KR101256522B1 - 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부의 열처리 방법 - Google Patents

슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부의 열처리 방법 Download PDF

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Abstract

용접 직후 또는 열처리 도중 석출되는 시그마상이 충분히 용해될 수 있도록 하고, 냉각 도중 Cr 질화물이 석출되지 않도록 하여 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부의 충격 인성 및 내식성을 향상할 수 있는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부의 열처리 방법이 소개된다.
이를 위핸 본 발명은, 내공식성지수(PREN : Pitting Resistance Equivalent Number, PREN = Cr+3.3Mo+16N)가 40이상인 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강(UNS S32750) 용접부에 대한 열처리 방법에 있어서, 상기 용접부에서 석출된 시그마상이 용해될 수 있도록 상기 용접부를 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 로내에서 1150℃까지 가열한 후 10분간 유지시키는 단계; 상기 용접부를 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 로내에서 1050℃까지 냉각한 후 1050℃에서 30분간 유지시키는 단계; 및 상기 용접부를 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 상온까지 수냉시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부의 열처리 방법{METHOD FOR HEAT-TREATING WELDING PARTS OF SUPERDUPLEX STAINLESS STEEL}
본 발명은 내공식성지수(PREN : Pitting Resistance Equivalent Number, PREN = Cr+3.3Mo+16N)가 40이상인 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강(UNS S32750) 용접부의 열처리 방법에 관한 것이다.
슈퍼 듀플렉스 스테인리스강은 내공식성 지수(PREN : Pitting Resistance Equivalent Number, PREN = Cr+3.3Mo+16N)가 40이상으로서, ASTM A240 UNS No. S32750의 화학성분 및 기계적 성질을 만족시킨다.
듀플렉스의 기지조직은 페라이트와 오스테나이트가 동등한 비율로 구성된 조직특성을 가진다. 아울러 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트계 스테인리스강에 비해 강도가 높고, 염소 이온에 대한 공식(Pitting Corrosion) 및 응력부식균열 저항성이 우수하다는 것이 큰 장점이다.
하지만, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강은 내식성 확보를 위해 Cr과 Mo을 다량 함유하기 때문에 700℃ 이상에서 페라이트가 준안정한 상태로 바뀌고, Cr, Mo이 서로 결합하여 카이(χ)상, 시그마(σ)상과 같은 제2상이 석출되어 품질이 현저히 저하될 수 있는 문제점이 있었다. 즉, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강에 용접 가공을 행하는 경우와 같이 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강이 고온의 환경에 노출된 뒤 급냉할 경우 취성을 나타내는 단단한 시그마상이 석출되어 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 충격 인성을 악화시켰고, 시그마상과 기지조직 경계에서는 Cr 결핍 층(Cr 질화물, Cr2N)이 생성되어 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 내식성을 악화시켰다.
따라서, 구조재 용도로 사용하기 위해 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 용접 가공하여 사용하는 경우에는 용접부에서 시그마상이 석출되지 않도록 용접 열이력을 잘 관리하는 것이 중요하다. 즉, 용접부에서 시그마상이 석출하더라도 적정한 열처리를 실시할 경우 시그마상이 다시 분해될 수 있기에 용접부에서의 품질을 모재와 같은 수준으로 회복시킬 수 있다.
한편, ASTM A790 또는 A928에 준하여 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접 조관재를 제조하는 경우에는 열처리가 필수적이며, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강(S32750)의 경우 ASTM에는 1025~1125℃에서 열처리를 실시하도록 명기하고 있다. 따라서 종래의 경우 1050℃까지 가열한 후 1050℃에서 2시간 동안 유지시킨 다음 수냉하는 열처리 방법을 사용하였으나, 용접조건이나 필터 와이어조건의 변화가 있을 경우 시그마상의 분해 및 Cr 질화물의 석출 억제가 제대로 이루어지지 못하여 NORSOK(노르웨이 석유산업 협회)의 품질 기준에 만족되지 못하는 경우가 발생하였다. 따라서 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접 조관재의 품질 확보를 위해서는 제2상을 완전히 고용할 수 있고 Cr 질화물의 석출을 최대한 억제할 수 있는 열처리 조건의 최적화가 필요하다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하고 필요성을 충족하기 위한 것으로서, 용접 직후 또는 열처리 도중 석출되는 시그마상이 충분히 용해될 수 있도록 하고, 냉각 도중 Cr 질화물이 석출되지 않도록 하여 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부의 충격 인성 및 내식성을 향상할 수 있는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부의 열처리 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부의 열처리 방법은, 내공식성지수(PREN : Pitting Resistance Equivalent Number, PREN = Cr+3.3Mo+16N)가 40이상인 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강(UNS S32750) 용접부에 대한 열처리 방법에 있어서, 상기 용접부에서 석출된 시그마상이 용해될 수 있도록 상기 용접부를 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 로내에서 1150℃까지 가열한 후 10분간 유지시키는 단계; 상기 용접부를 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 로내에서 1050℃까지 냉각한 후 1050℃에서 30분간 유지시키는 단계; 및 상기 용접부를 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 상온까지 수냉시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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상술한 바와 같은 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부의 열처리 방법에 따르면, 최적의 열처리 조건의 적용을 통해, 용접 직후 또는 열처리 도중 석출되는 시그마상이 충분히 용해될 수 있게 되고, 냉각 도중 Cr 질화물이 석출되지 않게 됨으로써, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부 충격 인성 및 내식성이 향상될 수 있게 된다.
도 1은 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 모재의 온도와 시간에 따른 시그마상 석출 곡선을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부의 열처리 방법을 시각화하여 나타낸 도면.
도 3은 종래의 열처리 방법을 적용한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 용접부 미세조직을 나타낸 현미경 사진.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 방법을 적용한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 용접부 미세조직을 나타낸 현미경 사진.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 방법을 적용한 경우의 저온 충격 시험 결과와 종래의 열처리 방법을 적용한 경우의 저온 충격 시험 결과를 비교 도시한 그래프.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 모재의 온도와 시간에 따른 시그마상 석출 곡선을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 용접부를 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 모재 및 용접부 품질에 가장 유해한 영향을 주는 시그마상의 석출을 방지하기 위해서는 석출이 가장 빠른 약 850℃ 구간에서 2분 이내에 냉각시키지 않으면 안된다. 그러나 용접부는 통상 오스테나이트 상분율의 조절을 위해 모재 보다 Ni함량이 더 많고, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 특성상 내식성 강화를 위해 Cr이 많이 첨가되어 있기 때문에 용접이나 열처리 중에 생성되는 시그마상의 분해가 더 어렵다.
따라서, 용접부의 경우는 석출 곡선이 도 1의 모재 석출 곡선에 비해 보다 짧은 시간 및 고온 측으로 위치하게 된다. 결국 용접부를 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 열처리 조건은 모재 보다는 용접부가 기준이 되지 않으면 안된다.
본 발명이 실시예에 따른 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부의 열처리 방법은 용접부를 기준으로 하여 최적의 열처리 조건을 도출한 것이며, 이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부의 열처리 방법을 상세히 설명한다.
본 발명이 실시예에 따른 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부의 열처리 방법은 용접부를 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 로내에서 1150℃까지 가열한 후 1150℃에서 일정 시간 동안 유지시킨 다음 상온까지 수냉시키는 것을 특징으로 하며, 이를 통해 용접부에서 석출된 시그마상이 충분히 용해될 수 있게 된다.
이때, 상기 용접부를 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 1150℃에서 일정 시간 동안 유지시킴에 있어서, 적어도 10분간 유지시켜 시그마상이 충분히 용해되도록 해야 한다. 1150℃에서의 유지 시간이 10분에 못 미칠 경우 시그마상이 충분히 용해되지 않게 되고, 1150℃에서의 유지 시간이 10분을 상당히 초과할 경우 시그마상이 재석출될 수 있다.
즉, 목표온도를 1150℃로 선정한 것은 용접 직후 또는 열처리(가열) 도중 석출한 시그마 등 제2상이 충분히 용해될 수 있는 온도임을 측정하였고,(다만 도1에 도시된 바와 같이 시그마상은 900℃이상에는 용해되나 시그마상 등을 포함하는 제2상을 충분히 용해시키기 위함), 종래 기술의 경우 본원발명과 달리 1050℃에 2시간 유지의 경우 실질적으로 2시간을 유지하는 것이 어려우며, 추후 시그마상은 물론 Cr2N까지의 석출을 방지하는데 최적의 시간을 도출하였다.
이하 설명하겠지만, 이는 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 종래 열처리방법은 1050℃에 2시간 유지의 경우 시그마상(화살표)이 발생 되는 반면, 본원발명의 경우 시그마상이 나타나지 않는바 종래 기술에 비하여 본원발명의 경우 그 효과가 현저함을 알 수 있다.
또한, 상기 용접부를 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 1150℃에서 일정 시간 유지킨 뒤 상온까지 수냉시키기 전에, 상기 용접부를 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 로내에서 1050℃까지 냉각한 후 1050℃에서 일정 시간 동안 유지시켜 냉각하는 도중에 Cr 질화물이 석출되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 용접부를 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 1050℃에서 일정 시간 동안 유지시킴에 있어서, 적어도 30분간 유지시켜 Cr 질화물(Cr2N)의 석출을 유도하는 N가 오스테나이트 내에서 충분히 확산되도록 하여 Cr 질화물의 석출이 억제되도록 하여야 한다. 1050℃에서의 유지 시간이 30분에 못 미칠 경우 N가 오스테나이트 내에서 충분히 확산되지 못하여 Cr 질화물이 석출되고, 1050℃에서의 유지 시간이 30분을 상당히 초과할 경우 시그마상이 재석출될 수 있다.
한편, 도 3은 종래의 열처리 방법을 적용한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 용접부 미세조직을 나타낸 현미경 사진이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 방법을 적용한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 용접부 미세조직을 나타낸 현미경 사진이다.
종래의 열처리 방법은 ASTM에서 제시한 열처리 조건을 만족시키는 방법이지만, 열처리 결과 도 3에 도시된 것처럼 용접부에서 시그마상(화살표가 가리키는 부분)이 다량으로 석출되었음을 알 수 있다.
반면에, 본 발명의 실시예에 따른 열처리 방법을 적용한 경우 도 4에 도시된 것처럼 시그마상 및 카이상과 같은 제2상이 석출되지 않은 매우 건조한 미세조직을 얻을 수 있었다.
상기와 같은 미세조직 특성을 갖는 서로 다른 열처리 방법이 적용된 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 용접부에 대해 ASTM G48A(50℃, 24시간) 부식시험을 실시한 결과, 종래의 열처리 방법을 적용한 용접부에서는 공식이 발생하였고, 본 발명의 실시예에 따른 열처리 방법을 적용한 용접부에서는 공식이 전형 발생하지 않았다.
한편, 도 5에는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 방법을 적용한 경우의 저온 충격 시험 결과와 종래의 열처리 방법을 적용한 경우의 저온 충격 시험 결과를 비교 도시한 그래프가 도시된다. 도 5에서 가로축의 WM(weld metal)은 용접부를 의미하고, BM(base metal)은 모재를 의미하며, FL, FL+2, FL+5는 용접부와 모재 사이의 퓨전 라인, 퓨전 라인으로부터 2mm 떨어진 위치, 퓨전 라인으로부터 5mm 떨어진 위치를 각각 나타낸다.
도 5를 참조하면, 종래의 열처리 방법을 적용한 경우 용접부 뿐만 아니라 모재도 충격 인성이 상대적으로 매우 낮은 수준으로 나타나고 있음을 알 수 있다. 반면에 본 발명의 실시예에 따른 열처리 방법을 적용한 경우 용접부와 모재 모두 동등한 수준의 높은 충격 인성을 나타내고 있음을 알 수 있고, 북해 유정용 슈퍼 듀플렉스강에 요구되는 NORSK 기준치인 -46℃에서 45J(Joule)과 비교해도 충분한 충격 인성이 확보될 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부의 열처리 방법에 따르면, 최적의 열처리 조건의 적용을 통해, 용접 직후 또는 열처리 도중 석출되는 시그마상이 충분히 용해될 수 있게 되고, 냉각 도중 Cr 질화물이 석출되지 않게 됨으로써, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부 충격 인성 및 내식성이 향상될 수 있게 된다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위 내에서 얼마든지 구성요소의 치환과 변형이 가능한바, 이 또한 본 발명의 권리에 속하게 된다.
10 : 본 발명의 방법에 따른 저온 충격 시험 결과 그래프
20 : 종래의 방법에 따른 저온 충격 시험 결과 그래프

Claims (2)

  1. 내공식성지수(PREN : Pitting Resistance Equivalent Number, PREN = Cr+3.3Mo+16N)가 40이상인 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강(UNS S32750) 용접부에 대한 열처리 방법에 있어서,
    상기 용접부에서 석출된 시그마상이 용해될 수 있도록 상기 용접부를 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 로내에서 1150℃까지 가열한 후 10분간 유지시키는 단계;
    상기 용접부를 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 로내에서 1050℃까지 냉각한 후 1050℃에서 30분간 유지시키는 단계; 및
    상기 용접부를 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 상온까지 수냉시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부의 열처리 방법.
  2. 삭제
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