KR20080111655A - Fe-base austenitic alloy with high-wearresistance - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 실험예에 사용된 캐비테이션 침식 시험 장치이다.1 is a cavitation erosion test apparatus used in the experimental example.
도 2는 Fe-Cr-C-Si-10Mn, Fe-Cr-C-Si-5Mn, 스테인레스 스틸 316, 및 Super-Duplex F-58 합금의 캐비테이션 시험 시간에 따른 침식 속도를 보여주는 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the erosion rate versus cavitation test time of Fe-Cr-C-Si-10Mn, Fe-Cr-C-Si-5Mn,
도 3은 Fe-Cr-C-Si-5Mn 합금의 X-Ray 회절 분석 스펙트럼이다.Figure 3 is an X-Ray diffraction analysis spectrum of Fe-Cr-C-Si-5Mn alloy.
도 4는 Fe-Cr-C-Si-10Mn 합금의 X-Ray 회절 분석 스펙트럼이다.4 is an X-Ray diffraction analysis spectrum of the Fe-Cr-C-Si-10Mn alloy.
도 5는 Fe-Cr-C-Si-10Mn 합금의 캐비테이션 침식 시험 시간에 따른 광학 현미경 사진이다.5 is an optical micrograph according to the cavitation erosion test time of Fe-Cr-C-Si-10Mn alloy.
도 6은 Fe-Cr-C-Si-5Mn 합금의 캐비테이션 침식 시험 시간에 따른 광학 현미경 사진이다.6 is an optical micrograph according to the cavitation erosion test time of Fe-Cr-C-Si-5Mn alloy.
도 7은 Super-Duplex F-58 합금의 캐비테이션 침식 시험 시간에 따른 광학 현미경 사진이다.7 is an optical micrograph according to cavitation erosion test time of Super-Duplex F-58 alloy.
도 8은 스테인레스 스틸 316 합금의 캐비테이션 침식 시험 시간에 따른 광학 현미경 사진이다.8 is an optical photomicrograph according to cavitation erosion test time of
본 발명은 오스테나이트 내침식 철계 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래 고가의 합금과 비교하여 캐비테이션 침식 저항성이 크게 향상됨에 따라, 해수용 펌프, 임펠러, 선박용 러더 뿐만 아니라 증기터빈 부소재, 밸브류, 펌프 샤프트 등 캐비테이션 침식마식에 의한 손상이 심한 부품에 적용 가능한 오스테나이트 내침식 철계 합금에 관한 것이다.The present invention relates to an austenitic corrosion-resistant iron-based alloy, and more particularly, as cavitation erosion resistance is significantly improved as compared with conventional expensive alloys, as well as steam pump parts, impellers, rudders for ships, steam turbine subsidiary materials, valves The present invention relates to an austenitic corrosion-resistant iron-based alloy that can be applied to parts damaged by cavitation erosion, such as pump shafts.
해수용품(Marine Hardware), 밸브류, 임펠러, 펌프 샤프트 등과 같은 소재의 특성으로는 내식성, 내열성, 강도, 내침식성, 내마모성 등이 우수하여야 한다.Materials such as marine hardware, valves, impellers, pump shafts, etc. should be excellent in corrosion resistance, heat resistance, strength, erosion resistance, and wear resistance.
상용화된 펌프 및 임펠러는 주로 Al, Cu-bronze계나 SUS Austenitic 304 및 316계 합금을 사용하여 제조하고 있다. 상기 펌프나 임펠러 등은 고압수, 불순물 입자, 증기포, 액적 등에 의해 표면이 기계적으로 변형되어 마모되는 것과 함께 화학적 작용이 중첩되어 마모가 발생한다. 이러한 현상은 고체입자 충돌 침식, 캐비테이션 침식(Cabitation-Erosion; CE)과 액적충돌 등이 복합적으로 작용하여 캐비테이션 침식 및 침식마모가 동시에 발생하여 해수 설비의 수명 단축을 초래한다.Commercially available pumps and impellers are mainly manufactured using Al, Cu-bronze or SUS Austenitic 304 and 316 alloys. The pump or the impeller may wear due to overlapping chemical action along with mechanical deformation and wear of the surface by high pressure water, impurity particles, vapor bubbles, and droplets. This phenomenon is caused by the combination of solid particle collision erosion, cavitation-erosion (CE) and droplet collision, resulting in cavitation erosion and erosion at the same time, resulting in shortening the life of seawater facilities.
캐비테이션 침식은 침식 부식의 특이한 형태로서 금속표면 가까이에 있는 액체에서 증기포(vapor bubble)가 생성 또는 소멸되는 것과 관련되며 캐비테이션 손상(cavitation damage)이라고도 한다. 상기 캐비테이션 침식은 수력 터어빈 (hydraulic turbine), 선박의 프로펠러, 펌프 임펠러등과 같은 유속이 크고 또한 압력변화가 큰 곳에서 보다 심각하게 발생한다.Cavitation erosion is a unique form of erosion corrosion that involves the formation or disappearance of vapor bubbles in liquids near metal surfaces, also known as cavitation damage. The cavitation erosion occurs more seriously at high flow rates and large pressure changes, such as hydraulic turbines, ship propellers, pump impellers, and the like.
캐비테이션 침식 메카니즘은 각종 부품의 보호피막 위에 캐비테이션 기포(bubble)가 생성되고, 이러한 기포가 소모되면서 상기 보호피막을 파괴한다. 그 결과 새로 노출되어진 금속 표면이 침식되고 따라서 피막이 다시 형성되며, 똑같은 지점에 새로운 캐비테이션 기포가 생성되고, 기포가 파괴되면서 피막을 또다시 생성되고, 다시 노출 면적이 침식되고 피막이 또다시 생성된다. 이러한 과정이 계속 반복되어 표면에 깊은 구멍이 생기면서 손상을 받게 된다.Cavitation erosion mechanism generates cavitation bubbles (bubble) on the protective film of the various parts, and destroys the protective film as these bubbles are consumed. As a result, the newly exposed metal surface is eroded and thus the film is formed again, new cavitation bubbles are generated at the same point, and the bubble is broken again to form a film, and the exposed area is again eroded and the film is formed again. This process is repeated over and over, causing deep holes in the surface that are damaged.
이러한 캐비테이션 침식마식 현상을 방지 또는 저감시키기 위해 각종 부품의 표면에 침식 억제제를 코팅하여 사용하고 있다. In order to prevent or reduce such cavitation erosion, the surface of various components is coated with an erosion inhibitor.
대한민국 특허공개 제1999-66120호는 선박용 러더표면에 침식에 강한 고분자물질을 저온 열용사 방법으로 피복하여 캐비테이션에 의한 침식으로부터 러더를 보호하는 방법을 제시하고 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 1999-66120 discloses a method of protecting a rudder from erosion by cavitation by coating a rudder surface with a high temperature resistant thermal spraying method.
대한믹국 특허공개 제1999-14364호는 질소와 화학적 친화력이 강한 원소를 함유하는 강재를 오스테나이트 영역의 온도로 가열하여 진공 질소 고용화 처리(Vacuum nitrogen solution process)를 수행하여 기존의 질화나 침탄 처리품에 비해 탁월한 내마모 및 내식특성이 향상된다고 언급하고 있다.Korean Patent Publication No. 1999-14364 discloses conventional nitriding or carburizing treatment by heating a steel containing elements with strong chemical affinity with nitrogen to the temperature of the austenite region and performing a vacuum nitrogen solution process. Compared to the product, excellent wear resistance and corrosion resistance are mentioned.
그러나 플라스틱 및 세라믹의 캐비테이션 침식은 순수한 기계적 작용이지만 해수용품과 같이 수중 또는 해수와 접촉하는 금속의 경우에는 항상 부식요소가 포함되기 때문에, 부식 억제제나 표면 처리만으로 충분한 캐비테이션 침식 억제 효과를 얻을 수 없었다. However, cavitation erosion of plastics and ceramics is a purely mechanical action, but metals that come in contact with water or seawater, such as seawater products, always contain corrosive elements, so corrosion inhibitors or surface treatments alone do not provide sufficient cavitation erosion control.
이를 해결하기 위하여 합금의 조성 자체를 변화시켜 사용하는 방법이 제안되 었다.To solve this problem, a method of changing the composition of the alloy itself has been proposed.
Super-Duplex계 합금은 Fe에 C, Cr, Mn, Mo, N, Ni, P, S, 및 Si를 함유시켜 제조된 것으로, 페라이트와 오스테나이트가 공존하는 미세조직 형태를 갖는다. 이러한 Super-Duplex계 합금은 수명적인 면에서는 향상되었으나, 기존 사용하고 있는 Al, Cu-Bronze에 비해 고가의 금속을 사용함에 따라 그 비용이 수배 이상 고가이고, 성형성이 떨어져 가공이 곤란한 문제가 수반되었다.Super-Duplex-based alloys are manufactured by containing C, Cr, Mn, Mo, N, Ni, P, S, and Si in Fe, and have a microstructure in which ferrite and austenite coexist. Although the Super-Duplex-based alloy has improved in terms of lifespan, the use of expensive metals compared to Al and Cu-Bronze, which is expensive, is several times more expensive and difficult to process due to poor formability. It became.
이러한 합금 외에 마르텐사이트계 스테인레스강에 합금 성분의 비율을 적정하게 조절한 고강도 마르텐사이트계 강을 사용하고 있다. 그러나 이들 합금들은 고경도 상으로 인해 마모 특성이 우수하나, 벌크 형태로 사용하기에는 취성이 크고 가공성이 낮은 문제가 있다. In addition to these alloys, high strength martensitic steels in which the ratio of alloy components to martensitic stainless steels are appropriately controlled are used. However, these alloys have excellent wear characteristics due to the high hardness phase, but have a problem of brittleness and low workability for use in bulk form.
특히 상기 합금은 열처리 및 용사(thermal spray), 침탄처리, 질화처리 등의 표면 처리 공정이 추가되어, 공정이 매우 복잡할 뿐만 아니라 표면 처리를 위해 고가의 장비가 사용되고, 원재료의 국산화가 이루어지지 않고 있어 상대적으로 합금 강의 가격 상승이 초래되었다. 더욱이 상기 합금은 대(大)면적을 처리가 곤란하고 표면 처리층과 모재 사이의 밀착력 확보에 한계가 있다.In particular, the alloy has a surface treatment process such as heat treatment, thermal spray, carburizing, nitriding, etc., and the process is very complicated, expensive equipment is used for surface treatment, and localization of raw materials is not performed. As a result, the price of alloy steel has risen relatively. In addition, the alloy is difficult to process a large area, and there is a limit in securing adhesion between the surface treatment layer and the base material.
이외에 Co를 높은 함량으로 함유한 오스테나이트 강이 사용되고 있으나, 이러한 합금은 고온 취성 크래킹에 대해 민감하여 주조성이 좋지 않다.In addition, austenitic steels containing a high content of Co are used. However, such alloys are susceptible to high temperature brittle cracking and are poor in castability.
일본공개특허 특개평 5-112849호, 특개평3-188240호 등은 Cu, Nb, N 등의 합금원소에 차이가 있는 것으로서, C를 0.05% 이하로 제어하고, Ni을 넣어 δ-Fe을 저감시켜 담금질 상태에서 비교적 양호한 인성과 용접성을 갖는다고 제시하고 있 다. 그러나 이들 합금 또한 밸브에 적용하기에는 경도가 낮고 내침식성과 내마모성이 부족하다.Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 5-112849, 3-A-3,240, and the like have differences in alloying elements such as Cu, Nb, and N, and control C to 0.05% or less and reduce Ni to reduce δ-Fe. It is suggested to have relatively good toughness and weldability in the quenched state. However, these alloys also have low hardness and lack corrosion and wear resistance for valve applications.
또한, 일본 공개특허 특개평 8-67947호, 특개평4-9451호, 특개평2-140465호 등은 내침식성과 인성을 향상시키기 위하여, 마르텐사이트 중에 잔류 오스테나이트를 10% 이상(특개평4-9451호, 특개평2-140465호) 잔류시키거나, 특개평8-67947호와 같이 잔류 오스테나이트를 1.0% 이상 10% 이하로 한 합금을 언급하고 있다. 그러나 과잉의 잔류 오스테나이트는 항복응력을 감소시키며, 잔류 오스테나이트를 1.0% 이상 10% 이하로 제어한 것도 극적인 항복응력의 증가는 이루지 못한다.In addition, JP-A-8-67947, JP-A 4-9451, JP-A 2-140465 and the like disclose 10% or more of retained austenite in martensite in order to improve corrosion resistance and toughness. -9451, Japanese Patent Laid-Open No. 2-140465) or alloys containing residual austenite of 1.0% or more and 10% or less, such as Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-67947. However, excess residual austenite reduces the yield stress, and controlling the residual austenite to 1.0% or more and 10% or less does not result in a dramatic increase in yield stress.
이와 같이 아직까지의 기술로는 캐비테이션 침식 저항성이 높은 합금을 제조하기 위해선 고가의 장비가 필요하고, 캐비테이션 침식 저항성을 향상시키기 위하여 Mo, V, Ni, W, Ta, Cr 등의 고가원소를 다량 첨가하는 경우 제조 비용이 상승할 뿐만 아니라 가공성이 저하되는 문제가 수반된다.As described above, expensive equipment is required to manufacture an alloy having high cavitation erosion resistance, and a large amount of expensive elements such as Mo, V, Ni, W, Ta, and Cr are added to improve cavitation erosion resistance. In this case, not only the manufacturing cost rises but also the workability decreases.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 종래 고가의 합금과 비교하여 캐비테이션 침식 저항성이 크게 향상된 오스테나이트 내침식 철계 합금을 제공하는 것이다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide an austenitic corrosion-resistant iron-based alloy is significantly improved cavitation erosion resistance compared to conventional expensive alloys.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention
1.0∼2.0 중량%의 C, 0.2∼1.5 중량%의 Si, 16∼25 중량%의 Cr, 9∼15 중량%의 Mn, 및 잔부로 Fe을 포함하는 오스테나이트 내침식 철계 합금을 제공한다.An austenitic corrosion resistant iron-based alloy comprising 1.0 to 2.0 wt% C, 0.2 to 1.5 wt% Si, 16 to 25 wt% Cr, 9 to 15 wt% Mn, and balance Fe.
바람직하기로, 상기 오스테나이트 철계 합금은 변형 유기 마르텐사이트 상변태가 가능하며, 1.6∼1.8 중량%의 C, 0.9∼1.1 중량%의 Si, 19.1∼20.7 중량%의 Cr, 10.0∼10.7 중량%의 Mn, 및 잔부로 Fe을 포함한다.Preferably, the austenitic iron-based alloy is capable of transforming organic martensite phase transformation, 1.6 to 1.8 wt% C, 0.9 to 1.1 wt% Si, 19.1 to 20.7 wt% Cr, 10.0 to 10.7 wt% Mn And remainder Fe.
더욱 바람직하기로, 상기 오스테나이트 내침식 철계 합금은 Fe-20Cr-1.7C-1.0Si의 합금과 10 내지 15 중량%의 Mn을 포함한다.More preferably, the austenitic corrosion-resistant iron-based alloy includes an alloy of Fe-20Cr-1.7C-1.0Si and 10 to 15% by weight of Mn.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용된 각 조성의 함량은 특별한 기재가 없는 한 중량%이고, Fe의 함량은 특별히 기재하지 않는 이상 잔부로 사용된다.The content of each composition used throughout the present specification is by weight unless otherwise specified, and the content of Fe is used in the balance unless otherwise specified.
종래 캐비테이션 침식 저항성뿐만 아니라 내마모성이 요구되는 분야에 적용하기 위해 Fe에 Mo, V, Ni, W, Ta, Cr 등의 고가원소를 첨가하는 철계 합금이 사용된다. 그러나 이러한 철계 합금은 제조시 고가의 장비가 필요하고, 상기 첨가되는 원소가 고가로 인해 다량 첨가하는 경우 제조비용의 고가 및 가공성의 문제들을 초래한다.Conventional iron-based alloys are used to add high-value elements such as Mo, V, Ni, W, Ta, Cr, etc. to Fe in order to apply not only to cavitation erosion resistance but also to wear resistance. However, such iron-based alloys require expensive equipment for manufacturing, and when the added elements are added in large amounts due to the high cost, they cause problems of high manufacturing cost and workability.
이에 본 발명에서는 철계 합금에 대한 캐비테이션 침식 저항성을 향상시키기 위한 새로운 합금 설계를 위해 고가의 첨가원소 없이 적층결함 에너지를 낮추고 ε-마르텐사이트상을 유발하는 망간(Mn)을 첨가함으로써 우수한 캐비테이션 침식 저항성을 갖는 오스테나이트 내침식 철계 합금을 제안한다.Therefore, in the present invention, excellent cavitation erosion resistance by adding manganese (Mn) which lowers the lamination defect energy and induces ε-martensite phase without expensive additive elements in order to design a new alloy to improve the cavitation erosion resistance against iron-based alloys. We propose an austenitic corrosion-resistant iron-based alloy having.
준안정 오스테나이트상이 마르텐사이트로 용이하게 변환될 수 있는 것은 적층결함에너지(Stack Fault Energy, SFE)와 관련이 있다. 부연하면, 낮은 적층결함에너지는 캐비테이션 침식(cavitation erosion)에 있어서 기포의 파열에 의한 압축 응력을 변형유기 마르텐사이트 상변태(strain-induced martensitic phase transformation)나 쌍정(twin)에 의한 변형으로 흡수함으로써 크랙의 생성 및 전파를 억제하여 캐비테이션 침식에 대한 저항성을 증가시킨다.Easily converting metastable austenite phases to martensite is related to Stack Fault Energy (SFE). In other words, the low stacking defect energy absorbs the compressive stress caused by the bursting of bubbles in cavitation erosion by strain-induced martensitic phase transformation or twin deformation. It inhibits production and propagation, increasing resistance to cavitation erosion.
Fe계 합금의 경우 변형유기 마르텐사이트 상변태, 즉 응력을 받으면 마르텐사이트상으로의 변태에 의하여 α′과 ε의 두 가지 마르텐사이트가 형성된다.In the case of Fe-based alloys, two types of martensite, α 'and ε, are formed due to strain-organic martensite phase transformation, that is, transformation under martensite phase.
γ→α′ 변형유기 마르텐사이트 상변태의 경우 적층결함, 쌍정 등과 같은 전단(shear band)이 형성 및 교차되어야 하고, 이때 교차된 부분이 α′-마르텐사이트의 엠브료(embryo)로 작용하여야 하는 복잡한 과정을 거친다. In the case of γ → α ′ strain organic martensite phase transformation, shear bands such as lamination defects, twins, etc. must be formed and intersected, and the intersected portion is a complex that must act as an emyo of α′-martensite. Go through the process.
반면에, γ→ε-변형유기 마르텐사이트 상변태는 쇼클리(Shockley) 부분 전위가 이동한 자취가 ε-마르텐사이트가 되는 단순한 과정을 거치게 된다.On the other hand, the γ → ε-modified organic martensite phase transformation goes through a simple process in which the trace of the Shockley partial potential shift becomes ε-martensite.
특히, 본 발명은 캐비테이션 침식 저항성이 우수한 철계 합금의 새로운 설계를 위한 방안으로 적층결함 에너지를 낮추고 α′-마르텐사이트보다 ε-마르텐사이트 상변태를 촉진시키는 망간(Mn)를 첨가하여 우수한 캐비테이션 침식 저항성 합금을 개발하였다.In particular, the present invention provides a novel cavitation erosion resistant alloy by adding manganese (Mn) to lower the lamination defect energy and promote ε-martensite phase transformation than α'-martensite as a method for the new design of ferrous alloys having excellent cavitation erosion resistance Developed.
본 발명에 따른 오스테나이트 내침식 철계 합금은 Fe-Cr-C-Si 철계 합금에 Mn을 첨가하여 사용한다. 그 결과 전술한 바와 같이 Mn 첨가에 의해 ε-마르텐사이트 상변태를 촉진시켜 내마모성 뿐만 아니라 캐비테이션 침식 저항성을 크게 높인다. The austenitic corrosion-resistant iron-based alloy according to the present invention is used by adding Mn to the Fe-Cr-C-Si iron-based alloy. As a result, as described above, the addition of Mn promotes the ε-martensite phase transformation, thereby greatly increasing not only the wear resistance but also the cavitation erosion resistance.
망간(Mn)은 탈산과 탈황 효과 작용을 하며 오스테나이트 안정화 원소로서, 고온 내부식성 개선 및 내마모 개선 효과를 가져온다. 이때 Mn의 함량은 효과적인 측면과 경제적인 면을 모두 고려하여 설계되어야 한다. 바람직하기로, 합금 전체 조성에서 10 내지 15 중량%의 Mn을 포함하도록 한다. 만약 Mn의 함량이 상기 범위 미만이면 변형유기 마르텐사이트로의 상변태가 불가능하며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 가의 원소첨가로 인한 비경제적이므로 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.Manganese (Mn) acts as a deoxidation and desulfurization effect and is an austenite stabilizing element, resulting in improved high temperature corrosion resistance and wear resistance. At this time, the Mn content should be designed in consideration of both effective and economic aspects. Preferably, the alloy comprises 10 to 15 wt.% Mn in the total composition. If the content of Mn is less than the above range, phase transformation into modified organic martensite is impossible. On the contrary, if the content exceeds the above range, it is uneconomical due to the addition of elemental elements, so it is suitably used within the above range.
상기 Fe-Cr-C-Si 철계 합금은 Fe를 기본 조성으로 하고, 여기에 Cr, C 및 Si가 첨가된 것으로, 이때 Mn 첨가에 의한 캐비테이션 침식 저항성의 상승 효과를 높이기 위해 각 조성에 대한 설계 또한 요구된다.The Fe-Cr-C-Si iron alloy is based on Fe, and Cr, C, and Si are added thereto, and in order to increase the synergistic effect of cavitation erosion resistance by Mn addition, a design for each composition is also performed. Required.
구체적으로, 상기 오스테나이트 내침식 철계 합금은 Fe를 기본 조성으로 하고, 여기에 1.0∼2.0 중량%의 C, 0.2∼1.5 중량%의 Si, 16∼25 중량%의 Cr 및, 전술한 바의 Mn을 포함한다. 이때 불가피한 불순물들(inevitable impurities)이 소량 존재한다.Specifically, the austenitic corrosion-resistant iron-based alloy is based on Fe, the 1.0 to 2.0% by weight of C, 0.2 to 1.5% by weight of Si, 16 to 25% by weight of Cr and Mn as described above It includes. At this time, there is a small amount of inevitable impurities (inevitable impurities).
바람직하기로, 상기 오스테나이트 철계 합금은 변형 유기 마르텐사이트 상변태가 가능하며, 1.6∼1.8 중량%의 C, 0.9∼1.1 중량%의 Si, 19.1∼20.7 중량%의 Cr, 10.0∼10.7 중량%의 Mn, 및 잔부로 Fe을 포함한다.Preferably, the austenitic iron-based alloy is capable of transforming organic martensite phase transformation, 1.6 to 1.8 wt% C, 0.9 to 1.1 wt% Si, 19.1 to 20.7 wt% Cr, 10.0 to 10.7 wt% Mn And remainder Fe.
크롬(Cr)은 본 발명에 따른 오스테나이트 내침식 철계 합금에서 내식성을 확보하는데 가장 기본적인 원소로서, 치경화능과 내충격성을 증가시키는 역할을 한다. Chromium (Cr) is the most basic element to secure corrosion resistance in the austenitic corrosion-resistant iron-based alloy according to the present invention, serves to increase the hardening ability and impact resistance.
본 발명에서는 상기 Cr을 16∼25 중량%, 바람직하기로 19.1∼20.7 중량%로 사용한다. 만약 상기 Cr의 함량이 상기 범위 미만이면 부식 저항성과 산화 저항성 이 감소하고, 이와 반대로 그 함량이 상기 범위를 초과하면 내식성이 증대하는 효과는 있으나 비경제적일 뿐만 아니라 소성성이 감소하는 문제가 발생한다.In the present invention, the Cr is used in 16 to 25% by weight, preferably 19.1 to 20.7% by weight. If the Cr content is less than the above range, the corrosion resistance and the oxidation resistance are reduced. On the contrary, if the content exceeds the above range, there is an effect of increasing the corrosion resistance, but it is not only economical but also reduces the plasticity.
탄소(C)는 오스테나이트 내침식 철계 합금의 경도 및 내마모성을 증대시키는 역할을 한다.Carbon (C) serves to increase the hardness and wear resistance of the austenitic corrosion-resistant iron-based alloy.
본 발명에서는 상기 C를 1.0∼2.0 중량%, 바람직하기로 1.6∼1.8 중량%로 사용한다. 만약 상기 C의 함량이 상기 범위 미만이면 경화능이 다소 감소하여 강도특성이 떨어져 내침식성과 부식피로 강도가 저하된다. 이와 반대로 그 함량이 상기 범위를 초과하면 석출 경화 효과와 고용 강화 효과는 있으나, 너무 많은 함량 시 취성 유발의 원인이 되므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다. In the present invention, C is used in an amount of 1.0 to 2.0% by weight, preferably 1.6 to 1.8% by weight. If the content of C is less than the above range, the hardenability is slightly reduced, so that the strength property is lowered, and the corrosion resistance and corrosion fatigue strength are lowered. On the contrary, if the content exceeds the above range, there is a precipitation hardening effect and a solid solution strengthening effect. However, when the content is too high, it causes brittleness, so it is suitably used within the above range.
규소(Si)는 제강 과정에서 필수적으로 탈산제를 사용하는데, 합금 제조 후에서 그 일부가 오스테나이트 내침식 철계 합금에 잔류하며, 그 잔류 함량에 따라 합금 물성에 큰 영향을 준다. Silicon (Si) is essentially a deoxidizer in the steelmaking process, a part of which remains in the austenitic corrosion-resistant iron-based alloy after the alloy production, depending on the residual content has a big impact on the alloy properties.
본 발명에서는 상기 Si를 0.2∼1.5 중량%, 바람직하기로 0.9∼1.1 중량%로 사용한다. 만약 상기 Si의 함량이 상기 범위 미만이면 탈산이 부족하여 강의 성질이 불량하게 된다. 이와 반대로, 그 함량이 상기 범위를 초과하면 오스테나이트 내침식 철계 합금에 균열이 발생하거나, 연성 및 인성이 취하되기 쉽다.In the present invention, the Si is used in an amount of 0.2 to 1.5% by weight, preferably 0.9 to 1.1% by weight. If the content of Si is less than the above range, the deoxidation is insufficient and the properties of the steel are poor. On the contrary, when the content exceeds the above range, cracks occur in the austenitic corrosion-resistant iron-based alloy, or ductility and toughness are easily removed.
바람직하기로, 상기 오스테나이트 내침식 철계 합금은 Fe-20Cr-1.7C-1.0Si의 합금과 10 내지 15 중량%의 Mn을 포함한다.Preferably, the austenitic corrosion-resistant iron-based alloy includes an alloy of Fe-20Cr-1.7C-1.0Si and 10 to 15% by weight of Mn.
상기한 조성으로 이루어진 오스테나이트 내침식 철계 합금은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 방법을 통해 제조가 가능하다. The austenitic corrosion-resistant iron-based alloy having the above composition is not particularly limited in the present invention, and may be manufactured by a known method.
이러한 오스테나이트 내침식 철계 합금은 내마모성 뿐만 아니라 캐비테이션 침식 저항성이 우수하고, 가공성 또한 우수하여 기존의 고가의 합금을 대체하여 사용할 수 있다.The austenitic corrosion-resistant iron-based alloy is not only abrasion resistance but also excellent cavitation erosion resistance, excellent workability can be used to replace the existing expensive alloy.
본 발명의 바람직한 실험예 1에 따르면, Mn이 첨가된 오스테나이트 내침식 철계 합금의 경우 캐비테이션 실험결과 50시간 후에도 다른 소재들에 비해 확연하게 우수함을 알 수 있다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 오스테나이트 내침식 철계 합금을 사용하는 경우 제품의 내구성을 향상시켜 부품소재의 수명을 장기화시킬 수 있고, 내마모성도 우수하여 마모가 요구되는 분야에도 이용 가능함을 의미한다.According to Experimental Example 1 of the present invention, it can be seen that the austenitic corrosion-resistant iron-based alloy to which Mn was added is significantly superior to other materials even after 50 hours of cavitation experiments. These results indicate that when using the austenitic corrosion-resistant iron-based alloy according to the present invention can improve the durability of the product to prolong the life of the component material, it is also excellent in wear resistance can be used in the field requiring abrasion.
바람직하기로, 본 발명에 따른 오스테나이트 내침식 철계 합금은 해수용 펌프, 임펠러, 선박용 러더 뿐만 아니라 증기터빈 부소재, 밸브류, 펌프 샤프트 등 캐비테이션 침식마식에 의한 손상이 심한 부품에 적용 가능하다.Preferably, the austenitic corrosion-resistant iron-based alloy according to the present invention is applicable to parts that are severely damaged by cavitation erosion, such as steam turbine subsidiary materials, valves, pump shafts, as well as seawater pumps, impellers, ship rudders.
하기 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.The present invention is explained in more detail with reference to the following examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention, and do not limit the scope of the present invention.
[실시예]EXAMPLE
실험예 1: 캐비테이션 침식 저항성 시험Experimental Example 1: Cavitation Erosion Resistance Test
Mn 첨가에 따른 캐비테이션 침식 저항성을 알아보기 위해, 하기 표 1에 나타낸 바의 합금을 가지고 아르곤 분위기에서 유도로를 이용하여 제조한 주조 시편을 사용하였다. In order to determine the cavitation erosion resistance according to the addition of Mn, a cast specimen prepared using an induction furnace in an argon atmosphere with an alloy as shown in Table 1 below was used.
상기 주조 시편은 캐비테이션 침식 저항성을 측정하기 위해 지름 15.9mm, 높이 5mm의 규격으로 가공하였다. 시험 전 표면은 #2000 SiC 연마지를 사용한 후 A12O3으로 표면을 연마하여 표면 조도기로 측정 시 표면조도 Ra가 0.02 rm이하가 되도록 연마하였다. The cast specimen was processed to a diameter of 15.9 mm and a height of 5 mm to measure cavitation erosion resistance. Before the test, the surface was polished with A12O3 after using # 2000 SiC abrasive paper, and the surface roughness Ra was less than 0.02 rm when measured by the surface roughness.
캐비테이션 시험 장치로는 도 1에 나타낸 바와 같이 ASTM 32-92 규격에 따라 제작된 진동형(vibratory type) 장치를 이용하였다. 이때 시험 장치에 사용된 초음파 진동자의 공진 진동수는 20㎑이고, 실험에 사용된 용액은 비저항이 5㏁㎝이상인 증류수를 사용하였다. 시편과 horn 끝부분이 약 12㎜정도 증류수에 잠긴 상태에서 온도가 25ㅁ 2℃를 유지할 수 있도록 냉각수를 순환시켰다. As a cavitation test apparatus, a vibratory type apparatus manufactured according to ASTM 32-92 standard was used as shown in FIG. 1. At this time, the resonant frequency of the ultrasonic vibrator used in the test apparatus was 20 Hz, and the solution used in the experiment was using distilled water having a specific resistance of 5 dBcm or more. Cooling water was circulated to keep the temperature 25 ㅁ 2 ℃ while the specimen and horn tip were immersed in distilled water about 12mm.
캐비테이션 침식 시험은 50시간까지 시행되었으며, 이때 침식 속도(erosion rate)는 일정한 시간 간격을 시편의 무게를 측정하여 시간에 대한 무게변화를 단위 면적당 무게감소(㎎/㎠)로 환산하여 표시하였으며, 얻어진 결과를 도 2에 나타내었다.The cavitation erosion test was performed up to 50 hours, where the erosion rate was measured by measuring the weight of the specimen at regular intervals and converting the weight change over time into weight loss per unit area (mg / cm 2). The results are shown in FIG.
도 2는 Fe-Cr-C-Si-10Mn, Fe-Cr-C-Si-5Mn, 스테인레스 스틸 316, 및 Super-Duplex F-58 합금의 캐비테이션 시험 시간에 따른 침식 속도를 보여주는 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the erosion rate versus cavitation test time of Fe-Cr-C-Si-10Mn, Fe-Cr-C-Si-5Mn,
합금의 경우 초기에 캐비테이션 침식에 의한 손실이 거의 관찰되지 않는 잠복 단계를 보이다가 가속 단계를 거쳐 손실 깊이가 시간에 따라 선형적으로 증가하는 최종 단계를 보이는 것으로 알려져 있다.In the case of alloys, it is known to show a latent stage where little loss due to cavitation erosion is observed initially, and then the final stage in which the loss depth increases linearly with time through an acceleration stage.
도 2를 참조하면, 4가지 재료 모두 선형적으로 캐비테이션 침식이 발생하였다.2, cavitation erosion occurred linearly with all four materials.
특히, 스테인레스 스틸 316 합금의 경우 14.4× 10-5(㎎/㎠)로 50시간까지 다른 시편보다 침식 속도가 가장 높았으며, Super-Duplex F-58 합금의 경우 6.8×10-5(㎎/㎠)로 그 다음으로 높은 침식 속도를 나타내었다.In particular, the
이와 비교하여 Mn이 첨가된 Fe-Cr-C-Si-10Mn 합금, 및 Fe-Cr-C-Si-5Mn 합금의 경우 상기 시판 합금에 비해 낮은 침식 속도를 나타내었다. 즉, Fe-Cr-C-Si-5Mn 합금은 2.2×10-5 (㎎/㎠), Fe-Cr-C-Si-10Mn 합금은 1.3×10-6 (㎎/㎠)으로 침식 속도가 시판 합금에 비해 현저히 저하되었다.In comparison, Mn-added Fe-Cr-C-Si-10Mn alloys and Fe-Cr-C-Si-5Mn alloys exhibited lower erosion rates than the commercially available alloys. In other words, the Fe-Cr-C-Si-5Mn alloy is 2.2 × 10 −5 (mg / cm 2), and the Fe-Cr-C-Si-10Mn alloy is 1.3 × 10 −6 (mg / cm 2). It is significantly lower than the alloy.
특히 Mn이 10 중량%를 사용하는 경우 가장 낮은 침식 속도를 나타내었으며, 이러한 결과는 본 발명에 의해 Mn을 특정 함량으로 첨가하는 경우 캐비테이션 침식 저항성이 우수한 합금의 제조가 가능함을 의미한다.Particularly, when Mn was used in an amount of 10% by weight, the lowest erosion rate was obtained. This result indicates that the alloy can be prepared with excellent cavitation erosion resistance when Mn is added in a specific content.
실험예Experimental Example 2: 2: XRDXRD 에 의한 On by 마르텐사이트Martensite 상변태의Phase 관찰 observe
변형유기 마르텐사이트 상변태가 캐비테이션 침식 저항성에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 캐비테이션 침식 시험 전과 후의 시편 표면을 X-선 회절분석기X-Ray Diffraction, XRD)를 이용하여 측정하였으며, 얻어진 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.In order to confirm the effect of strain organic martensite phase transformation on the cavitation erosion resistance, the specimen surface before and after the cavitation erosion test was measured using an X-ray diffractometer (X-Ray Diffraction, XRD), and the results obtained are shown in FIGS. 4 is shown.
도 3은 Fe-Cr-C-Si-5Mn 합금의 X-Ray 회절 분석 스펙트럼이고, 도 4는 Fe-Cr-C-Si-10Mn 합금의 X-Ray 회절 분석 스펙트럼이다.3 is an X-ray diffraction analysis spectrum of the Fe-Cr-C-Si-5Mn alloy, and FIG. 4 is an X-ray diffraction analysis spectrum of the Fe-Cr-C-Si-10Mn alloy.
도 3을 참조하면, Fe-Cr-C-Si-5Mn 합금의 상은 시험 후에 γ(오스테나이트)→α′마르텐사이트 변형유기 상변태가 발생함을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the phase of the Fe—Cr—C—Si-5Mn alloy is γ (austenite) → α ′ martensite modified organic phase transformation after the test.
이와 비교하여 본 발명에 따라 Mn을 10 중량% 함유한 Fe-Cr-C-Si-10Mn 합금의 경우(도 4 참조), γ(오스테나이트)→ε-마르텐사이트 변형유기 상변태가 발생하였다. In contrast, in the case of the Fe-Cr-C-Si-10Mn alloy containing 10% by weight of Mn according to the present invention (see FIG. 4), γ (austenite) → ε-martensite modified organic phase transformation occurred.
이러한 결과는 변형유기 마르텐사이트 상변태를 위해서 Mn의 함량 제어가 중요하고, 상기 Mn의 함량에 따라 ε-마르텐사이트 변형유기 상변태가 발생함을 의미한다.These results indicate that Mn content control is important for the modified organic martensite phase transformation, and ε-martensite modified organic phase transformation occurs according to the Mn content.
실험예 3: 광학 현미경에 의한 내식성 시험Experimental Example 3: Corrosion Resistance Test by Optical Microscope
변형유기 마르텐사이트 상변태가 캐비테이션 침식 저항성에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 상기 실험예 1에서 사용된 4개의 시편에 대해 캐비테이션 침식 시험시 시간 간격으로 표면 미세조직을 광학현미경(Optical Microscopy)으로 관찰하였다. In order to confirm the effect of strain organic martensite phase transformation on the cavitation erosion resistance, the surface microstructure was observed by optical microscopy at the time interval during the cavitation erosion test for the four specimens used in Experimental Example 1.
도 5 내지 도 8은 Fe-Cr-C-Si-10Mn(도 5), Fe-Cr-C-Si-5Mn(도 6), 스테인레스 스틸 316(도 7), 및 Super-Duplex F-58(도 8) 합금의 캐비테이션 침식 시험 시간에 따른 광학 현미경 사진이다.5-8 show Fe-Cr-C-Si-10Mn (FIG. 5), Fe-Cr-C-Si-5Mn (FIG. 6), stainless steel 316 (FIG. 7), and Super-Duplex F-58 (FIG. 8) is an optical micrograph according to the cavitation erosion test time of the alloy.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따라 Mn 함량이 제어된 Fe-Cr-C-Si-10Mn 합금은 10 시간이 아니라 20 시간의 시험에도 불구하고 탄화물과 기지상 사이에서의 균열을 거의 관찰할 수 없었다.Referring to Fig. 5, the Fe-Cr-C-Si-10Mn alloy having a controlled Mn content according to the present invention could hardly observe a crack between the carbide and the matrix phase even after 20 hours of testing instead of 10 hours. .
도 6을 참조하면, Mn이 5 중량% 함유된 Fe-Cr-C-Si-5Mn 합금의 경우 심한 재료 손실 거동은 보이지 않으나, 20 시간 이후 탄화물과 기지상 사이에서의 균열이 발생함을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, the Fe-Cr-C-Si-5Mn alloy containing 5% by weight of Mn does not show severe material loss behavior, but it can be seen that a crack occurs between the carbide and the matrix after 20 hours. .
도 7의 Super-Duplex F-53의 경우 초기에는 재료의 캐비테이션 침식마식이 진행되어 가장 취약한 부분인 기지상과 석출물간의 경계에서 균열이 발생하다가, 20시간에서는 기지상과 석출물을 분간할 수 없을 정도로 캐비테이션 침식이 진행되어 재료의 손실이 심하게 발생한 것을 볼 수 있다. In the case of Super-Duplex F-53 of FIG. This can be seen that the loss of material is severe.
도 8의 SUS 316의 경우는 Super-Duplex F-58보다 더욱 심각한 손상을 나타났으며, 10시간 후 부터 분간을 할 수 없었다. In the case of
결과적으로 본 발명에 의한 철계 합금은 캐비테이션 침식(cavitation erosion) 저항성이 기존 시판되는 합금과 비교하여 우수하였으며, Mn의 함량을 제어하여 상기 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.As a result, the iron-based alloy according to the present invention has excellent cavitation erosion resistance compared to conventional commercial alloys, and can further improve the characteristics by controlling the content of Mn.
상기 실험예 1 내지 3을 통해, 본 발명을 통해 캐비테이션 침식 저항성이 우수한 철계 합금의 새로운 설계를 위한 방안으로 적층결함 에너지를 낮추고 α′ 마르텐사이트보다 ε-마르텐사이트 상변태를 촉진시키는 Mn을 첨가하여 우수한 캐비테이션 침식 저항성이 우수한 합금을 제조할 수 있었다.Through Experimental Examples 1 to 3, through the present invention, Mn was added to reduce stacking defect energy and promote ε-martensite phase transformation than α ′ martensite as a method for a new design of ferrous alloy having excellent cavitation erosion resistance. An alloy having excellent cavitation erosion resistance could be prepared.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 오스테나이트 내침식 철계 합금은 Fe-Cr-C-Si 철계 합금에 Mn을 첨가하여 내마모성뿐만 아니라 캐비테이션 침식 저항성을 크게 향상시키고 가공성이 우수하여, 해수용 펌프, 임펠러, 선박용 러더 뿐만 아니 라 증기터빈 부소재, 밸브류, 펌프 샤프트 등 캐비테이션 침식마식에 의한 손상이 심한 부품에 바람직하게 적용된다.As described above, the austenitic corrosion-resistant iron-based alloy according to the present invention by adding Mn to the Fe-Cr-C-Si iron-based alloy greatly improves the wear resistance as well as cavitation erosion resistance and excellent workability, seawater pump, impeller In addition, ship rudders, steam turbine subsidiary materials, valves, pump shafts, etc., are preferably applied to parts that are severely damaged by cavitation erosion.
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