KR20140022467A - 오스테나이트강 용접 조인트 - Google Patents

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유사쿠 도미오
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Abstract

특정의 화학 조성을 갖는 오스테나이트강의 모재를, 특정의 화학 조성을 갖는 오스테나이트강의 용접 재료를 이용하여, 가스 텅스텐 아크 용접 방법에 의해 용접한 오스테나이트강 용접 조인트로서, 용접 금속의 화학 조성이, C≤0.1%, Si≤0.8%, Mn:1.5~5.5%, Ni:8~15%, Cr:18~24%, Al＜0.05%, N:0.15~0.35%를 포함하고, 필요에 따라서 V≤0.5%, Nb≤0.5% 및 Mo≤4.5% 중 1종 이상을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물로서의 O≤0.02%, P≤0.05%, S≤0.03%로,〔413-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-9.5Ni-18.5Mo≤-70〕를 만족함과 더불어, 용접 금속의 페라이트량이, 면적률로 20% 이하인 오스테나이트강 용접 조인트는, 용접 후 열처리를 행하지 않는 경우에도, 고압 수소 가스 배관에 요구되는 특성인 고강도와 뛰어난 내수소취화 특성을 동시에 구비하고 있다.

Description

오스테나이트강 용접 조인트{AUSTENITE STEEL WELDED JOINT}
본 발명은, 오스테나이트강 용접 조인트에 관한 것이다. 상세하게는, 고압 가스 배관에 요구되는 고강도뿐만 아니라, 고압 수소 가스 배관에 요구되는 특성인 고강도 및 뛰어난 내수소취화 특성을 동시에 구비하는 용접 조인트에 관한 것이다.
근년, 수소, 천연가스 등을 에너지로서 이용하는 수송기기의 실용화 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그 실용화에 있어서는, 이들 가스를 고압으로 저장, 수송할 수 있는 사용 환경의 정비가 함께 필요하며, 거기에 사용되는 인장 강도로 800MPa를 웃도는 고강도 재료의 개발, 적용 검토가 병행하여 진행되고 있다.
이러한 배경의 아래, 사용되는 재료로서, 예를 들면, 특허 문헌 1~3에, 고Mn화함으로써 N의 용해도를 높이고, 또한 V를 함유시킴으로써, 혹은 V와 Nb를 복합하여 함유시킴으로써, N의 고용강화 및 질화물의 석출 강화를 활용하여, 고강도화를 시도한 오스테나이트계 스테인리스강이 제안되어 있다.
이들 다량의 N을 함유한 고강도 오스테나이트계강을 구조물로서 사용하는 경우, 용접에 의한 조립이 필요하지만, 사용 성능의 관점에서는 용접부도 모재와 동등한 강도가 요구된다. 그 때문에, 예를 들면, 특허 문헌 3~5에는, Al, Ti 및 Nb를 적극 활용함으로써, 800MPa를 넘는 인장 강도를 갖는 용접 재료(용접 금속)가 제안되어 있다.
그러나, 이들 용접 재료 및 그 용접 재료를 사용하여 얻어진 용접 금속은 모두 고강도화를 완수하기 위해서 용접 후 열처리를 행하는 것을 필요로 한다. 한편, 실제의 대형 구조물로서 생각한 경우, 이러한 장시간의 용접 후 열처리의 실시는, 큰 제약이 됨과 더불어, 제조 비용의 극도의 증대를 초래하는 경우가 있다.
국제 공개 제2004/083476호 국제 공개 제2004/083477호 국제 공개 제2004/110695호 일본국 특허 공개 평 5-192785호 공보 일본국 특허 공개 2010-227949호 공보
본 발명은, 상기 현상을 감안하여 이루어진 것이며, 용접 후 열처리를 행하지 않고 고압 가스 배관, 특히, 고압 수소 가스 배관에 요구되는 특성인 고강도 및 뛰어난 내수소취화 특성을 동시에 구비하는 용접 조인트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기한 과제를 해결하기 위해서 상세한 검토를 행했다. 그 결과, 우선, 용접 금속에 있어서, 용접 후 열처리를 행하지 않고 고강도를 달성하기 위해서는, N에 의한 고용강화를 최대한 활용하는 것이 유효함을 알았다.
여기서 또한, 용접 후 열처리를 행하지 않고, 용접 금속에 있어서, 질량%로, C:0.1% 이하, Si:0.8% 이하, Mn:2.5~5.5%, Ni:8~15%, Cr:19~25%, Al:0.05% 미만 및 N:0.15~0.45%를 함유하는 모재와 동등한 강도를 확보하기 위한 상세한 검토를 행했다.
추가하여, 얻어진 용접부의 수소취화 감수성을 평가하고, 적어도 모재와 동등한 내수소취화 특성을 얻기 위한 상세한 검토를 행했다.
그 결과, 하기 (a)~(c)의 사항이 밝혀졌다.
(a) 질량%로, Cr:18~24% 및 Ni:8~15%의 조성 범위의 용접 금속에 있어서는, 질량%로, 0.15% 이상의 N을 함유시킴으로써, 상기한 모재와 동등한 강도를 확보할 수 있다.
(b) 용접 금속중에 다량의 페라이트가 포함되는 경우, 페라이트가 기점이 되어 수소취화 균열이 발생하고, 그 균열이 연결·전파되어, 용접 금속의 내수소취화 특성이 손상된다. 그러나, 용접 금속 중의 페라이트량이 면적률로 20% 이하가 되도록 성분 조정하면, 뛰어난 내수소취화 특성을 얻을 수 있다.
(c) 용접 금속에 있어서의 오스테나이트상이 불안정한 경우, 용접 잔류 변형 및 그 후의 가공에 의해, 마르텐사이트화하여, 수소취화 감수성이 높아진다. 그러나, 성분 조정에 의해서, 구체적으로는, 용접 금속이, 각 원소 기호를 각각의 원소의 함유량(질량%)으로서,
413-462(C+N)-9. 2Si-8. 1Mn-13. 7Cr-9. 5Ni-18.5Mo≤-70
을 만족하도록 성분 조정하면, 오스테나이트의 안정성이 높아지므로, 뛰어난 내수소취화 특성을 얻을 수 있다.
또한, 상기 (a)에 기재된, 질량%로, Cr:18~24% 및 Ni:8~15%의 조성 범위의 용접 금속에 있어서, 질량%로, 0.15% 이상의 N을 함유시키기 위해서는, 하기 <1>~<3>의 방법을 실시하는 것이 바람직하다고 밝혀졌다.
<1> 용접중에 용융지 표면으로부터 N이 비산하기 때문에, 용접 후의 용접 금속 중에 보류하는 N량은 감소한다. 이 때문에, 용접입열의 관리 및/또는 개선(開先)형상의 선정을 행하여, 용접중의 용융지의 표면적을 작게 한다.
<2> Ar에, 체적%로, N2를 0~50% 혼합한 가스를 실드 가스로서 사용하고, 용접중에 용융지 표면으로부터의 N의 비산을 경감한다. 또한, 혼합하는 N2가, 체적%로, 0%란, Ar 단독 가스인 것을 가리킨다.
<3> Ar에, 체적%로, N2를 0~100% 혼합한 가스를 백 실드 가스로서 이용함으로써, 초층 용접시의 이면측 용융지 표면으로부터의 N의 비산을 방지한다. 또한, 혼합하는 N2가, 체적%로, 0%란, Ar 단독 가스인 것을 가리킨다. 혼합하는 N2가, 체적%로, 100%란, N2 단독 가스인 것을 가리킨다.
본 발명은, 상기 지견에 의거하여 완성된 것이며, 그 요지는, 하기 (1) 및 (2)에 나타내는 오스테나이트강 용접 조인트에 있다.
(1) 질량%로, C:0.1% 이하, Si:0.8% 이하, Mn:2.5~5.5%, Ni:8~15%, Cr:19~25%, Al:0.05% 미만, N:0.15~0.45%를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물로서의 O, P 및 S가 각각, O:0.02% 이하, P:0.05% 이하 및 S:0.03% 이하인 화학 조성을 갖는 모재를,
질량%로, C:0.1% 이하, Si:0.8% 이하, Mn:1.5~4.5%, Ni:8~15%, Cr:18~24%, Al:0.05% 미만, N:0.15~0.35%를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물로서의 O, P 및 S가 각각, O:0.02% 이하, P:0.05% 이하 및 S:0.03% 이하인 화학 조성을 갖는 용접 재료를 이용하여, 가스 텅스텐 아크 용접 방법에 의해 용접한 오스테나이트강 용접 조인트로서,
용접 금속의 화학 조성이, 질량%로, C:0.1% 이하, Si:0.8% 이하, Mn:1.5~5.5%, Ni:8~15%, Cr:18~24%, Al:0.05% 미만, N:0.15~0.35%를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물로서의 O, P 및 S가 각각, O:0.02% 이하, P:0.05% 이하 및 S:0.03% 이하이고, 또한 하기 (1)식을 만족함과 더불어, 용접 금속의 페라이트량이, 면적률로, 20% 이하인 것을 특징으로 하는, 오스테나이트강 용접 조인트.
413-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-9.5Ni-18.5Mo≤-70…(1)
단, (1)식 중의 각 원소 기호는, 각각의 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.
(2) 모재, 용접 재료 및 용접 금속 중, 어느 하나 이상의 화학 조성이, Fe의 일부를 대신해, 질량%로, V:0.5% 이하, Nb:0.5% 이하 및 Mo:4.5% 이하 중 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는, 상기 (1)에 기재된 오스테나이트강 용접 조인트.
잔부로서의, 「Fe 및 불순물」에 있어서의 「불순물」이란, 철강 재료를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것을 가리킨다.
본 발명에 의하면, 용접 후 열처리를 행하지 않고 고압 가스 배관, 특히, 고압 수소 가스 배관에 요구되는 특성인 고강도 및 뛰어난 내수소취화 특성을 동시에 구비하는 용접 조인트를 제공할 수 있다.
도 1은 개선 가공의 형상을 설명하는 도면이다.
본 발명의 오스테나이트강 용접 조인트에 있어서, 모재, 용접 재료 및 용접 금속의 화학 조성, 및 용접 금속의 조직을 한정하는 이유는 다음과 같다.
이하의 설명에서, 각 원소의 함유량의 「%」표시는 「질량%」를 의미한다.
(A) 모재, 용접 재료 및 용접 금속의 화학 조성
C:0.1% 이하(모재, 용접 재료 및 용접 금속)
C는, 오스테나이트를 안정화하는데 유효한 원소이다. 그러나, C는, 용접시의 가열에 의해 입계에 탄화물을 형성해, 내식성을 열화시킴과 더불어 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, C함유량의 상한을 0.1%로 한다. C함유량의 더욱 바람직한 상한은 0.08%이다. C의 함유량에는, 특별히 하한을 설정할 필요는 없으나, 극단적인 저하는 제조 비용의 현저한 상승을 초래한다. 그 때문에, 바람직한 C함유량의 하한은 0.002%이다.
Si:0.8% 이하(모재, 용접 재료 및 용접 금속)
Si는, 탈산제로서 또, 내식성의 향상에 유효한 원소이다. 그러나, Si의 과잉 함유는 오스테나이트의 안정성을 저하시킴과 더불어 연성의 저하를 초래하고, 게다가, 용접 금속에 있어서는 응고시에 주상 결정 경계에 편석해 액상의 융점을 낮춰, 응고 균열 감수성을 높인다. 그 때문에, Si의 함유량을 0.8% 이하로 한다. Si 함유량은, 더욱 바람직하게는, 0.6% 이하이다. Si의 함유량에는, 특별히 하한을 설정할 필요는 없으나, 극단적인 저하는 탈산 효과를 충분히 얻지 못해, 강의 청정도가 커져 청정성을 열화시킴과 더불어, 제조 비용의 상승을 초래한다. 그 때문에, 바람직한 Si 함유량의 하한은 0.01%이다.
Mn:2.5~5.5%(모재), 1.5~4.5%(용접 재료), 1.5~5.5%(용접 금속)
Mn은, 탈산제로서, 또, 오스테나이트를 안정화하는데도 유효한 원소이다. 또한 Mn은, 모재 제조시 및 용접시에, 용융 금속 중의 N의 용해도를 크게 하여, 강도를 높이는데 간접적으로 기여한다. 이 강도 향상 효과를 충분히 활용하기 위해서, 모재에서는 Mn을 2.5% 이상 함유시킬 필요가 있다. 한편, 용접 금속은 모재의 제조시에 비해 응고 속도가 빠르고, 응고 과정에서의 N의 감소가 적기 때문에, Mn은 1.5% 이상 함유시키면 된다. 용접중에 용융되어, 전부가 용접 금속이 되는 용접 재료의 Mn 함유량도 용접 금속과 동일하다. Mn 함유량의 더욱 바람직한 하한은, 모재에서는 2.7%, 용접 재료 및 용접 금속에서는 1.7%이다. 한편, Mn의 과잉 함유는 연성의 저하를 초래한다. 이 때문에, 모재 및 용접 금속에서는 Mn 함유량의 상한을 5.5%로 할 필요가 있다. 용접 재료에서는 세선(細線)으로의 가공이 곤란해지기 때문에, 모재 및 용접 금속의 경우에 비해, Mn 함유량의 상한은 4.5%로 보다 엄격하게 규제할 필요가 있다. 또한, 바람직한 Mn 함유량의 상한은 모재 및 용접 금속에서는 5.0%, 용접 재료에서는 4.0%이다.
Ni:8~15%(모재, 용접 재료 및 용접 금속)
Ni는, 안정적인 오스테나이트를 얻기 위해서 필수의 원소이며, 그 효과를 충분히 얻기 위해서는, 8% 이상의 함유량이 필요하다. 그러나, Ni는 고가의 원소이므로 다량의 함유는 비용의 증대를 초래함과 더불어, 모재 제조시 및 용접중의 용융 금속 중의 N의 용해도를 작게 한다. 그 때문에, Ni 함유량의 상한은 15%로 한다. Ni 함유량의 더욱 바람직한 하한은 8.2%이며, 더욱 바람직한 상한은 14.5%이다.
Cr:19~25%(모재), 18~24%(용접 재료 및 용접 금속)
Cr은, 사용 환경하에서의 내식성을 확보하기 위해서 필수 원소이다. 또한, Cr은, 모재 제조시 및 용접시에, 용해 금속 중의 N의 용해도를 크게 하는데 유효하며, 그 효과를 충분히 얻기 위해서는, 모재에서는 19% 이상의 Cr 함유량이 필요하다. 한편, 용접 금속은 모재의 제조시에 비해 응고 속도가 빠르고, 응고 과정에서의 N의 감소가 적기 때문에, 18% 이상 함유시키면 된다. 용접중에 용융되어, 전부가 용접 금속이 되는 용접 재료의 Cr 함유량도 용접 금속과 동일하다. Cr 함유량의 더욱 바람직한 하한은, 모재에서는 19.2%, 용접 재료 및 용접 금속에서는 18.2%이다. 한편, Cr의 과잉 함유는 오스테나이트를 불안정하게 하고, 접가스 환경의 종류에 따라서는 취화를 초래한다. 이 때문에, 모재에 있어서의 Cr 함유량의 상한은 25%로 할 필요가 있다. 또한, 용접 금속은 응고편석에 의해, 조직이 불안정해지므로, 더욱 엄격하게 Cr 함유량을 관리할 필요가 있어, Cr 함유량의 상한을 24%로 한다. 용접중에 용융되어, 전부가 용접 금속이 되는 용접 재료에 있어서의 Cr 함유량의 상한도 용접 금속과 동일하다. 더욱 바람직한 Cr 함유량의 상한은 모재에서는 24.5%, 용접 재료 및 용접 금속에서는 23.5%이다.
Al:0.05% 미만(모재, 용접 재료 및 용접 금속)
Al는, Si 및 Mn과 동일하게, 탈산제로서 함유된다. 그러나, Al를 과잉으로 함유한 경우, 다량의 질화물을 형성하여, 연성의 저하를 초래한다. 이 때문에, Al의 함유량을 0.05% 미만으로 한다. Al함유량은, 더욱 바람직하게는, 0.04% 이하이다. Al의 함유량에는, 특별히 하한을 설정할 필요는 없으나, 극단적인 저하는 탈산 효과를 충분히 얻지 못해, 강의 청정도가 커져 청정성을 열화시킴과 더불어, 제조 비용의 상승을 초래한다. 그 때문에, 바람직한 Al 함유량의 하한은 0.003%이다.
N:0.15~0.45%(모재), N:0.15~0.35%(용접 재료 및 용접 금속)
N은, 매트릭스에 고용됨과 더불어 미세한 질화물을 형성해, 높은 강도를 얻기 위한 필수 원소이다. 이 효과를 충분히 얻기 위해서는, 0.15% 이상의 N 함유량이 필요하다. 그러나, 모재에 있어서는, N의 함유량이 0.45%를 넘으면, 제조시의 열간 가공성 저하를 초래한다. 이 때문에, 모재에 있어서의 N 함유량의 상한은 0.45%로 할 필요가 있다. 또, 용접 금속에 있어서는, 0.35%를 넘는 양의 N은 용접중의 용융지에 용융되지 못해, 블로우홀 및/또는 피트의 원인이 된다. 이 때문에, 용접 금속에 있어서의 N 함유량의 상한은 0.35%로 할 필요가 있다. 용접중에 용융되어, 전체가 용접 금속이 되는 용접 재료에 있어서도, 용접 금속과 동일한 이유에 의해, N 함유량의 상한을 0.35%로 할 필요가 있다. 모재 N 함유량의 보다 바람직한 하한은 0.16%이며, 보다 바람직한 상한은 0.42%이다. 용접 재료 및 용접 금속에 있어서의 N 함유량의 보다 바람직한 하한은 0.16%이며, 보다 바람직한 상한은 0.32%이다.
본 발명의 오스테나이트강 용접 조인트에 있어서의 모재, 용접 재료 및 용접 금속 중 하나는, 상술한 C에서 N까지의 원소를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물로서의 O, P 및 S의 함유량을 각각, 다음에 기술하는 범위로 제한한 화학 조성을 갖는 것이다.
O:0.02% 이하(모재, 용접 재료 및 용접 금속)
O는, 불순물로서 존재하는데, 다량으로 포함되는 경우에는, 모재 및 용접 재료의 제조시의 열간 가공성의 저하를 초래함과 더불어, 용접 금속의 인성 및 연성의 열화를 초래한다. 그 때문에, O의 함유량은 0.02% 이하로 할 필요가 있다. 바람직한 O 함유량의 상한은 0.01%이다.
P:0.05% 이하(모재, 용접 재료 및 용접 금속)
P는, 불순물로서 포함되며, 다량으로 포함되는 경우에는, 모재 및 용접 재료에 있어서는 제조시의 열간 가공성을 저해함과 더불어, 용접 금속에 있어서는 응고시에 액상의 융점을 저하시켜, 응고 균열 감수성을 증대시킨다. 그 때문에, P의 함유량은 가능한 한 저감하는 것이 바람직하지만, 극도의 저감은 제강 비용의 증대를 초래하므로, 0.05% 이하로 한다. 더욱 바람직한 P의 함유량은 0.03% 이하이다.
S:0.03% 이하(모재, 용접 재료 및 용접 금속)
S는, P와 동일하게, 불순물로서 포함되며, 다량으로 포함되는 경우에는, 모재 및 용접 재료에 있어서는 제조시의 열간 가공성을 저해함과 더불어, 용접 금속에 있어서는 응고시에 액상의 융점을 저하시켜, 응고 균열 감수성을 증대시킨다. 그 때문에, S의 함유량은 P와 동일하게 가능한 한 저감하는 것이 바람직하지만, 극도의 저감은 제강 비용의 증대를 초래하므로, 상한은 0.03%로 한다. 더욱 바람직한 S의 함유량은 0.01% 이하이다.
본 발명의 오스테나이트강 용접 조인트에 있어서의 모재, 용접 재료 및 용접 금속의 다른 하나는, 잔부로서의 「Fe 및 불순물」에 있어서의 Fe의 일부를 대신해, V, Nb 및 Mo 중 1종 이상의 원소를 함유하는 것이다.
이하, 임의 원소인 상기 V, Nb 및 Mo의 작용 효과와 함유량의 한정 이유에 대해서 설명한다.
V:0.5% 이하
V는, 매트릭스에 고용 또는 탄화물로서 석출되고, 강도를 향상시키는데 유효한 원소이므로, 함유시켜도 된다. 그러나, V의 함유량이 많아져 0.5%를 넘으면, 탄화물이 다량으로 석출되어, 연성의 저하를 초래한다. 이 때문에, 함유시키는 경우의 V의 양을 0.5% 이하로 한다. 함유시키는 경우의 바람직한 V함유량의 상한은 0.4%이다.
상기한 V의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, V의 함유량은 0.01% 이상인 것이 바람직하다.
Nb:0.5% 이하
Nb는, V와 동일하게, 매트릭스에 고용 또는 탄질화물로서 석출되고, 강도를 향상시키는데 유효한 원소이므로, 함유시켜도 된다. 그러나, Nb의 함유량이 많아져 0.5%를 넘으면, 탄질화물이 다량으로 석출되어, 연성의 저하를 초래한다. 이 때문에, 함유시키는 경우의 Nb의 양을 0.5% 이하로 한다. 함유시키는 경우의 바람직한 Nb 함유량의 상한은 0.4%이다.
상기한 Nb의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Nb의 함유량은 0.01% 이상인 것이 바람직하다.
Mo:4.5% 이하
Mo는, 강도를 높이는데 유효한 원소이다. 또, Mo는, 사용 환경하에서의 내식성의 향상에 유효한 원소이다. 이 때문에, Mo를 함유시켜도 된다. 그러나, Mo는 매우 고가의 원소임과 더불어, 4.5%를 넘는 과잉 함유는 오스테나이트를 불안정하게 한다. 이 때문에, 함유시키는 경우의 Mo의 양을 4.5% 이하로 한다. 함유시키는 경우의 바람직한 Mo함유량의 상한은 4%이다.
상기한 Mo의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Mo의 함유량은 0.1% 이상인 것이 바람직하다.
상기 V, Nb 및 Mo는, 그 중의 어느 1종만, 또는, 2종 이상의 복합으로 함유시킬 수 있다. 이러한 원소를 복합하여 함유시키는 경우의 합계량은, V, Nb 및 Mo의 함유량이 각각 상한치인 경우의 5.5%여도 되지만, 5.0% 이하인 것이 바람직하다.
상기에 추가하여, 본 발명의 오스테나이트강 용접 조인트에 있어서의 용접 금속의 화학 조성은, 하기 (1)식을 만족할 필요가 있다.
413-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-9.5Ni-18.5Mo≤-70…(1)
단, (1)식 중의 각 원소 기호는, 각각의 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.
용접 금속은 급랭 응고 조직이므로, 오스테나이트가 불안정하고, 용접 잔류변형 및 용접 시공 후의 가공에 의해, 마르텐사이트화하여, 내수소취화성이 저하된다. 그러나, (1)식을 만족하면, 오스테나이트가 안정되므로, 용접 잔류 변형 및 용접 시공 후의 가공에 의한 마르텐사이트화를 방지할 수 있다. 상기 (1)식의 좌변은, -80 이하인 것이 바람직하고, 낮으면 낮을수록 좋다.
(B) 용접 금속의 조직
용접 금속의 조직은 급랭 응고 조직이다. 용접 금속에는, 고용화 열처리를 실시하여 제조하는 모재와는 달리, 응고 과정에서 고온으로 생성한 페라이트가 실온까지 잔존한다. 페라이트는, 수소 환경하에서는 취화되어, 파괴의 기점이 되고, 연속적으로 존재하는 경우에는 연결, 전파되어 용접 금속의 내수소취화성을 저하시킨다. 그러나, 페라이트량이, 면적률로, 20% 이하이면 상기 문제는 발생하기 어렵다. 따라서, 용접 금속에 있어서의 페라이트량을, 면적률로, 20% 이하로 했다. 용접 금속의 페라이트량은, 면적률로, 15% 이하인 것이 바람직하다. 용접 금속의 면적률의 페라이트량의 하한은 완전 오스테나이트일 때의 0%여도 된다.
용접 금속의 면적률에서의 페라이트량은, 용접 금속중의 Ni, Mn 및 C로 대표되는 오스테나이트 형성 원소에 대해, Cr 및 Si로 대표되는 페라이트 형성 원소가 증량한 경우에 증가한다. 이 때문에, 상기 용접 금속의 면적률에서의 페라이트량은, 용접 금속의 화학 조성이 이미 기술한 범위를 만족하고, 또한 오스테나이트 형성 원소에 대해, 페라이트 형성 원소를 과잉으로 함유하지 않도록 조정함으로써 달성된다.
상술한 화학 조성을 갖는 모재 및 용접 재료에 의해서, 상술한 화학 조성 및 페라이트량을 갖는 용접 금속을 얻기 위해서는, 가스 텅스텐 아크 용접 방법을 이용하여, 용접중의 용융지의 표면적을 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다.
가스 텅스텐 아크 용접 방법에 의한 용접은, 용접 종료 후의 크레이터 표면적이 120mm2 이하가 되도록, 용접 조건을 관리하는 것이 바람직하다.
가스 텅스텐 아크 용접 방법에 의한 용접에는, 실드 가스 및 백 실드 가스로서, Ar 가스에 N2 가스를 혼합한 가스를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 그 이유는 하기와 같다.
가스 텅스텐 아크 용접은 가스 메탈 아크 용접에 비해, 결함이 없는 고품질의 용접 조인트가 용이하게 얻어진다. 그러나, 용접중에는 용융지 표면으로부터 N이 비산하기 때문에, 용접 후의 용접 금속 중에 보류하는 N량이 감소하여, 강도 저하가 발생한다. 이것을 방지하기 위해서는, 용접중의 용융지의 표면적을 작게 해, N이 비산하는 영역을 작게 하는 것이 효과적이다. 구체적으로는, 용접중의 용융지의 표면적은 각 층의 용접 종료 후의 크레이터 표면적과 일치하기 때문에, 크레이터 표면적이 120mm2 이하가 되도록 용접 조건을 조정하는 것이 바람직하다.
또한, 실드 가스 또는 백 실드 가스에 N2 가스를 혼합하고, N의 분압을 높이는 것도 용융지 표면으로부터의 N의 비산의 저감에 유효함과 더불어, 응고한 용접 금속의 표면을 질화하여, 근소하게나마 강화에 기여한다. 단, 실드 가스 중 또는 백 실드 가스 중의 N2가 체적%로 50%를 넘으면, 고온에서 용접 금속 중에 용해되어 있던 N이 응고와 더불어 완전히 용해되지 않아 N2가 되어, 블로우홀 및/또는 피트를 형성하는 경우가 있다. 이 때문에, 실드 가스 중 또는 백 실드 가스 중의 N2 가스는, 상한을 체적%로 50%로 하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예에 의해서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
표 1에 나타낸 화학 조성을 갖는 부호 A~C의 재료를 실험실 용해하여 주조한 잉곳으로부터, 열간단조, 열간압연, 열처리 및 기계 가공에 의해, 판두께 3mm, 폭 50mm, 길이 100mm의 강판을 용접 모재용으로서 제작했다.
표 2에 나타낸 화학 조성을 갖는 부호 V~Z의 재료를 실험실 용해하여 주조한 잉곳으로부터, 열간단조, 열간압연 및 기계 가공에 의해, 외경 1.2mm인 용접 와이어(용접 재료)를 제작했다.
상기 용접 모재용 강판의 길이 방향으로, 도 1에 나타낸 개선 가공을 실시한 후, 모재, 용접 재료 및 용접 조건을 표 3에 나타낸 바와 같이 조합하여, 가스 텅스텐 아크 용접 방법에 의해 맞댐 용접을 행했다. 용접은 2층 용접으로 완료하고, 특정의 조인트에 대해서는 용접중에 위빙을 행했다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
먼저, 각 층의 용접 종료시의 크레이터 표면적을 측정했다. 또한, 용접 종료시의 크레이터는 용접중의 용융지 표면에 일치하기 때문에, 이것을 용접중의 용융지의 표면적이라고 볼 수 있다.
그 다음에, 적층을 완료한 용접 조인트로부터 단면 미크로 시험편을 채취하여, 광학 현미경으로 관찰하고, 용접 결함의 유무를 조사했다.
광학 현미경으로 관찰한 결과, 블로우홀 등의 용접 결함이 없었던 것을 「합격」이라고 판정했다. 그리고, 「합격」이라고 판정된 용접 조인트에 대해서, 용접 금속의 화학 분석을 행함과 더불어, 용접 금속 중앙부에 있어서의 면적률에서의 페라이트량을 측정하고, 또, 상기 용접 조인트로부터 용접 금속을 평행부 중앙에 갖는 판상 인장 시험편을 채취하여, 상온에서의 인장 시험에 제공했다.
또한, 상기 인장 시험에 있어서 모재 파단된 것을 「합격」이라고 판정하고, 합격이라고 판정된 용접 조인트에 대해서는, 용접 금속을 평행부로 하는 단차형 판 상 저변형속도 인장 시험편을 채취하여, 대기중 및 85MPa의 고압 수소 환경하에서의 저변형속도 인장 시험에 제공했다. 변형속도는 3×10-5/s로 하고, 저변형속도 인장 시험에 있어서 고압 수소 환경하에서의 파단 수축과 대기중에서의 파단 수축의 비가 90% 이상이 되는 것을 「합격」이라고 했다.
표 4에, 용접중의 용융지의 표면적에 상당하는 크레이터 표면적 및 용접 결함에 대한 조사 결과를 나타냈다. 표 5에, 용접 금속의 화학 분석 결과 및 용접 금속중의 페라이트의 양(면적률) 측정 결과를 나타냈다. 또한, 표 6에, 인장 시험 및 저변형속도 인장 시험의 결과를 나타냈다.
표 4의 「초층 크레이터 표면적」 및 「제2층 크레이터 표면적」란에 있어서의 「-」는, 블로우홀이 다발했기 때문에 측정을 행하지 않았음을 나타낸다.
표 5의 시험 부호 J17 및 J26에 있어서의 「--」는, 용접 결함이 나타났으므로, 용접 금속의 화학 분석 및 용접 금속 중의 페라이트량 측정을 행하지 않았음을 나타낸다.
표 6의 「인장 시험」란에 있어서의 「○」는 모재 파단되어 「합격」이라고 판정된 것을, 또, 「×」는 용접 금속 파단된 것을 나타낸다. 「-」는, 용접 결함이 나타났기 때문에 인장 시험을 행하지 않았음을 나타낸다.
마찬가지로, 표 6의 「저변형속도 인장 시험」란에 있어서의 「○」는, 고압 수소 환경하에서의 파단 수축과 대기중에서의 파단 수축의 비가 90% 이상으로 「합격」이라고 판정된 것을, 「×」는 상기 비가 90% 미만인 것을 나타낸다. 「-」는, 용접 결함이 나타났으므로(시험 부호 J17 및 J26) 또는 인장 시험에서 용접 금속 파단되었기 때문에(시험 부호 J19 및 J20), 저변형속도 인장 시험을 행하지 않았음을 나타낸다.
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
표 4~6으로부터 보아, 본 발명에서 규정하는 조건을 모두 만족하는 본 발명 예의 시험 부호 J1~J16 및 J22~25의 경우, 용접 조인트는, 용접 결함의 발생이 없고, 게다가, 고강도 및 뛰어난 내수소취화 특성을 동시에 구비하고 있음을 알 수 있다.
이에 반해, 비교예의 시험 부호 J17~J21, J26 및 J27의 경우, 용접 조인트에는, 적어도 용접 결함의 발생이 나타나는, 용접 금속 파단되는, 내수소취화 특성이 뒤떨어진다고 하는 문제가 발생했다.
즉, 시험 부호 J17 및 J26는, N량이 0.37%로 본 발명에서 규정하는 범위의 상한을 초과한 부호 V의 용접 재료를 이용했기 때문에, 용접시에 용융 금속중에 N이 용해되지 않아, 다수의 블로우홀이 발생했다(표 4 참조).
시험 부호 J18은, 용접 금속에 있어서의 (1)식의 좌변의 값이 -69이며 (1)식을 만족시키지 않으므로, 저변형속도 인장 시험시의 변형 가공에 의해 마르텐사이트가 생성되어, 용접 금속의 내수소취화성이 저하했다(표 5 및 표 6 참조).
시험 부호 J19 및 J20은, 크레이터 표면적이 120mm2를 넘고 있으며, 용융지 표면으로부터의 N의 비산이 커져, 용접 금속중의 N량이 본 발명에서 규정하는 범위를 밑돌았다. 이 때문에, 용접 금속 파단했다(표 4~6 참조).
시험 부호 J21 및 J27에 있어서는, Cr량이 24.9%로 본 발명에서 규정하는 범위의 상한을 초과한 부호 Z의 용접 재료를 이용했다. 이 때문에, 시험 부호 J21은, 용접 금속의 화학 성분은 본 발명의 규정을 만족하지만, Ni량에 대해 다량의 Cr을 함유하기 때문에, 페라이트량이 20%를 넘어, 용접 금속의 수소취화 감수성이 커졌다. 또한, 시험 부호 J27은, 용접 금속중의 Cr량도 본 발명에서 규정하는 범위의 상한을 초과하여, 다량의 Cr을 함유하기 때문에, 페라이트량이 20%를 넘어, 용접 금속의 수소취화 감수성이 커졌다(표 5 및 표 6 참조).
본 발명에 의하면, 용접 후 열처리를 행하지 않고 고압 가스 배관, 특히, 고압 수소 가스 배관에 요구되는 특성인 고강도 및 뛰어난 내수소취화 특성을 동시에 구비하는 용접 조인트를 제공할 수 있다.

Claims (2)

  1. 질량%로, C:0.1% 이하, Si:0.8% 이하, Mn:2.5~5.5%, Ni:8~15%, Cr:19~25%, Al:0.05% 미만, N:0.15~0.45%를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물로서의 O, P 및 S가 각각, O:0.02% 이하, P:0.05% 이하 및 S:0.03% 이하인 화학 조성을 갖는 모재를,
    질량%로, C:0.1% 이하, Si:0.8% 이하, Mn:1.5~4.5%, Ni:8~15%, Cr:18~24%, Al:0.05% 미만, N:0.15~0.35%를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물로서의 O, P 및 S가 각각, O:0.02% 이하, P:0.05% 이하 및 S:0.03% 이하인 화학 조성을 갖는 용접 재료를 이용하여, 가스 텅스텐 아크 용접 방법에 의해 용접한 오스테나이트강 용접 조인트로서,
    용접 금속의 화학 조성이, 질량%로, C:0.1% 이하, Si:0.8% 이하, Mn:1.5~5.5%, Ni:8~15%, Cr:18~24%, Al:0.05% 미만, N:0.15~0.35%를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물로서의 O, P 및 S가 각각, O:0.02% 이하, P:0.05% 이하 및 S:0.03% 이하이고, 또한 하기의 (1)식을 만족함과 더불어, 용접 금속의 페라이트량이, 면적률로, 20% 이하인 것을 특징으로 하는, 오스테나이트강 용접 조인트.
    413-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-9.5Ni-18.5Mo≤-70…(1)
    단, (1)식 중의 각 원소 기호는, 각각의 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    모재, 용접 재료 및 용접 금속 중, 어느 하나 이상의 화학 조성이, Fe의 일부를 대신해, 질량%로, V:0.5% 이하, Nb:0.5% 이하 및 Mo:4.5% 이하 중 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는, 오스테나이트강 용접 조인트.
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