KR101082705B1 - 아연 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어 - Google Patents

아연 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어 Download PDF

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Abstract

아연계 합금 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어이며, 플럭스의 코어를 도금하는 재질의 외부 금속 시스를 포함하고, 전체로, 와이어의 전체 질량에 대한 퍼센트로서 질량 (%)로, C : 0.01 내지 0.05%, Si : 0.1 내지 1.5%, Mn : 0.5 내지 3.0%, Ni : 7.0 내지 10.0%, Cr : 26.0 내지 30.0%를 포함하고, 상술한 구성 성분의 함수로 정의되는 F 값이 30 내지 50이며, 플럭스는 슬래그 형성 작용제로서, 와이어의 전체 질량에 대한 퍼센트로서 질량(%)로, TiO2 : 0.6 내지 2.6 %, SiO2 : 1.8 내지 3.8%, ZrO2 : 1.0 내지 3.5%를 포함하고, 선택적으로 0.1 내지 1.0%의 Al203를 더 포함하고, 슬래그 형성 작용제는 와이어의 전체 질량의 10% 미만이고, 와이어는 Fe 및 잔류 불순물을 더 포함한다.
플럭스 코어, 외부 금속 시스, 슬래그 형성 작용제, 아연계 합금 도금 강판

Description

아연 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어{STAINLESS STEEL WIRE WITH FLUX CORE FOR WELDING ZINC COATED STEEL SHEETS}
본 출원은 2006년 7월 5일 및 2007년 6월 29일에 각각 출원된 일본 특허 출원 제2006-185171호 및 제2007-172124호를 우선권으로 하고, 본 명세서에서 참조한다.
본 발명은 아연계 합금 도금 강판에 사용되는 플럭스 코어를 구비한 와이어에 관한 것이다. 플럭스 코어를 구비한 와이어는 용접 균열이 없는 용접부를 제공하고, 터치업(touch-up)과 같은 후처리 없이도 내식성, 연성 및 용접 작업성이 우수하다.
아연 도금 강판은 구조 부재의 내식성 개선의 관점에서 건축 또는 자동차 산업과 같은 분야에 널리 사용된다. 일반적으로 내식성을 개선하기 위해서는, 도금되지 않은 강 부재가 용접된 후 용접된 강 부재를 아연계 합금 바스 내에 침지함으로써 도금되는 방법이 사용된다. 그러나, 이 방법에서는, 도금 공정이 용접 단계 이후 실행되기 때문에, 생산성이 낮고, 제조 비용을 증가시키는 원인이 되는 도금 바스와 같은 장비가 필요하다. 이러한 점을 회피하기 위해, 구조물의 건축에 아연 도금 강판이 용접되는 방법이 사용되어 왔다. 최근에는 구조 부재의 내식성을 더 욱 개선하기 위해, 용접 구조물을 건축하는데 아연계 합금 도금 강판이 용접된다. 아연계 합금 도금 강판은 예를 들어 고내식성을 갖는 Zn-Al-Mg-Si 합금을 구비한 강판의 표면을 도금하여 제작된다(예를 들어, JP2000-064061A 참조).
아연 도금 강판이 용접되어 용접 구조물을 건축하는 방법으로 인한 특정 문제점으로는, 용융된 도금 재료로부터 액상 금속 취성 균열(이후 "아연 취성 균열"로 칭함)이 발생하며, 이는 용접 열 영향 구역 및 용접 금속의 위치에서 자주 발생하는 것으로 알려져 있다. 아연 취성 균열은, 용융된 아연계 합금 도금 구성 성분이 용접부 근처의 용접 열 영향 구역의 표면 상에 잔류하여 용접부의 결정 입자 경계로 침입하는 것에 의해 주로 발생된다. 용접부의 표면 상의 아연 도금 재료는 아연 도금 재료가 용접 중 증발되기 때문에 아연 취성 균열의 원인이 아닌 것으로 여겨진다.
더 우수한 내식성이 요구되는 스테인리스 강 구조물의 용접에 대해, 스테인리스 강의 동일 금속계 용접 재료가 사용된다. 스테인리스 강 사이 또는 스테인리스 강과 카본 강 사이의 조인트부에 형성된 스테인리스 강의 용접 금속은 스테인리스 강과 마찬가지로 우수한 내식성을 갖는다.
그러나, 본 발명자들의 실험 결과에 따르면, 아연 도금 강판의 용접에 대해 내식성이 우수한 용접 금속을 얻기 위해 309 타입 또는 329 타입의 스테인리스 용접 재료를 사용할 때에도, 수많은 아연 취성 균열이 존재한다는 점을 알 수 있었다. 즉, 스테인리스 강 용접 재료의 사용은 아연 도금 강의 용접에 적절하지 않다.
아연 취성 균열의 문제를 해결하기 위해, 본 발명자들은 와이어의 슬래그 내에 C, Si, Mn, Ni, Cr의 함유량 및 추가로 TiO2의 함유량을 적절한 값으로 조절함으로써, 용접 금속의 인장 강도 및 페라이트 구조의 면적률을 제어하여 용접 금속이 아연 취성 균열을 갖는 것을 방지하는 플럭스 코어를 구비한 와이어를 제안하였다(예를 들어, JP2006-035293A 참조).
그러나, 아연 취성 균열은 용접 조건에 의존하는 플럭스 코어를 구비한 상술한 와이어를 사용해도 자주 발생한다. 즉, 아연 취성 균열의 방지가 일정하지 않다. 또한, 획득된 용접 금속은 용접 작업 시 낮은 연성, 열악한 슬래그 가분성(separability) 및 낮은 아크 안정성을 갖는다.
본 발명자들은 아연 취성 균열 균열을 방지하는 조인트에 대해 꾸준히 연구하여 그 결과를 WO2007/037447에 개시하였다.
본 발명의 목적은 아연 도금 강판 용접에 사용되는 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어를 제공하는 것이다. 플럭스 코어를 구비한 와이어는 아연 취성 균열이 없는 용접부 및 연성, 용접 작업성을 제공하고, 페인팅 처리인 터치업과 같은 후처리 없이도 내식성이 우수하다.
본 발명자들은 이러한 목적을 달성하기 위한 다양한 구성 성분을 연구하여, 와이어의 구성 성분, 즉, C, Si, Mn, Ni, Cr의 함유량이 적절한 값이 되도록 조절하고, F 값(즉, F = 3×Cr + 4.5×Si - 2.8×Ni - 84×C - 1.4×Mn - 19.8)을 사용하여 무게가 측정되는 경우, 아연 취성 균열이 감소되는 것을 알았다. F 값과 균열의 개수 사이의 관계는 도1에 도시된다(용접 조건은 후술하는 예에서의 용접 조인트 성능 점검에 사용되는 조건과 동일함). 도1에 도시된 바와 같이, F 값이 높을수록, 균열 형성이 더 억제되는 것을 알 수 있다. F 값이 30에 도달하고, 더 바람직하게는 40을 초과할 때, 균열 형성은 거의 사라진다.
F 값은 페라이트가 얼마나 용이하게 결정화될 수 있는지를 나타낸다. F 값이 30 미만일 때, 응고 중에 오스테나이트의 결정화가 발생하여, 아연이 오스테나이트 입자 경계로 침입하게 한다. 이는 아연 취성 균열 방지를 어렵게한다. F 값이 30 초과, 더 바람직하게는 40 초과일 때, 페라이트 단상(single phase)이 초정(primary crystal)에서 상온까지 전체 응고 과정 중에 존재할 수 있고, 이는 아연이 입자 경계로 침입하는 것을 어렵게 하여 균열의 방지로 이어진다. 아연 취성 균열 방지의 관점에서, F 값은 높을수록 바람직하다. 그러나, F 값이 50을 초과할 때, 페라이트 퍼센트는 높아지고, 용접부에 연성을 추가하는 오스테나이트의 양이 불충분하게 된다. 따라서, 금속의 연신율이 충분히 기대될 수 없어, 용접부에 필요한 기계적 성능을 충족하는 것을 어렵게 한다. 본 발명자들은 페라이트 및 오스테나이트의 충분한 두 개의 상구조를 형성하도록 응고된 후 응고가 페라이트 단상으로 종결되고 이후 오스테나이트 상이 냉각 공정 중에 석출되는 경우, 아연 취성 균열의 회피 및 충분한 연성의 유지 모두가 만족되는 것을 알 수 있었다.
아연 취성 균열의 더욱 완벽한 방지에 대한 다양한 연구 이후, 슬래그 작용제에의 Al2O3의 추가가 아연 취성 균열을 방지할 수 있다는 점을 발견했다. 도2는 슬래그 작용제 구성 성분 Al2O3와 균열의 개수 사이의 관계를 도시한다. Al2O3 함유량이 증가할수록, 균열의 개수는 감소한다. F 값이 20 정도로 낮을 경우, 균열은 완전히 방지되지 못하더라도, 균열의 개수는 감소된다. F 값이 30일 경우, 0.1% 이상의 Al2O3 함유량은 균열을 완벽하게 방지할 수 있다. 일반적으로 아연은 보통 다른 금속 또는 산화물과의 고용체를 이루지 않기 때문에, 아연은 저융점 금속으로서 잔류하고 이는 균열에 유해할 수 있다. 그러나, 아연과 친화성을 갖는 Al2O3가 추가될 경우, Al2O3-ZnO계 산화물이 형성된다. 즉, 균열에 유해한 아연이 균열을 일으키지 않는 산화물의 슬래그로 변환된다. 이것이 Al2O3의 추가가 균열의 억제제로 작용하는 이유이다.
용접 작업성에 대해, 아연 도금 강판이 용접될 때, 용접부에서의 아연은 아크-열에 의해 증발되지만 용융된 아연은 그 근처에 잔류한다. 이러한 용융된 아연은 응고될 때 용접부를 덮고 냉각되어, 형성된 비드의 가장자리의 슬래그에 고착되고 슬래그의 가분성을 억제한다. 본 발명자들은 TiO2, SiO2 및 ZrO2와 같은 슬래그 작용제의 주 구성 성분량의 효과에 대한 연구를 통해 우수한 차폐성 및 슬래그의 가분성을 얻도록 슬래그 작용제를 최적화하였다. 그 결과, 비드의 가장자리가 두꺼운 슬래그로 덮이는 경우, 아연이 비드의 가장 자리에 고착되더라도 슬래그의 우수한 가분성이 획득된다는 점을 발견했다.
아연 도금 강판의 용접에 대해, 아연 증기가 아크로 유입되는 것에 의한 아크에서의 분열로 인해 아크 조건이 불안정하게 되는 다른 문제점이 있다. Al2O3의 적정량의 추가가 아크를 안정하게 한다는 점을 발견했다. 이러한 메카니즘은 상술한 균열 억제의 효과와 유사하게, 즉, 아크 내의 아연 증기 및 슬래그 작용제 내의 용융된 Al2O3 가 Al-Zn계 산화물이 신속하게 형성되도록 결합하고, 이는 아연 증기에 의해 아크가 불안정하게 되는 것을 억제하는 것으로 여겨진다.
본원 발명의 요점은 다음과 같다.
항목 1. 아연계 합금 도금 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어이며, 플럭스의 코어를 덮는 스테인리스 강 재질의 외부 금속 시스(sheath)를 포함하고,
외부 금속 시스 및 플럭스는 전체로, 와이어의 전체 질량에 대한 퍼센트로서 질량(%)로,
C : 0.01 내지 0.05%,
Si : 0.1 내지 1.5%,
Mn : 0.5 내지 3.0%,
Ni : 7.0 내지 10.0%,
Cr : 26.0 내지 30.0%를 포함하고,
이들 구성 성분은 아래 식(1)로 정의되는 F 값이 30 내지 50을 만족하는 양으로 함유되고,
F 값 = 3×[Cr%] + 4.5×[Si%] - 2.8×[Ni%] - 84×[C%] - 1.4×[Mn%] - 19.8 … 식(1)
플럭스는 슬래그 형성 작용제를 포함하고,
슬래그 형성 작용제는 와이어의 전체 질량에 대한 퍼센트로서 질량(%)로 ,
TiO2 : 0.6 내지 2.6 %,
SiO2 : 1.8 내지 3.8%,
ZrO2 : 1.0 내지 3.5%를 포함하고,
슬래그 형성 작용제는 와이어 전체 질량의 10% 미만이고,
와이어는 Fe 및 잔류 불순물을 더 포함한다.
항목 2. 항목 1에 따르는 아연계 합금 도금 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어이며, 슬래그 형성 작용제는 Al203 : 0.1 내지 1.0%을 더 포함한다.
아연 도금 강판 용접용으로 사용되는 플럭스 코어를 구비한 와이어는 용접 균열이 없고, 터치업과 같은 후처리 없이 내식성, 연성 및 용접 작업성이 우수한 고품질의 용접부를 제공할 수 있다. 특히, 이러한 효과는 본 발명의 와이어가 Zn-Al-Mg계 합금 도금 강판 용접에 사용되는 경우 중요할 수 있다. Zn-Al-Mg계 합금 도금 강판의 예로는, 닛뽄 스틸 코퍼레이션(NIPPON STEEL CORPORATION)에서 제작된 등록 상표 슈퍼 디마(SuperDyma®) 및 닛신 스틸 컴패니 리미티드(NISSHIN STEEL CO., LTD)에서 제작된 등록 상표 잼 (ZAM®)이 있다.
본 발명은 단지 예로 제공되므로 본 발명을 한정하지 않는 첨부 도면 및 이후 기재된 상세한 설명으로 더욱 이해될 수 있다.
도1은 F 값과 균열 개수 사이의 관계를 도시한다.
도2는 슬래그 작용제 구성 성분 Al2O3와 균열 개수 사이의 관계를 도시한다.
본 발명자들은 아연계 합금 도금 강판이 스테인리스-강계 용접 재료를 사용하여 용접될 때의 용접부의 내식성과, 아연계 합금 도금층 및 스테인리스-강계 구성 성분을 포함하는 용접 금속의 조합으로부터 발생되는 아연 취성 균열의 방지를 개선하기 위해 꾸준히 연구하였다.
그 결과, 다음을 발견하였다.
(1) 스테인리스-강계 구성 성분을 구비한 용접 금속에서의 아연 취성 균열에 대한 민감도는 용접 금속의 응고 타입에 의존한다. 즉, 응고가 페라이트 단상으로 종결되게 하는 조성을 구비한 용접 금속은, 응고가 오스테나이트 단상 또는 오스테나이트 및 페라이트의 이중 상으로 종결되게 하는 조성을 구비한 용접 금속보다 더 적은 아연 취성 균열을 갖는다.
(2) 아연계 합금 도금층으로부터 비롯된 아연 취성 균열에 기여하는 Zn과 같은 저융점 구성 성분은 Al2O3와 용이하게 결합된다. 따라서, Zn은 Al2O3을 추가함으로써 Al2O3-ZnO 계 산화물의 슬래그 형태로 용접 금속으로부터 제거될 수 있다.
상술한 관점에서, 본 발명의 목표는 다음과 같다.
(1) 금속 또는 합금의 형태로 추가되는 플럭스 코어를 구비한 와이어에서 페라이트 형성 구성 성분 및 오스테나이트 형성 구성 성분을 최적화하여, 용접 금속은 스테인리스-강계 구성 성분을 구비한 용접 금속에서의 아연 취성 균열의 발생을 억제하기 위해 응고를 페라이트 단상으로 종결시킬 수 있다; 및/또는
(2) 슬래그 형성 작용제로서 플럭스 코어를 구비한 와이어 내에 포함된 Al2O3의 적절한 양을 추가하여, 아연계 합금 도금 층으로부터 비롯된 Zn과 같은 저융점 구성 성분을 용접 금속으로부터 제거한다.
본 발명에서, "아연계 합금 도금 강판"은 Zn-Al계 합금, Zn-Al-Mg계 합금 또는 Zn-Al-Mg-Si계 합금을 형성하고 Al, Mg 및/또는 Si를 강판 상의 아연 도금 층에 첨가하여 제작된 도금 강판을 설명하는데 사용되는 총체적인 용어이다.
우선, 플럭스 코어를 구비한 와이어의 구성 성분인 F 값은 용접 금속의 아연 취성 균열의 방지와 관련된 중요한 요소이다. 두번째로, 플럭스 코어를 구비한 와이어의 구성 성분인 F 값 및 Al203은 용접 금속의 아연 추성 균열의 방지와 관련된 중요한 요소이다. 이것을 이하에서 설명한다.
본 발명자들의 실험 결과에 따르면, 오스테나이트 스테인리스 강의 용접 금속은 조성에 따라 두 개의 타입으로, 즉 타입 1 : 용접이 페라이트 단상 또는 오스테나이트 단상의 형태로 완료된 이후의 응고, 타입 2 : 용접이 페라이트 상 및 오스테나이트 상 모두의 형태로 완료된 이후 응고로 분류될 수 있다. 페라이트 결 정화의 용이성은 주로, Si 또는 Cr과 같은 페라이트 형성 요소 및, C, Mn 또는 Ni와 같은 오스테나이트 형성 요소에 기초하여 결정되는 식(1)로 정의되는 것을 알 수 있고, 식(1)은 다음과 같다.
F 값 = 3×[Cr%] + 4.5×[Si%] - 2.8×[Ni%] - 84×[C%]- 1.4×[Mn%] - 19.8 … 식 (1)
[Cr%], [Si%], [Ni%], [C%], [Mn%]의 각각은 와이어의 전체 질량 퍼센트에 대한 각 구성 성분의 질량(%)을 나타낸다.
도1은 아연 취성 균열 개수와 아연계 합금 도금 강판 용접에 사용되는 플럭스 코어를 구비한 와이어의 F 값 사이의 관계를 도시한다.
도1에 도시된 바와 같이, 플럭스 코어를 구비한 와이어의 F 값이 증가할 수록, 아연 취성 균열 개수는 감소한다. F 값이 30을 초과, 바람직하게는 40을 초과하는 경우, 균열은 거의 형성되지 않는다.
플럭스 코어를 구비한 와이어의 F 값이 30 미만인 경우, 용접 금속의 초정의 응고 상이 오스테나이트이고 응고가 오스테나이트 단상의 형성으로 완료되는 것과, 초정의 응고 상이 페라이트이며 이후 오스테나이트가 응고 과정에서 결정화되는 것 중 어느 하나이며, 이후 응고는 결국 오스테나이트 및 페라이트의 이중 상으로 완료된다. 이 경우, 오스테나이트 상은 아연계 합금 도금 층으로부터 비롯된 아연과 같은 저융점 구성 성분이 오스테나이트 입자 경계로 침투하도록 허용하는 원주형 결정으로 응고되고, 이는 용접 금속의 아연 취성 균열로 이어진다. 플럭스 코어를 구비한 와이어의 F 값이 30보다 큰 경우, 초정은 페라이트로서 석출되어 응고가 페 라이트 단상으로 완료된다. 페라이트 상이 등축(equiaxed crystal)이고 미세하기 때문에, 아연과 같은 저융점 구성 성분이 입자 경계로 침투하는 것이 쉽지 않고, 이는 아연 취성 균열 개수의 감소로 이어진다. F 값이 40을 초과할 때, 응고의 완료 이후 냉각 공정 중의 오스테나이트 석출량은 감소되고, 이는 아연 취성 균열 형성에의 추가 저항으로 이어진다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서, 플럭스 코어를 구비한 와이어의 C, Si, Mn, Ni 및 C의 각 함유량이 조정되고 최적화되어 식(1)로 정의되는 F 값은 용접 금속의 아연 취성 균열의 생성을 억제하기 위해 30 초과가 바람직하고, 40 초과가 더 바람직하다.
도1에 도시된 바와 같이, 아연 취성 균열의 형성에의 저항의 관점에서 F 값이 높을수록 바람직하다. 하지만, F 값이 50을 초과할 경우, 용접 금속이 완전히 페라이트 단상으로 응고된 이후 냉각 공정에서 석출된 오스테나이트량은 급격하게 감소된다. 따라서, 용접 금속 내의 페라이트 함유량은 실온에서 비교적 크게 된다. 적절한 연성(즉, 용접 금속의 연신율)을 확보하기 위해, 오스테나이트의 특정 석출량이 요구된다. 따라서, 매우 높은 F 값은 바람직하지 않다.
상술한 관점에서, 본 발명에서의 F 값이 상한은, 실온에서의 용접 금속의 구조가 페라이트 및 오스테나이트의 이중 상을 포함하고, 이는 용접 금속의 연성을 확보하고 균열을 억제하는 것이 모두 가능하도록, 50 이어야한다.
또한, 플럭스 코어를 구비한 와이어 내에서 슬래그 작용제의 구성 성분인 Al2O3의 함유량 및 균열 사이의 관계는 F 값이 각각 20(본 발명의 범위 외측), 30 및 40(본 발명의 범위 이내)인 경우에 연구되었다.
도2는 플럭스 코어를 구비한 와이어에서 슬래그 작용제 구성 성분인 Al2O3의 함유량과 용접 금속에서 아연 취성 균열의 개수 사이의 관계를 도시한다.
와이어의 F 값이 20, 30 또는 40 중 어느 하나일 경우, 플럭스 코어를 구비한 와이어에서 (와이어의 전체 질량에 대한 퍼센트로서 질량(%)로) Al2O3의 함유량이 증가할수록, 용접 금속의 아연 취성 균열의 생성이 더 엄격하게 억제된다. 아연계 합금 도금층에서 아연과 같은 저융점 구성 성분은 용접시 용접 입열량으로 인해 용융된다. 그러나, 아연은 다른 금속 또는 산화물과 함께 거의 고용체를 이루지 않으므로, 아연은 용접 금속의 응고가 완료될 때 균열에 유해한 저융점 금속으로 잔류한다. 그러나, 아연과 친화성을 갖는 Al2O3가 추가될 경우, Al2O3-ZnO계 산화물이 형성되어, 용접 금속으로부터 슬래그로서 제거된다. 따라서, 아연 취성 균열의 생성이 감소된다.
F 값이 20(본 발명의 범위 외측)정도로 낮을 때, 아연 취성 균열의 민감도가 상술한 바와 같이 증가하기 때문에 균열의 생성을 완전히 방지할 수는 없다. 균열의 생성은, F 값이 30 이상, 바람직하게는 40 이상(본 발명의 범위 이내)이고 또한, Al2O3가 플럭스 코어를 구비한 와이어에 슬래그 작용제로서 (와이어의 전체 질량에 대한 퍼센트로서 질량(%)로) 0.1%의 함유량까지 추가될 경우, 방지될 수 있 다. 이러한 관점에서, 와이어의 F 값은 30 이상, 바람직하게는 40 이상이어야 하고, 플럭스 코어를 구비한 와이어에서 슬래그 작용제로서 Al2O3의 함유량은 (와이어의 전체 질량에 대한 퍼센트로서 질량(%)로) 0.1%이어야 한다. 와이어 구성 성분에 관한 Al2O3의 함유량 및 F 값을 제한하는 이유를 상술하였다. 또한, 플럭스 코어를 구비한 와이어에 추가되는 슬래그 형성 작용제 및 금속 또는 합금의 형태의 구성 성분은 용접 작업성 및 용접 금속의 특성의 관점에서 다음과 같이 제한될 수 있다. 본 발명의 구성 성분의 제한 및 추가에 대한 이유를 이하에서 설명한다. 플럭스의 코어 및 외부 금속 시스에서 합금 또는 금속으로서 함유된 구성 성분 C, Si, Mn, Ni 및 Cr의 (와이어의 전체 질량에 대한 퍼센트로서 질량(%)로) 각 함유량은 다음과 같이 제한된다.
C : C 는 내식성에 유해하다. 하지만, C는 용접시 아크를 안정화하고 용접 금속의 강도를 확보하기 위해 0.01% 이상으로 추가된다. 함유량이 0.05%를 초과할 경우, 탄화물의 적절량이 석출되어, 용접 금속의 연성을 낮춘다. 따라서, 플럭스의 코어 및 외부 금속 시스 내에 함유된 C는 0.01 내지 0.05%이다.
Si : Si는 우수한 슬래그 가분성을 제공하기 위해 0.1% 이상으로 추가된다. 1.5% 이상으로 추가될 경우, 저융점을 갖는 SiO2계 산화물이 석출되어, 용접 금속의 연성을 낮춘다. 따라서, 플럭스의 코어 및 외부 금속 시스 내에 함유된 Si는 0.1 내지 1.5%이다.
Mn : Mn은 용접 금속의 연성을 제공하기 위해 실온에서 용접 금속 내의 오스 테나이트 상을 안정화시키기 위해 0.5% 이상으로 추가된다. Mn의 함유량이 3.0%를 초과할 경우, 슬래그 가분성은 열악해진다. 따라서, 플럭스의 코어 및 외부 금속 시스 내에 함유된 Mn은 0.5 내지 3.0%이다.
Ni : Ni는 오스테나이트를 형성하기 위한 요소이며 실온에서의 용접 금속 구조 내에 오스테나이트 상을 안정화시키고 용접 금속의 연성을 제공하기 위해 7.0% 이상으로 추가된다. Ni의 함유량이 10.0%를 초과할 경우, 균열에 유해한 P 및 S와 같은 적은 구성 성분의 가분성이 진척되어 균열의 형성을 용이하게 한다. 따라서, 플럭스의 코어 및 외부 금속 시스 내에 함유된 Ni는 7.0 내지 10.0%이고, 바람직하게는 8.0 내지 10.0% 이다.
Cr : Cr은 용접 금속의 내식성을 개선하기 위한 요소이다. 또한, Cr은 페라이트를 형성하기 위한 요소이고, 용접 금속을 페라이트 단상으로 응고시키고 용접 금속에서 아연 취성 균열의 형성을 억제하기 위해 추가된다. Cr 함유량은 용접 금속의 충분한 내식성을 얻기 위해 26.0% 이상이어야 한다. 일반적으로, 13.0%의 Cr 함유량은 스테인리스 강 용접 금속의 우수한 내식성을 제공할 수 있다. 하지만, 본 발명은 Cr을 함유하지 않는 아연 도금 강판에 적용되는 것이다. 용접 금속이 기본 재료와 함께 50%까지 희석되더라도 용접 금속의 Cr 함유량이 약 13%로 유지되는 점을 고려하면, Cr 함유량은 26.0% 이상으로 결정된다. 함유량이 30.0%를 초과할 경우, Cr23C6 또는 σ상과 같은 탄화물이 석출되어, 적절한 연성을 제공하는 것이 어렵다.
따라서, 플럭스의 코어 및 외부 금속 시스 내에 함유된 Cr은 26.0 내지 30.0%이다.
또한, 외부 금속 시스 및 플럭스의 코어에 함유된 C, Si, Mn, Ni 및 Cr 구성 성분의 (와이어의 전체 질량에 대한 퍼센트로서 질량(%)로) 각 함유량은 식 (1)로 정의되는 F 값이 30과 50 사이가 되도록 조정된다. 상술한 본 발명에서 정의된 구성 성분 이외의 구성 성분으로서, Mo, Cu, V, Nb, Bi 또는 N과 같은 합금 함유량이 0.2% - 항복 강도, 인장 강도, 연성(전체 연신율), 0℃에서의 샤르피 충격 흡수 에너지와 같은 기계적 특성, 및 슬래그 가분성을 개선하기 위해 추가된다.
하지만, N 함유량은 연성의 악화를 회피하기 위해 0.05% 이하이어야 한다. 또한, 용접부를 탈산시키기 위해 Al, Mg, Ti와 같은 탈산 작용제가 추가될 수 있다.
플럭스에서 슬래그 형성 작용제 내에 사용되는 구성 성분인 TiO2, SiO2, ZrO2, Al2O3에 관해, (와이어의 전체 질량에 대한 퍼센트로서 질량(%)로) 각 구성 성분의 함유량은 다음과 같이 제한된다.
TiO2 : TiO2의 함유량은 차폐성이 우수한 슬래그를 구비하기 위해 0.6% 이상이어야 한다. 하지만, 함유량이 2.6%를 초과할 경우, 스패터(spatter)가 증가한다. 따라서, TiO2의 함유량은 0.6 내지 2.6% 이어야 한다. (후술하는) SiO2 및 ZrO2 와 함께 TiO2의 적절량을 추가함으로써, 우수한 차폐성 및 슬래그의 가분성을 얻을 수 있다. 더 정확하게는, 용접 비드의 가장 자리에서 아연이 슬래그에 고착되더라도, 가장 자리가 적절한 두께의 슬래그로 덮여지기 때문에 슬래그가 용이하게 분리될 수 있다.
SiO2 : SiO2의 함유량은 가분성이 우수한 슬래그를 구비하기 위해 1.8% 이상이어야 한다. 하지만, 함유량이 3.8%를 초과할 경우, 스패터가 증가한다. 따라서, SiO2의 함유량은 1.8 내지 3.8%이어야 한다. ZrO2와 달리, SiO2는 아연이 고착되는지 여부에 상관없이 슬래그 가분성이 전체의 용접 비드에 전체적으로 우수하도록 추가된다.
ZrO2 : ZrO2의 함유량은, 용접 비드의 가장 자리에서 아연이 슬래그에 고착되더라도 우수한 슬래그 가분성을 구비하기 위해 1.0% 이상이어야 한다. 하지만, 함유량이 3.5%를 초과할 경우, 스패터가 증가한다. 따라서, ZrO2의 함유량은 1.0 내지 3.5% 이어야 한다.
Al2O3 : Al2O3의 함유량은 아연 취성 균열을 억제하고 또한, 아연 증기가 아크가 되더라도 아크를 안정하게 하기 위해 0.1% 이상이어야 한다. 그러나, 함유량이 1.0%을 초과할 경우, 스패터가 증가한다. 따라서, Al2O3의 함유량은 0.1 내지 1.0% 이어야 한다.
본 발명에서, 와이어의 코어의 플럭스 내에 SiO2, TiO2, ZrO2 및 Al2O3 이외의 슬래그 형성 작용제를 포함하는 것이 가능하다. 하지만, 전체 슬래그 형성 작용제 의 함유량이 10.0%를 초과할 경우, 용접시 스패터가 증가한다. 따라서, 슬래그 형성 작용제의 함유량은 10.0% 이하이어야 한다.
슬래그 형성 작용제의 함유량의 특정 하한은 없다. 하지만, 용접 금속의 표면에 우수한 슬래그 차폐성을 유지하기 위해 하한은 5%가 바람직하다.
슬래그 형성 작용제는 상술한 TiO2, SiO2, ZrO2, Al2O3 이외에, 추가의 기능을 갖는 다음의 구성 성분과 같은 구성 성분을 포함할 수 있다. 와이어 제조 공정의 플럭스 접합 제조에 사용되는 규산 칼륨 또는 규산 나트륨과 같은 고정 작용제, 아크 안정 작용제로 사용되는 Na2O, K2O, CaCO3, BaCO3과 같은 금속 탄화물 또는 금속 산화물, 슬래그의 점성을 조정하고 슬래그의 가분성을 확보하기 위해 사용되는 AlF3, NaF3, K2ZrF6, LiF과 같은 플루오르화물, FeO, Fe2O3와 같은 철 산화물이 슬래그 형성 작용제의 구성 성분으로서 포함될 수 있다.
본 발명에 기초한 아연계 합금 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어 제조 방법으로서는, 플럭스 코어를 구비한 와이어 제작에 대한 공지된 방법이 사용될 수 있다.
예를 들어, 상술한 금속 또는 합금을 포함한 오스테나이트계 스테인리스 강 재질의 (외부 금속 시스가 되는) 강 스트립으로부터 U 형상 강을 형성하고, 블렌딩(blending)에 의해 미리 준비된 충진 플럭스를 충진하고, 상술한 금속 또는 합금 및 슬래그 형성 작용제를 U 형상 거터(gutter)에서 혼합 및 건조한 후, U 형상 강 스트립을 튜브형으로 변형시키고 최종적으로 와이어를 얻기 위해 소정의 직경으로 신선(wire drawing)을 실행한다.
또한, 튜브형상 와이어의 시임을 용접하여, 플럭스 코어를 구비한 시임 리스 타입 와이어를 얻을 수 있다.
상술한 방법 이외의 방법으로, 성형 튜브가 외부 금속 시스로서 사용될 수 있다. 이 경우, 플럭스는 진동이 가해지는 튜브 내에 충진된 후 튜브는 소정의 직경으로 견인된다.
예
모든 농도는 지시되지 않는 한 와이어의 전체 질량에 대한 질량%이다. 아연계 합금 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 와이어의 시험 샘플은 표2 및 표3에 도시된 조성을 갖는다. 오스테나이트계 스테인리스 강의 외부 금속 시스의 화학 성분은 표1에 도시된다.
Figure 112009006788822-pct00001
Figure 112011037567217-pct00008
Figure 112011037567217-pct00009
증착된 금속 성능에 대해, 인장 시험은 JIS Z 3323에 의해 실행된다. 충격 시험은 JIS Z 3111에 의해 실행된다. 용접 조인트 성능 점검에서는, JIS G 3302의 용융 아연 도금 강판, JIS G 3317의 용융 아연 - 5% 알루미늄 합금 도금 강판, JIS G 3321의 용융 55% 알루미늄 - 아연 합금 도금 강판, 닛뽄 스틸 코퍼레이션에서 제작된 등록 상표 슈퍼 디마(Zn - 11% Al - 3% Mg - 0.2%Si 도금)이 사용된다. 용접시, 0 내지 3 mm의 간극이며 홈이 없고 동판 지지체를 갖는 3 mm 두께의 강판이 사용된다. 이후, JIS Z 3106에 의한 방사선 투과를 이용하여 용접 조인트부의 균열이 점검된다. 추가로 용접 금속의 아연 취성 균열을 점검하기 위해 염료 침투 흠 검사(dye penetration flaw inspection)가 실행된다. 시험 시간이 500 시간인 JIS Z 2371 소금 분무 검사(SST)에 의해 내식성이 점검된다. 증착된 금속의 연신율이 10% 이상일 경우 성능은 "우수함"으로 평가된다. 방사선 투과 및 염료 침투 흠 검사에서, 균열이 관측되지 않는 경우 "우수함"의 평가를 얻는다. 내식성에 대해, 시각적 관찰이 이루어진다. 붉은 녹이 기재 절단면를 제외한 열영향 구역 및 용접부에서 관측되지 않는 경우, "우수함"의 평가를 얻는다. 용접 작업성의 평가는 용접 조인트의 준비시 감각 분석(sensory evaluation)에 의해 이루어진다. 증착된 금속 시험에 대해, 용접 조인트 시험 및 용접 작업성을 점검하고, 다음의 조건, 용접 전류 : 120 내지 250A, 하향 용접 및 실드 가스 CO2가 사용된다. 결과는 표4 및 표5에 도시된다.
Figure 112011037567217-pct00010
Figure 112009006788822-pct00005
표4의 와이어 번호 0 내지 12는 본 발명의 예이고, 표5의 와이어 번호 13 내지 14는 비교예이다. 본 발명의 와이어 번호 0 내지 12에서는, C, Si, Mn, Ni, Cr, F 값의 적절량, TiO2, SiO2, ZrO2, Al2O3의 양 및 슬래그 작용제의 전체량으로 인해, 균열이 없고, 내식성이 우수하고, 연성이 우수하고, 용접 작업성이 우수하다.
비교예에서, 와이어 번호 13은 적은 Ni 함유량으로 인해 적은 연신율을 갖고, 또한 적은 TiO2량으로 인해 열악한 슬래그 가분성 및 슬래그 차폐성을 갖는다.
와이어 번호 14는 높은 Ni 함유량으로 인해 균열이 생기고, 높은 TiO2량으로 인해 많은 스패터를 갖는다.
와이어 번호 15는 적은 Cr 함유량으로 인해 적은 내식성을 갖고, 적은 SiO2 함유량으로 인해 열악한 슬래그 가분성을 갖는다.
와이어 번호 16은 높은 Cr 함유량으로 인해 적은 연신율을 갖고, 높은 SiO2 함유량으로 인해 많은 스패터를 갖는다.
와이어 번호 17은 적은 F 값으로 인해 균열이 생기고, 적은 ZrO2 함유량으로 인해 열악한 슬래그 가분성을 갖는다.
와이어 번호 18은 높은 F 값으로 인해 용접부에서의 적은 연성, 즉 적은 연신율을 갖고, 높은 ZrO2 함유량으로 인해 많은 스패터를 갖는다.
와이어 번호 19는 적은 C 함유량으로 인해 불안정한 아크를 갖고, 높은 Al2O3 함유량으로 인해 많은 스패터를 갖는다.
와이어 번호 20은 높은 C 함유량으로 인해 적은 연신율을 갖고, 적은 Al2O3 함유량으로 인해 불안정한 아크 및 적은 균열을 갖는다. 균열이 적은 이유는 F 값이 30 이상이기 때문이다.
와이어 번호 21은 적은 Si 함유량으로 인해 열악한 슬래그 가분성을 갖고, 전체 슬래그량이 적기 때문에 열악한 슬래그 차폐성을 갖는다.
와이어 번호 22는 높은 Si 함유량으로 인해 적은 연신율을 갖고, 전체 슬래그량이 너무 많기 때문에 많은 스패터를 갖는다.
와이어 번호 23은 적은 Mn 함유량으로 인해 적은 연신율을 갖는다.
와이어 번호 24는 높은 Mn 함유량으로 인해 열악한 슬래그 가분성을 갖는다.

Claims (10)

  1. 아연계 합금 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어이며,
    플럭스의 코어를 도금하는 스테인리스 강 재질의 외부 금속 시스를 포함하고,
    상기 외부 금속 시스 및 상기 플럭스는 전체로, 와이어의 전체 질량에 대한 퍼센트로서 질량(%)로,
    C : 0.01 내지 0.05%,
    Si : 0.1 내지 1.5%,
    Mn : 0.5 내지 3.0%,
    Ni : 7.0 내지 10.0%, 및
    Cr : 26.0 내지 30.0%를 포함하고,
    아래의 식(1)로 정의되는 F 값이 30 내지 50이며,
    F 값 = 3×[Cr%] + 4.5×[Si%] - 2.8×[Ni%] - 84×[C%] - 1.4×[Mn%] - 19.8 … 식(1)
    상기 플럭스는 와이어의 전체 질량에 대한 퍼센트로서 질량(%)로,
    TiO2 : 0.6 내지 2.6 %,
    SiO2 : 1.8 내지 3.8%,
    ZrO2 : 1.0 내지 3.5%, 및
    Al203 : 0.1 내지 1.0%를 슬래그 형성 작용제로 포함하고,
    상기 슬래그 형성 작용제는 와이어의 전체 질량의 10% 미만이고,
    상기 와이어는 Fe 및 잔류 불순물을 더 포함하는, 아연계 합금 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어.
  2. 제1항에 있어서, 상기 F 값이 40 내지 50인, 아연계 합금 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어.
  3. 제1항에 있어서, Ni의 함유량이 8.0 내지 10.0%인, 아연계 합금 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어.
  4. 제1항에 있어서, Mo, Cu, V, Nb, Bi 및 N으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함하는, 아연계 합금 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어.
  5. 제1항에 있어서, 상기 와이어는 N을 포함하고, N의 함유량은 0.05% 미만인, 아연계 합금 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어.
  6. 제1항에 있어서, Al, Mg 및 Ti로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 탈산 작용제를 더 포함하는, 아연계 합금 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어.
  7. 제1항에 있어서, 상기 슬래그 형성 작용제는 와이어의 전체 질량의 5 내지 10%인, 아연계 합금 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어.
  8. 제1항에 있어서, 상기 슬래그 형성 작용제는 규산 칼륨, 규산 나트륨, Na20, K20, CaCO3, BaCO3, AlF3, NaF, K2ZrF6, LiF, FeO 및 Fe2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함하는, 아연계 합금 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어.
  9. 제1항에 있어서, 상기 외부 금속 시스 및 플럭스는 전체로, 와이어의 전체 질량에 대한 퍼센트로서 질량(%)로,
    C : 0.013 내지 0.023%,
    Si : 0.18 내지 1.31%,
    Mn : 0.68 내지 2.58%,
    Ni : 7.22 내지 9.33%,
    Cr : 26.04 내지 29.66%을 포함하며,
    상기 F 값이 34 내지 47인, 아연계 합금 도금 강판 용접용 플럭스 코어를 구비한 스테인리스 강 와이어.
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