KR19980073293A - 고저항 전열선용 니켈(Ni)-크롬(Cr)-알루미늄(Al)-실리콘(Si) 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

고저항 전열선용 니켈(Ni)-크롬(Cr)-알루미늄(Al)-실리콘(Si) 합금 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고저항 전열선용 니켈(Ni)-크롬(Cr)-알루미늄(Al)-실리콘(Si) 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로, 발명의 목적은 고온 안정성이 가장 높은 니켈(Ni)-크롬(Cr)계 합금이면서 적당량 첨가된 실리콘(Si) 외에, 실리콘(Si)과 같이 합금 첨가시에 탈산제의 기능과 용융금속 중에는 유동성을 높이며, 합금에 따른 고용도가 크고, 일부는 니켈(Ni)이나 크롬(Cr)과 함께 상온과 고온에서 안정한 화합물을 생성시킬 수 있는 원소인 알루미늄(Al)을 첨가한 상온에서의 전기비저항치가 130±5 μΩ㎝급인 고저항용 전열선재인 합금 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 합금은 15~25wt. %크롬과 2~4wt. %알루미늄과 1~2wt. %실리콘과 나머지는 니켈을 함유하여 조성된 합금과 그 제조방법.

Description

고저항 전열선용 니켈(Ni)-크롬(Cr)-알루미늄(Al)-실리콘(Si) 합금 및 그 제조방법
본 발명은 고저항 전열선용 니켈(Ni)-크롬(Cr)-알루미늄(Al)-실리콘(Si) 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 가정용에서 부터 산업용에 이르는 전기저항 가열로나 발열장치 등에 사용되는 전열선의 대부분은 니크롬선이라는 이름으로 널리 알려져 있으며, 이는 니켈(Ni)-크롬(Cr) 합금을 말한다.
근래에는 상기의 니켈(Ni)-크롬(Cr) 합금 외에 니켈(Ni)-크롬(Cr)-철(Fe)계 합금과 철(Fe)-크롬(Cr)-알루미늄(Al)계 합금 등으로 전열선을 만들고 있다.
이 중에서 고저항용인 철(Fe)-크롬(Cr)-알루미늄(Al)계 합금은 KANTAL이라는 상품명으로 시판되고 있다.
상기 3 종류로 언급된 기존의 고저항용 전열선재의 합금 예와 각각의 합금재가 상온에서 나타내는 전기비저항치를 보면 다음과 같다.
1) 니켈(Ni)-크롬(Cr)계 합금
- 78.5%니켈(Ni)-20%크롬(Cr)-1.5%실리콘(Si) 합금 : 108μΩ㎝
- 77.5%니켈(Ni)-20%크롬(Cr)-1.5%실리콘(Si)-1%니오비움(Nb) 합금 : 108μΩ㎝
-68.5%니켈(Ni)-30%크롬(Cr)-1.5%실리콘(Si) 합금 ; 118μΩ㎝
2) 니켈(Ni)-크롬(Cr)-철(Fe)계 합금
-69.5%니켈(Ni)-20%크롬(Cr)-8.5%철(Fe)-2%실리콘(Si) 합금 ; 116μΩ㎝
-60.5%니켈(Ni)-16%크롬(Cr)-22%철(Fe)-1.5%실리콘(Si) 합금 ; 112μΩ㎝
-37%니켈(Ni)-21%크롬(Cr)-40%철(Fe)-2%실리콘(Si) 합금 ; 108μΩ㎝
-35.5%니켈(Ni)-20%크롬(Cr)-43%철(Fe)-1.5%실리콘(Si) 합금 ; 100μΩ㎝
-35%니켈(Ni)-20%크롬(Cr)-42.5%철(Fe)-1.5%실리콘(Si)-1%니오비움(Nb) 합금 ; 100μΩ㎝
3) 철(Fe)-크롬(Cr)-알루미늄(Al)계 합금
-83.75%철(Fe)-13%크롬(Cr)-3.25%알루미늄(Al) 합금 ; 112μΩ㎝
-81.25%철(Fe)-14.5%크롬(Cr)-4.25%알루미늄(Al) 합금 ; 125μΩ㎝
-73.5%철(Fe)-22%크롬(Cr)-4.5%알루미늄(Al) 합금 ; 135μΩ㎝
-72.5%철(Fe)-22%크롬(Cr)-5.5%알루미늄(Al) 합금 ; 145μΩ㎝
하지만 상기와 같이 언급된 종래의 고저항용 전열선재의 합금 종류 및 첨가원소의 조성에 따른 비저항치의 특성을 보다 개량하거나 그 제조원가를 절감하여 양산할 수 있는 전열선을 개발하기 위한 노력은 현재에도 계속되고 있다.
고온 안정성이 가장 높은 니켈(Ni)-크롬(Cr)계 합금인 68.5~78.5wt.% 니켈(Ni)-20~30wt.%크롬(Cr)-1.5wt.%실리콘(Si)합금이나 77.5wt.%니켈(Ni)-20wt.%크롬(Cr)-1.5%실리콘(Si)-1%니오비움(Nb)합금의 경우에서 보면, 니켈(Ni)에 대한 고용한도가 40% 정도까지 가능한 원소인 크롬(Cr)의 함량을 20wt.%에서 30wt.%로 10wt.% 증가시켜도 상온에서의 전기비저항치는 108μΩ㎝에서 118μΩ㎝로 10μΩ㎝ 정도의 증가에 미치지 않으며, 그렇다고 크롬(Cr)의 함량을 너무 증가 시키면 취성이 급격히 높아져 소성가공성에 어려운 문제가 생긴다.
그리고 니오비움(Nb)과 같은 원소를 첨가하는 경우에는 수 wt.%를 첨가하여도 전기비저항치의 상승은 기대하기 어려우며, 또한 니오비움(Nb)과 같은 금속은 그 가격이 고가라는 문제점이 있다.
또한, 고용한도가 수 wt.%정도로 낮은 실리콘(Si)의 첨가는 합금용해 중에 탈산제로서의 기능과 함께 용융금속의 유동성을 좋게하여 건전성이 높은 주괴를 제조하기 용이하며, 합금 후에는 Ni3Si나 CrxSiy와 같은 안정된 화합물을 형성하여 재료의 강도와 고온에서의 안정성을 보장한다.
그러나 실리콘(Si)의 경우도 다량의 첨가는 여러 가지 면에서 문제점을 야기하여, 그 첨가량의 한도가 1.5wt.% 정도까지로 제한적이라는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 발명의 목적은 고온 안정성이 가장 높은 니켈(Ni)-크롬(Cr)계 합금이면서 적당량 첨가된 실리콘(Si) 외에, 실리콘(Si)과 같이 합금 첨가시에 탈산제의 기능과 용융금속 중에는 유동성을 높이며, 합금에 따른 고용도가 크고, 일부는 니켈(Ni)이나 크롬(Cr)과 함께 상온과 고온에서 안정한 화합물을 생성시킬 수 있는 원소로서 상온에서의 전기비저항치가 130±5μΩ㎝급인 고저항용 전열선재 합금 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기와 본 발명의 목적은 니켈(Ni)-크롬(Cr)계 합금에 적당량 첨가된 실리콘(Si)외에, 실리콘(Si)과 같이 합금 첨가시에 탈산제의 기능과 용융금속 중에는 유동성을 높이며, 합금에 따른 고용도가 크고, 일부는 니켈(Ni)이나 크롬(Cr)과 함께 상온과 고온에서 안정한 화합물을 생성시킬 수 있는 원소로서 알루미늄(Al)을 2~4wt.% 첨가하여 NixAl이나 CryAl과 같은 안정한 화합물들로 구성된 것을 특징으로 하는 고저항 전열선용 니켈(Ni)-크롬(Cr)-알루미늄(Al)-실리콘(Si) 합금 및 그 제조방법을 제공함으로써 달성된다.
본 발명에서는 니켈(Ni)-크롬(Cr)계 합금에 적당량 첨가된 실리콘(Si)외에, 실리콘(Si)과 같이 합금 첨가시에 탈산제의 기능과 용융금속 중에는 유동성을 높이며, 합금에 따른 고용도가 크고, 일부는 니켈(Ni)이나 크롬(Cr)과 함께 상온과 고온에서 안정한 화합물을 생성시킬 수 있는 원소로서 알루미늄(Al)을 2~4wt.% 첨가하여 NixAl이나 CryAl과 같은 안정한 화합물들로 분포된 새로운 전열재용 합금을 개발하였으며, 발명의 대상인 가장 이상적인 특성을 나타내는 합금과 그 특성을 조사한 결과를 보면 다음의 표 1과 같다.
상기 고저항 전열선용 니켈(Ni)-크롬(Cr)-알루미늄(Al)-실리콘(Si) 합금의 제조과정에 대한 실시예는 다음과 같다.
실시예
합금의 용해와 주조는 공업적으로 대기중에서와 진공중에서 수행할 수 있으며 대기중에서 수행하는 경우는 진공보다 장치의 단순화로 제조원가가 낮으나 산화가 따르므로 합금성분의 회수율에 손실이 있으며, 재료중에 산화물인 불순물이 존재할 가능성이 있어서 이를 억제시키기 위한 조치로 후럭스(Flux) 등을 사용한다.
그러나 진공중에서 수행하는 경우는 장치비가 높아 제조원가가 높으나 산화의 염려가 없으므로 합금원소의 회수율이 높고 재료중에 불순물도 낮아 품질이 우수한 장점이 있다.
그러면, 실시예인 대기중에서의 제조방법에 대해서 설명하겠다.
우선 합금할 금속들을 15~25wt.%크롬과 2~4wt.%알루미늄과 1~2wt.%실리콘과 나머지는 니켈을 함유토록 평량하여 준비한 후, 먼저 니켈(Ni)과 크롬(Cr)을 용해하고 어느 정도 용융이 되면 후럭스(Flux)를 용탕표면에 투입하여 산화를 방지하고 용탕의 유량을 개선하며, 이들이 완전히 용해된 후에는 용탕의 표면을 덮고 있는 슬래그(Slag)를 신속히 제거하고 실리콘(Si)을 1~2wt.% 첨가하며 이어서 상온과 고온에서 안정한 화합물인 NixAl이나 CryAl 등을 생성시킬 수 있도록 하기 위한 원소인 알루미늄(Al)을 2~4wt.% 첨가한다.
이들의 용해반응이 완료되면 먼저와 같은 방법으로 신속히 후럭스(Flux)를 투입하여 용탕표면의 산화 방지와 용탕의 유동성을 개선시키고 합금반응이 완전히 종료되기를 기다린다.
그리고 용탕의 온도가 점차상승하여 목표로하는 주입온도인 1600℃ ~ 1650℃ 정도에 도달하며 주괴를 제조한다. 이때 주괴를 제조하는 방법은 예열된 금형에 주입하여 주조하는 정적인 방법과 연속주조에 의한 방법이 있다.
이렇게 하여 제조된 주괴는 압탕부나 상부의 수축공이 있는 부분을 절단하여 제거하고 적당한 크기로 절단하여 우선 1000℃ ~ 1100℃ 에서 10시간 이상 가열한 후 공냉함으로써 주괴내부에 편석부가 없도록 균질화처리를 한다.
그리고 1000℃ ~ 1200℃로 가열하여 열간에서 단조나 봉압연에 의해 ψ10 이하의 굵기인 봉재로 소성가공한다.
그리고 거칠어진 표면을 다듬질과 산세등으로 깨끗이 처리하고 이를 다시 냉간에서 신선하여 목표로 하는 굵기의 선재로 가공한다.
이 과정에서 가공경화가 심하게 발생하여 신선이 어려워지면 900℃ ~ 1000℃에서 30 ~ 60분간 유지 후 공냉하여 소둔(Annealing)처리함으로써 재질은 무르게한 후 다시 냉간으로 인발을 계속한다.
이상의 소둔처리하는 과정은 환원성 분위기나 진공등으로써 선재표면의 산화를 방지해야하며, 만일 산화가 심한 경우는 인발전에 반드시 산세로써 표면을 깨끗하게 해야한다.
그리고 최종단계에서는 사용에 편리하도록 재질을 무르게하고 표면을 깨끗하게 함이 좋으며, 이를 위해서 환원성 분위기 하에서 광휘소둔처리나 약간의 신선가공으로 마무리함이 좋다.
다음의 표 2는 실시예로서 75.5%니켈(Ni)-20%크롬(Cr)-1.5%(실리콘)Si-3%(알루미늄)Al 합금선재를 제조하기 위해 대기중에서 합금한 경우에 합금원소의 성분분석예이며, 목표범위를 만족하고 있다.
상기와 같은 본 발명의 합금은 니켈(Ni)-크롬(Cr)계 합금에 적당량 첨가된 실리콘(Si) 외에, 실리콘(Si)과 같이 합금 첨가시에 탈산제의 기능과 용융금속 중에는 유동성을 높이며, 합금에 따른 고용도가 크고, 일부는 니켈(Ni)이나 크롬(Cr)과 함께 상온과 고온에서 안정한 화합물을 생성시킬 수 있는 원소로서 알루미늄(Al)을 2~4wt.% 첨가하여 NixAl이나 CryAl과 같은 안정한 화합물들로 분포되어 고온 안정성이 좋고 상온에서의 전기비저항치가 130±5μΩ㎝급이라는 장점이 있다.

Claims (2)

  1. 고저항 전열선용 니켈(Ni)-크롬(Cr)계 합금에 있어서,
    15~25wt.%크롬과 2~4wt.%알루미늄과 1~2wt.%실리콘과 나머지는 니켈을 함유하여 조성되는 것을 특징으로 하는 고저항 전열선용 니켈(Ni)-크롬(Cr)-알루미늄(Al)-실리콘(Si) 합금.
  2. 고저항 전열선용 니켈(Ni)-크롬(Cr)계 합금의 제조방법에 있어서,
    우선 합금할 금속들을 15~25wt.%크롬과 2~4wt.%알루미늄과 1~2wt.%실리콘과 나머지는 니켈을 함유토록 평량하여 준비한 후, 먼저 니켈(Ni)과 크롬(Cr)을 용해하고 어느 정도 용융이 되면 후럭스(Flux)를 용탕표면에 투입하여 산화를 방지하고 용탕의 유량을 개선하며, 이들이 완전히 용해된 후에는 용탕의 표면을 덮고있는 슬래그(Slag)를 신속히 제거하고 실리콘(Si)을 1~2wt.% 첨가하며 이어서 상온과 고온에서 안정한 화합물인 NixAl이나 CryAl 등을 생성시킬 수 있도록 하기위한 원소인 알루미늄(Al)을 2~4wt.% 첨가한후, 이들의 용해반응이 완료되면 먼저와 같은 방법으로 신속히 후럭스(Flux)를 투입하여 용탕표면의 산화 방지와 용탕의 유동성을 개선시키고 합금반응이 완전히 종료되기를 기다린다. 그리고 용탕의 온도가 점차상승하여 목표로하는 주입온도인 1600℃ ~ 1650℃ 정도에 도달하면 주괴를 제조한다. 이때 주괴를 제조하는 방법은 예열된 금형에 주입하여 주조하는 정적인 방법과 연속주조에 의한 방법이 있다. 이렇게 하여 제조된 주괴는 압탕부나 상부의 수축공이 있는 부분을 절단하여 제거하고 적당한 크기로 절단하여 우선 1000℃ ~ 1100℃ 에서 10시간 이상 가열한후 공냉함으로써 주괴내부에 편석부가 없도록 균질화처리를 한다. 그리고 1000℃ ~ 1200℃로 가열하여 열간에서 단조나 봉압연에 의해 ψ10 이하의 굵기인 봉재로 소성가공한다. 그리고 거칠어진 표면을 다듬질과 산세등으로 깨끗이 처리하고 이를 다시 냉간에서 신선하여 목표로 하는 굵기의 선재로 가공한다. 이 과정에서 가공경화가 심하게 발생하여 신선이 어려워지면 900℃ ~ 1000℃에서 30 ~ 60분간 유지 후 공냉하여 소둔(Annealing)처리함으로써 재질을 무르게한 후 다시 냉간으로 인발을 계속한다. 이상의 소둔처리하는 과정은 환원성 분위기나 진공등으로써 선재표면의 산화를 방지해야하며, 만일 산화가 심한 경우는 인발전에 반드시 산세로써 표면을 깨끗하게 해야한다. 그리고 최종단계에서는 사용에 편리하도록 재질을 무르게하고 표면을 깨끗하게 함이 좋으며, 이를 위해서 환원성 분위기 하에서 광휘소둔처리나 약간의 신선가공으로 마무리하는 것을 특징으로 하는 고저항 전열선용 니켈(Ni)-크롬(Cr)-알루미늄(Al)-실리콘(Si) 합금의 제조방법.
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