원자로 압력용기용 Ni-Mo-Cr계 저합금강의 합금원소 첨가량에 따른 미세조직 및 기계적 특성 평가

Abstract

현재 국내외 원자로 압력용기용 소재로는 Mn-Mo-Ni계 저합금강이 널리 사용되고 있다. 하지만 원자로의 대형화에 따른 차세대 원자로 압력용기용 재료에서는 이러한 Mn-Mo-Ni계 저합금강보다 상대적으로 우수한 강도가 요구되고 있고, 또한 중성자 조사에 의한 추가적인 인성 손실을 감안한다면, 제조시점에서 최대한 높은 인성을 확보하는 것이 요구되어진다. 따라서 최근에는 파괴인성을 향상시키기 위해 Ni과 Cr함량을 증가시킨 Ni-Mo-Cr계 저합금강에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 ASME의 Spec.의 Gr.4N 합금조성 범위 내에서 기준 시합금과 Ni, Cr, Mo의 조성을 변화시킨 7개의 저합금강 모델합금에 대하여 Thermocalc. 프로그램을 이용한 열역학 계산을 수행하였고, Ni-Mo-Cr계 저합금강의 합금원소의 조성변화에 따른 미세조직을 관찰하였다. 또한 기계적 특성 변화를 고찰하기 위하여 각각의 모델합금의 인장 및 충격특성을 평가하였다. Ni 함량을 변화시킨 저합금강의 경우, Ni 함량이 증가함에 따라 조직이 미세해지는 것을 관찰하였고, 또한 Ni 함량이 증가하였을 때 기준강에 비해 항복 강도는 100Mpa 정도 증가하고 또한 연성취성 천이온도가 25℃ 정도 감소하여 강도와 인성이 향상되는 것을 확인하였다. Cr 함량을 변화시킨 저합금강의 경우 석출되는 Cr계 탄화물의 안정온도범위의 변화가 일어나는 것을 열역학 계산을 통해 확인하였고, 또한 Cr 함량이 감소함에 따라 상대적으로 조대한 탄화물이 불균일하게 석출되는 것을 관찰하였다. Cr함량 변화에 따른 기계적 특성의 변화는, Cr 함량이 변화함에 따른 인장 특성의 변화는 10Mpa 이하로 미비하였으나, Cr 함량이 기준강에 비해 0.8wt% 감소한 시합금 Cr1의 경우 천이온도가 기준강에 비해 60℃ 정도 증가하였고, 상부흡수에너지 또한 30J 정도 감소하여 인성의 저하되는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 Ni-Mo-Cr계 저합금강의 합금 원소 첨가량을 고려하였을 때, Ni, Cr 함량이 높을수록 강도와 인성이 향상되는 것으로 판단된다. 반면 Mo의 경우 함량이 증가할수록 강도는 증가되었으나, 이에 따른 인성의 저하가 관찰되었다.