지하자원의 한정된 매장량과 산업발달에 따른 급격한 에너지 수요는 보다 높은 발전 효율을 필요로 하게 되었고, Steam의 온도와 압력이 높아짐에 따라 페라이트내열강 재료의 개발에 대한 요구가 증가하고 있다 [1]. 또한, 이들이 적용되는 플랜트도 대형화, 다양화함에 따라 이러한 목적에 적합한 압력용기용 강을 적용한 구조물에서 용접부의 신뢰성 확보는 국내중공업의 발전과 함께 필수적으로 요구되는 중요한 사항이다 [2]. 구조용 재료의 선정에는 생산성, 가공성, 용접성 및 Creep 강도에 따른 ...
지하자원의 한정된 매장량과 산업발달에 따른 급격한 에너지 수요는 보다 높은 발전 효율을 필요로 하게 되었고, Steam의 온도와 압력이 높아짐에 따라 페라이트내열강 재료의 개발에 대한 요구가 증가하고 있다 [1]. 또한, 이들이 적용되는 플랜트도 대형화, 다양화함에 따라 이러한 목적에 적합한 압력용기용 강을 적용한 구조물에서 용접부의 신뢰성 확보는 국내중공업의 발전과 함께 필수적으로 요구되는 중요한 사항이다 [2]. 구조용 재료의 선정에는 생산성, 가공성, 용접성 및 Creep 강도에 따른 열피로 특성 등의 인자들이 고려되며, 기존의 내열강에 W, Cu, Ni 등의 원소를 추가로 첨가하여 크리프 강도와 인성을 증가시킨 강들이 적용되고 있다. 9-12 %Cr강은 500-600 ℃의 온도에서 사용했던 기존의 오스테나이트 스테인리스강의 대체 재료로서 경제적이면서도 우수한 열피로 강도와 내산화성 등의 장점을 지니고 있다. 또한, 우수한 고온 Creep 강도로 pipe나 보일러의 강재 적용두께를 기존의 Cr-Mo강보다 더 얇게 할 수 있어 구조물 제작비용과 운전비용을 낮출 수 있어 발전 산업에서 폭 넓게 적용되고 있다 [3]. 그 중 개량형 9Cr-1Mo강은 기존의 9Cr-1Mo강에서 C의 함량을 감소시키고 고용강화 원소인 Mo의 함량을 증가시킴과 동시에 미세 탄화물 형성 원소인 Nb, V을 미량 첨가하여 고온에서 안정한 탄질화물을 형성하여 350-550 ℃의 온도구간에서 사용가능한 강이다. 또한, 높은 크리프 강도와 우수한 내식성, 낮은 열팽창률, 피로강도로 차세대 미래형 원자로인 소듐 냉각 고속로나 초고온가스로의 압력용기, 증기발생기, 핵연료 피복관 등의 주요 부품의 후보용 재료로 사용되고 있으며, 초초임계(Ultra-SuperCritical, USC) 화력발전소에도 이용되고 있다 [4]. 개량형 9Cr-1Mo강의 접합에는 Flux Cored Arc Welding (FCAW), Shielded Metal ArcWelding (SMAW), Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) 등 다양한 용접 프로세스가 적용되고 있으며, 용접부의 건전성을 위해 용접후열처리 (PWHT)가 필수적으로 요구된다 [5,6]. 강의 제조방법은 압연 후 노말라이징 및 템퍼링 열처리를 실시하며, 최종 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트 (Tempered Martensite, TM)로 구성된다 [7-9]. 평형 응고 과정을 살펴보면 약 1500 ℃의 액체금속에서 델타페라이트 (δ-ferrite)가 생성되며, 약 1300 ℃에서 오스테나이트로 변태하기 시작하여 약 1200 ℃에서 peritectic 변태가 완료된다. 하지만 용접과정에서는 빠른 냉각속도로 인하여 평형응고가 불가능하고, 상온에서도 용접부나 열영향부 (Heat Affected Zone, HAZ)에 일부 델타페라이트가 잔류할 수 있다 [7-9]. 일반적으로 델타페라이트는 합금의 화학조성으로 예측이 가능하며 합금 설계 시 생성을 최소화하는 방향으로 설계된다. 하지만 냉각속도와 같은 용접변수는 용접부의 잔류 델타페라이트 생성에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있으며 [10,11], 델타페라이트와 템퍼드 마르텐사이트 2상 조직은 용접부 인성 저하, DBTT의 증가 및 크립강도의 저하 등과 같은 악영향을 초래하므로 잔류 델타페라이트의 생성을 억제시키는 것이 바람직하다 [12-14]. 현재 운영 중이거나 운영예정인 발전소는 대부분 해안가에 위치하고 있으며 발전소용 부품 제작 및 보관 중 염도가 높은 해안 분위기에 노출이 불가피하므로, 발전소용 재료는 상온에서 전면부식 또는 국부부식에 대한 저항성이 요구된다 [15]. 또한, 발전소용 부품의 제작은 대부분 용접에 의해 이루어지므로 용접부의 부식성에 대한 연구가 필수적으로 요구된다. 개량형 9Cr-1Mo강에서 델타페라이트의 존재에 따른 기계적 성질에 대한 연구는 많이 수행되었으나 [12-14], 용접부의 부식특성에 대한 연구는 매우 제한적으로 수행되었다 [15]. 따라서 본 연구에서는 개량형 9Cr-1Mo강 용접부에 필수적인 PWHT 조건에 따른 공식 (pitting corrosion)의 변화를 알아보았다. GTAW 용접 후 PWHT는 760℃에서 실시하였으며, 공식의 초기 생성 거동을 관찰하기 위해 PWHT 시간을 달리하여 시편을 제작하였다. 그리고 해수 분위기에서 용접부에 존재하는 델타페라이트 조직의 분율과 이에 따른 Cr-rich 탄화물 (M23C6)의 크기와 분포 분석을 통하여 공식과 미세조직을 연관시켜 설명하였다.
지하자원의 한정된 매장량과 산업발달에 따른 급격한 에너지 수요는 보다 높은 발전 효율을 필요로 하게 되었고, Steam의 온도와 압력이 높아짐에 따라 페라이트 내열강 재료의 개발에 대한 요구가 증가하고 있다 [1]. 또한, 이들이 적용되는 플랜트도 대형화, 다양화함에 따라 이러한 목적에 적합한 압력용기용 강을 적용한 구조물에서 용접부의 신뢰성 확보는 국내중공업의 발전과 함께 필수적으로 요구되는 중요한 사항이다 [2]. 구조용 재료의 선정에는 생산성, 가공성, 용접성 및 Creep 강도에 따른 열피로 특성 등의 인자들이 고려되며, 기존의 내열강에 W, Cu, Ni 등의 원소를 추가로 첨가하여 크리프 강도와 인성을 증가시킨 강들이 적용되고 있다. 9-12 %Cr강은 500-600 ℃의 온도에서 사용했던 기존의 오스테나이트 스테인리스강의 대체 재료로서 경제적이면서도 우수한 열피로 강도와 내산화성 등의 장점을 지니고 있다. 또한, 우수한 고온 Creep 강도로 pipe나 보일러의 강재 적용두께를 기존의 Cr-Mo강보다 더 얇게 할 수 있어 구조물 제작비용과 운전비용을 낮출 수 있어 발전 산업에서 폭 넓게 적용되고 있다 [3]. 그 중 개량형 9Cr-1Mo강은 기존의 9Cr-1Mo강에서 C의 함량을 감소시키고 고용강화 원소인 Mo의 함량을 증가시킴과 동시에 미세 탄화물 형성 원소인 Nb, V을 미량 첨가하여 고온에서 안정한 탄질화물을 형성하여 350-550 ℃의 온도구간에서 사용가능한 강이다. 또한, 높은 크리프 강도와 우수한 내식성, 낮은 열팽창률, 피로강도로 차세대 미래형 원자로인 소듐 냉각 고속로나 초고온가스로의 압력용기, 증기발생기, 핵연료 피복관 등의 주요 부품의 후보용 재료로 사용되고 있으며, 초초임계(Ultra-SuperCritical, USC) 화력발전소에도 이용되고 있다 [4]. 개량형 9Cr-1Mo강의 접합에는 Flux Cored Arc Welding (FCAW), Shielded Metal Arc Welding (SMAW), Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) 등 다양한 용접 프로세스가 적용되고 있으며, 용접부의 건전성을 위해 용접후열처리 (PWHT)가 필수적으로 요구된다 [5,6]. 강의 제조방법은 압연 후 노말라이징 및 템퍼링 열처리를 실시하며, 최종 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트 (Tempered Martensite, TM)로 구성된다 [7-9]. 평형 응고 과정을 살펴보면 약 1500 ℃의 액체금속에서 델타페라이트 (δ-ferrite)가 생성되며, 약 1300 ℃에서 오스테나이트로 변태하기 시작하여 약 1200 ℃에서 peritectic 변태가 완료된다. 하지만 용접과정에서는 빠른 냉각속도로 인하여 평형응고가 불가능하고, 상온에서도 용접부나 열영향부 (Heat Affected Zone, HAZ)에 일부 델타페라이트가 잔류할 수 있다 [7-9]. 일반적으로 델타페라이트는 합금의 화학조성으로 예측이 가능하며 합금 설계 시 생성을 최소화하는 방향으로 설계된다. 하지만 냉각속도와 같은 용접변수는 용접부의 잔류 델타페라이트 생성에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있으며 [10,11], 델타페라이트와 템퍼드 마르텐사이트 2상 조직은 용접부 인성 저하, DBTT의 증가 및 크립강도의 저하 등과 같은 악영향을 초래하므로 잔류 델타페라이트의 생성을 억제시키는 것이 바람직하다 [12-14]. 현재 운영 중이거나 운영예정인 발전소는 대부분 해안가에 위치하고 있으며 발전소용 부품 제작 및 보관 중 염도가 높은 해안 분위기에 노출이 불가피하므로, 발전소용 재료는 상온에서 전면부식 또는 국부부식에 대한 저항성이 요구된다 [15]. 또한, 발전소용 부품의 제작은 대부분 용접에 의해 이루어지므로 용접부의 부식성에 대한 연구가 필수적으로 요구된다. 개량형 9Cr-1Mo강에서 델타페라이트의 존재에 따른 기계적 성질에 대한 연구는 많이 수행되었으나 [12-14], 용접부의 부식특성에 대한 연구는 매우 제한적으로 수행되었다 [15]. 따라서 본 연구에서는 개량형 9Cr-1Mo강 용접부에 필수적인 PWHT 조건에 따른 공식 (pitting corrosion)의 변화를 알아보았다. GTAW 용접 후 PWHT는 760℃에서 실시하였으며, 공식의 초기 생성 거동을 관찰하기 위해 PWHT 시간을 달리하여 시편을 제작하였다. 그리고 해수 분위기에서 용접부에 존재하는 델타페라이트 조직의 분율과 이에 따른 Cr-rich 탄화물 (M23C6)의 크기와 분포 분석을 통하여 공식과 미세조직을 연관시켜 설명하였다.
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