KR20040010132A - 개선된 내산화성 몰리브덴 - Google Patents

Abstract

Fe, Ni, Co, Cu 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 전이원소를 첨가한 Mo-Si-B 합금이 개시된다.

Description

개선된 내산화성 몰리브덴 {IMPROVED OXIDATION RESISTANT MOLYBDENUM}

본 발명은 Mo-Si-B 합금, 특히 Fe, Ni, Co, Cu 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 전이원소의 첨가로 인해 개선된 내산화성을 갖는 Mo-Si-B 합금에 관한 것이다.

몰리브덴은 높은 온도에서의 구조적 사용에 좋게 하는 뛰어난 고온 강도를 갖는다. 그러나, 몰리브덴 및 몰리브덴계 합금의 사용은 열악한 고온 내산화성에 의해 자주 제한된다. 산화 환경에서, 몰리브덴이 형성하는 제1 산화물은 3산화 몰리브덴이다. 3산화 몰리브덴은 높은 증기압을 갖고 1100℉(593 ℃) 이상에서 상당한 속도로 승화하여, 합금으로부터 금속 손실이 촉진된다. 따라서, 일반적으로 몰리브덴 및 몰리브덴계 합금은 외부에 도포된 어떤 형태의 산화 보호 코팅이 없다면 높은 온도에서 비산화 환경에 사용이 제한된다.

미국 특허 제5,595,616호 및 제5,693,156호는 새로운 종류의 고온 내산화성 몰리브덴 합금, Mo-Si-B 합금을 개시한다. 이들 합금에서, 최초의 3산화 몰리브덴 표면층이 휘발된 후 잔류하는 규소 및 붕소는 산화되어 보호성 붕규산염계 산화물 스케일을 형성한다. 적절하게 처리되면, 이들 합금은 높은 온도[1500℉(816 ℃) 내지 2500℉(1371 ℃)]에서 양호한 내산화성도 유지하는 동시에 다른 몰리브덴계 합금과 유사한 기계적 성질을 나타낼 수 있다. 이러한 기계적 성질 및 내산화성의 조합은 이들 재료를 고온 구조적 사용에 매우 좋게 한다.

이들 Mo-Si-B 합금의 내산화성은 주로 합금 내의 규소 및 붕소 함량의 함수이다. 붕소의 존재 하에 규소 함량을 증가시키면, 합금의 내산화성은 개선되나 규소 화합물 체적 분율도 증가하게 된다. 규소 화합물 큰 체적 분율은 합금이 처리되는 것을 어렵게 할 뿐만 아니라, 다른 몰리브덴계 합금과 동일한 기계적 성질을 얻는 것을 더욱 어렵게 한다. '595호 특허는 다양한 원소들, 구체적으로 C, Hf, Ti, Zr, W, Re, Al, Cr, V, Nb 및 Ta의 4원(quaternary) 첨가물이 규소 화합물의 체적 분율을 증가시키지 않고 Mo-Si-B 합금의 내산화성을 개선시킬 수 있다는 것을 개시한다. 특정한 4원 첨가물을 갖는 합금은 동일한 규소 화합물 함량의 3원(ternary) Mo-Si-B 합금에 비해 2200℉(1204 ℃) 및 2500℉(1371 ℃)에서 향상된 내산화성을 나타낸다.

당연히, 넓은 온도 범위에 대해 Mo-Si-B 합금의 내산화성을 더욱 개선시키는 것이 매우 바람직하다.

따라서, 본 발명의 주 목적은 높은 온도, 즉, 2200℉를 초과하는 온도에서 뛰어난 내산화성을 나타내는 개선된 Mo-Si-B 합금을 제공하는 것이다.

도1은 1500℉ 온도에서 내산화성에 대한 본 발명의 전이원소의 소량 첨가의 영향을 도시하는 그래프.

도2는 2000℉ 온도에서 내산화성에 대한 본 발명의 전이원소의 소량 첨가의 영향을 도시하는 그래프.

도3은 2500℉ 온도에서 내산화성에 대한 본 발명의 전이원소의 소량 첨가의 영향을 도시하는 그래프.

상기 목적은 3원 Mo-Si-B 합금의 내산화성이 높은 온도에서 Fe, Ni, Co, Cu와 같은 특정 전이원소의 소량 첨가에 의해 개선되는 본 발명에 의해 달성된다. 이전의 합금 첨가물은 2500℉에서 수십 시간 동안 보호하는 산화물 스케일을 형성하였으나, 설명된 첨가물은 2500℉에서 수백 시간 동안(700 시간+) 보호하는 산화물 스케일을 형성한다. 이들 원소의 소량 첨가는 합금의 저온 및 중간 온도 내산화성에 어떤 상당한 영향없이 합금의 고온 내산화성을 개선시킨다.

본 발명과 관련된 Mo-Si-B 합금은 3원계에 대한 상평형 선도의 지점들에 의해 한정된 조성 지점들, 금속-1.0% Si-0.5% B, 금속-1.0% Si-4.0% B, 금속-4.5% Si-0.5% B 및 금속-4.5% Si-4.0% B에 따라 원소들을 조합함으로써 만들어지고, 금속은 50% 몰리브덴보다 크다. 몰리브덴 합금은 체심 입방(BCC) 몰리브덴 및 금속간 상을 포함하고, 합금의 조성은 3원계에 대한 상평형 선도의 지점들, 금속-1.0% Si-0.5% B, 금속-1.0% Si-4.0% B, 금속-4.5% Si-0.5% B 및 금속-4.5% Si-4.0% B에 의해 한정되며, 금속은 몰리브덴 또는 몰리브덴 합금이다. 적은 양의 규소 및 붕소는 적절한 내산화성을 제공하지 않고, 많은 양은 구조적 사용에 대해 너무 부서지기 쉬운 합금을 제공한다. 여기에 개시된 모든 백분율(%)은 다르게 명시되지 않는다면 중량％를 의미한다. 합금 및 합금 제조법은 미국 특허 제5,595,616호 및 제5,693,156호에 상세히 개시되고 이 특허들은 여기에 참조로 병합된다.

본 발명에 따르면, 상기 조성 범위에서, 몰리브덴 금속 성분은 동일한 양의 몰리브덴 대신 이하의 전이원소 첨가물 중 하나 이상을 포함한다.

[표]

본 발명에서, 3원 Mo-Si-B 합금의 내산화성은 전이원소의 소량 첨가에 의해 넓은 온도 범위에 걸쳐 개선된다. 이전의 합금 첨가물은 2500℉에서 수십 시간 동안 보호하는 산화물 스케일을 형성하였으나, 설명된 첨가물은 2500℉에서 수백 시간 동안(700 시간+) 보호하는 산화물 스케일을 형성한다. 이들 원소의 소량 첨가는 이러한 종류의 합금에서 저온 및 중간 온도 내산화성에 어떤 악영향 없이 고온 내산화성을 개선시킨다. 전술된 소량 첨가물의 유리한 효과는 이들 원소가 4원 첨가물인 합금으로 제한되지 않고, 높은 차수(5번째 및 6번째 원소) 첨가물과 결합된 이들 원소를 갖는 합금과 이들 첨가물의 조합을 포함하기도 한다.

본 발명의 합금의 개선된 내산화성은 이하의 예로부터 명백해질 것이다.

예

구성 요소의 75 내지 100 그램을 아크-용융하고 이들을 냉각식 구리 노 내에서 주조함으로써 연구용 재료를 준비하였다. 이들 주조 시편을 분말로 분쇄하고 열간 등압 성형기(hot iso-static press; HIP) 내에서 압밀하였다. 그 다음 압밀된 Mo-Si-B 재료를 구분하고, 노출 중에 주기적으로 측정하면서 지정된 온도에서 공기 노 내에 노출시켜 중량 손실 추세를 측정하였다. 또한, 시편의 두께를 노출 전의 조건에서 그리고 최종 노출 후에 기록하여, 두께 손실을 측정하였다. 소량의 전이원소 첨가의 유리한 효과는 설명된 기술에 의해 제조된 합금으로 제한되지 않는다. 개선된 내산화성은 다른 처리 방법으로부터 제조된 재료에서도 나타났다.

이들 유형의 합금이 나타내는 중량 손실 추세는 도1 내지 도3에 도시된다. 도면들로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 합금은 종래 기술의 합금과 비교할 때, 특히 장기간에 걸쳐 2000 ℉(1093 ℃)를 초과하는 높은 온도에서 상당히 개선된 내산화성을 제공한다.

본 발명은 그 기술 사상 또는 필수 특징으로부터 벗어나지 않고 다른 형태로 구현되거나 또는 다른 방식으로 수행될 수 있다. 따라서, 본 실시예는 모든 관점에서 제한적이 아니라 예시적인 것으로 간주되고, 본 발명의 범주는 특허청구범위에 의해 지시되며, 균등물의 의미 및 범위 내에 있는 모든 변경은 그 안에 포함되는 것으로 의도된다.

본 발명에 따르면, 3원 Mo-Si-B 합금의 내산화성은 전이원소를 소량 첨가함으로써 넓은 온도 범위에 걸쳐 개선된다. 본 발명의 첨가물은 2500℉에서 수백 시간 동안(700 시간+) 보호하는 산화물 스케일을 형성한다. Fe, Ni, Co, Cu 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 전이원소를 소량 첨가하는 것은 합금에서 저온 및 중간 온도 내산화성에 어떤 악영향 없이 고온 내산화성을 개선시킨다.

Claims (3)

1. 3원계에 대한 상평형 선도의 조성 지점들, 금속-1.0％ Si-0.5％ B, 금속-1.0％ Si-4.0％ B, 금속-4.5％ Si-0.5％ B, 및 금속-4.5％ Si-4.0％ B에 의해 표시된 영역에 의해 한정된 조성을 필수적으로 포함하는, 체심 입방 몰리브덴 및 금속간 상을 포함하는 몰리브덴 합금이며,

   백분율은 중량％이고, 상기 금속은 주 성분으로서 몰리브덴을 필수적으로 포함하며, Fe 0.01 내지 2.0 중량％, Ni 0.01 내지 2.0 중량％, Co 0.01 내지 2.0 중량％, Cu 0.01 내지 2.0 중량％로 구성된 그룹으로부터 선택된 소정량의 적어도 하나의 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 몰리브덴 합금.
2. 제1항에 있어서, Fe 0.05 내지 1.0 중량％, Ni 0.10 내지 1.0 중량％, Co 0.05 내지 1.0 중량％, Cu 0.01 내지 1.0 중량％로 구성된 그룹으로부터 선택된 소정량의 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 몰리브덴 합금.
3. 3원계에 대한 상평형 선도의 조성 지점들, 금속-1.0％ Si-0.5％ B, 금속-1.0％ Si-4.0％ B, 금속-4.5％ Si-0.5％ B, 및 금속-4.5％ Si-4.0％ B에 의해 표시된 영역에 의해 한정된 조성을 필수적으로 포함하는, 체심 입방 몰리브덴 및 금속간 상을 포함하는 몰리브덴 합금이며,

   백분율은 중량％이고, 상기 금속은 주 성분으로서 몰리브덴을 필수적으로 포함하며, Fe, Ni, Co, Cu 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 몰리브덴 합금.