KR20160133440A - 용접성이 개선된 철-니켈 합금 - Google Patents

용접성이 개선된 철-니켈 합금 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중량 기준으로,
35% ≤ Ni ≤ 37%,
미량 ≤ Mn ≤ 0.6%,
미량 ≤ C ≤ 0.07%,
미량 ≤ Si ≤ 0.35%,
미량 ≤ Cr ≤ 0.5%,
미량 ≤ Co ≤ 0.5%,
미량 ≤ Mo < 0.5%,
미량 ≤ S ≤ 0.0035%,
미량 ≤ O ≤ 0.0025%,
0.011% ≤ [(3.138×Al + 6×Mg + 13.418×Ca) - (3.509×O + 1.770×S)] ≤0.038%,
0.0003% < Ca ≤ 0.0015%,
0.0005% < Mg ≤ 0.0035%,
0.0020% < Al ≤ 0.0085%, 및
정교 가공으로 발생한 잔여 원소 및 철인 나머지를 포함하는 철계 합금에 관한 것이다.

Description

용접성이 개선된 철-니켈 합금{IRON-NICKEL ALLOY HAVING IMPROVED WELDABILITY}
본 발명은 온도 변화의 영향 하에 높은 치수 안정성이 요구되는 적용(application)을 위하여 용접된 어셈블리(welded assemblies)를 제조하는 데 사용하기 위한, 열팽창계수가 낮은 Fe-Ni 합금에 관한 것이다.
본 발명에 따르는 합금은 보다 특히 극저온 적용(cryogenic applications)에, 특히 액화 기체(liquefied gases)를 함유하기 위한 어셈블리, 특히 액화 기체를 수송하기 위한 관, 또는 액화 기체를 수송 또는 저장하기 위한 탱크를 제조하는 데 사용하기 위한 것이다.
현재, 이러한 용접된 어셈블리는 비금속(base metal)으로서 인바(Invar)®형의 철-니켈 합금을 사용하여 제조된다. 실제로, 인바®는 이의 낮은 열팽창계수(thermal expansion coefficient)로 알려져 있으며, 그러므로 위에서 언급한 적용에 특히 적합하다.
그러나, 현재 사용되는 Fe-Ni 합금은 전체적으로 만족스럽지 않다. 실제로, 발명자들은 이러한 합금으로부터 제조된 용접된 어셈블리가 용접 결함을 가짐을 주목하였다. 특히, 발명자들은 이러한 합금의 사용으로 불규칙적 용접 솔기(welding seam)가 유도되고 이의 표면에 산화물의 아일렛(islet)이 존재함을 발견하였다.
본 발명의 목적은 이러한 단점들에 대한 해결책을 찾아내고, 치수 안정성이 크고 용접성(weldability)이 개선된 용접 어셈블리를 제조할 수 있는 Fe-Ni 합금을 제시하는 것이다.
이러한 목적을 위하여, 본 발명은 중량 기준으로(by weight),
35% ≤ Ni ≤ 37%,
미량(trace amounts) ≤ Mn ≤ 0.6%,
미량 ≤ C ≤ 0.07%,
미량 ≤ Si ≤ 0.35%,
미량 ≤ Cr ≤ 0.5%,
미량 ≤ Co ≤ 0.5%,
미량 ≤ P ≤ 0.01%,
미량 ≤ Mo < 0.5%,
미량 ≤ S ≤ 0.0035%,
미량 ≤ O ≤ 0.0025%,
0.011% ≤ [(3.138×Al + 6×Mg + 13.418×Ca) - (3.509×O + 1.770×S)] ≤0.038%,
0.0003% < Ca ≤ 0.0015%,
0.0005% < Mg ≤ 0.0035%,
0.0020% < Al ≤ 0.0085%, 및
정교 가공(elaboration)으로 발생한 잔여 원소(residual elements) 및 철인 나머지(remainder)를 포함하는 철계 합금(iron-based alloy)에 관한 것이다.
특정 양태에 따르면, 본 발명에 따르는 합금은 개별적으로 선택하거나 모든 기술적으로 가능한 조합(들)에 따르는, 다음의 특징들 중의 하나 또는 몇 개를 포함한다:
- 규소 함량이 중량으로 0.1% 이상이고;
- 망간 함량이 중량으로 0.15% 이상이고, 탄소 함량이 중량으로 0.02% 이상이고, 규소 함량이 중량으로 0.1% 이상이고;
- 탄소 함량이 중량으로 0.05% 이하이고;
- 칼슘 함량이 중량으로 0.0010% 이하이고;
- 마그네슘 함량이 중량으로 0.0020% 이하이고;
- 알루미늄 함량이 중량으로 0.0030% 내지 0.0070%로 포함된다.
본 발명은 또한 위에서 정의된 바와 같은 합금으로 제조된 스트립(strip)의 제조 방법에 관한 것이며, 당해 방법은 다음의 연속 단계를 포함한다:
- 위에서 정의한 바와 같이 합금을 정교 가공하는 단계;
- 상기 합금의 반가공 완료 제품(semi-finished product)을 형성하는 단계;
- 당해 반가공 완료 제품을 열간 압연하여 핫 스트립(hot strip)을 수득하는 단계; 및
- 핫 스트립을 1회 또는 수회 통과로 냉간 압연하여 콜드 스트립(cold strip)을 수득하는 단계.
본 발명은 또한 위에서 정의한 바와 같은 합금으로 제조된 스트립에 관한 것이다.
본 발명은 또한 다음의 연속 단계를 포함하는 용접 와이어(welding wire)의 제조 방법에 관한 것이다:
- 합금을 위에서 정의한 바와 같이 정교 가공하는 단계;
- 상기 합금의 반가공 완료 제품을 형성하는 단계;
- 당해 반가공 완료 제품을 열간 압연하여 초기 와이어를 제조하는 단계;
- 초기 와이어를 냉간 연신(cold-drawn)하여 용접 와이어를 수득하는 단계.
본 발명은 또한 위에서 정의한 바와 같은 합금으로 제조된 용접 와이어에 관한 것이다.
본 발명은 또한 중량 기준으로,
35% ≤ Ni ≤ 37%,
0.15% ≤ Mn ≤ 0.6%,
0.02% ≤ C ≤ 0.07%,
0.1% ≤ Si ≤ 0.35%,
미량 ≤ Cr ≤ 0.5%,
미량 ≤ Co ≤ 0.5%,
미량 ≤ P ≤ 0.01%,
미량 ≤ Mo < 0.5%,
미량 ≤ S ≤ 0.0035%,
미량 ≤ O ≤ 0.0025%,
0.011% ≤ [(3.138×Al + 6×Mg + 13.418×Ca) - (3.509×O + 1.770×S)] ≤0.038%,
0.0003% < Ca ≤ 0.0015%,
0.0005% < Mg ≤ 0.0035%,
0.0020% < Al ≤ 0.0085%, 및
정교 가공으로 발생한 잔여 원소 및 철인 나머지를 포함하는 철계 합금의 액화 기체를 수용하기 위한 탱크 또는 관을 제조하기 위한 용도에 관한 것이다.
본 발명은 예로써만 제시되고 첨부한 도면을 참조한, 후속하는 설명을 숙독하면 보다 잘 이해할 것이며, 도면에서:
- 도 1은 필라멘트 부식을 갖는 부분을 광학 현미경으로 촬영한 이미지이고;
- 도 2는 본 발명자들이 수행한 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
전체 설명에서, 함량은 중량 퍼센트(weight percentages)로 제시된다. 더욱이, Al, Mg, Ca, S 및 O 함량은 합금 내 이들 원소의 총 함량에 상응한다.
본 발명에 따르는 합금은 중량 기준으로,
35% ≤ Ni ≤ 37%,
미량 ≤ Mn ≤ 0.6%,
미량 ≤ C ≤ 0.07%,
미량 ≤ Si ≤ 0.35%,
미량 ≤ Mo < 0.5%,
미량 ≤ Co ≤ 0.5%,
미량 ≤ Cr ≤ 0.5%,
미량 ≤ P ≤ 0.01%,
미량 ≤ S ≤ 0.0035%,
미량 ≤ O ≤ 0.0025%,
0.011% = [(3.138×Al + 6×Mg + 13.418×Ca) - (3.509×O + 1.770×S)] ≤0.038%,
0.0003% < Ca ≤ 0.0015%,
0.0005% < Mg ≤ 0.0035%,
0.0020% < Al ≤ 0.0085%, 및
정교 가공으로 발생한 잔여 원소 및 철인 나머지를 포함하는 철계 합금이다.
본 발명에 따르는 합금은 인바®형의 합금이다.
정교 가공으로 발생하는 잔여 원소란, 합금을 정교 가공하는 데 사용된 원료에 존재하거나, 이의 정교 가공에 사용되는 장치로부터 유래한 원소, 예를 들면, 오븐의 내화 물질(refractory materials)을 의미한다. 이러한 잔여 원소는 합금에 어떠한 야금학적 영향(metallurgical effect)도 미치지 않는다.
잔여 원소는 특히 납(Pb) 족(family)으로부터의 원소를 포함하며, 이는 합금의 응고 균열(1solidification cracks)에 대한 민감도를 제한하고 용접성의 저하를 피하기 위하여 최소로 감소된다.
인(P), 몰리브덴(Mo), 황(S) 및 산소(O)는 합금 내 존재하는 이에 대한 총량이 특정 함량 미만의 함량으로 제한되어야 하는, 정교 가공으로부터 발생한 불순물이다.
본 발명에 따르는 합금에서, 탄소 함량은 MC형의 탄화물[여기서, M은 탄화물을 형성하기 위한 탄소와 결합될 수 있는 잔여 원소, 예를 들면, 티탄(Ti), 니오브(Nb), 바나듐(V) 및 지르코늄(Zr)이다]의 침전을 피하기 위하여 제한된다. 실제로, 일부 탄화물은 고온 균열에 대한 합금의 내성을 저하시킨다. 비등(effervescence)에 의한 용접 동안의 다공성의 형성을 제한하기 위하여 탄소 함량이 또한 제한된다.
본 발명에 따르는 합금은 추가로 낮은 평균 열팽창계수, 특히 -180℃ 내지 0℃에서 2.10-6K-1 이하, 유리하게는 -180℃ 내지 0℃에서 1.5.10-6K-1 이하, 20℃ 내지 100℃에서 2.5.10-6 K-1 이하의 평균 열팽창계수를 갖는다.
추가로, 이는 질소의 액화 온도(-196℃) 미만까지 마르텐사이트 변태(martensitic transformation)에 대하여 안정하다. 특히, 이의 감마발생(gammagenic) 원소, 즉 니켈(Ni), 망간(Mn) 및 탄소(C) 함량은, 이의 야금학적 구조가 어떠한 소성 변형(plastic deformation)의 부재(absence) 하에서도 4.2켈빈(Kelvins)(헬륨의 액화 온도)에서 안정하거나, -196℃에서 중단된 평면 견인력(planar traction)에 의하여 25% 변형 처리시 이의 마르텐사이트의 부피 분율이 5% 이하로 잔존하도록 조절된다.
합금 내 코발트(Co), 망간(Mn) 및 규소(Si)의 함량은 -180 내지 0℃에서의 평균 팽창 계수뿐만 아니라, 마르텐사이트 변태에 대한 합금의 안정성의 저하를 피하기 위하여 제한된다.
본 발명에 따르는 합금은 낮은 탄성률(elastic modulus)을 갖고, 특히 탄성률이 150,000MPa 미만이다.
이는 어떠한 "연성-취성(ductile-fragile)" 회복탄성 전이(resilience transition)도 갖지 않는다. 보다 특히, 이는 -196℃에서의 회복탄성이 150J/㎠(joules/㎠) 초과, 특히 200J/㎠ 초과이다.
이러한 특성으로 온도 변화의 영향 하에 치수 안정성이 필요한 적용에 특히 적합하게 된다.
본 발명에 따르는 합금에서, 황(S) 및 산소(O) 함량은 합금의 고온 변태 능력을 개선시키기 위하여 가능한 한 감소시킨다. 특히, 합금 내 고용체 중의 황(S) 및 산소(O) 함량을 가능한 한 감소시키는 것이 추구된다.
고용체 내 이러한 산소 및 황 함량 제한은 특히 규소를 가하여 수득되고, 이는 합금의 정교 가공 동안 탈산소제 및 간접적으로는 액체 금속과 슬래그(slag) 사이의 화학 반응을 통하여 탈황제로서 작용한다. 실제로 합금화된 강(steel)의 액체 금속의 황 함량
Figure pct00001
는 액체 상에서 정련 작업 동안, 다음의 관계식을 입증함이 공지되어 있다:
Figure pct00002
[여기서, ( %S )는 슬래그의 황 함량이고; C' S 는 슬래그의 황 수용량이고;
Figure pct00003
는 액체 금속의 산소 활성이다]
망간은 고체 상에서 탈황화에 참여한다.
더욱이, 본 발명자들은 지나치게 높은 칼슘, 알루미늄 및 마그네슘 함량이 합금의 용접성에 유해함에 주목하였다. 그러므로, 이들 원소의 함량은 제한되어야 한다. 보다 특히, 본 발명의 발명자들은,
(a1) 칼슘 함량이 0.0015% 이하이고,
(b2) 마그네슘 함량이 0.0035% 이하이고,
(c1) 알루미늄 함량이 0.0085% 이하인 경우,
그리고, 더욱이 합금 내 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 산소 및 황 함량이 다음 관계식:
[(3.138×Al + 6×Mg + 13.418×Ca) - (3.509×O + 1.770×S)] ≤ 0.038% (d1)을 준수하는 경우, 본 발명에 따르는 합금으로 제조된 부품 상에 제조된 용접 비드(weld beads)는 규칙적임을 밝혀내었다.
반대로, 위의 관계(a1), (b1), (c1) 및 (d1)이 준수되지 않는 경우, 용접 비드는 불규칙적이다.
본 발명자들은, 본 발명에 따르는 합금 내 비드의 규칙성이 명시된 함량에 대하여, 한 편으로는 용접 공구의 전기 아크(electric arc)가 안정적이고, 다른 한 편으로는 비드의 표면에 어떠한 산화물 집합체도 없다는 사실에 기인한다고 여긴다. 반대로, 합금이 이들 원소를 위에서 명시된 제한을 초과하여 함유하는 경우, 용접 공구의 전기 아크가 불안정할 뿐만 아니라, 산화물 아일렛이 비드의 베이스를 피닝(pinning)시켜, 가변적인 비드 폭이 발생하고, 따라서 불규칙적 비드가 생성된다. 본 발명자들은 이러한 피닝이 특히 칼슘, 알루미늄 및 마그네슘이 위의 관계를 준수하지 않는 경우, 용융 영역의 표면 에너지 변동으로부터 유래한다고 여긴다. 비드 베이스의 피닝이란, 비드의 베이스가 이동할 수 없어, 평형 상태를 벗어나 차단된, 부동 상태로 잔존함을 의미한다. 피닝력이 소멸되는 경우, 비드의 베이스는 이동하여 이의 평형 상태로 집중할 수 있다.
바람직하게는,
- 칼슘 함량은 중량으로 0.0010% 및/또는;
- 마그네슘 함량은 중량으로 0.0020% 및/또는;
- 알루미늄 함량은 중량으로 0.0070% 이하이다.
그러나, 본 발명의 발명자들은 본 발명에 따라,
(a2) 칼슘 함량(Ca)이 엄격히 중량으로 0.0003% 초과이고,
(b2) 마그네슘 함량(Mg)이 엄격히 중량으로 0.0005% 초과이고,
(c2) 알루미늄 함량(Al)이 엄격히 중량으로 0.0020% 초과인 경우,
그리고, 더욱이 합금 내 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 황 및 산소의 총 함량이 다음 관계식: [(3.138×Al + 6×Mg + 13.418×Ca) - (3.509×O + 1.770×S)] ≥ 0.011% (d2)을 준수하는 경우, 수득한 합금은 고온 균열에 대한 내성이 우수함을 주목하였다.
특히, 본 발명에 따르는 합금은 3.2%의 소성 변형 하에 유럽 표준 FD CEN ISO/TR 17641-3에 따라 수행되는 바레스트레인트 시험(Varestraint test) 동안 10mm(±0.5mm) 이하의 총 균열 길이를 전개한다.
반대로, 본 발명자들은 위의 관계(a2), (b2), (c2) 및 (d2)가 준수되지 않는 경우, 합금은 만족스럽지 않은 고온 균열에 대한 내성을 가짐을 관찰하였다. 특히, 합금은 그 때 위에서 언급한 바레스트레인트 시험 동안 10mm(±0.5mm) 초과의 총 균열 길이를 전개시킨다.
바람직하게는, 알루미늄 함량은 0.0030% 이상이다.
본 발명자들은 본 발명에 따르는 합금에서, 이러한 고온 균열에 대한 내성 향상이, 칼슘, 마그네슘 및 알루미늄 원소들이 액상(liquid phase)에서의 황화물 및/또는 산화물로서의 잔여 황 및 산소를 포획(trap)하도록 하는 함량의 합금 내 제한된 양의 이들 원소의 존재로부터 유래한다고 여긴다.
본 발명의 발명자들이 전개한 식: [(3.138 Al + 6 Mg + 13.418 Ca) - (3.509 O + 1.770 S)]으로 칼슘, 마그네슘 및 알루미늄의 함량이 산소 및 황의 함량과 비교됨을 주목한다. 이는 용접성을 저하시키는 칼슘, 마그네슘 및 알루미늄의 양이 합금 내 고용체에 존재하는, 즉 산화물 또는 황화물로서 침전되지 않는 Ca, Mg 및 Al 원소의 양에 상응하는 이들 원소의 총 함량의 분율(fraction)에 상응한다는 개념을 나타낸다.
이러한 관계식에서의 칼슘, 마그네슘 및 알루미늄의 중량 계수(weighted coefficients)는 본 발명자들이 알아낸 바와 같이, 이들 원소 각각과 황 및 산소와의 상대적 친화도, 즉 황 및 산소를 포획하여 황화물 또는 산화물을 형성하는 이들 원소 각각의 능력을 나타낸다.
이 식에서, Al, Mg, Ca, O 및 S는 중량 퍼센트로 나타낸, 합금 내 이들 원소의 총 함량에 상응한다.
칼슘, 마그네슘 및 알루미늄은 통상적으로 본 발명의 분야에 속하는 합금 내 단순 불순물로 고려됨을 주목한다. 그러나, 위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 발명자들은 이들 원소들이 합금 내 소량, 즉 명시된 범위 내로 존재하는 경우, 위에서 나타낸 유리한 효과를 가질 수 있음을 주목하였다.
위의 기재 내용을 고려하면, 본 발명에 따르는 합금은 관례적으로 사용되는 합금의 경우 관찰되는 용접 결함을 갖지 않는 인바®로 제조된 용접 어셈블리를 제조하도록 한다.
바람직하게는, 본 발명에 따르는 합금은
0.15% ≤ Mn ≤ 0.6%,
0.02% ≤ C ≤ 0.07% 및
0.1% ≤ Si ≤ 0.35%를 포함한다.
이 합금은 극저온 적용, 즉 특히 액화 기체, 예를 들면, 액체 수소, 액체 질소, 액체 메탄 또는 액체 프로판의 수송 및 저장에 특히 적합하다.
특히, 각각 0.15% 및 0.02% 이상인 망간(Mn) 및 탄소(C) 함량은 -196℃에서 마르텐사이트 변태에 대한 합금의 안정성을 개선시킨다.
더욱이, 본 발명자들은 0.10%를 초과하는 함량으로 합금에 존재하는 규소가 적합한 최종 열처리에 의하여 발생된 피층의 산화규소(cortical silicon oxide layer) 형성에 의해 합금의 필라멘트 부식(filamentary corrosion)에 대한 내성을 개선시킴을 밝혀내었다.
필라멘트 부식은 합금과 대기와의 확장된 접촉에 기인한다. 이는 특히 공기중 산소 및 오염물뿐만 아니라 수증기의 영향 하에 발생한다. 영문상, 필라멘트 부식은 또한 용어 "섬유상 부식(filiform corrosion)"이라고도 표기한다. 도 1은 필라멘트 부식의 예를 나타낸다.
본 발명에 따르는 합금은 당업자에게 공지된 어떠한 적합한 방법에 의해서라도 정교 가공될 수 있다. 예로서, 이는 전기 아크로에서 정교 가공된 다음, 통상적인 방법에 의하여 레이들(ladle)에서 정련(refined)되며, 이는 특히 감압하에 위치시키는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 본 발명에 따르는 합금은 낮은 함량의 잔여 원소를 포함한 출발 물질로부터 진공 로에서 정교 가공된다.
예를 들면, 콜드 스트립은 그 다음 이렇게 정교 가공된 합금으로부터 제조된다. 예로서, 다음의 방법은 이러한 콜드 스트립을 제조하기 위하여 사용된다.
합금은 잉곳(ingots), 재용융된 전극(remelted electrodes), 슬라브(slab), 특히 두께가 180mm 미만인 얇은 슬라브 또는 빌렛(billet)과 같은 반가공 완료 제품으로서 주조된다.
합금이 재용융 전극으로서 주조되는 경우, 후자는 유리하게는 진공 하에 또는 도전성 슬래그 하에 재용융되어 보다 우수한 순도 및 보다 균질한 반가공 완료 제품을 수득한다.
이렇게 수득한 반가공 완료 제품은 그 다음 950℃ 내지 1300℃의 온도에서 열간 압연되어 핫 스트립을 수득한다. 핫 스트립의 두께는 특히 2mm 내지 6mm이다.
한 양태에 따라, 열간 압연은 950℃ 내지 1300℃의 온도에서 30분 내지 24시간 동안 화학적 균질화 열처리를 진행한다.
핫 스트립은 그 다음 실온으로 냉각시켜 냉각된 스트립을 형성한 다음, 코일로 권취(wound)시킨다.
냉각된 스트립은 그 다음 냉간 압연시켜 최종 두께가 유리하게는 0.5mm 내지 2mm인 콜드 스트립을 수득한다. 냉간 압연은 1회 통과 또는 수 회 연속 통과로 수행한다.
최종 두께에서, 콜드 스트립은 항 오븐(static oven)에서 700℃ 초과의 온도에서 10분 내지 수 시간 범위의 기간 동안 재결정화 열처리시킨다. 대안적으로, 이는 연속 어닐링 오븐(continuous annealing oven)에서, 오븐의 유지 영역(holding area) 내 800℃ 초과의 온도에서 수 초 내지 약 1분 범위의 기간 동안, 그리고 -50 내지 -15℃의 서리 온도(frost temperature)를 갖는 N2/H2형(30%/70%) 보호 대기(protected atmosphere) 하에 재결정화 열처리시킨다.
재결정화 열처리는 동일한 조건 하에, 냉간 압연 동안, 초기 두께(핫 스트립의 두께에 상응)와 최종 두께 사이의 중간 두께에서 수행할 수 있다. 중간 두께는 예를 들면, 콜드 스트립의 최종 두께가 0.7mm인 경우, 1.5mm로 선택된다.
합금을 정교 가공하고, 이 합금으로 제조된 콜드 스트립을 제조하는 방법은 단지 예로써 제시된 것이다.
본 발명에 따르는 합금을 정교 가공하고 이 합금으로 제조된 가공 완료 제품을 제조하는, 당업자에게 공지된 어떠한 다른 방법이 이 목적으로 사용될 수 있다.
시험(Tests)
본 발명자들은 명시된 범위의 Ni, Mn, C, Si, Co, Cr, Mo, S, O 및 P 함량, 및 수 ppm 내지 약 0.001%에서 변화하는 Ca, Mg 및 Al 함량을 갖는 합금의 실험실 주조를 수행하였다. 이렇게 수득한 잉곳을 압연에 의하여 열간 형성하여 수 밀리미터 두께의 플레이트를 제조하였다. 이들 플레이트를 그 다음 기계 가공하여 어떠한 고온 산화가 없는 표면을 수득하였다.
시험된 플레이트 각각의 합금 조성은 이하에 표에 기재되어 있다.
본 발명자들은 이렇게 수득한 플레이트 상에, TIG(Tungsten Inert Gas, 텅스텐 불활성 기체) 방법으로 융합 라인(fusion lines)을 제조하여 용접 비드의 규칙성에 대한 칼슘, 마그네슘 및 알루미늄의 발생률을 나타내었다. 이들 시험의 결과는 이하의 표에 《TIG 융합 라인》이라는 명칭의 컬럼에 기재되어 있다.
용융 비드의 폭을 광학 현미경으로 측정하고 비드의 규칙성을 다음과 같이 정의하였다:
규칙성 = 100×(Lmax - Lmin)/Lmax (1)
(여기서, Lmin은 용접 비드의 최소 측정 폭에 상응하고; Lmax는 용접 비드의 최대 측정 폭에 상응한다)
식(1)을 적용하여 계산된 규칙성이 2.5% 이하인 경우, 용접 비드의 규칙성은 우수하다고(이하의 표에서의 지표 1) 간주되었다.
식(1)을 적용하여 계산된 규칙성이 2.5 내지 5% 사이인 경우, 용접 비드의 규칙성은 허용되는 것으로(이하의 표에서 지표 2) 간주되었다.
식(1)을 적용하여 계산된 규칙성이 엄격히 5% 초과인 경우, 용접 비드의 규칙성은 불량한 것으로(이하의 표에서 지표 3) 간주되었다.
더욱이, 본 발명자들은 수득한 플레이트 상에 소성 변형 3.2% 하에 FD CEN ISO/TR 17641-3 유럽 표준에 따르는 바레스트레인트 시험을 수행하여 고온 균열에 대한 이의 내성을 평가하였다. 이들은 시험 동안 전개된 균열의 총 길이를 측정하고, 플레이트를 두 범주에서 분류하였다:
- 시험 종료시, 총 균열 길이가 10±0.5mm 이하인 플레이트는 고온 균열에 대한 내성이 우수한 것으로 간주되는 반면,
- 총 균열 길이기 엄격하게 10±0.5mm 초과인 플레이트는 고온 균열에 대한 내성이 불충분한 것으로 간주되었다.
이들 시험의 결과는 이하의 표의 "3.2% 변형의 바레스트레인트 시험"이라는 명칭의 컬럼에 기재되어 있다. 당해 컬럼에서, 고온 균열에 대한 내성이 우수한 플레이트는 총 균열 길이가 《1 내지 10》으로 기재된 것인 반면, 고온 균열에 대한 내성이 불충분한 플레이트는 총 균열 길이가 《10 내지 15》로 기재된 것이다.
이하의 표에서, 《거동 법칙(behavior law)》 컬럼은 관련 합금에 대한 식: [(3.138×Al + 6×Mg + 13.418×Ca) - (3.509×O + 1.770×S)]으로 수득한 값(여기서, Al, Mg, Ca, O 및 S는 각각 합금 내 중량 퍼센트로 Al, Mg, Ca, O 및 S의 총 함량을 나타낸다)을 나타낸다.
Figure pct00004
위의 표에서, 본 발명에 따르지 않는 실시 예는 굵은 문자로 표시한다.
A 내지 E로 언급된 실시 예의 그룹에서, 칼슘 함량은 0.0005% 와 0.0050% 사이에서 변화되는 반면, 규소, 마그네슘, 알루미늄, 황 및 산소 함량은 실질적으로 일정하게 유지되어, 합금의 고온 균열 및 용접 비드의 규칙성에 대한 칼슘의 효과를 평가하였다.
F 내지 J로 언급된 실시 예의 그룹에서, 마그네슘 함량은 0.0010% 와 0.0056% 사이에서 변화하는 반면, 규소, 칼슘, 알루미늄, 황 및 산소 함량은 실질적으로 일정하게 유지되어, 합금의 고온 균열 및 용접 비드의 규칙성에 대한 마그네슘의 효과를 평가하였다.
K 내지 O로 언급된 실시 예의 그룹에서, 알루미늄 함량은 0.0025% 와 0.0110% 사이에서 변화하는 반면, 규소, 칼슘, 마그네슘, 황 및 산소 함량은 실질적으로 일정하게 유지되어, 합금의 고온 균열 및 용접 비드의 규칙성에 대한 알루미늄의 효과를 평가하였다.
P 내지 W로 언급된 실시 예의 그룹에서, 선행 실시 예의 그룹에서보다 황 함량이 높은 합금을 평가하여 고온 균열을 피하도록 하는 Ca, Al 및 Mg 원소 각각의 함량의 하한선을 결정하였다.
D, E, I, J, O, P 및 W로 언급된 실시 예에서, 관계식 (3.138×Al + 6×Mg + 13.418×Ca) - (3.509×O + 1.770×S)은 합금의 조성에서 정의된 0.038%의 상한치보다 큰 값을 가정한다. 이제, 이들 실시 예에서, 용접 비드는 불량한 것으로 간주되는 규칙성을 갖는 반면(지표 3), 바레스트레인트 시험으로부터 수득한 합금의 균열에 대한 내성은 우수함(균열 길이 1 내지 10mm)이 관찰된다.
실시 예 R, U 및 V에서, 관계식 (3.138×Al + 6×Mg + 13.418×Ca) - (3.509×O + 1.770×S)은 명시된 바와 같은 0.011의 하한 경계 미만의 값을 가정한다. 이제, 이들 실시 예에서, 수득한 용접 비드는 우수한 규칙성을 갖지만(지표 1), 합금의 균열에 대한 내성은 불량함이 관찰된다.
모든 기타 실시 예에서, 관계식 (3.138×Al + 6×Mg + 13.418×Ca) - (3.509×O + 1.770×S)은 명시된 바와 같이, 0.011%의 하한치 내지 0.038%의 상한치의 값을 가정한다. 합금은 우수한 것으로 간주되는(총 균열 길이 0 내지 10mm) 균열에 대한 내성을 갖고, 수득한 용접 비드는 규칙적임이 관찰된다.
따라서, 칼슘, 알루미늄 및 마그네슘 함량의 매우 낮은 함량 범위 내에서의 매우 특이적인 조절에 의하여, 그리고 이들 원소, 황 및 산소 사이의 관계식(d1) 및 (d2)를 관찰함으로써, 낮은 열팽창계수를 갖는 Fe-Ni 합금이 수득되고, 이는 추가로 탁월한 야금학적 용접성을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따르는 합금은 유리하게는 우수한 치수 안정성을 갖는 용접 어셈블리를 제조하기 위한 비금속으로서 사용될 수 있다.
필라멘트 부식에 대한 민감성에 대한 규소 함량의 효과를 입증하기 위하여, 본 발명자들은 또한 Ni, Mn, C, Co, Cr, Mo, S, O, P, Ca, Mg 및 Al 함량은 명시된 범위 내에 있지만 규소 함량은 가변적인, 합금(a), (b) 및 (c)로 제조된 시트 상에서 실험을 수행하였다.
따라서, 합금(a)은 규소 함량이 엄격하게 중량으로 0.01% 미만이고, 합금(b)은 규소 함량이 중량으로 0.1%이고, 합금(c)은 규소 함량이 중량으로 0.25%이다.
이들 시트는 -50 내지 -15℃의 서리 온도로 H2하에 산업적 재결정화 열처리시킨 다음, 상대 습도 95% 하에 55℃에서 풍화 챔버(weathering chamber) 내에 4000시간 동안 방치하였다.
그 다음, 광학 현미경에 의하여 200배 배율로 캡쳐한 이미지의 자동 분석으로 표면 필라멘트 부식 분율을 측정하였다.
도 2는 본 발명자들이 수행한 실험의 결과를 나타내는 그래프이다. 이들 결과는 규소 함량이 0.1% 이상인, 실시 예(a) 및 (b)의 경우, 표면 필라멘트 부식 분율이 위에서 언급한 조건 하에 5% 미만으로 잔존함을 나타낸다. 반대로, 규소 함량이 엄격하게 0.1% 미만인 실시 예(a)의 경우, 표면 필라멘트 부식 분율은 위에서 언급한 조건 하에 5%를 초과하게 된다.
따라서, 규소 함량이 0.1% 이상인 합금은 규소 함량이 엄격하게 0.1% 미만인 합금보다 필라멘트 부식에 대한 내성이 우수하다.
본 발명에 따르는 합금은 또한 용접 와이어를 제조하기 위하여 사용될 수도 있다. 이러한 용접 와이어는 와이어가 용접으로서 사용되는 경우 수득되는 용접 비드의 규칙성 및 균열에 대한 내성 면에서 위에서 언급한 모든 이점을 갖는다. 더욱이, 수득한 용접 비드는 낮은 열팽창계수를 갖는다.
예로써, 이러한 용접 와이어는 다음 방법으로 제조된다. 합금은 예를 들면, 본원에서 위에 기재된 정교 가공 방법을 사용하여 정교 가공한다. 그 다음, 이 합금을 반가공 완료 제품, 특히 빌렛(billets)으로 주조한다. 이러한 반가공 완료 제품을 그 다음 열간 압연하여 기계 와이어(machine wire)라고도 하는, 초기 와이어(initial wire)를 수득한다. 이러한 기계 와이어는 일반적으로 직경이 4mm 내지 6mm이다. 그 다음, 초기 와이어를 냉간 연신하여 직경을 감소시키고 용접 와이어를 수득한다. 용접 와이어의 직경은 바람직하게는 0.5mm 내지 1.5mm이다.

Claims (10)

  1. 철계 합금(iron-based alloy)에 있어서,
    중량 기준으로,
    35% ≤ Ni ≤ 37%,
    미량(trace amounts) ≤ Mn ≤ 0.6%,
    미량 ≤ C ≤ 0.07%,
    미량 ≤ Si ≤ 0.35%,
    미량 ≤ Cr ≤ 0.5%,
    미량 ≤ Co ≤ 0.5%,
    미량 ≤ P ≤ 0.01%,
    미량 ≤ Mo < 0.5%,
    미량 ≤ S ≤ 0.0035%,
    미량 ≤ O ≤ 0.0025%,
    0.011% ≤ [(3.138×Al + 6×Mg + 13.418×Ca) - (3.509×O + 1.770×S)] ≤0.038%,
    0.0003% < Ca ≤ 0.0015%,
    0.0005% < Mg ≤ 0.0035%,
    0.0020% < Al ≤ 0.0085%, 및
    정교 가공(elaboration)으로 발생한 잔여 원소 및 철인 나머지(remainder)를 포함하는, 합금.
  2. 제1항에 있어서,
    중량으로 Mn ≥ 0.15%,
    중량으로 C ≥ 0.02% 및
    중량으로 Si ≥ 0.1%인, 합금.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 칼슘 함량은,
    중량으로 0.0010% 이하인, 합금.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 마그네슘 함량은,
    중량으로 0.0020% 이하인, 합금.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 알루미늄 함량은,
    0.0030 내지 0.0070중량%인, 합금.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따르는 합금으로 스트립을 제조하는 방법에 있어서,
    - 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따르는 합금을 정교 가공하는 단계;
    - 상기 합금의 반가공 완료 제품(semi-finished product)을 형성하는 단계;
    - 상기 반가공 완료 제품을 열간 압연(hot-rolling)하여 핫 스트립을 수득하는 단계; 및
    - 상기 핫 스트립을 1회 또는 수회 통과로 냉간 압연(cold-rolling)하여 콜드 스트립을 수득하는 단계;를 연속적으로 포함하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따르는 합금으로 제조된 스트립.
  8. 용접 와이어(welding wire)의 제조 방법에 있어서,
    - 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따르는 합금을 정교 가공하는 단계;
    - 상기 합금의 반가공 완료 제품을 형성하는 단계;
    - 상기 반가공 완료 제품을 열간 압연하여 초기 와이어를 제조하는 단계; 및
    - 상기 초기 와이어를 냉간 연신(cold-drawing)하여 용접 와이어를 수득하는 단계;를 연속적으로 포함하는, 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따르는 합금으로 제조된 용접 와이어.
  10. 액화 기체를 수용하기 위한 탱크 또는 관을 제조하기 위하여 제2항과 결합한, 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따르는 합금의 용도.
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