KR20130092071A

KR20130092071A - 니켈기 고크롬 합금용 피복 아크 용접봉

Info

Publication number: KR20130092071A
Application number: KR1020120013557A
Authority: KR
Inventors: 정석진; 신철훈
Original assignee: 현대종합금속 주식회사
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2013-08-20
Also published as: KR101311794B1

Abstract

본 발명은 용접작업성이 우수하고, 용접결함이 없는 니켈기 고크롬 합금의 용접에 사용되는 피복 아크 용접봉에 관한 것으로,
93중량% 이상의 니켈로 이루어진 고순도 니켈 심선에 피복제를 도포하여 이루어지며, 상기 피복제가 중량%로, 금속탄산염 15~25%, 금속불화물 10~20%, 탈산제 1~4%, 슬래그 형성제 1~4%, 합금제 55~65%, 고착제 1~3%를 포함하고,
(금속탄산염+금속불화물+합금제)/(탈산제+고착제+슬래그형성제)의 값이 15~19인 것을 만족하는 니켈기 고크롬 합금용 피복 아크 용접봉을 제공한다.

Description

니켈기 고크롬 합금용 피복 아크 용접봉{COVERED ELECTRODE FOR NICKEL BASED HIGH CHROMIUM ALLOY WELDING}

본 발명은 니켈기 고크롬 합금의 용접에 사용되는 니켈기 고크롬 합금용 피복 아크 용접봉에 관한 것이다.

니켈기 고크롬 합금은 니켈과 크롬이 복합적으로 작용하여 내산화성을 향상시키고, 스테인리스강보다 강도가 우수하며, 특히 650℃ 이상에서는 더욱 우수하여 주로 고강도와 내산화성, 내식성이 많이 요구되는 분야에 광범위하게 적용되고 있다.

니켈기 고크롬 합금용 피복 아크 용접봉은 Ni-Cr-Fe 합금강(Inconel 600), Ni-Cr-Fe 합금 클래드강의 클래드면 용접 또는 인코넬과 저합금강 또는 스테인리스강과의 이재용접 등 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 다양한 용접재료가 개발되고 있다.

그러나, 종래의 니켈기 고크롬 합금용 피복 아크 용접봉은 비드퍼짐성이 떨어지고 용입이 작으며, 용접 비드가 블록형으로 되기 쉬워 슬래그 혼입 및 균열 발생 등의 용접결함 발생빈도가 높은 문제가 있었다.

이런 문제를 해결하기 위해서, 특허문헌 1에서는 니켈계 합금심선에 특정 성분범위를 갖는 피복제를 피복하여 용접작업성과 내균열저항성 및 고온인장강도를 확보하고자 하였다. 그러나, 상기 특허문헌 1에 의하더라도 현재 용접현장에서 요구하는 품질 수준에는 다소 미치지 못하는 문제가 있다.

한국 공개특허 2002-0078205호

본 발명의 일측면은 용접작업성이 우수하고, 용접결함이 없는 니켈기 고크롬 합금의 용접에 사용되는 피복 아크 용접봉을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 93중량% 이상의 니켈로 이루어진 고순도 니켈 심선에 피복제를 도포하여 이루어진 니켈기 고크롬 합금용 피복 아크 용접봉에 있어서,

상기 피복제는 중량%로,

CaCO₃, MgCO₃, BaCO₃ 및 Li₂CO₃ 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 금속탄산염 15~25%;

CaF₂, BaF₂, MgF₂ 및 K₂SiF₆ 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 금속불화물 10~20%;

Al, Mg 및 Ti 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 탈산제 1~4%;

Mn, Fe, Si, Cr 및 Nb 을 포함하는 합금제 55~65%;

TiO₂, ZrO₂, SiO₂ 및 Al₂O₃ 으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 슬래그 형성제 1~4%;

고착제 1~3%; 및 나머지는 불가피한 불순물을 포함하고,

(금속탄산염+금속불화물+합금제)/(탈산제+고착제+슬래그형성제)의 값이 15~19인 것을 만족하는 니켈기 고크롬 합금용 피복 아크 용접을 제공한다.

본 발명 피복아크 용접봉을 이용하며, 니켈기 고크롬 합금의 아크 용접시에 아크안정성, 비드외관, 슬래그 유동성, 슬래그 박리성, 용융성, 용적이행 등과 같은 용접작업성이 향상되며, 용접부의 균열 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 니켈기 고크롬 합금용 피복 아크 용접봉은 니켈계 합금 심선이나, 고순도 니켈 심선에 피복제가 도포되어 있는 것이다.

상기 니켈계 합금으로는 UNS NO625(60%Ni-22%Cr-9%Mo), UNS NO6082(72%Ni-20%Cr) 등이 있고, 상기 고순도 니켈 심선은 93중량%이상의 니켈로 이루어진 심선을 의미한다. 일반적으로 니켈기 고크롬 합금용 피복 아크 용접봉에는 고순도 니켈 심선을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 고순도 니켈 심선이 니켈계 합금 심선에 비해 전기저항이 적고 내봉가열성이 우수하여 용접 효율성이 증가되는 장점이 있기 때문이다.

이하, 본 발명의 니켈기 고크롬 합금용 피복아크 용접봉의 피복제 조성에 대해 상세히 설명한다. 하기 함량은 피복제 전체의 중량%를 나타낸다.

금속탄산염: 15~25%

상기 금속탄산염은 CaCO₃, MgCO₃, BaCO₃, Li₂CO₃등이 사용될 수 있다. 상기 금속탄산염은 용접 중 분해되어 CO₂ 가스를 발생시킴으로서, 아크분위기를 대기로부터 차폐하여 용융금속의 산화 및 질화를 방지하고, 용접부에 N₂, O₂침입을 막아 건전한 용접금속을 유지할 수 있도록 도와주는 역할을 한다.

상기 금속탄산염의 함량이 15% 미만에서는 상기 차폐 효과가 부족하여 기공이 발생하기 쉽고, 균열 등이 발생할 우려가 있으며, 25%를 초과하는 경우에는 슬래그의 유동성이 감소되어 용접 작업성이 저하되고 동시에 용접비드의 형상이 불량해지기 때문에, 그 함량은 15~25%인 것이 바람직하다.

금속불화물: 10~20%

상기 금속불화물은 CaF₂, BaF₂, MgF₂, K₂SiF₆ 등이 사용될 수 있다. 상기 금속불화물은 아크안정성을 향상시켜 스패터 발생량을 저감하고, 용접금속 중의 수소량을 저감시키는 역할을 한다.

상기 금속불화물의 함량이 10% 미만이면 비드외관이 저하됨과 동시에 입향자세에서의 용접이 곤란하게 되며, 20%를 초과하는 경우에는 스패터 및 흄 발생량이 증가하고 용접작업성이 저하되는 문제가 있기 때문에, 그 함량은 10~20%인 것이 바람직하다.

탈산제: 1~4%

상기 탈산제는 Al, Mg, Ti 등이 사용될 수 있다. 상기 탈산제는 용접금속 내결함성을 확보하고 용접금속의 기계적 성능(인장강도와 인성 등)을 향상시키는 역할을 한다.

상기 탈산제가 1% 미만으로 첨가된 경우에는 상기 역할을 기대하기 어렵고, 균열 등이 발생할 가능성이 높아지며, 4%를 초과하는 경우에는 과탈산 현상에 의해 기공 및 스패터 등의 발생이 과다해질 우려가 있다. 따라서, 상기 탈산제의 함량은 1~4%인 것이 바람직하다.

합금제: 55~65%

상기 합금제는 의도하는 용접금속의 화학성분을 맞추기 위해 필수불가결하게 요구되는 성분으로, Mn, Fe, Si, Cr 및 Nb을 포함하며, 그 조성은 합금제 전중량에 대해, Mn: 20~35%, Fe: 10~25%, Si: 1~5%, Cr: 40~55%, Nb: 5~10%의 범위로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 합금제는 55~65%의 범위로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 함량이 55% 미만이면, 합금화 능력이 부족하여 의도하는 용접금속 화학성분을 만족시키기 어렵고, 65%를 초과하면 용접작업성이 저하되는 문제가 있다.

슬래그형성제: 1~4%

상기 슬래그형성제는 슬래그 형성을 도와주어 양호한 비드형상을 만드는 역할을 하는 성분으로서, 슬래그의 유동성을 개선시키고 아크안정성 및 슬래그 포피성을 확보하기 위해 첨가된다. 상기 슬래그형성제는 TiO₂, ZrO₂, SiO₂, Al₂O₃ 등이 사용될 수 있다. 상기 슬래그 형성제의 함량이 1% 미만이면 슬래그 유동성 및 포피성이 열악해지며, 4%를 초과하게 되면 염기도 지수(Basic Index)를 증가시켜 내균열성이 악화되는 문제가 있으므로, 그 함량을 1~4%로 하는 것이 바람직하다.

고착제: 1~3%

상기 고착제는 피복제를 심선에 잘 붙게 하기 위해서 사용되며, 규산소다, 규산카리, 규산리튬 등의 물유리를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 고착제의 첨가량이 1% 미만이면 첨가에 따른 효과를 얻기 어려우며, 3%를 초과하는 경우에는 피복제가 심선에 균일하게 도포되기 어려운 문제가 있으므로, 그 함량은 1~3%로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 피복제 전체 조성 중, (탈산제+고착제+슬래그형성제)의 양이 증가하고, 상대적으로 (금속탄산염+금속불화물+합금제)의 양이 감소하는 경우, 용접시 슬래그 박리성 및 유동성이 열악해질 수 있고, 그 반대의 경우에는 아크성 및 용융성이 저하되는 문제가 있다. 이를 위해서, (금속탄산염+금속불화물+합금제)/(탈산제+고착제+슬래그형성제)의 값을 적정범위로 제어하는 것이 필요하다.

본 발명의 피복제는 (금속탄산염+금속불화물+합금제)/(탈산제+고착제+슬래그형성제)의 값이 15~19을 만족하는 것이 바람직하다. 상기 관계식의 값이 15미만이거나, 19를 초과하는 경우에는 상기 문제가 나타나게 되나, 15~19의 범위에서는 양호한 용접작업성을 확보할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

(실시예)

하기 표 1의 조성성분을 갖는 고순도 니켈 심선에, 하기 표 2 및 3의 조성으로 이루어진 피복제를 피복하여 니켈기 고크롬 합금용 피복 아크 용접봉을 마련하였다.

상기 피복 아크 용접봉을 이용하여 용접을 실시하고, 용접작업성 및 내균열성을 평가하여 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

용접작업성은 교류 및 직류 전원에서 용접을 행하였으며, 용접전류는 용접자세에 따라 120~200A를 사용하였다. 용접자세(하향, 입향상진, 횡향, 수평 필렛)별로 용접을 실시하여, 용접사 관능평가를 통해 항목별로 1~5점을 부여하여, 그 총점이 30점 만점에 26점 이상인 경우를 양호한 것으로 판정하여 표 4에 그 결과를 나타내었다.

내균열성 평가는 아래의 용접조건으로 용접을 실시하여, 크레이터부를 제외한 용접비드에서의 균열발생 유무를 통해 평가하여, 그 결과를 표 4에 나타내었다.

내균열성 평가 용접조건

- 모재: SS400 Cr 도금 열처리 환봉

- 용접전류: AC

- 용접봉 선경: 3.2㎜

- 용접조건: 120~160A / 20~23V

- 용접자세: 하향

C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Cu
≤0.1	≤0.1	≤0.01	≤0.02	≤0.02	≥98.0	≤0.01	≤0.01	≤0.01

구분	성분 함량						수식 값***
구분	금속탄산염	금속불화물	슬래그형성제	탈산제	합금제*	고착제**	수식 값***
발명예1	16	18.5	2	1.5	60	2	17.2
발명예2	24	14.5	1.5	2	56	2	17.2
발명예3	17	12	2.5	2.5	65	1	15.7
발명예4	15	19	2.5	2.5	60	1	15.7
발명예5	15	20	1	3	60	1	19.0
발명예6	19	18	3	1.5	57	1.5	15.7
발명예7	15	18	4	1	61	1	15.7
발명예8	15	18	3	1	62	1	19.0
발명예9	16	18	1	3	60	2	15.7
발명예10	16	18	1	4	60	1	15.7
발명예11	20	18	2	3	56	1	15.7
발명예12	18	13	1	3	64	1	19.0
발명예13	20	16	2	2	58	2	15.7
발명예14	19	15	2	2	60	2	15.7
비교예1	28	10.5	1.5	2	56.5	1.5	19.0
비교예2	12	17	1.5	2	65	2.5	15.7
비교예3	24	8	3	3	60	2	11.5
비교예4	15	22	3	3	55	2	11.5
비교예5	19	18	0.5	2	58.5	2	21.2
비교예6	15	18	6	1	59	1	11.5
비교예7	22	18	1	0.5	57.5	1	39.0
비교예8	16	16	1	6	60	1	11.5
비교예9	15	10	2	3	68	2	13.3
비교예10	18	12.5	1.5	3	63	2	14.4
비교예11	17.5	18	2.8	2.1	58.1	1.5	14.6
비교예12	18	16	2.8	1	61.2	1	19.8
비교예13	17.5	18	1.5	1.5	60	1.5	21.2
비교예14	22	19	2	1	55	1	24.0
비교예15	17	10.5	4	5	61	2.5	7.7
비교예16	15.5	13	4	2.5	63	2	10.8

* 상기 표 2에서 합금제는 합금제 전중량에 대해 Mn: 20~35%, Fe: 10~25%, Si: 1~5%, Cr: 40~55%, Nb: 5~10%를 포함함

** 상기 표 2에서 고착제외에 불가피한 불순물을 포함함

*** 상기 수식 값은 (금속탄산염+금속불화물+합금제)/(탈산제+고착제+슬래그형성제)의 값임

한편, 상기 표 2에서, 금속탄산염, 금속불화물, 슬래그형성제 및 탈산제의 함량을 하기 표 3에 상세히 나타내었다.

구분	금속탄산염				금속불화물				슬래그형성제				탈산제
구분	CaCO₃	MgCO₂	BaCO₃	Li₂CO₃	CaF₂	BaF₂	MgF₂	K₂SiF₆	TiO₂	SiO₂	Al₂O₃	ZrO₂	Al	Mg	Ti
발명예1	8	8	-	-	6	6	3	3.5	2	-	-	-	1.5	-	-
발명예2	12	-	12	-	3	6	5.5	-	-	0.5	1	-	-	2	-
발명예3	5	12	-	-	2	4	2	4	-	-	-	2.5	-	-	2.5
발명예4	-	-	15	-	6	7	6	-	1	-	1.5	-	1.5	1	-
발명예5	-	15	-	-	13	-	-	7	-	-	1	-	-	1.5	1.5
발명예6	19	-	-	-	6	-	6	6	1	2	-	-	-	1.5	-
발명예7	-	-	-	15	6	6	-	6	1	-	-	3	1	-	-
발명예8	5	-	10	-	18	-	-	-	-	1.5	-	1.5	-	1	-
발명예9	-	8	-	8	18	-	-	-	1	-	-	-	-	1.5	1.5
발명예10	-	8	8	-	-	18	-	-	-	1	-	-	-	2	2
발명예11	10	-	10	-	-	6	6	6	-	-	1	1	1.5	1.5	-
발명예12	-	9	-	9	-	-	-	13	-	1	-	-	1	-	2
발명예13	-	10	-	10	-	-	16	-	1	-	1	-	-	-	2
발명예14	5	5	9	-	5	5	5	-	-	1	1	-	2	-	-
비교예1	12	-	-	16	-	5.5	-	5	-	-	-	1.5	-	1	1
비교예2	6	-	-	6	10	-	7	-	1	0.5	-	-	-	-	2
비교예3	-	12	-	12	-	4	-	4	1.5	1.5	-	-	1.5	-	1.5
비교예4	-	-	15	-	16	6	-	-	-	1	0.5	1.5	-	3	-
비교예5	-	-	-	19	-	18	-	-	-	-	0.5	-	-	1	1
비교예6	15	-	-	-	18	-	-	-	2	2	1	1	-	1	-
비교예7	-	22	-	-	18	-	-	-	-	1	-	-	0.5	-	-
비교예8	-	-	16	-	16	-	-	-	-	0.5	-	0.5	3	-	3
비교예9	-	-	-	15	-	-	10	-	2	-	-	-	1.5	1.5	-
비교예10	-	6	6	6	-	-	-	12.5	-	1.5	-	-	1	1	1
비교예11	12	-	5.5	-	-	-	18	-	-	1.5	1.3	-	0.6	1.5	-
비교예12	6	6	6	-	-	16	-	-	-	0.5	0.8	1.5	-	1	-
비교예13	12	-	-	5.5	9	-	9	-	1	-	-	0.5	-	1.5	-
비교예14	20	-	2	-	10	-	9	-	1	1	-	-	-	-	-
비교예15	4	4	4	5	10.5	-	-	-	-	2	2	-	-	2	3
비교예16	5.5	5	5	-	-	3	10	-	-	1	1.5	1.5	1	1	0.5

구분	용접작업성							내균열성
구분	아크성	비드외관	슬래그유동성	슬래그박리성	용융성	용적이행	종합	내균열성
발명예1	5	5	5	5	5	4	29	-
발명예2	5	5	4	5	5	4	28	-
발명예3	4	5	5	5	3	5	27	-
발명예4	5	4	4	4	4	4	25	-
발명예5	5	4	4	5	3	5	26	-
발명예6	4	4	5	5	4	5	27	-
발명예7	5	4	5	5	4	5	28	-
발명예8	5	5	4	4	3	5	26	-
발명예9	5	3	3	5	5	5	26	-
발명예10	5	3	5	5	5	5	28	-
발명예11	4	4	4	4	5	5	26	-
발명예12	5	3	5	5	5	5	28	-
발명예13	4	5	5	4	4	4	26	-
발명예14	5	3	3	5	5	5	26	-
비교예1	2	3	1	4	2	2	14	-
비교예2	4	3	4	4	5	4	24	균열발생
비교예3	2	1	1	2	4	5	15	-
비교예4	2	2	2	1	3	3	13	-
비교예5	2	2	1	1	2	4	12	-
비교예6	3	3	1	2	5	5	19	균열발생
비교예7	1	3	3	3	1	3	14	균열발생
비교예8	2	3	2	2	3	4	16	-
비교예9	3	3	2	2	3	3	16	-
비교예10	5	2	2	2	5	5	21	-
비교예11	3	3	1	1	3	3	14	-
비교예12	4	4	2	2	4	4	20	-
비교예13	2	4	3	4	1	5	19	-
비교예14	1	4	3	3	2	4	17	-
비교예15	5	3	2	1	3	3	17	-
비교예16	3	3	2	2	4	4	18	-

상기 표 2 내지 4로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명예는 모두 우수한 용접작업성과 내균열성을 확보하는 것을 알 수 있다.

그러나, 금속탄산염의 함량이 본 발명를 초과하는 비교예 1은 용접작업성이 열악한 것을 알 수 있으며, 본 발명 범위에 미치지 못하는 비교예 2의 경우에는 균열이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

한편, 금속불화물의 함량이 본 발명의 범위를 벗어나고, 수식의 값이 본 발명에 미치지 못하는 비교예 3 및 4는 용접작업성이 열악한 것을 알 수 있다. 또한, 슬래그 형성제 또는 탈산제 함량 및 수식의 값이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 5 내지 8의 경우에는 본 발명에서 요구하는 용접작업성을 만족하지 못하고, 균열이 발생하는 경우도 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 합금제의 함량이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 9의 경우에도 본 발명에서 요구한 용접작업성을 확보하지 못함을 알 수 있다.

한편, 조성의 성분 함량은 본 발명의 범위를 만족하지만, (금속탄산염+금속불화물+합금제)/(탈산제+고착제+슬래그형성제)의 값이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 10 내지 16의 경우에서는 본 발명에서 요구되는 용접작업성을 얻기 어려운 점이 있음을 확인할 수 있다.

Claims

93중량% 이상의 니켈로 이루어진 고순도 니켈 심선에 피복제를 도포하여 이루어진 니켈기 고크롬 합금용 피복 아크 용접봉에 있어서,
상기 피복제는 중량%로,
CaCO₃, MgCO₃, BaCO₃ 및 Li₂CO₃ 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 금속탄산염 15~25%;
CaF₂, BaF₂, MgF₂ 및 K₂SiF₆ 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 금속불화물 10~20%;
Al, Mg 및 Ti 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 탈산제 1~4%;
Mn, Fe, Si, Cr 및 Nb 을 포함하는 합금제 55~65%;
TiO₂, ZrO₂, SiO₂ 및 Al₂O₃으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 슬래그 형성제 1~4%;
고착제 1~3%; 및 나머지는 불가피한 불순물을 포함하고,
(금속탄산염+금속불화물+합금제)/(탈산제+고착제+슬래그형성제)의 값이 15~19인 것을 만족하는 니켈기 고크롬 합금용 피복 아크 용접봉.