KR100985354B1

KR100985354B1 - 저합금강

Info

Publication number: KR100985354B1
Application number: KR1020087006733A
Authority: KR
Inventors: 다카시 나카시마; 가오리 가와노; 마사아키 이가라시
Original assignee: 수미도모 메탈 인더스트리즈, 리미티드
Priority date: 2005-09-06
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2010-10-04
Also published as: JP4816642B2; EP1930460B1; KR20080038236A; EP1930460A1; CN101258256A; CN101258256B; CA2621014C; US20080156400A1; CA2621014A1; US7935303B2; JPWO2007029687A1; EP1930460A4; WO2007029687A1; DE602006020890D1

Abstract

본 발명의 저합금강에 의하면, 성분 조성을 한정함과 더불어, 금속 조직을 베이나이트 또는 마텐자이트로 하고, 또한, 강재 용해시의 탈산이나 Nd 첨가의 시기를 적절 선택하고 Nd계 개재물을 적당량 존재시킴으로써, 종래 강에서는 달성이 곤란한, 고온 크리프 강도와 장시간 크리프 연성의 양립에 대해서, 가혹한 환경하에 있어서도 도모할 수 있다. 이에 의해, 발전용 보일러나 터빈, 원자력 발전 설비 등의 고온, 고압 하에서 장시간 사용되는 내열 구조 부재용의 재료로서 넓게 적용할 수 있다.

Description

저합금강{LOW ALLOY STEEL}

본 발명은, 발전용 보일러 튜브 및 터빈, 및 원자력 발전 설비 및 화학공업 장치 등의 내열 구조 부재로서 사용하는데 적합한 고온 크리프 강도와 크리프 연성이 뛰어난 저합금강에 관한 것이다.

발전용 보일러 튜브 및 터빈, 또한 원자력 발전 설비 및 화학공업 장치 등은, 고온 및 고압의 환경하에서 장시간에 걸쳐 사용된다. 따라서, 이러한 장치에 이용되는 내열 재료에는, 고온에 있어서의 강도, 내식성 및 내산화성, 및 상온에 있어서의 인성(靭性) 등이 양호한 것이 요구된다.

최근, 화력발전 플랜트에 있어서는, 지구 온난화 방지의 관점으로부터 CO₂ 등의 배출량 삭감을 목적으로 열효율의 향상이 필요하고, 화력발전용 보일러의 조업 조건은 고온, 고압화가 현저하며, 예를 들면 600℃를 넘어 300 기압의 조건을 상정한 신규 플랜트가 차례로 건설되고 있다. 고온 상태로 장시간 사용되는 재료에 있어서, 크리프 성능의 확보는 필수이지만, 상기 조업 조건은 내열강에는 극히 가혹한 조건이 되고 있다.

한편, 국내외로부터의 규제 완화의 요청을 받고, 전력 사업에 대해서도 자유 화가 진행되어, 전력 회사 이외의 회사나 상사의 참가가 가능해지고, 가격 경쟁이 격화된 결과, 발전 플랜트에 있어서도 종래 이상으로 경제성이 중요시되고 있다.

또한 신규 발전 플랜트뿐만 아니라, 노후화되 설비에 대해서도 안전성을 해치는 것 없이, 저비용으로 유지하기 위한 기술 개발이 극히 중요해지고 있다. 이러한 상황 하에서, 저비용이면서 종래의 강에 비해 고온 강도가 향상된 내열강이 바람직하고, 그러한 요구에 부응할 수 있는 고강도재의 개발이 진행되고 있다.

그 중에서도 550℃ 정도까지의 비교적 저온이 되는 영역에서는, 종래 JIS G3462 STBA22(1Cr－0.5Mo강), 동 STBA23(1.25Cr－0.5Mo강), 또는 동 STBA24(2.25Cr－1Mo강) 등의 Cr－Mo계 저합금강이 사용되고 있었지만, 또한 고온 크리프 강도를 높이는 것을 목적으로 하고, Mo의 일부를 W로 옮겨놓은 강(예를 들면, 특허공개 평 8－134584호 공보에 개시되는 강), Co 첨가에 의해 소입성(燒入性)을 비약적으로 높인 강(예를 들면, 특허공개 평 9－268343호 공보에 개시되는 강) 등이 개발되고 있다.

이러한 새로운 개발 강에 있어서는, W나 Co에 의해서 고온에서의 연화 저항이 개선되고, 특히 500℃ 이상에서의 크리프 강도는, 종래의 범용강에 비해 향상되고 있지만, 고강도화했기 때문에, 반대로 인성의 열화나, 장시간 크리프 연성(연장 및 수축)의 저하가 현저하게 되는 것이 분명해지고 있다.

이러한 인성 열화를 막고, 크리프 연성을 향상시키기 위하여, Cr－Mo강에 V, Nb 및 Ti을 첨가한 강이 제안되고 있다(예를 들면, 특허공개 2004－107719호 공보에서 제안된 강). 그러나, 상기 특허공개 2004－107719호 공보에서 제안된 강에 의 해서도, 인성의 개선이 도모되지만, 고온 크리프 강도와 크리프 연성과의 특성의 양립에 대해 또한 개선의 여지가 있다.

본 발명은, 발전 플랜트 등에 있어서 550℃ 정도까지의 온도범위에서 사용되는 내열 구조 부재용의 저합금강이며, 종래 강 이상으로 고온 크리프 강도가 높고, 또한 장시간의 크리프 연성도 뛰어난 저합금강을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명자들은, 상기의 과제를 달성하기 위하여, 여러 가지의 내열용 저합금강에 대해서, 강의 화학 조성과 금속 조직(미크로 조직)이 장시간의 고온 크리프 강도와 크리프 연성에 미치는 영향을 상세하게 검토했다. 그 결과, 다음의 (a) ~ (c)와 같이 새로운 지견을 얻었다.

(a) Cr－Mo강에 C를 적당량 첨가하면, Cr, Mo 등과 MX형의 석출물이나 M₂X형의 석출물(M은 금속 원소, X은 탄화물, 탄질화물 등을 의미한다)을 형성하여 현저한 석출 강화 작용을 얻을 수 있고, 또 고온 크리프 강도를 높게 하려면, 금속 조직이 베이나이트 조직 또는 마텐자이트 조직인 것이 필요하다.

(b) Cr－Mo강에 있어서, S량이 상당히 적어도, 입계 근방에서 황화물계 개재물이 형성되고, 이것이 구 γ입계 근방의 불균일 회복 및 재결정을 일으키는 요인이 되어, 강재의 크리프 연성을 저하시킨다. 그러나, 극단적인 S량의 저감에 의해 크리프 연성은 개선되지만, 현저한 제강 비용의 상승을 초래하게 된다.

(c) Nd을 단순히 강재에 첨가해도 크리프 연성을 향상시킬 수 없다. 그런데, 강재의 용해시의 탈산과 Nd 첨가의 시기를 적절히 선택함으로써, 구γ입계에 Nd₂0₂SO₄나 Nd₂O₂S와 같은 Nd을 함유하는 산황화물 개재물(이하, 「Nd계 개재물」이라고 한다)을 형성할 수 있고, 이 Nd계 개재물이 적당량 존재하는 강재는 극히 양호한 크리프 연성을 나타낸다.

본 발명의 저합금강은, 이상의 지견에 근거하여 완성시킨 것이며, 그 요지는, 하기 (1) 및 (2)에 나타내는 저합금강이다.

(1) 질량％로, C：0.05 ~ 0.15％, Si : O.05 ~ 0.70％, Mn：1.50％ 이하, P：0.020％ 이하, S：0.010％ 이하, Cr：0.8 ~ 8.0％, Mo：0.01 ~ 1.00％, Nd：0.001 ~ 0.100％, sol. Al：0.020％ 이하, N：0.015％ 이하 및 O(산소): 0.0050％ 이하를 포함하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 금속 조직이 베이나이트 또는 마텐자이트이며, 강 중의 Nd계 개재물의 크기가 0.1μm 이상 10μm 이하이고, 또한 그 개수가 1000μm² 당 10개 이상 1000개 이하인 것을 특징으로 하는 저합금강이다.

(2) 상기(1)의 저합금강은, Fe의 일부를 대신하여, Cu：0.5％ 이하, Ni：0.5％ 이하, V：0.5％ 이하, Nb : 0.2％ 이하, W：2.0％ 이하, B：0.01％ 이하, Ti：0.020％ 이하 및 Ca：0.0050％ 이하 중 1종 또는 2종 이상의 원소를 포함하는 것이어도 된다.

본 발명의 저합금강은, 종래 강에서는 곤란한, 고온 크리프 강도와 장시간 크리프 연성과의 양립을 가혹한 환경하에서도 달성할 수 있다. 따라서, 발전용 보일러나 터빈, 또한 원자력 발전 설비 등의 고온 및 고압의 조건하에서 장시간 사용되는 내열 구조 부재용의 재료로서 극히 유효한 특성을 발휘할 수 있다.

(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)

본 발명의 저합금강의 화학 조성을 상기와 같이 정한 이유에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 「％」는 특별히 거절하지 않는 한 「질량％」를 나타낸다.

C：0.05 ~ 0.15％

C는, Cr, Mo 등과 MX형의 석출물이나 M₂X형의 석출물(M은 금속 원소, X는 탄화물, 탄질화물 등을 의미한다)을 형성하고, 고온 강도 및 크리프 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 그러나, C 함유량이 0.05％ 미만에서는, MX형의 석출물이나 M₂X형의 석출물의 석출량이 불충분하고, 소입성이 저하하여 페라이트가 석출하기 쉬워지기 때문에 고온 강도 및 크리프 강도가 저하한다.

한편, 그 함유량이 0.15％를 넘으면, MX형의 석출물, M₂X형의 석출물 및, 예를 들면 M₆C 탄화물, M₂₃C₆ 탄화물, M₇C₃ 탄화물(M은 금속 원소를 의미한다) 등 다른 탄화물이 과잉으로 석출하여 강이 현저하게 경화하므로 가공성과 용접성이 손상된다. 따라서, C함유량을 0.05 ~ 0.15％로 했다.

Si：0.05 ~ 0.70％

Si은, 제강시에 탈산 원소로서 첨가되지만, 강의 내수 증기 산화 특성에 유효한 원소이다. 탈산 효과 및 내수 증기 산화 특성을 충분히 얻기 위해서는, Si함유량을 0.05％ 이상으로 하는 것이 양호하다. 보다 바람직하게는, Si함유량을 0.10％ 이상으로 한다. 그러나, 그 함유량이 0.70％를 넘으면, 강의 인성이 현저하게 저하하고, 크리프 강도의 저하를 초래한다. 따라서, Si함유량을 0.05 ~ 0.70％로 했다.

Mn：1.50％ 이하

Mn은, 탈황 작용과 탈산 작용을 갖고, 강의 열간 가공성을 높이는데 유효한 원소이다. 또, Mn에는 강의 소입성을 높이는 작용도 있다. 그러기 위해서는, 0.01％ 이상의 함유량으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Mn함유량이 1.50％를 넘으면, 크리프 연성에 악영향을 미치므로, 그 함유량은 1.50％ 이하로 했다. 보다 바람직한 함유량은, 0.1％ ~ 1.0％이다.

P : 0.020％이하

P는, 강 중에 포함되는 불순물 원소이고, 과잉으로 함유하면, 인성, 가공성 및 용접성에 악영향을 미친다. 또, P은 입계에 편석(偏析)하고 소반환하여 취성에의 감수성을 높이는 성질을 갖는다. 따라서, P함유량은 가능한 한 적은 쪽이 바람직하지만, 비용의 저감을 고려하여, 그 상한을 0.020％로 했다.

S：0.010％ 이하

S은, 상기의 P과 마찬가지로, 강 중에 포함되는 불순물 원소이며, 과잉으로 함유하면, 인성, 가공성 및 용접성에 악영향을 미친다. 또, S은 입계에 편석하고 소반환하여 취성에의 감수성을 높이는 성질을 갖는다. 따라서, S함유량은 적으면 적을수록 바람직하지만, 과잉인 저감은 비용 증가를 초래하기 때문에 비용 저감을 고려하여, 그 상한을 0.010％로 했다.

Cr：0.8 ~ 8.0％

Cr은, 내산화성과 고온 내식성의 확보를 위하여 불가결한 원소이다. 그러나, Cr함유량이 0.8％ 미만에서는 이러한 효과는 얻을 수 없다. 한편, 그 함유량이 8.0％를 넘으면, 용접성, 열전도성이 저하됨과 더불어, 재료 비용이 상승하여 경제성이 저하되므로, 페라이트계 내열강으로서의 이점이 적어진다. 따라서, Cr함유량을 0.8 ~ 8.0％로 했다. Cr함유량은, 바람직하게는 0.8 ~ 2.5％이며, 보다 바람직하게는 0.8 ~ 1.5％이다.

Mo：0.01 ~ 1.00％

Mo은, 첨가하면, 고용강화에 의해서 크리프 강도 및 고온 강도의 향상에 기여한다. 또, M₂X형의 석출물을 형성하기 때문에, 석출 강화에 의한 크리프 강도 및 고온 강도의 향상 작용도 갖는다. 이러한 효과를 얻으려면, 0.01％ 이상의 함유량으로 할 필요가 있다. 그러나, Mo함유량이 1.00％를 넘으면, 그 효과는 포화하며, Mo의 다량의 첨가는 재료 비용의 상승을 초래하게 된다. 따라서, Mo함유량은 0.01~ 1.00％로 했다.

Nd : 0.001 ~ 0.100％

Nd은, 본 발명의 강에 있어서 크리프 연성을 개선하는데 빼놓을 수 없는 중 요한 원소이다. 또, Nd은 탈산제라고 해도 유효한 원소이며, 강 중의 개재물을 미세화함과 더불어, 고용 S을 고착시키는 효과가 있다. 이러한 효과를 얻으려면 0.001％ 이상의 Nd함유량이 필요하다. 바람직하게는, Nd함유량은 0.01％ 초과로 한다. 그러나, Nd함유량이 0.100％를 넘으면, 그 효과가 포화됨과 함께 과잉인 Nd은 인성을 저하시킨다. 따라서, Nd함유량은 0.001 ~ 0.100％로 했다.

sol. Al : 0.020％ 이하

Al은 탈산제로서 중요한 원소이지만, 0.020％를 넘게 함유시키면 크리프 강도와 가공성이 손상된다. 이 때문에, sol, Al 함유량은 0.020％ 이하로 했다.

N : 0.015％ 이하

N은, 불순물 원소이지만, 고용강화 원소인 동시에 탄질화물을 형성하고, 강재의 고강도화에 기여하기도 한다. 이 N의 효과를 얻으려면, 0.005％ 이상의 함유량이 필요하다. 그러나, 과잉인 N의 첨가는 크리프 연성에 악영향을 미치므로, N함유량의 상한을 0.015％로 했다.

O(산소) : 0.0050％ 이하

O(산소)는, 강 중에 포함되는 불순물 원소이고, 과잉으로 포함되면 인성 등에 악영향을 미친다. 이 때문에, 그 상한을 0.0050％로 했다. 또한, O 함유량은 낮으면 낮을수록 좋다.

강의 금속 조직：

본 발명의 강의 금속 조직은, 장시간 크리프 연성을 저하시키지 않고, 고온 크리프 강도를 확보하기 위하여, 베이나이트 조직 또는 마텐자이트 조직으로 했다. 이 경우, 조직 중의 페라이트률은 5％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

여기에서, 강재의 조직이 베이나이트와 페라이트의 2상 조직인 경우, 또는 마텐자이트와 페라이트의 2상 조직인 경우, 베이나이트나 마텐자이트 중에서는 미세한 석출물이 석출하여 고온 강도와 크리프 강도가 상승하지만, 페라이트 중에서는 석출물이 조대화(粗大化)하기 쉬워지고, 석출물의 조대화에 따라 석출 강화능이 저하한다. 이 때문에, 상기 2상 조직을 형성하는 상의 사이에서 변형능(고온 강도나 연성 등)의 차이가 생기고, 인성이나 크리프 강도가 열화하는 경우가 있다. 이 때문에, 조직 중의 페라이트률의 상한을 5％로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 규정하는 베이나이트 조직 또는 마텐자이트 조직은, 소정의 제품 형상으로 성형된 후의 강을, Ar₃ 또는 Ac₃ 변태 온도(약 860 ~ 920℃) 이상의 온도 범위로부터 급랭 또는 공냉함으로써 얻을 수 있다. 그러나, 본 발명의 저합금강은, 상기의 급냉 또는 공냉 그대로의 상태에서는 너무 단단하기 때문에, 그 화학 조성에 따른 적당한 온도와 시간(예를 들면, 후술하는 실시예에 나타내는 온도와 시간)에 소반환 처리하여 사용된다.

강 중의 Nd계 개재물：

크리프 연성을 개선하려면, 단순히 Nd을 첨가하는 것만으로는 불충분하고, 강 중의 Nd을 함유하는 개재물의 크기가 0.1μm 이상 10μm 이하이고, 또한 그 Nd계 개재물의 개수가 1000μm²당 10개 이상 1000개 이하인 것이 필요하다.

Nd계 개재물의 크기가 0.1μm 미만이면, 그 개재물은 너무 작기 때문에 회복 재결정을 일으키는 핵이 될 수 없다. 한편, Nd계 개재물의 크기가 10μm를 넘으면, 그 개재물은 조대하고, 균일한 회복 재결정을 일으키는 핵이 될 수 없다. 이 때문에, Nd계 개재물의 크기가 어느 경우도, 크리프 연성 개선에는 유효하게 작용하지 않는다. 따라서, Nd계 개재물의 크기를 0.1μm 이상 10μm 이하로 했다.

또, Nd계 개재물의 개수가, 10개／1000μm²미만이면, 회복 재결정이 되는 핵이 적기 때문에, 크리프 연성을 개선하는데 유효하게 작용하지 않는다. 한편, Nd계 개재물의 개수가, 1000개／1000μm²를 넘으면, 변형을 담당하는 모상에 대해 개재물 비율이 너무 높아지기 때문에, 크리프 연성을 개선하는데 기여하지 않는다. 따라서, Nd계 개재물의 개수를 1000μm²당 10개 이상 1000개 이하로 했다.

Nd계 개재물의 성질을 상술한 범위 내에 제어하려면, 예를 들면, 강의 탈산을 행하고, 그 후 Nd을 첨가하고, 또한 강의 탈산을 행하면 된다.

본 발명의 저합금강은, 상기의 화학 조성, 금속 조직 및 Nd계 개재물의 성질을 충족시키면, 충분히 고온 크리프 강도와 크리프 연성과의 양립을 달성할 수 있지만, 필요에 따라서 이하에 말하는 원소를 포함하는 것이어도 된다.

Cu：0.5％이하

Cu은, 첨가하지 않아도 된다. 첨가하면, 모상의 베이나이트 조직 또는 마텐자이트 조직의 안정화에 기여하고, 크리프 강도를 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 크리프 강도를 보다 한층 높이고 싶은 경우에는 적극적으로 첨가해도 되고, 그 효과는 0.01％ 이상의 함유량으로 현저하게 된다. 따라서, 0.5％를 넘어 함유시키면, 크리프 연성을 저하시키게 된다. 따라서, Cu을 첨가하는 경우에는, 그 함유량은 0.01 ~ 0.5％로 하는 것이 양호하다.

Ni：0.5％ 이하

Ni은, 첨가하지 않아도 된다. 첨가하면, 모상의 베이나이트 조직 또는 마텐자이트 조직의 안정화에 기여하고, 크리프 강도를 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 크리프 강도를 보다 한층 높이고 싶은 경우에는 적극적으로 첨가해도 되고, 그 효과는 0.01％ 이상의 함유량으로 현저하게 된다. 그러나, Ni을 0.5％를 넘어 함유시키면, 강의 오스테나이트 변태 온도(A_cl점)를 저하시킨다. 따라서, Ni을 첨가하는 경우에는, 그 함유량은 0.01 ~ 0.5％로 하는 것이 양호하다.

V : 0.5％ 이하

V은, 첨가하지 않아도 된다. 첨가하면, 다음에 말하는 Nb과 함께 MC형 탄화물을 형성하고, 고강도화에 기여한다. 이 때문에, 강재의 강도를 보다 한층 높이고 싶은 경우에는 적극적으로 첨가해도 되고, 그 효과는 0.01％ 이상의 함유량으로 현저하게 된다. 그러나, 0.5％를 넘어 함유시키면, 장시간 크리프 연성을 저하시킨다. 따라서, V을 첨가하는 경우에는, 그 함유량은 0.Ol ~ 0.5％로 하는 것이 양호하다.

Nb：0.2％ 이하

Nb은, 첨가하지 않아도 된다. 첨가하면, 상기의 V과 마찬가지로 MC형 탄화물을 형성하고, 고강도화에 기여한다. 따라서, 강재의 강도를 보다 한층 높이고 싶은 경우에는 적극적으로 첨가해도 되고, 그 효과는 0.01％ 이상의 함유량으로 현저하게 된다. 그러나, 0.2％를 넘어 함유시키면, 과잉인 탄질화물을 형성하여 인성을 해친다. 이 때문에, Nb을 첨가하는 경우에는, 그 함유량은 0.01 ~ 0.2％로 하는 것이 양호하다.

W : 2.0％ 이하

W는, 첨가하지 않아도 된다. 첨가하면, 탄화물을 장시간 안정되게 하여 크리프 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. 따라서, 강재의 강도를 중시하고, 고온 장시간 크리프 강도를 보다 한층 높이고 싶은 경우에는 적극적으로 첨가해도 되고, 그 효과는 0.01％ 이상의 함유량으로 현저하게 된다. 그러나, 그 함유량이 2.0％를 넘으면 크리프 연성이 저하할 뿐만 아니라, 재열취화나 균열 감수성을 높인다. 이 때문에, W를 첨가하는 경우에는, 그 함유량은 0.01 ~ 2.0％로 하는 것이 양호하다.

B：0.01％ 이하

B는, 첨가하지 않아도 된다. 첨가하면, 소입성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 이 효과를 얻고 싶은 경우에는 적극적으로 첨가해도 되며, 그 효과는 0.002％ 이상의 함유량으로 현저하게 된다. 한편, 과잉인 B는 인성에 악영향을 미친다. 이 때문에, B를 첨가하는 경우에는, 그 함유량은 0.002 ~ 0.01％로 하는 것이 양호하다.

Ti：0.020％ 이하

Ti는, 첨가하지 않아도 된다. 첨가하면, 미세한 탄화물을 형성하여 고강도화에 기여한다. 따라서, 이 효과를 얻고 싶은 경우에는 적극적으로 첨가해도 되며, 그 효과는 0.005％ 이상의 함유량으로 현저하게 된다. 한편, 그 함유량이 0.020％ 를 넘으면 인성에 악영향을 미친다. 이 때문에, Ti을 첨가하는 경우에는, 그 함유량은 0.005 ~ 0.020％로 하는 것이 양호하다.

Ca：0.0050％ 이하

Ca은, 첨가하지 않아도 된다. 첨가하면, 용접성의 향상에 기여하는 원소이다. 따라서, 이 효과를 얻고 싶은 경우에는 적극적으로 첨가해도 되며, 그 효과는 0.0003％ 이상의 함유량으로 현저하게 된다. 그러나, Ca함유량이 0.0050％를 넘으면, 크리프 강도 및 인성에 악영향을 미치므로, Ca을 첨가하는 경우에는, 그 상한을 0.0050％로 했다.

(실시예)

표 1에 나타낸 화학 조성을 갖는 12 종류의 합금을 진공 유도 용해로를 이용해 용제하고, 직경이 144mm로 50kg의 잉곳을 얻었다. 합금의 용제에 즈음하여, Nd계 개재물의 성질을 제어하기 위하여, 탈산 및 Nd첨가의 방법을 변경했다.

본 발명예(강 No. 1 ~ 5) 및 비교예 중 강 No. 8, 10 및 11은, Si철, Mn철의 첨가를 행한 후, Al에 의해 탈산을 행하고, 그 후 Nd을 첨가하고, 또한 Mn－Si을 첨가하여 탈산을 행했다.

비교예의 강 No. 6 및 7은, Nd을 첨가하지 않았다.

비교예의 강 No. 9는, Nd을 첨가한 후에, Si철, Mn철, Al의 첨가에 의한 탈산을 행했다. 또, 비교예의 강 No. 12는, Si철, Mn철, Al의 첨가에 의한 탈산을 행한 후, Nd을 첨가했다.

［표 1］

얻어진 잉곳을 열간 단조 및 열간 압연을 행하여 두께 20 mm의 강판에 가공했다. 이어서, 강판을 950 ~ 1050℃의 온도로 10분 이상 균열(均熱)하게 공냉하고, 그 후에 소반환 처리로서 720 ~ 770℃에서 30분 이상 균열하고 공냉을 행했다. 열처리 후의 강판으로부터 시험편을 채취하여, 금속 조직의 관찰, 크리프 파단 시험 및 Nd계 개재물의 측정을 행하고, 그러한 결과를 표 2에 나타냈다.

금속 조직의 관찰에서는, 채취한 시료의 절단면을 기계적으로 연마하여 검경면을 만들고, 검경면을 초산(5ml)과 에탄올(95ml)의 부식액으로 30초 부식했다. 그 후, 광학 현미경 아래에서 검경하고, 금속 조직을 확인하여, 페라이트률을 측정했다.

크리프 파단 시험은, 시험편 길이 방향이 압연 방향이 되도록 시험편을 채취하고, 시험 온도 550℃, 부하 응력 245MPa의 조건하에서 파단 시험을 행했다. 이 때, 크리프 강도는 시험 온도 550℃×10000시간의 크리프 강도를 외삽하여 구하고, 크리프 연성은 파단한 시험편의 수축률로 이용하고, 50％ 이상의 수축률의 경우에 크리프 연성이 양호하다고 평가했다.

Nd계 개재물은, 투과형 전자현미경으로 배율 10000배로 관찰을 행하고, 10μm×10μm의 면적에서의 Nd계 개재물의 크기 및 그 개수를 측정했다. 이러한 관찰을 10시야 행하고, 10시야에 있어서의 Nd계 개재물의 최대 및 최소의 크기와 Nd계 개재물의 10시야 평균의 개수를 측정했다.

［표 2］

표 2로부터 분명한 바와 같이, 강 No. 1 ~ 5의 본 발명예에서는, 페라이트률이 5％ 이하의 베이나이트 조직이고, Nd계 개재물의 크기가 0.1 ~ 10μm이며, 그 개수가 1000μm²당 10 ~ 1000개의 범위 내에 제어되고 있는 것으로부터, 모두 고온 크리프 강도는 150MPa를 넘으며, 동시에 크리프 연성도 수축이 67％ 이상으로 양호 했다.

이에 대해, 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나는 비교예에서는, 크리프 강도 및 크리프 연성의 한쪽 또는 양쪽 모두가 불량이고, 모두 이러한 양립을 도모할 수 없었다. 우선, 강 No. 6은, 본 발명의 강에 있어서 크리프 연성을 개선하는데 가장 중요한 원소의 하나인 Nd이 함유되어 있지 않기 때문에, 크리프 연성(수축)이 낮고, Nd계 개재물이 생성되지 않았다.

강 No. 7은, Nd이 함유되지 않고, C 및 N도 본 발명에서 규정하는 범위를 충족시키지 않고, 금속 조직은 페라이트＋펄라이트 조직이며, 550℃×10000시간의 외삽 크리프 강도는 66MPa로 낮은 값이었다. 그러나, 저강도재이기 때문에, 크리프 연성은 높은 값을 나타냈다.

강 No. 8은, C가 본 발명에서 규정하는 범위를 충족시키지 않고, 금속 조직이 페라이트＋펄라이트 조직이 되었다. 이 때문에, 550℃×10000시간의 외삽 크리프 강도가 낮은 값이었다.

강 No. 9는, 화학 성분 및 금속 조성은 본 발명에서 규정하는 범위를 충족하고 있지만, Nd의 첨가 시기가 부적절했기 때문에, 강 중에 Nd계 개재물이 생성되지 않고, 크리프 강도는 양호하지만 크리프 연성은 불량이었다.

강 No. 10은, Nd 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 넘고 있었기 때문에, Nd계 개재물은 생성했지만, 그 개재물의 크기의 최대가 19μm로 조대화하고, 크리프 강도 및 크리프 연성 모두 불량이었다.

강 No. 11은, Nd 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위보다 적고, Nd계 개재 물은 생성했지만, 그 개재물의 크기의 최소가 0.02μm로 미세했기 때문에, 회복 재결정에는 유효하게 작용하지 않고, 크리프 연성이 불량이 되었다.

강 No. 12는, 화학 성분 및 금속 조성이 본 발명에서 규정하는 범위를 충족하지만, Nd의 첨가 시기가 부적절했었기 때문에, 강 중에 Nd계 개재물이 과잉으로 생성하고, 크리프 강도는 양호하지만 크리프 연성이 불량이 되었다.

본 발명의 저합금강은, 성분 조성을 한정함과 더불어, 금속 조직을 베이나이트 또는 마텐자이트로 하고, 또한, 강재 용해시의 탈산이나 Nd 첨가의 시기를 적절 선택하여 Nd계 개재물을 적당량 존재시킴으로써, 종래 강에서는 달성이 곤란한, 고온 크리프 강도와 장시간 크리프 연성의 양립에 대해서, 가혹한 환경하에 있어서도 도모할 수 있다. 이에 의해, 발전용 보일러나 터빈, 원자력 발전 설비 등의 고온, 고압하에서 장시간 사용되는 내열 구조 부재용의 재료로서 넓게 적용할 수 있다

Claims

질량％로, C：0.05 ~ 0.15％, Si：0.05 ~ 0.70％, Mn：0.01 ~ 1.50％, P：0.020％ 이하, S：0.010％ 이하, Cr：0.8 ~ 8.0％, Mo：0.01 ~ 1.00％, Nd：0.001 ~ 0.100％, sol. Al：0.020％ 이하, N：0.015％ 이하 및 O(산소): 0.0050％ 이하를 포함하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고,

금속 조직이 베이나이트 또는 마텐자이트이며, 강 중의 Nd을 함유하는 개재물의 크기가 0.1μm 이상 10μm 이하이고, 또한 그 개수가 1000μm²당 10개 이상 1000개 이하인 것을 특징으로 하는 저합금강.
청구항 1에 있어서,

Fe의 일부를 대신하여, Cu：0.5％ 이하, Ni：0.5％ 이하, V：0.5％ 이하, Nb：0.2％ 이하, W：2.0％ 이하, B：0.01％ 이하, Ti：0.020％ 이하 및 Ca：0.0050％ 이하 중 1종 또는 2종 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 저합금강.