KR20080025297A

KR20080025297A - 질화물 강화에 유용한 코발트-크롬-철-니켈 합금

Info

Publication number: KR20080025297A
Application number: KR1020070085865A
Authority: KR
Inventors: 크리쉬나 스리바스타바 에스.
Original assignee: 헤인스 인터내셔널, 인코포레이티드
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2008-03-20
Also published as: DK1900835T3; AU2007216791B2; ATE437971T1; RU2007133732A; CA2600807A1; DE602007001751D1; GB0717091D0; US8075839B2; MX2007009122A; JP2008069455A; GB2441761A; CN101144131A; JP5270123B2; CA2600807C; EP1900835A1; TWI360580B; TW200815614A; EP1900835B1; US20080066831A1; CN101144131B

Abstract

실제 유용한 처리 및 실제유용한 시트 두께를 이용하여 완전 두께 질화(through thickness nitridation) 및 강화(strengthening) 가능한, 단조가능 코발트 합금은 중량%로 약 23 내지 약 30%의 크롬, 약 15 내지 25%의 철, 최대 약 27.3%의 니켈, 약 0.75 내지 약 1.7%의 티타늄, 약 0.85 내지 약 1.92%의 니오븀 또는 지르코늄, 최대 0.2%의 탄소, 최대 0.015%의 붕소, 최대 0.015%의 희토류 원소, 최대 0.5%의 알루미늄, 최대 1%의 망간, 최대 1%의 실리콘, 최대 1%의 텅스텐, 최대 1%의 몰리브덴, 및 나머지 불순물이 첨가된 코발트를 함유하며, 여기서 티타늄과 니오븀 또는 동등원소의 합의 전체 중량%는 약 1.6 내지 약 3.6%이다.

Description

질화물 강화에 유용한 코발트-크롬-철-니켈 합금{COBALT-CHROMIUM-IRON-NICKEL-ALLOYS AMENABLE TO NITRIDES STRENGTHENING}

발명의 분야

본원발명은 비-철(non-ferrous) 합금 조성물에 관한 것이며, 특히 다량의 크롬, 철, 및 니켈, 그리고 IUPAC 1998 주기율표 4족 및 5족의 소량의 활성 용질 원소(바람직하게는 티타늄 및 니오븀)를 함유하는 단조가능(wroughtable) 코발트 합금에 관한 것이다. 이러한 원소의 결합은 실제유용한 두께(약 2 mm)의 시트로 냉간-압연될 수 있고, 산업용 부품으로 성형 및 용접될 수 있으며, 그 후 고온에서 높은 강도를 부여하기 위하여 완전-질화(through-nitride)가 될 수 있는 재료를 제공한다.

발명의 배경

가스 터빈 엔진의 고온 영역을 위하여, 소위 "초합금(superalloy)"이라 불리는 세 가지 유형이 사용되는데; 고용체-강화된 니켈 합금(solid solution-strengthened nickel alloys), 침전-경화가능한 니켈 합금(precipitation-hardenable nickel alloy), 및 고용체-강화된 코발트 합금(solid solution- strengthened cobalt alloys)이다. 이러한 합금 모두는 산화 내성을 제공하는 크롬(일반적으로 15 내지 30 wt.%)을 함유한다. 침전-경화가능한 니켈 합금은 시효 동안 미세구조 내에서 매우 미세한 감마-프라임 (Ni₃Al, Ti) 또는 감마-이중 프라임 (Ni₃Nb) 침전물의 형성을 유도하기 위하여 알루미늄, 티타늄, 및 니오븀 중 하나 이상을 포함한다.

침전-경화가능한 니켈 합금은 두 가지 결점을 갖는다. 첫째는, 용접 온도가, 열에 영향을 받는 영역에서 경화하는 침전물의 형성을 유발할 수 있다는 점에서, 용접 동안 문제를 야기한다. 둘째는, 감마-프라임 또는 감마-이중 프라임 침전물은 단지 특정 온도에서 유용하며, 그 범위를 넘으면 이들은 거칠어지고, 결국 상당히 감소된 재료의 강도를 결과한다. 한편, 고용체-강화된 니켈 합금 및 코발트 합금은 침전-경화가능한 니켈 합금의 강도는 없지만, 고온에서 상당한 강도를 유지하며, 특히 이는 원소 코발트에 의존한다.

고체 상태의 모든 온도에서 면심-입방 구조(fcc)를 갖는 니켈과는 상이하게, 코발트는 두 가지 형태로 존재한다. 최대 약 420℃까지의 온도에서, 안정한 구조는 육방밀집구조(hcp)이다. 상기 온도 이상 최대 녹는점까지의 온도에서는, 면심-입방(fcc) 구조이다. 또한 상기 두 상(phase)의 특징은 많은 코발트 합금에 의해 공유된다. 그렇지만, 합금 원소는 변태온도(transformation temperature)를 낮게 또는 높게 변화시킨다. 철, 니켈, 및 탄소와 같은 원소는 코발트의 fcc 형태의 공지된 안정화제이며, 따라서 변태온도를 감소시킨다. 한편, 크롬, 몰리브덴, 및 텅스 텐은 코발트의 hcp 형태의 안정화제이며, 따라서 변태온도를 증가시킨다. 이러한 사실들은 상온에서 코발트 합금의 기계적 특성에 강하게 영향을 미친다는 점에서 중요하다.

코발트 합금에서 fcc에서 hcp로의 변태는 느리며, 만약 변태온도가 상온 이상이면, 냉각할 때 hcp 형태가 생성되기 어렵다. 따라서 많은 코발트 합금은 상온에서 준안정상태(metastable)의 fcc 구조를 갖는다. 그와는 반대로, hcp 형태는 저온 가공(cold work) 동안 쉽게 생성되며, 추진력 및 변태 정도는 변태온도에 관계한다. 예를 들면, 높은 변태온도를 갖는 상기 준안정상태의 코발트 합금은, 이들의 미세구조 내 수많은 hcp 소형판(platelet)의 형성 때문에, 저온 가공(cold work)을 하기 어려우며 높은 가공 경화 속도(work hardening rate)를 나타낸다. 낮은 변태온도를 갖는 상기 준안정상태의 코발트 합금은 저온 가공하기가 덜 어려우며 훨씬 더 낮은 가공 경화 속도를 나타낸다.

가스 터빈에 사용되는 단조된, 고용체 강화된 코발트 합금의 조건 중 하나는 이들이 적어도 30% 저온 감소를 할 수 있어야 한다는 것이며, 그 결과 미세 결정립 크기의 시트가 생성될 수 있다. 따라서, 니켈이 일반적으로 이러한 재료에 포함되어서, 이들의 변태온도를 감소시키고, 그 후 순서대로 냉간 압연 동안 이들의 변태하려는 경향을 감소시킨다.

코발트 합금을 강화시키기 위하여 금속간화합물(감마-프라임과 같은)의 침전을 사용하려는 시도는 실패하였다(동등한 코발트-풍부 금속간화합물은 감마-프라임보다 더 낮은 고용화 온도(solvus temperature)를 갖는다). 그렇지만, 코발트 합금 을 강화하는 대안적인 방법이 Hartline 및 Kindlimann에 의해 미국 특허 제4,043,839호에 개시되었다. 그렇지만, 본 방법은 가스 터빈 부품의 구조에 대하여 현실적이지 못하다고 간주되는 두께(0.025" 미만, 특히 0.01" 미만)에 대하여만 유용하다. 본 방법은 질화물 입자의 미세 분산 형성을 유발하기 위하여, 질소를 흡수하는 단계 및 코발트 합금 내로 확산시키는 단계를 위한 과정을 포함한다. Hartline 및 Kindlimann에 따라서, 상기 처리에 반응하는 합금은 주성분으로 적어도 33%의 코발트, 크롬, 최대 25%의 니켈, 최대 0.15%의 탄소, 및 티타늄, 바나듐, 니오븀, 및 탄탈륨으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 질화물 형성 원소 1 내지 3%를 함유한다. 코발트-기초 합금의 성질을 증강시키는 잔류물 및 원소, 특히 몰리브덴 및 붕소가 또한 언급되었다. 상기 발명에 의하여 성공적으로 질화된 샘플 내에 1% 수준으로 철이 존재함에도 불구하고, 철은 언급되지 않았다. 29% 니켈을 함유하는, 질화(nitridation)에 대한 경향이 덜한 샘플은, 2.7% 철을 함유하였다.

발명의 개요

본원발명의 주요 목적은 실제유용한 두께(최대 약 2 mm, 즉 0.08 인치)의 시트 스탁(sheet stock)을 위하여, 실제유용한 기간(약 50 시간)의 처리를 사용하여, 완전 두께 질화(through thickness nidridation) 및 강화 가능한, 신규한 단조가능 코발트 "초합금"을 제공하는 것이다. 상기 시트는 980℃(1800℉) 및 55 MPa(8 ksi)에서 150시간 이상, 또는 980℃ 및 52 MPa(7.5 ksi)에서 250시간 이상의 응력 파단 수명을 가질 수 있으며, 이는 합금 개발의 목표가 되는 응력 파단 수명이다.

상기 목적은 크롬, 철, 니켈, 및 필수적인 질화물-형성 원소(바람직하게는 티타늄 및 니오븀 또는 지르코늄)를 일정한 바람직한 범위로 코발트에 첨가함으로써 달성될 수 있음은 이미 밝혀졌다. 특히, 중량 %로서 상기 범위는 약 23 내지 30의 크롬, 약 15 내지 25의 철, 최대 약 27.3의 니켈, 0.75 내지 1.7의 티타늄, 0.85 내지 1.92의 니오븀, 최대 0.2의 탄소, 최대 0.012의 붕소, 최대 0.5의 알루미늄, 최대 1의 망간, 최대 1의 실리콘, 최대 1의 텅스텐, 최대 1의 몰리브덴, 및 최대 0.15 및 0.015(각각 용융 전 및 용융 이후)의 희토류 원소(rare earth element)이다. 바람직한 범위는 중량%로 약 23.6 내지 29.5의 크롬, 약 16.7 내지 24.8의 철, 3.9 내지 27.3의 니켈, 0.75 내지 1.7의 티타늄, 0.85 내지 1.92의 니오븀, 최대 0.2의 탄소, 최대 0.012의 붕소, 최대 0.5의 알루미늄, 최대 1의 망간, 최대 1의 실리콘, 최대 1의 텅스텐, 최대 1의 몰리브덴, 및 최대 0.15 및 0.015(각각 용융 전 및 용융 이후)의 희토류 원소이다. 니오븀을 동일한 양의 지르코늄으로 치환할 수 있다. 더욱이, 티타늄의 일부를 지르코늄 또는 하프늄으로 치환할 수 있으며, 니오븀의 일부 또는 전부는 바나듐 또는 탄탈륨으로 치환될 수 있다.

크롬은 산화 내성을 제공하며 일정 정도의 고용체 강화를 제공한다. 철 및 니켈은 fcc 안정화제이며 그러므로 크롬(hcp 안정화제)과 균형을 맞추어서, 냉간 압연에 의해 미세-결정립 시트가 제조될 수 있도록 충분히 낮은 변태온도를 확보한 다. Hartline 및 Kindlimann의 업적으로부터, 니켈은 질소 흡수를 방해하는 것으로 알려져 있다; 그렇지만, 철이 니켈과 결합하여 사용되어서 필수적인 변태온도 억제와 필수적인 질소 흡수 및 확산 속도를 달성하여서 실제유용한 시간 동안 내부 질화에 의하여 실제유용한 두께가 전반적으로 강화되도록 할 수 있음이 밝혀졌다.

발명의 상세한 설명

전술한 바람직한 조성 범위를 달성하기 위하여, 수많은 실험 합금이 실험실에서 제조되었는데, 진공 유도 용해법(Vacuum Induction Melting)을 사용하였으며, 그 후 일렉트로슬래그 재용해법(electro-slag remelting)이 뒤따라 수행되어서, 합금 각각에 대하여 23 kg(50 lb) 잉곳(ingot)을 산출하였다. 본 잉곳들은 약 1120 내지 1175℃(2050 내지 2150℉) 범위의 온도에서 열간 단조(hot forge) 및 열간 압연(hot roll)되어서, 3.2 mm (0.125 인치) 두께의 시트를 제조하였다. 상기 시트들은 이후 냉간 압연되어서 두께가 2 mm (0.08 인치)가 되었다.

상시 실험용 재료를 강화시키기 위하여 사용되는 질화 처리(nitriding treatment)는 1095℃(2000℉)에서 질소 분위기 내에서 48시간 동안의 가열 단계, 그 후 1120℃(2050℉)에서 아르곤 분위기 내에서 1시간 동안의 가열 단계, 및 그 후 1205℃(2200℉)에서 아르곤 분위기 내에서 2시간 동안의 가열 단계를 포함한다. 이러한 방법은 상기 타입의 합금에 대한 최적의 강화 처리로서 이미 확립되었다.

바람직한 범위를 정의하기 위하여 사용된 상기 실험 합금의 조성은 표 1에 제시된다. 완전-질화된 조건에서, 52 MPa, 또는 55 MPa 및 980℃(1800℉)에서 테스 트된 상기 합금들의 기계적 성질은 표 2에 제시된다. 합금 X 및 합금 Y는 두 조건 모두에서 테스트 되었다. 대부분의 합금들은 52 MPa에서 응력 파단 테스트 되고, 나머지 다른 합금들은 55 MPa에서 응력 파단 테스트 된 이유는, 바람직한 조성의 52 MPa에서의 응력 파단 수명이 기대되는 것보다 훨씬 높아서 예상보다 훨씬 긴 시간 동안 테스트 장비를 묶고 있었기 때문이다. 테스트 기간을 단축하기 위하여 더 높은 응력(55 MPa)이 사용되었으며, 그 결과 개량 가공의 속도를 높였다. 수용가능항 응력 파단 수명, 즉 55 MPa에서 150 시간, 또는 52 MPa에서 250 시간의 합금 설계 기준을 만족하는 합금들은 표 2에서 별표가 표시되어 있다.

고-크롬 합금 B는 단조(forging) 동안 깨졌으며, 이는 31.9 wt.% 크롬은 단조가능성(wroughtability)을 제공하기에는 너무 많은 함량임을 입증한다는 점을 인식하는 것이 중요하다. 또한, 완전 질화가 합금 FF 및 GG에서 불가능하였으며, 이는 니오븀 또는 지르코늄이 존재하여야 한다는 점을 입증하며, 더 높은 철 및 니켈 함량이 설계 기준을 만족하기 위해 필요하다는 점을 제시하는 것이다. 합금 LL은 훨씬 더 두꺼운 샘플임을 제외하고는 조성면에서 미국 특허 제4,043,839호 (Hartline 및 Kindlimann)의 실시예 1과 매우 유사하다. 합금 LL은 완전-질화(through-nitride)될 수 없다.

상기 실험 합금 중 일부는 특히 가공 경화(work hardening)에 있어서의 니켈 함량의 영향을 연구하기 위하여 사용되었는데, 이는 냉간-압연된 시트의 제조에 있어서 중요한 인자이다. 본 가공(work)의 결과는 도 1에 제시된다. 0.6 내지 17.7 wt.% 범위 내에서, 경도(주어진 저온 가공 수준에서)와 니켈 함량 사이의 강한 상 호관계가 입증되었다. 낮은 경도는 저온 가공에 있어서 매우 유익하다.

합금 X 및 Y는 처음에는 52 MPa 및 980℃(1800℉)에서 테스트 되었으며, 그 후 본 합금들의 제2 샘플은 55 MPa 및 980℃(1800℉)에서 다시 테스트 되었다. 두 합금 모두 첫번째 테스트에서 수용가능한 것으로 판명되었다. 합금 X는 27.3 wt.%의 니켈을 함유하였으며 이는 수용가능한 합금의 거의 최대치라 여겨졌다. 합금 Y는 17.7 wt.%의 니켈을 함유하였으며, 이는 니켈에 대하여 수용가능한 범위라 여겨지는 범위 이내이다. 두번째 테스트에서 합금 Y는 150 시간 이상인 수용가능한 한계보다 월등한 330.2 시간에서 파단되었으나, 합금 X는 150 시간인 수용가능한 수준 이하인 129.1 시간 이후에 파단되었다. 상기 데이타로부터 니켈의 상한은 약 27.3 wt.%임을 알 수 있다.

표 1: 실험 합금의 화학 조성

N/A = 신중하게 첨가되지 않았으며 분석되지 않았음.

표 2: 실험 합금의 고온 기계적 성질

다음과 같은 합금 원소의 일반적인 효과에 대한 일부 관찰이 수행되었다.

코발트(Co)는 본원의 신규한 초합금의 베이스로서 선택되었는데, 왜냐하면 코발트는 고온 강도에 대한 최선의 합금 베이스를 제공하기 때문이다.

크롬(Cr)은 두 가지 작용을 하는 주요 합금 원소이다. 첫째, 산화 내성을 제공하기 위하여 충분한 크롬이 존재하여야 한다. 둘째, 크롬은 합금 내에서 질소의 용해도를 증가시킨다. 실험에 의하면, 22 wt.% Cr(합금 GG)은 완전 두께 질화(through thickness nitriding)에 충분하지 않았다. 한편, 23.6 wt.%의 크롬을 함유하는 합금 A는 수용가능하였다. 31.9 wt.% 크롬을 함유하는 합금 B는 크랙킹 없이는 열간 단조(hot forge)가 불가능하였다. 그러나, 29.5 wt.% 크롬을 함유하는 합금 DD는 수용가능하였다. 상기 데이터는 크롬은 약 23% 내지 30% 범위 이내 이어야함을 나타낸다.

철(Fe) 또한 두 가지 기능을 갖는다. 첫째, 코발트 내에서 fcc 구조의 안정화제로서, 철은 코발트 합금의 변태온도를 감소시키며, 따라서 시트로 냉간 압연하기 더 쉽게 만든다. 동시에, 니켈(또 다른 주요 fcc 안정화제)이 하는 것만큼 질소의 용해도를 감소시키지 않는다; 따라서 철은 질소 흡수에 유용한 것으로 여겨진다. 합금 FF에 대한 데이터는 10 wt.% 철은 완전-질화를 얻기에 불충분하며, 반면에 28.2 wt.% 철을 갖는 합금 K는 강도 기준을 만족하지 못하였음을 나타낸다. 16.8 wt.% Fe를 함유하는 합금 C 및 24.8 wt.% Fe를 함유하는 합금 L은 수용가능하였다. 따라서, 상기 데이터는 철이 15 wt.% 내지 25 wt.%의 양으로 존재해야만 함을 나타낸다.

니켈(Ni)의 주된 기능은 합금의 fcc 형태를 안정화하는 것이며, 그 결과 합금은 시트로 쉽게 냉간 압연 될 수 있다. 도 1에 제시된 바와 같이, 경도(주어진 저온 가공 수준에서)와 니켈 함량 사이에는 강한 상호관계가 있다. 한편, 실험에 의하면 니켈은 본질적으로 본원 유형의 재료에 있어서 질소 흡수를 감소시키는 것으로 나타났다. 따라서, 질소 흡수에 상당한 손해를 끼치지 않으면서 변태온도를 억제하기 위한 니켈 및 철의 조합은 본원발명 합금의 핵심 특징이다. 경도 대 저온 가공 실험(도 1)에 의하면, 합금 Q(0.6 wt.% Ni)가 합금 S(3.9 wt.% Ni)보다 훨씬 더 경도가 있었다. 응력 파단 수명은 합금 X(27.3 wt.% Ni)는 강도 조건을 만족하지만, 합금 U(49.7 wt.% Ni)는 만족하지 못함을 나타낸다. 단지 0.72 wt.% Ni을 함유하는 합금 O는 또한 수용가능하였다. 따라서, 상기 데이터에 의하면 니켈은 최대 27.3 wt.%까지 존재할 수 있다.

티타늄(Ti)뿐만 아니라 니오븀(Nb), 또는 동등한 양의 바나듐, 탄탈륨 또는 지르코늄은 본원발명 합금에 중요한데, 왜냐하면 이러한 원소들은 강화 질화물(strengthening nitride)을 형성하기 때문이다. 본 실험에 의하면 바람직한 강도 수준을 달성하기 위하여, 또는 완전-질화를 확보하기 위하여, 바람직하게 정의된 범위 내에서 상기 원소들이 존재해야만 한다. 그럼에도 불구하고, 니오븀 없이 티타늄과 지르코늄 결합을 사용하는 것이 가능하다. 니오븀 대신 지르코늄이 치환된 합금 HH의 성능에 의하면, 필요한 니오븀 전부 또는 일부를 동일한 양의 지르코늄으로 치환하는 것이 가능하다. 지르코늄 및 니오븀은 현실적으로 동일한 분자량을 갖는다. 또한 티타늄의 일부를 지르코늄 또는 하프늄으로 치환하는 것도 가능하다. 존재해야만 하는 티타늄 그리고 니오븀 또는 지르코늄 각각의 양은 치환 원소가 합금 내에 존재하는지 그리고 얼마나 많이 존재하는가에 의존한다. 지르코늄과 하프늄은 티타늄에 대한 치환 원소이며, 반면 바나듐과 탄탈륨은 니오븀에 대한 치환 원소이다. 예를 들어, 합금 P 및 W(약 1 wt.% Ti만 함유)는 불충분한 강도를 갖는 반면, 합금 I(단지 약 1.8 wt.% Ti만 함유)는 완전-질화될 수 없다. 또한 합금 J(약 3.5 wt.% Nb만 함유)는 불충분한 강도를 갖는다. 본 실험에 의하면 0.75 wt.% Ti 및 0.85 wt.% Nb의 결합체(합금 E)는 완전-질화 될 수 있으며 충분한 강도를 제공한다; 이는 최대 1.7 wt.% Ti 및 1.92 wt.% Nb를 갖는 합금(합금 F)에 대하여도 같다. 따라서, 치환 원소가 존재하지 않더라고 티타늄은 0.75 내지 1.7 wt.%의 범위로 존재해야 하며, 니오븀은 0.85 내지 1.92 wt.% 범위로 존재해야 한다. 더욱이, 티타늄과 니오븀의 결합(Ti+Nb)은 약 1.6 내지 3.6 이어야 한다. 표 1에 제시된 합금에서, Ti+Nb는 1.07(합금 P) 내지 3.126(합금 F)의 범위이다. 하한에 있어서, 0.74 Ti + 0.84 Nb = 1.58인 합금 E는 수용가능한 조성의 기준을 만족한다. 그러나, 0.92 Ti + 0.03 Nb = 0.95인 합금 V는 기준을 만족하지 못하는데, 이는 티타늄과 니오븀 결합의 중요성을 나타내는 것이다. 상한에 있어서, 1.7 Ti + 1.92 Nb = 3.62인 합금 F는 상기 기준을 만족한다. 또 다른 활성 용질 원소에 의한 티타늄 및 니오븀의 치환에 관하여, 동일한 양으로 존재한다면, IUPAC 1998 원소 주기율표의 4족 및 5족 원소로부터 선택되는 또 다른 원소가 동일한 장점을 제공할 수 있다. 이는 전체 중량%가 다음 수식에 따를 것이라는 점을 의미한다:

0.75 ≤ Ti + Zr/1.91 + Hf/3.73 ≤ 1.7

0.87 ≤ Nb + Zr + V/1.98 + Ta/1.98 ≤ 1.92

1.6 ≤ Ti + 1.52Zr + Hf/3.73 + Nb + V/1.98 + Ta/1.98 ≤ 3.6.

합금 LL에 있어서 몰리브덴이 니오븀 대신 치환되었으며 수용 불가능한 합금을 생성하였다. 이러한 결과는 또한 니오븀 또는 지르코늄이 합금 내에 존재하여야만 함을 제시한다.

탄소(C)는 본원발명 합금에 필수적이지 않지만, 결정립 크기의 조절을 위해 소량으로 유용할 수 있다. 본 실험에 의하면, 연구된 가장 높은 수준(0.207 wt.%, 합금 H)으로, 성긴 카바이드 입자(coarse carbide particle)가 미세구조 내에 존재한다. 이러한 사실이 합금 H가 수용가능한 기준을 만족하는 것을 방해하지는 않았지만, 상기 입자의 더 많은 양은 불이익한 것 같다. 따라서, 최대 0.2 wt.% 탄소가 수용가능하다.

붕소(B)는 결정립 경계 강화를 위해 코발트 및 니켈 "초합금"에 일반적으로 사용된다. 따라서, 붕소는 전형적인 수준, 즉 0 내지 0.015 wt.% 범위로 대부분의 테스트 합금에 첨가되었다. 연구된 가장 높은 수준은 0.012이었는데, 이는 수용 가능한 합금 C에서의 수준이다. 이러한 데이터에 의하면, 붕소는 본원 합금에 전형적인 범위 내에서 존재할 수 있는데, 최대 0.015 wt.%이다.

세륨(Ce), 란타늄(La), 및 이트륨(Y)과 같은 희토류 원소 또한 산화 내성을 증가시키기 위하여 코발트 및 니켈 "초합금" 내에 일반적으로 사용된다. 따라서, 미시메탈[Misch Metal](희토류 원소의 혼합물, 특히 50 wt.% 세륨을 함유함)이 대부분의 실험 합금에 첨가되었다. 이러한 원소의 반응성은 용융되는 동안 대부분 상실된다. 그렇지만, 0.1 wt.% 미시메탈의 첨가는 합금 내 세륨 값을 0.015 wt.%(합금 JJ)만큼 높게 하였다. 미시메탈 대신에, 란타늄이 합금 O에 첨가되었다. 합금 JJ가 수용가능하였기 때문에, 최대 0.015 wt.%의 최종 희토류 원소 함량은 수용가능하다는 결론을 내린다. 희토류 원소는 일반적으로 용융되는 동안 상실되기 때문에, 충전 재료(용융 이전) 내에서는 10배 많은 희토류 금속 함량(0.15 wt.%)이 수용가능해야 한다.

알루미늄(Al)은 본원발명 합금의 필수 구성성분이 아니다. 그렇지만, 용융되는 동안 탈산화(deoxidation)를 돕기 위하여 대부분의 단조, 코발트 초합금 내에 소량으로 사용된다. 따라서, 본원의 신규 합금 시스템을 개발하는 동안 모든 실험 합금은 소량의 알루미늄(최대 0.41 wt.%, 합금 H)을 함유하였다. 코발트 초합금에 대한 일반적인 알루미늄의 함량은 0 내지 0.5 wt.%이다. 합금 H가 수용가능함에 따라, 초합금 내 알루미늄의 일반적 범위는 본원에서 수용가능하다. 따라서 알루미늄은 최대 0.5 wt.%로 존재할 수 있다.

알루미늄과 유사하게, 망간(Mn)은 일반적으로 황을 조절하기 위한 경우 소량으로 코발트 초합금에 첨가된다. 전형적인 첨가 범위는 최대 1 wt.%이다. 본원의 신규한 시스템을 개발하는 동안 최대 0.92 wt.%(합금 H)의 망간 함량이 연구되었다. 합금 H의 수용가능성은 본원발명의 합금에서 망간의 전형적인 범위가 본원에서 작용할 것임을 다시 한번 확인한다. 망간은 최대 1 wt.%까지 존재할 수 있다.

실리콘(Si)은 용융 공정으로부터 나오는 불순물로서 코발트 초합금에 일반적으로 존재한다(최대 1 wt.%). 최대 0.97 wt.%까지의 수준(합금 H)이 본원발명에서 연구되었다. 본 데이터에 의하면, 또 다른 코발트 합금에서와 같이 실리콘은 최대 1 wt.%로 존재할 수 있다.

비록 많은 코발트 초합금에 존재함에도 불구하고, 텅스텐(W) 및 몰리브덴(Mo)은 본원발명 합금의 필수 구성요소가 아니다. 실제로, 이러한 원소의 첨가는 신중하게 의도되지 않았다. 그렇지만, 코발트 초합금 캠페인 동안 일반적으로 이러한 원소들이 노 라이닝(furnace lining)을 오염시키며, 텅스텐- 및 몰리브덴이- 없는 재료를 용융하는 동안 상기 원소들은 불순물 함량에 도달한다. 따라서, 상기 원소 각각의 최대 1 wt.%의 불순물 함량이 본원발명의 합금에 존재할 수 있다.

본원발명의 합금은 시트 형태로 전형적으로 생산되고 판매될 것이다. 그렇지만, 상기 합금은 빌렛(billet), 플레이트 바(plate bar), 로드(rod) 또는 튜브(tube) 형태로 생산되고 판매될 수도 있다. 시트 또는 다른 형태의 두께는 전형적으로 1 mm 내지 2 mm(0.04 인치 내지 0.08 인치) 사이가 될 것이다.

비록 본원발명 합금의 일부 존재하는 바람직한 구체예를 기술하였지만, 본원발명은 상기 구체예에 제한되지 않으며 다음의 청구범위의 범위 내에서 다양한 변화가 있을 수 있음이 명백히 이해되어야 한다.

도면의 간단한 설명

도 1은 저온 가공될 때 서로 다른 니켈 함량을 갖는 시험 합금의 경화를 나타내는 그래프이다.

Claims

중량%로서 다음을 포함하는, 완전한 두께 질화 및 강화 가능한 단조가능 코발트 합금:

23 내지 30% 크롬

15 내지 25% 철

최대 27.3% 니켈

0.75 내지 1.7% 티타늄

0.85 내지 1.9% 니오븀, 지르코늄 또는 이들의 혼합

최대 0.2% 탄소

최대 0.015% 붕소

최대 0.015% 희토류 원소

최대 0.5% 알루미늄

최대 1% 망간

최대 1% 실리콘

최대 1% 텅스텐

최대 1% 몰리브덴, 및

나머지 코발트 및 불순물,

여기서 티타늄+니오븀은 1.6 내지 3.6%임.
제 1항에 있어서, 다음을 포함하는 코발트 합금:

23.6 내지 29.5% 크롬

16.7 내지 24.8% 철

0.56 내지 27.3% 니켈

0.75 내지 1.7% 티타늄

0.85 내지 1.92% 니오븀

최대 0.2% 탄소

최대 0.012% 붕소

최대 0.015% 희토류 원소

최대 0.5% 알루미늄

최대 0.92% 망간

최대 1% 실리콘

최대 1% 텅스텐

최대 1% 몰리브덴, 및

나머지 코발트 및 불순물,

여기서 티타늄+니오븀은 1.6 내지 3.6%임.
제 1항에 있어서, 상기 합금은 두께가 최대 2 mm인 단조 형태(wrought form)임을 특징으로 하는 코발트 합금.
제 1항에 있어서, 상기 합금은 질화처리 됨을 특징으로 하는 코발트 합금.
제 4항에 있어서, 상기 질화처리는

1095℃에서 질소 분위기 내에서 48시간 동안 상기 합금을 가열하는 단계;

그 후 1120℃에서 아르곤 분위기 내에서 1시간 동안 상기 합금을 가열하는 단계; 및

그 후 1205℃에서 아르곤 분위기 내에서 2시간 동안 상기 합금을 가열하는 단계;

로 구성됨을 특징으로 하는 코발트 합금.
중량%로서 다음을 포함하는, 완전한 두께 질화 및 강화가능한 단조가능 코발트 합금:

23 내지 30% 크롬

15 내지 25% 철

최대 27.3% 니켈

다음을 만족하며, 티타늄, 지르코늄, 및 하프늄으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소:

0.75 ≤ Ti + Zr/1.91 + Hf/3.73 ≤ 1.7

다음을 만족하며, 바나듐, 니오븀, 지르코늄, 및 탄탈륨으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소:

0.87 ≤ Nb + Zr + V/1.98 + Ta/1.98 ≤ 1.92

최대 0.2% 탄소

최대 0.015% 붕소

최대 0.015% 희토류 원소

최대 0.5% 알루미늄

최대 1% 망간

최대 1% 실리콘

최대 1% 텅스텐

최대 1% 몰리브덴, 및

나머지 코발트 및 불순물,

여기서 상기 합금은 중량%의 원소 함량으로 정의된 다음 조성 관계식을 더욱 만족함:

1.6 ≤ Ti + 1.52Zr + Hf/3.73 + Nb + V/1.98 + Ta/1.98 ≤ 3.6.
제 6항에 있어서, 중량%로 다음을 포함함을 특징으로 하는 코발트 합금.

23.6 내지 29% 크롬

16.7 내지 24.8% 철

0.56 내지 27.3% 니켈

0.75 내지 1.7% 티타늄

0.85 내지 1.92% 니오븀

최대 0.92% 망간, 및

최대 0.97% 실리콘.
제 6항에 있어서, 적어도 일부의 니오븀이 지르코늄으로 치환됨을 특징으로 하는 코발트 합금.
제 6항에 있어서, 상기 합금은 두께가 최대 2 mm인 단조 형태(wrought form)임을 특징으로 하는 코발트 합금.
제 6항에 있어서, 상기 합금은 질화처리 됨을 특징으로 하는 코발트 합금.
제 10항에 있어서, 상기 질화처리는

1095℃에서 질소 분위기 내에서 48시간 동안 상기 합금을 가열하는 단계;

그 후 1120℃에서 아르곤 분위기 내에서 1시간 동안 상기 합금을 가열하는 단계; 및

그 후 1205℃에서 아르곤 분위기 내에서 2시간 동안 상기 합금을 가열하는 단계;

로 구성됨을 특징으로 하는 코발트 합금.