KR100396368B1

KR100396368B1 - 고온강도와 고온내산화성이 우수한 초내열합금

Info

Publication number: KR100396368B1
Application number: KR10-2001-0020555A
Authority: KR
Inventors: 이재명
Original assignee: 부공산업 주식회사
Priority date: 2001-04-17
Filing date: 2001-04-17
Publication date: 2003-09-03
Also published as: KR20020080791A

Abstract

본 발명은 Cr을 주요원소로 하는 초내열합금재료에 관한 것으로써,

Cr 55∼80%, C 0.05∼0.5%, O 0.03이하, S 0.02%이하, Si 1.5%이하 및 Mo, W, Nb, Mn를 1종 또는 2종이상의 합계가 0.1∼5%의 범위내로 하고 잔부는 Fe인 고온강도와 고온내산화성이 우수한 초내열합금소재이다.

상기 소재의 사용 용도로써는 열연설비 및 가열로의 스키드빔, 스키드파이프, 스키드버튼, 스키드라이너등이 있다.

Description

고온강도와 고온내산화성이 우수한 초내열합금{A heat resistant alloy superiority hot strength and hot resistonce oxidative}

본 발명은 Cr함량을 55중량% 이상 80중량%까지 함유하는 고 크롬철합금에 관한 것으로, 발명의 궁극적인 목적은 Cr함유량이 높고 고온강도(내열성) 및 고온 내산화성(내식성)이 우수한 초내열합금의 제조에 있다.

일반적으로 고온강도와 고온내산화성이 요구되는 소재로서는 열간 압연공정에서는 강편(steel piece)이나 슬랩등의 가열을 위해 워킹빔형의 가열로가 사용되고 있는데 이 가열로는 상기 강편이나 슬랩등의 피가열재를 지지하고 반송하기 위한 스키드빔과, 그 부분품으로 스키드파이프, 스키드버튼등이 있고,

고크롬강등의 합금강 제조에서는 합금강의 기계적 물리적 성질개선을 위해 연속 열처리시설을 사용하고 있는데 이 시설을 이용한 열처리 작업시 열처리 대상물을 받쳐주는 트레이가 있으며, 가열로내에서 압연대상물인 슬라브, 블륨, 빌렛트등을 받쳐주는 스키드라이너등 있다.

상기 스키드빔, 스키드파이프, 스키드버튼, 트레이 및 스키드라이너등은1000∼1300℃ 정도의 고온 분위기 하에서 중량의 열처리 또는 압연 대상물을 떠받쳐 주어야 하므로 고온강도와 고온 내산화성이 절실히 요구되는 초내열합금이어야 한다.

현재 이러한 합금소재로 개발된 내열재료로는 Co를 50중량% 함유하고 Ni를 20중량%(잔부는 Fe)로 하는 고 코발트 합금강이 개발되어 사용되고 있으나,

Co와 Ni이 고가 금속인 관계로 고온강도와 고온내산화성이 우수한 장점에도 불구하고 그 사용량이 줄어들고 있고,

고가의 Co나 Ni을 사용치 않고 Cr함량을 83중량% 내지 89중량%로 하는(잔부는 Fe, Si등) 내열재료가 소결 및 주조법으로 하여 개발된 것이 있으나 이 내열재료는 연성이 전혀 없어 조그만 충격에서도 쉽게 파손되는 문제점 때문에 압연 또는 열처리설비 소재로서는 그 사용에 제약을 받고 있다.

최근에는 Cr함량을 50∼59중량%로 낮추고 W와 Mo, Mn, Co등을 합계량으로 35∼45중량%(잔부는 Fe)첨가한 내열합금이 개발되었으나 Cr과 W, Mo, Mn, Co등과의 균일한 혼합이 잘 이루어지지 않아 강도와 연성에서의 문제점과 이종금속간의 균일한 혼합조직이 되지 않는 등의 문제점 때문에 실사용은 거의 되지 않고 있다.

본 발명은 상기와 같이 현재 사용 중인 초내열합금에 비해 고온강도와 고온내산화성이 우수하고 비교적 저가인 Cr을 주체로 한 초내열합금 소재를 제공하는데 발명의 목적이 있다.

본 발명은 Cr : 55∼80%

C : 0.05∼0.5%

O : 0.03%이하

S : 0.02%이하

Si : 1.5%이하

Mo, W, Nb, Mn를 1종 또는 2종이상의 합계가 0.1∼5%의 범위로 함유하고 잔부는 Fe로 구성되는 Cr기 합금이다.

본 발명에 있어서 각 합금원소의 작용 및 그 첨가량에 대한 구체적인 이유는 다음과 같다.

Cr은 충분한 고온강도(내열성)와 내산화성(내식성)을 얻기 위하여 필요하며 Cr함유량이 높을수록 이러한 성질은 우수하다.

그렇지만, Fe-Cr 2원계 합금에 있어서 Cr : 40∼55%의 조성범위에서는 시그마(60)상(相)이 석출하기 쉽고 취화하기 때문에 실용상 문제가 있다.

이 때문에 Cr함유량은 55% 이상으로 하는 것이 필요하나 Cr 80%를 넘는 것은 현재의 기술수준에서 경제적으로 제조 가능한 Fe-Cr 합금의 Cr의 함유량이 최대 80%인 점 때문에 제조원가가 높아져 바람직하지 않다.

또 산소와 친화력이 강한 Cr의 함유량을 무모하게 증가시키면 용해시에 산소의 활동도를 낮추어 산소의 흡수를 현저히 증가시켜 탈산을 곤란하게 하는 것 때문에라도 Cr은 80%정도에서 조정하는 것이 바람직하다.

C는 내산화성(내식성)의 면에서는 적을수록 바람직하나, 0.05%미만에서는 내열재료로서 요구되는 강도가 얻어질 수 없고 더욱이 C는 결정입계상에 NET-WORK상으로 탄화물을 형성하고 산소의 입계편석에 의하는 것이라 생각되는 입계의 결합력 저하를 경감시키며 열간 가공성을 개선하는데 기여하나,

탄소 0.5%를 넘으면 내산화성(내식성)을 현저히 저하시키고 상온에서의 인성을 저하시키므로 바람직하지 않다.

산소(O)는 본 발명 합금에 있어서 열간 가공성에 가장 유해한 영향을 미치는 원소이어서 0.03%이하로 관리하지 않으면 입계의 결합력을 저하하여 입계에서 분리석출하기 쉽고 충분한 열간 가공성 및 고온강도가 얻어지지 않는다.

S(유황)은 함유량이 많으면 저융점의 유화물을 형성하여 열간 가공성 및 고온강도에 영향을 준다.

또 내산화성(내식성)도 악화되므로 이러한 악영향을 제거하기 위해서는 0.02%이하로 관리하지 않으면 안된다.

Si은 1.5%를 초과하면 합금의 가공성을 악화시키므로 1.5%이하로 한다.

Mo, W, Nb는 내산화성(내식성)을 증대시키고 또 안정된 탄화물을 형성하여 고온강도를 증대시키는 역할을 하나 이러한 여러원소의 1종이상의 합계 첨가량이 0.1%미만에서는 그 효과가 적고 또 5%이상 첨가하여도 제조원가의 증가에 상응할 만한 효과향상은 기대할 수 없다.

상기와 같은 성분외에 본 발명 합금의 특성에 영향을 주지 않는 성분 예를 들면 0.3∼0.7정도의 Mn과 기타 소량의 P등의 불순물은 함유되어도 지장없다.

이하 실시예로써 본 발명 5종의 합금과 비교 합금에 대하여 고온강도(내열성)의 주요한 특성인 Creep-파단강도와 내산화성(내식성)의 측정을 행하였다.

<실시예>

공시합금의 성분조성과 중량%를 표 1에 나타낸다.

각 합금 시험편에 대하여 700℃ 및 800℃의 시험온도에 있어서 100HR의 Creep-파단강도를 측정하여 그 결과를 다음과 같이 나타내었다.

본발명 합금1의 Creep 파단강도(kg/㎟) 17

본발명 합금2의 Creep 파단강도(kg/㎟) 19

본발명 합금3의 Creep 파단강도(kg/㎟) 21

본발명 합금4의 Creep 파단강도(kg/㎟) 25

본발명 합금5의 Creep 파단강도(kg/㎟) 27

비교합금6의 Creep 파단강도(kg/㎟) 14

비교합금7의 Creep 파단강도(kg/㎟) 15

비교합금8의 Creep 파단강도(kg/㎟) 16

비교합금9의 Creep 파단강도(kg/㎟) 15

위에서 본 바와 같이 본 발명 합금(합금번호 1∼5)는 비교합금 6∼8의 합금처럼 Mo, W, Nb를 함유하지 않는 60.8, 61.7% Cr기 합금과 함께 합금번호 8,9의 합금보다도 높은 Creep-파단강도를 나타낸다.

다음에서 고온내산화성(내식성)을 살펴본 후 주요특성인 공식과 업계부식에 대하여 0.3m이 염화제2철 수용액 및 10%초산, 3%불화수소산 수용액 중에 각 시험편을 침적하여 내식시험을 행하였다.

그 결과를 표2에 나타낸다.

상기 표 2에 나타나듯이 0.3mol-FeCl3 용액에 의한 침적시험에 있어서 부식감량은 각 비교합금에 비교해서 본 발명 합금은 현저히 적다.

이러한 점에서도 본 발명 합금은 내공식이 아주 우수하다는 것을 알 수 있다.

또 10% HNO3, 3%HF 용액에 있어 침적시험에 있어서도 본 발명 합금은 어느경우에도 각 비교합금보다도 내식감량이 적다, 이것은 본 발명이 입계부식에 강한 것을 나타내는 것이라 하겠다.

본 발명은 열연 및 가열로 설비등에 사용되는 스키드빔, 스키드파이프 등의 내열소재를 제조함에 있어 Cr을 주성분으로 한 합금개발로 고온강도와 고온내산화성이 우수한 초내열재료를 얻는 효과와 저가의 합금제조로 합금제조원가 감소라는 효과가 있다.

Claims

중량%로 Cr 55∼80%, C 0.05∼0.5%, O 0.03%이하, S 0.02%이하, Si1.5%이하 및 Mo, W, Nb, Mn를 1종 또는 2종 합계가 0.1∼5%의 범위내로 하고 잔부는 Fe인 고온강도와 고온내산화성이 우수한 초내열합금.