KR20200009434A - 상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강 - Google Patents

상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고Ni-Cr계 오스테나이트강에 비해, 저비용으로 제조할 수 있으며, 고성능 자동차 엔진 개발에 대응할 수 있는 우수한 상온 및 고온 물성을 갖는 오스테나이트강에 관한 것이다.
본 발명에 따른 오스테나이트강은, 탄소(C): 0.35~0.5중량%,　실리콘(Si): 1.0~2.0중량%, 망간(Mn): 8.5~20중량%, 니켈(Ni): 23~33중량%, 크롬(Cr): 18~22중량%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 상기 합금원소 중 니켈(Ni) 함량에 대한 망간(Mn) 함량의 비율인 CMn/CNi이 0.2~0.9 범위를 유지하는 것을 특징으로 한다.

Description

상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강 {AUSTENITIC STEEL EXCELLENT IN ROOM TEMPERATURE STRENGTH AND HIGH TEMPERATURE STRENGTH}
본 발명은 상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강에 관한 것이다.
고온용 오스테나이트강은, 우수한 경도, 강도, 열적-기계적 피로 수명, 및 파괴인성을 가질 뿐 아니라, 열적으로 안정된 미세조직을 가지기 때문에, 자동차의 터보차저나 배기계용에 사용되어 왔다.
터보차저는 엔진의 실린더 내부에 많은 공기를 압축하여 공급함으로써 엔진의 출력을 향상시키는 것으로, 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 터빈 하우징(turbine housing) 내의 터빈 휠(turbine wheel)을 회전시키며, 터빈 휠의 회전시 발생하는 회전력을 전달하여 대기의 공기를 압축시키는 압축기 하우징(compressor housing) 내의 압축기 휠(compressor wheel)을 회전시켜 엔진으로 공급하는 구조로 이루어진다.
이러한 터빈 휠을 수용하는 터빈 하우징은 엔진에서 배출되는 800~900℃의 배기가스와 지속적으로 접촉하게 되므로 엔진의 출력에 따라 대단히 높은 열 충격을 받게 되므로 터빈 하우징은 고온에서 우수한 강도와 그 형상을 지속적으로 유지할 수 있는 물성이 필요하다. 특히 최근에는 고성능 자동차 엔진 개발의 요구로 인해, 차량 배기가스의 온도가 1050℃까지 상승하게 되어, 이에 대응 가능한 고온용 소재 개발이 필요하다.
고온용 소재로 개발된 고 Ni-Cr계 오스테나이트강은 스팀-리포머(Steam-reformer) 혹은 열분해관(Pyrolysis tube)과 같은 석유화학 산업에서 주로 활용되어 왔으며, 최근 차세대 터보-차저 소재로 연구가 진행되고 있다.
고 Ni-Cr계 오스테나이트강은 고온에서 오스테나이트 조직의 안정성과 강도를 높이기 위해 고가의 합금원소인 니켈(Ni)을 다량 포함하고 있고 나이오븀(Nb)을 2중량%을 첨가하고 있어 제조 비용을 높이는 원인이 된다. 한편 나이오븀(Nb)의 경우 주조성은 향상시킬 수 있으나, 나이오븀(Nb) 탄화물을 형성할 경우 합금의 취성을 증대시키는 기술적인 문제점도 있다.
대한민국 공개특허공보 제2012-0000420호
본 발명은 고성능 자동차 엔진용 소재에 적용될 수 있을 정도의 우수한 고온에서의 기계적 특성을 가질 뿐 아니라, 고온용 소재로 개발된 고 Ni-Cr계 오스테나이트강에 비해 저비용으로 제조 가능한 오스테나이트강을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 탄소(C): 0.35~0.5중량%,　실리콘(Si): 1.0~2.0중량%, 망간(Mn): 8.5~20중량%, 니켈(Ni): 23~33중량%, 크롬(Cr): 18~22중량%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 상기 합금원소 중 니켈(Ni) 함량에 대한 망간(Mn) 함량의 비율인 CMn/CNi이 0.2~0.9 범위를 유지하는, 고온 강도가 우수한 오스테나이트강을 제공한다.
본 발명에 따른 오스테나이트강은 고온에서 오스테나이트(austenite) 조직을 유지하면서, 니켈(Ni)이 소정 비율이 되도록 상대적으로 저렴한 합금원소인 망간(Mn)으로 대체하고, 텅스텐(W)을 포함하지 않도록 하며, 페라이트(ferrite) 상의 생성을 억제하면서 MC 탄화물의 면적 분율을 3~5%로 증대시키며, 주조 셀의 평균 크기를 38㎛ 이하로 감소시키는 등의 합금설계를 통해, 상온에서의 615 MPa 이상의 인장강도와 900℃에서의 인장강도가 135 MPa 이상으로 높으면서, 형상유지 성능이 우수하여, 터보차저의 터빈 하우징용으로 적합하게 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 오스테나이트강은 니켈(Ni)을 38중량% 이상 포함하는 고 Ni-Cr 강에 비해, 최대 23%의 가격 절감 효과를 얻음과 동시에, 상온 인장강도는 최대 11%, 고온 인장강도는 최대 8% 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1~4 와 비교예 1 및 2에 따른 오스테나이트강의 광학현미경 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1~4와 비교예 1 및 2에 따른 오스테나이트강의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 4에 따른 오스테나이트강을 900℃에서 24시간 동안 열처리를 하기 전과 후의 EBSD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1~4와 비교예 1 및 2에 따른 오스테나이트강의 상온인장 시험 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1~4와 비교예 1 및 2에 따른 오스테나이트강의 고온인장 시험 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예 4와 비교예 1 및 2에 따른 오스테나이트강의 900℃ 고온인장 시험 이후 수직 단면을 광학현미경으로 분석한 결과와 고온인장 시 발생한 미세균열의 크기와 개수를 정량화한 그래프이다.
본 발명의 실시예들을 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 의미이다. 그리고 포함한다의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작. 요소 및/또는 성분을 구체화하며 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작. 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미이다. 또한, 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술 문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 갖는 것으로 추가 해석되고 정의되지 않는 한, 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지는 않는다.
본 발명자들은 종래의 고 Ni-Cr 강에 비해 가격 경쟁력이 있으면서 900℃ 이상의 고온 환경에 견딜 수 있는 강도를 구현할 수 있는 합금에 대해 연구한 결과, 고온에서 오스테나이트 조직을 유지하기 위하여 다량 첨가하던 니켈(Ni)의 함량을 다소 감소시키고, 동시에 나이오븀(Nb)이나 텅스텐(W)과 같은 고가의 탄화물 형성원소를 사용하지 않고, 니켈(Ni) 함량에 대한 망간(Mn) 함량을 소정 비율이 되도록 조절함으로써, 고온에서 오스테나이트 상의 안정성을 높이면서, 상온 및 고온 강도를 향상시키고, 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있음을 밝혀내고 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명에 따른 오스테나이트강은, 탄소(C): 0.35~0.5중량%,　실리콘(Si): 1.0~2.0중량%, 망간(Mn): 8.5~20중량%, 니켈(Ni): 23~33중량%, 크롬(Cr): 18~22중량%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 상기 합금원소 중 니켈(Ni) 함량에 대한 망간(Mn) 함량의 비율인 CMn/CNi이 0.2~0.9 범위를 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 불가피한 불순물 중에, 인(P): 0.04중량% 이하, 황(S): 0.04중량% 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 오스테나이트강의 성분을 상기와 같이 한정한 이유는 다음과 같다.
탄소(C): 0.35~0.5중량%
탄소(C)는 강력한 오스테나이트(austenite) 안정화 원소로 알려져 있으며, 또한 기지조직에 고용강화되어 고온에서의 강도에 중요한 역할을 한다. 그 외에도 본 발명에 포함되는 크롬(Cr)과 같은 합금원소들과 탄화물을 형성하여 액상의 주조성을 향상시키고 고온 강도를 향상시킨다. 이러한 탄소(C)의 효과를 얻기 위해 0.35중량% 이상의 탄소가 필요하며, 0.5중량%를 초과할 경우, 탄화물의 조대화로 인해 전반적인 기계적 특성과 크리프 저항성의 저하를 가져올 수 있으므로, 상기 범위가 바람직하며, 보다 바람직한 탄소(C) 함량은 0.35~0.45중량%이다.
실리콘(Si): 1.0~2.0중량%
실리콘(Si)은 고온 내산화성을 향상시키는 효과가 있으며, 합금의 용탕 내에서 환원제 역할을 한다. 실리콘(Si)은 크롬(Cr)에 의한 산화방지를 도와주는 역할을 함으로써 내산화성을 향상시킨다. 실리콘(Si)에 의해 형성되는 실리콘 산화물 입자들은 크롬(Cr)에 의해 합금 표면에 형성하는 피막 아래에 석출되어 부동태 피막의 형성을 돕고, 크롬(Cr) 이온이 불필요하게 빠져나가는 것을 억제한다. 실리콘(Si)의 이러한 효과는 고온에서 더욱 강화된다. 1.0중량% 미만일 경우 상기한 실리콘(Si)의 효과를 충분하게 얻기 어렵고, 실리콘(Si)이 과다하게 첨가될 경우 고온 크립 저항성을 낮출뿐 아니라, 실리콘(Si)이 페라이트(ferrite) 안정화 원소이므로 오스테나이트 기지조직을 불안정하게 하기 때문에, 2.0중량% 이하로 첨가되어야 한다.
망간(Mn): 8.5~20중량%
망간(Mn)은 오스테나이트 안정화 원소로 작용하며, 실리콘(Si)과 유사하게 용탕 내에서 환원제 역할을 한다. 니켈(Ni)과 크롬(Cr)을 다량 포함하는 강에서 망간(Mn)의 함량을 높이면 탄소 함량이 높아 경도가 높은 MC 탄화물의 분율을 증대하여 고온 강도를 높이며 주조 셀의 크기를 줄이는 효과도 얻을 수 있다. 망간(Mn)의 함량이 8.5중량% 미만일 경우 상기한 효과가 충분하지 않고, 20중량%를 초과할 경우 오히려 MC 탄화물의 분율이 감소하게 되며, 동시에 오스테나이트 안정화 역할도 감소할 수 있으므로, 20중량%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
니켈(Ni): 23~33중량%
니켈(Ni)은 오스테나이트 안정화원소로, 인성을 포함한 제반 기계적 특성과 내식성 및 내산화성 향상에 필수적인 원소인데, 23중량% 미만일 경우 고온 강도가 저하되어 바람직하지 않고, 33%중량%를 초과할 경우 제조비용을 줄이는 효과가 줄어들어 바람직하지 않기 때문이다. 보다 바람직한 니켈(Ni)의 함량은 23~28중량%이다.
크롬(Cr): 20~23중량%
크롬(Cr)은 스테인리스강의 우수한 내산화성, 내식성의 가장 핵심적인 원소로 합금의 표면에 Cr2O3 형태의 안정한 부동태 피막을 형성하여 내식성을 향상시킨다. 크롬(Cr)의 함유량이 높을수록 내식성은 증가하며, 고온에서의 내산화, 내식성 향상에도 기여한다. 내식성 향상을 위해 크롬(Cr)은 20중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다.
한편, 크롬(Cr)은 페라이트 안정화 원소로 과다 첨가하게 되며, 페라이트상을 형성시킬 수 있고 크롬 탄화물의 분율이 증가하여 오스테나이트 기지 내의 탄소(C) 고용량이 줄어들어 고용강화 효과가 감소하여 상온 인장강도가 저하될 수 있으며, 다량의 탄화물을 형성할 수 있어 23중량% 이하로 제한한다. 상온 인장강도 향상의 측면에서, 크롬(Cr)의 함량은 20~22중량%인 것이 보다 바람직하다.
니켈(Ni) 함량에 대한 망간(Mn) 함량의 비율, C Mn /C Ni 0.2~0.9
상기 합금원소 중 니켈(Ni) 함량(중량%)에 대한 망간(Mn) 함량(중량%)의 비율이 0.2 미만이거나 0.9 초과일 경우, 탄소 고용에 의한 기지강화 효과를 충분히 얻지 못하거나 탄화물이 분율이 지나치게 적어져 강도가 저하될 수 있으므로, 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다. 강의 기계적 특성을 고려한 보다 바람직한 니켈(Ni) 함량에 대한 망간(Mn) 함량의 비율은 0.5~0.8이다.
인(P): 0.04중량% 이하
인(P)은 불순물로서 불가피하게 혼입되는 성분으로, 합금 내에 편석되어 합금의 물성에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로 0.04중량% 이하로 유지하는 것이 바람직하며, 0.03중량% 이하로 유지하는 것이 보다 바람직하다.
황(S): 0.04중량% 이하
황(S)은 합금 내에서 MnS와 같은 황화물을 형성하여 합금의 가공성을 향상시키나, 형성된 황화물은 합금의 전반적인 물성을 저하시키므로 0.04중량% 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 오스테나이트강의 미세조직에 있어서, MC 상의 면적분율이 3~5%인 것이 바람직하다.
일반적으로 탄화물 상은 상온 및 고온강도를 증가시키는 역할을 하므로 면적분율을 증가시키는 것이 바람직하다. 특히 탄소 함량이 높아 경도값이 높은 MC 탄화물은 고온강도 향상에 주요한 요인으로 작용하므로 이를 증가시킴으로써 효과적으로 고온강도를 향상시킬 수 있다. 그러나 탄화물 분율을 지나치게 증가시키게 되면 오스테나이트 기지상의 탄소 함량 감소를 유발하여 오스테나이스 상의 안정도가 떨어져 오히려 고온 물성이 저하될 수 있다. 따라서 MC 탄화물 면적 분율을 3~5% 범위내로 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 오스테나이트강의 미세조직에 있어서, 주조 셀의 크기는 38㎛ 이하로 유지하는 것이 고온 강도의 향상에 바람직하다.
본 발명에 따른 오스테나이트강은, 900℃에서 24시간 동안 열처리할 때, 실질적으로 페라이트상을 형성하지 않는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 오스테나이트강은, 고온에서 오스테나이트 상이 안정적으로 유지될 수 있도록, 바람직하게, [식 1]로 표시되는 Nieq가 52~53이고, [식 2]로 표시되는 Creq가 21~25일 수 있다.
[식 1]
Nieq = %Ni + 30%C + 0.87%Mn + 0.33%Cu + 30(%N-0.045)
(여기서, %는 질량%)
[식 2]
Creq = %Cr + %Mo + %W + 1.5%Si + 0.5%Nb + 5%V + 3%Al
(여기서, %는 질량%)
본 발명에 따른 오스테나이트강은, 바람직하게 상온에서의 인장강도가 615MPa 이상, 900℃에서의 인장강도가 130MPa 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 오스테나이트강은, 바람직하게 900℃ 고온인장 시험 이후 수직 단면을 광학현미경으로 관찰하였을 때, 마이크로 크랙(microcrack) 또는 마이크로 보이드(microvoid)의 평균 크기가 33㎛ 이하일 수 있고, 그 크기가 45㎛ 이하인 마이크로 크랙(microcrack) 또는 마이크로 보이드(microvoid)의 비율이 70% 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 오스테나이트강은 터보 하우징용으로 사용될 수 있다.
[실시예]
아래 표 1은 본 발명에 따른 오스테나이트강의 실시예 1~4와, 실시예와의 비교를 위해, 니켈(Ni)과 망간(Mn) 첨가량을 달리한 비교예 1 및 2의 조성을 나타낸 것이다.
강종 조성 (중량%)
C Si Mn P S Ni Cr Fe
비교예 1 0.40 1.5 2.0 0.03 0.03 38 20 Bal.
실시예 1 0.40 1.5 8.9 0.03 0.03 32 20 Bal.
실시예 2 0.40 1.5 12.3 0.03 0.03 29 20 Bal.
실시예 3 0.40 1.5 15.8 0.03 0.03 26 20 Bal.
실시예 4 0.40 1.5 18.1 0.03 0.03 24 20 Bal.
비교예 2 0.40 1.5 20.4 0.03 0.03 22 20 Bal.
위 표 1에 나타낸 조성을 갖도록 6종류의 원료를 준비한 후, 용해로에서 용해한 후, 1550℃∼1600℃에서 출탕하고, 즉시 1500℃∼1550℃에서 원통형 시험편용 주형에 주입하여 시험편을 얻었다.
이와 같이 얻은 시험편에 대하여 광학현미경, 전자현미경, XRD와 EBSD(Electron Back-scatter Diffraction)을 사용하여 상(phase)을 분석하고 상의 분율을 측정하였으며, 상온(25℃)과 고온(900℃)에서 인장시험을 수행하였다.
도 1은 본 발명의 실시예 1~4와 비교예 1 및 2에 따른 오스테나이트강의 광학현미경 분석 결과를 나타낸 것이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 망간(Mn) 함량이 증가함에 따라 고경도의 MC 탄화물 분율이 크게 증가하며, 동시에 주조 셀의 크기가 감소한다. 그런데 비교예 2와 같이 망간(Mn)의 함량이 20중량%를 초과하게 되면 MC 탄화물의 분율이 오히려 감소하면서 주조 셀 크기가 다시 증가하는 경향을 나타낸다. 따라서 망간(Mn)의 함량은 요구되는 물성에 맞추어 적절하게 조절되어야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예 1~4와 비교예 1 및 2에 따른 오스테나이트강의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다. 도 2에서 확인되는 바와 같이, 제조된 모든 오스테나이트강에서 고온에서 불안정한 페라이트상이 관찰되지 않았으며, M7C3 탄화물과 MC 탄화물로 이루어진 탄화물이 형성되어 있다.
아래 표 2는 본 발명의 실시예 1~4 및 비교예 1 및 2에 따른 오스테나이트강의 미세조직에 존재하는 M7C3 탄화물과 MC 탄화물의 면적분율과 주조 셀의 평균 크기의 측정 결과를 나타낸 것이다.
강종 면적분율 (%) 주조 셀 크기
(㎛)
페라이트 M7C3
탄화물		 MC
탄화물		 전체 탄화물
비교예 1 - 2.3 ± 0.4 2.5 ± 0.3 4.8 ± 0.3 40.2 ± 8.1
실시예 1 - 1.8 ± 0.5 2.9 ± 0.2 4.7 ± 0.2 38.8 ± 7.2
실시예 2 - 0.6 ± 0.2 4.0 ± 0.4 4.6 ± 0.5 35.7 ± 3.0
실시예 3 - 0.6 ± 0.3 4.7 ± 0.4 5.4 ± 0.3 28.0 ± 4.2
실시예 4 - 0.6 ± 0.2 5.0 ± 0.4 5.6 ± 0.3 26.5 ± 4.0
비교예 2 - 0.5 ± 0.2 3.1 ± 0.3 3.6 ± 0.3 32.1 ± 3.9
표 2에서 확인되는 바와 같이, 페라이트 상은 실시예 1~4 및 비교예 1 및 2에서 전혀 관찰되지 않았다.
또한, 상기 표 2 및 도 1에서 확인되는 바와 같이, 실시예 1~4에 따른 오스테나이트강은 M7C3 탄화물의 형성이 억제되는 대신 고경도의 MC 탄화물이 활발하게 형성되어 고온 강도의 향상에 기여할 수 있음을 알 수 있다. 한편, 비교예 2에서 확인되는 바와 같이, 망간(Mn) 함량이 20중량%를 초과하게 되면 오히려 MC 탄화물의 분율이 감소하게 되며 이와 동시에 오스테나이트 안정화 역할도 감소함이 확인된다. 따라서 망간(Mn)의 첨가 범위는 20중량%를 넘어 과도하게 포함하지 않는 것이 바람직하다.
또한, 실시예 1~4에 따른 오스테나이트강에서 MC 탄화물 분율이 증가됨에 따라 주조 셀 크기가 동시에 감소하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 이후 비교예 2에서는 MC 탄화물 분율이 감소함에 따라 주조 셀 크기가 다시 커지는 경향을 나타낸다.
주조 재료의 경우 셀 경계에 탄화물이 위치하기 때문에 주조 셀 크기가 상온 및 고온강도에 영향을 미칠 수 있는데, 셀 크기가 클 경우 균열 생성 이후 그 경계를 따라 쉽게 전파가 발생하나, 셀 크기가 작을 경우 균열 전파에 방해를 많이 받게 되기 때문에, 셀 크기가 작을 수록 상온 및 고온강도에 유리하다.
도 3은 본 발명의 실시예 4에 따른 오스테나이트강을 900℃에서 24시간 동안 열처리를 하기 전과 후의 EBSD 분석 결과를 나타낸 것이다. 도 3에서 확인되는 바와 같이, 고온(900℃)에서 장시간 노출되면 평형상태에 가까워져 페라이트 상이 형성될 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 오스테나이트강은 높은 Nieq를 가져 오스테나이트 상이 매우 안정하므로, 고온에서 장시간 열처리를 한 이후에도 페라이트상이 형성되지 않았다.
아래 표 4는 본 발명의 실시예 1~4 및 비교예 1 및 2에 따른 오스테나이트강의 상온 및 고온 인장시험 결과를 나타낸 것이다.
강종 상온 인장특성 고온 인장특성 (900℃)
항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 연신율
(%)		 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 연신율
(%)
비교예 1 285 ± 3 602 ± 2 16.4 ± 1.3 112 ± 1.3 135 ± 1.2 16.8 ± 0.3
실시예 1 299 ± 4 619 ± 3 14.6 ± 2.5 115 ± 0.5 134 ± 0.5 16.2 ± 0.2
실시예 2 308 ± 3 640 ± 5 15.6 ± 3.3 119 ± 1.4 140 ± 1.6 14.6 ± 0.6
실시예 3 344 ± 2 656 ± 2 15.4 ± 1.7 124 ± 0.6 143 ± 0.4 16.5 ± 0.3
실시예 4 351 ± 2 670 ± 3 15.4 ± 3.0 129 ± 1.0 146 ± 1.2 15.4 ± 0.6
비교예 2 268 ± 2 600 ± 3 16.8 ± 1.1 114 ± 0.4 131 ± 0.3 15.3 ± 1.0
표 3 및 도 4 및 도 5에서 확인되는 바와 같이, 망간(Mn) 함량의 증가에 따라 상온 및 고온 인장강도가 향상되며, 이후 망간(Mn)의 함량이 20중량%를 초과하는 비교예 2에서는 상온 및 고온 인장강도가 감소하는 경향을 나타내었다.
도 6은 본 발명의 실시예4와 비교예 1, 2에 따른 오스테나이트강의 900℃ 고온인장 시험 이후 수직 단면을 광학현미경으로 분석한 결과와 고온인장 시 발생한 미세균열의 크기와 개수를 정량화한 그래프이다. 도 6에서 확인되는 바와 같이, 망간(Mn)의 함량이 증가함에 따라, 고온 인장시편의 파단면에서 미세균열의 크기가 감소하며, 망간(Mn)의 함량이 20%를 초과하는 비교예 2의 경우 미세조직의 MC 상의 면적분율 및 주조 셀 크기의 경향과 동일하게 고온 인장시편의 파단면에서 미세균열의 크기가 증가하는 경향을 나타낸다.
상기 표 3 및 도 4~6의 결과로부터, 본 발명의 실시예 1~4에 따른 오스테나이트강은, 미세조직 내에 경도가 높은 MC 탄화물의 면적분율의 증대와 감소된 주조 셀의 크기를 통해, 고가의 니켈(Ni)의 상당량을 상대적으로 저가인 망간(Mn)으로 일정한 비율로 조절되어 대체할 때, 더 향상된 상온 및 고온강도를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

Claims (8)

  1. 탄소(C): 0.35~0.5중량%,　실리콘(Si): 1.0~2.0중량%, 망간(Mn): 8.5~20중량%, 니켈(Ni): 23~33중량%, 크롬(Cr): 18~22중량%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
    상기 합금원소 중 니켈(Ni) 함량에 대한 망간(Mn) 함량의 비율인 CMn/CNi이 0.2~0.9 범위를 유지하는, 상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오스테나이트강의 미세조직에 있어서, MC 상의 면적분율이 3~5%인, 상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 오스테나이트강은, 900℃에서 24시간 동안 열처리할 때, 실질적으로 페라이트상을 형성하지 않는, 상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스테나이트강의 주조 셀의 평균 크기가 38㎛ 이하인, 상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합금원소 중 니켈(Ni) 함량에 대한 망간(Mn) 함량의 비율인 CMn/CNi이 0.5~0.8인, 상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스테나이트강은 [식 1]로 표시되는 Nieq가 52~53이고, [식 2]로 표시되는 Creq가 21~25인, 상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강.
    [식 1]
    Ni eq = %Ni + 30%C + 0.87%Mn + 0.33%Cu + 30(%N-0.045)
    (여기서, %는 질량%)
    [식 2]
    Cr eq = %Cr + %Mo + %W + 1.5%Si + 0.5%Nb + 5%V + 3%Al
    (여기서, %는 질량%)
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스테나이트강은, 상온에서의 인장강도가 615MPa 이상, 900℃에서의 인장강도가 130MPa 이상인, 상온 및 고온 강도가 우수한 오스테나이트강.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 오스테나이트강으로 제조한 터보하우징.
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6043473A (ja) * 1983-06-10 1985-03-08 サントレード　リミティド 耐食性クロム−ニツケル−マンガン−鉄合金
JPH05148591A (ja) * 1991-11-27 1993-06-15 Aichi Steel Works Ltd 被削性の優れた排気弁用鋼
KR960023169A (ko) * 1994-12-14 1996-07-18 김현철 오스테나이트(Austenite)계 내열강의 제조방법
JPH11323479A (ja) * 1998-05-13 1999-11-26 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 耐熱鋳鋼
KR100428572B1 (ko) * 1999-12-09 2004-04-28 주식회사 포스코 내열강도 및 내산화성이 우수한 내열스테인레스강
KR100766251B1 (ko) * 2006-06-09 2007-10-12 주식회사 포스코 고온특성이 우수한 니켈 저감형 오스테나이트계 내열스테인레스강.
KR20120000420A (ko) 2010-06-25 2012-01-02 현대자동차주식회사 고온 피로수명 및 연신율이 우수한 오스테나이트계 내열 주강 및 이를 이용하여 제조된 배기매니폴드
JP2014208875A (ja) * 2013-03-22 2014-11-06 トヨタ自動車株式会社 オーステナイト系耐熱鋳鋼およびその製造方法
KR20160079997A (ko) * 2014-12-26 2016-07-07 주식회사 포스코 니켈 저감형 스테인리스강

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6043473A (ja) * 1983-06-10 1985-03-08 サントレード　リミティド 耐食性クロム−ニツケル−マンガン−鉄合金
JPH05148591A (ja) * 1991-11-27 1993-06-15 Aichi Steel Works Ltd 被削性の優れた排気弁用鋼
KR960023169A (ko) * 1994-12-14 1996-07-18 김현철 오스테나이트(Austenite)계 내열강의 제조방법
JPH11323479A (ja) * 1998-05-13 1999-11-26 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 耐熱鋳鋼
KR100428572B1 (ko) * 1999-12-09 2004-04-28 주식회사 포스코 내열강도 및 내산화성이 우수한 내열스테인레스강
KR100766251B1 (ko) * 2006-06-09 2007-10-12 주식회사 포스코 고온특성이 우수한 니켈 저감형 오스테나이트계 내열스테인레스강.
KR20120000420A (ko) 2010-06-25 2012-01-02 현대자동차주식회사 고온 피로수명 및 연신율이 우수한 오스테나이트계 내열 주강 및 이를 이용하여 제조된 배기매니폴드
JP2014208875A (ja) * 2013-03-22 2014-11-06 トヨタ自動車株式会社 オーステナイト系耐熱鋳鋼およびその製造方法
KR20160079997A (ko) * 2014-12-26 2016-07-07 주식회사 포스코 니켈 저감형 스테인리스강

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