KR102592758B1

KR102592758B1 - 용접 구조체 및 저장 탱크

Info

Publication number: KR102592758B1
Application number: KR1020227018006A
Authority: KR
Inventors: 에이이치로 이시마루; 다쿠야 사쿠라바; 유지 가가; 도요히코 가키하라
Original assignee: 닛테츠 스테인레스 가부시키가이샤
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2023-10-25
Also published as: EP4130321A1; JP7246568B2; US11946126B2; WO2021201122A1; KR20220090560A; JPWO2021201122A1; CN114829653A; US20220411909A1

Abstract

이 용접 구조체는, 2상 스테인리스강을 포함하는 모재와, 상기 모재끼리가 용접되어 이루어지는 용접부를 구비한 용접 구조체이며, 상기 모재가 소정의 화학 성분을 갖고, 상기 용접부의 용접 금속의 금속 조직에 있어서의 페라이트상의 체적률이 45 내지 75％이며, 상기 모재의 경도에 대한 상기 용접 금속의 경도의 비가 0.8 내지 1.2이며, 상기 용접 금속의 상기 페라이트상 내에 생성되는 석출물량이 면적률로 10％ 미만이다.

Description

용접 구조체 및 저장 탱크

본 발명은, 용접 구조체, 특히 온수를 저장하는 온수 저장 탱크나 음료를 저장하는 음료 저장 탱크에 적합하게 적용 가능한 용접 구조체, 및 저장 탱크에 관한 것이다.

본원은, 2020년 03월 31일에 일본에 출원된 특허 출원 제2020-064501호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

스테인리스강은 그 수환경에 있어서의 우수한 내식성으로 인해, 온수를 저장하는 온수 저장 탱크나 음료를 저장하는 음료 저장 탱크의 소재에 이용되고 있다. 저장되는 온수로서는 예를 들어, 수돗물, 우물물, 온천수 등이 있고, 온도는 상온으로부터 100℃약(弱)까지로 광범위하다. 또한, 저장되는 음료로서는, 과즙, 각종 전해질, 약산 등을 포함하고, 비교적 pH가 낮은 음료를 들 수 있다. 종래, 이러한 용도에 적용 가능한 스테인리스강으로서, 페라이트계 스테인리스강이나 오스테나이트계 스테인리스강이 이용되고 있다. 예를 들어, 하기 특허문헌 1에는, 페라이트계 스테인리스강을 포함하는 온수 용기가 기재되어 있다. 또한, 하기 특허문헌 2에는, 용기벽이 페라이트계 스테인리스강으로 구성되고, 이것에 용접되는 재료가 오스테나이트계 스테인리스강으로 구성된 온수용 용기가 기재되어 있다.

그러나, 페라이트계 스테인리스강이나 오스테나이트계 스테인리스강은, 2상 스테인리스강에 비해 내력이 낮다. 그 때문에, 소정의 강도를 갖게 하기 위해 육후를 크게 할 필요가 있고, 박육 경량화의 요구에 충분히 대응할 수 없는 문제가 있다. 또한, 오스테나이트계 스테인리스강은, 비교적 고가인 합금 성분을 많이 함유하기 때문에, 비용면에서 불리해지는 문제가 있다. 한편, 2상 스테인리스강은, 내력이 비교적 높으므로 박육 경량화의 요망에 대응할 수 있고, 또한 고가인 합금 성분의 함유량이 비교적 적으므로, 비용면에서도 유리해진다.

그러나, 2상 스테인리스강의 모재에서는, 우수한 내식성을 확보하기 위해서, 열처리에 의해 페라이트상과 오스테나이트상의 비율이 대략 1:1이 되도록 제어되어 있다. 그러나, 2상 스테인리스강에 용접 시공을 행한 경우, 용접 금속이 용융 상태로부터 단시간에 냉각될 때, 용접 금속 중의 페라이트상의 분율이 모재보다도 높아진다. 용접 금속의 페라이트상의 분율이 높아지면, N의 고용량이 많은 오스테나이트상이 적어지고, 페라이트상 중에 N이 농화된다. 그러나, 페라이트상에 있어서 N의 고용량은 매우 작으므로, 고용 한계를 초과하는 과잉의 N이 Cr과 결합하여 Cr 질화물을 석출시킨다. 이에 의해, 2상 스테인리스강에서는, 용접 금속 중에 Cr 결핍층이 형성되고, 결과적으로 용접 금속이나 용접 열 영향부의 내식성이 저하되어버리는 문제가 있다.

일본 특허 제5010323호 공보 일본 특허 제3179194호 공보

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 내력이 우수하고, 또한 용접부에 있어서의 내식성도 우수한 2상 스테인리스강을 포함하는 용접 구조체를 제공하는 것을 과제로 한다. 또한, 본 발명은 그러한 용접 구조체를 갖는 저장 탱크를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 양태에 관한 용접 구조체는, 하기 요건을 갖는다.

[1] 본 발명의 일 양태에 관한 용접 구조체는, 2상 스테인리스강을 포함하는 모재와, 상기 모재끼리가 용접되어 이루어지는 용접부를 구비한 용접 구조체이며,

상기 모재의 화학 성분이, 질량％로, C: 0.050％ 이하, Si: 0.03 내지 5.00％, Mn: 0.01 내지 8.00％, P: 0.070％ 이하, S: 0.0500％ 이하, Ni: 1.0 내지 30.0％, Cr: 15.0 내지 30.0％, Mo: 0.010 내지 8.000％, Cu: 0.010 내지 5.000％, N: 0.050 내지 0.800％, Al: 0 내지 1.00％, Ti: 0 내지 0.400％, Nb: 0 내지 0.40％, V: 0 내지 0.50％, W: 0 내지 1.0％, Zr: 0 내지 0.200％, Ta: 0 내지 0.100％, Sn: 0 내지 0.50％, Sb: 0 내지 0.50％, Ga: 0 내지 0.50％, B: 0 내지 0.0050％, Ca: 0 내지 0.0050％, Mg: 0 내지 0.0050％ 및 REM: 0 내지 0.10％를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물이며,

상기 용접부의 용접 금속의 금속 조직에 있어서의 페라이트상의 체적률이 45 내지 75％이며,

상기 모재의 경도에 대한 상기 용접 금속의 경도의 비가 0.80 내지 1.20이며,

상기 용접 금속의 상기 페라이트상 내에 생성되는 석출물량이 면적률로 10％ 미만이다.

[2] 상기 [1]에 기재된 용접 구조체는, 상기 모재가, 이하의 제1군 및 제2군에서 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다.

제1군: 질량％로,

Al: 1.00％ 이하,

Ti: 0.010 내지 0.400％,

Nb: 0.01 내지 0.40％,

V: 0.01 내지 0.50％,

W: 0.01 내지 1.0％,

Zr: 0.001 내지 0.200％,

Ta: 0.001 내지 0.100％,

Sn: 0.001 내지 0.50％,

Sb: 0.001 내지 0.50％ 및

Ga: 0.001 내지 0.50％.

제2군: 질량％로,

B: 0.0002 내지 0.0050％,

Ca: 0.0002 내지 0.0050％,

Mg: 0.0002 내지 0.0050％ 및

REM: 0.001 내지 0.10％.

[3] 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 용접 구조체는, 상기 모재의 내력이 500MPa 이상이며, 상기 용접부의 내력이 440MPa 이상이어도 된다.

[4] 상기 [1] 내지 [3] 중 어느 한 항에 기재된 용접 구조체는, 온수용의 저장 탱크용이어도 된다.

[5] 상기 [1] 내지 [3] 중 어느 한 항에 기재된 용접 구조체는, 음료용의 저장 탱크용이어도 된다.

[6] 본 발명의 다른 양태에 관한 저장 탱크는, 액체용의 저장 탱크이며, [1] 내지 [3] 중 어느 한 항에 기재된 용접 구조체를 갖는다.

[7] 상기 [6]에 기재된 저장 탱크에서는, 상기 액체가 물, 음료, 온수 및 유제품 중 어느 하나 이상이어도 된다.

본 발명의 상기 양태에 의하면, 내력이 우수하고, 또한 용접부에 있어서의 내식성도 우수한 2상 스테인리스강을 포함하는 용접 구조체, 및 이 용접 구조체를 갖는 저장 탱크를 제공할 수 있다.

도 1은 용접 금속의 페라이트상 중의 석출물 면적률과 부식 시험 후의 녹 유무의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 실시 형태의 용접 구조체의 일 실시 형태, 및 본 실시 형태의 저장 탱크의 일 실시 형태에 대하여 각각 상세하게 설명한다.

<용접 구조체>

본 실시 형태의 용접 구조체는, 2상 스테인리스강을 포함하는 모재와, 모재끼리가 용접된 용접부를 구비한다. 모재는 예를 들어 2상 스테인리스 강판이다.

이하, 모재 및 용접부에 대하여 설명한다.

(모재)

2상 스테인리스강의 화학 성분의 함유량의 한정 범위와 그 이유에 대하여 설명한다. 강의 성분을 나타내는 ％에 대하여는, 특별히 정하지 않는 한 질량％를 의미한다.

C: 0.050％ 이하

0.050％를 초과하여 C를 함유시키면, Cr 탄화물이 생성되어, 내식성이 열화된다. 따라서, 모재의 내식성을 확보하기 위해서, C 함유량을 0.050％ 이하로 제한한다. C 함유량은 바람직하게는 0.030％ 이하이다.

한편, C는, 2상 조직을 구성하는 오스테나이트를 형성하는 원소이다. 이 때문에, C 함유량은 바람직하게는 0.005％ 이상이며, 보다 바람직하게는 0.010％ 이상이다.

Si: 0.03 내지 5.00％

Si는 탈산을 위해 0.03％ 이상 함유시킨다. Si 함유량은 바람직하게는 0.10％ 이상이며, 보다 바람직하게는 0.30％ 이상이다. 그러나, 5.00％를 초과하여 Si를 함유시키면, σ상의 석출이 촉진된다. 그 때문에, Si 함유량을 5.00％ 이하로 한정한다. Si 함유량은 바람직하게는 2.00％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.60％ 이하이다.

Mn: 0.01 내지 8.00％

Mn은, 탈산재 및 2상 조직으로 하기 위한 오스테나이트 안정화 원소로서, 0.01％ 이상 함유시킨다. Mn 함유량은 바람직하게는 0.10％ 이상이며, 보다 바람직하게는 1.50％ 이상이다. 그러나, 8.00％를 초과하여 Mn을 함유시키면 내식성이 열화된다. 그 때문에, Mn 함유량을 8.00％ 이하로 한정한다. Mn 함유량은 바람직하게는 5.00％ 이하이고, 보다 바람직하게는 4.00％ 이하이다.

P: 0.070％ 이하

P는 열간 가공성 및 인성을 열화시키기 위해서, P 함유량을 0.070％ 이하로 제한한다. P 함유량은 바람직하게는 0.050％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.035％ 이하이다. 한편, P 함유량은 낮은 편이 바람직하지만, 과도하게 P 함유량을 저감시키면 정련 비용이 높아진다. 그 때문에, 비용의 관점에서는, P 함유량은 바람직하게는 0.005％ 이상이다.

S: 0.0500％ 이하

S는 열간 가공성, 인성 및 내식성을 열화시키기 위해서, S 함유량을 0.0500％ 이하로 제한한다. S 함유량은 바람직하게는 0.0100％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.0010％ 이하이다. 한편, S 함유량은 낮은 편이 바람직하지만, 과도하게 S 함유량을 저감시키면 원료 비용과 정련 비용이 높아진다. 그 때문에, 비용의 관점에서는, S 함유량은 바람직하게는 0.0003％ 이상이다.

Ni: 1.0 내지 30.0％

Ni는, 스테인리스강의 부동태 피막에 함유됨으로써, 부동태 피막의 Fe 농도가 높은 경우에 공식 발생을 억제하는 효과와, 부식이 발생했을 때의 부식 진전을 억제하는 효과를 갖는다. Ni 함유량이 1.0％ 미만이면, 충분한 내식성을 얻을 수 없다. 그 때문에, Ni 함유량을 1.0％ 이상으로 한다. Ni 함유량은 바람직하게는 2.0％ 이상이며, 보다 바람직하게는 4.0％ 이상이다.

한편, Ni 함유량이 30.0％를 초과하면, 피막의 Cr 농도가 너무 저하되기 때문에 충분한 내식성을 얻을 수 없다. 따라서, Ni 함유량을 30.0％ 이하로 할 필요가 있다. Ni 함유량은 바람직하게는 15.0％ 이하이고, 보다 바람직하게는 10.0％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 7.0％ 이하이다.

Cr: 15.0 내지 30.0％

Cr 함유량이 15.0％ 미만인 경우, 충분한 내식성을 얻을 수 없다. 따라서 Cr 함유량을 15.0％ 이상으로 할 필요가 있다. Cr 함유량은 바람직하게는 18.0％ 이상이며, 보다 바람직하게는 20.0％ 이상이며, 더욱 바람직하게는 21.0％ 이상이다.

한편, Cr 함유량이 30.0％를 초과하면, 부동태 피막 중의 Cr 농도가 높아져 스테인리스강의 자연 전위가 높은 환경에서 충분한 내식성을 얻을 수 없다. 또한 σ상의 석출이 많아지고, 내식성, 열간 제조성이 열화된다. 따라서 Cr 함유량을 30.0％ 이하로 할 필요가 있다. Cr 함유량은 바람직하게는 28.0％ 이하이고, 보다 바람직하게는 25.0％ 이하이다.

Mo: 0.010 내지 8.000％

Mo는, 모재의 내식성을 향상시키는 원소이며, 0.010％ 이상의 함유로 효과가 발휘된다. 이 때문에, Mo 함유량은 0.010％ 이상이다. Mo 함유량은 바람직하게는 0.050％ 이상이며, 보다 바람직하게는 1.000％ 이상이다.

한편, 8.000％ 이하라면 Mo를 함유해도 되지만, Mo 함유량이 4.000％를 초과하면, 열간 가공 시에 σ상이 석출되기 쉬워진다. 그 때문에, Mo 함유량은, 8.000％ 이하이고, 바람직하게는 4.000％ 이하이고, 보다 바람직하게는 1.500％ 이하이다.

Cu: 0.010 내지 5.000％

0.010％ 이상의 Cu를 함유시키면, 부식이 발생했을 때의 부식 진전을 억제하는 효과가 얻어진다. 이 때문에, Cu 함유량은 0.010％ 이상이다. Cu 함유량은 바람직하게는 0.050％ 이상이며, 보다 바람직하게는 0.200％ 이상이다.

한편, 5.000％ 이하의 양이면 Cu를 함유해도 되지만, Cu 함유량이 3.000％를 초과하면, 주조 시에 균열이 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, Cu 함유량은, 5.000％ 이하이고, 바람직하게는 3.000％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.500％ 이하이다.

N: 0.050 내지 0.800％

N은 내식성을 높이는 유효한 원소이며, 0.050％ 이상의 N을 함유시키면, 내식성이 향상된다. 이 때문에, N 함유량은 0.050％ 이상이다. N 함유량은 바람직하게는 0.100％ 이상이며, 보다 바람직하게는 0.120％ 이상이다.

한편, 0.800％ 초과의 N을 함유시키면, 주조 시에 기포가 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, N 함유량은 0.800％ 이하이다. N 함유량은 바람직하게는 0.300％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.180％ 이하이다.

본 실시 형태에 있어서는, 전술한 원소에 더하여, 강의 여러 특성을 조정할 목적으로, 모재에 이하의 제1군 및 제2군에서 선택되는 어느 1종 이상의 합금 원소가 함유되어 있어도 된다. 단, 이들 원소는 함유되지 않아도 되므로, 하한은 0％이다.

제1군: 질량％로, Al: 1.00％ 이하, Ti: 0.010 내지 0.400％, Nb: 0.01 내지 0.40％, V: 0.01 내지 0.50％, W: 0.01 내지 1.0％, Zr: 0.001 내지 0.200％, Ta: 0.001 내지 0.100％, Sn: 0.001 내지 0.50％, Sb: 0.001 내지 0.50％ 및 Ga: 0.001 내지 0.50％.

제2군: 질량％로, B: 0.0002 내지 0.0050％, Ca: 0.0002 내지 0.0050％, Mg: 0.0002 내지 0.0050％ 및 REM: 0.001 내지 0.10％.

제1군: Al, Ti, Nb, V, W, Zr, Ta, Sn, Sb, Ga

Al: Al은 탈산 원소로서 유용하지만, 가공성을 열화시키기 위해 다량으로 함유시켜서는 안된다. Al 함유량을 1.00％ 이하로 제한하는 것이 좋다. Al 함유량의 바람직한 범위는, 0.50％ 이하이다. Al 함유량은 0.01％ 이상이어도 된다.

Ti, Nb, V, W, Zr, Ta, Sn, Sb, Ga는, 내식성을 향상시키는 원소이며, 이하의 범위에서 1종 또는 2종 이상 함유해도 된다.

Ti: 0.010 내지 0.400％, Nb: 0.01 내지 0.40％, V: 0.01 내지 0.50％, W: 0.01 내지 1.0％, Zr: 0.001 내지 0.200％, Ta: 0.001 내지 0.100％, Sn: 0.001 내지 0.50％, Sb: 0.001 내지 0.50％, Ga: 0.001 내지 0.50％.

Ti: 0.010 내지 0.400％

Nb: 0.01 내지 0.40％

Ti 및 Nb는, C, N을 탄질화물로서 고정하여 내식성을 향상시키는 작용, 특히 입계 부식을 억제하는 작용을 갖는다. 이 때문에, Ti와 Nb의 한쪽 또는 양쪽을 함유시켜도 된다. Ti 함유량이 0.010％ 이상, Nb 함유량이 0.01％ 이상의 적어도 한쪽이면, 효과가 발휘된다.

한편, 과잉으로 함유시켜도 효과는 포화된다. 그 때문에, Ti 함유량은 0.400％ 이하, Nb 함유량은 0.40％ 이하로 한다.

Ti, Nb의 적정한 함유량으로서는, Ti와 Nb의 합계 함유량이 C와 N의 합계 함유량의 5배 이상 또한 30배 이하가 좋다. 보다 바람직하게는, Ti와 Nb의 합계 함유량이, C와 N의 합계 함유량의 10배 이상, 25배 이하인 것이 좋다.

V: 0 내지 0.50％, W: 0 내지 1.0％

V, W는, 내식성, 특히 내틈새 부식성을 개선하는 원소이며, 필요에 따라서 함유해도 된다. 이 효과를 얻는 경우, V, W의 각각의 함유량을 0.01％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. V 함유량, W 함유량은 바람직하게는 0.04％ 이상이다.

한편, V나 W의 과도한 양의 함유는, 가공성을 저하시키고, 또한 내식성을 향상시키는 효과도 포화된다. 그 때문에, V 함유량을 0.50％ 이하로 하고, W 함유량을 1.0％ 이하로 한다. V 함유량은 바람직하게는 0.30％ 이하이다. W 함유량은 바람직하게는 0.6％ 이하, 보다 바람직하게는 0.5％ 이하이다.

Zr: 0 내지 0.200％

Ta: 0 내지 0.100％

Zr, Ta는, 개재물의 개질에 의해 내식성을 향상시키는 원소이며, 필요에 따라서 함유해도 된다.

또한, Zr은 부동태 피막 중에 산화물로서 안정적으로 존재하기 때문에, 부동태 피막의 강화에 기능한다. 0.001％ 이상의 Zr 함유에 의해 효과가 발휘되기 때문에, Zr 함유량을 0.001％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. Zr 함유량은 바람직하게는 0.010％ 이상이다.

한편, Zr 함유량이 0.200％ 초과인 경우, 산화물의 응집 합체에 의한 흠집이 다발한다. 그 때문에 Zr 함유량을 0.200％ 이하로 한다. Zr 함유량은 바람직하게는 0.100％ 이하이다.

또한, Ta는, 0.001％ 이상의 함유에 의해, 효과가 발휘되므로, Ta 함유량의 하한을 0.001％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

한편, Ta 함유량이 0.100％ 초과인 경우, 상온 연성의 저하나 인성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Ta 함유량은 바람직하게는 0.100％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.050％ 이하이다. 소량의 Ta 함유량으로 효과를 발현시키는 경우에는, Ta 함유량을 0.020％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Sn: 0 내지 0.50％

Sb: 0 내지 0.50％

미량의 Sn 또는 Sb를 함유시키면, 내식성이 향상된다. 이 때문에, Sn, Sb는, 내식성을 향상시키는 데 유용한 원소이며, 염가성을 손상시키지 않는 범위에서 함유시켜도 된다. Sn 또는 Sb의 함유량이 0.001％ 미만이면, 내식성을 향상시키는 효과는 발현되지 않으므로, Sn, Sb의 각각의 함유량을 0.001％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. Sn, Sb의 각각의 함유량은 바람직하게는 0.01％ 이상이다.

한편, Sn 또는 Sb의 함유량이 0.50％를 초과하면, 비용 증가가 현재화됨과 함께 가공성도 저하된다. 그 때문에, Sn, Sb의 각각의 함유량을 0.50％ 이하로 한다. Sn, Sb의 각각의 함유량은 바람직하게는 0.30％ 이하이다.

Ga: 0 내지 0.50％

Ga는, 내식성 및 가공성 향상에 기여하는 원소이며, 함유시켜도 된다. 효과를 얻는 경우, Ga 함유량은 0.001％ 이상이 바람직하다. Ga 함유량은 바람직하게는 0.01％ 이상, 보다 바람직하게는 0.015％ 이상이다.

한편, Ga 함유량이 0.50％를 초과하면, 인성이 저하되어 제조성이 현저하게 저하된다. 그 때문에, Ga 함유량을 0.50％ 이하로 한다. Ga 함유량은 바람직하게는 0.30％ 이하이다.

제2군: B, Ca, Mg, REM

B: 0 내지 0.0050％

Ca: 0 내지 0.0050％

Mg: 0 내지 0.0050％

REM: 0 내지 0.10％

B, Ca, Mg, REM은, 열간 가공성을 개선하는 원소이며, 그 목적으로 1종 또는 2종 이상을 함유시켜도 된다. B, Ca, Mg의 효과는 0.0002％ 이상의 함유량으로 발현되는 점에서, B, Ca, Mg의 각각의 함유량을 0.0002％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. REM의 경우에는, 함유를 0.001％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. B, Ca, Mg의 각각의 함유량은 보다 바람직하게는 0.0005％ 이상이다. REM 함유량은 보다 바람직하게는 0.005％ 이상이다.

한편, 어느 것이나 모두 과잉량의 함유는, 반대로 열간 가공성을 저하시킨다. 그 때문에, 그 함유량을 다음과 같이 설정하는 것이 바람직하다. 즉, B, Ca, Mg의 각각의 함유량은 0.0050％ 이하이고, REM 함유량은 0.10％ 이하이다.

B, Ca, Mg의 각각의 함유량은 바람직하게는 0.0015％ 이하이다. REM 함유량은 바람직하게는 0.03％ 이하이다.

여기서, REM(희토류 원소)은 일반적인 정의에 따르고, 스칸듐(Sc), 이트륨(Y)의 2 원소와, 란탄(La)으로부터 루테튬(Lu)까지의 15 원소(란타노이드)의 총칭을 가리킨다. 단독으로 함유시켜도 되고, 혼합물이어도 된다. REM 함유량은 이들 원소의 합계량이다.

본 실시 형태의 모재를 구성하는 2상 스테인리스강은, 상술된 원소 이외의 잔부는, Fe 및 불순물이지만, 이상 설명한 각 원소 이외에도, 본 실시 형태의 효과를 손상시키지 않는 범위에서 함유시킬 수 있다.

(용접부)

이어서, 용접부에 대하여 설명한다. 용접부에는, 용융되어 재응고된 용접 금속과, 용융되지는 않았지만, 용접 시에 열 영향을 받은 열 영향부가 형성된다. 이하, 용접부가 포함하는 용접 금속의 조직에 대하여 설명한다.

용접 금속에 있어서의 페라이트상의 분율은, 체적％로 45 내지 75％의 범위로 한다.

용접 금속은, 페라이트상에서 응고가 시작되고, 완전히 고상이 되고 나서 오스테나이트상으로 변태된다. 용접과 같은 비교적 냉각 속도가 큰 경우에는, 고상 변태에 충분한 시간이 얻어지지 않는 점에서, 오스테나이트상의 비율이 저하되어 페라이트상의 비율이 필연적으로 높아진다. 그러나, 용접 중에 고상 변태의 시간을 충분히 벌기는 어렵다. 오스테나이트상이 많으면 경화된다. 본 실시 형태의 용접 구조체에서는, 용접부에 충분한 가공성을 유지시키기 위해서, 용접 금속에 있어서 체적률로 45％ 이상의 페라이트상이 필요하다. 한편, 페라이트상 중의 C, N의 고용 한계 농도는 낮으므로, 페라이트상이 많아지면 탄질화물이 생성된다. 이 경우, Cr 탄질화물이 생성되면 Cr 결핍층이 형성되지만, Cr 결핍층은 녹의 기점이 되므로 문제가 된다. 따라서, 페라이트상의 체적률은 75％ 이하로 한다.

또한, 용접 금속에 있어서는, 페라이트상 체적률에 더하여, 석출물의 양도 중요하다. 2상 스테인리스강의 용접부에 있어서 석출물은 녹의 기점이 된다. 그 때문에, 2상 스테인리스강의 용접 시에는, 석출물을 억제하는 용접 조건을 설정하는 경우가 많지만, 본 실시 형태의 용접 구조체에 있어서는, Cr 탄질화물이 석출되기 어렵고, Cr 탄질화물이 석출되어 있어도 오스테나이트상으로의 고상 변태가 가능한 시간에 있어서 Cr의 확산이 진행되어 Cr 결핍층이 무해화되므로, 석출물이 10％ 미만이면 녹의 기점으로 되지는 않는다. 그 때문에, 페라이트상 내에 생성되는 석출물량을 면적률로 10％ 미만으로 한다. 석출물로서는 Cr 탄질화물을 들 수 있다.

또한, 용접 금속의 경도는 용접 구조체의 강도에 매우 큰 영향을 미친다. 용접 금속에는 미소 결함을 포함하는 것이 일반적이고 검출하는 것이 어렵지만, 구조체의 강도에 영향을 미치는 경우에는, 용접 금속 그 자체가 모재에 비해 큰 경도 변화를 나타낸다. 따라서, 용접 금속의 임의 개소의 경도를 측정하고, 모재의 경도에 대한 용접 금속의 경도의 비(용접 금속의 경도/모재의 경도)를 0.8 내지 1.2의 범위로 한다. 경도의 비는 바람직하게는 0.9 내지 1.1의 범위이다.

또한, 본 실시 형태의 용접 구조체는, 모재의 내력이 500MPa 이상인 것이 바람직하다. 또한, 용접부의 내력(용접 금속을 포함하는 용접 조인트의 내력)이 440MPa 이상인 것이 바람직하다. 모재의 내력을 500MPa 이상, 또한 용접부의 내력을 440MPa 이상으로 함으로써, 용접 구조체의 박육 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 용접 구조체 전체의 강도를 높일 수 있고, 온수 탱크나 음료 탱크의 대용량화를 도모할 수 있다.

모재의 내력 및 용접부의 내력은, 인장 시험에 의해 측정한다. 인장 시험은 JIS Z 2241:2011에 준거한 조건에서 실시한다.

모재의 내력은, JIS 13호 B 시험편을 제작하고, n=2의 시험을 실시하여, 낮은 쪽의 값을 채용한다.

용접부의 내력은, 시험편 평행부의 중심에 용접부를 배치한 JIS 13호 B 시험편을 제작하고, 용접부가 모재보다도 두꺼워 덧땜 상태로 되어 있을 경우에는, 연삭하여 단면적 형상을 모재 평행부와 일치시킨다. n=2의 시험을 실시하여, 낮은 쪽의 값을 채용한다.

본 실시 형태의 용접 구조체는, 온수용의 저장 탱크로서 적합하게 사용할 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 용접 구조체는, 음료용의 저장 탱크로서 적합하게 사용할 수 있다.

2상 스테인리스강은, 고내력이며 변형되기 어려운 것이 용이하게 상정된다. 한편, 용접부의 조직은 일단 용해되고 응고 조직으로 변화되는 점에서, 조대화하여 연화되는 것도 알려져 있다. 즉, 용접 구조체의 변형은, 용접부를 기준으로 하여 생각할 필요가 있다. 변형에 대한 강도를 상승시키기 위해서는 판 두께를 증가시키는 것이 대책이 되지만, 판 두께의 증가는 중량의 증가를 수반한다. 중량이 증가하면 부설 공사 비용이나 운반 비용의 상승을 초래하여, 경제적 불이익이 발생하는 점에서 가능하면 경량화가 바람직하다. 따라서, 용접부의 강도 저하가 작은 본 실시 형태의 용접 구조체는, 용접 구조체로서 우수한 특성을 갖고 있다. 또한, 강도 저하의 억제를 조직 제어에 의해 달성하고 있기 때문에, 2상 스테인리스강으로 내식성의 저하도 억제 가능해진다.

본 실시 형태의 용접 구조체로부터, 저장 탱크를 제조할 때에는, 예를 들어 프레스 가공 등의 성형 가공에 의해 모재인 경판을 제조함과 함께, 모재로서의 탱크 동체부를 제조하고, 이들을 용접하여 용접 구조체로 하고, 이 용접 구조체를 사용하여, 저장 탱크를 제조한다.

본 실시 형태의 용접 구조체는, 모재의 강도가 높으므로, 경판의 스프링백이 강해진다. 이 때문에, 탱크 동체부와 경판 사이의 용접부 근방에서는, 틈새 구조가 형성되기 어려워진다. 즉, 통상적으로 탱크의 제조할 때는, 탱크 동체부의 단부에, 경판의 단부를 겹치고, 겹친 부분에 있어서 용접부를 형성하지만, 경판의 강도가 높으면, 용접부 근방에 있어서, 틈새 구조가 형성되기 어려워진다.

따라서, 본 실시 형태의 용접 구조체를 사용하여, 저장 탱크를 제조한 경우, 간극 부식이 발생하기 어려워져, 내식성을 보다 높일 수 있다.

<저장 탱크>

본 실시 형태의 저장 탱크는, 액체용의 저장 탱크이며, 상술한 본 실시 형태의 용접 구조체를 갖는다. 본 실시 형태의 용접 구조체로 되어 있어도 된다.

본 실시 형태의 저장 탱크는, 경판과, 동체부를 갖고, 경판과 원통상의 동체부가 용접에 의해 접합되어 되는 것이 예시된다. 경판 및 동체부는, 각각 1매의 스테인리스 강판으로 이루어지는 경우, 2매 이상의 스테인리스 강판이 용접에 의해 접합되어 되는 경우 중 어느 것이어도 된다.

이어서, 본 실시 형태의 용접 구조체의 제조 방법에 대하여 설명한다.

본 실시 형태의 용접 구조체는, 상술한 화학 성분을 갖는 2상 스테인리스강을, 소정의 용접 조건에 따라서 용접함으로써 제조할 수 있다.

용접 방법으로서는, TIG 용접, MIG 용접, MAG 용접, 피복 아크 용접 등의 아크 용접을 적용할 수 있다. 용접 재료는 사용해도 되고, 사용하지 않아도 된다. 용접 재료를 사용하는 경우에는, 2상 스테인리스강 용접 재료로서 일반적으로 사용되고 있는 것을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 모재의 화학 성분에 가까운 화학 조성을 갖는 용접 재료를 선택하면 된다. 용접 재료의 화학 성분으로서는, 예를 들어 닛본 세이테츠 스테인리스 가부시키가이샤제의 2상 스테인리스강의 용접 재료인 Type2209와 같은 것을 사용할 수 있지만, 용접 재료는 이것에 한정되지 않는다.

용접 재료로서는, 용접봉, 솔리드 와이어, 플럭스 포함 와이어 중 어느 것이어도 된다.

용접 시에는, 실드 가스를 사용한다. 실드 가스는, N₂, Ar, Ar+O₂, He 중 어느 실드 가스를 사용하는 것으로 한다.

이들 중 어느 실드 가스를 사용함으로써, 대기 중의 산소를 용접 시의 용융 금속에 현탁시키는 것이 억제되어 미세 분산된 산화물의 생성을 회피하는 것이 가능해지고, 모재의 경도에 대한 용접 금속의 경도비, 용접부의 석출물량을 바람직한 범위로 할 수 있다.

이들 이외의 실드 가스를 사용한 경우에는, 모재의 경도에 대한 용접 금속의 경도비, 용접 금속의 페라이트상 내의 석출물량을 바람직한 범위로 할 수 없다. 또한, 예를 들어 실드 가스를 H₂로 한 경우에는, 수소 취화의 원인이 된다.

실시예

이하에, 본 발명의 효과를 확인하기 위해서, 이하의 실시예를 행하였다. 본 실시예는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 것이며, 본 발명은 이하의 구성에 한정되지 않는다. 본 발명은 본 발명의 요건을 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 다양한 조건을 채용할 수 있다.

표 중의 밑줄은 본 발명의 범위로부터 벗어나 있는 것을 나타낸다.

표 1 및 표 2에 나타내는 화학 성분을 갖는 스테인리스강을 진공 유도 용해로에서 용제하고, 주조하였다. 그 후, 1200℃로 균일하게 가열하고, 이어서 열간 단조하였다. 두께 6.0mm까지 열간 압연하고, 어닐링·산세를 실시하였다. 그 후, 두께 0.6 내지 4.0mm까지 냉간 압연하고, 또한 어닐링·산세, 전해 처리를 실시하였다. 이상에 의해, 모재로서의 스테인리스 강판을 제조하였다.

이어서, 얻어진 스테인리스 강판을 모재로 하여, TIG 용접 또는 MIG 용접을 행하였다. 필요에 따라서 용접 와이어에 의해 용접 재료를 공급하였다. 구체적으로는, 모재가 되는 스테인리스 강판을 2매 준비하고, 각각의 단부면 처리로서, 1.5mm 미만의 판 두께인 경우에는 절단 그대로, 1.5mm 이상의 판 두께인 경우에는, V 개선을 마련하고, 필요에 따라서 용접 와이어에 의해 용접 재료를 공급함으로써 접합하여 용접을 행하고, 용접 조인트를 제조하였다. 실드 가스는 표 3에 기재된 대로 하고, 용접부에 외기가 접촉되지 않도록 실드 가스의 유량을 조정하였다.

얻어진 용접 조인트에 있어서의 페라이트상의 체적률, 모재의 경도에 대한 상기 용접 금속의 경도의 비(경도비), 용접 금속에 있어서의 페라이트상 내의 석출물량을 측정하였다. 결과를 표 4에 나타낸다.

여기에서 나타내는 용접 금속이란 용접 시공 시에 용융하여 재응고된 부분을 나타내고, 이하에 나타내는 에칭 처리를 행했을 때, 모재부로부터 연속된 층상 조직이 불연속이 된 영역을 나타내고 있다. 용접 금속에 있어서의 페라이트상 체적률, 경도비, 용접 금속에 있어서의 석출물량의 측정 방법은 다음과 같이 하였다. 용접 금속에 대하여 JIS G 0571:2003에 준거하여 옥살산 에칭을 행하였다. 전해 전류를 1cm²당 0.1A로 하였다. 에칭 후의 에칭 처리면에 대하여, 광학 현미경에 의해 500배의 배율로 촬영한 사진을 사용하고, 200㎛×200㎛ 범위의 측정 영역을 10 시야 촬영하여, 각 촬영 시야에 대하여 ASTM E 562에 규정하는 포인트 카운트법에 의해 측정하였다. 즉, 사진 위에 10mm 격자를 그리고, 격자점수를 100으로 했을 때, 격자점 위에 페라이트 혹은 석출물이 존재한 수의 비율을, 페라이트상 분율(체적％) 또는 용접 금속에 있어서의 석출물량(면적％)으로 하였다.

모재의 경도 및 용접 금속의 경도는, 비커스 경도 시험을 사용하여 임의의 10군데에 있어서의 경도를 하중 100gf에서 실시하고, 최솟값과 최댓값을 제외한 8점의 평균값을 구하였다.

또한, 모재의 내력 및 용접 금속을 포함하는 용접 조인트의 내력을 측정하였다. 모재의 내력 및 용접부의 내력은, 인장 시험에 의해 측정하고, JIS Z 2241:2011에 준거한 조건에서 실시하였다. 모재의 내력은, JIS 13호 B 시험편을 제작하고, n=2의 시험을 실시하여, 낮은 쪽의 값을 채용하였다. 또한, 용접부의 내력은, 시험편 평행부의 중심에 용접부를 배치한 JIS 13호 B 시험편을 제작하고, 용접부가 모재보다도 두꺼워 덧땜 상태로 되어 있을 경우에는, 연삭하여 단면적 형상을 모재 평행부와 일치시켰다. n=2의 시험을 실시하여, 낮은 쪽의 값을 채용하였다. 모재의 내력이 500MPa 이상, 용접 금속을 포함하는 인장 시험편의 내력이 440MPa 이상을 합격으로 하였다.

또한, JIS G 0597:2017에 준하여, 건습 반복 촉진 부식 시험을 행하였다. 시험 기간은 20 사이클로 하였다. 시험 후의 용접 금속의 외관을 관찰하고, 녹의 유무를 눈으로 보아 확인하였다.

표 4 및 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명예 No.1 내지 15에서는, 용접 금속에 있어서의 녹의 발생이 없고, 모재의 내력 및 용접부의 내력도 만족할 수 있는 값이었다. 한편, 비교예 No.16 내지 36에서는, 용접 금속에 있어서 녹이 발생하고, 일부의 시료에 대하여는 용접부의 내력을 만족시킬 수 있는 값은 아니었다.

Claims

2상 스테인리스강을 포함하는 모재와, 상기 모재끼리가 용접되어 이루어지는 용접부를 구비한 용접 구조체이며,
상기 모재의 화학 성분이, 질량％로,
C: 0.050％ 이하,
Si: 0.03 내지 5.00％,
Mn: 0.01 내지 8.00％,
P: 0.070％ 이하,
S: 0.0500％ 이하,
Ni: 1.0 내지 30.0％,
Cr: 15.0 내지 30.0％,
Mo: 0.010 내지 8.000％,
Cu: 0.010 내지 5.000％,
N: 0.050 내지 0.800％,
Al: 0 내지 1.00％,
Ti: 0 내지 0.400％,
Nb: 0 내지 0.40％,
V: 0 내지 0.50％,
W: 0 내지 1.0％,
Zr: 0 내지 0.200％,
Ta: 0 내지 0.100％,
Sn: 0 내지 0.50％,
Sb: 0 내지 0.50％,
Ga: 0 내지 0.50％,
B: 0 내지 0.0050％,
Ca: 0 내지 0.0050％,
Mg: 0 내지 0.0050％ 및
REM: 0 내지 0.10％
를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물이며,
상기 용접부의 용접 금속의 금속 조직에 있어서의 페라이트상의 체적률이 45 내지 75％이며,
비커스 경도에서의, 상기 모재의 경도에 대한 상기 용접 금속의 경도의 비가 0.80 내지 1.20이며,
상기 용접 금속의 상기 페라이트상 내에 생성되는 석출물량이 면적률로 10％ 미만인,
용접 구조체.
제1항에 있어서, 상기 모재가, 이하의 제1군 및 제2군에서 선택되는 1종 이상을 함유하는,
용접 구조체.
제1군: 질량％로,
Al: 1.00％ 이하,
Ti: 0.010 내지 0.400％,
Nb: 0.01 내지 0.40％,
V: 0.01 내지 0.50％,
W: 0.01 내지 1.0％,
Zr: 0.001 내지 0.200％,
Ta: 0.001 내지 0.100％,
Sn: 0.001 내지 0.50％,
Sb: 0.001 내지 0.50％ 및
Ga: 0.001 내지 0.50％.
제2군: 질량％로,
B: 0.0002 내지 0.0050％,
Ca: 0.0002 내지 0.0050％,
Mg: 0.0002 내지 0.0050％ 및
REM: 0.001 내지 0.10％.
제1항에 있어서, 상기 모재의 내력이 500MPa 이상이며, 상기 용접부의 내력이 440MPa 이상인,
용접 구조체.
제2항에 있어서, 상기 모재의 내력이 500MPa 이상이며, 상기 용접부의 내력이 440MPa 이상인,
용접 구조체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 온수용의 저장 탱크용인, 용접 구조체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 음료용의 저장 탱크용인, 용접 구조체.
액체용의 저장 탱크이며, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 용접 구조체를 갖는, 저장 탱크.
제7항에 있어서, 상기 액체가 물, 음료, 온수 및 유제품 중 어느 하나 이상인, 저장 탱크.