KR100290653B1 - 650℃급 증기터빈 로터용15Cr 26Ni 1.25Mo 내열강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화력발전소용 증기터빈 로터재에 관한 것으로서, 650℃의 증기온도에서 사용이 가능하도록 대형 강괴의 건전성을 확보하는 한편 편석현상을 제거하여 요구되는 기계적 특성치를 만족할 수 있는 범위내에서 일부성분의 함량을 조절하여 고온 크리프파단 강도를 향상시키는 데 그 목적이 있으며, 이를 달성하기 위해 탄소 0.04중량%이하, 규소 0.1내지 0.15중량%, 망간 1.0중량%이하, 니켈 24.0내지 27.0중량%, 크롬 13.5내지 16.0중량%, 몰리브덴 0.5내지 1.0중량%, 바나듐 0.01내지 0.4중량%, 티타늄 0.9내지 1.4중량%, 탄탈륨 1.0내지 1.5중량%, 알루미늄 0.15내지 0.25중량%, 보론 0.004내지 0.005중량%, 질소 0.005중량%이하, 나머지는 불순물과 철을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 650℃급 증기터빈 로터용 15Cr26Ni1.25Mo 내열강.

Description

650℃급 증기터빈 로터용 15Ｃｒ26Ｎｉ1.25Ｍｏ 내열강

본 발명은 화력발전소용 증기터빈 로터재에 관한 것으로서, 특히 650℃의 증기온도에서 장시간 안정적으로 사용할 수 있는 650℃급 증기터빈 로터용 15Cr26Ni1.25Mo 내열강에 관한 것이다.

미국의 경우 1967년에 800/900MW급 발전기가 발전소 현장에 투입되었으며 일본은 600MW급 발전기를 같은 해에 투입하였고 1975년에 비로소 1000MW급 발전기가 발전소 현장에 투입되었다. 한편, 국내에서는 1999년에 800MW급 발전기가 발전소 현장에 투입될 예정이다.

화력발전소에서 사용되는 증기온도는 538℃→566℃→593℃→650℃단계로 온도상승이 예상되며 현재는 538℃가 상용화 되어 있다. 상기 증기온도의 상승에 따라 증기압력도 상승하게 되는데 이때의 증기압력은 16.6Mpa(Mega Pascal)→24.1Mpa→31.0Mpa→34.5Mpa단계로 압력상승이 진행되며, 현재의 증기압력은 24.1Mpa이 상용화되어 있다.

따라서 650℃의 운전조건에 따라 이들 터빈에 사용되는 부품 또한 고온특성이 우수한 재료가 요구되게 되었다. 따라서 기존의 저합금강이나 12Cr강은 650℃의 초고온 증기 터빈로터재로서 저주기 피로특성과 크리프파단 강도등 기계적 특성이 불충분하여 그 후보재로 15Cr26Ni1.25Mo 초내열합금(JIS SUH660)을 검토한 결과 기계적 특성이 사용조건을 충분히 만족하기는 하지만 대형 강괴의 건전성을 확보하기가 어려울뿐만 아니라 고온 크리프파단 강도등을 만족시키지 못하는 문제가 발생함에 따라 편석 현상을 없애면서 요구되는 기계적 특성치를 만족할 수 있는 범위내에서 일부성분의 함량을 조절하여 증기 터빈로터용 내열강을 개발하게 되었다.

세계적으로 상용화되어 사용되고 있는 15Cr26Ni1.25Mo합금(JIS SUH660)은 석출 경화형 철기 초내열 합금으로서 지금까지 항공기용 터보제트 엔진의 샤프트소재로 사용되고 있으며 면심입방의 오스테나이트게로 시트(SHEET), 플래이트(PLATE), 바(BAR), 튜빙(TUBING), 와이어(WIRE), 익스튜르션(EXTRUSIONS), 포어징(FORGINGS)등의 형태로 약 700℃까지 사용되고 있다. 또한, 성형성 및 용접성이 우수한 소재로 알려져 있고 우수한 고온특성을 유지하기 때문에 자동차용 내열볼트, 특수 열간공구등에 이용되고 있다.

종래의 로터소재는 사용온도에 따라 사용소재가 결정되어 왔다. 1CrMo강이나 크롬을 9∼13% 함유한 강이 개발되어 있으나 1CrMo강은 550℃ 이상이 되면 크리프 성질이 떨어져 650℃ 이상에서 사용되지 못하고, 크롬을 9∼13% 함유한 강은 550℃ 이상에서 사용 가능하나 590℃를 초과하지 못한다. 이러한 이유는 종래의 강에 함유된 합금 원소들만으로는 고온에서 사용되는 재료내부의 탄화물이 불안정하며 시간이 경과함에 따라 조대화되고, 크리프파단 강도가 점차 떨어져 수명이 급속히 떨어지는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 650℃의 증기온도에서 사용이 가능하도록, 대형 강괴의 건전성을 확보하는 한편 편석현상을 제거하여 요구되는 기계적 특성치를 만족할 수 있는 범위내에서 일부성분의 함량을 조절함으로써 고온 크리프파단 강도를 향상시킬 수 있는 650℃급 증기터빈 로터용 15Cr26Ni1.25Mo 내열강을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 650℃, 10만 시간에서의 크리프 파단강도와 파단 시간에 대한 그래프이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 650℃급 증기터빈 로터용 15Cr26Ni1.25Mo 내열강의 화학조성은 탄소(C)는 0.04중량%이하, 규소(Si)는 0.1내지 0.15중량%이하, 망간(Mn)은 1.0중량%이하, 니켈(Ni)은24.0내지 27.0중량%, 크롬(Cr)은 13.5내지 16.0중량%, 몰리브덴(Mo)은 0.5내지 1.0중량%, 바나듐(V)은 0.01내지 0.4중량%, 티타늄(Ti)은 0.9내지 1.4중량%, 탄탈륨(Ta)은 1.0내지 1.5중량%, 보론(B)은 0.004내지 0.005중량%, 알루미늄(Al)은 0.15내지 0.25중량%, 질소(N)는 0.005중량%이하, 산소(O₂)는 0.004중량%이하, 인(P)은 0.020중량%이하, 유황(S)은 0.010중량%이하이며 철과 미량의 불순물로 이루어지는 것을 특징으로한다.

본 합금은 응고구간이 넓어 강괴의 크기가 커질수록 강괴제조시 조성 편석이 심하고 편석의 영향으로 응고시 수지상정 조직사이에 탄화물등이 다량 석출되고 열간 단조시 이들 편석부위에서 국부 용해가 일어나 단조성을 떨어뜨리기 때문에 제조 가능한 강괴의 크기에 제약을 받게된다. 따라서 이미 규격화된 15Cr26Ni1.25Mo합금에서 편석을 일으키는 성분들중에서 그 정도가 심한 특정 원소의 일부를 저감하거나 첨가한 것이다.

본 발명에서 탄소의 함량은 0.04중량%이하가 바람직한데 이는 강중 탄소량이 과다하면 응고과정 초기에 활성원소 티타늄과 반응하여 티타늄카바이드(TiC)를 형성하고 취성을 유발함으로 인해 고온 가공성을 저해할 수 있기 때문이다.

규소는 제강과정에서 필수적인 탈산재로 사용되며, 함량은 0.1내지 0.15중량%가 바람직한데 제강과정에서 첨가량이 부족하면 탈산이 부족하여 강의 성질이 불량하게 되며, 첨가량이 과다하면 고온에서 시효 열처리시 G(Ni₃Ti₈Si₆)상이 입계나 입내에 괴상정으로 석출하여 결정성장을 지연시키고, 경도의 증가가 나타나 인성을 저하시킬 뿐만 아니라 단조성을 저하시키며, 특히, 고온에서 노치 민감도(Notch Sensitivity)가 높아지게 되어 인장강도, 연신율, 크리프파단, 피로특성등이 좋지 않게되기 때문이다.

망간은 소입성을 증대시키는 원소로서, 함량은 1.0중량%이하로 설정하는 것이 바람직하다.

니켈은 기지조직(Austenite, γ)을 안정화 시키는 원소로서, 함량은 24.0내지 27.0중량%가 바람직하고 활성원소와 결합하여 금속간 화합물의 γ'을 구성하고 유해한 상 석출을 방해하는 역할을한다.

크롬은 탄화물 형성원소로서, 함량은 13.5내지 16.0중량%가 바람직하며 상기 함량성분에서 고온 내산화성 및 내충격성 향상과 고용강화 효과를 나타낸다.

몰리브덴은 탄화물(M₆C)을 형성하여 고용강화에 의한 고온강도를 부여하고 몰리브덴카바이드중에 포함된 몰리브덴이 입계의 인과 결합하여 인에 의한 뜨임취성을 크게 완화하며 몰리브덴에 의해 뜨임 2차 경화성을 크게 향상시키는 효과가 있는 원소로서, 함량은 0.5내지 1.2중량%가 바람직한데 강중 몰리브덴의 함량이 과다하면 효과가 더 이상 증가하지 않고 오히려 사용온도에서 경년열화 속도가 빠르고 충격인성이 낮아지게되며 또한 몰리브덴의 양이 너무적으면 효과가 미약하게 되기 때문이다.

바나듐은 기지에 고용되어 고온강도를 증가시키고 불용성 탄화물을 만들어 고온경도를 높이며 뜨임 저항성을 증대시키는 원소로서, 함량은 0.01내지 0.4중량%가 바람직한데 강중 바나듐의 양이 적으면 결정립 미세화를 촉진하는 효과가 없고, 강중 바나듐의 양이 과다하면 소입성을 저하시키면서 불용성 탄화물이 증가하여 고온강도와 크리프파단 강도의 개선 효과가 나타나지 않기 때문이다.

티타늄은 탄화물 형성 원소이면서, 본 발명재의 고온 강도를 결정하는 석출물 즉, 금속간 화합물인 γ'(Ni₃Ti)를 만드는 것으로서 함량은 0.9내지 1.4중량%가 바람직한데, 강중 티타늄량이 너무 적으면 목표로 하는 인장강도를 얻을수 없고, 강중 티타늄량이 과다하면 응고시 대형 강괴 저부에 편석을 유발하고 크리프 파단 강도에 영향을 미치는 역 V편석이 형성되기 때문이다.

탄탈륨은 기지에 고용되어 고온강도를 증가시키고 크리프 강도를 증대시키는 원소로서, 함량은 1.0내지 1.5중량%가 바람직한데 강중 탄탈륨의 량이 너무 적으면 목표로하는 강도의 충분한 증가효과를 얻을 수 없고, 강중 탄탈륨의 량이 과다하면 고온강도의 증가효과가 더 이상 향상되지 않고 충격인성이 낮아지기 때문이다.

보론은 침입형 혹은 치환형으로 고용 가능하며 극미량의 첨가로 입계 편석에 의해 대형 강괴의 소입성을 향상시킨다. 함량은 0.005중량%가 바람직 한데 강중 보론량이 너무 적으면 입계에 석출하여 고온연성 증가에 의한 크리프파단 강도 향상 및 입계에 침상의 η(Ni₃Ti)상의 형성을 지연시키는 효과가 있으나, 강중 보론량이 과다하면 결정입계에서 취약한 보론나이트라이드 및 철탄소붕화물이 형성되어 열간단조시 적열취성을 일으키며 충격인성과 고온 강도에 악영향을 미치기 때문이다.

알루미늄은 내산화성을 증가시킬 뿐만 아니라 금속간 화합물인 γ' Ni₃(Al,Ti)로 석출하여 기지를 강화시키고 η(Ni₃Ti)의 형성을 지연시켜 크리프 파단 강도를 증가시키는 것으로 함량은 티타늄 첨가량과의 비율을 맞추어 0.15내지 0.25중량%이 바람직하다.

질소는 함량을 0.005중량% 이하로 하는 것이 바람직한데 강중 질소의 함량이 과다하면 제강후 응고시 활성원소인 티타늄과 결합하여 조대한 티타늄나이트라이드(TiN)를 만들어 단조성을 떨어뜨리는 결과를 초래할 뿐만 아니라 고온강도 또한 저하시키기 때문이다.

인, 유항, 산소 및, 수소등은 제조공정중 제강과정에서 기본적으로 함유되는 불순물로서, 인은 입계에 편석되어 충격저항을 저하시키며, 유황은 망간이나 몰리브덴등과 결합하여 가공성을 증대시키지만 너무 많으면 인성저하를 초래한다. 산소와 수소는 산화물, 수소화물 및 분자상 수소를 형성하여 재료를 취약하게 하므로 현재의 제강과정에서 용이하게 관리할 수 있는 한도를 각각 그 상한으로 설정하였다.

한편, 본 발명의 650℃급 증기터빈 로터용 15Cr26Ni1.25Mo 내열강에 대한 용해방법을 살펴보면 다음과 같다. 종래의 크리프 파단 연신은 수%가 요구되었으나 최근에는 수십%이상이 요구되게 되어, 그 대책으로서 산소 함유량과 비금속 개재물의 감소, 증기압이 높은 미량원소의 제거 및 응고 조직의 개선에 따른 미소편석의 방지를 가능하도록 하기위해 용해는 우선적으로 진공 유도 용해(Vacuum Induction Melting)을 채택 하였다. 진공유도 용해는 진공하에서 유도 용해를 실시함으로서 산소, 질소, 수소등의 가스가 자연스럽게 제거되게 된다. 만약, 대기중에서 용해를 실시한다면 Ti나 Al등이 질소 가스나 산소가스등과 반응하여 TiN, TiO₂, Al₂O₃등의 비금속 개재물을 형성하여 이들 비금속 개재물이 스트링거(Stringer)나 클러스터(Cluster)상으로 집합하게 되고 인성을 저해하는 원인으로 작용하게 된다. 한편, Bi, Pb, Ag 및 Se등과 미량 불순원소가 혼입되게 되면 크리프 파단 시간에 따라 크리프 파단 연신이 감소한다. 따라서, 이들 Bi, Pb, Ag 및 Se등의 미량 불순원소의 제거는 중요한 공정이다. 그러나, Bi, Pb, Ag 및 Se등과 같은 증기압이 높은 원소는 진공 유도 용해로 쉽게 제거 할수 있다. 또한 진공하에서는 각 원소의 산화를 방지할 수 있기때문에 합금 제조시 진공 용해법을 이용하였다.

다음에 본 발명의 실시예에 대한 내열강을 제조해서 각종의 특성을 시험한 결과와 본 발명의 특허 청구의 범위를 벗어난 비교예 합금에 대한 시험결과도 병행해서 설명한다.

하기의 표 1은 개발재와 비교재의 합금조성을 나타내는 것으로서 표 1에 나타난 화학조성을 갖는 합금을 진공용해로에서 용해하고, 1094∼1038℃온도 범위에서 강괴를 단조후 용체화 처리는 합금 원소를 충분히 고용하면서 입자 조대화가 일어나지 않는 온도조건을 찾고자 950∼1030℃에서 가열 한 후 기름에 침적하였다. 시효처리는 1,2,3차로 나누어 행하였으며, 1차 시효온도는 760∼800℃구간에서 20시간, 2차 시효온도는 700∼740℃에서 20시간, 3차 시효는 650∼670℃에서 20시간으로 한후 공기 냉각하여 각 시효온도 및 시효에 따른 경도 변화와 미세조직 및 기계적 특성을 조사하였다. 시효처리후 기계적 성질을 조사하기 위하여 상온과 고온에서의 인장강도 시험, 상온 및 저온에서의 충격시험, 상온 및 고온에서의 저주기피로시험, 크리프파단 강도시험을 하였다. 아래 표 2는 개발재와 비교재 조성으로 제조된 합금의 각 시험결과를 표시하였다.

하기 표 3은 저주기 피로 특성 시험결과를 나타낸 것으로, 정하중 크립시험기를 이용하여 650℃, 응력 45㎏/㎟∼20㎏/㎟의 정하중 시험조건의 크리프 파단 강도결과를 도 1에 나타내었다. 도 1은 종축에 크리프 파단 강도와 횡축에 온도와 시간을 하나의 파라메타로 나타낸 라슨-밀러 파라메타, P=(273+℃)(18+logt)×(10^-3)로 나타내어 양자간의 관계를 표시한 그래프이다. 도 1에서 실선은 개발재 합금, 점선은 비교재 합금을 나타낸 것이다. 도 1에 나타낸 것처럼 라슨-밀러 파라메타가 650℃에서 10만 시간에 해당하는 21.2인 값에서 156Mpa이고 비교재 합금인 경우 예상되는 크리프 파단강도가 설계요구값인 100Mpa을 만족하지 못한다는 것을 보여준다. 이러한 실시예는 도 1에서 보여주는 비교재보다 장시간 크리프파단 강도시험시 우수한 값을 나타낸다. 비교재는 인장강도가 최대 1,000Mpa, 항복강도가 최대 725Mpa, 연신율과 단면 수축률이 25%와 44%이다. 본 개발재는 650℃에서 10만시간 크리프 파단 강도가 156Mpa로 설계 요구치 108Mpa을 훨씬 초과한다. 따라서 표 2와 도 1에서 알수 있는 것과 같이 본 발명강은 고온에서 장시간 사용시 석출물이 안정하여 조대화가 쉽게 일어나지 않아 비교재에 비하여 장시간 크리프 특성이 매우 우수하고 노치 민감도(notch sensitivity)가 크게 민감하지 않다는 것을 확인 할 수 있었다.

표 1

표 2

표 3

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명 650℃급 증기터빈 로터용 15Cr26Ni1.25Mo 내열강은, 초내열합금 15Cr26Ni1.25Mo에 함유되는 질소와 탄소의 함량을 낮추어 고온 단조성과 조직의 건전성에 영향을 미치고 제강후 어떠한 열처리로도 제거가 불가능한 티타늄 나이트라이드와 티타늄 카바이드의 생성을 억제하고, 티타늄과 규소의 함량을 적절히 낮춤으로써 역 V편석을 억제시켜 노치 민감도를 낮추어 고온 크리프파단 강도를 향상시키는 효과가 있는 것이다.

또 탄탈륨을 적정 비율로 첨가하여 기지를 고용강화시켜 고온 크리프파단강도를 향상시키는 효과가 있는 것이다.

또한 보론을 적정량 첨가하여 입계의 크리프파단 강도를 향상시키는 효과가있는 것이다.

결론적으로 본 발명 650℃급 증기터빈 로터용 15Cr26Ni1.25Mo 내열강에 따르면 티타늄과 규소, 탄탈륨, 보론의 적정량을 첨가하므로써 크리프파단 강도를 향상시킬 수 있고, 상기 크리프파단 강도를 향상시킴에 따라 작동온도 650℃에서 어떠한 강종보다 안정적으로 장시간 사용할 수 있는 내열강 재료를 얻을 수 있는 효과가있는 것이다.

Claims (1)

1. 탄소 0.04중량%이하, 규소 0.1내지 0.15중량%, 망간 1.0중량%이하, 니켈 24.0내지 27.0중량%, 크롬 13.5내지 16.0중량%, 몰리브덴 0.5내지 1.0중량%, 바나듐 0.01내지 0.4중량%, 티타늄 0.9내지 1.4중량%, 탄탈륨 1.0내지 1.5중량%, 알루미늄 0.15내지 0.25중량%, 보론 0.004내지 0.005중량%, 질소 0.005중량%이하, 유황 0.010중량%이하, 산소 0.004중량%이하, 인 0.020중량%와 나머지의 철을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 650℃급 증기터빈 로터용 15Cr26Ni1.25Mo 내열강.

   제 1 항에 있어서, 상기 불순물은 유황 0.010중량%이하, 산소 0.004중량%이하, 인 0.020중량%로 구성됨을 특징으로 하는 650℃급 증기터빈 로터용 15Cr26Ni1.25Mo 내열강.