KR101592684B1

KR101592684B1 - 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철

Info

Publication number: KR101592684B1
Application number: KR1020140044437A
Authority: KR
Inventors: 최연창; 신호철; 이정석
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2016-02-15
Also published as: KR20150118664A

Abstract

피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철이 소개된다.
본 발명의 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철은, 탄소(C) : 2.0 wt% 이하(0wt% 제외), 실리콘(Si) : 4.5 ~ 4.9 wt%, 망간(Mn) 0.5 ~ 0.7 wt%, 니켈(Ni) 23.0 ~ 25.0 wt%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 2.3 wt%, 몰리브덴(Mo) 0.5 ~ 0.9 wt%, 바나듐(V) : 0.4 ~ 0.7 wt%, 잔부는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철{High Temperature Resistant Austenitic Casting Iron with Superior Low-Cycle-Fatigue-Life and Creep Resistance on High Temperature}

본 발명은 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철 및 이를 이용한 배기 매니폴드에 관한 것으로, 더 상세하게는 고가의 니켈(Ni) 대신 몰리브덴(Mo), 바나듐(V) 및 크롬(Cr)을 첨가한 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철 및 이를 이용한 배기 매니폴드에 관한 것이다.

차량에 적용되는 배기 매니폴드(exhaust manifold)는 각 기통에서 배출되는 가스를 하나의 흐름으로 모아서 배출하는 기능을 한다.

이러한 배기 매니폴드는 연소실에서 나온 배기가스를 가장 먼저 받는 곳에 놓여지기 때문에, 엔진 출력에 상응하여 상당히 높은 열충격에 노출되는 것이 일반적이다.

배기 매니폴드 상에는 엔진과 달리 냉각수 등 쿨러(cooler)가 존재하지 않기 때문에, 엔진 가속시 800 ~ 900 ℃ 정도에 이르기까지 온도가 상승되고, 엔진 오프 시 주위 공기 온도까지 급속도로 공냉된다.

이러한 과정이 하루에도 몇 번씩 반복됨에 따라 배기 매니폴드가 받은 열충격이 상상을 초월할 정도로 상당한바, 이러한 이유로 엔진 부품 중에서도 배기 매니폴드는 가장 큰 내구성을 필요로 하는 부품 중 하나이다.

현재 차량의 배기 매니폴드에는 고온 내산화 주철 소재가 사용되고 있는바, FCD-HS 주철, SiMo 주철 및 다량의 니켈(Ni)이 첨가된 고-니켈(Ni) 오스테나이트계 주철 등이 사용되고 있다.

FCD-HS 주철 및 SiMo 주철은 고온에서의 물성을 개선하고, 내산화성 개선하기 위하여 기존의 구상 흑연 주철재에 실리콘(Si), 몰리브덴(Mo) 성분 등을 첨가하여 사용되고 있다.

상술한 내열 주철이 적용될 수 있는 배기계의 온도 범위는 약 630 ~ 760℃ 정도이며, 배기가스 측면에서 내열 주철이 적용될 수 있는 온도 범위는 약 700 ~ 800℃ 정도이다. 이러한 온도범위에서 위의 재질들은 피로수명이 약 200 사이클 이하, 크립(creep) 수명이 약 200 시간 이하이다.

또한, 상술한 주철 재질보다 고온에서의 물성이 우수한 고 니켈(Ni) 오스테나이트계 주철이 사용될 수도 있으나, 이는 고가의 니켈이 10 wt% 이상 첨가되기 때문에 원가적인 측면에서 범용적으로 적용되기에는 한계가 존재한다.

한편 최근 자동차 출력 증가 및 배기가스 규제 강화에 따라 이를 충족시키기 위한 노력은 계속되고 있으며, 이에 따라 배기가스 온도는 지속적으로 상승되고 있는바, 이와 함께 내구성 및 품질에 대한 기준도 상향되면서 배기계가 받게 되는 부하는 점점 더 증가하고 있는 실정이다.

따라서, 배기 매니폴드 역시 더욱 높은 온도 범위에서의 피로 수명 및 크립 저항성이 요구되고 있는바, 상술한 바와 같이 니켈을 다량 첨가하기에는 한계가 존재하므로, 니켈 첨가량을 최소화하면서 고온에서의 피로 수명과 크립 저항성을 개선할 필요가 있다.

상기한 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.

(선행기술 1) WO2009-108181호(2009.09.03)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 니켈의 함유량을 낮춤으로써 고-니켈(Ni) 오스테나이트계 주강보다 상대적으로 저렴하고, 고온 저주기 피로 수명 및 크립 저항성이 개선된 배기계용 오스테나이트계 내열 주철을 제공하고자 함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철은 탄소(C) : 2.0 wt% 이하(0wt% 제외), 실리콘(Si) : 4.5 ~ 4.9 wt%, 망간(Mn) 0.5 ~ 0.7 wt%, 니켈(Ni) 23.0 ~ 25.0 wt%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 2.3 wt%, 몰리브덴(Mo) 0.5 ~ 0.9 wt%, 바나듐(V) : 0.4 ~ 0.7 wt%, 잔부는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함한다.

본 발명의 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철은 최대 표면사용 온도가 700 ~ 850℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철은 배기 가스 온도가 900 ~ 950℃인 배기 매니폴드에 사용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 변형률 진폭 1.0%로 저주기 피로 시험 시 피로 사이클이 700℃에서는 2000 사이클 이상이고, 800℃에서는 300 사이클 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 700℃/60MPa에서의 크립 수명이 5000 시간 이상이면서 800℃/60MPa에서의 크립 수명이 500 시간 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기한 기술적 구성으로 아래와 같은 다양한 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 첨가되는 니켈 함량을 감소시킴으로써 원가를 절감할 수 있는 이점이 있다.

둘째, 니켈 함량을 감소시키면서도 목표에 부합하는 고온 저주기 피로 수명을 얻을 수 있는 이점이 있다.

셋째, 니켈 함량을 감소시키면서도 목표에 부합하는 크립 수명을 얻을 수 있는 이점이 있다.

넷째, 고온 환경에서 사용되는 배기 매니폴드 및 터빈 하우징에 사용할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 700℃에서의 고온 저주기 피로 시험 결과를 나타낸 도면,
도 2는 800℃에서의 고온 저주기 피로 시험 결과를 나타낸 도면,
도 3은 60MPa＠700℃ 에서 크립 시험한 결과를 나타낸 도면,
도 4는 60MPa＠800℃ 에서 크립 시험한 결과를 나타낸 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철에 대하여 설명한다.

본 발명의 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철은, 탄소(C) : 2.0 wt% 이하(0wt% 제외), 실리콘(Si) : 4.5 ~ 4.9 wt%, 망간(Mn) 0.5 ~ 0.7 wt%, 니켈(Ni) 23.0 ~ 25.0 wt%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 2.3 wt%, 몰리브덴(Mo) 0.5 ~ 0.9 wt%, 바나듐(V) : 0.4 ~ 0.7 wt%, 잔부는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함한다.

탄소(C)는 용탕의 유동성, 즉 주조성과 관련된 성분으로 주조성을 개선하기 위해 최대 2.0 wt%로 조절하면서 첨가한다. 탄소 성분이 2.0 wt%를 초과하면 탄소 성분 포화에 따라 주조성 개선에 아무런 영향을 미치지 않는바, 탄소 성분은 상술한 수치 범위 내에서 조절한다.

실리콘(Si)은 본 발명의 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철의 주요 원소로서, 그 함량은 4.5 ~ 4.9 wt% 범위에서 첨가된다.

실리콘 성분은 오스테나이트계 주철에서 고온 피로 강도 향상에 영향으로 주는 원소로, 4.5 wt% 미만으로 첨가하는 경우에는 주조시 용탕 유동성이 저하되어 주조성에 악영향을 미치고, 5 wt%를 초과하여 첨가하면 주조 후 유해한 상이 형성되어 취성이 저하되는 문제점이 발생하므로, 상술한 수치 범위에서 첨가한다.

니켈(Ni)은 내열 주철의 고온 물성을 개선하는데 첨가되는 원소로, 고온에서의 피로 수명뿐만 아니라 크립 저항성 및 연성율을 증가시키는데 큰 영향을 미친다.

그러나, 가격이 매우 고가이고 최근 원자재 가격 상승에 따라 가격에 대한 부담이 더욱 증가하면서 니켈을 함유하는 강종은 니켈 가격 변동에 따라 그 강종 또한 가격이 변동되는 현상이 빈번하게 발생되고 있다.

따라서, 니켈 첨가를 최소화하면서 동일한 물성을 가지는 재질의 개발이 필수적인바, 본 발명에서는 니켈 함량을 25 wt%를 초과하지 않도록 조절하였다.

즉, 니켈 함유량을 23 ~ 25 wt% 에서 조절함으로써 오스테나이트계 내열 주강재의 고온 물성을 개선함과 동시에, 니켈 함유량이 제한됨에 따라 발생하는 내열성 및 내부식성에 관한 부분은 니켈보다 상대적으로 경제적인 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V)을 첨가하여 보완하였다.

니켈의 함량이 23 wt%에 미치지 못 하면 고온 물성, 내열성 및 내부식성의 기대치를 충족할 수 없고, 25 wt%를 초과하면 경제적이지 못 한 단점이 존재하므로, 상술한 수치 범위 내에서 조절하여 첨가한다.

크롬(Cr)은 내산화성 및 고온 안정 탄화물 형성 원소로, 상대적으로 적은 함량 첨가되는 니켈을 보충하는 기능을 하난바, 니켈과 유사한 피로 수명 및 물성을 향상시키는 기능을 한다.

크롬은 니켈 대비 원가가 약 10 ~ 30 %에 해당되어 원가를 절감되는데, 그 함량이 2.0 wt% 미만이면 그것이 첨가되는 효과를 기대할 수 없고, 2.3 wt%를 초과하면 고온 안정 탄화물이 조대해져 오히려 고온 물성이 저하되는 단점이 존재하므로, 상술한 수치 범위 내에서 조절하여 첨가하여야 한다.

몰리브덴(Mo) 성분은 0.5 ~ 0.9 wt% 범위 내에서 조절하여 첨가된다.

몰리브덴은 탄소와 결합하여 미세한 탄화물을 형성함으로써 고온에서의 피로 수명 및 강도를 개선시킨다.

몰리브덴이 0.5 wt% 미만이면 몰리브덴을 첨가하는 목적을 달성할 수 없고, 0.9 wt%를 초과하여 첨가하면 고온 안정 탄화물이 조대해져 오히려 고온 물성이 저하되는 문제점이 존재한다.

바나듐(V)은 탄소 및 몰리브덴과 결합하여 미세한 탄화물을 형성해 고온에서 강도 및 피로 수명을 증가시키는 기능을 한다.

바나듐이 0.4 wt%에 이르지 못 하면 그 효과를 기대할 수 없고, 0.7 wt%를 초과하는 경우에는 고온 안정 탄화물이 조대해져 오히려 고온 물성에 좋지 않은 영향을 줄 수 있으므로, 0.4 ~ 0.7 wt% 범위 내에서 조절하여 첨가한다.

망간(Mn)은 함량 증가시 별도의 열처리 없이도 응고 중 조직 내부에 미세 분산상(disperoid)을 형성하여 피로 수명을 증가시키고, 기지 조직을 오스테나이트화 하는 기능을 한다. 망간이 0.5 wt%에 이르지 못 하면 망간 첨가로 얻을 수 있는 상술한 효과를 기대하기 어렵고, 0.7 wt%를 초과하는 경우에는 주조성에 악영향을 주게 되므로, 망간 함유량은 0.5 ~ 0.7 wt% 범위 내에서 조절하여 첨가한다.

본 발명의 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철은 통상적인 주조 방식에 따라 제조될 수 있으며, 본 발명자는 여러 가지 분석 방법을 통하여 본 발명의 주철이 오스테나이트 기지에 탄화물이 형성되어 있는 조직임을 확인하였다.

이러한 본 발명의 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철은 재질 표면 온도 700 ~ 850℃ 범위, 배기가스 온도로는 800 ~ 950℃ 범위에서 사용 가능하다.

따라서, 본 발명의 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철은 고출력 엔진의 배기 매니폴드 및 터빈 하우징에 적합한 물성을 갖는다.

이하에서는 본 발명의 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철의 실시예 및 비교예에 대하여 설명한다.

표 1에 개시된 하기 실시예는 상술한 조성비를 만족하는 오스테나이트계 내열 주철이고, 비교예 1은 종래 오스테나이트계 고내열 주철품이며, 비교예 2 ~ 15는 조성비가 달라지는 경우 발생되는 효과를 비교하기 위한 주철품이다.

구분	성분
구분	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	V
실시예	1.86	4.78	0.63	2.21	24.11	0.72	0.57
비교예 1	2.00	4.80	0.50	1.60	35.00	-	-
비교예 2	2.10	4.79	0.62	2.21	23.98	0.73	0.56
비교예 3	-	4.77	0.63	2.28	23.99	0.69	0.62
비교예 4	1.85	4.95	0.65	2.12	23.78	0.68	0.58
비교예 5	1.88	4.48	0.64	2.15	23.67	0.66	0.59
비교예 6	1.93	4.78	0.72	2.22	24.23	0.80	0.63
비교예 7	1.99	4.76	0.49	2.18	24.19	0.81	0.59
비교예 8	1.72	4.81	0.66	2.34	24.55	0.69	0.64
비교예 9	1.74	4.82	0.63	1.96	24.46	0.70	0.65
비교예 10	1.87	4.65	0.58	2.19	25.23	0.71	0.53
비교예 11	1.88	4.68	0.61	2.20	22.78	0.68	0.55
비교예 12	0.99	4.69	0.62	2.28	24.11	0.93	0.66
비교예 13	1.01	4.63	0.61	2.25	24.12	0.47	0.65
비교예 14	0.65	4.82	0.59	2.21	23.97	0.72	0.72
비교예 15	0.63	4.78	0.59	2.19	23.76	0.72	0.38

본 발명자는 표 1에 개시한 성분의 함량을 갖는 주철품으로 고온 저주기 피로 시험 및 크립 시험을 실시하였다.

고온 저주기 피로 시험은 ASTM E606 'Standard Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing'에 입각하여 700℃, 800℃에서 변형률 진폭 1.0%로 실시하였으며, 크립 시험은 ASTM E139 'Standard Test Method for Conducting Creep, Creep-Rupture, and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials'에 따라 700℃/60MPa, 800℃/60MPa에서 시험한 후, 파단 시간을 측정하였다.

도 1은 700℃에서의 고온 저주기 피로 시험 결과를 나타낸 도면이고, 도 2는 800℃에서의 고온 저주기 피로 시험 결과를 나타낸 도면이다.

안전율과 관련하여 배기 매니폴드에 사용되는 주철은 700℃에서 2000 사이클 이상, 800℃에서 300 사이클 이상의 피로 주기를 가지고 있어야 한다.

본 발명자의 실험 결과에 따르면, 실시예는 이러한 조건을 만족하며 비교예 1, 비교예 2, 비교예 10 역시 이러한 조건을 만족하였으며, 비교예 4 및 비교예 5 역시 실시예에 미치지는 못 하지만 이 기준을 만족하였다.

구분	크립 수명(시간)		저주기 피로 수명＠ 1.0% (Cycle)
구분	700℃/60MPa	800℃/60MPa	700℃	800℃
실시예	5892	534	2180	320
비교예 1	5811	529	2169	313
비교예 2	5894	535	2185	325
비교예 3	601	37	115	39
비교예 4	5673	494	2054	294
비교예 5	5432	471	2021	279
비교예 6	4958	409	1864	237
비교예 7	2983	207	682	94
비교예 8	3215	249	843	114
비교예 9	2598	174	612	81
비교예 10	5899	537	2193	328
비교예 11	1001	71	231	69
비교예 12	3762	301	1159	142
비교예 13	1976	125	487	63
비교예 14	4136	356	1543	198
비교예 15	1965	121	465	138

도 3은 60MPa＠700℃ 에서 크립 시험한 결과를 나타낸 도면이고, 도 4는 60MPa＠800℃ 에서 크립 시험한 결과를 나타낸 도면이다.

안전율과 관련하여 배기 매니폴드에서 사용하기 위한 크립 수명 기준은 60MPa＠700℃ 조건에서 최하 5000 시간 이상, 60MPa＠700℃ 조건에서 최하 500 시간 이상이다.

본 발명자는 실시예, 비교예 1, 비교예 2, 비교예 10가 이러한 조건을 만족함을 알 수 있었다.

비교예 1 및 비교예 10은 실시예와 비교하여 첨가되는 니켈량 대비 저주기 피로 시험 결과 및 크립 시험 결과에서 실시예보다 우월한 효과를 발휘하지 못 하는 것으로, 니켈 원가를 고려할 때 니켈 함량을 25 wt%를 초과하여 첨가할 필요가 없다는 것을 보여준다.

비교예 1의 경우 실시예와 유사한 시험 결과를 보여 주기는 하나 주조성이 저하되므로 생산 공정 상의 효율성이 저하되는 문제점이 존재한다.

이와 같이, 본 발명의 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철은 첨가되는 니켈 함량을 감소시킴으로써 원가를 절감할 수 있는 것은 물론, 목표에 부합하는 고온 저주기 피로 수명 및 크립 수명이 보장되므로, 고온 환경에서 사용되는 배기 매니폴드 및 터빈 하우징에 사용할 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims

탄소(C) : 2.0 wt% 이하(0wt% 제외), 실리콘(Si) : 4.5 ~ 4.9 wt%, 망간(Mn) 0.5 ~ 0.7 wt%, 니켈(Ni) 23.0 ~ 25.0 wt%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 2.3 wt%, 몰리브덴(Mo) 0.5 ~ 0.9 wt%, 바나듐(V) : 0.4 ~ 0.7 wt%, 잔부는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고,
변형률 진폭 1.0%로 저주기 피로 시험 시 피로 사이클이 700℃에서는 2000 사이클 이상이고, 800℃에서는 300 사이클 이상인 것을 특징으로 하는, 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철.
청구항 1에 있어서,
최대 표면사용 온도가 700 ~ 850℃인 것을 특징으로 하는, 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철.
청구항 2에 있어서,
배기 가스 온도가 900 ~ 950℃인 배기 매니폴드에 사용되는 것을 특징으로 하는, 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철.
삭제
청구항 1에 있어서,
700℃/60MPa에서의 크립 수명이 5000 시간 이상이면서 800℃/60MPa에서의 크립 수명이 500 시간 이상인 것을 특징으로 하는, 피로 수명 및 크립 저항성이 우수한 오스테나이트계 내열 주철.