KR20060004696A - Composition gradient cermets and reactive heat treatment process for preparing same - Google Patents

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창민 전
나라심하-라오 벤카타 방가루
현우 진
자영 구
존 로저 피터슨
로버트 리 앤트람
크리스토퍼 존 파울러
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엑손모빌 리서치 앤드 엔지니어링 컴퍼니
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Abstract

Cermets, particularly composition gradient cermets can be prepared starting with suitable bulk metal alloys by a reactive heat treatment process involving a reactive environment selected from the group consisting of reactive carbon, reactive nitrogen, reactive boron, reactive oxygen and mixtures thereof.

Description

조성 구배적 서밋 및 이것의 제조를 위한 반응성 열 처리 공정{COMPOSITION GRADIENT CERMETS AND REACTIVE HEAT TREATMENT PROCESS FOR PREPARING SAME}COMPOSITION GRADIENT CERMETS AND REACTIVE HEAT TREATMENT PROCESS FOR PREPARING SAME

본 발명은 넓게는 서밋, 특히 조성 구배적 서밋 및 이를 제조하는 반응성 열 처리 공정에 관한 것이다. The present invention broadly relates to summits, in particular compositional gradient summits and reactive heat treatment processes for making them.

침식 내성 물질은 표면이 침식력을 받는 많은 용도에서 사용될 수 있다. 예컨대, 다양한 화학적 및 석유 환경에서 촉매 입자와 같은 경질 고체 입자를 함유하는 공격적인 유체에 노출되는 정제 공정 용기 내부는 침식 및 부식 모두를 받는다. 특히 고온에서의 침식 및 부식 유발 물질 분해에 대해 이런 용기 내부를 보호하는 것이 기술적 목표가 되고 있다. 최근, 가장 심각한 침식 및 부식에 대해 보호가 필요한 구성물, 예컨대 유체 촉매적 크래킹 유닛(FCCU)의 내부 사이클론과 같은 사이클론의 내벽에 대해 내열성 라이너가 사용되고 있다. 이런 내열성 라이너의 수명은 라이너의 기계적 마멸(attrition), 크래킹 및 핵파쇄(spallation)에 의해 상당히 제한된다. 현재 기술 수준에서의 침식 내성 물질은 화학적으로 결합되는 주조가능한 알루미나 내열재이다. 이들 주조가능한 알루미나 내열재는 보호가 필요 한 표면에 적용되고, 열 경화시 경질화되고, 금속-앵커 또는 금속-강화재를 통해 표면에 부착된다. 또한, 다른 내열재 표면에 용이하게 결합된다. 하나의 시판되는 내열재의 전형적인 화학적 조성은 80.0%의 Al2O3, 7.2%의 SiO2, 1.0%의 Fe2O3, 4.8%의 MgO/CaO, 4.5%의 P2O5(중량%) 이다. Erosion resistant materials can be used in many applications where surfaces are subject to erosion. For example, in various chemical and petroleum environments interiors of refining process vessels that are exposed to aggressive fluids containing hard solid particles such as catalyst particles are subject to both erosion and corrosion. It is a technical goal to protect the interior of such vessels, especially against high temperature erosion and decomposition of corrosion-causing substances. Recently, heat resistant liners have been used for the inner walls of cyclones, such as those that require protection against the most severe erosion and corrosion, such as the inner cyclones of a fluid catalytic cracking unit (FCCU). The lifetime of these heat resistant liners is significantly limited by the mechanical attrition, cracking and spallation of the liner. Erosion-resistant materials at the current state of the art are chemically bonded castable alumina heat resistant materials. These castable alumina heat resistant materials are applied to surfaces in need of protection, hardened upon thermal curing, and attached to the surfaces through metal-anchor or metal-reinforced materials. It is also easily bonded to other heat resistant surfaces. The typical chemical composition of one commercially available heat resistant material is 80.0% Al 2 O 3 , 7.2% SiO 2 , 1.0% Fe 2 O 3 , 4.8% MgO / CaO, 4.5% P 2 O 5 (% by weight) to be.

세라믹-금속 복합체를 서밋이라 부른다. 적당한 화학적 안정성을 갖는 서밋은 당업계에 공지된 내열재 물질에 비해 10배 정도의 높은 침식 내성을 제공할 수 있다. 일반적으로 서밋은, 금속 및 세라믹 분말이 고온에서 혼합되고, 압축되고, 소결되는 분말 야금 기법을 이용하여 제조된다. 분말 야금적으로 제조된 서밋이 보통 균질한 미세구조 및 균일한 조성을 갖기 때문에, 표면의 부식 내성이 요구되는 금속 표면 상에 서밋을 부착시키기 위해 복잡한 부착 방법이 필요하다. Ceramic-metal composites are called summits. Summits with adequate chemical stability can provide as much as 10 times higher erosion resistance than heat resistant materials known in the art. Summits are generally made using powder metallurgy techniques where metal and ceramic powders are mixed, compressed and sintered at high temperatures. Since powder metallurgy prepared summits usually have a homogeneous microstructure and uniform composition, a complex attachment method is required to adhere the summit on metal surfaces where surface corrosion resistance is required.

조성 구배적 서밋은, 서밋의 한 표면은 세라믹-풍부하고, 비노출된 표면은 금속-풍부한 서밋이다. 전형적인 조성 구배적 서밋에서는, 세라믹의 농도가 깊이에 따라 감소되도록 금속 조성물 중의 서밋의 농도에 구배가 있다. 실질적으로 금속성인 물체를 다른 실질적으로 금속성인 물체에 용접하는 것이 상용성(compatibility)이 있고, 용이하기 때문에, 용접과 같은 방법을 이용하여 금속 또는 합금 표면 상에 직접적으로 서밋을 비용-효과적으로 부착하기 위해 상기 조성 구배적 서밋이 요구되고, 바람직하다. 또한, 이런 조성 구배적 서밋은, 특히 열 변동(fluctuation)이 존재하는 조건 하에 우수한 내구성을 또한 보일 수 있다. 그러나, 조성 구배적 서밋을 제조하는 효과적인 방법이 필요하다. The compositional gradient summit is that one surface of the summit is ceramic-rich and the unexposed surface is a metal-rich summit. In a typical compositional gradient summit, there is a gradient in the concentration of the summit in the metal composition such that the concentration of the ceramic decreases with depth. Since it is compatible and easy to weld a substantially metallic object to another substantially metallic object, cost-effectively attaching the summit directly onto the metal or alloy surface using a method such as welding. In order to achieve this compositional gradient summit, it is desirable. In addition, such compositional gradient summits may also show good durability, especially under conditions where thermal fluctuations are present. However, there is a need for an effective method of making compositional gradient summits.

본 발명의 하나의 목적은 금속 합금의 반응성 열 처리를 통해 서밋, 특히 조성 구배적 서밋의 제조방법을 제공하는 것이다. One object of the present invention is to provide a method for producing a summit, in particular a compositional gradient summit, via reactive heat treatment of the metal alloy.

본 발명의 다른 목적은 반응성 열 처리 공정으로부터 유도된 조성 구배적 서밋 생성물을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide compositional gradient summit products derived from reactive heat treatment processes.

이런 목적 및 다른 목적은 이하의 기재로부터 명확해질 것이다.These and other objects will be apparent from the description below.

발명의 요약Summary of the Invention

한 실시양태는, 약 600℃ 내지 약 1150℃의 범위의 온도에서 크롬 및 티탄 중 하나 이상을 함유하는 금속 합금을 가열하여 가열된 금속 합금을 형성하는 단계; 약 600℃ 내지 약 1150℃의 범위의 온도에서 반응된 합금을 제공하기에 충분한 시간동안, 반응성 탄소, 반응성 질소, 반응성 붕소, 반응성 산소 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택되는 일원 하나 이상을 포함하는 반응성 환경에 상기 가열된 금속 합금을 노출시키는 단계; 및 상기 반응된 합금을 약 40℃ 미만의 온도로 냉각시켜 조성 구배적 서밋 물질을 제공하는 단계를 포함하는, 조성 구배적 서밋 물질의 제조방법이다.One embodiment includes heating a metal alloy containing at least one of chromium and titanium at a temperature in a range from about 600 ° C. to about 1150 ° C. to form a heated metal alloy; At least one member selected from the group consisting of reactive carbon, reactive nitrogen, reactive boron, reactive oxygen, and mixtures thereof for a time sufficient to provide a reacted alloy at a temperature in the range of about 600 ° C to about 1150 ° C. Exposing the heated metal alloy to a reactive environment; And cooling the reacted alloy to a temperature below about 40 ° C. to provide a compositional gradient summit material.

다른 실시양태는 개시된 반응성 열 처리 공정으로부터 수득된 조성 구배적 서밋 생성물에 관한 것이다.Another embodiment relates to compositional gradient summit products obtained from the disclosed reactive heat treatment process.

도 1은 반응 CH4 --> C + 2H2에 기반하는 환경의 탄소 활성도를 오스테나이틱 스테인레스 강(Fe3C와 평형인 aC)과 비교하여 도시한 것이다. 또한, 본 발명에 적용가능한 가스 혼합물의 탄소 활성도 값이 표시되어 있다.FIG. 1 shows the carbon activity of an environment based on the reaction CH 4- > C + 2H 2 as compared to austenitic stainless steel (a C equilibrium with Fe 3 C ). In addition, the carbon activity values of the gas mixtures applicable to the present invention are indicated.

도 2는 1100℃에서 3시간 동안 H2에서의 CH4 함량의 함수로서 304 스테인레스 강(74Fe:18Cr:8Ni(중량%))의 탄소 이입(서밋 층 형성의 측정)에 의한 질량 이득을 도시한 것이다. FIG. 2 shows the mass gain by carbon incorporation (measurement of summit layer formation) of 304 stainless steel (74Fe: 18Cr: 8Ni (wt%)) as a function of CH 4 content in H 2 at 1100 ° C. for 3 hours. will be.

도 3은 3시간 동안 37.3체적%의 CH4:62.7체적%의 H2 환경에서 온도의 함수로서 304 스테인레스 강에서의 표면 서밋 구조체의 두께 변이를 도시한 것이다. FIG. 3 shows the thickness variation of the surface summit structure in 304 stainless steel as a function of temperature in a 37.3 volume% CH 4 : 62.7 volume% H 2 environment over 3 hours.

도 4는 1100℃ 및 37.3체적%의 CH4:62.7체적%의 H2 환경에서 반응 시간의 함수로서 다양한 Fe:Ni:Cr계 고온 합금 상에 형성된 표면 서밋의 두께 변이를 도시한 것이다. FIG. 4 shows the thickness variation of surface summits formed on various Fe: Ni: Cr based high temperature alloys as a function of reaction time in 1100 ° C. and 37.3 volume% CH 4 : 62.7 volume% H 2 environment.

도 5는 (a) 37.3체적%의 CH4:62.7체적%의 H2 환경에서 3시간 동안 1100℃에서 반응성 열 처리한 이후 310 스테인레스 강(54Fe:21Ni:25Cr(중량%))에서의 표면 크롬 카바이드-금속 서밋 구조체 및 (b) 복합 세라믹-금속 2-상 구조를 생성하는 Cr-풍부 카바이드[(Cr0.6Fe0.4)7C3] 및 Cr-소진된 강(63Fe:31Ni:6Cr(중량%))을 보여주는 표면 상의 확장된 구역을 도시하는 주사 전자현미경도이다. 이 주사 전자 현미경도에서, Cr-풍부 카바이드는 어두운 회색으로 나타나고, 금속은 카바이드보다 깊 게 에칭되었기 때문에 함몰되게 표시된다. 이런 도면들은 본 발명의 제조방법의 생성물인, 서밋 표면을 갖는 최종 생성물을 도시한다. FIG. 5 shows (a) surface chromium in 310 stainless steel (54Fe: 21Ni: 25Cr (% by weight)) after reactive heat treatment at 1100 ° C. for 3 hours in a CH 3 : 62.7% by volume H 2 environment of 37.3% by volume. (B) Cr-rich carbide [(Cr 0.6 Fe 0.4 ) 7 C 3 ] and Cr-exhausted steel (63Fe: 31Ni: 6Cr (wt%) to produce a carbide-metal summit structure and (b) a composite ceramic-metal two-phase structure Scanning electron microscopy showing the expanded area on the surface showing)). In this scanning electron micrograph, the Cr-rich carbide appears dark gray and appears to be depressed because the metal is etched deeper than the carbide. These figures show the final product with the summit surface, the product of the production process of the present invention.

도 6은 10체적%의 CH4:90체적%의 H2 환경에서 24시간 동안 1100℃에서 반응성 열 처리한 이후 (a) 55Fe:35Cr:10Ni(중량%) 합금, (b) 45Fe:45Cr:10Ni(중량%) 합금 및 (c) 35Fe:55Cr:10Ni(중량%) 합금 상의 M7C3(M=Cr 및 Fe) 카바이드-금속 서밋 구조체를 도시하는 광학 현미경도를 도시한다. FIG. 6 shows (a) 55Fe: 35Cr: 10Ni (% by weight) alloy, (b) 45Fe: 45Cr after reactive heat treatment at 1100 ° C. for 24 hours in a 10 vol% CH 4 : 90 vol% H 2 environment. An optical micrograph is shown showing the M 7 C 3 (M = Cr and Fe) carbide-metal summit structure on the 10 Ni (wt%) alloy and (c) 35Fe: 55Cr: 10Ni (wt%) alloy.

도 7은 10체적%의 CH4:90체적%의 H2 환경에서 24시간 동안 1100℃에서 반응성 열 처리한 이후 60Fe:25Cr:10Ni:5Ti(중량%) 합금 상의 혼합 TiC 및 M7C3(M=Cr 및 Fe) 카바이드-금속 서밋 구조체를 도시하는 광학 현미경도를 도시한다. FIG. 7 shows a mixed TiC and M 7 C 3 phase on a 60Fe: 25Cr: 10Ni: 5Ti (% by weight) alloy after reactive heat treatment at 1100 ° C. for 24 hours in a 10 vol% CH 4 : 90 vol% H 2 environment. M = Cr and Fe) shows an optical micrograph showing the carbide-metal summit structure.

조성 구배적 서밋 물질의 제조방법의 제 1 단계는 약 600℃ 내지 약 1150℃의 범위의 온도에서 크롬 및 티탄 중 하나 이상을 함유하는 금속 합금을 가열하여 가열된 금속 합금을 형성하는 것을 포함한다. 크롬 및 티탄 중 하나 이상을 함유하는 금속 합금은 약 12 내지 60중량%의 크롬, 0 내지 10중량%의 티탄 및 철, 니켈, 코발트, 규소, 알루미늄, 망간, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 몰리브덴, 텅스텐 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택되는 약 30 내지 88중량%의 금속을 포함한다. 바람직한 실시양태에서, 합금의 주 질량 성분은 철이다. 따라서, 스테인레스 강, 예컨대 유형 304SS, 347SS, 321SS, 310SS 등 및 철-니켈계 합금, 예컨대 인콜로이(Incoloy) 800H가 본 발명의 제조방법에 특히 적당하다.The first step of the method of making the compositionally gradient summit material comprises heating a metal alloy containing at least one of chromium and titanium at a temperature in the range of about 600 ° C. to about 1150 ° C. to form a heated metal alloy. Metal alloys containing at least one of chromium and titanium include about 12-60% chromium, 0-10% titanium and iron, nickel, cobalt, silicon, aluminum, manganese, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum About 30 to 88% by weight of a metal selected from the group consisting of molybdenum, tungsten and mixtures thereof. In a preferred embodiment, the major mass component of the alloy is iron. Thus, stainless steels such as types 304SS, 347SS, 321SS, 310SS and the like and iron-nickel based alloys such as Incoloy 800H are particularly suitable for the process of the invention.

본 제조방법의 제 2 단계는 약 600℃ 내지 약 1150℃의 범위의 온도에서 반응된 합금을 제공하기에 충분한 시간동안, 반응성 탄소, 반응성 질소, 반응성 붕소, 반응성 산소 및 이들의 혼합물로 본질적으로 구성된 그룹에서 선택되는 일원 하나 이상을 포함하는 반응성 환경에 상기 가열된 금속 합금을 노출시키는 것을 포함한다.The second step of the process consists essentially of reactive carbon, reactive nitrogen, reactive boron, reactive oxygen and mixtures thereof for a time sufficient to provide a reacted alloy at a temperature in the range of about 600 ° C to about 1150 ° C. Exposing the heated metal alloy to a reactive environment comprising at least one member selected from the group.

반응성 환경은 반응성 탄소 환경인 경우, 탄화 반응이 일어나는 것으로 여겨진다. 반응성 열 처리 공정의 메커니즘에 구속되려 하는 것은 아니지만, 출원인은 이런 탄화 과정이 합금 표면 상에 및 합금 매트릭스 내에 크롬-풍부 및 티탄 카바이드 상, 예컨대 Cr7C3, Cr23C6, (Cr0.6Fe0.4)7C3, (Cr0.6Fe0.4)23C6 및 TiC의 침전을 초래하여, 서밋 및 특히 조성 구배적 카바이드 서밋을 생성하는 것으로 여긴다. If the reactive environment is a reactive carbon environment, it is believed that the carbonization reaction occurs. While not intending to be bound by the mechanisms of the reactive heat treatment process, Applicants believe that this carbonization process is performed on chromium-rich and titanium carbide phases such as Cr 7 C 3 , Cr 23 C 6 , (Cr 0.6 Fe) on the alloy surface and in the alloy matrix. 0.4 ) 7 C 3 , (Cr 0.6 Fe 0.4 ) 23 C 6 and TiC is considered to result in the generation of summits and in particular compositional gradient carbide summits.

반응성 탄소 환경은, 환경 중의 탄소의 열역학적 활성도(aC)가 합금의 열역학적 활성도 보다 큰 환경으로서 정의된다: A reactive carbon environment is defined as an environment where the thermodynamic activity (a C ) of carbon in the environment is greater than the thermodynamic activity of the alloy:

(aC) 환경 > (aC) 금속(a C ) Environment> (a C ) Metal

본 발명에 적당한 반응성 탄소 환경은 CO, CH4, C2H6 및 C3H8 중 하나 이상을 포함한다. 반응성 탄소 환경은 임의적으로 H2를 포함할 수 있다. 반응성 탄소 환경은 O2, CO2 및 H2O를 추가로 포함할 수 있다. 아래에 도시된 다음의 반응 [1], [2] 및 [3]은 열 처리 조건 하에 반응이 일어나서 반응성 탄소를 제공하는 것으로 여겨지는 반응들의 일부이다. 탄소는 금속 표면과 반응하여 크롬-풍부 및 티탄-풍부 카바이드 상을 형성한다. Suitable reactive carbon environments for the present invention include one or more of CO, CH 4 , C 2 H 6 and C 3 H 8 . The reactive carbon environment can optionally include H 2 . The reactive carbon environment may further comprise O 2 , CO 2 and H 2 O. The following reactions [1], [2] and [3], shown below, are some of the reactions which are believed to occur under heat treatment conditions to provide reactive carbon. Carbon reacts with the metal surface to form chromium-rich and titanium-rich carbide phases.

CO + H2--->C + H2O [1]CO + H 2 ---> C + H 2 O [1]

2CO --->C + CO2 [2]2CO ---> C + CO 2 [2]

CH4 --->C + 2H2 [3]CH 4 ---> C + 2H 2 [3]

반응 [3]후에 열처리가 실시되는 경우, 그 환경에서의 탄소 활성도(aC)는 수학식 1과 같다:When heat treatment is performed after reaction [3], the carbon activity (a C ) in the environment is given by Equation 1:

Figure 112005066557806-PCT00001
Figure 112005066557806-PCT00001

상기 식에서,Where

G0은 활성도의 자유 에너지이고, R은 기체 상수이고, T는 켈빈 단위의 온도이고, P는 개별적 기체 메테인 및 수소의 분압이다. (PCH4/P2 H2)의 함수로서의 탄소 활성도가 도 1에 도시되고, 여기에 본 발명의 제조방법에서 바람직한 PCH4/P2 H2의 범위가 나타나 있다. G 0 is the free energy of activity, R is the gas constant, T is the temperature in Kelvin, and P is the partial pressure of the individual gas methane and hydrogen. Carbon activity as a function of (P CH 4 / P 2 H 2 ) is shown in FIG. 1, where the preferred range of P CH 4 / P 2 H 2 in the process of the invention is shown.

메테인 및 수소의 혼합물이 반응성 탄소 환경을 제공하기 위해 사용되는 경우, 메테인 및 수소의 가스 혼합물에서의 메테인 함량은 약 1체적% 내지 약 99체적%, 바람직하게는 약 2체적% 내지 약 45체적%의 범위일 수 있다. 이는 1100℃에서 3시간 동안 노출된 304 스테인레스 강(74Fe:18Cr:8Ni(중량%))의 탄소 이입(서밋 층 형성의 측정)에 의한 질량 이득이 H2에서의 CH4 함량의 함수로서 플러팅된 도 2에 도시된다. 메테인 및 수소의 가스 혼합물에서의 바람직한 메테인 함량은 곡선의 고평부(plateau) 영역에 해당된다. 이 영역에서, 특정 두께의 서밋을 수득하기 위한 반응 시간은 보다 짧다. 메테인 및 수소의 가스 혼합물에서의 메테인 함량이 45체적% 보다 큰 가스 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 그러나, 이 범위에서, 도 2의 질량 이득의 급격한 증가에 의해 도시된 바와 같이 합금 표면 상에서 고체 탄소의 침착이 일어날 수 있다. When a mixture of methane and hydrogen is used to provide a reactive carbon environment, the methane content in the gas mixture of methane and hydrogen is from about 1% to about 99% by volume, preferably from about 2% by volume to about It may range from 45% by volume. This indicates that the mass gain by carbon incorporation (measurement of the summit layer formation) of 304 stainless steel (74Fe: 18Cr: 8Ni (wt%)) exposed for 3 hours at 1100 ° C. is fluttered as a function of the CH 4 content in H 2 . 2 is shown. Preferred methane content in the gas mixture of methane and hydrogen corresponds to the high plateau region of the curve. In this region, the reaction time for obtaining a summit of a certain thickness is shorter. Gas mixtures with a methane content in the gas mixture of methane and hydrogen of greater than 45% by volume can also be used. However, in this range, deposition of solid carbon on the alloy surface can occur as shown by the sharp increase in the mass gain of FIG. 2.

CO 및 수소의 혼합물이 반응성 탄소 환경을 제공하기 위해 사용되는 경우, CO 및 수소의 가스 혼합물 중의 CO 함량은 약 0.1체적% 내지 약 5체적%, 바람직하게는 약 0.1체적% 내지 약 2체적%의 범위일 수 있다.When a mixture of CO and hydrogen is used to provide a reactive carbon environment, the CO content in the gas mixture of CO and hydrogen is from about 0.1% to about 5% by volume, preferably from about 0.1% to about 2% by volume. It can be a range.

반응성 환경이 반응성 질소 환경인 경우, 질화 반응이 일어나는 것으로 여겨진다. 반응성 열 처리 공정의 메커니즘에 구속되려 하는 것은 아니지만, 출원인은 이런 질화 과정이 합금 표면 상에 및 합금 매트릭스 내에 크롬-풍부 및 티탄 나이트라이드 상, 예컨대 Cr2N 및 TiN의 침전을 초래하여, 서밋 및 특히 조성 구배적 나이트라이드 서밋을 생성하는 것으로 여긴다. If the reactive environment is a reactive nitrogen environment, it is believed that the nitriding reaction occurs. While not wishing to be bound by the mechanisms of the reactive heat treatment process, Applicants note that this nitriding process results in precipitation of chromium-rich and titanium nitride phases, such as Cr 2 N and TiN, on the alloy surface and in the alloy matrix, resulting in summit and In particular, it is considered to produce a compositional gradient nitride summit.

반응성 질소 환경은, 환경 중의 질소의 열역학적 활성도(aN)가 합금의 열역학적 활성도 보다 큰 환경으로서 정의된다: A reactive nitrogen environment is defined as an environment in which the thermodynamic activity (a N ) of nitrogen in the environment is greater than the thermodynamic activity of the alloy:

(aN) 환경 > (aN) 금속(a N ) Environment> (a N ) Metal

분자 질소가 합금의 질화 관점에서 비교적 비활성이기 때문에, 암모니아-함유 분위기가 바람직하다. 암모니아는 준안정성(metastable)이고, 승온으로 가열시에 분자 N2 및 분자 H2로 해리된다. 반응성 질소 환경의 바람직한 조성은 공기, 암모니아 및 질소 중 하나 이상을 포함한다. 그 조성은 H2, He 및 Ar을 추가로 포함할 수 있다. 600℃ 내지 1150℃ 범위의 이런 반응성 질소 환경에서 질소에 대해 강한 화학적 친화도를 갖는 Cr 및 Ti와 같은 원소를 함유하는 합금은 신속한 질화 반응을 겪는다. 합금에 의한 질소 흡수를 증가시키기 위해, 분자 NH3는 합금 표면 상에 해리되는 것이 바람직하고, 따라서 해리된 원자 질소가 표면에서 용해되고 금속 합금의 벌크 내부로 확산되게 한다. 탄화 과정과 유사하게, 질화는 매트릭스 내에서 및 합금 표면 부근의 그레인 경계에서 내부 나이트라이드 및 표면 나이트라이드의 형성을 초래한다.Since molecular nitrogen is relatively inert from the nitriding point of the alloy, an ammonia-containing atmosphere is preferred. Ammonia is metastable and dissociates into molecules N 2 and H 2 upon heating to elevated temperature. Preferred compositions of the reactive nitrogen environment include one or more of air, ammonia and nitrogen. The composition may further comprise H 2 , He and Ar. Alloys containing elements such as Cr and Ti, which have a strong chemical affinity for nitrogen in this reactive nitrogen environment in the range of 600 ° C. to 1150 ° C., undergo rapid nitriding reactions. In order to increase nitrogen absorption by the alloy, the molecule NH 3 is preferably dissociated on the alloy surface, thus allowing dissociated atomic nitrogen to dissolve at the surface and diffuse into the bulk of the metal alloy. Similar to the carbonization process, nitriding results in the formation of internal nitrides and surface nitrides in the matrix and at grain boundaries near the alloy surface.

암모니아 및 수소의 혼합물이 반응성 질소 환경을 제공하기 위해 사용되는 경우, 암모니아 및 수소의 가스 혼합물 중의 암모니아 함량은 약 1체적% 내지 약 99체적%, 바람직하게는 약 2체적% 내지 약 70체적%의 범위일 수 있다.When a mixture of ammonia and hydrogen is used to provide a reactive nitrogen environment, the ammonia content in the gas mixture of ammonia and hydrogen may be from about 1% to about 99% by volume, preferably from about 2% to about 70% by volume. It can be a range.

크롬, 티탄 및 이들의 혼합물을 함유하는 금속 합금의 나이트라이드 서밋으로의 전환을 성취하는 바람직한 온도 범위는 약 600℃ 내지 약 1150℃의 범위에 있다. The preferred temperature range for achieving conversion of metal alloys containing chromium, titanium and mixtures thereof to nitride summits is in the range of about 600 ° C to about 1150 ° C.

반응성 환경이 반응성 탄소 및 반응성 질소의 혼합물을 포함하는 경우, 카바이드, 나이트라이드, 카보나이트라이드 및 이들의 혼합물을 포함하는 혼합 조성 구 배적 서밋이 생성된다. 반응성 환경이 반응성 탄소 및 반응성 질소 환경인 경우, 탄질화(carbonitridation) 반응이 일어나는 것으로 여겨진다. 반응성 열 처리 공정의 메커니즘에 구속되려 하는 것은 아니지만, 출원인은 이런 탄질화 과정이 합금 표면 상에 및 합금 매트릭스 내에 크롬-풍부 및 티탄 카보나이트라이드 상, 예컨대 Cr2CN 및 TiN의 침전을 초래하여, 서밋 및 특히 조성 구배적 카보나이트라이드 서밋을 생성하는 것으로 여긴다. When the reactive environment comprises a mixture of reactive carbon and reactive nitrogen, a mixed composition gradient summit is produced that includes carbide, nitride, carbonitride, and mixtures thereof. When the reactive environment is a reactive carbon and reactive nitrogen environment, it is believed that carbonitridation reactions occur. While not intending to be bound by the mechanisms of the reactive heat treatment process, Applicants note that this carbonitriding process results in precipitation of chromium-rich and titanium carbonitride phases, such as Cr 2 CN and TiN, on the alloy surface and in the alloy matrix, And in particular for producing compositional gradient carbonitride summits.

반응성 탄소 및 질소 환경은, 환경 중의 탄소 및 질소의 열역학적 활성도(aC) 및 (aN)가 합금의 열역학적 활성도 보다 큰 환경으로서 정의된다. 반응성 탄소 및 질소 환경의 바람직한 조성은 암모니아 및 질소 중 하나 이상 및 CO, CH4, C2H6 및 C3H8 중 하나 이상을 포함한다. 그 조성은 H2, He 및 Ar을 추가로 포함할 수 있다. 600℃ 내지 1150℃ 범위의 온도에서의 이런 반응성 탄소 및 질소 환경에서 탄소 및 질소에 대해 강한 화학적 친화도를 갖는 Cr 및 Ti와 같은 원소를 함유하는 합금은 신속한 탄질화 반응을 겪는다. 탄화 또는 질화 과정과 유사하게, 탄질화는 매트릭스 내에서 및 합금 표면 부근의 그레인 경계에서 내부 카보나이트라이드 및 표면 카보나이트라이드의 형성을 초래한다.A reactive carbon and nitrogen environment is defined as an environment in which the thermodynamic activities (a C ) and (a N ) of carbon and nitrogen in the environment are greater than the thermodynamic activity of the alloy. Preferred compositions of the reactive carbon and nitrogen environment include at least one of ammonia and nitrogen and at least one of CO, CH 4 , C 2 H 6 and C 3 H 8 . The composition may further comprise H 2 , He and Ar. Alloys containing elements such as Cr and Ti, which have a strong chemical affinity for carbon and nitrogen in these reactive carbon and nitrogen environments at temperatures in the range of 600 ° C. to 1150 ° C., undergo rapid carbonitriding reactions. Similar to the carbonization or nitriding process, carbonitriding results in the formation of internal carbonitride and surface carbonitride in the matrix and at grain boundaries near the alloy surface.

반응성 환경이 반응성 붕소 환경인 경우, 붕화(boridation) 반응이 일어나는 것으로 여겨진다. 반응성 열 처리 공정의 메커니즘에 구속되려 하는 것은 아니지만, 출원인은 이런 붕화 과정이 합금 표면 상에 및 합금 매트릭스 내에 크롬-풍부 및 티탄 보라이드 상, 예컨대 Cr2B 및 TiB2의 침전을 초래하여, 서밋 및 특히 조성 구배적 보라이드 서밋을 생성하는 것으로 여긴다. If the reactive environment is a reactive boron environment, the boridation reaction is believed to occur. While not wishing to be bound by the mechanisms of the reactive heat treatment process, Applicants note that this boration process results in precipitation of chromium-rich and titanium boride phases, such as Cr 2 B and TiB 2 , on the alloy surface and in the alloy matrix, And in particular for generating compositional gradient boride summits.

반응성 붕소 환경은, 환경 중의 붕소의 열역학적 활성도(aB)가 합금의 열역학적 활성도 보다 큰 환경으로서 정의된다. 반응성 붕소 환경의 바람직한 조성은 예컨대 다이보레인(B2H6), BCl3 및 BF3 중 하나 이상을 포함한다. 그 조성은 H2, He 및 Ar을 추가로 포함할 수 있다. 600℃ 내지 1150℃ 범위의 온도에서의 이런 반응성 붕소에서 붕소에 대해 강한 화학적 친화도를 갖는 Cr 및 Ti와 같은 원소를 함유하는 합금은 신속한 붕화 반응을 겪는다. 탄화 또는 질화 과정과 유사하게, 붕화는 매트릭스 내에서 및 합금 표면 부근의 그레인 경계에서 내부 보라이드 및 표면 보라이드의 형성을 초래한다.A reactive boron environment is defined as an environment in which the thermodynamic activity (a B ) of boron in the environment is greater than the thermodynamic activity of the alloy. Preferred compositions of the reactive boron environment include, for example, one or more of diborane (B 2 H 6 ), BCl 3 and BF 3 . The composition may further comprise H 2 , He and Ar. Alloys containing elements such as Cr and Ti, which have a strong chemical affinity for boron in such reactive boron at temperatures ranging from 600 ° C. to 1150 ° C., undergo rapid boration reactions. Similar to the carbonization or nitriding process, boration results in the formation of internal borides and surface borides in the matrix and at grain boundaries near the alloy surface.

반응성 환경이 반응성 산소 환경인 경우, 산화 반응이 일어나는 것으로 여겨진다. 반응성 열 처리 공정의 메커니즘에 구속되려 하는 것은 아니지만, 출원인은 이런 산화 과정이 합금 표면 상에 및 합금 매트릭스 내에 크롬-풍부 및 티탄 옥사이드 상, 예컨대 (Cr,Fe)2O3, Cr2O3 및 TiO2의 침전을 초래하여, 서밋 및 특히 조성 구배적 옥사이드 서밋을 생성하는 것으로 여긴다. When the reactive environment is a reactive oxygen environment, it is believed that the oxidation reaction occurs. While not wishing to be bound by the mechanisms of the reactive heat treatment process, Applicants believe that this oxidation process is performed on chromium-rich and titanium oxide phases such as (Cr, Fe) 2 O 3 , Cr 2 O 3 and on the alloy surface and in the alloy matrix. It is believed to result in precipitation of TiO 2 , resulting in summits and in particular compositional gradient oxide summits.

반응성 산소 환경은, 환경 중의 산소의 분압이 산화물과 평형인 산소 분압 보다 큰 환경으로서 정의된다. 반응성 산소 환경의 바람직한 조성은 공기, 산소 및 CO2 중 하나 이상을 포함한다. 그 조성은 H2, He 및 Ar을 추가로 포함할 수 있 다. 600℃ 내지 1150℃ 범위의 온도에서의 이런 반응성 산소에서 산소에 대해 강한 화학적 친화도를 갖는 Cr 및 Ti와 같은 원소를 함유하는 합금은 신속한 산화 반응을 겪는다. 탄화 또는 질화 과정과 유사하게, 산화는 매트릭스 내에서 및 합금 표면 부근의 그레인 경계에서 내부 옥사이드 및 표면 옥사이드의 형성을 초래한다.The reactive oxygen environment is defined as an environment in which the partial pressure of oxygen in the environment is larger than the oxygen partial pressure in equilibrium with the oxide. Preferred compositions of the reactive oxygen environment include one or more of air, oxygen and CO 2 . The composition may further comprise H 2 , He and Ar. Alloys containing elements such as Cr and Ti, which have a strong chemical affinity for oxygen in this reactive oxygen at temperatures in the range of 600 ° C. to 1150 ° C., undergo rapid oxidation reactions. Similar to the carbonization or nitriding process, oxidation results in the formation of internal oxides and surface oxides in the matrix and at grain boundaries near the alloy surface.

본 제조방법의 제 3 단계는 반응된 합금의 냉각이다. 냉각 단계는 다양한 냉각 속도 및/또는 냉각 이전에 약 40℃ 미만으로 유지되는 중간 온도를 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 냉각 단계는 0.5℃/초 내지 25℃/초의 범위의 속도로 반응된 합금을 냉각시키는 것을 포함한다. 다른 실시양태에서, 냉각 단계는 500℃ 내지 100℃의 범위의 온도로 상기 반응된 합금을 냉각시키는 단계, 500℃ 내지 100℃의 범위의 온도 중 임의의 온도에서 5분 내지 10시간의 시간 동안 그 온도를 유지시키는 단계 및 그 후 약 40℃미만으로 0.5℃/초 내지 25℃/초의 범위의 속도로 냉각시키는 단계를 포함한다. 출원인은 이런 바람직한 냉각 프로파일이 제조방법 및 생성물 장점을 갖는 것으로 여긴다. The third step of the production process is the cooling of the reacted alloy. The cooling step may include various cooling rates and / or intermediate temperatures maintained below about 40 ° C. prior to cooling. In one embodiment, the cooling step comprises cooling the reacted alloy at a rate ranging from 0.5 ° C./sec to 25 ° C./sec. In another embodiment, the cooling step comprises cooling the reacted alloy to a temperature in the range of 500 ° C. to 100 ° C., for a time of 5 minutes to 10 hours at any temperature in the range of 500 ° C. to 100 ° C. Maintaining the temperature and then cooling to a rate in the range of from 0.5 ° C./sec to 25 ° C./sec to less than about 40 ° C. Applicants believe that this preferred cooling profile has manufacturing methods and product advantages.

노출 시간(가열된 합금이 반응성 환경에 노출되는 기간)은 약 1시간 내지 800시간의 범위에서 변하여, 금속 합금 표면 상에 다양한 두께의 카바이드, 나이트라이드, 카보나이트라이드, 보라이드 또는 옥사이드 서밋을 달성할 수 있다. 카바이드 서밋의 예는, 다양한 Fe:Ni:Cr 고온 합금 상에 형성된 표면 카바이드 서밋의 두께가 37.3체적%의 CH4:62.7체적%의 H2 환경에서 1100℃의 조건에서 노출 시간의 함수로서 플러팅되어 도 4에 도시되어 있다. 이와 같이, 이런 예는 본 발명의 제조방법이 조성 구배적 카바이드 서밋을 생성하는 임의의 두께의 카바이드 서밋을 수득하기 위해 사용될 수 있음을 보여 준다. 다르게는, 본 제조방법에서는, 벌크 합금의 전체 두께에서 구배가 일어나는 조성 구배적 서밋으로 완전히 전환시키기 위해 합금을 포함하는 크롬, 티탄 또는 크롬 및 티탄의 혼합물의 전체 벌크를 또한 사용할 수 있다. The exposure time (period during which the heated alloy is exposed to the reactive environment) varies from about 1 hour to 800 hours, to achieve various thicknesses of carbide, nitride, carbonitride, boride or oxide summit on the metal alloy surface. Can be. Examples of carbide summits are that the thickness of the surface carbide summits formed on various Fe: Ni: Cr high temperature alloys is a function of exposure time at 1100 ° C. in a CH 2 : 62.7 volume% H 2 environment at 37.3 volume% 4 is shown. As such, this example shows that the methods of the present invention can be used to obtain carbide thicknesses of any thickness that produce compositional gradient carbide summits. Alternatively, in this method of manufacture, it is also possible to use the entire bulk of chromium, titanium or mixtures of chromium and titanium comprising the alloy to completely convert to a compositional gradient summit where a gradient occurs at the entire thickness of the bulk alloy.

서밋 층의 두께는 반응 환경의 조성, 온도 및 노출 시간에 의해 제어될 수 있다. 노출 시간은 카바이드 서밋에 대해 도 4에서 도시된 바와 같이 실험적으로 측정될 수 있다. 보다 얇은 층에서 노출 시간은 보다 작아지고, 보다 두꺼운 층에서 노출 시간은 보다 커질 것이다. 카바이드 서밋에 대한 전형적인 노출 시간은 약 1시간 내지 약 500시간, 바람직하게는 약 5시간 내지 약 300시간, 보다 바람직하게는 약 10시간 내지 약 200시간의 범위일 수 있다. 이와 같이, 노출 시간 및 온도는 목적하는 서밋의 두께 및 목적하는 조성 구배적 서밋을 제공할 수 있는 두 변수이다. 나이트라이드 서밋에서, 전형적인 노출 시간은 약 1시간 내지 약 800시간, 바람직하게는 약 5시간 내지 약 500시간, 보다 바람직하게는 약 10시간 내지 약 300시간의 범위일 수 있다. 이와 같이, 노출 시간 및 온도는 목적하는 나이트라이드 서밋의 두께 및 목적하는 조성 구배적 나이트라이드 서밋을 제공할 수 있는 두 변수이다. The thickness of the summit layer can be controlled by the composition of the reaction environment, the temperature and the exposure time. Exposure time can be measured experimentally as shown in FIG. 4 for the carbide summit. In thinner layers the exposure time will be smaller and in thicker layers the exposure time will be larger. Typical exposure times for carbide summits may range from about 1 hour to about 500 hours, preferably from about 5 hours to about 300 hours, more preferably from about 10 hours to about 200 hours. As such, exposure time and temperature are two variables that can provide the thickness of the desired summit and the desired compositional gradient summit. In nitride summits, typical exposure times may range from about 1 hour to about 800 hours, preferably from about 5 hours to about 500 hours, more preferably from about 10 hours to about 300 hours. As such, exposure time and temperature are two variables that can provide the thickness of the desired nitride summit and the desired compositional gradient nitride summit.

전형적인 층 또는 서밋 구조체의 두께는 약 100미크론 이상으로부터 금속 합금이 작용할 수 있는 두께까지, 바람직하게는 약 5mm 내지 약 30mm, 보다 바람직하 게는 약 5mm 내지 약 20mm의 범위일 수 있다. 전자현미경법 분야에서의 당업자에게 공지된 전자현미경법에 의해 층 두께를 측정할 수 있다. The thickness of a typical layer or summit structure can range from about 100 microns or more to the thickness at which the metal alloy can act, preferably from about 5 mm to about 30 mm, more preferably from about 5 mm to about 20 mm. The layer thickness can be measured by electron microscopy known to those skilled in the art of electron microscopy.

또한, 본 발명은 크롬 및 티탄 함유 금속 합금과 조합되어 소정량의 크롬-풍부 또는 티탄-풍부 카바이드, 나이트라이드, 카보나이트라이드, 보라이드 및 옥사이드로 구성된 물품에 적용가능하다. The invention is also applicable to articles composed of chromium-rich or titanium-rich carbides, nitrides, carbonitrides, borides and oxides in combination with chromium and titanium containing metal alloys.

본 발명의 반응성 열 처리 공정으로, 도 4에 도시된 바와 같이 크롬, 티탄 및 이들의 혼합물을 함유하는 비처리된 합금의 침식 내성보다 우수한 침식 내성을 갖는 조성 구배적 서밋이 형성된다. 이는, 서밋 층이 발달되어 경질화를 제공함에 따라 합금의 침식 내성이 개선되기 때문이다. 본 발명에서, 개별적 반응 환경으로부터 크롬, 티탄 및 이들의 혼합물을 함유하는 금속 합금으로 확산되는 반응성 탄소, 반응성 질소, 반응성 붕소, 반응성 산소의 일정량이 사용되어 조성 구배적 서밋을 생성한다. 서밋으로 전환되지 않은 크롬, 티탄 및 이들의 혼합물을 함유하는 합금의 일부는 변화되지 않고, 본 발명에 따른 처리 이전에 갖고 있던 물리적 성질을 유지한다. 이런 조성 구배적 구조는 표면에 카바이드 서밋의 부착 방법으로서 용접을 사용하기 원하는 경우에 특히 바람직하다. 또한, 조성 구배적 서밋은 열 변동 하에서 우수한 내구성과 함께 기저 금속성 기재와의 우수한 열 팽창 매칭성을 가질 수 있다. 따라서, 서밋 층은, 합금의 부착성 및 기계적 신뢰성에 대한 물리적 성질을 유지하면서 침식 내성을 제공한다. In the reactive heat treatment process of the present invention, as shown in FIG. 4, a compositional gradient summit having erosion resistance superior to that of untreated alloys containing chromium, titanium and mixtures thereof is formed. This is because the erosion resistance of the alloy improves as the summit layer develops to provide hardening. In the present invention, certain amounts of reactive carbon, reactive nitrogen, reactive boron, reactive oxygen, which diffuse from the individual reaction environment to metal alloys containing chromium, titanium, and mixtures thereof are used to create the compositional gradient summit. Some of the alloys containing chromium, titanium and mixtures thereof that have not been converted to summits remain unchanged and retain their physical properties prior to treatment in accordance with the present invention. This compositional gradient structure is particularly desirable when it is desired to use welding as a method of attachment of carbide summits to the surface. In addition, the compositional gradient summit can have good thermal expansion matching with the underlying metallic substrate with good durability under thermal fluctuations. Thus, the summit layer provides erosion resistance while maintaining physical properties on the adhesion and mechanical reliability of the alloy.

본 발명의 제조방법에 의해 제조된 조성 구배적 서밋은 심각한 침식 및 마멸에 노출되는 임의의 강 또는 임의의 다른 합금 표면을 보호하기 위해 300℃ 내지 800℃의 범위의 온도에서 사용될 수 있다. 이런 사용의 일부 비제한적인 예는 보호 라이닝, 정제 산업에서 사용되는 유체 촉매적 크래킹 유닛의 사이클론에서와 같은 유체-고체 분리 사이클론용 라이닝 타일, 웨어(wear) 플레이트, 노즐 및 그리드 홀 삽입부, 터빈 블레이드 및 침식 유동 스트림에 처하는 구성물을 포함한다. 이런 사용에서, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 조성 구배적 서밋은 침식 내성 및 인성의 조합 뿐만 아니라 구성물 내의 열 응력의 최적화를 제공한다. 분말 야금 기법을 통해 제조된 통상적인 서밋과 비교할 때, 이는 통상적인 용접 기법을 통한 부착성 뿐만 아니라 베이스 강에 대한 보다 우수한 열 팽창 매칭성을 제공한다. 또한, 산화 및 침식 모두로부터 터빈 블레이드를 보호하는 우수한 방법을 제공할 수 있다. Compositional gradient summits prepared by the process of the invention can be used at temperatures in the range of 300 ° C. to 800 ° C. to protect any steel or any other alloy surface exposed to severe erosion and wear. Some non-limiting examples of such uses include protective lining, lining tiles for fluid-solid separation cyclones, wear plates, nozzles and grid hole inserts, turbines, such as in cyclones of fluid catalytic cracking units used in the refining industry. Components that are placed on the blade and the eroded flow stream. In such use, the compositional gradient summits produced by the manufacturing methods of the present invention provide a combination of erosion resistance and toughness as well as optimization of thermal stress in the composition. Compared with conventional summits made through powder metallurgy techniques, this provides better thermal expansion matching to the base steel as well as adhesion through conventional welding techniques. It is also possible to provide an excellent way to protect the turbine blades from both oxidation and erosion.

본 발명의 다른 실시양태는, 약 600℃ 내지 약 1150℃의 범위의 온도에서 크롬 및 티탄 중 하나 이상을 함유하는 금속 합금을 가열하여 가열된 금속 합금을 형성하는 단계; 약 600℃ 내지 약 1150℃의 범위의 온도에서 반응된 합금을 제공하기에 충분한 시간동안, 반응성 탄소, 반응성 질소, 반응성 붕소, 반응성 산소 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택되는 일원 하나 이상을 포함하는 반응성 환경에 상기 가열된 금속 합금을 노출시키는 단계; 및 상기 반응된 합금을 약 40℃ 미만의 온도로 냉각시키는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조된 조성 구배적 서밋 생성물에 관한 것이다.Another embodiment of the invention comprises heating a metal alloy containing at least one of chromium and titanium at a temperature in the range of about 600 ° C. to about 1150 ° C. to form a heated metal alloy; At least one member selected from the group consisting of reactive carbon, reactive nitrogen, reactive boron, reactive oxygen, and mixtures thereof for a time sufficient to provide a reacted alloy at a temperature in the range of about 600 ° C to about 1150 ° C. Exposing the heated metal alloy to a reactive environment; And cooling the reacted alloy to a temperature below about 40 [deg.] C ..

본 발명의 제조방법은 임의의 표면에 적용될 수 있다. 예컨대, 소정 온도에서 크롬, 티탄 및 이들의 혼합물로 본질적으로 구성된 그룹에서 선택되는 금속으로 이루어진 임의의 화학적 또는 석유 가공 반응기의 내부 표면은 약 600℃ 내지 약 1150℃의 범위의 온도로 가열된 후, 약 600℃ 내지 약 1150℃의 범위의 온도에서 반응된 내부 표면을 제공하기에 충분한 시간 동안 반응성 탄소, 반응성 질소, 반응성 붕소, 반응성 산소 및 이들의 혼합물로 본질적으로 구성된 그룹에서 선택되는 반응성 환경에 노출될 수 있다. 약 40℃ 미만의 온도로 냉각 시에, 조성 구배적 서밋 물질은 반응기의 내부 표면 상에 형성된다. 조성 구배적 서밋을 포함하는 반응기의 내부 표면은 증진된 침식 내성을 보일 수 있다. 이런 용도의 한 비제한적 예는 오일 정제에서의 유체 촉매 크래킹 유닛의 사이클론 분리기이다. The manufacturing method of the present invention can be applied to any surface. For example, at any temperature the inner surface of any chemical or petroleum processing reactor consisting of a metal selected from the group consisting essentially of chromium, titanium and mixtures thereof is heated to a temperature in the range of about 600 ° C to about 1150 ° C, Exposure to a reactive environment selected from the group consisting essentially of reactive carbon, reactive nitrogen, reactive boron, reactive oxygen, and mixtures thereof for a time sufficient to provide a reacted interior surface at a temperature in a range from about 600 ° C. to about 1150 ° C. Can be. Upon cooling to a temperature below about 40 ° C., the compositional gradient summit material forms on the inner surface of the reactor. The inner surface of the reactor including the compositional gradient summit may exhibit enhanced erosion resistance. One non-limiting example of such use is a cyclone separator of a fluid catalytic cracking unit in oil refining.

다른 예로서, 임의의 물체의 표면, 예컨대 터빈의 블레이드는 소정 온도에서 크롬, 티탄 및 이들의 혼합물로 본질적으로 구성된 그룹에서 선택되는 금속으로 이루어지고, 약 600℃ 내지 약 1150℃의 범위의 온도로 가열된 후, 약 600℃ 내지 약 1150℃의 범위의 온도에서 열 처리된 목적물을 제공하기에 충분한 시간 동안 반응성 탄소, 반응성 질소, 반응성 붕소, 반응성 산소 및 이들의 혼합물로 본질적으로 구성된 그룹에서 선택되는 반응성 환경에 노출될 수 있다. 약 40℃ 미만의 온도로 냉각 시에, 조성 구배적 서밋 물질은 반응성 환경에 노출된 목적물의 표면 상에 형성된다. As another example, the surface of any object, such as a blade of a turbine, consists of a metal selected from the group consisting essentially of chromium, titanium and mixtures thereof at a predetermined temperature, and at a temperature in the range of about 600 ° C to about 1150 ° C. After being heated, selected from the group consisting essentially of reactive carbon, reactive nitrogen, reactive boron, reactive oxygen, and mixtures thereof for a time sufficient to provide a heat treated object at a temperature in the range of about 600 ° C. to about 1150 ° C. Exposure to reactive environments. Upon cooling to a temperature below about 40 ° C., the compositional gradient summit material forms on the surface of the object exposed to the reactive environment.

본 발명의 제조방법에 의해 제조된 서밋 조성물은 증진된 침식 및 부식 특성을 갖는다. 침식 속도는 본 명세서의 실시예 부분에 기술된 고온 침식 및 마멸 시험(HEAT)에 의해 측정되었다. 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 구배적 서밋의 침식 속도는 1.0x10-6cc/(1g의 SiC 침식제) 미만이다. 부식 속도는 본 명세서의 실시예 부분에 기술된 열중량계량(TGA) 분석에 의해 측정되었다. 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 구배적 서밋의 부식 속도는 1.0x10-10g2/cm4sec 미만이다. Summit compositions prepared by the process of the present invention have enhanced erosion and corrosion properties. Erosion rates were measured by the High Temperature Erosion and Wear Test (HEAT) described in the Examples section of this specification. The erosion rate of the gradient summit produced by the process of the present invention is less than 1.0 × 10 −6 cc / (1 g of SiC erosion agent). Corrosion rates were determined by thermogravimetric analysis (TGA) analysis described in the Examples section of this specification. The corrosion rate of the gradient summit prepared by the process of the invention is less than 1.0 × 10 −10 g 2 / cm 4 sec.

본 발명의 제조방법에 의해 제조된 서밋 조성물은 약 3MPa·m1/2 초과, 바람직하게는 약 5MPa·m1/2 초과, 보다 바람직하게는 약 10MPa·m1/2 초과의 파쇄 인성을 갖는다. 파쇄 인성은 일정한 하중 조건 하에 물질에서의 균열 전파에 저항하는 능력이다. 파쇄 인성은 균열이 물질에서 불안정한 방식으로 전파되는 임계 응력 강도 인자로서 정의된다. 벤드(bend) 샘플의 인장 면에 예비-균열(pre-crack)을 갖는 3-점 벤드 기하구조에서의 하중을 사용하여 파쇄 역학 이론에 따라서 파쇄 인성을 측정하는 것이 바람직하다. 본 발명의 서밋은 기계적 수단 또는 용접에 의해 금속 표면에 부착될 수 있다. The summit composition prepared by the process of the invention has a fracture toughness greater than about 3 MPa · m 1/2 , preferably greater than about 5 MPa · m 1/2 , more preferably greater than about 10 MPa · m 1/2. . Fracture toughness is the ability to resist crack propagation in materials under constant loading conditions. Fracture toughness is defined as the critical stress intensity factor at which cracks propagate in an unstable manner in the material. It is desirable to measure the fracture toughness according to the fracture mechanics theory using loads in a three-point bend geometry with pre-crack on the tensile side of the bend sample. The summit of the present invention may be attached to the metal surface by mechanical means or by welding.

다음의 비제한적 실시예가 추가로 본 발명을 설명하기 위해 포함된다.The following non-limiting examples are included to further illustrate the present invention.

실시예 1: 시판되는 합금의 반응성 열 처리 Example 1 Reactive Heat Treatment of Commercial Alloys

선택된 크롬 함유 시판되는 합금인 304SS, 310SS, 하인즈(Haynes) HR120 및 인코넬 353MA에서 반응성 열 처리를 실시하였다. 공칭 조성은 아래에 제공된다.Reactive heat treatments were performed on selected chromium-containing commercially available alloys 304SS, 310SS, Heynes HR120 and Inconel 353MA. Nominal composition is provided below.

Figure 112005066557806-PCT00002
Figure 112005066557806-PCT00002

샘플은 약 1.25cm x 1.25cm x 1cm의 치수를 갖는 직사각형 기하구조를 가졌다. 샘플 표면을 600 그릿 SiC 마무리재로 연마하고, 아세톤 중에서 초음파 세척 하였다. 본 발명에서 이용된 절차는, 칸(Cahn) 1000 열중량계량 유닛에서 열중량계량적으로 측정되는, 순수하게 탄화되는 환경(CH4-H2)에서 선택된 합금의 탄화의 역학관계를 정립하기 위한 것이다. 800℃ 내지 약 1160℃의 온도 범위에서 조사를 실시하였다. 수직 석영 반응기 튜브에서 수소 환경에서 1100℃의 온도로 쿠폰을 가열하고, 그 온도에서 약 5분 동안 유지시켰다. 이때, 환경을 37.3체적%의 CH4-62.7체적%의 H2로 변경하였다. 노출로부터 3시간 후, 석영 반응기를 둘러 싼 노를 저하시킴에 의해 금속 샘플을 냉각시켰다. 샘플이 실온이 되게 한 후, 표면 미세구조체를 주사 전자현미경법에 의해 조사하였다. "잔부(Bal)"는 성분 조성물 중의 금속의 잔부를 의미한다. The sample had a rectangular geometry with dimensions of about 1.25 cm x 1.25 cm x 1 cm. The sample surface was polished with 600 grit SiC finish and ultrasonically cleaned in acetone. The procedure used in the present invention is intended to establish the kinetics of carbonization of selected alloys in a purely carbonized environment (CH 4 -H 2 ), measured thermogravimetrically in a Cahn 1000 thermogravimetric unit. will be. Irradiation was carried out in the temperature range of 800 ° C to about 1160 ° C. The coupon was heated to a temperature of 1100 ° C. in a hydrogen environment in a vertical quartz reactor tube and held at that temperature for about 5 minutes. At this time, and changing the configuration, 37.3% by volume of CH 4 -62.7% by volume of H 2 in. After 3 hours from exposure, the metal sample was cooled by lowering the furnace surrounding the quartz reactor. After bringing the sample to room temperature, the surface microstructures were examined by scanning electron microscopy. "Bal" means the balance of the metal in the component composition.

도 5a는 400미크론 두께의 크롬 카바이드-금속 서밋 층이, 1100℃에서 3시간 동안 37.3체적%의 CH4:62.7체적%의 H2 환경에서의 반응 열 처리 이후 310 스테인레스 강(54Fe:21Ni:25Cr(중량%)) 표면 상에 형성되었음을 보여 준다. Cr-풍부 카바이드 [(Cr0.6Fe0.4)7C3] 및 Cr-소진된 강(63Fe:31Ni:6Cr(중량%))이 복합 세라믹-금속 2-상 구조체를 생성함을 보여주는 서밋 미세구조체의 확대도가 도 5b에 도시된다. Cr-풍부는, 금속 Cr이 54Fe:21Ni:25Cr(중량%)인 M을 포함하는 다른 성분 금속보다 중량을 기준으로 높은 비율인 것을 의미한다. 이런 주사 전자현미경 사진에서, Cr-풍부 카바이드는 어두운 회색으로 나타나고, 금속은 카바이드 보다 깊숙하게 에칭되었기 때문에, 함몰되게 표시된다. 이들 도면은 본 발명에 따라 제조된 서밋 표면을 갖는 최종 생성물을 도시한다. 탄소 가스 환경에서의 노출 지속기간의 변화는 시멘타이트(cementite) 층의 두께를 변화시킨다. 이는 도 4의 그래프에 도시된다. FIG. 5A shows a 400 micron thick chromium carbide-metal summit layer, 310 stainless steels (54Fe: 21Ni: 25Cr) after reaction heat treatment at 3100 vol% CH 4 : 62.7 vol% H 2 environment for 3 hours at 1100 ° C. FIG. (% By weight)) on the surface. Summit microstructures show that Cr-rich carbide [(Cr 0.6 Fe 0.4 ) 7 C 3 ] and Cr-exhausted steel (63Fe: 31Ni: 6Cr (wt%)) produce composite ceramic-metal two-phase structures An enlarged view is shown in FIG. 5B. Cr-rich means that the metal Cr is in a higher proportion by weight than the other component metals containing M with 54Fe: 21Ni: 25Cr (wt%). In these scanning electron micrographs, Cr-rich carbides appear dark gray, and because the metal is etched deeper than the carbides, they appear markedly depressed. These figures show the final product with the summit surface made in accordance with the present invention. Changing the exposure duration in the carbon gas environment changes the thickness of the cementite layer. This is shown in the graph of FIG.

실시예 2: 시판되는 합금의 반응성 열 처리 Example 2 Reactive Heat Treatment of Commercial Alloys

10체적%의 CH4:90체적%의 H2 환경에서 1100℃에서 24시간 동안 튜브 노에서 전술된 합금을 함유하는 크롬을 각각 열 처리시켰다. 샘플을 수소 환경에서 1100℃의 온도로 가열하고, 약 5분 동안 그 온도에서 유지시켰다. 노출로부터 24 시간 후, 합금 샘플을 냉각시켰다. 샘플이 실온(25℃)에 도달된 후, 단면 주사 전자현미경법으로 다양한 합금 표면 상에 형성된 서밋 층의 표면 미세구조체 및 두께를 조사하였다. 반-정량적 에너지 분산 x-선 분광법으로 M7C3 카바이드 상 및 Cr-소진된 결합제 상의 화학적 조성을 조사하였다. Fe 및 Ni가 금속 매트릭스와 카바이드 침전물 사이로 분배되는 경향은 상이할 것으로 예상된다. 서밋 층의 두께, M7C3 카바이드 상에서의 Cr 및 Fe 함량 및 서밋 층 내의 Cr-소진된 금속 매트릭스 상의 조성이 아래에 요약된다. The chromium containing alloys described above were each heat treated in a tube furnace for 24 hours at 1100 ° C. in a 10 volume% CH 4 : 90 volume% H 2 environment. The sample was heated to a temperature of 1100 ° C. in a hydrogen environment and held at that temperature for about 5 minutes. After 24 hours from exposure, the alloy sample was cooled. After the sample reached room temperature (25 ° C.), the surface microstructure and thickness of the summit layers formed on the various alloy surfaces were examined by cross-sectional scanning electron microscopy. The chemical composition of the M 7 C 3 carbide phase and the Cr-exhausted binder phase was investigated by semi-quantitative energy dispersive x-ray spectroscopy. The tendency for Fe and Ni to partition between the metal matrix and the carbide precipitate is expected to be different. The thickness of the summit layer, the Cr and Fe content on the M 7 C 3 carbide and the composition on the Cr-exhausted metal matrix in the summit layer are summarized below.

Figure 112005066557806-PCT00003
Figure 112005066557806-PCT00003

실시예 3: 주문-제작 합금의 반응성 열 처리 Example 3 Reactive Heat Treatment of Custom-Made Alloys

상이한 농도의 Fe, Ni, Cr 및 Ti를 함유하는 합금을 아크 용융에 의해 제조하였다. 아크-용융된 합금 버튼(button)을 비활성 아르곤 분위기에서 밤새 1100℃에서 어닐링하고, 실온으로 노-냉각시켰다. 약 1.25cm x 약 1.25cm x 약 0.75cm의 입방체(cubic) 샘플을 버튼으로부터 절단하였다. 샘플 면들을 600-그릿 마무리재로 폴리싱하고, 아세톤에서 세척하였다. 1100℃에서 24시간 동안 표본을 10체적%의 CH4:90체적%의 H2 가스 환경에 노출시켰다.Alloys containing different concentrations of Fe, Ni, Cr and Ti were prepared by arc melting. The arc-melted alloy buttons were annealed at 1100 ° C. overnight in an inert argon atmosphere and furnace-cooled to room temperature. A cubic sample of about 1.25 cm x about 1.25 cm x about 0.75 cm was cut from the button. Sample faces were polished with a 600-grit finish and washed in acetone. Samples were exposed to 10 volume% CH 4 : 90 volume% H 2 gas environment at 1100 ° C. for 24 hours.

노출 이후의 합금의 상세한 전자현미경법 및 화학적 분석은, Fe-Ni-Cr 시스템 중의 특정 합금 조성이 M7C3 카바이드 및 금속 상을 갖는 서밋 구조체가 생성되었음을 나타내었다. 서밋 층의 두께, M7C3 카바이드 상에서의 Cr 및 Fe 함량 및 서밋 층 내의 Cr-소진된 금속 매트릭스 상의 조성이 표 3에 요약된다. Detailed electron microscopy and chemical analysis of the alloy after exposure showed that a specific alloy composition in the Fe—Ni—Cr system produced a summit structure with M 7 C 3 carbide and metal phase. The thickness of the summit layer, the Cr and Fe content on the M 7 C 3 carbide and the composition on the Cr-exhausted metal matrix in the summit layer are summarized in Table 3.

선택된 시판되는 합금의 실시예와는 달리, 비교적 두꺼운 서밋 층이 수득되었고, Fe-Ni-Cr 시스템에 형성된 금속 매트릭스 상 중의 Cr 농도는 비교적 풍부하였다. 금속 상 중의 보다 높은 Cr 농도는 보다 높은 온도에서의 산화 내성을 증진시킨다. 도 6에 도시된 광학 현미경 이미지는 10체적%의 CH4:90체적%의 H2에서 1100℃에서 24시간 동안 반응성 열 처리 후, 표면 영역에서의 M7C3(M=Cr 및 Fe) 카바이드-금속 서밋 구조체의 크기 및 형태를 보여준다. Unlike the examples of commercially available alloys selected, a relatively thick summit layer was obtained, and the Cr concentration in the metal matrix phase formed in the Fe—Ni—Cr system was relatively rich. Higher Cr concentrations in the metal phase promote oxidation resistance at higher temperatures. The optical microscopy image shown in FIG. 6 shows M 7 C 3 (M = Cr and Fe) carbide in the surface area after reactive heat treatment at 1100 ° C. for 24 hours at 10 vol% CH 4 : 90 vol% H 2 . Shows the size and shape of the metal summit structure.

60Fe:25Cr:10Ni:5Ti(중량%) 조성의 합금은 혼합된 TiC 및 M7C3 카바이드 및 금속 상을 갖는 서밋 구조체를 생성한다. 서밋 층의 두께, M7C3 카바이드 상에서의 Cr 및 Fe 함량 및 서밋 층 내의 Cr-소진된 금속 매트릭스 상의 조성이 표 3에 요약된다. 도 7에 도시된 광학 현미경 이미지는 10체적%의 CH4:90체적%의 H2에서 1100℃에서 24시간 동안 반응성 열 처리 후, 표면 영역에서의 혼합된 TiC 및 M7C3(M=Cr 및 Fe) 카바이드-금속 서밋 구조체의 크기 및 형태를 보여준다. An alloy of 60Fe: 25Cr: 10Ni: 5Ti (% by weight) composition produced a summit structure with mixed TiC and M 7 C 3 carbide and metal phases. The thickness of the summit layer, the Cr and Fe content on the M 7 C 3 carbide and the composition on the Cr-exhausted metal matrix in the summit layer are summarized in Table 3. The optical microscopy image shown in FIG. 7 shows mixed TiC and M 7 C 3 (M = Cr) in the surface area after reactive heat treatment at 1100 ° C. for 24 hours at 10 vol% CH 4 : 90 vol% H 2 . And Fe) the size and shape of the carbide-metal summit structure.

Figure 112005066557806-PCT00004
Figure 112005066557806-PCT00004

실시예 4: 침식 시험 Example 4 Erosion Test

시판되는 310SS에서 반응성 열 처리를 실시하여, 고온 침식 및 마멸 시험(HEAT)용 샘플을 제조하였다. 310SS 샘플은 약 2.0인치 x 2.0인치 x 0.5인치의 치수를 갖는 직사각형 기하형태를 가졌다. 10체적%의 CH4:90체적%의 H2의 환경에서 1100℃에서 138시간 동안 튜브 노에서 하나의 샘플을 반응성 열 처리하고, C310SS1100으로 명명하였다. 10체적%의 CH4:90체적%의 H2의 환경에서 1150℃에서 96시간 동안 튜브 노에서 다른 샘플을 반응성 열 처리하고, C310SS1150으로 명명하였다. Reactive heat treatments were performed on a commercially available 310SS to prepare samples for high temperature erosion and wear tests (HEAT). The 310SS sample had a rectangular geometry with dimensions of about 2.0 inches by 2.0 inches by 0.5 inches. One sample was subjected to reactive heat treatment in a tube furnace for 138 hours at 1100 ° C. in an environment of 10 vol% CH 4 : 90 vol% H 2 and named C310SS1100. The other samples were reactive heat treated in a tube furnace for 96 hours at 1150 ° C. in an environment of 10 vol% CH 4 : 90 vol% H 2 and named C310SS1150.

가스 스트림에 혼입되는, 한정된 평균 크기 및 형상의 침식제 입자의 단위 질량 당 제거된 서밋, 내열재 또는 비교 물질의 체적으로서 침식 속도를 측정하였고, 단위는 cc/g이었다(예, <0.001cc/1000g의 SiC). 중요한 한정된 침식 시험 조건은 침식 물질 및 크기 분포, 속도, 질량 플럭스, 침식제의 충격 각 뿐만 아니라 침식 시험 온도 및 화학적 환경이다. The erosion rate was measured as the volume of summed, heat resistant, or comparative material removed per unit mass of erosive particles of defined average size and shape incorporated into the gas stream, and the unit was cc / g (eg, <0.001 cc / 1000 g of SiC). Important limited erosion test conditions are erosion material and size distribution, velocity, mass flux, impact angle of the erosion agent as well as erosion test temperature and chemical environment.

고온 침식 및 마멸 시험(HEAT)으로 서밋의 침식 손실을 측정하였다. 목적하는 용도를 시뮬레이션하는 캐리어 가스 및 분위기(바람직하게는 공기)를 동일한 온도로 가열하였다. HEAT 시험은 다음과 같이 조작되는 것이 바람직하였다. HEAT 시험의 바람직한 조작에서, 약 2인치2 및 약 0.5인치 두께의 서밋 표본 블록(C310SS1100 및 C310SS1150)을 +/-0.01mg의 정확도로 칭량하였다. 라이저(riser) 튜브의 말단이 표적 디스크로부터 1인치 떨어진, 0.5 인치 직경을 갖는 라이저 튜브로부터 나오는 공기 제트에 혼입된 SiC 입자를 1200g/분으로 블록의 한 면의 중심을 처리하였다. 침식제로서 사용된 58㎛의 각진 SiC 입자는 220 그릿 #1 그레이드 블랙 실리콘 카바이드(1# Grade Black Silicon Carbide)(일리노이주 노스브룩의 UK 앱라시브스, 인코포레이티드)이었다. 서밋 표적 상에 충돌(imping)하는 침식제 속도는 45.7m/초(150ft/sec)이고, 표적에 대한 가스-침식제 스트림의 충돌각은 라이저 튜브의 주 축과 표본 디스크의 표면 사이에서 45°+/- 5°, 바람직하게는 45°+/- 2°였다. 캐리어 가스는 모든 시험에서 공기였다. HEAT 유닛에서의 침식 시험은 732℃(1350℉)에서 7시간 동안 실시되었다. 시험 후, 서밋 표본을 +/- 0.01mg의 정확도로 다시 칭량하여, 중량 손실을 측정하였다. 침식 속도는 가스 스트림에 혼입된 침식 입자의 단위 질량 당 제거된 물질의 체적과 동일하였고, cc/g의 단위이다. 표 4에서의 개선은 기준 RESCOBONDTM AA-22S(펜실베니아주 피츠버그 레스코 프로덕츠 인코포레이티드)에 대한 1.0의 값과 비교 시에 침식으로 인한 중량 손실의 감소이다. 전형적으로 AA-22S는 적어도 80.0%의 Al2O3, 7.2%의 SiO2, 1.0%의 Fe2O3, 4.8%의 MgO/CaO, 4.5%의 P2O5(중량%)를 포함한다. 침식된 표면의 현미경도는 전자현미경법으로 수집되어 손상 메커니즘을 결정하였다. 표 4에는 HEAT으로 측정된 선택된 서밋의 침식 손실이 요약되어 있다. High temperature erosion and abrasion test (HEAT) measured the erosion loss of the summit. The carrier gas and the atmosphere (preferably air) that simulate the desired use were heated to the same temperature. The HEAT test was preferably operated as follows. In a preferred operation of the HEAT test, the summit sample blocks (C310SS1100 and C310SS1150) of about 2 inches 2 and about 0.5 inches thick were weighed with an accuracy of +/- 0.01 mg. The center of one side of the block was treated with 1200 g / min of SiC particles incorporated in the air jet coming from the riser tube having a 0.5 inch diameter, the ends of the riser tube 1 inch away from the target disk. The 58 μm angled SiC particles used as erosion agents were 220 grit # 1 Grade Black Silicon Carbide (UK Abrasives, Inc., Northbrook, Ill.). The erosion velocity impinging on the summit target is 45.7 m / sec (150 ft / sec), and the impingement angle of the gas erosion stream against the target is 45 ° between the major axis of the riser tube and the surface of the sample disc. It was +/- 5 degrees, Preferably it is 45 degrees +/- 2 degrees. Carrier gas was air in all tests. The erosion test in the HEAT unit was conducted at 732 ° C. (1350 ° F.) for 7 hours. After the test, the summit specimens were reweighed with an accuracy of +/- 0.01 mg to determine the weight loss. The erosion rate was equal to the volume of material removed per unit mass of erosion particles incorporated in the gas stream, and is in cc / g. The improvement in Table 4 is the reduction in weight loss due to erosion compared to the value of 1.0 for the baseline RESCOBOND AA-22S (Pittsburgh Lesco Products, Inc.). Typically AA-22S comprises at least 80.0% Al 2 O 3 , 7.2% SiO 2 , 1.0% Fe 2 O 3 , 4.8% MgO / CaO, 4.5% P 2 O 5 (% by weight). . Micrographs of the eroded surface were collected by electron microscopy to determine the damage mechanism. Table 4 summarizes the erosion losses of selected summits measured by HEAT.

Figure 112005066557806-PCT00005
Figure 112005066557806-PCT00005

HEAT 시험은 매우 공격적인 침식제 입자를 측정한다. 보다 전형적인 입자는 보다 부드럽고, 보다 낮은 침식 속도를 발생시킨다. 예컨대, FCCU 촉매는, 전형적으로 SiC보다 훨씬 더 부드러운 알루미나보다 전형적으로 더 부드러운 알루미나 실리케이트에 기초한다. The HEAT test measures very aggressive erosive particle. More typical particles are softer, resulting in lower erosion rates. For example, FCCU catalysts are based on alumina silicates that are typically softer than alumina, which is typically much softer than SiC.

실시예 5: 부식 시험 Example 5 : Corrosion Test

실시예 4의 각 서밋을 산화 시험 처리하였다. 이용된 절차는 다음과 같다:Each summ of Example 4 was subjected to an oxidation test. The procedure used is as follows:

1) 약 10mm2 및 약 1mm 두께의 표본 서밋을 600 그릿 다이아몬드 마무리재로 폴리싱하고, 아세톤에서 세척하였다. 1) Sample summits about 10 mm 2 and about 1 mm thick were polished with 600 grit diamond finish and washed in acetone.

2) 그 후 표본을 열중량계량 분석기(TGA)에서 800℃에서 100cc/분 공기에 노출시켰다.2) The specimens were then exposed to 100 cc / min air at 800 ° C. on a thermogravimetric analyzer (TGA).

3) 단계 (2)를 800℃에서 65시간 동안 실시하였다.3) Step (2) was carried out at 800 ° C. for 65 hours.

4) 65시간 후, 표본을 주변 온도로 냉각시켰다. 4) After 65 hours, the specimen was cooled to ambient temperature.

5) 부식 표면의 단면 현미경 조사로 산화물 스케일의 두께를 측정하였다. 5) The thickness of the oxide scale was measured by cross-sectional microscopic examination of the corrosion surface.

산화물 스케일의 두께는 약 0.5㎛ 내지 약 1.5㎛의 범위이었다. 서밋 조성물은, 800℃에서 65시간 이상 동안 100cc/분 공기로 처리 시에 약 1x10-11g2/cm4·s 미만의 부식 속도 또는 30㎛ 미만 두께의 평균 산화물 스케일을 보였다. 이들은 우수한 부식 내성을 보인다. The thickness of the oxide scale ranged from about 0.5 μm to about 1.5 μm. The summit composition showed a corrosion rate of less than about 1 × 10 −11 g 2 / cm 4 · s or an average oxide scale of less than 30 μm when treated with 100 cc / min air at 800 ° C. for at least 65 hours. They show good corrosion resistance.

Claims (26)

약 600℃ 내지 약 1150℃의 범위의 온도에서 크롬 및 티탄 중 하나 이상을 함유하는 금속 합금을 가열하여 가열된 금속 합금을 형성하는 단계;Heating the metal alloy containing at least one of chromium and titanium at a temperature in the range of about 600 ° C. to about 1150 ° C. to form a heated metal alloy; 약 600℃ 내지 약 1150℃의 범위의 온도에서 반응된 합금을 제공하기에 충분한 시간동안, 반응성 탄소, 반응성 질소, 반응성 붕소, 반응성 산소 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택되는 일원 하나 이상을 포함하는 반응성 환경에 상기 가열된 금속 합금을 노출시키는 단계; 및At least one member selected from the group consisting of reactive carbon, reactive nitrogen, reactive boron, reactive oxygen, and mixtures thereof for a time sufficient to provide a reacted alloy at a temperature in the range of about 600 ° C to about 1150 ° C. Exposing the heated metal alloy to a reactive environment; And 상기 반응된 합금을 약 40℃ 미만의 온도로 냉각시켜 조성 구배적 서밋 물질을 제공하는 단계를 포함하는,Cooling the reacted alloy to a temperature below about 40 ° C. to provide a compositional gradient summit material, 조성 구배적 서밋 물질의 제조방법.A method of making a compositional gradient summit material. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속 합금이 12 내지 60중량%의 크롬, 0 내지 10중량%의 티탄 및 철, 니켈, 코발트, 규소, 알루미늄, 망간, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 몰리브덴, 텅스텐 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택되는 30 내지 88중량%의 금속을 포함하는 제조방법.The metal alloy is 12 to 60% by weight of chromium, 0 to 10% by weight of titanium and iron, nickel, cobalt, silicon, aluminum, manganese, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, molybdenum, tungsten and mixtures thereof 30 to 88% by weight of a metal selected from the group consisting of. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속 합금이 12 내지 60중량%의 크롬, 0 내지 10중량%의 티탄 및 30 내지 88 중량%의 스테인레스 강을 포함하는 제조방법.The metal alloy comprises 12 to 60 wt% chromium, 0 to 10 wt% titanium and 30 to 88 wt% stainless steel. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 반응성 환경이 CO, CH4, C2H6 및 C3H8 중 하나 이상을 포함하는 반응성 탄소 환경인 제조방법.Wherein said reactive environment is a reactive carbon environment comprising at least one of CO, CH 4 , C 2 H 6 and C 3 H 8 . 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 노출 단계가 약 1시간 내지 800시간의 시간 동안 실시되는 제조방법.Wherein said exposing step is carried out for a time of about 1 hour to 800 hours. 제 4 항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 노출 단계가, 침전된 크롬-풍부 카바이드, 티탄 카바이드 및 크롬-풍부 및 티탄 카바이드의 혼합물을 포함하는 반응된 합금을 제공하는 시간 동안 실시되는 제조방법. Wherein said exposing step is carried out for a period of time providing a reacted alloy comprising precipitated chromium-rich carbide, titanium carbide and a mixture of chromium-rich and titanium carbide. 제 6 항에 있어서, The method of claim 6, 상기 크롬-풍부 카바이드가 Cr7C3, Cr23C6, (Cr0.6Fe0.4)7C3, (Cr0.6Fe0.4)23C6 및 이들의 혼합물을 포함하는 제조방법.Wherein the chromium-rich carbide comprises Cr 7 C 3 , Cr 23 C 6 , (Cr 0.6 Fe 0.4 ) 7 C 3 , (Cr 0.6 Fe 0.4 ) 23 C 6, and mixtures thereof. 제 6 항에 있어서, The method of claim 6, 상기 티탄 카바이드가 TiC를 포함하는 제조방법.The titanium carbide comprises TiC. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 노출 단계가, 금속 합금의 표면 상에서 또는 벌크 매트릭스에서 약 100미크론 내지 약 30mm의 두께의 반응된 합금 층을 형성하기에 충분한 시간 동안 실시되는 제조방법.Wherein said exposing step is carried out for a time sufficient to form a reacted alloy layer of thickness of about 100 microns to about 30 mm on the surface of the metal alloy or in the bulk matrix. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 노출 단계가, 반응된 합금이 상기 금속 합금의 전체 깊이를 포함하는 두께가 되는 시간 동안 실시되는 제조방법.Wherein said exposing step is carried out for a time such that the reacted alloy is thick including the entire depth of said metal alloy. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 냉각 단계가 0.5℃/초 내지 25℃/초의 범위의 속도로 반응된 합금을 냉각시키는 것을 포함하는 제조방법.Wherein said cooling step comprises cooling the reacted alloy at a rate in the range of 0.5 ° C./sec to 25 ° C./sec. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 냉각 단계가 반응된 합금을 500℃ 내지 100℃의 범위의 온도로 냉각시키는 단계, 500℃ 내지 100℃의 범위의 온도 중 임의의 온도에서 5분 내지 10시간의 시간 동안 그 온도를 유지시키는 단계 및 그 후 약 40℃미만으로 0.5℃/초 내지 25℃/초의 범위의 속도로 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는 제조방법.Cooling the alloy to which the cooling step is reacted to a temperature in the range of 500 ° C. to 100 ° C., maintaining the temperature for a time of 5 minutes to 10 hours at any temperature in the range of 500 ° C. to 100 ° C. And thereafter cooling to less than about 40 ° C. at a rate in the range of from 0.5 ° C./sec to 25 ° C./sec. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 반응성 질소 환경이 공기, 암모니아 및 질소 중 하나 이상을 포함하는 제조방법. Wherein said reactive nitrogen environment comprises at least one of air, ammonia and nitrogen. 제 13 항에 있어서, The method of claim 13, 상기 노출 단계가 침전된 크롬-풍부 나이트라이드, 티탄 나이트라이드 및 크롬-풍부 및 티탄 나이트라이드의 혼합물을 포함하는 반응된 합금을 제공하는 시간 동안 실시되는 제조방법. Wherein said exposing step is carried out for a period of time providing a reacted alloy comprising precipitated chromium-rich nitride, titanium nitride and a mixture of chromium-rich and titanium nitride. 제 14 항에 있어서, The method of claim 14, 상기 크롬-풍부 나이트라이드가 Cr2N을 포함하는 제조방법.And the chromium-rich nitride comprises Cr 2 N. 제 14 항에 있어서, The method of claim 14, 상기 티탄 나이트라이드가 TiN을 포함하는 제조방법.The titanium nitride comprises TiN. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 반응성 탄소 및 질소 환경이 암모니아 및 질소 중 하나 이상 및 CO, CH4, C2H6 및 C3H8 중 하나 이상을 포함하는 제조방법.Wherein said reactive carbon and nitrogen environment comprises at least one of ammonia and nitrogen and at least one of CO, CH 4 , C 2 H 6 and C 3 H 8 . 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 반응성 붕소 환경이 B2H6, BCl3 및 BF3 중 하나 이상을 포함하는 제조방법.Wherein said reactive boron environment comprises at least one of B 2 H 6 , BCl 3 and BF 3 . 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 반응성 산소 환경이 공기, CO2 및 산소 중 하나 이상을 포함하는 제조방법.Wherein said reactive oxygen environment comprises at least one of air, CO 2 and oxygen. 약 600℃ 내지 약 1150℃의 범위의 온도에서 크롬, 티탄 및 이들의 혼합물 중 하나 이상을 함유하는 금속 합금을 가열하여 가열된 금속 합금을 형성하는 단계;Heating a metal alloy containing at least one of chromium, titanium, and mixtures thereof at a temperature in the range of about 600 ° C. to about 1150 ° C. to form a heated metal alloy; 약 600℃ 내지 약 1150℃의 범위의 온도에서 반응된 합금을 제공하기에 충분한 시간동안, 반응성 탄소, 반응성 질소, 반응성 붕소, 반응성 산소 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택되는 일원 하나 이상을 포함하는 반응성 환경에 상기 가열된 금속 합금을 노출시키는 단계; 및At least one member selected from the group consisting of reactive carbon, reactive nitrogen, reactive boron, reactive oxygen, and mixtures thereof for a time sufficient to provide a reacted alloy at a temperature in the range of about 600 ° C to about 1150 ° C. Exposing the heated metal alloy to a reactive environment; And 상기 반응된 합금을 약 40℃ 미만의 온도로 냉각시키는 단계Cooling the reacted alloy to a temperature below about 40 ° C. 를 포함하는 제조방법에 의해 제조된 조성 구배적 서밋 생성물.A composition gradient summit product prepared by a manufacturing method comprising a. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되는, 약 3MPa m1/2 초과의 파쇄 인성을 갖는 조성 구배적 서밋 생성물.20. A compositional gradient summit product having a fracture toughness of greater than about 3 MPa m 1/2 prepared by the process of any one of claims 1-19. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되는, 약 1.0x10-6cc/(1g의 SiC 침식제) 미만의 침식 속도를 갖는 조성 구배적 서밋 생성물.20. A compositional gradient summit product having an erosion rate of less than about 1.0 × 10 −6 cc / (1 g of SiC erosion agent) prepared by the process of any one of claims 1-19. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되는, 800℃에서 65시간 이상 동안 100cc/분의 공기로 처리 시에 약 1x10-10g2/cm4·s 미만의 부식 속도 또는 150㎛ 미만의 두께의 평균 산화물 스케일을 갖는 조성 구배적 서밋 생성물.A corrosion rate of less than about 1 × 10 −10 g 2 / cm 4 · s when treated with 100 cc / min of air for at least 65 hours at 800 ° C., prepared by the process of any one of claims 1 to 22 or Compositional gradient summit products having an average oxide scale of less than 150 μm in thickness. 제 20 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 서밋 조성물을 금속 표면에 제공하는 것을 포함하는, 850℃ 이하의 범위의 온도에서 침식 물질에 노출되는 금속 표면을 보호하는 방법.24. A method of protecting a metal surface exposed to erosive materials at a temperature in the range of 850 ° C or less, comprising providing the summit composition according to any of claims 20 to 23 to the metal surface. 제 20 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 서밋 조성물을 금속 표면에 제공하는 것을 포함하는, 300℃ 내지 850℃의 범위의 온도에서 침식 물질에 노출되는 금속 표면을 보호하는 방법.24. A method of protecting a metal surface exposed to erosive material at a temperature in the range of 300 ° C to 850 ° C, comprising providing a summation composition according to any of claims 20 to 23. 제 24 항에 있어서,The method of claim 24, 상기 표면이 유체-고체 분리 사이클론의 내부 표면을 포함하는 방법.Wherein said surface comprises an inner surface of a fluid-solid separation cyclone.
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