KR101568516B1 - 충격인성이 우수한 초고강도 가스메탈 아크 용접이음부 - Google Patents

충격인성이 우수한 초고강도 가스메탈 아크 용접이음부 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해양구조물, 건축, 교량 등에 사용되는 극후물 강재에 대하여 가스메탈 아크 용접(GMAW) 함으로써 얻을 수 있는 가스메탈 아크 용접이음부(Gas-Metal Arc Welded Joint)에 관한 것이다.
이를 위해, 용접이음부의 성분조성 및 미세조직을 제어함으로써 강도 및 충격인성이 우수한 가스메탈 아크 용접이음부를 제공할 수 있다.

Description

충격인성이 우수한 초고강도 가스메탈 아크 용접이음부 {ULTRA-HIGH STRENGTH GAS-METAL ARC WELDED JOINT HAVING EXCELLENT IMPACT TOUGHNESS}
본 발명은 해양구조물, 건축, 교량 등에 사용되는 극후물 강재에 대하여 가스메탈 아크 용접(GMAW) 함으로써 얻을 수 있는 가스메탈 아크 용접이음부(Gas-Metal Arc Welded Joint)에 관한 것이다.
최근, 선박, 건축 및 해양구조물 등은 부가가치의 확보를 위해 대형화가 이루어지고 있다. 이러한 구조물 등은 한번의 사고로 치명적인 환경, 인명, 재산상의 손실을 초래하게 되므로, 이에 적용되는 강재는 초고강도, 극후물화 및 충격인성이 높은 소재가 사용되고 있다. 이러한 강재들은 건전하고 효율적인 용접을 필요로 하며, 특히 대형 용접구조물의 안정성 확보를 위해서는 용접부 충격인성 특성이 무엇보다 중요하다.
일반적으로, 대형 용접구조물 등에 사용되는 가스메탈 아크 용접(Gas-Metal Arc Weld, GMAW)의 경우 대략 20kJ/cm 정도에 해당되는 입열량을 많이 사용하고 있다.
상기와 같은 용접시 용접이음부는 용접 와이어가 용융되면서 일부 강재가 희석되어 용융풀을 형성하다가 이후 응고하면서 조대한 주상정 조직으로 발달하게 되는데, 이러한 조직은 용접재료 및 용접시공시 입열량에 따라 변화하게 되며, 이러한 용접이음부는 조대한 오스테나이트 결정입계를 따라 조대한 입계 페라이트, 위드만스타텐 페라이트(Widmanstatten ferrite), 마르텐사이트 및 도상 마르텐사이트(M-A, Martensite Austenite constituent) 등이 형성되어 충격인성이 가장 열화되는 부위이다.
따라서, 용접구조물의 안정성을 확보하기 위해서는 용접 후 형성되는 용접이음부의 미세조직을 제어하여 용접이음부의 충격인성을 확보할 필요가 있다.
본 발명의 일 측면은, 가스메탈 아크 용접(GMAW)시 형성되는 용접이음부의 조성 및 미세조직을 제어하여 저온 충격인성이 우수하고, 초고강도를 갖는 가스메탈 아크 용접이음부를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.05~0.1%, 실리콘(Si): 0.2~0.7%, 망간(Mn): 1.5~2.5%, 니켈(Ni): 2.0~3.5%, 크롬(Cr): 0.3~0.9%, 구리(Cu): 0.1~0.3%, 몰리브덴(Mo): 0.5~0.8%, 티타늄(Ti): 0.02~0.04%, 보론(B): 0.002~0.005%, 알루미늄(Al): 0.001~0.03%, 질소(N): 0.002~0.007%, 인(P): 0.03% 이하, 황(S): 0.03% 이하, 산소(O): 0.02~0.05%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 Ti와 O는 하기 관계식 1의 성분관계를 만족하고, 상기 Ti와 N은 하기 관계식 2의 성분관계를 만족하고, 상기 Ti, B 및 N은 하기 관계식 3의 성분관계를 만족하고, 상기 Mn, Cr, Mo 및 Cu는 하기 관계식 4의 성분관계를 만족하고,
미세조직으로 면적분율 20~30%의 침상 페라이트(Acicular ferrite) 및 70~80%의 베이나이트(Bainite)를 포함하는 것인 충격인성이 우수한 초고강도 가스메탈 아크 용접이음부를 제공한다.
[관계식 1]
0.4 ≤ Ti/O ≤ 1.2
[관계식 2]
2.8 ≤ Ti/N ≤ 9.0
[관계식 3]
10 ≤ (2Ti+5B)/N ≤ 20
[관계식 4]
3.5 ≤ Mn+2Cr+3Mo+3Cu ≤ 7.5
본 발명에 의하면, 초고강도 물성을 가지면서, 동시에 저온 충격인성을 우수하게 갖는 가스메탈 아크 용접이음부를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 GMAW 용접이음부(발명예 3)의 미세조직을 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 따른 가스메탈 아크 용접이음부에 대한 일 구현예들에 대하여 상세하게 설명하겠지만, 본 발명은 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니다. 따라서, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명자들은 충격인성이 우수한 870MPa급 이상의 초고강도 가스메탈 아크 용접이음부를 제공할 수 있는 방안에 대하여 깊이 연구한 결과, 초고강도와 충격인성의 밸런스를 확보할 수 있는 최적의 조직 분율을 도출하였으며, 이러한 조직 분율을 확보하기 위해서는 용접금속의 성분 및 일부 성분간의 관계식을 적절히 제어하면 용접이음부의 저온 충격인성뿐만 아니라, 870MPa급 이상의 초고강도를 확보할 수 있음을 새롭게 규명하고, 그 결과에 기초하여 본 발명을 완성하게 되었다.
이하에서는, 본 발명의 초고강도 가스메탈 아크 용접이음부에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 충격인성이 우수한 초고강도 가스메탈 아크 용접이음부는 중량%로, 탄소(C): 0.05~0.1%, 실리콘(Si): 0.2~0.7%, 망간(Mn): 1.5~2.5%, 니켈(Ni): 2.0~3.5%, 크롬(Cr): 0.3~0.9%, 구리(Cu): 0.1~0.3%, 몰리브덴(Mo): 0.5~0.8%, 티타늄(Ti): 0.02~0.04%, 보론(B): 0.002~0.005%, 알루미늄(Al): 0.001~0.03%, 질소(N): 0.002~0.007%, 인(P): 0.03% 이하, 황(S): 0.03% 이하, 산소(O): 0.02~0.05%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 상기와 같이 성분을 제한하는 이유에 대하여 상세히 설명한다. 이때, 각 성분의 함량 단위는 특별한 없는 한 중량%를 의미한다.
C: 0.05~0.1%
탄소(C)는 용접이음부의 강도를 확보하면서, 동시에 용접경화성을 확보하는 데에 유리한 원소이다.
상술한 효과를 얻기 위해서는 C를 0.05% 이상으로 첨가할 필요가 있으나, 그 함량이 0.1%를 초과하게 되면 용접시 용접부 저온균열이 발생하기 쉽고, 용접이음부의 충격인성을 크게 저하시키는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명에서는 C의 함량을 0.05~0.1%로 제한하는 것이 바람직하다.
Si: 0.2~0.7%
실리콘(Si)은 용접 중 탈산효과와 더불어 용접이음부의 강도 향상을 위해 첨가하는 원소로서, 그 함량이 0.2% 미만이면 탈산효과가 불충분하고, 용접금속의 유동성을 저하시키는 문제가 있으므로, Si은 0.2% 이상으로 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.7%를 초과하게 되면 용접금속 내의 도상 마르텐사이트(M-A constituent)의 변태를 촉진하여 충격인성을 저하시키고 용접균열 감수성에 영향을 미치므로, 그 함량을 0.7% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.
Mn: 1.5~2.5%
망간(Mn)은 용접이음부에서 탈산작용 및 강도를 향상시키는 데에 필수적인 원소로서, TiO 산화물 또는 TiO-TiN 복합산화물 주위에 MnS 형태로 석출하여 Ti 산화물들로 하여금 인성개선에 유리한 침상 페라이트의 생성을 촉진시키는 역할을 한다. 또한, Mn은 기지조직 내에 치환형 고용체를 형성하여 기지를 고용 강화시켜 강도 및 인성을 확보하는데, 이러한 효과를 얻기 위해서는 Mn을 1.5% 이상으로 첨가할 필요가 있다. 다만, 2.5%를 초과하게 되면 저온변태조직을 생성시켜 인성이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서는 Mn의 함량을 1.5~2.5%로 제한하는 것이 바람직하다.
Ni: 2.0~3.5%
니켈(Ni)은 고용강화에 의해 매트릭스(matrix)의 강도 및 인성을 향상시키는데 필수적인 원소이다. 상기의 효과를 얻기 위해서는 Ni을 2.0% 이상으로 첨가할 필요가 있으나, 그 함량이 3.5%를 초과하여 너무 과도할 경우에는 소입성을 크게 증가시키고 고온균열을 조장할 가능성이 있으므로 바람직하지 못하다.
따라서, 본 발명에서는 Ni의 함량을 2.0~3.5%로 제한하는 것이 바람직하다.
Cr: 0.3~0.9%
크롬(Cr)은 기지에 고용되어 소입성을 증가시키고, 강도를 향상시키는데 필수적인 원소로서, 강도 및 인성을 확보하는데에 유리한 원소이다. 상기의 효과를 얻기 위해서는 Cr을 0.3% 이상으로 첨가할 필요가 있으나, 다만 그 함량이 0.9%를 초과하게 되면 용접이음부에서 경화성을 크게 증가시켜 인성을 저해하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서는 Cr의 함량을 0.3~0.9%로 제한하는 것이 바람직하다.
Cu: 0.1~0.3%
구리(Cu)는 기지에 고용되어 고용강화 효과로 인하여 강도 및 인성을 확보하는데에 유리한 원소이며, 이러한 효과를 위해서는 0.1% 이상으로 첨가함이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.3%를 초과하는 경우에는 용접이음부에서 경화성을 증가시켜 인성을 저해하는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 Cu의 함량을 0.1~0.3%로 제한하는 것이 바람직하다.
또한, Cu와 Ni의 합계는 3.5% 이하로 제한함이 바람직한데, 상기 두 원소의 합이 3.5%를 초과하게 되면 소입성이 증가하여 인성 및 용접성에 악영향을 미치기 때문이다.
Mo: 0.5~0.8%
몰리브덴(Mo)은 기지의 강도를 향상시키는 원소로서, 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.5% 이상으로 첨가할 필요가 있으나, 0.8%를 초과하는 경우에는 그 효과가 포화되고, 용접경화성이 크게 증가하여 마르텐사이트의 변태를 촉진시켜 용접 저온균열을 발생시키거나 인성을 저해하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서는 Mo의 함량을 0.5~0.8%로 제한하는 것이 바람직하다.
Ti: 0.02~0.04%
티타늄(Ti)은 산소(O)와 결합하여 미세한 TiO 산화물을 형성시킬 뿐만 아니라, 미세한 TiN 석출물을 형성시켜 침상 페라이트의 형성을 촉진함으로써 용접이음부의 강도와 인성을 향상시키는 데에 유리한 원소이다.
이와 같이, Ti에 의한 미세한 TiO 산화물 및 TiN 복합 석출물의 효과를 얻기 위해서는 0.02% 이상으로 첨가할 필요가 있으나, 너무 과다하면 조대한 TiO 산화물 또는 조대한 TiN 석출물이 형성되어 인성이 나빠지는 문제가 있으므로, 그 상한을 0.04%로 제한하는 것이 바람직하다.
B: 0.002~0.005%
보론(B)은 소입성을 향상시키는 원소로서, 입계에 편석되어 입계 페라이트의 변태를 억제하는 역할을 한다. 즉, 고용 B는 용접이음부의 강도를 향상시키는 경화능 확보의 역할과 동시에 결정입계로 확산되어 결정입계의 에너지를 낮추어 입계 페라이트의 변태를 억제하고, 침상 페라이트의 변태를 촉진시킨다.
상술한 효과를 얻기 위해서는 0.002% 이상으로 B을 첨가하는 것이 요구되지만, 그 함량이 0.005%를 초과하게 되면 그 효과가 포화되고 용접경화성이 크게 증가하여 저온변태상을 촉진시킴에 따라 용접 저온균열 발생 및 인성을 저해하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서 B의 함량은 0.002~0.004%로 제한하는 것이 바람직하다.
Al: 0.001~0.03%
알루미늄(Al)은 탈산제로서 용접금속 내에 산소량을 감소시키며, 고용질소와 결합하여 미세한 AlN 석출물을 형성시키는 원소이다. 이러한 효과를 위해서는 0.001% 이상으로 Al을 첨가하는 것이 바람직하나, 그 함량이 0.03%를 초과하면 조대한 Al2O3을 형성시켜 인성개선에 필요한 TiO 산화물의 형성을 방해하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서 Al의 함량은 0.001~0.03%로 제한하는 것이 바람직하다.
N: 0.002~0.007%
질소(N)는 TiN 석출물 등을 형성시키는데 필수불가결한 원소로서, Ni의 양이 증가할수록 미세 TiN 석출물의 양을 증가시킨다. 특히, TiN 석출물 크기 및 석출물 간격, 석출물 분포, 산화물과의 복합석출 빈도수, 석출물 자체의 고온 안정성 등에 현저한 영향을 미치기 때문에, 그 함량은 0.002% 이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 다만, 너무 과다하여 0.007%를 초과하게 되면 그 효과가 포화되고, 용접금속 내에 존재하는 고용질소량의 증가로 인해 인정저하를 초래할 수 있으므로, N의 함량은 0.002~0.007%로 제한하는 것이 바람직하다.
P: 0.03% 이하(O은 제외)
인(P)은 용접시 고온균열을 조장하는 불순물로서, 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하며, 그 상한은 0.03% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.
S: 0.03% 이하(O은 제외)
황(S)은 Mn과 결합하여 MnS 복합석출물을 석출시키는 원소로서 작용하나, 그 함량이 0.03%를 초과할 경우에는 FeS 등의 저융점화합물을 형성시켜 고온균열을 유발할 수 있으므로, S의 함량을 0.03% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
O: 0.02~0.05%
산소(O)는 용접이음부 응고중에 Ti과 반응하여 Ti 산화물을 형성시키는 원소로서, Ti 산화물은 용접이음부 내에서 침상 페라이트의 변태를 촉진시킨다. 이때 O의 함량이 0.02% 미만이면 Ti 산화물을 용접이음부에 적절히 분포시키지 못하며, 반면 0.05%를 초과하게 되면 조대한 Ti 산화물 및 기타 FeO 등의 산화물이 생성되어 용접이음부의 충격인성에 악영향을 미치기 때문에 바람직하지 않다.
상술한 성분들 중, Ti와 O는 하기 관계식 1을 만족하고, Ti와 N은 하기 관계식 2를 만족하고, Ti와 B 및 N은 하기 관계식 3을 만족하고, Mn, Cr, Mo 및 Cu는 하기 관계식 4를 만족하는 것이 바람직하다.
[관계식 1]
0.4 ≤ Ti/O ≤ 1.2
[관계식 2]
2.8 ≤ Ti/N ≤ 9.0
[관계식 3]
10 ≤ (2Ti+5B)/N ≤ 20
[관계식 4]
3.5 ≤ Mn+2Cr+3Mo+3Cu ≤ 7.5
(상기 관계식 1 내지 4에서 모든 성분은 중량%를 의미한다.)
본 발명에서 Ti와 O의 비(Ti/O)는 0.4~1.2를 만족하는 것이 바람직하다.
Ti/O비가 0.4 미만인 경우, 용접이음부 내에 오스테나이트 결정립 성장억제 및 침상 페라이트 변태에 요구되는 TiO 산화물 개수가 불충분하며, TiO 산화물 내의 함유하는 Ti 비율이 작아져서 침상 페라이트 핵생성 자리로서의 기능을 상실하여 용접열영향부의 인성개선에 유효한 침상 페라이트 상분율이 저하된다. 반면, Ti/O의 비가 1.2를 초과하는 경우에는 용접이음부 내 오스테나이트 결정립 성장억제 효과가 포화되며, 산화물 내에 함유되는 합금성분의 비율이 오히려 작아져서 침상 페라이트의 핵생성 자리로서의 기능을 상실한다.
본 발명에서 Ti와 N의 비(Ti/N)는 2.8~9.0을 만족하는 것이 바람직하다.
Ti/N비가 2.8 미만인 경우, TiO 산화물에 형성되는 TiN 석출물 양이 감소하여 인성개선에 효과적인 침상 페라이트 변태에 나쁜 영향을 미치기 때문에 바람직하지 못하며, 반면 9.0을 초과하는 경우 그 효과가 포화되고 고용질소양이 증가하여 충격인성을 저해하기 때문에 바람직하지 못하다.
본 발명에서 Ti, B 및 N의 비((2Ti+5B)/N)는 10~20을 만족하는 것이 바람직하다.
상기 Ti, B 및 N의 성분관계식이 10 미만이면 충격인성에 유효한 석출물의 형성에 나쁜 영향을 미치므로 바람직하지 못하고, 반면 20을 초과하게 되면 용접부 저온균열을 발생시키고, 충격인성에 악영향을 미치므로 바람직하디 못하다.
본 발명에서 Mn, Cr, Mo 및 Cu의 비(Mn+2Cr+3Mo+3Cu)는 3.5~7.5를 만족하는 것이 바람직하다.
상기 Mn, Cr, Mo 및 Cu의 성분관계식이 3.5 미만이면 용접이음부의 강도가 불충분하게 되는 문제가 있으며, 반면 7.5를 초과하게 되면 용접시 용접이음부에서 용접 저온균열발생을 조장하는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.
본 발명의 일 측면에 따른 용접이음부는 상술한 성분 이외에도 Nb 및 V 중 선택된 1종 또는 2종, 칼슘(Ca) 및 희토류금속 중 선택된 1종 또는 2종을 추가적으로 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, Nb와 V 중 1종 이상은 아래와 같은 범위로서 포함될 수 있다.
Nb: 0.001~0.1%
니오븀(Nb)은 소입성을 향상시키는데 유리한 원소로서, 특히 Ar3 온도를 낮추고 냉각속도가 낮은 범위에서도 베이나이트의 생성범위를 넓히는 효과가 있어, 베이나이트 조직을 용이하게 얻기 위해 첨가될 수 있다. 또한, 강도 향상을 위하여 첨가되는 원소이기도 하다.
상술한 효과를 얻기 위하여 Nb을 첨가하는 경우, 0.001% 이상으로 첨가되는 것이 바람직하며, 다만 그 함량이 0.1%를 초과하여 너무 과다하면 용접시 용접이음부에서 도상 마르텐사이트의 형성을 촉진하여 용접이음부의 인성에 나쁜 영향을 미치므로, 본 발명에서는 Nb의 함량을 0.001~0.1%로 제한하는 것이 바람직하다.
V: 0.005~0.1%
바나듐(V)은 질소와 반응하여 VN 석출물을 형성시키는 원소로서, 이는 페라이트의 변태를 촉진시키는 역할을 한다.
상기 V에 의한 효과를 얻기 위해서는 0.005% 이상으로 첨가될 필요가 있으나, 다만 그 함량이 너무 과다하여 0.1%를 초과하게 되면 용접이음부에 카바이드(carbide)와 같은 경화상을 형성시켜 용접이음부에 나쁜 영향을 미치는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 V의 함량을 0.005~0.1%로 제한하는 것이 바람직하다.
그리고, Ca 및 REM 중 1종 이상은 아래와 같은 범위로 포함될 수 있다.
Ca 및 REM: 각각 0.0005~0.005% 및 0.001~0.05%
칼슘(Ca) 및 희토류금속(REM)은 용접시 아크를 안정시키고, 용접이음부에서 산화물의 형성을 억제하는 역할을 한다. 또한, 냉각과정에서 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하여 입내 페라이트 변태를 촉진시킴으로써 용접이음부의 인성을 향상시키는데 유효한 원소이다. 상술한 효과를 얻기 위해, Ca의 경우에는 0.0005% 이상, REM의 경우에는 0.001% 이상으로 첨가할 필요가 있으나, Ca이 0.005%를 초과하거나 REM이 0.05%를 초과하는 경우에는 조대한 산화물을 형성함으로써 인성을 저해할 우려가 있다.
이때, REM으로서는 Ce, La, Y 및 Hf 등으로 구성된 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 원소일 수 있으며, 어떠한 원소를 사용하여도 상술한 효과를 얻는데에는 무리가 없다.
나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
본 발명에서 가스메탈 아크 용접(GMAW) 후 형성되는 용접이음부의 미세조직은 면적분율로 20~30%의 침상 페라이트(Acicular ferrite) 및 70~80%의 베이나이트(Bainite)를 포함하는 것이 바람직하다.
GMAW에 의해 형성된 용접이음부의 미세조직 중 강도가 높은 베이나이트의 조직 분율이 높아지면, 강도는 쉽게 달성할 수는 있으나, 충격인성 측면에서는 만족스럽지 못한 결과를 가져올 수 있다. 반면, 인성이 우수한 침상 페라이트의 조직 분율이 과도하게 높아지면 용접이음부의 인성은 우수하게 확보할 수 있으나, 강도 측면에서 목적하는 초고강도 급에 이르지 못할 수 있다. 따라서, 강도 및 인성을 동시에 우수하게 확보하기 위해서는 베이나이트와 침상 페라이트를 적절한 분율로 포함하여야 할 것이며, 바람직하게는 20~30%의 침상 페라이트 및 70~80%의 베이나이트로 이루어지는 것이 바람직하다.
용접이음부에 존재하는 산화물은 용접이음부의 미세조직 변태에 큰 영향을 미친다. 즉, 분포하는 산화물의 종류, 크기 및 그 개수에 크게 영향을 받게 된다. 특히, GMAW 용접금속부의 경우 기타 다른 용접법과는 달리 보호가스로만 용접금속부를 보호하기 때문에 적정한 산화물이 확보되지 못하게 되면 용접이음부의 물성이 크게 저하된다.
따라서, 이를 방지하기 위해서는 용접이음부 내에 TiO-TiN 복합산화물이 미세한 간격으로 균일하게 분산되는 것이 중요하다.
바람직하게는 평균입경이 0.01~0.1㎛인 TiO-TiN 복합산화물이 1mm3 당 1×108개 이상으로 분포되어 있으며, 이때 50㎛ 이하의 간격으로 분산되어 있는 것이 바람직하다.
복합산화물의 입경이 0.01㎛ 미만이면 가스메탈 아크 용접이음부에서 침상 페라이트의 변태를 촉진시키는 역할을 충분히 하지 못하며, 반면 0.1㎛를 초과하게 되면 오스테나이트 결정립에 대한 피닝(pinning, 결정립 성장억제) 효과가 적어지고, 조대한 비금속 개재물과 같은 거동을 하여 초고강도 용접이음부 충격인성에 나쁜 영향을 미치는 문제가 있다.
또한, 복합산화물의 갯수가 1×108개/cm3 미만이면 복합산화물이 부족하여 침상 페라이트 핵생성에 기여하지 못하여, 결정립 조대화를 방지하지 못하는 문제가 있다.
그리고, 상기의 미세한 산화물의 분포가 50㎛ 간격을 초과하게 되면 산화물에서 핵생성되는 침상 페라이트의 양이 충분치 못하게 되는 문제가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 성분조성과 미세조직 구성뿐만 아니라, 미세한 복합산화물을 충분히 포함하는 가스메탈 아크 용접이음부는 인장강도 870MPa 이상의 초고강도를 가지면서, -20℃에서의 충격 흡수 에너지(vE)가 47J 이상으로 우수한 저온 충격인성을 갖는다.
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 )
하기 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같은 성분조성 및 성분관계를 갖는 용접금속부를 15~25kJ/cm의 용접입열량으로 가스메탈 아크 용접(GMAW)하였다.
이후, 형성된 GMAW 용접이음부에 대한 물성 즉 미세조직, Ti 복합 산화물의 크기 및 개수를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
이때, 형성된 GMAW 용접이음부의 기계적 성질을 평가하기 위한 시편을 각 용접이음부의 중앙부에서 채취하였다.
인장시험편은 KS규격(KS B 0801) 4호 시험편에 준하여 제조하고, 인장시험은 크로스 헤드 스피드(cross head speed) 10mm/min에서 실시하였다. 그리고, 충격시험편은 KS규격(KS B 0809) 3호 시험편에 준하여 제조하였으며, 충격시험 평가는 -20℃에서 샤르피 충격시험을 통하여 평가하였다. 상기 기계적 성질 평가 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
구분
 성분조성(중량%)
C Si Mn P S Ni Mo Cu Cr Ti B* Al Nb V N* O*
발명강1 0.06 0.3 2.1 0.009 0.003 2.5 0.5 0.1 0.4 0.02 27 0.01 0.01 - 42 200
발명강2 0.06 0.3 1.5 0.008 0.004 2.8 0.6 0.3 0.5 0.02 29 0.02 - 0.01 44 280
발명강3 0.07 0.2 1.7 0.010 0.003 3.3 0.7 0.2 0.4 0.04 26 0.01 - - 47 340
발명강4 0.08 0.3 2.4 0.008 0.003 2.2 0.5 0.3 0.4 0.03 30 0.03 0.001 - 52 260
발명강5 0.05 0.4 2.5 0.009 0.004 3.3 0.6 0.1 0.4 0.03 40 0.02 0.001 - 50 250
비교강1 0.05 0.6 2.2 0.015 0.003 1.6 0.4 - 0.06 0.001 - - - - 60 370
비교강2 0.05 0.2 1.9 0.011 0.004 1.9 0.3 0.07 0.08 0.004 6 0.01 0.02 - 74 390
비교강3 0.08 0.3 1.7 0.010 0.003 1.4 0.2 0.04 0.3 0.04 - 0.01 0.01 - 21 290
비교강4 0.06 0.3 2.5 0.012 0.003 2.8 0.4 0.04 0.2 0.002 2 0.006 0.03 - 30 410
비교강5 0.08 0.3 1.6 0.012 0.005 3.3 0.7 0.31 1.2 0.02 52 0.01 0.01 - 90 550
(상기 표 1에서 B*, N* 및 O*의 단위는 'ppm' 이다.)
구분 합금원소 구성비
Ti/O Ti/N (2Ti+5B)/N Mn+2Cr+3Mo+3Cu
발명강 1 1.0 4.8 12.7 4.7
발명강 2 0.7 4.5 12.4 5.2
발명강 3 1.2 8.5 19.8 5.2
발명강 4 1.2 5.8 14.4 5.6
발명강 5 1.2 6.0 16.0 5.4
비교강 1 0.03 0.2 0.3 3.5
비교강 2 0.1 0.5 1.5 3.2
비교강 3 1.4 19.0 38.1 3.0
비교강 4 0.05 0.7 1.7 4.2
비교강 5 0.4 2.2 7.3 7.0
구분 용접입열량
(kJ/cm)		 미세조직 분율(%) Ti 복합산화물 기계적 성질
AF B 개수
(개/mm3)		 평균크기
(㎛)		 인장강도
(MPa)		 충격인성
(vE-20℃(J))
발명강 1 20 28 72 2.1×108 0.02 910 94
발명강 2 25 26 74 3.4×108 0.01 925 123
발명강 3 25 28 72 3.3×108 0.01 910 98
발명강 4 20 24 76 3.3×108 0.02 932 83
발명강 5 20 25 75 2.1×108 0.03 916 115
비교강 1 20 8 92 1.6×106 0.09 852 44
비교강 2 20 5 95 1.4×106 0.12 841 35
비교강 3 20 10 90 1.5×106 0.10 954 25
비교강 4 20 9 91 1.4×106 0.09 973 23
비교강 5 25 5 95 1.5×105 0.15 981 19
(상기 표 3에서 AF: 침상 페라이트, B: 베이나이트 를 의미한다.)
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 GMAW 용접이음부(발명예 1 내지 5)는 충분한 양의 Ti 복합산화물을 포함하고, 미세조직 중 침상 페라이트를 20~30%로 포함하는 것에 의해, 강도 및 충격인성을 모두 우수하게 확보할 수 있다.
반면, 합금 성분조성과 성분관계를 만족하지 않는 비교강 1 내지 5는 모든 경우에서 Ti 복합산화물의 개수가 충분치 못할 뿐만 아니라, 침상 페라이트의 분율이 충분치 못함에 따라, 강도 및 충격인성 중 하나 이상의 물성이 열위한 것을 확인할 수 있다.
그리고, 도 1은 본 발명에 따른 GMAW 용접이음부(발명예 3)의 미세조직 관찰 사진을 나타낸 것으로서, 미세조직이 주로 침상 페라이트와 하부 베이나이트로 이루어진 것을 확인할 수 있다.

Claims (6)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.05~0.1%, 실리콘(Si): 0.2~0.7%, 망간(Mn): 1.5~2.5%, 니켈(Ni): 2.0~3.5%, 크롬(Cr): 0.3~0.9%, 구리(Cu): 0.1~0.3%, 몰리브덴(Mo): 0.5~0.8%, 티타늄(Ti): 0.02~0.04%, 보론(B): 0.002~0.005%, 알루미늄(Al): 0.001~0.03%, 질소(N): 0.002~0.007%, 인(P): 0.03% 이하, 황(S): 0.03% 이하, 산소(O): 0.02~0.05%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    상기 Ti와 O는 하기 관계식 1의 성분관계를 만족하고, 상기 Ti와 N은 하기 관계식 2의 성분관계를 만족하고, 상기 Ti, B 및 N은 하기 관계식 3의 성분관계를 만족하고, 상기 Mn, Cr, Mo 및 Cu는 하기 관계식 4의 성분관계를 만족하고,
    미세조직으로 면적분율 20~30%의 침상 페라이트(Acicular ferrite) 및 70~80%의 베이나이트(Bainite)를 포함하는 것인 충격인성이 우수한 초고강도 가스메탈 아크 용접이음부.
    [관계식 1]
    0.4 ≤ Ti/O ≤ 1.2
    [관계식 2]
    2.8 ≤ Ti/N ≤ 9.0
    [관계식 3]
    10 ≤ (2Ti+5B)/N ≤ 20
    [관계식 4]
    3.5 ≤ Mn+2Cr+3Mo+3Cu ≤ 7.5
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 용접이음부는 중량%로, 니오븀(Nb): 0.001~0.1% 및 바나듐(V): 0.005~0.1% 중 1종 또는 2종, 칼슘(Ca): 0.0005~0.005% 및 희토류(REM): 0.005~0.05% 중 1종 또는 2종을 더 포함하는 충격인성이 우수한 초고강도 가스메탈 아크 용접이음부.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 용접이음부에는 평균 입경 0.01~0.10㎛의 TiO-TiN 복합산화물이 1mm3 당 1×108개 이상 분포되어 있는 충격인성이 우수한 초고강도 가스메탈 아크 용접이음부.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 TiO-TiN 복합산화물은 50㎛ 이하의 간격으로 분산되어 있는 충격인성이 우수한 초고강도 가스메탈 아크 용접이음부.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 용접이음부는 -20℃에서 충격인성이 47J 이상인 충격인성이 우수한 초고강도 가스메탈 아크 용접이음부.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 용접이음부는 인장강도가 870MPa 이상인 충격인성이 우수한 초고강도 가스메탈 아크 용접이음부.
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