KR20220034226A - 오스테나이트계 내열강 - Google Patents
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Abstract
이 오스테나이트계 내열강은, 화학 조성이, 질량％로, C: 0.04％ 내지 0.12％, Si: 0.10％ 내지 0.30％, Mn: 0.20％ 내지 0.80％, P: 0％ 내지 0.030％, S: 0.0001％ 내지 0.0020％, Sn: 0.0005％ 내지 0.0230％, Cu: 2.3％ 내지 3.8％, Co: 0.90％ 내지 2.40％, Ni: 22.0％ 내지 28.0％, Cr: 20.0％ 내지 25.0％, Mo: 0.01％ 내지 0.40％, W: 2.8％ 내지 4.2％, Nb: 0.20％ 내지 0.80％, B: 0.0010％ 내지 0.0050％, N: 0.16％ 내지 0.30％를 함유하고, 필요에 따라서 또한 Al, O, V, Ti, Ta, C, Mg, REM 중 1종 이상을 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물을 포함하고, 또한 0.0012％≤[％S]+[％Sn]≤2.5×[％B]+0.0125％를 충족한다
Description
본 발명은 오스테나이트계 내열강에 관한 것이다.
본원은, 2019년 08월 29일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2019-156592호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
근년, 환경 부하 경감의 관점에서, 발전용 보일러에서는 운전 조건의 고온화 및 고압화가 세계적 규모로 진행되고 있으며, 그 과열 기관이나 재열 기관에 사용되는 재료에는, 보다 우수한 고온 강도나 내식성을 가질 것이 요구되고 있다.
이러한 요구를 충족하는 재료로서, 고온 강도를 높이기 위해 다량의 N 및 Ni를 함유시킴과 함께, 고온에서의 내식성 및 내수증기 산화 특성을 높이기 위해, 20％를 초과하여 Cr을 함유시킨, 다양한 오스테나이트계 내열강이 개시되어 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에는 Cr을 20％ 내지 27％, Ni를 22.5％ 내지 32％, N을 0.1％ 내지 0.3％ 함유시킴으로써, 고온 강도, 내증기 산화성, 내노변 부식성 및 조직 안정성을 높인 내열 오스테나이트 스테인리스강이 제안되어 있다.
특허문헌 2에는 Cr을 22％ 초과 내지 30％ 미만, Ni를 18％ 초과 내지 25％ 미만, N을 0.1％ 내지 0.35％ 함유시킨 고온 강도와 크리프 연성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강이 제안되어 있다.
특허문헌 3에는 Cr을 22％ 초과 내지 30％ 미만, Ni를 18％ 초과 내지 25％ 미만, N을 0.1％ 내지 0.35％ 함유시킴과 함께, Sn, Sb 등의 불순물 원소의 양을 저감함으로써, 고온 강도와 장기 사용 후의 가공성이 우수한 오스테나이트계 내열강이 제안되어 있다.
특허문헌 4에는 Cr을 15％ 내지 30％, Ni를 6％ 내지 30％, N을 0.03％ 내지 0.35％ 함유시킴과 함께, P, S나 Sn 등의 불순물 원소를 저감함으로써, 고온 강도와 장시간 사용 중인 용접부의 내취화 균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강이 제안되어 있다.
그런데, 발전용 보일러는, 정기적으로 운전을 정지시켜 건전성을 확인할 필요가 있고, 그 때, 사용되고 있는 배관 등의 부재의 온도가 낮아지게 된다. 상기한 오스테나이트계 스테인리스강 및 내열강은 우수한 고온 강도를 갖고, 각각이 해결하려는 과제에 대해서는, 우수한 성능을 갖기는 하지만, 용접 시공성이 충분하지 않은 경우, 및/또는 고온에서 장시간 사용한 후에 온도가 낮아지면, 충분한 인성이 안정적으로 얻어지지 않는 경우가 있음을 알 수 있었다.
본 발명은, 상기 현 상황을 감안하여 이루어졌다. 본 발명은, 용접 시공성이 우수하고, 또한 우수한 크리프 강도와, 고온에서 장시간 유지된 후의 안정된 인성을 양립할 수 있는, 오스테나이트계 내열강을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기한 과제를 해결하기 위해서, 크리프 강도의 점에서 Cr을 20.0％ 내지 25.0％, Ni를 22.0％ 내지 28.0％, Co를 0.90％ 내지 2.40％, N을 0.16％ 내지 0.30％를 포함함과 함께, 용접 시공성(초층 용접 시의 백비드의 형성능)의 관점에서, S: 0.0001％ 내지 0.0020％, Sn: 0.0005％ 내지 0.0230％를 필수로 함유하는 오스테나이트계 내열강에 대해서, 고온에서 또한 장시간 유지(가열) 후의 인성에 대해서 상세한 조사를 행하였다. 그 결과, 이하에 설명하는 지견이 밝혀졌다.
(a) 고온에서 장시간 유지한 강의 인성은, S 및 Sn의 함유량의 증가에 수반하여 현저하게 저하된다. 충격 시험 후의 파면 관찰의 결과, S 및 Sn의 함유량이 많아지면, 오스테나이트 입계에서 파괴된 영역의 비율이 커짐과 함께, 파면 상에서 S 및 Sn이 검출되었다. 이 결과로부터, S 및 Sn을 함유하는 강에 있어서, 고온에서 장시간 유지 후의 인성이 저하되는 이유는, 고온에서 장시간 유지 시에 강 중에 포함되는 S 및 Sn이 오스테나이트 입계에 편석되어, 이들 원소가 입계의 결합력을 저하시키기 때문이라고 추정된다.
(b) 한편, 본 발명자들의 검토의 결과, 고온 장시간 유지 후의 인성을 확보하기 위해서는, S 및 Sn을 용접 시공성이 저해되지 않는 범위에서 최대한 저감함과 함께, 그 합계 함유량에 따라서 B를 적정한 범위에서 함유시키는 것이 유효한 것을 알 수 있었다. 이 이유로서는, 강 중에 포함되는 B는 확산 속도가 빨라, 고온에서 장시간 유지 시에 S 및 Sn보다 빠르게 오스테나이트 입계에 편석되고, 그 결과 B가 S 및 Sn에 의한 입계 결합력의 저하를 억제하여, 인성의 저하를 경감하기 때문이라고 생각된다.
본 발명은, 상기 지견에 기초하여 완성된 것으로, 그 요지는 하기에 나타내는 오스테나이트계 내열강에 있다.
(1) 본 발명의 일 양태에 관한 오스테나이트계 내열강은, 화학 조성이, 질량％로, C: 0.04％ 내지 0.12％, Si: 0.10％ 내지 0.30％, Mn: 0.20％ 내지 0.80％, P: 0％ 내지 0.030％, S: 0.0001％ 내지 0.0020％, Sn: 0.0005％ 내지 0.0230％, Cu: 2.3％ 내지 3.8％, Co: 0.90％ 내지 2.40％, Ni: 22.0％ 내지 28.0％, Cr: 20.0％ 내지 25.0％, Mo: 0.01％ 내지 0.40％, W: 2.8％ 내지 4.2％, Nb: 0.20％ 내지 0.80％, B: 0.0010％ 내지 0.0050％, N: 0.16％ 내지 0.30％, Al: 0％ 내지 0.030％, O: 0％ 내지 0.030％, V: 0％ 내지 0.08％, Ti: 0％ 내지 0.08％, Ta: 0％ 내지 0.08％, Ca: 0％ 내지 0.010％, Mg: 0％ 내지 0.010％, REM: 0％ 내지 0.080％를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물을 포함하고, 또한 (i)식을 충족하는, 오스테나이트계 내열강.
0.0012％≤[％S]+[％Sn]≤2.5×[％B]+0.0125％
(i)
단, 상기 식 (i) 중의 [％S], [％Sn], [％B]는 각각, S, Sn, B의 질량％로의 함유량을 나타낸다.
(2) 상기 (1)에 기재된 오스테나이트계 내열강은, 상기 화학 조성이, V: 0.01％ 내지 0.08％, Ti: 0.01％ 내지 0.08％, Ta: 0.01％ 내지 0.08％, Ca: 0.001％ 내지 0.010％, Mg: 0.001％ 내지 0.010％, REM: 0.0005％ 내지 0.080％로부터 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다.
본 발명의 상기 양태에 따르면, 용접 시공성이 우수하고, 또한 고온에서 장시간(예를 들어, 450 내지 800℃에서 500시간 이상) 유지 후의 안정된 인성과 우수한 크리프 강도를 양립할 수 있는 오스테나이트계 내열강을 제공할 수 있다. 본 발명의 상기 양태에 관한 오스테나이트계 내열강은, 예를 들어 석탄 화력 발전 플랜트, 석유 화력 발전 플랜트, 쓰레기 소각 발전 플랜트 및 바이오매스 발전 플랜트 등의 보일러용 배관, 석유 화학 플랜트에 있어서의 분해관 등, 고온에서 장시간 사용되는 기기에 적합하다.
도 1은 용접 시험 시의 개선 형상을 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 오스테나이트계 내열강(본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 내열강)에 대해서 설명한다. 본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 내열강은, 예를 들어 JISG0203:2009에 기재된, 오스테나이트계 스테인리스강이나 오스테나이트계 내열강에 적합한 강이다.
<화학 조성>
본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 내열강은 소정의 화학 조성을 갖고 있다. 그 화학 조성을 한정하는 이유는 다음과 같다.
이하의 설명에 있어서, 각 원소의 함유량의 「％」 표시는 「질량％」를 의미한다. 또한, 본 명세서 중에 있어서, 「내지」를 사용하여 표현되는 수치 범위는, 특별히 언급이 없는 한, 「내지」의 전후에 기재되는 수치를 하한값 및 상한값으로서 포함하는 범위를 의미한다.
C: 0.04％ 내지 0.12％
C는 오스테나이트 조직을 안정되게 함과 함께 Cr과 결합해서 탄화물을 형성하여, 고온에서의 크리프 강도를 향상시키는 원소이다. 이 효과를 충분히 얻기 위해서는 C 함유량을 0.04％ 이상으로 할 필요가 있다. C 함유량은, 바람직하게는 0.05％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.06％ 이상이다.
한편, C가 과잉으로 함유된 경우, 탄화물이 다량으로 석출되어, 인성이 저하된다. 그 때문에, C 함유량은 0.12％ 이하로 한다. C 함유량은, 바람직하게는 0.11％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.10％ 이하이다.
Si: 0.10％ 내지 0.30％
Si는 탈산 작용을 가짐과 함께, 고온에서의 내식성 및 내산화성의 확보에 필요한 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는, Si 함유량을 0.10％ 이상으로 할 필요가 있다. Si 함유량은, 바람직하게는 0.12％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.15％ 이상이다.
한편, Si가 과잉으로 함유된 경우에는, 오스테나이트 조직의 안정성이 저하되어, 크리프 강도가 저하된다. 그 때문에 Si 함유량은 0.30％ 이하로 한다. Si 함유량은, 바람직하게는 0.28％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.25％ 이하이다.
Mn: 0.20％ 내지 0.80％
Mn은 Si와 마찬가지로, 탈산 작용을 갖는 원소이다. 또한, 오스테나이트 조직을 안정되게 하여, 크리프 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 이들 효과를 얻기 위해서는, Mn 함유량을 0.20％ 이상으로 할 필요가 있다. Mn 함유량은, 바람직하게는 0.25％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.30％ 이상이다.
한편, Mn 함유량이 과잉이 되면, 크리프 연성이 저하된다. 그 때문에 Mn 함유량은 0.80％ 이하로 한다. Mn 함유량은, 바람직하게는 0.75％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.70％ 이하이다.
P: 0％ 내지 0.030％
P는 불순물로서 포함되며, 용접 중의 액화 균열 감수성을 높이는 원소이다. 또한, P가 다량으로 함유되면 크리프 연성도 저하된다. 그 때문에, P 함유량에 상한을 두어, P 함유량을 0.030％ 이하로 한다. P 함유량은, 바람직하게는 0.028％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.025％ 이하이다. P 함유량은 가능한 한 저감하는 것이 바람직하며, 즉 함유량이 0％여도 된다. 그러나, P 함유량의 극도의 저감은 제강 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, P 함유량의 바람직한 하한은 0.001％, 더욱 바람직한 하한은 0.002％이다.
S: 0.0001％ 내지 0.0020％
S는 고온에서의 유지 중에 오스테나이트 입계에 편석되어, 그 결합력을 약화시키는 원소이다. 그 때문에, S 함유량이 많으면, 고온에서 장시간 유지된 후의 내열강의 인성이 저하된다. 본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 내열강에 있어서의 다른 원소의 함유 범위에 있어서, 인성의 저하를 방지하기 위해서는, S 함유량은 0.0020％ 이하로 할 필요가 있음과 함께, Sn 함유량 및 B 함유량과, 후술하는 관계를 만족할 필요가 있다. S 함유량은, 바람직하게는 0.0018％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.0015％ 이하이다. S 함유량은, 인성의 관점에서는 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 그러나, S는 용접 중인 용융지의 탕 흐름에 영향을 미쳐, 용입 깊이를 크게 하여, 용접 시공성, 특히 초층 용접 시의 이파 형성능을 높이는 원소이기도 하다. 그 때문에, S 함유량은 0.0001％ 이상으로 함과 함께, 후술하는 Sn과의 관계를 만족할 필요가 있다. S 함유량은, 바람직하게는 0.0002％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.0003％ 이상이다.
Sn: 0.0005％ 내지 0.0230％
Sn은 용접 시에 용융지로부터 증발해서 아크의 통전 경로의 형성에 기여함과 함께, 용입 깊이를 증대시킴으로써, 용접 시공성을 높이는 효과를 갖는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, 본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 내열강에 있어서의 다른 원소의 함유 범위에 있어서, Sn 함유량이 0.0005％ 이상임과 함께, 후술하는 S 함유량과의 관계를 만족할 필요가 있다. Sn 함유량은, 바람직하게는 0.0010％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.0015％ 이상이다.
한편, Sn이 과잉으로 함유된 경우, Sn은 고온에서의 유지 중에 오스테나이트 입계에 편석되어, 입계의 결합력을 약화시킨다. 그 결과, 고온에서 장시간 유지 후의 강의 인성이 저하된다. 그 때문에, 본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 내열강에 있어서의 다른 원소의 함유 범위에 있어서, Sn 함유량은 0.0230％ 이하로 함과 함께, S 함유량 및 B 함유량과 후술하는 관계를 만족할 필요가 있다. Sn 함유량은, 바람직하게는 0.0220％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.0200％ 이하이다.
Cu: 2.3％ 내지 3.8％
Cu는 오스테나이트 조직의 안정성을 높임과 함께, 고온에서의 유지 중에 미세하게 석출되어, 크리프 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 이 효과를 충분히 얻기 위해서는, Cu 함유량을 2.3％ 이상으로 할 필요가 있다. Cu 함유량은, 바람직하게는 2.5％ 이상, 더욱 바람직하게는 2.7％ 이상이다.
한편, Cu가 과잉으로 함유된 경우, 열간 가공성이 저하된다. 그 때문에 Cu 함유량은 3.8％ 이하로 한다. Cu 함유량은, 바람직하게는 3.5％ 이하, 더욱 바람직하게는 3.3％ 이하이다.
Co: 0.90％ 내지 2.40％
Co도 오스테나이트 조직의 안정성을 높여서, 크리프 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 그 효과를 충분히 얻기 위해서는, Co 함유량을 0.90％ 이상으로 할 필요가 있다. Co 함유량은, 바람직하게는 1.00％ 이상, 더욱 바람직하게는 1.20％ 이상, 한층 더 바람직하게는 1.40％ 이상이다.
한편, Co가 과잉으로 함유된 경우, 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, Co는 매우 고가의 원소이기 때문에, 비용 증가를 초래한다. 그 때문에 Co 함유량은 2.40％ 이하로 한다. Co 함유량은, 바람직하게는 2.20％ 이하, 더욱 바람직하게는 2.00％ 이하이다.
Ni: 22.0％ 내지 28.0％
Ni는 오스테나이트 조직의 안정성을 높여서, 크리프 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 그 효과를 충분히 얻기 위해서는, Ni 함유량을 22.0％ 이상으로 할 필요가 있다. Ni 함유량은, 바람직하게 22.2％ 이상, 더욱 바람직하게는 22.5％ 이상이다.
한편, Ni는 매우 고가의 원소이므로, Ni가 과잉으로 함유된 경우, 효과가 포화될 뿐만 아니라, 비용 증가를 초래한다. 그 때문에 Ni는 28.0％ 이하로 한다. Ni 함유량은 바람직하게는 27.8％ 이하, 더욱 바람직하게는 27.5％ 이하이다.
Cr: 20.0％ 내지 25.0％
Cr은 고온에서의 내산화성 및 내식성의 확보에 유효한 원소이다. 또한, Cr은 미세한 탄화물을 형성해서 크리프 강도의 향상에도 기여하는 원소이다. 그들 효과를 충분히 얻기 위해서는, Cr 함유량을 20.0％ 이상으로 할 필요가 있다. Cr 함유량은, 바람직하게는 20.5％ 이상, 더욱 바람직하게는 21.0％ 이상이다.
한편, Cr이 과잉으로 함유된 경우, 오스테나이트 조직의 안정성이 저하되어, 크리프 강도가 저하된다. 그 때문에 Cr 함유량은 25.0％ 이하로 한다. Cr 함유량은, 바람직하게는 24.5％ 이하, 더욱 바람직하게는 24.0％ 이하이다.
Mo: 0.01％ 내지 0.40％
Mo는 강에 고용되어 고온에서의 크리프 강도나 인장 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 그 효과를 충분히 얻기 위해서는, Mo 함유량을 0.01％ 이상으로 할 필요가 있다. Mo 함유량은, 바람직하게는 0.02％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.03％ 이상이다.
한편, Mo가 과잉으로 함유된 경우, 오스테나이트 조직의 안정성이 현저하게 저하되어, 크리프 강도가 저하된다. 또한, Mo는 고가의 원소이므로, 과잉의 함유는 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, Mo 함유량은 0.40％ 이하로 한다. Mo 함유량은, 바람직하게는 0.38％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.35％ 이하이다.
W: 2.8％ 내지 4.2％
W는 강에 고용되어 고온에서의 크리프 강도나 인장 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 그 효과를 충분히 얻기 위해서는, W 함유량을 2.8％ 이상으로 할 필요가 있다. W 함유량은, 바람직하게는 3.0％ 이상, 더욱 바람직하게는 3.2％ 이상이다.
한편, W가 과잉으로 함유된 경우, 오스테나이트 조직의 안정성이 저하되어, 오히려 크리프 강도가 저하된다. 그 때문에, W 함유량은 4.2％ 이하로 한다. W 함유량은, 바람직하게는 4.0％ 이하, 더욱 바람직하게는 3.8％ 이하이다.
Nb: 0.20％ 내지 0.80％
Nb는 미세한 탄화물이나 질화물로서 오스테나이트의 입자 내에 석출되어, 고온에서의 크리프 강도나 인장 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 그 효과를 충분히 얻기 위해서는, Nb 함유량을 0.20％ 이상으로 할 필요가 있다. Nb 함유량은, 바람직하게는 0.25％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.30％ 이상이다.
한편, Nb가 과잉으로 함유된 경우, 탄질화물이 다량으로 석출되어, 크리프 연성이 저하된다. 그 때문에, Nb 함유량은 0.80％ 이하로 한다. Nb 함유량은, 바람직하게는 0.75％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.70％ 이하이다.
B: 0.0010％ 내지 0.0050％
B는 입계 탄화물을 미세하게 분산시킴으로써 크리프 강도를 향상시킴과 함께, 고온에서의 유지 중에 입계에 편석되어 S 및 Sn의 입계 편석을 억제함으로써, 고온에서의 유지 후의 강의 인성 향상에 기여하는 원소이다. 이들 효과를 충분히 얻기 위해서는, B 함유량은 0.0010％ 이상으로 함과 함께, 후술하는 S 함유량 및 Sn 함유량과의 관계를 만족할 필요가 있다. B 함유량은, 바람직하게는 0.0012％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.0015％ 이상이다.
한편, B가 과잉으로 함유된 경우, 용접 시의 열 영향부의 균열 감수성이 높아진다. 그 때문에, B 함유량을 0.0050％ 이하로 한다. B 함유량은, 바람직하게는 0.0048％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.0045％ 이하이다.
N: 0.16％ 내지 0.30％
N은 오스테나이트 조직을 안정되게 함과 함께, 강에 고용되어, 또는 질화물로서 석출되어, 고온 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 그 효과를 충분히 얻기 위해서는, N 함유량을 0.16％ 이상으로 할 필요가 있다. N 함유량은, 바람직하게는 0.18％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.20％ 이상이다.
한편, N이 과잉으로 함유된 경우, 연성이 저하된다. 그 때문에, N 함유량은 0.30％ 이하로 한다. N 함유량은, 바람직하게는 0.28％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.26％ 이하이다.
Al: 0％ 내지 0.030％
Al은 탈산제로서 첨가되는 원소이다. 그러나, Al이 과잉으로 함유된 경우, 강의 청정성이 열화되어, 열간 가공성이 저하된다. 그 때문에, Al 함유량을 0.030％ 이하로 할 필요가 있다. Al 함유량은, 바람직하게는 0.025％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.020％ 이하이다. 하한은 특별히 둘 필요는 없으며, 즉 Al 함유량이 0％여도 된다. 그러나, Al 함유량의 극단적인 저감은 제조 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, Al 함유량은, 바람직하게는 0.001％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.002％ 이상이다.
O: 0％ 내지 0.030％
O(산소)는 불순물로서 포함되는 원소이다. O가 과잉으로 함유된 경우, 열간 가공성이 저하함과 함께, 연성이 열화된다. 그 때문에, O 함유량을 0.030％ 이하로 할 필요가 있다. O 함유량은, 바람직하게는 0.025％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.020％ 이하이다. 하한은 특별히 둘 필요는 없으며, 즉 O 함유량이 0％여도 된다. 그러나, O 함유량의 극단적인 저감은 제조 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, O 함유량은, 바람직하게는 0.001％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.002％ 이상이다.
0.0012％≤[％S]+[％Sn]≤2.5×[％B]+0.0125％
(1)
본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 내열강은, 상술한 바와 같이 각 원소의 함유량을 제어한 후, 또한 S 함유량, Sn 함유량, B 함유량이 상기의 식 (1)을 만족할 필요가 있다.
여기서, 상기 식 (1) 중의 [％S], [％Sn], [％B]는 각각, S, Sn, B의 질량％로의 함유량을 나타낸다.
S 및 Sn은 고온에서의 유지 중에 오스테나이트 입계에 편석되어, 그 결합력을 약화시키는 원소이다. 그 때문에, 일반적으로, S 및 Sn을 함유하는 강은, 고온에서 장시간 유지 후의 인성이 저하된다. 그러나, 본 발명자들이 지견한 바와 같이, B는 확산 속도가 빨라, S 및 Sn보다 빠르게 오스테나이트 입계에 편석되어, S 및 Sn이 입계에 편석되는 것에 의한 인성의 저하를 억제한다. 그 효과를 충분히 얻기 위해서는, B의 함유량에 대하여, S와 Sn의 합계 함유량을 2.5×[％B]+0.0125％ 이하로 할 필요가 있다.
한편, S와 Sn은, 각각 함유량이 낮으면 낮을수록, 고온에서의 유지 후의 인성의 향상에는 유리하지만, 각각 용접 중인 용융지의 대류, 및 아크 현상에 영향을 미쳐 용입 깊이를 증대시켜서, 용접 시공성(특히, 초층 용접 시의 이파 형성능)을 향상시키는 효과를 갖는다. 본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 내열강에서는, 그 효과를 얻기 위해서, S와 Sn의 합계량을 0.0012％ 이상으로 할 필요가 있다. 바람직한 S와 Sn의 합계 함유량은 0.0015％ 이상, 더욱 바람직한 합계 함유량은 0.0018％ 이상이다.
본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 내열강은, 상기의 원소를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물인 것을 기본으로 하지만, 상기에 더하여, 합금 성분으로서의 Fe의 일부 대신에, 하기의 군 중의 적어도 1종의 원소를 함유해도 된다. 단, 이들 원소는 반드시 함유할 필요는 없으므로, 하한은 모두 0％이다. 이하에 한정 이유를 설명한다.
V: 0 내지 0.08％
V는 탄소(C) 혹은 질소(N)와 결합해서 미세한 탄화물 또는 탄질화물을 형성하여, 크리프 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 그 때문에 필요에 따라 함유시켜도 된다. 이 효과를 얻는 경우, V 함유량은, 바람직하게는 0.01％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.02％ 이상이다.
그러나, V가 과잉으로 함유된 경우, 탄질화물이 다량으로 석출되어, 크리프 연성이 저하된다. 그 때문에, 함유시키는 경우에도, V 함유량은 0.08％ 이하로 할 필요가 있다. V 함유량은, 바람직하게는 0.07％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.06％ 이하이다. 한층 더 바람직하게는 0.04％ 이하이다.
Ti: 0 내지 0.08％
Ti는 V와 마찬가지로, 탄소 혹은 질소와 결합해서 미세한 탄화물 또는 탄질화물을 형성하여, 크리프 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 그 때문에 필요에 따라 함유시켜도 된다. 이 효과를 얻는 경우, Ti 함유량은, 바람직하게는 0.01％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.02％ 이상이다.
그러나, Ti가 과잉으로 함유된 경우, 탄질화물이 다량으로 석출되어, 크리프 연성이 저하된다. 그 때문에, 함유시키는 경우에도, Ti 함유량은 0.08％ 이하로 할 필요가 있다. Ti 함유량은, 바람직하게는 0.07％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.06％ 이하이다.
Ta: 0 내지 0.08％
Ta는 V 및 Ti와 마찬가지로, 탄소 혹은 질소와 결합해서 미세한 탄화물 또는 탄질화물을 형성하여, 크리프 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 그 때문에 필요에 따라 함유시켜도 된다. 이 효과를 얻는 경우, Ta 함유량은, 바람직하게는 0.01％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.02％ 이상이다.
그러나, Ta가 과잉으로 함유된 경우, 탄질화물이 다량으로 석출되어, 크리프 연성이 저하된다. 그 때문에, 함유시키는 경우에도, Ta 함유량은 0.08％ 이하로 할 필요가 있다. Ta 함유량은, 바람직하게는 0.07％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.06％ 이하이다.
Ca: 0 내지 0.010％
Ca는 제조 시의 열간 가공성을 개선하는 효과를 갖는 원소이다. 그 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 이 효과를 얻는 경우, Ca 함유량은, 바람직하게는 0.001％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.002％ 이상이다.
그러나, Ca가 과잉으로 함유된 경우, 산소(O)와 결합하여, 청정성이 현저하게 저하됨으로써, 오히려 열간 가공성이 열화된다. 그 때문에, 함유시키는 경우에도, Ca 함유량은 0.010％ 이하로 한다. Ca 함유량은, 바람직하게는 0.008％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.006％ 이하이다.
Mg: 0 내지 0.010％
Mg는 Ca와 마찬가지로, 제조 시의 열간 가공성을 개선하는 효과를 갖는 원소이다. 그 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 이 효과를 얻는 경우, Mg 함유량은, 바람직하게는 0.001％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.002％ 이상이다.
그러나, Mg가 과잉으로 함유된 경우, 산소(O)와 결합하여, 청정성이 현저하게 저하되어, 오히려 열간 가공성이 열화된다. 그 때문에, 함유시키는 경우에도, Mg 함유량은 0.010％ 이하로 한다. Mg 함유량은, 바람직하게는 0.008％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.006％ 이하이다.
REM: 0 내지 0.080％
REM은, Ca나 Mg와 마찬가지로, 제조 시의 열간 가공성을 개선하는 효과를 갖는 원소이다. 그 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 이 효과를 얻는 경우, REM 함유량은, 바람직하게는 0.0005％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.001％ 이상이다.
그러나, REM이 과잉으로 함유된 경우, 산소와 결합하여, 청정성이 현저하게 저하되어, 오히려 열간 가공성이 열화된다. 그 때문에, 함유시키는 경우에도, REM 함유량은 0.080％ 이하로 한다. REM 함유량은, 바람직하게는 0.060％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.050％ 이하이다.
「REM」이란 Sc, Y 및 란타노이드의 합계 17원소의 총칭이며, REM의 함유량은 REM 중 1종 또는 2종 이상의 원소의 합계 함유량을 가리킨다. 또한, REM에 대해서는 일반적으로 미슈 메탈에 함유된다. 이 때문에, 예를 들어 미슈 메탈의 형태로 첨가하여, REM 함유량이 상기의 범위가 되도록 해도 된다.
[제조 방법]
본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 내열강은, 예를 들어 상술한 소정의 화학 조성을 갖는 용강을 부어 주편으로 하고, 이 주편에 대하여, 열간 단조 후, 열간 가공 및 필요에 따라 냉간 가공을 행하여, 소정의 형상으로 성형하고, 그 후, 1050 내지 1280℃에서 2 내지 60분 유지 후에 수랭하는 용체화 처리(용체화 열처리)를 행함으로써 얻어진다. 열간 단조, 열간 가공, 냉간 가공 등의 가공 조건은, 특별히 한정되지 않고, 형상에 따라서 적절히 결정하면 된다.
본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 내열강은, 예를 들어 발전용 보일러 등, 고온에서 사용되는 기기에 사용된다. 고온에서 사용되는 기기의 예로서는, 예를 들어 석탄 화력 발전 플랜트, 석유 화력 발전 플랜트, 쓰레기 소각 발전 플랜트 및 바이오매스 발전 플랜트 등의 보일러용 배관, 석유 화학 플랜트에 있어서의 분해관 등을 들 수 있다.
여기서, 「고온에서 사용」이란, 예를 들어 450℃ 이상 800℃ 이하(나아가 500℃ 이상 750℃ 이하)의 환경에서 사용되는 양태를 들 수 있다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
표 1A, 표 1B에 나타내는 화학 조성(잔부는 Fe 및 불순물: 단위는 질량％)을 갖는 부호 A 내지 N의 재료를 용해해서 부은 잉곳에 대하여, 열간 단조 및 열간 압연을 행하여, 두께 18㎜의 판 형상으로 성형했다.
이 판 형상의 소재를 1180℃로 가열하고, 그 온도에서 30분 유지 후에 수랭하는 용체화 처리를 행하여 오스테나이트계 내열강(No.1 내지 14)을 얻었다.
[표 1A]
[표 1B]
[샤르피 충격 시험/인성의 평가]
용체화 처리 후의 오스테나이트계 내열강으로부터, 기계 가공에 의해 표리면을 연삭하여, 판 두께 15㎜, 폭 150㎜, 길이 150㎜의 판재(충격 시험용 모재)를 복수 채취했다. 또한, 그 충격 시험용 모재의 일부에 대하여, 700℃에서 1000시간의 시효 열처리를 실시했다.
그 후, 시효 열처리를 행하지 않은 충격 시험용 모재 및 시효 열처리를 행한 충격 시험용 모재에 대해서, 각각의 판 두께 방향 중앙부로부터, 노치를 가공한 2㎜ V 노치 풀사이즈 샤르피 충격 시험편을 3개씩 채취하여, 샤르피 충격 시험에 제공했다.
샤르피 충격 시험은, JISZ2242:2005에 준거하여 행하였다. 시험은, 20℃에서 실시하고, 3개의 시험편의 흡수 에너지의 평균값이 27J 이상으로 되는 것을 「합격」으로 하고, 그 중에서도 3개의 시험편의 흡수 에너지의 개값이 모두 27J 이상으로 되는 것을 「우수」, 그 이외를 「가능」으로 하였다. 한편, 3개의 시험편의 흡수 에너지의 평균값이 27J를 하회하는 것을 「불합격」으로 하였다.
[용접 시험/용접 시공성의 평가]
또한, 용체화 처리 후의 오스테나이트계 내열강으로부터, 기계 가공에 의해 표리면을 연삭하여, 판 두께 15㎜, 폭 50㎜, 길이 100㎜의 판재(용접 시험용 모재)를 채취했다. 이 용접 시험용 모재의 길이 방향으로, 도 1에 도시한 개선 가공을 실시한 후, 맞대어, 실드 가스를 Ar로 한 자동 가스 텅스텐 아크 용접에 의해, 「용가재 없음」 및 「용가재 있음」의 조건에서 초층 용접했다.
용접 시에는, 용가재 없음의 경우, 입열을 6kJ/㎝, 용가재 있음의 경우, 용가재로서 외경 1.2㎜의 JIS-Z3334(2011) SNi6617을 사용하고, 입열을 9kJ/㎝로 하여, 맞대기 용접을 행하였다.
얻어진 용접 조인트의 용접선 전체 길이에 걸쳐, 백비드가 형성된 것을 용접 시공성이 「합격」으로 하고, 그 중에서도, 용접선 전체 길이에 걸쳐 백비드의 폭이 2㎜ 이상으로 되는 것을 「우수」, 폭은 2㎜를 하회하지만, 1㎜ 이상의 폭의 백비드가 형성된 것을 「가능」으로 하고, 2 조인트 중 일부라도 백비드가 형성되지 않거나, 혹은 일부라도 비드 폭이 1㎜을 하회하는 부분이 있었던 것을 용접 시공성이 「불합격」으로 판정하였다.
[크리프 파단 시험/크리프 강도의 평가]
이에 더하여, 상기한 충격 시험 및 용접 시험에 합격한 오스테나이트계 내열강에 대해서, 시효 열처리를 실시하지 않은 충격 시험용 모재로부터, 환봉 크리프 시험편을 채취하고, 크리프 파단 시험을 행하였다. 그 때, 모재의 목표 파단 시간이, 1000시간이 되는 700℃×167㎫의 조건에서 크리프 파단 시험을 행하였다. 크리프 파단 시험은 JISZ2271:2010에 준거하여 행하였다.
파단 시간이 목표 파단 시간(1000시간)을 초과하는 것을 「합격」으로 하고, 그것을 하회하는 것을 「불합격」으로 하였다.
[표 2]
표 2로부터, 본 발명에서 규정하는 조건을 충족하는 부호 A 내지 E, M, N을 사용해서 제조된 No.1 내지 5, 13, 14는 고온에서 장시간 유지 후에 안정적으로 우수한 인성이 얻어짐과 함께, 용접 시공성 및 크리프 강도도 아울러 구비하는 것을 알 수 있다.
한편, 부호 F 내지 H를 사용한 No.6 내지 8은, S와 Sn의 합계 함유량이 본 발명에서 규정하는 B 함유량과의 관계식의 범위를 초과했다. 그 때문에, B에 의한 S와 Sn의 입계 편석에 수반되는, 입계 결합력 저하의 억제 효과가 충분히 얻어지지 않았다. 그 결과, 시효 열처리(고온 장시간 유지) 후의 인성이 목표를 충족하지 못하였다.
부호 I 및 J를 사용한 No.9 및 10은, 각각 S 및 Sn의 함유량이 상한을 초과했기 때문에, 이들 원소의 입계 편석에 수반되는, 입계 결합력 저하가 현저해졌다. 그 결과, 시효 열처리(고온 장시간 유지) 후의 인성이 목표를 충족하지 못하였다.
또한, 부호 K를 사용한 No.11은, S와 Sn의 합계 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 하회함으로써, 이들 원소에 의한 이파 형성능 향상의 효과가 얻어지지 않아, 용접 시공성이 떨어졌다.
부호 L을 사용한 No.12는, Co 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 하회했다. 그 결과, 충분한 크리프 강도 향상 효과가 얻어지지 않았다.
이상과 같이 본 발명의 요건을 충족하는 경우에만, 용접 시공성을 저해하지 않고, 장시간 유지 후에 안정적으로 우수한 인성이 얻어짐과 함께, 충분한 크리프 강도도 얻어지는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 용접 시공성이 우수하고, 또한 고온에서 장시간 유지 후의 안정된 인성, 우수한 크리프 강도를 양립할 수 있는 오스테나이트계 내열강을 제공할 수 있다.
Claims (2)
- 화학 조성이, 질량％로,
C: 0.04％ 내지 0.12％,
Si: 0.10％ 내지 0.30％,
Mn: 0.20％ 내지 0.80％,
P: 0％ 내지 0.030％,
S: 0.0001％ 내지 0.0020％,
Sn: 0.0005％ 내지 0.0230％,
Cu: 2.3％ 내지 3.8％,
Co: 0.90％ 내지 2.40％,
Ni: 22.0％ 내지 28.0％,
Cr: 20.0％ 내지 25.0％,
Mo: 0.01％ 내지 0.40％,
W: 2.8％ 내지 4.2％,
Nb: 0.20％ 내지 0.80％,
B: 0.0010％ 내지 0.0050％,
N: 0.16％ 내지 0.30％,
Al: 0％ 내지 0.030％,
O: 0％ 내지 0.030％,
V: 0％ 내지 0.08％,
Ti: 0％ 내지 0.08％,
Ta: 0％ 내지 0.08％,
Ca: 0％ 내지 0.010％,
Mg: 0％ 내지 0.010％,
REM: 0％ 내지 0.080％
를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물을 포함하고,
또한 (1)식을 충족하는,
것을 특징으로 하는, 오스테나이트계 내열강.
0.0012％≤[％S]+[％Sn]≤2.5×[％B]+0.0125％ (1)
단, 상기 식 (1) 중의 [％S], [％Sn], [％B]는 각각, S, Sn, B의 질량％로의 함유량을 나타낸다. - 제1항에 있어서,
상기 화학 조성이,
V: 0.01％ 내지 0.08％,
Ti: 0.01％ 내지 0.08％,
Ta: 0.01％ 내지 0.08％,
Ca: 0.001％ 내지 0.010％,
Mg: 0.001％ 내지 0.010％,
REM: 0.0005％ 내지 0.080％
로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는,
것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열강.
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