KR102365404B1 - 로부품용 고크롬 내열합금 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR102365404B1
KR102365404B1 KR1020190159559A KR20190159559A KR102365404B1 KR 102365404 B1 KR102365404 B1 KR 102365404B1 KR 1020190159559 A KR1020190159559 A KR 1020190159559A KR 20190159559 A KR20190159559 A KR 20190159559A KR 102365404 B1 KR102365404 B1 KR 102365404B1
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Abstract

Cr 50 내지 70 중량%, C 0.01 내지 1.0 중량%, Si 0.1 내지 2.0 중량%, Mn 1.0 내지 3.0 중량%, Ni 0.5 내지 3.0 중량%, Mo, W 및 V 중 선택된 1종 또는 2종 0.1 내지 5중량%, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 합금으로, 결정립 내부는 Cr이 50 내지 60중량%, 결정립계는 Cr이 60 초과 95중량% 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

로부품용 고크롬 내열합금 및 그 제조방법{High Cr heat resisting alloy for furnace parts and fabricating methods of the same}
본 발명은 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금 및 그 제조방법에 관한 것으로, 합금조직이 방향성을 가지면서, 열처리를 통하여 탄화물을 안정화하여 주조시 파단을 방지하고 고온의 환경에도 내크랙성이 우수한 로 부품용 고크롬 내열합금 및 그 제조방법에 대한 것이다.
내열 부품의 소재는 화력발전, 화학플랜트, 제철제강, 폐기물 소각용 로 산업 등에서 널리 사용되고 있다.
폐기물 소각 산업의 경우 소각 플랜트의 연소방식에 따라 상연소식, 회전로식, 유동층식, 건류가스화식, 화격자식으로 나눌 수 있으며, 현재는 화격자식이 대부분을 차지하고 있다.
화격자와 같은 소각로의 내열부품은 주철 또는 고크롬 내열강을 주로 사용하고 있으며, 최근은 쓰레기의 고칼로리화 및 다이옥신을 포함하는 유해물질 분해가 요구되는 상황이라 할 수 있다. 따라서 로내부의 처리온도가 점점 고온화가 되고 있으며, 더욱 우수한 내열성 내산화성을 가지는 내열부품을 요구하고 있다. 즉, 쓰레기의 고칼로리화로 인해 화격자의 단위면적당 공급되는 공기량이 증가하고 그로 인해 화격자 공기토출부의 산화 진행이 종래보다 더욱 빨라지고 있으므로, 이에 따른 고온 내산화성의 향상이 요구되고 있다.
또한, 소각로는 완전한 소각처리를 위해 1000℃ 이상의 고온을 유지하므로 소각로를 만드는 부품들은 내열성은 물론 상온에서의 높은 인성과 내마모성, 내열충격특성, 소각시 발생되는 부식성 가스와 연소 생성물로 인한 부식을 견디기 위한 내식성이 요구된다.
이외에도 슬라브 등의 가열을 위해 워킹빔형의 가열로가 사용되고 있으며, 이 가열로는 강편이나 슬라브 등의 피가열체를 지지하고 반송하기 위한 스키드부품 등이 있고 이러한 스키드 등의 로 부품에는 고크롬강의 합금강이 사용되고 있다.
통상적인 내열금속소재로 스테인레스강, 크롬강, 크롬니켈, 니켈기 초내열강, 크롬기 초내열강 등이 사용되고 있으나, 이들 소재의 경우 사용온도가 대부분 1100℃ 이하로 한정되어 있고, 고가의 고온합금원소인 Ni, Co, W, Zr 등을 다량 함유하여 단가가 높고 열팽창계수가 높아 내구성이 떨어지며, 황이 포함되는 가스가 발생하는 환경에서는 수명이 급격하게 감소하는 한계가 있다.
현재 1200℃까지의 고온에서 사용되는 Ni-Cr계 내열주강 소재가 가장 널리 사용되고 있으나, 도 1과 같이 파단이 발생하여 사용시간이 짧아 빈번한 부품의 교체로 인해 생산성이 낮은 실정이다. 따라서 스키드 부품으로 사용되는 내식성과 내열성이 향상된 내열부품에 대한 기술 개발이 필요하다.
한국공개특허 제 10-2014-0143587호(공개일: 2014. 12. 17) 한국공개특허 제 10-1998-0041548호(공개일: 1999. 05. 25)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고온의 환경에서도 내열성과 고온강도를 유지하면서 조직변형이 작으며, 가격이 저렴한 로부품을 제작할 수 있는 크롬을 다량 함유한 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금 및 그 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 Cr 50 내지 70 중량%, C 0.01 내지 1.0 중량%, Si 0.1 내지 2.0 중량%, Mn 1.0 내지 3.0 중량%, Ni 0.5 내지 3.0 중량%, Mo, W 및 V 중 선택된 1종 또는 2종 0.1 내지 5중량%, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 합금으로, 결정립 내부는 Cr이 50 내지 60중량%, 결정립계는 Cr이 60 초과 95중량% 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금을 제공할 수 있다.
상기 로부품용 내열합금은, 무압탕 방식으로 주조되는 것일 수 있다.
상기 로부품용 내열합금은, 용탕의 주입속도로 결정성장이 조절되는 것일 수 있다.
상기 로부품용 내열합금은, 주형의 측면에 설치된 냉각칠에 의해 결정성장이 조절되는 것일 수 있다.
상기 결정립계는 Cr 60 초과 95중량%의 탄화물과 (W, V, Fe)탄화물의 복합탄화물일 수 있다.
상기 로부품용 내열합금은, 합금조직에 개재물이 30 내지 500개/㎟ 이하로 분포되는 것일 수 있다.
상기 로부품용 내열합금은, 내부는 복합산화물이고 상기 복합산화물의 계면은 복합탄화물로 둘러싸여 있는 원형의 개재물을 포함하는 것일 수 있다.
상기 복합탄화물의 두께는 1~4㎛인 것일 수 있다.
상기 로부품용 내열합금을 포함하는 로부품은 1200℃, 100시간 경과 후 로크웰 경도가 35HRC 이상으로 유지되는 것일 수 있다.
또한, 상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 크롬을 포함하는 합금을 합금용탕으로 용해하는 단계; 용해된 상기 합금용탕을 무압탕 주형 내에 주입하는 단계; 상기 합금용탕을 냉각시킨 후 주형을 제거하는 단계; 및 상기 주형의 제거 후 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 무압탕 주형 내에 상기 합금용탕을 주입하는 것은, 주입 각도 및 속도를 조절하며 합금용탕을 주입하는 것일 수 있다.
상기 무압탕 주형 내에 상기 합금용탕을 주입하는 것은, 측면에 냉각칠이 설치된 주형에 40 내지 60도의 각도로 합금용탕을 주입하는 것일 수 있다.
상기 합금은 Cr 50 내지 70 중량%, C 0.01 내지 1.0 중량%, Si 0.1 내지 2.0 중량%, Mn 1.0 내지 3.0 중량%, Ni 0.5 내지 3.0 중량%, Mo, W 및 V 중 선택된 1종 또는 2종 0.1 내지 5중량%, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 합금용탕을 냉각시키는 것은, 상기 주형 내에서 10 내지 100℃/min의 속도로 냉각하는 것일 수 있다.
상기 열처리하는 것은, 1100 내지 1400℃로 가열하고 1 내지 5시간 유지한 후 공냉시키는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금 및 그 제조방법은 고온의 환경에서도 내열성과 고온강도를 유지하면서 조직변형이 작으며, 가격이 저렴한 로부품을 제작할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 급냉한 스키드 부품의 파단사례를 나타낸 사진,
도 2는 본발명의 실시예와 비교예에 따른 로부품용 내열합금 시료의 로크웰 경도를 측정한 것을 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 로부품용 내열합금 시료의 질량감소율을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 로부품용 내열합금의 열처리 전 결정립계를 나타낸 전자현미경 사진,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 로부품용 내열합금의 열처리 전 개재물을 나타낸 전자현미경 사진,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 로부품용 내열합금의 열처리 후 결정립계를 나타낸 전자현미경 사진,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 로부품용 내열합금의 열처리 후 개재물을 나타낸 전자현미경 사진이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 종래의 급냉한 스키드 부품의 파단사례를 나타낸 사진이고, 도 2는 본발명의 실시예와 비교예에 따른 로부품용 내열합금 시료의 로크웰 경도를 측정한 것을 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 로부품용 내열합금 시료의 질량감소율을 나타낸 그래프이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 로부품용 내열합금의 열처리 전 결정립계를 나타낸 전자현미경 사진이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 로부품용 내열합금의 열처리 전 개재물을 나타낸 전자현미경 사진이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 로부품용 내열합금의 열처리 후 결정립계를 나타낸 전자현미경 사진이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 로부품용 내열합금의 열처리 후 개재물을 나타낸 전자현미경 사진이다.
본 발명의 실시예에 따른 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금은 Cr 50 내지 70 중량%, C 0.01 내지 1.0 중량%, Si 0.1 내지 2.0 중량%, Mn 1.0 내지 3.0 중량%, Ni 0.5 내지 3.0 중량%, Mo, W 및 V 중 선택된 1종 또는 2종 0.1 내지 5중량%, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
Cr은 산소와 결합하여 합금 표면에 부동태 보호피막을 형성하여 내산화성과 내식성 및 내열성 향상에 중요한 역할을 한다. 본 발명에서는 Cr은 50 중량% 이상 첨가하며 70 중량%까지 증가할수록 산화막 형성 및 탄화물이 석출되어 경도를 증가시켰으며, 그를 초과하면 그 효과가 포화될 수 있다.
C는 합금의 강도를 부여하고 주조단계에서 크롬 탄화물을 정출시켜 고온에서의 내마모성을 확보할 수 있게 한다. C는 원자반경이 작기 때문에 1.0 중량%까지 합금첨가 원소인 Mo, Cr, Mn, W, V, Fe 등과 탄화물을 형성하여 경도를 증가시키며, 1.0 중량% 이상에서는 결정립계에 조대한 탄화물의 석출량이 과도하여 경도 및 인성이 감소할 수 있다. 반면에 C가 0.01 중량% 미만에서는 원하는 비정질 형성능을 얻기 어려울 수 있다.
Si은 용탕의 유동성을 개선하여 주조성을 향상시키는 효과가 있으며 산소와 결합하여 합금 표면의 보호피막을 형성함으로써 내식성을 향상시킬 수 있으며, 산화막 형성 및 탄화물이 석출되어 경도를 증가시키기 위해 0.1 내지 2.0 중량%가 포함되는 것이 바람직하다.
Mn은 용탕의 탈산, 탈황 및 주조성 향상을 위해 첨가될 수 있으며, 함량이 3.0 중량%를 초과하면 탄화물이 조대화되어 인성이 저하하고 경도 또한 감소될 수 있으며 합금의 취화가 일어날 수 있으므로 1.0 내지 3.0 중량% 포함될 수 있다.
Ni은 안정화 원소로서 저온취성을 방지하여 인성을 향상시키는 역할로 화격자의 사용 중의 균열의 발생을 억제시킬 수 있으나, 3.0 중량% 이상에서는 황화물(Ni3S)을 형성하여 내열특성을 감소시킬 수 있으며, 미량의 경우 원하는 인성 증가의 효과를 얻을 수 없으므로 0.5~3.0 중량% 포함될 수 있다.
Mo과 W은 결정립 조대화를 방지하고 미세한 탄화물을 형성하여 인성 및 경도가 증가시킬 수 있으며, V은 강중의 미세한 탄화물 또는 탄질화물을 형성하여 크리프 강도를 증가시키는데 기여하는 원소이지만 과잉 첨가는 입내 탄화물의 석출 밀도를 증가시켜 재열균열 감소성을 증가시킬 수 있으므로, Mo, W 및 V 중 선택된 1종 또는 2종은 0.1 내지 5중량% 포함되는 것이 바람직하다.
상기 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금은 결정립 내부는 Cr이 50 내지 60중량%, 결정립계는 Cr이 60 초과 95중량% 함유될 수 있다. 나아가서, 상기 결정립계는 Cr 60 초과 95중량%의 탄화물과 (W, V, Fe)탄화물의 복합탄화물일 수 있다.
나아가서, 상기 로부품용 내열합금은 무압탕 방식으로 주조되는 것일 수 있으며, 용탕의 주입속도로 결정성장이 조절되는 것일 수 있다.
또한, 상기 로부품용 내열합금은 주형의 측면에 설치된 냉각칠에 의해 결정성장이 조절되는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 로부품용 내열합금은, 결정성장이 조절됨으로써 합금조직에 개재물이 30 내지 500개/㎟ 이하로 분포되는 것일 수 있다.
상기 로부품용 내열합금은 내부는 복합산화물이고 상기 복합산화물의 계면은 복합탄화물로 둘러싸여 있는 원형의 개재물을 포함할 수 있으며, 나아가서 상기 복합탄화물의 두께는 1~4㎛일 수 있다.
상기 로부품용 내열합금을 포함하는 로부품은 1200℃, 100시간 경과 후 로크웰 경도가 35HRC 이상으로 유지될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금의 제조방법은 먼저 크롬을 포함하는 합금을 합금용탕으로 용해할 수 있다. 상기 합금은 Cr 50 내지 70 중량%, C 0.01 내지 1.0 중량%, Si 0.1 내지 2.0 중량%, Mn 1.0 내지 3.0 중량%, Ni 0.5 내지 3.0 중량%, Mo, W 및 V 중 선택된 1종 또는 2종 0.1 내지 5중량%, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 것일 수 있다.
다음으로, 용해된 상기 합금용탕을 무압탕 주형 내에 주입할 수 있다. 상기 무압탕 주형 내에 상기 합금용탕을 주입하는 것은, 주입 각도 및 속도를 조절하며 합금용탕을 주입하는 것일 수 있으며, 나아가서 측면에 냉각칠이 설치된 주형에 40 내지 60도의 각도로 합금용탕을 주입하는 것일 수 있다. 상기의 단계를 거치며 로부품용 내열합금은 결정성장이 조절될 수 있다.
다음으로, 상기 합금용탕을 냉각시킨 후 주형을 제거할 수 있다. 상기 합금용탕을 냉각시키는 것은, 상기 주형 내에서 10 내지 100℃/min의 속도로 냉각하는 것일 수 있다. 주형에서 서서히 냉각시키는 것은 도 1과 같이 공냉이나 퀀칭을 할 경우 크랙이나 시편의 중간이 파단되는 현상이 발생하는데, 이러한 현상을 방지하기 위하여 주형 내에서 냉각속도를 일정한 범위로 조절함으로써 크랙과 파단을 방지할 수 있다.
이후, 상기 주형의 제거 후 열처리함으로써 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금을 제조할 수 있다. 상기 열처리하는 것은, 1100 내지 1400℃로 가열하고 1 내지 5시간 유지한 후 공냉시키는 것을 포함할 수 있다.
상기의 과정으로 제조된 로부품용 내열합금은 결정립 내부는 Cr이 50 내지 60중량%, 결정립계는 Cr이 60 초과 95중량% 이하로 함유될 수 있으며, 상기 결정립계는 Cr 60 내지 95중량%의 탄화물과 (W, V, Fe)탄화물의 복합탄화물일 수 있다. 또한, 합금조직에 개재물이 30 내지 500개/㎟ 이하로 분포되는 것일 수 있으며, 상기 로부품용 내열합금은 내부는 복합산화물이고 상기 복합산화물의 계면은 복합탄화물로 둘러싸여 있는 원형의 개재물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 로부품용 내열합금을 포함하는 로부품은 1200℃, 100시간 경과 후 로크웰 경도가 35HRC 이상으로 유지될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 로부품용 고크롬 내열합금 및 그 제조방법을 하기 실험예를 통해 설명하겠는 바, 하기 실험예는 본 발명을 설명하기 위한 예시일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실험예 1 내지 3
다음의 [표 1]과 같은 조성으로 내열 합금이 제조되도록 각각의 금속 원소를 칭량하고 혼합한 다음 용해로에 장입하고 온도를 승온하였다. 성분 조정을 하는 용탕 용해공정 후 용융된 용탕의 시편을 제작하기 위해 측면에 냉각칠이 설치된 주형에 합금용탕을 무압탕 방식으로 주형에 주입하였다. 이를 1400도 0.5시간 유지한 후, 주형 내에서 냉각속도를 100도/Min로 일정하게 유지하며 냉각하였다.
또한, 실험예 2의 시편으로 1200도를 유지하며 주조 후부터 10시간, 25시간, 59시간, 75시간, 100시간 경과 시마다 1200도를 유지하며 로크웰 경도를 측정하였다. 그리고, 주조 직후와 100시간 경과 후의 전자현미경 사진과 EDS peak으로부터 개재물과 결정립 및 결정립계의 형태와 성분을 분석하였다.
비교예
다음의 [표 1]과 같은 조성으로 실험예 1 내지 3과 동일한 방법으로 비교예의 시편을 제작하였다.
C Si Cr Mn Ni Mo W V Fe
실험예 1 0.08 0.5 57.8 0.5 1.1 1.5 1.8 - Bal.
실험예 2 0.12 1.0 58.0 1.1 2.58 2.0 2.5 0.42 Bal.
실험예 3 0.15 1.5 63.0 2.4 3.0 - 6.0 - Bal.
비교예 1 0.15 0.6 43.0 1.0 2.0 2.0 3.2 - Bal.
결과 1 - 로크웰 경도
실험예 1 내지 3의 로크웰 경도 변화가 크게 차이가 없어 전체 실험예 중 실험예2를 대표값으로 선정하고, 비교예 1과 함께 주조 후부터 100시간까지 일정시간 1200도를 유지하여 로크웰 경도를 측정하였다. 그 결과는 다음의 [표 2] 및 [도 2]와 같다.
주조 후 10시간 25시간 59시간 75시간 100시간
실험예 2 40.6 39.1 36.3 36.1 36.6 36
비교예 1 28.2 28.5 27.2 27 28.4 27.9
측정된 경도는 [표 2] 및 [도 2]에 나타난 바와 같이, 실험예 2는 주조 후의 경도값이 40.6HRC로써 1200℃에서 100시간 도달 시까지 36HRC 이상의 높은 경도를 유지하며 경도의 변화가 비교적 적다고 볼 수 있다. 비교예 1의 경도는 주조 후부터 100시간 경과시까지 약 28HRC로써, 고크롬 내열합금인 실험예2에 비해 낮은 경도를 나타내었다. 이에 본원발명의 실험예들을 볼 때, 스키드바 등 슬라브의 하중을 견디기 위하여는 35HRC 이상의 경도를 갖는 본 발명의 내열합금이 바람직한 것일 수 있다.
결과 2 - 질량 감소율
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 로부품용 내열합금 시료의 질량감소율을 나타낸 그래프로써, 실험예 2와 비교예의 시간이 경과함에 따른 산화 정도를 나타낸 것이다. 도 3에 나타난 바와 같이 본발명의 실험예에 따른 내열합금이 비교예의 합금보다 질량감소율이 더욱 낮다는 것을 알 수 있으며, 이는 종래보다 향상된 내산화성을 보여주는 것이다.
결과 3 - 합금 조직의 분석(결정립 및 결정립계)
일반 대기 중의 로부품으로 사용되는 조건하에 실험을 하기 위하여 일정 온도에서의 시간경과에 따른 조직 및 각 부분의 성분을 조사하였다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 로부품용 내열합금의 열처리 전 결정립계를 나타낸 전자현미경 사진이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 로부품용 내열합금의 열처리 후 결정립계를 나타낸 전자현미경 사진이며, 다음의 [표 3]은 EDS 피크로 분석한 도 4 및 도 6의 각 위치별 합금 조직의 성분을 나타낸 것이다.
표 3, 도 4 및 도 6을 참조하면, 결정립계로 크롬의 확산과 결정립 내로의 Fe의 확산이 일어나면서 결정립계의 두께가 굵어지며 선에서 면으로의 변형이 일어남을 알 수 있다. 텅스텐과 실리콘은 개재물로의 확산이 일어나 이동한 것으로 추측할 수 있으며, 결정립 내의 크롬의 중량은 감소하는 반면 철의 중량은 증가하는 경향을 보인다. 이는 탄소와의 친화력에 기인하는 것으로 판단할 수 있다, 1200도 100시간 후 시료의 P1에서의 바나듐은 주조 후 P3에 존재하는 바나듐의 결정립계로 이동한 것으로 추측할 수 있다.
결정립내인 도 4의 P1, P3 내지 P5 와 도 6의 P2의 크롬 함량은 50 내지 60중량%의 범위에 포함되며, 결정립계라 판단되는 도 4의 P2 및 도 6의 P1은 Cr이 60 초과 95중량% 이하의 범위에 포함되는 것을 알 수 있다. 이러한, 결정립계는 Cr 60 초과 95중량% 이하의 탄화물과 친화력이 높은 원소인 (W, V, Fe)탄화물과 복합탄화물로 형성되어 있는 것을 다음의 표 3을 통하여 알 수 있다. 이와 더불어 결정립계와 결정립계의 중간지대로 결정입계를 둘러싸고 있는 P3는 크롬의 함량이 60~70중량%를 보이고 있으며, 이는 향후 고온의 열처리나 고온 작업시 결정립 내부로 크롬이 확산되어 더욱 넓게 형성되는 것을 인지할 수 있다. 이러한 결정립의 중간상들은 주조 후에는 1 내지 4㎛의 두께로 형성되어 있으며, 지속적인 고온 열처리 후에는 도 6과 같이 결정립으로 확산하여 도6의 P1에서와 같이 결정립 두께가 두꺼워지고 크롬함량 또한 70 초과 95중량% 이하로 높아져 있는 것을 확인할 수 있었다.
주조 후 1200℃, 100시간
P1 P2 P3 P4 P5 P1 P2
C 2.12 6.19 1.29 1.81 2.12 0.74 0.65
Si 1.65 - 1.06 1.68 1.55 - 1.19
Cr 54.51 73.25 69.19 52.15 51.77 92.60 54.07
Fe 39.12 16.04 27.18 40.56 41.35 4.62 42,09
Ni 2.16 - - 2.18 2.74 - -
W - 3.61 - - - - -
S 0.45 0.92 0.66 0.43 0.48 - -
V - - 0.62 - - 2.03 -
Mn - - - 1.19 - - -
결과 4 - 합금 개재물의 분석
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 로부품용 내열합금의 열처리 전 개재물을 나타낸 전자현미경 사진이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 로부품용 내열합금의 열처리 후 개재물을 나타낸 전자현미경 사진이며, 다음의 [표 4]는 EDS 피크로 분석한 도 5 및 도 7의 각 위치별 합금 조직의 성분을 나타낸 것이다.
표 4, 도 5 및 도 7을 참조하면, 개재물은 불순물이 다량 존재하는 것으로 대기준의 산소가 용탕 중에 흡입되어 이산화실리콘, 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화망간 등 산소와의 친화력이 강한 금속들이 산소와 결합하여 크롬합금조직의 개재물로 존재하는 것으로 볼 수 있다. 즉, 표 4와 도 5를 비교하면, 도 5의 P2는 실리콘과 산소의 함유량이 높은 것으로 보아 실리콘산화물이 주를 이루며, P3의 경우 실리콘산화물이나 망간산화물이 주를 이룬다는 것을 성분분석으로 인지할 수 있으며, 열처리 후의 사진인 도7의 P2, P3 또한 산화물인 것을 알 수 있다. 따라서 상기 개재물의 내부는 산화물과 결합력이 강한 원소들로 이루어진 복합산화물을 포함하는 것을 알 수 있다.
산소와의 친화력이 다소 낮은 금속인 크롬, 철은 개재물 주변에 복합탄화물이나 탄화물을 형성하여 높은 농도를 보이고 있으며(도 5의 P1), 니켈은 다른 원소에 비해 산소나 탄소와의 친화력이 낮아 개재물에서는 전혀 나타나고 있지 않음을 알 수 있다.
즉, 상기 크롬합금조직 내의 개재물은 내부(코어)는 복합산화물이 주류를 이루고 있으며, 표면에는 크롬을 주성분으로 하는 크롬탄화물이나 복합탄화물이 이를 둘러싸고 있는 원형의 형태라고 할 수 있다. 또한, 도 5의 P4는 침상의 형태로 산화물이나 탄화물의 형태가 아닌 탄소가 침입형 원자를 형성하면서 크롬이 포화된 상태임을 알 수 있다.
이러한 개재물을 둘러싸고 있는 복합탄화물의 두께는 1 내지 4㎛ 정도로, 개재물의 크기가 클수록 안정된 상태일 수 있다. 도 7에 나타난 바와 같이, 1200도에서 100시간 열처리 작업을 하면 개재물의 표면을 둘러싸고 있는 복합탄화물의 두께가 더욱 커져 면형태를 이루고 있으며, 일부 개재물은 표면을 둘러싸고 있는 복합탄화물이 없어지고 단독 형태의 개재물로 존재하고 있다.
주조 후 1200℃, 100시간
P1 P2 P3 P4 P1 P2 P3
C 5.90 - - - 0.78 - -
Si - 49.96 23.20 - - 51.64 2.77
Cr 75.06 1.55 2.86 90.47 89.87 - 25.62
Fe 14.41 - - 8.12 5.01 - -
Ni - - - - - - -
W 3.89 - - - 2.14 - -
S 0.73 - 0.52 - - - -
V - - - 1.41 2.21 - -
Mn - 1.47 32.76 - - - 14.91
O - 46.52 34.42 - - 48.36 53.94
Al - 0.50 4.76 - - - -
Ti - - 0.64 - - - 1.96
Ca - - 0.84 - - - -
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. Cr 57.8 이상 63.0 이하 중량%, C 0.01 내지 1.0 중량%, Si 0.1 내지 2.0 중량%, Mn 1.0 내지 3.0 중량%, Ni 0.5 내지 3.0 중량%, Mo, W 및 V 중 선택된 1종 또는 2종 0.1 내지 5중량%, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 합금으로,
    상기 합금의 용탕을 주형 주입 및 냉각 후, 주형을 제거하고 1100 내지 1400℃로 가열하고 1 내지 5시간 유지한 후 공냉시키는 것을 포함하는 열처리를 수행하여 결정립 내부는 Cr이 50 내지 60중량%, 결정립계는 Cr이 60 초과 95중량% 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 로부품용 내열합금은, 무압탕 방식으로 주조되는 것을 특징으로 하는 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 로부품용 내열합금은, 용탕의 주입속도로 결정성장이 조절되는 것을 특징으로 하는 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 로부품용 내열합금은, 주형의 측면에 설치된 냉각칠에 의해 결정성장이 조절되는 것에 특징이 있는 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정립계는 Cr 60 초과 95중량%의 탄화물과 (W, V, Fe)탄화물의 복합탄화물인 것을 특징으로 하는 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 로부품용 내열합금은, 합금조직에 개재물이 30 내지 500개/㎟ 이하로 분포되는 것을 특징으로 하는 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 로부품용 내열합금은, 내부는 복합산화물이고 상기 복합산화물의 계면은 복합탄화물로 둘러싸여 있는 원형의 개재물을 포함하는 것을 특징으로 하는 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 복합탄화물의 두께는 1~4㎛인 것을 특징으로 하는 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 로부품용 내열합금을 포함하는 로부품은 1200℃, 100시간 경과 후 로크웰 경도가 35HRC 이상으로 유지되는 것을 특징으로 하는 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금.
  10. Cr 57.8 이상 63.0 이하 중량%, C 0.01 내지 1.0 중량%, Si 0.1 내지 2.0 중량%, Mn 1.0 내지 3.0 중량%, Ni 0.5 내지 3.0 중량%, Mo, W 및 V 중 선택된 1종 또는 2종 0.1 내지 5중량%, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 합금을 합금용탕으로 용해하는 단계;
    용해된 상기 합금용탕을 무압탕 주형 내에 주입하는 단계;
    상기 합금용탕을 냉각시킨 후 주형을 제거하는 단계; 및
    상기 주형의 제거 후 열처리하는 단계;를 포함하고,
    상기 열처리하는 것은, 1100 내지 1400℃로 가열하고 1 내지 5시간 유지한 후 공냉시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 무압탕 주형 내에 상기 합금용탕을 주입하는 것은, 주입 각도 및 속도를 조절하며 합금용탕을 주입하는 것을 특징으로 하는 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금의 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 무압탕 주형 내에 상기 합금용탕을 주입하는 것은, 측면에 냉각칠이 설치된 주형에 40 내지 60도의 각도로 합금용탕을 주입하는 것을 특징으로 하는 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금의 제조방법.
  13. 삭제
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 합금용탕을 냉각시키는 것은, 상기 주형 내에서 10 내지 100℃/min의 속도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 내크랙성이 우수한 로부품용 내열합금의 제조방법.
  15. 삭제
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