KR102175609B1

KR102175609B1 - 균열 저항성이 우수한 극저온용 고망간강 용접이음부

Info

Publication number: KR102175609B1
Application number: KR1020180160379A
Authority: KR
Inventors: 한규태; 한일욱; 정홍철
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2020-11-06
Also published as: KR20200072327A

Abstract

균열 저항성이 우수한 극저온용 고망간강 용접이음부가 제공된다.
본 발명의 고망간강 용접이음부는, 중량%로, C: 0.18~0.61%, Si: 0.23~0.38%, Mn: 16.2~23.0%, Ni: 0.5% 이하, Al: 3.0% 이하, Mo:3.0% 이하, Cr: 3.0~10.0%, P: 0.003% 이하, S: 0.04%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 용접 후 응고 시, 페라이트-오스테나이트(FA) 응고모드를 나타내며, L(액상)→ γ(오스테나이트) + M7C3((Fe, Cr)7C3)의 공정 응고를 하는 것을 특징으로 한다.

Description

균열 저항성이 우수한 극저온용 고망간강 용접이음부 {High Mn steel welding joint for cryogenic application with good crack resistance}

본 발명은 극저온인성이 우수한 고강도 용접이음부에 관한 것으로, 특히, 고온균열 저항성이 우수한 극저온용 고망간강 용접이음부에 대한 것이다.

고망간강은 고가의 니켈(Ni)를 배제하고 다량의 망간(Mn)과 탄소(C)를 첨가함으로써 상온 및 저온에서 오스테나이트 단상을 형성시킬 수 있다. 따라서 이러한 고망간강은 소성 변형 시 변형유기쌍정을 이용하여 고강도, 고인성을 동시에 확보할 수 있는 강재로서, 자동차, 조선, 해양, 건축 등의 다양한 분야에 적용 가능한 신소재이다. 그러나 태생적으로 높은 탄소와 망간 함량으로 인해 용접 중 발생할 수 있는 균열, 특히, 고온균열 민감도가 높아 강재 및 용접재료 개발에 있어 신중한 합금원소 첨가가 요구되고 있다.

특허문헌 1에서는 망간(Mn)함량 18중량%, 탄소(C) 함량 0.6 중량%에서 알루미늄(Al) 함량을 6.0 중량%로 증가시켜 용접금속부의 응고 모드 변화에 따른 고온균열 저항성 향상을 도모하고 있으나, 고 알루미늄 첨가에 따른 연속 주조 시 노즐 막힘 및 심각한 용접 생산성의 저하로 인해 판재 제조 및 용접재료의 생산에 문제점을 수반하고 있다.

그러므로 고망간강에 있어서 고온균열민감도가 낮은 고망강강에 대한 기술 개발 요구가 대두되고 있다.

대한민국 특허출원 KR2016-0177843호(2016.12.23출원)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 용접이음부의 합금성분을 최적으로 제어함으로서 고온 균열 저항성이 높은 고망간강 용접이음부를 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,

중량%로, C: 0.18~0.61%, Si: 0.23~0.38%, Mn: 16.2~23.0%, Ni: 0.5% 이하, Al: 3.0% 이하, Mo:3.0% 이하, Cr: 3.0~10.0%, P: 0.003% 이하, S: 0.04%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 용접 후 응고 시, 페라이트-오스테나이트(FA) 응고모드를 나타내며, L(액상)→ γ(오스테나이트) + M7C3((Fe, Cr)7C3)의 공정 응고를 하는 것을 특징으로 하는 고온균열 저항성이 높은 고망간강 용접이음부에 관한 것이다.

상술한 바와 같은 구성의 본 발명은 성분계의 제어를 통하여 고망간강의 초정 응고모드를 변화[FA(ferrtie-austenite) 모드]시킴과 아울러, 최종 공정 반응의 변화와 그에 따른 최종 응고온도 상승을 유도하여 고온균열 저항성이 높은 용접이음부를 효과적으로 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 비교강과 발명강 1-4를 이용하여 얻어진 용접금속부의 총균열길이 및 최대균열길이를 대비하여 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 비교강과 발명강 1-4를 이용하여 얻어진 용접열영향부의 총균열길이 및 최대균열길이를 대비하여 나타낸 그림이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명자들은 고망간의 용접시 초래되는 용접이음부의 고온균열을 효과적으로 억제할 수 있는 방법에 대하여 연구를 거듭하였으며, 그 결과, 용접이음부를 이루는 탄소 함량을 제한함과 아울러, 알루미늄, 몰리브데늄 및 크롬 함량을 최적으로 제한함으로써 최종 응고 온도를 높여 응고 구간을 감소시킴으로써 고온균열 감수성을 줄일 수 있음을 확인하고 본 발명을 제시하는 것이다.

즉, 본 발명의 고온균열 저항성이 높은 고망간강 용접이음부는, 중량%로, C: 0.18~0.61%, Si: 0.23~0.38%, Mn: 16.2~23.0%, Ni: 0.5% 이하, Al: 3.0% 이하, Mo:3.0% 이하, Cr: 3.0~10.0%, P: 0.003% 이하, S: 0.04%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 용접 후 응고 시, 페라이트-오스테나이트(FA) 응고모드를 나타내며, L(액상)→ γ(오스테나이트) + M7C3((Fe, Cr)7C3)의 공정 응고를 하는 것을 특징으로 한다.

용접이음부를 이루는 각 합금원소의 특성 및 조성 범위의 임계적 의의에 대하여 상세히 설명하며, 여기에서 "%"는 달리 규정한 바가 없다면 "중량"를 의미한다.

·탄소(C): 0.18~0.61%

탄소는 용접이음부의 강도를 확보하고, 용접이음부의 극저온 충격인성을 확보할 수 있는 가장 강력한 오스테나이트 안정화 원소이다. 그러나 탄소의 함량이 0.61%를 초과하면 용접시 이산화탄소 가스 등이 발생하여 용접이음부의 결함을 유발할 수 있으며, 망간, 철, 크롬, 티타늄 등의 합금원소와 결합하여 M3C, M23C6, MC 등의 탄화물을 생성하여 저온에서 충격인성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서 탄소의 함량은 0.18~0.61%로 제한하는 것이 바람직하다.

·실리콘(Si): 0.23~0.38%

실리콘은 용접이음부 내의 탈산 효과 및 용접비드의 퍼짐성을 위해서 첨가시키는 원소이다. 그러나 이러한 실리콘의 함량이 불충분(0.23% 미만)하면 용탕의 유동성을 저하시킬 수 있으며, 0.38%를 초과하면 용접이음부 내의 편석을 유발하여 충격인성을 저하시키고 공정 탄소 농도를 저하시켜 고온균열 감수성을 상승시킨다.

따라서 본 발명에서는 실리콘의 함량을 0.23~0.38% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

·망간(Mn): 16.2~23.0%

망간은 저온 및 상온에서 오스테나이트를 안정화 시키는 주요 원소이다. 그러나 망간 함량이 16.0% 미만이면 오스테나이트 단상 형성이 어려워 용접금속 내 입실론 또는 알파' 마르텐사이트를 생성 시킬 수 있어 저온 인성에 악영향을 미친다. 반면 망간 함량이 23.0%를 초과하면 편석에 의한 고온균열 민감도가 커질 수 있으며, 용접시 인체에 유해한 흄(fume)이 과도 발생하고 제품의 가격 경쟁력에 악영향을 미친다.

따라서 본 발면에서는 망간의 함량은 16.2~23.0% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

·니켈(Ni): 0.5% 이하

니켈은 강력한 오스테나이트 안정화원소로 내식성 및 강도, 인성을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명의 탄소, 망간의 합금성분 범위에서 0.5% 미만으로 첨가시에도 오스테나이트 단상을 생성시킬 수 있으므로, 가격경쟁력을 위하여 니켈함량은 0.5% 이하로 관리함이 바람직하다.

·알루미늄(Al): 3.0% 이하

알루미늄은 페라이트 안정화원소로서, 고망간강의 응고모드 제어에 효과적이고, 공정 탄소량을 높여 저융점 공정응고를 억제함으로써 고온균열 감수성을 낮춘다. 그러나 과도하게 첨가시 연속 주조가 힘들고, 용접부 내 다량의 알루미늄 질화물 및 산화물을 생성시키는 동시에 응고 완료 후에도 다량의 잔류 페라이트가 존재하여 극저온 인성을 심각하게 떨어뜨릴 수 있다.

본 발명에서는 상기한 용접부 인성과 고온균열 저항성을 동시에 고려하여 알루미늄 함량을 3.0% 이하로 제한함이 바람직하다.

·몰리브데늄(Mo): 3.0% 이하

몰리브데늄은 페라이트 안정화 원소로서, 고망간강의 응고모드 제어에 효과적이나, 과도하게 첨가 시 심각한 저융점 공정 조직 및 화합물을 생성시킬 수 있다. 본 발명에서는 고온균열 저항성 향상을 위하여 몰리브데늄 함량을 3.0% 이하로 제한함이 바람직하다.

·크롬(Cr): 3.0~10.0%

크롬은 페라이트 안정화 원소로서, 고망간강의 응고모드 제어에 효과적이고, 최종 공정 응고 온도를 상승시켜 고온균열 감수성을 낮출 수 있다. 반면, 과도하게 첨가시 응고 입계에 과도한 공정 조직 및 탄화물 등을 형성시켜 저온 인성을 떨어뜨릴 수 있다. 본 발명에서는 고온균열 저항성 향상 및 저온 인성을 고려하여, 크롬 함량을 3.0 ~ 10.0% 범위로 제한함이 바람직하다.

·인(P): 0.003% 이하

인이 첨가되는 경우 저융점 화합물인 M3P 가 생성되어 고온균열 감수성이 크게 증가하는 문제점이 있어 최대한 포함되지 않는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 불가피한 인 함량을 0.003%로 제한한다.

·황(S): 0.04% 이하

황의 경우 고망간 용접부 내 망간황화물을 형성하여 인성 저하를 야기하므로 최대한 포함되지 않는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 불가피한 황 함량을 0.04%로 제한한다.

상술한 성분조성을 갖는 본 발명의 고망간강 용접이음부는 용접 후 , 최종 응고 온도를 높여 응고 구간을 감소시킴으로써 고온균열 감수성을 줄일 수 있다.

일반적으로, 오스테나이트계 용접 재료의 고온 균열은 통상 응고 균열과 액화 균열로 대표된다.

응고균열의 경우 응고 말기에 불순물 원소인 P, S 등의 편석에 의한 저융점 화합물이 액막의 형태로 결정립계에 잔존하는 단계에서 응고수축 및 열수축에 의한 응력이 재료의 변형 수용 능력 이상으로 부가될 때 발생한다. 고망간 용접재료의 경우 S는 높은 Mn 함량에 의한 MnS의 형성으로 저융점 화합물인 FeS형성은 충분히 억제되는 반면, P의 경우 엄격한 함량 관리가 필요하다. 그 외에 기지 고용도 이상의 높은 탄소 함량은 M3C 형태의 탄화물 또는 공정조직이 응고입계에 존재하여 P 편석과 함께 응고균열 감수성에 결정적인 영향을 미치는 인자이며 최종 응고온도가 낮을수록 응고취성 온도 구간을 넓혀 균열감수성을 상승시키는 요인이 된다.

또한 액화균열은 주로 용접 열영향부에서 발생한다. 응고균열과 마찬가지로 응고 중 결정립계에 P, S 등의 편석 등을 통해 발생하지만 모재 내 저융점 공정조직이나 개재물이 존재할 경우 그 만감도가 높다. 용접 열영향부는 용접과정에서 먼저 용접금속의 열팽창에 의한 압축응력을 받으나 응고시 온도 저하에 의한 인장응력을 받게 되고, 결정립계 석출물의 국부적 용융현상 또는 공정 액화물이 입계에 필름상으로 존재하게 되면 균열이 발생하게 된다.

결국 응고시 상변태를 수반하지 않는 오스테나이트계 고망간강의 응고균열과 액화균열은 용접재료의 최종 응고 온도 또는 저융점 공정조직의 최종 응고온도에 따른다고 할 수 있다.

그런데 상술한 조성 성분을 갖는 본 발명의 용접이음부는 용접 후, 응고시 초정 응고 모드를 종래의 A(austenite) 모드가 아니라 FA(ferrtie-austenite) 모드로 변화시켜 최종 응고 온도를 상승시킨다.

또한 본 발명의 용접이음부는 Cr 첨가로 인하여 공정반응의 변화, 즉, 기존의 L(액상)→ γ(오스테나이트) + M3C((Fe,Mn)3C)의 공정 응고를 L(액상)→ γ(오스테나이트) + M7C3((Fe, Cr)7C3)의 공정 응고로 변화시켜 최종 응고온도를 상승시킨다.

즉, 본 발명은 사용된 성분계의 제어를 통해 고망간강의 초정 응고모드 변화(초정 페라이트 응고모드, FA(ferrtie-austenite) 모드)를 제어함과 아울러, 공정 반응의 변화에 따른 최종 응고 온도를 상승시켜 고온균열 저항성이 높은 용접이음부를 제공할 수 있는 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예 1)

진공 용해로를 이용한 잉곳(ingot)을 이용하여 조성 성분을 달리하는 고망간 주강을 제조하였으며, 상세 합금성분은 하기 표 1에 나타내었다.

이들 강들에 대해 고온균열 감수성 시험 (Varestraint test)를 실시한 후, 용접금속부 균열(응고균열)과 용접열영향부 균열(액화균열)의 총균열길이, 최대 균열길이를 측정하였으며, 그 결과를 도 1 및 도 2에 각각 나타내었다. 한편, 고온균열 시험 시 용접조건은 전압 12V, 전류 100A, 용접속도 4mm/sec의 제살 가스텅스텐 아크 용접을 실시하였으며, 보호가스는 100% 아르곤을 20리터/분의 조건으로 사용하였다.

또한 상기 강들에 대하여 용접후 미세조직을 하기 표 1에 함께 나타내었으며, 최종 응고온도는 각 강재의 화학 조성을 이용한 열역학적 계산과, 도 1의 최대 응고균열 길이 및 미세조직 관찰 결과를 종합적으로 판단하여 계산하였다.

구분	C	Si	Mn	Ni	Al	Mo	Cr	P	S	응고모드	미세조직	공정응고조직	최종응고온도 (℃)
비교강1	0.61	0.37	18.32	5.0	-	-	-	0.0021	0.015	A	γ	M3C/γ	930
발명강1	0.47	0.29	22.60	-	1.90	0.97	8.43	0.0023	0.009	FA	γ	M7C3/γ	1195
발명강2	0.48	0.28	22.55	-	1.92	0.99	6.37	0.0022	0.009	FA	γ	M7C3/γ	1175
발명강3	0.49	0.29	22.37	-	1.93	0.98	5.29	0.0019	0.010	FA	γ	M7C3/γ	1165
발명강4	0.48	0.28	22.33	-	2.71	-	3.13	0.0021	0.012	FA	γ	M7C3/γ	1125

*표 1에서 각 성분의 단위는 중량%이며, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물임.

그리고 M3C는 (Fe,Mn)3C를, 그리고 M7C3는 (Fe,Cr)7C3를 의미함

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명강 1-4강을 이용하여 얻어진 용접이음부의 경우, 그 응고 모드가 FA이며, 공정 응고조직이 M7C3으로 최종 응고온도가 종래강을 이용하여 얻어진 용접이음부의 최종 응고 온도에 비하여 높음을 알 수 있다. 이러한 최종 응고온도 상승은 Cr첨가에 의한 공정반응의 변화, 즉, L(액상)→ γ(오스테나이트) + M3C((Fe,Mn)3C)의 공정응고가 L(액상)→ γ(오스테나이트) + M7C3((Fe, Cr)7C3)의 공정응고로 변화했기 때문이다.

한편 도 1은 본 발명의 실시예에서 비교강과 발명강 1-4를 이용하여 얻어진 용접금속부의 총균열길이 및 최대 균열길이를 대비하여 나타낸 그림이다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시예에서 비교강과 발명강 1-4를 이용하여 얻어진 용접열영향부의 총균열길이 및 최대 균열길이를 대비하여 나타낸 그림이다.

도 1-2에 나타난 바와 같이, 최종 응고온도 상승에 따라 용접금속부의 응고균열(도 1)뿐만 아니라 용접 열영향부 액화 균열(도 2) 또한 감소함을 확인할 수 있다.

구체적으로, Cr함량 증가에 따라 최종 공정온도는 상승하며, 그에 따른 용접금속부와 열영향부에서의 균열길이가 감소를 확인할 수 있다.

또한 Al 함량이 증가시 총균열길이 및 최대 균열길이가 작아지는 이유는 초정 응고상이 FA모드로 변화함과 아울러, 모재에 대한 탄소의 고용도 상승에 따른 공정 탄소량의 증가와 공정 액상 생성량의 저감에 기인한 것으로 여겨진다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 용접이음부 조성성분을 통하여 고망간강의 초정 응고모드 변화(초정 페라이트 응고모드, FA(ferrtie-austenite) 모드)와 더불어 최종 공정반응의 변화함에 따라 최종 응고온도가 상승하여, 고온균열 저항성이 높은 용접이음부를 얻을 수 있음을 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 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

중량%로, C: 0.18~0.61%, Si: 0.23~0.38%, Mn: 16.2~23.0%, Ni: 0.5% 이하, Al: 3.0% 이하, Mo:3.0% 이하, Cr: 3.0~10.0%, P: 0.003% 이하, S: 0.04%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 용접 후 응고 시, 페라이트-오스테나이트(FA) 응고모드를 나타내며, L(액상)→ γ(오스테나이트) + M7C3((Fe, Cr)7C3)의 공정 응고를 하는 것을 특징으로 하는 고온균열 저항성이 높은 고망간강 용접이음부.