KR20040061036A - 자기장 공정을 이용하여 합금 입자를 정련하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 강자성으로부터 상자성으로 상변태를 하는 합금의 입자 크기 정련 방법과 그 방법에 의해 제조된 합금에 관한 것이다. 강한 자기장을 정해진 시간동안 합금에 적용함에 따라, 상계면상의 온도가 이동되어 저온에서 상변태가 가능하게 된다.
Description
구조적 합금의 강도를 증대시키는 것은 하중을 지닌 구조적 부재 또는 가압 유체를 보유하는데 사용하는 용기에 대해 보다 얇은 내벽 구조를 허용하므로 매우 요망되고 있다. 보다 얇은 내벽 구조는 원료, 제조, 운송 및 건설면에서 원가 절감을 해주므로 상당한 경제적 이득을 이끌어낼 수 있다. 이외의 용도로서, 고강도의 구조적 물질은 깊은 수중에서의 탄화수소 시추와 제조에 필요한 구조적 강철 부품과 같은 기술을 제공한다. 그러나, 더 높은 강도의 구조적 물질 또는 합금의 강도 퍼텐셜이 공학설계에 완전히 이용될 수 있기 이전에, 그 물질이 취성 파괴를 견디기에 충분한 인성을 지니고 있는 것이 중요하다. 구조적 합금의 경우에 합금의 입자 크기를 줄이는 것이 강도와 인성 모두를 동시에 향상시킬 수 있다는 것은 당해 분야의 숙련자에게 알려져 있다.
구조적 합금의 입자 크기를 정련하는 많은 접근법이 과거에 채택되어 왔다. 이들 접근법은 모두 열 또는 열역학적 수단을 통해 상의 안정성을 변화시키고/시키거나 현존하는 상을 불안정한 상태로 만드는 것에 의한 제어된 핵형성 및 새로운 입자의 성장에 기초를 두고 있다.
예를 들어, 통상적으로 사용되는 하나의 접근법에서는 온도 또는 물질화학을 변화시켜 물질을 그의 현존하는 상계면을 가로질러 하나의 상영역에서 또 다른 상영역으로 이동시키는 것이다. 각각의 상영역에는 하나 이상의 안정된 상이 있을 수 있다. 그러나, 이들 방법에서는 상계면 및 상자유에너지의 근본적인 변화는 일어나지 않는다.
예를 들어, 한 접근법에서는 상계면을 가로질러 합금을 열순환시켜 상변태를 유도함으로써 합금의 입자 크기를 정련한다. 이러한 열순환 처리는 극저온 용도에 사용되는 몇몇 Fe-Mn 및 Fe-Ni 강철의 입자 정련에 효과적으로 사용되어 왔다. 예를 들어, 미국 특허 제4,257,808호는 극저온 용도에 사용될 소량의 Mn 합금 강철에서 초정밀 입자 조직을 생성하기 위한 열순환 처리 방법을 기술하고 있다. 열순환 처리의 기술적 및 과학적 근거는 또한 진(S. Jin) 등의 문헌[Grain Refinement Through Thermal Cycling in an Fe-Ni-Ti Cryogenic Alloy, Metallurgical Transactions A, vol. 6A, 1975, pp. 141-149]에 기술되어 있다. 이런한 열순환 방법은 현존하는 상계면을 이용한다. 상계면은 변경되지 않을 뿐더러 상자유에너지도 변화되지 않는다.
미국 특허 제5,413,649호는 복합 물질의 성분 중 하나의 상이한 상영역들 사이의 온도를 순환시키는 것을 제안하고 있다. 이는 상기 성분에서 상변태를 유도하여 입자의 정련 및 초가소성(superplasticity)을 제공한다. 이 방법은 현존하는 상계면을 이용한다. 상계면은 변경되지 않을 뿐더러 상자유에너지도 변화되지 않는다.
고강도 저합금 강철에 폭넓게 사용하는 또 다른 접근법에 있어서, 오스테나이트(austenite) 입자는 초기의 거친 오스테나이트 입자를 점진적으로 정련하기 위해 동적 또는 정적의 재결정화를 유도하기에 충분한 고온에서 열간 압연과 같은 다단계 제어 고온가공 공정을 통해 정련된다. 이 방법은 열 및 역학적 변형의 동시적용을 수반하므로, 열역학적 처리(TMT) 또는 공정으로도 알려져 있다. 대부분의 TMT 공정에 있어서, Nb 또는 Nb와 Ti의 혼합물과 같은 입자 성장억제 합금 첨가물에 의한 마이크로합금화(microalloying)는 재결정화와 그후에 잇따른 재결정화된 입자의 성장을 추가로 억제하기 위해 사용된다. 수많은 특허 및 공개문헌이 본 기술분야에서 우수한 구조적 성질을 갖는 상업적으로 가치가 있는 합금을 디자인하기위해 상기 기술의 과학적 실시를 언급하고 있다. 예를 들어, 코자즈(I. Kozasu)의 기술문헌[Processing-Thermomechanical Controlled Processing, pp. 183-217 in Materials Science and Technology series edited by R.W. Cahn et al. in volume 7 Constitution and Properties of Steels edited by F.B. Pickering and published in 1992 by VCH, New York]에는 열역학적 처리(TMT)와 관련된 메커니즘과 공정이 기술되어 있다. 우수한 극저온 인성을 갖는 초고강도 오우세이지드 강철[Ultra-High Strength Ausaged Steels with Excellent Cryogenic Temperature Toughness]이란 제목의 미국 특허 제6,254,698호에는 초정밀 오스테나이트 입자를 제조하기 위한 구체적인 열역학적 처리(TMT)의 사용 방법이 기술되어 있다.
입자 크기를 정련하기 위한 다른 접근법도 존재한다. 이 방법은 심하게 변형된 입자를 재결정화하기 위해 냉간 가공 후 고온에서 어닐링함을 포함한다. 이 경우는 상변태를 수반하지 않는다. 즉, 동일한 결정구조를 가진 새로운 입자들이 핵형성과 성장을 하여, 냉간 가공에서 심하게 변형된 불안정한 입자들을 대체한다. 이는 열활성화 방법이므로, 더 높은 온도일수록 새로운 입자들의 형성이 가속화된다. 예를 들어, 미국 특허 제5,534,085호는 합금을 저온에서 단조한 후 고온(재결정화가 일어나서, 저장된 변형 에너지를 방출하는 고온)으로 가열하여 미세하고 균일한 미세구조를 달성하는 것을 제안하고 있다. 이 방법은 상변태를 수반하지 않는다.
미국 특허 제5,080,727호는 소성 변형된 물질을 저온 상을 불안정화시키는 고온으로 가열하는 것을 제안하고 있다. 이는 상변태에 의해 유도되는 재결정화로인해 미세한 미세구조를 초래한다(아마 저장된 변형에너지에 의해 유도되는 증가된 반응속도로). 이 방법은 현존하는 상계면을 이용한다. 상계면은 변경되지 않을 뿐더러 상자유에너지도 변화되지 않는다.
미국 특허 제6,042,661호는 초기의 상영역으로부터 다른 상영역으로 이동시키기 위해 물질화학을 변화시켜, 초가소성을 초래하는 상변태를 유도하는 것을 제안하고 있다. 이 방법도 또한 현존하는 상계면을 이용한다. 상계면은 변경되지 않을 뿐더러 상자유에너지도 변화되지 않는다.
미국 특허 제3,723,194호는 물질을 그의 초기의 α 상태에서 α+γ의 이중 상영역 내의 온도로 급속히 가열하여, 초가소성을 제공하는 불안정성을 유도하는 것을 제안하고 있다. 이 방법은 현존하는 상계면을 이용한다. 상계면은 변경되지 않을 뿐더러 상자유에너지도 변화되지 않는다.
미국 특허 제5,087,301호는 특정한 용질로 과포화된 고체를 형성하기 위해 용융된 합금을 급속히 냉각시키는 것을 제안하고 있다. 이어서, 이 합금은 용질이 금속간 입자의 형태로 침전되는 더 높은 온도로 가열된다(아마 용질 원자에 충분한 확산도를 제공하기 위해). 이 방법은 상변태를 수반하지 않는다.
미국 특허 제4,466,842호는 γ로부터 α+γ의 이중 상영역으로 냉각할 때 강철을 열간 압연하는 것을 제안하고 있다. 이 방법은 동시에 수행되는 두 공정(이는 γ로부터 α로의 상변태, 및 변형에 의해 유도되는 γ 재결정화를 포함함) 때문에 미세한 입자 크기를 초래한다. 이 방법은 현존하는 상계면을 이용한다. 상계면은 변경되지 않을 뿐더러 상자유에너지도 변화되지 않는다.
현재의 입자 정련 방법들의 한계는 효과적이고 균일한 입자 정련을 위해 필요한 상반되는 요건, 즉 새로운 입자들의 빠른 핵형성 속도와 무 입자 성장에 관한 것이다. 빠른 핵형성 속도는 높은 열역학적 구동력에 의해 촉진된다. 이는 큰 온도 변화(△T)를 요구한다. 입자 성장을 피하기 위해 온도 변화는 순간적이어야 한다. 그러나, 상업적 용도를 대표하는 큰 부품들에 대해 이러한 요건을 실제로 만족시키기는 매우 어렵다. 이 부품들의 경우, 현재 기술수준의 상업적 가열이나 냉각 공정을 사용하여도 온도 변화는 점진적일 뿐이다. 점진적인 온도 변화는 이러한 온도 변화의 초기 단계에서 새로운 상을 가진 약간의 새로운 입자들의 핵형성을 초래한다. 온도 변화가 계속될 경우, 합금 또는 물질은 주로 현존하는 핵이 상당히 거친 크기로 성장(이는 추가의 핵형성보다 유리하다)하여 더 많이 새로운 상으로 전환된다. 그러므로, 온도 변화로 인해 초래되는 모든 구동력을 완전히 이용하여 핵형성을 촉진하고 핵성장을 억제하기 위해 상기 물질의 급속한 가열 또는 냉각이 요구된다. 그러나, 실제의 실시에서는 한정된 가열 및 냉각 속도의 제한으로 인해, 현재 기술수준의 기법에 의해 달성할 수 있는 가장 작은 입자 크기는 등축 입자의 경우 약 10㎛로 제한된다. 입자를 10㎛ 미만, 더 바람직하게는 약 5㎛ 미만, 훨씬 더 바람직하게는 약 1㎛ 미만으로 추가로 정련하는 것은 기술적으로 상당히 관심을 끌고 있다. 10㎛ 미만의 입자 크기로 정련하기 위해서는 앞서 언급한 현재 기법의 한계가 없는 새로운 물질 가공 방법론이 필요하다.
발명의 요약
본 발명은 강자성과 상자성 사이의 가역적인 상전환을 유도하기 위해 합금에 자기장을 적용하여 합금의 입자 크기를 정련하는 방법을 포함한다. 다른 자기상들도 고려할 수 있지만 그다지 바람직하지는 않다. 이러한 상변태는 온도 변화를 수반하거나 하지 않으면서 자기장 적용을 변화시킴으로써 유도할 수 있다. 본 발명은 근본적으로 강자성 상(들)의 자유에너지를 낮추고 열역학적 안정성을 향상시켜 상계면의 이동을 초래하는 자기장의 효과에 기초를 두고 있다. 본 발명에서는 2가지 상(예를 들며, 강자성 상과 상자성 상)이 상이한 화학 및/또는 바람직하게는 상이한 결정 구조를 갖고 있으며, 하나의 상으로부터 다른 상으로의 전환이 화학물질(예를 들면, 침전물) 및/또는 결정구조의 변화를 요구한다. 목적하는 등축의 입자 크기를 얻기 위해 자기장의 유무 또는 강약을 조절하여 한 주기 이상을 적용한다. 주기의 수는 바람직하게는 100회 미만, 더 바람직하게는 10회 미만, 훨씬 더 바람직하게는 5회 미만이다. 주기 사이의 시간은 바람직하게는 자기장을 적용하는 시간과 대략 동일하지만 10배 이하로 더 짧거나 길 수 있다. 자기장의 증가 또는 감소 동안의 램핑(ramping) 시간은 최소화되는 것이 바람직하다. 최고 자기장의 5%↔95%에 대한 램프 업 및 램프 다운 시간은 바람직하게는 10초 미만, 더 바람직하게는 5초 미만, 훨씬 더 바람직하게는 1초 미만이다. 자기장은 단계적으로 증가 및/또는 감소될 수 있거나(바람직하게는 1 단계로) 램프 업 및/또는 다운될 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 자기장은 1 단계 또는 여러 단계로 증가 및/또는 감소될 수 있다. 상계면의 온도는 위로 이동되거나(자기장을 증가시킴에 따라) 복귀되어(자기장을 감소시킴에 따라) 상이한 상들의 평형비를 변화시킨다. 비율은 체적비에 의해 측정될 수 있는데, 예를 들어 단일 상은 100%:0%의 비를 갖는다. 그러므로, 본 발명은 강자성에서 상자성으로 전환되는 합금의 등축 입자 크기를 정련하는 방법에 관한 것으로, (a) 합금을 원래의 초기 상의 비(A 상태)로부터 새로운 상의 비(B 상태)로 전환시키기에 충분한 시간동안 충분한 강도의 자기장을 합금에 적용하는 단계, (b) 자기장을 감소시켜 합금을 또 다른 상의 비(C 상태)로 전환시키는 단계(이 때, C 상태는 A 상태와 동일하거나 상이할 수 있다), 및 선택적으로 (a) 단계와 (b) 단계를 반복하는 단계를 포함하는 정련 방법에 관한 것이다. (b) 단계에서의 자기장 감소는 자기장을 0으로 감소시키는 것 뿐만 아니라 (a) 단계에서의 강도와는 다른 강도로 자기장을 변화시키는 것을 포함할 수 있다.
본 발명은 자기 공정을 위해 선택된 고온에서 10㎛ 미만, 바람직하게는 약 5㎛ 미만, 훨씬 더 바람직하게는 약 1㎛ 미만의 미세한 등축의 입자 크기를 갖는 금속 또는 합금을 제조한다. 바람직한 실시양태에서, 자기 공정 후 합금은 입자의 성장을 최소화하기 위해 약 500 내지 550℃ 미만으로 냉각된다(예를 들면, 상온의 공기 냉각，유체 매질 내의 빠른 담금질，매질 내의 가속 냉각). 또 다른 실시양태에서는，상기 미세한 등축 입자 금속 또는 합금은 통상적인 방법에 의해 후속 가공하여 입자 크기를 추가로 감소시킬 수 있다. 상기 통상적인 가공으로는 고온 가공(예를 들면, 열역학적 제어 가공(TMCP), 열간 압연, 고온 굽힘, 열간 단조 등) 및 고온으로부터 상온으로 또는 고온과 상온 사이의 어떤 온도로 냉각하는 것을 포함한다. 입자 크기와 형상 이외에, 본 발명에 의해 제조된 물질은 개선된 입자 분포 및 표면을 가질 수 있다.
또한, 본 발명은 강자성으로부터 상자성으로 상전환하는 금속 또는 합금에 광범위하게 적용된다. 본 발명은 바람직하게는 Fe, Ni 및 Co의 개개의 또는 조합된 합금(예를 들면, Fe-Ni-Co 합금)으로, 탄소를 함유하거나 함유하지 않는 합금에 적합하다. 통상적인 공학적 실시에 따르면 불순물이나 소량의 합금물은 허용될 수 있다. 본 발명을 한정하지 않고 상기 불순물 또는 소량의 합금물로는 S, P, Si, O, N, Al 등을 들 수 있다. 특히, 본 발명은 고강도 저합금(HSLA) 강철을 비롯한 탄소 및 저합금 강철에 적합하다. 본 발명의 목적을 위해, HSLA 강철은 약 8% 미만의 총 합금 함량을 갖는, Fe를 기재로 한 강철이다.
본 발명은 구조적 합금을 원료로 하여 정련된 입자 조직을 제조하는 것에 관한 것이다. 정련된 입자 조직은 강도나 인성과 같은 기계적 성질의 탈조 조합(step-out combination)으로 우수한 구조적 합금을 디자인하는데 유용하다. 본 발명은 고강도의 자기장을 적용하여 합금의 상계면을 이동시켜 상변태(phase transformation)를 유도함을 포함한다. 본 방법은 이러한 자기장의 강약이나 유무를 교대로 적용시키고 이에 따른 정방향과 역방향의 급속한 상변태를 통해 초기의 거친 합금 입자 조직을 미세한 등축 입자로 점진적으로 정련함을 포함한다. 등축성 또는 등축화된 입자 또는 결정들은 3개의 배위방향으로 거의 동일한 치수를 갖는다.
도 1은 Fe-C의 상평형도, 및 고온에서 오스테나이트 또는 γ상의 입자 조직을 정련하기 위한 종래기술의 접근법을 묘사한 개략도를 보여준다.
도 2 및 3은 한 예로서 Fe-C 합금(탄소 강철)을 이용한 본 발명을 보여준다.
도 4는 일정한 764℃의 온도에서 AISI 1018 탄소 강철을 사용한 본 발명에 따른 예의 실험 결과를 보여준다. 자기장의 적용 및 제거가, 강철을 자기장에 노출시키는 시간에 대해 도식화되어 있다. 자기장은 최고 19테슬러(T)까지 단계적으로 램핑된다. 원으로 나타낸 데이터는 기준점으로서 자기장 없이 764℃에서 강철 막대의 치수를 이용하여 실험에 의해 측정한 선형의 % 팽창 데이터이다.
도 5는 Fe-C 상평형도, 및 본 발명을 실시하여 입자 정련 효과를 최대화하기에 바람직한 합금 조성 범위의 예를 보여준다.
본 발명을 탄소 및 저합금 강철에 적용한 본 발명의 실시양태를 하기에서 기술하지만, 당해 분야의 숙련자에게는 본 발명이 자기상 전환, 바람직하게는 강자성 상↔상자성 상 전환을 나타내는 임의의 합금에 광범위하게 적용될 수 있음이 명백할 것이다. 본원에 기술된 발명에 의해 제조된 정련된 등축의 입자 크기를 갖는 본 발명의 합금은 압력 용기와 같은 구조 부품 및 가공 설비를 제작하는데 사용될 수 있다. 이들 구조물 및 설비는 예를 들면 석유 및 가스 탐사, 석유 및 가스 제조, 정련 가공 및 화학 가공에 사용된다. 본원에서 제조된 정련된 입자의 합금은 구조 부품을 제작할 수 있는, 강도 및 인성 면에서 더 나은 물질을 제공한다. 유리하게도, 고온에서 10㎛ 미만의 등축 입자 크기를 갖는 합금을 제조할 수 있다. 상기 합금은 고온 가공(예를 들면, TMC, 및 압연, 굽힘, 단조 등과 같은 다른 고온 변형) 및 상온 또는 그 사이의 다른 온도로 냉각시킴을 포함하는 통상적인 방법에 의해 추가로 가공될 수 있다.
종래기술의 접근법에서, 예를 들어 탄소 강철의 현존하는 상계면을 가로질러단일 상 γ와 2상 페라이트 (α)+γ 영역 사이의 상의 비를 변화시키기 위한 반복된 열순환은 특정한 어떤 α대 γ상의 비를 생성하고 하나의 열 주기에서 100% γ상을 형성하도록 복귀된다. 이러한 정방향 및 역방향의 상변태는 불안정한 상을소멸시키는 안정된 상의 성장 및 핵형성에 의해 일어난다. 이러한 반복된 과정은 도 1의 개략도에 도시된 입자 정련을 야기한다. 핵형성 단계가 있을 때마다 전형적으로는 하나보다 많은 핵이 형성되어, 이전에 존재하는 입자들을 더 작은 단위 또는 입자로 분해시킨다. 상계면 영역을 통한 반복된 열순환은 원래의 거친 입자 조직을 도 1의 개략도에 도시된 바와 같이 미세한 입자로 분해시킨다. 현재 수준의 기술은 약 10㎛(가공 온도에서)까지의 등축 입자 크기 정련으로 한정되어 있는데, 이는 기존의 상업적인 열처리 시설에서 열주기를 수행할 수 있는 속도가 제한되어 있기 때문이다. 이는 가열 및 냉각 주기에 필요한 시간과 그 시간동안 새로운 핵형성보다는 현존 입자가 잇따라 성장함에 의해 주로 제한된다.
본 발명에서는, 2개의 상이한 상영역 사이의 상전환이 바람직하게는 퀴리 온도(TC)보다 약 100℃ 더 높지 않은 온도에서 달성된다. 외부 자기장의 부재하에서 강자성 물질은 퀴리 온도보다 높으면 상자성이 된다. 상평형도에 도시된 강철의 α+γ 상영역에서, 구성적 상의 체적분율 또는 상의 비를 다르게 하면서 동일한 상영역 내에서 이동시키는 것도 가능하다. 자기장을 적용하는 동안 온도는 지적된 범위 내에서 고정되거나 변화될 수 있다. 그러므로, 자기장을 적용하는 동안의 온도는 A1으로부터 TC+100℃까지의 임의의 온도로 고정되거나 이 범위 내에서 변화될 수 있다. 강철의 A1은 α+γ 상영역과 α 또는 α+Fe3C 상영역 사이의 계면상의 온도이다. 강철의 A3는 α+γ 상영역과 γ상영역 사이의 계면상의 온도이다. 더 바람직하게는, 자기장 적용을 위한 최고 온도는 TC+50℃ 이하이다. 합금에 적용되는 자기장의 강도는 2T(합금에 좌우됨)보다 크고, 바람직하게는 5T보다 크며, 더 바람직하게는 10T보다 크고, 훨씬 더 바람직하게는 20T보다 크고, 가장 바람직하게는 50T보다 크다. 자기장은 강자성 상들의 깁스 자유에너지에 영향을 미쳐 합금의 상계면을 이동시키는 것으로 여겨진다. 상계면 이동의 결과로서, 안정화된 상의 새로운 결정화 핵이 형성됨으로써 현존 입자를 더 작은 등축 입자로 분해시켜 입자 크기의 정련을 초래한다. 강철의 경우, α는 체심 입방(BCC)의 결정구조(또는 BCC의 약간 일그러진 구조)를 가지며 퀴리 온도 밑에서는 강자성이지만 퀴리 온도 위에서는 상자성인 상이다. 탄소 강철의 전형적인 퀴리 온도는 약 770℃이다. 또한 강철의 경우, γ는 면심 입방(FCC)의 결정구조를 가지며 상자성인 또 다른 상이다. 이들 두 상은 상이한 밀도를 갖고 있다.
본 발명은 자기장에 의해 유도되는 핵형성 및 새로운 입자의 성장에 기초를 두고 있고, 도 2 및 3에 도시된 Fe-C 강철의 개략적인 상평형도를 참고하면 더 쉽게 이해될 것이다. 본 발명에서, 자기장이 적용되는 합금은 초기의 상계면 영역이 A1내지 TC+100℃ 내에 있는 한, 초기에는 임의의 상계면 영역에 있을 수 있다. 본 발명에서는, 자기장에 의해 유도되는 상계면 이동이 유리한 상변태를 이루어 초기의 거친 입자 조직을 미세한 결정/입자로 분해시키는 것을 최대화한다. 본 발명의 한 실시양태는 고정된 온도에서 자기장을 적용하거나 변화시키는 것을 수반한다. 본 발명의 또 다른 실시양태에서는 고정되거나 변화하는 자기장을 적용하는 동안온도를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 함금 강철이 냉각되는 동안 자기장이 적용될 수 있다.
도 2 및 3은 본 발명의 적용예이다. 본원에 교시된 상계면 이동은 수평의 A1실선과 TC+100℃ 사이의 온도 범위에서 달성될 수 있다(TC는 퀴리 온도이다). 더 바람직하게는 이러한 이동는, 도 2에 도시된 바와 같이 각각 A1위에 있고 도 3에 도시된 바와 같이 경사진 A3실선에 가까운 두 온도 영역에서 달성될 수 있다. A1에 근접한 보다 낮은 온도 영역에서는, 자기장의 부재하에 A1위의 온도로부터 A1을 거쳐 냉각할 경우 강철이 α+γ의 2상 영역으로부터 α+Fe3C 상으로 전환된다. A3에 근접한 보다 높은 온도 영역에서는, 자기장의 부재하에 A3위의 온도로부터 A3를 거쳐 냉각할 경우 강철이 단일 상 γ로부터 2상 α+γ로 전환된다. 상응하는 역의 상변태는 각각 A1및 A3온도로 가열하는 동안 일어난다. 냉각이 경제적으로 바람직한 공정이지만, 유사한 가열 과정을 통해 역 방향의 상전환을 유도할 수도 있다. 도 2 및 3에서, 점선은 본 발명에 따라 자기장을 적용하였을 때의 A1및 A3온도의 이동된 위치를 보여준다. 도 2a에서 0.4중량%의 탄소와 대략 740℃에서의 실선의 원은 임의의 자기장을 적용하기 전의 초기 강철 상태를 보여준다. 자기장을 적용하면, A1상계면은 수평의 실선으로부터 수평의 점선으로 상향 이동된다. 자기장 적용의 결과로서, 일정한 온도에 유지되었던 강철은 α+γ 영역 대신에α+Fe3C 영역에 있게 된다. 자기장의 적용을 중지함으로써, 강철은 α+γ 영역으로 다시 되돌아온다. 이 공정은 필요한 만큼 여러번 반복될 수 있다. 도 2b는 초기에 A1온도에 근접한 온도(실선의 원으로 나타낸 온도)에서 Fe-C 강철에 자기장의 적용 및 비적용을 반복하였을 때 초기의 입자 크기가 정련되는 것을 개략적으로 나타낸다. 도 3a에서, 0.4중량%의 탄소와 대략 830℃에서의 실선의 원은 임의의 자기장이 적용되기 전의 초기 강철 상태를 보여준다. 자기장을 적용하면 A3상계면은 경사진 실선으로부터 곡선의 점선으로 상향 이동된다. 자기장 적용의 결과로서, 일정한 온도에 유지되었던 강철은 γ 영역 대신에 α+γ 영역에 있게 된다. 자기장의 적용을 중지함으로써, 강철은 γ 영역으로 다시 되돌아온다. 이 공정은 필요한 만큼 여러번 반복될 수 있다. 도 3b의 개략도는 초기에 A3온도에 근접한 온도(실선의 원으로 나타낸 온도)에서 Fe-C 강철에 자기장의 적용 및 비적용을 반복하였을 때 초기 입자 크기가 정련되는 것을 개략적으로 나타낸다.
본 출원인들은 자기장을 적용하여 2개의 상이한 상의 비 사이에서 이동시키면 입자 크기의 정련이 가능하다고 믿고 있다. 그러므로, 예를 들어 적용될 합금은 100% γ상일 수 있으며, 자기장 적용의 결과로서 특정한 α:γ상의 비로 이동된 후, 적용되는 자기장의 강도를 약하게 하거나 적용을 멈추면 다시 처음의 상태로 돌아온다(예를 들면, 도 3 참조). 마찬가지로 합금은 α+γ상에서 시작하여 자기장 적용의 결과로서 주로 α상으로(약간의 Fe3C와 함께) 이동된 후, 다시 본래대로돌아올 수 있다(예를 들면, 도 2 참조). 정말 필요한 것은 상이한 α와 γ상의 비(예를 들면, 체적 분율)를 갖는, 상평형도에 도시된 2개의 지점 사이에서 합금이 순환되어야 한다는 것이다. 상기 이동은 인접한 상계면들 사이에서는 필요하지 않고, 또한 다음의 2가지 기법 중 하나 또는 둘다에 의해 달성될 수 있다. 첫째로, 적합한 합금화학을 이용하여(예를 들어, 탄소와 같은 합금물을 첨가하여), A1과 A3사이의 온도 격차가 좁혀질 수 있다. 예를 들어, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 0.7중량%의 탄소를 사용하면 단지 20℃의 격차가 생긴다. 둘째로, 매우 강한 자기장을 이용하면 잠재적으로 두 상계면을 가로지르는 이동이 가능할 수 있다. 예를 들어, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 강철의 주된 상이 γ로부터 α+Fe3C로 이동된 후 γ 또는 α+γ로 되돌아갈 수 있다. 그러나 강철 합금은 자기장을 적용하기 전 초기에는 α+γ 또는 γ 상영역에 있어야 한다. 바람직하게는, 보다 고온에서 보다 빠른 상변태 반응속도를 이용하기 위해 자기장 적용 전에 합금이 γ 상영역에 있을 것이다.
강철에서 γ상을 대신하여 α상이 형성될 경우, 강철은 치수 변화(본 예에서는, γ상의 체심 입방(FCC) 결정구조의 원자 패킹 밀도가 더 높음에 비해 α상의 체심 입방(BCC) 구조의 원자 패킹 밀도가 더 낮음으로 인한 팽창)를 거친다. 그러므로, 치수 변화를 모니터하여 다른 상(들) 대신에 성장하고 있는 상(들)을 알 수 있다. 도 4는 자기장을 단계적으로 적용하여 764℃의 일정한 온도에서 최대 19T의 자기장 강도까지 램프 업할 경우의, 약 0.18중량%의 탄소 함량을 갖는 AISI 1018탄소 강철의 치수변화 측정값에 관한 실험 테이터를 제공한다. 이 온도에서 강철이 평형을 이루게 되면 자기장의 부재하에 강철은 α+γ의 2상 영역에 있게 된다. 자기장이 적용되면 강철 시험편이 팽창하게 됨을 알 수 있는데, 이는 γ상 대신에 α상이 성장됨을 나타낸다. α상의 양은 연구한 최대 자기장까지 계속 증가한다. 자기장의 적용을 멈추면 상변화를 역으로 할 수 있다. 이 실험은 상의 안정성이 일정한 온도에서 자기장의 적용 또는 비적용에 의해 영향을 받을 수 있음을 확인해준다. 자기장의 존재하에서는 강자성 상 α의 열역학적 안정성이 증가하여 상자성 γ상을 소모시키면서 α상의 핵형성 및 성장이 유도된다. 자기장의 적용 및 비적용은 자기장이 적용된 후 적용이 중지되거나 순환될 때마다 점진적으로 입자를 정련하기 위해 여러번 반복될 수 있다.
최대의 입자 정련 효율을 제공하기 위해, 자기장 적용의 각 주기에 15체적% 이상, 더 바람직하게는 30체적%, 훨씬 더 바람직하게는 50체적%의 강철이 변태되는 것이 바람직하다. 입자 정련을 최대화하기 위해, 자기 순환(적용-비적용, 또는 자기장 강도의 변화)이 적용될 수 있다.
본 발명의 특정한 양태는 적합한 합금화학 디자인과 특정한 자기장 강도를 결합시키는 것이다. 이는 Fe-C의 상평형도인 도 5에 예시되어 있다. 한 예로서, 0.4중량%의 탄소(C)를 함유한 강철화학을 사용하면, 온도가 약 A1(~730℃)일 때, 자기장의 적용으로 달성되는 20℃의 이동은 상 체적분포에서 50%보다 큰 변화를 초래한다. 이 예에서, 강철은 자기장의 부재하에서는 초기에 대략 750℃에서 두 상,즉 α+γ상영역에 있다. 상계면의 20℃ 상향 이동을 야기하기에 충분한 강도의 자기장이 적용될 경우, 약 55체적%의 γ상이 α상으로 대체된다(가능하다면 약간의 Fe3C와 함께). 이에 반해, 더 낮은 탄소 함량(예를 들어, 0.2중량%의 C)을 갖는 강철화학을 사용할 경우에는, 동일한 자기장에 의해 유도된 20℃의 계면 변위가 단지 28체적%의 γ상만이 α상으로 대체되게 된다. 그러므로, 입자 정련 효율은 0.2중량% C의 강철보다 0.4중량% C의 강철에서 훨씬 더 효과적이다. 주어진 자기장의 강도에 따른 상변화량은 자기화와 관련이 있기 때문에 합금화학의 함수이다. 당해 분야에 공지된 일반적인 강철화학에 대해 고려할 점 중, 본 발명에서는 자기장을 적용하거나 적용하지 않을 때 생기는 주어진 상계면 변위에 대한 상변화량을 최대화하도록 합금화학을 선택하는 것이 바람직하다.
자기장 주기를 적용하는 최소 시간은 충분한 양의 금속이 얼마나 긴 시간이 걸려 다른 상으로 변태되는지에 의존한다. 최대 시간은 경제적 요건이나 원하지 않는 입자 성장의 최소화에 의해 제한된다. 이상적으로, 자기장은 열역학적 평형마다 목적하는 모든 상변태를 완성시키기에 충분하면서도, 그러나 새로 형성된 입자들이 성장을 시작하기 전의 시간동안 적용된다. 실제로, 이러한 두 변태 완성과 입자 성장의 필요조건들은 서로 절충 관계이다.
예를 들면, 0.43C-1.6Mn의 화학을 갖는 망간 강철은 A3(~750℃)에서 100체적%의 γ상을 갖는다(A 상태). 50T의 자기장은 열역학적 평형에서 25체적% γ 대 75체적% α상의 비(B 상태)를 초래하는 A3상계면의 대략 50℃ 상향 이동을유도하는 것으로 추정된다. 열역학적 평형에 도달하기에는 긴 시간이 걸린다. A 상태에서 B 상태로 약 5% 전환시키기 위해서는 대략 5초가 걸린다. A 상태에서 B 상태로 약 50% 전환시키기 위해서는 대략 40초가 걸린다. 이 단계에서 약 40초까지는 핵형성이 주를 이룬다. A 상태에서 B 상태로 약 80% 전환시키기 위해서는 대략 2000초가 걸린다. 이 후기의 단계에서는 새로 형성된 입자의 성장이 주를 이룬다. 이러한 50T 자기장을 적용하기에 바람직한(즉, A 상태에서 B 상태로 약 50% 전환시키기에 바람직한) 시간은 약 40초 이상 약 150초 미만이다(지나친 성장을 피하기 위해).
바람직한 적용 시간은 합금화학, 합금 온도, 및 상계면의 이동량(자기장의 강도와 관련됨)에 의존한다. 일반적으로, 변태를 최대화하기에 충분한 시간이면서도 과다한 입자 성장을 최소화할 수 있는 시간동안 자기장을 적용하는 것이 바람직하다. 상기 변수들에 의존하지만 자기장을 적용하는 바람직한 적용 시간은 약 0.1 내지 약 3000초이고, 더 바람직하게는 약 0.1 내지 약 1000초, 훨씬 더 바람직하게는 약 1 내지 약 100초이다. 한 실시양태에서는, 이러한 자기장을 적용 시간과 비적용 시간을 대략 동일하게 하여 순환시킨다. 또 다른 실시양태에서는, 비적용 시간이 적용 시간과 상이하다. 본원에 열거된 실례는 예시하기 위한 것이지 배타적이거나 제한하는 의미가 있지 않다.
본 발명에 따라 정련될 수 있는 대표적인 합금은 철, 니켈, 코발트의 개개의 또는 조합된 합금을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 바람직한 실시양태 중 하나에서, 합금은 92중량% 이상의 철, 니켈, 코발트 또는 이들의 조합물을 함유한다. 이들 합금에는 8중량% 이하의 다른 성분이 존재한다. 가장 바람직하게는, 철 합금이 기술적으로 가장 중요한 합금 시스템이기 때문에 철 합금이 이용될 것이다. 바람직한 물질의 몇몇 예로는 고강도 저합금 강철, 예를 들면 API X80, ASTM A516 60 또는 70등급 및 AISI 1010, 1018, 1020, 1040, 4120, 4130 또는 4140등급을 들 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 그러나, 당해 분야의 숙련자에게 자명한 바와 같이, 본 발명은 강자성 강철, 합금 강철, 고강도 저합금 강철, 니켈 합금 및 코발트 합금에만 한정되지 않는다. 본 발명은 강자성에서 상자성으로의 전환과 같은 자기 전환을 하는 합금에 광범위하게 적용될 수 있다.
상계면상의 온도와 퀴리 온도는 합금화학에 따라 수정될 수 있다. 위에서 제시한 바와 같이, 합금화학은 상계면 이동을 최소화하면서 상의 비 변화를 최대화하도록 디자인하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 니켈 또는 코발트를 강철에 첨가하면 퀴리 온도를 변화시킬 수 있지만 탄소를 첨가하는 것은 그렇지 않다. 예를 들어, 니켈, 탄소 및/또는 질소를 첨가하면 A3온도를 낮출 수 있다. 이러한 개시내용을 이용하여, 임의의 주어진 합금에 대한 상영역 계면을 나타내는 상평형도를 만들어 본 발명에 따른 자기 공정을 디자인할 수 있다. 예를 들어, 이는 THERMO-CALC 소프트웨어(Thermo-Calc AB, 스웨덴 스톡홀름 소재)를 이용하여 수행될 수 있다.
적용되는 자기장은 상계면의 이동을 약 10℃ 이상, 더 바람직하게는 약 20℃ 이상, 훨씬 더 바람직하게는 약 50℃ 이상 초래하기에 충분한 강도인 것이 바람직하다. 강철에서, 1T의 자기장은 A1과A3상계면에서 대략 1℃의 이동을 초래한다. 자기장은 예상되는 비율의 상변태를 완료하기에 충분한 시간동안 적용될 수 있다. 합금의 약 15체적% 이상, 더 바람직하게는 약 30체적% 이상, 훨씬 더 바람직하게는 약 50체적% 이상의 변태를 달성하는 것이 바람직하다. 자기장을 적용하는 최대 시간은 합금의 입자 성장을 유도하는데 필요한 시간보다 짧은 시간이다. 그러므로, 자기장의 강도는 약 2T 이상(특정한 합금의 경우), 바람직하게는 10T 이상, 더 바람직하게는 약 20T 이상, 훨씬 더 바람직하게는 약 50T 이상이다. 자기장을 적용하는 주기의 수를 증가시키는 것은 (예상된 상변태율을 달성하기에 충분한 시간동안 각 주기를 적용하는 경우) 일반적으로 더 많은 정련을 야기한다. 자기장은 합금이 그의 초기 상의 비(와 크기)로 실질적으로 되돌아올 때까지 적용되지 않는 것이 바람직하지만, 더 짧거나 긴 비적용 시간이 가능하다. 본 발명의 방법 동안의 합금 정련은 도 4에 도시된 것과 유사한 치수 변화에 의해 모니터할 수 있다. 그러므로, 얼마나 긴 시간동안 각 주기에 자기장이 적용되고 멈출지, 또는 (a) 단계와 (b) 단계를 반복할지 결정할 수 있다. 만약 자기장의 강도가 단순히 감소되면, 자기장 강도가 다시 증가하기 전까지의 시간은 합금이 상(또는 치수) 평형에 도달하는데 필요한 시간인 것이 바람직하다. 그러나, 실제로 이 시간은 더 짧을 수도 있지만, 최대 이득은 약 15체적% 이상, 더 바람직하게는 약 30체적% 이상, 훨씬 더 바람직하게는 약 50체적% 이상의 합금이 상변태를 한 후에 얻어질 수 있다.
Claims (25)
- (a) 합금을 제 1 상의 비로부터 제 2 상의 비로 전환시키기에 충분한 시간동안 충분한 강도의 자기장을 합금에 적용하는 단계;(b) 자기장을 감소시켜 합금을 제 2 상의 비로부터 제 3 상의 비로 전환시키는 단계(이 때, 제 3 상의 비는 제 1 상의 비와 동일하거나 상이할 수 있다); 및선택적으로 (a) 단계와 (b) 단계를 반복하는 단계를 포함하는, 자기장에 의해 유도된 상변태(phase transformation)를 하는 합금의 입자 크기를 정련하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,합금이 강철, 철 합금, 코발트 합금 및 니켈 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되고, (b) 단계에서의 자기장의 감소가 자기장을 약 0T로 감소시키고, 제 3 상의 비가 제 1 상의 비와 동일한 방법.
- 제 2 항에 있어서,합금이 92중량% 이상의 철, 코발트, 니켈 또는 이들의 조합물을 함유하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,제 1 상의 비와 제 2 상의 비가 인접한 상계면 영역에 있는 방법.
- 제 1 항에 있어서,자기장의 적용이 1 단계 변화로 증가 및 감소되는 방법.
- 제 1 항에 있어서,자기장의 강도가 약 5T보다 큰 방법.
- 제 1 항에 있어서,방법의 수행 후 평균 입자 크기가 약 10㎛ 미만인 등축 입자가 제조되는 방법.
- 제 1 항에 있어서,방법을 수행하는 동안 합금의 온도 변화가 약 ±50℃ 이하인 방법.
- 제 1 항에 있어서,대략 고정된 온도에서 수행되는 방법.
- 제 3 항에 있어서,제 1 상의 비가 약 A1내지 약 TC+100℃ 범위 내의 온도에 있는 방법.
- 제 1 항에 있어서,합금을 약 500℃ 미만으로 냉각하는 냉각 단계 (c)를 추가로 포함하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,고온가공 단계 (c)를 추가로 포함하는 방법.
- 변형 또는 냉각 없이 5T 이상의 자기장을 적용한 후에 약 5㎛ 미만의 평균 등축 입자 크기를 갖고 약 92중량% 이상의 Fe를 포함하는 고강도 저합금 강철.
- 제 13 항에 있어서,평균 등축 입자 크기가 약 1㎛ 미만인 강철.
- 제 1 항에 있어서,합금이 약 92중량% 이상의 Fe를 포함하는 고강도 저합금 강철인 방법.
- (a) 제 1 체적비의 강자성 상 및 상자성 상을 갖는 합금에, 상계면의 온도를 상향 이동시키기에 충분한 강도의 자기장을, 제 1 체적비를 제 2 체적비로 변화시켜 자기장이 약 15체적% 이상의 합금을 상자성 상으로부터 강자성 상으로 변태시키기에 충분한 시간동안 적용하는 단계;(b) 자기장을 감소시켜 합금을 제 3 체적비로 전환시키는 단계(이 때, 제 3 체적비는 제 1 체적비와 동일하거나 상이할 수 있다); 및선택적으로 (a) 단계와 (b) 단계를 반복하는 단계를 포함하는, 상계면에 의해 분리된 강자성 상 및 상자성 상을 포함하는 합금의 입자 크기를 정련하는 방법.
- (a) 제 1 체적비의 강자성 상 및 상자성 상을 갖는 합금에, 상계면의 온도를 상향 이동시키기에 충분한 강도의 자기장을, 제 1 체적비를 제 2 체적비로 변화시켜 자기장이 약 15체적% 이상의 합금을 상자성 상으로부터 강자성 상으로 변태시키기에 충분한 시간동안 적용하는 단계;(b) 자기장을 감소시켜 합금을 제 3 체적비로 전환시키는 단계(이 때, 제 3 체적비는 제 1 체적비와 동일하거나 상이할 수 있다); 및선택적으로 (a) 단계와 (b) 단계를 반복하는 단계를 포함하고, 낮은 상계면과 높은 상계면을 갖는 혼합된 상영역에 의해 분리된 강자성 상 및 상자성 상을 포함하는 합금의 입자 크기를 정련하는 방법.
- 제 17 항에 있어서,제 3 체적비가 제 1 체적비와 동일한 방법.
- 제 17 항에 있어서,합금이 철, 니켈 또는 코발트 합금인 방법.
- 제 19 항에 있어서,합금이 약 8중량% 미만의 총 합금량을 갖는 저합금 강철인 방법.
- 제 20 항에 있어서,강철이 API X80, ASTM A516 60등급, ASTM A516 70등급, AISI 1010등급, AISI 1018등급, AISI 1020등급, AISI 1040등급, AISI 4120등급, AISI 4130등급 및 AISI 4140등급으로 이루어진 군으로부터 선택된 일원인 방법.
- 제 21 항에 있어서,합금이 강철이고, (a) 단계에서 자기장이 약 10T 이상이며 약 0.1 내지 약 1000초의 시간동안 적용되고, (b) 단계에서 자기장이 약 0.1 내지 약 1000초의 시간동안 약 0T로 감소되고, 온도가 약 A1내지 약 TC+100℃인 방법.
- 제 22 항에 있어서,(a) 단계에서 자기장이 약 20T 이상이며 약 1 내지 약 100초의 시간동안 적용되는 방법.
- 제 23 항에 있어서,자기장이 2 내지 약 10회 순환되고, 이 때 자기 주기 사이의 시간이 (a) 단계의 시간에 관계없이 약 0.1 내지 약 1000초인 방법.
- 제 1 항에 따른 방법에 의해 입자 크기가 정련된 합금.
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