KR101550856B1

KR101550856B1 - 듀플렉스 스테인리스강 용접봉 조성물

Info

Publication number: KR101550856B1
Application number: KR1020130032435A
Authority: KR
Inventors: 이해우; 박해지
Original assignee: 동아대학교 산학협력단
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2015-09-07
Also published as: KR20140117231A

Abstract

본 발명은 2차상 생성을 억제시켜 내충격성과 내식성의 저하를 방지하는 듀플렉스 스테인리스강 용접봉 조성물을 제공하는 것을 그 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 듀플렉스 스테인리스강 용접봉 조성물에 있어서, 탄소(C) 0.02~0.03중량%, 규소(Si) 0.2~0.5중량%, 망간(Mn) 0.7~0.9중량%, 크롬(Cr) 20~25중량%, 몰리브덴(Mo)과 텅스텐(W)의 합이 3~6중량%, 기타 불순물, 그외 잔량으로 철(Fe)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

듀플렉스 스테인리스강 용접봉 조성물{Duplex stainless steel welding rod composition}

본 발명은 듀플렉스 스테인리스강 용접봉 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내충격성과 내식성이 높은 듀플렉스 스테인리스강 용접봉 조성물에 관한 것이다.

듀플렉스 스테인리스강은 페라이트와 오스테나이트가 비슷한 체적분율로 존재하는 구성은 뛰어난 내식성과 높은 강도 및 인성을 가지는 장점이 있어, 정유, 화학플랜트, 해양구조물용 등의 용접에 폭넓게 사용되고 있다.

상기 듀플렉스 스테인리스강의 주요 화학적 성분은 예를 들면, 공개특허 제2004-0078100호, 공개특허 제2009-0078813호에 개시된 바와 같이, 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo)을 포함하여 구성된다.

또한 상기 성분의 범위는 적용 대상에 따라 차이를 나타내나, 일반적으로 탄소(C)는 용접봉 부재의 강도를 증대시키거나 내식성을 감소시키는 성분으로 약 0.06 중량% 함유되어져 있고, 실리콘(Si)은 고용체 강화를 위한 것으로 약 0.4중량% 함유되어져 있으며, 망간(Mn)은 금속간의 결합을 위한 고용체 강화물로써 약 0.8 중량% 함유되어져 있다. 또한 크롬(Cr)은 용접시 탄소와 친화력이 있어 크롬(Cr)과 탄소(C)가 예민화반응시에 크롬탄화물을 생성하는 것으로 약 24 중량% 함유되어 있고, 몰리브덴(Mo)은 고온 취성과 내식성 증가를 위한 것으로 약 3.0 중량% 함유되어 있다.

또한 몰리브덴(Mo)의 경우에는 고온 취성을 감소시키고 내식성을 증가시키는 장점은 있으나, 시그마상과 카이상과 같은 취약한 2차상의 형성을 촉진시키는 단점이 있다. 특히, 상기 2차상의 석출양이 증가하면 용접 후 충격 인성과 내식성이 크게 저하되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같이 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로 2차상 생성을 억제시켜 내충격성과 내식성의 저하를 방지하는 듀플렉스 스테인리스강 용접봉 조성물을 제공하는 것을 그 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 듀플렉스 스테인리스강 용접봉 조성물에 있어서, 탄소(C) 0.02~0.03중량%, 규소(Si) 0.2~0.5중량%, 망간(Mn) 0.7~0.9중량%, 크롬(Cr) 20~25중량%, 몰리브덴(Mo)과 텅스텐(W)의 합이 3~6중량%, 기타 불순물, 그외 잔량으로 철(Fe)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 기타 불순물은 인(P)과 황(S)을 포함하되, 상기 인(P)의 최대 함량은 0.05중량%, 상기 황(S)의 최대 함량은 0.02중량%인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 몰리브덴(Mo)은 1~3중량%인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 텅스텐(W)은 1~3중량%인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 듀플렉스 스테인리스강 용접봉 조성물은 넓은 사용 온도 범위를 가지며, 조밀한 조직 특성, 가혹한 부식환경에서도 높은 강도 및 높은 내식성을 나타내어 정유 산업, 화학 플랜트, 해양 구조물 등에 적용되는 용접부의 수명을 연장하여 전체 제품 경쟁력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 용접봉 조성물 시험예 1을 시험편의 사진이며,
도 2는 도 1의 단면 모식도이며,
도 3는 실시예의 용접 단면 사진이며,
도 4는 비교예의 용접 단면 사진이며,
도 5는 600℃에서 시효처리한 비교예의 EBSD 사진이며,
도 6는 600℃에서 시효처리한 실시예의 EBSD 사진이며,
도 7은 750℃에서 시효처리한 비교예의 EBSD 사진이며,
도 8은 750℃에서 시효처리한 실시예의 EBSD 사진이며,
도 9는 900℃에서 시효처리한 비교예의 EBSD 사진이며,
도 10은 900℃에서 시효처리한 실시예의 EBSD 사진이며,
도 11은 각 온도에서 실시예와 비교예의 조직 분율을 나타내는 그래프이며,
도 12는 충격시험용 시편의 크기를 나타내는 정면도이며,
도 13은 내식성 시험을 위한 용접 단면의 위치를 나타내는 사진이며,
도 14는 시험예 3의 결과 그래프이며,
도 15는 시험예 4의 결과 그래프이다.

이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 듀플렉스 스테인리스강 용접봉 조성물은 탄소(S), 규소(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 기타 불순물, 그외 잔량으로 철(Fe)을 포함한다.

특히 상기 텅스텐(W)은 종래 듀플렉스 스테인리스 강에서 몰리브덴(Mo)을 일부 치환하여 2차상의 석출을 방지하는 역할을 한다.

상기의 용접봉 조성물은 탄소(C) 0.02~0.03중량%, 규소(Si) 0.2~0.5중량%, 망간(Mn) 0.7~0.9중량%, 크롬(Cr) 20~25중량%, 몰리브덴(Mo) 1~3중량%, 텅스텐(W) 1~3중량%, 기타 불순물, 그외 잔량으로 철(Fe)을 포함하여 조성되는 것을 특징으로 한다.

여기서 기타불순물에서 인(P)의 최대값은 0.05중량%, 황(S)의 최대값은 0.02중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

특히 인(P)은 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키는 단점이 있으며, 황(S)은 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 냉간 가공성에 유해한 영향을 미치므로 최대값을 상기와 같이 제한한다.

본 발명에 이용된 용접봉의 화학 성분들을 한정하는 이유를 설명하나, 중량%는 편이 상 단순히 %로도 병기하여 표기한다.

먼저 탄소(C)함량을 0.02-0.03중량%로 한 것은 0.02중량%미만에서는 소재의 충분한 강도를 확보하기 어렵기 때문이며, 0.03중량%을 초과하는 경우에는 강도의 증가에 따른 연성 및 인성을 저하시키며 특히 스패터(Spatter) 발생율이 증가하여 용접작업성을 저하시키는 원인이 된다.

규소(Si)는 고용체 금속간의 결합을 위한 고용체 강화물의 역할을 하는 것으로 함량이 0.2중량%미만에서는 규소(Si)가 페라이트(Ferrite)내에 고용되어 모재의 강도를 강화시키는 효과가 충분하지 못하기 때문이고, 0.5중량%을 초과하는 경우에는 연성저하와 본 용접시 탄산가스의 고온 아크 중에 분해된 일산화탄소에 의한 기포발생 및 부적합한 탈산반응이 일어나기 때문이다.

망간(Mn)은 금속간의 결합을 위한 고용체 강화물의 역할을 하는 것으로, 함량이 0.7중량% 미만에서는 용접봉으로서 강도 및 인성의 확보뿐만 아니라 소입성의 부족과 용접성에 유해한 탄소의 규제로 인한 용접후의 용착금속의 강도를 확보하기에 불충분하기 때문이고, 0.9중량%를 초과하는 경우에는 인성의 저하 및 냉간가공성이 저하하기 때문에 0.7~0.9중량%의 함량이 바람직하다.

크롬(Cr)은 용접시 탄소와 친화력이 있어 크롬과 탄소가 예민화 반응시에 크롬탄화물을 생성하는 것으로 20~25중량%의 함량이 적절하다.

몰리브덴(Mo)은 고온취성과 내식성을 향상시키는 역할을 하는 것으로 1~3중량%의 함량 범위가 적절하다.

텅스텐(W)은 몰리브덴의 대체 원소로 물리 화학적으로 유사하며, 역시 1~3중량%의 함량 범위가 적절하며, 몰리브덴(Mo)함량이 감소하면, 상대적으로 텅스텐(W)의 함량을 올리고, 반대로 몰리브덴(Mo) 함량이 증가하면, 텅스텐(W)의 함량을 내리는 형태로도 구현할 수 있다.

예를 들면, 몰리브덴(Mo)과 텅스텐(W)의 합한 함량이 3~6중량%로 한정할 수 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 자세히 설명한다.

실시예

먼저 용접봉을 탄소 0.03중량%, 규소 0.44중량%, 망간 0.82중량%, 크롬 24중량%, 몰리브덴 2.36중량%, 텅스텐(W) 2.32중량%, 인 0.04중량%, 황 0.01중량%, 기타 불순물, 그외 잔량으로 철(Fe)을 포함하는 조성으로 제조하였다.

비교예

비교예는 조선 선재로 사용되는 CSF-2209의 통상의 듀플렉스 스테인리스 강 용접봉으로, 탄소 0.03중량%, 규소 0.40중량%, 망간 0.81중량%, 크롬 23.9중량%, 몰리브덴 3.0중량%, 인 0.03중량%, 황 0.01중량%, 기타 불순물, 그외 잔량으로 철(Fe)을 포함하는 조성으로 제조하였다.

시험예 1

시험예 1은 도 1에 도시된 바와 같이, 290mm×150mm×20mm의 시험편(1) 두개를 FCAW 방식으로 전류 220A, 전압 32V 용접속도 14-25CPM로 도 2에 도시된 바와 같이 시험편 두께(2)는 20mm, 시험편 용접부 각도 45˚로 8개의 패스로 실시예 및 비교예의 용접봉을 이용하여 용접을 수행한 후 용접부의 조직을 관찰하였다.

그 결과를 비교예는 도 3에 실시예는 도 4에 각각 도시하였으며, 비교결과 실시예가 외형적으로 좀더 조밀한 특성을 나타냄을 확인하였다.

시험예 2

시험예 2는 용접봉의 2차상 형성을 확인하기 위하여 비교예 및 실시예의 용접봉을 이용하여 용접한 시험예 1의 시험편을 600℃, 750℃ 및 900℃에서 1시간 동안 시효열처리를 하여 조직의 상을 분석하였다. 여기서 조직의 상은 전자 후방 산란 회절법(Electron Back Scatter Diffraction, EBSD)을 이용하여 분석하였다.

먼저 비교예를 600℃에서 열처리한 결과는 도 5에 도시하였으며, 실시예의 600℃ 처리 결과는 도 6에 각각 도시하였다.

상기 도 6에 도시한 바와 같이, 실시예에서 스그마상과 카이상의 분율이 매우 낮음을 확인할 수 있다.

다음 비교예를 750℃에서 열처리한 결과는 도 7에 도시하였으며, 실시예의 750℃ 처리 결과는 도 8에 각각 도시하였다.

역시 실시예가 낮은 2차상 분율을 가짐을 확인할 수 있다.

마지막으로 비교예를 900℃에서 열처리한 결과는 도 9에 실시예의 900℃처리 결과는 도 10에 각각 도시하였다.

역시 실시예가 낮은 2차상 분율을 가짐을 확인할 수 있다.

상기 3개의 온도에 따른 상분포 분율을 도 11에 도시하였다. 실시예와 비교예가 온도가 올라갈수록 2차상의 분율이 증가하는 특성을 보이고 있으나, 실시예가 상대적으로 낮은 2차상의 분율을 가짐을 확인할 수 있으며, 이러한 결과는 실시예가 비교예에 비하여 높은 충격인성과 내부식성 특성을 가지는 것으로 설명된다.

시험예 3

시험예 3은 실시예와 비교예의 용접부를 도 12와 같이 채취하여 시편을 제작하고, 샤르피 충격 시험기(DT&T/DTI-603B)를 사용하여 3회 측정하고 평균값을 계산하였다.

시험결과 실시예는 58 Joule, 비교예는 50 Joule로 각각 나타나, 실시예의 충격값이 높음을 확인하였다.

시험예 3

시험예 3은 실시예와 비교예 의 용접봉을 이용하여 용접한 시험예 1의 시편중 도 13에 도시된 부위에 대한 내식성 시험 중 1M NaCl 용액을 이용한 시험이다.

이때 실시예는 750℃로 시효처리하였다.

내식성 시험의 시험장비는 모델명 VersaSTAT3로 AMETEK 사 제품이다. 이때 NaCl은 질소를 30분 이상 주입하여 탈기한 수용액이며, 작동전극은 각각의 시편이고, 보조전극은 백금박으로 하였으며, 기준적극은 은-염화은 전극을 사용하였다. 그리고 전위 범위는 -0.7V에서 0.7V이고, 주사속도는 1mV/s로 설정하였다.

시험결과 도 14에 도시된 바와 같이, 실시예(2.3W-2.3Mo)가 비교예 (3Mo)보다 높은 부식 저항성을 가짐을 확인하였으며, 특히 부식전위 Ecorr 및 임계공식전위 Epit가 상승하였음을 확인하였다.

시험예 4

시험예 4는 황산수용액(H₂SO₄)을 이용한 내식성 시험으로 시험예 3 동일한 장비와 전극을 하였다. 이때 황산수용액 역시 질소를 30분 이상 주입하여 탈기시켰으며, 전위범위는 -0.7V에서 1.3V이고, 주사속도는 1mV/s로 설정하였다.

시험결과 도 15에 도시된 바와 같이, 실시예의 내식성 특성이 비교예보다 향상됨을 확인하였으며, 역시 임계공식전위 Epit가 상승하여 으며, 임계양극전류밀도 Icrit가 감소하여 전체적으로 실시예가 내식성이 향상되었음을 확인하였다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

1: 시험편 2: 시험편 두께
3: 시험편 용접부 각도

Claims

듀플렉스 스테인리스강 용접봉 조성물에 있어서,
탄소(C) 0.02~0.03중량%, 규소(Si) 0.2~0.5중량%, 망간(Mn) 0.7~0.9중량%, 크롬(Cr) 20~25중량%, 몰리브덴(Mo)과 텅스텐(W)의 합이 3~6중량%, 기타 불순물, 그외 잔량으로 철(Fe)로 구성되며,
상기 기타 불순물은 인(P)과 황(S)을 포함하되, 상기 인(P)의 최대 함량은 0.05중량%, 상기 황(S)의 최대 함량은 0.02중량%인 것을 특징으로 하는 듀플렉스 스테인리스강 용접봉 조성물.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 몰리브덴(Mo)은 1~3중량%인 것을 특징으로 하는 듀플렉스 스테인리스강 용접봉 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 텅스텐(W)은 1~3중량%인 것을 특징으로 하는 듀플렉스 스테인리스강 용접봉 조성물.