KR20150123947A

KR20150123947A - 고Cr 강관의 제조 방법

Info

Publication number: KR20150123947A
Application number: KR1020157028197A
Authority: KR
Inventors: 다카시 나카시마; 요스케 우치다
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2015-11-04
Also published as: JPWO2015005119A1; WO2015005119A1; CN105324495A

Abstract

후공정에서 실시되는 확관 또는 신관과 같은 가공을 용이하게 하기 위해 저경도의 고Cr 강관을 제조 가능한 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 의한 고Cr 강관의 제조 방법은,질량%로, C：0.05~0.15%, Si：0.02~0.70%, Mn：0.10~1.0%, P：0.025% 이하, S：0.010% 이하, Cr：8.0~10%, Mo：0.15~1.25%, V：0.08~0.35%, Nb：0.02~0.12%, Al：0.05% 이하, N：0.01~0.10%, W：0~2.50%, B：0~0.01%, Ti：0~0.1%, Ni：0~0.8%, Ca 및/또는 Mg의 합계：0~0.01%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 빌릿을 열간 가공 후에 냉각하여 얻어진 소관을 준비하는 공정과, 소관 온도를 A_C1점보다 높고 950℃ 이하의 제1 온도로 유지하는 제1 열처리 공정과, 제1 열처리 공정 후, 소관 온도를 Ms점 이하의 온도로 낮추지 않고, 계속해서 A_C1점 이하의 제2 온도로 소관 온도를 유지하는 제2 열처리 공정을 구비한다.

Description

고Cr 강관의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING HIGH-Cr STEEL PIPE}

본 발명은, 강관의 제조 방법에 관한 것이며, 더 상세하게는, 석유 플랜트나 화력발전 플랜트 등에 이용되는 고Cr 강관의 제조 방법에 관한 것이다.

석유 플랜트 및 화력발전 플랜트에서는, 다양한 내열강관이 이용되고 있다. 상기 플랜트를 구성하는 설비 중, 고온 고압 하에서 사용되는 배관, 반응관 및 열교환기에 이용되는 강관에는, 8.0~10질량%의 Cr을 함유하는 고Cr 강관이 이용된다. 이러한 고Cr 강관의 대표예는 예를 들어, ASTM P91 및 P92에 규정된 화학 조성을 가지는 강관이다.

고Cr 강관으로서는, 단조에 의해 제조되는 단조 강관, 용접에 의해 제조되는 용접 강관, 및, 만네스만법에 의해 천공 압연하여 제조되는 이음매가 없는 강관이 있다.

예를 들어, 화력발전 플랜트의 터빈과 보일러를 연결하는 커넥션 파이프는, 외경이 450~900mm로 크다. 이러한 대경의 고Cr 강관으로서, 단조 강관이나 용접 강관을 이용할 수도 있다. 그러나, 단조 강관은 생산성이 낮고, 박육의 강관을 제조하는 것이 곤란하다. 또, 용접 강관은 용접부의 기계적 특성이 낮은 경우가 있다.

이음매가 없는 강관을 이용하여, 확관(擴管)에 의해 대경의 고Cr 강관을 제조하면, 생산성이 낮아지는 것을 억제할 수 있어, 박육 강관도 제조할 수 있다. 또, 용접 강관과 같은 축방향으로 연장되는 용접부도 존재하지 않는다. 그 때문에, 고Cr 강관을 제조하는데, 이음매가 없는 강관이 이용되는 것이 바람직하다.

이음매가 없는 강관을 이용한 고Cr 강관 제품의 제조 방법의 일례는 다음과 같다. 천공 압연에 의해 고Cr 강관 중간품(이음매가 없는 강관)을 제조한다. 제조된 고Cr 강관에 대해 냉간 또는 온간에서 가공(신관(伸管) 또는 확관)을 행하여, 소정의 사이즈로 한다. 가공된 고Cr 강관에 대해 열처리(불림 및 뜨임, 이른바 노말라이즈 템퍼 처리)를 실시하여, 고Cr 강관 제품을 제조한다.

고Cr 강관은, Cr함유량이 8.0~10%로 높기 때문에, 천공 압연 후의 고Cr 강관(소관)의 경도가 높다. 그 때문에, 소관에 대해 냉간 또는 온간 가공을 실시하는 경우, 가공 전의 소관에 대해 연화 처리를 행한다.

ASTM P91 규격의 고Cr 강관 제품의 일반적인 열처리 방법은, 상술한 대로, 노말라이즈 템퍼 처리이다. 그래서, 고Cr 강관(소관)의 연화 처리 방법으로서, 이 노말라이즈 템퍼 처리를 이용할 수 있다. 그러나, 소관에 대해, 최종 제품인 고Cr 강관 제품과 동일한 노말라이즈 템퍼 처리를 실시하면, 불림 온도가 높기 때문에 제조 비용이 높아진다. 또한, 노말라이즈 템퍼 처리 후의 소관의 표면에 형성되는 스케일량이 많아진다. 그 때문에, 소관을 확관 또는 신관하기 전에, 탈스케일 처리(쇼트 블라스트 처리 등)를 실시해야 하는 경우가 있다.

일본국 특허공개 평10-30121호 공보에는, C：0.20%, Cr：8~10%를 함유하고, 또한, Mo：1.5% 이하, W：2.0% 이하의 1종 또는 2종을 함유하는 강을, A_c1 변태 온도~A_c3 변태 온도의 온도 범위에서 5분 이상 유지한 후, 660~800℃의 항온 유지 온도까지 냉각하고, 소정의 유지 시간의 고온 유지를 행하는 CrMo강의 연화 열처리 방법이 개시되어 있다. 단, 이 방법은, V, Nb 등, 탄질화물을 형성하는 합금 원소를 함유하는 강에는 적용할 수 없다고 알려져 있다. 일본국 특허공개 2004-285432호 공보는, 고Cr 강관(소관)의 연화 처리 방법에 대해서 제안한다. 일본국 특허공개 2004-285432호 공보에서는, 열간 압연에 의해 고Cr 강관을 제조한 후, 고Cr 강관을(A_C1 변태 온도+A_C3 변태 온도)/2 이상, (A_C3 변태 온도+50℃) 이하의 온도로 가열한 후, 700~800℃의 온도에서 30분 이상 유지하고, 냉각한다. 일본국 특허공개 2004-285432호 공보에서는, 1단째의 열처리에 의해, 모상을 오스테나이트화하고, 강 중에 조대한 탄화물, 탄질화물을 가능한 한 석출시킨다. 그리고, 2단째의 열처리에 의해, 오스테나이트 중에 고용한 C 및 N을 충분히 조대 석출시킨다. 즉, 일본국 특허공개 2004-285432호 공보에서는, 제1단째의 열처리 및 제2단째의 열처리는 모두, 탄화물 및 탄질화물을 조대 석출시키는 것을 목적으로 한다.

일본국 특허공개 2004-285432호 공보에 의하면, 제2단째의 열처리에 있어서 오스테나이트 중에 고용한 C 및 N을 충분히 조대 석출시킨다(일본국 특허공개 2004-285432호 공보의 단락[0024] 참조). 따라서, 일본국 특허공개 2004-285432호 공보의 강관에서는, 제2단째의 열처리 시에 강 중에 잔류 오스테나이트가 존재할 것이다. 잔류 오스테나이트는 담금질한 강에 존재하기 때문에, 일본국 특허공개 2004-285432호 공보에 있어서, 제1단째의 열처리 후의 강의 조직은, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트로 이루어진다고 생각할 수 있다. 이러한 조직의 경우, 제2단째의 열처리를 실시한 후여도, 강관이 충분히 연화되지 않는 경우가 있다.

본 발명의 목적은, 후공정에서 실시되는 확관 또는 신관과 같은 가공을 용이하게 하기 위해 저경도의 고Cr 강관을 제조 가능한 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 고Cr 강관의 제조 방법은,질량%로, C：0.05~0.15%, Si：0.02~0.70%, Mn：0.10~1.0%, P：0.025% 이하, S：0.010% 이하, Cr：8.0~10%, Mo：0.15~1.25%, V：0.08~0.35%, Nb：0.02~0.12%, Al：0.05% 이하, N：0.01~0.10%, W：0~2.50%, B：0~0.01%, Ti：0~0.1%, Ni：0~0.8%, Ca 및/또는 Mg의 합계：0~0.01%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 빌릿을 열간 가공 후에 냉각하여 얻어진 소관을 준비하는 공정과, 소관 온도를 A_C1점보다 높고 950℃ 이하의 제1 온도로 유지하는 제1 열처리 공정과, 제1 열처리 공정 후, 소관 온도를 Ms점 이하의 온도로 낮추지 않고, 계속해서 A_C1점 이하의 제2 온도로 유지하는 제2 열처리 공정을 구비한다.

본 발명에 의한 고Cr 강관의 제조 방법에서는, 저경도의 고Cr 강관을 제조할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실시의 형태에 의한 고Cr 강관의 제조 방법에 있어서의 제1 및 제2 열처리 공정의 히트 패턴(열이력)을 나타내는 도이다.
도 2는, 실시예(비교예)에서 이용한 히트 패턴의 일례를 나타내는 도이다.
도 3은, 실시예(비교예)에서 이용한 히트 패턴의 일례이며, 도 2와 상이한 다른 히트 패턴의 일례를 나타내는 도이다.
도 4는, 실시예(발명예)에서 이용한 본 발명에 관련된 히트 패턴의 일례를 나타내는 도이다.
도 5는, 실시예(비교예)에서 이용한 히트 패턴의 일례이며, 도 2 및 도 3과 상이한 히트 패턴의 일례를 나타내는 도이다.
도 6은, 실시예(발명예)에서 이용한 본 발명에 관련된 히트 패턴의 일례이며, 도 4와 상이한 실시 형태를 나타내는 도이다.
도 7은, 도 2~도 6과 상이한 다른 실시예(비교예)에서 이용한 히트 패턴의 일례이며, 도 2, 도 3, 및 도 5와 상이한 히트 패턴의 일례를 나타내는 도이다.
도 8은, 도 2~도 7의 각 히트 패턴의 열처리를 실시한 경우의 고Cr 강관의 비커스 경도를 나타내는 도이다.
도 9는, 도 8과 상이한 강종류의 고Cr 강관에 대해, 도 2~도 7의 각 히트 패턴의 열처리를 실시한 경우의 고Cr 강관의 비커스 경도를 나타내는 도이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시의 형태를 상세하게 설명한다. 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다. 이후의 설명에 있어서의 「%」는, 특별한 규정이 없는 경우,질량%를 의미한다.

본 발명자들은, 후공정에서 확관이나 신관과 같은 가공이 실시되는 고Cr 강관의 경도를 저하시키는 방법을 검토했다. 그 결과, 다음의 지견을 얻었다.

마르텐사이트의 생성을 억제할 수 있으면, 고Cr 강관의 경도가 낮아져, 가공하기 쉬워진다. 8~10%의 Cr을 함유하는 고Cr 강은 자경성이 높다. 그 때문에, 고Cr 강으로 이루어지는 소재를 천공 압연하여 소관(이음매가 없는 강관)을 제조하면, 소관의 냉각 시에 마르텐사이트가 생성된다.

그래서, 생성된 마르텐사이트를 소멸 또는 감소시키기 위해, 제1 열처리 공정으로서, 소관 온도를 A_C1점보다 높고 950℃ 이하의 제1 온도로 가열하고, 유지한다. 이 경우, 마르텐사이트의 일부 또는 전부가 오스테나이트로 변태하기 때문에, 강 중의 마르텐사이트를 소멸 또는 감소시킬 수 있다.

그러나, 상술한 대로, 고Cr 강은 자경성이 높기 때문에, 제1 열처리 공정 후의 냉각 시에 마르텐사이트가 다시 생성될 가능성이 있다. 이 경우, 제2 열처리 공정으로서, A_C1점 이하의 온도에서 소관을 뜨임하면, 고Cr 강관은 어느 정도 연화된다.

그러나, 제2 열처리 공정 전의 소관에 마르텐사이트가 잔존하면, 제2 열처리 공정에서 뜨임 처리를 실시해도, 강 중에 뜨임 마르텐사이트가 잔존해 버려, 경도가 충분히 낮아지기 어렵다.

그래서, 본 발명에서는, 도 1에 나타내는 대로, 제1 열처리 공정 후의 소관 온도를 Ms점 이하로 낮추지 않고, 계속해서 제2 열처리 공정으로서 뜨임 처리를 개시한다. 이 경우, 제1 열처리 공정 후의 소관에 있어서, 냉각에 의해 마르텐사이트가 생성되는 것을 억제할 수 있다. 그 때문에, 제2 열처리 공정도의 고Cr 강관 내에 뜨임 마르텐사이트가 생성되기 어렵다. 그 때문에, 고Cr 강관의 경도를 낮게 할 수 있어, 후공정에서 확관이나 신관과 같은 가공을 하기 쉬워진다.

바람직하게는, 제1 열처리 공정을 완료한 후, 제2 열처리 공정을 개시할 때까지 동안의 소관 온도의 냉각 속도를 90℃/분 이하로 한다. 이 경우, 고Cr 강관의 경도를 더 낮게 할 수 있다.

이상의 지견에 의거하여 완성된 본 발명의 요지는 다음과 같다.

본 발명에 의한 고Cr 강관의 제조 방법은,질량%로, C：0.05~0.15%, Si：0.02~0.70%, Mn：0.10~1.0%, P：0.025% 이하, S：0.010% 이하, Cr：8.0~10%, Mo：0.15~1.25%, V：0.08~0.35%, Nb：0.02~0.12%, Al：0.05% 이하, N：0.01~0.10%, W：0~2.50%, B：0~0.01%, Ti：0~0.1%, Ni：0~0.8%, Ca 및/또는 Mg의 합계：0~0.01%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 소관을 준비하는 공정과, 소관 온도를 A_C1점보다 높고 950℃ 이하의 제1 온도로 유지하는 제1 열처리 공정과, 제1 열처리 공정 후, 소관 온도를 Ms점 이하의 온도로 낮추지 않고, 계속해서 A_C1점 이하의 제2 온도로 소관 온도를 유지하는 제2 열처리 공정을 구비한다.

상기 제2 온도는 700℃ 이상인 것이 바람직하다.

이 경우, 제조된 고Cr 강관이 연화되기 쉽다.

상기 화학 조성에 있어서, N함유량은 0.05% 미만인 것이 바람직하다.

이 경우, 고Cr 강관의 소재에서의 블로우 홀의 발생이 억제된다. 그 때문에, 고Cr 강관의 표면에 흠이 형성되기 어렵다. 또, N함유량이 낮기 때문에, 질화물의 형성이나 질소의 고용의 비율이 적고, 강이 연화되기 쉽다.

상기 제조 방법에서는, 제1 열처리 공정 후, 제2 열처리 공정을 개시할 때까지의 소관의 냉각 속도가 90℃/분 이하인 것이 바람직하다.

이 경우, 고Cr 강관의 경도가 더 낮아진다.

상기 제조 방법에서는, 제1 열처리 공정은, 제1 열처리로에서 실시되고, 제2 열처리 공정은, 제1 열처리로와 상이한 제2 열처리로에서 실시되며, 제조 방법은, 소관을 제1 열처리로로부터 추출하는 공정과, 추출한 소관을 제2 열처리로에 장입하는 공정을 더 구비하는 것이 바람직하다.

이 경우, 단일의 열처리로에서 열처리를 실시하는 경우와 비교하여, 생산성을 높일 수 있다. 이하, 그 이유를 설명한다.

종래, 강관을 소정의 유지 온도로 등온 변태시키는 경우, 오스테나이트 상태에서 유지 온도까지 사이의 온도 이력도 엄밀하게 관리할 필요가 있다고 생각되고 있었다. 그러나, 본 발명자들의 조사에 의하면, 소관 온도가 Ms점 이하의 온도조차되지 않으면, 제1 열처리와 제2 열처리 사이의 온도 이력의 영향은 의외로 작은 것을 알 수 있었다.

단일의 열처리로에서 상기 열처리를 실시하는 경우, 상기 열처리로의 온도를 제1 온도로부터 제2 온도까지 강온시킬 필요가 있다. 한편, 상술한 바와 같이, 석유 플랜트나 화력발전 플랜트에는, 외경이 450~900mm인 대경의 고Cr 강관이 사용된다. 이음매가 없는 강관을 확관하여 고Cr 강관을 제조하는 경우여도, 이음매가 없는 강관(소관)으로서 외경이 185~450mm인 대경 두께의 것이 필요하다. 이러한 대경 두께로 열용량이 큰 소관을 제1 온도로부터 제2 온도까지 강온시키기 위해서는, 장시간을 필요로 한다. 혹은, 강제적으로 냉각시키기 위한 특별한 설비가 필요하게 된다.

이에 반해, 제1 열처리로와 제2 열처리로를 이용하는 경우, 소관을 제1 열처리로에서 제1 온도로 유지한 후, 일단 노 밖으로 추출함으로써, 신속하게 소관의 온도를 낮출 수 있다. 또, 각각의 열처리로의 온도는 일정하며, 강온이나 재가열의 필요가 없기 때문에, 연속해서 열처리를 실시할 수 있다. 따라서, 단일의 열처리로에서 열처리를 실시하는 경우와 비교하여, 생산성을 높일 수 있다.

상기 제조 방법에서는, 추출하는 공정은, 소관 온도를 Ms점보다 높고 제2 온도 미만의 온도까지 낮추는 것이 바람직하다. 이 경우, 온도 관리가 보다 용이해진다.

상술한 요지를 구비한 본 발명에 대해서, 이하에 상세히 서술한다.

[제조 방법]

본 실시 형태에 의한 고Cr 강관의 제조 방법은, 소관을 준비하는 공정과, 소관에 대해 열처리를 실시하는 제1 및 제2 열처리 공정을 구비한다. 이하, 각 공정에 대해서 상세히 서술한다.

[준비 공정]

준비 공정에서는, 소관을 준비한다. 소관은 고Cr 강으로 이루어지며, 고Cr 강의 화학 조성은 다음과 같다.

C：0.05~0.15%

탄소(C)는, 본 실시 형태에 있어서 제조된 고Cr 강관을 가공(확관 또는 신관)한 후의 열처리 공정(노말라이즈 템퍼 처리)에 있어서, 탄화물, 탄질화물을 형성하여 강의 고온 강도를 높인다. C함유량이 너무 낮으면, 상기 효과는 얻을 수 없다. 한편, C함유량이 너무 높으면, 강의 용접성이 저하된다. 따라서, C함유량은 0.05~0.15%이다. C함유량의 바람직한 하한은 0.07%이며, 더 바람직하게는 0.08%이다. C함유량의 바람직한 상한은 0.13%이며, 더 바람직하게는 0.12%이다.

Si：0.02~0.70%

규소(Si)는 강을 탈산한다. Si는 또한, 강의 내산화성을 높인다. Si함유량이 너무 낮으면, 상기 효과는 얻을 수 없다. 한편, Si함유량이 너무 높으면, 강의 인성이 저하된다. 따라서, Si함유량은 0.02~0.70%이다. Si함유량의 바람직한 하한은 0.05%이며, 더 바람직하게는 0.20%이다. Si함유량의 바람직한 상한은 0.55%이며, 더 바람직하게는 0.50%이다.

Mn：0.10~1.0%

망간(Mn)은, 강을 탈황한다. Mn은 또한, 강의 강도를 높인다. Mn함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, Mn함유량이 너무 높으면, 강의 인성이 저하된다. 따라서, Mn함유량은 0.10~1.0%이다. Mn함유량의 바람직한 하한은 0.25%이며, 더 바람직하게는 0.28%이며, 더 바람직하게는 0.30%이다. Mn함유량의 바람직한 상한은 0.70%이며, 더 바람직하게는 0.60%이며, 더 바람직하게는 0.45%이다.

P：0.025% 이하

인(P)은 불순물이다. P는 입계에 편석하여 강을 취화한다. 그 때문에, 강의 크리프 강도가 저하된다. 따라서, P함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. P함유량은 0.025% 이하이다. 바람직한 P함유량은 0.018% 이하이며, 더 바람직하게는 0.012% 이하이다.

S：0.010% 이하

유황(S)은 불순물이다. S는 입계에 편석하여 입계 취화를 일으킨다. 따라서, S함유량은 가능한 한 적은 것이 바람직하다. S함유량은 0.010% 이하이다. 바람직한 S함유량은 0.008% 이하이며, 더 바람직하게는 0.005% 이하이다.

Cr：8.0~10%

크롬은 강의 내(耐)수증기 산화성 및 내고온 부식성을 높인다. Cr은 또한, 미세한 M₂₃C₆이나 M₆C 등의 탄화물을 형성하여, 강의 고온 강도를 높인다. Cr은 또한, 유정 환경에 있어서의 강의 내식성을 높인다. 한편, Cr함유량이 너무 높으면, 강의 용접성, 인성 및 열간 가공성이 저하된다. 따라서, Cr함유량은 8.0~10%이다. Cr함유량의 바람직한 하한은 8.2%이며, 더 바람직하게는 8.5%이다. Cr함유량의 바람직한 상한은 9.5%이다.

Mo：0.15~1.25%

몰리브덴(Mo)은 고용강화 원소 및 탄화물 형성 원소로서 강의 고온 강도를 높인다. Mo함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, Mo함유량이 너무 높으면, 강의 용접성 및 인성이 저하된다. 따라서, Mo함유량은 0.15~1.25%이다. Mo함유량의 바람직한 하한은 0.70%이며, 더 바람직하게는 0.85%이다. Mo함유량의 바람직한 상한은 1.15%이며, 더 바람직하게는 1.05%이다.

V：0.08~0.35%

바나듐(V)은 탄질화물을 형성하여 강의 고온 강도 및 크리프 파단 강도를 높인다. V함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, V함유량이 너무 높으면, 조대한 탄화물이 생성되어, 강의 크리프 파단 강도가 저하된다. 따라서, V함유량은 0.08~0.35%이다. V함유량의 바람직한 하한은 0.15%이며, 더 바람직하게는 0.18%이다. V함유량의 바람직한 상한은 0.30%이며, 더 바람직하게는 0.25%이다.

Nb：0.02~0.12%

니오브(Nb)는, V와 마찬가지로 탄질화물을 형성하여 강의 고온 강도 및 크리프 파단 강도를 높인다. Nb함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, Nb함유량이 너무 높으면, 탄질화물이 응집하여 조대화하여, 강의 강도가 저하된다. 따라서, Nb함유량은 0.02~0.12%이다. Nb함유량의 바람직한 하한은 0.04%이며, 더 바람직하게는 0.06%이다. Nb함유량의 바람직한 상한은 0.10%이며, 더 바람직하게는 0.09%이다.

Al：0.05% 이하

알루미늄(Al)은, 강을 탈산한다. Al가 조금이라도 함유되면(즉, 0%보다 많이 함유되면), 상기 효과를 얻을 수 있다. 한편, Al함유량이 너무 높으면, 강의 고온 강도가 저하된다. 따라서, Al함유량은 0.05% 이하이다. Al함유량의 바람직한 하한은 0.001%이며, 더 바람직하게는 0.003%이다. Al함유량의 바람직한 상한은 0.03%이다. 본 명세서에 있어서의 Al함유량은, Total. Al(전체 Al)의 함유량을 의미한다.

N：0.01~0.10%

질소(N)는, V 또는 Nb와 탄질화물을 형성하여, 강의 크리프 파단 강도를 높인다. N함유량이 너무 낮으면, 상기 효과는 얻을 수 없다. 한편, N함유량이 너무 높으면, 블로우 홀이 발생하기 쉬워진다. 블로우 홀은, 제품의 표면 흠의 발생 요인이 된다. 또, N함유량이 과잉해지면 질화물의 형성이나 고용 N의 증가에 의해 강이 경화되기 쉬워진다. 따라서, N함유량은 0.01~0.10%이다. N함유량의 바람직한 하한은 0.025%이며, 더 바람직하게는 0.038%이다. N함유량의 바람직한 상한은 0.060%이며, 더 바람직하게는 0.048%이다.

본 발명의 고Cr 강은 또한, W, B, Ti, Ni를 함유해도 된다. 이들 원소는 선택 원소이며, 모두 고온 강도를 높이는 점에서 공통된다.

W：0~2.50%

텅스텐(W)은 선택 원소이다. W는, Mo와 마찬가지로, 고용강화 원소 및 탄화물형 원소로서 강의 고온 강도를 높인다. W가 조금이라도 함유되면, 상기 효과를 얻을 수 있다. 중량비로 Mo의 2배의 W를 함유하면, 고온영역에서의 크리프 강도의 향상에 유효하다. 한편, W함유량이 너무 높으면, 모재 강도가 너무 높아지기 때문에, 모재에 대한 용접 이음부의 강도가 상대적으로 저하된다. 따라서, W함유량은 0~2.50%이다.

상술한 대로, W는 Mo와 거의 동등한 효과를 가진다. W를 함유하는 경우, 바람직하게는 Mo+W/2가 1.0~1.6%이다.

W함유량의 바람직한 하한은 1.5%이며, W함유량의 바람직한 상한은 2.0%이다.

B：0~0.01%

붕소(B)는 선택 원소이다. B는, 강 중의 탄화물을 분산하여, 안정화시킨다. B가 조금이라도 함유되면, 상기 효과를 얻을 수 있다. 한편, B함유량이 너무 높으면, 강의 용접성 및 가공성이 저하된다. 따라서, B함유량은 0~0.01%이다. B함유량의 바람직한 하한은 0.0003%이며, 더 바람직하게는 0.001%이다. B함유량의 바람직한 상한은 0.008%이며, 더 바람직하게는 0.005%이다.

Ti：0~0.1%

티탄(Ti)은 선택 원소이다. Ti는 Cr보다 고온영역까지 안정된 탄화물을 형성하여, 강의 크리프 강도를 높인다. 한편, Ti함유량이 너무 높으면, 조대한 탄화물이 다량으로 석출되어 강의 인성이 저하된다. 따라서, Ti함유량은 0~0.1%이다. Ti함유량의 바람직한 하한은 0.003%이며, 더 바람직하게는 0.007%이다. Ti함유량의 바람직한 상한은 0.03%이며, 더 바람직하게는 0.022%이다.

Ni：0~0.8%

니켈(Ni)은 선택 원소이다. Ni는 오스테나이트 안정화 원소이며, 델타(δ) 페라이트의 생성을 억제한다. 페라이트 형성 원소인 W함유량이 많은 경우는 특히, Ni가 함유되는 것이 바람직하다. 한편, Ni함유량이 너무 높으면, 강의 크리프 파단 강도가 저하된다. 따라서, Ni함유량은 0~0.8%이다. Ni함유량의 바람직한 하한은 0.2%이다. 또한, W함유량이 적은 경우 등, δ페라이트를 억제하지 않아도 되는 경우, 바람직한 Ni함유량은 0.2% 미만이다.

본 발명의 고Cr 강은 또한, Ca 및 Mg 중 적어도 1종 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 모두 선택 원소이며, 강의 열간 가공성을 높이는 점에서 공통된다.

Ca 및 Mg 중 적어도 1종 이상의 합계：0~0.01%

칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg)은 모두 선택 원소이다. 이들 원소는 강의 열간 가공성을 높인다. 한편, 이들 원소의 함유량의 합계가 너무 높으면, 강의 청정성이 저하된다. 따라서, Ca 및 Mg 중 적어도 1종 이상의 합계의 함유량(이하, Ca 및/또는 Mg 총량이라고 한다)은 0~0.01%이다. Ca 및/또는 Mg 총량의 바람직한 하한은 0.0005%이고, 더 바람직하게는 0.001%이며, 더 바람직하게는 0.0015%이다. Ca 및/또는 Mg 총량의 바람직한 상한은 0.008%이며, 더 바람직하게는 0.006%이다.

본 발명에 의한 고Cr 강의 잔부는, Fe 및 불순물이다. 불순물은, 강의 원료로서 이용되는 광석이나 스크랩, 또는 제조 과정의 환경 등으로부터 혼입되는 원소이며, 본 발명의 고Cr 강에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.

상기 화학 조성을 가지는 고Cr 강소관을, 예를 들어 다음의 방법에 의해 제조한다.

상기 화학 조성을 가지는 강을 용제하여, 주지의 방법으로 정련한다. 계속해서, 용강을 연속 주조법에 의해 연속 주조재로 한다. 연속 주조재는 예를 들어, 슬라브나 블룸이나 라운드 빌릿이다. 또, 용강을 조괴법에 의해 잉곳으로 해도 된다.

슬라브나 블룸, 잉곳을 열간 가공하여 빌릿(제관용 빌릿)으로 한다. 열간 압연에 의해 빌릿으로 해도 되고, 열간 단조에 의해 빌릿으로 해도 된다.

연속 주조 또는 열간 가공에 의해 얻어진 빌릿을 열간 가공하여 소관을 제조한다. 예를 들어, 열간 가공으로서 만네스만 천공 압연을 실시하여, 소관인 이음매가 없는 강관을 제조한다. 천공 압연 후의 소관에 대해, 맨드릴 밀을 이용하여 연신 압연을 실시해도 되고, 연신 압연 후, 사이저 또는 스트레치 리듀서를 이용하여 정경 압연을 실시해도 된다. 이상의 열간 가공에 의해 제조된 소관을 냉각한다. 소관은, 실온까지 냉각해도 된다. 바람직한 냉각 방법은, 공냉 또는 방냉이다.

[열처리 공정]

준비된 소관에 대해, 제1 열처리를 실시하고, 계속해서 제2 열처리를 실시한다. 상술한 대로, 본 열처리 공정에서는, 열처리 후의 고Cr 강관 중의 마르텐사이트량을 가능한 한 억제한다.

[제1 열처리 공정에 대해서]

상기 화학 조성을 가지는 소관은 자경성이 높다. 그 때문에, 상술한 제조 방법으로 열간 가공된 후, 공냉 또는 방냉된 경우여도, 마르텐사이트가 생성된다. 그래서, 준비된 소관에 대해, 연화를 목적으로 한 열처리를 실시한다.

먼저, 준비된 소관을 A_C1점보다 높고 950℃ 이하의 제1 온도로 가열한다. 그리고, 제1 온도에서 소관을 유지한다. 예를 들어, 제1 온도의 노내 온도를 가지는 열처리로에 소관을 삽입하고, 그리고, 소관 온도가 제1 온도가 된 후, 소관을 열처리로 내에서 소정 시간 유지한다. 제1 열처리에 의해, 소관 내의 마르텐사이트가 오스테나이트로 변태하고, 조직 중의 마르텐사이트가 감소한다.

제1 온도가 A_C1점 이하이면, 조직 중의 마르텐사이트가 오스테나이트로 변태하지 않는다. 한편, 제1 온도가 950℃를 넘으면, 소관의 외면에 있어서의 스케일 생성량이 과잉하게 많아진다. 소관 외면에 다량의 스케일이 생성되면, 열처리 공정 후의 고Cr 강관에 대해 디스케일 처리(스케일을 외면으로부터 이탈시키는 처리)를 실시해야 한다. 따라서, 제1 온도는 A_C1점보다 높고 950℃ 이하이다.

제1 온도의 바람직한 하한은 840℃ 이상이며, 더 바람직하게는 860℃ 이상이며, 더 바람직하게는 A_C3점 이상이다. 이 경우, 제1 열처리 공정 후의 소관에 잔존하는 마르텐사이트량이 감소 또는 소멸한다.

제1 열처리 온도에 소관을 가열한 후, 제1 열처리 온도에서 소관을 바람직하게는, 5분 이상 유지한다. 이 경우, 소관의 조직 중의 마르텐사이트가 감소한다. 유지 시간의 보다 바람직한 하한은 8분이다. 유지 시간이 너무 길면, 소관 표면에서의 스케일 생성량이 증가한다. 따라서, 유지 시간의 바람직한 상한은 40분이며, 보다 바람직하게는 30분이다.

[제1 열처리 공정 후~2 열처리 공정에 대해서]

제1 열처리 공정 후, 제2 열처리 공정을 실시한다. 이 때, 도 1에 나타내는 대로, 제1 열처리 공정 후의 소관 온도를 Ms점 이하로 낮추지 않고, 계속해서 제2 열처리 공정을 개시한다. 따라서, 제1 열처리 공정 후의 소관 온도는, Ms점보다 높은 온도로 유지되면서, 계속해서 제2 열처리 공정이 개시된다.

제2 열처리 공정에서는, 소관에 대해, A_C1점 이하의 제2 온도로 열처리를 실시한다. 구체적으로는, 소관을 제2 온도로 가열한 후, 제2 온도에서 소관을 유지한다. 제2 온도의 바람직한 하한은 700℃이며, 바람직한 상한은 800℃이다.

이 때, 제1 열처리 공정을 제1 열처리로에서 실시하고, 제2 열처리 공정을 제1 열처리로와 상이한 제2 열처리로에서 실시하는 것이 바람직하다. 이 경우, 제1 열처리로로부터 소관을 노 밖으로 추출하고, 소관을 제2 열처리로에 장입한다. 소관이 제1 열처리로로부터 추출됨으로써, 신속하게 소관의 온도를 낮출 수 있다. 제2 열처리로에 장입되기 직전의 소관 온도는, 제1 열처리로로부터 추출되어 제2 열처리로에 장입될 때까지 동안의 시간에 따라 조정할 수 있다.

제2 열처리로에 장입되기 직전의 소관 온도는, 제2 온도 미만의 온도인 것이 바람직하다. 즉, 추출하는 공정은, 소관 온도를 Ms점보다 높고 제2 온도 미만의 온도에 낮추는 것이 바람직하다. 이 소관 온도는, 보다 바람직하게는 Ms점보다 높고 Ms점+200℃ 이하의 온도이며, 더 바람직하게는 Ms점보다 높고 Ms점+100℃ 이하의 온도이다. 제2 열처리로에 장입되기 직전의 소관 온도가 낮은 것이, 조업 상, 온도 관리를 하기 쉬워진다. 예를 들면 박육 강관의 경우, 제2 열처리로에 장입되기 직전의 소관 온도를 제2 온도 이상으로 하기 위해서는, 보온하기 위한 특수한 처리나 노에 대한 반송 속도의 관리 등, 보다 엄격한 대응이 필요하다.

한편, 제1 열처리로로부터 추출 후, 제2 열처리로로 장입될 때까지 동안에, 소관 온도가 Ms점 이하까지 냉각되면, 소관의 미세 조직 내에 마르텐사이트가 형성된다. 제2 열처리 공정에서는, 마르텐사이트는 오스테나이트로 변태하지 않기 때문에, 제2 열처리 공정도의 고Cr 강관 내에, 마르텐사이트가 잔존한다. 이 경우, 고Cr 강관의 경도 및 강도는 높아져, 확관이나 신관과 같은 가공이 곤란해져 버린다.

본 발명에 의한 고Cr 강관의 제조 방법에서는, 상술한 대로, 제1 열처리 공정과 제2 열처리 공정 사이의 소관 온도를 Ms점보다 높게 유지한다. 그 때문에, 고Cr 강관 내에 마르텐사이트가 생성되는 것을 억제할 수 있어, 고Cr 강관의 경도를 낮게 할 수 있다.

제1 열처리 공정을 완료한 후, 제2 열처리 공정을 개시할 때까지 동안의 소관 온도의 냉각 속도를 바람직하게는 140℃/분 이하, 보다 바람직하게는 90℃/분 이하, 더 바람직하게는 70℃/분 이하로 한다. 냉각 속도가 낮을수록 페라이트 석출량이 증가하기 때문에, 보다 경도를 낮게 할 수 있다.

상기 냉각 속도의 하한치는 특별히 제한되지 않는다. 냉각 속도의 바람직한 하한은 3℃/분이다.

<실시예>

다양한 제조 조건으로 고Cr 강관을 제조하여, 고Cr 강관의 비커스 경도를 측정했다.

[고Cr 강관의 제조 방법]

표 1에 나타내는 강 A 및 B를 용제했다.

표 1을 참조하여, 강 A는 ASTM P91에 상당하는 화학 조성이며, 강 B는 ASTM P92에 상당하는 화학 조성을 가졌다.

만네스만 천공에 의해 각 강종류의 소관을 제조했다. 구체적으로는, 연속 주조법에 의해 각 강종류의 복수의 환(丸)빌릿을 제조했다. 피어서(piercer)를 이용하여 환빌릿에 대해 천공 압연을 실시하고, 또한 맨드릴 밀, 사이저 또는 스트레치 리듀서에 의해 정경 압연을 실시하여, 소관을 제조했다. 강 A의 각 소관의 외경은 406.4mm이며, 두께는 37.0mm였다. 강 B의 각 소관의 외경은 219.1mm이며, 두께는 23.0mm였다.

제조된 소관을 이용하여, 표 2에 나타내는 제조 조건으로 열처리를 실시했다.

도 2~도 7은, 각 제조 조건의 히트 패턴을 나타내는 도이다. 각 제조 조건에 있어서, 제1 열처리 공정 및 제2 열처리 공정은, 동일한 가열로 또는 서로 상이한 가열로를 이용하여 실시했다.

구체적으로는, 제조 조건 1에서는, 표 2 및 도 2에 나타내는 대로, 제1 열처리 공정으로서, 소재를 가열로에 장입하고, 1060℃로 가열했다. 그 후, 소관을 1060℃에서 10분간 유지했다. 계속해서, 소관을 제1 가열로로부터 추출하고, 노 밖에서 실온(25℃)까지 냉각했다. 이 때의 냉각 속도는 표 2에 기재한 대로였다. 그 후, 제1 열처리 공정에서 이용한 가열로와 상이한 다른 가열로에 소관을 장입하고, 소관을 780℃까지 가열하고, 소관을 780℃에서 60분간 유지했다. 이상의 공정에 의해, 고Cr 강관을 제조했다.

제조 조건 2에서는, 표 2 및 도 3에 나타내는 대로, 제1 열처리 조건으로서, 가열로를 이용하여 소관을 780℃에서 60분 유지했다. 그 후, 소관을 가열로로부터 추출하고, 실온(25℃)까지 표 2에 나타내는 냉각 속도로 냉각했다. 즉, 제조 조건 2에서는, 열처리 공정을 1회만 실시했다.

제조 조건 3-1에서는, 표 2 및 도 4에 나타내는 대로, 본 발명의 범위 내가 되는 제조 조건으로 실시했다. 구체적으로는, 제1 열처리 공정으로서, 소관을 가열로에 장입하고, 920℃로 가열했다. 그 후, 소관을 920℃에서 10분간 유지했다. 계속해서, 소관을 제1 가열로로부터 추출하고, 노 밖에서 소관 온도를 Ms점보다 높은 온도(435℃ 이상)로 유지했다. 이 때의 냉각 속도는 120℃/분이었다. 제1 열처리 공정 후의 소관 온도를 Ms점 이하로 낮추지 않고, 소관을 제2 가열로에 장입했다. 제2 가열로에 있어서 소관을 780℃까지 가열하고, 소관을 780℃에서 60분간 유지했다. 이상의 공정에 의해, 고Cr 강관을 제조했다.

제조 조건 3-2에서는, 제조 조건 3-1과 비교하여, 냉각 속도만 상이했었다. 구체적으로는, 제조 조건 3-2에서의 냉각 속도는 20℃/분이었다. 그 외의 조건은, 제조 조건 3-1과 동일했다. 제조 조건 3-3에서는, 제조 조건 3-1, 3-2와 비교하여, 냉각 속도만 상이했었다. 구체적으로는, 제조 조건 3-3에서의 냉각 속도는 90℃/분이었다. 그 외의 조건은, 제조 조건 3-1, 3-2와 동일했다.

제조 조건 4에서는, 표 2 및 도 5에 나타내는 대로, 제조 조건 3-1과 비교하여, 냉각 조건 만이 상이했었다. 구체적으로는, 제조 조건 4에서는, 제1 열처리 공정 종료 후, 소관을 150℃ 이하까지 냉각했다. 냉각 조건 이외의 조건(제1 및 제2 열처리 조건)은, 제조 조건 3-1과 동일했다.

제조 조건 5에서는, 표 2 및 도 6에 나타내는 대로, 제조 조건 3-1과 비교하여, 제1 열처리 공정에서의 열처리 온도가 낮아, 850℃이며, 제1 열처리 공정 종료 후의 소관 냉각 속도는 140℃/분이었다. 그 외의 조건은 제조 조건 3-1과 동일했다.

제조 조건 6에서는, 표 2 및 도 7에 나타내는 대로, 제조 조건 5와 비교하여, 냉각 조건 만이 상이했었다. 구체적으로는, 제조 조건 6에서는, 제1 열처리 공정 종료 후, 소관을 150℃ 이하까지 냉각했다. 냉각 조건 이외의 조건(제1 및 제2 열처리 공정)은, 제조 조건 5와 동일했다.

시험 번호 1~13의 소관에 대해, 표 2에 나타내는 제조 조건으로 열처리를 실시하여, 고Cr 강관을 제조했다.

[비커스 시험]

각 시험 번호의 고Cr 강관의 횡단면 중, 두께 중심의 임의의 점을 선택했다. 각 측정점에 있어서, JIS Z2244(2009)에 준거한 비커스 경도 시험을 실시했다. 이 때, 시험력은 10kgf였다. 3개의 측정점에서 얻어진 값의 평균을, 그 시험 번호의 고Cr 강관의 경도(HV)라고 정의했다.

[시험 결과]

표 3은, 각 시험 번호의 고Cr 강관의 경도(HV)를 나타낸다. 도 8은, 표 3 중의 시험 번호 1~7(강 A를 이용한 시험 번호)의 결과를 도시한 것이며, 도 9는, 표 3 중의 시험 번호 8~13(강 B를 이용한 시험 번호)의 결과를 도시한 것이다.

표 3, 도 8 및 도 9를 참조하여, 시험 번호 1~3, 8 및 9의 강의 화학 조성은 본 발명의 범위 내였다. 또한, 제조 조건 3-1, 3-2, 3-3 및 5를 이용하여 제조되었기 때문에, 제1 온도 및 제2 온도 모두, 본 발명의 범위 내였다. 또한, 제1 열처리 공정에서 제2 열처리 공정으로 소관이 이행할 때까지 동안에 있어서의 소관 온도(냉각 정지 온도)는 Ms점보다 높았다. 그 때문에, 어느 시험 번호에 있어서도, 비커스 경도가 190HV 이하로 낮았다. 또, 어느 시험 번호에 있어서도 제1 온도가 과잉하게 높지 않았기 때문에, 제2 열처리 공정 후의 고Cr 강관의 표면에 형성된 스케일량은 적었다.

또한, 시험 번호 2의 고Cr 강관은 제조 조건 3-2로 제조되었기 때문에, 제1 열처리 공정 후의 소관의 냉각 속도가 90℃/분 이하였다. 그 때문에, 동일한 강 A를 이용한 다른 본 발명예(시험 번호 1 및 3)와 비교하여, 비커스 경도 HV가 더 낮았다. 마찬가지로, 시험 번호 8의 고Cr 강관은 제조 조건 3-3으로 제조되었기 때문에, 제1 열처리 공정 후의 소관의 냉각 속도가 90℃/분 이하였다. 그 때문에, 동일한 강 B를 이용한 다른 본 발명예(시험 번호 9)와 비교하여, 비커스 경도 HV가 더 낮았다.

한편, 시험 번호 4 및 5의 고Cr 강관은, 제조 조건 4 및 6으로 각각 제조되었다. 그 때문에, 제1 열처리 온도 및 제2 열처리 온도는 본 발명의 범위 내였지만, 냉각 정지 온도가 Ms점 이하(150℃ 이하)였다. 그 때문에, 비커스 경도가 190HV를 넘어 높았다. 소관 온도가 너무 낮아 졌기 때문에, 제1 열처리 공정 후에 소관에 마르텐사이트가 형성되었다고 생각할 수 있다.

시험 번호 6의 고Cr 강관은 제조 조건 1로 제조되었다. 냉각 정지 온도가 Ms점 이하(25℃)였기 때문에, 비커스 경도가 190HV보다 높았다. 또한, 제1 온도가 1060℃로 과잉하게 높았기 때문에, 본 발명예(시험 번호 1~3)와 비교하여, 고Cr 강관의 표면에 형성되는 스케일량이 많았다.

시험 번호 7의 고Cr 강관은 제조 조건 2로 제조되었다. 단순 풀림 처리(A_C1점 이하에서의 열처리) 만을 실시했기 때문에, 비커스 경도가 190HV를 넘었다.

표 3 및 도 9를 참조하여, 시험 번호 10의 고Cr 강관은 강 B를 이용하여 제조 조건 4로 제조되며, 시험 번호 11은 제조 조건 6으로 제조되었다. 그 때문에, 이들 시험 번호의 비커스 경도는 190HV를 넘어 높았다.

시험 번호 12의 고Cr 강관은 제조 조건 1로 제조되었기 때문에, 비커스 경도가 190HV를 넘으며, 스케일량도 많았다.

시험 번호 13의 고Cr 강관은 제조 조건 2로 제조되었기 때문에, 비커스 경도가 190HV를 넘었다.

이상, 본 발명의 실시의 형태를 설명했지만, 상술한 실시의 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시의 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시의 형태를 적당히 변형하여 실시하는 것이 가능하다.

Claims

질량%로, C：0.05~0.15%, Si：0.02~0.70%, Mn：0.10~1.0%, P：0.025% 이하, S：0.010% 이하, Cr：8.0~10%, Mo：0.15~1.25%, V：0.08~0.35%, Nb：0.02~0.12%, Al：0.05% 이하, N：0.01~0.10%, W：0~2.50%, B：0~0.01%, Ti：0~0.1%, Ni：0~0.8%, Ca 및/또는 Mg의 합계：0~0.01%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 빌릿을 열간 가공 후에 냉각하여 얻어진 소관을 준비하는 공정과,
상기 소관 온도를 A_C1점보다 높고 950℃ 이하의 제1 온도로 유지하는 제1 열처리 공정과,
상기 제1 열처리 공정 후, 상기 소관 온도를 Ms점 이하의 온도로 낮추지 않고, 계속해서 A_C1점 이하의 제2 온도로 상기 소관 온도를 유지하는 제2 열처리 공정을 구비하는, 고Cr 강관의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 온도는 700℃ 이상인, 제조 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 화학 조성에 있어서 N：0.05% 미만인, 제조 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 열처리 공정 후, 상기 제2 열처리 공정을 개시할 때까지의 상기 소관의 냉각 속도가 90℃/분 이하인, 제조 방법.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 열처리 공정은, 제1 열처리로에서 실시되고,
상기 제2 열처리 공정은, 상기 제1 열처리로와 상이한 제2 열처리로에서 실시되며,
상기 제조 방법은,
상기 소관을 상기 제1 열처리로로부터 추출하는 공정과,
상기 추출한 소관을 상기 제2 열처리로에 장입하는 공정을 더 구비하는, 제조 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 추출하는 공정은, 상기 소관 온도를 Ms점보다 높고 상기 제2 온도 미만의 온도까지 낮추는, 제조 방법.