KR101510564B1

KR101510564B1 - 서브머지드 아크 용접재료

Info

Publication number: KR101510564B1
Application number: KR20130153346A
Authority: KR
Inventors: 김정길; 이봉근; 한일욱; 이동렬; 이상철
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2015-04-08

Abstract

서브머지드 아크 용접재료가 개시된다. 본 발명의 일 측면인 서브머지드 아크 용접재료는 중량%로, C: 0.02~0.03%, Si: 0.6~0.7%, Mn: 1.2~1.3%, P: 0.07~0.125%, S: 0.007% 이하, Cr: 0.5% 이하(0 제외), Ni: 0.2~0.43%, Cu: 0.2~0.45%, Mg: 0.45~0.55%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

서브머지드 아크 용접재료{SUBMERGED ARC WELDING MATERIALS}

본 기술은 화물유탱크(COT, Cargo-Oil Tank)용 고내식성 강재의 용접 등에 사용될 수 있는, 서브머지드 아크 용접재료에 관한 것이다.

종래 화물유탱크용 고강도 내식성 강재 등의 용접시, 용접 이음부의 내식성을 향상시키기 위해서, 용접재료 내 Ni, Cr 및 Cu와 같은 고가의 합금원소를 다량 첨가하여 왔다.

그러나, 최근 상기 합금원소들의 가격이 급등하여 경제성이 떨어지는 문제가 대도되고 있을 뿐만 아니라, 내식성 향상을 위해 상기 합금원소들을 다량 첨가할 경우, 용접 이음부의 인성저하가 발생하는 문제가 있었다.

본 발명은 Ni, Cr 및 Cu 같은 고가의 합금원소의 함량을 최소화하면서, 용접 이음부의 내식성을 확보하고, 충격인성 저하를 최소화할 수 있는 서브머지드 아크 용접재료를 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, 중량%로, C: 0.02~0.03%, Si: 0.6~0.7%, Mn: 1.2~1.3%, P: 0.07~0.125%, S: 0.007% 이하, Cr: 0.5% 이하(0 제외), Ni: 0.2~0.43%, Cu: 0.2~0.45%, Mg: 0.45~0.55%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 서브머지드 아크 용접재료를 제공한다.

덧붙여, 상기한 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점 및 효과는 하기의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면, 내식성이 우수하고, 0℃에서의 충격치가 47J 이상으로 충격인성이 우수한 용접이음부를 제공할 수 있어 화물유탱크(COT, Cargo-Oil Tank)용 고강도 고내식성 강재의 용접 등에 적용될 수 있는 용접재료를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 용접재료는 Ni, Cr 및 Cu 같은 고가의 합금원소의 함량을 최소화하여 경제성이 매우 우수한 장점을 가진다.

도 1은 본 발명의 발명예 1을 이용하여 얻어지는 용접이음부의 부식실험 후 그 단면을 관찰한 사진이다.
도 2는 본 발명의 비교예 3을 이용하여 얻어지는 용접이음부의 부식실험 후 그 단면을 관찰한 사진이다.

일반적으로 탄소강 모재에 인(P)를 미량 첨가할 경우, 모재의 내식성이 향상된다는 것은 이미 알려져 있다. 이는 인이 첨가된 모재가 부식환경에 노출된 초기기간 동안에는 일반강과 유사하게 녹이 발생하여 유출되거나 박리되지만, 시간이 경과함에 따라 그 녹의 일부가 서서히 모재에 밀착되어 치밀한 안정녹을 형성하게 되고, 이에 따라 그 녹층이 부식환경에 대하여 보호막으로 작용하기 때문이다. 이처럼 부식환경에 대한 보호막으로 작용할 수 있는 안정녹은 비정질 구조를 갖는 수산화철(FeOOH)이나 α-수산화철(α-FeOOH)로 알려져 있다.

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

본 발명자들은 P를 일정량 함유하는 용접재료의 합금조성을 적절히 제어할 경우, 서브머지드 아크 용접된 용접 이음부의 내식성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 용접 이음부의 인성 저하를 최소화할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하, 본 발명의 일 측면인 서브머지드 아크 용접재료의 합금조성에 대하여 상세히 설명한다.

탄소(C): 0.02~0.03 중량%

탄소는 용접이음부의 강도 향상을 위해 필수적인 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 상기 탄소의 함량이 0.02 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면, 상기 탄소의 함량이 0.03 중량%를 초과하는 경우에는 용접시 용접이음부에 저온 균열이 발생하기 쉽고, 용접이음부의 충격인성이 크게 저하되는 문제가 있다. 따라서, 상기 탄소의 함량은 0.02~0.03 중량%로 제한함이 바람직하다.

실리콘(Si): 0.6~0.7 중량%

실리콘은 용접이음부의 내식성 및 강도 향상을 위해 첨가되는 원소로써, 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 상기 실리콘의 함량이 0.6 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면, 상기 실리콘 함량이 0.7 중량%를 초과할 경우, 용접이음부 내 조대한 산화물을 형성하여 용접이음부의 충격인성이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 상기 실리콘의 함량은 0.6~0.7 중량%로 제한함이 바람직하다.

망간(Mn): 1.2~1.3 중량%

망간은 용접이음부의 강도 향상을 위해 첨가되는 원소로써, 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 상기 망간의 함량이 1.2 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면, 상기 망간의 함량이 1.3 중량%를 초과하는 경우, 용접이음부 내 조대한 산화물을 형성하여 용접이음부의 충격인성이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 상기 망간의 함량은 1.2~1.3 중량%로 제한함이 바람직하다.

인(P): 0.07~0.125 중량%

인은 용접이음부가 부식환경에 노출될 경우 그 표면에 PO₄ ³ ^-를 용출시켜 치밀한 비정질 구조를 갖는 수산화철(FeOOH)이나 α-수산화철(α-FeOOH)이 형성시킴으로써 용접이음부의 내식성을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 상기 인의 함량이 0.07 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면, 상기 인의 함량이 0.125 중량%를 초과하는 경우, 취성을 유발할 우려가 있을 뿐만 아니라, 충격인성이 급격히 저하되는 문제가 있으므로, 본 발명에서는 상기 인의 함량은 0.125 중량% 이하로 제어함이 바람직하다.

황(S): 0.007 중량% 이하

황은 용접시 고온 균열(crack)을 조장하는 불순 원소이기 때문에 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 특히, 그 함량이 0.007 중량%를 초과하는 경우에는 FeS 등의 저융점 화합물을 형성시켜 고온 균열(crack)을 유발시키는 문제가 있다.

크롬(Cr): 0.5 중량% 이하(0 제외)

크롬은 용접이음부의 내식성 및 강도 향상을 위해 첨가되는 원소이다. 다만, 상기 크롬은 고가의 합금원소로써 그 함량이 0.5 중량%를 초과할 경우 경제적으로 불리하므로, 본 발명에서는 상기 크롬의 함량을 0.5 중량% 이하로 제어함이 바람직하다.

니켈(Ni): 0.2~0.43 중량%

니켈은 용접이음부의 내식성 및 강도 향상을 위해 첨가되는 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 상기 니켈의 함량이 0.2 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면, 상기 니켈의 함량이 0.43 중량%를 초과할 경우 경제적으로 불리하므로, 본 발명에서는 상기 니켈의 함량을 0.43 중량% 이하로 제어함이 바람직하다.

구리(Cu): 0.2~0.45 중량%

구리는 용접이음부의 내식성 및 강도 향상을 위해 첨가되는 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 상기 구리의 함량이 0.2 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면, 상기 구리의 함량이 0.45 중량%를 초과할 경우 경제적으로 불리하므로, 본 발명에서는 상기 구리의 함량을 0.45 중량% 이하로 제어함이 바람직하다.

마그네슘(Mg): 0.45~0.55 중량%

마그네슘은 강력한 산화성 원소로써, 용접 이음부 내의 청정도를 향상시키기 위해 첨가되는 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 상기 마그네슘 함량이 0.45 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면, 0.55 중량%를 초과할 경우, 용접 작업성이 저하되고 산화물이 잔류하여 충격 인성이 저하되는 문제가 있다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

한편, 추가적으로, 용접 작업성을 향상시키기 위하여 아크 안정제인 플루오르화 칼슘(CaF₂) 0.1~1 중량%를 더 포함할 수 있다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 상기 플루오르화 칼슘의 함량이 0.1중량% 이상인 것이 바람직하다. 반면, 상기 플루오르화 칼슘의 함량이 1 중량%를 초과하는 경우에는 용접부 내 기공 등 결함 발생의 우려가 있다.

본 발명에 따른 용접재료로부터 제조된 용접이음부가 부식환경에 노출될 경우, 초기에는 통상적인 용접 이음부와 마찬가지로 표면에 γ-수산화철(γ-FeOOH) 형태의 녹이 발생하여 유출되거나 박리된다. 그러나, 시간이 경과함에 따라, 용접 이음부의 표면에서 PO₄ ³ ^-가 용출되고, 용접이음부와 γ-수산화철(γ-FeOOH) 형태의 녹 사이에 치밀한 비정질 구조를 갖는 수산화철(FeOOH)이나 α-수산화철(α-FeOOH) 형태의 녹층이 형성되어, 부식이 더 이상 진행되지 않기 때문에 용접 이음부의 내식성이 향상되게 된다.

한편, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명에 따른 용접재료로부터 제조된 용접이음부의 표면에 형성된 녹층은 300~350Hv의 경도를 갖는 것이 보다 바람직하다. 용접이음부 표면에 300Hv 미만의 경도를 가지는 녹층이 형성될 경우, 상기 녹층이 외부충격으로부터 쉽게 부스러져 용접이음부가 부식환경에 노출될 우려가 있으며, 반면, 350Hv를 초과하는 경우에는 녹층의 경화현상이 심화되어 취성파괴 발생 우려가 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 용접 이음부의 0℃에서의 충격치가 47J 이상으로 우수한 충격인성을 나타낸다.

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

( 실시예 )

하기 표 1에 기재된 조성을 갖는 용접재료를 준비하였다. 각각의 용접재료를 사용하여, 화물유탱크(COT, Cargo-oil Tank)용 고내식성 강재에 서브머지드 아크 용접(SAW, Submerged Arc Welding)을 실시하였다.

용접 후 형성된 용접이음부에 대하여, 실제 부식환경을 모사하여 용접이음부의 내식성을 평가하고, KS(KS B 0809) 3호 시험편에 준하여 충격시험편을 제조한 후 0℃에서 샤피충격시험을 실시하여 용접 이음부의 충격인성을 평가하였다. 이를 표 2에 나타내었다.

상기 내식성 평가는 각각의 용접 이음부를 pH 0.75, 온도 30℃인 10% 염화나트륨(NaCl) 수용액에 168시간 동안 침지한 후, 용접 이음부 표면의 평균단차를 측정하는 방식으로 하였으며, 그 결과 평균단차가 30㎛ 이하인 경우, "OK", 30㎛를 초과하는 경우, "NG"으로 평가하였다.

구분	용접재료 합금조성 (중량%)
구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Mg	CaF₂
발명예 1	0.021	0.67	1.21	0.071	0.004	0.4	0.22	0.44	0.5	0
발명예 2	0.027	0.64	1.24	0.079	0.007	0.50	0.41	0.29	0.5	1
발명예 3	0.025	0.61	1.26	0.119	0.005	0.45	0.42	0.33	0.5	1
발명예 4	0.030	0.68	1.3	0.125	0.004	0.44	0.21	0.21	0.5	0
비교예 1	0.023	0.68	1.2	0.068	0.004	0.38	0.25	0.44	0.5	1
비교예 2	0.028	0.68	1.27	0.128	0.004	0.45	0.20	0.22	0.5	1
비교예 3	0.028	0.67	1.28	0.053	0.01	0.48	0.43	0.44	0.5	1
비교예 4	0.025	0.7	1.3	0.165	0.01	0.5	0.4	0.401	0.5	1
비교예 5	0.028	1.4	1.32	0.015	0.008	0.966	0.56	0.371	0.5	1
비교예 6	0.030	1.4	1.27	0.049	0.005	0.057	0.36	0.251	0.5	1
비교예 7	0.031	1.29	1.23	0.032	0.005	0.051	0.236	0.57	0.5	1
비교예 8	0.022	1.25	1.20	0.01	0.005	0.928	0.125	0.262	0.5	1
비교예 9	0.027	1.4	1.25	0.016	0.005	0.052	0.123	0.89	0.5	1

구분	내식성		충격인성 (J)
구분	평균단차(㎛)	결과	충격인성 (J)
발명예 1	28.97	OK	95
발명예 2	24.94	OK	65
발명예 3	0	OK	54
발명예 4	0	OK	48
비교예 1	31.18	NG	98
비교예 2	0	OK	39
비교예 3	33.21	NG	108
비교예 4	0	OK	13
비교예 5	44.45	NG	78
비교예 6	38.9	NG	87
비교예 7	36.48	NG	146
비교예 8	33.32	NG	77
비교예 9	61.7	NG	180

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 합금조성을 만족하는 발명예 1 내지 4의 경우에는 우수한 내식성을 가질 뿐만 아니라, 0℃에서의 충격인성이 47J 이상으로서 우수한 충격인성을 갖는 용접이음부를 제공할 수 있음을 확인할 수 있다.

반면, 본 발명이 제안하는 합금조성을 만족하지 않는 비교예 1 내지 9로부터 형성된 용접이음부는 내식성 및/또는 충격인성이 열위하게 나타남을 확인할 수 있다.

도 1은 발명예 1을 이용하여 얻어지는 용접이음부의 부식실험 후 그 단면을 관찰한 사진이다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명이 제안하는 합금조성을 만족하는 용접재료를 이용하는 경우에는 치밀하고 견고한 녹층이 모재에 밀착되어 형성됨을 확인할 수 있으며, 이를 통해 우수한 내식성이 확보됨을 기대할 수 있다.

한편, 도 2는 비교예 3을 이용하여 얻어지는 용접이음부의 부식실험 후 그 단면을 관찰한 사진이다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명이 제안하는 합금조성을 만족하지 않는 용접재료를 이용하는 경우에는, 모재로부터 녹층의 박리가 일어남을 확인할 수 있다.

Claims

중량%로, C: 0.02~0.03%, Si: 0.6~0.7%, Mn: 1.2~1.3%, P: 0.07~0.125%, S: 0.007% 이하, Cr: 0.5% 이하(0 제외), Ni: 0.2~0.43%, Cu: 0.2~0.45%, Mg: 0.45~0.55%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 서브머지드 아크 용접재료.
제 1항에 있어서,
상기 용접재료는 중량%로, CaF₂: 0.1~1%를 더 포함하는 서브머지드 아크 용접재료.
제 1항에 있어서,
상기 용접재료를 이용한 용접이음부는 pH 0.75, 10% 염화나트륨(NaCl) 수용액에 대한 평균단차가 30㎛ 이하인 서브머지드 아크 용접재료.
제 1항에 있어서,
상기 용접재료로부터 제조된 용접이음부의 충격인성은 0℃에서 47J 이상인 서브머지드 아크 용접재료.
제 1항에 있어서,
상기 용접재료로부터 제조된 용접이음부의 표면에 형성된 녹층은 300~350Hv의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접재료.