KR100739513B1 - 용접합금 및 용접용 제품, 용접재 및 용접재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용착금속의 제조에 사용하기 위한 니켈, 크롬, 철 합금에 관한 것으로서, 상기 합금은 약 27 내지 31.5 중량%의 크롬; 약 7 내지 11 중량%의 철; 약 0.005 내지 0.05 중량%의 탄소; 약 1.0 중량% 이하의 망간, 바람직하게는 0.30 내지 0.95 중량%의 망간; 약 0.60 내지 0.95 중량%의 니오븀; 0.50 중량% 이하의 규소, 바람직하게는 0.10 내지 0.30 중량%의 규소; 0.01 내지 0.35 중량%의 티탄; 0.01 내지 0.25 중량%의 알루미늄; 0.20 중량% 이하의 구리; 1.0 중량% 이하의 텅스텐; 1.0 중량% 이하의 몰리브덴; 0.12 중량% 이하의 코발트; 0.10 중량% 이하의 탄탈; 약 0.10 중량% 이하의 지르코늄, 바람직하게는 0.002 내지 0.10 중량%의 지르코늄; 약 0.01 중량% 이하의 황; 약 0.01 중량% 이하의 붕소, 바람직하게는 0.001 내지 0.01 중량%의 붕소; 약 0.02 중량% 이하의 인; 및 나머지로 니켈과 부수적인 불순물을 포함한다.

용접, 합금, 니켈, 크롬, 철

Description

용접합금 및 용접용 제품, 용접재 및 용접재의 제조방법 {WELDING ALLOY AND ARTICLES FOR USE IN WELDING, WELDMENTS AND METHODS FOR PRODUCING WELDMENTS}

본 발명은 니켈, 크롬, 철 용접합금, 이것으로 만들어지는 용접재 제조용 제품, 및 용접재와 이러한 용접재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

원자력 발전에 사용되는 설비를 포함하는 다양한 용접 제품에는 다양한 균열현상에 대한 내성을 제공하는 용접재가 요구된다. 이러한 균열현상에는 응력 부식 균열뿐 아니라 고온 균열, 저온 균열, 및 루트 균열(root cracking)도 포함된다.

공업용 및 군용 원자력 발전은 다만 20세기의 후반부에만 존재하였다. 이 기간 동안, 산업은 제1 세대의 14 내지 15%의 크롬을 함유하는 NiCrFe 합금을 대략 30% 가량의 높은 크롬 함량을 가지는 합금으로 대체하였다. 이러한 변화는 상기 함량의 크롬을 함유하는 이러한 유형의 합금에 의하여 원자력 발전기의 순수한 물에서 발생하는 응력 부식 균열이 사라질 수 있다는 발견에 입각한 것이었다. 이러한 합금은 약 20 내지 25년 동안 사용되었다.

원자력 발전시설 내에 대다수의 용접 및 용접품이 요구되는 원자력 발전설비의 특정용도는 원자력 증기 생성기의 제작이다. 이러한 설비는 본질적으로 1차 원자력 반응기의 냉각제로부터 유래되는 2차 물로부터 증기를 생성하는 거대한 튜브 및 쉘 열교환기이다. 이러한 증기 생성기의 주요 성분이 튜브시트이다. 때때로, 이러한 튜브시트는 15 내지 20 피트의 직경 및 1 피트 이상의 두께를 가지며, 일반적으로는 강도가 큰 것에서 강도가 작은 합금강으로 단조된다. 이때, 강도가 작은 합금강은 우수한 가공성을 가지며 원자력 발전시설 내의 순수한 물 내에서 응력 부식 균열에 대한 내성을 가지는 NiCrFe 합금으로 용접 오버레이되어야 한다. 용착금속은 튜브시트의 크기로 인하여 오버레이 동안의 실질적인 잔류 응력을 견딘다. 더욱이, 용접금속 오버레이는 수천개의 작은 증기 생성기 튜브를 그 내부에 수용하기 위하여 구멍을 뚫어 천공을 제공한 후에 재용접될 수 있어야 한다. 이러한 튜브는 헬륨-누출-차단 용접을 형성하기 위하여 오버레이 용착금속에 밀봉-용접되어야 한다. 이러한 용접은 월등하게 높은 품질의 것으로서, 높은 확신성(predictability)과 함께 30 내지 50년의 수명을 제공해야 한다. 또한, 오버레이 용착금속 및 용접된 증기 생성기 튜브 모두에 우수한 균열 내성이 제공되어야 한다. "응고 균열"이라 불리기도 하는 고온 균열 및 응력 부식 균열에 대한 내성과 관련된 이러한 요구조건은 대부분 30%의 크롬을 함유하는 용접재에 의하여 충족된다.

튜브와 튜브시트의 용접에는 고온 균열 내성 및 응력 부식 균열 내성 외에도 루트 균열 내성이 요구된다. 튜브와 튜브시트의 용접은 (부가의 충전재 금속을 사용하거나 사용하지 않고) 튜브 둘레의 용접 오버레이 재료의 고리와 함께 튜브의 단부를 용융시켜서 튜브의 벽과 튜브시트 내의 천공 사이의 공간을 봉합함으로써 이루어진다. 이러한 용접은 튜브와 튜브시트의 이음부(joinder)의 용접단면에서 균열을 나타내는 경향이 있다. 이러한 유형의 균열은 용접 기점에서 발생하기 때문에 "루트 균열"이라 칭한다. 현존하는 30%의 크롬을 함유하는 용접합금은 루트 균열에 대하여 내성을 갖지 못한다.

직면할 수 있는 세 번째 유형의 균열은 저온 균열로서, 이는 "연성 부각(俯角; dip) 균열"이라 알려져 있기도 하다. 이러한 균열은 용접의 응고가 완성된 후 응고된 상태에서만 발생한다. 응고 시작 후, 보다 낮은 온도에서 용접합금의 부피 감소로 인하여 수축 응력이 발생하기 시작한다. 이와 동시에, 응고가 완성되면 수백 배로 신속한 연성회복이 신속하게 이루어지고, 이어서 일시적으로 급격한 연성 손질이 뒤따른 다음, 주위 온도에 도달할 때까지 연성이 다시 점진적이고 연속적으로 회복된다. 합금이 이러한 급격한 연성 손실을 나타낼 때, 냉각 시의 잔류 응력이 충분히 큰 경우에는 고체 상태의 균열이 발생할 수 있다. 이러한 현상은 우세 온도에서 응력을 견디기에 충분한 강도 또는 연성을 갖지 못하는 미세구조 부분으로부터 기인된다. 현재 시판되고 있는 30%의 크롬을 함유하는 용접합금 제품은 저온 균열에 대한 충분한 내성을 가지지 못한다.

본 발명의 목적은 응력 부식 균열뿐 아니라 고온 균열, 저온 균열, 루트 균열 내성 외에도 원하는 강도 및 부식내성을 제공하는 니켈, 크롬, 철 용접합금 및 이것으로 만들어지는 용접재를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 원자력 발전에 사용되는 설비의 제작용으로 특히 적합한 니켈, 크롬, 철 유형의 용접합금을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면 용착금속 제조용 니켈, 크롬, 철 합금이 제공된다. 상기 합금은 약 27 내지 31.5 중량%의 크롬; 약 7 내지 11 중량%의 철; 약 0.005 내지 0.05 중량%의 탄소; 약 1.0 중량% 이하의 망간, 바람직하게는 0.30 내지 0.95 중량%의 망간; 약 0.60 내지 0.95 중량%의 니오븀; 0.50 중량% 이하의 규소, 바람직하게는 0.10 내지 0.30 중량%의 규소; 0.01 내지 0.35 중량%의 티탄; 0.01 내지 0.25 중량%의 알루미늄; 0.20 중량% 이하의 구리; 1.0 중량% 이하의 텅스텐; 1.0 중량% 이하의 몰리브덴; 0.12 중량% 이하의 코발트; 0.10 중량% 이하의 탄탈; 약 0.10 중량% 이하의 지르코늄, 바람직하게는 0.002 내지 0.10 중량%의 지르코늄; 약 0.01 중량% 이하의 황; 약 0.01 중량% 이하의 붕소, 바람직하게는 0.001 내지 0.01 중량%의 붕소; 약 0.02 중량% 이하의 인; 및 나머지로 니켈과 부수적인 불순물을 포함한다.

상기 합금은 크롬의 함량에 따라 적절한 응력 부식 균열 내성을 나타낼 것이다. 상기 합금은 용착금속, 용접전극, 용착금속 오버레이, 또는 본 발명의 합금 오버레이와 함께 강과 같은 합금 기재를 포함하는 용접재의 형태일 수 있다. 이는 용착금속 또는 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding) 또는 일렉트로슬래그 용접에 의하여 수행되는 용접을 포함하는 용착금속의 제조에 사용되는 유제-피복된 전극 형태의 용접재를 제조하는 방법에 사용될 수 있다. 또한, 이것은 용접재 제조용 제품으로 사용될 수 있으며, 이러한 제품은 외이어, 스트립, 시트, 로드, 전극, 사전합금 분말(prealloyed powder), 및 원소 분말(elemental powder)의 형태일 수 있다.

본 발명에 따르는 NiCrFe 용접합금은 상당히 엄격하게 조절되는 2차 화학성분뿐 아니라 미량의 성분과 함께 우수한 응력 부식 내성 외에도 적절한 부식 내성을 제공하기에 충분한 크롬을 함유한다. 또한, 상기 합금은 재가열 조건하에서 응고 균열, 루트 균열, 및 저온 균열에 대하여 내성을 가져야 한다.

응고 균열에 대한 내성을 부여하기 위하여, 합금은 이들의 합금 원소에 대한 적절한 용해도 및 한정된 액상선 대 고상선 온도범위를 가져야 한다. 이들은 또한 황, 인, 및 기타 저융점 원소의 함량이 낮아야 하며, 합금 내에서 저융점 상을 형성하는 원소를 최소 함량으로 함유해야 한다.

저온 균열에 내한 내성은 결정립계에서 연성 및 고온 강도를 증가시킴으로써 조절된다. 이는 본 발명의 제한값에 따라 니오븀, 지르코늄, 및 붕소를 주의깊게 혼합함으로써 달성된다. 니오븀은 고체 상태에서 결정립계 강도에 기여하면서 2차 상의 형성방지를 제한하는 데 요구된다. 니오븀은 또한 응력 부식 균열에 대한 내성에 요구된다. 붕소는 결정립계 강도에 기여하고 고온 연성을 향상시키지만, 본 발명의 제한값 이상의 붕소는 고온 균열 내성에 부정적인 결과를 초래한다. 지르코늄은 결정립계에서 연성 및 고체상태의 강도를 개선시키고 결정립계에서의 산화 내성을 개선시킨다. 본 발명의 제한값 이상의 지르코늄은 고온 균열에 기여한다. 붕소 및 지르코늄의 함량이 본 발명의 제한값보다 낮은 경우에는 저온 균열에 대한 내성이 상대적으로 거의 없어진다. 붕소가 단독으로 첨가되면 저온 균열 내성이 매우 근소하게 개선되지만, 붕소를 본 발명에 따르는 함량의 지르코늄과 함께 첨가 하면 저온 균열이 실질적으로 제거된다.

루트 균열에 대한 내성은 본 발명에 따라 달성될 수 있지만, 용접된 제품의 디자이너가 통제할 수 없는 용접되는 제품들 사이의 간극, 청결, 및 용접하는 동안의 상대적인 이동과 같은 다양한 결합 조건 때문에 이를 확신할 수 없다. 본 발명의 합금에는 원하는 야금 특성을 달성하기 위하여 소량의 알루미늄 및 제한된 니오븀과 결합된 티탄, 규소, 붕소, 지르코늄, 및 망간이 요구된다. 이러한 요구조건은 최적의 고온 균열, 저온 균열, 및 응력 부식 균열 내성을 유지함과 동시에 충족될 수 있다. 소량의 티탄은 응력 부식 균열 내성에 유익하기는 하지만, 루트 균열 내성을 위해서는 가능한 한 소량의 알루미늄 및 티탄을 함유해야 한다. 규소는 0.50% 이하로 함유되는 경우에 루트 균열 내성에 대하여 특히 유해하지 않으며, 기타 목적에도 0.30% 이하의 함량이 것이 바람직하기 때문에, 이것이 허용 가능한 함량이다. 황의 함량을 상당히 낮출 수 있는 AOD 용융 방법의 개발로 인하여, 실질적인 망간 첨가가 필요 없어졌다. 실제로, 7% 이상의 망간 함량은 1000℉ 이상의 온도에 노출되는 경우 야금의 불안정을 초래한다. 종래에는 고온 균열 및 루트 균열을 제거하는 데 1% 내지 5% 사이의 망간의 첨가가 요구되었다. 본 발명에는 고온 균열에 대한 내성을 위하여 망간을 1.0% 이하, 바람직하게는 0.80%로 유지시키는 것이 요구되지만, 이와 동시에 기타 나머지 성분으로 인하여 1.0% 이하의 망간이면 루트 균열을 제거하는 데 충분하다.

표 1의 모든 합금은 원자력 발전에 사용되는 설비의 구조를 포함하는 용접 제품에 요구되는 강도 및 부식 내성을 나타낸다. 표 1에 개시된 균열 테스트의 결 과는 본 발명에 따르는 NiCrFe 용접합금 조성물이 이러한 유형의 종래의 합금을 능가하는 개선된 균열 내성을 부가적으로 제공함을 입증한다. 이러한 내성은 응력 부식 균열뿐 아니라 고온 균열, 저온 균열, 및 루트 균열에 대한 내성을 모두 포함한다.

표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 샘플의 용융 번호 1124, 1125, 및 1127에서는 모든 유형의 균열이 나타나지 않기 때문에, 본 발명의 범위 내의 합금을 구성한다. 이들 각각의 샘플은 소량의 규소 및 필수 함량의 붕소 및 지르코늄을 함유한다. 샘플 1128은 본 발명의 제한값 이내의 붕소 및 지르코늄을 함유하기는 하지만 허용 불가한 정도의 높은 규소의 함량으로 인하여 고온 균열 및 루트 균열을 나타내었다.

당업자는 본 명세서에 기재된 발명의 상세한 설명 및 실례를 통하여 본 발명의 그 밖의 구현예를 이해할 수 있을 것이다. 발명의 상세한 설명 및 실시예는 예일 뿐이며, 본 발명의 범위 및 사상은 하기 청구범위에 의하여 한정된다.

Claims (18)

1. 용착금속 제조에 사용하기 위한 니켈, 크롬, 철 합금에 있어서,

   상기 합금이 27 내지 31.5 중량%의 크롬; 7 내지 11 중량%의 철; 0.30 내지 0.95 중량%의 망간; 0.60 내지 0.95 중량%의 니오븀; 0.10 내지 0.30 중량%의 규소; 0.01 내지 0.35 중량%의 티탄; 0.01 내지 0.25 중량%의 알루미늄; 0.002 내지 0.10 중량%의 지르코늄; 0.001 내지 0.01 중량%의 붕소; 및 나머지로 니켈과 부수적인 불순물을 포함하는 합금.
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15. 27 내지 31.5 중량%의 크롬; 7 내지 11 중량%의 철; 0.30 내지 0.95 중량%의 망간; 0.60 내지 0.95 중량%의 니오븀; 0.10 내지 0.30 중량%의 규소; 0.01 내지 0.35 중량%의 티탄; 0.01 내지 0.25 중량%의 알루미늄; 0.002 내지 0.10 중량%의 지르코늄; 0.001 내지 0.01 중량%의 붕소; 및 나머지로 니켈과 부수적인 불순물을 포함하는 니켈, 크롬, 철 합금의 전극을 제조하는 단계; 및 상기 전극을 사용하여 용접재를 제조하는 단계를 포함하는 용접재의 제조방법.
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17. 용접재의 제조에 사용하기 위한 와이어, 스트립, 시스, 로드, 전극, 사전합금 분말, 및 원소 분말 형태의 제품에 있어서,

    상기 제품이 27 내지 31.5 중량%의 크롬; 7 내지 11 중량%의 철; 0.30 내지 0.95 중량%의 망간; 0.60 내지 0.95 중량%의 니오븀; 0.10 내지 0.30 중량%의 규소; 0.01 내지 0.35 중량%의 티탄; 0.01 내지 0.25 중량%의 알루미늄; 0.002 내지 0.10 중량%의 지르코늄; 0.001 내지 0.01 중량%의 붕소; 및 나머지로 니켈과 부수적인 불순물을 포함하는 제품.
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