KR102237487B1 - 용접봉용 선재 및 이의 제조방법 - Google Patents

용접봉용 선재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용접재료용 소재 특히, 용접봉용 소재로 적합한 선재로서, 고가의 원소들을 최소화하여 경제적으로 유리하면서도 용접성이 우수하여 극저온 환경에서 널리 통용될 수 있는 용접봉용 선재를 제공한다.

Description

용접봉용 선재 및 이의 제조방법 {WIRE ROD FOR WELDING ROD AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 용접봉용 소재로 적합한 선재에 관한 것으로서, 용접성이 우수한 용접봉용 선재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
통상, 용접재료인 용접봉은 그 소재로서 선재를 주로 사용하며, 이러한 선재는 열간압연한 후 상온에서 수회의 열처리(인발) 과정을 거쳐 제조한다. 이때, 특정 직경으로 인발하여 서브머지드아크 용접, 피복아크 용접, 가스메탈아크 용접, 가스텅스텐아크 용접용 등의 소재로 생산하여 적용한다.
이러한 용접봉용 선재를 이용하여 해당 용접방법으로 모재의 용접을 실시함으로써 형성된 용접부는 구조물의 안정성 등의 사유로 높은 충격인성, 상온강도 등이 요구된다.
일 예로, 극저온용 소재(모재)의 경우 용접시 용접부의 충격인성 보증치는 -196℃에서 대략 27J을 만족하면서, 상온강도 400MPa, 인장강도 660MPa를 만족할 필요가 있다. 이는, 현재 널리 사용되고 있는 소재의 규격치이며, 상기 규격치를 만족하게 되면 보다 높은 온도인 -100℃, -80℃ 등의 소재에도 적용될 수 있다.
기존의 용접재료용 소재로서 니켈(Ni)을 50중량% 이상으로 포함하며, 강도 향상을 위해 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mo)을 총 합 30중량% 초과하여 함유하는 선재가 적용되어 왔다. 대표적인 예로, 인코넬 및 하스텔로이 소재가 있다.
이들 소재는 현재 극저온 환경에서 널리 통용되어 사용되고 있으나, 가격적으로 고가의 Ni, Cr, Mo 등의 합금원소가 다량 적용되는 제품인 바, 산업현장에서 시공비 상승의 원인을 초래하고 있다.
한편, 망간(Mn)을 다량으로 함유하는 선재가 용접재료로서 개발되었으며, 그 형태는 메탈 코어드 와이어(MCW)로서, 내부에 합금원소 분말로 이루어진 플럭스가 충진된 형태를 말한다.
이러한 고망간(Mn) 선재를 용접재료로서 다양한 형태의 용접에 적용시, 용접시공성이 다소 열위한 특성을 보이며, 특히 용입성에서 낮은 특성을 유발하는 문제가 있다.
이에, 모재 용접부의 물성치를 만족할 수 있으면서, 상온에서 인발 특성이 우수하며, 경제적으로도 유리한 용접재료용 소재의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
한국 공개특허공보 제10-2015-0039225호
본 발명의 일 측면은, 용접재료용 소재 특히, 용접봉용 소재로 적합한 선재로서, 고가의 원소들을 최소화하여 경제적으로 유리하면서도 용접성이 우수하여 극저온 환경에서 널리 통용될 수 있는 용접봉용 선재를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 본 발명의 과제는 본 명세서의 내용 전반으로부터 이해될 수 있을 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 부가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.05~0.8%, 망간(Mn): 16~31%, 실리콘(Si): 0.05~0.7%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 질소(N): 0.15% 이하와, 니켈(Ni): 8.0% 이하, 크롬(Cr): 3.5% 이하, 몰리브덴(Mo): 3.5% 이하 및 바나듐(V): 0.3% 이하 중 1종 이상을 더 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 하기 관계식 1 및 2를 만족하고,
용접시 용착금속에 MC, M3C 및 M7C3 중 1종 이상의 석출상(여기서, M은 Mn, V, Cr, Mo 중 1종 이상)이 면적분율 2% 초과하여 형성되는 것을 특징으로 하는 용접봉용 선재를 제공한다.
[관계식 1] Mn + 1.6Ni + 15(C+N) ≥ 24
[관계식 2] 10(C+N) + 1.5Cr + 2.0Mo + 1.5V - 0.1Mn - 0.16Ni ≥ 0
(관계식 1 및 2에서 각 원소는 중량함량을 의미한다.)
본 발명의 다른 일 측면은, 상술한 합금조성과 관계식 1 및 2를 만족하는 강편 또는 잉곳을 준비하는 단계; 상기 강편 또는 잉곳을 800~1250℃의 온도범위에서 열처리한 후 빌렛으로 제조하는 단계; 상기 열처리된 빌렛을 800~1250℃의 온도범위에서 열간압연하여 선재를 제조하는 단계; 및 상기 선재를 5℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계;를 포함하는 용접봉용 선재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 저비용으로 용접봉용 소재로서 요구되는 물성을 가지는 선재를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 기존 용접봉용 선재 제작을 위해 주로 사용해 온 고가의 원소들을 크게 줄임에도 용접 후 상온 강도와 극저온 충격인성이 우수한 용접부가 얻어지는 선재를 제공할 수 있다. 이에, 본 발명의 선재는 용접봉용 선재로서 유리하게 적용 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선재(발명예 7)의 미세조직 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선재(발명예 7)를 이용하여 얻은 용접부 미세조직 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선재(발명예 7)와 종래 MCW의 단면을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선재(발명예 7)와 종래 MCW를 이용하여 얻은 용접부 단면 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 도 4의 용접부에 대한 용입 깊이(mm)를 그래프화하여 나타낸 것이다.
본 발명은 극저온 환경에서 사용되는 소재(예컨대, 고 Mn강, 고 Ni강 등)로부터 구조물의 제작시 요구되는 용접재료에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명은 다양한 아크 용접 등에 용접재료로서 사용되는 용접봉용 선재로서, 제조비용은 크게 낮추면서도 기존 소재 대비 용접시 동등 이상의 물성을 가지는 용접부를 형성할 수 있는 선재를 제공할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 용접봉용 선재는 중량%로, 탄소(C): 0.05~0.8%, 망간(Mn): 16~31%, 실리콘(Si): 0.05~0.7%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 질소(N): 0.15% 이하와, 니켈(Ni): 8.0% 이하, 크롬(Cr): 3.5% 이하, 몰리브덴(Mo): 3.5% 이하 및 바나듐(V): 0.3% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에서 제공하는 용접봉용 선재의 합금조성을 위와 같이 제한하는 이유에 대하여 상세히 설명한다.
한편, 본 발명에서 특별히 언급하지 않는 한 각 원소의 함량은 중량을 기준으로 하며, 조직의 비율은 면적을 기준으로 한다.
탄소(C): 0.05~0.8%
탄소(C)는 오스테나이트 형성 원소이며, 극저온 환경에서 용접부의 충격인성의 향상 및 상온 강도를 향상시키는데 유리하다.
이러한 C의 함량이 0.05% 미만이면 목표로 하는 상온 강도의 확보가 어려우며, 반면 그 함량이 0.8%를 초과하게 되면 용접 중에 고온 균열과 용접 퓸(fume) 및 스패터(spatter)의 발생을 조장하는 문제가 있다.
따라서, 상기 C는 0.05~0.8%로 포함할 수 있으며, 보다 유리하게는 0.78% 이하로 포함할 수 있다.
망간(Mn): 16~31%
망간(Mn)은 C와 유사하게 오스테나이트를 형성하는 원소이며, 극저온에서의 충격인성을 향상시키는데 유리한 원소이다.
이러한 Mn의 함량이 16% 미만이면 극저온에서 응력 유기 변태 등에 의해 충격인성이 열위하는 문제가 있으며, 반면 그 함량이 31%를 초과하게 되면 강도 저하 및 다량의 퓸(fume)을 유발하게 된다.
따라서, 상기 Mn은 16~31%로 포함할 수 있다.
실리콘(Si): 0.05~0.7%
실리콘(Si)은 용접시 용접재료의 유동성의 향상을 위해 첨가하는 원소이며, 탈산 효과에 유리하다. 상술한 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.05% 이상으로 Si을 포함할 수 있다. 다만, 그 함량이 0.7%를 초과하게 되면 공정화합물이 과다하게 석출되어 내균열성이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 상기 Si은 0.05~0.7%로 포함할 수 있다.
인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.01% 이하
인(P)과 황(S)은 미량의 첨가에 의해서도 저융점화합물을 쉽게 생성하여 재료의 융점을 저하시킴으로써 고온 균열 감수성을 높이는 경향이 있다. 이에, 상기 P과 S은 가능한 한 그 함량을 최소화함이 바람직하다.
상기 P과 S은 제조과정 중에 불가피하게 첨가될 수 있으며, 그 함량이 각각 0.02% 이하, 0.01% 이하인 경우 선재의 물성에 영향을 끼치지 아니한 바, 각각의 함량을 이와 같이 제한할 수 있다.
질소(N): 0.15% 이하
질소(N)는 상기 C와 유사하게 오스테나이트 형성 원소이며, 극저온 환경에서 용접부의 충격인성의 향상 및 상온 강도를 향상시키는데 효과가 있다. 이에, 본 발명에서는 상기 C에 의한 강도 향상 효과를 더욱 도모하기 위한 측면에서, N를 추가로 첨가할 수 있다.
이러한 N의 함량이 0.15%를 초과하게 되면 용접 중 고온 균열과 기공의 발생을 조장하는 문제가 있으므로, 이를 고려하여 0.15% 이하로 포함할 수 있다. 다만, 0% 이더라도 무방함을 밝혀둔다.
본 발명의 선재는 상술한 합금조성 이외에, 조직 구성 및 물성 확보에 유리한 원소들로서 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 바나듐(V) 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 다만, 이들 원소들을 함유하지 않더라도, 본 발명의 조직 구성 및 물성 확보에는 무리가 없다 할 것이다.
니켈(Ni): 8% 이하
니켈(Ni)은 오스테나이트 형성 원소로서, 선재의 조직을 완전 오스테나이트 조직으로 형성하여 극저온 인성을 확보하기 위하여 첨가할 수 있다.
이러한 Ni은 그 함량이 8%를 초과하는 경우, 상온 강도 저하를 유발하므로 바람직하지 못하다. 따라서, 상기 Ni은 8% 이하로 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 앞서 언급한 C, Mn, N 등을 충분히 함유함으로써 선재의 조직이 완전 오스테나이트로 형성될 수 있는 경우라면, 상기 Ni은 함유하지 않을 수 있음을 밝혀둔다.
크롬(Cr): 3.5% 이하
크롬(Cr)은 페라이트 형성 원소로서, 페라이트의 생성을 촉진시켜 오스테나이트 영역을 확장하는 역할을 한다. 이러한 Cr의 첨가량을 증가시키면 상온 강도를 향상시키는 데에 유리하나, 일정 이상으로 첨가시 강 중 C와 결합하여 탄화물을 생성시켜 극저온 충격인성의 저하를 유발하는 경향을 나타낸다.
이에, 상기 Cr의 첨가시 상온에서의 강도 향상 및 오스테나이트 안정도 향상을 위하여 최대 3.5%로 함유할 수 있다.
몰리브덴(Mo): 3.5% 이하
몰리브덴(Mo)은 상기 Cr에 비해 상온 강도 향상 효과가 우수하며, C와의 결합력이 Cr에 비해 낮으므로, 첨가시 Cr에 비해 극저온 충격인성의 저하가 적은 장점이 있다. 다만, 상기 Mo은 고가의 원소로서 일정량 이상 첨가시 제조비용이 크게 상승하며, 극저온 충격인성의 저하도 유발하게 된다.
따라서, 상기 Mo의 첨가시 제조비용과 강도 향상을 고려하여 최대 3.5%로 함유할 수 있다.
바나듐(V): 0.3% 이하
바나듐(V)은 상기 Cr과 Mo에 비해 상온 강도 향상 효과가 우수하다. 다만, 상기 V은 Cr에 비해 10 이상, Mo에 비해 4배 이상 가격이 높으므로, 저비용 소재를 얻는 데에 한계가 있다.
이에, 상기 V의 첨가시 제조비용을 고려하여 최대 0.3%로 함유할 수 있다. 보다 유리하게는 상기 V을 0.25% 이하로 포함할 수 있다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
상술한 합금조성을 가지는 본 발명의 선재는 그 함량 범위 내에서 다음의 성분관계식을 만족하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 본 발명은 오스테나이트 형성에 유리한 원소들의 관계를 하기 [관계식 1]로 제한하며, 그 값이 24 이상인 것이 바람직하다.
[관계식 1] Mn + 1.6Ni + 15(C+N) ≥ 24
(관계식 1에서 각 원소는 중량함량을 의미한다.)
또한, 본 발명은 오스테나이트 조직을 나타내면서, 목표 수준 이상의 강도를 가질 수 있는 원소들의 관계를 하기 [관계식 2]로 제한하며, 그 값이 0 이상인 것이 바람직하다.
[관계식 2] 10(C+N) + 1.5Cr + 2Mo + 1.5V - 0.1Mn - 0.16Ni ≥ 0
(관계식 2에서 각 원소는 중량함량을 의미한다.)
본 발명은 종래 Ni, Cr 등을 다량으로 포함하는 소재와는 다른 합금성분계를 가지는 바, 이들 간의 관계를 새롭게 규명함에 기술적 의의가 있다.
이에, 본 발명은 상술한 [관계식 1] 및 [관계식 2]를 규명하며, 이를 만족하는 선재를 제공함으로써, 상온에서의 강도가 우수하고, 용접 후에는 상온 인장강도가 목표 수준 이상이면서, 극저온 환경에서 요구되는 물성을 가지는 용접부를 형성할 수 있는 용접봉용 선재를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 선재 조직 내에서의 탄화물 등의 석출물 형성을 억제하는 한편, 용접시 용착금속 내에 상술한 합금성분계에 기인한 석출상을 일정 분율로 형성함으로써 상온 항복강도 및 인장강도를 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 선재는 미세조직으로 오스테나이트 단상 조직을 가지며 (도 1 참조), 이러한 본 발명의 선재를 이용하여 용접을 행하는 경우 용접부에서도 안정적으로 오스테나이트를 확보할 수 있다.
특별히, 본 발명의 선재를 이용하여 용접시 용착금속에 MC, M3C 및 M7C3 중 1종 이상의 석출상을 면적분율 2% 초과하여 형성할 수 있다. 이들 석출상에 의해 용접부의 상온 항복강도 및 인장강도의 향상을 도모할 수 있고, 상기 석출상들이 결정립계의 이동을 방해함으로써 결정립 성장을 억제하는 효과도 얻을 수 있다.
상기 석출상은 그 분율이 높을수록 강도 향상에는 유리한 반면, 너무 과도하게 형성될 경우 용접부 저온인성을 저해할 수 있으므로, 이를 고려하여 5.5면적% 이하로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 석출상을 구성하는 'M'은 Mn, V, Cr, Mo 중 하나 이상을 의미한다.
일반적으로 용접부 내의 석출상(ex, 탄화물)은 충격인성을 저해하는 원인으로 알려져 있으나, 본 발명의 경우 용접부 기지조직으로 오스테나이트 상을 가짐에 따라 석출상에 의한 충격인성의 저하량은 미비한 반면, 오히려 상온 강도를 향상시키는 효과가 있다.
이에 의해, 본 발명의 선재를 이용하여 용접시 상온 항복강도가 400MPa 이상, 상온 인장강도가 660MPa 이상이며, -196℃에서 샤르피 충격인성이 27J 이상인 용접부를 형성할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 용접봉용 선재를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 용접봉용 소재로서 적합한 선재를 제공함에 있어서, 상술한 합금조성 및 성분관계식(관계식 1 및 2)를 만족하는 강편 또는 잉곳(ingot)으로부터 빌렛 제조, 선재압연을 거쳐 선재 형상으로 제조할 수 있다.
상기에 따라 제조된 선재를 용접재료로서 사용하기 위해서는 인발 공정이 요구되는데, 이는 주로 상온에서 행해진다. 따라서, 선재의 상온 인발특성을 우수하게 확보하기 위해서는 선재 조직 내에 탄화물과 같은 석출물의 형성을 억제할 필요가 있으며, 본 발명은 이에 최적화된 공정 조건을 제공하는 특징이 있다.
이하, 각 공정별로 상세히 설명한다.
우선, 상술한 합금조성 및 성분관계식(관계식 1, 2)을 만족하는 강편 또는 잉곳(ingot)을 준비한 후, 이를 800~1250℃의 온도범위에서 열처리함으로써 빌렛(billet)으로 제조할 수 있다.
상기 열처리시 온도가 800℃ 미만이면 열간 변형 저항이 증가하여 압연시 압연 강도 상승에 기인한 압연기의 파손 등을 초래할 우려가 있으며, 반면 그 온도가 1250℃를 초과하게 되면 결정립의 조대화 및 입계의 융해로 인해 파손이 발생할 우려가 있다.
상기 열처리된 빌렛을 선재압연하여 선재를 얻을 수 있다.
이때, 상기 선재압연은 열간압연으로 행하며, 800~1250℃의 온도범위에서 행할 수 있다. 상기 열간압연시 온도가 800℃ 미만이면 압연 중에 부하가 커져 압연 강도 상승에 기인한 압연기의 파손을 유발할 우려가 있으며, 반면 그 온도가 1250℃를 초과하게 되면 결정립이 지나치게 조대해짐과 동시에, 입계 융해로 인한 파단이 발생될 우려가 있다.
상술한 바에 따라 열간압연을 행한 후 상온까지 냉각하여 의도하는 선재를 얻을 수 있다.
이때, 상기 냉각은 냉각속도 5℃/s 이상으로 행함으로써 냉각 중 탄화물 등의 석출물 형성을 억제하는 것이 바람직하다.
상기 냉각시 냉각속도가 5℃/s 미만이면 냉각 중 석출물이 형성되어 선재의 강도가 과도하게 증가되며, 이는 이후 인발시 선재 파단 등의 불량을 야기할 우려가 있다.
상기 냉각속도의 상한은 특별히 한정하지 아니하며, 설비 사양에 따라 적절히 선택할 수 있을 것이다.
상술한 바에 따라 제조된 본 발명의 선재는 미세조직으로 높은 안정성의 오스테나이트 상을 가지며, 이로 인해 인발 공정에 유리한 강도 및 연성을 가지게 된다.
본 발명의 선재를 인발하여 용접재료로 제작한 후 용접을 행할시 극저온 충격인성 및 상온 강도가 우수한 용접부를 형성할 수 있다.
한 가지 예로서, 본 발명의 선재를 용접재료로서 이용하는 경우, 기존 메탈 코어드 와이어(Metal Cored Wire, MCW)를 이용하여 얻은 용접부 대비 최소 2%~최대 17%에 이르는 높은 용입성을 나타낼 수 있다. 이는, 용접시 발생할 수 있는 언더컷, 융합 불량 등의 결함을 해소하는데에 유리하며, 실제 용접시공시 표면 연마 등의 작업 공수를 줄이는 장점이 있다.
이때, 상기 용접은 구체적으로 한정하지 아니하나, 서브머지드 아크용접(SAW), 수동용접(SMAW), 텅스텐 아크용접(GTAW) 및 가스메탈 아크용접(GMAW) 중 어느 하나일 수 있다.
한편, 본 발명에서는 상기 선재의 인발시 고온의 환원성 분위기에서 열처리를 행하며, 이로부터 선재 인발을 실시할 수 있다. 이와 같이, 인발시 열처리를 통해 최종 선경의 용접재료를 얻을 수 있다.
여기서, 환원성 분위기는 수소를 포함하는 환경이거나, 불활성 기체인 질소 또는 아르곤 등을 포함하는 분위기일 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
하기 표 1에 나타낸 합금조성을 가지는 잉곳을 준비한 후, 이를 1200℃에서 가열하여 빌렛을 제조하였다. 상기 가열 직후 빌렛을 800~1250℃에서 열간압연한 후 10℃/s의 냉각속도로 상온까지 냉각하여 직경 5.5mm의 선재를 제조하였다.
상기에 따라 제조된 선재의 미세조직을 확인하기 위하여, 선재의 압연 방향에 수직한 방향으로 절단하여 얻은 단면을 이미지 분석기(image analyzer, 올림프스사)로 측정하여 상(phase)의 종류를 확인하였다.
이후, 각각의 선재를 직경 4mm가 되도록 인발하였다. 이때, 800~1250℃에서 열처리하는 공정을 수반하며, 이때 산화 방지를 위해 수소가 함유된 환원성 분위기 환경 하에서 인발을 행하였다.
상기 인발을 완료한 선재를 용접봉으로 하여, 고망간 강(피용접재, 중량% 0.4%C-24%Mn-0.3%Si-잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 함유)을 3.0kJ/mm의 입열량으로 서브머지드 아크용접을 실시하였으며, 이후 용착금속의 물성을 평가하였다.
용착금속의 강도 특성은 용접선 방향으로 중심부를 따라 KS0801 14호 봉상형으로 인장시편을 채취한 후, 인장시험기(쯔윅/로엘사)로 상온(대략 25~30℃)에서 40mm/min의 속도로 항복강도(YS)와 인장강도(TS)를 측정하였다.
또한, 상기 인장시편과 동일한 시편에 대해 미세조직을 측정하였으며, 이미지 분석기(image analyzer, 올림프스사)로 측정하여 상(phase)의 종류를 확인하였다.
그리고, 용착금속의 충격 특성은 용접선 방향의 수직으로 용착금속의 중심부에서 표준시험편(KS B0809 V-노치 시험편)으로 채취한 후, 샤르피 충격시험기를 이용하여 -196℃에서 측정하였다.
각각의 측정 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
구분 합금조성 (중량%) 관계식
C Mn Si N P S Ni Cr Mo V 1 2
비교예1 0.26 15.10 0.14 0 0.0127 0.0050 0.34 1.29 0.52 0 19.54 4.01
비교예2 0.25 15.20 0.15 0 0.0120 0.0051 0.33 2.07 0 0 19.48 4.03
비교예3 0.25 15.90 0.14 0 0.0110 0.0047 1.22 0.48 0 0 21.60 1.43
비교예4 0.26 14.90 0.12 0 0.0128 0.0044 1.06 1.38 0.47 0 20.50 3.95
비교예5 0.25 16.30 0.16 0 0.0118 0.0048 1.98 0.62 0 0 23.22 1.48
비교예6 0.10 15.75 0.56 0 0.0070 0.0110 3.70 1.21 0.03 0 23.17 0.71
비교예7 0.25 15.70 0.20 0 0.0118 0.0064 1.99 0.59 0 0 22.63 1.50
비교예8 0.09 16.37 0.37 0 0.0040 0.0140 2.99 1.28 0.04 0 22.50 0.78
비교예9 0.20 20.90 0.21 0 0.0120 0.0080 3.98 0 0 0 30.27 -0.73
비교예10 0.20 21.10 0.22 0 0.0110 0.0090 3.01 0 0 0 28.92 -0.59
비교예11 0.09 21.46 0.29 0 0.0030 0.0130 3.31 0.57 0.03 0 28.10 -0.86
비교예12 0.01 32.32 0.26 0 0.0120 0.0100 0 0 0 0 32.47 -3.13
발명예 1 0.56 20.82 0.05 0 0 0 0 0 0 0 29.22 3.52
발명예2 0.13 18.93 0.66 0 0.0090 0.0090 2.85 0.98 0.65 0 25.44 1.72
발명예3 0.19 21.70 0.43 0 0.0100 0.0060 3.17 1.30 0.53 0 29.62 2.23
발명예4 0.78 16.72 0.50 0 0.0145 0.0021 7.68 1.63 0.01 0 40.71 7.36
발명예5 0.19 20.20 0.47 0 0.0090 0.0045 3.23 1.07 0.54 0 28.22 2.05
발명예6 0.36 21.50 0.45 0 0.0170 0.0040 0.02 2.95 0.64 0 26.93 7.15
발명예7 0.05 22.22 0.29 0 0.0089 0.0060 2.09 2.06 1.01 0.22 26.31 3.38
발명예8 0.37 22.06 0.29 0 0.0025 0.0070 2.07 3.05 1.00 0 30.92 7.74
발명예9 0.10 23.75 0.30 0 0.0025 0.0080 2.08 2.06 1.02 0 28.58 3.42
발명예10 0.15 24.77 0.29 0.05 0.0082 0.0090 2.04 1.98 1.02 0.20 31.03 4.51
발명예11 0.15 24.00 0.29 0.1 0.0085 0.0090 2.05 3.01 1.00 0 31.03 6.29
발명예12 0.25 24.22 0.30 0 0.0024 0.0090 2.06 3.06 1.02 0.16 31.27 6.62
발명예13 0.31 30.93 0.34 0 0.0170 0.0060 0 0 3.01 0 35.58 6.03
발명예14 0.22 19.90 0.20 0 0.0110 0.0090 2.89 1.40 0.70 0 27.82 3.25
구분 선재 및 용접부
미세조직		 용접부
석출상 분율
(면적%)		 충격인성
(J)		 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)
비교예 1 α'+γ 1.59 5 183 579
비교예 2 α'+γ 0 8 183 452
비교예 3 α'+γ 2.47 8 196 579
비교예 4 α'+γ 1.88 9 206 579
비교예 5 α'+γ 2.66 13 257 625
비교예 6 α'+γ 0 16 395 613
비교예 7 α'+γ 2.77 17 260 651
비교예 8 α'+γ 0 24 384 566
비교예 9 γ 1.98 44 352 653
비교예 10 γ 1.88 39 366 648
비교예 11 γ 0.25 53 372 607
비교예 12 γ 0 57 331 517
발명예 1 γ 4.62 38 420 682
발명예 2 γ 2.12 60 412 680
발명예 3 γ 3.21 52 432 702
발명예 4 γ 5.23 30 433 742
발명예 5 γ 3.12 57 423 702
발명예 6 γ 4.31 57 437 715
발명예 7 γ 3.10 90 432 713
발명예 8 γ 4.42 98 463 762
발명예 9 γ 2.09 98 425 715
발명예 10 γ 2.83 97 452 715
발명예 11 γ 2.62 97 442 732
발명예 12 γ 3.42 97 449 745
발명예 13 γ 4.12 118 435 715
발명예 14 γ 2.98 53 432 683
(표 2에서 α'는 알파프라임 마르텐사이트, γ는 오스테나이트 상을 의미한다.)
상기 표 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 합금성분계 내에서 [관계식 1] 및 [관계식 2]를 만족하는 발명예 1 내지 14는 선재뿐만 아니라 용접 후 용접부 조직이 모두 오스테나이트 단상 조직으로 형성된 것을 확인할 수 있다.
이러한 선재를 인발한 후 용접봉으로 사용하여 용접을 행하는 경우, 용착금속 내 석출물이 2면적% 초과하여 형성됨에 따라 우수한 상온 강도를 가지는 용접부를 얻을 수 있었으며, 상기 용접부의 극저온 충격인성 또한 우수한 것을 확인할 수 있다.
다만, 다른 발명예들에 비해 상대적으로 Mn 함량이 낮으면서 C 함량이 높은 발명예 4의 경우에는 용접부의 충격인성이 30J로 다소 낮게 나타났으나, 요구되는 물성을 상회하는 수준임을 알 수 있다. 이는, 탄소(C)가 망간(Mn)에 고용되는 특성으로 인하여, 선재 내 망간(Mn) 함량이 낮은 경우 전량 고용되지 못하고 일부 탄화물로 존재함에 기인하며, 그 결과 용접 후 면적분율 5% 이상으로 석출물이 형성됨에 따라 상온 강도가 우수하였다.
반면, 망간(Mn)의 함량이 16% 미만이거나, [관계식 1]의 값이 24 미만인 비교예 1 내지 8은 [관계식 2]의 값이 0 이상이더라도 조직적으로 일부 마르텐사이트 상이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이로 인해, 용접시 극저온 충격인성이 27J 미만이고, 상온 강도도 목표하는 바를 만족하지 못하는 용접부가 형성되었다. 이는, 상온 인장시험시 마르텐사이트 조직에서 우선적으로 파단되어 강도가 열화된 결과를 보인 것이다.
한편, 망간(Mn)을 16% 이상으로 함유하는 비교예 9 내지 12는 조직적으로 오스테나이트 단상 조직이 형성됨에 따라, 극저온 충격인성이 27J 이상인 용접부를 얻을 수 있었다. 하지만, 이들 모두 본 발명에서 제안하는 [관계식 2]의 값이 0 미만으로 나타나, 용접부 상온 강도가 열위함을 보였으며, 용착금속 내 석출물도 충분히 형성되지 못하였다.
도 1은 발명예 7에 해당하는 선재의 미세조직 사진을 나타낸 것이며, 도 2는 발명예 7에 해당하는 선재를 이용하여 용접한 후 형성된 용접부의 미세조직 사진을 나타낸 것이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 선재 조직이 안정한 오스테나이트 상으로 형성되었으며, 기지 조직 내에 탄화물과 같은 석출물은 존재하지 않음을 확인할 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 오스테나이트 기지 조직 내에 부분적으로 석출물이 형성된 것을 확인할 수 있다 (도 2의 (a)). 이 석출물들에 의해 오스테나이트 결정립의 성장이 억제되어 (도 2의 (b)), 결과적으로 상온 강도를 더욱 향상시키는 효과를 얻을 수 있는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 선재(표 1 및 2의 발명예 7)를 이용한 용접시 용입성 특성을 확인하기 위하여, 동일 피용접재에 대해 2.0kJ/mm 또는 3.0kJ/mm의 입열량으로 서브머지드아크 용접을 실시하였다. 이때, 비교를 위하여 동일한 조건으로 기존의 메탈 코어드 와이어(MCW)를 이용하여 용접을 행하였으며, 그 결과를 도 4 및 5에 나타내었다.
구체적으로, 용접 조건은 다음과 같이 세 가지로 실시하였다.
(A) 2.0kJ/mm, 460A, 28V, 38CPM
(B) 3.0kJ/mm, 580A, 28V, 32CPM
(C) 3.0kJ/mm, 600A, 35V, 38CPM
우선, 도 3은 상기 용접시 사용된 용접 와이어의 형상을 나타낸 것이다.
도 3의 (a)와 같이 기존 MCW는 튜블러(Tubler) 형상으로 와이어 내부에 플럭스가 충진된 상태이며, 본 발명의 선재를 인발하여 얻은 용접 와이어는 플럭스 등이 충진되지 않은 솔리드 와이어(solid wire) 형상이다.
이들 각각의 와이어를 이용하여 상기 용접 조건으로 용접을 행한 결과, 도 4에 나타낸 바와 같은 용접부((a): MCW, (b): 발명예 7)가 얻어짐을 확인할 수 있다.
각 용접부의 용입 깊이(mm)를 측정하여 본 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이 MCW 대비 본 발명에 따른 용접 와이어를 이용하여 얻은 용접부의 용입 깊이가 대략 최소 2%~최대 17% 이상 증가된 것을 확인할 수 있다.

Claims (6)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.05~0.8%, 망간(Mn): 16~31%, 실리콘(Si): 0.05~0.7%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 질소(N): 0.15% 이하와,
    니켈(Ni): 8.0% 이하, 크롬(Cr): 3.5% 이하, 몰리브덴(Mo): 3.5% 이하 및 바나듐(V): 0.3% 이하 중 1종 이상을 더 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 하기 관계식 1 및 2를 만족하며,
    용접시 용착금속에 MC, M3C 및 M7C3 중 1종 이상의 석출상(여기서, M은 Mn, V, Cr, Mo 중 1종 이상)이 면적분율 2% 초과하여 형성되는 것을 특징으로 하는 용접봉용 선재.

    [관계식 1] Mn + 1.6Ni + 15(C+N) ≥ 24
    [관계식 2] 10(C+N) + 1.5Cr + 2.0Mo + 1.5V - 0.1Mn - 0.16Ni ≥ 0
    (관계식 1 및 2에서 각 원소는 중량함량을 의미한다.)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 선재는 미세조직으로 오스테나이트 단상 조직을 포함하는 용접봉용 선재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 선재를 이용하여 용접시 상온 항복강도가 400MPa 이상, 상온 인장강도가 660MPa 이상인 용접부를 형성하는 것인 용접봉용 선재.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 선재를 이용하여 용접시 -196℃에서 샤르피 충격인성이 27J 이상인 용접부를 형성하는 것인 용접봉용 선재.
  5. 제 1에 있어서,
    상기 용접은 서브머지드 아크용접(SAW), 수동용접(SMAW), 텅스텐 아크용접(GTAW) 및 가스메탈 아크용접(GMAW) 중 어느 하나인 용접봉용 선재.
  6. 중량%로, 탄소(C): 0.05~0.8%, 망간(Mn): 16~31%, 실리콘(Si): 0.05~0.7%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 질소(N): 0.15% 이하와,
    니켈(Ni): 8.0% 이하, 크롬(Cr): 3.5% 이하, 몰리브덴(Mo): 3.5% 이하 및 바나듐(V): 0.3% 이하 중 1종 이상을 더 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 하기 관계식 1 및 2를 만족하는 강편 또는 잉곳을 준비하는 단계;
    상기 강편 또는 잉곳을 800~1250℃의 온도범위에서 열처리한 후 빌렛으로 제조하는 단계;
    상기 열처리된 빌렛을 800~1250℃의 온도범위에서 열간압연하여 선재를 제조하는 단계; 및
    상기 선재를 5℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계;를 포함하는
    용접봉용 선재의 제조방법.

    [관계식 1] Mn + 1.6Ni + 15(C+N) ≥ 24
    [관계식 2] 10(C+N) + 1.5Cr + 2.0Mo + 1.5V - 0.1Mn - 0.16Ni ≥ 0
    (관계식 1 및 2에서 각 원소는 중량함량을 의미한다.)
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