KR920006827B1 - 고강도-고인성-고내식성 스테인레스 마르에이징강과 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
본 발명은 강도와 인성이 모두 우수하고 내식성이 탁월한 스테인레스 마르에이징강(Stainless maraging steel)과 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 마르에이징강은 고강도, 고인성이 요구되는 dies, rocket motor case, load cell, landing gear등의 용도에 많이 사용되고 있다.
대표적인 합금계는 영국특허 제936557호에 의해 개발된 18중량% Ni-Co-Mo으로된 마르에이징강이 있다. 그러나 코발트(Co)와 몰리브덴(Mo)은 고가의 원소로서 제조원가의 상승요인이 되고 있으며, 특히 코발트는 전략원소로서 전세계적으로 공급이 부족하여 그 가격이 급상승하고 있다. 따라서 이를 대처키 위한 새로운 소재의 마르에이징강이 요구되고 있다.
영국특허 948354호에서는 코발트를 함유시키지 않은 20%-25% Ni로된 마르에이징강이 개발된 바 있으나, 인성이 부족하기 때문에 상업성에 문제가 있다.
프랑스특허 제2127799호(히다찌회사명의)는 20% Ni 및 25% Ni마르에이징강을 개량시켜 인장강도를 약 130㎏/㎟(1275N/㎟), 그리고 연성을 9% 수준으로 향상시키고 있으나 그다지 연성이 우수하지 못하며 내식성에는 문제를 다루지 않고 있다.
국내특허공보 제87-2074호에서는 코발트를 함유시키지 않은 마르에이징강이 알려져 있으나, 고가의 몰리브덴이 사용되고 있으며, 연성이 우수하지 못하고 또한 내식성에 대하여는 문제를 다루지 않고 있다.
한편 18Ni 마르에이징강은 중탄소 저합금강등에 비하여 응력 부식균열 및 수소취성에 대한 저항성이 크기는 하나, 그 사용조건이 약간의 부식분위기이거나 물과 접촉하는 부위라면 별도의 보호피막 처리가 필요하다.
따라서 이와 같은 기존의 마르에이징강에 비하여 강도를 낮추는 반면에 인성과 부식저항이 향상된 스테인레스 마르에이징강(IN-736)이 개발되었으나, 이것 역시 몰리브덴을 사용하고 있으며 또한 내식성이 그다지 우수하지 못하고 있다.
한편 본 발명자는 코발트와 몰리브덴을 전혀 사용하지 않으면서도 고강도, 고인성을 갖는 마르에이징강을 국내특허공보 제90-402호로 개발한바 있으나 연성과 내식성을 동시에 만족시키지 못하고 있다.
본 발명은 코발트를 배제하고 몰리브덴을 텅스텐으로 대체함으로서 고가의 원소를 사용하지 않으면서도 강도와 인성을 해치지 않은 범위에서 연성, 내식성을 동시에 충족시킬 수 있는 마르에이징강을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 스테인레스 마르에이징강 조성은 중량%로서 8-12%의 크롬(Cr), 7-12%의 니켈(Ni), 2-6%의 텅스텐(W), 0.1-0.5%의 알루미늄(Al), 0.1-0.4%의 티타늄(Ti)이고, 나머지는 철(Fe)로 조성된다.
이와 같이 조성된 본발명강의 성분범위 한정이유는 다음과 같다. Cr(8-12중량%)은 내식성 향상을 위하여 첨가한 것으로서 그 함량이 적정량보다 많거나 적으면 스테인레스 마르에이징강의 기지(Matrix)에 균일한 마르텐사이트 조직이 형성되지 않는다. Ni(7-12중량%)은 18Ni마르에이징강에 비하여 고가인 Ni함량을 감소시켰으며 균일한 마르텐사이트 기지조직을 형성시키기 위하여 Ni과 Cr의 총함량을 적절히 조절하였다. W(2-6중량%)은 고온에서 고용강화효과 또는 안정한 석출물을 형성시켜 강도의 증가에 기여하나, 그 함량이 증가하면 연성과 인성이 감소됨으로 적정함량을 선택하였다. Al(0.1-0.5중량%)은 한정된 크기의 경화재가 되나 그 함량이 증가하면 연성이 감소된다.
Ti(0.1-0.4중량%)은 시효처리시 금속간 화합물을 형성하여 마르에이징강을 강화시키는 강화원소이며, 잔류탄소를 고착시켜 정련시키는 역할도 하나, 그 함량이 증가하면 인성이 감소함으로 적정량을 선택하였다.
상기와 같이 조성된 본 발명의 합금강은 다음과 같은 방법으로 제조된다.
먼저 99.9% 정도의 순도를 갖는 전해철, Ni, Cr, Al, Ti과 순도 99.95%정도의 W분말을 사용하여 진공유도로 또는 전기로에서 Fe, Ni, Cr을 용해시킨 다음 여기에 W, Ti, Al등의 합금원소를 가하여 용해시켜 중량%로서 8-12% Cr, 7-12% Ni, 2-6% W, 0.1-0.5% Al, 0.1-0.4% Ti이고, 나머지는 Fe로된 용탕을 얻는다.
이 용탕을 주형내에 주조하여 인고트(Ingot)를 얻는다. 이 인고트를 1200-1250℃온도에서 1-3시간 균질화처리한 후 1200-1250℃온도에서 단조와 열간압연을 한다. 열간압연된 판재를 균일한 마르텐사이트 조직을 얻기 위하여 800-1000℃온도에서 1-3시간 용체화처리후 공냉한다. 공냉후 400-600℃에서 1-25시간동안 시효처리하여 미세한 금속간 화합물을 마르텐사이트 기지에 석출시킨다.
다음은 실시예를 통하여 본 발명을 설명키로 한다.
[실시예]
[표 1]과 같은 5가지 조성의 합금(시료 No.1-No.5)을 진공유도로에서 용해한 후 주형에 주조하여 인고트를 얻는다. 이 인고트를 1250℃에서 1시간 동안 균질화처리하여 단조와 열간압연하였다. 그후 ASTM규격에 명시된 게이지 길이의 시편으로 가공하여 830℃온도에서 1시간 용체화처리한 후, 480℃온도에서 3시간 시효처리를 하였다.
이와 같이 처리하여서된 시편에 대한 상온 및 고온에서의 물리적 성질은 [표 2] 및 [표 3]과 같이 나타났다.
[표 1 스테인레스 마르에이징강의 화학성분표]
[표 2 상온에서 스테인레스 마르에이징강의 물리적특성]
[표 1]과 [표 2]에서와 같이 Ti과 W을 함유하지 않은 시료 No.1의 경우는 항복강도와 인장강도가 다른 합금(시료 No.2-5)에 비해 상당히 낮으며, 연신율은 크게 나타났다. 이는 시료 No.1의 경우 석출물에 의한 석출강화는 일어나지 않기 때문이다.
본 발명(시료 No.3과 No.4)과 IN-736(시료 No.5)의 항복강도, 인장강도 및 연신율은 거의 유사하였다. 한편 18% Ni 마르에이징강(시료 No.6과 No.7)의 항복강도와 인장강도는 높게 나타나고 있으나 연신율은 본 발명에 비해 훨씬 뒤떨어지고 있음을 알 수 있다.
[표 3 고온(250℃)에서 스테인레스 마르에이징강의 물리적특성]
P : 판상(plate), R : 봉상(round bar)
W함량에 따른 인장특성의 변화는 거의 나타나지 않고 있으며, 이는 합금원소 W이 석출물을 형성하지 않고 고용체 강화에 의해서만 강도에 영향을 주기 때문이다. [표 3]의 항복강도와 인장강도는 상온에서 보다 다소 적게 나타났다.
이는 고온에서 전위(Dislocation)등의 소멸에 의한 연화로 볼 수 있다.
[표 4 샤르피(Charpy)충격시험]
[표 4]는 샤르피 충격시험으로서 충격특헝의 변화는 인장강도의 결과와 다르게 나타났으며, Ti과 W을 모두 함유하지 않은 시료 No.1의 경우는 석출물이 존재하지 않기 때문에 상당히 큰 충격값을 가진다.
Mo 대신 4%의 W을 사용한 본 발명(No.4)은 "IN-736"(No.5)의 충격에너지 값과 거의 유사하게 나타났다.
[표 5 파괴인성 시험과 응력부식균열 시험]
[표 5]에서 나타난 바와 같이 본 발명(No.3과 No.4)의 파괴인성값과 응력부식균열값은 No.5(IN-736)보다 높게 나타났다. 다음은 용체화 처리온도 분포에 따른 물리적 특성을 조사하였든바 [표 6]과 같았다.
[표 6 용체화 처리온도에 따른 물리적 특성]
용체화 처리온도가 증가함에 따라 항복강도와 인장강도는 감소하다가 일정온도 이상에서는 거의 같은 값을 가지나, 연신율변화는 용체화 처리온도와는 무관하게 거의 같은 값을 나타낸다. 한편 용체화 처리온도에 따른 충격에너지 값은 950℃이상에서는 일정한 값을 가진다. 이는 고용한보다 큰 조성의 경우 용체화 처리시 고온석출물이 형성되어 잔류하기 때문이다.
이상에서와 같이 본 발명은 고가의 코발트 또는 몰리브덴을 사용하지 않으면서도 "IN-736"마르에이징강과 대등한 물리적 특성을 갖고 있으며, 내식성에 있어서는 "IN-736"보다 월등히 우수한 마르에이징강을 얻을 수 있었다.
Claims (2)
- 중량%로서, 크롬(Cr)8-12, 니켈(Ni) 7-12, 텅스텐(W)2-6, 알루미늄(Al) 0.1-0.5, 티타늄(Ti) 0.1-0.4이고 잔부가 철(Fe)로 조성됨을 특징으로한 고강도-고인성-고내식성 스테인레스, 마르에이징강.
- 고순도를 갖는 전해철, Ni, Cr, Al, Ti 및 W분말을 용해로에서 용해하여 중량%로서, 크롬(Cr)8-12, 니켈(Ni) 7-12, 텅스텐(W) 2-6, 알루미늄(Al) 0.1-0.5, 티타늄(Ti) 0.1-0.4이고, 잔부가 철(Fe)로 조성된 용탕을 주조하여 인고트(Ingot)를 만들어, 이를 1200-1250℃ 온도에서 1-3시간 균질화처리한 후 1200-1250℃온도에서 단조와 열간압연하고, 800-1000℃온도에서 1-3시간 용체화 처리후 400-600℃온도에서 1-25시간 동안 시효처리함을 특징으로 하는 고강도-고인성-고내식성 스테인레스 마르에이징강의 제조방법.
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