KR102233335B1 - 고온 강도가 우수한 smaw 용착금속 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예는 중량%로, 탄소(C) : 0.095 ~ 0.11%, 실리콘(Si) : 0.25 ~ 0.3%, 망간(Mn) : 0.62 ~ 1.0%, 인(P) : 0.01% 이하, 황(S) : 0.007% 이하, 니켈(Ni) : 0.35 ~ 0.45%, 크롬(Cr) : 8.5 ~ 9.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.9 ~ 1.1%, 구리(Cu) : 0.02 ~ 0.05%, 바나듐(V) : 0.23 ~ 0.29%, 알루미늄(Al) : 0.01% 이하, 니오븀(Nb) : 0.06 ~ 0.1%, 질소(N) : 0.02 ~ 0.06%, 산소(O) : 0.03 ~ 0.08%, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 SMAW 용착금속에 있어서, 상기 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 함량은 (Mn+Ni) : 1.0 ~ 1.4 중량%를 만족하도록 이루어진 것인 고온 강도가 우수한 SMAW 용착금속을 제공한다.

Description

고온 강도가 우수한 SMAW 용착금속{SMAW WELDED METAL HAVING EXCELLENT STRENGTH}
본 발명은 고온 강도가 우수한 SMAW 용착금속에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온의 조건에서도 항복강도와 인장강도가 우수하도록 이루어진 SMAW 용착금속에 관한 것이다.
최근, 환경 부하 경감을 위해 발전용 보일러 등은 운전 조건의 고온/고압화가 요구되고 있다. 이에, 발전용 보일러와 같은 제품은 고온에서도 강도가 우수하도록 제조되어야 한다.
일반적으로 용접 구조물은 Ni기 내열 합금 및 Ni기 내열 합금용 용접 재료를 통해 제조되며, 이러한 용접 구조물이 장시간 고온 환경에서 노출되는 경우, 용접 구조물의 용접부에는 응력 완화 균열이 발생될 수 있다.
이러한 문제를 극복하기 위해 용접 조작에 의하여 용가재(熔加材)로부터 모재에 용착되는 용착금속의 조성 변화를 통해 용접부의 강도를 개선시키기도 한다.
이와 같은 용착금속은 예로 알루미늄(Al) 및 몰리브덴(Mo)의 함유량 조정을 통해 용접부의 균열성을 확보할 수도 있고, 탄소(C) 및 크롬(Cr)의 함유량 조정을 통해 용접부의 강도를 높일 수도 있다.
특히, 탄소(C) 및 크롬(Cr)은 우수한 내열성을 가지기에 고온에서 사용되는 석탄 화력 발전의 보일러 튜브나 파이프 등의 용착금속으로 사용되기에 적합하다.
따라서, 고온의 조건에서도 강도가 우수하도록 이루어진 용착금속에 대한 다양한 연구 개발이 필요하다.
선행문헌 1 : 한국등록특허공보 제10-1461736호(2014.11.07)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 기술적 과제는, 고온의 조건에서도 항복강도와 인장강도가 우수하도록 이루어진 SMAW 용착금속을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 중량%로, 탄소(C) : 0.095 ~ 0.11%, 실리콘(Si) : 0.25 ~ 0.3%, 망간(Mn) : 0.62 ~ 1.0%, 인(P) : 0.01% 이하, 황(S) : 0.007% 이하, 니켈(Ni) : 0.35 ~ 0.45%, 크롬(Cr) : 8.5 ~ 9.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.9 ~ 1.1%, 구리(Cu) : 0.02 ~ 0.05%, 바나듐(V) : 0.23 ~ 0.29%, 알루미늄(Al) : 0.01% 이하, 니오븀(Nb) : 0.06 ~ 0.1%, 질소(N) : 0.02 ~ 0.06%, 산소(O) : 0.03 ~ 0.08%, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 SMAW 용착금속에 있어서, 상기 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 함량은 (Mn+Ni) : 1.0 ~ 1.4 중량%를 만족하도록 이루어진 것인 고온 강도가 우수한 SMAW 용착금속을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 용접 후열처리(PWHT) 이후 Cr-rich M23C6 석출물 면적분율은 10% 이상으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 590 ~ 610℃의 요구되는 온도범위에서 항복강도는 360MPa 이상으로 이루어지고, 인장강도는 370MPa 이상으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 590 ~ 610℃의 요구되는 온도범위에서 연신율은 23% 이상으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 용접 후열처리의 유지 온도는 750 ~ 770℃로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 용접 후열처리의 유지 시간은 2 ~ 3시간으로 이루어질 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 고온 강도가 우수한 SMAW 용착금속의 효과를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따르면, SMAW 용착금속은 용접 후열처리(PWHT) 이후 Cr-rich M23C6 석출물 면적분율이 10% 이상을 이룬다. 따라서, SMAW 용착금속은 590 ~ 610℃의 온도범위에서도 항복강도가 360MPa 이상을 이루고, 인장강도가 370MPa 이상을 이루며, 연신율이 23% 이상을 이룰 수 있다. 즉, 이와 같은 SMAW 용착금속은 고온의 조건에서도 강도가 우수하기에 고온의 환경에 노출된 상태에서 작업이 이루어지는 석탄 화력 발전의 보일러 튜브나 파이프 등의 용접 구조물에 이용될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 인장 파단부의 단면 이미지이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1에 따른 인장 파단부의 단면 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 용접 후열처리(PWHT) 이후 Cr-rich M23C6 석출물 면적분율을 보여주는 HAADF STEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1에 따른 용접 후열처리(PWHT) 이후 Cr-rich M23C6 석출물 면적분율을 보여주는 HAADF STEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1과 비교예 1의 응력-변형률을 보여주는 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
일반적으로 용착금속은 피복 아크 용접(SMAW: Shielded Metal Arc Welding), 가스 실드 텅스텐 아크 용접(GTAW: Gas Tungsten Arc Welding), 서브머지드 아크 용접(SAW: Submerged Arc Welding), 가스 메탈 아크 용접(GMAW: Gas Metal Arc Welding), 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW: Flux Cored Arc Welding) 등의 다양한 용접 방법을 통해 얻어질 수 있다.
본 발명은 상기의 다양한 용접 방법 중 SMAW를 통해 고온의 조건에서도 인장강도와 항복강도가 우수한 SMAW 용착금속을 얻었다.
이하, 본 발명에 따르는 SMAW 용착금속의 실시형태에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에 따르는 SMAW 용착금속은, 중량%로, 탄소(C) : 0.095 ~ 0.11%, 실리콘(Si) : 0.25 ~ 0.3%, 망간(Mn) : 0.62 ~ 1.0%, 인(P) : 0.01% 이하, 황(S) : 0.007% 이하, 니켈(Ni) : 0.35 ~ 0.45%, 크롬(Cr) : 8.5 ~ 9.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.9 ~ 1.1%, 구리(Cu) : 0.02 ~ 0.05%, 바나듐(V) : 0.23 ~ 0.29%, 알루미늄(Al) : 0.01% 이하, 니오븀(Nb) : 0.06 ~ 0.1%, 질소(N) : 0.02 ~ 0.06%, 산소(O) : 0.03 ~ 0.08%, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하도록 이루어지고, 상기 망간과 산소의 함량은 (Mn+Ni) : 1.0 ~ 1.4 중량%를 만족하고, 용접 후열처리(PWHT) 이후 Cr-rich M23C6 석출물 면적분율은 10% 이상으로 이루어진다.
상술된 SMAW 용착금속의 합금 원소들은 다음과 같으며, 각각의 합금 원소의 함유량은 중량비로 나타낸다.
탄소(C) : 0.095 ~ 0.11%
탄소(C)는 탄화물을 형성함으로써 강도를 개선하는 원소이다.
이러한 SMAW 용착금속의 탄소(C) 함유량의 하한은 0.095%이고, 탄소(C) 함유량의 상한은 0.11%로 이루어질 수 있다. 이와 같은 탄소(C)는 M23C6 석출물을 형성하며, SMAW 용착금속의 강도를 향상시키도록 이루어진다.
여기서 탄소(C) 함유량이 상기 하한보다 작으면, 충분한 강도를 확보할 수 없고, 탄소(C) 함유량이 상기 상한을 초과하면, 탄화물이 조대화되어 인성이 저하될 수 있다.
따라서, SMAW 용착금속의 탄소(C) 함유량은 0.095 ~ 0.11%로 이루어짐이 바람직하다.
실리콘(Si) : 0.25 ~ 0.3%
실리콘(Si)은 고용 강화에 의해 강도를 개선하는 원소이다.
이러한 SMAW 용착금속의 실리콘(Si) 함유량의 하한은 0.25%이고, 실리콘(Si) 함유량의 상한은 0.3%로 이루어질 수 있다. 이와 같은 실리콘(Si)은 용접시 산화를 방지하며, 재료의 강도를 높이는 고용강화가 이루어지도록 한다.
여기서 실리콘(Si) 함유량이 상기 하한보다 작으면, 충분한 강도를 확보할 수 없고, 실리콘(Si) 함유량이 상기 상한을 초과하면, 인성이 저하될 수 있다.
따라서, SMAW 용착금속의 실리콘(Si) 함유량은 0.25 ~ 0.3%로 이루어짐이 바람직하다.
망간(Mn) : 0.62 ~ 1.0%
망간(Mn)은 고용 강화에 의해 강도를 개선하는 원소이다.
이러한 SMAW 용착금속의 망간(Mn) 함유량의 하한은 0.62%이고, 망간(Mn) 함유량의 상한은 1.0%로 이루어질 수 있다. 이와 같은 망간(Mn)은 용접시 산화를 방지하며, 재료의 강도를 높이는 고용강화가 이루어지도록 한다.
여기서 망간(Mn) 함유량이 상기 하한보다 작으면, 충분한 강도를 확보할 수 없고, 망간(Mn) 함유량이 상기 상한을 초과하면, 인성이 저하될 수 있다.
따라서, SMAW 용착금속의 망간(Mn) 함유량은 0.62 ~ 1.0%로 이루어짐이 바람직하다.
인(P) : 0.01% 이하 (0% 제외)
인(P)은 불순물로서 포함되는 원소이다.
이러한 인(P)은 응고 균열 감수성을 현저하게 증대시킴과 더불어, 고온 사용 중에는 SMAW 용착금속의 응력 완화 균열 감수성도 높이기 때문에, 인(P) 함유량은 적을수록 바람직하다.
따라서, SMAW 용착금속의 인(P) 함유량은 0.01% 이하로 제한함이 바람직하다.
황(S) : 0.007% 이하 (0% 제외)
황(S)은 인(P)과 함께 불순물로서 포함되는 원소이다.
이러한 황(S)은 응고 균열 감수성 및 응력 완화 균열성을 현저하게 시킬 수 있기에, 황(S) 함유량은 적을수록 바람직하다.
따라서, SMAW 용착금속의 황(S) 함유량은 0.007% 이하로 제한함이 바람직하다.
니켈(Ni) : 0.35 ~ 0.45%
니켈(Ni)은 인성을 개선하는 원소이다.
이러한 SMAW 용착금속의 니켈(Ni) 함유량의 하한은 0.35%이고, 니켈(Ni) 함유량의 상한은 0.45%로 이루어질 수 있다.
여기서 니켈(Ni) 함유량이 상기 하한보다 작으면, 충분한 인성이 얻어지지 않을 수 있고, 니켈(Ni) 함유량이 상기 상한을 초과하면, 강도를 저하시킬 수도 있다.
따라서, SMAW 용착금속의 니켈(Ni) 함유량은 0.35 ~ 0.45%로 이루어짐이 바람직하다.
크롬(Cr) : 8.5 ~ 9.0%
크롬(Cr)은 M23C6 석출물 형성하며, 강도를 향상시키는 원소이다.
이러한 SMAW 용착금속의 크롬(Cr) 함유량의 하한은 8.5%이고, 크롬(Cr) 함유량의 상한은 9.0%로 이루어질 수 있다.
여기서 크롬(Cr) 함유량이 상기 하한보다 작으면, 충분한 강도를 확보할 수가 없고, 크롬(Cr) 함유량이 상기 상한을 초과하면, δ 페라이트의 생성을 조장할 수 있다.
따라서, SMAW 용착금속의 크롬(Cr) 함유량은 8.5 ~ 9.0%로 이루어짐이 바람직하다.
몰리브덴(Mo) : 0.9 ~ 1.1%
몰리브덴(Mo)은 고용 강화에 의해 강도를 개선하는 원소이다.
이러한 SMAW 용착금속의 몰리브덴(Mo) 함유량의 하한은 0.9%이고, 몰리브덴(Mo) 함유량의 상한은 1.1%로 이루어질 수 있다.
여기서 몰리브덴(Mo) 함유량이 상기 하한보다 작으면, 강도가 저하될 수 있고, 몰리브덴(Mo) 함유량이 상기 상한을 초과하면, 강도가 과대하게 상승하여 소정의 인성을 확보할 수 없게 된다.
따라서, SMAW 용착금속의 몰리브덴(Mo) 함유량은 0.9 ~ 1.1%로 이루어짐이 바람직하다.
구리(Cu) : 0.02 ~ 0.05%
구리(Cu)는 강도를 높이고, 부식을 방지하는 원소이다.
이러한 SMAW 용착금속의 구리(Cu) 함유량의 하한은 0.02%이고, 구리(Cu) 함유량의 상한은 0.05%로 이루어질 수 있다.
여기서 구리(Cu) 함유량이 상기 하한보다 작으면, 부식성 효과를 기대하기가 어렵고, 구리(Cu) 함유량이 상기 상한을 초과하면 비용이 높아지는 문제가 있다.
따라서, SMAW 용착금속의 구리(Cu) 함유량은 0.02 ~ 0.05%로 이루어짐이 바람직하다.
바나듐(V) : 0.23 ~ 0.29%
바나듐(V)은 강도를 개선하는 원소이다.
이러한 SMAW 용착금속의 바나듐(V) 함유량의 하한은 0.23%이고, 바나듐(V) 함유량의 상한은 0.29%로 이루어질 수 있다. 이와 같은 바나듐(V)은 석출물을 형성하며, SMAW 용착금속의 강도를 향상시키도록 이루어진다.
여기서 바나듐(V) 함유량이 상기 하한보다 작으면, 충분한 강도를 확보할 수 없고, 바나듐(V) 함유량이 상기 상한을 초과하면, 강도가 과대하게 상승하여, 소정의 인성을 확보할 수 없게 된다.
따라서, SMAW 용착금속의 바나듐(V) 함유량은 0.23 ~ 0.29%로 이루어짐이 바람직하다.
알루미늄(Al) : 0.01% 이하 (0% 제외)
알루미늄(Al)은 탈산 원소이다.
이러한 알루미늄(Al)은 산화물을 조대화시켜 인성이 저하시킬 수 있기에, SMAW 용착금속의 알루미늄(Al) 함유량은 0.01% 이하로 제한함이 바람직하다.
니오븀(Nb) : 0.06 ~ 0.1%
니오븀(Nb)은 강도를 개선하는 원소이다.
이러한 SMAW 용착금속의 니오븀(Nb) 함유량의 하한은 0.06%이고, 니오븀(Nb) 함유량의 상한은 0.1%로 이루어질 수 있다. 이와 같은 니오븀(Nb)은 석출물을 형성하며, SMAW 용착금속의 강도를 향상시키도록 이루어진다.
여기서 니오븀(Nb) 함유량이 상기 하한보다 작으면, 충분한 강도를 확보할 수 없고, 니오븀(Nb) 함유량이 상기 상한을 초과하면, 강도가 과대하게 상승하여, 소정의 인성을 확보할 수 없게 된다.
따라서, SMAW 용착금속의 니오븀(Nb) 함유량은 0.06 ~ 0.1%로 이루어짐이 바람직하다.
질소(N) : 0.02 ~ 0.06%
질소(N)는 강도를 개선하는 원소이다.
이러한 SMAW 용착금속의 질소(N) 함유량의 하한은 0.02%이고, 질소(N) 함유량의 상한은 0.06%로 이루어질 수 있다.
여기서 질소(N) 함유량이 상기 하한보다 작으면, 충분한 강도를 확보할 수 없고, 질소(N) 함유량이 상기 상한을 초과하면, 고온의 조건에서 장시간 유지될 시 SMAW 용착금속의 기계적 물성에 악영향을 줄 수 있다.
따라서, SMAW 용착금속의 질소(N) 함유량은 0.02 ~ 0.06%로 이루어짐이 바람직하다.
산소(O) : 0.03 ~ 0.08%
산소(O)는 산화물을 형성하는 원소이다.
이러한 SMAW 용착금속의 산소(O) 함유량의 하한은 0.03%이고, 산소(O) 함유량의 상한은 0.08%로 이루어질 수 있다.
여기서 산소(O) 함유량이 상기 하한보다 작으면, 산화물 형성에 어려움이 있고, 산소(O) 함유량이 상기 상한을 초과하면, 조대 산화물이 증가하여 취성 파괴의 기점이 되기에, 인성이 저하될 수 있다.
따라서, SMAW 용착금속의 산소(O) 함유량은 0.03 ~ 0.08%로 이루어짐이 바람직하다.
그리고 SMAW 용착금속은 전술한 상기 기본 원소 이외에 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 다만, SMAW 용착금속은 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 함량이 1.0 ~ 1.4 중량%의 조건을 만족하도록 이루어짐이 바람직하다.
이와 같은 SMAW 용착금속을 형성함에 있어, SMAW에서의 입열량은 13.8 ~ 17.9 kJ/cm로 이루어짐이 바람직하다. 왜냐하면, SMAW에서의 입열량이 상기 하한보다 작으면 용접 시의 냉각 속도가 커져, 냉각 중에 충분한 양의 탄화물이 생성되지 않을 수 있고, SMAW에서의 입열량이 상기 상한을 초과하면, 시멘타이트 생성이 촉진됨으로써 SMAW 용착금속의 기계적 물성이 감소할 수 있기 때문이다. 따라서, SMAW에서의 입열량은 13.8 ~ 17.9 kJ/cm로 이루어짐이 바람직하다.
그리고 SMAW 용착금속을 형성함에 있어, 패스간 온도(interpass temperature)는 200 ~ 315℃로 이루어짐이 바람직하다. 왜냐하면, SMAW에서의 패스간 온도가 상기 하한보다 작으면 용접 시의 냉각 속도가 커져, 냉각 중에 충분한 양의 탄화물이 생성되지 않을 수 있고, SMAW에서의 패스간 온도가 상기 상한을 초과하면, 시멘타이트 생성이 촉진됨으로써 SMAW 용착금속의 기계적 물성이 감소할 수 있기 때문이다. 따라서, SMAW에서의 패스간 온도는 200 ~ 315℃로 이루어짐이 바람직하다.
그리고 용접 후 SMAW 용착금속의 잔류 응력 제거를 위한 용접 후열처리(PWHT: Post Weld Heat Treatment) 과정을 이루어진다. 이때, 용접 후열처리(PWHT)의 유지 온도는 750 ~ 770℃에서 이루어짐이 바람직하다. 왜냐하면, 용접 후열처리(PWHT)의 유지 온도가 상기 하한보다 작으면 시공 효율이 저하될 수 있고, 용접 후열처리(PWHT)의 유지 온도가 상기 상한을 초과하면 소정의 강도 또는 인성을 얻지 못할 수 있기 때문이다. 따라서, SMAW에서의 용접 후열처리(PWHT)의 유지 온도는 750 ~ 770℃로 이루어짐이 바람직하다.
이때, 용접 후열처리(PWHT)의 유지 시간은 2 ~ 3시간으로 이루어짐이 바람직하다. 왜냐하면, 용접 후열처리(PWHT)의 유지 시간이 상기 하한보다 작으면 용접 시 생긴 응력이 충분히 제거될 수 없고, 용접 후열처리(PWHT)의 유지 시간이 상기 상한을 초과하면 시공 효율이 저하될 수 있기 때문이다. 따라서, SMAW에서의 용접 후열처리(PWHT)의 유지 시간은 2 ~ 3시간으로 이루어짐이 바람직하다.
표 1은 상기 용접 조건으로부터 형성된 SMAW 용착금속의 성분계를 나타낸 것이다.
Figure 112019019923592-pat00001
구체적으로, 표 1의 실시예 1 내지 8의 SMAW 용착금속의 조성은 중량%로, 탄소(C) : 0.095 ~ 0.11%, 실리콘(Si) : 0.25 ~ 0.3%, 망간(Mn) : 0.62 ~ 1.0%, 인(P) : 0.01% 이하, 황(S) : 0.007% 이하, 니켈(Ni) : 0.35 ~ 0.45%, 크롬(Cr) : 8.5 ~ 9.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.9 ~ 1.1%, 구리(Cu) : 0.02 ~ 0.05%, 바나듐(V) : 0.23 ~ 0.29%, 알루미늄(Al) : 0.01% 이하, 니오븀(Nb) : 0.06 ~ 0.1%, 질소(N) : 0.02 ~ 0.06%, 산소(O) : 0.03 ~ 0.08%, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함한다. 이때, 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 함량은 (Mn+Ni) : 1.0 ~ 1.4 중량%를 만족하도록 이루어진다.
이와 같은 표 1에 나타난 실시예와 비교예는 SMAW를 통해 형성되었으며, 용접 과정에서의 입열량, 패스간 온도 및 용접 후열처리(PWHT) 유지 온도 및 유지 시간 등은 상기에서 언급된 조건을 만족하였다.
여기서 본 발명에 따른 실시예 1 내지 8의 SMAW 용착금속은 용접 후열처리(PWHT) 이후 Cr-rich M23C6 석출물의 증가가 비교예 1 및 2에 비해 더 높은 것을 알 수 있다. 이러한 용접 후열처리(PWHT) 이후 Cr-rich M23C6 석출물의 증가는 고온에서의 SMAW 용착금속의 기계적 물성을 향상시키게 된다.
이와 같이, 실시예 1 내지 8은 비교예 1 및 2에 비해 탄소(C), 바나듐(V) 및 니오븀(Nb)의 조성을 높임으로써, 용접 후열처리(PWHT) 이후 Cr-rich M23C6 석출물의 면적분율을 10% 이상으로 형성하도록 이루어진 것이다. 이와 같이, 용접 후열처리(PWHT) 이후 Cr-rich M23C6 석출물의 면적분율이 10% 이상을 이루는 SMAW 용착금속은 미리 정해진 온도범위(590 ~ 610℃) 즉, 고온의 온도조건에서도 항복강도, 인장강도 및 연신율 등의 기계적 물성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 인장 파단부의 단면 이미지이고, 도 2는 본 발명의 비교예 1에 따른 인장 파단부의 단면 이미지이다. 여기서 본 발명의 다양한 실시예 중 실시예 1과 비교예 1을 예로 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 비교예 1은 실시예 1에 비해 파단면의 세로방향으로 보이드(void)가 길게 생성된 것을 알 수 있다. 여기서 보이드는 도 1 및 도 2에서 화살표로 표시하였다.
이러한 보이드는 SMAW 용착금속의 기계적 성질을 저하시킬 수 있다. 즉, 실시예 1은 기지 내 Cr-rich M23C6 석출물이 보이드의 생성을 억제함에 따라 비교예 1보다 생성된 보이드의 크기가 작은 것을 알 수 있다. 따라서, 실시예 1은 비교예 1보다 항복강도 및 인장강도 등의 기계적 물성이 더 높아질 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 용접 후열처리(PWHT) 이후 Cr-rich M23C6 석출물 면적분율을 보여주는 HAADF STEM 이미지이고, 도 4는 본 발명의 비교예 1에 따른 용접 후열처리(PWHT) 이후 Cr-rich M23C6 석출물 면적분율을 보여주는 HAADF STEM 이미지이다. 여기서 도 3과 도 4는 비교예 1과 실시예 1의 주사투과전자현미경법(HAADF STEM : High-Angle Annular Dark Field Scanning Transmission Electron Microscope) 이미지를 보여주는 것이다.
도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 실시예 1은 비교예 1에 비해 용접 후열처리(PWHT) 이후 Cr-rich M23C6 석출물 면적분율이 더 높은 것을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명의 실시예 1은 비교예 1에 비해 용접 후열처리(PWHT) 이후 Cr-rich M23C6 석출물을 증가시킴으로써, SMAW 용착금속 내 보이드 생성을 억제함과 동시에 SMAW 용착금속의 기계적 물성을 높이도록 이루어진다.
도 5는 본 발명의 실시예 1과 비교예 1의 응력-변형률을 보여주는 그래프이다.
도 5를 참고하면, 용접 후열처리(PWHT)의 유지 온도가 750℃이고, 용접 후열처리(PWHT)의 유지 시간이 2시간으로 설정된 용접 후열처리(PWHT) 과정을 거친 SMAW 용착금속에 대해 응력 평가가 이루어졌다.
이때, 해당 SMAW 용착금속의 응력을 평가함에 있어, 600℃의 고온의 온도 조건에서 응력 평가를 시행하였다. 이와 같은 600℃의 고온의 온도 조건에서, 실시예 1의 SMAW 용착금속은 비교예 1에 비해 응력이 더 높은 것을 알 수 있다. 즉, 실시예 1은 전술된 바와 같이 용접 후열처리(PWHT) 이후 Cr-rich M23C6 석출물이 증가됨에 따라 SMAW 용착금속의 기계적 물성이 비교예 1보다 더 높은 것을 알 수 있다.
표 2는 상기 실시예와 비교예의 기계적 물성을 나타낸 것이다.
Figure 112019019923592-pat00002
표 2에서 보는 바와 같이, 요구되는 온도가 600℃인 상태에서 실시예 1 내지 8은 비교예 1 및 2에 비해 항복강도(Y.S : Yeild Strength), 인장강도(T.S : Tensile Strength) 및 연신율(EL : Elongation)이 모두 우수한 것을 알 수 있다.
즉, 실시예 1 내지 8은 요구되는 온도가 600℃인 고온의 상태에서도 항복강도는 360MPa 이상이고, 인장강도는 370MPa 이상이며, 연신율은 23% 이상으로 이루어진 것을 알 수 있다. 여기서 요구되는 온도범위가 590 ~ 610℃인 상태에서도 SMAW 용착금속은 해당 기계적 물성을 모두 만족하였다.
이와 같이, 본 발명에 따른 SMAW 용착금속은 고온의 조건에서도 항복강도, 인장강도 및 연신율이 모두 우수하기에 고온의 환경에 노출된 상태에서 작업이 이루어지는 석탄 화력 발전의 보일러 튜브나 파이프 등의 용접 구조물에 이용될 수 있다.
다만, 이는 본 발명의 바람직한 일실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 권리 범위가 이러한 실시예의 기재 범위에 의하여 제한되는 것은 아니다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (6)

  1. 중량%로, 탄소(C) : 0.095 ~ 0.11%, 실리콘(Si) : 0.25 ~ 0.3%, 망간(Mn) : 0.965 ~ 1.0%, 인(P) : 0.01% 이하, 황(S) : 0.007% 이하, 니켈(Ni) : 0.35 ~ 0.45%, 크롬(Cr) : 8.5 ~ 9.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.9 ~ 1.1%, 구리(Cu) : 0.02 ~ 0.05%, 바나듐(V) : 0.23 ~ 0.29%, 알루미늄(Al) : 0.01% 이하, 니오븀(Nb) : 0.077 ~ 0.1%, 질소(N) : 0.02 ~ 0.06%, 산소(O) : 0.03 ~ 0.08%, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 SMAW 용착금속에 있어서,
    상기 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 함량은 (Mn+Ni) : 1.081 ~ 1.4 중량%를 만족하도록 이루어진 것인 고온 강도가 우수한 SMAW 용착금속.
  2. 제1항에 있어서,
    용접 후열처리(PWHT) 이후 Cr-rich M23C6 석출물 면적분율은 10% 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온 강도가 우수한 SMAW 용착금속.
  3. 제1항에 있어서,
    590 ~ 610℃의 요구되는 온도범위에서 항복강도는 360MPa 이상으로 이루어지고, 인장강도는 370MPa 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온 강도가 우수한 SMAW 용착금속.
  4. 제1항에 있어서,
    590 ~ 610℃의 요구되는 온도범위에서 연신율은 23% 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온 강도가 우수한 SMAW 용착금속.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 용접 후열처리의 유지 온도는 750 ~ 770℃로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온 강도가 우수한 SMAW 용착금속.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 용접 후열처리의 유지 시간은 2 ~ 3시간으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온 강도가 우수한 SMAW 용착금속.
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