KR100664003B1 - Metal structure product with excellent environmental cracking resistance and method of enhancing environmental cracking resistance of metal structure product - Google Patents
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Abstract
본 발명은 재료에 응력이 부하되어, 부식 환경 하에 있는 금속 구조 제품의 균열, 즉 환경 조장 균열에 대한 저항성이 우수한 금속 구조 제품 및 환경 조장 균열 저항성의 향상 방법을 제공하는 것이며, 금속 구조 제품의 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분 표면으로부터 50㎛의 두께 표층을 그 장축이 표면에 대하여 평행한 결정립으로 이루어진 층상 조직으로 한다. 바람직하게는 이 층상 조직의 결정립의 장축 방향 길이의 단축 방향 길이에 대한 비율을 5 이상으로 한다. 이는 금속 구조 제품의 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분 표면을 초음파 충격 처리하는 것에 의하여 얻어진다. 바람직하게는 초음파 충격 처리 후에 표면으로부터 50㎛의 두께 범위가 소성 변형하고 있는 것을 검사하는 품질 보증 검사를 한다.
응력, 환경 조장 균열, 환경 조장 균열 저항성, 금속 구조 제품, 장축, 단축, 초음파 충격 처리, 소성 변형
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a method for improving a metal structural product and an environmental cracking resistance which is excellent in resistance to cracking of a metal structural product under a corrosive environment, i. The surface layer of 50 micrometers is made into the layered structure which consists of crystal grains whose long axis is parallel with respect to the surface from the partial surface which a crack is a problem. Preferably, the ratio with respect to the short axis direction length of the long axis direction length of the crystal grain of this layered structure shall be 5 or more. This is obtained by sonicating the surface of the portion where environmental cracking of the metal structural product is a problem. Preferably, the quality assurance test which examines that 50 micrometers of thickness ranges plastic deformation of the surface after an ultrasonic shock treatment is performed.
Stress, environmental cracking, environmental cracking resistance, metal structural products, long axis, shortening, ultrasonic shock treatment, plastic deformation
Description
본 발명은 화학 플랜트나 석유 정제 장치 등의 각종 장치나 배관 또는 가스 파이프라인 등으로 사용되는 금속 구조물 또는 구조 제품에 있어서, 염화물, 아민, 황화수소, 질산염, 탄산염 등의 각종 부식 환경 하에 있어서의 응력 부식 균열 및 수소 취화 균열(이하, 이들을 환경 조장 균열이라고 한다) 저항성을 높인 구조물, 구조 제품 및 환경 조장 균열 저항성 향상 방법에 관한 것이다.INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention provides stress corrosion under various corrosion environments such as chloride, amine, hydrogen sulfide, nitrate, carbonate, etc. in metal structures or structural products used in various devices such as chemical plants, petroleum refining devices, piping, or gas pipelines. The present invention relates to structures, structural products, and methods for improving environmental cracking resistance, which have increased resistance to cracking and hydrogen embrittlement cracking (hereinafter, referred to as environmental cracking).
환경 조장 균열로서 저농도 염화물 수용액 중 또는 염화물의 농축 희석이 반복되는 해안 근방에 있어서 구조물, 배관 등의 응력 부식 균열, 석유 정제 공업의 수소화 탈황 장치의 반응탑, 가열로의 열 교환기 등에 있어서의 오스테나이트계 스테인레스강 용접 열 영향부의 폴리티온산에 의한 입계 응력 부식 균열, 질산 암모늄 제조 장치, 유정관, 열풍로 등에 있어서의 탄소강, 저합금강의 질산염 수용액 환경 하에서의 응력 부식 균열, 천연 가스 수송 파이프라인, 고압 가스 터빈 등에 있어서의 탄소강의 탄산염 수용액 환경 하의 응력 부식 균열, 비료용 암모니아의 저장, 운반 용기 등에 있어서의 탄소강의 용접 열 영향부의 응력 부식 균열, 화학 플랜트에 있어서의 탄소강의 CO-CO2-H2O 환경 하에서의 응력 부식 균열 등이 있고, 또한 Ni 합금에 있어서도 압력 용기 등에 있어서의 Ni 합금의 응력 부식 균열이 있고, 그 외 Cu 나 Cu 합금에 있어서도, 습윤 대기, 해수, 담수 환경 하에서 또한 Al 합금에 있어서는 염화물 수용액 환경 하에서 응력 부식 균열이 발생하고 있다.Austenite in stress corrosion cracking of structures, piping, etc., reaction towers of hydrodesulfurization equipment in petroleum refining industry, heat exchangers in heating furnaces, etc. in coastal areas where low concentrations of chlorides or concentrated dilution of chlorides are repeated as environmental promoting cracks. Intergranular Stress Corrosion Cracking by Polythiionic Acid in Stainless Steel Weld Heat Affected Zone, Stress Corrosion Cracking in Carbon Steel, Low Alloy Steel Nitrate Aqueous Environments in Ammonium Nitrate Manufacturing Equipment, Oil Wells, Hot Reactors, Natural Gas Transport Pipeline, High Pressure Stress corrosion cracking in carbon carbonate aqueous solution environment in gas turbines, storage of ammonia for fertilizers, stress corrosion cracking in welding heat affected zones of carbon steel in transport containers, CO-CO 2 -H 2 of carbon steel in chemical plants Stress corrosion cracking under O environment, and also in Ni alloy Stress corrosion cracking of Ni alloys in pressure vessels and the like, and stress corrosion cracking occurs in wet atmosphere, seawater, freshwater environments in Cu and Cu alloys, and in aqueous chloride solution environments in Al alloys.
또한, 수소가 금속 재료에 침입함에 따라 발생하는 응력에 의한 균열, 즉 수소 유기 균열이 있다. 그 발생은 수소의 침입 반응 속도에 따라 크게 좌우되지만, 금속 재료에 부하 내지 잔류하는 응력에 의하여 균열의 진전이 가속되어 상기 응력 부식 균열과 같은 거동이 된다. 즉, 이 균열들은 응력의 존재하에서 금속 구조 제품 표면 또는 표층의 미소한 균열이 부식 환경에 의하여 진전 조장되어 생기는 것이다.In addition, there are cracks caused by stress generated as hydrogen invades the metal material, that is, hydrogen organic cracks. Its occurrence greatly depends on the rate of hydrogen intrusion reaction, but the growth of the crack is accelerated by the load or the stress remaining in the metal material, resulting in the same behavior as the stress corrosion cracking. In other words, these cracks are caused by the development of microscopic cracks in the surface or surface of the metal structural product in the presence of stress.
이 균열들은 재료, 부식 환경, 응력의 존재의 3개 조건이 중첩되어 발생하는 것이며, 이들 중 어느 조건을 제거함으로써 균열의 발생을 억제할 수 있다. 재료 측면에서, 응력 부식 균열을 일으키지 않는 재료로의 변경, 예를 들면 오스테나이트 스테인레스강으로부터 페라이트계 스테인레스강으로의 변경, 부식 환경의 측면에서, 음극 방식 등 방식 조치의 채용 또는 응력의 측면에서, 부하 응력을 제거 내지 저감하기 위한 열 처리(응력 제거 소둔)나 피닝 처리 등 각종 대책이 종래부터 실시되고 있다.These cracks are caused by overlapping three conditions of material, corrosive environment and stress, and the occurrence of cracks can be suppressed by removing any of these conditions. In terms of materials, changes to materials that do not cause stress corrosion cracking, for example from austenitic stainless steels to ferritic stainless steels, in terms of corrosion environments, in the use of anticorrosive measures such as cathodic protection or in terms of stress, Various measures such as heat treatment (stress removal annealing) and pinning treatment for removing or reducing load stress have been conventionally implemented.
그러나, 재료 변경은 재료 강도상의 제약이나 부식 환경과의 조합상의 제약 등 때문에 적절한 선택을 할 수 있는 경우는 한정되어 있다. 또한, 응력 제거 소둔은 처리 대상이 대형 구조 제품인 경우는 열 처리하기 위한 대형 열 처리로가 필요하게 되고, 또 고정 구조물 등에 있어서는 열 처리 자체도 불가능하다. 또한, 재료에 따라서는 응력 제거 소둔 열 처리에 의한 재질상의 변화도 제약된다. 또한, 외부로부터 부가되는 응력에 대하여서는 이 열 처리는 효과가 없다. 또, 쇼트 피닝에 의한 잔류 응력의 저감도 유효하나 열 처리와 마찬가지로 대형 금속 구조 제품에 대하여서는 장치상의 문제를 가지고 있다. However, the material change is limited when the appropriate choice can be made due to the constraints on the material strength and the combination with the corrosive environment. In addition, stress relief annealing requires a large heat treatment furnace for heat treatment when the object to be treated is a large structural product, and heat treatment itself is also impossible in a fixed structure or the like. In addition, depending on the material, the change in material due to the stress relief annealing heat treatment is also restricted. Moreover, this heat treatment is ineffective with respect to the stress added from the outside. In addition, the reduction of residual stress due to shot peening is effective, but similar to the heat treatment, there is a device problem for large metal structure products.
이와 같이, 이 종래의 대책들은 적용상의 제약이 있고, 또한 비용도 높아지기 때문에, 경제적이면서 효율적인 대책이 되기 어려웠다.As described above, these conventional measures have limitations in application and cost, and therefore, it is difficult to be an economical and efficient measure.
또한 상술한 피닝 처리에 의하여 용접 제품의 용접부의 강도를 향상시켜, 응력 집중이나 미소 응력 결함을 억제하는 응력 패턴을 형성하기 위한 초음파 충격 에너지에 의한 처리 방법이 제안되고 있다(예를 들면 미국 특허 제 6,171,415호 공보). 또한, 이 충격 처리에 의하여 표면이 평활하게 되는 것도 알려져 있다(예를 들면 Surface Nanocrystallization (SNC) of metallic Materials-Presentation of the Concept behind a New Approach, Journal. Sci. Technol. Vol.15 No.3, 1999).Moreover, the treatment method by the ultrasonic impact energy for forming the stress pattern which improves the intensity | strength of the weld part of a welded product by suppressing stress concentration and a micro stress defect by the above-mentioned pinning process is proposed (for example, US-patent patent) 6,171,415). It is also known that the surface is smoothed by this impact treatment (for example, Surface Nanocrystallization (SNC) of metallic Materials-Presentation of the Concept behind a New Approach, Journal.Sci.Technol.Vol. 15 No. 3, 1999).
그러나, 이 문헌들에는 환경 조장 균열에 대하여서는 언급되어 있지 않다.However, these documents do not mention environmental cracking.
본 발명은 상기 문제점을 해결하고, 내환경 조장 균열성이 우수한 금속 구조 제품 및 그 환경 조장 균열 저항성을 향상시키는 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.It is an object of the present invention to solve the above problems and to provide a metal structural product having excellent environmental cracking resistance and a method of improving the environmental cracking resistance thereof.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 초음파로 선단을 진폭 20 내지 60㎛, 주파수 19kHz 내지 60kHz, 출력 0.2 내지 3kW로 진동시키는 공구를 사용하여 금속 표면을 타격하는 초음파 충격 처리를 금속 구조 제품의 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분에 실시함으로써, 그 금속 표층의 조직을 개선하고, 이로써 내환경 조장 균열성이 우수한 금속 구조 제품을 얻는 것이며, 또한 이 처리를 할 때의 적절한 전처리 및 처리 후의 검사를 하여, 그 효과를 보증하는 것이다.The present invention has been made in order to solve the above problems, the ultrasonic structure of the metal structure product by hitting the metal surface using a tool that vibrates the tip of the ultrasonic wave with an amplitude of 20 to 60㎛, frequency 19kHz to 60kHz, output 0.2 to 3kW By conducting to the part where environmental cracking is a problem, the structure of the metal surface layer is improved, thereby obtaining a metal structural product excellent in environmental cracking resistance, and also suitable pre-treatment and post-treatment inspection at the time of this treatment. To ensure the effect.
그 요지는 이하와 같다.The summary is as follows.
(1) 금속 구조 제품의 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분의 표면으로부터 50㎛ 이상의 두께인 표층의 금속 조직을 장축이 표면에 대하여 실질적으로 평행한 결정립으로 이루어진 층상 조직으로 하는 것을 특징으로 하는 내환경 조장 균열성이 우수한 금속 구조 제품.(1) Environmental resistance, characterized in that the metal structure of the surface layer having a thickness of 50 µm or more from the surface of the part where the environmental cracking is a problem of the metal structure product is a layered structure consisting of crystal grains whose major axis is substantially parallel to the surface. Metal structural product with excellent cracking resistance.
(2) (1)에 있어서, 상기 금속 구조 제품의 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분의 금속이 인장 강도 490N/mm2급 이상의 강인 것을 특징으로 하는 내환경 조장 균열성이 우수한 금속 구조 제품.(2) The metal structural product having excellent environmental protection cracking resistance according to (1), wherein the metal of the part where the environmental cracking of the metal structural product is a problem is steel of tensile strength of 490 N / mm 2 or more.
(3) (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 금속 구조 제품의 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분이 용접 본드부 및/또는 용접 열 영향부를 포함하는 것을 특징으로 하는 내환경 조장 균열성이 우수한 금속 구조 제품.(3) The environmentally friendly cracking resistance according to (1) or (2), wherein the part where the environmental cracking of the metal structure product is a problem includes a welding bond part and / or a welding heat affected part. Metal structure products.
(4) (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 상기 층상 조직의 장축이 표면에 대하여 실질적으로 평행한 결정립의 장축 방향 길이의 단축 방향 길이에 대한 비율이 5 이상인 것을 특징으로 하는 내환경 조장 균열성이 우수한 금속 구조 제품.(4) The environment according to any one of (1) to (3), wherein the ratio of the major axis length of the crystal grains in which the major axis of the layered tissue is substantially parallel to the surface is in the minor axis direction length. Metal structural product with excellent cracking resistance.
(5) (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 있어서, 상기 층상 조직의 장축이 표면에 대하여 실질적으로 평행한 결정립의 단축 방향 길이가 5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 내환경 조장 균열성이 우수한 금속 구조 제품.(5) The metal according to any one of (1) to (4), wherein the uniaxial direction length of the crystal grains in which the major axis of the layered structure is substantially parallel to the surface is 5 µm or less. Structure products.
(6) 금속 구조 제품의 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분에 초음파 충격 처리를 실시하여, 표면으로부터 50㎛ 이상의 두께인 표층의 금속 조직을 장축이 표면에 대하여 실질적으로 평행한 결정립으로 이루어진 층상 조직으로 하는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제품의 환경 조장 균열 저항성 향상 방법.(6) Ultrasonic impact treatment is applied to the area where environmental cracking is a problem of the metal structure product, and the metal structure of the surface layer having a thickness of 50 µm or more from the surface is formed into a layered structure consisting of crystal grains whose major axis is substantially parallel to the surface. Method for improving crack resistance of the environment of a metal structure product, characterized in that.
(7) (6)에 있어서, 상기 금속 구조 제품의 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분의 금속이 인장 강도 490N/mm2급 이상의 강인 것을 특징으로 하는 금속 구조 제품의 환경 조장 균열 저항성 향상 방법.(7) The method for improving environmental cracking resistance of a metal-structured product according to (6), wherein the metal of the part where the environmental cracking of the metal-structured product is a problem is a steel having a tensile strength of 490 N / mm 2 or higher.
(8) (6) 또는 (7)에 있어서, 상기 금속 구조 제품의 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분이 용접 본드부 및/또는 용접 열 영향부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제품의 환경 조장 균열 저항성의 향상 방법.(8) The environmentally responsible cracking of the metallic structural product according to (6) or (7), wherein the part of which the environmentally responsible cracking of the metallic structural product is a problem includes a welding bond part and / or a welding heat affected part. How to improve resistance.
(9) (6) 내지 (8) 중 어느 하나에 있어서, 상기 층상 조직의 장축이 표면에 대하여 평행한 결정립의 장축 방향 길이의 단축 방향 길이에 대한 비율을 5 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제품의 환경 조장 균열성 향상 방법.(9) The metal structure according to any one of (6) to (8), wherein the ratio of the major axis of the layered structure to the minor axis length of the major axis direction length of the crystal grains parallel to the surface is 5 or more. How to improve the environmental promoting cracking of the product.
(10) (6) 내지 (9) 중 어느 하나에 있어서, 상기 층상 조직의 표면에 대하여 평행한 결정립의 단축 방향 길이를 5㎛ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제품의 환경 조장 균열 저항성 향상 방법.(10) The method for improving environmental cracking resistance of metal-structured products according to any one of (6) to (9), wherein the uniaxial length of the crystal grains parallel to the surface of the layered structure is set to 5 µm or less. .
(11) (6) 내지 (10) 중 어느 하나에 있어서, 상기 초음파 충격 처리를 하기 전에 상기 금속 구조 제품의 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분 및 그 근방 부분에 전처리를 하는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제품의 환경 조장 균열 저항성 향상 방법.(11) The metal structure according to any one of (6) to (10), wherein the metal structure product is subjected to pretreatment before and at the portion where the environmental cracking of the metal structural product is a problem before the ultrasonic impact treatment. How to improve the product environmental cracking resistance.
(12) (11)에 있어서, 상기 전처리가 상기 금속 구조 제품의 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분 및 그 근방 부분의 내부 응력 및/또는 표면 응력을 변화시키는 처리인 것을 특징으로 하는 금속 구조 제품의 환경 조장 균열 저항성 향상 방법.(12) The metal structural product according to (11), wherein the pretreatment is a treatment for changing the internal stress and / or the surface stress of the portion where the environmental cracking of the metal structural product is a problem and its vicinity. Enhance environmental crack resistance.
(13) (11) 또는 (12)에 있어서, 상기 전처리가 상기 금속 구조 제품의 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분의 균열을 검출함과 동시에, 검출된 균열을 제거하는 처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제품의 환경 조장 균열 저항성 향상 방법.(13) The method according to (11) or (12), wherein the pretreatment includes a treatment for detecting a crack in a portion of which the environmental cracking of the metal structural product is a problem, and at the same time, removing the detected crack. To improve the crack resistance of the environment.
(14) (6) 내지 (13) 중 어느 하나에 있어서, 상기 초음파 충격 처리가, 또한 상기 금속 구조 제품의 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분의 표면 형상을 응력 집중이 생기기 어려운 형상으로 만들고, 또한 표면 근방에 압축 잔류 응력을 부여하는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제품의 환경 조장 균열 저항성 향상 방법.(14) The method of any one of (6) to (13), wherein the ultrasonic shock treatment further makes the surface shape of the portion where the environmental cracking of the metal structure product becomes a problem such that stress concentration is less likely to occur. A method for improving the environmental cracking resistance of a metal structural product, wherein a compressive residual stress is applied near a surface thereof.
(15) (6) 내지 (14) 중 어느 하나에 있어서, 상기 금속 구조 제품의 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분에 초음파 충격 처리를 하고, 그 후에 추가적으로 품질 보증 검사를 하는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제품의 환경 조장 균열 저항성 향상 방법.(15) The metal structure according to any one of (6) to (14), wherein an ultrasonic shock treatment is performed on a portion of which the environmental cracking of the metal structure product is a problem, and then further quality assurance inspection. How to improve the product environmental cracking resistance.
(16) (15)에 있어서, 상기 품질 보증 검사는 초음파 충격 처리 후의 처리면이 처리 전에 비하여, 50㎛ 이상의 두께가 소성 변형하고 있는 것과 처리면이 응력 집중이 생기기 어려운 표면 형상으로 되어 있는 것 중 어느 하나 또는 둘을 확인하는 것임을 특징으로 하는 금속 구조 제품의 환경 조장 균열 저항성 향상 방법.(16) In the above (15), the quality assurance inspection is that the treated surface after the ultrasonic impact treatment has a plastic deformation of a thickness of 50 µm or more, and the treated surface has a surface shape where stress concentration is less likely to occur. The method of improving the environmental cracking resistance of the metal structure product, characterized in that identifying one or two.
(17) (16)에 있어서, 상기 품질 보증 검사의 소성 변형의 확인은 초음파 충격 처리 후의 처리면을 섬프(sump)법에 의하여 관찰하여, 처리하지 않는 부분에 비하여 그 50% 이상의 결정립이 미세화되어 있는 지 여부를 판단하는 것에 의한 것임을 특징으로 하는 금속 구조 제품의 환경 조장 균열 저항성 향상 방법.(17) In the above (16), the plastic deformation of the quality assurance inspection is observed by the sump method of the treated surface after the ultrasonic impact treatment, and at least 50% of the crystal grains are finer than those of the untreated portion. The method of improving the environmental cracking resistance of a metal structure product, characterized by determining whether there is.
(18) (16)에 있어서, 상기 품질 보증 검사의 소성 변형의 확인은 초음파 충격 처리 후의 처리면의 결정 입도를 초음파 입경 측정 장치에 의하여 측정하여, 처리하고 있지 않는 부분에 비하여 그 50% 이상의 결정립이 미세화되어 있는 지 여부를 판단하는 것에 의한 것임을 특징으로 하는 금속 구조 제품의 환경 조장 균열 저항성 향상 방법.(18) The confirmation of the plastic deformation of the quality assurance inspection as described in (16) is that the crystal grain size of the treated surface after the ultrasonic impact treatment is measured by an ultrasonic particle size measuring device, and the crystal grains are 50% or more than the portion not treated. The method of improving the environmental cracking resistance of a metal structure product, characterized by determining whether or not this is fine.
(19) (16)에 있어서, 상기 품질 보증 검사의 응력 집중이 생기기 어려운 표면 형상의 확인은 초음파 충격처리 후의 처리면을 본뜨기용 재료를 사용하여 본을 떠, 본을 뜬 면이 응력 집중이 생기기 어려운 표면 형상인지의 여부를 판단하는 것에 의한 것임을 특징으로 하는 금속 구조 제품의 환경 조장 균열 저항성 향상 방법.(19) In (16), the surface shape in which stress concentration in the quality assurance inspection is hardly generated is determined by using a material for bonding the treated surface after the ultrasonic impact treatment, and the surface where the pattern is formed has stress concentration. A method for improving environmentally-promoting crack resistance of a metal-structured product, characterized by determining whether or not it is a difficult surface shape.
(20) (16)에 있어서, 상기 품질 보증 검사의 응력 집중하기 어려운 표면 형상의 확인은 초음파 충격 처리 후의 처리면을 변위계를 사용하여 측정하고, 그 변위가 응력 집중이 생기기 어려운 면의 변위 범위 내인지 여부를 판단하는 것에 의한 것임을 특징으로 하는 금속 구조 제품의 환경 조장 균열 저항성 향상 방법.(20) The method according to (16), wherein the confirmation of the surface shape which is difficult to concentrate stress in the quality assurance inspection is measured by using a displacement meter on the treated surface after the ultrasonic shock treatment, and the displacement is within the range of displacement of the surface where stress concentration is less likely to occur. The method of improving the environmental cracking resistance of a metal structure product, characterized in that by determining whether or not.
도 1a는 응력 부식 균열의 진전 상황을 나타내는 단면 모식도로서, 입계가 인장 응력의 방향에 대하여 수직인 방향에 있는 경우를 나타낸다. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing the progress of stress corrosion cracking, in which the grain boundary is in a direction perpendicular to the direction of tensile stress. FIG.
도 1b는 응력 부식 균열의 진전 상황을 나타내는 단면 모식도로서, 입계가 인장 응력의 방향과 평행한 방향에 있는 경우를 나타낸다.Fig. 1B is a schematic cross-sectional view showing the progress of stress corrosion cracking, showing the case where the grain boundaries are in a direction parallel to the direction of the tensile stress.
도 2a는 금속 구조 제품의 초음파 충격 처리 전의 단면 조직을 나타내는 조직 사진이다. FIG. 2A is a tissue photograph showing a cross-sectional structure before ultrasonic shock treatment of a metal structure product. FIG.
도 2b는 금속 구조 제품의 초음파 충격 처리 전의 단면 조직을 나타내는 모식도이다.It is a schematic diagram which shows the cross-sectional structure before the ultrasonic shock treatment of a metal structural product.
도 3a는 금속 구조 제품의 초음파 충격 처리 후의 단면 조직을 나타내는 조직 사진이다.3A is a tissue photograph showing a cross-sectional structure after an ultrasonic shock treatment of a metal structure product.
도 3b는 금속 구조 제품의 초음파 충격 처리 후의 단면 조직을 나타내는 모식도이다.It is a schematic diagram which shows the cross-sectional structure after the ultrasonic shock treatment of a metal structural product.
도 4는 응력 부식 시험편의 채취 상황을 나타내는 도이다.It is a figure which shows the sampling situation of a stress corrosion test piece.
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>Best Mode for Carrying Out the Invention
본 발명이 대상으로 하는 금속 구조 제품은 금속에 의하여 구성되는 기계 부품이나 배관, 용기 등의 구조물 또는 이들을 조합한 장치 등의 구조물을 포함하는 것이다. 그리고 이 구조 제품들은 일반적으로 금속 재료에 절삭, 굽힘 등의 가공 또는 추가적으로 용접 가공을 하여 제조된다. 또한 금속 재질로서는 탄소강, 저합금강, 스테인레스강 등의 강재에 한정하지 않으며, Ni, Cu 등의 금속 및 이 합금들도 포함하는 것이다.The metal structure product to which this invention targets includes structures, such as mechanical components, piping, a container, etc. which consist of metal, or the apparatus which combined them. In general, these structural products are manufactured by cutting, bending, or additionally welding metal materials. In addition, the metal material is not limited to steel materials such as carbon steel, low alloy steel, stainless steel, and the like, and metals such as Ni and Cu and alloys thereof.
그런데, 환경 조장 균열은 금속 구조 제품이 인장 응력의 존재하에서 부식 환경에 있으면, 표면 또는 표층에서 생긴 미소한 균열이 진전되어, 큰 균열로서 금속 구조 제품의 기능을 저하시키는 것이나, 이 균열의 진전 방향은 도 1a에 나타내는 바와 같이 인장 응력(잔류 응력, 외부 응력)에 수직인 방향으로, 통상 입계를 따라 있다. 따라서, 도 1b에 나타내는 바와 같이 인장 응력의 방향이 입계의 방향과 실질적으로 평행하면, 이 응력은 균열의 선단을 더욱 개구시키도록 작용하지는 않기 때문에, 진전을 느리게 하여, 즉 균열의 전파 저항을 향상시켜 환경 조장 균열을 억제할 수 있다.By the way, when the metal-structured product is in a corrosive environment in the presence of tensile stress, the microscopic cracks which develop on the surface or surface layer are advanced, and as a large crack, the function of the metal-structured product is degraded. As shown to FIG. 1A, it is normally along a grain boundary in the direction perpendicular | vertical to tensile stress (residual stress, external stress). Therefore, as shown in Fig. 1B, when the direction of the tensile stress is substantially parallel to the direction of the grain boundary, the stress does not act to open the tip of the crack further, so that the progress is slowed, that is, the propagation resistance of the crack is improved. Environmental cracking can be suppressed.
본 발명자들은 이 점에 착안하여 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분의 표층 조직을 층상 조직으로 하는 것을 알아내었다. 층상 조직으로 함으로써, 결정 입계의 대부분이 인장 응력의 방향과 실질적으로 평행하게 되기 때문에, 상술한 바와 같이 미소 균열이 생겨도 균열의 전파 저항성을 높일 수 있어, 환경 조장 균열을 억제할 수 있다.The present inventors focused on this and discovered that the surface layer structure of the part from which environmental crack is a problem is made into a layered structure. By making the layered structure, most of the grain boundaries become substantially parallel to the direction of the tensile stress, so that even if microcracks occur as described above, the propagation resistance of the cracks can be improved, and the environmental cracking can be suppressed.
이와 같이, 필요로 하는 부분의 표층을 층상 조직으로 하는 수단으로서 초음파로 선단의 해머부를 진폭 20 내지 60㎛, 주파수 19 내지 60kHz, 출력 0.2 내지 3kW로 진동시키는 장치에 의하여 금속 표면을 타격하여 피닝을 실시하는 초음파 충격 처리(예를 들면, 미국 특허 제 6,171,415호 공보, Surface Nanocrystallization (SNC) of metallic Materials-Presentation of the Concept behind a New Approach, Journal. Sci. Technol. Vo1.15 No.3, 1999 참조)가 적합하다. 이 처리 방법은 기본적으로는 해머 피닝과 동일하지만, 1회 1회의 타격 에너지는 작은 대신에, 1초 동안에 1만 번을 넘는 회수의 타격을 가함으로써 금속에 소성 변형을 가하는 것이다. 이 때, 1회 1회의 타격력은 작기 때문에, 타격 장치에 생기는 반동은 거의 없고, 해머 피닝 장치에 비하여 사용성, 시공성의 면에서 우수하다.In this manner, as a means for making the surface layer of the required portion into a layered structure, the hammering part of the tip is ultrasonically vibrated at an amplitude of 20 to 60 µm, a frequency of 19 to 60 kHz, and an output of 0.2 to 3 kW to pin the metal. Ultrasonic impact treatment carried out (see, eg, US Pat. No. 6,171,415, Surface Nanocrystallization (SNC) of metallic Materials-Presentation of the Concept behind a New Approach, Journal.Sci. Technol. Vo 1.15 No. 3, 1999) Is suitable. This treatment method is basically the same as hammer peening, but instead of having a small impact energy once, plastic deformation is applied to the metal by applying more than 10,000 strokes per second. At this time, since the one-time impact force is small, there is little recoil generated in the impact device, and it is superior in usability and workability compared with the hammer peening device.
또한 1회의 타격 에너지가 작기 때문에, 선단부의 해머 형상은 소형으로 할 수 있어 용접부나 접속부 등의 미소한 부분이나 좁은 부분에 대하여서도 타격 처리를 할 수 있다. 이러한 점에 있어서, 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분이 작은 부분의 처리에도 적용이 가능하게 된다. 이 경우에도, 상술한 바와 같이, 타격 회수를 극히 많이 할 수 있기 때문에 충분한 소성 변형을 줄 수 있다. 또한 이 초음파 충격 처리는 금속 표면에 대하여서 매우 많은 회수의 타격을 주고 있으므로, 금속 표면에 대하여 종래의 해머 피닝에는 없는 효과도 있고 또한 1회 1회의 타격 에너지 쇼트는 쇼트 피닝보다 크기 때문에 종래의 쇼트 피닝에 없는 효과도 있다. In addition, since the blow energy is small, the hammer shape of the tip portion can be made small, and the impact treatment can be performed on minute portions or narrow portions such as welded portions or connecting portions. In this regard, it is possible to apply to the treatment of a portion where the portion where environmental cracking is a problem is small. In this case as well, as described above, the number of strikes can be extremely high, so that sufficient plastic deformation can be given. In addition, since the ultrasonic impact treatment hits a very large number of times against the metal surface, there is an effect that conventional hammer peening on the metal surface does not have. Also, since one shot energy shot is larger than the short peening, the conventional shot peening There is also no effect.
즉, 먼저 타격의 회수가 많기 때문에 처리의 균일성을 얻을 수 있다. 해머 피닝에 의하여도 수 패스를 동일선 상에서 실시하면 어느 정도 균일성을 얻을 수 있지만, 초음파 충격 처리의 타격 주파수는 l5 내지 60kHz이며, 그 얻을 수 있는 균일성은 해머 피닝의 그것과는 완전히 다른 수준에 있어, 처리 속도가 0.5m/분 정도라면, 소요 금속 표면의 거의 모두를 균일하게 또한 결함을 남기는 일이 없이 완성할 수 있다.That is, since the number of strikes is large, the uniformity of the treatment can be obtained. Although uniformity can be obtained to some extent by performing several passes on the same line by hammer peening, the impact frequency of the ultrasonic impact treatment is l5 to 60 kHz, and the attainable uniformity is at a completely different level from that of hammer peening. If the processing speed is about 0.5 m / min, almost all of the required metal surfaces can be completed uniformly and without leaving any defects.
또한 처리 후의 금속 표면을 평활하게 함과 동시에, 금속 표층의 금속 조직이 미세하게 하는 작용을 가지고 있어, 극히 유리하다.In addition, the surface of the metal after the treatment is smoothed and the metal structure of the metal surface layer is fine, which is extremely advantageous.
발명자들은 강재 표면에 1.5mm의 곡율 반경을 가지는 선단 해머를 가지는 초음파 충격 장치에 의하여, 진폭 50㎛, 주파수 25kHz에서 처리 속도 0.5m/min로 1패스의 초음파 충격 처리를 하여, 처리 전후의 표층 조직을 상세하게 조사하였다. 그 결과를 처리 전후의 강재 단면 상황으로서 도 2a, 도 2b 및 도 3a, 도 3b에 각각 조직 사진 및 모식도로 나타낸다. 이 도면들로부터 알 수 있는 바와 같이, 처리면에 수직인 단면은 초음파 충격 처리에 의하여 소성 변형하여, 장축이 표면에 대하여 실질적으로 평행하게 신장된 결정립이 두께 방향으로 다층으로 나란히 선 층상 조직이 되어 있다. 이러한 층상 조직에서는 결정립의 장축이 표면에 대하여 실질적으로 평행하게 되어 있어, 부식 환경에 누출되는 강재 표면으로부터 신장되는 균열의 주된 진전 방향인 결정 입계와 인장 응력이 작용할 방향이 근접하기 때문에, 응력 부식 균열이 경감되는 것을 생각할 수 있다. The inventors performed a one-pass ultrasonic shock treatment at a processing speed of 0.5 m / min at an amplitude of 50 µm and a frequency of 25 kHz by means of an ultrasonic impact device having a tip hammer having a radius of curvature of 1.5 mm on the surface of the steel, and the surface layer structure before and after the treatment. Was investigated in detail. The result is shown in a structure photograph and a schematic diagram in FIG. 2A, FIG. 2B, FIG. 3A, and FIG. 3B as a steel cross-section situation before and behind a process, respectively. As can be seen from these figures, the cross section perpendicular to the treatment surface is plastically deformed by the ultrasonic impact treatment, so that the crystal grains in which the long axis extends substantially parallel to the surface are lined in a layered layered structure in the thickness direction. have. In such a layered structure, the major axis of the grain is substantially parallel to the surface, and the stress corrosion cracking is because the grain boundary, which is the main direction of growth of the crack extending from the steel surface leaking into the corrosive environment, and the direction in which the tensile stress acts are close to each other. You can think of this being alleviated.
이에, 발명자들은 이를 확인하기 위하여, 표 1에 나타내는 조성을 가지는 두께 12mm 금속판에 대하여, 표 2에 나타내는 바와 같이, 처리 조건을 변화시켜 초음파 충격 처리를 하여, 처리 전후의 표층부 조직을 조사함과 동시에, 도 4에 나타내는 비드 온 플레이트로 용접부를 형성하는 방법으로 응력 부식 시험편을 각 수준마다 각각 3개 채취하여 환경 조장 균열 시험을 실시하였다. 그 조직의 성상과 시험 결과를 표 3에 나타낸다. Therefore, in order to confirm this, the inventors made the ultrasonic impact treatment by changing treatment conditions with respect to the 12 mm thick metal plate which has the composition shown in Table 1, and irradiating the surface layer structure before and behind a process, By the method of forming a weld part by the bead on plate shown in FIG. 4, three stress corrosion test pieces were extract | excluded for each level, and the environmental cracking test was done. The properties and test results of the tissue are shown in Table 3.
표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 표면에 대하여 평행한 표층의 층상 조직의 두께가 표면으로부터 50㎛ 미만이면 환경 조장 균열 감수성이 높고, 균열이 발생하기 쉬운 것을 알 수 있다. 한편, 층상 조직의 두께가 50㎛ 이상이면, 균열이 발생지 않고, 우수한 내환경 조장 균열성을 나타내는 것을 알 수 있다.As can be seen from Table 3, it can be seen that when the thickness of the layered structure of the surface layer parallel to the surface is less than 50 µm from the surface, the environmental cracking susceptibility is high and cracking is likely to occur. On the other hand, when the thickness of a layered structure is 50 micrometers or more, it turns out that a crack does not generate | occur | produce and it shows the outstanding environmental promoting cracking resistance.
이는 초음파 충격 처리에 의하여 표층이, 표층의 장축이 표면에 대하여 실질적으로 평행한 결정립으로 형성된 층상 조직으로 됨으로써, 결정 입계의 대부분이 응력 방향과 실질적으로 평행한 방향으로 신장하게 되어, 표면으로부터 입계를 따라 진전하는 것이 많은 균열의 진전 경로가 길어지고, 균열이 판 두께 방향의 심부에 도달하여 파단에 이르기까지의 시간이 길어지기 때문이라고 생각된다. 또한 실질적으로 평행이란, 층상 조직의 결정립의 장축의 방향과 표면이 ±10˚이하의 각도인 것을 말한다. 또한 장축, 단축은 금속의 두께 방향 단면, 즉 금속 처리 표면에 수직인 단면에 있어서의 결정립의 장축, 단축을 말한다.The surface layer is formed into a layered structure formed by crystal grains in which the major axis of the surface layer is substantially parallel to the surface by the ultrasonic impact treatment, so that most of the grain boundaries extend in a direction substantially parallel to the direction of stress. This is considered to be because the propagation path of many cracks is long, and the time until the crack reaches the core portion in the sheet thickness direction and reaches breakage is long. In addition, substantially parallel means that the direction and surface of the major axis of the grain of a layered structure are an angle of ± 10 degrees or less. In addition, long axis and short axis refer to the major axis and short axis of the crystal grain in the thickness direction cross section of a metal, ie, the cross section perpendicular | vertical to a metal processing surface.
이 층상 조직은 층상 조직의 결정립의 장축 방향 길이와 단축 방향 길이와의 비율(장축 방향 길이/단축 방향 길이)이 5 이상인 것이 바람직하다. 이는 상술한 바와 같이, 결정립이 표면에 대하여 평행한 장축 방향으로 신장되므로, 응력 방향에 대하여 평행한 결정 입계가 보다 길어져, 균열의 진전 경로가 길어지고 파단에 이르기까지의 때까지의 시간이 길어지기 때문이다.It is preferable that the ratio (long-axis length / short-axis length) of the long-axis direction length and the short-axis direction length of the crystal grain of a layered structure is 5 or more of this layered structure. As described above, since the grains are elongated in the direction of the major axis parallel to the surface, the grain boundaries parallel to the stress direction are longer, resulting in longer crack propagation paths and longer time to fracture. Because.
또한 장축 방향 길이와 단축 방향 길이와의 비율을 5 이상으로 함으로써, 층상 조직이 균일하게 형성되고 또한 다층으로 형성할 수 있기 때문에 내환경 조장 균열에 대하여서 극히 유리하다.Further, by setting the ratio between the major axis direction length and the minor axis direction length to 5 or more, the layered structure can be formed uniformly and can be formed in a multi-layer, which is extremely advantageous against environmental cracking.
또한 이 층상 조직은 층상 조직의 결정립의 단축 방향 길이가 5㎛ 이하인 것이 바람직하다. 단축 방향의 길이가 5㎛ 이상으로는 층상 조직의 형성이 불충분하여, 파단에 이르기까지의 시간이 약간 짧아진다. 한편, 5㎛ 이하라면, 파단에 이르기까지의 시간을 보다 충분히 확보할 수 있다.Moreover, it is preferable that the uniaxial length of the crystal grain of layered structure is 5 micrometers or less of this layered structure. If the length of the short axis direction is 5 µm or more, formation of the layered structure is insufficient, and the time to break is slightly shortened. On the other hand, if it is 5 micrometers or less, time to break can fully be ensured.
또한, 이 초음파 충격 처리는 소성 변형에 의하여 금속 표층을 층상 조직으로 할 수 있음과 동시에, 표면 형상을 매끈한 평면 형상으로 하고 또한 표층 근방에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다.In addition, this ultrasonic impact treatment can make the metal surface layer into a layered structure by plastic deformation, and can make the surface shape smooth and flat, and can give a compressive residual stress in the vicinity of the surface layer.
따라서, 바람직하게는 초음파 충격 처리에 의하여 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분의 금속 표층을 층상 조직으로 함과 동시에, 이 부분 표면을 응력 집중이 생기기 어려운 표면 형상으로 하여, 또한 표면 근방에 압축 잔류 응력을 부여하는 것이 바람직하다.Therefore, preferably, the surface of the metal is formed into a layered structure, and the surface of the portion is formed into a surface shape where stress concentration is less likely to occur, and the compressive residual stress is in the vicinity of the surface. It is preferable to give.
응력 집중이 생기기 어려운 표면 형상이란, 예를 들면, 용접 지단부의 경우, 응력 집중 계수가 2 이하가 되는 형상이며, 이러한 표면 형상으로 함으로써, 응력 집중이 생기기 어려워져, 또한 표면 근방, 예를 들면 표면으로부터 50㎛ 이내의 범위에 압축 잔류 응력이 부여됨으로써, 환경 조장 균열의 기점이 되는 미소한 결함이 큰 균열로 신장하는 것을 억제할 수 있으므로, 이 미소한 균열들을 무해화하여, 추가적으로 환경 조장 균열 저항성을 향상시킬 수 있다.The surface shape where stress concentration is unlikely to occur is, for example, a shape where the stress concentration coefficient becomes 2 or less in the case of a weld end portion, and such a surface shape makes it difficult to generate stress concentration, and further, near the surface, for example, the surface. By applying the compressive residual stress within a range of 50 µm to 50 micrometers, it is possible to suppress elongation of the microscopic defects, which are the origin of the environmental promoting cracks, into large cracks. Can improve.
이상과 같이, 금속 재료의 표면에 초음파 충격 처리를 함으로써, 그 표층부를 층상 조직으로 하거나 추가적으로 표면을 응력 집중이 생기기 어려운 형상으로 함과 동시에 표면 근방에 압축 잔류 응력을 부여함으로써 응력에 의하여 조장되는 응력 부식 균열, 수소 유기 균열, 황화물 응력 부식 균열 등 각종 환경 조장 균열을 억제, 저감할 수 있고, 내환경 조장 균열성이 우수한 금속 구조 제품으로 할 수 있다.As described above, by applying an ultrasonic impact treatment to the surface of the metal material, the surface layer is formed into a layered structure or the surface is further formed into a shape in which stress concentration is unlikely to occur, and a stress promoted by stress by applying a compressive residual stress in the vicinity of the surface. Various environmentally induced cracks, such as corrosion cracking, hydrogen organic cracking, and sulfide stress corrosion cracking, can be suppressed and reduced, and a metal structural product having excellent environmental cracking resistance can be obtained.
이 초음파 충격 처리는 상술한 금속 구조 제품의 적어도 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분에 하면 되고, 그 문제가 되는 부분이란 금속 구조 제품에 있어서 부식 환경과 접하고, 또한 응력이 집중되거나 잔류하는 부분이다. 응력이 집중 내지 잔류하는 구체적인 부분으로는 용접 이음부(용접 본드부, 용접 열 영향부)를 먼저 들 수 있다. 많은 금속 구조 제품의 용접을 수반하여 제작되어 그 용접 이음부에는 잔류 응력이 발생한다. 또한, 용접 이음부의 용접 지단부는 응력이 집중하기 쉽다. This ultrasonic shock treatment may be performed at a portion where at least an environmentally induced crack of the above-described metal structure product is a problem, and a problem portion is a portion in which the metal structure product is in contact with a corrosive environment and where stress is concentrated or remains. As a concrete part where stress concentrates or remains, a weld joint (welding bond part, a welding heat influence part) is mentioned first. It is fabricated with welding of many metal structural products, and residual stresses are generated at the weld seams. In addition, the weld edge of the weld joint is likely to concentrate stress.
따라서, 금속 구조 제품의 용접부, 즉 용접 본드부 및/또는 용접 열 영향부를 포함한 부분을 초음파 충격 처리하는 것이 바람직하고, 추가적으로 용접 지단부를 포함하는 것도 바람직하다.Therefore, it is preferable to ultrasonically impact the welded portion of the metal structure product, that is, the portion including the weld bond portion and / or the weld heat affected portion, and preferably further include a weld tread portion.
용접부 이외에, 응력이 집중 내지 부하되는 부분의 예로서는 금속 구조 제품을 작성하는 단계에서 부가되는 것이 있는 거단, 전단, 용단 등에 의한 절단부가 있다. 이 부분들은 절단에 따라 단면(端面)에 큰 인장 응력, 전단 응력이 부하된다. 그 외, 금속 구조 제품에는 굽힘이나 비틀기를 부가하여 구성되는 일이 있으며, 이들이 집중하는 부분에는 이들의 굽힘이나 비틀기에 따른 인장 응력이 부하되고 있다. 이들 가공 과정에서 생기는 응력 외에, 사용 상태에서 외부로부터 응력이 부하되는 부분도 있어, 이들도 본 발명에 의한 처리의 대상이 된다. 이와 같이 인장 응력이 부하되고 있는 부분이 부식 환경 하에 있으면, 상술한 대로, 환경 조장 균열을 발생시키게 된다.In addition to the welded portion, examples of the portion where the stress is concentrated or loaded are cut portions by a step, shear, melt, and the like, which may be added in the step of producing a metal structural product. As these parts are cut, a large tensile stress and shear stress are applied to the cross section. In addition, a metal structure product may be comprised by adding bending and twisting, and the part where they concentrate is loaded with the tensile stress according to these bending and twisting. In addition to the stresses generated in these processing steps, there are parts in which stresses are loaded from the outside in the use state, and these are also subject to the treatment according to the present invention. If the part to which tensile stress is loaded in this way is in a corrosive environment, it will generate an environmental encouragement crack as mentioned above.
상술한 바와 같이, 환경 조장 균열의 발생은 환경, 응력 및 재료의 3개 조건이 관여한다. 본 발명의 초음파 충격 처리는 이 중에서 응력 조건을 저감하는 것을 주안으로 하는 것이며, 특히, 금속 구조 제품의 재료를 한정하는 것은 아니지만, 환경 조장 균열은 강도, 경도가 높은 재료에 발생하기 쉽다는 관점에서, 인장 강도가 490N/mm2 이상인 강재로 이루어진 구조 제품의 필요한 부분에는 적어도 실시하는 것이 바람직하다. 인장 강도가 490N/mm2 이상인 강재로는 용접부의 잔류 응력이 보다 높아지기 때문에, 환경 조장 균열 감수성이 한층 높아진다. 이 때문에, 인장 강도가 490N/mm2 이상인 강재 용접부에는 초음파 충격 처리를 하는 것이 한층 유효함과 동시에, 초음파 충격 처리를 하는 효과가 보다 크다. 초음파 충격 처리를 하는 효과는 재료 강도가 높아짐과 동시에 보다 커지므로, 인장 강도가 590N/mm2 이상인 강재 용접부, 인장 강도가 690N/mm2 이상인 강재 용접부, 인장 강도가 780N/mm2 이상인 강재 용접부, 인장 강도가 980N/mm2 이상인 강재 용접부로 강도가 높아짐에 따라, 초음파 충격 처리를 하는 효과와 필요성이 커진다.As mentioned above, the occurrence of environmentally induced cracks involves three conditions: environment, stress and material. The ultrasonic impact treatment of the present invention mainly focuses on reducing stress conditions, and in particular, it does not limit the material of the metal structure product, but from the viewpoint of environmentally prone cracks are likely to occur in materials having high strength and hardness. It is preferable to carry out at least to the required part of the structural product which consists of steel materials whose tensile strength is 490 N / mm <2> or more. In steel materials having a tensile strength of 490 N / mm 2 or more, the residual stress of the welded portion becomes higher, so that the environmental cracking susceptibility is further enhanced. For this reason, an ultrasonic shock treatment is more effective to the steel welding part whose tensile strength is 490 N / mm <2> or more, and the effect of an ultrasonic shock treatment is larger. Effect of ultrasonic impact treatment is therefore larger than that at the same time as the material strength increases, a tensile strength of 590N / mm 2 or more steel weld, the steel material has a tensile strength not less than 690N / mm 2 welded portion, a tensile strength of 780N / mm 2 or more steel welds, As the strength increases with the steel weld portion having a tensile strength of 980 N / mm 2 or more, the effect and necessity of performing an ultrasonic shock treatment are increased.
상술한 바와 같이, 초음파 충격 처리는 선단부에 소정의 곡률 반경을 가지는 선단 해머를 가지는 초음파 충격 장치에 의하여, 진폭 20 내지 60㎛, 사이클 수 19 내지 60kHz에서 필요한 시간, 소요 금속 표면 부분에 대하여 하지만, 이 충격에 의하여 표층 부분을 소성 변형시켜 그 결정립을 표면에 대하여 실질적으로 평행한 층상 조직으로 함과 동시에, 이 소성 변형에 의하여 바람직하게는 응력 집중이 발생 하기 어려운 표면 형상으로 하여, 또한 잔류 압축 응력 부여할 수 있어 환경 조장 균열 저항성을 높일 수 있다.As described above, the ultrasonic shock treatment is performed by an ultrasonic impact apparatus having a tip hammer having a predetermined radius of curvature at the tip portion, but the time required at an amplitude of 20 to 60 µm and the number of cycles of 19 to 60 kHz, the required metal surface portion, Due to this impact, the surface layer portion is plastically deformed, the grains are formed into a layered structure substantially parallel to the surface, and the plastic deformation is preferably a surface shape where stress concentration is unlikely to occur. It can provide, and it can improve the environmental cracking resistance.
이를 위하여, 초음파 충격 처리에 의한 금속 표층의 소성 변형 두께는 50㎛ 이상인 것이 필요하다. 이 미만으로는 표층의 층상 조직을 50㎛ 이상 확보하는 것이 곤란하고, 충분한 내환경 조장 균열 특성을 얻는 것이 곤란하게 된다. 또한 인장 응력을 해소하여 압축 응력을 부여하는 점에서도, 표면으로부터 50㎛ 이상의 두께를 소성 변형시켜 층상 조직으로 할 필요가 있다. 그러나, 이 표층의 층상 조직 또는 소성 변형의 두께를 과도하게 크게 하면, 표층이 과도하게 경화되거나 변형이 지나치게 커지거나 하여 제품으로서의 표면 성상이 나빠지는 한편, 처리를 위한 비용이 증가하기 때문에 바람직하지 않다.For this purpose, the plastic deformation thickness of the metal surface layer by an ultrasonic impact treatment needs to be 50 micrometers or more. If it is less than this, it will become difficult to ensure 50 micrometers or more of layered structures of a surface layer, and it will become difficult to acquire sufficient environmentally-resistant cracking characteristics. In addition, in order to eliminate tensile stress and to impart compressive stress, it is necessary to plastically deform a thickness of 50 µm or more from the surface to form a layered structure. However, excessively increasing the thickness of the layered structure or plastic deformation of the surface layer is not preferable because the surface layer is excessively cured or the deformation is excessively large, resulting in poor surface properties as a product, while increasing the cost for treatment. .
소요 두께의 층상 조직 또는 소성 변형을 얻기 위하여 필요한 변형을 위한 에너지는 일정하므로, 1 사이클의 충격 에너지를 크게 하여 단시간에 처리하여도 되지만, 균일성을 높이고 싶은 경우나, 충격 부위의 위치를 보다 정밀하고 치밀하게 제어하고 과도한 소성 변형을 방지하고 싶은 경우에는 1 사이클의 충격 에너지를 작게 하여, 2번 이상의 처리를 동일 부분에 대하여 하는 것이 바람직하다.Since the energy for the deformation necessary to obtain the layered structure or plastic deformation of the required thickness is constant, the impact energy of one cycle may be increased to be processed in a short time, but in order to improve the uniformity or to position the impact site more precisely. When it is desired to closely control and prevent excessive plastic deformation, it is preferable to reduce the impact energy of one cycle and to perform two or more treatments on the same portion.
또, 충격 에너지에 의하여 생기는 층상 조직 또는 소성 변형의 두께는 충격 장치 선단의 해머의 곡률 반경 R과도 관계하고 있으며, 1 사이클의 충격 에너지가 동일하여도, R이 작으면 1 사이클의 충격으로 생기는 층상 조직 또는 소성 변형의 두께는 커지고, R이 크면 그 두께는 작아진다.In addition, the thickness of the layer structure or plastic deformation caused by the impact energy is also related to the radius of curvature R of the hammer at the tip of the impact device. Even if the impact energy of one cycle is the same, if the R is small, the layered structure is generated by the impact of one cycle. The thickness of the structure or plastic deformation becomes large, and the larger R, the smaller the thickness.
또는, 표면을 응력이 집중되기 어려운 형상으로 하여, 압축 잔류 응력을 부여하는 경우는 해머의 R이 작으면 1 사이클로 형성되는 표면 형상의 범위가 좁기 때문에 반복 처리가 필요하게 되며, 한편 R이 크면 형상의 제어가 곤란해지기도 한다. 따라서, 초음파 타격 처리 장치 선단의 해머의 형상은 처리 대상으로 하는 금속 구조 제품의 상황에 따라 적당히 선택한다.Alternatively, when the surface is formed into a shape where stress is hardly concentrated, and a compressive residual stress is applied, repeated processing is necessary because the range of the surface shape formed by one cycle is small when the R of the hammer is small. May be difficult to control. Therefore, the shape of the hammer at the tip of the ultrasonic striking treatment device is appropriately selected depending on the situation of the metal structure product to be treated.
초음파 충격 처리를 하는 데에 있어서는 금속 구조 제품의 처리 대상 부분의 표면으로부터 소요 두께를 층상 조직으로 하고, 또는 더욱 응력 집중하기 어려운 형상으로 하여 압축 잔류 응력을 부여하기 위하여 필요한 해머의 형상, 1 사이클의 타격 에너지, 패스 수, 처리 회수 등의 처리 조건을 예를 들면 금속 재질 또는 필요함에 따라 용접부, 절단 단면 등의 처리 부분마다 예비 시험 등으로, 미리 정하여 둠으로써, 처리 후에 소요 층상 조직 또는 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다.In the ultrasonic impact treatment, the shape of the hammer required for applying compressive residual stress by making the required thickness from the surface of the portion to be treated of the metal structure product into a layered structure or a shape that is more difficult to concentrate stress, Processing conditions such as impact energy, number of passes, number of treatments, and the like are preliminarily determined for each treatment portion such as a welded material or a cut section, for example, a metal material or, if necessary, a predetermined layer structure or compressive residual stress after treatment. Can be given.
그런데, 본 발명의 환경 조장 균열 저항성의 향상 방법에 있어서는, 금속 구조 제품의 초음파 충격 처리를 하는 부분에 대하여, 이 부분의 내부 응력 및/또는 표면 응력 등 응력 상태를 변화시키는 처리를 초음파 충격 처리를 한 후에는 하지 않도록 하는 것이 바람직하다.By the way, in the improvement method of the environmentally-promoted crack resistance of this invention, the process which changes the stress state, such as internal stress and / or surface stress of this part, with respect to the part which performs the ultrasonic impact treatment of a metal structure product is subjected to the ultrasonic impact treatment. It is preferable not to do it after doing so.
즉, 초음파 타격 처리를 하여 해당 부분의 표층을 층상 조직으로 하거나 소성 변형 시켜 표면 형상을 응력 집중이 생기기 어려운 형상으로 하고, 또한 잔류 압축 응력을 부여한 다음에 해당 부분 및 그 근방 부분의 표층 조직, 소성 변형 상황, 응력 상태 등을 변화시키는 처리, 예를 들면 소성 가공, 교정, 열 처리, 용접 등을 실시하면, 초음파 충격 처리에 의하여 형성된 환경 조장 균열을 억제하기 위한 상기 표층의 성상이 이에 의하여 감쇄되어 억제 효과가 저하된다.That is, the surface layer of the part is made into a layered structure or plastically deformed by ultrasonic striking treatment, and the surface shape is made into a shape where stress concentration is hard to occur, and after the residual compressive stress is applied, the surface layer structure and plasticity of the part and its vicinity are applied. When a process for changing the deformation state, the stress state, or the like is performed, for example, plastic working, straightening, heat treatment, welding, or the like, the properties of the surface layer for suppressing the environmentally induced crack formed by the ultrasonic impact treatment are thereby attenuated. The inhibitory effect is lowered.
따라서, 본 발명의 초음파 충격 처리 방법에 있어서는, 금속 구조 제품의 적어도 해당 처리를 하는 부분에 대하여서는, 예를 들면 소성 가공, 교정, 열 처리, 용접 등 해당 부분의 표층의 조직, 소성 변형 상황, 응력 상태 등을 변화시키는 처리는 초음파 충격 처리를 하기 전에 전처리로서 하여 두는 것이 바람직하고, 초음파 충격 처리 후는 이러한 처리를 하지 않도록 하는 것이 바람직하다.Therefore, in the ultrasonic impact treatment method of the present invention, for at least a portion of the metal structured product, the structure of the surface layer of the portion such as plastic working, straightening, heat treatment, welding, plastic deformation situation, The treatment for changing the stress state or the like is preferably set as a pretreatment before the ultrasonic shock treatment, and it is preferable not to perform such treatment after the ultrasonic shock treatment.
또한 상기 전처리에 있어서는, 상술한 각 처리 외에, 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분에 대한 균열의 유무를 검사하여, 검출된 균열을 제거하는 처리를 포함하는 것이 바람직하다. 즉, 육안 검사, 침투 탐상 검사, 자분(磁粉) 탐상 검사, 와류 탐상 검사 등 금속 구조 제품의 균열을 검사하는 적절한 수단으로 환경 조장 균열이 문제가 되는 부분, 즉 초음파 충격 처리를 하고자 하는 부분에 대하여서 균열의 유무를 검사하고, 그리고 검출된 균열에 대하여 사전에 이를 제거하는 처리를 하는 것이다. 제거하는 방법은 균열 부분을 그라인더, 절삭 공구 등에 의하여 연삭 및 절삭하여 제거하는 방법 또는 용접에 의하여 균열부를 용융 접착하는 방법 등 적당한 방법을 채용할 수 있다.In addition, in the said pretreatment, it is preferable to include the process which examines the presence or absence of the crack with respect to the part which an environmental crack is a problem in addition to each process mentioned above, and removes the detected crack. In other words, it is an appropriate means of inspecting the cracks of metal structural products such as visual inspection, penetration inspection, magnetic particle inspection, vortex inspection, and so on. The presence of cracks is checked and the detected cracks are removed in advance. As a method of removing, a suitable method may be adopted, such as a method of grinding and cutting the cracked portion by a grinder, a cutting tool, or the like, or a method of melt bonding the cracked portion by welding.
또한, 특히 제거한 균열의 깊이가 3mm 이상인 경우는 균열 부분을 연삭, 제거하여, 육성(肉盛) 용접을 실시한 후, 이 부분의 표면을 그라인더, 절삭 공구 등의 기계적 수단에 의하여 평활한 형상으로 완성하고, 추가적으로 상술한 균열의 검사 처리에 의하여 균열이 검출되지 않는 것을 확인하는 처리를 포함하는 것이 바람직하다.In addition, in the case where the depth of the cracks to be removed is 3 mm or more, the cracks are ground and removed, and the weld is welded, and then the surface of the parts is smoothed by mechanical means such as grinders and cutting tools. And it is preferable to further include the process of confirming that a crack is not detected by the inspection process of the above-mentioned crack.
본 발명에 있어서는 필요에 따라 상술한 전처리를 한 후, 상기 초음파 충격 처리를 하여, 그 후 필요에 따라 품질 보증 검사를 실시한다.In the present invention, after the pretreatment described above is carried out as necessary, the ultrasonic shock treatment is carried out, and quality assurance inspection is then performed as necessary.
초음파 충격 처리 후의 품질 보증 검사는 처리면이 처리 전과 비교하여 50㎛ 이상의 두께까지 소성 변형되어 있는 것, 즉 표면으로부터 50㎛ 이상의 두께의 표층이 층상 조직이 되어 있는 것과, 처리면이 응력 집중이 생기기 어려운 표면 형상이 되어 있는지 여부 중 어느 하나 또는 둘을 확인하는 것이다.The quality assurance inspection after the ultrasonic impact treatment shows that the processed surface is plastically deformed to a thickness of 50 μm or more compared with that before the treatment, that is, the surface layer having a thickness of 50 μm or more is formed into a layered structure from the surface, and stress concentration occurs on the treated surface. It is to check whether one or both have a difficult surface shape.
처리면이 처리 전과 비교하여 50㎛ 이상의 두께까지 소성 변형하고 있는 것을 확인하기 위하여, 섬프법에 의하여 처리면의 복제를 제작하여, 그 결정 조직을 관찰하거나, 또는 처리면의 결정 입도를 초음파 입경 측정 장치에 의하여 관찰하거나 그 어느 한 방법으로 결정 입도를 측정하고, 처리하고 있지 않는 부분에 비하여 50% 이상의 결정립이 미세화되어 있는 지 여부를 판단하는 것에 의하여 실시할 수 있다. 결정립의 미세화가 50% 미만으로는 층상 조직의 형성이 불충분하다.In order to confirm that the treated surface is plastically deformed to a thickness of 50 µm or more as compared with before the treatment, a replica of the treated surface is produced by the sump method, and the crystal structure is observed or the crystal grain size of the treated surface is measured by ultrasonic particle diameter. It can be carried out by measuring the grain size by observing by the apparatus or by any of the methods, and determining whether 50% or more of the crystal grains are fine compared with the portion which is not processed. If the micronization of the crystal grains is less than 50%, formation of the layered tissue is insufficient.
또한, 여기서 말하는 미세화란, 처리를 하고 있는 부분의 결정 입도보다 입도 번호로 1 이상 크면 미세화되어 있다고 판단한다. 또한 처리면이 응력 집중하기 어려운 표면 형상이 되어 있는지 여부를 확인하기 위하여서는, 예를 들면 치과용 형상재와 같은 본뜨기용 재료를 사용하여 본을 떠, 본을 뜬 복제의 표면 형상을 검사하거나 또는 레이저 변위계 등의 고정도(高精度)인 변위 측정 장치를 사용하여 표면의 변위를 측정함으로써 처리면이 응력 집중이 하기 어려운 표면의 곡률 내지는 변위를 가지는지 여부를 판단함으로써 실시할 수 있다.In addition, it is judged that refinement | miniaturization here is refined | miniaturized if it is 1 or more larger than the crystal grain size of the process process part. In addition, in order to confirm whether the processed surface has a surface shape which is difficult to stress-concentrate, for example, by using a bonding material such as a dental shape material, the surface shape of the duplicated pattern is inspected or By measuring the displacement of the surface using a high-precision displacement measuring device such as a laser displacement meter, it can be carried out by judging whether the treated surface has curvature or displacement of the surface where stress concentration is difficult to concentrate.
이상과 같은 방법에 의하여, 초음파 충격 처리 후의 표층 조직 또는 표면 형상을 확인하는 품질 보증 검사를 함으로써, 금속 구조 제품의 내환경 조장 균열이 문제가 되는 부분의 환경 조장 균열 저항성의 향상을 확인할 수 있다.By the quality assurance test which confirms the surface structure or surface shape after an ultrasonic impact treatment by the above method, improvement of the environmental cracking resistance of the part by which the environmental cracking of a metal structure product becomes a problem can be confirmed.
또한 이 품질 보증 검사에 의하여, 소요 표면 형상 또는 표층 조직이 얻지 못하고 있는 경우는 초음파 충격 처리를 반복하여, 소요 표면 성상, 표층 조직이 되도록 하는 것은 말할 필요도 없다.It goes without saying that if the required surface shape or surface structure cannot be obtained by this quality assurance inspection, the ultrasonic shock treatment is repeated to produce the required surface properties and surface structure.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described by way of examples.
표 1에 나타내는 조성의 강(판 두께 12mm)을 모재(1)로 하고, 공금계의 용접 재료를 사용하여 아크 용접한 용접부(2)를 시험체로 하여, 이 부분에 초음파 충격 처리를 부여하여서 표층의 금속 조직을 장축이 표면에 실질적으로 평행한 결정립으로 이루어진 층상 조직으로 하였다. 비교재로서 용접한 상태 그대로의 시험체를 사용하였다. 도 4에 개략을 나타내는 요령으로, 폭 100mm, 길이 200mm, 판 두께는 원래 두께대로인 시험편의 중앙에 비드 온 플레이트로 용접부를 형성하여, 그대로 환경 조장 균열 시험편으로 하였다. 말할 필요도 없이, 용접 그대로의 시험편의 용접부에는 용접 잔류 응력이 존재하고 있다.Using the steel (plate thickness 12mm) of the composition shown in Table 1 as a
이 시험편들을, 90℃의 1 N Na2CO3 + 1 N NaHCO3 수용액 중에 침지하여, 포텐시오스타트(potentiostat)를 이용하여 일정한 전위(표준 수소 전극 기준으로 환산하여 ―0.42V)로 유지하여, 90일간 시험하였다. 시험 후의 시험편은 침투 시험 및 단면 관찰에 의하여 환경 조장 균열의 발생 유무를 확인하였다.The test pieces were immersed in a 1 N Na 2 CO 3 + 1 N NaHCO 3 aqueous solution at 90 ° C., and maintained at a constant electric potential (−0.42 V in terms of standard hydrogen electrodes) using a potentiostat. It was tested for 90 days. The test piece after the test confirmed the presence of the environmental crack by the penetration test and cross-sectional observation.
표 2에 초음파 충격 처리 조건을 나타내고, 표 3에는 결정립 및 환경 조장 균열 시험 결과를 나타낸다.Ultrasonic impact treatment conditions are shown in Table 2, and Table 3 shows the results of crystal grains and environmental cracking tests.
표 3에서 분명한 바와 같이, 표층의 금속 조직을 장축이 표면에 실질적으로 평행한 결정립으로 이루어진 층상 조직으로 한 본 발명예 1 내지 발명예 8에서는 환경 조장 균열(응력 부식 균열)이 전혀 발생하지 않았는데 비하여, 용접한 상태 그대로 또는 처리가 불충분한 비교예 9 내지 비교예 12에서는 환경 조장 균열(응력 부식 균열)이 발생했으며, 본 발명의 효과가 분명하다.As apparent from Table 3, in Examples 1 to 8 in which the metal structure of the surface layer was a layered structure consisting of crystal grains whose major axis is substantially parallel to the surface, the environmentally induced cracks (stress corrosion cracking) did not occur at all. In Comparative Examples 9 to 12 in which they were welded or inadequately treated, environmentally induced cracks (stress corrosion cracking) occurred, and the effects of the present invention are clear.
본 발명의 내환경 조장 균열성이 우수한 금속 구조 제품은 환경 조장 균열의 문제가 되는 부분에 초음파 충격 처리가 실시되어 표층이 층상 조직으로 되어 있고, 또한 바람직하게는 표면이 응력 집중이 생기기 어려운 표면 형상이며, 또한 잔류 압축 응력이 부여되고 있기 때문에, 부식 환경에 노출되어도 미소한 균열이 생기기 어렵고, 또한 미소한 균열이 존재하여도 균열의 두께 방향으로의 진전이 억제되어 파단 시간이 크게 길어져 환경 조장 균열에 대하여 우수한 저항성을 가진다. 또한 본 발명의 방법에 의하면, 초음파 충격 처리 후의 품질 보증 검사를 조합함으로써, 처리를 한 부분의 표층이 소정의 층상 조직이 되어, 추가적으로 표면 형상이 되어 있는 것을 확인할 수 있기 때문에, 금속 구조 제품의 소요 부분의 환경 조장 균열 저항성을 확실히 향상시킬 수 있다.In the metal structural product having excellent environmental cracking resistance of the present invention, an ultrasonic shock treatment is applied to a portion that is a problem of environmental cracking, and the surface layer is formed into a layered structure, and preferably, the surface is hard to generate stress concentration. In addition, since residual compressive stress is imparted, even when exposed to a corrosive environment, minute cracks are less likely to occur, and even when minute cracks are present, progress in the thickness direction of the cracks is suppressed, so that the break time is significantly long, resulting in an environmentally induced crack. Excellent resistance to In addition, according to the method of the present invention, by combining the quality assurance inspection after the ultrasonic impact treatment, it is possible to confirm that the surface layer of the treated portion becomes a predetermined layered structure and additionally has a surface shape. The environmental improvement crack resistance of a part can be improved reliably.
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