KR20040058601A - 충격특성과 고온파단연성이 우수한 저합금강 및 그 제조방법 - Google Patents

충격특성과 고온파단연성이 우수한 저합금강 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 복합화력발전소의 증기터빈용 잠금소재의 제조에 관한 것으로, 그 목적은 충격특성과 고온파단연성이 우수한 증기터빈용 저합금강 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 저합금강은, 중량%로, C: 0.18~ 0.25%, Si: 0.15~ 0.35%, Mn: 0.45~ 0.70%, Cr: 0.90~ 1.20%, Mo: 0.9~ 1.2%, V: 0.65~ 0.85%, Ti: 0.05~ 0.10%, Al: 0.05~ 0.10%, B: 0.002~ 0.004%, 나머지는 Fe 및 미량의 불순물로 조성되며, 강 중의 미량의 불순물이 Sb: 0.001% 이하, As: 0.005% 이하, Sn: 0.005% 이하, P: 0.005% 이하, S: 0.015% 이하, N: 0.005% 이하, 및 O: 0.004% 이하를 포함한다.

Description

충격특성과 고온파단연성이 우수한 저합금강 및 그 제조방법{Low Alloy with Superior Impact Property and Rupture Ductility at High Temperature and Manufacturing Method therefor}
본 발명은 복합화력발전소의 증기터빈용 잠금소재로 사용되는 저합금강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충격특성과 고온파단연성이 우수한 증기터빈의 잠금소재용 저합금강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 화력발전소의 운전조건은 증기의 온도와 압력이 각각 538℃, 24.1MPa 정도이며, 이러한 환경에 적합한 증기터빈용 소재, 예컨대 잠금장치(터빈을 감싸는 상하 케이싱을 죄어 스팀이 고온 고압이 되도록 하는 장치) 등에 사용되는 잠금소재로서, 종래에는 1CrMoV 재질을 사용하고 있었다. 그러나, 종래의 1CrMoV강은 약 550℃ 이상이 되면 고온특성이 떨어져 그 이상의 온도에서 사용하지 못한다. 즉, 종래의 1CrMoV강은, 고온에서 사용 중에 재료 내부의 탄화물이 불안정하여 시간이 경과함에 따라 상기 탄화물이 조대화되고, 미량원소의 편석으로 인하여 크리프 파단강도가 급격히 떨어져 수명이 급속히 떨어진다.
본 발명은 상기한 종래의 1CrMoV강의 단점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 합금 중의 잔류 미량원소를 적절히 제어함으로써, 충격특성 및 파단연성(rupture ductility)을 향상시킨 새로운 1CrMoVTiB의 저합금강을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 저합금강을 제조할 수 있는 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 저합금강은, 중량%로, C: 0.18~ 0.25%, Si: 0.15~ 0.35%, Mn: 0.45~ 0.70%, Cr: 0.90~ 1.20%, Mo: 0.9~ 1.2%, V: 0.65~ 0.85%, Ti: 0.05~ 0.10%, Al: 0.05~ 0.10%, B: 0.002~ 0.004%, 나머지는 Fe 및 미량의 불순물로 조성된다.
이때, 본 발명의 저합금강은, 상기 미량의 불순물이, 중량%로, Sb: 0.001% 이하, As: 0.005% 이하, Sn: 0.005% 이하, P: 0.005% 이하, S: 0.015% 이하, N: 0.005% 이하, O: 0.004% 이하를 포함하여 구성되며, 아래 수학식1로 정의되는 상기 미량의 불순물에 대한 미량원소 함량지수(TEP)가 0.1 이하 인 것이 바람직하다.
TEP = 1.1(%P) + 2.2(%As) + 3.8(Sn) + 8.93(%Sb) + 0.12(%Cu)
또한, 본 발명에 따른 저합금강의 제조방법은, 중량%로, C: 0.18~ 0.25%, Si: 0.15~ 0.35%, Mn: 0.45~ 0.70%, Cr: 0.90~ 1.20%, Mo: 0.9~ 1.2%, V: 0.65~ 0.85%, Ti: 0.05~ 0.10%, Al: 0.05~ 0.10%, B: 0.002~ 0.004%, 나머지는 Fe 및 미량의 불순물로 조성되는 강을, 강중의 미량의 불순물이 Sb: 0.001% 이하, As: 0.005% 이하, Sn: 0.005% 이하, P: 0.005% 이하, S: 0.015% 이하, N: 0.005% 이하, 및 O: 0.004% 이하가 되도록 진공유도용해하는 단계; 상기 진공유도용해된 강을 정련하는 단계; 정련된 강을 주조하여 강괴를 얻은 후, 상기 강괴를 단조하는 단계; 단조된 강괴를 용체화처리한 다음, 수냉하는 단계 및 수냉된 강을 뜨임 열처리하는 단계를 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명의 저합금강에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 저합금강 중에 함유되는 탄소(C)는, 적절한 인장값을 확보하는데 중요한 성분이다. 또한, 탄소는 강중에 과포화되어 있으면 응고과정 초기에 활성원소 Ti와 반응하여 TiC를 형성하므로, 본 발명에서는 탄소의 함량을 0.18~ 0.25중량%(이하, 단지 `%'라 한다)로 제한하는 것이 바람직하다.
또한, 규소(Si)는 제강과정에서 필수적인 탈산제로 사용되고, 그 일부가 잔류하게 된다. 따라서, 강중 Si의 함량이 너무 적으면 탈산이 부족하여 강의 성질이 불량하게 되므로 적어도 0.15% 이상이 되도록 한다. 그러나, 강중 Si의 함량이 너무 많으면 고온에서 노치 민감도(notch sensitivity)가 높아지게 되어 인장강도, 연신율, 크리프 파단, 피로특성 등이 좋지 않게 되므로 그 상한을 0.35%로 설정함이 바람직하다.
상기 망간(Mn)은, 소입성을 증대시키는 원소로서, 적정한 기계적 특성을 유지하기 위하여 본 발명에서는 강중 Mn의 함량을 0.45~ 0.70%의 범위로 제어함이 바람직하다.
또한, 강중 크롬(Cr)은 탄화물 형성원소이다. 본 발명에서는 저합금강의 고온 내산화성과 내충격특성을 향상시키고 고용강화 효과를 얻기 위하여 강중 Cr의 함량을 0.90~ 1.20%의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
상기 몰리브덴(Mo)은, 탄화물(M6C)을 형성하여 고용강화에 의한 고온강도를 부여하고, 몰리브덴카바이드 중에 포함된 Mo이 입계의 P와 결합하여 P에 의한 뜨임취성을 크게 완화하는 동시에, Mo에 의해 뜨임 2차 경화성을 크게 향상시키는 효과가 있다. 그러나, 강중 Mo의 함량이 너무 적으면 그 효과가 미약하고, 반대로 너무 많으면 그 효과가 더 이상 증가하지 않고, 오히려 사용온도에서 경년열화 속도가 빠르고 충격인성이 낮아지기 때문에 0.9~ 1.2%의 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 바나듐(V)은, 기지에 고용되어 고온강도를 증가시키고, 불용성 탄화물(V4C3)을 만들어 고온경도를 높이며, 뜨임저항성을 증대시키는 원소이다. 그러나, 강중 V의 함량이 너무 적으면 결정립 미세화를 촉진하는 효과가 없고, 적어도 0.65% 이상이 되어야 불용성 탄화물이 증가하여 고온강도와 크리프 파단강도의 개선 효과가 나타난다. 반대로 강중 V의 함량이 너무 많으면, 파단연성이 저하하므로 그 상한을 0.85%로 설정함이 바람직하다.
상기 티타늄(Ti)은, 탄화물 형성원소이면서 산소와의 반응성이 큰 원소이다. 그러나, Ti의 함량이 0.05% 이하일 때에는 목표로 하는 결정립 미세화 효과를 얻을 수 없고, 0.10% 이상일 때에는 응고시 조대한 탄화물을 유발하고, 크리프 파단강도에 영향을 미치는 역 V편석(freckle)이 형성되어 바람직하지 않다.
상기 알루미늄(Al)은, 내산화성을 증가시킬 뿐만 아니라, 금속간화합물인 γ'Ni3(Al,Ti)로 석출하여 기지를 강화시켜 크리프 파단강도를 증가시키는 역할을 한다. 이를 위해 본 발명에서는 강중 Al의 함량을 0.05~ 0.10%의 범위로 제한한다.
상기 붕소(B)는, 침입형 또는 치환형으로 고용되는 원소로서, 극미량의 첨가로 입계편석에 의해 강괴의 소입성을 향상시키는 역할을 한다. 따라서, B는 0.005% 이하이면 입계에 석출하여 고온연성 증가에 의한 크리프 저항성 효과가 있다. 그러나, B의 함량이 0.005% 이상이 되면 결정입계에서 취약한 질화붕소 및 철탄소붕화물이 형성되어 열간단소시 적열취성을 일으키며, 충격인성과 고온강도에 악영향을 미치므로 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는 B의 함량은 0.002~ 0.004%의 범위로 설정하는 것이다.
상기 질소(N)는, 제강후 응고시 활성원소인 티타늄과 결합하여 조대한 TiN을 만들어 단조성을 떨어뜨리는 결과를 초래할 뿐만 아니라 고온강도도 저하시킨다. 따라서, 본 발명에서는 N의 함량을 0.005% 이하가 되도록 제어하는 것이 바람직하다.
상기 유황(S), 산소(O2) 및 수소(H2) 등은, 제조공정에서 기본적으로 함유되는 불순물이다. S의 경우 열간가공성을 해치며 Mn이나 Mo 등과 결합하여 가공성을 증대시키지만, 너무 많으면 인성 저하를 초해하므로, 0.015% 이하로 관리하는 것이 바람직하다. 또한, 산소와 수소의 경우 산화물, 수소화물 및 분자상 수소를 형성하여 재료를 취약하게 하므로, 현재의 제강과정에서 용이하게 관리할 수 있는 한도, 즉 예컨대 산소의 경우 0.004% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 안티몬(Sb), 주석(Sn), 비소(As), 인(P) 및 구리(Cu)는, 불순원소로서, 입계에 편석되어 충격저항성을 저하시킬 뿐만 아니라, 뜨임취성을 유발하며, 특히 Cu의 경우 청열취성을 나타내므로, 가급적 극미량으로 제한할 필요가 있다. 바람직하게는 상기 미량의 불순물들은, 중량%로, Sb: 0.001% 이하, As: 0.005% 이하, Sn: 0.005% 이하, P: 0.005% 이하가 되도록 제한하는 것이다.
보다 바람직하게는, 수학식1과 같이 정의되는 미량원소 함량지수(TEP)가 0.1 이하가 되도록 하는 것이다.
이하, 본 발명의 저합금강에 대한 제조공정을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 저합금강은, 상기한 조성을 갖는 합금을 용해한 후, 제강공정에서 정련하고, 이 정련된 강괴(steel ingot)를 단조한 다음, 단조된 단조품을 용체화처리(solution treatment) 및 뜨임(tempering) 열처리를 하여 제조한다.
먼저, 용해는 진공유도용해(vacuum induction melting)를 실시하여, 합금 중의 O2, N2, H2등의 가스를 자연스럽게 제거한다. 만약, 대기중에서 용해를 실시하면, Ti나 Al 등이 질소 가스나 산소 가스 등과 반응하여, TiN, TiO2, Al2O3등의 비금속개재물을 형성하며, 이들 비금속개재물이 스트링거(stringer)나 클러스터(cluster) 상으로 집합하게 되고, 인성을 저해하는 원인으로 작용하게 된다. 한편, 합금 중의 Bi, Pb, Ag 및 Se 등과 같은 미량 불순원소가 혼입되게 되면,크리프 파단시간에 따라 크리프 파단연성이 감소한다. 따라서, 이들 Bi, Pb, Ag 및 Se 등과 같은 미량 불순원소의 제거는 중요하다. 그러나, Bi, Pb, Ag 및 Se 등과 같은 미량 불순원소는 증기압이 높기 때문에, 상기 진공유도용해로 쉽게 제거할 수 있다. 또한, 진공 하에서는 각 원소의 산화를 방지할 수 있기 때문에, 정확도가 상당히 높은 성분 조정이 가능하다.
상기 진공유도용해된 강은 제강공정에서 정련을 한다. 본 발명에서는, 합금 중의 잔류 미량원소들을 가능한 한 극미량으로 함유되도록 하는 것이 중요하다. 또한, 제강후 어떠한 열처리로도 제거가 불가능한 TiN과 TiC의 생성을 피하기 위하여 질소와 Ti의 함량을 상기한 범위로 낮추는 것이 중요하다. 특히, Ti은 주조시 응고과정에서 편석되어 고온 크리프 파단강도에 영향을 미치는 역 V편석(fleckle)을 생성시키는 경향이 심하므로, Ti과 Si의 함량을 상기한 범위로 적절히 조절하여 노치민감도(notch sensitivity)를 낮춘다. 또한, 본 발명에서는 충격특성 및 파단연성에 영향을 미치는 Sb, P, As, Sn, Cu 등을 최대한 적게 함유한 단강품을 제조하는 것이 중요하다. 구체적으로, 상기 불순원소의 조절 순서는 Sb > Sn > As > P > Cu로 하여, 최대한 상기 미량원소 함량지수(TEP)를 1.0 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.
이렇게 정련된 강은 주조하여 강괴를 얻은 후, 상기 강괴를 통상의 방법으로 단조한다.
그리고, 상기 단조된 강괴를 용체화처리한 다음, 수냉한다. 본 발명에서는 상기 용체화처리를 통해 합금원소를 충분히 고용하면서 입자 조대화가 일어나지 않도록 980~ 1025℃의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
그 다음, 수냉된 강을 뜨임 열처리하는데, 뜨임 열처리는 650~ 695℃의 범위에서 실시하는 것이 바람직하다.
이와같이 제조되는 저합금강은, 종래의 1CrMoV강에 비하여 충격특성과 고온 파단연성이 우수하여 증기터빈 잠금용 강으로 매우 적합하다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.
[실시예]
하기 표1과 같은 조성을 갖도록 합금을 진공용해로에서 용해하고, 주조한 강괴를 단조한 다음, 1000℃에서 용체화처리를 하고, 용체화처리된 강괴를 수냉하였다. 이후, 수냉된 강을 660℃에서 20시간 동안 뜨임처리를 한 후, 공냉하고, 기계적 성질을 조사하였다.
기계적 성질은 상온과 고온에서의 인장강도시험, 상온 충격시험, 크리프 파단강도시험을 하여, 그 결과를 비교재 합금과 함께 표2에 나타내었다.
구분 화학조성(중량%)
C Mn Si P S Cr Ni V Mo Ti Al B Cu As Sb Sn [N] [O]
비교재 0.223 0.56 0.26 0.011 0.001 1.03 0.04 0.71 1.05 0.094 0.055 0.0029 0.06 0.02 0.01 0.012
발명재1 0.20 0.49 0.29 0.006 0.008 0.99 - 0.70 0.99 0.08 0.04 0.003 0.04 0.005 0.0005 0.005 50ppm 40ppm
발명재2 0.20 0.50 0.29 0.004 0.008 1.00 - 0.70 1.01 0.085 0.04 0.003 0.04 0.004 0.0005 0.004 40ppm 40ppm
발명재3 0.19 0.52 0.29 0.004 0.008 1.00 - 0.68 1.01 0.085 0.045 0.003 0.04 0.004 0.0004 0.004 40ppm 40ppm
구분 인장강도(ksi) 항복강도(ksi) 연신율(%) 단면수축율(%) 경도(Hb) 충격값(ft-lb) 파단연성율(%)
요구치 115~ 135 ≥85 ≥16 ≥45 241~ 285 ≥30 ≥20
비교재 105 125 20 64 262 4 15
발명재1 126 109 19.5 71.8 269 80 45
발명재2 125 110 19.0 71.0 272 82 45
발명재3 124 110 20.0 71.5 270 84 45
상기 표1과 같은 조성을 갖는 본 발명재(1~ 3)은 각각 미량원소 함량지수(TEP)가 0.046, 0.038, 0.037이고, 비교재는 0.198로 나타났다. 즉, 비교재는 미량원소 함량지수가 0.1 이상으로 충격값이 4ft-lb인데 반하여, 발명재(1~3)은 미량원소 함량지수가 0.1 이하로서, 충격값이 80ft-lb로 현저히 향상되었을 뿐만 아니라, 고온파단연성의 경우 15%에서 45%로 급격히 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 저합금강은 종래의 1CrMoV강에 비하여 충격특성 및 고온 크리프 파단연성이 매우 우수하여, 복합화력발전소의 증기터빈 잠금소재 등에 매우 유용하다.

Claims (6)

  1. 중량%로, C: 0.18~ 0.25%, Si: 0.15~ 0.35%, Mn: 0.45~ 0.70%, Cr: 0.90~ 1.20%, Mo: 0.9~ 1.2%, V: 0.65~ 0.85%, Ti: 0.05~ 0.10%, Al: 0.05~ 0.10%, B: 0.002~ 0.004%, 나머지는 Fe 및 미량의 불순물로 조성되는 충격특성과 고온파단연성이 우수한 저합금강.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미량의 불순물은, 중량%로, Sb: 0.001% 이하, As: 0.005% 이하, Sn: 0.005% 이하, P: 0.005% 이하, S: 0.015% 이하, N: 0.005% 이하, O: 0.004% 이하를 포함하여 구성되며,
    TEP = 1.1(%P) + 2.2(%As) + 3.8(Sn) + 8.93(%Sb) + 0.12(%Cu)
    로 정의되는 상기 미량의 불순물에 대한 미량원소 함량지수(TEP)가 0.1 이하인 것을 특징으로 하는 충격특성과 고온파단연성이 우수한 저합금강.
  3. 증기터빈용 저합금강의 제조방법에 있어서,
    중량%로, C: 0.18~ 0.25%, Si: 0.15~ 0.35%, Mn: 0.45~ 0.70%, Cr: 0.90~ 1.20%, Mo: 0.9~ 1.2%, V: 0.65~ 0.85%, Ti: 0.05~ 0.10%, Al: 0.05~ 0.10%, B: 0.002~ 0.004%, 나머지는 Fe 및 미량의 불순물로 조성되는 강을, 강 중의 미량의 불순물이 Sb: 0.001% 이하, As: 0.005% 이하, Sn: 0.005% 이하, P: 0.005% 이하,S: 0.015% 이하, N: 0.005% 이하, 및 O: 0.004% 이하가 되도록 진공유도용해하는 단계;
    상기 진공유도용해된 강을 정련하는 단계;
    정련된 강을 주조하여 강괴를 얻은 후, 상기 강괴를 단조하는 단계;
    단조된 강괴를 용체화처리한 다음, 수냉하는 단계; 및
    수냉된 강을 뜨임 열처리하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 충격특성과 고온파단연성이 우수한 저합금강의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 강 중의 미량의 불순물을,
    TEP = 1.1(%P) + 2.2(%As) + 3.8(Sn) + 8.93(%Sb) + 0.12(%Cu)로 정의되는 강중의 미량원소 함량지수(TEP)가 0.1 이하가 되도록 정련하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 용체화처리는 980~ 1025℃의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 풀림은 650~ 695℃의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
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