KR102058602B1 - 페라이트계 내열강용 용접 재료, 페라이트계 내열강용 용접 조인트 및 페라이트계 내열강용 용접 조인트의 제조 방법 - Google Patents

페라이트계 내열강용 용접 재료, 페라이트계 내열강용 용접 조인트 및 페라이트계 내열강용 용접 조인트의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

B를 함유하는 페라이트계 내열강을 용접하는 경우에 있어서, 높은 크리프 강도 및 인성을 갖는 용접 금속을 형성할 수 있는 페라이트계 내열강용 용접 재료, 페라이트계 내열강용 용접 조인트, 및 페라이트계 내열강용 용접 조인트의 제조 방법을 제공한다. 본 실시 형태에 의한 페라이트계 내열강용 용접 재료는, 질량%로, C：0.06~0.10%, Si：0.1~0.4%, Mn：0.3~0.7%, Co：2.6~3.4%, Ni：0.01~1.10%, Cr：8.5~9.5%, W：2.5~3.5%, Nb：0.02~0.08%, V：0.1~0.3%, Ta：0.02~0.08%, B：0.007~0.015%, N：0.005~0.020%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지며, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 갖는다.
0.5≤Cr＋6Si＋1.5W＋11V＋5Nb＋10B－40C－30N－4Ni－2Co－2Mn≤10.0 (1)

Description

페라이트계 내열강용 용접 재료, 페라이트계 내열강용 용접 조인트 및 페라이트계 내열강용 용접 조인트의 제조 방법
본 발명은, 용접 재료, 용접 조인트 및 용접 조인트의 제조 방법에 관한 것이고, 더 상세하게는, 페라이트계 내열강용 용접 재료, 페라이트계 내열강용 용접 조인트 및 페라이트계 내열강용 용접 조인트의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 화력 발전에서는 열효율을 높이기 위해서, 증기 조건의 고온 고압화가 진행되고 있다. 장래적으로는 650℃, 350기압이라는 초초임계압 조건에서의 조업이 계획되어 있다. 페라이트계 내열강은, 오스테나이트계 내열강이나 Ni기 내열강에 비해서 염가이다. 페라이트계 내열강은 또한, 열팽창 계수가 작다는 내열강으로서의 이점을 갖는다. 그 때문에, 페라이트계 내열강은, 고온 고압 환경에 있어서 널리 이용되고 있다.
일본국 특허공개 평4-371551호 공보(특허문헌 1), 일본국 특허공개 평4-371552호 공보(특허문헌 2), 및 일본국 특허공개 2002-241903호 공보(특허문헌 3)는, 상기와 같은 장래적인 조건의 가혹화에 대응 가능한 페라이트계 내열강을 제안한다. 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시된 페라이트계 내열강은, W 및 Mo 함유량을 최적화함과 더불어, Co 및 B를 함유한다. 이에 의해, 이들 문헌의 페라이트계 내열강은 고강도를 갖는다. 또한, 특허문헌 3에 개시된 페라이트계 내열강재는, 마텐자이트 라스 계면에 석출되는 M23C6 탄화물 및 금속간 화합물상을 적극적으로 활용함으로써, 고강도를 갖는다.
그런데, 페라이트계 내열강은 용접되어, 용접 조인트로서 구조물에 이용되는 경우가 있다. 이 경우, 용접 조인트의 용접 열영향부(이하, HAZ라고 한다)의 크리프 강도가 저하할 수 있다. 이에, 일본국 특허공개 2004-300532호 공보(특허문헌 4), 일본국 특허공개 2010-7094호 공보(특허문헌 5), 및 국제 공개 제2008/149703호(특허문헌 6)는, HAZ에서의 크리프 강도 저하를 억제한 페라이트계 내열강을 제안한다. 특허문헌 4에 개시된 페라이트계 내열강은, B를 0.003~0.03질량% 함유함으로써, HAZ에서의 세립화를 억제한다. 이에 의해, HAZ에서의 크리프 강도 저하가 억제된다. 특허문헌 5 및 특허문헌 6에 개시된 페라이트계 내열강은, 다량의 B를 함유함과 더불어, 용접 입열 또는 B 함유량에 따라 C 함유량을 조정한다. 이에 의해, HAZ에서의 강도 저하를 억제함과 더불어, 용접시의 액화 균열이 억제된다.
다량의 B를 함유하는 페라이트계 내열강을 용접하는 경우, 일반적으로 용접 재료를 사용한다. 시판 Ni기 내열 합금용 용접 재료(예를 들어, JIS Z 3334(2011) SNi6082)를 이용하여 형성된 용접 금속은, 높은 크리프 강도 및 인성을 갖는다. 그러나, 용접시, 특히 모재의 희석이 큰 첫 층 용접부에서는, B가 모재로부터 용접 금속 중에 유입된다. 이 경우, 응고 균열이 발생하는 경우가 있다. 따라서, B를 함유하는 페라이트계 내열강을 용접하기 위해서 사용되는 용접 재료에는, 용접 금속에서의 높은 크리프 강도 및 인성이 요구될 뿐만 아니라, 용접시에 있어서의 응고 균열의 억제도 요구된다.
일본국 특허공개 평8-187592호 공보(특허문헌 7), 일본국 특허공개 평9-308989호 공보(특허문헌 8), 및 일본국 특허공개 평9-122971호 공보(특허문헌 9)는, 크리프 강도, 인성 및 용접성이 뛰어난 페라이트계 내열강용 용접 재료를 제안한다. 특허문헌 7의 용접 재료는, B를 0.0005~0.006질량% 함유하고, 또한 (Mo＋W)/(Ni＋Co)가 0.045~2.0이다. 특허문헌 8의 용접 재료는, 임의로 B를 0.0005~0.006질량% 함유함과 더불어, (Mo＋W)/(Ni＋Co) 및 (0.5×Co＋0.5×Mn＋Ni)가 소정의 범위 내이며, 또한, Cr 등량이 소정 범위 내이다. 특허문헌 9의 용접 재료는, 임의로 0.02질량% 이하의 B를 함유할 수 있고, 또한, Mn 함유량이 (0.0925－12.5〔%S〕)%~2.0%이며, (Al＋O)가 0.02% 이하이다.
그러나, 이들 용접 재료를 다량의 B를 함유하는 페라이트계 내열재료의 용접에 사용한 경우, 용접 금속의 충분한 크리프 강도를 안정적으로 얻을 수 없는 경우가 있다.
일본국 특허공개 평4-371551호 공보 일본국 특허공개 평4-371552호 공보 일본국 특허공개 2002-241903호 공보 일본국 특허공개 2004-300532호 공보 일본국 특허공개 2010-7094호 공보 국제 공개 제2008/149703호 일본국 특허공개 평8-187592호 공보 일본국 특허공개 평9-308989호 공보 일본국 특허공개 평9-122971호 공보
본 발명의 목적은, B를 함유하는 페라이트계 내열강을 용접하는 경우에 있어서, 높은 크리프 강도 및 인성을 갖는 용접 금속을 형성할 수 있는 페라이트계 내열강용 용접 재료, 페라이트계 내열강용 용접 조인트, 및 페라이트계 내열강용 용접 조인트의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 페라이트계 내열강용 용접 재료는, 질량%로, C：0.06~0.10%, Si：0.1~0.4%, Mn：0.3~0.7%, P：0.01% 이하, S：0.003% 이하, Co：2.6~3.4%, Ni：0.01~1.10%, Cr：8.5~9.5%, W：2.5~3.5%, Mo：0.01% 미만, Nb：0.02~0.08%, V：0.1~0.3%, Ta：0.02~0.08%, B：0.007~0.015%, N：0.005~0.020%, Al：0.03% 이하, O：0.02% 이하, Cu：0~1%, Ti：0~0.3%, Ca：0~0.05%, Mg：0~0.05%, 및 희토류 원소：0~0.1%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지며, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 갖는다.
0.5≤Cr＋6Si＋1.5W＋11V＋5Nb＋10B－40C－30N－4Ni－2Co－2Mn≤10.0 (1)
여기서, 식 (1) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
본 발명에 의한 용접 조인트는, 상술한 화학 조성을 갖는 페라이트계 내열강용 용접 금속과, B를 함유하는 페라이트계 내열강으로 이루어지는 모재를 구비한다.
본 발명에 의한 용접 조인트의 제조 방법은, 페라이트계 내열강으로 이루어지는 모재에 대하여, 상술한 페라이트계 내열강용 용접 재료를 이용하여, 용접 입열 6~20kJ/cm로 가스 텅스텐 아크 용접을 실시하여 용접 금속을 형성하는 공정과, 모재에 형성된 용접 금속에 대하여, 740~780℃의 열처리 온도로 모재의 두께 25.4mm당 0.5~4.0시간의 열처리를 실시하는 공정을 구비한다.
본 발명에 의한 페라이트계 내열강용 용접 재료는, B를 함유하는 페라이트계 내열강을 용접하는 경우에 있어서, 높은 크리프 강도 및 인성을 갖는 용접 금속을 형성할 수 있다.
본 발명자들은, 상술한 과제를 해결하기 위해서 조사 및 검토를 행하였다. 그 결과, 본 발명자들은 다음의 지견을 얻었다.
B를 함유하는 페라이트계 내열강으로 이루어지는 모재에 용접을 실시하여 용접 금속을 형성하는 경우, 용접 금속에 적당량의 B가 포함되어 있으면, 용접 금속의 크리프 강도가 높아진다. 그 이유는 다음과 같다고 생각된다. 구(舊) 오스테나이트 입계 및 마텐자이트 라스 경계에 M23C6 탄화물(M은 합금 원소)이 미세하게 분산된다. 이 M23C6 탄화물에 의해 마텐자이트 라스의 회복이 늦어지고, 크리프 강도가 높아진다. 모재의 B 함유량이 0.005~0.020%인 경우, 용접 금속의 B 함유량이 0.007% 이상이면, 모재와 동등 이상의 크리프 강도를 얻을 수 있다.
한편, 용접 금속 중의 B 함유량이 너무 높으면, 높은 크리프 강도를 얻을 수 있지만, 인성이 저하된다. 그 이유는 다음과 같다고 생각된다. B 함유량이 너무 높으면, 마텐자이트 변태시에 마텐자이트 라스의 급격한 신장이 발생한다. 이에 의해 패킷 사이즈가 커지고, 충격에 대한 파괴 단위가 커진다. 또한, B는 페라이트 형성 원소이기 때문에, 용접 금속 중의 δ 페라이트의 생성을 촉진하여, 용접 금속 중의 δ 페라이트의 면적률이 증대된다. 그 때문에, 용접 금속의 인성이 저하된다고 생각된다.
다음의 (A)~(C)를 만족하면, 높은 인성을 유지할 수 있는 용접 금속을 얻을 수 있다.
(A) 용접 금속의 B 함유량을 0.015% 이하로 하면, 마텐자이트 라스의 급격한 신장이 억제된다.
(B) 용접 금속의 화학 조성에 있어서, F1=Cr＋6Si＋1.5W＋11V＋5Nb＋10B－40C－30N－4Ni－2Co－2Mn이라고 정의한다. F1이 10.0 이하이면, δ 페라이트의 형성이 억제되고, 용접 금속 중 δ 페라이트의 면적률이 0.5% 이하가 된다.
(C) S는, 용접 중이나 용접 후 열처리 과정에서 편석하고, 입계의 고착력을 저하시킨다. 이에, S 함유량을 0.003질량% 이하로 한다. 이에 의해 용접 금속의 인성이 높아진다.
이상의 지견에 의거하여 완성된 본 실시 형태의 페라이트계 내열강용 용접 재료는, 질량%로, C：0.06~0.10%, Si：0.1~0.4%, Mn：0.3~0.7%, P：0.01% 이하, S：0.003% 이하, Co：2.6~3.4%, Ni：0.01~1.10%, Cr：8.5~9.5%, W：2.5~3.5%, Mo：0.01% 미만, Nb：0.02~0.08%, V：0.1~0.3%, Ta：0.02~0.08%, B：0.007~0.015%, N：0.005~0.020%, Al：0.03% 이하, O：0.02% 이하, Cu：0~1%, Ti：0~0.3%, Ca：0~0.05%, Mg：0~0.05%, 및 희토류 원소：0~0.1%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지며, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 갖는다.
0.5≤Cr＋6Si＋1.5W＋11V＋5Nb＋10B－40C－30N－4Ni－2Co－2Mn≤10.0 (1)
여기서, 식 (1) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
상기 용접 재료의 화학 조성은, 제1군~제3군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소를 함유해도 된다.
제1군：Cu：0.05~1.00%,
제2군：Ti：0.02~0.30%,
제3군：Ca：0.001~0.050%, Mg：0.001~0.050%, 및 희토류 원소：0.001~0.10% 이하
상기 용접 재료 중의 δ 페라이트의 면적률은 0.5% 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 용접 조인트는, 상술한 화학 조성을 갖는 용접 금속과, 페라이트계 내열강으로 이루어지는 모재를 구비한다. 모재는, 질량%로, Cr：8~10%, Co：2~4%, W：2~4%, 및 B：0.005~0.020%를 함유하는 화학 조성을 갖는다.
상기 모재의 화학 조성은, 질량%로, C：0.04~0.12%, Si：0.05~0.60%, Mn：0.1~0.8%, P：0.02% 이하, S：0.01% 이하, Co：2~4%, Ni：0~0.4%, Cr：8~10%, W：2~4%, Nb 및/또는 Ta：합계로 0.02~0.18%, V：0.05~0.40%, B：0.005~0.020%, Nd：0.01~0.06%, N：0.002~0.025%, Al：0.03% 이하, 및 O：0.02% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물이어도 된다. 상기 모재의 화학 조성은, Ni：0.05~0.4%를 함유해도 된다. 상기 용접 금속 중의 δ 페라이트의 면적률은 예를 들어, 0.5% 이하이다.
본 발명에 의한 용접 조인트의 제조 방법은, 질량%로, Cr：8~10%, Co：2~4%, W：2~4%, 및 B：0.005~0.020%를 함유하는 화학 조성을 갖는 페라이트계 내열강으로 이루어지는 모재에 대하여, 상술한 페라이트계 내열강용 용접 재료를 이용하여, 용접 입열 6~20kJ/cm로 가스 텅스텐 아크 용접을 실시하여 용접 금속을 형성하는 공정과, 모재에 형성된 용접 금속에 대하여, 740~780℃의 열처리 온도로 모재의 두께 25.4mm당 0.5~4.0시간의 열처리를 실시하는 공정을 구비한다.
이하, 본 발명에 의한 페라이트계 내열강용 용접 재료, 용접 조인트 및 용접 조인트의 제조 방법에 대해서 상세히 기술한다. 원소에 관한 「%」는, 특별히 언급이 없는 한, 질량%를 의미한다.
[페라이트계 내열강용 용접 재료의 화학 조성]
본 실시 형태의 페라이트계 내열강용 용접 재료의 화학 조성은, 다음의 원소를 함유한다.
C：0.06~0.10%
탄소(C)는, 용접 금속의 δ 페라이트 생성을 억제하고, 용접 금속의 주된 조직을 마텐자이트 조직으로 한다. C는 또한, 고온 사용시에 미세한 탄화물(M23C6 탄화물)을 생성하며, 크리프 강도를 높인다. C 함유량이 너무 낮으면, 이들 효과를 얻을 수 없다. 한편, C 함유량이 너무 높으면, 조대한 탄화물이 다량으로 석출되고, 용접 금속의 인성이 저하한다. 따라서, C 함유량은 0.06~0.10%이다. C 함유량의 바람직한 하한은 0.07%이다. C 함유량의 바람직한 상한은 0.09%이다.
Si：0.1~0.4%
실리콘(Si)은, 강을 탈산한다. Si는 또한, 용접 금속의 내수증기 산화 특성을 높인다. Si 함유량이 너무 낮으면, 이들 효과를 얻을 수 없다. 한편, Si 함유량이 너무 높으면, δ 페라이트의 생성이 촉진되고, 용접 금속의 인성이 저하함과 더불어, 크리프 연성도 저하한다. 따라서, Si 함유량은 0.1~0.4%이다. Si 함유량의 바람직한 하한은 0.25%이다. Si 함유량의 바람직한 상한은 0.35%이다.
Mn：0.3~0.7%
망간(Mn)은, Si와 동일하게 강을 탈산한다. Mn은 또한, 용접 금속의 조직의 마텐자이트화를 촉진한다. Mn 함유량이 너무 낮으면, 이들 효과를 얻을 수 없다. 한편, Mn 함유량이 너무 높으면, 용접 금속에 있어서 크리프 취화가 발생하기 쉬워진다. 따라서, Mn 함유량은 0.3~0.7%이다. Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.4%이다. Mn 함유량의 바람직한 상한은 0.6%이다.
P：0.01% 이하
인(P)은 불순물이다. P는 용접 금속의 인성을 저하한다. 따라서, P 함유량은 0.01% 이하이다. P 함유량의 바람직한 상한은 0.008%이다. P 함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 그러나, 재료 비용의 관점에서, P 함유량의 바람직한 하한은 0.0005%이다.
S：0.003% 이하
황(S)은 불순물이다. S는 B를 함유하는 용접 금속 중의 구 오스테나이트 입계 및 라스 계면에 편석하고, 입계 및 라스 계면의 고착력을 저하시킨다. 그 때문에, 용접 금속의 인성이 저하한다. 따라서, S의 함유량은 0.003% 이하이다. S 함유량의 바람직한 상한은 0.002% 미만이며, 더욱 바람직하게는 0.0015% 미만이다. S 함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 그러나, 효과 및 재료 비용의 관점에서, S 함유량의 바람직한 하한은 0.0002%이다.
Co：2.6~3.4%
코발트(Co)는, δ 페라이트의 생성을 억제하고, 마텐자이트 조직을 얻는데 유효하다. 모재와 달리, 용접 금속은 조질(調質) 처리가 되지 않기 때문에, 상기 효과를 충분히 얻기 위한 Co 함유량의 하한은 2.6%이다. 한편, Co 함유량이 너무 높으면, 오히려 크리프 강도가 저하하고, 크리프 연성도 저하한다. 또한, Co는 고가의 원소이기 때문에, 재료 비용이 높아진다. 따라서, Co 함유량은 2.6~3.4%이다. Co 함유량의 바람직한 하한은 2.8%이다. Co 함유량의 바람직한 상한은 3.3%이다.
Ni：0.01~1.10%
니켈(Ni)은, δ 페라이트의 생성을 억제하고, 마텐자이트 조직을 얻는데 유효하다. Ni는 또한, 용접 금속의 인성을 높인다. Ni 함유량이 너무 낮으면, 이들 효과를 얻을 수 없다. 한편, Ni 함유량이 너무 높으면, 크리프 연성이 저하한다. 또한, Ni는 고가의 원소이기 때문에, 재료 비용이 높아진다. 따라서, Ni 함유량은 0.01~1.10%이다. Ni 함유량의 바람직한 하한은 0.04%이다. Ni 함유량의 바람직한 상한은 1.00%이다.
Cr：8.5~9.5%
크롬(Cr)은, 용접 금속의 내수증기 산화성 및 내식성을 높인다. Cr은 또한, 고온에서의 사용 중에 탄화물로서 석출되고, 크리프 강도를 높인다. Cr 함유량이 너무 낮으면, 이들 효과를 얻을 수 없다. 한편, Cr 함유량이 너무 높으면, 탄화물의 안정성이 저하하여, 크리프 강도가 저하한다. Cr 함유량이 너무 높으면 또한, δ 페라이트의 생성이 촉진되고, 인성이 저하한다. 따라서, Cr 함유량은 8.5~9.5%이다. Cr 함유량의 바람직한 하한은 8.7%이다. Cr 함유량의 바람직한 상한은 9.3%이다.
W：2.5~3.5%
텅스텐(W)은, 매트릭스에 고용(固溶), 또는, 금속간 화합물로서 장시간 사용 중에 석출되고, 용접 금속의 고온에서의 크리프 강도를 높인다. W 함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 한편, W 함유량이 너무 높으면, 다량의 석출물이 생성된다. 또한, δ 페라이트의 생성이 촉진되고, 용접 금속의 인성이 저하한다. 따라서, W 함유량은 2.5~3.5%이다. W 함유량의 바람직한 하한은 2.7%이다. W 함유량의 바람직한 상한은 3.3%이다.
Mo：0.01% 미만
몰리브덴(Mo)은 본 발명의 용접 재료에 있어서는 불순물이다. Mo는, 매트릭스에 고용되어, 용접 금속의 크리프 강도를 높인다. 그러나, Mo는 응고 편석되기 쉽고, W를 함유하는 금속간 화합물 및 탄화물의 장시간 안정성을 저하시킨다. 따라서, Mo 함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하고, 0.01% 미만이다.
Nb：0.02~0.08%
니오브(Nb)는, 고온에서의 사용 중에 미세한 탄질화물로서 입내에 석출되고, 용접 금속의 크리프 강도를 높인다. Nb 함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 한편, Nb 함유량이 너무 높으면, 조대한 탄질화물이 다량으로 석출되고, 크리프 강도 및 크리프 연성이 저하한다. 또한, δ 페라이트의 생성이 촉진되고, 용접 금속의 인성이 저하한다. 따라서, Nb 함유량은 0.02~0.08%이다. Nb 함유량의 바람직한 하한은 0.03%이다. Nb 함유량의 바람직한 상한은 0.07%이다.
V：0.1~0.3%
바나듐(V)은 Nb와 동일하게, 고온에서의 사용 중에 미세한 탄질화물로서 입내에 석출되고, 용접 금속의 크리프 강도를 높인다. V 함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 한편, V 함유량이 너무 높으면, 조대한 탄질화물이 다량으로 석출되고, 크리프 강도 및 크리프 연성이 저하한다. 또한, δ 페라이트의 생성이 촉진되고, 용접 금속의 인성이 저하한다. 따라서, V 함유량은 0.1~0.3%이다. V 함유량의 바람직한 하한은 0.15%이다. V 함유량의 바람직한 상한은 0.25%이다.
Ta：0.02~0.08%
탄탈(Ta)은 Nb 및 V와 동일하게, 고온에서의 사용 중에 미세한 탄질화물로서 입내에 석출되고, 용접 금속의 크리프 강도를 높인다. Ta 함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 한편, Ta 함유량이 너무 높으면, 조대한 탄질화물이 다량으로 석출되고, 크리프 강도 및 크리프 연성이 저하한다. 따라서, Ta 함유량은 0.02~0.08%이다. Ta 함유량의 바람직한 하한은 0.03%이다. Ta 함유량의 바람직한 상한은 0.07%이다.
B：0.007~0.015%
붕소(B)는, 담금질성을 높이고, 용접 금속에 있어서 마텐자이트 조직을 얻는데 유효하다. B는 또한, 고온에서의 사용 중에 탄화물을 구 오스테나이트 경계 및 마텐자이트 라스 경계에 미세 분산시켜, 조직의 회복을 억제하고, 크리프 강도를 높인다. B 함유량이 너무 낮으면, 이들 효과를 얻을 수 없다. 한편, B 함유량이 너무 높으면, 마텐자이트 변태시에 마텐자이트 라스가 급격하게 신장하여, 파괴 단위가 커진다. 또한, δ 페라이트의 생성이 촉진된다. 그 때문에, 용접 금속의 인성이 극도로 저하한다. 따라서, B 함유량은 0.007~0.015%이다. B 함유량의 바람직한 하한은 0.009%이다. B 함유량의 바람직한 상한은 0.012%이다.
N：0.005~0.020%
질소(N)는, 고온에서의 사용 중에 미세한 질화물로서 입내에 미세하게 석출되고, 크리프 강도를 높인다. N은 또한, δ 페라이트의 생성을 억제한다. N 함유량이 너무 낮으면, 이들 효과를 얻을 수 없다. 한편, N 함유량이 너무 높으면, 용접 금속의 응고시에 조대한 질화물이 정출(晶出)되고, 용접 금속의 인성이 저하한다. 따라서, N 함유량은 0.005~0.020%이다. N 함유량의 바람직한 하한은 0.008%이다. N 함유량의 바람직한 상한은 0.015%이다.
Al：0.03% 이하
알루미늄(Al)은, 강을 탈산한다. Al 함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 한편, Al 함유량이 너무 높으면, 청정성이 저하하고, 용접 재료의 가공성 및 용접 금속의 인성이 저하한다. 또한, 용접 금속의 크리프 강도가 저하한다. 따라서, Al 함유량은 0.03% 이하이다. Al 함유량의 바람직한 상한은 0.01%이다. 제조 비용을 고려하면, Al 함유량의 바람직한 하한은 0.001%이다. 본 명세서에서, Al 함유량은 sol. Al(산가용 Al)을 의미한다.
O：0.02% 이하
산소(O)는 불순물이다. O 함유량이 너무 높으면, 용접 재료의 가공성 및 용접 금속의 인성이 저하한다. 따라서, O의 함유량은 0.02% 이하이다. O 함유량의 바람직한 상한은 0.01%이다. 효과와 제조 비용을 고려하면, O 함유량의 바람직한 하한은 0.001%이다.
본 실시 형태에 의한 페라이트계 내열강용 용접 재료의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서, 불순물이란 페라이트계 내열강용 용접 재료를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것으로서, 본 실시 형태의 페라이트계 내열강용 용접 재료에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
[임의 원소에 대해서]
상술한 용접 재료는 또한, 다음의 제1군~제3군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소를 함유하고 있어도 된다. 이하, 이들 원소에 대해서 상세히 기술한다.
[제1군]
Cu：0~1%
구리(Cu)는, 임의 원소이며 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Cu는, 마텐자이트 조직의 생성에 유효하다. 그러나, Cu 함유량이 너무 높으면, 용접 금속의 크리프 연성이 저하한다. 따라서, Cu 함유량은 0~1%이다. Cu 함유량의 바람직한 상한은 0.8%이다. Cu 함유량의 바람직한 하한은 0.05%이고, 더욱 바람직하게는 0.2%이다.
[제2군]
Ti：0~0.3%
티탄(Ti)은, 임의 원소이며 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Ti는, Nb, V, 및 Ta와 동일하게, 고온에서의 사용 중에 미세한 탄질화물로서 입내에 석출되고, 용접 금속의 크리프 강도를 높인다. 그러나, Ti 함유량이 너무 높으면, 용접 중에 조대한 질화물로서 정출되거나, 고온에서의 사용 중에 조대한 질화물로서 다량으로 석출되어, 용접 금속의 인성을 저하시킨다. 따라서, Ti 함유량은 0~0.3%이다. Ti 함유량의 바람직한 하한은 0.02%이고, 더욱 바람직하게는 0.05%이다.
[제3군]
Ca：0~0.05%,
Mg：0~0.05%, 및
희토류 원소(REM)：0~0.1%
칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 및 희토류 원소(REM)는, 임의 원소이며 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, 이들 원소는, 용접 재료 제조시의 열간 가공성을 높인다. 그러나, 이들 원소의 함유량이 너무 높으면, 이들 원소가 산소와 결합하여, 용접 금속의 청정성을 저하시킨다. 이 경우, 용접 금속의 열간 가공성을 저하시킨다. 따라서, Ca 함유량은 0~0.05%이고, Mg 함유량은 0~0.05%이고, REM 함유량은 0~0.1%이다. Ca 함유량, 및 Mg 함유량의 바람직한 하한은 각각 0.001%이고, 더욱 바람직하게는 각각 0.002%이다. Ca 함유량, 및 Mg 함유량의 바람직한 상한은 각각 0.02%이다. REM 함유량의 바람직한 하한은 0.001%이고, 더욱 바람직하게는 0.003%이다. REM 함유량의 바람직한 상한은 0.06%이다.
본 명세서에서의 REM은, Sc, Y, 및 란타노이드(원자 번호 57번의 La~71번의 Lu) 중 적어도 1종 이상을 함유한다. REM 함유량은, 이들 원소의 총 함유량을 의미한다.
［식 (1)에 대해서］
상기 화학 조성은 또한, 식 (1)을 만족한다.
0.5≤Cr＋6Si＋1.5W＋11V＋5Nb＋10B－40C－30N－4Ni－2Co－2Mn≤10.0 (1)
F1=Cr＋6Si＋1.5W＋11V＋5Nb＋10B－40C－30N－4Ni－2Co－2Mn이라고 정의한다. F1은, 크리프 강도 및 δ 페라이트량의 지표이다. 구체적으로는, F1이 너무 낮으면, 충분한 크리프 강도를 얻을 수 없고, 크리프 강도가 낮다. 한편, F1이 너무 높으면, δ 페라이트의 생성량이 증가하여, 용접 금속의 조직 중의 δ 페라이트의 면적률이 0.5%를 초과한다. 이 경우, 용접 금속의 인성이 저하한다. 따라서, F1은 0.5~10.0이다. F1의 바람직한 하한은 1.0이다. F1의 바람직한 상한은 9.0이다.
［용접 재료에 대해서］
본 발명의 페라이트계 내열강용 용접 재료는, 주지의 제조 방법에 의해 제조된다. 용접 재료는 예를 들어, 용가(溶加)봉, 가스 텅스텐 아크 용접용의 필러 와이어, 피복 아크 용접용 용접봉의 심선(芯線) 등으로 가공된다.
［용접 재료의 조직의 δ 페라이트의 면적률］
용접 재료의 조직은 주로 뜨임 마텐자이트 조직으로 이루어지지만, 조직 중의 δ 페라이트의 면적률은 0.5% 이하일 필요가 있다. δ 페라이트의 면적률이 높은 경우, 즉, δ 페라이트량이 많은 경우, 용접 재료의 고온에서의 가공시에, 변형능이 다른 조직이 혼재한다. 그 결과, 가공성이 저하한다. 또한, 본 발명의 용접 재료를 이용하여 얻어지는 용접 금속의 δ 페라이트의 면적률을 0.5% 이하로 하면, 높은 인성을 얻을 수 있다. 이들 효과를 안정적으로 얻기 위한, δ 페라이트의 면적률의 바람직한 상한은 0.3%이고, 더욱 바람직하게는 0.1%이다.
δ 페라이트의 면적률은 다음의 방법으로 측정된다. 용접 재료의 임의의 위치로부터 횡단면 샘플을 채취한다. 채취된 샘플의 표면을 연마한다. 연마 후, 비렐라(Vilella) 시약을 이용하여, 연마된 샘플 표면을 에칭한다. 광학 현미경(관찰 배율 100배, 관찰 시야 650μm×860μm)을 이용하여, 임의의 5시야에 있어서, 에칭된 표면에서의 δ 페라이트를 특정한다. 특정에는, 예를 들어, 주지의 화상 처리 소프트가 이용된다. 에칭된 각 조직(마텐자이트, δ 페라이트 등)의 콘트라스트는 다르기 때문에, 콘트라스트에 기초하여 δ 페라이트를 특정한다. 각 시야에서 특정된 δ 페라이트의 총 면적을, 5시야의 총 면적(관찰 시야 650μm×860μm×5)으로 나눈 값을, 용접 재료 중의 δ 페라이트의 면적률(%)로 정의한다.
［용접 조인트에 대해서］
본 발명의 페라이트계 내열강용 용접 재료를 이용하여, 후술하는 페라이트계 내열강을 모재로 하여 용접하면, 용접 금속과, 페라이트계 내열강의 모재를 구비한 용접 조인트가 제조된다. 이 용접 조인트는 뛰어난 크리프 강도 및 인성을 갖는다. 이하, 용접 조인트의 모재 및 용접 금속에 대해서 상세히 기술한다.
［모재에 대해서］
모재는 페라이트계 내열강으로 이루어진다. 모재의 화학 조성은, 다음의 원소를 함유한다.
Cr：8~10%
크롬(Cr)은, 용접 재료에서의 경우와 동일하게, 모재의 고온에서의 내수증기 산화성 및 내식성을 높인다. Cr은 또한, 고온에서의 사용 중에 탄화물로서 석출되고, 모재의 크리프 강도를 높인다. Cr 함유량이 너무 낮으면, 이들 효과를 얻을 수 없다. 단, 모재는 용접 금속과 달리, 응고 편석이 억제되어 있으며, 조질 처리된 후 사용된다. 그 때문에, Cr 함유량은, 용접 재료의 경우보다 낮아도, 상기 효과를 얻을 수 있다. 한편, Cr 함유량이 너무 높으면, 탄화물의 안정성이 저하하여 모재의 크리프 강도가 저하한다. 따라서, Cr 함유량은 8~10%이다. Cr 함유량의 바람직한 하한은 8.5%이다. Cr 함유량의 바람직한 상한은 9.5%이다.
Co：2~4%
코발트(Co)는, 모재의 조직을 마텐자이트 조직으로 하여, 크리프 강도를 높이는데 유효하다. Co 함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 단, 모재는 용접 금속과 달리, 응고 편석이 억제되어 있으며, 조질 처리된 후 사용된다. 그 때문에, Co 함유량은, 용접 재료의 경우보다 낮아도, 상기 효과를 얻을 수 있다. 한편, Co 함유량이 너무 높으면, 모재의 크리프 강도 및 크리프 연성이 저하한다. 또한, Co는 고가의 원소이기 때문에, 재료 비용이 높아진다. 따라서, Co 함유량은 2~4%이다. Co 함유량의 바람직한 하한은 2.5%이며, Co 함유량의 바람직한 상한은 3.5%이다.
W：2~4%
텅스텐(W)은, 용접 재료에서의 경우와 동일하게, 모재의 매트릭스에 고용되거나, 금속간 화합물로서 장시간 사용 중에 석출되어, 고온에서의 크리프 강도를 높인다. W 함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 단, 모재는 용접 금속과 달리, 응고 편석이 억제되어 있으며, 조질 처리된 후 사용된다. 그 때문에, W 함유량은, 용접 재료의 경우보다 낮아도, 상기 효과를 얻을 수 있다. 한편, W 함유량이 너무 높으면, 상기 효과가 포화한다. 따라서, W 함유량은 2~4%이다. W 함유량의 바람직한 하한은 2.5%이다. W 함유량의 바람직한 상한은 3.5%이다.
B：0.005~0.020%
붕소(B)는, 용접 재료에서의 경우와 동일하게, 담금질성을 높이고, 마텐자이트 조직을 얻는데 유효하다. B는 또한, 고온에서의 사용 중에 탄화물을 구 오스테나이트 경계, 마텐자이트 라스 경계에 미세 분산시켜, 조직의 회복을 억제하고, 크리프 강도를 높인다. B 함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 단, 모재는 용접 금속과 달리, 응고 편석이 억제되어 있으며, 조질 처리된 후 사용된다. 그 때문에, B 함유량은, 용접 재료의 경우보다 낮아도, 상기 효과를 얻을 수 있다. 한편, B 함유량이 너무 높으면, 용접 금속의 경우와 동일하게, 인성이 저하한다. 따라서, B 함유량은 0.005~0.020%이다. B 함유량의 바람직한 하한은 0.007%이다. B 함유량의 바람직한 상한은 0.015%이다.
모재가 상술한 원소를 함유하면, 모재는, 고온 영역에 있어서, 높은 크리프 강도 및 인성을 갖는다.
바람직하게는, 상기 모재의 화학 조성은 또한, 다음의 원소를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서, 불순물이란 모재를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것으로서, 본 실시 형태의 페라이트계 내열강으로 이루어지는 모재에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
C：0.04~0.12%
탄소(C)는, 마텐자이트 조직을 얻는데 유효하다. C는 또한, 고온 사용시에 미세한 탄화물을 생성하고, 모재의 크리프 강도를 높인다. C 함유량이 너무 낮으면, 이들 효과를 얻을 수 없다. 단, 모재는 용접 금속과 달리, 응고 편석이 억제되어 있으며, 조질 처리된 후 사용된다. 그 때문에, C 함유량은, 용접 재료의 경우보다 낮아도, 상기 효과를 얻을 수 있다. 한편, C 함유량이 너무 높으면, 크리프 강도 향상의 효과가 포화한다. 따라서, C 함유량은 0.04~0.12%이다. C 함유량의 바람직한 하한은 0.06%이다. C 함유량의 바람직한 상한은 0.10%이다.
Si：0.05~0.60%
실리콘(Si)은 강을 탈산한다. Si는 또한, 모재의 내수증기 산화 특성을 높인다. Si 함유량이 너무 낮으면, 이들 효과를 얻을 수 없다. 단, 모재는 용접 금속과 달리, 응고 편석이 억제되어 있으며, 조질 처리된 후 사용된다. 그 때문에, Si 함유량은, 용접 재료의 경우보다 낮아도, 상기 효과를 얻을 수 있다. 한편, Si 함유량이 너무 높으면, 모재의 크리프 연성 및 인성이 저하한다. 따라서, Si 함유량은 0.05~0.60%이다. Si 함유량의 바람직한 하한은 0.10%이다. Si 함유량의 바람직한 상한은 0.40%이다.
Mn：0.1~0.8%
망간(Mn)은, Si와 동일하게, 강을 탈산한다. Mn은 또한, 모재의 조직을 마텐자이트로 한다. Mn 함유량이 너무 낮으면, 이들 효과를 얻을 수 없다. 단, 모재는 용접 금속과 달리, 응고 편석이 억제되어 있으며, 조질 처리된 후 사용된다. 그 때문에, Mn 함유량은, 용접 재료의 경우보다 낮아도, 상기 효과를 얻을 수 있다. 한편, Mn 함유량이 너무 높으면, 크리프 취화가 발생하기 쉬워진다. 따라서, Mn 함유량은 0.1~0.8%이다. Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.2%이다. Mn 함유량의 바람직한 상한은 0.7%이다.
P：0.02% 이하
인(P)은 불순물이다. P 함유량이 너무 높으면, 크리프 연성이 저하한다. 따라서, P 함유량은 0.02% 이하이다. P 함유량의 바람직한 상한은 0.018%이다. P 함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 그러나, 재료 비용을 고려하면, P 함유량의 바람직한 하한은 0.0005%이다.
S：0.01% 이하
황(S)은 불순물이다. S 함유량이 너무 높으면, 크리프 연성이 저하한다. 따라서, S 함유량은 0.01% 이하이다. S 함유량의 바람직한 상한은 0.005%이다. S 함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 그러나, 재료 비용을 고려하면, P 함유량의 바람직한 하한은 0.0002%이다.
Nb 및/또는 Ta：합계 0.02~0.18%
니오브(Nb) 및 탄탈(Ta)은, 용접 재료에서의 경우와 동일하게, 고온에서의 사용 중에 미세한 탄질화물로서 입내에 석출되고, 크리프 강도를 높인다. Nb 및/또는 Ta 함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 단, 모재는 용접 금속과 달리, 응고 편석이 억제되어 있으며, 조질 처리된 후 사용된다. 그 때문에, 이들 원소의 함유량은, 용접 재료의 경우보다 낮아도, 상기 효과를 얻을 수 있다. 한편, Nb 및/또는 Ta 함유량이 너무 높으면, 조대한 탄질화물이 다량으로 석출되어, 크리프 강도 및 크리프 연성이 저하한다. 따라서, Nb 및/또는 Ta의 합계 함유량은 0.02~0.18%이다. Nb 및/또는 Ta의 총 함유량의 바람직한 하한은 0.05%이다. Nb 및/또는 Ta의 총 함유량의 바람직한 상한은 0.12%이다.
V：0.05~0.40%
바나듐(V)은 Nb 및 Ta와 동일하게, 고온에서의 사용 중에 미세한 탄질화물로서 입내에 석출되고, 크리프 강도를 높인다. V 함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 단, 모재는 용접 금속과 달리, 응고 편석이 억제되어 있으며, 조질 처리된 후 사용된다. 그 때문에, V 함유량은, 용접 재료의 경우보다 낮아도, 상기 효과를 얻을 수 있다. 한편, V 함유량이 너무 높으면, 조대한 탄질화물이 다량으로 석출되어, 크리프 강도 및 크리프 연성이 저하한다. 따라서, V 함유량은 0.05~0.40%이다. V 함유량의 바람직한 하한은 0.10%이다. V 함유량의 바람직한 상한은 0.30%이다.
Nd：0.01~0.06%
네오디뮴(Nd)은 모재의 크리프 연성을 개선한다. Nd 함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 용접 중에 슬래그로서 감소될 걱정이 없는 모재에 있어서는, Nd의 상기 효과를 유효하게 활용할 수 있다. 한편, Nd 함유량이 너무 높으면, 열간 가공성이 저하한다. 따라서, Nd 함유량은 0.01~0.06%이다. Nd 함유량의 바람직한 하한은 0.02%이다. Nd 함유량의 바람직한 상한은 0.05%이다.
N：0.002~0.025%
질소(N)는, 고온에서의 사용 중에 미세한 질화물로서 입내에 미세하게 석출되고, 크리프 강도를 높인다. N 함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 단, 모재는 용접 금속과 달리, 응고 편석이 억제되어 있으며, 조질 처리된 후 사용된다. 그 때문에, N 함유량은, 용접 재료의 경우보다 낮아도, 상기 효과를 얻을 수 있다. 한편, N 함유량이 너무 높으면, 질화물이 조대화하여, 크리프 연성이 저하한다. 따라서, N 함유량은 0.002~0.025%이다. N 함유량의 바람직한 하한은 0.005%이다. N 함유량의 바람직한 상한은 0.015%이다.
Al：0.03% 이하
알루미늄(Al)은, 용접 재료에서의 경우와 동일하게, 강을 탈산한다. 그러나, Al 함유량이 너무 높으면, 모재의 청정성이 저하하여 가공성이 저하한다. Al 함유량이 너무 높으면 또한, 크리프 강도가 저하한다. 따라서, Al 함유량은 0.03% 이하이다. Al 함유량의 바람직한 상한은 0.01%이다. 제조 비용을 고려하면, Al 함유량의 바람직한 하한은 0.001%이다. 본 명세서에서, Al 함유량은 sol. Al(산가용 Al)을 의미한다.
O：0.02% 이하
산소(O)는, 용접 재료에서의 경우와 동일하게 불순물이다. O 함유량이 너무 높으면, 모재의 가공성이 저하한다. 따라서, O 함유량은 0.02% 이하이다. O 함유량의 바람직한 상한은 0.01%이다. 재료 비용을 고려하면, O 함유량의 바람직한 하한은 0.001%이다.
상술한 모재는 또한, Fe의 일부를 대신하여, Ni를 함유해도 된다.
Ni：0~0.4%
니켈(Ni)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Ni는, 마텐자이트 조직을 얻는데 유효하다. 그러나, Ni 함유량이 너무 높으면, 상기 효과가 포화한다. 따라서 Ni 함유량은 0~0.4%이다. Ni 함유량의 바람직한 상한은 0.2%이다. Ni 함유량의 바람직한 하한은 0.05%이고, 더욱 바람직하게는 0.1%이다.
이상의 화학 조성을 갖는 모재는, 700℃ 이상의 고온 영역에서도 뛰어난 연성 및 크리프 강도를 갖는다.
［용접 금속에 대해서］
용접 금속은, 상술한 페라이트계 내열강용 용접 재료를 이용하여 후술하는 방법으로 용접함으로써 형성된다. 본 발명의 용접 금속은, 뛰어난 크리프 강도 및 인성을 갖는다. 용접 금속의 화학 조성은, 용접 금속 중의 어느 부위에서도, 상술한 페라이트계 내열강용 용접 재료의 화학 조성에서 기재한 각 원소 함유량의 범위 내이다.
［용접 금속의 조직］
용접 후의 용접 금속의 조직은, 주로 마텐자이트로 이루어진다. 용접 금속의 조직 중의 δ 페라이트의 면적률은 0.5% 이하일 필요가 있다. δ 페라이트의 면적률이 높은 경우, 즉, δ 페라이트량이 많은 경우, 균열 발생의 기점이 증가하고, 인성이 저하한다. 본 발명의 용접 금속의 조직 중의 δ 페라이트의 면적률은 0.5% 이하로 낮다. 그 때문에, 용접 금속은 높은 인성을 갖는다. δ 페라이트의 면적률의 바람직한 상한은 0.3%이고, 더욱 바람직하게는 0.1%이다.
δ 페라이트의 면적률은 다음의 방법으로 측정된다. 용접 금속의 임의의 위치로부터 샘플을 채취한다. 채취된 샘플의 표면을 연마한다. 연마 후, 비렐라(Vilella) 시약을 이용하여, 연마된 샘플 표면을 에칭한다. 광학 현미경(관찰 배율 100배, 관찰 시야 650μm×860μm)을 이용하여, 임의의 5시야에 있어서, 에칭된 표면에서의 δ 페라이트를 특정한다. 특정에는, 예를 들어, 주지의 화상 처리 소프트가 이용된다. 에칭된 각 조직(마텐자이트, δ 페라이트 등)의 콘트라스트는 다르기 때문에, 콘트라스트에 기초하여 δ 페라이트를 특정한다. 각 시야에서 특정된 δ 페라이트의 총 면적을, 5시야의 총 면적(관찰 시야 650μm×860μm×5)으로 나눈 값을, 용접 금속 중의 δ 페라이트의 면적률(%)로 정의한다.
［용접 조인트의 제조 방법］
상술한 용접 조인트의 제조 방법은, 상기 모재에 대하여 상기 페라이트계 내열강용 용접 재료를 이용하여 용접하는 공정(용접 공정)과, 용접 후의 용접 금속에 대하여 열처리를 실시하는 공정(열처리 공정)을 구비한다. 이하, 각 공정에 대해서 상세히 기술한다.
［용접 공정］
상술한 모재에 대하여 용접을 실시하여 용접 금속을 형성한다. 모재의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 모재는 강판이어도 되고, 강관이어도 된다.
용접에는, 상술한 페라이트계 내열강용 용접 재료를 이용한다. 용접 방법으로서, 가스 텅스텐 아크 용접을 채용하는 것이 바람직하다. 가스 텅스텐 아크 용접은, 용접시의 산소의 혼입이 적고, 용접 금속의 청정성의 저하가 억제되기 때문이다. 가스 텅스텐 아크 용접시의 용접 조건은 다음과 같다.
용접 입열 범위：6~20kJ/cm
가스 텅스텐 아크 용접에 있어서, 용접 입열이 너무 낮으면, 모재의 치수 형상에 따라서는, 융합 불량이 발생하기 쉬워진다. 용접 입열이 너무 낮으면 또한, 냉각 속도가 너무 커져, 마텐자이트 라스의 성장이 촉진된다. 이 경우, 파괴 단위가 커지고, 용접 금속의 인성이 저하한다. 한편, 용접 입열이 너무 높으면, B를 함유하는 본 발명의 용접 재료에서는, 응고 균열이 발생한다. 따라서, 용접 입열은 6~20kJ/cm이다. 용접 입열의 바람직한 하한은 8kJ/cm이다. 용접 입열의 바람직한 상한은 18kJ/cm이다. 용접 입열 범위가 이 조건을 만족하면, 뛰어난 인성이 얻어지기 쉽다.
［열처리 공정］
용접 금속을 형성한 후, 용접 금속에 대하여 열처리를 실시한다. 열처리에 의해, 용접 금속의 경도를 저하하여 인성을 높인다. 예를 들어, 용접 금속부를 포함하는 용접부에, 밴드 히터 및 인덕션 히터 등의 열처리 장치를 배치하여, 열처리를 실시한다. 또는, 용접 구조물 전체를 가열로 내에서 가열한다. 열처리에 있어서의 열처리 온도, 및 그 열처리 온도에서의 유지 시간(열처리 시간)은 다음과 같다.
열처리 온도：740~780℃
열처리 시간：모재의 두께 25.4mm당 0.5~4.0시간
모재의 단위 두께는, 용접 시공 기준 등에서 규정되는 일이 많은 25.4mm(1인치)로 했다. 열처리 온도가 너무 낮은 경우, 또는, 모재의 단위 두께당 열처리 시간이 너무 짧으면, 마텐자이트 조직의 뜨임이 불충분해져, 충분한 인성을 얻을 수 없다. 한편, 열처리 온도가 너무 높으면, 용접 금속의 일부가 오스테나이트 변태 온도를 초과하여, 인성이 저하한다. 또한, 모재의 단위 두께당 열처리 시간이 너무 길면, 뜨임이 과잉이 되어 크리프 강도가 저하한다. 따라서, 열처리 온도는 740~780℃이고, 열처리 시간은 모재의 두께 25.4mm당 0.5~4.0시간이다. 여기서, 모재의 두께는, 모재가 강판인 경우는 판두께이며, 강관인 경우는 관두께이다. 열처리 시간의 바람직한 하한은, 모재의 두께 25.4mm당 1.0시간이고, 바람직한 상한은 3.0시간이다. 열처리 온도 및 열처리 시간이 이 조건을 만족하면, 예를 들어, 상술한 페라이트계 내열강용 용접 재료를 이용하여 제조한 용착 금속의 크리프 파단 시간을 3000시간 이상으로 할 수 있으며, 또한, 뛰어난 인성이 얻어지기 쉽다.
실시예
여러 가지 화학 조성 및 제조 조건으로 용접 조인트를 제조하여, 크리프 강도와 인성을 평가했다.
［모재의 제조］
표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 용강을 제조했다. 용강을 이용하여, 잉곳을 제조했다.
Figure 112018069823573-pct00001
잉곳에 대하여, 열간 단조 및 열간 압연을 실시하여 강판을 제조했다. 강판에 대하여 담금질 및 뜨임을 실시하여, 판두께 12mm, 폭 50mm, 길이 200mm의 모재 강판(이하, 간단히 모재라고 함)을 제조했다. 담금질에서는, 강판을 1100℃에서 1시간 유지한 후, 공랭했다(공랭 담금질). 뜨임에서는, 담금질 후의 강판을 770℃에서 1.5시간 유지했다.
［용접 재료의 제조］
표 2에 나타내는 화학 조성을 갖는 용강을 제조하고, 용강을 이용하여 잉곳을 제조했다. 잉곳에 대하여 열간 단조, 열간 압연 및 기계 가공하여, 직경 2.4mm의 필러 와이어를 제조했다. 제조된 필러 와이어를 용접 재료로 했다.
Figure 112018069823573-pct00002
［용접 재료의 δ 페라이트량의 면적률］
상술한 필러 와이어로부터, 단면 마이크로 시험편을 채취했다. 이 마이크로 시험편을, 상술한 용접 재료에서의 δ 페라이트량의 면적률과 동일한 방법으로 연마, 부식시켜, 조직을 현출했다. 임의의 5시야를 100배로 관찰하여, δ 페라이트의 면적률을 구했다.
［용접 조인트의 제조］
상기의 모재의 길이 방향으로, 각도 30°, 루트 두께 1mm의 V개선(開先)을 가공했다. 한 쌍의 모재의 V개선들을 맞대어, 상술한 용접 재료를 이용하여, 용접을 실시했다. 구체적으로는, 실드 가스를 Ar로 한 가스 텅스텐 아크 용접에 의해, 용접 재료를 개선 내에 적층 용접하여 용접 금속을 형성하고, 표 3에 나타내는 각 시험 번호의 용접 조인트를 제조했다. 용접시에 있어서의 첫 층 용접의 입열, 및 적층 용접의 입열은, 표 3에 나타내는 바와 같았다.
Figure 112018069823573-pct00003
얻어진 용접 조인트의 용접 금속에 대하여, 조성을 측정했다. 용접 금속의 원소 조성의 측정 방법은 이하와 같았다. 용접 금속으로부터 모재가 혼입하지 않도록, 절분(切粉) 시험편을 채취했다. 채취한 절분을 이용하여, 유도 결합 플라즈마 발광 분광 분석법, 고주파 연소법 등을 이용하여 분석했다. 얻어진 용접 금속의 원소 조성을 표 4 및 표 5에 나타낸다. 또한, 표 5 중의 REM 함유량은, Nd를 제외한 REM의 합계 함유량을 나타낸다.
Figure 112018069823573-pct00004
Figure 112018069823573-pct00005
용접 후의 용접 조인트에 대하여, 표 3에 나타내는 열처리 온도 및 열처리 시간으로 열처리를 실시했다. 구체적으로는, 표 3에 나타내는 열처리 온도로, 열처리 시간 유지한 후, 공랭했다.
［전용착 금속의 제조］
상기 용접 조인트와는 별개로, 각 시험 번호에 있어서, 표 3에 나타내는 모재의 판재 상에, 표 3에 나타내는 용접 재료를 이용하여, 실드 가스를 Ar로 한 가스 텅스텐 아크 용접을 이용하여, 표 3에 나타내는 적층 용접 입열로, 12mm 두께가 될 때까지 다층 용접했다. 이에 의해 전용착 금속을 제작했다.
제조된 전용착 금속에 대하여, 표 3에 나타내는 열처리 조건으로 열처리를 실시했다.
［크리프 강도 평가 시험］
제조된 용접 조인트로부터, 용접 금속이 평행부의 중앙이 되도록 환봉 크리프 파단 시험편(조인트 시험편이라고 한다)을 채취했다. 또한, 전용착 금속으로부터도, 환봉 크리프 파단 시험편(용접 시험편이라고 한다)을 채취했다. 각 시험편에 대하여, 모재의 목표 크리프 파단 시간이 약 3000시간이 되는 650℃, 147MPa의 시험 조건으로, 용접 조인트 및 전용착 금속의 환봉 크리프 파단 시험편에 대하여 크리프 파단 시험을 실시했다. 시험 결과로부터, 하기의 평가로 크리프 강도 판정을 행했다. 조인트 시험편이 모재(HAZ)에서 파단하고, 또한 용금(溶金) 시험편의 크리프 파단 시간이 5000시간 이상인 것을 「양호」로 했다. 조인트 시험편이 모재(HAZ)에서 파단하고, 또한 용금 시험편의 크리프 파단 시간이 3000시간 이상, 5000시간 미만이 되는 것을 「가능」으로 했다. 조인트 시험편에 있어서 용접 금속 부분에서 파단하거나, 또는 용금 시험편의 크리프 파단 시간이 3000시간을 밑도는 것을 「불합격」으로 했다.
［샤르피 충격 시험］
상술한 용접 조인트로부터, 용접 금속에 노치를 가공한 풀 사이즈의 V 노치 샤르피 충격 시험편(노치 깊이 2mm)을 3개 채취했다. 각 시험편에 대하여, 0℃에서, JIS Z2242(2005)에 준거한 샤르피 충격 시험을 실시했다. 시험 결과에 기초하여, 다음과 같이 인성 판정을 실시했다. 3개의 시험편의 샤르피 충격 시험 개치(個値)가 모두 27J를 초과하는 것을 「양호」, 3개 중 적어도 1개의 샤르피 충격 시험 개치가 27J를 밑돌지만, 평균치에서 27J를 만족하는 것을 「가능」, 및 3개의 평균치가 27J를 밑도는 것을 「불합격」으로 했다.
［δ 페라이트량의 면적률］
상술한 전용착 금속으로부터, 단면 마이크로 시험편을 채취했다. 전용착 금속으로부터 채취한 마이크로 시험편을 상술한 방법에 의해 연마, 부식시켜, 조직을 현출했다. 임의의 5시야를 100배로 관찰하여, δ 페라이트의 면적률을 구했다.
［시험 결과］
표 3에, 상기 각 시험의 결과를 함께 나타낸다.
표 3을 참조하여, 시험 번호 1~11, 16~20 및 22의 용접 재료는, 적절한 화학 조성을 갖고, 또한 F1값이 식 (1)을 만족했다. 그 때문에, 이들 시험 번호의 용접 금속은, 뛰어난 크리프 강도 및 인성을 나타냈다. 얻어진 용접 조인트도 충분한 크리프 강도 및 인성을 나타냈다.
한편, 시험 번호 12에서 이용한 용접 재료에서는, 용접 입열이 너무 낮았다. 그 때문에, 샤르피 충격치가 27J를 밑돌아, 인성이 불합격이 되었다.
시험 번호 13에서 이용한 용접 재료에서는, 용접 입열이 너무 높았다. 그 때문에, 응고 균열이 발생했다. 따라서, 시험을 실시하지 않았다.
시험 번호 14에서 이용한 용접 재료에서는, 용접 후의 열처리 온도가 너무 낮았다. 그 때문에, 샤르피 충격치가 27J를 밑돌아, 인성이 불합격이 되었다.
시험 번호 15에서 이용한 용접 재료에서는, 용접 후의 열처리 온도가 너무 높았다. 그 때문에, 샤르피 충격치가 27J를 밑돌아, 인성이 불합격이 되었다.
시험 번호 21에서 이용한 용접 재료에서는, 용접 후의 열처리 시간이 너무 짧았다. 그 때문에, 샤르피 충격치가 27J를 밑돌아, 인성이 불합격이 되었다.
시험 번호 23에서 이용한 용접 재료에서는, 용접 후의 열처리 시간이 너무 길었다. 그 때문에, 용접 조인트의 크리프 시험에서는 용접 금속에서 파단함과 더불어, 전용착 금속의 크리프 파단 시간이 목표인 3000시간에 도달하지 않아, 크리프 강도가 불합격이 되었다.
시험 번호 24에서 이용한 부호 G의 용접 재료에서는, B 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 용접 조인트의 크리프 시험에서는 HAZ에서 파단했으나, 전용착 금속의 크리프 파단 시간이 목표인 3000시간에 도달하지 않아, 크리프 강도가 불합격이 되었다.
시험 번호 25에서 이용한 부호 H의 용접 재료에서는, B 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 크리프 강도는 뛰어나지만, 평균 샤르피 충격치가 27J를 밑돌아, 인성이 불합격이 되었다.
시험 번호 26에서 이용한 부호 I의 용접 재료에서는, F1값이 너무 높았다. 그 때문에, 용접 금속에 0.5%를 초과하는 δ 페라이트가 생성되었기 때문에, 샤르피 충격치가 27J를 밑돌아, 인성이 불합격이 되었다.
시험 번호 27에서 이용한 부호 J의 용접 재료에서는, F1값이 너무 낮았다. 그 때문에, 용접 조인트의 크리프 시험에서는 용접 금속에서 파단함과 더불어, 전용착 금속의 크리프 파단 시간이 목표인 3000시간에 도달하지 않아, 목표로 하는 크리프 강도를 얻을 수 없었다.
시험 번호 28에서 이용한 모재에서는, 모재에 함유되는 B 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 전용착 금속의 크리프 파단 시간은 목표를 만족하지만, 표 4 및 표 5의 시험 번호 28과 같이, 용접 조인트의 용접 금속에 있어서는, B량이 충분히 함유되지 않았기 때문에, 용접 금속에서 파단하고, 그 결과, 불합격으로 판단되었다.
이와 같이 본 발명의 요건을 만족하는 경우에만, 용접 금속은 필요한 크리프 강도 및 인성을 양립하는 것이 명백하고, 얻어진 용접 조인트도 충분한 크리프 강도 및 인성을 갖는다.
[산업상 이용가능성]
본 발명에 의하면, 다량의 B를 함유하는 페라이트계 내열강의 용접에 사용 가능한 페라이트계 내열강용 용접 재료를 얻을 수 있다. 또한, 이것을 사용함으로써 크리프 강도 및 인성이 뛰어난 용접 금속 및 용접 조인트를 얻을 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 설명했다. 그러나, 상술한 실시 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시 형태를 적절히 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (18)

  1. 질량%로,
    C：0.06~0.10%,
    Si：0.1~0.4%,
    Mn：0.3~0.7%,
    P：0.01% 이하,
    S：0.003% 이하,
    Co：2.6~3.4%,
    Ni：0.01~1.10%,
    Cr：8.5~9.5%,
    W：2.5~3.5%,
    Mo：0.01% 미만,
    Nb：0.02~0.08%,
    V：0.1~0.3%,
    Ta：0.02~0.08%,
    B：0.007~0.015%,
    N：0.005~0.020%,
    Al：0.03% 이하,
    O：0.02% 이하,
    Cu：0~1%,
    Ti：0~0.3%,
    Ca：0~0.05%,
    Mg：0~0.05%, 및
    희토류 원소：0~0.1%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지며, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 갖는 페라이트계 내열강용 용접 재료.
    0.5≤Cr＋6Si＋1.5W＋11V＋5Nb＋10B－40C－30N－4Ni－2Co－2Mn≤10.0 (1)
    여기서, 식 (1) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    또한, 질량%로, 하기의 제1군~제3군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소를 함유하는, 페라이트계 내열강용 용접 재료.
    제1군：Cu：0.05~1.00%,
    제2군：Ti：0.02~0.30%,
    제3군：Ca：0.001~0.050%, Mg：0.001~0.050%, 및 희토류 원소：0.001~0.10% 이하
  3. 청구항 1에 있어서,
    δ 페라이트의 면적률은 0.5% 이하인, 페라이트계 내열강용 용접 재료.
  4. 청구항 2에 있어서,
    δ 페라이트의 면적률은 0.5% 이하인, 페라이트계 내열강용 용접 재료.
  5. 청구항 1에 기재된 화학 조성을 갖는 용접 금속과,
    페라이트계 내열강으로 이루어지는 모재를 구비하고,
    상기 모재는, 질량%로,
    Cr：8~10%,
    Co：2~4%,
    W：2~4%, 및
    B：0.005~0.020%를 함유하는 화학 조성을 갖는, 페라이트계 내열강용 용접 조인트.
  6. 청구항 2에 기재된 화학 조성을 갖는 용접 금속과,
    페라이트계 내열강으로 이루어지는 모재를 구비하고,
    상기 모재는, 질량%로,
    Cr：8~10%,
    Co：2~4%,
    W：2~4%, 및
    B：0.005~0.020%를 함유하는 화학 조성을 갖는, 페라이트계 내열강용 용접 조인트.
  7. 청구항 3에 기재된 화학 조성을 갖는 용접 금속과,
    페라이트계 내열강으로 이루어지는 모재를 구비하고,
    상기 모재는, 질량%로,
    Cr：8~10%,
    Co：2~4%,
    W：2~4%, 및
    B：0.005~0.020%를 함유하는 화학 조성을 갖는, 페라이트계 내열강용 용접 조인트.
  8. 청구항 4에 기재된 화학 조성을 갖는 용접 금속과,
    페라이트계 내열강으로 이루어지는 모재를 구비하고,
    상기 모재는, 질량%로,
    Cr：8~10%,
    Co：2~4%,
    W：2~4%, 및
    B：0.005~0.020%를 함유하는 화학 조성을 갖는, 페라이트계 내열강용 용접 조인트.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 모재의 화학 조성은, 질량%로,
    C：0.04~0.12%,
    Si：0.05~0.60%,
    Mn：0.1~0.8%,
    P：0.02% 이하,
    S：0.01% 이하,
    Co：2~4%,
    Ni：0~0.4%,
    Cr：8~10%,
    W：2~4%,
    Nb 및/또는 Ta：합계로 0.02~0.18%,
    V：0.05~0.40%,
    B：0.005~0.020%,
    Nd：0.01~0.06%,
    N：0.002~0.025%,
    Al：0.03% 이하, 및
    O：0.02% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는, 페라이트계 내열강용 용접 조인트.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 모재의 화학 조성은, 질량%로,
    C：0.04~0.12%,
    Si：0.05~0.60%,
    Mn：0.1~0.8%,
    P：0.02% 이하,
    S：0.01% 이하,
    Co：2~4%,
    Ni：0~0.4%,
    Cr：8~10%,
    W：2~4%,
    Nb 및/또는 Ta：합계로 0.02~0.18%,
    V：0.05~0.40%,
    B：0.005~0.020%,
    Nd：0.01~0.06%,
    N：0.002~0.025%,
    Al：0.03% 이하, 및
    O：0.02% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는, 페라이트계 내열강용 용접 조인트.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 모재의 화학 조성은, 질량%로,
    C：0.04~0.12%,
    Si：0.05~0.60%,
    Mn：0.1~0.8%,
    P：0.02% 이하,
    S：0.01% 이하,
    Co：2~4%,
    Ni：0~0.4%,
    Cr：8~10%,
    W：2~4%,
    Nb 및/또는 Ta：합계로 0.02~0.18%,
    V：0.05~0.40%,
    B：0.005~0.020%,
    Nd：0.01~0.06%,
    N：0.002~0.025%,
    Al：0.03% 이하, 및
    O：0.02% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는, 페라이트계 내열강용 용접 조인트.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 모재의 화학 조성은, 질량%로,
    C：0.04~0.12%,
    Si：0.05~0.60%,
    Mn：0.1~0.8%,
    P：0.02% 이하,
    S：0.01% 이하,
    Co：2~4%,
    Ni：0~0.4%,
    Cr：8~10%,
    W：2~4%,
    Nb 및/또는 Ta：합계로 0.02~0.18%,
    V：0.05~0.40%,
    B：0.005~0.020%,
    Nd：0.01~0.06%,
    N：0.002~0.025%,
    Al：0.03% 이하, 및
    O：0.02% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는, 페라이트계 내열강용 용접 조인트.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 모재는,
    Ni：0.05~0.4%를 함유하는, 페라이트계 내열강용 용접 조인트.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 모재는,
    Ni：0.05~0.4%를 함유하는, 페라이트계 내열강용 용접 조인트.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 모재는,
    Ni：0.05~0.4%를 함유하는, 페라이트계 내열강용 용접 조인트.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 모재는,
    Ni：0.05~0.4%를 함유하는, 페라이트계 내열강용 용접 조인트.
  17. 청구항 5 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 금속 중의 δ 페라이트의 면적률은 0.5% 이하인, 페라이트계 내열강용 용접 조인트.
  18. 질량%로, Cr：8~10%, Co：2~4%, W：2~4%, 및 B：0.005~0.020%를 함유하는 화학 조성을 갖는 페라이트계 내열강으로 이루어지는 모재에 대하여, 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 페라이트계 내열강용 용접 재료를 이용하여, 용접 입열 6~20kJ/cm로 가스 텅스텐 아크 용접을 실시하여 용접 금속을 형성하는 공정과,
    상기 모재에 형성된 상기 용접 금속에 대하여, 740~780℃의 열처리 온도로 상기 모재의 두께 25.4mm당 0.5~4.0시간의 열처리를 실시하는 공정을 구비하는, 페라이트계 내열강용 용접 조인트의 제조 방법.
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