KR20230013276A

KR20230013276A - 강하고 인성을 갖는 경질의 스테인리스 강 및 그로부터 제조된 물품

Info

Publication number: KR20230013276A
Application number: KR1020227044781A
Authority: KR
Inventors: 로버트 에프 벅
Original assignee: 씨알에스 홀딩즈, 엘엘씨
Priority date: 2020-05-22
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2023-01-26
Also published as: US20210363621A1; CN115720595A; BR112022023239A2; JP2023527777A; CA3178750A1; WO2021236902A1; EP4153792A1; MX2022014689A; IL298407A

Abstract

철계 미세 결정립 마르텐사이트 스테인리스 강 합금이 개시된다. 상기 합금은 본질적으로 델타 페라이트가 없고 매우 높은 경도와 양호한 내부식성을 제공한다. 상기 합금은 본질적으로 중량 백분율로 나타낸 이하의 조성으로 이루어진다:
C: 약 0.20 중량% 내지 약 0.70 중량%
Mn: 최대 약 5 중량%
Si: 최대 약 1 중량%
P: 최대 약 0.1 중량%
S: 최대 약 0.03 중량%
Cr: 약 7.5 중량% 내지 약 15 중량%
Ni: 약 2 중량% 내지 약 5 중량%
Mo: 최대 약 4 중량%
Co: 최대 약 4 중량%
Cu: 최대 약 1.2 중량%
Ti: 약 0.01 중량% 내지 약 0.75 중량%
Al: 최대 약 0.2 중량%
Nb: 최대 약 1 중량%
V: 최대 약 2 중량%
N: 최대 약 0.02 중량%
B: 최대 약 0.1 중량%
상기 합금의 잔부는 철과 통상적인 불순물이다. 또한, 전술한 합금으로 이루어진 케이스 부분을 포함하는 복합 제조 물품을 개시한다.

Description

강하고 인성을 갖는 경질의 스테인리스 강 및 그로부터 제조된 물품

본 발명은, 철계 미세 결정립 마르텐사이트 스테인리스 강에 관한 것으로, 이 스테인리스 강은, 비교적 균일하게 분산된 미세하고 조대 저항성 MX형 석출물을 석출시키도록, 열적 기계적 처리(TMT; Thermal-Mechanical Treatment)를 사용하여 제조되고, 이어서 탄소를 그 강 내에 확산시킴으로써 경화된다.

항공우주, 국방, 에너지, 의료, 운송, 소비자 및 산업 시장에서 강하고 인성을 가지며 경질 스테인리스 강의 필요성이 존재한다. 그러한 합금으로부터 이점을 가질 수 있는 특정 용례는 베어링, 기어, 액추에이터, 커틀러리(cutlery), 펌프 부품, 샤프트, 총열, 볼트, 볼트 캐리어, 밸브 및 다이를 포함한다. PYROWEAR® 675 및 CX13VDW 등의 종래의 침탄 가능 스테인리스 강은 높은 경도를 제공하지만, 번거로울 수 있는 열처리 후 양호한 내부식성을 갖지 않는다. AISI Type 440C 합금 및 BG42 합금과 같은 종래의 전경화(through-hardening) 스테인리스 강도 높은 경도를 제공하지만, 열처리 후 양호한 내부식성을 제공하지 않는다. 더욱이, 그들은 상대적으로 낮은 충격 인성을 제공한다. CRONIDUR® 30 합금은 양호한 내부식성을 갖지만, 60 로크웰 C 경도(Rockwell C hardness)(Rc)보다 큰 경도를 달성할 수 없다. 또한, 그 합금은 매우 낮은 충격 인성을 겪는다. 전술한 관점에서, 이하의 특성 조합을 제공하는 기존의 공기 중 용융 또는 진공 용융된 강 재료는 없다: (i) 높은 표면(케이스) 경도(즉, 58-60 Rc 초과), (ii) 깊은 유효 케이스 깊이(즉, 0.040 in(1.02 mm) 초과), (iii) ASTM B117(염수 분무 부식 테스트(salt fog corrosion test)) 등의 공격적인 부식 환경에 노출 후 양호한 내부식성, (iv) 높은 항복 응력(즉, 135 ksi(930.8 Mpa) 초과), (v) 높은 극한 인장 강도(즉, 170 ksi(1172.1 Mpa) 초과), (vi) 양호한 인장 연신율(즉, 8% 초과), (vii) 높은 샤르피 V 노치 충격 인성(즉, 30 ft-lb(40.7 J) 초과), 및 (viii) 높은 파괴 인성(즉, 80 ksi√in(87.9 MPa80 ksi√m) 초과) 제2의 목적은 합금 재료가 특정한 항공우주 용례에 중요한 적어도 약 300°F의 온도에서 템퍼링된 후 전술한 특성을 제공하는 것이다.

경도를 증가시키기 위해서 일반적으로 강 합금의 탄소 함유량을 증가시킬 필요가 있다는 점은 철계 야금분야에서 잘 알려져 있다. 유사하게, 내부식성을 증가시키기 위해서는 일반적으로 강 합금의 크롬 함유량을 증가시키는 것이 필요하다. 그러나, 동일한 강 합금에서 경도와 내부식성을 모두 증가시키는 것이 요구되는 경우 문제가 발생된다. AISI Type 440C 합금 및 BG42 합금과 같은 전경화 스테인리스 강은 많은 양의 탄소와 크롬(예컨대, 명목상으로 440C 합금에서 약 1% C 및 17% Cr, BG42 합금에서 약 1.15% C 및 14.5% Cr)을 추가함으로써 높은 경도와 양호한 내부식성을 달성하려고 시도한다. 440C 합금은 약 59 Rc의 피크 경도로 경화될 수 있는 반면, BG42 합금은 열처리 후 약 61 Rc로 경화될 수 있다. 그러나, 이러한 합금을 제조하는 중에, 크롬 풍부 입자(예컨대, M₇X₃ 및/또는 M₂₃X₆)의 큰 부피 분율이 합금 내로 석출되며, 그에 따라 내부식성에 필요한 크롬의 합금 매트릭스를 고갈시킨다. 당업자라면 M_aX_b에서 "M"이 철 및/또는 크롬과 같은 금속 원자 또는 원자들을 지칭한다는 것과, "X"가 일반적으로 탄소를 지칭하지만 질소를 지칭할 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 유해한 크롬 풍부 탄화물, 질화물 및/또는 탄질화물 입자의 석출은, 전경화 스테인리스 강이 열간 가공 및 후속 열처리에 흔히 사용되는 온도에 노출되는 경우 발생한다. 이는 크롬 풍부 탄화물/질화물 석출물을 둘러싸는 크롬 고갈 영역의 형성을 초래하고, 이는 또한 그 합금 매트릭스 재료의 저하된 내부식성을 초래한다. 크롬 고갈 영역의 국부적인 크롬 함유량이 약 10.5% Cr 이하로 떨어지는 경우, 그 강은 더 이상 "스테인리스"로 간주되지 않으며 통상의 대기 조건에 노출 후, 특히 공격적인 조건(예: 염무)에 노출된 후에는 녹이 슬 수 있다. 전술한 현상이 전술한 전경화 스테인리스 강에 한정되지 않는다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 또한, 이는 AISI 등급 440A, 440B 및 420 등의 기타 공지된 마르텐사이트 스테인리스 강을 비롯하여 이에 한정되지 않는 전경화 스테인리스 강의 군에 다양한 정도로 영향을 미친다. 기타 마르텐사이트 스테인리스 강은 일반적으로 많은 용례 및 산업에서 요구되는 높은 경도 레벨(즉, 58-60 Rc 초과)로 경화될 수 없다는 점을 유의하여야 한다.

침탄 스테인리스 강(예컨대, PYROWEAR® 675 합금 및 CX13VDW 합금)으로 알려진 스테인리스 강의 카테고리가 존재하며, 그 침탄 스테인리스 강은 일반적으로 약 12-13% Cr 및 상대적으로 적은 탄소(< 0.15%)를 포함한다. 그러한 강이 통상 1600°F 내지 1750°F에서 침탄되는 경우, 강 내로 확산되는 탄소량은 그 확산 온도에서 해당 합금 내 탄소의 용해도 한계를 초과한다. 그러한 프로세스는 막대한 양의 큰 입자간 및 입자내 크롬 풍부 탄화물의 석출을 초래하며, 그에 따라 주변 철 매트릭스에서 크롬을 고갈시킨다. 크롬 풍부 입자의 경도가 매우 높고, 침탄 프로세스가 그러한 입자의 큰 부피 분율을 초래하기 때문에, 침탄 처리된 케이스의 전체적인 경도는, 예컨대 61 Rc 내지 63 Rc 또는 그 이상으로 높을 수 있다. 그러나, 높은 경도에 필요한 크롬 풍부 탄화물은 후속한 통상의 열처리 후에도, 케이스 미세 조직에 잔류되며, 그로 인해 주변 매트릭스에서 크롬을 고갈시킨다. 전술한 바와 같이, 매트릭스 크롬 함유량이 약 10.5% Cr 미만 레벨로 떨어지는 경우, 그 강은 더 이상 "스테인리스"로 간주되지 않으며 부식성 공격에 보다 취약하다. 침탄 후 열처리와 관계없이, 침탄 중에 형성되는 케이스 내에 크롬 풍부 석출물의 큰 부피 분율은 미세 조직에서 제거되지 않는다. 결과적으로, "스테인리스" 침탄 강은, 본질적으로 종래의 전경화 스테인리스 강과 동일한 효과, 즉 표면 경도가 훨씬 낮은 다른 스테인리스 강에 비해 열처리 후 상대적으로 낮은 내부식성을 겪는다.

CRONIDUR® 30 합금 등의 질소 증가 스테인리스 강은, 주로 내부식성에 유리한 질소가 탄소를 대체하기 때문에, Type 440C 합금 등의 전경화 스테인리스 강 및 PYROWEAR® 675 합금 등의 침탄 스테인리스 강 둘 다에 비해 더 큰 내부식성을 제공할 수 있다. 그러나, 질소 증가 스테인리스 강은 일반적으로 약 59 Rc보다 큰 레벨로 경화될 수 없다. 더욱이, 그 스테인리스 강은 상대적으로 낮은 샤르피 V 노치 충격 인성을 가질 수 있다. 예를 들면, CRONIDUR 30 합금은 취성으로서, 단지 약 1.5 ft.-lb.(2.0 J)의 충격 인성을 갖는다.

종래 기술에 대해 전술한 논의의 관점에서, 양호한 내부식성을 희생시키지 않고 매우 높은 경도를 제공하는 강 합금의 필요성이 존재한다. 게다가, 양호한 인성과 조합하여 그러한 레벨의 경도와 내부식성을 제공하는 재료의 필요성도 존재한다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 철계 미세 결정립 마르텐사이트 스테인리스 강을 제공하며, 이 스테인리스 강은 본질적으로 델타 페라이트(delta ferrite)가 없고 매우 높은 경도와 양호한 내부식성을 제공한다. 그 합금은 본질적으로 중량 백분율로 나타낸 이하의 조성으로 이루어진다.

C: 약 0.20 중량% 내지 약 0.70 중량%

Mn: 최대 약 5 중량%

Si: 최대 약 1 중량%

P: 최대 약 0.1 중량%

S: 최대 약 0.03 중량%

Cr: 약 7.5 중량% 내지 약 15 중량%

Ni: 약 2 중량% 내지 약 5 중량%

Mo: 최대 약 4 중량%

Co: 최대 약 4 중량%

Cu: 최대 약 1.2 중량%

Ti: 약 0.01 중량% 내지 약 0.75 중량%

Al: 최대 약 0.2 중량%

Nb: 최대 약 1 중량%

V: 최대 약 2 중량%

N: 최대 약 0.02 중량%

B: 최대 약 0.1 중량%

합금의 잔부는 철과 더불어, 유사한 용례를 위해 의도된 마르텐사이트 스테인리스 강에서 발견되는 통상적인 불순물이다. 그 합금은, 합 1.17×%Ti + 0.62×%Zr + 0.31×%Ta + 0.31×%Hf이 약 0.135% 내지 약 1%이도록 제공되는 Zr, Ta 및 Hf를 선택적으로 함유한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 복합 제조 물품을 제공하며, 이 복합 제조 물품은 본질적으로 전술한 마르텐사이트 스테인레스 강 합금으로 구성된 경질 케이스 또는 표면층과 하드 케이스에 의해 에워싸인 강인 코어(tough core)를 포함한다. 코어 재료는 본질적으로 이하의 중량 백분율 조성을 갖는 합금으로 이루어진다.

C: 약 0.05 중량% 내지 약 0.15 중량%

Mn: 최대 약 5 중량%

Si: 최대 약 1.5 중량%

P: 최대 약 0.1 중량%

S: 최대 약 0.03 중량%

Cr: 약 7.5 중량% 내지 약 15 중량%

Ni: 약 1 중량% 내지 약 5 중량%

Mo: 최대 약 4 중량%

Co: 최대 약 10 중량%

Cu: 최대 약 5 중량%

Ti: 약 0.01 중량% 내지 약 0.75 중량%

Al: 최대 약 0.2 중량%

Nb: 최대 약 1 중량%

V: 최대 약 2 중량%

N: 최대 약 0.02 중량%

B: 최대 약 0.1 중량%

그 코어 합금의 잔부는 철과 통상적인 불순물이다. 강인 코어는 전술한 바와 같이 Zr, Ta 및 Hf를 선택적으로 함유한다. 이러한 발명의 양태에 따른 "강인 코어" 물품은 양호한 강도뿐만 아니라 케이스 재료보다 좋은 인성 및 연성을 특징으로 하는 코어를 완전히 또는 부분적으로 둘러싸는 고강도의 경질 내부식성 강 케이스를 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전술한 제1 합금으로 제조된 전경화 씬 게이지(thin-gauge) 물품을 제공한다. 이 양태에 따른 경화를 거친 물품에서, 경화 영역은 물품의 길이 및 단면 전체에 걸쳐 또는 실질적으로 전체에 걸쳐 연장된다. 전경화 부품의 경우, 그 강은 두께 전체에 걸쳐 높은 경도와 높은 강도를 갖지만, 그 부품의 충격 인성은 "강인 코어" 실시예의 코어 부분에 비해 더 낮다.

본 명세서에 걸쳐 "백분율"이란 용어와 "%" 기호는 달리 언급하지 않는다면 중량 백분율 또는 질량 백분율을 의미한다. 본 출원의 목적을 위해 "씬 게이지"라는 용어는 약 0.125 인치(3.175 mm)까지의 단면 두께를 의미한다. "높은 경도"라는 용어는 적어도 약 58 Rc의 경도를 의미한다. "유효 케이스 깊이"라는 용어는 강 합금의 표면층의 경도가 50 Rc 이하로 떨어지게 되는 깊이를 의미한다. 본 발명에 따른 합금의 기본적이고 신규한 특성은, 합금이 ASTM 표준 시험 절차 B117에 따라 테스트되는 경우, 부식의 양상이 나타나지 않는 것을 특징으로 하는 내부식성과 조합된 적어도 약 50 Rc의 경도를 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 복합 물품의 샘플의 현미경 사진이다.
도 2는 ASTM 표준 시험 절차 B117에 따른 테스트 후에 본 발명에 따른 합금의 샘플의 사진이다.
도 3은 ASTM 표준 시험 절차 B117에 따른 테스트 후에 비교예 A의 샘플의 사진이다.
도 4는 ASTM 표준 시험 절차 B117에 따른 테스트 후에 비교예 B의 샘플의 사진이다.
도 5는 ASTM 표준 시험 절차 B117에 따른 테스트 후에 비교예 C의 샘플의 사진이다.
도 6은 ASTM 표준 시험 절차 B117에 따른 테스트 후에 비교예 D의 샘플의 사진이다.

본 발명에 따른 합금 및 물품들은 미국 특허 제6,890,393호 및 제6,899,773호에서 설명한 베이스 합금으로부터 제조되며, 그 전체 개시 내용은 본 명세서에 참조로 인용된다. 참조 특허들에서 설명한 바와 같이, 공지된 합금은 결정립을 미세화하여 비교적 균일하게 분산된 미세하고 조대 저항성의 MX형 석출물을 석출시키도록 열 기계적 처리를 이용함으로써 제조된다. 본 발명의 강 합금은 이전에 개시된 강의 야금학적 특성을 채용하고, 공지된 강에 비해 매우 높은 경도 및 강도를 달성하도록 추가적인 탄소를 포함한다. 추가적인 탄소는 침탄 프로세스에서 탄소를 그 강 내에 확산시킴으로써 제공된다. 침탄 프로세스 후, 얻어지는 합금은 확산 영역에서 베이스 합금보다 상당히 많은 탄소를 포함한다.

본 발명에 따른 합금은, 내부식성의 상당한 손실 없이 적어도 약 50 Rc의 경도 값이 제공될 수 있도록 합금에 의해 제공되는 더 높은 경도에 유리하도록 적어도 약 0.20%의 탄소를 포함한다. 또한, 합금이 적어도 약 0.30%의 탄소를 포함하는 경우, 합금은 약 56 Rc보다 큰 경도 값을 제공할 수 있다는 점을 유의하여야 한다. 합금이 약 0.35% 내지 0.63% 사이의 탄소를 포함하는 경우, 매우 높은 경도, 즉 약 60 Rc보다 큰 경도가 제공될 수 있다. 탄소 레벨이 약 0.63%에서 약 0.70%로 증가함에 따라, 경도는 각각 약 60 Rc에서 약 50 Rc로 감소한다. 탄소 레벨이 약 0.70%에서 약 0.83%로 계속 증가함에 따라, 경도는 각각 약 50 Rc에서 약 32 Rc로 계속 감소한다. 탄소 레벨이 약 0.63%에서 약 0.83%로 증가함에 따라 경도가 감소하는 이유는, 증가된 탄소 레벨이 담금질 중의 침탄 합금이 극저온 처리를 거친 후에도 경질의 마르텐사이트로 변형되지 않은 비교적 연질의 잔류 오스테나이트의 보다 많은 양을 강 내에 안정화시키기 때문이다. 약 0.83%보다 큰 탄소 레벨에서, 합금에서 경질의 크롬 풍부 입자의 부피 분율이 증가하여 강의 전체적 경도가 약 32 Rc에서 약 59 Rc로 점차 증가한다. 그러나, 약 0.83%보다 많은 탄소가 합금에 존재하는 경우, 크롬 풍부 입자의 증가된 형성이 매트릭스 재료로부터 크롬을 고갈시키기 때문에, 합금에 의해 제공되는 내부식성이 악영향을 받는다. 바람직하게는, 합금은 약 0.70% 이하의 탄소를 포함하고, 경도와 내부식성의 최상의 조합을 위해 합금은 약 0.63% 이하의 탄소를 포함한다.

본 발명에 따른 합금의 탄소 함량은, 용융 중에 탄소를 첨가하는 등에 의해 통상의 방식으로 얻을 수 없는데, 이는 그러한 합금 원소 첨가가 미세 결정립 미세조직을 생성하거나 유지하기 위한 후속 열 기계적 처리 또는 열간 가공 중에 입자를 피닝(pinning)하는 데 비효율적일 수 있는 큰 입자간 간격을 갖는 1차 MC 입자의 상대적으로 큰 부피 분율을 초래할 수 있기 때문이다. 그러한 높은 탄소 레벨로 제조되는 본 발명의 강을 위한 바람직한 방법은, 베이스 합금이 열 기계적으로 처리된 후 탄소가 그 강 내로 확산되도록 하는 것이다.

본 발명에 따른 합금은 전술한 베이스 합금을 먼저 용융 및 주조하여 생성된다. 합금을 용융 주조하는 데에 특별한 기술은 필요하지 않다. 합금은 아크 용융 등의 종래의 공기 중 용융 프로세스를 이용하여 용융될 수 있거나, 합금은 진공 유도 용융 등의 진공 용융될 수 있다. 합금이 공기 중 용융되는 경우, 용융 중에 탈산성 첨가물의 잔류 원소로서 알루미늄과 규소를 합하여 적어도 약 0.01% 포함하도록, 합금의 화학적 조성이 제어되는 것이 바람직하다. 베이스 합금은 잉곳으로 주조되거나 연속 주조 기술을 사용하여 주조될 수 있다.

합금 잉곳 또는 빌렛은 앞서 언급한 특허에 기술된 바와 같이 열 기계적 처리를 사용하여 후속 처리된다. 열 기계적 처리의 목적은, 열간 가공 중에 미세 조직을 재결정화하는 한편, 합금이 상온으로 냉각된 후 미세 결정립의 등축 미세 조직이 얻어지도록, 새로 재결정된 입자의 경계를 피닝하도록 균일하게 분산된 미세한 MX 입자를 석출시키는 데에 있다.

탄소는 침탄 프로세스에 의해 열간 가공 합금 형태 내로 확산된다. 침탄 프로세스는 침탄층의 원하는 탄소 함유량과 깊이를 제공하도록 선택된 온도, 시간 및 탄소 분위기의 조건 하에 수행된다. 원하는 양의 탄소가 열간 가공된 강 내로 확산된 후, 강은 탄소 확산 프로세스 중에 형성되었을 수 있는 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트로 전환하기 위해 극저온 처리된다. 극저온 처리는, 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트로 실질적으로 완전히 변태시키도록 선택된 소정 시간동안 약 -321°F 내지 약 -100°F(-196.1℃ 내지 -73.3℃)로 합금을 냉각시킴으로써 수행된다. 그런 다음, 합금은 공기 중에서 상온으로 가열된다. 본 발명에 따른 물품이 매우 경질 내부식성의 케이스 또는 표면층 및 그 케이스 내에 강하고 인성을 갖는 코어를 갖는 복합 물품으로서 구현되는 경우, 그 강은 이어서 코어 및 케이스의 인성과 연성을 증가시키도록 템퍼링된다. 본 발명에 따른 합금 또는 물품의 템퍼링 온도는 약 200°F 내지 약 600°F(93.3°C 내지 315.6°C)이다. 더 높은 온도에서 템퍼링하는 것은 내부식성을 감소시키는 반면, 더 낮은 온도에서 템퍼링하는 것은 인성과 연성을 감소시킨다. 바람직하게는, 본 발명의 강 또는 그로부터 제조되는 복합 물품을 위한 템퍼링 온도는 약 300°F 내지 약 400°F(148.9°C 내지 204.4°C)이다. 당업자라면 전술한 온도 범위 밖에서 합금 재료를 템퍼링하고 여전히 특정 용례를 위한 바람직한 특성을 얻는 것이 가능하다는 것이 명백할 것이다. 전술한 바와 같이 처리될 때, 본 발명에 따른 복합 강 물품은, 약 59 Rc 내지 61 Rc의 경도를 갖는 침탄 케이스와 조합된 약 38.5 Rc 내지 약 41 Rc의 코어 경도와 약 40 내지 약 49 ft-lbs(54.2 내지 66.4 J)의 샤르피 V 노치 충격 에너지를 가질 수 있다.

본 발명의 강 합금은, 탄소가 확산되기 전에 보다 낮은 탄소 함량의 스테인리스 강 "베이스" 합금으로 형성되는 복합 물품의 일부로서 사용될 수 있다. 복합 물품의 보다 높은 탄소 함량의 표면 층은 약 0.025 in 내지 약 0.100 in(0.635 mm 내지 2.54 mm)의 깊이까지 연장될 수 있다. 그 경계는 재료의 경도가 약 50 Rc 이하로 감소되는 지점으로서 정의될 수 있다. 도 1은 본 실시예에 따른 바(bar)(10)의 부분 단면도의 형태로 복합 물품의 일부를 나타낸다. 바(10)는 고강도 및 양호한 인성을 특징으로 하는 내부 코어 부분(20)을 포함한다. 또한, 바(10)는 매우 높은 강도 및 경도를 특징으로 하는 외부 케이스 부분(30)을 갖는다. 또한, 코어 부분(20) 및 케이스 부분(30)은 양호한 내부식성을 갖는 것을 특징으로 한다.

높은 표면 경도, 양호한 내부식성, 양호한 코어 인성 및 연성의 조합을 갖는 복합 물품을 필요로 하는 용례(예컨대, 베어링 및 기어)가 존재하지만, 부품 전체에 걸쳐, 즉 물품의 단면에 걸쳐 높은 경도와 양호한 내부식성이 조합된 강으로부터 이점을 가질 수 있는 나이프 및 커틀러리 등의 다른 용례도 존재한다. 그러한 용례를 위해, 본 발명의 강의 다른 실시예는 베이스 합금으로 이루어지고, 탄소가 부품 전체에 걸쳐 또는 실질적으로 전체에 걸쳐 확산되었으며, 그에 따라 우수한 내부식성을 유지하면서 전체에 걸쳐 경질이 부여된 씬 게이지 물품이다. 본 명세서에서 설명하는 기술 및 방법을 활용하는 전경화 나이프 블레이드는, 예컨대 불리한 결과 없이 반복적으로 예리하게 될 수 있다. 이러한 본 발명의 양태는 약 0.09 인치 내지 약 0.1 인치(2.29 mm 내지 2.54 mm)의 두께로 성공적으로 실현되었다. 그러나, 본 발명은 약 0.125 인치(3.175 mm)에 이르는 두께까지 확장될 수 있는 것으로 여겨진다.

가공예

본 발명에 따른 합금에 의해 제공되는 경도와 내부식성의 신규한 조합을 입증하기 위해, 합금의 예에 대한 비교 테스트가 수행되었다. 보다 구체적으로, 본 발명의 합금에 의해 제공되는 경도 및 내부식성은 4개의 공지된 마르텐사이트 내부식성 합금, 즉 PYROWEAR 675 합금(비교예 A), BG42 합금(비교예 B), AISI Type 440C 합금(비교예 C), 및 CPM S90V 합금(비교예 D)(CPM과 S90V은 등록 상표)의 샘플들과 비교하였다. 테스트한 합금의 중량 백분율 조성은 이하의 표에 제시된다.

각각의 합금의 잔부는 본질적으로 철이다.

본 발명에 따른 합금의 샘플은 침탄, 담금질, 극저온 처리되며, 이후에 전술한 바와 같이 템퍼링된다. 침탄 케이스 깊이는 약 0.055 인치(1.4 mm)였다. 비교예 A의 샘플은 침탄된 다음 그 합금에 대해 공지된 프로세스를 사용하여 열처리되었다. 침탄 케이스 깊이는 약 0.040 인치(1.02 mm)였다. 실시예 B, C 및 D의 샘플을 그러한 합금에 대한 공지된 열처리에 따라 열처리하였다. 그런 다음, 각각의 합금 샘플을 표면 경도 및 내부식성에 대해 테스트하였다.

본 발명의 합금의 샘플은 61 Rc의 측정 경도를 가졌다. 비교예 A의 샘플은 63 Rc의 측정 경도를 가졌다. 비교예 B의 샘플의 측정 경도는 61 Rc였다. 비교예 C의 샘플은 59 Rc의 측정 경도를 가졌고, 비교예 D의 샘플은 58 Rc의 측정 경도를 가졌다.

부식 테스트는 ASTM 표준 시험 절차 B117(염수 분무 테스트)에 따라 각각의 합금의 샘플에 수행되었다. 도 2 내지 도 6에서는 염수 분무에 200시간 노출시킨 후 각각의 합금 샘플의 사진을 도시한다. 도 2는 본 발명에 따른 합금의 샘플을 나타낸다. 도 3은 비교예 A의 샘플을 나타낸다. 도 4는 비교예 B의 샘플을 나타낸다. 도 5는 비교예 C의 샘플을 나타내며, 도 6은 비교예 D의 샘플을 나타낸다.

본 명세서에서 사용된 용어 및 표현은 한정하고자 하는 것이 아니라 설명의 측면에서 사용된다. 그러한 용어 및 표현의 사용에 있어서 도시하고 설명한 특징들의 임의의 등가물 또는 그 일부를 배제하는 의도는 없다. 다양한 수정이 본 명세서에서 설명하고 청구 범위에 기재한 발명 내에서 가능하다는 점을 인식할 것이다.

Claims

마르텐사이트 스테인리스 강 합금으로서, 상기 합금은 본질적으로, 중량 백분율로:
C: 약 0.20 중량% 내지 약 0.70 중량%
Mn: 최대 약 5 중량%
Si: 최대 약 1 중량%
P: 최대 약 0.1 중량%
S: 최대 약 0.03 중량%
Cr: 약 7.5 중량% 내지 약 15 중량%
Ni: 약 2 중량% 내지 약 5 중량%
Mo: 최대 약 4 중량%
Co: 최대 약 4 중량%
Cu: 최대 약 1.2 중량%
Ti: 약 0.01 중량% 내지 약 0.75 중량%
Al: 최대 약 0.2 중량%
Nb: 최대 약 1 중량%
V: 최대 약 2 중량%
N: 최대 약 0.02 중량%
B: 최대 약 0.1 중량%
로 이루어지고, 잔부는 철과 통상적인 불순물이고,
상기 합금은 선택적으로 합 1.17×%Ti + 0.62×%Zr + 0.31×%Ta + 0.31×%Hf이 약 0.135% 내지 약 1%가 되도록 Zr, Ta 및 Hf를 함유하는 합금.
제1항에 있어서,
상기 합금은 적어도 약 0.30%의 탄소를 함유하는 합금.
제1항에 있어서,
상기 합금은 적어도 약 10.5%의 크롬을 함유하는 합금.
제3항에 있어서,
상기 합금은 13% 이하의 크롬을 함유하는 합금.
제조 물품으로서,
코어 부분 및 상기 코어 부분 상에 형성되는 케이스 부분을 포함하고, 상기 케이스 부분은 본질적으로 중량 백분율로 나타낸 이하의 조성을 갖는 마르텐사이트 스테인리스 강 케이스 합금을 포함하며:
C: 약 0.20 중량% 내지 약 0.70 중량%
Mn: 최대 약 5 중량%
Si: 최대 약 1 중량%
P: 최대 약 0.1 중량%
S: 최대 약 0.03 중량%
Cr: 약 7.5 중량% 내지 약 15 중량%
Ni: 약 2 중량% 내지 약 5 중량%
Mo: 최대 약 4 중량%
Co: 최대 약 4 중량%
Cu: 최대 약 1.2 중량%
Ti: 약 0.01 중량% 내지 약 0.75 중량%
Al: 최대 약 0.2 중량%
Nb: 최대 약 1 중량%
V: 최대 약 2 중량%
N: 최대 약 0.02 중량%
B: 최대 약 0.1 중량%
잔부는 철과 통상적인 불순물이고,
상기 코어 부분은 본질적으로 중량 백분율로 나타낸 이하의 조성을 갖는 마르텐사이트 스테인리스 강 코어 합금으로 이루어지며:
C: 약 0.05 중량% 내지 약 0.15 중량%
Mn: 최대 약 5 중량%
Si: 최대 약 1.5 중량%
P: 최대 약 0.1 중량%
S: 최대 약 0.03 중량%
Cr: 약 7.5 중량% 내지 약 15 중량%
Ni: 약 1 중량% 내지 약 5 중량%
Mo: 최대 약 4 중량%
Co: 최대 약 10 중량%
Cu: 최대 약 5 중량%
Ti: 약 0.01 중량% 내지 약 0.75 중량%
Al: 최대 약 0.2 중량%
Nb: 최대 약 1 중량%
V: 최대 약 2 중량%
N: 최대 약 0.02 중량%
B: 최대 약 0.1 중량%
상기 코어 합금의 잔부는 철과 통상적인 불순물인 물품.
제5항에 있어서,
상기 케이스 합금은 적어도 약 0.30% 탄소를 함유하는 물품.
제5항에 있어서,
상기 케이스 합금은 적어도 약 10.5%의 크롬을 함유하는 물품.
제7항에 있어서,
상기 케이스 합금은 13% 이하의 크롬을 함유하는 물품.
제5항에 있어서,
상기 물품은 바(bar)이고 상기 케이스 부분은 상기 코어 부분을 둘러싸는 물품.
제9항에 있어서,
상기 케이스는 약 0.025 in 내지 약 0.100 in(0.635 mm 내지 2.54 mm)의 유효 케이스 깊이를 갖는 물품.
제5항에 있어서,
상기 물품은 씬 게이지(thin-gauge) 물품인 물품.