KR101449104B1

KR101449104B1 - 용접 와이어용 스트립

Info

Publication number: KR101449104B1
Application number: KR1020120063253A
Authority: KR
Inventors: 한일욱; 김정길; 이봉근; 이홍길
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2014-10-08
Also published as: KR20130139626A

Abstract

본 발명은 고망간강의 용접시 사용될 수 있는 용접 와이어용 스트립에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.01~1%, Mn: 6~32%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식으로 표현되는 Ni_eq이 15~35를 만족하는 용접 와이어용 스트립을 제공한다.
Ni_eq = 30×[C] + 0.5×[Mn] + [Ni]
(단, 상기 Ni_eq를 구성하는 각 원소의 함량은 중량%이며, Ni이 포함되지 않는 경우 상기 [Ni]의 함량은 0%로 간주함.)
본 발명에 따르면, 스트립의 합금성분을 적절히 제어함으로써, 용도에 크게 국한되지 않고 다양한 목적을 갖는 고망간강에 부합되어 사용될 수 있는 용접 와이어용 스트립을 제공할 수 있다.

Description

용접 와이어용 스트립{WELD MATERIAL FOR HIGH MANGANESE STEEL}

본 발명은 고망간강의 용접시 사용될 수 있는 용접 와이어용 스트립에 관한 것이다.

가혹한 조건의 환경에서 사용될 수 있는 여러 종류의 강재가 국내외에서 다양하게 개발되고 있다. 근래에는 저원가 원소를 많이 함유하면서도 높은 수준의 특성을 나타내는 강재가 개발되고 있으며, 대표적으로는 고Mn강을 들 수 있다. 이 고Mn강의 경우 내마모강의 목적으로 오래전부터 사용되어져 왔으며, 최근에는 C 및 Mn이 높은 수준으로 함유된 비자성강 및 극저온에서의 인성이 우수한 극저온용강 등으로 개발되어지고 있다. 그 외에 방진 성능성이 우수한 방진강과 같은 특수목적의 강재 개발이 진행되고 있다. 그러나, 이들 강재에 적합한 와이용 스트립은 상용화가 되어 있지 않으며, 상용화된 고Mn계 용접재료는 대부분 경화 육성용인 피복 아크 용접봉 등으로, 내마모강 이외의 다양한 고Mn강의 사용목적에 적합하지 않다.

한편, 일반적인 시공방법 중 용접 생산성이 가장 높고 용접이 용이한 용접방법으로는 플럭스 코어드 아크 용접방법(FCAW)이 있다. 이 용접방법에 사용되는 용접재료는 플럭스 코어드 와이어(Flux Cored Wire)로서, 이 용접재료는 와이어의 중심부에 무게비로 5~50% 수준의 플럭스 및 합금성분을 포함하는 것이 특징이며, 코어성분의 변화를 통해 다양한 성분을 갖도록 할 수 있다.

이에 따라, 고Mn강용 용접재료를 생산하기 위해서는 다량의 합금원소를 와이어 코어부에 포함시켜야 한다. 그러나, 플럭스 코어드 와어어 제조를 위해 사용되는 코어를 둘러싸는 외피 재료 즉, 와이어용 스트립은 합금성분의 함량이 높지 않은 극저탄소 또는 저탄소 스트립이 대부분이며, 이외에 스테인리스 소재나 일부 Ni 또는 Cu계 스트립이 적용되고 있는 실정이다.

탄소강 스트립의 경우, 인발에 따른 연신율이 양호하고 가공경화 정도도 낮아 성형에서부터 최종 와어어 제조까지 풀림 열처리없이 연속 제조가 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 상기 탄소강 스트립의 경우에는 스트립 자체에 포함되는 합금 성분이 낮음에도 불구하고, 그 내부에 충진시킬 수 있는 플럭스 또는 합금성분의 양은 한계가 있다는 단점이 있다. 즉, 스트립 중심부위에 다량의 산화제(Ti, Mn, Zr, Al 등), 슬래그 형성제(TiO₂, SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, MnO 등), 아크 안정제(K, Na 등) 및 합금성분(Si, Mn, Zr, Cr 등) 등이 모두 첨가되어야 하나, 스트립 내부에 대략 30~50%의 용적량으로 충진되는 것이 한계이며, 충진되는 분말에 따라 차이는 있지만 무게비로 대략 15~25%수준으로 충진되는 것이 한계이므로, 합금성분의 함량이 25%이상인 용접재료 제조에는 상기 탄소강용 냉연 스트립을 사용하는 것이 매우 곤란하다.

스테인리스 스트립이나 Ni 및 Cu계 스트립을 사용하는 경우에는 탄소강에 비해 많은 양의 합금원소를 포함하고 있어 상기 문제점을 어느 정도 보완할 수 있다. 그러나, 상기 재료들 또한 다양한 용도의 고Mn강에 부합되기에는 어려운 단점이 있을 뿐만 아니라, 고가이기 때문에 제품 적용에 어려움이 있다. 또한, 인발 가공시 가공경화로 인해 단선이 발생하거나 저품질의 제품이 제조되는 경우가 많아 제조공정 중간에 풀림 열처리가 수반되어야 한다.

이에 따라, 극저온, 방진용, 내마모, 비자성 등 다양한 목적을 가지고 사용되는 고망간강에 적합한 용접 와이어용 스트립의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 극저온, 방진용, 내마모, 비자성 등 다양한 목적을 갖는 고망간강의 용도에 크게 국한되지 않지 않고 사용할 수 있는 용접 와이어용 스트립을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.01~1%, Mn: 6~32%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식으로 표현되는 Ni_eq이 15~35를 만족하는 용접 와이어용 스트립을 제공한다.

Ni_eq = 30×[C] + 0.5×[Mn] + [Ni]

(단, 상기 Ni_eq를 구성하는 각 원소의 함량은 중량%이며, Ni이 포함되지 않는 경우 상기 [Ni]의 함량은 0%로 간주함.)

본 발명에 따르면, 스트립의 합금성분을 적절히 제어함으로써, 용도에 크게 국한되지 않고 다양한 목적을 갖는 고망간강에 부합되어 사용될 수 있는 용접 와이어용 스트립을 제공할 수 있다.

도 1은 스트립을 이용하여 플럭스 코어드 와이어를 제조하는 방법의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발명예 17의 미세조직을 관찰한 사진이며, (a)는 플럭스 코어드 와이어의 미세조직을, (b)는 (a)를 확대한 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비교예 3의 미세조직을 관찰한 사진이며, (a)는 플럭스 코어드 와이어의 미세조직을, (b)는 (a)를 확대한 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발명예 17의 XRD 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비교예 3의 XRD 그래프이다.

일부 고망간강을 모재로 하는 경우에는 스테인레스 스트립을 사용하여 손쉽게 와이어용 스트립을 제조할 수 있으나, 예를 들면 극저온용 고망간강과 같이 특수한 목적을 나타내는 모재의 경우에는 스테인리스 스트립을 용접재료로서 사용하는 경우 상기 스트립 내에 포함된 높은 수준의 Cr으로 인해 Cr₂₃C₆ 등과 같은 개재물이 용접이음부에 생성되어 극저온 특성이 낮아질 수 있다. 만일, Ni계 스트립 예를 들면, Ni가 50중량% 이상 포함된 스트립을 사용하여 제조된 용접재료의 경우에는 고망간강에 무리없이 적용이 가능하나, 고가의 Ni이 매우 높은 수준으로 첨가되어 실질적으로 적용하기에는 어려움이 있다.

이에 따라, 본 발명에서는 극저온, 방진용, 내마모, 비자성 등의 다양한 목적을 갖는 특수용도의 고망간강에 적용되는 경우, 용접 이음부의 특성이 모재와 유사하거나 높은 수준의 기계적 특성을 지닐 수 있는 용접 와이어용 스트립을 제공하고자 한다.

Ni_eq = 30×[C] + 0.5×[Mn] + [Ni]

이하, 본 발명의 합금성분 및 조성범위를 설명한다.

C: 0.01~1중량%

C는 강도를 확보하는데 아주 유용한 원소로서, 용접이음부가 모재와 유사한 특성을 갖도록 하기 위하여 첨가하는 원소이다. 상기 효과를 위해서는 0.01% 이상 첨가되는 것이 바람직하나. 1%를 초과하는 경우에는 높은 강도 또는 가공경화로 인해 인발공정시 단선이 일어나는 등의 문제가 발생할 수 있으며, 높은 경도로 인해 다수의 열처리를 행하여야 최종 제품으로 가공이 가능하다는 단점이 있다. 따라서, 상기 C의 함량은 0.01~1중량%의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 용접이음부의 특성 향상을 위해 보다 바람직하게는 0.2~1%의 범위를 갖는 것이 유리하다.

Mn: 6~32중량%

Mn은 오스테나이트 안정화 원소로서 연성 향상에 유리한 원소이며, 상기 효과와 더불어 모재와 유사한 특성의 용접이음부를 얻기 위하여, 6%이상 포함되는 것이 바람직하다. 다만, 상기 Mn이 32%를 초과하는 경우에는 Fe-Mn계 석출물이 형성되어 취화현상이 발생할 수 있고, 이로 인해 인발공정이 불가능해질 수 있다. 따라서, 상기 Mn은 6~32중량%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명이 제안하는 용접 와이어용 스트립은 상기 합금성분 이외에도 Ni_eq = 30×[C] + 0.5×[Mn] + [Ni]로 표현되는 Ni_eq이 15~35를 만족하는 것이 바람직하다. 상기 Ni_eq은 스트립의 경도 제어 및 연성 확보를 위한 관계식으로서, 15미만인 경우에는 오스테나이트 조직이 마르텐사이트로 다량 변태됨으로써 경도가 높아지고, 연성이 저하될 수 있으며, 이로 인하여 최종제품 제조를 위한 인발가공이 어려울 수 있다. 또는 인발가공시 단선 등의 문제가 발생하지 않도록 열처리하는 횟수가 많아질 수 있다. 상기 Ni_eq이 35를 초과하는 경우에는 다량의 합금원소로 인하여 비용 상승을 초래할 수 있다. 한편, 상기 Ni_eq를 구성하는 각 원소의 함량은 중량%이며, Ni이 포함되지 않는 경우 상기 [Ni]의 함량은 0%로 간주한다.

본 발명이 제안하는 용접 와이어용 스트립은 상기 합금성분 및 조성범위와 Ni_eq 관계식 범위를 만족하는 경우, 용접이음부의 특성을 다양한 목적의 고망간강과 유사한 수준으로 확보할 수 있다. 즉, 고망간강의 용도에 크게 국한되지 않고 다양한 목적에 부합되어 사용될 수 있다.

한편, 본 발명의 스트립은 보다 우수한 특성을 위하여 하기와 같은 합금성분을 추가로 포함할 수 있다.

Ni는 연성을 향상시키는데 효과적일 뿐만 아니라 극저온에서도 양호한 상(phase)을 형성하는 원소이다. 상기 효과를 위해서는 0.5%이상 첨가되는 것이 바람직하나, 25%를 초과하는 경우에는 강도가 과도하게 저하될 수 있으며, 상기 Ni는 고가의 원소이므로 비용이 현저히 상승할 수 있다. 따라서, 상기 Ni는 0.5~25중량%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

또한, Cr 및 Mo 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있고, 이 때 그 합계량이 0.5~5%를 만족하도록 제어하는 것이 바람직하다. 상기 Cr 및 Mo는 용접이음부의 강도 확보에 유리한 원소이며, 특히 Cr은 내식성 향상에도 기여한다. 이러한 효과를 위해서 상기 Cr 및 Mo는 각각 또는 그 합계량이 0.5%이상인 것이 바람직하다. 다만, 5%를 초과하는 경우에는 Cr계 탄화물 또는 Mo계 탄화물이 형성되어 취성을 유발할 수 있고, 이로 인해 가공이 어려워지거나 가공 자체가 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 상기 Cr 및 Mo는 각각 또는 그 합계량이 0.5~5중량%의 범위를 만족하는 것이 바람직하다.

Al은 연성을 확보에 유리한 원소로서, 이러한 효과는 극저온일 때 보다 현저하다. 상기 효과를 위해서는 Al이 0.2%이상 첨가되는 것이 바람직하나, 2%를 초과하는 경우에는 용접이음부 결정립계에 국부적으로 페라이트가 형성되어 기계적 특성이 저하될 수 있다. 또한, 용접 후, 비드 형상이 불량해질 수 있다.

본 발명이 제안하는 스트립은 경도가 250Hv이하이고, 연신율이 20%이상인 것이 바람직하다. 상기 경도 및 연신율 값은 최초 스트립 제조 후, 잔류응력 제거를 통해 경도를 저하시키고, 연성을 향상시키기 위한 풀림 열처리 이후의 특성이다. 상기 스트립의 경도가 250Hv를 초과하거나, 연신율이 20%미만인 경우에는 최종제품 제조를 위한 인발가공이 어려울 수 있고, 특히 인발과정 중 가공경화에 의해서 서서히 경도값이 상승하게 되는데 통상 경도가 500Hv를 넘게 되면 인발시 단절 등이 발생하게 되므로, 추가적인 열처리를 해주어야 한다는 단점이 있다. 상기 열처리는 통상의 스테인레스, Ni계 및 Cu계 스트립의 제조시에도 실시하는 공정으로서, 통상 1~3회 정도 실시한다. 그러나, 3회를 초과할 경우에는 과도한 비용 상승을 초래할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지 않는다.

(실시예)

하기 표 1의 조성을 갖는 두께 1.0mm, 폭 14mm의 스트립을 제조한 뒤, 이 스트립에 대하여 풀림 열처리를 실시하였다. 이 때, 풀림 열처리는 연속광휘소둔 방법을 이용하였으며, 조건은 1050℃×3m/min였다. 이와 같이 제조된 스트립에 대하여 경도 및 연신율을 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

이후, 도 1에 나타난 바와 같이, 상기 스트립을 구부린 뒤, 플럭스 및 합금성분을 충진시키고, 이후, 직경이 3.1mm인 용접재료를 제조하였고, 이 용접재료를 인발하여 1.2mm의 직경을 갖는 최종제품(플럭스 코어드 와이어)으로 제조하였다. 이 때, 최종 직경까지 인발하기 위하여 행하여진 열처리 횟수를 기록하여 하기 표 1에 나타내었으며, 이 열처리는 상기 풀림 열처리 조건과 동일한 1050℃×3m/min으로 행하여졌다.

구분	화학조성(중량%)							경도(Hv)	연신율(%)	열처리 횟수(회)
구분	C	Mn	Ni	Cr	Mo	Al	Ni_eq	경도(Hv)	연신율(%)	열처리 횟수(회)
비교예1	0.05	24	-	-	-	-	13.5	310	12	8
비교예2	0.05	24	-	5	-	-	13.5	295	18	7
비교예3	1.2	20	-	-	-	-	46	198	48	4
발명예1	0.1	32	-	-	-	-	19	223	32	2
발명예2	0.15	30	-	-	-	-	19.5	212	34	2
발명예3	0.1	32	-	1	-	-	19	224	33	2
발명예4	0.15	30	-	-	1	-	19.5	231	35	2
발명예5	0.1	30	-	3	-	-	18	238	31	3
발명예6	0.1	25	-	-	5	-	15.5	242	25	3
발명예7	0.15	28	-	5	-	-	18.5	241	27	3
발명예8	0.1	30	-	-	5	-	18	232	34	3
발명예9	0.15	30	-	-	-	2	19.5	235	36	3
발명예10	0.15	22	4	-	-	2	19.5	221	43	2
발명예11	0.3	22	-	-	-	-	20	214	37	3
발명예12	0.4	10	10	-	-	-	27	163	45	1
발명예13	0.4	23	-	3	-	1.5	23.5	182	39	2
발명예14	0.01	8	20	-	-	-	24.3	192	56	2
발명예15	0.01	6	25	-	-	-	28.3	153	62	1
발명예16	0.05	10	15	-	-	-	21.5	204	43	2
발명예17	0.6	18	-	-	-	-	27	185	42	3
발명예18	1	10	-	-	-	-	35	201	48	3
발명예19	0.8	20	-	-	-	-	34	156	52	3

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명이 제안하는 합금조성과 Ni_eq를 만족하는 발명예 1 내지 19는 풀림 열처리를 거친 후의 경도가 153~242Hv, 연신율은 25~62% 수준으로, 인발가공하여 최종제품으로 제조하기에 매우 유리하다는 것을 알 수 있다. 결국, 본 발명예들은 낮은 경도와 높은 연신율을 확보함으로써, 통상의 추가 열처리 횟수인 1~3회만 열처리를 하더라도 최종 직경까지 무리없이 인발가공이 가능하였다.

그러나, 비교예 1 및 2의 경우에는 Ni_eq이 15미만이어서 경도가 250Hv를 초과고 연신율 또한 20%미만의 수준임을 알 수 있다. 즉, 최종제품으로 제조하기 위하여 추가 열처리 공정이 많이 요구됨을 알 수 있고, 결국 열처리를 7~8회 행한 후에야 최종 제품까지 제조가 가능하였다.

비교예 3의 경우에는 경도 및 연신율은 양호하지만 열처리 횟수가 높게 나타남을 알 수 있는데, 이는 가공경화도가 다른 제품에 비하여 높기 때문이다. 이와 같이, 가공경화도가 높게 나타나는 이유는 탄소의 함량이 높기 때문임을 알 수 있다.

한편, 발명예 17과 비교예 3에 대하여 미세조직을 관찰하여 도 2 및 3에 나타내었다. 도 2 및 3에 나타난 바와 같이, 발명예 17과 비교예 3의 미세조직 모두 가공에 의해서 유기된 입실론(ε) 마르텐사이트가 관찰되고 있으나, 발명예 17에 비하여 비교예 3에서 더 많은 양이 관찰되고 있다.

이에 더하여, 발명예 17과 비교예 13에 대하여 XRD분석을 통해 도 4 및 5에 각각의 XRD 그래프를 나타내었으며, 도 4 및 5에 나타난 바와 같이, 발명예 17보다 비교예 3에서 입실론(ε) 마르텐사이트의 피크가 더욱더 높게 나타나고 있음을 알 수 있다. 즉, 비교예 3의 경우 입실론 마르텐사이트의 생성에 의해 가공경화도가 매우 높음을 확인할 수 있으며, 결국, 비교예 3의 경우 용접재료용 스트립으로 사용하기에는 부적절하다는 것을 알 수 있다.

Claims

중량%로, C: 0.01~1%, Mn: 6~32%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식으로 표현되는 Ni_eq이 15~35를 만족하는 플럭스 코어드 용접 와이어용 스트립.
Ni_eq = 30×[C] + 0.5×[Mn] + [Ni]
(단, 상기 Ni_eq를 구성하는 각 원소의 함량은 중량%이며, Ni이 포함되지 않는 경우 상기 [Ni]의 함량은 0%로 간주함.)
청구항 1에 있어서,
상기 스트립은 Ni: 0.5~25%를 추가로 포함하는 플럭스 코어드 용접 와이어용 스트립.
청구항 1에 있어서,
상기 스트립은 Cr 및 Mo 중 하나 이상을 추가로 포함하고, 그 합계량이 0.5~5%를 만족하는 플럭스 코어드 용접 와이어용 스트립.
청구항 1에 있어서,
상기 스트립은 Al: 0.2~2%를 추가로 포함하는 플럭스 코어드 용접 와이어용 스트립.
청구항 1에 있어서,
상기 스트립은 경도가 250Hv이하이고, 연신율이 20%이상인 플럭스 코어드 용접 와이어용 스트립.