KR101581557B1 - 발전설비용 부품 및 그 제조 방법 - Google Patents

발전설비용 부품 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

발전설비용 부품 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 발전설비용 부품은 중량%로, 탄소(C) : 0.16~0.18%, 실리콘(Si): 0.3~0.4%, 망간(Mn) : 0.6~0.8%, 인(P) : 0.001~0.015%, 황(S) : 0.001~0.008%, 알루미늄(Al) : 0.001~0.035%, 니켈(Ni) : 0.55~0.75%, 크롬(Cr) : 1.35~1.45%, 몰리브덴(Mo) : 0.95~1.05%, 바나듐(V) : 0.2~0.3% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진 용탕을 주형 내에 투입하여 응고하는 단계; 상기 응고된 결과물을 Ac3 이상의 온도에서 노말라이징 처리하는 단계; 상기 노말라이징 처리된 결과물을 냉각하는 단계; 및 상기 노말라이징된 결과물을 템퍼링하는 단계;를 포함하고, 상기 냉각은 0.25~0.40℃/sec의 평균냉각속도로 수행되는 것을 특징으로 한다.

Description

발전설비용 부품 및 그 제조 방법 {PART FOR GENERATING UNIT AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 발전설비용 부품 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주조(casting)를 통하여 제조된 발전설비용 부품 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
증기 터빈 하우징과 같은 발전설비용 부품은 고온 고압에서 사용된다. 이러한 발전설비용 부품은 기계적 물성 및 조직 제어에 의한 크랙 발생을 방지하여야 한다.
조직 제어를 위하여 공냉 방법으로 냉각을 수행할 경우, 과냉조직이 충분히 생성되지 않아 기계적 물성 확보가 어렵다. 반면, 조직 제어를 위해 수냉 방법으로 냉각을 수행할 경우, 열응력에 의한 크랙이 발생할 가능성이 있다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0012957호(2013.02.05. 공개)에 개시되어 있는 상온 인성이 우수한 페라이트계 내열 주강 및 그것으로 이루어진 배기계 부품이 있다.
본 발명의 목적은 합금성분 및 공정조절을 통하여 과냉 조직을 가져 우수한 기계적 특성을 발휘할 수 있으면서, 크랙 발생을 방지할 수 있는 발전설비용 부품 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 발전설비용 부품 제조 방법은 중량%로, 탄소(C) : 0.16~0.18%, 실리콘(Si): 0.3~0.4%, 망간(Mn) : 0.6~0.8%, 인(P) : 0.001~0.015%, 황(S) : 0.001~0.008%, 알루미늄(Al) : 0.001~0.035%, 니켈(Ni) : 0.55~0.75%, 크롬(Cr) : 1.35~1.45%, 몰리브덴(Mo) : 0.95~1.05%, 바나듐(V) : 0.2~0.3% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진 용탕을 주형 내에 투입하여 응고하는 단계; 상기 응고된 결과물을 Ac3 이상의 온도에서 노말라이징 처리하는 단계; 상기 노말라이징 처리된 결과물을 냉각하는 단계; 및 상기 노말라이징된 결과물을 템퍼링하는 단계;를 포함하고, 상기 냉각은 0.25~0.40℃/sec의 평균냉각속도로 수행되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 냉각은 워터 스프레이(water spray) 방식으로 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 템퍼링은 720~750℃에서 수행되는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 발전설비용 부품은 중량%로, 탄소(C) : 0.16~0.18%, 실리콘(Si): 0.3~0.4%, 망간(Mn) : 0.6~0.8%, 인(P) : 0.001~0.015%, 황(S) : 0.001~0.008%, 알루미늄(Al) : 0.001~0.035%, 니켈(Ni) : 0.55~0.75%, 크롬(Cr) : 1.35~1.45%, 몰리브덴(Mo) : 0.95~1.05%, 바나듐(V) : 0.2~0.3% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 베이나이트 및 마르텐사이트 분율이 면적률로 90% 이상인 미세조직을 갖는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 발전설비용 부품은 상온에서 샤르피 평균충격흡수에너지가 30J 이상을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 발전설비용 부품은 인장강도 570~780MPa, 항복강도 440MPa 이상 및 연신율 15% 이상을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 발전설비용 부품은 니켈, 크롬, 몰리브덴 등의 합금성분 조절 및 노말라이징 후 냉각속도 등의 공정 제어를 통하여 베이나이트와 마르텐사이트로 이루어지는 과냉조직을 면적률로 90% 이상 포함하면서도 우수한 충격 특성을 통하여 크랙발생을 억제할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전설비용 부품 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다. 나타내는 순서도이다.
도 2 내지 도 7은 시편 1~6의 미세조직을 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발전설비용 부품 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
발전설비용 부품
본 발명에 따른 발전설비용 부품은 대표적으로 터빈하우징이 될 수 있다.
본 발명에 따른 발전설비용 부품은 중량%로, 탄소(C) : 0.16~0.18%, 실리콘(Si): 0.3~0.4%, 망간(Mn) : 0.6~0.8%, 인(P) : 0.001~0.015%, 황(S) : 0.001~0.008%, 알루미늄(Al) : 0.001~0.035%, 니켈(Ni) : 0.55~0.75%, 크롬(Cr) : 1.35~1.45%, 몰리브덴(Mo) : 0.95~1.05%, 바나듐(V) : 0.2~0.3%를 포함한다.
상기 성분들 외 나머지는 철(Fe)과 제강 과정 등에서 불가피하게 포함되는 불순물이다.
이하, 본 발명에 따른 발전설비용 부품에 포함되는 각 성분의 역할 및 함량에 대하여 설명하기로 한다.
탄소(C)
본 발명에서 탄소(C)는 발전설비용 부품의 강도를 확보하기 위하여 첨가된다.
상기 탄소는 부품(강재) 전체 중량의 0.16~0.18중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소의 첨가량이 0.16중량% 미만인 경우, 목표로 하는 강도 확보가 어렵다. 반대로, 탄소의 첨가량이 0.18중량%를 초과할 경우 탄화물 생성량 증가에 의하여 저온인성이 저하될 수 있다.
실리콘(Si)
본 발명에서 실리콘(Si)은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가되며, 또한 고용 강화 효과를 향상시키는 역할을 한다.
상기 실리콘은 부품 전체 중량의 0.3~0.4중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘의 첨가량이 0.3중량% 미만일 경우 실리콘 첨가에 따른 탈산 효과 및 고용 강화 효과가 불충분하다. 반대로, 실리콘의 첨가량이 0.4중량%를 초과할 경우 강의 가공성을 저하시키는 문제점이 있다.
망간(Mn)
본 발명에서 망간(Mn)은 고용강화 원소로써 매우 효과적이며 제조되는 발전설비용 부품의 강도 확보에 효과적인 원소이다.
상기 망간은 부품 전체 중량의 0.6~0.8중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간의 첨가량이 0.6중량% 미만인 경우, 망간 첨가에 따른 고용강화 효과 및 강도 확보 효과가 불충분하다. 반대로, 망간의 첨가량이 0.8중량%를 초과할 경우, 인성을 악화시키는 문제점이 있다.
인(P), 황(S)
인(P)은 입게 편석성 원소로서, 과다 함유되면 발전설비용 부품의 충격 특성을 저해하며, 가공 중 크랙을 유발한다. 이에 본 발명에서는 인의 함량을 부품 전체 중량의 0.015중량% 이하로 제한하였다. 다만, 인의 함량을 0.001중량% 미만의 극소로 제한하기는 어렵다.
황(S)이 과다하면 부품의 찢어짐을 유발하고, 표면 결함을 유발할 수 있다. 이에 본 발명에서는 황의 함량을 부품 전체 중량의 0.008중량% 이하로 제한하였다. 다만, 인의 함량을 0.001중량% 미만의 극소로 제한하기는 어렵다.
알루미늄(Al)
알루미늄(Al)은 우수한 탈산 효과를 제공하며, 또한 질소(N)와 결합하여 입자미세화에 기여한다.
상기 알루미늄은 부품 전체 중량의 0.001~0.035중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄의 첨가량이 0.001중량% 미만일 경우, 상기의 알루미늄 첨가 효과를 충분히 발휘하기 어렵다. 반대로, 알루미늄의 첨가량이 0.035중량%를 초과하는 경우, Al2O3를 과다하게 생성할 수 있다.
니켈(Ni)
니켈(Ni)은 조직미세화 및 고용강화를 통하여 발전설비용 부품의 강도 향상에 기여하며, 저온인성을 향상시키는 역할을 한다.
상기 니켈은 부품 전체 중량의 0.55~0.75중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 니켈의 첨가량이 0.55중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 니켈의 첨가량이 0.75중량%를 초과하는 경우, 부품 제조 비용을 크게 상승시킬 수 있다.
크롬(Cr)
크롬(Cr)은 경화능 향상 원소로 첨가되어 강도 향상에 기여한다.
상기 크롬은 부품 전체 중량의 1.35~1.45중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬의 첨가량이 1.35중량% 미만일 경우 강도 향상 효과가 미미하다. 반대로, 크롬의 첨가량이 1.45중량%를 초과하는 경우, 가공성이 저하되는 문제점이 있다.
몰리브덴(Mo)
몰리브덴(Mo)은 소입성 원소로 첨가되어 강도 향상에 기여한다.
상기 몰리브덴은 부품 전체 중량의 0.95~1.05중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 몰리브덴의 첨가량이 0.95중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 몰리브덴의 첨가량이 1.05중량%를 초과할 경우, 부품 제조 비용을 크게 상승시킬 수 있다.
바나듐(V)
바나듐(V)은 바나듐계 탄질화물 석출물을 형성하여 강도를 향상시키는 역할을 한다.
상기 바나듐은 부품 전체 중량의 0.2~0.3%중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 바나듐의 첨가량이 0.2중량% 미만일 경우, 석출 강화 효과가 불충분하다. 반대로, 바나듐의 첨가량이 0.3중량%를 초과하는 경우에는 충격 특성이 크게 저하될 수 있다.
상기한 합금성분을 갖는 본 발명에 따른 발전설비용 부품은 후술하는 제조 공정에 의해, 베이나이트 및 마르텐사이트 분율이 면적률로 90% 이상인 미세조직을 가질 수 있다. 나머지는 페라이트, 펄라이트 등이 될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 발전설비용 부품은 상기와 같은 높은 분율의 과냉 조직을 가지면서도, 상온에서 샤르피 평균충격흡수에너지가 30J 이상을 나타낼 수 있어, 충격 특성 또한 우수하다.
나아가, 본 발명에 따른 발전설비용 부품은 인장강도 570~780MPa, 항복강도 440MPa 이상 및 연신율 15% 이상을 나타낼 수 있다.
발전설비용 부품 제조 방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전설비용 부품 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 발전설비용 부품 제조 방법은 주조 단계(S110), 노말라이징 단계(S120), 냉각 단계(S130) 및 템퍼링 단계(S140)를 포함한다.
주조 단계(S110)에서는 전술한 합금성분으로 이루어진 용탕을 주형 내에 투입하여 응고한다.
노말라이징 단계(S120)에서는 응고된 결과물을 Ac3 이상의 온도, 보다 구체적으로는 930~960℃ 정도의 온도에서 대략 4~8시간동안 노말라이징 처리하여 결정립을 미세화하고, 균질화한다.
냉각 단계(S130)에서는 노말라이징 처리된 결과물을 냉각한다.
이때, 냉각은 0.25~0.40℃/sec의 평균냉각속도로 수행되는 것이 바람직하다. 냉각속도가 0.25℃/sec 미만에서는 충분한 과냉 조직 형성이 어렵다. 반대로, 냉각속도가 0.40℃/sec를 초과하는 경우, 열응력에 의하여 부품에 크랙이 발생할 수 있다.
이러한 0.25~0.40℃/sec의 평균냉각속도를 달성하기 위하여, 워터 스프레이(water spray)를 이용한 냉각 방식이 바람직하다. 공냉의 경우, 0.02℃/sec 정도로 냉각속도가 너무 느리고, 수냉의 경우, 1℃/sec 이상으로 냉각속도가 너무 빠르나, 워터 스프레이에 의한 냉각 방식을 이용한 결과, 상기와 같은 0.25~0.40℃/sec의 평균냉각속도를 달성할 수 있었다.
템퍼링 단계(S140)에서는 노말라이징된 결과물을 템퍼링하여 강도와 연신율 밸런스를 조절한다.
이때, 템퍼링은 720~750℃에서 대략 4~8시간동안 수행되는 것이 바람직하다. 템퍼링 온도가 720℃ 미만일 경우, 템퍼링에 의한 강도와 연신율 밸런스 조절 효과가 불충분하다. 반면, 템퍼링 온도가 750℃를 초과하는 경우, 강도가 지나치게 낮아지는 문제점이 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. 시편의 제조
표 1에 기재된 합금성분과, 각각 중량%로, C : 0.17%, Si : 0.35%, Mn : 0.7%, P : 0.01%, S : 0.005%, Al : 0.002%, V : 0.25%를 포함하고, 나머지가 철과 불가피한 불순물로 이루어진 용탕을 주형에 투입하여 자연냉각방식으로 응고한 후, 955℃에서 6시간동안 노말라이징 처리하였다.
이후, 표 1에 기재된 방법으로 냉각(공냉의 경우 0.02℃/sec, 스프레이 냉각의 경우 0.30℃/sec)한 후, 표 1에 기재된 온도에서 6시간동안 템퍼링한 후, 공냉하여 시편 1~6을 제조하였다.
표 1에서 각 시편이 도 2 ~ 도 7에 도시된 미세조직 사진(도 2: 시편 1, 도 3: 시편 2 …, 도 7: 시편 6)을 토대로 베이나이트와 마르텐사이트가 면적률로 90% 이상일 경우 "O"로 표시하고, 그렇지 않을 경우 "X"로 표시하였다.
[표 1]
Figure 112014051412541-pat00001
표 1을 참조하면, 본 발명에서 제시한 합금성분 및 공정조건을 만족하는 시편 4, 6의 경우, 과냉조직이 90% 이상인 미세조직을 가지면서 아울러 샤르피충격흡수에너지(CVN)가 30J 이상을 나타내었다.
이에 반하여, 본 발명에서 제시한 합금성분범위를 벗어나는 시편 1,2, 그리고, 공냉 방법 및 낮은 템퍼링 온도가 적용된 시편 1,2,3의 경우 충격흡수 에너지가 목표치에 미치지 못하였다.
또한, 템퍼링 온도가 상대적으로 낮은 시편 5의 경우, 인장강도가 지나치게 높은 반면, 충격흡수에너지가 상대적으로 낮았다.
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.

Claims (6)

  1. 중량%로, 탄소(C) : 0.16~0.18%, 실리콘(Si): 0.3~0.4%, 망간(Mn) : 0.6~0.8%, 인(P) : 0.001~0.015%, 황(S) : 0.001~0.008%, 알루미늄(Al) : 0.001~0.035%, 니켈(Ni) : 0.55~0.75%, 크롬(Cr) : 1.35~1.45%, 몰리브덴(Mo) : 0.95~1.05%, 바나듐(V) : 0.2~0.3% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진 용탕을 주형 내에 투입하여 응고하는 단계;
    상기 응고된 결과물을 Ac3 이상의 온도에서 노말라이징 처리하는 단계;
    상기 노말라이징 처리된 결과물을 냉각하는 단계; 및
    상기 노말라이징된 결과물을 템퍼링하는 단계;를 포함하고,
    상기 냉각은 0.25~0.40℃/sec의 평균냉각속도로 수행되고,
    상기 템퍼링은 720~750℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 발전설비용 부품 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각은 워터 스프레이(water spray) 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 발전설비용 부품 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 중량%로, 탄소(C) : 0.16~0.18%, 실리콘(Si): 0.3~0.4%, 망간(Mn) : 0.6~0.8%, 인(P) : 0.001~0.015%, 황(S) : 0.001~0.008%, 알루미늄(Al) : 0.001~0.035%, 니켈(Ni) : 0.55~0.75%, 크롬(Cr) : 1.35~1.45%, 몰리브덴(Mo) : 0.95~1.05%, 바나듐(V) : 0.2~0.3% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고,
    베이나이트 및 마르텐사이트 분율이 면적률로 90% 이상인 미세조직을 갖고,
    상온에서 샤르피 평균충격흡수에너지가 30J 이상인 것을 특징으로 하는 발전설비용 부품.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 발전설비용 부품은
    인장강도 570~780MPa, 항복강도 440MPa 이상 및 연신율 15% 이상을 나타내는 것을 특징으로 하는 발전설비용 부품.
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