KR101304657B1

KR101304657B1 - 극저온 인성이 우수한 용접이음부

Info

Publication number: KR101304657B1
Application number: KR1020110065167A
Authority: KR
Inventors: 이봉근; 한일욱; 김정길; 이홍길
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-09-05
Also published as: KR20130003685A

Abstract

본 발명은 극저온에서 인성이 우수한 용접이음부에 관한 것으로서, 중량%로, 탄소(C): 0.02-0.75％, 실리콘(Si): 0.3-0.7％, 망간(Mn): 10-35％, 크롬(Cr): 15% 이하, 니켈(Ni): 25％ 이하, 몰리브덴(Mo): 1.45% 이하, 알루미늄(Al): 0.009-2.5%, 황(S): 0.02% 이하, 인(P): 0.02% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 용접이음부의 충격인성(-196℃)은 27J이상인 극저온 인성이 우수한 용접이음부를 제공한다.

Description

극저온 인성이 우수한 용접이음부{WELD METAL JOINT HAVING EXCELLENT LOW TEMPERATURE TOUGHNESS}

본 발명은 해양구조물, 에너지, 조선, 건축, 교량 및 압력용기 등에 사용되는 극저온용 고망간강을 서브머지드 아크 용접(SUBMERGED ARC WELDING, SAW) 또는 플럭스 코어드 아크 용접(FLUX CORED ARC WELDING, FCAW)하여 생성되는 극저온 인성이 우수한 용접이음부에 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. 극저온 온도에서의 충격인성이 높은 소재가 사용되고 있으며, 대표적으로 사용되는 소재로는 9%Ni강, 스테인리스스틸(이하 STS), 알루미늄 등이 있다.

그러나, 9%Ni강 및 STS304강은 고가의 니켈이 많이 포함되어 있기 때문에, 비용적인 문제가 크다. 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.

또한, 극저온용 LNG FPSO 및 LNG 연료수송용 소재로서 현재 9%Ni강, STS 및 알루미늄이 사용되고 있다. 그러나, 9%Ni강은 고가의 Ni기 용접재료(인코넬(Inconel) 625 소재: Ni 50중량%이상, Cr 20중량%이상 함유)를 사용하여야 하고, 용접부의 낮은 항복강도 문제가 문제이다. 또한, 알루미늄의 경우 용접성이 불량하며, STS의 경우 가격이 비싸고, 열변형율 및 극저온 보증 등의 문제가 있다. 따라서, 경제적이고 우수한 용접성을 확보할 수 있는 극저온용 고Mn계 용접재료의 개발이 요구되고 있다.

상기한 바와 같이, 극저온 영역인 -162℃ 이하에서 용접구조물의 안정성을 확보하기 위해서는 27J 이상의 충격인성을 나타내는 용접이음부 확보가 필수적이다. 따라서, 이러한 용접이음부의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 극저온에서 인성이 우수한 오스테나이트상을 유지시키고, 용접시 고온균열을 방지하기 위한 합금성분을 제어함으로써, 극저온 충격인성이 우수한 서브머지드 및 플럭스코어드 아크 용접이음부를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일측면은 중량%로, 탄소(C): 0.02-0.75％, 실리콘(Si): 0.3-0.7％, 망간(Mn): 10-35％, 크롬(Cr): 15% 이하, 니켈(Ni): 25％ 이하, 몰리브덴(Mo): 1.45% 이하, 알루미늄(Al): 0.009-2.5%, 황(S): 0.02% 이하, 인(P): 0.02% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 극저온 인성이 우수한 용접이음부를 제공할 수 있다.

상기 용접이음부는 질소(N): 0.30-0.75중량%를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

상기 용접이음부는 탄소(C) 및 질소(N)의 함량의 합이 0.30-0.75중량%인 것이 바람직하다.

상기 용접이음부는 니켈당량(Ni_eq)+0.34*크롬당량(Cr_eq)≥28.37을 만족하는 것이 바람직하다.

상기 용접이음부는 크롬당량(Cr_eq)이 14중량% 이하인 것이 바람직하다.

상기 용접이음부는 크롬당량(Cr_eq)이 1중량% 이하일 때, 니켈당량(Ni_eq)이 28중량% 이상인 것이 바람직하다.

상기 용접이음부의 충격인성(-196℃)은 27J 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 일측면에 의하면, 극저온에서도 충격인성이 매우 우수한 서브머지드 및 플럭스코어드 아크 용접이음부를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명 일실시예의 용접이음부의 단면도이다.
도 2는 본 발명 일실시예의 용접이음부의 미세조직사진이다.
도 3은 본 발명 일실시예의 크롬당량과 니켈당량의 상관관계를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명자들은 연구와 실험을 통해, 서브머지드 아크 용접 또는 플럭스 코어드 아크 용접시 생성되는 용접이음부에 대하여, 극저온에서도 충격인성이 우수한 용접이음부의 합금원소의 범위를 설정할 수 있다는 점을 착안하여, 그 결과에 기초하여 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명에서는 용접 와이어의 합금성분을 최적으로 조합하여 오스테나이트 상을 유지시키고, 용접시 고온균열을 방지할 수 있는 서브머지드 또는 플럭스 코어드 아크 용접이음부를 제공할 수 있다.

본 발명의 용접이음부는 다음의 조성을 포함한다.

탄소(C): 0.02-0.75중량%

탄소는 용접금속의 강도를 확보하고, 용접금속의 극저온 충격인성을 확보할 수 있는 오스테나이트 안정화 원소로서 현존하는 가장 강력한 원소이며, 본 발명에서는 필수적인 원소이다. 탄소의 함량이 0.02중량% 미만인 경우에는 오스테나이트 안정화 원소의 함량이 낮기 때문에, 극저온 충격인성이 저하될 수 있다. 그러나, 탄소의 함량이 0.75중량%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 0.02-0.75중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

실리콘(Si): 0.3-0.7중량％

실리콘의 함량은 0.3중량% 미만인 경우에는 용접금속내의 탈산효과가 불충분하고 용접금속의 유동성을 저하시킬 수 있다. 반면에, 실리콘의 함량이 0.7중량%를 초과하는 경우에는 용접금속내의 편석 등을 유발하여 저온 충격인성을 저하시키고 용접균열감수성에 악영향을 미치는 문제점이 있다. 따라서, 실리콘의 함량은 0.3-0.7중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

망간(Mn): 10-35중량％

망간은 저온 안정상인 오스테나이트를 생성시키는 주요 원소로 본 발명에서 필수적으로 첨가되어야 하는 원소이고 니켈에 비해 매우 저렴한 원소이다. 망간의 함량이 10중량% 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 10-35중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr): 15중량% 이하(0은 제외)

크롬은 페라이트 안정화 원소로서 일정함량의 크롬을 통해 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 낮출 수 있는 장점이 있다. 그러나, 크롬의 함량이 15중량%를 초과하는 경우에는 크롬계 탄화물이 과도하게 생성되어 극저온 인성이 낮아지는 문제점이 있다. 따라서, 크롬의 함량은 15중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

니켈(Ni): 25중량％ 이하(0은 제외)

니켈은 오스테나인트 안정화 원소로 본 발명에서 필수적을 첨가되어야 하는 원소이다. 다만, 니켈의 가격이 높기 때문에, 제조단가를 고려하여 25중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. 따라서, 니켈의 함량은 25중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo): 1.45중량% 이하(0은 제외)

몰리브덴은 기지의 강도를 향상시킬 수 있는 원소이다. 다만, 몰리브덴의 함량이 1.45중량%를 초과하는 경우에는 몰리브텐 탄화물이 과도하게 생성되어 극저온 인성을 저하시키는 단점이 있다. 따라서, 몰리브덴의 함량은 1.45중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

알루미늄(Al): 0.009-2.5중량%

알루미늄은 강도를 감소시키나, 아울러, SFE(Stacking Fault Energy)를 증가시켜 저온에서의 인성을 확보할 수 있도록 하며, 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위하여는 0.009중량% 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 0.009-2.5중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

황(S): 0.02중량% 이하

황은 MnS 복합석출물을 석출시키는 원소이나, 그 함량이 0.02중량%를 초과하는 경우에는 FeS 등의 저융점화합물을 형성시켜 고온균열을 유발시킬 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서, 황의 함량은 0.02중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

인(P): 0.02중량% 이하

인은 저온인성에 영향을 미치는 원소로서 결정입계에 취화한 인화합물이 생성되므로, 그 상한을 0.03 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

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.

더불어, 본 발명의 용접이음부는 하기 설명하는 질소(N)를 추가적으로 첨가하는 경우 본 발명의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

삭제

탄소(C) 및 질소(N)의 함량의 합이 0.30~0.75 중량%인 것이 바람직하다. 탄소와 질소는 유사하게 오스테나이트 안정화 원소로서 작용하므로, 본 발명에서는 0.30 중량% 이상으로 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, 각각 탄화물 및 질화물의 형성이 용이한 원소이므로, 본 발명에서는 0.75중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 니켈당량(Ni_eq)은 30C+30N+0.5Mn+Ni로 나타낼 수 있으며, 크롬당량(Cr_eq)은 Cr+Mo+1.5Si로 나타낼 수 있다. 본 발명 용접이음부는 니켈당량(Ni_eq) + 0.34*크롬당량(Cr_eq) ≥ 28.37을 만족하는 것이 바람직하다. 28.37보다 낮은 경우 상기 용접이음부는 -196℃에서 충격인성값이 27J 미만으로 나타날 수 있다.

상술한 크롬당량은 14중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 크롬, 몰리브덴과 같은 원소는 쉽게 탄화물 및 질화물로 만들어지는 원소이므로, 크롬당량이 14중량%를 초과하는 경우에는 상기 탄, 질화물의 함량이 높아져 극저온 충격인성이 저하될 수 있다.

더불어, 상기 용접이음부에서 크롬당량(Cr_eq)이 1중량% 이하일 경우 니켈당량(Ni_eq)은 28중량% 이상을 확보하는 것이 바람직하다. 28중량% 미만인 경우 극저온인 -196℃에서 충격인성이 27J 미만으로 나타난다.

본 발명의 일측면인 상기 용접이음부는 -196℃에서 충격인성을 측정한 결과 27J 이상의 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.

(실시예1)

100% CO₂ 보호가스를 적용하여 1.7KJ/mm 입열량으로 플럭스 코어드 아크 용접을 실시하였다. 상기와 같이 용접된 용접이음부의 기계적 성질을 평가하기 위한 시험편들은 용접이음부 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. 또한 용접이음부의 성분을 분석하여, 첨가 원소, 니켈당량 및 크롬함량을 하기 표1에 나타내었으며, 추가적으로 용접유무를 판단하여 함께 나타내었다.

더불어, 니켈당량 및 크롬당량의 상관관계를 나타낸 그래프를 도 3에 도시하였다. 또한, 발명예1에 대한 용접이음부 사진과 미세조직 사진을 도 1 및 도 2에 각각 나타내었다.

구분	Nieq	Creq	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Al	S	N	용접유뮤	충격인성
비교예1	20.4	1.2	0.23	0.702	26.99	0.02	0.01	0.09	0.009	0.007	-	○	15
비교예2	26.2	2.5	0.62	0.705	15.15	0.027	0.016	1.37	0.017	0.009	-	○	22
비교예3	24.9	4.3	0.55	0.331	16.72	3.84	0.012	<0.010	0.01	0.004	-	○	11
비교예4	14.9	4.8	0.21	0.465	17.25	4.12	0.013	<0.010	0.024	0.007	-	○	8
비교예5	34.2	1	0.72	0.676	18.07	0.015	3.58	<0.010	0.015	0.023	-	결함	-
비교예6	39.1	6.2	0.82	0.623	21.35	5.25	3.82	<0.010	0.023	0.003	-	결함	-
비교예7	28.2	17.3	0.63	0.523	18.57	16.5	0.01	<0.010	0.012	0.008	-	○	23
비교예8	32.0	0.9	0.68	0.612	18.42	0.012	2.41	1.54	0.012	0.009	-	○	24
비교예9	38.2	1.0	0.52	0.651	17.25	0.013	4.42	<0.010	0.011	0.011	0.32	○	25
발명예1	43.1	0.7	0.54	0.471	11.2	0.016	21.34	<0.010	0.009	0.01	-	○	107
발명예2	34.2	1	0.72	0.676	18.07	0.015	3.58	<0.010	0.015	0.009	-	○	44
발명예3	32.3	0.6	0.51	0.421	18.08	0.014	7.98	<0.010	0.013	0.013	-	○	65
발명예4	28.9	0.9	0.39	0.58	18.13	0.021	8.12	<0.010	0.021	0.008	-	○	42
발명예5	34.1	0.9	0.71	0.591	17.34	0.025	4.12	<0.010	1.02	0.008	-	○	52
발명예6	32	0.8	0.62	0.523	18.04	0.012	4.41	<0.010	1.98	0.009	-	○	61
발명예7	33.9	0.8	0.63	0.512	21.87	0.013	4.11	<0.010	0.013	0.008	-	○	63
발명예8	37.3	0.5	0.67	0.351	26.52	0.011	3.98	<0.010	0.011	0.005	-	○	72
발명예9	41	0.7	0.68	0.431	33.24	0.011	3.98	<0.010	0.011	0.006	-	○	98
발명예10	29.8	2.2	0.62	0.523	18.12	0.015	2.12	1.45	0.015	0.008	-	○	44
발명예11	25.69	7.1	0.58	0.521	16.56	6.32	0.01	<0.010	0.011	0.004	-	○	45
발명예12	24	13.1	0.52	0.431	16.78	12.41	0.011	<0.010	0.013	0.004	-	○	65
발명예13	32.0	0.9	0.42	0.572	18.12	0.024	3.41	<0.010	0.011	0.011	0.23	○	52
발명예14	29.0	0.9	0.31	0.562	18.42	0.064	6.31	<0.010	0.008	0.013	0.14	○	32

(단, 표1에 기재된 원소들의 단위는 중량%이고, 충격인성의 단위는 J임)

비교예1 내지 4는 상술한 니켈당량과 크롬함량의 관계식을 만족하지 못한다. 비교예5는 황의 함량이 높아서 용접시 결함이 발생하였다. 비교예6은 탄소의 함량이 높아서, 용접시 이산화탄소가 많이 발생하여 용접시 결함이 발생하였다. 비교예 7은 크롬함량이 높아서 크롬계 탄화물의 과다생성으로 인해 극저온 인성이 저하되었다. 비교예8은 몰리브덴의 함량이 높아서 몰리브덴 탄화물이 과도하게 생성되어 극저온 인성이 저하되었다. 이에 비하여, 본 발명에서 제어하는 합금원소의 함량을 만족한 발명예1 내지 14는 -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 도1에 나타낸 직선 위쪽에 위치하며, 니켈당량(Ni_eq)+0.34*크롬당량(Cr_eq)≥28.37을 만족하는 것을 확인할 수 있었다.

(실시예2)

용접입열량 4.2KJ/㎜로 서브머지드 아크 용접을 실시하였다. 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 표2에 나타내었다. 또한 용접이음부의 성분을 분석하여, 첨가 원소, 니켈당량 및 크롬함량을 하기 표2에 나타내었으며, 추가적으로 용접유무를 판단하여 함께 나타내었다.

구분	Nieq	Creq	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Al	S	N	용접유뮤	충격인성
비교예10	15.3	0.7	0.24	0.473	16.23	0.016	0.03	<0.010	0.01	0.01	-	○	18
비교예11	21.7	0.8	0.29	0.523	18.22	0.042	3.89	<0.010	0.012	0.007	-	○	21
발명예15	29.3	2.3	0.61	0.53	18.01	0.013	2.01	1.43	0.015	0.007	-	○	57
발명예16	40.8	0.8	0.52	0.521	10.21	0.021	20.12	<0.010	0.009	0.012	-	○	112
발명예17	35.6	0.8	0.74	0.542	18.23	0.013	4.31	<0.010	0.015	0.007	-	○	87
발명예18	34	0.6	0.54	0.423	18.41	0.014	8.62	<0.010	0.013	0.011	-	○	86
발명예19	29	0.7	0.38	0.441	18.87	0.015	8.14	<0.010	0.021	0.007	-	○	51
발명예20	34.4	0.9	0.72	0.572	17.41	0.023	4.1	<0.010	1.01	0.009	0.24	○	76
발명예21	32.8	0.8	0.64	0.513	18.01	0.014	4.56	<0.010	2.31	0.011	0.12	○	65
발명예22	29.8	0.9	0.21	0.573	18.2	0.045	7.21	<0.010	1.01	0.003		○	36
발명예23	28.2	0.9	0.23	0.565	18.52	0.042	8.42	<0.010	2.31	0.011		○	35

(단, 표2에 기재된 원소들의 단위는 중량%이고, 충격인성의 단위는 J임)

비교예10 및 11은 탄소의 함량이 본 발명에서 제어하는 범위를 벗어나 오스테나이트 안정화 원소가 부족하여 극저온 충격인성이 낮게 측정됨을 확인할 수 있다. 이에 비하여, 본 발명에서 제어하는 합금원소의 함량을 만족한 발명예15 내지 23는 -196℃에서 우수한 충격인성값을 나타냄을 확인할 수 있었다.

Claims

중량%로, 탄소(C): 0.02-0.75％, 실리콘(Si): 0.3-0.7％, 망간(Mn): 10-35％, 크롬(Cr): 15% 이하(0은 제외), 니켈(Ni): 25％ 이하(0은 제외), 몰리브덴(Mo): 1.45% 이하(0은 제외), 알루미늄(Al): 0.009-2.5%, 황(S): 0.02% 이하, 인(P): 0.02% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 극저온 인성이 우수한 용접이음부.
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청구항 1에 있어서,
상기 용접이음부는 질소(N)를 추가로 포함하며, 탄소(C) 및 질소(N)의 함량의 합이 0.30-0.75중량%인 극저온 인성이 우수한 용접이음부.
청구항 1에 있어서,
상기 용접이음부는 니켈당량(Ni_eq)+0.34*크롬당량(Cr_eq)≥28.37을 만족하는 극저온 인성이 우수한 용접이음부.
청구항 1에 있어서,
상기 용접이음부는 크롬당량(Cr_eq)이 14중량% 이하(0은 제외)인 극저온 인성이 우수한 용접이음부.
청구항 1에 있어서,
상기 용접이음부는 크롬당량(Cr_eq)이 1중량% 이하(0은 제외)일 때, 니켈당량(Ni_eq)이 28중량% 이상 65중량% 이하인 극저온 인성이 우수한 용접이음부.
청구항 1에 있어서,
상기 용접이음부의 충격인성(-196℃)은 27J이상인 극저온 인성이 우수한 용접이음부.