KR20150078802A - 오스테나이트계 내열재료의 용접부 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법 - Google Patents

오스테나이트계 내열재료의 용접부 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오스테나이트계 스테인레스강 및 니켈기 초내열합금의 동종 또는 이종 용접부위의 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 의하면 불순물인 S가 중량%로 0 초과 0.035% 이하로 함유된 오스테나이트계 내열재료의 용접부를 850~1250℃에서 20초~14400초 동안 후열처리하여, 모재에 잔류하는 S를 황화물인 MnS로 제거하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열재료의 용접부 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법이 제공된다.

Description

오스테나이트계 내열재료의 용접부 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법{Post weld heat treatment method for inhibiting the intergranular cracking occurring in weldments of austenitic heat-resistant alloys}
본 발명은 화력, 원자력 및 기타 고온에서 사용되며 오스테나이트 조직을 나타내는 내열재료의 용접부 후열처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 오스테나이트계 스테인레스강 및 니켈기 초내열합금의 동종 또는 이종 용접부위의 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법에 관한 것이다.
최근 화력 및 원자력 발전설비의 고효율화를 위한 온도 및 압력 상승으로 인하여, 사용중 각종 고온 설비에 사용된 내열재료의 용접부위에서 입계균열로 인한 파손사례가 급격히 증가하고 있다.
이러한 설비 파손은 발전소 운전 정지, 검사 및 보수비용을 포함하는 발전소 자체의 경제적 손실뿐만 아니라, 에너지원이 부족한 현재의 상황에서 국가 경제적으로 막대한 손실을 초래하고 있는 실정이다.
일반적으로, 용접부 후열처리는 마르텐사이트계 내열강에 적용되는 개념으로, 용접 직후 급속 냉각으로 용접부위는 경도가 높은 마르텐사이트 조직을 갖게 된다. 이때 형성된 마르텐사이트 조직으로 인하여 용접부에는 큰 잔류응력이 형성되고, 이러한 강력한 잔류응력은 사용 중 크립(creep) 수명을 현저히 저감시킨다.
따라서, 후열처리를 통해 마르텐사이트 조직을 템퍼링된 마르텐사이트 조직으로 전환시켜 기계적 특성, 특히 인성 향상과 동시에 잔류응력을 완화시켜 크립 수명을 향상시킬 필요가 있으며, 이를 위해 마르텐사이트계 내열강에서 용접부 후열처리 공정을 실시한다.
한편, 오스테나이트계 내열소재는 주로 화력, 원자력 발전소 및 석유화학공장의 고온부위에 사용되는 것으로, 그 제조공정은 다음과 같다.
우선, 전기로 제강에서 불순물인 인과 황을 최소화한 후 열간성형 및 냉간성형하고, 제강 이후 응고과정 및 열간성형시 형성된 조대한 탄질화물을 모재에 고용시키기 위해 1050~1200도에서 적절한 시간동안 용체화 처리후 급냉하여 사용한다.
그러나, 오스테나이트계 내열소재에 대한 용접부 후열처리 개념은 현재까지 전무한데, 그 이유는 용접후 급속냉각으로 인해 기계적 특성에 유리하지 않은 조대한 석출물들의 형성이 없고, 마르텐사이트계 내열강에서와 같은 마르텐사이트에 의한 잔류응력 증가가 없으며, 따라서 후열처리 전과 후의 잔류응력 변화가 없기 때문이다.
한편, 오스테나이트계 스테인레스강 및 니켈기 초내열합금의 내열소재에서 발생하는 입계균열(비특허문헌 1, 비특허문헌 2 참조)은 주로 불순물인 황원자(S)가 결정립계에 편석되어 입계강도를 급격히 저하시키기 때문이다.
따라서, 이러한 결정립계 취화 불순물인 황원자(S)를 황화물(MnS)로 전환시켜 제거할 목적으로, 위의 비특허문헌 사례와 같이 제강과정에서 망간(Mn)을 첨가하여 왔고, 동시에 실제 제강공정에서는 이러한 입계취화 불순물인 황(S)의 농도를 약 5~10 ppm까지 극도로 낮추려는 노력으로 인해 생산비용의 증가를 초래하여 왔다.
그러나, 이러한 노력에도 불구하고, 실제 입계파손 사례를 보면 황(S) 농도가 약 10 ppm으로 낮은 경우조차 전형적인 입계파괴를 초래하고 있다. 따라서, 입계파괴를 근본적으로 막고, 발전소 안전 기동을 확보할 수 있는 공정이 절실한 상황이다.
KR 10-2012-0111435 A (2012.10.10 공개)
Scripta Materialia vol. 52, 2005, pp 675 Acta Metallurgica Sinica vol. 10, 1997, pp 510 Materials Science and Engineering A, 2011, vol. 527, pp 2678
본 발명의 일 실시예는, 상술한 바와 같은 오스테나이트계 내열재료의 동종 및 이종 용접부에서 빈번히 발생하는 입계균열을 근본적으로 방지할 수 있는 후열처리 방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 불순물인 S가 중량%로 0 초과 0.035% 이하로 함유된 오스테나이트계 내열재료의 용접부를 850~1250℃에서 20초~14400초 동안 후열처리하여, 모재에 잔류하는 S를 황화물인 MnS로 제거하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열재료의 용접부 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법이 제공된다.
여기서, 상기 후열처리는 유도가열 또는 저항열 가열에 의해 이루어질 수 있다.
또한, 상기 용접부는, 동종의 내열재료로 이루어지는 용접부일 수 있다.
이때, 상기 용접부는, 내열 스테인레스강 사이의 동종 용접부일 수 있다.
또한, 상기 용접부는, Ni기 초내열합금 사이의 동종 용접부일 수 있다.
한편, 상기 용접부는, 서로 다른 이종의 내열재료로 이루어지는 용접부일 수 있다.
이때, 상기 용접부는, 내열 스테인레스강과 Ni기 초내열합금 사이의 이종 용접부일 수 있다.
또한, 상기 용접부는, 내열 스테인레스강과 마르텐사이트강 사이의 이종 용접부일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 후열처리 방법에 의하면, 오스테나이트계 스테인레스강 및 니켈기 초내열합금 용접부의 입계균열을 원천적으로 차단함으로써, 고온 설비의 정지로 인한 경제적 손실 최소화와, 유지 보수 비용절감, 및 해마다 반복되는 에너지 수요위기 사태를 근본적으로 해결할 수 있다.
또한, 잔류하는 황(S)의 많고 적음에 상관없이 적용될 수 있기 때문에, 제강공정에서 황(S)의 잔류량을 극도로 낮출 필요가 없어 내열소재의 제조공정이 단순화되고, 정밀 정련공정을 크게 필요로 하지 않기 때문에 생산비용 측면에서도 유리한 효과가 있다.
도 1은 오스테나이트계 내열강의 결정립계 파괴를 보여주는 조직사진.
도 2는 오스테나이트계 내열재료에서 후열처리 온도 및 시간에 따른 연성회복 과정을 보여주는 그래프.
도 3은 오스테나이트계 내열재료의 후열처리 전 후의 파면 양상을 보여주는 조직사진.
도 4는 온도에 따른 항복강도와 결정립계 강도의 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 온도에 따른 황의 결정립계 편석농도를 설명하는 그래프.
도 6은 후열처리 조건을 나타내는 그래프.
도 7은 적은 양의 황을 포함하는 내열재료들에서의 후열처리에 따른 단면감소율 변화를 보여주는 그래프.
도 8은 많은 양의 황을 포함하는 내열재료들에서의 후열처리에 따른 단면감소율 변화를 보여주는 그래프.
도 9는 후열처리 전후의 등강도 온도변화를 설명하는 그래프.
도 10은 1100℃ 후열처리 온도에서 시간에 따른 단면감소율 변화를 보여주는 그래프.
도 11은 실시예 6 ~ 실시예 8의 단면감소율 변화를 보여주는 그래프.
도 12와 도 13은 실시예 9의 단면감소율 변화를 보여주는 그래프.
이하, 본 발명인 오스테나이트계 내열재료의 용접부 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
동종의 오스테나이트계 내열재료를 서로 용접하거나, 또는 오스테나이트계와 마르텐사이트계 이종의 내열재료를 서로 용접할 때, 용접부 주변 모재의 온도가 급격히 용융점 근처까지 상승하게 된다.
이로 인해, 생산과정 중 열처리 공정의 하나인 용체화 열처리 과정에서 모재에 기형성되어 있던 황화물(MnS)이 분해되며, 이 중 황원자(S)가 모재에 고용된다.
또한, 오스테나이트 조직내에서 황(S)은 큰 확산계수를 가지므로, 용접이후 용접부 및 주변 모재가 급속 냉각되는 짧은 시간 동안 용접부 및 용접부 주변 모재내의 결정립계에 황(S)이 원자상태로 다량 편석되어 용접부 주변 모재입계를 극심하게 취화시킨다.
도 1은 이러한 오스테나이트계 내열강의 결정립계 파괴를 보여주는 조직사진으로서, 도 1(a)는 내열 스테인레스강의 결정립계 파괴를 보여주고 있고, 도 1(b)는 니켈기 초내열합금의 결정립계 파괴를 보여주고 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 결정립계에 편석된 원자상태의 황(S)이 용접부의 후열처리에 의한 황화물(MnS) 반응으로 완전히 제거된다. 따라서, 사용중에 결정립계로 편석(segregation)되는 원자상태의 황(S)에 의한 용접부 및 용접부 주변 모재의 결정립계 취화와 그로 인한 입계 균열을 원천적으로 방지할 수 있다.
본 발명의 일 예로서, 중량%로 불순물인 S가 0 초과 0.035% 이하로 함유되고 기타 불가피한 불순물을 포함하는 오스테나이트계 내열 스테인레스강의 동종 용접부를 850~1250℃ 온도범위에서 적절한 시간 동안 후열처리 후 수냉 또는 공냉하여, 용접부 및 용접부 주변 모재에 고용 잔류하는 황을 완전히 황화물(MnS)로 제거함으로써 입계균열을 원천적으로 차단할 수 있다.
다른 예로서, 중량%로 불순물인 S가 0 초과 0.035% 이하로 함유되고 기타 불가피한 불순물을 포함하는 Ni기 초내열합금의 동종 용접부를 850~1250℃ 온도범위에서 적절한 시간 동안 후열처리 후 수냉 또는 공냉하여, 용접부 및 용접부 주변 모재에 고용 잔류하는 황을 완전히 황화물(MnS)로 제거함으로써 입계균열을 원천적으로 차단할 수 있다.
또 다른 예로서, 중량%로 불순물인 S가 0 초과 0.035% 이하로 함유되고 기타 불가피한 불순물을 포함하는 Ni기 초내열합금과 오스테나이트계 스테인레스강 사이의 이종 용접부를 850~1250℃ 온도범위에서 적절한 시간 동안 후열처리 후 수냉 또는 공냉하여, 용접부 및 용접부 주변 모재에 고용 잔류하는 황을 완전히 황화물(MnS)로 제거함으로써 입계균열을 원천적으로 차단할 수 있다.
또 다른 예로서, 중량%로 불순물인 S가 0 초과 0.035% 이하로 함유되고 기타 불가피한 불순물을 포함하는 오스테나이트계 내열 스테인레스강과 마르텐사이트강 사이의 이종 용접부를 850~1250℃ 온도범위에서 적절한 시간 동안 후열처리 후 수냉 또는 공냉하여, 용접부 및 용접부 주변 모재에 고용 잔류하는 황을 완전히 황화물(MnS)로 제거함으로써 입계균열을 원천적으로 차단할 수 있다. 이 경우, 특히 후열처리 후 마르텐사이트계 내열강으로 인해 증가된 잔류응력을 완화하기 위해, 600~800℃ 온도범위에서 추가적으로 후열처리를 실시하는 것이 바람직하다.
이때, 내열재료에서 S 함량이 0.035%를 초과하면, 제강 및 열간성형 공정에서 생성되는 MnS 상에 의한 상온 부식 특성이 현저히 저하될 뿐만 아니라, 높은 S 함량의 첨가에 따른 입계 취화로 인해, 열간 성형 가공성이 현저히 떨어지기 때문에, 그 함유량은 0.035% 이하로 제한되는 것이 바람직하다.
도 2는 오스테나이트계 내열재료에서 후열처리 온도 및 시간에 따르는 등온 연성회복곡선을 나타낸 것으로, 취화된 결정립계가 연성을 완전히 회복하는 시간을 나타낸다.
여기서, 연성회복 개시선 이전의 온도와 시간조건에서는 고온 인장시험시 용접부위 모재의 단면 감소율(Reduction in Area)이 15% 이내로 극심한 입계취성을 나타내고, 연성회복 종료선 이상의 조건에서는 단면 감소율 (Reduction in Area)이 80% 이상을 나타내어 고온에서 전형적인 연성파괴를 나타낸다.
도 3은 오스테나이트계 내열재료의 후열처리 전과 후의 파면 양상을 보여주는 조직 사진이다.
여기서, 도 3(a)는 오스테나이트계 내열재료의 후열처리 전의 파면 조직사진이며, 연성회복 개시선 이전 조건에서 전형적인 입계균열이 나타나는 용접부위 파단 양상을 보여주고 있다.
또한, 도 3(b)는 오스테나이트계 내열재료의 후열처리 후의 파면 조직사진이며, 연성을 완전히 회복함에 따라 전형적인 연성파괴를 나타내고 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라 후열처리 공정을 거치게 되면, 발전소 고온조건에서 사용시 급작스런 파손사고 없이 발전설비를 안전하게 운전할 수 있게 된다.
이때, 후열처리 온도는 850~1250℃ 온도범위에서 이루어지는 것이 바람직하며, 후열처리 온도가 850℃ 미만이면 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 열처리 시간이 상당히 길어지는 문제점이 있고, 1250℃보다 높은 온도 영역대에서는 편석농도가 작을지라도, 황(S)을 황화물인 MnS로 효과적으로 제거할 수 없어서, 냉각시 황의 임계편석에 의한 입계취화가 초래되어 후열처리 효과 자체를 상실해 버리고 도 3(a)와 같은 입계취성을 나타낸다.
아울러, 후열처리 시간은 20초~14400초인 것이 바람직한데, 후열처리 시간이 20초 미만인 경우에는 열처리를 효과적으로 할 수 없는 현실적인 문제점이 있고, 14400초 초과시에는 시간이 과다하게 길기 때문에 경제성이 현저히 떨어진다.
상술한 바와 같은 취성-연성회복 현상을 도 4(Materials Science and Engineering A, 2011, vol. 527, pp 2678 참조)를 바탕으로 좀 더 구체적으로 이해할 필요가 있다.
도 4는 온도 증가에 따른 결정립계 강도(sgb)와 항복강도(sy)의 감소 정도를 나타낸다. 도 4의 두 곡선은 등강도 온도 (Te)에서 만난다.
이때, 등강도 온도이하에서는 결정립계 강도가 항복강도보다 크기 때문에, 외부응력이 작용할 경우 입계파괴가 일어나지 않고 항상 큰 인성을 대표하는 연성파괴를 나타낸다. 그러나, 등강도 이상에서는 이러한 상황이 역전되면서 극심한 입계파괴를 나타내게 된다.
따라서, 내열재료 사용 온도를 고려하여 등강도 온도를 되도록 높여서 입계취성파괴를 피하는 열처리 공정이 필수적이다. 즉, 오스테나이트계 내열재료의 고온 기계적 특성은 항복강도와 결정립계 강도의 경쟁하에서 결정된다.
한편, 도 5는 온도증가에 따르는 황의 결정립계 편석농도를 나타낸다. 온도 감소에 따라 일정온도까지는 큰 감소가 나타나지 않으나, 1100℃ 부근에서 온도 증가에 따라 결정립계 편석농도가 급격히 감소하여 1200℃ 부근 이후의 온도에서는 매우 적은 편석농도를 보이며, 이 온도 영역대에서 황(S)의 결정립계 편석농도는 모재에 고용된 황(S)의 농도에 크게 영향을 받지 않는다. 그러나, 1200℃보다 높은 온도 영역대에서는 편석농도가 작을지라도, 황(S)을 황화물인 MnS로 효과적으로 제거할 수 없어서, 냉각시 황(S)의 입계편석에 의한 입계취화가 초래된다.
이하, 실시예에 대하여 설명한다. 실시예들에 사용되는 시편들의 다양한 화학적 조성은 아래의 [표 1]에 나타낸 바와 같다. [표 1]의 C-0와 C-1에서는 Mo 대신에 W이 7% 첨가되었다.
Heats 성분 (중량%)
C Si Mn P S Cu Nb Mo N Ni Cr V Co Al Ti Fe
A-0 0.06 0.5 1.4 0.03 0.001 - 0.5 0.2 0.02 16.5 9 0.05 - - - Bal
A-1 0.06 0.5 1.5 0.03 0.014 - 0.5 0.2 0.02 16.5 9 0.05 - - - Bal
B-0 0.07 0.2 0.8 0.03 0.001 2.8 0.5 0.4 0.1 17.5 8.5 0.05 - - - Bal
B-1 0.07 0.2 0.8 0.03 0.013 2.8 0.5 0.4 0.1 17.5 8.5 0.05 - - - Bal
C-0 0.1 1.0 1.5 0.03 0.001 - 0.30 7W - Bal 23 - - - 0.1 25
C-1 0.1 1.0 1.5 0.03 0.013 - 0.30 7W - Bal 23 - - - 0.1 25
D-0 0.03 0.5 0.3 0.01 0.001 - 2.0 0.5 - Bal 25 - 20 1.0 1.7 -
D-1 0.03 0.5 0.3 0.01 0.013 - 2.0 0.5 - Bal 25 - 20 1.0 1.7 -
E 0.1 0.5 0.5 0.01 0.015 - 0.05 1 0.01 - 2.25 0.25 - - - Bal
F 0.1 0.5 0.5 0.01 0.015 - 0.05 1 0.05 0.2 9.1 0.25 - - - Bal
상기 [표 1]의 조성별 모재들은 진공용해와 열간압연을 거친 후, 압하율 약 20% 정도의 냉간압연을 실시하거나 실시하지 않고, 1150℃에서 1시간동안 용체화 처리하였다.
또한, [표 1]에서 D-0와 D-1로 표시된 Ni기 초내열합금은 용체화 열처리 후 적절하게 시효경화 처리하였다. 용접공정은 각 모재의 조성에 맞는 용접봉을 이용하여 용접절차서를 따라 시공하였다.
고온인장시험을 위해, 용접부를 포함하는 게이지부분의 길이가 2cm이고, 총길이가 15cm인 고온인장 봉상 시험편을 제작하여, 게이지 부분을 진공이 유지되는 장치속에서 유도가열에 의해 급속가열 후 고온인장을 실시하였다.
이때, 용접부 후열처리 공정에서의 가열방법은 유도가열 또는 저항열 가열 두가지 방법 중 하나가 선택될 수 있고, 후열처리시에는 가열부 주변에 비산화성분위기를 조성해 주는 것이 내열재료의 표면산화 방지를 위하여 효과적이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 후열처리 조건을 도시한 그래프이며, 도 7과 도 8은 내열재료들의 후열처리에 따른 단면감소율 변화를 보여주는 그래프이다.
이하, 도 6과 도 7을 참조하여 본 발명인 오스테나이트계 내열재료의 용접부 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법의 실시예를 설명하기로 한다.
실시예 1
상기 [표 1]에 나타낸 바와 같이 황(S) 농도를 극히 낮춘 A-0 내열 스테인레스강 사이의 동종 용접부에 대해, 도 6의 조건으로 후열처리를 실시한 경우와 실시하지 않은 경우의 시험편으로 나누어, 900℃에서 고온인장 후 단면감소율과 파괴양상을 각각 조사하였다.
후열처리를 하지 않은 경우, 파단은 용접부위 모재부에서 발생하였고, 황(S) 농도가 극히 낮을지라도 도 7에 도시된 바와 같이 단면감소율이 작으며, 파괴양상은 도 3에 도시된 바와 같은 전형적인 입계파괴를 나타내었다.
후열처리를 실시한 경우에는, 후열처리 온도에 관계없이 연성이 급격히 회복되었고, 도 7에 도시된 바와 같이 단면감소율은 80%이상을 상회하였으며, 파괴양상은 도 3(b)와 같이 전형적인 연성파괴였다.
실시예 2
상기 [표 1]에 나타낸 바와 같이 황(S) 농도를 극히 낮춘 B-0 내열 스테인레스강 사이의 동종 용접부에 대해, 도 6의 조건으로 후열처리를 실시한 경우와 실시하지 않은 경우의 시험편으로 나누어, 900℃에서 고온인장 후 단면감소율과 파괴양상을 각각 조사하였다.
후열처리를 하지 않은 경우, 파단은 용접부위 모재부에서 발생하였고, 도 7에 도시된 바와 같이 단면감소율이 극히 낮으며, 파괴양상은 도 3과 같이 전형적인 입계파괴를 나타내었다.
후열처리를 실시한 경우에는, 후열처리 온도에 관계없이 연성이 급격히 회복되었고, 도 7에 도시된 바와 같이 단면감소율은 80%이상을 상회하였으며, 파괴양상은 도 3(b)와 같이 전형적인 연성파괴였다.
실시예 3
상기 [표 1]에 나타낸 바와 같이 황(S) 농도를 극히 낮춘 C-0 내열 스테인레스강 사이의 동종 용접부에 대해, 도 6의 조건으로 후열처리를 실시한 경우와 실시하지 않은 경우의 시험편으로 나누어, 900℃에서 고온인장 후 단면감소율과 파괴양상을 각각 조사하였다.
후열처리를 하지 않은 경우, 파단은 용접부위 모재부에서 발생하였고, 도 7에 도시된 바와 같이 단면감소율이 극히 낮으며, 파괴양상은 도 3과 같이 전형적인 입계파괴를 나타내었다.
후열처리를 실시한 경우에는, 후열처리 온도에 관계없이 연성이 급격히 회복되었고, 도 7에 도시된 바와 같이 단면감소율은 80%이상을 상회하였으며, 파괴양상은 도 3(b)와 같이 전형적인 연성파괴였다.
실시예 4
상기 [표 1]에 나타낸 바와 같이 황(S) 농도를 극히 낮춘 D-0 니켈기 초내열합금사이의 동종 용접부에 대해, 도 6의 조건으로 후열처리를 실시한 경우와 실시하지 않은 경우의 시험편으로 나누어, 900℃에서 고온인장 후 단면감소율과 파괴양상을 각각 조사하였다.
후열처리를 하지 않은 경우, 파단은 용접부위 모재부에서 발생하였고, 도 7에 도시된 바와 같이 단면감소율이 극히 낮으며, 파괴양상은 도 3과 같이 전형적인 입계파괴를 나타내었다.
후열처리를 실시한 경우에는, 후열처리 온도에 관계없이 연성이 급격히 회복되었고, 도 7에 도시된 바와 같이 단면감소율은 80%이상을 상회하였으며, 파괴양상은 도 3(b)와 같이 전형적인 연성파괴였다.
한편, 다량의 황을 함유한 내열재료(A-1,B-1,C-1,D-1)의 동종 용접시에도, 도 8에 도시된 바와 같이 후열처리 이후에는 단면 감소율이 현저히 증가하였다.
이러한 후열처리 전과 후의 완전히 다른 파괴 거동은 도 9를 바탕으로 더욱 쉽게 이해할 수 있다.
도 9는 후열처리 전후의 등강도 온도변화를 설명하는 그래프이다.
상술한 바와 같이, 용접 후 용접부위가 급속 냉각될지라도, 황(S)은 확산속도가 빠르기 때문에 냉각되는 동안 편석되는 황(S)으로 인해 결정립계가 취화되며, 도 9에 도시된 바와 같이 결정립계 강도(sgb)와 항복강도(sy) 곡선이 만나는 등강도 온도(Te)가 900℃보다 낮기 때문에 고온인장시 전형적인 입계파괴를 나타낸다.
그러나, 후열처리를 통해 MnS 반응을 충분히 진행시키면, 용접부 내에 고용된 황(S)뿐만 아니라, 결정립계에 편석된 황(S)도 이러한 황화반응에 참여하게 된다.
따라서, 결정립계에 편석된 황(S)이 존재하지 않게 됨으로써 전체적으로 결정립계 강도가 현저히 증가하여 등강도 온도가 900℃ 이상으로 상승하며, 900℃에서 고온인장시 전형적인 연성파괴를 나타내게 된다.
그리고, 후열처리 후 550~800℃ 영역에서 사용하는 경우, 이 온도영역대에서는 MnS의 분해반응이 일어나지 않기 때문에, 도 1과 도 3(a)에 도시된 바와 같은 황(S)에 의한 입계취성은 결코 발생하지 않는다.
실시예 5
주어진 온도에서 시간에 따른 연성회복 거동을 알아보기 위해서, 상기 표 1의 B-1 내열재료 사이의 동종 용접부에 대하여, 후열처리후 연성이 가장 좋은 1100℃에서 시간에 따른 단면감소율 변화를 알아보았다.
도 10은 이와 같은 1100℃ 후열처리 온도에서 시간에 따른 단면감소율 변화를 보여주는 그래프로서, 아주 짧은 시간(예컨대 2분)동안 후열처리한 경우에도, 연성이 완전히 회복됨을 보여주고 있다.
실시예 6
상기 [표 1]에서 황(S) 농도가 높은 오스테나이트계 스테인레스강인 B-1과 니켈기 초내열합금 D-1 내열재료 사이의 이종 용접부에 대하여, 도 6의 1100℃ 조건으로 후열처리를 실시한 경우와 실시하지 않은 경우의 시험편으로 나누어, 900℃에서 고온인장 후 단면감소율과 파괴양상을 각각 조사하였다.
후열처리를 하지 않은 경우, 파단은 용접부위 양쪽 또는 한쪽 모재부에서 발생하였고, 단면감소율이 극히 낮았으며, 파괴양상은 도 3(a)와 같이 전형적인 입계파괴를 나타내었다.
후열처리를 실시한 경우에는, 후열처리 온도에 관계없이 연성이 급격히 회복되었고, 단면감소율은 80%이상을 상회하였으며, 파괴양상은 도 3(b)와 같이 전형적인 연성파괴였다.
실시예 7
상기 [표 1]에서 마르텐사이트계 2.25Cr강인 E 내열재료와 오스테나이트계 스테인레스강인 A-0, A-1, B-0, B-1 사이의 각각의 이종 용접부에 대하여, 도 6의 1100℃ 조건으로 후열처리를 실시한 경우와 실시하지 않은 경우의 시험편으로 나누어, 900℃에서 고온인장 후 단면감소율과 파괴양상을 각각 조사하였다.
후열처리를 하지 않은 경우, 파단은 용접부위중 오스테나이트계 스테인레스강 모재부에서 발생하였고, 단면감소율이 극히 낮았으며, 파괴양상은 도 3(a)와 같이 전형적인 입계파괴를 나타내었다.
후열처리를 실시한 경우에는, 후열처리 온도에 관계없이 오스테나이트계 스테인레스강 모재부의 연성이 급격히 회복되었고, 단면감소율은 80%이상을 상회하였으며, 파괴양상은 도 3(b)와 같이 전형적인 연성파괴였다.
실시예 8
상기 [표 1]에서 마르텐사이트계 9Cr강인 F 내열재료와 오스테나이트계 스테인레스강인 A-0, A-1, B-0, B-1 사이의 각각의 이종 용접부에 대하여, 도 6의 1100℃ 조건으로 후열처리를 실시한 경우와 실시하지 않은 경우의 시험편으로 나누어, 900℃에서 고온인장 후 단면감소율과 파괴양상을 각각 조사하였다.
후열처리를 하지 않은 경우, 파단은 용접부위중 오스테나이트계 스테인레스강 모재부에서 발생하였고, 단면감소율이 극히 낮았으며, 파괴양상은 도 3(a)와 같이 전형적인 입계파괴를 나타내었다.
후열처리를 실시한 경우에는, 후열처리 온도에 관계없이 오스테나이트계 스테인레스강 모재부의 연성이 급격히 회복되었고, 단면감소율은 80%이상을 상회하였으며, 파괴양상은 도 3(b)와 같이 전형적인 연성파괴였다.
한편, 위의 [표 1]과 도 6의 열처리 조건을 바탕으로 실시된 동종 용접부 및 이종 용접부에 대한 후열처리방법은, 기타 오스테나이트계 내열재료의 동종 용접부 및 이종 용접부에도 동등하게 적용될 수 있음은 물론이다.
도 11은 실시예 6 ~ 실시예 8의 단면감소율 변화를 보여주는 그래프로서, 후열처리를 실시한 경우 단면감소율이 80% 이상을 상회하는 것을 볼 수 있다.
실시예 9
한편, A-0, A-1, B-0, B-1, C-0, C-1, D-0, D-1 내열재료 간의 이종용접부에 대하여, 도 6의 1100℃ 조건으로 후열처리를 실시한 경우와 실시하지 않은 경우의 시험편으로 나누어, 900℃에서 고온인장 후 단면감소율과 파괴양상을 각각 조사하였다.
후열처리를 하지 않은 경우, 파단은 용접부위중 오스테나이트계 스테인레스강 모재부에서 발생하였고, 단면감소율이 극히 낮았으며, 파괴양상은 도 3(a)와 같이 전형적인 입계파괴를 나타내었다.
후열처리를 실시한 경우에는, 후열처리 온도에 관계없이 오스테나이트계 스테인레스강 모재부의 연성이 급격히 회복되었고, 단면감소율은 80%이상을 상회하였으며, 파괴양상은 도 3(b)와 같이 전형적인 연성파괴였다.
도 12와 도 13은 실시예 9의 단면감소율 변화를 보여주는 그래프로서, 이종 용접부위의 단면감소율이 80% 이상을 상회하는 것을 볼 수 있다.

Claims (8)

  1. 불순물인 S가 중량%로 0 초과 0.035% 이하로 함유된 오스테나이트계 내열재료의 용접부를 850~1250℃에서 20초~14400초 동안 후열처리하여, 모재에 잔류하는 S를 황화물인 MnS로 제거하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열재료의 용접부 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 후열처리는 유도가열 또는 저항열 가열에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열재료의 용접부 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 용접부는,
    동종의 내열재료로 이루어지는 용접부인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열재료의 용접부 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 용접부는,
    내열 스테인레스강 사이의 동종 용접부인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열재료의 용접부 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 용접부는,
    Ni기 초내열합금 사이의 동종 용접부인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열재료의 용접부 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 용접부는,
    서로 다른 이종의 내열재료로 이루어지는 용접부인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열재료의 용접부 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 용접부는,
    내열 스테인레스강과 Ni기 초내열합금 사이의 이종 용접부인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열재료의 용접부 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 용접부는,
    내열 스테인레스강과 마르텐사이트강 사이의 이종 용접부인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열재료의 용접부 입계균열 방지를 위한 후열처리 방법.




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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2018070770A1 (ko) * 2016-10-14 2018-04-19 한국수력원자력 주식회사 후열처리를 이용한 이종용접부 잔류응력 저감방법

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