KR20210113346A - 고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료 - Google Patents

고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료 Download PDF

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KR20210113346A
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요시마사 무라니시
히로미 오야마다
히데아키 다카우치
다케오 미야무라
시게노부 남바
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

연질 조직인 δ 페라이트의 발생을 억제하고, 이것에 의해, 인성을 향상시킴과 함께, 내균열성 및 고온 강도가 양호한 용접 금속을 얻을 수 있는 고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료를 제공한다. 고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료는, C, Si, Mn, S, Co, V, Nb, W, N 및 O를 각각 소정 범위로 함유하고, 또한, Ni 및 P를 각각 소정 범위로 제한함과 함께, Cr: 8.0질량% 이상 9.5질량% 이하, Mo: 0.02질량% 이상 0.20질량% 이하로 함유하고, 더욱이, Cu: 0.05질량% 미만으로 제한하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다.

Description

고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료
본 발명은, 고Cr 페라이트계 내열강의 용접에 적합한 용접 재료에 관한 것이다.
발전용 보일러 및 터빈, 및 각종 내열 내압 강관은, 고온 고압의 조건하에서 사용되므로, 고온 강도, 특히 크리프(creep) 성능이 우수할 것이 요구된다. 고Cr 페라이트계 내열강은 이와 같은 요구에 대해서 개발된 것으로, 이것에 사용되는 용접용 와이어도 각 시공 방법에 있어서 이미 많은 제안이 이루어지고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에는, 고온 크리프 강도(고온 강도) 및 인성이 우수한 용접 금속을 얻을 수 있음과 함께, 용접 작업성이 우수하고, 또한, 선재의 제조 시에 있어서의 열간 균열의 발생을 억제할 수 있는 용접 와이어가 개시되어 있다.
일본 특허공개 2004-42116호 공보
그러나, 상기 특허문헌 1에 있어서는, 용접 금속의 인성에 악영향을 미치는 페라이트의 석출을 억제하기 위해, 적정량의 Cu를 함유시키고 있지만, Cu의 첨가에 의해 용접 금속의 내균열성이 저하되어 버리므로, 고온 강도, 인성 및 내균열성의 모두가 양호한 용접 금속을 얻을 수 있는 고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은, 전술한 상황에 비추어 이루어진 것으로, 연질 조직인 δ 페라이트의 발생을 억제하고, 이것에 의해, 인성을 향상시킴과 함께, 내균열성 및 고온 강도가 양호한 용접 금속을 얻을 수 있는 고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 태양에 따른 고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료는,
C: 0.01질량% 이상 0.15질량% 이하,
Si: 0.02질량% 이상 0.90질량% 이하,
Mn: 0.20질량% 이상 1.20질량% 이하,
S: 0.0005질량% 이상 0.015질량% 이하,
Co: 0.50질량% 이상 5.00질량% 이하,
Cr: 8.0질량% 이상 9.5질량% 이하,
Mo: 0.02질량% 이상 0.20질량% 이하,
V: 0.05질량% 이상 0.90질량% 이하,
Nb: 0.005질량% 이상 0.100질량% 이하,
W: 1.00질량% 이상 5.00질량% 이하,
N: 0.02질량% 이상 0.04질량% 이하,
O: 0.001질량% 이상 0.015질량% 이하를 함유하고,
Cu: 0.05질량% 미만,
Ni: 1.20질량% 이하,
P: 0.015질량% 이하이며,
잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다.
또한, 상기 Ni는 0.05질량% 이상 1.20질량% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료는, 추가로 B: 0.005질량% 이상 0.015질량% 이하를 함유하고, Al: 0.015질량% 이하, Ti: 0.015질량% 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 연질 조직인 δ 페라이트의 발생을 억제하고, 이것에 의해, 인성을 향상시킴과 함께, 내균열성 및 고온 강도가 양호한 용접 금속을 얻을 수 있는 고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태(본 실시형태)에 대해 상세히 설명한다. 한편, 본 발명은, 이하에 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 임의로 변경하여 실시할 수 있다.
일반적으로, 고Cr 페라이트계 내열강의 용접에 의해 얻어진 용접 금속에 있어서는, 연질 조직인 δ 페라이트가 생성되기 쉽고, 이것이 용접 금속의 인성을 저하시키기 때문에, δ 페라이트의 생성을 억제하는 효과를 갖는 원소(예를 들어 Cu)를 적절한 함유량으로 와이어 중에 함유시키는 것이, 용접 금속의 인성의 향상에 효과적이다.
그러나, 본 발명자들은, Cu의 첨가에 의해 용접 금속의 내균열성이 저하되는 것에 주목하여, 용접 재료의 금속 성분의 종류 및 그 함유량에 대해 예의 연구한 결과, 인성의 향상에 기여하지만, 내균열성을 저하시키는 Cu 함유량을 저감하는 대신에, 인성의 저하에 영향이 있는 δ 페라이트를 생성하는 원소인 Mo 및 Cr의 함유량을 적절히 조정하는 것에 의해, 고온 강도, 인성 및 내균열성의 모두가 양호한 용접 금속을 얻을 수 있음을 발견했다.
이하, 본 실시형태에 따른 고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료에 대해, 그 성분 첨가 이유 및 조성 한정 이유를 상세히 설명한다.
［고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료의 조성］
본 실시형태에 따른 고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료는, 이하의 원소를 필수로서 함유하거나, 또는 임의 성분으로서 함유할 수 있다. 한편, 본 실시형태에 따른 고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료가, 용접 와이어(솔리드 와이어)로서 이용되는 경우에는, 이하에 나타내는 각 성분의 함유량은, 와이어 전체 질량당의 함유량을 의미한다.
＜C: 0.01질량% 이상 0.15질량% 이하＞
C는, 용접 금속 중에 있어서 탄화물로서 석출되어 크리프 강도를 확보하기 위해서 필요 불가결의 원소이다.
C 함유량이 0.01질량% 미만이면, 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 따라서, 용접 재료 중의 C 함유량은 0.01질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 0.02질량% 이상, 보다 바람직하게는 0.03질량% 이상으로 한다.
한편, C는 오스테나이트 생성 원소이기도 하기 때문에, C 함유량이 0.15질량%를 초과하면, 용접 금속의 Ac1 변태점이 저하되기 때문에, 용접 후 열처리 시에 오스테나이트 변태가 생기고, 그 결과, 크리프 강도가 저하되며, 또한 고온 균열의 감수성도 높아진다. 따라서, 용접 재료 중의 C 함유량은 0.15질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.13질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.11질량% 이하로 한다.
＜Si: 0.02질량% 이상 0.90질량% 이하＞
Si는, 용접 금속의 용융 시에 탈산제로서 작용하여, 용접 금속 중의 산소 함유량을 저감하여 충격 성능의 향상에 기여하는 원소이다. 또한, Si는 용접 금속의 용융 시에 그 용융 금속의 계면 장력을 저하시켜, 융합 불량 및 오버랩 등의 용접 결함을 저감하는 효과도 갖는다.
Si 함유량이 0.02질량% 미만이면, 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 따라서, 용접 재료 중의 Si 함유량은 0.02질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 0.04질량% 이상, 보다 바람직하게는 0.06질량% 이상으로 한다.
한편, Si는 페라이트 생성 원소이기 때문에, Si 함유량이 0.90질량%를 초과하면, 용접 금속 중에 페라이트가 잔류하게 되어, 그 인성이 열화된다. 따라서, 용접 재료 중의 Si 함유량은 0.90질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.70질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.40질량% 이하로 한다.
＜Mn: 0.20질량% 이상 1.20질량% 이하＞
Mn은, 용접 금속의 용융 시에 탈산제로서 작용하여, 더욱 그 강도 및 인성을 확보한다고 하는 관점에서 필요 불가결의 원소이다.
Mn 함유량이 0.20질량% 미만이면, 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 따라서, 용접 재료 중의 Mn 함유량은 0.20질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 0.30질량% 이상, 보다 바람직하게는 0.40질량% 이상으로 한다.
한편, Mn은 오스테나이트 생성 원소이기 때문에, Mn 함유량이 1.20질량%를 초과하면, 용접 금속의 Ac1 변태점이 저하되어, 크리프 강도가 저하된다. 따라서, 용접 재료 중의 Mn 함유량은 1.20질량% 이하로 하고, 바람직하게는 1.00질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.80질량% 이하로 한다.
＜S: 0.0005질량% 이상 0.015질량% 이하＞
S는, 용접 금속의 용융 시에 그 용융 금속의 계면 장력을 저하시켜, 융합 불량 및 언더컷 등의 용접 결함의 발생을 방지하는 효과를 갖는 원소이며, 용접 작업성의 향상 효과를 발휘한다.
S 함유량이 0.0005질량% 미만이면, 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 따라서, 용접 재료 중의 S 함유량은 0.0005질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 0.0007질량% 이상, 보다 바람직하게는 0.001질량% 이상으로 한다.
한편, S는 고온 균열 감수성을 높이는 원소이기 때문에, S함유량이 0.015질량%를 초과하면, 용접 금속에 고온 균열이 발생한다. 따라서, 용접 재료 중의 S 함유량은 0.015질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.012질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.008질량% 이하로 한다.
＜Co: 0.50질량% 이상 5.00질량% 이하＞
Co는, 오스테나이트 생성 원소이며, 인성에 악영향을 미치는 페라이트의 생성을 억제하는 효과를 갖는다.
Co 함유량이 0.50질량% 미만이면, 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 따라서, 용접 재료 중의 Co 함유량은 0.50질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 1.00질량% 이상, 보다 바람직하게는 1.50질량% 이상, 더 바람직하게는 2.00질량% 이상, 특히 바람직하게는 2.50질량% 이상으로 한다.
한편, Co는 Ni와 마찬가지로, 과잉으로 함유되어 있으면, 용접 금속의 Ac1 변태점이 저하되어, 크리프 강도가 저하된다. 따라서, 용접 재료 중의 Co 함유량은 5.00질량% 이하로 하고, 바람직하게는 4.50질량% 이하, 보다 바람직하게는 4.00질량% 이하, 더 바람직하게는 3.50질량% 이하로 한다.
＜Cr: 8.0질량% 이상 9.5질량% 이하＞
Cr은, 본 실시형태에 따른 용접 재료가 사용 대상으로 되는, 고Cr 페라이트계 내열강에 함유되는 주요 합금 원소이다. 또한, Cr은, 용접 금속의 내산화성, 내식성 및 강도 등을 확보하기 위해서 필요 불가결한 원소이다.
Cr 함유량이 8.0질량% 미만이면, 상기 용접 금속의 특성을 충분히 확보할 수 없다. 따라서, 용접 재료 중의 Cr 함유량은 8.0질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 8.1질량% 이상으로 하고, 보다 바람직하게는 8.2질량% 이상으로 한다.
한편, Cr은 페라이트 생성 원소이지만, 전술한 바와 같이, 본 실시형태에서는 페라이트의 생성을 억제하는 효과를 갖는 Cu 함유량을 저감하고 있기 때문에, Cr 함유량도 적절량까지로 제한하여, 용접 금속의 인성의 저하를 억제할 필요가 있다. Cr 함유량이 9.5질량%를 초과하면, 용접 금속 중에 페라이트가 석출되어 인성이 열화된다. 따라서, 용접 재료 중의 Cr 함유량은 9.5질량% 이하로 하고, 바람직하게는 9.3질량% 이하로 하고, 보다 바람직하게는 9.2질량% 이하로 한다.
＜Mo: 0.02질량% 이상 0.20질량% 이하＞
Mo는, 강 중에 있어서의 고용 강화 원소이며, 용접 금속 중에 고용하여 그 강도를 향상시키는 효과를 갖는다.
Mo 함유량이 0.02질량% 미만이면, 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 따라서, 용접 재료 중의 Mo 함유량은 0.02질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 0.03질량% 이상으로 하고, 보다 바람직하게는 0.04질량% 이상으로 한다.
한편, Mo는 δ 페라이트를 생성하는 원소이지만, 전술한 바와 같이, 본 실시형태에서는 페라이트의 생성을 억제하는 효과를 갖는 Cu 함유량을 저감하고 있기 때문에, Mo 함유량도 적절량까지로 제한하여, 용접 금속의 인성의 저하를 억제할 필요가 있다. Mo 함유량이 0.20질량%를 초과하면, 용접 금속 중에 페라이트가 석출되어 인성이 열화된다. 따라서, 용접 재료 중의 Mo 함유량은 0.20질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.15질량% 이하로 하고, 보다 바람직하게는 0.12질량% 이하로 한다.
＜V: 0.05질량% 이상 0.90질량% 이하＞
V는, 강 중에 있어서의 석출 강화 원소이며, 용접 금속 중에 탄질화물로서 석출되어 그 강도를 향상시키는 효과를 갖는다.
V 함유량이 0.05질량% 미만이면, 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 따라서, 용접 재료 중의 V 함유량은 0.05질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 0.08질량% 이상, 보다 바람직하게는 0.10질량% 이상으로 한다.
한편, V 함유량이 0.90질량%를 초과하면, 용접 금속의 강도가 지나치게 강해져 인성이 열화된다. 따라서, 용접 재료 중의 V 함유량은 0.90질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.75질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.40질량% 이하, 더 바람직하게는 0.30질량% 이하로 한다.
＜Nb: 0.005질량% 이상 0.100질량% 이하＞
Nb는, 강 중에 있어서의 석출 강화 원소이며, 용접 금속 중에 탄질화물로서 석출되어 그 강도를 향상시키는 효과를 갖는다.
Nb 함유량이 0.005질량% 미만이면, 상기 석출 강화의 효과를 충분히 얻을 수 없다. 따라서, 용접 재료 중의 Nb 함유량은 0.005질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 0.010질량% 이상, 보다 바람직하게는 0.020질량% 이상으로 한다.
한편, Nb 함유량이 0.100질량%를 초과하면, 용접 금속의 강도가 지나치게 강해져 인성이 열화된다. 따라서, 용접 재료 중의 Nb 함유량은 0.100질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.09질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.08질량% 이하, 더 바람직하게는 0.07질량% 이하로 한다.
＜W: 1.00질량% 이상 5.00질량% 이하＞
W는, 강 중에 있어서의 고용 강화 원소이며, 용접 금속 중에 고용하여 그 강도를 향상시키는 효과를 갖는다.
W 함유량이 1.00질량% 미만이면, 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 따라서, 용접 재료 중의 W 함유량은 1.00질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 1.10질량% 이상, 보다 바람직하게는 1.20질량% 이상으로 한다.
한편, W는 페라이트 생성 원소이기도 하기 때문에, 5.00질량%를 초과하여 함유되면, 용접 금속 중에 페라이트가 석출되어 인성이 열화된다. 따라서, 용접 재료 중의 W 함유량은 5.00질량% 이하로 하고, 바람직하게는 4.20질량% 이하, 보다 바람직하게는 3.60질량% 이하로 한다.
＜N: 0.02질량% 이상 0.04질량% 이하＞
N은, 강 중에 있어서 고용 강화의 효과를 발휘함과 함께, Nb 및 V와 결합하여 질화물로서 석출되어, 용접 금속의 크리프 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 또한, N은, δ 페라이트의 생성을 억제하는 원소이기도 하다. 본 실시형태에서는, 내균열성의 저하를 억제할 수 있도록 Cu 함유량을 저감하고 있기 때문에, δ 페라이트의 생성을 억제하는 효과를 갖는 N을, 용접 재료 중에 소정량 이상의 함유량으로 함유시키는 것이 효과적이다.
N 함유량이 0.02질량% 미만이면, 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 따라서, 용접 재료 중의 N 함유량은 0.02질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 0.021질량% 이상으로 한다.
한편, N은 강력한 오스테나이트 생성 원소이며, N 함유량이 0.04질량%를 초과하면, 용접 금속의 Ac1 변태점이 저하되어, 크리프 강도가 저하된다. 따라서, 용접 재료 중의 N 함유량은 0.04질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.038질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.035질량% 이하로 한다.
＜O: 0.001질량% 이상 0.015질량% 이하＞
O는, 용접 금속의 용융 시에 그 용융 금속의 계면 장력을 저하시켜, 융합 불량 및 오버랩 등의 용접 결함의 발생을 방지하는 효과를 갖는 원소이며, 용접 작업성의 향상 효과를 발휘한다.
O 함유량이 0.001질량% 미만이면, 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 따라서, 용접 재료 중의 O 함유량은 0.001질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 0.0015질량% 이상, 보다 바람직하게는 0.0020질량% 이상으로 한다.
한편, O 함유량이 0.015질량%를 초과하면, 용융 금속의 계면 장력이 지나치게 낮아져, 비드 외관이 불량이 되고, 더욱이 용융 금속 중에 탈산 생성물이 다량으로 생겨, 용접 금속 중에 잔류하여 그 인성을 열화시킨다. 따라서, 용접 재료 중의 O 함유량은 0.015질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.014질량% 이하, 더 바람직하게는 0.013질량% 이하, 특히 바람직하게는 0.012질량% 이하로 한다.
＜Cu: 0.05질량% 미만(0질량%를 포함한다)＞
Cu는, 오스테나이트 생성 원소이며, 인성에 악영향을 미치는 δ 페라이트의 생성을 억제하는 효과를 갖는다.
Cu 함유량이 0.05질량% 이상이면, 용접 금속의 내균열성이 열화됨과 함께, 용접 금속의 Ac1 변태점이 저하되어, 크리프 강도가 저하된다. 본 실시형태에서는, δ 페라이트의 생성을 촉진하는 Mo 및 Cr의 함유량을 적절히 조정하고 있기 때문에, Cu 함유량을 저감했다고 해도, 인성의 저하를 억제하면서, 용접 금속의 내균열성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 용접 재료 중의 Cu 함유량은 0.05질량% 미만으로 하고, 바람직하게는 0.04질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.03질량% 이하로 한다.
＜Ni: 1.20질량% 이하(0질량%를 포함한다)＞
Ni는, 오스테나이트 생성 원소이며, 인성에 악영향을 미치는 페라이트의 생성을 억제하는 효과를 갖는다.
Ni 함유량이 1.20질량%를 초과하면, 용접 금속의 Ac1 변태점이 저하되어, 크리프 강도가 저하된다. 본 실시형태에서는, δ 페라이트의 생성을 촉진하는 Mo 및 Cr의 함유량을 조정하고 있기 때문에, 용접 재료 중에 소정량 이상의 Ni가 함유되지 않는 경우에도, 용접 금속의 원하는 인성을 충분히 확보할 수 있다. 따라서, 용접 재료 중의 Ni 함유량은 1.20질량% 이하로 하고, 바람직하게는 1.00질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.90질량% 이하로 한다.
한편, 용접 금속의 인성을 보다 높이기 위해서는, 용접 재료 중의 Ni 함유량은 0.05질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
＜P: 0.015질량% 이하(0질량%를 포함한다)＞
P는, 고온 균열을 높이는 원소이며, 용접 금속의 형성 과정에 있어서와 같은 응고 온도 범위 및 그 직하의 온도에서는, 특히 균열을 발생시키기 쉽기 때문에, P함유량을 제한할 필요가 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, P와 마찬가지로 고온 균열 감수성을 높이는 S를 적극적으로 첨가하고 있기 때문에, 이 점도 고려할 필요가 있다. 따라서, 용접 재료 중의 P 함유량은 0.015질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.010질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.008질량% 이하로 한다.
＜B: 0.005질량% 이상 0.015질량% 이하＞
본 실시형태에 따른 용접 재료는, 추가로 임의 성분으로서, B: 0.005질량% 이상 0.015질량% 이하를 함유하는 것이 바람직하다.
B는, 강 중에 있어서 결정립계의 탄화물의 조대화를 억제하기 때문에, B를 함유시키는 것에 의해 용접 금속의 크리프 강도를 보다 한층 향상시킬 수 있다.
B 함유량이 0.005질량% 이상이면, 상기 효과를 효과적으로 얻을 수 있다. 따라서, 용접 재료 중의 B는 0.005질량% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.006질량% 이상인 것이 보다 바람직하다.
한편, B 함유량이 0.015질량% 이하이면, 용접 금속의 강도가 지나치게 강해져, 그 때문에 인성이 저하되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 용접 재료 중에 B를 함유시키는 경우에는, B 함유량은 0.015질량% 이하이며, 바람직하게는 0.013질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.012질량%로 한다.
＜Al: 0.015질량% 이하(0질량%를 포함한다)＞
본 실시형태에 따른 용접 재료는, 추가로 임의 성분으로서 Al이 함유되는 경우에는, Al: 0.015질량% 이하로 규제하는 것이 바람직하다.
Al은, 용접 금속의 용융 시에 강력한 탈산제로서 작용하는 원소이다.
Al 함유량이 0.015질량% 이하이면, 탈산이 과잉이 되어, 용접 금속의 강도가 지나치게 강해져, 인성이 저하되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 용접 재료 중의 Al 함유량은 0.015질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.010질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.008질량% 이하로 한다.
＜Ti: 0.015질량% 이하(0질량%를 포함한다)＞
본 실시형태에 따른 용접 재료는, 추가로 임의 성분으로서 Ti가 함유되는 경우에는, Ti: 0.015질량% 이하로 규제하는 것이 바람직하다.
Ti는, 페라이트 생성 원소이며, 인성에 악영향을 미치는 페라이트를 용접 금속 중에 석출시킨다. 더욱이, Ti는 Nb 및 V와 마찬가지로 강력한 탄화물 형성 원소이며, C와 결합하여 침상의 탄화물이 되어 용접 금속 중에 석출된다. 이 형태의 탄화물은 용접 금속의 인성을 현저하게 저하시키므로, Ti 함유량을 제한한다. 구체적으로는, Ti 함유량이 0.015질량% 이하로 하는 것이 효과적이다. 따라서, 용접 재료 중의 Ti 함유량은 0.015질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.010질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.008질량% 이하로 한다.
＜잔부＞
본 실시형태에 따른 용접 재료의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물로서는, 예를 들어, Li, Mg, Zr이 있다.
한편, 본 실시형태에 따른 용접 재료는, Fe 함유량이 용접 재료의 전체 질량에 대해, 75질량% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 78질량% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.
［용접 재료에 대해］
본 실시형태의 고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료는, 주지된 제조 방법에 의해, 예를 들어, 용가봉, 가스 텅스텐 아크 용접용의 필러 와이어, 및 피복 아크 용접용의 용접봉의 심선 등으로 가공할 수 있다. 또한, 본 실시형태의 용접 재료는, 고Cr 페라이트계 내열강을 용접하는 경우에, 티그 용접, 마그 용접 및 서브머지 아크 용접 중 어느 용접에 있어서도 사용할 수 있다.
한편, 본 실시형태에 따른 용접 재료를 사용하여 용접했을 경우에 있어서, 얻어지는 용접 금속 중의 각 성분의 함유량이, 본 실시형태에 따른 용접 재료에 있어서의 각 원소의 함유량의 범위 내이면, 상기에서 설명한 본 실시형태의 효과를 얻을 수 있다.
실시예
이하, 발명예 및 비교예를 들어 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니다.
［와이어의 제조］
하기 표 1에 나타내는 성분 조성(잔부는, Fe 및 불가피적 불순물)을 갖는 강괴를 용제하고, 이것에 열간 압연 및 냉간 신선을 실시하여, 직경 1.6mm의 용접 와이어를 제작했다. 한편, 표 1에 나타내는 각 화학 성분의 함유량은, 와이어 전체 질량당의 함유량(질량%)이다.
［용접］
다음에, 상기 용접 와이어를 사용하여, 연강의 강판에 대해서 버터링을 행하고, 개선 가공한 후에, 개선 내를 자동 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW: Gas Tungsten Arc Welding)했다. 그 후, 740∼760℃의 온도에서 용접 후 열처리(PWHT: Post Weld Heat Treatment)를 실시했다. 용접 조건을 이하에 나타낸다.
(용접 조건)
모재의 판두께: 12mm
개선 각도, 형상: 45°, V형
루트 간격: 6.5mm
와이어 직경: 1.6mm
전류: 220∼240A/230A
전압: 10∼12V/11V
용접 속도: 8∼10cm/min
가스의 종류, 유량: 100% Ar, 25리터/min
와이어 송급량: 8g/min
예열·패스간 온도: 250∼300℃
적층법: 6∼7층 9∼13패스
［평가］
더욱이, 하기 표 2에 나타내는 온도 및 시간에서의 PWHT 후의 용접 금속에 대해, 다음의 각종 시험을 행하여, 용접 금속의 고온 강도, 인성 및 내균열성을 평가함과 함께, 금속 조직을 관찰했다. 각종 시험의 평가 결과를 하기 표 2에 아울러 나타낸다.
＜고온 강도＞
PWHT 후의 용접 금속에 대해, JIS Z3111에 준하여 650℃에서의 고온 인장 시험을 실시하여, 0.2% 내력(0.2% YS)을 측정했다. 한편, 얻어진 값이 280MPa 이상인 것을 평가: A(우량), 250MPa 이상 280MPa 미만인 것을 평가: B(양), 250MPa 미만인 것을 평가: C(불량)로 했다.
＜인성＞
PWHT 후의 용접 금속에 대해, JIS Z2242에 준하여 20℃에서 샤르피 충격 시험을 실시하는 것에 의해, 흡수 에너지 vE(J)를 측정하여, 인성을 평가했다. 한편, 측정에 의해 얻어진 흡수 에너지가 60J 이상인 것을 평가: A(우량), 27J 이상 60J 미만인 것을 평가: B(양), 27J 미만인 것을 평가: C(불량)로 했다.
＜내균열성＞
PWHT 후의 용접 금속에 대해, 마이크로 조직 관찰로 균열의 유무를 확인하는 것에 의해, 내균열성을 평가했다. 한편, 마이크로 조직 관찰에 의해, 균열이 없었던 것을 합격으로 했다.
＜금속 조직＞
PWHT 후의 용접 금속에 대해, 마이크로 조직 관찰에 있어서의 최종 패스의 원질부에서 δ 페라이트의 면적률을 측정함으로써 금속 조직의 건전성을 평가했다. δ 페라이트의 면적률이 2% 미만인 것을 δ 페라이트 없음으로 판단하여, 합격으로 했다. 한편, δ 페라이트의 면적률이 2% 이상인 것을 δ 페라이트 있음으로 판단하여, 불합격으로 했다.
Figure pct00001
Figure pct00002
표 1 및 2에 나타내는 바와 같이, 발명예 1∼6은, 용접 재료(와이어) 중의 모든 화학 성분의 함유량이 본 발명의 범위 내이기 때문에, 이들 와이어를 사용하여 용접한 결과, δ 페라이트의 발생이 억제되어, 인성, 내균열성 및 고온 강도의 모두가 양호한 용접 금속을 얻을 수 있었다.
한편, 비교예 1, 3 및 4는, 와이어 중의 Mo 함유량 및 N 함유량이 본 발명 범위의 하한 미만이기 때문에, 발명예와 비교하여 고온 강도가 저하되었다.
또한, 비교예 2는, 와이어 중의 Mo 함유량 및 N 함유량이 본 발명 범위의 하한 미만이며, 고온 강도를 향상시키는 B 함유량이 본 발명의 바람직한 범위의 상한을 초과하고 있기 때문에, 고온 강도의 저하는 억제되었지만, 인성이 저하되었다.
더욱이, 비교예 5∼7은, 와이어 중의 Mo 함유량이 본 발명 범위의 상한을 초과하고 있기 때문에, 용접 금속 중에 δ 페라이트가 석출되어 인성이 열화됨과 함께, 내균열성이 저하되었다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 연질 조직인 δ 페라이트의 발생을 억제하고, 이것에 의해, 인성을 향상시킴과 함께, 내균열성 및 고온 강도가 양호한 용접 금속을 얻을 수 있는 고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료를 제공할 수 있다.
이상, 도면을 참조하면서 각종 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이러한 예로 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 당업자이면, 특허청구범위에 기재된 범주 내에 있어서, 각종의 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있음은 분명하고, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다. 또한, 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 상기 실시형태에 있어서의 각 구성 요소를 임의로 조합해도 된다.
한편, 본 출원은, 2019년 2월 21일 출원된 일본 특허출원(특원 2019-029843)에 기초하는 것으로, 그 내용은 본 출원 중에 참조로서 원용된다.

Claims (3)

  1. C: 0.01질량% 이상 0.15질량% 이하,
    Si: 0.02질량% 이상 0.90질량% 이하,
    Mn: 0.20질량% 이상 1.20질량% 이하,
    S: 0.0005질량% 이상 0.015질량% 이하,
    Co: 0.50질량% 이상 5.00질량% 이하,
    Cr: 8.0질량% 이상 9.5질량% 이하,
    Mo: 0.02질량% 이상 0.20질량% 이하,
    V: 0.05질량% 이상 0.90질량% 이하,
    Nb: 0.005질량% 이상 0.100질량% 이하,
    W: 1.00질량% 이상 5.00질량% 이하,
    N: 0.02질량% 이상 0.04질량% 이하,
    O: 0.001질량% 이상 0.015질량% 이하를 함유하고,
    Cu: 0.05질량% 미만,
    Ni: 1.20질량% 이하,
    P: 0.015질량% 이하이며,
    잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ni는 0.05질량% 이상 1.20질량% 이하인, 고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    추가로 B: 0.005질량% 이상 0.015질량% 이하를 함유하고,
    Al: 0.015질량% 이하,
    Ti: 0.015질량% 이하인, 고Cr 페라이트계 내열강용 용접 재료.
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