이상영역열처리에 의한 인성 향상

일반적으로 압력용기재료는 요해 및 단조를 통한 합금 제조 후 적절한 가열과 냉각으로 이루어진 4단계 열처리 공정을 거치면서 높은 강도와 파괴에 대한 저항성을 갖게 된다. 한편 기존 열처리공정 중 2단계와 3단계 사이에 별도의 열처리공정을 한 단계 더 추가하여 재료의 미세조직을 변화시킴으로써 재료성질을 향상시킬 수 있다. 이 경우 재료는 복합재료의 성질을 갖게 될 수 있으며, 충격에 강하고 파괴에 대한 저항성이 우수한 재료로 변할 수 있다. 이러한 처리를 ‘이상영역열처리’ (intercrtitical heat treatment, IHT) 라고 한다.

그림 1. 이상영역열처리 온도 및 시간에 따른 충격인성 변화

IHT는 강(steel)의 상변태 임계온도인 A_c1과 A_c3사이의 두 개의 상(phase)이 공존하는 온도영역(이상영역)에서 일정시간 유지 후 냉각시킴으로써 페라이트 기지에 소량의 마르텐사이트 상을 분산시키는 열처리로, 2상의 부피 분율을 적절히 조절함으로써 높은 강도와 연성을 부여할 수 있다. 최적의 이상영역열처리 조건은 급냉후 725°C에서 6시간 열처리를 가하며, 뒤이어 620°C에서 6시간동안 템퍼링 처리하는 것으로, 이 경우 강도의 저하 없이 인성 및 파괴인성을 기존공정 보다 약 30% 이상 향상시킬 수 있다고 보고되고 있다(그림 1 참조).

그림 2은 SA 508 Gr.3 강에 대한 이상영역 열처리에 따른 미세조직 변화를 보여준다. 사진에서 (a)는 퀜칭처리 후 광학현미경 사진으로 전형적인 베이나이트(bainite) 조직이다. 반면, 사진 (b)의 퀜칭과 IHT후 미세조직은 템퍼드 베이나이트(회색 상) 기지내에 마르텐사이트(하얀 상)가 망상형태로 고르게 분포하는 복합조직이다. 2상영역 온도로 가열 중에 퀜칭 후에 생성되었던 막대형태의 탄화물들은 탄소와 금속원자들로 분해되고, 탄소함량이 급속히 증가하는 결정립계와 래스경계에 오스테나이트가 형성된다. 이 오스테나이트 내에는 탄소 고용도가 높아서 경화능이 향상되므로 이어지는 냉각과정에서 마르텐사이트로 변태한다. 이때, IHT 동안 그대로 유지되는 나머지 미변태 베이나이트 IHT 후에 템퍼드 베이나이트가 된다. 그림 2 (c)와 (d)는 주사전자현미경으로 관찰한 두 공정에서의 탄화물 분포 양상이다. 그림 2 (c)의 일반공정의 경우에는 이전의 구오스테나이트(prior austenite) 결정립계와 래스경계의 특정 방향을 따라 긴 막대형태의 탄화물들이 형성된 반면, 그림 2 (d)와 같이 IHT 적용의 경우에는 구형의 작은 탄화물들이 템퍼드 마르텐사이트 내부, 템퍼드 마르텐사이트와 템퍼드 베이나이트 상경계, 그리고 구오스테나이트 결정립계에 상대적으로 균일하게 분포되어 있다.

그림 2. 기존공정 및 신열처리 공정 적용에 따른 미세조직 변화: (a), (c) 기존공정, (b), (d) 신열처리 공정

IHT 인성향상 요인을 요약하면 다음과 같다. IHT로 인해 경질의 마르텐사이트와 연질의 템퍼드 베이나이트 복합조직이 형성되며, 결정립 미세화 효과와 더불어 탄화물의 구형화가 발생한다. 이러한 미세조직적 특성 변화들이 기공의 생성과 균열 전파를 지연시킴으로써 인성을 향상시킨다. 또한, IHT후 템퍼링 온도와 시간을 낮춤으로써 탄화물 크기가 감소하고, 고용강화효과가 증대되어 저온인성과 강도가 추가로 향상된다.

IHT 처리는 원자로 압력용기의 인성을 대폭 개선하여 고성능, 고품질화를 이룰 수 있다. 특히 인성이 부족한 소재의 재처리에 매우 유용할 것이다. IHT 열처리기술은 원자로압력용기 뿐만 아니라, 동일하거나 유사한 재료를 사용하는 증기발생기와 가압기의 동체(shell)(SA 508 Gr.3) 및 1차 계통 냉각재 배관(SA 508-1a) 재료 등에도 적용하여 인성을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

고강도/고인성 SA508 Gr.4N강 적용

현재 상용원전 원자로압력용기에는 주로 SA508 Gr.3 Mn-Mo-Ni계 저합금강이 사용되고 있다. 그러나 상용원전의 출력향상을 위한 대형화 및 장기가동을 위해 SA508 Gr.3강보다 더 높은 강도와 우수한 천이특성을 갖는 SA508 Gr.4N Ni-Cr-Mo계 저합금강에 많은 관심이 집중되고 있다. 그림 3은 이 두 소재의 대표적인 미세조직을 비교한 것이다. SA508 Gr.3 저합금강의 경우(그림 3 (a)) 구 오스테나이트(prior austenite) 결정립 내부에 베이나이트 래스들이 일정한 방향으로 배열되어 있으며 각 래스 사이에는 석출물이 분포하는 상부 베이나이트 조직을 나타내고 있다. 반면 SA508 Gr.4N 저합금강의 경우(그림 3 (b)) 래스 내부에 미세한 형태의 석출물이 균일하게 분포하는 하부 베이나이트와 템퍼드 마르텐사이트의 복합조직을 나타낸다. SA508 Gr.3 저합금강은 베이나이트 래스 사이에 수 μm 크기의 석출물이 분포하고 있고, 래스 내부에는 구상형의 석출물이 존재하고 있는 것을 알 수 있다 (그림 3 (c)). 반면 SA508 Gr.4N 저합금강은 그림 3 (d)에 나타난 것과 같이, 래스 내부 및 래스 경계에 걸쳐 전체적으로 1 μm 이하의 미세한 석출물이 분포한다.

그림 3. Microstructure of (a),(c) SA508 Gr.3 and (b),(d) SA508 Gr.4N

표 1에  SA508 Gr.3 저합금강과 SA508 Gr.4N 저합금강의 상온 인장특성과 ASTM 규격에서 제시하는 특성 요구치를 비교하여 나타내었다. 항복강도값은 SA508 Gr.3가 약 460 MPa, SA508 Gr.4N이 약 581 MPa, 최대인장강도는 SA508 Gr.3, SA508 Gr.4N이 각각 622 MPa, 749 MPa로 항복강도 및 인장강도 모두 SA508 Gr.3에 비해 SA508 Gr.4N이 월등히 우수한 값을 나타낸다.

표 1. SA508 Gr.3와 SA508 Gr.4N 저합금강의 상온 인장특성 비교

그림 4는  SA508 Gr.3 저합금강과 SA508 Gr.4N 저합금강의 충격천이특성을 비교한 것이다. 천이온도의 경우 T_68J을 기준으로 SA508 Gr.4N이 -111°C,  SA508 Gr.3가 19°C로  SA508 Gr.4N 저합금강이 매우 우수한 천이특성을 나타낸다. 상부흡수에너지 또한 SA508 Gr.4N이 SA508 Gr.3에 비해 40J 이상 높은 특성을 나타낸다.

그림 4. SA508 Gr.3와 SA508 Gr.4N 저합금강의 충격천이특성 비교

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