KR20070086625A - 고강도, 고인성 합금의 열화학적 처리 방법 및 공정 - Google Patents

고강도, 고인성 합금의 열화학적 처리 방법 및 공정 Download PDF

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Abstract

고인성, 고강도 합금이 벌크 합금 열처리와 표면 가공 공정을 동시적으로 수행함에 의해 열화학적으로 처리된다. 동시적인 단계들은 침탄과 더불어 고온 용체화 단계와, 질화와 더불어 템퍼링 단계를 포함할 수 있다.
고인성 합금, 고강도 합금, 벌크 합금 열처리, 표면 가공 공정, 침탄, 고온 용체화 단계, 템퍼링

Description

고강도, 고인성 합금의 열화학적 처리 방법 및 공정{METHOD AND PROCESS FOR THERMOCHEMICAL TREATMENT OF HIGH-STRENGTH, HIGH-TOUGHNESS ALLOYS}
본 발명은 대체로 벌크 열처리(bulk heat treatment)와 조합된 합금의 표면 처리에 관한 것이며, 특히 치수 변경을 최소화하는, 제조 시간 및 비용을 감소시키기 위한 열화학적 처리 방법 및 공정과, 처리된 합금이 동력 전달 콤포넌트과 같은 아주 우수한 특성을 요구하는 적용예에서 특히 효율적이 되도록 하는, 바람직한 표면 및 코어 특성을 갖도록 표면 처리에 도움이 되는 특성 및 미세 구조를 갖는 합금의 식별에 관한 것이다.
동력 전달 콤포넌트와 같은 철계 금속 합금 콤포넌트에 대해, 콤포넌트의 성능을 향상시키도록 콤포넌트의 코어 둘레에 경화된 표면 케이스를 형성하는 것이 바람직한 경우가 많다. 경화된 표면 케이스가 내마모성 및 내부식성을 제공하면서, 코어는 인성과 내충격성을 제공한다. 특히, 고강도, 고인성 합금의 부류는 열화학적 처리의 적용예에 적합하다.
강 합금의 본래의 경도, 강도, 및 인성 특성을 유지하면서, 강 합금으로부터 제조된 동력 전달 콤포넌트에 경화된 표면 케이스를 형성하기 위해 다양한 종래의 방법들이 존재한다. 종래의 방법은 분위기(가스), 액체, 팩(pack), 플라즈마 또는 진공 방법을 통한 침탄을 포함한다. 마찬가지로, 가스, 염욕(salt bath) 또는 플라즈마 종래 방법들을 통한 질화도 표면을 경화시키기 위해 사용될 수 있다. 다르게는, 후속하는 치수 조정(dimensionalizing) 공정을 근본적으로 없애도록 고 전류 밀도 이온 주입이 사용될 수도 있다.
상이한 표면 처리 및 벌크 합금 열처리 단계가 독립적으로 그리고 순차적으로 수행되는 경우가 많으며, 이는 연장된 처리 시간, 비용 및 운송을 초래한다.
종래의 표면 공정 및 종래의 벌크 합금 열처리 및 특성의 단점은 예컨대 종래의 합금 템퍼링 온도가 비교적 낮다는 사실에 기인한 사용 중 연화(softening) 및 담금질 균열과, 고온에서의 결정립 성장과 같은 구조적인 제어에 대한 염려를 포함한다.
따라서, 처리 시간, 비용 및 운송을 절감시키면서 또한 표면 경화된 합금 제품의 성능을 향상시키는 것 양자에 대한 요구가 여전히 존재한다.
따라서, 고강도, 고인성 합금 및 그 제품의 부류에 적용되었을 때, 제조 사이클 시간, 비용 및 운송을 최소화하면서 수행 성능에 바람직한 향상을 보유하는 동시적인 열화학적 공정 단계를 식별하는 것은 바람직하다. 합금 부류의 제품들은 다양한 형태로 존재할 수 있다.
본 발명을 이용해서, 선택된 표면 가공과 벌크 합금 열처리 단계가 상승작용하는 상태로 결합되어 원하는 수행 성능의 향상을 유지하면서 처리 시간, 비용 및 운송에 있어서의 현저한 절감을 달성하도록 고인성, 고강도 합금으로부터 제조된 제품이 열화학적으로 처리될 수 있다.
열기계적 처리의 실시예는 고온 용체화 열처리(high temperature solution heat treatment) 및 표면 가공 공정[예컨대, 침탄(carburizing)]의 조합 단계, 담금질(quenching) 단계, 냉각 단계 및 합금을 템퍼링하기 위한 재가열 단계로 이루어질 수도 있다.
열기계적 공정의 다른 실시예는 상기 단계들과, 이에 후속하는 템퍼링 온도 미만의 온도에서의 독립적 표면 가공 공정(예컨대, 질화)으로 이루어질 수도 있다.
열기계적 공정의 다른 실시예는 고온 용체화 열처리 및 표면 가공 공정(예컨대 침탄)의 조합 단계와, 담금질 단계와, 냉각 단계와, 템퍼링을 위한 재가열 및 표면 가공 공정(예컨대, 질화)의 결합 단계로 이루어질 수도 있다.
본 발명의 실시예는 철, 니켈, 코발트 및 금속 탄화물 형성 원소를 포함하는 고인성, 고강도 합금강의 부류를 사용할 수 있다.
이 부류의 합금은 높은 수행 능력을 보유하면서 다양한 제품 형태로 제조될 수도 있으며, 이것은 (a)액체 또는 혼합 고액상으로부터의 급속한 고형화에 의해 생성된 띠, 박편, 미립자 또는 유사한 형태, (b)분말 또는 입자로부터의 압밀(consolidation) 또는 고밀도화를 통해 형성된 것으로서 소결 및 열간 등방압 성형된(hot-isostatically-pressed; HIP'ed) 형태를 포함하되 이에 한정되지는 않는 것들, (c)모든 형태의 주조에서 또는 그에 의해 생성된 것들, (d)공정 온도(냉, 온, 또는 고온)에 무관하게 단조 또는 다른 가공 방법에 의해 제조된 것들, (e)스탬핑(stamping) 또는 압인 가공(coining)에 의해 제조된 것들, 및 (f)나노미터 또는 실질적으로 유사한 크기를 포함하는 입자의 압밀에 의해 제조된 것들을 포함한다.
도1은 표면 가공된, (예컨대, 침탄된, 질화된), 경도 프로파일의 개략적인 플롯이다.
도2는 벌크 합금 열처리와 표면 가공 처리의 가능한 조합을 도시하는 열화학적 온도 대 시간의 개략도이다.
합금 벌크 열처리 단계 및 열 화학적 공정을 위한 전형적인 작업 조건은 동일한 온도 범위 내에 들어갈 수 있거나 또는 들어가도록 조정될 수 있다. 예컨대, 고강도, 고인성(HSHT: High Strength, High-Toughness) 철합금은 예컨대 815.6 내지 1148.9℃(1500 내지 2100℉)의 전형적인 용체화(오스테나이트화) 온도를 가질 수 있는데, 이는 예컨대, ~871.1 내지 1065.6℃(~1600 내지 1950℉)의 침탄, 또는 예컨대, ~815.6 내지 926.7℃(~1500 내지 1700℉)의 침탄 질화, 또는 예컨대, ~760 내지 1093.3℃(~1400 내지 2000℉)의 침붕(boronizing)에서 사용되는 전형적인 온도와 대략 동일한 범위 내에 있다. 이러한 고온 용체화 및 표면 경화 공정을 적절히 조합하는 것은 제조 비용 및 처리 시간을 감소시킨다.
마찬가지로, 이러한 부류의 전형적인 HSHT 합금에 대한 템퍼링(tempering), 또는 템퍼링과 시효(age)의 조합 공정은 ~426.7 내지 510℃(~800 내지 950℉)의 범위 내에 든다. 표면 경화를 위한 질화 공정은 ~315.6 내지 537.8℃(~600 내지 1000℉)의 범위 내에서 수행될 수 있어서, 두 단계를 하나로 조합하여 공정 비용 및 시간을 추가 절감할 수 있다.
도1은 침탄 또는 질화 공정으로부터 얻어질 수도 있는 전형적인 표면 가공된 경도 프로파일의 개략도를 도시한다.
도2는 비교적 고온에서, 합금 용체화 열처리가 침탄과 같은 표면 가공 공정과 조합될 수 있는 영역(regime)을 나타내는 열화학적 온도 대 시간 공정의 개략도를 도시한다. 마찬가지로, HSHT 합금의 템퍼링을 위해 전형적으로 사용되는 비교적 낮은 또는 중간 온도 영역에서는 질화와 같은 표면 가공 공정이 동시에 진행될 수 있다. 고온 조합 및 저온 또는 중간 온도 조합은 제조 사이클 시간을 상응하게 감소시키도록 독립적으로 사용될 수 있다. 양호하게는, 고온 조합, 그리고 저온 또는 중간 온도 조합이 차례로 사용되어 제조 사이클 시간을 상응하게 최소화시킬 수도 있다.
제품에 침탄 및 질화 표면 가공 공정 모두를 사용하는 장점은 침탄으로부터 굽힘 응력 기준에 대한 충분한 경화층 깊이(case depth)를 제공하는 능력과, 또한 향상된 표면 경도와, 내부식성, 그리고 특히, 질화 공정에 후속하는 치수 조정 공정의 본질적 배제를 포함한다.
HSHT 합금은 대체로 질소가 없으며, 관련된 조성과 템퍼링 온도를 포함하는 경화 열처리를 갖는 철계 합금이다. 템퍼링 온도는 HSHT 합금 조성에 의존하며, 경도, 강도 및 인성과 같은 HSHT 합금의 특성을 변경시키도록 HSHT 합금이 열처리되는 온도이다.
HSHT 합금의 조성은 고강도 및 고인성을 제공하는 본질적으로 Ni-Co 2차 경화 마르텐사이트(martensitic) 강이다. 즉, HSHT 합금의 극한 인장 강도가 약 1172108.7kPa(170ksi) 보다 크고 항복 응력은 약 965266.0kPa(140ksi) 보다 크며, 몇몇 예시에서 극한 인장 강도는 대략 1965005.8kPa(285ksi) 이고, 항복 응력은 약 1723689.3kPa(250ksi)이다. 고강도 및 고인성은 동력 전달 부품과 같은 용례에서 바람직한 성능을 제공한다. 종래의 진공 용융 및 재용융 방법이 사용되며 예컨대, 희토류 금속, Mg, Ca, Si, Mn 및 이들의 조합을 포함하는 게터링(gettering) 원소의 사용을 포함할 수도 있어서, HSHT 합금으로부터 불순물 원소를 제거하고 고강도와 고인성을 얻을 수 있다. 미량으로 존재하는 S, P, O, 및 N과 같은 불순물 원소는 강도 및 인성을 손상시킬 수도 있다.
양호하게는, HSHT 합금의 합금 함유량 및 템퍼링 온도는 합금 탄화물인 M2C가 Fe3C(비교적 조립질의 전구체 탄화물)보다 더 안정한 열역학적 조건을 충족시켜서 Fe3C는 용해되고, M2C 합금 탄화물은 침전되게 하며, 여기서 M은 금속 탄화물 형성 원소이다. M2C 합금 탄화물 형성 원소는 임의의 표면 처리에 선행하는 종래의 침전 열처리 동안의 2차 경화를 생성하는 M2C 침전물의 미세한 분산을 형성함에 의해 HSHT 합금의 고강도 및 고인성에 기여한다. 양호한 합금 탄화물 형성 원소는 M2C를 형성하기 위해 금속 합금 내에서 탄소와 결합하는 Mo 및 Cr을 포함한다. 양호하게는, HSHT 합금은 1.5중량% 내지 15중량%의 Ni, 5중량% 내지 30중량%의 Co, 그리고 Mo, Cr, W, V 또는 이들의 조합과 같은 5중량%까지의 탄화물 형성 원소를 포함하며, 탄화물 형성 원소는 M2C 형태의 금속 탄화물 침전물을 형성하도록 대략 0.5중량%까지의 C와 반응할 수 있다. 이것은 금속 합금이 양호한 합금 탄화물 형성 원소 중 임의의 하나 이상을 포함할 수도 있다고 이해될 수 있다.
탄화물 형성 원소는 M2C의 미세한 분산을 형성하기 때문에 강도 및 인성에서 장점을 제공한다. 또한, Al, V, W, Si, Cr과 같은 특정의 다른 가능한 합금 요소들도 질화 조성과 같은 다른 조성을 형성할 수도 있다. 이러한 합금 요소 및 탄화물 형성 원소들은 HSHT 합금의 강도, 인성, 및 표면 경화능에 영향을 미친다.
조성 범위 내에 드는 합금은 합금 부류의 이하의 형태, 즉 (a)액체 또는 혼합 고액상으로부터의 급속한 고형화에 의해 생성된 띠, 박편, 미립자 또는 유사한 형태, (b)분말 또는 입자로부터 압밀(consolidation) 또는 고밀도화를 통해 형성된 것으로서 소결 및 고온 등방압 성형된(hot-isostatically-pressed; HIP'ed) 형태를 포함하되 이에 한정되지는 않는 것들, (c)모든 형태의 주조에서 또는 주조에 의해 생성된 것들, (d)공정 온도(냉, 온, 또는 고온)에 무관하게 단조 또는 다른 가공 방법에 의해 제조된 것들, (e)스탬핑(stamping) 또는 압인 가공(coining)에 의해 제조된 것들, 및 (f)나노미터 또는 실질적으로 유사한 크기를 포함하는 입자의 압밀에 의해 제조된 것들을 포함한다.
본 발명은 고강도, 고인성 합금과 그 제품의 부류에 적용될 때, 제조 사이클 시간, 비용 및 운송을 최소화하면서 수행 성능에 바람직한 향상을 보유하는 열역학 적 공정 단계를 교시한다. 합금 부류의 제품들은 다양한 형태가 될 수도 있다.
본 발명의 예시적인 실시예가 특정 실시예 및 용례를 참조로 하여 도시되고 설명되었지만, 본 명세서에 기술된 것과 같은 본 발명에 대한 다수의 변경, 변형, 수정, 또는 개조가 본 발명의 사상 및 범주를 하나도 벗어남이 없이 가해질 수도 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.
본 발명의 전술한 설명이 그 특정 실시예 및 용례를 참조로 도시되고 기술되었으나, 그것은 도시 및 설명의 목적으로 제공되었으며, 모든 것을 총망라하거나 또는 본 발명을 개시된 특정 실시예 및 용례에 제한하기 위해 의도된 것이 아니다. 본 명세서에 기술된 것과 같은 본 발명에 다수의 변경, 변형, 수정, 또는 개조가, 그 중 어느 것도 본 발명의 사상 및 범주를 벗어남이 없이 가해질 수도 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 특정 실시예 및 용례는 본 발명과 그 실용적 용례의 원리를 가장 잘 도시하도록 선택되고 기술되어서 그에 의해, 본 발명을 고안된 특정 용도에 적합하게 다양한 실시예 및 다양한 변형예에서 당업자 중 일인이 이용하도록 한다. 따라서, 이러한 모든 변경, 변형, 수정, 및 개조는 공정하게, 법적으로, 그리고 공평하게 부여된 범위에 따라 해석될 때 첨부된 청구항에 의해 결정된 본 발명의 범주 내에 있는 것으로서 간주되어야만 한다.
본 발명은 양호한 실시예를 참조하여 기술되었으나, 당업자는 본 발명의 사상 및 범주를 벗어남이 없이 형태 및 상세한 점에서 변화가 가해질 수도 있다는 것을 인식할 것이다.

Claims (20)

  1. 금속 합금 콤포넌트에 대한 고온 용체화 열처리 및 1차 표면 가공 공정을 동시에 수행하는 단계와,
    콤포넌트를 담금질하는 단계와,
    콤포넌트를 냉각하는 단계와,
    콤포넌트를 템퍼링하는 단계를 포함하는 금속 합금의 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 2차 표면 가공 공정을 템퍼링과 동시에 수행하는 단계를 더 포함하는 금속 합금의 처리 방법.
  3. 제2항에 있어서, 2차 표면 가공 공정은 콤포넌트의 표면을 질화시키는 단계를 포함하는 금속 합금의 처리 방법.
  4. 제2항에 있어서, 템퍼링이 약 426.7℃ 내지 약 510℃(약 800℉ 내지 약 950℉)의 범위 내에서 수행되는 금속 합금의 처리 방법.
  5. 제1항에 있어서, 1차 표면 가공 공정은 콤포넌트의 표면을 침탄시키는 단계를 포함하는 금속 합금의 처리 방법.
  6. 제1항에 있어서, 금속 합금은 니켈 코발트 강인 금속 합금의 처리 방법.
  7. 제6항에 있어서, 금속 합금은 적어도 1.5중량% 니켈과, 적어도 5중량%의 코발트와, 1.0중량%까지의 탄소와, 15중량%까지의 몰리브덴, 크롬, 텅스텐, 또는 바나듐 및 이들의 조합을 포함하는 금속 합금의 처리 방법.
  8. 제1항에 있어서, 고온 용체화 열처리 및 1차 표면 가공 공정은 약 815.6℃ 내지 약 1148.9℃(약 1500℉ 내지 약 2100℉)의 범위 내에서 수행되는 금속 합금의 처리 방법.
  9. (a) 금속 합금을 열처리하는 단계와,
    (b) 열처리 동안, 금속 합금의 표면 영역을 경화된 표면 영역으로 변환시키는 단계를 포함하는 금속 합금 처리 방법.
  10. 제9항에 있어서, (a) 단계는 고온 용체화 단계를 포함하는 금속 합금 처리 방법.
  11. 제10항에 있어서, (b) 단계는 침탄 단계를 포함하는 금속 합금 처리 방법.
  12. 제9항에 있어서, (a) 단계는 템퍼링 단계를 포함하는 금속 합금 처리 방법.
  13. 제12항에 있어서, (b) 단계는 질화 단계를 포함하는 금속 합금 처리 방법.
  14. 제9항에 있어서, 금속 합금은 적어도 1.5중량%의 니켈과 적어도 5중량% 코발트를 포함하는 니켈 코발트 강을 포함하는 금속 합금 처리 방법.
  15. 제14항에 있어서, 금속 합금은 1.0중량%까지의 탄소를 포함하는 금속 합금 처리 방법.
  16. 제15항에 있어서, 금속 합금은 15중량%까지의 몰리브덴, 크롬, 텅스텐, 또는 바나듐 및 이들의 조합을 포함하는 금속 합금의 처리 방법.
  17. 벌크 합금 열처리와 표면 가공 공정을 동시에 수행하는 단계를 특징으로 하는 금속 합금의 처리 방법.
  18. 제17항에 있어서, 벌크 합금 열처리는 고온 용체화를 포함하며, 표면 가공 공정은 침탄을 포함하는 금속 합금의 처리 방법.
  19. 제17항에 있어서, 벌크 합금 열처리는 템퍼링을 포함하며, 표면 가공 공정은 질화를 포함하는 금속 합금의 처리 방법.
  20. 제17항에 있어서, 금속 합금은 니켈 코발트 강을 포함하는 금속 합금의 처리 방법.
KR1020077014417A 2004-12-09 2005-12-09 고강도, 고인성 합금의 열화학적 처리 방법 및 공정 KR20070086625A (ko)

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