KR970005201B1

KR970005201B1 - Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 합금 주형물

Info

Publication number: KR970005201B1
Application number: KR1019890003959A
Authority: KR
Inventors: 왕 차우르-젱; 치민완; 야 치우-룽
Original assignee: 내셔널 사이언스 카운실; 한 엠. 흐시아
Priority date: 1989-03-29
Filing date: 1989-03-29
Publication date: 1997-04-14
Also published as: KR900014616A

Abstract

내용 없음.

Description

Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 합금 주형물

본 발명은 Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 합금 주형물에 관한 것이다.

승온에서 견딜 수 있는 주형물은 소각로, 용강로, 반응기 및 강철 제련기 등의 분야에 바람직하다. 이러한 분야에서의 온도는 1100℃ 정도의 고온일 수 있다. 상기 분야에 적합한 주형물의 설계는 승온하에서 우수한 기계적 특성의 유지(1) 및 고온 내식성의 유지(2)를 필수 요건으로 한다.

더우기, 비용, 공급의 일정성 또는 주형물의 합금 성분의 입수 용이성까지도 일차적으로 고려해야 한다.

승온하에 주형물의 기계적 파손은 일차적으로 상기 온도하에서 주형물의 연화 및 크리프(creep)에 의해 발생된다. 또한, 조악한 환경으로 생기는 고온 부식 반응은 기계적 파손 속도를 더욱 촉진할 것이다.

승온하에 주형물의 탁월한 기계적 특성의 요구 조건은 목적하는 적용 분야의 기능 및 위치에 따라 크게 변한다. 예를들어, 가스 터어빈 블레이드로서 사용될 주형물은 응력, 부식 및 마모와 같은 기계적 특성의 매우 높은 기준치를 만족시킬 필요가 있다. 반면, 이 기준치는 보일러 동체 또는 보일러 라이닝과 같은 정적 적용 분야에서는 그다지 높지 않다. 그러나, 기계적 특성 요구 조건이 적용 분야에 따라 변한다 해도, 조악한 환경하에서 주형물의 고온 부식 잠재성을 제거하는 능력은 항상 절대적으로 필요하다.

당해 기술 분야에 잘 알려져 있듯이, 알루미늄, 크롬 및/또는 규소는 승온 적용 분야에 있어서 합금의 고온 내식성을 증진시키기 위해 합금 성분으로서 종종 사용된다. 이들 원소의 효율을 각기 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화크롬(Cr₂O₃) 및/또는 산화규소(SiO₂)의 보호 산화물 피막을 형성하는 능력으로부터 유도된다. 일부 저온의 적용 분야에 있어서, 니켈은 보호 재료의 표면상에 산화니켈 피막(NiO)을 형성함으로써 고온 부식에 대하여 비교적 양한 보호성을 제공하기 위해 사용할 수 있다. 산화니켈 피막은 알루미늄, 크롬 및 규소의 산화물 피막과 같은 정도의 고온 내식성을 제공하지는 않는다. 그러나, 니켈은 보호 재료의 기계적 성능을 증진시킬 추가의 장점을 제공할 수 있기 때문에, 승온 적용 분야에서의 합금의 설계에 있어서 중요한 합금 성분으로도 종종 간주되고 있다.

1920년대 및 1930년대에는, Fe-Cr-Al 합금이 승온 적용 분야에서 주로 선호되어 왔다. 그러나, 이들의 산화철 또는 체심입방(이하, BCC로 언급한다) 구조물로부터 기인한 열등한 기계적 특성 때문에, 이들 합금은 이제는 거의 사용되고 있지 않다.

최근 승온 적용 분야에서 사용되는 시판중인 합금은 주로 크롬을 10 내지 30중량% 함유함을 특징으로 하고 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 크롬은 대기 산소와의 반응시 Cr₂O₃의 보호층을 형성한다. 그러나, 1000℃ 이상의 온도에서 Cr₂O₃는 반응 도중 휘발되는 CrO₃로 추가 산화되므로 산화물 층은 손실될 것이다. 이러한 이유 때문에, 이런 유형의 합금의 사용은 일반적으로 1000℃ 이하로 제한되어 있다. 한편, 크롬의 함량이 높으면, 시그마 상이 합금 중에 침전되어 합금의 취성을 유도한다. 이러한 결함을 극복하기 위해서는, 시그마 상의 형성을 억제하는 특정 성분을 첨가하지 않으면 안된다. 그러나, 다른 유형의 합금에 있어서 상기한 목적을 위해 비교적 저렴한 탄소가 흔히 사용되고 있지만, 일단 탄소 함량이 약 0.04중량% 이상이면 합금은 증감되므로 이러한 유형의 Fe-Cr 합금 중에는 탄소를 사용할 수 없다. 이와는 달리, 니켈은 시그마 상의 형성을 억제할 수 있는 동시에 오스테나이트(sustenite)상을 안정화시켜 합금의 강도 및 기타 기계적 특성을 향상시킬 수 있으므로 니켈을 탄소 대신 사용한다. 이러한 문제점을 감안하여, 많은 종류의 Fe-CR-Ni계 합금이 개발되어 왔다. 예를들어, 승온 적용 분야에서 사용하기 위해 현재 시판되는 합금으로는 가공 합금[예 : Ni계 초합금 인코넬 -718(Inconel-718) 및 Fe-Ni계 스테인레스 강 AISI 310], 금형 합금[예 : Ni계 초합금 인코넬-738], Fe-Cr계 합금[예 : SAE 60410(JIS SCH-1) 및 SAE 60446(JIS SCH-2)] 및 Fe-Ni계 합금[예 : SAE 60442(JIS SCH-11), SAE 60316(JIS SCH-12), SAE 60312(JIS SCH-13), SAE 60309(JIS SCH-14) 및 SAE 60310(JIS SCH-15)] 이 있다. 표 Ⅰ에는 앞서 언급된 합금의 조성이 요약되어 있다. 이 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 이들 합금은 모두 니켈 또는 크롬 또는 양쪽 모두를 비교적 다량으로 함유한다. 니켈 및 크롬은 희귀하고 고가의 원소이기 때문에, 이들 합금은 모두 대단히 고가이다. 그외에, 니켈 및 크롬은 대부분의 나라에서 전략 산업용 재료로 규정하고 있으므로, 이러한 자원을 가지지 않은 나라에서는 쉽게 입수할 수 없다. 그 결과, 이들 합금은 탄소강 보다도 10배 또는 심지어 100배 정도로 매우 비싸다. 이들 합금은 톤(ton) 단위보다는 킬로그램(kg) 단위로 가격을 정하는 것은 이러한 이유 때문이다. 이는 명백히 이들 합금이 널리 사용되는 것을 불가능하게 한다. 또한, 니켈 또는 크롬을 다량으로 함유하면 용접시의 난점을 악화사켜 제조 비용을 추가로 증가시키는 원인이 될 수도 있다.

앞서 언급된 경제성 및 입수상의 문제점에 직면하여, 당해 기술 분야에서는 크롬 및 니켈의 대용물을 찾으려는 시도가 있었다. 그 결과, 알루미늄은 크롬 대신 사용하여 요구되는 고온 내식성을 제공하게 되었다. 니켈 대신 망간과 탄소를 함께 사용하면 오스테나이트 상이 안정화되어 고강성을 얻을 수 있다. 특히, 오스테나이트 상을 안정화시키는 망간과 탄소 배합물의 능력은 니켈의 능력보다 훨씬 효과적인 것으로 입증되었다. 그러나, 이들 두 가지 방법은 모순점이 있다. 이러한 유형의 합금이 탄소 또는 망간을 너무 많이 함유하면, 산화알루미늄의 고온 내식성에 크게 악영향을 미칠 것이다. 많은 경우에, 고온 내식성은 50배 정도 될 수 있다. 화학적 성능 및 기계적 성능간의 모순점을 해결할 효과적인 방법이 현재까지는 보고되지 않고 있다. 이러한 유형의 합금에서의 또다른 문제점은 산화알루미늄이 산화크롬보다 고온 내식성 측면에서 덜 효과적이라는 점이다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여, 규소를 첨가하여 고온 내식성에 주로 기여하는 α-AlO의 형성을 향상시켜 왔다. 그러나, 규소는 단지 약 1100℃의 온도에서만 작용한다. 더 낮은 온도에서는, 규소를 첨가하여도 어떠한 실질적 효과도 주지 못할 것이다. 결론적으로, 비교적 값이 싸면서 주위온도 내지 1100℃ 정도의 고온에서 만족할 만한 고온 내식성과 만족할 만한 기계적 특성을 동시에 갖는 합금은 당해 분야에 알려지지 않았다.

Fe-Mn-Al계 합금에 관한 종래의 연구 중에, Fe-Mn-Al 3원소의 상 다이어그램의 일부가 1934년 코스터 및 톤에 의해 만들어졌고[참조 : W. Koster W. Tonn, Arc Eisenhuettenw, 7, 365(1933)], 이후 1959년에 슈마츠[참조 : D.J. Schmatz, Trans. AIME, 215, 112-114(1959)], 1977년에 차크라바르틱[참조 : D.J. Chakrabartic, Metall. Trans., 8B, 121-123(1977)] 및 1983년에 리브린[참조 : V.G. Rivlin, International Metals Reviews, 28, No.6, 309-337(1983)]에 의해 수정되었다. 그러나, 이들 연구는 1000℃ 부근의 얼마간의 온도에만 국한되며 상 다이어그램의 많은 부분이 여전히 밝혀져 있지 않다. 예를들어, Mn 20중량% 및 Al 6중량% 주위의 상 부분의 고상 선은 여전히 해석되지 못하였다. Fe-Mn-Al-C의 4원소상 다이어그램은 더욱 부족하다.

1965년 미첼(Mitchell) 등에게 허여된 미합중국 특허 제3,201,230호에는 필수적으로 망간 14 내지 35중량%, 알루미늄 3.5 내지 8.75중량%, 크롬 4.5 내지 8.75중량%, 규소 0.25 내지 1.0중량%, 탄소 0.25 내지 1.0중량% 및 잔여량의 철로 이루어진 합금이 기술되어 있다. 이 특허의 합금은 비교적 고함량의 크롬을 함유하므로, 시판될 경우 비교적 비싼 편이다. 사실, 이 특허는 만기일 후에도 결코 사용되지 않았다. 그 특허의 내용은 특정한 금속학적 이론과 모순되며 기술된 합금은 특히 합금을 400 내지 1000 ℃의 온도하에서 적용하기 위해 설계되었을 때 목적하는 효율을 달성할 수 없다. 그 이유는 다음과 같다 :

(1) 상기 특허에 기재된 망간 함량 14 내지 35중량%는 1934년 코스터 및 톤에 의해 지적된 바와 같이[참조 : W. Koster W. Tonn, Arc Eisenhuettenw, 7, 365(1933)], 특허된 합금중의 망간 함량이 31중량%보다 높으면, β-Mn이 300 내지 1000℃ 하에서 합금의 결정 입계 주위에 침전할 것이므로 불합리하게 광범위한 것이다. 반대로, 망간 함량이 20중량%보다 낮으면 더욱 큰 FeAlC카바이드가 배출되므로 합금을 취성으로 만들고 합금의 알루미늄을 소모시킨다. 명백히, 알루미늄이 FeAlC카바이드의 형성에 의해 소모되면 승온 적용 분야에 대해 합금을 비실용적으로 만들면서 고온 내식성을 감소시킨다.

(2) 고함량 크롬은 적용 온도하에서 쉽게 탄소와 반응하여 탄화크롬(CrC또는 CrC)을 형성한다. 따라서, 합금은 증감되며 자체의 기계적 특성이 감소된다. 더우기, 온도가 800℃ 이상이고 크롬 함량이 5 내지 8.75중량%이면, 합금 중의 크롬은 빨리 다량으로 대기중 질소와 반응하여 침상의 질화알루미늄(AlN)을 형성한다. 이는 알루미늄 함량이 보호성 산화물 층을 형성시키기에 불충분함을 의미한다. 그러나, 미첼(Mitchell)의 특허에는 이 문제를 해결할 수 있는 방법을 밝히지 않았다. 과거에는, 주사 투과 전자 현미경(STEM)에 의한 왕(Wang) 등의 연구[참조 : Material Science Research Institute of National Chinhwa University, Taiwan]가 1987년에 잘못된 인식을 뒤집을 때까지는 아질산알루미늄은 알루미늄이 내부산화된 것으로 잘못 인식되고 있었다. 왕 등의 발견에 관한 보고서가 1988년 5월 영국의 재료 과학 저널에 발표되었다.

본 발명은 무엇보다도 다음과 같은 점에 있어서 상기 언급한 선행 기술보다 우수하다 :

(1) 목적하는 적용 온도 범위 전체에서 실용적인 것으로 입증된 특정 범위로 망간 함량을 제한한다. 망간 함량의 한계 범위에서 β-망간 또는 FeAlC의 형성을 억제시키기 위해, 기타의 합금 성분을 가하여 침전물의 형태 및 위치를 조절한다.

(2) 규소를 첨가하여 고온 내식성을 향상시킨다.

(3) 보조 성분을 첨가하여 승온하에 침전 경화 메카니즘에 의하여 주형물의 기계적 특성을 추가로 향상시킨다.

(4) 합금 성분의 상대적 비율을 적절히 조정함으로써, 크롬의 첨가는 특정 적용에 대하여 선택적이거나 전적으로 불필요하기까지 하다. 이는 본 발명의 주형물의 비용을 크게 경감시킨다.

(5) 본 발명의 주형물은 승온하에서 상기 언급한 선행 기술의 어떠한 것보다도 낮은 산화 중량 첨가를 나타낸다.

본 발명의 목적은 주위온도 내지 1100℃의 온도 범위에 걸쳐 고온 내식성가 기계적 특성이 우수하고 즉시 적용가능한 주형물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 비싸거나 희귀한 원소(예 : 크롬 및 니켈)를 혼합하는 절대적 필요와 함께 상기 요구 조건을 만족시키는 즉시 적용가능한 주형물을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가의 목적은 어떠한 특정 적용 분야에 있어서는 보조 원소를 첨가하여 특정한 필요조건을 만족시키도록 변경될 수 있는 즉시 적용가능한 주형물을 제공하는 것이다.

본 발명은 신규한 Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 합금의 즉시 적용가능한 주형물 및 이의 제조방법을 기술한다. 특히, 본 발명은 필수적으로 망간 20 내지 30중량%, 알루미늄 5 내지 13중량%, 크롬 0 내지 5중량%, 규소 0 내지 2.5중량%, 탄소 0.5 내지 1.4중량% 및 잔여량의 철로 이루어진 신규하고 즉시 적용가능한 주형물에 관한 것이다. 이들 주형물은 우수한 기계적 특성을 상실하지 않고 1100 ℃ 이하의 고온에서 사용할 수 있다. 본 발명의 주형물은 붕소, 텅스텐, 몰리브덴, 니오븀, 티탄, 바나듐, 질소, 구리, 니켈, 니트륨, 스칸듐, 하프늄 및 탄탈과 같은 기타 원소 소량과 추가로 합금시켜 다양한 특정 적용 분야에서 특정한 필요조건을 만족시킬 수 있다.

본 명세서는 본 발명으로 고려되는 것을 특정하게 지적하고 명확하게 청구한 특허청구의 범위로 종결되지만, 본 발명은 다음의 발명의 상세한 설명 및 첨부된 실시예를 참조하여 더욱 잘 이해할 수 있을 것으로 믿어진다.

본 발명의 즉시 적용가능한 주형물은 철외에 주로 5개의 합금 원소를 포함한다. 하기에 각각의 원소를 상세히 설명한다.

망간

망간은 합금의 오스테나이트 구조를 안정화시킴으로써 합금의 인성을 향상시키기 위해 오스테나이트-안정화제로서 본 발명에 사용한다. 망간은 750 ℃ 이상의 온도에서 쉽게 산화된다. 이 문제는 하기에 기술한 바와 같이 규소를 첨가하여 피할 수 있다.

이미 언급한 바와 같이, 내식성을 망간 함량이 너무 높으면 상기 합금에 있어서 저하된다. 이 문제는 본 발명중의 망간, 탄소 및 알루미늄의 상대적비를 조절함으로써 해결되었다.

본 발명의 즉시 적용가능한 주형물은 망간을 20 내지 35중량%, 바람직하게는 20 내지 32중량%, 가장 바람직하게는 24 내지 30중량% 포함한다.

탄소

탄소도 또한 본 발명의 합금의 기계적 특성을 향상시키기 위한 오스테나이트-안정화제로서 본 발명의 합금에 사용한다. 니오븀 및 몰리브덴과 같은 특정 카바이드-형성제를 가하는 경우, 탄소의 함량은 비례하여 증가되어야만 한다.

이미 언급한 바와 같이, 탄소 함량이 너무 높으면 상기 합금에 있어서 내식성이 떨어진다. 이 문제는 망간, 탄소 및 알루미늄의 상대적 비를 조절함으로써 해결되었다.

본 발명의 즉시 적용가능한 주형물은 탄소를 0.5 내지 1.4중량%, 바람직하게는 0.5 내지 1.5중량%, 가장 바람직하게는 0.5 내지 1.1중량% 함유한다.

알루미늄

알루미늄은 승온에서 산화되어 주로 고온 내식성을 주로 제공하는 산화알루미늄 층을 형성한다. 알루미늄은 또한 페라이트-형성제로서 본 발명의 합금에도 사용되기 때문에, 알루미늄과 망간 및 기타 합금 원소와의 상대적 비가 적당히 평형되어야만 한다. 적당히 조정된 기타 원소의 상대적 비는 가장 효과적인 산화알루미늄 보호 층을 제공할 수 있고 정렬된 FeAlC카바이드를 매트릭스 내에 전개시켜 합금을 더욱 강하게 한다.

본 발명의 즉시 적용가능한 주형물은 알루미늄을 5 내지 13중량%, 바람직하게는 8 내지 12중량%, 가장 바람직하게는 8 내지 11중량% 함유한다.

크롬

크롬은 승온에서 산화되어 추가의 고온 내식성을 제공하는 산화크롬 층을 형성한다. 산화크롬에 의해 제공된 내식성은 실온에서 더욱 효과적이다. 크롬은 페라이트-형성제이며 또한 효과적인 카바이드 형성제이다. 합금의 기계적 특성에 대한 크롬의 역효과를 방지하기 위해, 주의 하여 크롬의 상대적 비를 조정하여야만 한다.

본 발명의 즉시 적용가능한 주형물은 크롬을 0 내지 5중량%, 바람직하게는 1 내지 5중량%, 가장 바람직하게는 2 내지 4중량% 포함한다.

규소

규소는 자발적으로 산화규소 보호 층을 형성할 수 있다. 규소의 산화속도 및 산화 분해 압력이 산화망간(MnO)보다 낮기 때문에, 규소는 주로 망간의 산화 및 산화망간의 핵 형성 및 성장에 대한 억제제로서 본 발명의 합금에 사용한다. 결과적으로 산화알루미늄을 형성할 기회가 커진다. 그러나, 규소는 강한 페라이드-형성제이고 주형물의 용접성을 크게 감소시키므로 이의 상대적 비를 고려하여 조심스럽게 정해야만 한다.

본 발명의즉시 적용가능한 주형물은 규소를 0 내지 2.5중량%, 바람직하게는 0.5 내지 2중량%, 가장 바람직하게는 0.5 내지 1.5중량% 포함한다.

보조 원소

상기 필수 합금 원소 이외에, 본 발명의 주형물은 붕소, 텅스텐, 몰리브덴, 니오븀, 티탄, 바나듐, 질소, 구리, 니켈, 이트륨 스칸듐, 하프늄 및 탄탈과 같은 소량의 기타 원소와 추가로 합금시켜 여러 특정 적용 분야에 대한 특정 요구 조건을 만족시킬 수 있다. 이러한 보조 원소의 첨가는 당해 분야에 공지되어 있으며 본 발명에서 고려되는 다른 양태를 나타내도록 기재된다. 각각의 보조 원소를 하기에 기술한다.

붕소

붕소의 첨가는 결정 입계 중에 카바이드 침전을 더욱 유도할 결정 입계의 표면 자유 에너지를 감소시킨다. 더욱 양호한 기계적 특성은 붕소 첨가와 함께 매트릭스 중의 균일한 침전 형성을 위해 달성된다.

본 발명의 주형물은 임의로 50 내지 20ppm의 붕소를 포함할 수 있다.

텅스텐, 몰리브첸 및 니오븀

이들 원소들은 본 발명의 합금에 사용되어 내식성을 향상시키고, 탄소의 확산을 막고 탈탄화에 의해 유발된 산화물 보호 층의 손상을 방지하기 위한 미세한 카바이드 강화 합금을 형성한다.

본 발명의 주형물은 임의로 0.1 내지 1.0중량%의 텅스텐을 포함할 수 있다.

본 발명의 주형물은 임의로 0.1 내지 2.1중량%의 몰리브덴을 포함할 수 있다.

본 발명의 주형물은 임의로 0.1 내지 1.0중량%의 니오븀을 포함할 수 있다.

티탄 및 바나듐

타탄 및 바나듐의 기능은 텅스텐, 몰리브덴 및 니오븀과 유사하다. 이외에, 티탄 및 바나듐은 질화에 의해 유발된 손상을 막기 위해 소량의 질화물을 형성할 수 있으며 질화 작용을 표면 경화를 보조해 주도록 전환 시킬 수 있다.

본 발명의 주형물은 임의로 0.1 내지 2.0중량%의 티탄을 포함할 수 있다.

본 발명의 주형물은 임의로 0.1 내지 1.0중량%의 바나듐을 포함할 수 있다.

질소

질소도 또한 강한 오스테나이트-형성제이다. 질소를 첨가하면, 오스테나이트 상은 더욱 소량의 탄소로도 안정화되며 이에 의해 양호한 고온 내식성이 수득된다.

본 발명의 주형물은 임의로 0.05 내지 0.2중량%의 질소를 포함할 수 있다.

구리

구리를 사용하여 저온에서의 내식성을 향상시킬 수 있다. 구리는 주형물 중에 존재하는 잔류 인과 함께 화합물을 형성하여 잔류 인에 의해 유발되는 고온 취성(hot shortness)을 방지할 수 있다.

본 발명의 주형물은 임의로 0.5 내지 1.5중량%의 구리를 포함할 수 있다.

니켈

상기한 바와 같이 인 및 구리의 화합물은 온도에 따라서는 여전히 고온 취성을 나타낸다. 니켈을 이러한 문제를 방지하기 위해 사용할 수 있다. 더우기, 니켈은 합금의 광택을 증진시키기 위해 사용할 수 있다. 과량의 니켈은 합금에 해로운 알루미늄과 감마(γ)상(phase)의 금속 화합물을 형성한다. 니켈 및 구리의 첨가량은 잔류 인의 함량에 따라 주의하여 조절해야만 한다.

본 발명의 주형물은 임의로 0.5 내지 2.5중량%의 니켈을 포함할 수 있다.

이트륨, 스칸듐, 하프늄 및 탄탈

이들의 간한 산화 잠재성 때문에, 이들 희토류 원소를 첨가하여 합금내에 내부 산호를 개시시킴으로써 산화 피막의 형성 도중에 생긴 공간을 흡수하고, 결정적 메카니즘을 제공하며, 층 상호간의 메카니즘을 제공함에 의한 산화물 피막의 흡착을 증가시키고, 이에 의해 산화물 피막은 반복되는 온도의 상승 및 강하 과정중에도 쉽게 벗겨지지 않는다.

본 발명의 주형물은 임의로 0.01 내지 1.0중량%의 이트륨을 포함할 수 있다.

본 발명의 주형물은 임의로 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.

본 발명의 주형물은 임의로 0.01 내지 0.5중량%의 하프늄을 포함할 수 있다.

본 발명의 주형물은 임의로 0.01 내지 0.8중량%의 탄탈을 포함할 수 있다.

하기 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공하는 것이지 본 발명의 영역을 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 다른 지시가 없는 한, 모든 부 및 퍼센트는 중량 기준이다.

실시예 1

본 실시예는 본 발명의 주형물의 제조 방법을 예시한다.

철, 망간, 알루미늄, 규소 및 탄소의 혼합물을 고주파수 유도 용광로에 용융시켜 공지된 조성물의 용융물을 생성시킨다. 이후에, 용융물을 상이한 재료로 이루어진 금형으로 주형하여 상이한 표면 상태의 주형물을 생성한다.

용량 20kg의 고주파수 유도 용광로에서 용융시킨다. 합금 원소의 성분, 형태 및 중량을 표 Ⅱ에 나타낸다.

철 및 규소철을 냉각 상태에서 용광로에 도입한다. 용광로의 전력을 20kW로 맞추고 10분간 유지시킨 후 전력을 40kW로 조정한다. 7분후, 철과 규소철을 약 1550℃에서 완전히 용융시킨다. 이후에, 전력을 20kW로 조정하고, 망간 2.25kg 및 크롬 전량을 첨가한 후 전력을 다시 40kW로 조정한다. 첨가된 망간 및 크롬이 용융된 후, 추가로 망간 2.25kg 및 탄소 0.15kg을 첨가한다. 10분후 슬랙(slag)을 제거한다. 알루미늄 1.5kg을 가한다. 슬랙 형성 및 탈슬랙 조작을 알루미늄이 용융된 후 수행한다. 용융물을 1580℃에 도달한후 30kg 용량의 래들(ladle)에 가만히 따른후 온도를 1480℃로 내리고 4가지 상이한 재료의 금형으로 주형한다. 4개의 금형은 각기 용량이 4kg인 쉘 금형, 샌드 금형, 세라믹 금형 및 강철 금형이다.

생성된 주형물의 표면 상태를 관찰한다. 생성물의 외형에 관하여, 가장 우수한 결과는 쉘 금형, 샌드 금형, 세라믹 금형 및 강철 금형의 순서로 관찰된다. 표면의 평활성에 대하여, 가장 우수한 결과는 강철 금형, 쉘 금형, 세라믹 금형 및 샌드 금형의 순서로 관찰된다. 그러나, 모든 주형물은 적용할 수 있는 것으로 간주된다.

세라믹 금형으로 주형된 주형물은 1200℃에서 4시간 동안 균일하게 하고 화학적 분석하기 위해 드릴을 사용하여 샘플을 취한다. 분석 결과는 표 Ⅲ에 나타내었다.

실시예 2

본 발명의 영역내에서 일련의 주형물을 실시예 1가 유사한 방법으로 생성시키고 합금의 기계적 특성(인장 강도, 연신율 및 경도)을 시험하고 통상적 주형물 형태와 승온 적용시에 대해 비교한다.

니오븀, 몰리브덴 및 질소와 같은 기타의 합금 원소가 임의로 첨가된 Fe-Mn-Al-C계 합금으로 제조한 17개의 주형물을 실시예 1에서 기술한 바와 동일한 공정으로 제조한다.

이후에 용융물 세라믹 금형으로 주형시켜 직경이 80mm이고, 길이가 250mm이며 중량이 약 15kg인 원통형 잉곳(ingot)을 수득한다. 잉곳을 4cm 높이의 원통으로 절단한 후 높이가 2cm로 감소될 때까지 1200℃에서 단조(forge)시킨다. 단조된 잉곳을 실온으로 냉각시키고 인장성 시험을 위해 계수 길이가 1인치인 시험 샘플로 절단한다. 시험 샘플의 인장 강도, 연신율 및 경도를 시험하여 표 Ⅳ에 기록한다. 균일한 변형이 시험도중 모든 시험 샘플에 대하여 관찰된다. 넥킹(necking) 속도는 비교적 낮다. 표 Ⅰ에 나타낸 바와 같은 승온 적용융 통상적인 주형물의 몇몇 전형적 기계적 특성을 비교하기 위하여 표 Ⅴ에 나타내었다. 표 Ⅳ와 Ⅴ의 비교에 의해 나타난 바와 같이, 본 발명의 주형물의 기계적 성능은 승온 적용에 대하여 시판되는 주형물보다 우수하다. 특히, 본 발명의 주형물은 승온 적용에 대하여 작업 등급 철강인 AISI 310의 명시 표준의 것보다 높은 연신율 및 인성을 나타낸다.

주 : 1. Ksi×0.70325=kg/mm

2. Ksi×6.8965=MPa

실시예 3

동일한 공정으로 제조한 상기 실시예 중의 #10 합금의 단조된 잉곳 6개를 두께가 0.2cm까지 되어 치수가 90% 감소하도록 냉각-로울시킨다. 로울 주형물을 이후에 1050℃에서 1시간 동안 용액 처리하고 기어 오일에 넣어 실온으로 급냉시킨다. 6개의 로울 주형물중 5개를 상이한 시간 동안 550℃에서 경화시킨다. 6개의 로울 주형물의 인장강도, 연신율 및 경도를 시험하여 그 결과를 표 Ⅵ에 나타내었다. 표 Ⅵ에서 알 수 있듯이, 인장강도는 현저하게 증가하였고 연신율은 제한된 수준으로 감소하였고 경도는 증가하였다. 로울 주형물을 광학 현미경을 통해 관찰한다. 미세 구조 분석을 통해 기계적 성능의 향상은 소량의 Fe-Al-C 카바이트(FeAlC)의 형성에 따른 결과임이 관찰된다. 따라서, 본 발명의 주형물의 기계적 특성은 승온에서 침전 형태를 조절함으로써 향상시킬 수 있음이 입증되었다.

실시예 4

본 실시예는 본 발명의 합금의 고온 내식성을 기술하는 것이다.

표 Ⅶ에 나타낸 조성을 갖는 일련의 주형물을 실시예 1, 2 및 3에 기술한 바와 같이 1200℃에서 용융 및 단조시키고 1050℃에서 8시간 동안 균질화시켜 제조한다. 생성된 주형물을 2×4×8mm 치수의 시험 샘플로 절단한다. 시험 샘플의 표면을 No.1200 SiC 연마지로 연마시킨다. 연마된 샘플을 이후에 열중량 분석기(TGA) 상에 위치시켜 산화 중량 증가량을 시험한다. TGA의 무수 공기 유속을 100cc/분에서 고정시키고, 온도는 700, 900 및 1100℃에 두고 실험 시간은 24시간으로 고정시킨다. 이들 시험 샘플의 산화 중량 증가량을 표 Ⅷ에 나타낸다.

표 Ⅶ 및 표 Ⅷ에 의해 알 수 있듯이, 알루미늄을 첨가하여 본 발명의 주형물의 내식성에 대한 탄소의 역효과를 억제할 수 있다. 본 실시예는 탄소-함유 합금의 내식성이 알루미늄의 첨가에 의해 조절될 수 있다는 본 발명의 기술을 입증한다.

실시예 5

표 Ⅸ에 나타낸 조성을 갖는 일련의 주형물을 실시예 1 및 2에서 설명한 바와 같은 공정으로 제조한다. 이들 주형물을 실시예 4에서 설명한 바와 같이 가공하고 AISI 304의 주형물과 함께 400 내지 700℃의 튜브 용광로에 넣는다. 무수 공기를 200cm/분의 유속으로서 튜브 용광로에 주입하여 시험 주형물을 산화시킨다. 산화시킨 다음 24시간 경과후, 이들 시험 주형물을 실온까지 공기 냉각시켜 시험 주형물의 표면 상태를 관찰한다. AISI 304의 색은 온도가 높아질수록 어둡게 변하고, 온도가 600℃ 이상이면 완전히 검은색으로 바뀜이 관찰되었다. 반대로, 본 발명의 주형물은 승온에서 약간 황색을 띠며 광택을 유지한다. 더욱 높은 온도에서는, 본 발명의 주형물의 색은 황색에서 갈색으로 변한다. 본 발명의 주형물이나 AISI 340에서 박리는 관찰되지 않았다.

온도를 1100℃에 맞추는 것을 제외하고는 동일한 공정을 반복한다. 본 발명의 표면상에 뚜렷한 산화물의 박리 및 형성을 관찰되지 않는다. 본 발명의 주형물의 색은 광택성 갈색이다. 이와 달리, AISI 340의 표면상에서는 검은색의 균질 산화물 층이 관찰되며 실온으로 냉각시킨후 균열이 또한 관찰된다. 본 실시예는 탄소 또는 망간 함량이 현저하게 높은 합금의 조성을 조절하여 우수한 내식성을 얻을 수 있다는 기술을 입증한다.

실시예 6

표 Ⅹ에 나타낸 조성을 갖는 일련의 크롬-함유 주형물을 실시예 1 및 2와 같이 제조한 후 두께가 2mm로 90% 감소하도록 냉각-로울시킨다. 이후 생성된 주형물을 50시간 동안 1150℃에서 균일화시켜 작업응력을 완전히 제거하고 결정 입자의 완벽한 성장을 촉진시킨다. 로울 주형물을 이후 절단, 분쇄 및 광택처리하여 0.05μm 산화알루미늄 분말이 되게 하여 산화 시험용 샘플을 만든다. 산화 온도는 1050℃에서 설정시키고주위 온도로부터의 온도 상승속도는 분당 100℃가 되게 함을 제외하고는 동일 공정 및 장치를 이용하여 산화 시험을 수행하는데 적용한다. 1050℃에서 48시간 동안 열중량 분석을 수행한다. 총 산화 중량 증가량은 0.42mg/cm에 불과한 것으로 기록되었다. 산화 중량 증가량에 있어서 증분은 단지 초기의 3시간 동안에만 관찰되며 이후 과정에서는 산화 중량 증가량의 추가의 증가가 관찰되지 않는다. X-선 분석기 및 전자 마이크로프로브 분석에 의하면 산화알루미늄 결정은 상기 시험 조건하에 개시된 3시간 동안 완전히 성장함이 밝혀진다. 시험 샘플은 실온까지 공기 냉각하고 관찰하면 산화물의 박리가 생기지 않으며 시험 샘플의 색은 갈색성 은색으로 변한 결과를 얻는다.

본 실시예로부터, 본 발명의 주형물에 충분한 크롬을 적당량 첨가하고 온도상승속도를 적당히 조절하여 냉각후에도 박리되지 않는 완전한 산화알루미늄 보호층을 형성시킬 수 있음이 명백하다.

실시예 7

표 XI에 나타낸 조성을 갖는 일련의 Fe-Mn-Al계 합금을 실시예 1에서 설명한 바와 같은 공정으로 제조한다. 이후에 생성된 주형물을 4시간 동안 1200℃에서 균일화시킨 후 900 내지 1000℃에서 고온-로울시킨다. 로울 주형물을 1050℃에서 1시간 동안 용액으로 처리한 후 오일 급냉시킨다. 생성된 주형물을 8×8×10㎜ 크기로 절단하고 #1200 SiC 연마지로 연마시켜 열-부식 시험을 위한 시험 조각을 만든다. 열-부식 시험은 필수적으로 BaCl, KCℓ 및 LiCℓ을 함유한 시판되는 Q-6 열처리 염 용액 중에 상기 주형 샘플을 268시간 동안 담금질하여 수행한다. #24 상에서 부식 생성물의 두께는 30㎛이며 페라이트 상을 따라 부식이 진행됨이 관찰된다.

본 실시예에 의해 본 발명의 주형물은 고온-내식성을 나타냄이 명백하다.

실시예 8

쓰레기 분류 작업이 널리 보금되어 있지 않은 지역에 있어서는, 산성 및 염기성 쓰레기 둘다를 포함하는 모든 종류의 쓰레기가 쓰레기 소각로로 보내진다. 타이완에서 어떤 쓰레기 소각로로부터 취한 샘플의 분석에 의하면 소각로로 보내진 쓰레기는 평균 물 56%, 분진 15%, 탄소 15%, 산소 11%, 황 0.1% 및 기타 미확인 물질을 함유하고 있음이 밝혀졌다. 수분 함량이 높기 때문에, 이러한 지역의 쓰레기는 자발적으로 연소되지 않으므로 소각을 용이하게 하기 위해 종종 연료를 뿌려준다. 이러한 소각로 내의 환경은 승온 적용 분야로서 합금에 대단히 조악한 위협을 주는 것으로 간주된다.

표 XII나타낸 조성을 갖는 Fe-Mn-Al-C-Cr-Si계 합금으로 제조한 일련의 소각로용 격자 주형물은 용량 500kg의 고주파수 유도 용광로 내에서 전기분해성의 순수한 원료를 용융시키고 생성된 용융물을 샌드 금형으로 주형하여 목적하는 기본 플레이트를 만든다. 2가지 유형의 소각로 격자를 만드는데, 하나는 소각로 잔류 부분을 지지하는 고정 격자이고 다른 것은 연소되는 쓰레기를 지지하고 뜨거운 공기를 환기시키는 이동 격자이다. 두가지 유형의 격자는 모두 연소 온도하의 부식 환경 중에서 무거운 중량 하중을 받는다. 또한, 이들 격자는 쓰레기의 수송에 의해 늘어나는 부식을 견디기 위해 요구된다. 약 12.5kg의 중량이 나가는 이동 격자는 길이 398mm 및 폭 245mm의 크기이다. 60mm×12mm 크기의 사각 구멍은 고르게 전체 격자상에 분포하여 소각 및 고온 공기의 환기도중 소각로 내의 잔류를 감소시킨다. 이동 격자와 외관상 유사한 고정 격자는 길이 398mm 및 폭 289mm의 크기를 갖는다. 이들 격자의 처리 온도는 700 내지 950℃의 범위이다. 이들 격자는 60일간 및 1년 6개월간 쓰레기 소각로에서 시험하며, 이 기간 동안 소각로에 하루 200톤의 일정한 하중을 준다. 시험후 반응물 층의 두께를 표 XIII와 같이 기록한다. 표 XIII 해 본 발명의 Fe-Mn-Al-C계 합금으로 제조한 소각로 격자가 고크롬 금형 강으로 제조한 소각로 격자로서의 질적 표준치를 만족시킴은 명백하다. 크롬, 규소 또는 티탄을 추가로 가하면, 격자의 성능은 더욱 좋아질 것이다.

실시예 9

표 XⅣ에 나타낸 조성을 갖는 Fe-Mn-Al-C계 합금으로 제조한 일련의 15kg 잉곳을 고주파수 유도 용광로 내에서 원료를 용융시키고 세라믹 금형을 주형시켜 제조한다. 용융 원료는 망간이 낮은 망간철 탄소로 제공될 수 있음을 제외하고는 모두 전기 분해성의 순수한 물질 형태로 존재한다(참조 : 표 XⅣ의 *표). 이들 잉곳을 절단하여 절단 면의 경도를 측정한다. 잉곳의 일부를 실시예 2에서와 같이 인강강도 시험을 위한 시험 샘플로 더욱 작게 절단한다. 이에 의한 경도치 및 인장강도 치를 표 XⅤ에 나타내었다.

표 XⅤ에 의해 본 발명의 주형물은 잉곳 형태에서 조차 상업화된 AISI 계열의 스테인레스강보다 더욱 높은 인장강도 및 경도를 나타냄이 명백하다. 처리 공정에 있어서, 본 발명의 주형물은 또한 우수한 인성을 나타낸다. 예를들어, 탄화텅스텐 드릴링 헤드, 고 전력 드릴러 및 적합한 드릴링 오일의 적당한 조합은 본 발명의 주형물을 드릴하는데 요구된다. 시험에서 JIS SK계열의 합금으로 된 톱을 사용하여 본 실시예의 #31합금을 톱질하며 단지 5mm 깊이를 톱질한 후 톱은 부착된다. 이들 현상을 본 발명의 주형물은 주조와 같이 추가로 처리할 수 없음을 나타낸다.

* : 망간철로서 제공된 망간

본 발명은 특정한 바람직한 예시 및 양태에 대해 설명하였으나, 이로써 본 발명의 범주를 제한하려는 것은 아니며, 첨부된 특허청구의 범위에 의해서만 제한된다.

Claims

필수적으로 망간 20 내지 32중량%, 알루미늄 8 내지 12중량%, 크롬 1 내지 5중량%, 규소 0.5 내지 2중량%, 탄소 0.5 내지 1.2중량% 및 잔여량의 철로 이루어진, 주위온도 내지 1100℃의 온도 범위에서 고온 내식성과 기계적 특성이 탁월한 Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 주형물.
망간 20 내지 32중량%, 알루미늄 8 내지 12중량%, 크롬 1 내지 5중량%, 탄소 0.5 내지 2중량% 및 잔여량의 철로 이루어진 필수 원소와 붕소 5 내지 200ppm의 보조 원소를 포함하는, 주위온도 내지 1100℃의 온도 범위에서 고온 내식성과 기계적 특성이 탁월한 Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 주형물.
망간 20 내지 32중량%, 알루미늄 8 내지 12중량%, 크롬 1 내지 5중량%, 탄소 0.5 내지 2중량% 및 잔여량의 철로 이루어진 필수 원소와 텅스텐 0.1 내지 1.0중량%의 보조 원소를 포함하는, 주위온도 내지 1100℃의 온도 범위에서 고온 내식성과 기계적 특성이 탁월한 Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 주형물.
망간 20 내지 32중량%, 알루미늄 8 내지 12중량%, 크롬 1 내지 5중량%, 탄소 0.5 내지 2중량% 및 잔여량의 철로 이루어진 필수 원소와 몰리브덴 0.1 내지 2.1중량%의 보조 원소를 포함하는, 주위온도 내지 1100℃의 온도 범위에서 고온 내식성과 기계적 특성이 탁월한 Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 주형물.
망간 20 내지 32중량%, 알루미늄 8 내지 12중량%, 크롬 1 내지 5중량%, 탄소 0.5 내지 2중량% 및 잔여량의 철로 이루어진 필수 원소와 니오븀 0.05 내지 0.5중량%의 보조 원소를 포함하는, 주위온도 내지 1100℃의 온도 범위에서 고온 내식성과 기계적 특성이 탁월한 Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 주형물.
망간 20 내지 32중량%, 알루미늄 8 내지 12중량%, 크롬 1 내지 5중량%, 탄소 0.5 내지 2중량% 및 잔여량의 철로 이루어진 필수 원소와 티탄 0.1 내지 2.0중량%의 보조 원소를 포함하는, 주위온도 내지 1100℃의 온도 범위에서 고온 내식성과 기계적 특성이 탁월한 Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 주형물.
망간 20 내지 32중량%, 알루미늄 8 내지 12중량%, 크롬 1 내지 5중량%, 탄소 0.5 내지 2중량% 및 잔여량의 철로 이루어진 필수 원소와 바나듐 0.05 내지 0.5중량%의 보조 원소를 포함하는, 주위온도 내지 1100℃의 온도 범위에서 고온 내식성과 기계적 특성이 탁월한 Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 주형물.
망간 20 내지 32중량%, 알루미늄 8 내지 12중량%, 크롬 1 내지 5중량%, 탄소 0.5 내지 2중량% 및 잔여량의 철로 이루어진 필수 원소와 질소텐 0.05 내지 0.2중량%의 보조 원소를 포함하는, 주위온도 내지 1100℃의 온도 범위에서 고온 내식성과 기계적 특성이 탁월한 Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 주형물.
망간 20 내지 32중량%, 알루미늄 8 내지 12중량%, 크롬 1 내지 5중량%, 탄소 0.5 내지 2중량% 및 잔여량의 철로 이루어진 필수 원소와 구리 0.5 내지 1.5중량%의 보조 원소를 포함하는, 주위온도 내지 1100℃의 온도 범위에서 고온 내식성과 기계적 특성이 탁월한 Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 주형물.
망간 20 내지 32중량%, 알루미늄 8 내지 12중량%, 크롬 1 내지 5중량%, 탄소 0.5 내지 2중량% 및 잔여량의 철로 이루어진 필수 원소와 니켈 0.5 내지 2.5중량%의 보조 원소를 포함하는, 주위온도 내지 1100℃의 온도 범위에서 고온 내식성과 기계적 특성이 탁월한 Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 주형물.
망간 20 내지 32중량%, 알루미늄 8 내지 12중량%, 크롬 1 내지 5중량%, 탄소 0.5 내지 2중량% 및 잔여량의 철로 이루어진 필수 원소와 이트륨 0.01 내지 1.0중량%의 보조 원소를 포함하는, 주위온도 내지 1100℃의 온도 범위에서 고온 내식성과 기계적 특성이 탁월한 Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 주형물.
망간 20 내지 32중량%, 알루미늄 8 내지 12중량%, 크롬 1 내지 5중량%, 탄소 0.5 내지 2중량% 및 잔여량의 철로 이루어진 필수 원소와 스칸듐 0.01 내지 1.0중량%의 보조 원소를 포함하는, 주위온도 내지 1100℃의 온도 범위에서 고온 내식성과 기계적 특성이 탁월한 Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 주형물.
망간 20 내지 32중량%, 알루미늄 8 내지 12중량%, 크롬 1 내지 5중량%, 탄소 0.5 내지 2중량% 및 잔여량의 철로 이루어진 필수 원소와 하프늄 0.01 내지 0.5중량%의 보조 원소를 포함하는, 주위온도 내지 1100℃의 온도 범위에서 고온 내식성과 기계적 특성이 탁월한 Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 주형물.
망간 20 내지 32중량%, 알루미늄 8 내지 12중량%, 크롬 1 내지 5중량%, 탄소 0.5 내지 2중량% 및 잔여량의 철로 이루어진 필수 원소와 탄탈 0.01 내지 0.8중량%의 보조 원소를 포함하는, 주위온도 내지 1100℃의 온도 범위에서 고온 내식성과 기계적 특성이 탁월한 Fe-Mn-Al-Cr-Si-C계 주형물.