KR101157046B1 - 철-니켈-코발트 저열팽창성 합금의 열간 가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저열팽창성 코바합금의 열간 가공 시, 필수 물성인 열팽창 계수를 적절히 제어할 수 있고 표면 균열을 최소화 할 수 있는 Fe-Ni-Co 계 저열팽창성 합금의 열간 가공 방법에 관한 것으로, 이는 중량%로 Ni : 28～30%, Co : 15.5~18.5%, Mn : 0.5%이하, Si : 0.5%이하, P : 0.006%이하, S : 0.006%이하, C : 0.05%이하, Ti : 0.07%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물의 조성비를 갖는 통상의 코바합금 소재를 예비 가열하고 열간 가공할 때에 상기 소재의 온도를 1100℃~1250℃로 유지시키고, 변형률 속도는 0.5/sec^-1 이상의 속도로 가공하며, 이를 통해 열팽창 계수가 4.8~5.2 ㎛/m.℃의 범위를 가지게 하여 된 것으로 이루어진다.

저열팽창성, 코바합금, Fe-Ni-Co계, 표면균열

Description

철-니켈-코발트 저열팽창성 합금의 열간 가공방법{Method of hot working manufacturing of Fe-Ni-Co alloy}

도1은 사용된 기본 코바합금 소재의 미세 조직도

도2는 열간 압축 시험 후 온도 및 변형률 속도에 따른 시편표면 관찰 사진

도3은 열간 변형 조건에 따른 광학 미세조직 관찰 사진

도4는 열간 변형 조건에 따른 시편들의 X-ray 분석 결과

본 발명은 Fe-Ni-Co 저열팽창성 합금(이하 "코바합금"라 통칭함)의 열간 가공방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Fe-29Ni-17Co 코바합금의 열간 가공 시, 필수 물성인 열팽창 계수를 적절히 제어할 수 있고 표면 균열을 최소화 할 수 있는 Fe-Ni-Co 계 저열팽창성 합금의 열간 가공 방법에 관한 것이다.

일반적으로 Fe-29Ni-17Co 합금으로 알려져 있는 코바합금은 -200℃～+430℃의 넓은 온도범위에서 열팽창이 거의 일어나지 않는 인바(Invar) 특성을 보이고 있다. 특히 코바합금은 Fe-Ni 계열의 타 인바 합금들과 비교할 때 상당히 높은 온도까지 낮은 열팽창의 인바 특성을 유지할 수 있고, 알루미나, 보로실리케이트 등의 유리와 비슷한 열팽창 거동을 보이며, 산화물에 의한 뛰어난 용접성, 적절한 기계적 특성, 넓은 범위에서의 오스테나이트 안정성 등의 장점으로 인하여, 유리봉착(glass-sealing) 용도를 기본으로 밀봉접착산업, 정밀기기산업, 진공 튜브산업, 전자 통신 산업 등에서 응용되고 있으며 그 적용분야가 점점 확대되고 있다.

코바 저열팽창성 합금은 용도에 따라 주로 선재, 박판, 봉재 등의 형태로 사용되며, 필수적으로 열간 단조, 열간 압출, 열간 압연 등의 열간 가공 공정을 거치게 된다. 최근 들어 열간 가공은 단순히 제품의 원하는 형상이나 치수 등을 대략적으로 맞추는 것뿐만 아니라 그 소재의 제반 특성을 변화시키고 뒤이어지는 후가공의 가공 조건에도 영향을 미치는 중요한 공정으로 인식되고 있다.

특히 일반적인 코바합금의 경우에는 열간 가공 후 냉간 가공과 후처리 공정이 뒤따르지만, 일부 정밀기기 산업의 기기 부품에 사용되는 코바 합금의 경우에는 열간 가공 후 냉간 가공 없이 후가공 공정을 거쳐 제품으로 사용되는 경우도 있어 더욱 세심한 열간 가공 공정 제어가 필요하다.

코바합금의 열간 가공과 관련해서는 열간 가공성을 향상시키기 위해서 악영향을 미친다고 알려져 있는 불순 원소들을 하한으로 관리하는 합금 성분 제어 방식이 제시된 바 있다. 예를 들어 ASTM 15-98와 ASTM F1466 등에서는 코바합금의 열간 가공성과 관계되는 P, S 의 함유량을 한정하고 있으며, 이와 함께 물성에 영향을 미치는 C, Al, Mg, Zr, Ti, Cr, Cu, Mo 등의 함유량도 용도에 따라서 관리하고 있다.

그러나, 열간 가공성을 향상시키는 합금 조성 기술과는 달리 상기에서 언급 한 열간 가공에 따라 변화하는 물성을 제어할 수 있는 열간 가공 방법에 대해서는 현재까지 전혀 제시된 바가 없다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 Fe-Ni-Co 저열팽창성 합금에 있어서 열간 단조, 열간 압출, 열간 압연 등의 공정을 수행할 때, 특히 열간 공정으로 최종 제품을 생산할 때(중간 공정으로 사용된 경우도 포함), 열간 가공에 따라 변화하는 미세조직으로 인해 나타나는 열팽창 계수를 제어하여 최적의 열간 가공 방법을 제공하고 표면 결함을 최소화하여 표면 특성이 우수한 열간 가공재를 얻을 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 중량%로 Ni : 28～30%, Co : 15.5~18.5%, Mn : 0.5%이하, Si : 0.5%이하, P : 0.006%이하, S : 0.006%이하, C : 0.05%이하, Ti : 0.07%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물의 조성비를 갖는 통상의 코바합금 소재를 예비 가열하고 열간 가공할 때에 상기 소재의 온도를 1100℃~1250℃로 유지시키고, 변형률 속도는 0.5/sec^-1 이상의 속도로 가공하여, 열팽창 계수가 4.8~5.2 ㎛/m.℃의 범위를 가지게 하는 것이다.

상기에서 통상의 코바합금 소재를 예비 가열하고 열간 가공할 때에 상기 소재의 온도를 1100℃~1250℃로 하는 이유는, 가열온도가 1100℃ 이하일 경우에는, 낮은 변형률 속도에서 표면 균열이 현저하게 증가하고 높은 온도에서는 변형 집중 부위에서 이상 알파상이 나타날 수 있기 때문이고, 1250℃ 이상일 경우에는 과도한 결정립 성장이 일어나고 그 결과로 열팽창 계수가 증가 5.2 ㎛/m.℃되어 코바 용도에 적합한 부품으로 사용될 수 없기 때문이다.

또한, 상기 변형률 속도를 0.5/sec^-1 이상으로 한정한 이유는, 고온에서 0.5/sec^-1 이하의 낮은 변형률 속도의 경우 과도한 결정립 성장 현상이 나타날 수 있기 때문이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 통해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예]

본 발명의 실시예에 사용된 코바합금은 1톤 진공 유도 용해(VIM)를 통해 잉고트로 제조하였으며, 하기 표1에 사용된 코바합금 소재의 화학 조성을 나타내었다.

조성	Fe	Ni	Co	Mn	Si	C	Ti	P	S
중량%	Bal.	27.9	17.29	0.23	0.08	0.007	0.07	0.003	0.003

조성	O	N	H
PPM	22	5	0.66

상기의 조성으로 제조된 잉고트에 표면 정정을 행하고, 1220℃/3hr. 균질화 열처리 후, 대형 단조 장치를 이용하여 열간 단조 작업을 수행하였다. 도1은 본 실시예에서 사용된 코바합금 소재의 광학 현미경 미세조직을 나타낸 것이다. 관찰결과 15~50㎛의 입자들이 혼재한 조직을 보였다. 전체적으로 오스테나이트(γ) 상으로 구성되어 있으며, 이상 α상은 거의 관찰되지 않았다.

열간 압축 시험의 시편 제작을 위하여 단조 소재의 길이 방향으로 시편을 절단하여 직경 Φ 10mm, 높이 h 12mm의 압축 시편을 제작하였다. 고온 압축 시험은 Gleeble-3800장치를 사용하여 수행하였으며 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃, 1300℃의 온도에서 행하였다. 또한 변형률 속도의 영향을 알아보기 위하여 각 온도에서 25/sec^-1, 0.5/sec^-1, 0.01/sec^-1 세 가지 변형률 속도로 실험을 수행하였다.

열간 압축 후 시편 표면의 crack상태를 조사하기 위하여 저배율로 압축 시편의 표면을 관찰하였다. 도2는 표면 상태를 관찰한 사진을 나타낸 것이다. 900℃, 1000℃의 온도, 특히 낮은 변형률 속도(0.01/sec^-1)에서 표면 터짐이 관찰되었으며 이러한 현상은 온도가 감소함에 따라서 그리고 변형률 속도가 낮아짐에 따라서 증가하는 경향을 보인다. 빠른 변형률 속도(25/sec^-1)의 경우에는 비교적 깨끗한 표면 상태를 보이고 있다.

한편, 온도가 너무 높은 1300℃의 경우, 특히 변형률 속도가 낮을수록 급속한 결정립 성장(grain growth)에 기인한 불균일한 표면 양상도 관찰할 수 있다. 이상의 고온 압축 및 표면 관찰을 통하여 본 소재의 경우 적어도 1100℃ 이상의 온도에서 열간 압연이 이루어져야 표면 상태가 양호한 Fe-Ni-Co 조직을 얻을 수 있음을 알 수 있었다

열간 가공 조건에 따른 열팽창 특성 변화를 조사해 보면, 각 온도 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃, 1300℃ 및 변형률 속도 25/sec^-1, 0.5/ sec^-1, 0.01sec^-1 에 서 압축한 후, 그 시편에서 열팽창용 시편을 재 가공하여 열팽창 실험을 수행하였다. 시편은 길이 10mm, Φ 3 mm Cylindrical 형상이었으며, 딜라토메터 내에 측정 시편을 장입하고 진공을 10^-3 Torr로 유지시킨 후, 5℃/min의 속도로 상온에서부터 600℃까지 가열한 후 다시 같은 속도로 냉각시켰다.

하기 표2는 코바합금에서 측정되는 온도에 따른 열팽창 곡선의 전형적인 예를 보여주는 것이다.

압축 변형 조건에 따른 30~400℃ 구간(코바 합금에서 용도를 고려할 때 가장 중요한 열팽창 구간)의 평균 열팽창 계수 측정 결과를 하기 표3에 나타내었다.

우선 1100℃, 1200℃, 1300℃의 고온에서는 온도가 증가함에 따라서 각 변형률 속도에서의 열팽창 계수 α_30~400 가 증가함을 알 수 있다. 또한 이 고온 영역에서는 같은 온도라도 변형률 속도가 감소함에 따라서 열팽창 계수가 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 특히 1300℃의 경우 변형률 속도가 25/sec^-1 에서 0.01/sec^-1로 감소함에 따라서 열팽창 계수가 0.2 이상 증가하였다. 본 코바 합금에서 열팽창 계수의 0.2 상승은 아주 큰 수치의 상승임을 지적할 만 하다.

그러나, 상대적으로 낮은 온도 영역을 살펴보면 1000℃의 경우에는 변형률 속도가 감소함에 따라서 열팽창 계수가 증가하는 경향이 약해지며 900℃의 경우에는 0.5/sec^-1 변형률 속도의 조건보다 25/sec^-1 의 높은 변형률 속도 조건에서 열팽 창 계수가 오히려 증가하는 이상 결과를 보인다.

변형률 속도를 기준으로 살펴보면 25/sec^-1의 고 변형률 속도의 경우에는 온도 증가에 따른 열팽창 계수의 일정 변화 경향을 찾기가 힘들지만, 0.01/sec^-1 저 변형률 속도의 경우 온도가 900℃에서 1300℃로 증가함에 따라서 0.18의 열팽창 계수의 증가치를 보이고 있다.

도3은 열간 압축 후, 각 변형 조건에 따라서 변화된 미세조직을 광학 현미경을 사용하여 관찰한 것이다. 900℃의 경우 검은 부위로 나타나는 일정 영역에서 변형 집중이 일어나는 것을 볼 수 있고, 변형률 속도가 감소함에 따라서 점점 변형의 집중이 작아지며 집중된 부위에서의 입자가 조금씩 커지는 것을 관찰 할 수 있다. 그러나 시편전체에 걸친 괄목할만한 입자 성장의 징후는 발견되지 않는다. 1000℃ 경우에도 25/sec^-1 변형률 속도에서 부분적인 변형의 집중이 관찰된다.

이러한 변형의 집중 부위는 1000℃ 이상에서 온도가 증가함에 따라서 그리고 변형률 속도가 감소함에 따라서 점차 약해지고 있으며 비교적 시편 전체에서도 균일한 입도를 보인다. 또한 온도가 증가하고 변형률 속도가 감소함에 따라서 평균 입자 크기가 증가하는 것을 알 수 있다. 특히 1200℃와 1300℃의 경우에는 입자 성장이 급격히 진행되는 것을 알 수 있으며, 0.01/sec^-1 의 변형률 속도에서는 변형 전에 비하여 또는 900℃에 비하여 수 십배의 입자 크기를 나타낸다.

코바 합금에서 최적의 저열팽창성 거동을 보이는 합금 조성은 γ+α 영역과 근접한 γ상의 조성범위 내에 있으며 합금원소나 가공에 따라서 이상 알파상이 생성될 수 있다고 알려져 있다. 이에 알파상의 생성 여부를 알아보기 위하여 열간 변형 조건에 따른 압축 시편들의 X-ray 정성 분석을 시도하였으며, 이중 특징적인 곡선들을 도4에 나타내었다.

상기 도4에서 0.01/sec^-1 변형률 속도의 경우 1300℃ 조건을 제외한 나머지 조건 900℃, 1200℃에서는 알파(??)상이 아주 미미한 수준으로 나타난다. 또한 1300℃의 경우에서도 변형률 속도가 감소함에 따라서 알파상의 양이 조금 증가하지만 그 정도는 크지 않다. 그러나 900℃의 경우를 비교하여 보면 저변형률 속도(0.01 sec-1)에서 거의 나타나지 않았던 알파상의 피크가 고 변형률 속도(25/sec^-1)에서는 급격하게 커지는 것을 관찰할 수 있다.

900℃ 고 변형률 속도에서 나타난 상기 이상 알파상의 급격한 증가는 도3 미세조직의 저온, 고 변형률 속도에서 발견되는 검은 부위의 변형 집중부와 관련되며, 이상 알파 상이 저온에서 변형에 의해서 더욱 쉽게 유기될 수 있다는 사실과도 잘 일치한다.

일반적으로 저 열팽창성 합금에서 이상 알파상이 생성되면 열팽창 계수를 증가시키는 것으로 알려져 있으며, 본 실시예의 열팽창 실험 결과에서 900℃ 조건의 경우 고온 변형 조건(1100℃, 1200℃, 1300℃)과는 다르게 변형률 속도가 증가할 때(25/sec^-1의 고 변형률 속도) 오히려 열팽창 계수가 증가하는 이상 거동을 보였다.

또한, 저온 변형 시(900℃, 1000℃), 변형이 집중되는 0.5/sec^-1, 25/sec^-1 변형률 속도 조건에서 열팽창 계수가 고온인 1100℃ 보다 높게 나타나는 거동을 보였다. 상기의 실험 결과들은 변형에 의해서 유기되는 이상 알파상의 생성에 기인한다.

하기 표4는 열간 압축 조건에 따른 입자의 크기를 Image Analyzer를 사용하여 수치화 시켜 정리한 것이다.

온도가 증가할수록 그리고 변형률 속도가 감소할수록 증가하는 결정립의 크기를 알 수 있다. 열간 가공에 의한 결정립의 크기와 열팽창 계수와의 관계를 하기 표5에 나타내었다.

상기 표에서 결정립의 크기는 열간 가공 후의 결과물이기 때문에 초기 실험 조건만으로는 임의로 제어할 수가 없었고 그 결과 결정립 크기 150~300㎛ 사이의 데이타가 없어 도표 상에서 상관관계를 명확히 알 수 없었다. 이에 1220℃, 1240℃, 1260℃, 1280℃ 에서 변형률 속도 0.01/sec^-1 로 열간 압축 시험 후(결정립 크기 각각 132.3㎛, 157.7㎛, 198.4㎛, 256.3㎛, 열팽창 시편을 가공하고 추가로 실험을 수행하여 그림에 첨가하였다.

상기 표에서 알 수 있듯이 대체적으로 열간가공에 의해 10.1㎛에서 384.7㎛로 입자가 커짐에 따라서 열팽창 계수도 증가하는 경향을 분명히 확인할 수 있다. 이러한 경향은 결정립의 크기가 증가할수록 보다 확실해진다.

상기의 실시예를 바탕으로 열간 표면 crack을 발생시키지 않는 열간 가공 조 건(1100℃이상) 및 열간 가공 시, 낮은 변형률 속도에서 급격히 증가하는 열팽창 거동을 고려할 때, 일반 코바 조성 소재의 경우 1100~1250℃사이에서 빠른 변형률 속도(0.5/sec^-1 이상)로 열간 가공을 수행해야 함을 알 수 있다.

그 결과로 열간 공정으로 최종 제품을 생산할 때(또는 중간 공정으로 사용된 경우도 포함) 열간 가공에 따라 변화하는 미세조직으로 인해 나타나는 열팽창 계수를 4.8~5.2 ㎛/m.℃의 적정 수준으로 제어할 수 있고 표면 결함을 최소화하여 표면 특성이 우수한 열간 가공재를 얻을 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 통상의 코바합금 소재를 예비 가열하고 열간 가공할 때에 상기 소재의 온도를 1100℃~1250℃로 유지시키고, 변형률 속도는 0.5/sec^-1 이상의 속도로 가공하며, 이를 통해 열팽창 계수가 4.8~5.2 ㎛/m.℃의 범위를 가지게 함으로서, 표면 특성이 우수한 Fe-Ni-Co 저열팽창성 합금을 얻을 수 있었다.

Claims (1)

1. 중량%로 Ni : 28～30%, Co : 15.5~18.5%, Mn : 0.5%이하, Si : 0.5%이하, P : 0.006%이하, S : 0.006%이하, C : 0.05%이하, Ti : 0.07%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물의 조성비를 갖는 통상의 코바합금 소재를 예비 가열하고 열간 가공할 때에 상기 소재의 온도를 1100℃~1250℃로 유지시키고, 변형률 속도는 0.5/sec^-1 이상의 속도로 가공하여, 열팽창 계수가 4.8~5.2 ㎛/m.℃의 범위를 가지게 하여 된 것을 특징으로 하는 Fe-Ni-Co 저열팽창성 합금의 열간 가공방법.

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