KR102216117B1 - 개선된 니켈 베릴륨계 함금 조성물 - Google Patents

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Abstract

알려진 니켈 베릴륨계 합금에 비하여 개선된 부식성 및 경도 특성을 갖는 니켈 베릴륨계 합금이 개시된다. 상기 합금은 약 1.5 wt% 내지 5 wt%의 베릴륨 (Be), 약 0.5 wt% 내지 7 wt%의 니오븀 (Nb); 및 니켈 (Ni)로 화학 조성을 갖는다. 약 5 wt%까지의 크롬 (Cr)은 또한 포함될 수 있다. 상기 합금은 개선된 경도 및 부식 저항 성질을 나타낸다.

Description

개선된 니켈 베릴륨계 함금 조성물 {IMPROVED NICKEL BERYLLIUM ALLOY COMPOSITIONS}
본 출원은 2013년 3월 15일자에 출원된 미국 가 특허출원 제61/793,421호의 우선권을 주장하고, 이의 전체적인 내용은 참조로서 여기에 혼입된다.
본 개시는 개선된 니켈 베릴륨계 함금 조성물에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 출원의 니켈 베릴륨계 함금 조성물은 기존의 니켈 베릴륨계 함금과 비교하여 개선된 부식 저항성 및 마멸 (galling) 저항성을 나타낸다.
Alloy 360TM은 Materion Corporation (클리브랜드, 오하이오)에 의해 제공된 공지의 니켈-베릴륨계 합금으로서, 높은 신뢰성의 전기적 / 전자적 시스템, 대형 조정장치 (heavy duty controls), 전자기계적 기기에서 및 다른 고성능 적용에서 요구되는 고유한 기계적 및 물리적 성질들을 조합한다. Alloy 360TM의 화학적 조성물은 약 1.85 wt% 내지 2.05 wt%의 베릴륨 및 약 0.4 wt% 내지 0.6 wt%의 티타늄을 포함하고, 잔량으로 니켈을 가진다. 니켈-베릴륨계 Alloy 360TM의 스트립 (strip)은 약 300,000 psi에 근사하는 최대 인장 강도 (ultimate tensile strength), 약 245,000 psi까지의 항복 강도 (yield strength), 유연한 성형성 (formability) 성질, 400℉에서 약 5%보다 미만의 응력 완화 (stress relaxation), 및 약 1 천만 사이클에서 약 85,000-90,000 psi의 피로 강도 (역 굽힘에서 (in reverse bending))를 갖는다. 니켈-베릴륨계 Alloy 360TM은 상승된 온도 (700℉/350℉까지 짧은 시간 동안)에 적용되고 이들 온도에서 좋은 스프링 (spring) 특성을 필요로하는 기계적 및 전기적/전자적 구성요소용으로 사용된다. 이 합금에 대한 몇몇 적용은 온도 조절기, 벨로우즈, 다이아프램, 번-인 (burn-in) 및 테스트 소켓을 포함한다. 니켈-베릴륨계 Alloy 360TM은 다른 것들 중 화재 방지 스프링클러 헤드에 고-신뢰성, 내부식성 벨르빌 (belleville) 와셔용으로 또한 사용된다.
그러나, Alloy 360TM은 합금 내의 불연속적인 변형 및 주조 후 (as-cast) 및 열간 압연 후 (as-hot rolled) 형태에서 조 (coarse) 미세구조에 기인하여 가공하기 어려울 수 있다. 또한, 상기 합금의 강도 및 경도는 그의 조성물에 의해 제한된다. 기존의 니켈-베릴륨계 합금과 비교하여 개선된 경화능 (hardenability) 및 가공 능력을 가진 새로운 합금 조성물을 개발하는 것이 바람직하다.
본 개시는 알려진 니켈 베릴륨계 합금에 비하여 개선된 부식 및 경도 특성을 갖는 니켈 베릴륨계 합금 조성물을 제공하고자 한다.
본 개시는 알려진 니켈-베릴륨계 합금에 비해 개선된 부식 및 경도 특성을 갖는 니켈-베릴륨계 합금 조성물에 관한 것이다. 본 개시의 합금 조성물은 약 0.4 wt% 내지 약 6.0 wt%의 니오븀 (Nb), 및 약 1.5 wt% 내지 약 5.0 wt% 베릴륨 (Be)을 포함하고, 니켈 (Ni)을 포함하는 잔량을 갖는다. 개시된 합금 조성물은 약 0 wt% 내지 약 5 wt%의 크롬 (Cr)을 더욱 선택적으로 포함한다.
하나의 구체예에 있어서, 개시된 니켈 베릴륨계 합금 조성물은 약 2.0 wt% 내지 약 3.0 wt%의 베릴륨 (Be); 약 0.4 wt% 내지 약 6.0 wt%의 니오븀 (Nb); 약 5 wt%까지의 크롬 (Cr); 및 약 0.7 wt%까지의 티타늄 (Ti)을 포함하고, 니켈 (Ni)을 포함하는 잔량을 갖는다. 니켈은 보통 적어도 88 wt%, 또는 적어도 93 wt%의 양으로 존재한다. 이들 합금들은 개선된 경도 및 부식 저항 성질을 나타낸다.
이들 및 다른 비-제한적인 본 개시의 특성은 아래에서 좀더 특별히 개시된다.
다음은 도면의 간단한 설명으로, 여기서 개시된 예시적인 구체예를 예시할 목적으로 제공된 것이지, 이를 제한할 목적은 아니다.
도 1은 니오븀의 존재 없이 니켈 및 베릴륨으로부터 형성된 알려진 합금의 주조 후 미세-화학적 구조 (micro-chemical structure)를 예시하는 현미경사진 (photomicrograph)이다.
도 2는 본 개시의 하나의 구체예의 주조 후 미세-화학적 구조를 예시하는 현미경사진이고, 여기서 합금 조성물은 니켈, 베릴륨, 및 니오븀을 포함한다.
도 3은 니켈, 베릴륨, 및 니오븀을 포함하는 본 개시의 합금 조성물로부터 형성된 제품의 X-선 지도이다. 이 지도는 제품의 표면 상에 원소들 (elements)의 분포를 나타낸다.
도 4는 도 3의 합금의 원소의 분포를 확인하는 써머리 스펙트럼 (summary spectrum) 그래프이다.
여기서 개시된 구성요소, 공정 및 장치의 좀더 완전한 이해는 첨부된 도면을 참조하여 얻어질 수 있다. 이들 도면은 본 개시의 시연의 편의성 및 용이성에 기초하여 단지 개략적으로 나타낸 것이고, 그러므로, 기기 또는 그 구성요소의 상대적인 크기 및 치수를 가리키거나 및/또는 예시적인 구체예의 범주를 정의 또는 제한할 의도는 아니다.
구체적인 용어들이 하기의 설명에서 명확성을 위해 사용되지만, 이들 용어들은 도면에서 예시를 위해 선택된 구체예의 특정 구조를 단지 지칭하기 위해 의도된 것이지, 본 개시의 범주를 정의하거나 또는 제한하기 위해 의도된 것은 아니다. 도면 및 하기의 설명에서, 동일한 참조 부호는 동일한 기능의 구성요소를 지칭하는 것으로 이해된다.
맥락이 달리 명확하게 지시하지 않는 한, 단수 형태는 지시 대상물의 복수를 포함한다.
본 명세서 및 청구범위에서 기재된, 용어들 "포함하는 (comprising(s), include(s), contain(s))", "할 수 있는 (can)", "가지는 (having, has)", 및 이들의 변형은, 기재된 성분/단계들의 존재를 필요로 하면서, 다른 성분/단계들의 존재도 허용하는 개방형 전이부 (open-ended transition phrases), 용어, 및 단어들을 의도한 것이다. 또한, 조성물 또는 공정들이 특정된 성분들/단계들로 "이루어진(consisting of)", 및 "필수적으로 이루어진(consisting essentially of)" 으로 개시된 경우, 결과적인 불순물과 함께, 특정 성분의 존재만을 허용하며, 다른 성분들/단계들을 배제하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 및 청구항에서 수치들은, 상기 수치를 측정하기 위한 본 출원에 개시된 유형의 통상적인 측정 기술의 실험적인 오차 미만으로 기재된 값들이 다른 경우, 본 명세서 및 청구항의 수치들과 동일한 수치의 중요 도면들 및 수치들에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 개시된 모든 범위는 기재된 끝점을 포함하고 독립적으로 조합가능하다 (예를 들면, “2 grams 내지 10 grams”의 범위는 끝점, 2 grams 및 10 grams, 및 모든 중간 값들을 포함한다).
"약(about)" 및 "실질적으로(substantially)"와 같은 용어에 의해 수식된 값은 정확한 어떤 특정값으로 한정될 수 없다. 근사값에 해당하는 용어는 상기 값들을 측정하기 위한 기기의 정확성에 대응하는 것이다. 상기 수식어 “약(about)”은 또한 2개의 끝점의 절대값에 의해 한정되는 범위를 개시하는 것으로 이해되어야 한다. 예컨대, 표현 “약 2 내지 약 4 (from about 2 to about 4)”는 “2 내지 4(from 2 to 4)”를 또한 개시한 것이다.
명확히 달리 기재되지 않는 한, 원소들의 퍼센트는 기재된 합금의 중량 퍼센트인 것으로 여겨져야 한다.
본 개시는 Materion Corporation에의해 제조된 Alloy 360TM의 것과 유사한 항복 및 인장 강도를 유지하면서 개선된 경도 특성을 갖는 니켈 베릴륨계 합금 조성물에 관한 것이다. 상기 진보적인 합금 조성물은 Alloy 360TM 니켈 베릴륨계 합금의 개선된 버전으로 고려될 수 있고, 여기서는 "Alloy 360X"으로 또한 언급될 것이다.
본 개시의 Alloy 360X 조성물은 약 1.5 wt% 내지 약 5.0 wt% 베릴륨 (Be); 및 약 0.4 wt% 내지 약 6.0 wt%의 니오븀 (Nb)을 포함하고, 잔량으로 니켈 (Ni)을 갖는다. 특별한 구체예에 있어서, 상기 합금 조성물은 적어도 88 wt%의 니켈 (Ni), 또는 적어도 93 wt%의 니켈 (Ni)을 포함한다. 좀더 구체적인 구체예에 있어서, 상기 합금 조성물은 약 2.0 wt% 내지 약 3.0 wt%의 베릴륨 (Be); 및 약 0.4 wt% 내지 약 5.0 wt%의 니오븀 (Nb)을 포함한다.
베릴륨 대 니오븀 (즉, Be:Nb)의 몰비는 중요할 수 있다. 구체예들에 있어서, 상기 Be:Nb 몰비는 4:1 내지 70:1이다.
다른 구체예들에 있어서, 상기 합금 조성물은 또한 약 5 wt%까지의 크롬 (Cr)을 포함할 수 있다. 좀더 구체적으로, 상기 합금 조성물은 약 0.5 wt% 내지 약 5 wt%의 Cr을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 0.3 wt% 이하의 Cr의 양은 불가피한 불순물로 고려되어야 한다.
부가적인 구체예들에 있어서, 상기 합금 조성물은 또한 약 0.7 wt%까지의 티타늄 (Ti)을 포함할 수 있다. 다른 합금 조성물에서, Ti는 불가피한 불순물로 고려될 수 있다.
좀더 구체적인 구체예들에 있어서, 상기 합금은 약 2.2 wt% 내지 약 2.9 wt%의 베릴륨 (Be); 약 0.4 wt% 내지 약 1.8 wt%의 니오븀 (Nb); 약 5 wt%까지의 양으로 크롬 (Cr); 약 0.7 wt%까지의 양으로 티타늄 (Ti); 및 적어도 93 wt%의 니켈(Ni)을 포함한다.
상기 합금 조성물은 탄소 (C), 구리 (Cu), 알루미늄 (Al), 철 (Fe), 또는 티타늄 (Ti)과 같은 원소들의 불가피한 불순물을 함유할 수 있다. 본 개시의 목적을 위해, 이들 원소들의 0.3 wt%보다 미만의 양은 불가피한 불순물로 고려되어야 하고, 즉, 그들의 존재는 의도되거나 바라던 것은 아니다.
니오븀의 존재는 본 개시의 합금 조성물로부터 형성된 제품의 결정 구조를 변화시키고, 결정 (grains)을 더욱 미세 (fine)하게 만든다고 믿어진다. 이것은 합금이 좀더 용이하게 열간 가공되는 것을 허용한다. 또한, 이것은, 상기 합금으로부터 형성된 제품의 경도를 감소시키고 균열을 야기할 수 있기 때문에 일반적으로 바람직하지 않은 전단 불안정 (shear instability) 및 스트레인 국부화 (strain localization)를 최소화 한다. 종전의 합금의 경우, 이들 바람직하지 않은 성질과 상관관계에 있는 것으로 보이는 결정 경계 침전물 (grain boundary precipitate)을 볼 수 있다. 이점과 관련해서, 상기 합금 조성물은 바람직하게는 적어도 52를 포함하여, 적어도 50의 로크웰 C 경도 (Rockwell C hardness)를 갖는다. 반면에, Alloy 360TM은 균열 (cracking) 없이 4-inch-두께 판에서 45의 최대 로크웰 C 경도 (Rc) 값을 달성할 수 있다. 50의 Rc 값은 얻어졌으나, 내부 균열이 발생한다.
니켈, 베릴륨, 및 니오븀을 함유하는 본 개시의 Alloy 360X 조성물은 레벨 4-5에서 NACE MR0175/ISO 15156 하에 테스트되는 경우 높은 부식 저항성을 갖도록 설계되면서, 또한 상승된 경도 레벨 및 내-마멸 (anti-galling) 특성을 달성한다. 이와 같이, Alloy 360X 조성물로부터 형성된 제품 (article)은 오일 및 가스 산업 안에서와 같은 다양한 산업적 및 상업적 적용에 유용할 수 있다. 특히, Alloy 360X 조성물은 나이프 블레이드 (knife blades) 또는 다른 지지 아이템과 같은 폭발 방지기 (blowout preventers) 또는 다른 유사한 오일 및 가스 관련 장치에 사용되는 구성성분을 만드는데 유용할 수 있다.
상기 조성물은 성질들의 조합을 필요로하는 적용에서 공지의 고 성능 강철 및 초합금의 대체로서 또한 사용될 수 있다. Alloy 360X의 상대적으로 간단한 화학적 성질 (chemistry)은 더 적게 화학적으로 저항성이고 마멸하는 경향이 있는 다른 합금들 보다 장점을 부여한다. Alloy 360X은 또한 부식되는 것으로 알려진 복잡한 구조를 갖는 다른 니켈 합금의 대안으로서 화학 공정 산업에 사용될 수 있다.
제품은 적절한 슬라브 또는 잉곳 (ingot) 형태로 종래의 정적 (static), 반-연속식, 또는 연속식 공정을 이용하여 상기 합금을 주조함으로써 형성될 수 있다. 그 다음, 상기 합금은 2100 ℉ 미만의 온도에서 열간 가공된다. 열간 가공은 결정 구조 (grain structure)를 변화시키는 기계적 성형 (mechanical shaping), 고온에서의 가공 (working), 압출, 단조 (forging), 열간 압연 (hot rolling), 또는 필거링 (pilgering)과 같은 다양한 기술들을 포함한다. 다음으로, 성형된 (shaped) 제품은 용체화 어닐링 (solution annealing)될 수 있다. 용체화 어닐링 단계에서, 상기 합금은 고온으로 가열되고, 거기서 불순물 (예를 들면, 탄소)을 용액 안으로 가는 것을 허용하도록 충분한 기간 동안 유지된다. 그 다음, 상기 금속은 재빨리 냉각되어 불순물이 용액으로부터 나오는 것을 방지시킨다. 용체화 어닐링은 1900℉ 내지 2000℉의 온도에서 수행될 수 있고, 이들 온도에서 4 시간 내지 24 시간의 기간 동안 유지될 수 있다. 성형된 제품은 원한다면, 예를 들면 약 1700℉ 내지 약 2000℉의 온도에서 약 0.25 시간 내지 약 4 시간의 기간 동안, 열처리될 수 있다. 상기 제품은 또한 원한다면, 예를 들면 900℉-1000℉의 온도에서 4 시간 내지 16 시간의 기간 동안, 시효처리 (age)될 수 있다.
다음의 실시예는 본 개시의 합금, 제품, 및 공정을 예시하기 위해 제공된다. 실시예는 단순히 예시적이고, 본 개시를 거기서 설명된 물질, 조건, 또는 공정 변수로 한정시키도록 의도된 것은 아니다.
실시예 1-29
29개의 다른 조성물들은 아래에 기재된 공정에 따라 만들어졌다.
22 파운드 (10 kg)의 니켈 펠렛, 금속 덩어리의 베릴륨, 및 60% 니오븀 - 40% 니켈 마스터 합금의 마스터 합금이 원소들의 바람직한 혼합물에 따라 칭량되었다. 미세하게 부숴진 크롬 금속이, 실시예에 따라 지시되면서 상기 투입량 (charge)에 첨가되었다.
상기 니켈 펠렛은 40 파운드 용량의 도가니 (crucible) 안으로 투입되었고, 니켈 투입량을 용융시키도록 100 kW 유도 가열로 (induction furnace) 내에서 약 20분 동안 가열되었다. 용융 단계는 불활성 아르곤 커버 가스 하에서 수행되었다. 니켈이 용융된 후, 금속 덩어리의 베릴륨은 용융된 니켈에 첨가되었다. 60% 니오븀 - 40% 니켈 마스터 합금은 니켈/베릴륨 혼합물에 첨가되었고, 내화성 봉으로 교반되었다. 크롬을 포함한 실시예들의 경우, 크롬은 니켈이 용융된 이후 베릴륨이 첨가되기 전에 첨가되었다. 그 다음, 상기 용융물은 약 2600℉- 2700℉의 주입 온도로 2 분에 걸쳐 가열되었고, 스프루-컵 (sprue-cup) 안으로 및 스프루의 아래를 통해 1"x3"x8" 그라파이트 몰드 안으로 즉시 주입되었다.
혼합물은 몇 분 안으로 몰드 내에서 응고되고, 상기 몰드는 제거되며, 잉곳은 밤새 공냉 (air cooled)된다. 1"x3"x8" 잉곳은 유도 결합 플라즈마 광 방출 분광법 (ICP-OES)에 의한 화학적 검증을 위해 샘플로 되었고, 그 다음 미세구조 평가, 경도 테스트, 용체화 어닐링 및 시효처리를 위해 쿠폰으로 절단되었다. 용체화 어닐링 범위는 1900℉ 내지 2000℉가 되도록 결정되었다. 사용된 시간은 4 내지 24 시간이었다. 쿠폰은 또한 시효처리되었고, 바람직한 시효처리 온도 범위는 6 시간 동안 950℉이었다.
상기 합금은 플래튼들 (platens) 사이에 놓여지고, 압축되고 1950℉로 가열되는 1" x 1" x 2" 블록으로 형성시킴에 의해 열간 가공성 (hot workability)에 대하여 테스트되었다. 상기 블록은 2 inch 두께로부터 약 1 inch으로 압축되었다. 다시 말하면, 상기 합금은 상기 용체화 어닐링 온도 근처 50%에 변형되었다.
결과적인 압축된 블록은 미세구조 레벨로 전체 균열, 전단 불안정 및 상기 합금의 가공성의 레벨을 확인하기 위해 분석되었다. 전단 불안정 (Shear instability)은 미세구조 현상 (microstructural phenomenon)이고, 상기 합금 결정 구조가 깨졌는지, 이동하였는지 또는 전위되었는지 결정하는 것이다. 상기 블록은 또한 결정 경계 침전물이 존재하는지 결정하도록 분석되었다.
표 1 및 표 2는 실시예 1-29의 결과를 나타낸다. 표 1은 중량 퍼센트로 정보를 나타내고, 표 2는 몰 퍼센트로 정보를 나타낸다.
테스트된 합금들은 약 0.46 wt% 내지 약 5.62 wt%의 니오븀 (Nb), 약 1.68 wt% 내지 약 3.07 wt%의 베릴륨 (Be), 약 0 wt% 내지 약 10.4 wt%의 크롬 (Cr), 약 0 wt% 내지 약 0.62 wt%의 티타늄 (Ti)의 범위들을 갖는 다양한 원소들을 포함하였고, 각각의 합금의 잔량은 니켈을 포함하였다. 목표로 한 화학적 성질 뿐만 아니라 각각의 실시예의 실제 얻어진 화학적 성질은 열거된다. "기타 (Other)" 열은 몇몇 기타 측정돈 원소들을 열거한다. 로크웰 C 경도 (Rc)는 측정되었다. 또한, 열간 가공성에 대한 압축 테스트 이후 각각의 안정성의 설명, 및 미세구조의 평가가 포함되었다.
실시예 1은 Alloy 360TM 물질에 대응하는 니켈 (Ni), 베릴륨 (Be), 및 티타늄 (Ti)을 함유하는 일반적인 합금이다. 이 합금은 50의 Rc 값을 달성할 수 없었다.
실시예 2-8에서, 니오븀 및 크롬은 다양한 양으로 첨가되었다. 실시예 3 및 4에서 보는 바와 같이, 10 wt%의 크롬 및 1-5 wt%의 니오븀을 함유하는 합금들은 50 Rc 초과의 경도를 갖지 않았다. 그러나, 5%의 Cr을 함유하는 실시예 6은 50 Rc의 경도를 얻을 수 있었다. 따라서, 더 낮은 양의 Cr은 합금들의 경도를 증가시켰다. 실시예 5, 6, 및 8에서, 크롬은 불순물로 고려되었다. 구속되지는 않으나, Nb는 Cr에 의해 소모되거나 감소된다고 이론화되었다.
도 3은 약 2.06%의 Be, 5.62%의 Nb, 및 0.02%의 Cr을 포함하고, 약 0.62%의 티타늄의 첨가를 가지며, 잔량은 Ni인 실시예 7의 Alloy 360X 조성물 X-선 지도이다. Nb 및 Ni는 주조 후 구조를 개질시키도록 함께 작용한다. 이 도면은 복잡한 야금 시스템 (complex metallurgical systems)의 특성인 비연속식 특징을 나타낸다.
도 4는 도 3의 Alloy 360X 조성물의 원소 분포를 확인하는 써머리 스펙트럼 그래프이다. 상기 스펙트럼 그래프로부터 발견될 수 있는 하나의 관찰은 Y 피크 및 Zr 피크가 스퓨리어스 (spurious)하다는 것이다. Nb와 중첩하기 시작하면서, Zr은 좀더 두드러지게 나타난다. 8% 미만의 Be의 양은 사용되고 있는 스펙트로미터에 의해 검출될 수 없었다는 것이 주목되고, 이는 흔한 문제이다.
약 0.5%의 티타늄은 불순물 (다른 소량의 원소들)과 반응하도록 포함되었고, 이들을 불활성으로 만든다. 그러나, Ti-Ni 혼합물은 낮은 녹는점의 공융점 (eutectic point)을 갖는 경향이 있다. 실시예 2-8에 기초하여, 티타늄은 나머지 실시예들에 첨가되지 않을 것으로 결정되었다.
실시예 9 및 10에서, Be 및 Nb의 효과는 별도로 결정되었다. Cr 또는 Ti는 사용되지 않았다. 실시예 9에서 보는 바와 같이, 오직 Ni 및 Be의 존재는 50 Rc 초과의 경도를 생산하는데 충분하지 않았다. 그러나, 실시예 10의 합금에 Nb의 첨가는 50 Rc 초과로 경도를 증가시켰다. Nb의 첨가는 상기 합금의 결정 구조를 더 미세하게 (finer) 변화시키고, 그렇게 함으로써 합금의 열간 가공성을 증가시켰다고 믿어진다.
도 1은 니켈 및 베릴륨은 포함하고, 니오븀은 포함하지 않은 실시예 9의 합금의 결정 구조를 예시하는 현미경사진이다. 도 2는 니켈, 베릴륨, 및 니오븀의 조합을 갖는 실시예 10의 Alloy 360X 조성물을 예시하는 현미경사진이다. 둘 모두 동일한 배율에서 얻었다. 도 1의 결정 구조는 상대적으로 조 (coarse)하고, 반면에 도 2의 결정은 훨씬 더 미세 (fine)이다.
실시예 12-14, 16-21, 및 23-24에 있어서, Ni, Be, 및 Nb의 상대적인 양은 합금의 경도 레벨, 1950℉에서 50 압축 하 안정성, 및 미세구조의 품질에 대한 그들의 효과를 결정하기 위해 변화되었다. "안정성? (Stable?)"이라고 이름 붙여진 열은 임의의 전체 시각적 결함이 주목되었는지를 나타낸다. "미세구조 (Microstructure)라고 이름 붙여진 열은 어떤 미세구조적 균열이 주목되었는지를 나타내고, 또한 결정 경계 침전물 (grain boundary precipitate), 줄여서 "gb ppt"의 존재를 나타낸다. "기타" 열에서, C, Cu, 및 Cr의 소정의 양은 보고된다. 그것들은 중량 퍼센트로 소수점 이하 셋째 자리까지 보고되었다. 그 양이 0.001 wt%보다 미만인 경우, 그 양은 백만분의 일 (ppm)로 보고되었다. Be의 목표로 한 화학적 성질은 2-3 wt% 사이에서 다양하고, Nb의 목표로 한 화학적 성질은 0.5-5 wt% 사이에서 다양하였으며, 잔량으로 니켈을 가졌다. Cr 또는 Ti는 첨가되지 않았다.
실시예 12-14, 16, 17, 및 24는 적어도 Rc 52의 경도를 달성하였다.
이러한 결과들에 기초하여, 추가적인 실시예 25-29는 준비되었다. 이들 실시예들은 2.2-2.9 wt%의 Be, 0.5-1.6 wt%의 Nb, 및 잔량으로 니켈의 더 좁은 목표로 한 범위를 함유하였다. 이들 실시예들은 2.2-2.7 wt%의 Be 및 0.4-1.7 wt%의 Nb의 범위를 얻었다. 이들 실험들의 각각은 52 Rc 초과의 경도 인자를 얻었다. 실시예 25, 26, 및 29는 결정 경계 침전물을 희미하게 갖거나 갖지 않는 좋은 압축을 경험하였다. 실시예 27 및 28은 전단 (shearing) 및 외부 균열 (external cracking)을 갖는다는 것으로 관찰되었다.
열간 가공성에 대한 테스트 결과는 "안정성?" 열에서 제공된다. 상기 합금들 중 아무도 격변성 파열 (catastrophic failure)을 경험하지 않았다. 이들 결과에 기초하면, 제품은 주조 후 단계의 열간 가공에 의해 형성될 수 있다.
상기-개시된 및 다른 특징 및 기능의 변종, 또는 이들의 변경은 많은 다른 시스템 또는 적용에 조합될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 다양한 현재 예측하지 못하거나 또는 예상하지 못한 변경, 변형, 변종 또는 그 안의 개선은 후속적으로 당업자에 의해 만들어질 수 있고, 이는 다음의 청구범위에 의해 포함되는 것으로 또한 의도된다.
Figure 112020067040698-pct00009
Figure 112020067040698-pct00010
Figure 112020067040698-pct00011
Figure 112015098719486-pct00004

Claims (22)

  1. 개선된 부식 및 경도 특성을 갖는 니켈 베릴륨계 합금 조성물로서,
    1.5 wt% 내지 5.0 wt% 베릴륨 (Be); 및
    0.4 wt% 내지 6.0 wt%의 니오븀 (Nb); 및
    적어도 88 wt%의 니켈 (Ni)을 포함하는 니켈 베릴륨계 합금 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    5 wt%까지의 양으로 크롬 (Cr)을 더욱 포함하는 니켈 베릴륨계 합금 조성물.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 합금 조성물은 0.5 wt%보다 초과의 크롬을 포함하는 니켈 베릴륨계 합금 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    0.7 wt%까지의 양으로 티타늄 (Ti)을 더욱 포함하는 니켈 베릴륨계 합금 조성물.
  5. 청구항 1에 있어서,
    2.0 wt% 내지 3.0 wt%의 베릴륨 (Be)을 갖는 니켈 베릴륨계 합금 조성물.
  6. 청구항 1에 있어서,
    0.4 wt% 내지 5.0 wt%의 니오븀 (Nb)을 갖는 니켈 베릴륨계 합금 조성물.
  7. 청구항 1에 있어서,
    2.0 wt% 내지 3.0 wt%의 베릴륨 (Be);
    0.4 wt% 내지 5.0 wt%의 니오븀 (Nb);
    5 wt%까지의 양으로 크롬 (Cr);
    0.7 wt%까지의 양으로 티타늄 (Ti); 및
    적어도 88 wt%의 니켈 (Ni)을 포함하는 니켈 베릴륨계 합금 조성물.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    적어도 93 wt%의 니켈 (Ni)을 갖는 니켈 베릴륨계 합금 조성물.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금은 불가피한 불순물로서 티타늄 (Ti)을 함유하는 니켈 베릴륨계 합금 조성물.
  11. 청구항 1에 있어서,
    적어도 50의 로크웰 C 경도 (Rockwell C hardness)를 갖는 니켈 베릴륨계 합금 조성물.
  12. 청구항 1에 있어서,
    적어도 52의 로크웰 C 경도를 갖는 니켈 베릴륨계 합금 조성물.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 Be:Nb의 몰비는 4:1 내지 70:1인 니켈 베릴륨계 합금 조성물.
  14. 청구항 1에 있어서,
    2.2 wt% 내지 2.9 wt%의 베릴륨 (Be);
    0.4 wt% 내지 1.8 wt%의 니오븀 (Nb);
    5 wt%까지의 양으로 크롬 (Cr);
    0.7 wt%까지의 양으로 티타늄 (Ti); 및
    적어도 93 wt%의 니켈(Ni)로 필수적으로 이루어지는 니켈 베릴륨계 합금 조성물.
  15. 니켈 베릴륨계 합금 조성물로부터 제품을 형성시키는 공정으로서,
    주물 (casting)을 형성시키도록 몰드 안으로 가열된 합금 조성물을 주입시키는 단계; 및 상기 주물을 제품을 얻기 위해 열간 가공하는 단계를 포함하고,
    여기서 상기 니켈 베릴륨계 합금 조성물은:
    1.5 wt% 내지 5 wt%의 베릴륨 (Be);
    0.4 wt% 내지 6 wt%의 니오븀(Nb); 및
    적어도 88 wt%의 니켈 (Ni)을 포함하는 니켈 베릴륨계 합금 조성물로부터 제품을 형성시키는 공정.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 열간 가공하는 단계는 2100℉ 미만의 온도에서 일어나는 니켈 베릴륨계 합금 조성물로부터 제품을 형성시키는 공정.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 주물을 열간 가공하는 단계 이후 냉각시키는 단계; 및
    상기 주물을 제품을 얻기 위해 용체화 어닐링 (solution annealing)시키는 단계를 더욱 포함하는 니켈 베릴륨계 합금 조성물로부터 제품을 형성시키는 공정.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 용체화 어닐링시키는 단계는 1900℉ 내지 2000℉의 온도에서 4 시간 내지 24 시간의 기간 동안 일어나는 니켈 베릴륨계 합금 조성물로부터 제품을 형성시키는 공정.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 열간 가공하는 단계 이후 제품을 얻기 위해 주물을 시효처리 (aging)하는 단계를 더욱 포함하는 니켈 베릴륨계 합금 조성물로부터 제품을 형성시키는 공정.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 니켈 베릴륨계 합금 조성물은:
    1.5 wt% 내지 5.0 wt% 베릴륨 (Be);
    0.4 wt% 내지 6.0 wt%의 니오븀 (Nb);
    5 wt%까지의 크롬 (Cr); 및
    0.7 wt%까지의 티타늄 (Ti)을 포함하고,
    잔량으로 니켈 (Ni) 및 불가피한 불순물을 가지며, 여기서 상기 니켈 베릴륨계 합금 조성물은 적어도 88 wt%의 니켈 (Ni)을 갖는 니켈 베릴륨계 합금 조성물.
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 니켈 베릴륨계 합금 조성물은:
    1.5 wt% 내지 5.0 wt% 베릴륨 (Be);
    0.4 wt% 내지 6.0 wt%의 니오븀 (Nb); 및
    적어도 88 wt%의 니켈 (Ni)을 포함하며,
    여기서 Be:Nb의 몰비는 4:1 내지 70:1인 니켈 베릴륨계 합금 조성물.
  22. 개선된 부식 및 경도 특성을 갖는 니켈 베릴륨계 합금 조성물로부터 제조된 제품으로서, 상기 니켈 베릴륨계 합금은:
    1.5 wt% 내지 5.0 wt% 베릴륨 (Be);
    0.4 wt% 내지 6.0 wt%의 니오븀 (Nb); 및
    적어도 88 wt%의 니켈 (Ni)을 포함하는 개선된 부식 및 경도 특성을 갖는 니켈 베릴륨계 합금 조성물로부터 제조된 제품.
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