KR20140132604A - 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법 - Google Patents

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

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Abstract

본 발명은 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소(C) 0.05 내지 0.15 중량%, 규소(Si) 0.02 내지 0.12 중량%, 망간(Mn) 0.30 내지 0.50 중량%, 크롬(Cr) 8.0 내지 10.0 중량%, 텅스텐(W) 0.9 내지 1.5 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.06 내지 0.08 중량% 및 질소(N) 0.005 내지 0.05를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 조성에 티타늄(Ti) 0.005 내지 0.03 중량%, 지르코늄(Zr) 0.003 내지 0.015 중량% 또는 보론(B) 0.0005 내지 0.0015 중량%를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법에 의해, 저방사화 요건을 만족시키며, 기존의 저방사화 페라이트-마르텐사이 강에 필적하는 인장특성을 유지할 수 있어 크립 저항성을 요구하는 핵융합로 구조재로서 활용할 수 있는 효과가 있다.

Description

크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법{FERRITE-MARTENSITE STEEL HAVING HIGH CREEP RESISTNACE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 B, Ti 및 Zr의 함량이 변화된 합금 조성을 통해 저방사화 특성 및 크립 저항성이 우수한 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 1980년 대 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 페라이트/마르텐사이트 강의 개발이 여전히 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강에 필적하는 인장특성을 유지하면서 크립 저항성을 향상시킨 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.05 내지 0.15 중량%, 규소(Si) 0.02 내지 0.12 중량%, 망간(Mn) 0.30 내지 0.50 중량%, 크롬(Cr) 8.0 내지 10.0 중량%, 텅스텐(W) 0.9 내지 1.5 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.06 내지 0.08 중량% 및 질소(N) 0.005 내지 0.05를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강을 제공한다. 또한, 여기에 티타늄(Ti) 0.005 내지 0.03 중량%, 지르코늄(Zr) 0.003 내지 0.015 중량% 또는 보론(B) 0.0005 내지 0.0015 중량%를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 합금 조성 원소를 혼합한 후 용해하여 잉곳을 제조하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 제조된 잉곳을 열간 압연하는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 열간 압연된 잉곳을 노말라이징(Normalizing) 처리한 후 공냉시키는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3에서 노말라이징 처리된 합금을 템퍼링(Tempering) 처리한 후 공냉시킴으로써 페라이트-마르텐사이트 강을 제조하는 단계(단계 4)를 포함하는 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강의 제조방법을 제공한다.
상기 단계 1의 잉곳은 진공유도용해(VIM) 방법을 사용하여 제조하는 것을 특징으로 하고, 상기 단계 2의 열간 압연은 1100～1200 ℃의 온도에서 0.5～2시간 동안 수행하고, 상기 단계 3의 노말라이징 처리는 1000～1100 ℃에서 0.5～2시간 동안 수행한다. 또한, 상기 단계 4의 템퍼링 처리는 600～800 ℃에서 1～3시간 동안 수행하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 B, Ti 및 Zr의 함량이 변화된 합금 조성을 통해 저방사화 특성 및 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법을 제시한다.
이에 따라, 본 발명은 저방사화의 요건을 만족시키며, 기존의 저방사화 페라이트-마르텐사이 강에 필적하는 인장특성을 유지할 수 있어 크립 저항성을 요구하는 핵융합로 구조재로서 활용할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법에 대해서 상세하게 설명한다.
본 발명은 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.05 내지 0.15 중량%, 규소(Si) 0.02 내지 0.12 중량%, 망간(Mn) 0.30 내지 0.50 중량%, 크롬(Cr) 8.0 내지 10.0 중량%, 텅스텐(W) 0.9 내지 1.5 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.06 내지 0.08 중량% 및 질소(N) 0.005 내지 0.05를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강을 제공한다. 또한, 여기에 티타늄(Ti) 0.005 내지 0.03 중량%, 지르코늄(Zr) 0.003 내지 0.015 중량% 또는 보론(B) 0.0005 내지 0.0015 중량%를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에서 첨가되는 원소의 역할 및 효과에 대해서 설명한다.
(1) 탄소(C)
본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 탄소는 탄화물을 형성하여 석출경화 효과를 나타내며, 바람직한 탄소의 함량은 0.05～0.15 중량%이다. 상기 탄소의 함량이 0.05 중량% 미만이면 상온 기계적 강도가 낮아지고 인성도 나빠지며, 특히 Cr 당량이 증가하여 델타 페라이트가 생성되는 문제가 있고, 0.15 중량%를 초과하면 많은 탄화물이 생성되고 이러한 탄화물이 사용 도중 쉽게 조대화되어 석출물에 의한 강화효과를 잃게 되는 문제가 있다.
(2) 규소(Si)
본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 규소는 내산화성을 향상시키는 역할을 하며, 제강시 탈산제로 작용한다. 바람직한 규소의 함량은 0.02～0.12 중량%이다. 상기 규소의 함량이 0.02 중량% 미만이면 내식성이 낮아지는 문제가 있고, 0.12 중량%를 초과하면 인성을 저하시키는 laves 상의 생성을 촉진하는 문제가 있다.
(3) 망간(Mn)
본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 망간은 경화능을 향상시키는 역할을 하며, 바람직한 망간의 함량은 0.30～0.50 중량%이다. 상기 망간의 함량이 0.30 중량% 미만이면 경화능에 문제가 있고, 0.50 중량%를 초과하면 크리프 저항성을 저하시키는 문제가 있다.
(4) 크롬(Cr)
본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 크롬은 내식성과 고온 강도를 증가시키는 것으로 알려져 있으며, 바람직한 크롬의 함량은 8.0～10 중량%이다. 상기 크롬의 함량이 8.0 중량% 미만이면 고온 산화 및 부식에 대한 저항성이 낮아지는 문제가 있고, 10 중량%를 초과하면 크리프 저항성이 저하되는 문제가 있다.
(5) 텅스텐(W)
본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 텅스텐은 대표적인 고용강화 합금 원소로서, 바람직한 텅스텐의 함량은 0.9～1.5 중량%이다. 상기 텅스텐의 함량이 0.9 중량% 미만이면 효과적인 고용강화에 문제가 있고, 1.5 중량%를 초과하면 장시간 크리프 저항성과 인성을 악화시키는 것으로 알려진 Laves상이 생성되는 문제가 있다.
(6) 바나듐(V)
본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 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 크리프 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)
본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 탄탈륨은 저방사화 원소로서 니오븀 석출물에 함유되어 석출강화 효과를 나타내는 역할을 한다. 본 발명에 있어서, 상기 탄탈륨은 우수한 기계적 특성을 나타내기 위하여 0.06～0.08 중량%로 첨가하는 것이 바람직하며, 상기 0.08 중량%를 초과하면 니오븀의 과다 첨가와 동일한 문제가 있다.
(8) 질소(N)
본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 질소는 질화물을 형성하든지 침입형으로 고용되어 강도를 높이는 역할을 하며, 바람직한 질소의 함량은 0.005～0.05 중량%이다. 상기 질소의 함량이 0.005 중량%미만이면 내식성이 낮아지는 문제가 있고, 0.05 중량%를 초과하면 크리프 저항성이 급격히 저하하는 문제가 있다.
(9) 보론(B)
본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 보론은 입계에 편석하여 입계강화 작용을 하여 고온 크리프 저항성을 향상시키며, 바람직한 보론의 함량은 0.0005～0.0015 중량%이다. 상기 보론의 함량이 0.0005중량% 미만이면 효과적인 입계 강화를 얻을 수 없는 문제가 있고, 0.0015 중량%를 초과하면 보론 석출물이 생성되어 오히려 크리프 저항성을 저하시키고 제조성에 문제가 있다.
(10) 티타늄(Ti)
본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 티타늄은 비강도(比强度)는 비중이 철보다 작으므로 철의 약 2배가 되고 열전도도와 열팽창률도 작은 편이며, 바람직한 티타늄의 함량은 0.005 내지 0.03 중량%이다.
또한, 본 발명에 따른 크립 저항성이 향상된 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 제조시 필수적으로 배제되어야 할 원소 및 불순물로서의 최대 허용량으로는 Ni: 0.05% 미만, Mo: 0.05% 미만, Nb: 0.002% 미만, Cu: 0.05% 미만, Al: 0.03% 미만, Co: 0.01% 미만, Pd: 0.05% 미만, Pt: 0.05% 미만, Re: 0.005% 미만을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 추가적으로 가능한 최소화해야 될 원소 및 불순물로서의 최대 허용량 Ag:0.05% 미만, Sn:0.004% 미만, As:0.005% 미만, Sb:0.004% 미만, P:0.005% 미만, S:0.005% 미만, O:0.02% 미만, H:0.0005% 미만을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 당업계에 널리 알려진 통상적인 방법을 사용하여 제조할 수 있으며, 바람직하게는 합금 조성 원소를 혼합한 후 용해하여 잉곳을 제조하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 제조된 잉곳을 열간 압연하는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 열간 압연된 잉곳을 노말라이징(Normalizing) 처리한 후 공냉시키는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3에서 노말라이징 처리된 합금을 템퍼링(Tempering) 처리한 후 공냉시킴으로써 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하는 단계(단계 4)를 포함하는 방법으로 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 필요한 형태의 핵연료 부품(예를 들면, 소듐냉각 고속로의 핵연료 피복관 또는 덕트)으로 제조하기 위하여 상기 단계 3의 템퍼링 처리 후에 추가적 중간열처리 및 냉간가공을 수회 반복수행한 후 최종 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 단계 1은 합금 조성 원소를 혼합한 후 용해하여 잉곳을 제조하는 단계이다.
상기 합금 조성 원소로는 탄소(C) 0.05 내지 0.15 중량%, 규소(Si) 0.02 내지 0.12 중량%, 망간(Mn) 0.30 내지 0.50 중량%, 크롬(Cr) 8.0 내지 10.0 중량%, 텅스텐(W) 0.9 내지 1.5 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.06 내지 0.08 중량% 및 질소(N) 0.005 내지 0.05를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강을 제공한다. 상기 조성에 티타늄(Ti) 0.005 내지 0.03 중량%, 지르코늄(Zr) 0.003 내지 0.015 중량% 또는 보론(B) 0.0005 내지 0.0015 중량%를 더 포함할 수 있다.
상기 잉곳은 진공유도용해(VIM) 방법을 사용할 수 있다.
구체적으로는 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 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 잉곳을 열간 압연하는 단계이다.
상기 열간 압연을 통하여 열간 가공에 적합한 열간 가공품을 제조한다. 이때 열간 압연은 1100～1200 ℃의 온도에서 0.5～2시간 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℃을 초과하면 prior-γ상 결정립의 크기가 너무 증가하여 최종 제품의 기계적 특성을 저하시키는 문제를 야기시킬 수 있다.
다음으로 단계 3은 상기 단계 2에서 열간 가공된 제품을 노말라이징(Normalizing) 처리한 후 공냉시키는 단계이다.
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, 단계 4는 상기 단계 3에서 노말라이징 처리된 합금을 템퍼링(Tempering) 처리한 후 공냉시킴으로써 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하는 단계이다.
상기 템퍼링 처리는 700~780 ℃에서 0.5~4시간 동안 수행하는 것이 바람직하며, 이는 원하는 안정한 석출상을 미세하고 균일하게 생성시키기 위함이다.
이와 같은 방법에 의하여 본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조할 수 있다.
상기 방법으로 제조된 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 550℃, 240MPa의 응력조건에서 파단시간이 1653～3562 시간의 우수한 크리프 저항성을 나타냄으로써 종래 고크롬 페라이드/마르텐사이트 강과 비교하여 볼 때 매우 우수한 기계적 특성을 나타내므로, 고온 및 고조사량의 가혹한 조건에서 사용되는 제4세대 원자로인 소듐냉각 고속로의 주요 노심 부품인 핵연료 피복관, 덕트 및 와이어 랩 등의 재료로 매우 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명의 예시일 뿐이므로, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 제조
시험재로서 탄소 0.07 중량%, 규소 0.10 중량%, 망간 0.4 중량%, 크롬 8.5 중량%, 텅스텐 1.5 중량%, 바나듐 0.30 중량%, 탄탈륨 0.05 중량%, 질소 0.015 중량%, 나머지 철 및 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.
이후 하기와 같은 열처리를 수행하였다.
구체적으로 상기 합금을 1050 ℃에서 1시간 동안 노말라이징(Normalizing) 처리한 후 공냉시켰다.
이후, 상기 노말라이징 처리된 합금을 750 ℃에서 2시간 동안 템퍼링(Tempering) 처리를 수행하여 공냉시킴으로써 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.
<실시예 2>
시험재로서 탄소 0.07 중량%, 규소 0.10 중량%, 망간 0.4 중량%, 크롬 8.5 중량%, 텅스텐 1.5 중량%, 바나듐 0.30 중량%, 탄탈륨 0.05 중량%, 질소 0.015 중량%, 보론 0.005 중량% 및 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.
<실시예 3>
시험재로서 탄소 0.07 중량%, 규소 0.10 중량%, 망간 0.4 중량%, 크롬 8.5 중량%, 텅스텐 1.5 중량%, 바나듐 0.30 중량%, 탄탈륨 0.05 중량%, 질소 0.015 중량%, 보론 0.005 중량%, 티타늄 0.005 중량% 및 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.
<실시예 4>
시험재로서 탄소 0.07 중량%, 규소 0.10 중량%, 망간 0.4 중량%, 크롬 8.5 중량%, 텅스텐 1.5 중량%, 바나듐 0.20 중량%, 탄탈륨 0.05 중량%, 질소 0.015 중량%, 보론 0.005 중량%, 티타늄 0.005 중량%, 지르코늄 0.005 중량% 및 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.
<실시예 5>
시험재로서 탄소 0.07 중량%, 규소 0.10 중량%, 망간 0.4 중량%, 크롬 9.0 중량%, 텅스텐 1.2 중량%, 바나듐 0.20 중량%, 탄탈륨 0.07 중량%, 질소 0.010 중량%, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.
<실시예 6>
시험재로서 탄소 0.07 중량%, 규소 0.10 중량%, 망간 0.4 중량%, 크롬 9.0 중량%, 텅스텐 1.2 중량%, 바나듐 0.20 중량%, 탄탈륨 0.07 중량%, 질소 0.010 중량%, 티타늄 0.010 중량%, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.
<실시예 7>
시험재로서 탄소 0.07 중량%, 규소 0.10 중량%, 망간 0.4 중량%, 크롬 9.0 중량%, 텅스텐 1.2 중량%, 바나듐 0.20 중량%, 탄탈륨 0.07 중량%, 질소 0.010 중량%, 티타늄 0.010 중량%, 지르코늄 0.005 중량% 및 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.
<실시예 8>
시험재로서 탄소 0.07 중량%, 규소 0.10 중량%, 망간 0.4 중량%, 크롬 9.0 중량%, 텅스텐 1.2 중량%, 바나듐 0.20 중량%, 탄탈륨 0.07 중량%, 질소 0.010 중량%, 티타늄 0.020 중량%, 지르코늄 0.005 중량% 및 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.
<실시예 9>
시험재로서 탄소 0.10 중량%, 규소 0.05 중량%, 망간 0.45 중량%, 크롬 9.0 중량%, 텅스텐 1.1 중량%, 바나듐 0.20 중량%, 탄탈륨 0.07 중량%, 질소 0.030 중량%, 티타늄 0.010 중량%, 지르코늄 0.005 중량% 및 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.
<실시예 10>
시험재로서 탄소 0.10 중량%, 규소 0.05 중량%, 망간 0.45 중량%, 크롬 9.0 중량%, 텅스텐 1.1 중량%, 바나듐 0.20 중량%, 탄탈륨 0.07 중량%, 질소 0.030 중량%, 보론 0.001 중량%, 티타늄 0.020 중량%, 지르코늄 0.005 중량% 및 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.
<실시예 11>
시험재로서 탄소 0.10 중량%, 규소 0.05 중량%, 망간 0.45 중량%, 크롬 9.0 중량%, 텅스텐 1.1 중량%, 바나듐 0.20 중량%, 탄탈륨 0.07 중량%, 질소 0.030 중량%, 보론 0.001 중량%, 티타늄 0.020 중량%, 지르코늄 0.01 중량% 및 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.
<실시예 12>
시험재로서 탄소 0.10 중량%, 규소 0.05 중량%, 망간 0.45 중량%, 크롬 9.0 중량%, 텅스텐 1.1 중량%, 바나듐 0.20 중량%, 탄탈륨 0.07 중량%, 질소 0.030 중량%, 보론 0.001 중량%, 티타늄 0.010 중량%, 지르코늄 0.005 중량% 및 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.
<실시예 13>
시험재로서 탄소 0.10 중량%, 규소 0.05 중량%, 망간 0.45 중량%, 크롬 9.0 중량%, 텅스텐 1.1 중량%, 바나듐 0.20 중량%, 탄탈륨 0.07 중량%, 질소 0.030 중량%, 티타늄 0.010 중량%, 지르코늄 0.007 중량% 및 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.
<실시예 14>
시험재로서 탄소 0.10 중량%, 규소 0.05 중량%, 망간 0.45 중량%, 크롬 9.0 중량%, 텅스텐 1.1 중량%, 바나듐 0.20 중량%, 탄탈륨 0.07 중량%, 질소 0.030 중량%, 티타늄 0.010 중량%, 지르코늄 0.01 중량% 및 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 시험재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하여 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 14에서 제조된 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 조성을 하기 표 1에 정리하였다.
Figure pat00001
<실험예> 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 특성 측정
(1) 항복강도 및 인장강도 측정
실시예 1～14 및 비교예 1～2에서 제조된 고크롬 페라이드/마르텐사이트 강의 고온에서의 특성을 측정하기 위하여 500 ℃에서 인장시험(ASTM E 8M-08)을 통하여 항복강도 및 인장강도를 측정하고 그 결과는 표 2과 같다.
Figure pat00002
상기 실시예를 통해 제조된 합금에 대해 상온 및 500도에서의 인장특성을 통해 본 발명에서 제안하는 합금들의 강도 및 연성이 비교예 1 및 2와 비교하여 유사함을 확인하였다.
(1)크립 저항성 측정
본 발명에 따른 크립 저항성 측정을 한 결과, 합금성분 중 일부 실시예에 대한 크립 저항성이 우수한 결과를 나타내었다.
즉, 실시예 5 내지 14 및 비교예 2에 따라 제조된 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 고온에서의 크립 저항성을 측정하기 위하여 550℃, 240MPa의 응력을 가했을 때 파단시간을 측정하고 그 결과는 하기 표 3과 같다.
Figure pat00003
상기와 같이 본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 550℃, 240MPa의 응력조건에서 비교예 2와 비교하여 특히 실시예 5 및 실시예 13은 우수한 크립 저항성을 나타낸다.
따라서, 본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 550℃의 고온에서도 우수한 크립 저항성을 나타냄으로써 고온 및 고조사량이 가혹한 조건에서 사용되는 핵연료 재료로 유용하게 사용될 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 핵융합로 블랭킷용 구조재 분야에 적용된다.

Claims (9)

  1. 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.05 내지 0.15 중량%, 규소(Si) 0.02 내지 0.12 중량%, 망간(Mn) 0.30 내지 0.50 중량%, 크롬(Cr) 8.0 내지 10.0 중량%, 텅스텐(W) 0.9 내지 1.5 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량%, 탄탈륨(Ta) 0.06 내지 0.08 중량% 및 질소(N) 0.005 내지 0.05를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강.
  2. 제1항에 있어서,
    티타늄(Ti) 0.005 내지 0.03 중량%를 더 포함하는 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강.
  3. 제2항에 있어서,
    지르코늄(Zr) 0.003 내지 0.015 중량%를 더 포함하는 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강.
  4. 제3항에 있어서,
    보론(B) 0.0005 내지 0.0015 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강.
  5. 합금 조성 원소를 혼합한 후 용해하여 잉곳을 제조하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 제조된 잉곳을 열간 압연하는 단계(단계 2);
    상기 단계 2에서 열간 압연된 잉곳을 노말라이징(Normalizing) 처리한 후 공냉시키는 단계(단계 3); 및
    상기 단계 3에서 노말라이징 처리된 합금을 템퍼링(Tempering) 처리한 후 공냉시킴으로써 페라이트-마르텐사이트 강을 제조하는 단계(단계 4)를 포함하는 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단계 1의 잉곳은 진공유도용해(VIM) 방법을 사용하여 제조하는 것을 특징으로 하는 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 단계 2의 열간 압연은 1100～1200 ℃의 온도에서 0.5～2시간 동안 예열을 한 후 수행하는 것을 특징으로 하는 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강의 제조방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 단계 3의 노말라이징 처리는 950~1050 ℃에서 0.5～2시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강의 제조방법.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 단계 4의 템퍼링 처리는 700~780 ℃에서 0.5~4시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강의 제조방법.
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