KR20180102174A - 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어 및 Ni기 합금 용접 금속 - Google Patents

용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어 및 Ni기 합금 용접 금속 Download PDF

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Abstract

용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어는, Cr, Ti, Nb, C, S, Mn, 및 Fe를 소정량 함유하고, 또한 Mo+W, P, Si, Al, Ca, B, Mg, Zr, Co, O, H, 및 N을 소정량으로 억제하고, 또한 ([Ti]+[Nb])/[C]가 80∼150이며, 잔부가 Ni 및 불가피적 불순물인 조성을 갖는다. 단, [Ti], [Nb] 및 [C]는 각각 Ti, Nb 및 C의 함유량(질량%)을 나타낸다.

Description

용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어 및 Ni기 합금 용접 금속
본 개시는 Ni-30Cr계의 조성을 갖는 용접용 솔리드 와이어 및 Ni기 합금 용접 금속에 관한 것이다.
원자력 발전의 경수로를 구성하는 압력 용기 및 증기 발생기의 용접 금속으로서는, Ni기 합금이 이용되고, 그 육성(肉盛) 용접에는, Ni-15Cr계 또는 Ni-20Cr계 와이어가 이용되어 왔다. Ni-15Cr계 또는 Ni-20Cr계 와이어의 용접 금속에서 발생하는 1차 냉각수인 순수(純水) 중의 응력 부식 깨짐(PWSCC: Primary Water Stress Corrosion Cracking)에 대한 대책으로서, Ni-30Cr계 와이어의 적용이 진행되고 있다. 그러나, Ni-30Cr계 와이어의 용접 금속에서는, Ni-15Cr계 또는 Ni-20Cr계 와이어와 비교해서, 용접 시에 고온하에서 발생하는 고온 깨짐이 발생하기 쉽다는 문제가 있다.
고온 깨짐은, 용융된 용접 금속이 완전히 응고되기 전에, 최종 응고 위치에 잔류한 액상(液相)이, 응고 수축 및 열 수축에 의한 변형에 의해 개구하는 응고 깨짐 외에, 다층 용접에 있어서 다음 패스의 용접열에 의해 고온으로 달궈진 불순물 원소가 풍부한 결정 입계가 액화되어 개구하는 액화 깨짐, 및 고상선 온도 이하의 중간 온도역에 있어서 결합력이 저하된 입계에 응력이 작용하여 개구하는 연성 저하 깨짐 등을 들 수 있다.
Ni-30Cr계 와이어의 용접 금속은 Ni-15Cr계 또는 Ni-20Cr계 와이어의 용접 금속과 비교해서, 인장 강도가 낮아진다. 그 결과, Ni-30Cr계 와이어에서는, 모재와 비교해서 용접 금속의 인장 강도가 뒤떨어지기 때문에, 기기 설계면에서의 제약이 된다는 문제가 있다.
상기 문제를 해결하기 위해, 특허문헌 1에는, 소정량의 Cr, Ti, Nb, Ta, C 및 Fe를 함유하고, Al, N, Zr, Mg, P, S, Si 및 Mn을 소정량으로 규제하고, 잔부는 Ni 및 불가피적 불순물인 조성을 갖는 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어가 개시되어 있다. 특허문헌 1에 의하면, 상기 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어는 용접 금속에 있어서의 연성 저하 재열 깨짐에 대한 내깨짐성이 우수하고, 용접 금속의 인장 강도를 모재와 동등 이상으로 높일 수 있음과 함께, 용접 작업성이 우수하다고 기재되어 있다.
특허문헌 2에는, 소정량의 C, Si, Mn, Cr, Mo, Fe, Cu, Nb+Ta, Al 및 Ti를 함유하고, 추가로 불가피적 불순물로서 소정량의 P 및 S를 포함하며, 잔부가 Ni로 이루어지는 조성을 갖는 고 Cr 함유 Ni기 합금 용접 재료가 개시되어 있다. 특허문헌 2에 의하면, 상기 고 Cr 함유 Ni기 합금 용접 재료는 인장 강도를 높일 수 있다고 기재되어 있다.
특허문헌 3에는, 소정량의 Cr, Fe, Mn, Nb+Ta, Mo, Si, Ti, Al, Cu, Zr, S, B, C, P, Mg+Ca, 잔부 Ni 및 불가피 불순물을 포함하여 이루어지는 Ni-Cr-Fe 합금으로부터 제조된 와이어의 형태인 제품이 개시되어 있다. 특허문헌 3에 의하면, 상기 와이어 형태의 제품은 응고 깨짐, 연성-침지 균열, 루트 깨짐, 및 응력 부식 균열에 대한 내성에 더하여, 원하는 강도 및 내식성을 부여할 수 있다고 기재되어 있다.
특허문헌 4에는, 소정량의 C, Mn, Fe, Si, Al, Ti, Cr, Ta 및 Mo를 함유하고, 불가피 불순물로서 소정량의 Ca+Mg, N, P, O, S, H, Cu 및 Co를 함유하고, 잔부가 Ni로 이루어지는 조성인 Ni기 고 Cr 합금 용접 와이어가 개시되어 있다. 특허문헌 4에 의하면, 상기 Ni기 고 Cr 합금 용접 와이어는 용접부의 인장 강도, 내용접깨짐성, 용접 금속의 마이크로 조직의 건전성, 및 용접 작업성을 향상시킬 수 있다고 기재되어 있다.
일본 특허 제5441870호 공보 일본 특허공개 평2010-172952호 공보 일본 특허 제5420406호 공보 일본 특허 제5270043호 공보
그러나, 종래의 와이어에서는, 고온 깨짐을 방지하는 효과가 불충분했던 데다가, 탄소강 상에 육성 용접 후, 탄소강의 템퍼링을 목적으로 한 용접 후 열처리(PWHT: Post Weld Heat Treatment)를 받으면, 응고 편석에 의해 Mo 등의 합금 성분이 농화된 영역에 σ상 등의 금속간 화합물이 석출되어 용접 금속이 취화되어 버린다는 문제가 있었다. 또한, PWHT에 있어서 모재로부터 용접 금속을 향해 탄소가 확산되어, 본드를 사이에 두고 침탄층과 탈탄층이 생겨, 본드가 취화된다는 문제가 있었다. 한편, 「본드」란 용접 금속과 모재의 계면을 의미한다.
본 개시는 상기 문제에 비추어 이루어진 것으로, 고온 깨짐 감수성이 낮고, 인장 강도가 우수하고, PWHT를 받더라도 취화를 일으키기 어려운 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어 및 Ni기 합금 용접 금속을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 제 1 태양에 따른 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어는, Cr: 27.0∼31.5질량%, Ti: 0.80∼2.40질량%, Nb: 0.30∼2.40질량%, C: 0.020∼0.040질량%, S: 0.0005∼0.0030질량%, Mn: 0.20∼1.00질량% 및 Fe: 5.0∼11.0질량%를 함유하고, 또한 Mo+W: 0.5질량% 이하, P: 0.0100질량% 이하, Si: 0.50질량% 이하, Al: 0.20질량% 이하, Ca: 0.005질량% 이하, B: 0.005질량% 이하, Mg: 0.010질량% 이하, Zr: 0.005질량% 이하, Co: 0.10질량% 이하, O: 0.015질량% 이하, H: 0.003질량% 이하 및 N: 0.015질량% 이하로 억제하고, 또한 ([Ti]+[Nb])/[C]가 80∼150이며, 잔부가 Ni 및 불가피적 불순물인 조성을 갖는 것을 특징으로 한다. 단, [Ti], [Nb] 및 [C]는 각각 Ti, Nb 및 C의 함유량(질량%)을 나타낸다.
이와 같이, 본 발명의 제 1 태양에 따른 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어는, Cr, Ti, Nb, C, S, Mn 및 Fe를 소정량 함유하고, 또한 Mo+W, P, Si, Al, Ca, B, Mg, Zr, Co, O, H 및 N을 소정량으로 억제하고, 또한 ([Ti]+[Nb])/[C]가 소정량(80∼150)인 조성을 갖는 것에 의해, Ti, Nb, Mo 및 W의 탄화물, 탄질화물 및/또는 금속간 화합물이 석출되기 때문에, 용접 금속의 인장 강도가 향상된다. 또한, 본 발명의 제 1 태양에 따른 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어는, 상기 조성을 갖는 것에 의해, Ti 및 Nb의 탄화물이 석출되어 조대한 Cr 탄화물의 입계 석출이 억제되기 때문에, 입계 부식 및 응력 부식 깨짐 등이 방지됨과 함께, 용접 시의 고온 깨짐 감수성이 높아지는 것이 억제된다. 또한, 본 발명의 제 1 태양에 따른 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어는, 상기 조성을 갖는 것에 의해, PWHT가 실시되더라도, 모재로부터 용접 금속으로의 C의 확산이 억제되고, 연성 및 인성이 부족한 침탄층 및 탈탄층의 형성이 억제되기 때문에, 본드부의 취화를 억제할 수 있다. 또, 본 발명의 제 1 태양에 따른 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어는, 상기 조성을 갖는 것에 의해, 용접 비드 표면에 금속 산화물이 고착하여 슬래그가 되는 것이 억제되기 때문에, 용접 작업성이 향상된다.
본 발명의 제 2 태양에 따른 Ni기 합금 용접 금속은, 상기 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어를 이용하여 제작되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 본 발명의 제 2 태양에 따른 Ni기 합금 용접 금속은, 상기 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어를 이용하는 것에 의해, Ti, Nb, Mo 및 W의 탄화물, 탄질화물 및/또는 금속간 화합물이 석출되기 때문에, 용접 금속의 인장 강도가 향상된다. 또한, 본 발명의 제 2 태양에 따른 Ni기 합금 용접 금속은, 상기 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어를 이용하는 것에 의해, Ti, Nb의 탄화물이 석출되어 조대한 Cr 탄화물의 입계 석출이 억제되기 때문에, 입계 부식 등이 방지됨과 함께, 용접 시의 고온 깨짐 감수성이 높아지는 것이 억제된다. 또한, 본 발명의 제 2 태양에 따른 Ni기 합금 용접 금속은, 상기 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어를 이용하는 것에 의해, PWHT가 실시되더라도, 모재로부터 용접 금속으로의 C의 확산이 억제되고, 연성 및 인성이 부족한 침탄층 및 탈탄층의 형성이 억제되기 때문에, 용접 금속의 취화를 억제할 수 있다. 또, 본 발명의 실시형태에 따른 Ni기 합금 용접 금속은, 상기 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어를 이용하는 것에 의해, 용접 비드 표면에 금속 산화물이 고착하여 슬래그가 되는 것이 억제되기 때문에, 용접 작업성이 향상된다.
본 발명의 태양에 의하면, 고온 깨짐 감수성이 낮고, 인장 강도가 우수하고, PWHT를 받더라도 취화를 일으키지 않는 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어 및 Ni기 합금 용접 금속을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 태양에 의하면, 제공되는 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어 및 Ni기 합금 용접 금속은, 내식성 및 용접 작업성도 우수하다.
도 1은 다층 육성 용접을 설명하는 모식도이다.
도 2는 전(全)용착 금속 시험체를 나타내는 모식도이다.
(제 1 태양: 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어)
본 발명의 실시형태에 따른 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어에 대하여 설명한다.
용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어(이하, 와이어로 칭함)는, Cr: 27.0∼31.5질량%, Ti: 0.80∼2.40질량%, Nb: 0.30∼2.40질량%, C: 0.020∼0.040질량%, S: 0.0005∼0.0030질량%, Mn: 0.20∼1.00질량%, 및 Fe: 5.0∼11.0질량%를 함유하고, 또한 Mo+W: 0.5질량% 이하, P: 0.0100질량% 이하, Si: 0.50질량% 이하, Al: 0.20질량% 이하, Ca: 0.005질량% 이하, B: 0.005질량% 이하, Mg: 0.010질량% 이하, Zr: 0.005질량% 이하, Co: 0.10질량% 이하, O: 0.015질량% 이하, H: 0.003질량% 이하, 및 N: 0.015질량% 이하로 억제하고, 또한 ([Ti]+[Nb])/[C]가 80∼150이며, 잔부가 Ni 및 불가피적 불순물인 조성을 갖는다. 단, [Ti], [Nb] 및 [C]는 각각 Ti, Nb 및 C의 함유량(질량%)을 나타낸다.
와이어에 있어서, 용접 금속의 인장 강도를 높이기 위해서는, 매트릭스의 고용 강화 외에, 미세한 정출물 또는 석출물에 의한 강화가 유효하고, Nb, Ti, Mo 등의 함유에 의해 탄화물, 탄질화물 및/또는 금속간 화합물을 석출시켜 인장 강도를 높일 수 있다. 그러나, 와이어에 있어서, 이들 강화 원소를 함유하면 용접 시의 고온 깨짐 감수성이 높아지기 때문에, 함유량에 대해서는 최적인 범위가 존재한다.
또한, 동 성분계의 용접 금속이 모재인 탄소강 상에 육성 용접된 경우, 모재측의 열영향부의 템퍼링을 목적으로, 600℃ 정도에서 PWHT가 실시되는 것이 일반적이기 때문에, PWHT 후의 용접부의 건전성 및 기계 성능을 확보해야 한다. PWHT에 있어서, 용접 금속 중의 C 농도와 모재의 C 농도의 차가 클수록, PWHT 중에 모재로부터 용접 금속을 향해 C가 확산된 결과, 본드를 사이에 두고 용접 금속측에 C 농도가 높아진 침탄층이 형성되고, 모재측에 C 농도가 저하된 탈탄층이 형성된다. 침탄층과 탈탄층의 두께는 PWHT 온도가 높을수록, 또한 유지 시간이 길수록 커지지만, 어느 층도 굽힘 연성 및/또는 인성이 부족하기 때문에, 응력이 걸리면 파괴의 기점이 될 우려가 있다. 이 PWHT 과정에 있어서의 C 확산은 용접 금속 중의 합금 성분에 의해서도 영향을 받고, 특히 탄화물 형성능이 높은 Mo 및 W가 용접 금속에 포함되면 C 확산이 진행된다는 것을 예의 연구의 결과 알 수 있었다. 또, Nb 및 Ti와 결합하지 않는 잉여한 C는 Cr 탄화물로서 입계 석출되어 내식성을 열화시킨다. 또한, C와 결합하지 않는 잉여한 Nb 및 Ti는 금속간 화합물로서 석출되어 용접 금속의 취화를 촉진시킨다.
그래서, 발명자들은 와이어 중에 C를 함유시키면서, Mo 및 W의 함유량을 억제하고, 모재로부터 용접 금속으로의 C 확산을 억제하여, 본드 근방에 있어서의 취화층의 형성을 방지했다. 또한, ([Ti]+[Nb])/[C]를 소정량(80∼150)으로 제어함으로써, Cr 탄화물 및 금속간 화합물의 석출을 억제하여, 내식성의 열화, 용접 금속의 취화를 방지했다.
이하에 와이어의 성분 조성의 수치 한정 이유를 설명한다.
(Cr: 27.0∼31.5질량%)
Cr은 용접 금속 표면에 Cr2O3의 피막을 형성하여 부동태화하기 때문에, 내식성에는 없어서는 안 되는 성분이다. 따라서, Cr량은 27.0질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 29.0질량% 이상이다. Cr이 과잉이 되면 입계 상의 Cr 탄화물이 조대화되기 쉬워, 연성 저하 깨짐 감수성이 높아진다. 따라서, Cr량은 31.5질량% 이하로 하고, 바람직하게는 31.0질량% 이하이다.
(Ti: 0.80∼2.40질량%)
Ti는 Ni 모상에 고용될 뿐만 아니라, 탄질화물 및 γ'상(Ni3Ti)으로서 석출되어, 용접 금속의 인장 강도를 향상시킨다. 특히, γ'상은 매트릭스와 미세하게 정합 석출되어 전위의 운동을 억제하기 때문에, Ti는 인장 강도 향상에는 극히 유효한 성분이다. 또한, Ti가 C와 결합함으로써 Cr 탄화물의 입계 석출을 억제하기 때문에, 입계 부식 및 응력 부식 깨짐의 방지에 유효하다. 또, Ti는 N과 결합해서 입내, 입계에 석출되어 인장 강도를 향상시킨다. 따라서, Ti량은 0.80질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 0.90질량% 이상이다. 한편, 과잉의 Ti는, PWHT에 있어서, 다량의 γ'상을 석출시켜 용접 금속의 취화를 촉진한다. 또한, 과잉의 Ti는, 산화하여 용융 풀 중에 스케일로서 부상하고, 용접 비드 표면에 고착하여 슬래그를 형성한다. 용접 시에는 불활성 가스의 적용에 의해 용융 풀을 대기로부터 실드하지만, Ti량이 과잉이면 슬래그 발생을 완전히 억제할 수 없게 된다. 따라서, Ti량은 2.40질량% 이하로 하고, 바람직하게는 1.80질량% 이하이다.
(Nb: 0.30∼2.40질량%)
Nb는 모상에 고용될 뿐만 아니라, MC형의 탄질화물 및 γ''상(Ni3Nb)으로서 매트릭스에 대해서 정합 석출되어 용접 금속의 인장 강도를 향상시킨다. γ''상의 석출은 γ'상보다도 느리기 때문에, PWHT에 의한 취화 정도는 작다. 입계에 석출된 미세한 Nb 탄화물은 조대한 Cr23C6, Cr7C3 등의 Cr 탄화물의 입계 석출을 억제하고, 이동 입계의 피닝에 의해 사행 입계를 형성하여, 입계 미끄럼을 억제하기 때문에, 연성 저하 깨짐에 대해서 유효하다. 또한, Nb는 Cr보다도 우선적으로 C와 결합함으로써 Cr 탄화물의 입계 석출에 기인한 입계 부식을 억제한다. 따라서, Nb량은 0.30질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 0.40질량% 이상이다.
한편, 과잉한 Nb는 용접 금속의 응고 시에 응고 편석에 의해 덴드라이트 계면에 농화되고, 융점이 낮은 화합물을 정출, 석출하기 쉬워, 과잉으로 함유하면 응고 깨짐 및/또는 재열 액화 깨짐의 발생 원인이 된다. 또한, 과잉한 Nb는 탄화물 이외에 γ''상의 석출이 현저해져, 내식성의 개선 효과가 얻어지지 않는다. 따라서, Nb량은 2.40질량% 이하로 하고, 바람직하게는 2.20질량% 이하이다. 한편, Nb의 일부 또는 전부를 Nb와 가까운 성질을 갖는 Ta로 치환하더라도 마찬가지의 효과가 얻어진다.
(C: 0.020∼0.040질량%)
C는 응고 과정에 있어서 Ti, Nb와 결합하여 MC, M6C, M23C6 등의 탄화물로서 입계에 석출되어, 입계 미끄럼을 억제해서 연성 저하 깨짐을 방지하고, 또한 석출 강화에 의해 인장 강도를 향상시킨다. 탄소강(모재) 상의 육성 용접 금속 중의 C가 낮으면, PWHT에 있어서 모재로부터 용접 금속으로의 C 확산이 진행되어, 침탄·탈탄층이 두꺼워져, 예를 들면 옆굽힘 시험을 행한 경우에, 본드 근방에 있어서 미소한 개구 결함이 무수히 발생한다. 그래서, 와이어에 0.020질량% 이상, 바람직하게는 0.025질량% 이상의 C를 함유시키면, C 확산이 억제되고, 옆굽힘 시험에 있어서 결함의 발생이 없어진다. 한편, 과잉한 C는, Ti, Nb와 결합하고 있지 않은 잉여분의 프리 C가 Cr과 결합하여, Cr23C6, Cr7C3 등의 Cr 탄화물이 입계에 석출되어, 입계 근방에 탄화물 결핍층을 형성하여, 입계 부식 및/또는 응력 부식 깨짐의 원인이 된다. 따라서, C량은 0.040질량% 이하, 바람직하게는 0.035질량% 이하이다.
(S: 0.0005∼0.0030질량%)
S는 용접 금속의 응고 시에 입계에 편석하여 농화되고, 저융점 화합물을 생성하기 때문에, 응고 깨짐, 재열 액화 깨짐 및/또는 연성 저하 깨짐의 원인이 된다. 따라서, S량은 0.0030질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.0018질량% 이하이다. 단, S량이 지나치게 낮으면, 용융 금속의 젖음성이 저하되어, 융합이 나빠져 용접 비드 형상이 열화하므로, S량은 0.0005질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 0.0006질량% 이상이다.
(Mn: 0.20∼1.00질량%)
Mn은 용제 공정에서 탈산 원료로서 이용되는 것 외에, 유해한 S와 결합하여 열간 가공성을 좋게 하는 효과가 있다. 따라서, Mn량은 0.20질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 0.47질량% 이상이다. 일반적으로, Mn 원료 자체는 S 농도가 높기 때문에, Mn을 함유하면 비례해서 S 농도의 상승을 초래하여, 고온 깨짐의 원인이 된다. 따라서, Mn량은 1.00질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.60질량% 이하이다.
(Fe: 5.0∼11.0질량%)
Fe는 Ni기 합금 중에 고용되어, 와이어 제조 시의 열간 가공성을 향상시킨다. 따라서, Fe량은 5.0%질량 이상으로 하고, 바람직하게는 8.2질량% 이상이다. 한편, 과잉한 Fe는 용접 시의 고온 깨짐 감수성을 높인다. 따라서, Fe량은 11.0질량% 이하로 하고, 바람직하게는 9.0질량% 이하이다.
(Mo+W: 0.5질량% 이하)
Mo 및 W는 매트릭스에 대한 고용 강화 및 M6C의 석출에 의해 용접 금속의 인장 강도를 향상시키지만, 미량의 함유로는 효과가 작고 다량으로 함유하면 용접 금속 중에서 응고 편석에 의해 입계 및/또는 덴드라이트 계면에 농화되기 때문에, PWHT에 의해 σ상 등의 금속간 화합물을 생성하여, 용접 금속의 연성과 인성이 손상된다. 또, 탄소강인 모재 상의 육성 용접 금속 중에 Mo, W가 포함되면 PWHT 과정에 있어서, 모재로부터 용접 금속을 향한 C 확산이 진행되어, 침탄·탈탄층의 형성이 촉진되고 본드 근방이 취화되어, 옆굽힘 시험에 있어서의 개구 결함을 발생시켜 버린다. 따라서, Mo량과 W량의 합계량인 (Mo+W)는 0.5질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.3질량% 이하이다. 또한, Mo+W의 하한치는 0.1질량%가 바람직하다.
(P: 0.0100질량% 이하)
P는 용접 금속의 응고 시에 입계에 편석하여 농화되어, 저융점 화합물을 생성하기 때문에, 응고 깨짐, 재열 액화 깨짐 및/또는 연성 저하 깨짐의 원인이 된다. 따라서, P량은 0.0100질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.0080질량% 이하이다.
(Si: 0.50질량% 이하)
Si는 용융 금속의 탕 흐름을 좋게 하는 효과가 있지만, 응고 깨짐을 촉진하고, 금속간 화합물의 생성을 촉진하여 취화시킨다. 따라서, Si는 의도적으로 함유시키지 않지만, 일반적으로 입수할 수 있는 원재료로부터 불가피하게 들어가는 분을 고려하여, Si량은 0.50질량% 이하, 바람직하게는 0.22질량% 이하이다.
(Al: 0.20질량% 이하)
Al은 용제 시의 탈산제로서 사용된다. Al은 용접 금속 중에서는 γ'상으로 서 모상에 정합 석출되어 강화되기 때문에, 인장 강도를 향상시킬 수 있고, 특히 PWHT에 의한 그 효과는 현저하다. 그러나, Al은 구속도가 높은 이음에서 PWHT하면, 발생한 열응력에 의해 미소한 깨짐을 야기하는 것 외에, 인성이 현저하게 저하된다. 또한, Al은 용접 비드 표면에 산화물로서 고착하여 슬래그 권입의 원인이 된다. 따라서, Al량은 0.20질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.10질량% 이하이다. 또한, Al량의 하한치는 0.02질량%인 것이 바람직하다.
(Ca: 0.005질량% 이하)
Ca는 용접 비드 표면에 산화물로서 고착하여 슬래그 권입의 원인이 된다. 또한, Ca는 MIG 용접 시에 아크를 불안정화시켜 용접 결함의 원인이 된다. 따라서, Ca량은 와이어 제조 시의 신선 윤활제로서 와이어 표면에 잔류하는 Ca도 포함해서, 0.005질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.002질량% 이하이다.
(B: 0.005질량% 이하, Mg: 0.010질량% 이하 및 Zr: 0.005질량% 이하)
B, Mg 및 Zr은 입계에 편석해서 입계를 강화하여, 와이어 제조 시의 열간 가공성을 개선하는 효과가 있지만, 과잉으로 함유하면 입계에 저융점 화합물을 형성하여, 용접 시의 고온 깨짐 감수성을 높인다. 또한, Mg 및 Zr은 산화되기 쉬워, 슬래그가 되어 용접 비드 표면에 고착하여 슬래그 권입의 원인이 된다. 따라서, B량, Mg량 및 Zr량은 각각 0.005질량% 이하, 0.010질량% 이하 및 0.005질량% 이하로 하고, 바람직하게는 각각 0.001질량% 이하, 0.007질량% 이하 및 0.003질량% 이하이다. 또한, Mg량의 하한치는 0.002질량%인 것이 바람직하다.
(Co: 0.10질량% 이하)
Co는 Ni에 완전 고용되어 강화되지만, 노 내에서 중성자 조사에 의해 반감기가 긴 동위체 60Co로 변화하여 방사선원이 되므로, 의도적인 함유는 행하지 않는다. 따라서, Co량은 0.10질량% 이하, 바람직하게는 0.01질량% 이하이다.
(O: 0.015질량% 이하)
O는 와이어 중에 미소한 산화물계 개재물로서 포함되지만, 용접 금속에 그대로 이행하여 산화물계 개재물로서 분산된다. 용접 금속을 기계 가공으로 마무리하면, 가공 표면에 개재물이 결함으로서 나타난다. 따라서, O량은 0.015질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.007질량% 이하이다.
(H: 0.003질량% 이하)
와이어 중의 H는 용접 금속에 그대로 이행하여, 주로 입계에 편석한다. 입계 편석한 H는 용접 금속이 인장 변형을 받았을 때에, 입계의 결합력을 약하게 해, 변형 신도를 저하시켜 버린다. 따라서, H량은 0.003질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.001질량% 이하이다.
(N: 0.015질량% 이하)
N은 용접 금속 중의 블로 홀의 원인이 된다. 따라서, N량은 0.015질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.006질량% 이하이다.
(([Ti]+[Nb])/[C]: 80∼150)
전술한 대로, 본 발명의 실시형태에 따른 와이어에서는, C를 0.020∼0.040질량% 함유한다. 응고 과정에서 Ti, Nb 등의 원소와 결합하지 않았던 프리한 C는, 육성 용접 후의 PWHT에 있어서, Cr과 결합하여 입계 석출되고, 입계 근방의 내식성을 저하시켜 입계 부식 및/또는 응력 부식 깨짐의 원인이 된다. 그 때문에, 와이어 중의 Ti, Nb량은 그 절대값을 규정하는 것만으로는 불충분하고, 예를 들면 Ti와 Nb의 총량에 대해서 C량이 지나치게 크면, 잉여한 C에 의해 Cr 탄화물 석출에 의한 내식성의 열화가 생긴다. 따라서, Ti량과 Nb량의 합계량과 C량의 비인 ([Ti]+[Nb])/[C]는 80 이상으로 하고, 바람직하게는 88 이상이다. 반대로 C량이 지나치게 작으면, 프리한 Ti 및 Nb가 PWHT 중에 금속간 화합물을 형성하여, 용접 금속의 취화 정도가 커진다. 따라서, ([Ti]+[Nb])/[C]는 150 이하로 하고, 바람직하게는 110 이하이다.
한편, 본 명세서에 있어서 [Ti], [Nb] 및 [C]는 각각 Ti, Nb 및 C의 함유량(질량%)을 나타낸다.
(잔부)
잔부는 Ni 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물로서는, V, Cu 등이고, 본 발명의 실시형태의 효과를 방해하지 않는 범위에서, 각각 V: 0.10질량% 이하, Cu: 0.15질량% 이하, 합계로 0.2질량% 이하로 함유되어 있다. 그리고, V, Cu 등에 대해서는, 상기한 소정의 함유량을 초과하지 않으면, 불가피적 불순물로서 함유되는 경우뿐만 아니라, 적극적으로 함유되는 경우여도, 본 발명의 실시형태의 효과를 방해하지 않는다.
또한, 상기한 상한치만으로 규정하고 있는 억제 원소로서의 (Mo+W), P, Si, Al, Ca, B, Mg, Zr, Co, O, H 및 N에 대해서는, 불가피적 불순물로서 포함되어 있어도 된다.
(제 2 태양: Ni기 합금 용접 금속)
다음으로, 본 발명의 실시형태에 따른 Ni기 합금 용접 금속은, 본 발명의 제 1 태양에 따른 와이어를 이용하여, 탄소강, 스테인리스강 등의 강제의 모재를 용접하는 것에 의해 제작한다.
실시예
다음으로, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
진공 용해로에 있어서 Ni 합금 잉곳을 용제한 후, 단조 및 압연을 거치고, 신선 가공을 행하여, 표 1에 나타내는 성분 조성의 직경이 1.2mm인 와이어를 제조했다.
제작한 와이어를 이용하여, 티그 용접에 의해 다층 육성 용접 시험을 행했다. 도 1에 나타내듯이, 다층 육성 용접 시험에는, 모재(1)로서 두께 50mm의 ASTM A533B 강판을 이용하여, 모재(1)의 오목부(깊이 15mm, 저부의 폭 85mm) 내에, 5층의 육성 용접을 하여, 용접 금속(2)을 형성했다. 용접 금속(2)은 두께 15mm, 저부의 폭 85mm였다. 또한, 동일하게 티그 용접에 의해 도 2에 나타내는 전용착 금속 시험체를 제작했다. 전용착 금속 시험체는 모재(3)로서의 두께 13mm의 SM490A 강판 2매와 뒷댐재(5)의 개선(開先)면에 버터링(buttering) 용접 후, 맞대어 개선 내를 용접하는 것에 의해, 모재 희석의 영향이 없는 용접 금속(4)을 형성했다. 도 2에 있어서, 해칭부는 버터링 용접을 행한 것을 나타낸다.
용접 조건은, 용접 전류가 200A, 아크 전압이 11V, 용접 속도가 60mm/분, 와이어 송급 속도가 9g/분, 실드 가스에는 100% Ar을 사용하고, 실드 가스의 유량이 15L/분이다.
그리고, 도 1의 용접 금속(2)에 대하여 내깨짐성 및 내식성을 평가하고, 도 2의 용접 금속(4)에 대하여 실온 인장 강도(TS(AW)) 및 PWHT 후의 인장 연성을 평가한 결과를 표 2에 나타낸다.
또한, 평가 방법은 이하와 같다.
(내깨짐성 및 본드부의 취화)
용접 금속(2)의 표면에 대해서 수직 방향으로 10mm 두께의 굽힘 시험편을 5매 잘라냈다. 상기 굽힘 시험편을 이용하여, JIS Z 2248:2014에 준해서, 굽힘 반경이 약 50mm인 조건에서 굽힘 가공을 실시했다. 굽힘 가공 후의 단면에 대하여, 침투 탐상 시험을 실시하여, 깨짐의 발생 빈도를 평가했다. 내깨짐성은, 굽힘 시험편의 5단면에 대하여, 깨짐 개수를 카운트하여, 1단면당 평균 깨짐 개수가 5개 미만 또한 본드부에 결함이 없는 경우를 A(우수함), 평균 깨짐 개수가 5개 이상 또는 본드부에 결함이 발생해 있는 경우를 B(뒤떨어짐)로 평가했다.
(실온 인장 강도: TS(AW))
용접 금속(4)으로부터 JIS Z 3111:2015에 준한 인장 시험편(A1호 시험편)을 1개 잘라냈다. 상기 인장 시험편을 이용하여, JIS Z 3111:2015에 준해서 인장 강도 시험을 행했다. 실온 인장 강도는 평균값으로 650MPa 이상을 A(우수함), 650MPa 미만을 B(뒤떨어짐)로 평가했다. 한편, TS는 Tensile Strength의 약어, AW는 As Weld의 약어이다.
(PWHT 후의 인장 연성)
용접 금속(4)에 PWHT에 상당하는 600℃의 열처리를 실시했다. 열처리 후의 용접 금속(4)으로부터 JIS Z 3111:2015에 준한 인장 시험편(A1호 시험편)을 1개 잘라냈다. 상기 인장 시험편을 이용하여, JIS Z 3111:2015에 준해서 인장 시험을 행했다. 신도의 평균값이 35% 이상을 A(연성이 우수하여, 취화에 있어서 우수함), 35% 미만을 B(연성이 뒤떨어져, 취화에 있어서 뒤떨어짐)로 평가했다.
(내식성)
육성 용접으로 형성된 용접 금속(2)으로부터 시험편을 잘라내고, JIS G 0572:2006에 준해서 부식 시험을 행했다. 내식성은 부식 감량 1.5g/m2·hr 이하의 경우를 A(우수함), 1.5g/m2·hr를 초과하는 경우를 B(뒤떨어짐)로 평가했다.
(종합 판정)
종합 판정은 내깨짐성, TS(AW), PWHT 후의 인장 연성, 및 내식성 모두가 A(우수함)라는 평가인 경우에 ○(합격)로 하고, 어느 것에 B(뒤떨어짐)라는 평가가 있는 경우에 ×(불합격)로 했다.
또한, 다층 육성 용접 시의 용접 작업성에 대해서도, 이하의 평가 방법으로 평가했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
(용접 작업성)
육성 용접 시에 용접 비드 표면에 부착되는 슬래그의 발생량을 육안으로 관찰했다. 용접 작업성은 슬래그 발생량이 근소한 경우를 A(우수함), 적은 경우를 B(양호함), 많은 경우를 C(뒤떨어짐)로 평가했다.
Figure pct00001
Figure pct00002
표 1 및 표 2에 나타내듯이, 실시예(A1∼A7)은, 특허청구범위에서 특정된 성분 조성을 만족하기 때문에, 내깨짐성, TS(AW), PWHT 후의 인장 연성, 및 내식성 모두가 A(우수함)여서, ○(합격)였다. 또한, 실시예(A1∼A7)은, 용접 작업성에 대해서도, A(우수함) 또는 B(양호함)였다.
비교예(B1)은, Nb량이 상한치를 초과하기 때문에, 내깨짐성, PWHT 후의 인장 연성, 및 내식성이 B(뒤떨어짐)여서, ×(불합격)였다. 비교예(B2)는, Nb량 및 P량이 상한치를 초과하기 때문에, 내깨짐성, PWHT 후의 인장 연성, 및 내식성이 B(뒤떨어짐)여서, ×(불합격)였다. 비교예(B3)는, Ti량이 하한치 미만이기 때문에, 내깨짐성, TS(AW), PWHT 후의 인장 연성, 및 내식성이 B(뒤떨어짐)여서, ×(불합격)였다.
비교예(B4)는, C량, Ti량, ([Ti]+[Nb])/[C], S량이 하한치 미만이기 때문에, 내깨짐성, TS(AW), PWHT 후의 인장 연성, 및 내식성이 B(뒤떨어짐)여서, ×(불합격)였다. 비교예(B5)는, ([Ti]+[Nb])/[C]가 하한치 미만이기 때문에, 내식성이 B(뒤떨어짐)여서, ×(불합격)였다. 비교예(B6)은, Ti량 및 ([Ti]+[Nb])/[C]가 하한치 미만이기 때문에, 내깨짐성, TS(AW) 및 내식성이 B(뒤떨어짐)여서, ×(불합격)였다. 비교예(B7)은, Ti량 및 ([Ti]+[Nb])/[C]가 하한치 미만이기 때문에, TS(AW) 및 내식성이 B(뒤떨어짐)여서, ×(불합격)였다.
비교예(B8)은, ([Ti]+[Nb])/[C]가 상한치를 초과하기 때문에, 내깨짐성 및 PWHT 후의 인장 연성이 B(뒤떨어짐)여서, ×(불합격)였다. 비교예(B9)는, ([Ti]+[Nb])/[C]가 하한치 미만이기 때문에, 내식성이 B(뒤떨어짐)여서, ×(불합격)였다. 비교예(B10)은, (Mo+W) 상한치를 초과하기 때문에, 내깨짐성 및 PWHT 후의 인장 연성이 B(뒤떨어짐)여서, ×(불합격)였다.
또한, 비교예(B1∼B10)은, 용접 작업성에 대해서는, A(우수함) 또는 B(양호함)였다.
본 출원은 출원일이 2016년 2월 22일인 일본 특허출원 특원 제2016-031425호를 기초 출원으로 하는 우선권 주장을 수반한다. 특원 제2016-031425호는 참조하는 것에 의해 본 명세서에 원용된다.
1, 3: 모재
2, 4: 용접 금속
5: 뒷댐재

Claims (2)

  1. Cr: 27.0∼31.5질량%,
    Ti: 0.80∼2.40질량%,
    Nb: 0.30∼2.40질량%,
    C: 0.020∼0.040질량%,
    S: 0.0005∼0.0030질량%,
    Mn: 0.20∼1.00질량%, 및
    Fe: 5.0∼11.0질량%
    를 함유하고, 또한
    Mo+W: 0.5질량% 이하,
    P: 0.0100질량% 이하,
    Si: 0.50질량% 이하,
    Al: 0.20질량% 이하,
    Ca: 0.005질량% 이하,
    B: 0.005질량% 이하,
    Mg: 0.010질량% 이하,
    Zr: 0.005질량% 이하,
    Co: 0.10질량% 이하,
    O: 0.015질량% 이하,
    H: 0.003질량% 이하, 및
    N: 0.015질량% 이하
    로 억제하고, 또한
    ([Ti]+[Nb])/[C]가 80∼150이며, 잔부가 Ni 및 불가피적 불순물인 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어.
    단, [Ti], [Nb] 및 [C]는 각각 Ti, Nb 및 C의 함유량(질량%)을 나타낸다.
  2. 제 1 항에 기재된 용접용 Ni기 합금 솔리드 와이어를 이용하여 제작된 것을 특징으로 하는 Ni기 합금 용접 금속.
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