KR101197990B1

KR101197990B1 - 용접용 Ｎｉ기 합금 솔리드 와이어

Info

Publication number: KR101197990B1
Application number: KR1020110019620A
Authority: KR
Inventors: 데츠나오 이케다; 마사키 시마모토; ? 이즈타니; 히로아키 가와모토; 유시 사와다; 히로히사 와타나베
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2012-11-05
Also published as: KR20120057485A

Abstract

본 발명은, 용접 금속에 있어서의 연성 저하 재열 균열에 대한 우수한 내균열성을 갖고, 용접 금속의 인장 강도를 모재와 동등 이상으로 높일 수 있음과 아울러, 용접 작업성이 우수한 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어를 제공한다. 본 발명의 솔리드 와이어는, Cr: 27.0 내지 31.5질량%, Ti: 0.50 내지 0.90질량%, Nb: 0.40 내지 0.70질량%, Ta: 0.10 내지 0.30질량%, C: 0.010 내지 0.030질량% 및 Fe: 5.0 내지 11.0질량%를 함유하고, Al: 0.10질량% 이하, N: 0.020질량% 이하, Zr: 0.005질량% 이하, P: 0.010질량% 이하, S: 0.0050질량% 이하, Si: 0.50질량% 이하, Mn: 1.00질량% 이하로 규제하며, 잔부는 Ni 및 불가피적 불순물인 조성을 갖는다.

Description

용접용 Ｎｉ기 합금 솔리드 와이어{Ni BASE ALLOY SOLID WIRE FOR WELDING}

본 발명은 Ni-30Cr계의 조성을 갖는 Ni기 합금을 용접하기 위한 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어에 관한 것이다.

원자력 발전용 가압수형 경수로를 구성하는 압력 용기 및 증기 발생기 등의 고압용 용기에 있어서는, 종래의 Ni-15Cr계 합금에서 문제가 되는 SCC(응력 부식 균열)에의 대책으로서, 그 구성 재료로서 Ni-30Cr계 합금이 채용된다. 이 고압용 용기의 용접에는 모재와 동등한 내식성이 요구된다는 점에서, 모재와 동일 성분계의 용가재(溶加材) 필요하게 된다.

그러나, Ni-30Cr계 용가재를 사용하여 육성 용접(肉盛溶接, overlay welding) 또는 이음새 용접(joint welding)을 한 경우, 다패스 용접에 의한 용착 금속이 적층되는 용접부의 내부에서, 미소한 균열이 발생하기 쉽다고 하는 문제점이 있다. 이 입계 균열은, 용접 금속이 응고하는 과정에서 발생하는 응고 균열과 구별하여, 「연성 저하 재열 균열」이라고 불리고, 응고가 완료된 온도역에서 발생한다고 하는 특질이 있다. 이 연성 저하 재열 균열은, 약 30% 이상의 Cr을 포함하는 고 Cr계 Ni기 합금의 용접 금속에서, 용접시에 반복 재열을 받으면, 결정 입계에 조대한 Cr 탄화물이 석출되어, 입계 강도, 즉 서로 이웃한 결정립끼리의 결합력이 약해진 결과, 용접시에 인장열 응력 또는 전단열 응력이 입계에 작용하면, 입계가 개구되는 것이다.

이 연성 저하 재열 균열을 방지하는 종래 기술로서, 특허문헌 1에서는 희토류 원소를 첨가하고 있다. 이 특허문헌 1에는, C: 0.15질량% 이하, Ni: 30.0 내지 80.0질량%, Si: 1.00질량% 이하, Mn: 1.5질량% 이하, Cr: 14.0 내지 31.0질량%, Fe: 51질량% 이하, R(단, R은 희토류 원소의 1종 이상을 나타낸다): 0.05질량% 이하, P: 0.030질량% 이하, S: 0.015질량% 이하를 포함하는 용접용 Ni기 합금, 또는 C: 0.05질량% 이하, Ni: 58질량% 이하, Si: 0.5질량% 이하, Mn: 0.5질량% 이하, Cr: 27.0 내지 31.0질량%, Fe: 7.0 내지 11.0질량%, R(단, R은 희토류 원소의 1종 이상을 나타낸다): 0.01 내지 0.02질량%, P: 0.030질량% 이하, S: 0.015질량% 이하, Cu: 0.5질량% 이하를 포함하는 용접용 Ni기 합금이 개시되어 있다.

또한, 연성 저하 재열 균열을 방지하는 종래 기술로서, 특허문헌 2, 3, 4에서는, P, S, Al, Ti, Nb, Zr 등의 성분 범위를 규정하고 있다. 즉, 특허문헌 2에는, 용착물의 제조에 사용하기 위한 니켈 크로뮴 철 합금으로서, Cr: 약 27 내지 31.5질량%, Fe: 약 7 내지 11질량%, C: 약 0.005 내지 0.05질량%, Mn: 약 1.0질량% 이하, Nb: 약 0.60 내지 0.95질량%, Si: 0.50질량% 미만, Ti: 0.01 내지 0.35질량%, Al: 0.01 내지 0.25질량%, Cu: 0.20질량% 미만, W: 1.0질량% 미만, Mo: 1.0질량% 미만, Co: 0.12질량% 미만, Ta: 0.10질량% 미만, Zr: 약 0.10질량% 이하, S: 0.01질량% 미만, B: 0.01질량% 미만, P: 0.02질량% 미만을 함유하고, 잔부가 Ni 및 불순물인 합금이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 3에는, C: 0.04질량% 이하, Si: 0.1 내지 0.5질량%, Mn: 0.2 내지 1질량%, Cr: 28 내지 31.5질량%, Mo: 0.5질량% 이하, Cu: 0.3질량% 이하, Nb: 0.1질량% 이하, Al: 0.5 내지 1.1질량%, Ti: 0.5 내지 1질량%, Al+Ti: 1.5질량% 이하, Fe: 7 내지 11질량%, W 및 V를 최대 2종, 합계 0.05 내지 0.5질량%를 함유하고, 또한 불가피적 불순물로서 Co: 0.1질량% 이하, P: 0.02질량% 이하, S: 0.015질량% 이하, O: 0.1질량% 이하, N: 0.03 내지 0.3질량%를 포함하며, 잔부가 Ni로 이루어지는 조성을 갖는 Ni기 고 Cr 합금용 용가재가 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 4에는, C: 0.04중량% 이하, Si: 0.01 내지 0.5중량%, Mn: 7중량% 이하, Cr: 28 내지 31.5중량%, Nb: 0.5중량% 이하, Ta: 0.005 내지 3.0중량%, Fe: 7 내지 11중량%, Al: 0.01 내지 0.4중량%, Ti: 0.01 내지 0.45중량%, V: 0.5중량% 이하를 함유하고, 불가피적 불순물로서 P: 0.02중량% 이하, S: 0.015중량% 이하, O: 0.01중량% 이하, N: 0.002 내지 0.1중량%를 함유하고, 잔부가 Ni로 이루어지는 조성을 갖는 Ni기 고 Cr 합금 용가재가 개시되고, 또한 B, Zr, 희토류 원소로부터 선택된 1종 이상: 0.01중량% 이하를 함유하고, Ca: 0.01중량% 이하, Mg: 0.01중량% 이하를 추가로 포함할 수도 있다는 것이 개시되어 있다.

한편, Ni기 합금끼리, 또는 Ni기 합금과 탄소강의 이재(異材) 조합을 맞대기 용접(butt welding)한 경우, 및 필릿 용접(fillet welding)한 경우의 용접 이음으로는, 모재와 비교하여, 용접 금속의 인장 강도가 뒤떨어지기 때문에, 기기 설계에 제약이 필요하게 된다고 하는 문제점이 있었다. 그래서, 인장 강도를 향상시킬 목적으로, Al과 Ti를 각각 0.5 내지 3.0질량% 첨가한 고 Cr 함유 Ni기 합금 용접 재료가 개시되어 있다(특허문헌 5). 이 특허문헌 5에서는, C: 0.04질량% 이하, Si: 0.50질량% 이하, Mn: 1.00질량% 이하, Cr: 28.0 내지 31.5질량%, Mo: 0.50질량% 이하, Fe: 7.0 내지 11.0질량%, Cu: 0.30질량% 이하, Nb+Ta: 0.10질량% 이하, Al: 0.5 내지 3.0질량%, Ti: 0.5 내지 3.0질량%를 함유하고, 또한 불가피적 불순물로서, P: 0.020질량% 이하, S: 0.015질량% 이하를 포함하며, 잔부가 Ni로 이루어지는 조성을 갖는 고 Cr 함유 Ni기 합금 용접 재료가 개시되어 있다.

일본 특허공개 제2005-288500호 공보 일본 특허공표 제2003-501557호 공보 일본 특허공개 제1996-174269호 공보 재공표 WO 2005/070612호 공보 일본 특허공개 제2010-172952호 공보

그러나, 전술한 특허문헌 1 내지 4에 기재된 Ni기 고 Cr 합금용 용접 재료는, 연성 저하 재열 균열을 충분히 방지할 수 있는 것이 아니었다. 또한, 특허문헌 5에 기재된 고 Cr 함유 Ni기 합금 용접 재료는, Al 및 Ti를 함유하기 때문에, 용접시에 슬래그가 다량으로 발생하여, 용접 작업성이 나쁘다고 하는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 용접 금속에 있어서의 연성 저하 재열 균열에 대한 우수한 내균열성을 갖고, 용접 금속의 인장 강도를 모재와 동등 이상으로 높일 수 있음과 아울러, 용접 작업성이 우수한 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어는, Cr: 27.0 내지 31.5질량%, Ti: 0.50 내지 0.90질량%, Nb: 0.40 내지 0.70질량%, Ta: 0.10 내지 0.30질량%, C: 0.010 내지 0.030질량%, 및 Fe: 5.0 내지 11.0질량%를 함유하고, Al: 0.10질량% 이하, N: 0.020질량% 이하, Zr: 0.005질량% 이하, P: 0.010질량% 이하, S: 0.0050질량% 이하, Si: 0.50질량% 이하, Mn: 1.00질량% 이하로 규제하며, 잔부는 Ni 및 불가피적 불순물인 조성을 갖는 것을 특징으로 한다.

이 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어는, 바람직하게는 Ti+Nb+Ta: 총량으로 1.20 내지 1.90질량%, Al: 0.05질량% 이하, C: 0.015 내지 0.030질량%, N: 0.002 내지 0.020질량%, Mg: 0.0005 내지 0.015질량%, Co: 0.05질량% 이하, Ca: 0.002질량% 이하이다.

도 1은 다층 육성 용접을 설명하는 도면이다.
도 2는 용착 시험의 시험체의 개선(開先) 형상을 나타내는 도면이다.
도 3은 솔리드 와이어의 Ti+Nb+Ta의 함유량과, 인장 강도 및 0.2% 내력의 관 계를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다. 전술한 것처럼, 연성 저하 재열 균열의 발생 원인은 입계에 석출되는 조대한 Cr 탄화물에 있다. 이 때문에, Cr 탄화물의 입계 석출을 억제하는 것이, 연성 저하 재열 균열 방지의 관점에서 중요하다. 또한, 인장 강도의 향상에는, Ni기 고 Cr 합금의 모상의 고용 강화 및 석출물에 의한 석출 강화가 유효하다고 생각했다. 그래서, Cr보다도 탄화물 형성능이 높고, 상기 석출 강화 기구를 기대할 수 있는 원소로서, Ti, Nb, Ta의 3원소에 착안하여, 그의 적정한 첨가량을 검토했다. 그 결과, Ti, Nb, Ta를 동시에 첨가하면, Ti, Nb, Ta의 미세한 복합 탄화물이 입계에 석출되어, 각 성분을 단독으로 첨가하는 경우보다, 재열 균열을 효과적으로 억제할 수 있는 것이 밝혀졌다.

또한, Ti, Nb, Ta 이외에, Fe, Al, Mg, Zr 등의 금속 원소 이외의 C, N, P, S 등의 비금속 경원소의 첨가량에 관해서도 그 효과를 실험적으로 조사했다.

Cr을 28.0 내지 31.5질량% 함유하는 Ni 합금 잉곳을 용제한 후, 단조 및 압연 공정을 거쳐, 신선 가공을 행하여, 직경이 1.2mm인 용접용 솔리드 와이어를 제조했다. 상기 용제에서는, 사용하는 원료의 첨가 비율을 변경하는 것에 의해, Ni, Cr, Fe, Ti, Nb, Ta, Al, Mg, Zr, C, N, P, S의 농도를 조정했다. 제작한 솔리드 와이어를 용가재로서 사용하여, 자동 티그 용접에 의해 용착 금속을 제작하고, 내균열성, 인장 강도 및 용접 작업성 등을 비교 조사한 결과, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하, 본 발명의 솔리드 와이어의 조성 한정 이유에 대하여 설명한다.

「Cr: 27.0 내지 31.5질량%」

Cr의 함유량은, ASTM B163, B166 등에 규정되는 UNS N06690재의 성분 범위인 27.0 내지 31.0질량%, 및 ASME SFA 5.14 ERNiCrFe-7, ERNiCrFe-7A에서 규정되는 28.0 내지 31.5질량%의 쌍방을 만족하는 범위로서, 27.0 내지 31.5질량%로 한다.

「Ti: 0.50 내지 0.90질량%」

Ni 합금 중의 Ti는 고용 강화 원소이며, 인장 강도의 향상에 유효하다. 또한, 용접시의 재열 또는 용접 후 열처리(PWHT)를 받으멸, γ’상 또는 Ni₃Ti의 석출에 의한 강화가 기능하기 때문에, 인장 강도에 대하여 매우 유효하다. 또한, Ti는 C(탄소)와 결합하기 쉬워, Cr₂₃C₆ 및 Cr₇C₃ 등의 Cr 탄화물의 입계 석출에 기인한 입계 부식을 억제하는 효과가 있다. 또한, Ti는 N(질소)과 결합하기 쉬워, 용접시의 용융 금속 내에서 정출하는 TiN이 응고핵이 됨으로써 응고 조직의 결정 크기가 미세해져, 더 인장 강도를 높인다. 한편, Ti는 O(산소)와 결합하기 쉽기 때문에, 용접시의 실드가 불완전하면, 용융 금속 중의 Ti가 대기 중의 O와 산화물을 형성하여 슬래그로서 부상하고, 용접 비드의 표면에 고착하여, 다패스 용접시의 융합 불량 결함의 원인이 되기 때문에, 보다 바람직하게는 0.50 내지 0.90질량% 첨가한다.

「Nb: 0.40 내지 0.70질량%」

Ni 합금 중의 Nb는 고용 강화 원소이며, 인장 강도 및 크리프 파단 강도의 향상에 유효하다. 특히, 일정한 C와 공존하면, 결정립 내 및 입계에 NbC가 석출되어, 인장 강도가 더 향상한다. 또한, Ti와 마찬가지로 C와 결합하기 쉬워, Cr₂₃C₆ 및 Cr₇C₃ 등의 입계 석출에 의한 입계 부식을 억제하는 효과가 있다. 한편, 응고 편석에 의해 입계에 농화된 Nb는 저융점의 금속간 화합물(Ni₃Nb)을 형성하기 때문에, 용접시의 응고 균열 또는 재열 균열의 원인이 된다. 이 때문에, Nb는 0.40 내지 0.70질량%의 범위로 첨가한다.

「Ta: 0.10 내지 0.30질량%」

Ni 합금 중의 Ta는 고용 강화 원소이며, 인장 강도 및 크리프 파단 강도의 향상에 유효하다. 일정한 C가 공존하면, 결정립 내 및 입계에 TaC가 석출되어, 인장 강도가 향상한다. 특히, Ta는 고온 하에서, Nb보다 탄화물을 형성하기 쉽기 때문에, 미량의 첨가에 의해 인장 강도를 향상시킬 수 있고, 또한 산화물의 형성능이 낮기 때문에, 용접시에 슬래그가 되기 어려워서, Ta를 0.10질량% 이상 첨가한다. 한편, 과잉의 Ta 첨가는, 저융점의 금속간 화합물(Ni₂ Ta)을 형성시키기 때문에, Ta의 첨가량은 0.30질량% 이하로 한다.

[Ti+Nb+Ta]

Ti, Nb, Ta를 동시에 첨가하면, Ti, Nb, Ta의 100nm 이하의 미세한 복합 탄화물이 입계에 석출되어, 각 성분을 단독으로 첨가하는 경우보다, 재열 균열을 효과적으로 억제할 수 있다. 이 때문에, Ti, Nb, Ta는 반드시 모든 원소를 복합 첨가한다. 한편, 가령 이들 3원소를 복합 첨가했다고 해도, 전술한 개개의 원소 첨가량이 각각 규정되는 하한값 미만이거나 또는 상한값을 초과하면, 원하는 특성을 발휘하지 않게 된다. 따라서, 본 발명에 있어서는, 이들의 3원소를 복합 첨가하는 것이 중요한 것에 더하여, 각 원소의 개별 첨가량도 전술한 소정 범위의 적절한 양으로 하는 것이 매우 중요하다. 이들의 3원소를 복합첨가하는 경우에, 특히 이들 원소가 합계로 1.20질량% 이상 포함되면, 인장 강도를 620N/mm² 이상으로 할 수 있기 때문에 보다 바람직하다. Ti, Nb, Ta의 합계 첨가량은, 각 원소의 개별 첨가량 상한값의 합인 1.90질량% 이하이다.

도 3은 인장 시험에 의해 측정한 인장 강도 및 0.2% 내력과, Ti+Nb+Ta 함유량의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 도 3에 있어서, 모든 데이터는 Ti+Nb+Ta 이외의 원소 조성이 본 발명의 범위에 들어가는 것이다. 이와 같이, 다른 원소의 조성이, 본 발명의 범위 내에 들어가는 경우에 있어서, Ti+Nb+Ta 함유량이 증대함에 따라, 인장 강도 및 0.2% 내력이 증대해간다. 그리고, Ti+Nb+Ta 함유량이 Ti, Nb 및 Ta의 개별 함유량의 하한값의 총량인 1.00질량% 이상이 되면, 인장 강도가 600N/mm²가 되고, 또한 Ti+Nb+Ta 함유량이 1.20질량% 이상이 되면, 인장 강도는 620N/mm² 이상이 된다. 따라서, Ti+Nb+Ta 함유량은 1.20 내지 1.90질량%로 하는 것이 바람직하다.

「C: 0.010 내지 0.030질량%」

Ni 합금 중의 C는 고용 강화 원소이며, 인장 강도 및 크리프 파단 강도의 향상에 유효하다. 그러나, Cr과 결합하여 입계 근방에 Cr 결핍층이 형성되어, 내입계부식성을 저하시키기 때문에, C는 0.030질량%를 초과하여 첨가하지 않는다. 한편, Ti, Nb, Ta를 의도적으로 첨가하는 본 발명에 있어서는, 탄화물의 입계 석출이 내균열성 및 인장 강도 향상에는 불가결하기 때문에, 0.010% 이상의 C가 함유되는 것이 필요하다. 특히, Ti, Nb, Ta의 합계가 1.20질량% 이상인 경우는, C는 0.015질량% 이상 첨가하는 것이 필요하다.

「Fe: 5.0 내지 11.0질량%」

Ni 합금에 고용한 Fe는 인장 강도를 향상시키기 때문에, 5.0질량% 이상을 첨가한다. 그러나, Fe는 저융점의 라베스상(Laves phase) Fe₂Nb로서 입계에 석출되고, 다패스 용접시의 재열에 의해 재용융하여 입계의 재열 액화 균열의 원인이 된다. 이 때문에, Fe는 11.0질량% 이하로 한다.

「Al: 0.10질량% 이하」

Ni 합금에 대하여, Al의 고용 강화의 효과가 작고, 인장 강도를 향상시키지 않을 뿐만 아니라, 용융 금속의 응고시에 입계 편석하여 응고 균열의 원인이 된다. Al은 O(산소)와 결합하기 쉽기 때문에, 용접시의 실드가 불완전하면, 용융 금속 중의 Al이 대기중의 O와 산화물을 형성하여 슬래그로서 부상하고, 용접 비드의 표면에 고착하여, 다패스 용접시의 융합 불량 결함 원인이 된다. 이 때문에, Al은 의도적인 첨가를 하지 않고, 0.10질량% 이하, 바람직하게는 0.05질량% 이하로 규제한다.

「N: 0.020질량% 이하」

Ni 합금 중의 N은 고용 강화 원소이지만, C와 비교하여 그 효과는 작다. Ti를 포함하는 성분계에서는, TiN을 생성하여 Ti를 소모하고, 탄화물의 생성을 방해해 버리기 때문에, N은 0.020질량% 이하로 제한하는 것이 필요하다. 한편, 용접시의 용융 금속 내에서 정출된 TiN이 응고핵이 됨으로써, 응고 조직의 결정 크기가 미세해져서 인장 강도를 높이는 효과가 있기 때문에, 특히 Ti, Nb, Ta의 합계가 1.20질량% 이상인 경우에는, N을 0.002질량% 이상 첨가하면 좋다.

「Zr: 0.005질량% 이하」

Ni기 합금 중의 Zr은, 미량 첨가에 의해 입계의 강도를 향상시키고, 열간 압연성을 양호하게 하는 효과가 있어, 와이어의 가공을 용이하게 할 수 있다고 일반적으로 말해지고 있다. 그러나, 본 발명에 있어서는, Zr은 적극적으로는 첨가하지 않는다. 한편, Zr은 융점이 높은 복합 산화물로서 용접 와이어 중에 개재물로서 분산되어 잔류하기 때문에, 미량의 첨가이더라도, 용접시에 용융 금속 표면에 부상하고, 비드 표면에 슬래그로서 고착하여, 다패스 용접시의 융합 불량 결함 원인이 된다. 이 때문에, 본 발명에서 Zr은 의도적으로 첨가하지 않고, 0.005질량% 이하로 규제한다.

「Mg: 0.0005 내지 0.015질량%」

Mg는 Ni기 합금에 대하여 고용하기 어려운 한편, 입계 균열의 원인이 되는 S와 결합하기 쉽기 때문에, 미량 첨가하면, 입계에서 S 화합물을 형성하여 S를 무해화하는 효과가 있어, 열간 압연에서의 가공성을 개선할 수 있다. 이 때문에, Mg는 0.0005질량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, Mg는 대기 중의 O와 반응하여 산화물을 형성하고, 슬래그로서 부상하여 융합 불량의 원인이 되기 때문에, Mg를 첨가하는 경우는 0.015질량% 이하로 한다.

「Co: 0.05질량% 이하, S: 0.0050질량% 이하」

Co는 노 내에서 중성자 조사에 의해 반감기가 긴 동위체 Co 60으로 변화되어 방사선원이 되기 때문에, Co는 0.05질량% 이하로 규제하는 것이 바람직하다.

「Ca: 0.002질량% 이하」

Ca계 신선 윤활제를 사용하지 않고 신선 가공을 행하면, Ca를 0.002질량% 이하로 할 수 있고, 슬래그의 발생이 저감되어, 양호한 작업성을 얻을 수 있다.

「P: 0.010질량% 이하, S: 0.0050질량% 이하」

P 및 S는 용접 금속의 응고시에 입계에 편석하여, 응고 균열의 원인이 된다. 이 때문에, P 및 S는 각각 0.010질량% 이하 및 0.0050질량% 이하로 한다.

「Si: 0.50질량% 이하, Mn: 1.00질량% 이하」

ASME SFA 5.14 ERNiCrFe-7, ERNiCrFe-7A에서 규정되는 범위로서, Si는 0.50질량% 이하, Mn은 1.00질량% 이하로 한다.

[실시예]

다음으로, 본 발명의 실시예의 효과에 대하여, 본 발명의 범위에서 벗어나는 비교예와 비교하여 설명한다. 진공 용해로에서, Cr을 28.0 내지 31.5질량% 함유하는 Ni 합금 잉곳을 용제한 후, 단조 및 압연을 거치고, 신선 가공을 행하여, 직경이 1.2mm인 용접용 솔리드 와이어를 제조했다. 용제 공정에서는, 사용하는 원료의 첨가 비율을 변경하는 것에 의해, Ni, Cr, Fe, Ti, Nb, Ta, Mg, C의 각 원소의 농도를 조정하고, Al, N, Zr, P, S의 각 규제 원소에 관해서는, 원료의 첨가 비율의 변경 이외에, 사용하는 주원료(Ni 및 Cr)의 순도에 의해서도 그 농도를 조정했다.

제작한 직경 1.2mm의 솔리드 와이어를 사용하여, 자동 티그 용접을 행하여, 그 용접 금속에 대하여 평가했다. 평가 시험의 방법은 이하와 같다.

「다층 육성 용접 시험」

도 1에 나타낸 바와 같이, ASTM A533B CL.1의 모재(1) 상에 5층의 육성 용접(2)을 행했다. 용접 조건은, 용접 전류가 200A, 용접 전압이 11V, 용접 속도가 60mm/분, 와이어 송급 속도가 9g/분이다. 한편, 모재의 두께는 50mm, 육성 용접의 깊이는 15mm, 밑바닥부의 폭은 85mm이다. 그리고, 형성된 용접 금속의 표면에 대하여, 슬래그의 발생량을 육안으로 평가했다. 또한, 용접 비드 표면에 대하여 수직 방향으로 10mm 두께의 굴곡 시험편 5장을 잘라내어, 굴곡 반경이 약 50mm인 조건으로 굴곡 가공을 실시한 단면에 대하여, 침투 탐상(探傷) 시험을 실시하여, 균열의 발생 빈도를 평가했다.

다음으로, 도 2에 나타내는 개선 형상의 피용접재(3)에 대하여 실시예 및 비교예의 솔리드 와이어를 사용하여 용접을 하여, 판두께(12mm)의 중앙으로부터 직경이 6mm인 환봉(round bar)을 잘라내어, 실온에서의 인장 시험에 제공했다. 한편,도 2에 있어서, 해칭(hatching)으로 나타내는 부분(4)은, 탄소강 모재의 개선을 시험 용재로 버터링(buttering)을 행한 것을 나타내는 것이다. 이 버터링에 의해, 용접 재료의 성분이 모재에 의해 희석되는 것이 방지되어, 용접 재료의 특성을 정확하게 평가할 수 있게 된다.

하기 표 1 내지 3은, 실시예 및 비교예의 솔리드 와이어의 조성을 나타낸다. 또한, 하기 표 4는, 이들 실시예 및 비교예의 연성 저하 재열 균열에 대한 내균열성, 인장 강도, 작업성을 나타낸다. 또한, 이 표 4에는 종합 판정도 나타낸다. 내균열성은 굴곡 시험편의 5단면에 대하여, 균열 개수를 카운트하여, 1단면당의 평균 균열 개수를, 1단면당의 평균 균열 개수가 1개 미만인 경우를 A, 1.0개 이상 5.0개 미만인 경우를 B, 5.0개 이상 15개 미만인 경우를 C, 15개 이상인 경우를 D로 하여 평가했다. 인장 강도는, 620MPa 이상인 경우를 A, 580MPa 이상 620MPa 미만인 경우를 B, 540MPa 이상 580MPa 미만인 경우를 C, 540MPa 미만인 경우를 D로 했다. 작업성은, 육성 용접을 할 때의 비드와 모재의 사이, 또는 비드와 비드 사이의 젖음성(wetting)에 의해, 이하의 평가 기준에 가장 가까운 것에 의해 평가했다. 평가 A는, 젖음이 양호하기 때문에, 비드의 갖추어짐이 좋아서, 비드의 라인이 직선이다. 평가 B는, 젖음이 약간 나빠서, 비드의 갖추어짐이 흐트러지기 때문에, 비드 라인이 약간 물결치고 있다. 평가 C는, 젖음이 매우 나빠서, 비드의 갖추어짐이 크게 흐트러지기 때문에, 비드 라인이 물결치고 있다. 그리고, 종합 판정란은, 내균열성, 인장 강도, 작업성 중 어느 것인가에서 C 또는 D의 평가가 있는 경우에 ×로 하고, C 또는 D의 평가가 없는 경우를 ○로 하며, 모든 평가가 A인 경우를 ◎로 했다.

이 표 4에 나타낸 바와 같이, 비교예 1은 Ti가 0.90질량% 이상 포함되기 때문에, 슬래그가 다량으로 발생하고, 용접 작업성이 나쁘다. 비교예 2는 Ti가 0.50질량% 미만이기 때문에, 용접 금속 중에 균열이 발생하고, 또한 인장 강도는 620MPa에 도달하지 않는다. 비교예 3은 Nb가 0.40질량% 미만이기 때문에, 용접 금속 중에 균열이 발생하고, 또한 인장 강도는 620MPa에 도달하지 않는다. 비교예 4는 Nb가 과잉이며, 용접 금속 표면에 응고 균열이 발생했다. 또한, 인장 시험편 내부에 균열이 많이 내재했기 때문에, 인장 시험에서, 항복 후 곧 파단해 버려, 인장 강도는 매우 낮아졌다. 비교예 5는 Ta가 부족하며, 용접 금속 중에 균열이 발생했다. 비교예 6은 Ta가 과잉이며, 용접 금속 표면에 응고 균열이 발생했다. 또한, 비용이 높아서 경제성이 나쁘다. 비교예 7은 Nb, Ta가 과잉이며, 용접 금속의 표면 및 내부에 균열이 발생했다. 또한, 인장 시험편 내부에 균열이 많이 내재했기 때문에, 인장 시험에서, 항복 후 곧 파단해 버려, 인장 강도는 매우 낮아졌다. 또한, 비용이 높아 경제성이 나쁘다. 비교예 8은 Nb, Ta가 부족하며, 용접 금속 중에 균열이 발생했다. 또한, 인장 강도도 낮다. 비교예 9는 C가 낮고, 입계 탄화물의 석출이 불충분하기 때문에, 용접 금속 중에 균열이 발생하고, 인장 강도도 낮다. 또한, 와이어 표면에 Ca가 잔류하고 있어, 슬래그가 많이 발생했다. 비교예 10은 C가 높기 때문에, 입계 근방에 Cr 결핍층이 형성되고, 입계 부식 및 응력부식 균열에 대한 감수성이 높아서 부적당하다. 비교예 11은 N이 높기 때문에, 결정립 내에 많은 Ti 질화물이 정출하고 있지만, 입계 탄화물의 석출이 불충분하기 때문에, 용접 금속 중에 균열이 발생했다. 비교예 12는 Al이 높기 때문에, 응고 균열이 발생했다. 또한, 슬래그량이 많다. 비교예 13은 Fe가 낮고, 인장 강도가 낮다. 비교예 14는 Fe가 높고, 용접 금속 중에 균열이 발생했다. 비교예 15는 Zr이 과잉이며, 슬래그가 많이 발생했다.

이에 비하여, 실시예 16 내지 20, 22는, 본원 청구항 1을 만족하는 실시예이고, 실시예 21, 23 및 24는, 본원 청구항 2를 만족하는 실시예이다. 이 때문에, 모든 항목에서 평가가 A 또는 B이며, 우수한 특성이 얻어졌다.

<부호의 설명>

1: 모재

2: 육성 용접

3: 피용접재

4: 부분

Claims

Cr: 27.0 내지 31.5질량%, Ti: 0.50 내지 0.90질량%, Nb: 0.40 내지 0.70질량%, Ta: 0.10 내지 0.30질량%, C: 0.010 내지 0.030질량% 및 Fe: 5.0 내지 11.0질량%를 함유하고, Al: 0.10질량% 이하, N: 0.020질량% 이하, Zr: 0.005질량% 이하, P: 0.010질량% 이하, S: 0.0050질량% 이하, Si: 0.50질량% 이하, Mn: 1.00질량% 이하로 규제하며, 잔부는 Ni 및 불가피적 불순물인 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어.
제 1 항에 있어서,
Ti+Nb+Ta: 총량으로 1.20 내지 1.90질량%, Al: 0.05질량% 이하, C: 0.015 내지 0.030질량%, N: 0.002 내지 0.020질량%, Mg: 0.0005 내지 0.015질량%, Co: 0.05질량% 이하, Ca: 0.002질량% 이하인 것을 특징으로 하는 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어.