KR0138198B1 - 고온 내산화성을 개선한 Si-Mn-Al-Ni-Cr 발열 저항선재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발열 저항선재 중 Ni-Cr계 전열선 제1종(NCH 1)을 개량한 것으로서, A1을 첨가하여 전기적 특성을 저해하지 않고 고온 내산화성을 높인 발열 저항선재에 관한 것이다. 이의 구성은 Ni과 Cr으로 이루어진 Ni-Cr계 발열 저항선의 조성물에 있어서, Si의 조성비율을 1.0-2.0 wt%, A1의 조성비율을 1.0-2.0 wt%, Mn의 조성비율을 1.0-2.0 wt%로 하고, Cr의 조성비율을 18-20 wt%, Ni의 조성비율을 Bal(Ballance)로 기본 조성함으로서 이루어지는바, 본 발명에서는 고온 내산화성의 효과가 적은 Fe와 C를 첨가하지 않는 대신 Al을 첨가하여 고온 내산화성을 증진시켰는 바, 이와 같이 하는 이유는 A1이 고온에서 장시간 또는 반복유지시 기지원소인 Ni와 화합물을 형성하여 미세하게 균일분산됨에 따라 고온 내산화성의 증진이 이루어지기 때문인 것으로, 이와같은 화합물은 일반적인 석출형 금속의 경우와 마찬가지로 전기적 특성을 저해 하지 않고 기지의 내산화성을 개선하는데 큰 역활을 담당하기 때문이다.

Description

고온 내산화성을 개선한 Si-Mn-Al-Ni-Cr 발열 저항선재

본 발명은 발열 저항선재에 관한 것으로, 특히 발열 저항선재 중 Ni-Cr계 전열선 제1종(NCH 1)을 개량한 것으로서, Al을 첨가하여 전기적 특성을 저해하지 않고 고온 내산화성을 높인 발열 저항선에 관한 것이다.

일반적으로 전열선이라 불리우는 발열 저항선은 크게 Ni-Cr계와 Fe-Cr계로 대별되며 용도에 따라 각종 저항기 및 발열선등에 사용되며 그 사용영역이 매우 다양하고 넓다. 일반적인 Ni-Cr계 발열 저항선의 경우에 있어서 단순 Ni-Cr 이원계 합금과 Ni-Cr계 전열선 제1종(NCH 1)등이 있는데, 단순 Ni-Cr 이원계 합금은 Cr 20-30 wt% 와 Ni 80-70 wt%의 이원계 합금을 사용하며, Ni-Cr 계 전열선 제1종(NCH 1)은 강도, 가공성 및 내식성등의 개선을 위하여 미량 첨가 원소들인 C, Si, Mn, Fe 등을 첨가시켜 표 1에 보인 바와 같은 조성물로 이루어진다.

이와 같이 된 조성된 Ni-Cr계 전열선의 경우, 그 사용온도가 대략적으로 1,200℃까지 이며, 이와같은 고온에서 그 사용처가 진공이거나 불활성 분위기 처리가 뒷따르지 않은 이상, 고온에서의 표면 산화가 발생하게 된다. 고온에서의 산화가 이루어지면 전열선의 단면적이 감소하게 되고, 이에 의해 저항의 증가가 초래되며, 따라서 단위면적당 전류량이 증가하게 된다. 전류량이 증가하면 발열량이 증가하게 되고 이는 다시 전열선의 고온 표면 산화를 촉진시키게 되는 악순환이 반복된다.

이와 같은 악순환에 의해 전열선의 단선이 유발될 뿐만 아니라 화재발생을 일으킬 수 있는 소지가 내재되어 있다. 그러므로 전열선의 고온 내산화성은 선재 자체의 수명과 가장 밀접한 관계를 가질 뿐만 아니라 사용 안전성 측면에서도 무척 중요한 의미를 갖는 특성 중의 하나인 것이다.

본 발명은 상기 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 내산화성 개선의 효과가 적은 Fe와 C를 첨가하지 않는 대신 Al을 첨가하여 고온 내산화성을 증진시키도록 함으로서, 전열선의 단선 및 화재발생 요인을 미연에 방지할뿐만 아니라 전열선의 사용연한에도 일조할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로, Ni과 Cr으로 이루어진 Ni-Cr계 발열 저항선의 조성물에 있어서, Si의 조성비율을 1.0-2.0 wt%, A1의 조성비율을 1.0-2.0 wt%, Mn의 조성비율을 1.0-2.0 wt% 로 하고, Cr의 조성비율을 18-20 wt%, Ni의 조성비율을 Bal(Ballance)로 기본 조성함으로서 달성된다.

이와 같이 본 발명을 각 실시예의 조성표에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 기본적인 Ni-Cr계 전열선의 기본원소인 Ni 및 Cr 외에 성능 개선을 위하여 미량의 합금원소인 Si, Al, Mn을 각각 1-2 wt% 조성한 것을 특징으로 한다.

Si의 경우, 종래의 Ni-Cr계 전열선 제1종에서는 함량을 0.5-1.5 wt%로 규정짓고 있으나, 표 5 및 표 6의 실시예 결과에서처럼 1.0 wt% 미만의 경우 내산화성 개선의 효과가 적고, 2.0 wt% 이상의 경우에는 가공이 용이하지 못하기 때문에 본 발명의 Si 첨가량을 1.0-2.0 wt%로 정하였다.

Mn의 경우, 종래의 Ni-Cr계 전열선 제1종에서는 함량을 2.5 wt% 이하로 규정짓고 있으나, 표 3 및 표 4의 실시예 결과에서처럼 2.0 wt% 이상의 경우에는 내산화성 개선의 효과가 적고, 1.0 wt% 미만의 첨가시에는 전기 비저항을 떨어뜨리는 등 좋은 결과 값을 나타내지 못하기 때문에 본 발명의 Mn 첨가량을 1.0-2.0 wt%로 정하였다.

이와 같이 하여 Si과 Mn의 조성량을 먼저 결정한 후, 이 조성에 알루미늄(Al)의 첨가량을 변화시켜 가면서 결정하였는 바, 내산화성을 기준으로 알루미늄(A1)의 조성비율이 1.0-2.0 wt%가 가장 적절함을 알 수 있었다.

상기 실험결과를 토대로 내린 최적 합금조성은 표 2에 보인 바와 같다.

본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 먼저, 일반적인 Ni-Cr계 전열선 및 Ni-Cr계 전열선 제1종의 고온 내화성과 또한 Mn 첨가량의 고온 내화성의 정도를 알아보기 위해 하기와 같은 실험을 실시하였다.

표 3에 보인 바와 같이 선정한 5종류의 합금을 진공유도 용해로에서 80×400Li ㎜로 용해, 주조한 후 12로 압출하였고, 이와같이 된 압출봉을 다시 5.5로 스웨이징(Swaging)하여 이를 3.2까지 신장하였다. 이 선재의 고온 내산화성을 알아보기 위하여 1,100℃ 대기중에서 1시간, 50시간, 100시간 및 200시간동안 유지한 후 경과시간에 나타난 시료의 상태중 산화로 인해 손상받지 않은 면의 직경을 측정하였다.

그 결과 표 4에 보인 바와 같이 M2의 고온 내산화성중 가장 뛰어남을 알 수 있다.

기타 조성이 일정한 가운데 Mn의 함유량만을 변화시킨 M1, M2, M3의 경우를 살펴보면, Mn 함유량이 1.5wt%의 경우가 가장 좋으며, 다음은 M1, M3의 순서임을 알 수 있다.

C와 Fe의 효능을 비교하기 위한 샘플인 Ni-Cr계 전열선 제1종(NCH 1)과 M3의 경우를 비교하면 그 효과면에서 큰 차이가 없으며 오히려 M3가 약간 나은 결과를 보여 주고 있고, Ni-Cr 전열선(NC)와 Ni-Cr계 전열선 제1종(NCH 1)을 비교하여 보면 후자가 전자의 경우보다 고온 내산화성이 더 낳은 것을 알 수 있다.

이와 같은 결과를 토대로 본 발명의 Mn 함량을 1.0-2.0 wt%로 정한 것이다.

상기와 같은 실험으로 Mn의 적정함량을 조사한 후, Si의 적정함량을 알아보기 위하여 표 5에 보인 바와 같이 선정한 3가지 합금중 S1과 S3를 선행 방법과 동일한 방법으로 용해, 주조한 후 가공하였고 S2는 표 3의 M2 선재로 대체하였다.

또한 각각의 시간동안 유지한 후 경과시간에 나타난 시료의 상태중산화로 인해 손상받지 않은 면의 직경을 측정하였다. 그 결과 표 6에 나타난 바와 같은 결과를 얻게 되었다.

이 결과에 의해 Si 함량과 고온 내산화성과의 관계를 살펴보면, 1.0wt% 미만의 Si를 첨가하였을 경우에는 내산화성의 개선이 적고, 2.0 wt% 이상의 경우에는 고온 내산화성 개선에 의한 이점보다는 난가공에 의한 불이익이 더 크기 때문에 본 발명에서는 Si의 함량을 1.0-2.0 wt%로 정한 것이다.

상기와 같은 실시예를 통해 결정된 S2 (M2)의 경우와 여기에 본 발명의 주 첨가원소인 Al의 함량을 변화시키면서 표 7에 보인 바의 3차 실험의 실시를 행하였다.

그 결과 표 8에 나타난 바와 같은 결과를 얻게 되었다.

이와 같은 결과를 토대로 살펴보면 Al의 1.5 wt%첨가시에 가장 뛰어난 고온 내산화성을 나타내었으며, Al의 1.0 wt% 미만이나 2.0 wt% 초과 첨가시에는 S2 (M2)의 경우보다는 뛰어나지만 두두러지는 개선이라 볼 수 없기에 본 발명의 Al 함량을 1.0-2.0 wt% 로 정한 것이다.

상기에서와 같은 실험 결과를 토대로 본 발명에서는 고온 내산화성의 효과가 적은 Fe와 C를 첨가하지 않는 대신 Al을 첨가하여 고온 내산화성을 증진시켰는 바, 이와 같이 하는 이유는 Al이 고온에서 장시간 또는 반복유지시 기지원소인 Ni와 화합물을 형성하여 미세하게 균일 분산됨에 따라 고온 내산화성의 증진이 이루어지기 때문인 것으로, 이와 같은 화합물은 일반적인 석출형 금속의 경우와 마찬가지로 전기적 특성을 저해하지않고 기지의 내산화성을 개선하는데 큰 역활을 담당하기 때문이다. 이와 같이 된 본 발명은 발열 저항선의 고온 내산화성을 증진시키도록 함으로서, 전열선의 단선 및 화재발생요인을 미연에 방지할뿐만 아니라 전열선의 사용연한에도 일조할 수 있도록 한 것이다.

Claims (2)

1. Ni과 Cr으로 이루어진 Ni-Cr계 발열 저항선의 조성물에 있어서, Si의 조성비율을 1.0-2.0 wt%, Al의 조성비율을 1.0-2.0 wt%, Mn의 조성비율을 1.0-2.0 wt%로 하고, Cr의 조성비율을 18-20 wt%, Ni의 조성비율을 Bal(Balance)로 기본 조성함을 특징으로 하는 고온 내산화성을 개선한 Si-Mn-Al-Ni-Cr 발열 저항선재.
2. 제1항에 있어서, Si, Mn, Al의 첨가량의 합이 4.0-5.0 wt%인 것을 특징으로 하는 고온 내산화성을 개선한 Si-Mn-Al-Ni-Cr 발열 저항선재.