KR100645767B1 - 12Cr계열 고크롬 마르텐사이트계 블레이드 소재의 결정립 미세화 열처리방법 - Google Patents

12Cr계열 고크롬 마르텐사이트계 블레이드 소재의 결정립 미세화 열처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 12Cr계열 고크롬 마르텐사이트계 블레이드 소재의 결정립 미세화 열처리방법에 관한 것으로, 저압터빈용 12Cr계 고크롬계의 블레이드 소재의 형단조시 과열에 의해 블레이드의 베인부에 생성된 조대한 결정립을 열처리에 의해 미세화시키는 열처리방법에 관한 것이다.
본 발명은 AC3온도(816~836℃) 이상의 높은 온도인 940~970℃의 온도까지 시간당 50℃의 속도로 가열하여 유지하는 단계와; 이 단계 이후 상기 940~970℃온도에서 소재의 두께 25mm당 1시간 유지하는 단계와; 이 단계 이후 유지된 조직을 공냉에 의해 온도가 내려가서 800~850℃ 사이일때 냉각속도를 10~20℃/min으로 유지하는 단계와; 이 단계 이후 품질열처리를 수행하여 소재의 결정립을 미세화하도록 하는 단계를 포함하여 이루어진 방법이다.
이러한 방법을 통해 본 발명은 12Cr계열인 고크롬 마르텐사이트계 블레이드의 제조과정에서 생성되는 조대한 결정립을 미세화하여 기계적 특성이 저하되지 않고 고온특성이 우수한 소재로의 열처리과정에서 처리시간을 종래보다 대폭 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
터빈, 블레이드, 열처리, 공냉, 담금질, 신속, 결정립, 조대화, 미세화

Description

12Cr계열 고크롬 마르텐사이트계 블레이드 소재의 결정립 미세화 열처리방법{A Heat Treatment Method for Fining Crystal Particle of Blade Material}
도 1은 종래의 열처리방법을 설명하기 위한 그래프
도 2는 본 발명의 열처리방법을 설명하기 위한 그래프
도 3은 블레이드 베인부의 결정립 구조를 나타낸 사진으로서, 도 3(a)는 열처리하기 전의 베인부의 조대 결정립을 나타낸 사진, 도 3(b)는 종래의 방법에 의한 풀림열처리한 비교예인 베인부의 미세결정립을 나타낸 사진, 도 3(c)는 본 발명에 따른 방법을 통해 열처리한 실시예인 베인부의 미세결정립 상태를 나타낸 사진,
도 4는 본 발명에 따른 방법에 의한 실시예를 담금질 온도에 따른 인장강도/항복강도의 변화상태를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 방법에 의한 실시예를 담금질 온도에 따른 충격에너지의 변화상태를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 12Cr계열 고크롬 마르텐사이트계 블레이드 소재의 결정립 미세화 열처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저압터빈용 12Cr계 고크롬계의 블레이드 소재의 형단조시 과열에 의해 블레이드의 베인부에 생성된 조대한 결정립을 열처리에 의해 미세화시키는 열처리방법에 관한 것이다.
일반적으로, 저압터빈용 고 크롬계(11.5~12.5% 크롬) 블레이드 소재의 제조는 봉형의 빌렛을 형단조를 위해 프리폼(preform)을 성형하고, 가열로에서 단조를 위해 가열한 후, 형단조를 하여 블레이드를 제조한 다음, 기계적 특성을 만족시키기 위해 품질열처리(담금질 및 뜨임)를 거쳐서 최종형상으로 가공한다. 그러나, 형단조시, 가열온도가 높거나 형단조 과정에 과열이 발생할 경우, 베인부에 국부적으로 결정립이 조대한 부분이 발생하게된다.
종래의 열처리방법은 도 1에 도시된 바와 같이, AC3 이상의 높은 온도(816℃~836℃ 이상)에서 일정시간 유지하고, 서냉한 후, AC1 이하의 온도(766℃~786℃ 이하)에서 96시간 동안의 열처리 한 다음, 노냉시키고 품질열처리를 다시 수행하였다.
보다 구체적으로 설명하면, AC3 이상의 높은 온도에서 소재의 두께 25mm당 1시간 유지하고, 유지된 조직으로부터 15~25℃/hour로, AC1이하의 온도까지 서냉한다. 그후 이 온도에서 96시간동안의 열처리를 하고, 15~25℃/시간으로 상온까지 노냉시킨 후 최종적인 물성을 맞추기 위해 품질열처리를 수행한다.
이러한 과정을 거치다보니, 열처리 소요시간이 장시간 소요되어 경제성이 떨어지며, 장시간 열처리에 의해 제품에 변형이 생길 우려가 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서,열처리시간을 단축시켜서 경제성을 확보하고, 소재의 조대한 결정립을 효과적으로 미세화시키도록 한 12Cr계열 고크롬 마르텐사이트계 블레이드 소재의 결정립 미세화 열처리방법을 제공함에 발명의 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 AC3온도(816~836℃) 이상의 높은 온도인 940~970℃의 온도까지 시간당 50℃의 속도로 가열하여 유지하는 단계와; 이 단계이후 상기 940~970℃온도에서 소재의 두께 25mm당 1시간 유지하는 단계와; 이 단계 이후 유지된 조직을 공냉에 의해 온도가 내려가서 800~850℃ 사이일때 냉각속도를 10~20℃/min으로 유지하는 단계와; 이 단계 이후 품질열처리를 수행하여 소재의 결정립을 미세화하도록 한 방법을 제공하므로써 달성된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.
본 발명은 통상적인 풀림 열처리 방법을 변경하여 도 2에 간략히 도시한 바와 같이, AC3온도(816~836℃) 이상의 높은 온도인 940~970℃의 온도까지 시간당 50℃의 속도로 가열하여 유지하는 단계와; 이 단계 이후 상기 940~970℃온도에서 소재의 두께 25mm당 1시간 유지하는 단계와; 이 단계 이후 유지된 조직을 공냉에 의해 온도가 내려가서 800~850℃ 사이일때 냉각속도를 10~20℃/min으로 유지하는 단계와; 이 단계 이후 품질열처리를 수행하여 소재의 결정립을 미세화하도록 한 방법이다.
상기 품질열처리는 담금질 및 뜨임처리하는 것이다.
또한, 상기 800~850℃ 사이일때 냉각속도를 10~20℃/min으로 하지 않고, 그 이상의 냉각속도로 하는 경우 즉, 상대적으로 속도가 빠르면 소재에 크랙이 발생할 우려가 있다.
도 3(a)는 종래의 조대한 결정립을 가지는 블레이드 베인부의 미세조직을 촬영한 사진, 도 3(b)는 통상적인 풀림 열처리방법에 의해 미세화된 상태를 촬영한 사진, 도 3(c)는 본 발명에 따른 방법으로 열처리방법을 통해 조대한 결정립이 미세화된 상태를 촬영한 사진이다.
이 사진을 보면, 본 발명에 따른 방법으로 처리한 결과가 통상의 열처리방법으로 처리한 것에 비하여 우수한 결과를 얻었음을 알 수 있다.
아래 표 1은 통상적인 풀림열처리방법에 의한 비교예와 본 발명에 의한 열처리방법에 의해 미세한 결정립으로 변화시킨 실시예의 기계적 특성에 대한 결과를 나타낸 것이다.
시료 항복강도 (MPa) 인장강도 (MPa) 연신율(%) 전단면적 (%) 경도(HB) 충격에너지(J)
요구값 555 760 18 55 223~269 33.9
실시예 654.55 854.36 22 65 269 113.89
비교예 651.8 837.8 22 67 252.5 73.55
실시예의 항복강도와 인장강도값이 비교예보다 우수하게 나타났으며, 상온 충격에너지 값 또한 비교예의 미세한 결정립이 존재하는 경우에 비해 실시예의 값이 훨씬 우수한 것으로 나타났다. 즉, 본 발명의 열처리방법에 의해 조대한 결정립이 미세화된 경우, 기계적 특성이 개선되는것으로 나타났다.
또한, 도 4는 본 발명에 따른 열처리방법에 의해 미세화된 결정립을 가지는 소재에 대하여 결정립크기에 따른 기계적 성질값의 차이를 조사하기 위해 형단조한 블레이드를 품질열처리 온도를 변화시켜 모의실험을 통해 온도변화에 따른 인장강도/항복강도 값의 변화를 조사한 결과이다. 그래프에서 TS는 인장강도(Tensile Strength)이고, YS는 항복강도(Yield Strength)이다.
그래프에서 보는바와 같이, 점선으로 표시한 인장강도 규정치(TS Spec.)(760 MPa)와 항복강도 규정치(YS Spec.)(555MPa) 이상에서 담금질온도가 상승하더라도 인장강도/항복강도 값은 저하되지 않고 비례해서 상승함을 알 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 담금질온도 변화에 따른 충격에너지의 변화상태를 도시한 것으로, 담금질 온도 1140℃ 이상인 경우에는 규정치(Spec.)를 만족하지 못함을 알 수 있다.
따라서, 모의실험을 통한 결과로부터 본 발명에따른 12Cr계열 고크롬 마르텐사이트계 블레이드 소재의 경우, 형단조시 온도가 1200℃ 이상으로 과열될 경우, 결정립크기는 조대해질 수 있으므로, 형단조시 온도관리가 소재의 결정립크기 제어에 중요한 요인으로 작용하는 것을 알 수 있다.
한편, ASTM No.1(250㎛)이상의 조대한 결정립을 가지는 소재인 경우, 본 발명에 따른 열처리방법을 복수회(적어도 2회)시행한 후 품질열처리를 하면, ASTM No.6(45㎛)이상의 미세한 결정립을 얻을 수 있다.
이와 같이 본 발명은 12Cr계열인 고크롬 마르텐사이트계 블레이드의 제조과 정에서 생성되는 조대한 결정립을 미세화하여 기계적 특성이 저하되지 않고 고온특성이 우수한 소재로의 열처리과정에서 처리시간을 종래보다 대폭 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 편의상 첨부된 예시도면에 의거 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 이에 국한되지 않고 본 발명의 기술적 사상의 범주내에서 여러가지 변형 및 수정이 가능하며, 이러한 변형 및 수정은 본 발명의 특허청구범위내에 포함됨은 자명한 사실이다.

Claims (1)

  1. AC3온도(816~836℃) 이상의 높은 온도인 940~970℃의 온도까지 시간당 50℃의 속도로 가열하여 유지하는 단계와;
    이 단계 이후 상기 940~970℃온도에서 소재의 두께 25mm당 1시간 유지하는 단계와;
    이 단계 이후 유지된 조직을 공냉에 의해 온도가 내려가서 800~850℃ 사이일때 냉각속도를 10~20℃/min으로 유지하는 단계와;
    이 단계 이후 품질열처리를 수행하여 소재의 결정립을 미세화하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 12Cr계열 고크롬 마르텐사이트계 블레이드 소재의 결정립 미세화 열처리방법.
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