KR900000402B1

KR900000402B1 - 고강도 및 고인성 마르에이징강

Info

Publication number: KR900000402B1
Application number: KR1019850007505A
Authority: KR
Inventors: 김영길; 이창선
Original assignee: 한국과학 기술원; 전학제
Priority date: 1985-10-12
Filing date: 1985-10-12
Publication date: 1990-01-25
Also published as: JPH0254418B2; JPS62174346A; KR870004158A; US4710347A

Abstract

내용 없음.

Description

고강도 및 고인성 마르에이징강

제1도는 4.5% 텅스텐을 함유하는 마르에이징강의 표준 시효 처리 상태에서의 투과 현미경 사진으로서, a도는 Ni₃W 및 η-Ni₃Ti를 함께 나타내는 사진(x 150,000 ), b도는 전자 회전 패턴 사진, c도는 Ni₃W만을 나타내는 사진(x 150,000), d도는 η-Ni₃Ti만을 나타내는 사진(x 150,000).

제2도는 4.5% 텅스텐을 함유한 마르에이징강의 저주파 피로(low cycle fatigue) 성질을 나타낸 도표.

제3도는 본 발명에 의한 마르에이징강의 텅스텐 함량의 변화에 따른 기계적 성질의 변화도.

본 발명은 텅스텐을 함유하는 새로운 고강도 및 고인성 마르에이징강에 관한 것이다.

기존의 마르에이징강은 18% 니켈, 8% 코발트, 4% 몰리브덴, 0.1% 알루미늄을 함유하고 있으며, 티탄함량이 0.2%에서 0.7%까지 변화함에 따라 항복 강도가 1400MPa에서 2100MPa까지 변하게 된다. 그런데, 1970년에 전략 원소인 코발트의 공급이 부족해져서 그 가격이 급상승하게 되었으며, 따라서 새로운 소재의 마르에이징강이 필요하게 되었다.

1979년 데커(R.R. Decker)가 편집하고 ASM에서 출판한 ＂Spource Book on Maraging Steels＂의 서론부인 ＂Notes on the Development of Maraging Steels＂에 마르에이징강의 개발 경위, 적용 분야, 장점 등이 개괄적으로 나타나 있다. 이에 따르면, 마르에이징강은 항공기 산업, 정밀 공업, 정밀 금형 및 방위 산업에 사용되는 고강도 및 고인성 특수 합금이다. 이것을 용체화 처리 후 공냉시킴으로써 인성이 높은 매시브 마르텐 사이트 기지(massive martesite matrix) 조직을 얻을 수 있다. 그 기지 조직 내에서 과포화된 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 티탄 등의 치환형 합금 원소는 시효(aging) 처리에 의해 Ni₃Mo, Ni₃W, Ni₃Ti등의 석출물을 형성함으로써 고강도를 얻는데 기여한다. 그리고 탄소 함량을 0.03% 이하로 유지시킴으로써 고인성을 얻을 수 있다.

플로린(S, Floreen)등 [Trans. ASM, 57, 714-726(1964)]은 코발트는 니켈, 몰리브덴, 티탄등의 치환형합금 원소의 기지 조직 내에서의 용해도를 낮춤으로써 Ni₃Mo 석출을 촉진하지만, 그 자체가 석출물의 원소로 되지는 않는다고 하였다. 그리고, 텅스텐은 몰리브덴과 가전자의 차이가 없으며, 격자 변형에 영향을 주는 격자 상수는 Mo=3.15Å, W=3.17Å으로 그 물리적 성질이 비슷하다.

본 발명자들은 위의 두 사실들로부터 코발트를 배제하고, 몰리브덴을 텅스텐으로 대체한 마르에이징강의 개발이 가능하다는 사실을 알 수 있었다. 그리고 코발트 배제에의해 야기되는 강도의 감소는 타탄의 함량을 1.4%까지 높임으로써 보상할 수 있었다.

본 발명은 우리 나라가 전세계 매장량의 약 4%를 보유하고 있는 텅스텐을 합금 원소로 사용하여 기존 마르에이징강의 개발이 가능하다는 사실을 알 수 있었다. 그리고 코발트 배제에 의해 야기되는 강도의 감소는 티탄의 함량을 1.4%까지 높임으로써 보상할 수 있었다.

본 발명은 우리 나라가 전세계 매장량의 약 4%를 보유하고 있는 텅스텐을 합금 원소로 사용하여 기존 마르에이징강의 코발트와 몰리브덴을 배제하고 대신 텅스텐을 함유하는 새로운 고강도 및 고인성 마르에이징강을 개발하고자 함에 그 목적이 있다.

이러한 본 발명의 목적은 니켈 15-25%, 텅스텐 2-8%, 티탄 0.5-2.0%, 알루미늄 0.05-0.30% 및 잔부가 철로 구성된 새로운 고강도 및 고인성 마르에이징강 합금에 의하여 달성된다.

텅스텐 함유 마르에이징강은 진공 유도 용해를 하여야 높은 인성을 얻을 수 있으며, 1250℃에서 1시간 균질화 처리후 단조와 압연을 행한다. 최종 압연 전에는 1250℃에서 1시간 유지한 후 압연 직후 수냉하여 Ti(C, N)의 전오스테나이트(prior austenite) 입계(粒界)에서의 석출을 방지하여야 높은 인성을 가질 수 있다. 그리고, 815℃에서 1시간 용체화 처리 후 480℃에서 3시간 시효 처리하는 것이 가장 적당한 열처리 조건으로 밝혀졌다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면에 따라 상술하겠다.

제1도에 의하면, 위의 열처리 조건에서 박막 시편을 사용하여 투과 저자 현미경으로 관찰한 결과, 석출물은 Ni₃W과 η-Ni₃Ti로 확인되었다. 사방정계(orthortom bic)인 Ni₃W(a=5.08Å, b=4.15Å, c=4.25Å)이 기지(matrix)와 갖는 방향 관계는 {011}_M//(010)Ni₃W, ＜

＞_M//[100]Ni₃W이며, 봉상으로서 질름이 약 150Å, 길이가 약 200Å이고 그 축방향이 기지의 ＜111＞방향과 일치된다. η-Ni₃Ti는 육방정계(hexagonal) 구조(a=5.10Å, c=8.30Å)로서, {011}_M//(0001)_η-Ni3Ti, ＜

＞_M// [1120]_η-Ni3Ti의 방향 관계를 가지며, 두께 약 20Å, 길이 약 150Å 정도의 판상이다.

제2도의 M은 마르텐사이트(martensite)의 약자이며, P는 석출물, A는 오스테나이트(austenite)의 약자이다. M은 용체화 처리만 하고, 시효 처리는 하지 않은 상태이며, M+P는 용체화 처리 후 480℃에서 3시간 시효 처리시킴으로써, 잔류 오스테나이트(revorted austenite)는 전혀 없으며 Ni₃W과 η-Ni₃Ti 석출물을 가지는 조직이다. M+A는 용체화 처리 후 650℃에서 3시간 동안 과시효 처리시킴으로써, 마르텐사이트 기지(matensite matrix), 잔류 오스테나이트 및 석출물이 존재하는 조직이다. 4.5%W 마르에이징강의 저주파 피로 성질은 기존의 마르에이징강과 같은 것으로 나타났다.

코발트와 몰리브덴을 배제하고 대신 텅스텐을 함유시킴에 의해 기존의 250급(grade) 마르에이징강과 동등한 기계적 성질을 가지는 마르에이징강을 개발함으로써, 원재료의 안정적 공급할 수 있으며, 텅스텐의 부가가치를 높일 수 있고, 또한 마르에이징강 가격을 낮출 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 마르에이징강의 제조 방법은 다음과 같다.

텅스텐 함유 마르에이징강은 10^-2-10^-3토르(torr)의 진공하에서 용해를 하여야 높은 인성을 얻을 수 있다. 따라서, 전해철과 전해 니켈을 마그네시아 도가니에 장입한 후, 진공을 뽑고 용해시킨다. 전해철과 전해 니켈이 용해된 후, 텅스텐, 티탄, 알루미늄을 추가 장입하고, 합금 원소가 완전히 녹은 후 아르곤을 진공 용해로에 불어 넣어 용탕을 진정시킨 후 출탕한다. 주괴는 1200℃에서 1시간 균질화 처리 후 단조하고, 단조 후 1200℃에서 열간 압연을 행한다. 압연판을 815℃에서 1시간 용체화 처리하고, 시편 가공을 행한 후, 480℃에서 3시간 시효 처리한다.

[실시예 1]

18.5% Ni-3.0% W-1.4% Ti-0.1% Al-Fe기재의 조성을 가지는 35kg의 주괴를 얻기 위해, 전해 니켈 6.744kg, 텅스텐 1.05kg, 티탄 0.511kg, 알루미늄 52kg, 전해철 26.932kg을 준비하였다. 우선, 전해철과 전해 니켈을 마그네시아 도가니에 장입하고, 10^-3토르까지 진공을 뽑은 후 용해를 시작하였다. 니켈과 철이 용해된 후 호퍼에 들어 있던 텅스텐, 티탄, 알루미늄을 추가 장입하고, 아르곤을 진공 용해로에 불어 넣어 용탕을 지정시킨 후 출탕하였다.

주괴를 1200℃에서 1시간 균질화 처리시킨 후 단조하여 두께 300mm로 만든 후, 충격 시험용과 피로 시험용은 15mm까지, 인장 시험용은 4mm까지 1200℃에서 열간 압연하였다. Ti(C, N)의 전오스테이나이트 입계에서의 석출을 방지하여 높은 인성을 갖도록 하기 위해, 최종 압연 전에는 1250℃에서 1시간 유지한 후 압연 직후 수냉하였다.

압연된 판을 815℃에서 1시간 용체화 처리 후 인장, 충격, 피로 시험용 시편 가공을 행하고, 시편 가공 후 가공된 시편의 표면을 산화로부터 보호하고 열처리의 정확성을 기하기 위해 염욕(NaCl : CaCl₂=1 : 1)을 이용하여 480℃에서 3시간 시효 처리를 행하여 기계적 성질을 관찰하였다. 그 결과, 항복 강도 1600MPa, 인장강도 1650MPa, 연신율 8%, 샤피 충격 에너지 26주울(Joule)을 얻었다. 인장, 충격, 피로 시험용 시편은 모두 압연 방향에 평행한 방향으로 채취하였으며, 인장 시편은 KS B 0801(금속 재료 인장 시험편)에 따른 판상으로, 충격 시편은 KS B 0809(금속 재료 충격 시험편)에 따라 가공하였다.

[실시예 2]

18.5% Ni-4.5% W-1.4% Ti-0.1% Al-Fe기재의 조성을 가지는 35kg의 주괴를 얻기 위해, 전해 니켈 6.744kg, 텅스텐 1.575kg, 티탄 0.511kg, 알루미늄 52kg, 전해철 26.407kg을 준비하였다. 용해, 단조, 압연, 열처리 과정 등은 실시예 1과 같이 행하였다. 실험결과, 항복 강도 1700MPa, 인장 강도 1750MPa, 연신율 8%, 샤피 충격 에너지 24주울을 얻었다.

[실시예 3]

18.5% Ni-6.0% W-1.4% Ti-0.1% Al-Fe기재의 조성을 가지는 35kg의 주괴를 얻기 위해, 전해 니켈 6.744kg, 텅스텐 2.010kg, 티탄 0.511kg, 알루미늄 52kg, 전해철 25,882kg을 준비하였다. 실험 결과, 항복 강도 1850MPa, 인장 강도 1900MPa, 연신율 7%, 샤피 충격 에너지 20 주울을 얻었다.

텅스텐의 양을 3%에서 6%까지 바꿔가면서 그 기계적 성질을 결과는 제3도에 나타나 있으며, 항복 강도가 1750MPa, 인장 강도 1800MPa, 연신율 9%, 샤피 충격 에너지 26주울인 기존의 코발트 함유 마르에이징강의 250급과 4.5% 텅스텐 함유 마르에이징강은 유사한 성질을 가진다. 기존의 250급 마르에이징강과 본 발명의 4.5% 텅스텐 함유 마르에이징강은 그 기계적 성질이 동등하지만, 본 발명의 마르에이징강은 가격이 비싼 코발트와 몰리브덴을 함유하고 있지 않으므로, 가격이 저렴한 장점을 가지고 있다. 본 발명의 각 마르에이징강의 조성을 아래의 표에 종합적으로 나타내었다.

[표 1]

마르에이징강의 화학 조성

Claims

니켈 17.5-19.5%, 텅스텐 3-6%, 티탄 1.0-1.8%, 알루미늄 0.05-0.20% 및 잔부가 철인 것이 특징인 고강도 및 고인성 마르에이징강.