KR102050857B1

KR102050857B1 - 피복 아크 용접봉용의 Ni기 합금 심선, 피복 아크 용접봉, 및 피복 아크 용접봉의 제조 방법

Info

Publication number: KR102050857B1
Application number: KR1020197015285A
Authority: KR
Inventors: 스오 사루와타리; 가즈히로 고지마; 다카시 나메카타
Original assignee: 닛폰세이테츠 가부시키가이샤
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2019-12-02
Also published as: CN110446583A; US20200269361A1; WO2019186686A1; EP3778108A4; EP3778108B1; JP6447793B1; US10981254B2; JPWO2019186686A1; EP3778108A1; KR20190113756A; CN110446583B

Abstract

본 발명의 일 양태에 관한 피복 아크 용접봉용의 Ni기 합금 심선은, 화학 조성이, 질량％로, C: 0.0100∼0.0800％, Si: 0.010∼0.800％, Mn: 0.010∼1.800％, Mo: 15.0∼28.0％, W: 2.5∼8.0％, Cu: 0.10∼1.20％, Ta: 0.002∼0.120％, Ni: 65.0∼82.3％, 및 잔부: 불순물이며, 임의로 다른 선택 원소를 포함하고, X값이 0.010∼0.160％이다.

Description

피복 아크 용접봉용의 Ni기 합금 심선, 피복 아크 용접봉, 및 피복 아크 용접봉의 제조 방법

본 발명은, 피복 아크 용접봉용의 Ni기 합금 심선, 피복 아크 용접봉, 및 피복 아크 용접봉의 제조 방법에 관한 것이다.

지구 규모의 환경 문제를 고려하여, 환경 부하가 적은 에너지원인 액화 천연 가스(LNG)는 점점 그 수요가 증가하는 경향에 있다. LNG 탱크에 있어서는, 페라이트계의 극저온 재료인 9％ Ni 강이, 주로 LNG 탱크의 내조재로서 적용되어 왔다.

이 9％ Ni 강의 용접에는, 극저온에서의 인성이 양호한 Ni기 합금계의 용접 재료가 많이 사용되고 있다. 피복 아크 용접(Shielded Metal Arc Welding: SMAW)에 있어서 사용되는 용접 재료인 피복 아크 용접봉으로서는, Ni 이외에 Mn, Cr, Mo, W, 및 Nb 등의 합금 성분을 포함하는 것이 주로 사용되고 있다.

근년, LNG 탱크의 대형화에 수반하여, LNG 탱크에 요구되는 강도 및 인성이 점점 증대되어, 종래 기술에 의해 제공되고 있던 피복 아크 용접봉에 의해서는, 이 요구 성능을 충분히 만족시키지 못하였다.

특허문헌 1에는, LNG 저장 탱크용 9％ Ni 강의 용접에 사용되는 Ni기 합금의 용접에 관하여, 고강도·고인성이며, 내 균열성 및 내 블로 홀성이 우수한 용접 금속이 얻어지는 피복 아크 용접봉이 제안되어 있다. 그러나 특허문헌 1에 기재된 피복 아크 용접봉은, Nb 및 Ta의 첨가에 의해, 690㎫ 정도의 인장 강도를 갖는 용접부가 얻어지기는 하지만, 근년의 요구 스펙인 720㎫ 이상의 인장 강도를 갖는 용접부를 얻는 것은 곤란하였다. 또한, 특허문헌 1에 기재된 피복 아크 용접봉은, Nb 함유량이 높으므로, 이에 의해 얻어지는 용접 금속에서는, 다패스 용접 등에 의해 재열을 받았을 때에 NbC가 국부 용융되므로, 액화 균열이 발생하기 쉽다. 따라서 특허문헌 1에 기재된 피복 아크 용접봉은, 내 균열성에 과제가 있었다.

또한, 특허문헌 2에도, 양호한 내 균열성 및 비드 외관을 갖는 Ni기 합금 용접 금속, 및 이것을 얻기 위해 사용되고 용접 작업성이 양호한 Ni기 합금 피복 아크 용접봉이 제안되어 있다. 그러나 특허문헌 2에 기재된 Ni기 합금 피복 아크 용접봉은, 고용 강화 원소인 Mo 및 W 등의 함유량이 낮으므로, 용접 금속의 인장 강도를, 근년의 요구 스펙을 만족시킬 정도로 높일 수 없다.

일본 특허 공개 제2006-272432호 공보 일본 특허 공개 제2012-115889호 공보

본 발명은, 높은 저온 인성, 연신율, 및 인장 강도를 갖는 용접부를 제조 가능하고, 또한 내 고온 균열성 및 용접 작업성이 우수한 피복 아크 용접봉용의 Ni기 합금 심선, 피복 아크 용접봉 및 피복 아크 용접봉의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명의 요지는 이하와 같다.

(1) 본 발명의 일 양태에 관한 피복 아크 용접봉용의 Ni기 합금 심선은, 화학 조성이, 질량％로, C: 0.0100∼0.0800％, Si: 0.010∼0.800％, Mn: 0.010∼1.800％, Mo: 15.0∼28.0％, W: 2.5∼8.0％, Cu: 0.10∼1.20％, Ta: 0.002∼0.120％, Ni: 65.0∼82.3％, Mg: 0∼0.60％, Al: 0∼2.20％, Ti: 0∼2.20％, P: 0.025％ 이하, S: 0.025％ 이하, N: 0∼0.150％, O: 0∼0.012％, Fe: 0∼12.0％, Co: 0∼0.150％, Cr: 0∼0.150％, V: 0∼0.150％, Nb: 0∼0.150％, B: 0∼0.015％, Bi: 0∼0.080％, Ca: 0∼0.025％, REM: 0∼0.030％, Zr: 0∼0.150％, 및 잔부: 불순물이며, 식 1로 정의되는 X값이 0.010∼0.160％이다.

여기서, 상기 식 1 중에 기재된 기호는, 이것에 관한 물질의 단위 질량％로의 함유량이다.

(2) 상기 (1)에 기재된 피복 아크 용접봉용의 Ni기 합금 심선은, 상기 X값이 0.020∼0.130％여도 된다.

(3) 본 발명의 다른 양태에 관한 피복 아크 용접봉은, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 Ni기 합금 심선과, 상기 Ni기 합금 심선의 표면에 마련된 피복재를 구비한다.

(4) 본 발명의 다른 양태에 관한 피복 아크 용접봉의 제조 방법은, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 Ni기 합금 심선에, 피복재를 도포하는 공정과, 상기 Ni기 합금 심선 및 상기 피복재를 소성하는 공정을 구비한다.

(5) 본 발명의 다른 양태에 관한 피복 아크 용접봉은, 상기 (4)에 기재된 제조 방법에 의해 제조된다.

본 발명에 따르면, 높은 저온 인성, 연신율, 및 인장 강도를 갖는 용접부를 제조 가능하고, 또한 내 고온 균열성 및 용접 작업성이 우수한 피복 아크 용접봉용의 Ni기 합금 심선, 피복 아크 용접봉 및 피복 아크 용접봉의 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 Ni기 합금 심선의 X값과, 용착 금속의 인장 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 Ni기 합금 심선의 X값과, 용착 금속의 저온 인성의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예의 평가에 사용한 용접 시험판을 나타내는 도면이다.

본 발명자들은, Ta를 피복 아크 용접봉(이하 「용접봉」이라고 약기함)에 함유시킴으로써, 용접부의 저온 인성 및 인장 강도를 모두 향상시키고, 또한 고온 균열을 억제 가능한 것을 알아냈다. 용접봉에 포함되는 Ta는, 용접 금속 중에서 Ni-Mo-Ta계 화합물 및 Ni-W-Ta계 화합물을 생성하여, 이들 화합물이 석출 강화에 의해 용접 금속의 인장 강도를 향상시키는 것이라고 생각된다.

상술한 Ta의 효과에 의해 발명의 과제가 해결되지만, 용접봉에 Ta 외에도 선택 원소로서 REM이 포함되면, REM이 용접 금속의 결정립을 미세화하여, 이에 의해 용접 금속의 저온 인성이나 강도를 한층 향상시킬 것이라고 생각된다. 또한, 용접봉에 포함되는 REM은, 용접 중에 용융 금속 중의 황과 결합하여, 용융 금속 중의 황 농도를 감소시켜, 이에 의해 고온 균열 감수성을 한층 저감시킬 것이라고 생각된다.

이상의 지견에 의해 얻어진 본 실시 형태에 관한 피복 아크 용접봉용의 Ni기 합금 심선(이하 「심선」이라고 약기함), 피복 아크 용접봉 및 피복 아크 용접봉의 제조 방법에 대해, 이하에 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 「저온 인성」이라 함은, -196℃에서 측정되는 인성을 의미한다.

(1. Ni기 합금 심선)

본 실시 형태에 관한 심선에 대해, 이하에 설명한다. 심선의 화학 조성을 나타내는 단위 「％」는, 질량％를 의미한다.

(C: 0.0100∼0.0800％)

C는, 용접 금속의 인장 강도를 향상시킨다. C 함유량이 0.0100％ 미만인 경우, 용접 금속의 인장 강도가 부족하다. 한편, C 함유량이 0.0800％ 초과인 경우, 용접 금속에 탄화물이 석출되어, 용접 금속의 저온 인성이 손상된다. 또한, 이 경우, 탄화물의 석출에 의해, 연성이 저하되어, 굽힘 성능의 저하를 야기한다. 따라서, C 함유량은 0.0100∼0.0800％로 한다. C 함유량의 바람직한 하한값은 0.0150％, 0.0200％, 0.0250％ 또는 0.0300％이다. 또한, C 함유량의 바람직한 상한값은 0.0700％, 0.0600％, 또는 0.0500％이다.

(Si: 0.010∼0.800％)

Si는, 용접 금속 중의 블로 홀 발생을 억제하여, 용접 금속의 내 결함성을 향상시킨다. Si 함유량이 0.010％ 미만인 경우, 용접 금속에 블로 홀이 발생하기 쉬워져, 내 결함성이 손상된다. 한편, Si 함유량이 0.800％ 초과인 경우, 용접 금속의 입계에 편석된 Si가 마이크로 균열을 야기하여, 용접 금속의 저온 인성을 손상시킨다. 따라서, Si 함유량은 0.010∼0.800％로 한다. Si 함유량의 바람직한 하한값은 0.020％, 0.030％, 0.050％ 또는 0.070％이다. 또한, Si 함유량의 바람직한 상한값은 0.600％, 0.400％, 0.200％ 또는 0.150％이다.

(Mn: 0.010∼1.800％)

Mn은, 용접 금속의 내 균열성을 향상시킨다. Mn 함유량이 0.010％ 미만인 경우, 내 균열성이 떨어진다. 한편, Mn 함유량이 1.800％ 초과인 경우, 슬래그 박리성이 손상되어, 용접 작업성이 악화된다. 따라서, Mn 함유량은 0.010∼1.800％로 한다. Mn 함유량의 바람직한 하한값은 0.080％, 0.140％, 0.200％, 0.300％ 또는 0.400％이다. 또한, Mn 함유량의 바람직한 상한값은 1.500％, 1.200％, 1.000％, 0.800％ 또는 0.600％이다.

(Mo: 15.0∼28.0％)

Mo는, 용접 금속의 인장 강도를 향상시킨다. Mo 함유량이 15.0％ 미만인 경우, 용접 금속의 인장 강도가 부족하다. 한편, Mo 함유량이 28.0％ 초과인 경우, 용접 금속의 과잉의 경화에 의해, 용접 금속의 저온 인성이 손상된다. 따라서, Mo 함유량은 15.0∼28.0％로 한다. Mo 함유량의 바람직한 하한값은 16.0％, 17.0％, 18.0 또는 19.0％이다. 또한, Mo 함유량의 바람직한 상한값은 27.0％, 26.0％, 24.0 또는 22.0％이다.

(W: 2.5∼8.0％)

W는, 용접 금속의 인장 강도를 향상시킨다. W 함유량이 2.50％ 미만인 경우, 용접 금속의 인장 강도가 부족하다. 한편, W 함유량이 8.00％ 초과인 경우, 용접 금속에 탄화물이 석출되어, 용접 금속의 저온 인성이 손상된다. 따라서, W 함유량은 2.5∼8.0％로 한다. W 함유량의 바람직한 하한값은 2.7％, 2.9％, 3.2％ 또는 3.7％이다. 또한, W 함유량의 바람직한 상한값은 7.5％, 6.5％, 6.0 또는 5.5％이다.

(Cu: 0.10∼1.20％)

Cu는, 용접 금속의 인장 강도를 향상시킨다. Cu 함유량이 0.10％ 미만인 경우, 용접 금속의 인장 강도가 부족하다. 한편, Cu 함유량이 1.20％ 초과인 경우, 용접 금속의 입계에 편석된 Cu가 마이크로 균열을 야기하여, 용접 금속의 저온 인성을 손상시킨다. 따라서, Cu 함유량은 0.10∼1.20％로 한다. Cu 함유량의 바람직한 하한값은 0.15％, 0.20％, 0.25％ 또는 0.30％이다. 또한, Cu 함유량의 바람직한 상한값은 1.00％, 0.80％, 0.65％ 또는 0.50％이다.

(Ta: 0.002∼0.120％)

Ta는, 본 실시 형태에 관한 심선에 있어서 매우 중요한 원소이다. 심선에 포함되는 Ta는, 용접 금속 중에서 Ni-Mo-Ta계 화합물 및 Ni-W-Ta계 화합물을 생성하여, 이들 화합물이 석출 강화에 의해 용접 금속의 인장 강도를 향상시키는 것이라고 생각된다. 또한 Ta는 고융점의 탄질화물을 형성하므로, 고온 균열 감수성을 저감한다. 이 효과를 얻기 위해서는, Ta 함유량을 0.002％ 이상으로 할 필요가 있다. 한편, Ta 함유량이 0.120％ 초과인 경우, 저온 인성이 떨어진다. 아울러 고강도화에 의해, 굽힘 연성이 떨어진다. 따라서, Ta 함유량은 0.002∼0.120％로 한다. Ta 함유량의 바람직한 하한값은 0.005％, 0.008％, 또는 0.012％이다. 또한, Ta 함유량의 바람직한 상한값은 0.100％, 0.080％, 0.065％ 또는 0.050％이다.

(Ni: 65.0∼82.3％)

Ni는, 용접 금속의 주 원소이며, 용접 금속의 조직을 오스테나이트 조직으로 하고, 저온(예를 들어 -196℃)에 있어서의 용접 금속의 인장 강도 및 인성을 확보하기 위해 필수적인 원소이다. 모재(피용접재)에 의한 희석을 고려하면, 심선의 Ni 함유량은 65.0％ 이상으로 할 필요가 있다. Ni 함유량의 상한값은 특별히 규정되지 않지만, 심선에 포함되는 다른 합금 원소의 양을 고려하면, Ni 함유량의 실질적인 상한값은 약 82.3％이다. Ni는 고가의 원소이므로, Ni 함유량을 감소시킴으로써, 재료 비용을 저감할 수 있다. Ni 함유량의 바람직한 하한값은 67.0％, 68.0％, 69.0 또는 70.0％이다. 또한, Ni 함유량의 바람직한 상한값은 80.0％, 78.0％, 76.0은 74.0％이다.

본 실시 형태에 관한 심선은, 상술한 필수 원소 외에도, 이하에 설명하는 선택 원소도 임의로 함유할 수 있다. 단, 선택 원소를 포함하지 않아도 본 실시 형태에 관한 심선은 그 과제를 해결할 수 있으므로, 각 선택 원소의 하한값은 0％이다.

(Mg: 0∼0.60％)

Mg는, 탈산 작용을 가지며, 용접 금속의 산소량을 감소시킴으로써 용접 금속의 저온 인성을 향상시켜, 내 결함성을 향상시킨다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 심선은 Mg를 함유해도 된다. 한편, Mg 함유량이 0.60％ 초과인 경우, 스패터 및 흄의 양이 증대되어, 용접 작업성이 악화된다. 따라서, Mg 함유량은 0.60％ 이하로 한다. Mg 함유량의 바람직한 하한값은 0.01％, 0.03％, 0.05 또는 0.08％이다. 또한, Mg 함유량의 바람직한 상한값은 0.40％, 0.25％, 또는 0.15％이다.

(Al: 0∼2.20％)

Al은, 탈산 작용을 가지며, 용접 금속의 산소량을 감소시킴으로써 용접 금속의 저온 인성을 향상시켜, 내 결함성을 향상시킨다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 심선은 Al을 함유해도 된다. 한편, Al 함유량이 2.20％ 초과인 경우, 용접 금속의 연신율을 저하시키는 상(예를 들어 γ'상 등)이 용접 금속에 생성된다. 또한, 이 경우, 스패터 발생량이 증대되어, 용접 작업성이 악화된다. 따라서, Al 함유량은 2.20％ 이하로 한다. Al 함유량의 바람직한 하한값은 0.02％, 0.05％, 또는 0.10％이다. 또한, Al 함유량의 바람직한 상한값은 2.00％, 1.50％, 1.00％, 0.50％ 또는 0.30％이다.

(Ti: 0∼2.20％)

Ti는, 탈산 작용을 가지며, 용접 금속의 산소량을 감소시킴으로써 용접 금속의 저온 인성을 향상시켜, 내 결함성을 향상시킨다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 심선은 Ti를 함유해도 된다. 한편, Ti 함유량이 2.20％ 초과인 경우, 용접 금속의 연신율을 저하시키는 상(예를 들어 γ'상 등)이 용접 금속에 생성된다. 따라서, Ti 함유량은 2.20％ 이하로 한다. Ti 함유량의 바람직한 하한값은 0.01％, 0.05％, 또는 0.10％이다. 또한, Ti 함유량의 바람직한 상한값은 2.00％, 1.50％, 1.00％, 0.50％ 또는 0.30％이다.

(P: 0.025％ 이하)

(S: 0.025％ 이하)

P 및 S는, 불순물이며, 용접 금속의 저온 인성 및 내 균열성을 손상시킨다. 따라서, 그 함유량을 가능한 한 감소시키는 것이 바람직하다. 단, P 및 S를 제거하는 비용의 저감이 요망되는 경우, 0.025％ 이하의 P, 및 0.025％ 이하의 S는 허용된다. P 함유량 및 S 함유량의 하한은 0％이다. P 함유량의 바람직한 하한값은 0.001％, 0.002％, 또는 0.003％이다. 또한, P 함유량의 바람직한 상한값은 0.015％, 0.010％, 0.008 또는 0.006％이다. S 함유량의 바람직한 하한값은 0.001％, 0.002％, 또는 0.003％이다. 또한, S 함유량의 바람직한 상한값은 0.015％, 0.010％, 0.008 또는 0.006％이다.

(N: 0∼0.150％)

(O: 0∼0.012％)

N은, 용접 금속의 오스테나이트상에 고용되어, 용접 금속의 강도를 높인다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 심선은 N을 함유해도 된다. 한편, N 함유량이 0.150％ 초과인 경우, 용접 금속 중에 기공 결함을 발생시킨다. 따라서, N 함유량은 0.150％ 이하로 한다. N의 바람직한 하한값은 0.001％, 0.003％, 또는 0.005％이다. N 함유량의 바람직한 상한값은 0.100％, 0.080％, 0.065％ 또는 0.055％이다.

또한, O는, 불순물이며, 용접 금속의 저온 인성을 손상시킨다. 따라서, 그 함유량을 가능한 한 감소시키는 것이 바람직하다. 단, 용접 중에 O가 혼입되어 용접 금속의 인성을 손상시키지만, 0.012％ 이하의 O는 허용된다. O 함유량의 바람직한 하한값은 0.001％, 0.002％, 또는 0.003％이다. 또한, O 함유량의 바람직한 상한값은 0.010％, 0.008％, 또는 0.006％이다.

(Fe: 0∼12.0％)

Fe는, 심선의 원료를 용제하는 과정에서 불순물로서 포함되는 경우가 있다. 또한, Fe는, Ni 함유량을 감소시켜 재료 비용을 저감하기 위해, Ni 대신 심선에 함유되는 경우가 있다. 12.0％ 이하의 Fe는 허용된다. Fe 함유량의 바람직한 하한값은 0.01％, 0.05％, 또는 0.1％이다. 또한, Fe 함유량의 바람직한 상한값은 10.0％, 6.0％, 또는 4.0％이다.

(Co: 0∼0.150％)

Co는, 석출 강화 원소이다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 심선은 Co를 함유해도 된다. 한편, Co 함유량이 0.150％ 초과인 경우, 인성을 손상시킨다. 따라서, Co 함유량은 0.150％ 이하로 한다. Co 함유량의 바람직한 하한값은 0.001％, 0.003％, 또는 0.005％이다. 또한, Co 함유량의 바람직한 상한값은 0.080％, 0.040％, 또는 0.020％이다.

(Cr: 0∼0.150％)

Cr은, 용접 금속의 ?칭성을 향상시켜, 용접 금속의 인장 강도를 향상시킨다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 심선은 Cr을 함유해도 된다. 한편, Cr 함유량이 0.150％ 초과인 경우, 용접 금속의 과잉의 경화에 의해, 용접 금속의 저온 인성이 손상된다. 따라서, Cr 함유량은 0.150％ 이하로 한다. Cr 함유량의 바람직한 하한값은 0.001％, 0.003％, 또는 0.005％이다. 또한, Cr 함유량의 바람직한 상한값은 0.080％, 0.040％, 또는 0.020％이다.

(V: 0∼0.150％)

V는, 용접 금속의 ?칭성을 향상시켜, 용접 금속의 인장 강도를 향상시킨다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 심선은 V를 함유해도 된다. 한편, V 함유량이 0.150％ 초과인 경우, 용접 금속에 과잉량의 V 탄화물이 석출됨으로써, 용접 금속이 과잉으로 경화되어, 용접 금속의 저온 인성이 손상된다. 따라서, V 함유량은 0.150％ 이하로 한다. V 함유량의 바람직한 하한값은 0.001％, 0.003％, 또는 0.005％이다. 또한, V 함유량의 바람직한 상한값은 0.080％, 0.040％, 또는 0.020％이다.

(Nb: 0∼0.150％)

Nb는, 용접 금속 중에서 미세 탄화물을 형성하는 원소이며, 이 미세 탄화물은 용접 금속 중에서 석출 강화를 발생시켜, 용접 금속의 인장 강도를 향상시킨다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 심선은 Nb를 함유해도 된다. 한편, Nb 함유량이 0.150％ 초과인 경우, 용접 금속에 조대한 석출물이 발생하여, 용접 금속의 저온 인성이 손상된다. 따라서, Nb 함유량은 0.150％ 이하로 한다. Nb 함유량의 바람직한 하한값은 0.001％, 0.003％, 또는 0.005％이다. 또한, Nb 함유량의 바람직한 상한값은 0.080％, 0.040％, 또는 0.020％이다.

(B: 0∼0.015％)

B는, 용접 금속 중에서 고용 N과 결합하여 BN을 형성하여, 고용 N이 용접 금속의 인성에 미치는 악영향을 감소시키는 효과를 갖는다. 또한, B는 용접 금속의 ?칭성을 향상시켜, 용접 금속의 인장 강도를 향상시킨다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 심선은 B를 함유해도 된다. 한편, B 함유량이 0.015％ 초과인 경우, 용접 금속에 조대한 BN 및 Fe₂₃(C, B)₆ 등의 B 화합물이 발생하여, 용접 금속의 저온 인성이 손상된다. 따라서, B 함유량은 0.015％ 이하로 한다. B 함유량의 바람직한 하한값은 0.0001％, 0.005％, 또는 0.001％이다. 또한, B 함유량의 바람직한 상한값은 0.008％, 0.005％, 또는 0.003％이다.

(Bi: 0∼0.080％)

Bi는, 슬래그의 박리성을 개선한다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 심선은 Bi를 함유해도 된다. 한편, Bi 함유량이 0.080％ 초과인 경우, 용접 금속에 응고 균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서, Bi 함유량은 0.080％ 이하로 한다. Bi 함유량의 바람직한 하한값은 0.0001％, 0.0005％, 또는 0.001％이다. 또한, Bi 함유량의 바람직한 상한값은 0.050％, 0.025％, 또는 0.010％이다.

(Ca: 0∼0.025％)

Ca는, 용접 금속 중의 황화물의 구조를 변화시키고, 그리고 황화물 및 산화물의 사이즈를 미세화시켜, 이에 의해 용접 금속의 저온 인성을 향상시킨다. 또한 Ca는 아크 중에서 전리 경향이 강하므로, 아크를 안정화시킨다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 심선은 Ca를 함유해도 된다. 한편, Ca 함유량이 0.025％ 초과인 경우, 스패터의 양이 증대되어, 용접 작업성이 악화된다. 따라서, Ca 함유량은 0.025％ 이하로 한다. Ca 함유량의 바람직한 하한값은 0.0001％, 0.0005％, 또는 0.001％이다. 또한, Ca 함유량의 바람직한 상한값은 0.015％, 0.010％, 또는 0.005％이다.

(REM: 0∼0.030％)

「REM」이라는 용어는, Sc, Y 및 란타노이드로 이루어지는 합계 17원소를 가리키고, 상기 「REM의 함유량」이라 함은, 이들 17원소의 합계 함유량을 의미한다. 란타노이드를 REM으로서 사용하는 경우, 공업적으로는, REM은 미슈 메탈의 형태로 첨가된다.

용접봉에 Ta 외에도 REM이 포함되면, 용접 금속의 결정립이 한층 미세화되어, 이에 의해 용접 금속의 저온 인성이나 강도가 한층 향상된다. 또한, REM은, 용접 중에 용융 금속 중에서 황화물을 형성하여, 용융 금속 중의 S 농도를 저하시키고, 이에 의해 고온 균열의 발생을 억제한다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 심선은 REM을 함유하는 편이 바람직하다. 한편, REM 함유량이 0.030％ 초과인 경우, 아크가 불안정해져, 용접 결함 및 미소 결함이 용접 금속에 발생하고, 이에 의해 용접 금속의 연성이 손상된다. 따라서, REM 함유량은 0.030％ 이하로 한다. REM 함유량의 바람직한 하한값은 0.0001％, 0.0005％, 또는 0.001％이다. 또한, REM 함유량의 바람직한 상한값은 0.020％, 0.010％, 또는 0.006％이다.

(Zr: 0∼0.150％)

Zr은, 석출 강화 원소이다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 심선은 Zr을 함유해도 된다. 한편, Zr 함유량이 0.150％ 초과인 경우, 인성 및 굽힘 성능이 손상된다. 따라서, Zr 함유량은 0.150％ 이하로 한다. Zr 함유량의 바람직한 하한값은 0.0001％, 0.0005％, 또는 0.001％이다. 또한, Zr 함유량의 바람직한 상한값은 0.080％, 0.030％, 또는 0.010％이다.

(잔부: 불순물)

본 실시 형태에 관한 심선의 화학 선분은, 상기한 원소 및 잔부를 포함한다. 잔부는 불순물을 포함한다. 불순물이라 함은, 심선을 공업적으로 제조할 때, 광석 혹은 스크랩 등과 같은 원료, 또는 제조 공정의 다양한 요인에 의해 혼입되는 성분이며, 본 실시 형태에 관한 심선에 악영향을 미치지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.

(X값: 0.010∼0.160％)

본 실시 형태에 관한 심선에서는, 하기 식 1에 의해 산출되는 X값이 0.010∼0.160％로 될 필요가 있다.

식 1 중에 기재된 기호는, 이것에 관한 물질의 단위 질량％로의 함유량이다. REM의 단위 질량％로의 함유량이 0％인 경우, 식 1의 「REM」에는 0을 대입한다.

발명자들은, Ta 함유량과 REM 함유량이 상위한 다양한 심선으로 제조된 용접봉을 사용하여, 용착 금속을 제조하고, 용착 금속으로부터 채취한 용착 금속의 인장 강도와 저온 인성을 조사하였다. 여기서는, 9％ Ni 강을 모재로서 적용하였다. 용접 조건은, 용접 전류 140∼160A, 용접 전압 10∼15V, 용접 속도 5∼10㎝/min, 예열 없음, 패스간 온도 150℃ 이하에서, 하향 자세로 하였다. 용착 금속의 인장 강도 및 인성은, JIS Z 3111(2005) 「용착 금속의 인장 및 충격 시험 방법」에 의해 평가하였다. 실험 결과, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, X값이 0.010％ 미만인 경우에 용착 금속의 인장 강도를 확보하지 못하는 것을 알아냈다. 한편, 도 2에 나타낸 바와 같이, X값이 0.160％ 초과인 경우, 용착 금속의 -196℃에서의 샤르피 흡수 에너지(저온 인성)가 손상되는 것을 알아냈다. 아울러 고강도화에 의해, 굽힘 연성이 떨어지는 것을 알아냈다. 즉 본 발명자들은, X값을 0.010∼0.160％의 범위 내로 함으로써, 용접 금속의 고강도화 및 고저온 인성의 확보가 모두 실현되는 것을 알아냈다. 또한, 본 발명자들은, X값을 상기 범위 내로 함으로써, 용접 금속의 내 고온 균열성 및 굽힘 성능도 향상되는 것을 아울러 알아냈다. X값의 바람직한 하한값은 0.020％, 0.030％, 0.040 또는 0.050％이다. 또한, X값의 바람직한 상한값은 0.130％, 0.120％, 0.110％ 또는 0.100％이다.

X값에 따라서 상술한 현상이 발생하는 이유는, 이하에 설명하는 바와 같은 것이라고 추측된다. Ta는, 용접 금속 중에서 금속간 화합물(Ni-Mo-Ta계 화합물, 및 Ni-W-Ta계 화합물 등)을 생성함으로써 석출 강화를 발생시켜, 용접 금속의 고강도화에 기여한다. 용접봉에 Ta 및 REM이 둘 다 포함되면, 용접 금속의 응고 조직을 미세화함으로써, 용접 금속의 더한층의 고강도화에 기여한다. 또한 Ta는 탄질규화물을 형성하므로, 저융점 화합물의 생성이 억제되어, 그 결과, 고온 균열이 억제된다. 또한, REM은 용접 금속의 결정립을 미세화하여, 이에 의해 용접 금속의 저온 인성이나 강도를 한층 향상시키는 것이라고 생각된다. 게다가 REM은, 용접 중에 용융 금속 중에서 황화물을 형성하여, 용융 금속 중의 S 농도를 저하시키고, 이에 의해 고온 균열의 발생을 억제한다. 따라서, X값이 부족한 경우, 용접 금속의 인장 강도가 부족하고, 또한 고온 균열 발생률이 증대되는 것이라고 생각된다. 한편, REM을 과잉으로 함유시키면, 아크가 불안정해져, 용접 결함, 및 미소 결함이 용접 금속에 발생하고, 이에 의해 용접 금속의 연성이 저하되는 것이라고 생각된다. 단, Ta만으로도 고온 균열 억제 및 인장 강도의 향상은 가능하며, 상술한 X값의 규정이 만족되는 한, 상술된 바와 같이 REM의 함유량은 0％여도 된다.

본 실시 형태에 관한 심선의 제조 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 상술한 본 실시 형태에 관한 심선의 화학 조성과 동일한 화학 조성을 갖고, 또한 상술한 본 실시 형태에 관한 심선의 X값 규정을 만족시키는 합금을 용제하고, 이것을 신선 가공함으로써, 본 실시 형태에 관한 심선을 얻을 수 있다. 심선의 직경도 특별히 한정되는 것은 아니며, 통상의 피복 아크 용접봉의 심선과 마찬가지의 값으로 하면 된다. 또한, 심선의 화학 조성이 균일할 필요는 없고, 예를 들어 심선이 그 표면에 Cu 도금 등을 가져도 된다. 심선의 평균적인 화학 조성, 및 이것으로부터 산출되는 X값이 상술한 범위 내이면, 심선은 용접 중에 용융되어, 상술된 효과를 발휘한다.

또한, 심선의 직경은, 2.0∼6.0㎜로 해도 된다. 일반적으로는, 그 직경은 3.0∼5.0㎜가 많다. 따라서, 심선의 직경의 하한값을 3.0㎜로 해도 된다. 또한, 심선의 직경의 상한값을 5.0㎜로 해도 된다. 심선의 길이는, 200∼500㎜로 해도 된다. 일반적으로는, 그 길이는, 300∼400㎜가 많다. 따라서, 심선의 길이의 하한값을 300㎜로 해도 된다. 심선의 길이의 상한값을 400㎜로 해도 된다.

(2. 피복 아크 용접봉)

다음으로, 본 실시 형태에 관한 피복 아크 용접봉에 대해, 이하에 설명한다. 본 실시 형태에 관한 피복 아크 용접봉은, 본 실시 형태에 관한 Ni기 합금 심선과, Ni기 합금 심선의 표면에 마련된 피복재를 구비한다. 피복재의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니며, 공지의 피복 아크 용접봉용 피복재이면 된다. 즉, 본 실시 형태에 관한 피복 아크 용접봉은, 공지의 피복 아크 용접봉의 피복재와 동일한 피복재의 원료를 사용하여, 동일한 방법으로 Ni기 합금 심선이 피복재에 의해 피복되어 제조된 것이면 된다.

또한, 본 실시 형태에 관한 피복 아크 용접봉에 대해, 공지가 아닌 피복재를 배제할 필요는 없다. 당업자라면, 본 실시 형태에 관한 심선에, 공지가 아닌 피복재가 피복된 피복 아크 용접봉의 제조 및 판매 전에, 그 피복 아크 용접봉을 시험 제작하고, 성능 평가 시험을 행하여, 특성이 좋지 않은 피복재를 채용하지 않고, 특성이 양호한 피복재만을 채용한다고 하는 절차를 진행할 가능성이 높다. 이러한 절차 등을 진행하면, (공지가 아닌) 새롭게 개발된 피복재로 본 실시 형태에 관한 심선을 피복해도 전혀 문제가 발생하지 않는다.

피복재는, 통상, 비금속 물질을 함유한다. 비금속 물질의 예로서, TiO₂, 및 SiO₂ 등의 산화물, CaCO₃ 등의 탄산염, 그리고 CaF₂, MgF₂, LiF, NaF, K₂ZrF₆, BaF₂, K₂SiF₆, Na₃AlF₆ 및 AlF₃ 등의 불화물이 있다. 이들 비금속 물질은, 용접 작업성의 향상, 및 용접 금속 형상의 안정화 등의 효과를 갖지만, 용접 중에 그 대부분이 슬래그로서 용접 금속 외부로 배출되어, 용접에 의해 얻어지는 용접 금속의 성분에는 실질적으로 영향을 미치지 않는다. 본 실시 형태에 관한 피복 아크 용접봉은, 그 심선의 화학 조성 및 X값에 의해 용접 금속의 특성을 확보하는 것이므로, 그 피복재의 성분은, 피복 아크 용접의 기술분야에 있어서의 통상의 지식에 기초하여 임의로 선택할 수 있다.

또한, 피복재의 비금속 물질의 성분을 분석에 의해 특정하는 것은 곤란하다. 비금속 물질로서 포함되는 Ti, Si, Na 및 Ca 등의 원소가, 피복재 중에 금속 또는 합금의 형태, 산화물의 형태, 불화물의 형태, 및 탄산염의 형태 중 어느 것으로서 존재하는 것인지를 판별하는 것이 용이하지는 않다. 예를 들어, 금속 또는 합금으로서 존재하는 Si(금속 Si), 및 산화물(SiO₂)로서 존재하는 Si를 분리하는 것은 곤란하다. 금속 Si만을 선택적으로 용해시켜 습식 분석하는 방법이 확립되어 있지 않기 때문이다. 또한, 탄산염은 분석 중에 열분해되기 쉬우므로, 탄산염의 종류를 정확하게 특정하는 것도 곤란하다. 단, 피복재로부터 유리된 CO₂양 등으로부터, 탄산염의 함유량을 추측하는 것은 가능하다. 또한, 피복재에 불화물이 포함되는 경우, 피복재로부터 유리된 불소가 분석 기기를 손상시키는 경우도 있다. 또한, 피복 아크 용접봉의 제조 방법은, 피복재가 도포된 심선을 소성하는 공정을 포함하고, 이 소성이, 피복재의 비금속 물질의 조성을 예기치 않은 것으로 변화시키는 경우가 있다.

피복재는, 금속 물질(즉, 산화물, 탄산염, 및 불화물 등을 제외한, 단체의 금속 원소로 이루어지는 금속 분말, 및 복수의 금속 원소의 합금으로 이루어지는 합금 분말 등)을 포함해도 된다. 피복재 중의 금속 물질은, 용접 중에 용융되어, 심선을 구성하는 금속과 마찬가지의 작용 효과를 발휘한다. 피복재 중의 금속 물질에는, C 및 Si가 함유되어도 되고, 그 밖에 함유될 수 있는 대표적인 원소로서는, Mn, Ni, Cr, Mo 및 Fe를 들 수 있다. Ta를 포함하는 피복재는 공지의 피복재는 아니지만, 금속 물질 중에, Ta 원소가 포함되어도 된다. 또한, 본 실시 형태에 관한 피복 아크 용접봉은, 후술하는 본 실시 형태에 관한 피복 아크 용접봉의 제조 방법에 의해 얻어지는 피복 아크 용접봉이다.

공지(기존)의 피복 아크 용접봉의 피복률은 20∼40％인 것이 많다. 본 실시 형태의 피복 아크 용접봉에 있어서도, 20∼40％ 정도의 피복률로 해도 된다. 또한, 피복률은, 하기 식 A로 정의된다.

식 A에 있어서, We는 용접봉의 총 질량을 나타내고, Ww는 심선의 총 질량을 나타낸다.

(3. 피복 아크 용접봉의 제조 방법)

다음으로, 본 실시 형태에 관한 피복 아크 용접봉의 제조 방법에 대해, 이하에 설명한다.

본 실시 형태에 관한 피복 아크 용접봉의 제조 방법은, 본 실시 형태에 관한 Ni기 합금 심선에, 피복재를 도포하는 공정과, Ni기 합금 심선 및 피복재를 소성하는 공정을 구비한다.

상술된 바와 같이, 피복재의 종류는 특별히 한정되지 않는 것처럼, 제조 방법에 대해서도, 당업자가 종래부터 행하고 있는 피복재의 제조 방법 중에서, 피복 아크 용접의 기술분야에 있어서의 통상의 지식에 기초하여 임의로 선택하면 된다.

한편, 본 실시 형태에 관한 피복 아크 용접봉의 제조 방법에 있어서의 소성 조건 등의 다양한 제조 조건을, 당업자가 종래부터 행하고 있는 조건으로만 한정할 필요는 없다. 당업자라면, 새로운 제조 방법을 채용하기 전에, 그 제조 방법으로 피복 아크 용접봉을 시험 제작하고, 성능 평가 시험을 행하여, 특성이나 생산성 등이 좋지 않은 방법을 채용하지 않고, 특성이나 생산성 등이 양호한 방법을 채용한다고 하는 절차를 진행할 가능성이 높다. 이러한 절차 등을 진행하면, 종래에 없는 방법을 채용해도 된다. 예를 들어, 피복 아크 용접봉의 제조 방법에 있어서, 소성 온도는 150∼450℃ 정도이고, 소성 시간은 0.1∼3시간 정도인 경우가 많지만, 이 범위로 한정할 필요는 없다.

실시예

표 1-1∼표 2-2에 나타내는 성분을 갖는 피복 아크 용접봉용의 Ni기 합금 심선을 제조하고, 이들에 표 3에 나타내는 성분을 갖는 피복재를 도포하고, 소성함으로써, 피복 아크 용접봉을 제조하였다. 소성 온도는 410℃로 하고, 소성 시간은 23분으로 하였다. 심선 치수는 직경 4.0㎜, 길이 350㎜로 하여 시험에 사용하였다. 이들 피복 아크 용접봉에 대해, 이하의 평가를 행하였다. 표 1-1∼표 2-2에 있어서, 본 실시 형태에 관한 심선의 범위 밖이 되는 값에는 밑줄을 그었다. 또한, 심선에 첨가되지 않은 성분의 함유량은 이들 표에 기재하지 않고, 공백으로 하였다. 표 1-1∼표 2-2에 개시된 심선의 성분의 잔부는 불순물이었다.

각 시험은, 표 9에 나타내는 성분 중 9％ Ni 강을 모재로서 적용하였다. 용접 조건은, 표 6에 나타낸 바와 같이, 용접 전류 140∼160A, 용접 전압 10∼15V, 용접 속도 5∼10㎝/min, 예열 없음, 패스간 온도 150℃ 이하에서, 하향 자세로 하였다. 용착 금속 성능의 평가로서, JIS Z 3111(2005)에 따라서, 인장 시험 및 충격 시험(표 9에 나타내는 모재 AA1을 사용)을 행하였다. 인장 강도: 720㎫ 이상, 연신율: 25％ 이상, 및 -196℃에 있어서의 흡수 에너지 vE_-196℃: 55J 이상이 되는 용착 금속을 제조할 수 있었던 시료를, 용착 금속 성능에 관하여 양호하다고 판단하였다.

내 균열성의 조사는, 모재에 9％ Ni 강(표 9에 나타내는 모재 AA2를 사용)을 적용하고, 도 3에 나타내는 개선을 형성하여, 상기와 동일한 용접 조건으로 500㎜의 다패스 용접을 행하고, 최종 비드 표면으로부터 약 1㎜씩 3회 연삭하여 침투 탐상 시험을 행하여, 균열의 유무를 판정함으로써 실시하였다. 균열이 발견되지 않은 시료를, 내 균열성에 관하여 양호하다고 판단하였다.

굽힘 성능은, 이하의 수단에 의해 평가하였다. JIS Z 3122(2013) 「맞대기 용접 조인트의 굽힘 시험 방법」에 준하여 세로 표면 굽힘 시험편을 용접 금속으로부터 채취하고, 이면으로부터 시험편의 두께(t)를 10㎜로 두께 감소 가공하고, 이것에 굽힘 반경 R이 1.0×t㎜인 굽힘 가공을 행하고, 그 후 시험편에 있어서의 균열의 유무를 눈으로 확인하여, 굽힘 성능의 평가를 실시하였다. 시험편에, 눈으로 보아 균열이 확인되지 않은 예를, 굽힘성에 관하여 양호하다고 판단하였다.

내 결함성의 조사에서는, 도 3에 나타내는 내 균열성 시험과 동일한 모재, 개선 조건 및 용접 조건으로 용접을 행하고, 용접부의 X선 투과 시험을 실시하고, JIS Z 3106(2001)의 등급 분류로 판정하여, 1류라고 판정되는 용접부를 제조할 수 있었던 시료를 내 결함성에 관하여 양호하다고 판단하였다. 또한, 용착 금속 시험 및 내 블로 홀성의 조사의 용접 전류는 140A로 실시하였다.

용접 작업성 평가에서는, 모재에 9％ Ni 강(표 9에 나타내는 모재 AA1을 사용)을 사용하여 수평 필릿 용접을 행하고, 아크 안정성, 스패터 발생량, 슬래그 박리성 및 비드 외관을 조사하였다. 용접 조건은, 용접 전류 140A, 용접 속도 10㎝/min으로 행하였다. 아크 안정성에 관하여, 아크의 소호 시간을 총 아크 발생 시간에 대해 10％ 이하로 한 심선을 합격이라고 판정하였다. 스패터 발생량에 관하여, 스패터를 발생시키지 않은 심선, 또는 스패터를 발생시켰지만, 모재에 부착된 스퍼터를 와이어 브러시 등으로 가볍게 문지르면 제거할 수 있었던 심선을, 합격이라고 판정하였다. 슬래그 박리성에 관하여, 자연스럽게 박리되는 슬래그를 형성한 심선, 또는 와이어 브러시 혹은 정으로 용접부를 가볍게 두드린 경우에 박리되는 슬래그를 형성한 심선을 합격이라고 판정하였다. 와이어 브러시로 격렬하게 문지르거나, 정으로 격렬하게 두드리거나 해도 박리되지 않는 슬래그를 형성한 심선은, 슬래그 박리성에 관하여 불합격이라고 판정되었다. 비드 외관에 관하여, 비드에 블로 홀 등의 표면에 나타나는 결함을 발생시킨 심선, 비드 표면의 요철의 깊이를 여성 높이의 10％ 이상으로 한 심선, 또는 비드 지단부의 지단각을 90도 이상으로 한 심선을, 불합격이라고 판정하고, 그 이외의 심선을 합격이라고 판정하였다.

심선과 피복재의 조합, 및 피복률을 표 4 및 표 5에 나타낸다. 심선의 시험 결과를 표 7 및 표 8에 나타낸다. 표 7 및 표 8에 있어서, 상술한 합격 여부 기준에 미달되는 수치에는 밑줄을 그었다.

[표 1-1]

[표 1-2]

[표 2-1]

[표 2-2]

[표 3]

[표 4]

[표 5]

[표 6]

[표 7]

[표 8]

[표 9]

화학 조성 및 X값이 본 발명의 범위 내인 심선 A1∼A24는, 인장 강도, 연신율, vE_-196℃, 내 균열성, 및 굽힘성이 모두 우수한 용접 금속을 제조할 수 있었다. 또한, 예 A1∼A24에서는, 아크 안정성, 스패터 발생량, 슬래그 박리성, 내 결함성, 및 비드 외관이 모두 우수하여, 용접 작업성이 양호하였다.

한편, 화학 조성 및 X값 중 어느 것이 본 발명의 범위 밖인 심선 B1∼B7은, 평가 항목 중 어느 하나 이상에 대해 합격 여부 기준을 만족시키지 않았다.

B1은, 심선의 Ta 함유량이 부족하였다. 그 때문에, F11에서는, 용접 금속의 인장 강도가 부족하였다.

B2는, 심선의 Ta 함유량이 과잉이었다. 그 때문에, F12에서는, 저온 인성이 부족하였다.

B3은, 심선의 REM 함유량 및 X값이 과잉이었다. 그 때문에, B3에서는, 용접 금속의 저온 인성이 부족하고, 또한 아크 안정성이 나쁘고, 스패터 발생량이 과잉이었다.

B4 및 B6은, 심선의 X값이 부족하였다. 그 때문에, B4 및 B6에서는, 용접 금속의 인장 강도가 부족하였다.

B5 및 B7은, 심선의 X값이 과잉이었다. 그 때문에, B5 및 B7에서는 용접 금속의 저온 인성이 부족하고, 또한 용접 금속의 굽힘성이 불량이 되는 경우도 있었다.

Claims

피복 아크 용접봉용의 Ni기 합금 심선이며,
화학 조성이, 단위 질량％로,
C: 0.0100∼0.0800％,
Si: 0.010∼0.800％,
Mn: 0.010∼1.800％,
Mo: 15.0∼28.0％,
W: 2.5∼8.0％,
Cu: 0.10∼1.20％,
Ta: 0.002∼0.120％,
Ni: 65.0∼82.3％,
Mg: 0∼0.60％,
Al: 0∼2.20％,
Ti: 0∼2.20％,
P: 0.025％ 이하,
S: 0.025％ 이하,
N: 0∼0.150％,
O: 0∼0.012％,
Fe: 0∼12.0％,
Co: 0∼0.150％,
Cr: 0∼0.150％,
V: 0∼0.150％,
Nb: 0∼0.150％,
B: 0∼0.015％,
Bi: 0∼0.080％,
Ca: 0∼0.025％,
REM: 0∼0.030％,
Zr: 0∼0.150％, 및
잔부: 불순물이며,
식 1로 정의되는 X값이 0.010∼0.160％인
것을 특징으로 하는 피복 아크 용접봉용의 Ni기 합금 심선.

여기서, 상기 식 1 중에 기재된 기호는, 이것에 관한 물질의 단위 질량％로의 함유량임.
제1항에 있어서,
상기 X값이 0.020∼0.130％인
것을 특징으로 하는 피복 아크 용접봉용의 Ni기 합금 심선.
제1항 또는 제2항에 기재된 Ni기 합금 심선과,
상기 Ni기 합금 심선의 표면에 마련된 피복재를
구비하는 피복 아크 용접봉.
제1항 또는 제2항에 기재된 Ni기 합금 심선에, 피복재를 도포하는 공정과,
상기 Ni기 합금 심선 및 상기 피복재를 소성하는 공정을
구비하는 것을 특징으로 하는 피복 아크 용접봉의 제조 방법.
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