KR101510562B1

KR101510562B1 - 내식성을 향상시키는 플럭스 코어드 아크 용접재료

Info

Publication number: KR101510562B1
Application number: KR20130151743A
Authority: KR
Inventors: 김정길; 이봉근; 한일욱; 이동렬; 이상철
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-04-08

Abstract

본 발명은, C: 0.025 ~ 0.035 중량%, Si: 1.2~1.4 중량%, Mn: 1.5~1.9 중량%, P: 0.15 ~ 0.25 중량%, S: 0.007 중량% 이하, Cr: 0.55 중량% 이하, Ni: 0.2~0.45 중량%, Cu: 0.2~0.4 중량%, TiO₂: 4~9 중량%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 내식성을 향상시키는 플럭스 코어드 아크 용접재료를 제공한다.

Description

내식성을 향상시키는 플럭스 코어드 아크 용접재료 {FLUX CORED ARC WELDING MATERIALS IN ORDER TO DEVELOP CORROSION RESISTANCE}

본 발명은 용접재료에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 용접이음부의 내식성 및 충격인성을 향상시킬 수 있는 플럭스 코어드 아크 (FCA) 용접재료에 관한 것이다.

플럭스 코어드 아크 (Flux Cored Arc Welding; FCA) 용접이란, 흔히 이산화탄소(CO)용접이라 불리며 야드에서 가장 많이 쓰이는 용접이다. 이 용접은 용접기, 용접재료를 공급하는 캐리지, CO₂가스를 제공하는 실린더, 토치 등으로 이루어지고, 토치 입구에서 나오는 용접재료가 접지한 철판에 닫는 순간 불꽃과 고열을 내는 아크(Arc)를 발생시켜 용접재료와 떨어져 있는 두 개의 철판을 함께 녹여 하나로 붙여준다. 이때 토치를 통해 CO₂가스가 나와 막을 형성해 녹은 상태의 쇳물이 공기와 닿는 것을 차단해 준다. 또한, 용접재료 안의 플럭스(Flux)라는 검은 가루는 아크를 안정시키고 용접된 부분을 깨끗하게 만든다.　

플럭스 코어드 아크 용접법은 용접봉 교체 시간을 줄일 수 있어 용접 속도가 빠르며, 다른 아크용접법에 비해 용착효율이 높고, 세라믹 백킹재를 이용한 일면 용접뿐 아니라 어떤 자세로도 용접이 가능하다.　

종래에는 탄소강 용접이음부의 내식성을 향상시키기 위해서, 용접재료 내에 Ni, Cr 및 Cu와 같은 고가의 원소를 다량 첨가하여왔다. 그러나, 상기 원소들은 고가의 원소이기 때문에 경제성이 떨어지는 문제가 항상 대두되어 왔다.

게다가, 최근에는 상기 원소들의 가격이 급등하였으며, 상기 원소들을 상당히 많이 첨가함에도 불구하고 내식성이 충분이 확보되지 않는 문제가 발견되었다. 또한, 내식성 향상을 위해 어느 한계를 벗어난 범위로 상기 원소들을 다량 첨가할 경우 용접이음부의 인성저하가 발생될 가능성이 있는 것으로 나타났다.

본 발명은 용접이음부의 내식성과 인성을 동시에 만족할 수 있는 플럭스 코어드 아크 용접재료를 제공하고자 한다.

본 발명은C: 0.025 ~ 0.035 중량%, Si: 1.2~1.4 중량%, Mn: 1.5~1.9 중량%, P: 0.15 ~ 0.25 중량%, Cr: 0.55 중량% 이하 (0중량%는 제외), Ni: 0.2~0.45 중량%, Cu: 0.2~0.4 중량%, TiO₂: 4~9 중량%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 내식성을 향상시키는 플럭스 코어드 아크 용접재료에 의하여 달성된다.

여기에서, 바람직하게는 상기 용접재료에 의하여 형성된 용접이음부는 0℃에서 47J 이상의 충격인성을 갖는다.

바람직하게는, 상기 용접재료에 의하여 형성된 용접이음부는 표면에300~350Hv 의 경도를 갖는 러스트층을 포함한다.

본 발명은 용접재료에 P를 최적의 첨가량으로 첨가함으로써, 본 발명의 성분범위를 갖는 용접재료로 용접을 실시하여 형성된 용접이음부는 인성의 저하 없이 내식성을 크게 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예의 발명예 1에 의하여 형성된 용접이음부의 표면의 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예의 비교예 1에 의하여 형성된 용접이음부의 표면의 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 내식성을 측정하기 위하여 사용된 평가 방법을 나타내는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 실시예의 발명예 2의 용접이음부 시편을 부식시험 후 이미지 분석기로 촬영하고, 최대단차를 측정한 사진이다.

도 4b는 본 발명의 실시예의 비교예 4의 용접이음부 시편을 부식시험 후 이미지 분석기로 촬영하고, 최대단차를 측정한 사진이다.
도 5a는 본 발명의 실시예의 발명예 2의 용접이음부 표면 상의 러스트층에 압입 경도 시험을 실시한 사진이다.
도 5b는 본 발명의 실시예의 비교예 2의 용접이음부 표면 상의 러스트층에 압입 경도 시험을 실시한 사진이다.

본 발명은 인성저하가 없으면서 내식성을 향상 시킬 수 있는 용접이음부를 제조할 수 있는 내식성을 향상시키는 플럭스 코어드 아크 용접재료에 관한 것이다.

일반적으로 탄소강 모재에 P (인)를 미량 첨가할 경우, 내식성이 향상된다는 효과가 있다는 것이 알려져 있다. 모재에 첨가된 P가 부식환경에 노출될 경우, 표면에 PO₄ ^3-를 형성시켜 치밀한 비정질의 철 산화물 (FeOOH)의 형성을 촉진시키고 이러한 철 산화물들이 모재에 밀착되어 치밀한 안정된 러스트층 (Rust layer)을 형성하게 된다. 이 러스트층 (Rust layer)은 부식환경에 대하여 보호막으로 작용하기 때문에 내식성이 향상된다.

그러나, P는 편석이 잘되는 원소로서 상기와 같은 모재가 아닌, 미세조직 제어가 어려운 용접이음부의 경우에는 편석이 더욱 용이하게 발생하여 용접이음부의 인성을 크게 저하시켜 그 활용이 극히 제한되어 왔다.

내식성이 우수하며 인성을 저하시키지 않는 용접이음부를 얻기 위해서는 P를 최적성분범위로 첨가한 용접재료의 필요성이 있고, 이에 본 발명자는 용접재료에 P를 0.15 ~ 0.25 중량%의 범위로 첨가함으로써, 용접이음부의 인성의 저하가 없으며 내식성을 크게 향상시킬 수 있다는 것을 발견하였다.

상기와 같은 P의 양을 용접재료에 첨가함으로써, 편석이 일어나지 않으면서도 내식성이 우수한 용접이음부를 제조할 수 있다. P가 0.15 중량%보다 적게 첨가되면 내식성 향상의 효과가 없고, 0.25 중량%보다 초과해서 첨가하게 되면 조직이 조대하게 형성되고 편석이 일어나게 되어 인성이 저하되며, 내식성이 감소될 우려가 있다.

바람직하게는, 상기 용접재료는 상기 P 이외에, C: 0.025 ~ 0.035 중량%, Si: 1.2~1.4 중량%, Mn: 1.5~1.9 중량%, Cr: 0.55 중량% 이하 (0중량%는 제외), Ni: 0.2~0.45 중량%, Cu: 0.2~0.4 중량%, TiO₂: 4~9 중량%을 포함한다

이하 본 발명의 성분 및 조성범위 한정이유를 상세히 설명한다.

C: 0.025 ~ 0.035 중량%

C는 용접이음부의 강도 향상을 위해 필수적인 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 상기 탄소의 함량이 0.025 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면, 0.035 중량%를 초과할 경우, 인성을 저하시키고 조대한 탄화물을 석출하여 내식성에 악영향을 미친다.

Si: 1.2~1.4 중량%

Si는 내식성 및 강도 향상을 위해 첨가되는 원소로써, 안정한 러스트 (Rust) 층의 형성을 도와주는 효과를 나타내기 위해서는 상기 실리콘의 함량이 1.2 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면, 1.4 중량%를 초과할 경우, 조대한 산화물을 형성하여 내식성과 인성저하를 유발할 수 있다.

Mn: 1.5~1.9 중량%

Mn은 용접이음부의 강도 향상을 위해 첨가되는 원소로써, 안정한 러스트 (Rust) 층의 형성을 도와주는 효과를 위해서는 1.5 중량% 이상 포함하는 것으 바람직하며, 반면, 1.9 중량%를 초과할 경우, 조대한 산화물을 형성하여 내식성과 인성저하를 유발할 수 있다.

Cr: 0.55 중량% 이하 (0중량%는 제외),

Cr은 안정한 산화물의 러스트 (Rust) 층의 형성에 도움을 주지만, 고가의 원소이고 다량 첨가할 경우, 인성저하를 유발할 수 있으므로 최소한으로 첨가 필요가 있어, 0.55중량%이하로 제한한다.

Ni: 0.2~0.45 중량%

Ni는 용접이음부 자체의 내식성을 향상 시키기 위하여 첨가하는 원소로, 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 상기 니켈의 함량이 0.2 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하고, 고가의 원소이므로 최소한 첨가 필요가 있어, 0.45 중량%이하로 제한한다.

Cu: 0.2~0.4 중량%

Cu도 내식성 및 강도 향상을 위해 첨가되는 원소로써, 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 상기 Cu의 함량이 0.2 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면, 고가의 원소이며 과하게 첨가할 경우 인성저하를 유발하기 때문에 최소한 첨가 필요가 있어, 0.4 중량% 이하로 제한한다.

TiO ₂ : 4~9 중량%

TiO₂는 용접작업 시 작업성 (아크안정, 스패터제어 등)과 용융금속의 유동성의 최적화를 위하여, 최적의 점성을 유지할 수 있는 범위인 4~9 중량%로 제한한다.

상기와 같은 성분 범위를 갖는 본 발명에 따른 용접재료로부터 형성된 용접이음부는 부식환경에 노출될 경우, 초기에는 종래의 용접이음부와 마찬가지로 표면에 γ-수산화철(γ-FeOOH) 형태의 녹이 발생하여 유출되거나 박리된다. 그러나, 시간이 경과함에 따라, 용접이음부의 표면에서 PO₄ ^3-가 용출되고, 용접이음부와 γ-수산화철(γ-FeOOH) 형태의 녹 사이에 치밀한 비정질 구조를 갖는 수산화철(FeOOH)이나 α-수산화철(α-FeOOH)이 형성될 수 있고, 부식이 더 이상 진행되지 않기 때문에 용접이음부의 내식성이 향상될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 용접재료에 의하여 형성된 용접이음부는 표면에 a-FeOOH 및 g-FeOOH 계 산화물을 포함하는 러스트층을 형성하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 형성된 러스트층은 300~350Hv의 경도를 갖는 것이 바람직하다. 300Hv 이상의 경도를 가지는 치밀하고 단단한 러스트층을 형성하면 외부충격에 부스러지지 않고 부식환경으로부터 보호할 수 있고, 350Hv이상의 경도를 가지는 러스트층은 경화현상이 심화되어 취성파괴가 일어날 수 있다.

또한, 상기 용접이음부는 0℃에서의 충격치가 47J 이상의 충격인성을 나타내는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[ 실시예 ]

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	TiO₂
발명예 1	0.031	1.32	1.84	0.15	0.007	0.54	0.42	0.31	5
발명예 2	0.035	1.35	1.68	0.22	0.01	0.525	0.422	0.330	5
비교예 1	0.032	1.28	1.76	0.28	0.01	0.549	0.506	0.401	5
비교예 2	0.033	1.4	1.57	0.009	0.005	0.057	0.36	0.251	4
비교예 3	0.032	1.25	1.50	0.009	0.005	0.928	0.125	0.262	4
비교예 4	0.033	1.4	1.65	0.009	0.005	0.052	0.123	0.89	4

상기 표 1에 기재된 조성을 갖는 용접재료를 준비하였다. 각각의 용접재료를 사용하여, 플럭스 코어드 아크 (Flux Cored Arc) 용접을 실시하였다. 용접 후 형성된 용접이음부로 KS(KS B 0809) 3호 시험편에 준하여 충격시험편을 제조한 후, 0℃에서 샤피충격시험을 실시하여 용접이음부의 충격인성을 평가하였다. 이를 표 2에 나타내었다.

또한, 표 1에 나타난 발명예 및 비교예의 함량을 갖는 용접재료로 제조된 용접이음부의 내식성을 측정한 결과를 표 2에 나타내었다.

본 발명의 용접재료를 사용하여 형성된 용접이음부의 내식성 측정은, 30℃의 온도를 유지하는 pH 0.7의 10% NaCl 용액에 상기 용접이음부의 시편을 7일간 (168시간) 침지한 후, 모재와 용접금속의 부식정도를 비교하는 평균단차 측정을 실시하였다.

도 3에 도시된 것 같이 모재와 용접금속의 경계선인 용융선 (fusion line)의 표면 상의 수직선 (A-B)을 중심으로 모재의 평균 표면 높이를 나타내는 수평선 (C-D)과 용접금속의 평균 표면 높이를 나타내는 수평선 (E-F) 사이의 수직 높이의 차이 (r)을 평균단차라고 한다. 이러한 평균단차 (r)가 30㎛이하이면 합격 (OK)이고, 30㎛를 초과하면 불합격 (NG)으로 판단하였다.

	내식시험 결과		충격인성(0℃)
	결과	평균단차(um)	J
발명예 1	OK	15.75	65
발명예 2	OK	0	54
비교예 1	OK	0	13
비교예 2	NG	38.9	87
비교예 3	NG	33.32	77
비교예 4	NG	39.65	180

도 2는 본 발명의 실시예의 비교예 1의 성분조성을 가지는 용접재료에 의하여 형성된 용접이음부의 표면의 사진이다. 비교예 1은 상기 표 1을 보면 알 수 있듯이, 본 발명의 P의 첨가량인 0.15 ~ 0.25 중량%를 초과하여 0.28 중량%를 첨가하였다. 도 2의 용접이음부 표면 사진을 확인하여보면 조대한 페라이트 조직이 관찰되는 것을 확인할 수 있고, 표 2의 비교예 1을 확인하면 편석이 일어나 충격인성은 13J로 상당히 저하된 것을 확인할 수 있다.

그러나, 본 발명의 P의 첨가 범위인 0.15 ~ 0.25 중량% 이내로 첨가한 발명예 1 및 2는 내식성 평가와 충격인성 평가에서 모두 기준을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 발명예 1의 용접재료에 의하여 용접된 용접이음부의 표면사진을 나타낸 도 1을 확인하여도 균일하게 조직이 형성된 것을 확인할 수 있다.

상기 평균단차의 관찰은 이미지 분석기로 촬영한 사진을 통하여 이루어진다. 도 4a는 발명예 2의 용접이음부 시편을 상기와 같이 침지하여 부식시킨 후 촬영한 사진으로 좌측이 용접금속이고 우측이 모재이다. 좌측의 용접금속이 부식되어 높이가 조금 낮아진 것을 확인할 수 있으나, 최대단차는 24.94㎛를 나타내고 있어, 합격 범위에 있다.

도 4b는 비교예 4의 용접이음부 시편을 상기와 같이 침지하여 부식시킨 후 촬영한 사진이다. 도 4a와 비교하여 큰 단차가 큰 것을 확인할 수 있으며, 최대단차 61.70㎛으로 불합격 범위에 있다.

이러한, 평균단차의 차이는 본 발명의 실시예인 발명예 1 및 2가 내식성이 향상되었기 때문이고, 내식성이 향상된 것은 상기에 설명한 것과 같이 용접이음부의 표면에 안정된 러스트층 (Rust layer)이 형성되었기 때문이다.

도 5a는 발명예 2의 용접이음부의 표면에 압입 경도 시험을 실시한 사진으로, 경도값은 340Hv로 측정되었다. 세모모양의 흠이 작게 파였으며, 표면의 러스트층의 파쇄도 작게 일어난 것을 확인할 수 있다.

도 5b는 비교예 2의 용접이음부의 표면에 압입 경도 시험을 실시한 사진으로, 경도값은 106Hv로 측정되었다. 도 5a와 비교하여 세모모양의 흠이 크게 파였으며, 러스트층이 다 떨어져나갈 정도로 러스트층의 손상이 심한 것을 확인할 수 있다.

위와 같은 실시예를 통하여 본 발명의 용접이음부의 용접금속의 내식성이 모재와 비교하여 동등수준으로 우수하고 저온충격인성도 우수한 것을 확인할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

Claims

C: 0.025 ~ 0.035 중량%, Si: 1.2~1.4 중량%, Mn: 1.5~1.9 중량%, P: 0.15 ~ 0.25 중량%, Cr: 0.55 중량% 이하 (0중량%는 제외), Ni: 0.2~0.45 중량%, Cu: 0.2~0.4 중량%, TiO₂: 4~9 중량%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 내식성을 향상시키는 플럭스 코어드 아크 용접재료.
제 1 항에 있어서, 상기 용접재료에 의하여 형성된 용접이음부는 0℃에서 47J 이상의 충격인성을 갖는 내식성을 향상시키는 플럭스 코어드 아크 용접재료.
제 1 항에 있어서, 상기 용접재료에 의하여 형성된 용접이음부는 표면에300~350Hv 의 경도를 갖는 러스트층을 포함하는 플럭스 코어드 아크 용접재료.