KR102326108B1 - 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접이음부 제조방법 - Google Patents

슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접이음부 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시형태는 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스강을 Ni계 용접재료로 용접하여 용접이음부를 얻는 단계; 상기 용접이음부의 용접비드와 HAZ의 경계부를 제살용접하는 단계; 및 상기 제살용접된 경계부를 냉각시키는 단계를 포함하고, 상기 제살용접시 입열량은 0.2kJ/mm 이상이고, 상기 냉각시 500~800℃의 온도 구간을 5초 이내로 냉각하는 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접이음부 제조방법을 제공한다.

Description

슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접이음부 제조방법{METHOD OF FORMING WELD JOINT IN SUPER AUSTENITE STAINLESS STEEL}
본 발명은 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접이음부 제조방법에 관한 것이다.
6Mo 스테인리스강이라고도 불리우는 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강은 높은 강도 및 내식성을 바탕으로, 해수를 취급하는 산업 및 환경오염물질을 배출하는 산업 등 열악한 부식환경에서 사용되는 부품 혹은 구조물 등에 주로 사용되고 있다. 스테인리스강재의 부식의 종류로는 전면부식(General corrosion), 공식(pitting corrosion) 및 틈부식(Crevice corrosion) 등이 있으며, 특히, 앞서 언급한 해수 및 환경오염물질을 사용하는 산업환경에서 발생하는 부식은 Cl-이온에 의한 공식 혹은 틈부식이 주요한 문제점으로 대두되고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 소재의 부식저항성을 대표하는 PREN(Pitting Resistance Equivalent Number)값 높은 소재를 개발되었으며, 대표적인 소재로는 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강이 있다.
[식 1] PREN = Cr+3.3(Mo+1/2W)+16N
상기 식 1에서 보듯이, 내식성에는 Cr, Mo, W, N과 같은 원소가 매우 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 특히, 이중에서 Mo은 공식저항성을 높이는데 매우 중요한 원소로서, 앞서 설명한 가혹한 부식환경에서 사용되는 스테인리스강재는 공식저항성을 높이기 위해, 약 6% 전후의 Mo을 함유한 성분계를 가진다. 내식성을 높이기 위해서는 Mo함량이 높을수록 유리하지만, 대략적으로 최대 첨가량을 6~7% 정도(최대 첨가량은 소재의 다른 화학성분에 따라 달라질 수 있음)로 첨가하는 이유는 그 이상의 Mo을 소재에 첨가할 경우, 시그마상이라는 유해한 2차 상(phase)이 형성되기 때문이다. 따라서, Mo 첨가시 상한값을 대략적으로 6~7%로 제한을 두고 있으며, 이러한 이유로 이러한 강종을 일명 6Mo 스테인리스강이라고도 호칭한다. 이와 같이 6Mo 스테인리스강은 높은 함량의 Cr, Mo를 함유하고 있기 때문에, 소재 제조공정상에서 Cr, Mo 편석 등에 의해 시그마상 형성이 쉽게 발생한다. 다만, 6Mo 스테인리스강은 제조공정 상 형성된 시그마상을 다시 재고용시키기 위해, 소재 제조시 거의 마지막 단계에서 고용화 열처리를 실시하는데, 이를 통해, 소재 내부의 시그마상을 제거 혹은 최소화시킬 수 있다.
한편, 강재 용접에 사용되는 용접재료는 통상적으로 모재 성분계와 유사하거나 약간 overmatching하여 설계되는 경우가 많다. 하지만, 6Mo 스테인리스강의 경우에는 모재 성분계와 유사하거나 약간 높은 Cr, Mo을 함유하도록 성분설계를 하게 되면, 용접 과정중에 용접금속 내에서 시그마상이 다량 형성되어서, 내식성 확보가 어렵게 된다. 그래서, 통상 6Mo 스테인리스강의 용접재료로는 Ni계 용접재료(인코넬 혹은 하스텔로이계 등)가 일반적으로 사용된다. 그러나, 이와 같은 Ni계 용접재료를 사용할 경우, 용접금속의 내식성은 문제가 없으나, 모재와 용접금속의 경계부의 내식성이 저하되는 문제가 발생하여 부품 혹은 구조물의 사용수명을 단축시키는 문제가 제기되었다.
본 발명의 일측면은, 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접이음부 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스강을 Ni계 용접재료로 용접하여 용접이음부를 얻는 단계; 상기 용접이음부의 용접비드와 HAZ의 경계부를 제살용접하는 단계; 및 상기 제살용접된 경계부를 냉각시키는 단계를 포함하고, 상기 제살용접시 입열량은 0.2kJ/mm 이상이고, 상기 냉각시 500~800℃의 온도 구간을 5초 이내로 냉각하는 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접이음부 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접이음부 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접부에 부식이 발생한 단면을 관찰한 사진이다.
도 2는 상이한 성분계를 갖는 모재와 용접재료를 이용하여 얻어진 용접부의 조직에 대한 모식도이다.
도 3은 UMZ 및 PMZ 영역에서 공식이 발생한 것을 관찰한 사진이며, 그 영역의 Mo 성분을 mapping한 사진이다.
도 4는 제살용접을 이용하여 UMZ 및 PMZ 영역을 용융시키는 용접 방법의 예시를 나타내는 모식도이며, (a)는 용접부 전체 표면을 용융시키는 방법이고, (b)는 용접비드와 HAZ의 경계부 표면을 용융시키는 방법이다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접이음부 제조방법에 대하여 설명한다.
우선, 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스강을 Ni계 용접재료로 용접하여 용접이음부를 얻는다. 본 발명에서는 당해 기술분야에서 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강이라 불리우는 모든 강종이 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 종류에 대해서 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, S31254 및 N08367 등을 적용할 수 있다. 또한, 예를 들면, 상기 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강은 중량%로, Cr: 19~28%, Ni: 17~40%, Mo: 3~8%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 상기 용접이음부를 얻기 위한 용접 방법에 대해서도 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 이용되는 모든 방법을 이용할 수 있다.
한편, 앞서 언급했듯이, Cr 및 Mo을 다량 함유하고 있는 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접을 위해서는 통상적으로 Ni계 용접재료인 인코넬이나 하스텔로이계 용접재료를 사용한다. 상기 Ni계 용접재료는 Ni을 통상 60% 전후로 매우 많이 함유하고 있어서, 응고과정 중에 Cr, Mo의 편석을 억제하고, 결과적으로 시그마상의 석출을 억제하는 효과가 있다. 또한, 시그마상은 주로 Fe-Cr-Mo 등으로 이루어진 금속간화합물인데, 상기 Ni계 용접재료는 Fe 대신 Ni 함량이 높음에 따라, 시그마상 형성을 억제하는 효과가 있다. 더하여, 상기 Ni계 용접재료는 Ni 뿐만 아니라 Cr 및 Mo 함량도 높아서, 모재인 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강이 갖는 공식 저항성 보다 높은 공식 저항성을 가지고 있다. 하지만, 이러한 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접구조물 혹은 부품이 가혹한 부식환경에 노출되었을 때, 용접부 부식 사례가 가끔 확인되고 있으며, 도 1과 같이 주로 모재와 용접금속간의 경계(Fusion line)를 따라서 부식이 관찰되고 있다.
본 발명자들은 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접부에서 발생하는 부식현상에 대해 면밀한 분석을 진행하였으며, 이러한 현상이 아래와 같은 원인으로 발생함을 확인하였다.
도 2는 상이한 성분계를 갖는 모재와 용접재료를 이용하여 얻어진 용접부의 조직에 대한 모식도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접시 Ni계 용접재료를 사용하는 것과 같이, 모재와 용접재료의 성분계가 매우 상이한 경우에는, 용접금속과 모재의 경계부에 UMZ(Unmixed zone) 및 PMZ (Partially Melted Zone)이라는 특이한 전이층(Transition layer)이 형성된다. UMZ 및 PMZ는 모두 용융금속 경계부(Fusion line)을 따라 액상의 유동이 발생하지 않고 정체된 상태로 형성된 액상층이다. 또한, 상기 UMZ 및 PMZ는 액상의 유동에 의한 모재와 용접재료의 화학성분 혼합이 발생되지 않고, 다만, 합금원소간의 확산에 의한 원소 이동만 발생한 영역이다. 특히, 모재쪽에 가까운 PMZ 영역은 모재의 일부만 용융된 영역으로서, 모재와 용접재료 모두가 용융된 UMZ와 달리 고상과 액상간의 성분차이가 심화되며, 이로 인해, Cr, Mo 등의 편석/부편석 현상이 다른 영역보다 심하게 발생한다. 결국, 이러한 현상으로 인해 도 3과 같이 미세조직 상에서 내식성 관점에서 주요한 원소인 Cr, Mo 성분의 불균일 분포를 야기시키게 되며, 따라서, 다른 영역에 비해 (PMZ+UMZ) 영역이 공식(pitting)에 취약하게 된다.
결국, 앞서 살펴본 바와 같이, 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강을 용접함에 있어 용접재료를 사용하는 경우에는 Ni계 용접재료를 사용할 수 밖에 없으며, 이 경우, HAZ 특히, 용접금속과 모재간의 경계영역(Fusion line)에서는 두 영역의 상이한 화학성분으로 인해, UMZ 및 PMZ 영역이 발생할 수 밖에 없다. 따라서, 이와 같은 UMZ 및 PMZ 영역의 형성에 의해 내식성이 저하되는 것을 막기 위해서, 본 발명에서는 상기 용접이음부의 용접비드와 HAZ의 경계부를 제살용접한 뒤, 냉각시키는 방법을 적용하였다. 상기 제살용접이란 용접재료를 이용하지 않는 용접 방법을 의미하며, 본 발명에서는 상기 제살용접을 통해 UMZ 및 PMZ에 해당하는 영역을 국부적으로 용융시키고자 한 것이다. 본 발명에서는 상기 제살용접 방법에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 사용되는 모든 제살용접 방법을 이용할 수 있다. 예를 들면, GTAW(Gas Tungsten Arc Welding), PAW(Pulse Arc Welding), LBW(Laser Beam Welding) 등이 있다. 다만, 현장에서 손쉽고 저렴하게 적용하기 위해서, 바람직하게는 GTAW를 이용할 수 있다.
도 4는 제살용접을 이용하여 UMZ 및 PMZ 영역을 용융시키는 용접 방법의 예시를 나타내는 모식도이며, (a)는 용접부 전체 표면을 용융시키는 방법이고, (b)는 용접비드와 HAZ의 경계부 표면을 용융시키는 방법이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제살용접을 통해, 용접부 전체 표면이나 용접비드와 HAZ의 경계부 표면을 용융시키게 되면, 용접비드와 HAZ의 경계부에 위치하는 UMZ 및 PMZ 영역이 용융되고, 주변부와 희석됨으로써 편석/부편석을 제거할 수 있다. 한편, 상기 제살용접된 경계부는 강재의 표면으로부터 두께가 1mm 이상인 것이 바람직한데, 강재 표면으로부터 두께 방향으로 1mm 이상 제살용접하여 상기 UMZ 및 PMZ 영역을 용융하게 되면, 상기 UMZ 및 PMZ 영역으로부터 발생되는 공식에 의한 균열 전파를 충분히 억제할 수 있기 때문이다. 즉, 강재 내부에 존재하는 UMZ 및 PMZ 영역을 제거하지 않더라도, 강재 표면부에 위치하는 UMZ 및 PMZ 영역을 제거하게 되면, 강재 표면으로부터 발생하는 공식이 강재 내부로 전파되지 않게 된다. 만일, 상기 제살용접된 경계부의 두께가 1mm 미만인 경우에는 상기 공식의 발생 및 전파 억제 효과가 충분하지 않을 수 있다. 한편, 본 발명에서는 상기 제살용접된 경계부의 두께 상한에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 이는 UMZ 및 PMZ 영역의 용융이 많이 발생할수록 바람직하기 때문이다. 다만, 제조공정상 상기 제살용접된 경계부의 두께가 5mm를 초과하기 어려울 수 있다.
한편, 상기 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강을 제살용접하더라도 입열량이 작거나 냉각속도가 느린 경우에는 용융부에서 시그마상이 석출되는 문제가 있다. 따라서, 상기 용융부를 충분한 깊이로 용융시키되, 국부 용융된 영역에서 시그마상이 석출되지 않도록 하기 위해서는 제살용접시 입열량과 냉각조건을 제어할 필요가 있다.
상기 제살용접시 입열량은 0.2kJ/mm 이상인 것이 바람직한데, 이는 상기 용융부가 용입 깊이가 1mm 이상이 되도록 하기 위한 것이다. 만일, 상기 입열량이 0.2kJ/mm 미만인 경우에는 용융부의 용입 깊이가 충분하지 않아 공식의 발생 및 전파 억제 효과가 충분하지 않을 수 있다. 한편, 본 발명에서는 상기 용입 깊이가 깊을수록 바람직한 효과를 얻을 수 있으므로, 상기 입열량의 상한에 대해서는 특별히 한정하지 않는다. 다만, 제조공정상 상기 제살용접시 입열량은 2kJ/mm를 초과하기 어려울 수 있다.
또한, 상기 용접 후, 냉각시 500~800℃의 온도 구간을 5초 이내로 냉각하는 것이 바람직하다. 상기 용융부가 냉각되면서 다시 응고될 때, 용융부에서의 시그마상 석출을 억제하기 위해서는 냉각속도의 제어가 필요하다. 특히, 500~800℃의 온도 영역에서의 냉각속도 제어가 필수적인데, 이는 500~800℃의 온도 영역에서 시그마상의 석출 속도가 가장 빠르기 때문이다. 즉, 시그마상의 석출을 효과적으로 억제하기 위해서는, 500~800℃의 온도 영역에서의 냉각속도를 제어하는 것이 필요하며, 본 발명에서는 이를 위해 500~800℃의 온도 영역에서의 냉각시간이 5초 이내가 되도록 제어한다. 이와 같이, 500~800℃의 온도 영역에서의 냉각속도를 빠르게 함으로써 내식성을 개선시킬 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지는 않는다.
(실시예)
슈퍼 오스테나이트계 스테인리스강의 일종인 S31254 및 N08367를 모재로 하고, Ni계 용접재료인 인코넬 625 및 하스텔로이 C276를 용접재료로 이용하여 용접함으로써 용접이음부를 제조하였다. 이와 같이 제조된 용접이음부에 대하여 용접비드와 HAZ의 경계부를 GTAW를 이용하여 제살용접한 뒤, 냉각하였다. 이 때, 제살용접시 입열량과 냉각시 500~800℃의 온도 구간의 냉각시간은 하기 표 1에 기재하였다. 상기 인코넬 625의 주요 성분은 0.03C-22Cr-8.6Mo-3.8Nb-1.6Fe-Ni(잔부)였으며, 하스텔로이 C276의 주요 성분은 0.01C-16Cr-16Mo-3.7W-57.6Ni였다.
아울러, 이와 같이 제조된 용접이음부에 대하여 ASTM G48C에 따라 공식 저항성을 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 하기 표 1에 기재된 CPT는 임계 공식 온도(Critical Pitting Temperature), 즉, 공식이 발생하는 온도를 의미한다.
구분 모재 용접재료 입열량
(KJ/mm)		 냉각시간
(초)		 용접이음부
CPT(℃)
강종 두께(mm) CPT(℃)
비교예1 S31254 5 75 인코넬 625 미실시 미실시 60
비교예2 S31254 5 75 하스텔로이 C276 미실시 미실시 60
비교예3 N08367 8 75 인코넬 625 미실시 미실시 60
비교예4 N08367 8 75 하스텔로이 C276 미실시 미실시 60
비교예5 S31254 5 75 인코넬 625 0.10 0.5 65
비교예6 S31254 5 75 인코넬 625 0.15 1.0 65
비교예7 S31254 5 75 하스텔로이 C276 0.50 8.5 60
비교예8 S31254 5 75 하스텔로이 C276 0.60 11.5 55
비교예9 N08367 8 75 인코넬 625 0.60 5.5 65
비교예10 N08367 8 75 인코넬 625 0.70 7.5 60
비교예11 N08367 8 75 하스텔로이 C276 0.85 10.5 55
발명예1 S31254 5 75 인코넬 625 0.20 2.0 75
발명예2 S31254 5 75 인코넬 625 0.25 2.5 75
발명예3 S31254 5 75 하스텔로이 C276 0.31 3.6 75
발명예4 S31254 5 75 하스텔로이 C276 0.36 5.0 75
발명예5 N08367 8 75 인코넬 625 0.25 1.5 75
발명예6 N08367 8 75 인코넬 625 0.20 1.0 75
발명예7 N08367 8 75 인코넬 625 0.26 1.5 75
발명예8 N08367 8 75 인코넬 625 0.33 2.0 75
발명예9 N08367 8 75 하스텔로이 C276 0.44 3.0 75
발명예10 N08367 8 75 하스텔로이 C276 0.57 5.0 75
상기 표 1을 통해 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 용접 조건을 만족하는 발명예 1 내지 10의 경우에는 용접이음부의 CPT가 모재와 동등한 수준임을 알 수 있다. 즉, 발명예 1 내지 10는 우수한 공식저항성을 확보하고 있음을 알 수 있다.
반면, 본 발명이 제안하는 제살용접을 하지 않거나, 제살용접을 하더라도 제살용접시 입열량과 냉각시 500~800℃의 온도 구간에서의 냉각시간이 본 발명의 조건을 충족하지 않는 비교예 1 내지 11의 경우에는 용접이음부의 CPT가 모재 보다 현저히 낮은 수준임을 알 수 있으며, 이로부터 비교예 1 내지 11은 공식저항성이 열위한 수준임을 알 수 있다.

Claims (3)

  1. 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스강을 Ni계 용접재료로 용접하여 용접이음부를 얻는 단계;
    상기 용접이음부의 용접비드와 HAZ의 경계부를 제살용접하는 단계; 및
    상기 제살용접된 경계부를 냉각시키는 단계를 포함하고,
    상기 제살용접시 입열량은 0.2kJ/mm 이상이고,
    상기 냉각시 500~800℃의 온도 구간을 5초 이내로 냉각하는 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접이음부 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, Cr: 19~28%, Ni: 17~40%, Mo: 3~8%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접이음부 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제살용접된 경계부는 강재의 표면으로부터 두께가 1mm 이상인 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접이음부 제조방법.
KR1020200154869A 2020-11-18 2020-11-18 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접이음부 제조방법 KR102326108B1 (ko)

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KR1020200154869A KR102326108B1 (ko) 2020-11-18 2020-11-18 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접이음부 제조방법

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000271742A (ja) * 1999-03-24 2000-10-03 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd テンパービード工法
JP2012115886A (ja) * 2010-12-02 2012-06-21 Toshiba Corp 構造物の溶接方法
JP2015217434A (ja) * 2014-05-21 2015-12-07 新日鐵住金ステンレス株式会社 二相ステンレス鋼溶接部の耐食性改善方法
KR20160078727A (ko) * 2014-12-24 2016-07-05 주식회사 포스코 내식성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접금속부

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