KR102293623B1

KR102293623B1 - 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부

Info

Publication number: KR102293623B1
Application number: KR1020190171742A
Authority: KR
Inventors: 한규태; 양승우; 정홍철
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-08-25
Also published as: KR20210079691A

Abstract

본 발명은 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중량%로, 탄소(C): 0.1~0.14%, 규소(Si): 0.15~0.6%, 망간(Mn): 1.28~1.8%, 니켈(Ni): 0.005~0.035%, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.003% 이하, 질소(N): 0.008~0.03%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 용접이음부에 관한 것이다.

Description

저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부{STEEL WELDING JOINT HAVING EXCELLENT LOW-TEMPERATURE TOUGHNESS AND CRACK RESISTANCE}

본 발명은 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부에 관한 것이다.

최근 조선사 등 선박 및 해양플랜트 제조사에서는 극한의 원가 절감을 통해 생산성 향상을 위하여 노력 중이고, 그 중 용접 생산성 상향의 중요성이 부각되고 있다.

조선용으로 가장 일반적으로 사용되는 항복강도 350MPa급의 조선용 고강도강 용접 시에는 5kJ/㎜ 내외의 상대적 저입열량에서는 문제가 발생하지 않으나, 10kJ/㎜ 이상의 입열량 적용 시에는 용접부에 균열이 발생하여 생산성 향상이 제한되는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허 2002-0050449

본 발명의 일 측면은, 용접이음부의 합금 성분을 제어함으로써 10kJ/㎜ 이상의 높은 입열량에서도 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 과제는 전술한 내용에 한정하지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 본 발명 명세서 전반에 걸친 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는 데 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.1~0.14%, 규소(Si): 0.15~0.6%, 망간(Mn): 1.28~1.8%, 니켈(Ni): 0.005~0.035%, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.003% 이하, 질소(N): 0.008~0.03%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 용접이음부의 합금 조성, 즉 탄소, 인, 황 등의 성분 함량을 제어함으로써, 10kJ/㎜ 이상의 높은 입열량에서도 저온충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부를 효과적으로 얻을 수 있다.

도 1은 실시예 및 비교예에 대하여, 10kJ/㎜ 이상의 높은 대입열 용접 적용 시, 발생한 총균열 길이 및 최대 균열길이의 각 측정 값을 그래프로 나타낸 것이다.

용접이음부는 용접의 입열량의 영향을 크게 받는데, 입열량이 클수록 균열이 쉽게 발생하므로, 용접 시에는 입열량을 제어하는 것이 중요하다. 그런데, 통상적으로 사용되는 조선용 고강도강 용접 시, 5kJ/㎜ 내외의 상대적 저입열량에서는 문제가 발생하지 않으나, 10kJ/㎜ 이상의 입열량 적용 시에는 용접이음부에 균열이 발생하므로 종래 기술에 의하면 조선용 고강도강의 용접 시, 10kJ/㎜ 이상의 입열량을 적용할 수 없다는 한계가 있었다.

이에, 본 발명자들은 10kJ/㎜ 이상의 높은 입열량을 적용하더라도, 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부에 대하여 예의 검토한 결과, 용접이음부의 합금 조성을 제어함으로써 전술한 목적을 달성할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

구체적으로, 본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.1~0.14%, 규소(Si): 0.15~0.6%, 망간(Mn): 1.28~1.8%, 니켈(Ni): 0.005~0.035%, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.003% 이하, 질소(N): 0.01~0.03%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부를 제공한다.

이하, 본 발명의 주요한 특징 중 하나인 용접이음부를 구성하는 각 합금 성분을 첨가하는 이유와 적절한 함량 범위에 대하여 우선 설명한다.

탄소(C): 0.1~0.14%

C는 강의 강도 확보에 매우 유용한 원소이나, 오스테나이트 안정화원소로 고온균열을 촉진하는 원소이다. 용접이음부의 강도확보를 위해, 상기 C 함량은 0.1% 이상으로 제어하는 것이 바람직하다. 반면, C함량의 증가는 초정응고상을 δ페라이트에서 오스테나이트로 천이시키고, 고상, 액상 공존구간, 즉 응고온도 구간을 넓힘으로써 고온균열 감수성을 넓힌다. 한편, C 다량 첨가시 용접 이음부의 충격인성을 확보할 수 없다. 이러한 이유로 본 발명에서는 상기 C 함량을 0.14% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

규소(Si): 0.15~0.6%

Si는 강의 경화능 확보에 기여하며 제강 중 탈산에도 일정 역할을 담당하므로 0.15% 이상 첨가하여야 하나, 일정량 이상 첨가 시 Fe-S-Si-O의 화합물을 형성하여 고온균열을 조장할 수 있으므로, 그 상한을 0.6%로 한다.

망간(Mn): 1.28~1.8%

Mn은 모재의 강도를 높이면서도 열영향부 인성의 열화에 비교적 영향을 덜 미치는 원소로서 S와 반응하여 MnS를 형성하기 때문에, 응고입계에 S의 편석에 의한 저융점화합물의 형성을 방지하여 고온균열 저항성을 상승시킬 수 있다. 이러한 고온균열 저항성 향상의 효과를 발휘하기 위해서는 Mn 함량의 하한을 1.28%로 하는 것이 바람직하다. 반면, Mn을 과도 첨가시, 조대한 MnS의 과도한 형성으로 인성에 악영향을 줄 수 있고, 합금원가를 상승시킴으로 그 상한을 1.8%로 한정한다.

니켈(Ni): 0.005~0.035%

Ni은 Mn과 함께 강도를 높이면서도 인성의 저하가 적은 원소로서 유용하다. 특히, Cu 첨가시 발생할 수 있는 표면 크랙을 억제하기 하기 위해 반드시 첨가해야 한다. 용접부의 인성을 확보하기 위해 0.005% 이상 첨가되어야 하나, 고가원소로서 제조비용이 크게 증가하므로 0.035%를 그 상한으로 한다. 또한, 상기 Ni 함량의 하한은 바람직하게는 0.008%일 수 있고, 보다 바람직하게는 0.01%일 수 있다.

인(P): 0.01% 이하

P는 불가피하게 강 및 용접금속부 중에 혼입되는 불순물으로서, 응고입계에 편석하여 응고온도를 낮춤으로써 고온균열 민감도를 상승시키므로 0.01% 이하로 한정한다. 따라서, 상기 P의 함량을 0.01% 이하로 한정함으로써, 10kJ/㎜ 이상의 높은 입열량에서도 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부를 효과적으로 제공할 수 있다.

황(S): 0.003% 이하

S는 P와 마찬가지로 불가피하게 강 및 용접이음부 중에 혼입되는 불순물으로서, 응고입계에 편석하여 응고온도를 낮춤으로써 고온균열 민감도를 상승시키므로 0.003%를 그 상한으로 한다. 따라서, 상기 S의 함량을 0.003% 이하로 한정함으로써, 10kJ/㎜ 이상의 높은 입열량에서도 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부를 효과적으로 제공할 수 있다.

질소(N): 0.008~0.03%

N은 불가피하게 강 및 용접금속부 중에 혼입되는 원소로서, 본 발명의 목적하는 효과를 확보하고자 하는 측면에서 0.008~0.03%로 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 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.

본 발명에 의하면, 전술한 조성을 갖는 용접이음부는 적절한 경화능으로 강도 및 저온인성을 확보하는 동시에, 탄소, 인 및 황의 함량을 제한함으로써, 응고온도 구간을 좁혀 고온균열 저항성을 확보 할 수 있다.

특히, 본 발명의 일 측면에 따르면, 10kJ/㎜ 이상의 높은 대입열 용접 적용 시에도 용접부의 내균열성이 우수하고, 저온 충격인성이 우수한 강재를 효과적으로 제공할 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 용접이음부에서 발생된 개별 균열에 대한 최대 길이가 1000㎛ 이하일 수 있고, 용접이음부로서 전술한 합금 조성을 가짐으로써 내균열성이 우수한 용접이음부를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 용접이음부는 -20℃에서의 평균 저온 충격인성은 34J 이상일 수 있고, 보다 바람직하게는 40J 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 48J 이상일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 용접이음부는 -20℃에서의 평균 저온 충격인성뿐만 아니라, 개별 저온 충격인성 역시 34J 이상일 수 있고, 보다 바람직하게는 40J 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 48J 이상일 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 저온 충격인성이 우수한 용접이음부를 얻을 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 예시를 통하여 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에서 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

항복강도 350MPa급 조선용 고강도강에 잠호아크 용접(Submerged arc welding: SAW)을 11kJ/㎜의 입열량으로 1pass 용접을 실시하였고, 용접이음부의 합금 조성은 하기 표 1과 같다.

비고	용접이음부의 조성(wt%)
비고	C	Si	Mn	P	S	Ni	N
비교예1	0.15	0.287	1.36	0.021	0.003	0.012	0.012
비교예2	0.145	0.384	1.34	0.014	0.003	0.011	0.009
비교예3	0.143	0.312	1.62	0.014	0.002	0.032	0.008
비교예4	0.141	0.410	1.30	0.01	0.004	0.013	0.010
발명예1	0.140	0.412	1.29	0.01	0.003	0.013	0.009
발명예2	0.131	0.412	1.29	0.009	0.003	0.013	0.008

용접 실시 후, 내균열성의 평가를 위해 전술한 발명예 및 비교예 각각에 대하여, 비파괴 검사를 통해 균열이 발생한 위치를 특정한 뒤, 조직 검사를 통해 발생된 총 균열길이와 발생된 개별 균열에 대한 최대길이를 측정하였고, 이러한 측정 결과를 도 1에 그래프로 나타내었다.

구체적으로, 도 1의 실험결과에 따르면, 본 발명의 용접이음부의 합금 조성을 충족하는 발명예 1 및 2의 경우, 모두 발생된 총 균열길이와 발생된 개별 균열에 대한 최대 길이가, 용접이음부의 합금 조성을 충족하지 못하는 비교예 1~4에 비하여 작았다. 따라서, 본 발명의 용접이음부의 합금조성을 만족하는 경우, 보다 내균열성이 우수함을 확인하였다.

특히, 본 발명의 용접이음부의 합금 조성을 충족하는 발명예 1 및 2의 경우, 발생된 개별 균열에 대한 최대 길이가 1000㎛ 이하로서, 내균열성이 매우 우수하였다. 전술한 실험 결과로부터, 용접이음부로서 중량%로, 탄소(C): 0.1~0.14%, 규소(Si): 0.15~0.6%, 망간(Mn): 1.28~1.8%, 니켈(Ni): 0.005~0.035%, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.003% 이하, 질소(N): 0.008~0.03%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 합금 조성을 가지는 경우에는 개별 균열에 대한 최대 길이가 1000㎛ 이하인 내균열성이 우수한 용접이음부를 얻을 수 있었다.

한편, 전술한 실험에 있어서, 용접이음부의 균열은 용탕의 냉각과정에서 자연수축에 의한 변형 및 외부 부가 변형에 의해 발생한다. 해당 시험은 외부 구속을 인위적으로 부가하지 않은 시험으로, 각 시험체의 균열양상은 응고 시의 자연수축 정도의 차이에 기인한다고 볼 수 있고, 이는 합금원소 및 불순물에 의해 결정되는 액상 금속의 응고온도 구간에 의해 결정된다고 할 수 있다.

즉, 본 발명의 발명예와 비교예의 합금 원소의 차이를 통해, 내균열성이 우수한 합금 원소 및 불순 원소 함량 관리 범위를 도출할 수 있었다.

한편, 본 발명의 용접이음부의 합금 조성을 충족하는 발명예 1 및 2에 대하여, -20℃에서의 저온 충격인성 결과값을 하기 표 2 및 3에 도시하였다,

구체적으로, 저온 충격인성은 WL(Weld Metal: 용접부), FL(Fusion line: 용접금속과 모재의 경계), FL+1(상기 FL로부터 모재쪽으로 1㎜ 떨어진 지점), FL+2(상기 FL로부터 모재쪽으로 2㎜ 떨어진 지점), FL+5(상기 FL로부터 모재쪽으로 5㎜ 떨어진 지점), 및 FL+20(상기 FL로부터 모재쪽으로 20㎜ 떨어진 지점)에 대하여, 3번 반복하여 각각의 개별 저온 충격인성을 측정하였다.

이렇게 측정된 개별 저온 충격인성 값과, 개별 충격인성 값에 대한 평균값을 계산하였고, 이를 하기 표 2 및 3에 나타내었다.

시험온도 (-20℃)	발명예 1
	Notch Position
	WM	FL	FL+1	FL+2	FL+5	FL+20
개별 충격값[J]	48.41	128.04	118.49	78.89	76.24	89.69
	48.41	122.77	86.06	132.36	124.2	84.27
	58.03	66.61	102.54	110.47	109.07	102.54
평균 충격값[J]	55.96	105.8	102.37	107.24	103.17	92.17

시험온도 (-20℃)	발명예 2
	Notch Position
	WM	FL	FL+1	FL+2	FL+5	FL+20
개별 충격값[J]	60.15	96.54	105.33	110.47	108.13	87.88
	56.34	97.46	142.52	106.73	109.07	89.23
	69.22	129.47	81.57	94.7	110	105.79
평균 충격값[J]	61.9	107.82	109.81	103.97	109.07	94.3

상기 표 2 및 3에서와 같이, 본 발명의 용접이음부의 합금 조성을 충족하는 발명예 1 및 2는 개별 저온충격인성 및 평균 저온충격인성 모두가, 선급 최소 요구사항인 34J을 충분히 상회하는 결과를 얻었다.

따라서, 본 발명에 의하면, 저온 충격인성이 우수한 용접이음부를 얻을 수 있음을 확인하였다.

Claims

중량%로, 탄소(C): 0.1~0.14%, 규소(Si): 0.15~0.6%, 망간(Mn): 1.28~1.8%, 니켈(Ni): 0.005~0.035%, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.003% 이하, 질소(N): 0.008~0.03%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부.
제 1 항에 있어서,
용접이음부에서 발생된 개별의 균열에 대한 최대 길이가 1000㎛ 이하인 것인, 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부.
제 1 항에 있어서,
-20℃에서의 평균 저온 충격인성은 34J 이상인 것인, 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부.
제 1 항에 있어서,
상기 Ni 함량은 0.01~0.03%인, 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부.