KR102639099B1

KR102639099B1 - 극저온용 고강도 용접 조인트의 제조 방법 및 극저온용 고강도 용접 조인트

Info

Publication number: KR102639099B1
Application number: KR1020217033874A
Authority: KR
Inventors: 하루오 나카미치; 토시노리 이시다; 아츠시 다카다; 나오키 다카야마; 케이지 우에다; 켄 야마시타; 펭 한
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤; 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2024-02-20
Also published as: JP6978613B2; CN113631321B; KR20210136132A; WO2020203335A1; CN113631321A; JPWO2020203335A1

Abstract

본 발명은, 극저온용 용접강 구조물을 위한 용접 조인트의 제조 방법을 제공한다. 상기 제조 방법에서는, 소정의 강재 조성을 갖는 극저온용 고강도 고Mn 강재끼리를, 소정의 와이어 조성을 갖는 솔리드 와이어를 이용하여, 예를 들면, 바람직하게는 가스 메탈 아크 용접하여 다층 용접 금속부를 형성한다. 그 때, 제1층의 용접 금속에 있어서의 강재의 용입 비율(희석률)이 35∼60％의 범위가 되도록, 용접 조건을 조정한다. 사용하는 솔리드 와이어는, Mn 및 Cr의 함유량이, 사용하는 강재의 Mn 함유량 및 Cr 함유량보다 낮은 와이어 조성을 갖는 것으로 한다. 이에 따라, 고강도이고 또한 극저온 충격 인성이 우수한 용접 금속부를 갖는 용접 조인트를 용이하게 제조할 수 있다.

Description

극저온용 고강도 용접 조인트의 제조 방법 및 극저온용 고강도 용접 조인트 {METHOD FOR PRODUCING HIGH-STRENGTH WELDED JOINT FOR CRYOGENIC ENVIRONMENTS AND HIGH-STRENGTH WELDED JOINT FOR CRYOGENIC ENVIRONMENTS}

본 발명은, 예를 들면 액화 가스 저조용 탱크 등의, 극저온 환경에서 사용되는 고Mn 함유 강재제 용접강 구조물에 관련된 것으로, 특히 고강도이고 우수한 극저온 충격 인성을 갖는 용접 금속부를 형성하는 고강도 용접 조인트의 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 환경에 대한 규제가 엄격해지고 있다. 액화 천연 가스(이하, LNG라고도 함)는, 황을 포함하지 않기 때문에, 황화 산화물 등의 대기 오염 물질을 발생시키지 않는 클린한 연료라고 불리며, 그의 수요가 증가하고 있다. LNG의 수송 또는 보관을 위해, LNG를 수송 또는 저장하는 용기(탱크)는, LNG의 액화 온도인 ―162℃ 이하의 온도에서, 우수한 극저온 충격 인성을 유지(保持)하는 것이 요구되고 있다.

우수한 극저온 충격 인성을 유지하는 것의 필요성으로부터, 용기(탱크) 등의 재료용으로서, 종래부터, 알루미늄 합금, 9％ Ni강, 오스테나이트계 스테인리스강 등이, 이용되어 왔다. 그러나, 알루미늄 합금은, 인장 강도가 낮기 때문에, 구조물의 판두께를 크게 설계할 필요가 있고, 또한 용접성이 나쁘다는 문제가 있다. 또한, 9％ Ni강은, 용접 재료로서 고가인 Ni기 재료를 이용하는 것이 필요하기 때문에, 경제적으로 불리해진다. 또한, 오스테나이트계 스테인리스강은, 고가이고, 모재 강도도 낮다는 문제가 있다.

이러한 문제로부터, LNG를 수송 또는 저장하는 용기(탱크)용의 재료로서, 최근에는, 질량％로, Mn을 10∼35％ 정도 함유하는 고Mn 함유강(이하, 고Mn강이라고도 함)의 적용이 검토되고 있다. 고Mn 함유강은, 극저온에 있어서도, 오스테나이트상(相)이고, 취성 파괴가 발생하지 않고, 또한 오스테나이트계 스테인리스강과 비교하여, 높은 강도를 갖는다는 특징이 있다. 그래서, 이러한 재료(고Mn 함유 강재) 및 이러한 재료를 안정적으로 용접할 수 있는 용접 재료가 요망되고 있다.

이러한 요망에 대하여, 예를 들면, 특허문헌 1에는, 「극저온용 고Mn 강재」가 기재되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 「극저온용 고Mn 강재」는, 질량％로, C: 0.001∼0.80％, Mn: 15.0∼35.0％, S: 0.0001∼0.01％, Cr: 0.01∼10.0％, Ti: 0.001∼0.05％, N: 0.0001∼0.10％, O: 0.001∼0.010％를 함유하고, P: 0.02％ 이하로 제한하고, 추가로, Si: 0.001∼5.00％, Al: 0.001∼5.0％의 한쪽 또는 양쪽을 함유하고, 추가로, Mg: 0.01％ 이하, Ca: 0.01％ 이하, REM: 0.01％ 이하의 1종 또는 2종 이상을 합계로 0.0002％ 이상 함유하고,

30C＋0.5Mn＋Ni＋0.8Cr＋1.2Si＋0.8Mo≥25…(식 1),

O/S≥1…(식 2)

을 만족하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 오스테나이트의 체적률이 95％ 이상이고, 상기 오스테나이트의 결정 입경이 20∼200㎛이고, 상기 오스테나이트의 결정 입계에 있어서의 탄화물 피복률이 50％ 이하인 극저온용 고Mn 강재라고 하고 있다. 특허문헌 1에 기재된 고Mn 강재에서는, 결정 입계에 생성되는 탄화물이 파괴의 기점이나 균열의 전파의 경로가 되지 않도록, 오스테나이트 입경을 적절한 사이즈로 제어하고, 추가로 합금 원소의 첨가량이나 밸런스, 나아가서는 S량, O량을 적정하게 조정하고, Mg, Ca, REM을 첨가함으로써, 오스테나이트 입경을 적정하게 조정하고, 열 영향부의 결정 입경의 조대화의 억제도 가능하게 할 수 있다고 하고 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 「저온용 후강판」이 기재되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 「저온용 후강판」은, 질량％로, C: 0.30∼0.65％, Si: 0.05∼0.30％, Mn: 20.00％ 초과 30.00％ 미만, Ni: 0.10％ 이상 3.00％ 미만, Cr: 3.00％ 이상 8.00％ 미만, Al: 0.005∼0.100％, N: 0.0050％ 이상 0.0500％ 미만을 함유하고, P: 0.0040％ 이하, S: 0.020％ 이하, O: 0050％ 이하로 제한하고, 잔부 Fe 및 불순물로 이루어지고, Mn 농화부의 Mn 농도 Mn_i과 Mn 희박부의 Mn 농도 Mn₀으로부터 산출되는 Mn 편석비 X_Mn(X_M＝Mn_i/Mn₀)이 1.6 이하이고, 실온(25℃)에 있어서의 항복 응력이 400㎫ 이상, 인장 응력이 800㎫ 이상, 용접 열 영향부의 샤르피 충격 흡수 에너지(vE_－196)가 70J 이상인 강재이다, 라고 하고 있다. 특허문헌 2에 기재된 기술에 의하면, 열간 압연인 채로, LNG를 수송 또는 저장하는 용기(탱크)용의 재료로서 제공할 수 있다고 하고 있다.

또한, 특허문헌 3에는, 「극저온 충격 인성이 우수한 고강도 용접 조인트부 및 이를 위한 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어」가 제안되어 있다. 특허문헌 3에 기재된 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어는, 중량％로, C: 0.15∼0.8％, Si: 0.2∼1.2％, Mn: 15∼34％, Cr: 6％ 이하, Mo: 1.5∼4％, S: 0.02％ 이하, P: 0.02％ 이하, B: 0.01％ 이하, Ti: 0.09∼0.5％, N: 0.001∼0.3％, TiO₂: 4∼15％, SiO₂, ZrO₂ 및 Al₂O₃ 중으로부터 선택된 1종 이상의 합계: 0.01∼9％, K, Na 및 Li 중으로부터 선택된 1종 이상의 합계: 0.5∼1.7％, F와 Ca 중 1종 이상: 0.2∼1.5％, 잔부 Fe 및 그 외의 불가피적 불순물을 포함하는 조성을 갖는 와이어이다. 특허문헌 3에 기재된 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어를 이용하여 용접하면, 시험 온도: －196℃에 있어서의 샤르피 충격 시험 흡수 에너지가 28J 이상의 우수한 저온 인성 및 상온 인장 강도가 400㎫ 이상의 고강도를 갖는 용접 조인트부가 효과적으로 얻어지고, 또한, 와이어 조성을 Mo: 1.5％ 이상으로 조정하고 있어, 우수한 내고온 균열성을 갖는 용접 조인트부를 확보할 수 있다고 하고 있다.

일본공개특허공보 2016-196703호 일본공개특허공보 2017-071817호 일본공표특허공보 2017-502842호

그러나, 상기한 특허문헌 1, 2에 기재된 고Mn 함유 강재와, 특허문헌 3에 기재된 용접 재료를 조합하여 용접 구조물을 제조해도, 용접 금속부에 있어서 강도 저하나 인성 저하가 발생하여, 용접강 구조물로서, 소망하는 극저온에 있어서의 재료 특성(고강도, 고인성)을 확보할 수 없다는 문제가 있었다. 본 발명자들의 검토에 의하면, 고Mn 함유 강재 용접 금속부에 있어서는, 용접 시의 열 이력이나 강재의 용접 금속으로의 희석률(용입 정도)이나 응고 시의 편석 등에 의해, 원소의 재분배가 행해져, 조직이 크게 변화하기 때문에, 용접 금속부에 있어서 강도 저하나 인성 저하가 발생한다는 문제가 있는 것을 인식했다.

그래서, 본 발명은, 상기한 종래 기술의 문제를 해결하여, 극저온용 용접강 구조물 전용으로서 적합한, 고강도와 우수한 극저온 충격 인성을 겸비하는 용접 금속부를 갖는, 고강도 용접 조인트의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 여기에서 말하는 「고강도」란, 상온 항복 응력(0.2％ 내력)이 400㎫ 이상인 것을 말한다. 또한, 「우수한 극저온 충격 인성」이란, 시험 온도: －196℃에서의 샤르피 충격 시험의 흡수 에너지 vE_－196가 28J 이상인 것을 말한다.

본 발명자들은, 상기한 목적을 달성하기 위해, 고Mn 함유 강재용 용접 재료를 이용하여 용접 조인트를 제작하고, 용접 금속부의 조직 형태와 강도, 극저온 충격 인성의 관계를 예의 검토했다. 그 결과, 특히, 용접 비드(1회 또는 2회 이상의 용접 패스에 의해 만들어지는 용접 금속의 층)를 2층 이상 겹쳐두고 가는 다층 용접의 경우에는, 용접 시의 열 이력에 의한 용접 금속의 조직 변화가 중요해지는 것을 인식했다. 용접 시에 강재, 용접 재료의 용접 금속으로의 용입 정도(희석률)에 의해, 용접 금속의 조직 변화가 생겨, 용접 금속부의 재료 특성(강도, 인성)이, 크게 변화하는 것을 인식했다. 특히, 다층 용접의 경우에는, 제1층째의 용접 금속으로의, 강재의 용입 정도(희석률)를 소정의 범위로 조정하는 것이, 소망하는 용접 금속 특성을 확보하기 위해 중요한 것을 발견했다.

즉, 강재의, 용접 금속으로의 용입 정도(희석률)가 높은 경우에는, 용접 금속 특성은 강재에 많이 포함되는 성분인 Mn, Cr의 영향을 크게 받게 된다. 한편, 강재의, 용접 금속으로의 용입 정도(희석률)가 낮은 경우에는, 용접 금속 특성은 와이어에 Mn 및 Cr 이외로 많이 포함되는 성분인 Ni, Mo의 영향을 크게 받게 된다. 이러한 성분의 상위(相違)는, 응고 과정에서 형성되는 응고 조직(덴드라이트 구조)에 큰 영향을 미치게 된다. 용접 금속으로의 강재의 용입 정도(희석률)가 높은 경우에는, 덴드라이트 구조는 조밀해져 용접 금속의 강도가 상승하지만, 용접 균열이 발생하기 쉬워진다. 한편, 용접 금속으로의 강재의 용입 정도(희석률)가 낮은 경우에는, 덴드라이트 구조는 드문드문해져 용접 금속의 강도가 저하하고, 인성이 향상하여, 용접 균열은 발생하기 어려워진다. 이는, 상기한 덴드라이트 구조의 차이에 의해, 덴드라이트에 있어서의 서브그레인, 전위, 석출물 등의 조직 형태가 상이했기 때문이라고 생각된다.

이러한 경향을 감안하여, 본 발명자들은, 소망하는 고강도로, 우수한 극저온 충격 인성을 갖는 다층 용접 금속부를 확보하기 위해, 제1층째의 용접 금속으로의 강재의 용입 정도(희석률)가 35∼60％가 되도록, 용접 조건을 조정하는 것이 중요해지는 것을 발견했다.

본 발명은, 상기한 인식에 기초하여, 추가로 검토를 더하여 완성된 것이다. 즉, 본 발명의 요지로 하는 바는, 다음과 같다.

(1) 극저온용 고강도 고Mn 함유 강재끼리를 솔리드 와이어를 이용하여 가스 메탈 아크 용접하여, 다층 용접 금속부를 형성하는 극저온용 고강도 용접 조인트의 제조 방법으로서, 당해 극저온용 고강도 고Mn 함유 강재가, 질량％로, C: 0.10∼0.70％, Si: 0.05∼1.00％, Mn: 18∼30％, P: 0.030％ 이하, S: 0.0070％ 이하, Al: 0.01∼0.07％, Cr: 2.5∼7.0％, N: 0.0050∼0.0500％, O(산소): 0.0050％ 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강재 조성을 갖고, 당해 솔리드 와이어가, 질량％로, C: 0.2∼0.8％, Si: 0.15∼0.90％, Mn: 17.0∼28.0％, P: 0.03％ 이하, S: 0.03％ 이하, Ni: 0.01∼10.0％, Cr: 0.4∼4.0％, Mo: 0.02∼2.5％, Al: 0.1％ 이하, N: 0.12％ 이하, O(산소): 0.04％ 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 와이어 조성을 갖고, 또한 당해 솔리드 와이어의 Mn 및 Cr의 각 함유량이, 각각 당해 강재의 Mn 및 Cr의 각 함유량보다 낮고, 다음 (1)식

희석률(％)＝100×{(제1층의 용접 금속에 포함되는 성분 원소의 함유량:질량％)－(당해 솔리드 와이어에 포함되는 성분 원소의 함유량:질량％)}/{(당해 강재에 포함되는 성분 원소의 함유량:질량％)－(당해 솔리드 와이어에 포함되는 성분 원소의 함유량:질량％)}　……(1)

으로 정의되는 당해 다층 용접 금속부에 있어서의 제1층의 용접 금속으로의 당해 강재의 희석률이 35∼60％가 되도록, 상기 가스 메탈 아크 용접의 용접 조건을 조정하는 것을 특징으로 하는 극저온용 고강도 용접 조인트의 제조 방법.

(2) 상기 (1)에 있어서, 상기 극저온용 고강도 고Mn 함유 강재가, 상기 강재 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Mo: 2.0％ 이하, V: 2.0％ 이하, W: 2.0％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상, 및/또는, REM: 0.0010∼0.0200％, B: 0.0005∼0.0020％ 중으로부터 선택된 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 극저온용 고강도 용접 조인트의 제조 방법.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 솔리드 와이어가, 상기 와이어 조성에 더하여 추가로, 질량％로, V: 1.0％ 이하, Ti: 1.0％ 이하 및 Nb: 1.0％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 극저온용 고강도 용접 조인트의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 극저온 환경하에서 사용되는 용접강 구조물 전용으로서 적합한, 고강도이고 또한 극저온 충격 인성이 우수한 다층 용접 금속부를 갖는 용접 조인트를 용이하게 제조할 수 있어, 산업상 현격한 효과를 가져온다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

본 발명은, 극저온용 고강도 고Mn 함유 강재끼리를, 솔리드 와이어를 이용한 용접에 의해 다층 용접 금속부를 형성하여 접합하고 용접 조인트로 하는, 극저온용 용접강 구조물을 위한 고강도 용접 조인트의 제조 방법이다.

우선, 사용하는 강재에 대해서, 설명한다. 또한, 「조성」에 있어서의 「질량％」는, 간단히 「％」라고 기재한다.

본 발명에서 사용하는 강재는, 질량％로, C: 0.10∼0.70％, Si: 0.05∼1.00％, Mn: 18∼30％, P: 0.030％ 이하, S: 0.0070％ 이하, Al: 0.01∼0.07％, Cr: 2.5∼7.0％, N: 0.0050∼0.0500％, O(산소): 0.0050％ 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강재 조성을 갖는 극저온용 고강도 고Mn 함유 강재로 한다. 강재 조성의 한정 이유는, 다음과 같다.

C: 0.10∼0.70％

C는, 오스테나이트상을 안정화시키는 작용을 갖는, 염가이고, 중요한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.10％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 0.70％를 초과하여 함유하면, Cr 탄화물이 과도하게 생성되어, 극저온 충격 인성이 저하한다. 이 때문에, C는 0.10∼0.70％의 범위로 한정했다. 바람직하게는, 0.20∼0.60％이다.

Si: 0.05∼1.00％

Si는, 탈산제로서 작용함과 함께, 강 중에 고용되어 고용 강화에 의해 강재의 고강도화에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.05％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 1.00％를 초과하여 함유하면, 용접성이 저하한다. 이 때문에, Si는 0.05∼1.00％의 범위로 한정했다. 바람직하게는, 0.07∼0.50％이다.

Mn: 18∼30％

Mn은, 오스테나이트상을 안정화시키는 작용을 갖는, 비교적 염가인 원소이고, 본 발명에서는, 고강도와 우수한 극저온 인성을 양립하기 위해 중요한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 18％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 30％를 초과하여 함유해도, 극저온 인성을 향상시키는 효과가 포화하여, 함유량에 알맞는 효과를 기대할 수 없게 되어, 경제적으로 불리해진다. 또한, 30％를 초과하여 다량으로 함유하면, 용접성, 절단성의 저하를 초래함과 함께, 편석을 조장하여, 응력 부식 균열의 발생을 조장한다. 이 때문에, Mn은 18∼30％의 범위로 한정했다. 바람직하게는, 18∼28％이다.

P: 0.030％ 이하

P는, 불순물로서, 입계에 편석하여, 응력 부식 균열의 발생 기점이 되는 원소이고, 본 발명에서는, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하지만, 0.030％ 이하이면 허용할 수 있다. 이 때문에, P는 0.030％ 이하로 한정했다. 바람직하게는, 0.028％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.024％ 이하이다. 한편, P를 0.002％ 미만으로 극단적으로 저감하려면, 장시간의 정련을 필요로 하여, 정련 비용이 급등한다. 이 때문에, 경제적인 관점에서는, P는 0.002％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

S: 0.0070％ 이하

S는, 강 중에서는, 황화물계 개재물로서 존재하고, 강재, 용접 금속의 연성, 극저온 인성을 저하시킨다. 이 때문에, S는 가능한 한 저감하는 것이 바람직하지만, 0.0070％ 이하이면 허용할 수 있다. 바람직하게는 0.0050％ 이하이다. 한편, S를 0.0005％ 미만으로 극단적으로 저감하려면, 장시간의 정련을 필요로 하여, 정련 비용이 급등한다. 이 때문에, 경제성의 관점에서, S는 0.0005％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Al: 0.01∼0.07％

Al은, 탈산제로서 작용하여, 강재의 용강 탈산 프로세스에 있어서, 가장 범용적으로 사용되는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.01％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 0.07％를 초과하여 함유하면, 용접 시에 Al이 용접 금속부에 혼입되어, 용접 금속의 인성을 저하시킨다. 이 때문에, Al은 0.07％ 이하의 범위로 한정했다. 바람직하게는, 0.02∼0.06％이다.

Cr: 2.5∼7.0％

Cr은, 오스테나이트상을 안정화시켜, 극저온 인성의 향상 및 강재 강도의 향상에 유효하게 기여하는 원소이다. 또한, 미세 결정역을 형성시키기 위해 효과적인 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, Cr을 2.5％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 7.0％를 초과하여 함유하면, Cr 탄화물이 생성되어, 극저온 인성 및 내응력 부식 균열성이 저하한다. 이 때문에, Cr은 2.5∼7.0％의 범위로 한정했다. 바람직하게는 3.5∼6.5％이다.

N: 0.0050∼0.0500％

N은, 오스테나이트상을 안정화하는 작용을 갖는 원소로서, 극저온 인성의 향상에 유효하게 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, N은 0.0050％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 0.0500％를 초과하여 함유하면, 질화물 또는 탄질화물이 조대화하여, 극저온 인성이 저하한다. 이 때문에, N은 0.0050∼0.0500％의 범위로 한정했다. 바람직하게는 0.0060∼0.0400％이다.

O(산소): 0.0050％ 이하

O(산소)는, 강 중에서는 산화물계 개재물로서 존재하여, 강재의 극저온 인성을 저하시킨다. 이 때문에, O(산소)는 가능한 한 저감하는 것이 바람직하지만, 0.0050％ 이하이면 허용할 수 있다. 이 때문에, O(산소)는 0.0050％ 이하의 범위로 한정했다. 바람직하게는, 0.0045％ 이하이다. 한편, O(산소)를 0.0005％ 미만으로 극단적으로 저감하려면, 장시간의 정련을 필요로 하여, 정련 비용이 급등한다. 이 때문에, 경제성의 관점에서, O(산소)는 0.0005％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

상기한 성분이 기본의 강재 조성이지만, 이 기본의 강재 조성에 더하여 추가로 임의 성분으로서, Mo: 2.0％ 이하, V: 2.0％ 이하, W: 2.0％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상, 및/또는, REM: 0.0010∼0.0200％, B: 0.0005∼0.0020％ 중으로부터 선택된 1종 또는 2종을 함유하는 강재 조성으로 해도 좋다.

Mo: 2.0％ 이하, V: 2.0％ 이하, W: 2.0％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상

Mo, V, W는 모두, 오스테나이트상의 안정화에 기여함과 함께, 강재의 강도 향상, 극저온 인성의 향상에도 기여하는 원소로서, 필요에 따라서 1종 또는 2종 이상 선택하여 함유할 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, Mo, V, W를 각각 0.001％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, Mo, V, W가 각각 2.0％를 초과하여 함유되면, 조대한 탄질화물이 증가하여, 파괴의 기점이 되고, 극저온 충격 인성이 저하한다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Mo: 2.0％ 이하, V: 2.0％ 이하, W: 2.0％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Mo: 0.003∼1.7％, V: 0.003∼1.7％, W: 0.003∼1.7％이고, 더욱 바람직하게는 Mo: 1.5％ 이하, V: 1.5％ 이하, W: 1.5％ 이하이다.

REM: 0.0010∼0.0200％, B: 0.0005∼0.0020％ 중으로부터 선택된 1종 또는 2종

REM은, 개재물의 형태 제어를 통하여, 강재의 인성 향상, 나아가서는 연성, 내황화물 응력 부식 균열성을 향상시키는 작용을 갖는 원소이고, 또한, B는, 입계에 편석하여, 강재의 인성 향상에 기여하는 작용을 갖는 원소로서, 필요에 따라서 선택하여 1종 또는 2종을 함유할 수 있다.

REM은, 상기한 효과를 얻기 위해서는, 0.0010％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 0.0200％를 초과하여 함유하면, 비금속 개재물량이 증가하여, 인성, 나아가서는 연성, 내황화물 응력 균열성이 저하한다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, REM은 0.0010∼0.0200％의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.0015∼0.0200％이다.

B는, 상기한 효과를 얻기 위해서는, 0.0005％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 0.0020％를 초과하여 함유하면, 조대한 질화물이나 탄화물이 증가하여, 인성이 저하한다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, B는 0.0005∼0.0020％의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

상기한 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 또한, 불가피적 불순물로서는, Ca, Mg, Ti, Nb, Cu를 예시할 수 있고, 합계로 0.05％ 이하이면 허용할 수 있다.

본 발명에서는, 상기한 고Mn 함유 강재끼리를, 솔리드 와이어를 이용하여 용접하고 다층 용접 금속부를 형성하여 용접 조인트로 한다.

사용하는 솔리드 와이어는, C: 0.2∼0.8％, Si: 0.15∼0.90％, Mn: 17.0∼28.0％, P: 0.03％ 이하, S: 0.03％ 이하, Ni: 0.01∼10.0％, Cr: 0.4∼4.0％, Mo: 0.02∼2.5％, Al: 0.1％ 이하, N: 0.12％ 이하, O(산소): 0.04％ 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 와이어 조성을 갖는 솔리드 와이어로 한다. 와이어 조성의 한정 이유는, 다음과 같다.

C: 0.2∼0.8％

C는, 고용 강화에 의해, 용접 금속의 강도를 상승시키는 작용을 가짐과 함께, 오스테나이트상을 안정화시켜, 용접 금속의 극저온 충격 인성을 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.2％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 0.8％를 초과하여 함유하면, 탄화물이 석출하여, 극저온 충격 인성이 저하하고, 또한, 용접 시의 고온 균열이 생기기 쉬워진다. 그 때문에, C는 0.2∼0.8％의 범위로 한정했다. 바람직하게는, 0.3∼0.7％이다.

Si: 0.15∼0.90％

Si는, 탈산제로서 작용하여, Mn의 수율을 높임과 함께, 용융 금속의 점성을 높이는 작용을 갖고, 비드 형상을 안정적으로 유지하여, 스퍼터의 발생을 저감하는 효과를 갖는다. 그러한 효과를 얻기 위해서는, 0.15％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 0.90％를 초과하여 함유하면, 용접 금속의 극저온 충격 인성의 저하를 초래한다. 또한, Si는, 응고 시에 편석하여, 응고셀(solidified shell) 계면에 액상을 생성하여, 내고온 균열성을 저하시킨다. 그 때문에, Si는 0.15∼0.90％의 범위로 한정했다. 바람직하게는 0.20∼0.70％이다.

Mn: 17.0∼28.0％

Mn은, 염가로, 오스테나이트상을 안정화하는 원소로서, 본 발명에서는 17.0％ 이상의 함유를 필요로 한다. Mn이 17.0％ 미만에서는, 용접 금속 중에 페라이트상이 생성되어, 극저온 충격 인성의 현저한 저하를 초래한다. 한편, 28.0％를 초과하여 함유하면, 응고 시에 과도의 Mn 편석이 발생하여, 고온 균열을 유발한다. 그 때문에, Mn은 17.0∼28.0％의 범위로 제한했다. 바람직하게는 18.0∼23.0％이다.

P: 0.03％ 이하

P는, 용접 금속 중에서는, 불순물로서, 결정 입계에 편석하여, 고온 균열을 유발하는 원소로서, 본 발명에서는, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하지만, 0.03％ 이하이면, 허용할 수 있다. 그 때문에, P는 0.03％ 이하로 한정했다. 한편, 과도의 저감은, 정련 비용의 급등을 초래한다. 그 때문에, P는 0.003％ 이상으로 조정하는 것이 바람직하다.

S: 0.03％ 이하

S는, 용접 금속 중에서는 황화물계 개재물 MnS로서 존재한다. MnS는, 파괴의 발생 기점이 되어, 극저온 충격 인성을 저하시키기 때문에, 본 발명에서는 가능한 한 저감하는 것이 바람직하지만, 0.03％ 이하이면, 허용할 수 있다. 그 때문에, S는 0.03％ 이하로 한정했다. 한편, 과도의 저감은, 정련 비용의 급등을 초래하기 때문에, S는 0.001％ 이상으로 조정하는 것이 바람직하다.

Ni: 0.01∼10.0％

Ni는, 오스테나이트 입계를 강화함과 함께, 오스테나이트상을 안정화시켜, 용접 금속의 극저온 충격 인성의 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.01％ 이상의 함유를 필요로 한다. 그러나, Ni는 고가의 원소이고, 10.0％를 초과하는 함유는, 경제적으로 불리해진다. 그 때문에, Ni는 0.01∼10.0％의 범위로 한정했다. 바람직하게는, 0.02∼2.0％의 범위이다.

Cr: 0.4∼4.0％

Cr은, 극저온에서는 오스테나이트상을 안정화시키는 원소로서 작용하여, 용접 금속의 극저온 충격 인성의 향상에 기여한다. 또한, Cr은, 용접 금속의 강도를 향상시키는 작용도 갖는다. 또한, Cr은, 용융 금속의 액상선 온도를 높여, 고온 균열의 발생을 억제하는 작용을 갖는다. 또한, Cr은, 용접 금속의 내식성을 높이는 데에도 유효하게 작용한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.4％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 4.0％를 초과하여 함유하면, Cr 탄화물이 생성되어, 극저온 충격 인성의 저하를 초래함과 함께, 추가로, 와이어 신선(伸線) 시의 가공성이 저하한다. 그 때문에, Cr은 0.4∼4.0％의 범위로 한정했다. 바람직하게는, 1.0∼3.0％이다.

Mo: 0.02∼2.5％

Mo는, 고용 강화에 의해 강도를 증가시키는 원소로서, 그러한 효과를 얻기 위해서는 0.02％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 2.5％를 초과하여 다량으로 함유하면, 탄화물이 석출하여, 열간 가공성이 저하하고, 와이어의 신선 가공 등, 와이어의 제조성이 저하한다. 그 때문에, Mo는 0.02∼2.5％의 범위로 한정했다. 바람직하게는, 0.05∼2.0％이다.

Al: 0.1％ 이하

Al은, 탈산제로서 작용함과 함께, 용융 금속의 점성을 높이고, 비드 형상을 안정적으로 유지하여, 스퍼터의 발생을 저감하는 중요한 작용을 갖는다. 또한, Al은, 용융 금속의 액상선 온도를 높여, 용접 금속의 고온 균열 발생의 억제에 기여한다. 이러한 효과는, 0.005％ 이상의 함유로 현저해지기 때문에, 0.005％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 0.1％를 초과하여 함유하면, 용융 금속의 점성이 지나치게 높아져, 오히려, 스퍼터의 증가나, 비드가 확대되지 않고 융합 불량 등의 결함이 증가한다. 그 때문에, Al은 0.1％ 이하의 범위로 한정했다. 바람직하게는 0.005∼0.04％이다.

N: 0.12％ 이하

N은, 불가피적으로 혼입하는 원소로서, 0.12％를 초과하여 함유하면, 질화물을 형성하여, 극저온 충격 인성이 저하한다. 그 때문에, N은 0.12％ 이하로 한정했다. 한편, N은, C와 마찬가지로, 용접 금속의 강도 향상에 유효하게 기여함과 함께, 오스테나이트상을 안정화하여, 용접 금속의 극저온 충격 인성을 안정적으로 향상시키기 때문에, 일정량 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 이러한 효과는, 0.003％ 이상의 함유로 현저해지기 때문에, 0.003％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다.

O(산소): 0.04％ 이하

O(산소)는, 불가피적으로 혼입되는 원소로서, 용접 금속 중에서, Al계 산화물이나 Si계 산화물을 형성하여, 응고 덴드라이드의 핵으로서 작용하거나, 응고 조직의 조대화를 억제하는 피닝으로서 기여하기 때문에, 일정량 이상 함유하는 것이 바람직하다. 이러한 효과는, 0.005％ 이상의 함유로 현저해지기 때문에, 0.005％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 한편, 0.04％를 초과하는 다량의 함유는, 산화물이 조대화한다. 그 때문에, O(산소)는 0.04％ 이하의 범위로 한정했다. 바람직하게는 0.01∼0.03％이다.

상기한 성분이, 기본의 와이어 조성이지만, 이 기본의 와이어 조성에 더하여 추가로, V: 1.0％ 이하, Ti: 1.0％ 이하 및 Nb: 1.0％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 와이어 조성으로 해도 좋다.

V, Ti, Nb는 모두, 탄화물 형성 원소로서, 탄화물을 석출시켜, 용접 금속의 강도 향상에 기여하는 원소이고, 필요에 따라서 선택하여 1종 또는 2종 이상을 함유할 수 있다.

V는, 상기한 효과를 얻기 위해서는, 0.02％ 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 1.0％를 초과하여 함유하면, 탄화물이 다량으로 석출하여 조대화하고, 파괴의 발생 기점이 되어, 용접 금속의 극저온 충격 인성을 저하시킨다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, V는 1.0％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

Ti는, 상기한 효과에 더하여 추가로, 용접 금속의 응고셀 계면에 탄화물을 석출시켜, 고온 균열의 발생 억제에 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, Ti는 0.02％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 1.0％를 초과하여 함유하면, 탄화물이 조대화하여, 파괴의 발생 기점이 되기 때문에, 용접 금속의 극저온 충격 인성이 저하한다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, Ti는 1.0％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

Nb는, 상기한 효과에 더하여 추가로, 용접 금속의 응고셀 계면에 탄화물을 석출시켜, 용접 금속의 고온 균열의 발생 억제에 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 Nb는 0.02％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 1.0％를 초과하여 함유하면, 탄화물이 조대화하여, 파괴의 발생 기점이 되기 때문에, 용접 금속의 극저온 충격 인성이 저하한다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, Nb는 1.0％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

상기한 성분 이외의 와이어의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다.

이어서, 본 발명 용접 조인트의 제조 방법에 대해서 설명한다.

우선, 상기한 강재 조직을 갖는 극저온용 고강도 고Mn 함유 강재를 준비한다. 그리고, 준비한 강재끼리가 소정의 개선(開先) 형상을 형성하도록, 개선 가공을 행한다. 형성하는 개선 형상에 대해서는, 특별히 한정할 필요는 없고, 용접강 구조물용으로서 상용되고 있는 V형 개선, Y형 개선 등을 예시할 수 있다.

이어서, 상기 개선 가공된 강재끼리를, 상기한 와이어 조성을 갖는 솔리드 와이어를 이용하여, 용접하여 다층 용접 금속을 형성하고, 용접 조인트로 한다.

사용하는 솔리드 와이어는, Mn 함유량 및 Cr 함유량이, 각각 사용하는 강재의 Mn 함유량 및 Cr 함유량보다 적은 와이어 조성을 갖는 것으로 한다. 사용하는 솔리드 와이어의 Mn 함유량 및/또는 Cr 함유량이, 사용하는 강재의 Mn 함유량 및/또는 Cr 함유량에 비해 많은 경우에는, 용접 금속 전체의 강도가 저하하고, 또한 국부적인 경도가 증가하여, 내용접 균열성이 저하한다. 그 때문에, 본 발명에서는, Mn 함유량 및 Cr 함유량이, 사용하는 강재의 Mn 함유량 및 Cr 함유량보다 적은 와이어 조성을 갖는 솔리드 와이어를 사용한다. 이에 따라, 형성되는 용접 금속이, 용이하게, 소망하는 고강도이고, 또한 우수한 극저온 충격 인성을 갖는 것이 된다.

사용하는 용접법은, 소망하는 특성을 갖는 다층 용접 금속부를 형성할 수 있으면 좋고, 특별히 한정할 필요는 없지만, 상기한 강재와 상기한 용접 재료(솔리드 와이어)를 이용하여, 소망하는 고강도, 우수한 극저온 충격 인성을 갖는 용접 금속으로 하기 위해, 가스 메탈 아크 용접으로 하는 것이 바람직하다.

가스 메탈 아크 용접은, 「가스 실드 아크 용접」이라고도 칭해지고 있고, 일반적으로, 용접 재료(용가재)를 전극으로서 이용하는 「용극식(溶極式)」(소모 전극식)과 텅스텐 등의 비소모 전극을 이용하는 「비용극식」(비소모 전극식)으로 대별할 수 있다. 본 발명에서는, 특별히 한정되지 않지만, 소망하는 강도 및 극저온 충격 인성을 달성하는 관점에서, 상기 솔리드 와이어(용접 재료)를 전극으로서 이용하는 「용극식」(소모 전극식)으로 행하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는, 다층 용접 금속부에 있어서의 제1층째에 있어서, 강재와 용접 부재의 혼합의 비율이 소정의 비율이 되도록 용접 조건을 조정한다.

통상, 다층 용접에서는, 용접 금속은, 강재 기인의 용접 금속(용탕)과 용접 재료 기인의 용접 금속(용탕)이 혼합되어 형성된다. 특히, 다층 용접 금속부의 제1층에서는, 용접 금속에 차지하는 강재 기인의 용접 금속(용탕)의 비율이 높아지고, 용접 금속의 특성을 고려하는 데에 있어서, 중요해진다. 이 때문에, 본 발명에서는, 제1층의 용접 금속에 있어서의 강재의 용입 정도(희석률)가 소정의 범위가 되도록 조정하여, 용접을 행하는 것으로 했다.

본 발명에서는, 제1층의 용접 금속에 있어서의 강재의 희석률은, 다음 (1)식으로 정의되는 값을 이용하는 것으로 한다.

희석률(％)＝100×{(제1층의 용접 금속에 포함되는 성분 원소의 함유량:질량％)－(솔리드 와이어에 포함되는 성분 원소의 함유량:질량％)}/{(강재에 포함되는 성분 원소의 함유량:질량％)－(솔리드 와이어에 포함되는 성분 원소의 함유량:질량％)}……(1)

여기에서 이용하는 「성분 원소」는, 강재, 용접 재료(솔리드 와이어)에 포함되는 대표적인 원소로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 본 발명에서는, 강재 및 용접 재료 모두 함유되고, 게다가 함유량이 많은 Mn, Cr로 한다. 함유량이 많은 원소를 사용하면, 그만큼 측정 정밀도도 높아진다. 다층 용접 금속부의 제1층의 용접 금속, 용접되는 강재 및, 사용되는 용접 재료(솔리드 와이어)의 소정의 복수의 측정 위치에서, 이들 성분 원소 중 어느 1종에 대해서, 예를 들면, EPMA를 이용하여, 당해 성분 원소의 함유량을 측정하고, 그들의 평균값을 구하여, 상기 (1)식을 이용하여 희석률을 산출한다. 성분 원소의 함유량을 측정하는 분석 기기는, EPMA 이외에도, 형광 X선 분석이나, 화학 분석 등을 이용해도 좋은 것은 말할 필요도 없다.

본 발명에서는, 다층 용접 금속부의 제1층의 용접 금속에 있어서의 강재의 희석률이, 35∼60％가 되도록, 용접 조건을 조정한다.

제1층 용접 금속으로의 강재의 희석률이 35％ 미만에서는, 용접 금속으로의 강재의 용입이 지나치게 적어, 용접 금속 중의 Mn, Cr 함유량이 감소하기 때문에, 응고 조직(덴드라이트)이 드문드문해지고, 내용접 균열성이나 극저온 충격 인성은 향상하지만, 용접 금속의 강도가 지나치게 저하한다. 한편, 강재의 희석률이 높아지면, Mn, Cr을 많이 포함하는 응고 조직(덴드라이트)이 되어, 덴드라이트가 조밀해지고, 용접 금속 강도가 증가하지만, 용접 균열이 발생하기 쉬워진다. 특히, 강재의 희석률이 60％를 초과하여 지나치게 높아지면, 용접 균열이 발생하거나, 극저온 충격 인성이 저하하는 등의 문제가 있다. 이 때문에, 용접 금속의 제1층에 있어서의 강재의 희석률은, 35∼60％의 범위로 한정했다.

통상, 다층 용접 금속부에서는, 제1층의 용접 금속에 있어서, 다른 층의 용접 금속에 비해 강재의 용입 정도(희석률)가 높아진다. 용접 금속층수의 증가에 수반하여, 각 층의 용접 금속에 있어서의 강재의 희석률은 감소하고, 제3층 이후의 층에서는, 용접 금속의 조성은 용접 재료(솔리드 와이어)와 거의 동일한 조성이 된다. 따라서, 강재의 용입이 많아지는 제1층의 용접 금속에 있어서, 용접 금속으로의 강재의 용입 정도(희석률)를 소정의 범위가 되도록 조정하면, 다층 용접 금속부의 용접 금속 전체의 특성을 소망하는 특성으로 조정하는 것이 용이해진다. 이러한 점에서, 본 발명에서는, 제1층의 용접 금속에 있어서, 용접 금속으로의 강재의 용입 정도(희석률)를 소정의 범위가 되도록 조정하는 것으로 했다.

제1층 용접 금속으로의 강재의 용입 정도(희석률)는, 강재의 판두께, 개선 형상, 용접 조건에 의해, 변화한다. 특히, 용접 조건 중, 용접 입열량의 영향이 커, 용접 입열량의 조정에 의해, 강재의 용입 정도(희석률)를 변화시키는 것이 가능하다. 따라서, 용접의 실시에 앞서 모의 시험을 행하여, 소망하는 희석률을 달성할 수 있는 용접 입열량을 검토해 두는 것이 바람직하다.

예를 들면, 미리, 실제로 용접하는 강재로, 실제로 사용하는 개선 형상에 가까운 모의 시험재를 제작하고, 실제로 사용하는 용접 재료를 이용하여, 용접 입열량을 변화시키고, 1패스의 시험 용접을 100㎜ 이상 실시하여, 제1층을 모방한 용접 금속을 얻는다. 얻어진 용접 금속의 중앙부에서 그의 조성을 EPMA 등으로 분석하여, 희석률을 산출함으로써, 소망하는 강재의 희석률을 달성할 수 있는 용접 조건(입열량)을 결정해 두는 것이 바람직하다. 또한, 판두께 12㎜ 이하의 강재에서는, 상기한 소망하는 강재의 희석률을 확보하기 위해서는, 입열: 2.5kJ/㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명에서 사용하는 고Mn 함유 강재의 바람직한 제조 방법에 대해서 설명한다.

상기한 강재 조성을 갖는 용강을, 전로, 전기로 등, 상용의 용제 방법으로 용제하고, 연속 주조법 혹은 조괴-분괴 압연법 등의, 상용의 주조 방법에 의해, 소정 치수의 슬래브 등의 강 소재로 한다. 용제 시에 있어서는, 진공 탈가스로 등에 의한 2차 정련을 실시해도 좋은 것은 말할 필요도 없다. 얻어진 강 소재를, 추가로, 가열하고, 열간 압연 및 그 후의 냉각을 실시하여, 소정 치수의 강재를 얻는다. 그 때, 강 소재를 가열 온도: 1100∼1300℃의 범위의 온도에서 가열하고, 마무리 압연 종료 온도: 790∼980℃에서 열간 압연을 종료하고, 즉시 냉각 등을 실시함으로써, 극저온 충격 인성이 우수한 강재를 얻을 수 있다. 또한, 강재 특성의 조정을 위해, 추가로, 어닐링 처리 등의 열 처리를 행해도 좋은 것은 말할 필요도 없다.

또한, 본 발명에서 사용하는 솔리드 와이어의 바람직한 제조 방법에 대해서 설명한다.

본 발명에서 사용하는 솔리드 와이어에서는, 상용의 용접용 솔리드 와이어의 제조 방법을 모두 적용할 수 있다. 예를 들면, 상기한 와이어 조성을 갖는 용강을, 전기로, 진공 용해로 등, 상용의 용제 방법으로 용제하고, 소정 형상의 주형 등으로 주조하여 강괴를 얻는 주조 공정과, 얻어진 강괴를, 소정 온도로 가열하는 가열 공정과, 가열된 강괴에, 열간 압연을 실시하여, 소정 형상의 강 소재(봉 형상)로 하는 열연 공정을 순차로 행하고, 이어서, 얻어진 강 소재(봉 형상)를 복수회의 냉간 압연(냉간 신선 가공)과 필요에 따라서 어닐링을 실시하여, 소망 치수의 와이어로 하는 냉연 공정을 행하는 것이 바람직하다. 또한, 어닐링은, 어닐링 온도: 1000∼1200℃에서 균열하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예에 기초하여, 추가로 본 발명에 대해서 설명한다.

실시예

진공 용해로에서 용강을 용제하고, 주형으로 주조한 후, 분괴 압연하여 표 1에 나타내는 조성(강재 조성)의 슬래브(두께: 150㎜)로 하여, 강 소재를 얻었다. 이어서, 얻어진 강 소재를, 가열로에 장입하여, 1250℃로 가열하고, 마무리 압연 종료 온도: 850℃로 하는 열간 압연을 실시한 후, 즉시, 수랭 처리를 실시하여, 판두께: 12㎜의 강판(고Mn 함유 강재)을 얻었다.

또한, 표 2에 나타내는 조성(와이어 조성)의 용강을, 진공 용해로에서 용제하고, 주조하여 강괴를 얻었다. 얻어진 강괴를, 가열로에서 1200℃로 가열하고, 열간 압연을 실시하여 봉 형상의 강 소재를 얻었다. 얻어진 봉 형상의 강 소재에 추가로, 어닐링을 사이에 두고 복수회의 냉간 압연을 실시하여, 용접용 솔리드 와이어(1.2㎜φ)를 얻었다.

얻어진 강재(판두께 12㎜ 강판)를 이용하여, JIS Z 3111에 준거하여, V형 개선(개선 각도: 45°)을 형성했다. 그리고, 그 개선 내에, 얻어진 용접용 솔리드 와이어(1.2㎜φ)를 용접 재료로서 전극에 이용하여, 용극식(소모 전극식) 가스 메탈 아크 용접(가스 분위기: Ar＋20％CO₂)을 행하고, 다층(4패스)의 용접 금속을 형성하여, 용접 조인트를 얻었다. 용접 조인트의 제조에 있어서는, 표 3에 나타내는 바와 같이, 강재(강판)와 용접 재료(솔리드 와이어)를 조합했다. 또한, 용접 입열은, 표 3에 나타내는 바와 같이 0.5kJ/㎜로부터 3.5kJ/㎜의 범위에서 변화시키고, 제1층의 용접 금속으로의 강재의 희석률을 변화시켰다.

또한, 용접 금속의 제1층에 있어서의 강재(강판)의 희석률은, 예비적 시험을 실시하여 구했다. 구체적으로는, 미리, 실제로 용접하는 강재로, 실제로 사용하는 개선 형상을 형성하고, 실제로 사용하는 용접 재료를 이용하여, 실제의 용접 입열량으로, 1패스의 시험 용접을 100㎜ 이상 실시했다. 얻어진 용접 금속의 중앙부에서 그의 조성을 EPMA로 분석하고, 다음 (1)식

희석률(％)＝100×{(용접 금속에 포함되는 성분 원소의 함유량:질량％)－(솔리드 와이어에 포함되는 성분 원소의 함유량:질량％)}/{(강재에 포함되는 성분 원소의 함유량:질량％)－(솔리드 와이어에 포함되는 성분 원소의 함유량:질량％)}……(1)

을 이용하여, 희석률을 산출했다. 여기에서, 성분 원소로서는, Mn을 이용했다. 구한 희석률을 표 3에 나타낸다.

얻어진 용접 조인트로부터, JIS Z 3111의 규정에 준거하여, 인장 시험편(평행부 지름 6㎜φ) 및, 샤르피 충격 시험편(V 노치: 노치 위치 용접 금속부)을 채취하여, 인장 시험, 샤르피 충격 시험을 실시하고, 용접 금속부의 강도, 극저온 충격 인성을 평가했다.

인장 시험은, 실온에서 각 3개의 시험편으로 실시하고, 얻어진 항복 응력 YS의 값(0.2％ 내력)의 평균값으로, 당해 용접 금속의 강도를 평가했다. 또한, 샤르피 충격 시험은, 시험 온도: －196℃에서 각 3개의 시험편으로 실시하여, 흡수 에너지 vE_－196을 구하고, 그의 평균값으로, 당해 용접 금속의 극저온 충격 인성을 평가했다.

또한, 용접 금속부에 대해서, 광학 현미경 및 실체 현미경(배율: 400배)을 이용하여 용접 균열(고온 균열)의 유무를 관찰하여, 내용접 균열(고온 균열)성을 평가했다.

얻어진 결과를 표 3에 나타낸다.

본 발명예에서는 모두, 상온에 있어서의 항복 응력(0.2％ 내력)이 400㎫ 이상이고, 시험 온도: －196℃에 있어서의 샤르피 충격 시험의 흡수 에너지 vE_－196이 28J 이상으로, 고강도와 우수한 극저온 충격 인성을 겸비하는 용접 금속을 갖는 고강도 용접 조인트가 얻어졌다.

한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예의 용접 조인트에서는, 상온에 있어서의 항복 응력(0.2％ 내력)이 400㎫ 미만이거나, 용접 균열이 발생하고 있거나, 시험 온도: －196℃에 있어서의 샤르피 충격 시험의 흡수 에너지 vE_－196이 28J 미만이거나 하여, 고강도와 우수한 극저온 충격 인성을 겸비하여 내용접 균열성이 우수한 용접 금속이 얻어지지 않았다.

그 중에서도, Mn 함유량 또는 Cr 함유량이 강재의 것보다 많은 용접 재료(솔리드 와이어)를 이용한 점만이 본 발명의 범위 외인 비교예의 용접 조인트(12 및 13)에서는, 용접 금속 강도가 저하함과 함께, 국부적인 경화부가 생기고, 용접 균열이 발생했다.

Claims

극저온용 고강도 고Mn 함유 강재끼리를 솔리드 와이어를 이용하여 가스 메탈 아크 용접하여, 다층 용접 금속부를 형성하는 극저온용 고강도 용접 조인트의 제조 방법으로서,
당해 극저온용 고강도 고Mn 함유 강재가, 질량％로,
C: 0.10∼0.70％,
Si: 0.05∼1.00％,
Mn: 18∼30％,
P: 0.030％ 이하,
S: 0.0070％ 이하,
Al: 0.01∼0.07％,
Cr: 2.5∼7.0％,
N: 0.0050∼0.0500％ 및,
O(산소): 0.0050％ 이하
를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강재 조성을 갖고,
당해 솔리드 와이어가, 질량％로,
C: 0.2∼0.8％,
Si: 0.15∼0.90％,
Mn: 17.0∼28.0％,
P: 0.03％ 이하,
S: 0.03％ 이하,
Ni: 0.01∼10.0％,
Cr: 0.4∼4.0％,
Mo: 0.02∼2.5％,
Al: 0.1％ 이하,
N: 0.12％ 이하 및,
O(산소): 0.04％ 이하
를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 와이어 조성을 갖고, 또한 당해 솔리드 와이어의 Mn 및 Cr의 함유량이, 각각 당해 강재의 Mn 및 Cr의 함유량보다 적고,
하기 (1)식으로 정의되는 당해 다층 용접 금속부에 있어서의 제1층의 용접 금속으로의 당해 강재의 희석률이 35∼60％가 되도록, 상기 가스 메탈 아크 용접의 용접 조건을 조정하는 것을 특징으로 하는 극저온용 고강도 용접 조인트의 제조 방법.
희석률(％)＝100×{(제1층의 용접 금속의 중앙부에서 EPMA에 의해 측정한 성분 원소 Mn 또는 Cr의 함유량:질량％)－(당해 솔리드 와이어에 포함되는 당해 성분 원소의 함유량:질량％)}/{(당해 강재에 포함되는 당해 성분 원소의 함유량:질량％)－(당해 솔리드 와이어에 포함되는 당해 성분 원소의 함유량:질량％)}……(1)
제1항에 있어서,
상기 극저온용 고강도 고Mn 함유 강재가, 상기 강재 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Mo: 2.0％ 이하, V: 2.0％ 이하, W: 2.0％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상, 및 REM: 0.0010∼0.0200％ 및 B: 0.0005∼0.0020％ 중으로부터 선택되는 1종 또는 2종 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 함유하는 것을 특징으로 하는 극저온용 고강도 용접 조인트의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 솔리드 와이어가, 상기 와이어 조성에 더하여 추가로, 질량％로, V: 1.0％ 이하, Ti: 1.0％ 이하 및 Nb: 1.0％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 극저온용 고강도 용접 조인트의 제조 방법.
극저온용 고강도 고Mn 함유 강재끼리를 솔리드 와이어를 이용하여 가스 메탈 아크 용접하여 형성되는 다층 용접 금속부를 구비하는 극저온용 고강도 용접 조인트로서,
당해 극저온용 고강도 고Mn 함유 강재가, 질량％로,
C: 0.10∼0.70％,
Si: 0.05∼1.00％,
Mn: 18∼30％,
P: 0.030％ 이하,
S: 0.0070％ 이하,
Al: 0.01∼0.07％,
Cr: 2.5∼7.0％,
N: 0.0050∼0.0500％ 및,
O(산소): 0.0050％ 이하
를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강재 조성을 갖고,
당해 솔리드 와이어가, 질량％로,
C: 0.2∼0.8％,
Si: 0.15∼0.90％,
Mn: 17.0∼28.0％,
P: 0.03％ 이하,
S: 0.03％ 이하,
Ni: 0.01∼10.0％,
Cr: 0.4∼4.0％,
Mo: 0.02∼2.5％,
Al: 0.1％ 이하,
N: 0.12％ 이하 및,
O(산소): 0.04％ 이하
를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 와이어 조성을 갖고, 또한 당해 솔리드 와이어의 Mn 및 Cr의 함유량이, 각각 당해 강재의 Mn 및 Cr의 함유량보다 적고,
하기 (1)식으로 정의되는 당해 다층 용접 금속부에 있어서의 제1층의 용접 금속으로의 당해 강재의 희석률이 35∼60％인, 극저온용 고강도 용접 조인트.
희석률(％)＝100×{(제1층의 용접 금속의 중앙부에서 EPMA에 의해 측정한 성분 원소 Mn 또는 Cr의 함유량:질량％)－(당해 솔리드 와이어에 포함되는 당해 성분 원소의 함유량:질량％)}/{(당해 강재에 포함되는 당해 성분 원소의 함유량:질량％)－(당해 솔리드 와이어에 포함되는 당해 성분 원소의 함유량:질량％)}……(1)
제4항에 있어서,
상기 극저온용 고강도 고Mn 함유 강재가, 상기 강재 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Mo: 2.0％ 이하, V: 2.0％ 이하, W: 2.0％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상, 및 REM: 0.0010∼0.0200％ 및 B: 0.0005∼0.0020％ 중으로부터 선택되는 1종 또는 2종 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 함유하는, 극저온용 고강도 용접 조인트.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 솔리드 와이어가, 상기 와이어 조성에 더하여 추가로, 질량％로, V: 1.0％ 이하, Ti: 1.0％ 이하 및 Nb: 1.0％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는, 극저온용 고강도 용접 조인트.