KR101220571B1 - 극저온 인성이 우수한 서브머지드 아크 용접 와이어 - Google Patents

극저온 인성이 우수한 서브머지드 아크 용접 와이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서브머지드 아크 용접 와이어에 관한 것으로서, 중량%로, 탄소(C): 0.01-0.9％, 실리콘(Si): 0.2- 2.0％, 망간(Mn): 12-35％, 니켈(Ni): 0.01-22.0％를 포함하고, 크롬(Cr): 0.001-20%, 몰리브덴(Mo): 0.05-1.5% 및 알루미늄(Al): 0.01-2.5% 중 1종 또는 2종 이상을 포함하며, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 극저온 인성이 우수한 서브머지드 아크 용접 와이어를 제공한다.

Description

극저온 인성이 우수한 서브머지드 아크 용접 와이어{SUBMERGED ARC WELD WIRE HAVING EXCELLENT LOW TEMPERATURE TOUGHNESS FOR HIGH MAGANESE STEEL}
본 발명은 해양구조물, 에너지, 조선, 건축, 교량 및 압력용기 등의 극저온용 고망간강을 서브머지드 아크 용접(SUBMERGED ARC WELDING, SAW)시 사용되는 서브머지드 아크 용접 와이어에 관한 것이다.
최근들어 LNG 수요가 폭발적으로 증가하여, 극저온의 LNG 수송과 보관용 수송설비 및 저장 탱크의 수요가 크게 증가하고 있다. 또한, 이러한 수송설비와 저장탱크를 하나로 만든 설비인 FPSO(Floating production storage and offloading) 시장이 급속도로 증가되고 있는 추세에 있다.
더불어, LNG 수송선의 경우 이산화탄소의 배출이 낮은 LNG를 연료로 사용하는 선박이 증가하고 있는 추세에 있다. 액화천연 가스의 이러한 설비의 대형화 등으로 인해 극저온용 소재의 사용량이 증가되고 있는 실정이다. LNG를 수송하거나 저장하는 탱크는 필연적으로 LNG 온도인 -162℃ 이하의 온도에서도 충격에 충분히 견딜 수 있는 구조로 이루어져야 한다.
또한, 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 있다. 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.
극저온온도에서의 충격인성이 높은 소재가 사용되고 있으며, 대표적으로 사용되는 소재는 9%Ni강, 스테인리스스틸(이하 STS), 알루미늄 등이다. 그러나, 9%Ni강 및 STS 강재 내에 고가의 니켈 함유량이 높기 때문에 비용적인 문제가 크다. 이로 인하여 니켈 대신 저가의 오스테나이트 안정화 원소로서 망간을 함유한 고망간강에 대한 요구가 진행되고 있다. 또한, 알루미늄의 경우 낮은 인장강도로 인해 두꺼운 후판을 사용해야 하는 문제점이 있다
이러한 문제로 인해, 극저온용 강인 9%Ni강을 대체할 목적으로 새로운 강재 개발이 추진되고 있으며, 그 대안으로 고망간강이 부각되고 있다. 극저온용 고망간강은 LNG 저장 탱크용으로 사용되는 9%Ni강, STS 304강 등을 대체하기 위해 망간을 높은 함량으로 첨가시킨 강으로서 극저온에서도 안정한 오스테나이트 조직을 형성해 추가 열처리 등이 실시하지 않아도 용접시 용접열영향부(HAZ)에서 인성 열화가 없는 특성을 보유하고 있는 것으로 알려져 있다.
상기 언급한 고망간강 소재에 알맞은 용접재료는 현재 개발되어 있지 않은 상황이며, 현 수준에서 가장 적합한 용접재료는 니켈기 합금이라 할 수 있다. 그러나, 이러한 소재 역시 니켈 및 크롬의 함유량이 높아서, 제조단가가 상승하는 문제가 여전히 남아있다.
이를 해결하고자, 합금원소가 첨가된 서브머지드 아크 용접용 용접재료가 요구되고 있으며, 특히, 고망간강 용접재료로서 극저온에서의 인성이 우수한 용접재료에 대한 연구가 요구되고 있다.
본 발명은 서브머지드 아크 용접 와이어에 관한 것으로 미세조직을 오스테나이트 상으로 유지시키고 동시에 용접시 고온균열을 방지하기 위한 합금성분을 제어함으로써, 극저온 충격인성이 우수한 서브머지드 아크 용접 와이어를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일측면은 중량%로, 탄소(C): 0.01-0.9％, 실리콘(Si): 0.2- 2.0％, 망간(Mn): 12-35％, 니켈(Ni): 0.01-22.0％를 포함하고, 크롬(Cr): 0.001-20%, 몰리브덴(Mo): 0.05-1.5% 및 알루미늄(Al): 0.01-2.5% 중 1종 또는 2종 이상을 포함하며, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 극저온 인성이 우수한 서브머지드 아크 용접 와이어를 제공한다.
상기 용접 와이어의 니켈당량(Nieq)은 28중량% 이상인 것이 바람직하다.
상기 용접와이어는 K,Na,Li계 알카리 산화물: 0.10-1.5 중량%를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 용접와이어는 CaCO3(탄산칼슘): 0.1-1.0 중량%을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 용접 와이어는 알카리금속계 또는 알카리토금속계 불소화합물 중 불소(F): 0.025-0.5중량%를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 용접 와이어는 질소(N): 0.003-0.5중량%를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 용접 와이어는 마그네슘(Mg) + 알루미늄(Al): 0.03-2.0중량％를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 용접 와이어는 REM(희토류): 0.01-0.2중량％를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 용접 와이어를 이용하여 서브머지드 아크 용접된 용접이음부의 충격인성(-196℃)은 28J이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 일측면에 의하면, 극저온에서도 충격인성이 우수한 고망간강용 서브머지드 아크 용접 와이어를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 대한 본 발명에 제어하고자 하는 니켈당량에 대한 그래프이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명자들은 연구와 실험을 통해 서브머지드 아크 용접시 사용할 수 있는 용접 와이어로서, 극저온에서도 충격인성이 우수한 와이어를 제공할 수 있는 합금원소의 범위를 설정할 수 있다는 점을 착안하여, 그 결과에 기초하여 본 발명을 완성하게 되었다.
용접시 사용하는 플러스에 따라 양호한 아크 안정성을 확보할 수 있고, 용접금속부에 최적화된 합금성분을 용접 와이어를 통해 제공할 수 있는 바, 본 발명에서는 용접 와이어의 합금성분을 최적으로 조합하여 오스테나이트 상을 유지시키고, 용접시 고온균열을 방지할 수 있는 서브머지드 아크 용접 와이어를 제공할 수 있다.
먼저, 본 발명의 용접 와이어에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 서브머지드 아크 용접 와이어는 다음의 조성을 포함한다.
탄소(C): 0.01-0.9중량%
탄소는 용접금속의 강도를 확보하고, 용접금속의 극저온 충격인성을 확보할 수 있는 오스테나이트 안정화 원소로서 현존하는 가장 강력한 원소이며, 본 발명에서는 필수적인 원소이다. 그러나, 용접 와이어 중에서는 이러한 탄소성분이 낮더라도 서브머지드 플럭스로부터 충분한 양의 탄소를 혼입시킬 수 있으므로. 탄소 함량의 하한은 0.01 중량%로 한정하여도 충분한다. 그러나, 탄소의 함량이 0.9중량%를 초과하는 경우 용접시 이산화탄소 가스 등이 발생하여 용접이음부에 결함을 유발할 수 있으며, 망간, 크롬 등의 합금원소와 결합하여 MC, M23C6 등의 카바이드를 생성하여 저온에서 충격인성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 탄소의 함량은 0.01-0.9중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
실리콘(Si): 0.2-2.0중량％
실리콘의 함량은 0.2중량% 미만인 경우에는 용접금속내의 탈산효과가 불충분하고 용접금속의 유동성을 저하시킬 수 있다. 반면에, 실리콘의 함량이 2.0중량%를 초과하는 경우에는 용접금속내의 편석 등을 유발하여 저온 충격인성을 저하시키고 용접균열감수성에 악영향을 미치는 문제점이 있다. 따라서, 실리콘의 함량은 0.2-2.0중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
망간(Mn): 12-35중량％
망간은 저온 안정상인 오스테나이트를 생성시키는 주요 원소로 본 발명에서 필수적으로 첨가되어야 하는 원소이고 니켈에 비해 매우 저렴한 원소이다. 망간의 함량이 12중량% 미만인 경우에는 충분한 오스테나이트가 생성되지 않아 극저온에서 인성이 매우 낮게 된다. 반면에, 망간의 함량이 35중량%를 초과하는 경우에는 편석이 과다하게 발생하고 고온균열이 유발되며, 유해한 흄(Fume)이 발생될 수 있다. 따라서, 망간의 함량은 12-35중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
니켈(Ni): 0.01-22.0중량％
니켈은 오스테나이트 안정화 원소로 본 발명에서 필수적을 첨가되어야 하는 원소이다. 니켈의 함량이 0.01중량% 미만인 경우 이러한 효과가 미흡하다. 다만, 니켈의 가격이 높기 때문에, 제조단가를 고려하여 22중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. 따라서, 니켈의 함량은 0.01-22.0중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
더불어, 본 발명의 와이어는 하기 설명하는 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 알루미늄 중 1종 또는 2종이상의 원소를 포함한다.
크롬(Cr): 0.001-20중량%
크롬은 페라이트 안정화 원소로서 일정함량의 크롬을 통해 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 낮출 수 있는 장점이 있다. 이러한 효과를 나타내기 위하여 0.001중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면에, 크롬의 함량이 20중량%를 초과하는 경우에는 크롬계 탄화물이 과도하게 생성되어 극저온 인성이 낮아지는 문제점이 있다. 따라서, 크롬의 함량은 0.001-20중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
몰리브덴(Mo): 0.05-1.5중량%
몰리브덴은 기지의 강도를 향상시킬 수 있는 원소로서 본 발명에서는 0.05중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 다만, 몰리브덴의 함량이 1.5중량%를 초과하는 경우에는 몰리브텐 탄화물이 과도하게 생성되어 극저온 인성을 저하시키는 단점이 있다. 따라서, 몰리브덴의 함량은 0.05-1.5중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
알루미늄(Al): 0.01-2.5중량%
알루미늄은 강도를 감소시키나, 아울러, SFE(Stacking Fault Energy)를 증가시켜 저온에서의 인성을 확보할 수 있도록 하며, 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위하여는 0.01중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, 알루미늄의 함량이 2.5중량%를 초과하는 경우에는 용접부에 알루미늄계 산화물이 과다하게 생성되어 극저온 충격인성을 저하시키는 단점이 있다. 따라서, 알루미늄의 함량은 0.01-2.5중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
더불어, 니켈당량(Nieq)은 30C+30N+0.5Mn+Ni로 나타낼 수 있으며, 28%이상을 나타내는 경우에 상기 용접 와이어를 이용한 용접시 생성된 용접이음부는 -196℃에서 충격인성을 측정한 결과 28J이상의 높은 충격인성을 확보할 수 있다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
또한, 본 발명의 와이어는 하기 설명하는 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li)계 알카리 산화물을 추가적으로 첨가하는 경우 본 발명의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li)계 알카리 산화물: 0.10-1.5중량%,
상기 알카리 산화물들은 용접 중 아크의 이온화 포텐셜을 저하시켜 아크의 발생을 용이하게 해주며, 용접 중 안정된 아크를 유지시켜줄 수 있다. 상기 알카리 산화물은 0.10중량% 이상 첨가되어야 이러한 효과가 나타낼 수 있다. 그러나, 그 함량이 1.5중량%를 초과하면, 고증기압으로 인하여 용접흄(Fume)이 과다하게 발생할 수 있다. 여기서 알카리 산화물은 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li)계 알카리 산화물 중 1종 또는 2종 이상이 포함되며, 본 발명에서 알카리 산화물의 첨가효과는 각각의 함량비와는 무관하다.
그리고, 본 발명의 와이어는 하기 설명하는 CaCO3(탄산칼슘)을 추가적으로 첨가하는 경우 본 발명의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
CaCO3(탄산칼슘): 0.1-1.0중량%
상기 탄산칼슘은 아크 중의 수소분압을 효과적으로 감소시켜 용접금속중의 확산성 수소를 저감시키는데 효과적이다. 탄산칼슘의 함량이 0.1중량% 미만인 경우 이러한 효과가 미흡하다. 다만, 탄산칼슘의 함량이 1.0중량%를 초과하는 경우에는 과다하게 탄산염이 분해되어 아크가 불안정해지고 용접흄(Fume)이 과도하게 발생한다. 따라서, 탄산칼슘의 함량은 0.1-1.0중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 와이어는 하기 설명하는 알카리금속계 및 알카리토금속계 불소화합물을 추가적으로 첨가하는 경우 본 발명의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
알카리금속계 및 알카리토금속계 불소 화합물 중 불소(F) 함량: 0.025-0.5중량%
이러한 불소화합물은 용접 와이어 내부에 0.025중량% 이상을 첨가함에 따라 고온의 아크에서 불소를 아크중으로 발생시켜 용접중 수소와 반응하여 탈수소 반응을 일으키게 되므로 확산성 수소를 효과적으로 저감시키게 되지만 0.5중량%를 초과하는 경우에는 고증기압의 특성으로 용접흄(Fume)이 과다하게 발생하고, TiO2가 주요 슬래그성분인 루타일계에서 용융풀의 슬래그 점도를 과도하게 감소시켜 불안정한 비드를 형성하게된다. 따라서, 그 함량은 0.028-0.5중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 와이어는 하기 설명하는 질소(N)를 추가적으로 첨가하는 경우 본 발명의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
질소(N): 0.003-0.5중량%
질소는 탄소와 동일한 특성을 나타내는 원소이며, 본 발명에서는 이러한 효과를 나타내기 위하여 0.003중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면에, 질소의 함량이 0.5중량%를 초과하는 경우에는 질화물이 과다하게 생성되어 충격인성이 저하되는 단점이 있다. 따라서, 질소의 함량은 0.003-0.5중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
더불어, 본 발명의 와이어는 마그네슘(Mg) + 알루미늄(Al): 0.03-2.0중량％로 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다. 이들 원소는 강력한 탈산제로서 용접금속내 산화물을 강력하게 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 와이어는 하기 설명하는 희토류 원소를 추가적으로 첨가하는 경우 본 발명의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
이트륨(Y) 및 세륨(Ce) 등의 희토류 원소: 0.01-0.2중량%
희토류 원소는 용접금속내에서 황 및 인을 제거하는 능력이 탁월하여 황 및 인에 의해서 발생하는 고온규열을 저감시키는 역할을 하며, 아울러, 가장 강력한 탈산재로서 용접금속을 청정하게 만들 수 있다. 또한, 아크를 안정시키는 효과를 갖는다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위하여는 0.01중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, 그 함량이 0.2중량%를 초과하는 경우에는 아크 안정성이 급격히 떨어지는 문제점이 있다. 따라서, 희토류 원소의 함량은 0.01-0.2중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일측면인 용접 와이어를 이용한 용접시 생성된 용접이음부는 -196℃에서 충격인성을 측정한 결과 28J이상의 높은 충격인성을 확보할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것으로, 이에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
하기 표1에 나타낸 성분계를 갖는 용접 와이어를 이용하여 용접입열량 4.2KJ/㎜로 용접을 실시하였다. 또한 상기 용접이음부의 충격인성을 평가하기 위한 시험편들은 용접이음부의 중앙부에서 채취하였으며 인장시험편은 KS규격(KS B 0801) 4호 시험편을 이용하였으며 인장시험은 크로스 헤드 스피드(cross head speed) 10mm/mim에서 시험하였다. 충격시험편은 KS(KS B 0809) 3호 시험편에 준하여 CVN(Charphy V Notch)로 제작하였으며, -196도에서 충격시험을 실시하여 그 측정값을 하기 표1에 나타내었다.
더불어, 니켈당량과 크롬당량을 측정하여 하기 표1에 나타내었으며, 니켈당량, 크롬당량 및 충격인성값의 상관관계를 나타낸 그래프를 도1에 도시하였다.
구분 C Si Mn Ni Cr Mo Al N K,Na,
Li계
산화물		 F REM CaCO3 Nieq Creq 충격
인성
비교예1 0.3 0.850 21.00 0.01 0.020 0.05 0.010 - 1.45 0.30 - 0.1 19.5 1.3 18
비교예 2 0.4 1.000 23.00 4.00 0.020 0.05 0.010 - 1.00 0.20 - 0.2 27.5 1.6 21
발명예1 0.8 0.950 23.00 2.00 0.020 1.5 0.010 - 0.50 0.30 -　 0.2 37.5 2.9 57
발명예 2 0.7 0.950 12.00 22.00 0.020 0.05 0.100 - 0.10 0.40 -　 - 49.0 1.5 112
발명예 3 0.9 1.000 23.00 5.00 0.020 0.06 0.150 - 0.10 0.40 -　 - 43.5 1.6 87
발명예 4 0.7 0.800 23.00 9.00 0.020 0.08 0.020 - 0.50 0.03 -　 - 41.5 1.3 86
발명예 5 0.5 0.850 24.00 9.00 0.020 0.1 0.030 - 1.50 - 0.12 0.2 36.0 1.4 51
발명예 6 0.9 1.000 21.00 4.50 0.020 0.13 1.200 - 1.50 - 0.05 0.8 42.0 1.7 76
발명예 7 0.8 1.000 23.00 5.00 0.020 0.1 2.500 - 0.50 - -　 0.7 40.5 1.6 65
발명예 8 0.3 1.250 23.00 7.50 0.020 0.2 1.200 0.30 0.50 0.30 -　 0.8 28.0 2.1 36
발명예 9 0.3 1.300 23.00 8.50 0.020 0.15 2.500 0.15 0.50 0.05 -　 0.9 29.0 2.1 35
(단, 표1에 기재된 원소들의 단위는 중량%이고, 충격인성의 단위는 J임)
비교예1 및 2는 니켈당량이 각각 19.5와 27.5로서 본 발명이 제어하고자 하는 니켈당량보다 낮아 충격인성이 18, 21J로 나타났다. 이에 비하여, 발명예1 내지 9는 -196℃에서 우수한 충격인성값을 나타냄을 확인할 수 있었다.
도1을 살펴보면, □로 나타낸 것은 비교예이고, ◇로 나타낸 것은 발명예이며, 본 발명에 의한 제어된 합금조건을 만족하는 경우 니켈당량(중량%)이 28 이상인 것을 확인할 수 있었다.

Claims (9)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.01-0.9％, 실리콘(Si): 0.2- 2.0％, 망간(Mn): 12-35％, 니켈(Ni): 0.01-22.0％를 포함하고, 크롬(Cr): 0.001-20%, 몰리브덴(Mo): 0.05-1.5% 및 알루미늄(Al): 0.01-2.5% 중 1종 또는 2종 이상을 포함하며, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 극저온 인성이 우수한 서브머지드 아크 용접 와이어.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접 와이어의 니켈당량(Nieq)은 28중량% 이상인 것을 특징으로 하는 극저온 인성이 우수한 서브머지드 아크 용접 와이어.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접와이어는 K,Na,Li계 알카리 산화물: 0.10-1.5중량%를 추가로 포함하는 극저온 인성이 우수한 서브머지드 아크 용접 와이어.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접와이어는 CaCO3(탄산칼슘): 0.1-1.0중량%를 추가로 포함하는 극저온 인성이 우수한 서브머지드 아크 용접 와이어.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접 와이어는 알카리금속계 또는 알카리토금속계 불소화합물 중 불소(F): 0.025-0.5중량%를 추가로 포함하는 극저온 인성이 우수한 서브머지드 아크 용접 와이어.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접 와이어는 질소(N): 0.003-0.5중량%를 추가로 포함하는 극저온 인성이 우수한 서브머지드 아크 용접 와이어.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접 와이어는 마그네슘(Mg) + 알루미늄(Al): 0.03-2.0중량％를 추가로 포함하는 극저온 인성이 우수한 서브머지드 아크 용접 와이어.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접 와이어는 REM(희토류): 0.01-0.2중량％를 추가로 포함하는 극저온 인성이 우수한 서브머지드 아크 용접 와이어.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접 와이어를 이용하여 서브머지드 아크 용접된 용접이음부의 충격인성(-196℃)은 28J이상인 것을 특징으로 하는 극저온 인성이 우수한 서브머지드 아크 용접 와이어.
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