KR20170087856A - 저질소 금속 크롬 및 크롬-함유 합금의 제조 방법 및 수득된 생성물 - Google Patents
저질소 금속 크롬 및 크롬-함유 합금의 제조 방법 및 수득된 생성물 Download PDFInfo
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Abstract
금속열 반응 동안 주변 대기 중의 질소가 용융물 내로 운반되는 것과 금속 크롬 또는 크롬-함유 합금에 의해 흡수되는 것을 방지하는, 저질소 금속 크롬 또는 크롬-함유 합금의 제조 방법은 진공 용기 내에 함유된 금속 화합물 및 금속 환원 분말을 포함하는 테르밋 혼합물을 진공-탈기하는 단계와, 용기 내에서 감압 하에, 즉, 1bar 미만에서 테르밋 혼합물을 점화하여 금속 화합물의 환원을 야기하는 단계와, 상기 용기 내에서 감압 하에 고체화 및 냉각을 포함한 전체 환원 반응을 수행하여 질소 함량이 10ppm 미만인 최종 생성물을 제조하는 단계를 포함한다. 수득된 최종 생성물은 저질소 금속 크롬 이외에 다른 원소와의 조합물로서 질소의 최종 함량이 10ppm 미만인 초합금, 스테인리스 강 및 다른 특수 강의 제작에서 원료로서 사용될 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 교차 참조로서, 본 출원은 2014년 11월 5일자로 출원된 미국 가특허출원 제14/533,741호의 유익을 주장하며, 이의 내용은 그 전문이 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명은 금속 크롬 및 이의 합금을 제조하는 금속열 방법(metallothermic process)에 관한 것이다. 더 상세하게는 본 발명은 저질소 금속 크롬 및 크롬-함유 합금을 제조하는 금속열 방법 및 상기 방법으로 수득된 생성물에 관한 것이다.
항공기 엔진에서 회전 금속 부품의 수명은 전형적으로 피로 균열에 의해 결정된다. 이러한 공정에서, 균열은 금속 내의 특정한 핵생성 부위에서 개시되고, 금속 특성 및 구성요소가 받는 응력과 관련된 속도로 전파된다. 결국, 이는 부품이 이의 사용기한 동안 견디는 사이클의 수를 제한한다.
초합금을 위해 개발된 클린 용융 제조 기술은 오늘날 피로 균열이 구조적 특징, 예를 들면, 탄화물 및 질화물과 같은 일차 침전물의 결정 입계 또는 클러스터에 주로 기원하는 범위까지 이러한 합금 중의 산화물 함유물의 실질적인 제거를 야기하였다.
합금 718(합금 718 사양(AMS 5662 및 API 6A 718) 참고)의 고체화 동안 형성된 일차 질화물 입자(이는 항공기 엔진 회전 부품의 제조와 오일 및 가스 시추 및 생산 장비에 이용되는 주요 합금 중 하나이다)는 순수한 TiN(티타늄 질화물)이고, 일차 Nb-TiC(니오븀-티타늄 탄화물)의 침전은 TiN 입자의 표면상에서 불균일한 핵생성에 의해 발생하며 이로써 침전물 입자 크기를 증가시키는 것이 발견되었다. 입자 크기는 두 가지 수단에 의해, 즉 탄소 함량을 가능한 한 많이 낮추거나 질소 함량을 낮춤으로써 감소될 수 있다.
스테인리스 강, 기타 특수 강, 그리고 초합금에 대한 다수의 상업적 사양은 대개 사용 온도에서 결정 입계 미끄럼(grain boundary slipping)을 방지하기 위하여 최소의 탄소 함량을 확립한다. 그 결과, 조성적으로 입자 크기를 감소시키는 유일한 실행 수단은 물질 중의 질소 함량을 가능한 한 광범위하게 감소시키는 것이다. 이 같이, 질화물이 처음에 침전된다는 점을 고려하면, 질소 제거는 탄소 제거의 중요성을 대체한다.
금속 또는 금속 합금의 환원 후에 질소 및/또는 질소-함유 침전물을 제거하는 것은 극도로 어렵고 값비싼 작업으로 알려져 있다. 따라서, 질소는 바람직하게는 환원 공정 전 또는 그 동안에 제거되어야 한다.
전자 빔 용융법(electron beam melting)이라고 지칭되는 저질소 합금의 잘 알려진 제조 방법이 존재하지만, 이는 금속열 환원 공정(metallothermic reduction process)과 비교하여 매우 비싸며 극도로 느리고, 따라서 상업적 관점에서는 비현실적이다. 또한, 공지된 알루미노써믹 환원 공정(aluminothermic reduction process: 미국특허 제4,331,475호 참조)이 있는데, 이는 본 발명의 실시형태와 반대로 연속적인 감압 하에 수행되는 것이 아니고 기껏해야 크롬 마스터 합금에서 18 ppm의 감소된 질소 함량을 초래하며, 이것으로는 합금 718 제조에 사용할 때 이의 질소 함량이 티타늄 질화물 침전물의 용해도 한계 미만인 합금 718을 보장할 수 없다.
항공기 및 오일 및 가스 산업을 수년간 괴롭힌 전술한 문제들을 극복하기 위하여, 본 발명은 금속열 반응 동안 주변 대기 중의 질소가 용융물 내로 운반되는 것과 금속 크롬 또는 크롬-함유 합금에 의해 흡수되는 것을 방지하는 저질소 금속 크롬 또는 크롬-함유 합금의 제조 방법을 제공한다. 이를 위해, 본 발명의 방법은 (i) 진공 용기 내에 함유된 금속 화합물 및 금속 환원 분말을 포함하는 테르밋 혼합물을 진공-탈기하는 단계, (ii) 용기 내에서 감압 하에, 즉, 1bar 미만에서 테르밋 혼합물을 점화하여 금속 화합물의 환원을 야기하는 단계, 및 (iii) 상기 용기 내에서 감압 하에 고체화 및 냉각을 포함한 전체 환원 반응을 수행하여 질소 함량이 10ppm 미만인 최종 생성물을 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 방법의 제1양상에 있어서, 진공 용기는 내화물로 라이닝된 세라믹 또는 금속성 컨테이너일 수 있다.
본 발명에 의한 방법의 제2양상에 있어서, 진공 용기는 진공 밀폐된 수냉각 챔버, 바람직하게는 금속성 챔버 내부에 위치한다.
본 발명에 의한 방법의 제3양상에 있어서, 진공 용기 내의 압력은 점화 전에 약 1mbar 미만의 압력으로 감소된다. 그리고 그 다음, 압력은 용기 내에서 비질소 기체의 도입을 통해 약 200mbar까지 상승되어 테르밋 반응 동안 형성된 부산물의 제거를 촉진할 수 있다.
본 발명에 의한 방법의 제4양상에 있어서, 수득된 반응 생성물은 1bar 미만의 압력하에 고체화된다.
본 발명에 의한 방법의 제5양상에 있어서, 수득된 반응 생성물은 1bar 미만의 압력하에 대략 주위 온도로 냉각된다.
본 발명은 또한 질소 함량이 10ppm 미만인 금속 크롬 또는 크롬-함유 합금을 제공한다.
질소 함량이 10ppm 미만인 저질소 금속 크롬 및 크롬-함유 합금은 전술한 본 발명에 의한 방법의 사용을 통해 수득된다.
본 발명의 실시형태는 금속 산화물 또는 다른 금속 화합물과 금속 환원 분말의 테르밋(thermite) 혼합물을 진공 탈기하고, 상기 혼합물의 산화물 또는 화합물을 감압하에 저질소 대기에서 환원시킴으로써, 제조된 중량 중의 10ppm 이하의 질소를 갖는 금속 생성물을 수득하는 것을 포함하는, 저질소 금속 크롬 또는 저질소 크롬-함유 합금의 제조 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 테르밋 혼합물은,
a) 크롬 산화물 또는 다른 크롬 화합물, 예를 들면, 환원되어 금속 크롬 및 저질소 크롬-함유 합금을 생성할 수 있는 크롬산 등;
b) 적어도 하나의 환원제, 예를 들면, 바람직하게는 분말 형태인, 알루미늄, 규소, 마그네슘 등;
c) 금속과 슬래그의 양호한 융합 및 분리를 보장하도록 용융물 내에 충분히 높은 온도를 제공하는 적어도 하나의 에너지 부스터(energy booster), 예를 들면, 염, 예컨대 NaClO3, KClO4, KClO3 등, 및/또는 과산화물, 예를 들면, CaO2 등을 포함한다.
본 발명의 실시형태의 방법은 임의로 크롬 산화물 또는 다른 크롬 화합물, 예를 들면 금속을 생성하는 크롬산 등의 금속열 환원이나, 또는 다른 원소, 예를 들면 니켈, 철, 코발트, 붕소, 탄소, 규소, 알루미늄, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈룸, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 구리 및 이의 혼합물을 이의 금속 형태 또는 금속열 환원이 가능한 이의 화합물로서 함께 크롬 산화물 또는 다른 크롬 화합물을 환원하는 것을 포함한다.
바람직하게는, 위의 제안된 혼합물의 환원제는 알루미늄, 마그네슘, 규소 등일 수 있고; 바람직하게는, 알루미늄이 분말 형태로 사용된다.
상기 테르밋 반응은 혼합물을 세라믹 또는 금속성 진공 용기에 충전함으로써(바람직하게는 내화물로 라이닝되어) 수행된다. 상기 용기는 진공 시스템에 연결된 진공 밀폐된 수냉각 챔버, 바람직하게는 금속성 챔버 내에 위치한다. 상기 진공 시스템은 이 시스템이 바람직하게는 1mbar 미만의 압력에 도달할 때까지 상기 용기 내에의 공기를 제거하게된다.
감압 조건, 바람직하게는 질소-함유 대기의 제거를 보장하는 1mbar 미만이 달성된 후, 시스템 내의 압력은 비질소 기체, 예를 들면 불활성 기체(예컨대, 아르곤이나 산소 등)를 사용하여 약 200mbar의 압력까지 상승되어 테르밋 반응 동안 형성된 부산물의 제거를 촉진할 수 있다. 테르밋 혼합물이 점화되면, 압력은 반응 동안 형성된 기체의 발생과 함께 상승하고, 반응 생성물이 고체화되고 냉각됨에 따라, 반응의 결과로서 형성된 기체의 용적은 수축하고 압력은 감소하지만 이는 항상 1bar 미만이다. 이러한 방식으로, 환원 공정은 감압 하에 하중 중량에 상응하는 일정 기간, 전형적으로 수 분에 걸쳐 완료된다. 상기 방법은 10ppm 미만의 질소를 함유하는 금속 크롬 또는 크롬-함유 합금의 형성을 야기한다. 이는 매우 중요하다. 왜냐면, 일단 크롬 금속 또는 크롬-함유 합금 내에 존재하게 된 후에 질소를 제거하는 것은, 심지어 훨씬 더 값비싼 전자 빔 용융 공정과 같은 기술에 의지해서도, 현저하게 어렵다는 증거가 많이 존재하기 때문이다.
상술한 방법에 의해 수득된 생성물은 이러한 최종 단계에서 질소 흡수를 피하기 위하여 동일한 저질소 감압 대기 하에 대략 주위 온도로의 고체화 및 냉각이 허용된다. 전(pre)-점화, 점화, 고체화 및 냉각으로부터 전체 공정이 본 명세서에 기재된 바와 같이 감압 하에 수행되는 것은 본 발명의 실시형태의 저질소 함량 금속 및 합금을 달성하는데 중요한 것으로 사료된다.
바람직하게는, 생성된 금속 또는 합금은 중량으로 약 5ppm 미만 질소를 함유할 것이다. 가장 바람직하게는, 생성된 금속 또는 합금은 중량으로 약 2ppm 미만 질소를 함유할 것이다.
본 발명의 실시형태는 추가로 저질소 금속 크롬 이외에 임의의 다른 원소와의 조합으로서 상기 기재된 방법에 의해 수득된 생성물을 포함하고, 이는 질소의 최종 함량이 10ppm 미만인, 임의의 다른 공정에 의해 수득된 초합금, 스테인리스 강 또는 다른 특수 강의 제작에서 원료로서 사용될 수 있다.
실시예
하기 실시예를 수행하여 저질소 크롬 및 크롬 합금의 수득에 있어서 본 발명의 실시형태의 유효성을 확립하였다.
하기 실시예에서, 알루미노써믹 환원 반응은 하기 기재된 방식으로 수행하였다. 표 1은 반응기에 충전되는 물질의 조성을 요약한다:
| 표적 합금 |
실시예 1
Nb17-Cr68-Ni15 |
실시예 2
Nb17-Cr68-Ni15 |
||
| (g) | (%) | (g) | (%) | |
| Nb2O5 | 267 | 10.6 | 795 | 10.6 |
| Cr2O3 | 1093 | 43.4 | 3249 | 43.3 |
| Ni | 165 | 6.5 | 490 | 6.5 |
| KClO4 | 160 | 6.3 | 477 | 6.4 |
| Al | 571 | 22.6 | 1697 | 22.6 |
| CaO | 265 | 10.5 | 789 | 10.5 |
| 총 | 2521 | 100.0 | 7497 | 100.0 |
각각의 실시예에서, 원료를 회전식 드럼 믹서에 충전하고 반응물이 전체 충전물에서 균일하게 분산될 때까지 균질화하였다.
진공 챔버 시스템은 내부 진공 용기 및 외부 주변 챔버로 나뉘었다. 내부 진공 챔버 용기는 과열을 방지하고 반응기 용기를 지지하는 내화성 라이닝으로 보호되었다. 외부 챔버는 강으로 만들어졌고, 이를 냉각시키고 이의 과열을 방지하는 열 교환 관계로 감겨진 사행형(serpentine) 수관뿐만 아니라 그와 함께 내장된 3개의 포트인 a) 내부 대기 제거를 위한 배출구; b) 비질소 기체의 다시 채움(backfilling)을 허용하는 유입구; 및 c) 전기 점화 시스템과 발전기를 연결하는 개구를 구비하였다.
반응기 용기를 주변 챔버 내에 조심스럽게 넣은 다음, 먼지 제거를 위한 배기 시스템의 보호하에 반응 혼합물을 충전하였다.
최종적으로, 전기 점화 시스템을 연결하고 진공 챔버를 밀봉하였다.
시스템은 0.6 밀리바(mbar)로 진공처리된 그의 내부 대기를 가졌고, 그 다음, 이를 약 200mbar의 압력으로 아르곤으로 다시 채웠다. 그 다음, 혼합물을 저압 불활성 대기하에 챔버 내의 전기 점화기로 점화하였다.
알루미노써믹 환원 반응은 3분 미만이 걸렸고 피크 압력으로서 800mbar와 피크 온도로서 1200℃를 야기하였다.
최종적으로, 저압 불활성 대기 하에 완전한 고체화 및 냉각 후에 크롬 합금을 반응 용기로부터 제거하였다. 실시예 1의 크롬 합금 중의 질소 함량은 0.5ppm이었고, 실시예 2에서는 0ppm이었다.
따라서, 본 발명의 실시형태는 진공 밀폐된 수냉각 챔버 내에 위치한 내화성 라이닝, 예를 들면 세라믹 라이닝을 갖는 세라믹 또는 금속성 진공 용기에서 수행되고, 여기서 초기 압력은 약 1mbar 미만의 압력으로 진공 하에 감소된다. 이러한 장치 구성하에서, 테르밋 반응에 의해 방출된 열에 의해 발생된 극도로 높은 온도는 이의 실행가능성에 대해 제한하는 인자도 아니고 이러한 공정에서 발생된 기체 및 증기에 의해 운반되는 열량도 아니다.
본 발명의 실시형태의 방법은 전-점화, 점화, 고체화, 및 냉각의 모든 단계를 망라하여 전적으로 감압 환경, 즉 1bar 미만에서 수행된다는 사실로 인하여 극도로 낮은 질소 함량을 달성한다.
본 발명의 실시형태의 파라미터의 다수의 변형은 당해 분야의 숙련가에게 명백할 것이고 여전히 이의 이득을 수득하면서 이용될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 기재된 특정한 실시형태로 한정되지 않는다는 것이 강조된다.
Claims (10)
- 질소 함량이 10ppm 미만인 금속 크롬 또는 크롬-함유 합금을 제조하기 위한 방법으로서,
i) 테르밋 반응을 견딜 수 있는 진공 용기 내에 함유된 크롬 화합물 및 금속성 환원제를 포함하는 테르밋 혼합물을 1mbar 미만의 초기 압력으로 진공-탈기하는 단계와;
ii) 상기 용기 내에서 감압 하에 상기 테르밋 혼합물을 점화하여 상기 크롬 화합물의 환원을 야기하는 단계와;
iii) 감압 하에 상기 반응 생성물을 고체화하는 단계와;
iv) 감압 하에 상기 반응 생성물을 대략 주위 온도로 냉각시키는 단계를 포함하되,
단계 ii) 내지 iv)는 1bar 미만의 압력하에 수행되는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 진공 용기가 내화물로 라이닝된 세라믹 또는 금속성 컨테이너인 방법. - 제2항에 있어서,
상기 진공 용기가 전체 환원 반응 동안 진공 밀폐된 수냉각 챔버 내에 위치하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 환원제가 알루미늄인 방법. - 제4항에 있어서,
상기 알루미늄 환원제가 분말 형태인 방법. - 제1항에 있어서,
상기 테르밋 혼합물이 적어도 하나의 에너지 부스터(energy booster)를 추가로 포함하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 테르밋 혼합물이 니켈, 철, 코발트, 붕소, 탄소, 규소, 알루미늄, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈룸, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 구리, 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 원소를 이의 금속 형태 또는 금속열 환원이 가능한 이의 화합물로서 추가로 함유하는 방법. - 제1항에 있어서,
진공-탈기 후 및 점화 전, 상기 진공 용기 내의 압력이 비질소 기체의 도입에 의하여 약 200mbar까지 증가되는 방법. - 10ppm 미만의 질소 함량을 갖는 금속 크롬 또는 크롬-함유 합금.
- 제7항의 방법에 의해 제조된 10ppm 미만의 질소 함량을 갖는, 니켈, 철, 코발트, 붕소, 탄소, 규소, 알루미늄, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈룸, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 구리 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 원소를 추가로 함유하는 크롬-함유 합금.
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