[논문]자동차 배기계 플랜지용 16~19 wt.% 페라이트 주조용 스테인리스강 개발

장희진; 범원진; 박찬진

doi:10.5695/jkise.2009.42.2.079

자동차 배기계 플랜지용 16~19 wt.% 페라이트 주조용 스테인리스강 개발
Development of a (16~19)Cr Ferritic Cast Stainless Steel for a Flange Material of Automotive Exhaust Parts 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.42 no.2, 2009년, pp.79 - 85

장희진 (조선대학교 금속재료공학과) , 범원진 (전남대학교 신소재공학부) , 박찬진 (전남대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

We aimed to develop a Fe-($16{\sim}19$)Cr-($0.1{\sim}0.6$)Ti-($0.1{\sim}0.6$)Nb stainless steel for automotive exhaust parts with high corrosion resistance. The alloys with high Cr content showed high resistance to general corrosion and also localized corrosion. The increase of Ti and Nb contents resulted in a linear increase in the general corrosion resistance, while the pitting potential was improved by addition of these elements up to about 0.4 wt.%. The low-carbon Fe-17Cr-0.4Ti-0.4Nb alloy annealed at $850^{\circ}C$ and air-cooled was considered to be the optimum alloy for our purpose with the critical anodic current density of $247{\mu}A/cm^2$ in 0.05 M $H_2SO_4$ solution and the pitting potential of 310 mVSCE in 0.2 M NaCl solution.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

따라서 본 연구에서는 Cr의 함량을 16~19 wt.%로 하고 Ti과 Nb을 복합첨가한 Fe-(16~19)Cr-Ti-Nb 스테인리스강을 제조하고 산성 응축수 및 염수 환경에서 내식성을 평가하였다.
내식성이 우수한 중크롬 페라이트계 스테인리스강을 개발하기 위하여 0.05 M H2SO4 수용액 및 0.2 M NaCl 수용액에서 분극 시험을 통해 Fe-(16~19)Cr-(0.15~0.6)Ti-(0.15~0.6)Nb 페라이트 스테인리스강의 균일부식저항성 및 공식저항성을 각각 조사하였다.
또한 0.5 M H2SO4+10 ppm KSCN 수용액에서 modified double loop EPR(electr℃hemical potentiokinetic reactivation) 시험1)을 실시하여 Cr, Ti, Nb 함량에 따른 입계 예민화도를 조사하였다.
본 연구는 실험실에서 제조한 고순도 합금을 사용한 부식 시험을 통해 최적 조성을 결정하고 그를 바탕으로 현장 대용량 주조를 통해 제조한 합금의 성능을 평가하는 두 단계로 진행하였다.
부식 특성 평가를 위한 시편은 에폭시 수지로 마운팅하고 SiC 연마지로 2000 grit까지 연마한 후 약 0.5 cm2 내외의 면적을 남기고 실리콘 실런트로 실링(sealing)하였다.
5 cm² 내외의 면적을 남기고 실리콘 실런트로 실링(sealing)하였다. 분극 실험은 시편을 작업전극(working electrode), Pt 선을 보조전극(counter electrode), 포화 칼로멜 전극(SCE, saturated calomel electrode)을 기준전극(reference electrode)으로 하는 통상적인 3전극 전기화학 셀을 사용하여 수행하였고 전위 주사 속도는 1 mV/s로 하였다.
실험 합금에 대하여 질소로 탈기한 상온의 0.05 MH₂SO₄ 수용액과 0.2 M NaCl 수용액에서 분극 실험을 수행하여 Fe-(16~19)Cr-Ti-Nb 합금의 균일 부식 저항성 및 국부 부식 저항성을 평가하였다. 또한 0.
실험실 제조 합금을 사용하여 0.05 M H2SO4 수용액에서 측정된 임계양극전류밀도(icrit, critical anodic current density)와 0.2 M NaCl 수용액에서 측정된 공식 전위(Epit, pitting potential)에 미치는 합금 원소 Cr, Ti, Nb의 영향을 반응표면분석법에 의하여 분석함으로써 목표값(icrit < 1200 µA/cm2, Epit> 250 mVSCE)를 만족하는 최적 조성을 선정하였고, 이를 포함한 5가지 조성의 주물을 Y블럭 형태로 현장에서 제조하였다.
주조 시 출탕 온도는 1650~1680℃, 주입 온도는 1580℃로 하였으며, 시편 1~4는 900℃에서 30분간 열처리 후 수냉하고 2'는 860℃에서 1시간 열처리하여 500℃까지 로냉 후 공냉하거나 860℃에서 30분간 열처리하고 공냉하였다. 주조된 Y블럭으로부터 시편을 채취하여 실험실에서 진공아크용 해를 통해 제조한 시편과 같은 조건에서 부식 실험을 수행하여 내식성을 평가하였다.

이론/모형

6 wt.%로 하여 반응표면분석법(RSM, response surface methodology)을 통해 결정하였다. 반응표면 분석은 MINITAB 소프트웨어를 이용하여 수행하였으며 중심합성계획법(완전)을 적용하였다.
%로 하여 반응표면분석법(RSM, response surface methodology)을 통해 결정하였다. 반응표면 분석은 MINITAB 소프트웨어를 이용하여 수행하였으며 중심합성계획법(완전)을 적용하였다. 이에 따른 합금의 조성은 중심점 반복 실험을 포함하여 표 1과 같으며, 시편은 진공아크용해(vacuum arc melting)를 통해 제조하였다.

성능/효과

4 wt.% 이상으로 증가할 경우 공식전위가 오히려 감소할 수 있는 것으로 나타났다.
4 wt.%를 초과하여 더 증가하더라도 예민화도가 더 낮아지지 않음을 알 수 있었다. 시편 2'의 예민화도는 0.
0.2 M NaCl 수용액에서 부식전위는 −0.4~−0.8 VSCE 정도였으며 부식전위로부터 공식 발생 전까지 부동태 거동을 나타내었다.
6)Nb 페라이트 스테인리스강의 균일부식저항성 및 공식저항성을 각각 조사하였다. Cr, Ti, Nb의 함량이 높을수록 균일부식 저항성이 향상되었으며, 공식저항성은 Cr의 함량이 높을수록 높게 나타나고 Ti 및 Nb의 함량이 약 0.4 wt.% 이하에서 증가할수록 증가하였다.
이를 반응표면분석법에 의하여 분석한 결과 임계전류밀도(i_crit)의 경우에는 선형 모델, 공식전위(E_pit)의 경우에는 완전 2차 모델이 적합한 것으로 나타났다. 그림 4와 5는 반응표면분석 모델에 근거하여 합금원소 Ti, Cr, Nb이 i_crit와 E_pit에 미치는 영향을 나타낸 등고선이다.
그림 4와 5는 반응표면분석 모델에 근거하여 합금원소 Ti, Cr, Nb이 i_crit와 E_pit에 미치는 영향을 나타낸 등고선이다. 임계양극전류밀도는 Cr, Ti, Nb의 함량이 높을수록 감소하는 경향을 보였다. 공식전위는 Cr의 함량이 높을수록 증가하였으나 Ti 및 Nb의 경우에는 그 함량이 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주철, 용융 알루미늄 도금강판이 배기계용 소재로 쓰일 때의 단점은?	과거에 자동차 배기계용 소재로는 주철, 용융 알루미늄 도금강판 등이 흔히 사용되었다. 그러나 이들 소재는 배기가스가 냉각되면서 머플러 내부에 생성되는 산성 응축수에 의한 내부 균일 부식 및 겨울철 제설작업을 위해 도로에 살포되는 제설염에 의하여 발생하는 외부 국부 부식에 약하다. 따라서 최근 북미시장을 중심으로 머플러(muffler)에 대해 10년, 10만 마일의 사용을 보증하는 등 높은 내구성을 요구하는 자동차 산업의 추세로 볼 때 기존의 배기계 소재는 내식성이 우수한 스테인리스강 등의 고내식 소재로 대체될 필요가 있다.
	과거 자동차 배기계용 소재로 무엇이 쓰였나?	자원 고갈, 환경 문제 등이 세계적인 문제로 부각되면서 연비가 높고 내구성이 우수한 친환경적 자동차 소재 개발의 중요성이 높아지고 있다. 과거에 자동차 배기계용 소재로는 주철, 용융 알루미늄 도금강판 등이 흔히 사용되었다. 그러나 이들 소재는 배기가스가 냉각되면서 머플러 내부에 생성되는 산성 응축수에 의한 내부 균일 부식 및 겨울철 제설작업을 위해 도로에 살포되는 제설염에 의하여 발생하는 외부 국부 부식에 약하다.
	기존의 배기계 소재는 무엇으로 대체되는 것이 바람직한가?	그러나 이들 소재는 배기가스가 냉각되면서 머플러 내부에 생성되는 산성 응축수에 의한 내부 균일 부식 및 겨울철 제설작업을 위해 도로에 살포되는 제설염에 의하여 발생하는 외부 국부 부식에 약하다. 따라서 최근 북미시장을 중심으로 머플러(muffler)에 대해 10년, 10만 마일의 사용을 보증하는 등 높은 내구성을 요구하는 자동차 산업의 추세로 볼 때 기존의 배기계 소재는 내식성이 우수한 스테인리스강 등의 고내식 소재로 대체될 필요가 있다.

참고문헌 (2)

M. K. Ahn et al., Corrosion 51 (1995) 441

상세보기
A. John Sedriks, Corrosion of Stainless Steels, John Wiley & Son Inc., 1996

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