KR100663720B1

KR100663720B1 - 오스테나이트계강 용접 조인트

Info

Publication number: KR100663720B1
Application number: KR1020057023576A
Authority: KR
Inventors: 가즈히로 오가와; 마사아키 이가라시; 히로유키 셈바; 도모히코 오무라; 미츠오 미야하라
Original assignee: 수미도모 메탈 인더스트리즈, 리미티드
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2007-01-02
Also published as: DE602004019089D1; CA2528406A1; EP1645355B1; EP1645355A1; WO2004110695A1; CN1816417A; US7393597B2; KR20060025550A; EP1645355A4; CA2528406C; US20060191606A1; JP4265604B2; JPWO2004110695A1; CN100445020C

Abstract

고압 수소 배관, 용기 등에 요구되는 저온 인성, 내수소 취화 특성이 특히 용접부에 있어서도 우수한 고강도의 오스테나이트계강 용접 조인트를 제공한다. 용접금속이, 질량%로, C:0.04% 이하, Si:1.0% 이하, Mn:3% 이하, P:0.02% 이하, S:0.005% 이하, Cr:15∼25%, Ni:30% 이상, Mo:10% 이하, Nb:2.5∼5%를 포함하고, Al:3.0% 이하 및/또는 Ti:0.5% 이하를 (Ti+Al)>Nb/8을 만족하는 양을 포함하며, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 용접모재가, 질량%로, C:0.04% 이하, Si:1.0% 이하, Mn:3∼30%, P:0.02% 이하, S:0.005% 이하, Cr:15∼30%, Ni:5∼30%, N:0.10∼0.50%를 포함하며, 또 Mo:10% 이하, W:10% 이하, V:0.001∼1.0%, Al:0.10% 이하, Ti:0.01% 이하, Zr:0.01% 이하 및 Hf:0.01% 이하의 적어도 1종을 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진다.

Description

오스테나이트계강 용접 조인트{AUSTENITIC STEEL WELD JOINT}

본 발명은, 수소분위기 하에서 사용되는 부재, 예를 들어 고압 수소용 배관 등에 요구되는 특성인 용접성, 저온 인성, 내수소 취화(脆化)특성이 우수한 고강도의 오스테나이트계강의 부재에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 저온 인성, 내수소 취화 특성, 강도가 우수한 용접금속을 갖는 오스테나이트계강 용접 조인트에 관한 것이다.

최근, 연료전지 자동차의 실용화로의 기대가 높아지고, 연료전지 자동차에 이용될뿐만 아니라, 그 사용환경의 정비라는 관점에서 설치되는 수소가스 스테이션 등에서 이용되는 고압 수소용 저장용기, 배관, 밸브 등의 재료의 개발이 적극적으로 행해지고 있다. 이러한 고압 환경은 50Mpa 이상으로 되어 있다.

통상의 수소환경에서는 내수소 취화 감수성이 뛰어난 오스테나이트계 스테인레스강이 사용에 적합하다고 되어 있다. 따라서, 이러한 오스테나이트계 스테인레스강이 50Mpa 이상이라는 한층 더 고압 수소환경 하에 견디기 위하여 고강도화로의 시도가 몇번 행해졌다. 예를 들어, 모재에서는, 고Mn으로 함으로써 N의 용해도를 높인 데다가, N, V를 비교적 많이 첨가하여 적절한 열처리를 가함으로써, 고강도를 얻는 제안이 나타난다.

그러나, 모재는 고강도화가 가능하다고 해도, 그 용접부에서는 용접금속이 용융응고를 받음으로써, 또한 용접열 영향부가 용접시에 가열·냉각을 받음으로써, 강도 저하가 생기는 경우가 많고, 오스테나이트계 용접금속에서도 고강도를 얻는 것이 곤란하다. 그 때문에, 종래부터, 용접 후의 열처리에 의해 미세한 입자를 석출시켜 강화하는 방법이 채용된다.

예를 들어, 일본특허공개 평5-192785호 공보, 일본특허공개 평10-146692호 공보에는, Ti, Al을 첨가한 Ni기 합금으로부터 용접금속을 구성하고, 이를 특정 온도범위에서 가열하여

'상이라 불리는 미세한 금속간 화합물(Ni₃Al, Ni₃Ti)을 석출시킴으로써, 용접금속을 강화할 수 있음이 나타나 있다. 그러나, 이들 용접금속은,용접 고온균열 감수성이 높고, 상기 금속간 화합물의 석출 강화에 의해 인성 저하가 발생하기 쉽다는 문제점이 있었다.

또한, 일본특허공개 평9-271982호 공보에는, Ti, Nb를 포함하는 고Ni 용접금속의 고온균열 방지에는, 피복 아크 용접봉의 피복제의 배합을 개선하는 것이 유효하다는 개시가 있는 데, 이러한 수단은 육성(肉盛)용접이 대상이다.

그러나, 이러한 고강도화를 실현하여도 50MPa 이상이라는 고압 수소환경 하에서, 이번에는 통상의 압력하에서는 경험하지 않았던 저온 취화 및 수소 취화, 특히 용접금속에서의 저온 취화 및 수소 취화가 현저하게 보이는 것이 판명되었다.

고압 수소환경 하에서 사용되는 기기류에는 고강도뿐만 아니라, 내수소 취화 및 내저온 인성이 모재 및 용접금속에 강하게 요구된다.

본 발명의 과제는, 연료전지 자동차, 수소가스 스테이션 등에 있어서 이용되는 고압 수소 배관, 용기 등에 요구되는 특성인 저온 인성, 내수소 취화 특성이 특히 용접금속에 있어서 뛰어난 고강도의 오스테나이트계강 용접 조인트를 제공하는 것에 있다.

여기에, 용접 조인트부를 포함하는 장치 및 기기에 사용하는 재료의 설계에는, 모재 및 용접금속 모두로부터의 고찰이 필요하지만, 본 발명에 있어서는, 재질적으로 특성 열화가 특히 보이는 용접금속에서의 문제점의 해결을 찾았다.

본 발명자들은, 용접금속의 강도를 확보하는 방법으로서, 고Ni 합금을 기초로 여기에 Al, Ti, Nb를 첨가하고, 적절한 용접 후, 열처리를 행하여 Ni₃(Al, Ti, Nb)를 미세 석출 분산시켜 강화하는 것이 유효한 것을 발견하였다. 그러나, 용접금속의 인장강도가 800MPa 이상인 고강도 용접금속에서의 인성, 내수소 취화 특성을 확보하는 데에는, 강화원소의 응고 편석을 완화하는 성분의 조합의 선택이 필요하고, 본 발명에 있어서는, Nb:2.5∼5%를 포함하며, Al 및 Ti 중, 1종 이상을 Al:3% 이하, Ti:0.5% 이하의 범위이면서 또한, i+Al)>Nb/8을 만족하는 양을 포함하는 것으로 한다.

상술한 바와 같이 Ti, Al만의 첨가에 의한 강화에서는, 응고 편석에 의해 최종 응고부에 Ti, Al이 농화(濃化)하는 결과, 시효 열처리에 의해서도 균일한 Ni₃Al, Ni₃Ti의 미세 분산이 얻어지지 않고, Ti, Al 농화부에서는 Ni₃Al, Ni₃Ti가 우선적으로 성장하여 조대화하며, 반드시 고강도가 얻어지지 않을 뿐만 아니라, 인성, 내수소 취화 특성의 저하도 초래하게 된다.

또, Nb 단독으로 석출 강화를 도모한 경우에도, 최종 응고부에 Nb가 농화하는 결과, 역시 강도와 인성, 내수소 취화 특성의 확보는 불충분하였다.

여기에, 본 발명에 의하면, Nb를 주체로 어떤 값 이상의 Al 및/또는 Ti를 첨가한다.

즉, Ti, Al, Nb는 응고시에 편석하기 쉽고, 그 때문에 인성, 내수소 취화 특성의 저하를 초래한다. 그러나, Nb의 양에 따라 일정량의 Ti 및/또는 Al을 복합첨가하면, 응고의 후기단계에서 액상 내로부터 다른 응고핵이 생겨 그것을 중심으로 다른 고상이 성장하기 때문에, 결과로서, 최종 응고부가 분산된다. 이에 의해, 최종 응고부 자체가 하나의 면(a large single phase)이 아니라, 많은 작은 면(finely dispersed phases)으로서 분산되고, 시효 열처리시에는 미세한 Ni₃(Al, Ti, Nb)가 균일 분산하며, 고강도에서도 인성, 내수소 취화 특성이 향상된다.

상술한 바와 같은 석출 강화에 의해 고강도를 얻는 고Ni 합금에 있어서는, 용접 고온 균열의 주요 원인이 되는 응고 편석에 의한 연속된 액상의 잔류가 최종 응고부의 분산에 의해 분단되기 때문에, 고온 균열 방지도 동시에 달성된다.

여기에, 본 발명은, 다음과 같다.

(1) 오스테나이트계강의 용접모재와 용접금속으로 이루어진 용접 조인트로서, 상기 용접금속이, 질량%로, C:0.04% 이하, Si:1.0% 이하, Mn:3% 이하, P:0.02% 이하, S:0.005% 이하, Cr:15.0∼25.0%, Ni:30% 이상, Mo:10% 이하 및/또는 W:10% 이하 및 Nb:2.5∼5.0%를 포함하고, Al:3.0% 이하 및/또는 Ti:0.5% 이하를, 하기의 식:

(Ti+Al)>Nb/8

을 만족하는 양을 포함하며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 오스테나이트계강 용접 조인트.

(2) 상기 오스테나이트계강의 용접모재가, 질량%로, C:0.04% 이하, Si:1.0% 이하, Mn:3∼30%, P:0.02% 이하, S:0.005% 이하, Cr:15∼30%, Ni:5∼30%, N:0.10∼0.50%를 포함하고, 또 Mo:10% 이하, W:10% 이하, V:0.001∼1.0%, Al:0.10% 이하, Ti:0.01% 이하, Zr:0.01% 이하 및 Hf:0.01% 이하의 적어도 1종을 포함하며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진 (1)에 기재된 오스테나이트계강 용접 조인트.

본 발명에 관한 용접 조인트는, 50MPa 이상이라는 고압 수소환경 하에서도 수소 취성을 나타내지 않고, 내식성의 열화도 나타나지 않기 때문에 연료전지 자동차나 수소가스 스테이션 등에 이용하는 기기류, 예를 들어 고압 수소용 용기, 배관 그리고 밸브류를 구성하는 데에 이용할 수 있다.

도 1은 실시예의 결과를 정리하여 나타낸 그래프이다.

본 발명에 관한 용접 조인트에서의 용접금속 및 용접모재의 강 조성(鋼組成)을 상술한 바와 같이 각각 규정한 이유를 상술한다.

본 명세서에 있어서 강 조성을 나타낸 「%」는, 특별히 언급하지 않는 한 「질량%」이다.

본 발명은, 미세한

'상이 분산된 금속을 구비한 용접 조인트에 그 특징이 있고, 그때의 용접금속의 강 조성을 상술한 바와 같이 규정한 이유는 다음과 같다.

C:

C는 강도 향상에 효과가 있지만, 한편으로는 탄화물을 형성하기 때문에, 0.04%를 넘으면 합금의 연성 및 인성의 저하가 커지므로, 0.04% 이하로 한다. 바람직하게는 0.03% 이하이다. 더 바람직하게는 0.02% 이하이다.

Si:

Si는 탈산 원소로서 필요한 원소인 데, 용접금속에서는 금속간 화합물을 생성하여 인성을 열화시키기 때문에, 낮은 쪽이 좋고, 1.0%를 상한값으로 한다. 바람직한 Si의 함유량은 0.50% 이하, 더 바람직하게는 0.20% 이하이다.

Mn:

Mn은 탈산 원소로서 유효한 원소인 데, 인성의 관점에서는 낮은 쪽이 좋기 때문에, 그 함유량은 3%를 상한값으로 한다. 바람직하게는 1% 이하이다.

P:

P는 다량으로 함유되면 강의 인성을 열화시킬 우려가 있기 때문에, 0.02% 이하로 제한된다.

S:

S는 입자계에 편석하여 결정입자의 결합력을 약하게 하고, 용접성을 열화시 키는 매우 유해한 원소로서, 상한의 규제가 중요하기 때문에, 0.005% 이하로 한다.

Cr:

Cr은 고압가스 환경에서의 내식성을 향상시키기 위하여 필요한 원소이다. 그 효과의 점에서 15.0%를 하한값으로 한다. 그러나, 과잉으로 함유시키면 인성, 가공성이라는 기계적 성질을 저해하게 되기 때문에, 25.0%를 상한값으로 한다. 바람직하게는 17∼22%이다.

Ni:

Ni는 매트릭스의 구성원소로서 오스테나이트상을 안정화할 뿐만 아니라,

'상[Ni₃(Ti, Al, Nb)금속간 화합물]을 미세하게 분산시키기 위하여 중요하다.

'상 미세 석출 효과는, Ni:30% 이상에서 유효하게 된다. 바람직하게는 40% 이상, 80% 이하이다.

또, Ni는 안정된 오스테나이트 조직을 얻기 위하여, 또한 내침탄성(耐浸炭性)을 확보하기 위하여 없어서는 안될 원소이고, 특히

'상에 의한 석출강화의 효과를 높이기 위하여는 많을수록 바람직하다.

Mo, W:

Mo 및 W는 주로 고용강화원소로서 유효하고, 적어도 1종 적절히 함유되며, 기지의 오스테나이트상을 강화함으로써 강도를 향상시킨다. 과잉으로 함유시키면 인성저하의 요인이 되는 금속간 화합물이 석출되기 때문에, Mo:10% 이하, W:10% 이하로 한다.

또, N에 대하여는 특히 한정되지 않지만, 통상은 0.1% 이하 함유된다.

Nb:

Nb는 Al 및/또는 Ti와의 복합첨가에 의해

'상[Ni₃(Ti, Al, Nb)금속간 화합물]을 형성하여 석출강화작용을 기대할 수 있을 뿐만 아니라, 용접금속에 있어서는 Al 및/또는 Ti와 공존하면 응고의 후기단계에서 액상 내로부터 다른 응고핵을 형성하고, 그것을 중심으로 다른 고상이 성장하기 때문에, 그 결과로서, 최종 응고부가 분산된다. 이에 의해, 최종 응고부 자체가 하나의 면이 아니라, 많은 작은 면으로서 분산되고, 시효 열처리시에는 미세한

'상이 균일 분산되며, 고강도에서도 인성, 내수소 취화 특성을 확보할 수 있다. 이 미세핵 생성에는, Nb를 2.5% 이상 함유시킨다. 단, 과잉으로 함유하면 오히려 조대한 금속간 화합물의 생성을 초래하여 인성, 내수소 취화 특성을 열화시키기 때문에 5.0% 이하로 한다. 바람직하게는 3∼4.5%이다.

Al 및/또는 Ti, (Ti+Al)>Nb/8:

Al 및 Ti는 적어도 1종 함유되면 되는 데, Al 및 Ti는 동시에 함유되는 것이 바람직하다.

Al의 과잉첨가는 오히려 조대한 금속간 화합물의 생성을 초래하여 인성, 내수소 취화 특성을 열화시키기 때문에, Al의 상한을 3.0% 이하로 한다.

Ti의 과잉첨가도 오히려 조대한 금속간 화합물의 생성을 초래하여 인성, 내수소 취화 특성을 열화시키기 때문에, 0.5% 이하로 한다.

또, Al 및/또는 Ti는 Nb와의 복합첨가에 의해 미세한

'상[Ni₃(Ti, Al, Nb)금속간 화합물]을 형성하여 석출강화작용을 기대할 수 있을 뿐만 아니라, Nb와 공존하면 용접금속의 응고의 후기단계에서 액상 내로부터 다른 응고핵을 형성하고, 그것을 중심으로 다른 고상이 성장하기 때문에, 결과로서, 최종 응고부가 분산된다. 이에 의해, 최종 응고부 자체가 하나의 면이 아니라, 많은 작은 면으로서 분산되고, 시효 열처리시에는 미세한

'상이 균일 분산되며, 고강도에서도 인성, 내수소 취화 특성을 확보할 수 있다.

이때, 미세한 응고핵 생성에는, (Ti+Al)>Nb/8의 조건을 만족시키는 것이 중요하다.

도 1은 (Ti, Al)의 함유량과 Nb함유량의 재질에 미치는 영향을 나타낸 그래프로서, 상술한 각 합금원소의 작용효과를 그래프에 나타낸 것이고, 이것에는 후술하는 실시예의 결과를 ○ 및 ×표시로 나타냈다.

도 1중, 영역(I)은 Nb함유량이 적고, 석출강화가 충분하지 않기 때문에, 강도가 낮은 영역이다. 영역(Ⅱ)은 Nb함유량이 5%를 넘기 때문에, 조대한 금속간 화합물이 생성되어 인성이 충분하지 않은 영역이다. 영역(Ⅲ)은 (Ti+Al)>Nb/8의 관계를 만족하지 않는 영역으로서, Nb의 응고 편석이 보이고, 그 때문에 인성저하 및 수소 취화가 현저한 영역이다. 영역(Ⅳ)은 (Ti, Al)함유량이 너무 많은 영역으로서, Nb의 응고 편석은 피할 수 없고, 인성저하 및 수소 취화가 나타나는 영역이다.

즉, Ti, Al, Nb는 용접금속의 강도 개선에 유효하지만, 과잉으로 첨가하면, 용접금속이 응고할 때에 편석되기 쉽고, 응고 편석이 생기기 쉽다. 응고 편석이 생기면, 인성이나 내수소 취화 특성의 저하를 초래한다. 그래서, 본 발명에 있어서는, (Ti+Al)>Nb/8을 만족하도록 Ti, Al, Nb의 함유량을 규정함으로써, 응고의 후기단계에서 액상으로부터 다른 응고핵이 생기고, 그것을 중심으로 고상이 성장하기 때문에, Nb가 미세하게 분산되며, 응고 편석이 억제된다.

즉, 도 1에 나타난 범위 내에서 Ti, Al, Nb를 첨가하면, 최종 응고부가 하나의 면이 아니라, 많은 작은 면으로서 분산되고, 결과로서, 용접 후의 열처리시에 미세한 Ni₃(Al, Ti, Nb)가 균일하게 분산된다. 그 결과, 고강도의 용접금속이 얻어질 뿐만 아니라, 인성이나 내수소 취화 특성에도 우수한 용접금속이 얻어진다.

본 발명에 관한 용접 조인트를 구성하는 용접금속에 있어서, 나머지 부분은 Fe 및 불가피 불순물이다. 이때의 불순물로서는, Cu, Co나 모재로부터 혼입한 V, Zr, Hf등을 들 수 있는 데, 그들은 합계로 0.5% 이하 허용된다.

본 발명에 있어서, 용접모재에 대하여는 내수소 취성에 충분한 저항성을 나타낸다고 생각되는 오스테나이트계강이라는 것 외에 특히 제한은 없지만, 특히 보다 우수한 내수소 취성 및 저온 인성이 요구되는 50MPa 이상의 고압 수소환경 하에서 사용하는 용접 조인트의 경우에는, 이러한 오스테나이트계 스테인레스강은 그 매우 적합한 태양에 있어서 다음과 같은 강 조성을 갖는다.

C:

오스테나이트계 스테인레스강에서는, 종종 M₂₃C₆형 탄화물(M은 Cr, Mo, Fe등) 이나 MC형 탄화물(M은 Ti, Nb, Ta등)을 석출시켜 내식성을 향상시키는 경우가 있다. 그러나, 본 발명에서는 탄화물의 석출은 필수가 아니라, 오히려 그들의 탄화물은 입자계에 석출하면 인성 등으로의 악영향을 끼치는 경우가 있으므로, C는 0.04% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.02% 이하이다. 또, C는 가능한 적은 쪽이 좋지만, 극단적인 C함유량의 저감은 정련비용의 상승을 초래하므로, 실용상 0.0001% 이상인 것이 바람직하다.

Si:

Si는 고산화성의 환경에서의 내식성 향상에 유효한 원소로서 알려져 있는 데,다량으로 함유되면 Ni, Cr등과 금속간 화합물을 형성하거나, 시그마상 등의 금속간 화합물의 생성을 조장하여 열간 가공성을 현저하게 저하시키는 경우가 있다. 그 때문에, Si의 함유량은 바람직하게는 1.0% 이하로 하였다. 더 바람직하게는 0.5%이다. 또, Si는 적을수록 좋은 데, 정련비용을 고려하면 0.001% 이상인 것이 더 바람직하다.

Mn:

Mn은 저렴한 오스테나이트 안정화 원소이다. 본 발명에 있어서는, Cr, Ni, N등과의 적정한 조합에 의해 고강도와 연성 및 인성의 향상에 기여한다. 그 때문에, 바람직하게는 Mn은 3% 이상 함유시키는 데, 30%를 넘으면 열간 가공성이나 내후성이 저하하는 경우가 있으므로, 3∼30%가 매우 적합한 함유량이다. 또, Mn의 더 바람직한 함유량은 5∼22%이다.

Cr:

Cr은 고압 수소가스 환경에서의 내식성을 향상시키는 원소로서, 중요한 원소이고, 바람직하게는 15% 이상 함유시킨다. 함유량이 30%를 넘어 다량이 되면 연성 및 인성에 유해한 CrN, Cr₂N 등의 질화물이나, M₂₃C₆형 탄화물이 다량으로 생성되기 쉬워진다. 따라서, Cr의 매우 적합한 함유량은 15∼30%이다.

Ni:

Ni는 오스테나이트 안정화 원소로서 첨가되는 데, 본 발명에 있어서는, Cr, Mn, N등과의 적정한 조합에 의해 고강도화와 연성 및 인성의 향상에 기여한다. 그 때문에, Ni 함유량은 바람직하게는 5% 이상으로 하는 데, 30%를 넘으면 효과의 증대는 적고, 오히려 재료비용이 상승하므로, 본 발명에 있어서 Ni 함유량은 5∼30%이다.

P, S:

P 및 S는 다량으로 함유되면, 모두 강의 인성 등에 악영향을 끼치는 원소이다. 통상은 불순물로서 함유되고, 바람직하게는 각각 0.02% 이하, 0.005% 이하이다. 더 바람직하게는 P:0.01% 이하, S:0.003% 이하이다.

N:

N은 가장 중요한 고용강화원소로서, Mn, Cr, Ni, C 등의 적정 함유량 범위 내에 있어서 고강도화에 기여하는 것과 함께, 시그마상 등의 금속간 화합물의 생성을 억제하여 인성의 향상에 기여한다. 본 발명에 있어서, 바람직하게는 0.10% 이상 함유된다. 그러나, 0.50%를 넘으면, CrN, Cr₂N 등의 육방정계의 질화물의 생성이 불 가피하게 되므로, 매우 적합한 함유량은 0.10∼0.50%이다.

Al:

Al은 탈산재로서 유효한 데, Ni가 30% 이하의 모재에 있어서 0.10%를 넘는 다량의 잔류는, 시그마상 등의 금속간 화합물의 생성을 조장한다. 또, 탈산효과의 관점에서는 0.001% 이상이 바람직하다.

Mo, W, V, Ti, Zr, Hf:

이들 원소는 적어도 1종 함유되고, 모두 입방정계의 질화물의 생성을 촉진한다는 작용효과를 갖는다.

각각 바람직하게는 Mo:10% 이하, W:10% 이하, V:0.001∼1.0%, Ti:0.01% 이하, Zr:0.01% 이하, Hf:0.01% 이하이다.

특히, Mo, W는 고용강화원소이기도 하고, 적어도 1종 포함된다. 더 바람직하게는 각각 6.0% 이하 적어도 1종 함유한다.

V는 고강도화와 연성 및 인성의 한층 더 향상에 기여하고, 내수소 취화성의 향상에도 크게 기여한다. 더 바람직하게는 0.05∼1.0%이다.

Ti, Zr, Hf는 상술한 바와 같이 입방정계의 질화물의 생성을 촉진한다는 작용효과를 가지지만, 한편으로, V계 질화물의 생성을 저해하므로, 또한, 그 자체의 질화물은 오스테나이트 모상과의 정합성이 좋지 않기 때문에, 각각 0.01% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

용접모재의 강 조성의 나머지 부분은 Fe이고, 불가피 불순물로서는 Cu, Co 등이 합계로 0.5% 이하 정도 허용된다.

여기에, 본 발명에 관한 용접금속은, 용접모재와 용접재료가 혼합용융한 결과 얻어진 용접금속으로서, 그것을 규정하는 강 조성이 본 발명의 요건을 만족하고 있으면 되고, 그 제한에 있어서 용접시에 사용되는 용접모재 및 용접재료의 강 조성은 본 발명에 있어서 특히 규정되지 않는다.

실제로는, 사용하는 모재의 조성에 따라 용접재료를 선택할 필요는 있는 데,용접금속의 조성에서의 모재조성의 비율로서 정의되는 모재 희석율은, 용접법에 의해 정해지고, 예를 들어 TIG, MIG용접에서는 5∼30% 정도, 서브머지 아크용접에서는 40∼60% 정도이다.

환언하면, 본 발명에 있어서 용접금속의 강 조성이 규정되어 있기 때문에, 용접모재는 용접법에 의한 희석율을 고려함으로써도 용이하게 정할 수 있다.

따라서, 모재의 조성이 정해지면, 상정되는 모재 희석율의 범위에서 용접금속 조성이 본 발명의 범위 내가 되도록 계산하여 용접재료 조성을 선정하면 된다.

본 발명에 관한 용접 조인트에 대하여, 용접금속 및 용접모재가 상술한 강 조성을 갖는 한 그 용접법은 특히 한정되지 않지만, 통상은 상술한 바와 같이 TIG, MIG, 피복아크용접법(예:서브머지드 아크용접법)이 사용된다.

이와 같이 얻어지는 용접금속은, 550∼700℃에서 2∼100시간 정도의 시효 열처리를 행함으로써 인장강도 800MPa이상의 고강도가 얻어진다.

본 발명에 관한 용접 조인트는, 연료전지 자동차용 수소가스 스테이션 등의 장치·기기류를 구성할 때에 사용할 수 있고, 예를 들어 고압 수소용 용기, 배관, 밸브 등을 조립하여 장착할 때에 사용함으로써, 그 안전성을 충분히 확보할 수 있 다. 물론, 연료전지 자동차의 구성요소(예:용기, 배관, 밸브)로서 이용할 수도 있다.

따라서, 본 발명은, 상기 용접 조인트를 구비한 고압 수소용 용기, 배관 또는 밸브 등의 기기라고도 할 수 있다.

다음에, 본 발명의 작용효과에 대하여, 실시예에 기초하여 더 구체적으로 설명한다.

(실시예)

표 1에 나타낸 화학조성의 대표부호(M1∼M4)의 모재를 50kg 진공 고주파로에서 용해 후, 단조(鍛造)에 의해 25mm두께의 판재로 하고, 1000℃에서 1시간 유지하여 수냉하는 열처리를 실시하여 용접모재의 공시재로 하였다.

또한, 마찬가지로 표 1에 나타낸 화학조성의 대표부호(W1∼W5, Y1∼Y5)의 합금을 50kg 진공 고주파로에서 용해 후, 외경 2mm의 선재로 가공하여 용접재료로 하였다.

용접부의 특성을 평가하기 위하여, 상기 용접모재 및 용접재료를 사용하여 이하에 나타낸 요령으로 용접 조인트를 제작하여, 용접금속의 특성평가시험을 실시하였다.

상기 용접모재로부터 얻어진 두께 25mm, 폭 100mm, 길이 200mm의 판재에 측면 20도의 V개선(開先)을 설치하고, 같은 성분의 판재를 조합하여 피용접재를 구성하며, 이후, 이것을 두께 50mm, 폭 150mm, 길이 250mm의 강판에 네 둘레를 피복아크용접(3패스)으로 완전히 구속하였다.

이러한 준비를 행한 피용접재에 대해, 표 1에 나타낸 용접재료를 표 2에 나타낸 바와 같은 모재와의 조합으로 당해 피용접재의 개선 내에 TIG용접으로 다층용접하여 용접 조인트를 제작하였다. 이때의 용접조건은, 용접전류 130A, 용접전압 12V, 용접속도 15cm/min로 하였다.

얻어진 용접금속의 강 조성의 분석데이터를 마찬가지로 표 2에 나타 내었는 데, 이는 용접금속의 중심선영역의 분석데이터이다.

이와 같이 하여 얻어진 용접 조인트로부터, 650℃×2∼10시간의 시효 열처리 후, 각 시험편을 잘라내었다. 인장 시험편은 외경 6mm, 길이 30mm의 평행부를 갖고, 그 평행부의 중앙에 용접금속을 갖도록 용접선과 직교하는 방향으로 채취하였다. 수소가스 환경하에서 인장시험을 행하는 시험편은, 외경 2.54mm, 길이 30mm의 평행부를 갖고, 그 평행부의 중앙에 용접금속을 갖도록 용접선과 직교하는 방향으로 채취하였다. 또한, 용접금속 중앙에 깊이 2mm의 V노치를 가진 10×10×55mm의 샤르피충격 시험편을 용접선과 직교하는 방향으로 채취하였다.

이들의 시험편을 사용하여 상온에서 인장시험을, 그리고 0℃에서 샤르피충격시험을 실시하고, 용접 조인트의 강도, 저온 인성을 평가하였다.

또한, 수소가스 환경하에서의 인장시험은 상온에서 75MPa의 고압 수소가스 환경하에서 왜곡속도 1O^-4(/s)로 실시하였다.

결과는 표 3에 나타 내었는 데, 그 평가에 대하여는, 본 발명에 관한 용접 조인트의 용접금속에 대해, 인장강도는 800MPa 이상, O℃에서의 저온 인성은 샤르 피 흡수에너지에서 20J이상, 내수소 취화 특성은 수소가스 환경하와 대기 중에서의 인장시험시의 파단연성의 비가 0.8 이상인 때를 각각 양호(○)로 하고, 그것을 하나라도 벗어나는 경우는 「×」에 의해 나타낸다.

이들의 결과는, 도 1의 그래프 상에도 나타낸다.

용접금속이 본 발명의 강 조성 범위 내에 있는 조인트 대표부호(A1∼A7)에서는, 인장강도가 800MPa, 인성은 샤르피 흡수에너지가 20J이상, 내수소 취화 특성은 수소가스 환경하와 대기 중에서의 인장시험시의 파단연성의 비가 0.8 이상이고, 고강도에서도 뛰어난 인성과 내수소 취화 특성을 나타낸다.

또, 인장시험에서의 파단위치는 대기하에서 용접모재부이고, 이로부터 용접금속은 그 파단강도 이상의 인장강도를 갖는 것을 알 수 있다. 한편, 수소가스 환경하에서는 용접금속이다. 인성은 시험편 중심의 용접금속 그 자체의 값이다.

이에 대해, 도 1에 나타낸 본 발명의 범위 밖의 경우에는, 가장 중요한 응고의 후기단계에서 액상 내로부터 다른 응고핵을 형성하고, 그것을 중심으로 다른 고상이 성장하기 때문에, 그 결과로서, 최종 응고부가 분산되기 위한 요건인(Ti 및/또는 Al)>Nb/8을 만족하지 않는 대표부호(B1∼B5)에서는, 고강도에서 뛰어난 인성과 내수소 취화 특성은 얻어지지 않는다.

본 발명에 의해, 고압 수소용 배관, 용기 등에 요구되는 특성인 저온 인성, 내수소 취화 특성이 특히 용접부에 있어서도 우수한 고강도의 오스테나이트계강 용접 조인트의 제공이 가능하게 된다. 따라서, 예를 들어 연료전지 자동차 혹은 수소가스 스테이션에서의 고압수소 저장용 용기, 배관, 밸브 등을 구성할 때에 본 발명에 관한 용접 조인트는 특히 유용하고, 본 발명의 의의가 크다는 것을 알 수 있다.

Claims

오스테나이트계강의 용접모재와 용접금속으로 이루어진 용접 조인트로서, 상기 용접금속이, 질량%로,

C:0.04% 이하, Si:1.0% 이하, Mn:3% 이하, P:0.02% 이하, S:0.005% 이하, Cr:15.0∼25.0%, Ni:30% 이상, Mo:10% 이하 및/또는 W:10% 이하 및 Nb:2.5∼5.0%를 포함하고, Al:3.0% 이하 및/또는 Ti:0.5% 이하를, 하기의 식:

(Ti+Al)>Nb/8

을 만족하는 양을 포함하며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 오스테나이트계강 용접 조인트.
제 1 항에 있어서,

상기 오스테나이트계강의 용접모재가, 질량%로,

C:0.04% 이하, Si:1.0% 이하, Mn:3∼30%, P:0.02% 이하, S:0.005% 이하, Cr:15∼30%, Ni:5∼30%, N:0.10∼0.50%를 포함하고, 또 Mo:10% 이하, W:10% 이하, V:0.001∼1.0%, Al:0.10% 이하, Ti:0.01% 이하, Zr:0.01% 이하 및 Hf:0.01% 이하의 적어도 1종을 포함하며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 오스테나이트계강 용접 조인트.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

50Mpa 이상의 고압 수소환경 하에서 사용되는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계강 용접 조인트.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

50Mpa 이상의 고압 수소환경 하에서 사용되는 용기, 배관 또는 밸브를 구성하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계강 용접 조인트.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 오스테나이트계강 용접 조인트를 구비한 것을 특징으로 하는 고압 수소용 용기.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 오스테나이트계강 용접 조인트를 구비한 것을 특징으로 하는 고압 수소용 배관.