KR102468054B1

KR102468054B1 - 내마모성과 내식성이 우수한 용접이음부

Info

Publication number: KR102468054B1
Application number: KR1020200155803A
Authority: KR
Inventors: 정성훈; 김연수; 최기용; 이봉근
Original assignee: 주식회사 포스코; 고려용접봉 주식회사
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2022-11-17
Also published as: KR20220068728A

Abstract

본 발명은 아크 용접하여 얻은 용접이음부에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내마모성과 내식성이 우수한 용접이음부에 관한 것이다.

Description

내마모성과 내식성이 우수한 용접이음부 {WELDED JOINT HAVING EXCELLENT WEAR RESISTANCE AND CORROSION RESISTANCE}

최근, 화력 발전소 환경 설비의 탈황 효율을 증대시키기 위한 설비 관련 연구들이 지속되고 있으며, 대표적으로 탈황 설비 전단 및 후단의 열교환 장치인 Gas Gas Heater (GGH)에 적용되는 소재의 개발이다.

기존 GGH는 전기 집진기 후단에 위치하였으나, 최근 GGH는 전기 집진기 전단 일부에도 배치되는데, 이때 충분히 제거되지 못한 더스트들에 의한 침식에 따른 부식뿐만 아니라 마모에 따른 부식도 발생한다. 이로 인해, 탈황 설비에 사용되는 강재로서 고강도와 더불어 내마모성, 내식성을 동시에 향상시킨 강재가 개발되고 있는 추세에 있다.

이러한 강재는 실 환경에서의 적용을 위해 용접이 요구됨에 따라 용접 후 형성되는 용접부, 특히 용접이음부의 물성 확보가 요구되고 있는 실정이다.

특히, 상기 내마모성, 내식성이 향상된 강재에 맞춰 용접이음부 역시 내식성 및 내마모성을 확보할 필요가 있다.

한국 등록특허공보 제10-2098511호

본 발명의 일 측면은, 합금조성 및 미세조직을 제어하여 내마모성 및 내식성이 우수한 용접이음부를 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): 0.01~0.08%, 실리콘(Si): 0.3~0.9%, 망간(Mn): 0.8~1.6%, 인(P): 0.02% 이하(0% 제외), 황(S): 0.2% 이하(0% 제외), 니켈(Ni): 0.1~0.7%, 구리(Cu): 0.2~0.5%, 코발트(Co): 0.03~0.2%, 몰리브덴(Mo): 0.1~0.7%, 안티몬(Sb): 0.2% 이하(0% 제외), 티타늄(Ti): 0.01~0.1%, 주석(Sn): 0.01~0.3%, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 내마모성과 내식성이 우수한 용접이음부를 제공한다.

본 발명에 의하면, 상온 인장강도뿐만 아니라, 황산에 대한 내부식 특성이 우수한 용접이음부를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 발명예에 해당하는 용접이음부의 미세조직 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 내식성 시험시 사용된 용접부 부식 시편의 모식도를 나타낸 것이다.

본 발명자들은 최근 화석 발전소에 적용되고 있는 강재 특히, 내마모성과 내부식성이 우수한 강재의 적용이 확대됨에 따라, 이러한 강재의 용접시 형성되는 용접이음부도 모재와 유사 수준의 물성을 가질 수 있는 방안을 도출하기 위해 깊이 연구하였다.

그 결과, 용접이음부의 합금조성과 미세조직을 최적화함으로써 상온 인장강도와 내식성이 우수한 용접이음부를 형성할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 용접이음부는 중량%로, 탄소(C): 0.01~0.08%, 실리콘(Si): 0.3~0.9%, 망간(Mn): 0.8~1.6%, 인(P): 0.02% 이하(0% 제외), 황(S): 0.2% 이하(0% 제외), 니켈(Ni): 0.1~0.7%, 구리(Cu): 0.2~0.5%, 코발트(Co): 0.03~0.2%, 몰리브덴(Mo): 0.1~0.7%, 안티몬(Sb): 0.2% 이하(0% 제외), 티타늄(Ti): 0.01~0.1%, 주석(Sn): 0.01~0.3%를 포함할 수 있다.

이하에서는, 본 발명에서 제공하는 용접이음부의 합금조성을 위와 같이 제한하는 이유에 대하여 상세히 설명한다. 한편, 본 발명에서 특별히 언급하지 않는 한 각 원소의 함량은 중량을 기준으로 하며, 분율은 면적을 기준으로 한다.

탄소(C): 0.01~0.08%

탄소(C)는 용접이음부의 강도를 확보하는 데에 유리한 원소로서, 그 함량이 0.01% 미만이면 목표 수준의 강도를 확보할 수 없게 된다. 반면, 그 함량이 0.08%를 초과하게 되면 황산에 대한 부식성이 크게 저하되며, 특히 용접금속부의 경화도를 증가시켜 용접부 균열 발생을 조장할 우려가 있다.

따라서, 상기 C는 0.01~0.08%로 포함할 수 있다. 보다 유리하게는 0.02% 이상, 0.07% 이하로 포함할 수 있다.

실리콘(Si): 0.3~0.9%

실리콘(Si)은 용융금속 내에서 슬래그(slag)를 형성하여 용융금속을 대기로부터 보호하며, 용접금속의 강도를 향상시키는 데에 유리한 원소이다. 상술한 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.3% 이상으로 Si을 첨가할 수 있으나, 그 함량이 0.9%를 초과하게 되면 황산에 대한 부식 특성이 열위하게 되는 문제가 있다.

따라서, 상기 Si은 0.3~0.9%로 포함할 수 있다.

망간(Mn): 0.8~1.6%

망간(Mn)은 용접이음부의 상온 강도 향상에 유리한 원소로서, 이를 위해서는 0.8% 이상으로 포함할 수 있다. 다만, 그 함량이 1.6%를 초과하게 되면 슬래그 점성이 저하되어 용접비드(bead) 형상이 나빠질 우려가 있다.

따라서, 상기 Mn은 0.8~1.6%로 포함할 수 있다.

인(P): 0.02% 이하(0% 제외)

인(P)은 함량이 높을수록 강도 향상의 효과를 기대할 수 있으나, 그 함량이 과도하여 0.02%를 초과하는 경우 용접이음부의 고온 균열을 조장하는 문제가 있다.

따라서, 상기 P은 0.02% 이하로 포함할 수 있으며, 불가피하게 첨가되는 수준을 고려하여 0%는 제외할 수 있다.

황(S): 0.2% 이하(0% 제외)

황(S)은 강 중 Cu와 결합하여 CuS 안정막을 형성시킴으로써 황산에 대한 부식성을 향상시키는 효과가 있다. 하지만, 그 함량이 0.2%를 초과하게 되면 용접이음부 고온 균열을 조장하는 문제가 있다.

따라서, 상기 S은 0.2% 이하로 포함할 수 있으며, 0%는 제외할 수 있다.

보다 유리하게는 용접이음부 부식성 향상 측면에서 최소 0.005%로 포함하는 것이 바람직하다.

니켈(Ni): 0.1~0.7%

니켈(Ni)은 용접이음부의 내식성 향상을 위해 첨가하는 원소이나, 그 함량이 과도할 경우 오히려 황산에 대한 내식성이 현저히 저하될 우려가 있고, 고가의 원소로 제조비용이 크게 상승하는 문제가 있으므로, 이를 고려하여 0.7% 이하로 포함할 수 있다. 특히, 본 발명에서 상기 Ni을 최대 0.7%로 포함함에 의해 표면이 양호하고 내식성이 향상된 용접이음부를 확보하는 효과가 있다.

한편, 상기 Ni의 함량이 0.1% 미만이면 내식성 향상 효과를 기대할 수 없다.

따라서, 상기 Ni은 0.1~0.7%로 포함할 수 있다.

구리(Cu): 0.2~0.5%

구리(Cu)는 황산에 대한 부식성을 크게 향상시키는 데에 유리한 원소로서, 이러한 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.2% 이상으로 포함하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.5%를 초과하게 되면 Cu 첨가에 의한 내식성 향상 효과가 포화되고, 용접부의 재열 균열(reheating crack)을 유발할 가능성이 존재한다.

따라서, 상기 Cu는 0.2~0.5%로 포함할 수 있다.

코발트(Co): 0.03~0.2%

코발트(Co)는 상기 Cu와 더불어 내식성을 향상시키는 데에 유리한 원소로서, 상기 Cu 단독 첨가에 비해 Co와의 복합 첨가시 내식성을 더욱 향상시키는 효과가 있다.

상술한 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.03% 이상으로 Co을 함유하는 것이 유리하나, 그 함량이 0.2%를 초과하게 되면 내식성 향상 효과가 포화되고, 원가 상승의 원인이 될 우려가 있다.

따라서, 상기 Co는 0.03~0.2%로 포함할 수 있다.

몰리브덴(Mo): 0.1~0.7%

몰리브덴(Mo)은 용접이음부 강도 향상에 유리한 원소로서, 목표 수준의 강도를 확보하기 위해서는 0.1% 이상으로 포함할 수 있다. 반면, 그 함량이 0.7%를 초과하게 되면 황산에 대한 부식성이 급격히 저하되는 문제가 있다.

따라서, 상기 Mo은 0.1~0.7%로 포함할 수 있다.

안티몬(Sb): 0.2% 이하(0% 제외)

안티몬(Sb)은 황산에 대한 내식성을 향상시키는 데에 유리한 원소로서, 상술한 Cu 및 Co와 복합 첨가시 그 효과를 더욱 증대시킬 수 있다. 다만, 그 함량이 0.2%를 초과하게 되면 용접비드 형상이 불량해지는 문제가 있다.

따라서, 상기 Sb는 0.2% 이하로 포함할 수 있으며, 0%는 제외한다. 보다 유리하게는, 0.01% 이상으로 Sb을 포함할 수 있다.

티타늄(Ti): 0.01~0.1%

티타늄(Ti)은 석출물을 형성하여 강도 및 내마모성의 향상에 기여한다. 이러한 Ti의 함량이 0.01% 미만이면 석출물이 충분히 형성되지 못하게 되어 강도 향상 효과를 얻을 수 없으며, 반면 그 함량이 0.1%를 초과하게 되면 TiC가 과도하게 형성되어 크랙(crack)이 유발되거나, 산화물 형성에 의해 표면 불량이 야기될 우려가 있다.

따라서, 상기 Ti은 0.01~0.1%로 포함할 수 있다.

주석(Sn): 0.01~0.3%

주석(Sn)은 상기 Cu, Sb와 같이 표면에 안정한 농화층을 형성하며, 이러한 농화층은 황산 등의 산성 용액에서 우선적으로 용해되어 용접이음부의 내식성을 크게 향상시키는 역할을 한다.

상술한 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.01% 이상으로 Sn을 포함할 수 있으며, 다만 그 함량이 0.3%를 초과하게 되면 심각한 표면 크랙을 유발할 위험성이 있다.

따라서, 상기 Sn은 0.01~0.3%로 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 용접이음부는 미세조직으로 애시큘러 페라이트(acicular ferrite), 베이나이트(bainite), 폴리고날 페라이트(polygonal ferrite), 입계 페라이트(grain boundary ferrite)를 복합하여 포함할 수 있다.

상기 조직 상(phase) 중, 용접이음부 강도 확보에 유리한 애시큘러 페라이트와 베이나이트 상을 주상으로 포함하는 것이 바람직하다.

보다 유리하게, 상기 애시큘러 페라이트 및 베이나이트 상을 분율 합으로 80면적% 이상(100면적% 제외)으로 포함할 수 있으며, 이들 상을 제외한 폴리고날 페라이트 및 입계 페라이트 상을 20면적% 이하(0면적% 제외)로 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 상술한 합금조성과 미세조직으로 구성된 본 발명의 용접이음부는 아크를 이용하는 어떠한 용접 방법에 의해서도 형성될 수 있으며, 예를들어 피복 금속 아크 용접(Shield Metal Arc Welding, SMAW) 또는 플럭스 코어드 아크 용접(Flux Cored Arc Welding, FCAW) 방법을 통해 얻을 수 있다.

상술한 용접 방법의 조건에 대해서는 특별히 한정하지 아니하나, 한 가지 예로서 상기 SMAW 방법에 의할 경우에는 100~150의 전류, 15~25의 전압, 5~15cm/min의 속도로 행할 수 있으며, 상기 FCAW 방법에 의할 경우에는 250~300의 전류, 25~35의 전압, 30~40cm/min의 속도로 행할 수 있음을 밝혀둔다.

본 발명에서 제안하는 합금조성 및 미세조직으로 구성된 본 발명의 용접이음부는 상온 인장강도와 황산에 대한 내식성이 우수한 효과가 있다.

구체적으로, 상기 용접이음부는 650MPa 이상의 상온 인장강도를 가지면서, 황산 단독 50% 용액에 침지시 부식속도가 25mg/cm²/hr 이하, 복합(28.5%황산+0.55%염산) 용액 침지시 부식속도가 1.5mg/cm²/hr 이하로 우수한 내부식성 특성을 가진다.

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)

GGH용 고내식 강재(중량%로, 0.043C-0.015Si-0.28Cu-0.14Ni-0.10Sb-0.07Ti-0.15Sn-0.005S-0.002N, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물)를 준비한 후, 피복 아크 용접재료를 이용하여 SMAW 방법으로 용접을 행하였다.

이때, 피복 아크 용접재료는 0.03%C-0.3%Si-0.9%Mn-0.3%Ni-0.05%Co-0.3%Cu-0.2%Mo-0.1%Sb-0.01%P-0.01%S-잔부 Fe 및 불가피한 불순물의 합금조성을 가지는 것을 이용하였으며, 이때, 상기 SMAW는 속도: 10cm/min, 전류: 130A, 전압: 21V로 실시하였다.

상기에 따라 용접한 후 형성된 용접이음부의 합금조성을 하기 표 1에 나타내었으며, 또한 각 용접이음부의 물성을 측정하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

구체적으로, 상온 인장강도 측정을 위해 KS 규격(KS B 0801) 4호 시험편에 준하여 인장시험편을 제작한 후, 각 인장시험편에 대해 상온에서 용접부 수직방향으로 파단이 일어날 때까지 하중을 부과하여 인장강도를 측정하였다.

또한, 내부식 측정을 위하여, 도 2와 같은 형상으로 시편을 채취한 다음, 다음과 같은 부식 조건에 상기 시편을 침지한 후 꺼내어, 침지 시간으로부터 부식이 발생하는 시간 즉, 부식 속도를 측정하는 것으로부터 평가하였다.

○ 황산 단독 부식 조건: 70℃, 50wt% 황산 용액 내에 1hr, 6hr, 24hr 동안 침지하는 조건으로 실시(각 시간별로 개별 측정)

○ 복합 부식 조건: 60℃, 28.5wt% 황산 + 0.55wt% 염산 용액 내에 6hr, 24hr 동안 침지하는 조건으로 실시(각 시간별로 개별 측정)

구분	합금조성 (중량%)
	C	Si	Mn	P	S	Ni	Co	Cu	Mo	Sb	Sn	Ti
비교예 1	0.043	0.266	0.84	0.007	0.0053	0.10	0	0.342	0.02	0.10	0	0
비교예 2	0.058	0.362	1.02	0.004	0.0068	0.05	0.001	0.357	0.10	0.09	0.025	0.10
비교예 3	0.064	0.423	1.34	0.005	0.0047	0.15	0.003	0.278	0.24	0.05	0.10	0.05
비교예 4	0.047	0.294	0.94	0.008	0.0073	0.24	0.002	0.361	0.18	0.018	0.03	0.03
발명예 1	0.056	0.653	1.08	0.012	0.0064	0.385	0.03	0.318	0.495	0.095	0.04	0.032
발명예 2	0.034	0.342	1.26	0.008	0.0078	0.441	0.150	0.361	0.506	0.018	0.036	0.029
발명예 3	0.068	0.453	0.97	0.004	0.0052	0.385	0.03	0.318	0.495	0.095	0.04	0.032
발명예 4	0.046	0.675	1.12	0.005	0.0045	0.441	0.03	0.361	0.506	0.018	0.036	0.029

구분	상온 인장강도 (MPa)	황산 단독 부식 감량 (mg/cm²/hr)	복합 부식 감량 (mg/cm²/hr)
비교예 1	655	75	2.9
비교예 2	764	56	2.4
비교예 3	734	47	1.9
비교예 4	748	34	1.5
발명예 1	745	24	0.8
발명예 2	736	25	1.3
발명예 3	765	20	0.9
발명예 4	728	17	0.7

상기 표 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 합금조성을 가지는 용접이음부(발명예 1 내지 4)는 상온 인장강도가 높고, 황산에 대한 부식 저항성이 우수한 것을 확인할 수 있다.

반면, 본 발명에서 제안하는 합금조성을 만족하지 못하는 비교예 1 내지 4는 황산에 대한 부식 저항성이 상당히 열위한 것을 확인할 수 있다.

도 1은 발명예 4의 미세조직 사진을 나타낸 것이다.

도 1에서 확인할 수 있듯이, 강도 확보에 유리한 애시큘러 페라이트와 베이나이트 상이 상당한 분율로 형성된 것을 확인할 수 있으며, 일부 폴리고날 페라이트와 입계 페라이트 상이 확인된다.

Claims

중량%로, 탄소(C): 0.01~0.08%, 실리콘(Si): 0.3~0.9%, 망간(Mn): 0.8~1.6%, 인(P): 0.02% 이하(0% 제외), 황(S): 0.2% 이하(0% 제외), 니켈(Ni): 0.1~0.7%, 구리(Cu): 0.2~0.5%, 코발트(Co): 0.03~0.2%, 몰리브덴(Mo): 0.1~0.7%, 안티몬(Sb): 0.2% 이하(0% 제외), 티타늄(Ti): 0.01~0.1%, 주석(Sn): 0.01~0.3%, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
애시큘러 페라이트 및 베이나이트 상을 분율 합으로 80면적% 이상(100면적% 제외) 포함하며, 잔부 폴리고날 페라이트 및 입계 페라이트 상을 포함하는 내마모성과 내식성이 우수한 용접이음부.
제 1항에 있어서,
상기 용접이음부는 안티몬(Sb)을 0.01~0.2%로 포함하는 내마모성과 내식성이 우수한 용접이음부.
삭제
제 1항에 있어서,
상온 인장강도가 650MPa 이상인 내마모성과 내식성이 우수한 용접이음부.
제 1항에 있어서,
황산 50% 용액 내에 침지시 부식속도가 25mg/cm²/hr 이하, 복합(28.5% 황산 + 0.55% 염산) 용액 내에 침지시 부식속도가 1.5mg/cm²/hr 이하인 내마모성과 내식성이 우수한 용접이음부.