KR20040021117A - 인성이 우수한 인장강도 600ＭＰａ급 압력용기용 강의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전소의 보일러, 압력용기 등의 소재에 이용되는 인성이 우수한 600MPa급 압력용기용 강에 관한 것으로, 그 목적은 강도와 인성을 향상시키기 위하여 미량의 B, Ti등을 첨가하는데, 이러한 합급원소의 첨가효과를 높이기 위하여 노말라이징 열처리 후의 냉각속도를 최적화함으로써 인성이 우수한 인장강도 600MPa급 압력용기용 강의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로, C:0.08~0.16%, Si:0.1~0.4%, Mn:0.8~1.8%, Mo:0.2~0.8%, Ni:0.3~0.8%, B:0.0005~0.003%, Ti:0.005~0.025%, Al:0.01~0.08%, P:0.010%이하, S:0.010% 이하, N:0.010% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 소재를 Ac₃~ 930℃ 온도범위에서 노말라이징한 후 판 중심부에서 0.5~5℃/초 냉각속도로 상온까지 강제 공냉시키는 것을 포함하여 이루어지는 인성이 우수한 600MPa급 압력용기용 강의 제조방법을 그 기술적 요지로 한다.

Description

인성이 우수한 인장강도 600ＭＰａ급 압력용기용 강의 제조방법{A Method of 600MPa Grade Tensile Strength Steel for Pressure Vessel Having Superior Toughness}

본 발명은 발전소의 보일러, 압력용기 등의 소재에 이용되는 Mn-Mo-Ni계 탄소강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Mn-Mo-Ni계 강에 적절한 성분을 첨가하고 노말라이징 열처리과정에서 강제냉각을 적용함으로써 얻을 수 있는 인성이 우수한 600MPa급 압력용기용 강의 제조방법에 관한 것이다.

종래 Mn-Mo-Ni계 강인 A302C(ASTM규격)는 강의 5대 원소 이외에 Mo과 Ni이 첨가되고 Cr-Mo계 합금강과는 달리 템퍼링 열처리없이 노말라이징 열처리만을 거쳐 제조된 것으로서, 고온에서의 기계적 특성을 확보하여 중·고온용 압력용기의 소재로 사용된다.

그러나, 사용환경이 더욱 가혹해지고 있는 현재의 상황에서, 상기 A302C강(ASTM 규격)을 노말라이징 열처리만 한 경우에는 소재의 물성이 발전설비의설계요구치에 미치지 못하게 되는 경우가 종종 발생할 수 있다.

따라서, 소재의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 방안이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 이러한 기술적 문제를 해결하기 위한 것으로, 강도와 인성을 향상시키기 위하여 미량의 B, Ti등을 첨가한다. 상기 첨가물 B, Ti를 탄화물과 질화물 형태로 미세하게 석출시키므로써 인장강도를 높이고, B을 모재에 고용시키므로써 인성을 향상시키게 되며, 이러한 합급원소의 첨가효과를 높이기 위하여 노말라이징 열처리 후의 냉각속도를 최적화함으로써 인성이 우수한 인장강도 600MPa급 압력용기용 강의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 중량%로, C:0.08~0.16%, Si:0.1~0.4%, Mn:0.8~1.8%, Mo:0.2~0.8%, Ni:0.3~0.8%, B:0.0005~0.003%, Ti:0.005~0.025%, Al:0.01~0.08%, P:0.010%이하, S:0.010% 이하, N:0.010% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강을 A_c3~ 930℃ 온도범위에서 노말라이징한 후, 판 중심부에서 0.5~5℃/초 냉각속도로 상온까지 강제 공냉시키는 것을 포함하여 이루어지는 인성이 우수한 600MPa급 압력용기용 강의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

C:0.08~0.16중량%

C는 소재의 강도와 경도를 결정하는 중요한 원소로서, 그 함량이 0.08중량% 미만이면 강도 및 경도가 저하하고, 0.16중량% 보다 많으면 용접성이 나빠져 압력용기 제작이 어렵기 때문에, 그 함량을 0.08~0.16중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Si:0.1~0.4중량%

Si는 제강중 산소를 제거하는 탈산제로서, 그 함량이 0.1중량% 미만이면 탈산효과가 불안정하고, 0.4중량% 보다 많으면 강도는 향상되나 인성이 나빠지므로, 그 함량을 0.1~0.4중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Mn:0.8~1.8중량%

Mn은 강도유지 및 열처리특성을 향상시키는 원소로서, 그 함량이 0.8중량% 미만이면 강도가 저하하고, 1.8중량% 보다 많으면 용접성에 중요한 영향을 미치는 탄소당량값이 높아져 용접성이 나빠지므로, 그 함량을 0.8~1.8중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Mo:0.2~0.8중량%

Mo은 고온강도를 높이고, 고온환경에서 장시간 사용시 발생하는 뜨임취성에 대한 저항성을 높이는 원소로, 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 0.2중량% 이상 첨가해야 하지만, 그 함량이 0.8중량%보다 많으면 용접성이 나빠지므로, 그 함량을 0.2~0.8중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Ni:0.3~0.8중량%

Ni은 고온강도를 높이고 인성을 향상시키는 원소로서, 0.3중량% 미만으로 첨가되는 경우에는 그 효과가 미미하고, 0.8중량% 보다 많이 첨가되면 용접성을 해치기 때문에, 그 함량을 0.3~0.8중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

B:0.0005~0.003중량%

B은 본 발명강의 필수원소로서 극미량 첨가로도 강의 경화성을 증가시켜 용접성에 해로운 강화원소의 첨가량을 감소시킬 수 있으며, 그 함량이 0.0005중량% 미만인 경우에는 노말라이징 열처리시 그 효과가 미미하고, 0.003중량% 보다 많이 첨가되는 경우에는 결정립계 및 입내에 조대한 B 화합물이 형성되어 경화성 효과를 상실하고 인성을 저하시키므로, 그 함량을 0.0005~0.003중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Ti:0.005~0.025중량%

Ti는 B와 함께 본 발명의 필수원소로서 미량첨가에 의해 N과 결합하여 TiN을형성하여 모재의 노말라이징 열처리시에는 오스테나이트 결정립을 미세화시키고 B과 N과의 결합을 억제하여 B의 경화성을 향상시키는데 효과적인 원소이다. 그 함량이 0.005중량% 미만에서는 효과가 없으며, 0.025중량%를 초과하면 조대석출물의 형성과 고용 Ti의 증대로 인성저하를 초래하므로, 그 함량을 0.005~0.025중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Al:0.01~0.08중량%

Al은 탈산을 위해 반드시 첨가되어야 하며 질소와 결합하여 AlN을 형성함으로써 강의 조직을 미세화시키고 고용질소를 저감시켜 인성을 향상시키며, B의 질소와의 결합을 방지시켜 B의 경화성 효과를 높이는 원소로, 0.01중량% 미만 첨가되는 경우에는 그 효과가 미미하고, 0.08중량%를 초과하면 그 효과는 포화되고 개재물이 증가되므로, 그 함량을 0.01~0.08중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

P:0.010중량% 이하

P은 0.010중량%를 초과하여 첨가되면, 열처리하는 과정과 소재가 고온 사용환경에서 장시간 사용될 때 발생하는 뜨임취성 감수성을 높이기 때문에, 그 함량을 0.010중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

S:0.010중량% 이하

S은 0.010중량%를 초과하여 첨가되면, Mn과 MnS를 형성하여 충격인성을 저해하고 고온강도를 해치므로, 그 함량을 0.010중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

N:0.01중량% 이하

N은 Al, Ti, B 등과 결합하여 조직변태에 유용하게 작용하는 원소이지만, 0.01중량%를 초과하면 강 제조시 B와 결합하여 B의 경화성을 해치고 과잉의 고용질소는 용접부 인성저하를 초래하므로, 그 함량을 0.01중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기의 화학조성 범위내로 조정한 강재를 노말라이징 열처리하고 강재의 두께에 따라서 일정시간 유지한 후, 냉각 테이블상에 설치한 강제공냉 장치를 이용하여 제어냉각을 실시한다.

상기 노말라이징 열처리온도는 A_c3~930℃ 온도범위로 하는데, 그 이유는 열처리 온도가 오스테나이트 변태온도보다 지나치게 높아지면(930℃초과) 오스테나이트 결정립이 조대화되어 기계적 성질이 저하되고, A_c3온도 미만에서는 열처리 효과가 없기 때문이다.

다음으로, 냉각조건은 판두께에 관계없이 강재 중심부에서의 냉각속도가 0.5~5℃/초가 되도록 조절하여 상온까지 냉각시키는 것이 바람직하다. 통상의 강재는 별도의 강제냉각없이 자연 냉각되므로 강재의 두께에 따라 냉각속도가 달라지며 통상 0.1~0.5℃/초 전후의 냉각속도가 얻어진다. 노말라이징 온도에서 상온까지의 냉각속도가 0.5℃/초 미만이 되면 강제냉각의 효과가 없고 5℃/초 초과의 속도에서는 냉각속도에 따른 미세조직의 변화가 커지므로 재질 제어가 용이하지 않게 된다. 따라서 노말라이징 온도에서 상온까지의 냉각속도를 0.5~5℃/초 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

[실시예]

하기 표 1과 같이 조성된 발명재 및 종래재의 기계적 특성을 비교하기 위해, 두께 25mm인 소재들을 모두 900℃에서 1시간 유지한 후 냉각속도를 변화하는 방식으로 열처리하여 인장 및 충격시험을 실시하고, 그 결과를 하기 표2에 나타내었다. 비교재(1)은 발명재(3)과 동일한 조성의 강을 이용하여 강제냉각을 적용하지 않고 자연 공냉시킨 경우이며 비교재(2)는 발명재(3)과 동일한 조성의 강에 6℃/초의 과도한 강제냉각을 적용한 경우이다.

구분	성분(wt%)
	C	Si	P	S	Mn	Mo	Ni	B	Al	Ti	N
종래재	0.17	0.273	0.009	0.003	1.41	0.504	0.584	­	0.03	­	­
발명재1	0.142	0.251	0.010	0.003	1.40	0.482	0.545	0.0009	0.021	0.007	0.0038
발명재2	0.146	0.253	0.009	0.003	1.38	0.483	0.550	0.0014	0.021	0.010	0.0037
발명재3	0.110	0.253	0.009	0.003	1.39	0.503	0.548	0.0018	0.02	0.011	0.0034
비교재1	0.110	0.253	0.009	0.003	1.39	0.503	0.548	0.0018	0.02	0.011	0.0034
비교재2	0.110	0.253	0.009	0.003	1.39	0.503	0.548	0.0018	0.02	0.011	0.0034

구분	냉각속도(℃/초)	항복강도(kg/㎟)	인장강도(kg/㎟)	연신율(%)	충격에너지(J)
					상온(℃)	0(℃)	-20(℃)
종래재	0.2	52	67	20	15.4	9.1	7.1
발명재1	1.0	56	77	22	103.2	89.1	58.0
발명재2	1.0	57	76	21	111.1	100.0	76.5
발명재3	2.0	59	78	21	122.3	85.3	55.3
비교재1	0.2	55	70	20	41.0	28.1	25.2
비교재2	6.0	62	79	13	15.1	8.8	5.3

상기 표2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 발명재(1)~(3)은 인장강도, 항복강도 및 연신율에 있어서 종래재와 비교재(1)에 비해 우수함을 알 수 있다. 특히, 충격인성은 종래재나 비교재에 비해 매우 우수한 것을 알 수 있다. 그러나, 과도한 강제냉각이 적용된 비교재(2)의 경우, 강도는 필요이상으로 증가되는 반면 인성은 오히려 저하되는 것을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 강중에 B, Ti를 첨가하여 탄소함량을 낮추면서 동시에 노말라이징 열처리 시 강제냉각을 적용함으로써, 우수한 강도 및충격인성을 갖는 압력용기용 강의 제조방법을 제공하는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 중량%로, C:0.08~0.16%, Si:0.1~0.4%, Mn:0.8~1.8%, Mo:0.2~0.8%, Ni:0.3~0.8%, B:0.0005~0.003%, Ti:0.005~0.025%, Al:0.01~0.08%, P:0.010%이하, S:0.010% 이하, N:0.010% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강을 Ac₃~ 930℃ 온도범위에서 노말라이징한 후 판 중심부에서 0.5~5℃/초 냉각속도로 상온까지 강제 공냉시키는 것을 포함하여 이루어지는 인성이 우수한 600MPa급 압력용기용 강의 제조방법.