KR102744440B1 - ferritic alloys with hierarchical B2-NiAl precipitates and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중량%로, Cr 8 내지 12, Ni 8 내지 12, Al 5 내지 8, V 0 초과 15 이하, Mo 2.5 내지 4, Zr 0.2 내지 0.3 B 0.004 내지 0.006 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는, 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금에 관한 발명이다. The present invention relates to a ferrite alloy including hierarchical NiAl precipitates, which contain, in wt%, Cr 8 to 12, Ni 8 to 12, Al 5 to 8, V more than 0 and less than 15, Mo 2.5 to 4, Zr 0.2 to 0.3, B 0.004 to 0.006, and the remainder Fe and unavoidable impurities.
Description
본 발명은 Fe-Cr-Ni-Al계 페라이트 합금에 V를 첨가하여 합금 내 계층적 석출물을 형성한 페라이트 합금에 관한 것이다.The present invention relates to a ferrite alloy in which V is added to an Fe-Cr-Ni-Al ferrite alloy to form hierarchical precipitates within the alloy.
Fe-Cr-Ni-Al계 페라이트 합금은 800K 이상의 고온 및 고압 환경에서 강도가 유지되도록 설계된 합금이다. 특히 고온 환경에서 높은 압축 강도를 가지며, 크립 저항성이 우수하여 항공기 엔진이나 에너지, 플랜트 산업에서 널리 사용된다. Fe-Cr-Ni-Al ferritic alloys are alloys designed to maintain strength in high temperature and high pressure environments above 800 K. In particular, they have high compressive strength in high temperature environments and excellent creep resistance, so they are widely used in aircraft engines, energy, and plant industries.
이러한 이유로 대한민국 등록특허 10-1833404, 일본 공개특허 2011-068919, 일본 등록특허 5769204 등 페라이트 합금의 고온 강도와 크립 저항성이 우수한 페라이트 합금들이 소개되고 있다. For this reason, ferrite alloys with excellent high-temperature strength and creep resistance are being introduced, such as Korean registered patent 10-1833404, Japanese published patent 2011-068919, and Japanese registered patent 5769204.
하지만 페라이트 합금은 미세구조가 불안정하여 고온 환경에서 장시간 사용하는 경우, 석출물이 조대화되어 기계적 특성이 감소되는 문제가 있다. 이러한 이유로, 미세구조가 안정화되고, 고온 환경에서도 석출물이 미세한 페라이트 합금 및 이의 제조 방법이 요구되고 있다. However, ferrite alloys have an unstable microstructure, so when used in a high-temperature environment for a long time, precipitates become coarser and mechanical properties decrease. For this reason, a ferrite alloy with a stabilized microstructure and fine precipitates even in a high-temperature environment and a method for manufacturing the same are required.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 V 및 Zr을 첨가하고 잉곳 제조 이후 열처리를 수행하여 합금 내 계층적 석출물을 형성한 페라이트 합금에 관한 것이다.In order to solve the above problems, the present invention relates to a ferrite alloy in which V and Zr are added and heat treatment is performed after ingot production to form hierarchical precipitates within the alloy.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 중량%로, Cr 8 내지 12, Ni 8 내지 12, Al 5 내지 8, V 0 초과 15 이하, Mo 2.5 내지 4, Zr 0.2 내지 0.3 B 0.004 내지 0.006 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는, 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금에 관한 것이다. One embodiment of the present invention for achieving the above object relates to a ferrite alloy including a hierarchical NiAl precipitate, which includes, in wt%, Cr 8 to 12, Ni 8 to 12, Al 5 to 8, V more than 0 and 15 or less, Mo 2.5 to 4, Zr 0.2 to 0.3, B 0.004 to 0.006, and the remainder Fe and unavoidable impurities.
상기 일 실시예에 있어서, 상기 페라이트 합금은, NiAl로 이루어지는 B2상 석출물(B2-NiAl)이 형성될 수 있다. In the above embodiment, the ferrite alloy can form a B2 phase precipitate (B2-NiAl) composed of NiAl.
상기 일 실시예에 있어서, 상기 석출물은 B2-NiAl 상과 Zr-rich 상이 혼합된 계층적 조직(hierarchical structure) 형태로 석출될 수 있다. In the above embodiment, the precipitate may be precipitated in the form of a hierarchical structure in which a B2-NiAl phase and a Zr-rich phase are mixed.
상기 일 실시예에 있어서, 상기 페라이트 합금은, 상기 V을 4 내지 12 포함하였을 때, 50㎚ 이하의 평균 입도를 갖는 석출물이 형성될 수 있다. In the above embodiment, when the ferrite alloy contains 4 to 12 V, a precipitate having an average particle size of 50 nm or less can be formed.
상기 일 실시예에 있어서, 상기 페라이트 합금은, 800 내지 1,100K의 고온에서 압축하였을 때, 220 내지 450㎫의 압축 항복 강도를 가질 수 있다. In the above embodiment, the ferrite alloy may have a compressive yield strength of 220 to 450 MPa when compressed at a high temperature of 800 to 1,100 K.
상기 일 실시예에 있어서, 상기 페라이트 합금은, 상기 V을 8 내지 12 포함하였을 때, 45㎚ 이하의 평균 입도를 갖는 석출물이 형성될 수 있다.In the above embodiment, when the ferrite alloy contains 8 to 12 V, a precipitate having an average particle size of 45 nm or less can be formed.
상기 일 실시예에 있어서, 상기 페라이트 합금은, 800 내지 1,100K의 고온에서 압축하였을 때, 280 내지 450㎫의 압축 항복 강도를 가질 수 있다. In the above embodiment, the ferrite alloy may have a compressive yield strength of 280 to 450 MPa when compressed at a high temperature of 800 to 1,100 K.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예는, a) 중량%로, Cr 8 내지 12, Ni 8 내지 12, Al 5 내지 8, V 0 초과 15 이하, Mo 2.5 내지 4, Zr 0.2 내지 0.3 B 0.004 내지 0.006 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 원료 물질들을 준비하는 단계, b) 상기 원료 물질들을 진공 아크 용융하여 잉곳을 제조하는 단계, c) 잉곳을 균질화 처리하는 단계 및 d) 균질화 처리된 잉곳을 시효 처리하는 단계를 포함하는 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금의 제조방법에 관한 것이다. Another embodiment of the present invention for achieving the above object relates to a method for producing a ferrite alloy including hierarchical NiAl precipitates, the step of a) preparing raw materials composed of, in wt%, 8 to 12 Cr, 8 to 12 Ni, 5 to 8 Al, more than 0 and 15 or less V, 2.5 to 4 Mo, 0.2 to 0.3 Zr, 0.004 to 0.006 B, and the remainder being Fe and unavoidable impurities, b) manufacturing an ingot by vacuum arc melting the raw materials, c) homogenizing the ingot, and d) aging the homogenized ingot.
상기 일 실시예에 있어서, 상기 c) 균질화 단계는 1,400K 내지 1,600K 에서 0.1 내지 1시간 동안 수행될 수 있다. In the above embodiment, the c) homogenization step can be performed at 1,400 K to 1,600 K for 0.1 to 1 hour.
상기 일 실시예에 있어서, d) 시효 처리 단계는 1,400K 내지 1,600K 에서 0.1 내지 1시간 동안 수행될 수 있다.In the above embodiment, the d) aging treatment step can be performed at 1,400 K to 1,600 K for 0.1 to 1 hour.
본 발명은 Fe-Cr-Ni-Al계 페라이트 합금에 바나듐(V)을 포함하여 NiAl 석출물을 미세화 할 수 있다. The present invention can refine NiAl precipitates by including vanadium (V) in an Fe-Cr-Ni-Al ferrite alloy.
또한 본 발명은 Fe-Cr-Ni-Al계 페라이트 합금에 Zr을 추가로 포함하고, 열처리하여 NiAl와 Zr-rich의 두 가지 상으로 이루어진 계층적 조직(hierarchical structure)의 석출물을 형성할 수 있다. In addition, the present invention additionally includes Zr in a Fe-Cr-Ni-Al ferrite alloy, and can form a precipitate of a hierarchical structure composed of two phases of NiAl and Zr-rich by heat treatment.
이를 통해 본 발명은, 800K이상의 고온 환경에서 합금의 강도를 향상시키고, 석출물을 안정화하여 합금의 수명을 향상할 수 있다.Through this, the present invention can improve the strength of the alloy in a high temperature environment of 800K or higher and stabilize precipitates to improve the lifespan of the alloy.
도 1은 바나듐(V) 첨가에 따른 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금의 석출경화 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 바나듐(V) 함량에 따른 페라이트 합금의 XRD 그래프이다.
도 4는 바나듐(V) 함량에 따른 페라이트 합금의 단면을 SEM-EDS로 촬영한 사진이다.
도 5는 바나듐(V) 함량에 따른 페라이트 합금의 평균 입도와 부피 분율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 페라이트 합금의 상온에서의 비커스 경도를 비교하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 페라이트 합금의 973K에서의 압축 항복 강도를 비교하기 위한 도면이다. Figure 1 is a drawing for explaining the precipitation hardening mechanism of a ferritic alloy including hierarchical NiAl precipitates according to the addition of vanadium (V).
FIG. 2 is a drawing for explaining a method for manufacturing a ferrite alloy including hierarchical NiAl precipitates according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is an XRD graph of a ferrite alloy according to vanadium (V) content.
Figure 4 is a photograph of a cross-section of a ferrite alloy according to vanadium (V) content taken using SEM-EDS.
Figure 5 is a graph showing the average particle size and volume fraction of a ferrite alloy according to the vanadium (V) content.
FIG. 6 is a drawing for comparing the Vickers hardness at room temperature of a ferrite alloy according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a drawing for comparing the compressive yield strength at 973 K of a ferrite alloy according to an embodiment of the present invention.
이하 본 발명에 따른 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.Hereinafter, a ferrite alloy including hierarchical NiAl precipitates according to the present invention will be described in detail. The drawings introduced below are provided as examples so that those skilled in the art can sufficiently convey the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms, and the drawings presented below may be illustrated in an exaggerated manner to clarify the spirit of the present invention. At this time, if there is no other definition in the technical and scientific terms used, they have the meaning commonly understood by those skilled in the art to which this invention belongs, and in the following description and the attached drawings, a description of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the gist of the present invention will be omitted.
본 발명은 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금에 관한 것으로, 구체적으로 중량%로, Cr 8 내지 12, Ni 8 내지 12, Al 5 내지 8, V 0 초과 15 이하, Mo 2.5 내지 4, Zr 0.2 내지 0.3 B 0.004 내지 0.006 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.The present invention relates to a ferritic alloy comprising hierarchical NiAl precipitates, specifically, the alloy may comprise, in wt%, 8 to 12 Cr, 8 to 12 Ni, 5 to 8 Al, more than 0 and 15 or less V, 2.5 to 4 Mo, 0.2 to 0.3 Zr, 0.004 to 0.006 B, and the remainder Fe and unavoidable impurities.
실시 예에 따르면, 본 발명은 Fe-Cr-Ni계 페라이트 합금에 알루미늄(Al)을 추가함으로써, 주조 및 열처리 과정에서 NiAl로 이루어지는 금속간화합물을 석출시킬 수 있다. 다시 말해 본 발명은 BCC 격자 구조를 갖는 모재에 NiAl로 이루어지는B2상 석출물을 형성할 수 있다. According to an embodiment, the present invention can precipitate an intermetallic compound composed of NiAl during a casting and heat treatment process by adding aluminum (Al) to an Fe-Cr-Ni ferrite alloy. In other words, the present invention can form a B2 phase precipitate composed of NiAl in a base material having a BCC lattice structure.
B2 상이란 BCC 구조를 기본으로 소형 변형된 상으로, 모재인 페라이트와 유사한 BCC 결정구조를 갖는 규칙상이다. B2상은 모재인 페라이트 상과 유사한 격자상수를 가짐에 따라 모상과 정합적 관계를 형성함으로써 고온안정성을 확보할 수 있다. 또한, 고온에서의 기계적 특성 향상에 기여할 수 있다. The B2 phase is a small, deformed phase based on the BCC structure, and is a regular phase with a BCC crystal structure similar to that of the parent material, ferrite. Since the B2 phase has a lattice constant similar to that of the parent material, ferrite, it can secure high-temperature stability by forming a coherent relationship with the parent phase. In addition, it can contribute to improving mechanical properties at high temperatures.
즉, 본 발명은 BCC 페라이트 모재에 B2상인 NiAl 금속간 화합물을 석출시킴으로써, 저온에서는 강도가 우수하지만, 고온으로 가면 강도가 급격하게 하락하는 기존의 BCC 격자 구조의 페라이트 합금을 보완할 수 있다. 이하, NiAl로 이루어지는 B2상 석출물을 B2-NiAl 석출물로 정의한다.That is, the present invention can complement the existing BCC lattice structure ferrite alloy, which has excellent strength at low temperatures but rapidly decreases in strength at high temperatures, by precipitating a B2 phase NiAl intermetallic compound in a BCC ferrite matrix. Hereinafter, a B2 phase precipitate composed of NiAl is defined as a B2-NiAl precipitate.
또한, 본 발명은 Fe-Cr-Ni-Al계 페라이트 합금에 바나듐(V)을 추가함으로써, 모재와 B2-NiAl 석출물 사이의 격자 부적합도(Lattice mismatch; δ)를 감소시켜 NiAl 석출물의 평균 입도를 감소시킬 수 있다. 구체적으로 V은 Fe 보다 격자 상수(Lattice constant, Lattice parameters)가 큰 동시에 Fe와 용해도가 높기 때문에 합금에 V가 포함되면, 하기 관계식 1에서의 B2-NiAl 석출물의 격자 상수(αp)와 모재의 격자 상수(αm)를 적정 범위로 증가시켜 두 파라미터 간 차이를 감소시킬 수 있다. 그 결과, 격자 부정합도(δ)가 0에 가깝게 이동하여 B2-NiAl의 원자핵 생성에 필요한 핵생성 에너지를 감소시킬 수 있다. 이를 통해 본 발명은 모재 내에 더 많은 NiAl 석출물이 형성되도록 유도할 수 있으며, 더욱 더 미세한 B2-NiAl 석출물을 형성할 수 있다. In addition, the present invention can reduce the lattice mismatch (δ) between the parent material and B2-NiAl precipitates by adding vanadium (V) to the Fe-Cr-Ni-Al ferrite alloy, thereby reducing the average grain size of the NiAl precipitates. Specifically, since V has a larger lattice constant (lattice parameters) than Fe and a higher solubility with Fe, when V is included in the alloy, the lattice constant (α p ) of the B2-NiAl precipitates and the lattice constant (α m ) of the parent material in the following relationship 1 can be increased to an appropriate range, thereby reducing the difference between the two parameters. As a result, the lattice mismatch (δ) moves closer to 0, thereby reducing the nucleation energy required for the generation of B2-NiAl nuclei. Through this, the present invention can induce more NiAl precipitates to be formed in the parent material, and can form even finer B2-NiAl precipitates.
[관계식 1][Relationship 1]
δ = (2(αp - αm))/((αp+αm))δ = (2(α p - α m ))/((α p +α m ))
(상기 관계식 1에서 δ은 격자 부적합도를 의미하고, αp는 B2-NiAl 석출물의 격자 상수를 의미하고, αm은 모재의 격자 상수를 의미한다)(In the above relational expression 1, δ represents the lattice misfit, α p represents the lattice constant of the B2-NiAl precipitate, and α m represents the lattice constant of the parent material.)
다시 말해 본 발명은 V를 추가함으로써, B2-NiAl 석출물의 핵생성 에너지를 감소시키고, 그 결과 B2-NiAl 석출물의 평균 입도를 30 내지 70㎚로 미세화 시켜 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. In other words, the present invention can improve mechanical properties by reducing the nucleation energy of B2-NiAl precipitates by adding V, and as a result, refining the average particle size of B2-NiAl precipitates to 30 to 70 nm.
도 1은 바나듐(V) 첨가에 따른 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금의 석출경화 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.Figure 1 is a drawing for explaining the precipitation hardening mechanism of a ferritic alloy including hierarchical NiAl precipitates according to the addition of vanadium (V).
본 발명의 또 다른 특징으로는, 본 발명은 앞서 설명한 조성을 갖는 페라이트 합금을 1,400K 내지 1,600K에서 0.1 내지 1시간 동안 균질화 처리와 900 내지 1,200K에서 3 내지 8시간 동안 시효 처리하는 단계를 거침으로써, 상기 B2-NiAl 석출물 내에 국부적으로 지르코늄(Zr) 성분이 집중된 Zr-rich 상을 형성할 수 있다. 상기 Zr-rich 상은 수 나노 크기를 갖는 구형으로 석출될 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 Zr-rich 상은 Fe23Zr6의 조성을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, Zr을 포함하는 다른 조성으로 형성될 수 있음은 자명하다.As another feature of the present invention, the present invention can form a Zr-rich phase in which zirconium (Zr) is locally concentrated in the B2-NiAl precipitate by performing a homogenization treatment at 1,400 K to 1,600 K for 0.1 to 1 hour and an aging treatment at 900 to 1,200 K for 3 to 8 hours on a ferrite alloy having the composition described above. The Zr-rich phase can be precipitated in a spherical shape having a size of several nanometers. According to an embodiment, the Zr-rich phase can have a composition of Fe 23 Zr 6 , but is not limited thereto, and it is obvious that the Zr-rich phase can be formed with another composition including Zr.
구체적으로, 상기 Zr_rich상은 B2 석출상 내에 국부적으로 형성되는 상으로, 열처리와 시효 처리 과정에서 형성될 수 있다. 도 1을 참조하면, 페라이트 합금 내 Zr-rich 상이 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 다만, 페라이트 합금에서 V이 10 중량% 미만으로 포함되는 경우, Zr-rich상이 orowan 영역(도 1에서 우측 빨강선 영역)에 위치하여 강화에 기여하지 않거나 영향력이 미비하였다. 하지만, 상기 페라이트 합금에서 V가 10 중량% 이상 포함되면 Zr-rich상이 Shearing 영역(도 1에서 좌측 검은색 영역)과 및 orowan 영역의 교차점에 위치하기 때문에 Shearing으로 인한 강화와 orowan으로 인한 강화가 동시에 작용하게 된다. 그 결과 Zr-rich상으로 인하여 유의미한 석출 경화가 구현되어 추가적으로 강도가 향상될 수 있다. Specifically, the Zr_rich phase is a phase that is locally formed within the B2 precipitation phase and can be formed during the heat treatment and aging process. Referring to Fig. 1, it can be confirmed that the Zr-rich phase is formed within the ferrite alloy. However, when V is contained in less than 10 wt% in the ferrite alloy, the Zr-rich phase is located in the orowan region (the red line region on the right in Fig. 1) and does not contribute to strengthening or has a minimal influence. However, when V is contained in more than 10 wt% in the ferrite alloy, the Zr-rich phase is located at the intersection of the shearing region (the black region on the left in Fig. 1) and the orowan region, so that strengthening due to shearing and strengthening due to orowan occur simultaneously. As a result, significant precipitation hardening can be implemented due to the Zr-rich phase, so that the strength can be additionally improved.
다시 말해, 본 발명은 상기 균질화 처리와 상기 시효 처리 단계를 거침으로써, 모재 내 형성된 석출물을 B2-NiAl의 단일 조직이 아닌, B2-NiAl 상과, Zr-rich 상이 혼합된 계층적 조직(hierarchical structure, 또는 계층 구조)으로 형성할 수 있다. 이는, B2-NiAl 상과, Zr-rich 상이 단순히 합금 내 복합상을 이루는 것을 넘어서, Shearing으로 인한 강화와 Orowan으로 인한 강화 효과를 동시에 구현하여 통상적인 복합상으로는 기대할 수 없는 강도 향상을 구현할 수 있다. In other words, the present invention can form a hierarchical structure (or layered structure) in which a B2-NiAl phase and a Zr-rich phase are mixed, rather than a single structure of B2-NiAl, by performing the homogenization treatment and the aging treatment steps in the base material. This goes beyond the B2-NiAl phase and the Zr-rich phase simply forming a composite phase in the alloy, and simultaneously implements strengthening effects due to shearing and strengthening due to Orowan, thereby implementing an improvement in strength that cannot be expected from a typical composite phase.
즉, 본 발명에서 계층적 조직이란 단순한 의미로는 B2-NiAl 상과, Zr-rich 상이 혼합된 복합상을 의미하나, 더욱 더 깊이 알아보면 B2-NiAl 상과, Zr-rich 상으로 인하여 Shearing으로 인한 강화와 Orowan으로 인한 강화 효과를 동시에 구현하여 강도를 더욱 강화한 복합상을 의미할 수 있다. That is, in the present invention, the hierarchical structure simply means a composite phase in which a B2-NiAl phase and a Zr-rich phase are mixed, but upon closer examination, it can mean a composite phase in which the strength is further enhanced by simultaneously implementing the strengthening effects due to shearing and Orowan due to the B2-NiAl phase and the Zr-rich phase.
이러한 특징으로 인하여, 계층적 조직으로 형성된 석출물은 B2-NiAl 단일상으로 존재하였을 때 보다 고온에서의 물성을 강화할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 페라이트 합금은 800 내지 1,100K의 고온에서 압축하였을 때, 220 내지 450㎫의 압축 항복 강도를 구현할 수 있다. Due to these characteristics, the precipitates formed in a hierarchical structure can enhance the properties at high temperatures compared to when they exist as a B2-NiAl single phase. For example, the ferritic alloy manufactured according to an embodiment of the present invention can realize a compressive yield strength of 220 to 450 MPa when compressed at a high temperature of 800 to 1,100 K.
이상 본 발명의 실시 예에 따른 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금에 대해 설명하였다. 이하 본 발명의 실시 예에 따른 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금의 조성에 대하여 설명한다. The ferrite alloy including hierarchical NiAl precipitates according to an embodiment of the present invention has been described above. Hereinafter, the composition of the ferrite alloy including hierarchical NiAl precipitates according to an embodiment of the present invention will be described.
상기 Cr은 8 내지 12 중량% 포함된다. The above Cr is contained in an amount of 8 to 12 wt%.
상기 Cr은 페라이트 안정화 원소로, 모재의 격자구조를 결정할 수 있다. 만약 상기 Cr이 합금에 8중량% 미만으로 포함되면, 상기 합금에서 페라이트 안정화 원소가 부족하여 FCC 구조가 형성될 수 있다. 다만, 상기 Cr이 12중량%를 초과하면 입계부식을 야기할 수 있으며, 단가가 증가하게 된다. 이러한 이유로 상기 Cr은 8 내지 12 중량% 포함될 수 있다. The Cr above is a ferrite stabilizing element and can determine the lattice structure of the base material. If the Cr above is included in the alloy at less than 8 wt%, the alloy may lack ferrite stabilizing elements and an FCC structure may be formed. However, if the Cr above exceeds 12 wt%, intergranular corrosion may be caused and the unit cost increases. For this reason, the Cr above may be included at 8 to 12 wt%.
상기 Ni은 8 내지 12 중량% 포함된다. The above Ni is contained in an amount of 8 to 12 wt%.
상기 Ni은 페라이트 합금의 내식성을 향상시킬 수 있으며, B2-NiAl로 석출되어 페라이트 합금의 석출경화(Precipitate hardening)를 유도할 수 있다. 만약 상기 Ni이 8 중량% 미만으로 포함되면, 상술한 효과를 구현하기 어려우며, 상기 Ni이 12 중량%를 초과하면 B2-NiAl 석출물이 조대해져 강도가 감소될 수 있다. 이러한 이유로 상기 Ni은 8 내지 12 중량%, 더 바람직하게는 9 내지 11 중량% 더욱 더 바람직하게는 9.8 내지 10.2 중량% 포함될 수 있다. The above Ni can improve the corrosion resistance of the ferrite alloy, and can induce precipitate hardening of the ferrite alloy by being precipitated as B2-NiAl. If the Ni is contained in an amount less than 8 wt%, it is difficult to implement the above-described effect, and if the Ni exceeds 12 wt%, the B2-NiAl precipitate may become coarse, thereby reducing the strength. For this reason, the Ni may be contained in an amount of 8 to 12 wt%, more preferably 9 to 11 wt%, and even more preferably 9.8 to 10.2 wt%.
상기 Al은 5 내지 8 중량% 포함된다. The above Al is contained in an amount of 5 to 8 wt%.
상기 Al은 상기 Ni과 마찬가지로 B2-NiAl로 석출되어 페라이트 합금의 강도를 강화시킬 수 있다. 만약 상기 Al이 5 중량% 미만이면, 석출물이 충분하게 형성되지 못하고, 반대로 상기 Al이 8 중량%를 초과하면 B2-NiAl 석출물이 조대해져 강도가 감소될 수 있다. 이러한 이유로 상기 Al은 5 내지 8 중량%, 더 바람직하게는 5.5 내지 7 중량% 더욱 더 바람직하게는 6.2 내지 6.8 중량% 포함될 수 있다. The above Al, like the above Ni, can be precipitated as B2-NiAl to enhance the strength of the ferrite alloy. If the above Al is less than 5 wt%, the precipitate is not sufficiently formed, and conversely, if the above Al exceeds 8 wt%, the B2-NiAl precipitate may become coarse and the strength may be reduced. For this reason, the above Al may be included in an amount of 5 to 8 wt%, more preferably 5.5 to 7 wt%, and even more preferably 6.2 to 6.8 wt%.
상기 V은 0 초과 15 이하 중량% 포함된다.The above V is contained in an amount of more than 0 and less than or equal to 15 wt%.
상기 V은 모재와 석출물의 격자 상수를 적절 범위로 조절하여 페라이트 합금의 격자 부정합도를 감소시킬 수 있으며, B2-NiAl의 핵생성 에너지를 감소시켜 페라이트 합금의 석출경화를 더욱 더 촉진시킬 수 있다. 만약 상기 V가 포함되지 않으면 앞서 설명한 역할을 수행할 수 없다. 또한, 상기 V가 10 중량% 이상 포함되면 상기 Zr-rich상의 석출 메커니즘이 Orowan 영역에서 Shearing 영역과 Orowan 영역의 교차점으로 이동하여 Shearing으로 인한 강화와 Orowan으로 인한 강화가 동시에 작용할 수 있다. 그 결과 Zr-rich상으로 인하여 추가적으로 강도가 향상될 수 있다. The above V can reduce the lattice mismatch of the ferrite alloy by adjusting the lattice constant of the parent material and the precipitate within an appropriate range, and can further promote the precipitation hardening of the ferrite alloy by reducing the nucleation energy of B2-NiAl. If the above V is not included, the role described above cannot be performed. In addition, when the above V is included in an amount of 10 wt% or more, the precipitation mechanism of the Zr-rich phase moves from the Orowan region to the intersection of the shearing region and the Orowan region, so that the strengthening due to shearing and the strengthening due to Orowan can work simultaneously. As a result, the strength can be additionally improved due to the Zr-rich phase.
반대로, 상기 V가 15 중량%를 초과하면 상대적으로 Fe 기저상의 조성이 감소하여 모재의 결정구조가 BCC 구조에서 L21 구조로 변화될 수 있다. 상기 L21 구조는 BCC를 기본으로 하는 변형 구조지만, 상온에서 매우 강한 취성을 가지고 있어서 상온에서의 압축 변형률이 급감할 수 있다. 아울러 고가의 V으로 인하여 상품성이 감소될 수 있다. 이러한 이유로 상기 V은 0 초과 15 이하 중량% 더욱 바람직하게는 3.5 내지 13 중량%, 더욱 더 바람직하게는 7.5 내지 13 중량%, 더욱 더 바람직하게는 10 내지 13 중량% 포함될 수 있다.On the contrary, when the V exceeds 15 wt%, the composition of the Fe base phase may relatively decrease, so that the crystal structure of the parent material may change from the BCC structure to the L2 1 structure. The L2 1 structure is a deformation structure based on BCC, but has very strong brittleness at room temperature, so that the compressive strain at room temperature may decrease rapidly. In addition, marketability may be reduced due to the high price of V. For this reason, the V may be included in an amount of more than 0 and less than or equal to 15 wt%, more preferably 3.5 to 13 wt%, even more preferably 7.5 to 13 wt%, and even more preferably 10 to 13 wt%.
상기 Zr은 0.2 내지 0.3 중량% 포함된다.The above Zr is contained in an amount of 0.2 to 0.3 wt%.
상기 Zr은 후술할 균질화 처리와 시효 처리하는 단계를 거침으로써, 수 나노 크기를 갖는 Zr-rich 상으로 석출될 수 있다. 더욱 더 바람직하게는 상기 Zr-rich 상이 B2-NiAl 석출물 내에 구형으로 석출되어 계층적 조직(hierarchical structure)을 형성할 수 있다. 이를 위해 상기 Zr은 0.2 내지 0.3 중량%, 더 바람직하게는 0.23 내지 0.28 중량% 포함될 수 있다. The above Zr can be precipitated as a Zr-rich phase having a size of several nanometers by going through the homogenization treatment and aging treatment steps described later. Even more preferably, the Zr-rich phase can be precipitated in a spherical shape in the B2-NiAl precipitate to form a hierarchical structure. For this purpose, the Zr can be included in an amount of 0.2 to 0.3 wt%, more preferably 0.23 to 0.28 wt%.
이 외 상기 페라이트 합금은 Mo를 2.5 내지 4, B를 0.004 내지 0.006 중량% 포함하여 석출물의 석출 정도와 합금의 기계적 성질을 제어할 수 있다. In addition, the above ferrite alloy contains 2.5 to 4 wt% of Mo and 0.004 to 0.006 wt% of B, so as to control the degree of precipitation of precipitates and the mechanical properties of the alloy.
이상 본 발명의 실시 예에 따른 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금에 대하여 설명하였다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금의 제조방법에 대하여 설명한다. The ferrite alloy including hierarchical NiAl precipitates according to an embodiment of the present invention has been described above. Hereinafter, a method for manufacturing a ferrite alloy including hierarchical NiAl precipitates according to an embodiment of the present invention will be described.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 2 is a drawing for explaining a method for manufacturing a ferrite alloy including hierarchical NiAl precipitates according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 상기 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금의 제조방법은 a) 원료 물질을 준비하는 단계, b) 상기 원료 물질들을 진공 아크 용융하여 잉곳을 제조하는 단계, c) 1,400K 내지 1,600K 에서 0.1 내지 1시간 동안 균질화 처리하는 단계 및 d) 900 내지 1,200K에서 3 내지 8시간 동안 시효 처리하는 단계를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the method for manufacturing a ferrite alloy including the hierarchical NiAl precipitate may include the steps of a) preparing raw materials, b) vacuum arc melting the raw materials to manufacture an ingot, c) homogenizing at 1,400 K to 1,600 K for 0.1 to 1 hour, and d) aging at 900 to 1,200 K for 3 to 8 hours.
상기 a) 단계에서는 순도 99.95% 이상의 원료물질을 준비할 수 있다. 상기 원료 물질은 중량%로 Cr 8 내지 12, Ni 8 내지 12, Al 5 내지 8, V 0 초과 15 이하, Mo 2.5 내지 4, Zr 0.2 내지 0.3 B 0.004 내지 0.006 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. In the above step a), a raw material having a purity of 99.95% or more can be prepared. The raw material may contain, in wt%, 8 to 12 Cr, 8 to 12 Ni, 5 to 8 Al, more than 0 and 15 or less V, 2.5 to 4 Mo, 0.2 to 0.3 Zr, 0.004 to 0.006 B, and the remainder Fe and unavoidable impurities.
상기 b) 단계에서는 상기 a) 단계에서 준비한 원료 물질들을 진공 아크 용융하여 잉곳을 제조할 수 있다. In the above step b), the raw materials prepared in the above step a) can be vacuum arc melted to manufacture an ingot.
실시 예에 따르면, 상기 b) 단계는 순도 99.9% 이상의 아르곤 분위기에서 수행될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 99.99%(4N) 이상의 아르곤 분위기에서 수행될 수 있으며 더욱 더 바람직하게는 99.999%(5N) 이상의 아르곤 분위기에서 수행될 수 있다. 전술한 범위와 같은 고순도 아르곤을 사용함으로써 상기 잉곳에 포함되는 불순물의 양을 줄여 합금의 강도를 높일 수 있다. According to an embodiment, the step b) may be performed in an argon atmosphere having a purity of 99.9% or higher, more preferably in an argon atmosphere having a purity of 99.99% or higher (4N), and even more preferably in an argon atmosphere having a purity of 99.999% or higher (5N). By using high-purity argon as in the above-mentioned range, the amount of impurities included in the ingot can be reduced, thereby increasing the strength of the alloy.
실시 예에 따르면, 상기 잉곳은 10회 이상 재용융하고, 수냉식 구리 노상에서 응고하여 조성의 균질성을 향상시킬 수 있다. According to an embodiment, the ingot can be re-melted more than 10 times and solidified in a water-cooled copper furnace to improve the homogeneity of the composition.
이 후, 상기 b) 단계에서 제조된 잉곳을 1,400K 내지 1,600K 중 선택되는 온도에서 0.1 내지 1시간 동안 가열할 수 있으며, 가열된 잉곳을 900 내지 1,200K 중 선택되는 온도에서 3 내지 8시간 동안 유지할 수 있다. 이하, 상기 잉곳을 가열하는 단계를 c) 균질화 처리(homogenization treatment) 단계, 균질화 처리 이후, 가열된 잉곳을 900 내지 1,200K에서 소정 시간 유지하는 단계를 d) 시효 처리(aging treatment)단계로 정의할 수 있다.Thereafter, the ingot manufactured in the step b) can be heated at a temperature selected from 1,400 K to 1,600 K for 0.1 to 1 hour, and the heated ingot can be maintained at a temperature selected from 900 to 1,200 K for 3 to 8 hours. Hereinafter, the step of heating the ingot can be defined as c) a homogenization treatment step, and the step of maintaining the heated ingot at 900 to 1,200 K for a predetermined time after the homogenization treatment can be defined as d) an aging treatment step.
구체적으로, 상기 c) 단계는 상기 b) 단계에서 제조된 잉곳을 석영관에 장입한 후 진공챔버 내에 장입할 수 있다. 이 후, 진공 챔버를 10-2torr 까지 진공하여 석영관을 밀봉하고, 진공 상태에서 1,400K 내지 1,600K 중 선택되는 온도에서 0.1 내지 1시간 동안 가열하여 균질화 처리 할 수 있다.Specifically, in the step c), the ingot manufactured in the step b) may be loaded into a quartz tube and then loaded into a vacuum chamber. Thereafter, the vacuum chamber may be evacuated to 10 -2 torr, the quartz tube may be sealed, and in a vacuum state, the ingot may be heated at a temperature selected from 1,400 K to 1,600 K for 0.1 to 1 hour to perform homogenization treatment.
마지막으로 상기 d) 단계는, 균질화 처리된 시험편을 공기중에서 상온으로 냉각한 후, 다시 900 내지 1,200K 중 선택되는 온도로 가열한 후 3 내지 8시간 동안 유지하여 수행될 수 있다. Finally, the step d) above can be performed by cooling the homogenized test piece to room temperature in the air, then heating it again to a temperature selected from 900 to 1,200 K, and maintaining it for 3 to 8 hours.
즉, 본 발명은 상기 a)와 b) 단계를 통해 본 발명은 모재와 석출물 사이에 격자 부적합도를 감소시키고, B2-NiAl 석출물의 핵생성 에너지를 감소시킬 수 있다. 이 후, 원료 물질 내 Zr을 0.1 내지 4 중량% 포함된 상태에서 상기 c) 및 d) 단계를 통해 페라이트 합금 내 B2-NiAl 석출물의 평균 입도를 30 내지 70㎚로 미세화 시킬 수 있으며, B2-NiAl 석출물 내부에 나노 입자 크기의 Zr-rich 상을 형성하여 계층적 NiAl 석출물을 형성할 수 있다. That is, the present invention can reduce the lattice mismatch between the parent material and the precipitate and reduce the nucleation energy of the B2-NiAl precipitate through steps a) and b). Thereafter, the average grain size of the B2-NiAl precipitate in the ferrite alloy can be refined to 30 to 70 nm through steps c) and d) while containing 0.1 to 4 wt% of Zr in the raw material, and a Zr-rich phase having a nanoparticle size can be formed inside the B2-NiAl precipitate to form a hierarchical NiAl precipitate.
이를 통해 본 발명은 상온에서의 비커스 경도가 480Hv 이상이고, 800 내지 1,100K의 고온에서 압축하였을 때, 220 내지 450㎫의 압축 항복 강도를 가지는 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금을 제조할 수 있다. Through this, the present invention can manufacture a ferrite alloy including hierarchical NiAl precipitates having a Vickers hardness of 480 Hv or more at room temperature and a compressive yield strength of 220 to 450 MPa when compressed at a high temperature of 800 to 1,100 K.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한 정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.Hereinafter, the ferrite alloy including the hierarchical NiAl precipitate according to the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are only a reference for describing the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto and may be implemented in various forms.
또한, 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한, 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.Also, unless otherwise defined, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terminology used in the description herein is only for the purpose of effectively describing specific embodiments and is not intended to limit the present invention. In addition, the unit of additives not specifically described in the specification may be weight percent.
[실시예 1~3, 비교예 1~3][Examples 1 to 3, Comparative Examples 1 to 3]
순도 99.95%의 Cr, Ni, Al, Mo, Zr, B, V 및 Fe를 하기 표 1에 기재된 바와 같은 조성으로 준비하였다. 상기 금속들을 5N(99.999%)의 고순도 아르곤(Ar) 분위기에서 진공 아크 융해하여 잉곳을 제조하였다.Cr, Ni, Al, Mo, Zr, B, V and Fe having a purity of 99.95% were prepared with the compositions shown in Table 1 below. The above metals were melted by vacuum arc in a high-purity argon (Ar) atmosphere of 5N (99.999%) to produce an ingot.
다음으로, 상기 잉곳을 용해하고 냉각하는 단계를 8회 반복하여 수행하였다. 이 때, 상기 냉각은 수랭식 구리 노(copper hearth)를 사용하여 수행하였다. Next, the steps of melting and cooling the ingot were repeated eight times. At this time, the cooling was performed using a water-cooled copper hearth.
다음으로, 상기 잉곳을 진공 흡입 주조(vacuum suction casting)하여 지름 3mm, 길이 50mm의 원통형 시험편으로 가공하였다.Next, the ingot was processed into a cylindrical test piece with a diameter of 3 mm and a length of 50 mm by vacuum suction casting.
이 후, 상기 시험편을 1,473K에서 0.5 시간 동안 균질화 처리를 수행하였으며, 균질화 처리 이후 공랭을 통해 상온으로 냉각된 가열된 시험편을 1,037K에서 5시간 동안 시효 처리 하였다. Thereafter, the above test specimen was subjected to homogenization treatment at 1,473 K for 0.5 hour, and the heated test specimen, which was cooled to room temperature through air cooling after the homogenization treatment, was subjected to aging treatment at 1,037 K for 5 hours.
* 상기 표 1에서 조성의 단위는 중량%이다. * The unit of composition in Table 1 above is weight%.
A. 석출물 미세화 분석A. Analysis of precipitate refinement
도 3은 바나듐(V) 함량에 따른 페라이트 합금의 XRD 그래프이고, 도 4는 바나듐(V) 함량에 따른 페라이트 합금의 단면을 SEM-EDS로 촬영한 사진이며, 도 5는 바나듐(V) 함량에 따른 페라이트 합금의 평균 입도와 부피 분율을 나타낸 그래프이다. Fig. 3 is an XRD graph of a ferrite alloy according to the vanadium (V) content, Fig. 4 is a photograph of a cross-section of a ferrite alloy according to the vanadium (V) content taken by SEM-EDS, and Fig. 5 is a graph showing the average grain size and volume fraction of a ferrite alloy according to the vanadium (V) content.
이 때, SEM은 ZEISS社의 VISULAS YAG을 장착한 TESCAN Mira LMH을 사용하였으며, EDS는 BRUKER X-Flash4010를 사용하였다. XRD 측정은 BRUKER AXS D8 ADVANCE을 사용하여 Cu-Kα radiation (λ = 1.54187 Å)에서 확인하였다. At this time, SEM used TESCAN Mira LMH equipped with VISULAS YAG of ZEISS, and EDS used BRUKER X-Flash4010. XRD measurement was confirmed at Cu-Kα radiation (λ = 1.54187 Å) using BRUKER AXS D8 ADVANCE.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 페라이트 합금은 V을 첨가함에 따라 BCC peak와 B2 preak 모두 낮은 각도 쪽으로 이동되는 것을 확인할 수 있다. 이는 BCC 상을 갖는 모재(Fe)와 B2상을 갖는 B2-NiAl 석출물의 격자 상수가 증가하였음을 의미한다. 실제로 격자 상수를 측정한 결과, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 BCC 상의 격자 상수를 표 2, B2 상의 격자 상수와 BCC 상의 평균 격자 상수 및 이때의 격자 부정합도(δ)는 하기 표 3와 같이 변하였음을 확인하였다. Referring to FIG. 3, it can be confirmed that in the ferrite alloy according to the embodiment of the present invention, both the BCC peak and the B2 preak shift toward a lower angle as V is added. This means that the lattice constants of the base material (Fe) having the BCC phase and the B2-NiAl precipitate having the B2 phase increase. As a result of actually measuring the lattice constant, it was confirmed that the lattice constants of the BCC phase of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 changed as shown in Table 2, the lattice constant of the B2 phase and the average lattice constant of the BCC phase and the lattice mismatch (δ) at that time changed as shown in Table 3 below.
(중량%)V
(weight%)
BCC (Å)(110)
BCC (Å)
BCC (Å)(200)
BCC (Å)
BCC (Å)(211)
BCC (Å)
BCC (Å)(Average)
BCC (Å)
(중량%)V
(weight%)
B2 (Å)(100)
B2 (Å)
BCC (Å)(Average)
BCC (Å)
(δ)Misfit
(δ)
즉, 상기 표 2 및 표 3을 참조하면, 페라이트 합금 내 V가 증가 할수록 B2의 격자상수와 BCC의 격자상수가 모두 적정 크기로 증가하고, 격자 부정합도(δ)는 0에 근접하고 있으며, 더욱 바람직하게는 -0.003 이상으로 증가될 수 있다. That is, referring to Tables 2 and 3 above, as V in the ferrite alloy increases, both the lattice constant of B2 and the lattice constant of BCC increase to an appropriate size, and the lattice mismatch (δ) approaches 0, and more preferably can increase to -0.003 or more.
다만, 페라이트 합금 내 V가 15 중량%를 초과하면, 모재의 격자구조가 BCC 에서 L21 격자 구조로 변형되어 상온 취성에 취약해진다. 상기 L21구조로 인한 물성 변화는 후술하도록 한다. However, when V in the ferrite alloy exceeds 15 wt%, the lattice structure of the parent material is transformed from BCC to L2 1 lattice structure, making it vulnerable to room temperature brittleness. The change in physical properties due to the L2 1 structure will be described later.
도 4 및 도 5를 참조하면, 바나듐이 포함되지 않은 비교예 1(도 3-a)는 바나듐이 포함된 실시예 1(도 3-b), 실시예 2(도 3-c) 및 실시예 3(도 3-d)에 비해 B2-NiAl 석출물의 크기가 상대적으로 조대하며, V의 함량이 증가할수록 B2-NiAl 석출물의 평균 입도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 상기 도 5에서의 구체적인 데이터는 하기 표 4와 같다. Referring to FIGS. 4 and 5, it can be confirmed that Comparative Example 1 (FIG. 3-a) not including vanadium has a relatively coarse B2-NiAl precipitate size compared to Examples 1 (FIG. 3-b), 2 (FIG. 3-c), and 3 (FIG. 3-d) including vanadium, and that the average particle size of the B2-NiAl precipitate decreases as the V content increases. Specific data in FIG. 5 are as shown in Table 4 below.
즉, 본 발명은 페라이트 합금에 V을 0 초과 15 이하 중량% 포함하여 석출물의 평균 입도를 70㎚ 이하로 미세화 할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 V을 4 내지 12 중량% 포함하여 석출물의 평균 입도를 50㎚ 이하로 감소시킬 수 있다. 더욱 더 바람직하게는 V을 8 내지 12 중량% 포함하여 석출물의 평균 입도를 45㎚ 이하로, V을 10 내지 12 중량% 포함하여 석출물의 평균 입도를 35㎚ 이하로 감소시킬 수 있다.That is, the present invention can refine the average grain size of precipitates to 70 nm or less by including V in a ferrite alloy in an amount of more than 0 and less than or equal to 15 wt%, and more preferably, can reduce the average grain size of precipitates to 50 nm or less by including V in an amount of 4 to 12 wt%. Even more preferably, can reduce the average grain size of precipitates to 45 nm or less by including V in an amount of 8 to 12 wt%, and can reduce the average grain size of precipitates to 35 nm or less by including V in an amount of 10 to 12 wt%.
B. 석출물의 미세 구조 분석B. Microstructural analysis of precipitates
도 6은 본 발명의 실시 예(12V)에 따라 제조된 페라이트 합금의 SAED 패턴을 촬영한 사진이고, 도 7은 본 발명의 비교예(20V)에 따라 제조된 페라이트 합금의 SAED 패턴을 촬영한 사진이다. FIG. 6 is a photograph of an SAED pattern of a ferrite alloy manufactured according to an embodiment (12V) of the present invention, and FIG. 7 is a photograph of an SAED pattern of a ferrite alloy manufactured according to a comparative example (20V) of the present invention.
V의 조성에 따른 계층적 조직(hierarchical structure, 또는 계층 구조)을 관찰하기 위하여 V이 10 내지 12 중량% 포함된 실시예 4(V12)와 V이 15 중량%를 초과하는 비교예 3(V20)을 대상으로 SAED(selected-area-electron-diffraction) 패턴을 촬영하였다. In order to observe the hierarchical structure according to the composition of V, selected-area-electron-diffraction (SAED) patterns were captured for Example 4 (V12) containing 10 to 12 wt% of V and Comparative Example 3 (V20) containing more than 15 wt% of V.
도 6의 (a)를 참조하면, V가 10 중량% 이상, 15중량% 이하로 포함된 실시예 4는 B2상의 석출물(도 6의 빨간색 원 부분)과 상기 석출물 사이로 Fd3m 구조로 수 나노 크기의 미세 석출물(도 6의 노란색 원 부분)이 서로 계층적 구조로 형성되어 있음을 확인하였다. 특히 B2상 석출물을 더욱 자세하게 확대한 도 6의 (b), (c)를 참조하면, B2상 석출물 사이로 미세 석출물이 다수 형성되었음을 알 수 있다. Referring to (a) of FIG. 6, Example 4 containing 10 wt% or more of V and 15 wt% or less confirmed that B2 phase precipitates (red circle portion in FIG. 6) and fine precipitates of several nanometers in size with the Fd3m structure (yellow circle portion in FIG. 6) were formed in a hierarchical structure between the precipitates. In particular, referring to (b) and (c) of FIG. 6, which enlarge the B2 phase precipitates in more detail, it can be seen that a large number of fine precipitates were formed between the B2 phase precipitates.
조성 분석 결과, 상기 B2상의 석출물은 NiAl로, 수 나노 크기의 미세 석출물은 Zr-rich 석출물인 것으로 확인되었다. 즉, 본 발명은 NiAl로 이루어지는 B2상 석출물(B2-NiAl)과 Fd3m 구조의 Zr-rich상이 서로 계층적 조직(hierarchical structure)으로 형성되었음을 확인할 수 있다. As a result of composition analysis, it was confirmed that the precipitate of the B2 phase was NiAl, and the fine precipitate of several nanometers in size was Zr-rich precipitate. That is, it can be confirmed that the present invention formed a B2 phase precipitate (B2-NiAl) composed of NiAl and a Zr-rich phase of the Fd3m structure in a hierarchical structure.
반면에 도 7을 참조하면, 석출물이 BCC 구조가 아닌 L21 구조임을 의미하는 패턴으로 변형되었다. 이는 페라이트 합금 내 V이 15 중량%를 초과하면, 기존의 BCC 구조의 석출물이 L21 구조로 변태되었음을 의미한다. On the other hand, referring to Fig. 7, the precipitate was transformed into a pattern indicating that it was an L2 1 structure rather than a BCC structure. This means that when V in the ferrite alloy exceeds 15 wt%, the precipitate of the existing BCC structure was transformed into an L2 1 structure.
C. 항복강도 및 압축 변형률 분석C. Yield strength and compressive strain analysis
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 페라이트 합금의 상온에서의 비커스 경도를 비교하기 위한 도면이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 페라이트 합금의 973K에서의 압축 항복 강도를 비교하기 위한 그래프이고, 도 10은 상온(300K)에서의 압축 항복 강도를 비교하기 위한 그래프이다.FIG. 8 is a drawing for comparing Vickers hardness at room temperature of ferrite alloys according to embodiments of the present invention, FIG. 9 is a graph for comparing compressive yield strength at 973 K of ferrite alloys according to embodiments of the present invention, and FIG. 10 is a graph for comparing compressive yield strength at room temperature (300 K).
이 때, 비커스 경도는 대면각이 136°인 압자로 지름 3mm, 길이 50mm의 원통형 시험편에 상온에서 5초간 1Kg의 하중을 가하였을 때를 기준으로 측정하였으며, 5회 이상 측정한 평균을 구하였다. 압축 강도는 973K 및 300K에서 1 × 10-3s-1으로 압축하였을 때를 기준으로 측정하였다. At this time, the Vickers hardness was measured based on the time when a load of 1 kg was applied for 5 seconds to a cylindrical test piece of 3 mm in diameter and 50 mm in length by an indenter with an interfacial angle of 136° at room temperature, and the average of measurements made 5 or more times was obtained. The compressive strength was measured based on the time when compressed at 1 × 10 -3 s -1 at 973 K and 300 K.
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 상온에서 비커스 경도와 973K에서의 압축 응력 시험(Compressive Stress test) 결과는 도 8, 도 9 및 하기 표 5와 같다. The results of the Vickers hardness at room temperature and the compressive stress test at 973 K for Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in FIGS. 8 and 9 and Table 5 below.
(중량%)V
(weight%)
상기 표 5 및 도 8, 도 9를 참조하면, 본 발명은 페라이트 합금에 V를 2 이상 15 중량%로 추가하였을 때, 상온에서의 비커스 경도가 450Hv 이상, 더욱 바람직하게는 480Hv 이상인 것을 확인할 수 있다. 또한, 800 내지 1,100K의 고온에서 압축하였을 때, 220 내지 450㎫의 압축 항복 강도를 가지는 것을 알 수 있다. Referring to Table 5 above and FIGS. 8 and 9, it can be confirmed that when V is added to a ferrite alloy in an amount of 2 to 15 wt%, the Vickers hardness at room temperature is 450 Hv or higher, more preferably 480 Hv or higher. In addition, it can be seen that when compressed at a high temperature of 800 to 1,100 K, the alloy has a compressive yield strength of 220 to 450 MPa.
구체적으로 V의 함량이 증가할수록 고온에서의 압축 항복 강도가 220㎫ 이상으로 증가하는 것을 알 수 있다. V을 8 내지 12 포함하였을 때 고온에서의 압축 항복 강도가 280 ㎫ 이상으로 증가하며, V의 함량이 10 내지 12 중량%면 400㎫ 이상으로 크게 증가한다. Specifically, it can be seen that as the V content increases, the compressive yield strength at high temperatures increases to over 220 MPa. When 8 to 12 V is included, the compressive yield strength at high temperatures increases to over 280 MPa, and when the V content is 10 to 12 wt%, it significantly increases to over 400 MPa.
이는 앞서 설명한 바와 같이 V의 함량이 증가할수록 B2-NiAl 석출물의 크기가 미세해지기 문이다. 특히 V의 함량이 10 내지 15 중량%이면 석출물이 B2-NiAl 상과, Zr-rich 상이 혼합된 계층적 조직(hierarchical structure)으로 인하여 고온에서의 압축 항복 강도가 더욱 더 크게 증가할 수 있다. This is because, as explained above, as the V content increases, the size of the B2-NiAl precipitates becomes finer. In particular, when the V content is 10 to 15 wt%, the compressive yield strength at high temperatures can increase even more significantly due to the hierarchical structure of the precipitates in which the B2-NiAl phase and the Zr-rich phase are mixed.
즉, 상기 실시예 3은 균질화 처리 및 시효 처리를 수행함으로써, 상기 B2-NiAl 상과, Zr-rich 상이 계층적 조직으로 형성되어 800K이상에서의 항복강도가 400㎫ 이상으로 향상되었다. That is, in the above Example 3, by performing homogenization treatment and aging treatment, the B2-NiAl phase and the Zr-rich phase were formed in a hierarchical structure, and the yield strength at 800 K or higher was improved to 400 MPa or more.
도 10을 참조하면, 상기 V가 15 중량%를 초과하는 순간 상온에서의 압축 변형률이 급격하게 감소되는 것을 확인하였다. 이는 앞서 설명한바와 같이, V가 15 중량%를 초과하면, 석출물의 결정구조가 기존의 BCC 구조에서 L21구조로 변하였기 때문이다. 비록 L21 구조도 BCC를 기본으로 하는 변형구조지만, B2와는 다르게 상온에서 연성이 매우 작으며, 매우 강한 취성을 가지기 때문에 사용하기 부적합하다. 실제로 V가 15 중량% 이하로 포함된 실시예는 상온에서 압축 변형률이 30% 이상이었으나, V이 16 중량% 포함된 비교예 2는 16.9%, V이 20 중량% 포함된 비교예 3은 12.2%로 큰 폭으로 감소하였다. 상기 도 10에서의 항복강도 및 상온 압축 변형률을 하기 표 6에 정리한다.Referring to Fig. 10, it was confirmed that the compressive strain at room temperature rapidly decreased when the V exceeded 15 wt%. This is because, as explained above, when V exceeds 15 wt%, the crystal structure of the precipitate changed from the existing BCC structure to the L21 structure. Although the L21 structure is also a deformation structure based on BCC, unlike B2, it has very low ductility at room temperature and very strong brittleness, making it unsuitable for use. In fact, the examples in which V was included less than 15 wt% had a compressive strain of 30% or more at room temperature, but Comparative Example 2 in which V was included 16 wt% showed a significant decrease to 16.9%, and Comparative Example 3 in which V was included 20 wt% showed a significant decrease to 12.2%. The yield strength and room temperature compressive strain in Fig. 10 are summarized in Table 6 below.
(중량%)V
(weight%)
(MPa at 300K)Yield strength
(MPa at 300K)
(% at 300K)Compressive Strain
(% at 300K)
이러한 이유로, 상기 V은 0 초과 15 이하 중량% 더욱 바람직하게는 3.5 내지 13 중량%, 더욱 더 바람직하게는 7.5 내지 13 중량%, 더욱 더 바람직하게는 10 내지 13 중량% 포함되는 것이 바람직하다. For this reason, it is preferable that the V is contained in an amount of more than 0 and less than or equal to 15 wt%, more preferably 3.5 to 13 wt%, still more preferably 7.5 to 13 wt%, and still more preferably 10 to 13 wt%.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명은 중량%로, Cr 8 내지 12, Ni 8 내지 12, Al 5 내지 8, V 0 초과 15 이하, Mo 2.5 내지 4, Zr 0.2 내지 0.3 B 0.004 내지 0.006 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 페라이트 합금을 제공할 수 있다. As described above, the present invention can provide a ferrite alloy including, in wt%, 8 to 12 Cr, 8 to 12 Ni, 5 to 8 Al, more than 0 and 15 or less V, 2.5 to 4 Mo, 0.2 to 0.3 Zr, 0.004 to 0.006 B, and the remainder Fe and inevitable impurities.
이 과정에서 본 발명은 알루미늄(Al)을 5 내지 8 중량%, 추가함으로써, 주조 및 열처리 과정에서 NiAl로 이루어지는 금속간화합물을 석출시킬 수 있다. 그 결과 본 발명은 BCC 격자 구조를 갖는 모재에 NiAl로 이루어지는B2상 석출물을 형성할 수 있다. In this process, the present invention can precipitate an intermetallic compound composed of NiAl during the casting and heat treatment processes by adding 5 to 8 wt% of aluminum (Al). As a result, the present invention can form a B2 phase precipitate composed of NiAl in a base material having a BCC lattice structure.
또한, 본 발명은 바나듐(V)을 0 중량%를 초과하게 포함시킴으로써, B2-NiAl 석출물의 평균 입도를 30 내지 70㎚로 미세화 시켜 기계적 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 다만, 상기 바나듐(V)을 15 중량%를 초과하면 모재의 결정구조가 BCC 구조에서 L21 구조로 변화되어 상온에서 압축 변형율이 30% 미만으로 감소될 수 있다. 이러한 이유로 바나듐(V)은 V 0 중량% 초과 15 중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. In addition, the present invention can further improve the mechanical properties by making the average particle size of B2-NiAl precipitates fine to 30 to 70 nm by including vanadium (V) exceeding 0 wt%. However, if the vanadium (V) exceeds 15 wt%, the crystal structure of the parent material may change from the BCC structure to the L21 structure, so that the compressive strain at room temperature may decrease to less than 30%. For this reason, it is preferable that vanadium (V) is included in an amount exceeding 0 wt% and 15 wt% or less of V.
이를 통해 본 발명은 비커스 경도가 480Hv 이상이고, 800 내지 1,100K의 고온에서 압축하였을 때, 220 내지 450㎫의 압축 항복 강도를 가지는 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금을 제조할 수 있다. Through this, the present invention can manufacture a ferrite alloy including hierarchical NiAl precipitates having a Vickers hardness of 480 Hv or higher and a compressive yield strength of 220 to 450 MPa when compressed at a high temperature of 800 to 1,100 K.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 본 발명은 상기 바나듐(V)이 10 중량% 이상 포함된 상태에서, 400K 내지 1,600K에서 0.1 내지 1시간 동안 균질화 처리와 900 내지 1,200K에서 3 내지 8시간 동안 시효 처리하는 단계를 거침으로써, 상기 B2-NiAl 석출물 내에 국부적으로 지르코늄(Zr) 성분이 집중된 Zr-rich 상을 형성할 수 있다. 그 결과 상기 B2-NiAl 석출물과 Zr-rich 상이 계층적 구조를 형성하여 800 내지 1,100K인 고온 환경에서 항복강도가 400㎫ 이상인 페라이트 합금을 제조할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the present invention can form a Zr-rich phase in which zirconium (Zr) is locally concentrated within the B2-NiAl precipitate by performing a homogenization treatment at 400 K to 1,600 K for 0.1 to 1 hour and an aging treatment at 900 to 1,200 K for 3 to 8 hours in a state in which the vanadium (V) is contained at 10 wt% or more. As a result, the B2-NiAl precipitate and the Zr-rich phase form a hierarchical structure, so that a ferrite alloy having a yield strength of 400 MPa or more in a high-temperature environment of 800 to 1,100 K can be manufactured.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. Although the present invention has been described through specific matters and limited examples as above, these have been provided only to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above examples, and those skilled in the art to which the present invention pertains can make various modifications and variations from this description.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the idea of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all things that are equivalent or equivalent to the claims described below as well as the claims are included in the scope of the idea of the present invention.
Claims (10)
NiAl로 이루어지는 B2상 석출물(B2-NiAl)을 포함하고,
상기 석출물은 B2-NiAl 상과 Zr-rich 상이 혼합된 계층적 조직(hierarchical structure)을 포함하는, 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금. Containing, in wt%, Cr 8 to 12, Ni 8 to 12, Al 5 to 8, V more than 0 and 15 or less, Mo 2.5 to 4, Zr 0.2 to 0.3, B 0.004 to 0.006, and the remainder Fe and unavoidable impurities,
Contains B2 phase precipitates (B2-NiAl) composed of NiAl,
A ferritic alloy comprising hierarchical NiAl precipitates, wherein the precipitates have a hierarchical structure in which a B2-NiAl phase and a Zr-rich phase are mixed.
상기 B2상 석출물은 50㎚ 이하의 평균 입도를 가지는, 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금.In paragraph 1,
A ferritic alloy comprising hierarchical NiAl precipitates, wherein the above B2 phase precipitates have an average grain size of 50 nm or less.
상기 페라이트 합금은, 800 내지 1,100K에서 220 내지 450㎫의 압축 항복 강도를 가지는, 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금.In paragraph 4,
The above ferritic alloy is a ferritic alloy including hierarchical NiAl precipitates having a compressive yield strength of 220 to 450 MPa at 800 to 1,100 K.
상기 페라이트 합금은, 상기 V을 8 내지 12 포함하는, 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금.In paragraph 1,
The above ferritic alloy is a ferritic alloy including hierarchical NiAl precipitates, which contain 8 to 12 V.
상기 페라이트 합금은, 800 내지 1,100K에서, 280 내지 450㎫의 압축 항복 강도를 가지는, 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금.In paragraph 6,
The above ferritic alloy is a ferritic alloy including hierarchical NiAl precipitates, having a compressive yield strength of 280 to 450 MPa at 800 to 1,100 K.
b) 상기 원료 물질들을 진공 아크 용융하여 잉곳을 제조하는 단계
c) 잉곳을 균질화 처리하는 단계; 및
d) 균질화 처리된 잉곳을 시효 처리하는 단계;를 포함하고,
상기 c) 균질화 단계는 1,400K 내지 1,600K 에서 0.1 내지 1시간 동안 수행되고,
상기 d) 시효 처리 단계는 900K 내지 1,200K 에서 3 내지 8시간 동안 수행되는, 계층적 NiAl 석출물을 포함하는 페라이트 합금의 제조방법.
a) a step of preparing raw materials composed of, in wt%, Cr 8 to 12, Ni 8 to 12, Al 5 to 8, V more than 0 and 15 or less, Mo 2.5 to 4, Zr 0.2 to 0.3, B 0.004 to 0.006, and the remainder Fe and unavoidable impurities;
b) A step of manufacturing an ingot by melting the above raw materials using a vacuum arc.
c) a step of homogenizing the ingot; and
d) a step of aging the homogenized ingot;
The above c) homogenization step is performed at 1,400 K to 1,600 K for 0.1 to 1 hour,
A method for producing a ferritic alloy including hierarchical NiAl precipitation, wherein the above d) aging treatment step is performed at 900 K to 1,200 K for 3 to 8 hours.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020220081365A KR102744440B1 (en) | 2022-07-01 | 2022-07-01 | ferritic alloys with hierarchical B2-NiAl precipitates and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
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