극저온용 강 개요 연성 취성 천이온도 인성 금속재료기술사 서브노트

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극저온용 강 개요

Fe-36% Ni 합금은 알루미늄 합금과 오스테나이트계 스테인레스강에 비해 약 1/15 이하의 낮은 열팽창 계수를 가지고 있다.

극저온에서도 안정한 오스테나이트 조직을 가지고 있어, 200J 이상의 안정적인 저온 인성과 높은 인장강도를 나타낸다.

이와 같이 Fe-36%Ni 강은 온도가 변하더라도 형상 및 기계적인 물성 값이 다른 합금에 비해 변하지 않는 합금으로써, Invariable alloy, Invar alloy로 불리고 있다.

 

또한, Fe-36%Ni 합금은 용융 온도 및 평균 비열이 탄소강에 비해 낮기 때문에, 용접시 용접부에 쉽게 열을 집중시켜 낮은 입열량으로도 용접할 수 있으며, 탄성계수가 낮아, 낮은 열팽창계수와 더불어 용접 잔류 응력 및 열응력의 완화에 유리하다는 장점을 가지고 있다.

 

저온(영하 150'C 이하) 에너지 저장용 합금으로 주로 사용되고 있는 알루미늄 합금, 오스테나이트계 스테인리스강이나 9%Ni강, 인바합금 등은 가격이 비싸다.

이를 대체하기 위한 저온용 고망간강 (high-manganese steel)에 대한 연구가 최근 국내 대기업에서 진행되고 있다.

 

FCC 구조의 오스테나이트계 강은 -196'C 이하의 극저온에서도 사용될 수 있지만, Ni 함량이 높기 때문에 경제성 측면을 고려하여 고가의 Ni을 Mn으로 전부 또는 일부 대체하는 연구가 국외 대학 및 연구기관 에서 오랫동안 진행되고 있다.

 

저온용강

-10'C 이하의 저온에서 쓰이는 강재를 말하며 액화가스 등의 저장, 운반용기는 저온과 고압에 견디는 강재이어야 한다.

1. 사용온도에서 내충격특성 (노치인성)이 좋을 것
2. 항복점 등의 기계적 강도가 클 것
3. 가공성, 용접성, 내식성이 좋을 것

 

결정구조에 따른 천이현상

저온에서의 금속의 인성은 결정구조와의 관계가 크며 BCC인 Ferrite계 강은 어느 온도 이하에서 인성이 급격히 낮아지는 천이현상이 일어난다. 

그러나, Al 합금이나 Austenite계 Stainless 강은 FCC 결정구조라 이러한 천이현상은 생기지 않는다.

 

조직별 연성-취성 천이 거동 : 저온인성용 고망간강의 경량 고강도화 기술 보고서

 

1. Ni 강재

Ni 함량이 증가함에 따라 인성은 향상하고 최저 사용온도도 점차 낮아진다.  Ni함량은 0.5% ~ 9% 까지의 종류가 있으며 8.5% ~ 13% Ni 에서는 -195'C 까지 거의 취화하지 않는다.

이러한 Ni강은 열처리를 병용함으로써 서로 다른 강도와 인성의 것을 얻을 수 있다.

 

Ni함량에 따른 충격치

극저온용 Ni 강의 조성 : 신금속재료학

2. Austenite계 Stainless 강 (STS 304L, 316L)

Austenite계 강판은 노치인성에 천이현상을 나타내지 않고 극저온까지 인성이 유지되므로, 극저온용강으로 사용되고 있다.

 

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