특집 : 스테인리스강용접기술 Weld Properties of Ferritic Stainless Steels for Automotive Exhaust Manifolds Seung Gab Hong, Sang Ho Uhm and Won Bae Lee 1. 서론 최근자동차생산량증가와함께배기가스규제 차량경량화 부식환경이엄격한부위의장수명화등을목적으로최근 년간배기계부품의스텐인리스강적용이급격히증가되고있다 현재자동차 대당 정도사용되고있는스테인리스강중에서배기계용으로사용되는페라이트계스테인리스강이주종을이루며 이러한페라이트계스테인리스강의내열성 내부식성 내산화성및가공성등을향상시키기위한합금개발이적극적으로추진되고있다 아래표 은배기계부품별요구특성및적용강종을보여준다 배기계부품은엔진에가까운쪽부터배기매니폴더 프론트파이트 플렉시블파이프 촉매컨버터 센터파이프 메인머플러 테일파이프등으로구성되어있으며 그림 적용되는온도에따라약 이하에서사용되는저온용과 이상에서사용되는고온용으 로크게나눠진다 저온용의경우는기본적으로부품제조를위한가공성이요구되며 배기가스중에포함되어있는수분이응축하면서생기는응축수에의한내면부식및제설염등으로인한외면부식에대한저항성이요구된다 이에비해고온용의경우는엔진의각기통에서배출되는배기가스를모으고 정화하는역할을하는부품들로이루어져있으며 고온강도 열피로특성 고온산화특성및가공성등이주로요구된다 배기계부품의용접은크게파이프류제조를위한조관용접 부품용접및조립용접등으로구분된다 적용용접프로세스로는 등이있으며 최근에는용접생산성및품질향상을위해 및 적용이증가되고있다 본논문에서는배기계용으로사용되는페라이트계스테인리스강의용접부특성중최근이슈가되고있는용접부열피로특성 부식특성및가공성에대하여소개하고자한다 주요배기계부품의요구특성및적용강종 매우중요 중요 적용온도 고온산화 고온강도 피로강도 고온염해 내 외면부식성 가공성 주요적용강종 규격
Hot end Cold end( 6 ) Tail pipe Exhaust Manifold Main muffler Center muffler Center pipe Front pipe Flexible pipe Catalytic converter 배기계시스템구성 2. 용접부열피로특성 그림 는배기계부품중가장높은온도부위에사용되는배기매니폴더부품의외관사진을보여준다 이와같은배기매니폴더는주행중엔진으로부터배출되는배기가스가최초로모아지는부품으로써 주행패턴에따라부품표면온도가상온에서 이상까지주기적으로변화된다 이와같은반복적인열사이클에따라수반되는부품의수축과팽창은부품전체에걸쳐인장및압축응력을부가하게되며 이에따라엔진에근접한부품들은극심한열피로손상을받게된다 이러한부품에적용되는강종으로는 및 강등이있으며 표 복잡한배기매니폴더제작을위한가공성및고온기계적물성등이요구되고있다 그림 은공연비 에따른배기가스정화효율 그림 및배기가스온도변화 그림 를보여준다 그림에서보듯이 정화효율이가장우수한공연비값 부근 에서배기가스온도는최대가되는것을알수있다 따라서 최근에는환경규제강화에따라배기가스정화효율을향상시키기위해서배기가스온도를높이는방향으로엔진및배기계시스템을설계하고있으며 이는적용강종변화를유도하였다 즉 기존에 의낮은배기가스온도에서는 Low Cleaning ratio High Low High Rich 14.7 Lean burn Low Air-fuel ratio High Conventional Fuel economy improvement Max Output Max Theoretical air-fuel ratio Exhaust gas temperature Fuel consumption (fuel economy) Min 14.7 22 Rich Lean burn Low Air-fuel ratio High 공연비에따른배기가스정화효율및 배기가스온도변화 자동차배기매니폴더 혹은 강종들이주로사용되었으나 근년에는배기가스온도를 까지상승시키고있으며 이에따라 등을첨가하여고온인장특성및열피로특성을개선한페라이트계스테인리스강종들이개발및적용되고있다 일반적으로배기계부품 특히배기매니폴더의고온내구성은단품혹은배기계시스템전체로만들어져엔진에장착하여특정열사이클을모사하면서평가하게된다 그림 는이러한평가에서파단된배기매니폴더
열피로수명 N f (cycle) 1 3 Open : 모재 Solid : 용접부구속도.5 13Cr-1Si 43J1L 2Cr-2Mo 1 2 7 8 9 1 최고온도 T max ( ) 1.2 파단된배기매니폴더의 용접부단면및 파단면 부품의용접부단면및파단면을보여준다 그림에서 보듯이 배기매니폴더부품에서관찰되는대부분의균 열은용접비드토우부에서시작하여용접열영향부로진전 되는양상을나타내며 파단면에서관찰되는 패턴에서도알수있듯이 열피로손상에의한파단임 을확인할수있다 일반적으로열피로수명은모재든 용접부든관계없 이부품이받는배기가스온도가증가함에따라급격히 감소하는경향을나타내며 그림 이는온도상승 에의한모재및용접부의고온강도하락및고온에서 받는열피로손상에의한미세조직열화때문으로보고 된다 따라서 배기가스온도상승에따른적용강재 개발은 이상의고온에서받는열피로손상에견 딜수있도록고온강도를높이고 열피로에의한조직 열화를억제하는방향으로설계되고있다 그러나 파이프형태로제조된부품의열피로시험 결과 에따르면 동일한열사이클을받더라도 모재에 비해용접부열피로수명이 수준에머무는것을확 인할수있다 그림 이와같이용접부의열피로 수명이모재에비해현저히낮은이유로는용접부형상 및조직학적인영향등을생각할수있다 그림 은용접부형상에따른용접이음부열피로특 성평가결과를나타내는것으로 용접비드의토우부 이음부열피로수명 / 모재열피로수명 1..8.6.4.2 49L 13Cr-1Si 43J1L 2Cr-2Mo Solid : 구속도 =.5 Open : 구속도 = 1. 7 8 9 1 최고온도 T max ( ) 열사이클최고온도에따른 모재및용접부열피로특성및 모재대비용접부열피로수명저감계수 열피로수명 N f (cycle) 1 3 1 2 모재 : 13Cr-1Si T max =7, 구속도 =.5 외면비드제거 외면비드제거 외면 내면 미용입부존재 용접부열피로수명에미치는비드형상의영향
혹은미용입부와같은열사이클중받는인장 수축응력 이집중될수있는부위의존재로인해 이부위에서 응력집중계수값이증가하기때문에열피로특성이크 게저하됨을알수있다 재현용접열영향부에대한열피로특성을평가한결 과 에서도 용접비드각도및토우부의곡률반경이열 피로특성에매우큰영향을미치며 이는용접비드토 우부등과같은부위에서열피로시험시에발생하는응 력집중계수값이높기때문으로보고된다 이에비해용접에의한용접부조직변화는열피로특 성에큰영향을미치지않는것으로보고되고있다 즉 용접열영향부의결정립크기를변화시켜 열피로시험 을실시한결과 약 배가까운결정립크기차이에도 불구하고 열피로특성은통계적으로별다른차이를 나타내지않는것으로보고되고있으며 이는열피로 시험중시험편이받는변형으로인해 재결정이발생하 고또한고온피로손상및크립손상을동시에받기때 문으로추정된다 배기계부품용용접재료는기존에는 계의용 접재료를많이사용하고있으나 최근에는용접금속의 미세조직을제어하여고온강도를개선한용접재료개발 도보고되고있다 3. 용접부부식특성 앞서언급하였듯이배기계용소재는부품의노출온 도에따라내고온염해성및배가스응축수에대한내식성이요구되고있으며 특히 이온 등을포함하는응축수환경 하에서용접부의내입계부 식특성이요구되고있다 스테인리스강의입계부식은용접열영향부또는열처리 과정및사용중부적합한가열시결정립계에서우선적 으로석출하는 탄화물 질화물에의해형성되는결정 립계부근의 결핍현상때문에나타나는것으로알려 지고있으며 특히오스테나이트계스테인리스강에 비해 와 의고용도가낮고 확산계수가큰페라이트 계스테인리스강은입계부식감수성이크므로 그사용 에주의가필요하다 특히 저가이며 가공성이우수한안정화원소로서 를포함한 의 규정 은머 플러소재등으로널리사용되고있으나 용접열영향 부에서의입계부식발생사례가간혹보고되고있다 그림 은배기계부품간용접에주로사용되는 용접부열영향부에서발생한입계부식사례를보이고 있다 입계부식의방지를위해입계 탄질화물의석출저 용접부입계부식발생사례 열처리 시험 Nb, Ti, Nb+Ti(mass%).7.6.5.4.3.2 Nb, Ti 7(C+N)+.15.1 Nb 7(C+N)+.35 11~13% Cr 강 5 1h 열처리 Strauss 시럼 (6 ).1.2.3.4.5 C+N(mass%) 판두께 : 1.~1.2mm MAG 용접부 Spot 용접부 SUS41L 입계부식감수성에미치는 및 의영향 감을목적으로 소재메이커에서는고온에서안정한 또는복합탄질화물의생성을위한안정화비 상향 의저감을통한 탄질화물형성억제등의 노력을진행하고있다 그림 은 강의 및 용접부의내입계부식성에미치는 량과 량의영향을보여주는것으로 입계부식 방지를위해필요한 량은 량에따라다르 고 용접방법에따라서도그필요첨가량이다름을알 수있다 또한 용접공정측면에서 과같은안정화화 합물의재고용억제를위해 와같은저입열접합기술의적용이검토되고 있다 기술은아크열에의해저융점의 또는 계 를용융시켜접합하는기
Average grain size( μm ) 12 1 8 6 4 2 BM GMAB GMAW 및 용접부조직및용접열영향부결정립크기 술로 그림 의단면조직과 와의열영향부결정 립크기비교로부터알수있듯이 열영향부를최소화 할수있는접합기술로 향후적용가능성이높다 한편 안정화화합물의고용 탄질화물의석출은 사용온도에영향을받기때문에 앞서언급하였듯이 소재및접합기술측면에서의노력과함께 배기계부 품메이커에서도적용부위에대한환경을고려한소재 선정의노력이필요하며 이러한면에있어서 향후소 재및부품메이커의긴밀한협조가더욱요구된다 4. 용접부가공성 자동차배기계용페라이트계스테인리스강의용접부 가공성보증이필요한부분은각위치에적용되는 의 차가공성이다 자동차배기계용 의조관작업 은간단하게 절단 및용접단계로이루어 지며적용용접공정으로는 등 이있다 조관된 가자동차배기계부품으로서적 용되기위해서는 차가공 벤딩및확관 을거친후 부품과 를통해조립된다 조관된 를 특히저온 동절기 에서벤딩및확관가공을하는경 우 오스테나이트계스테인리스강과는다르게용접부에 서우선파괴가발생하는문제점이있다 페라이트계스테인리스강의용접부저온가공성이저 하되는요인은주로용접부결정립조대화및침입형 원소의영향때문이다 페라이트계스테인리스강은용 접및냉각하는동안주로단상응고하기때문에용접 금속부는물론열영향부에서결정립이조대화된다 또 한오스테나이트계스테인리스강에비해침입형원소인 등의고용한이낮기때문에용접과같은급냉시 과포화고용체로기지에존재하거나 탄화물들을만들 어용접부의가공성을극도로악화시킨다 그외에도 함량이낮은 와같은합금의경우는모 재내오스테나이트형성원소인 의함량이높거 나 이상 vtrs, C 2 15 1 5 용접시 및오염제거가 불량한경우냉각도중마르텐사이트상이생성되어용접 부를취화시킬수있다고알려져있다 이와같이용접 부에서발생하는결정립조대화 고용강화 석출경화 및취약상의생성은소재의취성파괴를조장하는인자 이며이러한취성파괴가상온에서도발생할수있게 한다 조관 의용접부가공성은소재의성분및용접공 정에따라크게영향을받기때문에성분의제어및적 절한용접공정의선택을매우중요하다고할수있다 그림 에서모재 함량에따른아크용접부저 온충격에너지의변화를나타내고있다 모재의 이높아질수록용접부의연성 취성전이온도 가 35 3 25 2 15 1-5 -5.1.2.3.4.5.6 Carbon + Nitrogen, % 5 vtrs, F 상온 이상으로상승하여용접부는상온에서도취성을나타낼 가능성이있다 따라서용접부의 를상온이하로 낮추기위해서는모재의 량을 이하로줄 여야한다 그림 은자동차용배기계 용도로사용되고있 는대표적강종들의 용접부온도에따른충격에너 지의변화를나타내고있다 그림에서알수있듯이합 금량이많아질수록 대부분의온 도에서용접부충격에너지가낮아지고 온도가 높아짐을알수있다 이는합금량이많아질수록침입 페라이트계스테인리스강의모재 량에따른용접부저온충격에너지변화
Impact energy(j) 24 2 16 12 8 4-7 -6-5 -4-3 -2-1 1 2 3 Temperature( ) 49L(11Cr-Ti) 439 (18Cr-Ti) 441(17Cr-Nb-Ti) 444(19Cr-Mo-Nb-Ti) 각각의페라이트계스테인리스강 용접부온도에따른충격에너지변화 충격흡수에너지 (J/cm 2 ) 25 2 15 1 5 Laser TIG 고주파 모재 -8-6 -4-2 2 시험온도 ( ) 용접공정및온도에따른페라이트계스테인리스강충격흡수에너지변화 형원소인 의고용한이더욱낮아져 에의한 고용강화효과가커지기때문이며 또한합금량이많아 질수록다양한석출물들이용접및냉각도중에생성되 어용접부인성을낮추고저온취성을조장한다 따라 서 와같이고합금페라이트계스테인리스강 의용접 의저온가공성을보증하기위해서는 등침입형원소함량을관리함을물론 그외강화효 과를일으키는원소즉 등의첨가범위의 제어도매우중요하다고할수있다 그림 는조관용접공정및용접부온도별페라이 트계스테인리스강의충격흡수에너지의변화를나타내 고있다 모재의경우취성을파괴를일으키지않고가 공을할수있는온도는약 였으며 레이저용접은 고주파 용접은 용접은약 임을알수있다 위그림에서알수있듯이레이저용 접부의가공성이타용접법에비해월등히높음을알 수있는데 레이저용접부가타용접부에비해용접비 드폭이매우좁고 용접부결정립미세하기때문이다 고주파 용접의경우용접생산성측면에서타공 정대비경제적이며 용접비드폭및결정립크기가레이 저용접부와거의유사수준이지만 계면용융후 공정시접합계면에게재물들이편석될 확률이크기때문에용접부가공성측면에서는레이저 에비해약간열위한결과를나타내고있다 용접 부는용접입열량이많아용접비드가넓고용접부결정 립이크기때문에용접부의저온가공성이열위하며 가공성보증을위해서는침입형원소의성분을극히낮 게제어하거나 용접부응고결정립을미세화시키기 위한성분제어가필요하다고알려졌다 현재배기계조관용접공정은생산성및품질특성을 고려하여고주파 용접이주를이루고있으며 저 합금페라이트계스테인리스강의단품용접은 용접 을주로적용하고있다 하지만품질보증연한증가및 경량화를위해고합금페라이트계스테인리스강의적용 이활발하게이루어지고있으며 이러한소재들은고주 파 로서품질보증에한계가있기때문에레이저 용접을적용하여품질을보증할수있다 따라서향후 에는배기계조관용접기술로서레이저의적용이매우 증가하리라예상할수있다 5. 맺음말 자동차배기계용페라이트계스테인리스강은다양한 온도 분위기에서사용되며 환경규제가강화됨에따라 요구되는물성또한엄격해지고있다 이에따라본논 문에서는배기계부품의용접부물성중에서특히최근 에이슈가되고있는열피로특성 부식특성 가공성을 중심으로관련기술을정리하였다 앞으로배기계부품 의품질을더욱더높이기위해서는철강사 부품사 용접재료사등의유기적인협력이더욱더절실히요구 될것으로사료된다 참고문헌 가와사키제철기보 신일본제철기보제 호 기보 년 월
스테인리스강고온특성과이용기술심포지엄 전기제강제권 호 철과 강 일신제강기보 조미자 최병진 김대룡 대한금속학회지 조미자 박상수 김대룡 한국부식학회지 포스코연구보고서 포스코연구보고서 홍승갑 년생 기술연구원 레이저용접 하이브리드용접 엄상호 년생 기술연구원 용접야금 제품용접 이원배 년생 기술연구원 마찰교반접합 계조관용접