KR20140116094A

KR20140116094A - 탄소 함량이 높은 강재 부품과 탄소 함량이 낮은 강재 또는 니켈 합금재 부품을 확산 용접에 의해 접합하는 방법 및 대응하는 조립체

Info

Publication number: KR20140116094A
Application number: KR1020147019025A
Authority: KR
Inventors: 엠마뉴엘 리갈; 이자벨르 슈
Original assignee: 꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-10-01
Also published as: US20140346216A1; FR2984782A1; EP2794177A1; WO2013092413A1; JP2015508450A; FR2984782B1; EP2794177B1

Abstract

본 출원은 탄소 함량이 높고 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강재 부품과 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강재 또는 니켈 합금재 부품을 확산 용접에 의해 접합하는 방법으로서, 이들 부품의 각각은 피접합면을 포함하고 그 피접합면들 상이에 중간 재료를 배치하고, 이어서 확산 용접을 실시하여 두 부품을 접합하고 얻어진 조립체를 냉각하는 방법에 있어서, 중간 재료가 니켈 및 선택적으로 철 및/또는 코발트의 매트릭스를 가지고, 오스테나이트 미세구조를 가지며 몰리브덴 2∼25중량%를 포함하는 합금인 것을 특징으로 방법에 관한 것이다. 또한 본 출원은 이러한 공정을 이용하여 얻어지는 조립체에 관한 것이다.

Description

탄소 함량이 높은 강재 부품과 탄소 함량이 낮은 강재 또는 니켈 합금재 부품을 확산 용접에 의해 접합하는 방법 및 대응하는 조립체{PROCESS FOR JOINING BY DIFFUSION WELDING A PART MADE OF A STEEL HAVING A HIGH CARBON CONTENT WITH A PART MADE OF A STEEL OR NICKEL ALLOY HAVING A LOW CARBON CONTENT: CORRESPONDING ASSEMBLY}

본 발명은, 탄소 함량이 높은 강재 부품과 탄소 함량이 낮은 강재 또는 니켈 합금재 부품을 확산 용접(diffusion welding)에 의해 접합하는 방법에 관한 것이다.

보다 구체적으로는, 본 발명은, 탄소 함량이 높고 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강재 부품과 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강재 또는 니켈 합금재 부품을 확산 용접에 의해 접합하는 방법으로서, 두 부품들 사이에 중간 재료(intermediate material)가 배치되어 있는, 확산 용접에 의한 접합 방법에 관한 것이다.

또한 본 발명은 이렇게 얻어진 조립체에 관한 것이다.

본 발명의 기술 분야는 일반적으로 확산 용접 분야, 특히 서로 다른 금속 합금으로 이루어지고 이들 사이에서 탄소가 확산될 수 있는 두 부품의 확산 용접 분야인 것으로 정의될 수도 있다.

한편으로는 탄소 함량이 높고 전체 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강(steel)과 다른 한편으로는 탄화물 형성 원소 함량이 높고 탄소 함량이 낮은 강 또는 니켈 합금 사이에 중간 재료가 없이 확산 용접하는 동안에는, 만족스럽지 않은 접합이 얻어진다는 것이 알려져 있다.

실제로, 제1 재료로부터 제2 재료로의 확산은, 제2 재료가 제1 재료를 부서지게 쉽게 하여 약화(weakness)시키게 하는 침탄(carburisation)의 원인이 된다.

도 1은 16MND5 저합금강 (Fe-0.17%C-1.31%Mn-0.18%Cr-0.74%Ni-0.5%M0)(도 1의 오른쪽)와 316LN 오스테나이트 스테인레스강(Fe-0.022%C-17.5%Cr-12.2%Ni-2.4%Mo-0.07%N)(도 1의 왼쪽) 사이의 확산 용접 조립체의 미세구조를 나타낸 것이다(여기서, 모든 조성물의 함량은 질량%(mass%)로 규정된다는 것으로 명시되어야 한다)[1].

저합금강과 마르텐사이트 스테인레스강 사이의 계면은 도 1에 흰색 화살표로 표시되어 있다.

저합금강의 탈탄(decarburization)은 백색 페라이트 결정립의 외관으로 나타내진다. 오스테나이트 스테인레스강의 침탄은 도 1에 흑색 화살표로 표시된 탄화물의 외관으로 나타내진다.

도 2는 이러한 조립체를 가로지르는 탄소 농도의 변화를 나타낸 것이다. 이 도면에서는, 침탄/탈탄 현상이 명확히 보여진다.

동일한 타입의 미세구조는 탄소강 S45C(Fe-0.47%C)와 오스테나이트 스테인레스강 SUS304(Fe-0.05%C-18.5%Cr-8.1%Ni) 사이의 확산 용접의 경우에 있어서 엔조(Enjo)[2]에 의해서 뿐만 아니라 저합금강 AISI 4140(Fe-0.42%C-0.72%Mn-0.87%Cr-0.19%Mo)와, 듀플렉스 스테인레스강(Fe-0.024%C-24.5%Cr-4.23%Ni-0.83%Mo) 또는 오스테나이트강 304(F2-0.052%C-19.2%Cr-8.5%Ni) 중 어느 한 쪽 사이의 확산 용접의 경우에 있어서 쿠르트(Kurt)[3]에 의해 얻어진다.

확산 용접된 조립체 계면의 취성(brittleness)을 평가하기 위해서는, V자형 또는 U자형 노치(notch)를 그 계면에 대향하여 위치시키는 샤프피 시험편(Charpy test pieces)을 이용하여 주위온도(ambient temperature)에서 실시되는 노치 충격 시험이 사용된다.

실제로, 이러한 기계적 시험은 통상의 인장 시험보다 계면의 취성에 훨씬 더 민감한 편이다. 문헌[1]에서의 조립체의 충격 강도값은 오스테나이트 스테인레스강의 경우 310J과 저합금강의 경우 214J에 비해 약 70J이다.

따라서, 그 조립체는 침탄/탈탄 효과의 결과로서 그 구성 재료보다 낮은 강도를 가지는다는 것이 명확하다. 문헌[1]의 것과 매우 유사한 것으로, 저합금강 A508(Fe-0.19%C-1.52%Mn-0.18%Cr-0.55%Ni-0.49%Mo)과 316L 오스테나이트 스테인레스강(Fe-0.03%C-18.0%Cr-12.0%Ni-2.52%Mo) 사이의 확산 용접된 조립체의 경우에 있어서, 베슨(Besson)[4]은 작은 V노치 샤르피 시험편을 이용하여 계면에 국소적인 취성 파괴를 얻었다. 비록 이 경우에 노치를 계면의 반대쪽이 아니라 그 게면으로부터 1mm에 기계가공하였지만, 계면의 개방(opening up)에 불리한 점이 있다.

10CrMo9-10강(대표적으로 Fe-0.10%C-2.25%Cr-1%Mo)과 AISI315강(대표적으로 Fe-＜0.08%C-17.0%Cr-12.0%Ni-2.5%Mo)의 분말 혼합물을 3/7∼8/2의 범위에서 변화되는 비율로 압축함으로써 얻어지는 재료의 경우에 있어서, 프라더(Prader)는 70∼110J, 즉 기본강(base steel)만의 경우의 55∼70%의 충격 강도 KCV값을 얻었다[5]. 100%에 가까운 값은 덜 희석된 혼합물에 대해서 달성될 뿐이다. 여기서는, 10CrMn9-10/AISI316 계면이 확산 용접된 접합부의 경우에서처럼 부서지기 쉽기 때문에 재료의 노치 충격 강도가 그 계면에 의존한다는 것을 볼 수 있다.

또한, 두 물질 사이에서의 용접 확산을 용이하게 하기 위한 중간 재료의 사용이 알려져 있다[6]. 따라서, 탄소의 확산을 방지하기 위한 하나의 가능한 해결책은 용접될 두 재료 사이에서 장벽(barrier)으로서 작용하는 중간 재료(intermediate material)를 삽입하는 것이다.

분명히, 이러한 중간 재료는 그 자체가 탄화물을 형성하지 않아야 한다. 부흐크레머(Buchkremer)[7]는, 중간 재료 없이 조립체를 제조하는 경우보다 Ni-16%Cr-15%Mo(하스텔로이(hastelloy) S)로 이루어진 중간 재료를 사용하는 경우, P92강(대표적으로 Fe-0.1%C-9%Cr-2%W)과 1.4910강(대표적으로 Fe-0.02%C-17%Cr-13%Ni-3%Mo-N) 사이의 조립체가 덜 유리한 기계적 물성을 나타낸다고 보고하였다. 실제로, 첫번째의 경우, 중간 재료 Ni-16%Cr-15%Mo는 조립 중에 크게 침탄되었다.

중간 재료는 예를 들면 금속간 화합물과 같이 조립될 재료와 함께 취성 화합물을 형성하지 않아야 하고 그 자체가 다시 부서지기 쉽지 않아야 한다. 따라서, 이러한 중간 재료는 구리, 니켈 또는 은 등의 실질적으로 순수한 금속이어도 되며, 그러한 사용은 확산 용접 분야에서 알려져 있다[6].

일반적으로, 중간 재료의 사용은 계면 부근에서 확산 효과를 제어하는데 있어서 효과적이지만, 중간 재료가 조립될 두 재료보다 낮은 강도를 가지는 경우가 있기 때문에 조립체의 기계적 물성을 항상 개선시키는 것은 아니다. 인장 강도의 경우에서는, 중간 재료의 이러한 열화는 얇은(그러나 확산과 관련된 문제를 극복할 정도로 충분히 두꺼운) 중간 재료를 선택함으로써 보상되는 것으로 보이며, 이러한 제한(confinement)은, 클라센(Klassen)[8]이 보여주는 바와 같이, 계면에서 멀리 떨어진 파괴(failure)조차도 중간 재료의 기계 강도보다 큰 겉보기 응력(apparent stress)에서 파괴를 조장한다.

망간강 Fe-12.5%Mn-1.23%C와 저합금강 Fe-0.45%C-1.3%Cr-0.3%M0-4.0%Ni 사이의 조립체의 경우에 있어서는, 아트킨슨(Atkinson)은 조립체의 강도에 너무 크게 역효과를 미치지 않도록 하기 위해 중간 재료로서 사용되는 순수 니켈의 두께를 제한하려고 시도하였다[9]. 노치 충격 강도 시험의 경우에 있어서는, 노치는 중간 재료의 두께를 절반 정도 통과하여 위치된다. 얇은 중간층에 의해 달성되는 제한효과는 충격 강도를 개선하지 못한다.

이전에 거쳐간 것을 보면, 한편으로 탄소 함량이 높고 전체 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강과 다른 한편으로 탄화물 형성 원소 함량이 높고 탄소 함량이 낮은 강 또는 니켈 합금 사이의 확산 용접에 의한 조립의 문제에 대하여 지금까지 완전히 만족스러운 해결책을 찾아내지 못하였음을 드러냈다.

따라서, 고레벨의 충격 강도를 갖고 어떠한 경우에서도 전술한 종래기술에서의 것보다 큰 고강도 기계 조립체를 제조하는 중간 재료를 이용하여, 탄소 함량이 높고 탄화물 형성 원소 함량이 잦은 강재 부품과 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강재 또는 니켈 합금재 부품의 확산 용접에 의한 조립 공정이 필요하다.

또한, 중간 재료와 부품 사이의 계면, 또는 조립될 부품들 사이의 계면 중 어느 쪽이든 열화를 야기시지 않는 이러한 공정이 필요하다.

따라서, 중간 재료가 탄소의 확산에 기인하는 부품들의 재료의 취성을 억제해야 하지만, 두꺼운 중간 재료를 가지는 경우에도 견고한 조립체를 얻을 수 있도록 해야 한다.

두꺼운 중간 재료란, 일반적으로, 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강 또는 니켈 합금의 침탄을 방지하기 위해 절대적으로 필요한 것보다 큰 두께, 예를 들면 0.3mm보다 큰 두께를 가지는 재료를 의미한다.

조립체가 가능한 한 견고해지기 위해서는(조립체가 조립될 두 부품을 구성하는 2개의 기본 재료(base material) 중 더 약한 재료만큼 최대로서 견고하게 해도 된다), 다음과 같은 것이 필요하다.

- 하나의 계면 또는 복수의 계면을 견고하게 한다. 이는 침탄의 결과로서, 조립체에 직접 적용되는 것은 아니라는 것이 알려져 있다.

- 중간 재료가 부품을 이루는 2개의 기본 재료에 대해 견고한 계면을 발휘함과 함께 2개의 기본 재료 중 더 약한 재료보다 그 자체를 견고하게 한다. 그렇치 않으면 이것은 취약점이 될 것이다.

본 발명의 목적은 탄소 함량이 높고 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강재 부품과, 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강재 또는 니켈 합금재 부품을 확산 용접에 의해 접합하는 방법으로서, 다른 것들 중에서도 전술한 모든 필요성, 요건 및 기준을 충족하는 방법을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 탄소 함량이 높고 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강재 부품과 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강재 또는 니켈 합금재 부품을 확산 용접에 의해 접합하는 방법으로서, 전술한 종래기술의 공정의 단점, 결점, 제한사항 및 불리점이 없고 종래기술의 공정이 가지는 문제를 해결한 방법을 제공하는 데 있다.

발명의 요약

상기 목적 및 다른 목적은 본 발명에 따라, 탄소 함량이 높고 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강재 부품과 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강재 또는 니켈 합금재 부품을 확산 용접에 의해 접합하는 방법으로서, 상기 부품들의 각각은 피접합면을 포함하고, 상기 방법은 피접합면들 사이에 중간 재료를 배치하고, 이어서 확산 용접을 실시하여 두 부품을 접합하고, 얻어진 조립체를 냉각하는 방법에 있어서, 중간 재료가 니켈 및 선택적으로 철 및/또는 코발트로 이루어지는 매트릭스를 가지고 확산 용접 온도에서 오스테나이트 미세구조를 가지는 합금이며, 불가피적 불순물 외에, 함량이 합금의 전체 질량(mass)에 대하여 질량%로 표시되는 하기의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법에 의해 달성된다.

- 니켈(Ni) : 5∼90, 바람직하게는 35∼75

- 코발트(Co) : 0∼50, 바람직하게는 0∼20

- 철(Fe) : 0∼93, 바람직하게는 23∼63

- 몰리브덴 : 2∼25, 바람직하게는 4∼16

- 탄소 : 0.1 미만, 바람직하게는 0.05 미만

- 크롬 : 10 미만, 바람직하게는 5 미만, 더욱 바람직하게는 1 미만

- 오스테나이트 합금에 일반적으로 사용되는(commonly used) 합금 원소들로서, 그 각각이 2 미만, 바람직하게는 1 미만, 더욱 바람직하게는 0.5 미만

"불가피적 불순물" 또는 "부수적인 불순물" 은 당해 분야의 숙련자에게 알려진 의미를 가지며 이 기술분야에서 널리 사용되는 용어이다.

이러한 불가피적 불순물의 예로는, 황(S), 인(P), 구리(Cu), 알칼리금속 및 알칼리토금속을 들 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 기본적으로, 중간 재료로서 상기한 특정 합금을 사용하는 것에 의해 규정된다.

앞서 규정한 바와 같이, 각각 특정 재료로 이루어진, 즉 한편으로는 탄소 함량이 높고 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강재 부품과 다른 한편으로는 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강재 또는 니켈 합금재 부품으로 이루어진 두 부품의 접합용 중간 재료로서의 특정 합금의 사용은 특히 상기한 참조문헌들에 제시한 바와 같은 종래기술에 기재되었거나 시사된 바가 없다.

이러한 사용은 특히 2개의 특정 금속 또는 합금 사이의 중간 재료로서 예견할 수 없는 재료 거동의 특성 때문에 전체적으로 예측되지 않는다.

중간 재료가 놀랍게도 다른 것들 중에서도 전술한 요건 및 기준을 충족하는 상기 특정 합금으로 이루어지는 본 발명에 따른 방법은 종래기술의 방법의 결점을 나타내지 않으며 접합부(결합부 또는 연결부)와 조립체를 상기한 요건을 충족하도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 중간 재료의 합금은 주로 니켈 및 선택적으로 몰리브덴이 풍부한 철 및/또는 코발트를 가지는 합금으로서 규정되어도 된다.

놀랍게도 실제로는, 중간 재료를 구성하는 합금 중의 몰리브덴의 존재가 확산 용접 작업 중에 탄소의 확산에 의해 중간 재료가 침탄되는 일이 없이 종래기술의 중간 재료에 대하여 중간 재료의 기계적 물성의 개선을 가져다준다는 것이 판명되었다(실시예들, 특히 실시예 4 참조).

중간 재료 중의 몰리브덴의 함유가 확산에 의해 중간 재료를 침탄시키는 일이 없이 중간 재료의 오스테나이트 매트릭스의 경도(hardness)를 증가시킨다는 것은 놀라운 일이다.

실제로, 몰리브덴이 오스테나이트 합금의 보다 미세한 입도(grain size)를 가져다준다는 것이 알려져 있으며, 몰리브덴이 탄화물을 형성한다는 것도 알려져 있다.

따라서, 본 발명자들은 중간 재료를 구성하는 합금에 몰리브덴을 함유함으로써, 중간 재료의 기계적 물성이 몰리브덴을 함유하지 않는 재료에 비하여 역효과를 가질 것이라는 것을 예측하였다. 그러나, 본 발명에 따른 중간 재료에서는 그와는 반대로 관찰되었다.

따라서, 본 발명은 당해 기술분야에서 널리 퍼진 편견에 반대하는 것이며 이러한 편견을 뒤집은 것이다.

또한, 몰리브덴은 본 발명에 따라 사용되는 중간 재료를 특정 함량으로 구성하는 합금 중에 존재한다.

중간 재료를 구성하는 합금의 몰리브덴 함량은, 중간 재료의 기계적 물성이 조립될 2개의 재료 중 약한 재료의 것과 실질적으로 같거나 그보다 우수할 정도로 충분해야 한다. 실제로, Mo의 경화 효과(hardening effect)는 Mo 함량에 의존한다.

결과적으로, 본 발명에 따라 Mo 함량이 2∼25질량%, 바람직하게는 4∼16질량%가 되어야 한다는 것이 결정되었다.

몰리브덴의 경화 효과가 이 바람직한 범위에서 최적이었다는 것이 판명되었다.

실제로, Mo이 2% 미만이면, 몰리브덴으로 인한 경화 효과는 유용되기에 너무 약하다. 바꿔 말하면, 2개의 기본 재료 중 약한 쪽이 실제로 연화되어야 하므로, 2% 미만의 몰리브덴을 함유하는 중간 재료가 2개의 기본 재료 중 약한 쪽보다 강해질 수 있는 조립체의 경우가 있을 수 없다.

Mo이 25% 초과하면, Mo이 부서지기 쉬운 중간 단계를 초래하고, 따라서 중간 재료가 매우 부서지기 쉬운 반면 단단한 채로 있게 된다.

중간 재료는 니켈 및 선택적으로, 조립 온도, 예를 들면 800℃ 이상의 온도에서 면심 입방(faced-centred cubic) 결정구조인 오스테나이트 미세구조를 가지는 코발트 및/또는 철의 매트릭스를 가지는 합금이다.

여기서, 조립 온도는, 확산 용접이 실시되는 온도를 의미하는 것임을 이해하여야 하며, 조립 온도 및 확산 용접 온도 용어는 호환 가능하게 사용된다.

따라서, 이 합금은 불가피적 불순물 외에 질량%로 표현되는 다음의 특정 함량을 가지는 매트릭스의 구성원소인 다음의 원소를 함유한다.

- 니켈(N0) : 5∼90, 바람직하게는 35∼75

- 코발트(Co) : 0∼50, 바람직하게는 0∼20

- 철(Fe) : 0∼93, 바람직하게는 23∼63

따라서, 니켈 원소는, 매트릭스가 원하는 오스테나이트 미세구조를 나타내도록 보장하므로, 니켈이 반드시 존재한다는 것에 주목될 것이다.

Ni 함량은 앞서 규정된 바와 같다. 본 발명에 따라 사용되는 중간 재료의 합금이 800℃ 이상인 조립 또는 확산 용접 온도에서 오스테나이트가 되도록 보장한다.

한편, 코발트 및 철이 존재하는 것이 필수는 아니다.

따라서, 본 발명에 따라 사용되는 중간 재료의 합금은 니켈-코발트 합금 또는 니켈-철 합금 또는 니켈-철-코발트 합금이어도 되며, 이들의 합금은 몰리브덴이 풍부하다.

본 발명에 따른 중간 재료의 합금은 간단히 Ni-Mo 합금이어도 된다.

코발트가 없는 합금은 비용 이유 및 핵 응용분야(nuclear application)에서의 중성자 활성화의 이유 때문에 관심을 끈다.

또한, 중간 재료의 합금은 탄화물 형성 원소 함량이 높고 탄소 함량이 낮은 강 또는 니켈 합금을 실질적으로 침탄시키지 않게 하기 위해 충분히 낮은 탄소 함량을 나타낸다.

따라서, 중간 재료의 합금의 탄소 함량은 0.10질량% 미만, 바람직하게는 0.05질량% 미만이다.

또한, 중간 재료 합금은 고탄소 함량을 갖는 강에 의해 침탄되지 않기 위해 충분히 낮은 크롬(Cr) 함량을 보인다.

그 크롬 함량은 10질량% 미만, 바람직하게는 5% 미만, 더욱 바람직하게는 1%이다.

본 발명에 따른 재료의 합금은 오스테나이트 합금에 일반적으로 사용되는 하나 이상의 합금 원소를 선택적으로 포함한다.

이들의 합금 원소, 그 기능 및 함량은 당해 기술분야의 숙련자에게 알려져 있다.

이들 합금 원소는 합금 제조 중에 특정 불순물의 포집(trapping)에 주로 역할을 하며, 최종 합금의 물성, 특히 기계적 물성에 대체로 영향을 미치지 않는다.

이러한/이들의 합금 원소가 존재하는 경우 그 함량은 그들 각각에 대해 2질량% 미만, 바람직하게는 1질량% 미만, 더욱 바람직하게는 0.5% 미만이다.

유리하게는, 중간 재료 합금은 오스테나이트 합금에 일반적으로 사용되며 합금의 전체 질량에 대하여 질량%로 표현되는 다음의 함량을 가지는 다음의 합금 원소 중에서 하나 이상을 포함한다.

- 망간(Mn) : 2 미만

- 규소(Si) : 1 미만

- 칼슘(Ca) : 0.5 미만, 바람직하게는 0.1 미만

- 알루미늄(Al) : 1 미만, 바람직하게는 0.5 미만

망간은 황을 포집하는 데 사용되며, 규소와 알루미늄은 잔류 산소를 포집하는 데 사용된다.

칼슘은 산소와 황을 포집한다.

바람직한 중간 재료 합금은 합금의 전체 질량에 대하여 질량%로 다음의 원소로 이루어진다.

- 니켈 : 35∼55%, 예를 들면 45.3%

- 코발트 : 0∼18%, 예를 들면 9.97%

- 몰리브덴 : 4∼8%, 예를 들면 5.19%

- 그리고 잔부(殘部)는 철과 불가피적 불순물

일반적으로, 탄소 함량이 높고 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강은 탄소 0.08질량% 초과와 탄화물 형성 원소 15질량% 미만, 바람직하게는 이들 탄화물 형성 원소 중에서 크롬 12% 미만을 포함하여도 되고, 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강 또는 니켈 합금은 탄소 0.08질량% 이하와 탄화물 형성 원소 15질량% 이상을 포함한다.

일반적으로, 탄화물 형성 원소는 원소 주기율표 중 Ti, Zr 및 Hf 등의 IVB족, V, Nb 및 Ta 등의 VB족, 및 Cr, Mo 및 W 등의 VIB족의 원소들로부터 선택되어도 된다.

유리하게는, 탄소 함량이 높고 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강은 엔지니어링강(engineering steel) 등의 탄소강 등급(grade)으로부터, 또는 압력 기기(pressure equipment)용 강 또는 공구강 등의 낮은 합금강 등급으로부터 선택되어도 된다.

유리하게는, 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강 또는 니켈은 300계열 오스테나이트 스테인레스강 및 합금 800 등의 스테인레스강으로부터 또는 Inconel^®, Haynes^®, 또는 Hastelloy^® 타입 합금으로부터 선택되어도 된다.

유리하게는, 조립될 부품들 중 적어도 하나는 분말 형태로 되어도 된다.

즉, 탄소 함량이 높고 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강과 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강 또는 니켈 합금 중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두는 고체 형태 또는 분말 형태를 취할 수도 있다.

중간 재료는 예를 들면 0.1∼0.3mm 두께의 시트(sheet) 또는 판(plate)의 형태, 또는 예를 들면 0.3∼10mm, 바람직하게는 1∼5mm, 더욱 바람직하게는 1∼3mm, 가장 바람직하게는 1∼2mm 두께의 분말 형태, 바람직하게는 분말층의 형태로 피조립면들 사이에 배치되어도 된다. 또는, 중간 재료는 예를 들면 0.1∼3mm 두께를 가지는 피막의 형태로 피조립면들 중 적어도 하나의 피조립면 상에 증착된다.

이 경우에, 중간 재료는 분말의 열분사 코팅(thermal spray coating), 와이어 용융(wire melting), 화학 또는 전해질 증착 및 진공 증착으로부터 선택된 공정에 의해 증착되어도 된다.

확산 용접은 열간등방압 가압성형(hot isostatic pressing; HIP) 또는 일축 가압성형(uniaxial pressing)에 의해 실시되어도 된다.

재료들 중 하나 이상이 분말 형태로 존재하는 경우, 그 분말의 압축은 확산 용접 중에 실시된다.

유리하게는, 얻어진 조립체는 하나 이상의 열처리를 더 받게 하여도 된다.

이러한(이들의) 열처리는 가열(어닐링) 처리, 담금질(quenching) 및 템퍼링(tempering) 처리로부터 선택되어도 된다.

또한, 본 발명은 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어지는 조립체에 관한 것이다.

이 조립체는 본질적으로, 앞서 이미 열거한, 특히 특정의 중간 재료의 조립 방법에 관련된 이점 모두를 고유 방식으로 갖는다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부한 도면을 참조하여 단지 예시 목적을 위해 제시되어 있고 제한되지 않는 다음의 설명으로부터 더 명확히 드러날 것이다.

- 도 1은 16MND5 저합금강(오른쪽)과 316LN 오스테나이트 스테인레스강(왼쪽) 사이의 확산 용접 접합부의 미세구조를 나타내는, 광학현미경으로 찍은 현미경사진이다. 계면은 흰색 화살표로 표시되어 있고 탄화물은 흑색 화살표로 표시되어 있다. 도 1에 나타낸 스케일은 100㎛를 나타내고 있다.
- 도 2는 도 1의 조립체에 있어서 계면을 가로지르는 탄소 농도의 변화를 나타내는 그래프이다.
가로 좌표는 계면으로부터의 거리를 ㎛로 나타낸 것이고 세로 좌표는 경도 H_V0.1를 나타낸 것이다. 계면은 가로 좌표에서 영(zero)이다.
- 도 3은 실시예 1에서 열간등방압 가압성형을 이용하여 확산 용접에 의해 얻어진 IN690 니켈 합금강(하부)과 16MND5 강(상부)으로 이루어진 조립체에 인장 시험을 실시한 후에 IN690 니켈 합금의 침탄 영역에서의 IN690 니켈 합금에 대한 손상을 나타내는, 광학현미경을 이용하여 찍은 현미경사진이다.
도 3에 나타낸 스케일은 25㎛를 나타내고 있다.
- 도 4a 및 도 4b는 1100℃, 1200bar에서 4시간 동안 열간등방압 가압성형을 이용하여 확산 용접에 의해 실시예 4에서 얻어진 316L/FeNiCoMo/18MND5 조립체의 경우에 있어서 316L/FeNiCoMo 계면(도 4a)과 FeNiCoMo/18MND5 계면(도 4b)의 미세구조를 나타내는, 광학현미경을 이용하여 찍은 현미경사진이다.
도 4a 및 도 4b에 나타낸 스케일은 50㎛를 나타내고 있다.

특정 실시형태의 상세한 설명

따라서, 본 발명의 방법은 탄소 함량이 높고 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강재 부품과 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강재 또는 니켈 합금재 부품을 확산 용접에 의해 접합하는 공정을 포함한다.

분명히, 편의상, 두 부품의 조립의 경우에 대하여 설명하지만 조립될 부품의 개수는 2보다 커도 되고, 따라서 다수의 부품이 동시에 조립될 수도 있다.

"부품"은 일반적으로, 큰 치수의 구조에 있어서 예를 들면, 하나 이상의 피스(piece)와 동시에 또는 개별적으로 조립한 후에 포함되는 임의의 형상의 임의의 요소 또는 독립체(entity)를 의미하는 것으로 이해된다.

본 발명에 따른 방법에 의해 조립되는 부품들의 기하학적 구조, 형상 및 크기에 대하여는 한정되지 않는다. 특히, 본 발명에 따른 방법은 복잡하고 난해한 기하학적 구조를 가지는, 특히 복잡하고 난해한 형상의 계면인 피조립면을 가지는 부품과 함께 사용되어도 된다.

탄소 함량이 높고 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강과 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강 또는 니켈 합금뿐만 아니라 중간 재료에 대하여는 앞서 상세히 설명하였다.

본 발명에 따른 방법은 일반적으로 확산 용접 방법에 사용되는 통상의 단계를 포함한다.

그래서, 본 발명에 따른 방법은 다음과 같은 단계를 포함하여도 된다.

- 조립될 부품들의 표면과 선택적으로 중간 재료를 세정하는 단계;

- 조립될 부품들과 중간 재료를 제 위치, 예를 들면 컨테이너(container) 내에 설치하는 단계(부품들과 중간 재료가 함께 적층된다고 말할 수 있다);

- 확산 용접을 실시하기 위해 부품들과 중간 재료를 동시에 가열 및 압축 사이클(compression cycle)로 처리하는 단계;

이 가열 및 압축 사이클은 열간등방압 프레스를 이용하여 열간등방압 가압성형(압축)에 의해 또는 로(爐)가 구비된 열간 일축 압축 가압성형 시스템(hot uniaxial compression pressing system)을 이용하여 열간 일축 압축에 의해 실시되어도 된다;

- 얻어진 조립체를 냉각한다;

- 조립체를 빼낸다. 예를 들면, 선택적인 컨테이너(optional container)를 개방한다;

- 특히 재료의 초기 물성을 회복시키기 위해 선택적으로 얻어진 조립체에 하나 이상의 열처리 작업을 실시한다.

이와 같이, 본 발명에 따른 방법은 무엇보다 먼저 조립될 부품들의 2개의 면을 세정하는 단계를 포함한다. 이러한 세정은 특히, 확산을 방해할 것 같은 불순물을 제거한다.

이는 당해 분야의 숙련자에게 알려진 기술에 따라 실시되며 중간 재료가 시트, 패널 또는 피막의 형태로 이루어져 있는 경우에 그 중간 재료를 포함하여 조립될 부품 모두에 관련된다. 중간 재료가 분말 형태로 이루어져 있는 경우에, 이 세정은 적절한 저장 조건(storage condition)에 의해 보장된다.

세정은 예를 들면 문헌 FR-A1-2 758 752 또는 문헌 FR-A1-2 779 983에 기재된 기술을 참조하여 실시되어도 되며 본 발명에 따른 방법에서 사용되는 조립될 부품들과 중간 재료의 특정의 특징에 상기한 문헌들의 기술을 선택적으로 적용함으로써 실시되어도 된다.

다음의 단계는 조립될 부품들과 중간 재료를 예를 들면 슬리브(sleeve) 또는 엔벨로프(envelope)로서 알려지기도 한 컨테이너 내에 배치하거나 위치시킨다.

중간 재료를 조립될 부품들의 피조립면들 사이에 배치한 채로, 원하는 적층(stacking)에 따라 그 부품들과 중간 재료를 제 위치에 위치시키거나 배치한다고 말할 수 있다.

중간 재료가 피막(coating)의 형태로 이루어져 있는 경우, 피막은 조립될 부품들 중 어떠한 부품의 표면 또는 조립될 2 부품의 표면 상에 형성되고 피막이 각각 형성되는 영역은 조립될 부품들 중 하나의 피조립면 또는 조립될 부품들의 피조립면을 적어도 포함한다.

중간 재료 충전제(filler)를 조립될 부품들의 피조립면들 중 적어도 하나의 피조립면 상에 바람직하게는 열분사 기술에 의해 피막의 형태로 함으로써, 복잡하고 난해한 형상 및 기하학적 구조의 계면을 가지는 부품들을 조립하는 것이 가능한 반면, 시트 패널을 난해한 기하학적 구조로 형상화하는 것은 곤란하고 비용이 많이 든다.

중간 재료가 분말 형태로 이루어져 있는 경우에는, 이 중간 재료를 조립될 부품들 중 하나의 부품의 표면 상의 층에 배치하고 이어서 조립될 두번째 부품을 분말 상에 배치하여도 된다. 대안적으로는, 조립될 부품들 사이에 하우징(housing)을 형성하고 이어서 이 하우징에 오리피스(orifice)를 통해 분말을 채워 넣는다.

조립될 부품들 중 하나의 부품이 분말 형태로 이루어져 있는 반면 다른 부품이 고체 형태(하나의 고체 부품)로 이루어져 있는 경우에는, 조립될 부품들과 중간 재료의 배치는 중간 재료를 이용하여 분말 형태의 부품과 고체 형태의 부품을 분리하여 적층하는 단계로 이루어진다. 예를 들면, 분말 형태의 부품을 중간 재료로 피복된 컨테이너 내에 배치하고, 이어서 부피가 큰 고체 형태의 부품(일체형(one piece))을 맨 위에 배치한다.

조립될 두 부품이 분말 형태로 이루어져 있는 경우, 중간 재료는 일반적으로 시트 또는 패널 형태로 이루어져 있어 컨테이너 내에 배치된 분말 형태의 두 부품을 분리시킨다.

부품들과 중간 재료를 제 위치에 배치하거나 적층하고, 이어서 앞서 설명한 바와 같이 선택적으로 분말의 압축에 의해 수반되는 확산 용접을 실시하기 위해 가열 및 압축 사이클을 동시에 받도록 한다.

본 발명에 따르면, 확산 용접은 조립체와 강한 결합체를 형성하기 위해 충분히 장기간 동안 충분히 높은 압력과 온도에서의 처리를 통하여 분명히 달성된다.

이 온도는 일반적으로 800℃∼1200℃, 바람직하게는 950℃∼1150℃, 예를 들면 1100℃이며, 이 압력은 일반적으로 5∼200MPa, 바람직하게는 50∼150MPa, 예를 들면 100MPa이다.

이 온도와 이 압력이 유지되어야 하는 기간은 일반적으로 0.5∼10시간, 바람직하게는 1∼5시간, 예를 들면 약 4시간이다.

가열 및 압축 사이클은 서로 다른 시간 동안 서로 다른 온도와 압력에서 실시되는 수 개의 단계로 구성되어도 된다.

확산 용접은 예를 들면 열간 일축 가압성형(열간 일축 압축) 또는 열간등방압 가압성형(HIP)에 의해 실시되어도 되는데, 이 후자의 기술이 바람직하다.

실제로, 열간등방압 가압성형은 예를 들면 수십 톤까지의 무게를 갖는, 복잡한 형상과 큰 크기의 부품을 조립하게 할 수 있다. 본 발명에 따르면, 확산 용접이 열간등방압 가압성형에 의해 실시될 때에, 제 위치에 배치된 부품들과 중간 재료를 엔벨로프, 슬리브 또는 컨테이너 내에 도입함으로써, 조립될 부품들이 주위환경(atmosphere)으로부터 격리되게 할 수 있고 엔벨로프는 진공(vacuum) 환경에 놓여져서 그 내부에서 확산 용접에 의해 부품들을 조립한다.

분명히, 부품들과 중간 재료를 제 위치에 설치하는 단계는 엔벨로프 내부에 직접 실시되어도 된다.

이 엔벨로프는 일반적으로 보일러 제조 기술을 이용하여, 당해 분야의 숙련자에게 알려진 통상의 방식으로 만들어진다.

일단 엔벨로프가 제조되면, 그 엔벨로프는 당해 분야의 숙련자에게 알려진 기술을 이용하여 탈기(degassing) 및 밀봉 처리된다.

이어서, 탈기 처리된 엔벨로프 내에 배치된 부품들과 중간 재료는 확산 용접에 의해 조립될 수 있다.

가열 및 압축 사이클은 일반적으로 다음의 과정을 연속하여 포함한다:

- 일반적으로 주위 온도와 압력으로부터 확산 용접이 실시되는 앞서 규정한 온도 및 압력까지 온도 및 압력의 증가;

- 확산 용접이 앞서 규정한 기간에 걸쳐 실시되는 상기 압력 및 상기 온도에서의 안정 상태 유지(plateau);

- 일반적으로 주위 온도 및 압력까지의 온도 및 압력의 감소

일례로서, 다음의 HIP 사이클이 실시될 수 있다:

- 3시간 내에 1050℃ 및 1200bar(120MPa)까지 상승

- 2시간 동안 1050℃ 및 1200bar(120MPa)로 유지

- 4시간 내에 20℃ 및 30bar(3MPa)까지 감소

마지막으로, HIP를 이용하여 확산 용접 단계를 실시한 후에, 탄소 함량이 높고 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강재 부품과 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강재 또는 니켈 합금재 부품을 조립하여 얻어지는 것으로서, 중간 재료로 이루어진 접합부를 포함하는 제품에 대하여는 대체로, 예를 들면 기계가공에 의해 슬리브 해체(de-sleeving) 또는 엔벨로프의 개방을 위한 작업이 실시된다.

본 발명에 따르면, 조립은 열간 일축 가압성형(열간 일축 압축)에 의해서도 이루어질 수 있다.

조립될 부품들과 중간 재료는 가열 시스템 및 진공챔버, 엔클로저(enclosure)가 구비된 프레스에 배치되어도 된다.

이어서, 상기 엔클로저 내에 약 10^-1∼10^-3Pa 정도의 진공이 형성될 수 있다.

열간 일축 가압성형은 약 1∼100MPa, 예를 들면 약 5∼30MPa의 압력을 인가하여 실시되어도 된다.

가열 사이클은 일반적으로 다음의 과정을 연속하여 포함한다:

- 일반적으로 주위 온도로부터 확산 용접이 실시되는 온도까지의 온도의 증가;

- 확산 용접을 실시하기 위해 충분한 기간 동안 상기 온도에서의 안정상태 유지;

- 일반적으로 주위 온도까지의 온도의 감소

이 사이클을 위한 온도 및 시간은 예를 들면 열간 등방압 압축을 위해 설명한 온도 및 시간과 동일하여도 된다.

이어서, 얻어진 조립체를 프레스로부터 빼내어 내려놓는다.

본 발명에 따르면, 얻어진 조립체는 하나 이상의 열처리를 더 받게 하여도 된다.

선태적인 열처리 단계는 슬리브 해체 전 후에 실시되어도 된다. 이들 열처리 작업의 목적은 일반적으로, 조립된 부품들의 재료의 물성 및 미세구조를 회복시키는 데 있다. 그래서, 조립체에 대하여는 일반적으로 조립체의 구성 재료를 위해 권장되는 열처리 작업으로부터 선택된 하나 이상의 열처리 작업이 실시되어도 된다.

따라서, 탄소 함량이 높은 강에 대한 오스테나이트화(austenitisation), 담금질(hardening) 및 템퍼링(tempering) 열처리 작업과 탄소 함량이 낮은 강 또는 니켈 합금에 대한 하이퍼 템퍼링(hyper-tempering) 작업 간에 어떠한 절충이 규정되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 조립체는 형성되는 조립체에 손상을 주지 않는 담금질 및 템퍼링 처리 작업을 위해 충분한 강도를 가진다.

본 발명에 따른 방법에 의해 제조되는 부품들의 조립체는 가압수 반응기(Pressurised Water Reactor; PWR)의 "스테인레스강 스미어링(smearing), 버터링(buttering)"의 교체(replacement)에 특히 적용된다.

본 발명에 따른 조립체의 다른 적용분야는 탄소강 타입의 구조 재료 및 스테인레스강 타입의 표면 재료가 관련되는 내식성(anti-corrosion) 적용분야이다.

이하, 다음의 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명하지만, 이는 예시적인 것이며 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1(비교)

1050℃와 압력 1000bar에서 1시간 동안 열간등방압 압축을 이용하여, 직경이 100mm이고 두께가 50mm이며 각각 16MND5 강(Fe-0.165%C-1.30%Mn-0.74%Ni-0.18%Cr-0.48%Mo)과 IN690 니켈 합금(Ni-0.021%C-10.1%Fe-29.2%Cr-0.2%Ti-0.13%Al)으로 이루어진 2개의 디스크(disk)을 확산 용접하였다.

확산 용접 후에, 조립체를 30분 동안 900℃까지 가열하고, 오일통 속에서 담금질하고 이어서 16MND5 강의 미세구조와 물성을 회복하기 위해 640℃에서 5시간 동안 템퍼링을 하였다.

금속조직 분석(metallurgical analysis)을 위해 인장 및 충격 강도 시험편과 금속조직 시료(metallurgical sample)를 조립체로부터 취출하였다.

광학현미경에 의해 계면을 관찰하였다.

인장 시험편은, 원통형이고 직경이 4mm이고 유용한 길이 25mm인 샤프트를 갖는다.

충격 강도 시험편은, 사각단면이 10mmㅧ10mm이고 길이가 55mm인 바(bar)이다.

U자형 노치가 계면에 위치된 상태에서, 2010년 10월의 표준 EN ISO 148-1에 따라 충격 저항 시험을 실시하였다.

충격 저항 및 인장 시험의 결과를 이하의 표1에 나타냈다.

예상한 바와 같이, 니켈 합금의 침탄이 있었다.

20℃ 및 300℃에서의 장력(tension)상태에서 파손(failure)이 접합 영역(계면에서 혼합 방식 및 니켈 합금의 침탄 영역)의 첫번째 경우이든지 또는 니켈 합금에 있어서 계면과 떨어져 있는 두번째 경우 및 그보다 나은 경우이든지 어느 쪽에서 발생하였다.

두번째 경우에 있어서, 시험 후에 현미경 관찰을 하였던 바, 파단이 침탄 영역에서 떨어져 최종적으로 발생되었더라도 니켈 합금이 이 침탄 영역에서 손상되었음을 보였다(도 3).

얻어진 충격 강도값은 수 주울(a few joules)의 정도, 바람직하게는 2∼6J로 매우 낮았다. 따라서, 이 조립체는 부서지기 쉽다.

실시예 2(비교)

확산 용접하기 전에 두께 30㎛의 니켈 스트립을 강과 니켈 합금으로 이루어진 2개의 디스크 사이에 배치한 것만 다를 뿐, 동일한 재료, 확산 용접을 위한 동일한 조건 및 확산 용접 후에 동일한 처리를 사용하여 동일한 부품에 대하여 실시예 1을 반복하였다.

확산 용접 후에, 금속조직 분석을 하였던 바, 니켈은 탄소의 확산에 대한 장벽으로서 실제 작용하였음을 보였다.

그러나, 조립체는 담금질 중에 자연스럽게 갈라져서, 그 취성이 입증되었음이 관찰되었다. 따라서, 중간 재료로서의 니켈의 사용은 좋은 해결책이 아니다.

실시예 3(비교)

1100℃와 압력 1000bar에서 1시간 동안 열간등방압 압축을 이용하여, 직경이 100mm이고 두께가 50mm이며 각각 16MND5 강(Fe-0.165%C-1.30%Mn-0.74%Ni-0.18%Cr-0.48%Mo)과 316LN 오스테나이트 스테인레스강(Fe-0.022%C-17.5%Cr-12.16%Ni-1.73%Mn-2.40%Mo)으로 이루어진 2개의 디스크를 확산 용접하였다.

확산 용접 전에, 2개의 재료 사이에 두께 1mm인 철-니켈(Fe-42%Ni) 중간재료의 시트를 배치하였다.

확산 용접 후에, 조립체를 30분 동안 900℃까지 가열하고, 오일통 속에서 담금질하고 이어서 18MND5 강의 미세구조와 물성을 회복하기 위해 640℃에서 5시간 동안 템퍼링을 하였다.

인장 및 충격 강도 시험편과 금속조직 시료를 조립체로부터 취출하였다.

광학현미경을 이용하여 계면을 관찰하였다.

U자형 노치가 중간 재료의 중간 두께 지점(mid-thickness point)에 위치된 상태에서, 2010년 10월의 표준 EN ISO 148-1에 따라 충격 저항 시험을 실시하였다.

충격 저항 및 인장 시험의 결과를 이하의 표1에 나타냈다.

실시예 2에서처럼, 금속조직 분석을 하였던 바, 철-니켈 스트립은 탄소의 확산에 대한 장벽으로서 실제 작용하였음을 보였다.

장력 상태에서 파손(failure)이 중간 재료에서든지 또는 철-니켈/316N 계면에서든지 어느 쪽에서 발생하였다.

충격 강도 시험에 있어서, 충격 에너지는 40+/-3J이었고, 이 값은 조립체의 기본 재료의 것보다 상당히 적었다.

파손은 중간 재료에서 근본적으로 발생하였고, 따라서 조립체에서 취약점(weak point)을 구성하였다.

실시예 4(본 발명에 의함)

1100℃와 압력 1200bar에서 4시간 동안 열간등방압 압축을 이용하여, 직경이 100mm이고 두께가 50mm이며 각각 18MND5 강(Fe-0.18%C-1.51%Mn-0.22%Si-0.66%Ni-0.19%Cr-0.52%Mo)과 316LN 강(Fe-0.013%C-1.83%Mn-0.23%Si-10.24%Ni-16.89%Cr-2.04%Mo)으로 이루어진 2개의 디스크를 확산 용접하였다.

본 발명에 따라, 이들 2개의 디스크 사이에 배치된 것은, 두께가 1mm이고 본발명에 따른 중간 재료인 FeNiCoMo 합금(Fe-45.3%Ni-9.97%Co-5.19%Mo)이다.

확산 용접 후에, 조립체를 900℃까지 가열하고, 기류(stream of air)에서 담금질하고 이어서 650℃에서 5시간 동안 템퍼링을 하였다.

인장 및 충격 강도(회복탄력성) 시험편과 금속조직 시료를 조립체로부터 취출하였다.

광학현미경을 이용하여 계면을 관찰하였다.

충격 강도(회복탄력성) 시험편은, 사각단면이 10mmㅧ10mm이고 길이가 55mm인 바(bar)이다.

V자형 노치가 중간 재료의 중간 두께 지점에 위치된 상태에서, 2010년 10월의 표준 EN ISO 148-1에 따라 충격 강도(회복탄력성) 시험을 실시하였다.

충격 강도 및 인장 시험의 결과를 이하의 표1에 나타냈다.

도 4는 316L 강의 침탄(4a) 또는 18MND5의 침탄(4b)이 존재하지 않다는 것을 보인 것이다. 몰리브덴의 탄화물 형성 특성에도 불구하고, FeNiCoMo 재료의 침탄이 존재하지 않는다.

주위 온도에서 인장 시험 중에, 계면에서든지 또는 중간재료에서든지 316L에서든지 어느 쪽에도 파괴, 파단(rapture)이 관찰되지 않았다.

본 발명에 따른 FeNiCoMo 중간 재료, 즉 168J의 중간 두께 지점에 노치가 위치될 때에 얻어진 충격 강도는 조립체의 2개의 구성 재료의 각각에 대해 얻어진 것보다 여전히 낮지만 실시예 1 및 3에 비하여 대폭 향상되었다. 또한, 파괴, 파단은 316L 스테인레스강에서 일부분 발생되었지만, 시험 구성(test configuration)은 계면 또는 FeNiCoMo 중간 재료에서 파괴, 파단을 유리하게 하였다.

표 1에 보여진 기계적 시험의 결과는 FeNiCoMo로 이루어진 중간 재료를 사용하면 탄소의 확산에 의한 재료들의 취성(embrittlement)를 없앨 뿐만 아니라 종래기술을 대표하는 중간 재료보다 더 큰 강도를 갖는 조립체를 얻을 수 있음을 명확히 나타내고 있다.

실시예들의 비교는, 본 발명에 의해 제공된 개선이 근본적으로 중간 재료에 Mo의 첨가에 기인한다는 것을 나타낸다.

이러한 첨가는 계면 또는 조립될 재료들에 악영향을 끼치는 일 없이 중간 재료를 강화시킨다.

참조문헌

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Claims

탄소 함량이 높고 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강재 부품과 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강재 또는 니켈 합금재 부품을 확산 용접에 의해 접합하는 방법으로서, 상기 부품들의 각각은 피접합면을 포함하고, 상기 방법은 피접합면들 사이에 중간 재료를 배치하고, 이어서 확산 용접을 실시하여 상기 두 부품을 접합하고, 얻어진 조립체를 냉각하는 방법에 있어서,
상기 중간 재료는, 니켈 및 선택적으로 철 및/또는 코발트로 이루어지는 매트릭스를 가지고 확산 용접 온도에서 오스테나이트 미세구조를 가지는 합금이며, 불가피적 불순물 외에, 함량이 합금의 전체 질량(mass)에 대하여 질량%로 표시되는 하기의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 니켈(Ni) : 5∼90, 바람직하게는 35∼75;
- 코발트(Co) : 0∼50, 바람직하게는 0∼20;
- 철(Fe) : 0∼93, 바람직하게는 23∼63;
- 몰리브덴 : 2∼25, 바람직하게는 4∼16;
- 탄소 : 0.10 미만, 바람직하게는 0.05 미만;
- 크롬 : 10 미만, 바람직하게는 5 미만, 더욱 바람직하게는 1 미만;
- 오스테나이트 합금에 일반적으로 사용되는 합금 원소들로서, 그 각각이 2 미만, 바람직하게는 1 미만, 더욱 바람직하게는 0.5 미만
제1항에 있어서,
상기 중간 재료 합금은, 오스테나이트 합금에 일반적으로 사용되며 합금의 전체 질량에 대하여 질량%로 표현되는 다음의 함량을 가지는 다음의 합금 원소 중에서 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 망간(Mn) : 2 미만;
- 규소(Si) : 1 미만;
- 칼슘(Ca) : 0.5 미만, 바람직하게는 0.1 미만;
- 알루미늄(Al) : 1 미만, 바람직하게는 0.5 미만
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 중간 재료의 합금은 합금의 전체 질량에 대하여 질량%로 다음의 원소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 니켈 : 35∼55, 예를 들면 45.3;
- 코발트 : 0∼18, 예를 들면 9.97;
- 몰리브덴 : 4∼8, 예를 들면 5.19;
- 그리고 잔부(殘部)는 철과 불가피적 불순물
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간 재료는, 예를 들면 0.1∼0.3mm 두께의 시트(sheet) 또는 판(plate)의 형태, 또는 예를 들면 0.3∼10mm, 바람직하게는 1∼5mm 두께의 분말 형태, 바람직하게는 분말층의 형태로 상기 피조립면들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간 재료는, 예를 들면 0.1∼3mm 두께를 가지는 피막의 형태로 상기 피조립면들 중 적어도 하나의 피조립면 상에 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
제5항에 있어서,
상기 중간 재료는, 분말의 열분사 코팅(thermal spray coating), 와이어 용융(wire melting), 화학 또는 전해질 증착 및 진공 증착으로부터 선택된 공정에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
탄소 함량이 높고 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강은 탄소 0.08질량% 초과, 탄화물 형성 원소 15질량% 미만을 포함하며, 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강 또는 니켈 합금은 탄소 0.08% 이하, 탄화물 형성 원소 15질량% 이상을 포함화는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄화물 형성 원소는, 원소 주기율표 중 IVB족, VB족 및 VIB족의 원소들로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
탄소 함량이 높고 탄화물 형성 원소 함량이 낮은 강은, 엔지니어링강(engineering steel) 등의 탄소강 등급(grade)으로부터, 또는 압력 기기(pressure equipment)용 강 또는 공구강 등의 낮은 합금강 등급으로부터 선택되고; 탄소 함량이 낮고 탄화물 형성 원소 함량이 높은 강 또는 니켈은 300계열 오스테나이트 스테인레스강 및 합금 800 등의 스테인레스강으로부터 또는 니켈 합금으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조립될 두 부품 중 적어도 하나가 분말 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 확산 용접은 열간등방압 가압성형(Hot Isostatic Pressing; HIP)에 의해 실시되는 것을 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 확산 용접은 일축 압축(uniaxial compression)에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
얻어진 조립체는 하나 이상의 열처리를 더 받게 되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 얻어지는 조립체.