KR101521071B1 - 석출 강화형 마르텐사이트강 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 1500 ㎫급의 인장 강도 및 30 J 이상의 높은 샤르피 흡수 에너지를 겸비한 석출 강화형 마르텐사이트강 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 석출 강화형 마르텐사이트강은 질량%로 C：0.05% 이하, Si：0.2% 이하, Mn：0.4% 이하, Ni：7.5~11.0%, Cr：10.5~13.5%, Mo：1.75~2.5%, Al：0.9~2.0%, Ti：0.1% 미만, 및 Fe 및 불순물의 잔부로 이루어지는 석출 강화형 마르텐사이트강에 있어서, 그 석출 강화형 마르텐사이트강은 체적률로 0.1~6.0%의 오스테나이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

석출 강화형 마르텐사이트강 및 그의 제조방법{Precipitation hardening type martensitic steel and process for producing same}
본 발명은 고강도이고 또한 충격 특성이 우수한 석출 강화형 마르텐사이트강 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
종래 발전용 터빈 부품 및 항공기 기체 부품에는 고강도의 철기 합금이 이용되어 왔다.
발전용 터빈 부품에서는 고Cr강이 각종 부품에 이용되고 있다. 터빈 부품 중에서도 특히 강도가 요구되는 증기 터빈의 저압 최종단 동익(動翼)에는 강도, 내산화성 및 내식성을 겸비한 합금으로서 중량으로 12% 정도의 Cr을 포함하는 12Cr강이 이용되고 있다. 발전 효율 향상을 위해서는 날개 길이를 길게 한 편이 유리하지만, 12Cr강의 경우는 강도의 제한으로부터 약 1미터가 날개 길이의 한계로 되어 있다.
또한 AISI4340 및 300M 등의 저합금계 고장력강이 알려져 있다. 이들 합금은 1800 ㎫급의 인장 강도 및 10% 정도의 신도를 얻을 수 있는 저합금강이지만, 내식성 및 내산화성에 기여하는 Cr량이 1% 정도로 적기 때문에 증기 터빈의 동익으로서 사용할 수는 없다. 항공기 용도에 적용하는 경우에도, 대기 중의 염분 등에 의한 부식을 방지할 목적으로 도금을 행하는 등의 표면처리를 하여 이용하는 경우가 많다.
한편 강도, 내식성 및 내산화성을 겸비하는 합금으로서 고강도 스테인리스강이 있다. 고강도 스테인리스강의 대표적인 합금으로서 PH13-8Mo 등의 석출 강화형 마르텐사이트강이 알려져 있다(특허문헌 1, 특허문헌 2). 이 석출 강화형 마르텐사이트강의 경우는, 담금질 후의 마르텐사이트 조직 중에 미세한 석출물을 분산 석출시킴으로써 담금질-뜨임형의 12Cr강에 비해 높은 강도를 얻을 수 있다. 또한 내식성에 기여하는 Cr은 10% 이상 포함하는 것이 일반적이고, 저합금강에 비해 내식성 및 내산화성이 우수하다.
일본국 특허공개 제2005-194626호 공보 미국 특허 제3342590호 공보
전술의 특허문헌 1이나 특허문헌 2의 석출 강화형 마르텐사이트강의 경우는, 강도에 기여하는 석출물을 미세하게 또한 다량으로 분산시킨 편이 고강도의 합금이 얻어지는 한편, 인성이 저하되는 경향이 보인다. 예를 들면 증기 터빈 동익의 장대화 또는 항공기 용도로의 적용을 생각한 경우, 1500 ㎫ 이상의 인장 강도가 바람직하지만 강도와 인성의 양립에 과제가 남는다.
예를 들면 특허문헌 1에는 성분의 한정에 의해 인장 강도와 인성을 구비하는 증기 터빈 날개재의 발명이 개시되어 있고, 인성의 평가 기준인 샤르피 충격시험의 흡수 에너지가 20 J 이상인 것이 나타내어져 있다. 그러나 12Cr강 및 저합금계 고장력강의 흡수 에너지는 30 J 이상인 것으로부터, 종래재와 동등한 흡수 에너지의 합금에 대한 요망이 강하다.
본 발명의 목적은 1500 ㎫급의 인장 강도 및 30 J 이상의 높은 샤르피 흡수 에너지를 겸비한 석출 강화형 마르텐사이트강 및 그의 제조방법을 제조하는 것에 있다.
본 발명자들은 석출 강화형 마르텐사이트강의 강도 특성과 인성(靭性)을 양립하기 위해 각종 합금에 대해서 기계적 성질과 조직의 상관을 예의 검토하였다. 그 결과, 용체화처리 후의 잔류 오스테나이트상의 양을 적정한 범위로 제어함으로써 열처리 후의 인장 강도와 높은 샤르피 흡수 에너지를 양립하는 것이 가능한 것을 발견하였다.
즉, 본 발명은 질량%로 C：0.05% 이하, Si：0.2% 이하, Mn：0.4% 이하, Ni：7.5~11.0%, Cr：10.5~13.5%, Mo：1.75~2.5%, Al：0.9~2.0%, Ti：0.1% 미만, 및 Fe 및 불순물의 잔부로 이루어지는 석출 강화형 마르텐사이트강에 있어서, 그 석출 강화형 마르텐사이트강은 체적률로 0.1~6.0%의 오스테나이트를 포함하는 석출 강화형 마르텐사이트강이다.
바람직하게는 상기 오스테나이트의 체적률이 0.3~6.0%인 석출 강화형 마르텐사이트강이다.
또한 본 발명은 질량%로 C：0.05% 이하, Si：0.2% 이하, Mn：0.4% 이하, Ni：7.5~11.0%, Cr：10.5~13.5%, Mo：1.75~2.5%, Al：0.9~2.0%, Ti：0.1% 미만, 및 Fe 및 불순물의 잔부로 이루어지는 석출 강화형 마르텐사이트강의 제조방법에 있어서, 체적률로 0.1~5.0%의 오스테나이트를 포함하는 석출 강화형 마르텐사이트강에 시효처리를 행하여 오스테나이트의 체적률을 0.1~6.0%로 하는 석출 강화형 마르텐사이트강의 제조방법이다.
본 발명의 석출 강화형 마르텐사이트강은 고강도이면서 인성도 우수하기 때문에 발전용 터빈 부품에 사용함으로써 발전효율의 향상을 기대할 수 있다. 또한 항공기 부품으로서 사용한 경우에는 기체의 경량화에 기여하는 것이 가능하다.
도 1은 인장 강도와 오스테나이트량의 상관을 나타내는 도면이다.
도 2는 흡수 에너지와 오스테나이트량의 상관을 나타내는 도면이다.
도 3은 인장 강도와 흡수 에너지의 상관을 나타내는 도면이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 최대 특징은 인장 강도 및 높은 샤르피 흡수 에너지를 양립시키기 위해 열처리 후의 오스테나이트상의 양을 적정한 범위로 제어하는 것에 있다.
아래에 본 발명에서 가장 특징적인 오스테나이트 체적률의 한정 이유부터 설명한다.
오스테나이트의 체적률：0.1~6.0%
석출 강화형 마르텐사이트강은 적어도 2단계의 열처리 공정을 갖는다. 제1 열처리는 용체화처리(ST)이고, 제2 열처리는 시효처리(Ag)이다. 용체화처리 후 합금 성분 및 열처리 조건에 따라서는 오스테나이트상의 일부가 변태하지 않고 잔류하는 경우가 있다. 이것은 잔류 오스테나이트라 불리며, 강도를 저하시키는 것으로서 최대한 저감하는 것이 바람직하다고 생각되어 왔다. 고강도화 목적으로 첨가 원소를 많이 포함하는 합금은 마르텐사이트 변태온도가 낮아 잔류 오스테나이트가 발생하기 쉽기 때문에, 일시적으로 실온 이하의 온도까지 냉각함으로써 잔류 오스테나이트를 감소시키는 처리(서브제로처리)를 적용하는 경우가 있다.
그러나 인성을 고려한 경우, 용체화처리 후 시효처리 전 단계에서 일정량의 잔류 오스테나이트가 존재하는 편이 양호한 인성이 얻어지는 것을 알 수 있었다. 그 잔류 오스테나이트량은 상기의 용체화처리 후 시효처리 전 단계에서는 0.1~5.0 체적% 정도면 된다.
그리고 용체화처리 후에 행해지는 시효처리에 의해 잔류 오스테나이트에 더하여 역변태 오스테나이트가 생성되는 경우가 있어 오스테나이트량은 약간 증가한다. 그 때문에 본 발명에서는 시효처리에 의해 증가하는 오스테나이트량을 감안하여 오스테나이트의 체적률을 0.1~6.0%로 규정한다.
본 발명에 있어서 오스테나이트량이 0.1 체적% 미만인 경우에는 인장 강도 및 내력이 크게 향상되는 한편 인성은 낮기 때문에, 흡수 에너지로서 30 J 이상을 얻는 것은 곤란해진다. 0.1 체적% 이상의 오스테나이트가 존재함으로써 인성에 개선이 보이고, 열처리 조건을 선택함으로써 대략 30 J의 흡수 에너지가 얻어진다. 한편 오스테나이트량이 6.0 체적%를 초과하면 흡수 에너지는 거의 변동이 없어지는 한편, 강도는 서서히 저하되는 경향이 보이기 때문에 오스테나이트량의 상한은 6.0 체적%로 한다. 강도 및 흡수 에너지를 보다 균형 좋게 양립할 수 있는 오스테나이트량의 범위는 0.3~6.0 체적%이다.
이와 같이 석출 경화형 스테인리스강에 오스테나이트를 적극적으로 잔류 또는 생성시킨다고 하는 기술 사상은, 예를 들면 전술의 특허문헌 1에 개시된 발명 등에는 보이지 않았던 것으로, 본원 발명에 특유의 기술 사상이다.
또한 전술한 시효처리 후에 있어서 양호한 인성 및 강도를 균형 좋게 양립시키는 오스테나이트량은 0.3~5.0 체적%의 범위 내인 것이 바람직하다. 바람직한 오스테나이트량의 하한은 0.4 체적%이고, 더욱 바람직하게는 1.0 체적%이며, 보다 바람직하게는 2.0 체적%이다.
또한 전술의 시효 후에 있어서의 오스테나이트량으로 조정하기 위해서는, 용체화처리 후 시효처리 전 단계에서의 잔류 오스테나이트량의 하한을 0.3 체적%로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1.0 체적%로 하는 것이 좋다.
상기의 오스테나이트량을 실현하는 구체적인 열처리 조건의 일례로서, 용체화처리를 800~950℃의 온도 범위에서 1~4 h 행한다. 용체화처리 온도의 바람직한 상한은 930℃이고, 보다 바람직하게는 910℃이다. 또한 용체화처리 온도의 바람직한 하한은 840℃이고, 보다 바람직하게는 870℃이다. 시효처리는 490~540℃의 온도 범위에서 6 h를 초과하여 행하면 좋다. 보다 바람직한 시효처리의 시간은 8~12 h이다. 시효처리의 시간이 지나치게 짧으면 역변태 오스테나이트의 형성이 불충분하여 충분한 인성이 얻어지지 않는다. 반대로 시효시간이 지나치게 길면 강도의 저하가 현저하다. 또한 상기 열처리의 냉각에서는 공랭(空冷), 유랭(油冷) 또는 수랭(水冷) 등을 선택하여 냉각 속도를 변경하는 것이 가능하다. 이들 조건은 합금의 잔류 오스테나이트 형성 경향에 따라 선택하는 것이 필요하다. Ni 또는 Al 등을 많이 포함하여 잔류 오스테나이트가 많이 형성되는 합성 성분의 경우에는 서브제로처리를 행함으로써 잔류 오스테나이트량을 조정해도 된다.
다음으로 본 발명의 석출 강화형 마르텐사이트강의 합금 원소 및 화학 성분 범위의 선정 이유에 대해서 설명한다. 화학 성분은 모두 질량%이다.
C：0.05% 이하
C는 저합금강 등에서는 담금질 경도를 향상시켜 기계적 특성을 좌우하는 원소인 것에 대해서, 본 발명에 있어서는 불순물로서 규제되어야 하는 원소이다. C가 Cr과 결합하여 탄화물을 형성한 경우, 모상(母相) 중의 Cr량이 저하되어 내식성이 열화(劣化)된다. 또한 Ti와도 결합하여 탄화물을 형성하기 쉽고, 이 경우에는 본래 금속간 화합물상을 형성하여 석출 강화에 기여하는 Ti가 강화에 기여가 작은 탄화물이 되어 버리기 때문에 강도 특성을 열화시킨다. 그 때문에 C는 0.05% 이하로 한다. 바람직한 C의 상한은 0.04% 이하이고, C는 될 수 있는 한 낮은 편이 바람직하지만, 실제 조업시에는 적어도 0.001% 정도의 C는 포함된다.
Si：0.2% 이하
Si는 탈산원소로서 제조시에 첨가할 수 있다. Si가 0.2%를 초과하면 합금의 강도를 저하시키는 취화상(脆化相)이 석출되기 쉬워지기 때문에, Si의 상한을 0.2%로 한다. 예를 들면 Si를 대신하는 탈산원소를 첨가하는 경우에는 Si는 0%라도 지장 없다.
Mn：0.4% 이하
Mn은 Si와 동일하게 탈산작용이 있어 제조시에 첨가할 수 있다. Mn이 0.4%를 초과하면 고온에 있어서의 단조성을 악화시키기 때문에, Mn의 상한을 0.4%로 한다. 예를 들면 Mn을 대신하는 탈산원소를 첨가하는 경우에는 Mn은 0%라도 지장 없다.
Ni：7.5~11.0%
Ni는 후술하는 Al 또는 Ti와 결합하여 강화에 기여하는 금속간 화합물을 형성하는 합금의 강도 향상에 불가결한 원소이다. 또한 Ni는 모상 중에 고용(固溶)되어 합금의 인성을 향상시키는 작용을 갖는다. Ni의 첨가에 의해 석출물을 형성하고, 또한 모상의 인성을 유지하기 위해서는 적어도 7.5% 이상의 Ni가 필요하다. 또한 Ni에는 오스테나이트상을 안정화시키고 또한 마르텐사이트 변태 온도를 저하시키는 작용이 있다. 그 때문에 Ni를 과잉으로 첨가하면 마르텐사이트 변태가 불충분해지기 때문에, 잔류 오스테나이트량이 많아져 합금의 강도가 저하되어 버린다. 이 때문에 Ni의 상한을 11.0%로 한다. 또한 Ni 첨가의 효과를 보다 확실하게 얻기 위해서는 Ni의 하한을 7.75%로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직한 하한은 8.0%이다. 또한 바람직한 Ni의 상한은 10.5%이고, 더욱 바람직한 상한은 9.5%이다.
Cr：10.5~13.5%
Cr은 합금의 내식성, 내산화성의 향상에 불가결한 원소이다. Cr이 10.5% 미만에서는 합금의 충분한 내식성 및 내산화성이 얻어지지 않기 때문에, Cr의 하한을 10.5%로 한다. 또한 Cr은 Ni와 동일하게 마르텐사이트 변태 온도를 저하시키는 작용을 갖는다. 과잉의 Cr 첨가는 잔류 오스테나이트량의 증가 및 δ페라이트상의 석출에 의한 강도 저하를 일으키기 때문에, Cr의 상한을 13.5%로 한다. 또한 Cr 첨가의 효과를 보다 확실하게 얻기 위해서는 Cr의 하한을 11.0%로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직한 하한은 11.8%이다. 또한 바람직한 Cr의 상한은 13.25%이고, 더욱 바람직한 상한은 13.0%이다.
Mo：1.75~2.5%
Mo는 모상에 고용되어 생지(生地)의 고용 강화에 기여하는 동시에 내식성의 향상에도 기여하기 때문에 반드시 첨가한다. Mo가 1.75% 미만에서는 석출 강화상에 대한 모상의 강도가 불충분하여 합금의 연성(延性), 인성이 저하되는 한편으로, Mo를 과잉으로 첨가한 경우에는 마르텐사이트 온도의 저하에 의한 잔류 오스테나이트량의 증가 및 δ페라이트상의 석출이 일어나기 때문에 강도가 저하되는 것으로부터 Mo의 상한을 2.5%로 한다. 또한 Mo 첨가의 효과를 보다 확실하게 얻기 위해서는 Mo의 하한을 1.9%로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직한 하한은 2.0%이다. 또한 바람직한 Mo의 상한은 2.4%이고, 더욱 바람직한 상한은 2.3%이다.
Al：0.9~2.0%
본 발명에 있어서 Al은 강도 향상에 필수인 원소이다. Al은 시효처리에 의해 Ni와 결합하여 금속간 화합물을 형성하고, 이들이 마르텐사이트 조직 중에 미세하게 석출됨으로써 높은 강도 특성이 얻어진다. 강화에 필요한 석출량을 얻기 위해서는 0.9% 이상의 Al의 첨가가 필요하다. 한편으로 Al을 과잉으로 첨가하면 금속간 화합물의 석출량이 과잉이 되기 때문에, 모상 중의 Ni량이 저하되고 인성이 저하된다. 그 때문에 Al의 상한을 2.0%로 한다. 또한 Al 첨가의 효과를 보다 확실하게 얻기 위해서는 Al의 하한을 1.0%로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직한 하한은 1.1%이다. 또한 바람직한 Al의 상한은 1.7%이고, 더욱 바람직한 상한은 1.5%이다.
Ti：0.1% 미만
Ti는 Al과 동일하게 석출물을 형성하여 합금의 강도를 향상시키는 효과를 나타내는 원소이다. 그러나 Ti는 Al에 비해 잔류 오스테나이트를 형성하는 경향이 강하여, 과잉으로 첨가하면 잔류 오스테나이트의 증가에 수반되는 강도 저하가 커진다. 그 때문에 Ti를 0.1% 미만으로 한다. 또한 전술의 Al에 의해 충분히 합금의 강도를 향상시킬 수 있는 경우는 Ti의 첨가는 반드시 필요하지는 않아 Ti를 0%(무첨가)로 해도 지장 없다.
잔부가 Fe 및 불순물
잔부는 Fe 및 제조 중에 불가피적으로 혼입되는 불순물 원소이다. 대표적인 불순물 원소로서는 S, P 및 N 등이 생각된다. 이들 원소는 적은 편이 바람직하지만, 일반적인 설비로 제조할 때에 저감할 수 있는 양으로서 각 원소는 0.05% 이하라면 지장 없다.
또한 전술한 본 발명에서 규정하는 각 원소의 범위 중에서 특히 강도 및 인성을 균형 좋게 만족시키는 성분의 범위는 C：0.04% 이하, Si：0.2% 이하, Mn：0.4% 이하, Ni：8.2~8.5%, Cr：12.5~13.0%, Mo：2.0~2.3%, Al：1.2~1.5%이고, 잔부가 Fe 및 불순물이다. 오스테나이트량도 적절히 제어함으로써 1530 ㎫의 인장 강도 및 40 J의 흡수 에너지를 얻는 것도 가능하다.
실시예
(실시예 1)
아래의 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
진공 용해에 의해 10 ㎏의 강괴를 제작하고, 열간 단조에 의해 단면이 45 ㎜×20 ㎜의 각재 형상인 단조 소재를 제작하였다. 용해된 강괴의 성분을 표 1에 나타낸다.
Figure 112014108276845-pct00001
단조 후의 소재에 표 2에 나타내는 각종 조건에서 열처리를 실시하였다. 용체화처리는 927℃×1 h 유지 후 유랭이다. 일부에 대해서는 잔류 오스테나이트를 저감시킬 목적으로 용체화처리 후에 -75℃×2 h의 서브제로처리를 실시하였다. 그 후 524℃×8 h 유지 후 공랭의 시효처리를 행하였다. 처리 후의 소재에 대해서 시험편 가공을 행하여 특성 평가를 행하였다. 인장시험은 ASTM-E8을 토대로 실시하였다. 샤르피 충격시험에는 2 V 노치 시험편을 사용하였다. 오스테나이트량의 측정에는 리가쿠사 제조 RINT2000(X선원：Co)을 사용하고, 오스테나이트상의 (200)(220)(311)면 및 페라이트상의 (200)(211)의 각 회절면의 조합에 대해서 회절 피크의 적분 강도 및 R값을 사용한 직접 비교법에 의해 오스테나이트량을 산출하였다. 구체적으로는 수학식 1로부터 구해지는 체적률을 평균한 값을 재료 중의 오스테나이트상의 체적률로 정의하였다.
또한 수학식 1로 나타내는 Vγ：오스테나이트 체적률, Iα：페라이트상의 회절 피크의 적분 강도, Iγ：오스테나이트상의 회절 피크의 적분 강도, Rα, Rγ：각 회절면에 대해서 정해지는 정수이다. R값으로서는 장치의 해석 프로그램의 값을 사용하였다.
Figure 112014108276845-pct00002
본 실시예에서는 강도의 지표로서 인장 강도 및 인성의 지표로서 샤르피 흡수 에너지를 사용하는데, 각각 1500 ㎫ 및 30 J의 균형 좋은 특성을 얻는 데에 적합한 시효처리 조건은 524℃×8 h 가열 후 공랭이었다. 시효온도가 그것보다 고온이면 인성이 향상되는 한편 강도가 저하되고, 반대로 그것보다 저온이면 강도가 향상되는 한편 인성은 저하되는 경향이 있었다.
표 3에 524℃ 시효재의 인장시험에서 얻어진 인장 강도 및 샤르피 충격시험에서 얻어진 흡수 에너지를 나타낸다. 시험은 모두 실온에서 실시하였다.
Figure 112014108276845-pct00003
시험 No.1~5가 본 발명의 실시예이고, 시험 No.11~13은 비교예이다.
시험 No.1 및 No.2는 모두 합금 No.1의 결과이다. 다만 시험 No.2의 경우는 서브제로처리를 행하였기 때문에 용체화처리(ST) 후 및 시효처리(Ag) 후 모두 오스테나이트량이 적어져 있다. 그 때문에 인장 강도가 상승하는 한편 흡수 에너지가 저하되어 있다. 합금 No.1의 경우는 합금 성분의 균형이 좋아 서브제로처리의 유무에 상관없이 본 발명에서 규정하는 오스테나이트량이 얻어졌다.
시험 No.3, 시험 No.4 및 시험 No.5는 Al, Ni 및 Cr의 양이 각각 상이하지만, 모두 양호한 인장 강도와 인성을 가지고 있었다. 오스테나이트량과 이들 특성은 반드시 비례 관계에 있는 것은 아닌데, 이는 합금 성분의 차이에 의해 석출량 및 모상의 성분이 상이하기 때문으로 생각된다.
시험 No.11 및 시험 No.12는 합금 No.2 및 합금 No.4에 대해서 서브제로처리를 행한 것인데, 시험 No.2와는 달리 잔류 오스테나이트상이 소실되어 있고, 시효처리 후에도 오스테나이트량이 불충분하기 때문에 흡수 에너지가 저하되는 결과가 되었다. 이들 합금은 합금 No.1에 비해 오스테나이트가 형성되기 힘든 경향이 있다. 즉, 서브제로처리가 오스테나이트를 지나치게 감소시켜 버렸다고 생각된다. 동일한 합금이라도 서브제로처리를 행하지 않은 시험 No.3 및 시험 No.5에서는 인장 강도 및 흡수 에너지 모두 양호한 결과가 얻어지고 있다. 이는 동일한 합금이라도 오스테나이트량을 적절하게 제어하지 않으면 강도와 인성을 균형 좋게 얻을 수 없는 것을 나타내고 있다.
시험 No.13은 합금 No.5에 대해서 시험한 것인데, 다른 것에 비해 Ni 및 Ti가 많아 본 발명의 성분 범위를 초과하고 있다. 그 때문에 서브제로처리를 행해도 잔류 오스테나이트량이 7%로 많기 때문에 강도가 목표로 한 1500 ㎫를 밑도는 결과가 되었다.
Figure 112014108276845-pct00004
(실시예 2)
본 발명의 석출 강화형 마르텐사이트강을 사용하여 실제품의 규모로 제조한 예를 나타낸다.
진공 유도 용해 및 진공 아크 재용해에 의해 제조한 1톤의 강괴를 φ220 ㎜의 환봉에 열간 단조한 소재로부터 시험편을 채취하여, 실시예 1과 동일한 특성 평가를 행하였다. 진공 아크 재용해로 얻어진 강괴의 성분은 표 4에 나타내는 바와 같다.
또한 열처리 조건은 용체화 열처리：927℃×1 h 유지 후 공랭과 880℃×1 h 유지 후 공랭의 두 조건, 서브제로처리：-75℃×2 h, 시효처리：524℃×8 h 유지 후 공랭으로 하였다.
특성 평가의 결과는 표 5에 나타내는 바와 같다. 특성 평가에 제공한 소재의 오스테나이트량은 시험 No.21의 서브제로처리 후에서 0.2%, 시효처리 후에서는 0.4%였다. 또한 이 오스테나이트량은 시험 No.22의 서브제로처리 후에서 3.0%, 시효처리 후에서는 3.6%로, 모두 본 발명에서 규정하는 오스테나이트량의 범위 내였다. 인장 강도는 지표로 한 1500 ㎫를 웃돌고, 샤르피 흡수 에너지도 30 J를 웃돌았지만, 본 실시예의 범위에서는 880℃에서의 용체화 열처리에 의해 얻어진 No.22 쪽이 강도와 인성의 균형이 우수한 결과가 되었다.
Figure 112014108388029-pct00010
Figure 112014108276845-pct00006
도 1은 실시예 1 및 실시예 2에서 나타낸 각 합금에 대한 인장 강도와 시효 후의 오스테나이트량의 상관을 나타낸 도면이다. 오스테나이트량이 작아짐에 따라 인장 강도가 상승하는 경향을 알 수 있다. 오스테나이트량이 6 체적% 이하에서는 어느 시험에서도 1500 ㎫를 초과하는 인장 강도가 얻어지고 있다.
도 2는 흡수 에너지와 시효 후의 오스테나이트량의 상관을 나타내는 도면이다. 오스테나이트량이 작아짐에 따라 흡수 에너지는 저하되는 경향이 있는데, 특히 오스테나이트량이 0 체적% 부근에서 급격하게 저하한다. 강화에 기여하는 석출물은 마르텐사이트상으로 주로 석출되기 때문에, 오스테나이트상은 비교적 변형되기 쉽고 다량으로 존재하면 강도 저하를 초래하지만, 소량이면 충격 에너지를 흡수함으로써 인성을 높이는 역할을 가지고 있다고 생각된다.
도 3은 인장 강도와 흡수 에너지의 상관을 나타내는 도면인데, 인장 강도가 상승할수록 흡수 에너지는 저하되는 경향이 확인된다. 적절한 성분 및 열처리에 의해 오스테나이트량을 제어함으로써 강도 및 인성의 양자를 균형 좋게 갖는 합금을 얻는 것이 가능해진다. 도면 중에서 보다 오른쪽 위에 위치하는 것은 균형이 양호한 것을 나타내고 있는데, 본 실시예 중에서는 시험 No.4 및 No.22에서 인장 강도 1530 ㎫ 이상, 또한 흡수 에너지 40 J 이상이라는 우수한 강도 및 인성의 우수한 균형이 얻어지고 있다.
이상의 결과로부터 본 발명의 석출 강화형 마르텐사이트강은 고강도이면서 인성도 우수한 것을 알 수 있다. 이것으로부터 발전용 터빈 부품에 사용함으로써 효율의 향상을 기대할 수 있다. 또한 항공기 부품으로서 사용한 경우에는 기체의 경량화에 기여하는 것이 가능하다.

Claims (5)

  1. 질량%로 C：0.001~0.05%, Si：0%를 초과하고 0.2% 이하, Mn：0%를 초과하고 0.4% 이하, Ni：7.5~8.45%, Cr：10.5~13.5%, Mo：1.75~2.5%, Al：0.9~2.0%, 및 Fe 및 불순물의 잔부로 이루어지는 석출 강화형 마르텐사이트강에 있어서, 그 석출 강화형 마르텐사이트강은 체적률로 0.1~6.0%의 오스테나이트를 포함하고, 인장 강도가 1510 ㎫ 이상, 샤르피 충격시험에서 얻어지는 흡수 에너지가 30 J 이상인 것을 특징으로 하는 석출 강화형 마르텐사이트강.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오스테나이트의 체적률이 0.3~6.0%인 것을 특징으로 하는 석출 강화형 마르텐사이트강.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    질량%로 Ti가 0%를 초과하고 0.1% 미만으로 추가로 포함된, 석출 강화형 마르텐사이트강.
  4. 질량%로 C：0.001~0.05%, Si：0%를 초과하고 0.2% 이하, Mn：0%를 초과하고 0.4% 이하, Ni：7.5~8.45%, Cr：10.5~13.5%, Mo：1.75~2.5%, Al：0.9~2.0%, 및 Fe 및 불순물의 잔부로 이루어지는 석출 강화형 마르텐사이트강의 제조방법에 있어서, 800~950℃에서 용체화처리를 행한 후, 체적률로 0.1~5.0%의 오스테나이트를 포함하는 석출 강화형 마르텐사이트강에 490~540℃에서 6시간을 초과하는 시효처리를 행하여 오스테나이트의 체적률을 0.1~6.0%, 인장 강도가 1510 ㎫ 이상, 샤르피 충격시험에서 얻어지는 흡수 에너지가 30 J 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 석출 강화형 마르텐사이트강의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    용체화처리 온도가 870~930℃인 것을 특징으로 하는 석출 강화형 마르텐사이트강의 제조방법.
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