KR20020004237A

KR20020004237A - 고온균열 저항이 우수한 티타니아계 플럭스 충전 와이어

Info

Publication number: KR20020004237A
Application number: KR1020000037952A
Authority: KR
Inventors: 박상민
Original assignee: 이봉주; 현대종합금속 주식회사
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2002-01-16
Also published as: KR100497180B1; CN1191913C; CN1330998A

Abstract

고온균열 저항이 우수한 티타니아계 플럭스 충전 와이어가 제공된다.

본 발명은, 와이어에 대한 중량%로, C: 0.010~0.055%, B: 0.002~0.010%, Al: 0.30% 미만, Ti: 2.5~6.5%, Mn: 1.5~3.5%, Mg: 0.1~0.5%, Si: 0.5~1.5%, Na: 0.05~1.25%, 잔여 철 및 불가피한 불순물로 조성되고; (C%×Al%)×B%가 3 ×10^-5이하로 제어됨을 특징으로 하는 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

본 발명의 와이어는 후판의 편면 초층용접시에도 고온균열 발생없이 유용하게 이용될 수 있다.

Description

고온균열 저항이 우수한 티타니아계 플럭스 충전 와이어{Titania based flux cored wire having excellent hot crack resistance}

본 발명은 고온균열 저항성이 우수한 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로, 보다 상세히는, 용접 작업성뿐만 아니라 충격인성이 우수한 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

플럭스 충전 와이어는 크게 베이직 타입(basic type)과 티타니아계로 대별되는데, 베이직 계열의 와이어는 충격인성은 양호하나 용접작업성이 떨어지고, 티타니아계는 용접작업성은 우수하나 충격인성치가 좋지 않은 것으로 알려져 있다.

이러한 티타니아계 플럭스 충전 와이어는 종래부터 그 탁월한 비드외관과 용접성능, 및 용접효율의 우수성으로 인하여 연강과 50kg/mm²급 고장력강의 구조물을용접하는데 널리 사용되어 오고 있다. 그러나, 상술한 바와 같이 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 사용하여 얻어진 용접금속은 낮은 충격인성을 가지고 있기 때문에 충격강도가 엄격히 제한되는 경우의 용접재로는 그 사용에 많은 제한이 있었다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 기술의 예로서 일본 특개소 58-16796호에 개시된 발명을 들 수 있다. 상기 특허공개공보에서는 가스실드 아크용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 있어서, 와이어에 대한 중량%로, TiO₂: 4~8.5%, Mg: 0.2~0.8%, Ti: 0.03~0.7%, B: 0.002~0.025%, Mn: 1.0~3.0%, Si: 0.1~1.2%, 그밖에 금속불화물과 산화물로 이루어진 플럭스를 제공함으로써 저온에서 용착금속이 우수한 충격특성을 가진다고 기재하고 있다.

그러나, 상기 공개특허발명에서 첨가되는 보론(B)은 용착금속에 우수한 충격인성을 확보케 할 수 있으나, 동시에 입계편석에 의해 고온균열을 일으키는 원인이 된다. 특히, 용접모재가 두꺼운 후판의 편면용접시 초층용접에서 쉽게 고온균열이 발생하는 문제가 있으므로, 티타니아계 플럭스 충전 와이어는 그 우수한 충격인성확보에도 불구하고 후판의 편면용접등에서의 이용에 많은 제한이 있었다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 충격인성이 우수할 뿐만 아니라 보론(B) 첨가에 따른 고온균열 현상도 효과적으로 방지할 수 있어 후판의 편면 용접등에도 효과적으로 사용될 수 있는 티타니아계 플럭스충전 와이어를 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에서 첨가된 B중량%에 대한 (C% × Al%)의 관계를 나타내는 그림

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 와이어에 대한 중량%로, C: 0.010~0.055%, B: 0.002~0.010%, Al: 0.30% 미만, Ti: 2.5~6.5%, Mn: 1.5~3.5%, Mg: 0.1~0.5%, Si: 0.5~1.5%, Na: 0.05~1.25%, 잔여 철 및 불가피한 불순물로 조성되고, (C%×Al%)×B%가 3 ×10^-5이하로 제어됨을 특징으로 하는 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명자는 저온 충격강도가 우수한 용착금속을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 후판의 편면 초층 용접시 고온균열도 방지할 수 있는 용접재의 개발을 위하여 수많은 연구와 실험을 거듭하였으며, 그 결과, 고온균열을 야기하는 보론(B)의 첨가량에 대하여 탄소(C)와 알루미늄(Al)의 첨가량을 적정치이하로 제어하므로써 효과적으로 고온균열을 방지할 수 있음을 발견하고 본 발명을 제안하는 것이다. 즉, 본 발명은 티타니아계 플럭스 충전 와이어의 조성중 (C%×Al%)×B%값을 적정치 이하로 제어함을 그 특징으로 한다.

본 발명 플럭스 충전 와이어의 조성성분 제한사유를 설명한다.

탄소(C)는 본 발명 와이어를 구성하는 강외피와 그에 충전된 플럭스의 조성물에 잔존하는 양으로서 통상 인위적으로 첨가하지는 않지만 용접금속의 기계적성질에 영향을 주는 중요한 인자이므로 그 함유량을 엄격히 제한할 것이 요구되며, 이에 따라 본 발명에서는 탄소를 와이어에 대한 중량%(이하, 단지 %라 한다)로 0.010~0.055% 범위로 함유함이 바람직하다.

왜냐하면, 상기 탄소가 0.01%미만이면 용접금속의 인성 및 인장성능이 열화되고, 0.055%를 초과하면 강도가 과도하게 높아지고 균열감수성을 증가시켜 고온균열이 발생하기 쉽기 때문이다. 따라서, 와이어 성분중 탄소량을 제어하기 위해서는 탄소함량을 고려하여 강외피를 선택해야 할 것이며, 아울러 잔존 탄소를 함유하는 플럭스인 철분, 페로실리콘등의 조성범위를 적절히 조절함이 필요하다.

보론(B)은 Ti와 함께 첨가되고, 조직의 미세화와 더불어 인성을 증가시키는 것으로 알려져 있다. 그러나 보론은 붕화물(Boride)에 의해 결정입계에 분포되어 분리된 개재물로 형성되므로 균열원으로 작용할 수 있다. 따라서, Ti를 다량 함유하는 금속에서 B의 첨가는 Mn의 기본적인 매트릭스가 형성됨과 동시에 B의 분산을 도와주어야 하며, Ti/B와 Mn/B를 적절히 조절하고 용융금속을 충분히 교반하여 B가 결정입계에서 개재물로서 집적되지 않도록 해야한다.

본 발명에서는 상기와 같은 작용을 하는 보론(B)의 첨가량을 0.002~0.010%로 제한함이 바람직한데, 이는 0.002%미만에서는 용접금속의 미세조직을 얻을 수 없으며 인성강화 효과가 발휘되지 않으며, 0.02%를 초과하는 경우에는 붕화물이 연속적인 망상으로 형성되어 경화에 의한 충격치 감소가 일어나며, 인성도 열화될 뿐만 아니라 용융성 저하 및 고온균열이 발생할 수 있기 때문이다.

이러한 보론(B)의 공급원으로는 예컨데, 산화보론, 페로보론, Fe-Si-B합금, B가 함유된 특수유리등을 들 수 있다.

알루미늄(Al)은 Mg와 같이 강탈산제로서 용접금속의 산소량을 저감시키고, 용접금속의 인성을 향상시킬 수 있다. 그러나 알루미늄의 함유량이 0.3%를 초과하면 용융금속중에 Al₂O₃를 형성하여 고온균열을 촉진시키며, Mg와 함께 아크중의 증기압을 과도하게 상승시켜 흄(fume) 발생을 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Al의 함유량을 0.3%이하로 제한함이 바람직하다.

이러한 알루미늄의 공급원으로는 예컨데 마그알루미늄, 장석, 크롤라이트등을 들 수 있다 .

한편, 본 발명에서는 (C% × Al%) × B%를 3 × 10^-5이하가 되도록 첨가된 B중량%에 대하여 알루미늄과 탄소를 함유함이 바람직하다. 이는 본 발명의 특징중의 하나로, 상기 계산 값이 3 × 10^-5을 초과할 경우 고온균열이 발생함에 착안하여 마련된 것이다.

따라서, 본 발명에서는 고온균열을 예방하기 위해서는 B의 첨가량 대하여 Al과 C의 함유량을 3 × 10^-5이하로 제한해야 한다.

Ti는 탈산제로 알려져 있으며, 조직을 미세화함으로써 인성을 증가시키는 역할을 하는 원소이다. 본 발명에서 Ti는 티타니아계 플럭스 충전 와이어의 조성으로 티타늄 산화물과 함께 사용되며, 그 첨가량을 2.5~6.5%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면, 그 첨가량이 2.5%미만인 경우에는 용적의 표면장력을 감소시킴과 동시에 아아크가 불안정하고 슬라그 형성도 부족해 비드 외관이 거칠어지는 반면에, 6.5%를 초과하면 슬라그 형성이 과다하고 용융성도 저하될 뿐만 아니라 유동성도 떨어지고 과탈산에 의한 고온균열을 촉진시킬 우려가 있기 때문이다. 이러한 Ti의 공급원으로는 예컨데, 금속티탄, 페로티탄, 루타일샌드등을 들 수 있다.

Mn은 탈황제로 알려져 있으며, S와 반응하여 FeS보다 MnS를 먼저 형성하기 때문에 S의 편석에 의한 저융점 화합물의 형성을 방지할 수 있다. 또한, 용착금속내 잔류하여 강도를 증가시키면서 탈산을 촉진시키는 효과는 물론 비이드 외관과 형상을 개선함과 동시에 양호한 작업성을 얻을 수 있다.

본 발명에서는 Mn의 첨가량을 1.5~3.5%로 제한함이 바람직한데, 이는 1.5%미만에서는 그 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 3.5%를 초과하면 아아크 안정성과 용융성이 감소하고 강도가 증가하여 고온균열이 발생하기 쉽기 때문이다. 이러한 Mn의 공급원으로는 예컨데, 전해망간, 페로망간, Fe-Si-MG합금등을 들 수 있다.

Mg은 강탈산제이기 때문에 그 첨가에 의해 용접금속의 산소량을 저감하고 인성을 향상시킬 수 있다. 그러나 그 첨가량이 0.1%미만이면 탈산효과가 적으며, 0.5%를 초과하면 아아크 안정성이 저하되고 스패터 발생량이 증가되어 용접작업성이 열화되고, 슬라그가 증가하여 용융성도 감소하는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 그 첨가량을 0.1~0.5%로 제한함이 바람직하다. 이러한 Mg의 공급원으로는, 예컨데, 마그알루미늄, 마그네시아크링크등을 들 수 있다.

Si은 Ti와 같이 슬라그 형성을 도와줄 뿐만 아니라 퍼짐성이 향상되어 비이드 외관을 양호하게 하며, 아울러 탈산효과와 페라이트 안정화원소로서 고온균열을 방지하는 역할을 한다. 그러나, 그 첨가량이 0.5%미만이면 그 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 1.5%를 초과하면 인성이 열화되고 Fe-S-Si-O 화합물을 형성하여 고온균열을 조장할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Si의 첨가량을 0.5~1.5%로 제한함이 바람직하다. 상기 Si의 공급원으론 장석, 페로실리콘등을 들 수 있다.

Na는 K, Ce등과 같이 아아크 안정제이나, 본 발명에서의 Na의 역할은 아아크 안정제 뿐만 아니라 아아크 집중성을 향상시키고, 깊은 용입과 더불어 용융금속을 충분히 교반하여 Mn 매트릭스내에 B를 골고루 분산시키는 역할을 한다. Ti-Mn-B에 의해 미세화된 조직은 강한 인성을 나타내지만, 입계를 따라 분포되는 붕화물 및 티탄산화물에 의한 입계균열은 용접금속 이면에서 발생할 확율이 높으며, 이에 따라 충격인성치도 낮을 수 있다. 따라서, B를 매트릭스내에 골고루 분산시킴으로써 입계균열을 방지할 수 있으며, 티탄산화물 형성감소와 미세화로 인한 높은 인성을 유지할 수 있는 것이다.

이런 연유로, 본 발명에서는 Na의 첨가량을 0.05~1.25%로 제한함이 바람직한데, 이는 0.05%미만에서는 그 첨가량이 미미하여 아아크 안정제로써 효과를 부족하고, Na대신에 K 또는 Ce등이 첨가되면 용접금속의 이면 충격치가 낮아 진다. 이와 반면에, 1.25%를 초과하면 아아크의 증기압이 높아져 아아크가 불안정해지고 유동성이 감소하는 한편, 비이드 외관이 매우 불균일해지기 때문이다. 이런 Na의 공급원으로는 금속나트륨, 불화소다등을 들 수 있다.

F는 본 발명에서 선택적으로 첨가되는 원소로서, 첨가되는 경우 금속플루오르화합물로 첨가된다. 이러한 F는 용접금속의 아아크 안정을 도와주는 역할을 함과 동시에 탈산효과도 있다.

본 발명에서는 F의 함유량을 0.05~0.15%로 제한함이 바람직한데, 이는 그 함유량이 0.05% 미만이면 아아크가 불안정해지고 인성이 열화되며, 0.15%를 초과하면 증기압이 높기 때문에 흄(fume)발생량이 증가하고 용접작업성도 열악해 진다. 이러한 F의 공급원으로는 불화리튬, 불화소다등을 들 수 있다.

Zr은 본 발명에서 선택적으로 첨가하는 원소로서 용착성을 향상시킴과 아울러 슬라그 응고속도를 향상시켜 비이드 형상을 제어할 수 있는 효과가 있다. 그러나, 그 첨가량이 0.05%미만에서는 그 첨가에 따른 효과가 미흡하고, 0.45%를 초과하면 용융성이 저하됨과 동시에 비이드 퍼짐성이 감소한다. 따라서, 본 발명에서는 Zr의 첨가량을 0.05~0.45%로 제한함이 바람직하다. 상기 Zr의 공급원으로는 바델라이트가 대표적이다.

Ca도 본 발명에서 선택적으로 첨가되는 원소로서, 첨가되는 경우 강탈산제로서 작용을 한다. 그러나, 그 첨가량이 과다하면 슬라그가 과다 생성되어 아아크가 불안정해지기 때문에 그 첨가량을 0.02%이하로 제한함이 바람직하다. 상기 Ca의 공급원으로는 예컨데 불화칼슘등을 들 수 있다.

K도 본 발명에서 선택적으로 첨가되는 원소로서 산화물로서 첨가되며 Na와 함께 극미량이 첨가되면 월등한 아아크 안정성을 얻을 수 있는 효과가 있다. 그러나, 그 함량이 0.00008%미만에서는 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 0.008%를 초과하면 용접금속의 이면 충격치가 매우 낮아지는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 그 첨가량을 0.00008~0.008%로 제한함이 바람직하다.

본 발명에서는 또한, 상기 F, Zr, Ca 및 K중 1종 또는 2종이상을 선택적으로 함유함이 보다 바람직하다.

P 및 S는 본 발명에서 불순물로서 엄격히 그 첨가가 제한되어야 한다. 이러한 원소들은 통상 플럭스 조성물로부터 유입됨에 비추어 볼 때, 플럭스의 공급원은 P와 S가 적게 함유한 것을 선택할 것을 요한다. 바람직하게는, 상기 P 및 S의 함유량을 0.03%이하로 각각 제한하는 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표 1과 같은 조성을 갖는 직경 1.2mm의 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 마련하였다. 상기와 같이 마련된 플럭스 충전 와이어들을 이용하여 하기 표 2과 같은 용접조건으로 두께 25mm의 AH-36용접모재를 용접기 SCH500DC(+)를 사용하여 편면용접하였으며, 그 용접에 따른 고온균열발생정도등을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.

본 실시예에서는 고온용접균열 길이 판정방법으로 먼저 하기 표 2와 같은 용접조건에 따라 세라믹백킹제를 이용하여 용접모재에 편면 초증용접을 실시하고, 그 이후 용접비드 표면에 발생한 균열의 길이를 전체 용접길이(300mm)에 대한 백분율로 계산하였다. 또한, 아크 안정성과 비드 형상을 육안으로 관찰하였으며, 그 결과치를 매우 우수(◎), 우수(○), 보통(△) 및 불량(x)으로 각각 구분하여 나타내었다.

	와이어의 조성(중량%)	(C%×Al%)×B%
	C	(C%×Al%)×B%	Ti	Mn	B	Mg	Al	Si	Na	Zr	Ca	F	K
발명예	1	0.040	3.3	2.3	0.0027	0.25	0.25	0.92	0.62	0.22	-	0.13	0.0004	2.7
	2	0.037	4.2	2.5	0.0030	0.30	0.26	0.95	0.33	0.18	0.011	0.09	-	2.9
	3	0.035	3.7	2.6	0.0043	0.26	0.14	1.02	0.57	0.33	-	0.08	0.00057	2.1
	4	0.050	2.9	2.3	0.0038	0.24	0.12	0.94	0.29	0.31	-	0.08	-	2.3
	5	0.020	4.5	2.7	0.0043	0.29	0.28	0.93	0.54	0.27	-	0.07	-	2.4
	6	0.033	3.8	2.7	0.0030	0.24	0.26	0.88	0.46	0.24	0.008	0.10	-	2.6
	7	0.017	4.3	3.0	0.0027	0.28	0.14	0.99	0.37	0.41	-	0.07	0.0076	0.6
	8	0.017	2.9	2.9	0.0063	0.29	0.26	1.10	0.31	0.36	-	0.09	-	2.8
	9	0.037	3.0	2.4	0.0043	0.31	0.14	0.97	0.75	0.15	-	0.08	-	2.2
	10	0.017	5.3	2.6	0.0078	0.27	0.20	0.90	0.62	0.33	0.005	0.12	0.000091	2.7
비교예	1	0.042	5.2	2.9	0.0042	0.25	0.20	1.01	0.50	0.43	-	0.09	-	3.5
	2	0.032	4.5	2.7	0.0054	0.26	0.26	0.93	0.38	0.29	-	0.07	-	4.5
	3	0.036	3.7	3.0	0.0054	0.24	0.26	0.99	0.38	0.22	-	0.14	-	5.1
	4	0.017	4.8	2.8	0.0086	0.22	0.23	0.97	0.95	0.34	-	0.13	-	3.4
	5	0.050	3.9	3.1	0.0029	0.28	0.24	0.93	0.63	0.40	-	0.12	-	3.5
	6	0.043	2.7	2.6	0.0030	0.24	0.25	0.94	0.37	0.32	-	0.09	0.094	3.2
	7	0.028	4.3	2.5	0.0045	0.26	0.25	0.92	0.50	0.38	-	0.09	-	3.2
	8	0.050	4.5	2.9	0.0090	0.24	0.08	0.92	0.33	0.29	0.013	0.10	0.00035	3.6
	9	0.019	4.1	2.6	0.0140	0.29	0.24	0.97	0.32	0.31	-	0.08	-	6.4
	10	0.021	4.3	2.7	0.0120	0.30	0.14	0.95	0.47	0.45	-	0.09	-	3.5
	11	0.034	3.7	4.3	0.0033	0.26	0.21	0.87	0.43	0.33	-	0.11	-	2.4
	12	0.017	4.5	2.6	0.0042	0.75	0.18	0.99	0.43	0.45	-	0.09	-	1.3
	13	0.042	7.3	3.0	0.0029	0.24	0.14	0.89	0.51	0.39	-	0.012	-	1.7
	14	0.035	2.9	2.5	0.0030	0.24	0.20	0.96	0.67	0.53	-	0.35	-	2.1

* 상기 표에서 잔여분은 철 및 불가피한 불순물임

용접전류 및 전압	보호개스 및 유량	개선각도	용접방법	루트폭	Stick out
250A, 32V	CO₂, 20㎖/분	40°	후퇴(15~30°)	6mm	20~25mm

	크렉발생율(%)	아크 안정성	비드 형상	비 고
발명예	1	3.3	◎	◎
	2	4.3	◎	◎
	3	0	◎	◎
	4	0	○	○
	5	0	◎	◎
	6	0	○	◎
	7	0	◎	◎
	8	1.7	◎	◎
	9	0	◎	◎
	10	3.0	◎	◎
비교예	1	13.3	△	△
	2	22.7	○	△
	3	21.7	○	△
	4	35.0	△	△
	5	18.3	△	△
	6	12.7	△	△
	7	13.0	x	△
	8	29.3	○	○
	9	55.7	△	x
	10	24.0	△	△
	11	0	x	x	용융성저하
	12	0	x	x	스패터과다
	13	0	x	x	슬라그 유동성저하
	14	2.0	x	x	아크 불안정

상기 표 1 및 표 3로부터 알 수 있는 바와 같이, B의 첨가량이 0.002~0.010%이고, (C% × Al%)×B%가 3×10^-5이하로 제어된 본 발명예(1~10)은 모두 우수한 고온균열저항성을 가짐을 알 수 있다. 특히, F, Ca, Zr, K중 1종이상을 포함하고 있는 발명예( 1~3, 5~10)이 그렇지 않은 발명예 4에 비하여 아크 안정성 및 비드외관이 보다 우수함을 알 수 있다.

이에 반하여, 비교예 (1~10)은 (C% × Al%)×B%가 본 발명의 범위를 벗어난것으로, 고온균열이 다발하여 후판의 편면 초층용접에 적절히 이용될 수 없음을 알 수 있다. 한편, 도 1은 본 발명에서 첨가된 B중량%에 대한 (C% × Al%)의 관계를 나타내는 그림으로, 본 발명재의 경우 비교재와는 달리 (C% ×Al%)가 첨가되는 B중량%와 일정관계를 유지해야 함을 잘 나타내고 있다.

그리고, 비교재(11~14)는 C% × Al%)×B%는 본 발명범위내이나 그 밖의 성분원소의 첨가량이 본 발명의 범위를 벗어난 것으로서, 아크 안정성과 비드외관측면에서 바람직하지 않을 뿐만 아니라 슬라그 유동성, 스패터성도 좋지 않음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 고온균열을 야기하는 보론(B)의 첨가량을 적정치로 제한함과 아울러 (C%×Al%)×B%값을 제어함으로써 후판의 편면 초층용접에도 사용될 수 있는 타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공함에 유용하다.

Claims

와이어에 대한 중량%로, C: 0.010~0.055%, B: 0.002~0.010%, Al: 0.30% 미만, Ti: 2.5~6.5%, Mn: 1.5~3.5%, Mg: 0.1~0.5%, Si: 0.5~1.5%, Na: 0.05~1.25%, 잔여 철 및 불가피한 불순물로 조성되고, (C%×Al%)×B%가 3 ×10^-5이하로 제어됨을 특징으로 하는 티타니아계 플럭스 충전 와이어
제 1항에 있어서, 선택적으로 F: 0.05~0.15%, Zr: 0.05~0.45%, Ca: 0.02%미만, K: 0.00008~0.008%중 1종 또는 2종이상을 추가로 포함함을 특징으로 하는 플럭스 충전 와이어