KR20220104183A

KR20220104183A - 고체 금속 부품 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20220104183A
Application number: KR1020227018926A
Authority: KR
Inventors: 베르나드 야릭스
Original assignee: 엘렉트리씨트 드 프랑스
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2022-07-26
Also published as: FR3103498B1; US20220402241A1; EP4061565A1; CN114728337A; CA3162447A1; JP2023516232A; WO2021099697A1; FR3103498A1

Abstract

본 발명은 특히 고체 금속 부품과 관련이 있다. 이 부품(1)은 특히 코어(5) 및 모든 방향에서 상기 코어(5)를 둘러싸는 외부 쉘(3)을 포함하며, 상기 코어(5) 및 상기 쉘(3)은 상이한 강종으로 만들어지며, 상기 코어(5)의 강은 상기 쉘(3)의 강 또는 강들의 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도보다 낮은 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도를 갖는다는 점을 주목할 만하다.

Description

고체 금속 부품 및 그 제조 방법

본 발명은 고체 금속 부품의 제조의 일반적인 분야 속해 있다.

본 발명은 예를 들어 "튜브 플레이트"라고 하는 원자력 발전소용 증기 발생기의 하부에서 발견되는 것과 같은, 큰 치수 및 큰 두께의 금속 부품의 제조에서 비독점적인 응용을 발견한다.

이러한 증기 발생기의 기능은 전기를 생산하기 위한 교류 발전기의 회전자를 구동하는 터빈을 작동시킬 회로(소위 "2차" 회로)로 출력되기 위해 증기 상태에 놓일 공급 물과 접촉하는 수천 개의 U-모양의 튜브를 경유하여 원자력 발전소의 리액터로부터 - 핫 소스 - 물의 칼로리를 전달하는 것이다. 칼로리를 증기 발생기 내로 방출한 후, 물은 리액터 인렛(inlet)으로 다시 흐른다.

상기 수천 개의 튜브는 매우 큰 길이를 가지며, 물이 안팍으로 자유롭게 흐르게 하는 구멍을 드러내는 튜브 플레이트 내로 용접된 스페이스에 의해 일정한 높이로 고정되어 있다. 칸막이는 여러 순환수를 분리하기 위해 튜브 플레이트의 하부에 "워터 박스"라고 하는 것에 장착되어 있다.

가압수 발전소의 증기 발생기의 튜브 플레이트는 교환 튜브의 통로를 위한 수천 개의 구멍이 뚫린 두껍고 (50 내지 60 cm) 큰 직경 단조품이다. 양측의 압력차로 인해 기계적으로 높은 응력을 받기 때문에, 강성은 그것의 두께와 그것이 만들어지는 물질의 기계적 특성, 즉 탄소 망간 등급의 저합금강에 의해 얻어진다.

이 부품의 매우 견고한 특성은 두 가지 주요 제조 어려움의 원인이다:

- 요구되는 잉곳 사이즈와 최종 두께에 의해 요구되는 낮은 수준의 가공에서 기인하는 부품 내의 야금학적 및 화학적 균질성은 상당히 나쁘며 이는 그 질량의 기계적 특성의 변화를 초래한다.

- 사용된 강의 매우 큰 두께 및 제한된 경화능(hardenability)의 조합은, 우수한 열처리 후 플레이트 코어에서, 템퍼링된 베이나이트(bainite) 또는 마르텐사이트(martensite)의 마이크로조직을 허용하지 않으며, 이는 저항과 강인성(tenacity) 사이의 최상의 절충을 보장한다.

일반적으로, 부품의 중심에서 탄성전이온도가 50°C 넘게 증가하는 동안, 항복 강도, 인장 강도 및 연성 베어링은 저하된다.

이러한 평범한 특성을 개선하는 것은 덜 견고하여 제조하기 쉬운 플레이트를 설계하거나 훨씬 큰 안전 여유를 제공하는 것을 가능하게 한다.

관련된 방식에서, 리드 타임 및 공급의 자유도에서 이득이 또한 크게 기대된다.

이 튜브 플레이트에 요구되는 기본 기능은 기본적으로 다음과 같다:

- 차압 전하 하에서 굽힘 저항;

- 튜브 번들을 수용하고 유지하기 위한 제조 및 작동 동안 기계적 안정성;

- 증기 발생기의 페럴과 보울에 용접될 능력;

- 스테인리스강 또는 니켈계 합금으로 용접되어 클래드(clad)되는 능력;

따라서, 단순화하기 위해 추구되어야 할 절충안은 세 가지 특성과 관련이 있다:

- 탄성 한계 및 인장 강도;

- 인성과 탄성;

- 용접성;

이 마지막 특성(용접성)과 관련하여, EN 10028-2에 따라 계산된 강의 탄소 당량(C*)은 약 0.52%(일반 값)에서 0.62%( 열처리에 최적화된 강 "18 MND 5")로, 너무 많이 초과해서는 안되는 목표 값을 나타내며, 그렇지 않으면 여러 용접부의 예열 온도가 절충될 수 있지만, 무엇보다 저온 균열의 위험이 있을 수 있다는 것에 유의해야 할 것이다.

이러한 제조업계의 기술적 수준은 위에서 언급한 제1 결함(열악한 균일성)에 대하여, 잉곳 주조, 편석 영역의 드롭핑(dropping), 및 플레이트 단조를 달성하기 어렵고 낭비의 위험이 있음을 나타낸다.

또한 강종 변경 외에, 기계적 특성, 경화능 및 용접성 간의 필수 절충으로 인해 제2 문제(제한된 경화능)에 대한 솔루션이 없음을 나타낸다.

본 발명의 목적은 이러한 결점을 극복하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은 먼저 코어 및 모든 방향에서 상기 코어를 둘러싸는 외부 쉘을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 금속 부품에 관한 것이며, 이러한 코어 및 쉘은 상이한 강종으로 만들어지며, 상기 코어의 강은 상기 쉘의 강들 또는 강의 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도보다 낮은 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도를 나타낸다.

본 발명의 이러한 특성 덕분에, 얻어진 부품은 특히 균일한 기계적 특성을 갖는다. 경도와 관련한 경우는 특히 그렇다. 한편, 탄성과 인성(toughness)은 높다.

이 부품의 다른 유리하고 비제한적인 특성에 따르면, 상기 코어는 적어도 하나의 내부 쉘로 둘러싸여 있고, 이 내부 쉘은 상기 외부 쉘로 둘러싸여 있고, 상기 코어의 강은 상기 내부 쉘의 강의 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도보다 낮은 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도를 가지며, 상기 내부 쉘의 강의 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도는 상기 외부 쉘의 강의 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도보다 낮다.

본 발명은 또한 이러한 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

이 방법은 상기 코어 및 상기 쉘 또는 쉘들의 나머지 각각을 동시에 형성하기 위해, 사전에 제조된 베이스 상에, 적층 제조 또는 용접에 의해 상기 강을 퇴적(depositing)시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 방법의 다른 비제한적이고 유리한 특성에 따르면:

- 상기 외부 쉘의 나머지의 강종은 상기 베이스의 강종과 동일하다;

- 상기 외부 쉘의 나머지의 강종은 상기 베이스의 강종과 상이하고, 이 두 등급은 동일하거나 거의 동일한 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도를 나타낸다;

- 상기 베이스는 단조 또는 압연으로 만들어진다;

- 상기 베이스는 적층 제조 또는 용접으로 만들어진다;

본 발명의 다른 특징 및 이점은 예시적이지만 제한적인 목적이 아닌 다양한 가능한 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 이제 주어지는 설명으로부터 명백해질 것이다.
이 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 부품의 수직 단면 평면에 따른 개략도이다.
도 2는 도 1의 부품의 제조 단계를 도시하는 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 것보다 나중 단계에서 부품의 제조 공정을 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 부품의 중심에서 담금질(quenching) 및 템퍼링 후의 경도 변화를 이후 참조될 표 1에 나타나는 물질을 사용하여 나타내는 도면이다.

다음으로 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 신중하게 조직된 물질의 조합 및 품질 처리 후, 부품의 두께 전체에 걸쳐 균일한 높은 기계적 특성을 제공하여 생산되는 제조 공정을 기반으로 한다.

청구 범위를 포함하여 본 명세서 전반에 걸쳐, 용어 "부품"은 플레이트, 즉 두께가 길이와 너비보다 작은 물체 및 다른 치수보다 큰 두께를 가지는 임의의 다른 3차원 물체, 예를 들어 평행육면체 또는 원통형, 둘 다 의미하는 것으로 이해된다.

본 발명에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 디스크 형태의 고체 금속 플레이트(1)가 포함된다.

스테인리스 강 또는 Inconel 상표로 알려진 합금의 두께(2)에 위치되는 것으로 도시된다. 도 2 및 3에 도시된 것과 달리, 이 두께는 그것이 제조된 후에, 플레이트(1)와 관련된다.

플레이트가 증기 발생기 하부 플레이트인 경우(위에서 설명한 바와 같이) 두께(2)는 일차수(primary water)와 접촉하고 따라서 플레이트(1)의 나머지에 대해 부식 장벽을 형성한다.

이 플레이트(1)는 코어(5) 및 상기 코어(5)를 모든 방향에서 둘러싸는 외부 쉘(3)을 포함한다. 이 코어(5) 및 쉘(3)은 상이한 강종으로 만들어진다.

보다 정확하게는, 여기에 도시된 실시예에서, 코어(5)는 내부 쉘(4)에 의해 둘러싸여 있고, 이 내부 쉘(4)은 상기 외부 쉘(3)에 의해 둘러싸여 있다.

도시되지 않은 실시예는 코어와 직접 접촉하는 단일 외부 쉘(3), 또는 반대로 2개 이상의 쉘을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 어떠한 경우에도, 코어(5) 및 각각 쉘(3) 및 (4)의 강종은 상이하고, 상기 코어(5)의 강은 이를 둘러싸는 쉘(4)의 강의 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도보다 낮은 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도를 가지며, 이전 쉘을 둘러싸는 각 쉘에 대해 그러하다.

따라서, 도 1의 경우, 내부 쉘(4)의 상기 속도는 외부 쉘(3)의 속도보다 낮다.

이 플레이트(1)는 후술된 방법 설명에 따라 제조될 수 있다.

먼저, 대체로 10 내지 15 cm 사이의 일반적인 두께를 갖는 후판(heavy plate) 또는 베이스(30)는 단조 또는 압연된다. 이러한 두께는 거시적 편석(macro-segregation)없이 매우 우수한 야금 품질을 보장한다. 선택적으로, 이 플레이트(30)는 후술될 것과 동일한 방법 설명에 따라 제조될 수 있다.

플레이트(1)의 나머지는 "퇴적(deposited)"된다고 하며 적층 제조 또는 용접에 의해 얻어진다. 이는 플레이트(1)의 전체 두께가 점진적으로 증가한다는 것을 의미한다.

도 2를 참조하면, 이는 베이스(30)를 형성한 후 쉘(4)의 하부뿐만 아니라 쉘(3)의 측벽(31)도 (후자는 베이스(30) 및 측벽(31)의 집합의 끝에 형성된다.) 그 위에 동시에 구축된다는 것을 의미한다.

이 작업은 바람직하게는 다음 방법 또는 이들의 조합의 하나에 의해 수행된다.

-　가스 금속 아크 용접 (Gas Metal Arc Welding) (GMAW) 또는 금속 불활성 가스/활성 가스 (Metal Inert Gas/Active inert Gas) (MIG/MAG);

-　서브머지드 아크 용접 (Submerged Arc Welding) (SAW) 또는 플럭스 하에서 스트립 또는 와이어 또는 고체 플럭스("ASF")를 갖는 서브머지드 아크 용접;

-　일렉트로 슬래그 용접 (Electroslag Welding) (ESW) 또는 수직 슬래그 용접 (vertical slag welding).

이 퇴적 방법에서, 포함된 변형은 바람직하게는 공통으로 높은 퇴적 속도(kg/h)를 갖는 다음의 금속 빌드업이다:

-　탠덤(tandem) (전원 공급을 갖는 두 개의 와이어 또는 스트립);

-　멀티-와이어 (전원 공급을 갖는 수 개의 와이어);

-　두 쌍(twinned) (동일한 전원 공급의 두개의 와이어 또는 스트립);

-　전원 공급이 없는 공동-빌드업(co-buildup);

-　위 기술들의 조합;

-　고온(즉, 예열된) 금속 빌드업.

빌드업 물질은 바람직하게는 0.65% 미만, 일반적으로 0.62%의 등가 탄소로 선택되고, 가능한 낮은 예열 온도로 냉각 균열을 방지하기 위해, 매우 낮은 확산성 수소 수준을 나타낸다.

SAW 및 ESW 방법에 사용되는 플럭스는 바람직하게는 용융 영역의 더 나은 특성을 허용하는 기본 플럭스일 것이다.

치수 및 플레이트의 열처리 가능성과 관련하여 강종을 선택하는 개념은 최종 부품의 중심에 접근할 때 더 "경화성" (즉, 경화되기에 적합한)인 등급을 선택하는 것이다.

이렇게 생성된 경화능 구배는 쉘과 코어 사이의 담금질 동안 냉각 속도 감소를 보상하기 위한 것이다.

이를 위해, 다양한 화학 분석 및 국부 냉각 속도를 위해 얻어진, 담금질 및 템퍼링 후의 최종 특성은 고려된다. 국부 냉각 속도의 측정과 관련된 야금 변환 모델은 예측되는 방식으로 이를 달성하는데 유용하게 사용될 수 있다.

현재 증기 발생기의 튜브 플레이트와 관련하여, 등급은 바람직하게는 다음과 같이 선택될 것이다:

- 베이스(30)의 등급은 현재 명세서에 따르면 이상적으로는 "18 MND 5"이지만, 열처리에 최적화된 버전이다. 질량 백분율의 일반적인 분석은 C 0.2, Mn 1.3, Mo 0.5, Ni 0.65이다.

- 플레이트(1)의 나머지를 구성하기 위해 퇴적된 금속의 등급은 탄소 당량이 0.65%를 초과하지 않고 가능한 적은(<10%) 펄라이트(perlite) 페라이트(ferrite) 함량을 갖는 압도적인 베이나이트계 마이크로조직을 유지하기 위해, 더 바깥인 이전 층의 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도보다 낮은 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도를 나타내야 한다.

실시예

상용 제품을 기반으로 한 실시예는 아래 표 1에 나와있다. (마르텐사이트(VcM) 및 베이나이트(VcB) 임계 냉각 속도뿐만 아니라, 일반적인 화학 분석, 등가 탄소값을 포함하는 "표 1" 로 언급됨).

후자의 값은 플레이트의 매우 높은 두께로 인해 얻은 낮은 냉각 속도와 비교되어야 한다: 각각 0, 5, 12, 20, 25cm 깊이에서, 700°C에서, 냉각속도 Vr700 (K/h) = 5400, 3300, 1700, 770, 475.

층	분석(%)						C* (%)	VcM (K/h)	VcB (K/h)
층	C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	C* (%)	VcM (K/h)	VcB (K/h)
베이스(30)	0.18	0.22	1.52	0.64	0.18	0.52	0.62	93000	4100
내부 쉘(4)	0.09	0.60	1.70	1.50	0.20	0.50	0.61	54000	1510
코어(5)	0.07	0.30	1.50	2.00	0.25	0.58	0.62	49000	920
쉘(3)의 부분 (31)	0.08	0.60	1.70	1.50	0.20	0.50	0.62	60000	1650

도 3은 표 1에 도시된 등급을 사용하여, 865°C 부터 물에 담금질한 후 635°C에서 템퍼링하고 플레이트의 중앙에서, 플레이트를 통해 계산된 경도 결과를 나타낸다.

표에서 볼 수 있는 세그먼트는 관련된 플레이트(1)의 부분의 숫자 참조를 나타낸다.

경도는 극히 균일함을 알 수 있다.

또한, 펄라이트 페라이트 함량은 모든 퇴적된 금속에서 10% 미만으로 유지되며, 이는 C-Mn-Ni 강의 탄성과 인성이 높을 것임을 간접적으로 나타낸다.

실제로, 마이크로조직의 실제 품질 기준이 베이나이트 및 마르텐사이트의 상대적인 양인 경우, 페라이트와 펄라이트의 양은 또한 강조된다. 우수한 기계적 특성을 나타내는 마이크로조직은 바람직하게는 90% 베이나이트 + 마르텐사이트 초과, 따라서 10% 페라이트 + 펄라이트 미만을 포함한다.

결과적으로 정확히 페라이트 + 펄라이트(약칭 "V10FP"(K/h에서))의 10%에 이르는 변환율은 또한 상당하다.

따라서 위의 표는 다음과 같이 완성될 수 있다:

- 베이스(30)의 경우: V10FP = 1900;

- 내부 쉘(4)의 경우: V10FP = 590;

- 코어(5)의 경우: V10FP = 335;

- 쉘(3)의 부분(31)의 경우: V10FP = 640.

위에서 설명한 실시예에서, 3 내지 4개의 상이한 화학 조성이 사용된다. 두 개의 상이한 등급에서만 적절하게 거부될 수 있다. 이러한 대안에서, 코어를 향한 쉘의 증가하는 경화능 진화와 합치하는 것이 적절하다.

플레이트(1)의 기하학이 원형이기 때문에, 퇴적물은 방사상으로만 이동가능하고 원주방향으로 용접되는 용접 헤드로 쉽지만 꼭 그렇지만은 않게 만들어진다.

이는 이러한 제조의 치수를 갖는 로봇의 더 비싼 사용을 피한다.

예를 들어, 외부 및 내부 패스(pass)들을 만들거나 또는 단지 제조 시간을 줄이기 위해, 몇몇의 용접 헤드는 동시에 또는 순차적으로 유용하게 사용될 수 있다.

온도 조절 장치는 예열 (150°C 초과), 인터-패스(inter-pass) 및 용접 후 (24 시간 동안 250°C 초과) 온도를 보장하기 위해 유리하게 사용된다.

더 나은 제조 전략을 위해, 다음과 같이 할 수 있다:

a) 회전 장치에 용접 전에 클램핑될 가공 베이스로 시작하는 것이 유용하지만 필수적인 것은 아니다.

b) 주변 스트립은 용접 후 가공될 두께를 제한하기 위해 사용될 수 있다.

c) 구조는 아랫면에서 윗면으로, 층층이 적층적으로 수행된다.

d) 중간 열처리는 변형 및 잔류 응력 (550°C 위의 응력 완화 처리)을 제한하고, 수소로 인한 위험(예방 처리)을 제한하고, 기초재의 특성을 회복하기 위해 수행될 수 있다.

e) 최종 특성을 더욱 향상시키기 위해 중간 단조 작업이 수행될 수 있다. 마찬가지로, 최종 단조는 쉽게 수행될 수 있다.

f) 응력 완화 처리/ 1차 오스테나이트화(austenitization)/ 공기 냉각

g) 블랭크형 가공(Blank type machining)

h) 사용된 등급에 따른 템퍼링(위의 주어진 실시예에서: 약 635°C), 물 담금질, 저온(AC3 + 40°C)에서 오스테나이트화로 품질 처리

본 발명에 따른 방법은 다음의 이점을 허용한다:

주요 이익

- 매크로-편석(macro-segregations)의 제거.

- 플레이트 두께 전반에 걸쳐 기계적 특성의 균일성.

- 더 나은 전반적인 기계적 특성, 특히 우수한 저항/ 인성 균형.

부수적 이익

- 더 이상 매우 큰 잉곳 주조 용량을 가질 필요가 없는 공급자의 선택의 큰 자유.

- 잠재적으로 전체 제조 시간의 단축.

- 제조 동안 국부 수리 가능성.

- 중간 열처리의 가능성.

- 중간 및 최종 단조 가능성.

- 큰 단조보다 더 경제적인 설치.

이러한 기술의 사용자는 잠재적으로 증기 발생기 제조업체, 고체 부품의 대장장이, 보일러 제조업체, 대장장이, 용접 장비 및 제품 제조업체이다.

Claims

고체 금속 부품(1)로서,
코어(5) 및 모든 방향에서 상기 코어(5)를 둘러싸는 외부 쉘(3)을 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 코어(5) 및 상기 쉘(3)은 상이한 강종으로 만들어지며,
상기 코어(5)의 강은 상기 쉘(3)의 강 또는 강들의 마르텐사이트(martensite) 및 베이나이트(bainite) 임계 냉각 속도보다 낮은 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도를 나타내는, 고체 금속 부품(1).
청구항 1에 있어서,
상기 코어(5)는 적어도 하나의 내부 쉘(4)에 의해 둘러싸이며,
상기 내부 쉘(4)은 상기 외부 쉘(3)에 의해 둘러싸이며,
상기 코어(5)의 강은 상기 내부 쉘(4)의 강의 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도보다 낮은 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도를 나타내며,
상기 내부 쉘(4)의 강의 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도는 상기 외부 쉘(3)의 강의 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도보다 낮은 것을 특징으로 하는, 고체 금속 부품(1).
청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 고체 금속 부품을 제조하는 방법으로서,
상기 코어(5) 및 상기 쉘(3) 또는 쉘들(3,4)의 나머지를 각각 동시에 형성하기 위해서, 사전에 제조된 베이스(30)상에, 적층 제조 또는 용접에 의해 상기 강들을 퇴적(depositing)시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고체 금속 부품 제조 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 외부 쉘(3)의 나머지의 강종은 상기 베이스(30)의 강종과 동일한 것을 특징으로 하는, 고체 금속 부품 제조 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 외부 쉘(3)의 나머지의 강종은 상기 베이스(30)의 강종과 상이하며,
상기 두 개의 등급들은 동일하거나 거의 동일한 마르텐사이트 및 베이나이트 임계 냉각 속도를 나타내는 것을 특징으로 하는, 고체 금속 부품 제조 방법.
청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 베이스(30)는 단조 또는 압연에 의해 만들어지는 것을 특징으로 하는, 고체 금속 부품 제조 방법.
청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 베이스는 적층 제조 또는 용접에 의해 만들어지는 것을 특징으로 하는, 고체 금속 부품 제조 방법.