KR20160080096A

KR20160080096A - 초고강도 가스 메탈 아크 용접금속부

Info

Publication number: KR20160080096A
Application number: KR1020160076809A
Authority: KR
Inventors: 이진우
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2016-07-07
Also published as: KR102109230B1

Abstract

판 두께 3~8mm, 인장강도 100kgf급 초고강도 모재를 가스 메탈 아크 용접하여 얻어지는 가스 메탈 아크 용접금속부에 있어서, 중량%로, C: 0.08~0.12%, Si: 0.15~0.3%, Mn: 1.6~1.8%, Cr: 0.6~0.9%, Ni: 1.0~1.5%, Mo: 0.8~1.1%, P: 0.02% 이하, S: 0.01% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 베이나이트를 주상으로 하고 마르텐사이트를 제2상으로 하는 미세조직을 갖고, 모재 희석율이 45% 이상인 초고강도 가스 메탈 아크 용접금속부가 개시된다.

Description

초고강도 가스 메탈 아크 용접금속부{ULTRA HIGH STRENGTH GAS METAL ARC WELD METAL JOINT}

본 발명은 초고강도 가스 메탈 아크 용접금속부에 관한 것이다.

최근, 초고층 빌딩의 건설 및 사회 간접자본 건설이 활발히 진행됨에 따라 중장비 및 건설기계의 수요가 크게 증가하고 있으며, 이러한 중장비나 건설기계들에 적용되는 용접구조물에는 강도가 우수할 것이 요구된다.

한편, 이러한 고강도 용접구조물의 안정성을 확보하기 위해서는, 용접금속부의 충격인성을 확보할 필요가 있다. 이를 위해, 특허문헌 1에서는 용접금속부의 미세조직을 면적분율로 90% 이상의 침상 페라이트(Acicular Ferrite) 및 베이나이트(Bainite)로 제어하여 용접금속부의 충격인성을 확보하고 있다. 그러나, 상기 특허문헌 1은 모재 대비 용접금속부의 강도가 현저히 낮아 용접금속부에서 쉽게 파단이 발생하는 문제가 있다.

한국 공개특허공보 제10-2007-0068211호

본 발명의 일 측면은, 판 두께 3~8mm, 인장강도 100kgf급 초고강도 모재를 용접하여 구성한 용접구조물에서, 모재 대비 용접금속부의 강도 저하를 최소화하여 파단의 발생을 억제한 용접금속부를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 판 두께 3~8mm, 인장강도 100kgf급 초고강도 모재를 가스 메탈 아크 용접하여 얻어지는 가스 메탈 아크 용접금속부로서, 중량%로, C: 0.08~0.12%, Si: 0.15~0.3%, Mn: 1.6~1.8%, Cr: 0.6~0.9%, Ni: 1.0~1.5%, Mo: 0.8~1.1%, P: 0.02% 이하, S: 0.01% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 베이나이트를 주상으로 하고 마르텐사이트를 제2상으로 하는 미세조직을 가지며, 모재 희석율이 45% 이상인 가스 메탈 아크 용접금속부를 제공한다.

덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면, 판 두께 3~8mm, 인장강도 100kgf급 초고강도 모재를 용접하여 구성한 용접구조체에서 파단이 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있는 장점이 있다.

도 1의 (a)는 비교예 1의 용접금속부의 미세조직을 찍은 SEM 사진이고, (b)는 발명예 1의 용접금속부의 미세조직을 찍은 SEM 사진이다.
도 2의 (a)는 비교예 1의 비커스 경도를 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 2의 (b)는 발명예 1의 비커스 경도를 측정하여 나타낸 그래프이다.

본 발명자들은 판 두께 3~8mm, 인장강도 100kgf급 초고강도 열연재의 용접시, 용접금속부 내 모재 희석율이 45% 이상으로 상당히 높아, 모재 대비 용접금속부의 강도가 현저히 저하되며, 이로 인해 용접금속부에서 쉽게 파단이 발생하는 문제가 발생한다는 것을 알아내었으며, 이를 해결하기 위해 깊이 있게 연구하던 중, 용접금속부 내 합금원소의 종류 및 함량을 적절히 제어할 경우, 용접금속부 내 모재 희석율이 45% 이상인 경우에도, 용접금속부의 미세조직으로 베이나이트 및 마르텐사이트의 복합조직을 형성할 수 있으며, 이를 통해, 용접구조체에서 파단이 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있음을 인지하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

나아가, 상기 복합조직 중 베이나이트 및 마르텐사이트의 상분율을 적절하게 제어하고, 도상 마르텐사이트의 형성을 억제할 경우, 우수한 저온 충격인성을 확보할 수 있음을 추가적으로 발견할 수 있었다.

이하, 본 발명에 따른 용접금속부의 합금조성 및 성분범위에 대하여 상세히 설명한다.

탄소(C): 0.08~0.12중량%

탄소는 용접금속부의 강도 확보를 위한 중요한 원소이다. 강도를 안정적으로 확보하기 위해서는, 상기 탄소의 함량이 0.08중량% 이상인 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.12중량%를 초과하는 경우, 용접금속부에서 저온균열이 발생하기 쉽고, 이로 인해 저온 충격인성이 크게 열화되는 문제가 있다. 따라서, 상기 탄소의 함량은 0.08~0.12중량%로 제어함이 바람직하다.

실리콘(Si): 0.15~0.3중량%

실리콘은 용접금속부 내 산소를 저감시켜 청정도를 높이는 역할을 하며, 또한, 고용강화에 의해 용접금속부의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위하여 0.15중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.3중량%를 초과하는 경우, 산화물이 조대화되어 용접금속부의 인성이 열화될 우려가 있으며, 더욱이 탄소당량(Ceq)이 비교적 높은 본 발명의 경우, 용접열영향부(HAZ) 내 도상 마르텐사이트 생성을 조장할 우려가 있다. 따라서, 상기 실리콘의 함량은 0.15~0.3중량%로 제어함이 바람직하다.

망간(Mn): 1.6~1.8중량%

망간은 고용강화에 의해 용접금속부의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 강도를 안정적으로 확보하기 위해서는, 상기 망간의 함량이 1.6중량% 이상인 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 1.8%를 초과하는 경우에는 슬라브의 중심 편석의 유해성이 현저해지고, 대입열 용접열영향부(HAZ)의 경화 및 도상 마르텐사이트의 생성을 조장하여 취화시키는 문제가 있다.

크롬(Cr): 0.6~0.9중량%

크롬은 용접금속부의 강도를 확보하는데 유효한 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위하여 0.6중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, 크롬의 함량이 0.9중량%를 초과하는 경우에는 용접열영향부(HAZ)의 인성에 악영향을 끼치는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

니켈(Ni): 1.0~1.5중량%

니켈은 용접금속부의 인성의 열화를 억제하고 강도를 확보하는데 유효한 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위하여 1.0중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 한편, 니켈의 함량이 높을수록 강도 및 인성 향상에 유리하나, 니켈은 고가의 합금원소로써 그 함량이 1.5중량%를 초과할 경우 경제적으로 불리하므로, 본 발명에서는 그 함량을 1.5중량% 이하로 제어함이 바람직하다.

몰리브덴(Mo): 0.8~1.1중량%

몰리브덴은 용접금속부의 강도를 확보하는데 매우 유효한 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위하여, 0.8중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, 몰리브덴의 함량이 1.1중량%를 초과하는 경우에는 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 용접 경화성이 크게 증가하여 마르텐사이트 변태가 과도하게 촉진되며, 이로 인해 저온균열 발생 및 저온 충격인성이 크게 열화되는 문제가 있다.

인(P): 0.02중량% 이하

인은 불가피하게 함유되는 불순물로써, 주로 강편의 중심부에 편석되어 용접금속부의 인성을 크게 저하시키므로 그 함량을 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 이론상 인의 함량은 0중량%로 제어하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 그 상한을 0.02중량%로 관리한다.

황(S): 0.01중량% 이하

황은 불가피하게 불가피하게 함유되는 불순물로서, 망간 등과 결합하여 비금속 개재물을 형성하며, 이에 따라, 용접금속부의 인성을 크게 열화시키므로 그 함량을 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 이론상 황의 함량은 0중량%로 제어하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 그 상한을 0.01중량%로 관리한다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

상기 용접금속부는 하기 관계식 1로 정의되는 탄소당량(Ceq)이 0.8~0.9%인 것이 바람직하다. 상기 탄소당량이 0.8% 미만인 경우에는 충분한 강도가 확보되지 않을 우려가 있으며, 0.9%를 초과하는 경우에는 인성이 열화될 우려가 있다.

[관계식 1]

Ceq= C + Si/24 + Mn/6 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4

(단, C, Si, Mn, Ni, Cr 및 Mo는 각각의 중량%를 의미한다.)

이하, 본 발명에 따른 용접금속부의 미세조직에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 용접금속부는 베이나이트를 주상으로 하고, 마르텐사이트를 제2상으로 하는 미세조직을 갖는 것이 바람직하다. 상기와 같은 조직을 확보할 경우, 판 두께 3~8mm, 인장강도 100kgf급 초고강도 모재를 용접하여 구성한 용접구조체에서, 모재 대비 용접금속부의 강도가 현저히 낮아 용접금속부에서 쉽게 파단이 발생하는 문제를 해결할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 미세조직은 면적분율로 50% 초과 65% 이하의 베이나이트, 35% 이상 50% 미만의 마르텐사이트 및 5% 이하의 도상 마르텐사이트를 포함하는 것이 보다 바람직하다. 상기와 같은 조직을 확보할 경우, 우수한 저온 충격인성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따른 용접금속부는 800MPa 이상의 인장강도를 가져, 판 두께 3~8mm, 인장강도 100kgf급 초고강도 모재를 용접하여 구성한 용접구조체에서 파단의 발생을 효과적으로 억제할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 용접금속부는 -5℃에서의 충격 흡수 에너지(vE)가 47J 이상으로, 저온 충격인성이 매우 우수한 장점이 있다.

상기와 같은 용접금속부를 얻기 위한 용접방법은 특별히 한정하지 않으나, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 용접금속부는 가스 메탈 아크 용접(GMAW)에 의해 제조될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

( 실시예 )

하기 표 1의 조성을 갖는 모재를 대상으로 가스 메탈 아크 용접(GMAW)하여 하기 표 2의 조성(중량%)을 갖는 용접금속부를 제조하였다.

상기 가스 메탈 아크 용접시, 20kJ/cm의 용접 입열량을 적용하였으며, 보호가스는 아르곤(Ar) 및 이산화탄소(CO₂)의 부피비가 8:2인 혼합 가스를 사용하였다. 한편, 상기 모재의 판 두께는 6mm, 인장강도는 1145MPa, 항복강도는 1021MPa, 연신율은 11%였다.

이후, 용접에 의해 형성된 용접금속부의 미세조직을 분석하고, 인장강도, 항복강도, 연신율 및 충격인성을 측정하였으며, 이를 하기 표 3에 나타내었다. 이때, 인장시험편은 KS 규격(KS B 0801) 4호 시험편을 이용하였으며, 충격시험편은 KS규격(KS B 0809) 3호 시험편을 이용하여 샤르피 충격시험을 통해 용접금속부의 충격 흡수 에너지(vE)를 평가하였다.

합금조성	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	P	S	Ceq
성분범위	0.08	0.2	1.8	0.345	-	0.16	-	-	0.50

구분	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	P	S	Ceq
발명예1	0.097	0.25	1.7	0.83	1.2	1.06	0.003	0.002	0.85
비교예1	0.078	0.24	1.4	0.52	1.2	0.43	0.003	0.002	0.56

구분	미세조직(면적%)	인장강도(MPa)	항복강도(MPa)	연신율(%)	vE_-5℃(J)
발명예 1	B: 55%, M: 45%	875	720	8	50
비교예 1	AF:70%, B: 30%	757	628	9	35
B: 베이나이트, M: 마르텐사이트, AF: 침상 페라이트

상기 표 1 및 2에 나타난 바와 같이, 본 발명이 제어하는 범위를 만족하는 발명예 1의 경우 인장강도 및 저온 충격인성이 매우 우수한 것을 확인할 수 있다.

반면, 본 발명이 제어하는 범위를 벗어나는 비교예 1의 경우, 베이나이트 및 마르텐사이트 복합조직을 확보하지 못함으로써, 인장강도 및 저온 충격인성이 열위함을 확인할 수 있다.

한편, 도 1의 (a)는 비교예 1의 용접금속부의 미세조직을 찍은 SEM 사진이고, 도 1의 (b)는 발명예 1의 용접금속부의 미세조직을 찍은 SEM 사진이다. 또한, 도 2의 (a)는 비교예 1의 비커스 경도를 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 2의 (b)는 발명예 1의 비커스 경도를 측정하여 나타낸 그래프이다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

판 두께 3~8mm, 인장강도 100kgf급 초고강도 모재를 가스 메탈 아크 용접하여 얻어지는 가스 메탈 아크 용접금속부에 있어서,
중량%로, C: 0.08~0.12%, Si: 0.15~0.3%, Mn: 1.6~1.8%, Cr: 0.6~0.9%, Ni: 1.0~1.5%, Mo: 0.8~1.1%, P: 0.02% 이하, S: 0.01% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
베이나이트를 주상으로 하고 마르텐사이트를 제2상으로 하는 미세조직을 갖고, 모재 희석율이 45% 이상인 초고강도 가스 메탈 아크 용접금속부.
제1항에 있어서,
상기 미세조직은, 면적분율로 50% 초과 65% 이하의 베이나이트, 35% 이상 50% 미만의 마르텐사이트 및 5% 이하의 도상 마르텐사이트를 포함하는 초고강도 가스 메탈 아크 용접금속부.
제 1항에 있어서,
상기 용접금속부는 하기 관계식 1로 정의되는 탄소당량(Ceq)이 0.8~0.9%인 초고강도 가스 메탈 아크 용접금속부.
[관계식 1]
Ceq= C + Si/24 + Mn/6 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4
(단, C, Si, Mn, Ni, Cr 및 Mo는 각각의 중량%를 의미한다.)
제1항에 있어서,
상기 용접금속부의 인장강도는 800MPa 이상인 초고강도 가스 메탈 아크 용접금속부.
제1항에 있어서,
상기 용접금속부는 -5℃에서의 충격 흡수 에너지(vE)가 47J 이상인 초고강도 가스 메탈 아크 용접금속부.