KR940008942B1 - 코발트 기초 내열합금 및 그 제조방법 - Google Patents

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코발트 기초 내열합금 및 그 제조방법

본 발명품은 고온강도와 고온 내산화성 그리고 고온유리부식 저항성을 가지는 것을 특징으로 하는 유리섬유 형성용 스피너 휠에 적용하여 장시간 성능을 발휘하는데 적합한 그리고 특히 주조로서 제작되는 코발트 기초 내열합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 유리섬유는 높은 속도로 회전하는 스피너 휠에 다수의 구멍이 뚫린 벽을 통해 용융된 유리가 원심력에 의해 통과되면서 형성된다.

스피너는 통상 약 1100℃의 온도에서 2000rpm의 속도로 작동되며 섬유가 조그만 다공벽을 통해 나올 수 있는 고속회전이기 때문에 고온에서의 높은 파괴 강도, 용융유리에 대한 높은 부식저항성이 요구되며, 종래의 코발트 기초 내열합금은 합금의 성분이 중량비로 보통 Cr 30%, Ni 13%, W 10%, Ta 2%, Co 나머지의 조성이며 기타 1%이하의 실리콘 및 약 0.5%이하의 탄소 그리고 Zr,B,Y등이 종류에 따라 약간씩 포함되어 있다.

그러나 이러한 합금은 고속 회전하는 스피너휠의 요구되는 기계적 강도를 만족시킬 수 없으므로 더 높은 응력 파괴 성질 및 부식 저항성이 필요하였으며 이러한 요구조건을 만족시키기 위하여 미국특허 제4620324 및 4904290호의 합금이 제시되어 있으나, 그러나 상기 특허의 이들 합금에서는 Ta 및 Y,B등 국내에서는 이미 널리 알려진 바와 같이 구입이 어렵고 고가인 금속을 포함하고 있으며 특히 시중에서 판매되고 있는 금속에 불순물로 섞여있는 Hf을 포함하지 않는 것을 특징으로 하고 있고 국내 주조업체가 보유하지 않고 있는 진공주조등 국내에서의 제조가 사실상 극히 어려운 조건들을 가지고 있음을 알 수 있다.

본 발명의 목적은, 이러한 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명에 의한 코발트기초 내열합금은 우수한 강도의 고온 유리부식 저항성 및 고온 산화 저항성을 가지면서 일반적인 제조방법으로 쉽게 제조할 수 있다.

본 발명은 중량%로 약 Cr 25-35%, Ni 7-15%, W 6-10%, Si 0.5-3%, C 0.6-1%, Nb 1-5%, Zr 0.1-0.5%, Fe 0-7% 그리고 나머지가 Co인 코발트 기초내열 합금이다. 본 발명의 더나은 조건의 조성은 중량%로 약 Cr 28-32%, Ni 8-13%, W 6-8%, C 0.6-0.8%, Si 0.8-1.2%, Nb 1-3%, Zr 0.25-0.35%, Fe 0-5% 그리고 나머지가 Co인 코발트 기초 내열 합금이다.

상기 조성은 불순물을 포함할 수 있고 처녀원소에 불가피하게 들어있는 Mg,Al,Ti,Zn,Mo,Cu,P,S등이 미량 섞여 있으며 이합금의 성질에 영향을 끼칠 정도는 아니나 이중 Al 및 Ti는 각각 0.15중량% P 및 S는 각각 0.02중량%이하가 되는 것이 바람직하다.

다음에 본 발명강의 화학성분 한정이유에 관하여 설명한다. Cr(크롬)은, 뛰어난 고온 내산화성을 확보하는데 필요한 오스테나이트를 구성하는 성분이며, 함유량이 25%이하 일 때는 고온 내산화성을 확보할 수 없으며, 35%를 넘으면 고온강도 및 인성이 급격히 떨어지게 되므로 25-35%로 제한하였다. No(니켈)은 Cr과 공존하여 고온강도를 향상시키며 더우기 오스테나이크계를 구성하기 때문에 안정화를 기하며 동시에 가공성을 향상시키는 작용을 성분함량이 7%이상은 되어야 하며 다량 첨가시 비용상승을 초래하여 15%까지로 제한하였다. W(텅스텐)은 C(탄소)와 결합하여 고융점 탄화물인 MC형 탄화물을 형성하고 일반적으로 M₇C₃형과 M₂₃C₆형의 저융점 탄화물의 형성을 억제한다.

또 이것은 오스테나이트계에 고용체를 형성하여 고온강도를 향상시켜 강화시키는데 함유량이 2%이하일 때는 앞서 설명한 효과를 얻을 수 없으며 일반적으로 12%를 넘으면 고온 내산화성이 급격히 떨어지게 되며, 인성이 약하게 되므로 2-12%내의 범위가 적당하다. 본 발명에서 안정화시키기 위해서 6-10%로 한정하였다.

C(탄소)는 이 합금의 조직내에 고용체를 형성한다. 즉 Cr,W,Nb의 결합하여 탄화물을 형성한다. 또 조직결정립(GRAIN) 및 조직결정립간의 결합을 강화시켜 고온강도를 향상시키며 용접성과 주조성을 개선하는 작용을 하는데 1%를 초과하면 인성이 약해지게 되며 0.6%이하일때는 상기의 작용을 하지 못하여 요구되는 고온강도를 가지지 못하게 된다. Si(규소)는 유동성을 증가시키기 위해 0.5wt%이상을 함유하여야 하나, 그 함유량이 일정치이상이되면 취성이 높아져 주조후 냉각시에 주조품에 크랙이 생성되므로 3%이하로 제한하였다. Fe(철)은 성분자체가 고온에서 강도를 가지지 못하며 인성이 높아 크랙은 쉽게 가지않으나, 합금이 무르게되어 쉽게 형상이 변하나, 7%이하일 때는 수명에 지장이 없고 7%이상일 경우에는 수명이 현저히 줄어들게 되어 7%이하로 제한하였다.

본 발명은 상기 언급된 바와 같이 코발트 기초 합금을 고온내산화성, 고온강도, 용융유리 부식저항성의 향상을 갖추어 고온에서 장시간 견디도록 하기 위해 개발되었으며 본 발명의 합금은 일반적 공기 용융 및 주조방법에 의하여 제조된다.

합금제조를 위한 바람직한 방법으로 도가니내의 초기 용융금속은 크롬과 코발트로 구성되며 이후에 필요한 원소들이 용융원도가 약 1500℃-1550범위에 있을때 임의의 순서로 용탕내로 투입된다.

지르코늄이나 니오비늄(Nb)등은 성분에서 아주 소량 투입되기 때문에 산화나 도가니로부터의 손실을 방지하기 위해 주입바로전에 이러한 원소들이 투입된 후 용탕을 주조가 균일한 조성을 얻기위해 약 1600℃-1650℃로 가열한다. 용탕의 온도가 1480℃-1520℃로 내려간 후 가열된 인곳(ingot) 형태의 주형에 주형에 부어진다.

주형의 온도는 800℃-900 사이이며 보통 850℃일 때 주입이 행해진다. 매몰주형은 세라믹 슬러리로 주조품의 형상이 비워져 있는(공간으로 남아있는) 일반적 주조법에 의한 방식의 주형이며 적당한 방법으로 가열된다. 또 상기와 같은 방법으로 인곳을 재용융시켜 용융된 합금은 요구되는 형태를 가진 매몰 주형안으로 부어진다.

본 발명의 합금으로 제조된 주조품은 종래의 기술 예를 들면 공기 용융합금법에서 처럼 용탕의 유동성을 증가시키기 위해 합금내에 다량의 실리콘 존재가 요구된다. 따라서 Si가 다량 함유되는 이 합금법에서는 종래에 널리 알려져 있는 공기용융 주조법으로 주조를 해야만 한다.

이와 같이 상기 합금의 성분조성상 C와 Si의 함량은 중요한 특징이 있음을 알 수 있다

미합중국 특허 제4820324나 제490429호에서는 진공매몰 주조법으로 제조되어 양호한 품질을 가질리 모르나, 본 발명은 상기 주조법과 같이 일반 주조법으로 쉽게 주조하여 이 합금이 가진 기계적 성질을 충분히 발휘할 수 있다는 점이다. 주조품은 약 1050℃에서 3시간 동안 열처리되고 공냉된다.

본 발명의 합금이 가지는 기계적 성능은 주조 카바이드 구조를 용해시켜 MC카바이드의 많은 단편인 석출물을 형성하고 M₂₃C₆카바이드의 미세한 분산을 발생시켜 고온 강도를 향상시킨다.

이러한 방법으로 각각 다른 조성을 갖는 합금을 제조하며 1050℃에서 사용수명을 측정한 결과 하기 <표 1>과 같은 결과를 얻었다.

표 1은 각각 다른 조성을 갖는 합금을 유리섬유 제조용 스피널휠로 주조하여 생산라인의 설비에 장착 실험한 결과이다.

[표 1]

상기 <표 1>에서, 우선 이들 합금은 제품(Spinneret wheel)으로 제조된 후 설비에 장착되어 온도 1050℃에서 2000rpm(스피너 직경 380mm)의 높은 속도로 회전을 하면서 실험하여 그 수명을 비교한 것이다.

합금종류의 실시예 1 내지 19의 합금은 종래 코발트 기초내열합금이고 실시예 20 내지 26의 합금은 본 발명의 조성을 갖는 본 발명의 합금이다. 실시예 17 합금은 공지된 stellite alloy No 31합금이며, 실시예 18합금은 미국특허 제3,933,484호의 합금범위 내의 조성이며 불순물로써 중량%로 0.1이하의 Al, 0.1이하의 Ti, 0.038이하의 B, 0.015이하의 P와 S를 포함한다. 실시예 19합금은 일본특허 JP-63-49735호의 합금범위 내의 조성이며, 상기 조성외에 중량%로 희토류 원소인 Ce : 0.019, La : 0.024를 포함하여 0.74의 Ti 0.011의 B, 0.15의 Al을 포함한다.

실시예 1 내지 10의 합금은 탄소 C의 함유량이 0.36%이하로써 수명이 최대 46시간이하에서 부분 크랙 혹은 부분 파손되어 절단이 일어났다. 그 사용수명이 매우 짧음을 알 수 있다. 또 실시예 12의 합금 처럼 규소(Si)의 함유량이 일정치이상이 되면 취성이 높아져 주조후 냉각시 주조품에 그랙이 생성되어 제품을 생산하기가 어렵다. 또 철(Fe)의 함유량이 실시예 13,14,15의 합금의 조성면 처럼 20%이상 함유할 때에는 그 사용 수명이 현저히 줄어든다.

이는 철성분 자체가 고온에서의 강도를 가지지 못하며, 인성이 높아 크랙은 쉽게 갖 않으나, 합금이 무르게되어 형상이 쉽게 변해 버리는 단점이 있다. 그러나 6%이하 일때는 이 합금의 수명에 크게 지장이 없는 것으로 나타났으며, 경제성을 고려하여 실험한 결과 2-4%에서 가장 수명이 오래지속 되었다.

표 1에 나타난 성분외에 이 합금에 부수적인 불순물을 포함하고 있었으나, 이 불순물은 처녀 원소시에 불가피하게 섞여있는 불순물로써 합금의 성질에 영향을 끼칠 정도는 아니다.

표 1의 목적 조성중 니켈(Ni)의 함량이 8% 이하 일때에도 수명이 오래가지 않는것을 볼 수 있다.

Ni는 Cr과 공존하여 고온강도를 향상시키며 더욱이 오스테나이트계를 구성하기 때문에 안정화를 기하며 동싱 가공성을 향상시키는 작용을 하므로써 성분함량이 8%이상은 되어야 한다.

또 본 발명의 합금은 이미 공지되어 있는 Stellite alloy No.31로 주조한 제품을 실험한 결과 표 1의 17번에 나타난 바와 같이, 본 발명의 합금 수명이 월등히 좋게 나타났다.

이상과 같이 표 1의 합금종류에 따른 수명을 각 원소들의 종류별 조성에 대해 설명한 바와 같이, 본 발명의 합금은 표 1의 합금종류 24번에 있어 상당히 만족하였다.

또한 상기 <표 1>의 실시예중 몇을 선별하여 응력파괴수명, 평균 크리프율 및 평균고온유리부식율을 비교 측정한 결과 <표 2>와 같은 기계적 성질을 얻었다. <표 2> 기계적 성질 시험 결과.

[표 2]

상기 <표 2>에서 알 수 있듯이, 본 발명의 합금인 실시예 21과 24의 합금은 1148℃/27.6MPa에서 응력파괴수명이 93 및 97임에 비해 공지된 Stellit alloy No.31의 합금인 실시예 17합금은 4.5이고 미국특허 제 3,933,484호의 조성범위인 실시예 18합금은 31이고, 일본특허 제63-49735호의 조성범위인 실시예 19합금은 49로서 그 수명이 2배-20배로 월등히 증가하였고, 고온유리부식율도 2배-3배 증가 하였음을 알 수 있으며, 평균크리프율도 양호함을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 합금은 우수한 강도, 고온유리 부식저항성 및 고온산화 저항성을 갖으면서도 일반적인 제조방법인 공기용융주조법에 의해 용이하게 제조하는 것이 가능하므로 보다 저렴한 스피너훨을 제조할 수 있게 되는 것이다.

Claims (2)

1. 다음과 같은 중량 %를 갖는 원소들을 구비하며 특히 C와 Si가 다음과 같은 중량%를 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 유리부식 저항성 코발트 기초 내열합금.

   Cr : 25-35%

   Ni : 7-15%

   W : 6-10%

   C : 0.6-1%

   Si : 0.5-3%

   Fe : 0-7%

   Nb : 1-5%

   Zr : 0.1-0.5%

   나머지가 Co와 상기 원소들에 불가피하게 포함되는 불순물.
2. 다음과 같은 중량 %를 갖는 원소들을 구비하며 특히 C와 Si가 다음과 같은 양을 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 유리부식 저항성 코발트 기초내열합금.

   Cr : 27-30%

   Ni : 8-13%

   W : 6-8%

   C : 0.6-0.8%

   Si : 0.8-1%

   Fe : 0-3%이하

   Nb : 2-3%

   Zr : 0.25-0.35%

   나머지가 Co와 상기 원소들에 불가피하게 포함되는 불순물.