KR20210072566A - 크리프 강도가 향상된 고온 구조 재료용 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법 - Google Patents

크리프 강도가 향상된 고온 구조 재료용 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

γ'-Ni3(Al,Ti)의 상 안정성을 최대로 향상시킨 알루미늄 및 타이타늄 고함유 크리프 강도가 향상된 선진 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법이 제공된다. 일 실시예에 따른 크리프 강도가 향상된 선진 오스테나이트계 스테인리스강은 철(Fe) 36-49 중량%, 니켈(Ni) 30-35 중량%, 크롬(Cr) 14-18 중량%, 알루미늄(Al) 4-6 중량%, 타이타늄(Ti) 2-4 중량%, 그리고 나이오븀(Nb) 0.5-1.5 중량%을 포함하고, 오스테나이트계 기지 조직을 가지며 오스테나이트계 기지 조직 내에 수지상 간의 B2-NiAl 상이 있다. 일 실시예에 따른 크리프 강도가 향상된 선진 오스테나이트계 스테인리스강은 섭씨 750 도와 150 MPa 환경에서 크리프 파단 시간이 600 시간 이상으로 향상된 크리프 저항성을 나타낸다.

Description

크리프 강도가 향상된 고온 구조 재료용 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법{Creep-strength enhanced austenitic stainless steels for high temperature structural materials and preparing method of the same}
크리프 강도가 향상된 고온 구조 재료용 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법이 제공된다.
다양한 에너지 생산 및 화학 처리 공장은 운전을 위해 고온 시스템을 사용한다. 보일러 및 증기 터빈 발전소 시스템의 운전 온도를 높이면 열 효율이 크게 향상되어 온실 가스의 배출이 줄어들 수 있다. 고온 시스템의 구조적 무결성을 유지하기 위해서는, 사용되는 재료들이 운전 온도에서 높은 하중 조건을 견뎌야 한다. 이에 따라, 일반적으로 Ni계 내열 합금은 고온에서 우수한 크리프 강도가 필요한 적용분야에 사용된다. 그러나, Ni계 내열 합금은 가격 경쟁력 측면에서 비싸다는 단점이 있다.
최근, 고온 응용을 위해 γ'-Ni3(Al, Ti) 및 탄질화물 강화와 함께 새로운 종류의 Fe계 알루미나 형성 합금에 대한 연구가 진행되고 있다. 크리프 및 내산화성의 균형을 위해, 이들 합금에서 금속간 형성 원소들의 함량은 Al의 경우 약 2.5-4 중량%이고, Ti의 경우 0-2 중량%이다.
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 최대 섭씨 800 도까지의 재료의 적용을 위한 오스테나이트계 스테인리스강의 크리프 강도를 증가시켜 고가의 Ni계 내열 합금을 잠재적으로 대체하기 위한 것이다.
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 열역학적 상안정성에 기초하여 조성을 변형하여 오스테나이트계 스테인리스강에서 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물의 상안정성을 최대화하기 위한 것이다.
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 비용 절감을 위해 고용 강화(solid solution strengthening)에 일반적으로 사용되는 합금 원소로서 고가의 중금속을 사용하지 않기 위한 것이다.
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 오스테나이트계 스테인리스강을 적절한 미세 구조 변형으로 잠재적으로 더 높은 내산화성을 갖도록 만들기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, 철(Fe) 36-49 중량%, 니켈(Ni) 30-35 중량%, 크롬(Cr) 14-18 중량%, 알루미늄(Al) 4-6 중량%, 타이타늄(Ti) 2-4 중량%, 그리고 나이오븀(Nb) 0.5-1.5 중량%을 포함하고, 오스테나이트계 기지 조직을 가지며, 오스테나이트계 기지 조직 내에 수지상 간의 상들(interdendritic phases)이 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 탄소(C) 0.01-0.1 중량%를 더 포함할 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 실리콘(Si) 0.1-0.3 중량%를 더 포함할 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 지르코늄 0.1-0.5 중량%(Zr), 그리고 보론(B) 0.005-0.015 중량%를 더 포함할 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들을 가질 수 있다.
γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들은 50 nm이하의 직경을 갖는 구형일 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 공기 중 섭씨 750 도 및 150 MPa의 가속 테스트 조건에서 600 시간을 초과하는 크리프 파단 시간을 가질 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 B2-NiAl 상, 라베스상(laves phase), 그리고 나이오븀 석출물들로부터의 이차 석출 강화제를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법은, 철(Fe) 36-49 중량%, 니켈(Ni) 30-35 중량%, 크롬(Cr) 14-18 중량%, 알루미늄(Al) 4-6 중량%, 타이타늄(Ti) 2-4 중량%, 그리고 나이오븀(Nb) 0.5-1.5 중량%을 포함하는 혼합 강재를 용해하고, 용해된 혼합 강재를 주조하여 오스테나이트계 기지 조직을 갖는 주조 강재를 형성하는 용해 및 주조 단계, 주조 강재를 진공 아크 재용해로에서 용융시키는 진공 아크 재용해 처리 단계, 그리고 용체화 처리하여, 오스테나이트계 스테인리스강을 제조하는 단계를 포함한다.
혼합 강재는 탄소(C) 0.01-0.1 중량%를 더 포함할 수 있다.
혼합 강재는 실리콘(Si) 0.1-0.3 중량%를 더 포함할 수 있다.
혼합 강재는 지르코늄 0.1-0.5 중량%(Zr), 그리고 보론(B) 0.005-0.015 중량%를 더 포함할 수 있다.
용체화 처리는 섭씨 1100 도 내지 섭씨 1300 도에서, 10 분 내지 20 분 동안 진행될 수 있다.
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 크리프 강도가 향상된 선진 오스테나이트계 스테인리스강(advanced creep strength enhanced austenitic stainless steel)이며, Al 및 Ti 함량을 모두 증가시킴으로써 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들을 최대화할 수 있다.
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 크리프 테스트 동안 오스테나이트계 기지 조직에서 크기가 약 50 nm이하인 구형 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들로 의해 섭씨 750 도 및 150 MPa에서 600 시간 이상의 크리프 파단 시간을 가질 수 있다.
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 고온 크리프 저항성을 위한 석출물들의 강화에 의존하기 때문에, 고가의 고용강화 원소는 비용 절감을 위해 사용되지 않을 수 있다.
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 Al 함량이 높아 내산화성을 향상시킬 수 있고, 층간 확산 결합 공정(diffusion-bonding process)을 향상시킬 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 Ti 함량에 따른 Fe-35Ni-16Cr-4.5Al-1Nb 합금에 대한 ThermoCalc의 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물 분율이고, 도 1b는 Al 함량에 따른 Fe-35Ni-16Cr-3Ti-1Nb 합금에 대한 γ'-Ni3(Al, Ti) 과 η-Ni3Ti 상 분율이고, 도 1a 및 도 1b의 세로선은 섭씨 750 도에 해당한다.
도 2a는 공랭 (air cooling, AC) 조건에서, 도 2b는 용체화 열처리 (solution annealing, SA) 조건에서 실시예 4의 SEM-BSE 이미지이다.
도 3은 공기 중 섭씨 750 도, 150 MPa에서 오스테나이트계 스테인리스강의 크리프 파단시간을 나타낸 그래프이다.
도 4a는 AC 조건에서 실시예 4의 크리프 파단 표본의 SEM-BCE 이미지이고, 도 4b는 TEM 이미지이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 크리프 시험 동안 석출되는 일차 강화 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들을 갖는 오스테나이트계 기지 조직으로 구성된다. 오스테나이트계 기지 조직 내에 B2-NiAl 수지상 간의 상들(interdendritic phases)이 있다. γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들은 일차 석출 강화제로 나노크기의 구형이며, 오스테나이트계 기지 조직과 정합을 이룬다. 나아가 오스테나이트계 스테인리스강은 선택적으로 B2-NiAl 상, 라베스상(laves phase), 그리고 나이오븀 석출물들로부터의 이차 석출 강화제를 포함할 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 철(Fe), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 그리고 나이오븀(Nb)을 포함한다. 나아가, 오스테나이트계 스테인리스강은 선택적으로 실리콘(Si), 지르코늄(Zr), 탄소(C), 또는 보론(B) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 열역학적 계산에 의해 예측된 것처럼 Al 및 Ti 함량의 증가에 의해 오스테나이트계 스테인리스강에서 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들의 상안정성이 최대화될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 크리프 강도가 향상된 선진 오스테나이트계 스테인리스강은, 공기 중 섭씨 750 도 및 150 MPa의 가속 테스트 조건에서 600 시간을 초과하는 크리프 파단 시간을 갖는다. 크기가 약 50 nm이하인 구형 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들이 크리프 강도를 향상시키는 주요 강화제로 될 수 있다.
일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 최대 섭씨 800 도까지의 고온 구조 재료로 사용될 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강에서 철의 함량은 니켈의 함량보다 높으면서, 오스테나이트계 스테인리스강은 완전한 면심입방 격자 구조를 유지할 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 36-49 중량%의 철(Fe)을 함유한다.
철 함량이 36 중량% 미만일 때, 가격이 상용 내열 합금보다 효율적이지 않으며, 철 함량이 49 중량% 초과일 때, 원하는 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들 및 B2- NiAl 상들이 형성되지 않을 수 있다. 원하는 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들 및 B2-NiAl 상들은 각각 크리프 강도 및 내산화성을 갖는다
오스테나이트계 스테인리스강은 30-35 중량%의 니켈(Ni)을 함유한다.
니켈은 오스테나이트 안정화원소로 사용되며 또한 금속간 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들 및 B2-NiAl 상들을 안정화시키기 위해 사용된다. 니켈 함량은 Fe계 내열합금의 함량과 일치하도록 30-35 중량%로 설정된다. 니켈 함량이 30 중량% 미만일 때, B2-NiAl 상들이 오히려 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들보다는 안정화될 것이며, 니켈 함량이 35 중량% 초과일 때, 가격이 상용 내열 합금보다 효율적이지 않다.
오스테나이트계 스테인리스강은 14-18 중량%의 크롬(Cr)을 함유한다.
크롬은 페라이트 안정화원소이며, 크롬이 12 % 이상 사용시 고온에서 뛰어난 내산화성을 제공한다. 또한 크롬이 다량으로 사용되는 경우, 고온에서 기계적 물성에 악영향을 미치는 시그마상을 더 발생시킬 수 있다. 크롬 함량이 14 중량% 미만일 때, 내산화성을 감소시킬 수 있으며, 크롬 함량이 18 중량% 초과일 때 페라이트상 및 기계적 물성에 악영향을 미치는 시그마상을 더 발생시킬 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 0.5-1.5 중량%의 나이오븀(Nb)를 함유한다.
나이오븀은 라베스상(Fe2Nb) 및 나이오븀 석출물들과 같은 이차 강화상들을 형성하고, 산화 동안 Al2O3 형성을 촉진한다. 나이오븀 함량이 0.5 중량% 미만일 때, 이차 강화상들이 충분히 형성되지 않을 것이고, 나이오븀 함량이 1.5 중량% 초과일 때, 이차 강화상들은 조대화될 것이다.
오스테나이트계 스테인리스강은 4-6 중량%의 알루미늄(Al)을 함유한다.
오스테나이트계 스테인리스강은 2-4 중량%의 타이타늄(Ti)을 함유한다.
Al과 Ti는 모두 Ni와 함께 규칙 금속간 상들(ordered intermetallic phases)을 안정화시킨다. 열역학적 계산에 의하여 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물의 상안정성을 최대화하기 위해 조성 범위를 결정할 수 있다. 예를 들어, 열역학적 계산은 최신의 TCFE9 데이터베이스를 갖는 ThermoCalc 프로그램을 사용할 수 있다. 도 1a는 기본 합금 Fe-35Ni-16Cr-4.5Al-1Nb에 대한 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들의 상안정성에 대한 Ti 함량의 영향을 중량%로 나타낸다. 2 중량% Ti는 0 중량% Ti 합금보다 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들의 고온 상안정성을 상당히 향상시키며, 4 중량% Ti의 경우 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들의 고온 상안정성을 더욱 향상시킨다. 도 1a 및 도 1b의 세로 선은 섭씨 750 도에 해당한다. 도 1a에 나타난 것처럼, Ti 함량을 2 중량%에서 4 중량%로 증가시키면, 섭씨 750 도에서 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들의 상분율(phase weight fraction)이 0.2에서 0.31로 증가한다. 충분한 Al 함량이 없이 Ti를 과잉 사용하는 경우, γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들 대신에 유해한 상인 η-Ni3Ti 상을 안정화시킬 것이다. η-Ni3Ti상은 Ti 함량이 높은 합금에서 매우 안정적이며 크리프 특성을 저하시키는 것으로 알려져 있다. 열역학적 상안정성에 대한 Al 함량의 효과는 중량%로 기본 합금 Fe-35Ni-16Cr-3Ti-1Nb에 대해 도 1b에 도시되어 있다. Al 함량을 3 중량%에서 4.5 중량%로 증가 시키면 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들의 안정성이 상당히 향상되고, 또한 η-Ni3Ti 상이 지연되는 것으로 나타났다. 따라서, 크리프 특성을 향상시키기 위해서 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들을 최대화할 수 있으며, 이를 위해 Al 및 Ti 함량을 일정 수준으로 증가시키는 것이 중요하다. γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들은 50 nm이하의 직경을 갖는 구형이다. 오스테나이트계 스테인리스강의 Al 및 Ti 함량 범위는 각각 4-6 중량% 및 2-4 중량%이다. Al 함량이 4 중량% 미만이고 Ti 함량이 2 중량% 미만일 때, γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들 안정성에 영향을 미치며, Al 함량이 6 중량% 초과이고 Ti 함량이 4 중량% 초과일 때, 주어진 Ni 함량에 대한 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들의 안정화 대신 B2-NiAl 상들이 안정화된다.
오스테나이트계 스테인리스강은 선택적으로 실리콘(Si)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 0.1-0.3 중량%의 실리콘(Si)을 함유할 수 있다.
실리콘은 탈산제이며 탄화물의 침전을 증가시킨다. 실리콘이 0.3 중량% 초과일 때, 석출물들이 조대화를 시작한다.
오스테나이트계 스테인리스강은 선택적으로 지르코늄(Zr)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 0.1-0.5 중량%의 지르코늄(Zr)을 함유한다.
오스테나이트계 스테인리스강은 선택적으로 보론(B)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 0.005-0.015 중량%의 보론(B)를 함유한다.
지르코늄과 보론은 결정립계로 분리되고 석출물을 강화시켜, 크리프 강도를 증가시키고, 내산화성을 향상시킨다. 지르코늄이 0.5 중량% 초과이고, 보론이 0.015 중량% 초과일 때, 원치 않는 상들의 석출이 촉진될 것이다.
오스테나이트계 스테인리스강은 선택적으로 탄소(C)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 0.01-0.1 중량%의 탄소(C)를 함유한다.
탄소는 오스테나이트 안정화원소이며, 이차 강화 카바이드 석출물들을 형성하고 내산화성을 향상시킨다. 탄소 함량이 0.01 중량% 미만일 때, 이차 강화상들이 충분히 형성되지 않을 것이고, 탄소 함량이 0.1 중량% 초과일 때, 이차 강화상들은 조대화될 것이다.
일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법은 용해 및 주조 단계, 진공 아크 재용해 처리 단계, 그리고 용체화 처리 단계를 포함한다.
용해 및 주조 단계에서는 철(Fe) 36-49 중량%, 니켈(Ni) 30-35 중량%, 크롬(Cr) 14-18 중량%, 알루미늄(Al) 4-6 중량%, 타이타늄(Ti) 2-4 중량%, 그리고 나이오븀(Nb) 0.5-1.5 중량%을 포함하는 혼합 강재를 용해하고, 용해된 혼합 강재를 주조하여 오스테나이트계 기지 조직을 갖는 주조 강재를 형성한다.
여기서 혼합 강재는 탄소(C) 0.01-0.1 중량%를 더 포함할 수 있다. 혼합 강재는 실리콘(Si) 0.1-0.3 중량%를 더 포함할 수 있다. 혼합 강재는 지르코늄 0.1-0.5 중량%(Zr), 그리고 보론(B) 0.005-0.015 중량%를 더 포함할 수 있다.
용해 공정은 공지의 공정일 수 있다. 예를 들어, 진공 유도 용해(vacuum induction melting) 공정이 적용될 수 있으며, 특별히 이에 제한되지 않는다.
주조 공정 또한 공지의 공정이 적용될 수 있다. 예를 들어, 잉곳(ingot) 형태로 주조될 수 있으며, 특별히 이에 제한되지 않는다.
용해 및 주조 단계에서, 오스테나이트계 기지 조직이 형성될 수 있다.
다음, 진공 아크 재용해 처리 단계에서, 주조 강재를 진공-아크 재용해로에서 용융시킨다. 이후, 용융된 주조 강재를 물로 급랭시킬 수 있다.
다음, 용체화 처리 단계에서, 재용해된 혼합물을 용체화 처리한다. 예를 들어, 용체화 처리는 약 섭씨 1100 도 내지 약 섭씨 1300 도에서, 약 10 분 내지 약 20 분 동안 진행될 수 있다. 이후, 물을 이용하여 급랭시켜 오스테나이트계 스테인리스강을 제조한다.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 내지 5
5 개의 오스테나이트계 스테인리스강들이 제조되며, 그 상세한 조성은 하기 표 1에 나타낸다. 실시예 3 내지 5의 오스테나이트계 스테인리스강은 크리프 강도를 향상시키는 미량의 지르코늄 및 보론과 함께 타이타늄을 2-4 중량%로 더 높은 함량으로 함유한다. 지르코늄과 보론은 결정립계로 분리되고 석출물을 강화시켜, 크리프 강도를 증가시키고, 내산화성을 향상시킨다.
Alloys Fe Ni Cr Al Ti Nb Si Zr C B
실시예 1 Bal. 30 18 4.5 1 1 0.2 0.3 0.025 -
실시예 2 Bal. 35 16 4.5 3 1 - - 0.025 -
실시예 3 Bal. 35 18 4.5 2 1 0.2 0.3 0.08 .015
실시예 4 Bal. 35 18 4.5 3 1 0.2 0.3 0.08 .015
실시예 5 Bal. 35 18 4.5 4 1 0.2 0.3 0.08 .015
실시예 1 내지 5의 오스테나이트계 스테인리스강들을 진공-아크 재용해로에서 용융시키고, 물로 급랭시켜 약 250 g의 최종 잉곳을 제조한다. 이러한 잉곳들로부터 미세 구조 및 크리프 시편을 제작하며, 이러한 조건을 주조(as-cast, AC) 조건이라 한다. 소량의 잉곳을 섭씨 1200 도에서 15 분 동안 용체화 열처리하여, 물에서 급랭시켜 시편을 제작하며, 이러한 조건을 용체화 열처리(solution annealed, SA) 조건이라 한다.
미세 구조 SEM 분석
AC 및 SA 조건에서, 실시예 4의 시편은 1 μm 다이아몬드가 함유된 페이스트 연마제로 연마되고, 주사전자현미경-후방산란전자(SEM-BSE) 분석이 수행된다. 도 2a 및 2b는 AC 및 SA 조건에서 각각 실시예 4의 SEM BSE 이미지를 도시한다. 도 2a에 도시된 것처럼 수지상 미세구조(dendrite microstructure)를 갖는 오스테나이트계 기지 조직으로 구성된 AC 시편에서, 회색의 조대한 수지상간 B2-NiAl 상이 밝은 조대한 라베스상에 부착되어 있는 것을 알 수 있다. 한편, 용체화 열처리는 대부분의 조대한 라베스상과 수지상 간의 B2-NiAl상을 용해시키며, 일부 수지상 간의 B2-NiAl 상은 용체화 열처리 동안 더욱 조대화된다. 다른 실시예들의 시편에서도 동일한 미세 구조들이 관찰된다. AC 및 SA 조건에서, 예비적인 미세 구조 분석과 크리프 분석이 수행되며, 미세 구조를 향상시키기 위해 추가적으로 열-기계적 처리(thermo-mechanical treatment)가 수행된다.
크리프 테스트
실시예 1 내지 5의 오스테나이트계 스테인리스강들에 대하여, 에어 크리프 테스트가 더 높은 부하 및 온도 조건에서의 가속 테스트를 위해 섭씨 750 도 및 150 MPa에서 수행된다. 도 3은 AC 조건 및 SA 조건에서 실시예 1 내지 5의 오스테나이트계 스테인리스강들에 대한 크리프 파단 시간을 나타낸다. 실시예 2(3 중량% Ti)의 크리프 파단 시간은 실시예 1(1 중량% Ti)의 크리프 파단 시간보다 상당히 높다는 것을 알 수 있다. ThermoCalc 프로그램에 의해 Ti 함량을 증가시키면 안정화된 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들의 비율이 더 높다는 것을 알 수 있다. 실시예 1에서 형성된 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들은 Zr을 포함하지만, 고온에서 효과적인 강화제로는 충분하지 않은 것으로 나타난다. 이러한 비교로부터 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들이 고온에서 실시예 2의 주요 강화제라는 것을 알 수 있다.
실시예 3 내지 5의 오스테나이트계 스테인리스강들은 실시예 1 및 2보다 향상된 크리프 파단 시간을 나타낸다. ThermoCalc 프로그램에 따르면, 일차 강화제인 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들이 증가했기 때문이며, 또한 지르코늄 및 보론이 포함되기 때문이다. 실시예 2와 실시예 4를 비교하면, 실시예 4의 크리프 파단시간이 더 증가한 것을 알 수 있으며, 이는 지르코늄 및 보론이 결정립계로 분리되고 석출물을 강화시켜, 크리프 강도를 증가시켰기 때문이다.
실시예 1 내지 5의 오스테나이트계 스테인리스강들은 모두 SA 조건이 AC 조건보다 더 큰 크리프 파단 시간을 나타낸다. 이는 수지상 미세구조에서 조대화 상들이 기지 내로 용해하여, 더 많은 강화 석출물들이 형성되었기 때문이다. 또한 이는 적절한 열-기계적 처리를 사용하여 크리프 강도를 향상시키기 위해 미세 구조가 더욱 최적화될 수 있음을 의미한다.
크리프 테스트 시편의 미세 구조 SEM 분석
AC 조건에서 크리프 테스트된 실시예 4의 오스테나이트계 스테인리스강은 SEM-BSE 분석을 위해 1 μm 다이아몬드가 함유된 페이스트 연마제로 연마된다. 도 4a의 SEM-BSE 모드 이미지는 크리프 시험 동안 오스테나이트계 기지 조직에서 길게 늘어진 B2-NiAl 석출물들의 석출을 나타내고, 초기 수지상간의 B2-NiAl 및 라베스상이 여전히 남아 있는 것을 알 수 있다.
크리프 테스트 시편의 미세 구조 TEM 분석
크리프 시험 후 AC 조건에서 실시예 4의 오스테나이트계 기지 조직을 투과형 전자 현미경(TEM)으로 추가로 분석한다. 투과형 전자 현미경용 박막시편은 FIB (Focused Ion Beam) 리프트-아웃 기술을 사용하여 준비하고, 200 kV에서 TEM 분석이 수행된다. 도 4b에서, 투과형 전자 현미경에서 에너지분산형 분광분석법을 활용한 맵핑 분석으로부터, 오스테나이트계 기지 조직에서 석출된 나노크기의 γ'-Ni3(Al,Ti) 석출물들은 Ni, Al, Ti 원소를 포함하고 있으며, 해당 석출물들의 평균 크기는 약 50 nm이다. 또한, γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들은 구형인 것을 알 수 있으며, 이에 따라 고온에서 효과적인 강화제가 될 수 있다. 또한, 도 4b에서 제한 시야 회절(selected area diffraction, SAD) 패턴을 통해, γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들의 L12 구조를 확인하고 오스테나이트계 기지 조직과 정합을 이루는 것을 알 수 있다. 예비 가속 크리프 시험(preliminary accelerated creep testing)으로부터 실시예의 오스테나이트계 스테인리스강들은 더 높은 크리프 강도를 나타내므로, 실시예의 오스테나이트계 스테인리스강들이 고가의 Ni계 내열 합금을 잠재적으로 대체할 수 있다는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (16)

  1. 철(Fe) 36-49 중량%, 니켈(Ni) 30-35 중량%, 크롬(Cr) 14-18 중량%, 알루미늄(Al) 4-6 중량%, 타이타늄(Ti) 2-4 중량%, 그리고 나이오븀(Nb) 0.5-1.5 중량%을 포함하고,
    오스테나이트계 기지 조직을 가지며,
    상기 오스테나이트계 기지 조직 내에 수지상 간의 상들(interdendritic phases)이 있는
    오스테나이트계 스테인리스강.
  2. 제1항에서,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강은 탄소(C) 0.01-0.1 중량%를 더 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강.
  3. 제2항에서,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강은 실리콘(Si) 0.1-0.3 중량%를 더 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강.
  4. 제3항에서,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강은 지르코늄 0.1-0.5 중량%(Zr), 그리고 보론(B) 0.005-0.015 중량%를 더 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강.
  5. 제4항에서,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강은 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들을 갖는 오스테나이트계 스테인리스강.
  6. 제5항에서,
    상기 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들은 50 nm이하의 직경을 갖는 구형인 오스테나이트계 스테인리스강.
  7. 제5항에서,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강은 공기 중 섭씨 750 도 및 150 MPa의 가속 테스트 조건에서 600 시간을 초과하는 크리프 파단 시간을 갖는 오스테나이트계 스테인리스강.
  8. 제5항에서,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강은 B2-NiAl 상, 라베스상(laves phase), 그리고 나이오븀 석출물들로부터의 이차 석출 강화제를 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강.
  9. 철(Fe) 36-49 중량%, 니켈(Ni) 30-35 중량%, 크롬(Cr) 14-18 중량%, 알루미늄(Al) 4-6 중량%, 타이타늄(Ti) 2-4 중량%, 그리고 나이오븀(Nb) 0.5-1.5 중량%을 포함하는 혼합 강재를 용해하고, 용해된 상기 혼합 강재를 주조하여 오스테나이트계 기지 조직을 갖는 주조 강재를 형성하는 용해 및 주조 단계,
    상기 주조 강재를 진공 아크 재용해로에서 용융시키는 진공 아크 재용해 처리 단계, 그리고
    용체화 처리하여, 오스테나이트계 스테인리스강을 제조하는 단계
    를 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 혼합 강재는 탄소(C) 0.01-0.1 중량%를 더 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 혼합 강재는 실리콘(Si) 0.1-0.3 중량%를 더 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 혼합 강재는 지르코늄 0.1-0.5 중량%(Zr), 그리고 보론(B) 0.005-0.015 중량%를 더 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강은 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들을 갖는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 γ'-Ni3(Al, Ti) 석출물들은 50 nm이하의 직경을 갖는 구형인 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
  15. 제13항에서,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강은 B2-NiAl 상, 라베스상, 그리고 나이오븀 석출물들로부터의 이차 석출 강화제를 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
  16. 제9항에서,
    상기 용체화 처리는 섭씨 1100 도 내지 섭씨 1300 도에서, 10 분 내지 20 분 동안 진행되는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
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