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KR100409260B1 - 전기저항가열부재로서유용한알루미늄을함유하는철-베이스합금 - Google Patents

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KR100409260B1
KR100409260B1 KR1019950060999A KR19950060999A KR100409260B1 KR 100409260 B1 KR100409260 B1 KR 100409260B1 KR 1019950060999 A KR1019950060999 A KR 1019950060999A KR 19950060999 A KR19950060999 A KR 19950060999A KR 100409260 B1 KR100409260 B1 KR 100409260B1
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South Korea
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알. 하잘리골 모하메드
에스. 플라이슈하우어 그리어
씨. 드비 시타라마
케이. 시카 비노드
쥬니어 에이. 클립톤 릴리
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크리살리스 테크놀로지스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 전기 저항 가열 부재로 유용한 알루미늄을 함유하는 철-베이스 합금에 관한 것이다. 본 발명의 알루미늄을 함유하는 철-베이스 합금은 무질서 체심 입방 구조와 개선된 실온 연성, 반복 피로 내성, 전기 저항, 고온 산화 내성, 저온과 고온 강도 및/또는 고온 처짐 내성을 가진다. 상기 합금은 오스테나이트가 없는 완전한 페라이트 미세구조를 가지며, 중량%로 Al 4 내지 9.5%, Ti 0.2 내지 2.0%, Mo 0.5 내지 2%, Zr 0.1 내지 0.8%, C 0.01 내지 0.5%, 나머지 Fe를 함유한다.

Description

전기 저항 가열 부재로서 유용한 알루미늄을 함유하는 철-베이스 합금
본 발명은 전기 저항 가열 부재로서 유용한 알루미늄을 함유하는 철-베이스 합금에 관한 것이다.
알루미늄을 함유하는 철-베이스(base) 합금은 질서 또는 무질서 체심 결정 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 금속간 합금 조성물을 포함하는 철 알루미나이드 합금은 Fe3Al, FeAl, FeAl2, FeAl3, 및 Fe2Al5등의 다양한 원자 비율로 철과 알루미늄을 함유한다. 체심 입방 질서 결정 구조를 가지는 Fe3Al 금속간 철 알루미나이드가 미국 특허 제5,320,802호, 제5,158,744호, 제5,024,109호 및 제4,961,903호에 기재되어 있다. 상기한 질서 결정 구조는 일반적으로 알루미늄 25 내지 40 원자%와, Zr, B, Mo, C, Cr, V, Nb, Si, Y 등의 합금 부가물을 함유한다.
미국 특허 제5,238,645호에는 무질서 체심 결정 구조를 가지는 철 알루미나이드 합금이 기재되어 있는데, 여기에서 합금은 중량%로 8 내지 9.5 Al, ≤7 Cr, ≤4 Mo, ≤0.05 C, ≤0.5 Zr 및 ≤0.1 Y, 바람직하게는 4.5 내지 5.5 Cr, 1.8 내지 2.2 Mo, 0.02 내지 0.032 C 및 0.15 내지 0.25 Zr을 포함한다. 알루미늄을 각각 8.46, 12.04 및 15.90 중량%를 함유하는 3개의 이원 합금을 제외하고, 상기한 미국 특허 제5,238,645호에 기재된 특정한 합금 조성물 모두는 최소한 Cr 5중량%를 포함한다. 또한, 상기 미국 특허 제5,238,645호에 따르면 이 합금 성분들은 강도, 실온 연성, 고온 산화 내성, 수성 부식 내성 및 점식에 대한 내성이 개선되었다고 하였다. 상기 미국 특허는 전기 저항 가열 부재에 관한 것이 아니며, 열적 피로 내성,전기 저항 또는 고온 처짐 내성 등의 특성은 언급하지 않았다.
미국 특허 제3,026,197호와 캐나다 특허 제648,140호에는 Al 3 내지 18 중량%, Zr 0.05 내지 0.5 중량%, B 0.01 내지 0.1 중량%와 임의의 Cr, Ti 및 Mo를 함유하는 철-베이스 합금이 기재되어 있다. Zr과 B는 입자 정제를 제공하기 위한 것이라고 하였고, 바람직한 Al 함량은 10 내지 18중량%이며 이 합금은 산화 내성과 가공성을 가진다고 기재되어 있다. 그러나, 미국 특허 제5,238,645호와 마찬가지로 상기 특허들은 전기 저항 가열 부재에 관한 것이 아니며, 열적 피로 내성, 전기 저항 또는 고온 처짐 내성 등의 특성은 언급하지 않았다.
미국 특허 제3,676,109호에는 Al 3 내지 10중량%, Cr 4 내지 8중량%, Cu 약 0.5 중량%, C 0.05중량% 미만, Ti 0.5 내지 2중량%와 임의의 Mn 및 B를 함유하는 철-베이스 합금이 기재되어 있다. 상기 미국 특허에서는 구리가 녹에 대한 내성을 개선하고, Cr이 메짐성을 방지하며 Ti는 침전 경화를 제공한다고 하였다. 이 특허에서는 상기 합금이 화학적 처리 장치에 유용하다고 하였다. 상기 미국 특허에 기재된 특정한 예는 모두 Cu 0.5 중량%와 Cr 1 중량% 이상을 함유하고, 바람직한 합금은 Al과 Cr의 총량이 9중량% 이상, 최소한의 Cr 또는 Al이 6중량% 이상이고 Al과 Cr 함량의 차이는 6중량% 미만이다. 그러나, 상기한 미국 특허 제5,238,645호와 마찬가지로, 상기 미국 특허는 전기 저항 가열 부재에 관한 것이 아니며, 열적 피로 내성, 전기 저항 또는 고온 처짐 내성 등의 특성은 언급하지 않았다.
미국 특허 제1,550,508호, 제1,990,650호 및 제2,768,915호와 캐나다 특허 제648,141호에는 전기 저항 가열 부재로서 사용되는 철-베이스 알루미늄을 함유하는 합금이 기재되어 있다. 미국 특허 제1,550,508호에 기재된 합금은 Al 20 중량%, Mn 10 중량%; Al 12 내지 15 중량%, Mn 6 내지 8 중량%; 또는 Al 12 내지 16 중량%, Cr 2 내지 10 중량%를 포함한다. 이 특허에 기재된 특정예 모두는 Cr 6 중량% 이상과 Al 10중량% 이상을 포함한다. 상기 미국 특허 제1,990,650호에 기재된 합금은 Al 16 내지 20중량%, Cr 5 내지 10중량%, ≤0.05중량% C, ≤0.25중량% Si, Ti 0.1 내지 0.5 중량%, ≤1.5 중량% Mo 및 Mn 0.4 내지 1.5 중량%를 포함하고,특정한 예만이 Al 17.5 중량%, Cr 8.5 중량%, Mn 0.44 중량%, Ti 0.36 중량%, C 0.02 중량%, 및 Si 0.13 중량%를 포함한다. 미국 특허 제2,768,915호에 기재된 합금은 Al 10 내지 18 중량%, Mo 1 내지 5 중량%, Ti, Ta, V, Cb, Cr, Ni, B 및 W를 포함하고, 특정한 예만이 Al 16 중량%와 Mo 3 중량%를 포함한다. 상기한 캐나다 특허에 기재된 합금은 Al 6 내지 11중량%, Cr 3 내지 10중량%, ≤4 중량% Mn, ≤1중량% Si, ≤0.4 중량% Ti, ≤0.5 중량% C, Zr 0.2 내지 0.5 중량% 및 B 0.05 내지 0.1 중량%를 포함하고, 특정한 예만이 Cr 5 중량% 이상을 포함한다.
다양한 재료의 저항 히터가 미국 특허 제 5,249,586호와 미국 특허출원 제 07/943,504호, 제 08/118,665호, 제 08/105,346호 및 제 08/224,848호에 기재되어 있다.
미국 특허 제 4,334,923호에는 ≤ 0.05% C, 0.1 내지 2% Si, 2 내지 8% Al, 0.02 내지 1% Y, < 0.009% P, < 0.006% S 및 < 0.009% O를 함유하는 촉매 변환기에 유용한 냉각 압연할 수 있는 산화 내성 철-베이스 합금이 기재되어 있다.
미국 특허 제 4,684,505호에는 Al 10 내지 22%, Ti2 내지 12%, Mo 2 내지12%, Hf 0.1 내지 1.2%, ≤1.5% Si, ≤0.3% C, ≤0.2% B, ≤1.0% Ta, ≤0.5% W, ≤0.5% V, ≤0.5% Mn, ≤0.3% Co, ≤0.3% Nb 및 ≤0.2% La를 함유하는 열 내성 철-베이스 합금이 기재되어 있다. 이 특허에는 Al 16%, Hf 0.5%, Mo 4%, Si 3%, Ti 4% 및 C 0.2%를 함유하는 특정한 합금이 기재되어 있다.
일본 공개특허 제 53-119,721호에는, Al 1.5 내지 17%, Cr 0.2 내지 15% 및, 임의의 부가물[< 4% Si, < 8% Mo, < 8% W, < 8% Ti, < 8% Ge, < 8% Cu, < 8% V, < 8% Mn, < 8% Nb, < 8% Ta, < 8% Ni, < 8% Co, < 3% Sn, < 3% Sb, < 3% Be, < 3% Hf, < 3% Zr, < 0.5% Pb 및 < 3% 희토류 금속] 0.01 내지 8%를 함유하고, 가공성이 우수한 내마모성, 고자기 투과성의 합금이 기재되어 있다. 16% Al, 나머지 Fe 합금을 제외하고 상기 일본 공개특허의 특정한 예들은 모두 Cr 1% 이상을 포함하고, 5% Al, 3% Cr, 나머지 Fe 합금을 제외하고, 상기 일본 공개특허의 나머지 예들은 ≥ 10% Al을 포함한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 전기 저항 가열 부재로 유용한 철-베이스 합금을 제공하는 것이다. 이 합금은 무질서 체심 입방 구조와 개선된 실온 연성, 열 산화에 대한 내성, 반복 피로 내성, 전기 고유저항, 저온과 고온 강도 및 고온 처짐 내성을 가진다. 또한, 상기 합금은 바람직하게는 낮은 열확산성을 가진다. 이 합금은 중량%로 Al 4 내지 9.5%, Ti 0.5 내지 2.0%, Mo 0.5 내지 2%, Zr 0.1 내지 0.8%, C 0.01 내지 0.5%, 나머지 Fe를 함유한다.
본 발명의 다양한 바람직한 측면에 따르면, 상기 합금은 Cr, Mn, Si 및/또는Ni를 함유하지 않을 수 있다. 바람직하게는, 상기 합금은 SiC, SiN 등의 절연 보강 세라믹 입자들이 없는 페라이트 오스테나이트가 거의 없는 미세구조를 가진다. 상기 합금은 ≤2% Si, ≤30% Ni, ≤0.5% Y, ≤0.1% B, ≤1% Nb 및 ≤1% Ta를 포함할 수 있다. 바람직한 합금은 Al 8.0 내지 9.0%, Ti 0.75 내지 1.5%, Mo 0.75 내지 1.5%, Zr 0.15 내지 0.75% 및 C 0.05 내지 0.35%; Al 8.0 내지 9.0%, Ti 0.75 내지 1.25%, Mo 0.75 내지 1.25%, Zr 0.2 내지 0.6%, C 0.03 내지 0.09%, 및 Y 0.01 내지 0.1%; Al 8.0 내지 9.0%, Ti 0.75 내지 1.25%, Mo 0.75 내지 1.25%, Zr 0.1 내지 0.3%, C 0.01 내지 0.1%, Nb 0.25 내지 0.75%, Ta 0.25 내지 0.75% 및 Y 0.01 내지 0.1%; Al 8.0 내지 9.0%, Ti 0.75 내지 1.25%, Mo 0.75 내지 1.25%, Zr 0.5 내지 0.75%, C 0.05 내지 0.15% 및 Si 0.01 내지 0.2%; 및 Al 8.0 내지 9.0%, Si 0.05 내지 0.15%, Ti 0.75 내지 1.25%, Mo 0.75 내지 1.25%, Zr 0.1 내지 0.3% 및 C 0.2 내지 0.4% 등이다.
상기 합금은 다음과 같은 다양한 특성을 가질 수 있다. 예를 들면, 이 합금은 히터, 토스터, 점화기 등의 제품의 전기 저항 가열 부재를 구성할 수 있는데, 이 합금의 실온 고유저항은 80 내지 300 μΩㆍ cm, 바람직하게는 90 내지 200 μΩㆍ cm이다. 바람직하게는,상기 합금은 10 볼트와 6 암페어까지의 전압이 합금을 통과하면 1초 미만에서 900℃까지 가열된다. 공기 중에서 3시간 동안 1000℃까지 가열되면, 합금은 바람직하게는 4% 미만의 중량 증가를 나타낸다. 이 합금은 대기와 900℃ 사이의 가열 사이클 전체에서 0.05 내지 7 Ω의 저항을 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 합금은 0.5 내지 5초 동안 실온에서 1000℃까지 가열하면 분쇄되지 않고 10,000 사이클 이상의 열적 피로 내성을 나타낸다.
기계적 특성에 있어서, 상기 합금은 중량 비율로 높은 강도(즉, 특이적 고강도)를 가지며 3% 이상의 실온 연성을 나타낸다. 예를 들면, 상기 합금은 14% 이상의 실온 영역 내 감소와 15% 이상의 실온 연신율을 나타낼 수 있다. 바람직하게는, 상기 합금은 50ksi 이상의 실온 항복강도와 80ksi 이상의 실온 인장 강도를 나타낸다. 고온 특성에 있어서, 상기 합금은 바람직하게는 30% 이상의 800℃에서의 고온 영역내 감소, 30% 이상의 800℃에서의 고온 연신율, 7 ksi 이상의 800℃에서의 고온 항복강도 및 10ksi 이상의 800℃에서의 고온 인장강도를 나타낸다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 알루미늄 4 내지 9.5중량%를 함유하고 무질서 체심 입방 결정 격자 구조의 알루미늄 고체 용액으로 정의되는 개선된 알루미늄을 함유하는 철-베이스 합금에 관한 것이다. 바람직하게는, 본 발명의 합금은 오스테나이트가 없는 미세구조의 페라이트이고, 입도 및 침전 보강 조절을 목적으로 고체 용액 매트릭스 내에 카바이드 상(相)을 형성하기 위해 탄소와 결합하는데 이용할 수 있는 몰리브덴, 티탄, 탄소 및 카바이드 생성체(지르코늄, 니오브 및/또는 탄탈)에서 선택된 1 이상의 합금 원소를 포함한다.
본 발명에 따르면, Fe-Al 합금 내에서 알루미늄의 농도를 4 내지 9.5 중량%(명목상)의 좁은 범위로 유지함으로써 가공시 Fe-Al 합금은 약 700℃ 이상 (예를 들면, 700 내지 1100℃)의 선택된 온도에서 적당한 기압으로 상기 합금을 어닐링한 후, 공기 또는 오일 냉각하여 수득량, 최종 인장강도, 산화에 대한 내성, 알루미늄9.5중량% 이상을 함유하는 Fe-Al 합금에 비교할 수 있는 수성 부식 특성을 유지하면서 원하는 수준으로 선택된 실온 연성을 제공하도록 만들어질 수 있다.
알루미늄의 농도를 약 4 중량% 이하로 하면 생성된 Fe-Al 합금은 양호한 실온 연성을 갖지만 산화에 대한 허용가능한 내성을 제공하기에는 불충분한 알루미늄을 함유한다. 또한, 알루미늄이 4중량% 미만인 합금내에는 더 많은 철이 존재하기 때문에 이 합금이 Fe-Al 합금을 필요로 하는 다양한 용도에 부적당할 만큼 추가의 철이 존재하여 합금의 인장강도가 급격히 떨어진다. 한편, 알루미늄의 농도가 9.5 중량% 이상이면 실온 연성을 감소시키는 메짐성을 유발할 정도로 Fe-Al 합금내에서 결정상의 질서화가 발생한다.
본 발명에서는 본 발명의 Fe-Al 합금을 생성하는데 사용되는 합금 구성물의 농도를 명목 중량%로 표시하였다. 그러나, 이 합금 중의 알루미늄의 명목 중량은 본질적으로 합금 중 알루미늄의 실제 중량의 약 97% 이상에 해당한다. 예를 들면, 이하에서 설명하는 바와 같이 바람직한 조성의 Fe-Al 합금에 있어서, 명목 8.46 중량%는 실제 8.40 중량%의 알루미늄으로, 약 99%의 명목 농도이다.
본 발명의 Fe-Al 합금은 바람직하게는 강도, 실온 연성, 산화 내성, 수성 부식 내성, 점식 내성, 열적 피로 저항, 전기 고유저항, 고온 처짐 내성 및 증량에 대한 내성을 가진다.
합금 구성물의 하나로 몰리브덴을 사용하는 경우, 몰리브덴은 합금의 고체 용액 강화와 고온에 노출되었을 때 합금의 크리프에 대한 내성을 촉진하는데 충분한 유효량으로 일시적인 불순물 이상에서 약 5.0%까지의 유효 범위 내에 있다. 몰리브덴의 농도 범위는 0.25 내지 4.25%, 바람직하게는 0.75 내지 1.50%일 수 있다. 약 2.0% 이상 몰리브덴을 첨가하면 이 농도의 몰리브덴 존재에 의해 유발되는 비교적 큰 범위의 고체 용액 강화로 인해 실온 연성이 저하된다.
합금의 크리프 강도를 개선하는데 유효한 양의 티탄이 첨가될 수 있으며 3% 정도의 양이 존재할 수 있다. 티탄의 농도는 바람직하게는 약 0.75 내지 1.25%이다.
합금에 탄소와 카바이드 생성체를 사용하는 경우 탄소는 부수적인 불순물 이상에서 약 0.75% 이하의 유효량으로 존재할 수 있고, 카바이드 생성체는 부수적인 불순물 이상에서 약 1.0% 이하 또는 그 이상의 유효량으로 존재할 수 있다. 유효량의 탄소와 카바이드 생성체는 각각 증가하는 온도에 이들을 노출하는 동안 합금 내의 입자 성장을 조절하는데 충분한 카바이드 생성을 제공하기에 충분하다. 또한, 카바이드는 합금 내에서 침전 보강을 제공한다. 합금 중 탄소와 카바이드 생성체의 농도는 본질적으로 과량의 탄소가 최종 합금에 남지 않도록 카바이드를 첨가하여 탄소 대 카바이드 생성체의 화학양론적 또는 거의 화학양론적 비율을 제공하는 정도일 수 있다. 합금 중의 지르코늄과 같은 카바이드 생성체 과량은 공기 중에서의 고온 열 사이클링 동안 원자핵 파쇄 내성 산소의 생성을 도울 수 있을 정도로 유효하다. Hf가 표면에 평행하는 산소 스트링거를 생성하는 반면, 표면 산소를 고정하는 합금의 노출된 표면에 수직인 산소 스트링거의 생성 때문에 지르코늄은 Hf 보다 더 유효하다.
탄소 농도는 약 0.03 내지 0.3%의 범위가 바람직하다. 카바이드 생성체로는지르코늄, 니오브, 탄탈 및 하프늄과 이들의 혼합물 등의 카바이드 생성 성분이 있다. 카바이드 생성체는 합금 내에 약 0.02 내지 0.6%의 탄소를 함유하는 카바이드를 생성하는데 충분한 농도의 지르코늄이다. 카바이드 생성체로서 사용될 경우 니오브, 탄탈 및 하프늄의 농도는 본질적으로 지르코늄의 농도에 상응한다.
이트륨이 이미 알려진 Fe-Al 합금계에서 얻어질 수 있는 것보다 더 높은 수준으로 합금의 산화 내성을 개선할 수 있다는 것이 발견되었기 때문에 상기한 합금 성분 뿐만 아니라 합금 조성 중에 약 0.1%의 이트륨등의 유효량을 사용하는 것이 유리할 수 있다.
본 발명에 따라 상기 합금에 첨가될 수 있는 추가 성분으로는 Si, Ni 및 B가 있다. 예를 들면, 2.0% 이하의 소량의 Si는 저온과 고온 강도를 개선할 수 있지만 합금의 실온 및 고온 연성은 0.25 중량% 이상의 Si를 첨가하면 역효과를 낼 수 있다. 30 중량% 이하의 Ni 첨가는 제2 상 보강에 의해 합금의 강도를 개선할 수 있지만 Ni가 합금의 원가를 추가하고 실온과 고온 연성을 감소시킬 수 있어서 특히 고온에서 제조상의 곤란을 유발한다. 소량의 B는 합금의 연성을 개선할 수 있고 B는 Ti 및/또는 Zr과의 결합에 사용되어 입자 정련을 위한 티탄 및/또는 지르코늄 보라이드를 제공할 수 있다. Al, Si 및 Ti에 대한 효과는 제 1도 내지 제 7도에 나타내었다.
제 1도는 알루미늄을 함유하는 철-베이스 합금의 실온 특성에 대한 Al 함량 변화의 효과를 나타낸 것이다. 특히, 제 1도에는 알루미늄을 20 중량% 이하로 함유하는 철-베이스 합금에 대한 인장강도, 항복강도, 영역내 감소, 연신율 및록크웰(Rockwell) A 경도를 나타내었다.
제 2도는 알루미늄을 함유하는 철-베이스 합금의 고온 특성에 대한 Al 함량 변화의 효과를 나타낸 것이다. 특히, 제 2도에는 알루미늄을 18 중량% 이하로 함유하는 철-베이스 합금에 대한 인장강도와 실온, 800 ℉, 1000 ℉, 1200 ℉, 및 1350 ℉에서의 비례 한계값을 나타내었다.
제 3도는 알루미늄을 함유하는 철-베이스 합금의 연신율에 대한 고온 응력에서 Al 함량 변화의 효과를 나타낸 것이다. 특히, 제 3도에는 알루미늄을 15 내지 16 중량% 함유하는 철-베이스 합금의 1 시간 동안의 1/2 % 연신율에 대한 응력과 2 % 연신율에 대한 응력을 나타내었다.
제 4도는 알루미늄을 함유하는 철-베이스 합금의 크리프 특성에 대한 Al 함량 변화의 효과를 나타낸 것이다. 특히, 제 4도에는 알루미늄을 15 내지 18 중량% 함유하는 철-베이스 합금에 대한 100 시간과 1000 시간 동안의 파열에 대한 응력을 나타내었다.
제 5도는 Al과 Si를 함유하는 철-베이스 합금의 실온 인장 특성에 대한 Si 함량 변화의 효과를 나타낸 것이다. 특히, 제 5도에는 5.7 또는 9중량%의 Al과 2.5 중량% 이하의 Si를 함유하는 철-베이스 합금에 대한 항복강도, 인장강도 및 연신율을 나타내었다.
제 6도는 Al과 Ti를 함유하는 철-베이스 합금의 실온 특성에 대한 Ti 함량 변화의 효과를 나타낸 것이다. 특히, 제 6도에는 12 중량% 이하의 Al과 3 중량% 이하의 Ti를 함유하는 철-베이스 합금에 대한 인장강도와 연신율을 나타내었다.
제 7도는 Ti를 함유하는 철-베이스 합금의 크리프 파열 특성에 대한 Ti 함량 변화의 효과를 나타낸 것이다. 특히, 제 7도에는 3 중량% 이하의 Ti를 함유하는 철-베이스 합금의 700 내지 1350 °F에서의 파열에 대한 응력을 나타내었다.
본 발명의 Fe-Al 합금은 바람직하게는 ZrO2등으로 제조된 적당한 도가니에서 약 1600℃의 온도에서 선택된 합금 구성물의 분말 및/또는 고체 조각들을 아크 용융, 공기 유도 용융, 또는 진공 유도 용융에 의해 제조된다. 용융된 합금은 바람직하게는 목적하는 제품의 구조로 또는 합금을 가공하여 합금 제품을 제조하는데 사용되는 합금의 열처리물을 제조하기 위해 흑연 등으로 된 몰드에서 주조된다.
가공될 합금의 용융물은, 필요하다면 적절한 크기로 절단하고, 약 900 내지 1000℃에서의 단조, 약 750 내지 850℃에서의 열간 압연, 약 600 내지 700℃에서의 가열 압연 및/또는 실온에서의 냉각 압연에 의해 두께를 감소시킨다. 냉각롤을 통과한 각각은 두께가 20 내지 30% 감소된 후, 약 700 내지 1050℃, 바람직하게는 800℃에서 1시간 동안 공기, 불활성 기체 또는 진공에서 합금을 열처리할 수 있다.
다음 표에 열거된 가공된 합금 시편은 다양한 합금의 열처리물을 제조하기 위해 합금 구성물을 아크 용융으로 제조하였다. 이 열처리물을 0.5 인치 두께의 조각들로 잘라서 합금 시편의 두께를 0.25인치(50% 감소)로 감소시키기 위해 1000℃에서 단조하고, 합금 시편의 두께를 다시 0.1 인치(60% 감소)로 감소시키기 위해 800℃에서 열간 압연한 후, 650℃에서 가열 압연하여 본 발명에 기재된 합금 시편의 최종 두께를 0.030 인치(70% 감소)로 하였다. 인장 시험을 위하여 시편들을 시이트의 압연 방향으로 정렬된 시편의 게이지 길이가 1/2 인치인 0.030 인치의 시이트로부터 펀치하였다.
본 발명에 따라 제조된 합금들의 조성을 서로 비교하고 다른 Fe-Al 합금과 비교하기 위하여 본 발명에 따른 합금 조성물과 비교를 위한 합금 조성물을 표 1에 기재하였다. 표 2에는 표 1의 선택된 합금 조성물에 대한 저온과 고온에서의 강도와 연성을 기재하였다.
다양한 합금에 대한 처짐 내성 데이타를 표 3에 기재하였다. 처짐 시험은 한쪽 말단 또는 양쪽 말단이 지지된 다양한 합금의 스트립을 이용하여 실시하였다. 처짐량은 지정된 시간동안 900℃, 대기압 하에서 스트립을 가열한 후 측정하였다.
다양한 합금에 대한 크리프 데이타를 표 4에 기재하였다. 크리프 시험은 샘플이 시험 온도에서 10, 100 및 1000 시간 동안 파열될 때의 응력을 측정하기 위해 인장시험을 이용하여 실시하였다.
표 1
표 2
샘플의 열처리
A = 800℃/1시간/공기 냉각
B = 1050℃/2시간/공기 냉각
C = 1050℃/2시간, 진공
D = 압 연
E = 815℃/1시간/오일 냉각
F = 815℃/1시간/로 냉각
합금 1 내지 22는 0.2 인치/분. 스트레인 속도로 시험되었다.
표 3
추가 조건
a = 샘플을 제조하기 위해 지지되지 않은 말단에 묶은 와이어 중량은 동일한 중량을 가진다.
b = 샘플을 제조하기 위해 샘플 상에 위치시킨 동일한 길이와 너비의 박판은 동일한 중량을 가진다.
표 4
이상은 본 발명의 원리와 바람직한 구현예 및 작동방법을 설명한 것이다. 그러나, 본 발명이 언급된 특정한 구현예에 한정되지는 않는다. 그러므로, 상기한 구현예는 제한적이라기 보다는 예시로써 고려되어야 하며, 이 분야에 숙련된 사람이라면 이하의 특허청구의 범위에 의해 정의되는 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 상기한 구현예로부터 다양한 변형을 제조할 수 있을 것이다.
제 1도는 알루미늄을 함유하는 철-베이스 합금의 실온 특성에 대한 Al 함량 변화의 효과를 나타낸 것이고;
제 2도는 알루미늄을 함유하는 철-베이스 합금의 실온 및 고온 특성에 대한 Al 함량 변화의 효과를 나타낸 것이고;
제 3도는 알루미늄을 함유하는 철-베이스 합금의 연신율에 대한 고온 응력에서 Al 함량 변화의 효과를 나타낸 것이고;
제 4도는 알루미늄을 함유하는 철-베이스 합금의 파열(크리프) 특성에 대한 응력에서 Al 함량 변화의 효과를 나타낸 것이고;
제 5도는 Al과 Si를 함유하는 철-베이스 합금의 실온 인장 특성에 대한 Si 함량 변화의 효과를 나타낸 것이고;
제 6도는 Al과 Ti를 함유하는 철-베이스 합금의 실온 특성에 대한 Ti 함량 변화의 효과를 나타낸 것이고;
제 7도는 Ti를 함유하는 철-베이스 합금의 크리프 파열 특성에 대한 Ti 함량 변화의 효과를 나타낸 것이다.

Claims (26)

  1. 개선된 실온 연성, 순환적 산화에 대한 내성, 열적 피로 내성, 전기 저항, 및 고온 처짐 내성 중 하나 이상의 특징을 가지고, 중량%로 Al 4 내지 9.5%, Ti 0.5 내지 2.0%, Mo 0.5 내지 5%, Zr 0.1 내지 0.8%, C 0.01 내지 0.5%, 나머지 Fe를 함유하고, 무질서 체심 입방 구조를 가지는 전기 저항 가열 부재로서 유용한 철-베이스 합금.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 합금은 Cr, Mn, Si 또는 Ni를 함유하지 않는 것인 철-베이스 합금.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 합금은 오스테나이트를 함유 하지 않는 미세구조를 가지는 것인 철-베이스 합금.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 합금은 완전한 페라이트 미세구조를 가지는 것인 철-베이스 합금.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 합금은 세라믹 입자를 함유하지 않는 것인 철-베이스 합금.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 합금은 2% 이하의 Si,30% 이하의 Ni,0.5% 이하의 Y,0.1% 이하의 B,1% 이하의 Nb 및 1% 이하의 Ta를 포함하는 것인 철-베이스 합금.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 합금은 필수적으로 Al 8.0 내지 9.0%, Ti 0.75 내지 1.5%, Mo 0.75 내지 1.5%, Zr 0.15 내지 0.75%, C 0.05 내지 0.35%, 나머지 Fe로 이루어지는 것인 철-베이스 합금.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 합금은 필수적으로 Al 8.0 내지 9.0%, Ti 0.75 내지 1.25%, Mo 0.75 내지 1.25%, Zr 0.2 내지 0.6%, C 0.03 내지 0.09%, Y 0.01 내지 0.1%, 나머지 Fe로 이루어지는 것인 철-베이스 합금.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 합금은 필수적으로 Al 8.0 내지 9.0%, Ti 0.75 내지 1.25%, Mo 0.75 내지 1.25%, Zr 0.1 내지 0.3%, C 0.01 내지 0.1%, Nb 0.25 내지 0.75%, Ta 0.25 내지 0.75%, Y 0.01 내지 0.1%, 나머지 Fe로 이루어지는 것인 철-베이스 합금.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 합금은 필수적으로 Al 8.0 내지 9.0%, Ti 0.75 내지 1.25%, Mo 0.75 내지 1.25%, Zr 0.5 내지 0.75%, C 0.05 내지 0.15%, Si 0.01 내지 0.2%, 나머지 Fe로 이루어지는 것인 철-베이스 합금.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 합금은 필수적으로 Al 8.0 내지 9.0%, Si 0.05 내지 0.15%, Ti 0.75 내지 1.25%, Mo 0.75 내지 1.25%, Zr 0.1 내지 0.3%, C 0.2 내지 0.4%, 나머지 Fe로 이루어지는 것인 철-베이스 합금.
  12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 실온 저항성이 80 내지 400 μΩㆍ cm인 전기 저항 가열 부재인 것인 철-베이스 합금.
  13. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 3% 이상의 실온 연성을 나타내는 철-베이스 합금.
  14. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 6암페어 이하와 10볼트 이하의 전압이 합금을 통과할 때 1초 이내에 900℃로 가열되는 철-베이스 합금.
  15. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 3시간 동안 공기 중에서 1000℃로 가열될 때 4% 미만의 증량을 나타내는 철-베이스 합금.
  16. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 주위 온도 내지 900℃의 가열 사이클 전체에서 0.05 내지 7 Ω의 저항을 가지는 철-베이스 합금.
  17. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 주위 온도 내지 900℃의 가열 사이클 전체에서 80 내지 200 Ωcm의 고유저항을 가지는 철-베이스 합금.
  18. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 실온 영역내 감소가 14% 이상인 철-베이스 합금.
  19. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 실온 연신율이 15% 이상인 철-베이스 합금.
  20. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 실온 항복강도가 350 N/㎟(50ksi) 이상인 철-베이스 합금.
  21. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 실온 인장강도가 550 N/㎟(80ksi) 이상인 철-베이스 합금.
  22. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 800℃에서의 고온 영역내 감소가 30% 이상인 철-베이스 합금.
  23. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 800℃에서의 고온 연신율이 30% 이상인 철-베이스 합금.
  24. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 800℃에서의 고온 항복강도가 50N/㎟ (7ksi) 이상인 철-베이스 합금.
  25. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 800℃에서의 고온 인장강도가 70N/㎟ (10ksi) 이상인 철-베이스 합금.
  26. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 각 사이클에서 0.5 내지 5초 동안 실온에서 1000℃까지 가열하였을 때 분쇄되지 않고 10,000 사이클 이상의 열적 피로 내성을 나타내는 것인 철-베이스 합금.
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