KR101439698B1

KR101439698B1 - 저온 충격인성이 우수한 고강도 가스 메탈 아크 용접금속부

Info

Publication number: KR101439698B1
Application number: KR1020120154335A
Authority: KR
Inventors: 이희창; 정홍철
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-09-12
Also published as: KR20140084656A

Abstract

본 발명은 중장비, 건설기계 및 건축 등의 용접구조물에 사용되는 가스 메탈 아크 용접(Gas Metal Arc Welding)을 행하였을 때의 용접이음부에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온 충격인성이 우수한 고강도 가스 메탈 아크 용접금속부에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명에서는 용접금속의 성분조성 및 산화물을 제어함으로써 목적하는 미세조직의 확보를 통해 고강도를 가지면서 저온에서 충격인성이 우수한 용접금속부를 제공한다.

Description

저온 충격인성이 우수한 고강도 가스 메탈 아크 용접금속부 {HIGH STRENGTH GAS METAL ARC WELD METAL JOINT HAVING EXCELLENT ULTRA-LOW TEMPERATURE IMPACT TOUGHNESS}

본 발명은 중장비, 건설기계 및 건축 등의 용접구조물에 사용되는 가스 메탈 아크 용접(Gas Metal Arc Welding)을 행하였을 때의 용접이음부에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온 충격인성이 우수한 고강도 가스 메탈 아크 용접금속부에 관한 것이다.

최근, 초고층 빌딩의 건설 및 사회 간접자본 건설이 활발히 진행됨에 따라 중장비 및 건설기계의 수요가 크게 증가하고 있으며, 이러한 중장비나 건설기계들에 사용되는 강재는 고강도 및 저온 충격인성이 동시에 요구되고 있다. 상기 강재들의 용접생산성 향상을 위해 용접공정이 자동화 용접이나 로보트 용접으로 진행된다. 특히, 상기 강재에 가스 메탈 아크 용접(Gas Metal Arc Welding)시 형성되는 용접금속부의 고강도 및 충격인성 특성이 무엇보다 절실히 요구된다.

따라서, 용접구조물의 안정성을 확보하기 위해서는, 용접금속부의 미세조직을 제어함으로써 용접금속부의 충격인성을 확보할 필요가 있다. 이를 해결하기 위한 수단으로는, 용접재료의 성분을 규정한 특허문헌 1을 들 수 있는데, 상기 특허문헌 1은 용접금속부의 미세조직이나 입경 등의 제어하는 것이 아니므로, 특허문헌 1에서 제시하는 용접재료에서는 충분한 용접금속부 충격인성의 확보가 어렵다.

일본 특허공개공보 (평)11-170085

본 발명의 일 측면은, 용접생산성은 확보하면서도 저온 충격인성이 우수한 용접금속부를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.03~0.08%, 실리콘(Si): 0.1~0.5%, 망간(Mn): 1.0~2.5%, 티타늄(Ti): 0.01~0.07%, 니켈(Ni): 2.0~3.5%, 몰리브덴(Mo): 0.3~1.0%, 크롬(Cr): 0.1~0.5%, 보론(B): 0.001~0.010%, 질소(N): 0.002~0.007%, 인(P): 0.03% 이하, 텅스텐(W): 0.001~0.050%, 지르코늄(Zr): 0.001~0.030%, 알루미늄(Al): 0.001~0.010%, 황(S): 0.03% 이하, 산소(O): 0.03~0.07%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 성분들의 조성은 0.4≤Ti/O≤1.2, 2.7≤Ti/N≤9, 0.3≤Zr/O≤0.9, 2.5≤Zr/N≤8, 0.9≤(Mo+2Cr+5W)≤2 을 만족하고,

미세조직으로 면적분율 50% 이상의 침상 페라이트(Acicular ferrite) 및 35% 이상의 하부 베이나이트(Lower bainite)를 포함하는 저온 충격인성이 우수한 고강도 가스 메탈 아크 용접금속부를 제공한다.

본 발명에 의하면, 최적 범위의 성분계 및 산화물을 이용하여 용접금속부에서 미세조직을 제어함으로써 용접입열량이 15~30kJ/cm의 가스 메탈 아크 용접(GMAW)에 있어서, 인장강도 700MPa 이상의 고강도 물성을 가지면서, 동시에 우수한 저온 충격인성의 확보가 가능한 용접금속부를 제공할 수 있다.

본 발명자는 700MPa 급 이상의 고강도 용접금속부의 충격인성을 향상시키기 위해서, 기존에는 입내에 존재하는 침상 페라이트 미세조직만으로는 강도를 확보하기 어렵기 때문에 기지 강도에 효과적인 원소 즉, Mo, Cr, W 원소들을 최적비율로 첨가하고, 인성 향상에 효과적인 미세조직 구성을 침상 페라이트와 베이나이트 조직으로 구성하기 위하여 TiO 및 ZrO 복합 산화물을 생성시키면, 고강도 및 고인성의 용접금속부를 동시에 얻을 수 있다는 사실을 발견하였다.

이러한 연구에 기초하여 본 발명에서는,

[1] 가스 메탈 아크 용접(GMAW)의 용접금속부에 Mo, Cr, W 원소를 적당량 첨가시켜 저온균열감수성을 감소시키고,

[2] Ti 복합 산화물의 입경 및 개수를 제어하며,

[3] Zr 복합 산화물의 입경 및 개수를 제어하고,

[4] GMAW 용접금속부의 미세조직을 제어하면서,

[5] TiO/ZrO 복합 산화물에 BN을 석출시켜 침상 페라이트 변태를 촉진하는 기술을 제시하기에 이르렀다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

[1] Mo, Cr, W 원소 최적량 첨가

본 발명에서는 적당량의 Mo, Cr, W 원소를 첨가시키면, 용접금속부의 강도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 경화성을 향상시켜 고강도 및 고인성 용접금속부를 확보할 수 있다. 그러나, Mo, Cr, W 원소는 고가의 합금원소 이므로 다량 첨가하는 것은 바람직하지 않으며, 특히 이들 원소들이 다량 존재하게 되면 용접금속부 내 저온균열을 유발시키기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서, 가능한 최소범위의 Cr, Mo, W 원소를 첨가시켜 고강도 고인성 용접금속부의 충격인성을 효과적으로 개선할 수 있다.

[2] Ti 복합 산화물 제어

본 발명에서는 용접금속부 내에 Ti/O의 비를 적절히 제어하여 TiO 산화물을 적절히 분포시키면 용접금속의 응고과정에서 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하고, TiO 산화물로부터 침상 페라이트의 변태를 촉진시킬 수 있다. 즉, TiO 산화물이 오스테나이트 결정입내에 적절히 분포하면, 오스테나이트에서 온도가 감소함에 따라 침상 페라이트 변태를 불균일 핵생성 자리의 역할로서 결정입계에 형성되는 입계 페라이트보다 우선적으로 형성시킬 수 있으므로, 용접금속부의 충격인성을 효과적으로 개선할 수 있다.

이를 위해서는, Ti 복합 산화물을 미세하고 균일하게 분포시키는 것이 중요하다. 본 발명자들은 Ti/O 비에 따른 Ti 복합 산화물의 크기와 양 그리고, 분포를 조사한 결과, Ti/O가 0.4~2.0일 때 0.01~0.1μm 크기의 TiO 산화물이 1.0×10⁶개/mm³ 이상 분포됨에 따라 용접금속부의 충격인성을 효과적으로 개선시킬 수 있다.

[3] Zr 복합 산화물 제어

본 발명에서는 용접금속부 내에 Zr/O의 비를 적절히 제어하여 ZrO 산화물을 적절히 분포시키면 용접금속의 응고과정에서 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하고, ZrO 산화물로부터 침상 페라이트의 변태를 촉진시킬 수 있다. 즉, ZrO 산화물이 오스테나이트 결정입내에 적절히 분포하면, 오스테나이트에서 온도가 감소함에 따라 침상 페라이트 변태를 불균일 핵생성 자리의 역할로서 결정입계에 형성되는 입계 페라이트보다 우선적으로 형성시킬 수 있으므로, 용접금속부의 충격인성을 효과적으로 개선할 수 있다.

이를 위해서는, Zr 복합 산화물을 미세하고 균일하게 분포시키는 것이 중요하다. 본 발명자들은 Zr/O 비에 따른 Zr 복합 산화물의 크기와 양 그리고, 분포를 조사한 결과, Zr/O가 0.3~0.9일 때 0.01~0.1μm 크기의 ZrO 산화물이 1.0×10⁶개/mm³ 이상 분포됨에 따라 용접금속부의 충격인성을 효과적으로 개선시킬 수 있다.

[4] 용접금속부의 미세조직 제어

본 발명에서는 상술한 Ti/O 및 Zr/O의 비를 적절히 제어함으로써 Ti 복합 산화물 및 Zr 복합 산화물의 크기, 양 그리고 분포를 제어하여 용접금속 내에 이들 산화물을 적절히 분포시키면, 용접금속부의 냉각과정에서 결정입계보다 우선적으로 결정립 내에 침상 페라이트 변태가 촉진되어 용접금속부의 침상 페라이트의 구성비를 50% 이상으로 확보할 수 있다. 또한, 고강도 용접금속부를 확보하기 위해서는 Ni, Mn, Mo 합금성분을 제어하여 35% 이상의 하부 베이나이트 조직을 확보함으로써 고강도 및 고인성 특성을 동시에 갖는 용접금속부를 얻을 수 있다.

[5] 용접금속부 내 보론(B)의 역할

본 발명에서는 용접금속부에 균일 분산되어 있는 산화물과는 별도로 고용되어 있는 보론은 결정입계로 확산되어 결정입계의 에너지를 낮게하여 결정입계에서 입계 페라이트 변태를 억제하는 역할을 할 뿐만 아니라, Ti 및 Zr 복합 산화물에 BN을 석출시켜 결정입내에 침상 페라이트의 변태를 촉진시킨다. 이와 같이, 결정입계에서 입계 페라이트 변태를 억제하고, 결정입내에서는 침상 페라이트의 변태를 촉진함으로써 고강도 용접금속부의 충격인성 향상에 기여한다.

이하, 본 발명에 따른 용접금속부의 조성범위에 대하여 상세히 설명한다 (이하, 중량%).

C: 0.03~0.08%

탄소(C)는 용접금속부의 강도를 확보하고, 용접경화성을 확보하기 위한 필수적인 원소로서, 상기의 효과를 얻기 위해서는 C를 0.03% 이상으로 첨가할 필요가 있다. 다만, 그 함량이 0.08%를 초과하게 되면 용접성이 크게 저하하고, 특히 고강도 용접시 용접금속부에서 저온균열이 발생하기 쉽고, 충격인성이 크게 저하하는 문제점이 있으므로 바람직하지 못하다.

Si: 0.1~0.5%

실리콘(Si)은 용접 중 탈산작용과 용접금속부의 강도를 향상시키는 원소로서, 이러한 Si의 함량이 0.1% 미만이면 용접금속 내의 탈산효과가 불충분하고, 용접금속의 유동성을 저하시키는 문제가 있다. 반면, 그 함량이 0.5%를 초과하게 되면 용접금속 내 도상 마르텐사이트(M-A constituent)의 변태를 촉진시켜 저온 충격인성을 저하시키고, 용접 저온균열 감수성에 영향을 미치므로 바람직하지 못하다.

Mn: 1.0~2.5%

망간(Mn)은 용접금속부에서 탈산작용 및 강도를 향상시키는 필수원소로서, Ti 복합 산화물 및 Zr 복합 산화물 주위에 MnS 형태로 석출하여 Ti 복합 산화물 및 Zr 복합 산화물로 하여금 용접금속부 인성 개선에 유리한 침상 페라이트의 생성을 촉진시키는 역할을 한다. 또한, Mn은 기지조직 내에 치환형 고용체를 형성하여 기지를 고용 강화시켜 강도 및 인성을 확보한다. 상술한 효과를 얻기 위해서는 Mn을 1.0% 이상으로 함유할 필요가 있다. 그러나, Mn의 함량이 2.5%를 초과하게 되면 저온변태조직을 생성시키므로 바람직하지 못하다.

Ti: 0.01~0.07%

티타늄(Ti)은 O와 결합하여 미세한 Ti 복합 산화물(TiO 산화물)을 형성시킬 뿐만 아니라, 미세 TiN 석출물을 형성시키므로 본 발명에서는 필수불가결한 원소이다. 이러한 미세한 TiO 산화물의 분산효과 및 TiN 석출물의 효과를 얻기 위해서는 Ti을 0.01% 이상으로 첨가할 필요가 있으나, 다만 그 함량이 0.07%를 초과하게 되면 조대한 TiO 산화물 및 조대한 TiN 석출물이 형성되므로 바람직하지 못하다.

Ni: 2.0~3.5%

니켈(Ni)은 내후성 향상에 기여하는 중요 원소 중 하나로서, 비정질 녹층 또는 α-FeOOH 녹층을 미세화하는 동시에, 치밀화 함으로써 녹층을 통한 물질의 투과를 억제하는 방식으로 내후성 향상에 기여한다. 특히, 비래 염분량이 높은 해안지역에서의 내후성 향상에 효과적이다. 또한, Ni은 고용강화에 의해 매트릭스(matrix)의 강도와 인성을 향상시키는 필수적 원소이다.

이러한 Ni의 함량이 2.0% 미만이면 상술한 효과들을 얻기가 어려우며, 반면 3.5%를 초과할 경우에는 내후성 향상 효과가 포화되어 더 이상의 효과를 없을 수 없고, 용접고온균열이 발생할 가능성이 높으며, 고가의 Ni이 다량 첨가됨에 따라 제조비용이 증가하게 되는 문제점이 있으므로 바람직하지 못하다.

Mo: 0.3~1.0%

몰리브덴(Mo) 용접금속부의 강도 향상에 기여하는 원소로서, 이를 위해서는 0.3% 이상 첨가되는 것이 필요하다. 다만, 그 함량이 1.0%를 초과하게 되면 강도 향상 효과가 포화되고, 용접경화성이 크게 증가하여 용접금속부 인성이 저하되는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

Cr: 0.1~0.5%

크롬(Cr)은 내후성 향상에 기여하는 원소이며, 또한 소입성을 증가시키고 강도를 향상시키는데 유리한 원소이다. 상술한 효과를 얻기 위해서는 Cr의 함량이 0.1% 이상으로 함유될 필요가 있으나, 0.5%를 초과하게 되면 용접금속부 물성에 나쁜 영향을 미치므로 바람직하지 못하다.

B: 0.001~0.010%

보론(B)은 소입성을 향상시키는 원소로서, 입계에 편석되어 입계 페라이트 변태를 억제하고, Ti 및 Zr 복합 산화물에 BN 형태로 석출하여 입내에서 침상 페라이트의 변태를 촉진시킨다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 B을 0.001% 이상으로 첨가할 필요가 있지만, 다만 그 함량이 0.01%를 초과하게 되면 그 효과가 포화되고, 용접경화성이 크게 증가하여 마르텐사이트 변태를 촉진시켜 용접저온균열 발생 및 인성을 저하하므로 바람직하지 못하다.

N: 0.002~0.007%

질소(N)는 TiN, BN, ZrN 등의 석출물을 형성시키는데 필수불가결한 원소로서, N의 첨가량이 증가하면 미세 석출물의 양이 증가된다. 특히, TiN, BN, ZrN 석출물의 크기 및 석출물 간격, 석출물 분포, 산화물과의 복합석출 빈도수, 석출물 자체의 고온 안정성 등에 현저한 영향을 미치기 때문에, 0.002% 이상으로 N를 첨가할 필요가 있다. 다만, 그 함량이 0.007%를 초과하게 되면 그 효과가 포화되고, 용접금속 내에 존재하는 고용 질소량이 증가함에 따라 인성저하를 초래할 수 있다.

P: 0.03% 이하

인(P)은 용접금속부 내 함량이 0.03%를 초과하게 되면 용접 고온균열 감소성이 증가하는 문제가 있으므로, 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하다.

W: 0.001~0.050%

텅스텐(W)은 고온강도를 향상시키고 석출강화에 효과적인 원소이다. 이러한 W의 함량이 0.001% 미만이면 강도상승 효과가 미약하고, 반면 0.050%를 초과하게 되면 용접금속부 충격인성에 나쁜 영향을 미치기 때문에 바람직하지 못하다.

Zr: 0.001~0.030%

지르코늄(Zr)은 O와 반응하여 미세한 ZrO 산화물을 형성시키므로 필수불가결한 원소이다. 이러한 미세한 Zr 복합 산화물의 분산 효과를 얻기 위해서는 Zr을 0.001% 이상으로 첨가될 필요가 있으나, 다만 그 함량이 0.030%를 초과할 경우에는 조대한 Zr 복합 산화물 및 조대한 ZrN 석출물이 형성되어 용접금속부 충격인성에 나쁜 영향을 미치므로 바람직하지 못하다.

Al: 0.001~0.010%

알루미늄(Al)은 탈산제로서 용접금속 내의 산소량을 감소시키는데 필수적인 원소이다. 이러한, Al이 고용질소와 결합하여 미세한 AlN 석출물을 형성시키기 위해서는 Al의 함량을 0.001% 이상으로 설정할 필요가 있으나, 다만 0.010%를 초과하게 되면 조대한 Al₂O₃를 형성시켜 인성개선에 필요한 TiO 산화물 형성을 방해하므로 바람직하지 못하다.

S: 0.03% 이하

황(S)은 MnS 석출물 형성을 위해 필요한 원소이다. MnS 복합석출물의 석출을 위해서는 S을 0.03% 이하로 설정하는 것이 바람직하며, 0.03%를 초과하여 존재할 경우에는 FeS 등의 저융점 화합물을 형성시켜 고온균열을 유발시킬 수 있으므로 바람직하지 못하다.

O: 0.03~0.07%

산소(O)는 용접금속부 응고중에 Ti 및 Zr과 반응하여 Ti 및 Zr 복합 산화물을 형성시키는 필수원소로서, 입내에 존재하는 Ti 및 Zr 복합 산화물은 용접금속 내에서 침상 페라이트의 변태를 촉진시킨다. 이러한 O의 함량이 0.03% 미만이면 Ti 및 Zr 복합 산화물을 용접금속부에 적절히 형성시키기 못하며, 반면 0.07%를 초과할 경우에는 조대한 Ti 및 Zr 산화물을 형성시켜 용접금속부 충격인성에 나쁜 영향을 미치므로 바람직하지 못하다.

본 발명의 용접금속부는 상기 조성 이외에 기계적 성질을 보다 향상시키기 위해 Cu, Nb 및 V 중 선택된 1종 또는 2종 이상을 추가로 첨가할 수 있다.

Cu: 0.2~1.0%

구리(Cu)는 표면 녹층 입자의 미세화 및 치밀화를 유도하여 용접금속부의 내후성을 향상시키는데 유효한 원소이다. 또한, Cu는 기지에 고용되어 고용강화 효과로 인한 강도 및 인성을 확보하는데 유효한 원소이다. 이러한 Cu의 함량이 0.2%에 미치지 못하면 내후성 향상 효과를 기대하기 어렵고, 반면 1.0%를 초과하게 되면 내후성 향상 효과가 포화되어 그 이상의 효과가 나타나지 않을 뿐만 아니라, 용접금속부 물성에 나쁜 영향을 미치므로 바람직하지 못하다.

Nb: 0.001~0.1%

니오븀(Nb)은 소입성을 향상시키기 위한 필수원소로서, 특히 Ar3 온도를 낮추고 냉각속도가 낮은 범위에서도 베이나이트 생성범위를 넓히는 효과가 있어, 베이나이트 조직을 얻기 위해 첨가될 수 있다. Nb 첨가를 통해 강도 향상 효과를 기대하기 위해서는 0.001% 이상 첨가될 필요가 있으나, 다만 0.1%를 초과하게 되면 용접시 용접금속부에서 도상 마르텐사이트 형성을 촉진하여 용접금속부의 인성에 나쁜 영향을 미치므로 바람직하지 못하다.

V: 0.001~0.1%

바나듐(V)은 VN 석출물을 형성시켜 페라이트 변태를 촉진하는 원소로서, 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.001% 이상 첨가할 필요가 있으나, 다만 그 함량이 0.1%를 초과하게 되면 용접금속부에 탄화물(Carbide)과 같은 경화상을 형성시켜 용접금속부의 인성에 나쁜 영향을 미치므로 바람직하지 못하다.

또한, 본 발명의 용접금속부는 구오스테나이트의 결정립 성장 억제를 위한 목적으로서 Ca 및 REM 중 선택된 1종 또는 2종을 추가로 첨가할 수 있다.

Ca 및 REM: 각각 0.0005~0.005%, 0.005~0.05%

칼슘(Ca) 및 희토류원소(REM)는 용접시 아크를 안정시키고 용접금속부에서 산화물을 형성시키는 원소이다. 또한, 냉각과정에서 오스테나이트 결정립 성장을 억제하고 입내 페라이트 변태를 촉진시켜 용접금속부의 인성을 향상시킨다. 상술한 효과를 얻기 위해서는, Ca은 0.0005% 이상, REM은 0.005% 이상 첨가될 필요가 있으나, Ca이 0.005%, REM이 0.05%를 초과하게 되면 대형 산화물을 형성하여 인성에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 상기 REM 으로는 Ce, La, Y 및 Hf 등의 원소를 1종 또는 2종 이상으로 사용하여도 무방하고, 어떠한 원소로도 상기 효과를 얻을 수 있다.

나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.

이하, 본 발명의 용접금속부 성분들의 조성에 대하여 상세히 설명한다.

Ti/O의 비: 0.4~1.2

Ti/O의 비가 0.4 미만인 경우에는 용접금속 내에 오스테나이트 결정립 성장 억제 및 침상 페라이트 변태에 요구되는 Ti 복합 산화물의 개수가 불충분하며, Ti 복합 산화물 내에 함유하는 Ti 비율이 작아져 침상 페라이트 핵생성 자리로서의 기능을 상실하여, 용접열영향부(HAZ)의 인성 개선에 유효한 침상 페라이트의 상분율이 저하된다. 반면, Ti/O의 비가 1.2를 초과할 경우에는 용접금속 내 오스테나이트 결정립 성장억제 효과가 포화되며, 산화물 내에 함유되는 합금성분의 비율이 오히려 작아져서 침상 페라이트의 핵생성 자리로서의 기능을 상실한다.

Ti/N: 2.7~9

Ti/N의 비가 2.7 미만이면 Ti 복합 산화물에 형성되는 TiN 석출물양이 감소하여 인성 개선에 효과적인 침상 페라이트 변태에 나쁜 영향을 미치기 때문에 바람직하지 못하며, 반면 Ti/N의 비가 9를 초과할 경우에는 그 효과가 포화되고 고용 질소량이 증가하여 충격인성을 저하시키므로 바람직하지 못하다.

Zr/O: 0.3~0.9

Zr/O의 비가 0.3 미만인 경우에는 용접금속 내에 오스테나이트 결정립 성장억제 및 침상 페라이트 변태에 요구되는 Zr 복합 산화물의 개수가 불충분하다. 또한, Zr 복합 산화물 내에 함유되는 Zr의 비율이 적어져 침상 페라이트 핵생성 자리로서의 기능을 상실하여, 용접열영향부의 인성 개선에 유리한 침상 페라이트의 상분율이 저하된다. 반면, Zr/O의 비가 0.9를 초과하게 되면 용접금속 내 오스테나이트 결정립 성장억제 효과가 포화되며, 산화물 내에 함유되는 합금성분의 비율이 오히려 작아져 침상 페라이트의 핵생성 자리로서의 기능을 상실한다.

Zr/N: 2.5~8

Zr/N의 비가 2.5 미만인 경우에는 Zr 복합 산화물에 형성되는 ZrN 석출물의 양이 감소하여 인성 개선에 효과적인 침상 페라이트 변태에 나쁜 영향을 미치는 문제가 있으며, 반면 Zr/N의 비가 8을 초과하게 되면 그 효과가 포화되고, 고용 질소양이 증가하여 충격인성을 저하시키므로 바람직하지 못하다.

(Mo+2Cr+5W): 0.9~2

(Mo+2Cr+5W)의 비가 0.9 미만인 경우에는 하부 베이나이트 조직 형성에 영향을 미쳐 700MPa 급 이상의 고강도 용접금속부의 확보가 어려우며, 반면 (Mo+2Cr+5W) 비가 2를 초과하게 되면 경화성이 증가하여 용접금속부의 저온균열 및 충격인성에 나쁜 영향을 미치는 마르텐사이트 조직이 형성되므로 바람직하지 못하다.

이하, 본 발명에 따른 용접금속부의 미세조직에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서 GMAW 용접 후 형성되는 용접금속부의 미세조직은 침상 페라이트(Acicular Ferrite)와 하부 베이나이트(Lower Bainite)이고, 고인성을 확보하기 위해서는 침상 페라이트 분율이 면적분율로 50% 이상인 것이 바람직하고, 고강도 확보를 위해서는 하부 베이나이트가 35% 이상인 것이 바람직하다. 이는, 침상 페라이트 조직을 통해 극저온 충격인성을 확보하기 위함이며, 하부 베이나이트 조직을 통해서는 일정수준의 강도를 확보하기 위함이다.

즉, 조대한 입계 페라이트, 위드만스타텐(Widmanstatten) 페라이트 등이 혼합되어 있는 경우에는 충격인성이 유리하지만 고강도를 확보하기 곤란하고, 마르텐사이트 조직이 혼합되어 있는 경우에는 고강도 확보는 가능하지만 저온 충격인성을 확보하기 어렵기 때문에, 본 발명에서는 침상 페라이트와 하부 베이나이트 조직을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

용접금속부에 존재하는 산화물은 용접 후 용접금속부의 미세조직 변태에 큰 영향을 미친다. 즉, 분포하는 산화물의 종류, 크기 및 그 개수에 크게 영향을 받게 된다. 특히, GMAW 용접금속부의 경우에는 응고과정에서 결정립이 조대화되고 결정입계로부터 조대한 입계 페라이트, 위드만스타텐(Widmanstatten) 페라이트, 베이나이트 등의 조직이 형성되어 용접금속부의 물성이 저하된다.

이를 방기하기 위해, 본 발명에서는 용접금속부 내에 Ti 복합 산화물 및 Zr 복합 산화물을 균일하게 분산시키고 평균입경 및 임계 개수를 각각 0.01~0.1μm 및 1.0×10⁶개/mm³ 이상으로 한정한다. 또한, 이들 산화물이 분포되는 간격은 1.0μm 이하로 미세하게 분포됨이 바람직하다.

Ti 복합 산화물 및 Zr 복합 산화물의 평균입경이 0.01μm 미만이면 GMAW 용접금속부에서 침상 페라이트의 변태를 촉진시키는 역할을 하지 못하며, 또한 0.1μm을 초과하는 경우에는 오스테나이트 결정립에 대한 피닝(pinning, 결정립 성장억제) 효과가 적어지고 조대한 비금속 개재물과 같은 거동을 하여 용접금속부 충격인성에 좋지 않은 영향을 미치기 때문에 바람직하지 못하다.

본 발명에서 GMAW 이외의 다른 용접 프로세서(process)에 의해서도 제조할 수 있다. 이때, 용접금속부의 냉각속도가 빠르면 산화물을 미세분산시키고 조직이 미세하기 때문에 냉각속도가 빠른 소입열 용접 프로세스가 바람직하다. 또한, 동일한 이유로 용접부의 냉각속도를 향상시키기 위해 강재 냉각 및 Cu-backing 방법도 유리하다. 그러나, 이와 같이 공지의 기술들을 본 발명에 적용하더라도 이는 단순한 변경으로서 실질적으로 본 발명의 기술사상의 범위 내라고 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 용접금속부를 10~30kJ/cm 범위의 용접입열량을 적용하여 GMAW에 의해 제조하였으며, 상기 용접에 의해 형성된 용접금속부의 합금성분 원소간의 구성비는 하기 표 2에 나타내었다.

상기와 같이 용접된 용접금속부의 기계적 성질을 평가하기 위한 시험편들은 용접금속부의 중앙부에서 채취하였으며, 인장시험편은 KS 규격(KS B 0801) 4호 시험편을 이용하였으며 인장시험은 크로스 헤드 스피드(cross head speed) 10mm/min에서 시험하였다. 또한, 충격시험편은 KS 규격(KS B 0809) 3호 시험편에 준하여 제조하여 시험한 후 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

그리고, 용접금속부의 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 하기 표 3에 나타내었다. 또한, GMAW 용접금속부의 저온에서의 충격인성 평가는 GMAW 용접 후 충격시험편으로 가공하여 -20℃에서 샤르피 충격시험을 통해 충격에너지를 측정하여 평가하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	B	N	Ti	Al	Zr	Nb	V	Ca	REM	W	O
발명강1	0.05	0.20	1.45	0.010	0.005	2.5	0.3	0.3	20	52	0.02	0.005	0.014	-	-	-	-	0.01	440
발명강2	0.06	0.25	1.5	0.011	0.006	1.9	0.4	0.4	24	53	0.02	0.004	0.024	-	-	0.001	-	0.02	380
발명강3	0.08	0.32	1.8	0.008	0.005	2.6	0.4	0.4	22	50	0.03	0.003	0.022	-	-	-	-	0.02	350
발명강4	0.07	0.42	2.2	0.009	0.006	2.7	0.3	0.5	20	43	0.02	0.003	0.015	-	-	-	-	0.01	320
발명강5	0.07	0.38	2.0	0.010	0.005	2.8	0.3	0.38	26	45	0.03	0.002	0.028	0.03	-	-	-	0.01	380
발명강6	0.08	0.25	2.0	0.011	0.005	2.6	0.5	0.4	24	55	0.04	0.002	0.030	-	-	-	-	0.03	430
발명강7	0.06	0.35	1.6	0.012	0.006	2.5	0.4	0.4	30	45	0.03	0.003	0.020	-	0.001	-	-	0.04	320
발명강8	0.06	0.28	2.1	0.010	0.005	2.9	0.3	0.5	25	52	0.03	0.003	0.019	-	-	0.001	-	0.03	380
발명강9	0.07	0.38	1.8	0.009	0.006	3.1	0.45	0.4	20	50	0.04	0.003	0.028	-	-	-	0.005	0.04	360
발명강10	0.03	0.10	1.25	0.011	0.006	2.6	0.5	0.49	29	70	0.02	0.005	0.020	-	-	-	-	0.01	350
비교강1	0.05	0.13	1.93	0.011	0.004	1.71	0.6	0.2	69	50	0.04	0.001	0.2	-	-	-	-	-	290
비교강2	0.06	0.06	1.25	0.010	0.007	1.61	0.5	0.01	21	74	0.03	0.007	0.3	-	-	-	-	-	480
비교강3	0.04	0.19	2.0	0.008	0.004	1.75	0.03	0.55	105	56	-	-	0.2	-	-	-	-	-	500
비교강4	0.06	0.28	1.56	0.013	0.008	2.5	0.02	1.14	58	71	0.012	-	0.5	-	-	-	-	-	670
비교강5	0.09	0.50	1.65	0.010	0.005	2.0	0.1	0.3	15	44	0.01	-	-	-	-	-	-	-	440

(상기 표 1에서 B, N 및 O의 단위는 ppm이다.)

구분	합금원소 구성비
구분	Ti/O	Ti/N	Zr/O	Zr/N	Mo+2Cr+5W
발명강1	0.45	3.85	0.32	2.69	0.95
발명강2	0.53	3.77	0.63	4.53	1.3
발명강3	0.86	6.00	0.63	4.40	1.3
발명강4	0.63	4.65	0.47	3.49	1.15
발명강5	0.79	6.67	0.74	6.22	1.03
발명강6	0.93	7.27	0.70	5.45	1.55
발명강7	0.94	6.67	0.63	4.44	1.4
발명강8	0.79	5.77	0.50	3.65	1.25
발명강9	1.11	8.00	0.78	5.60	1.5
발명강10	0.57	2.86	0.57	2.86	1.54
비교강1	1.38	8.00	6.90	40.00	1.4
비교강2	6.25	40.54	6.25	40.54	1.01
비교강3	-	-	4.00	35.71	0.61
비교강4	0.18	1.69	7.46	70.42	1.18
비교강5	0.23	2.27	-	-	0.5

구분	용접 입열량 (kJ/cm)	Ti 복합 산화물		Zr 복합 산화물		미세조직		기계적성질
구분	용접 입열량 (kJ/cm)	개수 (개/mm³)	평균크기 (μm)	개수 (개/mm³)	평균크기 (μm)	침상 페라이트	하부 베이나이트	인장강도 (MPa)	vE_-20℃ (J)
발명강1	25	2.1×10⁶	0.011	2.2×10⁶	0.013	62	36	741	121
발명강2	30	3.4×10⁶	0.012	3.4×10⁶	0.014	61	38	752	133
발명강3	17	3.3×10⁶	0.013	3.3×10⁶	0.011	59	39	764	121
발명강4	26	3.2×10⁶	0.013	3.5×10⁶	0.013	62	36	753	145
발명강5	25	2.5×10⁶	0.015	2.4×10⁶	0.015	62	37	753	150
발명강6	22	3.1×10⁶	0.020	3.4×10⁶	0.021	60	38	733	121
발명강7	28	1.8×10⁶	0.017	1.5×10⁶	0.015	59	40	764	93
발명강8	30	1.3×10⁶	0.021	1.7×10⁶	0.025	58	41	745	93
발명강9	28	2.5×10⁶	0.020	2.8×10⁶	0.020	60	39	755	133
발명강10	25	3.2×10⁶	0.019	3.2×10⁶	0.023	61	38	743	112
비교강1	20	1.0×10⁵	0.045	1.1×10⁵	0.045	46	53	637	16
비교강2	20	2.3×10⁵	0.053	2.4×10⁵	0.053	42	51	644	26
비교강3	20	3.5×10⁵	0.054	3.1×10⁵	0.054	44	50	651	44
비교강4	20	1.0×10⁵	0.065	1.0×10⁵	0.065	45	56	673	28
비교강5	20	2.5×10⁵	0.037	2.2×10⁵	0.037	37	34	656	39

(발명강 및 비교강의 미세조직으로 침상 페라이트 및 하부 베이나이트 조직을 제외한 나머지 조직은 일부 베이나이트 또는 마르텐사이트이다.)

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 고강도 고인성 용접금속부는 Ti 복합 산화물 및 Zr 복합 산화물의 개수가 1×10⁶개/mm³ 이상의 범위를 가지고 있는데 반해, 비교강들의 경우에는 3.5×10⁵개/mm³ 이하의 범위를 보이고 있어, 비교강 대비 발명강이 상당히 균일하면서도 미세한 복합 석출물 크기를 가지면서, 그 개수 또한 현저히 증가되었음을 알 수 있다.

또한, 미세조직 구성에 있어서도, 본 발명강들은 침상 페라이트 및 하부 베이나이트 분율이 각각 50% 이상 및 35% 이상의 높은 분율로 이루어져 있다.

따라서, GMAW 용접 시 본 발명강의 용접금속부는 700MPa 이상의 고강도이면서 -20℃에서도 우수한 고인성 특성을 보이고 있음을 확인할 수 있다.

Claims

중량%로, 탄소(C): 0.03~0.08%, 실리콘(Si): 0.1~0.5%, 망간(Mn): 1.0~2.5%, 티타늄(Ti): 0.01~0.07%, 니켈(Ni): 2.0~3.5%, 몰리브덴(Mo): 0.3~1.0%, 크롬(Cr): 0.1~0.5%, 보론(B): 0.001~0.010%, 질소(N): 0.002~0.007%, 인(P): 0.03% 이하, 텅스텐(W): 0.001~0.050%, 지르코늄(Zr): 0.001~0.030%, 알루미늄(Al): 0.001~0.010%, 황(S): 0.03% 이하, 산소(O): 0.03~0.07%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 성분들의 조성은 0.4≤Ti/O≤1.2, 2.7≤Ti/N≤9, 0.3≤Zr/O≤0.9, 2.5≤Zr/N≤8, 0.9≤(Mo+2Cr+5W)≤2 을 만족하고,
미세조직으로 면적분율 50% 이상의 침상 페라이트(Acicular ferrite) 및 35% 이상의 하부 베이나이트(Lower bainite)를 포함하고,
평균입경이 0.01~0.1μm인 Zr 복합 산화물이 1.0×10⁶개/mm³ 이상 분포되어 있는 저온 충격인성이 우수한 고강도 가스 메탈 아크 용접금속부.
제 1항에 있어서,
상기 용접금속부는 중량%로, 구리(Cu): 0.2~1.0%, 니오븀(Nb): 0.001~0.1% 및 바나듐(V): 0.001~0.1%로 구성된 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상, 그리고 칼슘(Ca): 0.0005~0.005% 및 희토류(REM): 0.005~0.05%로 구성된 군에서 선택된 1종 또는 2종을 더 포함하는 저온 충격인성이 우수한 고강도 가스 메탈 아크 용접금속부.
제 1항에 있어서,
상기 용접금속부는 평균입경이 0.01~0.1μm인 Ti 복합 산화물이 1.0×10⁶개/mm³ 이상 분포되어 있는 저온 충격인성이 우수한 고강도 가스 메탈 아크 용접금속부.
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