KR101911898B1 - 고온균열 저항성이 우수한 고망간강 용접이음부 - Google Patents

고온균열 저항성이 우수한 고망간강 용접이음부 Download PDF

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Abstract

본 발명의 고온균열 저항성이 우수한 고망간강 용접이음부는 탄소(C): 0.18 ~ 0.61중량%, 실리콘(Si): 0.23 ~ 1.0중량%, 망간(Mn): 16.2 ~ 23.0중량%, 니켈(Ni): 5.0 ~ 10.0중량%, 티타늄(Ti): 1.37중량% 이하(0중량%는 제외), 인(P): 0.023중량% 이하(0중량%는 제외), 황(S): 0.04중량% 이하(0중량%는 제외), 잔여 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 탄소(C)에 대한 상기 티타늄(Ti)의 중량비(Ti/C)가 2.0 ~ 3.0인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 고망간강 용접이음부의 합금성분의 함량 및 탄소에 대한 티타늄의 중량비(Ti/C)를 제어함으로써 고온균열 민감도가 낮은 용접이음부를 얻을 수 있다.

Description

고온균열 저항성이 우수한 고망간강 용접이음부{WELDED JOINT OF HIGH Mn STEEL WITH EXCELLENT HOT CRACKING RESISTANCE}
본 발명은 고온균열 저항성이 우수한 고망간강 용접이음부에 관한 것이다.
고망간강은 고가의 니켈(Ni)를 배제하고 다량의 망간(Mn)과 탄소(C)를 첨가하여 상온 및 저온에서 오스테나이트 단상을 형성시키고, 소성변형시 발생하는 변형유기쌍정을 이용하여 고강도 및 고인성을 동시에 확보한 강재로서, 자동차, 조선, 해양, 건축 등의 다양한 분야에 적용 가능한 신소재이다.
이러한 고망간강을 여러 산업분야에 적용하기 위해서는 용접공정이 필수적으로 요구된다. 이러한 용접과정에서 생성되는 용접부는 다양한 미세조직과 함께 예상치 못한 용접결함을 포함할 수 있고, 이는 구조물의 안정성에 치명적인 영향을 줄 수 있다.
그런데, 고유의 높은 탄소 및 망간 함량으로 인해, 상기 고망간강은 저합금강에 비해 대표적인 용접결함 중 하나인 균열, 특히 고온균열에 대한 높은 민감도를 갖는다. 이에, 강재 및 용접재료 개발에 있어 신중한 합금원소 첨가가 요구되고 있다.
이러한 고망간강의 용접부에서 야기되는 고온균열 문제를 해결하기 위한 방안으로서, 특허문헌 1(대한민국 공개특허공보 제10-2014-0146383호)은 알루미늄(Al) 함량을 2.0 ~ 8.0 중량%로 증가시켜 용접부 응고 모드 변화에 따른 고온균열 저항성 향상을 도모하였다.
그러나, 특허문헌 1에 따르면, 고함량의 알루미늄 첨가에 의해 연속 주조 시 노즐 막힘 문제가 발생할 수 있고, 이로 인한 용접생산성의 저하로 인해 판재 제조 및 용접재료의 생산에 문제점이 수반될 수 있다.
KR 1020140146383 A
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해, 고망간강 용접이음부의 합금성분의 함량을 적절히 조절하고, 이들 성분 중 탄소에 대한 티타늄의 중량비(Ti/C)를 제어함으로써 고온균열 저항성이 우수한 고망간강 용접이음부를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 고망간강을 용접하여 얻어지는 용접이음부에 있어서, 상기 용접이음부는 탄소(C): 0.18 ~ 0.61중량%, 실리콘(Si): 0.23 ~ 1.0중량%, 망간(Mn): 16.2 ~ 23.0중량%, 니켈(Ni): 5.0 ~ 10.0중량%, 티타늄(Ti): 1.37중량% 이하(0중량%는 제외), 인(P): 0.023중량% 이하(0중량%는 제외), 황(S): 0.04중량% 이하(0중량%는 제외), 잔여 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 탄소(C)에 대한 상기 티타늄(Ti)의 중량비(Ti/C)가 2.0 ~ 3.0인 고온균열 저항성이 우수한 고망간강 용접이음부를 제공한다.
상기 탄소(C)에 대한 상기 티타늄(Ti)의 중량비(Ti/C)는 바람직하게 2.5일 수 있다.
상기 용접이음부의 최종 응고온도는 1,060 ~ 1,200℃일 수 있다.
상기 용접이음부의 미세조직은 오스테나이트(γ) 단상조직을 가질 수 있다.
상기 고망간간의 용접에는 플럭스 코어드 및 가스 텅스텐 아크 용접으로부터 선택된 하나의 용접 방식이 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 고망간강 용접이음부의 합금성분의 함량을 적절히 조절하고, 이들 성분 중 탄소에 대한 티타늄의 중량비(Ti/C)를 제어함으로써 고온균열 민감도가 낮은 용접이음부를 얻을 수 있다.
도 1은 실시예 1 및 비교예 1 내지 2에 따라 용접된 고망간강의 용접금속부 총 균열길이 및 최대 균열길이를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 도 1은 실시예 1 및 비교예 1 내지 2에 따라 용접된 고망간강의 용접열영향부 총 균열길이 및 최대 균열길이를 비교하여 나타낸 그래프이다.
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), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 인(P), 황(S) 및 잔부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 특별한 성분비로 포함하되, 탄소(C)에 대한 티타늄(Ti)의 중량비의 조건을 제한하여 용접이음부를 제조하는 경우, 고온균열에 직접적으로 영향을 미치는 응고온도 구간을 축소할 수 있으며, 그 결과 고온균열을 효과적으로 저감시킬 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
구체적으로, 본 발명의 고온균열 저항성이 우수한 고망간강 용접이음부는 탄소(C): 0.18 ~ 0.61중량%, 실리콘(Si): 0.23 ~ 1.0중량%, 망간(Mn): 16.2 ~ 23.0중량%, 니켈(Ni): 5.0 ~ 10.0중량%, 티타늄(Ti): 1.37중량% 이하(0중량%는 제외), 인(P): 0.023중량% 이하(0중량%는 제외), 황(S): 0.04중량% 이하(0중량%는 제외), 잔여 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 탄소(C)에 대한 상기 티타늄(Ti)의 중량비(Ti/C)가 2.0 ~ 3.0인 것을 특징으로 한다.
먼저, 본 발명의 용접이음부를 구성하는 각 성분의 첨가 이유와 이들의 함량범위 수치한정 이유에 대하여 상세히 설명한다.
탄소(C): 0.18 ~ 0.61중량%
탄소는 용접이음부의 강도 및 극저온 충격인성을 확보할 수 있는 가장 강력한 오스테나이트 안정화 원소이다. 이러한 용접이음부의 강도 및 극저온 충격인성을 안정적으로 확보하기 위해서는, 0.18중량% 이상의 탄소의 함량이 요구된다. 다만, 상기 탄소의 함량이 0.61 중량%를 초과하면 용접시 이산화탄소 가스 등이 발생하여 용접이음부의 결함을 유발할 수 있으며, 망간, 철, 크롬, 티타늄 등의 합금원소와 결합하여 M3C, M23C6, MC(본 명세서에서, M은 C이외의 합금원소를 나타낸다.) 등의 탄화물을 생성하여 저온에서 충격인성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 탄소의 함량은 0.18 ~ 0.61중량%로 제한한다.
실리콘(Si): 0.23 ~ 1.0중량%
실리콘은 용접이음부 내의 탈산 효과 및 용접비드의 퍼짐성을 위해서 첨가시키는 원소이다. 이러한 실리콘의 함량이 0.23중량% 미만일 경우에는 용탕의 유동성이 저하되는 문제점이 있다. 반면, 상기 실리콘의 함량이 1.0중량%를 초과하는 경우에는 용접이음부 내에 편석이 유발되어 충격인성이 떨어지고, 공정 탄소 농도가 저하되어 고온균열 감수성이 상승되는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 실리콘의 함량을 0.23 ~ 1.0중량%로 제한하며, 바람직한 실리콘의 함량으로서 0.34 ~ 0.38중량% 범위로 제한할 수 있다.
망간(Mn): 16.2 ~ 23. 0중량%
망간은 저온 및 상온에서 오스테나이트를 안정화시키는 주요 원소이다. 상기 망간 함량이 16중량% 미만이면 오스테나이트 단상 형성이 어려워 용접금속 내 입실론(ε)- 또는 알파(α)-마르텐사이트를 생성시킬 수 있고, 이는 저온 인성에 악영향을 미친다. 반면, 상기 망간 함량이 23.0중량%를 초과하는 경우에는 편석에 의한 고온균열 민감도가 커질 수 있으며, 용접시 인체에 유해한 흄(fume)이 과도하게 발생하고 제품의 가격 경쟁력에 악영향을 미친다. 따라서, 본 발명에서는 상기 망간의 함량을 16.2 ~ 23.0중량% 범위로 제한한다.
니켈( Ni ): 5~10 중량%
니켈은 강력한 오스테나이트 안정화 원소로, 내식성 및 강도, 인성을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명의 탄소, 망간의 합금성분 범위에서, 상기 니켈이 5중량% 미만 첨가되면 오스테나이트 단상을 생성시키기 어렵고, 10중량% 이상 첨가되면 가격경쟁력에 악영향을 미친다. 따라서, 본 발명에서는 상기 니켈의 함량을 5.0 ~ 10.0중량%로 제한한다.
티타늄( Ti ): 1.37 중량%이하 ( 0중량%는 제외)
티타늄은 용접시 아크 안정성, 용접작업성의 확보, 입계부식 방지 등을 위해 첨가되는 것이 일반적이며, 탄소 함량에 따라 티탄 탄화물을 생성시켜 용접부 극저온 인성을 저하시킬 수 있다. 그러나, 상기 티타늄 탄화물의 형성은 기지와의 낮은 공정반응 온도를 갖는 M3C의 생성량을 저하시키는 장점 또한 가지고 있다. 그리고, 상기 티타늄은 탄소와의 중량비에 따라 응고온도를 변화시켜 고온균열 감수성에 영향을 준다. 따라서, 본 발명에서는 상기한 용접부 인성과 고온균열 저항성 향상을 고려하여, 티타늄 함량을 1.37중량% 이하로 제한하였으며, 동시에 상기 탄소에 대한 티타늄(Ti/C)의 중량비를 2.0 ~ 3.0으로 제한하였다.
인(P): 0.023중량% 이하( 0중량%는 제외)
인은 용접이음부에 불가피하게 함유되는 불순물로서, 인이 포함되는 경우 저융점 화합물인 M3P가 생성되어 고온균열 감수성이 크게 증가하는 문제점이 있어 최대한 포함되지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는 불가피한 인 함량을 0.023중량%로 제한하였다.
황(S): 0.04중량% 이하( 0중량%는 제외)
황은 용접이음부에 불가피하게 함유되는 불순물로서, 황이 포함되는 경우 고망간간 용접이음부 내에 망간황화물을 형성하여 인성 저하를 야기하므로 최대한 포함되지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는 불가피한 황 함량을 0.04중량%로 제한하였다.
본 발명에 따른 고망간강 용접 이음부는 상술한 성분조성 이외에 잔부의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함한다. 다만, 상기 불순물은 통상의 철강 제조과정에서 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 상태에서 불가피하게 혼입되는 것으로, 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 발명자들의 연구에 의하면, 상술한 본 발명의 고망간강 용접이음부 성분 조성 중에서 탄소에 대한 티타늄의 중량(Ti/C)를 제어함으로써 최종 응고온도를 높여 응고온도 구간을 축소하는 것이 가능하고, 그 결과 고온균열 감수성을 저하시킬 수 있었다.
오스테나이트 단상조직을 갖는 고망간강계 용접이음부의 고온균열은 통상 응고균열(용접금속부 균열)과 액화균열(용접열영향부 균열)로 대표되며, 이들 균열의 발생 메커니즘에 대해 살펴보면 하기와 같다.
상기 응고균열의 경우, 응고 말기에 불순물 원소인 P, S 등의 편석에 의해 생성된 저융점 화합물이 액막의 형태로 결정립계에 잔존하는 단계에서, 응고수축 및 열수축에 의한 응력이 재료의 변형 수용능력 이상으로 부가될 때 발생한다. 구체적으로, 고망간강 용접금속부에서, S는 높은 Mn 함량에 의해 MnS를 형성하고, 이러한 MnS의 형성은 저융점 화합물인 FeS의 형성을 충분히 억제할 수 있는 반면, P의 경우 엄격한 함량 관리가 필요하다. 그 외에, 기지 고용도 이상의 높은 함량으로 포함된 탄소에 의해 생성되는 M3C 형태의 탄화물 또는 공정조직이 응고입계에 존재하여 P편석과 함께 응고균열 감수성에 결정적인 영향을 미치게 된다. 즉, 저융점 화합물인 상기 탄화물, 공정조직 또는 P 편석 등은 용접이음부의 최종 응고온도를 낮추는 원인이 되고, 이에 따라 최종 응고온도가 낮아지면 응고 취성 온도 구간이 넓어지므로 균열 감수성이 높아지게 되는 것이다.
한편, 액화균열은 주로 용접열영향부에서 발생한다. 응고균열과 마찬가지로 응고 중 결정립계에 존재하는 P, S 등의 편석 등을 통해 발생하지만, 모재 내 저융점 공정조직이나 개재물이 존재할 경우, 그 만감도가 높아진다. 용접 열영향부는 용접과정에서 먼저 용접금속의 열팽창에 의한 압축응력을 받고, 응고시에는 온도 저하에 의한 인장응력을 받게 된다. 이때, 결정립계 석출물의 국부적 용융현상이 발생하거나 또는 공정 액화물이 입계에 필름상으로 존재하게 되면 균열이 발생하게 된다.
결국, 응고시 상변태를 수반하지 않는 오스테나이트계 고망간강의 응고균열과 액화균열은 용접재료의 최종 응고온도 또는 저융점 공정조직의 최종 응고온도에 직접적인 영향을 받는다고 할 수 있다.
이에, 본 발명에서는 최종 응고온도를 높여 응고 온도 구간을 축소함으로써 고온균열 저항성을 높이는 방안으로서, 고망간강 용접이음부의 구성성분 중 탄소(C)에 대한 티타늄(Ti)의 중량비(Ti/C)를 2.0 ~ 3.0으로 제한하는 방법을 제시하였다. 상기 탄소에 대한 티타늄의 중량비가 2.0 미만일 경우에는 최종 응고온도가 낮아지고, 이에 따라 응고 온도구간이 넓어져 균열감수성이 상승되는 문제가 있다. 반면, 상기 중량비가 3.0를 초과할 경우에는 조대한 티타늄 탄화물이 다량 형성되어 균열 저항성을 저해하고, 조직 내 결정립의 크기를 조대화 시키는 문제점이 있다.
더욱이, 상기 탄소에 대한 티타늄의 중량비(Ti/C)를 2.5로 제어할 경우, 응고균열(용접이음부 균열) 및 액화균열(용접열영향부 균열)에 대한 저항성이 극대화될 수 있어 바람직하다.
상기와 같이 탄소(C)에 대한 티타늄(Ti)의 중량비를 제어함에 따라 제공되는 본 발명의 고망간강 용접이음부 최종 응고온도는 1,060 ~ 1,200℃의 높은 온도를 나타낼 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 고망간강 용접이음부의 미세조직은 용접 후 응고시 상변태를 수반하지 않으며, 따라서 오스테나이트(γ) 단상조직을 가질 수 있다.
한편, 본 발명에 따라 고망간강을 용접하여 얻어지는 용접이음부에 있어서 상기 용접방식으로는 공지된 통상의 용접 방식이 제한없이 사용가능하며, 바람직하게 상기 플럭스 코어드 및 가스 텅스텐 아크 용접으로부터 선택된 하나의 용접 방식이 사용될 수 있다.
이하, 실시예들을 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 및 비교예 1 내지 2
고망간강 성분 원료와, 잔부의 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 시료를 진공 용해로에서 용해한 후, 잉곳(ingot) 제조를 통해 고망간 주강을 제조하였다. 이때, 상기 고망간강 성분은 하기의 표 1에 나타내었다.
이후, 상기 고망간 주강에 전압 12V, 전류 100A, 용접속도 4mm/sec의 용접조건을 적용하여 제살 가스텅스텐 아크 용접을 실시하였으며, 보호가스는 100% 아르곤을 20리터/분의 조건으로 사용하였다.
< 평가방법>
1. 고온균열 감수성 실험(Varestraint 실험)
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2에 따라 용접된 고망간강의 용접이음부 고온균열 감수성을 분석하기 위하여, 상기 용접이음부에 4% 외부응력이 주어졌을 때 발생되는 총 균열길이와 최대 균열길이 값을 측정하였다. 이때, 고온균열로서는 상기 용접이음부 중 용접금속부에서 발생하는 응고균열 및 용접열영향부에서 발생하는 액화균열을 측정대상으로 하였으며, 그 결과를 도 1(용접금속부 균열) 및 도 2(용접열영향부 균열)에 도시하였다.
2. 미세조직
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 고망간강의 용접 전/후의 미세조직을 전자주사현미경으로 관찰한 후, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다. 이때, 하기의 표 1에서 "고망간강 미세조직"은 용접 전의 고망간강의 미세조직을 의미하고, "용접이음부 미세조직"은 용접 후에 생성된 용접 이음부의 미세조직을 의미한다. 하기의 표 1에서 γ는 미세조직이 오스테나이트 단상구조를 갖는 것을 나타낸다.
3. 최종 응고온도(℃)
최종 응고온도는 상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 고망간강의 화학 조성을 이용한 열역학적 계산, 도 1의 최대 응고균열 길이와 미세조직 관찰 결과를 종합적으로 판단하여 계산하였다.
고망간강 성분 (중량% ) Ti/C* 고망간강
미세조직		 용접이음부
미세조직		 최종
응고온도
(℃)
C Si Mn Ni Ti P S
실시예1 0.55 0.38 17.31 5.97 1.37 0.021 0.012 2.5 γ γ 1075
비교예1 0.61 0.38 16.2 5.0 - 0.023 0.04 - γ γ 950
비교예2 0.18 0.34 23.0 9.84 0.29 0.017 0.017 1.6 γ γ 1055
* Ti/C : 탄소에 대한 티타늄의 중량비를 나타낸다.
상기 표 1을 살펴보면, 탄소에 대한 티타늄의 중량비(Ti/C)가 2.5인 실시예 1에 따라 제조된 고망간강의 경우, 비교예 1 및 2에 따라 제조된 고망간강에 비하여 용접이음부의 최종 응고온도가 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
또한, 도 1 및 2를 살펴보면, 실시예 1에 따라 용접된 고망간강의 경우, 비교예 1 및 2에 따라 제조된 고망간강과 비교하였을 때 용접금속부 및 용접열영향부에서의 총 균열길이 및 최대 균열길이가 현저히 짧게 나타나는 것을 알 수 있다.
이들 결과로부터, 최종응고온도 상승에 따라 용접금속부 균열(응고균열)(도 1)은 물론, 용접열영향부 균열(액화균열)(도 2)이 감소함을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 사용된 성분계의 조정을 통해 고온균열 저항성이 높은 용접이음부를 도출할 수 있었으며, 특히 탄소에 대한 티타늄의 중량비(Ti/C)를 1.6에서 2.5로 증가시킴으로써 비교적 높은 탄소함량(0.55중량%)에서도 우수한 고온균열 저항성을 확보할 수 있었다.
이상, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 권리범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 고망간강을 용접하여 얻어지는 용접이음부에 있어서,
    상기 용접이음부는 탄소(C): 0.55 ~ 0.61중량%, 실리콘(Si): 0.23 ~ 1.0중량%, 망간(Mn): 16.2 ~ 23.0중량%, 니켈(Ni): 5.0 ~ 10.0중량%, 티타늄(Ti): 1.37중량% 이하(0중량%는 제외), 인(P): 0.023중량% 이하(0중량%는 제외), 황(S): 0.04중량% 이하(0중량%는 제외), 잔여 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    상기 탄소(C)에 대한 상기 티타늄(Ti)의 중량비(Ti/C)가 2.0 ~ 2.5인 고온균열 저항성이 우수한 고망간강 용접이음부.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소(C)에 대한 상기 티타늄(Ti)의 중량비(Ti/C)가 2.5인 고온균열 저항성이 우수한 고망간강 용접이음부.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용접이음부의 최종 응고온도가 1,060 ~ 1,200℃인 고온균열 저항성이 우수한 고망간강 용접이음부.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 용접이음부의 미세조직은 오스테나이트(γ) 단상조직을 갖는 고온균열 저항성이 우수한 고망간강 용접이음부.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고망간간의 용접에는 플럭스 코어드 및 가스 텅스텐 아크 용접으로부터 선택된 하나의 용접방식이 사용되는 고온균열 저항성이 우수한 고망간강 용접이음부.

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