KR101657825B1

KR101657825B1 - 고망간강용 tig 용접 재료

Info

Publication number: KR101657825B1
Application number: KR1020140188144A
Authority: KR
Inventors: 한일욱; 이봉근; 이상철; 김정길
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2016-09-20
Also published as: KR20160078621A

Abstract

본 발명은 TIG 용접에 사용되는 용접 재료에 관한 것으로서, 특히 고망간 강재의 용접에 사용되는 TIG 용접 재료에 관한 것이다.

Description

고망간강용 TIG 용접 재료{TUNGSTEN INERT GAS WELDING MATERIAL FOR HIGH MANGANESE STEEL}

최근 액화천연가스(Liquified Natural Gas, LNG) 수요의 폭발적 증가로 인해 극저온의 LNG 수송설비, 보관설비 및 저장 탱크에 대한 폭발적인 수요가 일어나고 있다. 상기 LNG를 수송하거나 저장하는 설비나 탱크는 필연적으로 LNG 기화 온도인 -162℃ 이하의 온도에서 충격에 충분히 견딜 수 있는 구조로 이루어져야만 한다. 이를 위해 극저온 온도에서의 충격인성이 높은 소재가 사용되고 있으며, 대표적으로는 9% Ni강, 스테인리스 스틸(STS), Al 등이 있다.

그러나, Al의 경우 낮은 인장강도로 인해 두꺼운 후판을 사용해야 하며 용접성이 불량하다는 문제점이 있다. 9% Ni강과 STS의 경우에는 고가의 Ni 함유량이 높은 문제로 인해 Ni 대비 저가의 오스테나이트 한정화 원소인 Mn을 이용한 고망간(Mn)강이 주목받고 있다. 상기 고망간강은 LNG 수송 내지 자장을 위한 설비나 탱크에 사용되는 9% Ni강, STS 등을 대체하기 위해, 다량의 Mn을 첨가시킨 강으로 극저온에서도 안정한 오스테나이트 조직을 형성해 추가 열처리 등이 필요하지 않고 용접시 열영향부(HAZ)에서 인성 열화가 없는 특성을 보유하고 있는 것으로 알려져 있다.

전술한 요구를 만족하기 위해서는 극저온 영역인 -192℃ 이하에서 용접 구조물의 안정성이 확보되어야 하며, 특히 27J 이상의 충격인성을 갖는 용접이음부 확보가 필수적이며, 상온 항복강도가 360MPa 이상을 갖는 용접이음부의 확보가 필요하다.

상기 용접이음부를 확보하기 위해서, 플럭스 코어드 와이어 및 서브머지드 용접 와어는 제안되고 있으나, 고망간강을 이용한 LNG 배관, 피팅(fitting)재 제작 및 배관재간 용접 등에 사용되는 TIG 용접(또는 GTAW라고 함)용 소재는 아직 개발되지 않고 있다.

본 발명의 일측면은 극저온 환경에서도 우수한 저온 충격인성을 가지며, 높은 강도를 갖는 용접 이음부를 확보하기 위한 용접 재료로서, 고망간 강재의 TIG 용접시 사용되는 용접 재료를 제공하고자 하는 것이다.

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

본 발명의 일태양은 중량%로, C: 0.1~0.4%, Mn: 18~26%, Si: 0.1~0.6%, P: 0.02% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물를 포함하는 고망간강용 TIG 용접 재료를 제공한다.

본 발명은 극저온 환경에서도 우수한 저온 충격인성을 확보하고, 높은 강도를 갖는 TIG 용접 이음부를 제공할 수 있다.

일반적으로 후판 판재(6mmt 이상)의 경우 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)으로 용접을 진행할 수 있으나, 배관 및 피팅(fitting)재를 만들기 위해서는 6mmt보다 두께가 ?은 판재를 파이프 형태로 가공하여 심(Seam)부위를 용접하게 된다. 그리고, 이러한 배관을 서로 붙이기 위해서 맞대기 거스(girth) 용접을 실시하게 되는데, 배관 제조 및 현장 설치를 위해서는 이러한 용접을 진행하여야 한다. 그러나, FCAW와 같은 용접을 활용하게 되면 입열량이 높아서 용락과 같은 문제가 빈번히 발생하게 되고, 그렇다고, 입열량를 더 낮추게 되면 냉접과 같은 미접합부 발생이 급격히 증가되는 경향이 있다. 이러한 이유로 상기 배관 및 피팅을 만들기 위한 박판의 용접시에는 입열량이 매우 낮으면서 용락없이 이면 비드를 양호하게 하는 TIG 용접이 적용될 수밖에 없는 상황이다. 이에 본 발명자들은 극저온 고망간강에 적합한 TIG 용접용 용접 재료가 필요하는 것을 인지하고 본 발명을 도출하게 되었다.

TIG 용접 (Tungsten Inert Gas Welding)은 Ar, He 등과 같은 불활성 가스를 실드(shield) 가스로 사용하면서 비소모성 전극인 텅스텐 전극과 모재 사이에서 발생시킨 아크열로 모재와 용접 재료를 용융시켜 접합하는 용접 방법을 말한다. 실드 가스로는 모재와 텅스텐 용접봉의 산화를 방지하기 위하여 불활성 가스인 Ar이나 He 등을 사용한다.

상기 고망간강은 극저온 환경에서 사용되는 배관 라인, 피팅(fitting), 등에 사용되는 것으로서, -196℃에서 27J/㎜ 이상의 충격인성을 나타내는 판재로서, 그 종류는 다양하나, 일예로는 Mn이 약 24중량%, C이 약 0.4중량%, Cr이 약 4중량%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재가 있다.

본 발명의 용접재료는 중량%로, C: 0.1~0.4%, Mn: 18~26%, Si: 0.1~0.6%, P: 0.02% 이하, S: 0.01% 이하를 포함한다. 이하, 각 합금원소의 특성 및 조성범위에 대해 상세히 설명한다.

탄소(C): 0.1~0.4중량%

탄소는 용접이음부의 강도를 확보하고, 용접이음부의 극저온 충격인성을 확보할 수 있는 오스테나이트 안정화 원소로서 현존하는 가장 강력한 원소이며, 본 발명에서는 필수적인 원소이다. 탄소 함량의 하한은 0.1 중량%로 한정하여도 충분하다. 그러나 탄소의 함량이 0.4 중량%를 초과하면 용접시 이산화탄소 가스 등이 발생하여 용접이음부에 결함을 유발할 수 있으며, 망간, 크롬 등의 합금원소와 결합하여 MC, M₂₃C₆ 등의 카바이드를 생성하여 저온에서 충격인성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서 탄소의 함량은 0.1~0.4중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

망간(Mn): 18~26중량％

망간은 저온 안정상인 오스테나이트를 생성시키는 주요 원소로서, 본 발명에서 필수적으로 첨가되어야 하는 원소이며 니켈에 비해 매우 저렴한 원소이다. 만일 망간의 함량이 18중량% 미만인 경우에는 충분한 오스테나이트가 생성되지 않아 극저온에서 인성이 매우 낮게 된다. 반면에 망간의 함량이 26중량%를 초과하는 경우에는 편석이 과다하게 발생하고 고온균열이 유발되며, 유해한 흄(Fume)이 발생될 수 있다. 따라서 망간의 함량은 18~26중량% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

실리콘(Si): 0.1~0.6중량％

실리콘은 용접이음부내의 탈산효과 및 용접비드의 퍼짐성을 위해서 첨가시키는 원소이다. 이러한 실리콘의 함량이 불충분(0.1중량% 미만)하면 용접이음부의 유동성을 저하시킬 수 있으며, 반면에 실리콘의 함량이 0.6중량%를 초과하는 경우에는 용접이음부내의 편석 등을 유발하여 저온 충격 인성을 저하시키고 용접균열감수성에 악영향을 미치는 문제점이 있다. 따라서 본 발명에서는 상기 실리콘의 함량을 0.1~0.6중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S): 0.01중량% 이하

황은 MnS 복합석출물을 석출시키는 원소이나, 그 함량이 0.01중량%를 초과하는 경우에는 FeS 등의 저융점화합물을 형성시켜 고온균열을 유발시킬 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.

인(P): 0.02중량% 이하

인은 저온인성에 영향을 미치는 원소로서 결정입계에 취화한 인화합물을 생성시키므로, 그 상한을 0.02 중량%로 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 추가적으로 Cr: 4% 이하, Ni: 8% 이하, Mo: 8% 이하, Cu: 4% 이하 등을 더 포함할 수 있다.

크롬(Cr): 4중량% 이하,

크롬은 페라이트 안정화 원소로서 일정함량의 크롬을 통해 용접이음부내에 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 낮출 수 있는 장점을 가지고 있으며, 강도도 향사시키는 원소이다. 그러나, 첨가하지 않아도 기존 C나 Mn에 의해 기지가 오스테나이트로 유지될 수 있으므로 반드시 포함되어야 할 필요는 없다. 다만, 크롬의 함량이 4중량%를 초과하는 경우에는 용접이음부 내에 크롬계 탄화물이 과도하게 생성되어 극저온 인성이 저하되는 문제가 있다.

니켈(Ni): 8중량％ 이하

니켈은 본 발명에서 선택적으로 함유되는 원소로서, 오스테나이트 안정화 원소로 첨가되는 성분이다. 니켈을 첨가하게 되면 저온 충격인성은 매우 빠른 속도로 증가하게 되는데 이는 용접이음부내의 Stacking Fault Energy를 높이는 역할을 하기 때문이며, 이에 따라 저온 충격인성을 증가시킨다. 반면에 니켈은 강도를 저하시키는 원소일 뿐만 아니라 용접재료의 가격을 증가시키는 원소이므로 8중량% 이하로 유지하는 것이 보다 바람직하다.

몰리브덴(Mo): 8중량% 이하

몰리브덴은 기지의 강도를 향상시킬 수 있는 원소이며, 또한 오스테나이트계 용접재료에서 시공시에 고액공존 구간을 좁혀 고온 크랙(Crack) 발생을 억제하는 역할을 할 수 있다. 다만, 몰리브덴의 함량이 8중량%를 초과하는 경우에는 몰리브덴 탄화물이 과도하게 생성되어 극저온 인성을 저하시키는 단점이 있다. 따라서 몰리브덴의 함량은 8중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

구리(Cu): 4중량％ 이하

구리도 니켈과 비슷하게 오스테나이트 안정화 원소로 첨가되어지는 성분이다. 구리을 첨가하게 되면 저온 충격인성은 매우 빠른 속도로 증가하게 된다. 그러나, 균열민감도가 높아지게 되는데, 이로 인해서 4중량% 이하로 유지하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 본 발명은 Nb와 Ti의 합이 0.5중량% 이하로 포함될 수 있다.

니오븀(Nb)및 타이타늄은 산화물 혹은 질화물의 형태로 용접이음부로 들어가게 된다. 그런데 이들 산화물 혹은 질화물(혹은 탄질화물)은 결정립내에 존재하게 되며, 고온에서 응고시 핵생성사이트로 작용하여 오스테나이트의 결정입을 작게 만드는 역할을 하게 된다. 또한 산화물 및 질화물(혹은 탄질화물)은 조직내에서 강도를 향상시키는 역할을 하게 된다. 그러나, 니오븀 및 타이타늄인 다량 함유된 경우에는 충격 인성을 저하시키게 되는데, 만일 0.5중량%를 초과할 경우 강도향상효과는 크지만 저온인성을 저하시키는 원인으로 작용할 수있다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 상기 니오븀(Nb)및 타이타늄(Ti) 중 선택된 1종 이상의 함량을 0.5중량% 이하 범위로 제한함이 바람직하다.

나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함한다. 상술한 합금 성분은 본 발명 용접 와이어에 바람직하게 적용될 수 있는 합금 조성범위이며, 이로 인해 다른 합금 성분의 첨가를 배제하는 것은 아니다.

본 발명의 용접 재료는 와이어, 분말 등의 다양한 형태를 갖는다. 본 발명의 용접 재료는 외피만으로 이루어지기도 하고, 외피와 솔리드 와이어를 갖는 형태, 외피내에 플럭스를 포함하는 형태, 외피에 솔리드와 플럭스를 모두 포함하는 형태 등이 될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아님에 유의할 필요가 있다.

(실시예)

하기 표 1의 조성을 갖는 선경 2.4㎜의 와이어 형태의 용접 재료를 준비한 후, 상기 용접 재료를 이용하여 TIG 용접을 실시하였다. 이때 사용된 모재는 극저온 배관 제작에 사용되는 판재이며, -196℃에서 27J/mm 이상의 충격인성을 나타내는 판재로서, Mn함량은 24중량% 내외 C함량은 0.4중량% 내외, Cr함량이 4중량%내외를 포함하는 강재이다.

한편, 상기 TiG 용접시 용접 전류는 220A, 용접속도는 25㎝/min, 실드가스로는 아르곤(Ar) 가스를 사용하여 이를 6l/min의 속도로 공급하였다.

한편, 상기 용접을 행한 후, 용접이음부에 대한 기계적 특성을 평가하기 위해서, 샤르피 충격인성 시험(-196℃)을 실시하여 그 결과(J/㎜)를 하기 표 1에 나타내었으며, 용접이음부의 항복강도를 측정하여 그 결과를 표 1에 함께 나타내었다.

구분	조성(중량%)											충격인성(J/㎜)	항복강도(MPa)
구분	C	Mn	Si	Cr	P	S	Ni	Mo	Cu	Nb	Ti	충격인성(J/㎜)	항복강도(MPa)
비교예 1	0.05	17	0.36	0	0.012	0.008	0	0	0	0	0	21	615
비교예 2	0.2	20	0.4	6	0.011	0.009	0	0	3	0	0.5	26	435
비교예 3	0.2	26	0.7	0	0.009	0.008	0	0	0	0	0	균열발생	-
비교예 4	0.2	19	0.3	2	0.012	0.008	0	10	0	0	0.5	24	489
비교예 5	0.2	21	0.4	4	0.011	0.011	0	0	5	0	0.5	균열발생	-
비교예 6	0.2	21	0.2	0	0.013	0.008	10	6	0	0	0.5	75	342
비교예 7	0.2	21	0.4	4	0.011	0.009	4	4	0	0.5	0.5	19	475
발명예 1	0.2	26	0.1	0	0.009	0.008	0	0	0	0	0	54	371
발명예 2	0.4	18	0.3	0	0.009	0.008	0	0	0	0	0	62	382
발명예 3	0.2	25	0.6	2	0.011	0.009	0	0	0	0	0	48	392
발명예 4	0.2	25	0.6	2	0.011	0.009	0	0	0	0.5	0	38	402
발명예 5	0.2	21	0.4	4	0.011	0.009	0	0	3	0	0.5	32	394
발명예 6	0.2	19	0.3	2	0.012	0.008	4	4	0	0	0.5	46	415
발명예 7	0.1	26	0.2	4	0.013	0.009	8	6	0	0	0.5	39	425
발명예 8	0.2	21	0.3	4	0.012	0.009	4	8	0	0.25	0.25	42	418

상기 표 1의 결과에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 조성을 만족하는 발명예로 제작된 TIG 용접 이음부에서는 -196℃에서 27J/㎜ 이상의 충격인성을 가지며, 360MPa 이상의 항복강도를 갖는 것을 확인할 수 있었다.

그러나, 본 발명의 조건을 만족하지 못하는 비교예에서는 본 발명의 충격인성을 만족하지 못하거나, 충격인성을 만족하더라도 항복강도를 확보하지 못하는 것을 확인할 수 있었다.

Claims

중량%로, C: 0.1~0.4%, Mn: 18~26%, Si: 0.1~0.6%, P: 0.02% 이하, S: 0.01% 이하, Cr: 4% 이하, Ni: 8% 이하, Mo 8% 이하, Cu: 4% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물를 포함하는 고망간강용 TIG 용접 재료.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 용접 재료는 Nb 및 Ti 중 1 종 이상이 0.5% 이하로 더 포함하는 고망간강용 TIG 용접 재료.
청구항 1 또는 3의 용접 재료를 이용하여 용접된 TIG 용접 이음부는 -196℃에서 27J/㎜ 이상의 충격 저온 인성을 가지며, 360MPa 이상의 항복강도를 갖는 고망간강용 TIG 용접 재료.