인코넬 718 API 고강도 니켈-크롬 합금(UNS N07718)

인코넬 718(UNS N07718) 는 강수량-경화 니켈-크롬-철 매우 높은 수율 및 인장 강도와 우수한 내식성 및 용접성을 결합한 초합금으로, API/NACE/API-6A CRA 열처리 조건에서 공급될 경우 사워 서비스 오일 및 가스 장비에 필요한 경도 및 강도 제한을 충족하며 고강도 다운홀 및 표면 부품에 사용되는 주요 내식성 합금 중 하나입니다.

인코넬 718이 다른 이유

합금 718의 성능은 제어된 노화 과정에서 생성된 두 가지 주요 침전물(γ″ 및 γ′)로 강화된 균형 잡힌 니켈 베이스 매트릭스에서 비롯됩니다. 이 합금의 독특한 점은 열처리 가능한 미세 구조가 우수한 연성과 용접성을 유지하면서 수율과 인장 강도를 크게 증가시킬 수 있다는 것입니다. 따라서 열악한 서비스 환경에 필수적인 경도 및 수율에 대한 NACE MR0175/ISO 15156 및 API 6A CRA 제한을 충족하는 부품을 공급할 수 있습니다.

화학 성분 및 야금학적 특징

인코넬 718의 일반적인 조성 범위(wt%)는 대략 다음과 같습니다:

(정확한 계약 화학물질 범위는 구매 주문서에 인용된 사양을 따라야 합니다. API, AMS 또는 ASTM 변형은 약간 다른 허용 오차를 나열합니다.)

야금학 노트

• 강수 단계: γ″(Ni₃Nb)가 718의 주요 경화 단계이며 γ′(Ni₃(Al,Ti))도 기여합니다. Nb/Ti/Al의 제어와 열 이력은 침전물의 크기와 부피 비율을 결정합니다.

• 탄화물 및 델타(δ) 상: 과도한 δ(Ni₃Nb, 사방 정계) 또는 거친 탄화물은 인성과 연성을 저하시킬 수 있으므로 용액 어닐 및 노화 일정을 사용하여 유해한 단계를 최소화합니다.

• 고형화 연습: 다중 용융 경로(VIM/VAR 또는 ESR)는 무결성이 높은 항공우주 또는 석유 및 가스 단조품에 사용됩니다.

기계적 특성 - 일반 및 고강도 API 변형

인코넬 718은 어닐링(낮은 강도)부터 피크 에이징(최고 강도)까지 다양한 조건으로 판매됩니다. API/NACE 유전 등급은 시효 경화되며 지정된 최소 항복 강도 또는 경도 제한을 충족하도록 생산되는 경우가 많습니다.

대표적인 기계식 테이블(일반적인 노후화/피크 상태)

API 6A CRA / 'API-718' 클래스: API/공급업체에서는 일반적으로 718 API를 최소 수율에 따라 ~120ksi(≈827MPa) 및 ~140ksi(≈965MPa) 등급으로 나누며, 일부 고강도 제품 변형은 특정 제품 형태에서 150ksi를 요구하기도 합니다. 이러한 변형 제품은 신맛이 나는 서비스를 위해 경도를 제어하면서 목표 수율을 달성하기 위해 정밀한 에이징으로 설계되었습니다.

열처리, 시효 경화 및 미세 구조 제어

높은 강도를 얻기 위한 일반적인 순서는 다음과 같습니다:

1. 용액 어닐링(용액 처리): 균질화를 위한 고온(≈980-1035°C / ≈1800-1900°F)에서 Nb 및 기타 상을 용해시킨 후 냉각(공랭식)합니다.

2. 에이징(일반적으로 2단계로 사용됨): 예: 718 표준 숙성 사이클: 720°C(≈1320-1350°F)에서 8시간, 620°C(≈1150°F)로 식힌 후 8시간 동안 유지한 다음 공기 냉각(다양한 독점 변형이 존재함). 이렇게 하면 높은 수율과 인장 강도를 제공하는 미세한 γ″/γ′ 침전물 분포가 생성됩니다.

실용적인 팁

• 노화 관리: 노화 온도/시간의 작은 편차도 강도와 경도를 변화시킵니다. NACE/MR0175를 준수하기 위해 생산업체는 최소 수율을 달성하면서 최대 경도 한계(일반적으로 40 HRC) 이하를 유지하기 위해 맞춤형 서열을 사용합니다.

• 섹션 크기 효과: 단면이 클수록 노화 및 냉각 속도가 느려지며, 단면 두께에 따라 기계적 특성이 달라질 수 있습니다. 사양에 따라 대표 단면 크기에 대한 특성 테스트가 필요한 경우도 있습니다.

국제 표준 및 석유 및 가스 API/NACE 요구 사항

석유 및 가스 업계에서 718에 일반적으로 인용되는 중요 문서 및 사양입니다:

• API 6A / API 6A CRA(보충 자료): 는 유정, 트리 및 다운홀 장비에 사용되는 시효 경화성 니켈 합금에 대한 요구 사항을 정의합니다. 이 표준은 압력 장비에 사용되는 재료에 대한 처리 및 테스트 기대치를 설정합니다.

• NACE MR0175 / ISO 15156(파트 3): 는 H₂S 함유 환경에서 사용되는 균열 방지 재료에 대한 요구 사항을 제공하며, 합금 718은 온도/압력 제한 및 경도 제약 조건과 함께 나열될 수 있습니다. 규정을 준수하려면 특정 열처리 및 경도 제한(보통 노화 상태의 경우 로크웰 C ≤ 40)이 필요합니다.

• AMS / ASTM / ASTM B637 / AMS5662 / AMS5663: 용액 어닐링, 노화 또는 기타 조건과 관련 승인 테스트를 설명하는 항공우주 및 산업 조달 사양입니다.

구매 주문의 주요 계약 사항

• UNS 번호(UNS N07718)를 지정합니다.

• 정확한 표준을 참조하세요(API 6A CRA 개정 X, NACE MR0175 개정 Y).

• 필요한 최소 수율과 최대 경도를 명시적으로 명시하세요.

• 필수 테스트(기계, PMI/화학, NDT, 미세 구조) 및 추적성(열 번호, 공장 인증서)을 포함합니다.

부식 거동 및 환경적 한계

합금 718은 다양한 염화물 환경에서 일반적인 부식, 피팅 및 틈새 부식에 대한 강력한 내성을 제공하며, NACE/ISO 경도 및 열처리 제어를 충족하는 경우 H₂S에 의한 균열에 대한 합리적인 저항성을 제공합니다.

H₂S(신맛이 나는) 환경

• NACE MR0175/ISO 15156은 CRA를 분류하고 온도/분압 제한을 설정합니다. UNS N07718의 경우 표 A.32는 사워 서비스에 대한 최대 온도와 압력에 제한을 두고 있으며 열처리 및 경도 모니터링 제어의 필요성을 강조합니다. 경도 제한을 충족하지 못하면 황화물 응력 균열 및 수소 취화에 대한 취약성이 증가합니다.

기타 환경

• 바닷물 및 염화물 염수: 합금 718은 다른 스테인리스강보다 피팅에 더 잘 견디지만 정체되거나 매우 공격적인 염화물 조건에서는 여전히 국부적인 공격을 받을 수 있습니다.

• 내산화성: 최대 ~650-700°C(≈1200-1300°F)의 사용 온도가 강도 유지에 일반적이며, 더 높은 온도에서 지속적인 내산화성을 위해 다른 니켈 합금이 선호될 수 있습니다.

제작, 용접 및 접합

718이 널리 사용되는 이유 중 하나는 다른 고강도 합금에 비해 용접성이 뛰어나기 때문입니다.

• 용접성: 718은 일치하는 필러 금속을 사용하여 잘 용접되지만 용접 후 열처리(PWHT)를 소홀히 하면 문제가 발생합니다. 용접 어셈블리의 용액 어닐링과 에이징은 중요 부품에 일반적으로 사용됩니다.

• 용접 필러 선택: 용접 후 노화가 호환 가능한 기계적 및 부식 거동을 생성할 수 있도록 일치하거나 승인된 필러를 사용합니다.

• 왜곡 및 잔류 스트레스: 강도가 높기 때문에 공차가 좁은 부품에는 올바른 고정과 제어된 용접 순서가 필요합니다.

• 가공: 노화 상태의 718은 강도가 높아 가공하기 어렵기 때문에 많은 제작업체에서 연질(용액 어닐링) 상태로 가공한 후 노화 사이클을 적용합니다.

석유 및 가스 및 항공우주 분야의 애플리케이션

석유 및 가스(API 6A CRA 718의 주요 초점):

• 패커, 행거, 커플링, 다운홀 커넥터, 안전/릴리프 밸브, 씰 및 고강도 패스너. 718은 강도와 서비스 기능이 결합된 제품으로 완공 및 시추 장비의 주축을 이루고 있습니다.

항공우주 및 가스 터빈:

• 터빈 디스크, 샤프트 및 패스너는 역사적으로 718의 구형 변종(AMS 조건)을 사용했습니다. 항공우주 분야의 수요로 인해 크리프 저항성과 피로 특성으로 인해 이 합금의 초기 개발이 추진되었습니다.

기타 부문:

• 고강도 및 내식성이 요구되는 원자력 부품, 고압 펌프 샤프트, 특정 화학 처리 장비 등에 사용됩니다.

사워 서비스 검사, 테스트 및 인증

API 718 공급을 위한 공통 테스트 매트릭스는 다음과 같습니다:

• 양성 물질 식별(PMI): 구성을 확인합니다.

• 기계적 테스트: 대표 샘플의 인장, 항복률, 연신율을 측정합니다.

• 경도 테스트: 로트 전체에 걸쳐 로크웰 C 및/또는 브리넬 - NACE MR0175 준수를 위해 필수입니다.

• 미세 구조 검사: 침전물 분포, 입자 크기 및 유해한 단계가 없는지 확인합니다.

• 비파괴 검사(NDT): 자성 입자(강자성 개재물의 경우), 액체 침투제, 지정된 대로 초음파.

• 수소 취성 스크리닝 / SSC 테스트: 특정 신맛이 나는 애플리케이션에서 요구되며, NACE 지침은 SCC 테스트가 필수인 경우를 명시합니다.

조달 양식, 표시 및 추적성

공급업체는 일반적으로 718 봉강, 단조품, 플레이트, 링, 심리스 로드 및 가공 부품을 제공합니다. API/NACE 사용 주문의 경우 일반적으로 필요합니다:

• 밀 테스트 인증서(EN 10204 유형 3.1 또는 이에 상응하는 인증서).

• 용융물에서 완성품까지 열 번호를 추적할 수 있습니다.

• 수행된 열처리 주기(온도/시간 프로파일)에 대한 문서화.

• 각 로트/배치에 대한 경도 기록 및 기계적 테스트 보고서.

비교 선택(718과 다른 일반적인 합금)

선택 논리: 매우 높은 수율 강도와 사워 서비스 저항성이 필요한 경우 718 API 변형이 선호됩니다.

설계 고려 사항 - 피로, 크리프 및 온도

• 피로: 718은 노화 상태에서 강력한 피로 성능을 발휘하지만 표면 마감, 잔류 응력 및 열처리 변화가 중요합니다. 샷피닝 및 표면 처리를 통해 피로 수명을 늘릴 수 있습니다.

• 크립: 718은 최대 ≈650-700°C까지 유용한 크리프 저항성을 유지합니다. 이러한 범위 이상의 연속 노출의 경우 다른 니켈 초합금(예: 합금 713, 625 변형)을 선택할 수 있습니다.

• 신맛이 나는 서비스를 위한 온도 제한: 엔지니어는 특정 서비스에 718이 허용되는지 여부를 결정하기 위해 실제 온도와 H₂S 분압을 상호 참조해야 하며, NACE/ISO 표는 한계를 제시합니다.

대표적인 사례 노트 및 피해야 할 실패 모드

718 구성 요소가 현장에서 실패하는 일반적인 근본 원인:

• 부적절한 열처리: 불충분한 에이징 또는 잘못된 용액 어닐링으로 인해 강도가 낮거나 국부적으로 취성이 발생하는 경우.

• NACE 경도 제한을 초과합니다: 허용 HRC 이상으로 경화되거나 잔류 응력이 높은 부품은 황화물 응력 균열이 발생할 수 있습니다.

• 섹션 간 열처리 매칭이 잘못되었습니다: 대형 단조품은 단면 두께에 따라 특성이 달라지므로 에이징 또는 가공 후 제어를 조정해야 합니다.

• 적절한 갈바닉 절연이 없는 혼합 야금: 바닷물에서 서로 다른 금속을 결합한 커넥터는 덜 귀한 구성 요소에 대한 국소적인 공격을 조장할 수 있습니다.

빠른 참조 표

표 A - 일반적인 화학 성분(정규화)

(사양 범위는 AMS, ASTM 또는 API 변형에 따라 약간씩 다릅니다. 필요한 문서를 항상 명시하세요.)

표 B - 열처리 사이클 예시(예시)

(실제 주기는 다를 수 있습니다. 공급업체는 일반적으로 열처리 프로필을 문서화합니다.)

자주 묻는 질문

1) 인코넬 718은 사워(H₂S) 서비스에 적합합니까?
예 - 재료가 NACE MR0175 / ISO 15156-3 및 API 6A CRA 요건(최대 경도 제한 및 문서화된 열처리 포함)을 충족하도록 생산 및 열처리된 경우입니다. 공급업체의 테스트 보고서를 확인하세요.

2) AMS와 API 6A CRA 718의 차이점은 무엇인가요?
AMS 사양(예: AMS5662/5663)은 일반적으로 항공우주 열처리 조건 및 승인 테스트를 정의하며, API 6A CRA는 사워 서비스에 맞는 오일 및 가스 전용 처리, 테스트 및 경도 제한을 추가합니다. 용도에 맞는 사양을 선택하세요.

3) NACE 준수를 위해 허용되는 경도는 어느 정도인가요?
일반적으로 용액 어닐링 + 노화 조건에서 로크웰 C ≤ 40이지만, 애플리케이션의 버전과 특정 표를 확인해야 합니다(NACE/ISO에는 온도에 따른 제약이 있습니다).

4) 718을 용접한 후에도 신맛이 나는 서비스에서 사용할 수 있나요?
예 - 하지만 용접 어셈블리는 올바른 용액 어닐링 및 노화 주기(또는 지정된 용접 후 열처리)를 거쳐야 하며 경도 및 미세 구조 검사를 통해 NACE 규정을 준수하는지 확인해야 합니다.

5) API 718 클래스의 일반적인 최소 수율 값은 얼마인가요?
일반적인 업계 관행은 120ksi 및 140ksi 최소 항복 강도 등급을 공급하며, 일부 공급업체는 제한된 형태의 특수 150ksi 고강도 제품을 제공합니다. 항상 PO에 필요한 최소값을 명시하세요.

6) 사워 서비스에서 718에 대한 온도 제한이 있나요?
예. NACE MR0175 / ISO 15156 표는 온도/압력 지침을 설정하므로 엔지니어는 해당 표에 따라 온도와 H₂S 분압의 특정 조합을 검증해야 합니다.

7) 단면 두께가 기계적 특성에 어떤 영향을 미치나요?
큰 섹션은 냉각 및 노화가 다르게 진행되며, 항복률과 인장 특성 및 경도는 섹션 크기에 따라 달라질 수 있습니다. 공급업체는 종종 대표 섹션을 테스트하거나 경감 지침을 제공합니다.

8) 718은 자성이 있나요?
대부분의 조건에서 718은 오스테나이트 니켈 매트릭스로 인해 약자성 또는 거의 비자성이지만 냉간 가공 또는 특정 침전물 분포로 인해 약간의 자성을 가질 수 있습니다.

9) 중요 부품에는 일반적으로 어떤 NDT 및 자격 테스트가 필요합니까?
PMI, 인장 시험, 경도 시험, 미세 구조 검사, 적절한 NDT(UT/MT/PT) 및 구매 사양에서 요구하는 수소 취성 또는 SSC 테스트가 포함됩니다.

10) 애플리케이션에 더 높은 일반 내식성이 요구되는 경우의 대안은?
피팅 또는 염화물 저항성이 가장 중요한 경우 625, 725 이상의 고귀한 CRA와 같은 합금을 고려하고, 고온 크리프 저항성이 필요한 경우 크리프에 적합한 다른 니켈 기반 초합금을 평가합니다.