KR20190107188A - 초경합금 물질 - Google Patents

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KR20190107188A
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Abstract

초경합금 물질 및 초경합금 물질의 제조 방법이 개시되어 있다. 초경합금 물질은 호스트 금속에 분산되어 있는 내화성 물질의 입자를 5 내지 50 부피% 포함한다. 이 방법은 불활성 대기중에서 액체 호스트 금속에 분산되어 있는 내화성 물질 입자 5 내지 50 부피%의 슬러리를 형성시키는 단계 및 상기 슬러리를 몰드에 주입하는 단계 및 부품의 주조물을 형성시키는 단계를 포함한다.

Description

초경합금 물질{HARD METAL MATERIALS}
본 발명은 일반적으로 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 호스트 금속(host metal) 또는 금속 합금에 분산되어 있는 내화성 물질의 입자를 포함하는 초경합금 물질에 관한 것이다.
ASM Materials Engineering Dictionary에는 용어 "초경합금(hard metal)"이 높은 경도, 강도 및 내마모성을 갖는 소결재(sintered material)에 대한 집합적 용어로 정의되어 있다.
본 발명은 또한 초경합금 물질로부터 제조된 부품(components)을 제공한다. 본 발명은 특히, 결코 배타적은 아니지만, 중량이 100 ㎏ 보다 크고 전형적으로는 1 톤보다 큰 거대한 부품에 관한 것이다.
본 발명은 또한 초경합금 물질로부터 상기 부품을 제조하는 방법을 제공한다.
더 구체적으로, 결코 배타적은 아니지만, 본 발명은 내마모성이 요구되는 응용분야에 유용한 초경합금 물질에 관한 것이다.
호스트 금속 (이 용어는 금속 합금을 포함하는 것으로 이해된다)에 분산되어 있는 내화성 입자를 포함하는 초경합금 물질로부터 작은 부품을 제조하기 위하여 분말야금을 사용하는 것은 알려져 있다.
분말야금 공법은 압력하에, 통상적으로는 불활성 대기중에 압력하의 승온에서 기계적으로 혼합한 내화성 분말을 소결시키는 단계를 포함한다.
"소결(sintering)"은 분말화된 재료를 통상적으로 압력하에서, 액체상의 형성에 요구되는 온도 보다 낮은 온도에서 고체-상 반응에 의해 결합시킴을 특징으로 한다. 소결 공정중, 금속성 바인더(metallic binders)의 융점 이하의 온도에서, 금속성 바인더 상의 분말과 내화성 입자가 압력과 열에 의해 함께 용접된다. 소결은 전통적으로 세라믹 부품을 제조하는데 사용되며 또한 융점이 매우 높은 재료를 함유하는 제품의 제조를 위한 분말야금과 같은 분야에서의 용도가 밝혀졌다.
분말야금은 상대적으로 작고, 단순한-형태의, 내마모성 부품, 예로서 텅스텐 카바이드 공구 바이트 (tungsten carbide tool bites)를 제조하기 위한 유용한 공법이다. 그러나, 분말야금은 더 크고, 복작합-형태의, 초경합금, 내마모성 부품, 예로서 초경합금 물질로부터 중량이 100 ㎏보다 크고 전형적으로는 1 톤보다 큰 펌프 임펠러 및 크러셔 마모 부품을 제조하는데 있어서는 실용적인 공법이 아니다. 이는 내마모성이 더 큰 부품이 흔히 요구되는 광업 가공 산업(mining and minerals processing industries)에서의 적용에 있어서 특히 이슈가 된다.
내마모성 금속 합금, 예로서 고크롬 백주철(white cast irons)을 광업 가공 산업에서의 적용, 예로서 고체 재료를 운반하는 단계를 포함하는 응용분야에서 사용되는 부품의 제조에 사용하는 것이 공지되어 있다. 예를 들어, 광산에서 광물 가공 플랜트로 광물을 운반하는 덤프 트럭의 트레이 위에 표면경화 합금을 형성시킨다. 다른 예로는, 광물 가공 플랜드의 부유선광 순환로(flotation circuits)에 가공 단계를 통하여 수중에 현탁되어 있는 광물 입자의 슬러리를 운반하기 위한 펌프를 형성시키는데 내마모성 합금의 주조물을 사용한다.
각각의 상기 예에서 내마모성 합금에 대한 파괴인성 및 내부식성 요구조건이 상이하며, 따라서, 내마모성 합금 조성이 상이하다. 그러나, 이들 둘 사이의 공통 인자는 다른 특성 외에 내마모성을 제공하여야할 필요성이다.
일반적으로 말해서, 더 높은 내마모성은 합금 조성의 제어를 통하여 성취할 수 있지만, 다른 특성에 대해서는 상충관계(trade-off)이다.
내마모성이 중요한 특성인 경우, 이들 특성의 균형에 대해 적게 절충함으로써 바람직한 특성과 향상된 내마모성을 갖는 재료를 제공하는 것이 바람직하다.
본 명세서에는 중량 %(weight percent) 및 부피 %(volume percent)에 대한 언급이 포함되어 있음을 알아야 한다. NbC가 호스트 금속과 유사한 밀도를 갖는 경우, 본 명세서에서 NbC에 대한 언급의 맥락에서는, 이들 용어가 상호교환될 수 있다.
본 발명자들은 집중적인 연구 개발 과정중, 분산액, 전형적으로, 호스트 금속중에 불용성인 내화성 물질의 미세 입자 5 내지 50 부피%의 분산액을 함유하며, 액체 금속 슬러리로 본 명세서에서 기재되는 액체 호스트 금속이 주조공장에서의 주입(pouring) 공정 중에 매우 양호한 유동성을 가지며 상기 슬러리가 용이하게 유동하여 샌드 몰드(sand moulds)를 충전하여 초경합금 물질의 온전한(sound) 주조물을 생산함을 발견하였다.
상기 용어 "불용성(insoluble)"은 모든 의도 및 목적에 있어서 본 명세서에서 내화성 물질이 호스트 금속중에 가용성이 아님을 의미하는 것으로 이해된다. 제한적인 용해성이 있을 수 있다. 그러나, 내화성 입자는 내화성 물질 입자중 전이금속이 호스트 금속으로 분배되는 것이 무시할만 한 호스트 금속과는 필수적으로 구별된다.
본 발명자들은 또한 호스트 금속 중 불용성인 내화성 입자의 혼합 및 분산을 불활성 대기중, 예로서 진공고로(vacuum furnace)중의 액체 상태에서 효과적인 방법으로 수행함으로써 내화성 물질 입자중 반응성 원소의 산화를 최소화할 수 있음을 발견하였다.
본 발명은 몰드로의 주입 과정 중 최대 유동성을 보장하는 단일상을 형성시키 위하여 주조물중에 포함되어 있는 모든 합금 첨가물을 완전하게 용융시키는 단계를 포함하는, 본 발명자에게 공지되어 있는 표준 주조공장 관행으로부터 벗어난 것이다.
본 발명자들은 또한 본 발명에 따르는 특정 생산 변수내에서 주조시, 액체 금속 슬러리의 유동성이 충분하여 광범위한 작동 조건에 맞는 특이적인 내마모성, 파괴인성 및 내부식성을 갖는 작은 것에서부터 큰 주조물 범위의 온전한 초경합금 물질의 일족이 생산됨을 발견하였다.
상기 생산 변수는 이후 추가로 논의되는 바와 같이, 내화성 물질의 입자 크기, 반응성, 열팽창성 또는 열수축성, 밀도, 및 용해도 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
광의적으로, 본 발명은 호스트 금속에 분산되어 있는 내화성 물질 입자를 5 내지 50 부피% 포함하는 초경합금 물질을 제공한다.
본 발명의 맥락에서, 상기 용어 "초경합금 물질"은 바인더 상으로 작용하는, 거친 호스트 금속에 분산되어 있는 9종의 전이금속인 티탄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 및 텅스텐 중 1종 이상의 융점이 높은 카바이드 및(또는) 니트라이드 및(또는) 보라이드의 입자를 포함하는 것으로 이해된다. 전형적으로 상기 호스트 금속은 철금속 합금이다. 이들 입자 각각은 내화성 물질 입자이며 "내화성 물질(refractory material)"로 언급된다.
상기 내화성 물질 입자는 전이금속 중 하나의 카바이드 및(또는) 보라이드 및(또는) 니트라이드, 예로서 NbC일 수 있다.
상기 내화성 물질의 입자는 전이금속 1종 초과의 카바이드 및(또는) 보라이드 및(또는) 니트라이드일 수 있으며, 여기서 상기 입자는 전이금속들의 카바이드 및(또는) 보라이드 및(또는) 니트라이드의 화학적 혼합물 (물리적 혼합물과 반대되는 것)이다. 다시 말해서, 카바이드의 경우, 내화성 물질의 입자는 (M1,M2) C (여기서 "M"은 전이금속이다)로 표기되는 타입일 수 있다. 그러한 예 중 하나인, (Nb,Ti)C에 대해 본 명세서에서 추가로 논의된다.
본 발명의 초경합금 물질은 호스트 금속에 분산되어있는 내화성 물질 입자를 5 내지 40 부피% 포함할 수 있다.
본 발명의 초경합금 물질은 호스트 금속에 분산되어있는 내화성 물질 입자를 10 부피%보다 많이 포함할 수 있다.
본 발명의 초경합금 물질은 호스트 금속에 분산되어있는 내화성 물질 입자를 15 부피%보다 많이 포함할 수 있다.
본 발명의 초경합금 물질은 호스트 금속에 분산되어있는 내화성 물질 입자를 30 부피% 미만으로 포함할 수 있다.
본 발명의 초경합금 물질은 호스트 금속에 분산되어있는 내화성 물질 입자를 25 부피% 미만으로 포함할 수 있다.
호스트 금속(host metal)은 철합금 (예로서, 강철 또는 주철), 스테인레스 강철, 오스테나이트-망간 강철, 예로서, Hadfield 강철, 또는 철-기재 또는 니켈-기재 또는 코발트-기재 초내열합금(superalloy)일 수 있다.
본 발명은 또한
(a) 예를 들어 불활성 대기중에서, 액체 호스트 금속에 분산되어 있는 내화성 물질의 입자 5 내지 50 부피%를 포함하는 초경합금 물질의 슬러리를 형성시키는 단계; 및
(b) 상기 슬러리를 고화시켜 고체 초경합금 물질이 형성되도록 하는 단계를 포함하는, 초경합금 물질의 형성 방법을 제공한다.
본 발명은 또한
(a) 불활성 대기중에서 액체 호스트 금속에 분산되어 있는 내화성 물질의 입자 5 내지 50 부피%를 포함하는 초경합금 물질의 슬러리를 형성시키는 단계, 및
(b) 불활성 대기중에서 상기 슬러리를 몰드에 주입하고 상기 부품의 주조물을 형성시키는 단계를 포함하는, 초경합금 물질 부품의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 방법은 슬러리를 형성시키고 이후 챔버로부터 공기를 제거하고 불활성 가스, 예를 들어 아르곤을 상기 챔버에 공급하는 진공 조건하의 챔버에서 부품의 주조물을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다. 일례로서, 이 방법을 진공 용해로(melting furnace)에서 수행할 수 있다.
이 방법은 단계 (b)에서의 가공에 요구되는 유동성을 갖는 슬러리를 형성하도록 단계 (a)에서 생산 변수를 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 어떠한 제시된 상황에서, 숙련가들은 형성시킬 부품의 크기와 형태 및 그 부품에 대해 요구되는 미세구조를 제공하는데 필요한 분산액 (균질 또는 분리된)과 같은 표준 주조공장 관행을 고려하여 단계 (b)가공에 필요한 유동성을 결정할 수 있다.
생산 변수는 이후 추가로 논의되는 바와 같이, 내화성 물질의 입자의 크기, 반응성, 밀도, 및 용해도 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
내화성 물질 입자 크기
내화성 물질은 미세 입자 크기일 수 있다. 미세 내화성 물질 입자 크기는 호스트 금속에서의 균질한 분산액을 보장하는데 요구될 수 있다. 전이금속 내화성 물질 중 대부분의 융점은 1800 ℃를 초과하며 내화성 물질은 일반적으로 호스트 액체 금속중에서 불용성이다. 본 발명자들은 입자 크기가 직경 500 마이크론 미만, 전형적으로 150 마이크론 미만인 내화성 분말이 액체 금속 슬러리에서 최적의 유동 특성을 제공하며 초경합금 주조물의 미세구조에서 내화성 입자의 바람직한 균질한 분산액을 생산함을 발견하였다.
내화성 물질의 입자 크기는 400 마이크론 미만일 수 있다.
내화성 물질의 입자 크기는 200 마이크론 미만일 수 있다.
내화성 물질의 입자 크기는 150 마이크론 미만일 수 있다.
내화성 물질을 다음과 같이 호스트 액체 금속에 첨가할 수 있다:
(a) 선택된 입자 크기 분산도를 갖는 미세 분말로서.
예를 들면, 고크롬 백주철 호스트 금속 형태의 액체 호스트 금속에 첨가된 니오븀 카바이드 (NbC) (직경에 있어서 -50 마이크론)의 형태로 내화성 물질의 입자 15 중량%. NbC는 24 GPa의 비커스 경도(Vickers Hardness), 3600 ℃의 융점, 및 약 1500 ℃의 주조 온도에서의 호스트 액체 금속에서 매우 낮은 용해도를 나타낸다. 액체 금속 슬러리는 호스트 액체 금속중에 불용성인 NbC 입자 (직경에 있어서 -50 마이크론)의 현탁액을 포함한다. 고화시, 상기 미세결정은 매트릭스중의 용액에 무시할수 있는 양 (0.3 중량% 미만)의 니오븀을 함유하는 고크롬 백주철 매트릭스 중에 15 부피%의 미세 NbC 입자 (직경에 있어서 -50 마이크론)의 분산액을 나타낸다.
(b) 상기 언급된 전이금속 또는 상기 전이금속의 철-합금은 원소 탄소, 붕소 및 질소의 모든 조합물 및 치환물(permutations)을 함유하는 광범위한 호스트 금속에 첨가될 수 있다.
예를 들어, 이후 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 발명자들은 Fe-Nb는 1500 ℃에서 호스트 액체 금속에 용이하게 용해되어 니오븀은 호스트 액체 금속중의 탄소와 즉시 합해져서 직경이 50 마이크론 미만인 입자 크기를 갖는 니오븀 카바이드를 동일계에 형성시킴을 발견하였다.
반응성 내화성 물질
상기한 바와 같은 대부분의 전이금속 내화성 물질은 "반응성 원소"로 분류되는데, 즉, 각각의 금속 원소 및(또는) 이들의 카바이드, 니트라이드 또는 보라이드 화합물 형태가 약 1500 ℃의 금속 주조 온도에서 공기와 용이하게 반응하여 바람직하지못한 금속 산화물 및(또는) CO2와 같은 풍부한 양의 가스를 형성시키는데 이는 주조물에 심각한 기공을 발생시킬 수 있다. 액체 금속 슬러리에 의해 생산되며, 승온하의 공기중에서 반응성 내화성 물질의 화학적 반응과 관련된, 초경합금 주조물의 산화 및 기공에 대한 문제점은 불활성 대기중에서 액체 금속 슬러리를 용융시키고 주입함으로써 극복된다.
호스트 금속 보다 더 낮은 열팽창성 또는 수축성을 갖는 내화성 물질 입자의 선택
초경합금 물질에서 내화성 입자와 호스트 금속간의 불량한 결합이 문헌에서 다양하게 보고된 바 있다. 본 발명자들은 본 발명자들에 의해 평가된 내화성 입자와 광범위한 호스트 금속간의 불량한 결합에 대한 어떠한 증거도 발견하지 못했다. 하기 코멘트로 제한하고자함은 아니나, 관찰된 탁월한 결합은 대부분 본 발명자들이 초경합금 물질의 주조 중 불활성 대기를 사용한데 기인한 것이며 전이금속 내화성 입자의 열수축은 훨씬 덜한데, 고화시 고상선(solidus)으로부터 호스트 금속에 내화성 입자를 단단하게 유지시키는 내화성 물질 입자에 대한 압축력을 발생시키는 주위 온도로 냉각시키는 중의 호스트 금속의 열수축 보다 전형적으로 약 50% 더 낮다. 불활성 대기에서 본 발명자들에 의해 생산된 초경합금 물질 주조물 중의 모든 내화성 입자는 호스트 금속과의 친밀한 접촉과 양호한 결합을 보장하는 압축 부하하에 있는 것으로 밝혀졌다.
내화성 물질의 밀도
액체 상태의 호스트 금속의 밀도와 비교하여, 상기 입자의 내화성 물질의 밀도는 뜨거운 호스트 금속중 내화성 입자의 분산을 조절하는데 있어서 본 발명의 방법중에 고려되어야할 변수이다. 어떠 경우에는 액체 호스트 금속중 내화성 물질 입자의 분리를 피하는 것이 중요할 수 있다. 다른 경우에는, 분리가 바람직할 수 있다. 예를 들어, 1400 ℃에서 호스트 철 액체 금속의 공칭 밀도는 6.9 g/cc이다. 밀도가 15.7 g/cc인 텅스텐 카바이드 입자가 호스트 철 금속에 첨가되는 경우, WC 입자는 호스트 금속의 고화 전에 몰드의 바닥으로 가라앉을 것이다. 밀도가 4.8 g/cc인 티탄 카바이드 입자가 동일한 호스트 철 금속에 첨가되는 경우, TiC 입자는 레이들(ladle) 또는 몰드의 상부로 부유하게된다. 1400 ℃에서 밀도가 7.7 g/cc인 니오븀 카바이드는 6.9 g/cc인 호스트 액체 금속 밀도에 가장 가까우며 TiC 또는 WC보다 액체 호스트 금속에서 분리가 덜 된다. 그러나, 본 발명자들은 NbC 입자가 고화 시간이 대략 30분 또는 그 이상일 때 본 발명의 공정중 거대한 백주철 주조물의 기저부로 분리됨을 관찰하였다. 이후 상세하게 설명되는 바와 같이, 니오븀 카바이드 및 티탄 카바이드는 유사한 결정 구조를 가지며 동형고용체(isomorphous)이다. (Nb,Ti)C 화학적 화합물 중 요구되는 Nb/Ti 비를 선택함으로써 주조 온도에서 4.8 - 7.7 g/cc 범위내의 어떤 요구되는 밀도를 갖는 내화성 물질을 생산한다. 주조 온도에서 고체 내화성 입자와 액체 호스트 금속의 밀도를 매칭(matching)시킴으로써 본 발명의 공정 중 용융물에서 입자가 분리되지 않도록 한다.
내화성 물질의 용해도
본 발명의 방법에 따라서 주조물을 제조하기 위하여, 모든 의도 및 목적에 있어서 불용성인, 즉, 호스트 액체 금속중에서 최소의 고체 용해도를 갖는 내화성 물질 입자를 첨가함으로써 미세구조중에 높은 부피%의 초경 내화성 물질의 조절된 분산액의 존재로 인하여 내마모성이 실질적으로 개선된 호스트 금속과 매우 유사한 물리적 및 화학적 특성을 나타내는 초경합금 물질이 생산된다.
예를 들어, 승온에서 (a) 액체 Hadfield 강철 및 (b) 액체 316 스테인레스 강철 및 (c) 액체 고크롬 백주철 형태의 액체 호스트 금속중 (Nb, Ti)C 형태의 내화성 물질의 용해도는 무시할 정도이다 (< 0.3 중량%). 이들 3종의 금속 합금에 요구되는 밀도를 갖는 (Nb, Ti)C 15 중량%를 첨가한 다음, 각각의 호스트 금속에 대해 표준 열처리 공정으로 처리함으로써 실질적으로 니오븀 및 티탄이 없는 호스트 금속 중 주요 니오븀-티탄 카바이드 15 부피%의 균일한 분산액으로 이루어진 미세구조가 생성되는데, 즉, 액체 호스트 금속으로 내화성 물질 슬러리 입자중 전이금속이 분배되는 것은 무시할 수 있을 정도이다.
결과적으로, 호스트 금속의 화학과 열처리에 대한 반응에 있어서 상기 내화성 물질 입자의 영향은 무시할 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 생산되는 상기 3종의 초경합금 물질은 미세구조중 주요 니오븀-티탄 카바이드 15 부피% 분산액의 존재로 인하여 각각 내마모성이 증가된 (a) Hadfield 강철, (b) 316 스테인레스 강철 및 (c) 고크롬 백주철의 공지된 물리적 및 화학적 특성을 나타낸다.
상기한 사항 외에, 특히 본 발명자들은 호스트 금속의 매트릭스에 분산되어 있는 니오븀 카바이드 입자 및(또는) 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 (물리적과 반대되는) 혼합물의 입자를 포함하는 미세구조를 갖는 초경합금 물질을 제공함으로써 초경합금 물질의 다른 특성에 기여하는 다른 합금 원소에 나쁜 영향을 주지않고 초경합금 물질의 내마모성을 상당히 개선시킴을 발견하였다.
또한, 특히 본 발명자들은 니오븀 카바이드 및 티탄 카바이드의 화학적 혼합물의 입자의 밀도를 초경합금 물질의 매트릭스를 형성하는, 호스트 금속에 대하여 충분한 정도로 조정하여 입자의 균질한 분산액으로부터 비-균질한 분산액에 이르기까지 매트릭스중 입자의 분산을 선택적으로 조절할 수 있음을 발견하였다. 밀도 조절에 대한 이런 기회는 초경합금 물질의 주조물과 관련하여 중요한 발견이다. 특히, 이 발견 덕분에, 이제는 주조물의 일부에서 입자가 분리되는 것이 제어된 초경합금 물질의 주조물을 생산할 수 있다. 이는 초경합금 물질의 주조물 표면 근처에서 내마모성이 높은 입자의 농축이 바람직한 경우와 같이, 주조물에 대한 일부 최종 용도 적용분야에 있어서 중요하다. 마찬가지로, 주조물에 대한 다른 최종 용도 적용분야에서는 주조물의 매트릭스 중 입자의 균질한 분산을 갖는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 본 발명자들은 초경합금 물질의 매트릭스를 형성하는, 호스트 금속에 분산되어 있는, 니오븀 카바이드의 입자 및(또는) 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 혼합물의 입자를 10 내지 25 중량% 범위로, 또는 심지어 33 중량% 이하 또는 그보다 높게 포함하도록 초경합금 물질 및 상기 물질의 주조물을 형성시키는 것이 호스트 금속중 철 물질의 내부식성 및 강성에 현저하게 네가티브한 영향을 주지않음을 발견하였다. 따라서, 본 발명은 다른 바람직한 물질 특성의 소실없이 초경합금 물질의 내마모성을 높일 수 있다.
따라서, 내마모성 초경합금 물질을 형성시키는 방법이 제공되며, 이 방법은 (a) 니오븀 또는 (b) 니오븀과 티탄을 니오븀 카바이드의 입자 및(또는) 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 혼합물의 입자를 초경합금 물질 전체 중량의 10 내지 40 중량% 범위로 생산하는 형태로 호스트 금속을 함유하는 용융물에 첨가하는 단계, 및 상기 용융물을 고화시켜 고체 초경합금 물질을 형성시키는 단계를 포함한다.
상기 용어 "니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 혼합물" 및 "니오븀/티탄 카바이드"는 이후 동의어인 것으로 이해된다. 또한, 용어 "화학적 혼합물"은 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드가 혼합물중에 별개의 입자로서 존재하는 것이 아니라 니오븀/티탄 카바이드의 입자로서 존재함을 의미하는 것으로 본 문맥에서 이해된다.
니오븀 카바이드 및 티탄 카바이드는 각각 Vickers 경도 (HV)가 대략 2500으로, 이는 크롬 카바이드의 경도 보다 약 1000 HV 높은 것이다. 따라서, 니오븀 카바이드 및(또는) 니오븀/티탄 카바이드의 입자를 10 내지 40 중량% 함유하는 미세구조를 갖는 초경합금 물질은 탁월한 내마모 특성을 갖는다. 그러나, 본 발명자들의 연구의 중요한 양태는 니오븀 카바이드 및 티탄 카바이드 및 니오븀/티탄 카바이드가 초경합금 물질중의 다른 성분들에 대해 실질적으로 화학적으로 불활성이어서 그들 성분들이 선택되는 목적을 갖는 초경합금 물질이 생산됨을 인식하였다. 예를 들어, 주철 합금에 첨가된 크롬은 여전히 크롬 카바이드를 생산하며 내부식성을 제공한다.
용융물은 표면 경화 공법 (hard-facing process)에서 용접 풀(weld pool)의 형태로 존재할 수 있다. 이러한 경우에는, 니오븀 및(또는) 티탄을 와이어 합금중 상기 용접 풀에 첨가하여 니오븀 및(또는) 티탄의 첨가량을 계량할 수 있다.
용융물은 주조물을 형성시키기 위한 용융물의 형태로 존재할 수 있다.
니오븀과 티탄은 어떠한 적합한 형태로 상기 용융물에 첨가할 수 있는데 고체 초경합금 물질에 니오븀 카바이드 및(또는) 탄화 니오븀/티탄 카바이드의 입자를 형성시키는 요구조건을 명심하도록 한다.
예를 들어, 본 발명의 방법은 니오븀을 철-니오븀, 예를 들어 철-니오븀 입자의 형태로 용융물에 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 철-니오븀은 용융물에 용해되어 생성된 유리 니오븀 및 탄소가 용융물에서 니오븀 카바이드를 형성한다.
본 발명의 방법은 또한 원소 니오븀으로서 니오븀을 용융물에 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 또한 철-니오븀-티탄으로서 니오븀과 티탄을 용융물에 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 또한 니오븀 카바이드 입자 형태로 니오븀을 용융물에 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 방법은 또한 니오븀/티탄 카바이드의 입자 형태로 니오븀과 티탄을 용융물에 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 이 두 경우 모두, 용융물에 현탁되어 있는 니오븀 카바이드 및(또는) 니오븀/티탄 카바이드 입자의 슬러리로부터 고화된 금속 합금이 형성될 수 있다. 용융물 슬러리중 이들 카바이드의 중량 분획이 너무 높을 경우, 슬러리의 유동 특성에 나쁜 영향을 주게되어 용융물의 온전하지 못한 주조물이 생산될 수 있을 것으로 예측된다. 그럼에도 불구하고, 슬러리의 주조는 투명 (단일상) 액체 용융물을 주조하는 단계를 포함하는 주조공장, 즉, 용융물의 최고 융점 성분의 액상선(liquidus) 온도 위에 용융물이 있는 곳에서의 표준 작동 공정과 대비된다.
니오븀/티탄 카바이드의 입자는 일반식 (Nbx, Tiy)C의 적합한 화학적 혼합물일 수 있다. 일례로, 니오븀/티탄 카바이드가 (Nb0 .5, Ti0 . 5)C 또는 (Nb0 .25, Ti0 . 75)C 또는 (Nb0.75, Ti0.25)C일 수 있다.
니오븀 및(또는) 티탄을 용융물에 첨가하여 고화된 초경합금 물질의 전체 중량 중 니오븀 카바이드 및 니오븀/티탄 카바이드가 12 중량% 내지 33 중량% 범위로 니오븀 카바이드 및(또는) 니오븀/티탄 카바이드의 입자를 생산할 수 있다.
니오븀 및(또는) 티탄을 용융물에 첨가하여 고화된 초경합금 물질의 전체 중량 중 니오븀 카바이드 및 니오븀/티탄 카바이드가 12 중량% 내지 25 중량% 범위로 니오븀 카바이드 및(또는) 니오븀/티탄 카바이드의 입자를 생산할 수 있다.
고화된 초경합금 물질의 미세구조 중 니오븀 카바이드 및(또는) 니오븀/티탄 카바이드 입자의 양은 시스템에 따를 수 있다.
본 발명자들은 특히 고크롬 백주철, 스테인레스 강철, 및 오스테나이트 망간 강철(예로서, Hadfield 강철)로 기재되는 철 합금과 같은 철 합금의 형태로 호스트 금속을 포함하는 고체 초경합금 물질에 관심을 가졌다. 철 합금의 경우, 최종 미세구조 중 니오븀 카바이드 및(또는) 니오븀/티탄 카바이드 입자의 양은 고화된 초경합금 물질의 전체 중량 중 10 내지 33 중량% 범위 또는 12 내지 25 중량% 범위일 수 있다.
니오븀 카바이드 및(또는) 니오븀/티탄 카바이드의 입자 크기는 직경 1 내지 150 ㎛ 범위일 수 있다.
본 발명의 방법은 불활성 가스 또는 자기유도(magnetic induction) 또는 기타 적합한 수단으로 용융물을 교반시켜 용융물 중에 니오븀 카바이드 및(또는) 니오븀/티탄 카바이드 입자를 분산시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 불활성 조건, 예를 들어, 아르곤 블랭킷(blanket) 하에서 용융물에 니오븀 카바이드 및(또는) 니오븀/티탄 카바이드 입자를 첨가하여 용융물에 첨가하는 중 니오븀 카바이드 및(또는) 티탄 카바이드가 산화되는 정도를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 방법은 불활성 조건, 예를 들어, 아르곤 블랭킷하에서 용융물에 철-니오븀 및(또는) 철-티탄 및(또는) 철-니오븀-티탄을 첨가하여 용융물에 첨가하는 중 니오븀 및(또는) 티탄이 산화되는 정도를 감소시킬 수 있다.
니오븀/티탄 카바이드의 입자가 고화된 초경합금 물질중에 요구되는 경우, 본 발명의 방법은 철-니오븀 및 철-티탄 및(또는) 철-니오븀-티탄을 불활성 조건하에서 예비-용융시키는 단계 및 철, 니오븀 및 티탄의 균질한 화학적 혼합물인 액체상을 형성시키는 단계 및 상기 화학적 혼합물을 고화시키는 단계를 포함할 수 있다. 이어서 상기 화학적 혼합물을 요구되는 바에 따라, 예를 들면, 요구되는 입자 크기로 파쇄(crushing)시켜 가공한 다음 불활성 조건하에서 용융물 (탄소 함유)에 첨가할 수 있다. 철, 니오븀 및 티탄은 상기 용융물에 용해되고 용융물중 니오븀 과 티탄 및 탄소는 용융물중에서 니오븀/티탄 카바이드를 형성한다.
본 발명의 방법은 상기 용융물을 주조 제품, 예를 들어, 펌프 임펠러(pump impeller) 또는 펌프 드로우트부시(pump throatbush)로 주조하여 고화된 초경합금 물질을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주조 제품은 목적하는 합금 특성이 성취되도록 미세구조를 조정하기 위하여 후속 열처리할 수 있다.
상기한 방법에 따라서 형성된 초경합금 물질이 또한 제공된다.
주조물의 매트릭스 물질의 밀도에 대해 니오븀/티탄 입자의 밀도를 선택하는 단계 및 이에 따라 균질 분산액에서 비-균질 분산액에 이르기까지 매트릭스중 니오븀/티탄 입자의 분산액을 선택적으로 조절하는 단계를 포함하는, 주조물의 매트릭스를 형성하는, 호스트 금속중 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 혼합물 입자의 분산액으로 상기한 초경합금 물질을 주조하는 방법이 또한 제공된다.
상기한 방법에 의해 제조된 상기한 초경합금 물질의 주조물이 또한 제공된다.
주조물은 매트릭스 중 니오븀/티탄 카바이드 입자의 균질 분산액을 포함할 수 있다. 예를 들어, 주조물은 펌프 임펠러일 수 있다.
주조물은 매트릭스 중 니오븀/티탄 카바이드 입자의 비-균질 분산액을 포함할 수 있다. 예를 들어, 주조물은 펌프 드로우트부시일 수 있다.
호스트 금속은 철 합금, 예로서 고크롬 백주철, 스테인레스 강철, 또는 오스테나이트 망간 강철(예, Hadfield 강철)일 수 있다.
이제, 본 발명의 양태를 첨부되는 도면을 참고로 하여, 단지, 실시예로서 설명하고자 한다:
도 1은 크롬 카바이드 27 중량%와 니오븀 카바이드 15 중량%를 포함하는 고크롬 백주철 합금의 현미경사진이다.
도 2는 니오븀 카바이드 15 중량%를 포함하는 마텐자이트계 스테인레스 강철 (등급 420C)의 현미경사진이다.
본 발명자들은 고크롬 백주철, 오스테나이트-망간 강철(Hadfkield 강철 포함), 초내열합금, 스테인레스 강철 (듀플렉스, 페라이트계, 오스테나이트계 및 마텐자이트계 포함) 및 표면-경화 용착부를 포함한, 광범위하게 선택된 철 합금에 10 내지 30 중량%의 NbC 및 Nb/TiC 입자를 첨가하는것에 대한 집중적인 일련의 실험식 용융 연구를 수행하였다.
본 발명자들은 본 발명자들에 의해 직접 편집된 데이타 및 전이금속의 카바이드, 보라이드, 및 니트라이드, 및 이들 금속의 카바이드, 보라이드, 및 니트라이드의 화학적 조합물에 관한 다른 공급원에 대해 검토하는 추가의 집중적인 연구를 수행하였고, 본 명세서에 보고된 실험실 연구에서 밝혀진 사실로 전이금속의 탄화물, 보라이드, 및 니트라이드 및 철 호스트 금속중 원소의 조합물에 대등하게 적용할 수 있음을 확립하였다.
NbC 15 중량%를 포함하는 고크롬 백주철 합금의 현미경사진의 예가 도 1에 제시되어 있다. 상기 합금은 수냉식 구리노상 (water cooled copper hearth)중의 아르곤 부분압하의 전기 아크 용해로에서 생산된 용융물로부터 잉곳 50 g을 주조시켜 생산하였는데, 즉, 잉곳을 냉각 주조하였다. NbC를 별개의 입자로서 용해로의 용융물에 가하였는데, 상기 입자의 크기는 직경이 2 내지 20 ㎛이었다.
다른 양태로, 본 발명자들은 직경 < 45 ㎛, 직경 45 내지 75 ㎛, 직경 75 내지 150 ㎛ 및 직경 < 100 ㎛를 포함한, 다양한 다른 입자 크기 범위의 NbC를 사용한 경우에 대해서도 조사하였다.
고크롬 백주철 합금은 통상적으로 고크롬 함량에 따라 내마모성이 높은 주조물을 제공하는 유효 부피의 경화 크롬 카바이드를 생산한다. 또한, 고크롬 백주철 합금은 통상적으로 철 매트릭스에 남아 내부식성이 있는 합금을 제공하는 일부 크롬에 따른다.
도 1의 현미경사진은 공융 M7C3 카바이드의 미세 분산액 (대략 30 부피%)과 상기 도면에서 백색 구형의 상으로 나타나는 NbC 입자 15 중량%의 분산액을 함유하는 철 매트릭스를 나타낸다.
도 2에 나타낸 현미경사진은 420C 등급의 마텐사이트계 스테인레스 강철의 형태로 이는 도 1에 나타낸 고크롬 백주철에 대해 상기한 바와 동일한 공정으로 생산하였다.
대조적으로, NbC 입자 (도 2에서 백색으로 나타남)는 고크롬 백주철에서의 규칙적인 구형이 아니라, NbC와 합금시킨 다양한 스테인레스 강철 등급에 대해 전형적으로 나타나는 불규칙적인 NbC 카바이드 형태이다.
상기 보고된 실험적 연구와 본 발명자들에 의해 수행된 다른 실험적 연구는 철 호스트 금속중 NbC가 10 내지 30 중량% 범위로 존재하는 니오븀 카바이드 입자를 사용하여 생산된 합금이 매우 촉망되는 미세구조, 용접 특성 및 주조공장 주조 특성을 나타냄을 가리킨다. 이런 지표는 이들 물질에 고함량의 NbC를 첨가하게되면 원래의 철 물질의 주조성, 용접성, 열처리에 대한 반응 및 기계적 특성에 나쁜 영향을 주지 않으면서 내마모성이 증가됨을 나타낸다.
도 1에서의 시험 주조물 및 본 발명자들에 의해 생산된 다른 시험 주조물의 미세구조는 철 합금에 첨가된 NbC 입자가 모두 액체 금속중 현탁액에서의 주요 카바이드임을 나타낸다. 유사점은 액상선 온도 위 (대략 1300 내지 1400 ℃)에서 모든 통상의 주조물은 "등명한 액체", 즉, 단일상 액체라는 것이다. 그러나, 니오븀 카바이드 입자가 첨가될 경우, 예를 들어, 20 중량% 첨가될 경우, 상기 입자가 현탁액중에 남아있게 되어 액체 금속과 NbC 입자가 유동성이 우수한 "슬러리" (2개 상)에 근접하는데, 이는 온전한 주조물을 생산하기 위한 의무적인 요구조건이다. 이런 실험적 연구로 니오븀/티탄 카바이드 입자가 액체 용융물에 첨가될 때 유사한 결과가 수득됨을 발견하였다.
그러나, 니오븀 카바이드는 용융물에 철-니오븀을 첨가함으로써, 용융물에 첨가되기 보다는, 용융물중에서 고체 입자를 형성할 수 있을 것으로 인식된다. 그러한 경우, 용융물은 탄소를 함유하며, 탄소의 중량%는 니오븀 중량%의 1/8보다 크다. 철-니오븀 첨가의 경우, 철과 니오븀이 용융물중에서 분리된다. 탄소에 대한 친화성이 높은 니오븀은 액체 용융물로부터의 탄소와 결합하여 액체 용융물에 분산되어 있는 고체 니오븀 카바이드 입자를 형성한다. 주조시, 상기 용융물은 액체 용융물중에 현탁되어 있는 고체 니오븀 카바이드 입자로 이루어져 있는 "슬러리"로 주조된다. 고화시, 상기 주조물은 철 매트릭스중에 분산되어 있는 니오븀 카바이드를 포함하는 미세구조를 갖게 된다. 유사한 미세구조가 니요븀/티탄 카바이드 입자에 의해서도 성취된다.
철 물질에 10 내지 30 중량%의 NbC 입자를 첨가함으로써 수득되는 장점이 하기에 요약되어 있다.
(a) NbC의 경도는 대략 2500 HV로 이는 고크롬 백주철 합금에 존재하는 M7C3 카바이드에 대한 1500 HV의 경도와 비교된다.
(b) 니오븀은 매우 강력한 카바이드 포머(former)이며 철 니오븀 또는 NbC 분말로서 철 용융물에 첨가될 수 있다.
(c) NbC의 융점은 3600 ℃로, 강철, 주철 및 표면-경화 용착부의 철 용융 온도 보다 약 2000 ℃ 높다. 또한, 미세한 NbC 입자 (예, 직경 2 내지 20 ㎛)는 주조 공정중 크기가 성장하거나 용융물 중에서 함침되지 않는다. 이는 용융물의 주조성 및 생성된 주조 제품의 내마모성 면에서 중요하다. 주조 제품의 내마모성은 미세한 NbC 입자의 분산액이 미세구조를 통하여 고르게 분배될 때 최적화된다.
(d) 다른 원소들, 예를 들어, Cr, Mn 및 Fe는 고융점 NbC 입자에서 용해되지 않는다. 따라서, NbC 입자의 화학적 조성은 변화되지 않으며 이들은 용융물의 제조중 및 주조후에도 이들의 물리적 특성을 보유하게 된다.
(e) 철 매트릭스 중 NbC의 용해도는 무시할 정도 (<0.3 중량%)이며 이는 철 물질에 NbC를 첨가함에 따라 열처리에 대한 반응 또는 철 매트릭스의 물질 특성에서의 변화에 대한 영향을 관측할 수 없음을 제시한다.
(f) NbC의 밀도는 실온에서 7.82 g/cc이다. 이는 대략 7.5 g/cc인 철 물질의 밀도에 매우 가깝다. 이는 NbC 입자가 싱킹(sinking)에 의해 (예를 들어, 밀도가 15.8 g/cc인 텅스텐 카바이드와 비교하여) 또는 부유(floating)에 의해 (예를 들어, 밀도가 4.93 g/cc인 티탄 카바이드와 비교하여) 액체 용융물에서 분리되지 않음을 의미한다.
(g) 미세구조 중에 높은 부피 분획의 NbC 입자가 존재함으로써 주조 및 열처리중 철 매트릭스 입자 크기가 더 미세하게 된다. 이는 주조물의 기계적 특성을 향상시킨다.
(h) 현존하는 내마모성 고크롬 백주철 합금족에 NbC를 20 중량%를 첨가하게되면 이들 물질의 내마모성이 향상되는데, 어떤 경우에는 10배까지 향상될 수 있다.
(i) 생성된 미세구조를 관찰함으로써, 다양한 스테인레스 강철, 예를 들어 마텐사이트계, 오스테나이트계, 페라이트계 및 듀플렉스에 10 내지 25 중량%의 NbC를 첨가하게되면 내구수명(wear life)이 실질적으로 증가되며, 다양한 등급에 대해 인성, 내부식성 및 기계적 특성에 있어서의 감소가 무시할 정도인 것으로 생각된다.
(j) Hadfield 강철 (이는 높은 충격 인성이 요구되는 조 크러셔(jaw crusher) 및 자이러토리 크러셔(gyratory crusher)와 같은 원생암 크러셔(primary rock crusher)의 라이너에 통상적으로 사용된다)에 20 중량%의 NbC를 첨가하게 되면 이 강철에 내재하는 극히 예외적인 인성 및 가공경화 능력을 소멸시키지 않으면서 원래의 Hadfield 강철 보다 내구수명이 훨씬 더 큰 물질이 생산된다.
(k) 공구강에 20 중량%의 NbC를 첨가하게 되면 원래의 물질 특성을 유지하면서 공구의 내구수명이 크게 향상된다.
니오븀 카바이드는 철 합금, 예로서 고크롬 백주철,에 다음과 같은 2가지 방법으로 첨가될 수 있다.
1. 미세한 니오븀 카바이드 입자 (직경 2 내지 100 마이크론)로서 용융물에 상기 언급한 실험식 연구에서와 같이.
2. 미세한 철-니오븀 분말 (- 1 ㎜ 직경)로서 용융물에 미리 용해시킨, 요구되는 화학양론적 양의 탄소의 존재하에서.
NbC의 밀도는 실온에서 7.8 g/cc이며 이는 고크롬 백주철의 밀도 (7.5 g/cc)에 가깝다. 유사한 밀도를 갖는 상이 존재하게 되면 주조 공정 중 액체 금속중 NbC 입자의 균질한 분산을 성취하는데 도움이 된다.
그러나, 본 발명자들에 의해 수행된 실험실 시험에서 용융물을 호스트 금속의 액상선 온도 보다 약 150 ℃ 낮은 온도에서 약 15분간 정치시켰을 때 고크롬 백주철 + 5 중량% NbC 합금에서 미세 NbC 입자가 잉곳의 기저부로 침강됨으로써 NbC의 분리가 일어나는 것으로 밝혀졌다.
고크롬 백주철과 NbC 사이의 밀도 차는 온도에 따라 증가한다. 고크롬 백주철의 열팽창 계수는 NbC의 2배이다. 또한, 고크롬 백주철은 대략 1260 ℃에서 고체에서 액체상 변화시 부피가 증가되는 단계를 겪게 된다.
결과적으로, 1400 ℃에서 액체 상태인 고크롬 백주철의 밀도는 6.9 g/cc인 반면 1400 ℃에서 NbC의 밀도는 약 7.7 g/cc이다. 본 발명자들은 이런 밀도차는 1300 ℃ 이상의 주조공장 주조 온도에서 액체 고크롬 백주철 중 NbC 입자의 분리를 일으키기에 충분하다는 것을 발견하였다.
티탄 카바이드는 여러가지 특성면에서 NbC와 유사하다. 결정 구조는 그룹 225번과 동일하다. NbC의 격자상수는 4.47 Å이며 TiC의 격자상수는 4.32 Å이다. TiC와 NbC는 동형고용체, 즉, Ti 원자가 NbC중의 Nb 원자 대신 즉시 치환된다. TiC의 경도는 NbC와 유사하다. TiC의 융점은 3160 ℃로, 이는 NbC의 융점 (3600 ℃)과 유사하다.
그러나, TiC의 밀도는 실온에서 4.9 g/cc로, 이는 NbC의 밀도 보다 훨씬 더 낮다. TiC와 NbC가 동형고용체이기 때문에, 화학식 (Nbx,Tiy)C를 갖는 상응하는 화학적 조성물을 선택함으로써 혼합된 카바이드에 대한 밀도 수치를 4.9 내지 7.8 g/cc 범위에서 성취할 수 있다. 일례로, 니오븀/티탄 카바이드가 (Nb0 . 5,Ti0 . 5)C 또는 (Nb0 . 25,Ti0 . 75)C 또는 (Nb0 . 75,Ti0 . 25)C 일 수 있다. 이런 밀도차는 통상의 주조공장 주조 온도에서 액체 금속중 경질의 고체 카바이드의 분리를 감소시키는 비용 효과적인 방법의 기준이 된다. 특히, 니오븀/티탄 카바이드의 밀도를 4.9 내지 7.8 g/cc의 범위내에서 선택적으로 조절하고 입자가 입자를 포함하는 고크롬 백주철과 같은 금속 합금의 주조물에서 균질한 분산액을 형성하는지 분리되는지 제어할 수 있다. 이런 선택은 주조물을 통하여 균질한 내마모성이 요구되는 일부 주조물 및 주조물의 한 부분, 예로서 표면,에서 내마모성 입자의 농축이 요구되는 다른 주조물에 있어서 바람직할 수 있다.
본 명세서는 통상적인 벌크 화학적 중량% 대신 부피%로 본 발명의 초경합금 물질의 미세구조를 언급하고 있다. 하기에 게시되는 표는 전문용어의 이런 선택에 대한 이유를 설명하기 위하여 제공된다.
하기 표의 처음 2개의 경우, 호스트 금속의 화학은 동일하며 필수적으로 고크롬 백 크롬 주철로, 이의 화학 = Fe-27Cr-2.7C-2Mn-0.5Si이다. 동일한 호스트 금속중 2종의 초경합금 물질의 미세구조 (즉, 10 및 20 부피% NbC)를 가시화하는 것은 선험적으로 단순하다. 그러나, 상기 2종의 초경합금 물질의 벌크 화학 (통상의 주조공장 분광분석 기술로 측정한 바와 같이)은 이들 2종의 초경합금 물질간의 단순한 차이를 명확하게 전달하지 않는다.
하기 표의 세번째 및 네번째 경우에서는, Hadfield 강철에서 10 및 20 부피% NbC에 대해 실험을 반복한다. 호스트 금속의 화학은 동일하며 필수적으로 Fe-12Mn-1.2C-2Mn-0.5Si이다. 다시, 이들 2종의 초경합금 물질의 벌크 화학은 광의적으로 상이하며 미세구조에 대한 설명은 없다.
Figure pat00001
Figure pat00002
본 발명과 관련하여 본 출원인에 의해 수행된 모든 연구에서 본 출원인은 각각의 초경합금 물질의 최종 벌크 화학이 선택된 미세구조의 복소함수(complex function)이며 실제적인 벌크 화학은 초경합금 물질의 요구되는 특징을 설명하는 유용한 수단은 아니다. 본 발명의 초경합금 물질의 요구되는 특징은 (a) 호스트 금속 화학 및 (b) 선택된 내화성 입자의 부피%이다.
벌크 화학은 전이금속 2종 이상의 카바이드 및(또는) 니트라이드 및(또는) 보라이드가 초경합금 물질에 포함될 때 더더욱 복잡함을 알아야 한다.
본 발명의 초경합금 물질은 최종 제품 형태로 주조될 수 있으며 고체 물질로 성형된 다음 이어서 다운스트림 가공 공정으로 열적 후처리하여 최종 제품 형태를 형성시킬 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 초경합금 물질을 잉곳으로 형성시킬 수 있으며 이어서 바아(bar) 또는 플레이트와 같은 최종 제품으로 요구되는 바와 같이 압연 또는 단조시킴으로써 열적 후처리할 수 있다.
본 발명의 정신 및 범주로부터 벗어나지 않고 상기한 바와 같은 본 발명의 양태에 대해 다양한 개량이 이루어질 수 있다.
본 명세서 및 특허청구의 범위에서 사용되는 바와 같은 용어 "포함하다(comprise)" 또는 이의 문법적 변형체는 용어 "포함하다(include)"와 대등하며 다른 특징 또는 요소의 존재를 배제시키는 것으로 간주되어서는 안된다.

Claims (37)

  1. 호스트 금속에 분산되어 있는 내화성 물질의 입자 10 내지 50 부피%를 포함하는 초경합금 물질(hard metal material)로서, 상기 내화성 물질은 티탄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 또는 몰리브덴의 카바이드, 니트라이드 또는 보라이드의 입자로 구성되는 것인 초경합금 물질.
  2. 제1항에 있어서, 상기 초경합금 물질은 주조물 형태인 것을 특징으로 하는, 초경합금 물질.
  3. 제2항에 있어서, 상기 내화성 물질의 입자는 주조 온도에서 호스트 금속중에 불용성인 초경합금 물질.
  4. 제3항에 있어서, 상기 내화성 물질의 입자는 (a) 내화성 물질을 함유하는 니오븀 카바이드 및 (b) 니오븀 카바이드 및 티타늄 카바이드의 화학적 혼합물의 입자로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 초경합금 물질.
  5. 제1항에 있어서, 상기 내화성 물질의 입자가 텅스텐을 더 포함하는 것인 초경합금 물질.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 호스트 금속에 분산되어 있는 내화성 물질의 입자의 10 내지 40 부피%를 포함하는 초경합금 물질.
  7. 제6항에 있어서, 호스트 금속에 분산되어 있는 내화성 물질의 입자를 15 부피%보다 많이 포함하는 초경합금 물질.
  8. 제1항에 있어서, 호스트 금속에 분산되어 있는 내화성 물질의 입자를 30 부피% 미만으로 포함하는 초경합금 물질.
  9. 제8항에 있어서, 호스트 금속에 분산되어 있는 내화성 물질의 입자를 25 부피% 미만으로 포함하는 초경합금 물질.
  10. 제1항에 있어서, 상기 호스트 금속은 강철 및 주철을 포함하는 철 합금, 스테인레스 강철, 오스테나이트-망간 강철, 또는 철-기재 또는 니켈-기재 또는 코발트-기재 초내열합금(superalloy)을 포함하는 것인 초경합금 물질.
  11. (a) 불활성 대기중에서 액체 호스트 금속에 분산되어 있는 내화성 물질의 입자를 10 내지 50 부피% 포함하는 초경합금 물질의 슬러리를 형성시키는 단계, 및
    (b) 상기 슬러리를 몰드에 주입(pouring)하고 부품(component)의 주조물을 형성시키는 단계를 포함하는, 초경합금 물질의 부품을 제조하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 슬러리를 형성시키고 그런 다음 챔버로부터 공기를 제거하고 불활성 가스를 챔버중에 공급하는 진공 조건하의 챔버에서 부품의 주조물을 형성시키는 단계를 포함하는, 초경합금 물질의 부품을 제조하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 생산 변수(production parameters)를 선택하여 단계 (b)에서의 가공에 요구되는 유동성을 갖는 슬러리를 단계 (a)에서 형성시키는 단계를 포함하는, 초경합금 물질의 부품을 제조하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 생산 변수가 내화성 물질의 입자 크기, 형태, 반응성, 밀도, 및 용해도 중 1개 이상을 포함하는 것인, 초경합금 물질의 부품을 제조하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 내화성 물질의 입자 크기가 400 마이크론 미만인, 초경합금 물질의 부품을 제조하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 내화성 물질의 입자 크기가 150 마이크론 미만인, 초경합금 물질의 부품을 제조하는 방법.
  17. 제11항에 있어서, 호스트 금속 보다 더 작은 열수축성을 갖도록 내화성 물질을 선택하는 단계를 포함하는, 초경합금 물질의 부품을 제조하는 방법.
  18. 제11항에 있어서, 호스트 금속중 내화성 물질의 입자의 분산을 제어하기 위하여, 액체 상태의 호스트 금속의 밀도와 비교하여, 내화성 물질의 밀도를 선택하는 단계를 포함하는, 초경합금 물질의 부품을 제조하는 방법.
  19. 제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 호스트 금속에서 최소의 고체 용해도를 갖도록 내화성 물질을 선택하는 단계를 포함하는, 초경합금 물질의 부품을 제조하는 방법.
  20. (a) 니오븀 또는 (b) 니오븀과 티탄을, 고화된 금속 합금의 미세구조중 초경합금 물질 전체 중량의 10 내지 40 중량% 범위로 니오븀 카바이드의 입자 또는 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 혼합물의 입자를 생산하는 형태로 호스트 금속을 함유하는 용융물에 첨가하는 단계, 및 상기 용융물을 고화시켜 고체 초경합금 물질을 형성시키는 단계를 포함하는, 내마모성 초경합금 물질의 형성 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 용융물에 니오븀 또는 티탄을 첨가하여, 고화된 초경합금 물질의 전체 중량 중 니오븀 카바이드 및 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 혼합물을 12 내지 33 중량% 범위로 니오븀 카바이드 또는 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 혼합물의 입자를 생산하는 단계를 포함하는, 내마모성 초경합금 물질의 형성 방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 혼합물의 입자가 화학식 (Nbx,Tiy)C를 갖는 것인, 내마모성 초경합금 물질의 형성 방법.
  23. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 니오븀 또는 티탄을 상기 용융물에 니오븀 카바이드 또는 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 혼합물의 입자의 형태로 첨가하는 단계를 포함하는, 내마모성 초경합금 물질의 형성 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 용융물에 현탁된 니오븀 카바이드 또는 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 혼합물의 입자의 슬러리를 형성시키는 단계, 및 상기 용융물을 고화시켜 고화된 초경합금 물질을 형성시키는 단계를 포함하는, 내마모성 초경합금 물질의 형성 방법.
  25. 초경합금 물질의 매트릭스를 형성하는 호스트 금속중 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 혼합물의 분산액을 갖는 초경합금 물질을 주조하는 방법으로서, 상기 방법은 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 혼합물 입자의 밀도를 호스트 금속의 밀도에 대하여 선택하고, 그럼으로써 균질한 분산액 내지 비-균질 분산액에 이르는 범위의 매트릭스에서 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 혼합물 입자의 분산을 선택적으로 제어하는 단계를 포함하는, 초경합금 물질을 주조하는 방법.
  26. 제25항에 정의된 방법으로 제조된 금속 합금의 주조물.
  27. 제26항에 있어서, 매트릭스중에 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 혼합물 입자의 균질한 분산액을 포함하는 주조물.
  28. 제26항에 있어서, 매트릭스중에 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 혼합물 입자의 비-균질 분산액을 포함하는 주조물.
  29. 제25항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 합금은 강철 및 고크롬 백주철을 포함하는 주철을 포함하는 철 합금; 스테인레스 강철; 또는 Hadfield 강철을 포함하는 오스테나이트 망간 강철;인 주조물.
  30. (a) 액체 호스트 금속에 분산되어 있는 내화성 물질의 입자를 10 내지 50 부피% 포함하는 초경합금 물질의 슬러리를 형성시키는 단계, 및
    (b) 상기 슬러리를 고화시켜 고체 초경합금 물질을 형성시키는 단계를 포함하는, 초경합금 물질의 형성 방법.
  31. 9종의 전이금속인 티탄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 및 텅스텐 중 1종 이상을 호스트 금속의 용융물에 상기 9종의 전이금속 중 1종 이상의 카바이드 또는 니트라이드 또는 보라이드의 입자를 초경합금 물질의 전체 부피의 10 내지 50 부피% 범위로 생산하는 형태로 첨가하는 단계, 및 상기 용융물을 고화시켜 고체 초경합금 물질을 형성시키는 단계를 포함하는, 내마모성 초경합금 물질을 형성시키는 방법.
  32. 고체 주조물 중 초경합금 물질의 매트릭스를 형성하는 호스트 금속에 9종의 전이금속인 티탄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 및 텅스텐 중 1종 이상의 카바이드 또는 니트라이드 또는 보라이드의 내화성 물질 입자의 분산액을 갖는 초경합금 물질을 주조하는 방법으로서, 상기 방법은 내화성 물질 입자의 밀도를 호스트 금속의 밀도에 대하여 선택하고 그럼으로써 균질한 분산액에서부터 비-균질 분산액에 이르는 범위의 고체 주조물의 매트릭스에서 내화성 물질 입자의 분산을 선택적으로 제어하는 단계를 포함하는, 초경합금 물질을 주조하는 방법.
  33. 호스트 금속 및 (a) 주조 온도에서 호스트 금속중에 불용성인 내화성 물질을 함유하는 니오븀 카바이드 및 (b) 주조 온도에서 호스트 금속 중에 불용성인 니오븀 카바이드 및 티타늄 카바이드의 화학적 혼합물의 입자로부터 선택되는 내화성 물질의 입자의 10 내지 50 부피%의 분산을 포함하는 주조물 형태의 초경합금 물질로서, 상기 호스트 금속은 철합금, 스테인레스 강철, 오스테나이트-망간 강철 및 철-기재 또는 니켈-기재 또는 코발트-기재 초내열합금(superalloy)으로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 초경합금 물질.
  34. 제33항에 정의된 초경합금 물질의 주조물 형태인 펌프 임펠러(pump impeller).
  35. 제33항에 정의된 초경합금 물질의 주조물 형태인 펌프 드로우트부시(pump throatbush).
  36. 제33항에 정의된 초경합금 물질의 주조물 형태인 조 크러셔(jaw crusher) 및 자이러토리 크러셔(gyratory crusher)와 같은 원생암 크러셔(primary rock crusher).
  37. (a) 니오븀 또는 (b) 니오븀과 티탄을, 고화된 주조물 중 초경합금 물질 전체 중량의 10 내지 40 중량% 범위로 니오븀 카바이드의 입자 또는 니오븀 카바이드와 티탄 카바이드의 화학적 혼합물의 입자를 생산하는 형태로 호스트 금속을 함유하는 용융물에 첨가하는 단계, 상기 용융물의 주조물을 형성하는 단계, 및 상기 주조물을 고화시켜 고체 초경합금 물질 주조물을 형성시키는 단계를 포함하는 방법으로서, 상기 호스트 금속은 강철 및 고크롬 백주철을 포함하는 주철을 포함하는 철 합금, 듀플렉스, 페라이트계, 오스테나이트계 및 마텐자이트계를 포함하는 스테인레스 강철, 및 Hadfield 강철을 포함하는 오스테나이트 망간 강철, 및 철-기재 또는 니켈-기재 또는 코발트-기재 초내열합금(superalloy)을 포함하는 군으로부터 선택된, 내마모성 초경합금 물질 주조물의 형성 방법.
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