KR20160043033A - 내열 금속 재료 부재에 대한 크리프 강화재의 확산 침투 방법, 및 크리프 강도를 강화시킨 내열 금속 재료 부재 - Google Patents

내열 금속 재료 부재에 대한 크리프 강화재의 확산 침투 방법, 및 크리프 강도를 강화시킨 내열 금속 재료 부재 Download PDF

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Abstract

내열 금속 재료를 사용하여 제조된 내열 금속 재료 부재의 표면에 B, W, Cr, Mo, Nb, V, Hf, Zr, Ti, Cu 및 Co로부터 선택된 하나 또는 복수의 원소를 함유하는 크리프 강화재를 도포 또는 용사하고, 상기 크리프 강화재를 도포 또는 용사한 부분에 접하도록 상기 부분을 내열 피복 부재로 덮어서 고정하고, 상기 내열 피복 부재로 덮은 상기 내열 금속 재료 부재를 1000℃ 이상의 온도로 가열함으로써 외주로의 방향으로 열팽창하는 내열 금속 재료 부재에 대하여 압축력이 작용하고, 내열 금속 재료 부재의 외주로의 방향의 열팽창을 억제함과 아울러, 내열 금속 재료 부재의 표면에 있어서의 크리프 강화재를 내열 금속 재료 부재의 내부에 효율적으로 확산 침투시키는 것이 가능해진다.

Description

내열 금속 재료 부재에 대한 크리프 강화재의 확산 침투 방법, 및 크리프 강도를 강화시킨 내열 금속 재료 부재{METHOD FOR DIFFUSION COATING HEAT-RESISTANT METAL MEMBER WITH CREEP REINFORCEMENT MATERIAL, AND CREEP-STRENGTH-ENHANCED HEAT-RESISTANT METAL MEMBER}
본 발명은 내열 금속 재료 부재에 대한 크리프 강화재의 확산 침투 방법 및 그 방법에 의해 크리프 강도를 강화시킨 내열 금속 재료 부재에 관한 것이다.
종래, 내열 금속 재료의 크리프 특성을 강화시키는 방법으로서, 예를 들면 크리프 강도 및/또는 피로 강도에 관여하는 입계 강화재를 도포 또는 용사해서 피막을 형성시키고, 소정 시간, 소정 온도로 가열하는 방법(일본특허 제3793966호 공보) 등이 개발되어 있다.
본 발명은 내열 금속 재료를 이용하여 제조된 부재(이하, 「내열 금속 재료 부재」라고 한다)의 내부에, 크리프 강도를 강화시키는 재료(이하, 「크리프 강화재」라고 한다)를 효율적으로 확산 침투시키는 것이 가능한 방법, 및 그 방법에 의해 크리프 강도를 강화시킨 내열 금속 재료 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따르는 내열 금속 재료 부재에 대한 크리프 강화재의 확산 침투 방법 및 그 방법에 크리프 강도를 강화시킨 내열 금속 재료 부재는 후술하는 구성을 구비한다. 보다 구체적으로는 본 발명은,
(1) 내열 금속 재료 부재의 표면에 크리프 강화재를 도포 또는 용사하고, 상기 크리프 강화재를 도포 또는 용사한 부분에 접하도록 상기 부분을 내열 피복 부재로 덮어서 고정하고, 상기 내열 피복 부재로 덮은 상기 내열 금속 재료 부재를 1000℃ 이상의 온도로 가열하는 것을 포함하고, 상기 크리프 강화재는 B, W, Cr, Mo, Nb, V, Hf, Zr, Ti, Cu 및 Co로부터 선택된 하나 또는 복수의 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 내열 금속 재료 부재에 대한 크리프 강화재의 확산 침투 방법;
(2) 상기 내열 피복 부재로 덮은 상기 내열 금속 재료 부재를 1000℃ 이상의 온도로 가열한 후 냉각하고, 다시 A1변태점 이상의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 방법;
(3) 내열 금속 재료 부재의 표면에 크리프 강화재를 도포 또는 용사하고, 상기 크리프 강화재를 도포 또는 용사한 부분에 접하도록 상기 부분을 내열 피복 부재로 덮어서 고정하고, 상기 내열 피복 부재로 덮은 상기 내열 금속 재료 부재를 1000℃ 이상의 온도로 가열함으로써 얻어지고, 상기 크리프 강화재는 B, W, Cr, Mo, Nb, V, Hf, Zr, Ti, Cu 및 Co로부터 선택된 하나 또는 복수의 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 크리프 강도를 강화시킨 내열 금속 재료 부재;
(4) 상기 내열 피복 부재로 덮은 상기 내열 금속 재료 부재를 1000℃ 이상의 온도로 가열한 후 냉각하고, 다시 A1변태점 이상의 온도로 가열함으로써 얻어지는 상기 (3)에 기재된 내열 금속 재료 부재;
등이다.
본 발명에 의하면, 내열 금속 재료 부재의 내부에 크리프 강화재를 효율적으로 확산 침투시키는 것이 가능한 방법, 및 그 방법에 의해 크리프 강도를 강화시킨 내열 금속 재료 부재를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태로서 설명하는 내열 금속 재료 부재의 내부에 크리프 강화재를 확산 침투시키는 방법의 개략을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시형태로서 설명하는 도 1의 개략도의 단면을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서, 첨부된 도면을 참조해서 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명의 목적, 특징, 이점, 및 그 아이디어는 본 명세서의 기재에 의해 당업자에게는 명확하고, 본 명세서의 기재로부터 당업자라면 용이하게 본 발명을 재현할 수 있다. 이하에 기재된 발명의 실시형태 및 도면 등은 본 발명의 바람직한 실시형태를 나타내는 것이고, 예시 또는 설명을 위해 나타내고 있는 것으로서, 본 발명을 그들에 한정하는 것은 아니다. 본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 의도 및 범위내에서, 본 명세서의 기재에 근거하여 여러가지 수식이 가능한 것은 당업자에게 있어서 명백하다.
도 1은 본 발명의 일실시형태로서 설명하는 내열 금속 재료 부재의 내부에 크리프 강화재를 확산 침투시키는 방법의 개략을 나타내는 도면이다. 도 2는 본 발명의 일실시형태로서 설명하는 도 1의 개략도의 단면을 나타내는 도면이다. 또한, 본 실시형태에 있어서는 내열 금속 재료 부재(10)로서, 내열 금속 재료를 이용하여 제조된 기설(보수된 것을 포함한다) 또는 미사용의, 또는 열화된 고온 배관을 예로 들어서 설명하지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 내열 금속 재료 부재(10)는 내열 금속 재료를 이용하여 제조된 기설(보수된 것을 포함한다) 또는 미사용의, 또는 열화된 터빈 등의 다른 고온용 부재 등이이어도 상관없다.
도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 따른 내열 금속 재료 부재(10)의 내부에 크리프 강화재를 확산 침투시키는 방법은 우선, 내열 금속 재료 부재(10)의 표면에 크리프 강화재를 도포 또는 용사한다. 그 후, 크리프 강화재를 도포 또는 용사한 부분(25)에 접하도록 상기 부분(25)을 내열 피복 부재(30)로 덮어서 내열 피복 부재(30)를 고정한다. 이어서, 내열 피복 부재(30)로 덮은 내열 금속 재료 부재(10)를 히터(40)에 의해 1000℃ 이상의 온도에서 소정 시간 가열한다.
이상과 같이, 크리프 강화재를 도포 또는 용사한 내열 금속 재료 부재(10)를 내열 피복 부재(30)로 덮어서 1000℃ 이상의 온도로 가열함으로써, 외주로의 방향으로 열팽창하는 내열 금속 재료 부재에 대하여 압축력이 작용하고, 내열 금속 재료 부재의 외주로의 방향의 열팽창을 억제함과 아울러, 내열 금속 재료 부재(10)의 표면에 있어서의 크리프 강화재를 내열 금속 재료 부재(10)의 내부에 효율적으로 확산 침투시키는 것이 가능해진다. 따라서, 내열 금속 재료 부재(10)가 열화 부재 또는 기설 부재인 경우에는 내열 금속 재료 부재(10)의 외주로의 방향의 열팽창력을 이용하고, 내열 금속 재료 부재(10)나 그 용접부(20)에 있어서의 크리프 보이드나 균열을 효율적으로 보수하고, 내열 금속 재료 부재(10)나 그 용접부(20)의 재생을 꾀할 수 있고, 또는 내열 금속 재료 부재(10)나 그 용접부(20)의 조직을 회복시킴과 아울러, 내열 금속 재료 부재(10)나 그 용접부(20)의 조직 강화를 꾀할 수 있다. 따라서, 크리프 강도를 향상시켜서 신재(新材) 이상으로 수명을 연신시키는 것이 가능해진다. 한편, 내열 금속 재료 부재(10)가 미사용 부재인 경우에는 내열 금속 재료 부재(10)나 그 용접부(20)의 조직 강화를 꾀할 수 있고, 따라서 크리프 강도를 향상시켜서 신재 이상으로 수명을 연신시키는 것이 가능해진다.
본 발명에 따른 내열 금속 재료 부재(10)의 내부에 크리프 강화재를 확산 침투시키는 방법은 내열 금속 재료 부재(10)의 표면에 크리프 강화재를 도포 또는 용사하기 전에, 크리프 강화재를 도포 또는 용사하는 부분(25)에 대하여 에칭 처리,또는 숏 피닝을 실시해서 에칭 처리를 행하는 것으로 해도 된다. 이들의 처리에 의해, 내열 금속 재료 부재(10)의 표층에 대하여 소성 변형에 의한 가공 경화를 행하거나, 내열 금속 재료 부재(10)의 표면에 압축 잔류 응력을 부여하거나, 내열 금속 재료 부재(10)의 표면의 산화막을 제거하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명에 따른 내열 금속 재료 부재(10)의 내부에 크리프 강화재를 확산 침투시키는 방법은 내열 피복 부재(30)로 덮은 내열 금속 재료 부재(10)를 히터(40)에 의해 1000℃ 이상의 온도로 가열한 후, 잔류 응력을 제거(저감)하기 위해서 스트레스 릴리프나 텐션 어닐 등의 처리를 행해도 된다. 보다 구체적으로는 내열 피복 부재(30)로 덮은 내열 금속 재료 부재(10)를 히터(40)에 의해 1000℃ 이상의 온도로 가열한 후에, 일단 상온까지 냉각하고, 다시 A1변태점 이상의 온도(바람직하게는 1000℃+10∼100℃)에서 소정 시간(예를 들면, 수시간∼24시간 정도) 가열하는 것으로 해도 된다.
또한, 본 발명에 따른 내열 금속 재료 부재(10)의 내부에 크리프 강화재를 확산 침투시키는 방법은 크리프 강화재를 도포 또는 용사한 내열 금속 재료 부재(10)를 내열 피복 부재(30)로 덮어서 히터(40)에 의해 가열됐을 때에 발생하는 내열 금속 재료 부재(10)의 길이 방향에 대하여 외향(내열 금속 재료 부재(10)의 끝부 방향)으로의 열팽창을 구속하기 때문에, 히터(40)에 의해 가열되고 있는 부분을 끼우도록 하고, 히터(40)로 가열되지 않는 부분의 내열 금속 재료 부재(10)를 예를 들면, 2개의 클램프 등에 의해 고정해도 좋다.
또한, 내열 금속 재료 부재(10)의 전체에 대하여, 히터(40)에 의해 가열되는 부분이 작은 경우에는 히터(40)에 의해 가열되지 않고 있는 부분에 의해, 히터(40)로 가열되고 있는 부분에 있어서의 내열 금속 재료 부재(10)의 길이 방향에 대하여 외향으로의 열팽창이 구속되기 때문에, 히터(40)로 가열하지 않는 부분의 내열 금속 재료 부재(10)를 클램프 등에 의해 고정할 필요는 없다.
부재(10)의 내열 금속 재료로서는 예를 들면, 0.3Mo강, 0.5Mo강, 0.5Cr-0.5Mo강, 1Cr-0.2Mo강, 1Cr-0.5Mo강, 1.25Cr-0.5Mo강, 2.25Cr-1Mo강, 5Cr-0.5Mo강, 7Cr-0.5Mo강, 9Cr-1Mo강, 0.3Cr-Mo-V강, 0.5Cr-Mo-V강, 9Cr-Mo-V강, 12Cr-Mo-V강, 1Cr-1.25Mo-0.25V강, 9Cr-1Mo-W강, SUS304, SUS304L, SUS316, SUS316L, SUS316TI, SUS317, SUS321, SUS347H, SUS310S, Super304, SUS904L, NCF600, NCF601, NCF800, NCF800H 등을 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니고, 화력·원자력 발전 유닛 기타의 고온 플랜트에서 채용되고 있는 부재의 공지 재료를 적용할 수 있다.
크리프 강화재로서는 융점이 1000℃ 이상이고, 1000℃ 이상의 온도로 가열 함으로써 석출 강화나 고용 강화를 발생시키고, 그것에 의해 크리프 강도를 강화시키는 것이 가능한 원소를 포함하는 것이면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 내열 금속 재료 부재(10)의 소재에 따라서, 예를 들면 B(붕소), W(텅스텐), Cr(크롬), Mo(몰리브덴), Nb(니오브), V(바나듐), Hf(하프늄), Zr(지르코늄), Ti(티탄), Cu(구리) 및 Co(코발트)로부터 선택된 하나 또는 복수의 원소를 적당하게 선택해서 포함시키도록 하여도 좋다. 크리프 강화재를 내열 금속 재료 부재(10)의 표면에 도포하는 경우에는 크리프 강화재의 분말을 그대로 사용해도 되지만, 바인더, 용매, 접착제 등에 의해 액상 또는 페이스트상으로 한 크리프 강화재의 도포제를 사용해도 된다. 또한, 크리프 강화재를 내열 금속 재료 부재(10)의 표면에 용사하는 경우에는 예를 들면, 크리프 강화재의 분말을 이용하여 플라스마 용사법 등의 공지의 용사 방법을 적용해도 좋다. 또한, 내열 금속 재료 부재(10)의 표면에 대한 크리프 강화재의 도포 또는 용사는 본 실시형태와 같이 내열 금속 재료 부재(10)의 외주 전체의 표면에 행해도 되고, 내열 금속 재료 부재(10)의 일부의 표면에 행해도 된다.
내열 피복 부재(30)는 크리프 강화재를 도포 또는 용사한 부분(25)에 접하도록 하고, 상기 부분(25)을 덮을 수 있고, 상기 가열 온도로 가열했을 때에 발생하는, 상기 부분(25)에 있어서의 내열 금속 재료 부재(10)의 외주로의 방향의 열팽창을 억제하고, 상기 부분(25)에 있어서의 내열 금속 재료 부재(10)의 형상을 거의 유지할 수 있는 내열 재료로 이루어지는 것이면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 상기 가열 온도 이상의 온도에 있어서, 내열 금속 재료 부재(10)보다도 열팽창률이 낮은 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 내열 피복 부재(30)가 내열 금속부재(10)에 비해서 열팽창률이 같은 정도이고 내열 금속 재료 부재(10)와는 다른 내열 재료 또는 내열 금속 재료 부재(10)보다도 열팽창률이 높은 내열 재료로 구성되어 있는 경우에는 상기 가열 온도로 가열했을 때에 생기는 내열 피복 부재(30)의 열팽창을 억제하기 위해서, 상기 가열 온도 이상의 온도에 있어서의 열팽창률이 내열 금속 재료 부재(10)에 비해서 낮은 내열 재료 부재에 의해 내열 피복 부재(30)의 외주를 고정하고, 내열 피복 부재(30)의 형상을 유지해도 좋다.
내열 피복 부재(30)의 내열 재료로서는 예를 들면, 알루미나, 지르코니아, 질화 알루미늄, 탄화 규소, 질화 규소, 코디어라이트, 사이알론, 지르콘, 뮬라이트 등의 세라믹스, Alloy 903, Alloy 909, HRA 929 등의 합금 등을 들 수 있다.
내열 피복 부재(30)는 예를 들면 끈, 플레이트, 클램프 등의 형상을 하고 있고, 이들의 고정은 예를 들면 끈상이나 플레이트상의 내열 피복 부재(30)를 크리프 강화재를 도포 또는 용사한 부분(25)에 있어서의 내열 금속 재료 부재(10)의 외주에 권취함으로써 행해도 되고, 클램프 상의 내열 피복 부재(30)를 크리프 강화재를 도포 또는 용사한 부분(25)에 있어서의 내열 금속 재료 부재(10)의 외주에 부착함으로써 행해도 되고, 플레이트 등의 형상을 한 내열 피복 부재(30)를 클램프나 나사 등의 고정구에 의해, 크리프 강화재를 도포 또는 용사한 부분(25)에 있어서의 내열 금속 재료 부재(10)의 외주에 부착함으로써 행해도 된다. 또한, 본 실시형태에 있어서는 내열 피복 부재(30)는 2개의 대략 반원호 단면 형상을 갖는 금구로 이루어지고, 그들의 금구의 플랜지에 부착되는 나사 부재(35)에 의해, 상기 금구의 내면이 크리프 강화재를 도포 또는 용사한 부분(25)에 있어서의 내열 금속 재료 부재(10)의 외주에 접하도록 하고, 내열 피복 부재(30)가 내열 금속 재료 부재(10)의 표면에 고정되어 있다. 상기 나사 부재(35)는 예를 들면, 내열 피복 부재(30)와 같은 재료로 제조되어 있다.
크리프 강화재를 도포 또는 용사한 내열 금속 재료 부재(10)의 가열 온도는 1000℃ 이상의 온도이면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 부재(10)의 내열 금속 재료 및 크리프 강화재 중 A3변태점이 가장 높은 성분의 A3변태점 이상의 온도(바람직하게는 1000℃+10∼100℃)에서 소정 시간(예를 들면, 수시간∼24시간 정도)가열하는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시형태에 있어서는 가열 장치로서, 크리프 강화재를 도포 또는 용사한 내열 금속 재료 부재(10)의 외주로부터 가열 가능한 고주파 가열 히터(40)를 사용하는 것으로 하고 있지만, 크리프 강화재를 도포 또는 용사한 부분(25)에 있어서의 내열 금속 재료 부재(10)를 가열할 수 있는 것이면 특별히 제한되는 것은 아니다.
이상의 방법에 의해, 내열 금속 재료 부재(10)의 내부에 크리프 강화재를 확산 침투시킨 것은 상술한 바와 같이 크리프 강도가 강화되는 점에서, 크리프 강도를 강화시킨 내열 금속 재료 부재로서 유용하다.
10 : 내열 금속 재료 부재 20 : 용접부
25 : 크리프 강화재를 도포 또는 용사한 부분 30 : 내열 피복 부재
35 : 나사 부재 40 : 고주파 가열 히터

Claims (4)

  1. 내열 금속 재료 부재의 표면에 크리프 강화재를 도포 또는 용사하고,
    상기 크리프 강화재를 도포 또는 용사한 부분에 접하도록 상기 부분을 내열 피복 부재로 덮어서 고정하고,
    상기 내열 피복 부재로 덮은 상기 내열 금속 재료 부재를 1000℃ 이상의 온도로 가열하는 것을 포함하고,
    상기 크리프 강화재는 B, W, Cr, Mo, Nb, V, Hf, Zr, Ti, Cu 및 Co로부터 선택된 하나 또는 복수의 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 내열 금속 재료 부재에 대한 크리프 강화재의 확산 침투 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내열 피복 부재로 덮은 상기 내열 금속 재료 부재를 1000℃ 이상의 온도로 가열한 후 냉각하고, 다시 A1변태점 이상의 온도에서 가열하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 내열 금속 재료 부재의 표면에 크리프 강화재를 도포 또는 용사하고,
    상기 크리프 강화재를 도포 또는 용사한 부분에 접하도록 상기 부분을 내열 피복 부재로 덮어서 고정하고,
    상기 내열 피복 부재로 덮은 상기 내열 금속 재료 부재를 1000℃ 이상의 온도로 가열함으로써 얻어지고,
    상기 크리프 강화재는 B, W, Cr, Mo, Nb, V, Hf, Zr, Ti, Cu 및 Co로부터 선택된 하나 또는 복수의 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 크리프 강도를 강화시킨 내열 금속 재료 부재.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 내열 피복 부재로 덮은 상기 내열 금속 재료 부재를 1000℃ 이상의 온도로 가열한 후 냉각하고, 다시 A1변태점 이상의 온도로 가열함으로써 얻어지는 내열 금속 재료 부재.
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