KR102086266B1 - 인성이 우수한 극저온용 고망간강의 용접방법 - Google Patents

인성이 우수한 극저온용 고망간강의 용접방법 Download PDF

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Abstract

인성이 우수한 극저온용 고망간강의 용접방법이 제공된다.
본 발명은 극저온용 고망간강의 용접방법에 있어서, 용접열영향부 단위면적 당 결정립계에 생성되는 탄화물량을 나타내는 관계식 1에 의해 정의되는 탄화물 생성면적비(BC)가 0.12% 이하가 되도록, 관계식 2에 의해 정의되는 단위면적당 용접입열량(Qm)을 0.1 ~0.25 kJ/mm2를 범위로 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

인성이 우수한 극저온용 고망간강의 용접방법{Method for welding high Mn steel for cryogenic application having good toughness}
본 발명은 인성이 우수한 극저온용 고망간강 용접구조물 제조를 위한 용접방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 용접부 탄화물 생성량을 억제하여 양호한 인성을 확보할 수 있는 극저온용 고망간강의 용접방법에 관한 것이다.
극저온용 고망간강의 용접에서는 강중에 함유된 높은 탄소(C) 성분에 의해 용접열향부 결정립계에 탄화물 생성이 증가하게 된다. 이와 같이 결정립계에 생성하는 탄화물은 결정립간의 결합력을 약화시켜 외부에서 힘이 작용하는 경우, 매우 낮은 인성을 나타낸다. 특히, 강재의 용접과정에서는 용접열향부에서 매우 높은 온도까지 가열 및 급랭되는 현상을 동반하게 된다. 이 과정에서 열영향부에서 탄화물 생성이 촉진되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 극저온용 고망간강의 용접부 인성을 확보하기 위한 다방면에서의 검토와 연구들이 수행되고 있으나, 아직까지 만족할 만한 용접부 인성을 갖도록 하는 고망간강의 용접기술이 제시되고 있지 않은 실정이다.
따라서 본 발명은 0.4 중량% 이상의 탄소를 함유하는 극저온용 고망간강의 용접에서 용접열영향부에서 발생하는 탄화물 생성을 억제하여 극저온에서 우수한 용접부 인성을 확보가능하게 하는 극저온용 고망간강의 용접방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
극저온용 고망간강의 용접방법에 있어서,
용접열영향부 단위면적 당 결정립계에 생성되는 탄화물량을 나타내는 하기 관계식 1에 의해 정의되는 탄화물 생성면적비(BC)가 0.12% 이하가 되도록, 하기 관계식 2에 의해 정의되는 단위면적당 용접입열량(Qm)을 0.1 ~0.25 kJ/mm2범위로 제어하는 것을 특징으로 하는 극저온용 고망간강의 용접방법에 관한 것이다.
[관계식 1]
Bc = Mc / B
Mc는 탄화물 생성면적을 의미하고, B는 단일면적을 의미한다.
[관계식 2]
Qm = Q / T
Q는 용접입열량(kJ/mm)을 의미하고, T(mm)는 극저온용 고망간강의 두께를 의미한다.
상기 용접 전 용접이 실시되는 용접 그루브 주변을 열처리한 후 용접하는 것이 바람직하다.
상기 고망간강은 중량%로, C: 0.3~0.8%, Mn: 18~26%, Cr: 1~5%, Cu: 0.1~0.9%, S: 0.05% 이하(0% 포함), P: 0.05% 이하(0% 포함), N: 0.015%이하(0% 포함), B: 0.005% 이하(0% 제외), 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하여 조성됨이 바람직하다.
상술한 바와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 먼저 단위면적 당 용접입열량(Qm) 제어를 통하여 적정 수준의 용접비드를 형성할 수 있으며, 나아가 용접과정에서 열영향부에서의 탄화물 생성량을 최소한으로 억제할 수 있다, 이에 따라, 용접열영향부에서의 인성을 충분히 만족시킬 수 있다.
또한 용접이 실시되는 용접그루브 주변에 용접전 열처리를 실시하여 결정립계에 존재하는 탄화물을 재용해시킨 후 용접을 실시함으로써 우수한 용접부 인성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고망간강에 대한 조직사진이다.
도 2는 도 1의 고망간강에 대하여 용접을 행할 시, 그 용접 과정에서 탄화물의 생성량이 증가함을 보여주는 조직 사진이다.
도 3은 본 실시예에서 고망간강의 용접영양향부에서의 탄화물 분율과 용접부 충격인성과의 관계를 나타내는 그림이다.
도 4는 고망간강에 대한 용접 전 열처리 온도와 용접부의 충격인성과의 관계를 나타내는 그림이다.
도 5는 1100℃에서 용접 전 열처리한 고망간강에 대한 조직 사진이다.
이하, 본 발명을 설명하다,
본 발명자들은 고망간강의 용접시 얻어지는 용접이음부의 인성을 제고하기 위해 많은 연구와 실험을 거듭하였으며, 그 결과, 0.4 중량% 이상의 탄소를 함유하는 극저온용 고망간강의 용접에서 용접열영향부에서 발생하는 탄화물 생성이 적정치 이하로 억제될 수 있도록 용접입열량을 적정수준으로 제어하면 인성이 우수한 용접이음부를 얻을 수 있음을 확인하고 본 발명을 제시하는 것이다.
즉, 본 발명의 극저온용 고망간강의 용접방법은, 용접열영향부 단위면적 당 결정립계에 생성되는 탄화물량을 나타내는 상기 관계식 1에 의해 정의되는 탄화물 생성면적비(BC)가 0.12% 이하가 되도록, 상기 관계식 2에 의해 정의되는 단위면적당 용접입열량(Qm)을 0.1 ~0.25 kJ/mm2 범위로 제어하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 본 발명은 극저온용 고망간강의 용접방법에 대한 것으로, 상기 고망간강은 중량%로, C: 0.3~0.8%, Mn: 18~26%, Cr: 1~5%, Cu: 0.1~0.9%, S: 0.05% 이하(0% 포함), P: 0.05% 이하(0% 포함), N: 0.015%이하(0% 포함), B: 0.005% 이하(0% 제외), 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하여 조성됨이 바람직하며, 이하, 강 성분 및 성분범위에 대하여 설명한다.
C: 0.3~0.8중량%(이하, "%"라 칭함)
C는 강 내에 오스테나이트를 안정화시키고, 고용되어 강도를 확보하는데 필요한 원소이다. 그러나 그 함량이 0.3% 미만인 경우에는 오스테나이트 안정도가 부족하여 페라이트 또는 마르텐사이트가 형성되어 저온인성이 저하된다. 한편, 그 함량이 0.8%를 초과하는 경우에는 탄화물이 형성되어 표면 결함이 생기므로, C의 함량은 0.3~0.8%로 제한하는 것이 바람직하다.
Mn: 18~26%
Mn은 오스테나이트 조직을 안정화시키는 역할을 하는 중요한 원소이며, 저온인성을 확보하기 위해 페라이트 형성을 방지하고, 오스테나이트 안정도를 증가시켜야 하므로 본 발명에서는 최소 18% 이상 첨가되어야 한다.
18% 미만으로 첨가되면 ε(입실론)-마르텐사이트상 및 α'(알파 프라임)-마르텐사이트상이 형성되어, 저온인성이 감소한다.
한편, 그 함량이 26%를 초과하면 제조원가가 크게 증가하고, 공정상 열간압연 단계에서 가열 시 내부산화가 심하게 발생되어 표면품질이 나빠지는 문제가 발생하게 된다. 따라서, Mn의 함량은 18~26%로 제한하는 것이 바람직하다.
Cr: 1~5%
Cr은 오스테나이트 조직에서 고용강화를 통해 강도 상향에 우수성을 나타내는 원소이고, 또한 내식성 효과를 가지고 있으므로 고온산화에 효과적이어서 표면품질이 향상되는 효과가 있다. 상기한 Cr 역할을 수행하기 위해서는 1%이상 첨가되는 것이 바람직하다.
한편, 5%를 초과하여 첨가하면 탄화물 생성에 유리하게 되어 극저온인성을 악화시키는 문제가 발생될 우려가 있다. 따라서 Cr의 함량은 1~5%로 제한하는 것이 바람직하다.
Cu: 0.1~0.9%
Cu는 오스테나이트 안정화 원소로 망간, 탄소와 더블어 오스테나이트를 안정화 시키면서 저온인성 향상에 효과적인 원소이다.
Cu는 탄화물 내 고용도가 매우 낮고 오스테나이트 내 확산이 느려서 오스테나이트와 탄화물 계면에 농축되는 경향이 있다. 그 결과 미세한 탄화물의 핵이 생성될 경우 그 주위를 둘러싸게 됨으로써 탄소의 추가적인 확산에 따른 탄화물 성장이 늦어지게 되며, 결국 탄화물 생성 및 성장이 억제되게 된다. 이러한 효과 때문에 Cr과 같이 사용하는 것이 바람직하다.
상기한 Cu 역할을 수행하기 위해서는 0.1%이상 첨가되는 것이 바람직하다.
한편, 그 함량이 0.9%를 초과하는 경우에는 hot shortness 결함에 의해 표면품질이 나빠질 우려가 있다.
따라서 Cu의 함량은 0.1~0.9%로 제한하는 것이 바람직하다.
S: 0.05% 이하(0% 포함)
S는 개재물의 제어를 위하여 0.05% 이하로 제어될 필요성이 있다. S의 양이 0.05%를 초과하면 열간취성의 문제점이 발생한다.
P: 0.05% 이하(0% 포함)
P는 편석이 쉽게 발생되는 원소로 주조시 균열발생 및 용접성을 저하시킨다. 이를 방지하기 위하여 0.05% 이하(0% 포함)로 제어되어야 한다. P의 양이 0.05%를 초과하면 주조성이 악화될 수 있으므로 그 상한은 0.05%로 제한하는 것이 바람직하다.
N: 0.015%이하(0% 포함)
질소는 탄소와 더불어 오스테나이트를 안정화시켜 인성을 향상시키는 원소이며, 특히 탄소와 같이 고용 강화를 통해 강도를 향상시키는데 매우 유리한 원소이다. 하지만, 0.015%를 초과하여 첨가되는 경우 조대한 질화물이 형성되어 강재의 표면 품질 및 물성을 열화시키는 문제점이 있으므로, 그 상한은 0.015 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
B: 0.005% 이하(0% 제외)
B은 결정입계 강화를 통한 입계파괴의 억제효과로 표면품질 향상에 큰 영향을 주나, 과도한 첨가시 조대한 석출물의 형성 등에 의해 인성 및 용접성을 저하시키므로, 그 함량은 0.005% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.
본 발명은 극저온용 고망간강의 용접방법에 있어서, 얻어지는 용접이음부가 적정한 인성을 갖기 위해서는 용접열영향부 단위면적 당 결정립계에 생성되는 탄화물량을 하기 관계식 1에 의해 정의되는 탄화물 생성면적비(BC)가 0.12% 이하가 되도록 관리할 필요가 있다. 본 발명자들의 연구 결과에 의하면, 하기 관계식 1을 만족하는 조건으로 용접을 수행한 경우에 소망하는 용접부 인성을 확보할 수 있는 반면, 만일 하기 관계식 1에 의해 정의되는 탄화물 생성면적비(BC)가 0.12%를 초과하면 외부에서 충격력이 작용하는 경우, 탄화물이 생성되어 있는 결정립계를 따라 균열이 발생, 파단이 일어남에 따라 충격인성이 저하하는 문제가 발생할 수 있다.
[관계식 1]
Bc = Mc / B
Mc는 탄화물 생성면적을 의미하고, B는 단일면적을 의미한다.
또한 본 발명에서는 상기와 같이 탄화물 생성면적비(BC)가 0.12% 이하가 되도록 하기 관계식 2에 의해 정의되는 단위면적당 용접입열량(Qm)를 0.1~0.25 kJ/mm2범위로 제어한다.
만일 상기 용접입열양(Qm)이 과소하면, 용착량 부족에 따른 양호한 형상의 접용비드 형성이 어렵다. 즉, 용접부에서 피용접재와 용접재료의 용융불량에 따른 적층불량, 기공발생 등 다양한 문제들이 용접결함의 형태로 나타난다. 반면에 용접입열량(Qm)이 과다하면, 용접부 냉각속도가 느려지게 되어 냉각과정 중 용접열영향부가 고온에 오래 노출되어 결정립계에서 탄화물이 과다하게 생성된다. 이에 따라 용접열영향부의 충격인성이 저하하게 되는 문제가 있다.
[관계식 2]
Qm = Q / T
Q는 용접입열량(kJ/mm)을 의미하고, T(mm)는 극저온용 고망간강의 두께를 의미한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서 용접영향부에서의 탄화물 생성 여부는 용접부에 투입되는 용접입열량에 의해 영향을 받는다.
나아가, 본 발명에서 상기 용접열영향부에서 형성되는 탄화물의 양은 용접 전 용접이 실시되는 용접그루브를 사전 열처리함으로써 보다 감소될 수 있다. 이는용접 전 열처리를 실시하여 결정입계에 존재하는 탄화물을 재용해시킨 후, 용접을 행하면 용접시 탄화물 형성을 저하시켜 인성이 우수한 용접이음부를 보다 용이하게 얻을 수 있기 때문이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예)
C Mn Cr Cu S P B
발명예 0.45% 24.3% 3.5% 0.48% 0.0009% 0.0156% 0.0027%
상기 표 1과 같은 고망간강 용접모재를 마련하였다. 도 1은 상기 고망간강에 대한 조직사진으로, 극히 일부의 결정립계에서 탄화물이 관찰됨을 확인할 수 있다. 이러한 탄화물은 도 2에 나타난 바와 같이, 가열/용접과정에서의 입열량에 의해 그 생성량이 크게 증가함을 알 수 있다.
상기 마련된 고망간강 용접모재를 이용하여, 하기 표 2와 같이, 용접조건들을 달리하여 용접을 수행하였으며, 이때, 단위면적 당 용접입열량(Qm)과 용접부 인성 평가 결과를 또한 하기 표 2에 나타내었다.
Figure 112018126978219-pat00001
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 용접입열량(Qm)이 0.1 내지 0.25의 범위에서 양호한 용접부 인성을 확보하고 있음을 알 수 있다.
한편 도 3은 본 실시예에서 고망간강의 용접영양향부에서의 탄화물 분율과 용접부 충격인성과의 관계를 나타내는 그림이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 탄화물 생성비(Bc)가 0.12% 이하에서 안정적이고 건전한 용접부 충격인성을 나타내고 있음을 알 수 있다.
즉, 본 발명에서는 고망간강 용접 시 용접입열량(Qm)을 0.1 내지 0.25의 범위로 관리함으로써 탄화물 생성비(Bc)가 0.12% 이하인 우수한 인성을 용접이음부를 확보할 수 있음을 알 수 있다.
그리고 도 4는 상기 고망간에 대한 용접 전 열처리 온도와 용접부의 충격인성과의 관계를 나타내는 그림이며, 도 5는 1100℃에서 용접 전 열처리한 고망간강에 대한 조직 사진이다.
도 4에 나타난 바와 같이, 극저온용 고망간강 모재에 대해 600℃이상의 열처리를 할 경우 모재 수준의 인성을 확보할 수 있을 것으로 판단되며, 1100℃ 열처리에서 모재수준 이상의 우수한 인성을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이러한 열처리를 용접 실시면에 사전 적용함을 통해 양호한 수준의 용접부 인성을 확보할 수 있다. 이는 도 5에 나타난 바와 같이, 사전 열처리를 통해 결정입계에서 생성하는 탄화물을 완전히 재용해시킴으로써, 후속하는 용접 공정에서 용접열영향부에 형성된 탄화물 분율을 감소할 수 있음에 따른 결과임을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구 범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (3)

  1. 극저온용 고망간강의 용접방법에 있어서,
    용접열영향부 단위면적 당 결정립계에 생성되는 탄화물량을 나타내는 하기 관계식 1에 의해 정의되는 탄화물 생성면적비(BC)가 0.12% 이하가 되도록, 하기 관계식 2에 의해 정의되는 단위면적당 용접입열량(Qm)을 0.1 ~0.25 kJ/mm2를 범위로 제어하는 것을 특징으로 하는 극저온용 고망간강의 용접방법.
    [관계식 1]
    Bc = Mc / B
    Mc는 탄화물 생성면적을 의미하고, B는 단일면적을 의미한다.
    [관계식 2]
    Qm = Q / T
    Q는 용접입열량(kJ/mm)을 의미하고, T(mm)는 극저온용 고망간강의 두께를 의미한다.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 용접 전 용접이 실시되는 용접 그루브 주변을 열처리한 후 용접하는 것을 특징으로 하는 극저온용 고망간강의 용접방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 고망간강은 중량%로, C: 0.3~0.8%, Mn: 18~26%, Cr: 1~5%, Cu: 0.1~0.9%, S: 0.05% 이하(0% 포함), P: 0.05% 이하(0% 포함), N: 0.015%이하(0% 포함), B: 0.005% 이하(0% 제외), 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 극저온용 고망간강의 용접방법.
KR1020180163724A 2018-12-18 2018-12-18 인성이 우수한 극저온용 고망간강의 용접방법 KR102086266B1 (ko)

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