KR20130118825A

KR20130118825A - 피로 특성이 우수한 용접 조인트

Info

Publication number: KR20130118825A
Application number: KR1020130043590A
Authority: KR
Inventors: 유스케 산다이지; 에이이치 다무라; 마사오 기네후치; 히데노리 나코
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2013-10-30
Also published as: JP2013224462A; JP5833966B2; CN103374689A

Abstract

본 발명은, 제조시에 특별한 관리를 필요로 하지 않는 강재를 모재로서 사용할 수 있는 동시에, 용접시의 작업성이 우수하고, 또한 피로 특성이 우수한 용접 조인트를 제공하는 것을 과제로 한다.
강재가 원하는 성분 조성을 갖고, 강재의 금속 조직은 면적률로 90％ 이상이 페라이트와 베이나이트이며, 또한 강재의 성분 조성이, Kp＝[Mn]＋1.5[Cr]＋2[Mo]＝2.4∼4.5 및 [Ti]/[N]＝1.5∼4.0이라고 하는 식을 만족시키고, 또한 HAZ부의 경도 구배가 ΔHv/L＜150이라고 하는 식을 만족시키는 용접 조인트이다.

Description

피로 특성이 우수한 용접 조인트{WELDING JOINT WITH EXCELLENT FATIGUE CHARACTERISTICS}

본 발명은, 조선, 건축물, 교량, 건설 기계 등의 우수한 피로 강도가 요구되는 구조물에 사용되는 피로 특성이 우수한 용접 조인트, 특히 인장 강도가 590㎫ 이상 780㎫ 미만인 강재를 모재로서 사용한 피로 특성이 우수한 용접 조인트에 관한 것이다.

최근, 조선, 건축물, 교량, 건설 기계 등의 기술 분야에 속하는 용접 구조물에 있어서는, 대형화와 그것에 수반되는 경량화가 진행되고 있고, 동시에 사용 강재에 있어서도 고강도화가 진행되고 있다. 일반적으로 강재가 고강도화되면, 강재 자체의 피로 강도는 향상되지만, 용접 조인트의 피로 강도는 향상되지 않는다고 하는 것이 알려져 있다. 강재가 고강도화되면, 용접 조인트에 있어서는, 도 2에 도시하는 용접 지단부(4)에 응력 집중이 발생함으로써 피로 균열이 발생하기 쉬운 상황으로 되어 버려, 반대로 피로 강도가 저하되어 버린다. 즉, 강재가 고강도화됨으로써, 반대로 용접 구조체의 피로 강도가 저하되어 버린다고 하는 것이 문제로 되어 있다.

종래부터 이러한 문제를 해결하기 위해, 용접 지단부를 그라인더 등에 의해 평활하게 가공함으로써 응력 집중을 완화하여 피로 강도를 향상시키는 등, 용접 후의 지단 처리에 의해 피로 강도를 확보하는 대책이 강구되어 왔다. 그러나, 이러한 대책을 행하면, 그때는 작업 능률이 저하되어 버린다고 하는 새로운 문제가 발생하고 있었다. 또한, 지단 처리가 불충분하면 용접 지단부에의 응력 집중을 더욱 강화시키게 되어, 용접 구조체의 피로 강도를 더욱 저하시켜 버릴 가능성도 있었다.

이러한 상황에 대해, 용접 후의 지단 처리를 실시하지 않아도 충분한 피로 강도를 확보할 수 있는 용접 조인트가 요구되고 있고, 특허문헌 1∼3 등에 의해서도 제안되어 있다.

특허문헌 1에 기재된 기술은, HAZ와 모재의 조직 제어를 행함으로써, 균열의 발생과 전파를 억제하여, 용접부의 피로 수명이 긴 강판을 얻을 수 있다고 한 기술로, 특히 HAZ에 있어서의 균열 발생ㆍ전파의 억제에는 HAZ의 페라이트 면적률을 높게 하는 것이 효과적이라고 하여, 페라이트 분율을 면적률로 15∼80％로 규정하고 있다. 그러나, 특허문헌 1의 기재와 같이 HAZ의 페라이트 분율을 높이면, 용접 조인트의 인장 강도를 확보하는 것이 곤란해져, 강도상의 제약이 매우 커져 버린다. 따라서, 실제의 용접 구조체에 있어서, 특허문헌 1에 기재된 기술을 적용하는 경우, 적용할 수 있는 부위가 한정되어 버린다.

특허문헌 2에 기재된 기술은, 마르텐사이트를 포함한 베이나이트 주체의 모재 조직이 조인트 피로 특성 향상에 적합하다고 하여 개발된 기술로, HAZ 조직이 베이나이트 60％ 초과로 되는 성분을 가진 용접 조인트로 함으로써, 용접 조인트의 피로 특성이 향상된다고 하고 있다. 그러나, 특허문헌 2의 기재와 같이, 모재 조직을 상기한 바와 같은 조직으로 하기 위해서는, 다량의 합금 원소의 첨가가 필요하여, 제조 비용이 상승한다고 하는 문제가 있다. 또한, 특허문헌 2에 기재된 바와 같은 다량의 합금 원소의 첨가는, 용접성을 악화시킬 뿐만 아니라, 강재 자체를 경화시키므로 가공성도 악화시킨다고 하는 문제도 겸비하고 있다.

특허문헌 3에 기재된 기술은, 금속 조직을 페라이트와 베이나이트 주체의 조직으로 하고, 펄라이트의 면적률을 10％ 이하로 함으로써, 용접 조인트의 용접성과 고강도를 양립시킬 수 있다고 한 기술로, 또한 용접시의 입열량을 관리하여 지단부 용접선 방향의 경도 분포를 제한하고, 응력 집중원의 발생을 억제함으로써, 균열의 발생을 억제할 수 있다고 한 기술이다.

이 기술에 따르면, 확실히 지단부 용접선 방향의 경도 분포를 제한함으로써, 용접 금속부와 HAZ부 사이의 경도차의 편차를 억제할 수는 있지만, 용접 금속부와 HAZ부 사이의 경도차에 의한 응력 집중은 해소할 수 없어, 피로 특성을 어느 정도 개선할 수 있었는지는 불분명하다. 또한, 피로 특성이 우수한 용접 조인트를 얻는 데 있어서, 압연시의 복열 온도 폭을 엄밀하게 관리한 강재를 모재로서 사용할 필요가 있다. 나아가서는, 용접시의 입열량을 엄밀하게 관리할 필요가 있으므로, 용접시의 작업성이라고 하는 면에서도 문제가 남는 기술이다.

일본 특허 출원 공개 평9-95754호 공보 일본 특허 출원 공개 평10-1743호 공보 일본 특허 출원 공개 제2010-24467호 공보

본 발명은, 상기 종래의 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 제조시에 특별한 관리를 필요로 하지 않는 강재를 모재로서 사용할 수 있는 동시에, 용접시의 작업성이 우수하고, 또한 피로 특성이 우수한 용접 조인트를 제공하는 것을 과제로 하는 것이다.

청구항 1에 기재된 발명은, 질량％로, C:0.01∼0.06％, Si:1.0％ 이하(0％를 포함함), Mn:1.25∼2.5％, Cr:0.1∼2.0％, Mo:1.5％ 이하(0％를 포함함), V:0.04％ 이하(0％를 포함함), Ti:0.005∼0.030％, B:0.0006∼0.005％, P:0.02％ 이하(0％를 포함하지 않음), S:0.01％ 이하(0％를 포함하지 않음), N:0.0020∼0.010％, Cu:0.01∼2.0％ 및/또는 Ni:0.01∼5.0％를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물이고, 금속 조직은, 면적률로 90％ 이상이 페라이트와 베이나이트이고, 또한 이하의 수학식 1 및 2를 만족시키는 강재를 사용한 용접 조인트이며, 또한 이하의 수학식 3을 만족시키는 HAZ부를 갖는 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 용접 조인트이다.

단, 수학식 1 및 2에서, [ ]는 각 원소의 함유량(질량％)을 나타내고, 수학식 3에서, ΔHv는 HAZ부의 경도의 최대값과 최소값의 차, L은 HAZ부의 길이(㎜)이다.

청구항 2에 기재된 발명은, 상기 강재가, 질량％로, Ca:0.005％ 이하를 더 함유하는 청구항 1에 기재된 피로 특성이 우수한 용접 조인트이다.

청구항 3에 기재된 발명은, 상기 강재가, 질량％로, Nb:0.04％ 이하를 더 함유하는 청구항 1 또는 2에 기재된 피로 특성이 우수한 용접 조인트이다.

청구항 4에 기재된 발명은, 상기 강재가, 질량％로, Al:0.2％ 이하를 더 함유하는 청구항 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 피로 특성이 우수한 용접 조인트이다.

본 발명에 따르면, 제조시에 특별한 관리를 필요로 하지 않는 강재를 모재로서 사용할 수 있는 동시에, 용접시의 입열량을 엄밀하게 관리하는 등의 필요도 없으므로 용접시의 작업성이 우수하고, 또한 피로 특성이 우수한 용접 조인트로 할 수 있다.

도 1은 피로 시험 및 경도 시험에 사용한 하중 전달형 십자 조인트 피로 시험편을 도시하는 것으로, (a)는 정면도, (b)는 평면도.
도 2는 하중 전달형 십자 조인트 피로 시험편의 지단부 부근을 확대한 정면도.
도 3은 HAZ부에 있어서의 경도 구배를 구하는 방법을 설명하기 위한 설명도로, 하중 전달형 십자 조인트 피로 시험편의 지단부 부근을 더욱 확대한 정면도.

본 발명자들은, 피로 특성이 우수한 용접 조인트를 얻는 데 있어서, 특허문헌 3에 기재된 기술을 비롯하여 종래부터의 기술을 이용한 경우, 모재로서 사용할 강재를 얻기 위해, 제조시에 엄밀한 관리를 행할 필요가 있고, 또한 용접시에 있어서도 입열량을 엄밀하게 관리할 필요가 있다고 하는 실정이 있으므로, 강재의 제조시 및 용접시에 특별한 관리를 행하지 않아도 우수한 피로 특성을 구비한 용접 조인트를 얻을 수 있는 조건을 발견하기 위해, 예의, 실험, 연구 등의 검토를 실시하였다.

본 발명자들은, 제조시에 특별한 관리를 행하지 않아도 얻을 수 있는 강재를 사용하는 것을 전제로 하여, 다양한 화학 성분 조성(이하, 단순히 성분 조성이라 서술하는 경우도 있음), 금속 조직을 갖는 강재를 모재로서 사용하여, 적절하게 용접 조건을 변경하여, 도 1에 도시하는 바와 같은 하중 전달형 십자 조인트 피로 시험편(이하, 단순히 시험편이라 서술하는 경우도 있음)을 제작하였다. 이들 다양한 조건에 의해 제작된 하중 전달형 십자 조인트 피로 시험편을 사용하여 피로 시험을 실시하고, 피로 시험 후의 시험편에 대해, 상세하게 관찰, 해석을 실시함으로써, 이하의 지식을 얻었다.

관찰 결과를 설명하기 위해, 우선, 용접 조인트의 지단부 부근의 개략도를 도 2에 도시한다. 부호 1은 강재(모재), 2는 HAZ부(열영향부), 3은 용접 금속, 4는 용접 지단부(이하, 단순히 지단부라고 서술하는 경우도 있음), 5는 거싯(gusset)(모재와 동일한 성분 조성, 금속 조직을 가짐)이다. 이들 각종 시험편을 사용하여 피로 시험을 실시한 결과, 모든 시험편에 있어서, 피로 균열은 용접 지단부(4)로부터 발생하고 있고, HAZ부(2), 모재(1)를 진전한 후, 파단에 이르고 있는 것을 확인하였다. 또한, 용접 조인트의 전체 수명은, 균열의 발생으로부터 HAZ부(2)까지 진전할 때의 수명이 대부분을 차지하는 것도 확인하였다. 또한, 균열의 발생은 지단부(4)에 발생하는 변형 집중에 의해 지배되고, 그 변형 집중은 HAZ부(2)에 있어서의 경도 분포에 의해 변화되는 것에 대해서도 확인하였다.

본 발명자들은, 이들 시험 결과로부터, HAZ부(2)의 경도 분포를 최적화함으로써 지단부(4)의 변형 집중을 완화하여 용접 조인트의 피로 수명을 향상시키는 것이 가능한 것을 발견하였다.

HAZ부(2)의 경도 분포에 대해서는, 강재(1)의 성분 조성뿐만 아니라, 용접시의 가열ㆍ냉각 속도가 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 특히, 용접선(6)으로부터의 거리에 따라 용접시의 최고 도달 온도나 냉각 속도가 크게 변화되므로, 용접선(6)으로부터의 거리에 따라 금속 조직이 크게 변화된다. 그 결과, HAZ부(2)에 경도 구배(경도 분포)가 발생한다.

따라서, 본 발명자들은, 용접선(6)으로부터의 거리에 상관없이, 즉, 용접시의 냉각 속도가 변화되어도 금속 조직의 변화가 적어, HAZ부(2)에 있어서 급격한 경도 변화가 발생하는 일이 없는 강재(1)의 성분 조성 및 용접 조인트로 할 때의 용접 조건을 검토하였다.

그 결과, 켄칭성 향상 원소의 함유량을 적절하게 제어한 후에, 용접시의 구 오스테나이트 입경의 조대화를 억제하는 작용이 있는 TiN을 적절하게 석출시키는 Ti/N 밸런스를 구비한 강재를 사용하여, 적절한 용접 조건에 의해 용접을 실시하여 용접 조인트를 제작함으로써, HAZ부에 발생하는 경도 구배를 억제할 수 있어, 양호한 피로 특성을 갖는 용접 조인트를 얻을 수 있는 것을 발견하고, 본 발명의 완성에 이르렀다.

이하, 본 발명을 실시 형태에 기초하여 더욱 상세하게 설명한다.

(강재의 금속 조직)

본 발명에 관한 용접 조인트를 구성하는 강판은, 인장 강도가 590㎫ 이상 780㎫ 미만인 강재인 것이 바람직하고, 강판의 금속 조직은, 고강도의 용접 조인트를 얻기 위해, 주로 페라이트와 베이나이트로 구성한다. 구체적으로는, 페라이트와 베이나이트를 더한 합계의 면적률을 금속 조직의 90％ 이상으로 한다. 또한, 여기서 설명하는 베이나이트에는, 상부 베이나이트, 하부 베이나이트, 애시큘러 페라이트, 그래뉼러 베이나이트 등의 조직이 포함된다. 잔량부의 금속 조직은, 펄라이트나 마르텐사이트-오스테나이트 혼합물(MA) 등 통상 강재 중에 함유되는 금속 조직이다.

(강재의 화학 성분 조성)

본 발명에 있어서는, C의 함유량을 극히 적은 함유량으로 한 후, 켄칭성 향상 원소인 Mn 및 Cr, 경우에 따라서는 Mo를 적극적으로 첨가하고, 그들 켄칭성 향상 원소의 함유량에 의해 정해지는 Kp값을 적절한 범위로 제어하는 동시에, B를 적량 더 첨가한다. 강재에 이러한 원소를 첨가함으로써, 베이나이트의 연속 냉각 곡선(CCT 곡선)이 단시간, 또한 저온도측으로 이동하고, 또한 페라이트의 CCT 곡선이 장시간측으로 이동한다.

종래는, 고냉각 속도에서는 마르텐사이트, 저냉각 속도에서는 페라이트가 생성되므로, 경도의 냉각 속도 감수성이 커, 최고 온도가 높고 냉각 속도가 높은 용접선 근방에서는 마르텐사이트가 생성되어 고경도로 되지만, 용접선으로부터 이격된 위치에서는 경도가 낮은 페라이트가 생성되어 버리므로, HAZ부에 있어서의 경도 구배가 높아져 버렸다. 그러나, 본 발명에서는, 켄칭성 향상 원소의 함유량을 적절하게 제어하므로, 용접선으로부터의 거리에 상관없이 HAZ부의 금속 조직이 안정적으로 베이나이트로 되므로, 경도 구배의 발생을 억제할 수 있다.

이 켄칭성 향상 원소의 함유량의 적절한 제어에 더하여, Ti/N 밸런스를 적절하게 제어하여, 용접시의 구 오스테나이트 입경의 조대화에 의한 강도 저하 및 냉각시의 마르텐사이트 변태를 억제함으로써, 더욱 확실하게 경도 구배의 발생을 억제할 수 있다.

이하, 본 발명에 관한 용접 조인트를 구성하는 강판의 성분 조성에 대해 설명한다. 또한, 단위는 모두 ％로 기재하지만, 질량％인 것을 나타낸다.

ㆍC:0.01∼0.06％

C는, HAZ부의 경도 및 모재 강도를 확보하기 위해 중요해지는 원소이다. C가 0.06％를 초과하면 용접선 근방에서 베이나이트가 아닌 마르텐사이트가 생성되게 되어, 피로 강도의 저하를 초래해 버린다. 바람직하게는, 0.055％ 이하이다. 한편, 0.01％ 미만에서는 필요 최소한의 모재 강도가 얻어지지 않게 된다. 바람직하게는, 0.015％ 이상이다.

ㆍSi:1.0％ 이하(0％를 포함함)

Si는 탈산재로서 유용한 원소이지만, 1.0％를 초과하여 첨가하면 피로 강도가 저하되어 버린다. 그로 인해, 상한을 1.0％로 한다. 바람직하게는 0.6％ 이하이다.

ㆍMn:1.25∼2.5％, Cr:0.1∼2.0％, Mo:1.5％ 이하(0％를 포함함)

이들 원소는 켄칭성을 개선하는 작용을 갖고, HAZ 전체에 걸쳐 베이나이트를 생성시키기 쉽게 하는 동시에, 상기한 바와 같이 C의 함유량을 극히 적은 함유량으로 한 후, B를 적량 첨가함으로써, 소입열시의 HAZ부의 강도 확보 및 모재 강도의 확보를 양립시키는 작용을 갖는다. Mn 및 Cr은 반드시 함유시킬 필요가 있고, Mn은 1.25％ 이상, Cr은 0.1％ 이상 함유시킬 필요가 있다. Mn 및 Cr이 이들 함유량을 만족시키지 않으면, 원하는 켄칭성 개선 작용이 발휘되지 않아, 모재 강도가 부족하다. 바람직하게는, Mn은 1.3％ 이상, Cr은 0.5％ 이상이고, Cr은 보다 바람직하게는 1.0％ 이상이다. 단, 이들 원소의 함유량이, Mn으로 2.5％, Cr로 2.0％, Mo로 1.5％를 초과하면 마르텐사이트를 생성하기 쉬워져 피로 강도가 저하된다. 바람직하게는, Mn으로 2.2％ 이하, Cr로 1.5％ 이하, Mo로 1.3％ 이하이다.

ㆍV:0.04％ 이하(0％를 포함함)

V는 소량의 첨가에 의해 켄칭성을 향상시키는 작용을 갖는다. 단, 0.04％를 초과하여 첨가하면 마르텐사이트가 생성되기 쉬워져 경도 구배가 커지고, 그 결과, 피로 강도가 저하되어 버린다. 바람직하게는 0.03％ 이하이다.

ㆍTi:0.005∼0.030％

Ti는 N과 질화물을 형성하여 용접시에 있어서의 HAZ부의 γ립 조대화를 억제함으로써, 마르텐사이트를 생성하기 어렵게 하고, 경도 구배를 작게 함으로써 피로 강도를 확보하는 작용을 갖는다. 단, Ti의 함유량이 0.030％를 초과하면 조대한 TiN이 생성되어 버려, 피로 강도가 저하된다. 바람직하게는 0.020％ 이하이다. 한편, 함유량이 0.005％ 미만에서는 γ립 조대화 억제의 효과가 불충분해진다. 바람직하게는 0.007％ 이상이다.

ㆍN:0.0020∼0.010％

상기한 바와 같이 N은, Ti와 질화물을 형성하여 용접시에 있어서의 HAZ부의 γ립 조대화의 억제에 기여함으로써 유용한 원소이다. 단, N은 B와 결합하여 고용 B를 감소시켜, B의 켄칭성 향상 작용을 저해하고, 피로 강도를 저하시키는 작용도 갖고 있고, N의 함유량이 0.010％를 초과하면 그 작용이 현저해진다. 바람직하게는 0.0080％ 이하이다. 한편, 함유량이 0.0020％ 미만에서는 γ립 조대화 억제의 효과가 불충분해진다. 바람직하게는 0.0035％ 이상이다.

ㆍB:0.0006∼0.005％

B는 켄칭성 개선 원소로, 저냉각 속도에서도 베이나이트를 생성하기 쉽게 하는 동시에, 상기한 바와 같이 C의 함유량을 극히 적은 함유량으로 한 후, B를 적량 첨가함으로써, Mn, Cr, Mo를 첨가함으로써, HAZ부의 경도 구배를 완만하게 하는 작용을 구비하고 있다. B의 함유량이 0.0006% 미만이면 켄칭성 개선 효과를 기대할 수 없어, 모재 강도가 부족하다. 바람직하게는 0.0007％ 이상, 보다 바람직하게는 0.0010％ 이상이다. 한편, 함유량이 0.005％를 초과하면 반대로 켄칭성이 저하되어 버려 경도 구배가 커진다. 바람직하게는 0.003％ 이하이다.

ㆍCu:0.01∼2.0％ 및/또는 Ni:0.01∼5.0％

Cu와 Ni는 고용 강화에 의해 피로 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. 단, Cu를 2.0％, Ni를 5.0％ 초과하여 첨가하면 HAZ부가 대폭 경화되어 버려, 피로 강도의 저하를 초래한다. 바람직하게는, Cu:1.5％ 이하, Ni:4.0％ 이하이다. 한편, Cu, Ni 모두 함유량이 0.01％를 만족시키지 않으면 피로 강도를 향상시킬 수 없다.

ㆍP:0.02％ 이하(0％를 포함하지 않음), S:0.01％ 이하(0％를 포함하지 않음)

P 및 S는, 불순물 원소이므로, 그 함유량은 가능한 한 적은 것이 바람직하다. 피로 강도 향상에 악영향을 미치지 않는 함유량은, P:0.02％ 이하, S:0.01％ 이하이다. P 및 S의 함유량의 하한에 대해서는 특별히 규정하지 않지만, 공업적으로 강 중의 P 및 S를 0％로 하는 것은 곤란하다.

ㆍKp＝[Mn]＋1.5[Cr]＋2[Mo]＝2.4∼4.5

켄칭성 향상 원소인 Mn, Cr, Mo의 함유량에 의해 상기한 식으로부터 정해지는 Kp값은, 2.4∼4.5인 것이 필요하다. Kp값이 2.4 미만인 경우는, 켄칭성 향상 작용을 발휘시킬 수 없어, HAZ부에 페라이트가 생성되게 되고, 경도 구배가 커져 피로 강도가 저하되어 버린다. 바람직한 Kp값은 2.7 이상이다. 단, Kp값이 4.5를 초과하면 HAZ부에 마르텐사이트가 생성되기 쉬워지므로, 이 경우도, 경도 구배가 커져 피로 강도가 저하되어 버린다. 또한, [ ]는 각 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.

ㆍ[Ti]/[N]＝1.5∼4.0

상기한 바와 같이, Ti의 함유량은 0.005∼0.030％, N의 함유량은 0.0020∼0.010％로 할 필요가 있지만, Ti와 N에 대해서는, 이들의 함유량을 만족시킨 후, Ti/N 밸런스, 즉, [Ti]/[N]을 1.5∼4.0의 범위로 할 필요가 있다. Ti/N 밸런스가 1.5 미만인 경우는, 강 중의 N 함유량이 많아짐으로써 HAZ 경도가 상승하고, 경도 구배가 커져 피로 강도가 저하된다. 바람직한 Ti/N 밸런스는 2.0 이상이다. 한편, Ti/N 밸런스가 4.0을 초과한 경우는, TiN에 의한 HAZ의 γ립 조대화 억제 효과가 얻어지지 않으므로, 마르텐사이트 변태가 발생하기 쉬워지고, 경도 구배가 커져 피로 강도가 저하된다. 바람직한 Ti/N 밸런스는 3.5 이하이다. 또한, [ ]는 각 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.

이상이, 본 발명에 관한 용접 조인트를 구성하는 강판의 필수 첨가 원소의 성분 범위의 한정 이유이고, 잔량부는 Fe 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물로서는, O, H 등을 들 수 있고, 이들 원소는 강재의 여러 특성을 저해하지 않을 정도로 함유하고 있어도 상관없다.

또한, 본 발명의 강재에, 이하에 나타내는 원소를 함유하면 더욱 유효하다. 이들 원소를 함유시키는 경우의 성분 범위의 한정 이유에 대해 다음에 설명한다.

ㆍCa:0.005％ 이하

Ca는 Ti 질화물을 미세화하는 작용이 있으므로, γ립의 조대화 억제에 기여함으로써 유용한 원소이다. 이러한 작용을 발휘시키기 위해서는 0.0005％ 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.0010％ 이상이다. 단, 0.005％를 초과하여 과잉으로 첨가하면 모재 인성이 저하되어, 피로 강도가 저하되므로, 첨가하는 경우는 0.005％ 이하로 한다. 보다 바람직하게는 0.004％ 이하이다.

ㆍNb:0.04％ 이하

Nb는 소량의 첨가로 켄칭성을 대폭 향상시키는 작용을 갖는다. 그러나, 0.04％를 초과하여 첨가한 경우는 HAZ부를 경화시켜 버려, 그 결과, 피로 강도가 저하되므로, 첨가하는 경우는 0.04％까지로 한다. 보다 바람직하게는 0.03％ 이하이다.

ㆍAl:0.2％ 이하

Al은 탈산 원소인 동시에, N을 고정화하여 고용 B를 증가시킴으로써, B에 기초하는 켄칭성 향상 작용을 높이기 때문에, 첨가하는 것이 바람직한 원소이지만, 0.2％를 초과하여 첨가하면 피로 강도가 저하되므로, 첨가하는 경우는 0.2％ 이하로 한다. 보다 바람직하게는 0.1％ 이하이다.

(HAZ부에 있어서의 경도 구배)

ㆍΔHv/L<150

HAZ부(열영향부)에 있어서의 경도 구배는, HAZ부에 있어서의 경도의 최대값과 최소값의 차 ΔHv를, HAZ부의 길이 L(㎜)로 나눔으로써 구할 수 있지만, 구해지는 경도 구배(ΔHv/L)는 150 미만이어야 한다. 경도 구배(ΔHv/L)가 150 이상으로 되면, 용접 지단부에 변형 집중이 발생되어 버리므로, 피로 강도를 확보하기 위해서는, 경도 구배(ΔHv/L)를 150 미만으로 할 필요가 있다.

또한, HAZ부(열영향부)에 있어서의 경도 구배는, 예를 들어 도 3에 도시하는 측정 방법에 의해 구할 수 있다. 또한, 도 3에 도시하는 용접 조인트는 하중 전달형 십자 조인트 피로 시험편이다. 시험편의 극표면의 경도 분포가 균열 발생에 큰 영향을 미치고 있다고 상정할 수 있지만, 현재의 기술에서는 표면 부근의 경도를 정확하게 측정하는 것은 곤란하기 때문에, 표면으로부터 100㎛의 깊이 위치의 경도를 측정함으로써 대응한다.

구체적으로는, 도 3에 ×표로 나타내는 바와 같이, 용접선(용접 본드)(6)으로부터 수백 ㎛ 용접 금속(3)측으로 이격된 위치로부터 모재(1)측을 향해 100㎛ 간격마다 경도 측정을 행한다. 이 측정에 의해, 3점 연속으로 모재(1)의 경도와 동등한 경도가 얻어진 경우의 가장 모재(1)측의 위치와 용접선(6) 사이를 HAZ부(2)로 하고, 이 3점 연속으로 모재(1)의 경도와 동등한 경도가 얻어진 경우의 가장 모재(1)측의 위치와 용접선(6) 사이의 치수를 HAZ부의 길이(두께) L로 한다. HAZ부(2)에 있어서 측정에 의해 얻어진 경도의 최대값과 최소값의 차 ΔHv를, 상기한 HAZ부의 길이 L(㎜)로 나눈 값 ΔHv/L을 경도 구배로 한다. 또한, 모재(1)의 경도와 동등한 경도라 함은, 비커스 경도의 차가 10 이내로 되는 경도이다. 또한, 모재(1)의 경도는, 용접부로부터 충분히 이격된 위치에 있어서의 표층으로부터 100㎛ 깊이의 경도를 측정함으로써 얻어진다.

또한, 경도 측정은 JIS나 ASTM에 준거한 방법으로 행하면 되지만, 측정 간격이 100㎛로 극히 짧기 때문에, 측정에 있어서는 마이크로 비커스 경도 시험기 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 측정에서는 편차가 발생하는 것이 생각되므로, 적어도 3단면 이상을 측정하고, 그 평균값에 의해 경도 구배를 구할 필요가 있다. 가능하면 5단면 이상을 측정하는 것이 바람직하다.

(용접 조건)

상기한 화학 성분 조성, 금속 조직을 만족시키는 강재를 사용하여, 용접시의 입열량을 50kJ/㎝ 미만, 또한 용접 속도를 100㎝/min 미만으로 하여 용접을 행함으로써, 원하는 경도 구배를 갖는 HAZ부를 구비한 용접 조인트를 얻을 수 있다.

입열량을 50kJ/㎝ 이상으로 하면, 냉각 속도가 급속으로 되는 것에 더하여, TiN에 의한 γ립의 조대화 억제 효과도 충분히 발휘할 수 없게 되므로, 가령, 상기한 화학 성분 조성, 금속 조직을 만족시키는 강재를 사용하여 용접 조인트를 얻었다고 해도, 용접선의 근방에 마르텐사이트가 생성되기 쉬워진다. 그 결과, 경도 구배가 커져, 피로 강도가 저하되어 버린다. 용접 속도를 100㎝/min 이상으로 한 경우는, 비드 형상이 불안정해지므로, 언더컷의 발생 등 용접 지단부의 형상이 불안정하게 되어 버린다. 그 결과, 가령, 상기한 화학 성분 조성, 금속 조직을 만족시키는 강재를 사용하여 용접 조인트를 얻었다고 해도, 경도 구배가 커져, 피로 강도가 저하되어 버린다.

[실시예]

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니며, 상기ㆍ후기하는 취지에 적합한 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이다.

표 1 및 표 2에 나타내는 화학 성분 조성의 강을 전로에서 용제하여, 표 3 및 표 4에 나타내는 조건으로 각 슬래브를, 표 3 및 표 4에 나타내는 판 두께로 될 때까지 열간 압연하여 강재를 얻었다. 이와 같이 하여 얻은 강재의 일부를 잘라내어, 모재로서의 금속 조직을 관찰하는 동시에, 인장 시험을 행하여, 모재의 0.2％ 내력(㎫)과 인장 강도(㎫)를 구하였다. 금속 조직의 관찰 결과와, 인장 시험의 실시 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다.

금속 조직은, 각 강재의 판 두께 1/4 위치 부위를 경면 연마한 시험편을, 2％ 나이탈액으로 에칭 후, 상기 개소에 대해 광학 현미경을 사용하여 400배로 관찰하여, 사진 촬영하였다. 이 관찰 시야 10시야에 대해, Media Cybernetics사제 「Image-Pro Plus」를 사용하여 화상 해석을 행하여, 강 조직 중의 베이나이트 분율을 측정하였다. 이때, 페라이트 분율, 의(擬) 폴리고날 페라이트 및 MA 이외의 라스(lath)상 조직은 베이나이트로 간주하였다.

인장 시험은, 각 강재의 판 두께 1/4 부위로부터 JIS 4호 시험편을 채취한 후, 그들 시험편을 사용하여 0.2％ 내력 및 인장 강도를 측정함으로써 실시하였다.

다음에, 압연 후의 강재에 대해, 표 5에 나타내는 다양한 용접 조건으로 필렛 용접하여, 도 1에 도시하는 하중 전달형 십자 조인트(용접 조인트)를 제작하였다. 그 용접 조인트의 용접 지단부 부근을 적절하게 잘라냄으로써 피로 시험편을 얻어, 경도 시험에 제공하였다.

각종 용접 조인트로부터 얻은 피로 시험편을 사용한 경도 시험은, 마이크로 비커스 시험기를 사용하여 JIS Z 2244에 준거하는 방법(경도 구배를 구하는 상세한 방법은 앞서 설명한 바와 같음)으로 실시하고, 경도를 측정함으로써 HAZ부의 경도 구배(ΔHv/L)를 구하였다. 또한 제작한 용접 조인트에 대해서는, 최대 응력을 350㎫로 일정하게 하고, 최소 응력을 변화시킴으로써, 응력 범위(Δσ)를 설정하여 피로 시험을 실시하고, 각 강종마다 S-N선도를 작성하여, 1×10⁶회의 피로 강도(표 3 및 표 4에는 단순히 피로 강도라 기재)를 구하였다.

앞서 설명한 바와 같이, 피로 강도를 확보하기 위해서는, 경도 구배(ΔHv/L)를 150 미만으로 할 필요가 있지만, 본 실시예에서는, 경도 구배(ΔHv/L)가 150 미만, 또한 1×10⁶회의 피로 강도가 75㎫ 이상이었던 것을, 피로 특성이 우수한 용접 조인트라고 하여 합격으로 한다. 이들의 시험 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다.

본 발명의 요건(청구항 1에 기재된 요건)을 만족시키는 용접 조인트로부터 채취한 No.1∼24의 피로 시험편은, 모두 경도 구배(ΔHv/L)가 150 미만이고, 또한 1×10⁶회의 피로 강도가 75㎫ 이상이었으므로, No.1∼24의 피로 시험편을 채취한 용접 조인트는, 피로 특성이 우수한 용접 조인트라고 평가할 수 있다.

이에 대해, No.25∼45의 피로 시험편은, 강재의 화학 성분 조성, 금속 조직 중 적어도 어느 하나가 본 발명의 요건(청구항 1에 기재된 요건)을 만족시키고 있지 않으므로, 경도 구배(ΔHv/L), 1×10⁶회의 피로 강도 중 적어도 어느 하나가 상기 합격 판정 조건을 만족시킬 수 없었다. 또한, No.46, 47의 피로 시험편은, 경도 구배(ΔHv/L)가 150 미만이라고 하는 시험 결과가 얻어져, 본 발명의 요건(청구항 1에 기재된 요건)을 만족시키지 않았다. 이상의 시험 결과로부터, No.25∼47의 피로 시험편을 채취한 용접 조인트는, 피로 특성이 우수한 용접 조인트라고 평가할 수 없다.

1 : 강재(모재)
2 : HAZ부(열영향부)
3 : 용접 금속
4 : 용접 지단부
5 : 거싯
6 : 용접선

Claims

질량％로, C:0.01∼0.06％, Si:1.0％ 이하(0％를 포함함), Mn:1.25∼2.5％, Cr:0.1∼2.0％, Mo:1.5％ 이하(0％를 포함함), V:0.04％ 이하(0％를 포함함), Ti:0.005∼0.030％, B:0.0006∼0.005％, P:0.02％ 이하(0％를 포함하지 않음), S:0.01％ 이하(0％를 포함하지 않음), N:0.0020∼0.010％를 함유하고,
Cu:0.01∼2.0％ 및 Ni:0.01∼5.0％로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 더 함유하고,
잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물이고,
금속 조직은, 면적률로 90％ 이상이 페라이트와 베이나이트이고,
또한, 이하의 수학식 1 및 2를 만족시키는 강재를 사용한 용접 조인트이며,
또한, 이하의 수학식 3을 만족시키는 용접 열영향부(HAZ부)를 갖는 것을 특징으로 하는, 피로 특성이 우수한 용접 조인트.
[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

단, 수학식 1 및 2에서, [ ]는 각 원소의 함유량(질량％)을 나타내고, 수학식 3에서, ΔHv는 HAZ부의 경도의 최대값과 최소값의 차, L은 HAZ부의 길이(㎜)임.
제1항에 있어서, 상기 강재가, 다른 원소로서, 질량％로, Ca:0.005％ 이하, Nb:0.04％ 이하, Al:0.2％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 더 함유하는 것인, 피로 특성이 우수한 용접 조인트.