KR20200065150A - 크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판 및 그 제조방법 - Google Patents

크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판 및 그 제조방법이 제공된다.
본 발명의 크롬-몰리브덴 강판은, 중량%로, C: 0.11~0.15%, Si: 0.10% 이하 (0%는 제외함), Mn: 0.3~0.6%, S: 0.010% 이하 (0%는 제외함), P: 0.015% 이하 (0%는 제외함), Cr: 2.0~2.5%, Mo: 0.9~1.1%, V: 0.65~1.0%, Ni: 0.25% 이하 (0%는 제외함), Cu: 0.20% 이하 (0%는 제외함), Nb: 0.07% 이하 (0%는 제외함), Ti: 0.03% 이하 (0%는 제외함), N: 0.015% 이하 (0%는 제외함), Al: 0.025% 이하 (0%는 제외함), B: 0.002% 이하 (0%는 제외함), 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판 및 그 제조방법{CHROMIUM-MOLYBDENUM STEEL SHEET HAVING EXCELLENT CREEP STRENGTH AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 크리프 특성이 우수한 크롬-몰리브덴 강판의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 강재의 구성상인 마르텐사이트 기지의 내부와 결정립계에 미세한 탄질화물만을 형성시켜 고온에서의 전위 이동을 방해하고, 아결정립의 안정성을 확보함으로써 우수한 크리프 강도를 가질 수 있는 크롬-몰리브덴 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발전 및 정유/정제 산업에 있어서 고려해야 할 사항은 환경 친화적 설비의 건설과 에너지 이용의 고효율화이다.
먼저, 발전 효율의 증가를 위해 터빈에 공급되는 증기의 온도 및 압력의 증가가 요구되고, 이에 따라 더 높은 온도에서 증기를 생산할 수 있는 보일러 소재의 내열성 향상은 필수적이다.
또한 정유/정제 산업에서도 최근 환경 규제 강화로 고효율화를 위해 증가된 온도 및 압력에서의 특성이 우수한 강재들이 개발되고 있다.
오스테나이트 스테인리스강은 고가의 합금원소를 다량 함유하고 있어 가격이 비싸고, 좋지 않은 물리적 성질(낮은 열전도도, 높은 열팽창계수) 및 대형 부품 제조의 어려움으로 인해 사용이 제한적이다. 반면에 크롬강은 우수한 크리프 강도, 용접성, 내부식성 및 내산화성 등으로 많이 사용되고 있다.
내열 크롬강의 고온 크리프 강도를 장시간 유지시키기 위해 고용 강화 및 석출 강화 방법이 적용된다. 이를 위해 몰리브덴 및 M(C,N) 탄질화물 (M = 금속원소, C = 탄소, N = 질소) 형성 원소인 바나듐, 니오븀, 타이타늄이 주로 합금된다. 이와 동시에 탄소 함량을 0.002 중량%로 극도로 줄임으로써 열역학적으로 불안정하고 쉽게 조대화되어 크리프 특성을 저하시키는 (Fe,Cr)23C6 탄화물 형성을 억제하고, 미세한 탄질화물을 석출시켜 크리프 특성을 크게 향상 시킨 내열강도 제안되었지만, 위와 같이 탄소 함량을 낮춘 내열강을 상업적으로 대량 생산하는 것은 거의 불가능한 실정이다.
본 발명은 합금 설계 및 열처리를 이용하여, 전술한 종래기술과는 달리, 탄소 함량을 극도로 낮추지 않고도 (Fe,Cr)23C6 탄화물과 같은 조대한 석출물의 형성을 완전히 억제하고 미세한 탄질화물만이 형성시켜 우수한 크리프 특성을 가지는 크롬-몰리브덴 강판 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
그러나 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
중량%로, C: 0.11~0.15%, Si: 0.10% 이하 (0%는 제외함), Mn: 0.3~0.6%, S: 0.010% 이하 (0%는 제외함), P: 0.015% 이하 (0%는 제외함), Cr: 2.0~2.5%, Mo: 0.9~1.1%, V: 0.65~1.0%, Ni: 0.25% 이하 (0%는 제외함), Cu: 0.20% 이하 (0%는 제외함), Nb: 0.07% 이하 (0%는 제외함), Ti: 0.03% 이하 (0%는 제외함), N: 0.015% 이하 (0%는 제외함), Al: 0.025% 이하 (0%는 제외함), B: 0.002% 이하 (0%는 제외함), 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판에 관한 것이다.
상기 강판은 템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 가질 수 있다.
상기 강판의 미세조직에는 (Fe,Cr)23C6를 포함하는 직경 200 nm 이상의 석출물이 1개/㎛2 이하의 개수 범위로 존재하는 것이 바람직하다.
상기 강판의 미세조직에는 직경 20nm 이하의 석출물이 20개/㎛2 이상의 개수 범위로 존재하는 것이 바람직하다.
상기 직경 20nm 이하의 석출물은, (V,Mo,Nb,Ti)(C,N)일 수 있다.
또한 본 발명은,
상술한 조성의 강 슬라브를 마무리 압연온도가 Ar3 이상이 되도록 열간 압연하여 열연강판을 제조한 후, 냉각하는 공정;
상기 냉각된 열연강판을 900~1200℃ 온도범위에서 1t~ 3t분[t(mm)는 열연 강판 두께] 동안 재가열하여 오스테나이트화하는 공정;
상기 오스테나이트화된 열연강판을 상온으로 담금질하는 공정; 및
상기 급냉된 열연 강판을 675~800℃ 온도범위에서 30분~120분 동안 템퍼링하는 공정;을 포함하는 크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판의 제조방법에 관한 것이다.
상술한 바와 같은 구성의 본 발명의 크리프 특성이 우수한 크롬-몰리브덴 강판은 담금질과 템퍼링을 통하여 고온에서의 뛰어난 크리프 수명으로 9 중량%의 다량 크롬을 함유하는 ASTM A387 Grade 91 강보다 긴 크리프 수명을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실험에 이용된 강종 1-4와 종래재에 대한 크리프 시험 결과를 비교하여 나타낸 그림이다.
도 2(a-d)는 본 발명의 실험에 이용된 강종 1-4에 있어서 오스테나이트화 후 냉각 속도에 따른 상변태를 나타내는 딜라토미터(Dilatometer) 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 크롬-몰리브덴 강판 내 바나듐 함량에 따른 (Fe,Cr)23C6 탄화물 형성 깁스 자유 에너지 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험에 이용된 강종 1-4에 대한 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 사진이다.
이하, 본 발명을 설명한다.
전술한 바와 같이, 종래 내열 크롬강은 합금성분으로 몰리브덴 및 M(C,N) 탄질화물 (M = 금속원소, C = 탄소, N = 질소) 형성 원소인 바나듐, 니오븀, 타이타늄을 주로 이용하였으나, 이러한 내열 크롬강은 열역학적으로 불안정하고 쉽게 조대화되어 크리프 특성을 저하시키는 (Fe,Cr)23C6 탄화물 형성을 피할 수 없어 우수한 크리프 특성을 확보하기가 힘들었다.
본 발명자는 이러한 종래기술의 문제점에 해소하기 위하여, 연구와 실험을 거듭하였으며, 그 결과, Cr을 2.0~2.5% 함유한 내열 크롬강 합금에서 바나듐의 첨가량을 최적화하고 동시에 템퍼링온도를 적절하게 제어함으로써 우수한 크리프 특성을 갖는 내열 크롬강을 얻을 수 있음을 확인하고 본 발명을 제시하는 것이다.
이러한 본 발명의 크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판은, 중량%로, C: 0.11~0.15%, Si: 0.10% 이하 (0%는 제외함), Mn: 0.3~0.6%, S: 0.010% 이하 (0%는 제외함), P: 0.015% 이하 (0%는 제외함), Cr: 2.0~2.5%, Mo: 0.9~1.1%, V: 0.65~1.0%, Ni: 0.25% 이하 (0%는 제외함), Cu: 0.20% 이하 (0%는 제외함), Nb: 0.07% 이하 (0%는 제외함), Ti: 0.03% 이하 (0%는 제외함), N: 0.015% 이하 (0%는 제외함), Al: 0.025% 이하 (0%는 제외함), B: 0.002% 이하 (0%는 제외함), 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 크리프 특성이 우수한 크롬-몰리브덴 강판의 성분 한정 이유를 설명하며, 여기에서 "%"는 달리 규정한 바가 없으면 "중량%"를 나타낸다.
·탄소(C): 0.11~0.15%
상기 탄소는 오스테나이트 안정화 원소로써 그 함량에 따라 Ae3 온도와 마르텐사이트 형성 개시 온도를 조절할 수 있는 원소이며, 침입형 원소로 마르텐사이트상의 격자구조에 비대칭적 왜곡을 가하여 강한 강도를 확보하는데 매우 효과적인 원소이다. 그러나 강 중 탄소함량이 0.15%를 초과하면, 탄화물이 과도하게 형성되고, 용접성이 크게 저하되는 단점이 있다.
따라서 본 발명에서 상기 탄소의 함량을 0.11 ~ 0.15% 범위로 제한함이 바람직하다.
·실리콘(Si): 0.10% 이하 (0%를 제외함)
상기 실리콘은 고용강화뿐만 아니라 주조 시 탈산제로서 첨가된다. 다만, 본 발명의 일실시예에 의한 크리프 특성이 우수한 크롬-몰리브덴 강판은 미세한 탄화물과 같은 유익한 탄화물의 형성이 필수적인데 반해, 실리콘은 탄화물 형성을 억제하는 역할을 한다.
따라서 본 발명에서는 실리콘 함량을 0.10% 이하로 제어함이 바람직하다.
·망간(Mn): 0.3~0.6%
상기 망간은 오스테나이트 안정화 원소이고, 강의 경화능을 크게 증가시켜 마르텐사이트와 같은 경질상이 형성될 수 있도록 하게 한다. 또한 황과 반응하여 MnS를 석출하는데 이는 황 편석에 의한 고온 균열을 방지하는데 이롭다. 반면에 망간 함량이 증가할수록 오스테나이트 안정도가 지나치게 증가하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명에서는 상기 망간의 함량을 0.3~0.6% 범위로 제한함이 바람직하다.
·황(S): 0.010% 이하 (0%는 제외함)
상기 황은 불순물 원소로서 그 함량이 0.010%를 초과하게 되면 강의 연성과 용접성이 저하된다.
따라서 황의 함량을 0.010% 이하로 제한함이 바람직하다.
·인(P): 0.015% 이하 (0%를 제외함)
상기 인은 고용강화 효과를 내는 원소지만 황과 마찬가지로 불순물 원소로서 그 함량이 0.015%를 초과하게 되면 강에 취성이 발생하고, 용접성이 저하된다.
따라서 인의 함량을 0.015% 이하로 제한함이 바람직하다.
·크롬(Cr): 2.0~2.5%
상기 크롬은 페라이트 안정화 원소이고 경화능을 증가시키는 원소로서, 그 양에 따라 Ae3 온도 및 델타 페라이트 형성 영역 온도를 조절한다. 또한 크롬은 산소와 반응하여 Cr2O3의 치밀하고 안정한 보호피막을 형성하여 고온 내산화성 및 내부식성을 증가시키지만, 델타 페라이트 형성 온도 영역을 넓힌다. 높은 크롬 함량을 가지는 강을 주조하는 과정에서 델타 페라이트가 형성될 수 있으며, 열처리 후에도 잔류하여 강재 특성에 악영향을 준다.
따라서 본 발명에서는 크롬의 함량을 2.0~2.5% 범위로 제한함이 바람직하다.
·몰리브덴(Mo): 0.9~1.1%
상기 몰리브덴은 경화능을 증가시키고, 페라이트 안정화 원소로 알려져 있다. 강력한 고용 강화를 통해 고온 크리프 수명을 증가시키며, 몰리브덴이 M(C,N) 탄질화물 형성 금속 원소로 참여하여 탄질화물을 안정화시키고, 조대화 속도를 크게 낮춘다. 반면, 몰리브덴 함량이 증가하면 델타 페라이트 형성 온도 영역을 넓힐 가능성이 있고, 강을 주조하는 과정에서 델타 페라이트가 형성 및 잔류할 수 있다. 잔류 델타 페라이트는 강재 특성에 악영향을 준다.
따라서 몰리브덴의 함량을 0.9~1.1% 범위로 제한함이 바람직하다.
·바나듐(V): 0.65~1.0%
상기 바나듐은 M(C,N) 탄질화물 형성 원소 중 하나인데, 바나듐 함량 증가에 따라 (Fe,Cr)23C6 탄화물 형성 구동력이 작아지게 되고, 결과적으로 (Fe,Cr)23C6 탄화물 형성을 완전히 억제할 수 있다. 크롬 함량이 2.0~2.5%의 크롬강에서 (Fe,Cr)23C6 탄화물의 형성을 억제하기 위해서는 0.65% 이상의 바나듐 합금이 필요하다. 하지만, 바나듐 함량이 1.0%를 초과할 경우, 재료의 생산 공정에 어려움을 주는 문제점이 있다.
따라서 바나듐의 함량을 0.65~1.0% 범위로 제한함이 바람직하다.
·니켈(Ni): 0.25% 이하 (0%는 제외함)
상기 니켈은 강의 인성을 향상시키는 원소로 저온인성의 열화 없이 강의 강도를 증가시키기 위해 첨가된다. 만일 그 함량이 0.25%를 초과하여 첨가될 경우에는 니켈 첨가에 의한 가격 상승을 유발한다.
따라서 니켈의 함량을 0.25% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
·구리(Cu): 0.20 이하 (0%는 제외함)
상기 구리는 재료의 경화능을 향상시키는 원소로 열처리 후 강판이 균질조직을 갖도록 하기 위해서 첨가한다. 그러나 만일 그 첨가량이 0.20%를 초과하면 강판 균열 발생 가능성이 높아질 수 있다.
따라서 구리의 함량을 0.20% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
·니오븀(Nb): 0.07% 이하 (0%는 제외함)
상기 니오븀은 M(C,N) 탄질화물 형성 원소 중 하나이다. 또한 슬라브 재가열 시 고용되어 있다가 열간압연 중에 오스테나이트 결정립 성장을 억제하고, 이후 석출되어 강의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 다만 니오븀이 0.07%를 초과하여 과도하게 첨가되면 용접성이 떨어질 수 있으며, 결정립이 필요 이상으로 미세화 될 수 있다.
따라서 니오븀의 함량을 0.07% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
·티타늄(Ti): 0.03% 이하 (0%는 제외함)
상기 티타늄 또한 TiN의 형태로 오스테나이트 결정립 성장을 억제시키는 데에 효과적인 원소이다. 하지만, 상기 티타늄이 0.03%를 초과하여 첨가되면 조대한 Ti계 석출물이 형성되고, 재료의 용접에 어려움을 준다.
따라서 티타늄의 함량을 0.03% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
·질소(N): 0.015% 이하 (0%는 제외함)
상기 질소는 강 중에서 공업적으로 완전히 제거하는 것이 어렵기 때문에 제조공정에서 허용할 수 있는 범위인 0.015%를 상한으로 한다. 질소는 오스테나이트 안정화원소로 알려져 있고, 단순한 MC 탄화물보다 M(C,N) 탄질화물 형성 시 고온 안정도가 크게 상승하여 강재의 크리프 강도를 효과적으로 증가시키는 역할을 한다. 하지만, 0.015%를 초과하게 되면 보론과 결합하여 BN을 형성시켜 결함 발생 위험을 증가시킨다.
따라서 질소의 함량을 0.015% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
·알루미늄(Al): 0.025% 이하 (0%는 제외함)
상기 알루미늄은 페라이트 영역을 확대하고, 주조 시 탈산제로 첨가된다. 크롬강의 경우 다른 페라이트 안정화 원소들이 많이 합금되어 있어, 알루미늄 함량이 증가할 경우 Ae3 온도가 지나치게 상승할 수 있다. 또한 그 첨가량이 0.025%을 초과할 경우 산화물계 개재물이 다량 형성되어 소재의 물성을 저해한다.
따라서 알루미늄의 함량을 0.025% 이하로 제한함이 바람직하다.
·보론(B): 0.002% 이하 (0%는 제외함)
상기 보론은 페라이트 안정화 원소이고, 극소량으로도 경화능 증가에 큰 기여를 한다. 또한, 결정립계에 쉽게 편석되어 결정립계 강화 효과를 준다. 하지만, 0.002%를 초과하여 첨가될 경우, BN을 형성할 가능성이 있고 이는 재료의 기계적 특성에 악영향을 줄 수 있다.
따라서 보론의 함량을 0.002% 이하로 제한함이 바람직하다.
이외에 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수 없다. 이들 불순물들은 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 본 명세서에 특별히 언급하지는 않는다.
이하, 크리프 특성이 우수한 본 발명의 크롬-몰리브덴 강판의 미세조직 및 석출물에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 강판은 그 기지 미세조직으로 템퍼드 마르텐나이트 조직을 포함한다. 그러나 열처리 조건 여하에 따라 일부 템퍼드 베이나이트 조직을 포함할 수도 있다.
본 발명의 강판 미세조직에는 (Fe,Cr)23C6를 포함하는 직경 200 nm 이상의 석출물이 1개/㎛2 이하의 개수 범위로 존재하는 것이 바람직하다. 만일 직경 200 nm 이상의 석출물 개수가 1개/㎛2 를 초과할 경우, 조대한 탄화물에 의한 크리프 특성 저하를 초래할 수 있다.
반면, 본 발명의 강판 미세조직에는 직경 20nm 이하의 석출물이 20개/㎛2 이상의 개수 범위로 존재하는 것이 바람직하다. 만일 직경 20nm 이하의 석출물의 개수가 20개/㎛2 미만이면 미세한 탄질화물 간의 거리가 상당히 커진다. 따라서 고온에서의 전위 이동과 아결정립의 이동을 효과적으로 막지 못해 크리프 특성의 향상 효과가 크지 않을 수 있다.
본 발명에서 상기 직경 20nm 이하의 석출물은, (V,Mo,Nb,Ti)(C,N)를 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 의한 크리프 강도가 우수한 석출경화형 크롬-몰리브덴 강판의 제조방법을 설명한다.
본 발명의 한 크리프 강도가 우수한 석출경화형 크롬-몰리브덴 강판의 제조방법은, 상술한 조성의 강슬라브를 마무리 압연온도가 Ar3 이상이 되도록 열간 압연하여 열연강판을 제조한 후, 냉각하는 공정; 상기 냉각된 열연강판을 900~1200℃ 온도범위에서 1t~ 3t분[t(mm)는 열연 강판 두께] 동안 재가열하여 오스테나이트화하는 공정; 상기 오스테나이트화된 열연강판을 상온으로 담금질하는 공정; 및 상기 급냉된 열연 강판을 675~800℃ 온도범위에서 30분~120분 동안 템퍼링하는 공정;을 포함한다.
먼저, 본 발명에서는 진술한 조성 성분을 갖는 강 슬라브를 마무리 압연온도가 Ar3 이상이 되도록 열간 압연하여 열연 강판을 얻는다. 이와 같이 오스테나이트 단상역에서 열간압연을 수행하는 까닭은 조직의 균일성을 증가시키기 위함이다.
그리고 본 발명에서는 상기 제조된 열연 강판을 상온으로 냉각한다.
이어, 본 발명에서는 상기 냉각된 열연강판을 재가열하여 오스테나이트화한다. 이때, 재가열온도 범위는 900~1200℃이고, 재가열 시간은 열연 강판 두께 t(mm)에 따라 1t~3t분 범위로 수행됨이 바람직하다.
상기 재가열온도가 900℃ 미만일 경우, 열간 압연 후 냉각 과정 중에 형성된 원치 않는 탄화물들의 올바른 재용해가 어렵다. 반면, 재가열온도가 1200℃을 초과하면, 결정립 조대화로 특성이 열위해질 수 있다.
상기 재가열 시간은 열연 강판 두께를 t(mm)라 할 때, 1t~3t분 범위로 수행됨이 바람직하다. 예를 들어, 20mm 두께를 갖는 열연 강판을 재가열하여 오스테나이트화하는 경우, 20~60분을 수행할 수 있다. 만일 상기 재가열 시간이 1t분 미만이면, 열간 압연 후 냉각 과정 중에 형성된 원치 않는 탄화물들의 올바른 재용해가 어려운 반면, 3t분을 초과할 경우, 결정립 조대화로 특성이 열위해질 수 있다.
그리고 본 발명에서는 상기 재가열에 의해 오스테나이트화된 열연 강판을 담금질하여 상온까지 냉각시켜 마르텐사이트 조직을 얻도록 한다. 이때, 기지 조직 냉각 시, 페라이트 및 펄라이트 조직이 형성되어 기지 강도가 크게 감소하지 않도록 주의해야 한다.
후속하여, 본 발명에서는 상기 담금질된 열연 강판을 템퍼링(tempering) 한다. 이때, 템퍼링 온도는 675~800℃, 템퍼링 시간은 30분~120분으로 하여 실시한 후 공냉함이 바람직하다.
만일 템퍼링 온도가 675℃ 미만일 경우, 낮은 온도로 인해 미세한 탄질화물의 석출을 제 시간 내에 유도하지 못할 수 있다. 반면, 템퍼링 온도가 800℃ 초과일 경우, 템퍼링은 재료의 연화를 일으켜 크리프 수명을 크게 저하시킬 수 있다. 템퍼링 시간이 30분 미만일 경우, 형성시키고자 하는 석출물이 형성되지 않을 수 있다. 반면, 템퍼링 시간이 120분 초과일 경우, 석출물 조대화 및 재료의 연화를 일으켜 크리프 수명을 크게 저하될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예)
하기 표 1의 합금 조성과 20mm 두께를 갖는 열연 강판들을 마련하였다. 이어, 상기 열연강판을 1000℃에서 1시간 동안 재가열하고, 담금질 처리하여 상온까지 냉각하였다. 후속하여, 상기 냉각된 강판을 730℃에서 1시간 동안 템퍼링 후 상온까지 공냉하여 Cr-Mo 합금강을 제조하였다. 한편, 하기 표 1에서 강종 1은 ASTM A542D강 조성이며, 강종 2-4는 본 발명의 강 조성성분을 만족하는 강종들이다.
상기와 같이 제조된 Cr-Mo 합금강들에 대하여, 열간 압연 방향으로 ASTM E139 표준을 활용하여 게이지 길이 15mm, 게이지 지름 6mm를 갖는 크리프 시편들을 각각 제작하였으며, 미국 ATS社 2320 크리프 시험 장비를 이용하여 이들 시편들에 대한 고온 크리프 수명을 평가하여 그 결과를 도 1에 나타내었다. 또한 비교를 위하여, 일본 재료연구소 (NIMS)에서 제공한 ASTM A542 강재와 ASTM A387 Grade 91 강재의 크리프 결과도 도 1에 함께 나타내었다.
또한, 딜라토미터를 사용하여 오스테나이트화 후 냉각 속도에 따른 상변태를 확인하였으며, 그 결과를 도 2(a-d)에서 나타내었다. 아울러, 바나듐 함량에 따른 (Fe,Cr)23C6 탄화물 형성 깁스 자유 에너지 변화를 강종 1을 기반으로 하여 Thermo-Calc 프로그램과 TCFE6 데이터베이스를 사용하여 계산하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
그리고 제조된 합금강 시편에 대하여 주사전자현미경 (scanning electron microscopy, SEM)을 활용하여 미세조직을 관찰하였으며, 그 결과들을 도 4에 나타내었다.
강종
No.		 C Si Mn Cr Mo Ni Cu Nb Ti V N Al 비고
1 0.127 0.053 0.490 2.28 1.04 0.206 0.081 0.016 0.012 0.308 0.014 0.017 비교예1
2 0.118 0.060 0.475 2.22 0.98 0.199 0.084 0.015 0.010 0.68 0.013 0.025 발명예1
3 0.124 0.063 0.459 2.23 1.0 0.199 0.082 0.015 0.010 0.79 0.013 0.023 발명예2
4 0.126 0.065 0.455 2.20 0.99 0.199 0.03 0.015 0.010 0.89 0.013 0.017 발명예3
*표 1에서 강종 1-4는 각각 P <30ppm, S <30ppm 및 B <5ppm을 포함함
그리고 다른 성분의 첨가량의 단위는 중량%이며, 잔여 성분은 Fe 및 불가피한 불순물임.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 크롬-몰리브덴 강판의 경우, Cr 9 중량%를 포함하는 ASTM A387 Grade 91 강재보다 더 좋은 크리프 수명을 가지는 것을 알 수 있다. 또한 본 발명의 강조성성분을 만족하는 강종 2-4가 그렇지 않은 강종 1에 비하여 크리프 특성이 보다 우수함을 확인할 수 있다.
도 2(a-d)는 강종 1-4 모두 1000℃에서 1시간 동안 재가열 후, 담금질 처리하여 상온까지 냉각하면 그 기지 미세조직이 마르텐사이트 조직을 포함함을 알 수 있다.
한편 도 3은 바나듐 함량 증가에 따라 (Fe,Cr)23C6 탄화물 형성 구동력이 작아지게 되고, 결과적으로 (Fe,Cr)23C6 탄화물 형성을 완전히 억제할 수 있음을 보여주고 있다. 구체적으로, 크롬 함량이 2.0 내지 2.5중량%의 크롬강에서 (Fe,Cr)23C6 탄화물의 형성을 억제하기 위해서는, 본 발명에서 언급된 템퍼링 온도 범위 675~800℃ 및 크리프 온도를 고려하였을 때 0.65 중량% 이상의 바나듐 합금이 필요함을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 강종 2-4는 강종 1과 달리 모두 0.65중량% 이상의 바나듐을 포함하고 있으므로 (Fe,Cr)23C6 탄화물 형성을 완전히 억제할 수 있음을 알 수 있다.
그리고 도 4는 1000℃에서 1시간 동안 재가열 후, 담금질 처리하여 상온까지 냉각한 후, 730℃에서 1시간 동안 템퍼링된 강판의 미세조직 관찰 결과를 나타낸 주사현미경사진으로서, 강종 2-4는 모두 아결정립계를 따라 미세한 탄질화물 석출을 보이고 있다. 이와 같은 탄질화물들이 고온에서의 전위 이동을 효과적으로 방해할 뿐만 아니라 아결정립의 이동 또한 효과적으로 막아 그 안정성을 확보함으로써 기존의 크롬강에 비해 크리프 특성이 크게 개선됨을 알 수 있다. 이에 반하여, 강종 1은 조대한 (Fe,Cr)23C6 탄화물이 형성되어 크리프 특성이 강종 2-4 대비 좋지 않음을 알 수 있다.
본 발명은 상기 구현 예 및 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 구현 예 및 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해 해야만 한다.

Claims (9)

  1. 중량%로, C: 0.11~0.15%, Si: 0.10% 이하 (0%는 제외함), Mn: 0.3~0.6%, S: 0.010% 이하 (0%는 제외함), P: 0.015% 이하 (0%는 제외함), Cr: 2.0~2.5%, Mo: 0.9~1.1%, V: 0.65~1.0%, Ni: 0.25% 이하 (0%는 제외함), Cu: 0.20% 이하 (0%는 제외함), Nb: 0.07% 이하 (0%는 제외함), Ti: 0.03% 이하 (0%는 제외함), N: 0.015% 이하 (0%는 제외함), Al: 0.025% 이하 (0%는 제외함), B: 0.002% 이하 (0%는 제외함), 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 강판은 템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 가지는 것을 특징으로 하는 크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 강판의 미세조직에는 (Fe,Cr)23C6를 포함하는 직경 200 nm 이상의 석출물이 1개/㎛2 이하의 개수 범위로 존재하는 것을 특징로 하는 크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 강판의 미세조직에는 직경 20nm 이하의 석출물이 20개/㎛2 이상의 개수 범위로 존재하는 것을 특징으로 하는 크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 직경 20nm 이하의 석출물은, (V,Mo,Nb,Ti)(C,N)인 것을 특징으로 하는 크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판.
  6. 중량%로, C: 0.11~0.15%, Si: 0.10% 이하 (0%는 제외함), Mn: 0.3~0.6%, S: 0.010% 이하 (0%는 제외함), P: 0.015% 이하 (0%는 제외함), Cr: 2.0~2.5%, Mo: 0.9~1.1%, V: 0.65~1.0%, Ni: 0.25% 이하 (0%는 제외함), Cu: 0.20% 이하 (0%는 제외함), Nb: 0.07% 이하 (0%는 제외함), Ti: 0.03% 이하 (0%는 제외함), N: 0.015% 이하 (0%는 제외함), Al: 0.025% 이하 (0%는 제외함), B: 0.002% 이하 (0%는 제외함), 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강슬라브를 마무리 압연온도가 Ar3 이상이 되도록 열간 압연하여 열연강판을 제조한 후, 냉각하는 공정;
    상기 냉각된 열연강판을 900℃~1200℃ 온도범위에서 1t~ 3t분[t(mm)는 열연 강판 두께] 동안 재가열하여 오스테나이트화하는 공정;
    상기 오스테나이트화된 열연강판을 상온으로 담금질하는 공정; 및
    상기 급냉된 열연강판을 675~800℃ 온도범위에서 30분~120분 동안 템퍼링하는 공정;을 포함하는 크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 강판은 템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 미세조직를 가지며, 그 강판의 미세조직에는 (Fe,Cr)23C6를 포함하는 직경 200 nm 이상의 석출물이 1개/㎛2 이하의 개수 범위로 존재하는 것을 특징로 하는 크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판의 제조방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 강판은 템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 미세조직를 가지며, 그 강판의 미세조직에는 직경 20nm 이하의 석출물이 20개/㎛2 이상의 개수 범위로 존재하는 것을 특징으로 하는 크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판의 제조방법
  9. 제 8항에 있어서, 상기 직경 20nm 이하의 석출물은, (V,Mo,Nb,Ti)(C,N)인 것을 특징으로 하는 크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판의 제조방법.
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