KR102645013B1 - 이종모재 접합용 용접 금속 및 이를 이용한 용접 방법 - Google Patents
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Abstract
균열발생 원인인 조대한 탄화물의 생성을 최소화함으로써, 이종모재의 용접 부위에 대한 용접 품질을 향상시킬 수 있는 이종모재 접합용 용접 금속 및 이를 이용한 용접 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 이종모재 접합용 용접 금속은 제1 모재 및 상기 제1 모재와 이종 재질을 갖는 제2 모재를 용접하기 위해 사용되는 이종모재 접합용 용접 금속으로서, 중량%로, C : 0.001 ~ 0.035%, Si : 0.1 ~ 0.3%, Mn : 0.1 ~ 2.0%, Cr : 25 ~ 35%, Ni : 50 ~ 65%, Al : 0.1 ~ 1.0% 및 Fe : 6 ~ 9%와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이종모재 접합용 용접 금속은 제1 모재 및 상기 제1 모재와 이종 재질을 갖는 제2 모재를 용접하기 위해 사용되는 이종모재 접합용 용접 금속으로서, 중량%로, C : 0.001 ~ 0.035%, Si : 0.1 ~ 0.3%, Mn : 0.1 ~ 2.0%, Cr : 25 ~ 35%, Ni : 50 ~ 65%, Al : 0.1 ~ 1.0% 및 Fe : 6 ~ 9%와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 이종모재 접합용 용접 금속 및 이를 이용한 용접 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균열발생 원인인 조대한 탄화물의 생성을 최소화함으로써, 이종모재의 용접 부위에 대한 용접 품질을 향상시킬 수 있는 이종모재 접합용 용접 금속 및 이를 이용한 용접 방법에 관한 것이다.
이종금속 용접은 발전분야, 화학분야, 석유화학분야, 원자력산업에서 널리 이용되고 있다. 이러한 이종금속 용접은 기술적 및 경제적인 이유로 항공기, 우주산업, 전자기기, 저온기기 등 첨단 산업 분야에 고품질 고기능성을 가지면서 가격면에서 유리한 제품생산에 적용되고 있다.
이때, 이종금속 용접은 시공시 용융온도 및 응고온도가 금속 화학성분 차이에 따라 달라진다. 용융온도 및 응고온도가 금속 화학성분 차이에 따라 달라지는 경우, 용접시 금속조직의 조대화가 발생할 수 있다. 이종금속 용접은 금속 화학성분의 차이에 따라 격자구조와 물성치가 달라서 용접후 응고시에 균열발생빈도가 증가하고, 기공이 발생하기 쉬운 문제점이 있다.
일 예로, EU 공정 퍼니스(Furnace)용 튜브는 그 재질로 Kubota 사(社)의 내열강인 KHR 45A 강을 사용하고 있으며, 코킹(Coking) 정도가 심한 위치의 튜브에 대해서는 부분적으로 Sandvik 사(社)의 APMT 강을 대체 적용하여 사용하고 있다.
이때, APMT 강은 튜브 표면에 Al2O3 산화층을 형성하여 기존 Cr-Ni 합금대비 우수한 고온에서 침탄 및 코크(Coke) 생성에 대한 저항성을 보유하고 있다. 여기서, APMT 강을 퍼니스용 튜브로 적용할 시, 디코킹(Decoking) 주기를 대략 90일에서 200일 정도로 연장할 수 있으며, 우수한 내침탄성으로 수명연장이 가능하여 생산효율 증대 및 디코킹 비용 감소로 경제적 효과가 있다.
도 1은 종래에 따른 이종모재를 접합한 구조를 나타낸 사진이고, 도 2는 도 1의 이종모재의 접합 부분을 확대하여 나타낸 사진이며, 도 3은 도 1의 이종모재의 접합 부분에 대한 미세조직 및 상분율을 측정한 결과를 나타낸 사진이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 설비 운영 중 KHR 45A 강 재질의 튜브와 APMT 강 재질의 튜브 간이 이종 재질로 이루어짐에 따라 용접 부분에서 균열이 다수 발생한 것을 확인하였다.
즉, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이. KHR 45A 강과 APMT 강 간의 용접부 계면에 운전 중 다수의 용접 부분에서 균열이 발생된 것을 확인하였다.
이때, 균열 원인에 대한 상세 분석 결과, 도 3에 도시된 바와 같이, 용접부 계면에 조대한 탄화물(Cr23C6) 및 금속간화합물(NiAl)이 과도하게 생성되어 있는 것을 확인하였으며, 균열은 주로 취약한 Cr 탄화물을 따라 진행되었다.
이는, 운전 중 KHR 45A 강에서 확산되어 오는 탄소가 탄소용해도가 거의 없는 APMT 강과 만나면서 확산되어 들어가지 못하고 조대한 탄화물을 생성시키기 때문인 것으로 파악된다. 이 과정에서 생성된 조대한 탄화물에 의해 국부적으로 Ni, Al이 풍부하게 되어, NiAl 상이 다량으로 생성된 것으로 파악된다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0075195호(2012.07.06. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 페라이트계 스테인리스 강관 및 그 제조방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 균열발생 원인인 조대한 탄화물의 생성을 최소화함으로써, 이종모재의 용접 부위에 대한 용접 품질을 향상시킬 수 있는 이종모재 접합용 용접 금속 및 이를 이용한 용접 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속은 제1 모재 및 상기 제1 모재와 이종 재질을 갖는 제2 모재를 용접하기 위해 사용되는 이종모재 접합용 용접 금속으로서, 중량%로, C : 0.001 ~ 0.035%, Si : 0.1 ~ 0.3%, Mn : 0.1 ~ 2.0%, Cr : 25 ~ 35%, Ni : 50 ~ 65%, Al : 0.1 ~ 1.0% 및 Fe : 6 ~ 9%와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속은 제1 모재 및 상기 제1 모재와 이종 재질을 갖는 제2 모재를 용접하기 위해 사용되는 이종모재용 용접 금속으로서, 중량%로, C : 0.07 ~ 0.16%, Si : 1.2% 이하, Mn : 1.5% 이하, Cr : 19 ~ 22%, Ni : 31 ~ 35%, Fe : 39 ~ 49% 및 Nb : 0.6 ~ 1.6%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속을 이용한 용접 방법은 (a) 제1 모재 및 상기 제1 모재와 이종 재질을 갖는 제2 모재를 준비하는 단계; 및 (b) 상기 제1 및 제2 모재를 이종모재 접합용 용접 금속을 이용하여 이종 용접을 실시하는 단계;를 포함하며, 상기 용접 금속은 중량%로, C : 0.001 ~ 0.035%, Si : 0.1 ~ 0.3%, Mn : 0.1 ~ 2.0%, Cr : 25 ~ 35%, Ni : 50 ~ 65%, Al : 0.1 ~ 1.0% 및 Fe : 6 ~ 9%와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속을 이용한 용접 방법은 (a) 제1 모재 및 상기 제1 모재와 이종 재질을 갖는 제2 모재를 준비하는 단계; 및 (b) 상기 제1 및 제2 모재를 이종모재 접합용 용접 금속을 이용하여 이종 용접을 실시하는 단계;를 포함하며, 상기 용접 금속은 중량%로, C : 0.07 ~ 0.16%, Si : 1.2% 이하, Mn : 1.5% 이하, Cr : 19 ~ 22%, Ni : 31 ~ 35%, Fe : 39 ~ 49% 및 Nb : 0.6 ~ 1.6%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이종모재 접합용 용접 금속 및 이를 이용한 용접 방법은 탄소 용해도(carbon solubility)를 증가시키기 위해 탄소의 함량은 극소량으로 제어하면서 니켈의 함량을 증가시킨 용접 금속을 이용하여 이종 재질의 제1 모재 및 제2 모재 간을 용접함으로써, 제1 및 제2 모재의 경계면에서 탄화물(Cr23C6)이 존재하지 않으면서도 고온에서의 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명에 따른 이종모재 접합용 용접 금속 및 이를 이용한 용접 방법은 균열발생 원인인 조대한 탄화물의 생성을 최소화함으로써, 이종모재의 용접 부위에 대한 용접 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래에 따른 이종모재를 접합한 구조를 나타낸 사진.
도 2는 도 1의 이종모재의 접합 부분을 확대하여 나타낸 사진.
도 3은 도 1의 이종모재의 접합 부분에 대한 미세조직 및 상분율을 측정한 결과를 나타낸 사진.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속의 적용 구조를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속을 이용하여 이종모재를 접합한 상태를 나타낸 도면.
도 6은 실시예 1에 따른 시편에 대한 비드 온 플레이트 테스트 결과를 나타낸 사진.
도 7은 비교예 1에 따른 시편에 대한 비드 온 플레이트 테스트 결과를 나타낸 사진.
도 8은 비교예 2에 따른 시편에 대한 비드 온 플레이트 테스트 결과를 나타낸 사진.
도 9는 비드 온 플레이트 테스트 결과를 통과한 실시예 1 및 비교예 2에 대한 용접 테스트를 실시한 결과를 나타낸 사진.
도 10은 실시예 1 및 2와 비교예 3에 대한 용접 테스트 후 절단면을 촬영하여 나타낸 사진.
도 11은 실시예 1 및 2와 비교예 3에 대한 고온인장 실험 결과를 나타낸 사진.
도 12는 실시예 1에 대하여 용접 직후 및 950℃ 1주일 열처리한 후에 대한 용접 계면 부분을 촬영하여 나타낸 사진.
도 13은 실시예 1 및 2와 비교예 3에 대한 950℃ 1주일 열처리한 후에 대한 용접 계면 부분을 촬영하여 나타낸 사진.
도 2는 도 1의 이종모재의 접합 부분을 확대하여 나타낸 사진.
도 3은 도 1의 이종모재의 접합 부분에 대한 미세조직 및 상분율을 측정한 결과를 나타낸 사진.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속의 적용 구조를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속을 이용하여 이종모재를 접합한 상태를 나타낸 도면.
도 6은 실시예 1에 따른 시편에 대한 비드 온 플레이트 테스트 결과를 나타낸 사진.
도 7은 비교예 1에 따른 시편에 대한 비드 온 플레이트 테스트 결과를 나타낸 사진.
도 8은 비교예 2에 따른 시편에 대한 비드 온 플레이트 테스트 결과를 나타낸 사진.
도 9는 비드 온 플레이트 테스트 결과를 통과한 실시예 1 및 비교예 2에 대한 용접 테스트를 실시한 결과를 나타낸 사진.
도 10은 실시예 1 및 2와 비교예 3에 대한 용접 테스트 후 절단면을 촬영하여 나타낸 사진.
도 11은 실시예 1 및 2와 비교예 3에 대한 고온인장 실험 결과를 나타낸 사진.
도 12는 실시예 1에 대하여 용접 직후 및 950℃ 1주일 열처리한 후에 대한 용접 계면 부분을 촬영하여 나타낸 사진.
도 13은 실시예 1 및 2와 비교예 3에 대한 950℃ 1주일 열처리한 후에 대한 용접 계면 부분을 촬영하여 나타낸 사진.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 이종모재 접합용 용접 금속 및 이를 이용한 용접 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
(제1 실시예)
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속의 적용 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속(100)은 제1 모재(120) 및 제1 모재(120)와 이종 재질을 갖는 제2 모재(140)를 용접하기 위해 사용된다.
여기서, 제1 모재(120)는 EU 공정 퍼니스(Furnace)용 튜브로 사용하기 위한 Kubota 사(社)의 내열강인 KHR 45A 강일 수 있고, 제2 모재(140)는 코킹(Coking) 정도가 심한 위치의 튜브에 대하여 부분적으로 대체하기 위한 용도로 사용되는 Sandvik 사(社)의 APMT 강일 수 있다.
이때, Sandvik 사(社)의 APMT 강은 페라이트 재료로서 Fe-Cr-Al-Mo 합금으로, APM(Fe-Cr-Al) 합금에 Mo를 추가 첨가하여 내 크립성, 강도, 내침탄성 및 내산화성을 향상시킨 것으로, 대략 1250℃의 고온까지 사용이 가능한 합금 재질로 이루어진다.
구체적으로, 제1 모재(120)는 중량%로, Cr : 30 ~ 35%, Si : 2.0% 이하, Mn : 2.0% 이하, Nb : 0.5 ~ 1.8%, C : 0.4 ~ 0.6% 및 나머지 Ni와 기타 불가피한 불순물로 조성될 수 있다. 그리고, 제2 모재(140)는 중량%로, Cr : 18 ~ 25%, Al : 1.0 ~ 8.0%, Mo : 0.5 ~ 5.0%, Si : 0.1 ~ 1.0%, Mn : 0.1 ~ 1.5%, C : 0.01 ~ 0.10% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성될 수 있다.
이때, APMT 강 재질의 제2 모재(140)는 낮은 탄소용해도를 갖고 있다. 따라서, 제1 및 제2 모재(120, 140)를 용접시켜 EU 공정 퍼니스(Furnace)용 튜브로 사용할 경우, 장시간 동안 고온에서 운전을 통해 탄소가 KHR 45A 강 재질의 제1 모재(120)에서 확산되어 들어올 때, 용접 부분의 계면에서 조대환 탄화물(Cr23C6)을 형성하게 된다. 이러한 탄화물 생성시, 니켈 및 알루미늄의 제거에 의해 주변에 NiAl 상이 다량으로 생성된다. 이 결과, 이종 모재의 용접 접합 부분에서 크랙에 의한 균열이 발생하는 것으로 파악된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 발명자들은 다년 간의 연구를 거듭한 결과, 이종 재질의 제1 모재(120) 및 제2 모재(140) 간의 성공적인 용접을 위해서는 균열발생의 원인인 조대한 Cr계 탄화물의 생성을 최소화해야 하는 것을 알아내었으며, 이를 위해 탄소 용해도(carbon solubility)를 증가시키는 것이 필수적이라는 사실을 밝혀내었다. 이를 위해, 탄소(C)의 함량은 극소량으로 제어하면서 니켈(Ni)의 함량을 증가시켜야 하며, 고온물성 확보를 위해 Cr의 함량을 25 ~ 35wt%로 엄격히 제어해야 한다는 사실을 알아내었다.
즉, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속(100)은 중량%로, C : 0.001 ~ 0.035%, Si : 0.1 ~ 0.3%, Mn : 0.1 ~ 2.0%, Cr : 25 ~ 35%, Ni : 50 ~ 65%, Al : 0.1 ~ 1.0% 및 Fe : 6 ~ 9%와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 용접 금속(100)은 중량%로, Ti : 0.06% 이하, P : 0.04% 이하, S : 0.006% 이하, Nb : 0.1% 이하 및 Ta : 0.1% 이하 중 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
여기서, 탄소(C)는 강도 확보를 위해 첨가된다. 다만, 본 발명에서는 용접 균열발생의 원인인 조대한 Cr계 탄화물의 생성을 최소화하기 위해, 탄소 용해도를 증가시킬 수 있도록 탄소(C)의 함량을 극소량으로 제어하는 것이 바람직하다는 것을 알아내었다. 이를 위해, 탄소(C)는 용접 금속 전체 중량의 0.001 ~ 0.035 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다.
규소(Si)는 고용체 금속간의 결합을 위한 고용체 강화물의 역할과 더불어, SiO2 형성으로 부동태피막을 강화시키는 역할을 한다. 규소(Si)는 용접 금속 전체 중량의 0.1 ~ 0.3 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 규소(Si)의 첨가량이 0.1 중량% 미만일 경우에는 상기의 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 규소(Si)의 첨가량이 0.3 중량%를 초과할 경우에는 용접 응고 균열 감수성을 현저하게 증대시킨다.
망간(Mn)은 금속간의 결합을 위한 고용체 강화물의 역할을 한다. 망간(Mn)은 용접 금속 전체 중량의 0.1 ~ 2.0 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간(Mn)의 첨가량이 0.1 중량% 미만일 경우에는 강도 및 인성의 확보뿐만 아니라 소입성의 부족과 용접성에 유해한 탄소의 규제로 인한 용접후의 용착금속의 강도를 확보하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 망간(Mn)의 첨가량이 2.0 중량%를 초과할 경우에는 인성이 급격히 저하되어 냉간가공성을 저하시키는 문제가 있다.
크롬(Cr)은 내산화성, 내고온 부식성 및 고온강도 등을 향상시키는 역할을 한다. 따라서, 크롬(Cr)은 용접 금속 전체 중량의 25 ~ 35%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬(Cr)의 첨가량이 25 중량% 미만일 경우에는 상기의 효과를 제대로 발휘가 어렵다. 반대로, 크롬(Cr)의 첨가량이 35 중량%를 초과할 경우에는 탄소의 첨가량을 극소로 제어함에도 불구하고, 용접시 크롬(Cr)과 탄소(C)가 예민화 반응시 Cr계 탄화물을 생성시킬 우려가 크므로 바람직하지 못하다.
니켈(Ni)은 인성과 내식성을 증대시키는 역할을 한다. 또한, 니켈(Ni)은 탄소 용해도(carbon solubility)를 증가시키는 역할을 한다. 따라서, 니켈(Ni)은 용접 금속 전체 중량의 50 ~ 65 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 니켈(Ni)의 첨가량이 50 중량% 미만일 경우에는 상기의 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 니켈(Ni)의 첨가량이 65 중량%를 초과할 경우에는 P의 용접 응고 균열 감수성이 매우 높아지는 문제가 있으므로, 바람직하지 못하다.
알루미늄(Al)은 용접 시에 외기로부터 침입하는 산소(O)와 반응하여 탈산 작용을 갖는다. 따라서, 알루미늄(Al)은 용접 금속 전체 중량의 0.1 ~ 1.0 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄(Al)의 첨가량이 0.1 중량% 미만일 경우에는 상기의 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 알루미늄(Al)의 첨가량이 1.0 중량%를 초과할 경우에는 고온에서 과잉의 양의 금속간 화합물이 석출하므로, 인성을 현저하게 저하시키는 문제가 있다.
인(P)은 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키는 단점이 있다. 따라서, 인(P)은 용접 금속 전체 중량의 0.04 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 황(S)은 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 냉간 가공성에 유해한 영향을 미친다. 따라서, 황(S)은 용접 금속 전체 중량의 0.006 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속을 이용한 용접 방법에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속을 이용한 용접 방법은 제1 및 제2 모재 준비 단계 및 이종 용접 단계를 포함한다.
제1 및 제2 모재 준비 단계에서는 제1 모재 및 제1 모재와 이종 재질을 갖는 제2 모재를 준비한다.
여기서, 제1 모재는 중량%로, Cr : 30 ~ 35%, Si : 2.0% 이하, Mn : 2.0% 이하, Nb : 0.5 ~ 1.8%, C : 0.4 ~ 0.6% 및 나머지 Ni와 기타 불가피한 불순물로 조성되 수 있고, 제2 모재는 중량%로, Cr : 18 ~ 25%, Al : 1.0 ~ 8.0%, Mo : 0.5 ~ 5.0%, Si : 0.1 ~ 1.0%, Mn : 0.1 ~ 1.5%, C : 0.01 ~ 0.10% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성될 수 있다.
이종 용접 단계에서는 제1 및 제2 모재를 이종모재 접합용 용접 금속을 이용하여 이종 용접을 실시한다.
이때, 용접 금속은 중량%로, C : 0.001 ~ 0.035%, Si : 0.1 ~ 0.3%, Mn : 0.1 ~ 2.0%, Cr : 25 ~ 35%, Ni : 50 ~ 65%, Al : 0.1 ~ 1.0% 및 Fe : 6 ~ 9%와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 용접 금속은 중량%로, Ti : 0.06% 이하, P : 0.04% 이하, S : 0.006% 이하, Nb : 0.1% 이하 및 Ta : 0.1% 이하 중 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
특히, 이종 용접 단계에서, 용접은 1.0 ~ 2.5kJ/cm의 입열량 조건으로 실시하는 것이 바람직하며, 보다 바람직한 입열량 조건은 1.0 ~ 2.0kJ/cm을 제시할 수 있다.
이러한 이종 용접 단계 이후, 제1 및 제2 모재의 경계면에서는, 탄화물(Cr23C6)이 존재하지 않는 것을 확인하였다. 이는, 이종 재질의 제1 모재 및 제2 모재 간의 용접 시, 탄소 용해도(carbon solubility)를 증가시키기 위해 탄소의 함량은 극소량으로 제어하면서 니켈의 함량을 증가시킨 용접 금속을 이용한 데 기인한 것으로 파악된다.
(제2 실시예)
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속을 이용하여 이종모재를 접합한 상태를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속(200)은 제1 모재(220) 및 제1 모재(220)와 이종 재질을 갖는 제2 모재(240)를 용접하기 위해 사용된다.
여기서, 제1 모재(220) 및 제2 모재(240)는 제1 실시예의 제1 및 제2 모재(도 4의 120, 140)와 실질적으로 동일한 것일 수 있으므로, 중복 설명은 생략하도록 한다.
이때, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속(200)은 중량%로, C : 0.07 ~ 0.16%, Si : 1.2% 이하, Mn : 1.5% 이하, Cr : 19 ~ 22%, Ni : 31 ~ 35%, Fe : 39 ~ 49% 및 Nb : 0.6 ~ 1.6%를 포함한다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속(200)은 P : 0.04% 이하 및 S : 0.006% 이하 중 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
탄소(C)는 강도 확보를 위해 첨가된다. 다만, 본 발명에서는 용접 균열발생의 원인인 조대한 Cr계 탄화물의 생성을 최소화하기 위해, 탄소 용해도를 증가시킬 수 있도록 탄소의 함량을 극소량으로 제어하는 것이 바람직하다는 것을 알아내었다. 이를 위해, 탄소(C)는 용접 금속 전체 중량의 0.07 ~ 0.16 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다.
규소(Si)는 고용체 금속간의 결합을 위한 고용체 강화물의 역할과 더불어, SiO2형성으로 부동태피막을 강화시키는 역할을 한다. 다만, 규소(Si)의 첨가량이 1.2 중량%를 초과할 경우에는 용접 응고 균열 감수성을 현저하게 증대시킨다. 따라서, 규소(Si)는 용접 금속 전체 중량의 1.2 중량% 이하의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다.
망간(Mn)은 금속간의 결합을 위한 고용체 강화물의 역할을 한다. 다만, 망간(Mn)의 첨가량이 1.5 중량%를 초과할 경우에는 인성이 급격히 저하되어 냉간가공성을 저하시키는 문제가 있다. 따라서, 망간(Mn)은 용접 금속 전체 중량의 1.5 중량% 이하의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다.
크롬(Cr)은 내산화성, 내고온 부식성 및 고온강도 등을 향상시키는 역할을 한다. 따라서, 크롬(Cr)은 용접 금속 전체 중량의 19 ~ 22%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬(Cr)의 첨가량이 19 중량% 미만일 경우에는 상기의 효과를 제대로 발휘가 어렵다. 반대로, 크롬(Cr)의 첨가량이 22 중량%를 초과할 경우에는 탄소(C)의 첨가량을 극소로 제어함에도 불구하고, 용접시 크롬과 탄소가 예민화 반응시 Cr계 탄화물을 생성시킬 우려가 크므로 바람직하지 못하다.
니켈(Ni)은 인성과 내식성을 증대시키는 역할을 한다. 또한, 니켈(Ni)은 탄소 용해도(carbon solubility)를 증가시키는 역할을 한다. 따라서, 니켈(Ni)은 용접 금속 전체 중량의 31 ~ 35 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 니켈(Ni)의 첨가량이 31 중량% 미만일 경우에는 상기의 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 니켈(Ni)의 첨가량이 35 중량%를 초과할 경우에는 P의 용접 응고 균열 감수성이 매우 높아지는 문제가 있으므로, 바람직하지 못하다.
니오븀(Nb)은 크리프 강도를 비롯한 고온 강도의 향상에 유효한 원소이다. 따라서, 니오븀(Nb)은 용접 금속 전체 중량의 0.6 ~ 1.6 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 니오븀(Nb)의 첨가량이 0.6 중량%를 미만일 경우에는 상기의 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 니오븀(Nb)의 첨가량이 1.6 중량%를 초과할 경우에는 인성을 비롯한 기계적 성질의 큰 열화를 초래한다.
인(P)은 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키는 단점이 있다. 따라서, 인(P)은 용접 금속 전체 중량의 0.04 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 황(S)은 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 냉간 가공성에 유해한 영향을 미친다. 따라서, 황(S)은 용접 금속 전체 중량의 0.006 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속을 이용한 용접 방법에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 이종모재 접합용 용접 금속을 이용한 용접 방법은 제1 및 제2 모재 준비 단계 및 이종 용접 단계를 포함한다.
제1 및 제2 모재 준비 단계에서는 제1 모재 및 제1 모재와 이종 재질을 갖는 제2 모재를 준비한다.
여기서, 제1 모재는 중량%로, Cr : 30 ~ 35%, Si : 2.0% 이하, Mn : 2.0% 이하, Nb : 0.5 ~ 1.8%, C : 0.4 ~ 0.6% 및 나머지 Ni와 기타 불가피한 불순물로 조성되 수 있고, 제2 모재는 중량%로, Cr : 18 ~ 25%, Al : 1.0 ~ 8.0%, Mo : 0.5 ~ 5.0%, Si : 0.1 ~ 1.0%, Mn : 0.1 ~ 1.5%, C : 0.01 ~ 0.10% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성될 수 있다.
이종 용접 단계에서는 제1 및 제2 모재를 이종모재 접합용 용접 금속을 이용하여 이종 용접을 실시한다.
이때, 용접 금속은 중량%로, C : 0.07 ~ 0.16%, Si : 1.2% 이하, Mn : 1.5% 이하, Cr : 19 ~ 22%, Ni : 31 ~ 35%, Fe : 39 ~ 49% 및 Nb : 0.6 ~ 1.6%를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 용접 금속은 P : 0.04% 이하 및 S : 0.006% 이하 중 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
특히, 이종 용접 단계에서, 용접은 1.0 ~ 2.5kJ/cm의 입열량 조건으로 실시하는 것이 바람직하며, 보다 바람직한 입열량 조건은 1.0 ~ 2.0kJ/cm을 제시할 수 있다.
이러한 이종 용접 단계 이후, 제1 및 제2 모재의 경계면에서는, 탄화물(Cr23C6)이 존재하지 않는 것을 확인하였다. 이는, 이종 재질의 제1 모재 및 제2 모재 간의 용접 시, 탄소 용해도(carbon solubility)를 증가시키기 위해 탄소의 함량은 극소량으로 제어하면서 니켈의 함량을 증가시킨 용접 금속을 이용한 데 기인한 것으로 파악된다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 이종모재 접합용 용접 금속 및 이를 이용한 용접 방법은 탄소 용해도(carbon solubility)를 증가시키기 위해 탄소의 함량은 극소량으로 제어하면서 니켈의 함량을 증가시킨 용접 금속을 이용하여 이종 재질의 제1 모재 및 제2 모재 간을 용접함으로써, 제1 및 제2 모재의 경계면에서 탄화물(Cr23C6)이 존재하지 않으면서도 고온에서의 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예들에 따른 이종모재 접합용 용접 금속 및 이를 이용한 용접 방법은 균열발생 원인인 조대한 탄화물의 생성을 최소화함으로써, 이종모재의 용접 부위에 대한 용접 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 실험 방법
표 1은 제1 및 제2 모재에 대한 조성을 나타낸 것이고, 표 2는 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에 따른 용접 금속에 대한 조성을 나타낸 것이다. 여기서, APMT와 실시예 1 및 비교예 1 ~ 2 간의 용접성을 확인하기 위해, 표 3에 기재된 테스트 조건으로 입열량(Heat Input)을 변화시켜 비드 온 플레이트 테스트(bead on plate test)를 실시하였다.
[표 1] (단위 : 중량%)
[표 2] (단위 : 중량%)
[표 3]
2. 미세조직 관찰
도 6은 실시예 1에 따른 시편에 대한 비드 온 플레이트 테스트 결과를 나타낸 사진이고, 도 7은 비교예 1에 따른 시편에 대한 비드 온 플레이트 테스트 결과를 나타낸 사진이며, 도 8은 비교예 2에 따른 시편에 대한 비드 온 플레이트 테스트 결과를 나타낸 사진이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 비드 온 플레이트 테스트 결과, 실시예 1의 경우에는 입열량 1.5kJ 및 2.0KJ 조건에서는 크랙이 발생하지 않았으나, 입열량 3.5kJ 조건에서는 크랙이 발생하였다.
반면, 도 7에 도시된 바와 같이, 비드 온 플레이트 테스트 결과, 비교예 1의 경우에는 입열량 1.5kJ, 2kJ 및 3.5kJ 조건 모두에서 크랙이 발생하였다.
그리고, 도 8에 도시된 바와 같이, 비드 온 플레이트 테스트 결과, 비교예 2의 경우에는 입열량 1.5kJ, 2kJ 및 3.5kJ 조건 모두에서 크랙이 발생하지 않았다.
3. 물성 평가
표 4는 실시예 1 및 비교예 2에 대한 기계적 물성 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 9는 비드 온 플레이트 테스트 결과를 통과한 실시예 1 및 비교예 2에 대한 용접 테스트를 실시한 결과를 나타낸 사진이다.
[표 4]
표 4 및 도 9에 도시된 바와 같이, 비드 온 플레이트 테스트 결과를 통과한 실시예 1 및 비교예 2에 대한 용접 테스트를 실시한 결과, 모두 우수한 용접성을 나타내는 것을 확인하였으며, 상온(21℃) 및 고온(1000℃)에서 각각 측정된 기계적 물성 값도 규격을 만족하는 것을 확인하였다.
한편, 도 10은 실시예 1 및 2와 비교예 3에 대한 용접 테스트 후 절단면을 촬영하여 나타낸 사진이다. 이때, 도 10에서 실시예 1 및 2와 비교예 3은 입열량 1.5kJ 및 2kJ 조건으로 용접 테스트한 것을 나타낸 사진이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 용접 테스트한 직후 바로 절단한 절단면에 대한 용접성을 확인한 결과, 실시예 1 및 2와 비교예 3은 모두 결함 없이 우수한 용접성을 나타내는 것을 확인하였다.
표 5는 실시예 1 및 2와 비교예 3에 대한 인장실험 결과를 나타낸 것이고, 도 11은 실시예 1 및 2와 비교예 3에 대한 고온인장 실험 결과를 나타낸 사진이다. 이때, 실시예 1 및 2와 비교예 3에 대한 용접성 확인을 위하여, 용접직후 및 950℃에서 1주일 동안 노출시킨 두 경우에 대한 시편을 준비하여 상온 및 고온 인장실험을 실시하였다.
[표 5]
표 5 및 도 11에 도시된 바와 같이, 상온 인장실험 결과에서는 모든 시편이 모재에서 파단되는 것을 확인하였다.
다만, 고온 인장실험 결과에서는 대부분의 시편이 용접 계면에서 파단되었으나, 모재 강도를 초과하는 물성을 나타내었다
특히, 실시예 1에 따른 시편의 경우에는 950℃ 1주일 동안 노출시킨 후 용접 계면이 아닌 모재 부분에서 파단되었고, 41.4%의 고온 연신율 회복이 확인되어, 실시예 1에 따른 시편이 가장 우수한 물성을 나타내는 것을 확인하였다.
한편, 도 12는 실시예 1에 대하여 용접 직후 및 950℃ 1주일 열처리한 후에 대한 용접 계면 부분을 촬영하여 나타낸 사진이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 용접 직후 용접부 계면에 대한 SEM 사진을 관찰한 결과, 실시예 1에 따른 시편의 경우 혼합 영역(mixed zone)이 관찰되었으며, 950℃에서 1주일 동안 열처리시킨 후에는 혼합 영역이 57㎛로 확장된 것을 확인하였다.
이때, 실시예 1에 따른 시편의 경우, 용접 계면의 혼합 영역 내에서 NiAl 상이 일부 생성되었으나, Cr계 탄화물은 관찰되지 않았다.
도 13은 실시예 1 및 2와 비교예 3에 대한 950℃ 1주일 열처리한 후에 대한 용접 계면 부분을 촬영하여 나타낸 사진이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따른 시편과 동일하게, 실시예 2 및 비교예 3에 따른 시편의 경우에도 950℃에서 1주일 동안 열처리시킨 후에는 용접 계면의 혼합 영역(mixed zone)에서 NiAl 상만이 관찰되었다.
특히, 실시예 2에 따른 시편의 경우, Nb 탄화물 석출만 확인되었을 뿐, Cr 탄화물은 발견되지 않았다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 이종모재 접합용 용접 금속
120 : 제1 모재
140 : 제2 모재
120 : 제1 모재
140 : 제2 모재
Claims (20)
- 제1 모재 및 상기 제1 모재와 이종 재질을 갖는 제2 모재를 용접하기 위해 사용되는 이종모재 접합용 용접 금속으로서,
중량%로, C : 0.001 ~ 0.035%, Si : 0.1 ~ 0.3%, Mn : 0.1 ~ 2.0%, Cr : 29.50 ~ 35%, Ni : 60.70 ~ 65%, Al : 0.1 ~ 1.0% 및 Fe : 6 ~ 9%와 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
상기 제1 모재는 중량%로, Cr : 30 ~ 35%, Si : 2.0% 이하, Mn : 2.0% 이하, Nb : 0.5 ~ 1.8%, C : 0.4 ~ 0.6% 및 나머지 Ni와 기타 불가피한 불순물로 조성되고,
상기 제2 모재는 중량%로, Cr : 18 ~ 25%, Al : 1.0 ~ 8.0%, Mo : 0.5 ~ 5.0%, Si : 0.1 ~ 1.0%, Mn : 0.1 ~ 1.5%, C : 0.01 ~ 0.10% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되며,
상기 제1 및 제2 모재의 경계면에서는, 탄화물(Cr23C6)이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 이종모재 접합용 용접 금속.
- 제1항에 있어서,
상기 용접 금속은
중량%로, Ti : 0.06% 이하, P : 0.04% 이하, S : 0.006% 이하, Nb : 0.1% 이하 및 Ta : 0.1% 이하 중 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종모재 접합용 용접 금속.
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- (a) 제1 모재 및 상기 제1 모재와 이종 재질을 갖는 제2 모재를 준비하는 단계; 및
(b) 상기 제1 및 제2 모재를 이종모재 접합용 용접 금속을 이용하여 이종 용접을 실시하는 단계;를 포함하며,
상기 용접 금속은 중량%로, C : 0.001 ~ 0.035%, Si : 0.1 ~ 0.3%, Mn : 0.1 ~ 2.0%, Cr : 29.50 ~ 35%, Ni : 60.70 ~ 65%, Al : 0.1 ~ 1.0% 및 Fe : 6 ~ 9%와 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
상기 제1 모재는 중량%로, Cr : 30 ~ 35%, Si : 2.0% 이하, Mn : 2.0% 이하, Nb : 0.5 ~ 1.8%, C : 0.4 ~ 0.6% 및 나머지 Ni와 기타 불가피한 불순물로 조성되고,
상기 제2 모재는 중량%로, Cr : 18 ~ 25%, Al : 1.0 ~ 8.0%, Mo : 0.5 ~ 5.0%, Si : 0.1 ~ 1.0%, Mn : 0.1 ~ 1.5%, C : 0.01 ~ 0.10% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되며,
상기 (b) 단계 이후, 상기 제1 및 제2 모재의 경계면에서는, 탄화물(Cr23C6)이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 이종모재 접합용 용접 금속을 이용한 용접 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 용접 금속은
중량%로, Ti : 0.06% 이하, P : 0.04% 이하, S : 0.006% 이하, Nb : 0.1% 이하 및 Ta : 0.1% 이하 중 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종모재 접합용 용접 금속을 이용한 용접 방법.
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- 삭제
- 제9항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 용접은
1.0 ~ 2.5kJ/cm의 입열량 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 이종모재 접합용 용접 금속을 이용한 용접 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020170006288A KR102645013B1 (ko) | 2017-01-13 | 2017-01-13 | 이종모재 접합용 용접 금속 및 이를 이용한 용접 방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170006288A KR102645013B1 (ko) | 2017-01-13 | 2017-01-13 | 이종모재 접합용 용접 금속 및 이를 이용한 용접 방법 |
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| KR1020170006288A KR102645013B1 (ko) | 2017-01-13 | 2017-01-13 | 이종모재 접합용 용접 금속 및 이를 이용한 용접 방법 |
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