KR101534424B1

KR101534424B1 - 원자력 발전 기기용 단강재 및 원자력 발전 기기용 용접 구조물

Info

Publication number: KR101534424B1
Application number: KR1020137022043A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 다카오카; 노부유키 후지츠나
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2015-07-06
Also published as: JP2012188747A; EP2679696B1; WO2012115240A1; ES2720182T3; EP2679696A1; KR20130106442A; EP2679696A4; CA2825956C; US9297056B2; CA2825956A1; US20130330119A1

Abstract

본 발명의 원자력 발전 기기용 단강재는, 소정의 화학 성분 조성을 만족하는 동시에, 금속 조직의 결정 입도가 ASTM에 의한 입도 번호로 4.5 내지 7.0이다. 또한, Al과 N의 질량비(Al/N)가, 1.93 이상일 때에는 N의 함유량이 0.0100질량％ 이상, 1.93 미만일 때에는 Al의 함유량이 0.022질량％ 이상인 것이 바람직하다. 이러한 원자력 발전 기기용 단강재는, 용접 시공한 후의 응력 제거 어닐링 후에 있어서도, 강도, 인성, 내수소 균열성이 우수하다.

Description

원자력 발전 기기용 단강재 및 원자력 발전 기기용 용접 구조물{FORGED STEEL MATERIAL FOR NUCLEAR POWER GENERATION DEVICES, AND WELDED STRUCTURE FOR NUCLEAR POWER GENERATION DEVICES}

본 발명은, 원자력 발전용 시설의 압력 용기나 증기 발생기 등의 기기를 구성하는 부재로서 사용되는 원자력 발전 기기용 단강재, 및 그들 복수의 원자력 발전 기기용 단강재를 사용하여 용접하여 구성되어 있는 원자력 발전 기기용 용접 구조물에 관한 것이다.

대형의 단강재는, 우수한 강도, 인성을 가지므로, 원자력 발전 플랜트의 압력 용기나 증기 발생기 등의 기기류의 조립용 부재로서 적합한 부재로 되어, 종래부터 원자력 발전 기기용 부재로서 많이 사용되어 왔다. 또한, 최근, 지구 환경의 보호, 특히 지구 온난화 방지라고 하는 배경이 있어, CO₂를 배출하지 않는다고 하는 특징을 갖는 원자력 발전은, 점점 증가하는 경향이 있다. 나아가서는, 에너지 수요의 증가의 정도도 최근에는 종래에 비해 현저하여, 원자력 발전 플랜트의 압력 용기나 증기 발생기 등의 기기류는 더욱 대형화되는 경향이 있다.

이와 같이, 원자력 발전 플랜트의 압력 용기나 증기 발생기 등의 기기류는 해마다 대형화되고 있으므로, 원자력 발전 플랜트의 압력 용기나 증기 발생기 등의 기기류에 사용하는 대형 단강재에도, 강도 및 인성이 한층 더 우수한 것, 또한, 아울러 내수소 균열성도 우수한 것이 요구되고 있다.

또한, 대형 단강재를 모재로 하여 조립되는 원자력 발전 기기용 용접 구조물에 있어서는, 통상, 용접 시공 후에 응력 제거를 목적으로 한 장시간의 응력 제거 어닐링이 실시되지만, 이 응력 제거 어닐링 후에 있어서도, 원자력 발전 기기용의 대형 단강재에는, 강도, 인성이 우수한 것이 요구된다.

이와 같이, 원자력 발전 기기용의 대형 단강재에는, 강도, 인성, 나아가서는 내수소 균열성이 우수한 것이 요구되지만, 이와 같이 강도나 인성이 우수한 강재로서, 오래전부터 특허문헌 1 내지 4에 기재된 기술이 이미 제안되어 있다. 그러나 당시의 원자력 발전 플랜트는 대형화가 진행되기 전의 것이며, 요구되는 강도나 인성은, 대형화가 진행된 현재와 비교하면, 그다지 높은 것은 아니었다.

한편, 내수소 균열성에 대해서는, 강의 정련 기술, 강의 성분 조직의 양쪽의 면으로부터 대책이 검토되고 있다. 정련 기술의 면으로부터는, 용강의 정련 시에 있어서의 수소량의 상한값을 규정하고, 그 상한값을 초과하였을 때에는 탈수소 처리를 실시한다고 하는 것이 실제 조업에 있어서 이미 실시되고 있다. 그러나 이 탈수소 처리는, 처리 시간 및 처리 비용의 점으로부터 수소량의 저감에 한계가 있다고 일컬어지고 있다. 따라서, 일반적으로는 1 내지 수 ppm 레벨에서의 제조 관리가 실시되고 있는 것이 현상이지만, 수소 균열은 보다 미량의 수소에 의해 발생하므로, 1 내지 수 ppm 레벨에서의 현상의 제조 관리에서는, 수소 균열을 완전히 방지할 수는 없었다.

강의 성분 조직의 면으로부터는, 강 중의 S의 함유량을 증가시킴으로써, MnS계 개재물을 강 중에 적극적으로 도입하여, 그 MnS계 개재물을 확산성 수소의 트랩 사이트로서 활용함으로써, 내수소 균열성을 향상시키는 방법이, 용강의 정련 방법으로서 특허문헌 5에 의해 제안되어 있다. 확실히 이 방법에 의해, 내수소 균열성을 향상시킬 수는 있지만, 이 방법에 의해서도 수소 균열을 완전히 방지하는 것은 곤란하였다. 또한, 이 방법에서는, 당연한 것이지만 개재물이 증가하므로, 내수소 균열성이 향상되는 반면, 인성이 저하되어 버린다고 하는 문제도 겸비하고 있었다.

일본 특허 출원 공개 소55-100964호 공보 일본 특허 출원 공개 소63-53243호 공보 일본 특허 출원 공개 소63-69944호 공보 일본 특허 출원 공개 소64-8255호 공보 일본 특허 출원 공개 제2003-268438호 공보

본 발명은, 상기 종래의 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 용접 시공한 후의 응력 제거 어닐링 후에 있어서도, 강도, 인성, 내수소 균열성이 우수한 원자력 발전 기기용 단강재, 및 그들 복수의 원자력 발전 기기용 단강재를 사용하여 용접하여 구성된 원자력 발전 기기용 용접 구조물을 제공하는 것을 과제로 하는 것이다.

청구항 1에 기재된 발명은, 질량％로, C:0.15 내지 0.24％, Si:0.15 내지 0.30％, Mn:1.0 내지 1.6％, P:0.015％ 이하(0％를 포함하지 않음), S:0.0015％ 이하(0％를 포함하지 않음), Cu:0.10％ 이하(0％를 포함함), Ni:0.70 내지 1.10％, Cr:0.05 내지 0.30％, Mo:0.40 내지 0.60％, V:0.05％ 이하(0％를 포함함), Al:0.015 내지 0.030％, O:0.0030％ 이하(0％를 포함하지 않음), N:0.0050 내지 0.0150％를 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 금속 조직의 결정 입도가 ASTM에 의한 입도 번호로 4.5 내지 7.0인 것을 특징으로 하는 원자력 발전 기기용 단강재이다.

청구항 2에 기재된 발명은, Al과 N의 질량비(Al/N)가, 1.93 이상일 때에는 N의 함유량이 0.0100질량％ 이상, 1.93 미만일 때에는 Al의 함유량이 0.022질량％ 이상인 청구항 1에 기재된 원자력 발전 기기용 단강재이다.

청구항 3에 기재된 발명은, 금속 조직 중에 존재하는 시멘타이트의 평균 원 상당 직경이 0.5㎛ 이하인 청구항 1 또는 2에 기재된 원자력 발전용 대형 단강재이다.

청구항 4에 기재된 발명은, 질량％로, Nb:0.005 내지 0.050％, Ti:0.005 내지 0.030％, B:0.0005 내지 0.0050％, Ca:0.0005 내지 0.0050％로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 함유하는 청구항 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 원자력 발전 기기용 단강재이다.

청구항 5에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 4 중 어느 하나에 기재된 원자력 발전용 단강재를 사용하여, 복수의 원자력 발전용 단강재 상호를 용접하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 원자력 발전 기기용 용접 구조물이다.

본 발명의 원자력 발전 기기용 단강재 및 원자력 발전 기기용 용접 구조물은, 용접 시공한 후의 응력 제거 어닐링 후에 있어서도, 강도, 인성, 내수소 균열성이 우수하다.

도 1은 실시예의 내수소 균열성의 평가에서 SSRT(저변형 속도 시험)를 행하고 있는 상태를 도시하는 정면도이다.

대형 단강재를 모재로 하여 조립되는 원자력 발전 기기용 용접 구조물에 있어서는, 통상, 용접 시공 후에 응력 제거를 목적으로 한 장시간의 응력 제거 어닐링이 실시되지만, 종래부터의 원자력 발전 기기용 단강재는, 그 단강재 자체로서는 그 나름대로 강도, 인성이 우수하지만, 응력 제거 어닐링 후의 강도, 인성, 나아가서는 내수소 균열성에 대해서는 특별히 검토되어 있지 않아, 본 발명자들은, 응력 제거 어닐링 후에 대해서도, 우수한 강도, 인성, 내수소 균열성을 갖는 원자력 발전 기기용 단강재 및 원자력 발전 기기용 용접 구조물을 개발하기 위해 여러 가지 각도에서 예의 연구를 행하였다.

종래는 강 중의 S의 함유량을 증가시킴으로써, MnS계 개재물을 강 중에 적극적으로 도입하여, 그 MnS계 개재물을 확산성 수소의 트랩 사이트로서 활용함으로써, 단강재의 내수소 균열성을 향상시키고 있었지만, 내수소 균열성은 그것으로도 충분하지 않았다. 본 발명자들은, 이 종래의 단강재보다 우수한 내수소 균열성을 갖는 단강재를 발견하기 위해 검토를 행하였다. 그 결과, 반대로, 강 중의 S의 함유량을 저감함으로써, 단강재의 내수소 균열성을 향상시킬 수 있는 것을 발견하였다. 왜, 내수소 균열성을 향상시킬 수 있는지는 현 시점에서는 해명되어 있지 않지만, 생성되는 MnS계 개재물의 양이 감소하고, MnS계 개재물과 매트릭스 계면에 발생하는 응력 집중을 저감할 수 있기 때문이라고 생각된다.

또한, 금속 조직의 결정 입도를 통상보다 크게 하여, 준(quasi)폴리고날·페라이트, 그래뉼라·베이나이트의 생성을 억제함으로써, 응력 제거 어닐링 후에 있어서도, 우수한 강도, 인성, 내수소 균열성을 겸비한 원자력 발전 기기용 단강재 및 원자력 발전 기기용 용접 구조물로 할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명의 완성에 이르렀다.

또한 아울러, AlN 석출물의 양을 제어함으로써, 더욱 우수한 인성, 내수소 균열성을 얻을 수 있는 것도 발견하였다. 또한, 금속 조직 중에 존재하는 시멘타이트를 미세화함으로써 인성을 한층 더 개선할 수 있는 것도 발견하였다.

이하, 본 발명을 실시 형태에 기초하여 상세하게 설명한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는, 단강재의 성분 조성과, 금속 조직의 결정 입도를 필수 요건으로서 규정하지만, 우선, 성분 조성에 대해 상세하게 설명한다. 이하, 각 원소(화학 성분)의 함유율에 대해서는 단순히 ％로 기재하지만, 모두 질량％를 나타낸다.

(성분 조성)

C:0.15 내지 0.24％

C는, 강도를 확보하기 위한 필수 원소이다. C의 함유량이 0.15％보다 낮으면, 필요한 강도를 확보할 수 없게 된다. 한편, C의 함유량이 0.24％를 초과하면, 마르텐사이트 등의 경질 조직의 증가를 초래하고, 그 결과, 인성 열화를 초래하게 된다. 따라서, C의 함유량은 0.15 내지 0.24％로 한다. C의 함유량의 바람직한 하한은 0.17％, 바람직한 상한은 0.22％, 보다 바람직한 상한은 0.20％이다.

Si:0.15 내지 0.30％

Si는, C와 마찬가지로 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. 강도 향상의 점에서는 미량이어도 되지만, 본 발명에서는 Si의 함유량의 하한은 0.15％로 한다. 한편, 과잉으로 첨가되면, 강도의 과대한 상승, 마르텐사이트 등의 경질 조직의 증가를 초래하고, 인성의 열화를 초래한다. 그로 인해, Si의 함유량의 상한은 0.30％로 한다. 또한, 바람직한 상한은 0.27％, 보다 바람직한 상한은 0.25％이다.

Mn:1.0 내지 1.6％

Mn은, 강도 및 인성의 향상에 유효한 원소이다. 그 함유량이 1.0％ 미만에서는 그 작용이 과소로 된다. 반대로, 과잉으로 첨가하면, 강도의 과대한 상승, 마르텐사이트 등의 경질 조직의 증가를 초래하는 것 이외에, 입계 탄화물의 조대화를 초래하여, 강도 및 인성의 열화의 원인으로 된다. 따라서, Mn의 함유량은 1.0 내지 1.6％로 한다. Mn의 함유량의 바람직한 하한은 1.2％, 바람직한 상한은 1.5％이다.

P:0.015％ 이하(0％를 포함하지 않음)

P는, 불가피하게 혼입되어 오는 불순물 원소이며, 인성에 악영향을 미치는 원소이므로, 그 함유량은 가능한 한 적은 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, P의 함유량은 0.015％ 이하로 억제할 필요가 있고, 바람직하게는 0.010％ 이하로 한다. 그러나 공업적으로 강 중의 P를 0％로 하는 것은 곤란하다.

S:0.0015％ 이하(0％를 포함하지 않음)

S는, MnS를 형성하여 내수소 균열성을 저하시키는 원소이므로, 그 함유량은 가능한 한 적은 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, S의 함유량은 0.0015％ 이하로 억제할 필요가 있고, 바람직하게는 0.0013％ 이하, 보다 바람직하게는 0.0012％ 이하로 한다. 그러나 공업적으로 강 중의 S를 0％로 하는 것은 곤란하다.

Cu:0.10％ 이하(0％를 포함함)

Cu는, 강도 및 인성의 향상에 유효한 원소이므로, 필요에 의해 첨가된다. 단, 과잉의 첨가는, 강도의 과대한 상승, 마르텐사이트 등의 경질 조직의 증가를 초래하여, 강도 및 인성의 열화의 원인으로 된다. 따라서, Cu의 함유량의 상한은 0.10％, 바람직하게는 0.05％로 한다.

Ni:0.70 내지 1.10％

Ni는, 강도 및 인성의 향상에 유효한 원소이다. 그 함유량이 0.70％ 미만에서는 그 작용이 과소로 되고, 반대로, 과잉으로 첨가하면, 강도의 과대한 상승을 초래하여, 인성에 악영향을 미친다. 그로 인해, Ni의 함유량은 0.70 내지 1.10％로 한다. Ni의 함유량의 바람직한 하한은 0.80％, 바람직한 상한은 1.05％, 보다 바람직한 상한은 1.00％이다.

Cr:0.05 내지 0.30％

Cr은, 강도 및 인성을 향상시키는 작용을 갖는다. 그 함유량이 0.05％ 미만에서는 그 작용이 과소로 되고, 반대로, 과잉으로 첨가하면, 입계 탄화물의 조대화를 초래하여, 강도, 인성에 악영향을 미친다. 그로 인해, Cr의 함유량은 0.05 내지 0.30％로 한다. Cr의 함유량의 바람직한 하한은 0.10％, 바람직한 상한은 0.27％, 보다 바람직한 상한은 0.25％이다.

Mo:0.40 내지 0.60％

Mo는, 강도 및 인성을 향상시키는 작용을 갖는다. 그 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.40％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직한 하한은 0.45％, 보다 바람직한 하한은 0.50％이다. 한편, 과잉으로 첨가하면, 입계 탄화물의 조대화를 초래하여, 인성에 악영향을 미친다. 그로 인해, Mo의 함유량의 상한은 0.60％로 한다. 바람직한 상한은 0.55％이다.

V:0.05％ 이하(0％를 포함함)

V는, 강도 및 인성의 향상에 유효한 원소이므로, 필요에 의해 첨가된다. 그러나 과잉으로 첨가하면 산화물의 조대화를 초래하여, 인성에 악영향을 미치므로, V의 함유량의 상한은 0.05％로 한다. 바람직한 상한은 0.03％이다.

Al:0.015 내지 0.030％

Al은, 탈산 원소로서 산소량 저감에 유용한 원소이다. 그 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.015％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나 그 함유량이 과잉으로 되면 산화물의 조대화를 초래하여, 오히려 인성에 악영향을 미치므로, 함유량을 0.030％ 이하로 억제할 필요가 있다.

O:0.0030％ 이하(0％를 포함하지 않음)

O는, 산화물을 형성시켜 인성을 저하시키는 원소이며, 불가피하게 혼입되는 것 이외는 가능한 한 적게 하는 것이 바람직하다. 따라서, O의 함유량은 0.0030％ 이하, 바람직하게는 0.0020％ 이하, 보다 바람직하게는 0.0015％ 이하로 한다.

N:0.0050 내지 0.0150％

N은, Al 혹은 필요에 의해 첨가되는 Nb, Ti, V와 함께 탄질화물을 형성하고, 인성을 향상시키는 작용을 갖는다. 그 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.0050％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나 그 함유량이 과잉으로 되면, 고용 N으로서 변형 시효를 초래하여, 인성에 악영향을 미치므로, 그 상한을 0.0150％로 한다.

이상이 본 발명에서 규정하는 함유 원소이며, 잔량부는 철 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물로서는, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 의해 반입되는 Sn, As, Pb 등의 원소의 혼입이 허용된다. 또한, 이하에 나타내는 원소를 적극적으로 더 함유시키는 것도 유효하며, 함유되는 원소(화학 성분)의 종류에 의해 단강재의 특성이 더욱 개선된다.

Nb:0.005 내지 0.050％

Nb는, 켄칭성을 향상시켜 강도를 향상시키는 작용을 발휘한다. 그러나 다량으로 함유시키면 탄화물의 생성이 많아져 인성이 열화되므로, 함유시키는 경우에는, 0.050％ 이하, 바람직하게는 0.040％ 이하로 한다. 또한, 이들의 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.005％ 이상 함유시킬 필요가 있다.

Ti:0.005 내지 0.030％

Ti는, 강 중에 TiN을 미세 분산시켜 가열 중의 오스테나이트립의 조대화를 방지하는 작용을 발휘한다. 그 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.005％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나 Ti의 함유량이 과잉으로 되면 용접성이 손상되므로, 함유시키는 경우에는 0.030％ 이하로 한다.

B:0.0005 내지 0.0050％

B는, 켄칭성을 향상시켜 강도를 향상시키는 작용을 발휘한다. 그러나 다량으로 함유시키면 조대한 조직을 형성시켜 인성이 열화되므로, 함유시키는 경우에는, 0.0050％ 이하, 바람직하게는 0.0040％ 이하, 보다 바람직하게는 0.0020％ 이하로 한다. 또한, 이들의 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.0005％ 이상 함유시킬 필요가 있다.

Ca:0.0005 내지 0.0050％

Ca는, 황화물의 형태를 제어하여 인성의 향상에 기여하는 원소이다. 그러나 0.0050％를 초과하여 과잉으로 함유시켜도 인성이 오히려 저하된다. 또한, 이들의 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.0005％ 이상 함유시킬 필요가 있다.

(금속 조직의 결정 입도)

이상의 화학 성분 조성을 만족함과 함께, 본 발명의 단강재는, 금속 조직의 결정 입도를 ASTM에 의한 입도 번호로 4.5 내지 7.0의 범위로 할 필요가 있다. 본 발명의 단강재는, 금속 조직은 주로 베이나이트 조직으로 되지만, 금속 조직의 결정 입도를 ASTM에 의한 입도 번호로 4.5 내지 7.0의 범위로 함으로써, 변태 후의 베이나이트 조직에 있어서의 준폴리고날·페라이트, 그래뉼라·베이나이트의 조직 비율을, 냉각 속도에 관계없이 저하시킬 수 있다. 그 결과, 응력 제거 어닐링 후에 있어서도, 강도, 인성을 우수한 것으로 할 수 있다.

(Al과 N의 질량비)

상기한 성분 조성 및 금속 조직의 결정 입도의 조건을 만족함으로써, 용접 시공한 후의 응력 제거 어닐링 후에 있어서도, 강도, 인성, 내수소 균열성이 우수한 원자력 발전 기기용 단강재로 할 수 있지만, 또한, Al과 N의 질량비(Al/N)가, 이하의 요건을 만족시킴으로써, 금속 조직의 정립도가 높아져, 인성 및 내수소 균열성을 더욱 높일 수 있다.

즉, (Al/N)≥1.93일 때에는, N의 함유량을 0.0100질량％ 이상으로 하고, (Al/N)＜1.93일 때에는, Al의 함유량을 0.022질량％ 이상으로 한다.

(시멘타이트 미세화)

또한, 상기 금속 조직의 결정 입도의 제어에 더하여, 금속 조직 중에 존재하는 시멘타이트를 미세화함으로써 한층 더 강도·인성 밸런스를 향상시킬 수 있다. 구체적으로는, 시멘타이트의 평균 원 상당 직경을 0.5㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.

<제조 요건>

본 발명의 단강재는, 상기 성분 조성을 만족하는 강을 사용하고, 통상의 단조 방법(1000 내지 1300℃ 가열, 가공 변형량은 임의)으로 제조할 수 있지만, 켄칭 시의 가열 온도를, 880℃ 이상, 1000℃ 미만으로 하는 것이 필요하다. 켄칭 시의 냉각 속도는, 10℃/분 정도 이상의 통상의 조건으로 하면 되고, 템퍼링 온도도 650℃ 전후의 통상의 조건에서 행하면 된다. 또한, 응력 제거 어닐링 처리도 600℃ 전후의 통상의 조건에서 행하면 된다.

켄칭 시의 가열 온도를 880℃ 이상으로 하는 이유는, 금속 조직의 결정 입도를 ASTM에 의한 입도 번호로 4.5 이상으로 하기 위해서이다. 한편, 켄칭 시의 가열 온도를 1000℃ 미만으로 하는 이유는, 금속 조직의 결정 입도를 ASTM에 의한 입도 번호로 7.0 이하로 억제하기 위해서이다.

또한, 상기한 미세한 시멘타이트를 얻기 위해서는, 템퍼링 시간을 종래에 비해 짧게 하는 것이 필요하다. 종래는, 오히려 템퍼링 시간이 길수록 전위 밀도(강도)가 저하되므로 인성이 향상된다고 생각되어 온 것이 일반적이지만, 본 발명자들의 검토에 따르면, 템퍼링 시간을 반대로 단축하면, 강도는 높아지지만, 시멘타이트 미세화에 의한 인성 개선 효과 쪽이 현저하게 나타나고, 결과적으로 강도·인성 밸런스가 향상되는 것으로 생각된다.

템퍼링 시간은, 통상 10시간 초과, 15시간 이하 정도에서 행해지는 것이 일반적이지만, 이것을 5시간 이상, 10시간 이하로 단축함으로써, 강도·인성을 향상시킬 수 있다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명는 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것이 아니라, 본 발명의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적절하게 변경을 가하여 실시하는 것도 가능하며, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

본 발명의 실시예에서는, 우선, 표 1 및 표 2에 나타내는 각 성분 조성의 강(20톤)을 용해하고, 1200℃에서 가열 후, 15％의 가공 변형을 부여하여 판재(단강재)로 하였다. 켄칭, 템퍼링의 조건은, 표 3 및 표 4에 나타내는 바와 같다. 또한, 각 시험 샘플의 템퍼링 시간은, No.11 내지 24가 12시간, 그 이외의 No.1 내지 10, 31 내지 62가 10.5시간이다. 또한, 각 시험 샘플은, 모두, 가열 온도:607℃, 유지 시간:48시간의 조건에서 응력 제거 어닐링을 실시하였다.

또한, 템퍼링 시간의 영향을 조사한 다른 시험 결과를 표 5 및 표 6에 나타낸다. 단강재를 얻을 때까지의 공정은 상기 실험과 마찬가지이다.

(결정 입도의 측정)

각 판재(단강재)의 표면으로부터 깊이 t/4(t:판 두께)의 위치로부터, 압연 방향에 직각으로 한 변이 20㎜인 시험편을 채취한 후에 표면을 연마하고, JIS G 0551에 기재된 결정립 정량화 방법으로, 결정 입도를 측정하였다.

(시멘타이트 입경의 측정)

시멘타이트 입경은, 이하와 같이 하여 정량화할 수 있다. 결정립 측정용으로 채취해 둔 샘플을 사용하여, 다시 표면 연마한 후 나이탈 부식을 행하고, SEM에 의해 조직 관찰을 행하였다. 또한, 촬영은 4000배, 1시야 30×30㎛의 범위에서 시야 촬영하고, 조직 사진으로부터 희게 보이는 시멘타이트를 투명 포름에 전사하고, 시멘타이트 사이즈의 평균 사이즈를 화상 해석 장치(Image-Pro-Plus)에 의해 평균 원 상당 직경으로서 정량화하였다.

(항복 강도 및 인장 강도의 평가)

각 판재(단강재)의 표면으로부터 깊이 t/4(t:판 두께)의 위치로부터, 압연 방향에 직각으로 ASTM SA-370의 표준 사이즈 시험편을 채취하고, JIS Z 2241의 인장 시험을 실시하여, 시험편의 압연 방향의 항복 강도(YS) 및 인장 강도(TS)를 측정에 의해 구하였다. 본 실시예에서는, TS가 550㎫ 이상이라고 하는 조건을 만족하는 것을, 강도가 우수한 단강재라고 평가하였다. 측정 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다.

(인성의 평가)

각 판재(단강재)의 표면으로부터 깊이 t/4(t:판 두께)의 위치로부터, 샤르피 충격 시험편(JIS Z 2201의 4호 시험편)을 3개씩 채취(시험편의 축심이 상기 t/4의 위치를 통과하도록 채취)하여 샤르피 충격 시험을 행하고, 흡수 에너지를 측정하여 그들의 평균값을 구하고, 100J이 얻어지는 온도(vE₁₀₀)를 각 단강재의 인성으로 하였다. 본 실시예에서는, TS가 650㎫ 이상인 단강재에서는 vE₁₀₀이 －5℃ 이하인 것을, TS가 650㎫ 미만인 단강재에서는 vE₁₀₀이 －20℃ 이하인 것을, 각각 인성이 우수한 단강재라고 평가하였다. 측정 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다.

(내수소 균열성의 평가)

각 판재(단강재)의 표면으로부터 깊이 t/4(t:판 두께)의 위치로부터, 환봉형의 시험편을 채취하였다.(시험편의 축심이 상기 t/4의 위치를 통과하도록 채취) 채취 후, 시험편을, 길이 150㎜, 표선간 거리 10㎜의 덤벨 형상으로 가공하고, 중앙 부분을 직경 4㎜로 가공하는 동시에, 양단부의 파지구 부분을 직경 8㎜로 가공하여 길이 15㎜에 걸쳐 나사를 설치하였다.

내수소 균열성의 평가는, 이 시험편을 사용하여, 단조용 강의 수소 균열 감수성의 비교 시험법에 의해 실시하였다.

우선, 도 1에 도시하는 바와 같이, 각 시험편(1)을, 시험 장치(2)에 세트하여, 0.5Mol/1H₂SO₄＋0.01Mol/1KSCN 수용액(3)에 침지하였다. 그 상태에서, 수소를 첨가하면서, 전류 밀도 0.5A/dm²에서 음극 전해를 행하였다. 이상의 준비를 완료한 시험편(1)에, 장축 방향의 인장 부하를 부여하여 그 응력 S1(신장)을 측정하는 SSRT(저변형 속도 시험)를 실시하였다. 이때의 시험 장치(2)의 크로스헤드의 인장 속도는 2×10^－3㎜로 하였다.

한편, 수용액(3)에의 침지를 생략한 상태, 즉 대기 중에서, 상기한 조건과 동일한 조건에서 SSRT(저변형 속도 시험)를 실시하여, 마찬가지로 파단 응력 S2를 측정하였다.

이들의 측정에서 얻어진 측정값을 하기식에 대입하여 수소 균열 감수성 S값을 산출하였다.

S값＝(1－S2/S1)×100

각 시험편마다 얻어진 S값을 하기 기준에 따라 평가하였다. 평가가 ◎ 혹은 ○인 것을, 내수소 균열성이 우수한 단강재라고 평가하였다. 평가 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다.

◎:S값이 30 미만…내수소 균열성이 극히 우수하다.

○:S값이 30 내지 40…내수소 균열성이 우수하다.

△:S값이 40 내지 50…내수소 균열성이 약간 떨어진다.

×:S값이 50 이상…내수소 균열성이 떨어진다.

No.1 내지 24는, 본 발명의 요건을 만족하는 발명예이며, 단강재의 성분 조성 및 금속 조직의 결정 입도는 적절하다. 그 결과, 강도, 인성, 내수소 균열성이 모두 우수하다고 하는 시험 결과를 얻을 수 있었다.

이에 반해, No.31 내지 62는, 단강재의 성분 조성, 금속 조직의 결정 입도 중 적어도 어느 하나에서, 본 발명의 요건을 만족하지 않는 비교예이다. 그 결과, 강도, 인성, 내수소 균열성 중 적어도 1항목에서, 평가 기준을 만족하지 않았다.

또한, 템퍼링 시간의 영향을 조사한 표 5 및 표 6에 나타내는 다른 시험 결과에 따르면, 종래와 같은 정도의 10시간 초과의 템퍼링을 행한 예(A1, B1)에 비교하여, 템퍼링 시간을 단축한 예(A2 내지 A4, B2 내지 B4)는, 모두 강도·인성 밸런스가 향상되어 있는 것을 알 수 있다.

본 발명을 상세하게 또한 특정한 실시 형태를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하는 일 없이 여러 가지 변경이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에 있어서 명백하다.

본 출원은, 2011년 2월 24일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2011-038074호), 2012년 1월 31일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2012-018488호)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

본 발명의 원자력 발전 기기용 단강재는, 원자력 발전용 시설의 압력 용기나 증기 발생기 등의 기기를 구성하는 부재로서 유용하다.

1 : 시험편
2 : 시험 장치
3 : 0.5Mol/1H₂SO₄＋0.01Mol/1KSCN 수용액

Claims

질량％로, C:0.15 내지 0.24％, Si:0.15 내지 0.30％, Mn:1.0 내지 1.6％, P:0.015％ 이하(0％를 포함하지 않음), S:0.0015％ 이하(0％를 포함하지 않음), Cu:0.10％ 이하(0％를 포함함), Ni:0.70 내지 1.10％, Cr:0.05 내지 0.30％, Mo:0.40 내지 0.60％, V:0.05％ 이하(0％를 포함함), Al:0.015 내지 0.030％, O:0.0030％ 이하(0％를 포함하지 않음), N:0.0050 내지 0.0150％를 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 금속 조직의 결정 입도가 ASTM에 의한 입도 번호로 4.5 내지 7.0이고,
질량％로, Nb:0.005 내지 0.050％, Ti:0.005 내지 0.030％, B:0.0005 내지 0.0050％, Ca:0.0005 내지 0.0050％로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 원자력 발전 기기용 단강재.
제1항에 있어서, Al과 N의 질량비(Al/N)가, 1.93 이상일 때에는 N의 함유량이 0.0100질량％ 이상, 1.93 미만일 때에는 Al의 함유량이 0.022질량％ 이상인, 원자력 발전 기기용 단강재.
제1항 또는 제2항에 있어서, 금속 조직 중에 존재하는 시멘타이트의 평균 원 상당 직경이 0.5㎛ 이하인, 원자력 발전 기기용 단강재.
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제1항 또는 제2항에 기재된 원자력 발전 기기용 단강재를 사용하여, 복수의 원자력 발전용 단강재 상호를 용접하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 원자력 발전 기기용 용접 구조물.