KR101467047B1 - 내열강 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

저비용으로도 효율적으로 강도를 향상시킬 수 있는 강재의 후처리 방법 및 이를 이용한 내열강 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 강재의 후처리 방법은 강재를 노말라이징하는 단계; 상기 노말라이징된 강재를 압연하는 단계; 및 상기 압연된 강재를 템퍼링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

내열강 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING HEAT RESISTING STEEL}
본 발명은 강재의 후처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 A1 변태 온도 이하에서의 압연을 포함하는 후처리를 통하여 강재의 강도를 향상시킬 수 있는 방법 및 이를 이용한 내열강 제조 방법에 관한 것이다.
통상 강재는 제강 과정을 통하여 얻어진 반제품 강재를 재가열, 열간압연, 냉각 등의 처리를 수행함으로써 제조된다.
한편, 화력발전소, 원자력 발전소 등에 사용되는 강재는 고온, 고압 하에서 사용되는 것이므로, 높은 강도를 요구한다.
통상, 제조된 강재의 강도를 향상시키기 위하여, QT(Quenching & Tempering) 열처리, NT(Normalizing & Tempering) 등이 많이 이용되고 있다.
QT 열처리의 경우, 강도 향상에는 큰 효과를 얻을 수 있으나, 열처리에 많은 비용이 소요된다.
반면, NT 열처리의 경우, 상대적으로 저렴한 비용으로 수행할 수 있으나, 강도 향상 효과가 제한적이다.
본 발명에 관련된 배경기술로는, 대한민국 공개특허공보 제10-2000-0045513호(2000.07.15. 공개)에 개시된 무도장 내후성강의 제조방법이 있다.
본 발명의 하나의 목적은 A1 변태 온도 이하에서 수행하는 압연을 포함하는 강재의 후처리를 통하여 강재의 강도를 저비용으로도 효과적으로 향상시킬 수 있는 강재의 후처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 강재의 후처리 방법을 이용하여 강도가 우수한 내열강을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 강재의 후처리 방법은 강재를 노말라이징하는 단계; 상기 노말라이징된 강재를 A1 변태 온도 이하에서 압연하는 단계; 및 상기 압연된 강재를 템퍼링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 압연은 40~60%의 압하율로 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 노말라이징은 A3 변태 온도 이상에서 수행되고, 상기 템퍼링은 A1 변태 온도 이하에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 노말라이징 이후, 상기 압연 이후 및 상기 템퍼링 이후, 공랭할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 내열강 제조 방법은 중량%로, 탄소(C) : 0.04~0.09%, 실리콘(Si) : 0.1~0.5%, 망간(Mn) : 0.3~1.2%, 니켈(Ni) : 0.2~1.0%, 크롬(Cr) : 7~15%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.5%, 텅스텐(W) : 1.5~4.0%, 바나듐(V) : 0.05~0.5%, 니오븀(Nb) : 0.02~0.09%, 질소 : 0.01~0.03% 및 코발트(Co) : 1.0~5.0% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 A3 변태 온도 이상에서 노말라이징하는 단계; 상기 노말라이징된 강재를 A1 변태 온도 이하에서 압연하는 단계; 및 상기 압연된 강재를 A1 변태 온도 이하에서 템퍼링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 압연은 40~60%의 압하율로 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 강재의 후처리 방법에 의하면, 노말라이징과 템퍼링 사이에 A1 변태온도 보다 낮은 온도에서 압연을 수행한다. 압연을 수행한 결과 탄화물이 석출될 수 있는 사이트가 증가하였으며, 이에 의하여 탄화물이 작은 사이즈를 가지면서 많은 수로 석출될 수 있다. 따라서, 이러한 작은 사이즈 및 많은 수의 탄화물 석출에 의하여 강재의 강도가 크게 향상될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 강재의 후처리 방법에서는 압연을 고온이 아닌 A1 변태 온도 이하에서 수행함으로써 강도 향상에 소요되는 비용을 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 강재의 후처리 방법을 이용하면 화력발전소, 원자력발전소 등의 고강도 내열강을 쉽게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강재의 후처리 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 발명재와 비교재 각각의 후처리 후 인장강도를 나타낸 것이다.
도 3은 비교재의 미세조직을 나타낸 것이다.
도 4는 발명재의 미세조직을 나타낸 것이다.
본 발명의 특징과 이를 달성하기 위한 방법은 첨부되는 도면과, 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해진다. 그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예에 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하기 위함이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의될 뿐이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강재의 후처리 방법 및 이를 이용한 내열강 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강재의 후처리 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 강재의 후처리 방법은 노말라이징 단계(S110), 압연 단계(S120) 및 템퍼링 단계(S130)를 포함한다.
먼저, 노말라이징 단계(S110)에서는 강재를 노말라이징 처리하여, 강재의 조직을 미세화시킨다. 노말라이징을 통하여 강도의 일부 향상 및 인성 향상 효과를 얻을 수 있다.
노말라이징은 강재의 A3 변태점 이상의 온도에서 대략 1~4시간 정도 수행될 수 있다.
다음으로, 압연 단계(S120)에서는 노말라이징된 강재를 압연한다. 압연을 통하여, 석출물들의 미세 분산이 이루어지면서 강도가 향상된다. 보다 구체적으로는, 압연을 통하여 석출물들이 석출될 수 있는 사이트가 증가하며, 이러한 사이트의 증가는 작은 사이즈의 미세 석출물들이 석출되는 양을 증가시키며, 이를 통하여 강도가 향상될 수 있다.
이때, 압연은 A1 변태 온도 이하에서 수행되는 것이 바람직하다. 압연 온도가 A1 변태점보다 높은 온도에서 수행되는 경우, 가열량 증가 대비 강도 향상 효과가 제한적이다.
다만, 압연 온도가 너무 낮은 경우 압연 부하가 커질 수 있으므로, 압연은 A1 변태점 이하 내지 A1 변태점 -100℃ 온도에서 수행되는 것이 가장 바람직하다.
또한, 압연은 40~60%의 압하율로 수행되는 것이 보다 바람직하다. 압연시 압하율이 40% 미만일 경우, 탄화물이 석출될 수 있는 사이트 수가 적어 후처리에 의한 강도 향상이 제한적이다. 반대로, 압연시 압하율이 60%를 초과하는 경우, 과도한 압연 부하로 인하여 강재 혹은 압연 롤의 특성 저하를 가져올 수 있다.
다음으로, 템퍼링 단계에서는 강재를 대략 1~3시간동안 템퍼링하여 연신율을 향상시킨다.
이때, 템퍼링은 A1 변태점 이하의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 템퍼링 온도가 A1 변태점을 초과하는 경우, 결정립 조대화로 인한 강도 저하가 현저해질 수 있다.
한편, 상기 노말라이징 이후, 상기 압연 이후 및 상기 템퍼링 이후, 도 2를 참조하면, 각각의 공정 후 냉각(C1, C2, C3)이 진행된다. 본 발명에 적용되는 냉각 방식에 특별한 제한은 없으나, 비용적인 측면에서 공랭하는 것이 보다 바람직하다.
상술한 강재의 후처리 방법은 후술하는 내열강 제조 방법에 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 내열강은 중량%로, 탄소(C) : 0.04~0.09%, 실리콘(Si) : 0.1~0.5%, 망간(Mn) : 0.3~1.2%, 니켈(Ni) : 0.2~1.0%, 크롬(Cr) : 7~15%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.5%, 텅스텐(W) : 1.5~4.0%, 바나듐(V) : 0.05~0.5%, 니오븀(Nb) : 0.02~0.09%, 질소 : 0.01~0.03% 및 코발트(Co) : 1.0~5.0% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 내열강에 포함되는 각 성분의 역할 및 함량에 대하여 설명하기로 한다.
탄소(C)는 강도 확보에 기여하는 원소이다.
상기 탄소는 내열강 전체 중량의 0.04~0.09중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소의 첨가량이 0.04중량% 미만일 경우 강도 향상 효과가 불충분하다. 반대로, 탄소의 첨가량이 0.09 중량%를 초과하면 인성 및 용접성을 저하시키는 문제점이 있다.
실리콘(Si)은 강 중 탈산제로 작용하며, 강도 확보에 기여한다.
상기 실리콘은 내열강 전체 중량의 0.1~0.5중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘의 첨가량이 0.1중량% 미만이면 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 실리콘의 첨가량이 0.5중량%를 초과하면, 강재의 인성 및 용접성이 열화되는 문제점이 있다.
망간(Mn)은 인성을 열화시키지 않고 강도를 향상시키는데 유용한 원소이다.
상기 망간은 내열강 전체 중량의 0.3~1.2중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간의 첨가량이 0.3중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 망간의 첨가량이 1.2중량%를 초과하면 템퍼 취화(Temper Embrittlement) 감수성을 증대시키는 문제점이 있다.
니켈(Ni)은 소입성을 향상시키면서 인성개선에 유효하다.
상기 니켈(Ni)은 내열강 전체 중량의 0.2~1.0중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 니켈의 첨가량이 0.2중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 미미하다. 반대로, 니켈의 첨가량이 1.0중량%를 초과하는 경우, 강의 냉간가공성을 저하시키고, 강 제조 비용을 크게 상승시킨다.
크롬은 표면에 크롬산화물층을 생성하여 내열성 및 내식성 향상에 크게 기여한다.
상기 크롬은 내열강 전체 중량의 7~15중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬의 첨가량이 7중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 크롬의 첨가량이 15중량%를 초과하는 경우, 인성을 열화시킬 수 있다.
몰리브덴(Mo)은 안정적으로 탄화물을 생성하여, 고온강도 향상에 기여한다.
상기 몰리브덴은 내열강 전체 중량의 0.1~0.5중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 몰리브덴의 첨가량이 0.1중량% 미만일 경우, 몰리브덴 첨가에 따른 강도 향상 효과가 불충분하다. 반대로, 몰리브덴의 첨가량이 0.5 중량%를 초과하면 저온 균열, 재열균열과 같은 용접성을 저해시키는 문제점이 있다.
텅스텐(W)은 내식성, 소입성 및 강도 특성을 향상시키는 역할을 한다.
상기 텅스텐은 내열강 전체 중량의 1.5~4.0중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 텅스텐의 첨가량이 1.5중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 텅스텐의 첨가량이 4.0중량%를 초과하는 경우, 압연 부하 증가로 인하여 압연이 어려워질 수 있다.
바나듐(V)은 탄화물 생성원소로, 특히 고온강도를 상승시키는데 유효하다.
상기 바나듐(V)은 내열강 전체 중량의 0.05~0.5중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 바나듐의 첨가량이 0.05중량% 미만일 경우 강도 향상 효과가 불충분하다. 반대로, 바나듐의 첨가량이 0.5중량%를 초과하면 재열균열 감수성을 높이는 문제점이 있다.
니오븀(Nb)은 석출강화에 기여하여 상온강도 및 고온강도를 상승시키는 역할을 한다. 특히, 니오븀은 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 바나듐(V)과 복합 첨가에 의해 복합탄화물 미세 석출을 통하여 현저한 강도 향상에 기여할 수 있다.
상기 니오븀(Nb)은 내열강 전체 중량의 0.02~0.09중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 니오븀의 첨가량이 0.02중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 미미하다. 반대로, 니오븀의 첨가량이 0.09중량%를 초과하는 경우, 용접성을 열화시키는 문제점이 있다.
질소(N)는 AlN 질화물의 생성에 의해 결정립 미세화에 유리하게 작용한다.
상기 질소는 내열강 전체 중량의 0.01~0.03중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 질소의 첨가량이 0.01중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 질소의 첨가량이 0.03중량%를 초과하는 경우, 강의 인성을 크게 열화시킨다.
코발트(Co)는 내식성 향상에 기여한다.
상기 코발트(Co)는 내열강 전체 중량의 1.0~5.0중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 코발트의 첨가량이 1.0중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 코발트의 첨가량이 5.0중량%를 초과하더라도 코발트 첨가에 의한 내식성이 더 이상 향상되지 않고 강 제조 비용만 증가할 수 있다.
본 발명에 따른 내열강 제조 방법은 전술한 바와 마찬가지로, 상기 조성을 갖는 열연강, 냉연강 등의 강재를 A3 변태 온도 이상에서 노말라이징하는 단계와, 노말라이징된 강재를 A1 변태 온도 이하에서 압연하는 단계와, 압연된 강재를 A1 변태 온도 이하에서 템퍼링하는 단계를 포함할 수 있다.
후술하는 실시예(발명강)에 의하면, 상기 조성범위를 만족하는 합금성분으로 이루어진 강을 A1 변태 온도 이하의 온도에서 40~60%의 압하율로 압연하는 것을 포함하여 후처리한 결과, 제조된 내열강이 인장강도 1050MPa 정도를 나타낼 수 있었다. 그러나, 단순히 NT 열처리만 수행한 결과 960MPa 정도의 인장강도를 나타내였으며, 이러한 차이는 전술한 바와 같이, A1 변태 온도 이하에서의 압연에 의한 미세 탄화물 석출 효과라 볼 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 강재의 후처리
(1) 실시예 1
중량%로, 탄소(C) : 0.075%, 실리콘(Si) : 0.2%, 망간(Mn) : 0.6%, 니켈(Ni) : 0.5%, 크롬(Cr) : 11%, 몰리브덴(Mo) : 0.3%, 텅스텐(W) : 2.7%, 바나듐(V) : 0.2%, 니오븀(Nb) : 0.06%, 질소 : 0.017% 및 코발트(Co) : 2.7% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 열연재를 1100℃에서 2시간동안 노말라이징한 후, 750℃까지 공냉하였다. 이후, 750℃에서 압하율 50%로 압연한 후, 상온까지 공냉하였다. 이후, 750℃로 가열하여 2시간동안 템퍼링한 후, 공냉하여 발명재를 얻었다.
상기 조성을 갖는 강의 A3 변태 온도는 약 850℃이었으며, A1 변태 온도는 약 780℃이었다.
(2) 비교예 1
중량%로, 탄소(C) : 0.075%, 실리콘(Si) : 0.2%, 망간(Mn) : 0.6%, 니켈(Ni) : 0.5%, 크롬(Cr) : 11%, 몰리브덴(Mo) : 0.3%, 텅스텐(W) : 2.7%, 바나듐(V) : 0.2%, 니오븀(Nb) : 0.06%, 질소 : 0.017% 및 코발트(Co) : 2.7% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 열연재를 1100℃에서 2시간동안 노말라이징한 후, 상온까지 공냉하였다. 이후, 750℃로 가열하여 2시간동안 템퍼링한 후, 공냉하여 비교재를 얻었다.
즉, 비교예 1의 경우, 압연을 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 후처리를 수행하였다.
2. 물성 평가
도 2는 발명재와 비교재 각각의 후처리 후 인장강도를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 발명재의 경우, 인장강도가 1050MPa를 나타내었으나, 비교재의 경우 960℃를 나타내었다. 따라서, 발명재의 경우가 대략 100MPa 정도 강도가 더 높다고 볼 수 있다.
도 3은 비교재의 미세조직을 나타낸 것이고, 도 4는 발명재의 미세조직을 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 도 4의 경우, 검은색 점으로 표현되는 석출물이 도 3에 나타난 것보다 현저히 많은 것을 볼 수 있다. 이는 발명재의 경우, 사이즈가 작은 탄화물 석출이 많이 일어난 결과라 볼 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 재가열 단계
S120 : 압연 단계
S130 : 냉각 단계
S140 : 템퍼링 단계

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  5. 중량%로, 탄소(C) : 0.04~0.09%, 실리콘(Si) : 0.1~0.5%, 망간(Mn) : 0.3~1.2%, 니켈(Ni) : 0.2~1.0%, 크롬(Cr) : 7~15%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.5%, 텅스텐(W) : 1.5~4.0%, 바나듐(V) : 0.05~0.5%, 니오븀(Nb) : 0.02~0.09%, 질소 : 0.01~0.03% 및 코발트(Co) : 1.0~5.0% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 A3 변태 온도 이상에서 노말라이징하는 단계;
    상기 노말라이징된 강재를 A1 변태 온도 이하에서 압연하는 단계; 및
    상기 압연된 강재를 A1 변태 온도 이하에서 템퍼링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 내열강 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 압연은
    40~60%의 압하율로 수행되는 것을 특징으로 하는 내열강 제조 방법.
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JP2010065322A (ja) * 2009-12-04 2010-03-25 Babcock Hitachi Kk フェライト系耐熱鋼

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