내열합금[heat resistant alloy]

내열합금[heat resistant alloy]

보일러, 증기터빈, 에틸렌제조장치, 항공기의 제트엔진 및 발전용 가스터빈 등 고온에서 운전되는 장치나 기기는 많고, 기술의 발전과 함께 사용온도는 점점 높아지고 있다. 그러한 환경에서 사용되는 금속재료는 고온에서의 기계적 강도를 가짐과 동시에, 고온산화, 고온부식에 대한 저항성이 요구된다. 내열강이나 내열합금은 이 양자의 성질을 만족하여야 한다.

일반적으로 말해 금속의 기계적성질은 온도가 상승하면 매우 저하한다. 예를들면 탄소강의 항복강도는 350℃ 정도가 되면 약 2/3로 되어 버린다.

금속의 고온강도는 녹는점이 높은 금속만 기대할 수 있다. 한편 실온에서 무른 금속이나 고온에서의 내산화성, 내식성의 기본이 되는 산화물이 불안정한 금속은 사용할 수 없다. 이러한 점에서 가능성을 가진 금속은 철, 니켈, 코발트의 세 개만이고, 다른 금속의 합금화에 따라 내고온산화성, 내고온부식성, 고온강도를 개선함으로써 고온용재료가 얻어진다.

크롬은 무른 금속으로 산화물이 안정하고 합금원소를 첨가함으로써 내산화성, 내고온부식성을 부여할 수 있다. 알루미늄은 산화물은 무르지만 그 보호적 성질은 좋다. 철, 니켈, 코발트에 크롬 또는 크롬과 알루미늄을 첨가한 합금은 고온용재료의 기본이다.

이들 중에서 철 베이스인 것은 내열강으로 내열강 항에서 다루기로 한다. 니켈 및 코발트 베이스인 것이 내열합금이다.

니켈 베이스의 합금, 즉 니켈기의 내열합금은 약 50% 이상의 니켈합금을 함유하고 5～20%의 크롬을 가하여 내산화성, 내고온부식성을 부여하고, 수% 이하의 몰리브덴과 티탄, 알루미늄을 가하여 고온강도를 개선한 것이다.

 

몰리브데넘은 고용체강화, 티탄, 알루미늄은 석출물 형성에 따라 합금을 강화한다(석출경화). 더욱이 20% 정도의 코발트를 가하여 한층 강화한 합금도 있다. 

니켈기내열합금의 기원은 1906년에 개발된 20% Cr-80% Ni의 니크롬으로, 내산화성 관점에서는 공기 중에서 1150℃까지 견뎌서 가열로의 권선(卷線)에 사용된다. 그 후의 역사로서 티탄, 알루미늄, 코발트, 몰리브데넘을 첨가하여 기계적성질상의 강화가 계속되어 왔다. 

 

이것들의 첨가원소를 가하면 크롬의 첨가량에 제한이 생기므로 내산화성이 저하하는 것이 일반적 경향이다. 고온강도를 가진 니켈기내열합금은 1000℃ 부근의 온도에서 견디므로 제트엔진의 회전임펠러 재료로 쓰이고 있다. 

코발트기의 내열합금은 일반적으로 40% 이상의 코발트, 수% 이상의 니켈, 수%의몰리브데넘과 텅스텐 및 소량의 기타합금원소로 구성되고 있다.

니켈은 오스테나이트상을 안정화하고 몰리브데넘과 텅스텐은 고용체경화시킨다. 일반적으로 800～900℃의 내용온도로 되고 있다.