KR930009978B1 - 고온가공성 니켈-철 알루미나이드 - Google Patents

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내용 없음.

Description

고온가공성 니켈-철 알루미나이드

본 발명은 바람직한 고온 연성 및 고온 가공성을 나타내는 고강도 니켈-철 알루미나이드 합금에 관한 것으로, 이는 미합중국 에너지성과의 계약하에 실시된 연구의 결과로 얻어진 것이다.

트리-니켈 알루미나이드(Ni₃Al)를 기본 조성물로 하는 합금 즉, 규칙격자의 금속간 화합물은 고온하에서 구조적으로 독특한 특성을 갖고 있다. 통상적인 합금의 경우에는 온도의 상승에 따라 항복강도가 감소되는데 비하여 이와같은 금속간 화합물은 온도의 상승에 따라 항복강도가 중대되는 특이한 기계적 성질을 나타낸다. 트리-니켈 알루미나이드는 통상적인 니켈기 합금, 즉 초내열합금(superalloy)의 가장 중요한 고온 강화성분이며 이들 니켈기 합금의 고온강도 및 크리이프(creep) 내성에 중대한 영향을 끼친다. 이러한 트리니켈 알루미나이드가 공업재료로서의 용도가 제한되는 주요원인은 취성파단(brittle fracture)를 나타내고 연성이 낮기 때문이다.

최근에, 트리니켈 알루미나이드를 기본조성물로 하는 형태의 합금류는 항복 강도를 증대시키기 위하여 철을 첨가시키고, 연성을 보강시키기 위하여 붕소를 첨가시키며, 냉간 가공성을 개선시키기 위하여 티타늄, 망간 및 니오브를 첨가시킴으로써 개선되어 왔다(류(Liu) 및 코치(koch)씨가 1983년 8월 3일에 출원하여서 현재 계류중이며 발명의 명칭이 고온에 알맞은 연성의 알루미나이드 합금인 미합중국 특허출원 제 519,941호 참조). 또 한가지 개선점은 트리 니켈 알루미나이드를 기본 조성물로 함유하는 합금에 상기 목적을 달성하기 위하여 철과 붕소를 첨가시키고, 이에 더하여 더 높은 온도에서의 강도를 증가시키기 위하여 하프늄과 지르코늄을 첨가시킴으로써 달성되었다(류 미 스테이글러(Steigler)씨가 1983년 12월 21일에 틀허출원하고 현재 계류중이며, 발명의 명칭이 고온에 알맞은 연성의 알루미나이드 합금인 미합중국 특허출원 제 564,108호 참조).

이와같이 개선된 합금류는 여러 가지 유익한 특성을 지니고 있지만 그들의 유용성을 감퇴시키는 몇가지 결점을 지니고 있다. 예를들면, 상기 트리 니켈 알루미나이드 합금은 온도가 상승함에 따라서 연성과 고온 가공성이 저하된다. 따라서 상기 합금을 압연 또는 단조에 의하여 필요한 형태의 구조물로 가공하는 작업은 700℃ 이하의 온도에서 수행되어야 한다. 이러한 합금에 대한 고온 가공성이 그보다 더 높은 온도, 즉 약 1, 2000℃까지의 고온에서 수행될 수 있다면, 이 온도에서 공업적 가공경험과 능력이 축적될 수 있기 때문에 상기 합금은 더욱 큰 가치를 가질 것이다. 고온가공 의하여 얻어지는 다름 이점으로는 가공비를 절감과 고출력 가공설비를 필요로 하지 않는 것등을 들 수 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 약 1,2000℃의 온도에서 열간 압연 또는 열간단조에 의하여 가공할 수 있는 니켈-철 알루미나이드 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 한가지 목적은 고온에서 높은 항복강도, 우수한 가공성 및 내산화성을 지닌 고온 가공성 니켈-철 알루미나이드 합금을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 종래의 제조기술을 이용하여 비교적 저렴한 비용으로 제조될 수 있으며 상기 양호한 고온 특성을 지닌 니켈-철 알루미나이드 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 부수적인 목적, 이점 미 신규한 실시예는 다음의 상세한 설명에서 논의되며, 후속되는 실험에 의하여 당 기술분야에 숙련된 자들에 의하여 명백해질 것이며, 또한 본 발명을 실시함으로써 알 수 있을 것이다.

본 발명의 목적과 이점들은 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 수단들과 그 수단의 조합에 의해서 달성되고 또 얻어질 것이다.

상기 목적과 기타 목적을 달성하기 위하여 여기서 구체적이고 과범위하게 설명한 바와같이 본 발명의 합금은 Ni₃Al 합금을 기본조성물로 함유하고 요구되는 목적을 달성하는 데 필요로 하는 기타 원소들을 첨가시켜서 일정한 비율을 조정시킨 조성물로 구성된다. 첨가되는 원소로는 철 및 붕소와 고온강도를 증가시키기 위한 주기율표 상의 1가지 이상의 IVb족 원소와 그리고 고온 가공성을 개선시키기 위한 1가지 이상의 희토류 원소등이 있다.

또한 몰리브덴과 탄소를 첨가시킴으로써 각각 산화와 균열에 대한 저항성을 개선시킨다. 철은 14 내지 17중량% 정도 첨가시키고 연성을 증가시키기 위하여 0.01 내지 0.05중량% 정도의 붕소를 첨가시키고, IVb족 원소들의 혼합농도는 0.1내지 1.0중량% 정도 첨가시키며, 희토류 원소들은 약 700℃이상의 온도에서 고온가공성을 증가시키기 위하여 0.002 내지 0.01 중량%정도 첨가시킨다. 몰리브덴은 내산화성을 증가시키기 위하여 0.01 내지 4.0중량% 정도 합금성물에 첨가시킨다. 탄소는 몰리브덴을 첨가시킴으로써 발생되는 고온균열 현상을 억제시키기 위하여 0.01내지 0.1중량%정도 상기 합금조성물에 첨가시킨다. 합금의 잔여성분 또는 나머지 잔여량은 Ni₃Al 기본조성물로 구성된다.

실시예를 들어 더욱 구체적으로 설명하면, 니켈-철 알루미나이드 합금의 연성을 증가시키기 위하여 바람직한 붕소함량은 0.01-0.03중량% 정되다. IVb족 원소중 바람직한 원소는 하프늄이지만 지르코늄도 일정한 결과에 따라 유사한 특징을 나타낸다. 회토류 원소중 바람직한 원소는 세륨이며, 약 1,200℃의 온도에서 고온 가공성을 증가시키기 위하여 세륨원소를 0.002 내지 0.007중량%정도 첨가시키는 것이 바람직하고 더욱 바람직하게는 약 0.005중량% 정도 첨가시킨다. 이트륨, 토륨 및 란탄과 같은 원소는 세륨원소와 유사한 특성을 나타내는 것으로 믿어진다.

또한 내사노하성을 개선시키는데 필요한 몰리브덴의 함량은 약 4중량% 이하이고 고온 가공시에 균열현상을 억제시키기 위하여 약 0.1중량%의 탄소를 첨가시킨다.

본 발명에 따른 니켈-철 알루미나이드 연성, 고온 가공성, 약 600℃까지의 고인장강도, 그리고 내산화성 등의 복합적인 특성을 갖는 이점이 있다. 또한 이들 알루미나이드는 시중에서 구입할 수 있는 니켈기 합금 즉, 초내열합금에 비하여 비중이 낮고 생산원가도 저렴하다.

본 발명에 따른 합금의 인고트(ingot)는 순수한 금속칩과 Ni과 4중량%의 B 및 Ni과 4중량%의 Ce으로 조성된 주합금의 적정비율을 아아크 용융시켜 제조한다. 주합금은 합금중의 Be와 Ce의 농도를 정확하게 조절하기 위해 사용되었다. 합금 인고트는 1200℃에서 열간압연시켜 가공하는데, 이때 압연대를 3번 통과시키며, 1번 통과 시키는데 12%정도 단면 축소된다. 이들 니켈-철 알루미나이드의 연성 및 고온 가공성은 철농도, 철 대 니켈의 비율 및 합금조성물에 세륨과 같은 희토류 원소의 첨가에 따라 민감하게 변화한다.

다음 표 1은 10.4중량%의 알루미늄과 16.1중량%의 철과 0.05중량%의 붕소로 구성되고 나머지는 니켈로 구성되는 조성물을 가진 IC-47로 표시된 합금을 기초로 한 일련의 니켈-철 알루미나이드를 나타낸 것이다. 이들 합금은 표 1에 기재되어 있는 바와같이 Hf(또는 Zr)과 다른 합금을 첨가시킴으로써 변경된다.

[표 1]

(a) 모든 합금은 Hf 또는 Zr을 0.25-0.5% 함유함.

(b) 1200℃에서 3차례 통과시켜 열가압연시킴(1차례 통과시킴에 따라 12% 단면축소).

(c) 1100℃에서 열간압연시키는 동안 균열이 생기지 않지만 1200℃에서 연간압연 시키는 동안 작은 표면균열이 생김.

하프늄 또는 지르코늄은 합금의 고온강도를 향상시키기 위하여 첨가시킨다. 그러나 합금 조성물에 히프늄과 지르코늄을 첨가시키는 함량은 하프늄과 지르코늄의 농도가 클수록 그 합금의 고온 가공성이 불량해지므로 1중량%(또는 0.5%) 이하로 제한되어야 한다. 놀라운 사실로는 소량의 세륨(0.002 내지 0.007중량%)이 니켈-철알루미나이드의 고온가공성을 상당히 개선시킨다는 사실이다. 세륨 0.005 중량%와 철 16.6중량%를 함유하는 IC-159로 표시된 합금은 1200℃에서 열간압연시키는 동안 균열이 전혀 생기지 않는 최선의 고오가공성을 갖는다.

IC-47 합금을 기초로한 또 다른 계열의 니켈-철 알루미나이드를 제조시켜서 다음표 II에 나타낸 바와같이, 하프늄, 세륨, 몰리브늄 및 탄소를 상기 IC-47 합금에 첨가시켜서 상기 합금을 개량시켰다. 다시 이 개량된 합금에 대하여 상이한 "IC"번호를 부여하였다.

[표 II]

[표 1]

* 1200℃에서 3차례 통과시켜 열간압연시킴(1차례 통과 시킴에 따라 12% 단면축소).

합금조성물에 내산화성을 개서시키기 위하여 몰리브덴을 첨가시켰다. 몰리브덴의 함량을 3.7중량%로 조절하여 합금조성물을 약간 변화시킴에 따라 니켈-철 알루미나이드의 고온가공성은 크게 개선되었다. 철의 농도를 약 14.5중량%로 조절함에 따라 열간가공하는 동안 상당한 균열이 발생하였다.

0.005중량%의 세륨과 0.06중량%의 탄소를 15.8중량%의 철과 함께 혼합하여서 첨가시키면 균열의 형성이 완전히 억제된 IC-152로 표시된 조성물을 갖는 적절한 합금이 생성된다. 합금중의 철의 함량은 17.5중량%이하로 제한된다. 그렇지 않으면 합금의 고온강도가 조금 약화될 수도 있다.

이들은 1200℃에서 열간압연 또는 열간단조에 의해서 쉽게 가공될 수 있는 2가지 니켈-철 알루미나이드의 실시예이다. 비교시험에서 시중에서 구입할 수 있는 니켈 알류미나이드는 700℃이상의 온도에서 열간압연 또는 열간단조에 의한 열간 가공을 할 수 없음을 알 수 있다.

제조된 2가지 합금에 대한 금속조직 시험에 의하면 제 2상 즉 B2(FeAl의 금속 조직과 비슷한 규칙 bcc 상)의 상당한 양(20 내지 30부피%)는 1,200℃에서 수냉시킨후 검출되었다. B2 상의 부피분율은 시효온도가 강하되는 것과 함께 감소되어서, 800℃의 온도에서 16시간 동안 시효처리시키면 B2 상의 부피 분율은 2%미만을 나타낸다. 또한 합금의 현미경 조직의 비교에서 몰리브덴을 첨가시킨 합금은 니켈-철 알루미나이드 중에 비규칙의 상을 형성시키는 것이 감소된다는 것으로 나타났다.

표 Ⅰ과 Ⅱ에 나타난 니켈-철 알루미나이드의 인장특성은 진공상태에서 25mm/min의 크로스헤드 스피드(crosshead speed)로 12.7mm×0.8mm의 게이지 단면을 가진 판상시편에서 1200℃의 온도로 측정되었다. IC-152와 IC-159로 표시된 합금의 인장특성은 11.9중량%의 알루미늄과 1.7중량%의 하프늄과, 0.015중량%의 붕소로 구성되고 나머지는 니켈로 구성되며 IC-136로 표시된 니켈 알루미나이드에 대하여 행한 인장특성과 비교 되었다. 여러 가지 온도에서 비교한 비교치를 표 Ⅲ에 나타낸다.

[표 III]

표 Ⅲ에서 알 수 있는 바와같이 본 발명에 따른 니켈-철 알루미나이드의 항복 강도는 실온과 600℃에서 니켈 알루미나이드(IC-136)의 항복강도보다 크다. 그러나 이들 니켈-철 알루미나이드는 600℃ 이상의 온도에서 인장강도가 상당히 감소되며, 약 850℃이상의 온도에서 니켈 알루미나이드의 인장강도 보다 실질적으로 더 약하다. 그런데 본 발명에 따른 니켈-철 알루미나이드는 1000℃와 1200℃에서 니켈 알루미나이드 보다 더 큰연성을 가지며 2가지 니켈-철 알루미나이드 합금 모두가 1200℃에서 150%이상의 연신율을 갖는 초가소성을 나타낸다. 니켈-철 알루미나이드의 높은 연성은 1200℃에서 이들의 우수한 고온 가공성과 일치된다.

니켈-철 알루미나이드 IC-159의 크리이프특성은 760℃의 온도와 138 및 276MPa의 하중하에서 측정되었다. 다음 표 Ⅳ에 나타낸 한정된 결과는 니켈 철 알루미나이드이 크리이프 파단수명이 니켈 알루미나이드의 크리이프 파단수명 보다 짧지만 미합중국 니디아나주 코코모 소재의 캐보트 코로페이션에서 구득할 수 있는 해스텔로이 X(Haxtelloy X)란 상표를 가진 합금의 크리이프 파단수명 보다 약간 더 긴 것으로 나타낸다.

[표 IV]

a 조성범위는 합금중의 HF 함량에 따라 달라진다.

b Ni를 기본조성물로 하고 21.8중량%의 Cr과 2.5중량%의 Cr과 2.5중량%의 Co와 9.0중량%의 Mo와 0.6중량%의 W과 18.5중량%의 Fe를 가진 상업적으로제조할 수 있는 니켈기합금.

c Ni를 기본조성물로 하고 19.5중량%의 Cr, 13.5중량%의 Co, 4.3중량%의 Mo, 3.0중량%의 Ti, 1.4중량%의 Al, 2.0중량%의 Fe, 0.0006중량%의 B, 0.07중량%의 Zr 그리고 0.07중량%의 C를 가지며, 한정된 가공성을 가진 상업성의 니켈기합금.

니켈-철 알루미나이드의 쿠폰형 시험편을 1,050℃에서 1시간동안 노에서 재결정화시킨 다음 내산화성을 측정하기 위하여 공기중에 노출시켰다. 이 쿠폰형 시험편을 노에서 주기적으로 꺼내어(1일 내지 3일마다)외관관측과 중량측정을 하였다. 상기 쿠폰형 시험편은 800℃와 1000℃에서 주기적인 산화과정에서 얻은 중량과 일치하는 것으로 나타났다. 몰리브덴을 함유하는 니켈-철 알루미나드의 산화속도는 800℃와 1000℃에서 비교될 수 있을 정도이지만 몰리브덴을 함유하지 않는 니켈-철 알루미나이드의 산화속도는 800℃에서 보다 1000℃에서 더 느리다. 이와같이 산화속도가 느린 것은 알루미늄 원자들이 1000℃에서 내부로 부터 표면으로 신속히 확산하여 기본금속이 산화되는 것을 방지하는 알루미늄 산화물을 표면상에 형성시키기 때문인 것으로 추측된다. 니켈-철 알루미나이드는 1000℃에서 니켈 알루미나이드와 비교할 수 있을 정도의 내산화성을 나타낸다.

그러므로, 본 발명에 따른 니켈-철 알루미나이드는 연성, 고온 가공성, 강도 및 내산화성 등의 복합적인 이점을 갖는다. 에에 더하여 본 발명에 따른 니켈-철 알루미나이드는 시판되고 있는 니켈 기합금, 즉 초내열합금에 비하여 비중이 적고 생산비가 저렴한 이점이 있다. 본 발명의 알루미나이드의 비중은 니켈 기합금보다 10∼15%적다. 상기 실시예에 있어서 본 발명의 특징을 나타내는 주요인자는 하프늄과 붕소의 첨가를 동반하여 철 농도가 증가된다는 것이다. 세륨, 몰리브덴 및 탄소와 같은 기타원소들을 소량 첨가시키면 고온에서 가공성이 크게 개선된 합금을 얻을 수 있다.

상기 본 발명의 실시예들은 본 발명을 예를들어 설명한 것에 불과하면, 이것들로써 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다. 다양한 수정 및 변경은 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 가능하다.

Claims (6)

1. Ni₃Al 기본조성물과, 14.5중량% 내지 17.5중량%의 철과, 하프늄, 지르코늄 및 이들의 혼합물로 구성된 단체로 부터 선별된 0.1 내지 1.0중량%의 성분과, 0.003 내지 0.01중량%의 희토류원소 또는 이들의 혼합물과, 그리고, 0.01내지 0.05중량%의 붕소로 구성되는 고온가공성 니켈-철 알루미나이드.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 희토류 원소는 세륨인 니켈-철 알루미나이드.
3. 제 5 항에 있어서, 10.2중량%의 알루미늄과, 16.6중량%의 철과 0.9중량%의 하프늄과 0.015중량%의 붕소와 0.005중량%의 세륨으로 구성되고 나머지는 니켈로 구성된 조성물을 가진 니켈-철 알루미나이드.
4. Ni₃Al 기본조성물과, 14.5중량% 내지 17.5중량%의 철과, 하프늄, 지르코늄 및 이들의 혼합물로 구성된 단체로 부터 선별된 0.1내지 1.0중량%의 성분과, 0.003 내지 0.01중량%의 희토류원소 및 이들의 혼합물과, 0.01내지 0.05중량%의 붕소와, 0.01내지 4.0량%의 몰리브덴과 그리고, 0.01내지 0.1중량%의 탄소로 구성되는 고온가공성 니켈-철 알루미나이드.
5. 제 10 항에 있어서, 상기 희토류 원소는 세륨인 니켈-철 알루미나이드.
6. 제 11 항에 있어서, 10.0중량%의 알루미늄과, 15.8중량%의 철과, 0.9중량%의 하프늄과, 3.7중량%의 몰리브덴과 0.015중량%의 붕소와 0.005중량%의 세륨과 0.06중량%의 탄소로 구성되고 나머지는 니켈로 구성된 조성물을 가진 니켈-철 알루미나이드.