Cr-Mo 페라이트계 내열강의 MX(M=V, Nb, Ti)(X=N) 상 석출거동에 관한 연구

Abstract

발전 효율 증가를 위해서는 운전 온도 증가가 필수적이며 이를 위해 우수한 고온 기계적 특성을 갖는 내열 합금의 개발이 요구된다. 600℃/ 25MPa의 초초임계압 석탄 화력 발전소의 경우, 터빈과 보일러의 주요 부품은 Cr-Mo 페라이트계 내열강이 주로 사용되고 있다. Cr-Mo 페라이트계 내열강에서 MX(M=V, Nb, Ti / X=C, N)석출상은 강의 기지 내에 미세하게 분산되어 석출강화 기구로써 크리프 특성 및 고온 강도를 증가시킨다. 그러나 이에 대한 강화기구가 명확하게 규명되어 있지 않고 특히, 고온에서 장시간 사용했을 때 MX상의 석출 거동 및 이에 따른 고온강도 저하 현상에 대한 이해도 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 7Cr-1.5Mo-VNbTiN 계 내열합금의 고온에서 장시간 시효 시 MN(M=V, Nb, Ti)형태 질화물의 석출 거동을 조사하였으며 이에 따른 기계적 특성의 변화를 고찰하였다. 700℃에서 1만 시간까지 인공 시효를 행하였으며 시효처리 중에 생성된 석출물을 관찰하기 위하여 Carbon Extraction법을 이용하여 Replica 시편을 제작하여 TEM분석을 하였고 EDS를 이용하여 상 분석을 행하였다. 또한 시효 중 생성된 상 확인을 위하여 석출물을 전해추출 한 뒤 시효 시간별로 XRD분석하였다. SEM관찰을 이용한 Image Analyzer결과와 DMA(Particle Size Analyzer)를 이용하여 시효에 따른 석출물 크기변화를 조사, 비교하였으며 시효시간에 따른 경도값의 변화를 고찰하였다. 석출상을 관찰한 결과 MX 형태의 (M=V, Nb, Ti; X=N)질화물과 Cr₂N상의 석출을 관찰할 수 있었으나 M_(23)C_(6), Laves 또는 Z-phase는 관찰할 수 없었다. 시효 초기에는 VN, NbN, TiN 모두 수십nm 를 넘지 않았으며 1만 시간 시효 후 MX석출물들의 평균크기의 변화를 측정한 결과, 각각 VN(279.35nm), NbN(256.52nm), TiN(297.08nm)의 크기였다. 각 석출물의 평균 크기를 LSW Theory에 적용시켜 조대화 속도를 예측해 본 결과, TiN > VN > NbN 순이었다. 또한 시효가 진행됨에 따라 경도 값은 감소하는 결과가 나타났으며, 장시간으로 갈수록 MX상의 조대화 속도 결과와 유사한 경향을 보였다.; In order to increase the power generating efficiency of the fossil-fired power plants, it is necessary to decrease the carbon dioxide emission. For highly efficient power generation, it is necessary to increase the temperature and pressure of the steam used. Therefore, it is required to develop the heat resistant alloy with superior high temperature mechanical properties. In a coal fired power plant operating at 600℃/25MPa, Cr-Mo ferritic heat resistant steel is widely used in the key component of turbines and boilers. MX carbonitrides (M=V, Nb, Ti / X=C, N), which are finely dispersed in the matrix of Cr-Mo ferritic heat resistant steels, increase the creep strength & high temperature strength of the steels by precipitation strengthening mechanism. But there is no definitive high temperature strengthening mechanism of (V, Nb, Ti)N in Cr-Mo ferritic heat resistant steels and not sufficiently understood about the decrease of high temperature strength during aging by MX-phase precipitate change. The relationship between precipitation behavior of MX(M=V, Nb, Ti) nitrides and mechanical property during aging in 7Cr-1.5Mo-VNbTiN ferritic heat resistant steels were investigated in this study. Artificial aging was carried out at 700℃ for different time from 100 to 10000 hours to simulate the environment of fossil power plant. To observe the precipitated nitrides during artificial aging, the microstructures of carbon extraction replicas were observed by Transmission Electron Microscopy(TEM). The kind of observed MX nitrides were identified by Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) analysis. The structure of the precipitates was analyzed by X-Ray Diffraction(XRD) after electrolytically extraction nitrides. The measurement of the distribution of particle sizes were performed by Scanning Electron Microscopy(SEM) images and quantitative image analyzer. The change hardness value with artificial aging treatment. The equilibrium precipitates were changed with aging time at 700℃. (V, Nb, Ti) nitrides and Cr₂N were precipitated out. But M_(23)C_(6), Laves or Z phase were not precipitated out during aging. At the early stage of aging (V, Nb, Ti) nitrides size were ～50 nm. Eventually, the average size of VN, NbN and TiN were 279.35, 256.52 and 297.08 nm after aging for 10000 hours, respectively. The coarsening rate of NbN was lower than that of VN, TiN. And hardness value at 700℃ of all steels decreased as the aging time increased. Thus, it was thought that the coarse MX precipitates formed during aging were very detrimental to the high temperature strength.