KR20120095453A - 합금, 오버레이 및 이의 제조 방법 - Google Patents

합금, 오버레이 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 약 0.5 내지 약 2 중량%의 탄소, 약 15 내지 약 30 중량%의 크롬, 약 4 내지 약 12 중량%의 니켈, 약 3 중량% 이하의 망간, 약 2.5 중량% 이하의 규소, 약 1 중량% 이하의 지르코늄, 약 3 중량% 이하의 몰리브덴, 약 3 중량% 이하의 텅스텐, 약 0.5 중량% 이하의 붕소, 약 0.5 중량% 이하의 불순물, 및 철을 포함하는 합금에 관한 것이다.

Description

합금, 오버레이 및 이의 제조 방법{ALLOY, OVERLAY, AND METHODS THEREOF}
본원은 일반적으로 합금, 오버레이 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본원은 마모로부터 강철 부분을 보호하는 용접 오버레이로서 사용하기 위한 철-크롬-탄소-니켈을 기재로 하는 표면 경화 합금, 용접된 오버레이 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 상호 참고
본원은 2009년 11월 25일자 출원된 미국 가출원 제61/264,612호 및 2010년 1월 19일자 출원된 미국 가출원 제12/689,637호에 기초하여 우선권을 주장한다.
종종 강철로 만들어진 보일러 튜브 및 압력 용기는 전형적으로 혹독한 환경, 예컨대 비제한적으로 고온 부식성 상태 또는 침식-부식 상태에 노출되었다. 보일러 튜브 및 압력 용기를 보호하기 위한 노력에서, 용접 오버레이가 보일러 수관벽 및 압력 용기의 적어도 일부분에 적용될 수 있다.
다양한 예시적인 실시양태에 따라서, 약 0.5 내지 약 2 중량%의 탄소, 약 15 내지 약 30 중량%의 크롬, 약 4 내지 약 12 중량%의 니켈, 약 3 중량% 이하의 망간, 약 2.5 중량% 이하의 규소, 약 1 중량% 이하의 지르코늄, 약 3 중량% 이하의 몰리브덴, 약 3 중량% 이하의 텅스텐, 약 0.5 중량% 이하의 붕소, 약 0.5 중량% 이하의 불순물, 및 철을 포함하는 합금이 하기 기술된다.
다른 예시적인 실시양태에 따라서, 약 0.38 내지 약 1.9 중량%의 탄소, 약 11.25 내지 약 28.5 중량%의 크롬, 약 3 내지 약 11.4 중량%의 니켈, 약 2.85 중량% 이하의 망간, 약 2.375 중량% 이하의 규소, 약 0.95 중량% 이하의 지르코늄, 약 2.85 중량% 이하의 몰리브덴, 약 2.85 중량% 이하의 텅스텐, 약 0.498 중량% 이하의 붕소, 약 1 중량% 이하의 불순물, 및 잔량의 철을 갖는 오버레이가 하기 개시된다.
다른 예시적인 실시양태에 따라서, 합금을 기판에 용접 적용하여 오버레이를 형성하는 방법이 하기 개시된다. 합금은 약 0.5 내지 약 2 중량%의 탄소, 약 15 내지 약 30 중량%의 크롬, 약 4 내지 약 12 중량%의 니켈, 약 3 중량% 이하의 망간, 약 2.5 중량% 이하의 규소, 약 1 중량% 이하의 지르코늄, 약 3 중량% 이하의 몰리브덴, 약 3 중량% 이하의 텅스텐, 약 0.5 중량% 이하의 붕소, 약 0.5 중량% 이하의 불순물, 및 철을 가질 수 있다. 기판은 탄소강, 저 합금강, Cr-Mo 강 및 스테인리스 강으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 형성될 수 있다.
본 발명이 다양한 바람직한 예시적인 실시양태와 연관되어 기술되지만, 그것이 본 발명을 상기 실시양태로 제한하기 위한 것이 아님이 이해될 수 있다. 반대로, 첨부된 청구범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주 안에 포함될 수 있는 모든 대안, 개질, 등가물을 포함할 수 있다.
예시적인 실시양태에서, 합금은 약 0.5 내지 약 0.2%의 탄소, 약 15 내지 약 30%의 크롬, 약 4 내지 약 12%의 니켈, 약 0 내지 약 3%의 망간, 약 0 내지 약 2.5%의 규소, 약 0 내지 약 1%의 지르코늄, 약 0 내지 약 3%의 몰리브덴, 약 0 내지 약 3%의 텅스텐, 약 0 내지 약 0.5%의 붕소, 약 0 내지 약 0.5%의 전체 불순물, 및 잔량의 철을 포함한다. 달리 명시되지 않는 한, 본원에 개시된 모든 백분율은 중량%이다. 또한, 달리 명시되지 않는 한, 범위가 개시되는 경우, 모든 중간 범위가 이에 의해 기술되고, 개시되는 것으로 의도된다. 따라서, 비제한적인 예로서, 약 0.5 내지 약 2%의 탄소의 개시는 약 0.5 내지 약 1.9 중량%의 탄소, 약 0.5 내지 약 1.8 중량%의 탄소, 약 0.6 내지 약 2 중량%의 탄소 등의 개시를 포함한다. 그럼에도 불구하고, 다양한 대안 및 바람직한 범위가 명확하게 이해되도록 본원에 개시될 수 있다.
다른 실시양태에서, 합금은 약 0.7 내지 약 1.5%의 탄소, 약 18 내지 약 25%의 크롬, 약 5 내지 약 10%의 니켈, 약 0 내지 약 2%의 망간, 약 0 내지 약 2%의 규소, 약 0 내지 약 0.5%의 지르코늄, 약 0 내지 약 2%의 몰리브덴, 약 0 내지 약 0.5%의 전체 불순물, 및 잔량의 철을 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 합금은 약 0.8 내지 약 1.3%의 탄소, 약 18 내지 약 25%의 크롬, 약 5 내지 약 10%의 니켈, 약 0 내지 약 2%의 망간, 약 0 내지 약 2%의 규소, 약 0 내지 약 0.5%의 지르코늄, 약 0 내지 약 2%의 몰리브덴, 약 0 내지 약 0.5%의 전체 불순물, 및 잔량의 철을 포함한다.
또 다른 실시양태에서, 본원에 기술된 임의의 합금은 약 0 내지 약 2.5%의 규소, 다르게는 약 0 내지 약 2.4%의 규소, 다르게는 약 0 내지 약 2.3%의 규소, 다르게는 약 0 내지 약 2.2%의 규소, 다르게는 약 0 내지 약 2.2%의 규소, 다르게는 약 0 내지 약 2.1%의 규소, 다르게는 약 0 내지 약 1.9%의 규소, 다르게는 약 0 내지 약 1.8%의 규소, 다르게는 약 0 내지 약 1.7%의 규소, 다르게는 약 0 내지 약 1.6%의 규소, 다르게는 약 0 내지 약 1.5%의 규소, 다르게는 약 0 내지 약 1.4%의 규소, 다르게는 약 0 내지 약 1.3%의 규소, 다르게는 약 0 내지 약 1.2%의 규소, 다르게는 약 0 내지 약 1.1%의 규소, 다르게는 약 0 내지 약 1%의 규소, 다르게는 약 0 내지 약 0.9%의 규소 등을 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 본원에 기술된 임의의 합금은 0%의 망간을 포함할 수 있고, 다르게는 망간은 불순물로서 본원에 기술된 임의의 합금에 존재하고, 다르게는 본원에 기술된 임의의 합금은 약 0.5 내지 약 2%의 망간을 갖고, 다르게는 약 1 내지 약 1.5%의 망간, 다르게는 약 1.5%의 망간, 다르게는 약 2%의 망간을 갖는다.
하나의 실시양태에서, 본원에 기술된 합금의 용접 오버레이는 약 2 내지 약 4.5, 다르게는 약 2.5 내지 약 4.5, 다르게는 약 3 내지 약 4.5, 다르게는 약 3 내지 약 4, 다르게는 약 2 내지 약 3의 범위의 니켈에 대한 크롬의 비를 포함한다. 이론에 얽매이려는 것은 아니지만, 출원인은 임계량 니켈을 함유하는 철크롬-탄소합금이 놀랍게도, 보일러 또는 압력 용기에서 용접 오버레이로서 적용되는 경우, 용접 오버레이에 응력 균열이 발생하지 않도록 하는 양호한 연성 및 인성을 갖는다고 믿는다. 이와 같이, 하나의 실시양태에서, 용접 오버레이의 적용이 완료된 후, 용접 오버레이에 응력 균열이 실질적으로 존재하지 않는다. 또한, 이론에 얽매이려는 것은 아니지만, 출원인은 합금에서 적절한 양의 탄소가 침식 방지를 제공할 수 있는 적절한 공융 크롬 카바이드 경질 상을 형성할 수 있고, 합금에서 적절한 양의 크롬이 고온 침식 및 침식-부식을 견딜 수 있는, 보호용 크롬 옥사이드 규모를 형성할 수 있다고 믿는다.
합금이 임의의 적합한 기판, 예컨대 비제한적으로 탄소강, 저 합금강, Cr-Mo 강 또는 스테인리스 강으로부터 형성된 기판에 적용되어 오버레이를 형성할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 합금이 보일러 또는 다른 압력 용기에서 통상적으로 일련의 연결된 튜브로 제조된 압력 경계, 예컨대 노벽(또한 수관벽으로서 지칭됨)일 수 있는 기판의 적어도 일부분에 적용되어 오버레이를 형성할 수 있다. 합금을 기판에 적용하여 오버레이를 형성하는 방법은 임의의 적합한 야금 접합 공정, 예컨대 비제한적으로 경납땜, 레이저 피복 및 바람직하게는 임의의 적합한 용접 방법, 예컨대 비제한적으로 기체-금속-아크 용접, 기체-텅스턴-아크 용접, 서브머지드(submerged) 아크 용접, 일렉트로슬랙 용접, 플라스마 이동 아크 용접 및 레이저 용접일 수 있다.
이론에 얽매이려는 것은 아니지만, 출원인은, 합금이 기판에 적용된 후, 생성된 오버레이가 통상적으로 응력 균열될 수 없고: 심지어 소정 영역에 적용되는 용접 오버레이의 크기가 수 평방 피트(평방 미터) 내지 수천 평방 피트(평방 미터), 다르게는 약 50 평방 피트(약 4.6 평방 미터) 내지 약 5000 평방 피트(약 460 평방 미터) 이상, 다르게는 약 100 평방 피트(약 9.3 평방 미터) 내지 약 1000 평방 피트(약 93 평방 미터), 다르게는 약 200 평방 피트(약 18.6 평방 미터) 내지 약 900 평방 피트(약 83.6 평방 미터), 다르게는 약 200 평방 피트(약 18.6 평방 미터) 내지 약 600 평방 피트(약 55.7 평방 미터)의 범위가 되도록 하는 충분한 연성 및 경도를 갖는 것으로 믿는다. 바람직하게는, 오버레이는 약 4% 내지 약 20%, 다르게는 약 6% 내지 약 15%의 신장을 갖는다. 하기 실시예를 포함하는 본원의 목적을 위해, 신장은 ASTM E8/E8M-08에 따른 실온 인장 시험에 의해 측정되는 것으로 이해된다. 바람직하게는, 오버레이는 열 처리 전에, 로크웰 "C" 값이 약 RC 25 이상이고, 다르게는 로크웰 "C" 값이 약 RC 30 이상, 다르게는 약 RC 30 내지 약 RC 45의 범위인 경도를 갖는다. 다른 실시양태에서, 오버레이는 용접 후 열 처리 후에, 약 RC 30 내지 약 RC 50 이상의 범위인 경도를 가질 수 있다. 하기 실시예를 포함하는 본원의 목적을 위해, 경도는 용접 오버레이의 단면 상에서 측정된 500 g 로드 하에 빅커스(Vickers) 경도 시험을 사용하여, ASTM E284-08a에 따라서 측정되는 것으로 이해된다. 이어서, 빅커스 경도 값은 ASTM E140-07에 따라서 로크웰 C 값으로 전환되었다.
합금이 용접에 의해 기판에 적용되는 경우, 전형적으로 합금 및 기판 둘다 용융되고, 응고 후에, 생성된 용접 오버레이는 용융된 기판의 양의 적어도 일부분에 의해 희석된 합금의 조성과 동일한 조성을 갖는다. 하나의 실시양태에서, 용접 오버레이의 원소 기준상 조성(중량%)은 기판의 원소 조성, 용접 공정 및 용접 변수를 포함하는 다양한 인자에 따라서, 약 5 내지 약 25%, 다르게는 약 10%의 양에 의해 희석된 합금의 원소 기준상 조성과 동일할 수 있다. 따라서, 합금을 기판에 적용하는 경우, 상기 기재된 철 및 불순물을 제외한 용접 오버레이의 원소 기준상 조성은 각각 개별적으로 약 5 내지 약 25%, 다르게는 약 10%만큼 전-용접된 합금의 조성으로부터 감소될 수 있다. 용접 오버레이는 합금보다 더 높은 중량%의 철 및 불순물을 가질 수 있다. 하나의 실시양태에서, 용접 오버레이는 약 1.5 중량% 이하의 불순물, 다르게는 1 중량% 이하의 불순물, 다르게는 0.5 중량% 이하의 불순물을 갖는다. 비제한적인 예로서, 합금을 기판에 적용한 후, 용접 오버레이 중 크롬의 백분율은 합금 중 크롬의 백분율보다 약 10%만큼 적을 수 있고, 용접 오버레이 중 니켈의 백분율은 합금 중 니켈의 백분율보다 10%, 10% 초과 또는 10% 미만 적을 수 있다.
하나의 실시양태에서, 약 1200℉(약 648.8℃) 초과, 다르게는 약 1400℉(약 760℃) 이상의 노(furnace) 온도에서, 성분의 크기에 따라 약 1시간 이상 동안 오버레이를 노에서 열 처리할 수 있다. 이론에 얽매이려는 것은 아니지만, 출원인은 오버레이의 열 처리가 오버레이의 경도를 증가시킬 수 있다고 믿는다.
표 1에 제공된 용접 오버레이는 하기 실시예에 기술된 바와 같이 제조되었다. 실시예에서, 신장 및 경도는 상기한 바와 같이 측정되었고, 용접 오버레이의 탄소 함량의 화학적 분석은 ASTM E 019-03에 따라 수행되었고, 용접 오버레이의 모든 다른 원소의 화학적 분석은 ASTM E572-02a(2006)에 따라 수행되었다.
용접 오버레이의 실온 인장 특성
용접 오버레이 샘플 YS ksi(Mpa)* UTS ksi(MPA)** 신장%
용가재 "A" 101.9(703) 129.7(894) 3.0
91.7(632) 113.4(782) 3.0
용가재 "B" 86.2(594) 130.0(897) 17.0
79.7(550) 128.1(883) 18.0
용가재 "C" 96.2(663) 128.5(886) 5.0
92.8(640) 137.1(946) 10.0
* YS ksi는 평방 인치 당 킬로파운드 힘으로 측정된 산출 강도를 의미한다(값은 또한 메가파스칼(MPa)로 제공된다).
** UST ksi는 평방 인치 당 킬로파운드 힘으로 측정된 최대 인장 강도를 의미한다(값은 또한 메가파스칼(MPa)로 제공된다).
실시예 1
1.1 중량%의 탄소, 21 중량%의 크롬, 2.8 중량%의 니켈, 0.6 중량%의 몰리브덴, 1.0 중량%의 망간, 1.0 중량%의 규소, 불순물, 및 잔량의 철을 포함하는 용가재 "A"를 약 15인치 길이와 약 3인치 너비의 영역에 걸쳐서 3/4인치 두께의 탄소 강 플레이트 상에 용접 오버레잉하였다. 기체-금속-아크 용접을 사용하여 용접 오버레이 샘플을 하기의 용접 변수를 사용하는 수평 진행 모드로 제조하였다: 26 볼트, 190 내지 200 암페어, 분 당 23 인치(23 "ipm")의 구간 속도, 98% 아르곤 및 2% 산소 차폐 기체를 사용하는 235 ipm의 와이어 공급 속도. 용접 오버레이의 화학적 분석은 18.4 중량%의 크롬, 1.02 중량%의 탄소, 2.5 중량%의 니켈 및 다른 소수의 원소를 나타냈다. 용접 오버레이는 RC 34 내지 RC 38의 범위의 로크웰 "C" 값의 경도를 나타냈다. 용접 오버레이의 이중 평면 인장 견본을 기판 강철 및 울퉁불퉁한 오버레이 표면 둘다의 기계 가공에 의해 제조하였다. 2개의 견본 모두를 인장 시험하였고, 두 가지 시험 모두는 3% 신장을 나타냈다.
실시예 2
0.93 중량%의 탄소, 19.8 중량%의 크롬, 6.7 중량%의 니켈, 0.7 중량%의 몰리브덴, 1.9 중량%의 망간, 1.4 중량%의 규소, 불순물, 및 잔량의 철을 포함하는 용가재 "B"를 실시예 1과 동일한 치수를 갖는 탄소강 플레이트 상에 용접 오버레잉하였다. 기체-금속-아크 용접을 사용하여 용접 오버레이 샘플을 하기의 용접 변수를 사용하는 수평 진행 모드로 제조하였다: 25 볼트, 195 내지 205 암페어, 28 ipm의 구간 속도, 310 ipm의 와이어 공급 속도, 및 98% 아르곤 및 2% 산소로 이루어진 차폐 기체. 용접 오버레이의 화학적 분석은 0.84 중량%의 탄소, 17.5 중량%의 크롬, 6.6 중량%의 니켈, 1.3 중량%의 망간, 0.6 중량%의 몰리브덴, 1.2 중량%의 규소, 불순물, 및 잔량의 철을 나타냈다. 용접 오버레이는 RC 29 내지 RC 34의 범위의 로크웰 "C" 값의 경도를 나타냈다. 용접 오버레이의 이중 평면 인장 견본을 기판 강철 및 울퉁불퉁한 오버레이 표면 둘다의 기계 가공에 의해 제조하였다. 첫번째 인장 시험은 17% 신장을 나타냈고, 두번째 인장 시험은 18% 신장을 나타냈다.
실시예 3
1.08 중량%의 탄소, 24.77 중량%의 크롬, 6.74 중량%의 니켈, 0.56 중량%의 몰리브덴, 1.99 중량%의 망간, 1.5 중량%의 규소, 불순물, 및 잔량의 철을 포함하는 용가재 "C"를 실시예 1과 동일한 치수를 갖는 탄소강 플레이트 상에 용접 오버레잉하였다. 기체-금속-아크 용접을 사용하여 용접 오버레이 샘플을 하기의 용접 변수를 사용하는 수평 진행 모드로 제조하였다: 25 볼트, 195 내지 205 암페어, 28 ipm의 구간 속도, 310 ipm의 와이어 공급 속도, 및 98% 아르곤 및 2% 산소로 이루어진 차폐 기체. 용접 오버레이의 화학적 분석은 1.06 중량%의 탄소, 22.9 중량%의 크롬, 6.1 중량%의 니켈, 0.52 중량%의 몰리브덴, 2.15 중량%의 망간, 1.39 중량%의 규소, 및 불순물을 나타냈다. 용접 오버레이의 경도는 RC 30 내지 RC 32의 범위의 로크웰 "C" 값인 것으로 밝혀졌다. 용접 오버레이의 이중 평면 인장 견본을 기판 강철 및 울퉁불퉁한 오버레이 표면 둘다의 기계 가공에 의해 제조하였다. 첫번째 인장 시험은 5% 신장을 나타냈고, 두번째 인장 시험은 10% 신장을 나타냈다.

Claims (13)

  1. 약 0.5 내지 약 2 중량%의 탄소, 약 15 내지 약 30 중량%의 크롬, 약 4 내지 약 12 중량%의 니켈, 약 3 중량% 이하의 망간, 약 2.5 중량% 이하의 규소, 약 1 중량% 이하의 지르코늄, 약 3 중량% 이하의 몰리브덴, 약 3 중량% 이하의 텅스텐, 약 0.5 중량% 이하의 붕소, 약 0.5 중량% 이하의 불순물, 및 철을 포함하는 합금.
  2. 제 1 항에 있어서,
    니켈에 대한 크롬의 비가 약 2 내지 약 4.5의 범위인, 합금.
  3. 약 0.38 내지 약 1.9 중량%의 탄소, 약 11.25 내지 약 28.5 중량%의 크롬, 약 3 내지 약 11.4 중량%의 니켈, 약 2.85 중량% 이하의 망간, 약 2.375 중량% 이하의 규소, 약 0.95 중량% 이하의 지르코늄, 약 2.85 중량% 이하의 몰리브덴, 약 2.85 중량% 이하의 텅스텐, 약 0.498 중량% 이하의 붕소, 약 1 중량% 이하의 불순물, 및 철을 포함하는 오버레이.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 1 항에 따른 합금을 기판에 용접함으로써 형성된 오버레이로서,
    오버레이의 탄소, 크롬, 니켈, 망간, 규소, 지르코늄, 몰리브덴, 텅스텐 및 붕소의 중량% 조성이 약 5 내지 약 25 중량%의 양만큼 희석된 합금의 탄소, 크롬, 니켈, 망간, 규소, 지르코늄, 몰리브덴, 텅스텐 및 붕소의 중량% 조성과 동일한 오버레이.
  5. 제 3 항에 있어서,
    약 3% 초과의 인장 강도; 다르게는, 약 5% 초과의 인장 강도; 다르게는 약 10% 초과의 인장 강도; 다르게는 약 15% 초과의 인장 강도를 갖는 오버레이.
  6. 제 5 항에 있어서,
    로크웰(Rockwell) C 값이 약 RC 25 이상의 범위인 경도를 갖고, 다르게는 로크웰 C 값이 약 RC 30 내지 약 RC 45이거나, 또는 그 이상의 범위인 경도를 갖는 오버레이.
  7. 제 1 항에 따른 합금을 기판에 적용하여 오버레이를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 기판이 탄소강, 저 합금강, Cr-Mo 강 및 스테인리스 강으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 형성된, 기판을 용접 오버레잉(overlaying)하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    약 1200℉(약 648.8℃) 초과의 온도에서 노(furnace)에 오버레이를 열 처리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    기판이 수관벽의 적어도 일부분인 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    소정 영역에 적용된 용접 오버레이의 크기가 약 50 평방 피트(약 4.6 평방 미터) 내지 약 5000 평방 피트(약 460 평방 미터) 이상의 범위이고, 용접 오버레이에 응력 균열이 실질적으로 존재하지 않는 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    기판이 가공 용기 또는 가공 장비의 적어도 일부분인 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    소정 영역에 적용되는 용접 오버레이의 크기가 약 50 평방 피트(약 4.6 평방 미터) 내지 약 5000 평방 피트(약 460 평방 미터)의 범위이고, 용접 오버레이에 응력 균열이 실질적으로 존재하지 않는 방법.
  13. 제 7 항에 있어서,
    합금이 기체-금속-아크 용접, 기체-텅스텐-아크 용접, 서브머지드 아크 용접, 일렉트로슬랙 용접, 플라스마 이동 아크 용접 및 레이저 용접으로 이루어진 군으로부터 선택된 용접 방법에 의해 기판에 적용되는 방법.
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