KR20200060491A - 오스테나이트계 내열강용 용접 재료, 용접 금속 및 용접 구조물 그리고 용접 금속 및 용접 구조물의 제조 방법 - Google Patents

오스테나이트계 내열강용 용접 재료, 용접 금속 및 용접 구조물 그리고 용접 금속 및 용접 구조물의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

화학 조성이, 질량%로, C：0.06~0.14%, Si：0.10~0.40%, Mn：2.0~4.0%, P：0.020% 이하, Cu：2.0~4.0%, Ni：15.0~19.0%, Cr：16.0~20.0%, Mo：0.50~1.50%, Nb：0.30~0.60%, N：0.10~0.30%, Al：0.030% 이하, O：0.020% 이하, S：0~0.0030%, Sn：0~0.0030%, Bi：0~0.0030%, Zn：0~0.0030%, Sb：0~0.0030%, As：0~0.0030%, V：0~0.50%, Ti：0~0.50%, Ta：0~0.50%, Co：0~2.0%, B：0~0.020%, Ca：0~0.020%, Mg：0~0.020%, REM：0~0.06%, 잔부：Fe 및 불순물이며, S, Sn, Bi, Zn, Sb 및 As로부터 선택되는 2종 이상을, [0.0005≤S+Sn+Bi+Zn+Sb+As≤0.0030]을 만족하는 범위에서 함유하는, 오스테나이트계 내열강용 용접 재료.

Description

오스테나이트계 내열강용 용접 재료, 용접 금속 및 용접 구조물 그리고 용접 금속 및 용접 구조물의 제조 방법
본 발명은, 오스테나이트계 내열강용 용접 재료, 용접 금속 및 용접 구조물 그리고 용접 금속 및 용접 구조물의 제조 방법에 관한 것이다.
배열 회수 보일러의 과열 기관 재료로서는, 종래, ASME T91강이 널리 사용되어 왔다. 그러나, 환경 부하 경감의 관점에서, 증기 온도의 고온화가 진행되고 있다. 상기 ASME T91은 Cr함유량이 적기 때문에, 내수증기 산화 특성이 불충분함과 함께 크리프 강도도 불충분하다. 그 때문에, 과열 기관의 고온부에는, 예를 들면, 특허 문헌 1 및 2에 개시되어 있는 바와 같은 석탄 화력 발전 보일러의 과열 기관에 이용되고 있는 오스테나이트계 스테인리스 내열강을 적용하려고 하는 움직임이 있다.
이들 오스테나이트계 스테인리스 내열강을 구조물로 하는 경우, 용접에 의해 조립하는 것이 일반적이고, 거기에 이용되는 용접 재료에 대해서도, 예를 들면, 특허 문헌 3 및 4에 개시되어 있는 바와 같은 용접 재료가 개시되어 있다.
일본 특허공개 2003-268503호 공보 일본 특허공개 2013-44013호 공보 일본 특허공개 평6-142980호 공보 일본 특허공개 2015-110240호 공보
그런데, 배열 회수 보일러는 석탄 화력 발전 보일러와 같이 연속 가동하는 것은 적고, 필요한 발전량에 따라 셧다운, 가동을 반복하는 것이 일반적이며, 예를 들면, 전력 수요가 많은 낮만 가동하고, 야간은 셧다운하는 운전이 이루어진다. 그 결과, 사용되고 있는 과열 기관 등의 부재에는, 가열 및 냉각이 반복해서 행해지게 된다.
이와 같이, 고온으로의 가열과 냉각이 반복되는 경우, 용접부를 포함하는 과열 기관에는 그 온도차에 의한 열충격이 발생한다. 그 때문에, 구성하는 부재에는 열충격에 대한 특성, 즉, 반복 열사이클을 받은 후의 충격 특성이 우수한 것도 필요하다. 특히, 용접 금속을 포함하는 용접부는 형상, 재질 모두 불연속이 되기 때문에, 문제가 되는 경우가 많다.
상기의 특허 문헌 3 및 4에 개시되어 있는 바와 같은 용접 재료를 사용하여 얻어지는 용접 금속은, 확실히 우수한 크리프 파단 강도를 안정적으로 얻을 수 있지만, 반복 열사이클을 받은 경우의 충격 특성에 대해서는 고려하고 있지 않고, 부재의 치수 또는 구조에 따라서는, 충분한 성능을 얻을 수 없는 경우가 있어, 개선의 여지가 있는 것이 분명해졌다.
본 발명은, 고온 가열과 냉각을 반복한 후에도 충분한 충격 특성을 가지는 용접 금속을 얻을 수 있는 오스테나이트계 내열강용 용접 재료, 그것을 이용하여 이루어지는 용접 금속, 및 그 용접 금속을 가지는 용접 구조물, 그리고 상기의 용접 금속 및 용접 구조물의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 하기의 오스테나이트계 내열강용 용접 재료, 용접 금속 및 용접 구조물 그리고 용접 금속 및 용접 구조물의 제조 방법을 요지로 한다.
(1) 화학 조성이, 질량%로,
C：0.06~0.14%,
Si：0.10~0.40%,
Mn：2.0~4.0%,
P：0.020% 이하,
Cu：2.0~4.0%,
Ni：15.0~19.0%,
Cr：16.0~20.0%,
Mo：0.50~1.50%,
Nb：0.30~0.60%,
N：0.10~0.30%,
Al：0.030% 이하,
O：0.020% 이하,
S：0~0.0030%,
Sn：0~0.0030%,
Bi：0~0.0030%,
Zn：0~0.0030%,
Sb：0~0.0030%,
As：0~0.0030%,
V：0~0.50%,
Ti：0~0.50%,
Ta：0~0.50%,
Co：0~2.0%,
B：0~0.020%,
Ca：0~0.020%,
Mg：0~0.020%,
REM：0~0.06%,
잔부：Fe 및 불순물이며,
S, Sn, Bi, Zn, Sb 및 As로부터 선택되는 2종 이상을, 하기 (i) 식을 만족하는 범위에서 함유하는, 오스테나이트계 내열강용 용접 재료.
0.0005≤S+Sn+Bi+Zn+Sb+As≤0.0030 ···(i)
단, 상기 식 중의 원소 기호는, 강 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.
(2) 상기 화학 조성이, 질량%로,
V：0.01~0.50%,
Ti：0.01~0.50%,
Ta：0.01~0.50%,
Co：0.01~2.0%,
B：0.001~0.02%,
Ca：0.001~0.02%,
Mg：0.001~0.02%, 및
REM：0.001~0.06%,
로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 상기 (1)에 기재된 오스테나이트계 내열강용 용접 재료.
(3) 오스테나이트계 내열강으로 이루어지는 모재의 용접에 이용되고,
상기 모재의 화학 조성이, 질량%로,
C：0.05~0.15%,
Si：0.10~0.30%,
Mn：0.1~1.0%,
P：0.040% 이하,
S：0.010% 이하,
Cu：2.0~4.0%,
Ni：7.0~11.0%,
Cr：16.0~20.0%,
Mo：0.03~0.80%,
Nb：0.30~0.60%,
N：0.05~0.20%,
Al：0.030% 이하,
O：0.020% 이하,
V：0~0.10%,
Ti：0~0.10%,
Co：0~1.0%,
W：0~0.50%,
B：0~0.005%,
Ca：0~0.010%,
Mg：0~0.010%,
REM：0~0.10%,
잔부：Fe 및 불순물인, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 오스테나이트계 내열강용 용접 재료.
(4) 상기 (3)에 기재된 모재와, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 오스테나이트계 내열강용 용접 재료를 이용하여 이루어지는, 용접 금속.
(5) 상기 (4)에 기재된 용접 금속을 가지는, 용접 구조물.
(6) 상기 (3)에 기재된 모재에 대해, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 오스테나이트계 내열강용 용접 재료를 이용하여 용접을 행함으로써 용접 금속을 제조하는, 용접 금속의 제조 방법.
(7) 상기 (3)에 기재된 모재에 대해, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 오스테나이트계 내열강용 용접 재료를 이용하여 용접을 행하는, 용접 구조물의 제조 방법.
본 발명에 의하면, 고온 가열과 냉각을 반복한 후에도 충분한 충격 특성을 가지는 용접 금속을 얻을 수 있는 오스테나이트계 내열강용 용접 재료, 그것을 이용하여 이루어지는 용접 금속, 및 그 용접 금속을 가지는 용접 구조물, 그리고 상기의 용접 금속 및 용접 구조물의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 있어서 개선(開先) 가공을 실시한 판재의 형상을 나타내는 개략 단면도이다.
본 발명자들은, 고온 가열과 냉각을 반복한 후에도 충분한 충격 특성을 가지는 용접 금속을 얻기 위해서, 고온 가열 및 냉각을 받는 용접 금속의 충격 특성에 대해서 다양한 검토를 행했다. 그 결과, 이하의 지견을 얻기에 이르렀다.
(a) 용접 금속 중의 S, Sn, Bi, Zn, Sb 및 As의 함유량이 증대하면, 인성 저하가 현저해진다.
(b) 충격 시험 후의 파면에는 주상 결정 경계가 혼재하게 되어, S, Sn, Bi, Zn, Sb 및 As의 함유량이 많아지면, 그 비율이 커진다.
(c) 파면에 주상 결정 경계가 혼재하는 비율은, 고온 가열 및 냉각을 복수회 반복하면 포화하는 경향이 있다.
이와 같은 사항으로부터 이하의 결론에 이르렀다. 즉, 용접 금속 중에 함유되는 S, Sn, Bi, Zn, Sb 및 As는, 용접의 응고 시에 응고 편석되는 것에 더하여, 그 후에 반복되는 고온으로의 가열 및 고온으로부터의 냉각의 과정에서 주상 결정 경계로 편석되어, 주상 결정 경계의 취화를 초래한다. 그 때문에, 상기 S, Sn 등의 함유량이 증가하면, 충격 특성이 저하함과 함께, 파면 상에서 차지하는 주상 결정 경계의 비율이 증가한다고 생각할 수 있었다.
그래서, 본 발명자들은 그 방지책에 대해서 검토한 결과, S, Sn, Bi, Zn, Sb 및 As의 함유량을 최대한 줄이는 것이 유효한 것을 발견했다.
그러나, 이들 원소를 극단적으로 저감한 경우, 확실히 고온 가열 및 냉각을 받은 후에 필요한 충격 특성이 얻어지는 것은 확인할 수 있었지만, 용입(溶入)이 불충분해지는, 이른바 이파형(裏波形) 성능이 극단적으로 열화하는 것이 판명되었다. 이것을 해결하기 위해서는, 용접 입열을 증대시키는 것이 하나의 방법이 된다. 그러나, 입열의 증대는, 용접 시의 응고 균열 감수성을 높인다.
그래서, 이 문제를 해결하게 위해 검토한 결과, S, Sn, Bi, Zn, Sb 및 As로부터 선택되는 2종 이상을 합계로 0.0005~0.0030%의 범위에서 함유시킴으로써, 반복 가열, 냉각 후의 충격 특성을 확보함과 함께, 용입 깊이를 증대시키는 것이 가능한 것을 발견했다. 이것은, 이들 원소가 용접 중의 용융지 내의 대류에 영향을 미쳐, 연직 방향으로의 열수송을 촉진하는 것, 또는 용융지 표면으로부터 증발하여, 아크 중에서 이온화하여 통전 경로를 형성하고, 아크의 전류 밀도를 높이는 것에 의한 것으로 생각할 수 있었다.
본 발명은, 상기 지견에 근거하여 이루어진 것이다. 이하, 본 발명의 각 요건에 대해서 상세하게 설명한다.
(A) 용접 재료의 화학 조성
각 원소의 한정 이유는 하기와 같다. 또한, 이하의 설명에 있어서 함유량에 대한 「%」는, 「질량%」를 의미한다.
C：0.06~0.14%
C는 오스테나이트 생성 원소이며, 고온에서의 용접 금속의 조직 안정성을 높임과 함께, 미세한 탄화물을 생성하여 크리프 강도의 확보에 기여한다. 그러나, C가 과잉하게 함유된 경우, 탄화물이 조대하고 또한 다량으로 석출되어, 오히려 크리프 강도의 저하를 초래함과 함께, 충격 특성을 손상시킨다. 그 때문에, C함유량은 0.06~0.14%로 한다. C함유량은 0.07% 이상인 것이 바람직하고, 0.08% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, C함유량은 0.13% 이하인 것이 바람직하고, 0.12% 이하인 것이 보다 바람직하다.
Si：0.10~0.40%
Si는 탈산제로서 함유되는데, 과잉하게 함유하는 경우, 용접 시의 응고 균열 감수성을 증대시킨다. 그러나, Si함유량의 과도한 저감은, 탈산 효과를 충분히 얻지 못하여, 용접 재료의 청정성이 저하함과 함께, 제조 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, Si함유량은 0.10~0.40%로 한다. Si함유량은 0.15% 이상인 것이 바람직하고, 0.20% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Si함유량은 0.35% 이하인 것이 바람직하고, 0.30% 이하인 것이 보다 바람직하다.
Mn：2.0~4.0%
Mn은 용접 중에 용융 금속의 질소의 활량을 낮춤으로써 용융지 표면으로부터의 질소의 비산을 억제하여, 간접적으로 용접 금속의 인장 강도 및 크리프 강도의 확보에 기여한다. 그러나, Mn을 과잉하게 함유하면, 취화를 초래한다. 그 때문에, Mn함유량은 2.0~4.0%로 한다. Mn함유량은 2.2% 이상인 것이 바람직하고, 2.5% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Mn함유량은 3.8% 이하인 것이 바람직하고, 3.5% 이하인 것이 보다 바람직하다.
P：0.020% 이하
P는 불순물로서 포함되며, 용접 금속의 응고 시에 최종 응고부에 편석되어, 그 융점을 저하시켜, 응고 균열 감수성을 증대시킨다. 그 때문에, P함유량은 0.020% 이하로 할 필요가 있다. P함유량은 0.015% 이하인 것이 바람직하고, 0.010% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, P함유량의 하한은 특별히 설정할 필요는 없으며, 즉 함유량이 0%여도 되지만, 극도의 저감은 용접 재료의 제조 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, P함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.001% 이상인 것이 보다 바람직하다.
Cu：2.0~4.0%
Cu는 고온에서의 용접 금속의 조직 안정성을 확보함과 함께, Cu 부화상(富化相)으로서 석출되어, 크리프 강도를 향상시키는데 유효한 원소이다. 그러나, Cu를 과잉하게 함유하면, Cu 부화상이 과잉하게 석출되어, 충격 특성을 손상시킨다. 그 때문에, Cu함유량은 2.0~4.0%로 한다. Cu함유량은 2.3% 이상인 것이 바람직하고, 2.5% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Cu함유량은 3.8% 이하인 것이 바람직하고, 3.5% 이하인 것이 보다 바람직하다.
Ni：15.0~19.0%
Ni는 용접 금속의 고온에서의 조직 안정성을 확보하여, 크리프 강도의 향상에 기여한다. 그러나, Ni는 고가의 원소이며, 다량의 함유는 용접 재료의 제조 비용의 증대를 초래한다. 이에 더하여, Ni를 과잉하게 함유하면, 용접 중의 용융 금속의 질소 용해도를 낮추어, 반대로 크리프 강도를 손상시킨다. 그 때문에, Ni함유량은 15.0~19.0%로 한다. Ni함유량은 15.5% 이상인 것이 바람직하고, 16.0% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Ni함유량은 18.5% 이하인 것이 바람직하고, 18.0% 이하인 것이 보다 바람직하다.
Cr：16.0~20.0%
Cr은 용접 금속의 고온에서의 내산화성 및 내식성의 확보를 위해 함유된다. 그러나, Cr을 과잉하게 함유하면, 용접 금속의 고온에서의 조직 안정성을 손상시켜, 크리프 강도의 저하를 초래한다. 그 때문에, Cr함유량은 16.0~20.0%로 한다. Cr함유량은 16.5% 이상인 것이 바람직하고, 17.0% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Cr함유량은 19.5% 이하인 것이 바람직하고, 19.0% 이하인 것이 보다 바람직하다.
Mo：0.50~1.50%
Mo는 매트릭스에 고용하여 용접 금속의 크리프 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 그러나, 과잉하게 함유시켜도 그 효과는 포화함과 함께, 용접 금속의 고온에서의 조직 안정성을 저하시켜, 오히려 크리프 강도의 저하를 초래한다. 그 때문에, Mo함유량은 0.50~1.50%로 한다. Mo함유량은 0.60% 이상인 것이 바람직하고, 0.80% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Mo함유량은 1.40% 이하인 것이 바람직하고, 1.20% 이하인 것이 보다 바람직하다.
Nb：0.30~0.60%
Nb는 고온에서의 사용 중에 미세한 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로서 입자 내에 석출되어, 용접 금속의 크리프 강도의 향상에 기여한다. 그러나, 과잉하게 함유하면, 탄질화물이 다량이며 또한 조대하게 석출되어, 크리프 강도 및 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Nb함유량은 0.30~0.60%로 한다. Nb함유량은 0.32% 이상인 것이 바람직하고, 0.35% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Nb함유량은 0.58% 이하인 것이 바람직하고, 0.55% 이하인 것이 보다 바람직하다.
N：0.10~0.30%
N은 고온에서의 용접 금속의 조직 안정성을 높임과 함께, 고용되거나, 또는 질화물로서 입자 내에 미세하게 석출되어, 크리프 강도의 향상에 크게 기여한다. 그러나, 과잉하게 함유하면, 고온에서의 사용 중에 다량의 질화물이 석출되어, 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, N함유량은 0.10~0.30%로 한다. N함유량은 0.12% 이상인 것이 바람직하고, 0.15% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, N함유량은 0.28% 이하인 것이 바람직하고, 0.25% 이하인 것이 보다 바람직하다.
Al：0.030% 이하
Al는, 탈산제로서 함유되는데, 다량으로 함유하면 청정성을 현저하게 손상시켜, 용접 재료의 가공성 및 용접 금속의 연성을 저하시킨다. 그 때문에, Al함유량은 0.030% 이하로 한다. Al함유량은 0.025% 이하인 것이 바람직하고, 0.020% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, Al함유량에 대해서 특별히 하한을 설정할 필요는 없고, 즉 함유량이 0%여도 되지만, 극도의 저감은 용접 재료의 제조 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, Al함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.001% 이상인 것이 보다 바람직하다.
O：0.020% 이하
O(산소)는 불순물로서 함유되는데, 다량으로 포함되는 경우에는, 용접 재료의 가공성 및 용접 금속의 연성을 저하시킨다. 그 때문에, O함유량은 0.020% 이하로 한다. O함유량은 0.015% 이하인 것이 바람직하고, 0.010% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, O함유량에 대해서 특별히 하한을 설정할 필요는 없고, 즉 함유량이 0%여도 되지만, 극도의 저감은 재료의 제조 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, O함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.0010% 이상인 것이 보다 바람직하다.
S：0~0.0030%
Sn：0~0.0030%
Bi：0~0.0030%
Zn：0~0.0030%
Sb：0~0.0030%
As：0~0.0030%
S, Sn, Bi, Zn, Sb 및 As는 용접의 응고 시에 응고 편석되는 것에 더하여, 그 후, 예를 들면 용접 금속을 구비하는 용접 구조물의 사용 시에 있어서 반복되는 고온으로의 가열 및 고온으로부터의 냉각의 과정에서 용접 금속의 주상 결정 경계로 편석되어, 충격 특성의 저하를 초래한다. 한편, 이들 원소는, 용접 중의 용입 깊이를 증대시켜, 특히 첫층 용접 시의 용입 불량을 방지하는데 유효한 원소이다.
반복 가열, 및 냉각 후의 충격 특성과 용접성을 양립시키기 위해서는, 이들 원소로부터 선택되는 2종 이상을, 하기 (i) 식을 만족하는 범위에서 함유할 필요가 있다. (i) 식 좌변값은 0.0008인 것이 바람직하고, 0.0010인 것이 보다 바람직하다. 또, (i) 식 우변값은 0.0028인 것이 바람직하고, 0.0025인 것이 보다 바람직하다.
0.0005≤S+Sn+Bi+Zn+Sb+As≤0.0030 ···(i)
단, 상기 식 중의 원소 기호는, 강 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.
또한, 각각의 원소의 함유량의 하한에 대해서는 특별히 제한은 설정하지 않지만, 상기 (i) 식을 만족하는 범위에 있어서, 상기 중 어느 하나의 원소의 함유량을 0.0001% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.0002% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.0003% 이상으로 하는 것이 더 바람직하다.
본 발명의 용접 재료의 화학 조성에 있어서, 상기의 원소에 더하여, V, Ti, Ta, Co, B, Ca, Mg 및 REM으로부터 선택되는 1종 이상을, 이하에 나타내는 범위에 있어서 더 함유시켜도 된다. 각 원소의 한정 이유에 대해서 설명한다.
V：0~0.50%
V는 C 및/또는 N과 결합하여, 미세한 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로서 입자 내에 석출되어, 고온에서의 크리프 강도에 기여하기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉하게 함유하면, 탄질화물이 다량으로 석출되어, 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, V함유량은 0.50% 이하로 한다. V함유량은 0.45% 이하인 것이 바람직하고, 0.40% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, V함유량은 0.01% 이상인 것이 바람직하고, 0.02% 이상인 것이 보다 바람직하다.
Ti：0~0.50%
Ti는 V와 마찬가지로, 미세한 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로서 입자 내에 석출되어, 고온에서의 크리프 강도에 기여하기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉하게 함유하면, 탄질화물이 다량으로 석출되어, 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Ti함유량은 0.50% 이하로 한다. Ti함유량은 0.45% 이하인 것이 바람직하고, 0.40% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, Ti함유량은 0.01% 이상인 것이 바람직하고, 0.02% 이상인 것이 보다 바람직하다.
Ta：0~0.50%
Ta도 V 및 Ti와 마찬가지로, 미세한 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로서 입자 내에 석출되어, 고온에서의 크리프 강도에 기여하기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉하게 함유하면, 탄질화물이 다량으로 석출되어, 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Ta함유량은 0.50% 이하로 한다. Ta함유량은 0.45% 이하인 것이 바람직하고, 0.40% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, Ta함유량은 0.01% 이상인 것이 바람직하고, 0.02% 이상인 것이 보다 바람직하다.
Co：0~2.0%
Co는 Ni 및 Cu와 마찬가지로, 용접 금속의 고온에서의 조직 안정성을 높여 크리프 강도의 향상에 기여하기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 극히 고가의 원소이기 때문에, 과잉한 함유는 대폭적인 비용 증가를 초래한다. 그 때문에, Co함유량은 2.0% 이하로 한다. Co함유량은 1.5% 이하인 것이 바람직하고, 1.0% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, Co함유량은 0.01% 이상인 것이 바람직하고, 0.02% 이상인 것이 보다 바람직하다.
B：0~0.020%
B는 고온 사용 중에 용접 금속의 주형 결정 경계에 편석되어, 입계를 강화함과 함께 입계 탄화물을 미세 분산시킴으로써 크리프 강도를 향상시키는데 유효한 원소이기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉하게 함유하면, 용접 중의 응고 균열 감수성을 높인다. 그 때문에, B함유량은 0.020% 이하로 한다. B함유량은 0.018% 이하인 것이 바람직하고, 0.015% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, B함유량은 0.001% 이상인 것이 바람직하고, 0.002% 이상인 것이 보다 바람직하다.
Ca：0~0.020%
Ca는 용접 재료 제조 시의 열간 가공성을 개선하는 효과를 가지기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉하게 함유하면, 산소와 결합하여, 청정성을 현저하게 저하시키고, 오히려 열간 가공성을 열화시킨다. 그 때문에, Ca함유량은 0.020% 이하로 한다. Ca함유량은 0.015% 이하인 것이 바람직하고, 0.010% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, Ca함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.001% 이상인 것이 보다 바람직하다.
Mg：0~0.020%
Mg는 Ca와 마찬가지로, 용접 재료 제조 시의 열간 가공성을 개선하는 효과를 가지기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉하게 함유하면, 산소와 결합하여, 청정성을 현저하게 저하시키고, 오히려 열간 가공성을 열화시킨다. 그 때문에, Mg함유량은 0.020% 이하로 한다. Mg함유량은 0.015% 이하인 것이 바람직하고, 0.010% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, Mg함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.001% 이상인 것이 보다 바람직하다.
REM：0~0.06%
REM은 Ca 및 Mg와 마찬가지로, 용접 재료 제조 시의 열간 가공성을 개선하는 효과를 가지기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉하게 함유하면, 산소와 결합하여, 청정성을 현저하게 저하시키고, 오히려 열간 가공성을 열화시킨다. 그 때문에, REM 함유량은 0.06% 이하로 한다. REM 함유량은 0.05% 이하인 것이 바람직하고, 0.04% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, REM 함유량은 0.001% 이상인 것이 바람직하고, 0.002% 이상인 것이 보다 바람직하다.
여기서, REM은, Sc, Y 및 란타노이드의 합계 17원소를 가리키고, 상기 REM의 함유량은 이들 원소의 합계 함유량을 의미한다.
본 발명의 용접 재료의 화학 조성에 있어서, 잔부는 Fe 및 불순물이다. 여기서 「불순물」이란, 강을 공업적으로 제조할 때에, 광석, 스크랩 등의 원료, 제조 공정의 다양한 요인에 따라 혼입되는 성분이며, 본 발명에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
(B) 용접 금속의 제조 방법
본 발명에 따른 용접 금속은, 상술한 용접 재료(용가재)를 이용하여, 오스테나이트계 내열강의 모재를 용접하여 제작된다. 상기의 용접 금속을 얻기 위한 용접 방법에 대해서, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 티그 용접, 미그 용접, 피복 아크 용접, 서브 머지 아크 용접, 레이저 용접 등을 들 수 있다.
또한, 상기 오스테나이트계 내열강의 모재의 바람직한 조성으로서는, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 모재의 화학 조성은, 질량%로, C：0.05~0.15%, Si：0.10~0.30%, Mn：0.1~1.0%, P：0.040% 이하, S：0.010% 이하, Cu：2.0~4.0%, Ni：7.0~11.0%, Cr：16.0~20.0%, Mo：0.03~0.80%, Nb：0.30~0.60%, N：0.05~0.20%, Al：0.030% 이하, O：0.020% 이하, V：0~0.10%, Ti：0~0.10%, Co：0~1.0%, W：0~0.50%, B：0~0.005%, Ca：0~0.010%, Mg：0~0.010%, REM：0~0.10%, 잔부：Fe 및 불순물인 것이 바람직하다.
상기 모재의 화학 조성은, 질량%로, V：0.01~0.10%, Ti：0.01~0.10%, Co：0.01~1.0%, W：0.01~0.50%, B：0.0002~0.005%, Ca：0.0005~0.010%, Mg：0.0005~0.010%, 및, REM：0.0005~0.10%로부터 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다.
또, 상기의 모재 및 용접 재료(용가재)의 제조 방법에 대해서 특별히 제한은 설정하지 않지만, 화학 조성이 조정된 강에 대해, 상법에 의해, 열간 단조, 열간 압연, 열처리 및 기계 가공을 순서대로 실시함으로써 제조할 수 있다.
(C) 용접 구조물
본 발명에 따른 용접 구조물은, 상술한 용접 금속을 가지는 구조물이다. 예를 들면, 용접 구조물은, 용접 금속과 모재로 이루어진다. 즉, 상기의 모재에 대해, 본 발명에 따른 용접 재료를 이용하여 용접을 행함으로써 제조된다. 모재는, 금속으로 이루어지며, 강재인 것이 바람직하고, 스테인리스강인 것이 보다 바람직하고, 오스테나이트계 내열강인 것이 더 바람직하다. 또한, 용접 구조물의 구체적 형상, 용접 구조물을 얻기 위한 용접의 구체적 양태(용접 자세)는 특별히 한정되지 않는다.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
표 1에 나타내는 화학 조성을 가지는 강을 용해하여 주입(鑄入)한 잉곳으로부터, 열간 단조, 열간 압연, 열처리 및 기계 가공에 의해, 판두께 15mm, 폭 50mm, 길이 100mm의 판재(모재) 및 판두께 4mm, 폭 200mm, 길이 500mm의 판재를 제작했다. 또한, 상기의 판두께 4mm의 판재를 이용하여, 기계 가공에 의해, 2mm2, 길이 500mm의 컷 필러를 제작했다. 이들을 이용하여, 이하에 나타내는 각종의 성능 평가 시험을 행했다.
Figure pct00001
＜이파형 성능＞
상기 모재의 길이 방향의 단부에, 도 1에 나타내는 형상의 개선 가공을 실시했다. 그 후, 개선을 형성한 모재를 2개 맞대어, 각 모재와 같은 판재로부터 얻어진 컷 필러를 용가재로서 이용하여, 티그 용접에 의해 맞댐 용접을 행했다. 입열 9kJ/cm로 하여, 각 모재에 대해 2개씩 용접 이음매를 제작했다. 얻어진 용접 이음매 중, 2개 모두 용접선의 전체 길이에 걸쳐, 이면 비드가 형성된 것을 이파형 성능이 양호한 것으로 하여, 「합격」이라고 했다. 한편, 2개의 용접 이음매 중 일부에서도 이면 비드가 형성되지 않는 부분이 있는 경우는 「불합격」이라고 판정했다.
＜충격 특성＞
그 후, 계속해서 각 모재와 같은 판재로부터 얻어진 컷 필러를 용가재로서 이용하여, 개선 내에 수동 티그 용접에 의해 적층 용접을 행했다. 입열 9~15kJ/cm로 하여, 각 모재에 대해 2개씩 용접 이음매를 제작했다.
그 후, 1체의 용접 이음매에 대해서, 「실온→650℃×108시간→실온」의 가열 및 냉각의 사이클을 5회 반복한 후, 용접 금속에 V노치를 가지는 풀 사이즈 샤르피 충격 시험편을 3개 채취하여, 상온에서 샤르피 충격 시험을 행했다. 그리고, 흡수 에너지의 평균값이 27J 이상이 되는 것을 「합격」, 27J를 밑도는 것을 「불합격」이라고 했다.
＜크리프 파단 강도＞
또한, 용접 이음매의 나머지 1체로부터, 용접 금속이 평행부의 중앙이 되도록 환봉 크리프 파단 시험편을 채취하여, 모재의 목표 파단 시간이 약 1000시간이 되는 650℃, 216MPa의 조건에서 크리프 파단 시험을 행했다. 그리고, 파단 시간이 모재의 목표 파단 시간의 90% 이상이 되는 것을 「합격」이라고 했다.
그러한 결과를 표 2에 정리하여 나타낸다.
Figure pct00002
표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 규정을 만족하는 강 A~F를 모재 및 용가재의 쌍방에 이용한 시험 No.1~6에서는, 용접 이음매의 제작 시에 필요한 이파형 성능을 가짐과 함께, 고온 가열과 냉각을 반복한 후에서의 충격 특성이 우수한 결과가 되었다.
그에 반해, 비교예인 강 G 및 H는 (i) 식의 상한을 웃돌았기 때문에, 그들을 이용한 시험 No.7 및 8에서는, 고온 가열과 냉각을 반복한 후에서의 충격 특성이 떨어지는 결과가 되었다. 또, 강 I 및 J는 (i) 식의 하한을 밑돌았기 때문에, 그들을 이용한 시험 No.9 및 10에서는, 충분한 용입 깊이를 얻지 못하여, 이파형 성능이 바람직하지 않았다.
실시예 2
표 3에 나타내는 화학 조성을 가지는 강을 용해하여 주입한 잉곳으로부터, 열간 단조, 열간 압연, 열처리 및 기계 가공에 의해, 판두께 15mm, 폭 50mm, 길이 100mm의 판재(모재)를 제작했다. 이것을 이용하여, 이하에 나타내는 각종의 성능 평가 시험을 행했다.
Figure pct00003
＜충격 특성＞
상기 모재의 길이 방향의 단부에, 도 1에 나타내는 형상의 개선 가공을 실시했다. 그 후, 개선을 형성한 모재를 2개 맞대어, 강 A의 판재로부터 얻어진 컷 필러를 용가재로서 이용하여, 개선 내에 수동 티그 용접에 의해 적층 용접을 행했다. 입열 9~15kJ/cm로 하여, 각 모재에 대해 2개씩 용접 이음매를 제작했다.
그 후, 1체의 용접 이음매에 대해서, 「실온→650℃×108시간→실온」의 가열 및 냉각의 사이클을 5회 반복한 후, 용접 금속에 V노치를 가지는 풀 사이즈 샤르피 충격 시험편을 3개 채취하여, 상온에서 샤르피 충격 시험을 행했다. 그리고, 흡수 에너지의 평균값이 27J 이상이 되는 것을 「합격」, 27J를 밑도는 것을 「불합격」이라고 했다.
＜크리프 파단 강도＞
또한, 용접 이음매의 나머지 1체로부터, 용접 금속이 평행부의 중앙이 되도록 환봉 크리프 파단 시험편을 채취하여, 모재의 목표 파단 시간이 약 1000시간이 되는 650℃, 216MPa의 조건에서 크리프 파단 시험을 행했다. 그리고, 파단 시간이 모재의 목표 파단 시간의 90% 이상이 되는 것을 「합격」이라고 했다.
그러한 결과를 표 4에 정리하여 나타낸다.
Figure pct00004
표 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 용접 재료의 화학 조성이 본 발명의 규정을 만족하는 시험 No.11~14에서는, 용접 이음매의 제작 시에 필요한 이파형 성능을 가짐과 함께, 고온 가열과 냉각을 반복한 후에서의 충격 특성이 우수한 결과가 되었다.
이상과 같이, 본 발명의 요건을 만족하는 경우만, 필요한 용접 시공성 및 내용접 균열성 그리고 우수한 크리프 강도가 얻어지는 것을 알 수 있다.
산업상의 이용 가능성
본 발명에 의하면, 고온 가열과 냉각을 반복한 후에도 충분한 충격 특성을 가지는 용접 금속을 얻을 수 있는 오스테나이트계 내열강용 용접 재료, 그것을 이용하여 이루어지는 용접 금속, 및 그 용접 금속을 가지는 용접 구조물, 그리고 상기의 용접 금속 및 용접 구조물의 제조 방법을 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 화학 조성이, 질량%로,
    C：0.06~0.14%,
    Si：0.10~0.40%,
    Mn：2.0~4.0%,
    P：0.020% 이하,
    Cu：2.0~4.0%,
    Ni：15.0~19.0%,
    Cr：16.0~20.0%,
    Mo：0.50~1.50%,
    Nb：0.30~0.60%,
    N：0.10~0.30%,
    Al：0.030% 이하,
    O：0.020% 이하,
    S：0~0.0030%,
    Sn：0~0.0030%,
    Bi：0~0.0030%,
    Zn：0~0.0030%,
    Sb：0~0.0030%,
    As：0~0.0030%,
    V：0~0.50%,
    Ti：0~0.50%,
    Ta：0~0.50%,
    Co：0~2.0%,
    B：0~0.020%,
    Ca：0~0.020%,
    Mg：0~0.020%,
    REM：0~0.06%,
    잔부：Fe 및 불순물이며,
    S, Sn, Bi, Zn, Sb 및 As로부터 선택되는 2종 이상을, 하기 (i) 식을 만족하는 범위에서 함유하는, 오스테나이트계 내열강용 용접 재료.
    0.0005≤S+Sn+Bi+Zn+Sb+As≤0.0030 ···(i)
    단, 상기 식 중의 원소 기호는, 강 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학 조성이, 질량%로,
    V：0.01~0.50%,
    Ti：0.01~0.50%,
    Ta：0.01~0.50%,
    Co：0.01~2.0%,
    B：0.001~0.02%,
    Ca：0.001~0.02%,
    Mg：0.001~0.02%, 및
    REM：0.001~0.06%,
    로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 오스테나이트계 내열강용 용접 재료.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    오스테나이트계 내열강으로 이루어지는 모재의 용접에 이용되고,
    상기 모재의 화학 조성이, 질량%로,
    C：0.05~0.15%,
    Si：0.10~0.30%,
    Mn：0.1~1.0%,
    P：0.040% 이하,
    S：0.010% 이하,
    Cu：2.0~4.0%,
    Ni：7.0~11.0%,
    Cr：16.0~20.0%,
    Mo：0.03~0.80%,
    Nb：0.30~0.60%,
    N：0.05~0.20%,
    Al：0.030% 이하,
    O：0.020% 이하,
    V：0~0.10%,
    Ti：0~0.10%,
    Co：0~1.0%,
    W：0~0.50%,
    B：0~0.005%,
    Ca：0~0.010%,
    Mg：0~0.010%,
    REM：0~0.10%,
    잔부：Fe 및 불순물인, 오스테나이트계 내열강용 용접 재료.
  4. 청구항 3에 기재된 모재와, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 오스테나이트계 내열강용 용접 재료를 이용하여 이루어지는, 용접 금속.
  5. 청구항 4에 기재된 용접 금속을 가지는, 용접 구조물.
  6. 청구항 3에 기재된 모재에 대해, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 오스테나이트계 내열강용 용접 재료를 이용하여 용접을 행함으로써 용접 금속을 제조하는, 용접 금속의 제조 방법.
  7. 청구항 3에 기재된 모재에 대해, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 오스테나이트계 내열강용 용접 재료를 이용하여 용접을 행하는, 용접 구조물의 제조 방법.
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