KR101657831B1 - 내식성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부 - Google Patents

내식성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부 Download PDF

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Abstract

오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부가 개시된다. 본 발명의 일 실시형태는, 크롬(Cr): 19중량% 이상, 몰리브덴(Mo): 6중량% 이상 및 니켈(Ni): 17중량% 이상을 포함하는 한쌍의 오스테나이트계 스테인리스 강판을 맞대기 제살 용접하여 얻어진 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부에 있어서, 상기 용접금속부의 형상은 하기 식 1 및 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부를 제공한다.
[식 1]
Wbot>0
[식 2]
0.5*(Wtop+Wbot)/T≤1.5
(여기서, Wtop은 상면 비드 폭(mm), Wbot은 이면 비드 폭(mm), T는 강판의 두께(mm)를 의미함)

Description

내식성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부{WELD METAL JOINT OF AUSTENITIC STAINLESS STEEL HAVING EXCELLENT CORROSION RESISTANCE}
본 발명은 내식성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부에 관한 것이다.
일반적으로 스테인리스 강판은 화학 성분이나 금속 조직에 따라 분류되며, 금속 조직에 따라 스테인리스 강판을 분류할 경우, 오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계 등으로 분류된다.
이 중 오스테나이트계 스테인리스 강판은 내식성이 우수하다는 장점이 있는데, 특히 크롬(Cr): 19중량% 이상, 몰리브덴(Mo): 6중량% 이상, 니켈(Ni): 17중량% 이상을 함유하는 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스 강(S32050) 강판은 공식 저항지수가 매우 높아 내식성이 매우 우수하며, 이로 인해 발전소 복수기 튜브, 판형 열교환기 등의 소재로 널리 사용되고 있다.
이러한 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접에는 일반적으로, 별도의 용접 재료를 사용하지 않는 가스텅스텐아크용접(Gas Tungsten Arc Welding, GTAW), 레이저 용접(Laser Welding) 등의 제살용접과 용접 재료를 사용하는 가스메탈아크용접(Gas Metal Arc Welding, GMAW), 플럭스코어드아크용접(Flux Cored Arc Welding, FCAW), 서브머지드아크용접(Submerged Arc Welding, SAW) 등이 사용된다.
그런데, 이 중 제살용접에 의해 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스 강판을 용접할 경우, 용접에 의해 얻어진 용접금속부의 표면에 Cr 및 Mo의 금속간 화합물인 시그마(σ)상이 다량 형성되게 되며, 이로 인해 용접금속부는 용접 모재와 달리 내식성이 열위하게 나타나는 단점이 있다.
따라서, 기존에는 제살 용접 후, 고온 및 장시간의 용접후 열처리를 통해 용접금속부의 표면에 형성된 시그마(σ)상 제거를 시도하였다. 그런데, 용접금속부의 표면에 형성된 시그마(σ)상의 분율이 지나치게 높을 경우 이러한 고온 및 장시간의 용접후 열처리에 의하더라도 시그마상의 오스테나이트 기지 내 재고용이 용이하지 않은 문제가 있으며, 시그마(σ)상의 분율이 크게 높지 않아 재고용이 가능하다고 하더라도, 제품 생산성 저하의 문제가 있을 뿐만 아니라, 용접후 열처리에 의해 오스테나이트 결정립이 조대화되어 용접금속부의 강도가 저하되는 문제가 있었다.
한편, 용접재료를 사용하는 GMAW, FCAW, SAW에 의해 용접을 할 경우, 용접 재료의 성분계를 제어하여 용접금속부의 표면에 형성되는 시그마상의 분율을 제어할 수 있으나, 이를 위해서는 고Ni계(약 60중량% 이상의 Ni 함유) 용접재료를 사용하여야 하는 바, 제조 단가가 높은 단점이 있었다.
본 발명의 일 측면은, 내식성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는, 크롬(Cr): 19중량% 이상, 몰리브덴(Mo): 6중량% 이상 및 니켈(Ni): 17중량% 이상을 포함하는 한쌍의 오스테나이트계 스테인리스 강판을 맞대기 제살 용접하여 얻어진 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부에 있어서, 상기 용접금속부의 형상은 하기 식 1 및 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부를 제공한다.
[식 1]
Wbot>0
[식 2]
0.5*(Wtop+Wbot)/T≤1.5
(여기서, Wtop은 상면 비드 폭(mm), Wbot은 이면 비드 폭(mm), T는 강판의 두께(mm)를 의미함)
덧붙여, 상기한 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점 및 효과는 하기의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부는 내식성이 매우 우수한 장점이 있다.
도 1은 이미 부식이 발생한 오스테나이트계 스테인리스 강판 용접금속부의 표면을 관찰하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 용접금속부의 단면을 관찰하여 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1(강판의 두께: 0.71mm)에 있어서, 평균 비드 폭에 따른 상면 비드 표면의 시그마(σ)상의 면적분율을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1(강판의 두께: 0.71mm)에 있어서, 평균 비드 폭에 따른 무게 감소율을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 얻어진 용접금속부의 용접선을 기준으로 좌우 200㎛ 이내의 영역에서 상면 비드 표면을 관찰하여 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2(강판의 두께: 1.2mm)에 있어서, 평균 비드 폭에 따른 상면 비드 표면의 시그마(σ)상의 면적분율을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2(강판의 두께: 1.2mm)에 있어서, 평균 비드 폭에 따른 무게 감소율을 도시한 그래프이다.
도 1은 이미 부식이 발생한 오스테나이트계 스테인리스 강판 용접금속부의 표면을 관찰하여 나타낸 것이다. 도 1에서 부식이 발생한 영역을 경계로, 섬 형상을 이루고 있는 영역은 Cr 및 Mo의 금속간 화합물인 시그마(σ)상에 해당하며, 그 이외의 영역은 오스테나이트 기지에 해당한다. 도 1을 참조할 때, 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부에서의 부식은, 시그마(σ)상과 오스테나이트 기지의 경계에서 발생함을 알 수 있으며, 이는 시그마(σ)상의 주변부는 Cr 농도가 낮아, 즉 Cr 결핍으로 인해 부식에 취약하기 때문이다.
따라서, 오스테나이트계 스테인리스 강판 용접금속부의 내식성 향상을 위해서는, 상기 용접금속부 표면에 형성된 시그마(σ)상의 분율을 최대한 저감하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 용접금속부 표면에 형성된 시그마(σ)상의 분율을 저감하기 위한 방법으로는 모재의 성분계를 변경하거나, 용접 조건을 변경하거나, 용접후 열처리를 실시하는 등 다양한 방법이 있겠으나, 본 발명자들은 용접금속부의 형상 제어를 통해 시그마(σ)상의 분율을 저감하는 방안을 제안한다.
이하, 본 발명의 일 측면인 내식성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은, 크롬(Cr): 19중량% 이상, 몰리브덴(Mo): 6중량% 이상 및 니켈(Ni): 17중량% 이상을 포함하는 한쌍의 오스테나이트계 스테인리스 강판을 맞대기 제살 용접하여 얻어진 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부를 대상으로 한다. 다만, 상기 크롬, 몰리브덴 및 니켈의 함량이 상기의 함량보다 낮은 경우에도, 본 발명이 적용될 수 있으며, 단지 상기 원소들은 시그마(σ)상의 형성에 가장 크게 영향을 미치는 원소로써, 크롬, 몰리브덴 및 니켈의 함량이 상기와 같은 범위를 가질 경우, 용접금속부 표면에 과다한 시그마(σ)상의 형성에 의한 내식성 저하가 주로 문제가 될 수 있기 때문에 이러한 하한을 한정한 것 뿐이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 용접금속부의 단면을 관찰하여 나타낸 것이다. 도 2에서 비드의 폭이 넓은 부분을 상면 비드, 비드의 폭이 좁은 부분을 이면 비드로 정의한다. 또한, 상면 비드 폭(Wtop)이란, 용접금속부의 상면에서 용접금속부를 바라보았을 때, 용접금속부의 양 단부 간의 거리를 의미하며, 이면 비드 폭(Wbot)이란, 용접금속부의 이면에서 용접금속부를 바라보았을 때, 용접금속부의 양 단부 간의 거리를 의미한다. 즉, 용접금속부의 단차는 고려하지 않는다.
본 발명에 따른 용접금속부는, 그 형상이 하기 식 1을 만족하는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명은 완전 용입이 일어난 용접금속부를 대상으로 하는 것이며, 만약, Wbot=0인 경우, 불완전 용입의 문제가 있다.
[식 1]
Wbot>0
또한, 본 발명에 따른 용접금속부는, 그 형상이 하기 식 2를 만족하는 것이 바람직하다. 본 발명자들은 모재의 성분계를 변경하거나, 별도의 용접후 열처리를 수행하지 않으면서도, 용접금속부 표면에 형성된 시그마(σ)상의 분율을 저감하기 위한 방안에 대해 깊이 연구하던 중, 용접금속부의 형상, 그 중에서도 강판의 두께(T)에 대한 용접금속부의 평균 비드 폭(0.5*(Wtop+Wbot))의 비를 1.5 이하로, 보다 바람직하게는 1.4 이하로, 보다 더 바람직하게는 1.3 이하로 제어할 경우, 용접금속부 표면의 시그마(σ)상의 분율을 현저히 저감할 수 있음을 알아내었다. 이는 용융금속의 부피 감소로 인해 용융금속의 응고시 편석이 감소하며, 냉각속도 증가로 인해 시그마상 형성되기 전 용융금속의 응고가 완료되기 때문인 것으로 판단된다.
[식 2]
0.5*(Wtop+Wbot)/T≤1.5
한편, 상기와 같은 용접금속부의 형상은 다양한 방법에 의해 얻어질 수 있으며, 본 발명에서는 그 방법에 대해서는 특별히 한정하지는 않는다. 예컨대, 용접방법으로는 별도의 용접재료를 요하지 아니하는, 가스텅스텐아크용접(Gas Tungsten Arc Welding, GTAW), 레이저 용접(Laser Welding), 플라즈마 아크 용접(Plasma Arc Welding), 전자빔 용접(Electron Beam Welding, EBW) 중 어느 하나의 방법을 이용할 수 있으며, 만약 TIG 용접에 의해 용접금속부를 얻을 경우, 용접 전류, 용접 전압, 용접 전극과 시편 간의 거리, 용접 속도 등을 적절히 제어함으로써 상기와 같은 형상을 가지는 용접금속부를 얻을 수 있다. 이러한 조건들을 제어함으로써 상기 용접금속부의 형상을 얻는 것은 통상의 기술자에게 자명한 것으로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 용접금속부의 용접선을 기준으로 좌우 200㎛ 이내의 영역에서 상면 비드 표면의 시그마(σ)상의 면적분율이 2% 이하일 수 있다. 상기 상면 비드 표면의 시그마(σ)상의 면적분율이 낮을수록 내식성 향상에 도움이 되므로, 그 하한에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.
본 발명에서 용접 모재로 사용하는 오스테나이트계 스테인리스 강판의 합금 성분 및 그 조성 범위에 대해서는 상기의 크롬 및 몰리브덴 함량의 하한 외에는 특별히 한정하지 않는다. 다만 한가지 예를 든다면 상기 오스테나이트계 스테인리스 강판은 중량%로, 탄소(C): 0.2% 이하(0% 제외), 실리콘(Si): 0.8% 이하(0% 제외), 망간(Mn): 1.0% 이하(0% 제외), 인(P): 0.03% 이하(0% 제외), 황(S): 0.003% 이하(0% 제외), 크롬(Cr): 19~27%, 니켈(Ni): 17~25%, 몰리브덴(No): 6.0~7.0%, 질소(N): 0.15~0.30%, 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 것이 본 발명의 본지에 보다 부합할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부는 71℃의 10중량%의 FeCl3·6H2O 및 1중량%의 HCl을 함유하는 수용액에 24시간 동안 침지 후의 무게 감소량이 0.0016g/cm2 이하(0g/cm2 포함)로 내식성이 매우 우수하다는 장점이 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 1)
중량%로, 23%의 Cr, 22%의 Ni 및 6%의 Mo를 포함하는 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스 강판(두께: 0.71mm)을 용접을 위한 용접 모재(총 14쌍)로 준비하였다. 이후, 상기의 오스테나이트계 스테인리스 강판을 맞대기 제살 용접하여 총 14쌍의 시편을 얻었다. 이때, 모든 시편에 있어서 용접 방법은 GTAW로 동일하게 하였으며, 모든 시편은 식 1을 만족하였다. 다만, 용접 전류, 용접 전극과 시편 간의 거리, 용접 속도, 분위기 가스를 조절하여 평균 비드 폭을 서로 상이하게 제어하였다. 예를 들면, K=3.5인 시편은 용접 전류는 125A, 용접 전극과 시편 간의 거리는 1.5mm, 용접속도는 2mpm(meter per minute), 분위기가스는 3.5wt%N2+96.5wt%Ar의 조건으로 제어함으로써 확보할 수 있었다.
이후, 각각의 시편에 있어서, 용접금속부의 용접선을 기준으로 좌우 200㎛ 이내의 영역에서 상면 비드 표면의 시그마(σ)상의 면적분율을 측정하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 여기서, 시그마(σ)상의 면적분율은 SEM으로 촬영한 후, 이미지 분석 시스템(analysis)를 활용하여 분석하였다. 도 3을 참조할 때, 식 2를 만족할 경우, 시그마(σ)상의 면적분율이 2% 이하로 억제됨을 확인할 수 있다.
이후, 내식성 평가를 위해, 각각의 시편을 길이 25mm, 폭 50mm, 두께 25mm의 크기로 절단하고(여기서, 길이는 용접선 방향을 의미함), 상기 절단된 시편을 71℃의 10중량%의 FeCl3·6H2O 및 1중량%의 HCl을 함유하는 수용액에 24시간 동안 침지 후의 무게 감소율을 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4를 참조할 때, 식 2를 만족할 경우, 내식성이 매우 우수함을 확인할 수 있다.
한편, 도 5은 본 발명의 실시예 1에 따라 얻어진 용접금속부의 용접선을 기준으로 좌우 200㎛ 이내의 영역에서 상면 비드 표면을 관찰하여 나타낸 것이다. 도 5의 (a)는 식 2 값이 1.3인 경우이고, 도 5의 (b)는 식 2 값이 3.5인 경우에 해당한다.
( 실시예 2)
중량%로, 23%의 Cr, 22%의 Ni 및 6%의 Mo를 포함하는 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스 강판(두께: 1.2mm)을 용접을 위한 용접 모재(총 14쌍)로 준비하였다. 이후, 상기의 오스테나이트계 스테인리스 강판을 맞대기 제살 용접하여 총 14쌍의 시편을 얻었다. 이때, 모든 시편에 있어서 용접 방법은 GTAW로 동일하게 하였으며, 모든 시편은 식 1을 만족하였다. 다만, 용접 전류, 용접 전극과 시편 간의 거리, 용접 속도, 분위기 가스를 조절하여 평균 비드 폭을 서로 상이하게 제어하였다.
이후, 각각의 시편에 있어서, 용접금속부의 용접선을 기준으로 좌우 200㎛ 이내의 영역에서 상면 비드 표면의 시그마(σ)상의 면적분율을 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 여기서, 시그마(σ)상의 면적분율은 SEM으로 촬영한 후, 이미지 분석 시스템(analysis)를 활용하여 분석하였다. 도 6을 참조할 때, 식 2를 만족할 경우, 시그마(σ)상의 면적분율이 2% 이하로 억제됨을 확인할 수 있다.
이후, 내식성 평가를 위해, 각각의 시편을 길이 25mm, 폭 50mm, 두께 25mm의 크기로 절단하고(여기서, 길이는 용접선 방향을 의미함), 상기 절단된 시편을 71℃의 10중량%의 FeCl3·6H2O 및 1중량%의 HCl을 함유하는 수용액에 24시간 동안 침지 후의 무게 감소량을 측정하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7을 참조할 때, 식 2를 만족할 경우, 내식성이 매우 우수함을 확인할 수 있다.

Claims (3)

  1. 크롬(Cr): 19~27중량%, 몰리브덴(Mo): 6~7중량%, 니켈(Ni): 17~25중량%, 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 한쌍의 오스테나이트계 스테인리스 강판을 맞대기 제살 용접하여 얻어진 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부에 있어서,
    상기 용접금속부의 형상은 하기 식 1 및 2를 만족하고, 상기 용접금속부의 용접선을 기준으로 좌우 200㎛ 이내의 영역에서 상면 비드 표면의 시그마(σ)상의 면적분율이 2% 이하인 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부.
    [식 1]
    Wbot>0
    [식 2]
    0.5*(Wtop+Wbot)/T≤1.5
    (여기서, Wtop은 상면 비드 폭(mm), Wbot은 이면 비드 폭(mm), T는 강판의 두께(mm)를 의미함)
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 용접금속부는 71℃의 10중량%의 FeCl3·6H2O 및 1중량%의 HCl을 함유하는 수용액에 24시간 동안 침지 후의 무게 감소율이 0.0016g/cm2 이하(0g/cm2 포함)인 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부.
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Paulraj Sathiya 외 1명. Int. J. Adv. Manuf. Technol.(2011) 54:525-535

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KR20200101647A (ko) 2019-02-20 2020-08-28 한양대학교 산학협력단 슈퍼 오스테나이트계 스테인레스강

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