KR100361969B1

KR100361969B1 - 초고강도 저열팽창 인바합금

Info

Publication number: KR100361969B1
Application number: KR1020000041617A
Authority: KR
Inventors: 김병걸; 김봉서; 이희웅
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2000-07-20
Filing date: 2000-07-20
Publication date: 2002-11-23
Also published as: KR20020008240A

Abstract

본 발명은 사용중 승온의 가능성이 있으면서 고강도가 요구되는 정밀기기부품 및 저이도 내열 가공송전선(ACSR : Aluminum Stranded Conductor Steel Reinforced)의 강심소재로 적합한 초고강도 저열팽창 인바합금에 관한 것으로서, Fe와 Ni을 기본 합금으로 하되, 여기서 Ni의 성분을 30%이하로 고정하여 성분탐색을 행하고, 여기에 새로운 구성원소로써 Co를 적정량 함유시켜 강도와 선팽창계수를 동시에 만족시킬 수 있는 합금을 개발하였으며, 또한 첨가원소에 의한 고용강화효과와 탄화물과 같은 미세석출물의 분산강화효과를 달성하기 위하여, 상기 Fe와 Ni 및 Co로 구성된 합금에 첨가원소로써 C, Mo, Ti, W, Nb, V 등을 하나 또는 두 종류 이상 복합첨가하여 저선팽창계수 특성을 보유하면서 초고강도 특성이 얻어지는 새로운 합금계로 제작하였으며, 이에 따라 저열팽창계수을 가지면서도 인장강도가 170kg/mm²에 달하는 초고강도 특성을 보유하고, 높은 강도를 요구하는 정밀기계부품 등과 저이도 내열 가공송전선의 강심소재로 적합하며, 특히 송전선의 허용전류밀도를 높인 고용량 송전선의 강심소재로 사용됨으로서 종래의 고탄소강 강심 가공송전선과 같은 이도를 유지하면서도 송전용량을 획기적으로 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

초고강도 저열팽창 인바합금{Extra high-strength invar alloys with low thermal expansion}

본 발명은 초고강도 저열팽창 인바합금(Invar Alloy)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사용중 승온의 가능성이 있으면서 고강도가 요구되는 정밀기기부품 및 저이도 내열 가공송전선(ACSR : Aluminum Stranded Conductor Steel Reinforced)의 강심소재로 적합한 초고강도 저열팽창 인바합금에 관한 것이다.

일반적으로 가공송전선 강심소재로는 연선한 7가닥의 고탄소강선이 사용되어 왔으나, 그 고탄소강선은 온도 상승에 의해 비교적 크게 팽창하여 송전선의 이도(처짐)가 커지게 되므로, 최근 늘어나는 전력수요를 효율적으로 해결하기 위해서 새로운 송전선로의 건설 없이 송전선의 허용전류용량을 증가시킨 고용량 송전선을 개발적용하고자 하는 노력이 진행되고 있다.

송전선의 허용전류용량을 증가시키기 위해서는 송전선의 사용온도를 증가시켜야 하며, 사용온도가 증가함에 따라 늘어나는 이도(처짐)를 최소화하기 위해 저열팽창(저이도) 강심의 적용이 불가피하다. 이와 같은 요구에 따라 최근에 저선팽창특성을 가지는 인바선(Fe-Ni합금)을 고용량 송전선의 강심소재로 사용하고자 시도되고 있다. 그러나 Fe-Ni계 합금은 저선팽창계수의 특성을 가지나, 인장강도가 최대 120 kg/mm²정도로 가공송전선의 강심으로 사용하기에는 강도와 인성특성이 불충분하여 인바합금의 고강도화와 고인성화가 요구되고 있다.

종래의 상기 인바합금선(Fe-Ni계 합금)의 고강도화 및 고인성화의 대책으로서는 예를 들면, Fe-Ni계 합금을 기본으로 Mo, Cr, Si 등의 각종 원소를 미량 첨가하여, 저선팽창계수 특성을 유지하면서 고강도화시키는 방법과 인바선 제조시 중간공정 또는 최종공정, 그리고 중간공정과 최종공정의 두 공정 모두에서 응력제거 소둔처리를 하여 인성특성을 향상시키는 방법 등이 고강도 고인성 저열팽창 인바합금 제조법으로 제안된 바 있다.

특히, 저이도 내열 가공송전선의 강심소재에 관하여 일본국 특공소(特公昭)56-45990호, 특공소55-122855호, 및 특공소55-13115호 등에 제안된 바 있다.

상기 특공소56-45990호에 제안된 합금은 Fe-38∼48%Ni합금에 강화원소로서 C, Mo, Cr을 첨가한 것이고, 상기 특공소55-122855호에 제안된 합금은 Fe-38∼50%Ni합금에 강화원소로서 C, Si, Mn, Cr 중 하나 또는 두 종류 이상, 나아가 Mo, Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, W 중의 하나 또는 두 종류 이상을 첨가한 것이며, 상기 특공소55-13115호에 제안된 합금은 Fe-35∼50%Ni합금에 강화원소로서 C, Si, Mn, Cr 중의 하나 또는 두 종류 이상, 나아가 Ti, Nb, Hf, V, Zr, Ta, W, Al 중의 하나 또는 두 종류 이상을 첨가한 것으로서, 상기와 같이 제안된 합금들은 Fe-Ni계합금에 각종 강화원소를 배합한 합금조성을 가지며 냉간가공에 의해 고강도 및 저열팽창특성이 얻어지는 것이다.

상기의 합금들은 모두 냉간가공에 의해 고강도화와 상온에서 300℃까지 또는 200℃에서 300℃까지의 온도범위에서 저열팽창화를 달성하고자 하였으나, 상온에서 230℃까지의 저열팽창화에 대해서는 반드시 최적의 Ni함량과 최적의 강화원소들로 선정되어 있다고 할 수 없다.

또한, 최근 일본국 특공평(特公平)3-115543호에서는 상온에서 230℃까지의 평균열팽창계수를 최소화하고, 상온에서의 인장강도를 115kg/mm²까지 향상시킨 인바합금이 새로이 제안되기에 이르렀다. 그러나 상기 특공평3-115543호에서 제안된 인장강도의 특성은 종래에 비해서 상당히 향상된 값이라고 할 수 있으나, 저이도 내열 가공송전선에 적용하여 선로의 안정성을 보장하기에는 충분하다고 할 수 없다.

왜냐하면 가공송전선의 강심소재는 기본적으로 강심의 일정 단면적을 Al으로 피복처리(Al cladding process)하게 되어 있기 때문에 상대적으로 인바합금이 차지하는 단면적은 감소할 수 밖에 없다. 따라서 가공송전선의 전체 단면적을 일정하게 해 주고 또한 강심이 차지하는 단면적 또한 일정하게 해 주기 위해서는 Al 피복층이 차지하는 단면적 만큼 줄어들어야 함으로써 강심선재 자체의 인장강도는 더욱 높아져야 한다. 그러므로 저이도 내열 가공송전선용 강심소재로 인바합금을 사용하기 위해서는 현재까지 개발된 소재에 비해 더욱 더 높은 수준의 강도특성이 요구되고 있다.

결론적으로, 종래의 인바선 제조법은 Fe-Ni계 합금을 기본 근간으로 하여 미량원소(Mo, Cr, Si 등)의 첨가에 의한 고용강화기구를 이용한 것이나, 현재까지 얻어지고 있는 인바선의 최고 인장강도는 대체로 최대 120kg/mm²정도로서, 이는 고강도 특성이 최우선적으로 요구되는 저이도 내열 가공송전선 강심재로서는 충분한 강도특성이라 할 수 없다.

따라서, 본 발명은 선팽창계수가 ±0.1×10^-6/℃정도로 가장 낮은 값을 나타내는 Super-invar합금(Fe-30%Ni-6%Co)과 Stainless-invar합금(Fe-54%Co-9%Cr)의 성분조성을 면밀히 분석하여 새로운 기본 합금성분과 조성을 설계하기 위해 창작된 것으로서, 그 목적은 선팽창계수를 최소화하면서 인장강도를 최대화하여 높은 강도가 요구되는 각종 정밀기계부품의 소재 및 저이도 내열 가공송전선 강심 소재로서의 충분한 강도특성을 갖는 초고강도 저열팽창 인바합금의 조성을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초고강도 저열팽창 인바합금은, 기존의 인바합금의 기본성분 즉, Fe와 Ni을 기본 합금으로 하되, 여기서 Ni의 성분을 30%이하로 고정하여 성분탐색을 행하고, 여기에 새로운 구성원소로써 Co를 적정량 함유시켜 강도와 선팽창계수를 동시에 만족시킬 수 있는 합금을 개발하였다. 또한, 첨가원소에 의한 고용강화효과와 탄화물과 같은 미세석출물의 분산강화효과를 달성하기 위하여, 상기 Fe와 Ni 및 Co로 구성된 합금에 첨가원소로써 C, Mo, Ti, W, Nb, V 등을 하나 또는 두 종류 이상 복합첨가하여 저선팽창계수 특성을 보유하면서 초고강도 특성이 얻어지는 새로운 합금계를 제작하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고강도 저열팽창 인바합금의 구성 및 그 인바합금의 각 구성 성분의 작용에 대하여 설명하도록 한다.

본 발명의 초고강도 저열팽창 인바합금은, 중량비로 28.5%∼30%의 Ni, 9%∼14%의 Co, 0.1%∼0.9%의 C, 2.0% 이하의 Mo, 2.0% 이하의 Ti, 2.0% 이하의 Nb, 2.0% 이하의 V, 2.0% 이하의 W를 포함하고 나머지는 Fe로 구성되어 있으며, 선팽창계수 5.0×10^-6/℃이하와 인장강도 170 kg/mm²이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 기존의 합금설계 방법과 달리 먼저 Co가 저열팽창 특성을 확보하는데 중요한 역할을 할 것으로 예상하여, 적정 Co성분의 함량을 조사하고 이를 바탕으로 합금을 설계하였는 바, 각 합금성분의 작용에 대하여 정리하면 다음과 같다.

상기 Co는 저열팽창 특성을 나타내는 매우 중요한 성분으로 9% 미만에서는 선팽창계수가 급격히 커지기 때문에 9%이상을 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 Co의 함량은 많으면 많을수록 선팽창계수 측면에서는 유리하나, 그 Co의 가격이 비싸기 때문에 가능한 적게 첨가하는 것이 경제적이다. 따라서 14%이하로 제한한다. 또한 상기 Co를 적정량이상 첨가하게 되면 강도 측면에서는 불리하기 때문에 14%이하가 바람직하다.

상기 Ni성분 또한 선팽창 특성을 좌우하는 중요한 원소이다. 28% 이하의 Ni 조성에서는 선팽창계수가 급격히 증가하며, 첨가량을 높이면 선팽창계수는 현저히 감소하는 경향을 보인다. 그러나 Ni의 양이 증가하면 강도특성이 나빠지는 경향이 있으므로 적정 첨가량을 30%로 제한한다.

상기 C과 Mo는 본 발명 합금의 냉간가공경화능을 현저히 증가시키는 작용을 하기 때문에 필요한 C의 양은 최저 0.1%로 하지만, 과도한 C의 첨가는 열팽창계수를 증가시킴으로 상한을 0.9%로 제한한다.

상기 Mo, Ti, Nb, V, W은 강화원소들로 C와 복합첨가하면 냉간가공에 의한 경화능이 크게 증가할 뿐만 아니라 이들의 일부가 C와 반응하여 미세탄화물을 석출시켜 석출경화효과를 거둘 수 있다. 강화원소들을 적정량 이상 다량 첨가할 경우 열팽창계수가 증가하거나 열간가공성이 저하하기 때문에 2.0%이하로 제한한다.

상술된 바에 근거하여 본 발명의 구체적인 실시예에 의해 제조된 시편의 합금조성(wt%) 및 특성치로서의 인장특성과 선팽창계수를 하기 표 1에 나타내었다.

표 1에 나타낸 시료번호 1∼10의 각 조성의 합금을 진공유도용해로에서 용해하고 탈산처리 후, 주조한 주괴를 열간단조하여 직경 12mm의 봉상으로 제조하였다. 이것을 1,000℃에서 1시간 동안 열처리 후 용체화 처리를 하고, 이를 최대 가공율 95%까지 냉간압출하여 시편을 제작하였다. 이렇게 제조한 시편을 이용하여 인장강도와 선팽창계수를 측정하였다.

표 1에 본 발명에서 얻어진 우수한 특성을 나타내는 시료번호 1∼10의 합금조성과 그 조성에서의 특성치를 정리하여 나타내었다. 그리고 현재까지 개발된 인바합금 중 우수한 특성을 나타내는 시료번호 1∼10의 강종과 비교하였다. 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 종래의 인바합금은 인장강도가 기껏해야 1,200MPa 정도인 것을 알 수 있으나, 본 발명에서는 Co를 다소 첨가시킴으로써 Ni의 함량이 30%로 감소하였음에도 불구하고 최대 1,700MPa 이상의 인장강도 값이 얻어졌다. 한편 통상 과도한 인장강도의 상승은 선팽창계수의 저하로 이어지나, 본 발명에서는 모든 조성과 온도범위 25∼300℃에서 5.0×10^-6/℃이하의 낮은 선팽창계수를 가지는 것으로 조사되었다. 따라서 본 발명의 인바합금은 초고강도특성과 저열팽창특성을 동시에 갖춘 획기적인 소재로 판명되었다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 초고강도 저열팽창 인바합금은, 저열팽창계수을 가지면서도 인장강도가 170kg/mm²에 달하는 초고강도 특성을 보유하는 인바합금으로서, 높은 강도를 요구하는 각종 정밀기계부품과 저이도 내열 가공송전선의 강심소재로 대단히 적합한 소재이다. 특히 송전선의 허용전류밀도를 높인 고용량 송전선의 강심소재로 사용됨으로서 종래의 고탄소강 강심 가공송전선과 같은 이도를 유지하면서도 송전용량을 획기적으로 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

Fe와 Ni 및 Co로 구성된 합금에 첨가원소로써 C, Mo, Ti, W, Nb, 및 V 중 한 종류 이상을 복합첨가하여 구성되되,

중량비로 28.5%∼30%의 상기 Ni, 9%∼14%의 상기 Co, 0.1%∼0.9%의 상기 C, 2.0% 이하의 상기 Mo, 2.0% 이하의 상기 Ti, 2.0% 이하의 상기 Nb, 2.0% 이하의 상기 V, 2.0% 이하의 상기 W를 포함하고 나머지는 상기 Fe로 구성된 것을 특징으로 하는 초고강도 저열팽창 인바합금.
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