7. 내열강 및 내열 합금
내열강(heat resisting steel)은 보일러, 터빈, 원자로, 화학 플랜트 내연 기관의 밸브, 제트 기관, 로켓 등의 고온도하에서 고온 산화와 하중을 받는 부분에 사용되는 강이다. 열기관에 있어서, 그 성능을 향상시키는 데에는 기관의 구성 재료에 내열성 재료를 사용하며, 가스 온도의 상승에 따른 재료 온도의 상승으로 인하여 생기는 재료의 고온 산화 부식과 크리프 현상을 방지할 수 있으므로, 내열 재료로서 그 중요성은 매우 크다. 열기관의 내열 재료를 선택함에 있어서 고려해야 할 조건은 다음과 같다.
(ㄱ) 최고 온도와 주기적으로 변동하는 온도 범위
(ㄴ) 열충격의 조건
(ㄷ) 운전 상황, 하중의 작용 방향과 크기
(ㄹ) 마멸, 부식의 조건
(ㅁ) 수명, 가격
(ㅂ) 고온에서의 기계적 성질 및 내산화성
(ㅅ) 열팽창 및 열균열
(ㅇ) 조직의 안전성
내열강으로서의 온도 범위는 850℃ 정도이며, 그 이상의 온도이면 니켈, 코발트, 몰리브덴, 크롬 등을 주체로 한 합금이 이용된다. 이를 초내열 합금이라 한다. 내 열강을 조직상 분류하면 페라이트계, 마텐자이트계, 오스테나이트계, 석출 경화계가 있고, 화학 성분상 분류하면 Cr계, Cr-Ni계, Fe-Cr-Ni-Co계로 나눌 수 있다.
(1) 크롬계 내열강
강의 표면 산화를 방지하기 위해 첨가되는 크롬의 합유량은, 사용 온도가 700℃ 이하에서는 8%, l000℃에서는 20% 이상 필요하다. 크롬은 재결정 온도를 높여 주며, 탄화물, 질화물을 석출시켜 크리프 강도를 크게 해 주는 유효한 합금 원소이다.
(ㄱ) 저크롬계 내열강
고온 고압 보일러용 강관 및 강관, 고온 고압 배관용 강관, 터빈 및 화학 공업 등의 고온 고압 부분에 사용되는 강재로는 저합금의 몰리브덴강 또는 Cr-Mo강이 쓰이고 있는데, 0.8∼2.6 % Cr, 0.4∼1.1 % Mo의 범위이다.
(ㄴ) 중크롬계 내열강
중크롬계 내열강은 8∼I5 % Cr을 함유하고 있으며, 실크롬강(silchrom steel)으로 유명한 내연 기관 흡·배기 밸브용의 Si-Cr계 밸브용 내열강과, 증기 터빈의 고온부 구리 블레이드 재료의 l2Cr계 내열강 및 중온부 블레이드재의 l3크롬계 스테인리스강 등이 이에 속하며, 마텐자이트계이다. SUH 3과 SUH 4가 흡·배기 밸브용 내열강이다. 내연 기관의 흡입 밸브는 400 ℃이하에서 작동되지만, 배기 밸브는 850℃의 고온이 되는 경우가 있으므로 소착, 소손, 마멸, 부식, 크리프 등이 생기기 쉽다. 고온에서 내산화성의 증가에 유효한 규소를 첨가하는 점이 특징이다. SUH 3은 고급 흡입 밸브, 저급 배기 밸브용, SUH 4는 고속 내연 기관의 배기 밸브용이다. SUH 600 및 SUH 6l6은 12Cr계 내열강으로서, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 니오브 등으로 강화한 대형 증기 터빈 고온부 구리 블레이드용이며, 노즐, 볼트, 로터 (rotor)축에도 사용된다. 사용 온도는 400∼600℃ 정도이다. l3Cr계 스테인리스강은 종래부터 증기 터빈 블레이드의 재료로 쓰여 왔는데, 뜨임 온도를 낮추어 강도를 높여 제트 기관의 압축기 블레이드로도 쓰인다.
(ㄷ) 고크롬계 내열강
l6∼28 % Cr을 함유하고 있으며 SUS 430의 l8 Cr계 스테인리스강과, SUH 446(25 Cr강)이 여기에 상당하는 페라이트계이다. 크롬의 함유량을 많게 함에 따라 최고 온도가 높게 되지만, 500℃ 이상에 있어서의 크리프 강도가 낮아져서 고응력 부분에는 사용하지 못한다. 연소실, 방열관, 노의 부품, 오일 버너 등에 사용되며, 황을 포함하는 가스에 대한 저항성은 Cr-Ni계 오스테나이트강보다 강하다.
(2) 크롬-니켈계 내열강
고크롬-고니켈계 오스테나이트강에 속하는 것에는 많은 종류가 있지만, 18-8계 스테인리스강은 내열강으로서 널리 사용되며, 티탄, 니오브를 함유하는 것은 강력한 탄화물을 형성하고, 몰리브덴, 텅스텐, 규소를 첨가한 것은 고온에서의 기계적 성질이 양호하다. SUH 304, SUH 32l, SUH 3l6, SUH 347 등의 스테인리스 강관은 고온 고압 보일러의 과열 기관에 쓰이는데, 티탄, 니오브 등이 함유되어 있을 때에는 증기 온도 560℃ 이상의 경우에 사용될 수 있다. 내열강 SUH 31은 14 Cr-I4 Ni-2W-Si계의 합금으로서, 800℃ 이하의 선박용 대형 디젤 기관의 배기 밸브에 사용되는 고급 밸브용 내열강이다. 바나듐, 황, 나트륨 함유하면, 불량 중유의 연소에 의하여 생기는 밸브의 고온 부식에 대해 적당한 저항력을 가지게 된다. 밸브로서 사용될 경우에는 1000∼1300℃의 고온으로 가열하여, 탄화물, 질화물, 그 밖의 금속 간 화합물을 오스테나이트 중에 고용한 후 급랭하고, 그 다음 이것을 700∼900℃의 적당한 온도로 가열하여, 그것들을 석출시킴으로써 크리프 강도, 경도 등의 기계적 성질을 개선할 수 있다. SUH 35는 2lCr-4Ni-9Mn-0.45N계의 합금으로서, 가솔린 기관용 배기 밸브용강으로 널리 이용되며, 일반적으로 2l-4 N강이라 불린다. 다량의 탄소 및 니켈을 함유하고 있으며, 석출 경화성이 높고 강도가 큰 내열강이다. SUH 3l0은 25Cr-20Ni계의 합금으로서, 내산 화성이 있을 뿐만 아니라 가공성이 양호하므로, 판재로 만들어 1l00℃ 이하의 가열로(heating fur-nace) 부품, 가스 터빈 노즐(gas turbine nozzle)로 이용한다.
(3) Fe-Cr-Ni-Co계 내열강
Cr-Ni계 오스테나이트강에 l0∼20 %의 코발트, 몰리브덴, 텅스텐, 티탄 등을 첨가하여, 석출 경화 또는 가공 경화에 의해 고온 강도를 개선한 것이다. LCN-l55 및 SUH 66l은 석출 경화계이다. LCN-155는 오스테나이트 스테인리스강과 초내열 합금과의 중간 정도의 성질을 가지고 있으며, 예부터 가스 터빈용 내열 합금으로서 650∼8l5℃의 범위에서 널리 사용되고 있다. 소형 가스 터빈 및 디젤 기관의 배기 터빈의 블레이드 재료, 과급기 블레이드 재료, 연소기 등으로 사용되고 있다.
(4) 초내열 합금
철을 함유하는 강은 약 850℃ 정도가 한계이므로, 보다 높은 작동 온도에서 장시간 사용하는데 견디게 하는 방법으로서 철의 함유량을 감소시키고, 대신에 니켈이나 코발트 등을 첨가한 합금이 사용된다. 이것이 초내열 합금이다.
(ㄱ) 코발트 또는 니켈 바탕의 합금
이러한 원소를 바탕으로 하는 합금은 항상 가스 터빈, 제트 기관, 미사일 등의 고온 부분에 사용되고 있는 첨단 재료이다. 코발트는 값이 비싸고 자원적 문제가 있으므로, 니켈 바탕에 알루미늄, 티탄 등 을 가한 경우에는 코발트의 바탕보다 강력한 합금을 얻을 수 있으며, 매우 많은 경우에 니켈 바탕 초내열 합금이 개발, 발표되고 있다.
(ㄴ)서 멧
위의 초내열 합금과는 별도로, 새로운 분야로서 발달한 것으로 서 멧 (cermet)이 있다. 서멧은 니켈, 코발트, 크롬, 규소, 티탄, 몰리브덴, 텅스텐 등의 금속과 탄화물, 경화물, 질화물, 산화물 등의 내화물을 혼합, 압축, 성형한 소결 합금이다. 고온에서의 강도가 월등하게 높으며, 제트 기관, 블레이드, 제트 기관 및 로켓의 고온 가스 노즐, 원자로의 재료 등에 사용되는 첨단 신소재이다.