[논문]발전플렌트용 10Cr페라이트 내열강의 라베스상 석출거동 및 기계적 성질

강창룡; 남기우; 김헌주; 김창규; 배동수; 이종문

문제 정의

따라서 본연구는 이러한 사항들을 규명하고자 Fe-10Cr강에 3%의 Mo과 소량의 Si가 첨가된 페라이트 단상 및 페라이트-마르텐사이트 2상을 갖는 시료를 만든 다음 시효에 따른 라베스상의 석출 거동을 페라이트와 마르텐사이트상으로 구분하여 규명함과 동시에 강도와 인성변화도 함께 조사하였다.

제안 방법

따라서 이 관계를 보다 명확하게 규명하기 위하여 Photo. 3의 페라이트와 마르텐사이트상 및 두상의 경계부분에서의 석출물과 기지를 EDS분석하였고, 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 페라이트-마르텐사이트상의 계면 및 마르텐사이트상에서 석출된 석출물은 Cr의 량이 30%이상 되지만, 기지는 합금조성과 비슷함을 알 수 있다.
따라서 이 결과로부터 페라이트상에서는 주로 라베스상이 석출하지만 마르텐사이트상인 경우는 라베스상과 탄화물이 함께 석출되는 것으로 추정된다. 따라서 라베스상과 탄화물의 석출거동을 조사 하였다.
시효에 따른 라베스상의 석출거동 관찰은 투과전자현미경과 FE-TEM (Field Emission-TEM : JEM-2010F)을 사용하여 가속전압 200kV에서 관찰하였고, 석출된 탄화물 및 라베스상의 분석은 에너지 분산형 X선분석기 (EDS : Energy Dispersion Spectrum)를 사용하여 점분석을 행한 후 Mo과 Cr 의 농도분포를 측정함에 의해 분석하였다. 한편 경도시험에 의한 라베스상 석출거동의 조사는 마이크로비커스 경도시험기를 사용하여 500g 의 하중으로 경도시험 하여 평균하여 구하였다.
시효에 따른 라베스상의 석출거동이 인장 및 충격 성질에 미 치는 영향을 조사하기 위한 인장시험은 3Mo-0.3Si 조성을 갖는 시료의 냉간압연 된 판재로부터 시편을 제작한 다음 시효처리를 행한 후 cross head speed를 0.5mm/min의 속도로 정하여 실온에서 행하였고 인장시험에 의해 파단된 시험편의 파단면 관찰은 주사전자현미경을 사용하여 관찰하였다. 한편, 충격시험은 2mm V노치를 갖는 샤르피 충격 시험편을 제작한 다음 시효처리 한 후 77~323K의 온도범위에서 행하여 충격흡수에너지를 구하였다.
한편 경도시험에 의한 라베스상 석출거동의 조사는 마이크로비커스 경도시험기를 사용하여 500g 의 하중으로 경도시험 하여 평균하여 구하였다.
8ks 균질화처리 하였고 이를 열간단조 및 열간압연하여 10mm 두께의 판재를 만든 다음 압연방향을 따라 시료를 제작하여 사용하였다. 한편, 열처리는 1373K에서 3.6ks 가열 후 수냉 한 다음 아르곤 분위기로를 사용하여 873K에서 시간을 달리하는 시효처리를 하였다.
5mm/min의 속도로 정하여 실온에서 행하였고 인장시험에 의해 파단된 시험편의 파단면 관찰은 주사전자현미경을 사용하여 관찰하였다. 한편, 충격시험은 2mm V노치를 갖는 샤르피 충격 시험편을 제작한 다음 시효처리 한 후 77~323K의 온도범위에서 행하여 충격흡수에너지를 구하였다.

대상 데이터

시료는 고주파진공용해로에서 Table 1과 같은 화학조성을 갖는 시료를 용해하여 잉곳을 얻은 후 1475K에서 28.8ks 균질화처리 하였고 이를 열간단조 및 열간압연하여 10mm 두께의 판재를 만든 다음 압연방향을 따라 시료를 제작하여 사용하였다. 한편, 열처리는 1373K에서 3.

성능/효과

1) 시효에 따른 페라이트상에서의 경도변화는 시효 시간이 증가함에 따라 두개의 피크가 존재하였고, 이것은 시효초기단계에 석출하는 미세한 디스크 상의 석출물과 라베스상 석출에 기인되었다. 또한 마르텐사이트상에서 시효에 따른 경도변화는 시효초기에는 전위의 소멸 및 탄화물의 석출과 성장에 기인되는 연화현상에 의해 경도값은 낮아지지만, 시효시간이 길어지면 라베스상 석출에 따른 재 경화가 일 어 났다.
2) 페라이트상에서는 주로 라베스상이 석출되는데 반하여, 마르텐사이트상과 페라이트와 마르텐사이트 계면에서는 시효초기에는 탄화물이 우선적으로 석출되지만, 시효시간의 증가와 더불어 라베스상이 탄화물 부근에서 석출되는데 기인되어 라베스상과 탄화물이 중첩되어 석출되었다.
3) 강도와 인성은 시효초기단계인 3.6ks 부근에서 가장 낮게 나타났고, 이와 같은 강도 및 인성의 감소는 시효초기에 석출하는 디스크형상의 미세석출물에 기인되고 있음을 알. 수 있다.
이에 반하여 페라이트상에서 석출된 석출물에서는 Cr의 농도는 기지조성보다 그다지 높지 않지만, Mo의 농도는 8배 이상 높게 나타나고 있다. 따라서 페라이트에서 존재하고 있는 주로 라베스상인 것으로 판단되며, 페라이트-마르텐사이트상 계면 및 마르텐사이트상에서 존재하는 석출물은 Cr과 Mo의 농도가 모두 기지보다 월등히 높은 것으로 보아 탄화물과 라베스상이 중첩되어 석출되고 있음을 알 수 있다. 이와같이 마르텐사이트상에서 라베스상과 탄화물이 중첩되어 석줄되는 이유는 마르텐사이트상이 페라이트상 보다는 탄소를 많이 고용하고 있기때문에 시효를 하게되면 Cr탄화물이 먼저 석출한 다음 Cr농도가 낮은 탄화물 주위로 Mo 이 확산 이동하게 되어, 탄화물 주위는 Mo의 농도가 높아지게 된다.
1은 페라이트 단상조직을 갖는 시료A를 873K에서 시효처리 하였을 때 시효시간에 따른 미세조직변화를 투과전자현미경에 의해 조사하여 나타낸 것이다. 이 사진에서 알 수 있는 바와같이 3.6ks 시효처리한 시료에서는 미세한 디스크형상의 석출물이 석출되어 있음을 알 수 있고, 시효 시간이 더욱 더 증가하여 3.6x 10²ks가 되면 디스크형상의석출물이 성장하여 벌크상의 라베스상으로 존재하고 있음을 알 수 있고, 이때의 라베스상은 TEM분석결과 Fe₂Mo구조임 을 알 수 있었다.
이러한 결과로부터 10Cr-3Mo 조성을 갖는 페라이트 합금은 시효초기에는 미세한 디스크 형상의 석출물에 의해 취화되지만, 시효시간이 증가되면 연성의 회복이 일어나고 있음을 알 수 있다.
이상의 결과로부터 시효초기단계에서 석출되는 디스크 형상의 미세석출물은 강도와 인성을 크게 저하시키고 있음을 알 수 있다.
따라서 시효초기에 석출하는 디스크 형상의 미세 석출물은 벽 개파괴를 촉진하는 것으로 판단된다. 한편, 시효시간이 3.6xl0ks가 되면 연성파괴의 딤플 양상이 부분적으로 나타나고 있음을 알 수 있고, 시효시간이 더욱더 증가하면 상대적으로 딤플의 수가 증가하고 있음을 알 수 있다.

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