KR102225101B1 - 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강 - Google Patents

페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철(Fe), 크롬(Cr), 이트리아(Y2O3), 탄소(C), 텅스텐(W), 코발트(Co), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강 및 (a) 철(Fe), 크롬(Cr), 탄소(C), 텅스텐(W), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 바나듐(V)을 포함하는 금속 분말과 이트리아(Y2O3) 분말을 혼합한 후 기계적 합금화 처리하여 합금 분말을 제조하는 단계; (b) 상기 합금 분말을 진공상태에서 탈가스 처리하는 단계; 및 (c) 상기 탈가스 처리된 합금 분말을 열간가공하는 단계;를 포함하는 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강{Ferrite-Martensitic Oxide Dispersion Strengthened Steels}
본 발명은 고온 강도와 고온 인장 특성이 향상된 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
철에 크롬을 첨가한 페라이트-마르텐사이트계 강은 오스테나이트계 스테인리스 강에 비해 고온에서 기계적 특성과 중성자 조사 저항성이 우수하여 소듐 냉각고속로와 같은 미래 원자력시스템의 핵연료 피복관이나 화력 발전기의 구조부품 재료로 사용된다. 하지만, 이러한 합금은 650℃ 이상에서 급격하게 강도가 감소하고 내식성이 저하되는 문제가 있어서, 최근에는 화학조성을 조절한 페라이트-마르텐사이트계 기지 내에 열적 안정성이 우수한 나노 크기의 산화물을 균일하게 분산시켜 제조한 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화(Oxide Dispersion Strengthened, ODS) 강이 개발되고 있다.
산화물 분산강화 강은 철(Fe)-크롬(Cr)계 합금 기지에 이트리아(Y2O3)와 같이 열적 안정성이 우수한 나노 산화물을 균일하게 분산시킨 합금으로 기지조직의 고용강화와 함께 산화물의 분산강화에 의해 일반합금에 비하여 크리프 강도와 같은 고온 기계적 특성이 향상되었다.
하지만, 종래의 산화물 분산강화 강은 일반 강재에 비해서는 고온 강도가 우수한 장점이 있지만, 원자력 환경 하에서의 적용만을 상정해 왔기 때문에 다양한 합금원소 첨가에 의한 성능발현이 제한적이었다. 따라서 원자력용 산화물 분산강화 강을 화력발전용 터빈구조부품에 적용하기 위해서는 여전히 다양한 설계 조건을 만족시키지 못하는 문제점이 있었다.
따라서 이러한 문제점을 개선하기 위하여 고온강도와 성형성이 향상되어 차세대 화력발전용 고온구조부품 소재로 적용이 가능한 새로운 산화물 분산강화 강의 개발이 필요하다.
한국 공개특허공보 제1987-0005721호
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 페라이트-마르텐사이트계 이상계 기지조직과 미세분산 석출물의 조합에 의해 고온 강도와 성형성이 우수하여 차세대 화력발전용 구조 부품뿐만 아니라 자동차, 선박 및 항공기 엔진의 구조 부품 재료로도 유용하게 사용하기 위한 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 철(Fe), 크롬(Cr), 이트리아(Y2O3), 탄소(C), 텅스텐(W), 코발트(Co), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강을 제공한다.
또한, 본 발명의 또 하나의 실시형태에 따르면, (a) 철(Fe), 크롬(Cr), 탄소(C), 텅스텐(W), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 바나듐(V)을 포함하는 금속 분말과 이트리아(Y2O3) 분말을 혼합한 후 기계적 합금화 처리하여 합금 분말을 제조하는 단계; (b) 상기 합금 분말을 진공상태에서 탈가스 처리하는 단계; 및 (c) 상기 탈가스 처리된 합금 분말을 열간가공하는 단계;를 포함하는 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은 구체적으로 철(Fe)-크롬(Cr)-이트리아(Y2O3)계의 합금을 기본 조성으로 하고, 이에 고용 강화 원소로 텅스텐(W)과 코발트(Co)를 포함함으로써 제조공정에서 페라이트상과 마르텐사이트상 분율을 결정하여 강도를 향상시킴과 동시에 양호한 성형성을 부여할 수 있고, 미량 합금원소로 티타늄(Ti), 바나듐(V)을 포함함에 따라 고온에서의 인장강도(tensile strength), 항복강도(yield strength) 특성이 향상되며, 티타늄(Ti), 바나듐(V)이 불순물로 첨가되는 종래의 강재와 대비하여, 합금원소인 티타늄(Ti), 바나듐(V)을 첨가함으로써 산화물 또는 탄화물 형성에 따른 미세 분산에 의한 우수한 고온 강도를 달성할 수 있다.
또한, 기존에 원자력용에 적용되던 산화물 분산강화 강과는 달리 본 발명의 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은 코발트(Co)를 포함함에 따라, 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 고용 강화 효과를 극대화 할 수 있다. 따라서 본 발명의 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은 크리프 특성과, 저온 충격 특성, 상온 및 고온에서의 인장강도와 항복강도가 향상됨에 따라 차세대 화력 발전용 구조부품뿐만 아니라 자동차, 선박, 항공기 엔진의 구조부품 재료에 적합하게 이용될 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
1. 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강
본 발명은 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강을 제공한다.
상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은 철(Fe), 크롬(Cr), 이트리아(Y2O3), 탄소(C), 텅스텐(W), 코발트(Co), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함할 수 있다. 위와 같이 본 발명의 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은 철(Fe), 크롬(Cr), 이트리아(Y2O3), 탄소(C), 텅스텐(W), 코발트(Co), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 모두 포함함에 따라, 크리프 특성(강도)가 향상되며, 저온 충격 특성도 개선될 수 있다.
상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은, 상기 페라이트-마르텐사이트계 분산강화 강 총 중량을 기준으로, 탄소(C) 0.02 내지 0.2 중량%, 크롬(Cr) 8 내지 12 중량%, 이트리아(Y2O3) 0.1 내지 0.5 중량%, 텅스텐(W) 0.5 내지 4 중량%, 코발트(Co) 0.2 내지 5 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 내지 0.5 중량%, 바나듐(V) 0.01 내지 1 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 포함할 수 있다.
상기 크롬(Cr)은 철(Fe) 기지 안에서 고용 강화 효과를 극대화할 수 있다. 상기 크롬(Cr)은 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 총 중량을 기준으로 8 내지 12 중량%의 함량으로 포함될 수 있고, 구체적으로는 9 내지 11 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 크롬(Cr)의 함량이 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 총 중량을 기준으로 8 중량% 미만인 경우에는 내식성이 저하될 수 있고, 12 중량% 초과인 경우에는 마르텐사이트상이 형성되기 어려운 문제가 발생할 수 있다.
상기 이트리아(Y2O3)는 산화물 분산강화 강 기지조직에 미세하고 균일한 제2 상 입자의 형태로 분포하여 분산강화 효과에 의해 강도를 향상시키는 역할을 한다. 상기 이트리아(Y2O3)는 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 0.5 중량%의 함량으로 포함될 수 있고, 구체적으로는 0.3 내지 0.4 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 이트리아(Y2O3)의 함량이 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 미만인 경우에는 분산강화 효과가 미미하고, 0.5 중량% 초과인 경우에는 잔류 분산 입자에 의한 분산강화 효과가 지나치게 커져서 가공성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 텅스텐(W)은 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 고온 강도의 향상을 위해 첨가되는 고용 강화 원소 중의 하나로서, 상기 텅스텐(W)은 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 총 중량을 기준으로 0.5 내지 4 중량%의 함량으로 포함될 수 있고, 구체적으로는 0.5 내지 3 중량%의 함량으로 포함될 수 있고, 더 구체적으로는 1.5 내지 2.5 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 텅스텐(W)의 함량이 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 총 중량을 기준으로 0.5 중량% 미만인 경우에는 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 고용 강화 효과가 저조하여 고온 강도가 저하될 우려가 있고, 4 중량% 초과인 경우에는 가공성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 코발트(Co)는 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 고용 강화 원소로서 역할을 하며, 상기 코발트(Co)는 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 총 중량을 기준으로 0.2 내지 5 중량%의 함량으로 포함될 수 있고, 구체적으로는 0.5 내지 3 중량%의 함량으로 포함될 수 있고, 더 구체적으로는 1 내지 2 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 코발트(Co)의 함량이 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 총 중량을 기준으로 0.2 중량% 미만인 경우에는 고용 강화 효과가 미미하며, 5 중량% 초과인 경우에는 마르텐사이트 상분율이 높아져서 경도와 상온 항복강도가 증가함에 따라 냉간가공이 어려운 문제가 발생할 수 있다. 또한 첨가량이 증가할수록 고온강도가 향상되는 경향이 있으나 5 중량% 이상 첨가할 경우 그 효과는 미미하며 고가의 첨가원소로서 바람직하지 않다.
상기 티타늄(Ti)은 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강 내에 미량으로 포함되어서 가열과정에서 이트리아(Y2O3)와 화학적으로 반응이 일어나 결합하여 Y2Ti2O7이나 Y2TiO5와 같은 Y-Ti-O계 복합 산화물을 형성함으로써, 산화물의 고밀도 및 균일한 미세 분산에 기여함으로써 고온에서 강도를 우수하게 하는 역할을 한다.
상기 티타늄(Ti)은 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 총 중량을 기준으로 0.01 내지 0.5 중량%의 함량으로 포함될 수 있고, 구체적으로는 0.2 내지 0.5 중량%의 함량으로 포함될 수 있고, 더 구체적으로는 0.25 내지 0.35 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 티타늄(Ti)의 함량이 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 총 중량을 기준으로 0.01 중량% 미만인 경우에는 미세 분산 효과가 미미하여 강도가 저하되는 문제가 있고, 0.5 중량% 초과인 경우에는 조대한 TiO2 석출물을 생성시키거나 Fe2Ti와 같은 취약한 금속간 화합물(intermetallic compound)을 생성시켜 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 기계적 특성을 저하시키는 문제가 발생할 수 있다.
상기 바나듐(V)은 미세한 MX(여기서 M은 Ti 또는 W; X는 C 또는 N) 석출물을 형성시키는 석출 강화 원소 중의 하나로서, 고온에서의 인장강도와 크리프 강도(저항성)를 향상시키는 역할을 할 수 있다.
상기 바나듐(V)은 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 총 중량을 기준으로 0.01 내지 1 중량%의 함량으로 포함될 수 있고, 구체적으로는 0.1 내지 1 중량%의 함량으로 포함될 수 있고, 더 구체적으로는 0.1 내지 0.5 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 바나듐(V)의 함량이 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 총 중량을 기준으로 0.01 중량% 미만인 경우에는 크리프 강도를 향상시키는 효과가 미미하고, 1 중량% 초과인 경우에는 취성의 델타 페라이트(delta ferrite)상이 생성되어 기계적 특성을 저하시키는 문제가 발생할 수 있다.
상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은 화력발전용 부품, 자동차 엔진의 부품, 선박 엔진의 부품, 또는 항공기 엔진의 부품에 이용될 수 있다. 특히 본 발명의 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은 원자력용으로 사용하는 것이 아니기 때문에 위와 같이 크롬(Cr)을 포함하는 구성으로 채용할 수 있으며, 특정 함량의 크롬(Cr)을 포함함에 따라 고형 강화 효과가 극대화 되어서, 화력발전용, 자동차, 항공기 등의 부품으로 적합하게 사용될 수 있다.
상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 600 내지 800℃의 고온에서의 항복강도는 340 내지 450 MPa일 수 있다.
상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 600 내지 800℃의 고온에서의 최대인장강도는 350 내지 600 MPa일 수 있다.
상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은 알루미늄(Al)을 실질적으로 포함하지 않을 수 있다. 상기 알루미늄(Al)을 실질적으로 포함하지 않는 다는 것은, 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강에 알루미늄(Al)이 전혀 포함되지 않거나, 또는 1 ppm 미만의 함량으로 포함되는 경우를 의미할 수 있다.
상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은 -40℃에서 CVN(Charpy V-notch) 충격시험 결과 충격 흡수 에너지가 10 내지 30 J일 수 있고, 구체적으로 10 내지 25 J일 수 있다.
2. 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 제조 방법
본 발명은 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 제조 방법을 제공한다.
상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 제조 방법은, (a) 철(Fe), 크롬(Cr), 탄소(C), 텅스텐(W), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 바나듐(V)을 포함하는 금속 분말과 이트리아(Y2O3) 분말을 혼합한 후 기계적 합금화 처리하여 합금 분말을 제조하는 단계; (b) 상기 합금 분말을 진공상태에서 탈가스 처리하는 단계; 및 (c) 상기 탈가스 처리된 합금 분말을 열간가공하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 단계 (a)에서는, 철(Fe), 크롬(Cr), 탄소(C), 텅스텐(W), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 바나듐(V)을 포함하는 금속 분말과 이트리아(Y2O3) 분말을 혼합한 후 기계적 합금화 처리하여 합금 분말을 형성할 수 있다. 상기 기계적 합금화 처리는 철(Fe), 크롬(Cr), 탄소(C), 텅스텐(W), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 바나듐(V)을 포함하는 금속 분말과 이트리아(Y2O3) 분말을 혼합한 후 수평형 볼밀(ball mill)과 같은 기계적 합금화 장비를 이용하여 수행될 수 있다.
상기 합금 분말에는 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 총 중량을 기준으로, 탄소(C) 0.02 내지 0.2 중량%, 크롬(Cr) 8 내지 12 중량%, 이트리아(Y2O3) 0.1 내지 0.5 중량%, 텅스텐(W) 0.5 내지 4 중량%, 코발트(Co) 0.2 내지 5 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 내지 0.5 중량, 바나듐(V) 0.01 내지 1 중량% 및 잔부의 철(Fe)이 포함될 수 있다.
상기 단계 (b)에서 상기 합금 분말을 진공상태에서 탈가스 처리하는 단계는, 상기 합금 분말을 탄소강이나 스테인리스 강 재질의 캔 용기에 충진시켜 밀봉한 후에, 400 내지 650℃의 온도 범위, 10-5 내지 10-3 torr의 압력 범위에서, 1 내지 4 시간 동안 탈가스 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 탈가스 처리하는 단계에서는, 분말 충진 시 혼입된 공기, 아르곤 가스가 제거됨으로써, 분말 사이의 빈공간을 만들어서 다음 열간가공하는 단계에서 합금의 밀도를 높일 수 있다.
상기 단계 (c)에서 상기 열간가공하는 단계는 구체적으로는 열간등방가압, 열간단조, 열간압연, 열간압출, 및 이들의 조합 중에서 선택되는 적어도 하나의 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 열간가공은 합금의 치밀도를 향상시키는 것과 동시에 열을 가하여 적은 힘으로 부품의 형상을 제조할 수 있도록 하는 역할을 한다. 구체적으로 중간제품의 형상에 따라, 덩어리 또는 복잡형상(complex shape)인 경우 열간등방가압, 빌렛(billet) 또는 바의 형상인 경우에는 열간단조, 후판(thick plate)의 형상인 경우 열간압연, 후육관(厚肉管, heavy wall steel pipe) 또는 봉의 형상인 경우 열간압출의 방법으로 열간가공이 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 열간가공하는 단계는 상기 합금 분말의 재결정 온도 이상에서 가공하는 것을 의미하며, 이 때 상기 열간가공하는 단계의 온도는 850 내지 1,200℃일 수 있고, 상기 열간등방가압 시의 압력은 100 내지 200 MPa의 압력을 1 내지 4 시간 동안 유지하는 것일 수 있고, 상기 열간압출은 1 내지 4 시간 가열한 후에 프레스에 의해 열간압출하여 상기 합금 분말을 고체화 시키는 것일 수 있다. 상기 열간압연은 950 내지 1,200℃의 온도에서 1 내지 4 시간 동안 등온 열처리하여 70% 이상의 두께 감소율로 압연하는 것일 수 있다.
상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은 상기 (c) 단계 이후에 (d) 상기 열간가공된 합금분말을 냉간가공하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (d)에서 상기 열간가공된 합금분말을 냉간가공하는 단계는 구체적으로는 냉간압연, 냉간드로잉(냉간인발), 냉간필거링, 및 이들의 조합 중에서 선택되는 적어도 하나의 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 냉간가공하는 단계는 최종적으로 정확한 치수의 구조부품을 제조하기 위한 것이다. 구체적으로 박판재용인 경우 냉간압연, 튜브용인 경우 냉간필거링, 튜브 또는 선재(wire rod)용 등의 경우 냉간드로잉(냉간인발)의 방법으로 냉간가공이 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
<실시예 1 내지 4, 비교예 1>
하기의 표 1과 같은 조성(중량%)으로 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강을 제조하였다.
즉, 고순도의 원료분말 (철(Fe), 크롬(Cr), 탄소(C), 텅스텐(W), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 바나듐(V); 입도 200 mesh 이하, 순도 99%이상) 및 이트리아(Y2O3) 분말 (50 nm 이하, 순도 99.9%)을 각 중량비에 따라 혼합하고 수평형 볼밀 장치(ZOZ GmbH, SIMOLOYER CM20)를 사용하여 회전속도 240 rpm으로 48 시간 동안 초고순도 아르곤(Ar) 분위기에서 기계적 합금화법에 의해 기계적 합금화 분말을 제조한 후, 이를 스테인리스 캔에 충진시켜 밀봉하고, 400℃에서 10-5 torr의 진공도로 3 시간 동안 탈가스 처리하였다. 제조된 분말충진 캔을 1,150℃, 100 MPa의 조건에서 3시간 동안 열간등방가압하고, 1,150℃에서 1 시간 동안 다시 가열하여 80% 이상의 두께 감소율로 열간압연하여 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강을 제조하였다.
구분 Fe C Cr Al Mo W Mn Si Ni Co Ti V Nb Y2O3
실시예 1 bal. 0.07 9.0 - - 2.0 - - - 0.2 0.25 0.20 - 0.40
실시예 2 bal. 0.07 9.0 - - 2.0 - - - 1.0 0.25 0.20 - 0.40
실시예 3 bal. 0.07 9.0 - - 2.0 - - - 2.0 0.25 0.20 - 0.40
실시예 4 bal. 0.07 9.0 - - 2.0 - - - 5.0 0.25 0.20 - 0.40
비교예 1 bal. 0.07 9.0 4.0 - 2.0 - - - 1.0 0.25 0.20 - 0.40
참조합금 bal. 0.07 9.0 - - 2.0 - - - - 0.25 0.20 - 0.40
상용강재(Grade 92) bal. 0.10 9.0 - 0.5 1.8 0.45 0.3 0.2 - 0.25 0.20 0.07 -
<실험예 1> - 인장특성
상온(15 내지 25℃) 및 650℃에서 상용강재, 참조합금, 비교예 1 및 실시예 1 내지 4의 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 인장시험을 상온에서 수행하여 항복강도, 최대인장강도 및 총연신율을 측정하였으며, 그 결과를 표 2에 요약하였다.
시험온도 인장특성 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 상용강재 참조합금
Room temperature 항복강도
(MPa)		 798 802 872 952 691 537 763
최대인장강도
(MPa)		 932 941 1032 1114 853 678 925
총연신율(%) 12.8 13.3 13.5 14.5 15.4 20.6 19.6
650℃ 항복강도
(MPa)		 344 347 386 406 261 272 329
최대인장강도
(MPa)		 362 387 427 456 271 291 347
총연신율(%) 23.9 24.3 32.0 31.5 25.2 26.8 22.9
상기 표 2에 따르면 상온 인장시험 결과 상용강재와 참조합금의 항복강도는 각각 537 MPa, 763 MPa이었으나, 코발트(Co)와 바나듐(V)을 동시에 첨가한 실시예 1 내지 실시예 4의 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 항복강도는 798 내지 952 MPa으로 상온 인장강도가 월등히 향상된 것을 확인할 수 있었다.
또한 650℃에서 상용강재와 참조합금은 각각 272 MPa, 329 MPa의 항복강도를 가지는 반면, 실시예 1 내지 4의 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 경우에는 344 내지 406 MPa의 항복강도를 가져서 월등히 우수한 고온 인장강도를 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
상기 결과로부터, 본 발명에 따른 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은 상용강재뿐만 아니라 종래의 산화물 분산강화 강재(참조합금)에 비해서도 고온에서의 인장특성이 매우 향상된 것을 확인할 수 있었다.
또한 알루미늄(Al)을 첨가한 비교예 1의 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 상온 및 고온에서의 최대인장강도는 853 MPa, 271 MPa로 실시예 1 내지 4의 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강뿐만 아니라 참조합금에 비해서도 매우 낮은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 고온환경용 구조부품소재로 사용되는 산화물 분산강화 합금에서 알루미늄(Al)의 첨가는 고온 강도 확보 측면에서 바람직하지 않은 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 2> - 크리프 특성
표 1의 조성으로 제조된 실시예 1 내지 4의 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강, 상용강재 및 참조합금에 대하여 650℃에서 크리프(creep) 시험을 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
크리프 시험 조건 크리프 파단시간 (h)
시험온도 부하응력 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 상용강재 참조합금
650℃ 180 MPa 174.8 321.5 469.3 452.5 25.1 126.3
650℃ 150 MPa 629.5 869.6 1244.2 1180.6 145.3 402.1
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 상용강재와 참조합금은 650℃, 150 MPa의 응력조건에서 각각 145.3 시간, 402.1 시간 후 파단에 이르는 것을 알 수 있다. 반면에 본 발명에 의한 실시예 1 내지 4의 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은 동일한 조건에서 629.5 내지 1244.2 시간 후 파단되는 것을 확인할 수 있어서, 월등히 우수한 크리프 강도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
그러나, 코발트(Co)를 5 중량% 첨가한 실시예 4의 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은 실시예 3의 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강에 비하여 크리프 파단시간이 약간 감소하고 있어서, 코발트(Co) 함량 증가에 비하여 고온강도 향상 효과가 미미한 것을 확인할 수 있었다.
상기의 결과로부터 본 발명에 따라 코발트(Co)와 바나듐(V)을 동시에 첨가한 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은, 상용강재뿐만 아니라 종래의 산화물 분산강화 강(참조합금)에 비하여도 크리프 특성(크리프 강도)가 매우 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 3> - 저온 충격 특성
표 1의 조성으로 제조된 실시예 1 내지 4의 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강, 상용강재 및 참조합금에 대해 저온 충격 저항성을 평가하기 위해서, -40℃에서 Charpy V-notch(CVN) 충격시험을 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
CVN 시험조건 충격 흡수 에너지(J)
시험온도 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 상용강재 참조합금
-40℃ 13.9 18.4 21.7 21.9 3.2 6.1
상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 상용강재와 참조합금은 -40℃의 시험온도에서 각각 3.2 J, 6.1 J의 저온 충격 흡수 에너지를 나타내었으나, 본 발명에 의한 실시예 1 내지 4의 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은 동일한 조건에서 13.9 내지 21.9 J로 현저히 향상된 저온 충격 흡수 에너지를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
상기 결과로부터, 본 발명에 따라 코발트(Co)와 바나듐(V)을 동시에 첨가한 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강은 상용강재뿐만 아니라 종래의 산화물 분산강화 강(참조합금)에 비해서도 저온 충격 흡수 에너지가 매우 향상된 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명은 기재된 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (15)

  1. 철(Fe), 크롬(Cr), 이트리아(Y2O3), 탄소(C), 텅스텐(W), 코발트(Co), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강으로서,
    상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강 총 중량을 기준으로, 탄소(C) 0.02 내지 0.2 중량%, 크롬(Cr) 8 내지 12 중량%, 이트리아(Y2O3) 0.1 내지 0.5 중량%, 텅스텐(W) 0.5 내지 4 중량%, 코발트(Co) 0.2 내지 5 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 내지 0.5 중량, 바나듐(V) 0.01 내지 1 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 포함하는 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    화력발전용 부품, 자동차 엔진의 부품, 선박 엔진의 부품, 또는 항공기 엔진의 부품에 이용되는 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강.
  4. 청구항 1에 있어서,
    600 내지 800℃의 고온에서의 항복강도가 340 내지 450 MPa인 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강.
  5. 청구항 1에 있어서,
    600 내지 800℃의 고온에서의 최대인장강도가 350 내지 600 MPa인 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강.
  6. 청구항 1에 있어서,
    -40℃에서 CVN(Charpy V-notch) 충격시험 결과 충격 흡수 에너지가 10 내지 30 J인 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강.
  7. (a) 철(Fe), 크롬(Cr), 탄소(C), 텅스텐(W), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 바나듐(V)을 포함하는 금속 분말과 이트리아(Y2O3) 분말을 혼합한 후 기계적 합금화 처리하여 합금 분말을 제조하는 단계;
    (b) 상기 합금 분말을 진공상태에서 탈가스 처리하는 단계; 및
    (c) 상기 탈가스 처리된 합금 분말을 열간가공하는 단계;
    를 포함하는 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 제조 방법으로서,
    상기 합금 분말은 상기 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강 총 중량을 기준으로, 탄소(C) 0.02 내지 0.2 중량%, 크롬(Cr) 8 내지 12 중량%, 이트리아(Y2O3) 0.1 내지 0.5 중량%, 텅스텐(W) 0.5 내지 4 중량%, 코발트(Co) 0.2 내지 5 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 내지 0.5 중량, 바나듐(V) 0.01 내지 1 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 포함하는 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 기계적 합금화 처리는 수평형 볼밀을 이용하여 수행하는 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 제조 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 탈가스 처리는 상기 합금 분말을 탄소강 또는 스테인리스강 재질의 캔 용기에 충진시켜 밀봉하는 단계를 포함하는 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 제조 방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 탈가스 처리는 400 내지 650℃의 온도, 10-5 내지 10-3 torr의 압력 범위, 1 내지 4 시간 동안 수행되는 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 제조 방법.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 열간가공은 열간등방가압, 열간단조, 열간압연, 열간압출, 및 이들의 조합 중에서 선택되는 적어도 하나의 방법으로 수행되는 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 제조 방법.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 열간가공하는 단계의 온도는 850 내지 1,200℃인 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 제조 방법.
  14. 청구항 7에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후에, (d) 상기 열간가공된 합금분말을 냉간가공하는 단계를 포함하는 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 제조 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 냉간가공은 냉간압연, 냉간드로잉(냉간인발), 냉간필거링, 및 이들의 조합 중에서 선택되는 적어도 하나의 방법으로 수행되는 것인 페라이트-마르텐사이트계 산화물 분산강화 강의 제조 방법.
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