다양한 등온 온도에서 P92 강의 미세 구조 진화

다양한 등온 온도에서 P92 강의 미세 구조 진화

P92강철 주로 초초임계 보일러, 초고압 파이프라인 및 기타 고온 고압 장비에 사용됩니다.P92강은 W 및 B 원소의 미량 원소를 첨가한 P91강 화학 조성에 따라 Mo 함량을 줄이고 다양한 방법으로 강화 및 분산 강화된 결정립계를 통해 P92강의 종합적 성능을 개선합니다.P92강은 P91강보다 산화 저항 성능과 내식성이 우수합니다.열간 가공 공정은 P92강 파이프를 생산하는 데 필수적입니다.열 가공 기술은 생산 공정에서 발생하는 내부 결함을 제거하고 강철 성능이 작업 조건의 요구를 충족시킬 수 있습니다.열간 가공 공정에서 조직의 유형과 상태는 성능이 표준을 충족하는 데 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 따라서 본 논문에서는 다양한 등온 온도에서 P92 강관의 조직을 분석하여 다양한 온도에서 P92 강관의 조직 진화를 밝혀냈습니다. 이는 실제 열간 가공 공정의 조직 분석 및 성능 제어에 대한 정보 지원을 제공할 뿐만 아니라 열간 가공 공정 개발을 위한 실험적 기초를 마련합니다.

1. 시험재료 및 방법

1.1 시험재료

시험한 강은 사용 조건의 P92 강관(1060℃ 경화 + 760℃ 템퍼링)이며, 화학 성분은 표 1에 나타냈다. 완성된 관의 중앙부에서 길이 방향으로 특정 위치에서 ϕ4 mm × 10 mm의 원통형 시편을 절단하고, 급냉 팽창계를 사용하여 다양한 온도에서 조직 변형을 연구했다.

표 1 질량분율에 따른 P92강의 주요 화학성분(%)

요소	씨	시	망	Cr	니	모	V	알	비	NB	여	철
%	0.13	0.2	0.42	8.67	0.25	0.48	0.19	0.008	0.002	0.05	1.51	균형

1.2 테스트 프로세스

L78 급냉 열팽창계를 사용하여 0.05℃/s로 1050℃까지 가열하여 단열 15분, 200℃/s로 실온까지 냉각합니다. 재료의 상변화 임계점을 측정합니다. Ac1은 792.4℃, Ac3은 879.8℃, Ms는 372.3℃입니다. 시편은 10°C/s의 속도로 1050°C까지 가열하여 15분간 유지한 다음, 150°C/s의 속도로 다른 온도(770, 740, 710, 680, 650, 620, 520, 430, 400, 370, 340, 310, 280, 250, 190 및 160°C)까지 냉각시키고 다른 시간 동안 유지했습니다(620°C 이하 1시간, 620°C 이상 25시간). 620℃ 이상 유지 25시간), 전원의 등온 끝은 꺼져 시편이 실온으로 공랭됩니다.1.3 시험 방법

시편 표면을 다양한 공정으로 연삭 및 연마한 후 왕수를 사용하여 시편 표면을 부식시켰다. AXIOVERT 25 Zeiss 현미경과 QWANTA 450 환경 주사 전자 현미경을 사용하여 조직을 관찰 및 분석했으며, HVS-50 비커스 경도 시험기(부하 중량 1kg)를 사용하여 각 시편 표면의 여러 위치에서 경도를 측정하여 평균값을 시편의 경도 값으로 취했다.

2. 테스트 결과 및 분석

2.1 등온 온도의 다양한 구성 및 분석

그림 1은 다른 온도에서 다른 시간 동안 1050°C에서 완전한 오스테나이트화 후의 P92 강의 미세조직을 보여준다.그림 1(a)는 190℃에서 1시간 동안 등온화 후의 P92 강의 미세조직을 보여준다.그림 1(a2)에서 알 수 있듯이, 상온 조직은 마르텐사이트(M)이다.그림 1(a3)에서 알 수 있듯이, 마르텐사이트는 라스형 특성을 보인다.강의 Ms점은 약 372°C이므로, Ms점 아래의 등온에서 마르텐사이트 상변태가 일어나 마르텐사이트를 형성하고, P92 강의 탄소 함량은 저탄소 조성 범위에 속한다.라스형 형태가 마르텐사이트의 특징이다.

그림 1(b)는 430℃ 등온 1h에서 P92 강의 미세구조를 나타낸 것이다. 등온 온도가 430℃로 증가함에 따라 P92 강은 베이나이트 변태대에 도달한다. 이 강에는 Mo, B, W 원소가 포함되어 있기 때문에 이러한 원소는 베이나이트 변태에 거의 영향을 미치지 않지만 펄라이트 변태는 지연시킨다. 따라서 P92 강은 430℃ 절연 1h에서 일정량의 베이나이트를 조직한다. 그런 다음 남은 과냉각 오스테나이트는 공랭 시 마르텐사이트로 변태된다.

그림 1(c)는 520℃ 등온 1h에서 P92강의 미세조직을 나타낸다. 등온온도가 520℃일 때 합금원소인 Cr, Mo, Mn 등이 펄라이트변태를 억제하고 베이나이트변태점(Bs점)의 시작이 감소하므로 특정 온도범위에서 과냉각 오스테나이트의 안정화대가 나타난다. 그림 1(c)는 520℃ 절연 1h 후 과냉각 오스테나이트가 변태 후 발생하지 않고 공랭하여 마르텐사이트를 형성한 것을 볼 수 있다. 최종 상온조직이 마르텐사이트이다.

그림 1(d)는 마르텐사이트+펄라이트의 650℃ 등온 25h 미세구조를 갖는 P92강에 대한 것이다. 그림 1(d3)에서 보듯이 펄라이트는 불연속적인 층상구조를 보이고, 표면의 탄화물은 짧은 막대모양의 석출을 보인다. 이는 P92강 합금원소인 Cr, Mo, V 등이 과냉각 오스테나이트의 안정성을 동시에 향상시켜 P92강 펄라이트 형태가 변하기 때문인데, 즉 짧은 막대모양의 탄화물인 펄라이트체 내의 탄화물을 펄라이트계라고 한다. 동시에 조직 내에서 미세한 2차상 입자가 많이 발견되었다.

그림 1(e)는 740℃ 등온 25h에서 P92 강의 미세조직을 보여준다. 740℃ 등온에서 먼저 공융 괴상 페라이트가 석출되고 그다음 오스테나이트 공융 분해가 일어나 펄라이트와 같은 조직이 형성된다. 650℃ 등온과 비교했을 때(그림 1(d3) 참조), 펄라이트 조직은 등온 온도가 높아질수록 더 거칠어지고, 펄라이트의 2상 특성, 즉 짧은 막대 형태의 페라이트와 카뷰라이트가 명확하게 보인다.

그림 1(f)는 770°C 등온에서 25시간 동안 P92 강의 미세 구조를 보여줍니다. 770°C 등온에서 등온 시간이 길어짐에 따라 페라이트의 석출이 먼저 일어나고, 그다음 과냉각된 오스테나이트가 공정 분해를 거쳐 페라이트+펄라이트 조직을 형성합니다. 등온 온도가 증가함에 따라 첫 번째 공정 페라이트 함량이 증가하고 펄라이트 함량은 감소합니다. P92 강의 합금 원소, 합금 원소가 오스테나이트에 용해되어 오스테나이트 경화성이 증가하기 때문에 공정 분해의 어려움이 더 광범위해지므로 공정 분해, 펄라이트 조직 형성을 할 수 있을 만큼 충분히 긴 등온 시간이 필요합니다.

그림 1(f2)에서 서로 다른 형태의 조직에 대해 에너지 스펙트럼 분석을 수행하여 조직 유형을 더욱 자세히 식별하였으며, 표 2에 나타냈다. 표 2에서 알 수 있듯이, 백색 입자의 탄소 함량이 다른 조직보다 높고 합금 원소인 Cr, Mo, V가 더 많은 것을 알 수 있으며, 이 입자를 냉각 과정에서 침전된 복합 카바이드 입자로 분석한 결과, 불연속 층상 조직의 탄소 함량이 두 번째로 낮고, 괴상 조직의 탄소 함량이 가장 낮았다. 펄라이트는 탄화물과 페라이트의 2상 조직이기 때문에 평균 탄소 함량이 페라이트보다 높으며, 등온 및 형태 분석을 결합하여 층상 조직이 펄라이트와 유사하고 괴상 조직이 먼저 공정 페라이트임을 추가로 확인했다.

770 °C에서 25시간 동안 등온 처리한 P92강의 스펙트럼 분석, 원자 분율로 표 형식으로 작성(%)

구조	씨	NB	모	티	V	Cr	망	철	여
흰색 과립	11.07	0.04	0.94	0.02	2.16	8.36	2.64	54.77	2.84
블록 구조	9.31	0.04	0.95	0.2	0.32	8.42	0.74	85.51	10.21
계층 구조	5.1	0	0.09	0.1	0.33	7.3	0.35	85.65	0.69

2.2 미소경도 및 분석

일반적으로 W, Mo 등의 원소를 함유한 합금강의 냉각 과정에서 과냉각 오스테나이트에서 세 가지 조직 변형이 발생합니다. 저온 영역에서는 마르텐사이트 변형, 중온 영역에서는 베이나이트 변형, 고온 영역에서는 펄라이트 변형입니다. 서로 다른 조직적 진화는 서로 다른 경도로 이어집니다. 그림 2는 서로 다른 등온 온도에서 P92 강의 경도 곡선 변화를 보여줍니다. 그림 2에서 등온 온도가 증가함에 따라 경도는 먼저 감소한 다음 증가한 다음 마지막으로 감소하는 경향을 보입니다. 등온 온도가 160 ~ 370℃일 때 마르텐사이트 변형이 발생하고 비커스 경도는 516HV에서 457HV로 증가합니다. 등온 온도가 400 ~ 620℃일 때 소량의 베이나이트 변태가 발생하고 478HV의 경도가 484HV로 증가합니다. 베이나이트 변태가 작기 때문에 경도는 크게 변하지 않습니다. 등온 온도가 650℃일 때 소량의 펄라이트가 형성되어 경도는 410HV입니다. 등온 온도가 680 ~ 770℃일 때 페라이트 + 펄라이트 조직이 형성되어 경도가 242HV에서 163HV로 변합니다. P92강은 다른 온도에서 변태되기 때문에 전이 조직이 다르고 저온 마르텐사이트 변태 영역에서 등온 온도가 Ms점보다 낮을 때 온도가 증가함에 따라 마르텐사이트 함량이 감소하고 경도가 감소합니다. P92강이 다양한 온도에서 변태하는 도중, 등온 온도가 Ms점보다 낮을 때는 온도가 증가함에 따라 마르텐사이트 함량이 감소하고 경도가 감소합니다. 중온 베이나이트 변태 영역에서는 베이나이트 변태량이 적기 때문에 경도 변화가 크지 않습니다. 고온 펄라이트 변태 영역에서는 등온 온도가 상승함에 따라 1차 공정 페라이트 함량이 증가하여 경도가 계속 감소하므로 등온 온도가 증가함에 따라 재료 경도는 전반적으로 감소 추세이며 경도 변화 추세와 조직 분석도 그 추세와 일치합니다.

3. 결론

1) P92강의 임계점 Ac1은 792.4℃, Ac3는 879.8℃, Ms는 372.3℃이다.

2) P92강은 등온이 다르면 상온조직이 다르다; 160~370℃ 등온 1h에서는 상온조직이 마르텐사이트이고; 400~430℃ 등온 1h에서는 소량의 베이나이트+마르텐사이트 조직이고; 520~620℃ 등온 1h에서는 조직이 비교적 안정적이며, 단시간(1h) 내에 변태가 일어나지 않으면 상온조직이 마르텐사이트이고; 650℃ 등온 25h에서는 상온조직이 펄라이트이다.h에서는 상온조직이 펄라이트+마르텐사이트이고; 680~770℃ 등온 25h에서는 조직이 펄라이트+1차 공정 페라이트로 변태한다.

3) P92강은 Ac1 이하 등온에서 오스테나이트화되고, 등온 온도가 낮아짐에 따라 재료 전체의 경도는 증가하는 경향을 보이며, 등온 770℃에서 첫 번째 공정 페라이트 석출 발생 후 펄라이트 변태가 발생하고 경도가 가장 낮아 약 163HV이다. 등온 160℃에서 마르텐사이트 변태 발생 후 경도가 가장 높아 약 516HV이다.