KR101764097B1 - 크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법 - Google Patents

크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소(C) 0.08 내지 0.12 중량%, 규소(Si) 0.05 내지 0.15 중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.6 중량%, 크롬(Cr) 8.7 내지 9.3 중량%, 텅스텐(W) 1.0 내지 1.4 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.05 내지 0.09 중량%, 티타늄(Ti) 0.005 내지 0.02 중량%, 지르코늄(Zr) 0.005 내지 0.02 중량%, 질소(N) 0.005 내지 0.015 중량%, 스캔듐(Sc) 0.01 내지 0.05 중량% 및 잔부는 철(Fe)을 포함하는 크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법{REDUCED-ACTIVATION FERRITE-MARTENSITE STEEL WITH HIGH CREEP RESISTNACE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 일정 함량 스캔듐(Sc)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
핵연료는 핵분열에 의한 에너지의 생산, 핵물질의 증식 및 폐기물의 소멸 등이 진행되는 소듐냉각 고속로의 핵심 요소이다. 따라서, 방사성 핵분열생성물이 밀집되어 있는 핵연료의 안전성은 원자로의 안전성과 직결된다.
핵연료 피복관은 연료심을 밀봉하여 방사성물질의 외부 유출을 방지하는 역할을 하기 때문에, 핵연료 및 원자로의 안전성과 직결되는 가장 중요한 핵연료 부품이다. SFR 핵연료 피복관은 고온 및 고조사량의 가혹한 조건에서 사용된다. 따라서 고온에서 크리프 저항성이 우수하고, 높은 중성자 조사량까지 팽윤이 낮으면서, 연성이 유지되는 피복관이 개발되어야 한다. 이의 실현을 위해서는 높은 온도의 냉각재와 높은 중성자 조사량 조건에서 견딜 수 있는 고온/내방사성을 갖으며, 액체 소듐과의 양립성이 우수한 새로운 재료의 개발이 필요하다.
최근, 제4세대 원자로 및 핵융합 원자로 주요부품의 후보재료로서 고온특성이 우수한 재료로 고크롬 함유의 페라이트-마르텐사이트계 강(Ferrite/Martensitic Steel, FMS)이 관심을 받고 있다.
크롬 함량이 8~12 중량% 포함된 고크롬 페라이트-마르텐사이트 강은 오스텐나이트계 스테인레스 강(예, SS316, SS304)에 비해 우수한 열적 특성과 조사 팽윤 저항성 때문에 1970년대부터 고속 중성자(fast neutron)를 이용하는 고속증식로(fast breeder reactor) 노심의 중요한 부품인 핵연료 피복관, 이를 감싸는 랩퍼(wrapper) 또는 덕트(duct)용 재료로 사용되어 왔다. 1960년대 화력발전소용 고온 내열 재료로 개발된 HT9 합금(주요 성분: 12% Cr-1% Mo-0.5% W-0.3% V)은 미국의 고속 증식 실험로인 EBR-II에서 핵연료 피복관 및 덕트 재료로 선정되어 사용되었을 뿐만 아니라 유럽과 일본에서도 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 고속로의 피복관으로 선정하여 노내 조사시험을 수행하였다. 최근에는 고효율의 제4세대 원자로에서 고크롬 페라이트-마르텐사이트 강이 600℃ 이상의 고온 및 200 dpa 이상의 고방사성 환경에서 사용할 노심부품 재료로 고려되고 있다.
핵융합 원자로 재료개발 프로그램이 본격적으로 시작한 1980년대 중반에 저방사화(reduced-activation) 강에 대한 개념이 도입되어 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강(RAFMS)에 대한 연구가 본격적으로 추진되었으며, 이때 출발점이 된 재료는 개량 9Cr-1Mo 강으로 알려진 ASTM Gr.91 합금(주요 성분: 9% Cr-1% Mo-0.20% V-0.08%Nb)의 페라이트-마르텐사이트 강이다. 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강은 고속 중성자 조사에 의해 발생하는 장수명 고준위 방사성 물질의 생성을 줄이기 위한 합금원소의 제한이 뒤따랐다. 즉, 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강에서는 몰리브덴, 니오븀, 니켈, 구리, 질소의 첨가를 엄격히 제한했고, 이들 원소 대신에 텅스텐과 탄탈늄의 첨가가 제안되었다. 또한 α-상 안정화 원소인 탄소나 망간의 첨가량의 증가 없이 충격특성에 나쁜 영향을 미치는 δ-페라이트 상의 생성을 억제하는 방안으로 크롬 함량을 7~9%로 줄이는 합금이 선호되었다.
이와 같은 일련의 연구를 통해 일본에서는 F82H 합금(주요 성분: 8% Cr-2.0% W-0.25% V-0.04% Ta)과 JLF-1 합금(주요 성분: 9% Cr-2.0% W-0.25% V-0.05% Ta-0.02% Ti)이 새롭게 개발되었고 유럽에서는 EUROFER-97 합금(주요 성분: 9% Cr-1.1% W-0.20% V-0.12% Ta-0.01% Ti), 미국에서는 ORNL 9Cr-2WVTa(주요 성분: 9% Cr-2.0% W-0.25% V-0.07% Ta)이 개발되었다.
그러나, 핵융합로 구조재는 고온 및 고속의 중성자가 조사되는 가혹한 조건에서 사용되므로 고온에서 크립 저항성이 우수한 고크롬 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 개발이 여전히 요구되고 있다.
국내공개특허공보 제10-2014-0130590호(2014.11.11)
본 발명은 탄소(C) 0.08 내지 0.12 중량%, 규소(Si) 0.05 내지 0.15 중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.6 중량%, 크롬(Cr) 8.7 내지 9.3 중량%, 텅스텐(W) 1.0 내지 1.4 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.05 내지 0.09 중량%, 티타늄(Ti) 0.005 내지 0.02 중량%, 지르코늄(Zr) 0.005 내지 0.02 중량%, 질소(N) 0.005 내지 0.015 중량%, 스캔듐(Sc) 0.01 내지 0.05 중량% 및 잔부는 철(Fe)을 포함하는 크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강 등을 제공한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 탄소(C) 0.08 내지 0.12 중량%, 규소(Si) 0.05 내지 0.15 중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.6 중량%, 크롬(Cr) 8.7 내지 9.3 중량%, 텅스텐(W) 1.0 내지 1.4 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.05 내지 0.09 중량%, 티타늄(Ti) 0.005 내지 0.02 중량%, 지르코늄(Zr) 0.005 내지 0.02 중량%, 질소(N) 0.005 내지 0.015 중량%, 스캔듐(Sc) 0.01 내지 0.05 중량% 및 잔부는 철(Fe)을 포함하는 크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강을 제공한다.
본 발명의 일 구현예로, (a) 합금 조성 원소를 혼합한 후 용해하여 잉곳을 제조하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 잉곳을 열간 압연하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에서 열간 압연된 잉곳을 노말라이징(Normalizing) 처리하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계에서 노말라이징 처리된 합금을 템퍼링(Tempering) 처리한 후 공냉시킴으로써 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 합금 조성 원소는 탄소(C) 0.08 내지 0.12 중량%, 규소(Si) 0.05 내지 0.15 중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.6 중량%, 크롬(Cr) 8.7 내지 9.3 중량%, 텅스텐(W) 1.0 내지 1.4 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.05 내지 0.09 중량%, 티타늄(Ti) 0.005 내지 0.02 중량%, 지르코늄(Zr) 0.005 내지 0.02 중량%, 질소(N) 0.005 내지 0.015 중량%, 스캔듐(Sc) 0.01 내지 0.05 중량% 및 잔부는 철(Fe)을 포함하는 크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강은 일정 함량 스캔듐(Sc)을 포함하는 것을 특징으로 하는 것으로, 상기 스캔듐(Sc)은 저방사화 원소로서 고용 강화 효과를 가지는바, 본 발명에 따른 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강은 저방사화 요건을 만족시키면서도 상온 및 고온에서 기계적 물성, 특히, 고온에서 크립 저항성이 우수하므로, 핵융합로 블랭킷용 구조재 분야에 적용될 수 있다.
본 발명자들은 저방사화 고크롬 페라이트-마르텐사이트 강의 상온 및 고온에서 기계적 물성을 향상시키기 위해 연구하던 중, 일정 함량 스캔듐(Sc)을 포함시킴으로써, 고온에서 크립 저항성을 개선시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
저방사화 페라이트-마르텐사이트 강
본 발명은 탄소(C) 0.08 내지 0.12 중량%, 규소(Si) 0.05 내지 0.15 중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.6 중량%, 크롬(Cr) 8.7 내지 9.3 중량%, 텅스텐(W) 1.0 내지 1.4 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.05 내지 0.09 중량%, 티타늄(Ti) 0.005 내지 0.02 중량%, 지르코늄(Zr) 0.005 내지 0.02 중량%, 질소(N) 0.005 내지 0.015 중량%, 스캔듐(Sc) 0.01 내지 0.05 중량% 및 잔부는 철(Fe)을 포함하는 크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강을 제공한다.
상기 합금 조성 원소는 핵융합로 블랭킷의 방사능 오염을 방지하고자, 저방사화 원소로만 이루어진 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 합금 조성 원소는 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 코발트(Co) 및 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 선택된 고방사화 원소가 배제된 것이 바람직하나, 불가피한 불순물로 첨가될 수 있다. 이들의 최대 허용량은 니오븀(Nb) 0.002 중량% 미만, 몰리브덴(Mo) 0.05 중량% 미만, 니켈(Ni) 0.05 중량% 미만, 알루미늄(Al) 0.03 중량% 미만, 코발트(Co) 0.01 중량% 미만 및 구리(Cu) 0.05 중량% 미만인 것이 바람직하다.
한편, 추가적으로 가능한 최소화해야 될 원소 또는 불순물로서의 최대 허용량 Ag: 0.05 중량% 미만, Sn: 0.004 중량% 미만, As: 0.005 중량% 미만, Sb: 0.004 중량% 미만, P: 0.005 중량% 미만, S: 0.005 중량% 미만, O: 0.02 중량% 미만, H: 0.0005 중량% 미만을 사용하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 합금 조성 원소는 탄소(C) 0.08 내지 0.12 중량%, 규소(Si) 0.05 내지 0.15 중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.6 중량%, 크롬(Cr) 8.7 내지 9.3 중량%, 텅스텐(W) 1.0 내지 1.4 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.05 내지 0.09 중량%, 티타늄(Ti) 0.005 내지 0.02 중량%, 지르코늄(Zr) 0.005 내지 0.02 중량%, 질소(N) 0.005 내지 0.015 중량%, 스캔듐(Sc) 0.01 내지 0.05 중량% 및 잔부는 철(Fe)을 포함하는데, 이하, 각 원소의 역할 및 효과에 대해 설명하기로 한다.
(1) 탄소(C)
상기 탄소는 탄화물을 형성하여 석출경화 효과를 나타내며, 바람직한 탄소의 함량은 0.08~0.12 중량%이다. 상기 탄소의 함량이 0.08 중량% 미만이면 상온 기계적 강도가 낮아지고 인성도 나빠지며, 특히 크롬(Cr) 당량이 증가하여 델타 페라이트가 생성되는 문제가 있고, 0.12 중량%를 초과하면 많은 탄화물이 생성되고 이러한 탄화물이 사용 도중 쉽게 조대화되어 석출물에 의한 강화효과를 잃게 되는 문제가 있다.
(2) 규소(Si)
상기 규소는 내산화성을 향상시키는 역할을 하며, 제강시 탈산제로 작용한다. 바람직한 규소의 함량은 0.05~0.15 중량%이다. 상기 규소의 함량이 0.05 중량% 미만이면 내식성이 낮아지는 문제가 있고, 0.15 중량%를 초과하면 인성을 저하시키는 라베스(laves)상의 생성을 촉진하는 문제가 있다.
(3) 망간(Mn)
상기 망간은 경화능을 향상시키는 역할을 하며, 바람직한 망간의 함량은 0.3~0.6 중량%이다. 상기 망간의 함량이 0.3 중량% 미만이면 경화능에 문제가 있고, 0.6 중량%를 초과하면 크립 저항성을 저하시키는 문제가 있다.
(4) 크롬(Cr)
상기 크롬은 내식성과 고온 강도를 증가시키는 것으로 알려져 있으며, 바람직한 크롬의 함량은 8.7~9.3 중량%이다. 상기 크롬의 함량이 8.7 중량% 미만이면 고온 산화 및 부식에 대한 저항성이 낮아지는 문제가 있고, 9.3 중량%를 초과하면 크립 저항성이 저하되는 문제가 있다.
(5) 텅스텐(W)
상기 텅스텐은 대표적인 고용강화 합금 원소로서, 바람직한 텅스텐의 함량은 1.0~1.4 중량%이다. 상기 텅스텐의 함량이 1.0 중량% 미만이면 효과적인 고용강화에 문제가 있고, 1.4 중량%를 초과하면 장시간 크립 저항성과 인성을 악화시키는 것으로 알려진 라베스(Laves)상이 생성되는 문제가 있다.
(6) 바나듐(V)
상기 바나듐은 석출경화를 나타내는 합금원소로서, 바람직한 바나듐의 함량은 0.1~0.3 중량%이다. 상기 바나듐의 함량이 0.1 중량% 미만이면 석출물의 생성 위치를 감소시켜 탄화물이 균일하게 분포하지 못해 결과적으로 조대한 탄화물이 형성되어 크립 저항성을 악화시키는 문제가 있고, 0.3 중량%를 초과하면 기지 중의 고용 탄소 및 질소를 모두 소모하여, 사용 도중 다른 형태의 탄화물이 생성되는 것을 어렵게 하는 문제가 있다.
(7) 탄탈륨(Ta)
상기 탄탈륨은 저방사화 원소로서 니오븀 석출물에 함유되어 석출강화 효과를 나타내는 역할을 한다. 상기 탄탈륨은 우수한 기계적 특성을 나타내기 위하여 0.05~0.09 중량%로 첨가하는 것이 바람직하며, 상기 0.09 중량%를 초과하면 니오븀의 과다 첨가와 동일한 문제가 있다.
(8) 티타늄(Ti)
상기 티타늄은 비중이 철보다 작으므로 비강도가 철의 약 2배가 되고 열전도도와 열팽창률도 작은 편이며, 바람직한 티타늄의 함량은 0.005~0.02 중량%이다.
(9) 지르코늄(Zr)
상기 지르코늄은 고용강화 작용을 하여 고온 크립 저항성을 향상시키며, 바람직한 지르코늄의 함량은 0.005~0.02 중량%이다. 상기 지르코늄의 함량이 0.005 중량% 미만이면 효과적인 고용 강화를 얻을 수 없는 문제가 있고, 0.02 중량%를 초과하면 취성을 갖는 석출물이 생성되어 오히려 크립 저항성을 저하시키고 연성을 저하시키는 문제가 있다.
(10) 질소(N)
상기 질소는 질화물을 형성하든지 침입형으로 고용되어 강도를 높이는 역할을 하며, 바람직한 질소의 함량은 0.005~0.015 중량%이다. 상기 질소의 함량이 0.005 중량% 미만이면 내식성이 낮아지는 문제가 있고, 0.015 중량%를 초과하면 크립 저항성이 급격히 저하하는 문제가 있다.
(11) 스캔듐(Sc)
상기 스캔듐은 저방사화 원소로서 고용 강화 효과를 가지는 것으로, 약 0.7% 고용이 가능한 것을 특징으로 하는 원소이며, 바람직한 스캔듐의 함량은 0.01 내지 0.05 중량%이고, 보다 바람직한 스캔듐의 함량은 0.01~0.04 중량%이다. 상기 스캔듐의 경우 철(Fe) 내 고용도가 0.7%로 높아 스캔듐 첨가로 인해 고용 강화 효과를 얻을 수 있으며, 상기 스캔듐의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우, 고용 강화 효과의 저하로 인하여 상온 및 고온에서 기계적 물성이 크게 저하되는 문제가 있다.
상기 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강은 550℃에서 260MPa의 응력 하에, 크립-파단시간이 150시간 이상일 수 있다.
또한, 상기 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강은 25℃에서 ASTM E 8M-08에 따른 항복강도가 560 MPa 이상이고, 인장강도가 680MPa 이상일 수 있고, 500℃에서 ASTM E 8M-08에 따른 항복강도가 400 MPa 이상이고, 인장강도가 470MPa 이상일 수 있다. 특히, 상기 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강이 0.01 내지 0.04 중량%의 스캔듐을 포함하는 경우, 25℃에서 ASTM E 8M-08에 따른 항복강도가 570 MPa 이상이고, 인장강도가 690MPa 이상일 수 있고, 500℃에서 ASTM E 8M-08에 따른 항복강도가 410 MPa 이상이고, 인장강도가 488MPa 이상일 수 있다.
저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 제조방법
또한, 본 발명은 (a) 합금 조성 원소를 혼합한 후 용해하여 잉곳을 제조하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 잉곳을 열간 압연하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에서 열간 압연된 잉곳을 노말라이징(Normalizing) 처리하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계에서 노말라이징 처리된 합금을 템퍼링(Tempering) 처리한 후 공냉시킴으로써 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 합금 조성 원소는 탄소(C) 0.08 내지 0.12 중량%, 규소(Si) 0.05 내지 0.15 중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.6 중량%, 크롬(Cr) 8.7 내지 9.3 중량%, 텅스텐(W) 1.0 내지 1.4 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.05 내지 0.09 중량%, 티타늄(Ti) 0.005 내지 0.02 중량%, 지르코늄(Zr) 0.005 내지 0.02 중량%, 질소(N) 0.005 내지 0.015 중량%, 스캔듐(Sc) 0.01 내지 0.05 중량% 및 잔부는 철(Fe)을 포함하는 크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 제조방법을 제공한다.
먼저, 본 발명에 따른 크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 제조방법은 (a) 합금 조성 원소를 혼합한 후 용해하여 잉곳을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 합금 조성 원소는 탄소(C) 0.08 내지 0.12 중량%, 규소(Si) 0.05 내지 0.15 중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.6 중량%, 크롬(Cr) 8.7 내지 9.3 중량%, 텅스텐(W) 1.0 내지 1.4 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.05 내지 0.09 중량%, 티타늄(Ti) 0.005 내지 0.02 중량%, 지르코늄(Zr) 0.005 내지 0.02 중량%, 질소(N) 0.005 내지 0.015 중량%, 스캔듐(Sc) 0.01 내지 0.05 중량% 및 잔부는 철(Fe)을 포함한다.
상기 합금 조성 원소의 각 원소에 대해서는 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강에서 전술한 바와 같다.
상기 잉곳은 진공유도용해(VIM) 방법을 사용할 수 있는데, 예를 들면, 진공유도용해(VIM) 방법은 용해챔버를 고진공(1×10-5 내지 0.5torr) 분위기에서 유도전류를 가해서 1차적으로 합금원소를 용해한 후 알루미늄 또는 규소와 같은 탈산제를 투입한다. 미량원소, 특히 질소 등은 용해가 거의 완료되는 시점에서 용탕에 장입한 후 성분분석용 시료를 채취한다. 용해가 완료되면 1500℃에서 직육면체 형틀에 용탕을 부어 출탕을 수행하며, 표면의 산화층은 기계적 가공을 수행하여 잉곳을 제조한다.
다음으로, (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 잉곳을 열간 압연하는 단계를 포함한다. 상기 열간 압연을 통하여 열간 가공에 적합한 열간 가공품을 제조한다. 이때 열간 압연은 1100~1200℃의 온도에서 0.52시간 동안 예열을 한 후 수행하는 것이 바람직하다. 만일 상기 범위를 벗어나는 경우, 즉 1100℃ 미만에서는 용체화 열처리(solution annealing)의 목적을 충분히 달성할 수 없으며, 1200℃를 초과하면 prior-γ상 결정립의 크기가 너무 증가하여 최종 제품의 기계적 특성을 저하시키는 문제를 야기시킬 수 있다.
다음으로, (c) 상기 (b) 단계에서 열간 압연된 잉곳을 노말라이징(Normalizing) 처리하는 단계를 포함한다. 상기 노말라이징 처리는 950~1050℃의 γ상 온도영역에서 0.5~2시간 동안 수행하는 것이 바람직하며, 이는 열간 가공된 제품에 원치 않게 생성된 석출상을 재용해시키고 냉각온도를 조절하여 석출물의 크기와 양을 제어하기 위함이다.
다음으로, (d) 상기 (c) 단계에서 노말라이징 처리된 합금을 템퍼링(Tempering) 처리한 후 공냉시킴으로써 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강을 제조하는 단계를 포함한다. 상기 템퍼링 처리는 700~780℃에서 0.5~4시간 동안 수행하는 것이 바람직하며, 이는 원하는 안정한 석출상을 미세하고 균일하게 생성시키기 위함이다.
상기 방법에 의해, 본 발명에 따른 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강을 제조할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강은 일정 함량 스캔듐(Sc)을 포함하는 것을 특징으로 하는 것으로, 상기 스캔듐(Sc)은 저방사화 원소로서 고용 강화 효과를 가지는바, 본 발명에 따른 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강은 저방사화 요건을 만족시키면서도 상온 및 고온에서 기계적 물성, 특히, 고온에서 크립 저항성이 우수하므로, 핵융합로 블랭킷용 구조재 분야에 적용될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
시험재로서 탄소(C) 0.1 중량%, 규소(Si) 0.1 중량%, 망간(Mn) 0.45 중량%, 크롬(Cr) 9.0 중량%, 텅스텐(W) 1.2 중량%, 바나듐(V) 0.2 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.07 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01 중량%, 질소(N) 0.01 중량%, 스캔듐(Sc) 0.01 중량% 및 잔부 철과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 진공유도 용해로에서 30 ㎏ 잉곳으로 제조하였다. 상기 잉곳을 1150℃에서 2시간 동안 유지시킨 후, 열간 압연하여 최종 두께를 15 ㎜로 하였다. 상기 열간 압엽된 잉곳을 1050℃에서 1시간 동안 노말라이징(Normalizing) 처리하였고, 이후, 상기 노말라이징 처리된 합금을 750℃에서 2시간 동안 템퍼링(Tempering) 처리한 후 공냉시킴으로써 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강을 제조하였다.
실시예 2
시험재로서 탄소(C) 0.1 중량%, 규소(Si) 0.1 중량%, 망간(Mn) 0.45 중량%, 크롬(Cr) 9.0 중량%, 텅스텐(W) 1.2 중량%, 바나듐(V) 0.2 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.07 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01 중량% 및 질소(N) 0.01 중량%, 스캔듐(Sc) 0.02 중량% 및 잔부 철과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강을 제조하였다.
실시예 3
시험재로서 탄소(C) 0.1 중량%, 규소(Si) 0.1 중량%, 망간(Mn) 0.45 중량%, 크롬(Cr) 9.0 중량%, 텅스텐(W) 1.2 중량%, 바나듐(V) 0.2 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.07 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01 중량% 및 질소(N) 0.01 중량%, 스캔듐(Sc) 0.03 중량% 및 잔부 철과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강을 제조하였다.
실시예 4
시험재로서 탄소(C) 0.1 중량%, 규소(Si) 0.1 중량%, 망간(Mn) 0.45 중량%, 크롬(Cr) 9.0 중량%, 텅스텐(W) 1.2 중량%, 바나듐(V) 0.2 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.07 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01 중량% 및 질소(N) 0.01 중량%, 스캔듐(Sc) 0.04 중량% 및 잔부 철과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강을 제조하였다.
실시예 5
시험재로서 탄소(C) 0.1 중량%, 규소(Si) 0.1 중량%, 망간(Mn) 0.45 중량%, 크롬(Cr) 9.0 중량%, 텅스텐(W) 1.2 중량%, 바나듐(V) 0.2 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.07 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01 중량% 및 질소(N) 0.01 중량%, 스캔듐(Sc) 0.05 중량% 및 잔부 철과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강을 제조하였다.
비교예 1
시험재로서 탄소(C) 0.1 중량%, 규소(Si) 0.1 중량%, 망간(Mn) 0.45 중량%, 크롬(Cr) 9.0 중량%, 텅스텐(W) 1.2 중량%, 바나듐(V) 0.2 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.07 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01 중량% 및 질소(N) 0.01 중량% 및 잔부 철과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강을 제조하였다.
비교예 2
시험재로서 탄소(C) 0.1 중량%, 규소(Si) 0.1 중량%, 망간(Mn) 0.45 중량%, 크롬(Cr) 9.0 중량%, 텅스텐(W) 1.2 중량%, 바나듐(V) 0.2 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.07 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01 중량% 및 질소(N) 0.01 중량%, 스캔듐(Sc) 0.06 중량% 및 잔부 철과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강을 제조하였다.
실시예 1~5 및 비교예 1~2에서 제조된 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 조성을 하기 표 1에 정리하였다.
성분 C Si Mn Cr W V Ta Ti Zr N Sc
실시예 1 0.1 0.10 0.45 9.0 1.2 0.20 0.07 0.01 0.01 0.01 0.01
실시예 2 0.1 0.10 0.45 9.0 1.2 0.20 0.07 0.01 0.01 0.01 0.02
실시예 3 0.1 0.10 0.45 9.0 1.2 0.20 0.07 0.01 0.01 0.01 0.03
실시예 4 0.1 0.10 0.45 9.0 1.2 0.20 0.07 0.01 0.01 0.01 0.04
실시예 5 0.1 0.10 0.45 9.0 1.2 0.20 0.07 0.01 0.01 0.01 0.05
비교예 1 0.1 0.10 0.45 9.0 1.2 0.20 0.07 0.01 0.01 0.01 -
비교예 2 0.1 0.10 0.45 9.0 1.2 0.20 0.07 0.01 0.02 0.01 0.06
비교예 3
상용화된 EUROFER-97 합금을 준비하였다.
실험예 1: 항복 강도 및 인장 강도 측정
실시예 1~5 및 비교예 1~3에 따른 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 상온 및 고온에서의 인장 강도를 측정하기 위하여 25℃ 및 500℃에서 인장시험(ASTM E 8M-08)을 통하여 항복강도 및 인장강도를 측정하였고, 그 결과는 표 2에 나타내었다.
25℃ 500℃
항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)
실시예 1 571.5 695.4 418.5 492.4
실시예 2 589.4 712.6 422.3 499.6
실시예 3 595.2 719.8 444.8 512.7
실시예 4 571.4 690.2 411.3 488.6
실시예 5 560.1 680.1 402.6 476.6
비교예 1 554.5 672.5 405.2 486.4
비교예 2 563.4 677.6 405.3 472.1
비교예 3 (EUROFER-97) 514.7 656.4 353 435
표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1~5의 경우 25℃ 및 500℃에서 항복강도 및 인장강도가 비교예 1~3과 유사하거나 향상된 것으로 확인되었다. 특히, 실시예 1~4의 경우, 스캔듐(Sc) 함량이 0.01 내지 0.04 중량%인 것으로, 25℃에서 ASTM E 8M-08에 따른 항복강도가 약 571 MPa 이상이고, 인장강도가 약 680MPa 이상이며, 500℃에서 ASTM E 8M-08에 따른 항복강도가 약 411 MPa 이상이고, 인장강도가 약 488MPa 이상이며, 비교예 1~3에 비해 25℃ 및 500℃에서 항복강도 및 인장강도가 모두 우수한 것으로 확인되었다.
실험예 2: 크립 저항성 측정
실시예 1~5 및 비교예 1~3에 따른 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 상온 및 고온에서의 크립 저항성을 측정하기 위하여 550℃에서 240MPa 및 260MPa의 응력을 각각 가했을 때, 크립-파단시간을 측정하였고, 그 결과는 표 3에 나타내었다.
크립-파단시간(h)
응력
(MPa)		 240 MPa 260 MPa
실시예 1 694.8 289.6
실시예 2 783.5 345.5
실시예 3 1002.6 403.6
실시예 4 624.3 240.3
실시예 5 593.1 198.8
비교예 1 597.3 135.4
비교예 2 574.5 168.1
비교예 3
(EUROFER-97)		 104.58 -
표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1~5의 경우 비교예 1~3에 비해 550℃에서 260MPa의 응력 하에, 크립-파단시간이 약 200 시간 이상으로 긴 것으로 확인되었다.
특히, 실시예 1~4의 경우, 스캔듐(Sc) 함량이 0.01 내지 0.04 중량%인 것으로, 550℃에서 260MPa의 응력 하에, 크립-파단시간이 약 240 시간 이상이고, 240MPa의 응력 하에, 크립-파단시간이 약 624 시간 이상으로, 비교예 1~3에 비해 550℃에서 크립 저항성이 모두 우수한 것으로 확인된다.
따라서, 실시예 1~5에 따른 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강은 550℃의 고온에서도 우수한 크립 저항성을 나타냄으로써, 고온 및 고조사량이 가혹한 조건에서 사용되는 핵연료 재료로 유용하게 사용될 수 있다.
실험예 3: 충격 저항성 측정
실시예 1~5 및 비교예 1~3에 따른 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 충격 저항성을 측정하기 위하여, ASTM E23 규정에 제시된 규격의 노치가 있는 시편을 이용하여 샤르피 충격시험을 수행하였고, 그 결과는 표 4에 나타내었다.
취성-연성 천이온도 [℃] 상부 충격흡수에너지 [J]
실시예 1 -45 318
실시예 2 -43 315
실시예 3 -47 314
실시예 4 -40 305
실시예 5 -38 299
비교예 1 -44 322
비교예 2 -22 297
비교예 3
(EUROFER-97)		 -58 305
표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1~5의 경우 충격 저항성이 비교예 1~3과 유사하거나 향상된 것으로 확인되었다.
따라서, 본 발명에 따른 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강은 일정 함량 스캔듐(Sc)을 포함하는 것을 특징으로 하는 것으로, 상기 스캔듐(Sc)은 저방사화 원소로서 고용 강화 효과를 가지는바, 본 발명에 따른 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강은 저방사화 요건을 만족시키면서도 충격 저항성의 저하 없이 상온 및 고온에서 기계적 물성, 특히, 고온에서 크립 저항성이 우수하므로, 핵융합로 블랭킷용 구조재 분야에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강을 핵융합로 블랭킷용 구조재 분야에 적용하는 경우, 고온에서 우수한 기계적 물성으로 인하여 핵융합로 블랭킷의 가동 온도를 높여 효율성을 향상시킬 수 있으며, 가동수명을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (9)

  1. 탄소(C) 0.08 내지 0.12 중량%, 규소(Si) 0.05 내지 0.15 중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.6 중량%, 크롬(Cr) 8.7 내지 9.3 중량%, 텅스텐(W) 1.0 내지 1.4 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.05 내지 0.09 중량%, 티타늄(Ti) 0.005 내지 0.02 중량%, 지르코늄(Zr) 0.005 내지 0.02 중량%, 질소(N) 0.005 내지 0.015 중량%, 스캔듐(Sc) 0.01 내지 0.04 중량% 및 잔부는 철(Fe)을 포함하고,
    550℃에서 240MPa 및 260MPa의 응력 하에, 크립-파단시간이 각각 624시간 이상 및 240시간 이상인 것을 특징으로 하는
    크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강은 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 코발트(Co) 및 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 선택된 고방사화 원소가 배제된 것인
    크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강.
  4. 삭제
  5. (a) 합금 조성 원소를 혼합한 후 용해하여 잉곳을 제조하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 잉곳을 열간 압연하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계에서 열간 압연된 잉곳을 노말라이징(Normalizing) 처리하는 단계; 및
    (d) 상기 (c) 단계에서 노말라이징 처리된 합금을 템퍼링(Tempering) 처리한 후 공냉시킴으로써 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강을 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 합금 조성 원소는 탄소(C) 0.08 내지 0.12 중량%, 규소(Si) 0.05 내지 0.15 중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.6 중량%, 크롬(Cr) 8.7 내지 9.3 중량%, 텅스텐(W) 1.0 내지 1.4 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.05 내지 0.09 중량%, 티타늄(Ti) 0.005 내지 0.02 중량%, 지르코늄(Zr) 0.005 내지 0.02 중량%, 질소(N) 0.005 내지 0.015 중량%, 스캔듐(Sc) 0.01 내지 0.04 중량% 및 잔부는 철(Fe)을 포함하고,
    550℃에서 240MPa 및 260MPa의 응력 하에, 크립-파단시간이 각각 624시간 이상 및 240시간 이상인 것을 특징으로 하는
    크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 열간 압연 전에, 1100~1200℃의 온도에서 0.5~2시간 동안 예열하는 단계를 추가로 포함하는
    크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 노말라이징 처리는 950~1050℃의 온도에서 0.5~2시간 동안 수행되는
    크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 템퍼링 처리는 700~780℃의 온도에서 0.5~4시간 동안 수행되는
    크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 제조방법.
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KR1020160025541A KR101764097B1 (ko) 2016-03-03 2016-03-03 크립 저항성이 우수한 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114085959A (zh) * 2021-11-10 2022-02-25 清华大学 低活化钢及其热处理方法

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