KR20090035745A

KR20090035745A - 단조용 고크롬 페라이트계 내열강

Info

Publication number: KR20090035745A
Application number: KR1020097005444A
Authority: KR
Inventors: 마사히코 모리나가; 요시노리 무라타; 쯔카사 아주마; 카주히로 미키; 토오루 이시구로; 료키치 하시주메
Original assignee: 가부시끼가이샤 니혼 세이꼬쇼; 마사히코 모리나가; 요시노리 무라타; 간사이 덴료쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2001-08-16
Publication date: 2009-04-10
Also published as: EP1347073A4; KR20020080352A; EP1347073A1; CN1205349C; US20030024609A1; JP2002256396A; EP1347073A9; US7820098B2; CN1406287A; KR100899801B1; DE60136383D1; EP1347073B1; WO2002052056A1; JP4262414B2

Abstract

종래재에 비해서 고온특성에 우수한 터빈부재를 얻어서, 발전시스템의 효율을 향상시킨다. 성분으로서, C:0.08~0.13%, Cr:8.5~9.8(10.2)%, Mo:0~1.5%, V:0.10~0.25%, Nb:0.03~0.08%, W:0.2~5.0%, Co:1.5~6.0%, B:0.002~0.015%, N:0.015~0.025%와, 원함에 따라 Re:0.01~3.0%, Si:0.1~0.50%, Mn:0.1~1.0%, Ni:0.05~0.8%, Cu:0.1~1.3% 중 1종이상을 함유하는 내열강을 이용한다. 장시간 크리프강도가 향상되고, 터빈회전자나 터빈부재에 사용함으로써, 증기온도의 고온화가 가능하게 되어 발전효율향상에 기여한다. 가속크리프 억제파라미터의 규제에 의해 더욱 장시간측까지 높은 크리프강도를 유지할 수 있다.

Description

단조용 고크롬 페라이트계 내열강{HIGH CHROME FERRITE TYPE HEAT RESISTING STEEL FOR FORGING}

본 발명은, 내열성이 요구되는 용도에 사용되는 내열강에 관한 것이고, 특히 터빈회전자나, 터빈날개, 터빈디스크, 볼트, 배관 등의 터빈부재로의 적용에 바람직하다.

화력발전 시스템에서 발전효율을 한층 고효율화시키기 위해서, 스팀터빈의 증기온도를 더욱더 상승시키는 경향이 있고, 그 결과 터빈용 재료에 요구되는 고온특성도 한층 엄격해지고 있다. 종래로부터 이 용도에 사용가능한 재료로서 수많은 내열강이 제안되고 있다. 그 중에서도, 일본 특개평4-147948호 공보, 일본 특개평8-3697호 공보에 제안되어 있는 개발 내열강은, 비교적 고온강도에 우수한 것으로 알려져 있다.

그러나, 고크롬 페라이트계 내열강은 650℃에서 장시간 사용하면, 크리프강도가 현저하게 저하한다. 그래서, 사용 상한온도를 크리프강도의 현저한 저하가 확인되지 않는 620℃정도로 제한하고 있는 것이 현상황이다. 그 때문에, 650℃에서 장시간 사용하더라도, 크리프강도의 현저한 저하를 발생하지 않는 터빈용 재료의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은, 상기 사정을 배경으로 하여 이루어진 것이고, 650℃ 부근에서의 장시간 사용에 수반되는 고온 크리프강도의 현저한 저하를 억제함으로써, 장시간에 걸쳐서 우수한 고온특성, 내구성 등이 기대되는 신규한 내열강을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 제1의 발명의 내열강은, 질량%로, 탄소(C) :0.08 ~ 0.13%, 크롬(Cr):8.5 ~ 9.8%, 몰리브덴(Mo):0 ~ 1.5%, 바나듐(V):0.10 ~ 0.25%, 니오브(Nb):0.03 ~ 0.08%, 텅스텐(W):0.2 ~ 5.0%, 코발트(Co):1.5 ~ 6.0%, 붕소(B) :0.002 ~ 0.015%, 질소(N):0.015 ~ 0.025%를 함유하고, 나머지가 철(Fe) 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

제2의 발명의 내열강은, 질량%로, 탄소(C):0.08 ~ 0.13%, 크롬(Cr):8.5 ~ 10.2%, 몰리브덴(Mo):0 ~ 1.5%, 바나듐(V):0.10 ~ 0.25%, 니오브(Nb):0.03 ~ 0.08%, 텅스텐(W) :0.2 ~ 5.0%, 코발트(Co):1.5 ~ 6.0%, 붕소(B):0.002 ~ 0.015%, 질소(N) :0.015 ~ 0.025%, 레늄(Re):0.01 ~ 3.0를 함유하고, 나머지가 철(Fe) 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

제3의 발명의 내열강은, 상기 제1 내지 제2 중 어느 하나의 발명에 있어서, 질량%로, 니켈(Ni):0.05~0.8% 및 구리(Cu):0.1~1.3% 중 1종 또는 2종을 더 함유하고, 나머지가 철(Fe) 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

제4의 발명의 내열강은, 상기 제 1 내지 제3 중 어느 하나의 발명에 기재된 내열강 조성을 갖고, 또한 성분함유량의 관계에 있어서, 3[%Cr]+[%Mo]+[%W]-15[%Re]-31.5로 표시되는 가속크리프 억제파라미터([%]는 성분의 질량을 나타낸다)가 0이하인 것을 특징으로 한다.

이하에, 본 발명 내열강의 성분원소의 작용, 및 그 한정이유에 관해서 설명한다. 또한, 각 성분의 함유량은 모두 질량%로 나타낸다.

C:0.08~0.13%

C는, 마르텐사이트 변태를 촉진시킴과 아울러, 합금 중의 Fe, Cr, Mo, V, Nb, W 등과 결합하여 탄화물을 형성하여 고온강도를 높이기 위해서 불가결의 원소이고, 또한 탄화물이 적으면, (Fe, Cr)₂(Mo, W)형의 금속간 화합물인 라베스(Laves) 상의 응집, 조대화가 촉진되어 고온크리프강도가 저하된다. 이와 같은 관점으로부터 최저0.08%의 C함유를 필요로 한다. 한편, 0.13%를 초과해서 함유시키면, 탄화물의 조대화가 일어나기 쉽게 되어, 고온크리프강도가 저하하므로, 그 함유량을 0.08 ~ 0.13%로 한정하였다.

Cr:8.5~9.8%(10.2%)

Cr은 본 발명에서 후술하는 Re와 함께 가장 중요한 원소 중 하나이다. 본 발명자들은, 650℃에서 확인되는 장시간 크리프강도의 현저한 저하현상과 그 기구의 해명을 행하고, 또한 장시간 크리프강도의 저하를 억제하는 방책에 관해서 연구를 실시하였다. 그 연구결과, 장시간 크리프강도의 저하를 억제하는 중요한 요소로서, 그 상세를 후술하는 가속크리프 억제파라미터치를 제안하고 있고, 바람직한 형태로서 상기 파라미터치가 0이하인 것을 명확하게 하고 있다.

상기 가속크리프 억제파라미터식을 구성하는 원소의 관계가 Re에 다음으로 큰 것이 Cr이고, 이 Cr의 첨가량을 엄격하게 제한함으로써, 본 발명 강의 특징인 장시간 크리프강도의 저하를 억제하고, 높은 크리프강도를 장시간에 걸쳐서 유지하는 것이 가능하게 된다.

일반적으로는 8~12%Cr의 페라이트계 내열강에 있어서는, 종래는 Cr%가 높게 됨에 따라서, 실온인장강도나 600℃이상의 온도에 있어서의 고응력ㆍ단시간 (1000~2000hr 전후)의 크리프강도가 높게 되기 때문에, δ페라이트가 발생하지 않는 범위에서, 고크롬측으로 하는 쪽이 바람직하다라는 생각이 있었다. 그런데 이번 650℃근방에서의 장시간 크리프시험을 상세하게 실시한 결과로부터, Cr함유량이 9.8%를 넘으면 크리프강도유지를 위해 필요한 마르텐사이트강의 미세조직이 크리프시험조건의 고온과 응력에 의해 현저하게 변화하고, 마이크로조직 관찰로부터 마르텐사이트의 미세조직이 회복하여 등축의 아결정립화되어 있는 것이 확인되었다. 또한, 미세 석출 라베스상이 소실되고, 석출물의 응집 조대화의 현저한 진행이 관찰되며, 전위밀도도 현저하게 감소하고 있었다. 이와 같이 마르텐사이트강의 미세조직은 전체로서 연화되고, 크리프강도가 시간경과와 함께 극단적으로 저하하는 것이 판명되었다. 이와 같이 과잉의 Cr은 650℃ 근방에서의 장시간 고온크리프강도를 현저하게 저하시키는 것이므로 Cr함유량의 상한을 9.8%로 한다.

한편, Cr은 내산화성 및 고온내식성을 높이고, 또한 합금 중에 고용함과 아 동시에 석출탄화물, 미세 라베스상으로서 석출하여 고온크리프강도를 향상시키는 원소이고, 최저8.5%이상 필요하다. 이상의 관점으로부터, Cr함유량을 8.5~9.8%로 한정한다. 또한, 상기와 마찬가지의 이유에서 상한을 9.5%미만으로 하는 것이 바람직하다. 단, Re을 첨가하는 경우에는, Re에 의한 고온크리프의 강도저하의 억지효과가 더해지므로, Cr의 상한은 10.2%로 하고, 보다 바람직하게는, 상한을 10.0%로 한다. 또는 상한을 9.5%미만으로 하는 것이 한층 바람직하다.

Mo:0~1.5%

Mo는, 탄화물의 응집조대화를 억제하고, 또한 합금 중에 고용하여 매트릭스를 고용강화시키고, 또한 매트릭스에 라베스상으로서 미세분산석출하여 고온강도, 및 고온크리프강도를 향상시키기에 유효하게 작용하는 원소이고, 원함에 따라 함유시킨다. 한편, 과잉으로 함유시키면 δ페라이트를 생성하기 쉽게 되고, 또한 라베스상의 응집조대화를 촉진하기 때문에, 그 상한을 1.5%로 하였다. 또한, 이 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, 0.02%이상의 함유가 바람직하고, 마찬가지의 이유로, 하한을 0.1%, 상한을 0.5%로 하는 것이 더욱 바람직하다.

V:0.10~0.25%

V는, 미세탄화물, 탄질화물을 형성하여, 고온크리프강도를 향상시키기에 유효하며, 최저 0.10%를 필요로 한다. 한편, 0.25%를 넘으면 탄소를 과도하게 고정하고, 탄화물의 석출량이 증가하여 고온강도를 저하시키므로, 0.10~0.25%로 한정한다.

Nb:0.03~0.08%

Nb는, 미세탄화물, 탄질가물을 형성하고, 고온크리프강도를 향상시킴과 아울러, 결정입자의 미세화를 촉진하여 저온인성을 향상시키는 원소이고, 최저 0.03% 필요하다. 그러나, 0.08%를 초과해서 함유시키면, 조대한 탄화물 및 탄질가물이 석출되어 연인성(延靭性)을 저하시키기 때문에, 0.03~0.08%로 한정한다.

W:0.2~5.0%

W은, 탄화물의 응집조대화를 억제하고, 또한 합금 중에 고용하여 매트릭스를 고용강화시키고, 또한 매트릭스에 라베스상으로서 미세분산석출하여 고온강도, 및 고온크리프강도를 향상시키기에 유효하게 작용하는 원소이고, 최저 0.2% 필요하다. 한편, 5.0%를 초과해서 함유시키면 δ페라이트를 생성하기 쉽게 되고, 또한 라베스상의 응집조대화를 촉진시키기 때문에, 0.2~5.0%로 한정한다. 또한, 마찬가지의 이유로, 바람직하게는 하한을 1.2%, 상한을 4.0%로 한정한다. 보다 바람직하게는 하한을 3.0%로 한정한다.

Co:1.5~6.0

Co는, δ페라이트의 생성을 억제하고, 고온강도, 및 고온크리프강도를 향상시킨다. δ페라이트의 생성을 유효하게 방지하기 위해서는 1.5%이상의 함유가 필요하지만, 한편, 6.0%를 초과해서 함유하면 연성, 및 고온크리프강도가 저하하고, 또한 비용이 상승하므로, 1.5~6.0%로 한정한다. 또한, 마찬가지의 이유로, 바람직하게는 하한을 2.5%, 상한을 4.5%로 한정한다.

B:0.002~0.015%

B는 구오스테나이트입자계, 마르텐사이트 패킷, 마르텐사이트 블럭, 및 마르 텐사이트 래스 내의 석출탄화물, 석출탄질화물 및 석출 라베스상의 응집조대화를 고온 장시간에 걸쳐서 억제하는 효과를 갖으며, 또한, W, Nb 등의 합금원소와 복합 첨가함으로써 고온크리프강도를 향상시키기에 유효한 원소이고, 최저 0.002% 필요하다. 한편, 0.015%를 초과해서 함유하면 질소와 결합하여 석출BN상이 형성되고, 고온크리프연성, 인성이 저하하기 때문에, 그 함유량을 0.002~0.015%로 한정한다. 또한, 마찬가지의 이유로 하한을 0.005%, 상한을 0.010%로 하는 것이 바람직하다.

N:0.015~0.025

N은, Nb, V 등과 결합하여 질화물을 형성하고, 고온강도, 및 고온크리프강도를 향상시키지만, 그 함유량이 0.015%미만에서는 충분한 고온강도, 및 고온크리프강도를 얻는 것이 가능하지 않고, 한편, 0.025%를 초과해서 함유시키면 붕소와 결합하여, 석출BN상이 형성되고, 상기 B의 유효한 작용이 감소되어서 고온크리프연성, 인성이 저하하기 때문에, 그 함유량을 0.015~0.025%로 한정한다.

Re:0.01~3.0%

Re는 본 발명에서는 상기 Cr과 함께 중요한 요소 중 하나이다. Re는, 아주 미량(0.01%)의 첨가로 고용강화에 현저하게 기여하고, 고온유지에 의해서도 매트릭스 중의 Re의 농도변화는 작고, 매트릭스의 고온 장시간의 조직안정성을 높여서, 고온크리프강도를 향상시키는 효과를 갖으며, 동시에 인성을 향상시키는 효과를 갖고, 또한 650℃ 근방에서의 장시간 크리프강도의 현저한 저하를 억제하므로 원함에 따라 함유시킨다. 한편, Re는 고가의 금속이고, 또한 과잉으로 함유하면 가공성을 저하시키기 때문에 그 상한을 3.0%로 하였다. 또한, 상기 효과를 충분히 발휘하기 위해서는 0.1%이상의 함유가 바람직하고, 마찬가지의 이유에서 하한을 0.2%, 상한을 1.0%로 하는 것이 더욱 바람직하다.

Ni:0.05~0.8%

Ni는, Mn과 마찬가지로, 오스테나이트 안정화 원소이고, 또한 인성 향상에 기여하는 것이므로 원함에 따라 함유시킨다. 단, 0.05%미만에서는 상기 효과가 충분하지 않고, 0.8%를 초과해서 함유시키면, 탄화물, 라베스상의 응집조대화를 조장하여 고온크리프강도를 저하시킨다. 따라서, Ni함유량을 0.05~0.8%로 한정한다. 이 범위 중에서도, 하한을 0.1%, 상한을 0.5%로 하는 것이 바람직하고, 상한을 0.3%로 하는 것이 더욱 바람직하다.

Cu:0.1~1.3%

Cu는, Mn, Ni와 마찬가지로 오스테나이트 안정화 원소이고, 또한 인성향상에 기여하므로 원함에 따라 함유시킨다. 단 0.1%미만에서는 상기 효과가 충분하지 않고, 한편, 1.3%를 초과해서 함유시키면 고온크리프강도를 저하시킴과 아울러, 열간가공성을 저하시킨다. 따라서, 그 함유량을 0.1~1.3%로 한정한다. 이 범위 중에서도, 하한을 0.3%, 상한을 0.8%로 하는 것이 바람직하다.

[가속크리프 억제파라미터]

또한, 본 발명 강은 650℃ 근방에서 크리프시험을 행한 경우, 그 크리프변형 -시간곡선에 있어서 크리프변형이 불연속으로 가속되기 시작하는 시간이 장시간측으로 이동하는 것이므로, 장시간 크리프강도의 현저한 저하를 억제할 수 있는 것에 특징이 있다. 이 크리프변형이 불연속으로 가속되는 시간은 재료의 성분에 크게 의 존하고 있고, 그 지표로서 각 성분의 함유량에 기초하여 산출되는 이하의 계산식(발명자들에 의해 가속크리프 억제파라미터라 칭한다)을 이용할 수 있는 것을 판명하였다. 이 계산치가 0을 넘으면, 매트릭스 중에 석출되는 라베스상의 조대화를 억제하는 것이 가능하지 않고 크리프변형이 불연속으로 가속되기 시작하는 시간이 단시간측으로 이행되기 때문에, 상기 파라미터가 0이하로 되는 성분설계를 행하는 것이 바람직하다. 이 설계에 의해 크리프변형이 불연속으로 가속되기 시작하는 시간을 대략 5만시간 이상으로 할 수 있다. 또한, 보다 바람직하게는, 이하의 식에 있어서 그 계산치가 -2이하이다.

(가속크리프 억제파라미터식)

3[%Cr]+[%Mo]+[%W]-15[%Re]-31.5

본 발명의 내열강은, 상기 성분을 얻기 위해, 상법에 따라서 용제하는 것이 가능하고, 그 용제방법이 특별히 한정되는 것은 아니다.

얻어진 내열강에는, 단조 등의 가공처리나 원하는 조건으로 열처리가 실시된다.

(담금질 처리)

본 발명 내열강은, 담금질 가열에 의해서 석출탄질화물을 고용시키고, 그 후의 뜨임하여 탄질화물을 균일 미세분산석출시키는 것이므로 고온크리프강도를 향상시킨다. 이 내열강에서는, 붕소의 함유에 의해 석출탄화물, 탄질화물의 고용온도를 고온측으로 이동시키기 때문에, 1060℃미만의 담금질 가열온도에서는 석출물의 고용이 불충분하고 양호한 고온크리프강도가 얻어지기 어렵고, 한편, 1120℃를 넘으 면, 결정입자가 조대화되어 인성이 저하하고, 또한 크리프연성이 저하하기 때문에, 상기 온도범위가 바람직하다. 또한, 담금질시의 냉각은, 공냉 이상의 냉각속도로 행하면 좋고, 적당한 냉각속도 및 냉각매를 선정할 수 있다.

(뜨임)

뜨임에서는, 상기 담금질시에 생성한 잔류 오스테나이트를 분해하고 뜨임하고 마르텐사이트 단위조직으로 하고, 탄화물, 탄질화물, 라베스상을 매트릭스에 균일 미세분산석출시키고, 전위를 회복시키는 것이므로 원하는 실온 및 고온강도, 인성을 얻고, 고온크리프강도를 향상시킨다. 뜨임은 2회이상으로 행하는 것이 바람직하고, 1회째의 뜨임에서, 잔류 마르텐사이트를 분해하기 위하여, Ms온도 이상의 온도로 가열할 필요가 있다. 이 뜨임온도가 500℃미만이면 충분히 잔류 오스테나이트가 분해되지 않고, 한편, 620℃를 넘는 온도에서는, 탄화물, 탄질화물, 및 라베스상의 석출이 마르텐사이트 조직부에 있어서 우선적으로 진행되기 때문에, 잔류 오스테나이트부에서의 탄화물, 탄질화물, 및 라베스상의 석출이 불균일하게 되고, 고온크리프강도가 저하된다. 이 때문에, 1회째의 뜨임온도를 500℃~620℃의 범위로 하는 것이 바람직하다. 또한 2회째의 뜨임에서 양호한 연성, 인성을 얻고, 또한 석출물을 안정화시키고 고온 장시간 크리프강도를 확보한다. 이를 위해서는, 690℃이상의 온도에서 뜨임을 행하는 것이 바람직하고, 한편, 740℃를 넘는 온도에서 뜨임을 행하면 원하는 실온강도, 고온강도를 얻는 것이 가능하지 않으므로, 2회째의 뜨임온도를 690℃~740℃로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 내열강에 의하면, 장시간 크리프강도가 향상하고, 터빈회전자나 터빈부재에 사용하는 재료에 적용함으로써, 증기온도의 고온화가 가능하게 되고, 발전효율향상에 기여한다. 또한, 터빈부재 이외의 용도에 대해서도, 고온특성에 우수하고, 또한 내구성에 우수한 재료로서 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 성분범위에 있어서, 3[%Cr]+[%Mo]+[%W]-15[%Re]-31.5로 표시되는 가속크리프 억제파라미터를 0이하로 함으로써, 보다 장시간측까지 높은 크리프강도를 유지할 수 있다.

이하에 본 발명의 실시예를 비교예와 비교하면서 설명한다.

실시예에 사용하는 시험재로서, 표 1(본 발명 강, 비교 강)에 나타내는 조성(나머지(Fe) 및 불가피적 불순물)을 갖는 합금을 준비하였다. 이들 합금은 50kg시험 강괴로서 용제하고, 단조한 후, 소정의 열처리를 실시하였다. 열처리는, 1070℃에서부터 오일냉각하는 담금질처리를 행한 후, 570℃에서 1회째의 뜨임을 행하고, 또한 700℃에서 2회째의 뜨임을 행하여 각 공시재를 얻었다.

상기에 의해 얻어진 공시재에 대해서, 시험온도 : 650℃에서 크리프시험 및 크리프 파단시험을 행하고, 크리프강도를 평가하였다. 그 결과를 도 1, 2에 나타내었다.

도 1, 2로부터 명확해지는 바와 같이, 본 발명 강은, 특히 장시간 크리프시험 후에 높은 크리프강도를 갖고, 또한, 크리프응력-파단시간곡선의 경사짐도 작고, 장시간에 걸쳐서 높은 크리프강도를 유지할 수 있는 것이 가능하다.

가속크리프 억제파라미터에 있어서, 계수와 첨가량이 많은 Cr의 제어가 특히 중요하다. 도 3에 Cr변동재의 크리프응력-시간곡선을 나타내지만, Cr함유량이 지나치게 낮으면(비교 강 27) 크리프강도가 낮고, Cr함유량이 지나치게 높으면(비교 강 21, 22) 단시간 크리프강도는 높아도 장시간측의 크리프강도가 낮게 된다.

또한, 상기 본 발명 강 중, 강종 No. 1, 2, 3, 4 및 상기 비교 강 중, 강종 No. 21, 22, 27의 650℃에서의 크리프변형속도-시간곡선을 도 4에 나타내었다. 비교 강 21, 22에서는, 크리프변형 도중에 불연속한 크리프변형속도의 가속이 확인되지만, 본 발명 강 1, 2, 3은 크리프초기에서부터 크리프파단까지, 연속한 크리프변형속도의 변화를 나타낸다. 본 발명 강 4에서 9500시간 위치에 불연속한 크리프속도의 가속이 확인되지만, 비교 강보다 현저하게 장시간측이라고 말할 수 있다. 도 4는 650℃, 130MPa의 크리프조건의 시험결과이지만, 더욱 낮은 응력조건에서 크리프시험을 행하면, 본 발명 강에 있어서도 크리프변형속도의 불연속한 가속이 보여지도록 된다. 이 불연속한 가속이 나타나기 시작하는 단시간측에 있는 강종(비교 강)은, 장시간측에서 나타내기 시작하는 강종(본 발명 강)과 비교하여 현저하게 단시간에 크리프 파단되고 있다. 또한, 비교 강(27, 28)은, 가속크리프 억제파라미터가 낮고, 불연속한 가속은 확인되지 않지만, 본 발명 강과 비교하여 전체적으로 크리프강도가 낮다.

상기한 바와 같이 크리프변형속도의 불연속한 가속이 확인되기 어렵고, 장시간까지 높은 크리프강도를 유지하는 것이 가능한 강종을 규정하기 위해서 가속크리프 억제파라미터를 제안하였다. 도 5에, 650℃의 크리프 시험온도에 있어서 가속크리프 억제파라미터와 불연속한 크리프변형의 가속이 확인되는 시간과의 관계를 나타내었다. 가속크리프 억제파라미터가 클수록 불연속한 크리프변형속도의 가속이 단시간측으로부터 확인되고, 장시간측까지 높은 크리프강도를 유지할 수 없다. 역으로 가속크리프 억제파라미터를 작게 할수록 불연속한 크리프변형속도의 가속이 장시간측까지 확인되지 않고, 장시간측까지 높은 크리프강도를 얻을 수 있다.

또한, 그래프의 좌상에 본 발명 강 8강종의 데이터를 기재하고 있는데, 이들강종은, 3만3천시간까지의 크리프시험에서, 불연속하게 크리프속도가 가속되는 시간이 확인되지 않은 강종이다.

또한, 본 발명 강No.3과 비교 강No.22를 650℃, 150MPa조건에서 크리프시험을 행한 후의 평행부의 투과형 전자현미경에 의한 조직관찰사진을 조질 그대로의 조직관찰사진과 함께 첨부도(도 6, 7)에 나타내었다. 도 6의 사진1(a)은 본 발명 강No. 3의 크리프전의 마이크로 조직이지만, 미세한 마르텐사이트 래스조직 및 미세한 석출물(M₂₃C₆, 라베스상, MX)이 관찰되었다. 도 6의 사진1(b)은 본 발명 강No. 3의 크리프파단 후(6674시간)의 시험편 평행부의 마이크로 조직을 나타낸 것이지만, 마르텐사이트의 미세조직이 유지되고, 래스 내의 미세석출 라베스상도 잔존하고 있고, 전위의 감소량이 적게 관찰되었다.

한편, 도 7의 사진2(a)는 비교 강No. 22의 크리프전의 마이크로조직이지만, 본 발명 강No.3과 마찬가지로 미세한 마르텐사이트 래스조직이 관찰되었다. 도 7의 사진2(b)는 비교 강No. 22의 크리프파단 후(2402시간)의 마이크로 조직을 나타낸 것이다. 본 발명 강No. 3과 비교하여 동일 크리프조건에서 크리프시험을 행하였음에도 불구하고, 비교 강No. 22의 파단시간은 2402시간으로 매우 단시간에 파단한 시험편의 마이크로 조직이지만, 그 마이크로 조직관찰로부터, 마르텐사이트의 미세조직이 회복하여 등축의 아결정립화되어 있는 것이 확인되었다. 또한, 미세석출 라베스상이 소실되고, 석출물의 응집조대화의 현저한 진행이 관찰되고, 전위밀도도 현저하게 감소하고 있었다.

도 8에 본 발명 강No. 3과 비교 강No. 22의 650℃ 유지에 따른 경도저하 거동을 나타내었다. 경도측정은 크리프시험편의 나사부에서 실시한 것이지만, 본 발명 강No.3의 경도의 저하거동과 비교하여, 비교 강No.22의 경도의 저하가 현저한 것이 판명되어 있고, 이 거동은 상기 마이크로 조직관찰로부터 설명된다. 또한, 이 경도의 저하에 미치는 마이크로 조직의 변화는, 장시간의 크리프강도에도 마찬가지로 영향을 미치고, 도 3에 확인된 크리프거동에 미치는 Cr함유량의 영향과 마찬가지로, Cr함유량을 지나치게 높인 경우에 장시간 크리프강도의 저하가 확인된 것이다.

도 1은, 본 발명의 실시예(본 발명 강에 있어서의 크리프응력과 파단시간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 2는, 본 발명의 실시예(비교 강)에 있어서의 크리프응력과 파단시간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 3은, 마찬가지로 Cr변동에 기초하는 크리프응력과 파단시간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4는, 마찬가지로 Cr변형속도와 시험시간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 5는, 마찬가지로 가속크리프 억제파라미터와 불연속으로 크리프속도가 가속되기 시작하는 시간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6은, 마찬가지로 일부 공시재에 있어서의 조질상태로 크리프시험을 행한 후의 조직을 투과형 전자현미경으로 관찰한 도면대용 사진이다.

도 7은, 마찬가지로 다른 일부 시험재에 있어서의 조질상태로 크리프시험을 행한 후의 조직을 투과형 전자현미경으로 관찰한 도면대용 사진이다.

도 8은, 마찬가지로 일부 공시재에 있어서의 650℃ 유지에 따른 경도변화를 나타내는 그래프이다.

Claims

질량%로, 탄소(C):0.08~0.13%, 크롬(Cr):8.5~9.8%, 몰리브덴(Mo):0~1.5%, 바나듐(V):0.10~0.25%, 니오브(Nb):0.03~0.08%, 텅스텐(W):0.2~5.0%, 코발트(Co) :1.5~6.0%, 붕소(B):0.002~0.015%, 질소(N):0.015~0.025%를 함유하고, 나머지가 철(Fe) 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단조용 고크롬 페라이트계 내열강.
제1항에 있어서, 함유성분으로서, 질량%로, 니켈(Ni) :0.05~0.8% 및 구리(Cu):0.1~1.3% 중 1종 또는 2종을 더 함유하고, 나머지가 철(Fe) 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단조용 고크롬 페라이트계 내열강.
제2항에 있어서, 성분함유량의 관계에 있어서, 3[%Cr]+[%Mo]+[%W]-31.5로 표시되는 가속크리프 억제파라미터([%]는 원소의 질량%를 나타낸다)가 0이하인 것을 특징으로 하는 단조용 고크롬 페라이트계 내열강.