KR101457776B1

KR101457776B1 - 저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속

Info

Publication number: KR101457776B1
Application number: KR1020127026259A
Authority: KR
Inventors: 히데노리 나코; 요시토미 오카자키; 겐 야마시타; 미노루 오츠; 히데아키 다카우치
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2014-11-03
Also published as: CN102869802A; US20130028782A1; JP2011219821A; KR20120130015A; JP5457920B2; EP2557192A4; WO2011126121A1; CN102869802B; US8992698B2; EP2557192A1

Abstract

본 발명의 용접 금속은, 화학 성분 조성을 적절하게 제어하여, 소정의 관계식으로 규정되는 A값이 3.8％ 이상, 9.0％ 이하, 소정의 관계식으로 규정되는 X값이 0.5％ 이상을 각각 만족하는 동시에, 용접 금속 중에 존재하는 탄화물이며, 원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 것의 면적 분율이 4.0％ 이하, 원 상당 직경이 1.0㎛ 이상인 탄화물 개수가 1000개/㎟ 이하이다. 그리고, 이 용접 금속은, 높은 강도는 물론, 양호한 저온 인성 및 낙중 특성을 발휘할 수 있어, 원자력 플랜트의 압력 용기용 소재로서 유용하다.

Description

저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속{WELDING METAL HAVING EXCELLENT LOW-TEMPERATURE TOUGHNESS AND EXCELLENT DROP-WEIGHT CHARACTERISTICS}

본 발명은, 원자력 분야에 있어서의 Mn-Mo-Ni계 용접 구조체에서 적용되는 용접 금속에 관한 것으로, 특히 저온 인성과 함께 낙중 특성도 우수한 용접 금속에 관한 것이다.

Mn-Mo-Ni 강재는 우수한 강도와 인성을 갖는 것이 알려져 있고, 주로 원자력 발전 플랜트의 압력 용기 등의 소재로서 사용되고 있다. 최근, 안전성의 관점에서 요구되는 인성 레벨은 상승 일로를 걷고 있는데, 예를 들어 원자로에 사용이 끝난 연료를 저장·수송할 때에 사용하는 캐스크에 있어서는, 한층 더 양호한 저온 인성이 필요해진다. 또한 마찬가지로 파괴 안전성을 보장하는 낙중 특성에 있어서도 저온에서의 특성 향상이 요망되고 있으며, 그것에 수반하여, 이들 용도에 적용되는 Mn-Mo-Ni계 용접 금속에 있어서도, 강도, 저온 인성 및 낙중 특성의 가일층의 개선이 요망되고 있다.

상기와 같은 Mn-Mo-Ni계 용접 금속을 포함하여 구축되는 용접 구조체(Mn-Mo-Ni계 용접 구조체)에 있어서는, 용접 시공 후에 응력 제거를 목적으로 한 장시간의 어닐링 처리(이하, 「SR 어닐링」이라고 칭하는 경우가 있다)가 실시되나, 이 SR 어닐링 중에 탄화물이 석출됨으로써, 용접 금속의 특성이 크게 변화하기 때문에, SR 어닐링 조건에 대응한 강도, 저온 인성 및 낙중 특성을 개선하는 기술의 확립이 필요하다.

용접 금속의 저온 인성의 개선에 대하여, 예를 들어 특허문헌 1에 개시되는 Ni기 합금계 용접 재료, 특허문헌 2에 기재된 바와 같은 9％ Ni기 합금계 용접 재료의 유효성이 알려져 있다. 그러나, 이들 Ni기 합금계 용접 재료는, 고가의 Ni를 다량으로 포함하기 때문에 비용면에서 불리하고, 또한 9％ Ni기 합금계 용접 재료는 SR 어닐링 시에 안정된 오스테나이트가 생성되어, 항복 응력이 대폭 저하된다는 문제가 있다. 그로 인해, Ni 함유량을 저레벨로 억제하면서, 강도, 저온 인성 및 낙중 특성을 더욱 향상시키는 기술이 필요해진다.

또한, 일반적으로 함유 산소량이 적은 TIG 용접은, 고인성이 기대되지만, 시공 효율이 낮다고 하는 결점을 갖고 있기 때문에, 공업적으로는 함유 산소량이 많은 서브 머지 아크 용접 등의 고효율 용접 시공에 있어서, 높은 강도·저온 인성·낙중 특성을 보증하는 기술이 요망되고 있다.

이에 대해, 예를 들어 특허문헌 3에서는, Ti계 산화물을 기점으로 하는 미세 침상 페라이트 조직의 발현에 의해, 일정한 저온 인성 개선 효과를 얻고 있다. 그러나, 이 기술에서 얻어지는 저온 인성은 -60℃의 레벨에 머물러 있어, 추가적인 저온 인성 개선에 대하여, Ti계 산화물의 분산은 동시에 파괴 기점으로 되는 조대 산화물 증가를 초래하기 때문에 가일층의 고안이 필요하다. 또한, 특허문헌 4에서는, 서브 머지 아크 용접에 있어서, 플럭스, 와이어 성분을 제어함으로써 낙중 특성이 우수한 용접 금속을 얻는 방법이 개시되어 있지만, 이 기술에서는 SR 어닐링을 상정하고 있지 않으며, 또한 낙중 특성은 낙중 비파단 온도가 -90℃에 머물러 있다. 또한, 특허문헌 5에서는 Ni 함유량을 제어함으로써, 특허문헌 6에서는 Ti를 활용함으로써 인성이 우수한 용접 금속을 실현하고 있지만, 마찬가지로 SR 어닐링을 상정하지 않고 있다.

SR 어닐링 후의 인성을 고려한 기술로서는, 특허문헌 7과 같은 기술도 제안되어 있으나, SR 어닐링 후에 얻어지는 인성 레벨은, 최량의 것에서 -75℃의 흡수 에너지가 약 55J로, 더욱 개선의 여지가 있고, 게다가 낙중 특성에의 효과는 불분명하다. 또한 특허문헌 8에서는, 와이어 조성 및 실드 가스 성분을 제어함으로써, 고강도 MIG 용접 금속의 인성을 개선하고 있지만, 보증되는 온도는 -50℃에 머물러 있으며, 또한 낙중 특성에의 효과도 불분명하다. 또한, 특허문헌 9에서는, 용접 금속에 켄칭, 템퍼링 열처리를 실시함으로써, 높은 강도·인성을 달성하고 있지만, 용접 금속에 켄칭을 실시하는 것은 공정의 현저한 번잡화를 초래하게 된다.

일본 특허 공개평11-138293호 공보 일본 특허 공개 제2009-101414호 공보 일본 특허 공개 제2004-315962호 공보 일본 특허 공개평11-192555호 공보 일본 특허 공개 제2001-335879호 공보 일본 특허 공개소60-196286호 공보 일본 특허 공개소63-157795호 공보 일본 특허 공개평3-221294호 공보 일본 특허 공개소58-86996호 공보

본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 높은 강도는 물론, 양호한 저온 인성 및 낙중 특성을 발휘할 수 있어, 원자력 플랜트의 압력 용기용 소재로서 유용한 용접 금속을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결할 수 있는 본 발명에 관한 용접 금속이란, C: 0.02 내지 0.10％(「질량％」의 의미. 화학 성분 조성에 대하여 이하 동일하다), Si: 0.5％ 이하(0％를 포함하지 않는다), Mn: 1.0 내지 1.9％, Ni: 2.7 내지 8.0％, Cr: 0.7％ 이하(0％를 포함하지 않는다), Mo: 0.05 내지 0.8％, Ti: 0.010 내지 0.060％, N: 0.010％ 이하(0％를 포함하지 않는다) 및 O: 0.015 내지 0.060％를 각각 함유하는 동시에, Cr과 Mo의 합계 함유량이 0.8％ 이하(0％를 포함하지 않는다)이며, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 또한 하기 수학식 1로 규정되는 A값이 3.8％ 이상, 9.0％ 이하, 하기 수학식 2로 규정되는 X값이 0.5 이상을 각각 만족하는 동시에, 용접 금속 중에 존재하는 탄화물이며, 원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 것의 면적 분율이 4.0％ 이하, 원 상당 직경이 1.0㎛ 이상인 탄화물 개수가 1000개/㎟ 이하인 점에 요지를 갖는다.

단, [C], [Si], [Mn], [Cu], [Ni], [Mo] 및 [Cr]은, 각각 용접 금속 중의 C, Si, Mn, Cu, Ni, Mo 및 Cr의 함유량(질량％)을 나타낸다.

단, [Ti], [O], [Al] 및 [Si]는, 각각 용접 금속 중의 Ti, O, Al 및 Si의 함유량(질량％)을 나타낸다.

본 발명에 있어서 「원 상당 직경」이란, 탄화물의 크기에 주목하여, 동일 면적의 원으로 환산했을 때의 직경을 의미한다.

본 발명의 용접 금속에 있어서는, 하기 수학식 3으로 규정되는 B값이 0.35％ 이하인 것이 바람직하고, 이것에 의해 원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 것의 면적 분율을 보다 한층 저감시킬 수 있어, 저온 인성이나 낙중 특성을 더욱 양호하게 할 수 있다.

단, [C], [Mn] 및 [Cr]은, 각각 용접 금속 중의 C, Mn 및 Cr의 함유량(질량％)을 나타낸다.

본 발명의 용접 금속에 있어서는, C의 함유량 [C]와 Mo의 함유량 [Mo]가, 하기 수학식 4의 관계를 만족하는 것인 것이 바람직하고, 이것에 의해 원 상당 직경이 1.0㎛ 이상인 탄화물의 개수를 한층 더 저감시킬 수 있어, 저온 인성이나 낙중 특성을 더욱 양호하게 할 수 있다.

본 발명의 용접 금속에는, 필요에 따라, (a) Cu: 0.35％ 이하(0％를 포함하지 않는다), (b) Al: 0.030％ 이하(0％를 포함하지 않는다), (c) Nb: 0.030％ 이하(0％를 포함하지 않는다) 및/또는 V: 0.10％ 이하(0％를 포함하지 않는다) 등을 더 함유시키는 것도 유용하고, 이러한 원소를 함유함으로써, 그 종류에 따라 용접 금속의 특성이 더욱 개선되게 된다.

상기와 같은 용접 금속을 포함하여 구성됨으로써, 저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속을 구비한 용접 구조체를 실현할 수 있다.

본 발명에 따르면, 용접 금속에 있어서, 상기 수학식 1 및 수학식 2의 관계를 만족시키면서, 화학 성분 조성을 적절하게 제어함으로써, 높은 강도(인장 강도)를 확보할 수 있는 동시에, 양호한 저온 인성 및 낙중 특성을 발휘할 수 있는 용접 금속을 실현할 수 있고, 이러한 용접 금속은 원자력 플랜트의 압력 용기용 소재로서, 혹은 캐스크용 소재로서 매우 유용하다.

도 1의 (a)는 용접 금속의 인장 시험편의 채취 위치를 나타낸 개략도이며,
도 1의 (b)는 용접 금속의 샤르피 충격 시험편의 채취 위치를 나타낸 개략도이며,
도 1의 (c)는 용접 금속의 낙중 시험편의 채취 위치를 나타낸 개략도이다.

본 발명자들은, 함유 산소량이 높은 용접 금속에 있어서 우수한 강도·인성·낙중 성능을 실현하는 수단에 대하여 여러 각도에서 검토했다. 그 결과, 용접 시에 형성되는 미세한 재열부 조직을 증가시키는 동시에, 산화물 기점의 침상 페라이트 조직을 발현함으로써 원질부 조직(재열되어 있지 않은 조직)을 미세화하고, 또한 조대 탄화물을 저감시킴으로써 강도·저온 인성·낙중 성능이 향상되는 것을 발견하여, 본 발명을 완성했다.

본 발명자들은, 용접 금속의 화학 성분 조성을 소정의 범위로 제어하는 동시에, 성분에 의해 구해지는 하기 A값[수학식 1]을 3.8％ 이상, 9.0％ 이하, 하기 X값[수학식 2]을 0.5％ 이상으로 되도록 제어하고, 또한 용접 금속 중에 존재하는 탄화물이며, 원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 탄화물의 면적 분율을 4.0％ 이하, 원 상당 직경이 1.0㎛ 이상인 탄화물 개수를 1000개/㎟ 이하로 함으로써, 강도, 저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속이 실현되는 것을 발견했다.

또한 필요에 따라 화학 성분 조성으로부터 구해지는 하기 B값[수학식 3]을 0.35％ 이하로 함으로써, 원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 탄화물의 면적 분율을 더욱 저감할 수 있거나, 혹은 C의 함유량 [C]와 Mo의 함유량 [Mo]가, 하기 수학식 4의 관계를 만족하는 것으로 함으로써, 원 상당 직경이 1.0㎛ 이상인 탄화물의 개수를 한층 더 저감시킬 수 있어, 강도, 저온 인성 및 낙중 특성이 한층 더 향상되는 것을 밝혔다.

[수학식 3]

[수학식 4]

본 발명의 용접 금속을 실현하기 위해서는, 용접 재료 성분 및 용접 조건을 적절하게 제어할 필요가 있다. 용접 재료 성분은, 당연한 것이지만 필요로 하는 용접 금속 성분에 의해 제약을 받고, 게다가 소정의 탄화물 형태를 얻기 위해서는, 용접 조건 및 용접 재료 성분이 적절하게 제어될 필요가 있다. 예를 들어, 용접 입열량이 2.5 내지 4.0kJ/mm의 범위에서 예열/패스간 온도가 150 내지 240℃인 경우에는, 하기 수학식 5로 나타나는 β값을 0.40％ 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 용접 금속 중에 존재하는 탄화물이며, 원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 탄화물의 면적 분율을 4.0％ 이하로 제어하는 것이 용이하게 된다.

단, (C), (Mn) 및 (Cr)은, 각각 용접 재료 중의 C, Mn 및 Cr의 함유량(질량％)을 나타낸다.

탄화물의 크기는, 용접 금속 매트릭스의 조직에도 영향을 받게 된다. 즉, 용접 금속 매트릭스가 미세할수록 탄화물 생성 사이트가 증가되기 때문에, 탄화물 크기는 미세해지는 것이 일반적이다. 따라서, 용접 입열량이 상기의 범위를 하회하거나, 혹은 예열/패스간 온도가 낮아지는 경우에는, 용접 시의 냉각 속도가 상승하여, 매트릭스 조직이 미세해지기 때문에, β값이 만족해야 할 범위는 보다 넓어진다. 반대로, 용접 입열량이 커지거나, 혹은 예열/패스간 온도가 높아지는 경우에는, β값은 보다 좁은 범위로 제어하는 것이 바람직하다. 용접 입열량 및 예열/패스간 온도는, 강도 등의 특성에 영향을 미치는 파라미터이며, 필요한 특성에 따라 적절한 범위로 제어된다.

또한, 탄화물 형태에 대해서는, SR 어닐링 조건도 영향을 미치지만, 본 발명의 용접 금속에서는, 하기 수학식 6으로 나타나는 라슨-밀러 파라미터(LMP)로 하여, 17×10³ 내지 19×10³의 범위에서 SR 어닐링 시의 온도, 시간을 제어하면 된다.

단, T: SR 어닐링 온도(℃)

t: SR 어닐링 시간(hr)

LMP가 19×10³보다도 커지면, 탄화물의 성장이 진행되어, 소정의 탄화물 형태가 얻어지지 않는다. 또한 LMP가 17×10³보다도 작아지면, 강도가 과대해져 양호한 저온 인성 및 낙중 특성을 확보할 수 없다. 예를 들어 565℃에서 4시간(hr)의 SR 어닐링을 행했을 때의 LMP는 17.3×10³로 되고, 615℃에서 12시간(hr)의 SR 어닐링을 행했을 때의 LMP는 18.7×10³로 된다.

본 발명의 용접 금속에서는, 화학 성분 조성을 적절하게 제어하는 동시에, C, Si, Mn, Cu, Ni, Mo, Cr 등의 원소 함유량에 의해 하기 수학식 1로 규정되는 A값이 3.8％ 이상, 9.0％ 이하인 요건을 만족하는 것이 필요하다.

[수학식 1]

또한, 상기 수학식 1에는, 필요에 따라 함유되는 원소도 포함되는 것으로 되지만(예를 들어 Cu), 이 원소를 포함하지 않을 때에는, 그 항목이 없는 것으로 하여 A값을 계산하고, 그 원소를 포함할 때에는, 상기 수학식 1로부터 A값을 계산하면 된다.

상기 A값은 용접 금속의 변태 온도의 지표로 되는 파라미터이며, 이 값이 클수록 변태 온도가 낮아, 용접 시의 역변태를 촉진함으로써 미세 재열부 증가를 초래한다. 이 A값이 3.8％보다 작아지면, 충분한 효과를 발휘할 수 없다. 또한, A값이 9.0％를 초과하면, SR 어닐링에 의해 플래시 마르텐사이트가 생성되도록 이루어져, 저온 인성 및 낙중 특성이 저하된다. 또한, 이 A값의 바람직한 하한은 4.5％ 이상이며, 바람직한 상한은 8.0％ 이하이다.

본 발명의 용접 금속에서는, Ti, O, Al, Si 등의 원소 함유량에 의해 하기 수학식 2로 규정되는 X값이 0.5 이상인 요건을 만족하는 것도 필요하다.

[수학식 2]

또한, 상기 수학식 2에는, 필요에 따라 함유되는 원소도 포함되는 것으로 되지만(예를 들어 Al), 이 원소를 포함하지 않을 때에는, 그 항목이 없는 것으로 하여 X값을 계산하고, 그 원소를 포함할 때에는, 상기 수학식 2로부터 X값을 계산하면 된다.

상기 X값은, 침상 페라이트의 기점으로 되는 Ti 산화물을 규정하는 파라미터이며, 이 값이 0.5보다도 작으면, Ti 산화물 표면에 Si 산화물이 형성되어, 침상 페라이트 생성 능력이 저하하게 된다. 이 X값의 바람직한 하한은 0.6 이상이다.

본 발명의 용접 금속에 있어서는, 용접 금속 중에 존재하는 탄화물이며, 원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 것의 면적 분율이 4.0％ 이하인 것이 필요하다. 이 면적 분율이 4.0％보다도 커지면, 조대 탄화물이 파괴 균열의 진전을 조장하여, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되게 된다. 이 면적 분율은 바람직하게는 3.5％ 이하로 하는 것이 좋다.

하기 수학식 3으로 규정되는 B값은, 탄화물의 안정성을 나타내는 파라미터이며, 이 B값을 0.35％ 이하로 제어함으로써, 조대 탄화물의 생성이 억제되어, 저온 인성 및 낙중 특성이 더욱 향상되므로 바람직하다. 이 B값의 보다 바람직한 상한은 0.30％ 이하이다.

[수학식 3]

또한 용접 금속 중에 존재하는 탄화물이며, 원 상당 직경이 1.0㎛ 이상인 것의 개수를 1000개/㎟ 이하로 할 필요가 있다. 원 상당 직경이 1.0㎛ 이상인 탄화물이 다수 존재하면, 파괴 기점으로서 작용하여, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되게 된다. 이러한 관점에서, 이 탄화물의 개수는 1000개/㎟ 이하로 할 필요가 있지만, 바람직하게는 100개/㎟ 이하(보다 바람직하게는 50개/㎟ 이하)로 하는 것이 좋다.

하기 수학식 4는, 탄화물의 형태를 제어하는 파라미터이며, C의 함유량 [C]와 Mo의 함유량 [Mo]가 하기 수학식 4의 관계를 만족함으로써, 원 상당 직경이 1.0㎛ 이상인 조대한 탄화물은 형성되기 어려워져, 저온 인성 및 낙중 특성이 더욱 향상되므로 바람직하다.

[수학식 4]

또한, 용접 금속의 조성은, 엄밀하게는 모재의 Mn-Mo-Ni강의 조성과 용입량, 용접 재료(용접 와이어)의 조성과 용입량, 용접에 있어서 사용하는 플럭스의 염기도에 의해 거의 결정되고, 용입량은 모재의 용접 접합부의 조성과 용접 시공 시의 플럭스의 염기도에 의해 대략 결정되고, 한편, 용접 재료의 조성은, 목표로 하는 용접 금속의 조성과 플럭스의 염기도에 의해 대략 결정할 수 있다. 통상, 플럭스의 염기도를 2.5 내지 2.6 정도로 유지하도록 하여 용접한다.

이어서, 본 발명의 용접 금속에 있어서의 기본 성분 조성에 대하여 설명한다. 본 발명의 용접 금속은, 그 화학 성분 조성에 있어서 상기 수학식 1로 규정되는 A값, 상기 수학식 2로 규정되는 X값이 각각 소정의 범위 내에 있어도, 각각의 화학 성분(원소)의 함유량이 적정 범위 내에 없으면, 우수한 기계적 특성을 달성할 수 없다. 따라서, 본 발명의 용접 금속에서는, 적정량의 C, Si, Mn, Cu, Ni, Mo 및 Cr로 규정되는 A값[상기 수학식 1의 값], Ti, O, Al 및 Si로 규정되는 X값[상기 수학식 2의 값]이 소정의 범위로 제어되는 것 외에, 각각의 화학 성분의 양이, 이하에 나타낸 바와 같은 적정 범위 내에 있는 것도 필요하다. 이들 성분의 범위 한정 이유는, 하기와 같다.

[C: 0.02 내지 0.10％]

C는, 용접 금속의 강도를 확보하는 데 있어서 필수적인 원소이다. 또한, 용접 금속의 변태 온도를 낮추고, 미세 재열부를 증가시킴으로써 저온 인성 및 낙중 특성을 향상시키는 데 있어서도 유효한 원소이다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는, 0.02％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, C 함유량이 과잉으로 되면 탄화물의 조대화를 초래하여, 저온 인성 및 낙중 특성을 열화시키는 원인으로 되므로, 0.10％ 이하로 할 필요가 있다. C 함유량의 바람직한 하한은 0.04％ 이상(보다 바람직하게는 0.05％ 이상)이며, 바람직한 상한은 0.08％ 이하(보다 바람직하게는 0.07％ 이하)이다.

[Si: 0.5％ 이하(0％를 포함하지 않는다)]

Si는, 용접 금속의 강도를 확보하는 데 있어서 중요한 원소이다. 그러나, Si 함유량이 과잉으로 되면 강도의 과대한 상승을 초래하거나, 혹은 마르텐사이트 등의 경질 조직 증가를 초래하고, 저온 인성 및 낙중 특성의 열화를 초래하므로, 0.5％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, Si 함유량의 바람직한 하한은 0.05％ 이상이며, 바람직한 상한은 0.40％ 이하(더욱 바람직하게는 0.30％ 이하)이다.

[Mn: 1.0 내지 1.9％]

Mn은, 용접 금속의 강도를 확보하는 데 있어서 필요한 원소이다. 또한, 용접 금속의 변태 온도를 낮추고, 미세 재열부를 증가시킴으로써, 저온 인성 및 낙중 특성을 향상시키는 데 있어서도 유효하게 작용한다. 이들 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Mn은 1.0％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직하게는 1.2％ 이상(보다 바람직하게는 1.3％ 이상)이다. 그러나, Mn 함유량이 과잉으로 되면 강도의 과대한 상승이나 탄화물 조대화를 초래하여, 저온 인성 및 낙중 특성 열화의 원인으로 된다. 이러한 점에서, Mn 함유량은 1.9％ 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 1.8％ 이하(보다 바람직하게는 1.7％ 이하)이다.

[Ni: 2.7 내지 8.0％]

Ni는, 용접 금속의 변태 온도를 낮추고, 미세 재열부를 증가시킴으로써 저온 인성 및 낙중 특성을 향상시키는 데 있어서 유효한 원소이다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Ni는 2.7％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직하게는 3.0％ 이상(보다 바람직하게는 4.0％ 이상)이다. 그러나, Ni의 함유량이 과잉으로 되면, SR 어닐링에 의해 플래시 마르텐사이트가 발생하여, 저온 인성 및 낙중 특성을 도리어 저하시키므로, 8.0％ 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 7.0％ 이하(보다 바람직하게는 6.0％ 이하)이다.

[Cr: 0.7％ 이하(0％를 포함하지 않는다)]

Cr은, 용접 금속의 강도 확보에 유효한 원소이다. 또한, 용접 금속의 변태 온도를 낮추고, 미세 재열부를 증가시킴으로써, 저온 인성 및 낙중 특성을 향상시킨다. 그러나, 그 함유량이 과잉으로 되면, 탄화물 조대화가 촉진되어, 저온 인성 및 낙중 특성이 도리어 저하된다. 이러한 점에서, Cr 함유량은 0.7％ 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 0.6％ 이하(보다 바람직하게는 0.5％ 이하)이다. 또한, Cr에 의한 효과를 유효하게 발휘시키기 위한 바람직한 하한은, 0.05％ 이상(보다 바람직하게는 0.1％ 이상)이다.

[Mo: 0.05 내지 0.8％]

Mo는, SR 어닐링 시에 미세 탄화물을 형성하여, 강도를 향상시키는 데 있어서 유효한 원소이다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Mo는 0.05％ 이상 함유시킬 필요가 있어, Mo 함유량이 부족하면, SR 어닐링 후의 강도가 저하되는 동시에, 조대 시멘타이트가 안정화되고, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화된다. 바람직하게는 0.1％ 이상(보다 바람직하게는 0.2％ 이상)이다. 그러나, 그 함유량이 과잉으로 되면, 탄화물 조대화가 촉진되어, 저온 인성 및 낙중 특성이 도리어 저하된다. 이러한 점에서, Mo 함유량은 0.8％ 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 0.6％ 이하(보다 바람직하게는 0.5％ 이하)이다.

[Cr+Mo: 0.8％ 이하(0％를 포함하지 않는다)]

Cr 및 Mo는 탄화물 형성 원소이며, SR 어닐링 시에 미세 탄화물을 형성하여, 강도를 향상시키는 작용을 발휘하지만, 합계 함유량으로 0.8％를 초과하여 과잉으로 되면, 다량으로 탄화물이 생성되어, 저온 인성 및 낙중 특성을 도리어 열화시키게 된다. 이 합계 함유량의 바람직한 하한은 0.10％ 이상(보다 바람직하게는 0.15％ 이상)이며, 바람직한 상한은 0.7％ 이하(보다 바람직하게는 0.65％ 이하)이다.

[Ti: 0.010 내지 0.060％]

Ti는 Ti 산화물을 형성하여, 미세 침상 페라이트 조직을 발현함으로써, SR 어닐링 후의 용접 금속 강도, 저온 인성 및 낙중 특성을 향상시키는 데 있어서 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, 0.010％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직하게는 0.015％ 이상(보다 바람직하게는 0.020％ 이상)이다. 그러나, Ti 함유량이 과잉으로 되면, 산화물의 조대화를 초래하여, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되므로, 0.060％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.05％ 이하(더욱 바람직하게는 0.04％ 이하)이다.

[N: 0.010％ 이하(0％를 포함하지 않는다)]

N은, Ti 혹은 필요에 따라 함유되는 Nb, V 등의 원소와 질화물(또는 탄질화물)을 형성하여, 용접 금속의 강도를 향상시키는 데 유효한 원소이다. 그러나, N이 과잉으로 함유되면, 질화물을 형성하지 않고 단독으로 존재하는 N(고용 N)이 증가하여, 인성에 악영향을 미치게 된다. 이러한 점에서, N 함유량은 0.010％ 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 0.0080％ 이하이다.

[O: 0.015 내지 0.060％]

O는, Ti 산화물을 형성하기 위하여 필요한 원소이며, 충분한 Ti 산화물을 형성시키기 위해서는, 0.015％ 이상 함유할 필요가 있다. 바람직하게는 0.020％ 이상(보다 바람직하게는 0.025％ 이상)이다. 그러나, O 함유량이 너무 과잉으로 되면 조대 산화물이 증가되어, 취성 파괴의 기점으로 됨으로써 저온 인성을 저하시킨다. 이러한 점에서, O 함유량은 0.060％ 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 0.050％ 이하(보다 바람직하게는 0.045％ 이하)로 하는 것이 좋다.

본 발명에서 규정하는 함유 원소는 상기와 같으며, 잔량부는 철 및 불가피적 불순물이며, 상기 불가피적 불순물로서, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 따라 반입되는 원소(예를 들어, P, S, B, Sn, Zr, Bi, Pb 등)의 혼입이 허용될 수 있다. 또한, Co는, 원자력 대상 구조물에 있어서 중성자 조사에 의해 방사화되기 때문에, 용접 금속에 있어서, 0.05％ 이하로 규제되어야 하므로, 용접 와이어에 있어서도 0.05％ 이하로 유지할 필요가 있다. 또한 본 발명의 용접 금속에는, 필요에 따라 (a) Cu: 0.35％ 이하(0％를 포함하지 않는다), (b) Al: 0.030％ 이하(0％를 포함하지 않는다), (c) Nb: 0.030％ 이하(0％를 포함하지 않는다) 및/또는 V: 0.10％ 이하(0％를 포함하지 않는다), 등을 더 함유시키는 것도 유용하며, 이러한 원소를 함유함으로써 그 종류에 따라 용접 금속의 특성이 더욱 개선된다.

[Cu: 0.35％ 이하(0％를 포함하지 않는다)]

Cu는 용접 금속의 강도 향상에 유효한 원소이다. 또한, 용접 금속의 변태 온도를 낮추고, 미세 재열부를 증가시킴으로써, 저온 인성 및 낙중 특성을 향상시킨다. 그러나, Cu의 함유량이 과잉으로 되면, 강도의 과대한 상승을 초래하여 저온 인성 및 낙중 특성에 악영향을 미치므로 0.35％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.30％ 이하(더욱 바람직하게는 0.25％ 이하)이다. 또한, Cu에 의한 효과를 유효하게 발휘시키기 위한 바람직한 하한은, 0.02％ 이상(보다 바람직하게는 0.05％ 이상)이다.

[Al: 0.030％ 이하(0％를 포함하지 않는다)]

Al은 탈산제로서 유효한 원소이나, 그 함유량이 0.030％를 초과하여 과잉으로 함유되면, 산화물 조대화를 초래하여, 저온 인성에 악영향을 미치게 된다. 보다 바람직하게는 0.025％ 이하(더욱 바람직하게는 0.02％ 이하)이다. 또한, Al에 의한 효과를 유효하게 발휘시키기 위한 바람직한 하한은, 0.005％ 이상이다.

[Nb: 0.030％ 이하(0％를 포함하지 않는다) 및/또는 V: 0.10％ 이하(0％를 포함하지 않는다)]

Nb 및 V는 탄질화물을 형성하여, 용접 금속의 강도를 향상시키는 데 유효한 원소이다. 그러나, 이들 원소가 과잉으로 함유되면, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되므로, Nb에서 0.030％ 이하(보다 바람직하게는 0.02％ 이하), V에서 0.10％ 이하(보다 바람직하게는 0.08％ 이하)로 하는 것이 좋다. 또한, 이들 원소에 의한 효과를 유효하게 발휘시키기 위한 바람직한 하한은, Nb에서 0.008％ 이상(보다 바람직하게는 0.01％ 이상), V에서 0.010％ 이상(보다 바람직하게는 0.02％ 이상)으로 하는 것이 바람직하다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 성질의 것이 아니고, 상·후술하는 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경하여 실시하는 것도 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

용접 와이어 성분(C, Mn 및 Cr 함유량)에 의해 구해지는 β값[상기 수학식 5]이 0.11 내지 0.41％로 되는 각종 용접 와이어(직경: 4.0mm)를 사용하여(하기 표 1, 2의 W1 내지 W36), 하기의 용접 조건에서 서브 머지 아크 용접을 행했다.

이 때 사용한 모재(용접 모재)의 화학 성분 조성은, 하기 표 3에, 플럭스의 화학 성분 조성은 하기 표 4에, 각각 나타내는 바와 같다. 표 4에 나타낸 염기도는, 기본적으로 IIW(국제 용접 학회: International Institute of Welding) 권장의 하기 화학식(화학식 중의 산화물은 그 산화물의 질량％를 나타낸다)에 의해 산출된 것이다.

[용접 조건]

모재 판 두께: 25mm

개선각도: 10°(V자)

루트 간격: 20mm

용접 자세: 하향

와이어 직경: 4.0mmφ

용접 입열량: 550A-31V-35cpm(2.9kJ/mm)

예열/패스간 온도: 160 내지 220℃

적층 방법: 6층 12패스

형성한 용접 금속의 화학 성분 조성을, A값, X값, B값, 상기 수학식 4의 적합 여부(Mo량 판정) 및 플럭스의 염기도와 함께, 하기 표 5, 표 6에 나타낸다.

형성된 각 용접 금속에 대하여, 565℃×4hr(LMP=17.3×10³) 또는 615℃×12hr(LMP=18.7×10³)의 조건에서 SR 어닐링을 실시한 후, 하기의 방법으로 원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 탄화물의 면적 분율(총 면적률), 원 상당 직경이 1.0㎛ 이상인 탄화물의 개수를 측정하는 동시에, 용접 금속의 인장 강도(TS), 저온 인성(vE_-74) 및 낙중 특성을 하기의 조건에서 평가했다.

[원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 탄화물의 면적 분율의 측정]

SR 어닐링 후의 용접 금속에 대해, 최종 패스 중앙부로부터 레플리카 TEM(투과형 전자 현미경) 관찰용 시험편을 채취했다. 이 시험편에 대하여 7500배의 TEM상 4시야를, 무작위로 촬영하여, 화상 해석 소프트(「Image-Pro Plus」Media Cybernetic사제)를 사용한 화상 해석에 의해, 원 상당 직경으로서 0.20㎛ 이상인 탄화물을 선택하여 그 면적 분율을 산출했다. 이때, 원 상당 직경이 1.0㎛ 이상인 입자에 대해서는, EDS 분석에 의해, 탄화물과 산화물을 구별했다.

[원 상당 직경이 1.0㎛ 이상인 탄화물의 개수의 측정]

상기와 마찬가지로, 레플리카 TEM(투과형 전자 현미경)에 의해, 원 상당 직경이 1.0㎛ 이상인 탄화물에 대하여 EDS 분석에 의해 탄화물을 선정하여, 화상 해석에 의해 개수 밀도를 산출했다.

[용접 금속의 인장 강도]

SR 처리 후의 용접 금속의 중앙부로부터, 용접선 방향으로 인장 시험편(JIS Z3111A2호 시험편)을 채취하여[도 1의 (a)], JIS Z2241의 요령으로 인장 시험을 행하여, 인장 강도(TS)를 측정했다. 그리고, 인장 강도(TS)가 620MPa를 초과하는 것을 합격으로 평가했다.

[용접 금속의 저온 인성의 평가]

SR 처리 후의 용접 금속의 중앙부로부터, 용접선 방향으로 샤르피 충격 시험편[JIS Z31114호 시험편 (V노치 시험편)]을 채취하고[도 1의 (b)], JIS Z 2242에 준거하여, -74℃에서 샤르피 충격 시험을 각 3회씩 행하여, -74℃에서의 흡수 에너지(vE_-74)의 평균값을 측정했다. 그리고, 흡수 에너지(vE_-74)가 70J를 초과하는 것을 저온인성이 우수하다고 평가했다.

[낙중 특성의 평가]

ASTM E208(2006)에 준거하여, 용접 금속 중앙부로부터 채취한 P-3 시험편을 사용하여[도 1의 (c)], -160°F(-107℃)에서 낙중 시험을 실시하여, 비파단의 것을 낙중 특성이 우수하다(평가: 「○」)고 했다.

이들 측정 결과[탄화물의 면적 분율, 개수 밀도, 인장 강도, 낙중 특성 및 저온 인성(vE_-74)]를, SR 어닐링 조건마다, 하기 표 7, 8에 나타낸다.

이들 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다(또한, 하기 No.은, 표 7, 표 8의 실험 No.을 나타낸다). No.1 내지 19는, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하는 예이며, 화학 성분 조성 및 A값, X값이 적절하게 제어되고 있으며, 강도, 저온 인성 및 낙중 특성이 양호한 용접 금속이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.

이에 반하여, No.20 내지 36은, 본 발명에서 규정하는 어느 하나의 요건을 벗어나는 예이며, 적어도 어느 하나의 특성이 떨어지고 있다. 이 중 No.20의 것은, C 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하는 것이며, 높은 강도는 얻어지기는 하지만, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되어 있다. No.21의 것은, Si 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있으며, 높은 강도는 얻어지기는 하지만, 저온 인성 및 낙중 특성 모두 열화되어 있다.

No.22의 것은, Mn 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위에 미치지 않는 것이며, 필요한 강도가 얻어지지 않고 있다. No.23의 것은, Mn 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있고(X값도 작게 되어 있다), 조대한 탄화물의 개수 밀도가 크게 되어 있어, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되어 있다.

No.24의 것은, Ni 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위에 미치지 않는 것이며, 저온 인성 및 낙중 특성 모두 열화되어 있다. No.25의 것은, Ni 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있으며, 높은 강도는 얻어지기는 하지만, 저온 인성 및 낙중 특성 모두 열화되어 있다.

No.26의 것은, Cr 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있어(Cr+Mo의 합계 함유량도 과잉으로 되어 있다), 높은 강도는 얻어지기는 하지만, 저온 인성 및 낙중 특성 모두 열화되어 있다. No.27, 28의 것에서는, Mo 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위에 미치지 않는 것이며, 조대한 탄화물의 개수 밀도가 크게 되어 있어, 저온 인성 및 낙중 특성 모두 열화되어 있다. 또한, No.29의 것에서는, Mo 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있고(Cr+Mo의 합계 함유량도 과잉으로 되어 있다), 조대한 탄화물의 개수 밀도가 크게 되어 있어, 저온 인성 및 낙중 특성 모두 열화되어 있다. No.30의 것은, Cr과 Mo의 합계 함유가 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있으며, 높은 강도는 얻어지기는 하지만, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되어 있다.

No.31의 것은, Ti 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위에 미치지 않는 것이며(X값도 작게 되어 있다), 저온 인성 및 낙중 특성 모두 열화되어 있다. No.32의 것은, Ti 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있고(A값도 크게 되어 있다), 높은 강도는 얻어지지만, 조대한 탄화물의 개수 밀도가 크게 되어 있어, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되어 있다.

No.33의 것은, A값 및 X값이 작게 되어 있고(Al 함유량도 과잉으로 되어 있다), 저온 인성 및 낙중 특성 모두 열화되어 있다. No.34의 것은, O 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있으며, 높은 강도는 얻어지기는 하지만, 저온 인성이 열화되어 있다.

No.35의 것은, N 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있으며, 높은 강도는 얻어지기는 하지만, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되어 있다. No.36의 것은, 선택 성분인 Cu의 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있으며, 높은 강도는 얻어지기는 하지만, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되어 있다.

본 발명을 상세하게 또한 특정한 실시 형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하지 않고 여러 변형이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에 있어서 명확하다.

본 출원은, 2010년 4월 9일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2010-090444)에 기초하는 것이고, 그 내용은 여기에 참조로 하여 도입된다.

<산업상 이용가능성>

본 발명의 용접 금속은, 원자력 분야에 있어서의 Mn-Mo-Ni계 용접 구조체에 유용하다.

Claims

C: 0.02 내지 0.10％(「질량％」의 의미. 화학 성분 조성에 대하여 이하 동일하다), Si: 0.5％ 이하(0％를 포함하지 않는다), Mn: 1.0 내지 1.9％, Ni: 2.7 내지 8.0％, Cr: 0.7％ 이하(0％를 포함하지 않는다), Mo: 0.05 내지 0.8％, Ti: 0.010 내지 0.060％, N: 0.010％ 이하(0％를 포함하지 않는다) 및 O: 0.015 내지 0.060％를 각각 함유하는 동시에, Cr과 Mo의 합계 함유량이 0.8％ 이하(0％를 포함하지 않는다)이며, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 또한 하기 수학식 1로 규정되는 A값이 3.8％ 이상, 9.0％ 이하, 하기 수학식 2로 규정되는 X값이 0.5 이상을 각각 만족하는 동시에, 용접 금속 중에 존재하는 탄화물이며, 원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 것의 면적 분율이 4.0％ 이하, 원 상당 직경이 1.0㎛ 이상인 탄화물 개수가 1000개/㎟ 이하인 것을 특징으로 하는, 저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속.
[수학식 1]

단, [C], [Si], [Mn], [Cu], [Ni], [Mo] 및 [Cr]은, 각각 용접 금속 중의 C, Si, Mn, Cu, Ni, Mo 및 Cr의 함유량(질량％)을 나타낸다.
[수학식 2]

단, [Ti], [O], [Al] 및 [Si]는, 각각 용접 금속 중의 Ti, O, Al 및 Si의 함유량(질량％)을 나타낸다.
제1항에 있어서, 하기 수학식 3으로 규정되는 B값이 0.35％ 이하인, 저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속.
[수학식 3]

단, [C], [Mn] 및 [Cr]은, 각각 용접 금속 중의 C, Mn 및 Cr의 함유량(질량％)을 나타낸다.
제1항에 있어서, C의 함유량 [C]와 Mo의 함유량 [Mo]가, 하기 수학식 4의 관계를 만족하는 것인, 저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속.
[수학식 4]
제2항에 있어서, C의 함유량 [C]와 Mo의 함유량 [Mo]가, 하기 수학식 4의 관계를 만족하는 것인, 저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속.
[수학식 4]
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 이하의 (a) 내지 (c) 군 중 적어도 1군을 더 포함하는, 저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속.
(a) Cu: 0.35％ 이하(0％를 포함하지 않는다),
(b) Al: 0.030％ 이하(0％를 포함하지 않는다),
(c) Nb: 0.030％ 이하(0％를 포함하지 않는다), V: 0.10％ 이하(0％를 포함하지 않는다)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 용접 금속을 포함하여 구성되는, 용접 구조체.
제5항의 용접 금속을 포함하여 구성되는, 용접 구조체.