KR20180040140A - 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법 - Google Patents

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마나부 오쿠
이사무 하야카와
히로아키 시치
요시히데 나루세
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닛신 세이코 가부시키가이샤
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Abstract

용접 결함이 발생하기 어려운 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법을 제공한다. 질량%로, 0.08% 이하의 C, 1.5 ~ 4.0%의 Si, 2.0% 이하의 Mn, 0.04% 이하의 P, 0.01% 이하의 S, 16.0 ~ 22.0%의 Cr, 10.0 ~ 14.0%의 Ni, 및, 0.08% 이하의 N를 함유함과 함께, Nb 및 Ti 중 적어도 1종을 합계 1.0% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 구성된 판 두께 0.6 ~ 1.0mm의 오스테나이트계 스테인리스 강판을 중첩하여 아크 용접으로 중첩부를 용접한다. 또한, 용착 이면부를, 110℃/초 이상의 냉각 속도로 1200℃에서 900℃까지 냉각한다.

Description

오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법
본 발명은, 오스테나이트계 스테인리스 강판을 중첩하여 용접하기 위한 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법에 관한 것이다.
최근, 환경 문제의 관점으로부터 배기 가스의 규제가 엄격해지고, 연비나 엔진의 연소 효율을 보다 향상시키기 위해서, 배기 가스 온도를 상승시키는 경향이 있다.
또한, 엔진 시동시의 배기 가스 정화 성능의 효율화를 목적으로서, 내관과 외관을 구비하고, 이들 내관과 외관 사이에 공극이 마련된 이중구조 이그저스트 매니폴드(exhaust manifold)가 탑재되는 일이 있다(예를 들면, 특허문헌 1 내지 3 참조).
이러한 종류의 이중구조 이그저스트 매니폴드에서는, 내관이 단구조 이그저스트 매니폴드의 관보다 두께가 얇게 되는 경향이 있다.
이 때문에, 통상, 단구조 이그저스트 매니폴드에는 열팽창 계수가 작은 페라이트계 스테인리스강이 이용되는데, 이중구조 이그저스트 매니폴드의 내관에는, 페라이트계 스테인리스강보다 가공성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강이 이용된다.
일본 공개특허공보 평11-93654호 일본 공개특허공보 평08-334017호 일본 공개특허공보 평08-334018호
이중구조 이그저스트 매니폴드의 내관 및 외관은, 프레스 성형된 관 부품을 중첩하여 맞추어서 MIG 용접 등의 아크 용접에 의한 필릿 용접으로 제조되는 일이 많다.
그렇지만, 이중구조 이그저스트 매니폴드의 내관은, 통상의 단구조 이그저스트 매니폴드의 관보다 두께가 얇기 때문에, 용접에 있어서의 입열량의 제어가 매우 어렵고, 특히 용접 이음매부에서, 고온 균열이나 연성 저하 균열 등의 용접 결함이 발생하기 쉽다고 하는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 점에 비추어서 이루어진 것으로, 용접 결함이 발생하기 어려운 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
청구항 1에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법은, C:0.08질량% 이하, Si:1.5질량% 이상 4.0질량% 이하, Mn:2.0질량% 이하, P:0.04질량% 이하, S:0.01질량% 이하, Cr:16.0질량% 이상 22.0질량% 이하, Ni:10.0질량% 이상 14.0질량% 이하, 및, N:0.08질량% 이하를 함유함과 함께, Nb 및 Ti의 적어도 1종을 합계 1.0질량% 이하 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 구성된 판 두께 0.6mm 이상 1.0mm 이하의 오스테나이트계 스테인리스 강판을 중첩하여 아크 용접으로 중첩부를 용접하고, 용접 이면에서 용접시에 온도가 최고가 되는 부위인 용착 이면부를, 110℃/초 이상의 냉각 속도로 1200℃에서 900℃까지 냉각하는 것이다.
청구항 2에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법은, 청구항 1 기재의 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법에 있어서, 오스테나이트계 스테인리스 강판은, Al, Zr 및 V 중 적어도 1종을 합계 1.0질량% 이하 함유하는 것이다.
청구항 3에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법은, 청구항 1 또는 2 기재의 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법에 있어서, 오스테나이트계 스테인리스 강판은, Mo 및 Cu의 적어도 1종을 합계 4.0질량% 이하 함유하는 것이다.
청구항 4에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법은, 청구항 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법에 있어서, 오스테나이트계 스테인리스 강판은, B를 0.01질량% 이하 함유하는 것이다.
청구항 5에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법은, 청구항 1 내지 4 중 어느 하나에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법에 있어서, 중첩부를 용접할 때의 용접 이음매부의 중첩 마진의 길이를 2.5mm 이상으로 하는 것이다.
본 발명에 의하면, 용접 이면에서 용접시에 온도가 최고가 되는 부위인 용착 이면부를, 110℃/초 이상의 냉각 속도로 1200℃에서 900℃까지 냉각하기 때문에, 용접시에 발생한 열을 이동할 수 있고, 용접 결함의 발생을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 용접 이음매부를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 상기 용접 이음매부의 변형예를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 실시예 및 비교예에서의 냉각 속도와 균열 발생률과의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 일실시형태의 구성에 대해서 상세하게 설명한다.
이중구조 이그저스트 매니폴드는, 외관과, 이 외관보다 내측에 간극을 개재하여 배치된 내관을 구비한다. 이들 외관 및 내관은, 각각 도 1에 나타내는 용접 이음매부(1)에서, 용접 와이어 등의 용접봉을 이용하여 MIG 용접되고, 외관과 내관과의 사이에 중공의 단열층이 배치된 상태로 고정되어 있다.
또한, 이와 같이 용접하는 것으로써, 용접 이음매부(1)는, 관 모재부(2)와, 관 모재부(3)와, 이들 관 모재부(2, 3)가 용착되어 있는 용착부(4)와, 관 모재부(2, 3)와 용착부(4)와의 경계인 본드부(5)를 가지는 구성이 된다. 또한, 도 1의 파선은 용착 전의 관 모재부(2, 3)의 세트 상태를 나타낸다.
내관은, 외관보다 두께가 얇으며, 용접에 있어서의 입열량의 제어가 매우 어렵기 때문에, 예를 들면 고온 균열이나 연성 저하 균열 등의 용접 결함이 발생하기 어렵게 하는 것이 중요하다.
여기서, 내관에는, 페라이트계 스테인리스강보다 가공성이 우수한 판 두께 0.6mm 이상 1.0mm 이하의 오스테나이트계 스테인리스 강판이 이용되고 있다. 또한, 내관의 오스테나이트계 스테인리스강은, 구체적으로 하기와 같이 성분 설계되어 있다.
내관의 모재 성분(오스테나이트계 스테인리스강)은, 0.08질량% 이하의 C(탄소), 1.5질량% 이상 4.0질량% 이하의 Si(규소), 2.0질량% 이하의 Mn(망간), 0.04질량% 이하의 P(인), 0.01질량% 이하의 S(유황), 16.0질량% 이상 22.0질량% 이하의 Cr(크롬), 10.0질량% 이상 14.0질량% 이하의 Ni(니켈), 및, 0.08질량% 이하의 N(질소)를 함유함과 함께, Nb(니오브) 및 Ti(티탄) 중 적어도 1종을 합계 1.0질량% 이하 함유하고, 잔부가 Fe(철) 및 불가피적 불순물로 구성되어 있다.
또한, 오스테나이트계 스테인리스강은, 필요에 대응하여, Al(알루미늄), Zr(지르코늄) 및 V(바나듐) 중 적어도 1종을 합계 1.0질량% 이하 함유하는 구성으로 해도 좋다.
또한, 오스테나이트계 스테인리스강은, 필요에 대응하여, Mo(몰리브덴) 및 Cu(구리) 중 적어도 1종을 합계 4.0질량% 이하 함유하는 구성으로 해도 좋다.
또한, 오스테나이트계 스테인리스강은, 필요에 대응하여, 0.01질량% 이하의 B(붕소)를 함유하는 구성으로 해도 좋다.
C는, 오스테나이트계 스테인리스강의 고온 강도의 향상에 유효하지만, 0.08질량%를 초과하여 과잉으로 함유시키면, 사용 중에 Cr 탄화물을 형성하여 인성이 열화될 가능성이 있음과 함께, 내고온 산화성의 향상에 유효한 고용 Cr량이 감소될 가능성이 있다. 따라서, C의 함유량은, 0.08질량% 이하(무첨가를 포함하지 않음)로 한다.
Si는, 고온 산화 특성의 향상에 매우 유효하고, 모재에서 1.5질량% 이상 함유시키는 것으로, 850 ~ 900℃의 온도역에서 Si 농화 피막을 Cr 산화물의 내측에 형성시키고, 내스케일박리성의 향상에 기여한다. 한편, Si를, 모재에 있어서 4.0질량%를 초과하여 과잉으로 함유시키면, σ 취화 감수성을 높이고, 사용 중에 σ 취화를 유발할 가능성이 있다. 따라서, Si의 함유량은, 1.5질량% 이상 4.0질량% 이하로 하고, 바람직하게는 3.0질량% 이상 4.0질량% 이하로 한다.
Mn은, 오스테나이트상 안정화 원소이며, 주로 δ상 밸런스를 조정하는 작용을 가지지만, 2.0질량%를 초과하여 과잉으로 함유시키면, 내고온 산화성의 저하를 초래할 가능성이 있다. 따라서, Mn의 함유량은 2.0질량% 이하(무첨가를 포함하지 않음)로 한다.
P는, 0.04질량%를 초과하여 함유시키면 오스테나이트계 스테인리스강의 열간 가공성을 저하시킬 가능성이 있기 때문에, 가능한 한 함유량을 저감하는 것이 바람직하다. 따라서, P의 함유량은 0.04질량% 이하로 한다.
S는, P와 마찬가지로 0.01질량%를 초과하여 함유시키면 오스테나이트계 스테인리스강의 열간 가공성을 저하시킬 가능성이 있기 때문에, 가능한 한 함유량을 저감하는 것이 바람직하다. 따라서, S의 함유량은 0.01질량% 이하로 한다.
Cr는, 고온에서의 스케일 생성을 억제하고, 고온 산화 특성의 향상에 유효한 원소이며, 이러한 작용을 가지기 위해서는 16.0질량% 이상 함유시킬 필요가 있다. 한편, Cr를 22.0질량%를 초과하여 과잉으로 함유시키면, σ 취화를 유발할 가능성이 있다. 따라서, Cr의 함유량은 16.0질량% 이상 22.0질량% 이하로 한다.
Ni는, 오스테나이트상 안정화 원소이며, 주로 δ상 밸런스를 조정하기 위해서 함유시키는데, 이러한 작용을 가지기 위해서는, 10.0질량% 이상 함유시킬 필요가 있다. 한편, Ni를 과잉으로 함유시키면, 비용의 상승을 초래하는 것으로부터, Ni의 함유량의 상한은 14.0질량%로 한다. 따라서, Ni의 함유량은 10.0질량% 이상 14.0질량% 이하로 한다.
N은, 고용 강화에 의해 고온 강도를 향상시키는 원소인데, 0.08질량%를 초과하여 과잉으로 함유시키면, Cr 질화물의 형성에 의해, 인성을 저하시킬 가능성이 있다. 따라서, N의 함유량은, 0.08질량% 이하(무첨가를 포함하지 않음)로 한다.
Nb 및 Ti는, C나 N과 결합하여 고온 강도를 향상시키는 원소인데, 과잉으로 함유시키면, 저융점화로 연결될 가능성이 있다. 따라서, 고온 강도를 향상하는 목적으로 Nb 및 Ti를 함유시키는 경우는, Nb 및 Ti 중 적어도 1종을 합계 1.0질량% 이하로 함유시킨다.
Al은, 강력한 페라이트 생성 원소이며, δ상의 안정화에 유효하다. 또한, Zr 및 V는, C나 N과 결합하여 고온 강도를 향상시키는 원소이다. 그렇지만, Al, Zr 및 V는, 과잉으로 함유시키면, 저융점화로 연결될 가능성이 있다. 따라서, 고온 강도를 향상하는 목적으로 Al, Zr 및 V를 함유시키는 경우는, Al, Zr 및 V 중 적어도 1종을 합계 1.0질량% 이하로 함유시키는 것이 바람직하다.
Mo는, 페라이트 생성 원소이며, 고온 강도의 향상에 유효하지만, 과잉으로 함유시키면 σ 취화를 초래하여, 인성이 저하될 가능성이 있다. 또한, Cu는, 오스테나이트 생성 원소이며, 고온 강도의 향상에 유용하지만, 과잉으로 함유시키면 내고온 산화성의 저하를 초래할 가능성이 있다. 따라서, 고온 강도의 향상을 목적으로 하여 Mo 및 Cu를 함유시키는 경우는, Mo 및 Cu 중 적어도 1종을 합계 4.0질량% 이하로 함유시키는 것이 바람직하다.
B는, 용접 이음매부의 입계 강도를 향상시켜서 내열성의 향상에 유효하지만, 다량으로 함유시키면 열간 가공성이 저하되어 버릴 가능성이 있다. 따라서, 내열성의 향상을 목적으로 하여 B를 함유시키는 경우의 B의 함유량은, 0.01질량% 이하가 바람직하다.
다음에, 상기 오스테나이트계 스테인리스 강판을 용접할 때의 용접 방법에 대해서 설명한다.
내관을 용접할 때에는, 내관의 일부끼리를 중첩하여 맞춘 상태에서, MIG 용접을 행한다.
또한, MIG 용접에 있어서의 용접 조건, 용접 심선의 종류 및 실드 가스의 유량 등은, 적절히 설정 선택 가능하다. 실드 가스의 종류에 대해서는, 아르곤이나 질소 등의 불활성 가스를 이용하여, 용접부에서의 산화물의 혼입 방지의 관점으로부터 불활성 가스 중의 산소 농도는 5.0체적% 이하로 하는 것이 바람직하다.
MIG 용접에 있어서의 용접 고온 균열 등의 용접 결함의 발생을 방지하기 위해서는, 용접 후에 냉각하는 것으로써, 용접시에 발생한 열을 조기에 다른 부위에 전달시켜서 열이동시키는 것이 중요하다.
용접 후에 신속하게 열이동시켜서 효과적으로 용접 결함의 발생을 방지하기 위해서는, 용접 이음매부(1)에 있어서, 용접을 실시한 면과는 반대측의 용접 이면(6)의 냉각 속도를 제한하는 것이 유효하다.
구체적으로는, 용접 후에 용접 이면(6)에 있어서 온도가 최고가 되는 부위인 용착 이면부(7)를, 110℃/초 이상의 냉각 속도로 1200℃에서 900℃까지 냉각한다.
용접 후의 냉각 속도를 상승시켜서, 냉각 속도를 110℃/초 이상으로 하는 방법으로서는, 예를 들면, 용접에서의 입열 그 자체를 제품의 성질상 허용되는 범위로 저감하는 방법, 열전달을 촉진하기 위해서 용접 이면(6)에 Cu 등의 덧댐판을 부착하는 방법, 백 실드 가스의 유량을 조정하는 방법, 및, 실드 가스를 용접 이면(6)에 직접 내뿜는 방법 등으로 적절히 실시 가능하다.
여기서, 용접시에 가장 열이동하기 어려운 것은, 강판끼리가 중첩된 중첩부(8)이다. 여기서, 중첩부(8)의 체적을 크게 하여 열전도(열이동)를 촉진시키기 위해서, 중첩부(8)의 중첩 마진(W)의 길이를 2.5mm 이상으로 하는 구성이 바람직하고, 중첩 마진(W)의 길이가 4.0mm 이상이면 보다 바람직하다.
그리고, 상기 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법에 의하면, 용접 이면(6)에 있어서 용접시에 온도가 최고가 되는 부위인 용착 이면부(7)를 1200℃에서 900℃까지 냉각할 때의 냉각 속도를 110℃/초 이상으로 하기 때문에, 용접 결함이 발생하기 쉬운 용접 이면(6)에 있어서 용접시에 발생한 열을 조기에 다른 부위에 이동할 수 있다. 이 때문에, 용접 결함의 원인이 되는 용접시에 발생한 열에 의한 영향을 억제할 수 있고, 고온 균열이나 HAZ부(열영향부)의 연성 저하 균열 등의 용접 결함의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 중첩부(8)을 용접할 때의 중첩 마진(W)의 길이를 2.5mm 이상으로 하는 것으로써, 중첩부(8)의 체적을 크게 하여 열전도(열이동)를 촉진할 수 있고, 냉각 속도를 상승할 수 있기 때문에, 용접 결함의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 중첩 마진(W)의 길이를 4.0mm 이상으로 하면, 용접 결함의 발생을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 상기 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법에서는, 아크 용접으로서 MIG 용접법을 이용하고 있지만, 예를 들면, TIG 용접법, MAG 용접법 및 피복 아크 용접법 등도 적용 가능하다.
또한, 상기 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법에서는, 중첩부(8)을 필릿 용접하고 있지만, 예를 들면 도 2에 나타내는 변형예와 같이, 중첩부(8)의 중앙부 부근을 용접해도 좋다.
또한, 상기 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법은, 오스테나이트계 스테인리스 강판끼리를 용접하는 경우, 및, 오스테나이트계 스테인리스 강판을 다른 재료와 용접하는 경우의 어느 것에도 적용 가능하다.
[실시예]
이하, 본 실시예 및 비교예에 대해서 설명한다.
표 1에 나타내는 성분의 오스테나이트계 스테인리스강을 용융 제조하고, 판 두께 0.8mm의 냉연 소둔판으로 했다. 또한, 각 냉연 소둔판으로부터 100×200mm의 판 형상의 공시재(供試材)를 잘라냈다.
Figure pct00001
각 강종의 공시재를 2매 중첩하여 맞추고, 전류 120A, 전압 14.4V, 용접 심선 308(φ1.2mm), 실드 가스 Ar + 5체적% O2, 및, 실드 가스 유량 10L/분의 조건으로 MIG 용접을 실시한 후, 백 실드 가스로서 Ar를 용접 이면에 직접 내뿜어서 용착 이면부를 냉각했다. 또한, 냉각 속도는, 백 실드 가스의 유량을 조정하는 것으로 컨트롤했다.
각 강종에서 5개의 검체를 제작하고 평가수를 5로 하여, 용착 이면부에 균열이 발생하고 있던 것을 균열 판정으로 하고 균열의 발생률을 산출했다.
각 강종에 있어서의 중첩 마진, 용착 이면부를 1200℃에서 900℃까지 냉각할 때의 냉각 속도, 및, 균열 발생률을 표 2에 나타내고, 냉각 속도와 균열 발생률과의 관계를 도 3에 나타낸다. 또한, 도 3에 있어서, ◇는 균열이 발생하지 않았던 경우를 나타내고, ◆는 균열이 발생한 경우를 나타낸다.
Figure pct00002
표 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 용착 이면부를 1200℃에서 900℃까지 냉각할 때의 냉각 속도가 110℃/초 이상의 본 실시예인 강종 No. 1 내지 강종 No. 10의 모두 용착 이면부에 균열이 발생하고 있지 않고, 용접성이 우수했다.
한편, 용착 이면부를 1200℃에서 900℃까지 냉각할 때의 냉각 속도가 110℃/초 미만의 비교예인 강종 No. 11 내지 강종 No. 15의 모두 용접 균열이 발생하고 있고, 용접성이 불충분했다.
[산업상 이용 가능성]
본 발명은, 예를 들면 이중구조 이그저스트 매니폴드 등을 제조하는 경우 에 있어서, 오스테나이트계 스테인리스 강판을 중첩하여 용접할 때에 이용할 수 있다.
1: 용접 이음매부
6: 용접 이면
7: 용착 이면부
8: 중첩부
W: 중첩 마진

Claims (5)

  1. C:0.08질량% 이하, Si:1.5질량% 이상 4.0질량% 이하, Mn:2.0질량% 이하, P:0.04질량% 이하, S:0.01질량% 이하, Cr:16.0질량% 이상 22.0질량% 이하, Ni:10.0질량% 이상 14.0질량% 이하, 및, N:0.08질량% 이하를 함유함과 함께, Nb 및 Ti의 적어도 1종을 합계 1.0질량% 이하 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 구성된 판 두께 0.6mm 이상 1.0mm 이하의 오스테나이트계 스테인리스 강판을 중첩하여 아크 용접으로 중첩부를 용접하고,
    용접 이면에서 용접시에 온도가 최고가 되는 부위인 용착 이면부를, 110℃/초 이상의 냉각 속도로 1200℃에서 900℃까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    오스테나이트계 스테인리스 강판은, Al, Zr 및 V 중 적어도 1종을 합계 1.0질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    오스테나이트계 스테인리스 강판은, Mo 및 Cu의 적어도 1종을 합계 4.0질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    오스테나이트계 스테인리스 강판은, B를 0.01질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    중첩부를 용접할 때의 용접 이음매부의 중첩 마진의 길이를 2.5mm 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스 강판의 용접 방법.
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