KR100778132B1

KR100778132B1 - 오스테나이트 합금

Info

Publication number: KR100778132B1
Application number: KR1020027015745A
Authority: KR
Inventors: 울프빈샬로테; 발덴베르틸
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2001-05-22
Publication date: 2007-11-21
Also published as: SE520027C2; SE0001921L; EP1287176A1; US20020021980A1; KR20030001542A; CA2409896A1; EP1287176B1; DE60129223D1; BR0111044B1; JP2003534456A; BR0111044A; SE0001921D0; US6905652B2; CA2409896C; ES2288955T3; ATE366326T1; JP4417604B2; WO2001090432A1; DE60129223T2

Abstract

하기 조성:

Cr 23-30 중량%

Ni 25-35 중량%

Mo 3-6 중량%

Mn 1-6 중량%

N 0-0.40 중량%

C 0.05 중량% 이하

Si 1.0 중량% 이하

S 0.02 중량% 이하

Cu 3.0 중량% 이하

및 나머지 철 및 일반적으로 발생하는 불순물 및 첨가물을 갖는 오스테나이트 합금.

Description

오스테나이트 합금{AUSTENITIC ALLOY}

본 발명은, 예를 들어, 고강도 및 피로-내성과 같은 우수한 기계적 특성 뿐만 아니라, 석유 및 가스 추출 하에 일반적으로 발생하는 물질에 대한 우수한 내식성의 조합이 요구되는 범위 내에 적용하기 위한, 고함량의 Cr-, Mo-, Mn-, N- 및 Ni를 가진 오스테나이트 스테인리스 강 합금에 관한 것이다. 예를 들어, 석유 및 가스 산업에서, 가스 송관 가스 세정, 해수 적용 분야 및 정제 기구에 상기 강철 합금을 사용할 수 있어야 한다.

오스테나이트 스테인리스 강은 면십 입방 격자 구조를 특징으로 하는 단일상 결정 구조를 가진 강철 합금이다. 현대의 스테인리스 강은 본래, 주로 내식성에 관한 요건이 사용될 강철의 선택에 가장 중요한 다른 가공 산업 내의 적용 분야에서사용된다. 스테인리스 오스테나이트 강은 모두 의도된 적용 분야에서 최고 온도를 갖는다는 것을 특징으로 한다. 선택적으로 보다 높은 온도에서 어려운 환경에서의 적용성을 증가시키기 위해, 첨가된 Ni, Cr, Mo 및 N과 같은 합금 원소의 함량을 더 높인다. 본질적으로 상기 물질들은 여전히 어닐링된 조건에서 사용되며, 그로 인해 보통 220 내지 450 MPa의 항복점을 갖는다. 고합금 스테인리스 오스테나이트 강의 예로는 UNS S31254, UNS N08367, UNS N08926 및 UNS S32654가 있다. 심지어 Mn, Cu, Si 및 W과 같은 다른 원소들은 불순물로서 또는 강철에 특이성을 부여하기 위해서 발생한다.

그러한 오스테나이트 강에서 합금 수준은 구조적 안정성에 의해 상향 제한 된다. 오스테나이트 스테인리스 강은 650 내지 1000℃의 온도 범위에서 보다 높은 합금 함량에서의 금속간 상의 침전에 대해 민감하다. Cr과 Mo의 함량을 증가시키면 금속간 상의 침전이 증가되지만, N과 Ni를 합금하면 금속간 상의 침전이 억제될 수 있다. Ni 함량은 주로 비용의 측면 및 제련 중의 N의 용해도를 매우 감소시킨다는 점에서 제한된다. N의 함량은 결과적으로 제련시의 용해도와 또한 Cr-질화물의 침전이 발생할 수 있는 고체상에서의 용해도에 의해 제한된다.

제련시의 N의 용해도를 증가시키기 위해 Ni의 함량을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 Mn과 Cr의 함량을 증가시킬 수 있다. 그러나, Mo가 금속간 상의 침전을 증가시키는 위험을 야기하는 것으로 생각되기 때문에 Mo의 함량을 제한할 필요가 있다고 고려되어 왔다. 합금 원소의 보다 높은 함량은 구조적 안정성만을 고려하여 제한되는 것이 아니었다. 심지어 강철 빌릿을 제조하는 동안의 고온 연성이 이어지는 작업에 문제가 되어 왔다.

스테인리스 강의 관심 있는 적용 분야는 석유/가스 또는 지열의 추출을 위한 플랜트에서의 적용이다. 상기 적용 분야는, 매우 높은 온도 및 압력에서 석유/물 또는 그의 혼합물과 같은 제조된 액체/가스에 용해된 다른 조건에서, 매우 공격적인 물질인 황화수소 및 염화물로 인해 상기 물질에 대한 요구가 높다. 본 발명에서 스테인리스 강은 유전 아래에 있는 제조 튜브 및 소위 와이어라인(wirelines)/슬릭라인(slicklines)으로 많이 사용된다. 물질의 염화물 유도 부식, 선택적으로 H₂S-유도 부식 또는 그들의 조합에 대한 내성의 정도가 그들의 사용을 제한할 수 있다. 다른 경우, 와이어라인/슬릭라인으로서의 반복 사용 및 소위 풀리휠(pulleywheel) 위에서 와이어의 굽힘으로 인한 더 큰 피로-내성 정도에서 사용이 제한된다. 더욱이, 이 분야에 상기 물질을 사용할 수 있는지 여부는 와이어라인/슬릭라인 와이어의 허용된 파손 하중에 의해 제한된다. 오늘날 파손 하중은 냉각-형성된 물질의 사용으로 최대화될 것이다. 냉각 변형의 정도는 일반적으로 연성과 관련하여 최적화될 것이다. 강도, 피로- 및 부식성이 높이 요구되는 스트립- 및 와이어-스프링에 대해 대응하는 요구 프로필이 요구될 수 있다.

부식 환경에서 사용하기 위한 이 분야에서의 물질은 일반적으로 UNS S31603, Cr 22%를 포함하는 UNS S31803과 같은 듀플렉스 강, 선택적으로 Cr 25%를 포함하는 UNS S32750, UNS N08367과 같은 고합금 스테인리스 강, UNS S31254 및 UNS N08028이다. 보다 공격적인 환경에서는 고함량의 Cr과 Mo로 고합금된 Ni-합금과 같은 배타 물질 및 선택적으로 Co를 기본으로 하는 물질이 일정 적용 분야에 사용된다. 모든 경우 부식성과 응력에 의해 용도가 상향 제한된다.

이러한 환경에 대한 강철과 관련하여, Cr과 Ni이 H₂S-환경에 대한 내성을 증가시키는 반면에 PRE=%Cr+3.3%Mo+16%N라는 공지된 관계식에 따라 Cr, Mo, 및 N이 염화물 환경에 유리하다는 것이 널리 공지되어 있다. 지금까지 그러한 방법으로 최고의 가능 PRE-값을 얻기 위해 Mo 및 N 함량을 최대로 할 때 합금의 최적화에 이르렀다. 따라서, 현재 존재하는 많은 현대 강철에서, H₂S-와 Cl- 부식의 조합에 대한 내성은 최우선 사항이 아니라 단지 제한된 정도로만 고려되어 왔다. 더욱이, 오늘날은 점점 더 깊은 유전으로부터 많은 양의 석유를 추출하고 있다. 동시에, 압력과 온도가 증가한다(소위, 고압 고온 분야; High-pressure High temperature Field). 물론 깊이가 증가하면, 이것이 소위 와이어라인 또는 파이프 트랙에 관한 것이든 아니든, 자유 행잉(hanging) 물질을 사용하는 동안 사하중(dead weight)이 증가된다. 압력과 온도가 증가하면, 부식조건을 악화시켜 현존 강철에 대한 요구가 증가하게 된다. 현재 사용되는 크기의 풀리 휠에서 현존 물질 표면에서 가소성이 발생하기 때문에, 와이어라인에 대한 장력에서의 항복점이 증가될 필요가 있다. 2000 MPa 이하의 장력 응력이 표면층에 존재하고, 그것은 와이어라인-합금을 위해 얻어진 짧은 수명에 크게 기여하는 것으로 생각된다.

상기 배경 기술의 견지에서, 특히 석유 및 가스 산업 및 다른 적용 분야에 적용하기 위해, 염화물-유도 부식에 대한 내성과 H₂S-부식에 대한 내성 양자를 조합한 신규 합금이 요구된다는 것을 쉽게 확인할 수 있다. 더욱이, 주어진 냉각-변형의 범위에서 오늘날의 기술이 달성하는 것보다 상당히 더높은 강도가 요구된다. 그것을 일으키는 강도가 요구되므로 와이어의 정상적으로 발생하는 크기가 표면에서 가소화되지 않거나 더 작은 부피의 사용을 허용하는 것이 바람직하다.

US-A-5 480 609에 오스테나이트 합금이 기재되어 있으며, 청구항 1에 따르면 상기 합금은 철과 크롬 20 내지 30 %, 니켈 25 내지 32 %, 몰리브데늄 6 내지 7 %, 질소 0.35 내지 0.8 %, 망간 0.5 내지 5.4 %, 탄소 0.06 % 이하, 규소 1 % 이하를 포함하며, 그것들은 모두 중량으로 계산되고, 50 이상의 PRE 수를 나타낸다. 선택적 성분으로는 구리(0.5 내지 3 %), 니오븀(0.001 내지 0.3 %), 바나듐(0.001 내지 0.3%), 알루미늄(0.001 내지 0.1%) 및 붕소(0.0001 내지 0.003 %)가 있다. 실례에서만, 크롬 25 % , 니켈 25.5 %, 몰리브데늄 6.5 %, 질소 0.45 %, 구리 1.5 %, 탄소 0.020 %, 규소 0.25 % 및 황 0.001 %, 나머지 철 및 불순물이 사용되었다. 이러한 강철은 우수한 기계적 특성을 나타내지만, 본 발명에 따른 목적을 충분히 성취할 만큼 우수한 특성을 갖지는 않는다.

본 발명은 궁극적으로 상기 요구들을 충족시키는 오스테나이트 스테인리스 강 합금에 관한 것이다. 본 발명에 따른 합금은,

Cr 23 내지 30 중량 %

Ni 25 내지 35 중량 %

Mo 3 내지 6 중량 %

Mn 1 내지 6 중량 %

N 0 내지 0.4 중량 %

C 0.05 중량 % 이하

Si 1.0 중량 % 이하

S 0.02 중량 % 이하

Cu 3 중량 % 이하

및 나머지 Fe와 일반적으로 발생하는 불순물 및 첨가물을 포함한다.

니켈의 함량은 바람직하게 26 중량 % 이상, 더욱 바람직하게 28 중량 % 이상, 및 가장 바람직하게 30 또는 31 중량 % 이상이 되어야 한다. 니켈의 최대 함량은 34 중량 %로 제한되는 것이 적절하다. 몰리브데늄의 함량은 3.7 중량 %이상이 될 수 있고 4.0 중량 % 이상인 것이 적절하다. 특히, 5.5 중량 % 이하이다. 망간의 적절한 함량은 2 중량 % 이상, 바람직하게 3 내지 6 중량 %이며, 특히 4 내지 6 중량 %이다. 질소의 함량은 바람직하게는 0.20 내지 0.40 중량 %, 보다 바람직하게는 0.35 내지 0.40 중량 %이다. 크롬 함량은 24 중량 % 이상이 적절하다. 28 중량 % 이하, 특히 27 중량 % 이하의 크롬 함량에서 특히 바람직한 결과가 얻어질 것이다. 구리의 함량은 바람직하게 1.5 중량 % 이하이다.

당해 합금에서 몰리브데늄의 양을 부분적으로 또는 완전히 텅스텐으로 대체하는 것이 가능하다. 그러나, 상기 합금은 바람직하게 2 중량 % 이상의 몰리브데늄을 포함해야 한다.

본 발명에 따른 합금은 하나 이상의 Mg, Ce, Ca, B, La, Pr, Zr, Ti, Nd 원소로 구성된 연성 첨가물을, 바람직하게 총량이 0.2 % 이하가 되게 포함할 수 있다.

본 발명에 대한 합금 원소의 중요성은 하기와 같다:

니켈 25 내지 35 중량 %

고함량의 니켈은 Cr과 Mo의 용해도를 증가시켜 고합금된 강철을 균일화한다. 이와 함께 오스테나이트 안정화 니켈은, 많은 정도까지 합금 원소인 크롬과 몰리브 데늄으로 구성된, 원치 않은 시그마-, 라베스-(laves-) 및 카이(chi)- 상의 형성을 억제한다.

니켈은 침전 경향 원소인 크롬과 몰리브데늄에 대한 대응물로 작용할 뿐만 아니라, 황화수소 및 염화물이 일반적으로 발생하는 석유/가스-적용 분야를 위한 중요한 합금 원소로서 작용한다. 거친 환경과 함께 조합에서의 고응력은, 상기한 환경에서 종종 "황화물 응력 부식 크래킹(SSCC)"이라 불리는 "응력 부식 크래킹(SCC)"이라는 응력 부식을 야기할 수 있다. 그들의 상승 효과가 황화수소 및 염화물의 혼합물이 있는 혐기성 환경에서 SCC에 대한 내성과 관련하여 고농도의 몰리브데늄보다 더욱 결정적인 것으로 생각되어 왔기 때문에, 상기 합금은 고함량의 니켈과 크롬을 기본으로 한다.

고함량의 니켈은 또한 환원성 환경에서 일반적인 부식에 대해 유리한 것으로 생각되어 왔으며, 그것은 석유 및 가스 유전 환경과 관련하여 유리하다. 부식 시험의 결과에 기초한 식이 유도되었다. 이 식은 환원성 환경에서의 부식률을 예측한다. 상기 합금은 하기 요건을 적절히 충족시켜야 한다:

10

(2.53-0.098×[%Ni]-0.024×[%Mn]+0.034×[%Cr]-0.122×[%Mo]+0.384×[%Cu] < 1.5

그러나, 니켈은 상기 합금에서 질소의 용해도를 감소시키고 열간 가공성을 열화시켜, 합금을 위한 니켈의 함량을 상향 제한하는 단점이 있다.

그러나, 본 발명은, 상기에 따라 고함량의 니켈과 고함량의 크롬 및 망간의 균형을 맞춤으로써 고함량의 니켈이 허용될 수 있는 것을 보여준다.

크롬 23 내지 30 중량 %

고함량의 크롬은 내식성 물질의 기본이 된다. 염화물 환경에서 공식(pitting corosion)을 위한 물질을 분류하는 빠른 방법은, 몰리브데늄과 질소의 긍정적 효과가 분명한, "피팅 내성 당량"(pitting resistant equivalent;PRE)=[%Cr]+3.3×[%Mo]+16×[%N]에 대한 대부분 적용되는 식을 사용하는 것이다. PRE에 대한 식의 많은 다른 변수들이 있고, 특히 식마다 다른 질소에 대한 인자가 있고, 때때로 PRE-수를 감소시키는 원소로 망간이 있다. 높은 PRE-수는 염화물 환경에서의 공식에 대한 높은 내성을 가리킨다. 예를 들어 질화물과 달리, 매트릭스에 용해된 질소만이 유리한 영향을 미친다. 대신 질화물과 같은 원치 않은 상이 부식 공격에 대한 출발점으로 작용하기 때문에, 크롬은 합금에서 질소의 용해도를 증가시키는 특성에 의해 중요한 원소이다. 하기의 식은 공식에 대한 합금의 내성에 대한 표시를 나타낸다. 값이 높을수록 더 우수하다. 고전적인 PRE-식보다 이 식이 합금의 내식성을 더 잘 예측하는 것으로 보여진다. 이 식은 또한, 종래 기술 상태와 다르게 본 발명에 있어서 바람직하게 고함량의 크롬이 중요한 이유에 대해 설명해 준다. 하기의 식에 따르면, 고전적인 PRE-식에 따른 몰리브데늄과 크롬 간의 인자 3.3의 차이 대신, 대응 인자가 2.3이 된다. 신규 합금, 및 양자 모두 고함량의 몰리브데늄을 가진 UNS N08926, UNS S31254, 및 UNS N08028에 대한 피팅온도 간의 비교가 실시예 1에 나타나 있다.

93.13-3.75×[%Mn]+6.25×[%Cr]+5.63×[%N]+14.38×[%Mo]-2.5×[%Cu]

상기한 바와 같이, 크롬은 공식에 대한 영향 뿐만 아니라 황화수소 공격과 관련하여 SCC에 대해 유리한 영향을 미친다. 더욱이, 크롬은 Huey-시험에서 긍정적인 영향을 나타내고, 그것은 과립간 부식, 즉, 저탄소(C < 0.03중량%) 물질이 600 내지 800℃에서의 열처리에 의해 민감해지는(sensitized) 부식에 대한 내성을 반영한다. 본 합금은 매우 내성이 강한 것으로 밝혀졌다. 본 발명에 따른 바람직한 실시형태는 하기의 요건을 만족한다:

10

(-0.441-0.035×[%Cr]-0.308×[%N]+0.073×[%Mo]+0.022×[%Cu]) ≤ 0.10

특히 바람직한 합금은 0.09 이하의 양을 가진다.

크롬과 다르게, 몰리브데늄은 부식률을 증가시킨다. 민감화(sensitizing)하는 동안 원치 않은 상을 발생시키는 몰리브데늄의 침전화 경향을 설명한다. 매우 고함량의 몰리브데늄을 위하여, 또한, 합금에 대한 최적의 구조적 안정성을 얻기 위해, 결과적으로 고함량의 크롬이 선택된다. 확실하게, 상기의 두 가지 합금 원소는 침전화 경향을 증가시키지만, 시험은 몰리브데늄이 크롬의 두 배의 효과를 갖는다는 것을 나타낸다. 하기에 따른, 구조적 안정성을 위해 실험적으로 유도된 식에서 몰리브데늄이 크롬보다 더 부정적인 영향을 미친다. 본 발명에 따른 합금은 바람직하게 하기 요건을 만족한다:

-8.135-0.16×[%Ni]+0.532×[%Cr]-5.129×[%N]+0.771×[%Mo]-0.414×[%Cu]

< 4

몰리브데늄 3 내지 6 중량 %

일반적으로 부식 공격에 대한 내성을 증가시키기 위해 종종 현대의 내식성 오스테나이트에 몰리브데늄을 다량으로 첨가한다. 예를 들어, 염화물 환경에서 공식에 대한 몰리브데늄의 우수한 효과는 일찍이 오늘날의 합금의 길잡이가 된 식인 널리 공지된 PRE-식에 의해 입증되었다. 또한 본 발명에서, 내식성에 대한 몰리브데늄의 우수한 효과는, 특히 환원성 환경에서의 침식 및 염화물 환경에서의 피팅에서 본 발명의 수행을 위해 특별히 개발된 식으로 해독가능하다. 공식에 대한 종래의 식에 따르면, 염화물 유도 부식에 대한 몰리브데늄의 영향이 지금까지 종래기술 상태에서 분명히 나타났던 것만큼 강력히 나타나지 않는다는 것을 강조하는 것이 중요하다. 고함량의 니켈과 크롬의 상승 효과는 황화수소와 염화물이 조합된 혐기성 환경에서의 응력 부식에 대한 내성과 관련하여 고함량의 몰리브데늄보다 더 결정적이다라는 것이 실험을 통해 알게 되어 공지되어 있다.

몰리브데늄의 침전화 경향은 합금 원소가 매트릭스 내에 있는 대신 매트릭스에 붙어 있는 과립간 부식(산화성 환경)에 부정적인 영향을 미친다. 본 발명에 따른 합금은 공식에 대한 매우 높은 내성을 산에 대한 내성과 조합하고, 그것은 합금을 화학 산업에서 열교환기 용으로 이상적이 되도록 만든다. 산(환원성 환경)에 대한 합금의 내성은 일반적인 부식에 대한 하기의 식으로 설명된다. 합금은 바람직하게 하기 요건을 만족해야 한다:

10

(3.338+0.049×[%Ni]+0.117×[%Mn]-0.111×[%Cr]-0.601×[%Mo]) ≤ 0.50

경도에 있어서 명확한 증가는 도표로부터 이해될 수 있고, 그 도표는 각각 고함량 저함량의 몰리브데늄을 가진 합금의 변형체에 대한 열처리를 하는 동안의 필요 응력을 나타낸다. 열간가공하는 동안의 필요 응력에 대한 몰리브데늄의 부정적인 영향이 합금 변형체 X와 P에 의해 도 1에 나타나 있다. 필요 응력은 필요 부하에 정비례하며, 그것은 시험 표본의 면적이 영향을 받지 않았을 때, 즉 네킹(necking) 직전에 측정된다. 응력은 하기의 관계식으로부터 계산된다:

σ : 장력[N/mm²]

σ = F/A F : 힘[N]

A : 면적[mm²](고정된 값)

종종 합금의 부식에 대한 내성에 유리한 영향을 미침에도 불구하고, 감소된 구조적 안정성 및 가공 특성은, 합금의 몰리브데늄 함량이 6 % 이하, 바람직하게 6.0 중량 % 이하로 제한되도록 한다.

망간 1.0 내지 6.0 중량 %

망간은 세 가지 이유로 합금에 매우 중요하다. 최종 생성물을 대한 고강도를 목표로 하기 때문에 냉간 가공을 하는 동안 합금이 변형(strain) 경화되어야 한다. 질소와 망간 양자 모두 스태킹-결함(stacking-failure) 에너지를 감소시키는 것으로 알려져 있으며, 그것은 교대로 물질에서의 전위(dislocation)가 해리되어(dissociate) 쇼클리 부분(Shockley-partial)을 형성하도록 한다. 스태킹-결함이 낮아질수록 쇼클리 부분 간의 거리는 더 멀어지고 전위의 사이드 슬립(sideslipping)이 더 악화되어, 물질이 매우 변형(strain)될 것이다. 이러한 이유로 고함량의 망간과 질소는 합금에 매우 중요하다. 빠른 변형 경화는 도 3에 나타난 환원 그래프로 도시되어 있고, 거기에서 신규 합금은 이미 공지된 강철 UNS N08926 및 UNS N08028과 비교된다.

또한, 망간은 제련시 질소의 용해도를 증가시키며, 이는 또한 고함량의 망간이 유리하다는 것을 말해준다. 질소 용해도를 감소시키는 니켈 함량이 크롬 함량보다 높게 선택되었으므로, 고함량의 크롬 단독으로는 용해도를 충분하게 만들지 못한다. 합금의 질소 용해도는 하기 식을 이용하여 열역학적으로 예상될 수 있다. 질소의 용해도에 대한 이들의 증가 효과에 의해, 망간, 크롬 및 몰리브데늄의 긍정적인 인자가 나타난다.

-1.3465+0.0420×[%Cr]+0.0187×[%Mn]+0.0103×[%Mo]-0.0093×[%Ni]-0.0084×[%Cu]

이 값은 -0.46보다 크고 - 0.32보다 작은 것이 적합하다.

본 발명의 범위 중 망간 함량에 대한 제 3 모티브는, 승온에서의 항복 응력 분석 결과, 놀랍게도 망간이 합금의 열간 가공성에 개선 효과를 보였다는 것이다. 점점 더 고합금강이 될수록, 더욱 가공하기 어려워지고 가공성 향상을 위한 첨가가 더욱 중요해지는데, 그 두가지 모두가 제조를 단순화시키고 더 저렴하게 한다. 망간의 첨가는 열간 가공을 하는 동안, 경도를 감소시키는 것에 관여하며, 그것은, 각각 고함량 및 저함량의 망간을 갖는 합금의 변형체를 열간 가공하는 동안의 필요 변형을 나타내는, 도 2의 도표에 나타나 있다. 여기에서 열간 가공 동안에 필요 장력에 대한 망간의 긍정적 효과는 합금의 변형체 S와 P에서 입증된다. 필요 장력은 필요 힘에 정비례하며, 그것은 표본 면적이 영향을 받지 않을 때, 즉, 네킹 직전에 측정된다. 장력은 하기의 관계식으로부터 계산할 수 있다.

σ : 장력[N/mm²]

σ = F/A F : 힘[N]

A : 면적[mm²](고정된 값)

우수한 열간 가공성은 합금을 튜브, 와이어 및 스트립 등을 제조하는 데 우수하게 만든다. 그러나, 하기의 식에 설명된 바와 같이 합금의 고온 연성에 대한 망간의 약한 부정적 효과가 발견되었다. 열간 가공 동안 경도를 감소시키는 합금 원소로서의 망간의 강력한 긍정적 효과는 보다 중요한 것으로 평가되었다. 합금은 적절한 조성을 가지며, 그것은 하기 식에 대해 43 보다 큰 값, 바람직하게 44 이상의 값을 나타낸다.

10

(2.059+0.00209×[%Ni]-0.017×[%Mn]+0.007×[%Cr]-0.66×[%N]-0.056×[%Mo])

망간은 염화물 환경에서 합금의 공식에 대한 내성을 감소시키는 원소라는 것이 판명되었다. 부식과 가공성의 균형을 맞춤으로써 합금에 대한 최적의 망간 함량이 선택되었다.

합금은 바람직하게 하기 식에 따라 1230 보다 큰 소성 한계를 얻는 조성을 갖는다.

10

(3.102-0.000296×[%Ni]-0.00123×[%Mn]+0.0015×[%Cr]-0.05×[%N]-0.00276×[%Mo]-0.00137×[%Cu])

질소 0 내지 0.4 중량 %

부식에 대한 내성과 또한 합금의 기계적 강도를 증가시키기 위해 몰리브데늄 뿐만 아니라 질소도 현대적 부식 내성 오스테나이트에서 많이 사용되는 합금 원소이다. 본 합금에서, 기계적 강도를 질소로 증가시키는 것이 최우선이며, 그것이 개발될 것이다. 상기한 바와 같이 망간이 합금 스택킹-결함(stacking fault) 에너지를 낮추기 때문에 냉각 변형되는 동안 강도에 있어서의 강력한 증가가 얻어진다. 본 발명은 또한 질소가 결정 구조에서 응력을 야기하는 격자간 용질 원자 때문에 합금의 기계적 강도를 증가시키는 것을 이용한다. 시트, 열 교환기, 제조 튜브, 와이어- 및 스트립 스프링, 리그와이어(rigwire), 와이어라인과 같은 원하는 적용 분야 및 모든 종류의 의료 적용 분야에 대해서는 고강도가 기본적으로 중요하다. 고장력 물질을 사용함으로써, 더 적은 재료 및 이로 인한 더 적은 중량으로도 동일한 강도를 얻을 수 있다. 스프링은 탄성에너지를 흡수하는 경향이 결정적으로 중요하다. 스프링이 저장할 수 있는 탄성 에너지의 양은 하기 관계식에 따른다.

굽힘 응력을 갖는 스프링의 경우

전단 응력을 갖는 스프링의 경우

(상기 식에서, σ는 굽힘 응력에서의 탄성 한계, 실제로는 재료 장력에서의 항복점을 나타내며, E는 탄성 모듈을 나타내고, G는 전단 모듈을 나타낸다.)

상수는 스프링의 형태에 따라 결정된다. 굽힘 또는 전단 응력과 독립적으로, 각각 장력에서의 고항복점 및 저탄성 및 전단 모듈과 함께 고탄성 에너지 저장이 가능하게 된다. 스풀에 특정 곡률로 감긴 와이어 상의 탄성 모듈을 측정하는 것은 어려우므로, 모든 상기 합금에 대한 문헌을 통하여 UNS N08926의 타당한 값을 추정하였다.

	φ(mm)	R_p0.2(N/mm²)	E(N/mm²)	W
신규 합금 변형체 B	3.2	1590	198000	상수x12.8
신규 합금 변형체 C	3.2	1613	198000	상수x13.1
신규 합금 변형체 E	3.2	1630	198000	상수x13.4
UNS N08028	3.2	1300	198000	상수x8.5
UNS N08926	3.2	1350	198000	상수x9.2

질소는 또한 상기 나타낸 바와 같은 공식 내성에 유리한 효과를 나타낸다.

구조적 안정성과 관련하여, 질소는 질화크롬류를 야기함으로써 부정적 방향으로 및 긍정적 안정화 방향으로 모두 작용할 수 있다.

구리 0-3 중량%

오스테나이트강의 부식성에 구리 첨가가 미치는 효과는 논쟁중에 있다. 그러나, 구리가 황산에서의 부식에 대한 내성을 크게 증가시키는 것은 명백한 것으로 보이며, 이는 합금 적용 분야에서 매우 중요하다. 시험동안 구리는 튜브 제조에 유리한 원소인 것으로 나타났으므로, 튜브용으로 제조된 재료에 있어 구리 첨가가 특히 중요하다. 그러나, 실험에 의한 바와 같이 고함량의 구리를 고함량의 망간과 조합하면 고온 연성이 크게 감소된다는 것이 알려져 있으므로, 구리의 상한은 3 중량%로 결정된다. 구리 함량은 1.5 중량% 이하가 바람직하다.

도 1은 본 발명의 실시형태 X와 P에 대한, 열간 가공하에서의 온도에 대한 장력의 도표를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 실시형태 S와 P에 대한, 열간 가공하에서의 온도에 대한 장력의 도표를 나타낸다.

도 3은 단면의 감소에 대한 최고 인장 강도의 도표를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 일부 실시형태와 일부 비교예의 길이의 특징으로서의, 부하를 나타낸다.

도 5는 풀리 휠의 직경에 대한 사하중 및 굽힘 응력을 포함하는 부하를 나타낸다.

본 발명에 따른 합금의 몇가지 실시형태를 하기 기재한다. 이는 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다.

실시예

상기 언급한, 본 발명에 따른 시험 합금 및 몇가지 주지된 합금의 조성을 하기 표에 나타낸다. 이 때, 주지된 합금이 시험에 사용되는 경우, 주지된 합금의 시험용 조성물을 정의하는 범위는 이들 경우에 대해 나타낸다.

실시예 1:

본 발명에 따른 세가지 합금 및 세가지 비교 합금에 대하여, ASTM G48에 따라 6 중량% FeCl₃ 에서의 공식을 측정하였다. 용액의 비점과 관련하여 최고 가능 온도는 100℃이다.

	60% 냉간가공 시험 표본. ASTM G48의 세부사항에 따라 연마.	다양한 정도의 냉간가공으로 제조된 튜브표본, 제조 마무리에 따름.	어닐링된 시험 표본, ASTM G48의 세부사항에 따라 연마.
신규 합금 A	>100℃¹
신규 합금 I	100℃¹
신규 합금 T	100℃¹
UNS N08028		47℃²	55℃⁴
UNS N08926		67.5℃¹
UNS S31254		67.5℃³	87℃⁴
¹ 2회 시험 평균 ² 12회 시험 평균 ³ 22회 시험 평균 ⁴ 각각 산드빅 강철이 편집한 데이타시트 및 아베스타 세필드 논문으로부터 얻은 값

ASTM G48의 세부사항에 따라 연마된 냉간가공 시험 표본, ASTM G48의 세부사항에 따라 연마된 어닐링 시험 표본, 현존 표면을 가진 튜브 표본의 세가지 다른 시험 마무리(finish)를 비교하면, 연마된 표면을 갖는 어닐링 시험 표본에서 최고온이 얻어질 것으로 예상된다. 이어서, 연마된 표면을 가진 냉간 가공 시험 표본이 뒤따르며, 가장 낮은 온도가 예상되는 가장 거친 시험은 현존 표면을 가진 냉간가공 튜브로 시험 소켓을 만든 경우에 최저온이 예상된다.

실시예 2:

상이한 망간 및 몰리브데늄 함량에서 본 합금을 열간 가공하기 위하여 필요 한 장력을 도 1 및 도 2에 도시한다. 도 1의 변형체 X 및 P를 통하여, 필요 장력에 미치는 몰리브데늄의 부정적인 효과가 증명될 것이다. 도 2의 변형체 S 및 P를 통하여, 필요 장력에 미치는 망간의 긍정적인 효과가 증명될 것이다.

실시예 3:

도 3에는, 주지된 UNS N08028 및 UNS N08926과 비교하여, 본 발명의 합금인 변형체 B, C 및 E의 냉간 가공시 최종 응력이 실질적으로 더 우수하게 증가하는 것으로 도시되어 있다.

실시예 4:

도 4 및 5의 그래프에, 와이어 및 적용 와이어라인의 필수 특징이 가시화되어 있다.

도 4의 그래프는, 주지된 합금 UNS N08028로 제조한 와이어와 비교하여, 본 신규 합금 와이어가, 사하중을 초과하는 부하를 얼마만큼 가질 수 있는지 와이어 길이의 함수로서 나타낸다.

합금 밀도는 ρ=8000kg/m³으로 추정되었다.

중력 가속도는 약 g=9.8m/s²였다.

긴 와이어는 명백한 사하중을 가지며, 이는 상기 와이어에 부하된다. 일반적으로, 이러한 사하중은 곡률이 다양한 휠에 의해 취해지며, 이는 또한 와이어에 응력을 일으킨다. 휠의 곡률 반경이 작을수록 와이어의 굽힘 응력이 더 커진다. 이와 동시에, 와이어 직경이 작을수록 곡률이 커진다. 도 5의 그래프는, 주지된 합금 UNS N08028과 비교하여 신규 합금으로 제조된 와이어가 사하중 및 굽힘 응력을 포괄한 얼마만큼의 부하를 풀리휠 직경의 함수로 가질 수 있는지를 보여준다.

두가지 합금 모두의 탄성 모듈은 약 E=198000MPa였다.

응력이 탄력적으로 직선으로 하강하고 물질의 항복 응력(Rp0.2)에 의해 최대 베어링 부하가 결정된다는 가정 하에, 그래프를 계산한다.

실시예 5:

하기 표 5에서, 상기 논의된 관계식 I-IX에 대한 계산값은 다음과 같다.

I: 구조적 안정성=-8.135-0.16·[%Ni]+0.532·[%Cr]-5.129·[%N]+0.771·[%Mo]-0.414·[%Cu]

II: 고온 연성= 10

(2.059+0.00209·[%Ni]-0.017·[%Mn]+0.007·[%Cr]-0.66·[%N]-0.056·[%Mo])

III: 소성 한계=10

(3.102-0.000296·[%Ni]-0.00123·[%Mn]+0.0015·[%Cr]-0.05·[%N]-0.00276·[%Mo]-0.00137·[%Cu])

IV: 전반적인 부식(내산성)=10

(3.338+0.049·[%Ni]+0.117·[%Mn]-0.111·[%Cr]-0.601·[%Mo])

V: 전반적인 부식(환원성 환경)=10

(2.53-0.098·[%Ni]-0.024·[%Mn]+0.034·[%Cr]-0.122·[%Mo]+0.384·[%Cu])

VI: 과립간 부식(산화성 환경)=10

(-0.441-0.035·[%Cr]-0.308·[%N]+0.073·[%Mo]+0.022·[%Cu])

VII: 피팅= 93.13-3.75×[%Mn]+6.25×[%Cr]+5.63×[%N]+14.38×[%Mo]-2.5×[%Cu]

VIII: PRE=[%Cr]+3.3×[%Mo]+16[%N]

IX: 질소 용해도=-1.3465+0.0420×[%Cr]+0.0187×[%Mn]+0.0103×[%Mo]-0.0093×[%Ni]-0.0084×[%Cu]

하기 표에 다른 상관관계의 바람직한 값이 기재되어 있다.

Claims

하기 조성:

Cr 23-30 중량%

Ni 25-35 중량%

Mo 3-6 중량%

Mn 3-6 중량%

N 0-0.40 중량%

C 0.05 중량% 이하

Si 1.0 중량% 이하

S 0.02 중량% 이하

Cu 3.0 중량% 이하

및 나머지 Fe 및 일반적으로 발생하는 불순물 및 첨가물을 가지고, 이 함량이 10
(2.53-0.098·[%Ni]-0.024·[%Mn]+0.034·[%Cr]-0.122·[%Mo]+0.384·[%Cu])<1.5의 조건을 만족하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 오스테나이트 합금.
제 1항에 있어서,

상기 니켈의 함량이 26 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 오스테나이트 합금.
제 1항 또는제 2항에 있어서,

상기 몰리브데늄의 함량이 4.0-6.0 중량%인 것을 특징으로 하는 오스테나이트 합금.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 망간의 함량이 4-6 중량%인 것을 특징으로 하는 오스테나이트 합금.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 질소의 함량이 0.20-0.40 중량%인 것을 특징으로 하는 오스테나이트 합금.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 크롬의 함량이 23-28 중량%인 것을 특징으로 하는 오스테나이트 합금.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 몰리브데늄이 텅스텐으로 일부 대체되고, 몰리브데늄이 2 중량% 이상 포함되는 것을 특징으로 하는 오스테나이트 합금.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 합금이 원소 Mg, Ce, Ca, B, La, Pr, Zr, Ti, Nd 중 하나 이상으로 이루어지는 연성 부가물을 0.2 중량% 이하의 총량으로 함유하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트 합금.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 원소의 함량이 10
(-0.441-0.035·[%Cr]-0.308·[%N]+0.073·[%Mo]+0.022·[%Cu])≤0.10의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 오스테나이트 합금.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 원소의 함량이 10
(3.102-0.000296·[%Ni]-0.00123·[%Mn]+0.0015·[%Cr]-0.05·[%N]-0.00276·[%Mo]-0.00137·[%Cu])>1230의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 오스테나이트 합금.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 원소의 함량이 10
(2.059+0.00209·[%Ni]-0.017·[%Mn]+0.007·[%Cr]-0.66·[%N]-0.056·[%Mo])> 43의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 오스테나이트 합금.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 원소의 함량이 -0.46<(-1.3465+0.0420×[%Cr]+0.0187×[%Mn]+0.0103×[%Mo]-0.0093×[%Ni]-0.0084×[%Cu])<-0.32의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 오스테나이트 합금.
제 2항에 있어서,

상기 니켈의 함량이 31-34 중량%인 것을 특징으로 하는 오스테나이트 합금.
제 5항에 있어서,

상기 질소의 함량이 0.35-0.40 중량%인 것을 특징으로 하는 오스테나이트 합금.