KR20010043411A - 페라이트-오스테나이트 스테인레스강의 용접 방법 - Google Patents

Abstract

용접 제품은 용접부에 의해 결합되기 위해 함께 용접되는 제1 및 제2 부재로 구성되고, 상기 제1 및 제2 부재는 동일 또는 상이한 오스테나이트 스테인레스강으로부터 만들어지며, 상기 용접부는 약 1.5 ∼ 2.0의 하기한 Cr당량/Ni당량비(R)를 가진다.

Cr당량 = Cr + 1.37Mo + 1.45Si + 2Nb + 3Ti, 및

Ni당량 = Ni + 0.31Mn + 22C + 14.2N + Cu.

Description

페라이트-오스테나이트 스테인레스강의 용접 방법 {WELDING PROCESSES WITH FERRITIC-AUSTENITIC STAINLESS STEEL}

AISI 316L은 일반적으로 반도체의 고순도 파이프 시스템, 생물공학/제약학 그리고 원자력 산업에 사용되는 저탄소 오스테나이트 스테인레스강이다. 316 스테인레스강은 오스테나이트 크롬-니켈-몰리브덴 스테인레스이고 내열강이다. 316L 스테인레스는 용접에 따른 결정간 부식에 높은 저항성을 가지는 316 스테인레스강의 저탄소 형태이다. ALSI 316L의 유럽표기는 DIN X2CrNiMo 17122과 DIN X2CrNiMo 18143이다.

AISI 316L 스테인레스강에 대한 내역, 및 AISI 316L과 상기한("316L 형태"스테인레스강) 두 개의 유럽 표기의 조합에 대한 내역은 다음의 표 1과 같이 설명된다.

원소	AISI 316L, wt%	316L 형태, wt%
C	최대 0.030	최대 0.030
Mn	최대 2.00	최대 2.00
P	최대 0.045	최대 0.045
S	최대 0.030	최대 0.030
Si	최대 1.00	최대 1.00
Cr	16.00-18.00	16.00-18.50
Ni	10.00-14.00	10.00-15.00
Mo	2.00 - 3.00	2.00-3.00
N	최대 0.10	최대 0.10

용접된 또는 사출된 파이프뿐만 아니라 이음매없는 파이프를 포함한 타입 316L 스테인레스 파이프는 상기한 산업에서 널리 사용된다. 일반적으로 이것은 다양한 유체 조정 장치, 밸브, 부속품 등 뿐만 아니라 흐르는 유체와 함께 용접되어 진다. 따라서 316L 타입 스테인레스강의 용접성은 상기한 공업에서 매우 중요하다.

그러나 316L과 같은 저탄소 스테인레스강의 용접에 있어서 부딪히는 일반적인 문제점은 용접 슬래그(weld slag)와 검은 점들(black spots)의 생성이다. 본원에서 사용되는 것과 같이 "용접 슬래그"와 "검은 점들"은 비록 그들이 용접시에 외견과 위치가 다르다 하더라도 일반적으로 같은 화학적 조성을 구성하기 때문에 혼용 가능하다.

용접부는 시각적으로 관찰되고 용접 슬래그와 검은 점들은 용접 거부의 원인이 된다. 용접 슬래그는 용접풀(weld pool)에 대한 히트(heat)의 투입을 방해하여 불완전한 용접을 가져 올 수 있다. 용접 슬래그는 또한 미생물 유도 부식을 촉진하는 무산소 사이트(site)뿐만 아니라 부식 사이트도 생성할 수 있다. 용접 슬래그는 편평하고 곧거나 또는 편평하거나 약간의 거품 형태가 되어야 하며 부식이 없어야 한다는 점에서 높은 순도의 응용에는 일반적으로 허용되지 않는다.

상업적 측면에서, 용접 슬래그 및/또는 검은 점들의 생성은 성가신 문제이다. 비록 그들의 히트에 대한 보증이 모든 이러한 강들이 규격상 그러하지 않다는 것을 가리키고 있다 하더라도, 316L 형태 스테인레스강의 약간의 히트는 다른 것은 그러하지 않는데 반해 자생용접(autogeous welding) 과정에서 용납하기 어려운 양의 용접 슬래그를 생성한다. 이것이 용접 슬래그 및/또는 검은 점들이 없는 자생용접을 일관되고 신뢰성있게 생성하는 것을 어렵게 또는 불가능하게 한다.

용접 슬래그 생성을 조절하는 한가지 방식은 용접 슬래그 생성에 기여하는 요소들을 감소시키거나 제거하는 것이다. 따라서, 용접 중 강 속의 실리콘, 칼슘, 티타늄, 지르코늄 및 알루미늄의 농도가 자주 다음의 표 2에서 설명한 최대 허용치 이하로 제한된다.

검은 점들과 용접 슬래그의 제거를 보증하기위한슬래그 생성 요소의 최대 허용치 농도
원소	최대 허용치 농도, wt.%
Al	0.01
Ti	0.014
Si	0.1
Ca	0.02
Zr	0.05

이러한 합금의 알루미늄과 티타늄 양의 감소는 전기 연마과정에서 이 원소들이 합금의 안정성, 경도, 점부식에 미치는 역효과를 줄이는데 또한 도움을 준다.

그러나, 슬래그-생성 원소의 감소나 제거는 자주 고가의 정련공정 및/또는 종자 재료(starting materials)을 요구한다. 따라서 이러한 방식은 매우 고가이어서 상업적인 관점에서는 실용적이지 못하다. 용접과 스테인레스강에 대한 다양한 관점에서의 심도있는 논의는 나의 논문인 『반도체 응용을 위한 스테인레스강』(STAINLESS STEEL FOR SEMICONDUCTOR APPLICATIONS, S.Collins, 39회 기계 가공과 강 처리공정 회의(Mechanical Working and Steel Processing Conference Proceedings), 철과 강 학회(Iron and Steel Society), 제 35 판, 607-619(1998)페이지)에서 제공되어지며, 이 모든 게시물은 본원에서 참조용으로 편입된다.

따라서, 스테인레스강의 용접 방법의 개선, 특히 오스테나이트 저탄소 스테인레스강의 다른 요구되는 성질에 역 효과를 미치지 않으면서 용접 슬래그를 실질적으로 감소시키거나 제거하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 특허 출원은 1998. 5. 8일자에 "WELDING PROCESSES WITH FERRITIC-AUSTENITIC STAINLESS STEEL"이라는 명칭으로 출원된 공동 계류 특허 출원 Serial No. 09/074,981호의 CIP출원이며, 그 전체 게시내용을 참조용으로 여기에 완전히 편입시킨다.

본 발명은 용접기술, 특히 크롬당량과 니켈당량의 비를 조정하거나 선택함으로써 저탄소 스테인레스강을 용접함에 있어서의 개선책에 관한 것이다.

본 발명은 하기한 도면들을 참조함으로써 더욱 쉽게 이해될 것이다.

도 1은 함께 용접되어지는 두 본체의 화학적성질을 일치시키기 위해 사용하는 용접링에 대한 본 발명의 하나의 관점을 설명하는 도면이며,

도 2는 다양한 316L 스테인레스강의 자생용접에 의해 만들어진 용접부의 Cr당량/Ni당량비에 따라 변하는 페라이트 농도를 설명하는 그래프이며,

도 3은 본원의 실시예에서 생산된 다수의 용접 제품에서 용접부의 Cr당량/Ni당량비에 따라 변하는 용접 성질을 보여주기 위한 현미경사진을 편집한 것이며,

도 4,5,6 및 7은 실시예에서 설명한 오스테나이트 스테인레스강이 자열적으로 용접될때에 Cr당량/Ni당량비와 용접부의 페라이트의 양에 따라 변하는 부식 저항을 설명하는 그래프들이다.

본 발명에 따르면, 저탄소 스테인레스강의 용접시에 생성될 수 있는 허용한도내의 용접부는 Cr당량/Ni당량비(R)가 약 1.5 ∼ 2.0에서 용접이 될때 신뢰성있고 일관되게 제공된다는 것을 우리는 발견했고, 여기서

Cr당량 = Cr + 1.37Mo + 1.45Si + 2Nb + 3Ti, 및

Ni당량 = Ni + 0.31Mn + 22C + 14.2N + Cu

이다.

특히, 용접 슬래그와 검은 점들의 생성없이 이루어지는 오스테나이트 저탄소 스테인레스강의 자생용접은 용접부가 주로 오스테나이트이나 전술한 Cr당량/Ni당량비에서 반영되듯이 적어도 약간의 페라이트 성질을 나타낼 때 신뢰성있고 일관되게 제공되어진다는 것을 발견하였다. 더욱이, 우리는 이런 유익한 결과가 심지어 용접부가 용접 슬래그 생성 원소인 알루미늄, 티타늄, 다른 원소들의 농도가 어느 정도 포함되어있어도 얻어진다는 것을 발견하였다. 따라서 본 발명에 의하면 과거에 가능했던 것 보다 더욱 신뢰성있고 일관되게 고 품질의 용접부를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 용접될 합금으로부터 슬래그 생성원소의 제거를 위해 과거에 행하던 고가의 제조공정없이 용접하는 것이 가능하다.

따라서, 본 발명은 규격화된 용접-등급(weld-grade) 오스테나이트 스테인레스강 부재들을 용접할 때에 생성되는 용접부의 성질을 제어하는 신규 방법, 즉 Cr당량/Ni당량비(R)가 약 1.5 ∼ 2.0인 용접부를 생성하는 단계를 포함하는 방법을 고찰하였다. 여기서

Cr당량 = Cr + 1.37Mo + 1.45Si + 2Nb + 3Ti, 및

Ni당량 = Ni + 0.31Mn + 22C + 14.2N + Cu.

세분하면, 함께 용접되는 부재를 만드는 강의 상기한 Cr당량/Ni당량비들을 결정하는 단계와 약 1.5 ∼ 2.0의 Cr당량/Ni당량비를 가지지 아니한 강들로 만들어진 모든 부재의 자생용접 공정에서의 사용을 거부하는 단계를 포함하는 동일한 규격의 용접-등급 오스테나이트 스테인레스강으로부터 만들어진 두 부재의 자생용접을 개선하는 신규방법을 계획한다.

더욱이, 본 발명은 동일 또는 상이한 용접-등급 오스테나이트 스테인레스강으로 부터 만들어지는 제1과 제2 부재, 즉 용접부에 의해 결합되어지기 위해 함께 용접되는 제1과 제2 부재로 구성된 용접 제품으로 이루어진 새로운 제조물품을 계획하며, 여기서 용접부는 상기한 Cr당량/Ni당량비를 가진다.

본 발명의 다른 장점이나 이점은 하기한 세부 설명을 읽고 이해하는 당업자에게 명백할 것이다.

용접 슬래그의 속성과 발생을 분석하여, 우리는 약 1.5 ∼ 2.0이 되는 생성된 용접부의 Cr당량/Ni당량비(R)에 의해 나타내어 지듯이 용접부가 주로 오스테나이트이지만 약간의 페라이트가 보여진다면 슬래그가 없는 용접부, 즉 허용한도내의 용접부가 다양한 타입의 용접-등급 오스테나이트 스테인레스강으로 부터 생성된다는 것을 발견했다. 특히 우리는 허용한도내의 용접부가 약간의 자성을 띠는 것에 주목하였는 바 이는 용접부내에 적은 양의 잔류 페라이트가 있음을 가리킨다. 이는 용접부의 응고 방식과 밀접한 관계가 있는 용접 슬래그의 생성에 대한 우리의 심도있는 발견과 이해의 결과이다.

타입 316L과 같은 스테인레스강에 대해 네 가지 구별되는 응고 방식이 있다는 것은 일반적으로 인정된다. 오스테나이트, 오스테나이트-페라이트, 페라이트-오스테나이트 및 페라이트가 그것이다. 316L의 화학적 성질을 가진 대부분의 강은 처음 세 가지의 언급된 방식을 가진 용접부를 제공한다. 오스테나이트 용접부는 오스테나이트에서 완전히 응고되며 더 이상 고온 변태가 일어나지 않는다. 오스테나이트-페라이트 용접부는 오스테나이트와 오스테나이트 수지상(dendrites)사이에 잔류된 용용물로부터 생성된 델타(delta) 페라이트로서 응고된다. 페라이트-오스테나이트 용접부에서는 페라이트가 먼저 응고되고 오스테나이트가 페라이트 수지상 사이에서 생성된다. 오스테나이트 상은 페라이트가 천천히 오스테나이트로 변태됨으로써 성장하여, 최종 조직에서 페라이트의 부피 분율의 현저한 감소를 가져 온다. 상온에서, 용접부는 적은 양의 잔류 페라이트를 가진 실질적인 오스테나이트이다.

페라이트-촉진원소(Ferrite-promoting elements)와 오스테나이트-촉진원소간의 경합은 크롬과 니켈 당량에 의해 개별적으로 설명되어진다. 비록 일반적으로 사용되는 몇몇 크롬과 니켈 당량 공식이 있지만, 해머(Hammar)와 스벤슨(Svensson)에 의해 발전된 이 공식은 화학적 조성과 응고 방식간의 관계를 매우 잘 보여준다. 오 해머(O. Hammer)와 유 스벤슨(U. Svensson)의 "금속의 응고와 주조(Solidification and Casting of Metals)" (금속 학회(The Metals Society), 런던, 1979, 페이지 401-404)를 참조하라. 크롬과 니켈 당량에 대한 바람직한 공식은 다음과 같다:

Cr당량 = Cr + 1.37Mo + 1.45Si + 2Nb + 3Ti

Ni당량 = Ni + 0.31Mn + 22C + 14.2N + Cu

이 공식을 사용하면, 본원에서 "R"로 표시되는 크롬 당량과 니켈 당량의 비에 의해 용접부의 응고 방식을 예견할 수 있다. 여기서

R = Cr 당량 / Ni 당량.

특히, 1.5보다 더 작은 R값(R〈 1.5)을 가지는 용접부의 경우 그 응고 방식이 오스테나이트 또는 오스테나이트-페라이트라는 것은 인정된다. 유사하게, 2.0보다 큰 R값(R 〉2.0)을 가지는 용접부의 경우 그 응고 방식은 페라이트이다. R값이 1.5에서 2.0사이의 값(1.5 ≤R≤ 2.0)을 가지는 용접부의 경우 그 응고 방식은 페라이트-오스테나이트이다. 더욱이, 상기한 R값은 본질적으로 근사값이고 어느 정도, 예컨대 약 ±0.03정도는 변한다는 것을 상기한 문헌으로 부터 알 수 있다.

비록 응고 방식을 예측하기 위한 Cr당량/Ni당량비의 이러한 사용은 널리 알려져 있지만, 허용한도내의 용접부와의 관계는 알려져있지 않다. 우리가 발견한 사실은 슬래그와 검은 점들이 없는 허용한도내의 용접부는 페라이트-오스테나이트 응고 방식을 가질 때 나타난다는 것이며, 이러한 용접부는 용접부가 자성을 조금 가지도록 하는 약간의 잔류 페라이트가 있는 오스테나이트-페라이트과 페라이트-오스테나이트 사이에서 천이된다. 특히, 우리는 약 0.3 ∼ 5 wt.%, 바람직하게는 0.5 ∼ 3 wt.%의 페라이트를 포함하는 오스테나이트 용접부는 심지어 칼슘, 실리콘, 알루미늄, 티타늄 및 지르코늄과 같은 주요 슬래그 형성원소를 포함하고 있다 하더라도 일관되고 신뢰성있게 검은 점들과 슬래그의 형성이 나타나지 않는다는 것을 발견하였다.

페라이트-오스테나이트 응고 방식에서 응고되는 자생 용접부에서의 용접 슬래그의 부재(absence)는 결정구조(crystalline structure)에 의해서 설명되어질 수 있다. 오스테나이트는 면심입방구조(FCC)인 반면 페라이트는 체심입방구조(BCC)이다. 주요 슬래그 형성원소는 칼슘, 실리콘, 알루미늄, 티타늄 및 지르코늄이다. 이들 모든 원소들은 하기한 표 3에서 설명하는 바와 같이 면심입방구조인 오스테나이트에서 보다는 체심입방구조인 페라이트에서 훨씬 더 높은 용해도를 가진다.

원소	페라이트내의최대 용해도, wt%	오스테나이트내의최대 용해도, wt%
Ca	0.024	0.016
Si	10.9	1.9
Al	30	0.95
Ti	8.7	1
Zr	11.7	1

따라서, 본 발명에 따르면 바람직한 용접 슬래그의 감소 또는 제거 방식은 생성된 용접부가 적지만 적당한 양의 잔류 페라이트를 포함하는 것을 보증하기에 충분한 Cr당량/Ni당량비를 생성된 용접부로 하여금 가지게 하는 것이다. 따라서 용접부가 상온에서 적어도 약 0.3 wt.% 내외의 잔류 페라이트를 포함하는 것을 보증하기 위해서 용접부는 적어도 약 1.5 (예를 들어 1.47 또는 1.45만큼 낮음)의 Cr당량/Ni당량비를 가져야만 한다.

용접 슬래그와 검은 점들의 제거를 위한 종래의 기술 공정에서는 이러한 슬래그-형성 원소들을 용접부로부터 가능한 많이 제거하기 위해 고가의 정련 공정이 사용 되었다. 본 발명은 Cr당량/Ni당량비로써 정의 되는 것과 같이 용접부내의 적지만 적당한 양의 페라이트를 가지기 위해 합금의 화학적성질(chemistry)에 의존한다는 점에서 이러한 방식과는 다르다. 이 페라이트는 용접부가 상온으로 냉각되거나 슬래그 형성원소들이 슬래그나 검은 점들을 형성하기위해 사용될 때 고용체 내에 이들 원소들을 용해시켜 붙잡아 둠으로써 불순물 제거제로서의 역할을 한다고 믿어진다. 따라서, 종래의 공정이 계에서 슬래그 형성원소를 제거하는 것인 데 비해 본 발명은 이러한 원소들을 합금의 결정구조내에 이들을 붙잡아 둠으로써 이들 슬래그 형성원소의 영향을 완화시킨다. 이것은 종래의 공정에서 사용되었던 고가의 정련공정을 피하면서도 여전히 일관되고 신뢰성있는 기초위에서 검은 점들과 용접 슬래그의 형성이 나타나지 않는 합금 생산을 제공한다. 페라이트-오스테나이트 응고 방식 사용의 추가적 이점은 적은 양의 페라이트의 존재가 고온 균열과 미세 균열을 감소시키는 것으로 알려져 있다는 것이다. 다양한 슬래그 불순물의 고용체는 또한 재료의 경도에 기여할 수 있으며, 더욱이 용접부의 전체 강도를 개선시킨다.

반면에, 페라이트는 오스테나이트보다 부식에 상당히 영향을 받기 쉽다. 따라서 본 발명에 따르면 본 발명에 따라 생산된 용접 제품이 적당한 부식 저항을 나타내는 것을 보증하기 위해 적당하게 낮은 값으로 생산된 용접부내의 페라이트 농도를 제한하는 것이 또한 요구되어진다.

이러한 관계에 있어, 도 2는 316L 스테인레스강 제품들이 자열적으로(autogenously) 함께 용접될 때 하기한 실시예에서 생산된 몇몇 용접부들의 잔류 페라이트 퍼센트와 Cr당량/Ni당량비와 관계를 설명한다. 도 2에서 보는 바와 같이, Cr당량/Ni당량비(R)가 2.0에 근접할수록 페라이트의 농도는 7-10 wt.%에 근접한다. 몇몇 응용에서는, 7-10 wt.%의 페라이트를 포함하는 용접부의 부식 저항도 허용될 수 있다. 반면에 용접부가 부식 재료와 접촉하는 다른 응용에 있어서는 페라이트의 농도가 단지 약 5 wt.%, 바람직하게는 단지 약 3 wt.%이어야 한다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 Cr당량/Ni당량비가 최대 약 1.67, 더욱 바람직하게는 최대 약 1.55로 제한되며 이는 생산된 용접부내에 낮은 페라이트 농도를 나타낸다.

따라서, 본 발명의 장점은 용접부의 Cr당량/Ni당량비가 약 1.5 ∼ 2.0 사이의 범위를 가질 때 실현될 수 있지만, Cr당량/Ni당량비가 이러한 범위의 더 낮은 부분, 즉 약 1.5 ∼ 1.67, 더욱 정확하게는 1.45 ∼ 1.67 또는 1.47 ∼ 1.55를 유지하는 것이 요구되어진다. 이러한 Cr당량/Ni당량비의 엄격한 범위는 검은 점들과 용접 슬래그가 제거되는 것 뿐만 아니라 용접부의 부식 저항이 향상되는 것을 보장한다.

자생용접에 있어, 용접부는 함께 용접되는 부재로부터 단독으로 생성된다. 예컨대, 미국 특허 제5,223,686호를 참조하고, 이 특허는 본원에서 참조용으로 편입되며, 여기서 오비탈 용접기(orbital welder)는 파이프 또는 튜브의 인접한 부분을 결합하는 데 사용된다. 그러나 손 용접(manual welding)과 같은 다른 자생용접 기술들도 본 발명과 관련하여 사용될 수 있다.

자생용접에서 생성되는 용접부는 함께 용접되는 부재로부터 단독으로 만들어 지기때문에 자생용접에서 본 발명에 따라 요구되는 Cr당량/Ni당량비의 달성은 요구되는 화학적성질을 가지고 용접 될 수 있는 부재를 선택함으로써 이루어진다. 같은 히트 합금(alloy heat)으로 부터 만들어지는 결합된 부재의 경우에는 이러한 선택 방법은 이 히트 합금이 요구되는 Cr당량/Ni당량비를 가지도록 함으로써 쉽게 이루어진다. 그러나 다른 히트 과정을 거친 같은 합금을 용접하거나 또는 다른 합금을 함께 용접함으로써 결합되는 부재가 생성되는 경우에는 그 부재는 보상(complememtary) 합금, 즉 함께 용융되고 결합될때 요구되는 Cr당량/Ni당량비를 가지는 용융 풀(molten Pool)을 형성하는 합금으로 선택되어져야 한다. 그리고 만약 생성되는 용접부가 다른 부재에 비해 어느 한 부재에서 더 많이 만들어진다면 이러한 용접에 기여하는 부재의 불균형은 요구되는 값으로 용접부의 Cr당량/Ni당량비를 제어하기 위한 목적으로 결합될 부재의 합금의 선택에 있어서 고려되어져야 한다.

자생용접에 의해서 생산되어진 특정한 용접부의 요구되는 Cr당량/Ni당량비의 달성은 본 발명에 따르면 다양한 서로 다른 방법에 의해서 얻어질 수 있다. 바람직하게는, 이것은 부재를 형성하는 강의 Cr당량/Ni당량비(R)를 기초로 용접을 위해 선택되거나 거부될 후보 부재를 정하는 선택 방법에 의해 이루어진다. 예를 들어 이러한 선택 방법은 요구되는 Cr당량/Ni당량비를 가지는 용접부를 생성하지 못하는 모든 압연강을 거부함으로써 강의 제조 단계에서 이루어 질 수 있다. 이것은 또한 요구되는 Cr당량/Ni당량비를 가지는 용접부를 생성하지 못하는 규격화된 모든 부재의 구입을 거부함으로써 공급 단계에서 이루어 질 수 있다. 또한 이것은 요구되는 Cr당량/Ni당량비를 가지는 용접부를 생성하지 못하는 규격화된 부재에 대해 모두 자생용접을 거부함으로써 조립단계에서 이루어 질 수 있다. 모든 경우에 있어서, 필요로 하는 생산품 규격을 만족하고 지금까지 허용한도내의 자생용접을 하기 위해 적합하다고 믿어져 오던 부재 및/또는 강들이 요구되는 금속적 성질을 가지지 못하여 거부된다.

특정 용접부에서 요구되는 Cr당량/Ni당량비를 달성하기 위한 다른 방법은 용접될 부재의 강을 생산하기 위해 사용되는 제조 공정을 제어하는 것이다. 종래 공정에서 어떤 특정 원소들의 조성 범위는 납품된 스테인레스강의 각각의 히트 작업을 위해 공장으로부터 소비자에게 보고되어진다. 소비자는 다양한 이유로 인해 추가적으로 잔류 및/또는 미량원소가 보고서 또는 보증서에 포함될 것을 요구한다. 그러나 소비자가 특정한 강이 어떻게 만들어 질 것인가를 결정함에 대해 공장장에게 관여하는 것은 전형적인 경우가 아니다. 또한 소비자가 특정 Cr당량/Ni당량비를 가진 스테인레스강을 주문하거나 특정한 Cr당량/Ni당량비를 달성하기 위해 설계된 제조 공정을 설계함에 있어서 공장장에게 관여하는 것도 전형적인 것이 아니다.

본 발명에 따르면, 용접부의 요구되는 Cr당량/Ni당량비는 또한 용접될 강을 생산하는데 사용되는 공정의 조업 조작기를 제어함으로써 달성될 수 있다. 표준 조업 공정들은 이러한 강들을 만드는 데 사용될 수 있다. 아르곤 산소 탈탄(argon oxygen decarburization, AOD), CLU 변환기 공정(CLU converter process, CLU), 진공 산소 탈탄(vacuum oxygen decarburization, VOD), 진공 유도 용융(vacuum induction melting, VIM), 진공 아크 재용융(vacuum arc remelting, VAR), 전기슬래그 재용융(electroslag remelting, ESR), 및 전기 빔 용융(electron beam melting, EBM)이 그 예이다. 이러한 공정을 사용하여 만들어진 합금의 Cr당량/Ni당량비를 제어하기 위해 성분 농도를 제어하는 종래 기술들이 또한 사용되어진다. 예를 들어, 코발트와 구리 농도는 희석(dilution)에 의해 제어될 수 있다. 희석은 용융으로부터 정련될 수 없는 경우에 전형적으로 사용된다. 이것은 장입물을 위한 스크랩의 선택과 잔류원소를 허용한도 내로 만들기 위한 다른 특정 합금 원소들의 첨가를 결정한다. 특정 정련 기술들의 예로서 탈탄, 탈산, 탈황 및 탈인이 있다. 어떠한 기술을 사용하던지 간에, 히트작업에서 미량원소, 예를 들어 티타늄과 같은 원소의 제거가 상술한 Cr당량/Ni당량비를 결정하는 다른 미량원소의 지정된 중량을 변경하지 않는다는 것을 주목 하는 것이 중요하다. 제거된 후 미량원소의 값은 계산 상으로 거의 영이다. 여하튼 간에, 본 발명에 따라 함께 용접될 후보(candidate) 스테인레스강 부재의 요구되는 Cr당량/Ni당량비를 달성하는 효과적인 방법은 공장에서 이러한 부재를 생성하는데 사용하는 합금의 조성을 제어하는 것이고, 또한 이러한 목적을 위하여 종래의 합금 생성 및 공정 기술이 사용될 수 있다.

첨언하면, 특정 히트 작업에 대한 R비를 결정하기 위해 공장에서 표준 히트 작업 규격의 일부로서 전형적으로 보고되지 않는 몇몇 원소들이 보고되어야 한다. 이것은 Nb, Ti 및 Cu의 중량비가 포함한다. 이러한 추가 보고 요구는 R값을 계산하는데 사용되는 Cr당량 및 Ni당량 공식에서 결정되는 특정원소에 의해 결정된다. 여하튼 간에, 편평하고 잘 생성된 용접부는 용접 슬래그와 검은 점들이 없고, 부식에 쉽게 영향받지 않으며, 미생물 유도 부식을 위한 적당한 사이트를 제공하지 않는다. 또한 생성된 용접부는 더 쉽게 부동태화(passivate)된다.

본 발명은 함께 용접되는 부재에 추가하여 용접봉재(weld rod) 또는 용접봉(electrode)(이하 "용접단편(weld piece)")과 같은 여분의 재료로부터 용접부가 형성되는 비자생용접에도 또한 적용될 수 있다. 비자생용접에서는, 결합될 부재는 같은 히트 합금으로부터 형성될 수 있다. 그러나 대개 그들은 다른 히트 공정을 거친 같은 합금 또는 다른 합금들의 결합으로 부터 생성된다. 이러한 경우에 있어, 공장으로 부터 얻은 히트 작업 규격을 기초로 가능한 한 가깝게 함께 용접될 합금의 화학적성질을 일치시키는 것이 보편적인 공정이다. 추가로, 용접부가 양 부재에 가능한 한 가깝게 일치되게 하기 위하여 함께 용접될 부재의 화학적성질의 중간의 화학적성질을 가지는 용접단편을 선택하는 것도 또한 보편적인 공정이다.

본 발명에 따르면, 검은 점들과 용접 슬래그가 상기한 페라이트의 양과 R값을 가진 용접부를 선택함으로써 오스테나이트 스테인레스강 부재의 비자생용접에서도 또한 제거될 수 있다. 비자생용접에서 용접부가 요구되는 화학적성질을 가지도록 제어하는 것은 상기한 자생용접의 경우와 본질적으로 같은 방법으로 이루어진다. 그러나, 비자생용접의 경우 용접단편의 조성은 최종적으로 생성되는 용접부의 화학적성질을 결정하는데 또한 고려되어져야만 한다.

예를 들어, 다른 표준 화학적성질을 가진 오스테나이트 스테인레스강 파이프 재료들의 비자생용접을 쉽게 하기 위해서는 용접링(weld rings)이 용접 사이트의 화학적성질과 일치되는 것을 사용하여야 한다. 더욱 바람직하게는, 서로 다르나 잘 알려진 화학적성질을 가진 용접링의 세트를 제공하여야 한다. (화학적성질은 분광화학 분석법, 불활성 가스 용융법, 고온 연소법 또는 습식 분석 화학 기술들과 같은 잘 알려진 표준 기술들에 의해 결정될 수 있다.) 추가로, 용접될 기본 재료들의 화학적성질은 또한 결정되어져 있다. 용접링은 용접될 파이프의 끝 부분사이에 위치하며 이 용접링은 함께 용융되는 파이프의 일부분과 용접링으로 구성되는 용접풀이 요구되는 Cr당량/Ni당량비를 가지도록 선택된 화학적성질을 가지며 따라서 페라이트-오스테나이트 구조로 응고된다.

예를 들어, 316L 스테인레스강 파이프의 두 부분이 오비탈 용접기등에 의한 용접 방법에 의해 맞대어 용접되어진다고 가정하자. 또한 분광화학 분석법에 의한 결과, 양쪽 파이프는 1.45 ∼ 2.0의 요구되는 범위, 더 바람직하게는 1.47 ∼ 1.67의 범위내인 1.4의 Cr당량/Ni당량비를 가진다고 가정하자. 이러한 조건에서의 자생용접은 슬래그와 검은 점들을 생성하거나 거부 또는 재작업이 요구되는 허용한도 밖의 용접부를 형성한다. 본 발명에 의하면, 약 1.6의 Cr당량/Ni당량비를 가진 용접링이 선택되어지고 이 용접링은 용접될 파이프의 끝부분사이에 축방향으로 바람직하게는 동심방향으로 위치되어진다. 이 과정은 상기한 도면에서 설명되어진다. 제1 파이프의 끝부분(10)은 제2 파이프의 끝부분(12)에 용접되어진다. 양쪽 파이프는 약 1.4의 요구 범위 밖의 비를 가진다. 동심 용접링(14)는 파이프의 끝부분(10,12)사이에 위치한다 {이 도에서 링(14)의 상대적 축의 크기는 명확한 표현을 위해 약간 과장되었다}. 용접링은 용접될 본체와 비슷한 치수로 생성될 수 있다 (예를 들어, 본 예에서 용접링은 내부와 외부지름간 치수와 비슷하게 생성될 수 있을 것이다). 오비탈 용접기(표시되지 않음)등의 사용에 의해 용접부가 생성될 때 용접링 재료는 약 1.5의 Cr당량/Ni당량비를 가지는 용접풀을 생성하기 위해 각 파이프의 끝부분의 재료와 혼합될 것이다. 이 용접풀이 응고될 때 슬래그나 검은 점들의 형성이 없이 페라이트-오스테나이트 방식으로 응고되고 편평하고 잘 생성된 용접부가 될 것이다.

그러나 이것은 Cr당량/Ni당량비를 맞추기 위해 용접링을 사용하는 하나의 예일 뿐이다. 당업자는 용접링을 위해 선택된 화학적성질이 사용된 용접 방법의 타입, 용융된 재료의 부피, 강의 종류와 같은 다른 인자에 의존할 것이라는 것을 알고 있을 것이다. 본 발명의 기본적 개념, 즉 생성된 용접부의 Cr당량/Ni당량비가 약 1.45 ∼ 2.0, 바람직하게는 1.5 ∼ 2.0이기 위한 용접될 본체의 Cr당량/Ni당량비의 선택은 우수한 용접부의 생성을 위한 화학적성질의 선택을 기초로 간단하게 실현될 수 있다.

용접링을 가지고 용접 공정이 실행될 때, 링(14)는 오비탈 용접이 실행되기 앞서 파이프의 끝부분(10,12)의 어느 한쪽 또는 양쪽에 도면번호 (20)의 위치에서 초기에 가용접된다. 더욱이, 용접장치에 사용하기 위한 다양하고 알려진 Cr당량/Ni당량비의 많은 용접링(14)을 가진 용접 키트(kit)(30)이 제공되어진다. 적합한 용기(32)는 용접링(14)을 저장하기 위해 사용된다. 용접공은 페라이트-오스테나이트 응고방식 (1.45 ∼ 2.0의 범위의 Cr당량/Ni당량비를 가진 용접부에 기초한) 에 의해 용접부를 생성하기 위해 용접될 본체의 알려진 조성에 가장 가깝게 맞추는 용접링을 선택할 수 있다. 바람직하게는, 용접링은 생성된 용접부가 3 wt.% 또는 그 보다 작은 페라이트 양을 가지도록 하기 위해 선택되어진다. 더욱 바람직하게는, 함께 용접될 두 부분 또한 3 wt.% 또는 그 보다 작은 페라이트 양을 가질 것이다. 용접링의 화학적성질은 황의 양과 같은 다른 원소들을 맞추기 위해서도 선택되어지며, 그 차이가 0.01 wt.% (예를 들어 0.001%S가 0.012%S에 용접될 때)보다 큰 황의 양의 차이를 가지고 용접될 때에는 용접 아크가 더 높은 황열 부분으로 더 깊이 용입되는 반면 낮은 황열 부분에 대해서는 표면을 따라 비켜가는 경향이 있다는 것은 알려져 있다. 이러한 아크 편향은 균일치 않고 불완전한 용입을 가져 온다. 용접링은 용접시 두 파이프 재료를 맞추기 위해 적당한 황의 양을 가지도록 선택되어진다.

본 발명은 매우 다양한 다른 용접-등급의 오스테나이트 스테인레스강 합금에 적용될 수 있다. 이와 관련하여, 특정한 경우에 있어 어떤 등급의 오스테나이트 스테인레스강은 용접될 수 없다는 것은 잘 알려져 있다. 어떤 경우에는 생성된 용접부의 부식 저항이 받아들이기 어려울만큼 낮다. 어떤 경우에는 용접부의 경도 및/또는 강도가 불충분하다. 당업자는 특정한 경우에 어떤 합금이 용접될 수 없고 어떤 합금이 용접될 수 있는지에 대해 잘 알고 있다. 본 발명은 본원에서 "용접-등급" 합금으로 언급되어있는 용접이 허용되는 오스테나이트 스테인레스강의 용접에 있어서 개선책을 정하고 있다.

본 발명은 특히 다음의 조성을 가진 스테인레스강 합금에 적용가능하다.

합금 조성, wt.%
원소	허용한도	바람직한 조성	더욱 바람직한 조성
C	최대 0.10	최대 0.030	최대 0.030
Mn	최대 9	최대 2.00	최대 1.00
P	최대 0.05	최대 0.045	최대 0.045
S	최대 0.04	최대 0.030	0.005 - 0.012
Cr	16 - 25	16 - 18.5	16 - 18
Ni	8 - 25	10 - 15	10 - 14
Mo	최대 7.0	2.00 - 3.00	2.00 - 3.00
N	최대 0.7	최대 0.10	최대 0.10
Nb	최대 1.00	최대 0.10	최대 0.05

본 발명이 적용될 수 있는 특정 합금은 316, 317 및 304 합금과 같은 300 계열 오스테나이트 스테인레스강이다. 더욱이, 본 발명은 316L, 317L 및 304L 스테인레스강과 같이 0.03 wt.% 또는 이보다 작은 양의 탄소를 포함하는 저탄소 스테인레스강에 대해 특별한 적용성을 발견한다.

본 발명은 알루미늄, 티타늄, 실리콘, 칼슘 및 지르코늄과 같은 슬래그 형성원소를 무시할 수 있는 양보다 많이 포함하고 있는 상기한 합금들에 대해서도 특별한 적용성을 발견한다. 앞서 언급한 바에 따르면, 용접 슬래그와 검은 점들을 제거하기 위한 종래의 기술은 표 2에서 설명한 바와 같이 어떤 최대 허용 농도 기준보다 낮게 슬래그-형성원소의 양을 유지하는 데 중점을 두어 왔다. 이런한 접근방식은 엄격한 정련 공정 및/또는 고가의 종자 재료(starting materials)들이 사용되어져야 하기 때문에 매우 고가이다. 본 발명에 따르면, 용접될 합금은 상기한 최대 허용 기준보다 더 높은 농도를 가지는 하나 또는 그 이상의 이러한 슬래그-형성원소들을 포함할 수 있다. 따라서 용접 슬래그와 검은 점을 피하기 위한 종래 기술의 접근 방식의 특징인 고가의 원재료와 조작 공정의 사용을 본 발명에 따르면 완전히 피할 수 있다.

이것은 하기한 표 5에서 더 완전하게 설명되어지는데, 표 5는 본 발명에 의해 용접 슬래그 또는 검은 점들의 생성없이 진행되는 합금에서 슬래그 형성 원소들의 농도 기준이 초과 될 수 있음을 보여준다. 특히, 이 표에서 "종래 기술의 최대 허용 농도"로 제목붙여진 열은 상기한 표 2에서 설명된 바와 같이 검은 점들과 용접 슬래그를 피하기 위한 종래 기술의 최대 허용 농도에 관한 슬래그 형성원소의 기준을 보여주며 이러한 농도 기준이 본 발명에 따라 검은 점들과 용접 슬래그의 형성없이 용접될 강에서 초과될 수 있음을 보여준다. 마찬가지로, "더 높은 허용농도"와 "매우 높은 허용 농도"로 제목붙여진 열은 본 발명에 따라 검은 점들과 용접 슬래그의 생성없이 용접될 강에서 허용되어질 수 있는 슬래그 형성원소의 더 높은 농도를 보여준다.

슬래그 형성원소의 허용 농도 레벨
원소	종래 기술의 최대 허용 농도	더 많이 오염됨	매우 많이 오염됨
Al	＞0.010	≥0.020	≥0.60
Ti	＞0.014	≥0.020	≥0.7
Si	＞0.1	≥0.75	≥1.5
Ca	＞0.02	≥0.02	≥0.024
Zr	＞0.05	≥0.05	≥0.15

따라서, 표 5는 예를 들어 비록 0.1 wt.%가 검은 점들과 용접 슬래그없이 용접부를 생성하기 위한 실리콘의 최대 허용 농도로서 종래 기술에서는 여겨졌지만 본 발명에 따르면 0.1 wt.%Si보다 더 많이 포함하고 있는 합금도 검은 점들과 용접 슬래그의 형성없이 용접될 수 있음을 보여준다. 마찬가지로 표 5는 비록 슬래그 형성원소들을 더 높은 기준으로 포함하고 있다 하여도, 예를 들어 0.75 wt.% 심지어 1.5 wt.%Si보다 더 많이 포함하고 있다 하여도, 검은 점들과 용접 슬래그의 생성없이 이 합금은 용접될 수 있다는 것을 또한 보여준다. 그러므로 본 발명에 따르면 검은 점들과 용접 슬래그의 생성을 피하기 위해 종래 기술 공정에서 사용되었던 고가의 정련 또는 원재료 선택 공정이 완전히 제거될 수 있다고 평가된다.

상기한 바에 따른 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 용접을 위해 선택되어진 합금의 Cr당량/Ni당량비가 1.45 - 1.55, 1.5 - 1.67 등의 매우 엄격한 범위내에서 제어된다. 실제로, 종래의 합금 생성 및 공정 기술을 사용하는 공장에서 이러한 합금의 화학조성을 조정하여 이 제어를 달성한다는 것은 어려울 것이다. 따라서 다른 실시예에서 본 발명은 이러한 좁은 Cr당량/Ni당량비를 달성하기 위해 제조과정에서 후보 오스테나이트 스테인레스강의 화학적성질을 조정하는 신규하고 간단한 방법을 제공한다. 이와 관련하여, 구리는 스테인레스강의 조성에서 원하지 않는 미량원소로서 고려되어져야 한다. 왜냐하면 철을 포함한 합금으로부터 구리를 정련하는 실제적 방법이 없기 때문이다. 따라서, 구리의 농도는 대부분의 스테인레스강의 제조과정에서 최소화되므로, 구리는 전형적으로 약 0.10 wt.% 또는 이보다 낮은 경험상의 기준이 주어지고 구리의 양이 0.50 wt.%를 초과하는 경우는 거의 없다.

그러나, 본 발명의 관점에 따르면 구리는 1.45 - 1.67의 요구 범위안으로 Cr당량/Ni당량비를 감소시키기 위하여 의도적으로 첨가된다. 특히, 후보 합금의 구리의 양은 본 발명의 관점에 따라 전형적인 경험상의 기준인 0.10 wt.%이상, 바람직하게는 0.25 wt.%이상, 더욱 바람직하게는 0.35 wt.%이상으로 증가된다. 그뿐 아니라, 어떤 경우에는 후보 합금의 구리의 양이 0.50 wt.%만큼 또는 그 보다 많을 수도 있는데 이로 인해 Cr당량/Ni당량비를 매우 용이하게 낮출 수 있다.

후보 합금의 히트 작업에서 구리를 첨가하는 것은 본 발명의 관점에 따르면 어떤 종래 방법에 의하더라도 행하여 질 수 있다. 구리는 히트 금속이 주조되기 전 완전히 혼합되어진 후에 레들(ladle) 금속 장치의 히트 금속에 첨가되어질 수 있다. 선택적으로, 구리는 합금 제조 과정에서 히트 금속에 첨가되어질 수 있다. 예를 들어, 구리는 전기아크로(electric arc furnace)의 초기 용융과정에 일률적으로 지배되어지는 초기 성분의 하나일 수 있으며, 또는 아르곤-산소 탈탄과정(AOD)이나 합금 제조 공정의 후반부에서의 종래 과정에서 다른 첨가 원소와 함께 첨가되어질 수 있다. 여하튼 간에, 의도적으로 첨가된 구리는 Cr당량/Ni당량비를 약 1.45 - 1.47의 요구 범위에 또는 그 가까이 맞추기 위해 합금 제조 과정에서 후보 저 탄소 오스테나이트강의 Cr당량/Ni당량비를 쉽게 낮추는 방법이 된다. 더욱이, 구리는 부식 사이트를 줄이는 데 도움을 줄 뿐만 아니라 미생물 유도 부식(MIC)을 줄이는 첨가 이익을 가진다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, Cr당량/Ni당량비의 더 협소한 요구 범위는 AOD/VAR을 사용하여 달성될 수 있다. 진공 아크 재용융(VAR)공정에서, 최종 생산품을 위해 요구되는 화학적성질을 가진 주조 강 전극은 수냉 구리 주형으로 용융되어 진다. 이러한 재용융은 매우 낮은 압력조건하에서 실행되어지는 바, 전형적으로 0.1 Torr을 초과하지 아니한다. VAR공정은 전형적으로 산소와 수소와 같은 히트 금속내에 용해된 가스들을 제거하는데 사용된다. VAR공정은 질소도 제거하며, 따라서 Cr당량/Ni당량비를 더 심도있게 조정할 수 있는 기회를 제공한다. VAR공정은 또한 마그네슘을 제거한다. 화학적성질에 있어서 질소 및/또는 마그네슘의 양의 감소는 Cr당량/Ni당량비를 증가시킬 것이다. 전형적 VAR과정에서, 용융물은 거의 완전한 진공상태에서는 전극에서 약 50%의 질소와 약 10 - 20%의 마그네슘을 상실할 수 있으며, 부분 진공 상태에서는 10 - 20%의 질소를 상실하나 마그네슘은 상실하지 아니한다.

VAR재용융과정에서 제거되는 질소의 양은 부분적으로 얼마나 낮은 진공상태를만들어 낼 수 있느냐에 의존한다. VAR공정전에 히트 금속의 화학적성질이 알려져 있기 때문에 제거 되어야 할 질소와 마그네슘의 양은 VAR시스템에서 만들어지는 진공상태를 제어함으로써 제어 될 수 있다. 따라서, 만약 Cr당량/Ni당량비가 낮다면(예를 들어, 1.45보다 낮다면), VAR공정은 요구 범위로 그 비를 조정하는데 사용되어질 수 있다.

AOD공정과 VAR공정의 조합은 또한 히트 금속의 최종 Cr당량/Ni당량비를 엄격하게 제어하는데 사용되어질 수 있다. 본원에서 상기한 바와 같이 구리는 Cr당량/Ni당량비를 감소시키기 위해 레들 금속 장치 등에서 히트 금속에 첨가되어질 수 있다. 예를 들어, 구리는 약 1.43과 같이 1.45 바로 아래로 그 비를 낮추기 위해 첨가되어질 것이다. VAR공정은 질소와 마그네슘을 제거함으로써 예를 들어, 1.45 - 1.55와 같은 요구 범위로 그 비를 증가시키기 위해 사용되어질 수 있다. 만약 그 시스템에서 만들어진 진공 상태가 상대적으로 고정되어있다면, AOD과정에서 제거되어지는 질소와 마그네슘의 양은 정확하게 예상되어질 수 있다. 따라서, 예컨대 질소는 VAR공정 후에 목적 당량비를 달성하기 위해 AOD공정동안 레들 금속 장치에 첨가되어질 수 있다.

본 발명에 대한 더 심도있는 설명을 위해, 다음의 실시예가 제공된다.

예 1∼7

2인치의 외부지름과 1.87인치의 내부지름을 가지는 2" 이음매 없는 튜브는 316L 스테인레스강의 7가지의 다른 히트 작업을 통해 생산된다. 이러한 강의 조성, 그들의 Cr당량/Ni당량비, 그리고 피셔 페라이트스코프(Fischer ferritescope)에 의해 측정된 그들의 페라이트 양은 하기한 표 6에서 설명되어진다.

	4	6	2	3	5	7	1
Cr	16.88	17.03	16.92	17.19	17.4	17.54	16.8
Mo	2.09	2.11	2.06	2.05	2.11	2.26	2.1
Si	0.41	0.41	0.34	0.36	0.5	0.49	0.4
Nb	0.015	0.016	0.014	0.025	0.01	0.012	0.011
Ti	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01
Ni	12.92	13.05	12.69	12.38	12.37	12.42	10.22
Mn	1.25	1.31	1.16	1.81	1.07	1.09	1.82
C	0.022	0.024	0.024	0.014	0.018	0.022	0.012
N	0.04	0.041	0.044	0.051	0.018	0.011	0.052
Cu	0.41	0.26	0.28	0.23	0.22	0.23	0.3
Ni당량	14.77	14.83	14.48	14.20	13.57	13.63	12.09
Cr당량	20.42	20.60	20.31	20.62	21.09	21.43	20.33
Cr당량/Ni당량	1.38	1.39	1.40	1.45	1.55	1.57	1.68
페라이트%	0	0.15	0.27	0.82	2.07	3.04	3.91

각각의 튜브는 접합부분으로 나뉘어 지고 각각의 튜브의 두 접합부분은 호바트 CT 150 DC 가스 용접기를 사용하여 자열적으로 용접되어진다. 용접부는 96%아르곤 - 4%수소의 시일딩 가스(shielding gas), 47암페어의 용접전류, 6.3인치/분의 용접속도를 가진 글로브 박스(glove box)안에서 실행되어진다. 용접봉은 표준 3/32 인치 산화토륨 텅스텐 용접봉이다. 그 후, 생성된 용접부는 검은 점들과 용접 슬래그가 형성되어는지에 대해 시각적으로 조사되어진다. 추가로 각각의 용접부에 대한 현미경 사진이 만들어 졌는 바, 이 현미경 사진들은 도 3에 설명되어진다. 고 품질 용접부는 용접될 강의 Cr당량/Ni당량비가 1.45 또는 그 이상인 각각의 예에서 생성됨이 발견되었다. 이와 반대로, 1.45보다 낮은 Cr당량/Ni당량비를 가진 강으로 부터 생성된 용접부는 현저한 검은 점들과 슬래그의 형성을 나타내었다.

이러한 결과는 도 3에서 시각적으로 설명되어지는 바, 각각 1.38, 1.39, 1.40의 Cr당량/Ni당량비를 가진 강인 예 4, 6, 2에서 생성된 용접부에서는 현저한 검은 점들과 슬래그의 형성이 나타나는 반면, 1.45 또는 그 이상의 Cr당량/Ni당량비를 가진 강인 예 3, 5, 7에서 생성된 용접부에서는 본질적으로 검은 점들과 슬래그 형성이 나타나지 않는다. 이것은 본 발명에 따라 오스테나이트 스테인레스강 부재가 함께 용접 될 때 검은 점들과 용접 슬래그의 형성을 금지 또는 예방하기 위해 약 1.45 또는 그 이상의 용접부의 Cr당량/Ni당량비의 유지의 중요성을 보여준다.

예 8∼28

1/4 ∼ 2인치의 외부지름을 가진 스테인레스강 튜브는 316L 스테인레스강의 21가지 추가적 히트 금속으로부터 생산되어졌다. 이 강들의 조성은 하기한 표 7에서 주어진다.

	Cr	Mo	Si	Nb	Ti	Ni
8	17.4400	2.6100	0.5100	0.0012	0.0006	14.1400
9	17.3700	2.6300	0.5300	0.0051	0.0005	14.1000
10	17.4400	2.6300	0.5100	0.0007	0.0009	14.0400
11	17.3700	2.6100	0.6400	0.0015	0.0007	14.0100
12	16.6800	2.1400	0.3100	0.0060	0.0008	12.2000
13	16.4600	2.3400	0.5600	0.0014	0.0007	12.6100
14	16.2900	2.3400	0.5200	0.0028	0.0005	12.4200
15	16.9700	2.3300	0.5500	0.0024	0.0005	12.4800
16	17.2000	2.2900	0.0100	0.0005	0.0013	13.3100
17	17.0500	2.3400	0.4900	0.0026	0.0005	12.6700
18	16.6200	2.3400	0.5500	0.0066	0.0011	12.3400
19	17.9300	2.2500	0.2000	0.0530	0.0100	13.2800
20	16.5800	2.3200	0.7400	0.0140	0.0018	13.0700
21	17.5300	2.3900	0.5300	0.0170	0.0005	12.4600
22	17.4100	2.2000	0.4700	0.0061	0.0005	12.3300
23	16.8500	2.1300	0.3900	0.0010	0.0036	10.9300
24	17.4500	2.1700	0.5400	0.0016	0.0006	12.5100
25	16.8400	2.1300	0.3200	0.0160	0.0005	10.1500
26	17.5400	2.0800	0.4400	0.0013	0.0005	12.1000
27	17.4600	2.1100	0.5100	0.0018	0.0009	12.1600
28	16.5300	2.6300	0.3800	0.0061	0.0005	10.1600

	Mn	C	N	Cu	P	S
8	1.6600	0.0320	0.0280	0.3500	0.0190	0.0070
9	1.6900	0.0260	0.0380	0.2800	0.0230	0.0060
10	1.6700	0.0270	0.0350	0.2800	0.0220	0.0070
11	1.6500	0.0210	0.0320	0.2400	0.0250	0.0070
12	1.1400	0.0200	0.0210	0.3000	0.0300	0.0070
13	1.3500	0.0300	0.0078	0.0500	0.0120	0.0080
14	1.3600	0.0280	0.0078	0.0500	0.0110	0.0110
15	1.3900	0.0430	0.0100	0.0500	0.0120	0.0070
16	0.0200	0.0080	0.0030	0.0100	0.0040	0.0030
17	1.3200	0.0320	0.0063	0.0500	0.0100	0.0070
18	1.3700	0.0310	0.0092	0.0500	0.0160	0.0080
19	0.2600	0.0210	0.0069	0.0500	0.0190	0.0010
20	0.1500	0.0140	0.0080	0.0500	0.0170	0.0010
21	1.1100	0.0290	0.0230	0.2600	0.0170	0.0060
22	1.0500	0.0200	0.0210	0.2200	0.0210	0.0070
23	1.5400	0.0240	0.0660	0.2200	0.0170	0.0070
24	0.2600	0.0220	0.0098	0.0500	0.0150	0.0080
25	1.4100	0.0140	0.0750	0.3000	0.0250	0.0160
26	0.2900	0.0150	0.0100	0.0500	0.0220	0.0110
27	0.2500	0.0140	0.0078	0.0500	0.0250	0.0090
28	1.8200	0.0220	0.0540	0.0250	0.0120	0.0110

이들 스테인레스강 튜브들의 각각은 접합부분으로 나뉜다. 각각의 튜브의 두 접합부분은 오비탈 용접 시스템을 사용하여 자열적으로 함께 용접되어진다. 이 용접부는 100% 아르곤 가스의 시일딩 가스(shielding gas)로 채워진 글로브 박스(glove box)에서 실행되어진다. 용접 전류는 20 ∼ 47 암페어의 범위를 가지고, 용접 속도는 0.5 ∼ 8.3 인치/분의 범위를 가진다. 용접봉은 표준 3/32 인치 산화토륨 텅스텐 용접봉이다. 각각의 히트 작업에 있어서, 용접부에 더해지는 튜브의 용접되지 않은 부분의 비율은 부식 저항 시험에 종속되어진다. 어느 시험에 있어서, 시편 금속의 점 부식 전위는 ASTM G-61에 의해 결정되어진다. 이 시험 방법에 의하면, 외부 전원 장치는 점 부식이 발생하기 전까지 전류를 측정하면서 주어진 용해상태의 시편 재료의 전위를 단계적으로 증가시키는 데 사용된다. 점 부식에 의해 전류가 빠르게 증가하는 전위를 점 부식 전위(pitting potential)라고 정의한다. 더 높은 점 부식 전위는 더 높은 점 부식 저항을 나타낸다.

다른 시험에 있어서, 한계 점 부식 온도(critical pitting temperature, CPT)는 ASTM G-150에 의해 결정되어진다. 이 시험 방법에 의하면, 상기한 온도는 설정된 전위에서 설정된 한계치를 넘어 전류밀도가 빠르게 증가하는 온도로 결정된다. NaCl용액이 사용되며, 전위는 일정하게 유지된다. 0℃의 온도로부터 시작하여, 점 부식이 발생될 때 까지 분당 1℃의 속도로 온도는 천천히 증가된다.

이러한 시험에서 다양한 강들의 Cr당량/Ni당량비가 사용되었으며, 그 강들의 페라이트 양과 얻어진 결과가 하기한 표 8에서 설명되어진다. 추가로, 이러한 강들의 Cr당량/Ni당량비와 페라이트 양과의 관계는 도 2에서 그래프로 설명되어진다.

	Ni당량	Cr당량	Cr당량/Ni당량비	표준CPT 평균	용접부의 CPT 평균	표준EP 평균	용접부의 EP 평균	최대 페라이트양 %
8	16.11	21.78	1.35	23.1	20.6	689	439	0.21
9	16.02	21.78	1.36	25.4	23.1	1101	601	0.23
10	15.93	21.81	1.37	25.7	20.1	1108	637	0.29
11	15.68	21.91	1.40	23.1	18.2	641	523	0.3
12	13.59	20.09	1.48	13.0	10.2	341	330	0.7
13	13.85	20.51	1.48	15.3	10.6	400	252	1.21
14	13.62	20.28	1.49	15.8	13.1	663	326	2.23
15	14.05	20.99	1.49	20.0	13.9	520	417	1.36
16	13.54	20.36	1.50	42.3	22.3	963	753	1.62
17	13.92	21.00	1.51	29.5	12.4	749	356	1.81
18	13.63	20.67	1.52	22.5	12.3	507	244	2.38
19	13.97	21.45	1.54	34.6	23.9	1143	882	2.39
20	13.59	20.90	1.54	21.8	16.4	487	453	1.73
21	14.03	21.63	1.54	33.2	22.6	1140	22	2.24
22	13.61	21.14	1.55	23.9	15.9	586	418	3.93
23	13.09	20.37	1.56	17.1	13.2	394	351	3.23
24	13.26	21.24	1.60	20.8	20.4	669	542	3.87
25	12.26	20.27	1.65	18.7	4.1	593	235	4.53
26	12.71	21.05	1.66	16.5	15.5	656	507	5.15
27	12.71	21.12	1.66	19.6	16.3	681	574	3.58
28	12.00	20.72	1.73	20.4	7.0	661	257	6.4

상기한 바에 따르면, 점 부식 전위와 한계 점 부식 온도에 의해 측정된 결과, 모든 용접부의 부식 저항은 우수한 편이다. 그러나, Cr당량/Ni당량비가 1.55 또는 그 이하이고 페라이트 양이 약 3 wt.% 또는 그 이하인 용접부들도 그들의 한계 점 부식 온도에 의해 측정된 결과, 더 우수한 부식저항을 가진다는 것을 알 수 있다. 이러한 사실은 Cr당량/Ni당량비와 페라이트 양을 달리하여 생산되어진 용접부의 한계 점 부식 온도를 그래프로 나타낸 도 4, 5, 6, 그리고 7에서 더욱 명백하게 보여진다. 도 4와 5에서 보여지는 바와 같이, 한계 점 부식 온도에 의해 측정되는 부식 저항은 Cr당량/Ni당량비가 1.45 아래에서 약 1.55까지 증가함에 따라 아주 약간 감소한다. 그러나, 약 1.55이상에서는 Cr당량/Ni당량비가 증가함에 따라 용접부의 부식 저항이 매우 빠르게 감소한다. 유사한 결과가 도 6과 7에서도 보여지는 바, 부식 저항은 용접부의 페라이트 양이 약 3 wt.%를 초과함에 따라 더욱 빠르게 감소하기 시작한다. 이러한 결과는 용접부가 약 1.45와 1.55사이의 Cr당량/Ni당량비를 가지고, 특히, 3 wt.% 또는 그 이하의 페라이트 양을 가진다면 검은 점들과 용접 슬래그의 생성이 없을 뿐만 아니라 우수한 부식 저항을 가지는 것으로 특징지워진다는 것을 보여준다.

본 발명은 특정한 실시예에 의하여 보여지고 묘사되어졌으나, 이것은 한정이 아니라 설명의 목적을 위한 것이며, 본원에서 보여지고 묘사되어진 특정한 실시예에 대한 약간의 변경과 조정은 첨부한 특허청구범위에서 설명되어진 의도된 사상과 본 발명의 범위안에서 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (41)

1. 용접부에 의해 결합되기 위해 서로 용접되어지고 또 동일 또는 상이한 오스테나이트 스테인레스강으로 만들어지는 제1과 제2 부재를 포함하는 용접 제품으로서,

   상기 용접부는 약 1.5 ∼ 2.0의 Cr당량/Ni당량비(R)를 가지고,

   Cr당량 = Cr + 1.37Mo + 1.45Si + 2Nb + 3Ti이며,

   Ni당량 = Ni + 0.31Mn + 22C + 14.2N + Cu 인 용접 제품.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 부재 중 하나 이상이 다음의 원소를 하나 이상 포함하며, 이들 원소는 중량에 있어서 다음과 같은 최소치

   성분 최소 농도(wt.%)

   Al 0.010

   Ti 0.010

   Si 0.75

   Ca 0.02

   Zr 0.05

   보다 큰 것인 용접 제품.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 부재 각각은 약 1.5 ∼ 2.0의 Cr당량/Ni당량비를 가지는 용접 제품.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 부재가 하기 조성,

   성분 농도(wt.%)

   C 최대 0.10

   Mn 최대 9

   P 최대 0.05

   S 최대 0.04

   Cr 16 - 25

   Ni 8 - 25

   Mo 최대 7

   N 최대 0.7

   을 가지는 동일 또는 상이한 합금으로 만들어지는 용접 제품.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 부재는 300 시리즈 스테인레스강으로 만들어지는 용접 제품.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 부재는 316L 스테인레스강으로 만들어지는 용접 제품.
7. 제1항에 있어서, 상기 용접부는 자생용접(autogenous welding)에 의해 생성되는 용접 제품.
8. 제1항에 있어서, 상기 제품은 고순도 유체 공급을 위한 파이프 또는 튜브 시스템인 용접 제품
9. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 부재 중 하나 이상은 튜브인 용접 제품.
10. 제1항에 있어서, 상기 Cr당량/Ni당량비는 약 1.5 ∼ 1.67인 용접 제품.
11. 제1항에 있어서, 상기 Cr당량/Ni당량비는 약 1.45 ∼ 1.55인 용접 제품.
12. 제1항에 있어서, 상기 용접부는 0.3 ∼ 5 wt.% 페라이트를 포함하는 용접 제품.
13. 규격화된 오스테나이트 스테인레스강 부재를 함께 용접할 때 생성된 상기 용접부의 품질을 제어하는 공정으로서,

    Cr당량 = Cr + 1.37Mo + 1.45Si + 2Nb + 3Ti, 및 Ni당량 = Ni + 0.31Mn + 22C + 14.2N + Cu일 때, 상기 부재가 함께 용접되어 상기 Cr당량/Ni당량 비(R)가 약 1.5 ∼ 2.0이 되도록 생성된 상기 용접부를 선택하는 것을 포함하는 제어 공정.
14. 제13항에 있어서, 응고됨으로써 상기 용접부를 생성하는 용융풀(molten pool)을 형성하기 위해 상기 제1 및 제2 부재와 구별되는 독립된 용접단편(weld piece)과 상기 제1 및 제2 부재의 일부분을 함께 용융하여 상기 용접부를 생성하는 것, 그리고

    상기 용접부가 약 1.5 ∼ 2.0의 Cr당량/Ni당량비를 가지도록 상기 제1 및 제2 부재 그리고 상기 용접단편 각각을 선택하는 것을 포함하는 제어 공정.
15. 제13항에 있어서, 상기 용접부는 자생용접에 의해 생성되는 것인 제어 공정.
16. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 부재 각각이 약 1.5 ∼ 2.0의 Cr당량/Ni당량비를 가지는 것인 제어 공정.
17. 제16항에 있어서, 상기 제1 및 제2 부재는 하기 조성,

    성분 농도(wt.%)

    C 최대 0.10

    Mn 최대 9

    P 최대 0.05

    S 최대 0.04

    Cr 16 - 25

    Ni 8 - 25

    Mo 최대 7

    N 최대 0.7

    을 가지는 동일 또는 상이한 합금으로 만들어지는 것인 제어 공정.
18. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 부재는 316L 스테인레스강의 상이한 히트 금속으로 만들어지는 것인 제어 공정.
19. 제13항에 있어서, 용접되어질 상기 부재는 튜브인 것인 제어 공정.
20. 제13항에 있어서, 상기 용접부는 0.5 ∼ 3.0 wt.% 페라이트를 포함하는 것인 제어 공정.
21. 제13항에 있어서, 상기 Cr당량/Ni당량비는 약 1.45 ∼ 1.55인 것인 제어 공정
22. 제13항에 있어서, 상기 Cr당량/Ni당량비는 약 1.5 ∼ 1.67인 것인 제어 공정
23. 동일한 규격의 오스테나이트 스테인레스강으로 만들어진 두 부재의 자생용접을 개선하는 공정으로서,

    Cr당량 = Cr + 1.37Mo + 1.45Si + 2Nb + 3Ti 및 Ni당량 = Ni + 0.31Mn + 22C + 14.2N + Cu일 때 함께 용접될 상기 부재를 만드는 상기 강의 상기 Cr당량/Ni당량비(R)을 결정하는 것과, 약 1.5 ∼ 2.0의 Cr당량/Ni당량비를 가지지 않는 강으로 만들어진 모든 부재의 자생용접 공정에서 사용을 거부하는 것을 포함하는 공정.
24. 제23항에 있어서, 약 1.5 ∼ 2.0의 Cr당량/Ni당량비를 가지는 강으로 만들어진 부재만을 그 부재의 공급원으로부터 구입함으로써 약 1.5 ∼ 2.0의 Cr당량/Ni당량비를 가지지 않는 강으로 만들어진 부재를 거부하는 것인 공정.
25. 제16항에 있어서, 자생용접 공정을 위한 모든 규격화된 후보 부재를 검사하고 약 1.5 ∼ 2.0의 Cr당량/Ni당량비를 가지는 강으로 만들어지지 않은 그 규격화된 부재를 거부함으로써 약 1.5 ∼ 2.0의 Cr당량/Ni당량비를 가지는 강으로 만들어지지 않은 부재를 거부하는 것인 공정.
26. 고순도 유체 수송에 사용하는 배관(piping)으로서,

    Cr당량 = Cr + 1.37Mo + 1.45Si + 2Nb + 3Ti 및 Ni당량 = Ni + 0.31Mn + 22C + 14.2N + Cu일 때 약 1.5 ∼ 2.0의 Cr당량/Ni당량비(R)를 가지는 오스테나이트 스테인레스강으로 만들어지는 것인 배관.
27. 제26항에 있어서, 상기 스테인레스강이 316L 스테인레스강인 것인 배관.
28. 제27항에 있어서, 상기 배관이 이음매없는 튜브로 구성되는 것인 배관.
29. 제27항에 있어서, 상기 배관이 용접 및 인발(drawn)되어진 튜브로 구성되는 것인 배관.
30. 제26항에 있어서, 상기 스테인레스강이 0.5 ∼ 3.0 wt.%페라이트를 포함하는 것인 배관.
31. 제26항에 있어서, 상기 Cr당량/Ni당량비가 약 1.45 ∼ 1.55인 것인 배관.
32. 제13항에 있어서, 상기 Cr당량/Ni당량비가 약 1.5 ∼ 1.67인 것인 제어 공정.
33. 오스테나이트 스테인레스강의 용접을 개선하는 방법으로서, 약 1.45 ∼ 1.55의 범위의 Cr당량/Ni당량비(R)를 가지는 히트 금속을 생산하기 위해 제조 중에 스테인레스강에 소정량의 구리를 첨가하는 것을 포함하는 것인 방법.
34. 제33항에 있어서, 구리를 첨가하는 상기 단계가 레들(ladle) 금속 장치에서 실행되는 것인 방법.
35. 제33항에 있어서, 강의 Cr당량/Ni당량비(R)를 낮추기 위해 제조 중에 상기 스테인레스강에 구리를 첨가하고, 그 후 강의 Cr당량/Ni당량비(R)를 1.45 ∼ 1.55로 증가시키기 위한 목적으로 강으로부터 질소 및 마그네슘을 제거하기 위해 상기 강을 진공 아크 재용융(vacuum arc remelting)하는 것인 방법.
36. 오스테나이트 스테인레스강의 자생 용접부를 개선하는 방법으로서,

    a) 다수의 오스테나이트 스테인레스강 히트 금속 각각의 개별적 화학적성질을 결정하는 것;

    b) 상기 히트 금속 각각의 Cr당량/Ni당량비(R)를 결정하는 것;

    c) 자생용접을 위해 약 1.5 ∼ 2.0의 범위의 비(R)를 가지는 히트 금속을 하나 이상 선택하는 것을 포함하는 것인 방법.
37. 오스테나이트 스테인레스강의 자생 용접부를 개선하는 방법으로서,

    a) 다수의 오스테나이트 스테인레스강 히트 합금의 개별적 화학적성질을 규격화하는 것;

    b) 상기한 다수의 히트 합금으로부터 약 1.5 ∼ 2.0의 범위의 Cr당량/Ni당량비(R)를 가지는 히트 합금을 하나 이상 선택하는 것; 및

    c) 상기 선택된 히트 합금으로부터 만들어진 본체로 자생 용접부를 생산하는 것을 포함하는 것인 방법.
38. 오스테나이트 스테인레스강의 자생 용접부를 개선하는 방법으로서,

    a) 다수의 오스테나이트 스테인레스강의 히트 금속 각각의 개별적 화학적성질을 규격화하는 것;

    b) 상기 히트 금속 각각의 Cr당량/Ni당량비(R)을 규격화하는 것; 및

    c) 자생 용접을 위해 자생 용접부가 페라이트-오스테나이트 응고 방식을 나타내도록 하는 비(R)를 가지는 히트 금속을 하나 이상 선택하는 것을 포함하는 것인 방법.
39. 오스테나이트 스테인레스 강의 용접 공정을 개선하는 방법으로서,

    a) 용접될 제1 본체를 위해 Cr당량/Ni당량비를 결정하는 것;

    b) 용접될 제2 본체를 위해 Cr당량/Ni당량비를 결정하는 것;

    c) 제1 본체 및 제2 본체와 함께 용접될 때 페라이트-오스테나이트 응고 방식을 가지는 용접부가 생성되도록 하는 Cr당량/Ni당량비를 가지는 용접링을 선택하고 제1 본체와 제2 본체의 사이의 용접 사이트에서 용접링의 위치를 결정하는 것을 포함하는 것인 개선 방법.
40. 오스테나이트 스테인레스강으로 된 두 본체를 함께 용접하기 위해 용접 작업에 사용되는 키트(kit)로서;

    a) 두 본체사이의 용접 사이트에 위치하기에 적합한 크기와 모양을 각각 가지는 복수 개의 용접원소(weld element);

    b) 각각의 용접원소는 주지의 Cr당량/Ni당량비를 가지며;

    c) 상기 키트는, 용접공이 두 본체가 용접될 때 페라이트-오스테나이트 응고 방식을 가지는 용접부가 생성되도록 하는 용접원소를 선택할 수 있도록 서로 다른 상기 비를 가지는 상기 복수개의 용접원소를 포함하는 키트.
41. 규격화된 오스테나이트 스테인레스강 부재를 함께 용접할 때 생성되는 용접부의 품질을 제어하는 공정으로서,

    상기 용접부가 상온으로 냉각될 때 전반적으로 고용체내에 하나 이상의 하기 슬래그 형성원소를 하기 최소 농도 기준보다 더 많이 함유할 수 있도록 하기에 충분한 페라이트 양을 가지는 상기 용접부를 생성하는 것을 포함하고,

    성분 최소 농도 기준

    Al 0.010

    Ti 0.010

    Si 0.75

    Ca 0.02

    Zr 0.05

    이러한 슬래그 형성원소에 의한 검은 점들과 용접 슬래그의 형성이 실질적으로 방지될 수 있으며, 또한 상기 용접부의 페라이트의 양이 약 5 wt.％를 초과하지 않도록 하는 것인 제어 공정