KR102065227B1

KR102065227B1 - 스테인리스강용 용접재료 및 이를 이용하여 용접된 물품

Info

Publication number: KR102065227B1
Application number: KR1020170178947A
Authority: KR
Inventors: 이원배; 김호수; 한일욱
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2017-12-24
Filing date: 2017-12-24
Publication date: 2020-01-10
Also published as: KR20190077195A

Abstract

본 발명은 탄소(C): 0.03~0.3중량%, 망간(Mn): 2.0~4.0중량%, 실리콘(Si): 1.0~3.6중량%, 인(P): 0.03중량% 이하, 황(S): 0.038~0.1중량%, 니켈(Ni): 11~13중량%, 크롬(Cr): 19~25중량%, 몰리브덴(Mo): 0.01~0.04중량%, 알루미늄(Al): 0.5중량 %이하(0%는 제외), 티타늄(Ti): 0.5중량%이하(0%는 제외) 및 구리(Cu): 1.0중량 %이하(0%는 제외), 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강용 용접재료 및 이를 이용하여 용접된 물품을 제공한다.

Description

스테인리스강용 용접재료 및 이를 이용하여 용접된 물품{WELDING MATERIAL FOR STAINLESS STELESS STEEL AND ARTICLE WELDED USING THE WELDING MATERAL}

본 발명은 스테인리스강용 용접재료 및 이를 이용하여 용접된 물품에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쾌삭 오스테나이트계 스테인리스강과 페라이트계 스테인리스강 간 이종소재 용접시 적용되는 스테인리스강용 용접재료 및 이를 이용하여 용접된 물품에 관한 것이다.

오스테나이트계 스테인리스 강(STS)에 S, Se 혹은 Pb를 첨가시키면 표면 마무리 품질, 버(Burr) 생성감소 및 절삭효율 향상 등 매우 우수한 절삭 가공성을 보인다. 이러한 원소는 융점이 낮은 제2상을 형성하여, 절삭가공 중 윤활제 역할을 하여 칩(Chip) 제거능을 향상시킨다.

가장 널리 사용되고 있는 쾌삭 스테인리스강은 303 스테인리스강으로 S를 약 0.4wt% 함유하고 있다. 이는 유사한 조성을 가지고 있는 304L 스테인리스강의 최대 S 함유량 대비 10배 이상이다. 이와 같이 많은 양의 S를 함유하고 있는 스테인리스강은 용접시 고온 균열 발생 및 용접부 형상 불량으로 인해 용접이 포함되는 부품 및 제조공정에는 적용이 제한되고 있다.

예를 들면, 자동차 배기계 부품인 DPF는 도 1에서 알 수 있듯이, 디젤(Diesel)차량 배기 가스중 미세먼지 배출 감소 장치로 부품내 온도, 산소 및 압력 등을 감지해야 하는데, 이러한 센서(Sensor)를 캔 튜브(Can Tube) (430J1L)와 고정하는 부품 (BOSS)으로 기존 304 스테인리스강를 사용하여 캔 튜브와 309L계열의 상용 플럭스 코어드 용접재료로 용접하여 부품을 제작하였다.

한편, 센서 고정부품용 소재를 절삭 가공성이 우수한 고 S함유 303 스테인리스강으로 대체 적용하고 있다.

그러나, 고 S함유 303 스테인리스강은 기존 304 스테인리스강 소재 대비 S함량이 약 10배 이상 높아(0.02 → 0.4wt%) 용접 시 용접재료와의 희석현상(Dilution)에 의해 도 2와 같이 비드형상 불량 [언더 컷(Under-Cut) 및 비드 말림현상]이 발생하여, 후 공정에서 보수용접을 실시해야 하는 공정상 번거로움을 야기 한다.

비드형상 불량의 원인으로 303 스테인리스강 소재와 용접 와이어(Wire)(309L)가 용접열에 의해 서로 섞이게 되는데(희석), S가 많이 첨가된 303 스테인리스강은 용융 풀(Pool)내 용접재료 대비 표면장력이 낮아, 303 스테인리스강 희석된 부분이 용융 풀내로 잡아 당겨지기 때문에 303F 스테인리스강/용접재료 퓨젼 바운다리(Fusion Boundary)에서 비드형상 불량 (언더 컷 또는 비드말림)을 야기 하게 된다.

따라서, 이러한 언거 컷 및 비드말림 현상을 동반한 용접비드 형상 불량을 개선하기 위하여 용접재료와 303 스테인리스강 소재간 표면장력차를 줄일 수 있고 용탕의 유동성을 개선할 수 있는 용접재료가 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 공개특허공보 제2016-0078846호

본 발명의 바람직한 일 측면은 쾌삭 스테인리스강 이종재료 용접시 용착부에 언더 컷(Under Cut) 및 비드 말림현상이 없고, 용입성이 우수한 용접부를 확보할 수 있는 스테인리스강용 용접재료 및 이를 이용하여 용접된 물품을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 바람직한 일 측면에 의하면, 탄소(C): 0.03~0.3중량%, 망간(Mn): 2.0~4.0중량%, 실리콘(Si): 1.0~3.6중량%, 인(P): 0.03중량% 이하, 황(S): 0.038~0.1중량%, 니켈(Ni): 11~13중량%, 크롬(Cr): 19~25중량%, 몰리브덴(Mo): 0.01~0.04중량%, 알루미늄(Al): 0.5중량 %이하(0%는 제외), 티타늄(Ti): 0.5중량%이하(0%는 제외) 및 구리(Cu): 1.0중량 %이하(0%는 제외), 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강용 용접재료가 제공된다.

상기 용접재료는 오스테나이트계 스테인리스강을 소재로 하는 부재와 페라이트계 스테인리스 강을 소재로 하는 부재를 고정하는데 적용될 수 있다.

상기 오스테나이트계 스테인리스강이 쾌삭 오스테나이트계 스테인리스강일 수 있다.

상기 쾌삭 오스테나이트계 스테인리스강이 303 계열 오스테나이트계 스테인리스강일 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 일 측면에 의하면, 303 계열 쾌삭 오스테나이트계 스테인리스강을 소재로 하는 부재와 페라이트계 스테인리스 강을 소재로 하는 부재를 고정하는 용접부를 포함하는 물품으로서, 상기 용접부가 탄소(C): 0.03~0.3중량%, 망간(Mn): 2.0~4.0중량%, 실리콘(Si): 1.0~3.6중량%, 인(P): 0.03중량% 이하, 황(S): 0.038~0.1중량%, 니켈(Ni): 11~13중량%, 크롬(Cr): 19~25중량%, 몰리브덴(Mo): 0.01~0.04중량%, 알루미늄(Al): 0.5중량 %이하(0%는 제외), 티타늄(Ti): 0.5중량%이하(0%는 제외) 및 구리(Cu): 1.0중량 %이하(0%는 제외), 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강용 용접재료를 사용하여 형성된 물품이 제공된다.

상기 용접부는 쾌삭 오스테나이트계 스테인리스강과 용착부간 비드각도가 100도 이상이고 용입깊이가 0.2mm이상일 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 측면에 의하면, 쾌삭 스테인리스강 이종재료 용접시 용착부에 언더 컷(Under Cut) 및 비드 말림현상이 없고, 용입성이 우수한 용접부를 확보 할 수 있는 스테인리스강용 용접재료를 제공할 수 있다.

도 1은 자동차 배기계 DPF (Diesel Particulate Filter) 구조를 나타내는 모식도.
도 2는 보스(BOSS) 소재를 304 스테인리스강에서 303 스테인리스강으로 변경시 부품 및 용접부 형상을 나타내는 사진.
도 3은 본 발명에 부합되는 용접재료를 설명하기 위한 개념도.
도 4는 본 발명에 부합되는 용접재료를 사용하여 용접된 용접부 비드 단면 사진.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 상용 309L 용접봉 소재의 기본 조성에, 쾌삭 스테인리스와 용접재료간의 표면장력 차이를 줄이기 위해 용접재료내 S 및 Si성분의 함량을 최적화하여 용접비드형상 및 용접성을 개선시킨 스테인리스강용 용접재료 및 이를 이용하여 용접된 물품을 제공하는 것이다.

본 발명은 예를 들면, 자동차 부품용 쾌삭 오스테나이트계 스테인리스강(STS)과 배기계 부품인 페라이트계 스테인리스강 (STS) 용접을 위해 기존용접재료 대비 S와 Si을 함량을 증가시켜, 용접재료내의 표면장력을 낮추어, 용접재료와 쾌삭스테인리스강 용융에 의해 희석된 부분과의 표면장력값의 차이를 줄이고, 그 결과 기존 소재를 적용한 경우 문제점으로 지적 되었던, 용접부 언더 컷(UnderCut) 및 용입불량을 최소화 시킬 수 있는 스테인리스강용 용접재료 및 이를 이용하여 용접된 물품을 제공하는 것이다.

먼저, 본 발명의 바람직한 일 측면에 따르는 스테인리스강용 용접재료에 대하여 설명한다.

본 발명의 바람직한 일 측면에 따르는 스테인리스강용 용접재료는 탄소(C): 0.03~0.3중량%, 망간(Mn): 2.0~4.0중량%, 실리콘(Si): 1.0~3.6중량%, 인(P): 0.03중량% 이하, 황(S): 0.038~0.1중량%, 니켈(Ni): 11~13중량%, 크롬(Cr): 19~25중량%, 몰리브덴(Mo): 0.01~0.04중량%, 알루미늄(Al): 0.5중량 %이하(0%는 제외), 티타늄(Ti): 0.5중량%이하(0%는 제외) 및 구리(Cu): 1.0중량 %이하(0%는 제외), 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함한다.

탄소(C): 0.03~0.3 중량%

탄소(C)는 오스테나이트 형성원소이고 강도 향상원소이다. 오스테나이트 형성 및 강도 향상을 위해 탄소(C)는 0.03 중량% 이상 첨가한다. 반면, 탄소(C)의 함량이 0.3 중량%를 초과하게 되면, 용접 중 공정 화합물을 과다하게 형성하게 되어 고온균열, 용접 퓸(Fume) 및 스패터가 발생하는 문제가 있다. 따라서, 탄소(C)의 함량은 0.03~0.3 중량%가 바람직하다.

망간(Mn): 2.0~4.0 중량%

망간(Mn)은 용접 중 산소, 황과 반응하여 탈산, 탈황을 수행하는 역할을 한다. 탈산 및 탈황 작용을 위해 망간(Mn)은 2.0중량% 이상 첨가한다. 반면, 망간(Mn)의 함량이 4.0 중량%를 초과하면 용융금속의 유동성이 감소하여 용입 감소 및 아크 불안정의 문제점이 발생한다. 따라서, 망간(Mn)의 함량은 2.0~4.0 중량%가 바람직하다.

실리콘( Si ): 1.0~3.6 중량%

실리콘(Si)은 용접시 망간(Mn)과 함께 복합적으로 작용하여 탈산 효과를 극대화하는 작용을 한다. 탈산 효과를 위해 실리콘(Si)은 1.0 중량% 첨가한다. 또한 실리콘(Si)은 용탕의 표면장력을 낮추는 역활을 위해 3.6%까지 첨가하지만 함량이 3.6 중량%를 초과하면 공정화합물이 과다하게 석출되어 내균열성이 저하하는 문제점이 발생한다. 따라서, 실리콘(Si)의 함량은 1.0~3.6 중량%가 바람직하다.

인(P): 0.03 중량% 이하

인(P)이 첨가되는 경우 저융점화합물이 쉽게 생성되어 재료의 융점이 저하되고, 결국 고온 균열 감수성이 증가하는 문제점이 있기 때문에 포함되지 않는 것이 바람직하다. 다만, 불가피하게 포함되는 경우에는 인(P)의 함량은 0.03 중량% 이하가 바람직하다.

황(S): 0.038~0.1 중량%

황(S)이 첨가되는 경우, 용착금속의 표면장력을 낮출 수 있는 원소이므로 0.038%이상 첨가할 필요가 있으나, 첨가량이 증가하면 저융점화합물이 쉽게 생성되어 재료의 융점이 저하되고, 결국 고온 균열 감수성이 증가하는 문제점이 있기 때문에 최대 함유량을 0.1 중량%으로 제한한다.

니켈( Ni ): 11~13 중량%

니켈(Ni)은 오스테나이트 형성원소로 완전 오스테나이트 조직을 형성하고, 내고온산화성 및 고온강도와 인성을 향상시키는 역할을 한다. 완전 오스테나이트 조직 형성, 내고온산화성, 고온강도 및 인성 확보를 위해 니켈(Ni)은 11 중량% 이상 첨가한다. 반면, 니켈(Ni)의 함량이 13 중량%를 초과하면 가격이 상승하고, 용접부의 점도가 과도하게 증가하여 기공 및 용입 부족이 발생하는 문제점이 있다. 따라서, 니켈(Ni)의 함량은 11~13 중량%가 바람직하다.

크롬( Cr ): 19~25 중량%

크롬(Cr)은 페라이트 형성원소이지만 내고온강도를 확보하는 역할을 한다. 내고온강도 확보를 위해 크롬(Cr)은 19 중량% 이상 첨가한다. 다만, 크롬(Cr)의 함량이 25 중량%를 초과하면 가격이 상승하고 고온에서 페라이트 및 크롬탄화물이 형성되어 인성이 저하하는 문제점이 있다. 따라서, 크롬(Cr)의 함량은 19~25 중량%가 바람직하다.

몰리브덴( Mo ): 0.01~ 0.04중량%

몰리브덴(Mo)은 고온강도와 내산화성을 향상시키는 역할을 한다. 몰리브덴(Mo) 계열의 탄화물을 미세하게 석출시켜 상온 및 고온에서 강도를 증가시킨다. 고온강도 및 내산화성 향상을 위해 몰리브덴(Mo)은 0.01 중량%이상 첨가한다. 다만, 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.04중량%를 초과하면 가격이 상승하기 때문에 몰리브덴(Mo)의 함량은 0.01~0.04 중량%가 바람직하다.

알루미늄(Al): 0.5중량 %이하 (0%는 제외)

알루미늄(Al)은 용접금속의 탈산과 탈황 및 조직 미세화를 위해 추가로 포함될 수 있다. 다만, 알루미늄(Al)의 함량이 0.5 중량%를 초과하면 용접금속의 표면장력이 상승하고 스패터가 과다하게 발생할 수 있다. 따라서, 알루미늄(Al) 함량은 0.5 중량% 이하로 제한된다.

티타늄( Ti ): 0.5중량 %이하 (0%는 제외)

티타늄(Ti)은 아크 안정성 확보와 입계부식을 방지하기 위해 추가로 첨가될 수 있다. 다만, 티타늄(Ti)의 함량이 0.5 중량%를 초과하면 용접부에 탄화물 및질화물을 생성시켜 인성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 티타늄(Ti)의 함량은 0.5 중량% 이하로 제한된다.

구리(Cu): 1.0중량 %이하 (0%는 제외)

구리(Cu)는 고온 내산화성을 향상시키기 위해 추가로 첨가될 수 있다. 다만, 그 함량이 1.0 중량%를 초과하게 되면 용접부의 경화성을 증가시켜 인성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 구리(Cu)의 함량은 1.0 중량% 이하로 제한된다.

도 3에 나타난 바와 같이, 기존 309L 용접재료를 사용한 경우(도 3의 위 도면)에는 용접금속부 (309L)의 표면장력이 희석부 (309L+303모재)대비 매우 높기 때문에 용접금속부로 용탕이 끌려오는 현상이 발생하는데. 이는 303 모재내 S가 높아서 이다. 한편, 본 발명에 부합되는 용접재료에서와 같이 용접재료의 S의 함량을 높이면(도 3의 아래 도면, 신용접재료), 표면장력의 차이가 줄어들어 용탕이 끌려와서 발생하는 언더컷 및 비드 말림 현상을 최소화 할 수 있기 때문에 우수한 용접부를 확보할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 다른 일 측면을 따르는 물품에 대하여 설명한다.

본 발명의 바람직한 다른 일 측면을 따르는 물품은 303 계열 쾌삭 오스테나이트계 스테인리스강을 소재로 하는 부재와 페라이트계 스테인리스 강을 소재를 하는 부재를 고정하는 용접부를 포함하는 물품으로서, 상기 용접부가 탄소(C): 0.03~0.3중량%, 망간(Mn): 2.0~4.0중량%, 실리콘(Si): 1.0~3.6중량%, 인(P): 0.03중량% 이하, 황(S): 0.038~0.1중량%, 니켈(Ni): 11~13중량%, 크롬(Cr): 19~25중량%, 몰리브덴(Mo): 0.01~0.04중량%, 알루미늄(Al): 0.5중량 %이하(0%는 제외), 티타늄(Ti): 0.5중량%이하(0%는 제외) 및 구리(Cu): 1.0중량 %이하(0%는 제외), 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강용 용접재료를 사용하여 형성된다.

상기 303 계열 쾌삭 오스테나이트계 스테인리스강을 소재로 하는 부재는 자동차 배기계 부품인 DPF (Diesel Particulate Filter)용 온도 및 산소 센서 고정부품으로 적용중인 보스(Boss)이고, 상기 페라이트계 스테인리스 강을 소재로 하는 부재는 캔 튜브(Can Tube)일 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지는 않는다.

(실시예)

하기 표 1의 성분 및 성분범위를 갖는 용접재료를 사용하여 도 2의 자동차 배기계 부품인 DPF (Diesel Particulate Filter)의 캔 튜브(Can Tube) (430J1L)와 고정하는 부품 (BOSS)(303F)을 용접하고, 용접된 용접부에 대하여 용접부 특성을 평가하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 상기 용접 및 용접부 특성 평가는 2회 실시되었다.

상기 용접부 중의 하나의 용접부에 대한 비드 단면을 단면을 관찰하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

하기 표 1에서, 용접재료 기존은 309L 스테인리스강 용접재료를 나타내고, 용접재료 1 및 2는 본 발명의 용접재료의 성분 중 적어도 하나의 성분범위를 벗어나는 용접재료를 나타내고, 용접재료 3 내지 6은 본 발명의 용접재료의 성분 및 성분범위를 만족시키는 용접재료를 나타낸다.

하기 표 2에서, α1, α2, p1, p2 및 좌, 우는 도 4에 나타낸 각도 및 위치를 나타낸다.

용접 재료	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Al	Ti	Cu
기존	0.03	0.47	1.6	0.02	0.007	13.4	23.4	-	-	-	-
1	0.034	0.88	3.71	0.007	0.037	7.303	19.3	0.376	0.034	0.006	0.422
2	0.034	0.88	3.71	0.007	0.050	7.303	19.3	0.376	0.034	0.006	0.422
3	0.037	3.58	2.14	0.027	0.053	12.15	22.86	0.014	0.022	0.018	0.025
4	0.046	3.09	2.16	0.03	0.089	11.8	24.01	0.014	0.027	0.015	0.015
5	0.15	1.18	2.38	0.019	0.075	11.57	23.03	0.037	0.009	0.011	0.031
6	0.040	1.03	2.13	0.019	0.038	12.34	22.52	0.037	0.005	0.01	0.093

용접재료	좌				우				좌				우
용접재료	α1	α2	p1	p2	α1	α2	p1	p2	α1	α2	p1	p2	α1	α2	p1	p2
기존	115	75	0.21	0.15	113	92	0.2	0.15	107	93.5	0.3	0.12	98	109	0.17	0.25
1	105	95	0.12	0.1	92	92	0.15	0.10	97	72	0.3	0.12	108	89	0.3	0.25
2	95	105	0.35	0.15	113	105	0.2	0.05	87	105	0.3	0.12	120	72	0.41	0.25
3	115	118	0.21	0.41	104	145	0.48	0.21	103	137	0.24	0.46	116	148	0.35	0.36
4	115	118	0.21	0.41	104	145	0.48	0.21	103	137	0.24	0.46	116	148	0.35	0.36
5	113	124	0.32	0.35	123	119	1.7	0.42	124	146	0.34	0.72	117	150	0.41	0.74
6	113	116	0.8	0.43	124	126	0.53	0.28	114	124	0.33	0.35	132	138	0.73	0.38

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 용접재료의 성분 및 성분범위를 만족시키는 용접재료(3 내지 6)를 사용하여 용접하는 경우에는 쾌삭 스테인리스강(303F)과 용착부간 비드각도가 100도 이상이고 용입깊이가 0.2mm이상인 용접부를 확보할 수 있음을 알 수 있다.

Claims

탄소(C): 0.03~0.3중량%, 망간(Mn): 2.0~4.0중량%, 실리콘(Si): 1.0~3.6중량%, 인(P): 0.03중량% 이하, 황(S): 0.038~0.1중량%, 니켈(Ni): 11~13중량%, 크롬(Cr): 19~25중량%, 몰리브덴(Mo): 0.01~0.04중량%, 알루미늄(Al): 0.5중량 %이하(0%는 제외), 티타늄(Ti): 0.5중량%이하(0%는 제외) 및 구리(Cu): 1.0중량 %이하(0%는 제외), 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강용 용접재료.
제1항에 있어서, 상기 용접재료는 오스테나이트계 스테인리스강을 소재로 하는 부재와 페라이트계 스테인리스 강을 소재로 하는 부재를 고정하는데 적용되는 것임을 특징으로 하는 스테인리스강용 용접재료.
제2항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인리스강이 쾌삭 오스테나이트계 스테인리스강인 것을 특징으로 하는 스테인리스강용 용접재료.
제3항에 있어서, 상기 쾌삭 오스테나이트계 스테인리스강이 303 계열 오스테나이트계 스테인리스강인 것을 특징으로 하는 스테인리스강용 용접재료.
303 계열 쾌삭 오스테나이트계 스테인리스강을 소재로 하는 부재와 페라이트계 스테인리스 강을 소재로 하는 부재를 고정하는 용접부를 포함하는 물품으로서, 상기 용접부가 탄소(C): 0.03~0.3중량%, 망간(Mn): 2.0~4.0중량%, 실리콘(Si): 1.0~3.6중량%, 인(P): 0.03중량% 이하, 황(S): 0.038~0.1중량%, 니켈(Ni): 11~13중량%, 크롬(Cr): 19~25중량%, 몰리브덴(Mo): 0.01~0.04중량%, 알루미늄(Al): 0.5중량 %이하(0%는 제외), 티타늄(Ti): 0.5중량%이하(0%는 제외) 및 구리(Cu): 1.0중량 %이하(0%는 제외), 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강용 용접재료를 사용하여 형성된 물품.
제5항에 있어서, 상기 용접부는 쾌삭 오스테나이트계 스테인리스강과 용착부간 비드각도가 100도 이상이고 용입깊이가 0.2mm이상인 물품.
제5항에 있어서, 상기 303 계열 쾌삭 오스테나이트계 스테인리스강을 소재로 하는 부재는 자동차 배기계 부품인 DPF (Diesel Particulate Filter)용 온도 및 산소 센서 고정부품으로 적용중인 보스(Boss)이고, 상기 페라이트계 스테인리스 강을 소재로 하는 부재는 캔 튜브(Can Tube)인 것을 특징으로 하는 물품.