KR102297929B1 - 균일한 결정 입도의 열간 가공된 스피노달 합금 - Google Patents

균일한 결정 입도의 열간 가공된 스피노달 합금 Download PDF

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Abstract

균일한 결정 입도 열간 가공된 스피노달 합금을 제조하기 위한 공정들이 개시된다. 상기 공정들은 크랙킹 없이 또는 균질화 단계 없이 균일한 결정 입도 스피노달 합금을 제조한다. 상기 공정들은 주조 후 스피노달 합금을 제공하는 단계, 상기 주조 후 스피노달 합금을 약 12 시간 동안 1200 ℉ 내지 1300 ℉에서 가열하는 단계 및 열간 가공하는 단계, 상기 스피노달 합금을 냉각하는 단계, 이들을 한정된 기간 동안 1700 ℉로 가열한 후, 상기 주조 후 스피노달 합금 상에 제 2 열간 가공을 수행하는 단계, 상기 합금을 제 3 온도까지 노출하는 단계, 제 2 열간 가공 감소를 수행하는 단계 및 상기 합금을 다시 냉각하는 단계를 포함한다.

Description

균일한 결정 입도의 열간 가공된 스피노달 합금{UNIFORM GRAIN SIZE IN HOT WORKED SPINODAL ALLOY}
본 출원은 2013년 3월 15일자에 출원된 미국 가출원 No. 61/793,690의 우선권 이익을 가지며, 이들의 내용은 여기에 완전히 병합되어 있다.
본 개시는 균일한 결정 입도(grain size)를 가진 열간 가공(hot-worked) 구리-니켈-주석 스피노달 합금을 제조하기 위한 공정에 관한 것이다. 일반적으로, 상기 공정은 균질화(homogenization) 단계 없이 또한, 크래킹 없이 균일한 결정 입도의 스피노달 합금을 제조하는 데 사용될 수 있다. 균질화 단계를 대신하는, 주조 후(as-cast) 금속 합금이 특정 가열 처리 단계에 도입되어 균일한 결정 입도의 스피노달 합금을 생산한다.
균일한 결정 입도의 금속 합금을 제조하기 위한 공정은 전통적으로 균질화 단계와 다른 가열 처리 및/또는 냉간 가공(cold working)을 조합하는 것을 포함한다. 균질화는 용질(solute) 원소 분포에서 미세 결함을 교정하기 위해 고안된 열처리 및 인터페이스들에서 존재하는 금속간(intermetallic) 구조들의 개질(modification)을 설명하는 데 사용되는 일반 용어(generic term)이다. 하나의 허용가능한 균질화 단계의 결과는 주조 후(as-cast) 금속의 원소 분포가 보다 균일화되는 것이다. 또 다른 결과는 캐스팅 동안 형성된 거대 금속 간 입자들을 가열 동안 파열하거나 제거하는 것이다.
균질화 과정은 통상 냉간 압연(cold rolling) 또는 다른 열간 가공(hot working) 과정 전에 금속을 보다 안정한 형태로 전환 및/또는 압연된 생성물의 최종 성질을 개선시키기 위해 통상 요구된다. 균질화는 미세 농도 경사를 동일화(equilibrate)하기 위해 수행된다. 균질화는 캐스팅을 상승된 온도(전이 온도 이상, 전형적으로 이들의 용융점 부근)까지 몇 시간 동안 내지 몇 일간 가열하고, 이때 캐스팅 상에는 어떠한 기계적인 가공(working)도 가해지지 않으며, 그 후 실온으로 냉각함으로써 통상 수행된다.
균질화 단계에 대한 요구는 초기 단계들 또는 응고(solidification)의 최종 단계들의 결과인 캐스트 생성물내에서 발견되는 미세 구조 결함 결과 때문이다. 이러한 결함들은 비균일 결정 입도 및 화학적 편석(segregation)을 포함한다. 응고-후(post-solidification) 크랙들은 캐스팅 동안 발전하는 거대(macroscopic) 스트레스들에 의해 유발되며, 이들 스트레스는 크랙을 응고가 완성되기 전에, 트랜스-그래뉼(trans-granular) 방식으로 형성하도록 한다. 응고-전(pre-solidification) 크랙들은 또한 캐스팅 동안 발전하는 거대 스트레스에 의해 유발된다.
균일한 결정 입도를 제조하는 전통적인 공정들은 제한이 있어왔다. 우선, 이들은 균질화 단계를 필요로 하며, 이들은 크랙킹을 가속화하는 불필요한 거대(macroscopic) 스트레스를 유발할 수 있다.
균질화 단계를 수행하지 않고 균일한 결정 입도의 스피노달 합금을 제조하기 위한 공정을 제공하는 것이 바람직하다. 그러한 방법은 거대 스트레스 가능성을 감소시킬 수 있고, 스피노달 합금에서 일어나는 크랙킹을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
본 개시는 균질화 단계를 수행하지 않고 균일한 결정 입도의 스피노달 합금을 제조하기 위한 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시는 주조 후 스피노달 합금을 균일한 결정 입도의 단련재 생산물(wrought product)로 전환시키기 위한 방법과 관련이 있다. 일반적으로 어떠한 균질화 단계도 요구되지 않는다. 보다 폭 넓게는, 상기 합금의 캐스팅이 가열되고, 그후 가열 가공되며, 이후 실온까지 공냉(air-cooled) 된다. 이러한 가열-열간 가공-공냉이 반복된다. 결과적인 워크피스는 균일한 결정 입도를 가진다. 고 용질 함량을 가진 합금이 별도의 열적 균질화 처리를 요구하지 않으며, 또한 더 높은 온도에서 기계적인 가공 전에 더 낮은 온도에서 기계적인 가공이 균일한 결정(grain) 구조 결과를 가져온다 것은 얘기치 못한 발견이다.
여기에서 하기 단계를 순차적으로 포함하는 물품을 제조하기 위한 단계가 개시된다: 캐스팅을 약 10 시간 내지 약 14 시간의 제 1 시기 동안, 약 1100 ℉ 내지 약 1400 ℉의 제 1 온도까지 가열하는 단계, 상기 캐스팅은 스피노달 합금을 포함; 상기 캐스팅의 제 1 열간 가공 감소(reduction)를 수행하는 단계; 상기 캐스팅을 제 1 실온까지 공냉하는 단계; 상기 캐스팅을 제 2 기간 동안, 적어도 1600 ℉의 제 2 온도까지 가열하는 단계; 상기 캐스팅을 제 3 시기 동안 제 3 온도까지 가열하는 단계; 상기 캐스팅의 제 2 열간 가공 감소를 수행하는 단계; 상기 캐스팅을 물품을 생산하기 위해 최종 실온까지 공냉하는 단계. 어떠한 균질화 단계도 요구되지 않는다.
어떤 구체예에서, 제 3 온도는 제 2 온도보다 적어도 약 50 ℉ 높으며, 제 3 기간은 약 2 내지 약 6시간이다.
다른 구체예에서, 제 3 온도는 제 2 온도보다 적어도 약 50 ℉ 낮으며, 제 3 기간은 약 2 시간 내지는 약 6시간이며, 상기 캐스팅은 제 2 온도로부터 하강하여 제 3 온도로 공냉된다.
제 2 온도는 1600 ℉ 내지 약 1800 ℉일 수 있다. 제 2 기간은 약 12 시간 내지 약 48 시간일 수 있다.
제 3 온도는 약 1600 ℉ 내지 약 1750 ℉ 일 수 있다. 제 3 기간은 약 4시간일 수 있다.
제 1 상온 및 제 2 상온은 일반적으로 실온, 예컨대, 23 ℃- 25 ℃이다.
주조 후 스피노달 합금은 통상 구리-니켈-주석 합금이다. 상기 구리-니켈-주석 합금은 약 8 내지 약 20 wt% 니켈 및 약 5 내지 약 11 wt%, 나머지로 구리를 포함할 수 있다. 보다 특징적인 구체예에서, 구리-니켈-주석 합금 주조 후 스피노달 합금은 약 8 내지 약 10 wt% 니켈 및 약 5 내지 약 8 wt% 주석을 포함한다.
제 1 열간 가공 감소는 상기 캐스팅 면적을 적어도 30% 감소시킬 수 있다. 유사하게 제 2 열간 가공 감소는 상기 캐스팅 면적의 적어도 30% 감소시킬 수 있다.
제 1 온도는 약 1200 ℉ 내지 약 1350 ℉ 일 수 있다.. 제 2 온도는 약 1650 ℉ 내지 약 1750 ℉ 일 수 있다..
특정 구체예에서, 제 1 기간은 약 12 시간; 및 제 1 온도는 약 1350 ℉ 이다. 다른 구체예에서, 제 2 기간은 약 24 시간; 및 제 2 온도는 약 1700 ℉ 이다.
또한, 균일한 결정 입도를 가진 스피노달 합금을 제조하기 위한 하기와 같은 단계를 포함하는 공정(S100)이 개시된다: 주조 후 스피노달 합금을 약 12 동안, 1300 ℉ 내지 1400 ℉ 로 가열하고, 그 후 상기 합금을 열간 가공 감소시키는 단계; 상기 스피노달 합금을 공냉(aircooling)하는 단계; 상기 스피노달 합금을 약 12 시간 내지 약 48시간 동안, 약 1700 ℉ 까지 가열하는 단계; 상기 스피노달 합금을 약 4 시간 동안, 약 1750 ℉ 까지 가열하는 단계; 열간 가공 감소를 수행하는 단계; 및 상기 스피노달 합금을 균일한 결정 입도를 가진 스피노달 합금을 생산하기 위해 공냉하는 단계.
또한, 균일한 결정 입도를 가진 스피노달 합금을 제조하기 위한 하기와 같은 단계를 포함하는 공정(S200)이 개시된다: 주조 후 스피노달 합금을 약 12 동안, 1300 ℉ 내지 1400 ℉ 로 가열하고, 그 후 상기 합금을 열간 가공 감소시키는 단계; 상기 스피노달 합금을 공냉(aircooling) 하는 단계; 상기 스피노달 합금을 약 12 시간 내지 약 48시간 동안, 약 1700 ℉ 까지 가열하는 단계; 상기 스피노달 합금을 약 4 시간 동안 약 1600 ℉ 까지 퍼니스 냉각하고, 약 4시간 동안 가열하는 단계; 열간 가공 감소를 수행하는 단계; 및 상기 스피노달 합금을 균일한 결정 입도를 가진 스피노달 합금을 생산하기 위해 공냉하는 단계.
본 개시의 특징들 및 다른 비-제한적인 특징들이 아래에서 보다 상세히 검토된다.
본 개시는 균질화 단계를 수행하지 않고 균일한 결정 입도의 스피노달 합금을 제조하기 위한 공정을 제공한다. 본 개시는 거대 스트레스 가능성을 감소시킬 수 있고, 스피노달 합금에서 일어나는 크랙킹을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
하기 내용은 도면의 간단한 설명이며, 이들은 여기에 개시된 예시적인 구체예를 도시할 목적으로 제공되는 것이며, 제한되는 것을 의도하여 제공된 것이 아니다.
도 1은 균일한 결정 입도의 열간 가공된 스피노달 합금을 제조하기 위한 제 1 실시 공정에 대한 플로우 차트이다.
도 2는 균일한 결정 입도의 열간 가공된 스피노달 합금을 제조하기 위한 제 2 실시 공정에 대한 흐름도이다.
도 3은, 구리-니켈-주석 스피노달 합금 실린더들 상에 균질화가 수행된 후, 압ㅊ축(compression) 하에서, 공냉 또는 1750 ℉에서 퍼니스 냉각으로 도입될 때, 반 이상의 구리-니켈-주석 스피노달 합금 실린더들이 크랙되는 것을 보여주는 실험적인 데이터의 흐름도이다.
도 4는 전통적인 공정을 보여주는 데이터 그래프로서, 상기 공정은 (1) 1700 ℉에서 3일간 균질화 단계, (2) 1200 ℉에서 1일 동안 재가열 및 그리고 나서 열간 가공, 및 (3) 1750 ℉에서 1일간 제 2 재가열 및 제 2 열간 가공, 여기에서 모든 3단계들 후에는 수냉(water quenching)이 이어진다.
도 5는 도 4에서 사용된 동일 단계들(1-3)을 포함하지만, 각 단계 후에 수냉 대신에 공냉을 사용하는 변형된 과정을 보여주는 데이터 그래프이다.
도 6은 균일한 결정 입도의 스피노달 합금의 형성을 위한 실시 공정을 보여주는 데이터 그래프이다. 상기 실시 공정에서는 어떠한 균질화 단계도 포함하지 않는다.
도 7은 제 2 열간 가공 동안 더 낮은 온도를 사용한, 균일한 결정 입도의 스피노달 합금의 형성을 위한 제 2 실시 공정을 보여주는 데이터 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.
본 명세서 및 청구항에서 사용된 용어 "포함하는(comprising)"은 구체예들 "이루어진(consisting of)" 및 "필수적으로 이루어진(consisting essentially of)"를 포함할 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에서 기재된, 용어들 "포함하는(comprising(s), include(s), contain(s))", "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 끝점(end point)을 포함하고 독립적으로 조합가능하다 (예를 들면, grams 내지 10 grams의 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)” 또한 개시한 것이다.
여기서 사용되는 바와 같이, 용어 "스피노달 합금 (spinodal alloy)"은 그의 화학 조성물이 스피노달 분해 (spinodal decomposition)를 받을 수 있는 합금을 지칭한다. 용어 스피노달 합금은 물리적 상태가 아니라, 합금의 화학적 성질 (alloy chemistry)을 지칭한다. 그러므로, 스피노달 합금은 스피노달 분해를 받거나 받지 않았을 수 있고, 스피노달 분해를 받는 공정에 있거나 있지 않을 수 있다.
스피노달 에이징 (aging)/분해는 다중 성분들이 다른 화학적 조성물 및 물리적 성질을 갖는 구별된 영역들 또는 미세구조들 (microstructures) 안으로 분리될 수 있는 메카니즘이다. 특히, 상태도 (phase diagram)의 중앙 영역 내에 벌크 조성물을 갖는 결정은 용리 (exsolution)를 받는다.
스피노달 합금을 제조하기 위한 통상적인 공정은 균질화 및 향상된 온도에서 열간 가공을 포함한다. 이들 공정들은 고온에서 출발하고 물질이 가공될 때, 더 낮은 온도를 통해서 아래로 캐?옭?이드된다. 비균질적인 미세 구조들은 일반적으로 이들 공정의 결과물이다. 균일한 미세 구조들이 일반적으로 바람직하며, 이것은 합금 전체를 통하여 균일한 성질을 의미한다. 균일한 미세구조들을 얻는 것이 복수의 상들이 존재할 수 있는 스피노달 합금에서는 어려울 수 있다. 본 개시는 주조 후 스피노달 합금을 균일한 결정 입도의 전신재 생산물(wrought product)로 전환시키는 공정과 관련이 있다.
도 1과 관련하여, 제 1 구체예에 따른 열간 가공에 의한 균일한 결정 입도를 가진 스피노달 합금을 제조하는 실시공정(S100)이 S101에서 시작된다.
S102에서, 주조 후 스피노달 합금이 제공된다. S104서, 상기 주조 후 스피노달 합금이 약 12시간동안 1300 ℉ 내지 1400 ℉ 까지 가열된 후 열간 가공된다. S106에서, 상기 스피노달 합금이 공냉된다. S108에서, 상기 스피노달 합금은 제 2 기간 동안 1700 ℉ 의 제 2 온도까지 가열된다. S110에서, 상기 스피노달 합금은 약 4 시간동안 1750 ℉ 의 더 높은 제 3 온도까지 가열된다. S112에서, 제 2 열간 가공 감소가 수행된다. S114에서, 상기 스피노달 합금이 공냉된다. 균일한 결정입도를 가진 스피노달 합금이 크랙없이 또한 균질화 수행없이 형성된다.
도 2와 관련하여, 제 2 구체예에 따른 열간 가공에 의한 균일한 결정 입도를 가진 스피노달 합금을 제조하는 실시공정(S200)이 S201에서 시작된다.
S202에서, 주조 후 스피노달 합금이 제공된다. S204에서, 상기 주조 후 스피노달 합금이 약 12시간동안 1300 ℉ 내지 1400 ℉ 까지 가열된 후 열간 가공된다. S206에서, 상기 스피노달 합금이 공냉된다. S208에서, 상기 스피노달 합금은 제 2 기간 동안 1700 ℉ 의 제 2 온도까지 가열된다. S210에서, 상기 스피노달 합금은 약 4 시간동안 1600 ℉ 의 제 3 온도까지 냉각된다. S212에서, 제 2 열간 가공 감소가 수행된다. S214에서, 상기 스피노달 합금이 공냉된다. 균일한 결정입도를 가진 스피노달 합금이 크랙없이 또한 균질화 수행없이 형성된다.
보다 일반적으로, 도 1 및 도 2에서 도시된 공정은 균일한 결정 입도를 가진 물품 또는 합금을 제조하는 방법과 관련이 있다. 캐스팅은 스피노달 합금(S102,S202)으로 만들어진다. 상기 캐스팅은 약 10 시간 내지 약 14 시간의 제 1 기간 동안 약 1100 ℉ 내지 약 1400 ℉ 의 제 1 온도까지 가열된다(S104,S204). 상기 캐스팅의 제 1 열간 가공 감소가 수행된다(S104,S204) 상기 캐스팅은 그리고 나서 제 1 상온까지 공냉된다 (S106,S206). 상기 캐스팅은 그 후 제 2 기간동안 적어도 1600 ℉ 의 제 2 온도까지 가열된다 (S108,S208). 상기 캐스팅은 그 후 제 3 기간 동안 제 3의 온도까지 노출된다 (S110,S210). 이들 제 3 온도는 제 2 온도보다 높거나 낮을 수 있다. 상기 캐스팅의 제 2 열간 가공 감소가 수행되며(S112,S212), 또한 상기 캐스팅이 물품을 생산하기 위한 최종 상온까지 공냉된다(S114,S214).
도 1과 유사한 구체예에서, 제 3 온도는 제 2 온도보다 적어도 약 50 ℉ 보다 크며, 또한 제 3 기간은 약 2 시간 내지 약 6 시간이다.
도 2와 유사한 구체예에서, 제 3 온도는 제 2 온도보다 적어도 약 50 ℉ 보다 크며, 또한 제 3 기간은 약 2 시간 내지 약 6 시간이며, 또한 상기 캐스팅이 제 2온도에서 하강하여 제 3 온도까지 공냉된다.
여기에서 언급된 온도는 합금이 노출되거나 또는 퍼니스가 조정되는 대기의 온도이다; 합금 자체는 이들 온도에 반드시 도달할 필요는 없다.
전술한 바와 같이, 공냉은 여기에 개시된 공정들의 냉각 단계에 사용된다. 이러한 관점에서 합금/캐스팅의 냉각은 3가지 다른 방법에 의해 수행될 수 있다: 수냉, 퍼니스 냉각 및 공냉. 수냉에서, 상기 캐스트를 물 속으로 담근다(submerge). 이러한 타입의 수냉은 빠르게 캐스팅의 온도를 변화시키고 일반적으로 단일상의 결과를 가져온다. 퍼니스 냉각에서, 상기 퍼니스는 캐스팅이 퍼니스 내에 남아있는 상태에서 꺼진다. 결과로서, 캐스팅은 퍼니스 내 공기와 같은 속도로 냉각된다. 공냉에서, 캐스팅은 퍼니스로부터 제거되어 상온에 노출된다. 바람직하게는, 공냉은 적극적(active)일 수 있는데, 예컨대 상온 공기가 캐스팅을 향해 불어넣어질 수 있다. 캐스팅은 퍼니스 냉각에 비해 공냉하에서 더 빠른 속도로 냉각된다.
상기 캐스팅 상에 수행되는 열간 가공 감소는 적어도 30%의 캐스팅 면적을 일반적으로 감소시킨다. 감소 정도는 하기의 식에 따라, 열간 가공 전후의 합금 단면적에서 변화를 측정함으로써 결정된다:
%HW = 100 * [A0-Af]/A0
여기에서, A0는 열간 가공 전 초기 또는 최초의 단면적이며, Af는 열간 가공 후 최종 단면적이다. 단면적에서 변화는 오로지 합금의 두께 내에서 변화 때문이므로, 상기 % HW는 또한 초기 및 최종 두께를 사용해서 계산될 수 있다.
구리 합금은 스피노달 합금일 수 있다. 스피노달 합금은, 대부분의 경우 그들의 상 다이어그램이 혼화성 간격(miscibility gap)이라 불리는 변칙(anomaly)를 보여준다. 혼화성 간격이 상대적으로 좁은 온도 범위 내에서, 원자 순서(atomic ordering)는 존재하는 결정 격자 구조 내에서 발생한다. 결과적인 2-상 구조는 상기 갭보다 훨씬 아래의 온도에서 안정하다.
구리 합금은 통상적인 고성능 철, 니켈 및 티타늄 합금보다 매우 높은 전기적 성질 및 열 전도성을 가진다. 통상적인 구리 합금은 고 경도(hardness)가 요구되는 응용분야에 거의 사용되지 않는다. 그러나, 구리-니켈-주석 스피노달 합금은 경도화된(hardened) 캐스트 및 전신재(wrought) 조건 모두에서 고 경도 및 고 전도성이 결합된다.
나아가, 상기 열 전도성은 통상적인 철(공구 강: tool stee) 합금에 비해 3 배 내지 5배 크며, 이들은 보다 균일하게 열을 분산시킴(dissipate)으로써 변형 감소를 촉진하는 동안 열 제거를 증가시킨다. 추가적으로 스피노달 구리 합금은 유사한 경도에서 뛰어난 절삭성(machinability)을 보여준다.
물품의 구리 합금은 니켈 및/또는 주석을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 구리 합금은 예컨대, 약 13 내지 약 17 wt% 니켈 및 약 7 내지 약 9 wt% 주석을 포함하는, 약 8 내지 약 20 wt% 니켈 및 약 5 내지 약 11 wt% 주석을 포함하며, 나머지는 구리이다. 특정 구체예에서, 상기 합금은 약 15 wt% 니켈 및 약 8 wt% 주석를 포함한다. 다른 구체예에서, 상기 합금은 약 9 wt% 니켈 및 약 6 wt% 주석을 포함한다.
3원(Ternary) 구리-니켈-주석 스피노달 합금은 고 강도, 뛰어난 윤활공학적 (tribological) 특성 및 해수 및 산성 환경에서 높은 부식 내성을 보여준다. 기본 금속의 항복 강도(yield strength)의 증가는 구리-니켈-주석 합금들 내에서 스피노달 분해의 결과일 수 있다.
선택적으로, 상기 합금은 추가적으로 베릴륨, 니켈, 및/또는 코발트를 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 상기 구리합금은 약 1 wt% 내지 약 5 wt% 베릴륨 및 코발트 및 니켈의 합이 약 0.7 wt% 내지 약 6 wt%일 수 있다. 특정 구체예에서, 상기 합금은 약 2 wt% 베릴륨 및 약 0.3 wt% 코발트 및 니켈을 포함할 수 있다. 다른 구리 합금 구체예들은 베릴륨 약 5 wt% 및 약 7 wt%를 포함할 수 있다.
본 개시 합금은 선택적으로 적은 양의 첨가제(예컨대, 철, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 니오븀, 탄탈륨, 바나듐, 지르코늄, 실리콘, 크로뮴 및 이들 2이상의 원소의 혼합물). 상기 첨가제들은 예컨대, 최대 1wt% 및 최대 0.5wt%를 포함하며, 최대 5wt%까지 포함할 수 있다.
몇몇 구체예에서, 주조 후 합금 물품의 제조는 마그네슘 첨가를 포함할 수 있다. 상기 마그네슘은 산소 함량을 감소시키기 위해 첨가될 수 있다. 상기 마그네슘은 합금 덩어리(mass)로 부터 제거될 수 있는 마그네슘 옥사이드를 형성하는 산소와 반응할 수 있다.
후술하는 실시예들은 본 개시의 합금, 물품 및 공정을 예시한 것이다. 본 실시예들은 단지 예시적인 것이며 여기 열거된 물질, 조건 또는 공정 파라미터로 본 발명을 제한할 의도는 아니다.
실시예
도 3은 구리-니켈-주석 스피노달 합금 실리더 상에 수행된 몇몇 실험들을 개시한 흐름도이다. 사용된 모든 구리-니켈-주석 스피노달 합금은 8-10 wt% 니켈, 5-8 wt% 주석, 및 나머지는 구리였다. 냉각 방법은 여기에서 조사되었다.
상부 우측에서 개시된 바와 같이, 몇 개 실린더들이 3일 동안 1700 ℉에서 균질화되고, 그 후 실온까지 공냉되며, 1350 ℉에서 오버나잇 동안 재가열, 압축(compressed), 1750 ℉에서 오버나잇 동안 재가열 및 압축되었다. 하부 좌측에 개시된 바와 같이, 몇몇 실린더들이 1700 ℉에서 3일간 균질화되고, 그 후 1350 ℉ 까지 퍼니스 냉각되고, 1350 ℉에서 오버나잇 동안 재가열, 압축, 1750 ℉에서 오버나잇 동안 재가열 및 압축된다.
2가지 경우 모두에서, 실린더들의 반 이상이 1750 ℉에서 압축될 때 크랙되었다. 그러나, 2가지 냉각 타입 모두에서, 상부 좌측에서 보듯이 40㎛ 내지 60㎛의 균일한 결정 입도를 생성하였다.
도 4는 전통적인 공정을 보여주는 데이터 그래프로서, (1) 3일간 1700 ℉에서, 균질화 공정, (2) 1일간 1200 ℉에서 제 1 재가열 후 열간 가공, 및 (3) 1일간 1750 ℉에서 제 2 재가열 후 제 2 열간 가열, 각각의 단계(1-3) 후, 수냉(WQ: Water Quenching)이 수행되었다. 상기 그래프는 다양한 단계들 후 미세구조를 도시한 사진을 포함한다. 도 3과 도 4의 결과를 비교하면, 균질화 후 공냉을 사용한 캐스팅의 미세구조가 주조 후 미세구조와 유사함을 알 수 있다.
도 5는 도 4와 유사한 변형 과정을 보여주는 데이터 그래프이지만, 수냉 대신에 각 단계 후에 공냉을 사용한다. 제 1 균질화 단계(1700 ℉ , 3일간) 후 미세 구조 데이터가 도 4에서 얻어진 것과 매우다르지만 최종 미세구조들은 유사하다.
결과로서, 본 개시의 공정들이 발견되었다. 도 6은 균일한 결정 입도를 가진 스피노달 합금을 형성하기 위한 제 1 실시 공정을 도시한 데이터 그래프이다. 주조 후 물질이 약 12시간 동안 1350 ℉ 까지 가열되었다(이 지점에서 미세구조 보여짐), 열간 가공 및 그 후 공냉되었다. 2개의 미세구조들이 중간 공냉된 생산물에 대해 보여진다(제 1 커브상에 공냉 후 캡션 보여짐). 스피노달 합금 물질이 그 후 예컨대 적어도 16시간, 제 2 시기 동안 1700 ℉ 까지 가열됨(미세구조 보여짐), 또한, 그 후 4시간 동안 1750 ℉ 까지 가열(미세구조 보여짐) 되고, 그 후 제 2 열간 가공 감소 및 공냉(미세 구조 보여짐)이 수행되었다. 이들 공정은 크랙킹 없이 또한 균질화 단계 없이, 도 3에서 보여주는 40㎛-60㎛ 결정 입도와 유사한 균일한 결정 입도를 생산하였다.
도 7에 관하여, 균일한 결정 입도를 가진 스피노달 합금을 형성하기 위한 제 2 실시 공정을 도시한 데이터 그래프이며, 더 낮은 온도의 제 2 열간 단계를 사용한다. 이 공정에서 투입물은 주조 후 스피노달 합금 물질이다. 상기 합금은 12시간 동안 1350 ℉ 까지 가열(이 지점에서 미세구조 보여짐), 열간 가공 및 공냉된다(미세구조 보여짐). 상기 물질은 그 후 다시 24 시간동안 1700 ℉ 까지 가열된다(불균일한 미세구조 보여짐), 그 후 1600 ℉ 까지 퍼니스 냉각되고 4시간 동안 유지(미세구조 보여짐), 열간 가공(미세구조 보여짐) 및 그 후 공냉된다(미세 구조 보여짐). 이 공정 또한 크랙킹 없이 또한 균질화 단계 없이 균일한 미세구조를 생산한다. 최종 미세구조는 균일한 더 미세한 결정 입도를 보여준다.
본 개시는 예시적으로 기재되어 있다. 명백히 변형 및 변경이 전술한 명세서내에서 가능하다. 본 개시는 상기 모든 변형 및 변경을 포함하는 것으로 의도된 것이며, 이들은 첨부된 청구항 및 이들의 등가물의 범위내에 포함된다.

Claims (20)

  1. 물품(article)을 제조하기 위한 공정으로서,
    캐스팅을 10 시간 내지 14 시간의 제 1 기간 동안, 1100 ℉ 내지 1400 ℉ 의 제 1 온도까지 가열하는 단계, 상기 캐스팅은 8-10 wt% 니켈, 5-8 wt% 주석, 나머지로 구리를 포함하는 구리-니켈-주석 스피노달 합금을 포함하며;
    상기 캐스팅의 제 1 열간 가공 감소(reduction)를 수행하는 단계;
    상기 캐스팅을 제 1 상온(ambient temperature)까지 공냉(aircooling) 하는 단계;
    상기 캐스팅을 제 2 기간 동안, 적어도 1600 ℉ 의 제 2 온도까지 가열하는 단계;
    상기 캐스팅을 적어도 2시간 내지 6시간의 제 3 기간 동안, 적어도 1600 ℉의 제 3 온도에 노출시키는 단계
    상기 캐스팅의 제 2 열간 가공 감소를 수행하는 단계; 및
    상기 캐스팅을 물품을 생산하기 위해 최종 상온까지 공냉하는 단계를 순차적으로 포함하는 물품을 제조하기 위한 공정.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 3 온도는 상기 제 2 온도보다 적어도 50 ℉ 높은 온도이며, 상기 제 3 기간은 2 시간 내지 6 시간인 것을 특징으로 하는 물품을 제조하기 위한 공정.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 3 온도는 제 2 온도보다 적어도 50 ℉ 낮으며, 상기 제 3 기간은 2 시간 내지 6시간이며, 상기 캐스팅은 상기 제 2 온도로부터 하강하여 상기 제 3 온도로 퍼니스 냉각되는 것을 특징으로 하는 물품을 제조하기 위한 공정.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 온도는 1600 ℉ 내지 1800 ℉ 인 것을 특징으로 하는 물품을 제조하기 위한 공정.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 기간은 12 시간 내지 48 시간인 것을 특징으로 하는 물품을 제조하기 위한 공정.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제 3 온도는 1600 ℉ 내지 1750 ℉ 인 것을 특징으로 하는 물품을 제조하기 위한 공정.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제 3 기간은 4 시간인 것을 특징으로 하는 물품을 제조하기 위한 공정.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 공정은 균질화 단계를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 물품을 제조하기 위한 공정.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 상온 및 최종 상온은 실온(room temperature)인 것을 특징으로 하는 물품을 제조하기 위한 공정.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 열간 가공 감소는 상기 캐스팅의 면적을 적어도 30% 만큼 감소시키는 것을 특징으로 하는 물품을 제조하기 위한 공정.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 열간 가공 감소는 상기 캐스팅의 면적을 적어도 30% 만큼 감소시키는 것을 특징으로 하는 물품을 제조하기 위한 공정.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 온도는 1200 ℉ 내지 1350 ℉ 인 것을 특징으로 하는 물품을 제조하기 위한 공정.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 온도는 1650 ℉ 내지 1750 ℉ 인 것을 특징으로 하는 물품을 제조하기 위한 공정.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 기간은 12 시간; 및 상기 제 1 온도는 1350 ℉ 인 것을 특징으로 하는 물품을 제조하기 위한 공정.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 기간은 24 시간; 및 상기 제 2 온도는 1700 ℉ 인 것을 특징으로 하는 물품을 제조하기 위한 공정.
  19. 균일한 결정 입도를 갖는 구리-니켈-주석 스피노달 합금을 제조하기 위한 공정(S100)으로서,
    주조 후 구리-니켈-주석 스피노달 합금을 12시간 동안, 1300 ℉ 내지 1400 ℉ 로 가열하고, 그 후 상기 합금을 열간 가공 감소시키는 단계, 여기서 상기 주조 후 구리-니켈-주석 스피노달 합금은 8 내지 10 wt% 니켈 및 5 내지 8 wt% 주석을 포함하며;
    상기 스피노달 합금을 공냉(aircooling)하는 단계;
    상기 스피노달 합금을 12 시간 내지 48시간의 기간 동안, 1700 ℉ 로 가열하는 단계;
    상기 스피노달 합금을 4 시간 동안, 1750 ℉로 가열하는 단계;
    열간 가공 감소를 수행하는 단계; 및
    균일한 결정 입도를 가진 스피노달 합금을 생산하기 위해 상기 스피노달 합금을 공냉하는 단계를 포함하는 스피노달 합금을 제조하기 위한 공정.
  20. 균일한 결정 입도를 갖는 구리-니켈-주석 스피노달 합금을 제조하기 위한 공정(S200)으로서,
    주조 후 구리-니켈-주석 스피노달 합금을 12 시간 동안, 1300 ℉ 내지 1400 ℉ 로 가열하고, 그 후 상기 합금을 열간 가공 감소시키는 단계, 여기서 상기 주조 후 구리-니켈-주석 스피노달 합금은 8 내지 10 wt% 니켈 및 5 내지 8 wt% 주석을 포함하며;
    상기 스피노달 합금을 공냉(aircooling)하는 단계;
    상기 스피노달 합금을 12 시간 내지 48시간 동안, 1700 ℉로 가열하는 단계;
    상기 스피노달 합금을 4 시간 동안 1600 ℉ 까지 퍼니스 냉각하고, 4시간 동안 가열하는 단계;
    열간 가공 감소를 수행하는 단계; 및
    균일한 결정 입도를 가진 스피노달 합금을 생산하기 위해 상기 스피노달 합금을 공냉하는 단계를 포함하는 스피노달 합금을 제조하기 위한 공정.
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