Ni-Cr-X계 초합금의 정밀주조에 대한 연구

Abstract

본 연구에서는 고온과 상온에서의 인장강도와 기계적 특성이 우수한 Ni기 초합금의 소재 연구와, 이를 바탕으로 기본적인 데이터를 확보하기 위하여 연구를 실시하였다. 또한 연구에서 확보한 기본적인 자료를 적용할 터보차저의 도면 설계와 금형을 제작하였다. 정밀주조 공법으로 제작할 왁스 모형의 주조 응고시뮬레이션을 실시하여 2종류의 내부결함이 없는 주조품을 개발하였다. 이때 Inconel 713C는 진공고주파 용해로를 사용하였고 Hastelloy C-276은 대기상태에서 고주파 용해로를 이용하였다. 연구 개발된 주조품에 대하여 정량적으로 품질 평가하였으며 그 연구결과는 다음과 같다. 첫째, Hastelloy C-276 Ni기 초합금에 대한 연구에서 합금의 기지 조직은 γ로 되어있고, 정출물 또는 석출물에는 Mo, W 등의 성분이 M6C와 같은 탄화물로 관찰되었다. 기지에는 Cr, Fe, Mn 등의 금속원소가 높게 분포하였고, 석출물에는 Mo, W, C, Si 등의 원소가 높게 나타났다.W 함량이 증가함에 따라 조직의 미세화로 더욱 진행되었고 조대한 망목상의 정출물은 입계쪽에 편석하였다. 용체화와 시효처리에 의하여 기지, 결정입계 등에 석출물이 다량으로 생성되었다. 이들은 µ상의 금속간 화합물로 판단되었다. 또한 결정입계의 정출물에는 C, Si 등이 많이 편석되었다. 주방 상태와 용체화 처리 후는 W 함량이 증가함에 따라 경도와 인장강도는 다소 비례하여 증가하였다. 반면에 시효처리 후는 W 함량이 증가함에 따라 경도와 인장강도는 오히려 감소하였다. 둘째, 정밀 주조 공법으로 제작한 Inconel 713C 초합금의 열처리에 따른 미세조직과 기계적 성질의 변화를 연구하였다. 주조 조직을 광학 현미경으로 관찰하면 덴드라이트가 잘 발달되어있고, 탄화물이 결정입계에 분포하고 있다. 또한 기지내에서는 γ´상과 탄화물이 잘 관찰된다. 열처리 후에는 탄화물이 결정경계를 따라 필름형태로 석출된 것이 관찰되고, 일부는 결정경계와 수직으로 성장한 것이 관찰된다. EM-EDS 분석에서 주방상태와 시효처리 후 Ni 기지 내에 많은 성분이 고용되어 γ 기지를 강화시킨 것으로 확인되었다. 또한 γ´ 석출상과 (Nb, Ti)C의 탄화물이 석출된 것이 관찰되었다. 이것들이 재료의 인장강도, 경도 및 충격치 향상에 기여한 것으로 판단되었다. 상온(25℃) 인장시험의 최대 인장강도는 평균 802MPa이었다. 고온(850℃) 인장시험의 최대 인장강도는 평균 758MPa로 크게 저하하지 않았다. 이들의 항복강도/인장강도의 비는 평균 93%와 90%에 달하였다. 주방상태보다 시효처리 후 시료의 경도는 약 19% 증가하였다. 상온(25℃)과 저온(-196℃)의 충격시험에서는 평균 충격치 값이 온도에 따른 변화가 없는 것으로 나타났다. 상온(25℃)과 고온(850℃) 인장시험 후 파단면의 SEM 조직 관찰에서 상온 인장시험후는 파단면에 거칠고 입계파괴의 양상이 나타나며, 입내에는 dimple이 관찰되어 취성과 연성 파괴의 혼합 형태로 관찰되었다. 반면, 고온(850℃) 인장 시험 후 파단면에서는 많은 양의 dimple이 관찰됨으로서 장시간에 진행된 연성 파괴의 형태를 보였다. 셋째, Hastelloy C-276과 Inconel 713C 초합금 2종류를 이용한 터보차저 정밀주조품의 제조에 관한 연구를 실시하였다. 표본을 이용하여 3차원 주조품을 설계하였으며 이를 이용하여 금형을 제작하였다. 또한 정밀 주조 공법을 적용할 경우 수축공의 발생에 관한 응고시뮬레이션을 실시하였다. 그 결과 세라믹 몰드의 예열온도와 열전달 계수가 낮을수록, 압탕의 크기가 클수록 수축공의 발생이 적게 나타났다. 이와 같은 자료를 이용하여 2가지의 재질로 터보차저 주조품을 제작하였다. 이들 두 가지 제품에 대하여 치수, 표면 조도 및 조직을 비교 관찰하였다. 완성된 2종류 합금의 터보차저와 표본 제품과의 치수 변화는 허용 공차 내에 있었다. 표면 거칠기 관찰에서 Inconel 713C가 Hastelloy C-276보다 표면 조도가 더 좋았다. 이는 주조 합금의 성분에 기인한 것으로 판단되었다. 주조품의 현미경 관찰에서는 기지에는 γ고용체와 덴드라이트 조직으로 형성되었고 결정을 따라 탄화물이 분포하였으며, 응고 석출물도 관찰되었다. 열처리 후 조직은 탄화물과 석출물이 더욱 많이 관찰되었다. Inconel 713C 주조품의 내부 단면의 매크로 조직은 결정이 잘 발단한 등축정 형태로 관찰되었다. 내부 건전성 확인을 위한 X-Ray 검사결과 Hastelloy C-276과 Inconel 713C 모두에서 결함이 없는 양호한 것으로 판단되었다.