KR20050101199A - 몰리브덴을 함유하는 오스테나이트계 스테인레스 강 - Google Patents

몰리브덴을 함유하는 오스테나이트계 스테인레스 강 Download PDF

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KR20050101199A
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제임스 엠. 라코우스키
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에이티아이 프로퍼티즈, 인코퍼레이티드
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Abstract

오스테나이트계 스테인레스 강은 9 내지 23 중량%의 크롬, 30 내지 35 중량%의 니켈, 1 내지 6 중량%의 몰리브덴, 0 내지 0.03중량%의 티타늄, 0.15 중량% 내지 0.6 중량%의 알루미늄, 최고 0.1 탄소, 1 내지 1.5 중량%의 망간, 0 내지 0.8 중량% 미만의 실리콘, 0.25 내지 0.6 중량%의 니오븀 및 철을 포함한다. 본원 발명에 의한 오스테나이트계 스테인레스 강의 실시예는 부식에 대하여 강화된 저항성을 보인다. 그러므로 본원 발명의 스테인레스 강은 부식 저항성이 요구되는 다른 적용에서 뿐만 아니라, 예컨대, 자동차의 구성 요소로서, 및 보다 특히 자동차 배기 장치 가요성 커넥터(flexible connector) 및 다른 구성 요소와 같이 폭넓게 적용될 수 있다.

Description

몰리브덴을 함유하는 오스테나이트계 스테인레스 강{AUSTENITIC STAINLESS STEELS INCLUDING MOLYBDENUM}
본원 발명은 산화 및 부식 저항성 오스테나이트계 스테인레스 강에 관련된다. 더욱 상세하게는, 본원 발명은 예컨대, 자동차 배기 장치 구성 요소에서의 사용과 같이 고온 및 부식 환경에서 사용하기 위해 개조된(adapted) 오스테나이트계 스테인레스 강에 관련된다. 본원 발명의 오스테나이트계 스테인레스 강은 최고 1800°F(982℃), 및 예컨대, 염소-풍부한 물과 같은 부식 환경에 노출된 구성 요소에서 특별히 적용된다.
자동차 배기 장치 구성 요소의 제조에서, 공동의 목표는 장치의 완전함을 유지하는 반면, 비용과 중량을 최소화하는 것이다. 전형적으로, 이러한 적용을 위한 자동차 구성 요소는 구성 요소의 중량을 최소화하기 위하여 얇은 스테인레스 강으로 제조되며, 그리하여, 부식 공격에 대한 구성 요소의 저항성은 침투 또는 다른 수단에 의한 부식을 막을 만큼 높아야 한다. 특정한 자동차 배기 장치 적용을 위해 사용되는 구성요소는 상승된 온도에서 심한 부식성의 화학 환경에 노출된다는 사실에 의하여 부식 저항성은 악화된다. 특히, 자동차 배기 장치 구성 요소 및 다른 자동차 엔진 구성 요소는 고온의 배기 가스로 인한 상승된 온도 조건하에서 도로 결빙제(road deicing salt)로부터의 오염에 노출된다. 이러한 조건에 속하게 되는 스테인레스 강 및 다른 금속 구성 요소는 고온 염 부식(hot salt corrosion)으로서 공지된 복잡한 부식성 공격 방식에 민감하다.
전형적으로, 높은 온도에서, 스테인레스 강 구성 요소는 공기에 노출된 표면에서 산화를 일으켜 보호성 금속 산화층(protective metal oxide layer)을 형성한다. 산화층은 하부 금속(underlying metal)을 보호하고, 산화 및 부식의 다른 형태를 보다 감소시킨다. 그러나 침착된 도로 결빙제는 이러한 보호성 산화층을 공격하고 분해시킬 수 있다. 보호성 산화층이 분해될 때, 하부 금속은 노출되어 심하게 부식될 여지가 있다.
그러므로 자동차 배기 장치 구성 요소를 위하여 선택된 금속 합금은 요구 조건의 범위에 노출된다. 자동차의 배기 장치 구성 요소의 내구성은 소비자, 연방 규칙, 및 또한 제조업자의 보증서 요구사항이 연장된 수명을 요구하므로 중요하다. 자동차의 배기 장치 구성 요소를 위한 보다 까다로운 합금 선택에 관한, 이러한 적용에서의 최근의 발전은 금속의 가요성 커넥터의 사용인데, 커넥터는 두 개의 고정된 배기 장치 구성 요소 간의 부속적 조인트로서 작용한다. 가요성 커넥터는 용접된 슬립 및 다른 조인트의 사용과 관련된 문제점을 완화시키는데 사용될 수 있다. 가요성 커넥터에서 사용하기 위해 선택된 재료는 고온의 부식성 환경에 속하게 되며, 성형가능하고, 고온 염 부식 및 예컨대, 중간 온도 산화, 일반적인 부식, 및 염화물 응력 부식 크랙킹(cracking)과 같은 다양한 다른 부식 타입에 대하여 저항성을 가져야만 한다.
자동차 배기 장치 가요성 커넥터에 사용하기 위한 합금은 합금이 도로 결빙제와 같은 오염물질에 노출된 후에 상승된 온도 노출이 발생하는 조건에 종종 속하게된다. 할로겐화물 염은 일반적으로 상승된 온도에서 커넥터상에 형성하는 보호성 산화물 스케일(scale)을 제거하는 유동제(fluxing agent)로 작용할 수 있다. 이러한 조건하에서 커넥터의 분해는 꽤 빠를 수 있다. 그러므로 단순한 대기 산화 테스트는 진행중인 부식성 분해에 대한 실제 저항성을 밝히는데는 부적절할 수 있다.
자동차 산업은 자동차 배기 장치 구성 요소를 제조하기 위하여 몇가지 합금을 사용한다. 이러한 합금은 보통의 부식 저항성을 가진 저가의 재료에서부터 훨씬 더 우수한 부식 저항성을 가진 고도의 합금된 재료까지 분포한다. 보통의 부식 저항성을 가지는 상대적으로 저가의 합금은 AISI 타입 316Ti (UNS Designation S31635)이다. 타입 316Ti 스테인레스 강은 상승된 온도에 노출될 때, 보다 빠르게 부식하며, 그러므로 온도가 대략 1200°F (649℃)보다 훨씬 높을 때, 일반적으로 자동차의 배기 장치 가요성 커넥터에서 사용되지 않는다. 타입 316Ti는 전형적으로 높은 배기 온도를 발생시키지 않는 자동차의 배기 장치 구성 요소를 위해서만 사용된다.
고가의, 보다 고도의 합금 재료는 보다 높은 온도에 노출된 자동차 배기 장치를 위한 가요성 커넥터를 제조하는데 통상적으로 사용된다. 상승된 온도의 부식 환경에 종속되는 가요성 커넥터의 제조에서 사용되는 전형적인 합금은 UNS Designation N06625의 오스테나이트계 니켈-기초 초합금이며, 이는 예컨대, 예컨대, Allegheny Ludlum ALTEMP® 625 (이하 "AL 625") 합금으로 상업적으로 판매된다. AL 625는 폭넓은 범위의 부식 조건에 걸쳐 산화 및 부식에 대하여 탁월한 저항성을 가지며 탁월한 성형성(formability) 및 강도를 나타내는 오스테나이트계 니켈-기초 초합금이다. UNS Designation N06625 합금은 일반적으로 중량%로 대략 20-25% 크롬, 대략 8-12% 몰리브덴, 대략 3.5% 니오븀, 및 4% 철을 포함한다. 비록 이러한 타입의 합금은 자동차 배기 장치 가요성 커넥터에 관하여는 탁월한 선택이지만, 이들은 타입 316Ti 합금에 비교할 때 매우 비싸다.
자동차 배기 장치 구성 요소 제조업자는 배기 장치 가요성 커넥터를 제조하기 위하여 다른 합금을 사용할 수도 있다. 그러나 이들 합금 중 어느 것도 특히 상승된 온도 및 도로 결빙제와 같은 부식성 오염물에 노출되었을 때, 높은 부식 저항성을 제공하지 않는다.
그러므로 고온의 부식 환경에서 사용하기 위하여, 예컨대, UNS Designation N06625 합금 만큼 고도로 합금되지 않고, 그리하여 생산하는 것이 이러한 초합금보다 덜 비싼 부식 저항성 재료에 대한 필요가 존재한다. 더욱 특별하게는, 예컨대, 경량의 가요성 커넥터 및 자동차 배기 장치를 위한 다른 구성 요소로 성형될 수 있으며, 상승된 온도에서 염 침착물(salt deposits) 및 다른 도로 결빙 제품과 같은 부식성 물질로부터의 부식을 견뎌내는 철-기초 합금에 대한 필요가 존재한다.
본원 발명의 특징 및 이점은 첨부한 도면을 참고하여 더 잘 이해할 수 있다:
도 1은 본원 발명의 합금의 평평한 시편 샘플(flat coupon sample)(샘플 2)과, 0.0, 0.05, 및 0.10 mg/cm2 염층(saly layer)으로 코팅되고 1200°F (649℃)로 72시간 동안 노출된 선행 기술의 합금의 고온 염 부식 테스트 결과를 비교하는 중량 변화 데이타의 그래프이다;
도 2는 본원 발명의 합금의 평평한 시편 샘플(샘플 2)과, 0.0, 0.05, 및 0.10 mg/cm2 염층으로 코팅되고 1500°F (816℃)로 72시간 동안 노출된 선행 기술의 합금의 고온 염 부식 테스트 결과를 비교하는 중량 변화 데이타의 그래프이다;
도 3은 본원 발명의 합금의 용접된 눈물방울 샘플(welded teardrop sample)(샘플 2)과, 근소한 0.10 mg/cm2 염층으로 코팅되고 1200°F (649℃)에 노출된 선행 기술의 합금의 고온 염 부식 테스트 결과를 비교하는 중량 변화 데이타의 그래프이다;
도 4는 본원 발명의 합금의 용접된 눈물방울 샘플(샘플 2)과, 근소한 0.10 mg/cm2 염층으로 코팅되고 1500°F (816℃)에 노출된 선행 기술의 합금의 고온 염 부식 테스트 결과를 비교하는 중량 변화 데이타의 그래프이다;
도 5는 ASTM G54-Standard Practice for Simple Static Oxidation Testing의 분석 절차의 결과를 설명하는 전형적인 부식 금속 샘플의 그래프 도해이다;
도 6은 본원 발명의 합금 샘플(샘플 2)과 선행 기술 합금에 대하여 1200°F (649℃)로 노출된 근소한 0.10 mg/cm2 염 코팅을 가진 용접된 눈물방울 샘플에 관하여 ASTM G54에 따른 측정 결과를 비교하는 침투 깊이 그래프이다;
도 7은 본원 발명의 합금 샘플(샘플 2)과, 근소한 0.10 mg/cm2 염 코팅을 가지며 1500°F (816℃)로 노출된 용접된 눈물방울 샘플에 관한 선행 기술 합금에 관하여 ASTM G54에 따라 수행된 측정 결과를 비교하는 침투 깊이 그래프이다; 및
도 8-12는 변화하는 수준의 티타늄 및 니오븀을 함유하는 합금 화학종의 현미경 사진이며, 이들은 실시에 2에서 설명된 바와 같이 제조되었다.
발명의 요약
본원 발명은 중량%로 19 내지 23% 크롬, 30 내지 35% 니켈, 1 내지 6% 몰리브덴 및 0.8% 미만 실리콘을 포함하는 오스테나이트계 스테인레스 강을 제공함으로써 상기 설명된 필요를 다룬다. 철-기초 합금에 대한 몰리브덴의 첨가는 고온에서의 부식에 대한 이들의 저항성을 증가시킨다.
다른 언급이 없다면, 여기의 모든 조성물%는 합금의 총 중량에 기초한 중량%이다.
또한 본원 발명은 중량%로, 19 내지 23% 크롬, 30 내지 35% 니켈, 1 내지 6% 몰리브덴, 0 내지 0.1% 탄소, 0 내지 1.5% 망간, 0 내지 0.05% 인, 0 내지 0.02% 황, 0.8% 미만의 실리콘, 0.15 내지 0.6% 티타늄, 0.15 내지 0.6% 알루미늄, 0 내지 0.75% 구리, 철, 및 부수적 불순물로 본질적으로 구성된 오스테나이트계 스테인레스 강을 제공한다.
또한 본원 발명은 9 내지 23% 크롬, 30 내지 35% 니켈, 1 내지 6% 몰리브덴, 0 내지 0.03% 티타늄, 0.15% 내지 0.6% 알루미늄, 최고 0.1% 탄소, 1 내지 1.5% 망간, 0 내지 0.8% 미만 실리콘, 0.25 내지 0.6% 니오븀, 철, 및 부수적 불순물을 중량%로 포함하는 오스테나이트계 스테인레스 강을 제공한다.
또한 본원 발명은 중량%로 19 내지 23% 크롬, 30 내지 35% 니켈, 1 내지 6% 몰리브덴, 0 내지 0.03% 티타늄, 0.15 내지 0.6% 알루미늄, 최고 0.1% 탄소, 1 내지 1.5% 망간, 0 내지 0.8% 미만 실리콘, 0.25 내지 0.6% 니오븀, 0 내지 0.75% 구리, 최고 0.05% 인, 최고 0.02% 황, 최고 0.1% 질소, 철, 및 부수적 불순물로 본질적으로 구성되는 오스테나이트계 스테인레스 강을 제공한다.
본원 발명에 의한 오스테나이트계 스테인레스 강의 특정 실시예는 적어도 최고 1500°F (816℃) 까지의 넓은 온도 범위에서 염에 의하여 강화된 저항성 부식을 나타낸다. 또한 본원 발명은 상기 기술된 바와 같은 오스테나이트계 스테인레스 강의 제조 물품(article)을 제공한다. 그러므로 본원 발명의 스테인레스 강은 부식 저항성을 필요로 하는 다른 적용에서 뿐만 아니라, 예컨대, 자동차의 구성 요소로서 및, 보다 특별하게는 자동차의 배기 장치 구성 요소 및 가요성 커넥터로서 폭넓게 적용될 것이다. 본원 발명의 합금은 상승된 온도에서 탁월한 산화 저항성을 나타내며, 그리하여 열선 시드와 같은 고온 적용에서 폭넓게 적용할 수 있다.
또한 본원 발명은 중량%로 19 내지 23% 크롬, 30 내지 35% 니켈, 1 내지 6% 몰리브덴, 및 0.8% 미만 실리콘을 포함하는 오스테나이트계 스테인레스 강으로 된 제조 물품을 제조하는 방법을 제공한다.
또한 본원 발명은 중량%로 19 내지 23% 크롬, 30 내지 35% 니켈, 1 내지 6% 몰리브덴, 0 내지 0.03% 티타늄, 0.15 내지 0.6% 알루미늄, 최고 0.1% 탄소, 1 내재 1.5% 망간, 0 내지 0.8% 미만 실리콘, 0.25 내지 0.6% 니오븀, 철, 및 부수적 불순물을 포함하는 오스테나이트계 스테인레스 강으로부터 제조 물품의 적어도 일부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품의 제조 방법을 제공한다. 본원 발명의 방법과 같은 방법을 사용하여 제조될 수 있는 제조 물품의 비-제한적인 실시예는 자동차, 자동차 배기 장치 구성 요소, 자동차 배기 장치 가요성 커넥터, 열선 시드, 및 개스켓을 포함한다.
본원 발명의 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 생각해 본다면 독자는 상기의 설명 및 본원 발명의 이점을 높이 평가할 것이다. 또한 독자는 본원 발명의 스테인레스 강을 제조할 때 및/또는 사용할 때 본원 발명의 추가적인 상세 및 이점을 이해할 수 있을 것이다.
발명의 실시예의 상세한 설명
본원 발명은 상승된 온도에서 부식에 대해 저항성인 오스테나이트계 스테인레스 강을 제공한다. 본원 발명의 부식 저항성 오스테나이트계 스테인레스 강은 자동차 산업 및 더욱 특별하게는, 자동차 배기 장치 구성 요소에 특히 적용된다. 오스테나이트계 스테인레스 강은 철, 크롬 및 니켈을 함유하는 합금이다. 전형적으로, 오스테나이트계 스테인레스 강은 부식 저항성을 요하는 적용에서 사용되며, 16% 이상의 크롬 함량 및 7% 이상의 니켈 함량에 의하여 특징된다.
일반적으로, 부식 과정은 금속 또는 금속 합금과 이들의 환경과의 반응이다. 특별한 환경에서 금속 또는 합금의 부식 저항성은 다른 요소들 중에서도 일반적으로 그 조성에 의하여 적어도 부분적으로 결정된다. 부식의 부산물은 일반적으로 산화 철, 산화 알루미늄, 산화 크롬, 등과 같은 금속 산화물이다. 스테인레스 강 위에 특정 산화물, 특히 산화 크롬의 형성은 이로우며, 하부 금속의 추가적인 분해를 효과적으로 저해한다. 부식은 열 또는 부식제의 존재에 의하여 촉진될 수 있다.
자동차 적용에서 사용되는 스테인레스 강의 부식 저항성은 상승된 온도 조건하에서 도로 결빙제로부터의 오염에 대한 노출에 의하여 악화된다. 이러한 노출은 상승된 온도에서 형성하는 산화물과 오염물(contaminating salt) 사이의 상호작용으로 인하여 부식의 복잡한 형태를 가져온다. 상승된 온도 산화는 금속과 대기중의 산소와의 직접적 반응에 의한 보호성 산화물의 형성에 의하여 대표된다. 자동차 구성 요소에 침착하는 도로 결빙제는 보호성 산화층을 공격하고 분해시킬 수도 있다. 보호층이 분해할 때, 하부 금속은 보다 부식에 노출된다. 할로겐화물 염, 특히 염화물 염은 입계 산화(grain boundary oxidation) 또는 피팅(pitting)과 같은 국소화된 공격의 형태를 촉진시키는 경향이 있다.
본원의 오스테나이트계 스테인레스 강은 1 내지 6 중량%의 몰리브덴을 함유한다. 몰리브덴은 상승된 온도에서의 부식 저항성, 인성(toughness), 강도, 및 크리프에 대한 저항성을 제공하기 위하여 합금제로서 첨가된다. 본원 발명의 오스테나이트계 스테인레스 강은 또한 19 내지 23 중량% 크롬, 30 내지 35 중량% 니켈 및 0.8 중량% 미만 실리콘을 함유한다. 본원 오스테나이트계 스테인레스 강은 선행 기술의 타입 316Ti 합금보다 우수한 상승된 온도 부식 저항성을 제공하며, 그리하여, 자동차 배기 구성 요소로서 보다 일반적으로 적용된다. 그러나 본원 발명에 속하는 특정 합금은, 예컨대, N06625 합금은 보다 값비싼 니켈-기초 초합금이지만 본원 발명은 철-기초 합금이기 때문에, UNS Designation N06625 합금보다 더 낮은 비용으로 우수한 부식 저항성을 제공한다.
본원 발명의 오스테나이트계 스테인레스 강은 바람직하게는 2 중량% 이상의 몰리브덴을 함유한다. 또 다른 바람직한 본원 발명의 실시예는 본원 발명 4 중량% 미만의 몰리브덴을 함유한다. 이러한 몰리브덴의 농도는 적당한 비용으로 개선된 부식 저항성을 제공한다. 본원 발명에 속하는 합금의 특정 실시예는 예컨대, 망간, 인, 황, 및 구리와 같은 추가적 합금 구성 요소를 선택적으로 함유할 수도 있다. 또한 본원 발명의 스테인레스 강의 특정 실시예는 예컨대, 0.15 내지 0.6 중량% 티타늄, 0.15 내지 0.6 중량% 알루미늄, 및 다른 부수적 불순물을 함유할 수 있다.
전열선 시드(electric heat element sheaths)는 금속 시드 안에 포함된 저항성 도체를 전형적으로 포함한다. 저항성 도체는 밀도있게 채워진 내화성, 열-전도 재료층으로 씌워짐으로부터 전기적으로 절연되어, 그 안에서 지지될 수 있다. 내화성 열-전도 재료는 입자형 산화 마그네슘일 수 있는 반면에, 저항성 도체는 일반적으로 나선형으로 감은 와이어 멤버(member)일 수도 있다.
본원 발명에 속하는 합금의 실시예는 다음과 같다.
실시예 1
본원 발명의 스테인레스 강의 특정 구체예를 제조하여 고온의 부식 환경에서 부식에 대한 저항성을 평가하였다. 두개의 히트(heat)는 19 내지 23 중량% 크롬 및 30 내지 35 중량% 니켈을 함유하는 목표 조성물과 함께 용융되었다. 첫번째 합금은 2%의 목표 몰리브덴 농도를 가졌으며, 두번째 합금은 4%의 목표 몰리브덴 농도를 가졌다. 본원 발명의 heat의 실제 조성은 샘플 1과 샘플 2로서 표 1에 나타나있다. 샘플 1은 1.81% 몰리브덴을 함유하며, 샘플 2는 3.54% 몰리브덴을 함유하였다.
합금 샘플 1과 2를 전통적인 방법, 구체적으로는, 대략적인 목표 열거사항에 대한 농도 중의 합금 구성 요소를 진공 용융시킴으로써 제조하였다. 이후 형성된 주괴(ingot)를 갈아서, 대략 2000°F (1093℃)에서 폭 7인치, 두께 약 0.1 인치로 열간 압연하였다. 생성된 플레이트를 그릿 블라스트(grit blast)처리하여 산(acid)에서 스케일을 제거하였다. 이후 플레이트를 0.008 인치 두께로 냉간 압연하여, 비활성 기체에서 가열냉각(anneal)하였다. 생성된 플레이트를 평평한 시편(flat coupon) 및 용접된 눈물모양의 샘플로 성형하였다.
비교를 위하여, 추가적인 상업적으로 입수가능한 합금을 수득하여, 평평한 시편 및 용접된 눈물모양 샘플로 성형하였다. 샘플 3을 상업적으로 입수가능한 AISI 타입 332(UNS Designation N08800) 합금의 상세(specification)에 용융하였다. 타입 332는 샘플 1과 2의 조성과 유사한 조성에 의하여 특징되는 오스테나이트계 스테인레스 강이지만, 천천히 첨가된 몰리브덴을 함유하지 않는다. 타입 332는 일반적으로 상승된 온도에서 산화 및 탄소처리에 저항하도록 고안된 니켈과 크롬 스테인레스 강이다. 테스트된 타입 332 샘플의 분석은 표 1에 나타나있다. 타입 332는 전형적으로 대략 32 중량% 니켈 및 대략 20 중량% 크롬을 포함하는 합금으로서 특징된다. 타입 332는 고온 염 부식 테스트에서 부식 저항성에 대하여, 샘플 1과 2에 몰리브덴의 첨가에 의하여 제공된 개선점을 측정하기 위한 비교의 목적으로 선택되었다.
또한 AISI 타입 316Ti (UNS Designation S31635)(샘플 4) 및 AL 625 (UNS Designation N06625)(샘플 5)를 비교하기 위하여 테스트하였다. 이러한 두 가지 합금은 특히 결빙제와 같은 도로 오염물질의 높은 수준의 존재하에서 중간 온도 산화, 일반적 부식, 및 염화물 응력 부식 크랙킹에 저항하며, 성형가능하기 때문에, 현재 자동차 배기 장치를 위한 가요성 커넥터에서 사용된다. 샘플 4와 5의 조성이 표 1에 나타나 있다. AISI 타입 316Ti은 저온의 자동차의 배기 장치 가요성 커넥터 적용에서 현재 사용되는 저가의 합금이다. 한편, AL 625는 1500°F (816℃) 이상의 온도로 부속되는 자동차의 배기 장치 가요성 커넥터로서의 사용을 포함하여 현재 폭넓게 적용되는 보다 고가의 재료이다.
[표 1]
테스트 샘플의 화학 조성
테스트는 침착된 부식성 고체의 존재하에서 상기 샘플의 상승된 온도 부식 및 산화 저항성을 조사하기 위하여 고안되었다. 이러한 고온의 부식 환경을 모의실험하기 위하여 특수한 부식 테스트가 개발되어 왔다. 현재, 상승된 온도에서 염으로부터의 부식에 대한 대부분의 합금 저항성 테스트는 "컵(cup)" 테스트 또는 "딥(dip)" 테스트로 분류될 수 있다.
컵 테스트에서 합금의 샘플은 일반적으로 Swift 또는 Erichsen 기하의 컵 안에 배치된다. 이후 컵을 공지된 염 농도를 가지는 수성 테스트 용액의 공지된 부피로 채운다. 컵안의 물은 샘플에 염 코팅을 남기면서 오븐에서 증발된다. 이후 샘플은 주기적으로 또는 등온 조건하에서 상승된 온도에 노출되며, 염 부식에 대한 샘플의 저항성을 평가한다. 딥 테스트에서는, 평평한 구조이거나 U-밴드 구조인 샘플을 공지된 염 농도를 가지는 수용액에 담근다. 물은 샘플에 염 코팅을 남기면서 오븐에서 증발된다. 이후 염 부식에 대한 샘플의 저항성을 평가할 수 있다.
그러나 염으로부터의 부식에 대한 저항성을 측정하기 위한 상기 테스트 모두에는 문제점이 있다. 염 코팅은 테스트 되는 표면 지역을 가로질러 균일하게 분포되지 않기 때문에, 테스트 결과는 샘플 간에 일치하거나 일치하지 않을 수 있으며, 테스트별로 용이하게 비교되지 않을 수도 있다. 컵 또는 딥 테스트를 사용할 때, 염은 일반적으로 마지막으로 건조되는 구역에서 가장 많이 침착될 것이다. 샘플상에 보다 균일하게 염을 침착시키기 위하여, 간단한 염 처리 방법이 본원 발명자에 의하여 사용되었다. 상기 방법은 평평한 샘플에 수성 염 용액을 분사하는 단계를 포함하였다. 고른 염의 층은 이러한 방법을 사용하여 탈이온화된 물에서 용해되는 염화 나트륨으로 본질적으로 구성된 에어로졸 스프레이로부터 침착될 수 있다. 에어로졸 스프레이가 침착하는 동안, 샘플은 수용액으로부터 물의 빠르고, 균일한 증발을 보장하기 위하여 대략 300°F (149℃)로 가열된다. 침착된 염의 양은 스프레이들의 중량에 의하여 조절되며, 이는 표면 농도(염 mg/샘플의 표면 구역 ㎠)로 기록된다. 약 ±0.01 mg/cm2 까지의 계산은 염 침착이 이러한 방법의 신중한 사용에 의하여 제어될 수 있음을 나타낸다. 분사후, 샘플을 잔잔한 실험실 대기 또는 필요한 그 밖의 다른 환경 조건에서 전기로(muffle furnace)의 상승된 온도에서 적어도 1회의 72-시간 열 주기에 노출시킬 수 있다. 다른 테스트 재료로부터의 교차-오염을 막기 위하여 바람직하게는 본 실험에 전적인 테스트 로(furnace) 및 실험 소모품이 본 테스트를 위해 사용되어야만 한다. 노출시킨 후, 샘플 및 수집된 비-부착성 부식 산물의 무게를 독립적으로 잰다. 결과를 이미 기술된 최초의(코팅되지 않은) 화학종 무게와 비교하여 특이적 중량 변화(specific weight change)로 기록한다.
평평한 시편은 고온 염 부식에 대한 민감성에 대하여 합금을 차폐시키는 간단한 방법이기 때문에 최초로 테스트하였다. 테스트 하기 전에 각각의 샘플 무게를 재었다. 염의 고른 층을 각각의 테스트 합금의 2 인치 테스트 샘플에 의하여 고른 염의 층을 1인치로 적용시켰다. 탈이온수에 용해된 염화물 염의 희석 수용액을 각각 이러한 샘플에 분사하였다. 용액으로부터 물을 빠르고 균일하게 증발시키기 위하여 샘플을 핫 플레이트 위에서 약 300°F (149℃)로 예열하였다.
각각의 샘플에 침착된 염의 양을 각 분사 후에 무게 재어 측정하였다. 분사 후, 샘플을 하이 폼(high form) 알루미나 도가니 안에 넣고, 전기로에서 1500°F (816℃)까지 상승된 온도에 노출시켰다. 전형적인 노출 주기는 잔잔한 실험실 대기의 상승된 온도에서 72시간 이었다. 노출시킨 후, 상기 화학종의 무게를 재었다. 어떠한 비-부착성 부식 산물도 수집되지 않았으며, 별개로 무게를 재었다. 샘플의 계산된 중량 수득 또는 손실은 대기와 금속 화학종과의 반응 및 코팅으로부터 남은 염으로 인한 것이다.
환경과의 상호작용으로 인하여, 적용된 염의 양은 일반적으로 중량 변화보다도 훨씬 적으며, 그와 같이 일반적으로 감소될 수 있다.
성형 또는 용접으로부터 생기는 잔여 응력의 효과를 또한 조사하였다. 이러한 테스트를 위하여, 샘플을 용접된 "눈물방울" 샘플로 성형하였다. 지그(jig)위에서 0.062" 두께의 평평한 샘플을 눈물방울 모양으로 구부리고, 이후 내생적으로 겹치는 가장자리를 용접함으로써 "눈물방울" 샘플을 제조하였다. 상승된 온도에 노출시키기 전에, 평평한 샘플을 코팅하기 위해 기술되었던 것과 유사한 방법을 사용하여 샘플을 염화물 염으로 코팅하였다. 눈물방울에 코팅을 정량적인 방식으로 적용하지 않았다. 그러나 코팅 결과는 고르고 균일한 염의 침착이었다. 눈물방울 샘플의 외부 표면에 침착된 염의 양은 대략 0.05 내지 0.10 mg/cm2 으로 측정된다. 코팅된 화학종은 자동화된 열중량 주기적 산화 실험 장치(automated thermogravimetric cyclic oxidation laboratory setup)에 노출되었다. 24시간마다 증발에 의하여 각각의 샘플상의 염 코팅을 제거하고, 이후 환경에 대한 노출에 의하여 야기된 중량 손실 또는 중량 수득을 측정하기 위하여 샘플의 무게를 재었다. 무게를 잰 후, 염 코팅을 처리하고, 테스트를 계속하였다.
표 2는 샘플 1 내지 5 각각에 수행된 테스트를 개괄한다.
[표 2]
테스트 화학종 스톡(stock) 검증 매트릭스
부식 테스트 결과 (실시예 1)
평평한 시편 테스트가 최초의 테스트 수행을 측정하기 위해 사용되었으며, 이후 평평한 시편 테스트를 확인하고 테스트 결과를 확장시키기 위하여 용접된 눈물방울 테스트를 하였다.
평평한 시편 테스트 결과
합금의 부식 저항성에 대한 증가된 염 농도 및 증가된 온도의 영향을 측정하기 위하여 표 1에 열거된 샘플 2 내지 5의 4개의 테스트 재료에 대하여 평평한 시편 샘플의 테스트를 수행하였다. 표 1에 열거된 샘플 2 내지 5에 대한 각 조성의 시편을 염 코팅을 추가하지 않고, 0.05 mg/cm2의 염 코팅으로 및 0.10mg/cm2의 염 코팅으로 테스트하였다. 시편을 1200°F (649℃)과 1500°F (816℃)의 온도에서 테스트하였다. 최초의 중량을 측정하기 위하여 염으로 코팅하기 전에 샘플의 무게를 재었고, 이후 각 테스트에 대한 적절한 양의 염으로 코팅하고, 고온 염 산화 부식에 대한 각 합금의 저항성을 측정하기 위하여 1200°F (649℃)의 환경에 놓아두었다. 상승된 온도에 72시간 노출시킨 후, 샘플을 오븐에서 제거하고, 실온에서 냉각시켰다. 샘플에 남아있는 염을 제거하고, 샘플의 최종 중량을 측정하기 위하여 샘플의 무게를 재었다.
평평한 시편 샘플의 고온 산화 부식 테스트의 결과가 도 1에 나타나있다. 도 1은 본원 발명의 합금의 평평한 시편 샘플(샘플 2)과 0.0, 0.5 및 0.10 mg/cm2 의 염층으로 코팅되고 1200°F (649℃)에 72시간 동안 노출된 선행 기술 합금의 고온 염 부식 테스트 결과를 비교하는 중량 변화 데이타의 그래프이다. 샘플의 최종 중량에서 샘플의 최초 중량을 빼고, 이 결과를 평평한 시편 샘플의 최초 표면적으로 나누어 중량 변화를 결정하였다.
모든 합금은 1200°F (649℃)에서 본 테스트에서 잘 수행하였다. 각 합금의 각 샘플은 접착 산화층의 형성을 나타내면서 약간의 중량 증가를 보였다. 만약 재료가 금속 표면에 접착된 채 남아 있다면, 이러한 금속 산화층의 형성은 재료를 보호한다. 일반적으로, 샘플은 염 코팅 수준에서의 증가와 함께 더 많은 중량 증가를 보였다. 이러한 결과는 증가된 염 농도를 가진 샘플 표면상의 증가된 산화 수준을 나타낸다. 테스트된 본원 발명의 합금, 샘플 2 및 T332, 샘플 3은 0.5 mg/cm2 미만의 가장 적은 중량 증가를 보였던 반면, T316Ti, 샘플 4는 1 mg/cm2 이상의 가장 많은 중량 증가를 보였다.
1500°F (816℃)에서 동일한 샘플에 대하여 유사한 테스트를 수행하였으며, 결과는 도 2에 나타나있다. 저온 처리 합금 T-316Ti은 예상한 바와 같이 불충분하게 수행하였다. 심한 박리가 보였으며, 0.05 및 0.10 mg/cm2으로 코팅된 시편은 최초 표면적의 평방 센티미터 당 10 mg 이상을 손실하였다. 본 테스트는 T-316Ti가 1200°F (649℃)를 넘는 상승된 온도 적용에서 사용하기에 부적절함을 확증하였으며, 고온 염 산화에 대한 합금의 저항성을 비교하기 위하여 개발된 테스트 방법의 신뢰도를 확증하였다. 모든 다른 테스트 합금은 잘 수행하였다. T-332, 샘플 3은 테스트 조건하에서 약 1.3 mg/cm2의 중량 손실을 보였다. 보다 고가의 AL625 초합금, 샘플 5는 이러한 테스트 조건하에서 대략 1.7 mg/cm2의 중량 증가를 보였다. 이러한 중량 증가는 합금 표면상에 금속 산화물의 보호층의 형성 및 이러한 보호층의 최소의 박리와 일관된다. 본원 발명의 합금, 샘플 2는 테스트 조건하에서 중량 변화를 거이 보이지 않았다. 샘플 2에서 약 4 중량%의 몰리브덴의 존재는 선행 기술의 T-332 합금, 샘플 3과 비교하여, 본원 발명 합금의 고온 염 부식 저항성을 증가시켰다. 샘플 3은 염 코팅이 없는 또는 0.05 mg/cm2의 코팅을 가진 샘플에 대하여 거의 중량 변화를 보이지 않았다. 그러나 0.10 mg/cm2의 염 농도에 노출되었을 때, 샘플 3은 보호성 산화층의 분해 및 1.5 mg/cm2 이상의 중량 손실을 보였다.
본원 발명의 합금은 본 테스트에서 고온 염 산화 부식에 대한 강한 저항성을 보여주었다. 샘플 2에서의 몰리브덴 농도는 합금의 부식 저항성을 T332 합금, 샘플 3의 부식 저항성 이상으로 증가시켰다.
용접된 눈물방울 테스트 결과
용접된 눈물방울 테스트는 평평한 시편 테스트와 일관되었다. 용접된 눈물방울 테스트의 결과는 중량 변화%로 기록된다. 처음에 그리고 200 시간 이상의 연장된 테스트 기간 전체에 걸쳐 주기적으로 시편의 무게를 재었다. 도 3 및 4는 본원 발명의 합금의 용접된 눈물방울 샘플(샘플 2)과 0.10 m/cm2 염층으로 코팅되고 각각 1200°F (649℃) 및 1500°F (816℃)에 노출된 선행 기술 합금의 고온 염 부식 테스트 결과를 비교하는 중량 변화 데이타의 그래프이다. 두 도면에서, T316Ti은 매우 불충분하게 기능함과 상승된 온도의 부식 환경에 수용될 수 없는 합금임을 다시 용이하게 알 수 있다. 모든 다른 테스트 샘플은 도 3 및 4 모두에서 보는 바와 같이 작업 수행면에서 실질적으로 균등하다. 본원 발명의 테스트 합금, 샘플 2는 이러한 조건하에서 중량 손실 1% 미만으로 부식에 대한 가장 큰 저항성을 보였으며, 대략 테스트의 처음 30시간 후 추가적인 중량 변화를 보이지 않았다. 이는 보다 고성능의 선행 기술 합금 AL625, 샘플 5의 성능과 즐겨 비교되는데, 1500°F (816℃)에서 테스트 하는 동안에 걸쳐 처음의 중량의 대략 3%를 손실하였다. 테스트된 본원 발명의 합금은 다른 테스트된 합금에 비교할 때 고온 염 산화에 보다 잘 저항된다.
중량 변화 정보 하나는 고도로 공격적인 환경에서의 총 분해 효과를 측정하기에는 불충분한 변수이다. 고온 염 산화 부식에서와 같이 고도로 공격적인 환경에서의 공격은 종종 실제로 불규칙적이며, 중량 변화 데이타 하나의 분석으로부터 영향받는 것으로 나타나기 보다는 합금 구성 요소의 횡단면 중 현저하게 더 큰 부분을 손상시킬 수 있다. 그러므로 금속 손실(남아있는 횡단면의 %로)은 ASTM-G54 Standard Practice for Simple Static Oxidation Testing에 따라 측정하였다. 도 5는 이러한 분석에서 파생된 변수의 정의를 도시한다. 테스트 샘플(30)은 도 5에서 거리(32)로 나타난 최초의 두께 To를 가진다. 거리(34)로 나타나 있는 나머지 금속(Tml)의 백분율은 부식 테스트에 노출시킨 후 테스트 샘플의 두께를 처음의 두께(32)로 나눔으로써 결정된다. 도 4에서 거리(36)으로 나타나 있는 영향받지 않은 금속(Tm)의 백분율은 아무런 부식의 징후를 보이지 않는 테스트 샘플의 두께를 처음의 두께(32)로 나눔으로써 결정된다. 이러한 결과는 부식이 금속 시편을 완전히 분해할 때에 있어서는 간단한 중량 손실 측정보다 더 우수한 지표를 제공한다.
금속조직적 연구의 결과가 도 6과 7에 나타나 있다. 저온 합금, T-316Ti (샘플 4)의 분석은 1200°F(649℃) 및 1500°F(816℃) 모두의 테스트 조건하에서 상당한 부식을 보였다. 1500°F (816℃)에서 테스트한 후에 최초 횡단면의 25% 만이 T316Ti 시편에 남았다.
1200°F (649℃)에서 잘 작동되는 다른 테스트 합금은, 처음 재료의 90% 이상이 샘플 2, 3, 및 5에 대하여 영향을 받지 않은 채로 남았다. 1500°F(816℃)에 노출시킨 후의 시편의 분석 결과는 보다 고가의 니켈-기초 AL625 초합금 샘플 5가 처음 두께의 낮은 백분율 손실을 겪지만, 대략 93%의 남아있는 횡단면 구역의 백분율과 대략 82%의 영향받지 않은 금속의 백분율과의 차이로 나타나는 만큼의 피팅의 형성을 보이기 시작하였음을 나타내었다. ASTM-G54 과정에 의한 분석 결과에 의하여 나타나는 바와 같은 재료의 국소적인 피팅은 재료의 국소적인 부식에 대한 가능성을 나타내는 데이타를 제공한다. 또한 T332 합금으로 구성된 시편은 1500°F (816℃)에 노출 후에 영향받지 않은 채 남아있는 최초 재료의 75% 미만 만큼의 약간의 피팅을 보였다.
본원 발명의 합금, 샘플 2는 모두의 온도에서 테스트한 후에 남아있는 영향받지 않은 구역에 대한 가장 큰 백분율을 보여주었다. 이는 몰리브덴이 보호성 산화 층의 분해 및 분리를 지체시킴을 나타낸다. 남아있는 횡단면과 테스트 후 남아있는 영향받지 않은 구역의 백분율은 약 90%로 대략 동일하다. 이는 본원 발명의 합금의 고온 염 부식이 테스트 시편의 표면을 가로질러 균일함을 나타내며, 국소적 부식으로 인한 조기 부식은 일어나지 않음을 나타낸다. 역으로, 이러한 국소적인 부식 타입은 선행 기술의 T-332 합금, 샘플 3에 의하여 나타난다. 샘플 3의 분석은 국소적 부식에 대한 가능성인 약간의 피팅을 나타내었다.
실시예 2
오스테나이트계 스테인레스 강은 고온에 노출되었을 때 민감화되도록 할 수 있다. 선행 기술에 공지된 바와 같이, 강이 약 800-1500°F (427-816℃) 범위의 온도에 노출될 때, 민감화(sensitization)는 오스테나이트계 스테인레스 강에서 크롬 카바이드의 입계 침전이다. 민감화의 결과는 영향받은 입자의 구역은 수성 염화물의 존재하에서 입계 부식에 대한 민감성을 증진시키는 크롬 성분이 고갈된다는 것이다. 본원 발명에 속하는 합금의 민감화에 대한 민감성을 조사하기 위하여,.본 발명자는 표 3에 나타나 있는 화학적 조성을 가지는 5개의 50 lb. VIM 히트를 준비하고 테스트하였다. 표 3은 히트를 상기 실시예 1의 샘플 1-5와 구별하기 위하여 히트 6-10으로 히트를 식별한다. 히트는 카바이드-형성 원소 티타늄 및 니오븀의 다양한 첨가를 포함한다. 히트 6은 티타늄과 니오븀 없이 제조되었으며, 0.002% 티타늄 및 0.003% 니오븀의 나머지 수준을 포함하는 것으로 밝혀졌다. 히트 7은 0.3%의 티타늄 및 0의 니오븀을 가지는 티타늄-안정화된 히트으로 제조되었으며, 0.320% 티타늄 및 0.003% 니오븀을 포함하는 것으로 밝혀졌다. 그러므로 히트 7은 상기 실시예 1의 샘플 2와 유사한 조성의 합금임을 나타내었다. 히트 8-10은 다양한 수준의 니오븀의 첨가 및 티타늄 0의 목적을 포함하도록 제조되었으며, 0.24-0.46% 니오븀과 0.002% 티타늄의 잔여 수준을 함유하는 것으로 밝혀졌다. 따라서 실질적으로 티타늄 및 니오븀 모두가 없는 히트 6과 티타늄-안정화되고 실질적으로 니오븀이 없는 히트 7은 상당한 니오븀을 함유하고, 실질적으로 티타늄이 없는 히트 8-10과 비교하였다.
[표 3]
테스트 샘플의 화학적 조성
각각의 5개 히트를 0.075 인치의 두께로 압연하고, 용액을 2050°F(1121℃)에서 2분 동안 시간-온도(time-at-temperature) 방식으로 가열냉각 시켰다. 가열냉각된 최종 패널(panel)로부터 샘플을 잘라서, 2002년에 개조된 ASTM A262 (실습 A) 테스트 절차에 따라 민감화에 대하여 테스트하였다. 당해 기술 분야에 공지된 바와 같이, ASTM A262 (실습 A) 테스트 절차는 민감한 열 처리에 샘플을 천천히 노출시키는 단계[1200°F (649℃)의 로 온도에서 1시간], 이후 각각의 샘플의 마이크로구조를 밝히기 위하여 샘플을 마운팅(mounting), 폴리싱(polishing), 및 에칭(etching)하는 단계를 포함한다. 이후 샘플을 기준 현미경 사진과 비교하고, 밝혀진 각 샘플의 마이크로구조를 다음의 세가지 범주 중 하나로 분류한다:
"스텝(step)"-입자 경계가 드러남, 보통의 구조
"디치(Ditch)"-민감화를 드러내며, 입자 경계가 심하게 식각됨
"혼합됨(Mixed)"-약간의 스텝과 디치 구조 모두가 존재함
민감화 테스트의 결과가 표 4에서 제공된다. 히트 6 및 히트 7로부터 관찰되는 샘플의 마이크로구조의 대표적인 현미경 사진이 도 8과 9에 각각 도시되어 있다. 도 11-12는 각각 히트 8(계획된 니오븀 첨가 중 가장 낮은 수준), 9 및 10(계획된 니오븀 첨가 중 가장 높은 수준)으로부터 관찰된 샘플의 구조에 대한 대표적인 현미경 사진이다. 도 10-12의 현미경 사진은 니오븀 함량의 상당한 변화량에도 불구하고 본질적으로 동일한 것으로 나타난다.
[표 4]
민감화 테스트 결과
표 4의 결과로부터, ASTM A262, 실습 A에 의하여 측정될 때, 비록 이러한 히트들이 매우 낮은 수준의 티타늄만을 함유하였다 하더라도, 히트 8-10에서의 니오븀의 첨가는 실질적으로 민감화를 저해하였음이 명백하다. 더욱이, 히트 8-10에 서의 모든 니오븀 수준은 상당한 수준의 민감화가 없음을 나타내는 스텝 구조를 보여주었다. 반대로, 민감화는 실질적으로 티타늄과 니오븀 모두가 결여된 히트 6의 재료에서 발생하였다. 비록 히트 7이 상기 실시예 1의 샘플 2의 0.34% 수준과 유사한 양의 티타늄을 함유하였다 하더라도, 히트 7은 디치 구조로 치우쳐 있고, 관찰가능한 수준의 민감화를 가지는 마이크로구조를 보였다. 히트 7 샘플은 심각한 것으로 지시되는 것은 아닌 보다 많은 입계의 디칭을 보였지만, 총 민감화는 그러하지 않았다. 그러므로 본 테스트의 뜻밖의 놀라운 결과는 히트 7 중의 티타늄 모두 또는 실질적으로 티타늄 모두를 니오븀의 첨가로 치환하기 위하여 히트 7의 조성을 변형시킴으로써 히트 8-10에 구체화된 생성 합금은 본 테스트에서 관찰 가능한 수준으로는 민감화되지 않았다는 것이다.
따라서 테스트된 타입의 오스테나이트계 스테인레스 강에서 니오븀이 티타늄보다 보다 효과적으로 민감화를 저해한다는 것이 결정되었다. 너무 높은 수준의 니오븀 첨가는 과-안정화된 재료를 만들 수도 있는데, 여기서 과잉의 안정화 원소는 예컨대, 부식, 기계적 성질, 피로 수명, 표면 마감, 및 성형성과 같은 유해한 영향을 미칠 수 있는 내포물을 제조한다. 다른 한편으로, 너무 적은 니오븀의 첨가는 저-안정화된 재료(under-stabilized material)를 제조할 수도 있다. 예컨대, 실시예 1의 샘플 2의 일반적 조성을 가지는 합금에 적어도 0.25% 내지 최고 0.6% 니오븀을 제공하는 것은 다른 중요한 합금의 성질을 해하지 않고 민감화를 상당히 감소시킬 것으로 생각된다. 비록 합금에 티타늄을 함유할 필요가 없다 하더라도, 0.25-0.6% 니오븀을 함유하는 본원 발명의 합금은 최고 0.03%의 티타늄의 존재를 견딜 수 있을 것이며, 개선된 민감화 성질을 나타낼 수 있다. 또한 민감화 테스트 결과로부터 약 1:10의 탄소-대-니오븀 비율은 민감화를 상당히 저해하기 위한 충분한 안정화를 제공한다.
히트 8-10의 개선된 민감화 성능은 수성 염화물의 존재하의 높은 온도에서 개선된 부식 저항성의 형태로 나타나야 한다. 얼마간의 또는 모든 티타늄을 니오븀으로 대체하는 것의 추가적인 이점은 안정화 가열냉각(안정화 카바이드를 미리 형성하기 위하여 고안된 중간 온도 열 처리)이 필요 없어질 수 있으며, 이에 의하여 작동하는 동안 민감화의 위험 없이 표준 용액 또는 분쇄-가열냉각 재료를 사용할 수 있다는 것이다.
실시예 2의 상기 관찰을 고려할 때, 본원 발명의 일 양태는 중량%로 19% 내지 23% 크롬, 30% 내지 35% 니켈, 1% 내지 6% 몰리브덴, 0 내지 0.03% 티타늄, 0.15% 내지 0.6% 알루미늄, 최고 0.1% 탄소, 1 % 내지 1.5% 망간, 0 내지 0.8% 미만의 실리콘, 0.25% 내지 0.6% 니오븀, 및 철을 포함하는 오스테나이트계 스테인레스 강에 직결된다. 단지 언급을 쉽게 하기 위하여, 여기 이후부터는 이러한 합금을 "본원 발명의 니오븀-함유 스테인레스 강" 또는, 더욱 간단하게는 "니오븀-함유 스테인레스 강"으로 언급하기로 한다.
특정 실시예에서, 본원 발명의 니오븀-함유 스테인레스 강은 0.3% 내지 0.5% 니오븀을 함유한다. 이러한 범위에 속하는 니오븀 성분은 여전히 개선된 민감성 성질을 제공하는 반면, 미달- 및 과잉-안정화의 가능성에 대한 추가적인 완충을 제공하는 것으로 생각된다.
기본적인 부식 수준 및 높은 온도 산화 저항성을 제공하기 위하여 19% 이상의 크롬이 니오븀-함유 스테인레스 강에 존재한다. 만약 크롬이 너무 높은 수준으로 존재한다면, 이후에 원하는 수준, 제 2상 형성 경향의 증가, 및 합금 제조 비용 및 제조 어려움의 증가에 대하여 탄소를 조절하는 것이 어려울 수 있다. 따라서 특정한 형태에서, 본원 발명의 니오븀-함유 스테인레스 강은 19% 내지 21.5% 크롬을 함유하며, 약 21%의 크롬을 함유할 수도 있다.
증가하는 몰리브덴 함량은 부식 및 특히 피팅 및 틈새 부식과 같은 국소적인 부식에 대한 저항성을 강화시킨다. 크롬의 첨가보다는 몰리브덴의 첨가가 피팅/틈새 부식을 개선하는데 일반적으로 보다 효과적이다. 그러나 너무 높은 수준의 몰리브덴 첨가는 약 1000°F (538℃)보다 더 높은 온도에서 시그마 상의 형성을 가져온다. 시그마 상은 부식 저항성을 감소시키며, 실온에서 합금을 취약(brittle)하게 만들 수 있다. 또한 몰리브덴은 상대적으로 비싸다. 그러므로 일반적으로, 원하는 부식 저항성의 수준을 여전히 제공하는 반면, 몰리브덴의 수준은 최소화되어야 한다. 따라서 다른 실시예는 1% 내지 2.7%의 몰리브덴을 함유하는 반면에, 본원 발명의 니오븀-함유 스테인레스 강의 특정 실시예는 2% 내지 4%의 몰리브덴을 함유할 수도 있다. 일 형태에서, 스테인레스 강은 약 2.5%의 몰리브덴을 함유한다.
티타늄이 높은 수준으로 존재할 때, 티타늄은 표면 결점을 야기한다. 또한 티타늄은 탄소 및 질소의 존재하에서 내포물을 형성하는데, 이는 성형성 및 피로 저항성에 불리하게 영향을 미친다. 따라서 다른 실시예에서는 본원 발명의 니오븀-함유 스테인레스 강 중의 티타늄 함량이 0 내지 0.005%로 제한되는 반면, 특정 실시예에서는 0 내지 0.01%의 범위로 제한된다.
탄소 함량은 탄소 용해도가 지나칠 때 형성하게 되는 카바이드의 양을 표시한다. 한계 용해도를 넘는 탄소의 첨가는 고온의 크리프 강도를 강화시키는 카바이드의 과잉 형성을 위하여 티타늄 및 니오븀과 같은 안정화 원소의 수준을 증가시킴으로써 일반적으로 수반된다. 그러나 이러한 보다 높은 탄소의 첨가는 얇은 게이지로 압연하는 능력에 불리하게 영향을 미칠 수 있고, 성형성을 해할 수 있으며, 피로 강도를 줄일 수도 있다. 따라서 니오븀-함유 스테인레스 강의 특정 실시예는 0.03% 이하의 탄소를 함유한다. 다른 실시예는 0.025% 이하의 탄소를 함유한다. 또한 니오븀-함유 스테인레스 강의 특정 실시예는 0.15% 내지 0.4% 알루미늄, 및 최고 0.4% 실리콘 중 하나 또는 둘 모두를 함유할 수도 있다. 특정 형태에서, 니오븀-함유 스테인레스 강은 약 0.30%의 알루미늄, 약 0.020%의 탄소, 및 약 0.30%의 실리콘 중 하나 이상을 함유한다.
구리는 희석 황산과 같은 환원 환경에서의 부식과 같은 특정한 부식 타입에 대한 저항성을 증가시킨다. 그러나 높은 구리 수준은 바람직하지 않은 제 2의 상의 형성을 가져올 수도 있다. 따라서 니오븀-함유 스테인레스 강의 특정 실시예는 최고 0.4%의 구리를 함유할 수 있는 반면에, 니오븀-함유 스테인레스 강은 최고 0.75%의 구리를 함유할 수도 있다. 일 형태에서, 니오븀-함유 스테인레스 강은 약 0.3%의 구리를 함유한다.
바람직하게는 황 함량은 고온 작업능력에 불리하게 영향을 미치지 않게 하기 위하여 최소화된다. 인은 너무 높은 수준에서 성질에 불리하게 영향을 미칠 수 있는 불순물이다. 따라서 특정한 형태에서, 니오븀-함유 스테인레스 강은 0.05% 미만의 인 및/또는 0.02% 미만의 황으로 제한된다.
질소는 일반적으로 강도, 오스테나이트 안정성(예컨대, 시그마 형성에 대한 저항성) 및 부식 저항성을 증가시킨다. 그러나 너무 높은 수준의 질소는 니오븀을정체시킬 수도 있고, 민감화에 대한 저항성을 감소시키며, 또한 내포물을 형성할 수도 있다.
따라서 특정 실시예에서 니오븀-함유 스테인레스 강은 0.1% 미만의 질소를 함유하며, 특정한 다른 실시예에서는 0.025% 미만의 질소를 함유하고, 일 형태에서는 약 0.020% 질소를 함유한다.
니오븀-함유 스테인레스 강을 위한 폭넓은 조성에 대하여 전술한 특정의 변형으로부터 유래 될 수 있는 이점을 고려하면, 본원 발명의 추가적인 양태는 중량%로 19% 내지 21.5%의 크롬, 30% 내지 35%의 니켈, 1% 내지 2.7%의 몰리브덴, 0 내지 0.03%의 티타늄, 0.15% 내지 0.4%의 알루미늄, 최고 0.025%의 탄소, 1% 내지 1.5%의 망간, 0 내지 0.8% 미만의 실리콘, 0 내지 0.75%의 구리, 0.25% 내지 0.6%의 니오븀, al 및 철을 포함하는 오스테나이트계 스테인레스 강에 직결된다. 한 형태에서는 니오븀-함유 스테인레스 강은 중량%로 21.5% 크롬, 34.5% 니켈, 2.5% 몰리브덴, 0.02% 탄소, 1.2% 망간, 0.03% 이하의 티타늄, 0.5% 니오븀, 최고 0.05% 인, 최고 0.02% 황, 0.30% 실리콘, 0.30% 알루미늄, 0.30% 구리, 0.020% 질소, 철 및 부수적 불순물을 함유한다.
다시 실시예 2의 결과를 고려해보면, 본원 발명의 또다른 양태는 몰리브덴과 니오븀을 함유하고, 중량%로 19% 내지 23%의 크롬, 30% 내지 35%의 니켈, 1% 내지 6%의 몰리브덴, 0 내지 0.03%의 티타늄, 0.15% 내지 0.6%의 알루미늄, 최고 0.1%의 탄소, 1% 내지 1.5%의 망간, 0 내지 0.8% 미만의 실리콘, 0.25% 내지 0.6%의 니오븀, 0 내지 0.75%의 구리, 최고 0.05%의 인, 최고 0.02%의 황; 최고 0.1%의 질소, 철 및 부수적 불순물로 본질적으로 구성되는 오스테나이트계 스테인레스 강으로 직결된다. 부수적 불순물은 예컨대, 스크랩 및 합금이 제조되는 다른 물질로부터 파생된 잔여 불순물의 정도를 함유한다.
니오븀-함유 스테인레스 강의 조성에 대하여 상기 가능한 변형이 제공될 때, 본원 발명의 또다른 형태는 몰리브덴과 니오븀을 함유하고, 중량%로 19% 내지 21.5% 크롬, 30 내지 35% 니켈, 1% 내지 2.7% 몰리브덴, 0 내지 0.03% 티타늄, 0.15% 내지 0.4% 알루미늄, 최고 0.025% 탄소, 1% 내지 1.5% 망간, 0 내지 0.8% 미만의 실리콘, 0.25% 내지 0.6%의 니오븀, 최고0.05%의 인, 최고 0.02%의 황, 최고 0.1%의 질소, 철 및 부수적 불순물로 본질적으로 구성되는 오스테나이트계 스테인레스 강에 직결된다.
또한 본원 발명은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 오스테나이트계 스테인레스 강으로 전부 또는 부분적으로 제조된 제조 물품을 포함하며, 이러한 물품을 제조하는 방법 또한 포함한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이러한 제조 물품의 가능한 실시예를 제한하지 않고, 여기에서 설명된 오스테나이트계 스테인레스 강을 함유하며 이러한 방법으로 제조될 수 있는 물품의 예에는 자동차, (예컨대, 자동차 배기 장치 가요성 커넥터와 같은) 자동차 배기 장치 구성 요소, 열선 시드, 및 개스켓을 포함한다. 통상의 당업자는 본원 발명의 스테인레스 강을 사용하여 이러한 제조 물품을 제조하기 위한 적합한 과정을 용이하게 고안할 수 있다.
실시예 2에서 설명된 오스테나이트계 스테인레스 강의 부식 저항성 성질이 제공될 때, 강은 자동차 배기 장치 가요성 커넥터로서의 적용에 특히 우수하게 적합하다고 생각된다. 상대적으로 고운 입자 크기를 가진 재료는 자동차 배기 가요성 커넥터와 그 밖의 다른 경량의 규격 물품을 제조할 때 필요하다. 거친 입자 크기를 가지는 재료는 자동차 배기 장치 가요성 커넥터를 제조하는데 전형적으로 사용되는 하이드로폼(hydroforming) 과정에서 잘 형성되지 않을 것이다. 따라서 7 또는 보다 높은(예컨대, 8-10) ASTM 입자 크기 번호를 가지는 본원 발명의 니오븀-함유 스테인레스 강은 이러한 가요성 커넥터를 형성하는데 사용될 것이다.
니오븀-함유 스테인레스 강으로부터 자동차 배기 장치 가요성 커넥터를 제조할 때, 강은 전기로/AOD 용융, 주조, 고온 압연, 및 경량의 규격에 맞추기 위하여 클러스터 밀(cluster mill)에서 다단계 압연에 의해 제조될 수 있다. 경량의 규격재료는 bright 가열냉각되어 예컨대, 0.006-0.010 인치의 두께를 가지는 상대적으로 좁은 스트립(strip)으로 가느다랗게 쪼갠다. 재료의 연속적인 코일은 자동화된 튜브 밀(tube mill)에서 튜브로 용접되고, 이후 주름잡힌 가요성 커넥터 송풍기(bellows)로 하이드로폼된다. 이는 재료가 견실한 가장자리, 심한 결점이 없는 상대적으로 깨끗하고 안정화된 마이크로 구조, 스케일 없는 표면, 그리고 높은 내재성 연성(intrinsic ductility) 및 파쇄(fracture) 인성을 가질 것을 요한다. 통상의 기술을 가진 당업자는 자동차 배기 장치 가요성 커넥터로 사용하기 위한 재료의 적합한 가공 방법을 잘 알고 있을 것이다. 따라서 이러한 방법에 대한 추가적인 설명은 불필요하다고 생각된다.
본 명세서는 본원 발명을 명확히 이해하는 것에 관련된 본원 발명의 양태들을 설명함을 알아야 한다. 당해 기술 분야의 당업자에게 자명하여 본원 발명을 더 잘 이해하도록 촉진시키지 않는 본원 발명의 특정 양태는 본 명세서를 단순화 하기 위하여 나타내지 않았다. 비록 본원 발명을 특정 실시예와 연관시켜 설명하였지만, 당해 기술 분야의 통상의 당업자는 전술한 설명을 고려할 때 본원 발명의 많은 변형 및 변화가 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 본원 발명의 이러한 모든 변화 및 변형은 전술한 상세한 설명과 이하의 청구항에 의하여 뒷받침 될 것이다.

Claims (34)

  1. 중량%로 다음을 포함하는 오스테나이트계 스테인레스 강(austenitic stainless steel):
    19% 내지 23% 크롬;
    30% 내지 35% 니켈 ;
    1 % 내지 6% 몰리브덴 ;
    0 내지 0.03% 티타늄;
    0.15% 내지 0.6% 알루미늄;
    최고 0.1% 탄소
    1% 내지 1.5% 망간;
    0 내지 0.8% 미만 실리콘;
    0.25% 내지 0.6% 니오븀; 및
    철.
  2. 제 1항에 있어서, 19% 내지 21.5%의 크롬을 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스 강.
  3. 제 1항에 있어서, 2% 내지 4%의 몰리브덴을 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스 강.
  4. 제 1항에 있어서, 1 % 내지 2.7%의 몰리브덴을 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스 강.
  5. 제 1항에 있어서, 0 내지 0.01%의 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스 강.
  6. 제 1항에 있어서, 0 내지 0.005%의 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스 강.
  7. 제 1항에 있어서, 0.15% 내지 0.4%의 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스 강.
  8. 제 1항에 있어서, 최고 0.025% 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스 강.
  9. 제 1항에 있어서, 0 내지 0.4%의 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스 강.
  10. 제 1항에 있어서, 0.3% 내지 0.5%의 니오븀을 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스 강.
  11. 제 1항에 있어서, 0% 내지 0.75%의 구리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스 강.
  12. 제 1항에 있어서, 0% 내지 0.4%의 구리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스 강.
  13. 제 1항에 있어서, 다음을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스 강:
    0.05% 이하의 인;
    0.02% 이하의 황 ; 및
    0.1% 이하의 질소.
  14. 제 1항에 있어서, 중량%로 다음을 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스 강:
    19% 내지 21.5% 크롬;
    30% 내지 35% 니켈 ;
    1 % 내지 2.7% 몰리브덴 ;
    0 내지 0.03% 티타늄;
    0.15% 내지 0.4% 알루미늄 ;
    최고 0.025%의 탄소
    1% 내지 1.5% 망간;
    0 내지 0.8% 미만 실리콘;
    0.25% 내지 0.6% 니오븀 ; 및
    철.
  15. 제 1항에 있어서, 본질적으로 다음의 중량%에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스 강:
    19% 내지 23% 크롬;
    30% 내지 35% 니켈 ;
    1% 내지 6% 몰리브덴 ;
    0 내지 0.03% 티타늄 ;
    0.15% 내지 0.6% 알루미늄 ;
    최고 0.1% 탄소
    1% 내지 1.5% 망간;
    0 내지 0.8% 미만 실리콘;
    0.25% 내지 0.6% 니오븀;
    0 내지 0.75% 구리;
    최고 0.05% 인;
    최고 0.02% 황 ;
    최고 0.1 % 질소;
    철 ; 및
    부수적 불순물.
  16. 다음을 중량%로 포함하는 오스테나이트계 스테인레스 강을 함유하는 제조 물품(article of manufacture):
    19% 내지 23% 크롬;
    30% 내지 35% 니켈 ;
    1% 내지 6% 몰리브덴;
    0 내지 0.03% 티타늄;
    0.15% 내지 0.6% 알루미늄;
    최고 0.1% 탄소
    1% 내지 1.5% 망간;
    0 내지 0.8% 미만 실리콘;
    0.25% 내지 0.6% 니오븀; 및
    철.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 19% 내지 21.5% 크롬을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 2% 내지 4% 몰리브덴을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
  19. 제 16항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 1% 내지 2.7% 몰리브덴을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
  20. 제 16항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 0% 내지 0.01% 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
  21. 제 16항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 0% 내지 0.005% 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
  22. 제 16항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 0.15% 내지 0.4% 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
  23. 제 16항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 최고 0.025% 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
  24. 제 16항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 0 내지 0.4% 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
  25. 제 16항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 0.3% 내지 0.5% 니오븀을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
  26. 제 16항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 0 내지 0.75% 구리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
  27. 제 16항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 0 내지 0.4% 구리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
  28. 제 16항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 다음을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품:
    0.05% 이하 인;
    0.02% 이하 황; 및
    0.1% 이하 질소.
  29. 제 16항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 중량%로 다음을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품:
    19% 내지 21.5% 크롬;
    30% 내지 35% 니켈;
    1% 내지 2.7% 몰리브덴;
    0 내지 0.03% 티타늄;
    0.15% 내지 0.4% 알루미늄;
    최고 0.025% 탄소
    1% 내지 1.5% 망간;
    0 내지 0.8% 미만 실리콘;
    0.25% 내지 0.6% 니오븀; 및
    철.
  30. 제 16항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 본질적으로 다음의 중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 제조 물품:
    19% 내지 23% 크롬;
    30% 내지 35% 니켈 ;
    1% 내지 6% 몰리브덴;
    0 내지 0.03% 티타늄;
    0.15% 내지 0.6% 알루미늄;
    최고 0.1% 탄소
    1% 내지 1.5% 망간;
    0 내지 0.8% 미만 실리콘 ;
    0.25% 내지 0.6% 니오븀;
    0 내지 0.75% 구리;
    최고 0.05% 인;
    최고 0.02% 황 ;
    최고 0.1% 질소; 및
    철 ; 및
    부수적 불순물.
  31. 제 16항, 29항 및 30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제조 물품은 자동차, 자동차의 배기 장치 구성 요소, 자동차의 배기 장치 가요성 커넥터(flexible connector), 열선 시드(heating element sheath), 및 개스켓(gasket)으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
  32. 다음을 중량%로 포함하는 오스테나이트계 스테인레스 강을 함유하는 자동차의 배기 장치 가요성 커넥터:
    19% 내지 21.5% 크롬;
    30% 내지 35% 니켈 ;
    1% 내지 6% 몰리브덴;
    0 내지 0.03% 티타늄;
    0.15% 내지 0.6% 알루미늄 ;
    최고 0.1 % 탄소
    1% 내지 1.5% 망간;
    0 내지 0.8% 미만 실리콘;
    0.25% 내지 0.6% 니오븀 ; 및
    철.
  33. 다음을 포함하는, 제조 물품의 제조 방법:
    다음을 중량%로 포함하는 오스테나이트계 스테인레스 강으로부터 제조 물품의 적어도 일부분을 형성하는 단계:
    19% 내지 23% 크롬;
    30% 내지 35% 니켈;
    1% 내지 6% 몰리브덴;
    0 내지 0.03% 티타늄;
    0.15% 내지 0.6% 알루미늄;
    최고 0.1 % 탄소
    1% 내지 1.5% 망간;
    0 내지 0.8% 미만 실리콘;
    0.25% 내지 0.6% 니오븀;
    0 내지 0.75% 구리; 및
    철.
  34. 제 33항에 있어서, 상기 제조 물품은 자동차, 자동차 배기 장치 구성 요소, 자동차 배기 장치 가요성 커넥터, 열선 시드, 및 개스켓으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 물품의 제조 방법.
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