KR101350725B1 - 오일 패치 설비용 고강도 부식 저항성 합금 - Google Patents

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Abstract

특히 깊이 드릴되고 부식성 오일 및 오일정오일정경 뿐만 아니라 해양 환경에서의 사용을 위한 고강도, 연성 및 부식 저항성을 가지는 Ni-Fe-Cr 합금. 상기 합금은, 중량%로 Ni:35~55%, Cr:12~25%, Mo:0.5~5%, Cu:3% 이하, Nb:2.1~4.5%, Ti:0.5~3%, Al:0.7% 이하, C:0.005~0.04%, 잔부 Fedp 더하여 부수적인 불순물들 및 탈산제를 포함한다. 상기 합금은 또한 γ' 및 γ상들의 형성에 의해 요구되는 고강도를 얻기 위하여 (Nb - 7.75 C) / (Al + Ti) = 0.5~9의 비율을 만족해야 한다. 상기 합금은 강도 목적을 위해 그 매트릭스에 분산된 최소 1중량%의 γ"상 및 10에서 30의 γ' + γ"상의 합계 중량%를 가진다.

Description

오일 패치 설비용 고강도 부식 저항성 합금{High Strength Corrosion Resistant Alloy for Oil Patch Applications}
본 발명은 일반적으로 부식 저항 금속 합금에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 부식성 오일 및 가스정(oil and gas well)과 해양 환경에서 특히 유용한 고강도, 부식 저항성 및 저렴한 비용이 요구되는 특성인 니켈-크롬 합금에 관한 것이다.
오래된 여울 및 약한 부식성의 오일 및 가스정들이 고갈됨에 따라, 강한 부식 환경을 접하는 더 깊은 드릴링(drilling)에 사용 가능한 고강도 및 강한 부식 저항적인 물질들이 요구된다.
석유 사업 설비들은 이제 향상된 부식 저항성 및 강도를 필요로 한다. 이들 향상된 요구들은 다음을 포함하는 요인들로부터 나타났다:높은 온도 및 압력을 가지는 깊은 정(well):증기 또는 이산화탄소(CO2) 주입과 같은 강화된 복원 방법들:증 가된 튜브 스트레스 특히 오프쇼어(offshore): 및 황화수소(H2S), CO2 및 염화물을 포함하는 부식성 정(well)의 성분들.
재료들의 선택은 특히 H2S를 함유하는 사우어 가스정들에 있어서 특히 중요하다. 사우어 정(well) 환경들은 종래의 카본 스틸 오일 및 가스 합금들에 있어서 매우 독성이고 강력한 부식성이다. 몇몇 사우어 환경에서, 부식은 카본 스틸 관을 따라 반응 억제제(inhibitor)를 사용함으로써 조절될 수 있다. 반응 억제제는, 그러나, 지속적으로 높은 가격을 가지며 고온에서는 자주 신뢰할 수 없다. 튜브 조직벽에 부식이 더해지는 것을 허용하는 것은 중량을 증가시키고 튜브 내부의 용적을 감소시킨다.
많은 경우에서, 라이프-사이클 경제성 및 안전성의 측면에서의 바람직한 대안은 튜브 및 다른 정(well) 부품들에 대한 부식 저항 합금의 사용이다. 이들 부식 저항 합금은 반응 억제제, 더 낮은 중량, 향상된 안전성을 고려하지 않으며 개수(workover)를 고려하지 않거나 최소화하며 정지시간(downtime)을 감소시킨다.
13% 크롬 합금들과 같은 마르텐사이트 스테인리스 스틸들은 약간 부식성의 오일 패치 설비들에 있어서 부식 저항성 및 강도 요건들을 만족한다. 13% 합금들은, 그러나, 저-레벨의 사우어 가스정에 요구되는 적절한 부식 저항성 및 강 도가 결핍된다. Cayard et al은 "Serviceability of 13Cr Tubulars in Oil and Gas Production Environments"에서 사우어 가스와 비-사우어(non-sour) 가스 환경 사이의 천이온도 영역에서 동작하는 정(well)에 관한 불충분한 부식 저항성을 가지는 13Cr 합금들을 지시하는 황화물 스트레스 부식 데이터를 개시하였다.
추가적인 종래 기술은 Smith, Jr. et al의 U.S. Patent Nos. 4,358,511 및 Hibner et al의 5,945,067에서 찾을 수 있다.
느린 부식성 정(well)들이 다양한 13Cr 스틸들에 의하여 다루어질 수 있는 반면, Ni-베이스 합금들은 더욱 높은 부식성 환경들에서 필요하다. 오일 패치 용도에 관하여 더욱 일반적으로 사용되는 Ni-베이스 합금은 오스테나이트 고Ni-베이스 합금으로, 예를 들어 부식성 사우어 가스 환경에 대한 향상된 저항성을 제공하는 718, 725, 825, 925, G-3, C-276 합금들과 같은 것이다. 이들 상술한 합금들은, 그러나, 너무 비싸거나 필요한 고강도 및 부식 저항성의 조합을 갖지 못한다.
본 발명은 깊은 오일 및 가스 설비들을 요구하는 시설에 대하여 우수한 기계적 특성과 함께 사우어 가스 환경에서 우수한 부식 저항성을 가지는 합금을 제공하여 종래 기술이 직면한 문제들을 해결한다.
간단하게 말하면, 본 발명은 827 MPa의 최고 항복 강도를 제공하기 위한 독특한 미세구조를 개발하기 위하여 미량의 Mo 및 Cu를 함유하고 조절되고 서로 관련된 양의 Nb, Ti, Al 및 C를 가지는 Ni-Fe-Cr 합금에 관한 것이다. 넓게는, 그 합금은 0.5에서 9의 범위에서 (Nb - 7.75 C) / (Al + Ti)의 비율을 가진다. 앞서 말한 계산에서, 7.75×카본의 중량%은 카본(원자 중량 12.01)과 Nb(원자 중량 92.91) 사이의 원자 중량을 교정한다. 다시 말하면, 상기 7.75×카본의 중량%는 매트릭스 바깥의 석출 강화상을 형성하는데 대하여 사용할 수 없는 다량의 Nb 중량%를 담당한다. 0.5에서 9의 비율 값을 만족하는 경우, 합금은 최소 1 중량%의 γ"상의 존재 및 γ'+γ"의 중량%가 10에서 30, 바람직하게는 비율이 0.5에서 8, 더욱 정밀하게는 ThermoCalc에 의해 측정되었듯이 비율이 0.5에서 6인 경우 15~25인 강화상(strengthening phases)으로 γ"상과 γ'상의 조합을 가질 것이다.
독특한 미세구조는, 사우어 정(well) 환경에서 일반적으로 발견되는 이산화탄소(CO2) 및 황화수소(H2S)의 기체상 혼합물을 함유하는 부식성 오일 및 가스정 설비에서 본 발명의 물질이 사용될 수 있는 충격 강도, 연성 및 부식 저항성의 매력적인 조합을 제공하는 어닐링 및 시효 경화에 의하여 얻어진다. 본 발명의 물질은 또한 강도, 부식 저항성 및 비용이 물질 선택에 관련된 중요한 요인인 경우에 해양 설비에 유용하다.
만일 특별히 다르게 표현되지 않았다면, 본 명세서는 모든 조성을 중량%로 설명한다. 본 발명의 합금은 바람직하게는 다음의 성분들을 중량%로 포함한다: Ni:38~55%, Cr:12~25%, Mo:0.5~5%, Cu:0~3%, Nb:2~4.5%, Ti:0.5~3%, Al:0~0.7%, C:0.005~0.04%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물들 그리고 탈산제(deoxidizers). 상기 합금의 Fe 함량은 16~35% 사이에 있다.
본 발명의 합금과 연관되어 사용되는 어닐링 및 시효 경화 조건은 다음과 같다. 어닐링은 954~1121℃의 범위에서 이루어진다. 시효 경화는 바람직하게는 2-단계 과정에서 수행된다. 높은 쪽의 온도는 690~760℃의 범위에 있으며, 낮은 쪽의 온도는 565~677℃의 범위에 있다. 어떠한 온도 범위에서의 단독 온도 시효 경화가 또한 가능하지만 현저히 시효 경화 시간을 연장하며 다소 낮은 강도 및/또는 일반적으로 열처리의 비용을 상승시키는 결과를 초래할 수 있다.
상술했듯이, 여기에 설명된 화학 조성들은 중량% 단위이다. 본 발명에 의해, 합금은 약 Ni:38~55%, Cr:12~25%, Mo:0.5~5%, Cu:0~3%, Nb:2.0~4.5%, Ti:0.5~3%, Al:0~0.7%, C:0.005~0.04%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물들과 탈산제를 포함한다. Ni은 안정한 오스테나이트 구조를 제공하기 위하여 Fe-베이스 매트릭스를 변화시키며, 이것은 우수한 열적 안정성 및 성형성을 위해 필수적이다.
니켈(Ni)은 중요 원소 중 하나이며, 이것은 NbAl-타입 γ'상을 형성하며, 이것은 고강도를 위해 필수적이다. 나아가, 최소 약 35%의 Ni이 우수한 수성(aqueous) 스트레스 부식 저항성을 갖도록 요구된다. 다소 높은 Ni함량은 금속 가격을 상승시킨다. Ni 범위는 35~55%로 넓게 정의되며, 더욱 바람직하게는 Ni 함량은 38~53%이다.
크롬(Cr)은 부식 저항성을 위해 필수적이다. 최소 약 12%의 Cr이 공격적인 부식 환경에 있어서 요구되지만, 25%보다 높은 Cr은 알파-Cr 및 시그마상의 형성을 초래하며, 이것은 기계적 특성에 해롭다. 넓은 Cr 범위는 12~25%로 정의되며, 더욱 바람직하게는 Cr 함량은 16~23%이다.
몰리브덴(Mo)은 본 합금에 존재한다. Mo의 첨가는 피팅 부식 저항성(pitting corrosion resistance)를 향상시키는 것으로 알려져 있다. Mo의 첨가는 또한 치환 고용 강화에 의해 Ni-Fe 합금의 강도를 향상시키는데 이는 Mo의 원자 반경이 Ni 및 Fe보다 매우 크기 때문이다. 그러나, 약 8%보다 높은 Mo는 Ni, Fe 및 Cr을 가지는 불필요한 Mo7(Ni,Fe,Cr)6-타입 μ-상 또는 3원 σ-상을 형성하는 경향이 있다. 이들 상들은 가공성을 저하시킨다. 또한, 가격이 비싸, 높은 Mo 함량은 불필요하게 합금의 가격을 상승시킨다. Mo의 범위는 0.5~5%로 넓게 정의되며, 더욱 바람직하게는 Mo 함량은 1.0~4.8%이다.
구리(Cu)는 비-산화 부식 환경에서 부식 저항성을 향상시킨다. Cu 및 Mo의 시너지 효과(synergistic effect)는 높은 레벨의 염화물을 함유하는 산성(acidic) 환경을 감소시키는 일반적인 오일 패치 설비에서 부식에 대항하는 것에서 인식된다. Cu의 범위는 넓게 0~3%로 정의되며, 더욱 바람직하게는 Cu 함량은 0.2~3%이다.
알루미늄(Al) 첨가는 고강도에 기여하는 Ni3(Al)-타입 γ'상의 형성을 가져온다. Al의 특정 최소 함량은 γ'의 형성을 유발하기 위해 필요하다. 나아가, 합금의 강도는 γ'의 부피 분율에 비례한다. γ'의 다소 높은 부피 분율은, 그러나, 열간 가공성의 저하를 초래한다. 알루미늄 범위는 넓게 0~0.7%로 정의되며, 더욱 바람직하게는 Al 함량은 0.01~0.7%이다.
티타늄(Ti)은 Ni3(Al) 내로 혼합되어 Ni3(AlTi)-타입 γ'상을 형성하며, 이것은 γ'상의 부피 분율을 즈가시키고, 따라서, 합금의 강도를 증가시킨다. γ'의 강화 잠재력은 또한 γ' 및 매트릭스 사이의 격자 부정합(lattice mismatch)를 강화시킨다. 티타늄은 γ'의 격자 간격을 증가시키는 경향이 있다. 시너지적 Ti의 증가 및 Al의 감소는 격자 부정합을 증가시켜서 강도를 향상시키는 것으로 알려져 있다. Ti 및 Al 함량은 여기에서 격자 부정합을 최대화시키기 위하여 최적화되었다. Ti의 다른 중요한 장점은 그것이 TiN으로 N과 결합된다는 것이다. 매트릭스 내에서 N의 함량을 낮추는 것은 합금의 열간 가공성을 향상시킨다. 매우 많은 Ti의 양은 불필요한 N3Ti-타입 η상의 석출을 유도하고, 이것은 열간 가공성 및 연성을 저하시킨다. 넓은 티타늄 범위는 0.5~3%이며, 더욱 바람직하게 Ti함량은 0.6~2.8%이다.
니오븀(Nb)은 Mg(AlTi)와 반응하여 Ni3(AlTiNb)-타입 γ'상을 형성하며, 이것은 γ'상의 부피 분율을 증가시키고, 따라서 강도를 증가시킨다. Nb, Ti, Al 및 C의 특정 조합은 γ' 및 γ" 상의 형성을 가져오며, 이것은 강도를 비약적으로 증가시킨다. (Nb - 7.75 C) / (Al + Ti)의 비율은 필요한 고강도를 얻기 위하여 0.5에서 9의 범위에 존재한다. 나아가, 상기 합금은 최소 1중량%의 γ"상을 강화 상으로 가져야 한다. 이 강화 효과에 더하여, Nb는 NbC5로 C와 결합하여 aoxmflrtm 내의 C함량을 감소시킨다. Nb의 탄화물 형성 능력은 Mp 및 Cr보다 높다. 결과적으로, Mo 및 Cr은 매트릭스 내에 원소 형태로 전재하며, 이것은 부식 저항성에 필수적이다.
나아가, Mo 및 Cr 탄화물은 결정립계에서 형성하는 경향이 있는데 반하여, NbC는 구조 전체적으로 형성된다. Mo 및 Cr 탄화물의 제거/최소화는 연성을 향상시킨다. 매우 높은 Nb의 함량은 불필요한 σ-상 및 과도한 양의 NbC 및 γ"를 형성하는 경향이 있고, 이것은 가공능(processability) 및 연성에 불리하다.
철(Fe)은 개시된 합금의 실질적인 잔부를 구성하는 원소이다. 본 시스템에서 다소 높은 Fe 함량은 열적 안정성 및 부식 저항성을 저하시키는 경향이 있다. Fe는 35%를 넘지 않도록 한다. 넓게는, Fe 함량은 16~35%이며, 더욱 바람직하게는 18~32%이며, 여전히 더욱 바람직하게는 20~32%이다. 추가적으로, 본 합금은 부수적인 양의 Co, Mn, Si, Mg 및 Ta을 함유한다. 여기에서부터, 본 명세서는 본 발명을 더 설명하기 위한 실시예 합금들을 포함한다.
도 1은 B 과정을 이용하여 열처리된 합금 매트릭스 및 γ'상 스폿(spot)을 나타내는 합금 #1의 TEM 장치를 이용한 회절 패턴의 사진이다.
도 2는 과정 C에 의하여 열처리된 합금 매트릭스 뿐만 아니라 γ' 및 γ"상 스폿을 나타내는 합금 #7의 TEM 장치를 이용한 회절 패턴의 사진이다.
표 1은 평가된 다른 합금들의 화학 조성을 나타낸다. 합금 1~5는 본 발명의 범위보다 낮은 Nb를 함유하는 조성을 가진다. 표 2는 어닐링 및 시효 경화 조건들을 나타낸다. 어닐링 및 시효 경화 이후에 측정된 기계적 성질들이 표 3 및 4에 나열되어 있다. 특성들의 비교는 표 3에 나열된 항복 강도들이 합금 1~5에 대해서는 737에서 799 MPa의 범위에 있으며 표 4에 나열된 항복 강도들이 본 발명의 합금 6~10에 대해서 861에서 999 MPa의 범위에 있음을 보여준다.
합금의 화학 조성(중량%)
합금 # Fe Ni Cr Mo Cu C Al Nb Ti
1 28.2 42.9 20.5 3.4 2.2 0.010 0.2 0.3 2.3
2 27.4 42.9 20.4 3.4 1.6 0.021 0.5 1.0 2.5
3 23.7 47.0 20.5 3.3 2.0 0.009 0.2 1.0 2.3
4 23.4 47.0 20.4 3.3 2.0 0.008 0.5 1.0 2.4
5 20.9 48.8 20.5 3.3 2.1 0.008 1.0 1.0 2.4
6 25.7 43.8 20.4 3.4 1.9 0.017 0.4 2.9 1.4
7 25.2 44.2 19.5 3.4 2.0 0.006 0.3 3.8 1.6
8 25.4 43.8 20.5 3.5 2.0 0.002 0.4 3.2 1.2
9 25.2 43.7 20.5 3.5 2.1 0.003 0.4 3.7 0.9
10 27.0 42.9 20.0 3.3 2.0 0.012 0.2 3.0 1.5
참고:합금 1, 2 그리고 6~9는 VIM 용융되었고, 합금 3~5 및 10은 VIM+VAR 용융되었다. VIM은 vacuum induction melting을 나타내며, VAR는 vacuum arc remelted를 나타낸다.
열처리
열처리 초기 가열(어닐링) 재가열(시효처리)
A 1024℃/1h, WQ 732℃/8h, FC에서 621℃/8h, AC
B 1024℃/1h, WQ 741℃/8h, FC에서 621℃/8h, AC
C 1038℃/1h, WQ 732℃/8h, FC에서 621℃/8h, AC
D 1038℃/1h, WQ 741℃/8h, FC에서 621℃/8h, AC
E 1052℃/1h, WQ 732℃/10h, FC에서 621℃/8h, AC
F 1107℃/1h, WQ 718℃/8h, FC에서 621℃/8h, AC
WQ = 물 켄칭, FC = 538℃/hour로 노냉, AC = 공냉
상온 기계적 특성. 충격 및 경도는 세개의 테스트 데이터의 평균이다. 1 및 2번은 50 파운드 VIM이며 3 에서 5는 135 파운드 VIM+VAR 가열이다.
합금# 열처리 YS, MPa
0.2%		 UTS, MPa 신장% ROA% 충격 강도,
ft-lbs		 경도 Rc
1 B 763.4
765.5		 1156.1
1158.2		 24.1
24.4		 31.1
30.1		 24.3 33.8
2 B 767.5
753.1		 1206.4
1140.9		 23.6
21.3		 25.3
28.7		 23.0 38.6
3 B 784.1
790.8		 1205.8
1209.2		 25.7
25.3		 34.0
33.5		 31 36.4
4 B 776.5
787.5		 1228.5
1234.7		 26.6
26.0		 37.2
39.9		 40.7 36.9
5 B 758.6
740.7		 1240.9
1233.3		 26.5
25.9		 34.5
31.8		 39.0 38.3
YS = 0.2% 항복 강도, UTS = 최종 인장 강도, ROA = 면적 감소
상온 기계적 특성. 충격 및 경도는 세개의 테스트 데이터의 평균이다. 6에서 9번은 50Ib. VIM 합금들이었으며, 10은 135Ib. VIM+VAR 합금들이었다.
상온 기계적 특성
합금# 열처리 YS, MPa
0.2%YS		 UTS, MPa 신장% ROA% 충격 강도,
ft-lbs		 경도 Rc
6 A 873.0
864.0		 1185.1
1187.8		 27.6
27.6		 41.1
39.8		 38.0 37.5
7 F 988.7
984.6
997.7		 1236.1
1227.8
1241.6		 21.2
21.4
20.4		 28.0
28.6
25.7		 33 36.2
8 E 876.4
915.7		 1165.1
1193.3		 25.4
25.6		 31.2
28.6		 48.3 36.7
9 F 941.9
930.8		 1174.7
1165.8		 23.6
24.9		 31.5
35.7		 47.3 38.0
10 A 960.5
936.4		 1236.1
1227.1		 24.2
24.5		 37.9
37.4		 31.7 37.6
10 C 938.4
942.6		 1224.4
1218.1		 24.0
24.4		 31.6
32.4		 40 39.7
10 D 926.8
953.6		 1216.1
1212.6		 22.1
28.8		 28.8
28.8		 29.3 39.5
YS = 0.2% 항복 강도, UTS = 최종 인장 강도, ROA = 면적 감소
표 5는 (Nb - 7.75 C) / (AlTi)의 비율, 평균 항복 강도, 그리고 γ' 및 γ"의 퍼센트의 계산된 중량%를 나타낸다. 계산들은 ThermoCalc®를 기반으로 한 소프트웨어를 사용하여 이루어졌다. 단지 0.5보다 높은 (Nb - 7.75 C) / (Al+Ti) 비율의 합금들만이 827 MPa 보다 높은 항복강도를 갖는다는 점이 놀랍다. 나아가, 단지 이들 합금들(6~10)이 강화상 γ"의 존재를 가진다고 예측되었다. 낮은 항복 강도(합금 #1) 및 높은 항복 강도(합금 #7) 물질에 대한 실험적인 분석이 γ"의 부재 및 존재를 확인했으며, 이는 도 1 및 2를 참고한다. 도 2의 추가적인 줄무늬들(streaks)은 γ" 석출물의 존재에 의하여 발생한다. 부식 테스트는 1.76의 (Nb - 7.75 C)/(A1+Ti) 비율과 940.5 MPa의 평균 항복 강도를 가지는 합금 #10 역시 오일 패치 타입 설비들에서 우수한 부식 저항성을 가진다는 것을 보여주었고, 이는 표 6을 참고한다.
경화 원소들의 중량% 비율, 평균 측정된 0.2% 항복 강도, 그리고 ThermoCalc에 의해 측정된 강화상의 계산된 양
합금# (Nb - 7.75 C) / (AlTi) 항복강도, MPa 중량% γ' 중량% γ"
1 0.12 764.8 11.3 0
2 0.33 757.9 14.2 0
3 0.40 792.4 13.0 0
4 0.34 782.0 16.1 0
5 0.29 749.6 16.7 0
6 1.6 868.1 12.2 2.6
7 2.00 990.1 11.5 6.5
8 2.00 895.7 10.5 4.4
9 2.84 936.4 8.1 6.6
10 1.76 940.5 9.6 4.6
합금 샘플들은 표 2-4에서 주어졌듯이 어닐링되고 시효 경화되었다.
느린 인장 속도 부식 테스트 결과들. 테스트는 149℃에서 400psig CO2 및 400psig H2S 하의 공기가 제거된 25%의 NaCl에서 이루어졌다. 주변 환경/공기 중에서의 파괴 시간(TTF, Time-to-failure), 인장%(EL), 그리고 면적 감소%(RA)와 그들의 비율들이 아래에 나열됐다. 이것은 C 열처리의 합금 #10이다.
테스트 이력 TTF
시간		 %EL %RA 주변 환경/공기 비율 평균 비율
TTF %EL %RA TTF %EL %RA
공기 18 25.9 36.8
주변 환경 15.3 22.0 29.4 0.85 0.85 0.80 0.85 0.85 0.79
주변 환경 15.7 22.6 27.5 0.87 0.87 0.75
주변 환경 15.1 21.7 29.7 0.84 0.84 0.81
합금 1~5가 다음 식을 만족하지 않는다는 것이 표 5에 언급되었다:
Figure 112013070374436-pct00007
그리고, 따라서 827 MPa의 필요로 하는 최소 항복 강도에 도달하지 못했다. 합금들 1~5는 751~792 MPa의 평균 항복 강도를 가진다. 반면, 본 발명에 의한 합금들 6~10은 위의 식을 만족하며 868~992 MPa 사이의 평균 항복 강도들을 만족하는 계산값들을 가지는 것으로 표 5에 나타나 있다. 본 발명에 의한 0.5~9의 바람직한 범위 사이로 위의 식의 계산된 값이 떨어지는 경우, 최소 1중량%의 γ"상이 γ'상을 따라 합금 매트릭스에 존재하며, 약 10에서 30%의 γ'+γ"상 합계 중량%가 존재하고, 이것은 최소한 요구되는 827 MPa를 초과하는 강화된 항복 강도를 설명한다.
표 5에서 위의 식을 만족하지 않는 합금 1~5는 γ"상을 함유하지 않았던 반면, 본 발명의 합금들 6~10은 매트릭스 내에 8.1~12.2%의 γ'상과 함께 2.6~6.6중량%의 γ'상을 함유했다. 본 발명의 합금은 바람직하게는 1~10중량%의 γ"상을 함유한다. γ'+γ" 중량%의 합은 10 및 30 사이이며 바람직하게는 12에서 25이다.
본 발명의 합금 10이 제조되어 느린 인장 속도 부식 테스트를 받았다. 상기 테스트는 149℃에서 400psig CO2 및 400psig H2S 하의 공기가 제거된 25%의 NaCl에서 이루어졌다. 비교 시험 역시 공기 분위기에서 합금 10에 대해 수행되었다. 실험의 결과들은, 위의 표6에서 설명되었다. 거친 환경에서 합금 10은 비슷한 인장율%(EL)로 공기 중에서 합금 10의 그것에 대해 약 0.85의 TTF 비율을 나타냈다. 면적 감소%(RA) 비율은 0.79였다. 이들 데이터는 본 발명의 합금들이 우수한 부식 저항 특성들을 제공하며 매우 강한 사우어 가스정 환경에 적용되는 경우 제시된 산업 규격을 만족한다는 것을 지시한다.
따라서, 본 발명에 의해, Ni-Fe-Cr 합금 시스템은 부식 저항성을 향상시키기 위하여 Mo 및 Cu의 첨가에 따라 변화된다. 추가적으로, Nb, Ti, Al 및 C 첨가는 고강도를 제공하기 위하여 매트릭스 내에서 γ' 및 γ"상의 미세한 분산을 생산하기 위해 최적화된다. 그러한 것으로서, 본 발명은, 바(bar), 튜브조직(tubing) 및 가스 및/또는 오일정 설비를 위한 기타 형상을 제조하도록 의도된, 연성이며, 고강도, 고충격 강도, 그리고 부식 저항성인 합금을 우선적으로 제공한다.
아래 표 7은 현재 바람직한 명목상의 조성과 함께 본 발명의 합금을 구성하는 원소들의 바람직한 현재의 범위르 제공한다.
화학 조성(중량%)
넓은 범위 중간 범위 좁은 범위 매우 좁은
Ni 35~55 38~53 38~52 43
Cr 12~25 16~23 18~23 20
Mo 0.5~5 1.0~4.8 1.0~4.5 3.0
Cu 0~3 0.2~3 0.5~3 2
Nb 2.1~4.5 2.2~4.3 2.5~4 3.5
Ti 0.5~3 0.6~2.8 0.7~2.5 1.5
Al 0~0.7 0.01~0.7 0.05~0.7 0.2
C 0.005~0.04 0.005~0.03 0.005~0.025 0.01
Fe Bal* Bal* Bal* Bal*
(Nb-7.75C)/(Al+Ti) 0.5~9 0.5~8 0.5~6 2.01
* 부수적인 불순물들 및 탈산제가 포함됨.
위 표 7에서 설명된 조성 범위를 만족시킬 뿐만 아니라, 본 발명의 합금은 최소 1중량%의 γ"상을 가진 γ'과 γ"상의 혼합상과 강화 목적을 위해 존재하는 합계 중량%를 10에서 30% 함유하기 위하여
Figure 112013070374436-pct00008
을 만족해야 한다:
비록 에어(air) 용융이 만족스러워도, 본 발명의 합금은 바람직하게는 잉곳의 청정도를 보장하기 위하여 VIM 수단 또는 VIM + VAR 용융수단을 사용하여 제조되었다. 본 발명의 최종 열처리 방법은 약 0.5에서 4.5시간, 바람직하게는 1시간 동안 954℃에서 1121℃ 사이에서 가열하여 제1 용액 어닐링(solution anneal), 이후의 물 켄칭(water quench) 또는 공냉을 포함한다. 제조품은 그리고나서 적어도 약 691℃의 온도까지 가열되어 바람직하게는 시효처리되고, γ' 및 γ"상들을 석출시키기 위하여 약 6~10시간 사이의 시간 동안 온도 유지되며, 선택적으로 약 565℃에서 677℃에서 제2 시효 열처리하고 약 4에서 12시간 동안, 바람직하게는 약 8시간 동안 제2 시효 단계를 조절하기 위해 그 온도에서 유지된다.
시효처리된 물질은 필요한 미세구조를 얻고 γ'와 γ" 강화를 최대화하기 위하여 실온으로 공냉된다. 이 방법으로 열처리한 후, 필요로 하는 미세구조는 매트릭스에 더하여 γ' 및 최소 1%의 γ"로 구성된다. γ' + γ"의 합계(total) 중량%는 넓게 10에서 30 사이이며 바람직하게는 12에서 25이다.
본 발명의 특정 구현들이 상세하게 설명되었으나, 당업자에 의하여 세부 사항에 대하여 다양한 변형 및 대안이 본 명세서의 전체적인 가르침의 밝힘에서 개발될 수 있을 것이다. 여기에서 지금 설명된 바람직한 구현들은 단지 설명적인 것을 의미하며 첨부된 청구범위의 전체 범위 및 어떠한 그리고 모든 그와 동등한 것이 될 수 있는 본 발명의 제한하기 위한 것이 아니다.

Claims (17)

  1. 중량%로 Ni:35~55%, Cr:12~25%, Mo:0.5~5%, Cu: 0 초과 내지 3% 이하, Nb:2.1~4.5%, Ti:0.5~3%, Al: 0 초과 내지 0.7% 이하, C:0.005~0.04%, 잔부 Fe와 부수적인 불순물들 및 탈산제를 포함하는 고강도 부식 저항성 합금으로서, 여기에서 상기 합금은 다음 식:
    Figure 112013070374436-pct00009
    을 만족하고, 상기 합금은 중량%로 최소 1% γ"을 가진 γ'과 γ"상의 혼합물을 포함하며 어닐링되고 시효처리된 조건에서 827MPa의 최소 항복 강도를 가지는 것을 특징으로 하는 고강도 부식 저항성 합금.
  2. 제1항에 있어서, 상기 합금은 10에서 30%의 γ'+γ"의 합계 중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 고강도 부식 저항성 합금.
  3. 제1항에 있어서, 16~35%의 Fe를 함유하는 것을 특징으로 하는 고강도 부식 저항성 합금.
  4. 제1항에 있어서, Ni:38~53%, Cr:16~23%, Mo:1~4.8%, Cu:0.2~3.0%, Nb:2.2~4.3%, Ti:0.6~2.8%, Al:0.01~0.7% 및 C:0.005~0.03%를 함유하는 것을 특징으로 하는 고강도 부식 저항성 합금.
  5. 제4항에 있어서, 상기 합금은 중량%로 최소 1% γ"상을 가지는 γ' 및 γ"상의 혼합물과 10에서 30%의 γ' + γ" 합계 중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 고강도 부식 저항성 합금.
  6. 제1항에 있어서, Ni:38~52%, Cr:18~23%, Mo:1~4.5%, Cu:0.5~3%, Nb:2.5~4%, Ti:0.7~2.5%, Al:0.05~0.7% 및 C:0.005~0.025%를 함유하는 것을 특징으로 하는 고강도 부식 저항성 합금.
  7. 제6항에 있어서, 10에서 30%의 γ' + γ" 상의 합계 중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 고강도 부식 저항성 합금.
  8. 제1항에 있어서, 1~10중량% 사이의 γ"상을 함유하는 것을 특징으로 하는 고 강도 부식 저항성 합금.
  9. 제1항에 있어서, 오일 또는 가스정 환경 또는 해양 환경에서 사용되기 위한 튜브 또는 바의 형상인 것을 특징으로 하는 고강도 부식 저항성 합금.
  10. 중량%로, Ni:35~55%, Cr:12~25%, Mo:0.5~5%, Cu: 0% 초과 내지 3% 이하, Nb:2.1~4.5%, Ti:0.5~3%, Al: 0% 초과 내지 0.7% 이하, C:0.005~0.04%, 잔부 Fe와 부수적인 불순물들 및 탈산제로 필수적으로 구성되며,
    Figure 112013070374436-pct00010
    의 식을 만족하는 합금을 제공하는 단계 및
    어닐링에 의하여 합금을 열처리 하는 단계와 적어도 하나의 시효 경화 단계를 포함하고, 이것에 의해 상기 합금은 최소 1 중량%의 γ"상을 가지는 γ' 및 γ"상의 혼합물을 함유하고 827MPa의 최소 항복 강도를 가지는 것을 특징으로 하는 고강도 부식 저항성 합금의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 두개의 시효 경화 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 부식 저항성 합금의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 어닐링 단계는 954℃ 내지 1121℃의 범위에서 수행되며 상기 시효 경화는 691℃ 내지 760℃의 범위 및 565℃ 내지 677℃ 범위에서 이루어지는 두 개의 시효 단계임을 특징으로 하는 고강도 부식 저항성 합금의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 어닐링 단계 다음에는 급속의 공기 또는 물 켄칭(quenching)하는 단계가 후속하고 제1 시효 처리 단계 다음에는 제2 시효 처리 온도까지 노냉(furnace cool)하는 단계가 후속하고, 이후 공냉하는 단계가 후속하는 것을 특징으로 하는 부식 저항성 합금의 제조방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 합금은 10에서 30%의 γ' 및 γ"상의 합계 중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 부식 저항성 합금의 제조방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 제조방법은 가스 또는 유정 환경 또는 해양 환경에서 사용하기 위한 튜브 또는 바 형태로 상기 합금을 형상화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부식 저항성 합금의 제조방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 Cu 함량은 0.2-3.0%이며, 그리고 상기 Al 함량은 0.01-0.70%인 것을 특징으로 하는 고강도 부식 저항성 합금.
  17. 제10항에 있어서, 상기 Cu 함량은 0.2-3.0%이며, 그리고 Al 함량은 0.01-0.70%인 것을 특징으로 하는 부식 저항성 합금의 제조방법.
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