KR20200075455A

KR20200075455A - 저온인성이 우수한 대입열 해양구조용강 용접이음부

Info

Publication number: KR20200075455A
Application number: KR1020180164149A
Authority: KR
Inventors: 한규태; 김우겸; 정홍철
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2020-06-26
Also published as: KR102200243B1

Abstract

저온인성이 우수한 대입열 해양구조용강 용접이음부가 제공된다.
본 발명의 대입열 해양구조용강 용접이음부는, 중량%로, 탄소(C): 0.07~0.15%, 규소(Si): 0.10~0.25%, 망간(Mn): 1.5~1.65%, 인(P): 0.008% 이하, S: 0.002% 이하, 알루미늄(Al): 0.015~0.025%, 구리(Cu): 0.2~0.3%, 니켈(Ni): 0.5~1.0%, 니오븀(Nb): 0.017% 이하, 티타늄(Ti): 0.010~0.025%, 질소(N):0.002~0.005%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 용접입열량 5kJ/mm ~ 8.75kJ/mm 범위에서, 조대열영향부(CGHAZ)의 초석페라이트와 베이나이트의 상 분율이 1: 4.8~33.5이고; 상기 조대열영향부(CGHAZ)는 크기가 0.7㎛ 이하이고 전체조직에 대한 상 분율이 0.04 면적% 이하인 M/A(Martensite-Austenite)상을 포함하며; 그리고 이상역 열영향부(ICHAZ)는 크기가 0.9㎛ 이하이고 전체조직에 대한 상 분율이 0.3 면적% 이하인 M/A상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

저온인성이 우수한 대입열 해양구조용강 용접이음부 {Offshore structural steel weldment for high heat input welding}

본 발명은 저온 인성이 우수한 해양구조용강 용접이음부에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 5kJ/mm 이상의 대입열 용접 적용 시 저온 충격인성 및 CTOD 특성이 우수한 해양구조용강 용접이음부에 대한 것이다

해양구조물은 원유, 가스 등을 시추, 정제, 저장, 생산하는 대형 구조물로서 파도, 폭풍 등의 물리적 환경 및 저온에서 장시간 안정성을 유지하여야 한다. 따라서 이러한 해양구조물에 적용되는 강재는 강도 및 저온인성이 우수하여야 하며, 아울러, 열영향부를 포함한 용접부의 물성이 모재 대비 동등한 수준으로 보장되어야 한다.

이러한 해양구조용 강재 제조기술의 일예로서 특허문헌 1에 기재된 발명을 들 수 있다. 상기 특허문헌 1에서는, 중량%로 C: 0.02~0.07%, Si: 0.2% 이하, Mn: 1.2~1.7%, P: 0.012% 이하, S: 0.003% 이하, Al: 0.005~0.02%,Cu: 0.1~0.5%, Ni: 0.1~1.0%, Ti: 0.007~0.013% 및 N: 0.002~0.006% 의 합금성분으로 적절한 압연 및 냉각 프로세스를 통해 항복강도 380MPa급의 후판을 제조하였다. 그러나 상기 특허문헌 1에서 개발한 합급성분으로는 -40℃ 충격인성 합격기준(평균 최소 36J, 개별 최소 26J)과 -10℃ CTOD(Crack tip opening displacement) 시험 합격기준(0.25mm 이상)을 만족하는 용접입열량 범위가 최대 5.0kJ/mm로 제한되는 문제점이 있다.

최근 해양경기의 침체로 선박 및 플랜트 제조사에서는 극한의 원가 절감 노력을 통해 생산성을 향상시키려고 노력하고 있으며, 그 중 용접생산성 상향의 중요성이 부각되고 있다.

대한민국 특허공개 KR2010-0067509호

따라서 본 발명은 상기 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 용접이음부의 합금성분 제어를 통해서 최대 8.75kJ/mm의 입열량에서 저온인성 합격기준(EN10225), 즉, -40℃ 충격인성 (평균 최소 46J, 개별 최소 32J)과 -10℃ CTOD (0.25mm 이상)을 만족하는 용접이음부를 얻을 수 있는 저온인성이 우수한 항복강도 420MPa급의 대입열 해양구조용강 용접이음부를 제공함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, 탄소(C): 0.07~0.15%, 규소(Si): 0.10~0.25%, 망간(Mn): 1.5~1.65%, 인(P): 0.008% 이하, S: 0.002% 이하, 알루미늄(Al): 0.015~0.025%, 구리(Cu): 0.2~0.3%, 니켈(Ni): 0.5~1.0%, 니오븀(Nb): 0.017% 이하, 티타늄(Ti): 0.010~0.025%, 질소(N):0.002~0.005%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,

용접입열량 5kJ/mm ~ 8.75kJ/mm 범위에서,

조대열영향부(CGHAZ)의 초석페라이트와 베이나이트의 상 분율이 1: 4.8~33.5이고;

상기 조대열영향부(CGHAZ)는 크기가 0.7㎛ 이하이고 전체조직에 대한 상 분율이 0.04 면적% 이하인 M/A(Martensite-Austenite)상을 포함하며; 그리고

이상역 열영향부(ICHAZ)는 크기가 0.9㎛ 이하이고 전체조직에 대한 상 분율이 0.3 면적% 이하인 M/A상을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 대입열 해양구조용강 용접이음부에 관한 것이다.

상술한 구성의 본 발명에 의하면 해양구조용강 강재 내 탄소, 규소, 망간, 구리, 니켈을 적정량 첨가하여 용접부의 강도를 보증하고, 니오븀 함량 제한과 함께, Ti와 N의 함량을 증가시켜 니켈 함량을 증가시킴으로써 기존 한계 입열량, 5.0kJ/mm 대비 75% 높은 8.75kJ/mm의 입열량으로 용접시에도 항복강도 420MPa 이상, 저온 충격인성 및 CTOD 값을 만족하는 용접금속부를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 5kJ/mm, 8.75kJ/mm, 10kJ/mm 및 15kJ/mm 입열량별 800~500℃ 온도범위에서 7℃/sec, 4℃/sec, 3.5℃/sec 및 2.3℃/sec(실 용접 중, 시편에 열전대를 이용하여 측정한 값)의 냉각 속도로 냉각 시, 냉각 중의 상변태 온도 및 상분율을 Dilatometer 시험기를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 CG, ICHAZ에서의 입열량 별 M/A상 크기 변화를 보이는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 CG, ICHAZ에서의 입열량 별 M/A상 분율 변화를 보이는 그래프이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명의 대입열 해양구조용강 용접이음부는, 중량%로, 탄소(C): 0.07~0.15%, 규소(Si): 0.10~0.25%, 망간(Mn): 1.5~1.65%, 인(P): 0.008% 이하, S: 0.002% 이하, 알루미늄(Al): 0.015~0.025%, 구리(Cu): 0.2~0.3%, 니켈(Ni): 0.5~1.0%, 니오븀(Nb): 0.017% 이하, 티타늄(Ti): 0.010~0.025%, 질소(N):0.002~0.005%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다. 이하, 각 합금원소 및 그 함량 제한사유를 설명하며, 여기에서 "%"는 달리 규정한 바가 없다면 "중량%"임을 밝혀 둔다.

·탄소(C): 0.07~0.15%,

C는 강의 강도 확보에 매우 유용한 원소이나, 열영향부를 구성하는 미세조직의 경도를 높이고 M/A 조직을 조장하며 대입열 용접 시 조대한 침상의 비드만스타튼 페라이트를 입계에 생성시켜 열영향부 인성을 크게 저하시킨다. 상기의 이유로 본 발명에서는 0.15% 이하로 탄소함량을 제한한다.

·실리콘(Si): 0.10~0.25%

Si는 강의 경화능 확보에 기여하며 제강 중 탈산에도 일정 역할을 담당하므로 0.05% 이상 첨가하여야 하나, 일정량 이상 첨가시 비금속 개재물 또는 M/A 조직의 생성이 현저해지므로 그 상한을 0.25%으로 한다.

·망간(Mn): 1.5~1.65%

Mn은 Cu, Ni과 함께 모재의 강도를 높이면서도 열영향부 인성의 열화에 비교적 영향을 덜 미치는 원소로서 본 발명에서 중요한 원소이다. Mn 함량이 높으면 강도 확보가 쉽고 M/A 조직의 생성을 지연시키므로 1.5% 이상 첨가하여야 하나, 그 양이 1.65%를 초과하면 열영향부 조직의 경도가 지나치게 증가하고, 특히 IC 열영향부 인성이 크게 저하되므로 그 상한을 1.65%로 한정한다.

·고용 알루미늄(Sol. Al): 0.015~0.025%

Al은 강탈산제로서, AlN을 석출하여 결정립미세화 효과를 나타낸다. 그러나 과잉첨가되면 수지상의 탄화물을 형성하여 강을 취약하게 만들고, 연주 슬라브의 표면크랙을 발생시키며 충격인성을 저해하므로, 0.025% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

·구리(Cu) : 0.2~0.3%

구리(Cu)는 0.20% 이상 첨가되면, 고용강화효과를 나타내어 강의 강도, 경도 및 내식성을 증가시킨다. 그러나 과잉첨가되면 열간가공시 Fe보다 산화속도가 낮아 표면에 산재후 내부로 침투하여 적열취성을 일으키므로, 그 함량의 상한을 0.3%로 제어하는 것이 바람직하다.

·니켈(Ni): 0.5~1.0%

Ni은 Cu와 유사하게 강의 강도를 높이면서도 열영향부 인성의 저하가 적은 원소로서 유용하다. 특히, Cu 첨가시 발생할 수 있는 표면 크랙을 억제하기 하기 위해 반드시 첨가해야 한다. 강의 강도와 열영향부 인성을 확보하기 위해 0.5% 이상 첨가되어야 하나, 일정량 이상에서 그 효과가 포화되고 고가원소로서 제조비용이 크게 증가하므로 1.0%를 그 상한으로 한다.

·티타늄(Ti): 0.010~0.025%

티타늄은 질소와 결합하여 고온에서 높은 열적 안정성을 나타내는 TiN을 형성하여 CG 열영향부에서 오스테나이트가 조대화되는 것을 감소하기 때문에 0.010% 이상 첨가되어야 한다. 그러나 0.025%를 초과하여 첨가되면 TiN이 조대화되어 오스테나이트 결정립 조대화 억제 효과가 감소하므로 그 첨가량을 0.025% 이하로 제한한다.

·니오븀(Nb): 0.017%이하

Nb는 N과 결합하여 NbN 석출물을 형성시켜 일반적인 입열량의 용접열영향부에서 페라이트 변태를 촉진시키는 원소로, 미세 NbN 석출 측면에서 0.005% 이상의 함유량을 요구하였으나, (Ti, Nb)(C,N)의 복합 석출물에서 석출물의 고온 안정도를 떨어뜨리기 때문에 대입열 용접 시 조대 열영향부 인성 향상을 위해서는 그 함량을 0.017% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

·질소(N): 0.002~0.005%

N은 Ti와 결합하여 TiN을 형성함으로써 CG 열영향부 인성 향상에 기여하므로 0.002% 이상 첨가되어야 한다, 그러나 너무 많이 첨가되면 연속주조 시 슬래브에 표면 크랙을 유발할 수 있기 때문에 그 상한을 0.005%로 한정한다.

·인(P): 0.008%이하

P는 불가피하게 강 중에 혼입되는 불순물으로서 입계 취화등을 일으켜 모재와 열영향부 인성을 저하시키므로 0.02%이하로 한정한다.

·황(S): 0.002%이하

황은 불가피하게 강 중에 혼입되는 불순물로서 강판의 두께중심부 인성을 저하시키므로 0.002%를 그 상한으로 한다.

상술한 조성을 갖는 본 발명의 대입열용접을 위한 해양구조용강 용접이음부는 탄소와 고용 알루미늄이 제한되어 조대열영향부(Coarsened grained heat affected zone:CGHAZ)와 이상역 열영향부 (Intercritical heat affected zone:ICHAZ)에서의 M/A(Martensite-Austenite)상을 최소화시킬 수 있다.

또한 낮은 탄소함량으로 인하여 입열량 증가에 따라 증가하는 초정 입계 페라이트 생성 시, 침상의 비드만 스타튼 페라이트의 생성이 억제되기 때문에 같은 탄소 당량의 고 탄소 강재 대비 저온 인성이 상승된다.

그리고 니오븀 함량을 제한하고 Ti 및 N함량을 높여(Ti,Nb)(C,N)의 고온안정도를 높임으로써 구오스테나이트결정립 성장을 제한하여 조대열영향부에서의 취성상 생성 및 인성 저하를 억제할 수 있다.

즉, 본 발명에서는, 용접입열량 5kJ/mm~8.75kJ/mm 범위에서, 조대열영향부(CGHAZ)의 초석페라이트와 베이나이트의 상 분율이 1: 4.8~33.5로 제어된 용접이음부를 제공할 수 있다. 5kJ/mm에서 8.75kJ/mm로 용접 입열량이 증가할수록 초석 페라이트의 함량이 2.9%에서 21%로 증가하는 동시에 베이나이트의 분율은 감소하는데, 이에 따라 평균 경도도 222Hv에서 204Hv로 감소한다. 그러나 용접입열량이 8.75kJ/mm를 초과하게 되면(10.0kJ/mm, 15.0kJ/mm), 페라이트와 베이나이트의 상 분율이 1: 4.7이하가 되는 동시에 과도한 침상형 비드만스태튼 페라이트 형성으로 인해 용접부 인성을 보증할 수 없게 될 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 조대열영향부(CGHAZ)는 크기가 0.7㎛ 이하이고 전체조직에 대한 상 분율이 0.04 면적% 이하인 M/A(Martensite-Austenite)상을 포함할 수 있다. 그리고 상기 이상역 열영향부(ICHAZ)는 크기가 0.9㎛ 이하이고 전체조직에 대한 상 분율이 0.3 면적% 이하인 M/A상을 포함할 수 있다. 이러한 조건을 만족할 경우, 대입열 용접에서 -40℃ 충격인성 (평균 최소 46J, 개별 최소 32J)과 -10℃ CTOD (0.25mm 이상)을 만족하는 항복강도 420MPa급의 대입열 해양구조용강 용접이음부를 얻을 수 있다.

한편 본 발명에서 입열량 상승에 따라 상변태에 직접적인 영향을 주는 냉각속도가 느려지는데, M/A상의 생성 측면에서 용접열영향부 중 가장 취약하다고 알려진 조대열영향부가 이상역으로 재가열되는 ICCGHAZ에서 피크온도가 같을 경우 입열량 증가에 따라(냉각속도가 느려짐에 따라) M/A상 대신에 페라이트와 세멘타이트 생성이 우세해지므로, 입열량 상승이 인성에 미치는 영향은 긍정적이라 할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

	강 조성성분(중량%)
	C	Si	Mn	P	S	Sol.Al	Cu	Ni	Nb	Ti	N(ppm)
발명예	0.074	0.22	1.6	0.008	0.002	0.023	0.23	0.61	0.012	0.015	40

상기 표 1과 같은 강조성 성분을 갖는 강재를 이용하여, 5kJ/mm, 8.75kJ/mm, 10kJ/mm, 15kJ/mm로 입열량을 변화시키면서 실 용접을 실시하였다.

도 1은 5kJ/mm, 8.75kJ/mm, 10kJ/mm 및 15kJ/mm 입열량별 800~500℃ 온도범위에서 7℃/sec, 4℃/sec, 3.5℃/sec 및 2.3℃/sec의 냉각 속도로 냉각 시, 냉각 중의 상변태 온도 및 상분율을 측정한 결과를 나타내는 그림이다.

도 1에 나타난 바와 같이, 입열량 증가에 따라 Ts온도(초정 페라이트가 생성되는 온도)가 증가하였고, 베이나이트 시작온도(Bs)와, 변태 종료온도(Tf)는 도 1에 나타난 바와 같다. 최종 상분율(초석 페라이트:베이나이트)은 5, 8.75, 10, 15.0kJ/mm의 용접속도에서 각각 2.9 : 97.1, 13.2 : 66.8, 17.5 : 82.5, 21 : 79 임을 확인하였다. 즉, 용접 입열량이 증가할수록 초석 페라이트의 함량이 증가함을 확인하였으며, 그에 따라 평균 경도도 222Hv에서 195Hv로 감소함을 확인하였다. 그리고 관찰된 페라이트의 형상은 대부분 입계 페라이트로 관찰되었으며, 입열량 증가에 따라 그 폭이 커짐을 확인하였다. 그리고 800~500℃ 온도범위에서 냉각속도, 3.5℃/sec인 10.0kJ/mm의 입열량 조건에서는 조대한 침상형 비드만스태튼 페라이트가 대폭 증가함을 확인하였다.

도 2는 CG, ICHAZ에서의 입열량 별 M/A상 크기 변화를 보이는 그래프이며, 도3은 CG, ICHAZ에서의 입열량 별 M/A상 분율 변화를 보이는 그래프이다.

도 2-3에 나타난 바와 같이, CG, ICHAZ 공통으로 5.0에서 8.75kJ/mm로 입열량이 증가할수록 저온인성을 악화시키는 M/A상의 크기와 분율이 작아짐을 확인할 수 있다.

하기 표 2는 용접부를 포함한 입열량 별 전두께에 대한 인장시험 결과이다. EN S460 강재의 요구사항인 최소 항복강도 400MPa 및 인장강도 500이상 660MPa이하의 기준을 모두 만족함을 확인할 수 있다.

입열량	YS(MPa)	TS(MPa)	EL(%)
5.0kJ/mm	444.62	575.52	27.42
8.75kJ/mm	432.67	567.26	23.28

하기 표 3은 강재 두께 (Face, Center, Root) 및 노치위치(용접부(WM), 조대열영향부(CGHAZ), 단상 열영향부(SCHAZ))에서의 입열량에 따른 -40℃ 충격인성 시험 결과이며, 모든 조건에서 ENS460 강재의 요구사항인 최소 46J 이상의 기준을 모두 만족함을 확인할 수 있다.

		5.0kJ/mm, 충격흡수에너지(J)	8.75kJ/mm, 충격흡수에너지(J)
FACE(표면)	WM	114.6	109.83
	CG	132.4	105.96
	SC	222.3	244.8
CENTER(t/2)	WM	105.2	179.59
	CG	152.7	243.35
	SC	183.3	178.99
ROOT(저면)	WM	126	135.45
	CG	213.1	104.02
	SC	277.5	294.04

하기 표 4는 노치 위치(용접부(WM), 조대열영향부(CGHAZ), 단상열영향부(SCHAZ))에서의 입열량에 따른 -10℃ CTOD 시험의 결과이며, 모든 조건에서 최소 0.25mm 이상의 우수한 CTOD 결과를 보임을 알 수 있다.

Heat input	Notch	CTOD(BS7448), mm
5.0kJ/mm	Weld Metal	0.39
	CGHAZ	1.47
	SCHAZ	0.4
8.75kJ/mm	Weld Metal	1.0
	CGHAZ	2.42
	SCHAZ	1.11

상술한 바와 같이, 용접입열량 5kJ/mm ~ 8.75kJ/mm에서, 조대열영향부(CGHAZ)의 초석페라이트와 베이나이트의 상 분율이 1: 4.8~33.5이고, 상기 조대열영향부(CGHAZ)는 그 크기가 0.7㎛ 이하이고 전체조직에 대한 상 분율이 0.04 면적% 이하인 M/A상을 포함하며, 그리고 이상역 열영향부(ICHAZ)는 그 크기가 0.9㎛ 이하이고 전체조직에 대한 상 분율이 0.3 면적% 이하인 M/A상을 포함하는 용접이음부를 제공함으로서 안정적인 용접부 인성을 확보할 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

중량%로, 탄소(C): 0.07~0.15%, 규소(Si): 0.10~0.25%, 망간(Mn): 1.5~1.65%, 인(P): 0.008% 이하, S: 0.002% 이하, 알루미늄(Al): 0.015~0.025%, 구리(Cu): 0.2~0.3%, 니켈(Ni): 0.5~1.0%, 니오븀(Nb): 0.017% 이하, 티타늄(Ti): 0.010~0.025%, 질소(N):0.002~0.005%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
용접입열량 5kJ/mm ~ 8.75kJ/mm 범위에서,
조대열영향부(CGHAZ)의 초석페라이트와 베이나이트의 상 분율이 1: 4.8~33.5이고;
상기 조대열영향부(CGHAZ)는 크기가 0.7㎛ 이하이고 전체조직에 대한 상 분율이 0.04 면적% 이하인 M/A(Martensite-Austenite)상을 포함하며; 그리고
이상역 열영향부(ICHAZ)는 크기가 0.9㎛ 이하이고 전체조직에 대한 상 분율이 0.3 면적% 이하인 M/A상을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 대입열 해양구조용강 용접이음부.