KR101874218B1 - 용접 조인트 - Google Patents

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히로유키 히라타
요시타카 니시야마
히로카즈 오카다
신노스케 구리하라
유헤이 스즈키
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Abstract

우수한 내메탈더스팅을 갖는 용접 조인트를 제공한다. 용접 조인트는, 질량%로, Cr:15.0~30.0%, 및 Ni:40.0~70.0%를 포함하는 화학 조성을 갖는 용접 재료를 이용하여 용접된 용접 조인트로서, 화학 조성이, 질량%로, C:0.03~0.075%, Si:0.6~2.0%, Mn:0.05~2.5%, P:0.04% 이하, S:0.015% 이하, Cr:16.0%를 초과하고 23.0% 미만, Ni:20.0% 이상 30.0% 미만, Cu:0.5~10.0%, Mo:1% 미만, Al:0.15% 이하, N:0.005~0.20%, O:0.02% 이하, Ca:0~0.1%, REM:0~0.15%, V:0% 이상 0.5% 미만, Nb:0~2%, 잔부:Fe 및 불순물인 모재와, 질량%로, Fe 함유량이 10~40%인 화학 조성을 갖는 초층 용접 금속을 구비하다.

Description

용접 조인트{WELDED JOINT}
본 발명은, 용접 조인트에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 뛰어난 내(耐)메탈더스팅성을 갖는 용접 조인트에 관한 것이다.
수소, 메탄올, 액체 연료(GTL: Gas to Liquids)나 디메틸에테르(DME)와 같은 클린 에너지의 연료는, 앞으로의 대폭적인 수요 증가가 예상된다. 이들 합성 가스 제조에 없어서는 안 될 개질 장치에는 대형이고 열효율이 높은, 양산에 적합한 것이 바람직하다. 또, 종래의 석유 정제나 석유 화학 플랜트 등에 있어서의 개질 장치나 석유 등을 원료로 하는 암모니아 제조 장치, 수소 제조 장치 등에 있어서는, 에너지 효율을 높이기 위해서 폐열 회수를 위한 열교환이 다용되게 되었다.
이와 같은 고온 가스의 열을 유효 활용하기 위해서는, 종래 대상이 되어 왔던 것보다도 낮은, 400~800℃의 온도역에 있어서의 열교환이 중요해지게 되었다. 이 온도역에 있어서 반응관이나 열교환기 등에 사용하는 고Cr-고Ni-Fe 합금계 금속 재료의 침탄 현상에 따른 부식이 문제가 되어 오고 있다.
통상, 상술한 바와 같은 반응 장치에서 제조되는 합성 가스, 즉 H2, CO, CO2, H2O 및 메탄 등의 탄화수소를 포함하는 가스는, 반응관 등의 금속 재료와 1000℃ 또는 그 이상의 온도에서 접하고 있다. 이 온도역에 있어서 금속 재료의 표면에서는, Fe이나 Ni 등보다도 산화 경향이 큰 Cr이나 Si 등의 원소가 선택적으로 산화되고, 산화 Cr이나 산화 Si 등의 치밀한 피막이 형성됨으로써, 부식이 억제된다. 그런데, 열교환 부분 등, 상대적으로 온도가 낮은 부분에 있어서는, 금속 재료의 내부로부터 표면으로의 원소의 확산이 불충분해지므로, 부식 억제 효과가 있는 산화 피막의 형성이 늦어진다. 또한, 탄화수소를 포함하는 조성의 가스는 침탄성으로 변화되기 때문에 금속 재료 표면으로부터 C가 침입하여 침탄이 발생한다.
에틸렌 분해로관 등에 있어서는, 침탄이 진행되어, Cr이나 Fe 등의 탄화물로 이루어지는 침탄상이 형성되면 그 부분의 체적이 팽창된다. 그 결과, 미세한 균열이 발생하기 쉬워져, 최악의 경우에는 사용중인 관이 파단된다. 또, 금속 표면이 노출되면, 표면에서 금속을 촉매로 한 탄소 석출(코킹)이 발생해, 관내 유로 면적의 감소나 전열 특성의 저하를 수반한다.
원유의 증류로부터 얻어진 나프타의 옥탄가를 높이는 접촉 분해로의 가열로관 등에 있어서도 탄화수소와 수소로 이루어지는 침탄성이 엄격한 환경이 되어, 침탄이나 메탈더스팅이 발생한다.
이와 같은 균열, 손모나 관내 폐색이 확대되면, 장치 고장 등이 발생하여, 조업 중단에 이를 우려가 있어, 장치 부재로서의 재료 선정에 충분한 배려가 필요하다.
이와 같은 침탄이나 메탈더스팅에 의한 부식을 방지하기 위해서, 종래부터, 다양한 대책이 검토되어 왔다.
종래, 이와 같은 장치 부재로서, 고Cr-고Ni-Fe 합금이 이용되고 있다. 예를 들면, 일본국 특허 공개 2001-107196호 공보에는, 화학 조성을 규정함과 더불어, Si, Cu 또는 S의 함유량과 Nb, Ta, Ti 및 Zr의 함유량의 관계, 및 Ni, Co 및 Cu의 함유량의 관계를 일정 범위로 규정한 용접 조인트가 개시되어 있다. 이 문헌에서는, 이 용접 조인트는 황산 환경하에서의 내식성 및 내용접 균열성이 우수한 것으로 되어 있다. 그러나, 이 용접 조인트는, Si 함유량이 적기 때문에, 메탈더스팅이 발생하는 환경하에서의 사용은 곤란하다.
일본국 특허 공개 2002-235136호 공보에는, Al을 적극적으로 함유시킴과 더불어, 입계 용융량과 입계 고착력의 관계를 규정한 Ni기 내열 합금 용접 조인트가 개시되어 있다. 이 문헌에서는, 이 용접 조인트는 내침탄성 및 고온 강도가 우수한 것으로 되어 있다. 그러나, 이 용접 조인트는, 내메탈더스팅성을 확보하기 위해서 Si 함유량을 늘리면, 용접 응고 균열이 발생하기 쉬워져, 내메탈더스팅성과 내용접 응고 균열성을 양립하는 것이 곤란하다.
국제 공개 제2009/107585호에는, Si 및 Cu 함유강에 대해, C를 높임으로써 용접열 영향부(이하, HAZ)에 발생하는 균열 감수성의 저감을 도모한 금속 재료가 제안되어 있다. 그러나, 고C 첨가는 용접시에 발생하는 응고 균열 감수성을 높이는 것 외에 크리프 연성의 저하도 초래한다.
일본국 특허 공개 2007-186727호 공보 및 일본국 특허 공개 2007-186728호 공보에는, P, S, Sb 및 Bi의 1종 혹은 2종 이상을 적정량 함유시킴으로써, 가스 해리성 흡착(가스/금속 표면 반응)을 억제하는 것이 제안되어 있다. 이들 원소는 금속 표면에 편석되므로, 과잉으로 첨가하지 않아도, 침탄이나 메탈더스팅 부식을 큰 폭으로 억제할 수 있다. 그러나, 이들 원소는 금속 표면뿐만 아니라 금속 결정립의 입계에도 편석되기 때문에, 열간 가공성이나 용접성에 과제가 남는다.
국제 공개 제2012/524983호에는, Si 및 Cu 함유강에 대해, C 함유량을 제한함으로써 응고 균열 감수성을 저감하고, 또한 Ti 및 Al 함유량을 제한함으로써 HAZ 균열 감수성을 저감한 금속 재료가 제안되어 있다. 그러나, 이 문헌에서는, 금속 재료를 용접하여 구조물로서 만들기 위해서 필요한 용접 재료에 대해서 개시되어 있지 않다.
일본국 특허 공개 2006-45597호 공보에는, Ti를 적정 첨가함으로써, Si의 악영향을 저감한 용접 재료 및 그것을 이용한 용접 조인트가 제안되어 있다.
그러나, 모재 및 용접 재료의 각각의 내메탈더스팅성을 확보할 수 있었다고 해도, 용접 조인트를 제작했을 때, 용접의 조건에 따라서는 용접 금속의 내메탈더스팅성을 확보할 수 없는 경우가 있는 것이, 본 발명자들의 검토에 의해서 분명해졌다.
본 발명의 목적은, 뛰어난 내메탈더스팅성을 갖는 용접 조인트를 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 용접 조인트는, 질량%로, Cr: 15.0~35.0%, 및 Ni: 40.0~70.0%를 포함하는 화학 조성을 갖는 용접 재료를 이용하여 용접된 용접 조인트로서, 화학 조성이, 질량%로, C: 0.03~0.075%, Si: 0.6~2.0%, Mn: 0.05~2.5%, P: 0.04% 이하, S: 0.015% 이하, Cr: 16.0%를 초과하고 23.0% 미만, Ni: 20.0% 이상 30.0% 미만, Cu: 0.5~10.0%, Mo: 1% 미만, Al: 0.15% 이하, N: 0.005~0.20%, O: 0.02% 이하, Ca: 0~0.1%, REM: 0~0.15%, V: 0% 이상 0.5% 미만, Nb: 0~2%, 잔부: Fe 및 불순물인 모재와, 질량%로, Fe 함유량이 10~40%인 화학 조성을 갖는 초층 용접 금속을 구비한다.
본 발명에 의하면, 우수한 내메탈더스팅성을 갖는 용접 조인트가 얻어진다.
도 1은, 용접 조인트의 모식적 단면도이다.
본 발명자들은, 용접 조인트의 내메탈더스팅성을 향상시키는 방법을 검토했다.
내메탈더스팅성은 Si, Cu 및 P 등의 원소를 함유시킴으로써 향상된다. 그러나, 이들 원소는, 용접 응고 균열 감수성을 현저하게 증대시킨다. 용접 응고 균열은, 용접 응고 과정의 종료기에 가까운, 주로 결정입계에 막형상의 액상(液相)이 존재하는 단계에 있어서, 응고 수축 또는 열 수축에 의해 가해지는 변형이 용접 금속의 변형능 이상이 된 경우에 발생한다. 용접 응고 균열 감수성을 저감하는 방법으로서는, 용접 금속의 변형능을 향상시키는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 모재 성분을 변경할 필요가 발생해, 내메탈더스팅성을 확보한다는 목적에 반하게 된다. 이 때문에, 본 발명자들은, 모재 성분을 변경하지 않고, 내메탈더스팅성 및 내용접 응고 균열성을 확보할 수 있는 방법을 검토했다.
상술한 바와 같이, 모재 및 용접 재료의 각각의 내메탈더스팅성을 확보할 수 있었다고 해도, 용접 조인트를 제작했을 때, 용접의 조건에 따라서는 용접 금속의 내메탈더스팅성을 확보할 수 없는 경우가 있다. 상세한 메커니즘은 분명하지 않지만, 용접 금속 중의 Fe 함유량과 Ni 함유량의 밸런스가 나쁜 영역에 있어서, 응고 조직이 영향을 주어 메탈더스팅이 발생하기 쉬워짐을 알았다. 용접 금속의 초층은, 모재 희석률의 영향을 받기 쉬워, Fe 함유량과 Ni 함유량의 밸런스가 나빠지기 쉽다. 그 때문에, 초층이 가스 접촉면이 되면, 메탈더스팅이 발생하기 쉬워진다.
모재와 동등의 내메탈더스팅성을 갖는 용접 조인트를 얻기 위해서는, 용접 금속의 Fe 함유량을 제한할 필요가 있다. 보다 구체적으로는, 용접 금속의 초층의 Fe 함유량이, 질량%로, 40% 이하가 되도록 조정하면, 모재와 동등의 내메탈더스팅성을 갖는 용접 조인트가 얻어진다. 한편, 용접 금속의 초층의 Fe 함유량이 너무 적어도, 메탈더스팅이 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, 용접 금속의 초층의 Fe 함유량이, 질량%로 10% 이상이 되도록 조정할 필요가 있다.
이상의 지견에 의거해, 본 발명에 의한 용접 조인트는 완성되었다. 이하, 본 발명의 일 실시형태에 의한 용접 조인트를 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 원소의 함유량의 「%」는, 질량%를 의미한다.
본 실시형태에 의한 용접 조인트는, Cr: 15.0~35.0%, 및 Ni: 40.0~70.0%를 포함하는 화학 조성을 갖는 용접 재료로, 모재를 용접한 것이다. 용접 조인트는 예를 들면, 강관끼리 또는 강판끼리를 서로의 단부에서 용접한 것이다. 용접 조인트는, 모재와 용접 금속을 구비한다. 용접 금속은, 모재의 일부와 용접 재료가 용융 및 응고되어 형성된다. 초층 용접 금속은, Fe 함유량이 10~40%인 화학 조성을 갖는다.
[모재의 화학 조성]
모재는, 이하의 화학 조성을 갖는다.
C: 0.03~0.075%
탄소(C)는, Cr 등과 결합하여 탄화물을 형성해, 모재의 강도를 높인다. 한편, C가 과잉으로 함유되면, 고온에서의 크리프 연성이 저하된다. 따라서, 모재의 C 함유량은 0.03~0.075%이다. 모재의 C 함유량의 바람직한 하한은 0.035%이며, 보다 바람직한 하한은 0.04%이다. 모재의 C 함유량의 바람직한 상한은 0.07%이다.
Si: 0.6~2.0%
규소(Si)는, 산소와의 친화력이 강하고, Cr2O3 등의 보호성 산화 스케일층의 하층에 Si계 산화 스케일을 형성해, 침탄성 가스를 차단한다. 한편, Si가 과잉으로 함유되면, 열간 가공성 및 용접성이 현저하게 저하된다. 따라서, 모재의 Si 함유량은 0.6~2.0%이다. 모재의 Si 함유량의 바람직한 하한은 0.8%이다. 모재의 Si 함유량의 바람직한 상한은 1.5%이다.
Mn: 0.05~2.5%
망간(Mn)은, 강을 탈산한다. Mn은 또, 오스테나이트상(相)을 안정화시킨다. Mn은 또한, 강의 가공성 및 용접성을 개선한다. 한편, Mn이 과잉으로 함유되면, 보호성 산화 스케일층의 침탄성 가스 차단 성능이 저해된다. 따라서, 모재의 Mn 함유량은 0.05~2.5%이다. 모재의 Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.1%이다. 모재의 Mn 함유량의 바람직한 상한은 2.0%이다.
P: 0.04% 이하
인(P)은, 강을 용제할 때에 원료 등으로부터 혼입되는 불순물이다. P는, 강의 열간 가공성 및 용접성을 저하시킨다. 따라서, 모재의 P 함유량은 0.04% 이하이다. 모재의 P 함유량은, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 모재의 P 함유량의 바람직한 상한은 0.03%이며, 보다 바람직한 상한은 0.025%이다.
S: 0.015% 이하
황(S)은, 강을 용제할 때에 원료 등으로부터 혼입되는 불순물이다. S는, 강의 열간 가공성 및 용접성을 저하시킨다. 특히, 강의 Si 함유량이나 Cu 함유량이 많을 때에, 그 효과가 중요해진다. 따라서, 모재의 S 함유량은 0.015% 이하이다. 모재의 S 함유량은, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 모재의 S 함유량의 바람직한 상한은 0.005%이며, 보다 바람직한 상한은 0.002%이다.
Cr: 16.0%를 초과하고 23.0% 미만
크롬(Cr)은, Cr2O3 등의 보호성 산화 스케일층을 형성해, 침탄성 가스를 차단한다. 이에 의해서, Cr은, 내침탄성, 내메탈더스팅성, 및 내코킹성을 강에 부여한다. 한편, Cr은 C와 결합해, 탄화물을 형성하여 크리프 연성을 저하시킨다. 또, Cr은 오스테나이트상의 크리프 강도를 저하시킨다. 특히, Si 및 Cu의 함유량이 많은 경우에는 그 영향이 크다. 따라서, 모재의 Cr 함유량은, 16.0%를 초과하고 23.0% 미만이다. 모재의 Cr 함유량의 바람직한 하한은, 18.0%이다. 모재의 Cr 함유량은, 상한의 관점에서는, 바람직하게는 20.0% 미만이다.
Ni: 20.0% 이상 30.0% 미만
니켈(Ni)은, 오스테나이트상을 안정화시킨다. Ni은 또, 강 중에 침입한 C의 침입 속도를 저하시킨다. Ni은 또한, 강의 고온 강도를 높인다. 한편, Ni이 과잉으로 함유되면, 비용이 증대한다. 또, Ni이 과잉으로 함유되면, 코킹이나 메탈더스팅이 촉진되는 경우가 있다. 따라서, 모재의 Ni 함유량은 20.0% 이상 30.0% 미만이다. 모재의 Ni 함유량의 바람직한 하한은, 22.0%이다. 모재의 Ni 함유량의 바람직한 상한은, 28.0%이다.
Cu: 0.5~10.0%
구리(Cu)는, 침탄성 가스와 금속의 표면 반응을 억제해, 금속의 내메탈더스팅성을 향상시킨다. Cu는 또, 오스테나이트상을 안정화시킨다. 한편, Cu가 과잉으로 함유되면, 강의 용접성이 저하된다. 따라서, 모재의 Cu 함유량은 0.5~10.0%이다. 모재의 Cu 함유량의 바람직한 하한은, 1.5%이다. 모재의 Cu 함유량의 바람직한 상한은, 6.0%이다.
Mo: 1% 미만
몰리브덴(Mo)은, 불순물이다. Mo을 1% 이상 함유하면, σ상 등의 금속간 화합물의 생성을 유발해, 조직 안정성 및 열간 가공성이 저하된다. 따라서, 모재의 Mo 함유량은, 1% 미만이다. 한편, Mo을 극단적으로 저감하면, 비용이 증대한다. 그 때문에, 모재의 Mo 함유량의 바람직한 하한은, 0.05%이다.
Al: 0.15% 미만
알루미늄(Al)은, 강을 탈산한다. 한편, Al이 과잉으로 함유되면, 다량의 질화물이 형성되어, 강의 인성이 저하된다. 따라서, 모재의 Al 함유량은, 0.15% 미만이다. Al 함유량은 적을수록 좋다. 단, Al을 극단적으로 저감하면 탈산 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 또, Al을 극단적으로 저감하면, 강의 청정도가 커진다. 또, Al을 극단적으로 저감하면, 비용이 증대한다. 그 때문에, 모재의 Al 함유량의 바람직한 하한은, 0.003%이다.
N: 0.005~0.20%
질소(N)는, 강의 고온 강도를 높인다. N는 또한, 모재중의 C의 활량을 높여, 모재의 내메탈더스팅성을 향상시킨다. 한편, N가 과잉으로 함유되면, 강의 열간 가공성이 저하된다. 따라서, 모재의 N 함유량은, 0.005~0.20%이다. 모재의 N 함유량의 바람직한 하한은, 0.010%이다. 모재의 N 함유량의 바람직한 상한은, 0.15%이다.
O: 0.02% 이하
산소(O)는, 불순물이다. O가 과잉으로 함유되면, 모재의 제조시의 열간 가공성이 저하된다. 또, O가 과잉으로 함유되면, 용접 금속의 인성 및 연성이 저하된다. 따라서, 모재의 O 함유량은 0.02% 이하이다. 모재의 O 함유량의 바람직한 상한은, 0.01%이다.
모재의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물이다. 불순물은, 강의 원료로서 이용되는 광석이나 스크랩으로부터 혼입되는 원소, 또는, 제조 공정의 다양한 요인에 의해서 혼입되는 원소를 의미한다.
본 실시형태에 의한 모재의 화학 조성은, 상기 Fe의 일부 대신에, 다음에 나타내는 제1군 및 제2군 중 적어도 1개의 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유해도 된다.
제1군: Ca: 0.1% 이하, REM: 0.15% 이하
제2군: V: 0.5% 미만, Nb: 2% 이하
제1군(Ca: 0.1% 이하, REM: 0.15% 이하)
칼슘(Ca) 및 희토류 원소(REM)는, 임의 원소이다. 즉, Ca 및 REM는, 모재에 함유되어 있지 않아도 된다. Ca 및 REM는, 모두 강의 열간 가공성을 향상시킨다. 그 때문에, Ca 및 REM의 1종 또는 2종을 필요에 따라서 모재에 함유시켜도 된다. 모재에 Ca 및/ REM의 함유 효과를 얻고자 하는 경우에는, 적어도 한쪽을 0.005% 이상 함유시키는 것이 바람직하다.
또한, 「REM」란, Sc, Y 및 란타노이드의 합계 17원소의 총칭이며, REM의 함유량은 REM 중 1종 또는 2종 이상의 원소의 합계 함유량을 가리킨다. 또, REM는 일반적으로 미시메탈에 함유된다. 이 때문에 예를 들면, 미시메탈의 형태로 첨가하여, REM의 함유량이 상기 범위가 되도록 함유시켜도 된다.
한편, Ca이 과잉으로 함유되면, 강의 용접성이 저하된다. 따라서, 모재의 Ca 함유량의 상한은, 0.15이다. 또, REM가 과잉으로 함유되면, 강의 용접성이 저하된다. 따라서, 모재의 REM 함유량의 상한은, 0.15%이다. 상기 Ca 및 REM는, 어느 1종만을 단독으로, 또는, 2종을 복합하여 함유시킬 수 있다. 2종을 복합하여 함유시키는 경우, 합계의 함유량의 바람직한 상한은, 0.2%이다.
제2군(V: 0.5% 미만, Nb: 2% 이하)
바나듐(V) 및 니오브(Nb)는, 임의 원소이다. 즉, V 및 Nb는, 모재에 함유되어 있지 않아도 된다. V 및 Nb는, 모두 강의 고온 강도를 향상시킨다. 그 때문에, V 및 Nb 중 1종 또는 2종을, 필요에 따라서 모재에 함유시켜도 된다. 또한, V의 함유 효과를 얻고자 하는 경우에는 0.002% 이상, Nb의 함유 효과를 얻고자 하는 경우에는 0.005% 이상 함유시키는 것이 바람직하다.
한편, V이 과잉으로 함유되면, 강의 용접성이 저하된다. 따라서, 모재의 V 함유량은, 상한의 관점에서는 0.5% 미만이다. 또, Nb가 과잉으로 함유되면, 강의 용접성이 저하된다. 따라서, 모재의 Nb 함유량의 상한은, 2%이다. 상기 V 및 Nb는, 어느 1종만을 단독으로, 또는, 2종을 복합하여 함유시킬 수 있다. 2종을 복합하여 함유시키는 경우, 합계의 함유량의 바람직한 상한은, 2.2%이다.
[용접 금속의 초층의 화학 조성]
본 실시형태에 의한 용접 조인트의 용접 금속은, Fe 함유량이 10~40%인 화학 조성을 갖는 초층을 포함한다. 용접 금속에서는, 응고편석이 발생한다. 상세한 메커니즘은 분명하지 않지만, 용접 금속중의 Fe 함유량과 Ni 함유량의 밸런스가 나쁜 영역에 있어서, 응고 조직이 영향을 주어 메탈더스팅이 발생하기 쉬워진다. 용접 금속의 초층은, 모재 희석률의 영향을 받기 쉬워, Fe 함유량과 Ni 함유량의 밸런스가 나빠지기 쉽다. 초층의 Fe 함유량을 10~40%로 함으로써, 모재와 동등의 내메탈더스팅성이 얻어진다.
용접 금속의 초층(초층 용접 금속)이란, JIS B 0190로 규정되는 초층을 가리킨다. 초층 용접 금속이란, 보다 구체적으로는, 용접시에 제1 패스째에 용접했을 때에 작성되는 용접 금속을 가리킨다. 용접 금속은, 모재와 용접 재료가 용융, 강고되어 형성된다. 용접 금속은, 패스수를 거듭할수록, 모재의 성분의 영향(모재 희석)을 받지 않게 되어, 용접 재료의 성분이 지배적이게 된다. 그 때문에, 모재의 희석의 영향을 받기 쉬운 초층 용접 금속에 대해서만, 성분 범위를 관리해, 성능을 확보할 필요가 있다.
도 1은, 용접 조인트의 일례인 용접 조인트(1)의 모식적 단면도이다. 용접 조인트(1)는, 모재(10)와, 용접 금속(20)을 구비하고 있다. 이 예에서는, 용접 금속(20)은, 초층 용접 금속(21)과, 2층째 이후의 층(22)을 포함하고 있다.
용접 금속의 초층은, 바람직하게는, 이하의 화학 조성을 갖는다.
C: 0.01~0.15%
탄소(C)는, 용접 금속의 강도를 높인다. 한편, C가 과잉으로 함유되면, 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, 용접 금속의 초층의 C 함유량은, 0.01~0.15%이다. 용접 금속의 초층의 C 함유량의 바람직한 하한은, 0.05%이며, 보다 바람직하게는 0.03%이다. 용접 금속의 초층의 C 함유량의 바람직한 상한은, 0.12%이며, 보다 바람직하게는 0.10%이다.
Si: 0.01~4.0%
규소(Si)는, 산소와의 친화력이 강하고, Cr2O3 등의 보호성 산화 스케일층의 하층에 Si계 산화 스케일을 형성해, 침탄성 가스를 차단한다. 한편, Si가 과잉으로 함유되면, 열간 가공성 및 용접성이 현저하게 저하된다. 따라서, 용접 금속의 초층의 Si 함유량은 0.01~4.0%이다. 용접 금속의 초층의 Si 함유량의 바람직한 하한은 0.08%이며, 더욱 바람직하게는 0.3%이다. 용접 금속의 초층의 Si 함유량의 바람직한 상한은 3.5%이며, 더욱 바람직하게는 2.0%이다.
Mn: 0.05~3.0%
망간(Mn)은, 강을 탈산한다. Mn은 또, 오스테나이트상을 안정화시킨다. Mn은 또한, 강의 가공성 및 용접성을 개선한다. 한편, Mn이 과잉으로 함유되면, 보호성 산화 스케일층의 침탄성 가스 차단 성능을 저해한다. 따라서, 용접 금속의 초층의 Mn 함유량은 0.05~3.0%이다. 용접 금속의 초층의 Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.1%이다. 용접 금속의 초층의 Mn 함유량의 바람직한 상한은 2.5%이다.
P: 0.03% 이하
인(P)은, 강을 용제할 때에 원료 등으로부터 혼입되는 불순물이다. P은, 강의 열간 가공성 및 용접성을 저하시킨다. P은 또한, 용접 금속에 있어서는, 용접 응고 균열 감수성을 높인다. 따라서, 용접 금속의 초층의 P 함유량은 0.03% 이하이다. 용접 금속의 초층의 P 함유량은, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 용접 금속의 초층의 P 함유량의 바람직한 상한은 0.025이다.
S: 0.015% 이하
황(S)은, 강을 용제할 때에 원료 등으로부터 혼입되는 불순물이다. S은, 강의 열간 가공성 및 용접성을 저하시킨다. 따라서, 용접 금속의 초층의 S 함유량은 0.015% 이하이다. 용접 금속의 초층의 S 함유량은, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 용접 금속의 초층의 S 함유량의 바람직한 상한은 0.005%이며, 보다 바람직한 상한은 0.002%이다.
Cr: 16.0%를 초과하고 32.0% 미만
크롬(Cr)은, 고온의 사용 환경에 있어서, 용접 조인트 중에 침입한 C와 결합하여 침탄층의 성장을 늦추어, 내메탈더스팅성을 높인다. 한편, Cr이 과잉으로 함유되면, 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, 용접 금속의 초층의 Cr 함유량은, 16.0%를 초과하고 32.0% 미만이다. 용접 금속의 초층의 Cr 함유량의 바람직한 하한은, 18.0%이다. 용접 금속의 초층의 Cr 함유량은, 상한의 관점에서는, 바람직하게는 23.0% 미만이며, 보다 바람직하게는 20.0% 미만이다.
Ni: 20.0% 이상
니켈(Ni)은, 고온 강도 및 조직 안정성을 높인다. Ni은 또한, Cr과 공존함으로써 내식성을 높인다. Ni은 또, 메탈더스팅의 발생을 억제한다. 따라서, 용접 금속의 초층의 Ni 함유량은 20.0% 이상이다. 용접 금속의 초층의 Ni 함유량의 바람직한 상한은, 80%이다.
Cu: 0.03~5.0%
구리(Cu)는, 침탄성 가스와 금속의 표면 반응을 억제해, 금속의 내메탈더스팅성을 향상시킨다. Cu는 또, 오스테나이트상을 안정화시킨다. 한편, Cu가 과잉으로 함유되면, 용접 응고 균열 감수성이 높아진다. 따라서, 용접 금속의 초층의 Cu 함유량은 0.03~5.0%이다. 용접 금속의 초층의 Cu 함유량의 바람직한 하한은, 0.04%이다. 용접 금속의 초층의 Cu 함유량의 바람직한 상한은, 4.5%이다.
Al: 1.0% 이하
알루미늄(Al)은, 강을 탈산한다. 한편, Al이 과잉으로 함유되면, 다량의 질화물이 형성되어, 강의 인성이 저하된다. 또, Al이 과잉으로 함유되면, 용접 시공성이 악화된다. 따라서, 용접 금속의 초층의 Al 함유량은, 1.0% 이하이다. Al 함유량은 적을수록 좋다. 단, Al을 극단적으로 저감하면, 탈산 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 또, Al을 극단적으로 저감하면, 강의 청정도가 커진다. 또, Al을 극단적으로 저감하면 비용이 증대한다. 그 때문에, 용접 금속의 초층의 Al 함유량의 바람직한 하한은, 0.003%이다.
N: 0.005~0.20%
질소(N)는, 강의 고온 강도를 높인다. N는 또한, 용접 금속중의 C의 활량을 높여, 용접 금속의 내메탈더스팅성을 향상시킨다. 한편, N가 과잉으로 함유되면, 용접 금속의 연성이 저하된다. 따라서, 용접 금속의 초층의 N 함유량은, 0.005~0.20%이다. 용접 금속의 초층의 N 함유량의 바람직한 하한은, 0.010%이다. 용접 금속의 초층의 N 함유량의 바람직한 상한은, 0.15%이다.
O: 0.02% 이하
산소(O)는, 불순물이다. O가 과잉으로 함유되면, 용접 금속의 인성 및 연성이 저하된다. 따라서, 용접 금속의 초층의 O 함유량은 0.02% 이하이다. 용접 금속의 초층의 O 함유량의 바람직한 상한은, 0.01%이다.
Ti: 0~0.5%
티탄(Ti)은, 임의 원소이다. 즉, Ti은, 용접 금속의 초층에 함유되어 있지 않아도 된다. Ti은, Ni과 결합해, 금속간 화합물로서 미세하게 입내 석출되어, 고온에서의 크리프 강도를 확보하는데 유효한 원소이다. 그 때문에, Ti을 필요에 따라서 함유시켜도 된다. Ti을 함유시키는 경우의 바람직한 하한은, 0.005%이다. 그러나, Ti 함유량이 많아져, 특히 0.5%를 초과하면, 고온에서의 사용중에 금속간 화합물상이 급속히 조대화하여 크리프 강도 및 인성의 극단적인 저하를 초래해, 용접시에는 용접 금속의 청정성의 저하를 초래해 용접성을 악화시킨다. 따라서, 용접 금속의 초층의 Ti 함유량의 상한은, 0.5%이다.
Mo: 0~8%
몰리브덴(Mo)은, 임의 원소이다. 즉, Mo은, 용접 금속의 초층에 함유되어 있지 않아도 된다. Mo은, 매트릭스에 고용되어 고온에서의 크리프 강도의 향상에 기여한다. 그 때문에, Mo을 필요에 따라서 함유시켜도 된다. Mo을 함유시키는 경우의 바람직한 하한은, 0.05%이다. 그러나, Mo 함유량이 많아져, 특히 8%를 초과하면, 오스테나이트의 안정성이 저하되어 크리프 강도의 저하를 초래한다. 따라서, 용접 금속의 초층의 Mo 함유량의 상한은, 8%이다.
Nb: 0~3%
니오브(Nb)는, 임의 원소이다. 즉, Nb는, 용접 금속의 초층에 함유되어 있지 않아도 된다. Nb는, 매트릭스에 고용되어, 또는 탄질화물로서 석출되어, 고온에서의 크리프 강도의 향상에 기여한다. 그 때문에, Nb를 필요에 따라서 함유시켜도 된다. Nb를 함유시키는 경우의 바람직한 하한은, 0.05%이다. 그러나, Nb 함유량이 많아져, 특히 3%를 초과하면, 탄질화물이 다량으로 석출되어, 강의 연성이 저하된다. 따라서, 용접 금속의 초층의 Nb 함유량의 상한은, 3%이다.
Co: 0~15%
코발트(Co)는, 임의 원소이다. 즉, Co는, 용접 금속의 초층에 함유되어 있지 않아도 된다. Co는, 오스테나이트상을 안정화하여, 크리프 강도를 높인다. 그 때문에, Co를 필요에 따라서 함유시켜도 된다. 용접 금속의 초층에 Co를 함유시키는 경우의 바람직한 하한은, 0.01%이다. 한편, Co가 과잉으로 함유되면, 비용이 증대한다. 따라서, 용접 금속의 초층의 CO 함유량의 상한은, 15.0%이다. 용접 금속의 초층의 Co 함유량의 바람직한 상한은, 14.5%이다.
용접 금속의 초층의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물이다. 단, 용접 금속의 초층은 상술한 바와 같이, Fe 함유량이 10~40%이다.
[용접 재료의 화학 조성]
본 실시형태에 의한 용접 조인트는, 상술한 바와 같이, Cr: 15.0~35.0%, 및 Ni: 40.0~70.0%를 포함하는 화학 조성을 갖는 용접 재료로 용접된 것이다. 용접 재료는, 모재의 일부와 함께, 용접 금속을 형성한다.
Cr: 15.0~35.0%
크롬(Cr)은, Cr2O3 등의 보호성 산화 스케일층을 형성해, 침탄성 가스를 차단한다. 이에 의해서, Cr은, 내침탄성, 내메탈더스팅성, 및 내코킹성을 강에 부여한다. 한편, Cr은 C와 결합해, 탄화물을 형성하여 크리프 강도를 저하시킨다. 특히, Si 및 Cu의 함유량이 많은 경우에는 그 영향이 크다. 용접 재료의 Cr 함유량은, 15.0%~35.0%이다. 용접 재료의 Cr 함유량의 바람직한 하한은, 16.0%이다. 용접 재료의 Cr 함유량의 바람직한 상한은, 33.0%이며, 보다 바람직하게는 30.0%이며, 더욱 바람직하게는 28.0%이다.
Ni: 40.0~70.0%
니켈(Ni)은, 오스테나이트상을 안정화시킨다. Ni은 또, 강 중에 침입한 C의 침입 속도를 저하시킨다. Ni은 또한, 강의 고온 강도를 높인다. 용접 재료에 있어서 이들 효과를 발휘하기 위해서는, Ni을 40% 이상 함유시킬 필요가 있다. 한편, Ni을 과잉으로 함유해도 그 효과는 포화한다. 따라서, 용접 재료의 Ni 함유량은 40.0~70.0%이다. 용접 재료의 Ni 함유량의 바람직한 하한은, 45.0%이다.
용접 재료는, 바람직하게는, Cr 및 Ni에 추가해, 이하의 화학 조성을 갖는다.
C: 0.01~0.15%
탄소(C)는, 용접 금속의 강도를 높인다. 한편, C가 과잉으로 함유되면, 용접 응고 균열 감수성이 높아진다. 따라서, 용접 재료의 C 함유량은, 0.01~0.15%이다. 용접 재료의 C 함유량의 바람직한 하한은, 0.03%이며, 더욱 바람직하게는 0.05%이다. 용접 재료의 C 함유량의 바람직한 상한은, 0.12%이며, 더욱 바람직하게는 0.10%이다.
Si: 4.0% 이하
규소(Si)는, 열간 가공성 및 용접성을 저하시킨다. 따라서, 용접 재료의 Si 함유량은, 4.0% 이하이다. 용접 재료의 Si 함유량의 바람직한 상한은, 3.5%이며, 보다 바람직하게는 2.0%이며, 더욱 바람직하게는 1.5%이다. 용접 조인트에 있어서 높은 내식성이 필요한 경우, 용접 재료의 Si 함유량의 하한은, 0.5%로 하는 것이 바람직하다.
Mn: 0.01~3.5%
망간(Mn)은, 강을 탈산한다. Mn은 또, 오스테나이트상을 안정화시킨다. Mn은 또한, 강의 가공성 및 용접성을 개선한다. 한편, Mn이 과잉으로 함유되면, 용접 재료 제조시의 열간 가공성이 나빠진다. 따라서, 용접 재료의 Mn 함유량은, 0.05~3.5%이다. 용접 재료의 Mn 함유량의 바람직한 하한은, 0.05%이며, 더욱 바람직하게는 0.10%이다. 용접 재료의 Mn 함유량의 바람직한 상한은, 3.0%이다.
P: 0.03% 이하
인(P)은, 강을 용제할 때에 원료 등으로부터 혼입되는 불순물이다. P은, 강의 열간 가공성 및 용접성을 저하시킨다. P은 또한, 용접 금속의 용접 응고 균열 감수성을 높인다. 따라서, 용접 재료의 P 함유량은 0.03% 이하이다. 용접 재료의 P 함유량은, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 용접 재료의 P 함유량의 바람직한 상한은 0.025이다.
S: 0.015% 이하
황(S)은, 강을 용제할 때에 원료 등으로부터 혼입되는 불순물이다. S은, 강의 열간 가공성 및 용접성을 저하시킨다. 따라서, 용접 재료의 S 함유량은 0.015% 이하이다. 용접 재료의 S 함유량은, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 용접 재료의 S 함유량의 바람직한 상한은 0.005%이며, 보다 바람직한 상한은 0.002%이다.
Cu: 0.01~4.0%
구리(Cu)는, 침탄성 가스와 금속의 표면 반응을 억제해, 금속의 내메탈더스팅성을 향상시킨다. Cu는 또, 오스테나이트상을 안정화시킨다. 한편, Cu가 과잉으로 함유되면, 용접 응고 균열 감수성이 높아진다. 따라서, 용접 재료의 Cu 함유량은 0.01~4.0%이다. 용접 재료의 Cu 함유량의 바람직한 하한은, 0.03%이다. 용접 재료의 Cu 함유량의 바람직한 상한은, 3.5%이다.
Al: 0~1.5%
알루미늄(Al)은, 임의 원소이다. 즉, Al은, 용접 재료에 함유되어 있지 않아도 된다. Al은, 강을 탈산한다. 한편, Al이 과잉으로 함유되면, 다량의 질화물이 형성되어, 강의 인성이 저하된다. 또, Al이 과잉으로 함유되면, 용접 시공성이 악화된다. 따라서, 용접 재료의 Al 함유량은, 1.5% 이하이며, 바람직하게는 1.0% 이하이다. 단, Al을 극단적으로 저감하면 탈산 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 또, Al을 극단적으로 저감하면, 강의 청정도가 커진다. 또, Al을 극단적으로 저감하면 비용이 증대한다. 그 때문에, 용접 재료의 Al 함유량의 바람직한 하한은, 0.003%이다. 용접 조인트에 있어서, 높은 고온 강도가 필요한 경우, 용접 재료의 Al 함유량의 하한은 0.15%로 하는 것이 바람직하다.
N: 0.005~0.1%
질소(N)는, 강의 고온 강도를 높인다. N는 또한, 용접 재료 중의 C의 활량을 높여, 용접 재료의 내메탈더스팅성을 향상시킨다. 한편, N가 과잉으로 함유되면, 용접 재료의 제조시의 열간 가공성이 저하된다. 따라서, 용접 재료의 N 함유량은, 0.005~0.1%이다. 용접 재료의 N 함유량의 바람직한 하한은, 0.010%이다. 용접 재료의 N 함유량의 바람직한 상한은, 0.05%이다.
O: 0.03% 이하
산소(O)는, 불순물이다. O가 과잉으로 함유되면, 용접 재료의 제조시의 열간 가공성이 저하된다. 또, 용접 금속의 인성 및 연성도 저하된다. 따라서, 용접 재료의 O 함유량은 0.03% 이하이다. 용접 재료의 O 함유량의 바람직한 상한은, 0.02%이다.
Ti: 0~1.0%
티탄(Ti)은, 임의 원소이다. 즉, Ti은, 용접 재료에 함유되어 있지 않아도 된다. Ti은, Ni과 결합해, 금속간 화합물로서 미세하게 입내 석출되고, 고온에서의 크리프 강도를 확보하는데 유효한 원소이다. 그 때문에, Ti을 필요에 따라서 함유시켜도 된다. Ti을 함유시키는 경우의 바람직한 하한은, 0.15%이다. 그러나, Ti 함유량이 많아져, 특히 1.0%를 초과하면, 고온에서의 사용중에 금속간 화합물 상이 급속히 조대화하여 크리프 강도 및 인성의 극단적인 저하를 초래하고, 합금의 제조시에는 청정성의 저하를 초래해 제조성을 악화시킨다. 따라서, 용접 재료의 Ti 함유량의 상한은, 1.0%이다.
Mo: 0~15%
몰리브덴(Mo)은, 임의 원소이다. 즉, Mo은, 용접 재료에 함유되어 있지 않아도 된다. Mo은, 매트릭스에 고용되어 고온에서의 크리프 강도의 향상에 기여한다. 그 때문에, Mo을 필요에 따라서 함유시켜도 된다. Mo을 함유시키는 경우의 바람직한 하한은, 0.01%이며, 더욱 바람직하게는 7%이다. 그러나, Mo 함유량이 많아져, 특히 15%를 초과하면, 오스테나이트의 안정성이 저하되어 크리프 강도의 저하를 초래한다. 따라서, 용접 재료의 Mo 함유량의 상한은, 15%이다.
Nb: 0~5%
니오브(Nb)는, 임의 원소이다. 즉, Nb는, 용접 재료에 함유되어 있지 않아도 된다. Nb는, 매트릭스에 고용되어, 또는 탄질화물로서 석출되어, 고온에서의 크리프 강도의 향상에 기여한다. 그 때문에, Nb를 필요에 따라서 함유시켜도 된다. Nb를 함유시키는 경우의 바람직한 하한은, 0.005%이다. 그러나, Nb 함유량이 많아져, 특히 5%를 초과하면, 탄질화물이 다량으로 석출되어, 강의 연성이 저하된다. 따라서, 용접 재료의 Nb 함유량의 상한은, 5%이다.
Co: 0~15%
코발트(Co)는, 임의 원소이다. 즉, Co는, 용접 재료에 함유되어 있지 않아도 된다. Co는, 오스테나이트상을 안정화하여, 크리프 강도를 높인다. 그 때문에, Co를 필요에 따라서 함유시켜도 된다. 용접 재료에 Co를 함유시키는 경우의 바람직한 하한은, 0.01%이다. 한편, Co가 과잉으로 함유되면, 비용이 증대한다. 따라서, 용접 재료의 Co 함유량의 상한은, 15.0%이다. 용접 재료의 Co 함유량의 바람직한 상한은, 14.5%이다.
또한, 고온 강도를 특히 확보하고자 하는 경우, 용접 재료의 화학 조성이, Al: 0.15~1.5%, Ti: 0.15~1.0%, 및 Mo: 7~15%를 포함하고, 또한, Nb: 0.1~5%, 및 Co: 0.1~15% 중 적어도 한쪽을 포함하는 것이 바람직하다.
또, 내식성을 특히 확보하고자 하는 경우, 용접 재료의 화학 조성이, Si: 0.5~4.0%를 포함하는 것이 바람직하다.
[제조 방법]
우선, 모재의 제조 방법의 일례를 설명한다. 상술한 모재의 화학 조성을 갖는 강을 용제한다. 용제는, 전기로에서 행해도 되고, Ar-O2 혼합 가스 바닥 분출 탈탄로(AOD로)에서 행해도 되고, 진공 탈탄로(VOD로)에서 행해도 된다. 용제된 강을, 조괴(造塊)법에 의해 잉곳으로 한다. 혹은, 용제된 강을, 연속 주조법에 의해 주편으로 한다.
잉곳 또는 주편을 이용하여 모재를 제조한다. 모재는 예를 들면, 강판 또는 강관이다. 강판은 예를 들면, 잉곳 또는 주편에, 열간 단조, 또는 열간 압연 등의 열간 가공을 실시하여 제조된다. 강관은 예를 들면, 잉곳 또는 주편을 열간 가공에 의해서 원형 빌릿를 형성하고, 원형 빌릿에 천공 압연, 열간 압출, 또는 열간 단조 등의 열간 가공을 실시하여 제조된다. 강관은 혹은, 강판을 굽힘 가공하여 오픈 파이프를 형성하고, 오픈 파이프의 길이 방향의 양단면을 용접하여 제조된다.
모재에 대해, 필요에 따라서 주지의 열처리를 실시한다.
다음에, 용접 재료의 제조 방법의 일례를 설명한다. 상술한 용접 재료의 화학 조성을 갖는 강을 용제한다. 용제된 강을 주조하여 잉곳으로 한다. 잉곳을 열간 가공하여 용접 재료를 제조한다. 용접 재료는 봉형상이어도 되고, 블록형상이어도 된다.
용접 재료에 대해서도, 필요에 따라서 주지의 열처리를 실시한다.
상기 용접 재료를 이용하여 상기 모재를 용접한다. 이에 의해서, 용접 조인트가 얻어진다. 용접 방법은 예를 들면, TIG 용접, MIG 용접, MAG 용접, 및 서브 머지 용접이다. 용접시에, 모재의 일부와 용접 재료가 용융 및 응고되어 용접 금속이 형성된다.
이 때, 용접 금속의 초층의 Fe 함유량이, 10~40%가 되도록, 모재 희석률을 조정한다. 보다 구체적으로는, 모재의 화학 조성 및 용접 재료의 화학 조성에 따라서, 초층 용접시의 입열 및 용접 재료 공급 속도를 조정한다. 초층 용접시의 입열을 크게 하면, 모재 희석률이 커져, 용접 금속의 초층의 Fe 함유량이 커진다. 또, 용접 재료 공급 속도를 빠르게 하면, 모재 희석률이 작아져, 용접 금속의 초층의 Fe 함유량이 작아진다.
실시예
이하, 실시예에 의해서 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명은, 이들 실시예로 한정되지 않는다.
표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 부호 A 및 부호 B의 강을 실험실 용해하여 잉곳을 제작했다. 제작한 잉곳에, 열간 단조, 냉간 압연, 열처리 및 기계 가공을 실시하여, 외경 25.4mm, 판 두께 3.3mm, 길이 60mm의 강관(모재)을 제작했다.
Figure 112016082302321-pct00001
표 2에 나타내는 화학 조성을 갖는 부호 T~Z의 강을 실험실 용해하여 잉곳을 제작했다. 잉곳에, 열간 단조, 열간 압연, 열처리 및 기계 가공을 실시하여, 외경 1.2mm인 용접 와이어(용접 재료)를 제작했다.
Figure 112016082302321-pct00002
상기 강관의 둘레방향으로, 개선(開先) 가공을 실시한 후, 모재 및 용접 재료를 표 3에 나타내는 조합 및 조건으로 용접하여 용접 조인트를 제작했다.
Figure 112016082302321-pct00003
표 3에 나타내는 바와 같이, 초층의 용접 입열(초층 입열)을 4~8kJ/cm의 범위에서, 용접 재료 공급 속도를 490~770mm/min의 범위에서 변화시킴으로써, 모재 희석률을 변화시켰다. 그 후, 적층시에는 8~15kJ/cm의 범위에서 용접해, 용접 조인트를 제작했다.
우선, 초층만을 용접한 조인트에 있어서, 용접 금속의 초층의 화학 조성을 분석했다.
그 다음에, 각 용접 조인트의 내용접 응고 균열성을 평가했다. 구체적으로는, 제작한 용접 조인트의 각각의 용접 비드에 대해 침투 탐상 시험을 실시해, 비드 표면에 생기는 결함(용접 응고 균열)을 검출했다. 결함이 검출되지 않는 경우, 본 발명의 성능을 만족한다고 판단했다.
또한, 각 용접 조인트의 내메탈더스팅성을 평가했다. 구체적으로는, 제작한 용접 조인트의 각각으로부터, 용접 금속을 중앙으로 하여, 판 두께 3.3mm, 폭 20mm, 길이 30mm의 시험편을 잘라냈다. 이 시험편을, 체적비로 45% CO-42.5% H2-6.5% CO2-6% H2O 가스 분위기 중, 650℃에서 500시간 등온 유지했다. 그 후, 시험편 표면에 발생하는 피트의 유무를, 육안 및 광학 현미경에 의해 판단했다. 피트 발생이 없는 경우, 본 발명의 성능을 만족한다고 판단했다.
결과를 표 3에 나타낸다. 표 3의 「화학 조성」의 란에는, 각 용접 조인트의 용접 금속의 초층의 화학 조성이 기재되어 있다. 표 3의 「용접 금속의 내MD성」의 란에는, 내메탈더스팅성의 평가 결과가 기재되어 있다. 「○」는, 동 평가에 있어서 피트가 발생하지 않았음을 나타낸다. 「×」는, 동 평가에 있어서 피트가 발생했음을 나타낸다. 또한, 제작한 모든 용접 조인트에 있어서, 용접 응고 균열은 검출되지 않았다.
시험 기호 J1~J32, J34, J35, J37, 및 J38의 용접 조인트는, 본 발명의 범위 내였다. 구체적으로는, 모재의 화학 조성이 본 발명의 범위 내이며, 용접 재료가 Cr: 15.0~30.0%, 및 Ni: 40.0~70.0%를 포함하고, 용접 금속의 초층의 Fe 함유량이 10~40%였다. 이들 용접 조인트는, 내용접 응고 균열성과, 우수한 내메탈더스팅성을 동시에 구비하고 있었다.
시험 기호 J33의 용접 조인트는, 내메탈더스팅성의 평가에 있어서, 메탈더스팅이 발생했다. 시험 번호 J18의 용접 조인트는, 모재의 화학 조성이 본 발명의 범위 내이며, 용접 재료가 Cr: 15.0~30.0%, 및 Ni: 40.0~70.0%를 포함하고 있었다. 그러나, 시험 번호 J33의 용접 조인트는, 용접 금속의 초층의 Fe 함유량이 적었다. 그 때문에, 응고 조직인 용접 금속에 있어서 충분한 침탄 억제 효과를 얻을 수 없었다고 생각된다.
시험 기호 J36의 용접 조인트는, 내메탈더스팅성의 평가에 있어서, 메탈더스팅이 발생했다. 시험 번호 J36의 용접 조인트는, 모재의 화학 조성이 본 발명의 범위 내이며, 용접 재료가 Cr: 15.0~30.0%, 및 Ni: 40.0~70.0%를 포함하고 있었다. 그러나, 시험 번호 J21의 용접 조인트는, 용접 금속의 초층의 Fe 함유량이 많았다. 그 때문에, 응고 조직인 용접 금속에 있어서 충분한 침탄 억제 효과를 얻을 수 없었다고 생각된다.
시험 기호 J39~41의 용접 조인트는, 내메탈더스팅성의 평가에 있어서, 메탈더스팅이 발생했다. 시험 기호 J39~41의 용접 조인트는, 용접 재료의 Ni 함유량이 적었다. 그 결과, 용접 금속중의 Fe 함유량의 비율이 커져, 초층의 Fe 함유량도 많았다. 그 때문에, 응고 조직인 용접 금속에 있어서 충분한 침탄 억제 효과를 얻을 수 없었다고 생각된다.
본 발명은, 고온의 부식 환경에서 사용되는 부재의 용접 조인트로서 바람직하게 사용할 수 있다. 본 발명은 예를 들면, 석유·가스 정제나 석유 화학 플랜트 등에 있어서의 열교환형 탄화수소 개질 장치, 폐열 회수 장치 등에 사용되는 용기, 반응관, 부품 등의 용접 조인트로서 바람직하게 사용할 수 있다.

Claims (18)

  1. 질량%로, Cr: 15.0~35.0%, 및 Ni: 40.0~70.0%를 포함하는 화학 조성을 갖는 용접 재료를 이용하여 용접된 용접 조인트로서,
    화학 조성이, 질량%로,
    C: 0.03~0.075%,
    Si: 0.6~2.0%,
    Mn: 0.05~2.5%,
    P: 0.04% 이하,
    S: 0.015% 이하,
    Cr: 16.0%를 초과하고 23.0% 미만,
    Ni: 20.0% 이상 30.0% 미만,
    Cu: 0.5~10.0%,
    Mo: 1% 미만,
    Al: 0.15% 이하,
    N: 0.005~0.20%,
    O: 0.02% 이하,
    Ca: 0~0.1%,
    REM: 0~0.15%,
    V: 0% 이상 0.5% 미만,
    Nb: 0~2%,
    잔부: Fe 및 불순물인 모재와,
    질량%로, Fe 함유량이 10~40%인 화학 조성을 갖는 초층 용접 금속을 구비하고,
    상기 초층 용접 금속의 화학 조성이, 질량%로,
    C: 0.01~0.15%,
    Si: 0.01~4.0%,
    Mn: 0.05~3.0%,
    P: 0.03% 이하,
    S: 0.015% 이하,
    Cr: 16.0%를 초과하고 32.0% 미만,
    Ni: 20.0% 이상,
    Cu: 0.03~5.0%,
    Al: 1.0% 이하,
    N: 0.005~0.2%,
    O: 0.02% 이하,
    Ti: 0~0.5%,
    Mo: 0~8%,
    Nb: 0~3%,
    Co: 0~15%,
    Fe: 10~40%,
    잔부: 불순물이고,
    상기 용접 재료의 화학 조성이, 질량%로,
    C: 0.01~0.15%,
    Si: 4.0% 이하,
    Mn: 0.01~3.5%,
    P: 0.03% 이하,
    S: 0.015% 이하,
    Cr: 15.0~35.0%,
    Ni: 40.0~70.0%,
    Cu: 0.01~4.0%,
    Al: 0~1.5%,
    N: 0.005~0.1%,
    O: 0.03% 이하,
    Ti: 0~1.0%,
    Mo: 0~15%,
    Nb: 0~5%,
    Co: 0~15%,
    잔부: Fe 및 불순물인, 용접 조인트.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모재의 화학 조성이, 질량%로,
    Ca: 0.005~0.1%, 및
    REM: 0.005~0.15%로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종을 함유하는, 용접 조인트.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 모재의 화학 조성이, 질량%로,
    V: 0.002% 이상 0.5% 미만, 및
    Nb: 0.005~0.15%로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종을 함유하는, 용접 조인트.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 모재의 화학 조성이, 질량%로,
    V: 0.002% 이상 0.5% 미만, 및
    Nb: 0.005~0.15%로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종을 함유하는, 용접 조인트.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 재료의 화학 조성이, 질량%로,
    Al: 0.15~1.5%,
    Ti: 0.15~1.0%, 및
    Mo: 7~15%를 포함하고, 또한,
    Nb: 0.1~5%, 및 Co: 0.1~15% 중 적어도 한쪽을 포함하는, 용접 조인트.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 재료의 화학 조성이, 질량%로,
    Si: 0.5~4.0%를 포함하는, 용접 조인트.
  7. 화학 조성이, 질량%로,
    C: 0.03~0.075%,
    Si: 0.6~2.0%,
    Mn: 0.05~2.5%,
    P: 0.04% 이하,
    S: 0.015% 이하,
    Cr: 16.0%를 초과하고 23.0% 미만,
    Ni: 20.0% 이상 30.0% 미만,
    Cu: 0.5~10.0%,
    Mo: 1% 미만,
    Al: 0.15% 이하,
    N: 0.005~0.20%,
    O: 0.02% 이하,
    Ca: 0~0.1%,
    REM: 0~0.15%,
    V: 0% 이상 0.5% 미만,
    Nb: 0~2%,
    잔부: Fe 및 불순물인 모재와,
    화학 조성이, 질량%로,
    C: 0.01~0.15%,
    Si: 0.01~4.0%,
    Mn: 0.05~3.0%,
    P: 0.03% 이하,
    S: 0.015% 이하,
    Cr: 16.0%를 초과하고 32.0% 미만,
    Ni: 20.0% 이상,
    Cu: 0.03~5.0%,
    Al: 1.0% 이하,
    N: 0.005~0.2%,
    O: 0.02% 이하,
    Ti: 0~0.5%,
    Mo: 0~8%,
    Nb: 0~3%,
    Co: 0~15%,
    Fe: 10~40%,
    잔부: 불순물인, 초층 용접 금속을 구비하는, 용접 조인트.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 모재의 화학 조성이, 질량%로,
    Ca: 0.005~0.1%, 및
    REM: 0.005~0.15%로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종을 함유하는, 용접 조인트.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 모재의 화학 조성이, 질량%로,
    V: 0.002% 이상 0.5% 미만, 및
    Nb: 0.005~0.15%로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종을 함유하는, 용접 조인트.
  10. 화학 조성이, 질량%로,
    C: 0.03~0.075%,
    Si: 0.6~2.0%,
    Mn: 0.05~2.5%,
    P: 0.04% 이하,
    S: 0.015% 이하,
    Cr: 16.0%를 초과하고 23.0% 미만,
    Ni: 20.0% 이상 30.0% 미만,
    Cu: 0.5~10.0%,
    Mo: 1% 미만,
    Al: 0.15% 이하,
    N: 0.005~0.20%,
    O: 0.02% 이하,
    Ca: 0~0.1%,
    REM: 0~0.15%,
    V: 0% 이상 0.5% 미만,
    Nb: 0~2%,
    잔부: Fe 및 불순물인 모재를 준비하는 공정과,
    화학 조성이, 질량%로,
    C: 0.01~0.15%,
    Si: 4.0% 이하,
    Mn: 0.01~3.5%,
    P: 0.03% 이하,
    S: 0.015% 이하,
    Cr: 15.0~35.0%,
    Ni: 40.0~70.0%,
    Cu: 0.01~4.0%,
    Al: 0~1.5%,
    N: 0.005~0.1%,
    O: 0.03% 이하,
    Ti: 0~1.0%,
    Mo: 0~15%,
    Nb: 0~5%,
    Co: 0~15%,
    잔부: Fe 및 불순물인, 용접 재료를 준비하는 공정과,
    상기 용접 재료를 이용하여 상기 모재를 용접하는 공정을 포함하고,
    상기 모재와 상기 용접 재료를 이용한 용접 시에, 상기 용접에 의해 생성되는 초층 용접 금속의 Fe 함유량이 질량%로 10~40%가 되도록 상기 모재의 희석률을 조정하는 것을 특징으로 하는 용접 조인트의 제조 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 모재의 화학 조성이, 질량%로,
    Ca: 0.005~0.1%, 및
    REM: 0.005~0.15%로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종을 함유하는, 용접 조인트의 제조 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 모재의 화학 조성이, 질량%로,
    V: 0.002% 이상 0.5% 미만, 및
    Nb: 0.005~0.15%로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종을 함유하는, 용접 조인트의 제조 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 모재의 화학 조성이, 질량%로,
    V: 0.002% 이상 0.5% 미만, 및
    Nb: 0.005~0.15%로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종을 함유하는, 용접 조인트의 제조 방법.
  14. 청구항 10 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초층 용접 금속의 화학 조성이, 질량%로,
    C: 0.01~0.15%,
    Si: 0.01~4.0%,
    Mn: 0.05~3.0%,
    P: 0.03% 이하,
    S: 0.015% 이하,
    Cr: 16.0%를 초과하고 32.0% 미만,
    Ni: 20.0% 이상,
    Cu: 0.03~5.0%,
    Al: 1.0% 이하,
    N: 0.005~0.2%,
    O: 0.02% 이하,
    Ti: 0~0.5%,
    Mo: 0~8%,
    Nb: 0~3%,
    Co: 0~15%,
    Fe: 10~40%,
    잔부: 불순물인, 용접 조인트의 제조 방법.
  15. 청구항 10 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 재료의 화학 조성이, 질량%로,
    Al: 0.15~1.5%,
    Ti: 0.15~1.0%, 및
    Mo: 7~15%를 포함하고, 또한,
    Nb: 0.1~5%, 및 Co: 0.1~15% 중 적어도 한쪽을 포함하는, 용접 조인트의 제조 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 용접 재료의 화학 조성이, 질량%로,
    Al: 0.15~1.5%,
    Ti: 0.15~1.0%, 및
    Mo: 7~15%를 포함하고, 또한,
    Nb: 0.1~5%, 및 Co: 0.1~15% 중 적어도 한쪽을 포함하는, 용접 조인트의 제조 방법.
  17. 청구항 10 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 재료의 화학 조성이, 질량%로,
    Si: 0.5~4.0%를 포함하는, 용접 조인트의 제조 방법.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 용접 재료의 화학 조성이, 질량%로,
    Si: 0.5~4.0%를 포함하는, 용접 조인트의 제조 방법.
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