KR102354868B1

KR102354868B1 - 니켈-크롬-몰리브덴 합금의 용도

Info

Publication number: KR102354868B1
Application number: KR1020197016716A
Authority: KR
Inventors: 마르틴 볼프; 라이너 베렌스
Original assignee: 파우데엠 메탈스 인테르나티오날 게엠베하
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2022-01-24
Also published as: KR20190087464A; CN110036125A; DE102016124588A1; JP2020508872A; JP6918114B2; EP3555329A1; US20200048741A1; WO2018108208A1

Abstract

본 발명은 열적 재처리 시스템 및 대체-물질 연소 시스템에서 피복 재료로서의, 하기 조성 (중량%로)을 갖는 합금의 용도에 관한 것이다: Cr 20.0 내지 23.0%, Mo 18.5 내지 21.05%, Fe ≤ 1.5%, Mn ≤ 0.5%, Si ≤ 0.1%, Co ≤ 0.3%, W ≤ 0.3%, Cu ≤ 0.5%, Al ≤ 0.4%, C ≤ 0.01%, P ≤ 0.015%, S ≤ 0.01%, N 0.02 내지 0.15%, 필요한 경우 V ≤ 0.3%, Nb ≤ 0.2%, Ti ≤ 0.02%, Ni 뿐만 아니라 제련-관련 불순물 나머지.

Description

니켈-크롬-몰리브덴 합금의 용도

본 발명은 강(steels)의 코팅을 위한 질소-합금된 니켈-크롬-몰리브덴 합금의 용도에 관한 것으로서, 상기 질소-합금된 니켈-크롬-몰리브덴 합금은 열적 재처리(thermal reprocessing) 동안 형성될 수 있는 공격적인 매질(aggressive media)에 대한 높은 내식성을 갖는다.

WO 98/55661은, 산화 및 환원 조건 둘 모두 하에 공격적인 액체 매질에 대한 높은 내식성, 및 산, 클로라이드-함유 매질 중 국부 부식에 대한 탁월한 저항성을 갖는 혼련가능한(kneadable) 균질 오스테나이트계 니켈 합금을 개시하고 있다. 상기 합금은 20.0 내지 23.0%의 크롬, 18.5 내지 21.0%의 몰리브덴, 최대 1.5%의 철, 최대 0.5%의 망간, 최대 0.1%의 규소, 최대 0.3%의 코발트, 최대 0.3%의 텅스텐, 최대 0.3%의 구리, 0.1 내지 0.3%의 알루미늄, 0.001 내지 0.15%의 마그네슘, 0.001 내지 0.01%의 칼슘, 최대 0.01%의 탄소, 0.05 내지 0.15%의 질소, 0.1 내지 0.3%의 바나듐, 나머지 % (중량%)의 니켈 및 또한 제련-관련 불순물로 이루어진다. 상기 합금은 화학적 공격에 저항성이어야 하는 구조적 부분을 위한 재료로서 및 다른 니켈-기재 재료를 위한 과합금된 용접 충전제(overalloyed weld filler)로서 적합하다.

현재, 예를 들어 FM 625, FM 622 및 FM 686과 같은 니켈 합금은, 예를 들어 폐기물 소각 시스템, 대체-물질 연소 시스템(substitute-material combustion system) 또는 바이오매스 시스템에서와 같은 열적 재처리를 위한 적용에서 피복 재료(cladding material)로서 사용된다. 열-교환기 튜브, 가열 표면 뿐만 아니라 플루 가스(flue gas)에 의해 접촉되는 표면 및 다른 구조적 부분은 피복(cladding)에 의해 부식에 대해 빈번하게 보호되지만, 부식 (사용된 재료 및 작동 조건에 따라)은 과열기 튜브 및 열적으로 스트레스를 받은(thermally stressed) 다른 구조적 부분에서 일어나며, 이는 셧다운(shutdown) 및 비용-집약적인 유지보수 작업을 작업자에게 부담시킨다.

본 발명의 목적은, 선행기술에 따라 수년동안 사용된 합금에, 피복 분야에서의 새로운 적용 영역을 제공하는 것이다.

이러한 목적은, 열적 재처리 시스템 및 대체-물질 연소 시스템 분야에서 피복 재료로서의, 하기의 조성 (중량%로)을 갖는 합금의 사용에 의해 달성된다:

Cr 20.0 내지 23.0%

Mo 18.5 내지 21.05%

Fe ≤ 1.5%

Mn ≤ 0.5%

Si ≤ 0.1%

Co ≤ 0.3%

W ≤ 0.3%

Cu ≤ 0.5%

Al ≤ 0.4%

C ≤ 0.01%

P ≤ 0.015%

S ≤ 0.01%

N 0.03 내지 0.15%

필요한 경우

V ≤ 0.3%

Nb ≤ 0.2%

Ti ≤ 0.02%
B ≤ 0.002%

Ni 뿐만 아니라 제련-관련 불순물 나머지.

본 발명의 청구대상의 유리한 추가의 개발은 종속항으로부터 추론될 수 있다.

지금까지는 오로지 습식(wet-corrosion) 분야에서만 사용된, 상기 언급된 재료의 조사 동안, 놀랍게도, 이것이 또한 열적 재처리의 온도 범위에서 유리하게 사용될 수 있다는 것이 관찰되었다.

바람직한 화학 조성 (중량%로)은 하기에 열거된다:

Cr 20.0% 초과 23.0% 미만

Mo 18.5% 초과 21.0% 미만

Fe 0.1% 초과 1.0% 미만

Mn 0.05% 초과 0.4% 미만

Si 0.05% 초과 0.10% 미만

Co ≤ 0.2%

W ≤ 0.25%

Cu ≤ 0.4%

Al ≤ 0.3%

C ≤ 0.05%

P ≤ 0.015%

S ≤ 0.005%

N 0.04% 이상 0.10% 미만

필요한 경우

V ≤ 0.25%

Nb ≤ 0.2%

Ti ≤ 0.02%
B ≤ 0.002%

Ni 뿐만 아니라 제련-관련 불순물 나머지.

플루 가스와 접촉된 열적 재처리 시스템의 구조적 부분 및 표면에서의 부식 스트레스는 다양하며, 복잡하다. 따라서, 다양한 유형의 (확산-제어된) 고온 부식, 예컨대 탄화, 용융된 염으로 인한 부식 또는 할로겐 (특히 클로린)으로 인한 부식이 발생한다. 이를 넘어, 사용된 재료는 셧다운 및 유지보수 기간 동안 습식 메커니즘 의해 추가적으로 심하게 스트레스를 받을 수 있다.

그 자체로 알려져 있는 상기 재료는 열적 재처리 시스템 분야에서 피복 재료로서 사용되기에 뛰어나게 적합하다는 것이 발견되었다. 여러 조사에서, 이러한 재료는 용접-피복 방법에 관하여 탁월한 용접성 (높은 내균열성 및 양호한 습윤성)을 갖는다는 것이 입증되었다. 피복 층의 적용은, 증착 용접(deposition welding)에 의해서뿐만 아니라, 예를 들어 분말 또는 와이어(wire)에 의한 화염 용사(flame spraying) 또는 플라즈마 용사(plasma spraying)에 의해 수행될 수 있다.

"그린 데스(green death)" 시험 용액에서, 제2 증착-용접 패스(pass)로부터 시작하는 임계 공식 온도(critical pitting corrosion temperature)는 대략 135℃이다. 따라서, 공식(pitting-corrosion)으로 인하여 강화된 공식 공격은 셧다운 및 유지보수 기간 동안 다소 가능성이 적을(improbable) 것으로 보인다.

또한, 작동 조건에서 순수한 용접 금속은 적어도 600 MPa의 놀라울 정도로 높은 오프셋 항복 강도(offset yield strength) RP0.2를 갖는다는 것이 밝혀졌다. 또한, 작동 스트레스로 인하여, 표 1에 제시된 바와 같이 경도의 증가가 일어난다는 것을 주목하는 것이 또한 가능하였다. 합금의 높은 크롬 및 몰리브덴 함량, 및 용해 강화(solution strengthening)의 메커니즘에 더하여, 금속간 상(intermetallic phase)의 침전으로 인하여 작동 조건에서 추가의 경도 증가가 일어난다.

이러한 실험적인 결과로, 열적 재처리 시스템의 가혹한 조건 하에, 순전히 확산-제어된/전기화학적 부식이 소정의 역할을 할 뿐만 아니라, 특히, 예를 들어 산란된 및 연기 입자(smoke particles)로 인한 기계적 스트레스 (침식 및 침식-부식)에 대한 재료의 저항성과의 조합이 소정의 역할을 하는 경우, 이러한 재료는 새로운 종류의 특성 프로파일을 갖는다는 것이 예상된다.

본 발명은 예시를 기초로 하기에 보다 상세히 설명될 것이다:

도 1은, 일례로서, 폐기물 소각 시스템 (미도시됨)에 사용될 수 있는 열-교환기 튜브(1)를 나타낸다. 이러한 예에서, 튜브(1)는 탄소강의 물-냉각된 구조적 부분인 것으로 여겨진다. 용접 토치(welding torch; 2) (예를 들어, MIG 또는 TIG) (이는 단순히 표시됨)에 의해, 튜브(1)의 회전(3)에 따라 증착-용접 재료(4)가 적용된다.

표 1에, 지금까지 사용된 대안적인 재료의 것과 같이 본 발명에 따른 증착-용접 재료의 조성이 한편에 열거된다.

재료	FM 2120	FM 625	FM 622
배치(Batch) 번호	115544*)	115949	122001
C	0.003	0.015	0.005
S	0.002	0.002	0.004
N	0.068	0.018	0.016
Cr	20.7	22.3	21.4
Ni	59.2 (나머지)	64.3 (나머지)	59.2 (나머지)
Mn	0.13	0.01	0.16
Si	0.04	0.07	0.03
Mo	18.83	9.21	13.7
Fe	0.52	0.20	2.2
Al	0.19	0.06	0.11
B	0.002	〈 0.001	0.001
V	0.15	〈 0.01	0.17
W	0.10	0.02	2.87

* 제련-관련 불순물: Co, Cu, P, Nb, Ti

표 1에 열거된 재료에 대해, 용접 조건에서의 재료 데이터는 표 2에 열거된다.

	FM 2120	FM 625	FM 622
Rp 0.2 (MPa)	648	519	512
Rm (MPa)	841	768	746
A5 (%)	40	41	46
KV (RT, J)	33	164	148
내식성	ISO 3651-2 부식 없음	SEP 1877 II 부식 없음	SEP 1877 II 부식 없음

출발 조건 (용접된 것과 같음) 및 에이징된 조건에서의 증착-용접 금속의 HV0.1 값의 비교

조건	표면으로부터의 거리 (mm)	샘플 1 (1 패스) HV 0.1	샘플 2 (2 패스) HV 0.1	샘플 3 (3 패스) HV 0.1
출발 조건	1.0	215	273	280
에이징됨 (620℃에서 1000시간)	1.0	331	342	462

폐기물 소각 시스템에서의 구조적 부분에 사용될 수 있는 재료 FM 2120은 보다 높은 강도 값의 RP 0.2뿐만 아니라 Rm에 의해, 비교 재료와 구별된다. Calphad 소프트웨어를 사용한 후속적인 계산은, 이러한 효과가 다른 요소들 중에서, 예를 들어 μ-상과 같은 금속간 상의 형성에 의해 유발된다는 것을 나타내었다. 이는 또한 금속 조직 시험에 의해 입증될 수 있다.

상평형도의 계산은 920℃ 미만의 온도 범위에서 열역학적 평형 상태에 대한 금속간 μ-상의 존재 (도 2)를 나타낸다. 650℃에서, 이러한 상의 양은 대략 27 중량% (도 3)이고, 이는 피복 재료의, 기계적으로 기술적인 특성의 변화 및 미세구조적 조정으로 이어진다. 상기 μ-상은, 피복 재료에서의 이러한 상의 존재 범위 내의 온도 범위에서 보다 장기적으로 지속되는 열 영향에 의해 형성된다.

Claims

열적 재처리 시스템(thermal reprocessing system) 및 대체-물질 연소 시스템(substitute-material combustion system) 분야에서의 피복 재료(cladding material)로서, 상기 피복 재료는 하기 조성 (중량%로)을 갖는 합금으로 이루어지고, 상기 열적 재처리 시스템 또는 상기 대체-물질 연소 시스템에 피복 재료로서 적용 후 상기 피복 재료는 작동 조건에서 적어도 600 MPa의 오프셋 항복 강도(offset yield strength) Rp 0.2를 갖는 피복 재료:
Cr 20.0% 내지 23.0%
Mo 18.5% 내지 21.05%
Fe 0% 초과 내지 1.5%
Mn 0% 초과 내지 0.5%
Si 0% 초과 내지 0.1%
Co ≤ 0.3%
W 0% 초과 내지 0.3%
Cu ≤ 0.5%
Al 0% 초과 내지 0.4%
C 0% 초과 내지 0.01%
P ≤ 0.015%
S 0% 초과 내지 0.01%
N 0.02% 내지 0.15%
V 0% 초과 내지 0.3%
필요한 경우
Nb ≤ 0.2%
Ti ≤ 0.02%
B ≤ 0.002%
Ni 뿐만 아니라 제련-관련 불순물 나머지.
제1항에 있어서, 상기 합금이 하기 조성 (중량%로)을 갖는 것인 피복 재료:
Cr 20.0% 초과 23.0% 미만
Mo 18.5% 초과 21.0% 미만
Fe 0.1% 초과 1.0% 미만
Mn 0.05% 초과 0.4% 미만
Si 0.001% 초과 0.10% 미만
Co ≤ 0.2%
W 0% 초과 내지 0.25%
Cu ≤ 0.4%
Al 0% 초과 내지 0.3%
C 0% 초과 내지 0.05%
P ≤ 0.015%
S 0% 초과 내지 0.005%
N 0.04% 이상 0.1% 미만
V 0% 초과 내지 0.25%
필요한 경우
Nb ≤ 0.2%
Ti ≤ 0.02%
B ≤ 0.002%
Ni 뿐만 아니라 제련-관련 불순물 나머지.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피복 재료가 폐기물 소각 시스템의 열-교환기 튜브 분야에 사용되는 것인 피복 재료.
제1항 또는 제2항에 있어서, 증착-용접(deposition-welding) 재료로서의 상기 피복 재료가 600 초과의 오프셋 항복 강도 Rp 0.2 (MPa)를 갖는 것인 피복 재료.
제1항 또는 제2항에 있어서, 증착-용접(deposition-welding) 재료로서의 상기 피복 재료가 640 초과의 오프셋 항복 강도 Rp 0.2 (MPa)를 갖는 것인 피복 재료.
제1항 또는 제2항에 있어서, 증착-용접 재료로서의 상기 피복 재료가 800 초과의 인장 강도 Rm (MPa)을 갖는 것인 피복 재료.
제1항 또는 제2항에 있어서, 증착-용접 재료로서의 상기 피복 재료가 840 초과의 인장 강도 Rm (MPa)을 갖는 것인 피복 재료.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피복 재료가 보수 작업용으로 사용되는 것인 피복 재료.