KR20160119243A

KR20160119243A - 용접 조인트

Info

Publication number: KR20160119243A
Application number: KR1020167026322A
Authority: KR
Inventors: 가츠유키 이치미야; 마사오 유가; 가즈쿠니 하세; 시게루 엔도
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2016-10-12
Also published as: JPWO2015151521A1; EP3128024A4; WO2015151521A1; US10300564B2; US20170173743A1; CN106133165A; CN106133165B; EP3128024B1; EP3128024A1; JP5920542B2; KR101937005B1; WO2015151521A8

Abstract

C：0.03 ∼ 0.09 ％, Si：0.01 ∼ 0.35 ％, Mn：1.3 ∼ 2.0 ％, P：0.012 ％ 이하, S：0.0035 ％ 이하, Al：0.01 ∼ 0.06 ％, Ni：0.3 ％ 미만, Mo：0.10 ％ 미만, Nb：0.005 ∼ 0.023 ％, Ti：0.005 ∼ 0.025 ％, B：0.0003 ％ 미만, N：0.002 ∼ 0.005 ％, Ca：0.0005 ∼ 0.0050 ％ 및 O：0.0030 ％ 이하를 함유하고, 추가로 각 성분이 소정의 관계를 만족하는 성분 조성으로 이루어지는 강판을 모재로 하여, C：0.040 ∼ 0.090 ％, Si：0.1 ∼ 0.8 ％, Mn：1.0 ∼ 2.5 ％, Al：0.020 ％ 이하, Ni：0.1 ∼ 1.0 ％, Mo：0.05 ∼ 0.50 ％, Ti：0.005 ∼ 0.050 ％ 및 B：0.0015 ％ 이하를 함유하고, 잔부 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 용접 금속을 개재하여 제작되는 CTOD 특성이 우수한 용접 조인트를 제공한다.

Description

용접 조인트{WELD JOINT}

본 발명은 해양 구조물이나 풍력 발전, 선박, 압력 용기, 펜스탁 등 강 구조물에 제공하는 고장력 강판을 모재로 사용한 용접 조인트에 관한 것으로, 특히 항복 응력(YS)이 355 ㎫ 이상으로 다층 용접을 실시했을 때의 그 용접부의 저온 인성이 우수한 고장력 강판을 모재로 하고 우수한 인성을 갖는 용접 금속을 개재하여 제작되는 용접 조인트에 관한 것이다.

선박이나 해양 구조물, 풍력 발전 설비, 압력 용기에 사용되는 강은 용접 접합하여 원하는 형상의 구조물로서 완성된다. 그 때문에, 이들 강에는 구조물의 안전성 관점에서 모재의 강도가 높고, 인성이 우수함은 물론, 용접 조인트부(용접 금속이나 용접열 영향부)의 인성이 우수할 것이 요구된다.

강의 인성 평가 기준으로서는 종래, 주로 샤르피 충격 시험에 의한 흡수에너지가 이용되어 왔지만, 최근에는 보다 신뢰성을 높이기 위해서, 균열 개구 변위 시험(Crack Tip Opening Displacement Test, 이하 CTOD 시험이라고 하고, 이 시험에서의 평가 결과를 CTOD 특성 또는 CTOD치라고 한다)이 사용되는 일이 많다. 이 시험은 인성 평가부에 피로 예비균열을 발생시킨 시험편을 3점 굽힘하고, 파괴 직전의 균열의 입 열림량(소성 변형량)을 측정하여 취성 파괴의 발생 저항을 평가하는 것이다.

CTOD 시험에서는 피로 예비 균열을 이용하므로 매우 미소한 영역이 인성 평가부가 되고, 국소 취화역이 존재하면, 샤르피 충격 시험으로 양호한 인성이 얻어지더라도, 낮은 인성을 나타내는 경우가 있다.

상기 국소 취화역은 판두께가 두꺼운 강 등 다층 살붙임용접에 의해 복잡한 열이력을 수용하는 용접열 영향부(이하, HAZ라고도 칭한다)에서 발생되기 쉽고, 본드부(용접 금속과 모재의 경계)나 본드부가 2상역으로 재가열되는 부분(1 사이클째의 용접으로 거친 입자가 되어, 후속하는 용접 패스에 의해 페라이트와 오스테나이트의 2상역으로 가열되는 영역, 이하 2상역 재가열부라고 한다)이 국소 취화역이 된다.

상기 본드부는 융점 바로 아래의 고온에 처해지지 때문에, 오스테나이트립이 조대화되고, 이어지는 냉각에 의해 인성이 낮은 상부 베이나이트 조직으로 변태되기 쉽기 때문에, 매트릭스 자체의 인성이 낮다. 또, 본드부에서는 위드만스테텐 조직이나 도상(島狀) 마텐자이트(MA) 등의 취화 조직이 생성되기 쉬어 인성은 더욱 저하된다.

용접열 영향부(HAZ)의 인성을 향상시키기 위해, 예를 들어 강중에 Ti/N를 미세 분산시켜, 오스테나이트립의 조대화를 억제하거나 페라이트 변태핵으로서 이용하거나 하는 기술이 실용화되어 있다. 그러나, 본드부에 있어서는 Ti/N이 용해되는 온도역으로까지 가열되는 경우가 있어, 용접부의 저온 인성 요구가 엄격할수록, 상기 서술한 작용 효과가 발휘되지 않게 된다.

한편, 특허문헌 1이나 특허문헌 2에는 희토류 원소(REM)를 Ti와 함께 복합 첨가하여 강중에 미세 입자를 분산시킴으로써, 오스테나이트의 입성장을 억제하고, 용접부 인성을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.

그밖에, Ti의 산화물을 분산시키는 기술이나, BN의 페라이트핵 생성능과 산화물 분산을 조합하는 기술, 나아가서는 Ca나 REM을 첨가하여 황화물의 형태를 제어함으로써, 인성을 높이는 기술도 제안되어 있다.

그러나, 이들 기술은 비교적 저강도로 합금 원소량이 적은 강재가 대상인 바, 보다 고강도로 합금 원소량이 많은 강재의 경우에는 HAZ 조직이 페라이트를 포함하지 않는 조직이 되기 때문에, 적용할 수 없다.

그 때문에, 용접열 영향부에 있어서 페라이트를 생성시키기 쉽게 하는 기술로서 특허문헌 3에는 주로 Mn의 첨가량을 2 ％ 이상으로 높이는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 연속 주조재에서는 슬래브의 중심부에 Mn이 편석되기 쉽고, 모재 뿐만 아니라 용접열 영향부에서도 중심 편석부는 경도를 더해 파괴 기점이 되기 때문에, 모재 및 HAZ 인성의 저하를 일으킨다.

한편, 2상역 재가열부는 2상역 재가열로, 오스테나이트로 역변태된 영역에 탄소가 농화되어, 냉각중에 도상 마텐자이트를 포함하는 취약한 베이나이트 조직이 생성되어 인성이 저하된다. 그 때문에, 강 조성을 저C, 저Si화하여 도상 마텐자이트의 생성을 억제하여 인성을 향상시키고, Cu를 첨가함으로써 모재 강도를 확보하는 기술이 개시되어 있다(예를 들어, 특허문헌 4). 이들은 Cu의 석출 강화에 의해 강도를 높이는 방법인데, 특허문헌 4는 압연 후의 냉각 속도를 0.1 ℃/s 이하로 하고, 이 과정에서 Cu 입자를 석출시키는 방법을 택하고 있지만, 제조 안정성에 과제가 있다.

또, 특허문헌 5에서는 강판 조성과 용접 금속 조성의 조합에 의한, 인성이 우수한 용접 조인트가 제안되어 있다. 이 기술에서는 B를 강판 및 용접 금속에 있어서 소정량 이상 확보함으로써, HAZ 및 용접 금속을 조직 제어하여 우수한 인성을 얻고 있다. 그러나, B 첨가는 용접 조건에 따라서는 마텐자이트 등의 경질상의 생성을 조장시켜, 반대로 인성을 악화시키는 경우도 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허공보 평03-053367호 특허문헌 2 : 일본 공개특허공보 소60-184663호 특허문헌 3 : 일본 특허 제3697202호 특허문헌 4 : 일본 특허 제3045856호 특허문헌 5 : 일본 특허 제3722044호

최근, 선박이나 해양 구조물, 풍력 발전 설비, 압력 용기, 펜스탁 등, 철강 구조물에 있어서는 그 대형화에 수반하여, 강재에 대해서는 더 나은 고강도화가 요망되고 있다. 이들 철강 구조물에 사용되는 강재는 예를 들어, 판두께가 30 ㎜ 이상인 후육재가 많기 때문에, 항복 응력 355 ㎫ 급이나 그 이상의 강도를 확보하기 위해서는 첨가하는 합금 원소를 많게 하는 강 성분계가 유리하다. 그러나, 전술한 바와 같이, 본드부나 2상역 재가열부의 인성 향상은 합금 원소량이 많은 고강도 강재를 대상으로 충분히 검토되어 있다고는 하기 어렵다.

그래서, 본 발명은 해양 구조물이나 선박, 풍력 발전 설비, 압력 용기, 펜스탁 등 철강 구조물에 바람직하게 제공하는 항복 응력(YS)이 355 ㎫ 이상이고, 다층 용접부의 용접열 영향부의 저온 인성(CTOD 특성)이 우수한 고장력 강판을 모재로 하는 CTOD 특성이 우수한 용접 조인트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명자들은 상기 과제를 해결하기 위하여 예의 연구를 거듭한 바, 이하의 기술 사상에 기초하여 구체적인 성분 설계를 실시하여 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.

i) CTOD 특성은 강판 전체 두께의 시험편으로 평가되기 때문에, 성분이 농화되는 중심 편석부가 파괴 기점이 된다. 따라서, 용접열 영향부의 CTOD 특성을 향상시키기 위해 강판의 중심 편석으로서 농화되기 쉬운 원소를 적정량으로 제어하여 중심 편석부의 경화를 억제한다. 용강이 응고할 때에 최종 응고부가 되는 슬래브의 중심에 있어서, C, Mn, P, Ni 및 Nb가 다른 원소에 비해 농화도가 높기 때문에, 이들 원소의 첨가량을 중심 편석부 경도 지표에 의해 제어하여 중심 편석에서의 경도를 억제한다.

ii) 용접열 영향부의 인성을 향상시키기 위해, Ti/N를 유효 이용하여 용접 본드부 근방에서 오스테나이트립의 조대화를 억제한다. Ti/N를 적정량으로 제어함으로써, 강중에 Ti/N를 균일하게 미세 분산할 수 있다.

iii) 황화물의 형태 제어를 목적으로 하여 첨가하고 있는 Ca의 화합물(CaS)의 정출을 용접열 영향부의 인성 향상에 이용한다. CaS는 산화물에 비해 저온에서 정출되기 때문에, 균일하게 미세 분산시킬 수 있다. 그리고, CaS의 첨가량 및 첨가시의 용강 중의 용존 산소량을 적정 범위로 제어함으로써, CaS 정출 후라도 고용S가 확보되므로, CaS의 표면상에 MnS가 석출되어 복합 황화물을 형성한다. 이 MnS의 주위에는 Mn의 희박대가 형성되므로, 페라이트 변태가 보다 촉진된다.

iv) 용접 금속의 저온 인성을 확보하기 위해서는 입계 페라이트의 생성이나 위드만스테텐 페라이트의 생성을 억제하여 미세한 어시큘러 페라이트로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 입계에 편석함으로써 페라이트의 생성을 억제하는 B를 용접 금속에 첨가하는 것이 유리하다. 그러나, 용접 조건에 따라서는 조대한 철탄 붕화물이 생성되어, 반대로 인성을 저하시키는 경우도 있기 때문에, B는 적정량으로 할 필요가 있다. 한편, B는 용접 금속으로부터 모재측(HAZ)으로 확산되어 HAZ의 퀀칭성을 높임으로써 취화상인 마텐자이트의 생성을 조장하여 인성을 열화 시키는 경우도 있기 때문에, 역시 적정량으로 할 필요가 있다.

본 발명은 상기 지견에 근거하여 완성시킨 것으로, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 질량％ 로,

C：0.03 ∼ 0.09 ％,

Si：0.01 ∼ 0.35 ％,

Mn：1.3 ∼ 2.0 ％,

P：0.012 ％ 이하,

S：0.0035 ％ 이하,

Al：0.01 ∼ 0.06 ％,

Ni：0.3 ％ 미만,

Mo：0.10 ％ 미만,

Nb：0.005 ∼ 0.023 ％,

Ti：0.005 ∼ 0.025 ％,

B：0.0003 ％ 미만,

N：0.002 ∼ 0.005 ％,

Ca：0.0005 ∼ 0.0050 ％ 및

O：0.0030 ％ 이하

를 함유하고, 하기(1) 식에서 규정되는 Ceq：0.320 ∼ 0.420, Ti/N：1.5 ∼ 4.0, 그리고, 하기 (2) 식 및 (3) 식을 만족하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강판을 모재로 하여,

C：0.040 ∼ 0.090 ％,

Si：0.1 ∼ 0.8 ％,

Mn：1.0 ∼ 2.5 ％,

Al：0.02 ％ 이하,

Ni：0.1 ∼ 1.0 ％,

Mo：0.05 ∼ 0.50 ％,

Ti：0.005 ∼ 0.050 ％ 및

B：0.0015 ％ 이하

Ti：0.005 ∼ 0.050 ％

를 함유하고, 잔부 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 용접 금속을 개재하여 제조하여 이루어지는 용접 조인트.

Ceq = [C] ＋ [Mn]/6 ＋ ([Cu] ＋ [Ni])/15 ＋ ([Cr] ＋ [Mo] ＋ [V])/5 … (1)

0 ＜ [[Ca] － (0.18 ＋ 130 × [Ca]) × [O]]/1.25/[S] ＜ 1 … (2)

5.5[C]^4/3＋ 15[P] ＋ 0.90[Mn] ＋ 0.12[Ni] ＋ 7.9[Nb]^1/2＋ 0.53[Mo] ≤ 3.00 … (3)

여기서, [ ] 는 그 괄호 내의 원소의 함유량(질량％)

2. 상기 강판은 추가로, 질량％ 로,

Cu：0.7 ％ 이하,

Cr：0.1 ∼ 1.0 ％ 및

V：0.005 ∼ 0.050 ％

중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 1에 기재된 용접 조인트.

3. 상기 강판의 중심 편석부의 경도가 하기 (4) 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 상기 1 또는 2에 기재된 용접 조인트.

Hvmax/Hvave ≤ 1.35 ＋ 0.006/[C] － t/500 … (4)

여기서,

Hvmax：중심 편석부의 비커스 경도의 최대치,

Hvave：표리면으로부터 판두께의 1/4 까지와 중심 편석부를 제외한 부분의 비커스 경도의 평균치,

[C]：C 함유량(질량％)

t：강판의 판두께(㎜)

4. 상기 용접 금속은 추가로, 질량％ 로,

Cu：0.01 ∼ 0.20 ％,

Cr：0.01 ∼ 0.50 ％,

V：0.001 ∼ 0.080 ％ 및

Nb：0.001 ∼ 0.040 ％

중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 1, 2 또는 3에 기재된 용접 조인트.

본 발명에 의하면, 해양 구조물 등 대형 강 구조물에 사용하기에 적합한 항복 응력(YS)이 355 ㎫ 이상이고, 다층 용접부의 CTOD 특성이 우수한 용접 조인트를 얻을 수 있어 산업상 매우 유용하다.

본 발명에 있어서, 강판 및 용접 금속의 성분 조성을 상기 범위로 한정한 이유에 대해 성분별로 상세하게 설명한다. 또한, 이하에 언급하는 성분 조성에 관한 「％」표시는 특별한 언급이 없는 한 「질량％」를 의미한다.

먼저, 모재가 되는 강판의 화학 조성의 한정 이유를 나타낸다.

C：0.03 ∼ 0.09 ％

C는 모재가 되는 강판의 강도를 확보하는데 필요한 원소이다. C가 0.03 ％ 미만에서는 퀀칭성이 저하되어, 강도 확보를 위해서, Cu, Ni, Cr 및 Mo 등의 퀀칭성 향상 원소의 다량 첨가가 필요져 고비용을 초래하게 된다. 또, 0.09 ％ 를 초과하는 첨가는 용접부 인성을 저하시킨다. 따라서, C량은 0.03 ∼ 0.09 ％ 의 범위로 한다. 바람직하게는 0.040 ∼ 0.085 ％ 이다.

Si：0.01 ∼ 0.35 ％

Si는 탈산재로서 또, 모재 강도를 얻기 위해서 첨가하는 성분이다. 그러나, 0.35 ％ 를 초과하는 다량의 첨가는 용접성의 저하와 용접 조인트 인성의 저하를 초래하기 때문에 Si량은 0.01 ∼ 0.35 ％ 로 할 필요가 있다. 바람직하게는 0.28 ％ 이하이다. 더욱 바람직하게는 0.03 ∼ 0.25 ％ 이다.

Mn：1.3 ∼ 2.0 ％

Mn은 모재 강도 및 용접 조인트 강도를 확보하기 위해, 1.3 ％ 이상 첨가한다. 그러나, 2.0 ％ 를 초과하는 첨가는 용접성을 저하시키고, 퀀칭성이 과잉이 되어, 모재 인성 및 용접 조인트 인성을 저하시키기 때문에, 1.3 ∼ 2.0 ％ 의 범위로 한다. 바람직하게는 1.4 ∼ 1.9 ％ 이다. 더욱 바람직하게는 1.4 ∼ 1.8 ％ 이다.

P：0.012 ％ 이하

불순물 원소인 P는 모재 인성 및 용접부 인성을 저하시킨다. 특히, 용접부에 있어서 함유량이 0.012 ％ 를 초과하면 CTOD 특성이 현저하게 저하되기 때문에, 0.012 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.009 ％ 이하이다.

S：0.0035 ％ 이하

S는 불가피적으로 혼입되는 불순물이며, 0.0035 ％ 를 초과하여 함유하면 모재 및 용접부 인성을 저하시키기 때문에, 0.0035 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.0030 ％ 이하이다.

Al：0.01 ∼ 0.06 ％

Al은 용강을 탈산하기 위해서 첨가되는 원소이며, 0.01 ％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 한편, 0.06 ％ 를 초과하여 첨가하면, 모재 및 용접부 인성을 저하시킴과 함께, 용접에 의한 희석에 의해 용접 금속부에 혼입되어, 인성을 저하시키기 때문에, 0.06 ％ 이하로 제한한다. 바람직하게는 0.017 ∼ 0.055 ％ 이다. 또한, 본 발명에 있어서 Al량은 산가용성 Al(Sol.Al 등이라고도 칭해진다)로 규정하는 것으로 한다.

Ni：0.3 ％ 미만

Ni는 강의 강도와 인성의 향상에 유효한 원소이며, 용접부 CTOD 특성의 향상에도 유효하다. 그러기 위해서는 0.05 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Ni는 고가의 원소이고, 또 과도한 첨가는 주조시에 슬래브의 표면에 흠집이 발생하기 쉬워지므로, 함유하는 경우에는 상한을 0.3 ％ 미만으로 한다. 더욱 바람직하게는 0.06 ∼ 0.28 ％ 이다.

Mo：0.10 ％ 미만(제로를 포함)

Mo는 강도 상승에 유효한 원소이며, 필요에 따라 함유시키는 경우가 있다. 한편으로, Mo는 용접열 영향부에 있어서 취약한 마텐자이트를 생성시킨다는 점에서, 함유시키는 경우에는 0.10 ％ 미만으로 한다. 바람직하게는 0.08 ％ 미만이다.

Nb：0.005 ∼ 0.023 ％

Nb는 오스테나이트의 저온역에서 미재결정역을 형성하는 데에 기여하고, 이 저온역에서 압연을 실시함으로써, 모재의 조직 미세화 및 고인화를 도모할 수 있다. 또, 퀀칭성 향상, 템퍼링 시의 연화 저항에도 효과가 있어, 모재 강도의 향상에 유효한 원소이기도 하다. 상기 효과를 얻기 위해서는 0.005 ％ 이상으로 함유할 필요가 있다. 그러나, 0.023 ％ 를 초과하는 함유는 용접열 영향부에 인성이 열등한 상부 베이나이트나 마텐자이트의 생성을 촉진시키기 때문에, 상한은 0.023 ％ 로 한다. 바람직하게는 상한을 0.020 ％ 로 한다. 더욱 바람직하게는 0.008 ∼ 0.020 ％ 이다.

Ti：0.005 ∼ 0.025 ％

Ti는 용강이 응고될 때에 Ti/N가 되어 석출되고, 용접부에 있어서의 오스테나이트의 조대화를 억제하여 용접부의 인성 향상에 기여한다. 그러나, 0.005 ％ 미만의 함유에서는 그 효과가 작고, 한편, 0.025 ％ 를 초과하여 함유하면 Ti/N가 조대화하여 모재나 용접부 인성 개선 효과가 얻어지지 않기 때문에, 0.005 ∼ 0.025 ％ 로 한다. 바람직하게는 0.006 ∼ 0.020 ％ 이다. 더욱 바람직하게는 0.008 ∼ 0.016 ％ 이다.

B：0.0003 ％ 미만

B는 강이 오스테나이트역으로부터 냉각될 때에, 오스테나이트립계에 편석되고, 페라이트 변태를 억제하여, 마텐자이트를 다량으로 포함하는 베이나이트 조직을 생성시킨다. B의 첨가는 특히 용접열 영향부의 조직을 취화시키기 때문에, 0.0003 ％ 미만으로 제한한다.

N：0.002 ∼ 0.005 ％

N은 Ti나 Al과 반응하여 석출물을 형성함으로써, 결정립을 미세화하고, 모재 인성을 향상시킨다. 또, 용접부의 조직의 조대화를 억제하는 Ti/N를 형성시키기 위해서 필요한 원소이다. 이들 작용을 발휘하려면 , N을 0.002 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 0.005 ％ 를 초과하여 첨가하면 고용 N이 모재나 용접부의 인성을 현저하게 저하시키거나 Ti/Nb 복합 석출물의 생성에 의한 고용 Nb의 감소에 수반하는, 강도 저하를 초래하는 점에서, 상한을 0.005 ％ 로 한다. 더욱 바람직하게는 0.0025 ∼ 0.0045 ％ 이다.

Ca：0.0005 ∼ 0.0050 ％

Ca는 S를 고정시킴으로써 인성을 향상시키는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는 적어도 0.0005 ％ 의 첨가가 필요하다. 그러나, 0.0050 ％ 를 초과하여 함유해도 그 효과는 포화되기 때문에, 0.0005 ∼ 0.0050 ％ 의 범위에서 첨가한다. 더욱 바람직하게는 0.008 ∼ 0.0035 ％ 이다.

O：0.0030 ％ 이하

O는 0.0030 ％ 를 초과하면 모재의 인성이 열화되기 때문에, 0.0030 ％ 이하, 바람직하게는 0.0025 ％ 이하로 한다.

또한, 하기 (1) 식에서 규정되는 Ceq：0.320 ∼ 0.420, Ti/N：1.5 ∼ 4.0, 그리고, 하기 (2) 식 및(3) 식을 만족하는 것이 중요하다. 또한, 각 식에 있어서의 [ ] 는 그 괄호내의 원소의 함유량(질량％)이다.

0 ＜ [[Ca] － (0.18 ＋ 130 × [Ca]) × [O]]/1.25/[S] ＜ 1 … (2)

Ceq：0.320 ∼ 0.420

상기 (1) 식에서 규정되는 Ceq가 0.320 미만에서는 항복 응력 355 ㎫ 급의 강도를 얻기가 어려워진다. 한편, Ceq가 0.420을 초과하면, 용접성이나 용접부 인성이 저하되기 때문에, 0.420 이하로 한다. 바람직하게는 0.340 ∼ 0.420 이다.

Ti/N：1.5 ∼ 4.0

Ti/N가 1.5 미만에서는 생성되는 Ti/N량이 감소하고, Ti/N가 되지 않는 고용 N이 용접부 인성을 저하시킨다. 또, Ti/N가 4.0을 초과하면, Ti/N가 조대화되어 용접부 인성을 저하시킨다. 따라서, Ti/N의 범위는 1.5 ∼ 4.0, 바람직하게는 1.8 ∼ 3.5로 한다. 또한, Ti/N는 각 원소의 함유량(질량％)의 비이다.

0 ＜ [[Ca] － (0.18 ＋ 130 × [Ca]) × [O]]/1.25/[S] ＜ 1

[[Ca] － (0.18 ＋ 130 × [Ca]) × [O]]/1.25/[S]는 황화물 형태 제어에 유효한 Ca와 S의 원자 농도의 비를 나타내는 값이며, ACR(Atomic Concentration Ratio)이라고도 칭해진다. 이 값에 의해 황화물의 형태를 추정할 수 있고, 고온에서도 용해되지 않는 페라이트 변태 생성핵 CaS를 미세 분산시키기 위해서 규정할 필요가 있다. 즉, ACR이 0 이하인 경우에는 CaS가 정출되지 않는다. 그 때문에, S는 MnS 단독의 형태로 석출되는 결과, 용접열 영향부에서의 페라이트 생성핵이 얻어지지 않는다. 또, 단독으로 석출된 MnS는 압연시에 신장되어 모재의 인성 저하를 일으키게 된다.

한편, ACR은 1 이상인 경우에는 S가 완전하게 Ca 에 의해 고정되어, 페라이트 생성핵으로서 기능하는 MnS가 CaS 상에 석출되지 않게 되기 때문에, 복합 황화물이 페라이트 생성핵의 미세 분산을 실현할 수 없게 되어, 인성 향상 효과가 얻어지지 않는다. 이와 같이, ACR가 0을 초과하고 1 미만인 경우에는 CaS 상에 MnS가 석출되어 복합 황화물을 형성하고, 이것이 페라이트 생성핵으로서 유효하게 기능하게 된다. 또한, ACR는 바람직하게는 0.2에서 0.8의 범위이다.

5.5[C]^4/3＋ 15[P] ＋ 0.90[Mn] ＋ 0.12[Ni] ＋ 7.9[Nb]^1/2＋ 0.53[Mo] ≤ 3.00

5.5[C]^4/3＋ 15[P] ＋ 0.90[Mn] ＋ 0.12[Ni] ＋ 7.9[Nb]^1/2＋ 0.53[Mo]는 중심 편석에 농화되기 쉬운 성분으로 구성되는 중심 편석부 경도 지표이며, 이하의 설명에서는 Ceq*값이라고 칭한다. 그런데, CTOD 시험은 강판 전체 두께를 대상으로 하는 시험이다. 따라서, 동 시험에 제공하는 시험편은 중심 편석을 포함하여, 중심 편석에서의 성분 농화가 현저하면 용접열 영향부에 경화역이 생성되기 때문에 양호한 CTOD치가 얻어지지 않는다. Ceq*값을 적정 범위로 제어함으로써, 중심 편석부에 있어서의 과도한 경도 상승을 억제할 수 있어 판두께가 두꺼운 강재의 용접부에 있어서도 우수한 CTOD 특성이 얻어진다. Ceq*값의 적정 범위는 실험적으로 구해진 것으로, Ceq*값이 3.00을 초과하면 CTOD 특성이 저하되므로 3.00 이하로 한다. 바람직하게는 2.90 이하이다.

이상이 본 발명의 기본 성분 조성이지만, 특성을 더욱 향상시키는 것을 목적으로 하여, Cu：0.7 ％ 이하, Cr：0.1 ∼ 1.0 ％ 및 V：0.005 ∼ 0.050 ％ 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유할 수 있다.

Cu：0.7 ％ 이하

Cu는 모재의 강도를 높이는 데에 유효하고, 이를 위해서는 0.1 ％ 이상으로 첨가하는 것이 바람직하다. 단, 0.7 ％ 를 초과한 첨가는 열간 연성을 저하시키게 되기 때문에, 0.7 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.6 ％ 이하로 한다.

Cr：0.1 ∼ 1.0 ％

Cr은 모재를 고강도화하는 데에 유효한 원소이며, 이 효과를 발휘하려면 0.1 ％ 이상을 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, 과잉되게 함유하면 인성에 악영향을 미치기 때문에, 첨가하는 경우에는 1.0 ％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.2 ∼ 0.8 ％ 인 것이 더욱 바람직하다.

V：0.005 ∼ 0.050 ％

V는 0.005 ％ 이상의 함유로 모재의 강도와 인성의 향상에 유효한 원소이지만, 함유량이 0.050 ％ 를 초과하면 인성 저하를 초래하기 때문에, 첨가하는 경우에는 0.005 ∼ 0.050 ％ 인 것이 바람직하다.

그리고, 강판의 중심 편석부의 경도를 이하와 같이 규정하는 것이 CTOD 특성을 향상시키는 데에 유리하다.

Hvmax/Hvave ≤ 1.35 ＋ 0.006/[C] － t/500

먼저, 상기 식에 있어서, Hvmax는 중심 편석부의 비커스 경도의 최대치, Hvave는 강판의 표리면으로부터 판두께의 1/4까지와 중심 편석부를 제외한 부분의 비커스 경도의 평균치, [C]는 C 함유량(질량％), t는 판두께(㎜)를 나타낸다.

즉, Hvmax/Hvave는 중심 편석부의 경도를 나타내는 무차원 파라미터이며, 그 값이 1.35 ＋ 0.006/[C] － t/500으로 구해지는 값보다 높아지면 CTOD치가 저하되기 때문에, 1.35 ＋ 0.006/[C] － t/500 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 1.25 ＋ 0.006/[C] － t·500 이하로 한다.

여기서, Hvmax는 강판의 두께 방향으로, 중심 편석부를 포함하는 (판두께/40) ㎜의 범위를 비커스 경도 시험기(하중 10 kgf)로 판두께 방향으로 0.25 ㎜ 간격이 되도록 측정하고, 얻어진 측정치 중의 최대치로 한다. 또, Hvave는 강판 표면으로부터 판두께의 1/4의 위치와 동 이면으로부터 판두께의 1/4의 위치 사이에 있어서의 중심 편석부를 제외한 범위를, 비커스 경도 시험기의 하중 10 kgf 로 판두께 방향으로 일정 간격(예를 들어 1 ∼ 2 ㎜)으로 측정한 값의 평균치로 한다.

다음으로, 용접 금속의 화학 조성에 대해 각 성분의 한정 이유를 나타낸다.

C：0.040 ∼ 0.090 ％

C는 용접 금속의 강도를 확보하기 위해서, 0.04 ％ 이상 첨가할 필요가 있다. 한편, 0.09 ％ 를 초과하여 첨가하면, 퀀칭성 과다로 인한 인성 저하를 초래한다. 따라서, C량은 0.04 ∼ 0.09 ％ 로 한다. 바람직하게는 0.050 ∼ 0.085 ％ 이다.

Si：0.1 ∼ 0.8 ％

Si는 탈산 및 강도 확보를 위해서 첨가되지만, 0.1 ％ 미만에서는 용접 금속의 오일 흐름성이 저하되어 용접 결함이 발생하기 쉬워진다. 또, 0.8 ％ 를 초과하면 용접 금속의 강도가 과잉이 되어 균열이 발생하거나 인성이 저하된다. 따라서, Si량은 0.1 ∼ 0.8 ％ 로 한다. 바람직하게는 0.1 ∼ 0.6 ％ 이다. 더욱 바람직하게는 0.1 ∼ 0.5 ％ 이다.

Mn：1.0 ∼ 2.5 ％

Mn은 용접 금속의 강도를 확보하기 위해서 1.0 ％ 이상의 첨가가 필요하다. 한편, 2.5 ％ 를 초과하면 퀀칭성이 과다가 되어 인성이 저하된다. 따라서, Mn량은 1.0 ∼ 2.5 ％ 로 한다. 바람직하게는 1.0 ∼ 2.0 ％ 이다.

Al：0.020 ％ 이하

Al은 탈산을 위해서, 바람직하게는 0.004 ％ 이상이 필요하다. 한편, 0.020 ％ 를 초과하면 개재물이 많아지는 점, Ti 산화물의 생성을 억제하여 용접 금속 조직의 조대화를 초래하여 인성을 저하시키는 점에서, Al는 0.020 ％ 이하로 한다.

Ni：0.1 ∼ 1.0 ％

Ni는 용접 금속의 강도 및 인성을 확보하기 위해서 첨가가 필요하고, 0.1 ％ 미만에서는 효과가 없다. 한편, 1.0 ％ 를 초과하면 탕 흐름성을 저하시킨다. 따라서, 0.1 ∼ 1.0 ％ 로 한다. 바람직하게는 0.1 ∼ 0.8 ％ 이다.

Mo：0.05 ∼ 0.50 ％

Mo는 용접 금속의 강도 및 인성을 확보하기 위해서 첨가가 필요하고, 0.05 ％ 미만에서는 효과가 없고, 한편 0.50 ％ 를 초과하면 그 효과가 포화하기 때문에, 상한을 0.50 ％ 로 했다. 바람직하게는 0.08 ∼ 0.45 ％ 이다.

Ti：0.005 ∼ 0.050 ％

Ti는 용접 금속 중의 N를 Ti/N로서 고정하거나 산화물을 형성하여 어시큘러 페라이트의 생성핵으로서 중요한 기능을 한다. 0.005 ％ 미만에서는 그 효과가 충분히 얻어지지 않고, 0.050 ％ 를 초과하면 고용 Ti의 증가에 의해, 인성을 현저하게 저하시킨다. 따라서, Ti량은 0.005 ∼ 0.050 ％ 로 한다. 바람직하게는 0.006 ∼ 0.045 ％ 이다.

B：0.0015 ％ 이하

B는 용접 금속의 강도 상승에 효과가 있기 때문에, 0.0003 ％ 이상으로 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 과잉 첨가는 조대한 철탄 붕화물을 생성시키기 때문에, 0.0015 ％ 이하로 한다.

또한, 용접 입열에 의해 퀀칭성을 조정하기 위한 선택 원소로서 Cu, Cr, V 및 Nb를 필요에 따라 단독 또는 복합으로 첨가할 수 있다.

Cu：0.01 ∼ 0.20 ％

Cu는 용접 금속의 강도 상승에 효과가 있고, 그 효과를 얻기 위해서는 0.01 ％ 이상으로 첨가하는 것이 바람직하지만, 0.20 ％ 를 초과하면 고온 균열이나 인성이 저하되기 때문에, 0.20 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Cr：0.01 ∼ 0.50 ％

Cr는 용접 금속의 강도 상승에 효과가 있고, 그 효과를 얻기 위해서는 0.01 ％ 이상의 첨가가 바람직하다. 한편, 0.50 ％ 를 초과하면 인성이 저하되기 때문에, 0.50 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

V：0.001 ∼ 0.080 ％

V는 용접 금속의 강도 상승에 효과가 있고, 그 효과를 얻기 위해서는 0.001 ％ 이상의 첨가가 바람직하다. 한편, 0.080 ％ 를 초과하면 인성이 저하되기 때문에, 0.080 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Nb：0.001 ∼ 0.040 ％

Nb는 용접 금속의 강도 상승에 효과가 있고, 그 효과를 얻기 위해서는 0.001 ％ 이상의 첨가가 바람직하다. 한편, 0.040 ％ 를 초과하면 인성이 저하되기 때문에, 0.040 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 용접 조인트는 이하에 나타내는 제조 방법에 따라 제조하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 성분 조성으로 조정한 용강을 전로, 전기로 또는 진공 용해로 등을 사용한 통상적인 방법으로 용제한다. 이어서, 연속 주조 공정을 거쳐 슬래브로 한 후, 열간 압연에 의해 원하는 판두께로 한 후 냉각시키고, 또는 추가로 템퍼링 처리를 실시하여 두께 30 ㎜ 이상의 강판으로 한다.

그 때, 열간 압연 공정에서는 슬래브 가열 온도 및 압하율을 규정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 슬래브 가열 온도를 1000 ∼ 1200 ℃ 및 총압하율을 50 ％ 이상으로 하는 것이 모재에 고강도 및 양호한 인성을 부여하는 관점에서 바람직하다.

이렇게 하여 얻어진 강판을 모재로 하고, 상기 성분 조성으로 조정한 용접 금속을 사용하여 용접 조인트를 제작한다. 그 때, 강판의 판두께가 40 ㎜ 이하인 경우에는 강판에 X 형상의 개선 가공을 실시하고, 양면 1층의 서브머지 아크 용접을 실시한다. 강판의 판두께가 40 ㎜ 를 초과하는 경우에는 강판에 X 또는 V 형상의 개선 가공을 실시하고, 다층 살붙임의 서브머지 아크 용접을 실시한다.

즉, 양면 1층의 서브머지 아크 용접은 판두께 40 ㎜ 이하의 박물인 경우로 한정하여 사용한다. 또, 다층 살붙임의 서브머지 아크 용접은 입열량：80 kJ/㎝ 이상으로 실시할 수 있다. 여기서, 판두께 40 ㎜ 초과로 양면 1층 용접을 실시하면, 입열량이 100 kJ/㎝를 크게 초과하게 되어 용접부의 특성을 유지할 수 없는 경우가 있다. 이에 비하여, 다층 살붙임용접에서는 대체로 100 kJ/㎝를 상한으로 하여 시공할 수 있다.

[실시예]

표 1에 나타내는 성분 조성의 강을 용제한 후, 두께가 30 ㎜ ∼ 100 ㎜ 인 후강판을 제조했다. 모재의 평가방법으로서 인장 시험은 강판 판두께의 1/2 위치로부터 시험편의 길이 방향이 강판의 압연 방향과 수직이 되도록 JIS4호 시험편을 채취하고, JIS Z2241에 따라 항복 응력(YS) 및 인장 강도(TS)를 측정했다.

또, 샤르피 충격 시험은 강판 판두께의 1/2 위치로부터 시험편의 길이 방향이 강판의 압연 방향과 수직이 되도록 JIS V 노치 시험편을 채취하고, －40 ℃ 에 있어서의 흡수 에너지 ｖE－40 ℃ 를 측정했다.

또한, 모재 특성에 대해서는 YS ≥ 355 ㎫, TS ≥ 470 ㎫ 및 ｖE－40 ℃ ≥ 200 J 의 모두를 만족하는 것을 양호로 평가했다.

용접부 조인트로서 서브머지 아크 용접에 의한 다층 살붙임용접 조인트를 제작했다. 여기서, 용접은 입열량 100 kJ/㎝로 실시했다.

인성의 평가는 강판의 판두께의 1/4 위치의 용접 금속 중앙 및 용접 본드부를 샤르피 충격 시험의 노치 위치로 하여 －40 ℃ 의 온도에 있어서의 흡수 에너지 ｖE－40 ℃ 를 측정했다.

용접부 특성에 대해서는 3개의 평균이 ｖE－40 ℃ ≥ 150 J를 만족하는 것을 용접부 조인트 인성이 양호하다고 판단했다.

또, 용접 금속 중앙 및 용접 본드부를 CTOD 시험편의 노치 위치로서 －10 ℃ 에 있어서의 CTOD치인 δ－10 ℃ 를 측정하고, 시험 수량 3개 중 CTOD치(δ－10 ℃ )의 최소치가 0.50 ㎜ 이상인 경우를 용접 조인트의 CTOD 특성이 양호하다고 판단했다.

표 2에, 용접 금속의 화학 조성과 용접 조인트의 샤르피 충격 시험 결과 및 CTOD 시험 결과를 병기한다.

여기서, 모재의 성분 조성에 대해, 강 No. 1 ∼ 5는 발명예이고, 강 6 ∼ 24는 성분 조성의 어느 것의 성분량 또는 각 식의 값이 본 발명 범위 밖인 비교예이다.

표 2에 있어서 조인트 No. A, B, D, E, H, I, J 및 M은 모두 본 발명예이고, 목표를 만족하는 용접 본드부의 샤르피 충격 시험 결과 및 용접 본드부의 3점 굽힘 CTOD 시험 결과가 얻어져 있다.

한편, 조인트 No. C, F, G, K 및 N ∼ S는 강판 조성 및/또는 용접 금속 조성이 본 발명 범위 밖으로 모재 특성 또는 용접 본드부의 샤르피 충격 시험 결과 및 용접 본드부의 3점 굽힘 CTOD 시험 결과가 목표를 만족시키지 못했다.

표 1및 2에 나타내는 결과로부터, 본 발명에 따른 강판은 모재의 항복 응력(YS)이 355 ㎫ 이상이며, 또한 샤르피 흡수 에너지(ｖE－40 ℃)가 200 J 이상을 가지고 있어 모재의 강도 및 인성이 함께 우수한 것과, 추가로 용접 조인트의 용접 금속 및 본드부에 대해서도, vE－40 ℃ 가 150 J 이상이고, CTOD치가 0.5 ㎜ 이상이며, 용접열 영향부의 인성도 우수함을 알 수 있다. 이에 비해, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예에서는 상기 어느 하나 이상의 특성이 열등한 결과밖에 얻어지지 않는다.

Claims

질량％ 로,
C：0.03 ∼ 0.09 ％,
Si：0.01 ∼ 0.35 ％,
Mn：1.3 ∼ 2.0 ％,
P：0.012 ％ 이하,
S：0.0035 ％ 이하,
Al：0.01 ∼ 0.06 ％,
Ni：0.3 ％ 미만,
Mo：0.10 ％ 미만,
Nb：0.005 ∼ 0.023 ％,
Ti：0.005 ∼ 0.025 ％,
B：0.0003 ％ 미만,
N：0.002 ∼ 0.005 ％,
Ca：0.0005 ∼ 0.0050 ％ 및
O：0.0030 ％ 이하
를 함유하고, 하기(1) 식에서 규정되는 Ceq：0.320 ∼ 0.420, Ti/N：1.5 ∼ 4.0, 그리고, 하기 (2) 식 및 (3) 식을 만족하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강판을 모재로 하여,
C：0.040 ∼ 0.090 ％,
Si：0.1 ∼ 0.8 ％,
Mn：1.0 ∼ 2.5 ％,
Al：0.020 ％ 이하,
Ni：0.1 ∼ 1.0 ％,
Mo：0.05 ∼ 0.50 ％,
Ti：0.005 ∼ 0.050 ％ 및
B：0.0015 ％ 이하
를 함유하고, 잔부 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 용접 금속을 개재하여 제조하여 이루어지는 용접 조인트:
Ceq = [C] ＋ [Mn]/6 ＋ ([Cu] ＋ [Ni])/15 ＋ ([Cr] ＋ [Mo] ＋ [V])/5 … (1)
0 ＜ [[Ca] － (0.18 ＋ 130 × [Ca]) × [O]]/1.25/[S] ＜ 1 … (2)
5.5[C]^4/3＋ 15[P] ＋ 0.90[Mn] ＋ 0.12[Ni] ＋ 7.9[Nb]^1/2＋ 0.53[Mo] ≤ 3.00 … (3)
여기서, [ ] 는 그 괄호 내의 원소의 함유량(질량％).
제 1 항에 있어서,
상기 강판은 추가로, 질량％ 로,
Cu：0.7 ％ 이하,
Cr：0.1 ∼ 1.0 ％ 및
V：0.005 ∼ 0.050 ％
중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 용접 조인트.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 강판의 중심 편석부의 경도가 하기 (4) 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 용접 조인트.
Hvmax/Hvave ≤ 1.35 ＋ 0.006/[C] － t/500 … (4)
여기서,
Hvmax：중심 편석부의 비커스 경도의 최대치,
Hvave：표리면으로부터 판두께의 1/4 까지와 중심 편석부를 제외한 부분의 비커스 경도의 평균치,
[C]：C 함유량(질량％)
t：강판의 판두께(㎜)
제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 용접 금속은 추가로, 질량％ 로,
Cu：0.01 ∼ 0.20 ％,
Cr：0.01 ∼ 0.50 ％,
V：0.001 ∼ 0.080 ％ 및
Nb：0.001 ∼ 0.040 ％
중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 용접 조인트.