KR101271866B1 - 극저온 충격인성이 우수한 고강도 플럭스 코어드 아크 용접 금속부 - Google Patents

극저온 충격인성이 우수한 고강도 플럭스 코어드 아크 용접 금속부 Download PDF

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Abstract

본 발명은 높은 강도를 갖는 동시에 -40℃이하의 극저온에서도 우수한 충격인성을 확보할 수 있는 플럭스 코어드 아크 용접 금속부를 제공하고자 하는 것으로, 이를 위해 중량%로, C: 0.01~0.1%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 1.0~3.0%, Ti: 0.01~0.1%, Ni: 2.0~3.5%, Mo: 0.3~1.0%, B: 0.001~0.01%, N:0.003~0.007%, P: 0.03%이하(0은 제외), S: 0.03%이하(0은 제외), Al: 0.001~0.01%, O: 0.03~0.07%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
상기 조성은 0.9≤Ti/O≤1.3, 7≤Ti/N≤15, 15≤O/B≤22, 1.1≤(Ti+4B)/O≤1.6 및 11≤3Ni+2Mn+Mo≤14를 만족하는 것을 특징으로 하는 극저온 충격인성이 우수한 고강도 플럭스 코어드 아크 용접 금속부를 제공한다.

Description

극저온 충격인성이 우수한 고강도 플럭스 코어드 아크 용접 금속부{HIGH STRENGTH FLUX CORED ARC WELD METAL JOINT HAVING EXCELLENT ULTRA-LOW TEMPERATURE IMPACT TOUGHNESS}
본 발명은 교량, 건축, 선박, 해양구조물, 강관, 라인파이프 등의 고강도 용접구조물에 사용되는 플럭스 코어드 아크 용접(Flux Cored Arc Weld, FCAW)시 형성되는 고강도 용접 금속부에 관한 것으로, 보다 상세하게는 조성 및 미세조직을 제어하여 -40℃에서도 우수한 충격인성을 갖는 극저온 충격인성이 우수한 고강도 플러스 코어드 아크 용접 금속부에 관한 것이다.
최근, 지가의 상승등으로 인한 초고층 빌딩 및 섬들과 내륙을 연결하거나, 겨울철 기온이 크게 저하되는 산간지역, 심해 및 극지방 등에 초장대 교량 등이 건설되고 있으며, 사용되는 후물강재는 고강도화 및 저온에서의 충격인성이 요구되고 있다. 이러한 대형 용접구조물의 안정성 확보를 위해서는 용접 금속부 충격인성 특성이 무엇보다 중요하다. 일반적으로 초장대 교량의 플럭스 코어드 아크 용접의 경우 입열범위는 대략 15-45kJ/cm에 해당되는 입열량을 많이 사용하고 있다.
　
일반적으로 용접시 형성되는 용접 금속부(Weld Metal Joint)는 용접재료가 용융되면서 모재의 일부가 희석되어 용융풀을 형성하다가 응고하면서 조대한 주상정 조직이 형성되고 조대한 결정입내에 오스테나이트 결정입계를 따라서 조대한 입계 페라이트, 위드만스테텐 페라이트(Widmanstatten ferrite), 마르텐사이트 및 도상 마르텐사이트(M-A, Martensite Austenite constituent)등이 형성되어 충격인성이 열화되게 된다.
따라서, 용접구조물의 안정성을 확보하기 위해서는, 용접 금속부의 미세조직을 제어하여 용접 금속부의 충격인성을 확보할 필요가 있다. 이를 해결하기 위해서, 일본 특허공개공보 평11-170085호에서는 용접재료의 성분을 제어하고 있으나, 이는 용접 금속부의 미세조직, 입경 등을 제어하는 것이 아니므로 용접재료의 성분을 제어하여서는 충분한 용접 금속부 인성을 얻기가 어려운 문제가 있다.
또한, 일본 특허공개공보 2005-171300호에서는 C: 0.07%이하, Si: 0.3%이하, Mn: 1.0~2.0%, P: 0.02%이하, S를 0.1%이하, sol.Al: 0.04~0.1%, N: 0.0020~0.01%, Ti: 0.005~0.02%, B: 0.005~0.005%으로 구성되는 조성에서 ARM=197-1457C-1140sol.Al+11850N-316(Pcm-C)로 정의되는 ARM이 40~80인 것을 특징으로 하는 용접용 고장력강과 용접 금속부에 대한 기술이 개시되어 있으나, 상기 ARM에는 용접 금속부내 산소함량의 제한이 없기 때문에 대입열 용접 금속부의 충격인성을 확보하기 어려운 문제가 있다.
또한 일본 특허공개공보 평10-180488호에서는 슬래그 생성제: 0.5~3.0%, C: 0.04~0.2%, Si≤0.1%, Mn: 1.2~3.5%, Mg: 0.05~0.3%, Ni: 0.5~4.0%, Mo: 0.05~1.0%, B: 0.002~0.015%를 포함하여 양호한 충격인성을 확보하고 있지만, 용접 금속부내 산소 및 질소함량의 언급이 없기 때문에 대입열 용접 금속부의 충격인성을 확보하기 어려운 문제가 있다.
본 발명의 일측면은 조성 및 조직의 제어를 통해, 높은 강도를 갖는 동시에 -40℃이하의 극저온에서도 우수한 충격인성을 확보할 수 있는 플럭스 코어드 아크 용접 금속부를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 중량%로, C: 0.01~0.1%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 1.0~3.0%, Ti: 0.01~0.1%, Ni: 2.0~3.5%, Mo: 0.3~1.0%, B: 0.001~0.01%, N:0.003~0.007%, P: 0.03%이하(0은 제외), S: 0.03%이하(0은 제외), Al: 0.001~0.01%, O: 0.03~0.07%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
상기 조성은 0.9≤Ti/O≤1.3, 7≤Ti/N≤15, 15≤O/B≤22, 1.1≤(Ti+4B)/O≤1.6 및 11≤3Ni+2Mn+Mo≤14를 만족하는 것을 특징으로 하는 극저온 충격인성이 우수한 고강도 플럭스 코어드 아크 용접 금속부를 제공한다.
본 발명에 의하면, 용접입열량이 15~45kJ/cm의 FCAW용접에 있어서 인장강도 800Mpa이상의 고강도 물성을 가지면서 동시에, 용접 금속부의 미세조직과 산화물의 제어를 통하여 -40℃의 극저온에서도 우수한 저온충격인성을 확보할 수 있는 플럭스 코어드 아크 용접 금속부를 제공할 수 있다.
본 발명자는 800MPa급 이상의 고강도 용접금속부의 충격인성을 향상시키기 위해서는 기존의 입내에 존재하는 침상 페라이트 미세조직만으로는 강도를 확보하지 못하기 때문에 기지 강도 및 인성 향상에 효과적인 Ni원소를 적당량 첨가하고 또한 용접금속부 미세조직 구성을 침상 페라이트와 베이나이트 조직을 구성하면 고강도와 고인성의 용접금속부를 동시에 얻을 수 있다는 사실을 알게 되었다.
이러한 연구에 기초하여, 본 발명에서는,
[1] FCAW 용접금속부에 Ni원소를 적당량 첨가시키고,
[2] 용접 금속부의 산화물 개수와 입경을 제어하며,
[3] FCAW 용접 금속부에서 침상 페라이트 뿐만 아니라, 일정량 이상의 하부 베이나이트 조직을 형성시키고,
[4] TiO 및 고용보론(soluble B)을 확보하여 침상 페라이트 변태를 촉진하는 기술을 제시하기에 이르렀다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
[1] Ni원소 최적량 첨가
본 발명에서는 적당량의 Ni원소를 첨가시켜 기지의 인성을 향상시킬 뿐만 아니라 경화성을 향상시켜 고강도 및 고인성 용접금속부를 확보한다. 그러나 Ni은 고가의 합금원소이기 때문에 다량 첨가하는 것은 바람직하지 못하고, 또한 다량 존재할 때 용접금속부내 고온균열을 유발시켜 바람직하지 못하다. 따라서 가능한 최소범위의 Ni원소를 첨가시켜 고강도 고인성 FCAW 용접금속부 충격인성을 획기적으로 개선한다.
[2] TiO 산화물 제어　
본 발명에서는 용접 금속부내에 Ti/O, O/B의 비를 적절히 제어하여 TiO 산화물의 개수가 적절히 분포되면 용접금속의 응고과정에서 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하고 TiO산화물로부터 침상페라이트 변태를 촉진시킨다. 상기 TiO산화물이 오스테나이트 결정입내에 적절히 분포하면 오스테나이트에서 온도가 감소함에 따라 침상 페라이트 변태를 불균일 핵생성 자리의 역할로서 결정입계에 형성되는 입계 페라이트보다 우선적으로 형성시킬 수 있으므로, 용접 금속부의 충격인성을 획기적으로 개선할 수 있다.
[3] 용접금속부 미세조직
본 발명에서는 결정입내에 침상페라이트 변태를 촉진시켜 용접금속부의 침상페라이트를 형성하는 동시에, 고강도 용접금속부를 확보하기 위해서 Ni, Mn, Mo합금성분을 제어하여 하부 베이나이트 조직을 확보해서 고강도 고인성 특성을 확보한다.
[4] 용접 금속부내 고용 보론(soluble B) 역할
본 발명에서는 용접 금속부에 균일 분산되어 있는 산화물과는 별도로 고용되어 있는 보론은 결정입계로 확산되어 결정입계의 에너지를 낮게하여 결정입계에서 입계 페라이트 변태를 억제하는 역할을 하여 결정입내에 침상 페라이트 변태를 촉진시키는 역할을 한다. 이렇게 결정입계에서 입계페라이트 변태를 억제하여 결정입내에서의 침상 페라이트 변태의 촉진을 통하여 용접 금속부의 충격인성 향상에 기여한다.
이하, 본 발명 용접 금속부의 조성범위에 대하여 상세히 설명한다(이하, 중량%).
탄소(C)의 함량은 0.01~0.1%로 하는 것이 바람직하다.　
탄소(C)는 용접 금속부의 강도를 확보하고 용접경화성을 확보하기 위하여 필수적인 원소이다. 그러나 탄소함량이 0.1%를 초과하게 되면 용접성이 크게 저하하고 용접시 용접부 저온균열이 발생하기 쉽고 용접 금속부 충격인성이 크게 저하하는 문제점이 있다.
　
실리콘(Si)의 함량은 0.1~0.5%로 하는 것이 바람직하다. 　
실리콘의 함량이 0.1% 미만인 경우에 용접 금속부내의 탈산효과가 불충분하고 용접 금속부의 유동성을 저하시키며, 0.5%를 초과하는 경우에는 용접 금속부내의 도상 마르텐사이트(M-A constituent)의 변태를 촉진시켜 저온 충격인성을 저하시키고, 용접균열감수성에 영향을 미치기 때문에 바람직하지 못하다.
　
망간(Mn)의 함량은 1.0~3.0%로 하는 것이 바람직하다. 　
Mn은 용접 금속부에서 탈산작용 및 강도를 향상시키는 필수원소로 TiO산화물 주위에 MnS형태로 석출하여 Ti복합산화물로 하여금 용접 금속부 인성개선에 유리한 침상 페라이트의 생성을 촉진시키는 역할을 한다. 또한 Mn은 기지조직내에 치환형 고용체를 형성하여 기지를 고용 강화시켜 강도 및 인성을 확보하는데, 이를 위해서는 1.0%이상 함유되는 것이 바람직하다. 그러나, 3.0%를 초과할 경우 저온변태조직을 생성시키기 때문에 바람직하지 못하다.
티타늄(Ti)의 함량은 0.01~0.1%로 하는 것이 바람직하다.　
Ti는 O와 결합하여 미세한 Ti산화물을 형성시킬 뿐만 아니라, 미세 TiN석출물을 형성시키기 때문에 본 발명에서는 필수불가결한 원소이다. 이러한 미세한 TiO산화물 및 TiN복합석출물 효과를 얻기 위해서는 Ti을 0.01%이상 첨가하는 것이 바람직하나, 0.1%를 초과하면 조대한 TiO산화물 및 조대한 TiN석출물이 형성되어 바람직하지 못하다.
니켈(Ni)의 함량은 2.0~3.5%로 하는 것이 바람직하다. 　
Ni은 고용강화에 의해 매트릭스(matrix)의 강도와 인성을 향상시키는 필수적인 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 Ni함유량이 2.0%이상 함유되는 것이 바람직하지만, 3.5%를 초과하는 경우에는 소입성을 크게 증가시키고 고온균열의 발생 가능성이 있기 때문에 바람직하지 못하다.　
붕소(보론, B)의 함량은 0.001-0.01%로 하는 것이 바람직하다. 　
B은 소입성을 향상시키는 원소로서 입계에 편석되어 입계 페라이트 변태를 억제한다. 즉, 고용 B는 용접 금속부의 강도를 향상시키는 경화능 확보 역할과 동시에 결정입계로 확산되어 결정입계의 에너지를 낮게하여 입계 페라이트 변태를 억제하는 역할을 하여 침상 페라이트의 변태를 촉진시킨다. 상기 입계 페라이트 변태를 억제하기 위해서는 0.001% 이상 필요하지만, 그 함량이 0.01%를 초과하면 그 효과가 포화되고 용접경화성이 크게 증가하여 마르텐사이트 변태를 촉진시켜 용접 저온균열 발생 및 인성을 저하시키기 때문에 바람직하지 못하다.
질소(N)의 함량은 0.003-0.007%로 하는 것이 바람직하다. 　
N은 TiN 석출물 등을 형성시키는데 필수불가결한 원소로, N의 첨가량이 많아지면, 미세 TiN 석출물의 양을 증가시킨다. 특히 TiN 석출물 크기 및 석출물 간격, 석출물 분포, 산화물과의 복합석출 빈도수, 석출물 자체의 고온 안정성 등에 현저한 영향을 미치기 때문에, 그 함량은 0.003%이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 하지만, 질소함량이 0.007%를 초과하면 그 효과가 포화되며, 용접 금속부내에 존재하는 고용질소량의 증가로 인해 인성저하를 초래할 수 있다. 　
인(P)의 함량은 0.03%이하(0은 제외)로 하는 것이 바람직하다. 　
P는 용접시 고온균열을 조장하는 불순원소이기 때문에 가능한 한 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 인성 향상 및 균열 저감을 위해서는 0.03%이하로 관리하는 것이 좋다. 　
알루미늄(Al)의 함량은 0.001-0.01%로 하는 것이 바람직하다. 　
Al은 탈산제로서 용접 금속부내에 산소량을 감소시키기 때문에 필요한 원소이다. 또한 고용질소와 결합하여 미세한 AlN석출물을 형성시키기 위해서는 Al함유량을 0.001%이상으로 하는 것이 좋다. 그러나, 0.01%를 초과하면 조대한 Al2O3산화물을 형성시켜 인성개선에 필요한 TiO산화물의 형성을 방해하므로 0.01%이하로 하는 것이 바람직하다.
　
황(S)의 함량은 0.03%이하(0은 제외)로 하는 것이 바람직하다.
S는 MnS 형성을 위하여 필요한 원소이다. MnS의 복합석출물의 석출을 위해서는 0.03%이하로 하는 것이 바람직하다. 그 이상이 존재하는 경우 FeS 등의 저융점화합물을 형성시켜 고온균열을 유발시킬 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.
　
산소(O)의 함량은 0.03-0.07%로 제한하는 것이 바람직하다. 　
O는 용접 금속부 응고중에 Ti와 반응하여 Ti산화물을 형성시키는 원소로, Ti산화물은 용접 금속부내에서 침상 페라이트의 변태를 촉진시킨다. O함유량이 0.03% 미만이면 Ti산화물을 용접 금속부에 적절히 분포시키지 못하며, 0.07%를 초과하면 조대한 Ti산화물 및 기타 FeO 등의 산화물이 생성되어 용접 금속부 충격인성에 영향을 미치기 때문에 바람직하지 않다.
몰리브덴(Mo)의 함량은 0.3~1.0%로 하는 것이 바람직하다.
Mo은 기지의 강도를 향상시키는 원소로서 0.3%이상 첨가되는 것이 필요하지만, 그 함량이 1.0%를 초과하면 강도 향상 효과가 포화되고 용접경화성이 크게 증가하여 마르텐사이트 변태를 촉진시켜 용접 저온균열 발생 및 인성을 저하시키기 때문에 바람직하지 못하다.
본 발명의 용접 금속부는 상기 조성이외에 기계적 성질을 보다 향상시키기 위해서 Nb, V, Cu, Cr, W, Zr의 그룹에서 선택된 1종 또는 2종이상을 첨가할 수 있다.
구리(Cu)의 함량은 0.01~2.0%로 하는 것이 바람직하다. 　
Cu는 기지에 고용되어 고용강화 효과로 인하여 강도 및 인성을 확보하기 위해서 유효한 원소이다. 이를 위해서는 Cu함유량이 0.01% 이상 함유되어야 하지만, 2.0%를 초과하는 경우에는 용접 금속부에서 경화성을 증가시켜 인성을 저하시키며 용접 금속부에서 고온균열을 조장시키기 때문에 바람직하지 못하다.
　
또한, Cu가 첨가되는 경우, Cu와 Ni의 총합이 3.5%미만으로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 3.5% 이상인 경우에는 소입성이 커져서 인성 및 용접성에 악영향을 초래하기 때문이다.
　 　
니오븀(Nb)의 함량은 0.001-0.1%로 하는 것이 바람직하다. 　
Nb는 소입성을 향상시키기 위한 원소로서, 특히 Ar3온도를 낮추고 냉각속도가 낮은 범위에서도 베이나이트 생성범위를 넓히는 효과가 있어, 베이나이트 조직을 얻기 위하여 첨가될 수 있다. 상기 강도 향상 효과를 기대하기 위해서는 그 첨가량이 0.001%이상이 필요하다. 그러나 0.1%를 초과하면 용접시 용접 금속부에서 도상 마르텐사이트 형성을 촉진하여 용접 금속부의 인성에 나쁜 영향을 미치기 때문에 바람직하지 못하다.
바나듐(V)의 함량은 0.001-0.1%로 하는 것이 바람직하다. 　
V는 VN석출물을 형성시켜 페라이트 변태를 촉진하는 원소로서 0.001%이상이 필요하나 0.1%를 초과하면 용접 금속부에 탄화물(Carbide)과 같은 경화상을 형성시켜 용접 금속부의 인성에 나쁜 영향을 미치기 때문에 바람직하지 못하다.
크롬(Cr)은 0.05~1.0%로 하는 것이 바람직하다. 　
Cr은 소입성을 증가시키고 또한 강도를 향상시키는데, 그 함유량이 0.05%미만에는 강도를 얻을 수 없고 1.0%를 초과하는 경우 용접 금속부 인성열화를 초래한다. 　
　
텅스텐(W)의 함량은 0.05-0.5%로 하는 것이 바람직하다.
W은 고온강도를 향상시키고 석출강화에 효과적인 원소이다. 그러나 0.05% 미만에서는 강도상승효과가 미약하기 때문에 바람직하지 못하고 0.5%를 초과하면 용접 금속부 인성에 나쁜 영향을 미치기 때문에 바람직하지 못하다.
지르코늄(Zr)의 함량은 0.005-0.5%로 하는 것이 바람직하다
Zr은 강도상승에 효과가 있기 때문에 0.005%이상 첨가하는 것이 바람직하며 0.5%를 초과할 경우 용접 금속부 인성에 나쁜 영향을 미치기 때문에 바람직하지 못하다.
또한, 본 발명에서는 구오스테나이트의 결정립 성장 억제를 위해 칼슘(Ca), 희토류 원소(REM)의 1종 또는 2종을 추가로 첨가할 수 있다. 　
　
Ca 및 REM은 용접시 아크를 안정시키고 용접 금속부에서 산화물을 형성시키는 원소이다. 또한 냉각과정에서 오스테나이트 결정립 성장을 억제하고 입내 페라이트변태를 촉진시켜 용접 금속부의 인성을 향상시킨다. 이를 위해, 칼슘(Ca)은 0.0005%이상, REM은 0.005%이상 첨가하는 것이 좋으나, Ca이 0.05%, REM이 0.05%를 초과하는 경우 대형 산화물을 형성하여 인성에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. REM으로서는 Ce, La, Y 및 Hf등의 1종 또는 2종이상을 사용하여도 무방하고 어느 것도 상기 효과를 얻을 수 있다.　
나머지는 불가피한 불순물 및 Fe로 이루어진다.
이하 본 발명의 성분관계식에 대하여 상세히 설명한다.
Ti/O의 비는 0.9~1.3을 만족하는 것이 바람직하다.　
Ti/O비가 0.9 미만의 경우에는 용접 금속부내에 오스테나이트 결정립 성장억제 및 침상 페라이트 변태에 요구되는 TiO산화물 개수가 불충분하며, TiO산화물내에 함유하는 Ti비율이 작아져서 침상 페라이트 핵생성 자리로서의 기능을 상실하여 용접열영향부의 인성개선에 유효한 침상 페라이트 상분율이 저하된다. 또한, Ti/O의 비가 1.3을 초과하는 경우에는 용접 금속부내 오스테나이트 결정립 성장 억제 효과가 포화되며, 산화물내에 함유되는 합금성분의 비율이 오히려 작아져서 침상 페라이트의 핵생성 자리로서의 기능을 상실한다.
Ti/N의 비는 7~15를 만족하는 것이 바람직하다.　
본 발명에서 Ti/N비가 7 미만인 경우에는 TiO산화물에 형성되는 TiN석출물 양이 감소하여 인성개선에 효과적인 침상 페라이트 변태에 나쁜 영향을 미치기 때문에 바람직하지 못하며, 15를 초과하는 경우 그 효과가 포화되고 고용질소양이 증가하여 충격인성을 저하시키기 때문에 바람직하지 못하다.
　
O/B의 비는 15~22를 만족하는 것이 바람직하다.　
본 발명에서 O/B비가 15 미만이면 용접후 냉각과정중에 오스테나이트 결정입계에 확산되어 입계 페라이트 변태를 억제하는 고용 B의 양이 불충분하며, O/B비가 22을 초과하는 경우에는 그 효과가 포화되며 고용질소량이 증가하여 용접열영향부의 인성을 저하시킨다.. 　
　
(Ti+4B)/O의 비는 1.1~1.6으로 하는 것이 바람직하다.　
본 발명에서 (Ti+4B)/O의 비가 1.1 미만인 경우 고용질소량이 증가하여 용접 금속부의 인성개선에 효과적이지 못하고, 1.6을 초과하는 경우 TiN, BN 석출물의 개수가 불충분하기 때문에 바람직하지 못하다.
(3Ni+2Mn+Mo)의 비는 11~14로 하는 것이 바람직하다.　
본 발명에서 (3Ni+2Mn+Mo))의 비가 11.0 미만의 경우 하부 베이나이트 조직의 형성에 영향을 미치기 때문에 800MPa급 이상의 고강도 용접 금속부를 확보할 수 없으며, 그 비가 14.0을 초과할 경우 경화성이 증가하여 용접 금속부 저온균열 및 인성에 나쁜 영향을 미치는 마르텐사이트의 조직이 형성되기 때문에 바람직하지 못하다.
이하, 본 발명 용접 금속부의 미세조직에 대하여 상세히 설명한다.
　
본 발명에서 FCAW 용접후 형성되는 용접 금속부의 미세조직은 침상 페라이트(acicular ferrite)와 하부 베이나이트(lower bainite)이고, 고인성을 확보하기 위해서는 침상 페라이트 분율이 면적분율로 60%이상인 것이 바람직하고, 고강도를 확보하기 위해서 하부 베이나이트가 30%이상인 것이 바람직다. 그 이유는 침상 페라이트 조직은 극저온 충격인성을 확보하고, 베이나이트는 일정수준의 강도를 확보하기 위함이다.
즉, 조대한 입계 페라이트, 위드만스타텐(Widmanstatten) 페라이트 등이 혼합되어 있는 경우에는 충격인성이 유리하지만 고강도를 확보하기 곤란하고, 마르텐사이트 조직이 혼합되어 있는 경우는 고강도를 확보할 수 있지만 저온충격인성을 확보하기 어렵기 때문에 본 발명에서는 침상 페라이트와 하부 베이나이트 조직을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명에서 고강도와 고인성의 유리한 최적의 미세조직은 60~70면적%정도의 침상 페라이트와 30~40면적%의 하부 베이나이트 조직이 가장 바람직하다.
용접 금속부에 존재하는 산화물은 용접후 용접 금속부의 미세조직 변태에 큰 영향을 미친다. 즉 분포하는 산화물의 종류, 크기 및 그 개수에 크게 영향을 받게 된다. 특히 FCAW 용접 금속부의 경우, 응고과정에서 결정립이 조대화되고 결정입계로부터 조대한 입계 페라이트, 위드만스타텐(Widmanstatten) 페라이트, 베이나이트 등의 조직이 형성되어 용접 금속부의 물성이 저하된다.
이를 방지하기 위해서 본 발명에서는 용접 금속부내에 TiO 산화물을 0.5㎛이하의 간격으로 균일하게 분산시키고, TiO산화물의 평균입경 및 임계 개수를 0.01~0.1㎛ 및 1mm3당 1.0x107개 이상으로 한정한다.
그 이유는 평균입경이 0.01㎛미만에서는 FCAW용접 금속부에서 침상 페라이트의 변태를 촉진시키는 역할을 하지 못하며, 또한 0.1㎛을 초과하는 경우에는 오스테나이트 결정립에 대한 피닝(pinning, 결정립 성장억제)효과가 적어지고 조대한 비금속 개재물과 같은 거동을 하여 용접 금속부 충격인성에 좋지 않은 영향을 미치기 때문이다.
　
본 발명에서 FCAW이외의 다른 용접 프로세스(Process)에 의해서도 제조할 수 있다. 이 때 용접 금속부의 냉각속도가 빠르면 산화물을 미세분산시키고 조직이 미세하기 때문에 냉각속도가 빠른 대입열 용접 프로세스(process)가 바람직하다. 또한 같은 이유로 용접부의 냉각속도를 향상시키기 위하여 강재 냉각 및 Cu-backing방법도 유리하다. 그러나, 이와 같이 공지의 기술들을 본 발명에 적용하더라도 이는 본 발명의 단순한 변경으로서 실질적으로 본 발명의 기술사상의 범위내라고 해석하는 것은 당연하다. 　
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
표 1과 같은 성분 조성(중량%)을 갖는 용접 금속부를 15~45kJ/cm이상의 용접입열량을 적용하여 FCAW에 의해 제조하였으며, 용접 금속부 합금성분 원소간의 구성비는 하기 표 2와 같다.　
상기와 같이 용접된 용접 금속부의 기계적 성질을 평가하기 위한 시험편들은 용접 금속부의 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 제조하여 시험하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.
용접 금속부의 충격인성에 중요한 영향을 미치는 산화물의 크기와 갯수 그리고 간격은 화상분석기(image analyzer)와 전자현미경을 이용한 포인트 카운팅(point counting)법으로 측정하였다. 이때, 피검면은 100mm2을 기준으로 하여 평가하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.　또한, FCAW 용접 금속부의 극저온에서의 충격인성 평가는 FCAW 용접후 충격시험편으로 가공하여 -40℃에서 샤르피 충격시험을 통해 충격에너지를 측정하여 그 결과를 표 3에 나타내었다.
구분 C Si Mn P S Ni Mo Ti B
(ppm
)		 N
(ppm
)		 Cu Al Cr Nb V Ca REM O
(ppm
)
발명예
1		 0.04 0.35 1.94 0.008 0.005 2.7 0.60 0.054 24 45 - 0.003 - - - - - 480
발명예2 0.07 0.32 1.80 0.010 0.004 2.6 0.65 0.050 20 54 - 0.005 - - - - - 440
발명예3 0.06 0.25 1.88 0.011 0.004 2.9 0.45 0.048 26 53 0.005 0.004 - - - - - 480
발명예4 0.08 0.32 2.01 0.008 0.005 2.6 0.72 0.042 20 50 - 0.003 - - - - - 400
발명예5 0.07 0.42 2.20 0.009 0.004 2.7 0.60 0.045 20 43 - 0.003 - - - - - 420
발명예6 0.07 0.38 2.40 0.010 0.005 2.8 0.62 0.048 22 45 - 0.002 - 0.03 - - - 480
발명예7 0.09 0.25 2.0 0.011 0.005 2.6 0.65 0.040 25 55 0.04 0.002 - - - - - 460
발명예8 0.06 0.35 1.60 0.012 0.006 2.5 0.64 0.064 30 45 - 0.003 - - 0.001 - - 520
발명예9 0.06 0.28 2.30 0.010 0.005 2.9 0.50 0.046 25 52 - 0.003 0.1 - - 0.001 - 380
발명예10 0.07 0.38 1.80 0.009 0.006 2.65 0.55 0.048 20 50 - 0.003 - - - - 0.005 360
비교예1 0.03 0.06 1.25 0.011 0.006 2.60 0.19 0.01 29 72 0.02 0.005 - - - - - 250
비교예2 0.05 0.13 1.93 0.011 0.004 1.71 0.20 0.025 69 50 0.04 0.001 - - - - - 320
비교예3 0.06 0.06 1.25 0.010 0.007 1.61 0.010 0.034 21 74 - 0.007 - - - - - 450
비교예4 0.04 0.19 2.0 0.008 0.004 1.75 0.55 0.02 105 56 0.02 - - - - - - 300
비교예5 0.06 0.28 1.56 0.013 0.008 2.50 1.14 0.058 58 71 0.012 - - - - - - 270
비교예6 0.06 0.26 1.53 0.012 0.007 1.50 0.16 0.037 52 40 0.03 0.012 - - - - - 640
비교예7 0.05 0.22 1.58 0.015 0.008 1.51 1.12 0.04 92 70 0.03 0.01 - - - - - 160
비교예8 0.07 0.14 2.56 0.011 0.006 2.52 0.51 0.014 42 180 0.32 0.03 - - 0.013 - - 200
비교예9 0.09 0.37 1.74 0.015 0.010 1.44 1.17 0.081 11 100 0.03 0.02 - - - - - 240
비교예10 0.05 0.26 1.66 0.009 0.004 0.05 1.15 0.042 15 30 - 0.006 - - - - - 750
비교예11 0.07 0.23 1.72 0.008 0.004 2.30 0.64 0.03 22 60 0.05 0.01 - - - - - 190
구분 Ti/O Ti/N O/B (Ti+4B)/O 3Ni+2Mn+Mo
발명예1 1.1 12.0 20 1.3 12.6
발명예2 1.1 9.3 22 1.3 12.1
발명예3 1.0 9.1 18.5 1.2 12.9
발명예4 1.1 8.4 20 1.3 12.5
발명예5 1.1 10.5 21 1.3 13.1
발명예6 1.0 10.7 21.8 1.2 13.8
발명예7 0.9 7.3 18.4 1.1 12.5
발명예8 1.2 14.2 17.3 1.5 11.3
발명예9 1.2 8.8 15.2 1.5 13.8
발명예10 1.3 9.6 18 1.6 12.1
비교예1 0.4 1.4 8.6 0.9 10.5
비교예2 0.8 5.0 4.6 1.6 9.2
비교예3 0.8 4.6 21.4 0.9 7.3
비교예4 0.7 3.6 2.8 2.1 9.8
비교예5 2.1 8.2 4.7 3.0 11.8
비교예6 0.6 9.3 12.3 0.9 7.7
비교예7 2.5 5.7 1.7 4.8 8.8
비교예8 0.7 0.8 4.8 1.5 13.2
비교예9 3.4 8.1 21.8 3.6 9.0
비교예10 0.6 14.0 50.0 0.6 4.6
비교예11 1.6 5.0 8.6 2.0 11.0
구분 용접 방법 TiO산화물 미세조직 기계적성질
프로세스 입열량
(kJ/㎝)		 개수
(개/㎣)		 평균크기
(㎛)		 침상 페라이트 하부 베이나이트 인장강도(MPa) vE-40℃
(J)
발명예1 FCAW 25 3.3X108 0.016 63 37 841 108
발명예2 FCAW 30 4.6X108 0.017 65 35 852 109
발명예3 FCAW 15 3.7X108 0.012 67 33 864 92
발명예4 FCAW 45 4.6X108 0.016 65 35 863 104
발명예5 FCAW 25 6.4X108 0.018 70 30 853 96
발명예6 FCAW 25 5.3X108 0.025 69 31 831 100
발명예7 FCAW 30 3.6X108 0.013 69 31 865 95
발명예8 FCAW 30 3.3X108 0.026 67 33 842 89
발명예9 FCAW 30 5.6X108 0.024 64 36 865 105
발명예10 FCAW 35 5.3X108 0.014 65 35 838 102
비교예1 FCAW 20 3.0X106 0.045 46 43 857 10
비교예2 FCAW 20 4.3X106 0.051 42 45 844 21
비교예3 FCAW 20 2.5X106 0.054 44 36 751 46
비교예4 FCAW 20 3.0X106 0.064 45 46 823 23
비교예5 FCAW 20 2.5X106 0.037 37 54 656 19
비교예6 FCAW 30 2.5X106 0.056 42 54 840 14
비교예7 FCAW 30 3.0X106 0.043 44 54 841 19
비교예8 FCAW 20 4.1X105 0.046 32 47 839 12
비교예9 FCAW 30 2.8X105 0.041 29 63 825 24
비교예10 FCAW 20 3.4X105 0.046 22 53 823 32
비교예11 FCAW 25 2.6X106 0.043 41 52 824 23
표 3 에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 용접 금속부는 TiO 산화물의 개수는 3X108개/mm3이상의 범위를 가지고 있는데 반해, 비교강의 경우는 4.3 X10 6개/mm3이하의 범위를 보이고 있어 비교강 대비 발명강이 상당히 균일하면서도 미세한 복합석출물 크기를 갖으면서 그 개수 또한 현저히 증가되었음을 잘 알 수 있다.
또한, 본 발명강의 미세조직의 경우 침상 페라이트 및 하부 베이나이트 분율은 각각 60~70% 및 30~40% 이상의 높은 분율로 구성되어 있다. 따라서 FCAW 용접시 본 용접금속부는 800MPa이상의 고강도이면서 -40℃에서도 우수한 용접금속부 충격인성을 보이고 있다.

Claims (7)

  1. 중량%로, C: 0.01~0.1%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 1.0~3.0%, Ti: 0.01~0.1%, Ni: 2.0~3.5%, Mo: 0.3~1.0%, B: 0.001~0.01%, N:0.003~0.007%, P: 0.03%이하(0은 제외), S: 0.03%이하(0은 제외), Al: 0.001~0.01%, O: 0.03~0.07%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    상기 조성은 0.9≤Ti/O≤1.3, 7≤Ti/N≤15, 15≤O/B≤22, 1.1≤(Ti+4B)/O≤1.6 및 11≤3Ni+2Mn+Mo≤14를 만족하는 것을 특징으로 하며,
    상기 용접 금속부의 미세조직은 입계 페라이트 및 위드만스타텐 페라이트는 포함하지 않는 조직으로서, 30~40%의 하부 베이나이트 및 60~70%의 침상 페라이트를 포함하고,
    상기 용접 금속부는 -40℃의 샤르피 충격 흡수 에너지값이 85J 이상인 극저온 충격인성이 우수한 고강도 플럭스 코어드 아크 용접 금속부.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접 금속부는 Nb: 0.001~0.1%, V: 0.001~0.1%, Cu: 0.01~2.0%, Cr: 0.05~1.0%, W: 0.05∼0.5% 및 Zr: 0.005~0.5%의 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 더 포함하는 극저온 충격인성이 우수한 고강도 플럭스 코어드 아크 용접 금속부.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 Cu가 첨가되는 경우에는 Cu 및 Ni의 총합이 3.5%미만인 극저온 충격인성이 우수한 고강도 플럭스 코어드 아크 용접 금속부.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접 금속부는 Ca:0.0005~0.05%, REM:0.005~0.05%의 그룹에서 선택된 1종 또는 2종을 더 포함하는 극저온 충격인성이 우수한 고강도 플럭스 코어드 아크 용접 금속부.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접 금속부는 평균입경이 0.01-0.1㎛인 TiO 산화물이 1mm3당 1.0x107개 이상 분포되어 있는 극저온 충격인성이 우수한 고강도 플럭스 코어드 아크 용접 금속부.
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KR20090070147A (ko) * 2007-12-26 2009-07-01 주식회사 포스코 저온 ｃｔｏｄ특성이 우수한 플럭스 코어드 아크용접금속부

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