KR101568642B1

KR101568642B1 - 내충격성 및 내마모성이 우수한 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료

Info

Publication number: KR101568642B1
Application number: KR1020150126499A
Authority: KR
Inventors: 이봉근; 한일욱; 김정길; 이상철; 이동렬; 김극
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2015-09-07
Publication date: 2015-11-12
Also published as: KR20150105623A

Abstract

본 발명은 내충격성 및 내마모성이 우수한 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.12~0.75%, Si: 0.2~1.2%, Mn: 15~27%, Cr: 2~7%, S: 0.025%이하, P: 0.020%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 내충격성 및 내마모성이 우수한 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료를 제공한다.
본 발명에 따르면, 용접성, 저온 충격인성 및 내마모특성이 우수한 용접이음부를 제공할 수 있어 오일샌드 산업 분야 등에서 이용되는 파이프 제조에 매우 바람직하게 적용될 수 있는 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료를 제공할 수 있다.

Description

내충격성 및 내마모성이 우수한 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료{MATERIAL FOR SUBMERGED ARC WELDING AND GAS METAL ARC WELDING HAVING EXCELLENT IMPACT RESISTANCE AND ABRASION RESISTANCE PROPERTIES}

본 발명은 내충격성 및 내마모성이 우수한 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료에 관한 것이다.

최근 고유가 지속 추세에 따라 저비용의 석유 생산 방법에 대한 관심이 집중되고 있다. 그 과정에서 대규모 원유 분리공정기술이 개발됨에 따라, 오일샌드산업데 대한 수요가 급증하고 있다. 오일샌드란 최초에는 원유를 함유한 모래 또는 사암을 의미하는 단어였으나, 현재는 유층 중에 존재하는 원유를 함유한 퇴적암 등 모든 암석에 대한 지칭으로 사용되는 용어이다. 이러한 오일샌드에서 원유를 추출하는 석유 생산 방법은 종래의 액체 유전에서의 원유 추출방식을 대신하는 새로운 석유 생산 방법으로서, 생산 비용을 낮춘다는 측면에서 개발이 기대되는 분야이다.

그러나, 일반적으로 오일샌드의 경우 높은 수준의 불순물이 원유에 포함되어 있다. 따라서, 원유 획득 과정에서 이러한 불순물을 제거하는 공정이 필수적으로 포함된다. 채취한 오일샌드에서 원유를 추출하기 위해서는 오일샌드를 분리장치가 있는 일정한 거리까지 수송하게 되며, 수송된 오일샌드를 불순물과 원유로 분리하기 위한 분리용 파이프가 필요하다. 상기 파이프는 그 내부에 장입되는 원유와 불순물(바위, 자갈, 모래 등)을 물로 회전시키면서 원유를 부상분리시키는 역할을 하게 된다. 이러한 파이프는 고강도가 필수적으로 요구될 뿐만 아니라, 내부의 바위나 자갈 등에 의한 충격을 견디기 위하여 내충격성 및 내마모성이 요구되고, -29℃에서의 외부온도에서도 견딜 수 있는 충격인성이 확보되어야 하며, 특히 모재에 비하여 상대적으로 물성이 떨어지는 용접이음부에서 더욱 요구된다. 이는, 모재의 경우에는 여러가지 열처리나 압연 및 제어냉각 등으로 그 용도에 적합한 물성을 제어하는 것이 가능하여 첨가되는 합금조성으로부터 얻을 수 있는 최대의 내마모성 및 충격인성을 얻을 수 있는 반면, 용접이음부는 주로 용접재료의 영향을 받아 형성될 뿐만 아니라 용접에 의해 내부조직이 주조 조직과 매우 유사해져 원하는 물성을 용이하게 확보하는 것이 곤란하기 때문이다.

한편, 현재 오일샌드를 채취하기 위해 일반적으로 사용되는 파이프는 API X65와 X70 등이 있는데, 이러한 파이프를 제조하기 위해서 심용접이 요구되며, 상기 심용접을 위해서 태그(tack)용접용 용접재료가 필요하다.

본 발명은 용접성이 우수할 뿐만 아니라, 저온 충격인성 및 내마모특성이 우수한 용접이음부를 제공할 수 있는 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.12~0.75%, Si: 0.2~1.2%, Mn: 15~27%, Cr: 2~7%, S: 0.025%이하, P: 0.020%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 내충격성 및 내마모성이 우수한 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료를 제공한다.

본 발명에 따르면, 용접성, 저온 충격인성 및 내마모특성이 우수한 용접이음부를 제공할 수 있어 오일샌드 산업 분야 등에서 이용되는 파이프 제조에 매우 바람직하게 적용될 수 있는 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료를 제공할 수 있다.

본 발명자들은 오일샌드를 통한 원유 획득과정 등에서 사용되는 오일샌드 분리용 고망간 파이프의 용접시에 바람직하게 적용할 수 있도록 우수한 저온 충격인성 및 내마모성을 갖는 용접이음부를 제공할 수 있는 용접재료에 대해 연구하던 중, 합금조성을 적절히 제어함으로써 용접성뿐만 아니라 상기 특성들을 확보할 수 있다는 점과 파이프의 심(seam)용접시 요구되는 태그용접에 바람직한 용접재료의 종류가 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료임을 인지하고 본 발명을 완성하게 되었다.

이하, 본 발명의 합금조성에 대하여 설명한다. 한편, 서브머지드아크용접용 용접재료나 가스금속아크용접용 용접재료는 그 직경에 있어 차이가 있을 뿐, 동일한 성분계로 제조될 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 하기 설명되는 합금조성을 갖는 상기 두 용접재료를 모두 포함한다.

C: 0.12~0.75중량%

탄소(C)는 용접금속의 강도를 확보하고, 용접금속의 극저온 충격인성을 확보할 수 있는 오스테나이트 안정화 원소로서 현존하는 가장 강력한 원소로서, 본 발명에서 필수적인 원소이다. 다만, C의 함량이 0.12중량%미만일 경우에는 오스테나이트가 형성되지 않아 인성이 저하되는 문제가 있다. 또한, C의 함량이 0.75중량%를 초과하는 경우 용접시 이산화탄소 가스 등이 발생하여 용접이음부에 결함을 유발할 수 있으며, Mn, Cr 등의 합금원소와 결합하여 MC, M23C6 등의 카바이드를 생성하여 저온에서 충격인성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, C의 함량은 0.12~0.75중량%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

Si: 0.2~1.2중량%

실리콘(Si)은 용접금속내 탈산 효과를 위해 첨가하는 원소로서, 그 함량이 0.2중량% 미만인 경우에는 상기 탈산효과가 불충분하고 용접금속의 유동성을 저하시킬 수 있다. 반면, Si의 함량이 1.2중량%를 초과하는 경우에는 용접금속 내 편석 등을 유발하여 저온 충격인성을 저하시키고 용접균열감수성에 악영향을 미치는 문제점이 있다. 따라서, 상기 Si의 함량은 0.2~1.2중량%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

Mn: 15~27중량%

망간(Mn)은 가공경화도를 높임과 동시에 저온에서도 안정적으로 오스테나이트를 생성시키는 주요 원소로서, 필수적으로 포함되어야 하는 성분이다. 또한, C와 함께 탄화물 생성원소로 작용함과 동시에, 니켈과 유사하게 오스테나이트 안정화 원소로서의 역할을 하게 된다. 상기 Mn의 함량이 15중량%미만인 경우에는 충분한 오스테나이트가 생성되지 않아 저온 충격인성이 저하되는 문제가 있으며, Mn의 함량이 27중량%을 초과하는 경우에는 용접시 다량의 흄(Fume)이 발생하고, 소성변형시 트윕현상이 아닌 슬립현상이 일어나게 하여 내마모성을 저하시킨다. 따라서, 상기 Mn의 함량은 15~27중량%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

Cr: 2~7중량%

크롬(Cr)은 페라이트 안정화 원소로서, Cr을 첨가함으로서 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 낮출 수 있는 장점이 있다. 또한, Cr은 MC, M₂₃C₆과 같은 탄화물 생성에 핵심적인 성분으로 작용한다. 즉, 일정량의 Cr이 첨가되면 보다 높은수준의 석출 경화도를 얻을 수 있음과 동시에, 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 낮추어도 되기 때문에, 일정량의 Cr을 첨가하는 것이 바람직하다. 아울러, Cr은 강력한 내산화방지 원소로 외부의 산화분위기에 대응하는 대산화도를 높이는 장점이 있다. 상기 Cr의 함량이 2중량%미만인 경우에는 용접이음부에 MC, M₂₃C₆ 등의 탄화물생성이 억제되어 내마모 특성이 낮아지게 되고, 그에 따라 마모도가 증가하는 문제점이 있다. 반면에, Cr의 함량이 7중량%를 초과하는 경우, 가격이 상승하는 문제점이 발생함과 동시에, 내마모 특성이 급격히 낮아지는 문제가 발생하게 된다. 따라서, Cr의 함량은 2~7중량%이하로 한정하는 것이 바람직하다.

S: 0.025중량%이하

황(S)은 인과 함께 용접시 고온 균열(Crack)을 조장하는 불순 원소이기 때문에 가능한 한도에서 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 특히, 그 함량이 0.025중량%를 초과하는 경우에는 FeS 등의 저융점화합물을 형성시켜 고온 균열(Crack)을 유발시킬 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서, 고온에서의 균열 방지를 위하여 S의 함량은 0.01중량%이하로 제어하는 것이 바람직하다.

P: 0.020중량%이하

인(P)은 용접시 고온 균열(Crack)을 조장하는 불순 원소이기 때문에 가능한 한도에서 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 따라서, 고온에서의 균열 방지를 위하여그 상한을 0.020%이하로 제어하는 것이 바람직다.

본 발명이 제안하는 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료는 전술한 합금조성 외에 잔부 Fe와 기타 제조공정상 불가피하게 함유되는 불순물을 포함하여 이루어질 수 있으며, 전술한 합금조성을 만족함으로써 용접재료에 있어 기본적으로 요구되는 용접성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 내충격성 및 내마모성을 갖는 용접이음부를 제공할 수 있다. 다만, 본 발명의 용접재료는 전술한 성분계에 더하여 하기 설명되는 합금원소를 추가적으로 포함함으로써 더욱 우수한 물성을 확보할 수 있다.

N: 0.5중량%이하

질소(N)는 첨가시 내식성을 향상시킴과 동시에 오스테나이트를 안정화시키는 성분으로서, 탄소와 거의 유사한 물성을 가져오는 원소이다. 따라서, 상기 N은 탄소의 성분을 그대로 대체할 수 있다. 아울러, 다른 합금성분과 결합하여 질화물을 생성하는 경우 내마모 특성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. 상기 효과는 소량을 첨가하는 경우라도 얻어질 수 있다. 다만, 그 함량이 0.5중량%를 초과하는 경우 충격인성이 크게 저하되므로, 상기 N의 함량은 0.5중량%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

Ni: 10중량%이하

니켈(Ni)은 고용강화에 의해 오스테나이트를 형성하여 저온에서의 인성 향상에 유리한 성분이다. Ni를 첨가하게되면 오스테나이트의 생성을 촉진하여 용접이음부의 인성을 증가시켜, 경화도가 높은 용접이음부의 취성 파괴를 억제하는 장점이있다. 그러나, 10중량%를 초과하는 경우에는 인성은 크게 향상되나, 적층결함에너지를 증가시켜 내마모 특성이 급격히 낮아지는 효과가 있다. 또한, Ni는 가격이 높기 때문에 다량 첨가되는 경우 경제성 측면에서 불리해지게 된다. 따라서, 상기 Ni의 함량은 10중량%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

V: 5중량%이하

바나듐(V)은 철강에 고용되어, 페라이트 및 베이나이트의 상변태속도를 지연시켜 마르텐사이트의 형성을 쉽게하는 성분이다. 또한, 고용강화효과 및 석출강화를 일으키는 주요 원소로서 작용하게 된다. 그러나, 그 함량이 과도할 경우, 그 효과가 포화되며, 인성 및 용접성 악화현상을 가져올 수 있으며, 강재의 제조원가를 증가시키는 원인이 되으로 상기 V의 함량은 5중량%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

Nb: 5중량%이하

니오븀(Nb)는 석출강화효과를 통해 용접이음부의 강도를 향상시킬 수 있는 성분이다. 다만 그 함량이 과도할 경우 조대한 석출물이 생성되므로, 오히려 내마모를 감소시킬 수 있으며, 강재의 제조원가를 증가시키는 원인이 되므로 상기 Nb 함량은 5중량%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

Mo: 7중량%이하

몰리브덴(Mo)은 기지의 고용강화를 통해 용접이음부의 강도를 향상시킬 수 있는 성분이다. 아울러, 상기 니오븀(Nb), 바나듐(V)과 유사하게 석출경화를 일으키는 주요원소로서 작용하게 된다. 다만, Mo의 함량이 과도하면 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 인성 및 용접성 열화를 야기하고 강재의 제조원가를 현저히 증가시키게 된다. 따라서, 상기 Mo의 함량은 7%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

W: 6중량%이하

텅스텐(W)은 기지의 고용강화를 통해 용접이음부의 강도를 향상시킬 수 있는 성분이다. 아울러, 상기 니오븀(Nb), 바나듐(V), 몰리브덴(Mo) 유사하게 석출경화를 일으키는 주요원소로서 작용하게 된다. 다만, W의 함량이 과도하면 그 효과가 포화되며, 인성 및 용접성 열화를 야기하고 강재의 제조원가를 현저히 증가시키게된다. 따라서, 상기 W의 함량은 6%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

Cu: 2중량%이하

구리(Cu)는 오스테나이트 형성원소이며, 용접이음부의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 다만, 상기 Cu가 2중량%를 초과하여 첨가되는 경우에는, 청열취성을 유발할 수 있고, 가격 경쟁력이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 Cu의 함량은 2중량%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

B: 0.01중량%이하

붕소(B)는 소량 첨가만으로도 고용강화를 통해 강도를 증가시키는 원소이며, 강도향상을 통해 내마모성을 향상시키는 강력한 원소이다. 그러나, 0.01중량%를 초과하는 경우에는 충격인성을 현저히 떨어뜨리게 될 수 있으므로, 상기 B의 함량은 0.01중량%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 제공되는 본 발명의 용접재료는 우수한 용접성을 가질 뿐만 아니라, -29℃에서 27J이상의 우수한 저온 충격인성을 확보할 수 있다. 나아가, ASTM(미국 재료 시험 협회)의 G65 규정에 따른 마모시험시 마모량이 2g 이하로서 높은 내마모특성을 갖는 용접이음부를 제공할 수 있으며, 이를 통해, 상기 물성이 매우 중요시되는 오일샌드 산업 분야 등에 매우 바람직하게 적용할 수 있다.

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

(실시예)

하기 표 1 및 2에 기재된 합금조성을 갖는 용접재료를 제조한 뒤, 상기 용접재료를 이용하여 헤드필드계 강재를 용접하여 파이프를 제조하였다. 상기 제조된 파이프의 용접이음부에 대하여 저온 충격인성 및 내마모성을 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 이 때, 상기 내마모성 평가는 ASTM(미국 재료 시험 협회)의 G65 규정에 따라 마모시험을 행한 뒤, 마모량을 측정하는 방식으로 이루어졌다. 한편, 오일 산업 분야에서 일반적으로 사용되고 있는 API-X70 강재의 마모량은 2.855g이다.

구분	합금조성(중량%)
구분	C	Mn	Si	Cr	P	S	N	Ni
발명예1	0.55	25	0.5	3	0.015	0.015	-	-
발명예2	0.7	25	1.2	3	0.005	0.005	-	-
발명예3	0.25	20	0.3	3	0.01	0.005	-	5
발명예4	0.15	15	0.2	3	0.015	0.01	-	10
발명예5	0.3	25	0.3	3	0.02	0.015	-	-
발명예6	0.12	25	0.5	3	0.015	0.015	0.25	-
발명예7	0.35	25	0.4	3	0.015	0.015	-	-
발명예8	0.4	25	0.2	3	0.015	0.015	-	-
발명예9	0.35	25	0.4	3	0.01	0.01	-	-
발명예10	0.35	25	0.3	3	0.015	0.01	-	-
발명예11	0.3	27	0.5	3	0.015	0.025	-	-
발명예12	0.3	24	0.4	3	0.01	0.01	-	-
발명예13	0.3	24	0.4	2	0.015	0.015	-	-
발명예14	0.25	25	0.3	6	0.015	0.015	-	-
발명예15	0.3	23	0.2	7	0.012	0.01	0.01	-
비교예1	0.15	15	0.15	3	0.002	0.015	-	16
비교예2	0.08	25	0.4	3	0.015	0.01	-	-
비교예3	0.3	25	0.4	3	0.015	0.015	-	-
비교예4	0.3	25	0.35	3	0.015	0.015	-	-
비교예5	0.3	23	0.35	3	0.015	0.01	-	-
비교예6	0.3	25	0.5	3	0.015	0.005	-	-
비교예7	0.05	25	0.6	3	0.015	0.015	0.5	-
비교예8	1.25	23	1.6	3	0.03	0.015	-	-

구분	합금조성(중량%)						물성
구분	V	Nb	Mo	W	Cu	B	충격인성(@-29℃)	마모량(g)
발명예1	-	-	-	-	-	-	70	1.25
발명예2	-	-	-	-	-	-	80	1.89
발명예3	-	-	-	-	1.8	-	84	1.43
발명예4	-	-	-	-	-	-	85	1.75
발명예5	-	-	-	-	-	-	32	1.15
발명예6	-	-	-	-	-	0.01	43	1.62
발명예7	5	-	-	-	-	-	35	1.17
발명예8	-	4	-	-	-	-	35	1.10
발명예9	-	-	4	-	-	-	37	1.15
발명예10	-	-	6.5	-	-	-	37	1.00
발명예11	-	-	-	1.5	-	-	62	1.30
발명예12	-	-	-	4	-	-	42	1.40
발명예13	-	-	-	-	-	-	29	1.33
발명예14	-	-	-	-	-	-	33	1.01
발명예15	-	-	-	-	-	-	35	0.91
비교예1	-	-	-	-	2.5	-	89	2.06
비교예2	-	-	-	-	-	-	18	0.81
비교예3	6.5	-	-	-	-	-	24	1.02
비교예4	-	6.5	-	-	-	-	21	0.99
비교예5	-	-	8.5	-	-	-	19	0.91
비교예6	-	-	-	7.5	-	-	26	1.50
비교예7	-	-	-	-	-	0.015	-
비교예8	-	-	-	-	-	-	-	-

상기 표 1 및 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명이 제안하는 합금조성을 만족하는 발명예 1 내지 15의 경우에는 우수한 용접성을 가질 뿐만 아니라 -29℃에서의 저온 충격인성이 27J이상으로서 매우 우수한 내충격성을 갖는 용접이음부를 제공할 수 있음을 확인할 수 있다. 나아가, 마모량이 2g이하로서 기존에 사용되던 API-X70 강재에 비하여 우수한 내마모성 또한 가지고 있음을 알 수 있다.

반면, 본 발명에 제안하는 합금조성을 만족하지 않는 비교예 1 내지 6의 경우에는 본 발명예들에 비하여 저온충격인성 또는 내마모성이 낮은 수준임을 알 수 있다. 한편, 비교예 7 및 8의 경우에는 불안정한 아크 발생이나 과도한 스패터 발생으로 인해 용접 자체가 곤란하였으며, 이로 인해 저온충격인성 및 내마모성 평가를 행할 수 없었다.

Claims

중량%로, C: 0.25~0.75%, Si: 0.2~1.2%, Mn: 15~27%, Cr: 2~7%, S: 0.025%이하, P: 0.020%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 용접시 -29℃에서 27J이상의 충격인성 및 ASTM(미국 재료 시험 협회)의 G65 규정에 따른 마모시험시 2g이하의 마모량을 갖는 용접이음부를 제공하는 것을 특징으로 하는 내충격성 및 내마모성이 우수한 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료.
청구항 1에 있어서,
상기 용접재료는 N: 0.4%이하를 추가로 포함하는 내충격성 및 내마모성이 우수한 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료.
청구항 1에 있어서,
상기 용접재료는 Ni: 10%이하를 추가로 포함하는 내충격성 및 내마모성이 우수한 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료.
청구항 1에 있어서,
상기 용접재료는 V: 5%이하, Nb: 5%이하, Mo: 7%이하 및 W: 6%이하를 추가로 포함하는 내충격성 및 내마모성이 우수한 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료.
청구항 1에 있어서,
상기 용접재료는 Cu: 2%이하를 추가로 포함하는 내충격성 및 내마모성이 우수한 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료.
청구항 1에 있어서,
상기 용접재료는 B: 0.01%이하를 추가로 포함하는 내충격성 및 내마모성이 우수한 서브머지드아크용접 및 가스금속아크용접용 용접재료.