21 ~ 24 중량%, 바람직하게는 21.5 ~ 23.5 중량%, 더욱 바람직하게는 21.5 ~ 23.0 중량%로 포함할 수 있는데, 이때, 내열주강 전체 중량 중 크롬 함량이 21 중량% 미만이면 고온 내식성, 내산화성을 확보하지 못할 수 있고, 24 중량%를 초과하면 페라이트상을 형성시킬 수 있고, 다량의 탄화물을 불필요하게 형성할 수 있으므로, 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
니오븀(Nb)은 탄소(C)와 결합하여 고온에서 분해되지 않는 탄화물을 형성하며, 이로 인해 고온 강도 및 고온 크립 저항성(creep sexixtance) 향상에 효과가 있다. 또한 크롬(Cr)과 탄소가 결합하여 크롬-탄화물(Cr-carbide)의 형성을 억제함으로써 내산화성을 향상시키는 역할을 한다. 니오븀 탄화물은 공융(eutectic) 형태로 형성되어 주조성을 향상시키므로, 자동차 배기계와 같은 복잡한 형태의 주조물 제작에 효과적이다. 본 발명의 내열주강은 내열주강 전체 중량 중 니오븀 함량이 1.0 ~ 2.5 중량%, 바람직하게는 1.0 ~ 2.2 중량%, 바람직하게는 1.2 ~ 1.8 중량%로 포함할 수 있는데, 내열주강 전체 중량 중 니오븀 함량이 1.0 중량% 미만이면 고온에서의 기계적 물성 및 열피로 수명 안정성이 떨어지는 문제가 있을 수 있고, 2.5 중량%를 초과하여 사용하면 셀(Cell) 경계에 다량의 니오븀 탄화물이 형성되어 내열주강이 깨지기 쉬울 수 있고(brittle), 강도와 연성을 오히려 저하시킬 수 있다.
터보차저 터빈하우징용 내열주강의 경우, 터보차저의 구동이 고온에서의 열피로 및 진동이 발생되는 환경 조건 하에서 구동되는 바, 우수한 열-기계적 피로수명 확보와 함께 적정 인강강도 등의 물성이 요구된다. 그런데, 텅스텐(W)은 내열주강의 기지조직에 고용되어 고온에서의 인장강도 및 항복강도 강화 효과를 가지는 원소로써, 텅스텐 함량이 증가할수록 인장특성은 향상되는 경향이 있으나, 텅스텐 함량이 증가와 함께 인장특성 및 열-기계적 피로수명이 향상이 서로 비례관계에 있지 않는 문제가 있다. 따라서, 적정 양으로 텅스텐 함량을 조절하는 것이 유리하며, 본 발명의 내열주강은 내열주강 전체 중량 중 0.5 ~ 2.2 중량%, 바람직하게는 0.7 ~ 2.1 중량%, 더욱 바람직하게는 0.95 ~ 2.05 중량%로 포함할 수 있다. 이때, 텅스텐 함량이 0.5 중량% 미만이면 고온에서의 적정 인장강도 및 항복강도를 확보하지 못할 수 있다. 그리고, 텅스텐 2.2 중량% 초과하면 탄소와 결합하여 M2C, M7C3 와 같은 형태의 탄화물을 형성할 수 있고, 또한, 본 발명의 내열주강은 텅스텐을 2.2 중량% 정도만으로 포함하여도 터보차저 터빈하우징으로서 요구되는 물성을 만족시킬 수 있는 바, 고가의 원소인 텅스텐을 더 이상 사용하는 것은 비경제적이다.
본 발명의 내열주강은 인(P)을 0.045 중량% 이하, 바람직하게는 0.04 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 0.01 ~ 0.04 중량%로 포함할 수 있으며, 인 성분을 완전하게 제거하는 것은 가능하나, 이를 완전하게 제거하기 위한 부수적인 공정을 수행하는 것은 경제성 측면에서 바람직하지 않고, 0.045 중량% 이하로 인을 포함하는 경우, 터보차저 터빈하우징 소재로서 얻고자 하는 물성을 확보할 수 있으므로, 인 함량이 0.045 중량%를 초과하면 내열주강 내 편석(segregation)이 발생할 수 있으므로, 상기 범위 내로 인을 포함하는 것이 좋다.
본 발명의 내열주강 성분 중 황(S)은 내열주강 내에서 MnS와 같은 황화물(sulfide)를 형성하여 내열주강의 가공성을 향상시키는 역할을 하며, 상기 황의 함량은 내열주강 전체 중량 중 0.05 ~ 0.18 중량%로, 바람직하게는 0.10 ~ 0.18 중량%로, 더욱 바람직하게는 0.12 ~ 0.17 중량%로 포함할 수 있으며, 이때, 황 함량이 0.05 중량% 미만이면 내열주강의 가공성을 확보하지 못할 수 있고, 황 함량이 0.18 중량%를 초과하는 경우, 상기 황화물이 너무 많이 발생하여 내열주강의 전반적인 물성을 오히려 떨어뜨릴 수 있으므로 상기 범위 내로 포함하는 것이 좋다.
본 발명의 내열주강은 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 텅스텐(W), 인(P), 황(S) 및 철(Fe) 외에 제조 과정 중 불가피한 불순물을 포함할 수도 있으나, 이들 불순물은 1ppm 미만의 극소량으로 존재할 수 있으나, 상기 성분들 외의 불순물이 없는 것이 좋다.
앞서 설명한 조성을 가지는 본 발명의 내열주강은 ASTM E8 봉상 시험규격에 의거하여 측정시, 900℃에서 인장강도 180 ~ 210 Mpa, 바람직하게는 인장강도 182 ~ 205 Mpa를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 내열주강은 ASTM E8 봉상 시험규격에 의거하여 측정시, 900℃에서 항복강도 150 ~ 180 Mpa, 바람직하게는 152 ~ 175 Mpa를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 내열주강은 ASTM E8 봉상 시험규격에 의거하여 측정시, 900℃에서 연신율 25.0 ~ 32%, 바람직하게는 25.0 ~ 31.0%를 가질 수 있다.
터보차저 하우징은 차량의 배기가스와 직접 맞닿기 때문에, 터보차저 하우징은 800℃ ~ 900℃의 고온 환경 조건 하에서 물성을 유지시킬 수 있어야 하는데, 본 발명의 내열주강은 경우 900℃ ~ 950℃ 하에서도 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있는 바, 터보차저 하우징 소재로 사용하기에 적합하다.
또한, 본 발명의 내열주강은 ASTM E 2368 시험 규격에 의거하여 열피로시험(Thermo-Mechanical Fatigue testing, TMF) 측정시, (0.70 ~ 1.00)× 103 (Number of cycles to failure)의 열피로 수명 값을, 바람직하게는 (0.75 ~ 0.95)× 103 의 열피로 수명 값을, 더욱 바람직하게는 (0.80 ~ 0.92)× 103 의 열피로 수명 값을 가질 수 있는 바, 우수한 고온 수명 안정성을 확보한 터보차저 하우징을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예(example) 및 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실시예 및 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
(주)캐스텍코리아에 의뢰하여, 하기 표 2와 같은 조성을 가지는 봉상의 시편을 제조하였다. 이때, 상기 시편은 ASTM E8 내 봉상 시험 규격에 따른 형태의 봉상 시편이며, 규격은 하기 표 1과 같다.
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
실시예 2 ~ 실시예 6 및 비교예 1 ~ 6
(주)캐스텍코리아 등의 주조업체에 의뢰하여, 상기 실시예 1과 동일한 형태의 봉상 시편을 제조하여 실시예 2 ~ 실시예 6 및 비교예 1 ~ 6을 각각 실시하였으며, 제조한 봉상시편의 조성은 하기 표 2와 같다.
구분 C Si Mn P S Ni Cr Nb W Mo Al Fe
실시예1 0.45 1.5 1.5 0.04 0.15 10 22 1.5 1 - - 내열주강 전체 중량% 중
나머지
잔량
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 1.5 - -
실시예4 0.47 1.7 1.3 0.035 0.12 11 20 1.65 1.8 - -
실시예5 0.45 1.5 1.5 0.04 0.15 10 22 1.5 2 1 -
실시예6 0.45 1.5 1.5 0.04 0.15 10 22 1.5 2 1 1
비교예1 0.45 1.5 1.5 0.04 0.15 10 22 1.5 3 - -
비교예2 0.44 1.17 0.69 0.04 0.14 9.8 20.1 1.22 2.53 - -
비교예3 0.45 1.5 1.5 0.04 0.20 10 22 1.5 2 - -
비교예4 0.45 1.5 1.5 0.04 0.15 10 22 0.7 2 - -
비교예5 0.45 1.5 1.5 0.04 0.15 10 22 2.7 2 - -
비교예6 0.45 1.5 1.5 0.04 0.15 12.5 22 1.5 1 - -
실험예 1 : 기계적 물성 측정 실험
실시예 및 비교예에서 제조한 봉상시편 각각을 이용하여 ASTM E8에 따라 상온(room temperature, 약 25℃)과 고온(900℃)에서 항복강도, 인장강도 및 연신율을 각각 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
그리고, 도 2 및 도 3에는 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2 시편은 상온 및 고온에서 측정한 인장강도 측정 결과 그래프를 나타내었다. 또한, 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2 시편의 쉐플러선도(Schaeffler Diagram)를 도 4에 나타내었다.
구분 상온 900℃
항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 연신율
(%)		 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 연신율
(%)
실시예 1 393 635 7.9 156 185 30.3
실시예 2 405 639 7.7 172 203 25.3
실시예 3 398 636 7.9 167 197 28.2
실시예 4 389 645 7.7 176 205 26.0
실시예 5 394 638 7.8 161 187 29.6
실시예 6 392 641 8.0 154 192 30.6
비교예 1 388 647 7.5 170 205 31.4
비교예 2 365 548 7.0 149 177 30.0
비교예 3 390 628 7.5 135 173 24.2
비교예 4 392 640 7.9 151 188 30.5
비교예 5 375 622 7.6 138 166 26.8
비교예 6 409 642 7.6 183 218 25.5
상기 표 3을 살펴보면, 실시예 1 ~ 6의 시편의 경우, 상업적으로 판매되고 있는 내열주강을 사용한 비교예 2와 비교할 때, 고온에서의 기계적 물성이 상대적으로 더 우수한 결과를 보였다.
또한, 몰리브덴 및/또는 알루미늄을 추가 사용한 실시예 5 및 실시예 6과 실시예 1을 서로 비교해 볼 때, 이들 성분의 추가 사용으로 인해 기계적 물성이 좋아 지는 경우도 있으나, 실시예 1 ~ 4의 조성이 터보차저 터빈하우징으로 사용되기 위한 기계적 물성을 만족하므로 굳이 값비싼 몰리브덴 및/또는 알루미늄 등을 추가할 필요가 없어도 됨을 확인할 수 있었다.
그리고, 텅스텐은 2.2 중량%를 초과하여 사용한 비교예 1 및 니켈을 12 중량% 초과하여 사용한 비교예 6의 경우, 실시예 1과 비교할 때, 전반적으로 우수한 기계적 물성을 보였다. 실시예에 따른 쉐플러선도인 도 4를 참조하면 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1은 비교예 2에 비하여 오스테나이트 안정도를 증가시켜 고온에서 항복강도 및 인장강도를 증가시킨 것을 확인할 수 있다.
또한, 황을 0.18 중량% 초과한 비교예 3의 경우, 실시예 1과 비교할 때, 고온에서의 기계적 물성이 전반적으로 떨어지는 결과를 보였다.
또한, 니오븀 함량을 1.0 중량% 미만인 비교예 4의 경우, 실시예 1과 비교할 때, 기계적 물성 차이가 크게 없었으나, 니오븀 함량이 2.5 중량%를 초과한 비교예5의 경우, 실시예 1과 비교할 때, 오히려 인장강도 및 연신율이 감소하는 경향을 보였다.
실험예 2 : 열피로 수명(Thermo-Mechanical Fatigue testing, TMF) 측정
터보차저의 자동차 엔진의 매니폴드에 부착되어 고온의 배기가스 온도를 직접 견뎌야 하며 실린더 내의 연소에 의한 엔진 진동까지 견뎌야 하는 가혹한 환경에 장착되는 부품이다. 이러한 조건과 유사한 시험이 TMF(Thermo mechanical fatigue TEST) 시험이며, 터보차저의 내구성 시험 중 하나인 반복적인 열충격 시험과 유사한 형태의 TMF 시험은 터빈하우징 소재의 열피로 수명을 평가하는데 최적의 시험법이다.
이에, 상기 실시예 1 ~ 실시예 6, 비교예 1 ~ 비교예 2, 비교예 4 및 비교예 6의 봉상시편과 동일한 조성의 Y-블록(Y-block)을 제조한 후, 이들 각각을 이용하여 ASTM E 2368 방법에 의거하여 TMF 측정을 수행하였고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
그리고, 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 대한 측정 결과로서, 변형률 측정 결과를 도 5에 나타내었다. 이때, 기울기가 클수록 변형률이 커서 열피로 수명이 좋지 않은 것이다.
또한, 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 대한 열피로 수명 값 측정 결과를 도 6에 나타내었다.
구분 열피로 수명 값
(N, Number of cycles to failure)
실시예 1 (0.81 ~ 0.83)× 103 N
실시예 2 (0.80 ~ 0.82)× 103 N
실시예 3 (0.82 ~ 0.84)× 103 N
실시예 4 (0.78 ~ 0.80)× 103 N
실시예 5 (0.79 ~ 0.81)× 103 N
실시예 6 (0.80 ~ 0.82)× 103 N
비교예 1 (0.48 ~ 0.50)× 103 N
비교예 2 (0.59 ~ 0.61)× 103 N
비교예 4 (0.67 ~ 0.69)× 103 N
비교예 6 (0.54 ~ 0.56)× 103 N
상기 표 4의 측정 결과를 살펴보면, 실시예 1 ~ 실시예 6의 경우, 열피로 수명 값이 0.78× 103 이상으로 매우 우수한 열피로 수명 안정성을 가지는 결과를 보였다.
이에 반해, 텅스텐을 2.2 중량% 초과한 비교예 1의 경우, 고온에서의 기계적 물성이 우수하였으나, 열피로 수명 선도 값이 (0.48~0.50)× 103 으로 실시예와 비교할 때, 열피로 수명 안정성이 크게 떨어지는 결과를 보였다.
또한, 비교예 2, 비교예 4 및 비교예 6의 경우 역시, 고온에서의 기계적 물성이 우수한 것에 비해, 낮은 열피로 수명 값을 가지는 결과를 보였다.
상기 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명의 내열주강이 기존 내열주강에 비해 텅스텐 함량을 저감시켰음에도 불구하고, 오스테나이트 안정도를 증가시켜 고온에서 항복강도, 인장강도 및 연신율을 증가시킬 뿐만 아니라, 고온에서의 우수한 열피로 수명 안정성을 확보하고 있는 바, 고온 하에서 작동하는 터보차저 터빈하우징 소재로 적용하기에 적합함을 확인할 수 있었다.

Claims (7)

  1. 탄소(C) 0.40 ~ 0.50 중량%, 규소(Si) 1.0 ~ 2.0 중량%, 망간(Mn) 1.0 ~ 2.0 중량%, 니켈(Ni) 9.0 ~ 12.0 중량%, 크롬(Cr) 21 ~ 24 중량%, 니오븀(Nb) 1.0 ~ 2.5 중량%, 텅스텐(W) 0.5 ~ 2.2 중량%, 인(P) 0.045 중량% 이하, 황(S) 0.05 ~ 0.18 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 포함하는 것을 특징으로 하는 텅스텐 저감형 터보차저 터빈하우징용 내열주강.
  2. 제1항에 있어서, 탄소 0.42 ~ 0.48 중량%, 규소 1.25 ~ 1.75 중량%, 망간 1.2 ~ 1.8 중량%, 니켈 9.5 ~ 11.5 중량%, 크롬 21.5 ~ 23.5 중량%, 니오븀 1.0 ~ 2.2 중량%, 텅스텐 0.7 ~ 2.1 중량%, 인 0.040 중량% 이하, 황 0.10 ~ 0.18 중량% 및 잔부의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 텅스텐 저감형 터보차저 터빈하우징용 내열주강.
  3. 제1항에 있어서, 몰리브덴(Mo) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 텅스텐 저감형 터보차저 터빈하우징용 내열주강.
  4. 제1항 내지 제3항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서, ASTM E8 봉상 시험규격에 의거하여 측정시, 900℃에서 인장강도 180 ~ 210 Mpa인 것을 특징으로 하는 텅스텐 저감형 터보차저 터빈하우징용 내열주강.
  5. 제1항 내지 제3항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서, ASTM E8 봉상 시험규격에 의거하여 측정시, 900℃에서 항복강도 150 ~ 180 Mpa인 것을 특징으로 하는 텅스텐 저감형 터보차저 터빈하우징용 내열주강.
  6. 제1항 내지 제3항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서, ASTM E8 봉상 시험규격에 의거하여 측정시, ASTM E 2368 시험 규격에 의거하여 열피로시험(Thermo-Mechanical Fatigue testing, TMF) 측정시, (0.70 ~ 1.00)× 103 (Number of cycles to failure)의 열피로 수명 값을 가지는 것을 특징으로 하는 텅스텐 저감형 터보차저 터빈하우징용 내열주강.
  7. 제1항 내지 제3항 중에서 어느 한 항의 터보차저 터빈하우징용 내열주강을 포함하는 터보차저 터빈하우징.
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