KR101657806B1 - 확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부 및 그 제조 방법 - Google Patents

확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소(C): 0.01~0.1중량%, 실리콘(Si): 0.05~0.7중량%, 망간(Mn): 0.2~3.0중량%, 몰리브덴(Mo): 0.1~2.0중량%, 티타늄(Ti): 0.01~0.15중량%, 니켈(Ni): 1.0~3.7중량%, 이트륨(Y): 0.02~0.2중량%, 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 실리콘(Si)에 대한 이트륨(Y)의 성분비(Y/Si)가 0.06~2.0 이고, 니켈(Ni)에 대한 이트륨(Y)의 성분비(Y/Ni)가 0.007~0.1인 확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부 및 그 제조 방법{WELD METAL JOINT HAVING EXCELLENT DUFFUSIBLE HYDROGEN REDUCING PROPERTIES AND MANUFACTUARING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 용접 금속부 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 저온균열의 원인이 되는 확산성수소량을 효과적으로 저감시킨 용접 금속부 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
강재를 용접 후 일정시간이 경과한 후 용접부에서 발생하는 저온균열 및 강재의 실제 구동 시에 발생하는 수소유기균열 저항성을 향상시키기 위해서는 용접금속 내에 존재하는 확산성수소량을 저감시키는 것이 필수적이다. 특히 고강도 해양구조용 후판 강재의 경우, 미량의 확산성수소에도 균열민감도가 일반 마일드 강재에 비해 훨씬 높은 것으로 보고되고 있다. 이는 후물 강재의 용접 시 필연적으로 야기되는 응고수축에 따른 높은 구속도와, 높은 강도 값 확보를 위해 미세조직 내 베이나이트와 같은 저온변태조직을 형성시키는 것이 불가피하기 때문에 저온균열 저항성이 낮아지는 것으로 간주되고 있다. 따라서 저온균열 저항성을 향상시키기 위해 용접 금속 내로 유입되어 균열 개시의 원인이 되는 확산성수소량을 효과적으로 저감시키는 것이 반드시 필요하다.
현재까지 확산성수소량 저감을 위하여 (비)금속탄화물 [TiC (비특허문헌 1 참조), NbC (비특허문헌 2 참조), VC (비특허문헌 3 참조)] 및 희토류 금속산화물 [Y2O3 (비특허문헌 4 참조)]의 활용가능성이 논의되어 왔지만, 해양구조용 후물 강판의 용접부 내에 수소원자와의 활성화에너지가 150 KJ/cm2 수준으로 높은 이트륨(Y) 기반의 복합 탄화물을 형성하여 확산성수소량을 효과적으로 저감하고, 저온균열 저항성을 향상시킨 사례는 전무하다.
F. G. Wei et al., ISIJ International 43 (2003) 539-547 H. Mohrbacher et al., Proceeding of Materials Science and Technology (2008) Pittsburgh, Pennsylvania 1744-1755 G. L. Spencer et al., Technical report, US Army Armament Research, Development and Engineering Center (1998) C. A. Lensing et al., Welding Research 83 (2004) 254
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 저온균열 저항성을 향상시키기 위해 용접금속 내로 유입되어 균열 개시의 원인이 되는 확산성수소량을 효과적으로 저감시킨 용접 금속부 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
한편, 본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 본 발명의 과제는 본 명세서의 내용 전반으로부터 이해될 수 있을 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 부가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
일 측면에서, 본 발명은 탄소(C): 0.01~0.1중량%, 실리콘(Si): 0.05~0.7중량%, 망간(Mn): 0.2~3.0중량%, 몰리브덴(Mo): 0.1~2.0중량%, 티타늄(Ti): 0.01~0.15중량%, 니켈(Ni): 1.0~3.7중량%, 이트륨(Y): 0.02~0.2중량%, 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 실리콘(Si)에 대한 이트륨(Y)의 성분비(Y/Si)가 0.06~2.0 이고, 니켈(Ni)에 대한 이트륨(Y)의 성분비(Y/Ni)가 0.007~0.1 인 확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부를 제공한다.
한편, 상기 용접 금속부는 이트륨-실리콘 복합 탄화물 및/또는 이트륨-니켈 복합 탄화물을 포함하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 이트륨-실리콘 복합 탄화물 및/또는 이트륨-니켈 복합 탄화물은 80㎛ 이하의 평균거리로 분산되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이트륨-실리콘 복합 탄화물 및/또는 이트륨-니켈 복합 탄화물의 수소원자와의 결합에너지는 140 KJ/mol 이상인 것이 바람직하다.
한편, 상기 용접 금속부는 미세조직이 면적분율로 60% 이상의 페라이트(Ferrite)와 40% 이하의 베이나이트(Bainite)를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 용접 금속부의 확산성수소량은 0.50ppm 이하인 것이 바람직하다.
한편, 상기 용접 금속부는 인(P): 0.002~0.01중량%, 보론(B): 0.0005~0.005중량%, 및 바나듐 (V): 0.002~0.015중량%로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것일 수 있다.
한편, 상기 용접 금속부는 해양구조용 강재의 용접 이음부인 것이 바람직하다.
다른 측면에서, 본 발명은 용접용 금속 재료를 이용하여 용접용 강재를 용접하는 단계; 및 상기 용접한 강재를 냉각하여 용접 금속부를 제조하는 단계를 포함하며, 제조되는 용접 금속부는 탄소(C): 0.01~0.1중량%, 실리콘(Si): 0.05~0.7중량%, 망간(Mn): 0.2~3.0중량%, 몰리브덴(Mo): 0.1~2.0중량%, 티타늄(Ti): 0.01~0.15중량%, 니켈(Ni): 1.0~3.7중량%, 이트륨(Y): 0.02~0.2중량%, 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 실리콘(Si)에 대한 이트륨(Y)의 성분비(Y/Si)가 0.06~2.0 이고, 니켈(Ni)에 대한 이트륨(Y)의 성분비(Y/Ni)가 0.007~0.1 인 확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부의 제조 방법을 제공한다.
한편, 상기 용접은 17.9~18.9 KJ/cm의 입열량으로 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉각은 10~13℃/s의 냉각속도로 수행되는 것이 바람직하다.
덧붙여, 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 의할 경우, 용접 금속부 내에 형성되는 이트륨 기반 복합 탄화물의 소수원자 비가역적 트랩 특성을 향상시킬 수 있으며, 그 결과 저온균열의 원인이 되는 확산성수소량을 효과적으로 저감시킨 용접 금속부가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 용접 금속부 내의 이트륨 기반 복합 탄화물의 성분, 크기 및 분포를 보여주는 사진이다.
도 2는 본 발명의 구현예에 따른 용접 금속부 내의 미세조직을 보여주는 사진이다.
도 3은 확산성수소량 측정을 위한 Thermal desorption spectroscopy (TDS) 결과를 비교하여 보여주는 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명자들은 연구를 거듭한 결과, 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 이트륨(Y) 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 특별한 성분비로 포함하되, 실리콘(Si)에 대한 이트륨(Y)의 성분비의 조건과 니켈(Ni)에 대한 이트륨(Y)의 성분비 조건을 제한하여 용접 금속부를 제조하는 경우, 용접 금속부 내에 형성되는 이트륨 기반의 복합 탄화물의 수소원자 비가역적 트랩 특성을 향상시킬 수 있으며, 그 결과 저온균열의 원인이 되는 확산성수소량을 효과적으로 저감시킬 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
구체적으로, 본 발명의 확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부는 탄소(C): 0.01~0.1중량%, 실리콘(Si): 0.05~0.7중량%, 망간(Mn): 0.2~3.0중량%, 몰리브덴(Mo): 0.1~2.0중량%, 티타늄(Ti): 0.01~0.15중량%, 니켈(Ni): 1.0~3.7중량%, 이트륨(Y): 0.02~0.2중량%, 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 실리콘(Si)에 대한 이트륨(Y)의 성분비(Y/Si)가 0.06~2.0 이고, 니켈(Ni)에 대한 이트륨(Y)의 성분비(Y/Ni)가 0.007~0.1 이다.
먼저, 본 발명의 용접 금속부를 구성하는 각 성분의 첨가 이유와 이들의 적절한 함량범위에 대하여 상세히 설명한다.
탄소(C): 0.01~0.1중량%
탄소는 용접 금속부의 강도 및 용접경화성을 확보하기 위하여 필수적인 원소이다. 그러나 탄소함량이 과량으로 포함되면 용접성이 크게 저하하고 용접부 저온균열이 발생하기 쉬우며, 용접 금속부 충격인성이 저하하는 문제점이 있다. 따라서, 탄소의 함량은 0.01~0.1중량%, 예를 들면 0.03~0.05중량% 정도인 것이 바람직하다.
실리콘(Si): 0.05~0.7중량%
실리콘은 이트륨과 결합하여 복합 탄화물을 형성시키는바, 본 발명에 필수적인 원소이다. 이러한 복합 탄화물을 형성시키기 위해서는 일정 함량 이상으로 포함되어야 하나, 너무 많이 포함되는 경우에는 저온충격인성을 저하시킬 뿐 아니라, 수소트랩으로 작용하는 Y-Si 복합 탄화물 내 Si의 분율이 상승하여 수소트랩 효율을 감소시켜, 결과적으로 확산성수소 저감능력을 약화시키는 문제점이 있는바 바람직하지 못하다. 따라서, 실리콘의 함량은 0.05~0.7중량%, 예를 들면 0.1~0.5중량% 정도인 것이 바람직하다.
망간(Mn): 0.2~3.0중량%
망간은 용접 금속부에서 탈산작용 및 강도를 향상시키는 필수원소로, 용접 금속부 인성개선에 유리한 페라이트의 생성을 촉진시키는 역할을 한다. 또한 망간은 기지조직내에 치환형 고용체를 형성하여 기지를 고용 강화시켜 강도 및 인성을 확보하는데, 이를 위해서는 일정 함량 이상으로 포함되어야 한다. 다만, 과량으로 포함되는 경우 저온변태조직을 생성시키기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서, 실리콘의 함량은 0.2~3.0중량%, 예를 들면 0.5~2.0중량% 정도인 것이 바람직하다.
몰리브덴(Mo): 0.1~2.0중량%
몰리브덴은 기지의 강도를 향상시키는 원소로서 일정 함량 이상은 필요하지만, 과량으로 포함되면 그 효과가 포화되고, 용접 경화성이 크게 증가하여 용접 저온균열 발생 및 인성을 저하시키기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서, 몰리브덴의 함량은 0.1~2.0중량%, 예를 들면 0.2~1.0중량% 정도인 것이 바람직하다.
티타늄(Ti): 0.01~0.15중량%
티타늄은 티타늄은 석출물을 형성하여 결정립의 성장을 억제한다. 결과적으로 조직 내 결정립을 미세화시키는 원소로, 너무 적게 포함되는 경우에는 결정립 성장에 따른 충격인성 저하의 문제점이 있으며, 과량으로 포함되는 경우에는 TiC의 형성이 이트륨 기반의 탄화물 형성을 제한하여, 수소트랩의 효율을 감소시키는 문제점이 있는바 바람직하지 못하다. 따라서, 티타늄의 함량은 0.01~0.15중량%, 예를 들면 0.025~0.08중량% 정도인 것이 바람직하다.
니켈(Ni): 1.0~3.7중량%
니켈 역시 이트륨과 결합하여 복합 탄화물을 형성시키는바, 본 발명에 필수적인 원소이다. 이러한 복합 탄화물을 형성시키기 위해서는 일정 함량 이상으로 포함되어야 하나, 너무 많이 포함되는 경우에는 수소트랩으로 작용하는 Y-Ni 복합 탄화물 내 Ni의 분율이 상승하여 수소트랩 효율을 감소시키는 문제점이 있는바 바람직하지 못하다. 따라서, 니켈의 함량은 1.0~3.7중량%, 예를 들면 2.2~3.2중량% 정도인 것이 바람직하다.
이트륨(Y): 0.02~0.2중량%
희토류 원소인 이트륨은 실리콘 또는 니켈과 결합하여 복합 탄화물을 형성시키며, 이러한 복합 탄화물은 수소의 트래핑 사이트로 작용하는바, 확산성수소량을 저감시켜준다. 이트륨의 함량이 너무 적은 경우에는 이트륨 탄화물의 형성이 제한될 수 있으며, 형성된 탄화물 내 이트륨의 성분율이 낮아, 수소트랩의 효율이 감소하는 문제점이 발생할 수 있으며, 과 포함 되는 경우에는 이트륨 기반의 탄화물의 크기가 조대하게 형성되어 균열 개시 및 균열 전파 저항성이 약화되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 이트륨의 함량은 0.02~0.2중량%, 예를 들면 0.1~0.15중량% 정도인 것이 바람직하다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 철강제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 철강제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
한편, 본 발명의 용접 금속부는 상술한 함량범위의 합금원소를 포함하는 것만으로도 충분한 효과를 얻을 수 있으나, 강도, 인성, 용접성 등과 같은 특성을 보다 향상시키기 위해서 인(P): 0.002~0.01중량%, 보론(B): 0.0005~0.005중량%, 및 바나듐 (V): 0.002~0.015중량%로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 추가적으로 첨가할 수 있다.
한편, 본 발명의 용접 금속부는 실리콘(Si)에 대한 이트륨(Y)의 성분비(Y/Si)가 0.06~2.0인 것이 바람직하며, 0.2~1.5인 것이 보다 바람직하다. 예를 들면, 이에 한정되는 것은 아니나, 0.3~0.8 정도일 수 있다. 본 발명자들의 연구에 의하면, 이트륨 및 실리콘을 이와 같은 성분비를 만족하도록 제어해야만 원하는 조건의 이트륨-실리콘 기반의 복합 탄화물의 형성이 가능하고, 그 결과 확산성수소량을 현저히 감소시킬 수 있었다.
구체적으로, 실리콘에 대한 이트륨의 성분비가 상기 범위보다 작은 경우에는 탄화물 내 이트륨의 성분율이 낮아져 수소트랩의 효율이 감소하고, 결과적으로 확산성 수소량 저감특성을 약화시키는 문제점이 있으며, 실리콘에 대한 이트륨의 성분비가 상기 범위보다 큰 경우에는 이트륨 기반의 조대한 탄화물이 형성되어, 용접부 내 균열 개시 및 전파 저항성이 약화되는 문제점이 있다.
또한, 본 발명의 용접 금속부는 니켈(Ni)에 대한 이트륨(Y)의 성분비(Y/Ni)가 0.007~0.1인 것이 바람직하며, 0.01~0.08인 것이 보다 바람직하다. 예를 들면, 이에 한정되는 것은 아니나, 0.03~0.068 또는 0.03~0.05 정도일 수 있다. 본 발명자들의 연구에 의하면, 이트륨 및 니켈을 이와 같은 성분비를 만족하도록 제어해야만 원하는 조건의 이트륨-니켈 기반의 복합 탄화물의 형성이 가능하고, 그 결과 확산성수소량을 현저히 감소시킬 수 있었다.
구체적으로, 니켈에 대한 이트륨의 성분비가 상기 범위보다 작은 경우에는 탄화물 내 이트륨의 성분율이 낮아져 수소트랩의 효율이 감소하고, 결과적으로 확산성 수소량 저감특성을 약화시키는 문제점이 있으며, 니켈에 대한 이트륨의 성분비가 상기 범위보다 큰 경우에는 이트륨 기반의 조대한 탄화물이 형성되어, 용접부 내 균열 개시 및 전파 저항성이 약화되는 의 문제점이 있다.
다음으로, 본 발명 용접 금속부 내에 형성되는 이트륨 기반 복합 탄화물에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 용접 금속부는 이트륨-실리콘 복합 탄화물 및/또는 이트륨-니켈 복합 탄화물을 포함하는 것이 바람직하며, 그 중 가장 바람직하게는 이트륨-실리콘 복합 탄화물 및 이트름-니켈 복합 탄화물을 모두 포함하는 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이들은 용접 금속부 내에서 트랩 사이트로 작용을 하는데, 종래에 연구되었던 이트륨 기반 복합 산화물에 비하여 높은 수소원자에 대한 활성화에너지를 가지는바, 수소원자를 트랩하는 효율이 매우 우수하다는 장점이 있다. 즉, 용접 금속부 내에 형성되는 이트륨-실리콘 복합 탄화물 및 이트륨-니켈 복합 탄화물의 경우 수소원자의 비가역적 트랩특성이 매우 우수하며, 결과적으로 저온균열의 원인이 되는 확산성수소량을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
한편, 본 발명에서 말하는 이트륨-실리콘 복합 탄화물은 이트륨(Y)-실리콘(Si)-탄소(C)를 포함하는 것을 의미하고, 이트륨-니켈 복합 탄화물은 이트륨(Y)-니켈(Ni)-탄소(C) 또는 이트륨(Y)-니켈(Ni)-실리콘(Si)-탄소(C)를 포함하는 것을 의미하며, 그 외에도 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 기타 다른 성분들이 이들에 혼입될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다 할 것이다.
한편, 상기 이트륨 기반 복합 탄화물들은 80㎛ 이하의 평균거리로 분산되어 있는 것이 바람직하다. 평균거리가 80㎛을 초과하여 분산되는 경우 수소원자들의 탄화물 계면에 트랩되는 효율 감소로 인해 확산성수소량 저감 특성이 저하될 수 있다.
한편, 상기 이트륨 기반 복합 탄화물들은 상술한 바와 같이 트랩 사이트로서의 역할을 수행하는데, 이때 수소원자와의 결합에너지는 140 KJ/mol 이상인 것이 바람직하며, 예를 들면 140~160 KJ/mol 정도일 수 있다. 높은 결합에너지는 수소 트랩 효율의 증가를 의미하는 것으로, 이 경우 확산성수소량 감소에 크기 기여할 수 있다. 한편, 트랩 사이트에서의 결합에너지는 Kissinger equation을 바탕으로 계산할 수 있으며, 이에 대한 자세한 내용은 H. E. Kissinger. Anal. Chem, 29 (1957), 1571. 을 참조할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 용접 금속부 내에 포함되는 이트륨 기반 복합 탄화물은 하기 도 1을 통하여 보다 구체적으로 알 수 있다. 하기 도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 용접 금속부에 포함되는 이트륨 기반 복합 탄화물의 성분, 크기 및 분포를 나타낸 것이다. 하기 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명 용접 금속부의 이트륨 기반 복합 탄화물들은 평균간격 80㎛ 이하로 분포되어 있는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명 용접 금속부의 미세조직에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 용접 금속부는 페라이트(Ferrite)/베이나이트(Bainite) 기반의 미세조직을 가지되, 면적분율로 60% 이상의 페라이트(Ferrite)와 40% 이하의 베이나이트(Bainite)를 포함하는 것이 바람직하다. 즉, 베이나이트(Bainite) 조직의 경우 확산성수소 트랩 사이트의 증가 및 균열전파 저항성을 약화시키므로 40% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 제안하는 용접 금속부의 미세조직은 하기 도 2를 통하여 보다 구체적으로 알 수 있다. 하기 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 용접 금속부의 미세조직을 전자현미경을 이용하여 촬영한 사진이다. 하기 도 2에서와 같이, 본 발명의 용접 금속부는 페라이트(Ferrite)/베이나이트(Bainite) 기반의 미세조직을 가지되, 면적분율로 60% 이상의 페라이트(Ferrite)와 40% 이하의 베이나이트(Bainite)를 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 조성, 복합 탄화물, 및 미세조직을 가지는 본 발명의 용접 금속부는 확산성수소량이 0.50ppm 이하인 것이 바람직하며, 예를 들면 0.35~0.45ppm 정도일 수 있다. 이와 같이 낮은 확산성수소량을 가지는 경우 저온균열을 효과적으로 방지할 수 있다. 한편, 확산성수소량은 Thermal desorption spectroscopy (TDS)를 이용하여 측정할 수 있으며, 구체적으로는 상기 스펙트럼 내의 첫 번째 피크의 탈착 속도(desorption rate)가 0.0002 ppm/s 이하로 감소하는 200℃까지의 온도 내에서 탈착 속도(desorption rate) 값을 누적하여 계산할 수 있다. TDS 실험의 기본원리는 시편을 장치 내에 장입 후 온도에 따른 수소량 방출 정도를 바탕으로 (비)확산성 수소량을 정량적으로 측정하는 것으로, X축은 시편을 장치 내에 장입 후 상승시키는 온도를 의미하고, Y축은 각 온도 하에서 시편으로부터 초당 방출되는 수소량을 의미한다.
한편, 본 발명에 의하여 제공되는 용접 금속부는 저온균열의 원인이 되는 확산성수소량을 저감시킬 수 있는바, 해양구조용 후판 강재의 용접 이음부로 용이하게 활용될 수 있다.
한편, 본 발명의 상기 용접 금속부는 통상의 용접 프로세스에 의해서 제조될 수 있다. 즉, 용접 후 상기와 같은 조성, 복합 탄화물, 및 미세조직을 가질 수 있도록 용접용 금속 재료 선택하고, 이를 이용하여 용접용 강재를 용접 및 냉각하여 제조할 수 있다.
이때, 상기 용접용 금속 재료는 특별히 한정되지 않으며, 용접 후 용접 금속부가 상기한 바와 같은 조성, 복합 탄화물, 및 미세조직을 가질 수 있는 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 제한되지 않는 일례로서, 탄소(C): 0.01~0.1중량%, 실리콘(Si): 0.05~0.7중량%, 망간(Mn): 0.2~3.0중량%, 몰리브덴(Mo): 0.1~2.0중량%, 티타늄(Ti): 0.01~0.15중량%, 니켈(Ni): 1.0~3.7중량%, 이트륨(Y): 0.02~0.2중량%, 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용접용 금속 재료를 사용할 수 있다.
또한, 상기 용접용 강재 역시 특별히 한정되지 않으며, 통상의 강재, 예컨대 해양구조용 후판 강재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 제한되지 않는 일례로서, 탄소(C): 0.01~1.0 중량%, 실리콘(Si): 0.1~1.0 중량%, 망간(Mn): 0.1~3.0 중량%, 인(P): 0.01 중량% 이하, 황(S): 0.01 중량% 이하, 몰리브덴(Mo): 0.01~2.0 중량%, 티타늄(Ti): 0.01~1.0 중량%, 알루미늄(Al): 0.001~0.1 중량%, 니켈(Ni): 0.001~3.0 중량%, 및 나머지 철(Fe)과 기타 불순물을 포함하는 용접용 강재를 사용할 수 있다.
이러한 용접용 금속 재료와 용접용 강재를 준비한 후에는, 당해 기술분야에 잘 알려진 아크용접(예컨대, 아르곤 가스를 차폐가스로 활용하여 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접)을 수행할 수 있으며, 그 후 냉각 과정을 거쳐 본 발명에서 제안하는 용접 금속부를 제조할 수 있다.
다만, 상기 용접은 17.9~18.9 KJ/cm의 입열량으로 수행되는 것이 바람직하며, 상기 냉각은 10~13℃/s의 냉각속도로 수행되는 것이 바람직하다. 높은 입열량은 용접 시 용착금속 내의 유동을 증가시켜, 조대한 크기의 복합 탄화물의 제거가 가능하게 해준다. 다만 19 KJ/cm를 초과하는 수준의 입열량은 용락 및 불균일한 용접비드를 야기할 수 있다. 또한, 제시된 범위를 벗어나는 높은 수준의 냉각속도는 미세조직 내의 베이나이트(Bainite)의 분율을 높이게 되며, 이 경우 확산성수소 트랩 사이트의 증가 및 균열전파 저항성을 약화시키므로 바람직하지 못하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
실시예
하기 표 1에서와 같은 조성(중량%)을 가지되(나머지 Fe), 하기 표 2에서와 같은 Y/Si의 성분비, Y/Ni의 성분비, 복합 탄화물간 거리를 가지도록 제어하여 하기와 같은 다양한 용접 금속부를 제조하였다. 이때, 복합 탄화물간의 거리는 화상분석기와 전자현미경을 이용하여 측정하였다.
한편, 용접용 금속 재료로는 C: 0.01~0.1중량%, Si: 0.05~0.7중량%, Mn: 0.2~3.0중량%, Mo: 0.1~2.0중량%, Ti: 0.01~0.15중량%, Ni: 1.0~3.7중량%, Y: 0.02~0.2중량%, 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물의 조성을 만족하는 재료 중 용접 후 용접 이음부가 하기 표 1에서와 같은 조성을 만족할 수 있는 것을 선택하여 사용하였다.
또한, 용접용 강재로는 C: 약 0.07wt%, Si: 약 0.3wt%, Mn: 약 1.5wt%, P: 약 0.008wt%, O: 약 0.02~0.35중량%, S: 약 0.0015wt%, Mo: 약 0.1wt%, Ti: 약 0.035wt%, Al: 약 0.07wt%, Ni: 약 0.05wt%, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물의 조성을 만족하는 것을 사용하였다.
한편, 용접은 아크용접(아르곤 가스를 차폐가스로 활용하여 TIG 용접)을 이용하여 하기 표 2에 나타낸 용접 조건으로 수행하였다. 이때, 용접 전 대상강재 표면에 존재하는 불순물을 제거하기 위해 표면을 그린딩(Grinding)을 수행하였으며, 용접 직후에는 준비된 (Ice) water bath 내에 장입 하여 냉각시켰다. 또한, 수소량 측정을 위해 TDS 장치 내에 장입 전, 확산성 수소의 방출을 억제시키기 위해, 액체질소 내에 보관하였으며, 장치 내에 장입 전 용접부 비드에 존재하는 불순물을 제거하기 위해 에탄올로 표면을 세척하였다.
구분 C Si Mn Mo Ti Ni Y P B V
비교예1 0.037 0.35 1.6 0.6 0.035 3.0 0.002 0.003 0.002 0.005
비교예2 0.04 0.29 1.56 0.57 0.039 2.2 0.015 0.003 0.003 0.004
비교예3 0.042 0.25 1.62 0.58 0.04 2.55 0.11 0.003 0.002 0.005
비교예4 0.04 0.24 1.55 0.6 0.037 2.7 0.13 0.004 0.002 0.004
비교예5 0.038 0.1 1.57 0.55 0.035 3.15 0.21 0.003 0.002 0.006
비교예6 0.043 0.28 1.57 0.59 0.042 1.3 0.14 0.005 0.002 0.007
발명예1 0.04 0.26 1.55 0.58 0.034 2.8 0.11 0.003 0.002 0.006
발명예2 0.035 0.25 1.60 0.58 0.036 3.0 0.10 0.003 0.002 0.005
발명예3 0.042 0.28 1.62 0.61 0.043 2.7 0.13 0.004 0.003 0.007
구분 용접입열량
(KJ/cm)		 냉각속도
(℃/s)		 Y/Si 조성비 Y/Ni 조성비 탄화물 간 거리
(㎛)
비교예1 18.5 10.5 0.0057 0.00067 -
비교예2 18.1 10.5 0.0517 0.0068 140
비교예3 17.1 10.5 0.44 0.0431 130
비교예4 18.1 14.5 0.54167 0.0482 88
비교예5 18.1 10.5 2.1 0.0667 78
비교예6 18.4 10.5 0.5 0.11 78
발명예1 18.5 10.5 0.4231 0.0393 75
발명예2 18.1 12 0.4 0.0330 77
발명예3 18.8 10.5 0.4643 0.0481 77
상기와 같은 조건을 만족하는 다양한 용접 금속부는 하기 표 3에 나타낸 바와 같은 미세조직, 활성화에너지, 활산성수소량을 가진다. 이때, 미세조직은 전자현미경을 통하여 확인할 수 있으며, 확산성수소량은 하기 도 3에서와 같이 Thermal desorption spectroscopy (TDS)를 이용하여 측정할 수 있고, 복합탄화물의 수소원자와의 활성화에너지는 TDS 데이터를 바탕으로, Kissinger equation을 통해 계산할 수 있다.
구분 미세조직 (비율) 활성화에너지 (KJ/mol) 확산성수소량 (wt.ppm)
비교예1 페라이트/베이나이트(60:40) - 0.9
비교예2 페라이트/베이나이트(62:38) 76 0.77
비교예3 페라이트/베이나이트(60:40) 145 0.6
비교예4 페라이트/베이나이트(10:90) 140 0.65
비교예5 페라이트/베이나이트(61:39) 125 0.58
비교예6 페라이트/베이나이트(60:40) 118 0.62
발명예1 페라이트/베이나이트(62:38) 145 0.37
발명예2 페라이트/베이나이트(65:35) 142 0.36
발명예3 페라이트/베이나이트(63:37) 147 0.38
상기 표 1 내지 표 3에서 볼 수 있듯이, 본 발명에서 제안하고 있는 조성 및 복합 탄화물의 조건을 만족하는 발명예에 따른 용접 금속부는 베이나이트 조직이 40% 이하인 페라이트/베이나이트 기반의 미세조직을 가진다. 또한, 본 발명에서 제안하고 있는 이트륨 기반의 복합 탄화물은 종래에 연구되었던 이트륨 기반의 복합 산화물에 비하여 높은 수준의 활성화에너지를 가지는바 수소원자의 비가역적 트랩특성이 우수하다는 것을 알 수 있으며, 결과적으로 확산성수소량의 저감 효과가 우수하다는 것을 알 수 있다.
한편, 비교예 1에 따른 용접 금속부와 같이, Y/Si 성분비 및 Y/Ni의 성분비가 0.01 미만으로 제어되는 경우에는, 복합 탄화물이 형성되지 못하며, 그 결과 확산성수소량의 저감 효과를 가질 수 없는 것을 알 수 있다.
또한, 비교예 2에 따른 용접 금속부와 같이, Y/Si 성분비가 0.6 미만이고, Y/Ni 성분비가 0.007 미만이며, 복합 탄화물간 평균거리가 100㎛을 초과하도록 제어되는 경우에는, 복합 탄화물이 낮은 활성화에너지를 가지며, 그 결과 확산성수소량 저감 효과가 미비한 것을 알 수 있다.
또한, 비교예 3 및 4에 따른 용접 금속부와 같이, 복합 탄화물의 평균거리가 80㎛을 초과하도록 제어되는 경우에는, 유사한 활성화에너지를 가짐에도 불구하고, 발명예에 따른 용접 금속부에 비하여 확산성수소량 저감 효과가 미비한 것을 알 수 있다.
또한, 비교예 5 및 6에 따른 용접 금속부와 같이, Y/Si 성분비가 2.0를 초과하도록 제어되는 경우, 또는 Y/Ni 성분비가 0.1을 초과하도록 제어되는 경우에는, 발명예에 따른 용접 금속부에 비하여 낮은 활성화에너지를 가지게 되며, 확산성수소량 저감 효과가 미비한 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (11)

  1. 탄소(C): 0.01~0.1중량%, 실리콘(Si): 0.05~0.7중량%, 망간(Mn): 0.2~3.0중량%, 몰리브덴(Mo): 0.1~2.0중량%, 티타늄(Ti): 0.01~0.15중량%, 니켈(Ni): 1.0~3.7중량%, 이트륨(Y): 0.02~0.2중량%, 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 실리콘(Si)에 대한 이트륨(Y)의 성분비(Y/Si)가 0.06~2.0, 니켈(Ni)에 대한 이트륨(Y)의 성분비(Y/Ni)가 0.007~0.1 이고,
    복합 탄화물을 포함하며, 상기 복합 탄화물은 80㎛ 이하의 평균거리로 분산되어 있는 확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 탄화물은 이트륨-실리콘 복합 탄화물 및 이트륨-니켈 복합 탄화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 탄화물의 수소원자와의 결합에너지는 140 KJ/mol 이상인 확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접 금속부는 미세조직이 면적분율로 60% 이상의 페라이트(Ferrite)와 40% 이하의 베이나이트(Bainite)를 포함하는 것인 확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접 금속부의 확산성수소량은 0.50ppm 이하인 확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접 금속부는 인(P): 0.002~0.01중량%, 보론(B): 0.0005~0.005중량%, 및 바나듐 (V): 0.002~0.015중량% 로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것인 확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접 금속부는 해양구조용 강재의 용접 이음부인 확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부.
  9. 용접용 금속 재료를 이용하여 용접용 강재를 용접하는 단계; 및
    상기 용접한 강재를 냉각하여 용접 금속부를 제조하는 단계를 포함하며,
    제조되는 용접 금속부는 탄소(C): 0.01~0.1중량%, 실리콘(Si): 0.05~0.7중량%, 망간(Mn): 0.2~3.0중량%, 몰리브덴(Mo): 0.1~2.0중량%, 티타늄(Ti): 0.01~0.15중량%, 니켈(Ni): 1.0~3.7중량%, 이트륨(Y): 0.02~0.2중량%, 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 실리콘(Si)에 대한 이트륨(Y)의 성분비(Y/Si)가 0.06~2.0, 니켈(Ni)에 대한 이트륨(Y)의 성분비(Y/Ni)가 0.007~0.1이고, 복합 탄화물을 포함하며, 상기 복합 탄화물은 80㎛ 이하의 평균거리로 분산되어 있는 확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 용접은 17.9~18.9 KJ/cm의 입열량으로 수행되는 것인 확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부의 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉각은 10~13℃/s의 냉각속도로 수행되는 것인 확산성수소량 저감특성이 우수한 용접 금속부의 제조 방법.
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