KR20040037346A - 용접봉용 선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

용접봉용 선재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 그 목적은 용접부에서 충분히 높은 충격 인성을 나타내고 용접성이 우수하면서도 인장강도 편차가 낮으며, 저온조직이 없어 신성성이 우수한 용접봉용 선재를 제공하는 것이다. 이를 위해 본 발명에서는, 티타늄을 첨가한 강으로 제조한 빌릿을 압연할 때, 조압연과 중간사상압연 사이, 중간사상압연과 사상압연사이에서 수냉설비를 이용하여 소재온도를 제어하고, 사상압연 이후에 마무리압연인 사이징압연을 신규도입하며, 사이징압연기 입구에서 소재온도를 제어한 후 사이징압연하여 선재를 제조함으로써, 티타늄탄화물 석출물의 크기를 조대화하여 인장강도 편차를 낮추는 것을 특징으로 한다.

Description

용접봉용 선재의 제조방법 {Fabrication method of wire for welding wire}

본 발명은 용접봉용 선재의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소 가스를 이용한 건설 중장비용 중후판의 용접에 이용되는 용접봉용 선재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

탄소강 또는 합금강이 블룸(bloom)으로 제조된 것을 열간 압연하여 빌릿(billet)의 형태로 강편을 연속주조한 다음 빌릿을 압연하여 선재로 제조한다. 빌릿을 압연하는 선재제조 설비는 가열로 및 압연기로 구성되어 있다.

일반적으로 두께 6mm 이상의 건설 중장비용 중후판을 용접할 때 사용하는 특수 용접봉용 선재의 경우, 용접시 고전류의 높은 용입에너지에서 불안정하기 쉬운 아크를 안정적으로 유도할 것, 표면 상태에 상관없이 우수한 용접성을 나타낼 것, 용접부에서의 충분히 높은 충격인성을 나타낼 것 등의 물성이 요구된다. 또한, 이산화탄소 뿐만 아니라, 아르곤과 산소의 혼합가스 또는 아르곤과 이산화탄소의 혼합가스 등에도 적용할 수 있는 활용성이 요구되기도 한다.

이러한 요구를 만족시키기 위해 종래에는 저탄소강에 망간, 티타늄 등의 탈탄재 성분을 이용하여 용접성을 향상시켰으나. 티타늄 첨가강의 경우 인장강도가 상승하기는 하였으나 인장강도 편차가 심하게 발생하여 용접 중에 용접봉이 끊어지는 현상이 많이 발생하는 문제점이 있었다.

망간 첨가강의 경우 용접성 및 용접부의 강도향상에는 효과가 있으나 망간의 첨가로 인해 선재가공 중 저온조직인 마르텐사이트 등이 형성되어 이후 공정인 신선가공에 어려움이 발생하는 문제점이 있었다.

중후판 용접의 경우 융착부의 충분한 인성치가 요구되는데, 이를 얻기 위해서는 O, S, N 등과의 반응성을 고려하여 설파이드(sulfide), 옥시설파이드(oxysulfide) 등의 비금속 개재물을 제어할 필요가 있다. 이에 따라 적절한 제조방법과 성분계를 도출하는 것이 요구된다.

또한, 인장강도 편차를 개선하기 위하여 냉각제어방법이 제시된 바 있으나, 이 경우 인장강도 편차의 감소 효과가 있기는 하였으나, 압연조건 부적정 및 탄소함량 차이로 인한 편차유발 요인을 근본적으로 제어하지는 못하였다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 용접부에서 충분히 높은 충격 인성을 나타내고 용접성이 우수하면서도 인장강도 편차가 낮은 용접봉용 선재를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 저온조직이 없어 신성성이 우수한 용접봉용 선재를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 용접봉용 선재의 제조방법을 도시한 단면도이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위해 본 발명에서는, 티타늄을 첨가한 강으로 제조한 빌릿을 압연할 때, 조압연과 중간사상압연 사이, 중간사상압연과 사상압연사이에서 수냉설비를 이용하여 소재온도를 제어하고, 사상압연 이후에 마무리압연인 사이징압연을 신규도입하며, 사이징압연기 입구에서 소재온도를 제어한 후 사이징압연하여 선재를 제조함으로써, 티타늄탄화물 석출물의 크기를 조대화하여 인장강도 편차를 낮추는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 용접봉용 선재 제조방법은, C; 0.02-0.06 wt%, Si; 0.70-0.90 wt%, Mn; 1.40-1.60 wt%, P; 0.02 wt%이하, S; 0.02 wt%이하, Ti; 0.16-0.21wt% 그리고 기타 불가피한 불순물과 잔부 Fe로 이루어진 빌릿을 제조하는 단계; 빌릿을 가열로에 장입하여 재가열한 후, 조압연, 중간사상압연, 사상압연, 및 사이징압연하여 선재로 만드는 단계; 및 선재를 권취 및 냉각하는 단계를 포함하며, 조압연 후 중간사상압연 전과, 중간사상압연 후 사상압연 전에 수냉설비를 이용하여 선재의 온도를 750-850℃가 되도록 하고, 사상압연 후 사이징압연 전에 선재의 온도를 800-900℃가 되도록 한다.

또한, 선재를 권취할 때에는 820-870℃로 권취하며, 선재를 냉각할 때에는 700-750℃의 온도까지 1.5℃/s 이하의 속도로 냉각하고, 580-630℃의 온도까지 0.5-1℃/s의 속도로 냉각하며, 이후 상온까지 공냉하는 것이 바람직하다.

그리고, 조압연은 950-1100℃로 수행하고, 중간사상압연은 850-950℃에서 수행하며, 사상압연은 950-1050℃에서 수행하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 용접봉용 선재 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 용접봉용 선재의 제조방법에 적용되는 강종으로는 C; 0.02-0.06 wt%, Si; 0.70-0.90 wt%, Mn; 1.40-1.60 wt%, P; 0.02 wt%이하, S; 0.02 wt%이하, Ti; 0.16-0.21wt% 그리고 기타 불가피한 불순물과 잔부 Fe로 이루어진 강이다.

본 발명의 강 성분 중 탄소(C)는 강재의 강도를 향상시키는 필수성분이지만, 다량 함유되면 인성과 용접성을 저하시키므로 용접봉으로 사용하기 위해서 0.02-0.06 wt%로 탄소함량을 낮추었으며, 이로써 용접금속 용접부 균열이 발생되지 않아 우수한 내균열성을 확보하도록 하였다.

만약, 탄소함량이 0.02 wt% 미만이면 용접시 스패터량이 증가하여 용접작업성이 좋지 않을 뿐만 아니라 선재 압연작업시 치수편차로 인한 작업성이 현저히 떨어지며, 반면에 탄소함량이 0.06 wt%를 초과하면 저온조직이 발생하고 인장강도 및 인장강도 편차가 현저히 증가되며 가공성 등 용접성을 저해하는 요인으로 작용한다. 따라서, 탄소함량은 0.02-0.06 wt%인 것이 바람직하다.

실리콘(Si)은 용접시 중요한 탈산재로서, 고용강화 원소이지만 과량 함유되는 경우 용접부의 인성을 열화시키므로 0.7-0.9 wt%로 한정하였다. 실리콘과 망간의 함량이 증가하면 용접시 스패터가 감소하는 경향을 보이는데 망간에 비해 실리콘의 스패터 감소효과가 더 크다.

망간(Mn)은 기본적으로 강도확보에 필요한 원소이지만. 과량 함유되면 용접성을 저하시키고 편석부의 인성의 저하시키므로 그 함량을 1.40-1.60 wt%로 한정하였다.

용접금속의 인성은 일반적으로 잘 알려진 산소 함유량에 의해서만 영향을 받는 것이 아니라, 실리콘 및 망간의 함유량에 따라서도 크게 변화하며, 특히 실리콘 및 망간 함유량의 특정 범위 내에서 높은 인성치를 확보할 수 있다. 이러한 원인은 실리콘 및 망간이 탈산원소로서의 역할뿐만 아니라 합금원소로서 용접금속의 조직변화에도 큰 역할을 수행하기 때문이다.

저Si-저Mn계에서는 소입성이 부족하여 조대한 페라이트(ferrite)가 발달하고, 고Si-고Mn계에서는 래스상 조직이 발달하여 파괴의 유효결정립경을 크게 하여 인성을 저하시킨다. 적정 Si-Mn계에서는 비교적 입내 페라이트를 미세화하여 인성을 향상시킨다.

인(P) 성분은 강의 제조상 불가피하게 함유되는 원소로서 편석되기 쉽고 저온변태 조직을 형성하기 쉬우며 산소와 친화력이 강하여 용접성을 해치기 때문에, 그 함량을 0.02 wt% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

황(S) 성분 역시 강의 제조상 불가피하게 함유되는 원소로서 0.02 wt% 초과로 함유되면 비금속 개재물을 증가시켜 인성을 열화시키는 원소이며, 또한 0.01-0.02 wt% 범위에서 스패터 감소 효과가 가장 크므로 이 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

티타늄(Ti)은 탄소석출물(TiC)을 형성하기 위한 목적으로 첨가되는 성분으로서, 석출물의 핵생성 원으로 작용한다.

즉, 본 발명에서는 티타늄을 첨가하고 압연온도를 낮게 제어하여 석출물의핵생성 사이트(site)의 개수를 적게 하고, 적은 수의 핵생성 사이트로부터 그레인을 성장시킴으로써 석출물을 조대화시키며, 석출물이 조대화됨으로 인해 인장강도는 다소 저하되나 인장강도 편차가 줄어드는 바람직한 결과를 유도한다.

또한, 티타늄은 그 함량이 증가함에 따라 아크특성이 개선되는데, 이는 용적이행을 억제하는 주된 힘인 용융금속의 표면장력이 감소하여 용적이행현상이 안정화되기 때문이다.

이와 같은 조성의 강을 사용하여 용접봉용 선재를 제조하기 위해서는 먼저, 강의 원료를 전로에 장입하여 용융하고 용강을 제조한 다음, 정련로에서 정련하고, 연속주조기에서 연속주조하여 블룸(Bloom)을 제조한다.

이와 같이 제조된 불룸은 열간압연기에서 빌릿(Billet)형태로 강편을 압연한다. 이렇게 제조된 빌릿을 다시 열간압연하여 선재로 제조한다.

빌릿을 열간압연할 때에는 가열로에서 재가열한 후, 조압연기, 중간사상압연기, 사상압연기, 사이징압연기를 차례로 거치하면서 열간압연한 후 냉각시켜 선재로 제조한다.

본 발명은 사상압연기 이후에 사이징압연기를 신규 도입하고, 또한 각 압연기 사이에서 소재의 온도를 제어하는 것에 그 특징이 있다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 빌릿을 가열로(1)에 장입하여 980-1050℃로 재가열하고, 그 다음 950-1100℃에서 조압연(2)한다.

이 때 빌릿의 재가열온도가 1050℃를 초과할 경우 티타늄탄화물의 분해에 의한 재고용율이 증가하여 압연 중에 석출하여 성장하고, 또한 냉각시 석출 및 성장으로 인장강도 상승요인으로 작용하여 인장강도 편차를 크게 한다.

한편, 재가열온도가 980℃ 미만인 경우 압연설비 부하 증가로 인한 조업 장애요인 가능성이 높다. 따라서, 빌릿의 재가열 온도는 980-1050℃로 좁게 하여 가열시 석출물의 분해에 의한 재고용율을 최소화하는 것이 바람직하다.

다음, 조압연(2)한 후에는 조압연기 후단부에 설치된 제1수냉설비(3)를 이용하여 소재온도를 750-850℃로 하향조정한 후, 850-950℃에서 중간사상압연(4)한다.

중간사상압연(4)한 후에는 중간사상압연기 후단부에 설치된 제2수냉설비(5)를 이용하여 소재온도를 750-850℃로 하향조정한 후, 950-1050℃로 사상압연(6)한다.

조압연(2) 후 중간사상압연(4)하기 전, 그리고 중간사상압연(4) 후 사상압연(6)하기 전에 제1 및 제2수냉설비(3, 5)를 이용하여 소재 온도를 800-900℃로 하향조정하는 이유는, 800-900℃ 온도구간에서 미세한 석출물을 최대한 석출 및 성장을 촉진할 수 있기 때문이다.

즉, 800℃ 미만에서는 탄소함량이 적어 압연 중 사이즈 편차로 인해 작업성이 저하되고, 900℃를 초과한 온도에서는 석출물의 분해에 미치는 영향이 적어 편차개선에 영향을 주지 않기 때문이다.

또한, 제1수냉설비(3) 및 제2수냉설비(5) 이후에는 통상적인 복열구간(10, 11)이 있어서 소재의 표면부와 내부의 온도 편차를 줄여준다.

다음, 사상압연(6)한 후에는 사이징압연기(7)의 입구에서의 소재온도를 800-900℃로 조정한 후 사이징압연기(7)에서 마무리압연하고, 그 다음 종래보다 낮은권취온도인 820-870℃로 권취(8)한다.

사이징압연기(7) 입구에서의 소재온도를 800℃ 미만으로 할 경우 소재단선으로 인해 작업이 불가능하며, 900℃를 초과할 경우에는 압연조직 조대화와 변형누적량 감소로 석출물 효과 저감과 더불어 저온조직 발생을 초래할 수 있으며, 또한 권취온도와 차이가 커서 권취형상 불량발생이 증가한다. 따라서 사이징압연기 입구에서의 소재온도는 840-900℃로 조정하는 것이 바람직하다.

이 때 사이징압연기(7)의 입구 및 출구에 수냉설비를 설치하여 소재온도를 제어할 수도 있다.

권취온도인 820-870℃ 범위는 냉각대에서 코일에서 센터와 가장자리의 적치밀도 차이에 의한 냉각속도 차이를 최소화하고 링내 편차를 최소화하는 온도범위이다.

권취 후 냉각할 때에는 700-750℃의 온도까지는 1.5℃/s 이하의 속도로 냉각하고, 580-630℃의 온도까지는 0.5-1℃/s의 속도로 냉각하며, 이후 상온까지는 공냉하며, 이후 코일로 집적(9)한다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

실시예 1 내지 4

본 발명의 실시예에서는 C; 0.02-0.06 wt%, Si; 0.70-0.90 wt%, Mn; 1.40-1.60 wt%, P; 0.02 wt%이하, S; 0.02 wt%이하, Ti; 0.16-0.21wt% 그리고 기타 불가피한 불순물과 잔부 Fe로 이루어진 강을 전로에서 용융하여 용강을 제조한 다음, 로외 정련하고 연속주조기에서 주조하여 블룸을 제조하였다. 제조된 블룸은 열간압연하여 빌릿으로 제조하였다. 통상 1회에 100톤 정도의 용강을 제조하고, 이로부터 50개 정도의 빌릿을 제조하였다.

제조된 빌릿은 가열로에 장입하여 표 1의 조건으로 1시간 30분 동안 재가열한 다음, 표 1의 조건으로 수냉설비를 이용하여 조압연, 중간사상압연, 사상압연, 및 사이징압연을 순차적으로 수행한 다음 권취하고, 700-750℃의 온도까지는 1.5℃/s 이하의 속도로 냉각하고, 580-630℃의 온도까지는 0.5-1℃/s의 속도로 냉각하며, 이후 상온까지는 공냉하여 선재코일로 제조하였다.

제조된 선재코일에 대해서 저온조직인 마르텐사이트 점유율, 석출물 크기, 인장강도 및 인장강도 편차를 측정하고 그 결과를 표 2에 나타내었다. 여기서 인장강도 편차는 통상 1회에 50개 정도 제조하는 빌릿 중에서 8-9개마다 하나씩을 샘플로 추출하고 이들 샘플의 인장강도를 측정한 후 표준편차를 구한 것을 나타낸 것이다.

	재가열온도(℃)	압연온도(℃)	권취온도(℃)
		중간사상압연입구온도		사상압연입구온도	사이징압연입구온도
실시예 1	1020	820	790	890	840
실시예 2	1012	835	795	880	830
실시예 3	1016	800	780	870	850
실시예 4	1000	810	760	855	840
비교예 1	1000	950	970	-	900
비교예 2	1020	970	980	-	890
비교예 3	1030	1000	1000	-	880
비교예 4	1035	1050	1020	-	890

	마르텐사이트 점유율(%)	석출물 크기(직경, nm)	인장강도(㎏/㎜3)	인장강도 편차(㎏/㎜3)
실시예 1	0	101	48	0.8
실시예 2	0	103	47	0.7
실시예 3	0	105	46	0.8
실시예 4	0	101	45	0.9
비교예 1	2	82	53	2.2
비교예 2	1.5	85	52	2.3
비교예 3	1.5	87	52	2.1
비교예 4	1	88	54	2.2

표 1 및 표 2에서 비교예 1 내지 4는 종래에 적용한 선재 제조조건으로서, 여기서는 C; 0.04 wt%, Si; 0.82 wt%, Mn; 1.48 wt%, P; 0.016 wt%, S; 0.013 wt% 그리고 기타 불가피한 불순물과 잔부 Fe로 이루어진 강을 이용하였으며, 이와 같이 종래 사용한 강의 조성은 본 발명에서 사용한 강에 비해 Ti 성분이 없는 조성이다.

비교예 1 내지 4에서는 상술한 조성의 강으로 제조한 빌릿을 이용하여 재가열한 후, 수냉설비를 사용하지 않고 조압연, 중간사상압연, 사상압연을 수행하였으며, 사이징압연을 거치지 않고 900℃ 근방의 온도로 권취한 후, 750-800℃의 온도까지는 1.5-2.5℃/s의 속도로 냉각하고, 600-650℃의 온도까지는 0.5-1℃/s의 속도로 냉각하며, 이후 상온까지는 공냉하였다.

표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 4에서는 저온조직인 마르텐사이트가 없어서 신선성이 우수함을 확인할 수 있었고, 석출물이 직경 100 nm 이상으로 커서 인장강도는 약간 떨어지나 인장강도 편차가 1 보다 낮은 바람직한 결과를 보였다.

반면에, 비교예 1 내지 4에서는 저온조직인 마르텐사이트가 형성되어 신성성이 떨어지고, 본 발명의 실시예에 비해 석출물의 크기가 작아 인장강도는 약간 높으나 인장강도 편차가 너무 커서 용접봉으로 사용할 경우 용접 중에 쉽게 끊어지는 문제점이 있는 것으로 나타났다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에서는 티타늄을 첨가한 강으로 제조한 빌릿을 수냉설비를 이용하여 소재온도를 제어하면서 조압연, 중간사상압연, 사상압연한 후 마무리압연인 사이징압연하여 선재를 제조함으로써, 석출된 티타늄탄화물의 크기가 조대화하여 인장강도 편차를 낮추기 때문에, 제조된 선재의 용접성이 우수하면서도 인장강도 편차가 낮은 효과가 있다.

또한, 상술한 본 발명에 따라 용접봉용 선재를 제조하면 선재에 마르텐사이트와 같은 저온조직이 없어서 신성성이 우수한 효과가 있다.

Claims (4)

1. C; 0.02-0.06 wt%, Si; 0.70-0.90 wt%, Mn; 1.40-1.60 wt%, P; 0.02 wt%이하, S; 0.02 wt%이하, Ti; 0.16-0.21wt% 그리고 기타 불가피한 불순물과 잔부 Fe로 이루어진 빌릿을 제조하는 단계;

   상기 빌릿을 가열로에 장입하여 재가열한 후, 조압연, 중간사상압연, 사상압연, 및 사이징압연하여 선재로 만드는 단계; 및

   상기 선재를 권취 및 냉각하는 단계를 포함하며,

   상기 조압연 후 중간사상압연 전과, 상기 중간사상압연 후 사상압연 전에 선재의 온도를 750-850℃가 되도록 하고, 상기 사상압연 후 사이징압연 전에 선재의 온도를 800-900℃가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 용접봉용 선재의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 선재를 권취할 때에는 820-870℃로 권취하며,

   상기 선재를 냉각할 때에는 700-750℃의 온도까지 1.5℃/s 이하의 속도로 냉각하고, 580-630℃의 온도까지 0.5-1℃/s의 속도로 냉각하며, 이후 상온까지 공냉하는 것을 특징으로 하는 용접봉용 선재의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 조압연 후 중간사상압연 전과, 상기 중간사상압연 후 사상압연 전에 빌릿의 온도를 750-850℃가 되도록 하고, 상기 사상압연 후 사이징압연 전에 선재의 온도를 800-900℃가 되도록 할 때에는, 수냉설비를 이용하는 것을 특징으로 하는 용접봉용 선재의 제조방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 조압연은 950-1100℃로 수행하고, 상기 중간사상압연은 850-950℃에서 수행하며, 상기 사상압연은 950-1050℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 용접봉용 선재의 제조방법.