KR100665746B1

KR100665746B1 - 내열성 오스테나이트 스테인레스강

Info

Publication number: KR100665746B1
Application number: KR1020017009754A
Authority: KR
Inventors: 순트스트룀안; 카이고우카이
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2007-01-09
Also published as: BR0008218A; ES2246827T3; EP1194606A1; BR0000549A; HK1044967B; US6485679B1; DK1194606T3; CN1340109A; DE60023699D1; JP2000239807A; HK1044967A1; KR20010101940A; SE9900555D0; SE9900555L; EP1194606B1; SE516137C2; JP2002537486A; WO2000049191A1; DE60023699T2; JP5000805B2

Abstract

본 발명은 (중량으로) 0.04 내지 0.10% 탄소(C), 0.4% 이하의 규소(Si), 0.6% 이하의 망간(Mn), 20 내지 27% 크롬(Cr), 22.5 내지 32% 니켈(Ni), 0.5% 이하의 몰리브덴(Mo), 0.20 내지 0.60% 니오브(Nb), 0.4 내지 4.0% 텅스텐(W), 0.10 내지 0.30% 질소(N), 0.002 내지 0008% 붕소(B), 0.05% 미만의 알루미늄(Al), 0.010% 미만의 Mg 및 0.010% 미만의 Ca의 양으로 성분 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca) 중 하나 이상, 나머지는 철 및 반드시 존재하는 불순물을 포함하는 조성을 가지는, 고온에서 작동하는 보일러에 사용되기에 적합한, 고온에서 높은 크리프 파열 강도, 우수한 내증기산화성, 우수한 열측 내부식성 및 충분한 구조족 안정성을 가지는 내열성 오스테나이트 스테인레스강 합금을 제공한다.

Description

내열성 오스테나이트 스테인레스강{HEAT RESISTANT AUSTENITIC STAINLESS STEEL}

본 발명의 목적은 고온에서 고강도, 우수한 내증기산화성, 우수한 열측 내부식성 및 충분한 구조적 안정성을 가지는 내열성 오스테나이트 스테인레스강을 제공하는 것이다.

본 발명은 또한 고온에서 고강도, 우수한 내증기산화성, 우수한 열측 내부식성, 및 충분한 구조적 안정성을 가지는 이러한 내열성 오스테나이트 스테인레스강으로 만들어진 보일러의 구조적 부재에 관한 것이다. 이러한 구조적 부재는 예를 들어 압출된 이음매없는 관 형상일 수 있다.

오스테나이트 스테인레스강은 예를 들면, 발전소에서 과열기 및 재가열기 관으로서 널리 사용되어 왔다. 효능을 증가시키고, 주변 요구사항을 충족시키기 위해, 발전소는 고온고압하에서 작동하도록 요구될 것이다. AISI 347, AISI 316 및 AISI 310과 같은 통상의 오스테나이트 스테인레스강은 이런 고도의 요구를 충족시킬 수 없으므로, 그 결과, 이러한 종류의 설비에 사용되는 재료는 크리프 강도 및 내부식성에 대한 향상된 특성이 요구된다. 발전소에서 더 심한 작동 조건에 대해 이러한 경향을 충족시키기 위해 다양하게 발전시키려고 노력해왔고, 지금도 하고 있다.

일반적으로 몰리브덴 및 텅스텐의 첨가로 경화된 고상 용액과 카보나이트라이드의 침전물은 고온에서 오스테나이트 스테인레스강의 강도를 향상시키는데 효과적이다. 또한, 상당량의 구리를 오스테나이트 스테인레스강에 첨가함으로써 강도가 향상되어 왔다. 크롬은 고온합금에서 내산화성 및 내부식성을 개선하는데 사용되는 필수 성분이다. 또한, 구조적으로 안정한 오스테나이트 구조를 확보하기 위해 필요한 니켈 함량은 질소와의 치환으로 인해 일부 기존에 개발된 합금에서는 감소되어 왔다.

일반적으로 일부 고가의 니켈에 대한 치환체로서 질소가 첨가되는 경우에서도 허용가능한 구조적 안정성을 가지는 높은 크리프 파열 강도를 가진 내부식성 재료를 얻는 것은 어려운 일이다. 장기간 노출 후, 시그마상과 같은 브리틀(brittle) 상의 형성을 억제하기 위해, 이러한 재료에는 보다 다량의 니켈, 및 크롬, 텅스텐 및 니오브와 같은 고수준의 페라이트 형성 성분이 필요하다. 크롬은 높은 내부식성을 위해 첨가되고, 텅스텐 및 니오브는 높은 크리프 파열 강도를 위해 첨가된다. 니켈외의 어떤 성분이 구조적 안정성을 개선할 목적으로 첨가되는 반면, 규소 및 몰리브덴과 같은 다른 시그마상 촉진 성분은 낮게 유지해왔다.

본 발명은 장기간 고온에서 높은 크리프 파열 강도, 우수한 내증기산화성 및 열측 내부식성 및 충분한 구조적 안정성을 가지는 합금을 제공한다.

본 발명에 따른 오스테나이트 스테인레스강은 (중량으로) 0.04 내지 0.10% 탄소(C), 0.4% 이하의 규소(Si), 0.6% 이하의 망간(Mn), 20 내지 27% 크롬(Cr), 22.5 내지 32% 니켈(Ni), 0.5% 이하의 몰리브덴(Mo), 0.20 내지 0.60% 니오브(Nb), 0.4 내지 4.0% 텅스텐(W), 0.10 내지 0.30% 질소(N), 0.002 내지 0.008% 붕소(B), 0.05% 미만의 알루미늄(Al), 0.010% 미만의 Mg 및 0.010% 미만의 Ca의 양으로 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca) 성분 중 하나 이상, 나머지는 철 및 반드시 존재하는 불순물을 포함한다. 선택적으로, 2.0-3.5% 구리(Cu) 및/또는 0.5-3% 코발트(Co) 및/또는 0.02-0.1% 티탄(Ti)이 포함될 수 있다.

본 발명의 한 실시형태에서, 오스테나이트 스테인레스강은 상기 나열된 구성 성분으로 필수적으로 이루어진 조성을 가진다.

본 발명의 다른 실시형태에서, 오스테나이트 스테인레스강은 상기 나열된 구성 성분으로 이루어진 조성을 가진다.

본 발명의 한 바람직한 실시형태에 따라 형성된 합금의 구성 성분은 하기에 설명한다. 기재된 백분율은 중량에 의한 것이다.

탄소:

탄소는 고온 강에 필요한 적당한 신장 강도 및 크리프 파열 강도를 제공하는 효과적인 성분이다. 그러나, 과량의 탄소가 첨가되면, 합금의 인성이 감소하고, 용접성이 저하될 수 있다. 이러한 이유로, 탄소 함량은 0.04% 내지 0.10%, 바람직하게는 0.06-0.08%의 범위로 제한된다.

규소:

규소는 탈산화제로서 효과적이고, 또한 내산화성을 개선하는데 기여한다. 그러나, 과량의 규소는 용접성에 불리하고, 발전소에서 마주치는 환경에 장기간 노출된 후의 시그마상 형성으로 인한 연성 및 인성의 악화를 방지하기 위해, 규소 함량은 0.4% 이하, 바람직하게는 0.2%보다 훨씬 낮아야 한다.

망간:

망간은 탈산화 성분이고, 또한 고온 가공성(workability)을 개선하는데 효과적이다. 그러나, 크리프 파열 강도, 연성 및 인성이 감소되는 것을 방지하기 위해, 망간 함량은 0.6% 이하이어야 한다.

인과 황:

인과 황은 용접성에 불리하고, 브리틀화를 촉진할 수 있다. 따라서, 인과 황의 함량은 각각 0.03% 또는 0.005%를 초과해서는 안된다.

크롬:

크롬은 열측 내부식성 및 내증기산화성을 향상시키는데 효과적인 성분이다. 이 점에서 충분한 내성을 얻기 위해서는 20% 이상의 크롬 함량이 필요하다. 그러나, 크롬 함량이 27%를 초과하면, 안정한 오스테나이트 구조를 생산하고, 고온에서 장기간 후 시그마상의 형성을 억제하기 위해 니켈 함량이 더 증가되어야 한다. 이점을 고려하여, 크롬 함량은 20% 내지 27%, 바람직하게는 22-25%의 범위로 제한된다.

니켈:

니켈은 안정한 오스테나이트 구조를 확보하기 위한 필수 성분이다. 구조적 안정성은 근본적으로 크롬, 규소, 몰리브덴, 알루미늄, 텅스텐, 티탄 및 니오브와 같은 페라이트 안정화제, 및 니켈, 탄소 및 질소와 같은 오스테나이트 안정화제의 상대량에 따라 다르다. 고온에서 장기간 후 시그마상이 형성되는 것을 억제하기 위해서, 특히 고온 내부식성 및 높은 크리프 파열 강도를 확실히 하는데 필요한 높은 크롬, 텅스텐 및 니오브 함량에서, 니켈 함량은 22.5% 이상, 바람직하게는 25% 이상이어야 한다. 또한, 특정 크롬 수준에서, 증가된 니켈 함량은 산화물 성장률을 억제하고, 연속적인 산화크롬층을 형성하는 경향을 증가시킨다. 그러나, 생산비를 합리적인 수준에서 유지하기 위해서는 니켈 함량이 32%를 초과해서는 안된다. 상기 상황의 관점에서, 니켈 함량은 22.5% 내지 32%의 범위로 제한된다.

텅스텐 및 몰리브덴:

텅스텐은 주로 고상 용액 경화를 통해 고온 강도를 향상시키기 위해 첨가되며, 이러한 효과를 얻기 위해서는 최소 0.4%가 필요하다. 그러나, 몰리브덴 및 텅스텐은 모두 시그마상의 형성을 촉진하고, 또한 열측 부식을 가속화할 수 있다. 강도를 향상시키는데 있어서는 텅스텐이 몰리브덴보다 더 효과적이라고 생각된다. 이러한 이유로, 몰리브덴 함량은 0.5% 이하, 바람직하게는 0.02% 이하로 낮게 유지된다. 그러나, 충분한 용접성을 유지하기 위해, 텅스텐 함량은 4.0%를 초과하지 않아야 하므로, 텅스텐 함량은 0.4% 내지 4.0%, 바람직하게는 1.8% 내지 3.5% 범위로 제한된다.

코발트:

코발트는 오스테나이트-안정화 성분이다. 코발트를 첨가하면 고상 용액 강화를 통해 고온 강도를 향상시키고, 고온에서 장기간 노출된 후 시그마상 형성을 억제할 수 있다. 그러나, 생산비를 합리적인 수준으로 유지하기 위해, 코발트를 첨가하는 경우, 코발트 함량은 0.5% 내지 3.0% 범위에 있어야 한다.

티탄:

티탄은 카보나이트라이드, 카바이드 및 나이트라이드의 침전물을 통해 크리프 파열 강도를 개선할 목적으로 첨가될 수 있다. 그러나, 과량의 티탄은 용접성 및 가공성을 감소시킬 수 있다. 이러한 이유로, 티탄을 첨가하는 경우, 티탄 함량은 0.02% 내지 0.10% 범위로 제한된다.

구리:

구리는 매트릭스에 미세하고 균일하게 침전된 구리가 풍부한 상을 생산하기 위해 첨가될 수 있고, 크리프 파열 강도를 개선하는데 기여할 수 있다. 그러나, 과량의 구리는 가공성을 떨어뜨린다. 이 점에서, 구리 함량은 2.0% 내지 3.5%의 범위로 제한된다.

알루미늄 및 마그네슘:

알루미늄 및 마그네슘은 제조하는 동안 탈산화에 효과적이다. 그러나, 과량의 알루미늄은 시그마상의 침전을 가속화할 수 있고, 과량의 마그네슘은 용접성을 악화시킬 수 있다. 이러한 이유로, 알루미늄의 함량은 0.003% 내지 0.05%가 되도록 선택되고, 마그네슘의 함량은 0.01% 미만이 되도록 선택된다.

칼슘:

칼슘은 제조하는 동안 탈산화에 효과적이다. 칼슘을 첨가하는 경우, 칼슘 함량은 0.01%이하가 되도록 선택된다.

니오브:

니오브는 일반적으로 카보나이트라이드 및 나이트라이드의 침전을 통해 크리프 파열 강도를 개선하는데 기여하기 위해 허용된다. 그러나, 과량의 니오브는 용접성 및 가공성을 떨어뜨릴 수 있다. 이 점에서, 니오브 함량은 0.20% 내지 0.60%, 바람직하게는 0.33% 내지 0.50% 범위로 제한된다.

붕소:

붕소는 부분적으로 미세하게 분산된 M₂₃(C,B)₆의 형성 및 입자 경계 강화로 인해 크리프 파열 강도를 개선하는데 기여한다. 붕소는 또한 고온 가공성을 향상시키는데 기여할 수 있다. 그러나, 과량의 붕소는 용접성을 악화시킬 수 있다. 이 점에서, 붕소 함량은 0.002% 내지 0.008% 범위로 제한된다.

질소:

탄소 뿐만 아니라 질소도 고온 강도, 크리프 파열 강도를 개선하고, 오스테나이트 상을 안정화시키는 것으로 알려졌다. 그러나, 질소가 과량으로 첨가되면, 합금의 인성 및 연성이 감소된다. 이러한 이유로, 질소의 함량은 0.10% 내지 0.30%, 바람직하게는 0.20-0.25% 범위로 제한된다.

본 발명의 합금을 포함하는 물품의 제조방법의 예:

본 발명의 합금 제조시, 전기 아크로, 아르곤-산소-탈탄소(AOD), 및 진공 도입 용융 방법을 포함하는 임의의 통상의 방법으로 합금 용융물을 제조할 수 있다. 그리고 나서, 용융물은 연속적으로 괴철로 주조되거나, 잉곳으로 주조되고, 압연 및/또는 단조된 후, 고온 압출에 의해 이음매없는 관으로 제조될 수 있다. 그리고 나서, 강은 냉필저(cold pilgered) 및/또는 인장되고 1150-1250℃와 같은 고온에서 용액 처리될 수 있다. 이러한 관은 과열기의 성분으로서 유리하게 사용될 수 있다.

본 발명을 보다 완전하게 이해하기 위해, 하기 실시예들을 나타낸다.

표 1은 실험실 고주파 로에서 제조된 본 발명의 어떤 합금의 화학 조성을 나타낸다. 이들 합금 모두로부터 실험편을 제조하고, 700℃에서 크리프 파열을 시험을 하였다. 표 2는 185MPa 및 165MPa에서 크리프 파열 시간으로서 크리프 파열 시험 결과를 보여준다.

고함량의 질소, 니오브, 텅스텐, 코발트 및 구리와 조합된 고도의 니켈 합금이 크리프 특성이 가장 우수한 것으로 나타났다(합금 번호 605105). 또한, 크리프 파열 강도에 있어서, 고수준의 질소가 필수적이다(합금 번호 605105, 605107 및 605112). 고수준의 텅스텐 및 코발트와 조합된 합금은 더 우수한 크리프 성능을 가진다. 고수준 니켈 및 질소 합금(합금 번호 605105 및 605107)을 비교한 결과 고수준의 텅스텐 및 코발트를 가진 합금이 더 우수한 성능을 나타낸다. 또한, 고수준의 코발트는 더 우수한 크리프 특성에 기여할 수 있다. 고텅스텐 합금들(합금 번호 605108 및 605113)을 비교한 결과, 고수준의 코발트를 가진 합금이 더 우수한 크리프 강도를 가지는 것으로 나타난다.

표 3은 고순도의 합금을 얻을 수 있는 진공 유도 용융법을 사용한 실험실 용융물로서 제조된 본 발명의 어떤 합금의 화학 조성을 나타낸다. 이 표 3은 또한 165MPa 및 140MPa에서 크리프 파열 시간(시)으로서 700℃에서 크리프 파열 시험 결과를 보여준다. 이 시험들은 여전히 계속되고 있지만, 지금까지의 결과를 표에 나타낸다.

본 발명을 이의 바람직한 실시형태와 관련하여 설명하였으나, 이는 첨부된 청구항에서 정의된 바와 같은 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 당해 기술분야의 기술자들에 의해 특별히 설명하지 않은 추가, 삭제, 변형, 및 치환이 가능하다.

Claims

합금이 중량%로

0.04 내지 0.10% 탄소;

0.4% 이하의 규소;

0.6% 이하의 망간;

20 내지 27% 크롬;

22.5 내지 32% 니켈;

0.5% 이하의 몰리브덴;

0.20 내지 0.60%의 니오브;

0.4 내지 4.0%의 텅스텐;

0.10 내지 0.30%의 질소;

0.002 내지 0.008%의 붕소;

0.003 내지 0.05%의 알루미늄;

0.010% 미만의 마그네슘 및 칼슘 중 하나 이상;

또한 2 내지 3.5%의 구리 및 0.5 내지 3%의 코발트를 포함하는 조성을 가지며,

장기간에 걸쳐 고온에서 높은 크리프 파열 강도, 우수한 내증기산화성, 우수한 열측 내부식성 및 충분한 구조적 안정성을 가지는 오스테나이트 스테인레스강 합금.
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제1항에 있어서,

상기 합금이 0.02 내지 0.1%의 티탄 및 잔여 철 및 보통 제강 불순물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트 스테인레스강 합금.