KR20110089338A - 내마모성 코팅의 표면 영역을 지닌 컴파운드 생성물을 제조하는 방법, 이러한 생성물, 및 상기 코팅을 얻기 위한 스틸 재질의 용도 - Google Patents

내마모성 코팅의 표면 영역을 지닌 컴파운드 생성물을 제조하는 방법, 이러한 생성물, 및 상기 코팅을 얻기 위한 스틸 재질의 용도 Download PDF

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Abstract

분말 금속공학적 방식으로 제조된 내마모성 스틸 재질은 본원 명세서에 기재된 중량%의 조성, 및 0.5 내지 14의 (V + Nb/2)(여기서, 한편으로 N의 함량과 다른 한편으로 (V + Nb/2)의 함량은 이들 원소의 함량이 수직의 면좌표 시스템에서 A, B, G, H, A에 의해 정해진 영역 내에 있도록 서로에 대해 균형이 맞추어 지며, N의 함량은 가로좌표이고, V + Nb/2의 함량은 세로좌표이고, 상기 포인트에 대한 좌표가 본원 명세서에 기재된 바와 같다), 및 최대 7의 Ti, Zr 및 Al 중 어느 하나, 및 나머지로 필수적으로 일반적인 함량의 단지 철 및 불순물을 지닌다. 상기 스틸은 lwo의 스틸 재질의 열간 정수압 소결에 의해 금속 재질의 기재 상에에 내마모성 표면 영역을 얻는데 탁월하다. 특히 내마모성 스틸이 Co 부재인 경우, 이에 따라 얻어진 컴파운드 바디는 예를 들어 원자력 발전소용 밸브에 사용하기에 특히 적합하다.

Description

내마모성 코팅의 표면 영역을 지닌 컴파운드 생성물을 제조하는 방법, 이러한 생성물, 및 상기 코팅을 얻기 위한 스틸 재질의 용도 {METHOD FOR THE MANUFACTURE OF A COMPOUND PRODUCT WITH A SURFACE REGION OF A WEAR RESISTANT COATING, SUCH A PRODUCT AND THE USE OF A STEEL MATERIAL FOR OBTAINING THE COATING}
본 발명은 컴파운드 생성물에 필요한 강도/내성을 부여하는 제 1 금속 재질의 기재, 및 기재의 표면 영역 상에 적용되는 내마모성 스틸 재질의 코팅을 포함하는 컴파운드 생성물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 컴파운드 생성물에 필요한 강도/내성을 부여하는 제 1 금속 재질의 기재, 및 기재의 표면 영역 상에 적용되는 내마모성 스틸 재질의 코팅을 포함하는 컴파운드 생성물에 관한 것이다.
추가로, 본 발명은 특정 조성을 지닌 분말 금속공학적으로 제조된 스틸 재질 의 용도에 관한 것이다.
본 기술에서는, 단일 재질에 의해 충족될 수 없는 요건이 종종 있다. 예를 들어, 동시 발생적이고, 양립되지 않는 요건은 연성(ductility)/인성(toughness) 및 내마모성을 들 수 있다. 이러한 요건을 충족시키기 위해, 두 가지 또는 여러가지 바디(body)의 동일하거나 상이한 재질이 열간 정수압 소결(hot isostatic pressing)에 결합되는 소위 컴파운드 생성물이 사용될 수 있다. 기재는 상기 생성물에 필요한 강도/내성을 제공하고, 동시에 기재의 표면에는 필요한 내마모성을 제공하는 코팅이 구비된다. 이러한 컴파운드 생성물은 또한 내부식성이 요구되는, 예를 들어, 근해(offshore) 산업, 식품 산업, 가공 산업, 및 펄프 산업, 예를 들어, 밸브, 펌프 및 부착 장치에 통상적으로 사용되어 왔다.
예를 들어, 대체로 원자력 발전소에서 스팀 및 물의 유량을 조절하기 위해 사용되는 밸브는 AISI 316L, 즉 가압 용기용 스테인레스 스틸의 기재 구조에 합금으로 용접함으로써 형성된 밸브 구성요소를 포함한다. 사용 중, 밸브의 밀봉 표면은 약간 연마 마모되고, 또한 소위 갤링(galling)으로 불리우는, 구성요소들의 상대적 운동 및 높은 표면 압력으로 인한 냉간 용접이 이루어지는데, 이것이 그라인딩, 보수 용접 또는 밸브 교환의 형태로 보수를 수행할 것을 규칙적으로 필요하게 한다.
밸브내 밀봉 표면을 형성하기 위한 스틸 합금은 하기에 의해 정해진다:
● 가공성(producability)
● 밸브 구조에서의 상용성(compatibility)
● 마찰 값(friction value)
● 갤링 거동(galling behaviour)
● 내마모성(resistance to wear)
● 연성/인성
● 온도 안정성
● 내부식성
● 내침입성(즉, 경도)
● 기계가공성(machinability), 그라인딩능(grindability), 및 연마능능(polishability)
● 방사선 활성
예를 들어, 원자력 산업용 밸브에 있어서, 합금 Stellite 6(델로로 스텔라이트 컴패니(Deloro Stellite Company)의 상표)은 일반적으로 내마모성 재질에 대한 표준 재질이 되었다. Stellite 6은 1.3% C, 1.1% Si, 0.1% Mn, 30% Cr, 2.3% Ni, 0.1% Mo, 4.7% W, 2.3% Fe을 지니고, Co을 함유한 Co-Cr-합금이다. Stellite 6은 수동 금속 아크 용접(manual metallic arc welding)에 의해 기재에 적용되며, 이때 덴드나이트 오스테나이트 Co-매트릭스가 고용량의 크롬 카바이드와 함께 형성되는데, 그러한 크롬 카바이드는 매트릭스 중에 불균일하게 분포된다. 작업 개시시로부터 또는 작동 동안에 용접에 의한 Stellite 6의 코팅은 이미 용접 공정 동안에 또는 작동 동안에 발생하는 응력(stress)으로 인해 밀봉 표면에 거시적 균열을 초래할 수 있다. 이렇게 하여, 갤링으로 인해 누출이 발생하고 안정화가 감소될 것이어서 소정 환경에서 리지드 안전(rigid safety) 요건으로의 보수 필요성을 증가시키게 된다. 용접에 의한 보다 적합한 코팅은 Stellite 6의 분말에 의해 레이저 용접 또는 플라즈마 용접을 사용하는 것이며, 이때 균열 결함이 최소화된다.
Stellite 합금의 마찰 계수는 작동 동안의 온도 및 압력에 의거하여 다르다는 것이 입증되었다. 낮은 작동 온도, ~20℃, 및 낮은 압력, <60MPa에서 마찰 계수는 다소 높은 ~0.55 내지 0.60이지만, 100 초과 내지 200 MPa의 높은 압력 및 50 초과 내지 80℃의 작동 온도에서, 마찰 계수는 현저히 보다 낮은 ~0.25이다. 이것은 중부하(heavy load)의 제 1 단계에서, 높은 마찰력을 부여하는 면심 입방(face centred cubic(FFC)) 결정 구조로부터 조밀 육방정(hexagonal close packed(HCP)) 결정 구조로 상 변형이 일어나는, Stellite 6의 변형 경화(deformation hardening)가 일어나는 것과 같은 방식으로 설명된다. 제 2 단계에서, 층 변화가 표면에서 일어나서, 일부 HCP 기본층들이 표면과 평행하게 되고, 이러한 방식으로 전단(shearing)이 용이하게 일어나는 구조를 형성한다. 낮은 압력에서는, 이러한 제 2 단계가 일어나지 않는다.
여러 면에서, Stellite 6은 탁월한 재질이지만, 비등 경수로(boiling water reactor)내 주회로에서 배경 복사(background radiation) 수준을 증가시키는 원인이 된다. 이는, 마모와 부식이 동위원소 59Co를 방출시키고, 이것이 주회로를 통해 순환하는 경우 중성자 포집을 통해 방사성 동위원소 60Co로 활성화되고, 이것이 59Co로 분해되는 경우 유해한 감마 방사선을 방출한다는 사실에 의거한다. 이러한 단점으로 인해, 우수한 내마모성 및 내부식성을 지니며, 이에 따라 방사성 환경에 사용하기에 적합한 Co 부재의 합금을 개발하기 위해 최근 수십년 동안 연구가 이루어졌다.
Co 부재의 이러한 합금은 US 4,803,045에 기술되어 있으며, 용접에 의해 적용될 수 있고, 하기 중량%의 조성을 갖는다:
Figure pct00001
상기 합금은 주로 오스테나이트 매트릭스 및 공융(eutectic) 합금 탄화물로 이루어진 미세구조(microstructure)를 갖는다.
Co 부재인 상기 용접가능한 경질 용접 합금의 개발 또한 US 5,702,668호에 기술되어 있으며, 하기 중량%의 조성을 갖는다:
Figure pct00002
또한, 이들 합금은 주로 오스테나이트 매트릭스 및 공융 합금 탄화물로 이루어진 미세구조를 갖는다.
Co 부재인 그 밖의 용접가능한 경질 용접 합금은 상표면 Skwam 으로 뵈흘러 웰딩(Boehler Welding)에 의해 시판되며, 하기 중량%의 조성을 갖는다:
Figure pct00003
또한, Co 부재인 경질 용접 코팅이 용접에 의해 적용됨에 따라 밀봉 표면의 거시적 균열이 Stellite의 코팅에서와 같이, 용접 공정 동안에 또는 작동 동안에 발생하는 응력으로 인해 개시로부터 또는 작동 동안에 이미 발생할 수 있다. 이렇게 하여, 갤링으로 인해 누출이 발생하며 안정화가 감소될 것이고, 이것이 소정 환경에서 리지드 안전 요건으로의 보수 필요성을 증가시키게 된다.
또한, WO 2007/024192 Al (Uddeholm Tooling Aktiebolag)은 합금으로 제조된 공구 및 부품 뿐만 아니라 분말 금속공학적으로 제조된 스틸 합금을 기술하고 있다. 이 합금은 하기 중량%의 조성을 갖는다: 0.01 내지 2의 C, 0.6 내지 10의 N, 0.01 내지 3.0의 Si, 0.01 내지 10.0의 Mn, 16 내지 30의 Cr, O.Ol 내지 5의 Ni, 0.01 내지 5.0의 (Mo + W/2), 0.01 내지 9의 Co, 최대 0.5의 S, 및 0.5 내지 14중량%의 (V + Nb/2)(여기서, 한편으로 N의 함량과 다른 한편으로 (V + Nb/2)의 함량은 이들 원소의 함량이 좌표, A', B', G, H, A'에 의해 정해진 영역 내에 있도록 서로에 대해 균형이 맞추어 지며, 여기서 이들 포인트 [N, (V + Nb/2)]-좌표는 A': [0.6, 0.5]; B': [1.6, 0.5]; G: [9.8, 14.0]; H: [2.6, 14.0]이다), 및 최대 7중량%의 Ti, Zr 및 Al 중 어느 하나, 및 나머지로 필수적으로 단지 일반적인 함량의 철 및 불순물. 이러한 스틸은 플라스틱 부품의 사출 성형, 압출 성형 및 압출을 위한 공구 및 부식되는 냉간 가공 공구를 제조하는데 사용되도록 의도된다. 또한, 엔지니어링(engineering) 부품, 예를 들어, 엔진용 분사 노즐, 마모성 금속 부품, 펌프 부품, 베어링 부품 등이 있다. 추가의 적용 분야는 그러한 스틸 합금을 식품 산업용 나이프를 제조하는데 사용하는 것이다.
본 발명의 목적은 경질 코팅의 적용이 용접을 통해 일어나지 않는, 컴파운드 생성물의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따르면,
- 하기 중량%의 조성을 가지며,
Figure pct00004
추가로 0.5 내지 14중량%의 (V + Nb/2)(여기서, 한편으로 N의 함량과 다른 한편으로 (V + Nb/2)의 함량은 이들 원소의 함량이 수직의 면좌표 시스템내 A', B', G, H, A' 영역 내에 있도록 서로에 대해 균형이 맞추어 지며, 여기서 N의 함량은 가로좌표이고, V + Nb/2의 함량은 세로좌표이고, 상기 포인트에 대한 좌표가
Figure pct00005
이다),
및 최대 7중량%의 Ti, Zr, 및 Al 중 어느 하나,
및 나머지로 필수적으로 철 및 불가피한 불순물 만을 지닌 내마모성 스틸 재질을 분말 금속공학적 방식으로 제조하는 단계;
- 내마모성 스틸 재질을 기재의 상기 표면 영역에 적용하는 단계; 및
- 코팅을 지닌 기재를 완전한 치밀체(dense body) 또는 적어도 완전에 가까운 치밀체로 열간 정수압 소결시키는 단계를 포함함으로써 첫번째 문단에 기술된 방법에 의해 달성된다.
상기 목적에 결합되는 목적은 마모면이 내마모성 및 내부식성에 대한 고급 요건을 충족하고, 또한 소정 구체예에서 거시적 균열을 피하는 Co 부재인 컴파운드 생성물을 제공하는 것이다.
상기 목적은
- 컴파운드 생성물이 제 1 조성을 지닌, 마모면용 기재 재질을 포함하고;
- 마모면이, 하기 중량%의 조성을 가지며,
Figure pct00006
추가로 0.5 내지 14중량%의 (V + Nb/2)(여기서, 한편으로 N의 함량과 다른 한편으로 (V + Nb/2)의 함량은 이들 원소의 함량이 수직의 면좌표 시스템내 A', B', G, H, A' 영역 내에 있도록 서로에 대해 균형이 맞추어 지며, 여기서, N의 함량은 가로좌표이고, V + Nb/2의 함량은 세로좌표이고, 상기 포인트에 대한 좌표가
Figure pct00007
이다),
및 최대 7중량%의 Ti, Zr, 및 Al 중 어느 하나,
및 나머지로 필수적으로 철 및 불가피한 불순물 만을 포함하는 제 2 조성을 지닌 내마모성 스틸 재질을 포함하고;
- 내마모성 스틸 재질이 50부피% 이하의 M2X-, MX- 및/또는 M23C6/M7C3-타입의 경질 상 입자(hard phase particle)(이들 입자의 장축 크기의 범위가 1 내지 10㎛이고, 이때 이들 경질 상 입자의 함량은 20부피% 이하가 M2X-카바이드, -니트라이드 및/또는 -카보니트라이드가 되도록 하는 방식으로 분포되고, 여기서 M은 주로 V 및 Cr이고, X는 주로 N이다), 및 5 내지 40부피%의 MX-카바이드, -니트라이드 및/또는 -카보니트라이드(여기서, M은 주로 V이고, X는 주로 N이며, 이들 MX-입자의 평균 크기는 3㎛ 미만이고, 바람직하게는 2㎛ 미만이며, 더욱 더 바람직하게는 1㎛이다)의 균일한 분포를 포함하는 미세구조를 지닌다는 점에서 상기 두번째 문단에서 언급된 본 발명에 따른 컴파운드 생성물로 달성된다.
내마모성 코팅이 용접을 통해 적용되지 않음에 따라, 밀봉 면에서의 거시적 균일이 용접 공정 동안에 또는 작업 동안에 발생하는 응력으로 인해 개시로부터 또는 작업 동안에 이미 발생하는 것을 피한다. 이렇게 하여, 갤링으로 인한 누출 및 안정성 감소 위험이 최소화되며, 이것이 리지드 안전 요건을 갖는 환경에서 고가의 보수에 대한 필요성을 줄이는 이점을 제공한다. 내마모성 재질이 바나듐 및 가능하게는 니오븀의 함량에 대해 질소 함량을 고려하여 균형이 맞추어진 상기 언급된 조성을 갖는다는 사실로 인해, 내마모성 표면층이 컴파운드 생성물 상에 얻어질 수 있다. 미세구조가 고함량의 매우 경질인 안정한 경질 상 입자를 지님에 따라, 부식에 대한 매우 우수한 특성을 지님에 따라 동시에 갤링 방지(anti-galling) 및 프레팅 방지(ant-fretting)에 대한 매우 고급 요건을 용이하게 충족시키는 마모면이 달성될 수 있다.
상기 목적에 결부된 또 다른 목적은 상기 기지의 분말 금속공학적으로 제조된 스틸 합금에 대한 새로운 용도를 달성하는 것이다.
상기 목적은 하기의 중량%의 조성을 가지며,
Figure pct00008
추가로 0.5 내지 14중량%의 (V + Nb/2)(여기서, 한편으로 N의 함량과 다른 한편으로 (V + Nb/2)의 함량은 이들 원소의 함량이 수직의 면좌표 시스템내 A', B', G, H, A' 영역 내에 있도록 서로에 대해 균형이 맞추어 지며, 여기서 N의 함량은 가로좌표이고, V + Nb/2의 함량은 세로좌표이고, 상기 포인트에 대한 좌표가
Figure pct00009
이다),
및 최대 7중량%의 Ti, Zr, 및 Al 중 어느 하나,
및 나머지로 필수적으로 철 및 불가피한 불순물만을 지니며;
또 다른 제 1 조성을 지닌 금속 재질의 기재 상에, 바람직하게는 밸브, 예를 들어, 원자력 발전소내 밸브, 더욱 구체적으로 원자력 발전소의 주회로 내의 밸브의 마모면인 내마모성 표면 영역을 형성하는데 사용되는 본 발명의 스틸 재질에 의해 달성된다.
이렇게 하여, 생성물이 바람직하게는 내부식성, 작업성(workability), 연성, 기계가공성, 경도, 기재 및 마모층 둘 모두에 대한 고온 처리 반응에 대한 요건을 충족하면서 동시에 생성물의 표면 영역에 매우 우수한 내마모성을 요하는 제품에 대해 분말 금속공학적으로 제조된 스틸 재질을 사용하는 것이 가능할 것이다.
본 발명의 다른 구체예의 추가의 특이적 특징 및 이와 함께 얻어지는 것은 하기 상세한 설명 및 특허청구범위로부터 자명할 것이다.
하기에서, 본 발명은 바람직한 구체예 및 첨부되는 도면과 관련하여 더욱 자세히 기술될 것이다.
도 1은 열간 정수압 소결 후, AISI 3161의 기재와 Vanax 75(본 발명에 따른) 사이의 결합 영역을 전자 현미경으로 찍은 미세구조 사진이다.
도 2는 열간 정수압 소결 후, AISI 316L의 기재로부터 니켈의 캡슐 벽을 통한 Vanax 75의 경질 코팅(본 발명에 따른)으로의 경로에서 컴파운드 생성물 중의 바나듐, 크롬, 니켈 및 망간의 함량을 보여주는 그래프이다.
도 3은 열간 정수압 소결 후, AISI 316L의 기재로부터 니켈의 캡슐 벽을 통한 Vanax 75의 경질 코팅(본 발명에 따른)으로의 경로에서 컴파운드 생성물 중의 탄소 및 질소의 함량을 보여주는 그래프이다.
도 4는 열간 정수압 소결 후, AISI 316L의 기재로부터 니켈의 캡슐 벽을 통한 Vanax 75의 경질 코팅(본 발명에 따른)으로의 경로에서 분석된 스틸 재질의 조성을 보여주는 그래프이다.
도 5는 좌표 시스템의 형태로 사용된 스틸에 대한 N의 함량과 (V + Nb/2)V의 함량 간의 비율을 도시한 것이다.
도 6은 시험된 세 개의 합금에 대한 내마모성을 비교한 그래프이다.
도 7은 시험된 세 개의 합금에 대한 내부식성을 비교한 그래프이다.
도 8은 열간 정수압 소결되고, 본 발명의 바람직한 구체예에 따라 열처리된 분말 금속공학적으로 제조된 스틸 재질로 된 내마모층의 미세구조를 도시한 것이다.
도 9는 Stellite 6(비교 재질)로 용접됨으로써 제조된 내마모층의 미세구조를 도시한 것이다.
도 10은 Skwam(비교 재질)로 용접됨으로써 제조된 내마모층의 미세구조를 도시한 것이다.
도 11은 Stellite 6의 마찰 특성을 보여주는 그래프이다.
도 12는 Skwam의 마찰 특성을 보여주는 그래프이다.
도 13은 Vanax 75의 마찰 특성을 보여주는 그래프이다.
도 14는 Stellite 6과 비교하여 Vanax 75의 마찰 특성을 보여주는 그래프이다.
도 15는 본 발명에 따른 내마모성 스틸 재질과 Stellite 6 간의 템퍼링 온도와 관련하여 경도를 비교한 그래프이다.
도 16은 본 발명에 따른 내마모성 스틸 재질과 Stellite 6 간의 기계가공성을 비교한 그래프이다.
컴파운드 생성물의 제조
컴파운드 생성물을 제조하기 위한 본 발명의 발명에 따르면, 내마모성 스틸 재질이 제 1 금속 재질의 기재의 표면 영역에 적용되어 컴파운드 생성물에 필요한 강도/내성을 부여한다. 이렇게 하여 얻어진 생성물은 완전한 치밀체 또는 적어도 완전에 가까운 치밀체로 열간 정수압 소결된다.
본 발명의 제 1 바람직한 구체예에 따르면, 제 1 금속 재질의 삽입체, 즉 기재가 캡슐로 삽입되고, 삽입체의 상기 표면 영역 상에 내마모성 스틸 재질의 분말이 적용된다. 이후, 캡슐이 밀봉되고, 가스가 소거되고, 이후 그 내용물을 지닌 캡슐이 완전한 치밀체 또는 거의 완전에 가까운 치밀체로 열간 정수압 소결된다.
본 발명의 제 2 바람직한 구체예에 따르면, 내마모성 스틸 재질의 분말이 제 1 금속 재질의 삽입체의 표면 영역에 적용되며, 상기 삽입체는 적어도 어느 정도 완전히 가공되어 있다. 즉, 기재이다. 후크형 캡슐은, 분말이 표면 영역에 대해 후크형 캡슐로 감싸지도록 삽입체에 용접된다. 예를 들어, 이는 분말이 삽입체의 표면 영역에 대해 개방부로 배치되는 후크형 캡슐에 충전되도록 하는 방식으로 수행될 수 있음으로써 분말이 삽입체에 대해 인접할 것이고, 이후 후크형 캡슐의 용접 및 후크형 캡슐내 가스의 소거가 수행된다. 마모면 상에 분말을 적용시키는 또 다른 방식은 분말을 기계적으로 고정시키는 것일 수 있다. 또한, 임의의 적합한 결합제(binder)를 사용함으로써 분말을 적용하는 것을 고려할 수 있다. 분말을 마모면에 적용함으로써 분말층이 구성될 수 있으며, 이 층은 완전히 치밀한 것은 아니고, 열간 정수압 소결과 관련하여 필요한 처리를 충분히 견디어내는 내구성일 수 있다. 이후, 분말 층은 열간 정수압 소결을 통해 완전한 치밀 상태 또는 적어도 완전에 가까운 치밀 상태로 가압될 수 있다. 이 방법에 대해서는 캡슐을 감쌀 필요가 없다.
본 발명의 제 3 바람직한 구체예에 따르면, 내마모성 스틸 재질의 중간 생성물이 내마모성 스틸 재질의 분말과 함께 분말 과립을 결합시킴으로써 제조되고, 이러한 중간 생성물이 제 1 금속 재질의 삽입체, 즉, 기재에 적용된다. 이후, 얻어진 유닛이 캡슐로 감싸진다. 분말 과립은 소결 또는 열간 정수압 소결에 의해 함게 결합되고, 이에 수득된 바디는 또한 소정의 열간 가공(hot working), 예를 들어, 단조가공(forging)으로 처리될 수 있다. 적합한 형상, 예를 들어, 스트립, 고리 또는 디스크 형상을 얻기 위한 추가의 가공 또한 가능함은 물론이다.
도 1은 열간 정수압 소결 후, 기재 재질(1)과 내마모성 스틸 재질(2) 사이의 결합 영역을 전자 현미경으로 찍은 미세구조 사진이다. 결합부(3)가 두 재질 사이에 거의 날카로운 선으로서 선명하게 보인다. 합금 원소인 바나듐, 크롬, 망간, 니켈, 탄소 및 질소의 함량이 기재 재질(1)(포인트 1 내지 5)로부터 결합부(3)(포인트 6 내지 8)를 거쳐 나아가 내마모성 스틸 재질(2)(포인트 9 내지 20)로의 가상 선을 따라 일정 간격으로 분석되었다.
도 2는 합금 원소인 바나듐, 크롬, 망간, 니켈의 함량을 보여주는 그래프이다. 상기 측정은 모든 원소의 함량이 기재 재질과 같은 수준임을 보여준다. 내마모성 스틸 재질 중 바나듐 및 크롬의 함량 변동이 기재 재질의 경질 상 입자를 생기게 할 수 있다.
도 3은 탄소 및 질소의 함량이 시험 라인을 따라 어떻게 달라지는 지를 보여주고 있으며, 탄소나 질소의 함량 모두 기재 재질에 있어서 변화가 없었음이 명백하다. 이는 탄소 및 질소 둘 모두는 틈 사이에 용해됨에 따라 매우 이동성인 원소이기 때문에, 매우 긍정적인 것으로 간주되며, 이에 따라 기재 재질로 확산되는 것이 우려된다. 이러한 확산은 탄소 및 질소 둘 모두가 제 1 위치에서 크롬과 결합하고, 그레인(grain) 경계에서 크롬 카바이드를 형성하기 때문에 매우 심각하다. 이렇게 하여, 기재 재질은 크롬이 감소되고, 입계 부식(inter-crystalline corrosion)에 대한 위험이 있다.
내마모성 스틸 재질과 제 1 금속 재질 간의 유해한 확산은 열간 정수압 소결시에 발생할 수 있기 때문에, 두개의 스틸 재질이 캡슐 벽 형태의 확산 배리어에 의해 떨어져 유지되는 것이 적합하다. 이러한 캡슐 벽은 바람직하게는 적어도 주로 니켈 또는 모넬 금속으로 이루어지고, 1mm의 두께를 지닐 수 있다. 열간 정수압 소결에서, 탄소 및 질소가 기재 재질로 확산되면, 기재 재질이 스테인레스 스틸인 경우, 스테인레스 스틸은 쉽게 입계 부식될 수 있기 때문에 적합하지 않다.
도 4는 열간 정수압 소결 후, AISI 316L의 기재(분석 포인트 번호 1 내지 199)로부터 니켈의 캡슐 벽(분석 포인트 번호 12 내지 19)을 통한 Vanax 75의 경질 코팅(본 발명에 따른)(분석 포인트 번호 20 내지 32)으로의 경로에서 특정 중요한합금 원소의 함량을 보여주는 그래프이다. 니켈 상에 근접한 Vanax 75 상에서의 다소 균일하지 않은 그래프는 경질 입자가 원인일 수 있다.
본 발명의 제 4 바람직한 구체예에 따르면, 기재는 내마모성 코팅의 적용과 동시에 제조된다. 이는 스틸 재질의 분말로 충전된 내부 캡슐에 의해 일어날 수 있으며, 이는 기재에 필요한 강도/내성을 부여할 것이다. 이 캡슐은 밀봉되고, 가스가 소거되고, 외부 캡슐 내에 배치되며, 이 외부 캡슐에 내마모성 스틸의 분말이 도입되거나 도입되어 있다. 각각의 스틸 재질 분말의 양, 내부 캡슐 및 내마모성 스틸 재질 분말 각각의 상호 위치는 여러 인자, 예를 들어, 요망되는 컴파운드 생성물의 형상, 마모층의 두께, 기재의 두께 및 가압시 부피 변화(수축)에 의거하며, 이들 인자에 맞춰져야 하는 것은 인지된다. 이후, 외부 캡슐이 밀봉되고, 가스가 소거되며, 전체 유닛이 열간 정수압 소결된다. 이러한 제 4 구체예에 따르는 또 다른 방법은 내부 캡슐을 사용하지 않고, 그 대신 공통의 캡슐에 여러 스틸 재질의 분말을 충전시키는 것인데, 이때 여러 스틸 재질의 분말이 본 발명에 따른 컴파운드 생성물을 형성하기 위한 캡슐내 적절한 위치, 즉 내마모성 스틸 재질을 포함하는 마모면을 지닌 기재에 도입된다.
열간 정수압 소결은 적합하게는 1000 내지 1350℃, 바람직하게는 1100 내지 1150℃에서, 그리고 100MPa의 압력에서 3시간 동안 수행된다.
모든 경우에, 상기 단계는 소프트 어닐링(soft annealing) 및 요망되는 치수로의 기계가공이 이어진다. 이후, 바람직하게는 950 내지 1150℃의 오스테나이트화 온도로부터의 경화(hardening) 및 200 내지 450℃의 저온 템퍼링, 2 x 2h 및 450 내지 700℃의 고온 템퍼링, 2 x 2h에 의한 열처리가 뒤따른다. 적합한 온도는 내마모성 스틸 재질로 구성되는 마모면의 요망되는 특성을 달성하도록 선택되며, 이는 하기에서 자세히 논의된다.
추가로, 모든 경우에, 기재의 금속 재질은 1100 내지 1150℃의 열간 정수압 소결을 견디도록 선택되며, 추가로 기재 재질은 내마모성 스틸 재질과 상용성인 열간 가공 특성을 지니도록 선택되는 것이 중요하다. 밸브용 컴파운드 생성물에 있어서, 기재는 부식, 연성 및 경도에 있어서 요망되는 특성을 지니며 필요에 따라 가압 용기의 기준을 충족시키는 스틸로 이루어지는 것이 적합하다. 예를 들어, 스테인레스 세그먼트의 페라이트(ferritic), 오스테나이트 또는 페라이트-오스테나이트 재질이 언급될 수 있으며, 이러한 재질의 예로는 AISI 3161, AISI 304가 있다. 예를 들어, 기재 재질 AISI 316L은 AISI 316L 재질의 켄칭 어닐링이 일어나는 경우, 1050 내지 1100℃의 온도 범위에서의 열처리에 맞는다. 다른 수요가 덜한 적용에 있어서, 예를 들어, 카본 스틸, 가압 용기용 스틸, 공구 스틸, 주조 철 및 또한 황동 또는 구리와 같은 다른 재질이 또한 선택될 수 있으며, 이때 경우에 따라 예를 들어, 니켈 또는 모넬 금속의 확산 배리어가 사용될 것이다.
본 발명의 범위내에서, 용어 "코팅"은 기재와 비교하여 얇은 표면 층이라는 사실과 관련된다. 즉, 기재 재질의 두께가 코팅 두께를 크게 초과한다. 그러나, 상기 용어는 또한 코팅의 두께가 본질적으로 기재의 두께와 유사하다는 사실과도 관련된다. 예외적인 경우로, 상황이 요구되면, 예를 들어, 마모되는 생성물 부분이 돌출부가 되고, 기재가 결합부가 되는 경우, 내마모성 스틸 재질의 코팅은 컴파운드 생성물의 주부(main part)가 될 것이고, 이에 따라 상기 용어는 또한 기재 재질의 두께보다 상당히 두꺼운 내마모성 스틸 재질의 재질 두께를 포함하게 된다. 따라서, 본 발명의 범위 내에서, 코팅은 0.5 내지 1000mm의 두께를 지닐 수 있으나, 대부분의 적용에서, 두께는 대개 50mm를 초과하지 않을 것이며, 더욱 더 30mm를 초과하지 않을 것이다. 대부분의 경우, 코팅은 0.5 내지 10mm, 보다 바람직하게는 3 내지 5mm의 두께를 지닐 것이다.
컴파운드 생성물이 마모되는 밸브의 구성요소이고, 기재의 재질이 가압 용기용 스틸로 이루어진, 특히 바람직한 본 발명의 구체예에서, 내마모성 스틸 재질은 의도적으로 첨가되느 코발트를 함유하지 않으며, 원자력 발전소의 밸브의 마모되는 구성요소의 마모면을 형성하며, 기재의 재질은 AISI 316L에 상응하는 조성을 갖는다. 밸브는 직경이 100mm이고, 길이가 50 내지 150mm이다. 열간 정수압 소결, 기계가공 및 가능하게는 필요한 표면 피니시로의 그라인딩 후 마모층의 두께는 0.5 내지 200mm, 바람직하게는 3 내지 5mm이다.
내마모성 코팅이 용접을 통해 적용되지 않음에 따라, 밀봉면에서의 거시적 균열이 용접 공정 동안 또는 작동 동안에 발생하는 응력으로 인해 개시 시로부터 또는 작동 동안에 이미 발생하는 것을 피할 수 있다. 이렇게 하여, 갤링으로 인한 누출 및 안정성 감소의 위험이 최소화되고, 이것이 리지드 안전 요건을 지닌 환경에서 고가의 보수 필요성을 감소시키는 이점을 제공한다.
스틸 재질
본 발명에 따른 내마모층으로서 사용되는 스틸 재질은 분말 금속공학적으로 제조되는데, 이는 산화물을 내포하지 않고, 대체로 50부피% 이하의 M2X-, MX- 및/또는 M23C6/M7C3-타입의 경질 상 입자(이들 입자의 장축 크기의 범위가 1 내지 10㎛이고, 이때 이들 경질 상 입자의 함량은 20부피% 이하가 M2X-카바이드, -니트라이드 및/또는 -카보니트라이드가 되도록 하는 방식으로 분포되고, 여기서 M은 주로 V 및 Cr이고, X는 주로 N이다), 및 5 내지 40부피%의 MX-카바이드, -니트라이드 및/또는 -카보니트라이드(여기서, M은 주로 V이고, X는 주로 N이며, 이들 MX-입자의 평균 크기는 3㎛ 미만이고, 바람직하게는 2㎛ 미만이며, 더욱 더 바람직하게는 1㎛ 미만이다)의 균일한 분포를 포함하는 미세구조가 얻어지는 스틸에 대한 조건이다. 바람직하게는, 상기 분말 금속공학적 제조는 분무화(automizing) 가스로서 질소와 함께 스틸 용융물을 가스 분무화시키는 것을 포함하며, 이것이 스틸 합금에 소정의 최소 함량의 질소를 제공한다. 분말의 고체상 질화(solid phasse nitrideing)에 의해, 보다 높은 요망되는 질소 함량이 얻어질 수 있다.
하기는 스틸의 합금 원소에 대해 유효하다.
제 1 위치에서, 탄소는 스틸의 매트릭스내 고형물 용액 중에 질소와 함께 경화되고 템퍼링 상태에서 60 내지 62HRC의 높은 경도를 스틸에 부여하도록 하기에 충분한 양으로 본 발명의 스틸에 존재해야 한다. 질소와 함께, 탄소는 또한 주로 침강된 M2X-니트라이드, -카바이드 및/또는 -카보니트라이드(여기서, M은 주로 V 및 Cr이고, X는 주로 N이다), 및 주로 침강된 MX-니트라이드, -카바이드 및/또는 -카보니트라이드(여기서, M은 주로 V이고, X는 주로 N이다), 및 가능하게는 발생되는 M23C6- 및/또는 M7C3-카바이드에 존재할 수 있다.
탄소는 질소와 함께 요망되는 경도를 부여하고, 스틸에 포함되는 경질 상을 형성할 것이다. 스틸 중 탄소, 즉, 스틸의 매트릭스 내 고형물 용액 중에 존재하는 탄소 플러스 카바이드 및/또는 카보니트라이드 중에 결합되어 있는 탄소의 함량은, 생산 경제성의 이유, 그리고 스틸 재질의 미세구조에서의 요망되는 상의 이유가 동기가 되어 가능한 한 낮은 수준으로 유지되어야 할 것이다. 또한, 스틸은 오스테나이트화할 수 있어야 하고, 경화시 마르텐사이트로 변형될 수 있어야 한다. 필요한 경우, 스틸 재질은 급속 동결되어 보유되는 오스테나이트를 회피한다. 바람직하게는, 탄소 함량은 0.01% 이상, 더욱 더 바람직하게는 0.05% 이상, 매우 바람직하게는 0.1% 이상이다. 최대 탄소 함량은 최대 2%까지 허용될 수 있다. 적용 분야에 의거하여, 탄소 함량은 스틸이 20부피% 이하의 M2X-카바이드, -니트라이드 및/또는 -카보니트라이드 함량, 5 내지 40부피%의 MX-카바이드, -니트라이드 및/또는 -카보니트라이드 함량을 얻도록 제 1 위치에서 스틸 중 질소의 양 및 스틸 중 바나듐, 몰리브덴 및 크롬 원소의 총 함량에 맞춰진다. M23C6- 및/또는 M7C3-카바이드는 주로 매우 높은 크롬 함량에서 8 내지 10중량%의 함량으로 존재할 수 있다. 그러나, 스틸 중 MX-, M2X- 및/또는 M23C6/M7C3-카바이드, -니트라이드 및/또는 -카보니트라이드의 전체 함량은 50부피%를 초과하지 않아야 할 것이다. 또한, 스틸 중 추가의 카바이드의 존재는, 오스테나이트 중 용해된 크롬의 함량이 12% 이상되도록 최소화되어야 할 것이다. 바람직하게는 오스테나이트 중 용해된 크롬의 함량은 13% 이상, 더욱 더 바람직하게는 16% 이상이며, 이것이 스틸이 우수한 내부식성을 얻도록 한다.
질소는 본 발명의 스틸 중 필수 합금 원소이다. 탄소와 마찬가지로, 질소는 스틸에 충분한 경도를 부여하고, 요망되는 경질 상을 형성하기 위해 스틸의 매트릭스 내 고형물 상에 존재할 것이다. 바람직하게는, 질소는 금속 분말의 분말 금속공학적 제조 공정에서 분무화 가스로서 사용된다. 이러한 분말 제조로 인해, 스틸은 최대 0.2 내지 0.3%의 질소를 함유할 것이다. 이후, 이러한 금속 분말은 예를 들어, 질소 가스 중에서의 가압 또는 제조된 분말의 고체상 질화에 의해서와 같이 임의의 공지된 기술에 따라 요망되는 질소 함량이 설정될 수 있으며, 이에 따라, 스틸은 적합하게는 0.6% 이상, 바람직하게는 0.8% 이상, 매우 바람직하게는 1.2% 이상의 질소를 함유한다. 질소 가스 중에서의 가압화 또는 고체상 질화가 사용됨에 따라, 또한 예를 들어 아르곤과 같은 또 다른 분무화 가스로 분무화가 일어나게 하는 것이 가능함은 물론이다.
취성(brittleness) 문제를 초래하지 않고, 보유된 오스테나이트를 제공하지 않도록, 질소 함량은 최대 10%, 바람직하게는 최대 8%이며, 더욱 더 바람직하게는 최대 6%이다. 바나듐, 및 다른 강력한 니트라이드/카바이드 형성제, 예를 들어, 크롬 및 몰리브덴이 질소 및 탄소와 반응하는 경향이 있기 때문에, 탄소 함량이 상기 언급된 질소 함량에 대해 최대 2%로, 적합하게는 최대 1.5%, 바람직하게는 최대 1.2% 이도록, 탄소 함량이 동시에 상기 높은 질소 함량에 맞추어 져야 한다. 그러나, 이와 관련하여, 증가된 탄소 함량에 의해 내부식성이 감소하고, 또한 갤링 내성이 감소될 수 있으며, 이것이 특히 불리한데, 그 이유는 상기 언급된 최고 함량보다 낮은 탄소 함량이 주어진 본 발명의 스틸과 비교할 때 비교적 큰 크롬 카바이드, M23C6 및/또는 M7C3이 형성될 수 있기 때문임을 유의하여야 한다.
스틸이 보다 낮은 질소 함량을 갖는 것이 충분한 경우에, 이에 따라 탄소 함량 역시 감소시키는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 탄소 함량은 경제적 이유로 인해 이와 같이 낮은 수준으로 제한되나, 본 발명에 따르면, 탄소 함량은 특정 질소 함량에서 달라질 수 있으며, 이때 스틸 내 경질상 입자의 함량 및 스틸의 경도는 스틸이 의도되는 적용 분야에 따라 맞춰질 수 있다. 부식 억제 합금 원소인 크롬 및 몰리브덴의 특정 함량에서, 질소는 또한 MX-카보니트라이드의 형성을 촉진하고, 유리하지 않은 방식으로 스틸의 내부식성을 감소시키는 M23C6 및/또는 M7C3의 형성을 억제하는데 기여한다.
규소는 스틸의 제조로부터 잔류물로서 존재하고, 0.01%의 최소 함량으로 생길 수 있다. 높은 함량시, 규소는 용액 경화 효과 뿐만 아니라 소정의 취성을 제공한다. 또한, 규소는 보다 강력한 페라이트 형성제이고, 이에 따라 3.0%를 초과하는 양으로 존재하지 않아야 한다. 바람직하게는, 스틸은 최대 1.0% 초과, 적합하게는 최대 0.8% 초과로 규소를 함유하지 않는다. 공칭 규소 함량은 0.3%이다.
망간은 스틸에 우수한 경화능을 제공하는데 기여한다. 취성 문제를 피하기 위해, 망간은 10.0%를 초과하는 함량으로 존재하지 않아야 한다. 바람직하게는, 스틸은 최대 5.0% 초과, 적합하게는 최대 2.0% 초과로 망간을 함유하지 않는다. 경화능(hardenability)이 크게 중요하지 않는 구체예에서, 망간은 스틸의 제조로부터 잔여 원소로서 낮은 함량으로 스틸에 존재하고, 망간 설파이드를 형성함으로써 존재할 수 있는 양의 황과 결합한다. 따라서, 망간은 0.01% 이상의 함량으로 존재해야 하며, 적합한 망간 범위는 0.2 내지 0.4%이다.
크롬은 최소 함량 16%, 바람직하게는 17%, 더욱 더 바람직하게는 18% 이상으로 존재하여 스틸에 요망되는 내부식성을 제공해야 한다. 또한, 크롬은 중요한 니트라이드 형성제이며, 그러한 원소로서 스틸에 존재하여 질소와 함께 스틸에 소정량의 경질 상 입자를 제공하며, 이것이 스틸에 요망되는 갤링 및 내마모성을 제공하는데 기여한다. 상기 경질 상 입자 중, 20부피% 이하는 M2X-카바이드, -니트라이드 및/또는 -카보니트라이드(여기서, M은 주로 Cr이고, 뿐만 아니라 소정량의 V, Mo 및 Fe이다)로 이루어질 수 있으며, 5 내지 40%는 MX-카바이드, -니트라이드 및/또는 -카보니트라이드(여기서, M은 주로 V이다)로 이루어질 수 있다. 그러나, 크롬은 강한 페라이트 형성제이다. 경화 후 페라이트를 피하기 위해, 크롬 함량은 33%를 초과하지 않아야 하며, 적합하게는 최대 30%, 바람직하게는 최대 27%, 더욱 더 바람직하게는 최대 25%이다.
니켈은 선택적 원소이고, 스틸 내 고함량의 페라이트 형성 원소인 크롬 및 몰리브덴과 균형을 맞추기 위해 최대 5.0%, 적합하게는 최대 3.0%의 함량으로 오스테나이트 안정화 원소로서 존재할 수 있다. 그러나, 바람직하게, 본 발명의 스틸은 의도적으로 첨가되는 양의 니켈을 전혀 함유하지 않는다. 다만, 니켈은 불가피한 불순물로서 허용될 수 있으며, 그 자체로 약 0.8% 정도로 높을 수 있다.
코발트 또한 선택적 원소이고, 템퍼링 반응을 개선시키기 위해 그 자체로 가능하게는 최대 9%, 적합하게는 최대 5%의 함량으로 존재할 수 있다. 그러나, 예를 들어, 원자력 발전소 및 방사성이 발생하는 그 밖의 적용을 위한 밸브의 경질 코팅에서, 스틸은 어떠한 코발트도 함유하지 않아야 한다.
몰리브덴은 스틸에 요망되는 내부식성, 특히 우수한 프레팅 내성을 제공하는데 기여하기 때문에 스틸 중에 존재해야 한다. 그러나, 몰리브덴은 강력한 페라이트 형성제이고, 이에 따라 스틸은 최대 5.0%, 적합하게는 최대 4.0%, 바람직하게는 최대 3.5% 초과로 Mo를 함유하지 않아야 한다. 공칭 몰리브덴 함량은 1.3%이다.
몰리브덴은 이론상 완전히 또는 부분적으로 텅스텐에 의해 대체될 수 있으나, 동일하게 내부식성을 개선시키는 것은 아니다. 또한, 텅스텐은 몰리브덴의 두배가 요구되며, 이는 불리하다. 또한, 금속 스크랩 처리(scrap metal treatment)가 더 어렵다.
바나듐은 질소 및 기존의 탄소와 함께 상기 MX-니트라이드, -카바이드, 및/또는 -카보니트라이드를 형성하기 위해 스틸 중에 0.5 내지 14%, 적합하게는 1.0 내지 13%, 바람직하게는 2.0 내지 12%의 함량으로 존재한다. 본 발명의 제 1 바람직한 구체예에 따르면, 바나듐 함량은 0.5 내지 1.5% 범위이다. 제 2 바람직한 구체예에 따르면, 바나듐 함량은 1.5 내지 4.0, 바람직하게는 2.0 내지 3.5, 더욱 더 바람직하게는 2.5 내지 3.0%이다. 상기 제 2 바람직한 구체예에 따른 공칭 바나듐 함량은 2.85%이다. 제 3 구체예에 따르면, 바나듐 함량은 4.0 내지 7.5, 바람직하게는 5.0 내지 6.5, 더욱 더 바람직하게는 5.3 내지 5.7% 범위이다. 상기 제 3 바람직한 구체예에 따른 공칭 바나듐 함량은 5.5 %이다. 제 4 바람직한 구체예에 따르면, 바나듐 함량은 7.5 내지 11.0, 바람직하게는 8.5 내지 10.0, 더욱 더 바람직하게는 8.8 내지 9.2% 범위이다. 상기 제 4 바람직한 구체예에 따른 공칭 바나듐 함량은 9.0%이다. 발명 개념의 범위 내에서, 약 10% 이하의 질소 함량 및 0.1 내지 2% 범위의 탄소 함량과 함께 약 14% 이하의 바나듐 함량이 또한 허용될 수 있으며, 이는 특히 높은 경도(60 내지 62 HRC) 및 적정한 연성과 함께 내부식성에 대한 높은 요건 및 내마모성(마멸/부착/갤링/프레팅)에 대한 극히 높은 요건을 지닌 몰딩 및 절삭 공구에서의 경질 재질 코팅으로서의 용도에서, 스틸에 요망되는 특성을 부여한다.
이론적으로, 바나듐은 MX-니트라이드, -카바이드 및/또는 -카보니트라이드를 형성하는데 니오븀으로 대체될 수 있으나, 이러한 경우 바나듐과 비교하여 보다 많은 양이 요구되고, 이것은 불리하다. 또한, 니오븀은 니트라이드, 카바이드 및/또는 카보니트라이드가 보다 큰 날이 있는(edged) 형상이 되게 하고 순수한 바나듐 니트라이드, 카바이드 및/또는 카보니트라이드 보다 더 크게 하여, 파열 또는 치핑에 접하게 될 수 있으며, 이에 따라 재질의 인성 및 연마능을 감소시킬 수 있다. 이는, 재질의 기계적 특성을 고려하여 우수한 연성 및 높은 경도와 함께 탁월한 내마모성을 달성하기 위해 조성이 최적화되는 경우에서의 스틸에 특히 해로울 수 있다. 이러한 경우, 스틸은 최대 2%, 적합하게는 최대 0.5%, 바람직하게는 최대 0.1% 초과로 니오븀을 함유하지 않아야 한다. 제조에 있어서, Nb(C,N)이 분무화 동안에 레이들(ladle)로부터 태핑 제트(tapping jet)의 클로깅을 일으킬 수 있다. 상기 제 1 구체예에 따르면, 스틸은 따라서 6% 초과로 니오븀을 함유하지 않아야 하며, 바람직하게는 그 양은 최대 2.5%, 적합하게는 최대 0.5% 니오븀이다. 가장 바람직한 구체예에서, 니오븀은 스틸의 제조시 금속 원료로부터 발생하는 보유된 원소의 형태로 불가피한 불순물로서 보다 많게는 허용되지 않는다.
상기 합금 원소 이외에, 스틸은 상당량의 임의의 추가의 합금 원소를 필요로 하지 않으며, 함유하지 않아야 한다. 특정 원소는 스틸의 특성에 바람직하지 않은 방식으로 영향을 미치기 때문에 명백히 바람직하지 않다. 예를 들어, 인이 그러하며, 인은 스틸의 인성에 부정적인 방식으로 영향을 미치지 않도록 하기 위해 가능한 한 낮은 수준으로, 바람직하게는 최대 0.03%로 유지되어야 한다. 또한, 황은 대부분의 경우에 바람직하지 않은 원소이나, 무엇보다도 그것의 인성에 대한 부정적인 영향은 본질적으로 망간에 의해 중화될 수 있고, 이것은 본질적으로 무해한 망간 설파이드를 형성하고, 이에 따라 스틸의 기계가공성을 개선시키기 위해 최대 0.5% 함량으로 허용될 수 있다. 티탄, 지르코늄 및 알루미늄 또한 대부분의 경우에 바람직하지 않으나, 함께 최대 7%의 양이 허용될 수 있으나, 일반적으로는 모두 합쳐 상당히 더 낮은 함량인 < 0.1%로 허용될 수 있다.
언급된 바와 같이, 질소 함량은 스틸에 5 내지 40부피% 양의 MX-카바이드, -니트라이드, 및/또는 카보니트라이드를 제공하도록 재질 중에 생길 수 있는 니오븀 및 바나듐의 함량에 맞추어 조정된다. N과 (V + Nb/2) 간의 비율에 대한 조건이 도 1에 기재되며, 이는 본 발명의 스틸에 대한 함량(V + Nb/2)과 관련된 N의 함량을 도시한 것이다. 도시된 영역 내 코너 포인트(corner point)는 하기 표에 따른 좌표를 갖는다.
표 1. N과 (V + Nb/2) 간의 비율
Figure pct00010
본 발명에 따라 사용되는 스틸의 제 1 특징에 따르면, 한편으로 N의 함량과 다른 한편으로 (V + Nb/2)의 함량은 이들 원소의 함량이 도 5의 좌표 시스템에서, 좌표 A', B', G, H, A'에 의해 정해진 영역 내에 있도록 서로에 대해 균형이 맞추어 진다.
본 발명의 제 1 바람직한 구체예에 따르면, 스틸 중의 질소, 바나듐 및 가능한 니오븀의 함량은, 이러한 함량이 좌표 A', B', F, I, A', 더욱 바람직하게는, A, B, E, J, A에 의해 정해진 영역 내에 있도록 서로에 대해 균형이 맞추어 진다.
본 발명의 제 2 바람직한 구체예에 따르면, 스틸 중의 질소, 바나듐 및 가능한 니오븀의 함량은, 이러한 함량이 좌표 I, F, F', I', I, 더욱 바람직하게는, E, E', J', J, E에 의해 정해진 영역 내에 있도록 서로에 대해 균형이 맞추어 진다.
본 발명의 제 3 바람직한 구체예에 따르면, 스틸 중의 질소, 바나듐 및 가능한 니오븀의 함량은, 이러한 함량이 좌표 I', F', F", I", I', 더욱 바람직하게는, E', E", J", J', E'에 의해 정해진 영역 내에 있도록 서로에 대해 균형이 맞추어 진다.
본 발명의 제 4 바람직한 구체예에 따르면, 스틸 중의 질소, 바나듐 및 가능한 니오븀의 함량은, 이러한 함량이 좌표 I", F", F'", I'", I", 더욱 바람직하게는, J", E", E'", J'", J"에 의해 정해진 영역 내에 있도록 서로에 대해 균형이 맞추어 진다.
표 2는 본 발명의 제 1 바람직한 구체예에 따른 스틸에 대한 중량%의 조성 범위를 나타낸 것이다.
표 2
Figure pct00011
표 3는 본 발명의 제 2 바람직한 구체예에 따른 스틸에 대한 중량%의 조성 범위를 나타낸 것이다.
표 3
Figure pct00012
바람직하게는, V의 함량은 2.5 내지 3.0중량%이고, N의 함량은 1.3 내지 2.0 중량%이다. 예시적 예로서, 불순물을 포함하는 이러한 스틸의 완전한 분석은 하기 중량%의 조성을 제공할 수 있다:
표 4
Figure pct00013
제 2 구체예에 따른 스틸은 높은 경도(60 내지 62 HRC) 및 우수한 연성과 함께 내부식성에 대한 높은 요건, 및 연마 마모 및 부착 마모 둘 모두 뿐만 아니라 갤링 및 프레팅 내성에 대한 증가하는 요건이 적용되는 경우에 사용하기에 적합하다. 상기 표에 따른 조성으로, 스틸은, 950 내지 1150℃의 오스테나이트화 온도에서의 경화, 및 200 내지 450℃에서의 저온 템퍼링(2 x 2h), 또는 450 내지 700℃에서의 고온 템퍼링(2 x 2h) 후, 각각 10부피% 이하의 M2X(여기서, M은 주로 Cr이고, X는 주로 N이다), 및 MX(여기서, M은 주로 V 및 Cr이고, X는 주로 N이다)로 이루어진 소정량의 경질 상을 갖는 템퍼링된 마르텐사이트로 이루어진 매트릭스를 지닌다.
표 5는 본 발명의 제 3 바람직한 구체예에 따른 스틸에 대한 하기 중량%의 조성 범위를 나타낸 것이다.
표 5
Figure pct00014
표 6은 본 발명의 제 4 바람직한 구체예에 따른 스틸에 대한 하기 중량%의 조성 범위를 나타낸 것이다.
표 6
Figure pct00015
제 4 구체예에 따른 스틸은 높은 경도(60 내지 62 HRC) 및 비교적 우수한 연성과 함께 내부식성에 대한 높은 요건, 및 내마모성(연마/부착/갤링/프레팅)에 대한 높은 요건을 지닌 생성물의 마모면에 사용하기에 적합하다. 상기 표에 따른 조성으로, 스틸은 1080℃의 오스테나이트화 온도에서의 경화, 및 200 내지 450℃에서의 저온 템퍼링(2 x 2h), 또는 450 내지 700℃에서의 고온 템퍼링(2 x 2h) 후, 3 내지 15부피%의 M2X(여기서, M은 주로 Cr 및 V이고, X는 주로 N이다), 및 15 내지 25부피%의 MX(여기서, M은 주로 V이고, X는 주로 N이다)로 이루어진 소정량의 경질 상을 갖는 템퍼링된 마르텐사이트로 이루어진 매트릭스를 지닌다.
표 7은 본 발명의 추가의 바람직한 구체예에 따른 스틸에 대한 하기 중량%의 조성 범위를 나타낸 것이다.
표 7
Figure pct00016
본 발명 개념의 범위 내에서, 또한 약 10% 이하의 바나듐 함량은 허용되며, 이는, 약 14% 이하의 바나듐 함량 및 0.1 내지 2% 범위의 탄소 함량과 함께 특히 높은 경도(60 내지 62 HRC) 및 적절한 연성과 함께 내부식성에 대한 높은 요건, 및 내마모성(연마/부착/갤링/프레팅)에 대한 매우 높은 요건을 지닌 마모면으로 사용시, 스틸에 요망되는 특성을 부여한다. 상기 구체예에 따른 스틸은, 약 1100℃의 오스테나이트화 온도에서의 경화, 및 200 내지 450℃에서의 저온 템퍼링(2 x 2h), 또는 450 내지 700℃에서의 고온 템퍼링(2 x 2h) 후, 약 2 내지 15부피%의 M2X(여기서, M은 주로 Cr 및 V이고, X는 주로 N이다), 및 15 내지 25부피%의 MX(여기서, M은 주로 V이고, X는 주로 N이다)로 이루어진 소정량의 경질 상을 갖는 템퍼링된 마르텐사이트로 이루어진 매트릭스로 이루어진다.
상기 기술된 구체예에 따른 스틸은 잘 혼합된 부착 및 연마 마모, 특히 갤링 및 프레팅이 처리된 생성물의 마모면에 사용하기에 적합한 것으로 입증되었다. 또한, 높은 경도 및 매우 우수한 내부식성을 지니며, 이에 따라 식품 산업, 근해 산업, 및 그 밖의 부식되는 생성물, 예를 들어 엔진용 분사 노즐, 베어링내 부품 등 내에서 생성물의 마모면에 사용하기에 적합하다. 내마모성 스틸 재질이 비교적 경질이고, 취성이면, 스크류 접합시 발생하는 부하를 비교적 잘 견디지 못한다. 컴파운드 생성물에 스틸 재질을 사용함으로써, 기재가 생성물이 또 다른 요건을 충족되게 하는 생성물이 얻어진다. 이러한 생성물의 예로는, 밸브, 펌프내 마모 구성요소, 마모체, 및 마모되는 그 밖의 복합 구성요소(complex component)가 있다.
컴파운드 생성물의 열간 가공시, 내마모성 재질은 950 내지 1150℃, 바람직하게는 1020 내지 1130℃, 가장 바람직하게는 1050 내지 1120℃의 온도에서 오스테나이트화된다. 보다 높은 오스테나이트화 온도가 이론상 가능하지만, 일반적으로 존재하는 경화로가 더 높은 온도에는 부적합하다는 사실에 비추어 적절하지 않다. 오스테나이트화 온도에서의 적절한 보유 시간은 10 내지 30분이다. 상기 오스테나이트화 온도로부터, 스틸은 실온 또는 보다 낮은 온도, 예를 들어, -40℃로 냉각된다. 생성물에 요망되는 치수 안정성을 제공하기 위해 보유된 오스테나이트를 제거하기 위해 급속 동결이 실시될 수 있으며, 이는 적합하게는 약 -70 내지 -80℃의 드라이 아이스 중에서, 또는 약 -196℃에서의 액체 질소 중에서 실시된다. 최적의 내부식성을 얻기 위해, 공구는 1회 이상, 바람직하게는 2회로, 200 내지 300℃에서 저온 템퍼링된다. 대신, 스틸이 2차 경화되도록 최적화되는 경우, 생성물은 1회 이상, 바람직하게는 2회, 가능하게는 수회 400 내지 560℃, 바람직하게는 450 내지 525℃에서 고온 템퍼링된다. 생성물은 각각의 이러한 템퍼링 처리 후에 냉각된다. 바람직하게는, 이러한 경우에 또한 추가로 가능하게는 잔류하는 보유된 오스테나이트를 제거함으로써 요망되는 치수 안정성을 보장하기 위해 상기 언급된 바와 같이 급속 동결이 사용된다. 상기 템퍼링 온도에서 보유 시간은 1 내지 10시간, 바람직하게는 1 내지 2시간일 수 있다. 상기 내마모성 스틸 재질의 조성은 매우 우수한 템퍼링 반응을 제공한다.
내마모성 스틸 재질이 예를 들어 압축된 컴파운드 생성물을 형성하기 위해 열간 정수압 소결, 및 최종 컴파운드 생성물의 경화시에 처리되는 상이한 열간 가공과 관련하여, 내마모성 스틸 재질 중 인접하는 카바이드, 니트라이드 및/또는 카보니트라이드는 유착하여, 큰 응집물을 형성할 수 있다. 이에 따라, 최종 열처리된 생성물의 마모층에서 상기 경질상 입자의 크기는 3㎛를 초과할 수 있다. 부피%로 표현되는 주부는 입자의 장축 크기로 1 내지 10㎛ 범위이고, 입자의 평균 크기는 1㎛ 미만이다. 경질 상의 총량은 질소 함량 및 니트라이드 형성제, 즉, 바나듐 및 크롬의 양에 의존한다. 일반적으로 최종 생성물의 마모층에서의 경질상의 총량은 5 내지 40부피% 범위이다.
내마모성 스틸 재질의 분말은 내마모성 스틸 재질에 대한, 질소를 제외한 기술된 조성을 갖는 용융물의 붕해에 의해 제조된다. 불활성 가스, 바람직하게는, 질소는 용융물의 분사를 통해 블로운되고, 이는 점적으로 쪼개지고, 이것이 고화되고, 이후 얻어진 분말이 요망되는 질소 함량으로 고체상 질화된다.
수행된 실험
시편의 제조
Stellite 6 및 Skwam을 디스크 형상 기재의 표면 영역 상에 4개의 층으로 용접을 통해 적용하였다. 적용된 층의 총 두께는 5mm였다. 이후, 시편의 상기 표면을 그라인딩하고, 밸브용에 필요한 표면 피니시(finish)(즉, Ra 약 0.05㎛)로 연마하였다. 용접 코팅된 표면은 또한 연마 후 소공(small pore)을 지녔으며, 이는 육안으로 관찰될 수 있었다.
용접 코팅 후, Stellite 6 및 Skwam은 제조사의 자료 명세서에 따라 42 HRC 의 경도를 지니며, 이는 실험실 측정에서 확인되었다.
청구항 1에 기재된 범위 내에서 소정 조성을 지닌 분말 금속공학적으로 제조된 스틸을 열간 정수압 소결체로부터 절삭한 후, 용접에 의해 적용된 합금과 동일한 표면 피니시로 그라인딩하고 연마하였다.
Vanax 75의 시험 바를 켄칭 매질로서 질소 가스를 사용하는 진공 로에서 열처리하였다. 사용된 열간 가공 사이클은 30분 동안 오스테나이트화 온도, TA = 1080℃에서 오스테나이트화된 후, 액체 질소로 급속 동결되고, 2시간씩 2회(2x2h) 400℃의 템퍼링 온도에서 템퍼링되었다.
화학 조성
시험 프로그램에서 사용되는 합금의 화학 조성(중량%)의 목표 값이 표 6에 기재된다.
표 6
Figure pct00017
내마모성
내마성을 핀-투-디스크-테스트(pin-to-disc-test)를 사용하여 측정하였다. Al2O3(1500 메시)를 지닌 그라이딩 페이퍼를 이 시험에서 사용하였으며, 시험시 압력은 0.4MPa였다. 세 개의 시험된 합금에 대한 연마 손실(mg/분)이 도 6에 도시된다. 도 6으로부터 본 발명의 내마모성 재질, Vanax 75가 두개의 비교 재질인 Stellite 6 및 Skwam에 비해 현저하게 더욱 우수한 내마모성을 가짐을 알 수 있다.
내부식성
AISI 316L, Vanax 75, 및 Skwam의 내부식성을 ASTM 76에 따른 표준화된 주기적 분극화(standardized cyclic polarisation) 방법을 사용하여 조사함으로써 3500 또는 35000ppm Cl-를 함유하는 수용액 중의 합금의 산화물층의 파괴 전위를 측정하였다. 모든 시험은 실온에서 수행하였다. 도 7은 클로라이드를 함유하는 수중 파괴 전위(mV)로서 내부식성을 도시한 것이다. 각각의 합금에 대해 두개의 바(bar)가 나란히 도시되어 있다. 좌측 바는 3500ppm Cl-의 클로라이드 함량에서의 결과이고, 우측 바는 10배 높은 함량인 35000ppm Cl-에 관한 것이다. 모든 시험은 실온에서 수행하였으며, 보다 높은 값은 보다 높은 내부식성을 나타낸다. 도 7은, Vanax 75이 Skwam보다 우수한 내부식성을 지니나, AISI 316L보다는 나쁜 내부식성을 지님을 보여준다. 그러나, AISI 316L에 대해서는, 스틸의 크기와 관련되어 있는 것으로 보이는 소정의 분산이 존재하고, 어떻게 처리되었는지가 주지되어야 한다. 실험은 파괴 전위가 600mV 이하임을 보여주었다.
경도
용접에 의한 코팅 후, Stellite 6 및 Skwam은 경도가 42 HRC이었다. Vanax 75의 시험 바는 상기에 따른 경화 및 저온 템퍼링 후에 경도가 61HRC이었다.
미세구조
Vanax 75의 미세구조는 마르텐사이트 매트릭스 및 23부피%의 MX 타입의 경질상(여기서, M은 V이고, X는 N 및 C이다)으로 이루어진다. 경질상 입자는 평균 크기가 3㎛ 미만, 바람직하게는 2㎛ 미만, 더욱 더 바람직하게는 1㎛ 미만이다. 경질상 입자가 매트릭스에 균질하게 분포되어 있다(도 8 참조).
용접에 의한 코팅 후, Stellite 6의 미세구조는 덴드라이트, 오스텐나이트 코발트 매트릭스, 및 높은 용적 분율의 비교적 매우 굵고 긴 크롬 카바이드로 이루어진다. 크롬 카바이드는 보유된 용융물의 덴드라이트 영역에서 발생하고, 이에 따라 매트릭스에 매우 불균일하게 분포되어 있다(도 9 참조).
용접 코팅에 의한 코팅 후, Skwam은 덴드라이트내 크롬 카바이드를 지닌 마르텐사이트 매트릭스로 이루어진다. 크롬 카바이드의 굵은 응집물이 매트릭스 중에 불균일하게 분포되어 있다(도 10 참조).
마찰 특성
스틸 재질의 마찰 특성은 엔진의 에너지 소비에 영향을 미칠 뿐만 아니라 밸브의 조절 수단에 어떠한 타입의 엔진이 사용될 수 있는 지에 영향을 미치기 때문에 예를 들어 밸브와 같은 특정 적용에 매우 중요하다. 전기 엔진은 보다 낮은 부하(load)를 다루고 있지만, 보다 큰 부하는 공기압식 또는 수압식으로 제어되는 조절 수단을 필요로 한다. 이는 계속해서 장비의 선택에 영향을 미친다.
마찰 특성은 스틸의 갤링 방지 특성에 의해 영향을 받으며, 이러한 특성은 스틸 재질의 시험 바가 또 다른 스틸 재질 또는 동일한 스틸 재질의 회전 디스크에 대해 배치되는, 핀-투-디스크-테스트에 의해 시험되었다. 이 시험은 탈이온수 중에서 80℃의 온도, 최대 접촉압 = 720 Mpa, 표면 피니시, Ra ~ 0.02㎛, 상대적 슬라이딩 속도 = 0.02 m/s, 시험 시간/시험 기간 = 1000s/20 min로 수행되었다.
Stellite 6 대 Stellite 6의 핀-투-디스크-테스트 결과가 도 11에 도시된다. 초기에, 마찰은 증가하였고, 이후 감소하고, 균일한 수준, μ 약 0.25로 종료하였으며, 이는 초기에 기술된 종류의 효과를 확인시켜 준다.
도 12는 Skwam의 두 표면이 서로에 대해 시험된 경우의 마찰 특성을 도시한 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 핀 온 디스크 테스트 동안에 마찰 계수가 점점 더 증가하였으며, 이는 재질 간에 번갈아 일어나는 냉간 용접 및 릴리스(release)에 의거한 것이다.
Vanax 75의 두 표면이 서로에 대해 시험된 경우의 마찰 특성이 도 13에 도시된다. 이 재질은 균일한 수준, μ 약 0.25에 대해 우수한 마찰 특성을 보이며, 이는 매우 미세하고 단단한 경질상 입자의 균일한 분포 때문일 수 있다.
끝으로, Vanax 75의 표면과 비교하여 Stellite 6의 표면을 시험하였다. 결과가 도 14에 도시되어 있다. 초기에 두개의 마모면이 Stellite 6으로 이루어진 경우에 비해 본질적으로 훨씬 적게, 약간 증가하였고, 이후 마찰 계수가 감소하였고, 약 0.22의 수준에서 종결되었다. 즉, Stellite 6이 두개의 접촉면에 사용된 경우에 비해 우수하였다. 이는 매우 주목할만하며, 이는 마찰이 전기적으로 구동되는 장치를 사용할 수 있게 하는 보다 낮은 실행가능한 수준으로 유지될 수 있으며, 이것이 공기압식 및 수압식 장치에 의해서보다 보다 큰 적응능을 제공한다는 것을 보여준다.
템버링 반응
내마모성 재질, Vanax 75의 템퍼링 반응을 시험하였다. 결과가 도 15에 도시되어 있으며, 상기 내마모성 재질이 매우 우수한 템퍼링 반응을 가짐을 입증한다. 급속 동결 조건에서의 Vanax 75에 있어서, 약 500℃ 이하의 템퍼링시에 60 내지 62HRC의 경도가 얻어졌다. 이후, 경도가 감소하였으나, 그럼에도 템퍼링 온도와 무관하게, Stellite 6으로 얻어질 수 있는 경도인 약 42HRC를 훨씬 초과하는 경도가 얻어졌다. 비급속 동결 조건에서 Vanax 75는 우수한 템퍼링 반응을 보였으며, 51 내지 55HRC의 경도를 얻었다.
고온 내성
내마모성 스틸 재질의 고온 내성을, 경질상 입자가 약 1300℃ 이하의 상이한 온도로 가열시에 어떻게 영향을 받는지를 연구함으로써 조사하였다. 경질 입자상은 매우 안정한 것으로 결정지을 수 있었다. 사실상, 고온이 사용되었음에도 불구하고 경질 입사상이 전혀 성장하지 않거나 매우 약간 성장하였다. 이는 내마모성 스틸 재질이 높은 작동 온도(700 내지 800℃) 및 긴 작동 기간으로 사용되는 경우에 매우 유리하다. 예로서, 전력 산업 내 스팀 또는 가스 터빈 플랜트가 언급될 수 있으며, 이 경우 매우 높은 온도에서, 그리고 추가로 이러한 플랜트에 대해 60년 이하의 매우 긴 작동 기간 동안에 작동한다.
기계가공성
본 발명에 따른 내마모성 스틸 재질의 기계가공성을 조사하였으며, Stellite 6과 비교하였다. Vanax 75의 기계가공성은 운반 조건, 즉 열간 정수압 소결 조건(35HRC), 및 경화되고 템퍼링된 조건(60HRC)에서 조사하였고, Stellite 6의 기계가공성은 이 재질의 운반 조건(46HRC)에서 조사하였다. 운반 조건에서의 Vanax 75의 기계가공성을 기준 값으로서 사용하였다. 도 16은 경화되고 템퍼링된 조건에서의 Vanax 75 및 Stellite 6이 유사한 기계가공성(약 0.30)을 가짐을 보여준다. 응용 시험에서는 또한 경화되고 템퍼링된 조건에서의 Vanax 75가 Stellite 6보다 다소 우수한 기계가공성을 지님을 보여주었다. 운반 조건에서는 Vanax 75가 가장 우수한 기계가공성(1.0)을 지녔다.
결론
상기 기술된 시험 결과는, 청구항 제 1항에 따른 조성을 지닌 내마모성 표면층이 기재에 부식 지연 합금 원소가 국부적으로 격감될 어떠한 위험 없이 금속 기재에 매우 성공적으로 적용될 수 있음을 보여준다. 두가지 재질의 결합은, 적합하게는 열간 정수압 소결에 의해 이루어진다. 열간 정수압 소결시, 내마모성 스틸 재질 및 기재는 각각
a) 각각의 분말 및 고형 재질;
b) 배리어 층을 지니거나 지니지 않는, 각각의 분말 및 분말; 또는
c) 각각의 고형 재질 및 고형 재질로 이루어질 수 있다.
얻어진 생성물은 경질면 가압 처리되는 구성요소, 즉, 구성요소 간에 냉간 용접으로 인해 연마 마모 및 마모, 소위 갤링이 특히 확실히 마모되는 적용에 사용하기에 특히 적합하다. 또한, 매우 우수한 내부식성을 지닌 내마모성 스틸 재질로 인해, 근해 산업, 식품 산업, 가공 산업 및 펄프 산업에 유리하게 사용될 수 있으며, 이때 예를 들어 밸브, 펌프 및 부속 장치에는 내부식성이 또한 요구될 수 있다. 본 발명의 제조 방법에 의해, 원자력 발전소의 주 회로의 스팀 및 물의 흐름을 조절하는 밸브로서 사용하기에 특히 적합한 컴파운드 생성물을 제조하는 것이 가능한 것으로 밝혀졌으며, 코발트를 기반으로 하는 합금인 Stellite 6의 주 회로의 마모면을 함유하는 현재의 밸브를 교체가능할 것으로 보인다. 이는 또 다른 이점을 내포한다. 어떠한 코발트도 함유하지 않는 내마모성 스틸 재질로 인해, 비등 경수로 내 배경 복사의 증가된 수준에 대한 현재의 문제점이 피해질 수 있다. 또한, 본 발명의 스틸 재질은 탁월한 마찰 특성을 지니며, 에너지 소비가 감소되도록 하고, 공기압식 및 수압식 구성 요소가 사용되어야 하는 경우에서보다 더욱 큰 적응능을 부여하는, 전기 구동 제어 장치를 사용할 수 있게 하는 생성물을 제공할 수 있는 것으로 보인다.

Claims (35)

  1. 컴파운드 생성물에 필요한 강도/내성을 부여하는 제 1 금속 재질의 기재, 및 기재의 표면 영역 상에 적용되는 내마모성 스틸 재질의 코팅을 포함하는, 컴파운드 생성물의 제조 방법으로서,
    - 하기 중량%의 조성을 가지며,
    Figure pct00018

    및 추가로, 0.5 내지 14중량%의 (V + Nb/2)(여기서, 한편으로 N의 함량과 다른 한편으로 (V + Nb/2)의 함량은 이들 원소의 함량이 수직의 면좌표 시스템내 A', B', G, H, A' 영역 내에 있도록 서로에 대해 균형이 맞추어 지며, 여기서 N의 함량은 가로좌표이고, V + Nb/2의 함량은 세로좌표이고, 상기 포인트에 대한 좌표가
    Figure pct00019

    이다),
    최대 7중량%의 Ti, Zr 및 Al 중 어느 하나,
    및 나머지로 필수적으로 철 및 불가피한 불순물 만을 지닌 내마모성 스틸 재질을 분말 금속공학적 방식으로 제조하는 단계;
    - 내마모성 스틸 재질을 기재의 상기 표면 영역에 적용하는 단계; 및
    - 코팅을 지닌 기재를 완전한 치밀체(dense body) 또는 적어도 완전에 가까운 치밀체로 열간 정수압 소결(hot isostatic pressing)시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    - 코팅을 지닌 기재를 캡슐로 둘러싸고;
    - 캡슐 내 가스를 소거하고, 열간 정수압 소결 후에;
    - 내마모성 스틸 재질을 덮고 있는 캡슐의 일부 또는 전부를 제거하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 제 1 금속 재질의 삽입체가 캡슐 내로 배치되고, 내마모성 스틸 재질의 분말이 삽입체의 상기 표면 영역 상에 적용되고, 이후 캡슐이 밀봉됨을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 내마모성 스틸 재질의 분말이 제 1 금속 재질의 삽입체의 표면 영역에 적용되고, 상기 삽입체는 어느 정도 이상이 완전히 기계가공되었으며, 후크형 캡슐이 상기 분말을 둘러싸고, 삽입체의 측을 향해 용접되도록 배치됨을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 2항에 있어서, 내마모성 스틸 재질의 중간 생성물이 내마모성 스틸 재질 분말의 분말 과립을 결합시킴으로써 제조되고, 이러한 중간 생성물이 제 1 금속 재질의 삽입체에 적용되고, 이후 얻어진 유닛이 캡슐로 둘러싸임을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 중간체 생성물이, 스트립, 고리 또는 디스크의 형상을 지님을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 분말 과립이 열간 정수압 소결에 의해 결합됨을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 2항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 두개의 스틸 재질이 내마모성 스틸 재질과 제 1 금속 재질 간에 용이하게 이동가능한 합금 원소의 유해한 확산, 예를 들어, C 또는 N의 확산을 피하도록 캡슐벽에 의해 이격되어 유지됨을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 캡슐벽이 주로 니켈 또는 모넬 금속으로 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 2항에 있어서, 제 1 금속 재질이 또한 상기 캡슐에 배치되는 분말로 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 2항에 있어서, 상기 캡슐이 제 1 캡슐이고, 제 2 캡슐이 제 1 금속 재질, 즉, 기재의 분말로 충전되고, 제 2 캡슐이 밀봉되고 제 1 캡슐로 배치되고, 내마모성 스틸 재질의 분말이 기재의 적어도 상기 표면 영역과 연결되는 캡슐벽을 향해 배치되도록 제 2 캡슐 내로 충전되고, 이후, 제 1 캡슐이 밀봉됨을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 내마모성 스틸 재질의 분말이 질소를 제외한 내마모성 스틸 재질에 대해 표시된 조성을 지닌 용융물의 붕해(disintegration)에 의해 제조되고, 상기 붕해는 불활성 가스, 바람직하게는 질소에 의해 수행되고, 용융물의 분사를 통해 블로운(blown)되어 점적으로 쪼개져서 고화되도록 되며, 이후 얻어진 분말이 지시된 질소 함량으로 고체상 질화(nitriding)됨을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 열간 정수압 소결이 3시간 동안 1000 내지 1350℃, 바람직하게는 1100 내지 1150℃, 및 100MPa의 압력에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 후에 소프트 어닐링(soft annealing), 요망되는 치수로의 기계가공 및 열 처리가 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅의 두께가 0.5 내지 1000mm, 바람직하게는 0.5 내지 50mm, 더욱 더 바람직하게는 0.5 내지 30mm임을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅의 두께가 0.5 내지 10mm, 더욱 바람직하게는 3 내지 5mm임을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 14항에 있어서, 열 처리가 950 내지 1150℃의 오스테나이트화 온도로부터의 경화, 및 200 내지 450℃, 2x2h의 저온 템퍼링, 또는 450 내지 700℃, 2x2h의 고온 템퍼링에 의해 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 하기 원소가 하기 함량(중량%)으로 내마모성 스틸 재질 중에 포함됨을 특징으로 하는 방법:
    Figure pct00020
  19. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, V의 함량이 2.5 내지 3.0중량%이고, N의 함량이 1.3 내지 2.0중량%임을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 각 원소가 하기 함량(중량%)으로 내마모성 스틸 재질 중에 포함됨을 특징으로 하는 방법:
    Figure pct00021
  21. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 내마모성 스틸 재질 중에, 탄소가 0.1 내지 2중량%의 함량으로 존재하고, 질소가 약 10중량% 이하의 함량으로 존재하고, 바나듐이 약 14중량% 이하의 함량으로 존재함을 특징으로 하는 방법.
  22. 컴파운드 생성물에 필요한 강도/내성을 부여하는 제 1 금속 재질의 기재, 및 기재의 표면 영역 상에 적용되는 내마모성 스틸 재질의 코팅을 포함하는, 컴파운드 생성물로서,
    - 컴파운드 생성물이 마모면에 대한 기재를 포함하고, 상기 기재는 제 1 조성을 지니며;
    - 마모면이, 하기 중량%의 조성을 가지며,
    Figure pct00022

    추가로, 0.5 내지 14중량%의 (V + Nb/2)(여기서, 한편으로 N의 함량과 다른 한편으로 (V + Nb/2)의 함량은 이들 원소의 함량이 수직의 면좌표 시스템내 A', B', G, H, A' 영역 내에 있도록 서로에 대해 균형이 맞추어 지며, 여기서 N의 함량은 가로좌표이고, V + Nb/2의 함량은 세로좌표이고, 상기 포인트에 대한 좌표가
    Figure pct00023

    이다),
    및 최대 7의 Ti, Zr 및 Al 중 어느 하나,
    및 나머지로 필수적으로 철 및 불가피한 불순물만을 포함하는 제 2 조성을 지닌 내마모성 스틸 재질을 포함하고;
    - 내마모성 스틸 재질이 50부피% 이하의 M2X-, MX- 및/또는 M23C6/M7C3-타입의 경질 상 입자(hard phase particle)(이들 입자의 장축 크기의 범위가 1 내지 10㎛이고, 이때 이들 경질 상 입자의 함량은 20부피% 이하가 M2X-카바이드, -니트라이드 및/또는 -카보니트라이드가 되도록 하는 방식으로 분포되고, 여기서 M은 주로 Cr이고, X는 주로 N이다), 및 5 내지 40부피%의 MX-카바이드, -니트라이드 및/또는 -카보니트라이드(여기서, M은 주로 V 및 Cr이고, X는 주로 N이며, 이들 MX-입자의 평균 크기는 3㎛ 미만이고, 바람직하게는 2㎛ 미만이며, 더욱 더 바람직하게는 1㎛미만이다)의 균일한 분포를 포함하는 미세구조를 지님을 특징으로 하는, 컴파운드 생성물.
  23. 제 22항에 있어서,
    - 내마모성 스틸 재질이 열간 정수압 소결에 의해 기재 상에 적용되고, 이때 압축된 생성물이 얻어지며;
    - 압축된 생성물이 요망되는 치수로 기계가공되고;
    - 그것이 950 내지 1150℃의 오스테나이트화 온도로부터의 경화, 및 200 내지 450℃, 2x2h의 저온 템퍼링, 또는 450 내지 700℃, 2x2h의 고온 템퍼링에 의해 열처리됨을 특징으로 하는 컴파운드 생성물.
  24. 제 22항 또는 제 23항에 있어서, 하기 원소가 하기 함량(중량%)으로 내마모성 스틸 재질 중에 포함됨을 특징으로 하는 컴파운드 생성물:
    Figure pct00024
  25. 제 24항에 있어서, V의 함량이 2.5 내지 3.0중량%이고, N의 함량이 1.3 내지 2.0중량%임을 특징으로 하는 컴파운드 생성물.
  26. 제 22항 또는 제 23항에 있어서, 하기 원소가 하기 함량(중량%)으로 내마모성 스틸 재질 중에 포함됨을 특징으로 하는 컴파운드 생성물:
    Figure pct00025
  27. 제 22항 또는 제 23항에 있어서, 내마모성 스틸 재질 중에, 탄소가 0.1 내지 2중량%의 함량으로 존재하고, 질소가 약 10중량% 이하의 함량으로 존재하고, 바나듐이 약 14중량% 이하의 함량으로 존재함을 특징으로 하는 컴파운드 생성물.
  28. 제 22항 내지 제 24항 중 어느 한 항에 있어서, 기재의 금속 재질이 1100 내지 1150℃의 열간 정수압 소결을 견디며, 열간 가공에 대해 내마모성 스틸 재질과 상용성임을 특징으로 하는 컴파운드 생성물.
  29. 제 28항에 있어서, 마모되는 밸브의 구성요소를 형성하며, 기재의 재질이 가압 용기용 스틸로 이루어짐을 특징으로 하는 컴파운드 생성물.
  30. 제 29항에 있어서, 내마모성 스틸이 의도적으로 첨가되는 코발트를 함유하지 않으며, 마모되는 원자력 발전소 내 밸브의 마모면을 형성하며, 이때 기재의 재질이 AISI 316L에 상응하는 조성을 지님을 특징으로 하는 컴파운드 생성물.
  31. 제 28항에 있어서, 컴파운드 생성물이 마모 구성요소, 펌프부, 엔진 구성요소, 롤러 또는 내마모성 재질의 마모면을 지닌 또 다른 구성요소이고, 이러한 적용에서, 전체 구성요소는 내마모성 스틸 재질로 이루어지지 않음을 특징으로 하는 컴파운드 생성물.
  32. 제 22항에 있어서, 코팅의 두께가 0.5 내지 1000mm, 바람직하게는 0.5 내지 50mm, 더욱 더 바람직하게는 0.5 내지 30mm임을 특징으로 하는 컴파운드 생성물.
  33. 제 23항에 있어서, 코팅의 두께가 0.5 내지 10mm, 더욱 바람직하게는 3 내지 5mm임을 특징으로 하는 컴파운드 생성물.
  34. 또 다른 제 1 조성을 지닌 금속 재질의 기재 상에 내마모성 표면 영역을 얻기 위하여, 하기 중량%의 조성을 가지며,
    Figure pct00026

    추가로, 0.5 내지 14중량의 (V + Nb/2)(여기서, 한편으로 N의 함량과 다른 한편으로 (V + Nb/2)의 함량은 이들 원소의 함량이 수직의 면좌표 시스템내 A', B', G, H, A' 영역 내에 있도록 서로에 대해 균형이 맞추어 지며, 여기서 N의 함량은 가로좌표이고, V + Nb/2의 함량은 세로좌표이고, 상기 포인트에 대한 좌표가
    Figure pct00027

    이다),
    및 최대 7중량%의 Ti, Zr 및 Al 중 어느 하나,
    및 나머지로 필수적으로 철 및 불가피한 불순물을 지닌 분말 금속공학적 방식으로 제조된 스틸 재질의 용도로서, 상기 표면 영역이 바람직하게는 밸브의 마모면인 용도.
  35. 제 34항에 있어서, 상기 밸브가 원자력 발전소의 밸브, 바람직하게는 원자력 발전소의 주 회로내의 밸브임을 특징으로 하는 용도.
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