KR830002162B1 - 니켈기 초내열 단조합금 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

니켈기 초내열 단조합금

본 발명은 1000℃ 이상의 초고온에서 가동되는 발전설비, 석유화학 공업장치에 사용될 수 있는 단조가 가능하며, 우수한 초고온 크립파단 강도를 갖는 니켈기 초내열합금에 관한 것이다.

거듭되는 유가의 인상으로 에너지의 효율적 이용과 절약면에서 각종고온장치의 열효율 향상과 직결되는 사용온도의 대폭적인 상승은 불가피해지고 있다. 따라서, 현재 가동중인 최신예 발전설비, 석유화학공업장치를 비롯한 여러 장치는 에너지 효율을 극대화하기 위하여 1000℃ 이상의 초고온에서 가동되고 있으며, 이에 따라 고온에서 응력에 의한 크립변형, 심한 고온산화 및 부식등의 사용조건이 가혹해짐에 따라 내열 재료가 큰 문제로 대두되고 있다.

현재까지 개발된 초내열강으로는 니켈기 석출경화형 합금이 가장 우수하며, 특히 실용화되어 있는 합금 중에서는 마엠 200(Mar M200, 미국의 Martin Marietta사의 상품명)과 아이엔 100 (IN 100, 미국의 Inco사의 상품명)등이 알려지고 있다. 그러나 이들 합금을 이용한 제품생산에는 단조작업이 불가능하여 정밀주조법 이외에는 제품을 생산할 수 없어 가공작업상에 많은 불편을 주었다. 따라서 이를 해결하기 위하여, 성형성이 우수하고 단조작업이 가능한 헤스렐로이 엑스(Hastelloy X, 미국의 cabot사 상품명)과 인코넬617(Inconel 617, 미국의 Inco사 상품명) 등의 합금이 개발되어 널리 사용되고 있으나 고온강도가 낮기 때문에 1000℃의 초고온에서 장시간 사용이 불가능하다. 또한 경제적인 면에서 유황분이 많은 저질유를 사용하게 될 경우 극심한 고온부식에 견딜 수 없음이 결점으로 되어 있다. 그러므로 단조작업이 가능함과 동시에 고온강도가 우수한 초내열합금의 개발이 시급히 요청되고 있다.

상기한 특성을 갖도록 개발된 최근의 니켈기 초내열합금은, 예컨대 일본문헌(철과강 61(10), 2412(1975)과 철과강 63(1), 121(1977)에 기술된 SSS 410 Zr, SSS 113M과 일본특허 56-21061에 소게되고 있다. SSS 410Zr은 고온강도는 우수하나 코발트를 무게비로 30%나 함유하고 있어 제조원가가 높을 뿐 아니라 고온 가스원자로에 직결되는 헤륨터빈등 유도방사능의 문제가 있는 곳에는 사용될 수 없다. 그리고 코발트를 함유하지 않은 SSS113M은 크립파단시간(시험조건 1000℃, 4kg/mm²)이 270시간 정도이므로 고온강도가 아직도 충분치 못하다. 한편 일본특허 56-21061은 코발트도 함유하지 않고, 크립파단시간(시험조건, 1000℃, 4kg/mm²)도 500시간 이상으로 고온강도가 우수하나 텅스텐함량이 무게비로 26-33%를 함유하고 있어 비강도 면에서 매우 불리하다.

본 발명의 특징은 상기한 바와 같은 불리한 점들을 해결한 우수한 고온강도를 가지며 비강도가 높은 단조가능한 니켈기 초내열 합금이다.

본 발명에서는 니켈에 12-20%의 크롬, 18-25%의 텅스텐, 0.2-1.5%의 티탄, 1-3%의 알루미끈, 0.1%이하의 붕소, 0.3%의 탄소, 0.2%이하의 지르코늄 범위의 원소를 첨가함으로써 기존의 실용화되고 있는 단조합금보다 1000℃에서의 크립파단 수명이 훨씬 우수하며 아울러 가공성이 뛰어난 새롭고도 진보된 합금을 얻을 수 있음을 발견하였다.

본 발명합금의 성분 제한범위를 상기와 같이 설정한 이유는 석출상인 γ상과 알파-텅스텐의 양을 합금의 성형성과 크립파단 수명을 해치지 않게 물리야금학적으로 잘 조정하기 위해서이며, 이를 좀 더 상세히 설명하면, 크롬은 합금의 고온내식성과 내 산화성을 현저히 향상시키지만 18-25%의 텅스텐 범위에서는 20%이상의 크롬을 첨가하면, 크립파단수명이 현저히 저하한다. 이는 고텅스텐 일수록 더욱 영향이 크다. 하한의 12%는 합금의 1000℃에서의 내식 내산화성유지와 적정 알파-텅스텐을 석출시키기 위한 고온강도의 확보의 점에서 필요하다. 본 발명합금에서의 텅스텐 함량은 18%이상 첨가되어 있으며 γ기지의 고용강화와 알파-텅스텐을 석출시키는 효과로 합금의 고온강도를 높이는데 제일 중요한 원소이다. 그러나 25%이상의 텅스텐을 알파-텅스텐을 과량으로 석출시켜 합금의 가공성을 헤치며 1000℃의 크립파단 수명도 오히려 낮게 된다. 따라서 12-20%의 크롬에서는 18-20%의 텅스텐이 적정치이다.

알루미늄관 티탄은 γ'의 석출강화 효과를 얻기 위하여 첨가한 원소로 각각 3%이상 및 1.5%이상 첨가하면 γ'의 석출에 소요되는 니켈량이 많아져 상대적으로 텅스텐을 고용시킬 수 있는 기지의 니켈량이 적어지므로 알파-텅스텐을 과잉석출하게 된다. 합금의 가공성을 해치지 않고 고온강도를 높이기 위해서는 γ'의 체적률은 15%정도가 적당하며 이 경우 알루미늄과 티탄은 각각 1-3%와 0.2-1.5%의 범위가 바람직하다.

탄소는 탄화물을 형성하여 합금의 고온강도를 높이며 탄화물 중에 서도 M₆C보다 M₂₃C₆가 크립강도에 유리하다. 그러나 많이 첨가하게 되면 합금의 성형성을 낮추기 때문에 본 발명합금과 같은 크롬과 텅스텐의 범위에서는 0.05%-0.3%의 범위에서 M₂₃C₆와 같은 고온강도에 유리한 탄화물을 얻을 수 있다. 한편 합금에 미량첨가되는 붕소와 지르코늄은 입계강화와 탄화물의 안정을 주목적으로 많이 첨가하면 편석을 초래하고 단조성이 떨어지므로 각각 0.1%15%이하의 범위내로 첨가하는 것이 좋다.

[실시예]

사용된 원료금속은 고순도의 니켈, 진해크롬, 텅스텐분말, 금속알루미늄, 금속티탄, 금속지르코늄이며, 붕소는 15%의 니켈-붕소 모합금으로, 탄소는 그라파이트로 첨가하였다.

용해는 진공고주파용해로를 사용하여 용량 5lb의 알루미나 도가니에니켈, 텅스텐, 탄소를 우선 녹여 용량이 형성된 후 크롬, 알루미늄, 티탄, 붕소, 지르코늄의 순서로 첨가하여 진공중에서 5lb주철금형에 주입하여 잉코드를 만들었으며 용해도중 진공도는 10^-2-10^-3Torr를 유지하였다. 주조한 5lb 잉고트의 표면을 스카아핑하고 시효온도 부근인 816℃에서 충분히 예열한 후 단조온도인 1250℃까지 가열하고 900℃를 단조 마무리 온도로 하여 열간 단조하였다. 이때 단조비는 약 3%로하여 200mmø의 봉상으로 단조하였으며 1300℃의 용체화처리를 거쳐 ASTM에 규정된 크립파단 시험편으로 제작하였다.

각 시료의 화학조성은 표 1과 같으며, 본 발명합금과 기존 니켈기 단조합금들과의 성분대조표는 표 2와 같으며, 본 발명합금과 이들 합금과의 1000℃, 4kg/mm²에서의 크립파단 수명의 비교치는 표 3과 같다.

표에서와 같이 본 발명합금은 실요화된 니켈기 단조내열합금중 최강인 인코넬 617보다 크립파단수명이 무려 5.5배나 길며, 고가원료 금속인 코발트를 사용한 SSS410

Zr과 대등한 크립파단수명을 나타내며 제조원가가 저렴할뿐만 아니라 유도방사능의 문제도 해결하였으며, 일본 특허 56-21061의 것에 비해 크립파단수명이 비등할 뿐더러 텅스텐 함량을 줄일 수 있어 비강도면에서 유리한 새롭고도 진보된 니켈기 단조내열 합금이 실증되었다.

[제 1 표]

시료의 화학조성

[제 2 표]

니켈기 단조합금의 조성비교표

[제 3 표]

고온크립파단 시험 결과 비교 (시험조건 1000℃, 4kg/mm²)

Claims (1)

1. 크롬 12-20%, 텅스텐 18-25%, 티탄 0.2-1.5%, 알루미늄 1-3%, 탄소 0.05-0.3%, 붕소 0.1%이하, 지르코늄 0.2%이하, 나머지 니켈로 구성됨을 특징으로 하는 니켈기 단조합금.