KR100894679B1

KR100894679B1 - 오스테나이트 내침식 철계 합금

Info

Publication number: KR100894679B1
Application number: KR1020070059872A
Authority: KR
Inventors: 김선진; 김지희; 김경국; 김기남; 김지영
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2009-04-24
Also published as: KR20080111655A

Abstract

본 발명은 오스테나이트 내침식 철계 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1.0∼2.0 중량%의 C, 0.2∼1.5 중량%의 Si, 16∼25 중량%의 Cr, 9∼15 중량%의 Mn, 및 잔부로 Fe을 포함하는 오스테나이트 내침식 철계 합금에 관한 것이다.

상기 오스테나이트 내침식 철계 합금은 Mn을 첨가하여 변형유기 마르텐사이트 상변태를 촉진시켜 종래 고가의 합금과 비교하여 캐비테이션 침식 저항성이 크게 향상됨에 따라, 해수용 펌프, 임펠러, 선박용 러더 뿐만 아니라 증기터빈 부소재, 밸브류, 펌프 샤프트 등 캐비테이션 침식이나 마식에 의한 손상이 심한 부품에 적용된다.

오스테나이트, 변형유기 마르텐사이트 상변태, 펌프, 캐비테이션

Description

오스테나이트 내침식 철계 합금{FE-BASE AUSTENITIC ALLOY WITH HIGH-WEARRESISTANCE}

도 1은 실험예에 사용된 캐비테이션 침식 시험 장치이다.

도 2는 Fe-Cr-C-Si-10Mn, Fe-Cr-C-Si-5Mn, 스테인레스 스틸 316, 및 Super-Duplex F-58 합금의 캐비테이션 시험 시간에 따른 침식 속도를 보여주는 그래프이다.

도 3은 Fe-Cr-C-Si-5Mn 합금의 X-Ray 회절 분석 스펙트럼이다.

도 4는 Fe-Cr-C-Si-10Mn 합금의 X-Ray 회절 분석 스펙트럼이다.

도 5는 Fe-Cr-C-Si-10Mn 합금의 캐비테이션 침식 시험 시간에 따른 광학 현미경 사진이다.

도 6은 Fe-Cr-C-Si-5Mn 합금의 캐비테이션 침식 시험 시간에 따른 광학 현미경 사진이다.

도 7은 Super-Duplex F-58 합금의 캐비테이션 침식 시험 시간에 따른 광학 현미경 사진이다.

도 8은 스테인레스 스틸 316 합금의 캐비테이션 침식 시험 시간에 따른 광학 현미경 사진이다.

본 발명은 오스테나이트 내침식 철계 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래 고가의 합금과 비교하여 캐비테이션 침식 저항성이 크게 향상됨에 따라, 해수용 펌프, 임펠러, 선박용 러더 뿐만 아니라 증기터빈 부소재, 밸브류, 펌프 샤프트 등 캐비테이션 침식마식에 의한 손상이 심한 부품에 적용 가능한 오스테나이트 내침식 철계 합금에 관한 것이다.

해수용품(Marine Hardware), 밸브류, 임펠러, 펌프 샤프트 등과 같은 소재의 특성으로는 내식성, 내열성, 강도, 내침식성, 내마모성 등이 우수하여야 한다.

상용화된 펌프 및 임펠러는 주로 Al, Cu-bronze계나 SUS Austenitic 304 및 316계 합금을 사용하여 제조하고 있다. 상기 펌프나 임펠러 등은 고압수, 불순물 입자, 증기포, 액적 등에 의해 표면이 기계적으로 변형되어 마모되는 것과 함께 화학적 작용이 중첩되어 마모가 발생한다. 이러한 현상은 고체입자 충돌 침식, 캐비테이션 침식(Cabitation-Erosion; CE)과 액적충돌 등이 복합적으로 작용하여 캐비테이션 침식 및 침식마모가 동시에 발생하여 해수 설비의 수명 단축을 초래한다.

캐비테이션 침식은 침식 부식의 특이한 형태로서 금속표면 가까이에 있는 액체에서 증기포(vapor bubble)가 생성 또는 소멸되는 것과 관련되며 캐비테이션 손상(cavitation damage)이라고도 한다. 상기 캐비테이션 침식은 수력 터어빈 (hydraulic turbine), 선박의 프로펠러, 펌프 임펠러등과 같은 유속이 크고 또한 압력변화가 큰 곳에서 보다 심각하게 발생한다.

캐비테이션 침식 메카니즘은 각종 부품의 보호피막 위에 캐비테이션 기포(bubble)가 생성되고, 이러한 기포가 소모되면서 상기 보호피막을 파괴한다. 그 결과 새로 노출되어진 금속 표면이 침식되고 따라서 피막이 다시 형성되며, 똑같은 지점에 새로운 캐비테이션 기포가 생성되고, 기포가 파괴되면서 피막을 또다시 생성되고, 다시 노출 면적이 침식되고 피막이 또다시 생성된다. 이러한 과정이 계속 반복되어 표면에 깊은 구멍이 생기면서 손상을 받게 된다.

이러한 캐비테이션 침식마식 현상을 방지 또는 저감시키기 위해 각종 부품의 표면에 침식 억제제를 코팅하여 사용하고 있다.

대한민국 특허공개 제1999-66120호는 선박용 러더표면에 침식에 강한 고분자물질을 저온 열용사 방법으로 피복하여 캐비테이션에 의한 침식으로부터 러더를 보호하는 방법을 제시하고 있다.

대한민국 특허공개 제1999-14364호는 질소와 화학적 친화력이 강한 원소를 함유하는 강재를 오스테나이트 영역의 온도로 가열하여 진공 질소 고용화 처리(Vacuum nitrogen solution process)를 수행하여 기존의 질화나 침탄 처리품에 비해 탁월한 내마모 및 내식특성이 향상된다고 언급하고 있다.

그러나 플라스틱 및 세라믹의 캐비테이션 침식은 순수한 기계적 작용이지만 해수용품과 같이 수중 또는 해수와 접촉하는 금속의 경우에는 항상 부식요소가 포함되기 때문에, 부식 억제제나 표면 처리만으로 충분한 캐비테이션 침식 억제 효과를 얻을 수 없었다.

이를 해결하기 위하여 합금의 조성 자체를 변화시켜 사용하는 방법이 제안되 었다.

Super-Duplex계 합금은 Fe에 C, Cr, Mn, Mo, N, Ni, P, S, 및 Si를 함유시켜 제조된 것으로, 페라이트와 오스테나이트가 공존하는 미세조직 형태를 갖는다. 이러한 Super-Duplex계 합금은 수명적인 면에서는 향상되었으나, 기존 사용하고 있는 Al, Cu-Bronze에 비해 고가의 금속을 사용함에 따라 그 비용이 수배 이상 고가이고, 성형성이 떨어져 가공이 곤란한 문제가 수반되었다.

이러한 합금 외에 마르텐사이트계 스테인레스강에 합금 성분의 비율을 적정하게 조절한 고강도 마르텐사이트계 강을 사용하고 있다. 그러나 이들 합금들은 고경도 상으로 인해 마모 특성이 우수하나, 벌크 형태로 사용하기에는 취성이 크고 가공성이 낮은 문제가 있다.

특히 상기 합금은 열처리 및 용사(thermal spray), 침탄처리, 질화처리 등의 표면 처리 공정이 추가되어, 공정이 매우 복잡할 뿐만 아니라 표면 처리를 위해 고가의 장비가 사용되고, 원재료의 국산화가 이루어지지 않고 있어 상대적으로 합금 강의 가격 상승이 초래되었다. 더욱이 상기 합금은 대(大)면적을 처리가 곤란하고 표면 처리층과 모재 사이의 밀착력 확보에 한계가 있다.

이외에 Co를 높은 함량으로 함유한 오스테나이트 강이 사용되고 있으나, 이러한 합금은 고온 취성 크래킹에 대해 민감하여 주조성이 좋지 않다.

일본공개특허 특개평 5-112849호, 특개평3-188240호 등은 Cu, Nb, N 등의 합금원소에 차이가 있는 것으로서, C를 0.05% 이하로 제어하고, Ni을 넣어 δ-Fe을 저감시켜 담금질 상태에서 비교적 양호한 인성과 용접성을 갖는다고 제시하고 있 다. 그러나 이들 합금 또한 밸브에 적용하기에는 경도가 낮고 내침식성과 내마모성이 부족하다.

또한, 일본 공개특허 특개평 8-67947호, 특개평4-9451호, 특개평2-140465호 등은 내침식성과 인성을 향상시키기 위하여, 마르텐사이트 중에 잔류 오스테나이트를 10% 이상(특개평4-9451호, 특개평2-140465호) 잔류시키거나, 특개평8-67947호와 같이 잔류 오스테나이트를 1.0% 이상 10% 이하로 한 합금을 언급하고 있다. 그러나 과잉의 잔류 오스테나이트는 항복응력을 감소시키며, 잔류 오스테나이트를 1.0% 이상 10% 이하로 제어한 것도 극적인 항복응력의 증가는 이루지 못한다.

이와 같이 아직까지의 기술로는 캐비테이션 침식 저항성이 높은 합금을 제조하기 위해선 고가의 장비가 필요하고, 캐비테이션 침식 저항성을 향상시키기 위하여 Mo, V, Ni, W, Ta, Cr 등의 고가원소를 다량 첨가하는 경우 제조 비용이 상승할 뿐만 아니라 가공성이 저하되는 문제가 수반된다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 종래 고가의 합금과 비교하여 캐비테이션 침식 저항성이 크게 향상된 오스테나이트 내침식 철계 합금을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은

1.0∼2.0 중량%의 C, 0.2∼1.5 중량%의 Si, 16∼25 중량%의 Cr, 9∼15 중량%의 Mn, 및 잔부로 Fe을 포함하는 오스테나이트 내침식 철계 합금을 제공한다.

바람직하기로, 상기 오스테나이트 철계 합금은 변형 유기 마르텐사이트 상변태가 가능하며, 1.6∼1.8 중량%의 C, 0.9∼1.1 중량%의 Si, 19.1∼20.7 중량%의 Cr, 10.0∼10.7 중량%의 Mn, 및 잔부로 Fe을 포함한다.

더욱 바람직하기로, 상기 오스테나이트 내침식 철계 합금은 총 100중량%를 만족하며, 20 중량%의 Cr, 1.7 중량%의 C, 1.0 중량%의 Si, 10 내지 15 중량%의 Mn 및 잔부로 Fe를 포함한다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 명세서 전체에 걸쳐 사용된 각 조성의 함량은 특별한 기재가 없는 한 중량%이고, Fe의 함량은 특별히 기재하지 않는 이상 잔부로 사용된다.

종래 캐비테이션 침식 저항성뿐만 아니라 내마모성이 요구되는 분야에 적용하기 위해 Fe에 Mo, V, Ni, W, Ta, Cr 등의 고가원소를 첨가하는 철계 합금이 사용된다. 그러나 이러한 철계 합금은 제조시 고가의 장비가 필요하고, 상기 첨가되는 원소가 고가로 인해 다량 첨가하는 경우 제조비용의 고가 및 가공성의 문제들을 초래한다.

이에 본 발명에서는 철계 합금에 대한 캐비테이션 침식 저항성을 향상시키기 위한 새로운 합금 설계를 위해 고가의 첨가원소 없이 적층결함 에너지를 낮추고 ε-마르텐사이트상을 유발하는 망간(Mn)을 첨가함으로써 우수한 캐비테이션 침식 저항성을 갖는 오스테나이트 내침식 철계 합금을 제안한다.

준안정 오스테나이트상이 마르텐사이트로 용이하게 변환될 수 있는 것은 적층결함에너지(Stack Fault Energy, SFE)와 관련이 있다. 부연하면, 낮은 적층결함에너지는 캐비테이션 침식(cavitation erosion)에 있어서 기포의 파열에 의한 압축 응력을 변형유기 마르텐사이트 상변태(strain-induced martensitic phase transformation)나 쌍정(twin)에 의한 변형으로 흡수함으로써 크랙의 생성 및 전파를 억제하여 캐비테이션 침식에 대한 저항성을 증가시킨다.

Fe계 합금의 경우 변형유기 마르텐사이트 상변태, 즉 응력을 받으면 마르텐사이트상으로의 변태에 의하여 α′과 ε의 두 가지 마르텐사이트가 형성된다.

γ→α′ 변형유기 마르텐사이트 상변태의 경우 적층결함, 쌍정 등과 같은 전단(shear band)이 형성 및 교차되어야 하고, 이때 교차된 부분이 α′-마르텐사이트의 엠브료(embryo)로 작용하여야 하는 복잡한 과정을 거친다.

반면에, γ→ε-변형유기 마르텐사이트 상변태는 쇼클리(Shockley) 부분 전위가 이동한 자취가 ε-마르텐사이트가 되는 단순한 과정을 거치게 된다.

특히, 본 발명은 캐비테이션 침식 저항성이 우수한 철계 합금의 새로운 설계를 위한 방안으로 적층결함 에너지를 낮추고 α′-마르텐사이트보다 ε-마르텐사이트 상변태를 촉진시키는 망간(Mn)을 첨가하여 우수한 캐비테이션 침식 저항성 합금을 개발하였다.

본 발명에 따른 오스테나이트 내침식 철계 합금은 Fe-Cr-C-Si 철계 합금에 Mn을 첨가하여 사용한다. 그 결과 전술한 바와 같이 Mn 첨가에 의해 ε-마르텐사이트 상변태를 촉진시켜 내마모성 뿐만 아니라 캐비테이션 침식 저항성을 크게 높인다.

망간(Mn)은 탈산과 탈황 효과 작용을 하며 오스테나이트 안정화 원소로서, 고온 내부식성 개선 및 내마모 개선 효과를 가져온다. 이때 Mn의 함량은 효과적인 측면과 경제적인 면을 모두 고려하여 설계되어야 한다. 바람직하기로, 합금 전체 조성에서 9 내지 15 중량%, 바람직하기로 10 내지 15 중량%의 Mn을 포함하도록 한다. 만약 Mn의 함량이 상기 범위 미만이면 변형유기 마르텐사이트로의 상변태가 불가능하며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 가의 원소첨가로 인한 비경제적이므로 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.

상기 Fe-Cr-C-Si 철계 합금은 Fe를 기본 조성으로 하고, 여기에 Cr, C 및 Si가 첨가된 것으로, 이때 Mn 첨가에 의한 캐비테이션 침식 저항성의 상승 효과를 높이기 위해 각 조성에 대한 설계 또한 요구된다.

구체적으로, 상기 오스테나이트 내침식 철계 합금은 Fe를 기본 조성으로 하고, 여기에 1.0∼2.0 중량%의 C, 0.2∼1.5 중량%의 Si, 16∼25 중량%의 Cr 및, 전술한 바의 Mn을 포함한다. 이때 불가피한 불순물들(inevitable impurities)이 소량 존재한다.

크롬(Cr)은 본 발명에 따른 오스테나이트 내침식 철계 합금에서 내식성을 확보하는데 가장 기본적인 원소로서, 치경화능과 내충격성을 증가시키는 역할을 한다.

본 발명에서는 상기 Cr을 16∼25 중량%, 바람직하기로 19.1∼20.7 중량%로 사용한다. 만약 상기 Cr의 함량이 상기 범위 미만이면 부식 저항성과 산화 저항성 이 감소하고, 이와 반대로 그 함량이 상기 범위를 초과하면 내식성이 증대하는 효과는 있으나 비경제적일 뿐만 아니라 소성성이 감소하는 문제가 발생한다.

탄소(C)는 오스테나이트 내침식 철계 합금의 경도 및 내마모성을 증대시키는 역할을 한다.

본 발명에서는 상기 C를 1.0∼2.0 중량%, 바람직하기로 1.6∼1.8 중량%로 사용한다. 만약 상기 C의 함량이 상기 범위 미만이면 경화능이 다소 감소하여 강도특성이 떨어져 내침식성과 부식피로 강도가 저하된다. 이와 반대로 그 함량이 상기 범위를 초과하면 석출 경화 효과와 고용 강화 효과는 있으나, 너무 많은 함량 시 취성 유발의 원인이 되므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.

규소(Si)는 제강 과정에서 필수적으로 탈산제를 사용하는데, 합금 제조 후에서 그 일부가 오스테나이트 내침식 철계 합금에 잔류하며, 그 잔류 함량에 따라 합금 물성에 큰 영향을 준다.

본 발명에서는 상기 Si를 0.2∼1.5 중량%, 바람직하기로 0.9∼1.1 중량%로 사용한다. 만약 상기 Si의 함량이 상기 범위 미만이면 탈산이 부족하여 강의 성질이 불량하게 된다. 이와 반대로, 그 함량이 상기 범위를 초과하면 오스테나이트 내침식 철계 합금에 균열이 발생하거나, 연성 및 인성이 취하되기 쉽다.

바람직하기로, 상기 오스테나이트 내침식 철계 합금은 Fe-20Cr-1.7C-1.0Si의 합금과 10 내지 15 중량%의 Mn을 포함한다.

상기한 조성으로 이루어진 오스테나이트 내침식 철계 합금은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 방법을 통해 제조가 가능하다.

이러한 오스테나이트 내침식 철계 합금은 내마모성 뿐만 아니라 캐비테이션 침식 저항성이 우수하고, 가공성 또한 우수하여 기존의 고가의 합금을 대체하여 사용할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실험예 1에 따르면, Mn이 첨가된 오스테나이트 내침식 철계 합금의 경우 캐비테이션 실험결과 50시간 후에도 다른 소재들에 비해 확연하게 우수함을 알 수 있다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 오스테나이트 내침식 철계 합금을 사용하는 경우 제품의 내구성을 향상시켜 부품소재의 수명을 장기화시킬 수 있고, 내마모성도 우수하여 마모가 요구되는 분야에도 이용 가능함을 의미한다.

바람직하기로, 본 발명에 따른 오스테나이트 내침식 철계 합금은 해수용 펌프, 임펠러, 선박용 러더 뿐만 아니라 증기터빈 부소재, 밸브류, 펌프 샤프트 등 캐비테이션 침식마식에 의한 손상이 심한 부품에 적용 가능하다.

하기 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

[실시예]

실험예 1: 캐비테이션 침식 저항성 시험

Mn 첨가에 따른 캐비테이션 침식 저항성을 알아보기 위해, 하기 표 1에 나타낸 바의 합금을 가지고 아르곤 분위기에서 유도로를 이용하여 제조한 주조 시편을 사용하였다.

시편1	Fe-Cr-C-Si-10Mn	본 발명에 따른 실시예의 시편 Fe-20Cr-1.7C-1.0Si-10Mn (중량%)
시편2	Fe-Cr-C-Si-5Mn	Fe-20Cr-1.7C-1.0Si-5Mn (중량%)
시편3	스테인레스 스틸 316	시판 제품
시편4	Super-Duplex F-58	시판 제품

상기 주조 시편은 캐비테이션 침식 저항성을 측정하기 위해 지름 15.9mm, 높이 5mm의 규격으로 가공하였다. 시험 전 표면은 #2000 SiC 연마지를 사용한 후 A12O3으로 표면을 연마하여 표면 조도기로 측정 시 표면조도 Ra가 0.02 rm이하가 되도록 연마하였다.

캐비테이션 시험 장치로는 도 1에 나타낸 바와 같이 ASTM 32-92 규격에 따라 제작된 진동형(vibratory type) 장치를 이용하였다. 이때 시험 장치에 사용된 초음파 진동자의 공진 진동수는 20㎑이고, 실험에 사용된 용액은 비저항이 5㏁㎝이상인 증류수를 사용하였다. 시편과 horn 끝부분이 약 12㎜정도 증류수에 잠긴 상태에서 온도가 25± 2℃를 유지할 수 있도록 냉각수를 순환시켰다.

캐비테이션 침식 시험은 50시간까지 시행되었으며, 이때 침식 속도(erosion rate)는 일정한 시간 간격을 시편의 무게를 측정하여 시간에 대한 무게변화를 단위 면적당 무게감소(㎎/㎠)로 환산하여 표시하였으며, 얻어진 결과를 도 2에 나타내었다.

합금의 경우 초기에 캐비테이션 침식에 의한 손실이 거의 관찰되지 않는 잠복 단계를 보이다가 가속 단계를 거쳐 손실 깊이가 시간에 따라 선형적으로 증가하는 최종 단계를 보이는 것으로 알려져 있다.

도 2를 참조하면, 4가지 재료 모두 선형적으로 캐비테이션 침식이 발생하였다.

특히, 스테인레스 스틸 316 합금의 경우 14.4× 10^-5(㎎/㎠)로 50시간까지 다른 시편보다 침식 속도가 가장 높았으며, Super-Duplex F-58 합금의 경우 6.8×10^-5(㎎/㎠)로 그 다음으로 높은 침식 속도를 나타내었다.

이와 비교하여 Mn이 첨가된 Fe-Cr-C-Si-10Mn 합금, 및 Fe-Cr-C-Si-5Mn 합금의 경우 상기 시판 합금에 비해 낮은 침식 속도를 나타내었다. 즉, Fe-Cr-C-Si-5Mn 합금은 2.2×10^-5 (㎎/㎠), Fe-Cr-C-Si-10Mn 합금은 1.3×10^-6 (㎎/㎠)으로 침식 속도가 시판 합금에 비해 현저히 저하되었다.

특히 Mn이 10 중량%를 사용하는 경우 가장 낮은 침식 속도를 나타내었으며, 이러한 결과는 본 발명에 의해 Mn을 특정 함량으로 첨가하는 경우 캐비테이션 침식 저항성이 우수한 합금의 제조가 가능함을 의미한다.

실험예 2: XRD 에 의한 마르텐사이트 상변태의 관찰

변형유기 마르텐사이트 상변태가 캐비테이션 침식 저항성에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 캐비테이션 침식 시험 전과 후의 시편 표면을 X-선 회절분석기(X-Ray Diffraction, XRD)를 이용하여 측정하였으며, 얻어진 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.

도 3은 Fe-Cr-C-Si-5Mn 합금의 X-Ray 회절 분석 스펙트럼이고, 도 4는 Fe-Cr-C-Si-10Mn 합금의 X-Ray 회절 분석 스펙트럼이다.

도 3을 참조하면, Fe-Cr-C-Si-5Mn 합금의 상은 시험 후에 γ(오스테나이트)→α′마르텐사이트 변형유기 상변태가 발생함을 알 수 있다.

이와 비교하여 본 발명에 따라 Mn을 10 중량% 함유한 Fe-Cr-C-Si-10Mn 합금의 경우(도 4 참조), γ(오스테나이트)→ε-마르텐사이트 변형유기 상변태가 발생하였다.

이러한 결과는 변형유기 마르텐사이트 상변태를 위해서 Mn의 함량 제어가 중요하고, 상기 Mn의 함량에 따라 ε-마르텐사이트 변형유기 상변태가 발생함을 의미한다.

실험예 3: 광학 현미경에 의한 내식성 시험

변형유기 마르텐사이트 상변태가 캐비테이션 침식 저항성에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 상기 실험예 1에서 사용된 4개의 시편에 대해 캐비테이션 침식 시험시 시간 간격으로 표면 미세조직을 광학현미경(Optical Microscopy)으로 관찰하였다.

도 5 내지 도 8은 Fe-Cr-C-Si-10Mn(도 5), Fe-Cr-C-Si-5Mn(도 6), 스테인레스 스틸 316(도 7), 및 Super-Duplex F-58(도 8) 합금의 캐비테이션 침식 시험 시간에 따른 광학 현미경 사진이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따라 Mn 함량이 제어된 Fe-Cr-C-Si-10Mn 합금은 10 시간이 아니라 20 시간의 시험에도 불구하고 탄화물과 기지상 사이에서의 균열을 거의 관찰할 수 없었다.

도 6을 참조하면, Mn이 5 중량% 함유된 Fe-Cr-C-Si-5Mn 합금의 경우 심한 재료 손실 거동은 보이지 않으나, 20 시간 이후 탄화물과 기지상 사이에서의 균열이 발생함을 알 수 있다.

도 7의 Super-Duplex F-53의 경우 초기에는 재료의 캐비테이션 침식마식이 진행되어 가장 취약한 부분인 기지상과 석출물간의 경계에서 균열이 발생하다가, 20시간에서는 기지상과 석출물을 분간할 수 없을 정도로 캐비테이션 침식이 진행되어 재료의 손실이 심하게 발생한 것을 볼 수 있다.

도 8의 SUS 316의 경우는 Super-Duplex F-58보다 더욱 심각한 손상을 나타났으며, 10시간 후 부터 분간을 할 수 없었다.

결과적으로 본 발명에 의한 철계 합금은 캐비테이션 침식(cavitation erosion) 저항성이 기존 시판되는 합금과 비교하여 우수하였으며, Mn의 함량을 제어하여 상기 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기 실험예 1 내지 3을 통해, 본 발명을 통해 캐비테이션 침식 저항성이 우수한 철계 합금의 새로운 설계를 위한 방안으로 적층결함 에너지를 낮추고 α′ 마르텐사이트보다 ε-마르텐사이트 상변태를 촉진시키는 Mn을 첨가하여 우수한 캐비테이션 침식 저항성이 우수한 합금을 제조할 수 있었다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 오스테나이트 내침식 철계 합금은 Fe-Cr-C-Si 철계 합금에 Mn을 첨가하여 내마모성뿐만 아니라 캐비테이션 침식 저항성을 크게 향상시키고 가공성이 우수하여, 해수용 펌프, 임펠러, 선박용 러더 뿐만 아니 라 증기터빈 부소재, 밸브류, 펌프 샤프트 등 캐비테이션 침식마식에 의한 손상이 심한 부품에 바람직하게 적용된다.

Claims

총 100중량%를 만족하며,

1.0∼2.0 중량%의 C, 0.2∼1.5 중량%의 Si, 16∼25 중량%의 Cr, 9∼15 중량%의 Mn, 및 잔부로 Fe을 포함하는 오스테나이트 내침식 철계 합금.
제1항에 있어서,

상기 오스테나이트 철계 합금은 변형 유기 마르텐사이트 상변태가 가능하며, 1.6∼1.8 중량%의 C, 0.9∼1.1 중량%의 Si, 19.1∼20.7 중량%의 Cr, 10.0∼10.7 중량%의 Mn, 및 잔부로 Fe을 포함하는 오스테나이트 내침식 철계 합금.
제1항에 있어서,

상기 오스테나이트 내침식 철계 합금은 총 100중량%를 만족하며, 20 중량%의 Cr, 1.7 중량%의 C, 1.0 중량%의 Si, 10 내지 15 중량%의 Mn 및 잔부로 Fe를 포함하는 오스테나이트 내침식 철계 합금.