KR101180222B1

KR101180222B1 - 저온인성이 우수한 고강도 서브머지드 아크 용접금속부

Info

Publication number: KR101180222B1
Application number: KR1020100136113A
Authority: KR
Inventors: 한일욱; 김정길; 이봉근; 이홍길
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-09-05
Also published as: KR20120074150A

Abstract

본 발명은 우수한 저온인성 및 CTOD 특성을 확보할 수 있는 고강도 서브머지드 아크 용접금속부에 관한 것으로서, 중량%로, C: 0.05~0.1%, Si: 0.2~0.4%, Mn: 1.2~2.0%, Cr: 0.023~0.03%, Ti: 0.01~0.02%, Ni: 0.01~0.2%, Mo: 0.01%이하(0은 제외), B: 0.004~0.006%, Nb: 0.05%(0은 제외), V: 0.01%이하(0은 제외), N: 0.004~0.01%, P: 0.02%이하(0은 제외), S: 0.02%이하(0은 제외), O: 0.03~0.05%, Al: 0.001~0.005%, Cu: 0.1~0.2%을 포함하고,
Zr 및 Mg의 1종 또는 2종: 0.001~0.02%을 포함하고,
Y: 0.0005~0.01% 및 REM: 0.0005~0.01%의 1종 또는 2종을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 저온인성이 우수한 고강도 서브머지드 아크 용접금속부를 제공한다.

Description

저온인성이 우수한 고강도 서브머지드 아크 용접금속부{HIGH STRENGTH SUBMERGED ARC WELDED METAL HAVING EXCELLENT LOW TEMPERATURE TOUGHNESS}

본 발명은 해양구조물, 에너지, 조선, 건축, 교량 및 압력용기 등의 고장력강을 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding, SAW)함으로써 얻을 수 있는 저온인성이 우수한 고강도 서브머지드 아크 용접금속부에 관한 것이다.

최근 석유시추 환경이 육상과 온난지역에서 북극해의 해빙지역으로 이동함에 따라, 북극권 석유자원 개발이 본격화되고 있다. 이에 한랭지에서 운항이 가능한 선박을 개발하는 등 조업 환경 변화에 대한 적응 노력이 이루어지고 있는 실정이다.

석유시추 해양 구조물 또는 선박과 같은 대형구조물은 단 한번의 사고로 인해서도 환경피해가 극심하고 커다란 경제적 손실을 유발하기 때문에 안전에 관련된 요구특성(CTOD특성, 인성, 강도 등)에 대해서는 매우 엄격하게 관리되고 있는 실정이다. 또한, 소형 구조물 대비 대형 구조물이 더 경제적이기 때문에, 해양구조물 및 선박의 대형화에 대한 요구가 증가되고 있고, 이에 따라 사용되는 강재의 두께 역시 후물화되는 추세에 있다.

이러한 후물 강재를 가장 효율적으로 조립하는 공정은 용접기술이며, 특히 상대적으로 고입열 적용이 가능하여, 용착효율이 우수한 서브머지드 아크 용접이 많이 이용되고 있으며, 그 적용범위도 점차로 증가하고 있다.

대형선박 및 해양구조물의 용접에는 항복강도(YS) 320~460MPa이고, 인장강도(TS) 460~600MPa급 등의 폭넓은 강도의 용접재료가 적용되는데, 특히 고강도 후물재가 가혹한 환경에서 사용될 때에는 해양구조물 설계요구를 만족시켜야만 한다. 특히, 해양구조물의 제작시 가장 취약한 부분으로 알려진 용접이음부의 요구강도와 -40℃ 또는 -60℃에서의 저온인성 및 CTOD에 대한 요구가 엄격하기 때문에 해양구조물의 용접에는 저온인성의 확보가 가능한 용접재료가 주로 적용되어야 한다.

일반적으로 용접시 형성되는 용접금속부는 용접재료가 용융되면서 일부 강재가 희석되어 용융풀을 형성하다가 응고하면서 조대한 주상정 조직으로 발달한다. 또한 용접금속부는 조대한 오스테나이트 결정입계를 따라서 조대한 입계 페라이트, 위드만스테텐 페라이트(Widmanstatten ferrite), 마르텐사이트 및 도상 마르텐사이트(M-A, Martensite Austenite costituent) 등이 형성되기 때문에 모재 대비 용접금속의 저온인성이 악화되는 문제점이 있다.

따라서, 해양구조물용 용접재료 대부분은 -40℃~-60℃ 정도까지의 저온 인성을 확보하기 위해 탈산, 탈질, 탈수소 원소의 첨가와 함께 Ni, Ti 및 B 등의 합금 원소 복합 첨가를 통한 용접금속 조직의 미세화를 추구하고 있다. Ti-B-Ni 복합첨가에 의한 인성 향상수단은 CTOD와 같은 인성특성의 향상 요구에 대응하기 위해 1980년대초에 개발되어, 실용화가 이루어져 왔으며, 현재 YP 550MPa급 이하의 다양한 용접재료에서 채용되고 있다.

지금까지 관련 연구결과에 따르면, 용접금속에서 발생된 크랙(crack)은 조대한 입계 페라이트(GBF, grain boundary ferrite)를 따라 진행이 된다고 알려져 있다. 그러나, 입내에 생성된 침상 페라이트(accicular ferrite, 에시큘라 페라이트)의 경우는 입계 페라이트와는 달리 크랙의 진행을 억제한다고 알려져 있으며, 수많은 관련 연구들이 입계 페라이트의 형성을 억제하고, 입내 침상 페라이트의 형성을 촉진하는 개념을 통해 용접금속부의 저온인성을 향상시켜 왔다.

상기와 같이, 용접 구조물의 안정성을 확보하기 위해서는 용접금속부의 미세조직을 제어하여 용접금속부의 충격인성을 확보할 필요가 있다. 이를 해결하기 위한 수단으로는, 용접재료의 성분을 규정한 기술로 일본 공개특허 평8-10982호 및 일본 공개특허 평11-170085호 등이 있지만, 상기 특허들에서는 용접금속의 미세조직 및 입경 등을 만족할 수준만큼 제어하지 못하므로, -60℃ 정도의 극저온에서 충분한 인성확보가 어려운 문제가 있다.

본 발명의 일측면은 복합개재물을 적절히 형성할 수 있도록 조성을 제어함으로서, 우수한 저온인성 및 CTOD 특성을 확보할 수 있는 고강도 서브머지드 아크 용접금속부를 제공하고자 하는 것이다.

중량%로, C: 0.05~0.1%, Si: 0.2~0.4%, Mn: 1.2~2.0%, Cr: 0.023~0.03%, Ti: 0.01~0.02%, Ni: 0.01~0.2%, Mo: 0.01%이하(0은 제외), B: 0.004~0.006%, Nb: 0.05%(0은 제외), V: 0.01%이하(0은 제외), N: 0.004~0.01%, P: 0.02%이하(0은 제외), S: 0.02%이하(0은 제외), O: 0.03~0.05%, Al: 0.001~0.005%, Cu: 0.1~0.2%을 포함하고,

Zr 및 Mg의 1종 또는 2종: 0.001~0.02%를 포함하고,

Y: 0.0005~0.01% 및 REM: 0.0005~0.01%의 1종 또는 2종을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 저온인성이 우수한 고강도 서브머지드 아크 용접금속부를 제공한다.

본 발명에 의하면 고강도 물성을 가지면서, 동시에 우수한 저온 충격인성과 저온 CTOD 성능을 갖는 서브머지드 아크 용접금속부를 제공할 수 있다.

도 1의 (a) 및 (b)는 각각 발명예 1 및 비교예 1의 복합개재물 분포를 나타낸 사진임.
도 2는 V 개선으로 서브머지드 아크용접을 행한 후, 용접금속부를 나타낸 사진임.
도 3은 전자투과 현미경을 이용하여 발명예 1의 용접금속에 존재하는 개재물을 분석한 결과임.
도 4의 (a) 및 (b)는 각각 발명예 1 및 비교예 1의 미세조직을 나타낸 사진임.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명자들은 입내 에시큘라 페라이트(accicular ferrite, 침상 페라이트)의 분율이 증가할수록 용접금속부의 저온 충격인성 및 저온 CTOD값 향상에 효과적이라는 사실을 인지하고, 입내 에시큘라 페라이트 형성 촉진에 영향을 미치는 개재물 중 특히 (Ti, Y, REM)-산화물 또는 (Ti, Y, REM, Zr, Mg)-(O, S)계 개재물이 있음을 인지하였다. 이에 이들 개재물을 제어하기 위해서, 조성의 함량을 제어함으로서, 우수한 저온 충격인성 및 저온 CTOD값을 가짐과 동시에 높은 항복강도 및 인성을 갖는 용접금속부를 제공할 수 있다는 점에서 착안하여 본 발명에 이르게 되었다.

이하, 본 발명의 조성범위에 대하여 상세히 설명한다(중량%).

탄소(C)의 함량은 0.05~0.1%인 것이 바람직하다. C는 용접금속의 강도를 확보하고, 용접금속의 경화성을 확보하기 위하여 필수적인 원소이다. 그러나 C의 함량이 0.05% 미만이면 상기 효과를 발휘하기 어렵고, 0.1%를 초과하게 되면, 용접금속내 취한 조직을 형성시켜 저온균열이 발생하기 쉽고, 용접금속부의 충격인성이 크게 저하되는 문제점이 있기 때문의 그 함량을 0.05~0.1%로 하는 것이 바람직하다.

실리콘(Si)의 함량은 0.2~0.4%인 것이 바람직하다. Si의 함량이 0.2% 미만인 경우에는 용접금속내의 탈산효과가 불충분하고 용접금속의 유동성을 저하시키며, 그 함량이 0.4%를 초과하는 경우에는 용접금속내의 도상 마르텐사이트(M-A constituent)의 변태를 촉진시켜 저온 충격인성을 저하시키고 용접균열 감수성에 영향을 미치는 단점이 있으므로, 0.2~0.4%로 하는 것이 바람직하다.

망간(Mn)의 함량은 1.2~2.0%인 것이 바람직하다. Mn은 용접금속부에서 탈산작용 및 강도를 향상시키는 필수원소로 TiO-(Ti,Me)O 복합산화물 주위에 MnS형태로 석출하여 인성개선에 유리한 침상 페라이트의 생성을 촉진시키는 역할을 한다. 또한, Mn은 기지조직내에 치환형 고용체를 형성하여 기지를 고용강화시켜 강도 및 연성을 확보하는데, 이를 위해서는 1.2% 이상 함유하는 것이 바람직하나, 2.0%를 초과할 경우에는 취성의 저온변태 조직을 생성시키기 때문에 바람직하지 못하다.

크롬(Cr)의 함량은 0.023~0.03%인 것이 바람직하다. Cr은 강도향상에 기여하는 원소로서, 0.023% 이상 함유하여야만 원하는 강도를 가질 수 있다. 그러나, 0.03%를 초과하여 과다할 경우에는 탄, 질화물을 형성하여 용접금속부의 인성을 저해할 우려가 있으므로, 그 상한을 0.03%로 하는 것이 바람직하다.

티타늄(Ti)의 함량은 0.01~0.02%인 것이 바람직하다. Ti는 O와 결합하여 미세한 Ti산화물을 형성시킬 뿐만 아니라, 미세 TiN 석출물을 형성시키는 역할을 한다. 미세 TiO 산화물과 (Ti, Y, REM)-산화물, (Ti, Mn, Zr, Y, REM)-(O, S) 및 TiN복합석출물 효과를 얻기 위해서는 Ti를 0.01% 이상 첨가하는 것이 바람직하나, 0.02%를 초과하면 조대한 TiO 산화물 및 복합석출물이 형성되어 바람직하지 못하다.

니켈(Ni)의 함량은 0.01~0.2%인 것이 바람직하다. Ni은 고용강화에 의해 매트릭스(matrix)의 강도와 인성을 향상시키는 필수적인 원소이다. 이러한 효과를 위해서는 Ni이 0.01% 이상 함유되는 것이 바람직하지만, 0.2%를 초과하는 경우에는 소입성을 크게 증가시키고, 고온균열 발생의 가능성을 증가시키기 때문에 바람직하지 못하므로, 그 함량을 0.01~0.2%로 하는 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo)의 함량은 0.01%이하(0은 제외)로 하는 것이 바람직하다. Mo는 기지의 강도를 향상시키는 원소이지만, 0.01%를 초과하는 경우에는 그 효과가 포화되고, 용접경화성이 크게 증가하여 마르텐사이트 변태를 촉진시켜 용접 저온균열 발생을 초래하고, 인성을 저하시키는 문제가 있다.

보론(B)의 함량은 0.004~0.006%로 하는 것이 바람직하다. B는 소입성을 향상시키고, 용접금속부에 균일하게 분산되어 있는 복합개재물과는 달리 용접금속의 기재내로 고용되며, 결정입계로 확산되어 결정입계의 에너지를 낮게하여 결정립계에서 조대한 입계 페라이트 변태를 억제하는 역할을 한다. 이를 위해서는 0.004% 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 0.006%를 초과하면 그 효과가 포화되고, 용접경화성이 크게 증가하여 베이나이트 및 마르텐사이트 변태를 촉진시켜 용접 저온균열 발생 및 인성을 저하시키기 때문에 바람직하지 못하다.

니오븀(Nb) 및 바나듐(V)의 함량은 각각 0.05%이하(0은 제외), 0.01%이하(0은 제외)인 것이 바람직하다. 용접금속부의 Nb와 V의 함량이 각각 0.05%, 0.01%를 초고할 경우, 용접금속부에서는 V(C,N), Nb(C,N) 석출물이 형성되어 용접금속부 입계 페라이트 형성을 조장하고 용접금속붕에 카바이트(carbide)와 같은 경화상을 형성시켜 용접금속부의 인성에 나쁜 영향을 미치기 때문에, Nb 및 V의 함량을 각각 0.05%이하(0은 제외), 0.01%이하(0은 제외)로 하는 것이 바람직하다.

질소(N)의 함량은 0.004~0.01%로 하는 것이 바람직하다. N은 TiN 및 VN 석출물 등을 형성시키는데 필수불가결한 원소로, 미세 TiN 및 VN 석출물의 양을 증가시킨다. 특히 TiN, VN 석출물 크기 및 석출물 간격, 석출물 분포, 산화물과의 복합석출 빈도수, 석출물 자체의 고온 안정성 등에 현저한 영향을 미치기 때문에, 그 함량은 0.004%이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 그러나, 질소함량이 0.01%를 초과하면 그 효과가 포화되며, 용접금속내에 존재하는 고용질소량의 증가로 인해 인성저하를 초래하기 때문에 그 함량은 0.004~0.01%로 하는 것이 바람직하다.

인(P)의 함량은 0.02%이하(0은 제외)로 하는 것이 바람직하다. P는 용접시 고온균열을 조장하는 불순원소이기 때문에 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하므로, 그 상한을 0.020%로 하는 것이 바람직하다.

황(S)의 함량은 0.02/%이하(0은 제외)로 하는 것이 바람직하다. S는 MnS의 복합석출물을 석출시키는 원소이나, 0.02%를 초과하는 경우 FeS 등의 저융점화합물을 형성시켜 고온균열을 유발시킬 수 있기 때문에, 0.02% 이하로 하는 것이 바람직하다.

산소(O)의 함량은 0.03~0.05%로 하는 것이 바람직하다. O는 용접금속부 응고 중 Ti와 반응하여 Ti 산화물을 형성시키는 원소로, Ti산화물은 용접금속내에서 침상 페라이트의 변태를 촉진시킨다. O의 함량이 0.03% 미만이면 Ti 산화물을 용접금속부에 적절히 분포시키지 못하여, 0.05%를 초과하면 조대한 Ti 산화물 및 기타 FeO 등의 산화물이 생성되어 용접금속부 충격인성에 영향을 미치기 때문에 바람직하지 않다.

알루미늄(Al)의 함량은 0.001~0.005%로 하는 것이 바람직하다. Al은 탈산제로서 용접금속내에 산소량을 감소시키기 위해 필요한 원소이며, 고용질소와 결합하여 미세한 AlN 석출물을 형성시키기 위해서는 Al 함량을 0.001% 이상으로 한정하는 것이 바람직하다. 그러나, 그 함량이 0.005%를 초과하면 조대한 Al₂O₃를 형성시켜 인성개선에 필요한 TiO 산화물의 형성을 방해하는 문제점이 있다.

구리(Cu)의 함량은 0.1~0.2%로 하는 것이 바람직하다. Cu는 기지에 고용되어 고용강화 효과로 인하여 강도 및 인성을 확보하기 위해서 0.1% 이상 첨가하는 것이 유효하지만, 0.2%를 초과하는 경우에는 용접금속부에서 경화성을 증가시켜 인성을 저하시키기 때문에, 그 함량을 0.1~0.2%로 하는 것이 바람직하다.

지르코늄(Zr) 및 마그네슘(Mg)의 1종 또는 2종이 0.001~0.02%인 것이 바람직하다. 상기 Zr 및 Mg는 탈산, 탈질 원소로 Ti 및 Y, REM 등과 함께 복합석출 개재물을 형성해 고온 등축정 응고 및 초석 페라이트 핵생성 시드(seed) 역할을 행하므로, 그 합의 함량이 0.001% 이상으로 첨가하는 것이 바람직하나, 0.02%를 초과할 경우, 그 효과가 포화되고 내부산화물이 조대화되어 용접금속부 인성에 악영향을 미칠 수 있으므로, 그 함량을 0.001~0.02%로 하는 것이 바람직하다.

이트륨(Y)의 함량은 0.0005~0.01%인 것이 바람직하다. 상기 Y는 용접시 아크를 안정시키고 용접후 주상정 응고를 억제하고 등축정 응고를 촉진하여 응고과정에서 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하고, 옥사이드와 설파이드의 고용억제 및 개재물 미세화와 균일한 분포를 유도하며 (Ti, Mn, Zr, Y, REM)-(O, S)계의 복합개재물을 통해 침상페라이트 변태를 촉진하기 때문에 0.0005% 이상으로 첨가하지만, 0.01% 초과 첨가시 용접금속부의 베이나이트변태를 촉진시켜 저온인성에 나쁜 영향을 미치기 때문에 바람직하지 못하다.

희토류원소(REM)의 함량은 0.0005~0.01%인 것이 바람직하다. REM은 용접금속부에서 산화물을 형성시켜 오스테나이트 결정립 성장을 억제하고 입내 페라이트 변태를 촉진시킨다. 이를 위해, REM은 0.0005% 이상 첨가하는 것이 바람직하나, 그 함량이 0.01%를 초과하는 경우에는 대형 산화물을 형서하여 인성에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 상기 REM으로는 Ce, La, Hf 등이 있으며, 어떠한 종류를 사용하여도 무방하고, 상기 효과를 얻을 수 있다.

나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

상기 조성에서 상기 Y, REM, Ti, Zr, Mg, O 및 S는 아래의 관계식을 만족하는 것이 바람직하다.

0.05≤(Y+REM)/Ti≤2

(Y+REM)/Ti의 값이 0.05 미만인 경우에는 용접금속내에 오스테나이트 결정립 성장억제 및 침상 페라이트 변태에 요구되는 (Ti, Mn, Zr, Y, REM)-(O, S)계의 복합개재물 형성이 불충분하며, TiO 산화물내에 함유하는 Y 및 REM 비율이 작아져서 등축정형성과 오스테나이트 미세화 및 침상 페라이트 핵생성 자리로서의 기능을 상실하여 인성 개선에 유효한 효과가 나타나지 않는다. 반면, (Y+REM)/Ti의 값이 2를 초과하는 경우에는 용접금속내에 Ti, Y 및 REM이 과다하게 고용됨에 따라 용접금속부의 인성이 저하되므로, 그 상한을 2로 하는 것이 바람직하다.

0.17≤(Ti+Y+REM+Zr+Mg)/(O+S)≤1.2

(Ti+Y+REM+Zr+Mg)/(O+S)의 값이 0.17 미만인 경우에는 용접금속내에 오스테나이트 결정립 성장억제 및 침상 페라이트 변태에 요구되는 (Ti, Y, REM)-산화물 및 (Ti, Mn, Zr, Y, REM)-(O, S)계의 복합개재물 형성이 불충분하며, TiO 산화물내에 함유하는 Ti 비율이 작아져서 침상 페라이트 핵생성 자리로서의 기능을 상실하여 인성개선에 유효한 침상 페라이트 상분율이 저하된다. 반면, (Ti+Y+REM+Zr+Mg)/(O+S)의 값이 1.2를 초과하는 경우에는 용접금속내에 조대한 복합개재물을 다량 생성 또는 성장시킴에 따라 용접금속부의 충격 및 파괴인성이 저하되므로, 그 상한을 1.2로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 용접금속부는 (Ti, Y, REM)-산화물 또는 (Ti, Y, REM, Zr, Mg)-(O, S)계 개재물을 포함하고, 상기 산화물 또는 개재물은 평균입경 0.01~0.8㎛인 (Ti, Y, REM)-산화물 또는 (Ti, Y, REM, Zr, Mg)-(O, S)계 개재물이 전제 산화물 또는 개재물에 대하여 50% 이상인 것이 바람직하다. 상기 산화물 또는 개재물이 50% 이상 용접금속부에 균일하게 분포되는 경우, 입내 침상 페라이트의 핵생성 자리로서 기능을 발휘하여 용접부 강도 및 인성개선에 유효한 미세 침상 페라이트의 상분율 증가에 유효하지만, 50% 미만인 경우에는 오스테나이트에서의 입내 침상 페라이트 핵생성 자리로서의 기능이 불충분하여 구오스테나이트 입계에서의 조대한 입계 페라이트 및 위드만스테텐 페라이트 조직 등이 증가하게 되어 저온인성이 저하되는 문제가 있다.

본 발명의 용접금속부 구오스테나이트의 평균입자의 폭 크기가 400㎛이하인 것이 바람직하다. 상기 용접금속부 구오스테나이트의 평균입자의 폭 크기가 400㎛ 이하이면 용접부 저온충격 및 CTOD 시험시 노치 및 크랙 선단에서의 다방정화로 파괴전파에 대한 저항성이 증가하게 되어, 저온 충격 및 CTOD 성능 향상에 유효하지만, 400㎛를 초과하는 경우에는 조대한 구오스테나이트로 노치 및 크랙 선단에서의 파괴전파에 대한 저항성이 낮아지게 되므로, -40℃ 이하의 저온 충격 및 CTOD 성능이 급격히 저하하게 된다.

본 발명의 용접금속부 미세조직은 면적분율로 75% 이상의 침상 페라이트(에시큘라 페라이트, accicular ferrite)와 나머지 입계 페라이트를 포함한다. 용접금속부의 침상 페라이트 분율이 75% 이상이면, 용접부 강도 및 인성개선에 유효한 미세한 침상 페라이트가 미세조직을 지배하게 되어 저온 충격 및 CTOD 성능을 향상시키지만, 75% 미만인 경우, 오스테나이트에 조대한 입계 페라이트 및 위드만스테텐 페라이트 조직 등이 증가하여 저온 노치 충격 인성 및 CTOD 파괴 저항성이 저하하게 되어 저온인성을 확보할 수 없게 된다.

이하, 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 이에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

서브머지드 아크 용접을 행한 후, 용접금속부의 화학성분을 측정하여 하기 표 1 및 2에 나타내었다. 서브머지드 아크 용접의 용접 입열량은 표 2에 나타난 바와 같다. 하기 표 1에서 식 1은 (Y+REM)/Ti을, 식 2는 (Ti+Y+REM+Zr+Mg)/(O+S)을 각각 나타낸 것이다.

상기와 같이 얻어진 용접금속부의 기계적 성질을 평가하기 위해서 시험편들을 확보하고, 충격시험편은 KS규격(KS B 0809) 3호 시험편에 준하여 제조하였다. 충격인성에 중요한 영향을 주는 복합개재물의 분율과 분포는 화상분석기(image analyzer)와 전자현미경을 이용한 포인트 카운팅(point counting)법으로 측정하였다. 또한, 전자현미경을 이용하여 용접금속부의 구오스테나이트 평균입자의 폭크기와 미세조직의 종류 및 분율을 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Mo	Al	Nb	Ti	V	B	O	N	Mg+ Zr	Y	REM	식1	식2
발명예1	0.0766	0.2638	1.67	0.011	0.006	0.0247	0.091	0.124	0.0016	0.0024	0.0046	0.0177	0.0085	0.0049	0.046	0.0055	0.0074	0.007	0.003	0.56491751	0.675
발명예2	0.073	0.237	1.56	0.011	0.007	0.028	0.137	0.146	0.001	0.0018	0.004	0.013	0.01	0.0055	0.034	0.0041	0.0055	0.009	0.0008	0.731343284	0.7
발명예3	0.071	0.264	1.58	0.012	0.006	0.026	0.157	0.113	0.001	0.0021	0.005	0.015	0.009	0.0058	0.034	0.0044	0.0080	0.0009	0	0.059602649	0.6
발명예4	0.072	0.2076	1.6	0.013	0.007	0.0237	0.131	0.144	0.002	0.0025	0.004	0.014	0.007	0.0044	0.035	0.005	0.007	0.001	0	0.070921986	0.526190476
비교예1	0.061	0.134	1.47	0.02	0.028	0.023	0.596	0.328	0.003	0.013	0.004	0.003	0.005	0.0027	0.066	0.0058	0.012	0	0.0002	0.066667	0.161702128
비교예2	0.078	0.419	1.59	0.007	0.012	0.041	0.089	0.088	0.023	0.009	0.009	0	0.008	0.0037	0.067	0.0048	0.007	0	0	0	0.089873418
비교예3	0.078	0.194	1.56	0.017	0.028	0.026	0.08	0.099	0.018	0.013	0.006	0.004	0.007	0.0046	0.056	0.004	0.007	0.0122	0	3.485714286	0.270238095

구분	용접입열량 (KJ/㎜)	복합개재물 (0.1~0.8㎜)		구오스테나이트 크기	용접금속부 미세조직(%)
구분	용접입열량 (KJ/㎜)	분율(%)	분포	(㎛)	침상 페라이트	입계 페라이트
발명예1	4.5	55	균질	365	80.8	19.2
발명예2	4.5	76	균질	321	78.0	22
발명예3	4.5	69	균질	305	83.7	16.3
발명예4	4.5	70	균질	210	83.4	16.6
비교예1	4.5	41	불균질	468	64.8	35.2
비교예2	4.5	33	불균질	513	63.1	36.9
비교예3	4.5	38	불균질	525	70.6	29.4

도 1의 (a) 및 (b)는 각각 상기 발명예 1과 비교예 1의 복합개재물 분포를 나타내는 미세조직을 관찰한 사진이다. 도 1 및 표 2를 통해 알 수 있듯이, 발명예 1은 비교예 1에 비하여 미세한 복합개재물이 미세하게 분포되어 있음을 알 수 있다. 물론 다른 발명예들도 비교예들에 비해 높은 분율의 복합개재물이 미세하게 분포되어 있음을 알 수 있다.

도 3은 전자투과 현미경을 이용하여 발명예 1의 용접금속에 존재하는 개재물을 분석한 결과이다. 도 3를 보면, 분석된 개재물은 Ti-Zr-Y 산화물인 것을 확인할 수 있다. 도 4의 (a) 및 (b)는 각각 발명예 1과 비교예 1의 용접금속의 미세조직을 나타낸 사진이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 발명예 1의 경우에는 입계 페라이트(GBF)의 분율이 비교예 1에 비해서 월씬 적은 것을 알 수 있다.

한편, 표 3은 각 시험편에 대하여 CTOD측정값과, 샤르피 충격시험을 행하고 그 결과를 나타낸 것이다. 상기 CTOD 시험을 위해 BS 7448-1에 의거하여 도 2와 같이 -40℃, -60℃에서 싱글(single) V 개선으로 두께 100mm, 입열량 4.5KJ/mm로 용접 후, 용접부에 노치를 만들고, 프리크랙(Pre-crack)길이를 1.3mm~2.5mm로 하여 CTOD값을 측정하였다. 충격인성은 -40℃, -60℃에서 샤르피충격시험을 통하여 측정하였다.

구분	CTOD값 (㎜)		저온충격인성(J)
구분	-40℃	-60℃	-40℃	-60℃
발명예1	1.02	1.65	132	122
발명예2	1.84	1.48	155	105
발명예3	1.61	0.76	168	98
발명예4	0.98	0.49	135	96
비교예1	0.01	0.01	90	42
비교예2	0.23	0.08	71	45
비교예3	0.17	0.11	54	31

표 3에 나타난 바과 같이, 본 발명이 제안하는 용접금속부인 발명예 1 내지 4는 CTOD 값이 0.5㎜이상을 나타내고 있으며, 이를 통해 파괴진전에 대한 저항성이 높다는 것을 확인할 수 있으며, 저온충격 특성 또한 비교예에 비해 우수한 것을 확인할 수 있다.

Claims

중량%로, C: 0.05~0.1%, Si: 0.2~0.4%, Mn: 1.2~2.0%, Cr: 0.023~0.03%, Ti: 0.01~0.02%, Ni: 0.01~0.2%, Mo: 0.01%이하(0은 제외), B: 0.004~0.006%, Nb: 0.05%(0은 제외), V: 0.01%이하(0은 제외), N: 0.004~0.01%, P: 0.02%이하(0은 제외), S: 0.02%이하(0은 제외), O: 0.03~0.05%, Al: 0.001~0.005%, Cu: 0.1~0.2%을 포함하고,
Zr 및 Mg의 1종 또는 2종: 0.001~0.02%를 포함하고,
Y: 0.0005~0.01% 및 REM: 0.0005~0.01%의 1종 또는 2종을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 저온인성이 우수한 고강도 서브머지드 아크 용접금속부.
청구항 1에 있어서,
상기 Y, REM, Ti, Zr, Mg, O 및 S는
0.05≤(Y+REM)/Ti≤2
0.17≤(Ti+Y+REM+Zr+Mg)/(O+S)≤1.2
의 관계를 만족하는 저온인성이 우수한 고강도 서브머지드 아크 용접금속부.
청구항 1에 있어서,
상기 용접금속부는 (Ti, Y, REM)-산화물 또는 (Ti, Y, REM, Zr, Mg)-(O, S)계 개재물을 포함하는 저온인성이 우수한 고강도 서브머지드 아크 용접금속부.
청구항 3에 있어서,
상기 (Ti, Y, REM)-산화물 또는 (Ti, Y, REM, Zr, Mg)-(O, S)계 개재물은 평균입경 0.01~0.8㎛인 산화물 또는 개재물이 전제 산화물 또는 개재물양에 대하여 50% 이상인 저온인성이 우수한 고강도 서브머지드 아크 용접금속부.
청구항 1에 있어서,
상기 용접금속부는 구오스테나이트의 평균입자의 폭 크기가 400㎛이하인 저온인성이 우수한 고강도 서브머지드 아크 용접금속부.
청구항 1에 있어서,
상기 용접금속부의 미세조직은 면적분율로 75%이상의 에시큘라 페라이트(accicular ferrite) 및 나머지는 입계 페라이트를 포함하는 저온인성이 우수한 고강도 서브머지드 아크 용접금속부.
청구항 1에 있어서,
상기 용접금속부는 -60℃에서의 CTOD 특성이 0.45㎜이상인 저온인성이 우수한 고강도 서브머지드 아크 용접금속부.
청구항 1에 있어서,
상기 용접금속부는 -60℃에서의 저온충격인성이 90J 이상인 저온인성이 우수한 고강도 서브머지드 아크 용접금속부.