KR101560899B1

KR101560899B1 - 고강도와 극저온 충격 인성이 우수한 서브머지드 용접 및 가스메탈 아크 용접용 와이어

Info

Publication number: KR101560899B1
Application number: KR1020130151445A
Authority: KR
Inventors: 이봉근; 이상철; 한일욱; 김정길
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-10-15
Also published as: KR20150066192A

Abstract

고강도와 극저온 충격 인성이 우수한 서브머지드 용접 및 가스메탈 아크 용접용 와이어가 제공된다.
본 발명의 와이어는,
중량%로, C:0.15~0.8％, Si:0.5~1.5％, Mn:15~32％, Cr: 5.5% 이하, Mo: 1.5~3%, S:0.025% 이하, P:0.025% 이하, B: 0.01% 이하, Ti:0.05~1.2%, N:0.005~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

고강도와 극저온 충격 인성이 우수한 서브머지드 용접 및 가스메탈 아크 용접용 와이어{Submerged arc welding and gas metal arc welding wire having high strength and superior toughness at ultra low temperature}

본 발명은 고강도와 극저온 충격 인성이 우수한 서브머지드 용접 및 가스메탈 아크 용접용 와이어에 관한 것이다.

최근 LNG 수요의 폭발적 증가로 인해 극저온 LNG의 수송ㆍ보관을 위한 수송설비 및 저장 탱크에 대한 폭발적인 수요가 일어나고 있다. LNG를 수송하거나 저장하는 탱크는 필연적으로 LNG 온도인 -162℃ 이하의 온도에서 충격에 충분히 견딜 수 있는 구조로 이루어져야만 한다. 이를 위해 극저온에서의 충격 인성이 높은 소재로서 대표적으로 사용되는 것은 Al, 9%Ni강, 스테인리스스틸(이하 STS)이다.

그러나 Al의 경우 낮은 인장강도로 인해 두꺼운 후판을 사용해야 하며 용접성이 불량하다는 문제점이 있다. 또한 9%Ni강의 경우는 용접재료(Inconel 625 소재: Ni 50중량%이상, Cr 20중량%이상 함유)가 고가이고 용접부 항복강도가 낮다는 문제가 있으며, 그리고 STS는 높은 가격, 낮은 열변형율 및 극저온 보증 불가 등의 문제가 있다.

따라서 오스테나이트 안정화 원소로서 Ni 대비 저가이면서도 용접성을 확보가능한 극저온용 고 Mn계 용접이음부의 개발이 요구되고 있다.

상기한 바와 같이, 극저온 영역인 -196℃ 이하에서 용접구조물의 안정성을 확보하기 위해서는 27J 이상의 충격 인성을 나타내는 용접이음부 확보가 필수적이다. 그런데 기존 연구에서는 상온 항복강도가 360MPa 급이었으나, 현재 고 Mn강재의 상온항복강도가 500~800MPa급으로 360MPa의 용접재료를 적용하기에는 용접이음부의 강도가 낮은 문제가 발생한다. 이러한 구조체의 경우, 용접이음부의 강도가 낮음에 따라 용접이음부를 중심으로 설계를 진행하게 됨으로써 강판의 두께 또한 두꺼워져야 하는 문제가 있다. 따라서 이를 해결하기 위해서는 상온항복강도가 400MPa 이상을 나타내는 용접재료가 필요하게 되었다. 이를 해결하기 위한 수단으로는 기존에는 Ni 및 Cr 함량이 높은 소재(Ni 50중량%이상, Cr 20중량%이상 함유)를 사용하여 확보하고 있으나 합금함량 및 가격적인 면에서 낮은 수준을 나타내는 서브머지드 용접 및 가스메탈 아크용접용 용접재료는 존재하지 않는다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 극저온 환경에서도 인성이 우수한 오스테나이트 상으로 유지시킴과 동시에 용접시 고온균열을 방지하여 우수한 저온 충격 인성 및 상온 항복강도를 갖는 서브머지드 용접 및 가스메탈 아크 용접용 와이어를 제공함을 그 목적으로 한다.

그러나 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, C:0.15~0.8％, Si:0.5~1.5％, Mn:15~32％, Cr: 5.5% 이하, Mo:1.5~3%, S:0.025% 이하, P:0.025% 이하, B: 0.01% 이하, Ti:0.05~1.2%, N:0.005~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 고강도와 극저온 충격 인성이 우수한 서브머지드 용접 및 가스메탈 아크 용접용 와이어에 관한 것이다.

또한 본 발명에서는 W, Nb 및 V 중 선택된 1종 이상의 합:6중량%이하 범위로 추가로 포함됨이 바람직하다.

또한 Y 및/또는 REM:1중량%이하의 범위로 추가로 함유됨이 바람직하다.

또한 Ni이 10중량％ 이하의 범위로 추가로 포함됨이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 극저온 환경에서도 인성이 우수한 오스테나이트 상으로 유지시킴과 동시에 용접시 고온균열을 방지하여 우수한 저온 충격 인성 및 상온 항복강도를 갖는 용접이음부를 제공할 수 있다.

또한 종래 Ni 및 Cr 함량이 높은 소재(Ni 50중량%이상, Cr 20중량%이상 함유)를 용접재료로 사용함에 비하여 합금함량 및 가격적인 측면에서 저렴하여 경제성을 제고할 수 있다.

이하에서 다양한 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 기술구성을 보다 상세히 설명한다.

먼저 본 발명의 서브머지드 용접 및 가스메탈 아크용접용 와이어는, 중량%로, C:0.15~0.8％, Si:0.5~1.5％, Mn:15~32％, Cr: 5.5% 이하, Mo:1.5 ~3%, S:0.025% 이하, P:0.025% 이하, B: 0.01% 이하, Ti:0.05~1.2%, N:0.005~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다. 이하에서는 각 합금원소의 특성 및 조성 범위의 임계적 의의에 대해 간단히 설명한다.

탄소(C): 0.15~0.8중량%

탄소는 용접금속의 강도를 확보하고, 용접금속의 극저온 충격인성을 확보할 수 있는 오스테나이트 안정화 원소로서 현존하는 가장 강력한 원소이다. 또한, 극저온 충격인성 및 강도를 확보할 수 있는 가장 저렴한 성분이다. 탄소함량이 용접재료중 0.15% 미만인 경우 오스테나이트의 안정성이 떨어지게 됨으로써 0.15중량%이상 용접용 와이어 중에 포함되어야 한다. 그러나 탄소의 함량이 0.8중량%를 초과하면 용접시 이산화탄소 가스 등이 발생하여 용접이음부에 결함을 유발할 수 있으며, 망간, 크롬 등의 합금원소와 결합하여 MC, M₂₃C₆ 등의 탄화물을 생성하여 저온에서 충격 인성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서 본 발명에서는 상기 탄소의 함량을 0.15~0.8중량% 범위로 제한함이 바람직하다.

실리콘(Si): 0.5~1.5중량％

실리콘은 용접시 탈산 효과와 용접 비드의 퍼짐성을 좋게 만드는 원소이다. 그 함량이 0.5 중량%이상 첨가되었을 때 용접후 양호한 용접부를 얻을 수 있으므로 0.5중량% 이상을 첨가하여야 한다. 반면에 실리콘의 함량이 1.5중량%를 초과하는 경우에는 용접이음부내에 편석 등을 유발하여 용접이음부의 저온 충격인성을 저하시키고 용접시 고온균열감수성에 증가시키는 원인이 되므로 그 상한은 1.5중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

망간(Mn): 15~32중량％

망간은 저온 안정상인 오스테나이트를 생성시키는 주요 원소로서, 본 발명에서 필수적으로 첨가되어야 하는 원소이며 니켈에 비해 매우 저렴한 원소이다. 용접재료내에 망간의 함량이 15중량% 미만인 경우에는 용접이음부내에 충분한 오스테나이트가 생성되지 않아 용접이음부의 극저온에서 인성이 매우 낮게 된다. 반면에, 망간의 함량이 32중량%를 초과하는 경우에는 용접이음부내 편석을 과다하게 발생하고, 용접시 고온균열을 유발되게 된다. 따라서 망간의 함량은 15~32중량% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr): 5.5중량%이하

크롬은 페라이트 안정화 원소로서 일정함량의 크롬을 통해 용접부내에 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 낮출 수 있는 장점을 가지 있으며, 강도도 향상시키는 원소이다. 그러나 첨가되지 않아도 기존 C과 Mn의 함량이 높은 경우에는 기지가 오스테나이트로 유지될 수 있으므로 Cr의 함량의 하한은 0으로 한다. 반면에, 크롬의 함량이 5.5중량%를 초과하는 경우에는 용접이음부내에 크롬계 탄화물이 과도하게 생성되어 극저온 인성이 낮아지는 문제점이 있다. 따라서 크롬의 함량은 5.5중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo): 1.5~3중량%

몰리브덴은 용접이음부의 강도를 향상시킬 수 있는 원소로서, 본 발명에서는 용접재료내에 1.5중량% 이상의 합금을 넣는 경우 용접이음부의 인장강도가 400MPa이상을 나타낼 수 있다. 또한 오스테나이트계 용접재료에서 시공시에 고액공존 구간을 좁혀 고온 Crack 발생을 억제하는 역할을 할 수 있다. 다만 몰리브덴의 함량이 3중량%를 초과하는 경우에는 몰리브덴 탄화물이 과도하게 용접이음부내에 생성되어 극저온 인성을 저하시키는 단점이 있다. 따라서 몰리브덴의 함량은 1.5~3.0중량% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S): 0.025중량% 이하

황은 MnS 복합석출물을 석출시키는 원소이나, 그 함량이 0.025중량%를 초과하는 경우에는 FeS 등의 저융점화합물을 형성시켜 고온균열을 유발시킬 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서 황의 함량은 0.025중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

인(P): 0.025중량% 이하

인은 저온인성에 영향을 미치는 원소로서 결정입계에 취화한 인화합물을 생성시키므로, 그 상한을 0.025 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

붕소(B):0.01중량% 이하

붕소는 용접이음부내 결정입계에 편석이 되는 특성을 나타낸다. 편석된 붕소는 결정입계의 강도를 향상시키는 역할을 하게 되는데, 이로 인해서 강도를 향상시키는 효과를 나타낸다. 붕소의 함량은 0.001%만 첨가되어도 충분한 효과를 나타내고 있다. 그러나 그 함량이 0.01중량%를 초과할 경우 용접이음부내에 강도향상 효과는 크지만 저온인성에 저하시키는 원인으로 작용하게 되므로 그 상한을 0.01 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

타이타늄(Ti): 0.05~1.2중량%

타이타늄은 용접시 아크 안정성 및 산화재로서 작용하여 용접이음부의 청정도를 증가시키는 원소이다. 다른 한편으로는 용접완료 후 용접이음부내에 회수된 타이타늄은 산화물 및 질화물(혹은 탄질화물)을 생성시켜 용접이음부의 강도를 향상시키는 원소이므로 그 함량은 0.05중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 그러나 이 타이타늄이 용접 후 용접이음부내에서 다량 함유된 경우에는 충격 인성을 저하시키게 되는데, 1.2중량%를 초과하여 첨가될 경우 강도향상효과는 크지만 저온인성에 저하시키는 원인으로 작용하게 되므로 그 상한을 1.2 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

질소(N): 0.005~0.5중량%

질소는 탄소와 동일한 특성을 나타내는 원소이며, 타이타늄과 함께 질화물을 만드는 원소이다. 0.005중량%만 첨가하여 타이타늄과 함께 강도를 향상시킬 수 있음으로 0.005중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면에 질소의 함량이 0.5중량%를 초과하면 용접이음부내에서 기공이 발생하기 쉬우며, 타이타늄과 함께 질화물의 생성량을 증가시켜 용접이음부의 극저온 충격 인성을 저하시킬 뿐만 아니라 용접시 용접이음부내에 기공 혹은 Crack을 생성시키기 때문에 상한은 0.5중량%로 하는 것이 바람직하다.

한편 상술한 합금성분 범위는 본 발명 용접용 와이어에 바람직하게 적용될 수 있는 기본 성분계이며, 따라서 이하 설명되는 합금원소들의 첨가에 의하여 추가적으로 용접재료에 더 우수한 물성을 부여할 수 있다.

텅스텐(W), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V) 중 선택된 1종 이상의 합: 6중량%이하

텅스텐(W), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V) 상온 강도를 증가시키는 원소들로서 본 발명에서 선택적으로 첨가되는 원소들이다. 이들 원소는 용접이음부내에 탄소와 결합하여 탄화물(혹은 탄질화물)을 생성시키고, 이 생성상에 의해서 상온 인장강도가 향상되는 효과를 발휘한다. 그러나 이들 성분의 합이 6중량%를 초과하는 경우에는 크랙이 발생이 용이하며, 아울러, 극저온 충격인성을 저하시키는 원인으로 작용하게 된다. 따라서 본 발명에서는 텅스텐(W), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V) 중 선택된 1종 이상의 합을 6중량% 이하로 제한함이 보다 바람직하다.

이트륨(Y) 및/또는 희토류금속(REM): 1중량%이하

이트륨(Y)과 희토류금속(REM)은 본 발명에서 선택적으로 첨가되는 원소로서용접시 강력한 산화제로 작용할 뿐만 아니라 아크 안정성을 향상시킨다. 다른 한편으로는 용접이음부내에 산화물로 생성되고 이들에 의해서 고온에서 응고시 핵생성사이트로 작용하여 오스테나이트의 결정입을 작게 만들며, 이에 따라 강도를 향상시키는 역할을 하게 된다. 그러나 그 첨가량이 1중량%를 초과하면 용접시 이음부에 결함 등을 발생시키는 역할을 하게 되므로 그 함량을 1중량% 이하로 제어해야 한다. 따라서 본 발명에서는 이트륨(Y) 및/또는 희토류금속(REM): 1중량%이하로 제한하는 것이 보다 바람직하다.

니켈(Ni): 10중량％ 이하

니켈은 오스테나이트 안정화 원소로서 본 발명에서 선택적으로 첨가되는 원소이다. 니켈을 첨가하게 되며 용접이음부의 저온 충격인성이 매우 빠른 속도로 증가하게 되는데 이는 용접이음부내의 Stacking Fault Energy를 높이는 역할을 하기 때문이다. 이와 반대로 강도를 저하시키는 원소이며, 용접재료의 가격을 증가시키는 원소이므로 그 함량을 10중량% 이하로 유지하는 것이 보다 바람직하다.

상기 조성 이외에 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다. 다만, 이로 인해 다른 조성의 첨가를 배제하는 것은 아니다.

이하, 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 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 1)

하기 표 1과 같은 직경 4.0mm의 서브머지드 아크 용접용 솔리드 와이어들을 마련하였다. 상기 용접용 와이어들을 이용하여 Mn₂₄C₀ _.4Cr₄Si₀ _.3을 기본조성으로 하는 극저온 고Mn강을 용접모재로 이용하여 용접을 실시하였으며, 용접시 알루미나 베이직형의 플럭스를 이용하였다. 그리고 이때의 용접은 DC로 대략 600A내외에 32V내외 29CPM 내외로, 그리고 입열량은 대략 4.0kJ/mm 조건으로 실시되었다. 또한 층간온도는 150℃ 미만, 예열은 습기만 날리는 조건으로 100℃ 정도로 하였다.

	와이어 조성성분(중량%)													충격인성 (J)	상온 인장강도
	C	Mn	Si	Cr	P	S	N	Mo	B	Ti	Ni	V+Nb+W	Y+ REM	충격인성 (J)	상온 인장강도
발명예1	0.8	15	0.6	0.02	0.02	0.025	0.005	2	0.005	0.05	-	-	-	31	424.04
발명예2	0.15	29	1.5	2.5	0.025	0.01	0.2	2	0.005	0.1	5	6	-	28	513.4
발명예3	0.8	20	0.8	2	0.015	0.015	0.01	2	0.001	0.05	-	3	-	29	474.68
비교예1	0.6	20	0.8	7	0.015	0.01	0.02	2	0.005	0.05	6	-	-	16	567.46
비교예2	0.3	32	0.8	0.05	0.015	0.01	0.005	1.4	0.01	0.05	9	-	-	42	392.14
비교예3	0.9	18	0.8	0.05	0.03	0.03	0.005	2	0.005	0.1	-	-	-	크렉형성
비교예4	0.7	17	1.7	0.01	0.02	0.01	0.005	2	0.001	0.1	-	-	-	크렉형성

이와 같이 용접된 용접이음부의 기계적 특성을 평가하기 위하여 샤르피 충격시험(-196℃)을 실시하여 그 결과(J)을 상기 표 1에 나타내었다. 또한 상기 용접이음부의 인장강도(MPa)를 측정하여 상기 표 1에 나타내었다.

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 솔리더 와이어의 조성성분이 본 발명의 범위를 충족하는 발명예 1-3의 경우 저온 충격인성 28J이상 400MPa이상의 인장강도를 가져 용접이음부의 기계적 특성이 우수함을 알 수 있다.

이에 반하여, Cr 함량이 과다한 비교예 1은 인장강도는 높으나 저온인성이 16J로 좋지 않았으며, 비교예 2는 Mo 함량이 낮아 인장강도가 400MPa이하로 낮았다.

또한 탄소, P 및 S의 함량이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 3과 실리콘의 함량이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 4는 용접후 얻어진 용접이음부의 내부에 크렉이 형성되었다.

(실시예 2)

하기 표 2와 같은 직경 1.2mm의 가스메탈 아크 용접용 와이어들을 마련하였다. 상기 용접용 와이어들을 이용하여 Mn₂₄C₀ _.4Cr₄Si₀ _.3을 기본조성으로 하는 극저온 고Mn강을 용접모재로 이용하여 용접을 실시하였다. 이때의 용접은 DC로 대략 200A내외에 30V내외 40CPM 내외로, 그리고 입열량은 대략 0.9kJ/mm 조건으로 실시되었다. 또한 층간온도는 150℃ 미만, 예열은 습기만 날리는 조건으로 100℃ 정도로 하였다.

	와이어 조성성분(중량%)													충격인성 (J)	상온 인장강도
	C	Mn	Si	Cr	P	S	N	Mo	B	Ti	Ni	V+Nb+W	Y+ REM	충격인성 (J)	상온 인장강도
발명예1	0.15	32	1	3.5	0.01	0.005	0.4	2.5	0.01	1.2	10	-	-	53	476.9
발명예2	0.45	25	0.8	5.5	0.02	0.01	0.2	2.5	0.01	0.5	5	-	-	32	524.9
발명예3	0.5	20	0.5	0.05	0.015	0.01	0.01	2	0.005	0.1	6	2	1	34	437.5
발명예4	0.4	20	0.8	1.5	0.015	0.01	0.2	2.5	0.001	0.5	6	-	-	36	463.7
비교예1	0.7	20	0.8	2	0.015	0.01	0.2	2	0.05	1.25	-	-	-	25	478.22
비교예2	0.7	17	0.9	0.01	0.02	0.01	0.7	2	0.005	0.05	-	-	-	Void 형성
비교예3	0.7	19	0.8	2	0.02	0.01	0.01	2	0.001	0.05	-	-	1.25	Void 형성

이와 같이 용접된 용접이음부의 기계적 특성을 평가하기 위하여 샤르피 충격시험(-196℃)을 실시하여 그 결과(J)을 상기 표 2에 나타내었다. 또한 상기 용접이음부의 인장강도(MPa)를 측정하여 상기 표 2에 나타내었다.

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 솔리더 와이어의 조성성분이 본 발명의 범위를 충족하는 발명예 1-4의 경우 저온 충격인성 32J이상 400MPa이상의 인장강도를 가져 용접이음부의 기계적 특성이 우수함을 알 수 있다.

이에 반하여, Ti 함량이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 1은 그 저온인성이 25J로 좋지 않았다. 또한 질소가 과다 첨가된 비교예 2와 희토류 성분이 과다하게 첨가된 비교예 3은 모두 용접후 얻어진 용접이음부 내부에 기공이 형성됨을 알 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

중량%로, C:0.15~0.8％, Si:0.5~1.5％, Mn:15~32％, Cr: 5.5% 이하, Mo: 1.5~3%, S:0.025% 이하, P:0.025% 이하, B: 0.01% 이하, Ti:0.05~1.2%, N:0.005~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 고강도와 극저온 충격 인성이 우수한 서브머지드 용접 및 가스메탈 아크 용접용 와이어.
제 1항에 있어서, W, Nb 및 V 중 선택된 1종 이상의 합: 6중량%이하의 범위로 추가로 포함함을 특징으로 하는 고강도와 극저온 충격 인성이 우수한 서브머지드 용접 및 가스메탈 아크 용접용 와이어.
제 1항에 있어서, Y 및/또는 REM:1중량%이하의 범위로 추가로 함유함을 특징으로 하는 고강도와 극저온 충격 인성이 우수한 서브머지드 용접 및 가스메탈 아크 용접용 와이어.
제 1항에 있어서, Ni을 10중량％이하의 범위로 추가로 포함함을 특징으로 하는 고강도와 극저온 충격 인성이 우수한 서브머지드 용접 및 가스메탈 아크 용접용 와이어.