페라이트-오스테나이트 강 합금{A ferritic-austenitic steel alloy}
본 발명은 비교적 저함량의 Ni 및 Mo와 함께 고함량의 Cr, N, Cu 및 W를 가진 페라이트-오스테나이트 스테인레스강에 관한 것이다. 이 재료는 고도의 내부식성이 요구되는 경우에 특히, 산 또는 염기 환경에서, 동시에 고함량의 염화물을 가진 경우에 적용하기에 적합하다.
이중강은 두 상이 다른 조성을 가진 페라이트-오스테나이트 구조가 특징이다. 현대식 이중강은 주로 Cr, Mo, Ni 및 N와 합금될 것이다. 이중강 등급 SAF 2507(UNS S32750)은 고도의 내피팅부식성을 위해 고함량의 Cr, Mo 및 N과 주로 합금되어 왔다. 이러한 내성은 종종 PRE-수(PRE = 내피팅 당량 = %Cr+3.3%Mo+16N)로 설명된다. 따라서, 상기 합금은 이 특성에 최적화되고, 많은 산 및 염기에서 확실히 우수한 내성을 갖지만, 그 중에서도 상기 합금은 염화물 환경에서의 내성을 위해 개발된다. 최근 몇 년 동안 Cu 및 W 원소가 합금 첨가물로 사용되어 왔다. 따라서, 강 등급 DP3W(UNS S39274)는 예를 들면, SAF 2507과 유사한 조성을 갖지만, 이것은 합금 중의 Mo-함량 부분에 대한 치환분으로서 2.0% W와 합금된다. 마찬가지로, 강 등급 Uranus 52N+(NS S32529)는 SAF 2507과 유사한 조성을 갖지만, 산 환경에서의 내성을 개선할 목적으로 1.5% Cu와 합금된다. 강 등급 Zeron 100은 또한 SAF 2507과 유사한 또다른 강 등급이지만, 약 0.7% Cu 및 0.7% W와 합금된다. 강 등급 DTS 25.7NWCu(UNS S39277)는 약 1.7% Cu 및 1.0% W과 합금되는 것을 제외하고는 조성에 있어서 SAF 2507과 매우 유사하다. 또한, W와 합금되는 것에 관련하여, Mo에 대한 중량의 반에 해당하는 중량을 가진 W 원소를 또한 포함하는 PRE식이 생겨났다.
PRENW = %Cr+3.3(%Mo+0.5%W)+16N. 기재된 모든 강 등급은 계산법에 관계없이 40을 초과하는 PRE수를 가진다.
염화물에 대해 고도의 내성을 가진 다른 형태의 페라이트-오스테나이트 합금은 스웨덴 특허 제 9302139-2호 또는 미국 특허 제 5,582,656호에 기재된 강 등급이다. 이런 형태의 합금은 Mn 0.3-4%, Cr 28-35%, Ni 3-10%, Mo 1-3%, Cu 최대 1.0% 및 W 최대 2.0%가 특징이고, 높은 PRE 수, 일반적으로 40을 초과하는 PRE 수를 가진다. 공지된 초이중강 SAF 2507 등과 비교하여 중요한 차이점은 이 강 등급에서 Cr 및 N의 함량이 더 높다는 것이다. 이 강 등급은 입자간 부식에 대한 내성 및 암모늄 카르바메이트에서의 내부식성이 중요한 환경에서 사용되어 왔지만, 상기 합금은 또한 염화물 환경에 대해 매우 높은 내성을 가진다.
본 발명의 목적은, 우수한 기계적 특성 및 높은 구조적 안정성과 함께 산 및 염기 환경에서 뛰어난 특성을 가지는 재료인 동시에, 염화물 환경에 대한 내성이 높은 재료를 제공하는 것이다. 이 조합물은 예를 들면, 산에 의한 부식 문제를 가지고 동시에 염화물에 의해 산이 오염되어 부식이 더 증폭되는 화학산업에 적용시 매우 유용할 수 있다. 고강도와 함께 합금의 이러한 특성은 경제적인 관점에서 유리한 디자인의 해결책을 제공한다. 산 환경에서 매우 우수한 특성을 가지는 재료가 존재하는 것은 확실하지만, 이들은 종종 비용을 증가시키는 고함량의 Ni를 가진 강이다. 이중 합금과 비교하여 오스테나이트강이 가진 다른 단점은 오스테나이트강의 강도가 일반적으로 상당히 낮다는 것이다.
오늘날의 상황에서, 이들 특성을 조합하기 위해 최적화되고, 따라서 본 명세서에 기재된 우수한 특성을 얻는다고 기재된 이중 스테인레스강은 없다.
Cu 및 W 원소와 함께 고함량의 Cr 및 Ni이 합금 성분으로 사용되는 합금을 개발함으로써, 놀랍게도 우수한 부식 특성 및 기계적 특성을 발견하였다.
합금은 중량%로:
C 최대 0.05
Si 최대 0.8
Mn 0.3-4
Cr 27-35
Ni 3-10
Mo 0-3
N 0.30-0.55
Cu 0.5-3.0
W 2.0-5.0
S 최대 0.010
나머지 Fe 및 일반적으로 발생하는 불순물 및 부가물을 포함한다. Fe 함량은 30-70부피%이다.
탄화물은 본 발명에서 불순물 성분으로 보아야 하고, 페라이트와 오스테나이트에서 모두 제한된 가용성을 가진다. 제한된 가용성이란, 질화탄화물의 침전 위험 및 함량이 최대 0.05%, 바람직하게는 최대 0.03% 및 가장 바람직하게는 최대 0.02%로 제한되어야 하는 위험을 의미한다.
규소는 제강에서 탈산화제로 사용되며, 또한 생산 및 용접에서 부유도를 개선한다. 그러나, 고함량의 Si는 금속간 상의 침전 형성을 도와주므로, 함량이 최대 0.8%로 제한되어야 한다.
망간은 재료에서 N의 가용성을 개선하기 위해 첨가될 것이다. 그러나, Mn은 이 형태의 합금에서 N-가용성에 단지 제한된 영향을 미친다. 그 대신 가용성에 더 큰 영향을 주는 다른 성분들이 존재한다. 또한, Mn은 고함량의 황과 결합하여 피팅부식의 개시점으로 작용하는 황화망간이 될 수 있다. 그러므로, Mn의 함량은 0.3-4%로 제한되어야 한다.
크롬은 대부분의 부식 형태에 대한 내성을 개선하기에 매우 활성적인 성분이다. 또한, 크롬은 합금의 강도를 개선한다. 또한, 고함량의 크롬은 재료 내에서 매우 우수한 N-가용성을 얻게 해준다. 따라서, Cr-함량을 내부식성을 개선할 수 있을만큼 높게 유지하는 것이 바람직하다. 매우 우수한 내부식성을 얻기 위해, 크롬의 함량은 27% 이상이어야 한다. 그러나, 고함량의 Cr은 금속간 침전의 위험을 증가시키므로, 크롬의 함량은 최대 35%로 제한되어야 한다.
니켈은 오스테나이트 안정화 성분으로 사용될 것이고, 적당한 수준으로 첨가되어 원하는 함량의 페라이트를 얻을 것이다. 30-70%의 페라이트 함량을 얻기 위해서는 3-10% 니켈의 첨가가 요구된다.
몰리브덴은 염화물 환경 및 환원성 산에서 내부식성을 개선하기에 매우 활성적인 성분이다. Cr 및 W의 함량이 높은데다가 Mo 함량이 너무 높다는 것은 금속간 침전 위험이 증가함을 의미한다. 그러므로, 본 발명에서 Mo 함량은 최대 3.0%로 제한되어야 한다.
질소는 한편으로는 내부식성을 증가시키고, 다른 한편으로는 구조적 안정성 및 재료의 강도를 증가시키는 매우 활성적인 성분이다. 또한, 높은 N-함량은 용접 후 오스테나이트의 재건을 개선하여, 용접 접합에서 우수한 특성을 제공한다. N의 우수한 효과를 얻기 위해서는 0.30% 이상의 N이 첨가되어야 한다. 고함량의 N에서, 특히, 크롬-함량이 동시에 높은 경우에 크롬 질화물의 침전 위험은 증가한다. 또한, N-함량이 높다는 것은 제련물 중의 N의 가용성이 초과되기 때문에 다공성 위험이 증가한다. 이러한 이유로 N-함량은 최대 0.55%로 제한되어야 한다.
구리는 황산과 같은 산 환경에서 일반적인 내부식성을 증가시킨다. 놀랍게도, 비교적 고함량의 Mo 및/또는 W를 가진 재료 중의 Cu는 저속 냉각에서 금속간 상의 침전 속도를 더욱 감소시킨다. 재료의 구조적 안정성을 증가시키기 위해, Cu의 함량은 1%를 초과해야 하고, 바람직하게는 1.5% 를 초과해야 한다. 그럼에도 불구하고, Cu함량이 높다는 것은, 고체 가용성이 초과될 것임을 의미한다. 그러한 이유로, Cu 함량은 최대 3.0%로 제한될 것이다.
텅스텐은 피팅부식 및 틈부식의 위험을 증가시킨다. 놀랍게도, Mo에 대한 치환분으로 W을 첨가하면 저온 충격강도가 증가하는 것으로 나타났다. 충격강도 및 부식 특성에 적당한 효과를 얻기 위해서는 2% 이상이 첨가되어야 한다. 또한, 입자간 부식에 대한 내성을 증가시킬 목적으로 W와 Cu를 동시첨가할 수 있다(여기서 W는 피팅부식 특성을 개선할 목적으로 합금 중의 Mo 원소를 치환한 것이다). 그러나, 고함량의 Cr 및 Mo와 함께 고함량의 W는 입자간 침전 위험을 증가시킨다. 따라서, W의 함량은 최대 5%로 제한해야 한다.
황은 가용성 황화물을 쉽게 형성하여 내부식에 부정적인 영향을 미친다. 또한, 고온 작업성이 악화되므로, S의 함량은 최대 0.010%로 제한되어야 한다.
우수한 기계적 특성 및 부식 특성 및 또한 우수한 용접성을 얻기 위해서는 페라이트의 함량이 중요하다. 부식 및 용접성의 관점에서, 우수한 특성을 얻기 위해 페라이트 함량이 30-70%인 것이 바람직하다. 페라이트 함량이 높다는 것은 저온 충격 강도 및 수소 메짐성(embrittleness)에 대한 내성으로 인하여 열화의 위험을 수반한다는 것을 의미한다. 따라서, 페라이트 함량은 30-70%, 바람직하게는 35-55%이다.
하기 실시예에 약간의 실험용 권총의 조성을 나타내었다. 이들 조성이 특허 청구범위에 결합될 필요는 없으나, 상이한 합금 성분이 특성에 미치는 영향을 설명하기 위하여 포함된다. 따라서, 본 발명에 따른 강 등급의 최적 조성이 꼭 실시예 중에 나타날 필요는 없다.
둥근 막대로 고온 단조된 170 kg 잉곳을 주조하여, 수많은 실험용 권총을 만 들었다. 이들을 실험 재료를 취한 데서부터 막대로 압출 성형하였다. 표 1은 공식 PRENW=%Cr+3.3(%Mo+0.5%W)+16%N을 사용하여 계산한 PRENW수를 가진 실험용 권총의 조성을 보여준다.
실험용 권총의 조성, 중량%
강 |
권총 |
C |
Si |
Mn |
Cr |
Ni |
Mo |
Cu |
W |
N |
PRENW |
1 |
654792 |
0.020 |
0.33 |
1.05 |
30.0 |
8.3 |
3.08 |
1.99 |
3.56 |
0.39 |
52.3 |
2 |
654795 |
0.023 |
0.19 |
0.91 |
29.9 |
7.8 |
2.9 |
1.8 |
3.9 |
0.40 |
52.3 |
3 |
654796 |
0.011 |
0.16 |
0.96 |
30.2 |
6.5 |
1.0 |
0.55 |
1.2 |
0.40 |
42.0 |
4 |
605084 |
0.018 |
0.19 |
1.16 |
27.4 |
6.0 |
0.96 |
0.61 |
4.0 |
0.39 |
43.4 |
5 |
605085 |
0.014 |
0.15 |
1.03 |
27.6 |
5.33 |
2.96 |
2.0 |
1.1 |
0.37 |
45.2 |
6 |
605086 |
0.016 |
0.11 |
0.91 |
29.9 |
9.65 |
2.97 |
0.61 |
3.9 |
0.31 |
51.1 |
7 |
654793 |
0.015 |
0.28 |
0.95 |
30.1 |
7.4 |
1.04 |
1.98 |
1.29 |
0.30 |
40.5 |
8 |
605088 |
0.012 |
0.18 |
0.98 |
29.7 |
7.62 |
0.97 |
2.0 |
1.0 |
0.31 |
39.5 |
9 |
605089 |
0.013 |
0.14 |
0.95 |
27.5 |
7.18 |
0.98 |
2.0 |
3.8 |
0.31 |
42.0 |
10 |
605090 |
0.014 |
0.12 |
0.91 |
27.7 |
7.69 |
2.98 |
0.61 |
1.1 |
0.31 |
44.3 |
11 |
605091 |
0.014 |
0.12 |
0.87 |
28.7 |
7.58 |
2.32 |
0.09 |
2.4 |
0.36 |
46.1 |
12 |
605092 |
0.011 |
0.11 |
0.98 |
28.6 |
6.19 |
2.33 |
1.5 |
0.05 |
0.39 |
42.5 |
13 |
605094 |
0.012 |
0.08 |
0.91 |
28.6 |
7.16 |
2.22 |
1.50 |
2.4 |
0.35 |
45.5 |
14 |
605095 |
0.014 |
0.07 |
0.87 |
28.6 |
7.44 |
2.32 |
1.54 |
3.3 |
0.36 |
47.5 |
생산
모든 권총용 재료는 잉곳주조, 고온 단조 및 압출 성형에 의해 생산하였다. 다량의 금속간 상 때문에 생산 중에 일부 변화가 균열을 일으켰다. 표 2는 어떻게 생산이 되었는지를 보여준다.
권총 생산 결과
강 |
권총 |
결과 |
1 |
654792 |
단조 하에 균열 |
2 |
654795 |
단조 하에 균열 |
3 |
654796 |
O.k., 단조 하에 표면에 균열있음 |
4 |
605084 |
O.k., 균열 없음 |
5 |
605085 |
O.k., 균열 없음 |
6 |
605086 |
단조 하에 균열 |
7 |
654793 |
O.k., 단조 하에 표면에 균열있음 |
8 |
605088 |
O.k., 균열 없음 |
9 |
605089 |
O.k., 균열 없음 |
10 |
605090 |
단조 하에 균열 |
11 |
605091 |
단조 하에 균열 |
12 |
605092 |
O.k., 균열 없음 |
13 |
605094 |
단조 하에 균열 |
14 |
605095 |
단조 하에 균열 |
합금 함량과 단조 중의 균열 경향 사이에는 관계가 있다. 따라서, 45.5 이상의 PRENW-수를 가진 권총은 균열없이 단조과정을 통과하지 못한다. 다량의 금속간 상을 피하기 위해 Mo 함량이 2%를 넘으면 W의 함량은 최대 약 1%이어야 한다. 반면, W의 함량이 높으면, 금속간 상 및 그로 인한 균열을 피하기 위해 Mo의 함량이 낮을 필요가 있다. 그 관계는 도 1에 그래프로 설명하였다.
구조적 안정성
시료들을 800-1200℃에서 50℃단위로 어닐링하였다. 금속간 상의 양을 무시할 수 있게 될 때의 온도를 광학 현미경 연구의 도움으로 측정하였다. 그리고 나서, 이 온도에서 3분 유지시간 동안 재료를 어닐링하고, 시료들을 140℃/분 및 17.5℃/분의 속도로 실온으로 냉각시켰다. 이 재료에서 시그마 상의 양은 광학 현미경 하에서 점의 수를 세어 계산하였다. 그 결과는 표 3에 나타내었다.
1100℃에서 실온까지 상이한 속도로 냉각시킨 후의 시그마-상의 양
권총 |
어닐링 온도℃ |
-17.5℃/분 |
-140℃/분 |
654796 |
1100 |
10 |
0 |
605084 |
1050 |
5 |
0 |
605085 |
1100 |
1 |
0 |
654793 |
1100 |
0 |
0 |
605088 |
1050 |
1 |
0 |
605089 |
1100 |
0 |
0 |
605092 |
1100 |
5 |
0 |
고함량의 W를 가진 재료는, 특히, Mo의 함량이 낮은 경우에, 매우 우수한 구조적 안정성을 가진다(권총 605089). 아주 뜻밖에도 저속 냉각하에서(17.5℃/분) 고함량의 Cu 및 저함량의 N을 가진 재료(권총 605089)가 저함량의 Cu 및 또한 고함량의 N을 가진 재료(권총 605084)보다 구조적 안정성이 더 우수하다는 것을 발견하였다. Cu의 효과는 더 불확실한 반면, N 원소를 첨가하면 이중강에서 구조적 안정성이 증가한다는 것이 공지되어 있다. 그러나, 저속 냉각에서(17.5℃/분), 저함량의 Mo 및 저함량의 Cu를 가진 권총 654796은 권총605085가 3%에 가까운 Mo 함량을 가졌다는 사실에도 불구하고, 2% Cu를 가진 권총605085 보다 구조적 안정성이 더 좋지 않다. 그 관계는 도 2에서 그래프로 설명하였다. Mo, W 및 Cu 사이의 관계 및 Cu 첨가의 바람직한 효과는, 고온 작업 하에서 Cr, W 및 Cu가 균열에 미치는 영향을 보여주는 도 3에서 그래프로 설명하였다. 이 경우, 고온 작업 하에서 균열은 주로 금속간 상의 발생에 의존한다.
기계적 특성
강도 및 충격 강도를 일부 권총에 대해서 측정하였다. 그 결과는 표 4에 나타내었다.
기계적 특성(실온에서 장력실험 및 실온 및 -50℃에서의 충격 강도)
권총 |
RP0.2 MPa |
Rm MPa |
A5 % |
Z5 |
충격 강도 J +20℃ |
충격 강도 J -50℃ |
654796 |
688 |
880 |
38.2 |
69 |
212 |
97 |
605084 |
680 |
899 |
37.3 |
68 |
207 |
159 |
605085 |
725 |
920 |
35.4 |
66 |
157 |
50 |
654793 |
706 |
923 |
33.5 |
68 |
167 |
133 |
605088 |
647 |
884 |
36.9 |
70 |
201 |
180 |
605089 |
698 |
917 |
36.2 |
70 |
198 |
161 |
605092 |
648 |
873 |
39.9 |
70 |
217 |
183 |
모든 재료에 대해 장력에서 높은 수율점을 얻었고, 20℃에서 충격 강도가 높았다. -50℃에서 충격 강도에 대해, 놀랍게도 권총 605085가 권총 605084보다 더 낮은 충격 강도를 가진다고 나타났다. 그 이유는 권총 605084가 저함량의 Cu를 가졌거나 또는 고함량의 W을 가졌기 때문일 수 있다. 권총 605089는 둘다 고함량의 Cu 및 고함량의 W를 가지며, 이것은 -50℃에서 우수한 충격 강도를 나타내기 때문에, 저온에서 높은 충격 강도가 요구되는 경우에 고함량의 W가 고함량의 Mo보다 나을 수 있을 것이다.
부식
ASTM G48C 및 또한 MTI-2에 따라 FeCl3중에서 실험하여 피팅부식 및 틈부식 특성을 실험하였다. 이것에 의하여 결정적인 피팅부식 온도(CPT)와 또한 틈부식 온도(CCT)를 측정하였다. 모든 실험 결과를 표 5에 나타내었다.
실험 강 등급에 대한 결정적인 피팅/틈부식 온도
권총 |
CPT*
ASTM G48C (℃) |
CCT*
MTI-2 (℃) |
654796 |
47 |
40 |
605084 |
72 |
64 |
605085 |
60 |
60 |
654793 |
57 |
47 |
605088 |
60 |
37 |
605089 |
70 |
47 |
605092 |
65 |
54 |
*)주어진 값은 두 실험의 평균이다. |
매우 놀랍게도, 저함량의 Mo와 함께 아주 높은 함량에서 W(권총 605084)는 매우 우수한 피팅부식 특성을 얻는 것으로 나타났다. 권총 605085는 권총 605084보다 더 높은 PRENW 수를 갖지만, 그럼에도 불구하고 ASTM G48C에 따른 실험에서 권총 605084가 상당히 더 높은 CPT 값을 얻었다. 권총 605089에 대해서도 똑같이 유효한데, 재료가 더 낮은 PRENW 값을 갖는데도, 권총 605085가 더 높은 CPT 값을 얻었다. CCT 값으로 측정한 내피팅부식성은 권총 605084 및 권총 605085에 대해 예상외의 높은 값을 나타내었다. 예를 들면, PRE가 40을 초과하는 타입 2507의 재료는 약 40℃의 CCT 값을 가진다. 그러나, 권총 605089에서 틈부식 특성은 권총 605085보다 열등하였다. 이들 권총 사이의 차이점은 605089가 더 높은 W-함량을 갖지만, 동시에 저함량의 N을 가진다는 점이다. 피팅부식 및 틈부식 모두에 대해 우수한 내부식성을 얻기 위해서는, 결과적으로 부분적으로 높은 W-함량 및 부분적으로 높은 N-함량을 가지는 것이 요구된다. 또한, 최적 PRENW 값이 있어서, 더 높거나 더 낮은 PRENW 값을 가진다면, 더 열등한 특성을 얻게 될 것은 명백해 보인다. 그 관계는 도 4-5에서 그래프로 설명할 것이다.
페라이트상 및 오스테나이트상의 혼합물은 미세탐침 분석의 도움으로 측정하였다. 그 결과를 표 6에 나타내었다.
실험용 권총에 대한 페라이트와 오스테나이트 상의 혼합물
권총 |
오스테나이트 %Cr |
오스테나이트 %Mo |
오스테나이트 %W |
오스테나이트 %N |
페라 이트 %Cr |
페라 이트 %Mo |
페라 이트 %W |
페라 이트 %N |
오스테 나이트 PRENW |
페라 이트 PRENW |
654796 |
29.04 |
0.81 |
0.82 |
0.64 |
32.24 |
1.24 |
1.28 |
0.10 |
43.3 |
40.0 |
605084 |
27.55 |
0.75 |
2.99 |
0.62 |
29.55 |
1.22 |
4.91 |
0.10 |
44.9 |
43.3 |
605085 |
26.82 |
2.28 |
0.78 |
0.60 |
28.87 |
3.52 |
1.28 |
0.11 |
45.2 |
44.4 |
654793 |
28.02 |
0.83 |
0.83 |
0.49 |
32.75 |
1.27 |
1.44 |
0.10 |
40.0 |
40.9 |
605088 |
27.63 |
0.77 |
0.75 |
0.46 |
32.72 |
1.21 |
1.20 |
0.11 |
38.8 |
40.5 |
605089 |
26.54 |
0.77 |
2.83 |
0.47 |
30.24 |
1.24 |
4.65 |
0.11 |
41.3 |
43.8 |
605092 |
27.34 |
1.8 |
0.03 |
0.55 |
30.6 |
3.01 |
0.05 |
0.09 |
42.1 |
42.0 |
권총 605088을 제외한 모든 경우에, 오스테나이트 상 및 또한 페라이트 상에서 PRENW는 40보다 높은 것으로 나타났다. 또한, 권총 605088에 대해 허용할 수 없는 낮은 CCT 값을 얻은 것은, 오스테나이트 상에 대한 PRENW가 비교적 낮은데 따른 것일 수 있다. 권총 605084 및 권총 605085에서 PRENW가 가장 높았다. 권총 605085에 대해 오스테나이트 상 및 페라이트 상 모두에서 PRENW가 605084에서보다 높은데도, ASTM G48C 실험에 따라 권총 605085는 605084에 비해 더 낮은 CPT를 가진 것으로 관찰되었다. 권총 605084에서 구해진 고함량의 N과 함께 고함량의 W로 이 효과를 설명할 수 있다. 아마도, 권총 605085가 605084 보다 열등한 구조적 안정성을 가지는 이유는 재료가 내피팅부식을 감소시키는 침전물을 포함할 위험을 증가시키는 권총 605085에서의 고함량의 Mo이다. 최적 PRENW 값은 41-44 범위에 있다. 최적 내부식 PRENW는 43-44의 범위 내에 있어야 한다.
ASTM A262 실습 B에 따른 스트레이처(Streicher)-실험을 수행하여 입자간 부식에 대한 내성을 측정하였다. 이 실험은 재료가 산 환경에서 산화를 견디는 방법 및 입자간 부식에 대한 재료의 내성을 설명하고 있다. 그 결과는 표 7에 나타내었다.
이번 실험에서 재료들은 매우 낮은 부식 속도를 가지는 것으로 나타났다. 차이는 비교적 작지만, 동시에 높은 Mo-함량 및 높은 Cu-함량을 가진 재료가 가장 높은 부식 속도를 나타내었다(권총 605085). Cu-함량은 높지만, Mo-함량이 낮으면, 낮은 부식 속도가 얻어진다(권총 605793, 605088, 605089). 우수한 내피팅부식성을 위해서는 고함량의 원소 Cr, Mo, W 및 N의 혼합물이 요구된다. 높은 Cu-함량과 관련하여, 결과적으로 동시에 입자간 부식에 대해 우수한 내성을 갖기를 원한다면, 내피팅부식성을 증가시키기 위해 맨 먼저 Cr, W 및 N을 사용하는 것이 최적이다. 따라서, 권총 605089는 2.0% Cu, 0.98% Mo 및 3.8% W와 함께 스트레이처-실험에서 매우 낮은 부식 속도를 얻는다.
부식 용액 환경에 대한 내성은 일부 권총에 대해 60% NaOH(160℃) 조작으로 실험하였다.
실험은 1+3일 동안 수행하였다. 그 결과는 표 8에 나타내었다.
60% NaOH(160℃) 조작에서 부식 실험 결과. 두번 실험의 평균값.
권총 |
기간 1(24시간) mm/년 |
기간 2(72시간) mm/년 |
평균 (mm/년) |
605088 |
0.42 |
0.115 |
0.27 |
654793 |
0.30 |
0.075 |
0.19 |
654796 |
0.06 |
0.035 |
0.05 |
605089 |
0.61 |
0.175 |
0.39 |
NaOH에서의 우수한 부식 특성과 오스테나이트 상에서의 Cr의 함량 사이의 관계에 따라, 오스테나이트 상에서 고함량의 Cr을 가진 재료는 NaOH에 노출시 낮은 부식 속도를 얻는다. 그 관계는 도 6에서 그래프로 설명될 것이다.
본 발명에 따른 합금의 최적 조성
놀랍게도, 동시에 고함량의 Cu 및 W를 재료에 첨가하고, 또한 고함량의 N을 첨가한다면, 크롬 함량이 27%를 초과하는 이중강에서 매우 우수한 특성이 얻어지는 것으로 나타났다. 따라서, 고함량의 W 원소를 첨가하면 놀랍게도 저온에서 우수한 충격 강도를 얻는 것으로 나타났다. 고함량의 N과 함께 고함량의 W는 염화물 환경에서 더욱 현저하게 내틈부식성을 얻고; 피팅부식 및 틈부식 특성에 미치는 W의 효과는 또한 대단히 크다. 충분한 효과를 얻기 위해서는 2% 이상의 W의 첨가가 요구된다. 동시에 고함량의 Mo 및 W 원소는 피해야 하지만, Mo가 2% 이하, 바람직하게는 1% 이하로 제한된다면, W는 4%까지 첨가될 수 있다. 우수한 부식 특성 및 충격 강도 특성을 얻는 동시에 금속간 상의 침전을 피하기 위해서는, %Mo+0.5%W<3.52 관계가 충족되어야 하고, 바람직하게는 %Mo+0.5%W<3 이어야 한다. 이 재료에 Cu를 첨가하면 또한 놀랍게도 저속 냉각에서 금속간 상의 침전형성을 늦추는 것으로 나타났다. 이는 또한, 단조와 같은 필요한 고온 작업이 재료 중의 금속간 상의 고함량에 기인한 균열의 위험 없이 더 용이하게 수행될 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.5% 이상, 바람직하게는 1.5% 이상의 Cu 첨가가 요구된다. %Mo+0.5%W> 인 경우, 재료에서 최상의 고온 작업성을 얻기 위해 %Cu>1.5가 요구된다. 우수한 부식 특성을 얻기 위해서는 가장 약한 상에서 %Cr+3.3(%Mo+0.5%W)+16%N 관계가 40을 초과해야 한다. 동시에 우수한 내피팅부식 및 내틈부식을 위해서, 원소 W는 2%를 초과해야 하는 동시에 N은 0.30%를 초과해야 한다. PRENW 수가 41-44의 범위에 있으면, 최적의 내피팅부식성을 얻을 것이다. 또한, 최적의 내틈부식성을 위해서는 PRENW가 바람직하게는 43-44의 범위에 있어야 한다. 우수한 구조적 안정성을 동시에 얻기 위한 목적으로, 구리가 재료에 첨가될 것이다. 그러나, 구리는 고함량의 Mo와 결합하여 입자간 부식에 바람직하지 못한 영향을 미친다. 따라서, 입자간 부식에 관해서 재료를 최적화하기 위해, 고함량의 Cu를 저함량의 Mo와 결합시켜야 한다. 이러한 이유로 우수한 피팅부식 특성을 확실히 하기 위해, 고함량의 W를 첨가해야 한다. 염기성 환경에서 우수한 내성을 얻기 위해서는 오스테나이트 상에서 Cr-함량이 28% 이상이어야 한다.