WO2015072660A1 - Ni기 초합금 및 이의 제조방법 - Google Patents

Ni기 초합금 및 이의 제조방법 Download PDF

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WO2015072660A1
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inconel
melting
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강황진
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주식회사 엔아이비
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/057—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being less 10%

Definitions

  • the present invention relates to a Ni-based superalloy and a manufacturing method thereof.
  • Ni-based superalloy is a material that is used at high temperature above 800 °C and its tensile strength, yield strength and elongation at high temperature do not show a big difference from that at room temperature, and it has excellent high temperature creep characteristics and high oxidation resistance at high temperature. have. Recently, a material that can be used even in a high temperature environment of 1500 ° C. or more has been developed, and various materials have been applied according to a use temperature and a use. The material of grade 800 °C is the most used super alloy, and is applied to many parts of automobile turbocharger system. Automotive turbochargers are effective in improving torque and reducing displacement of automobiles.
  • Table 1 below shows the composition of Inconel 713C, Inconel 713LC, Mar246, MarM 247 and GR235.
  • MarM 246 and MarM 247 further include high melting point metal elements such as Ta, W, and Hf in existing materials to improve high temperature strength, high temperature creep and oxidation resistance.
  • high melting point metal elements such as Ta, W, and Hf
  • the elements are expensive, the manufacturing cost is increased.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 2001-0108041 discloses a die casting product composed of nickel or cobalt-based superalloy, which has a fine average particle size compared to a wireless microstructure and investment casting product.
  • Korean Patent Laid-Open No. 2001-0007520 has a mass% of C: 0.1% or less, Si: 2% or less, Mn: 2% or less, S: 0.005% or less, Cr: 10-25%, Al: 2.1-4.5% Less than or equal to N: 0.08% or less, and at least one of B: 0.03% or less, Zr: 0.2% or less and Hf: 0.8% or less in total, 0.001 to 1%, Mo: 0.01 to 15%, and W: Ni base heat resistant alloy containing 2.5-15% in total of 1 or more types of 0.01-9% is disclosed.
  • Ni-based superalloy that can be applied at 900 ° C or higher, which is the operating temperature of a gasoline engine, by improving high temperature strength, improving oxidation resistance and creep rupture strength.
  • the present invention provides a Ni-based superalloy in which a small amount of inexpensive Y and Ca is added to a conventional Inconel 713C component.
  • the present invention is C: 0.08 to 0.20 wt%, Cr: 12 to 14 wt%, Mo: 3.8 to 5.2 wt%, Nb: 1.8 to 2.8 wt%, Al: 5.5 to 6.5 wt%, Ti: 0.5 to Ni-based superalloy comprising 1.0 wt%, B: 0.005 to 0.015 wt%, Zr: 0.05 to 0.15 wt%, Ca, Y or a combination of these elements: 0.01 to 1.0 wt%, the balance being Ni and inevitable impurities. to provide.
  • Ca may be added as CaO
  • Y may be added as Y 2 O 3 .
  • the present invention also provides a turbocharger component made of a Ni-based superalloy having the above composition.
  • the present invention is C: 0.08 to 0.20% by weight, Cr: 12 to 14% by weight, Mo: 3.8 to 5.2% by weight, Nb: 1.8 to 2.8% by weight, Al: 5.5 to 6.5% by weight, Ti: 0.5 to 1.0
  • B 0.005 to 0.015% by weight
  • Zr 0.05 to 0.15% by weight
  • Method of manufacturing a Ni-based superalloy comprising the steps of dissolving Ni in any one of the melting method of high frequency induction heating, arc melting, plasma heating and electron beam melting, and uniformly dispersing while adding each additional element.
  • the present invention can provide a Ni-based superalloy that is excellent in economical properties at high temperatures of 900 to 1000 ° C. required for gasoline engine parts, turbocharger parts, etc. of automobiles, and which is excellent in ductility and creep characteristics and oxidation resistance.
  • the present invention can be applied to agricultural machinery, sports and leisure vehicles, ships, yachts and aircraft parts as well as automobiles, it is possible to provide a Ni-based superalloy having excellent mechanical properties and economical.
  • Expensive Ta, W, Hf, etc. are added to the conventional 1000 degreeC raw material, and it was not economically suitable as a raw material used for the automotive parts which need mass production.
  • the present invention is a 900 to 800 °C class of C, Cr, Mo, Nb, Al, Ti, B, Zr and Ni by adding a low-cost Ca, Y or a mixture thereof having excellent high temperature characteristics and low cost It provides Ni-based superalloy that exhibits oxidation resistance at a high temperature of 1,000 ° C., and can economically mass-produce automotive turbochargers using the same.
  • the present invention is C: 0.08 to 0.20% by weight, Cr: 12 to 14% by weight, Mo: 3.8 to 5.2% by weight, Nb: 1.8 to 2.8% by weight, Al: 5.5 to 6.5% by weight, Ti: 0.5 to 1.0 Ni group, characterized in that it comprises by weight, B: 0.005 to 0.015% by weight, Zr: 0.05 to 0.15% by weight, Ca, Y or a combination thereof: 0.01 to 1.0% by weight, the balance consisting of Ni and inevitable impurities Provide superalloy.
  • C is an element that is advantageous in order to form carbides such as MC, M7C3, M23C6, and M6C by combining with elements such as Nb, Ta, Mo, Cr, and the like to improve tensile strength and creep rupture strength required as heat resistant steel.
  • the content of C is preferably 0.08 to 0.20% by weight.
  • Cr is an element that functions as a solid solution strengthening element and has an oxidation resistance, and has an effect of uniformly producing an alumina film at the beginning of its production. It also forms carbides and contributes to the improvement of creep rupture strength.
  • the content of Cr is preferably 12 to 14% by weight.
  • Mo acts as a solid solution strengthening element, forms carbide to maintain high temperature strength, and strengthens austenite phase to increase creep rupture strength. Excessive content may cause the intermetallic compound, which is a factor of lowering toughness, to be precipitated and the carburization resistance may be lowered. Therefore, the content of Mo is preferably 3.8 to 5.2% by weight.
  • Nb serves as a solid solution strengthening element, forms carbide to maintain high temperature strength, and contributes to the improvement of creep rupture strength as carbonitride, in addition to solid solution in austenite phase or ⁇ 'phase. Therefore, the content of Nb is preferably 1.8 to 2.8% by weight.
  • Ti is an element that promotes the precipitation of the ⁇ 'phase of Ni 3 (Al, Ti) to improve creep rupture strength and contribute to grain boundary strengthening.
  • the content of Ti is preferably 0.5 to 1.0% by weight.
  • Al is an element that promotes the precipitation of the ⁇ 'phase of Ni 3 (Al, Ti) to improve creep rupture strength and contribute to carbide formation. Therefore, the content of Al is preferably 5.5 to 6.5% by weight.
  • the content of B is preferably 0.005 to 0.015% by weight, and the content of Zr is 0.05 to 0.15% by weight.
  • These elements are elements to impart the characteristics of the present invention, and are elements that fix S as a sulfide in a temperature range of 900 to 1000 ° C. to improve hot workability and improve high temperature strength and oxidation resistance.
  • Y increases the ductility and tensile strength by miniaturizing particle size and layer spacing, and increases creep resistance, high temperature characteristics and oxidation resistance.
  • inclusions such as an oxide, increase, and workability and weldability are impaired.
  • Ca increases the grain boundary strength and improves hot workability. When Ca is added in excess, cleanliness is lowered, and hot workability and ductility are impaired.
  • Y and Ca may be added alone 0.01 to 1.0% by weight. Preferably, 0.01 to 1.0% by weight of Y and Ca may be added in combination to improve the problem of excessive addition of Y and Ca, and to improve hot workability, creep resistance and high temperature characteristics.
  • the present invention is C: 0.08 to 0.20% by weight, Cr: 12 to 14% by weight, Mo: 3.8 to 5.2% by weight, Nb: 1.8 to 2.8% by weight, Al: 5.5 to 6.5% by weight, Ti: 0.5 to 1.0 Ni group, characterized in that it comprises by weight, B: 0.005 to 0.015% by weight, Zr: 0.05 to 0.15% by weight, Ca, Y or a combination thereof: 0.01 to 1.0% by weight, the balance consisting of Ni and inevitable impurities
  • the turbocharger may be used in automobiles, ships, aircraft, agricultural machinery, and the like.
  • the turbocharger component may be a turbine wheel, a turbine rotor or a waste gate valve.
  • the present invention is C: 0.08 to 0.20% by weight, Cr: 12 to 14% by weight, Mo: 3.8 to 5.2% by weight, Nb: 1.8 to 2.8% by weight, Al: 5.5 to 6.5% by weight, Ti: 0.5 to 1.0
  • a Ni-based superalloy comprising a weight%, B: 0.005 to 0.015% by weight, Zr: 0.05 to 0.15% by weight, Ca, Y or a combination thereof: 0.01 to 1.0% by weight, the balance consisting of Ni and inevitable impurities
  • the Ni-based superalloy comprising the steps of dissolving Ni in any one of the high frequency induction heating, arc melting, plasma heating and electron beam melting method, and uniformly dispersing each addition element It is about.
  • Examples 1 to 5 are Ni-based superalloys with Y added
  • Examples 6 to 9 are Ni-based superalloys with Ca
  • Examples 10 and 11 are Ni-based superalloys with both Y and Ca added.
  • the comparative example is a conventional Ni-based superalloy in which Y and Ca are not added.
  • compositions of Comparative Examples and Examples 1 to 11 are shown in Table 2.
  • Table 3 shows the mechanical properties at high temperatures when the alloys were mixed and alloyed according to Examples 1 to 11 and Comparative Examples.
  • Example 11 with both Y and Ca was found to be the most improved to 990 MPa.
  • Example 3 with Y addition was found to be the most improved to 887 MPa.
  • Example 6 with Ca was most improved to 11.4.
  • Example 2 and Example 6 in which 0.1% of Y and 0.1% of Ca were added under the same creep rupture temperature and stress as in Comparative Example 1, respectively, were 21.4% and 14.3%, respectively. It can be seen that the excellent elongation at break and excellent break life of 74 hours and 62.4 hours, respectively. In addition, in the case of Examples 4 and 8 to which 0.5% of Y and 0.5% of Ca were added, it was also found that the elongation at break and the service life were higher than those of Comparative Example 1 (standard composition of Inconel 713C).

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Abstract

본 발명은 Ni기 초합금 및 이의 제조방법에 관한 것으로 C : 0.08 내지 0.20 중량%, Cr : 12 내지 14 중량%, Mo : 3.8 내지 5.2 중량%, Nb : 1.8 내지 2.8 중량%, Al : 5.5 내지 6.5 중량%, Ti : 0.5 내지 1.0 중량%, B : 0.005 내지 0.015 중량%, Zr : 0.05 내지 0.15 중량%, Ca, Y 또는 이들 원소의 조합 : 0.01 내지 1.0 중량%를 포함하고, 잔부가 Ni 및 불가피한 불순물로 구성된 Ni기 초합금 및 고주파 유도가열, 아크용해, 플라즈마 가열 및 전자빔 용해 중 어느 하나의 용해방식으로 Ni를 용해하는 단계, 및 각 첨가원소를 추가하면서 균일하게 분산시키는 단계를 포함하는 Ni기 초합금의 제조방법에 관한 것이다.

Description

NI기 초합금 및 이의 제조방법
본 발명은 Ni기 초합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Ni기 초합금은 800 ℃이상의 고온에서 사용되는 소재로서 고온에서의 인장강도, 항복강도 및 연신율이 상온에서와 큰 차이를 보이지 않고 고온 크리프 특성이 우수하며, 또한 고온에서의 산화저항이 큰 특징을 보이고 있다. 최근에는 1500 ℃이상의 고온 환경에서도 사용될 수 있는 소재도 개발되고 있으며 사용온도와 용도에 따라 다양한 소재가 적용되고 있다. 800 ℃급의 소재는 가장 많이 사용되고 있는 초합금으로, 자동차 터보챠져시스템의 부품 등에 다수 적용되고 있다. 자동차용 터보챠져는 자동차의 토크향상, 배기량저감에 효과가 크고, 최근에는 엔진다운 사이징을 위해 승용차 부문으로 사용이 확대되고 있어서 초합금을 가장 많이 소비하는 사용처가 되고 있다. 또한, 승용차 부문으로 터보챠져의 적용이 확대됨에 따라 디젤엔진에 대해 적용된 800 내지 900 ℃급에서 가솔린 엔진에 대해서는 900 내지 1,000 ℃급으로 사용내구온도의 향상이 필요해졌다. 이에 따라, 800 내지 900 ℃급에 일반적으로 적용해온 Inconel 713C나 GR235등의 재질을 Mar246이나 MarM 247등 상위급 소재로 변경할 필요가 있으며, 이에 따른 비용 증가의 요인이 발생되고 있다.
아래 표 1은 Inconel 713C, Inconel 713LC, Mar246, MarM 247 및 GR235의 조성을 나타낸 것이다.
표 1
C Cr Ni Co Mo W Nb Ta Ti Al B Zr Hf Fe Tm(℃)
In713C 0.1 13.5 Bal - 4.5 - 2 - 0.8 6 0.01 0.06 1260~1288
In713LC 0.06 12 Bal - 4.3 - 2 - 0.7 5.8 0.007 0.06 1288~1321
MarM246 0.15 9 Bal 10 2.5 10 - 1.5 1.5 5.5 0.015 0.05 1315~1343
MarM247 0.16 8.2 Bal 10 0.6 10 - 3 1 5.5 0.015 - 1.5 1305~1365
GMR235 0.15 15.5 Bal - 5.3 - - - - 3 0.06 - - 10
표 1을 보면, MarM 246, MarM 247은 고온 강도, 고온 크리프 및 내산화 특성을 향상시키기 위해 기존의 소재에 Ta, W, Hf 등의 고융점 금속 원소를 추가로 포함하고 있다. 하지만 상기 원소들은 고가이기 때문에 제조비용이 증대되는 문제점이 있다.
한국 공개특허 제2001-0108041호는 유선이 없는 미세구조 및 매몰 주조 제품에 비해 미세한 평균 입자 크기를 갖고, 가스 터빈 엔진 소자를 포함하는 니켈 또는 코발트-기제 초합금으로 구성된 다이 주조 제품을 개시하고 있다.
한국 공개특허 제2001-0007520호는 질량%로서, C:0.1%이하, Si:2%이하, Mn:2%이하, S:0.005%이하, Cr:10∼25%, Al:2.1∼4.5%미만, N:0.08%이하를 포함하고, 다시 B:0.03%이하, Zr:0.2%이하 및 Hf :0.8%이하 중 1종 이상을 합계로서 0.001∼1%, Mo:0.01∼15%, W:0.01∼9%중 1종 이상을 합계로서 2.5∼15%를 함유하는 Ni 베이스 내열합금을 개시하고 있다.
본 발명은 고온강도를 향상시키고, 내산화성과 크리프 파단강도를 향상시켜 가솔린 엔진의 사용온도인 900℃급 이상에서 적용할 수 있는 Ni기 초합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 종래의 Inconel 713C의 성분에 염가의 Y, Ca를 미량 첨가한 Ni기 초합금을 제공한다. 구체적으로, 본 발명은 C : 0.08 내지 0.20 중량%, Cr : 12 내지 14 중량%, Mo : 3.8 내지 5.2 중량%, Nb : 1.8 내지 2.8 중량%, Al : 5.5 내지 6.5 중량%, Ti : 0.5 내지 1.0 중량%, B : 0.005 내지 0.015 중량%, Zr : 0.05 내지 0.15 중량%, Ca, Y 또는 이들 원소의 조합 : 0.01 내지 1.0 중량%를 포함하고, 잔부가 Ni 및 불가피한 불순물로 구성된 Ni기 초합금을 제공한다.
바람직하게는, 상기 Ca는 CaO로, 상기 Y는 Y2O3로 첨가될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 조성을 갖는 Ni기 초합금으로 이루어진 터보차져용 부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 C : 0.08 내지 0.20 중량%, Cr : 12 내지 14 중량%, Mo : 3.8 내지 5.2 중량%, Nb : 1.8 내지 2.8 중량%, Al : 5.5 내지 6.5 중량%, Ti : 0.5 내지 1.0 중량%, B : 0.005 내지 0.015 중량%, Zr : 0.05 내지 0.15 중량%, Ca, Y 또는 이들 원소의 조합 : 0.01 내지 1.0 중량%를 포함하고, 잔부가 Ni 및 불가피한 불순물로 구성된 Ni기 초합금을 제조하는 방법으로, 고주파 유도가열, 아크용해, 플라즈마 가열 및 전자빔 용해 중 어느 하나의 용해방식으로 Ni를 용해하는 단계, 및 각 첨가원소를 추가하면서 균일하게 분산시키는 단계를 포함하는 Ni기 초합금의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 자동차의 가솔린 엔진용 부품, 터보차져 부품 등에 요구되는 900 내지 1000 ℃의 고온에서, 바람직한 고온 특성, 즉 연성과 크리프 특성 및 내산화성이 우수하고 경제적인 Ni기 초합금을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 자동차뿐만 아니라 농기계, 스포츠 레져용 차량, 선박, 요트 및 항공기 부품 등에도 적용할 수 있고 경제적이면서도 우수한 기계적 물성을 갖는 Ni기 초합금을 제공할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, 포함하다 및 포함하는이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.
터보챠져 시스템내의 터빈 휠, 웨이스트 게이트 밸브, 스핀들 등 많은 부품에는 900℃ 내지 1,000℃ 급의 내열재료가 적용되어야 한다. 자동차산업 분야에서는 가장 경제적인 소재가 적용되어야 하며, 또한 그 사용량이 상당히 많아지게 되므로 동일한 물성에 경제성을 고려한 합금구성을 필요로 한다.
종래의 1000℃급의 소재에는 고가의 Ta, W, Hf 등이 첨가되어 있어서, 대량생산을 해야 하는 자동차 부품에 사용되는 소재로서는 경제적으로 적합하지 않았다. 본 발명은 종래의 C, Cr, Mo, Nb, Al, Ti, B, Zr 및 Ni로 구성된 800 ℃ 급의 소재에 고온특성이 우수하고 원가가 낮은 Ca, Y 또는 이들의 혼합물을 첨가하여 900 내지 1,000 ℃ 급의 고온에서 내산화 특성을 나타내는 Ni기 초합금을 제공하며, 이를 이용한 자동차용 터보챠져를 경제적으로 대량생산할 수 있다.
구체적으로 본 발명은 C : 0.08 내지 0.20 중량%, Cr : 12 내지 14 중량%, Mo : 3.8 내지 5.2 중량%, Nb : 1.8 내지 2.8 중량%, Al : 5.5 내지 6.5 중량%, Ti : 0.5 내지 1.0 중량%, B : 0.005 내지 0.015 중량%, Zr : 0.05 내지 0.15 중량%, Ca, Y 또는 이들의 조합 : 0.01 내지 1.0 중량%를 포함하고, 잔부가 Ni 및 불가피한 불순물로 구성된 것을 특징으로 하는 Ni기 초합금을 제공한다.
이하, 본 발명의 합금을 구성하는 화학조성과 작용효과에 대해서 설명한다.
C :
C는 Nb, Ta, Mo, Cr등의 원소와 결합하여 MC, M7C3, M23C6, M6C 등의 탄화물을 형성하여 내열강으로서 필요한 인장강도와 크리프 파단 강도를 향상시키기 위해서는 유리한 원소이다. 그러나, 0.20 중량%를 초과하면 합금의 연성 및 인성의 저하가 크게 될 뿐 아니라, Al 함유 Ni기 합금에서는 알루미나 피막형성을 저해할 수 있다. 따라서 C의 함량은 0.08 내지 0.20 중량%인 것이 바람직하다.
Cr :
Cr은 고용체 강화원소로 역할을 하고 산화저항을 갖는 원소이고, 알루미나 피막을 그 생성초기에 균일하게 생성시키는 작용이 있다. 또한 탄화물을 형성하여 크리프 파단 강도의 향상에도 기여한다. 한편, Cr을 과잉 함유시키면 역으로 알루미나 피막의 균일한 생성을 저해하는 동시에, 인성, 가공성 등의 기계적성질을 저해할 수 있다. 따라서, Cr의 함량은 12 내지 14 중량%인 것이 바람직하다.
Mo :
Mo는 고용체 강화원소로 역할을 하고, 탄화물을 형성시켜 고온 강도를 유지하며, 오스테나이트상을 강화하여 크리프 파단 강도를 상승시킨다. 과잉함유하면 인성저하의 요인이 되는 금속간 화합물이 석출될 수 있고, 내 침탄성이 저하될 수 있다. 따라서, Mo의 함량은 3.8 내지 5.2 중량%인 것이 바람직하다.
Nb :
Nb는 고용체 강화원소로 역할을 하고, 탄화물을 형성시켜 고온 강도를 유지하며, 오스테나이트상이나 γ'상 중에 고용하는 것 외에도 탄질화물로서 크리프 파단 강도의 향상에 기여한다. 따라서, Nb의 함량은 1.8 내지 2.8 중량%인 것이 바람직하다.
Ti :
Ti는 Ni3(Al, Ti)의 γ'상의 석출을 촉진하여 크리프 파단 강도를 향상시키고 입계강화에도 기여하는 원소이다. 다만, 1.0 중량%를 초과하여 함유하면 γ'상이 과잉 석출되어 열간가공성 및 용접성이 현저하게 나빠진다. 따라서, Ti의 함량은 0.5 내지 1.0 중량%인 것이 바람직하다.
Al :
Al은 Ni3(Al, Ti)의 γ'상의 석출을 촉진하여 크리프 파단 강도를 향상시키고 탄화물을 형성하는데 기여하는 원소이다. 따라서, Al의 함량은 5.5 내지 6.5 중량%인 것이 바람직하다.
B, Zr :
이들 원소는, 주로 합금의 결정립미세화에 기여하는 원소이고, 열간가공성, 용접성 및 크리프 특성의 개선에 기여한다. 다만, 과잉으로 함유시키면, 크리프 파단 강도 저하를 일으킨다. 따라서, B의 함량은 0.005 내지 0.015 중량%, Zr의 함량은 0.05 내지 0.15 중량% 인 것이 바람직하다.
Y, Ca :
이들 원소는, 본 발명의 특징을 부여하는 원소로서, 900 내지 1000 ℃ 온도 범위에서 S를 황화물로 고정하여 열간가공성을 개선하고 고온강도와 내산화특성을 개선하는 원소이다. Y는 입자크기 및 층상간격을 미세화하여 연성 및 인장강도를 증가시키고, 내크립성, 고온특성 및 내산화성을 증가시킨다. Y를 과량 첨가하는 경우, 산화물 등의 개재물이 많아져 가공성 및 용접성이 손상된다. Ca는 입계강도를 높여 열간가공성을 개선시킨다. Ca를 과량 첨가하는 경우, 청정성이 저하되며, 열간가공성 및 연성이 손상된다. Y, Ca는 단독으로 0.01 내지 1.0 중량% 첨가할 수 있다. 바람직하게는, Y와 Ca의 과량첨가시의 문제점을 개선시키며, 열간가공성, 내크립성 및 고온특성을 향상시킬 수 있도록 Y와 Ca의 조합하여 0.01 내지 1.0 중량% 첨가할 수 있다.
또한, 본 발명은 C : 0.08 내지 0.20 중량%, Cr : 12 내지 14 중량%, Mo : 3.8 내지 5.2 중량%, Nb : 1.8 내지 2.8 중량%, Al : 5.5 내지 6.5 중량%, Ti : 0.5 내지 1.0 중량%, B : 0.005 내지 0.015 중량%, Zr : 0.05 내지 0.15 중량%, Ca, Y 또는 이들의 조합 : 0.01 내지 1.0 중량%를 포함하고, 잔부가 Ni 및 불가피한 불순물로 구성된 것을 특징으로 하는 Ni기 초합금으로 이루어진 터보차져용 부품을 제공한다. 상기 터보차져는 자동차, 선박, 항공기, 농기계 등에 사용될 수 있다. 상기 터보차져용 부품은 터빈휠, 터빈로터 또는 웨이스트 게이트 밸브일 수 있다.
또한, 본 발명은 C : 0.08 내지 0.20 중량%, Cr : 12 내지 14 중량%, Mo : 3.8 내지 5.2 중량%, Nb : 1.8 내지 2.8 중량%, Al : 5.5 내지 6.5 중량%, Ti : 0.5 내지 1.0 중량%, B : 0.005 내지 0.015 중량%, Zr : 0.05 내지 0.15 중량%, Ca, Y 또는 이들의 조합 : 0.01 내지 1.0 중량%를 포함하고, 잔부가 Ni 및 불가피한 불순물로 구성된 Ni기 초합금을 제조하는 방법으로, 고주파 유도가열, 아크용해, 플라즈마 가열 및 전자빔 용해 중 어느 하나의 용해방식으로 Ni를 용해하는 단계, 및 각 첨가원소를 추가하면서 균일하게 분산시키는 단계를 포함하는 Ni기 초합금의 제조방법에 관한 것이다.
실시예
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 대해 설명하면 다음과 같다.
실시예 1 내지 5는 Y를 첨가한 Ni기 초합금이고, 실시예 6 내지 9는 Ca를 첨가한 Ni기 초합금이며, 실시예 10 및 11은 Y와 Ca를 모두 첨가함 Ni기 초합금이다. 비교예는 Y와 Ca를 첨가하지 않은 종래의 Ni기 초합금이다.
비교예 및 실시예 1 내지 11의 조성을 표 2에 나타내었다.
표 2
중량% C Cr Ni Co Mo W Nb Ta Ti Al B Zr Y Ca
비교예 1 0.1 13.5 Bal - 4.5 - 2 - 0.8 6 0.01 0.06 - -
실시예 1 0.1 13.5 Bal - 4.5 - 2 - 0.8 6 0.01 0.06 0.05 -
실시예 2 0.1 13.5 Bal - 4.5 - 2 - 0.8 6 0.01 0.06 0.1 -
실시예 3 0.1 13.5 Bal - 4.5 - 2 - 0.8 6 0.01 0.06 0.3 -
실시예 4 0.1 13.5 Bal - 4.5 - 2 - 0.8 6 0.01 0.06 0.5 -
실시예 5 0.1 13.5 Bal - 4.5 - 2 - 0.8 6 0.01 0.06 1.0 -
실시예 6 0.1 13.5 Bal - 4.5 - 2 - 0.8 6 0.01 0.06 - 0.1
실시예 7 0.1 13.5 bal - 4.5 - 2 - 0.8 6 0.01 0.06 - 0.3
실시예 8 0.1 13.5 Bal - 4.5 - 2 - 0.8 6 0.01 0.06 - 0.5
실시예 9 0.1 13.5 Bal - 4.5 - 2 - 0.8 6 0.01 0.06 - 1.0
실시예 10 0.1 13.5 Bal - 4.5 - 2 - 0.8 6 0.01 0.06 0.25 0.25
실시예 11 0.1 13.5 Bal - 4.5 - 2 - 0.8 6 0.01 0.06 0.5 0.5
상기 실시예 1 내지 11 및 비교예에 따라 원소들을 혼합하여 합금화시켰을 때 고온에서의 기계적 성질을 표 3에 나타내었다.
표 3
시료종류 인장강도(MPa)at 650℃ 항복강도 (MPa)at 650℃ 연신율 (%)at 650℃
비교예 1 Inconel 713C 표준스펙 840 700 6
실시예 1 Inconel 713C+0.05 Y 937 846 7.6
실시예 2 Inconel 713C+0.1 Y 960 866 11
실시예 3 Inconel 713C+0.3 Y 981 887 12
실시예 4 Inconel 713C+0.5 Y 985 870 6.8
실시예 5 Inconel 713C+1.0 Y 988 860 6.2
실시예 6 Inconel 713C+0.1 Ca 971 876 11.4
실시예 7 Inconel 713C+0.3 Ca 973 877 10.8
실시예 8 Inconel 713C+0.5 Ca 976 865 7.5
실시예 9 Inconel 713C+1.0 Ca 980 852 6.7
실시예 10 Inconel713C+0.25Y+0.25Ca 982 871 7.3
실시예 11 Inconel 713C+0.5Y+0.5Ca 990 875 6.2
표 3에 나타난 바와 같이, 비교예 1의 인장강도, 항복강도 및 연신율과 비교하여, 실시예 1 내지 11의 인장강도는 937 내지 990 MPa, 항복강도는 846 내지 887 MPa 및 연신율은 6.2 내지 12로 개선된 것을 알 수 있다.
인장강도에 있어서, Y와 Ca를 모두 첨가한 실시예 11이 990 MPa로 가장 개선된 것으로 나타났다. 항복강도에 있어서, Y를 첨가한 실시예 3이 887 MPa로 가장 개선된 것으로 나타났다. 연신율에 있어서, Ca를 첨가한 실시예 6이 11.4로 가장 개선된 것으로 나타났다. 상기 결과로 Y와 Ca를 모두 첨가하는 경우, 적정 연신율을 유지하면서, 인장강도와 항복강도를 모두 개선시킬 수 있음을 알 수 있다.
표 4
시료종류 크리프파단 온도(℃)/응력(MPa) 파단신율(%) 파단수명 (Hr)
비교예 1 Inconel 713C 표준스펙 980±2 / 152 6 30
실시예 2 Inconel 713C+0.1 Y 980±2 / 152 21.4 74
실시예 4 Inconel 713C+0.5 Y 980±2 / 152 13.7 42.2
실시예 6 Inconel 713C+0.1 Ca 980±2 / 152 14.3 62.4
실시예 8 Inconel 713C+0.5 Ca 980±2 / 152 15 37.2
표 4에 나타난 바와 같이, 비교예 1과 같은 크리프 파단(creep rupture) 온도와 응력하에서 0.1%의 Y과 0.1%의 Ca을 각각 첨가한 실시예 2와 실시예 6은, 각각 21.4%와 14.3%로 우수한 파단신율을 나타내고, 각각 74시간과 62.4시간의 우수한 파단수명을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 0.5%의 Y와 0.5%의 Ca를 각각 첨가한 실시예 4과 실시예 8의 경우도 비교예 1(인코넬 713C의 표준조성)의 경우보다는 파단신율과 파단수명이 우수한 것을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. C : 0.08 내지 0.20 중량%, Cr : 12 내지 14 중량%, Mo : 3.8 내지 5.2 중량%, Nb : 1.8 내지 2.8 중량%, Al : 5.5 내지 6.5 중량%, Ti : 0.5 내지 1.0 중량%, B : 0.005 내지 0.015 중량%, Zr : 0.05 내지 0.15 중량%, Ca, Y 또는 이들 원소의 조합 : 0.01 내지 1.0 중량%를 포함하고, 잔부가 Ni 및 불가피한 불순물로 구성된 것을 특징으로 하는 Ni기 초합금.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Ca는 CaO로, 상기 Y는 Y2O3로서 첨가하는 것을 특징으로 하는 Ni기 초합금.
  3. 제1항에 따른 Ni기 초합금으로 이루어진 터보차져용 부품.
  4. C : 0.08 내지 0.20 중량%, Cr : 12 내지 14 중량%, Mo : 3.8 내지 5.2 중량%, Nb : 1.8 내지 2.8 중량%, Al : 5.5 내지 6.5 중량%, Ti : 0.5 내지 1.0 중량%, B : 0.005 내지 0.015 중량%, Zr : 0.05 내지 0.15 중량%, Ca, Y 또는 이들 원소의 조합 : 0.01 내지 1.0 중량%를 포함하고, 잔부가 Ni 및 불가피한 불순물로 구성된 Ni기 초합금을 제조하는 방법으로서, 고주파 유도가열, 아크용해, 플라즈마 가열 및 전자빔 용해 중 어느 하나의 용해방식으로 Ni를 용해하는 단계, 및 각 첨가원소를 추가하면서 균일하게 분산시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 Ni기 초합금의 제조방법.
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