KR100803183B1

KR100803183B1 - 주물의 열간 정수압 압축 성형법

Info

Publication number: KR100803183B1
Application number: KR1020037011456A
Authority: KR
Inventors: 하시구치돈에이치
Original assignee: 브러쉬 웰만 인코포레이티드
Priority date: 2001-03-01
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2008-02-14
Also published as: CA2445109A1; EP1370705A1; US20020162611A1; JP2004524974A; WO2002070771A1; KR20030080051A; MXPA03007867A; CN1518609A; US6648993B2

Abstract

액상선 온도와 고상선 온도의 차이가 큰 합금으로 제조되는, 단련 처리되지 않은 주물의 주물 다공성은 주물을 열간 정수압 압축 성형 처리하여 감소시킬 수 있다.

HIP, 주물 다공성, 합금

Description

주물의 열간 정수압 압축 성형법{HOT ISOSTATIC PRESSING OF CASTINGS}

본 발명은 액상선(liquidus) 온도와 고상선(solidus) 온도의 차이가 큰 합금으로 제조되는 주물(casting)에 관한 것이다.

주조물(cast product)은 통상적으로 주요한 사고를 가져올 수 있는 용도, 특히 사용시에 파손(failure)이 예측될 수 없는 경우에는 사용되지 않는다. 예컨대, 주조물의 낮은 피로 강도 때문에, 주물은 통상적으로 구조적 비행기 부품을 제조하는데 사용되지 않는다. 유사하게, 기계적 및 파괴 인성(fracture toughness) 문제 때문에, 주물은 통상적으로, 상업적인 수공구나, 고속 공구 및 베어링용 강재의 제조에는 사용되지 않는다.

주물이 이러한 용로도 사용되지 않는 이유 중 하나는 주물 다공성(porosity)이다. 주물 다공성은, "가스 다공성"이라고 일반적으로 언급되는, 용융 상태로부터 고체화할 때에 가스가 방출되는 것을 포함하는 다수의 서로 다른 현상으로부터 초래된다. 또한, 주물 다공성은 고체화시에 액상의 금속이 고체화되고 있는 구역에 충분히 흐르지 않으면서 액상의 금속이 수축하는 것에 의해서 생성될 수 있다. 이것은 "수지상간(interdendritic) 다공성" 또는 "수축 다공성"이라고 불리고 있다.

주물 다공성은 액상선 온도와 고상선 온도의 차이가 큰, 즉 100℃ 이상 단위의 차이를 가지는 합금에서 특히 중요한 문제가 될 수 있다. "액상선 온도"는 가열시 합금이 100% 액체가 되는 온도를 의미한다. "고상선 온도"는 냉각시 합금이 100% 고체가 되는 온도를 의미한다. 그러한 "넓은 응고 범위"를 갖는 합금은 본질적으로 100% 용융 상태로부터 100% 고체 상태로 응고시키는 것이 시간이 더 걸리게 된다. 주물 다공성은 응고 도중, 즉 합금이 액상선 온도와 고상선 온도 사이의 반-고체 상태인 동안에만 발생하기 때문에, 이것은, 곧 주물 다공성이 발생하는 것을 증가시키게 된다. 또한, 냉각 시간이 주물 크기와 직접적으로 관련되기 때문에, 이러한 합금으로부터 만들어지는 주물이 크기 면에서 클 때, 예컨대 최소 두께 치수(dimension)가 1 인치 이상인 주물인 경우, 수축 다공성은 특히 현저해진다.

따라서, 본 발명의 목적은 감소된 주물 다공성을 지니는 합금 주물을 제조하기 위한 새로운 기술을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 액상선 온도와 고상선 온도의 차이가 큰 합금으로 제조되는 경우에도 다공성이 감소된 합금 주물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 주물이 액상선 온도와 고상선 온도의 차이가 큰 합금으로 제조될 때에 1인치 이상의 최소 두께 치수를 가지는 경우라도, 다공성이 낮은 개선된 주물을 제공하는 것이다.

주물 다공성이 크게 감소될 수 있고 주물을 열간 정수압 압축 성형("HIP") 처리하는 것에 의해서 일부 경우에 본질적으로 제거될 수 있다는 것에 기초한 것인 본 발명에 의해서, 이러한 그리고 다른 목적들이 달성된다.

따라서, 본 발명은, 열간 정수압 압축 성형 처리에 의한 주물의 후속 처리를 포함하는, 적어도 50℃의 액상선 온도와 고상선 온도의 차이를 가지는 합금으로부터 만들어진 주물 내에서의 주물 다공성을 감소시키는 새로운 공정을 제공한다.

또한 본 발명은 액상선 온도와 고상선 온도의 차이가 적어도 50℃인 합금으로부터 만들어지고, 다른 점에서는 동일하지만 최소 두께 치수가 1 인치이며, 또한 주조에 의한 다공도가 열간 정수압 압축 성형 처리가 되지 않는 주물의 다공도의 50% 이하인 신규한 주물을 제공한다.

본 발명에 따라서, 주물을 열간 정수압 압축 성형("HIP") 처리하는 것에 의해서 액상선 온도와 고상선 온도의 차이가 큰 합금(이후 "넓은 응고 범위를 갖는 합금")으로부터 만들어지는 주물의 주물 다공성이 감소되거나 및/또는 실질적으로 제거될 수 있다.

주물

본 발명은 벌크 주물과 니어넷(near net) 형상 주물을 포함하는 어떠한 유형의 주물에도 응용될 수 있다. 본원 문맥에서, "벌크 주물"은 제조, 보존 및 용도의 편의를 위해서, 그 크기 및 형태를 지정할 수 있는 고체 합금의 덩어리이다. 벌크 주물은 봉(rod), 막대기(bar), 스트립 및 유사한 것을 포함하는 서로 다른 형상으로 시판되고 있다. 이러한 벌크 제품을 분리하여 최종 형상의 제품으로 변환하는 것은, 주물에 대한 형상의 중요한 변화를 첨가하기 위한 일부 유형의 본질적인 쉐이핑(shaping) 작업을 요구한다. 이러한 형상 면에서의 중요한 변화는 주물의 일부를 제거하기 위한 일부 유형의 절삭(cutting) 작업에 의해서 일어날 수도 있고, 곡선형 또는 다른 비-균일, 비-직선, 또는 비-직교 형상을 주물에 첨가하기 위한 벤딩(bending)이나 단조(forging)와 같은 기계적 변형 단계를 포함할 수도 있다. 이러한 일부 경우에, 주물은 최종 용체화 어닐링(solution anneal) 이전 또는 이후에 그 벌크 전체에 걸쳐 결정 구조에 영향을 미치기 위해서 가공될 수 있다.

한편, "니어넷 형상" 주물은 몰드(mold)로부터 꺼내졌을 때 형상이 제조될 최종 제품의 형상과 동일, 또는 거의 동일한 것인 주물이다. 탕구(sprue), 주입구(gate), 탕도(runner) 및 고온상부(hot top)를 제거하는 것이나 주물 표면을 디버링(deburring)하는 것과 단지 약간의 쉐이핑이 최종 형상을 얻기 위해서 필요할 뿐이다.

그러한 약간의 쉐이핑은 일부 유형의 절삭 작업[예컨대, 드릴링, 소잉(sawing), 밀링 등]을 포함하여서 구멍이나 다른 미세 형상 변화를 주물 본체에 추가할 수 있다. 단련(wrought) 공정은 이후 더 설명되겠지만 관련되지 않는다. 최종제품이 작으면, 서로 분리되어서 최종 제품을 형성하도록 하는 복수의 니어넷 형상 부분으로 단일 니어넷 형상 주물은 구성될 수 있다.

숙련된 야금기술자는 "벌크"와 "니어넷 형상" 주물 사이의 차이를 용이하게 이해할 것이다.

본 발명은 주로 단련 처리되지 않은 개선된 주물(벌크 및 니어넷 형상 모두)을 만드는 것에 대한 것이다. 이러한 점에서, 야금에서 결정 구조 및 그에 따른 다수 합금의 성질들이 그 합금을 실질적인, 면적 감소면에서 통상적으로 40% 이상 단위인 것인, 균일한 기계적 작업(절삭이 없는 변형)을 수행하여서 현저하게 영향을 받는다는 것이다. 따라서, 대부분의 이러한 유형의 합금은 단련된(가공된) 형상 또는 주조(미가공된) 형상으로 시판되고 있다. 예컨대, 커크 오스너(Kirk Othrner)의 1985년 저작권 보호되고, 화학 기술의 요약 백과사전, 구리 합금 페이지 318-322, 3판을 참조하라. 또한 구리 개발 협회(Copper Development Association)에서 간행되고 1999년 개정된 적용 데이터 쉬트, 단련 및 주조 구리 및 구리 합금에 대한 표준 지정을 또한 참조하라. 본 발명은 주로 미가공 주물, 즉 결정 구조 및 주물을 형성하는 합금의 성질을 눈에 띄게 변화시키기 위해서 수행되는 기계적 변형을 처리하지 않은 주물에 대해서 적용가능하다.

본 발명은 이전의 단련 처리된 주물, 즉 단련 처리를 이미 수행한 주물의 성질을 개선하기 위해서 또한 사용이 가능하다. 단련 처리는 본질적으로 미세구조를 개설시키면서 주물 다공성을 제거 또는 감소시키고, 따라서 본 발명에 의해서 달성되는 긍정적인 영향- 주물 다공성의 감소에 따른 성질의 강화(enhancement)-은 이 실시예만큼 크지 않다. 그래도, 여전히 잔류 주물 다공성을 포함하고 있는 이전의 단련 처리된 주물의 열간 정수압 압축 성형 처리는 이러한 다공성을 더 감소시키고, 따라서 적어도 일정 부분 그 성질을 개선시킨다.

비록 본 발명이 어떠한 크기에도 적용이 가능하지만, 특히 "큰" 주물, 즉 최소 두께 치수[중공(hollow) 또는 다른 유사 제품의 경우 최소 벽 두께 치수를 포함하는]가 적어도 1 인치인 주물에 대해서 수행될 때 유용한 것이다. 최소 두께 치수가 약 3 인치 이상인 주물, 특히 약 4 또는 6 인치 이상인 주물이 특히 관심의 대상이 되는 것이다. 몰드 내의 금속 덩어리로부터 추출가능한 열의 속도는 부피 및 표면적의 비에 달려 있다. "더 큰" 주물은 일반적으로 더 큰 부피/표면적 비를 가지기 때문에, 통상적으로 액상선에서 고상선 온도로 냉각시키는데 더 작은 주물보다 더 큰 주물에서 상대적으로 더 많은 시간이 걸리게 된다. 이러한 것의 효과는 작은 주물보다 더 큰 합금 주물을 제조하는 것이 힘들다는 것이며, 이것은 더 큰 주물은 반-용융 상태에서 더 많은 시간을 보내게 되기 때문이다. 주물 다공성은 합금이 액상선 및 고상선 사이의 반-용융 상태에 있을 동안에 발생하고, 따라서 더 작은 주물의 경우에서보다 더 큰 주물에서 더 많은 주물 다공성이 생기는 경향이 있다. 따라서, 액상선 온도와 고상선 온도의 차이가 큰 합금으로부터 "큰" 주물이 만들어질 때, 주물 다공성은 특히 중요한 문제가 되고, 이것은 주물 다공성에 기여하는 요소 모두가 결합되어 있기 때문이다. 본 발명은, 따라서, 액상선 온도와 고상선 온도의 차이가 큰 합금으로부터 만들어지는 "큰" 주물을 제조하는데 특히 적용이 가능하고, 그 이유는 이것이 주물 다공성의 문제가 가장 만연된 경우이기 때문이다.

합금

본 발명은 넓은 응고 범위를 갖는 합금, 즉 액상선 온도와 고상선 온도의 차이가 큰 합금으로 제조되는 주물에 적용가능하다. 일반적으로 이 온도 차이는 50℃ 이상일 것이다. 그러나 이 차이는 100℃ 이상일 수 있고, 150℃ 이상일 수도 있다.

다수의 그러한 합금 시스템이 알려져 있다. 예컨대, 알루미늄-베릴륨, 구리-니오븀, 니켈-베릴륨 합금 또는 유사한 합금들이다.

본 발명과 관련하여 특히 유용한 합금은 구리, 니켈 또는 알루미늄을 포함하는 기본 금속(base metal)에 75 중량%까지의 베릴륨을 더하여 구성된다. 이러한 유형의 바람직한 합금은 적어도 약 90 중량%의 기본 금속과 약 10 중량%까지의 Be 또는 5 중량% 까지의 Be, 약 그리고 3 중량%까지의 Be를 포함한다. 특히 바람직한 것은 약 0.3 내지 3.3 중량%의 Be를 포함하는 구리 합금과, 약 0.4 내지 4.3 중량%의 Be를 포함하는 니켈 합금, 그리고 약 1 내지 75 중량%의 Be를 포함하는 알루미늄 합금이다. 이러한 합금은 예컨대 Co, Si, Sn, W, Zn, Zr, Ti 및 다른 성분으로서 성분당 2 중량%의 양을 초과하지 않고 바람직하게는 1 중량%의 양을 초과하지 않는 것인 추가적인 성분을 또한 포함할 수 있다. 또한, 이러한 기본 금속 합금 각각은 다른 기본 금속을 추가적인 성분으로서 또한 포함할 수 있다. 예컨대, Cu-Be 합금이 Ni, Co 및/또는 Al을 추가적인 성분으로서 포함할 수 있고, 양적 측면에서 30 중량%를 초과하지 않고, 좀더 통상적으로는 15 중량%보다 크지 않다. 일반적으로, 그러한 합금은 2 중량%보다 또한 좀더 통상적으로는 1 중량%보다 크지 않은 것인 이러한 추가적인 성분을 가진다.

이러한 합금은 일반적으로 하크니스(Harkness) 등의, 베릴륨-구리 및 기타의 베릴륨 함유 합금( 금속 핸드북, 2권, 10차 개정판, 1993 ASM 인터내셔널 저작권 보호)에 기술되어 있으며, 이 개시 사항이 전체적으로 본원에 참조로서 병합된다.

이러한 유형의 합금의 바람직한 종류는 뉴욕주 구리 개발 협회에 의해서 지정된 구리를 고함량으로 포함하는 C81000 시리즈 합금과 C82000 시리즈 합금이다.

본 발명을 실시하는데 특히 유용한 것인 다른 합금의 종류는 스피노달(spinodal) 합금, 즉 시효 경화(age hardening)에 따라 스피노달적으로 분해되는 합금이다. 특히 이러한 유형의 합금 중 관심있는 그룹은 CU-Ni-Sn 스피노달 합금이다. 이러한 합금은, 특히 상업적으로 중요한 것은 약 8 내지 16 중량%의 Ni와 5 내지 8 중량%의 Sn과 잔부(balance)는 구리와 부수적인 불순물을 포함하는 것으로, 최종 시효 경화에 따라 스피노달적으로 분해되어서, 양호한 전기 전도도와, Cl^-에 대한 내부식성(corrosion resistance), 내마모성 및 진공 침식 저항성을 가질 뿐만 아니라 강하고 연성(ductile)을 가지는 합금을 제공하게 된다. 또한, 이러한 합금은 기계 가공이 가능하고, 연삭이 가능하며, 평탄화가 가능하고 비방전(non-sparking) 및 내마모(anti-galling) 특성을 가진다. 이러한 합금은 1995년 11월 3일 제출된 미국 출원 일련번호 08/552,582에 설명되어 있고, 그 개시사항이 참조로서 본원에 병합된다. 특히 이러한 유형 중 바람직한 합금은 15Ni-8Sn-Cu(15 중량% Ni, 8 중량% Sn, 잔부 Cu)와 9Ni-6Sn-Cu와 같은 화합물을 포함하고, 이러한 것은 구리 개발 협회의 화합물 지정 스킴 하에서 합금 C96900 및 C72700으로 알려져 있다. Ni 및 Sn에 추가하여, 이러한 합금은 , 부수적인 불순물 뿐만 아니라 추가적인 성분을 또한 포함하여서 공지될 기술에 따르는 다양한 성질을 개선하게 될 수 있다. 이러한 추가적인 성분의 예는 B, Zr, Mn, Nb, Mg, Si, Ti 및 Fe 이다.

열간 정수압 압축 성형 처리

본 발명에 따라서, 그 형상을 실질적으로 변경시키지 않고 또는 전체 물질 흐름을 야기하지 않는 방식으로 높고 균일한 힘을 처리될 물품(article)의 표면에 가하여 열간 정수압 압축 성형 처리가 수행된다. 좀더 간단하게는, 이것은 물품을 아르곤이나 다른 비활성 가스와 같은 높은 압력 플루이드(fluid) 처리하는 것에 의해서 수행된다. 액체도 또한 사용될 수 있고, 이 경우 또한 물품에 대해서 실질적으로 비반응성(non-reactive)인 액체가 바람직하다. 산소와 같은 반응성 성분을 포함하는 플루이드를 방지하는 것은 심한 산화 또는 다른 식으로 발생할 수 있는 합금의 다른 반응을 예방하는데 도움을 준다.

비록 열간 정수압 압축 성형 처리가 어떠한 온도에서도 수행될 수 있지만, 수행 온도가 합금의 고상선 온도보다 아래인 것이 바람직하다. 그렇지 않은 경우, 합금의 일부분이 액화되어서 적절히 지지되지 않는다면 주조 형상 왜곡을 가져온다. 또한 주물이 충분하지 못한 압력하에서 재응고될 때 다공성이 다시 발생할 수 있다. 또한, 수행 온도는 합금의 고용 한계 온도보다 높은 것이 바람직한데, 그 이유는 이것이 합금 성분의 균일한 분포를 증진시키기 때문이다. 또한, 이것은 스피노달 분해나 다른 경화 현상을 방지할 수 있고, 그러한 변화를 수행하는 것이 가능한 그러한 합금 안에서 발생할 수 있다.

열간 정수압 압축 성형 처리는 주물의 다공성이 눈에 띄게 개선되도록 충분한 긴 시간동안 수행되어야 한다. 다음 작업 예에서, 주물의 50배 확대된 부분 단면에서 100 마이크론보다 큰 직경을 가지는 기공(pore)의 평방 센티미터 당 규격화된 수를 결정하여서 주물의 다공도가 측정된다. 다공도를 측정하는 다른 종래의 방법이 사용될 수 있다. 사용된 특정 방법에 관계없이, 열간 정수압 압축 성형 처리는 주물의 다공성을 눈에 띄게 감소시키도록, 바람직하게는 50% 이상, 더 바람직하게는 75% 이상 감소시키도록 충분한 긴 시간 동안 수행되어야 한다. 또한 열간 정수압 압축 성형 처리 동안 고온에서의 시간을 최소화하는 것이 바람직하며, 이는 분리된 합금 성분의 균일한 분포를 증진시키는 것과 함께 바람직하지 않은 그레인(grain) 성장을 방지하기 위함이다.

다공성을 없애는 데 충분히 높은 임의의 압력이 열간 정수압 압축 성형 처리를 수행하는데 사용될 수 있다. 실제 문제에서, 이러한 압력은 상업적으로 사용가능한 HIP 노에서 생성될 수 있는 압력으로 제한되어 있다. 본 발명에 따른 열간 정수압 압축 성형 처리를 수행하는데 통상 채택되는 상승된 온도에서, 이러한 압력은 통상적으로 약 15,000에서 60,000 psig 범위를 가진다. 더 높은 압력도 물론 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 열간 정수압 압축 성형 처리는 부품을 제조하는 동안에 임의의 시기에 수행될 수 있다. 주조 합금으로부터 유용한 제품을 제조하는 데는 숙련된 야금 기술자가 이해하고 있는 바와 같이, 균질화(homogenization), 용체화 어닐링, 및 일부 경우, 석출(precipitation) 경화를 포함하는 하나 이상의 열 처리 단계가 수반된다. 균질화의 경우 합금이 상대적으로 긴 시간 동안(예컨대 4시간에서 며칠) 고용 한계(Solvus) 온도보다는 높은 온도지만 고상선 온도보다는 낮은 온도에서 가열된다. 균질화의 목적은 합금이 주조될 때 본질적으로 생기는 성분의 미소분리(microsegregation)를 제거하기 위함이다. 따라서, 가열은 용융 원자의 중요 움직임이 균질한 분포로 되도록 상대적으로 긴 시간 동안 수행된다. 담금질(quenching)은 급속 또는 완만하게 할 수 있다.

용체화 어닐링에서, 합금은 또한 고용 한계 온도와 고상선 온도 사이에서 가열된다. 그러나, 주요 목적은 합금 성분을 제 위치에 균질하게 분포하도록 냉각시키는 것이고, 따라서 합금의 급속 담금질이 요구된다. 보통 이러한 것은 물에 담금질하여 수행되지만, 기름이나, 냉각 가스, 그리고 유사한 물질을 사용하여 수행될 수 있다. 용체화 어닐링은, 보통 합금이 이미 매우 균일한 원소 분포로 시작되었고 따라서 분리된 성분을 재용해하는 데 필요한 어떠한 가열도 작은 것이라고 추정한다. 따라서 용체화 어닐링에서의 가열시간(수 분에서 한시간 등의 단위)은 종래의 균질화의 경우보다 통상 현저하게 짧다.

석출 경화는 상대적으로 낮은 온도에서 가열된 일부 합금의 경우(전술한 Be-Ni 합금의 경우, 315-705℃에서 1에서 10 시간 동안)에서 최종 용체화 어닐링 이후에 발생할 수 있는 현상이다. 합금 내에서 구성성분(ingredient)의 분포가 충분하게 균일하다면, 저온 가열은 핵형성(nucleation)과 미세 침전[전술한 Be-Ni합금의 경우, 니켈 베릴라이드(nickel beryllide)]의 성장을 증진하게 되고, 따라서 제조된 합금의 성질을 증가시키게 된다.

이러한 열처리 단계에 더하여, 합금은 또한 단련 처리될 수 있고, 즉 면적 감소면에서 40 % 이상의 단위로 현저하게 균일한 기계적인 변형이 처리될 수 있다. 단련 처리는 고용 한계 온도와 고상선 온도 사이에서("고온 작업") 수행될 수 있고, 또는 실온과 같은 더 낮은 온도("저온 작업")에서 수행될 수 있다. 고온 작업은 통상 초기 용체화 어닐링의 이전 또는 이후에 최종 용체화 어닐링의 이전에 수행되고, 저온 작업은 통상 최종 용체화 어닐링 이후에 수행된다. 전술하였듯이, 단련 처리는 그 형상을 변형시키는 것뿐만이 아니라 현저하게 합금의 결정 구조 및 성질을 변화시킨다. 일부 경우, 저온 작업은 또한 후속 석출 경화 처리의 영향을 증가시키게 된다.

본 발명의 열간 정수압 압축 성형 처리 단계는 부분 제조 도중 어느 때라도 수행될 수 있다. 따라서, 열간 정수압 압축 성형 처리는 최종 용체화 어닐링 이전 또는 이후에 뿐만 아니라 균질화 이전 또는 이후에 수행될 수 있다. 만약 최종 용체화 어닐링 이전에 주물이 단련 처리된 것이면, 열간 정수압 압축 성형 처리는 단련 처리 이전 또는 이후에 수행될 수 있다. 석출 경화 합금에서, 열간 정수압 압축 성형 처리는 바람직하게는 석출 경화 이전에 수행된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 그러나 열간 정수압 압축 성형 처리는 균질화 및/또는 용체화 어닐링 절차의 부분이거나 또는 조합으로서 수행된다. 본 발명에 따른 열간 정수압 압축 성형 처리에 대해 사용되는 온도가 바람직하게는 균질화 및 용체화 어닐링에 사용되는 온도와 동일하기 때문에, 즉 고용 한계 온도와 고상선 온도 사이이기 때문에, 이러한 열 처리 단계와 동시에 열간 정수압 압축 성형 처리가 수행될 수 있다.

터보 주조된 스피노달 합금의 열간 정수압 압축 성형 처리

본 발명의 특히 유용한 적용은 전술한 1995년 11월 3일 출원된 미국 특허원 08/552,582에 설명된 기술에 의해 제조된 것인 크고 연속적인 주로, 스피노달-경화가능 Cu-Si-Sn 잉곳(ingot)의 열간 정수압 압축 성형 처리에 관한 것이다.

상기 특허에서 설명된 Cu-Si-Sn 합금의 양호한 스피노달 분해를 행하기 위해서, 합금이 시효 경화했을 때에 상대적으로 미세하고, 균일한 그레인 구조를 가지는 것이 필요하다. 선행 기술에서, 이러한 증가된 그레인 구조는 주조 잉곳을 시효 경화 이전에 현저하게 기계적 변형(단련 처리)하는 것에 의해서 달성되었다. 그러나, 단련 처리는 본질적으로 크기 및 제조될 제품의 복잡도를 제한하며, 이것은 단련 처리 장비의 비용 및 크기에 따른 실제적인 제한 때문이다. 미국 특허원 08/552,582 에서의 기술에서, 액체 합금이 고체로 응고되는 영역 내에서(이후 "터보 주조"라고 함) 교란(turbulence)이 생성되는 방식으로 용융 합금이 연속적인 주물 다이(die)에 도입된다. 그 결과로, 상대적으로 미세하고, 균일한 그레인 구조가 단련 처리 없이도 주조 잉곳에서 달성되고, 따라서 시효 경화 이전의 분리적인 단련 처리단계가 불필요하게 된다. 따라서, 양호한 스피노달 성질을 가지는 최종 제품은 더 큰 크기 및/또는 더 복잡한 형상으로 달성될 수 있고, 그 이유는 시효 경화 이전의 단련 처리에 대한 제한이 제거되었기 때문이다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 본 발명의 터보 주조에 의해서 만들어지는 큰 크기의 니어넷 형상 Cu-Si-Sn 주물(즉 잉곳 또는 잉곳의 부분)은 열간 정수압 압축 성형 처리되고, 바람직하게는 스피노달 분해 이전에 처리된다. 이러한 것은 양호한 스피노달 성질을 지니는 최종 제품이 이전에 가능했던 것보다 더 큰 크기 및/또는 더 복잡한 형상을 가지는 것뿐만 아니라 더 좋은 성질을 가지는 것을 가능하게 한다. 따라서 최소 두께 단위(공동 부분의 경우 최소 벽 두께)가 적어도 3/8 인치이고 좀더 통상적으로 적어도 1 인치, 그리고 4 인치 이상조차도 가능한 니어넷 형상 부품은 본 발명의 기술을 채택하여 더 좋은 성질을 가지도록 제조될 수 있다.

작업예

본 발명의 좀더 전체적으로 설명하기 위해서, 다음 작업예가 제공된다. 이러한 예에서, 표 1에서 기술된 합금이 사용된다.

합금 조성

합금	합금 I	합금 II *
조성	9Ni-6Sn-Cu	15Ni-8Sn-Cu
액상선	1100℃ 2021℉	1115℃ 2039℉
고상선	925℃ 1697℉	950℃ 2039℉
고용	740℃ 1364℉	800℃ 1472℉

*합금 C96900

예 1 내지 예 4

미국 특허원 08/552,582에 기재된 터보 주조 절차를 이용하여, 용융 합금 I을 연속적으로 주조하여 공칭 직경이 24 인치인 3개의 중실 실린더형 잉곳을 제조하였다. 이러한 잉곳은 이후 원형 판(palte)들로 절단되고, 곧 15,000 psig에서 1475에서 1550 ℉ 온도에서 4 시간 동안 본 발명에 따른 열간 정수압 압축 성형 처리가 행해지고, 이후 판들은 700℉ 에서 6시간 동안 가열처리에 의해서 HRC 26에서 32로 스피노달적으로 경화되었다. 판들은 판 표면을 따라서 다양한 직경 위치에서 열간 정수압 압축 성형 처리 이전 및 이후에 현미경으로 검사되고, 직경이 100 마이크론이 넘는 기공의 개수가 기록된다.

획득된 결과가 다음 표 2에 나와 있다.

열간 정수압 압축 성형 처리된 합금 I을 터보 주조한 잉곳의 다공성

예	잉곳	잉곳 이력	HIP 온도 ℉	측정 위치	평방 센치미터 당 기공
예	잉곳	잉곳 이력	HIP 온도 ℉	측정 위치	HIP없음	HIP있음
1	A	HIP된 애즈캐스트	1550	직경 외곽 중앙선	8 28	4 7
2	B	HIP된 애즈캐스트	1475	직경 외곽 중앙선	3 29	1 2
3	C	HIP된 잉곳의 섹션	1550	직경 외곽 반경 중간부 중앙선	0 26 17	0 0 0
4	D	용체화 어닐링된 잉곳 섹션, 이후 HIP됨	1550	직경 외곽 반경 중간부 중앙선	19 16 15	0 0 0

표 2로부터, 열간 정수압 압축 성형 처리를 터보 주조된 잉곳에 본 발명에 따르게 적용하는 것은 현저하게 주물 다공성을 감소시킨다는 것을 알 수 있다.

예 5 및 예 6과 비교예 A

미국 특허원 08/552,582에 기재된 터보 주조 절차를 사용하여, 용융 합금 II를 연속 주조하여 외경이 5.5 인치이고 벽 두께가 1.375 인치인 중공 실린더형 잉곳을 제조하였다. 22 인치 길이의 애즈-캐스트(as-cast) 잉곳의 겉부분 섹션(section)은 곧 15,000 psig에서 1475에서 1550℉ 온도에서 4 시간 동안 본 발명에 따른 열간 정수압 압축 성형 처리가 행해진다. 이후, 섹션들은 740 ℉에서 3시간 동안 가열처리에 의해서 HRC 32에서 35로 스피노달적으로 경화된다. 최종적으로, 섹션들에 대해 "금속 물질의 일정 진폭축 피로 테스트를 위한 표준 실시 방법"(Standard Practice for Conducting Constant Amplitude Axial Fatigue Test of Metallic Materials) ASTM E466의 피로 테스트가 행해진다. 열간 정수압 압축 성형 처리가 행해지지 않은 섹션도 또한 비교를 위한 목적으로 테스트가 행해진다.

획득된 결과가 다음 표3에 나와 있다.

열간 정수압 압축 성형 처리된 합금 II의 터보 주조된 관(tube)의 피로 성질

예	HIP 온도 ℉	파손 주기에 대한 평균 사이클 개수(로그)
예	HIP 온도 ℉	40 KSI에서의 파손	60 KSI에서의 파손
5	1550	7.36	4.93
6	1475	7.72	5.15
비교예 A	--	5.89	4.93

도 3으로부터, 열간 정수압 압축 성형 처리가 현저하게 이러한 잉곳의 회전 빔 피로를 그러한 처리를 하지 않은 잉곳에 비해서 증가시키는 것을 알 수 있다.

비록 본 발명의 단지 적은 수의 실시예가 위에서 설명되었지만, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 가능하다는 것을 이해하여야 한다. 그러한 모든 변형은 본 발명의 범위에 포함되도록 의도되었고, 따라서, 다음 청구항에 의해서만 그 범위가 한정되어야 할 것이다.

합금 주물을 제조하는 데 있어서, 액상선 및 고상선 온도 사이의 큰 차이를 가지는 합금으로부터 제조되는 경우 및 1인치 이상의 최소 두께 치수를 가지는 경우에도 주물 다공성을 현저하게 감소시킬 수 있게 된다.

Claims

최소 두께 치수가 1인치이고, 액상선(liquidus) 온도와 고상선(solidus) 온도의 차이가 50 ℃ 이상인 합금으로부터 형성되며, 터보 주조(turbocasting)에 의해 제조되는, 단련 처리되지 않은 주물의 성질을 강화시키는 방법으로서,

상기 주물을 열간 정수압 압축 성형(hot isostatic pressing) 처리하는 단계를 포함하는 주물의 성질 강화 방법.
제1항에 있어서, 상기 합금은 스피노달 분해(spinodal decomposition)가 가능하며, 8 내지 16 중량%의 Ni와 5 내지 8 중량%의 Sn으로 구성되고 잔부(balance)는 Cu와 부수적인 불순물인 것인 주물의 성질 강화 방법.
제1항에 있어서, 상기 주물은 사전 스피노달 분해없이 열간 정수압 압축 성형 처리되는 것인 주물의 성질 강화 방법.
제1항에 있어서, 상기 주물은 구리, 니켈 및 알루미늄으로부터 선택되는 90 중량% 이상의 기본 금속(base metal)과, 3 내지 10 중량%의 베릴륨을 포함하는 합금으로 형성되는 것인 주물의 성질 강화 방법.
제4항에 있어서, 상기 주물은 사전 석출(precipitation) 경화없이 열간 정수압 압축 성형 처리되는 것인 주물의 성질 강화 방법.
제1항에 있어서, 상기 주물의 열간 정수압 압축 성형 처리는, 평방 센티미터 당 100 마이크론보다 큰 직경을 가지는 기공(pore)의 개수에 의해 측정되는 상기 주물의 다공도(porosity)를 50% 이상 감소시키도록 수행되는 것인 주물의 성질 강화 방법.
제1항에 있어서, 상기 합금은 액상선 온도와 고상선 온도의 차이가 100 ℃ 이상인 것인 주물의 성질 강화 방법.
제7항에 있어서, 상기 합금은 스피노달 분해 가능하며, 8 내지 16 중량%의 Ni와 5 내지 8 중량%의 Sn으로 구성되고, 잔부는 Cu와 부수적인 불순물인 것인 주물의 성질 강화방법.
최소 두께 치수가 1 인치인 주물로서,

상기 주물은 애즈캐스트(as-cast) 잉곳을 형성하기 위해서 용융 스피노달 합금을 터보 주조한 후 상기 애즈캐스트 잉곳을 열간 정수압 압축 성형 처리하여 제조되며, 상기 합금은 액상선 온도와 고상선 온도의 차이가 50 ℃ 이상이고, 8 내지 16 중량%의 Ni와 5 내지 8 중량%의 Sn으로 구성되며 잔부는 Cu와 부수적인 불순물인 것인 주물.
제9항에 있어서, 상기 최소 두께 치수는 4인치인 것인 주물.
제9항에 있어서, 상기 주물은 사전 스피노달 분해없이 열간 정수압 압축 성형 처리되는 것인 주물.
제9항에 있어서, 상기 주물은 단련 처리되지 않은 것인 주물.
액상선 온도와 고상선 온도의 차이가 50 ℃ 이상인 합금을 터보 주조하여 제조되는, 최소 두께 치수가 1인치인 단련 처리되지 않은 주물로서,

상기 주물은 열간 정수압 압축 성형 처리되고, 평방 센티미터 당 100 마이크론보다 큰 직경을 가지는 기공의 개수에 의해 측정되는 다공도가 열간 정수압 압축 성형 처리하지 않은 동일한 주물의 다공도의 50 % 이하인 것인 주물.
제13항에 있어서, 상기 주물은 구리, 니켈 및 알루미늄으로부터 선택되는 기본 금속과 0.3 내지 75 중량%의 베릴륨을 포함하는 합금으로 형성되는 것인 주물.
제13항에 있어서, 상기 합금은,

0.3 내지 3.3 중량%의 Be를 함유하는 구리 합금, 0.4 내지 4.3 중량%의 Be를 함유하는 니켈 합금, 또는 1 내지 75 중량%의 Be를 함유하는 알루미늄 합금을 포함하는 것인 주물.
제13항에 있어서, 상기 주물의 최소 두께 치수는 4인치 이상인 것인 주물.
제16항에 있어서, 상기 주물은 석출(precipitation) 경화되지 않은 것인 주물.
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