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KR100261664B1 - 2상영역 열처리를 이용한 고인성 sa508gr.3강의 제조방법 - Google Patents

2상영역 열처리를 이용한 고인성 sa508gr.3강의 제조방법 Download PDF

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KR100261664B1
KR100261664B1 KR1019970054049A KR19970054049A KR100261664B1 KR 100261664 B1 KR100261664 B1 KR 100261664B1 KR 1019970054049 A KR1019970054049 A KR 1019970054049A KR 19970054049 A KR19970054049 A KR 19970054049A KR 100261664 B1 KR100261664 B1 KR 100261664B1
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KR
South Korea
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heat treatment
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steel
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Inventor
오용준
안연상
국일현
변택상
김홍덕
홍준화
Original Assignee
이종훈
한국전력공사
장인순
한국원자력연구소
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Abstract

본 발명은 소입(燒入; Quenching), 소려(燒戾; Tempering) 및 용접후 열처리로 이루어지는 SA508 Gr. 3 강의 제조방법에 있어서, 충격에너지(파괴인성)을 높이기 위하여 소입처리와 소려처리 중간에 페라이트 상과 오스테나이트 상이 공존하는 680 내지 750℃에서 1 내지 8시간 동안의 열처리 공정을 추가함으로써 고인성 SA508 Gr. 3 강을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하여 제조된 강은 기존 열처리 공정에 의하여 제조된 것에 비하여 상온 충격에너지와 최대 흡수에너지가 크게 증가하고, 연성-취성 천이온도가 낮아져 파괴에 대한 저항성이 현저하게 향상된다.
또한, 본 발명은 2상영역 열처리후 소려 공정을 635℃보다 낮은 온도에서 수행함으로써 고인성 SA508 Gr. 3 강을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하여 제조된 강은 2상영역 열처리에 의하여 발생하는 강도의 감소가 상쇄되어 강도 감소가 최소화되고 2상영역 열처리에 의한 인성 향상이 극대화된다.

Description

2상영역 열처리를 이용한 고인성 SA508 Gr. 3강의 제조방법
본 발명은 2상영역 열처리를 이용한 고인성 SA508 Gr. 3(1995년도에 Class 3가 Grade 3 Class 1으로 명칭이 변경되었슴) 강의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 열처리 과정인 소입(燒入; quenching)과 소려(燒戾;tempering)처리 중간에 페라이트 상과 오스테나이트 상이 공존하는 2상영역 온도구간에서 추가적인 열처리를 함으로써 종래의 열처리 공정에 비하여 상온 충격에너지와 최대 흡수에너지가 크게 증가되고 연성-취성 천이온도가 낮아져 파괴에 대한 저항성이 현저하게 향상된 고인성 SA508 Gr. 3 강을 제조하는 방법에 관한 것이다.
SA508 Gr. 3 강은 가압경수로 원자력발전소의 압력용기 및 가압기, 증기발생기의 동체 등에 사용되고 있다. 원자로 압력용기는 고온고압 및 중성자 조사 환경에서 40년 이상 장시간 사용되므로 중성자 조사 취화에 대한 높은 저항성, 높은 파괴인성과 피로강도, 높은 재료균질성, 내부식성, 낮은 유도방사성, 양호한 용접성 등의 특성이 요구된다.
특히 압력용기의 노심대는 가동중 고속중성자가 조사되어 최대흡수에너지(upper shelf energy)가 감소하고, 연성-취성 천이온도가 상승하는 중성자 조사 취화가 발생하여 가동조건과 수명을 제한하게 된다. 따라서 가동조건을 완화하고, 수명을 길게 하기 위해서는 충격 에너지(파괴인성)가 높은 압력용기강을 제조하는 것이 바람직하다.
SA508 Gr. 3 소입/소려 단조강의 기존 제조 열처리과정은 소입처리와 소려처리, 용접후 열처리로 이루어지며 열처리 방법과 조건은 ASME/ASTM 규격(ASME "Specification for Quenched and Tempered Vacuum-Treated Carbon and Alloy Steel Forgings for pressure Vessels", ASME SA-508/SA-508M, 1995, pp. 785-792, ASTM "Standard Specification for Quenched and Tempered Vacuum-Treated Carbon and Alloy Steel Forgings for pressure Vessels", ASTM A 508/A 508M-95, 1995, pp. 1-6)에 규정되어 있다. 소입처리는 완전히 오스테나이트 구조를 가질 수 있는 온도로 가열한 후에 물에 담가 급냉을 하여야 한다. 이때 냉각속도가 빠를수록 미세조직이 미세해져서 파괴인성이 증가한다. 그러나 무게가 약 100톤에 이르며 두께가 10인치 이상의 압력용기를 생산할 때에 내부의 냉각속도를 분당 30℃ 이상으로 빠르게 하는 것은 현실적으로 불가능하므로 기존 열처리 방법으로는 파괴인성을 획기적으로 향상시킬 수 없다.
소입한 SA508 Gr. 3 강은 인성을 부여하기 위하여 소려 처리를 650℃ 이상에서 최대 두께에 대하여 1인치당 30분이상 유지하도록 ASME/ASTM 규격에서 규정되어 있다. 보완구조에 용접후 열처리를 하는 경우에는 소려온도가 635℃ 이상으로 규정되어 있으나 일반적으로 650℃ 이상에서 소려 처리를 수행한다.
한편, 2상영역 열처리(intercritical heat treatment, IHT)는 열간 또는 냉각 압연된 박판을 페라이트 상과 오스테나이트 상, 2상이 공존하는 온도영역에서 유지한 후 냉각하여 페라이트 기지에 5~40%의 마르텐사이트 상을 분산시키는 열처리로써, 고강도와 고연성의 2상 복합조직 강(dual-phase steel)의 제조공정에 이용되어 왔다. 최근에 2상 영역 열처리(intercritical heat treatment, IHT)를 9Ni 강, 로터용 강, 압력용기용 강 등의 제조에 응용하여 소입/소려하는 구조용 철강재료의 파괴인성을 향상하려는 노력이 있어 왔다.
독일의 Skamletz 등(T. A. Skamletz and W. W. Grimm, "Advanced Technology of Heavy-Section Tube Sheets for Nuclear Power Generation", Steel Forgings, ASTM STP 903, E. G. Nisbett and A. S. Melilli, Eds., American Society for Testing and Materials, Philadelphia, pp. 410-424, K. Forch, W. Witte, and S. H. Hattingen, "Application of Three-Stage Heat Treatment to Thick-Walled Workpieces from Weldable, High-Strength Fine-Grained Structural Steels and Reactor Steels", Stahl u. Eisen 100 (1980) 1329-1338, K. D. Haverkamp, K. Forch, K.-H. Piehl, and W. Witte, "Effect of Heat Treatment and Precipitation State on Toughness of Heavy Section Mn-Mo-Ni-Steel for Nuclear Power Plants Components", Nucl. Eng. ＆ Design 81 (1984) 207-217)은 SA508 Gr. 3 강과 유사강종인 DIN 20 Mn-Mo-Ni 55 강에 대하여 소입과 소려 처리 중간에 750~770℃에서 유지하는 3단계 열처리를 하면 충격에너지가 증가하여 천이온도가 감소한다고 보고한 바 있다. 그러나 그들의 결과에서 상온 이상의 고온에서 충격에너지의 증가는 없었다. 그리고 Nisbett(E. G. Nisbett : J. Eng. Mater. Technol. (Trans ASME),100 (1978) 338-347)은 SA508 C1. 2 강을 790℃에서 2상 영역열처리를 하면 충격치가 증가한다고 보고한 바가 있다.
그리고 SA508 Gr. 3 단강품의 소입과 소려 처리 중간에 2상영역 온도로 재가열하여 부분적으로 재오스테나이트화하는 다단계 오스테나이트 처리(2상영역 열처리)를 할 수 있다고 1995년판 ASME/ASTM 규격에 규정되어 있다.
2상 영역 열처리를 이용하여 기계적 성질을 향상시키기 위해서는 2상 영역에서 오스테나이트 양 조절, 즉 열처리 온도, 시간 조건에 매우 중요하다. 그러나 2상영역 열처리 조건은 합금계에 따라 다르고, SA508 Gr. 3 강의 충격성질 향상을 도모할 수 있는 2상 영역 열처리 조건은 아직 제시되어 있지 않아 적용이 불가능하다.
이에 본 발명자들은 SA508 Gr. 3 강의 파괴인성을 향상시킬 수 있는 2상영역열처리 조건을 확립하고자 노력한 결과 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 2상영역 열처리를 이용하여 파괴인성이 향상된 SA508 Gr. 3 강을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
제1도는 열처리 절차를 나타낸 그래프.
제2도는 2상영역 열처리 유지시간에 따른 상온 충격에너지의 변화를 나타낸 그래프.
제3도는 2상영역 열처리 온도에 따른 상온 충격에너지의 변화를 나타낸 그래프.
제4도는 2상영역 열처리 추가에 따른 충격성질의 변화를 나타낸 그래프로서, (a)는 오스테나이트 처리와 2상영역 열처리 후 냉각속도가 100℃/분일 때의 그래프, (b)는 20℃/분일 때의 그래프.
제5도는 열처리에 따른 조직변화를 보여주는 광학사진으로서, 각각
제5a도는 소입.
제5b도는 소입 + 2상영역 열처리.
제5c도는 소입 + 소려(기존 공정).
제5d도는 소입 + 2상영역 열처리 + 소려(신공정 1)한 재료의 광학사진.
제6도는 2상영역 열처리의 효과를 보여주는 투과 전자현미경 사진으로서, 각각
제6a도는 소입 + 2상영역 열처리.
제6b도는 소입 + 2상영역 열처리 + 소려(신공정 1)한 재료의 투과 전자현미경 사진.
제7도는 2상영역 열처리의 효과를 보여주는 주사 전자현미경 사진으로서, 각각
제7a도는 소입 + 소려(기존 공정).
제7b도는 소입 + 2상영역 열처리 + 소려(신공정 1)한 재료의 주사 전자현미경 사진.
제8도는 2상영역 열처리 후 소려 조건에 따른 충격성질의 변화를 나타낸 그래프로서, (a)는 오스테나이트처리와 2상영역 열처리 후 냉각속도가 100℃/분일 때의 그래프, (b)는 20℃/분일 때의 그래프.
제9도는 소려 조건에 따른 천이온도의 변화를 나타낸 그래프.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 고인성 SA508 Gr. 3 강의 제조방법은 소입, 소려 및 용접후 열처리로 이루어지는 SA508 Gr. 3 강의 제조방법에 있어서, 충격에너지(파괴인성)을 높이기 위하여 소입처리와 소려처리 중간에 페라이트상과 오스테나이트 상이 공존하는 2상영역 온도구간중 680 내지 750℃에서 1 내지 8시간 동안의 열처리 공정을 추가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기의 공정에 있어서, 2상영역 열처리에 의한 인성향상을 극대화하고 강도감소를 최소화하기 위하여 2상영역 열처리후에 소려 공정을 635℃미만에서 수행하는 것을 특징으로 한다.
강을 소입 또는 노말라이징 후에 페라이트 상과 오스테나이트 상이 공존하는 온도 영역에서 유지하면 오스테나이트가 생기는데, 이때 탄소는 오스테나이트에 우선적으로 위치하므로 오스테나이트의 탄소농도와 경화능이 높아진다. 따라서 적절한 2상영역 열처리를 하면 냉각후에 전이밀도가 높고, 미세한 조직의 마르텐사이트를 얻을 수 있으므로 냉각속도를 증가시키는 것과 같은 유리한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 2상 영역 열처리 후 소려를 하면 연한 기지에 비교적 강한 템퍼드 마르텐사이트가 균일하게 분산된 복합조직을 얻을 수 있고, 유효 결정립의 크기가 크게 감소하여 파괴가 일어날 때 균열진전이 억제된다.
2상영역 열처리에 의하여 얻어지는 조직과 그 조직의 기계적 성질은 오스테나이트양에 크게 의존하며, 오스테나이트 양은 2상영역으로 가열하는 속도와 2상영역에서 유지하는 조건(온도와 시간)에 관계된다. 즉 가열속도가 느릴수록 페라이트가 오스테나이트로 변태를 시작하는 온도(Ac1)가 낮아지므로 오스테나이트는 가열하는 동안 낮은 온도에서 형성하기 시작한다. 그리고 2상영역 열처리 온도가 높을수록 그리고 유지시간이 길수록 오스테나이트의 양이 증가한다. 그러나, 열처리 온도가 높거나 유지시간이 길어지면 오스테나이트의 양이 너무 많아지고, 오스테나이트의 탄소농도와 경화능이 다시 감소하게 되어 2상영역 열처리의 유리한 효과가 약해지거나 없어진다. 따라서 2상영역 열처리를 이용하여 기계적 성질을 변화시키기 위해서는 2상영역에서 오스테나이트 양 조절, 즉 가열속도와 2상영역 열처리 온도, 시간 조건이 매우 중요하다. 그러나 2상영역 열처리 조건은 합금계에 따라 다르고, 직접 실험하여 결정해야하는 어려움이 있다.
따라서 본 발명은 소입과 소려 중간에 2상영역 열처리를 추가하여 충격에너지를 획기적으로 높힐 수 있는 2상영역 열처리 조건을 확립하였다. 또한 소려 조건을 변화시켜 2상영역 열처리의 효과를 극대화할 수 있는 소려 조건을 확립하였다.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 SA508 Gr. 3 강의 충격에너지(파괴인성)을 높이기 위하여 소입 및 소려 처리 중간에 페라이트 상과 오스테나이트 상이 공존하는 2상영역 온도구간중 680 내지 750℃에서 1 내지 8시간동안 추가로 열처리를 행한다.
소입과 소려 처리 중간에 660 내지 670℃에서 2상영역 열처리를 한 재료는 충격에너지가 크게 변화하지 않지만, 본 발명의 온도범위인 680 내지 750℃에서 1 내지 8시간 동안 2상영역 열처리를 한 재료의 상온 충격에너지는 2상영역 열처리를 하지 않은 것에 비하여 크게 증가한다. 그러나 760℃ 이상에서는 인성이 다시 떨어져서 2상영역 열처리를 하지 않은 것과 비슷하게 된다. 그리고 2상영역 열처리 온도에서 유지하는 시간이 1시간 이하이면 충격에너지 상승의 효과는 별로 나타나지 않으며, 8시간 이상인 경우에는 오스테나이트의 양이 너무 많아지고 오스테나이트의 탄소농도와 경화능이 다시 감소하게 되어 2상영역 열처리의 유리한 효과가 약해지거나 없어지게 된다.
또한, 본 발명의 2상영역 열처리를 추가하여 제조된 강의 연성-취성 천이온도는 2상영역 열처리를 추가하지 않고 제조된 강에 비하여 감소된다.
페라이트 상과 오스테나이트 상이 공존하는 2상영역에서 강을 유지하면 가열중에 생성 및 성장한 탄화물이 녹으면서 오스테나이트가 결정립계나 래스경계에서 생성되어 침상으로 성장하고, 나머지 베이나이트는 소려되어 템퍼드 베이나이트가 된다. 이때 탄소는 오스테나이트에 우선적으로 위치하기 때문에 오스테나이트의 탄소농도와 경화능이 높아진다. 이와 같이 적절한 2상영역 열처리를 하면 경화능이 향상되어 전위밀도가 높고, 미세한 마르텐사이트를 포함하는 복합조직을 얻을 수 있으므로 냉각속도를 증가시키는 것과 같은 유리한 효과를 얻을 수 있다. 한편, 기존열처리 공정에서 소려하면 상부 베이나이트의 래스경계에 존재하는 막대형태의 탄화물이 성장하고, 기지는 템퍼드 베이나이트가 된다. 그러나 2상영역 열처리후 소려 처리를 하면 기지는 2상영역 열처리중에 소려되었기 때문에 큰 변화가 없고, 마르텐사이트 영역은 전위밀도가 비교적 높은 아결정립 구조의 템퍼드 마르텐사이트로 변화한다. 이때 탄화물은 합금원소의 농도가 높은 마르텐사이트와 템퍼드 베이나이트의 경계, 또는 마르텐사이트 내부에서 주로 구형으로 형성된다.
충격인성은 유효결정립 크기와 탄화물의 형상, 크기에 크게 의존한다. 2상영역 열처리를 하면 연한 템퍼드 베이나이트 기지에 비교적 강한 탬퍼드 마르텐사이트가 균일하게 분산된 복합조직을 얻기 때문에 유효 결정립의 크기가 크게 감소하여 충격인성이 증가한다. 그리고 기존 공정의 판상 탄화물 대신에 구형 탄화물이 형성되므로 응력집중이 완화되어 파괴저항성이 향상된다. 한편 저온에서 균열은 임계크기 이상의 탄화물에서 생성된다. 따라서 2상영역 열처리후 소려 정도를 낮추면 탄화물의 크기를 줄일 수 있으므로 균열발생이 억제되어 저온 파괴인성이 향상된다.
한편, 2상영역 열처리 추가에 따라 제조된 강의 항복강도 및 인장강도가 약간 감소한다. 즉 강도가 약간 감소한다.
2상영역 열처리 추가에 따른 강도의 감소는 다음 공정인 소려 공정의 조건을 조정함으로써 상쇄시킬 수 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 2상영역 열처리 공정후에 통상의 소려 온도보다 낮은 635℃ 미만의 온도에서 소려를 수행함으로써 SA508 Gr. 3 강을 제조하는 방법을 포함한다.
소려처리는 소입한 강에 인성을 부여하는 열처리로서 소려 온도가 높을수록 그리고 유지시간이 길수록 강도는 낮아진다. 따라서 본 발명은 통상의 소려 온도보다 낮은 온도에서 소려를 수행함으로써 상온충격에너지와 최대 흡수에너지는 거의 그대로 유지하면서 2상영역 열처리 공정을 추가함으로써 발생하는 강도의 감소를 상쇄할 수 있다. 본 발명의 소려 온도의 조정은 강도의 감소를 상쇄할 뿐만아니라 천이온도를 추가로 감소시킨다. 따라서 2상영역 열처리 추가후에 소려 조건을 조정하면 2상영역 열처리로 인한 강도 감소를 최소화하면서 2상영역 열처리로 인한 충격인성 향상을 극대화할 수 있다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
그러나 하기의 실시예는 본 발명의 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
[실시예1] 2상영역 열처리 공정의 추가에 의한 SA 508 Gr. 3 강의 제조방법
본 발명에 사용된 SA508 Gr. 3 강의 화학성분과 ASME/ASTM 규격에 규정되어 있는 SA508 Gr. 3 강의 화학성분 범위는 표 1과 같다.
Figure kpo00001
SA508 Gr. 3 강의 기존 제조 열처리 공정은 소입과 소려, 용접후 열처리로 이루어지므로 도 1과 같이 880℃에서 6시간 동안 소입처리, 660℃에서 10시간 동안 소려처리, 그리고 610℃에서 30시간동안 용접후 열처리를 모두 동일하게 수행하였다. 소입과 소려 중간에 2상영역 열처리를 추가하였는데, 전술한 바와 같이 파괴인성이 향상되는 2상영역 열처리 조건은 2상영역으로 가열하는 속도와 2상영역에서 유지하는 조건에 크게 의존하므로, 제조현장에서 실제로 적용하고 있는 가열속도인 분당 0.3℃에서 2상영역 온도와 유지시간을 각각 변화시키면서 열처리하였다.
열처리한 시편은 상온에서 충격시험을 수행하여 기존 열처리에 비하여 충격에너지가 향상되는 2상영역 열처리 조건을 결정하였다.
도 2는 각 2상영역 열처리 온도에서 유지시간에 따른 상온 충격치의 변화를 보여주고 있다. 2상영역 열처리를 하지 않은 기존 열처리재의 상온 충격에너지는 269J이고, 소입과 소려 중간에 660~670℃에서 2상영역 열처리를 하면 충격에너지가 크게 변화하지 않지만, 680~690℃에서 2시간 이상 유지하면 상온 충격에너지는 300~400J로 기존 열처리재에 비하여 크게 증가하였다. 700~750℃에서는 1시간만 유지하여도 충격인성이 크게 증가하였다. 그러나 760℃ 이상에서 유지하면 인성이 다시 떨어져서 기존공정과 비슷한 값을 나타내었다.
도 3은 위 결과를 각 2상영역 열처리 온도에 대하여 다시 그린 것으로, 유지시간이 1시간일때는 700~750℃에서, 2~8시간일때는 680~750℃에서 충격에너지가 2상영역 열처리를 하지 않은 기존 열처리재에 비하여 크게 증가하였다.
이상의 충격실험결과로부터 적절한 2상영역 열처리를 하면 상온 충격에너지를 크게 향상시킬 수 있으며, 그 값은 2상영역에서 유지 온도와 시간에 크게 의존함을 알 수 있다.
현재 생산현장에서 행하는 열처리조건과 유사한 소입처리(880℃/6h)와 소려처리(660℃/10h), 용접후 열처리(610℃/30h)를 한 시편을 '기존공정'으로, 기존공정의 소입과 소려 중간에 페라이트와 오스테나이트가 공존하는 영역에서 2상영역 열처리를 추가한 시편을 '신공정1'로 각각 구별하였다.
기존공정 = 소입 + 소려(660℃/10h) + 용접후 열처리
신공정1 = 소입 + 2상영역 열처리 + 소려(660℃/10h) + 용접후 열처리
열처리 후 -90~290℃ 온도범위에서 충격시험과 상온에서 인장시험을 수행하여 2상 영역열처리 추가와 2상영역 열처리 추가후 소려조건 변화의 영향을 살펴보았다.
도 4는 열처리공정에 따른 충격에너지와 연성-취성 천이거동을 비교하기 위하여 -90~290℃ 온도영역에서 충격시험을 한 결과이다. 소입처리와 소려처리 중간에 2상영역 열처리를 추가한 '신공정1'의 충격에너지가 2상영역 열처리를 하지 않은 '기존공정'보다 전 시험온도에서 높았다. 표 2와 같이 2상영역 열처리를 추가함으로써 상온 충격에너지(room temperature energy, RTE)와 최대흡수에너지(upper shelf energy, USE)가 각각 76J(37%), 47J(15%) 증가하였고, 충격에너지가 41J과 68J에 해당하는 천이온도 T41J과 T68J이 각각 7℃, 8℃ 감소하였다.
Figure kpo00002
2상영역 열처리 추가에 따른 강도와 연성 변화를 살펴보기 위하여 상온에서 인장시험을 수행한 결과를 표 3에 나타내었다. '기존공정'에 2상영역 열처리를 추가한 '신공정1'의 연신율과 단면수축율은 3.8%(14%), 3.0%(4.2%)씩 증가하고, 항복강도와 인장강도는 41MPa(8.7%), 29MPa(4.7%)씩 감소하였다. 이때 강도는 ASME/ASTM 규격에 비하여 약 25%, 6%씩 여유가 있었다.
Figure kpo00003
2상영역 열처리에 의하여 충격인성이 향상되는 원인을 조사하기 위하여 광학 및 투과전자 현미경으로 조직을 관찰하였다.
도 5a는 소입처리후 광학현미경 사진으로 베이나이트 조직이다. 소입후 2상영역 열처리한 도 5b에서 흰 마르텐사이트 영역과 검은 템퍼드 베이나이트 영역이 골고루 섞여 있는 복합조직을 보이고 있는 것으로 보아 2상영역에서 생성된 오스테나이트가 냉각중에 마르텐사이트로 변태하였음을 알 수 있다. 투과전자현미경으로 관찰하면 도 6a와 같이 결정립계는 잘 발달된 전위망으로 이루어지고, 내부의 전위밀도가 매우 낮은 아결정립 구조의 템퍼드 베이나이트 기지에 전위밀도가 매우 높고 폭이 1㎛ 이하인 미세한 마르텐사이트가 골고루 분포되어 있었다.
소려후 광학 조직은 도 5c, 도 5d와 같이 2상영역 열처리를 한 경우가 하지 않은 경우에 비하여 훨씬 미세하고 균일하였다. 투과전자현미경으로 관찰하면 도 6b와 같이 조대하고 전위밀도가 매우 낮은 아결정립 구조의 템퍼드 베이나이트 사이에 작고 전위밀도가 비교적 높은 아결정립이 형성되어 있었다. 이 영역은 2상영역 열처리에 의하여 형성된 고전위밀도의 미세한 마르텐사이트가 소려과정에서 아결정립 구조의 템퍼드 마르텐사이트로 변화한 것이다.
탄화물 분포를 비교하면 도 7에서 2상영역 열처리를 하지 않은 경우에 래스 경계를 따라 형성된 막대 형태의 탄화물과 래스 사이의 비교적 조대한 탄화물, 그리고 래스내부에 석출한 침상 탄화물을 관찰할 수 있고, 탄화물 군 사이의 간격이 비교적 넓다. 반면에 2상영역 열처리를 한 경우에 탄화물은 크고 주로 구형이며, 탄화물 밀도가 높은 영역과 낮은 영역간의 간격이 비교적 좁다.
[실시예 2] 2상영역 열처리 공정후 조정된 조건에서 소려 공정을 수행하는 SA508 Gr. 3 강의 제조방법
SA508 Gr. 3 강 제조시 소입과 소려 사이에 2상영역 열처리를 추가하면 충격인성과 연성이 크게 향상된 반면에 강도가 약간 감소하였는데, 소려 조건을 조정함으로써 강도 감소를 줄일 수 있다. 소려처리는 소입한 강에 인성을 부여하는 열처리로, 소려 온도가 높을수록, 그리고 유지시간이 길수록 강도는 낮아진다. 따라서 소려 온도와 시간을 줄임으로써 강도를 높일 수 있다. ASME/ASTM 규격에서 소려처리는 650℃ 이상에서 최대두께에 대하여 1인치당 30분 이상 유지하도록 규정되어 있으나, 보완조건에서 용접후 열처리를 하는 경우에 소려온도를 640℃/6h으로 온도와 시간을 조정한 '신공정2'에 대하여 인장시험과 충격시험을 다시 수행하였다. 또 소려 처리 온도를 더 낮추어 ASME/ASTM 규격 보완조건에 규정되어 있는 최소 소려온도(635℃)보다도 낮고, 용접후 열처리 온도(620℃ 미만)보다는 높은 620℃에서 소려 처리를 한 '신공정3'에 대해서도 동일한 기계적 시험을 수행하였다.
신공정2 = 소입 + 2상영역 열처리 + 소려(640℃/6h) + 용접후 열처리
신공정3 = 소입 + 2상영역 열처리 + 소려(620℃/6h) + 용접후 열처리
표 5에서 '신공정2'에 대한 인장시험결과를 살펴보면 '신공정1'에 비하여 연성의 큰 변화 없이 항복강도와 인장강도가 각각 10MPa 향상되었다. 그리고 도 8과 표 4에서 보면 상온충격에너지와 최대흡수에너지는 거의 그대로 유지하면서 천이온도 T41J과 T68J이 15℃, 12℃씩 추가로 감소하였다.
'신공정3'에 대한 인장시험결과를 살펴보면 '신공정1'과 연성은 거의 같으면서 항복강도와 인장강도는 각각 30MPa, 23MPa씩 추가로 증가하였다. 그리고 상온 충격에너지와 최대흡수에너지는 거의 그대로 유지하면서 '신공정1'에 비하여 천이온도 T41J과 T68J이 25℃, 21℃씩 추가로 감소하였다.
따라서 2상영역 열처리 추가후 소려 조건을 조정하면 2상영역 열처리로 인한 강도감소를 최소화하면서 2상영역 열처리로 인한 충격인성 향상을 극대화할 수 있다.
그리고 '신공정3'과 같이 열처리를 하면 '기존공정'에 비하여 항복강도와 인장강도는 11MPa(2.3%), 6MPa(1%)씩만 감소하여 거의 변화가 없지만, 연신율과 단면수축율은 2.0%(7.3%), 2.5%(3.5%) 증가하고, 상온충격에너지와 최대흡수에너지는 85J(42%), 35J(12%) 증가하며, 천이온도 T41J과 T68J은 각각 31℃, 29℃씩 크게 감소하였다. 도 9에서 아래의 소려 인자(Tempering Parameter, TP)에 관한 식을 이용하여 소려 정도에 따른 천이온도의 변화를 알 수 있다.
TP = T[K] × (20 + Log t[h])
여기서 TP ; 소려 인자 T ; 소려 온도 t ; 소려 시간
Figure kpo00004
Figure kpo00005
본 발명은 가압경수로 원자력 발전소의 압력용기 등에 사용되는 SA 508 Gr. 3 강을 기존의 열처리 과정인 소입과 소려 처리 중간에 페라이트 상과 오스테나이트 상이 공존하는 2상영역 온도구간중 680 내지 750℃에서 1 내지 8시간 동안의 열처리를 추가하여 제조하는 것으로서, 제조된 강은 기존 열처리 공정에 의하여 제조되는 것에 비하여 상온 충격에너지와 최대 흡수에너지가 크게 증가하고, 연성-취성 천이온도가 낮아져 파괴에 대한 저항성이 현저하게 향상된다는 잇점이 있다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 2상영역 열처리를 포함하는 SA 508 Gr.2 강의 제조방법에 있어서, 기존의 소려 온도보다 낮은 온도에서 소려 처리를 행하는 것으로서, 제조된 강은 2상영역 열처리에 의하여 발생하는 강도의 감소가 상쇄되어 강도감소가 최소화되고 2상영역 열처리에 의한 인성 향상이 극대화된다는 잇점이 있다.
원자로 압력용기강은 가동중에 고속 중성자가 조사되어 인성을 감소시키는 중성사 조사 취화 현상이 일어나기 때문에 취성파괴에 대한 저항성이 높을수록 좋다. 따라서 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 강을 원자로 압력용기강으로 사용하면 파괴인성이 높고 가동중의 천이온도가 낮게 유지되므로 가동조건이 완화되고, 압력용기강의 수명이 길어진다. 그러므로 원전 전체의 이용율과 안전여유도가 향상되고 원전 수명관리에도 크게 기여할 수 있다.

Claims (6)

  1. 소입, 소려 및 용접후 열처리 공정으로 이루어지는 C 0.25%이하, Mn 1.2~1.5%, Si 0.15~0.4%, P 0.015% 이하, S 0.015% 이하, Ni 0.4~1.0%, Cr 0.25% 이하, Mo 0.45~0.6%, Al 0.04% 이하, Cu 0.06% 이하, V 0.03%이하, 잔부 Fe로 구성되는 SA508 Gr. 3 강의 제조방법에 있어서, 소입처리와 소려처리 중간에 680℃~750℃에서 1 내지 8시간동안 2상영역 열처리 공정을 추가하는 것을 특징으로 하는 고인성 SA508 Gr. 3 강의 제조방법.
  2. 소입, 소려 및 용접후 열처리 공정으로 이루어지는 C 0.25%이하, Mn 1.2~1.5%, Si 0.15~0.4%, P 0.015% 이하, S 0.015% 이하, Ni 0.4~1.0%, Cr 0.25% 이하, Mo 0.45~0.6%, Al 0.04% 이하, Cu 0.06% 이하, V 0.03%이하, 잔부 Fe로 구성되는 SA508 Gr. 3 강의 제조방법에 있어서, 소입처리와 소려처리 중간에 680℃~750℃에서 1 내지 8시간동안 2상영역 열처리 공정을 추가하고, 2상영역 열처리후 소려 공정을 635℃보다 낮은 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 고인성 SA508 Gr. 3 강의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 2상영역 열처리 공정은 페라이트상과 오스테나이트상의 2상이 공존하는 영역에서 유지한 후 냉각하여 5 내지 40%의 마르텐사이트상을 분산시키는 열처리 과정인 것을 특징으로 하는 고인성 SA508 Gr. 3 강의 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 2상영역 열처리는 680 내지 690℃에서 2시간이상 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 고인성 SA508 Gr. 3 강의 제조방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 700 내지 740℃에서 2상영역 열처리 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 고인성 SA508 Gr. 3 강의 제조방법.
  6. 제2항에 있어서, 2상영역 열처리후 소려 공정을 용접후 열처리 온도인 620℃ 미만의 온도보다 높고 635℃보다 낮은 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 고인성 SA508 Gr. 3 강의 제조방법.
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