KR100337714B1 - 철기본오스테나이트계합금 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스텔라이트(Stellite) 1 및 6과 같은 기존의 코발트 기본 합금에 비하여 코발트 함량이 상당히 감소되고, 표준 절삭법을 사용할 경우 절삭가능하고, 기밀 균열 패턴의 경질 표면 또는 활면으로 침착시킬 수 있으며, 냉각시 응력균열하지 않고, 핵발전소에서 장시간 작업자의 방사선 노출을 상당히 감소시키고, 스텔라이트 1 및 6과 같은 코발트 기본 합금보다 경도가 우수하며, 마찰계수가 작고 금속 대 금속의 마모 손실과 침식 손실이 적은 오스테나이트계 합금을 제공한다. 합금 함량은 약 38.0 내지 62.0중량%이고 코발트 함량은 약 3.00 내지 9.00중량%이다.

Description

철 기본 오스테나이트계 합금
본 발명은 공업용 장치의 부품에 내마모성, 내침식성 및 내부식성 표면을 제공하는 내마모성 코발트 함유 합금 분야에 관한 것이다.
코발트 함유 경화육성 합금(Cobalt bearing hardfacing alloys)이 공업 분야에서 마모 표면을 보호하기 위해 사용된다. 현재 사용 중인 코발트 기본 합금 중에서 스텔라이트(Stellite, 제조원: Stoody Deloro)가 가장 통상적이지만 이는 매우 고가이고 통상의 방법 및 공정에 사용할 경우 기계가공할 수 없다. 코발트 함유 표면 합금은 갤링(galling) 및 공동 침식(cavitation erosion)에 대해 내성이 양호하고 내마모성 및 내부식성이 적당히 양호하며, 당해 합금을 적용시키는 데 가장 흔히 사용되는 공정인 플라즈마 전이된 아크 용접, 가스-텅스텐-아크 용접 및 가스-금속-아크 용접에 의한 용접성이 우수하다. 이러한 합금은 경화육성에 의해 내마모성 표면을 제공한다. 이러한 합금은 또한 핵발전소 설비의 마모 표면을 보호하는데 사용되지만, 이는 설비 유지 작업자가 겪는 방사능 노출의 80% 가까이를 차지하는 원인이 되기도 한다.
코발트 기본 합금에 관한 추가 정보는 코발트 비함유 표면육성(Surfacing)합금을 논의하고 있는 문헌에 기재되어 있다[참조: "The Search for Cobalt-Free Hardfacing Alloys",Welding Design & Fabrication, July,1989, pp. 46-49].
합금으로 표면을 경화육성시키는 바람직한 방법은, 미국 특허 제3,076,888호에서 제시하고 있는 바와 같이, 합금 분말과 와이어 또는 용극을 용접 아크에서 함께 용융시키는 동시에 기판 또는 부품의 표면 일부를 용융시키면서 이들을 기판 또는 부품에 용접시켜 용착시키는 벌크웰드(bulkweld) 방법을 사용한다. 경화육성에 관해 기술하고 있는 기타 문헌으로는 미국 특허 제3,000,094호, 제3,060,307호, 제 3,062,948호, 제3,407,478호, 제3,494,749호, 제3,513,288호, 제3,517,156호, 제 3,588,432호 및 제3,609,292호가 있다.
현재 통상적으로 사용되고 있는 것보다 코발트 함량이 훨씬 적어, 보다 통상적인 코발트 기본 합금에 비해 실질적으로 저렴한 경화육성용 합금, 즉 단가가 기타 코발트 기본 합금 단가의 약 1/2 내지 1/3이며 기존에 통상적으로 사용하던 코발트 기본 합금의 경우 1차 카바이드를 함유함으로 인해 기계가공되는 것이 불가능했던 표준 공구 및 장치에 의한 그 자체의 기계가공이 가능한 합금을 제공하는 것은 매우 유리할 것이다. 본 발명의 합금은 1차 카바이드를 함유하지 않는다.
본 발명은 스텔라이트와 같은 기존의 고함량의 코발트 기본 합금에 비해 우수한 장점을 갖는, 즉 단가면에서 기존의 코발트 기본 합금 단가의 약 1/2 내지 1/3로 감소되고, 다른 합금과는 달리, 표준 공구 및 장치에 의한 기계 가공을 고려하지 않는 1차 카바이드를 함유하지 않아서 그 자체가 표준 공구 및 장치에 의한 기계가공이 가능하며, 설비 작업자들에 대한 방사선 노출을 실질적으로 감소시키는합금을 제공한다. 유리하게는, 당해 합금을, 전술한 특허에서 제시되었거나 현재 통상 사용하고 있는 바와 같이, 소모 전극의 용접 아크에 보충 분말 용가재가 부가되는 소위 "벌크웰드(bulkweld)" 방법[당해 벌크웰드 방법에는 오픈 아크(open arc) 방법과 서브머지드 아크(submerged arc) 방법 둘 다 포함된다]으로 처리할 수 있다. 당해 내마모성 합금은 공업용 부품, 및 완제품의 일부 또는 부품을 주조할 수 있는 것을 표면육성하는데 적합하다.
본 발명의 합금은 철을 기본으로 하고 크롬, 니켈, 몰리브덴, 망간 및 규소와 약 9중량% 이하의 코발트를 포함하는 합금 원소 38.0 내지 62.0중량%로 이루어지며 다른 불순물을 포함할 수 있는 완전한 오스테나이트계 합금(austenitic alloy)이다. 당해 합금은 기존의 코발트 기본 합금에 비해 용접성이 있고 표준 기계성형방법으로 용이하게 기계성형할 수 있으며, 전형적으로는 0.005in의 촘촘한 균열 패턴으로 침착시키며, 필수적으로 "균열이 없이(crack free)" 제조될 수 있다.
완제품의 일부 또는 부품의 경화육성에 모두 바람직한 본 발명의 합금은 탄소 0.02 내지 0.80중량%, 망간 0.05 내지 3.00중량%, 규소 2.00 내지 3.00중량%, 크롬 20.00 내지 30.00중량%, 몰리브덴 5.00 내지 9.00중량%, 니켈 7.0 내지 9.00중량% 및 코발트 3.00 내지 9.00중량%과 잔여량의 철 및 기타 부수적인 불순물을 포함한다.
따라서, 본 발명의 목적은 코발트 함량을 크게 감소시키고 기존의 경화육성용 코발트 합금(예:스텔라이트 1 및 스텔라이트 6)보다 우수한 특성을 갖는 합금을제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 합금 단가가 기존의 경화육성용 코발트 합금(예:스텔라이트 1 및 스텔라이트 6) 단가의 약 절반 이하로 실질적으로 감소된 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 용접 및 벌크웰드 방법에 의해 공업용 부품에 이의 표면으로서 당해 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 상당한 비용 절감 이외에 기타 코발트 함량이 높은 합금 또는 1차 카바이드를 함유하는 합금으로는 불가능한 표준 공구 및 장치에 의해 그 자체가 기계성형될 수 있는 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 플럭스 코어드 와이어(flux cored wire)를 사용하거나 주조될 수 있고 피복 아크 용접법(통칭 SMAW)에 사용하도록 플럭스제가 피복되어 있는 전극을 사용하여 벌크 용접법에 의해 표면에 용접될 수 있는 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 크기가 0.005in인 촘촘한 균열 패턴을 갖거나 균열이 없거나 평활한 표면을 갖는 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 로크웰 C 경도가 30 내지 52Rc인 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 금속 대 금속의 마모 특성이 양호하고 기존의 코발트 기본 합금(예:스텔라이트 1 및 스텔라이트 6)보다 마찰계수가 작은 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 승온, 즉 1400 내지 1600°F에서 합금 조성물의 다이아몬드 포인트 경도가 각각 225 내지 260 및 120 내지 200의 범위로 판독되는 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 표면에 용접시킬 경우 냉각 도중 응력 균열(stress cracks)이 형성되지 않는 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 기타 추가 목적, 양태 및 장점은 본원의 명세서 및 특허청구의 범위 전반에 걸쳐 나타나며, 또한 이러한 목적, 양태 및 장점은 본 발명의 고유한 것들이다.
본 발명의 합금은 철을 기본으로 하고 크롬, 니켈, 몰리브덴, 망간, 규소, 탄소 및 감소된 양(약 3 내지 9중량%)의 코발트를 포함하는 합금 원소 약 38.0 내지 약 62.0중량%, 바람직하게는 약 42 내지 44중량%로 이루어진 완전한 오스테나이트계 합금이다. 당해 합금의 로크웰 C 경도는 약 30 내지 52Rc로 판독된다. 본 발명의 합금은 금속 대 금속의 마모 특성이 우수하고 기존의 코발트 기본 합금(예:스텔라이트 1 및 스텔라이트 6)보다 마찰계수가 작은 합금을 제공한다. 승온, 즉 1400 내지 1600°F의 온도에서 당해 합금 조성물의 다이아몬드 포인트 경도 범위는 각각 약 225 내지 260 및 120 내지 200이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 합금은 기존의 코발트 기본 합금보다 용접성이 좋고, 통상의 방법과 공정으로는 기계가공되지 않는 1차 카바이드를 함유하지 않기 때문에 기타 코발트 합금(예:스텔라이트 1 및 스텔라이트 6)으로는 불가능한 표준 기계가공법을 사용하여 기계가공할 수 있다.
침착된 당해 합금은 0.005in 이상의 촘촘한 균열 패턴을 가지며, 필요한 경우, 평활면으로서 균열이 없을 수 있다. 당해 합금은 냉각 도중 응력 균열되지 않으며 나비형 밸브 시트(seat) 및 디스크와 같은 표면의 밀봉을 제공하는 이점이 있다.
전술한 바와 같이, 바람직한 제조방법은 상기한 특허에서 제시한 바대로, 합금 분말과 와이어를 용접 아크에서 함께 용융시키는 동시에 기판의 일부를 용융 시키면서 이들을 기판에 용접시켜 용착시키는 벌크웰드법을 이용한다. 필요한 경우, 금속 코어 내에 충분한 양의 분말상 화학물질을 함유하는 플럭스 코어드 와이어를 사용할 수도 있다. 피복 아크 용접법에 사용하도록 플럭스제가 피복되어 있는 주조된 전극을 사용할 수도 있다. 또한 본 발명의 합금으로 완제품의 일부를 주조할 수 있다.
본 발명의 합금은 미끄럼 밸브, 개폐 밸브, 나비형 밸브 및 기타 조절 밸브의 내부 부품 재료로 사용하기에 적당한 높은 내침식성을 띤다. 이는 유동화된 촉매 분해 단위에서 밝혀졌듯이, 승온에서 침식으로부터 보호하고자 하는 부품에 사용할 수 있다. 또한, 당해 합금은 밸브 몸체 뿐만 아니라 가이드(guide), 디스크, 라이너(liner), 오리피스 플레이트(orifice plate)와 같은 밸브 부품을 보호하는데도 적합하다. 당해 합금은 또한 압력 및 온도 측정 기구의 침식 방지용으로 사용되는 에어 그리드 노즐(air grid nozzles), 온도계 보호관(thermowell)과 같은 기타 부품의 보호에도 유리한데, 현재까지는 이러한 부품의 보호를 위해 통상적으로 스텔라이트 1 및 스텔라이트 6과 같은 코발트 기본 합금을 사용하였다.
당해 합금의 기타 용도는, 당해 합금이 기존에 사용하던 합금보다 코발트 함량이 낮다는 장점이 있다는 점에서 핵발전소에서의 용도, 또한 공동 마모로부터 장치를 보호하기 위해 기존에는 코발트 함량이 높은 합금을 사용하던 수력 발전소에서의 용도를 포함한다.
다음 실시예는 전술한 특성이 있는 본 발명에 따른 합금의 대표적인 특정 실시예이다. 모든 %는 중량%이다.
[실시예 1]
본 실시예에서, 당해 합금은 합금 원소들의 총 함량이 약 42%이고 평활한 표면을 가지며 질적으로 우수한 접합을 나타내고 냉각시에는 응력 또는 균열을 갖지않는다. 표면으로부터 1/16in 아래인 지점에서의 당해 합금의 경도는 46.5, 46.0 및 46.0(HRc)이다.
분말 대 와이어의 비를 1:1로 하여 전극의 직경이 3/32in인 서브머지드 아크에 의해 합금을 경화육성시킨다. 진폭은 1 내지 3/8in이고 진동 주파수는 50osc./min이며 전극의 길이는 1 내지 1½in이다. 450amps, 33volts를 사용하여 합금을 용접하고 용접 주행 속도는 8in/분이다.
상기한 특성 이외에 경화육성용 합금은 승온에서 밸브 가이드(Valve guide)및 디스크용의 양호한 접합면을 제공한다. 당해 경화육성용 합금의 경도는 스텔라이트 1 및 스텔라이트 6보다 크고 70 내지 1600°F의 양호한 고온 경도를 나타낸다. 또한, 스텔라이트 1 및 스텔라이트 6보다 마찰계수가 작으며 금속 대 금속의 마모 손실이 적고 침식 손실이 적다.
[실시예 2]
(부수적 불순물을 포함함)
당해 합금의 로크웰 C 경도는 최상부에서 23.0, 25.0, 26.5 및 23.0HRc이고, 표면으로부터 1/16in 아래인 곳에서는 30.0, 30.5, 31.0, 29.5HRc이며 접합선에서는 23.0, 25.0, 26.5, 23.0HRc이다.
당해 합금은 상기 언급된 특성치를 갖는다.
[실시예 3]
[실시예 4]
스텔라이트 6 0.770
시험 표본은 플럭스 코어드 용접법을 사용한 철 기판 위의 단층 침착물이다.
[실시예 5]
[실시예 6]
고속 저에너지 마모로 인한 경화육성된 합금의 침식 손실
시험은 미끄럼 밸브를 사용하여 경화육성된 3개의 샘플에서 수행한다. 개선된 ASTM C-704 침식 시험기를 사용하여 시험한다. 정상 시험 시간 7.5분을 15분으로 변화시키고 마찰 매질을 1,000g에서 2,000g으로 증가시킨다. 이렇게 하여 비교용 각 샘플에 대해 충분한 정도로 중량을 손실시킨다.
실시예 1의 합금 :
스텔라이트 1 합금 :
실시예 7
본 실시예에서 합금 원소의 총 함량 범위는 32.0 내지 62.0중량%이며 특정 합금 원소의 함량 범위는 앞에서 기술한 바와 같다. 생성된 합금은 상기한 특성치를 갖는다.
따라서, 본 발명은 당해 목적을 달성하기에 적합하고 상기한 장점 및 이외에 본원에서만의 고유한 장점을 갖는다.
본 발명의 바람직한 양태를 기술할 목적으로 기재하였으나, 첨부된 특허청구의 범위에 의해 정의된 본 발명의 취지를 벗어나지 않고 변화시킬 수도 있다.

Claims (2)

  1. 탄소 0.02 내지 0.80중량%, 망간 0.50 내지 3.00중량%, 규소 2.00 내지 3.00중량%, 크롬 20.00 내지 30.00중량%, 몰리브덴 5.00 내지 9.00중량%, 니켈 7.0 내지 9.00중량% 및 코발트 3.00 내지 9.00중량%로 이루어진 합금 원소 38 내지 62중량%와 잔여량의 철을 포함하는, 철 기본 오스테나이트계 합금(austenitic alloy).
  2. 제1항에 있어서, 합금 원소를 42 내지 44중량% 포함하는 합금.
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