KR20170009902A - 금속 재료의 층상 구조 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 기판 상에 금속성 합금의 적층 방식 증착을 위한 합금 및 방법에 관한 것이다. 생성된 증착물은 연관된 내마모성을 가진 비교적 높은 경도의 금속 부품을 제공한다. 금속 부품에 대한 적용은 펌프, 밸브 및/또는 베어링을 포함한다.

Description

금속 재료의 층상 구조 {LAYERED CONSTRUCTION OF METALLIC MATERIALS}
관련 출원에 대한 상호 참조
이 출원은 2014년 5월 16일에 출원된 미국 가특허출원 일련 번호 61/994,758을 우선권 주장하며, 이 가특허출원 전부를 본원에 참조로 포함한다.
발명의 분야
본 발명은 층별(layerwise) 방식으로 자립형(free-standing) 금속 재료를 제조하기 위한 합금 및 방법에 관한 것이다.
철 금속은 드릴 파이프 하드밴딩(drill pipe hardbanding), 채광용 트럭 베드 라이너(mining truck bed liner), 및 보일러 관과 같은 많은 적용에서 코팅물(coating)로서 사용되며, 여기서 코팅물은 비교적 보다 적은 내마모성 부품에 내마모성 및 내마멸성(wear and abrasion resistance)을 제공한다. 이들 코팅물은 HVOF 또는 트윈 와이어 아크 용사(twin-wire arc thermal spray), 및 PTAW 또는 GMAW 용접 오버레이(weld overlay)와 같은 다양한 기술을 통해 기판에 적용될 수 있다.
내마모성 철 금속 코팅물은 일반적으로 재료의 내마모성을 가능하게 하고 기저(underlying) 기판을 보호하는 비교적 높은 표면 경도 및 비교적 저렴한 비용을 특징으로 한다. 내마모성 코팅물로서 사용되는 재료는 기판에 부착되어 원하는 표면 성능을 제공하도록 설계되었으며, 그와 같이 강도 및 인성과 같은 비-표면(non-surface) 특성에 대해 기판에 대체로 의존한다. 내마모성을 위해 사용되는 철 금속 코팅물의 예는 크롬 카바이드, 복합 카바이드(complex carbide), 티탄 카바이드, 바나듐 카바이드, 및 공구 강을 포함한다.
층별 공법(layerwise construction)은 본원에서 부품을 성형 가공(fabrication)하기 위해 재료의 층을 적층 방식으로(layer by layer), 빌드 업(build up)하거나, 레이 다운(lay down)하는 공정으로 이해될 수 있다. 층별 공법의 예는 레이저 에너지 원을 사용한 분말 소결(powder bed fusion) (PBF-L), 또는 전자빔 에너지 원을 사용한 분말 소결 (PBF-E), 직접 용착(directed energy deposition) (DED), 접착제 분사(binder jetting) (BJ), 판재 적층(sheet lamination), 재료 압출(material extrusion), 재료 분사(material jetting), 및 액층 광중합(vat photopolymerization)을 포함한다. 금속과 함께 사용되는 주요 층별 공법은 PBF-L, PBF-E, DED 및 BJ를 포함한다.
층별 공법 공정은 스테인레스 강 합금, 알루미늄 합금, 티탄 합금, 니켈계(nickel-based) 합금, 및 코발트 크롬 합금을 포함한 여러 가지의 연성 금속으로부터 부품을 구축하는 탁월한 능력을 갖는다. 금속에 대한 액체-상 층별 공법 공정, 예컨대 PBF-L, PBF-E, 및 DED에서, 구축 재료(construction material)는 고체 상에서 액체 상 (용융)으로 전이한 다음에, 다시 고체 상 (응고(solidification))으로 전이한다. 용해에 사용되는 에너지 원은 용해될 재료 표면의 비교적 작은 영역에 집중될 수 있으며, 그와 같이 용해되는 재료의 부피를 비교적 작은 부피로 제어할 수 있다. 큰 고체 부피와 접촉하고 있는 작은 용융 부피는 비교적 급속 방식으로 응고하는 능력을 갖는다. 이러한 급속 응고는 단련(wrought) 금속 특성과 비교되는 경우 기계적 특성의 증가 및 결정립 크기 미세화(grain size refinement)의 원인이 된다.
이러한 방식으로 구축된 부품의 기계적 특성은 일반적으로 단련 공정보다 비교적 높지만, 앞서 언급한 재료 중 어느 것도 비교적 높은 경도와 내마모성의 조합을 보유하지 않으며, 최고의 경도를 가진 것들은 일반적으로 열 처리 공정, 예컨대 담금질(quench) 및 템퍼링(temper), 또는 용액화(solutionizing) 및 시효(aging)를 필요로 하여, 비교적 높은 경도 및 내마모성을 산출한다. 열 처리의 이러한 추가적 단계는 증가된 수율 손실 및 부품 왜곡(part distortion)을 전형적으로 초래하며, 이는 바람직하지 못하다. 표 1은 응력-제거(stress-relieved) 및 열 처리 조건에서 PBF-L을 통해 생성된 여러 가지의 비교적 높은 경도 금속의 전형적인 경도를 기재한다.
<표 1>
Figure pct00002
부품에서의 높은 경도 및 내마모성은 사용 중인 부품의 내구성 (수명)을 증가시키기 위해 수많은 적용에 필요하다. 본 발명은 이제 비교적 높은 경도와 내마모성의 특유의 조합을 나타내는, 적층 방식 빌드 업을 통해 제조된, 층상 금속 재료(layered metallic material)를 제공하는 합금 및 상응하는 제조 절차를 특정한다. 게다가, 이러한 특성은 이제, 알려진 금속의 기존의 적층 방식 빌드 업에 적용되는 상기 언급된 열 처리 공정의 사용을 생략함으로써 달성될 수 있다. 게다가, 본원에서의 특성은 담금질 및/또는 템퍼링을 필요로 하지 않는다.
개요
적층 방식 공법(layer-by-layer construction)을 합금에 적용하여 비교적 높은 경도 및 내마모성의 자립형 재료를 제조한다. 합금은 50 at. % 이상의 Fe 및 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및 Lu로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 및 B, C, N, O, P, 및 S로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 함유하는 철 합금을 포함한다. ASTM G65-10 절차 A (2010년)에 의하면 경도 값은 900-1800 HV의 범위이고 내마모성 값은 6-53 mm3 부피의 범위이다. 이러한 값은 열을 사용한 적층 방식 빌드 업의 후-처리 후에 담금질 및/또는 템퍼링의 필요 없이 달성된다. 적층 방식 공법은 펌프, 밸브 및 베어링과 같은 적용에서 이용될 수 있는 금속 부품의 형성을 가능하게 한다.
본 개시는 또한 보다 구체적으로
59.0 wt. % 내지 78.0 wt. %의 수준의 Fe, 3.0 wt. % 내지 5.0 wt %의 수준의 B, 14.0 wt. % 내지 20.0 wt. %의 수준의 Cr, 0.5 wt. % 내지 7.0 wt. %의 수준의 C, 임의로 11.0 wt. % 이하의 수준의 Mo, 임의로 2.5 wt. % 이하의 수준의 Mn, 임의로 4.5 wt. % 이하의 수준의 Nb, 임의로 2.0 wt. % 이하의 수준의 Si, 임의로 7.0 wt. % 이하의 수준의 W를 포함하는 입자 형태의 합금을 공급하고;
기판을 공급하고;
상기 합금을 용융 상태로 용해시켜 상기 합금의 하나 이상의 층을 상기 기판 상으로 적용하고 냉각하고 응고된 층을 형성시키고 여기서 상기 고체 층의 각각이 5.0 내지 200.0 마이크로미터(micron)로 형성된 바와 같은 두께를 갖고;
임의로 상기 기판을 제거하여 자립형 금속 부품을 형성시키고 여기서 상기 하나 이상의 고체 층은 900-1800 HV의 범위의 경도를 나타내는 것
을 포함하는, 금속 부품의 적층 방식 공법의 방법에 관한 것이다.
첨부된 도면과 관련하여 취해진 본원에 기재된 실시양태의 하기 설명을 참조하여, 본 개시물의 상기 언급된 그리고 기타 특징, 및 그들의 달성 방식이, 보다 분명해지고 보다 잘 이해될 것이며, 여기서:
도 1은 Fe-풍부 매트릭스에 존재하는 카바이드 및 보로카바이드(borocarbide)를 나타내는, PBF-L을 통해 가공된 철 합금의 SEM 현미경 사진이다.
도 2는 다양한 상 내에 함유된 주요 원소 Fe, Cr, Nb, Si, Mo, Mn 및 B를 나타내는 PBF-L을 통해 생성된 합금 1의 원소 지도(elemental map)를 함유한다. 원소 지도는 주사형 전자 현미경으로 에너지 분산 x-선 분광법(energy dispersive x-ray spectroscopy)을 통해 생성되었다.
도 3은 최적화되지 않은 파라미터로 층별 구축된 비교적 높은 경도의 철 재료 (1250 HV의 경도)의 단면(section)을 도시한다.
도 4는 최적화된 파라미터로 층별 구축된 비교적 높은 경도의 철 재료 (1250 HV의 경도)의 단면을 도시한다.
도 5는 최적화된 층별 공법 파라미터로 생산된 무균열(crack-free)의 높은 경도의 기능성 베어링 부품을 나타낸다.
도 6은 그렇지 않으면 유도 응력(induced stress)에 의해 균열에 취약한 층별 구축된 높은 경도의 철 금속의 비교적 높은 경도 (1540 HV)의 단면 및 높은 내마모성 및 무균열 단면을 도시한다.
상세한 설명
본 발명은 초기 기판 상에 연속적인 금속 층의 적층 방식 빌드 업을 통해, 제작된 금속 구조((built metallic structure)를 제공하기 위해, 자립형이고 비교적 경질이고 내마모성인 철계(iron-based) 금속 재료를 구축하는 방법에 관한 것이다. 적층 방식 빌드 업은 금속성 합금을 용해시키고 냉각하고 응고시켜, 추가적 용융 합금 층의 후속 적용을 위한 기저 고체 층이 되는, 재료의 층을 형성시킨 후에, 다시 냉각하는 일반적인 절차를 지칭한다. 기판은 적층 방식 절차에 의해 형성되는 제작된 구조물에 포함되거나 포함되지 않을 수 있다. 따라서, 자립형 금속 재료에 대한 언급은 기판 상에 적층 방식 빌드 업이 소정의 제작된 구조물을 형성하는데 사용되는 그 상황으로서 본원에서 이해되어야 하며, 그 다음에 이 구조물은 여러 가지의 적용에서 금속 부품 구성요소(metallic part component)로서 역할을 할 수 있다.
적층 방식 빌드 업을 개시하기 위한 적합한 기판은 오스테나이트계, 페라이트계, 및 마텐자이트계 강을 포함할 수 있고 3 mm-100 mm의 범위의 두께를 가질 수 있다. 언급된 바와 같이, 기판은 전형적으로 최종 구조물의 일부로서 포함되지 않으며, 구조물을 제작한 후에, 기판 및 구조물을 방전 가공(electric-discharge machining) (EDM) 및 기계적 톱질(mechanical sawing)을 포함한 여러 가지의 기술을 통해 분리될 수 있다.
본원에서 적층 방식 절차는 각각 5.0 마이크로미터 내지 200.0 마이크로미터의 범위의 두께를 갖는 개별 층의 빌드 업을 고려한다. 그 다음에 적층 방식 절차는 5 마이크로미터 내지 50.0 mm 초과, 보다 전형적으로 250.0 mm 초과의 범위의 전체 두께를 가진 증착물(deposition)을 제공할 수 있다. 따라서, 빌드 업 층의 두께의 적합한 범위는 5.0 마이크로미터 이상이다. 그러나 보다 통상적으로, 두께 범위는 5.0 마이크로미터 내지 250.0 mm이다.
철계 합금의 비교적 높은 경도는 액체 상 층별 공법 공정으로 가공될 경우 철계 합금에 존재하는 비교적 미세한 규모의 미세 구조 (결정립 크기) 및 상의 결과로 고려된다. 보다 구체적으로, 본원에서의 철계 합금은, 승온에서 본원에서의 액체 상으로 형성되고 냉각되고 응고되고 소정의 층을 형성하는 경우, 미세 구조는 바람직하게는 Fe-풍부 매트릭스 내에 균질하게 분포된 카바이드 및 보로카바이드 상으로 이루어지고, 여기서 카바이드 및 보로카바이드 상은 약 10.0 nm - 10,000 nm의 크기의 범위이도록 한다.
예시적인 철 합금은 50% 이상의 Fe 및 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및 Lu로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 및 B, C, N, O, P, 및 S로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함한다. 본 발명의 특정한 측면에서, 합금은 식 Fe(100-x-y)M(x)B(y) (원자 퍼센트)에 의해 나타내지는 조성을 가질 것이고 여기서 M은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Mo, Ta, Cr, W, 및 Mn으로부터 선택된 하나 이상의 원자를 나타내고, 여기서 15≥x≥4이고, 여기서 25≥y≥2이고, 여기서 35≥(x+y)≥7이다. B는 붕소를 지칭한다. 합금은 X (Si, Ge, P, Ga 등) 및/또는 T (Au, Co, Ni 등)를 추가로 함유할 수 있다.
본 발명의 합금은 바람직하게는 11개 미만의 원소를 포함하고, 보다 바람직하게는 7개 미만의 원소를 포함할 수 있다. 게다가, 합금은 5개 미만의 원소를 포함할 수 있다. 일반적으로 본 발명의 합금은 그의 조성에서 4개 내지 6개의 원소를 갖는다. 이러한 원소 중에는 철, 크롬, 붕소 및/또는 인, 및 몰리브덴 및 텅스텐 중 하나 또는 둘 다가 있다.
상기 합금은 균열에 대해 비교적 높게 취약하고 비교적 높은 수준의 균열을 갖는 코팅물로서 전형적으로 사용된다는 점은 주목할 가치가 있다. 따라서, 이러한 합금은 본원에 기재된 바와 같은 적층 방식 절차에 유용할 것으로 예상되지 않았으며, 예기치 않게 적층 방식 빌드 업 및 예기치 않은 경도 및 마모 특성을 가진 금속 부품을 제공하였다.
즉, 액체 상 층별 공법으로 가공되는 경우, 철 합금은 Fe-풍부 매트릭스 내에 다양한 균질하게 분포된 비교적 작은, 경질의 카바이드 상, 예컨대 보로카바이드, 크롬 카바이드, 몰리브덴 카바이드, 및 니오븀 카바이드를 제시하며, 이는 철 합금에 비교적 높은 경도를 제공한다. 각각의 상의 크기는 공정의 급속 냉각으로 인해 비교적 작고, 바람직하게는 10.0 마이크로미터 미만, 보다 바람직하게는 5.0 마이크로미터 미만, 가장 바람직하게는 1.0 마이크로미터 미만이다. 따라서, 보로카바이드 상은 본원에서의 철 합금의 층별 공법에서 제시되어야 하고 이들은 0.1 마이크로미터 내지 10.0 마이크로미터, 보다 바람직하게는 0.1 마이크로미터 내지 5.0 마이크로미터, 가장 바람직하게는 0.1 마이크로미터 내지 1.0 마이크로미터의 크기 범위를 갖도록 한다.
상기와 관련하여, 보로카바이드 상의 상 크기뿐만 아니라 결정립 크기는 광학 현미경법 및/또는 주사 전자 현미경법에 의해 용이하게 측정될 수 있다.
게다가, PBF-L 공정 고유의 비교적 높은 냉각 속도는 철 합금 중에서, 비교적 작은 결정립, 바람직하게는 10 마이크로미터 미만, 보다 바람직하게는 5 마이크로미터 미만, 가장 바람직하게는 1 마이크로미터 미만을 특징으로 하는 미세 구조물을 생성시킨다. 따라서, 본원에서의 층별 공법에 존재하는 결정립은 이들이 0.1 마이크로미터 내지 10 마이크로미터, 보다 바람직하게는 0.1 마이크로미터 내지 5 마이크로미터, 가장 바람직하게는 0.1 마이크로미터 내지 1.0 마이크로미터의 크기 범위를 갖도록 존재한다. 층별 공법으로 생성되는 철 합금의 구조물은 바람직하게는 900-1800 HV의 범위, 보다 바람직하게는 950-1700 HV의 범위, 가장 바람직하게는 980-1600 HV의 범위의 비교적 높은 경도를 초래한다.
도 1은 PBF-L을 통해 가공된 다양한 카바이드 상을 가진 철 합금 (합금 1)의 대표적 현미경 사진을 나타낸다. 도 2는 다양한 상 내에 함유된 주요 원소 Fe, Cr, Nb, Si, Mo, Mn 및 B를 나타내는 PBF-L을 통해 생성된 합금 1의 원소 지도를 나타낸다. 원소 지도는 주사형 전자 현미경으로 에너지 분산 x-선 분광법으로 생성되었다. 하기 표 1은 합금 1 및 합금 2의 조성을 제시한다.
<표 1>
Figure pct00003
상기로부터, Fe는 54.0 wt.% 내지 78.0.wt%의 수준으로 존재하고, B는 3.0 wt. % 내지 5.0 wt. %의 범위로 존재하고, Cr은 14.0 wt. % 내지 20.0 wt. %의 수준으로 존재하고, Mo는 임의적이고 11.0 wt % 이하의 수준으로, 또는 0.1 wt. % 내지 11.0 wt. %의 범위로 존재하고, Mn은 임의적이고 2.5 wt. % 이하의 수준으로 또는 0.1 wt % 내지 2.5 wt. %의 범위로 존재하고, Nb는 임의적이고 4.5 wt. % 이하의 수준으로 또는 0.1 wt. % 내지 4.5 wt. %의 수준으로 존재하고, Si는 임의적이고 2.0 wt. % 이하의 수준으로 또는 0.1 wt. % 내지 2.0 wt. %의 수준으로 존재하고, W는 임의적이고 7.0 wt. % 이하의 수준으로 또는 0.1 wt. % 내지 7.0 wt. %의 수준으로 존재하고 C는 0.5 wt. % 내지 2.0 wt. %의 수준으로 존재함을 알 수 있다.
게다가, 상기로부터, 바람직하게는, 본원에서의 합금은 상기 언급된 수준 내에서, Fe, B, Cr, Mo, Si, W, 및 C를 함유함을 알 수 있다. 합금은 또한, 상기 언급된 수준 내에서, Fe, B, Cr, Nb, 및 C를 포함한다. 게다가 합금이, 상기 언급된 수준 내에서, Fe, B, Cr, Mo, 및 C를 함유함이 본원에서 고려된다.
바람직하게는, 본원에서의 적층 방식 공법을 위한 합금은 입자 형태로 공급되며, 이는 5.0 마이크로미터 내지 75.0 마이크로미터, 보다 바람직하게는 15.0 마이크로미터 내지 55.0 마이크로미터, 가장 바람직하게는 20.0 마이크로미터 내지 45.0 마이크로미터의 범위의 직경을 갖는 입자가 존재함을 의미한다.
하기 표 2는 적층 방식 공법을 통해 합금 1 및 합금 2에서 달성된 경도 값에 관해서 주조 및 단련 방법에 의해 생성된 종래의 Fe계 합금을 특정하고 본원에서 특정된 합금과 비교한다.
<표 2>
Figure pct00004
본원에서 사용되는 층별 공법에서, 바람직하게는, 에너지 원, 전형적으로 레이저 또는 전자 빔을 재료 표면 상에 주사하여 에너지 원에 의해 조사된 영역에 국부적인 재료의 층의 적어도 부분적 용해를 유발한다. 원하는 경우, 에너지 원은 또한 특정 깊이의 기저 재료를 용해시키도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 에너지 원은 250 마이크로미터 이하의 범위의 깊이에서 용해되도록 조정될 수 있다. 용융 된 재료는 기저 재료와 야금 결합하고 에너지 원이 멀어짐에 따라 응고된다. 추가적 재료가 응고된 재료에 첨가된 다음에 에너지 원으로 조사되어 용해 및 응고를 유발한다. 이 과정이 반복됨에 따라 구축되는 부품의 두께가 증가된다. 상기로부터 알 수 있는 바와 같이, 합금 1 및 합금 2의 예에 관해서, 형성되는 응고 층 또는 복수개의 응고 층의 경도는 보다 구체적으로 약 1200 HV 내지 1600 HV의 범위에 해당할 수 있다.
비교적 높은 경도의 재료는 전형적으로 비교적 낮은 연성 및 비교적 낮은 인성을 갖고 그로 인해 이들 재료를 열적 유도 응력에 의한 균열에 취약하게 만들고 액체 상 층별 공법을 통해 가공하기가 역사상 어렵게 만든다. 따라서 열적 유도 응력을 완화하고 높은 경도의 재료의 무균열 층별 공법을 가능하게 하기 위해서는 응력 감소의 방법을 사용하여야 한다.
에너지 원이 재료의 층을 용해시킬 때마다 열은 하부에 제작된 부품을 통해 전도되어 재료의 고유 열 팽창 특성으로 인해 기저 재료의 가열시 팽창을 그리고 냉각시 수축을 초래한다. 게다가, 새로운 층의 조사 동안에 생성된 용융 층은 기저 층과 야금 결합을 형성한 다음에 냉각시 수축을 겪는다. 새로운 층과 기저 층 사이의 결합은 계면에서의 합금의 수축을 제한하고 그로 인해 새로운 층에서 압축 응력을 유도한다. 따라서 재료는 층별 공법에서 순환(cyclic) 에너지 원에 의해 유발되는 열 사이클(thermal cycling) 동안에 유도되는 응력으로 인한 균열에 견딜 수 있어야 한다.
이들 응력은, 철 합금의 경우 전형적으로 900℃ 내지 2000℃의 범위인, 용융 재료의 온도와, 철 합금의 경우 전형적으로 25-1400℃의 범위인, 기저 재료의 온도와의 차이를 감소시킴으로써 감소된다. 용융 재료의 온도와 기저 재료의 온도와의 차이는 1950℃ 만큼 클 수 있다. 차이가 작으면 작을수록 응력이 낮고, 최저 응력의 경우는 차이가 없고, 응력이 생성되지 않는다. 따라서, 기저 재료의 가열은 열 응력의 감소에 큰 영향을 미친다. 기저 재료를 40-1000℃의 범위, 보다 바람직하게는 400-1000℃의 범위, 가장 바람직하게는 800-1000℃의 범위의 온도로 가열하는 것이 바람직하다.
층별 공법은 항상 그의 부품이 제작되어 있는 기판으로 시작한다. 부품 구축이 완료되면 EDM 및 기계적 톱질을 포함한 여러 가지의 기술을 통해 기판으로부터 부품을 제거할 수 있다. 부품을 구축하는데 있어서, 기판에 적용되는 재료의 제1 층은 부품이 제작되는 계면으로서 역할을 하기 때문에 중요한 층이다. 에너지 원이 조사되고 적어도 부분적으로 제1 층을 용해시키는 경우, 이는 기판과 야금 결합을 형성하고 냉각시 제1 층은 수축한다. 기판 및 제1 층이 상이한 열 팽창 특성을 갖는 상이한 재료로 구성되는 경우, 열 팽창 특성에서 상당한 불일치가 존재한다. 일치하지 않는 열 팽창은 각각의 재료가 그 자체 속도로 팽창 및 수축하기를 원할 것이기 때문에, 계면에서 응력을 부여할 것이지만, 이들은 다른 재료에 의해 제한된다. 이로 인해 높은 경도의 재료에 균열을 야기할 수 있는 응력이 발생한다. 기판 재료와 제1 층 재료의 열 팽창 특성 사이의 차이의 감소는 일치하지 않는 열 팽창에 의해 유도되는 응력을 크게 감소시킨다.
제1 층에 대한 열 팽창 특성의 상기 언급된 일치와 기판의 이용을 조합하고, 기판 및 제작된 층을 가열함으로써, 열적 유도 응력이 크게 감소되어 다른 방법으로는 유도 응력에 의해 균열에 취약한 일부 재료의 층별 공법을 가능하게 할 수 있다. 도 3은 2 μm/mm·℃의 기판과 제1 층 사이의 열 팽창 계수에서의 불일치 및 200℃의 기판 온도로 층별 구축된 경도 1250 HV의, 높은 경도의 철 재료의 단면을 나타낸다. 합금 조성은 상기 언급된 바와 같은 합금 2이었다. 본원에서 이해되는 바와 같이, 2 μm/m·℃ 이상으로 열 팽창 계수의 불일치가 바람직하게는 회피된다. 따라서, 층상 구조(layered construction) 중의 적용된 합금과 기판의 열 팽창 계수에서의 차이는 바람직하게는 2 μm/m·℃ 미만이다.
도 4는 동일한 합금으로부터 구축된, 800℃ 가열 기판 상에 층별 구축된 동일한 합금의 단면을 나타내고, 기판 및 제1 층 둘 다 10.4 μm/m·℃의 열 팽창 계수를 갖고, 그로 인해 어떤 불일치도 존재하지 않도록 한다. 기판 가열을 이용하고 기판과 제1 층 사이의 열 팽창 계수 불일치를 2 μm/m·℃ 이하, 보다 바람직하게는 1 μm/·℃ 이하, 가장 바람직하게는 0.5 μm/m·℃ 이하로 제어하여, 무균열 부품을 생산할 수 있으며, 여기서 어떤 균열도 50X 배율의 현미경 검사에서 식별가능하지 않다. 도 5는 1060 HV의 경도 및 99.9%의 밀도를 갖는 합금 2로부터 이 기술로 생산된 무균열 기능성 베어링 부품을 나타내고, 여기서 0.1%의 부피는 기공으로 이루어지며 나머지는 무균열 고체 재료이다.
따라서, 본원에서의 층상 구조는 금속 부품을 제공하는 것이며 여기서 어떤 균열, 기공 또는 다른 유형의 공극도 50x의 배율을 사용한 현미경 검사에서 식별가능하지 않다는 점을 인식하여야 한다. 게다가 금속 부품은 고체 영역(solid domain)이 존재하도록 하고 여기서 존재하는 하나 이상의 층은 95% 이상의 고체인 금속 부품을 규정한다. 이것은 부품의 부피의 95% 이상이 잔여 균열, 기공 또는 다른 유형의 개방 공간 (본원에서는 집합적으로 공극으로서 특정됨)을 갖는 금속 영역의 존재를 특징으로 한다는 특징을 지칭한다. 보다 바람직하게는, 하나 이상의 층은 97% 이상의 고체, 및 훨씬 보다 바람직하게는, 99% 내지 100% 고체인 금속 부품을 규정한다. 따라서, 하나 이상의 층은 이제, 비교적 작은 백분율 (5% 미만)의 공극을 가진, 자립형 부품으로서 95 부피% 이상의 고체 금속 재료인 층상 구조를 제공한다.
도 6은 유도 응력에 의해 균열에 취약한 층별 구축된 높은 경도의 철 금속의 무균열 단면을 나타낸다. 도 6에서의 합금 조성은 상기에 언급된 합금 1이었다. 개별 층은 70 마이크로미터의 두께를 갖고 전체 두께는 대략 10 mm이었다. 재료는 10.3 μm/m·℃의 열 팽창 계수로, UNS S42000으로부터 구축된, 500℃ 가열 기판을 이용함으로써 균열 없이 구축되었고, 이는 단지 기판과 제1 층 사이에 0.3 μm/m·℃ 불일치를 갖는다.
높은 경도가 반드시 높은 내마모성을 초래하는 것은 아니지만, 대부분의 경우 그렇고 그와 같이 층별 공법을 통해 철 합금에서 생성된 높은 경도는 탁월한 내마모성을 초래한다는 점이 고려된다. 표 2에 나타낸 철 합금 2에 대한 ASTM G65-10 절차 A 마모 시험은 24.0 mm3의 부피 손실을 측정한다. 사정이 그렇다면, 바람직하게는, 본원에서의 층별 공법은 바람직하게는 +/-5.0 mm3에서 24.0 mm3의 내마모성을 갖는다.
본 개시의 바람직한 실시양태가 설명되었지만, 본 개시의 사상 및 첨부된 청구범위의 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 변경, 개조 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 본 개시의 범주는 상기 설명을 참조로 결정되어야 하는 것이 아니라, 대신에 등가물의 그의 전체 범주와 함께 첨부된 청구범위를 참조하여 결정되어야 한다.

Claims (15)

  1. 54.0 wt. % 내지 78.0 wt. %의 수준의 Fe, 3.0 wt. % 내지 5.0 wt %의 수준의 B, 14.0 wt. % 내지 20.0 wt. %의 수준의 Cr, 0.5 wt. % 내지 7.0 wt. %의 수준의 C, 임의로 11.0 wt. % 이하의 수준의 Mo, 임의로 2.5 wt. % 이하의 수준의 Mn, 임의로 4.5 wt. % 이하의 수준의 Nb, 임의로 2.0 wt. % 이하의 수준의 Si, 임의로 7.0 wt. % 이하의 수준의 W를 포함하는 입자 형태의 합금을 공급하고;
    기판을 공급하고;
    상기 합금을 용융 상태로 용해시켜 상기 합금의 하나 이상의 층을 상기 기판 상으로 적용하고 냉각하고 응고된 층을 형성시키고 여기서 상기 고체 층의 각각이 5.0 내지 200.0 마이크로미터로 형성된 바와 같은 두께를 갖고;
    임의로 상기 기판을 제거하여 자립형 금속 부품을 형성시키고 여기서 상기 하나 이상의 고체 층은 900-1800 HV의 범위의 경도를 나타내는 것
    을 포함하는, 금속 부품의 적층 방식 공법의 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 합금이 (a) 0.1 마이크로미터 내지 10.0 마이크로미터의 보로카바이드 및 카바이드 상; 및 (b) 0.1 마이크로미터 내지 10.0 마이크로미터의 결정립 크기를 함유하는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 합금이 Fe, B, Cr, Mo, Si, W 및 C를 포함하고, 여기서 Mo가 0.1 wt. % 내지 11.0 wt. %의 수준으로 존재하고, Si가 0.1 wt % 내지 2.0 wt. %의 수준으로 존재하고, W가 0.1 wt. % 내지 7.0 wt. %의 수준으로 존재하는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 합금이 Fe, B, Cr, Nb 및 C를 포함하고, 여기서 Nb가 0.1 wt. % 내지 4.5 wt. %의 수준으로 존재하는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 합금이 Fe, B, Cr, Mo 및 C를 포함하고, 여기서 Mo가 0.1 wt. % 내지 11.0 wt. %의 수준으로 존재하는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 입자 형태가 5.0 마이크로미터 내지 75.0 마이크로미터의 범위의 직경을 갖는 입자를 포함하는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기판이 열 팽창 계수를 갖고 상기 금속 합금이 열 팽창 계수를 갖고 상기 기판 및 상기 합금의 열 팽창 계수가 2 μm/m·℃ 미만의 차이를 갖는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 복수개의 층을 상기 기판에 적용하고, 각각의 층이 응고하고 적용된 용융된 층에 관해서 기저 층을 형성하고, 여기서 용융된 층의 온도가 900℃ 내지 2000℃의 범위이고 기저 고체 층의 온도가 25℃ 내지 1400℃인 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기판을 상기 하나 이상의 층으로부터 제거하여 자립형 금속 부품을 형성시키는 것인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 복수개의 층을 상기 기판에 적용하고 여기서 응고된 바와 같은 복수개의 층의 두께가 5.0 마이크로미터 내지 50.0 mm의 범위인 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 부품이 부피를 갖고 상기 부품의 상기 부피의 95% 이상이 잔여 공극을 가진 금속 영역을 포함하는 것인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 부품이 부피를 갖고 상기 부품의 상기 부피의 97% 이상이 잔여 공극을 가진 금속 영역을 포함하는 것인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 부품이 부피를 갖고 상기 부품의 상기 부피의 99% 내지 100%가 금속 영역을 포함하는 것인 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 층이 +/-5.0 mm3에서 24.0 mm3의 ASTM G65-10 절차 A (2010)를 갖는 것인 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 금속 부품이 펌프, 밸브 또는 베어링을 포함하는 것인 방법.
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