KR101500086B1 - 내균열성이 우수한 고망간강 용접금속부 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내균열성이 우수한 고망간강 용접금속부에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명에서는 고망간강을 용접하여 얻어지는 용접금속부에 있어서, 상기 고망간강은 알루미늄(Al)의 함량이 2.0~8.0중량%를 만족하는 조건 및 상기 용접금속부의 미세조직이 상온에서 델타(δ) 페라이트를 포함하는 조건 중 어느 하나 이상의 조건을 만족하는 내균열성이 우수한 고망간강 용접금속부를 제공한다.

Description

내균열성이 우수한 고망간강 용접금속부 {WELD METAL JOINT OF HIGH Mn STEEL WITH EXCELLENT HOT CRACKING RESISTANCE}
본 발명은 내균열성이 우수한 고망간강 용접금속부에 관한 것이다.
일반적으로 고망간강은 다량의 망간(Mn)과 탄소(C) 첨가를 통해 상온에서 오스테나이트 단상을 형성시키고, 소성변형시 발생하는 변형유기쌍정을 이용하여 고강도 및 고연성을 모두 충족시키는 강재로서, 쌍정유기소성강(TWIP 강)으로 알려져 있으며, 자동차나 건축, 조선, 강관 분야 등에도 향후 적용이 예상된다.
이러한 고망간강을 여러 산업분야에 적용하기 위해서는 용접공정이 필수적으로 요구되는데, 용접시 발생하는 용접부는 다양한 미세조직을 형성함과 동시에 예상치못한 용접결함을 유발함으로써 구조물의 안정성에 치명적인 영향을 줄 수 있다. 이에, 용접공정시 우수한 용접성을 확보하기 위해서는 낮은 C 함량이 우선적으로 요구되고 있다.
그러나, 고망간강의 경우 강재 특성상 높은 C 함량이 불가피하다. 그로 인해, 고망간강은 저합금강에 비해 대표적인 용접 결함 중 하나인 고온 균열의 발생 가능성이 높으며, 균열발생이 용접금속의 합금성분에 큰 영향을 받는 특성상, 적정 합금 원소의 첨가를 기반으로 하여 내균열성의 확보가 요구되는 실정이다.
본 발명의 일 측면은, 고망간강의 성분함량을 제어함으로써 내균열성이 우수한 고망간강 용접금속부를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 고망간강을 용접하여 얻어지는 용접금속부에 있어서,
상기 고망간강은 알루미늄(Al)의 함량이 2.0~8.0중량%를 만족하는 조건 및 상기 용접금속부의 미세조직이 상온에서 델타(δ) 페라이트를 포함하는 조건 중 어느 하나 이상의 조건을 만족하는 내균열성이 우수한 고망간강 용접금속부를 제공한다.
본 발명에 의하면, 고망간강의 성분조성 중 Al 함량의 제어를 통해 용접금속부의 초정 응고모드를 제어함으로써 내균열성이 우수한 고망간강 용접금속부를 얻을 수 있다.
도 1은 비교강 및 발명강들의 Varestraint 실험 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 비교강 2 및 발명강 3의 용접금속부 미세조직을 전자주사현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
통상, 내고온균열성의 향상을 위해 Nieq/Creq 관계식을 기반으로 다양한 합금 원소변화로부터 초정 응고모드 및 δ 페라이트의 함량을 제어하였다. 그런데, 이러한 Nieq/Creq 관계식은 주로 스테인리스 강에 국한되어 사용되고 있을 뿐, 고망간강 용접금속부에 적용시키기에는 어려움이 있다. 즉, 고망간강은 오스테나이트 안정화 원소(탄소 및 망간)를 높은 함량으로 함유하기 때문에, 크롬(Cr)의 첨가로는 초정 응고모드 및 δ 페라이트 함량을 조절하는데에 어려움이 있다.
이에, 본 발명자들은 탄소(C)와 망간(Mn)을 높은 함량으로 함유하는 고망간강의 용접공정에 있어서 고온 균열 특성을 확보하고자 깊이 연구한 결과, 고망간강 의 성분조성 중 특히 Al의 함량을 제어하는 경우 용접금속부의 초정 응고모드를 제어할 수 있음을 확인하였으며, 이로 인해 용접금속부의 내균열성 확보가 가능함을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이하, 본 발명에 따라 Al 함량을 제어한 고망간강의 성분 함량(중량%)을 제한하는 이유에 대하여 상세히 설명한다.
C: 0.4~0.8%
탄소(C)는 고망간강의 강도 확보 및 상온에서 오스테나이트 조직을 형성시키기 위해 필수적으로 첨가하는 원소이다. 이러한 C의 함량이 0.4% 미만이면 용접금속에서 ε-마르텐사이트 상이 존재하게 되어 저온인성이 저하되며, 반면 0.8%를 초과할 경우에는 용접시 저융점 화합물(공정: Eutectic) 생성이 용이하게 되어 고온 균열 감수성이 높아지는 문제가 있다.
Si: 0.1% 이하
실리콘(Si)이 다량으로 첨가되면 공정반응(Eutectic Reaction)에 요구되는 탄소함량을 감소시켜 용접시 저융점 화합물(공정: Eutectic)의 생성을 용이하게 하여 고온 균열 발생에 민감하게 되는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서 Si의 함량을 0.1% 이하로 제한함이 바람직하다.
Mn: 12~20%
망간(Mn)은 고망간강에서 오스테나이트 조직을 안정화 시키는데 중요한 원소로서, 이를 위해서는 Mn이 12% 이상으로 첨가될 것이 요구된다. Mn의 함량이 12% 미만이면 오스테나이트 단상 형성이 어려우며, 용접금속에서의 불균일한 망간 분포로 인하여 α- 또는 ε-마르텐사이트 상이 존재하게 된다. 반면, 20%를 초과하는 경우에는 경제적인 측면에서 불리하므로 바람직하지 못하다.
Al: 2.0~8.0%
알루미늄(Al)은 페라이트 안정화 원소로서, 고망간강 용접금속에서의 초정 응고모드 제어를 위해 필수적으로 요구되는 원소이다. 이러한 Al의 함량이 2.0% 미만이면 용접시 저융점 화합물(공정: Eutectic)의 생성을 억제시켜 응고 균열 감소성은 낮추지만 초정 페라이트의 응고가 어렵고, 연성저하균열(Ductility Dip Cracking; DDC)이 발생하는 문제가 있다. 반면, 8.0%를 초과하는 경우에는 다량의 델타(δ) 페라이트 상이 형성되어 저온 인성에 취약하므로 바람직하지 못하다.
따라서, 본 발명에서 저융점 화합물의 생성을 억제시키면서 초정 응고모드의 제어 효과를 위해서는 Al의 함량을 2.0~8.0%로 제어하는 것이 바람직하다.
P: 0.02% 이하
인(P)은 불가피하게 함유되는 불순물로써, 가능한 낮게 제어하는 것이 좋으며, P의 함량이 0.02%를 초과하게 되면 오스테나이트 결정립계에 편석되어 저융점 화합물(공정: Eutectic)을 생성시켜 고온 균열을 조장하므로 바람직하지 못하다.
S: 0.02% 이하
황(S)은 불가피하게 함유되는 불순물로써, 가능한 낮게 제어하는 것이 좋으며, S의 함량이 0.02%를 초과하게 되면 다량의 MnS가 생성되어 저온 인성이 감소하게 되므로 바람직하지 못하다.
상술한 성분조성 이외에 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
상술한 성분조성을 갖는 본 발명의 고망간강을 용접하여 얻어지는 용접금속부는 특히, Al의 함량 제어로 용접금속부에서의 초정 응고모드를 제어함으로써 고온 균열 방지를 유리하게 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 고망간강에서의 알루미늄(Al)은 응고과정 중 입계에 편석(segregation)하는 다른 페라이트 안정화 원소(예컨대, Cr, Mo, Ni, Cu, Si 등)와 달리 덴드라이트 중앙부(dendrite core)에 편석하는 거동을 보인다.
즉, Al은 오스테나이트계 고망간강에서 평형 분배 계수(equilibrium partition coefficient; k)가 1 이상이다. 결과적으로, 용접시 입내에서의 페라이트 안정화 원소인 알루미늄의 편석과 상대적으로 오스테나이트 안정화 원소(C, Mn) 함량의 감소에 따른 페라이트 생성의 촉진에 의해 초정 오스테나이트 응고에서 초정 페라이트로의 응고 모드로의 변화가 가능하다.
상기와 같이 초정 페라이트 응고모드로 진행시 결정립(grain) 크기가 감소하여 고온 균열에 취약한 원소(C, S 및 P)의 결정립계 편석 양을 분산시켜 저융점 화합물 생성을 억제시킬 수 있고, 더불어 초정 오스테나이트 응고모드로 진행되는 경우와는 달리 균열 전파가 어려우며, 좁은 응고온도구간(Solidification temperature range) 및 낮은 열수축(thermal contraction) 특성 때문에 내균열성 향상을 도모할 수 있는 것이다.
한편, 상술한 고망간강을 용접함에 있어서, 용접방법은 일 예로서 제살용접을 적용할 수 있으며, 상기 제살용접 시에는 별도의 용접재료를 필요로 하지 않는다.
또한, 상술한 성분조성을 갖는 고망간강의 용접금속부는 델타(δ) 페라이트상을 포함할 수 있으며, 이때 델타(δ) 페라이트 상은 상온에서 면적분율로 5% 이하로 포함됨이 바람직하며, 이로 인해 우수한 내균열성을 갖는 고망간강 용접금속부를 형성할 수 있다.
즉, 고망간강의 경우 응고과정이 끝난 후 상온까지의 냉각과정 중 대부분의 델타(δ) 페라이트가 오스테나이트(γ)로의 상변태가 이루어지기 때문에, 상온에서 낮은 면적분율(5% 이하)의 델타(δ) 페라이트가 잔존할 때 우수한 내균열성을 가질 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
진공 용해로를 이용하여 슬라브를 제조한 후 상기 각각의 슬라브를 통상의 조건으로 열간압연하여 5mm 두께의 고망간강을 제조하였으며, 각 고망간강의 성분은 하기 표 1에 나타내었다.
이후, 상기 각각의 고망간강을 전압 12V, 전류 100A, 용접속도 4mm/sec, 보호가스 100% 아르곤(20L/min)의 용접조건을 적용하여 제살용접을 실시한 후, 용접금속부 미세조직을 관찰한 후 그 결과를 하기 표 1에 함께 나타내었다.
그리고, 상기 강종에 대해 고온 균열 감수성 실험(Varestraint 실험)을 실시한 후 그 결과를 도 1에 나타내었다. 고온 균열 감수성 실험은 4% 외부응력이 주어졌을 시 용접금속부에 발생된 응고 균열의 총 균열 길이와 최대 균열 길이 값을 측정하였다.
고망간강 성분(중량%) 및 미세조직
 용접금속부 구분
C Si Mn Al P S 고망간강
미세조직		 용접금속부 미세조직 용접금속부 δ
페라이트 함량
0.64 0.010 17.92 0.005 0.004 0.003 γ γ - 비교강1
0.64 0.037 18.53 1.49 0.003 0.005 γ γ - 비교강2
0.54 0.011 18.47 2.37 0.004 0.004 γ γ - 발명강1
0.61 0.0087 18.24 4.79 0.002 0.003 γ γ+δ 0.98% 발명강2
0.64 0.028 17.93 6.04 0.006 0.005 γ γ+δ 3.8& 발명강3
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 고망간강의 성분 중 알루미늄(Al)의 함량이 높은 발명강 2 및 3은 용접 후 용접금속부에서 δ 페라이트 상이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 1의 결과를 통해 알 수 있듯이, 고망간강 내 알루미늄의 함량이 증가함에 따라 응고 균열 감수성이 감소되는 것을 확인할 수 있다.
보다 구체적으로, Al 함량이 매우 극소량인 비교강 1은 최대 균열 길이가 0.7mm 이상으로 응고 균열 감수성이 매우 나빴으며, 1.49%로 Al을 함유하는 비교강 2의 경우에는 비교강 1에 비해서는 응고 균열 감수성이 좋지만, 최대 균열 길이가 거의 0.6mm로 나타났다. 이에 반해, 2.0% 이상의 Al을 함유하는 발명강 1은 용접금속부 내 δ 페라이트 상이 형성되지는 않았지만, 비교강들에 비해 충분한 양의 Al에 의해 응고 균열 감수성이 감소되었으며, 발명강 2 및 3의 경우에는 높은 함량의 Al에 의해 용접금속부에서 δ 페라이트 상이 형성되어, 응고 균열 감수성이 비교강 대비 매우 낮아진 것을 확인할 수 있다. 특히, 발명강 2 및 3의 경우 비교강 1 대비 총 균열 길이와 최대 균열 길이 모두 50% 이상의 감소율을 보이는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 비교강 2와 발명강 3 용접금속부의 연성저하균열 이미지를 전자주사현미경으로 측정하여 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 비교강 2의 경우 민감한 연성 저하 균열 감소성을 보였으며, 그에 반해 다량의 Al 함량에 따라 초정 오스테나이트 응고에서 초정 δ 페라이트로의 응고모드 변화로 덴드라이트(dendrite) 내에 δ 페라이트가 존재하는 발명강 3은 연성저하균열이 비교강 2에 비해 확연히 감소한 것을 볼 수 있다.
상기의 결과들을 통해, 고망간강 성분 중 Al 함량의 제어를 통해 내응고균열성을 향상시킬 수 있으며, 특히 고망간강 내 Al의 함량이 2.0~8.0%를 만족하는 경우 우수한 내고온균열성을 확보할 수 있다.

Claims (3)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.4~0.8%, 실리콘(Si): 0.1% 이하, 망간(Mn): 12~20%, 알루미늄(Al): 2.0~8.0%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.02% 이하, 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지는 고망간강을 용접하여 얻어지는 용접금속부에 있어서,
    상기 고망간강은 알루미늄(Al)의 함량이 2.0~8.0중량%를 만족하는 조건 및 상기 용접금속부의 미세조직이 상온에서 델타(δ) 페라이트를 면적분율 5% 이하로 포함하는 조건을 만족하는 내균열성이 우수한 고망간강 용접금속부.
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