KR20080077335A - 고강도 Ｃｒ-Ｍｏ 강의 용접 금속 - Google Patents

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히로히사 와따나베
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Abstract

쉴드 금속 아크 용접에 의해 형성된 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속은 0.04 내지 0.10 질량%의 C, 0.15 내지 0.5 질량%의 Si, 0.5 내지 1.0 질량%의 망간, 2.00 내지 3.25 질량%의 Cr, 0.9 내지 1.2 질량%의 Mo, 0.01 내지 0.03 질량%의 Nb, 0.2 내지 0.7 질량%의 V, 0.003 질량% 이하이고 0 질량% 보다 많은 B, 0.02 내지 0.05 질량%의 O, 그리고 Fe 및 불가피 불순물의 잔부를 함유한다. 용접 금속의 비영향부만으로부터 전해 추출에 의해 추출된 잔류물은 Cr 함량으로 석출 Cr을 0.3 질량% 이하 함유하고, Nb 함량으로 석출 Nb를 0.005 질량% 이상 함유한다.
쉴드 금속 아크 용접, 용접 금속, 전해 추출, 산화 개재물, 취화성

Description

고강도 Ｃｒ-Ｍｏ 강의 용접 금속{WELD METAL OF HIGH-STRENGTH Cr-Mo STEEL}
본 발명은 피복 전극을 사용한 용접에 의해 형성되는 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속에 관한 것이다.
발전 플랜트 및 화학 플랜트에서의 환경과 같이 고온, 고압 환경에서 사용하기 위한 Cr-Mo 저합금강의 대형 내열 용기는 두터운 벽을 갖는다. 이러한 용기들은 V, Nb 등을 함유한 고강도 Cr-Mo 강으로 만들어진다. 고강도 Cr-Mo 강의 강재가 소정의 형상으로 절단된다. 성형된 고강도 Cr-Mo 강재는 서로 용접되어 대형 용기를 형성하게 된다.
통상, 이러한 고강도 Cr-Mo 강재는 효율적인 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding)에 의해 용접된다. 노즐 및 파이프를 용접하기 위해서는 쉴드 금속 아크 용접이 요구된다. 내열성(고온 강도), 응력 제거(SR) 크랙킹 저항성(응력 제거를 위한 어닐링 중에 결정선 사이 크랙킹에 대한 저항성), 인성, 그리고 용접부에 있는 용접 금속의 내뜨임 취화성의 개선이 요구된다. 인성 및 내뜨임 취화성의 개선을 위한 여러 가지 기술들이 제안되어 왔다. 일본특허 제 2742201호에는 TIG 용접 와이어에 관한 기술이 개시되어 있다. 이 기술은 (Si+Mn)/C(P+Sn+Sb+As)에 의해 나타내지는 파라미터를 고정된 값으로 제한함으로써 내뜨임 취화성을 개선하려 한다. 일본특허 제3283773호에는 용접 금속 및 피복 용접 재료에 관한 기술이 개시되어 있다. 이 기술은, 전해 추출에 의해 얻어진 잔류물의 조성을, 그 잔류물이 35 중량% 이하의 Fe 및 10 중량% 이상의 V를 함유하도록 제어함으로써 구 오스테나이트 입계에서의 시멘타이트의 석출을 억제하여 SR 크랙킹 저항성을 개선하고 있다. JP-A H1-271096에는 내뜨임 취화성의 개선에 관한 기술이 언급되어 있다. 이 기술은 서브머지드 아크 용접에 의해 만들어진 용접 금속의 산소 함량을 저감함으로써 내뜨임 취화성을 개선하고 있다.
TIG 용접 작업의 효율은 낮다. 쉴드 금속 아크 용접 방법, 가스 쉴드 아크 용접 방법 및 서브머지드 아크 용접 방법과 같은 고효율 용접 방법은 두꺼운 벽 두께를 갖는 최근의 대형 구조물의 용접에 대해 바람직하다. TIG 용접 방법이 아닌 용접 방법으로 만들어진 용접 금속의 산소 함량은 불가피하게 높다. 그러므로, 일본특허 제2742201호에 언급된 조성은 검토할 필요가 있다. 일본특허 제3283773호에 언급된 쉴드 금속 아크 용접에 의해 형성된 용접 금속의 모든 특징은 양호하게 균형잡혀 있지만, 이 용접 금속의 내뜨임 취화성은 개선을 필요로 한다. 내뜨임 취화성의 개선에 관한 JP-A H1-271096에 언급된 서브머지드 아크 용접 방법의 효과는 만족스럽지 못하다.
따라서, 본 발명의 목적은 최근의 발전 플랜트 및 화학 플랜트에서의 환경과 같이 고온, 고압 환경에서 사용하기 위한 Cr-Mo 저합금강의 내열 용기에 있어서, 용접 금속의 내뜨임 취화성 및 인성에 있어서의 개선에 대한 요구 조건을 만족시킬 수 있으며, 내열성(고온 강도), SR 크랙킹 저항성, 인성, 및 내뜨임 취화성의 균형에 있어 우수한 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속을 제공하는 것이다.
본 발명의 발명자는 취화성 프로모션 프로세스(스텝 냉각 프로세스)를 통해 쉴드 금속 아크 용접에 있어서의 고강도 Cr-Mo 강의 내뜨임 취화성을 연구하였다. 상기 연구를 통해 용접 금속 중의 불순물 함량이 저감되더라도 많은 용접 금속이 취화됨을 발견하였다. 이러한 취화의 연구를 통해 탄화물 형태가 용접 금속의 내뜨임 취화성을 좌우한다는 것을 발견하였다. 보다 구체적으로는, 취화성 프로모션 프로세스(스텝 냉각 프로세스) 중에 주성분으로서 Nb를 함유하는 MC 탄화물의 성장을 조장하고 주성분으로서 Cr을 함유하는 탄화물의 형성을 억제함으로써 내뜨임 취화성이 성공적으로 개선되었다. SR 크랙킹 저항성 및 인성과 같은 다른 특성을 개선함에 있어서도 또한 탄화물 형태의 제어가 유효함을 발견하였다.
쉴드 금속 아크 용접용 용접봉의 C, Cr, Mo, Nb 및 V를 포함하는 성분을 적절히 제어함으로써 용접 금속에서의 탄화물 형태를 구현할 수 있음을 발견하였고, 본 발명은 이러한 발견들을 바탕으로 하여 이루어졌다.
내뜨임 취화성을 개선하기 위해 탄화물 형태 이외의 지배 인자를 조사하였고, 1 ㎛ 이상 직경의 비교적 조대한 산화 개재물의 개수 밀도, 즉, 단위 면적에 있어서의 개재물의 개수를 2000 이하의 값으로 제한함으로써 요구되는 내뜨임 취화성이 안정화될 수 있음을 발견하였다. 또한, 용접 금속 중의 산소 함량에 더하여, 용접 금속 중의 탈산 원소의 함량 제어를 통해 조대한 산화 개재물의 개수 밀도를 제어할 수 있음을 발견하였다.
본 발명의 일 태양에 있어서의 쉴드 금속 아크 용접에 의해 형성된 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속은 0.04 내지 0.10 질량%의 C, 0.15 내지 0.5 질량%의 Si, 0.5 내지 1.0 질량%의 망간, 2.00 내지 3.25 질량%의 Cr, 0.9 내지 1.2 질량%의 Mo, 0.01 내지 0.03 질량%의 Nb, 0.2 내지 0.7 질량%의 V, 0.003 질량% 이하이고 0 질량% 보다 많은 B, 0.02 내지 0.05 질량%의 O, 그리고 Fe 및 불가피 불순물의 잔부를 함유하고, 상기 용접 금속의 비영향부만으로부터 전해 추출에 의해 추출된 잔류물은 Cr 함량으로 석출 Cr을 0.3 질량% 이하 함유하고, Nb 함량으로 Nb를 0.005 질량% 이상 함유한다.
용접 금속의 인성 및 내뜨임 취화성은 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속 중의 C, Si, Mn, Cr, Mo, Nb, V, B 및 O 함량, 즉, 필수 원소 함량을 규정된 함량 범위에 있도록 각기 조절하고, 전해 추출에 의해 얻어지는 잔류물에 함유된 석출 Cr 및 Nb의 양을 규정된 범위에 있도록 각기 조절하고, 취화성 프로모션 프로세스(스텝 클리닝 프로세스) 중에 주성분으로서 Nb를 함유하는 MC 탄화물의 성장을 조장하고, 주성분으로서 Cr을 함유하는 탄화물의 형성을 억제하고, 용접 금속의 내뜨임 취화 성을 지배하는 탄화물의 형성을 제어함으로써 개선될 수 있다.
상기 태양에 따른 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속에서, 불가피 불순물은 용접 금속의 내뜨임 취화성을 개선하기 위해 Cu 함량으로 Cu를 0.05 질량% 이하 포함하고 Ni 함량으로 Ni을 0.05 질량% 이하 각각 함유한다.
상기 태양에 따른 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속에서는, 구 γ 입계에 편석하여 뜨임 취화성을 조장하는 용접 금속에 함유된 불가피 불순물의 S 및 P 함량을 0.012 질량% 이하로 한정함으로써 내뜨임 취화성이 개선될 수 있다.
상기 태양에 따른 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속은 이하의 식(1)로 표현되는 5 내지 50의 파라미터 CP를 가질 수 있으며, 여기서, [C],[Nb],[Cr],[Mo] 및 [V]는 용접 금속 중의 C, Nb, Cr, Mo 및 V의 질량%로서의 함량이다.
CP=[C]×[Nb]/([Cr]/52+[Mo]/96+[Nb]/93+[V]/51)×1000 ..........(1)
고강도 Cr-Mo 강이 5 내지 60의 범위에 있는 파라미터 CP를 갖는 경우에는,취화성 프로모션 프로세스(스텝 냉각 프로세스) 중에 주성분으로서 Nb를 함유하는 MC 탄화물의 성장을 조장하고 주성분으로서 Cr을 함유하는 탄화물의 성장을 억제함으로써 내뜨임 취화성이 개선될 수 있다.
상기 태양에 따른 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속에서, 1 ㎟의 관찰 영역에 있어서 크기가 1 ㎛ 이상인 산화 개재물의 개수는 2000개 이하가 될 수 있다.
균열 시작 지점이 줄어들 수 있어서 용접 금속의 내뜨임 취화성을 개선하며 관찰 영역에 있어서 크기가 1 ㎛ 이상인 산화 개재물의 개수 밀도가 2000/㎟ 이하이면 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속은 요구되는 안정한 내뜨임 취화성을 갖는다.
안정한 내뜨임 취화성을 가지며 스텝 냉각 프로세스로 처리된 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속이 샤르피 충격 시험을 받는 경우에, 최소 vE-50이 55J 이상이다.
상기 태양에 따른 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속은 이하의 식(2)로 표현되는 조건을 만족시키는 Si 함량[Si], Mn 함량[Mn], 및 O 함량[O]을 갖는다.
12000[Si]+170[Mn]+150000[O]〈 9800..........(2)
고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속이 상기 식(2)로 표현되는 조건을 만족하는 Si 함량[Si], Mn 함량[Mn] 및 O 함량[O]을 갖는 경우에, 용접 금속 중의 산소 함량에 더하여, 탈산 원소 함량을 제어하고 Si, Mn, O 함량을 적절히 균형맞춤으로써, 내뜨임 취화성이 개선될 수 있으며 요구되는 안정한 내뜨임 취화성을 갖는 용접 금속이 형성될 수 있다.
상기 태양에 따른 고강도 Cr-Mn 강의 용접 금속의 인성 및 내뜨임 취화성은, 주성분으로서 Nb를 함유하는 MC 탄화물의 성장의 조장 및 주성분으로서 Cr을 함유하는 탄화물의 성장의 억제를 통해서 용접 금속의 내뜨임 취화성을 지배하는 탄화물의 형성을 제어함으로써 개선된다.
본 발명은 발전 플랜트 및 화학 플랜트에서의 환경과 같은 고온, 고압 환경에서 사용하려는 Cr-Mo 저합금강의 내열 용기에 있어서 용접 금속의 인성 및 내뜨임 취화성의 개선에 대한 요구를 만족시킬 수 있다.
첨부 도면을 참조한 이하의 설명으로부터 본 발명의 상기 및 다른 목적, 특 징, 이점이 분명해지게 된다.
본 발명에 따른 바람직한 실시형태에 있어서의 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속(이후, 간단히 "본 발명의 용접 금속"이라고 함)을 설명한다.
본 발명의 용접 금속은 쉴드 금속 아크 용접에 의해 고강도 Cr-Mo 강의 모재에 있는 용접부에 형성된다. 용접 금속은 필수 성분으로서, C, Si, Mn, Cr, Mo, Nb, V, B 및 O를 각각 소정 함량으로, 그리고 Fe 및 불가피 불순물의 잔부를 함유한다. 본 발명의 용접 금속의 필수 성분 함량의 수치적 범위와 이 범위에 대해 제한을 설정한 이유를 설명한다.
용접 금속의 C 함량
탄소(C)는 용접 금속의 경화능에 상당한 영향을 끼치며 또한 상온 및 고온에서의 강도, 및 인성을 보장하기 위한 중요한 원소이다. 탄소 함량이 지나치게 높으면, 주성분으로서 Cr을 함유하는 탄화물의 양이 증가하고 내취화성이 저하된다. 용접 금속의 바람직한 C 함량은 0.04 내지 0.10 질량% 사이이다. 만일 C 함량이 0.04 질량% 이하이면, 용접 금속의 강도 및 인성이 낮다. 탄소 함량이 0.10 질량%보다 많으면 내뜨임 취화성을 저하시킨다. 바람직하게는 용접 금속의 C 함량은 0.05 내지 0.08 질량% 사이이다.
용접 금속의 Si 함량
용접 금속을 클리닝한 후에 용접 금속에 잔류하는 실리콘(Si)은 페라이트 고용체를 강화시키고 용접 비드의 밀착성(conformability)을 향상시킨다. 용접 금속의 바람직한 Si 함량은 0.15 내지 0.5 질량% 사이이다. 만일 용접 금속의 Si 함량 이 0.5 질량%를 초과한다면, 용접 금속의 강도가 증가하고, 용접 금속의 인성은 감소하고, 용접 금속의 내취화성은 낮아진다. Si 함량이 0.15 질량% 미만인 경우에는, 용접 비드의 밀착성이 만족스럽지 못하고 용접 작업의 편의성이 만족스럽지 못하다. 바람직한 Si 함량은 0.2 내지 0.4 질량% 사이이다.
용접 금속의 Mn 함량
망간(Mn)은 용접 금속의 인성을 향상시키는데, V를 함유하는 용접 금속의 인성을 향상시키는데 특히 효과적이다. 망간은 스텝 냉각 전에 용접 금속에 인성을 부여하는 중요한 원소이다. 용접 금속의 바람직한 Mn 함량은 0.5 내지 1.0 질량% 사이이다. Mn 함량이 1.0 질량%를 초과하는 경우에는 용접 금속의 내뜨임 취화성이 저하한다. 용접 금속의 Mn 함량이 0.5 질량% 미만인 경우에는 용접 금속의 인성이 불충분하다. 바람직한 Mn 함량은 0.6 내지 0.9 질량% 사이이다.
용접 금속의 Cr 함량
크롬(Cr)은 내열성이 우수한 고강도 Cr-Mo 강의 주성분이며 용접 금속에 강도를 제공하는데 중요하다. 용접 금속의 바람직한 Cr 함량은 2.00 내지 3.25 질량% 사이이다. Cr 함량이 3.25 질량%를 초과하는 경우에는 경화능이 증가하고, 인성이 낮아지고, 입계에 조대한 탄화물이 형성되고 내뜨임 취화성이 저하된다. 만일 Cr 함량이 2.00 질량% 미만이면 용접 금속이 요구되는 강도를 가질 수 없다. 바람직한 Cr 함량은 2.1 내지 3.0 질량% 사이이다.
용접 금속의 Mo 함량
몰리브덴(Mo)은, Cr과 함께, 내열성이 우수한 고강도 Cr-Mo 강의 주성분이며 용접 금속에 기계적 강도를 제공하는 중요한 원소이다. 용접 금속의 바람직한 Mo 함량은 0.9 내지 1.2 질량% 사이이다. Mo 함량이 1.2 질량%를 초과하는 경우에는 경화능이 증가하고 인성이 낮아진다. Mo 함량이 0.9 질량% 미만이면 용접 금속이 요구되는 강도를 가질 수 없다. 바람직한 Mo 함량은 1.0 내지 1.1 질량% 사이이다.
용접 금속의 Nb 함량
니오븀(Nb)은, 그 Nb 함량이 매우 적더라도 상온 및 고온에서의 강도 및 크리프 강도를 향상시키는데 효과적이다. 바람직한 Nb 함량은 0.01 내지 0.03 질량% 사이이다. Nb 함량이 0.03 질량%를 초과하는 경우에는 강도가 지나치게 증가하고 인성이 낮아진다. Nb은, 그 Nb 함량이 0.01 질량% 미만인 경우에는 상온 및 고온에서의 강도 및 크리프 강도를 향상시키는 효과를 갖지 못한다. 바람직한 Nb 함량은 0.015 내지 0.025 질량% 사이이다.
용접 금속의 V 함량
바나듐(V)은 SR 프로세스 후에 용접 금속의 입자에 미세한 MC 탄화물이 우선적으로 석출되도록 하며 용접 금속의 내취화성 및 인성을 향상시킨다. 바나듐(V)은 상온 및 고온에서의 용접 금속의 강도 및 용접 금속의 크리프 강도를 향상시키는데 효과를 갖는다. 용접 금속의 바람직한 V 함량은 0.2 내지 0.7 질량% 사이이다. 용접 금속의 V 함량이 0.7 질량%를 초과하는 경우에는 강도가 지나치게 증가하고 내취화성이 낮아진다. 용접 금속의 V 함량이 0.2 질량% 미만인 경우에는 인성 및 내취화성을 향상시키는 V의 효과는 불충분하다. 바람직한 V 함량은 0.3 내 지 0.6 질량% 사이이다.
용접 금속의 B 함량
보론(B)은 용접 금속의 인성을 보장하는데 효과적이다. 용접 금속이 적절한 B 함량을 가지는 경우에 주성분으로서 Cr을 함유하는 탄화물의 양이 감소된다. 용접 금속의 바람직한 B 함량은 0.003 질량% 이하이고 0 질량% 보다 많다. 용접 금속의 B 함량이 0.003 질량%를 초과하는 경우에는 용접 금속 중에 함유된 질소(N)가 고정된다. 그 결과, 미세한 MC 탄화물이 증가한다. 바람직한 B 함량은 0.002 질량% 미만이고 0 질량% 보다 많다.
용접 금속의 O 함량
산소(O)는 용접 금속을 미세한 구조로 형성하고 용접 금속의 인성을 보장하는데 효과적이다. 용접 금속에 함유된 산소(O)는 구 오스테나이트 입자의 입도를 줄임으로써 SR 크랙킹 저항성을 향상시키는데 효과적이다. 용접 금속의 O 함량은 0.02 내지 0.05 질량% 사이이다. 산소 함량이 0.05 질량%를 초과하는 경우에는 산화 개재물이 증가하고 인성이 낮아진다. 용접 금속의 산소 함량이 0.02 질량% 미만이면 인성이 향상될 수 없다. 바람직한 산소 함량은 0.03 내지 0.04 질량% 사이이다.
본 발명의 용접 금속은 필수 성분으로서의 C, Si, Mn, Cr, Mo, Nb, V, B 및 O와, Fe 및 불가피 불순물의 잔부를 함유한다. 상기 불가피 불순물에 포함된 Cu 및 Ni은 용접 금속의 인성을 보장하는데 효과적이지만, Cu 및 Ni은 뜨임 취화성을 조장한다. 본 발명의 용접 금속의 Cu 및 Ni 함량을 0.05 질량% 이하로 제한하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.03 질량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
불가피 불순물에 포함된 P 및 S는 구 γ 입계에 편석되어 뜨임 취화성을 조장한다. 본 발명의 용접 금속의 P 및 S 함량을 0.012 질량% 이하로 제한하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.010 질량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
내뜨임 취화성을 적절히 지배하는 탄화물을 형성하기 위해서는, 주성분으로서 Nb를 함유하는 MC 탄화물의 성장을 조장하고 주성분으로서 Cr을 함유하는 탄화물의 성장을 억제하도록 식(1)로 표현되는 파라미터 CP의 값이 5 내지 50 사이에 있는 것이 바람직하다. 5 이상의 파라미터 CP는 미세한 탄화물(MC) 및 조대한 탄화물(M23C6)의 성장을 억제하는데 충분하다. 파라미터 CP가 5 이하이면 조대한 탄화물 (M23C6)이 증가한다. 파라미터 CP가 50을 초과하는 경우에는 미세한 MC가 증가하고, 그 결과로, 내뜨임 취화성이 저하될 수 있다. 바람직하게는, 파라미터 CP의 하한은 10이고, 보다 바람직하게는 12이다. 바람직하게는, 파라미터 CP의 상한은 40이고, 보다 바람직하게는 30이다.
CP=[C]×[Nb]/([Cr]/52+[Mo]/96+[Nb]/93+[V]/51)×1000 ..........(1) 이고, 여기서, [C],[Nb],[Cr],[Mo] 및 [V]는 용접 금속 중의 C, Nb, Cr, Mo 및 V의 질량%로서의 함량이다.
본 발명의 용접 금속에 있어서는, 용접 금속의 비영향부만으로부터 전해 추출에 의해 추출된 잔류물이 0.3 질량% 이하의 Cr 및 0.005 질량% 이상의 Nb를 함유 한다. 주성분으로서 Cr을 함유하는 조대한 탄화물(M23C6 및/또는 M7C3)을 저감하도록 잔류물의 Cr 함량을 0.3 질량% 이하의 값으로 제한함으로써 만족스러운 내뜨임 취화성이 보장될 수 있다. 주성분으로서 Nb를 함유하는 미세한 탄화물(MC)의 성장을 조장하도록 추출된 잔류물이 0.0056 질량% 이상의 Nb 함량을 갖게 함으로써 만족스러운 용접 금속의 내뜨임 취화성이 보장될 수 있다.
전해 추출은 전해질로서 테트라메틸암모늄 클로라이드를 1 체적% 그리고 아세틸아세톤을 10 체적% 함유하는 메탄올 용액을 사용하고, 포화 카로멜 전극에 0 mV를 인가하고, 상온에서 대략 1000 C의 전하량을 공급하여 용접 금속으로부터 채집된 샘플 약 2g을 용해하고, 전기분해 후에 0.1 ㎛의 메쉬를 갖는 필터를 사용하여 상기 전해액을 여과한다. 여과 후에 잔류하는 잔류물은 ICP 방출 분광 분석을 거치고 석출 Cr 및 Nb의 각각의 양이 측정된다.
본 발명의 용접 금속에서는, 관찰 영역에서 1 ㎛ 이상 직경의 산화 개재물의 개수 밀도는 2000 inclusions/㎟ 이어야 한다. 관찰 영역은 임의의 평면에서의 용접 금속의 일부분이다. 관찰 영역에서 직경에 있어 1 ㎛ 이상인 산화 개재물의 개수 밀도가 2000/㎟ 이하이면 균열 시작 지점이 줄어들 수 있고, 용접 금속이 만족스러운 내뜨임 취화성 및 안정한 내뜨임 취화성을 갖는다. 안정한 내뜨임 취화성은 55J 이상의 최소 vE-50을 보장한다.
바람직하게는, 본 발명의 용접 금속의 Si 함량[Si], Mn 함량[Mn], 및 O 함량[O]은 식(2)로 표현된 조건을 만족한다.
12000[Si]+170[Mn]+150000[O]〈 9800..........(2)
본 발명의 용접 금속의 Si 함량[Si], Mn 함량[Mn], 및 O 함량[O]이 식(2)로 표현된 조건을 만족하는 경우, 용접 금속의 산소 함량에 부가하여 산화 원소 함량이 제어되고, 용접 금속의 Si, Mn 및 O 함량이 적절히 균형잡힐 수 있으며, 조대한 산화 개재물의 개수 밀도가 제어될 수 있으며, 요구되는 안정한 내뜨임 취화성이 보장될 수 있다.
고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속의 구조는 규명되지 않았지만, 용접 금속은 이하의 구조를 갖는 것으로 추측된다.
용접 금속에 함유된 산소의 양 및 산화 개재물의 크기는 용접 금속의 산화 개재물의 개수 밀도를 좌우한다. 용접 금속은 소정량의 산소를 함유해야하기 때문에, 산화 개재물을 비교적 커다란 개재물로 형성함으로써 개수 밀도가 작아질 수 있다. 산화 개재물의 크기는 산화 개재물의 표면 에너지 및 녹는점에 종속한다는 것이 알려져 있다. 본 발명에서, 산화 개재물에 있는 탈산 원소는 Si 및 Mn이다. 그러므로 Si, Mn 및 O의 잔부에 의해 산화 성분을 제어함으로써 산화 개재물의 크기가 제어될 수 있고 산소의 양이 실질적으로 고정된 동안에 개수 밀도가 제어될 수 있는 것으로 추측된다.
본 발명의 용접 금속을 형성하기 위한 쉴드 금속 아크 용접 방법을 설명한다.
쉴드 금속 아크 용접 방법은 C, Si, Mn, Cr, Mo, Nb, V, B 및 O를 필수 성분으로서 각각 소정 함량으로 그리고 Fe 및 불가피 불순물의 잔부를 함유하는 용접 금속을 형성하도록 바인더 혼합물과 C, Si, Mn, Cr, Mo, Nb, V, B, O와, Fe 및 불가피 불순물의 잔부, 아크 안정제, 및 슬랙 생성제를 함유하는 코팅 플럭스로 심선(core wire)을 코팅함으로써 형성되는 피복 전극을 사용한다. 바람직한 용접 전류는 140 내지 190 A 사이이다.
피복 전극의 조성 및 코팅 비율에 대한 조건을 설명한다. 그들 성분은 심선 및 코팅 플럭스 중의 일방 또는 양방 모두에 함유될 수 있다. 성분이 심선 및 코팅 플럭스 양방 모두에 함유된 경우에, 그 성분 함량 각각은 심선 및 코팅 플럭스 중의 성분 함량의 합계이다.
피복 전극의 C 함량
탄소(C)는 상온 및 고온에서의 강도, 및 인성을 보장하기 위한 중요한 원소이다. 0.04 내지 0.10 질량% 사이의 C 함량을 갖는 용접 금속을 형성하기 위한 피복 전극의 C 함량을 결정함에 있어서는 항복을 고려할 필요가 있다. 바람직하게는, 피복 전극의 C 함량은 0.04 내지 0.12 질량% 사이이고, 보다 바람직하게는, 0.05 내지 0.11 질량% 사이이다.
피복 전극의 Si 함량
실리콘(Si)은 용접 비드의 밀착성을 향상시킨다. 0.15 내지 0.5 질량% 사이의 Si 함량을 갖는 용접 금속을 형성하기 위한 피복 전극의 Si 함량을 결정함에 있어서는 항복을 고려할 필요가 있다. 바람직하게는, 피복 전극의 Si 함량은 1.0 내지 1.8 질량% 사이이고, 보다 바람직하게는, 1.4 내지 1.7 질량% 사이이다.
피복 전극의 Mn 함량
망간(Mn)은 V를 함유하는 용접 금속의 인성을 향상시키는데 있어서 특히 효과적이다. 0.5 내지 1.0 질량% 사이의 Mn 함량을 갖는 용접 금속을 형성하기 위한 피복 전극의 Mn 함량을 결정함에 있어서는 항복을 고려할 필요가 있다. 바람직하게는, 피복 전극의 Mn 함량은 0.8 내지 1.8 질량% 사이이고, 보다 바람직하게는, 1.0 내지 1.5 질량% 사이이다.
피복 전극의 Cr 함량
크롬(Cr)은 내열성이 우수한 고강도 Cr-Mo 강의 주성분이며 용접 금속에게 충분한 기계적 강도를 보장하기 위한 중요한 원소이다. 2.00 내지 3.25 질량% 사이의 Cr 함량을 갖는 용접 금속을 형성하기 위한 피복 전극의 Cr 함량을 결정함에 있어서는 항복을 고려할 필요가 있다. 바람직하게는, 피복 전극의 Cr 함량은 2.0 내지 3.3 질량% 사이이고, 보다 바람직하게는, 2.2 내지 3.0 질량% 사이이다.
피복 전극의 Mo 함량
Mo는, Cr과 함께, 내열성이 우수한 고강도 Cr-Mo 강의 주성분이며 용접 금속에게 충분한 기계적 강도를 보장하기 위한 중요한 원소이다. 0.9 내지 1.2 질량% 사이의 Mo 함량을 갖는 용접 금속을 형성하기 위한 피복 전극의 Mo 함량을 결정함에 있어서는 항복을 고려할 필요가 있다. 바람직하게는, 피복 전극의 Mo 함량은 0.9 내지 1.2 질량% 사이이고, 보다 바람직하게는, 1.0 내지 1.1 질량% 사이이다.
피복 전극의 Nb 함량
니오븀(Nb)은, 그 Nb 함량이 매우 낮더라도, 상온 및 고온에서의 강도, 및 크리프 강도를 향상시키는데 있어서 효과적이다. 0.01 내지 0.03 질량% 사이의 Mo 함량을 갖는 용접 금속을 형성하기 위한 피복 전극의 Nb 함량을 결정함에 있어서는 항복을 고려할 필요가 있다. 바람직하게는, 피복 전극의 Nb 함량은 0.04 내지 0.08 질량% 사이이고, 보다 바람직하게는, 0.05 내지 0.07 질량% 사이이다.
피복 전극의 V 함량
바나듐(V)은 SR 프로세스 후에 용접 금속의 입자에서 미세한 MC 탄화물이 우선적으로 석출하도록 하며 용접 금속의 인성 및 내뜨임 취화성을 향상시킨다. 0.2 내지 0.7 질량% 사이의 V 함량을 갖는 용접 금속을 형성하기 위한 피복 전극의 V 함량을 결정함에 있어서는 항복을 고려할 필요가 있다. 바람직하게는, 피복 전극의 V 함량은 0.3 내지 1.0 질량% 사이이고, 보다 바람직하게는, 0.4 내지 0.8 질량% 사이이다.
피복 전극의 B 함량
보론(B)은 용접 금속의 인성을 보장하는데 효과적이다. 용접 금속이 적절한 B 함량을 가지는 경우에 주성분으로서 Cr을 함유하는 탄화물의 양이 줄어든다. 0.003 질량% 이하의 B 함량을 갖는 용접 금속을 형성하기 위한 피복 전극의 B 함량을 결정함에 있어서는 항복을 고려할 필요가 있다. 바람직하게는, 피복 전극의 B 함량은 0.0002 내지 0.005 질량% 사이이고, 보다 바람직하게는, 0.0002 내지 0.004 질량% 사이이다.
피복 전극의 Cu 및 Ni 함량
Cu 및 Ni은 용접 금속의 인성을 보장하는데 효과적이지만, Cu 및 Ni은 용접 금속의 내뜨임 취화성을 저하시킨다. 그러므로, 용접 금속 중의 Cu 및 Ni 함량이 0.05 질량% 이하인 것이 바람직하다. 따라서, 피복 전극의 Cu 및 Ni 함량은 0.05 질량% 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, 0.03 질량% 이하인 것이 바람직하다.
피복 전극의 P 함량
불가피 불순물에 포함된 P 및 S는 구 γ 입계에 편석되어 뜨임 취화성을 조장한다. 용접 금속의 P 및 S 함량을 0.012 질량% 이하의 값으로 제한하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 피복 전극의 P 및 S 함량은 0.01 질량% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.010 질량% 이하이다.
경우에 따라, 석회와 같은 금속 탄산염, 플로라이트와 같은 금속 불화물, 알루미나 또는 루틸(rutile)과 같은 산화물, Mg, 철 분말, 및 알칼리가 아크 안정제 및 슬랙 생성제로서 코팅 플럭스에 첨가될 수 있다.
칼륨 실리케이트를 함유한 물유리 또는 소디엄 실리케이트가 바인더로서 사용될 수 있다.
피복 전극의 코팅 플럭스 함량은 25 내지 40 질량% 사이이고, 바람직하게는, 28 내지 35 질량% 사이이다. 코팅 플럭스 함량이 25 질량% 이하이면 코팅 플럭스의 분해를 통해 발생된 가스가 만족스러운 코팅 컵을 형성할 수 없기 때문에 전기 아크가 집중될 수 없고, 격심한 스패터링이 일어나서 용접 작업이 매우 곤란하다. 게다가, 슬랙이 충분히 형성될 수 없으며 비드가 만족스러운 형상으로 형성될 수 없다. 코팅 플럭스 함량이 40 질량%를 초과하는 경우에는, 매우 다량의 슬랙이 생성되고, 홈 내에서의 피복 전극의 운동이 어렵다. 또한, 슬랙 개재물이 발생하고, 슬랙 제거가 어렵고, 용접 작업이 매우 곤란하다.
실시예
본 발명의 실시예에서의 용접 금속과 비교예에서의 용접 금속을 비교하여 설명한다.
제1 실시예 내지 제9 실시예 및 제1 비교예 내지 제8 비교예
직경 4.0 ㎜의 심선을 코팅 플럭스로 각각 코팅하여, 반가공 피복 전극을 형성하였다. 반가공 피복 전극을 건조 및 베이킹하여 표 1에 나타낸 조성을 각각 갖는 피복 전극을 얻었다.
Figure 112008011900755-PAT00001
고강도 Cr-Mo 강의 19㎜ 두께의 베이스 금속판(1a 및 1b) 사이에 V 홈(3)을 형성하고, 베이스 금속판(1a 및 1b)과 동일한 조성의 백킹 스트립(2)이며 홈(3)의 바닥부를 덮는 백킹 스트립을 V 홈(3)의 열린 바닥부를 폐색하도록 베이스 금속판(1a 및 1b)에 부착하고, 베이스 금속판(1a 및 1b)을 맞대기 용접으로 서로 용접하여 각각의 시험편을 얻었다. 각각의 V 홈(3)의 홈 각도는 10°였다. 각각의 V 홈의 바닥 너비는 22 ㎜였다.
170 A의 용접 전류 및 25 V의 용접 전압을 사용하여 16번의 용접 패스에 의해 8겹의 용접 금속이 형성되었다. 예열-패스 온도는 200℃ 내지 250℃였다.
Figure 112008011900755-PAT00002
시험편은 응력-제거 어닐링 프로세스(SR 프로세스)를 거쳤다. 이 응력-제거 어닐링 프로세스는 시험편을 도2에 도시된 패턴으로 가열하였는데, 도2에서 온도는 수직축상에서 나타내어지고, 시간은 수평축상에서 나타내어진다. 응력-제거 어닐링 프로세스는 시험편의 온도가 300 ℃를 넘은 후에 그 시험편을 55℃/hr의 가열율로 705℃로 가열하였다. 그리고나서, 시험편은 8시간 동안 705℃로 유지되었고, 그리고나서는 55℃/hr의 냉각율로 300℃ 이하로 냉각되었다. 시험편의 온도가 300℃ 이하의 온도 범위에 있었던 경우에는 아무런 가열 및 냉각 조건도 규정되지 않았다.
도3에 도시된 바와 같은 SR 프로세스에 의해 처리된 시험편의 V 홈 내에 형성된 용접 금속(4)의 중간 부분으로부터, Z3111-4 JIS에 규정된 크기의 샘플 용접 금속(5)을 절단하였다. B에 대해서는 흡광법(absorptometric method)으로, C 및 S에 대해서는 연소-적외선 흡광법(combustion-infrared absoptometric method)으로, N 및 O에 대해서는 불활성 가스 융해 열전도도법(inert gas fusion thermal conductivity method)으로, 그리고 B, C, S, N 및 O 이외의 원소에 대해서는 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광법(inductively coupled plasma atomic emission spectrometric method)으로 샘플 용접 금속의 화학 조성을 분석하였다. 1 ㎟의 관찰 영역에 있어서의 산화 개재물의 개수를 이하의 방법으로 산정하였다.
산화 개재물의 개수
시험편의 용접 금속으로부터 샘플 용접 금속을 절단하였다. 샘플 용접 금속을 주사 전자 현미경(SUPRA 35, 칼 자이스)하에서 100배의 배율에서 관찰하였다. 20개의 0.006 ㎟의 관찰 영역의 화상을 촬영하였다. 화상 해석 소프트웨어(Image-Pro Plus, Media Cybernetic)를 사용한 방법에 의해 상기 화상을 분석하였다. 산화 개재물의 직경을 측정하고, 1 ㎛ 이상 크기인 산화 개재물의 개수 밀도를 산정하였다.
시험편은 vTr55를 측정하기 위해 Z3111-4, JIS에 따른 샤르피 충격 시험을 거쳤다.
시험편은 vTr′55에 의한 시험편의 내뜨임 취화성을 평가하기 위해 취화성 프로모션 프로세스(스텝 냉각 프로세스)를 거쳤다. 도4는 스텝 냉각 프로세스를 설명하는 보조 도면이다. 도4를 참조하여 스텝 냉각 프로세스를 설명한다. 시험편의 온도가 300 ℃를 넘은 후에 시험편을 50℃/hr 이하의 가열율로 593℃로 가열하고, 시험편을 1시간 동안 593℃로 유지하였다. 그리고나서, 시험편을 538℃에서 15시간 동안, 524℃에서 24시간 동안, 그리고 496℃에서 60시간 동안 순차적으로 유지하였다. 따라서 시험편은 5.6℃/hr의 냉각율로 냉각되었다. 496℃에서 24시간 동안 유지된 시험편을 2.8℃/hr의 냉각율로 468℃로 냉각하고, 468℃에서 100시간 동안 유지하였다. 그리고나서, 시험편을 28℃/hr의 냉각율로 300℃ 이하의 온도로 냉각하였다. SR 프로세스에 대한 조건과 유사하게, 가열 및 냉각에 어떠한 조건도 부과되지 않았다.
스텝 냉각 프로세스에 의해 냉각된 시험편은 vTr′55 및 vE-50을 측정하기 위해 Z3111-4, JIS에 따른 샤르피 충격 시험을 받았다.
스텝 냉각 프로세스에 의해 처리된 시험편은 표3에 나타낸 조건하에서 전해 추출 프로세스를 거쳤다. 전해 추출에 의해 얻어진 잔류물은 ICP 방출 분광 분석을 받았으며 석출 Cr 및 Nb의 각각의 양이 측정되었다.
Figure 112008011900755-PAT00003
표 4a, 표 4b, 그리고 표 4c에는 용접 금속의 샘플의 조성, 측정된 파라미터 CP, 전해 추출에 의해 얻어진 잔류물의 분석 결과, Si, Mn 및 O의 잔부[식(2)의 좌측의 값], vTr55의 값, 즉, 인성의 지표, △=vTr55-vTr′55의 값, 즉, 내뜨임 취화성의 지표, 스텝 냉각 프로세스 후의 vE-55의 값이 나타내어져 있다. vTr55〈 -50℃, vTr′55〈 -50℃, 그리고 vTr55-vTr′55〈 5℃ 를 만족하는 시험편은 합격인 것으로 인정된다. 모든 음의 값의 △는 0으로 나타내며, 이것은 용접 금속이 우수하며 거의 부서지기 쉽지 않음을 나타낸다. 세 개의 측정값 중에서 55J 이상의 평균 vE-55 및 47J 이상의 최소 vE-55를 갖는 시험편은 합격인 것으로 인정된다.
Figure 112008011900755-PAT00004
Figure 112008011900755-PAT00005
Figure 112008011900755-PAT00006
표 4a, 표 4b, 그리고 표 4c로부터 분명한 바와 같이, 제1 실시예 내지 제8 실시예의 용접 금속은 본 발명에 의해 규정된 범위내의 성분 함량값 및, 석출 Cr(불용 Cr) 및 석출 Nb(불용 Nb)의 개별량을 갖는다. 제1 실시예 내지 제9 실시예의 용접 금속은 인성의 지표인 vTr55 및 vE-50의 합격치, 및 내뜨임 취화성의 지표인 △를 갖는다. 제1 실시예 내지 제8 실시예의 용접 금속은 스텝 냉각 후 샤르피 충격 시험에 의해 결정되는 55J 이상의 vE-50의 최소값을 갖는다. 그들 측정값은 제1 실시예 내지 제8 실시예의 용접 금속이 안정한 내뜨임 취화성을 가짐을 증명하였다.
제1 비교예의 용접 금속은 본 발명에 의해 규정된 C 함량 범위의 상한을 넘는 C 함량을 가지며, 60 보다 큰 89.5의 파라미터 CP를 가졌다. 그러므로, 제1 비교예의 용접 금속은 불용 Cr의 값이 높고, 낮은 내뜨임 취화성을 가졌다. 제2 비교예의 용접 금속은 본 발명에 의해 규정된 Si 함량 범위의 상한을 넘는 Si 함량을 가졌다. 그러므로 제2 비교예의 용접 금속은 인성 및 내뜨임 취화성에 있어 열등하다. 제3 비교예의 용접 금속은 본 발명에 의해 규정된 Mn 함량 범위의 상한을 넘는 Mn 함량을 가졌다. 제3 비교예의 용접 금속은 인성에 있어서 만족스러웠음에도 불구하고, 내뜨임 취성에 있어서 열등한 것은 마찬가지였다.
제4 비교예의 용접 금속은 본 발명에 의해 규정된 Nb 함량 범위의 하한 이하의 Nb 함량, 5 보다도 작은 4.0의 파라미터 PC 값, 높은 불용 Cr, 및 낮은 불용 Nb를 가졌다. 그러므로, 제4 비교예의 용접 금속은 내뜨임 취화성 및 인성에 있어서 열등하였다. 제5 비교예의 용접 금속은 본 발명에 의해 규정된 Nb 함량 범위의 상한을 넘는 Nb 함량 및 60보다 큰 68.8의 파라미터 PC 값을 가졌다. 제5 비교예의 용접 금속은 낮은 인성을 가졌다.
제6 비교예의 용접 금속은 본 발명에 의해 규정된 O 함량 범위의 상한을 넘는 O 함량을 가졌고 인성에 있어서 열등하였다. 제7 비교예의 용접 금속은 B를 함유하지 않았으며 인성에 있어서 열등하였다. 제8 비교예의 용접 금속은 본 발명에 의해 규정된 B 함량 범위를 넘는 B 함량 및 낮은 불용 Nb를 가졌다. 제8 비교예의 용접 금속은 내뜨림 취화성에 있어서 열등하였다.
도5는 제1 실시예 내지 제9 실시예의 용접 금속 및 제1 비교예 내지 제8 비교예의 용접 금속에 대하여 1 ㎛ 이상의 직경인 산화 개재물의 개수 밀도에 대한 vE-50(vE-50 min.)의 최소값의 종속성을 보여주는 그래프이다.
도5에서 분명한 바와 같이, 2000 inclusions/㎟ 이하의 산화 개재물 밀도를 갖는 제1 실시예 내지 제4 실시예, 그리고 제6 실시예 내지 제9 실시예의 용접 금속은 47J 이상의 vE-50의 최소값을 가졌으며, 이것은 그들 용접 금속이 만족스럽고, 안정한 내뜨임 취화성을 가졌음을 증명하였다. 2000 inclusions/㎟ 이하의 산화 개재물 밀도를 갖는 제1 비교예, 제3 비교예 내지 제5 비교예, 제7 비교예 및 제8 비교예의 용접 금속은 47J 이하의 vE-50의 최소값을 가졌으며, 이것은 그들 용접 금속이 만족스럽고, 안정한 내뜨임 취화성을 가지지 못함을 증명하였다.
본 발명을 어느 정도의 구체성을 가지고서 그 바람직한 형태로 설명했지만, 분명 많은 변경 및 변형이 본 발명 내에서 가능하다. 그러므로 본 발명은, 그 범위 및 사상을 벗어나지 않고서 본 명세서에 특정하여 기재된 바와 달리 실시될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명은 발전 플랜트 및 화학 플랜트에서의 환경과 같은 고온, 고압 환경에서 사용하려는 Cr-Mo 저합금강의 내열 용기에 있어서 용접 금속의 인성 및 내뜨임 취화성의 개선에 이용가능하다.
도1은 에지 처리에 의해 마감된 베이스 금속판과, 시험편 제작을 위한 백킹 스트립의 통상의 단면도이다.
도2는 본 발명의 실시예 및 비교예들이 처리되는 SR 처리를 설명하기 위한 보조 도면이다.
도3은 본 발명의 실시예 및 비교예의 용접 금속으로부터 샘플을 채집하는 샘플링 방법을 설명하기 위한 보조 단면도이다.
도4는 본 발명의 실시예 및 비교예들이 거치는 스텝 냉각 프로세스를 설명하기 위한 보조 도면이다.
도5는 본 발명의 실시예에 있어서의 용접 금속 및 비교예에 있어서의 용접 금속에 대하여 산화 개재물 밀도에 대한 vE-50의 종속성을 보여주는 그래프이다.

Claims (6)

  1. 쉴드 금속 아크 용접에 의해 형성된 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속이며,
    상기 용접 금속은 0.04 내지 0.1 질량%의 C, 0.15 내지 0.5 질량%의 Si, 0.5 내지 1.0 질량%의 망간, 2.00 내지 3.25 질량%의 Cr, 0.9 내지 1.2 질량%의 Mo, 0.01 내지 0.03 질량%의 Nb, 0.2 내지 0.7 질량%의 V, 0.003 질량% 이하이고 0 질량% 보다 많은 함량의 B, 0.02 내지 0.05 질량%의 O, 그리고 Fe 및 불가피 불순물의 잔부를 함유하고,
    상기 용접 금속의 비영향부만으로부터 전해 추출에 의해 추출된 잔류물은 Cr 함량으로 석출 Cr을 0.3 질량% 이하 함유하고, Nb 함량으로 석출 Nb를 0.005 질량% 이상 함유하는 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속.
  2. 제1항에 있어서, 상기 불가피 불순물은 Cu 및 Ni 함량으로 Cu 및 Ni을 각각 0.05 질량% 이하로 포함하는 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속.
  3. 제1항에 있어서, 상기 불가피 불순물은 P 및 S 함량으로 P 및 S를 각각 0.012 질량% 이하로 포함하는 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속.
  4. 제1항에 있어서, 상기 용접 금속은 이하의 식(1)로 표현되는 5 내지 50의 파라미터 CP를 가지며, 여기서, [C],[Nb],[Cr],[Mo] 및 [V]는 상기 용접 금속 중의 C, Nb, Cr, Mo 및 V의 질량%로서의 함량인 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속.
    CP=[C]×[Nb]/([Cr]/52+[Mo]/96+[Nb]/93+[V]/51)×1000 ..........(1)
  5. 제1항에 있어서, 1 ㎟의 관찰 영역에 있어서 크기가 1 ㎛ 이상인 산화 개재물의 개수는 2000개 이하인 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속.
  6. 제1항에 있어서, 상기 용접 금속은 이하의 식(2)로 표현되는 조건을 만족시키는 Si 함량[Si], Mn 함량[Mn], 및 O 함량[O]을 갖는 고강도 Cr-Mo 강의 용접 금속.
    12000[Si]+170[Mn]+150000[O]〈 9800..........(2)
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