KR20210079691A - 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중량%로, 탄소(C): 0.1~0.14%, 규소(Si): 0.15~0.6%, 망간(Mn): 1.28~1.8%, 니켈(Ni): 0.005~0.035%, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.003% 이하, 질소(N): 0.008~0.03%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 용접이음부에 관한 것이다.
Description
본 발명은 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부에 관한 것이다.
최근 조선사 등 선박 및 해양플랜트 제조사에서는 극한의 원가 절감을 통해 생산성 향상을 위하여 노력 중이고, 그 중 용접 생산성 상향의 중요성이 부각되고 있다.
조선용으로 가장 일반적으로 사용되는 항복강도 350MPa급의 조선용 고강도강 용접 시에는 5kJ/㎜ 내외의 상대적 저입열량에서는 문제가 발생하지 않으나, 10kJ/㎜ 이상의 입열량 적용 시에는 용접부에 균열이 발생하여 생산성 향상이 제한되는 문제점이 있다.
본 발명의 일 측면은, 용접이음부의 합금 성분을 제어함으로써 10kJ/㎜ 이상의 높은 입열량에서도 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제는 전술한 내용에 한정하지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 본 발명 명세서 전반에 걸친 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는 데 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.1~0.14%, 규소(Si): 0.15~0.6%, 망간(Mn): 1.28~1.8%, 니켈(Ni): 0.005~0.035%, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.003% 이하, 질소(N): 0.008~0.03%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 용접이음부의 합금 조성, 즉 탄소, 인, 황 등의 성분 함량을 제어함으로써, 10kJ/㎜ 이상의 높은 입열량에서도 저온충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부를 효과적으로 얻을 수 있다.
도 1은 실시예 및 비교예에 대하여, 10kJ/㎜ 이상의 높은 대입열 용접 적용 시, 발생한 총균열 길이 및 최대 균열길이의 각 측정 값을 그래프로 나타낸 것이다.
용접이음부는 용접의 입열량의 영향을 크게 받는데, 입열량이 클수록 균열이 쉽게 발생하므로, 용접 시에는 입열량을 제어하는 것이 중요하다. 그런데, 통상적으로 사용되는 조선용 고강도강 용접 시, 5kJ/㎜ 내외의 상대적 저입열량에서는 문제가 발생하지 않으나, 10kJ/㎜ 이상의 입열량 적용 시에는 용접이음부에 균열이 발생하므로 종래 기술에 의하면 조선용 고강도강의 용접 시, 10kJ/㎜ 이상의 입열량을 적용할 수 없다는 한계가 있었다.
이에, 본 발명자들은 10kJ/㎜ 이상의 높은 입열량을 적용하더라도, 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부에 대하여 예의 검토한 결과, 용접이음부의 합금 조성을 제어함으로써 전술한 목적을 달성할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
구체적으로, 본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.1~0.14%, 규소(Si): 0.15~0.6%, 망간(Mn): 1.28~1.8%, 니켈(Ni): 0.005~0.035%, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.003% 이하, 질소(N): 0.01~0.03%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부를 제공한다.
이하, 본 발명의 주요한 특징 중 하나인 용접이음부를 구성하는 각 합금 성분을 첨가하는 이유와 적절한 함량 범위에 대하여 우선 설명한다.
탄소(C): 0.1~0.14%
C는 강의 강도 확보에 매우 유용한 원소이나, 오스테나이트 안정화원소로 고온균열을 촉진하는 원소이다. 용접이음부의 강도확보를 위해, 상기 C 함량은 0.1% 이상으로 제어하는 것이 바람직하다. 반면, C함량의 증가는 초정응고상을 δ페라이트에서 오스테나이트로 천이시키고, 고상, 액상 공존구간, 즉 응고온도 구간을 넓힘으로써 고온균열 감수성을 넓힌다. 한편, C 다량 첨가시 용접 이음부의 충격인성을 확보할 수 없다. 이러한 이유로 본 발명에서는 상기 C 함량을 0.14% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
규소(Si): 0.15~0.6%
Si는 강의 경화능 확보에 기여하며 제강 중 탈산에도 일정 역할을 담당하므로 0.15% 이상 첨가하여야 하나, 일정량 이상 첨가 시 Fe-S-Si-O의 화합물을 형성하여 고온균열을 조장할 수 있으므로, 그 상한을 0.6%로 한다.
망간(Mn): 1.28~1.8%
Mn은 모재의 강도를 높이면서도 열영향부 인성의 열화에 비교적 영향을 덜 미치는 원소로서 S와 반응하여 MnS를 형성하기 때문에, 응고입계에 S의 편석에 의한 저융점화합물의 형성을 방지하여 고온균열 저항성을 상승시킬 수 있다. 이러한 고온균열 저항성 향상의 효과를 발휘하기 위해서는 Mn 함량의 하한을 1.28%로 하는 것이 바람직하다. 반면, Mn을 과도 첨가시, 조대한 MnS의 과도한 형성으로 인성에 악영향을 줄 수 있고, 합금원가를 상승시킴으로 그 상한을 1.8%로 한정한다.
니켈(Ni): 0.005~0.035%
Ni은 Mn과 함께 강도를 높이면서도 인성의 저하가 적은 원소로서 유용하다. 특히, Cu 첨가시 발생할 수 있는 표면 크랙을 억제하기 하기 위해 반드시 첨가해야 한다. 용접부의 인성을 확보하기 위해 0.005% 이상 첨가되어야 하나, 고가원소로서 제조비용이 크게 증가하므로 0.035%를 그 상한으로 한다. 또한, 상기 Ni 함량의 하한은 바람직하게는 0.008%일 수 있고, 보다 바람직하게는 0.01%일 수 있다.
인(P): 0.01% 이하
P는 불가피하게 강 및 용접금속부 중에 혼입되는 불순물으로서, 응고입계에 편석하여 응고온도를 낮춤으로써 고온균열 민감도를 상승시키므로 0.01% 이하로 한정한다. 따라서, 상기 P의 함량을 0.01% 이하로 한정함으로써, 10kJ/㎜ 이상의 높은 입열량에서도 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부를 효과적으로 제공할 수 있다.
황(S): 0.003% 이하
S는 P와 마찬가지로 불가피하게 강 및 용접이음부 중에 혼입되는 불순물으로서, 응고입계에 편석하여 응고온도를 낮춤으로써 고온균열 민감도를 상승시키므로 0.003%를 그 상한으로 한다. 따라서, 상기 S의 함량을 0.003% 이하로 한정함으로써, 10kJ/㎜ 이상의 높은 입열량에서도 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부를 효과적으로 제공할 수 있다.
질소(N): 0.008~0.03%
N은 불가피하게 강 및 용접금속부 중에 혼입되는 원소로서, 본 발명의 목적하는 효과를 확보하고자 하는 측면에서 0.008~0.03%로 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에, 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
본 발명에 의하면, 전술한 조성을 갖는 용접이음부는 적절한 경화능으로 강도 및 저온인성을 확보하는 동시에, 탄소, 인 및 황의 함량을 제한함으로써, 응고온도 구간을 좁혀 고온균열 저항성을 확보 할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 따르면, 10kJ/㎜ 이상의 높은 대입열 용접 적용 시에도 용접부의 내균열성이 우수하고, 저온 충격인성이 우수한 강재를 효과적으로 제공할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 용접이음부에서 발생된 개별 균열에 대한 최대 길이가 1000㎛ 이하일 수 있고, 용접이음부로서 전술한 합금 조성을 가짐으로써 내균열성이 우수한 용접이음부를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 용접이음부는 -20℃에서의 평균 저온 충격인성은 34J 이상일 수 있고, 보다 바람직하게는 40J 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 48J 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 용접이음부는 -20℃에서의 평균 저온 충격인성뿐만 아니라, 개별 저온 충격인성 역시 34J 이상일 수 있고, 보다 바람직하게는 40J 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 48J 이상일 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 저온 충격인성이 우수한 용접이음부를 얻을 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 예시를 통하여 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에서 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
항복강도 350MPa급 조선용 고강도강에 잠호아크 용접(Submerged arc welding: SAW)을 11kJ/㎜의 입열량으로 1pass 용접을 실시하였고, 용접이음부의 합금 조성은 하기 표 1과 같다.
비고 | 용접이음부의 조성(wt%) | ||||||
C | Si | Mn | P | S | Ni | N | |
비교예1 | 0.15 | 0.287 | 1.36 | 0.021 | 0.003 | 0.012 | 0.012 |
비교예2 | 0.145 | 0.384 | 1.34 | 0.014 | 0.003 | 0.011 | 0.009 |
비교예3 | 0.143 | 0.312 | 1.62 | 0.014 | 0.002 | 0.032 | 0.008 |
비교예4 | 0.141 | 0.410 | 1.30 | 0.01 | 0.004 | 0.013 | 0.010 |
발명예1 | 0.140 | 0.412 | 1.29 | 0.01 | 0.003 | 0.013 | 0.009 |
발명예2 | 0.131 | 0.412 | 1.29 | 0.009 | 0.003 | 0.013 | 0.008 |
용접 실시 후, 내균열성의 평가를 위해 전술한 발명예 및 비교예 각각에 대하여, 비파괴 검사를 통해 균열이 발생한 위치를 특정한 뒤, 조직 검사를 통해 발생된 총 균열길이와 발생된 개별 균열에 대한 최대길이를 측정하였고, 이러한 측정 결과를 도 1에 그래프로 나타내었다.
구체적으로, 도 1의 실험결과에 따르면, 본 발명의 용접이음부의 합금 조성을 충족하는 발명예 1 및 2의 경우, 모두 발생된 총 균열길이와 발생된 개별 균열에 대한 최대 길이가, 용접이음부의 합금 조성을 충족하지 못하는 비교예 1~4에 비하여 작았다. 따라서, 본 발명의 용접이음부의 합금조성을 만족하는 경우, 보다 내균열성이 우수함을 확인하였다.
특히, 본 발명의 용접이음부의 합금 조성을 충족하는 발명예 1 및 2의 경우, 발생된 개별 균열에 대한 최대 길이가 1000㎛ 이하로서, 내균열성이 매우 우수하였다. 전술한 실험 결과로부터, 용접이음부로서 중량%로, 탄소(C): 0.1~0.14%, 규소(Si): 0.15~0.6%, 망간(Mn): 1.28~1.8%, 니켈(Ni): 0.005~0.035%, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.003% 이하, 질소(N): 0.008~0.03%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 합금 조성을 가지는 경우에는 개별 균열에 대한 최대 길이가 1000㎛ 이하인 내균열성이 우수한 용접이음부를 얻을 수 있었다.
한편, 전술한 실험에 있어서, 용접이음부의 균열은 용탕의 냉각과정에서 자연수축에 의한 변형 및 외부 부가 변형에 의해 발생한다. 해당 시험은 외부 구속을 인위적으로 부가하지 않은 시험으로, 각 시험체의 균열양상은 응고 시의 자연수축 정도의 차이에 기인한다고 볼 수 있고, 이는 합금원소 및 불순물에 의해 결정되는 액상 금속의 응고온도 구간에 의해 결정된다고 할 수 있다.
즉, 본 발명의 발명예와 비교예의 합금 원소의 차이를 통해, 내균열성이 우수한 합금 원소 및 불순 원소 함량 관리 범위를 도출할 수 있었다.
한편, 본 발명의 용접이음부의 합금 조성을 충족하는 발명예 1 및 2에 대하여, -20℃에서의 저온 충격인성 결과값을 하기 표 2 및 3에 도시하였다,
구체적으로, 저온 충격인성은 WL(Weld Metal: 용접부), FL(Fusion line: 용접금속과 모재의 경계), FL+1(상기 FL로부터 모재쪽으로 1㎜ 떨어진 지점), FL+2(상기 FL로부터 모재쪽으로 2㎜ 떨어진 지점), FL+5(상기 FL로부터 모재쪽으로 5㎜ 떨어진 지점), 및 FL+20(상기 FL로부터 모재쪽으로 20㎜ 떨어진 지점)에 대하여, 3번 반복하여 각각의 개별 저온 충격인성을 측정하였다.
이렇게 측정된 개별 저온 충격인성 값과, 개별 충격인성 값에 대한 평균값을 계산하였고, 이를 하기 표 2 및 3에 나타내었다.
시험온도 (-20℃) |
발명예 1 | |||||
Notch Position | ||||||
WM | FL | FL+1 | FL+2 | FL+5 | FL+20 | |
개별 충격값[J] | 48.41 | 128.04 | 118.49 | 78.89 | 76.24 | 89.69 |
48.41 | 122.77 | 86.06 | 132.36 | 124.2 | 84.27 | |
58.03 | 66.61 | 102.54 | 110.47 | 109.07 | 102.54 | |
평균 충격값[J] | 55.96 | 105.8 | 102.37 | 107.24 | 103.17 | 92.17 |
시험온도 (-20℃) |
발명예 2 | |||||
Notch Position | ||||||
WM | FL | FL+1 | FL+2 | FL+5 | FL+20 | |
개별 충격값[J] | 60.15 | 96.54 | 105.33 | 110.47 | 108.13 | 87.88 |
56.34 | 97.46 | 142.52 | 106.73 | 109.07 | 89.23 | |
69.22 | 129.47 | 81.57 | 94.7 | 110 | 105.79 | |
평균 충격값[J] | 61.9 | 107.82 | 109.81 | 103.97 | 109.07 | 94.3 |
상기 표 2 및 3에서와 같이, 본 발명의 용접이음부의 합금 조성을 충족하는 발명예 1 및 2는 개별 저온충격인성 및 평균 저온충격인성 모두가, 선급 최소 요구사항인 34J을 충분히 상회하는 결과를 얻었다.
따라서, 본 발명에 의하면, 저온 충격인성이 우수한 용접이음부를 얻을 수 있음을 확인하였다.
Claims (4)
- 중량%로, 탄소(C): 0.1~0.14%, 규소(Si): 0.15~0.6%, 망간(Mn): 1.28~1.8%, 니켈(Ni): 0.005~0.035%, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.003% 이하, 질소(N): 0.008~0.03%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부.
- 제 1 항에 있어서,
용접이음부에서 발생된 개별의 균열에 대한 최대 길이가 1000㎛ 이하인 것인, 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부.
- 제 1 항에 있어서,
-20℃에서의 평균 저온 충격인성은 34J 이상인 것인, 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부.
- 제 1 항에 있어서,
상기 Ni 함량은 0.01~0.03%인, 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접이음부.
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