15wt% Cr 페라이트계 스테인리스강 용접 열영향부에서 열피로 특성에 미치는 합금원소의 영향

Abstract

최근 자동차 생산량 증가와 그에 따른 배기계 부품의 장기품질 보증화, 경량화 및 배기가스 규제강화 등으로 인해 페라이트계 스테인리스강의 수요가 크게 증가하고 있다. 최고온도가 900℃까지 올라가는 배기계 매니폴드에 사용되는 강재는 고온강도, 고온산화성과 함께 고온 열피로 특성이 요구되며, 이를 위해 고Cr계 스테인리스강에 Nb, Ti, Mo 등이 첨가된 고온용 400계 스테인리스강이 개발되고 있다. 또한 자동차 배기계의 열피로 수명에 영향을 미치는 인자로는 강재 자체의 물성과 함께, 열피로 균열이 발생한다고 보고되고 있는 용접 열영향부의 물성이 있으며, 그 이외에 차체와의 결합, 즉 물리적 구속력의 크기가 열피로 균열 및 제품의 수명에 직결된다고 볼 수 있다. 본 연구에서는 자동차 배기계에 적용되는 이종용접부의 미세조직 및 기계적 특성평가와 더불어 페라이트계 스테인리스 스틸의 열영향부에서의 열피로 특성평가를 통한 배기계용 페라이트계 스테인리스 스틸의 개발에 필요한 합금성분의 영향을 분석하였다. Nb를 합금원소로 첨가 시에는 Nb에 의한 고용강화효과와 Nb 탄화물 형성에 따른 pinning 효과에 의해 고온 강도가 증가됨을 알 수 있었다. 하지만 반복적인 열사이클에 따라 고용되어 있던 Nb가 석출물을 형성함에 따라 고용량이 감소하게 되며, 고용강화효과가 떨어지게 된다. 또한 cycle이 증가될수록 고온 열피로 수명에 큰 악영향을 미치는 것으로 보고되고 있는 M6C의 석출도 이루어져, 라베스상의 조대화와 함께 열피로 특성을 열화시키게 된다. 열피로에 의한 crack은 평균 200cycle에서 시작되었다. 크랙은 notch 주위에서 primary 과 secondary crack으로 관찰되었으며 입계에 존재하는 조대화된 석출물에 의한 입계 취성파괴의 형태로 생성되며, 입계에 Mn 및 Cr 산화층이 생성되어 더욱 심화된다. 열피로 cycle이 진행될수록 크랙은 시편 내부에 스트라이에이션을 생성시키면서 입내전파의 형태로 진전되게 되며, 응력집중에 의해 시편 내부에 생성되어 조대화된 cavity와 만나면서 급격히 진전되어 최종적인 파단에 이르게 된다. W이 첨가 될 경우 라베스상을 안정화 시켜 열피로 수명에 악영향을 미치는 것으로 보고되고 있는 M6C가 관찰 되지 않았다. 그리고 라베스상울 구성하는 W atomic 분율을 증가 시켜 안정화된 석출물이 열 사이클이 진행됨에 따른 석출물의 조대화 속도를 감소 시켜 모재내의 고용강화효과를 유지하여 열피로 수명이 증가하게 된다. Nb 비교 강재의 열피로 수명은 0.4%Nb 로 Nb 함량 증가시 열피로 수명은 증가되었으나 0.5%Nb 첨가 시에는 열피로 수명을 향상 시키진 않았다. Nb 첨가 시에는 (Nb,Ti)C 석출에 따른 pinning 효과에 의해 결정립 성장을 억제시키는 반면, 라베스상을 구성하는 W at.%가 감소됨에 따라 라베스상의 고온안정화 효과가 감소됨으로써 라베스상의 크기를 증대시키는 결과를 보였다. 즉, 3.6wt% W 첨가 조건에서, W의 라베스상 안정화 효과와 (Nb,Ti)C 석출물의 pinning 효과를 고려할 때, 0.3, 0.4, 0.5 wt% Nb 첨가의 경우 0.4 wt% Nb 첨가 재료의 열피로 특성이 가장 좋은 것으로 판단되었다. V 첨가시 Nb, Ti에 의해 먼저 생성된 석출물에 의해 VC가 생성되지 않아 VC에 의한 결정립 성장 억제 효과는 기대하기 힘들었지만 약간의 V 고용강화효과로 인해 고온 열피로 수명이 다소 증가함을 알 수 있었다.|In the present study, the effects of Nb, W, and V alloying elements on the thermal fatigue properties of the ferritic stainless steel weld heat affected zone (HAZ) were investigated. Simulation of the weld HAZ and thermal fatigue testing were carried out using a metal thermal cycle simulator (MTCS) under a complete constraint force in the static jig. The fatigue life during cyclic heating and cooling in the temperature range of 200 to 900°C was strongly related not only to precipitation and coarsening of MX type and Laves precipitates but also to the Nb content in the solid solution and grain coarsening. Primary and secondary fatigue crack initiated from the notch of the specimen at around 60% of life cycles due to the coarsened particles and grain boundary oxidation. As fatigue cycle increases, transgranular crack propagated toward the center of the specimen and finally fracture finished by merging with the spontaneously formed and coarsened cavities in the specimen during thermal cycle. The effects of increasing Nb content showed that grain growth was impeded by (Nb,Ti)C precipitates on the grain boundaries but also that Laves phase coarsening occurred in the ferrite matrix during thermal fatigue cycles due to the decrease of the W mole fraction in the Laves phase. The thermal fatigue life increased with the addition of Nb due to the effect of grain boundary pinning rather than the degradation of solid solution strengthening by Laves phase coarsening. The dissolution temperature of the Laves phase increased with the addition of W due to the increase of the W mole fraction in the Laves phase. The stabilized Laves phase contributed to thermal fatigue life because M6C type precipitates that degrade thermal fatigue resistance were not formed. Therefore, the addition of W enhanced thermal fatigue life. No significant differences were observed after V addition. No MX type carbides appeared and the mole fractions of alloying elements in the Laves phase were not affected. Thus, thermal fatigue life was slightly increased due to the effects of V solid solution strengthening.; In the present study, the effects of Nb, W, and V alloying elements on the thermal fatigue properties of the ferritic stainless steel weld heat affected zone (HAZ) were investigated. Simulation of the weld HAZ and thermal fatigue testing were carried out using a metal thermal cycle simulator (MTCS) under a complete constraint force in the static jig. The fatigue life during cyclic heating and cooling in the temperature range of 200 to 900°C was strongly related not only to precipitation and coarsening of MX type and Laves precipitates but also to the Nb content in the solid solution and grain coarsening. Primary and secondary fatigue crack initiated from the notch of the specimen at around 60% of life cycles due to the coarsened particles and grain boundary oxidation. As fatigue cycle increases, transgranular crack propagated toward the center of the specimen and finally fracture finished by merging with the spontaneously formed and coarsened cavities in the specimen during thermal cycle. The effects of increasing Nb content showed that grain growth was impeded by (Nb,Ti)C precipitates on the grain boundaries but also that Laves phase coarsening occurred in the ferrite matrix during thermal fatigue cycles due to the decrease of the W mole fraction in the Laves phase. The thermal fatigue life increased with the addition of Nb due to the effect of grain boundary pinning rather than the degradation of solid solution strengthening by Laves phase coarsening. The dissolution temperature of the Laves phase increased with the addition of W due to the increase of the W mole fraction in the Laves phase. The stabilized Laves phase contributed to thermal fatigue life because M6C type precipitates that degrade thermal fatigue resistance were not formed. Therefore, the addition of W enhanced thermal fatigue life. No significant differences were observed after V addition. No MX type carbides appeared and the mole fractions of alloying elements in the Laves phase were not affected. Thus, thermal fatigue life was slightly increased due to the effects of V solid solution strengthening.