KR20110057835A

KR20110057835A - 배기매니폴드용 페라이트 내열 주강재

Info

Publication number: KR20110057835A
Application number: KR1020090114405A
Authority: KR
Inventors: 신호철; 고영상
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-06-01

Abstract

본 발명은 배기매니폴드용 페라이트 내열 주강재에 관한 것이다.

본 발명인 배기매니폴드를 성형하는데 사용하는 페라이트 내열 주강재는 철(Fe) 72.05wt%~76.88wt%, 탄소(C) 0.4wt%~0.6wt%, 규소(Si) 0.5wt%~1.0wt%, 망간(Mn) 0.5wt%~1.0wt%, 니켈(Ni) 1.2wt%~1.8wt%, 크롬(Cr) 18wt%~20wt%, 니오브(Nb) 1.0wt%~1.5wt%, 텅스텐(W) 1.5wt%~2.0wt% 및 질소(N) 0.02wt%~0.05 wt%를 포함한다.

이와 같은 본 발명은 철(Fe)에 탄소(C), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 규소(Si), 망간(Mn), 니오브(Nb) , 텅스텐(W) 및 질소(N)를 첨가한 페라이트 내열 주강재를 사용하여 배기매니폴드를 성형함으로써 고온 강도와 내구성을 증대시킬 수 있고, 그에 따라 품질성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

배기매니폴드용 페라이트 내열 주강재{EXHAUST MANIFOLD FOR FERRITIC CAST STEEL}

본 발명은 배기매니폴드용 페라이트 내열 주강재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온 강도가 우수한 페라이트 내열 주강재로 배기매니폴드를 성형하여 내구성을 증대시킨 배기매니폴드용 페라이트 내열 주강재에 관한 것이다.

일반적으로 배기매니폴드(exhaust manifold)는 각 기통에서 배출되는 배출가스를 하나의 흐름으로 모으는 배기관을 일컫는다.

이러한 배기매니폴드는 실린더 헤드에서 나온 배기가스를 가장 먼저 받는 곳에 놓여져 있기 때문에 엔진의 출력에 따라 대단히 높은 열충격을 받는다.

이와 같은 배기매니폴드 상에는 엔진에서와 달리 냉각수 등의 쿨러가 없으므로 엔진의 가속시에는 800~900 ℃정도의 고온까지 올라가고, 엔진 정지시에는 주위의 공기 온도까지 급속도로 공냉된다.

이러한 과정을 하루에도 몇 번씩 반복해야되므로, 상기한 배기매니폴드의 열충격은 매우 가혹한 정도이며, 엔진 내 부품중에서 내구성이 크게 필요하다.

한편, 현재 배기매니폴드를 성형하는데 사용되는 재질은 고온 내산화 주철소 재로 FCD-HS 및 SiMo주철 등이 있다. 이러한 재질은 고온에서의 물성 향상과 내산화성을 위하여 기존 구상흑연주철재에 Si 성분, Mo 성분 등을 첨가하여 사용되고 있다. 이러한 내열 주철을 사용하는 배기매니폴드의 일반적인 온도범위는 약 630~760℃정도이며, 이를 배기가스 온도로 보면 약 700~800℃정도이다. 이 온도범위에서 위의 재질들은 75MPa 정도의 인장 강도를 가지며, 이 강도범위가 온도가 허용되는 사용영역이다.

그러나, 최근 자동차 출력 증대 및 배기규제의 강화에 따라 이를 만족시키기 위해 배기가스 온도가 지속적으로 상승되고 있으며, 이와 같은 배기가스 온도의 상승에 의해 배기매니폴드의 내구성이 약화되는 문제점이 있었으며, 그에 따라 배기매니폴드의 내구성 및 품질성 강화가 절실히 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 고온 강도가 우수한 페라이트 내열 주강재를 사용하여 배기매니폴드를 성형함으로써 내구성 및 품질성 증대시킬 수 있는 배기매니폴드용 페라이트 내열 주강재를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 배기매니폴드를 성형하는데 사용되는 페라이트 내열 주강재는 철(Fe) 72.05wt%~76.88wt%에 탄소(C) 0.4wt%~0.6wt%, 규소(Si) 0.5wt%~1.0wt%, 망간(Mn) 0.5wt%~1.0wt%, 니켈(Ni) 1.2wt%~1.8wt%, 크롬(Cr) 18wt%~20wt%, 니오브(Nb) 1.0wt%~1.5wt%, 텅스텐(W) 1.5wt%~2.0wt% 및 질소(N) 0.02wt%~0.05 wt%를 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 페라이트 내열 주강재는 철(Fe) 74.72wt%, 탄소(C) 0.45wt%, 규소(Si) 0.67wt%, 망간(Mn) 0.74wt%, 니켈(Ni) 1.48wt%, 크롬(Cr) 18.8wt%, 니오브(Nb) 1.35wt%, 텅스텐(W) 1.74wt% 및 질소(N) 0.05 wt%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명은 철(Fe)에 탄소(C), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 규소(Si), 망간(Mn), 니오브(Nb) , 텅스텐(W) 및 질소(N)를 첨가한 페라이트 내열 주강재를 사 용하여 배기매니폴드를 성형함으로써 고온 강도와 내구성을 증대시킬 수 있고, 그에 따라 품질성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명인 배기매니폴드용 페라이트 내열 주강재를 첨부된 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명인 페라이트 내열 주강재는 철(Fe)에 탄소(C), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 규소(Si), 망간(Mn), 니오브(Nb) , 텅스텐(W) 및 질소(N)가 첨가되어 고온 물성, 즉 고온 강도를 향상시킨 것으로, 이와 같은 고온 강도를 증대시킨 페라이트 내열 주강재를 사용하여 고온 강도가 우수하여 배기계인 배기매니폴드(100)를 성형하는 기술이다.

이와 같은 본 발명인 배기매니폴드(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 실린더 헤드에 연결되는 것으로, 고온 강도가 우수한 페라이트 내열 주강재로 성형되며, 상기 페라이트 내열 주강재는 주성분 철(Fe) 72.05wt%~76.88wt%에 탄소(C) 0.4wt%~0.6wt%, 규소(Si) 0.5wt%~1.0wt%, 망간(Mn) 0.5wt%~1.0wt%, 니켈(Ni) 1.2wt%~1.8wt%, 크롬(Cr) 18wt%~20wt%, 니오브(Nb) 1.0wt%~1.5wt%, 텅스텐(W) 1.5wt%~2.0wt% 및 질소(N) 0.02wt%~0.05 wt%를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 페라이트 내열 주강재는 바람직하게는 철(Fe) 74.72wt%, 탄소(C) 0.45wt%, 규소(Si) 0.67wt%, 망간(Mn) 0.74wt%, 니켈(Ni) 1.48wt%, 크롬(Cr) 18.8wt%, 니오브(Nb) 1.35wt%, 텅스텐(W) 1.74wt% 및 질소(N) 0.05 wt%를 포함하여 이루어진다.

즉, 본 발명의 페라이트 내열 주강재는 주성분인 철(Fe)에 화학성분 중 탄소(C), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 규소(Si), 망간(Mn), 니오브(Nb) , 텅스텐(W) 및 질소(N)가 첨가되어 조성함으로써 고온 물성을 증대시킬 수 있고, 기지를 페라이트로 하는 것은 오스테나이트 기지 대비 열팽창계수가 작으므로 고온에서 사용되는 재질에 크게 유리하며, 온도 상승 및 냉각 중에 펄라이트의 분해가 되어 상변태로 인한 팽창도 막을 수 있기 때문에 유리하다.

이하, 본 발명인 페라이트 내열 주강재의 화학성분을 설명하면 다음과 같다.

탄소(C) 성분은 용탕의 유동성, 즉 주조성을 개선하고, 니오브(Nb)와 공정탄화물을 생성해서 주조성을 높이는 작용을 한다. 이와 같은 작용을 효과적으로 발휘하기 위해 탄소(C)은 0.4wt%~0.6wt%로 제한하며, 바람직하게는 0.45wt%를 사용한다.

규소(Si) 성분은 본 발명의 주요원소로서 페라이트 주강에서 고온 인장강도 향상에 영향을 주고, 그의 함량은 0.5wt%~1.0wt%로 제한하며, 바람직하게는 0.67wt%를 사용한다.

망간(Mn) 성분은 함량 증가시 별도의 열처리 없이 응고 중 조직 내부에 미세분산상(dispersoid)가 형성되어 강도증가를 나타내며, 그의 함량은 과도하게 첨가되는 경우 연성 및 내식성이 저하되는 점이 있기에 0.5wt%~1.0 wt%로 제한하고, 바람직하게는 0.74wt%를 사용한다.

니켈(Ni) 성분은 내열주강에서 고온물성을 향상시키는데 첨가되는 대표적인 원소로 첨가시 고온에서는 강도뿐 아니라 연신율 및 연성을 증대시키는 데 큰 영향 을 주는 원소이며, 가격이 매우 고가이기에, 그의 함량을 1.2wt%~1.8wt%로 제한하며, 바람직하게는 1.48wt%를 사용한다. 이는 페라이트 내열 주강재의 고온물성의 향상에 필요한 최소 요구치이며, 여타의 내부식성 및 내열성의 보완은 상대적으로 경제적인 크롬(Cr)을 첨가하여 보완한다.

크롬(Cr) 성분은 내산화성에 기여하는 성분으로, 본 발명에서 상대적으로 적은 니켈(Ni)을 보완하여 니켈(Ni)과 유사한 고온 강도 및 물성을 향상시키는 역할을 수행한다. 이와 같은 크롬(Cr)은 니켈(Ni) 대비 원가가 약 20%~40%정도이므로 경제적으로도 매우 탁월한 배기매니폴드의 제작이 가능하다. 그의 함량은 18wt%~20wt%로 제한하며, 바람직하게는 18.8wt%를 사용하고, 이와 같이 제한하는 것은 기지조직을 페라이트로 안정화시키기 위해서이다.

니오브(Nb) 성분은 탄소(C)와 결합하여 미세한 탄화물을 형성해 고온에서 인장 강도를 증대시키며, 그의 함량은 1.0wt%~1.5wt%로 제한하고, 바람직하게는 1.35wt%를 사용한다.

텅스텐(W) 성분은 페라이트 기지을 강화하고, 고온에서 강도를 향상 효과를 가지며, 그의 함량은 1.5wt%~2.0wt%로 제한하고, 바람직하게는 1.74wt%를 사용한다.

질소(N) 성분은 탄소(C)과 같이 고온강도를 개선하고, 크롬(Cr)과 질화물 석출에 의한 취성을 막기 위한 것이며, 그 함량은 0.02wt%~0.05wt%로 제한하고, 바람직하게는 0.05 wt% 이하로 사용한다.

이와 같은 화학성분을 포함하는 페라이트 내열 주강재를 사용하여 배기매니 폴드(100)를 성형함으로써 내구성 및 고온 강도를 증대시킬 수 있어 실린더 헤드로부터 배기되는 배기가스에 의한 온도 변화에 따른 가옥상태에서도 균열 또는 변형 또는 파손을 방지할 수 있으며, 더불어 품질성을 증대시킬 수 있다.

[고온 강도 실험]

1. 본 실험은 본 발명인 페라이트 내열 주강재(이하, 본 시험편이라 한다.)와, 종래의 기술인 페라이트 내열 주강재(이하, 종래 시험편1 및 2라 한다.)를 사용하여 배기매니폴드를 각각 성형한 다음, 실린더 헤드에 장착하여 고온 인장강도를 실험한다.

2. 테스트 시험편

구분	화학성분(wt%)
구분	Fe	C	Si	Mn	Ni	Cr	Nb	W	N
본 시험편	74.72	0.45	0.67	0.74	1.48	18.8	1.35	1.74	0.05
종래 시험편1	74.72	0.51	0.74	0.67	1.54	20.0	1.82
종래 시험편2	74.14	0.45	0.66	0.66	1.41	21.2	1.48

3. 고온 인장실험 결과

상기와 같이 고온인장 실험 결과, 가혹한 배기매니폴드 모드인 재질 표면온도 800℃에서 종래 시험편1 및 2 보다 본 시험편이 가장 높은 고온 인장강도를 나타내고 있다. 이것은 텅스텐(W) 및 질소(N)가 고온강도 향상에 크게 기여한 결과이다.

도 1은 본 발명인 페라이트 내열 주강재로 성형된 배기매니폴드를 나타낸 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100: 배기매니폴드

Claims

배기매니폴드를 성형하는데 사용되는 페라이트 내열 주강재는 철(Fe) 72.05wt%~76.88wt%, 탄소(C) 0.4wt%~0.6wt%, 규소(Si) 0.5wt%~1.0wt%, 망간(Mn) 0.5wt%~1.0wt%, 니켈(Ni) 1.2wt%~1.8wt%, 크롬(Cr) 18wt%~20wt%, 니오브(Nb) 1.0wt%~1.5wt%, 텅스텐(W) 1.5wt%~2.0wt% 및 질소(N) 0.02wt%~0.05 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기매니폴드용 페라이트 내열 주강재.
청구항 1에 있어서,

상기 페라이트 내열 주강재는 철(Fe) 74.72wt%, 탄소(C) 0.45wt%, 규소(Si) 0.67wt%, 망간(Mn) 0.74wt%, 니켈(Ni) 1.48wt%, 크롬(Cr) 18.8wt%, 니오브(Nb) 1.35wt%, 텅스텐(W) 1.74wt% 및 질소(N) 0.05 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기매니폴드용 페라이트 내열 주강재.