KR20210129161A - 2상 스테인리스강 용접 조인트 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 기수 환경에 있어서의 내식성, 인성이 우수한 용접 조인트를 제공한다. 본 발명에 관한 용접 조인트는, 하기 식 (1)로 정의되는 PREN값이 28 이상 35 이하인 2상 스테인리스강 모재와, 용접 금속 및 열영향부를 포함하는 용접부를 구비하고, 상기 용접 금속은, 하기 식 (1)로 정의되는 PREN값이 29.0 이상이고, 상기 2상 스테인리스강 모재의 오스테나이트양이 30 내지 70면적％, 상기 용접 금속 및 용접 열영향부의 오스테나이트양이 8 내지 70면적％이고, 하기 식 (2)로 정의하는 NI값이 170 이상이고, 하기 식 (3)을 만족시키는 것을 특징으로 한다.
PREN＝Cr＋3.3Mo＋16N ··· (1)
NI＝(Cr＋Mo＋2×Ni)/N ··· (2)
N≥(0.08Cr＋0.08Mo－0.06Ni－1.21)/0.4×0.08 ··· (3)
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Description
본 발명은, 기수에 의한 부식 환경에 적합한 2상 스테인리스강을 사용한 용접 조인트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
직근의 지진 재해 등의 자연 재해의 다발에 수반하여, 해일이나 수해에 대응한 구조물의 건설 및 개수 강화가 각 처에서 진행되고 있다. 이들은 근년의 해일이나 수해의 상정 수위의 재검토에 의해, 구조가 보다 대규모화되고 있다. 이들 건조물 중에서, 하천에 건조하는 수문이나 제방의 도로부에 건조하는 육갑문은, 가동부인 점에서 강재 또는 알루미늄이 사용되고 있다.
최근, 이들 수문이나 육갑문에, 2상 스테인리스강을 적용하는 일이 많아져 오고 있다. 2상 스테인리스강은 페라이트상과 오스테나이트상을 대략 등량 포함하는 스테인리스강이며, 내식성 외에도, 강도가 다른 스테인리스강이나 탄소강보다 높아 박육 경량화할 수 있는 점에서, 구조의 대규모화에 수반되는 중량 증가를 경감할 수 있는 큰 장점이 적합하여, 널리 사용되게 되었다.
2상 스테인리스강의 JIS 강종은, SUS821L1, SUS323L, SUS329J1, SUS329J3L, SUS329J4L, SUS327L의 6강종이 있다. 그 중 SUS821L1은 SUS304, SUS323L은 SUS316L의 대체로서 개발된 강종이며, SUS329J3L, SUS329J4L, SUS327L은 그보다 가혹한 환경에서 내식성을 갖는 고내식 강종이다.
수문 중, 하구부에 설치되는 것은, 해수 혹은 그것에 가까운 고염분 농도의 수중에 잠겨 있게 되어, 높은 내식성이 필요해진다. 오스테나이트계 스테인리스강의 경우, SUS304에서는 내식성 부족이 되는 경우가 많아, 보다 내식성이 양호한 SUS316L이 사용되는 경우가 많다. 마찬가지로 2상 스테인리스강의 경우, SUS316L의 대체로서 개발된 SUS323L이 사용되는 경우가 많다.
2상 스테인리스강의 경우, 용접부의 인성, 내식성 저하를 고려할 필요가 있다. 2상 스테인리스강에 첨가된 N은, 용접 시의 가열 냉각에 의해 Cr 질화물로서 석출된다. 이 질화물은, 균열의 전파를 촉진함으로써 인성을 저하시키고, 또한 석출에 의해 Cr이 소비되어, 이른바 Cr 결핍층을 발생시킴으로써 내식성을 저하시킨다.
특히 모재가 일단 용융되어 응고되는 용접 금속에 대해서는, 이하의 기구에 의해 모재보다 크게 내식성이 저하되는 것이 알려져 있다.
2상 스테인리스강은 일단 페라이트 단상에서 응고되고, 그 후의 냉각 시에 오스테나이트상이 석출되어 최종적으로 페라이트상과 오스테나이트상의 2상 조직이 된다. 그러나 용접의 경우, 냉각 속도가 크기 때문에 오스테나이트상의 석출이 불충분해지는 결과, 모재와 비교하여 페라이트상이 과다한 조직이 된다. 이때, 오스테나이트상 중의 C, N의 고용도는 큰 것에 비해, 페라이트상의 C, N의 고용도는 매우 작으므로, 과잉의 C, N이 크롬 탄질화물이 되어 석출되어, 크롬 결핍상이 형성되어 내식성을 저하시킨다.
이러한 내식성의 저하를 억제하기 위해서는, 모재에 N을 첨가함으로써, 냉각 시에 오스테나이트상의 석출을 촉진하는 것이 유효한데, 반면 이 N은 모재의 용융 시에 휘발 또는 증발하여 용접 금속 중에서는 농도가 저하되어, 상정한 효과를 얻을 수 없는 경우가 있다. 그 때문에, 2상 스테인리스강의 용접에서는 통상, N 농도가 저하되어도 오스테나이트상의 석출을 확보할 수 있도록, N과 마찬가지로 오스테나이트 안정 원소이며, 휘발 증발되지 않는 Ni의 함유량을 모재보다 증가시킨 용가재를 사용하여 용접하는 경우가 많다.
한편, 용접법 중에는, TIG 용접, 플라스마 용접, 레이저 용접과 같은 전극의 용융이 거의 발생하지 않는 비소모 전극식 용접이 있다. 이들은 실드 가스에 순Ar 가스를 사용하기 때문에 용접 금속 중의 개재물량이 매우 낮아, 양호한 용접 금속이 되는 특장이 있다. 그러나 용접 시에 용가재를 추가하는 것은 번잡하기 때문에, 용가재를 사용하지 않고 용접하는 경우가 많으며, 그 경우, 상술한 바와 같이 Ni 함유량을 높인 용가재를 사용하여 오스테나이트상을 확보할 수는 없다.
그런데 전술한 SUS323L은, 모재의 내식성이 SUS316L과 동등 이상이지만, 용접의 조건에 따라서는 SUS316L의 내식성 레벨을 하회하는 경우가 있다. SUS821L1은, 특허문헌 1에 나타내는 바와 같이 용접부의 내식성 저하를 억제할 수 있는 성분계이지만, SUS304 대체 강이므로 당해 용도에는 부적합하다. 보다 고내식의 강종 중 SUS329J3L, SUS329J4L, SUS327L은, 매우 우수한 내식성을 갖지만, 고가인 Mo를 3％ 이상 함유할 필요가 있다.
남은 SUS329J1은, SUS323L보다 높은 내식성을 갖고, Mo의 함유량도 적은 점에서 당해 용도에 적합하지만, 용접부의 내식성 저하가 다른 강종보다 심하다고 하는 과제가 있다. 이 과제에 대한 대책으로서, 예를 들어 특허문헌 2에서는 Ni와의 관계에서 적절한 N을 첨가함으로써, 용접부의 내식성을 향상시킨 SUS329J1 개량형 2상 스테인리스강이 기재되어 있다. 단, 당해 강에는, 용접부의 내식성 저하를 예측하고 실시예에서는 2％ 초과의 Mo가 첨가되어 있다.
한편, 용가재 없이 용접부의 내식성을 확보하는 하나의 방법으로서, Ar 실드 가스 중에 N2 가스를 혼합시킴으로써, 용접 금속 중의 N 저감을 억제하는 방법이 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 3에는, 2상 스테인리스강을 용가재 없이 용접할 때, 입열량에 따른 적절한 N2 가스양을 규정하고, 그 이상의 N2 가스를 혼합시킴으로써 내식성이 양호한 2상 스테인리스강 용접 조인트를 얻는 용접 방법이 개시되어 있다. 단, 혼합하는 N2 가스양이 지나치게 많은 경우, 용접 금속에 블로 홀 결함이 발생하는 경우가 있다. 또한, Ar 실드 가스와 비교하여, N2 혼합 가스는 혼합시키기 위해 수고를 요한다.
특허문헌 4에는, Cr 질화물의 석출 개시 온도의 계산값이 1250℃ 이하인 용접 부재를 사용함으로써 Cr 질화물의 석출을 억제할 수 있고, 용접 금속부 및 용접 열영향부와 모재의 특성의 차가 억제된 합금 절약형 2상 스테인리스강 레이저 용접 부재가 개시되어 있다. 상기 용접 부재는, 대기 환경, 수환경 등에서 사용되는 내식성을 갖는 것이 개시되어 있다. 특허문헌 4에는, N 이외의 강재 중의 원소는, 용융 시에 방출되기 어려운 것이므로, 강재 중과 용접 금속 중의 함유량을 동일한 것으로 간주할 수 있다고 기재되어 있다. 그러나 가스 성분인 C, N, O에 대해서는, 금속 용융 시에 휘발 증발 혹은 혼입에 의해 모재와의 사이에 성분의 차이를 발생시킨다. 특허문헌 4에 개시된 발명은, 이 점에 대해 고려되어 있지 않아, 용접 금속의 인성이 불충분하다고 생각된다.
본 발명은, 2상 스테인리스강 모재의 성분 및 2상 스테인리스강 모재의 용접 조건을 최적화하여, 용가재를 사용하지 않는 용접 조인트의 용접 금속의 성분을 최적화함으로써, 기수 환경에 있어서의 내식성이 우수하고, 또한 인성도 우수한 용접 조인트 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일반적으로 스테인리스강의 내 공식성은 공식 지수로 순위 부여가 행해지는데, 다양한 계산식이 제안되어 있다. 공식 지수(PREN)로서는 2상 스테인리스강에서는 Cr＋3.3Mo＋16N의 식으로 표현되는 경우가 많다.
본 발명자들은, 이 식을 사용하여, SUS329J1의 조성 범위에 N을 함유시킴으로써, SUS329J1의 용접부의 내식성을 높이는 방법에 대해 시뮬레이션 계산으로 개산하여 실험으로 확인하였다.
그 결과, 모재에 대해서는, 용접 열영향부의 Cr 질화물 석출에 의한 내식성 저하를 고려해도, 상기 PREN(하기의 식 (1))의 값이 28.0 이상이며, 하기 식 (2)로 정의되는 NI값이 170.0 이상이면 요구되는 SUS316L 용접 조인트 상당 이상의 내식성, 구체적으로는 50℃에서 측정한 JIS G0577 A법에 의한 공식 전위가 0.27V vs SSE 이상을 충족할 수 있는 것, 또한 용접 금속에 대해서는, 상기에 더하여 성분 편석을 발생시키는 것에 의한 국소적 내식성 저하를 고려해도, 후술하는 바와 같이 오스테나이트양을 확보한 후, PREN값을 29.0 이상 또한 상기 NI값을 170.0 이상으로 조정함으로써, 마찬가지의 내식성을 확보하고, 또한 경제성도 양호한 2상 스테인리스강을 얻어지는 것을 밝혔다.
PREN＝Cr＋3.3Mo＋16N ··· (1)
NI＝(Cr＋Mo＋2×Ni)/N ··· (2)
용가재를 사용하지 않는 용접의 경우, 통상의 2상 스테인리스강 용접에 있어서 행해지는 용접 금속의 오스테나이트양을 확보하는 방책을 한정적으로밖에 적용할 수 없다. 그 경우, 일반적으로는 페라이트상 중에 대량으로 고용된 N이 Cr 질화물로서 석출되어, 내식성의 저하를 초래한다. 단, Cr, Mo, Ni가 비교적 첨가되어 있는 강종의 경우, 이들 원소와 N의 상호 작용에 의해 질화물의 석출이 지연되기 때문에, 본래라면 상당한 양 석출되는 N양이라도 단시간에는 석출되지 않고, 그 결과 Cr, Mo 및 N의 관계식 NI값(Cr＋Mo＋2×Ni)/N)을 적정 범위로 하면, 페라이트양이 비교적 많은 용접 금속이라도 내식성의 저하가 SUS316L 용접 조인트를 하회하지 않는 레벨에 그치는 것이 판명되었다.
또한, 용가재를 사용하지 않는 상기 비소모 전극식 용접에 있어서, 용접부의 내식성을 기수 환경에서 내성을 발휘할 수 있을 정도로 확보하기 위해, 용접 열영향부 및 용접 금속의 오스테나이트양을 면적률로 각각 8％ 이상으로 할 필요가 있다. 본 발명자들은, 용접 열영향부 및 용접 금속의 오스테나이트양을 각각 면적률로 8％ 이상으로 하기 위해서는, 사용하는 강 모재 및 용접 금속의 N양은 하기 식 (3)을 충족할 필요가 있는 것을 발견했다.
N≥(0.08Cr＋0.08Mo－0.06Ni－1.21)/0.4×0.08 ··· (3)
당해 식 (3)은, 용가재를 사용하지 않는 상기 비소모 전극식 용접에 있어서의, 용접 열영향부 및 용접 금속의 오스테나이트양을 면적률로 각각 8％ 이상으로 하기 위한 필요한 N양을, 주요 원소인 Cr, Ni, Mo 함유량으로부터 추정하는 식이다.
또한, 용접 입열량 Q(J/㎝)와 용접 금속 중의 N 함유량에는 일정한 관계가 있고, 이 관계를 사용함으로써, 금속 용융 시에 C 및 O가 용융 금속에 가능한 한 포함되지 않도록 하면서, N이 일정한 범위에서 용융 금속에 함유시킬 수 있어, 용융 금속에 바람직한 인성을 부여할 수 있는 것을 발견했다.
이들 지견으로부터, 본 발명을 이룬 것이며, 그 요지로 하는 바는 이하와 같다.
(1) 질량％로,
C: 0.001 내지 0.050％,
Si: 0.05 내지 0.80％,
Mn: 0.10％ 내지 2.00％,
Cr: 23.00 내지 26.00％,
Ni: 4.50 내지 6.00％,
Mo: 1.00 내지 2.00％,
N: 0.100 내지 0.250％,
Al: 0.003 내지 0.050％를
함유하고,
O는 0.0060％ 이하,
P는 0.050％ 이하,
S는 0.0050％ 이하로 제한되고,
또한 하기 식 [1]로 정의되는 PREN값이 28.0 이상 35.0 이하이고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 2상 스테인리스강 모재와,
용접 금속 및 열영향부를 포함하는 용접부를 구비하는 용접 조인트이며,
상기 용접 금속의 성분은, C, N 및 O를 제외하고 상기 2상 스테인리스강 모재의 성분을 포함하고,
질량％로, C: 0.001 내지 0.060％, N: 0.100 내지 0.250％, O: 0.0100％ 이하를 함유하고,
또한 하기 식 [1]로 정의되는 PREN값이 29.0 이상이고,
상기 2상 스테인리스강 모재의 오스테나이트양은 30 내지 70면적％, 상기 용접 금속 및 상기 열영향부의 오스테나이트양은 각각 8 내지 70면적％이며,
상기 2상 스테인리스강 모재 및 상기 용접 금속은, 하기 식 [2]로 정의하는 NI값이 170 이상이고, 하기 식 [3]을 만족시키는 것을 특징으로 하는 용접 조인트.
PREN＝Cr＋3.3Mo＋16N ··· [1]
NI＝(Cr＋Mo＋2×Ni)/N ··· [2]
N≥(0.08Cr＋0.08Mo－0.06Ni－1.21)/0.4×0.08 ··· [3]
단, 상기 식 [1], [2], [3] 중에 있어서의 원소 기호는, 각각의 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.
(2) 상기 용접부를 50℃에서 측정한 JIS G0577 A법에 의한 공식 전위가 0.27V vs SSE 이상인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 용접 조인트.
(3) 상기 2상 스테인리스강 모재를 50℃에서 측정한 JIS G0577 A법에 의한 공식 전위가 0.27V vs SSE 이상인 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 용접 조인트.
(4) 상기 2상 스테인리스강 모재 및 상기 용접 금속은, 또한, 질량％로
Nb: 0.150％ 이하,
Ti: 0.020％ 이하,
Ta: 0.200％ 이하,
Zr: 0.050％ 이하,
Hf: 0.080％ 이하,
Sn: 0.100％ 이하,
W: 1.00％ 이하,
Co: 1.00％ 이하,
Cu: 3.00％ 이하,
V: 0.300％ 이하,
B: 0.0050％ 이하,
Ca: 0.0050％ 이하,
Mg: 0.0050％ 이하, 및
REM: 0.050％ 이하로
이루어지는 군 중 1종 또는 2종 이상을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3) 중 어느 것에 기재된 용접 조인트.
(5) 하기 식 [5]에 의해 규정되는 Nweld의 값이 0.100 내지 0.250이 되도록, 실드 가스 중의 질소량 Ngas 및 용접 입열량 Q를 제어함으로써, 용가재를 사용하는 일 없이 상기 2상 스테인리스강 모재를 용접하는 것을 특징으로 하는, (1) 내지 (4) 중 어느 것에 기재된 용접 조인트의 제조 방법.
Q＝[용접 전류(A)]×[용접 전압(V)]÷[용접 속도(㎝/s)] ··· [4]
Nweld＝Nbase×{0.978－0.0029×√(Q)＋0.28×√(Ngas)＋0.00074×√(Q)×√(Ngas)} ··· [5]
단, 상기 식 (5)에 있어서의 Nbase는 상기 2상 스테인리스강 모재의 질소량(질량％), Ngas는 실드 가스 중의 질소량(vol％), Q는 용접 입열량(J/㎝)을 나타낸다.
본 발명에 의해 얻어지는 용접 조인트는, 하천의 하구 부근의 수문과 같은 기수 환경에 있어서 SUS316L 용접 조인트와 동등 이상의 충분한 내식성을 갖고, 또한 고인성에 의한 경량화를 도모할 수 있어, 산업면, 환경면에 기여하는 바는 매우 크다.
[용접 조인트]
이하에 설명되는 용접 금속과, 2상 스테인리스강 모재에 의해, 본 발명의 용접 조인트가 얻어진다. 본 발명의 용접 조인트는, 구체적으로는 조인트부의 용접 금속과, 용접 금속을 사이에 두는 2상 스테인리스강의 강판을 포함하는 2개의 모재를 갖는다.
또한, 본 발명의 용접 조인트의 구체적 형상은 특별히 한정되지는 않고, 예를 들어 본 발명은 2개의 2상 스테인리스강의 강판에 개선 가공한 후에 맞댐 용접하는 조인트의 제조 방법, 2개의 관끼리를 맞댐 용접하는 관 조인트의 제조 방법 등에 적용할 수 있다.
[2상 스테인리스강 모재의 조성]
이하에, 본 발명의 용접 조인트를 구성하는 2상 스테인리스강 모재의 조성 및 조직의 한정 이유에 대해 설명한다. 또한 본 명세서에 있어서 특별히 정함이 없는 한, 성분에 관한 ％는 질량％를 나타낸다.
C는, 스테인리스강의 내식성을 확보하기 위해, 0.050％ 이하의 함유량으로 제한한다. 0.050％를 초과하여 함유시키면 열간 압연 시에 Cr 탄화물이 생성되어, 내식성, 인성이 열화된다. 바람직하게는, 0.030％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.025％ 이하로 하면 된다.
한편, 스테인리스강의 C양을 저감시키는 관점에서 0.001％를 하한으로 한다.
Si는, 탈산을 위해 0.05％ 이상 2상 스테인리스강 모재 및 용접부에 함유시킨다. Si 함유량은, 바람직하게는 0.10％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.20％ 이상으로 하면 된다.
한편, Si 함유량이 0.80％를 초과하여 함유하면 인성이 열화된다. 그 때문에, 0.80％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.50％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.40％ 이하로 하면 된다.
Mn은 오스테나이트상을 증가시켜 인성을 개선하는 효과를 갖는다. 인성의 개선을 위해 0.10％ 이상을 모재 및 용접부에 함유시킨다. 바람직하게는 0.30％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.50％ 이상으로 하면 된다.
한편, Mn은 스테인리스강의 내식성을 저하시키는 원소이므로, Mn을 2.00％ 이하로 하면 된다. 바람직하게는 1.80％ 이하, 더욱 바람직하게는 1.50％ 이하로 하면 된다.
Cr은, 본 발명 강의 기본적인 내식성을 확보하기 위해, 모재 및 용접부에23.00％ 이상 함유시킨다. 바람직하게는 23.20％ 이상, 더욱 바람직하게는 23.40％ 이상으로 하면 된다.
한편, Cr을, 26.00％를 초과하여 함유시키면 페라이트상 분율이 증가하고, 또한 Cr 질화물의 석출이 발생하여 인성 및 용접부의 내식성을 저해한다. 이 때문에 Cr의 함유량을 26.00％ 이하로 하였다. 바람직하게는 25.00％ 이하, 더욱 바람직하게는 24.50％ 이하로 하면 된다.
Ni는, 오스테나이트 조직을 안정화시키고, 각종 산에 대한 내식성, 또한 인성을 개선하기 위해, 모재 및 용접부에 4.50％ 이상 함유시킨다. Ni 함유량을 증가시킴으로써 모재 및 용접 금속의 NI값을 증가시키고, 상기 모재 및 용접 금속에 함유시킬 필요가 있는 N양을 저감시키는 것이 가능해진다. 바람직하게는, 4.80％ 이상, 더욱 바람직하게는 5.00％ 이상으로 하면 된다.
한편, Ni는 고가의 합금이며, 자원 절약의 2상 스테인리스강을 지향한 본 발명 강에서는 경제적 관점에서 6.00％ 이하의 함유량으로 제한한다.
Mo는, 스테인리스강의 내식성을 높이는 매우 유효한 원소이며, SUS316L 이상의 내식성을 부여하기 위해 1.00％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직하게는 1.10％ 이상, 더욱 바람직하게는 1.20％ 이상으로 하면 된다.
한편, Mo는 고가이므로, 경제적 관점에서 Mo 함유량은 적은 편이 좋으므로 2.00％ 이하로 한다. 바람직하게는 2.00％ 미만, 더욱 바람직하게는 1.80％ 이하, 보다 바람직하게는 1.60％ 이하로 하면 된다.
N은, 강력한 오스테나이트 생성 원소이며, 특히 용접부의 오스테나이트양을 크게 증가시키는 효과가 있는 동시에, 오스테나이트상에 고용되어 2상 스테인리스강의 내식성을 높이는 매우 유효한 원소이므로, 0.100％ 이상 함유시킨다. 바람직하게는 0.120％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.150％ 이상으로 하면 된다.
한편, 고용 한도는 Cr 함유량에 따라서 높아지지만, 본 발명 강에 있어서는 0.250％ 초과 함유시키면 Cr 질화물을 석출하여 인성 및 내식성을 저해하게 된다. 그 때문에, N 함유량을 0.250％ 이하로 하였다. 바람직하게는 0.230％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.200％ 이하로 하면 된다.
Al은, 강의 탈산을 위한 중요한 원소이며, 또한 본 강의 개재물의 조성을 제어하기 위해, 모재 및 용접부에 함유시킨다. Al은 강 중의 산소를 저감하기 위해 Si와 함께 함유시켜도 된다. Al은 개재물의 조성을 제어하여 내 공식성을 높이기 위해 0.003％ 이상 함유시킨다. 바람직하게는 0.005％ 이상으로 하면 된다.
한편, Al은 N과의 친화력이 비교적 큰 원소이며, 과잉으로 첨가하면 Al의 질화물을 발생하여 스테인리스강의 인성을 저해한다. 그 정도는 N 함유량에도 의존하지만, Al이 0.050％를 초과하면 인성 저하가 현저해지므로 그 함유량을 0.050％ 이하로 하면 된다. 바람직하게는 0.040％ 이하, 보다 바람직하게는 0.030％ 이하로 하면 된다.
O(산소)는 불순물이며, 스테인리스강의 열간 가공성, 인성, 내식성을 저해하는 원소이므로, 가능한 한 적게 하는 것이 바람직하다. 그 때문에, O 함유량은 0.006％ 이하로 한정한다. 또한, 산소를 극단적으로 저감하기 위해서는 정련에 매우 큰 비용이 필요해지므로, 경제성을 고려하면 산소량은 0.001％ 이상이어도 된다.
P는 원료로부터 불가피하게 혼입되는 원소이며, 열간 가공성 및 인성을 열화시키므로, 가능한 한 적은 편이 좋으며, 0.05％ 이하로 한정한다. 바람직하게는, 0.04％ 이하로 하면 된다. P를 극저량으로 저감하기 위해서는, 정련 시의 비용이 높아진다. 이 때문에, 경제적 관점에서 P양의 하한을 0.01％로 하면 된다.
S는 원료로부터 불가피하게 혼입되는 원소이며, 열간 가공성, 인성 및 내식성도 열화시키므로, 가능한 한 적은 편이 좋으며, 상한을 0.0050％ 이하로 한정한다. 바람직하게는, 0.0020％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.0010％ 이하로 하면 된다. S를 극저량으로 저감하기 위해서는, 정련 시의 비용이 높아진다. 이 때문에, 경제적 관점에서 S양의 하한을 0.0001％로 하면 된다.
[28.0≤PREN≤35.0; NI≥170.0; 오스테나이트양이 30면적％ 이상 70면적％ 이하]
하천의 담수, 기수 등의 자연수의 환경 하에서는, 미생물의 활동에 의해 자연 전위가 높아진다. 자연 전위가 높은 환경 하에서는 Cr 농도의 근소한 저하라도 내식성에 큰 영향을 미친다. 이 때문에, 본 발명 강이 적용되는 환경 하에서는, 2상 스테인리스강을 용접하여 Cr 질화물이 석출된 경우, Cr 질화물 주위의 Cr 결핍층이 공식의 기점이 된다.
일반적으로 2상 스테인리스강에 있어서 오스테나이트양은, 페라이트양과 등량에 가까운 편이 바람직하다. 페라이트 과다인 경우는 인성이 저하되고, Cr 질화물의 석출이 일어나기 쉬워진다. 한편, 오스테나이트 과다인 경우는 응력 부식 균열, 열간 압연 중의 에지 크랙이 일어나기 쉬워진다. 또한 어느 경우도 페라이트상, 오스테나이트상 사이의 성분 차가 심해져, 어느 쪽의 상에서 내식성이 저하된다. 본 발명에서는, 본 발명의 성분계에 있어서 상기 과제가 발생하기 어려운 오스테나이트양으로서 30면적％ 이상 70면적％ 이하로 규정한다.
또한, 2상 스테인리스강의 경우, 용접 열영향부의 내식성 저하를 고려하여, 동등한 내식성을 목적으로 하는 경우에 오스테나이트계보다 높은 PREN을 확보할 필요가 있다. 실험을 행한 결과, 내 공식성의 지표인 하기 (1)로 정의되는 PREN이 28.0 미만이 되면, 2상 스테인리스강 모재의 오스테나이트양이 30면적％ 이상 70면적％라도 기수 환경 하에 있어서 용접 열영향부에서 316L 용접 조인트를 하회하는 내식성이 되었다.
PREN＝Cr＋3.3Mo＋16N ··· (1)
단, 식 (1) 중에 있어서의 원소 기호는, 각각의 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.
또한, 2상 스테인리스강 모재의 PREN을 높이기 위해 Cr, Mo의 함유량을 과대하게 하면 합금 비용의 증가나 금속간 화합물의 생성을 초래하고, N의 함유량을 과대하게 하면 인성이 악화되는 등의 악영향이 나타난다.
이 때문에, 기수 등의 환경 하에서 용접 금속에 공식을 발생시키지 않기 위해서는, 2상 스테인리스강 모재의 오스테나이트양이 30 내지 70면적％, 또한 2상 스테인리스강 모재의 하기 식 (1)로 정의되는 PREN값이 28.0 이상 35.0 이하가 될 필요가 있다. 2상 스테인리스강 모재의 오스테나이트양의 바람직한 범위는 40 내지 60면적％이다.
또한, 본 발명의 용접 조인트에서는, 모재의 성분 및 용접 조건을 최적화함으로써, 용가재를 사용하는 일 없이, 용접 열영향부에 있어서도 SUS316L과 동등 이상의 충분한 내식성을 확보한다. 그 때문에, 하기 식 (2)로 규정되는 NI값이 170.0 이상이 되도록, 2상 스테인리스강 모재의 Cr, Mo, Ni 및 N 함유량이 제한된다.
NI＝(Cr＋Mo＋2×Ni)/N ··· (2)
단, 상기 식 (2) 중에 있어서의 원소 기호는, 각각의 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.
이 NI값은 Cr, Mo, Ni와 N의 관계에 있어서 크롬 질화물 석출이 지연되는 레벨의 지표이다. 이 값이 170 이상이며, 당해 발명과 같은 용가재를 사용하지 않는 용접의 경우라도, 내식성이 SUS316L 용접 조인트를 하회하지 않는 레벨의 석출에 그친다. 바람직하게는 185 이상이다.
또한, 본 발명에 있어서의 오스테나이트양은, 2상 스테인리스강 모재의 경우, 모재 강판의 t/4(t는 판 두께)에 상당하는 위치로부터 두꺼운 강판의 압연 방향과 평행한 단면을 채취하고, 수지로 메워넣어 경면 연마하고, KOH 수용액 중에서 전해 에칭을 행한 후, 광학 현미경 관찰에 의해 화상 해석을 행함으로써 페라이트 분율(면적％)을 측정하고, 나머지 부분을 오스테나이트양으로 함으로써 구한다.
또한, 용접 금속 및 용접 열영향부의 오스테나이트양은, 용접부(용접 금속 및 용접 열영향부)와 그 근방의 모재를 포함하도록 시험편을 채취하고, 상기 2상 스테인리스강 모재의 압연 방향 단면을 경면 연마한 것을 사용하여, 2상 스테인리스강 모재의 경우와 마찬가지의 방법으로, 에칭 처리, 광학 현미경에 의한 관찰 및 화상 해석을 행함으로써, 용접 금속 및 용접 열영향부의 각각의 금속 조직 중의 오스테나이트양을 측정한다.
[용접 금속의 조성]
본 발명의 용접 조인트의 제조에는, 용가재가 사용되지 않으므로, 본 발명의 용접 조인트를 구성하는 용접 금속은, 모재가 용융 응고된 것에서 유래되어 있어, 2상 스테인리스강 모재의 성분과 거의 동일한 성분을 갖는다. 단, 전술한 바와 같이, 가스 성분인 C, N, O에 대해서는, 금속 용융 시에 휘발 증발 혹은 혼입에 의해 모재와의 사이에 성분의 차이를 발생시킨다.
C는 용접 시에 부착유 등으로부터 용접 금속 중에 혼입되는 경우가 있지만, 내식성에 유해하고, 그 함유량이 0.060％ 초과에서는 용접 상태 그대로 및 재열을 받으면 C는 Cr과 결합하여 Cr 탄화물을 석출시켜, 내 입계 부식성 및 내 공식성이 현저하게 열화되는 한편, C양을 저감시키는 관점에서 0.001％를 하한으로 하기 위해, 그 함유량을 0.001 내지 0.060％로 한정하였다.
N은 강력한 오스테나이트 생성 원소이며, 염화물 환경 하에서의 내 공식성을 향상시킨다. 0.100％ 이상에서 용접 금속의 내 공식성 및 내 간극 부식성을 향상시키고, 함유량이 많을수록 그 효과는 크다. 한편, N 함유량을 많게 하면, 특히 0.250％를 초과하면 용접 중에 블로 홀이 발생하기 쉽다. 따라서, 용접 금속의 N 함유량은 0.150 내지 0.250％로 제한한다. 바람직하게는 0.120％ 이상, 보다 바람직하게는 0.130％이고, 0.200％ 이하로 하면 된다.
O는 산화물을 생성하고, 과잉의 함유는 인성을 현저하게 저하시키므로, 그 함유량의 상한을 0.0100％로 하였다.
또한, 용접 금속의 C, N, O 함유량에 대해서는, 용접 금속 부분을 잘라내고, 각각 JIS G1211-3, G1228-e), G1239에 준거한 분석을 행함으로써 측정된다.
[PREN≥29.0; NI≥170.0; 오스테나이트양이 8면적％ 이상 70면적％ 이하]
하천의 담수, 기수 등의 자연수의 환경 하에서는, 미생물의 활동에 의해 자연 전위가 높아진다. 자연 전위가 높은 환경 하에서는 Cr 농도의 근소한 저하라도 내식성에 큰 영향을 미친다. 이 때문에, 본 발명 강이 적용되는 환경 하에서는, 2상 스테인리스강을 용접하여 Cr 질화물이 석출된 경우, Cr 질화물 주위의 Cr 결핍층이 공식의 기점이 된다. 본 발명자들은, 용접 조인트의 2상 스테인리스강 용접부의 오스테나이트양이 8면적％ 이상 70면적％이 되는 경우, 316L 용접 조인트를 하회하는 내식성이 되는 것을 밝혔다.
모재와 마찬가지로 오스테나이트양은, 페라이트양과 등량에 가까운 편이 바람직한데, 본 발명과 같이 용가재가 없는 용접의 경우는 특히, 용접 금속의 오스테나이트상 생성량이 적어지는 경향이 있고, 그 중에서 가능한 한의 오스테나이트상증량을 도모한다. 또한, 페라이트상으로부터의 Cr 질화물의 석출을 가능한 한 억제하기 위해, 상기 식 (2)로 규정되는 NI값이 170.0 이상이 되도록, 용접 시에 N양을 제어함으로써 용접 금속의 성분을 개선한다. 그리고 나서, SUS316L과 비교하여 내식성이 저하되는 과제를 발생하지 않는 오스테나이트양으로서 8면적％ 이상 70면적％ 이하로 규정한다.
또한, 내 공식성의 지표인 PREN값에 대해, 용접 금속의 PREN값이 29.0 미만이 되면, 용접 금속의 오스테나이트양이 8면적％ 이상 70면적％ 이하이고, 316L 및 당해 강의 모재 이상의 PREN이었다고 해도, 성분 편석을 발생하는 것에 의한 국소적 내식성 저하 및 모재보다 페라이트양이 많아지는 것에 의한 내식성 저하에 의해 기수 환경 하에 있어서 용접 금속에서 316L 용접 조인트의 내식성을 하회한다. 이 때문에, 용접 금속의 오스테나이트양이 8면적％ 이상 70면적％ 이하, 또한 용접 금속의 PREN값이 29.0 이상으로 될 필요가 있다. 용접 금속의 오스테나이트양의 바람직한 하한은 10.0면적％, 보다 바람직한 하한은 60.0면적％이다. 용접 금속의 오스테나이트양의 바람직한 상한은 65.0면적％이고, 더욱 바람직한 상한은 60.0면적％이다.
또한, 본 발명의 용접 조인트의 용접부의 내식성을 확보하기 위해, 용접 열영향부도, 용접 금속과 마찬가지로, 오스테나이트양을 8면적％ 이상 70 면적％로 할 필요가 있다.
[2상 스테인리스강 모재 및 용접 금속의 임의 첨가 원소]
또한, 본 발명의 용접 조인트를 구성하는 2상 스테인리스강 모재 및 용접 금속은, 이하의 임의 첨가 원소 중 1종 또는 2종 이상을 함유할 수 있다. 이들 임의 첨가 원소는 2상 스테인리스강 모재에 첨가하지 않아도 되고, 2상 스테인리스강 모재에 있어서의 함유량이 0％여도 된다.
Nb는, N과 친화력이 강해, 크롬 질화물의 석출 속도를 더욱 저하시키는 작용을 갖는 원소이다. 이 때문에, 본 발명 강에서는 필요에 따라서 0.005％ 이상 함유시킨다. 바람직하게는 0.010％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.020％ 이상, 보다 바람직하게는 0.030％ 이상으로 하면 된다.
한편, Nb를 0.150％를 초과하여 함유시키면 Nb의 질화물이 다량으로 석출되어, 인성을 저해하게 되는 점에서, 그 함유량을 0.150％ 이하로 정하였다. 바람직하게는 0.090％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.070％ 이하, 보다 바람직하게는 0.050％ 이하로 하면 된다.
또한, Nb는 고가의 원소이지만, 품위가 낮은 스크랩에 함유되는 Nb를 적극적으로 이용함으로써, 스테인리스 용해 원료 비용을 저렴하게 할 수 있다. 이러한 방법에 의해, Nb 함유 강의 용해 비용의 저감을 도모하는 것이 바람직하다.
Ti는, N과의 사이에 매우 강한 친화력이 있어, 강 중에서 Ti의 질화물을 형성하는 점에서 함유시켜도 된다. 이 때문에, Ti를 함유시키는 경우는 매우 소량으로 하는 것이 필요해진다. 0.020％를 초과하여 함유시키면 Ti의 질화물에 의해 인성을 저해시키는 점에서, 그 함유량을 0.020％ 이하, 바람직하게는 0.015％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.010％ 이하로 하면 된다. Ti를 함유하는 경우, 그 효과를 얻기 위해, 함유량은 0.003％ 이상으로 하면 되고, 바람직하게는 0.005％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.006％ 이상으로 하면 된다.
Ta는, 개재물의 개질에 의해 내식성을 향상시키는 원소이며, 필요에 따라서 함유해도 된다. 0.005％ 이상의 Ta의 함유에 의해 효과가 발휘되므로, Ta양의 하한을 0.005％ 이상으로 한다. Ta양이 0.200％ 초과인 경우, 인성의 저하를 초래하므로, Ta양의 상한은, 바람직하게는 0.200％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.100％ 이하이다. 소량의 Ta양으로 효과를 발현시키는 경우에는, Ta양을 0.050％ 이하로 하는 것이 바람직하다.
W는, Mo와 마찬가지로 스테인리스강의 내식성을 향상시키는 원소이며, 함유해도 된다. 본 발명 강에 있어서 내식성을 높이는 목적을 위해 함유시켜도 된다. 그러나 고가의 원소이므로, 1.00％ 이하로 하면 된다. 바람직하게는 0.70％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.50％ 이하로 하면 된다. W를 첨가하는 경우, 그 효과를 얻기 위해, W 함유량을 0.01％ 이상으로 하면 되고, 바람직하게는 0.05％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.10％ 이상으로 하면 된다.
V는, N과 친화력이 있어, 크롬 질화물의 석출 속도를 저하시키는 작용을 갖는 원소이다. 이 때문에, 함유시켜도 된다. 그러나 0.300％를 초과하여 함유시키면 V의 질화물이 다량으로 석출되어, 인성을 저해시키는 점에서, V의 함유량은 0.300％ 이하, 바람직하게는 0.250％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.200％ 이하로 하면 된다. V를 함유시키는 경우, 그 효과를 얻기 위해, 함유량을 0.010％ 이상으로 하면 되고, 바람직하게는 0.030％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.080％ 이상으로 하면 된다.
Ca 및 Mg는 본 발명 강의 개재물의 조성을 제어하여, 본 발명 강의 내 공식성과 열간 가공성을 높이기 위해 첨가된다. Ca 및 Mg를 첨가하는 강에서는, 0.0030％ 이상 0.0500％ 이하의 Al과 함께 용해 원료를 사용하여 첨가되거나, 혹은 탈산 및 탈황 조업을 통해 그 함유량이 조정되어, Ca의 함유량을 0.0005％ 이상, Mg의 함유량을 0.0005％ 이상으로 제어한다. 바람직하게는 Ca를 0.0010％ 이상, Mg를 0.0010％ 이상, 더욱 바람직하게는 Ca를 0.0015％ 이상, Mg를 0.0015％ 이상으로 하면 된다.
한편, Ca 및 Mg는, 모두 과잉의 첨가는 반대로 열간 가공성 및 인성을 저하시키므로, Ca에 대해서는 0.0050％ 이하, Mg에 대해서는 0.0050％ 이하로 함유량을 제어하면 된다. 바람직하게는 Ca를 0.0040％ 이하, Mg를 0.0025％ 이하, 더욱 바람직하게는 Ca를 0.0035％ 이하, Mg를 0.0020％ 이하로 하면 된다.
Co는, 강의 인성과 내식성을 높이기 위해 유효한 원소이며, 함유해도 된다. Co는 고가의 원소이며, 1.00％를 초과하여 함유시켜도 비용에 상응하는 효과가 발휘되지 않게 되므로, 1.00％ 이하 함유하면 된다. 바람직하게는 0.70％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.50％ 이하 함유하면 된다. Co를 함유하는 경우, 그 효과를 얻기 위해, 함유량을 0.01％ 이상으로 하면 되고, 바람직하게는 0.03％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.10％ 이상으로 하면 된다.
Cu는, 스테인리스강의 산에 대한 내식성을 부가적으로 높이는 원소이며, 또한 인성을 개선하는 작용을 가지므로, 함유해도 된다. Cu를 3.00％ 초과 함유시키면 열간 압연 후의 냉각 시에 고용도를 초과하여 εCu가 석출되어 취화되므로 3.00％ 이하 함유하면 된다. 바람직하게는 1.70％ 이하, 더욱 바람직하게는 1.50％ 이하 함유하면 된다. Cu를 함유하는 경우, 0.01％ 이상, 바람직하게는 0.33％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.45％ 이상 함유시키면 된다.
B는, 강의 열간 가공성을 개선하는 원소이며, 필요에 따라서 함유시켜도 된다. 또한, N과의 친화력이 매우 강한 원소이며, 다량으로 함유시키면 B의 질화물이 석출되어, 인성을 저해시키게 된다. 이 때문에, 그 함유량을 0.0050％ 이하, 바람직하게는 0.0040％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.0030％ 이하로 하면 된다. B를 함유하는 경우, 그 효과를 얻기 위해 B 함유량을 0.0001％ 이상으로 하면 되고, 바람직하게는 0.0005％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.0014％ 이상으로 하면 된다.
REM은 강의 열간 가공성을 개선하는 원소이며, 그 목적으로 그 함유량이 0.005％ 이상이 되도록 첨가되는 경우가 있다. 바람직하게는 0.010％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.020％ 이상 함유하면 된다. 한편 과잉의 첨가는 반대로 열간 가공성 및 인성을 저하시키므로, 0.050％ 이하 함유하면 된다. 바람직하게는 0.040％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.030％ 이하로 하면 된다.
여기서 REM은 La나 Ce 등의 란타노이드계 희토류 원소의 함유량의 총합으로 한다.
Zr, Hf, Sn은 입계에 편석되어 용접 시의 결정립의 조대화를 억제한다. 또한, Zr, Hf는, 열간 가공성이나 강의 청정도를 향상, 그리고 내산화성 개선에 대해서도 종래부터 유효한 원소이다. Sn은 표면 근방에 농화되어 Cr의 산화를 억제한다.
이들 효과를 얻기 위해, Zr: 0.001％ 이상, Hf: 0.001％ 이상, Sn: 0.005％ 이상을 함유하는 것이 바람직하다. 본 발명의 용접 조인트는, 모재 및 용접 금속이, Ni, Cu, Mo, W의 원소군 대신에, Zr, Hf, Sn의 원소군 중 적어도 1종의 원소를 전술한 함유량의 범위에서 함유해도 된다.
한편, 이들 원소의 과도한 첨가는 입계 강도 저하에 의한 입계 파괴를 조장하므로, Zr, Hf, Sn의 함유량은, Zr: 0.050％ 이하, Hf: 0.080％ 이하, Sn: 0.100％ 이하로 할 필요가 있다.
[N양]
본 발명에 있어서, 2상 스테인리스강 모재 및 용접 금속의 N양은, 이하의 식 (3)을 충족하는 것으로 한다.
N≥(0.08Cr＋0.08Mo－0.06Ni－1.21)/0.4×0.08 ··· (3)
단, 식 (3) 중에 있어서의 원소 기호는, 각각의 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.
식 (3)은, 용가재를 사용하지 않는 비소모 전극식 용접에 있어서의, 용접 열영향부 및 용접 금속의 오스테나이트양을 각각 8％ 이상으로 하기 위한 2상 스테인리스강 모재 및 용접 금속에 있어서 필요한 N양을, 주요 원소인 Cr, Ni, Mo 함유량으로부터 추정하는 식이다.
2상 스테인리스강의 오스테나이트양을 추정하는 성분식은, 예를 들어 특허문헌 1에 기재된 Ni-bal. 등 다수 있지만, 이것들은 모두 용체화 열처리된 강재의 오스테나이트양을 추정하는 것이다. 이 경우, 페라이트상에 Cr, Mo, 오스테나이트상에 Ni, N이 분배 농화되어 각각의 상을 형성한다.
한편, 용접 열영향부 및 용접 금속의 경우, 가열 시에 일단 페라이트 단상이 되고, 그 후 냉각 시에 오스테나이트상이 생성되는데, 그 때에는 Cr, Ni, Mo는 거의 농화되지 않고, 거의 N만이 오스테나이트상에 농화됨으로써 오스테나이트상을 형성한다. 그때, 오스테나이트상에 농화되는 N양은 대략 Cr, Ni, Mo의 양에 따라서 변화되며, 오스테나이트 생성 원소의 Ni가 높은 경우는 적은 N양이 되고, Cr, Mo에서는 반대가 된다. 이 N의 농화량이 적은 경우는, 그 결과, 오스테나이트상을 보다 적은 N양으로 생성시킬 수 있게 된다.
[2상 스테인리스강 모재 및 용접부의 내식성]
2상 스테인리스강 모재 및 용접 금속이 전술한 조성 범위를 충족하고, 전술한 제조 방법에 의해 제조된 용접 조인트는, 용접 금속 및 열영향부를 포함하는 용접부에 대해 50℃에서 측정한 JIS G0577 A법에 의한 공식 전위가 0.27V vs SSE 이상이 된다.
또한, 상술한 제조 방법에 의해 제조된 용접 조인트는, 강 모재에 대해 50℃에서 측정한 JIS G0577 A법에 의한 공식 전위가 0.27V vs SSE 이상이 된다. 이와 같이, 본 발명의 용접 조인트는, SUS316L 용접 조인트와 동등 이상의 내식성을 갖는다.
[2상 스테인리스강 모재 및 용접부의 인성]
본 발명의 용접 조인트는, 시험 온도 -20℃에서, JIS Z 2242에 규정된 시험 방법으로 샤르피 충격 시험을 실시하였을 때의 충격값이 100J/㎠ 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 용접 조인트는, 2상 스테인리스강 모재의 판 두께는 한정되지는 않는다. 2상 스테인리스강 모재의 판 두께가 10.0㎜ 이상인 경우, 상기 충격값의 측정에 사용되는 2상 스테인리스강 모재의 시험편은, 용접부를 포함하지 않는 부분으로부터 판 두께 중심을 포함하는 10㎜ 두께의 부재를 잘라내고, 상기 부재에 대해 압연 직각 방향으로 V 노치를 가공함으로써 제작된다. 또한, 상기 충격값의 측정에 사용되는 용접부의 시험편은, 용접 조인트의 용접 금속의 여성을 제거하고, 용접선을 중앙으로 하여 용접 금속 및 열영향부를 포함하는 10㎜ 두께의 부재를 잘라내고, 상기 부재의 용접선에 대해 직각 방향으로 V 노치를 가공함으로써 제작된다. 모재의 판 두께가 10.0㎜ 미만인 경우는, 모재 판 두께 그대로 시험편을 채취한다.
[본 발명의 용접 조인트의 제조 방법]
다음으로, 본 발명의 용접 조인트의 제조 방법에 대해 설명한다.
[용접 공정]
본 발명에서는, 우수한 저온 인성과 해수 환경 하에서의 내식성을 갖는 용접부를 형성하기 위해 용접 금속을 형성할 때의 용접 조건에 대해 이하와 같이 한정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 용접 조인트는, 용가재를 사용하는 일 없이 비소모 전극식 용접 방법으로 상기 2상 스테인리스강 모재를 용접함으로써 형성된다. 이러한 용접 방법으로서, 텅스텐 아크 용접, 플라스마 용접, 레이저 용접 등을 예시할 수 있다.
[실드 가스 중의 질소량 Ngas]
용접 금속 중의 N 함유량은, 2상 스테인리스강 모재의 용접 조건, 특히 실드 가스에 포함되는 N의 함유량과, 용접 시의 입열량에 영향을 받는다. 본 발명자들은, 2상 스테인리스강 모재의 조성이 본 발명의 요건을 충족시키는 경우, 실드 가스 중의 질소량 Ngas(vol％) 및 용접 입열량 Q(J/㎝)로부터, 용접 금속 중의 N 함유량(질량％)은, 하기의 식 (5)로 정의되는 Nweld의 값으로부터 ±10.0％의 범위 내에서 추정할 수 있는 것을 발견했다.
Q＝[용접 전류(A)]×[용접 전압(V)]÷[용접 속도(㎝/s)] ··· (4)
Nweld＝Nbase×{0.978－0.0029×√(Q)＋0.28×√(Ngas)＋0.00074×√(Q)×√(Ngas)}···(5)
단, 상기 식 (5)에 있어서의 Nbase는 2상 스테인리스강 모재의 질소량(질량％), Ngas는 실드 가스 중의 질소량(vol％)이며, 실드 가스의 순Ar 가스와 순N2 가스의 배합 비율로부터 구한다. Q는 용접 입열량(J/㎝)을 나타낸다. 용접 입열량의 범위는, 용접 금속이 녹으며, 또한 녹아 떨어지지 않는 범위로 한다. 레이저 용접의 경우, 질화물의 석출을 억제하기 위해, 용접 입열량의 상한을 50000(J/㎝)로 하는 것이 바람직하다. 또한, 용접 속도는 0.2 내지 7.0㎝/s로 하고, 실드 가스 유량은 용융 풀의 위치에서 5 내지 50리터/min으로 하는 것이 바람직하다. 실드 가스는, 순Ar 가스: 90.0Vol％ 이상, 순N2 가스 10.0vol％ 이하 및 잔부 0.1vol％ 미만의 불순물 가스로 이루어지는 조성으로 하는 것이 바람직하다.
상기 식 (4) 및 (5)를 사용하여 산출된, 소정 용접 입열량 Q(J/㎝)에 있어서의 Nweld의 값은, 용접 금속의 질소량(질량％)으로 추정할 수 있는 것을 본 발명자들은 발견했다. 본 발명의 용접 조인트의 제조 방법에 의하면, 미리 2상 스테인리스강 모재의 성분을 최적화해 두면, 상기 식 (5)로 정의되는 Nweld의 값이 0.100 이상 0.250 이하로 되도록 용접 입열량 Q(J/㎝)를 제어함으로써, 용가재를 사용하는 일 없이, 또한 실드 가스 중에 질소 Ngas(vol％)를 거의 함유시키는 일 없이 내식성이 양호한 용접 조인트를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 제조 방법은, 용접 조인트의 제조에 적용할 뿐만 아니라, 그들 구조물의 보수 용접 등에도 적용할 수 있다.
본 발명에서는, 상술한 바와 같이 성분 함유량을 규정한 2상 스테인리스강 모재와 용접 금속을 포함하는 용접 조인트를 제조할 때, 상술한 용접 조건에서 용접을 행함으로써, 우수한 저온 인성과 기수 환경 하에서의 내식성이 확보된 용접 금속을 갖는 용접 조인트가 안정적으로 얻어진다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명을 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이하의 조건 또는 제조예에 한정되는 것은 아니다.
표 1-1, 표 1-2에 성분을 나타내는 2상 스테인리스강을 실험실의 50kg 진공 유도로에 의해 MgO 도가니 내에서 용제하여, 두께가 약 100㎜인 편평 강괴로 주조하였다. 강괴의 본체 부분으로부터 열간 압연용 소재를 가공하고, 1180℃의 온도로 1 내지 2h 가열 후, 1050℃ 이하의 압하율이 35％로 되도록 압연하여, 12㎜ 두께×약 700㎜ 길이의 열간 압연 후강판을 얻었다. 또한 압연 직후의 강재 온도가 800℃ 이상인 상태로부터 200℃ 이하까지 스프레이 냉각을 실시하였다. 최종의 용체화 열처리는 1050℃×20분 균열 후 수랭의 조건에서 실시하였다. 또한, 표 1-1, 표 1-2에 있어서 수치는, 해당되는 성분의 함유량을 나타낸다. 또한, 밑줄은, 해당되는 원소의 함유량이 본 발명의 용접 조인트를 구성하는 용접 금속의 조성의 범위 밖인 것을 나타낸다.
[표 1-1]
[표 1-2]
표 1-1 및 표 1-2에 기재된 2상 스테인리스강(판 두께 12.0㎜)을 모재로 하여, 개선 각도 60°, 루트면 1㎜의 개선을 제작하였다. 텅스텐 아크 용접(TIG)의 경우는, 용접 전류: 180 내지 250A, 아크 전압: 11 내지 14V, 용접 속도: 10 내지 25㎝/min, 실드 가스 유량: 15리터/min의 조건에서, 플라스마 용접의 경우는, 용접 전류: 200A, 아크 전압: 15V, 용접 속도: 12㎝/min, 실드 가스 유량: 15리터/min의 조건에서, 레이저 용접의 경우는, 레이저 출력: 5kW, 용접 속도: 150 내지 300㎝/min, 실드 가스 유량: 50리터/min의 조건에서 맞댐 용접을 행하여, 표 2-1 및 표 2-2의 용접 조인트를 제작하였다. 또한, 실드 가스는, Ar 가스, N2 가스 및 0.1％ 미만의 불순물로 이루어지고, 표 2-1 및 표 2-1에 나타내는 Vol％로 N2 가스를 함유한 것을 사용하였다.
표 2-1 및 표 2-2에, 사용한 모재와, 용접 방법, 용접 입열량을 나타낸다. 또한, 표 2-1 및 표 2-2에 나타내는 용접 방법은, 「TIG」가 TIG 용접에 의한 용접 방법, 「플라스마」가 플라스마 용접에 의한 용접 방법, 「레이저」가 「레이저 용접」에 의한 용접 방법인 것을 나타낸다. 단, 본 실시예에 있어서의 상기 어느 용접 방법은, 용가봉 및 용가재 모두 사용하지 않고 행해졌다.
또한, 표 2-1 및 표 2-2에는, 표 2-1 또는 표 2-2의 조건에 의해 형성된 용접 금속의 N 함유량(질량％) 및 O 함유량(질량％), 상기 식 (1)로부터 얻어지는 용접 금속의 PREN값, 상기 식 (2)에 의해 얻어지는 용접 금속의 NI값, 상기 식 (3)으로부터 얻어지는 N양(질량％), 상기 식 (5)로부터 추정되는 용접 금속의 N 함유량(질량％)을 나타낸다.
용접 금속에 함유되는 Cr, Mo, Ni양 각각은, 측정 변동을 제외하고 모재와의 차이가 없었으므로, 용접 금속의 PREN값의 계산은 모재의 성분을 사용하여 행하였다.
[표 2-1]
[표 2-2]
[내식성 시험]
표 2-1 및 표 2-2에 나타나는 용접 조인트 No.31 내지 67의 각각의 2상 스테인리스강 모재 및 용접부의 내식성을, 하기의 방법에 의해 평가하였다.
용접 조인트의 용접 금속의 여성을 제거하고, 용접선을 중앙으로 하여 25㎜ 폭의 시험편을 채취하고, 중앙의 12㎜ 폭을 측정면으로 한 것을 용접부 공식 시험편으로 하였다. 또한, 용접선으로부터 30㎜ 이상 벗어난 모재 부분으로부터 채취한 것을 모재 공식 시험편으로 하였다. 용접부 공식 시험편 및 모재 공식 시험편의 각각의 표면을 연마 입도 ＃600으로 연마하고, 표면 아래 1㎜의 면에 대해, 50℃의 3.5％ NaCl 용액 중에서 공식 전위의 측정을 JIS G0577에 규정되는 방법에 준거하여 실시하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다. 또한, 표 3의 밑줄은, 본 발명의 범위 밖인 것을 나타낸다.
[인성 평가 시험] (샤르피 충격 시험)
표 2-1 및 표 2-2에 나타나는 용접 조인트 No.31 내지 67 각각에 대해, 용접 조인트의 2상 스테인리스강 모재 및 용접부의 인성을, 하기의 방법에 의해 평가하였다.
상기 모재 공식 시험편과 마찬가지로 모재 시험편을 잘라내고, 이 시험편으로부터 JIS Z 2242에 규정에 준거한 표준 시험편을 잘라냈다. 이 표준 시험편에 대해 압연 직각 방향으로 V 노치를 가공하여 V 노치 시험편을 제작하고, 상기 V 노치 시험편을 사용하여 JIS Z 2242에 규정에 준거하여, 시험 온도 -20℃에서 샤르피 충격 시험을 실시하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
또한, 상기 용접부 공식 시험편과 마찬가지로 용접부 시험편을 잘라내고, 이 시험편으로부터 JIS Z 2242에 규정에 준거한 표준 시험편을 잘라냈다. 이 표준 시험편의 용접선에 대해 직각 방향으로 V 노치를 가공하여 V 노치 시험편을 제작하고, 상기 V 노치 시험편을 사용하여 JIS Z 2242에 규정에 준거하여, 시험 온도 -20℃에서 샤르피 충격 시험을 실시하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
본 발명예의 용접 조인트는, 모두 50℃에서의 공식 전위가 0.27V vs SSE 이상이었다. 이것은, SUS316L 용접 조인트 상당 이상의 양호한 내식성을 갖는 것을 나타낸다.
한편, 비교예의 No.48, 50 내지 58, 60 내지 62, 64 내지 67은 50℃에서의 공식 전위가 0.27V vs SSE 미만이 되어, 내식성이 불량이었다. 그 중, No.51, 55, 57, 58, 64, 65는, 용접 금속의 페라이트양이 과다하였다. No.51의 용접 조인트는, 모재의 Ni의 함유량이 본 발명의 범위 밖이었다. No.55의 용접 조인트는, 모재 및 용접 금속의 N양이 본 발명의 범위 밖이며, 또한 상기 식 (3)의 관계가 충족되지 않았다. No.57의 용접 조인트는, 모재, 용접 금속의 N양이 상기 식 (3)의 관계를 충족하지 않았다. No.58의 용접 조인트는, 용접 금속의 N양이 상기 식 (3)의 관계를 충족하지 않았다. No.64, 65의 용접 조인트는, 용접 금속의 N양이 본 발명의 범위 밖이며, 상기 식 (3)의 관계를 충족하지 않았다. No.64, 65의 용접 조인트는, 발명예 No.44 및 45에 대응하는 비교예인데, 상기 식 (5)의 관계에 의하면, 실드 가스 중의 N2 가스 함유량이 과소하였다고 생각된다.
No.53, 56, 61, 62, 66은, 용접 금속의 Cr 질화물 석출이 과다로 되었기 때문에, 내식성이 저하되었다. No.53, 56의 용접 조인트는, 각각 모재의 Cr, N의 함유량이 본 발명의 범위 밖이다. No.61, 62의 용접 조인트는, 용접 금속의 NI값이 본 발명의 범위 밖이다. No.61 및 No.62는 각각 본 발명예 No.33 및 No.36에 대응하는 비교예이다. No.61 및 No.62는, 상기 식 (5)의 관계에 의하면, 실드 가스 중의 N2 가스 함유량이 과다하였다고 생각된다. No.66은, 모재의 NI값이 본 발명의 범위 밖이다.
No.48, 50, 52, 54는, 모재의 C, Mn, Cr, Mo가 규정을 벗어나 있기 때문에, 조인트 전반의 내식성이 불량이었다. No.60은 용접 금속의 PREN이 벗어나 있기 때문에, 용접부의 내식성이 불량이었다. 상기 식 (5)의 관계에 의하면, No.60은, 실드 가스 중의 N2 가스 함유량을 0.1vol％ 이상으로 할 필요가 있었다고 예상된다. No.67의 용접 조인트는, 용접 시에 용접부에 기름이 혼입되었기 때문에, 용접 금속의 C양이 본 발명의 범위 밖이 되었다.
한편, No.49, 59는 모재의 Si, Al이 과다하기 때문에 모재의 샤르피 충격값이 -20℃에서 100J/㎠ 미만이 되어, 인성 불량이었다. No.63은 가스 실드가 불완전하였기 때문에 용접 금속의 O가 과다가 되어, 샤르피 충격값이 -20℃에서 44J/㎠로 인성 불량이었다.
[표 3]
본 발명에 따르면, 하천의 하구 부근의 수문과 같은 기수 환경에 있어서 SUS316L 용접 조인트와 동등 이상의 충분한 내식성을 갖고, 또한 고인성에 의한 경량화를 도모할 수 있어, 산업면, 환경면에 기여하는 바는 매우 크다.
Claims (5)
- 질량％로,
C: 0.001 내지 0.050％,
Si: 0.05 내지 0.80％,
Mn: 0.10％ 내지 2.00％,
Cr: 23.00 내지 26.00％,
Ni: 4.50 내지 6.00％,
Mo: 1.00 내지 2.00％,
N: 0.100 내지 0.250％,
Al: 0.003 내지 0.050％를
함유하고,
O는 0.0060％ 이하,
P는 0.050％ 이하,
S는 0.0050％ 이하로 제한되고,
또한 하기 식 (1)로 정의되는 PREN값이 28.0 이상 35.0 이하이고,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 2상 스테인리스강 모재와,
용접 금속 및 열영향부를 포함하는 용접부를 구비하는 용접 조인트이며,
상기 용접 금속의 성분은, C, N 및 O를 제외하고 상기 2상 스테인리스강 모재의 성분을 포함하고,
질량％로, C: 0.001 내지 0.060％, N: 0.100 내지 0.250％, O: 0.0100％ 이하를 함유하고,
하기 식 (1)로 정의되는 PREN값이 29.0 이상이고,
상기 2상 스테인리스강 모재의 오스테나이트양은 30 내지 70면적％, 상기 용접 금속 및 상기 열영향부의 오스테나이트양은 각각 8 내지 70면적％이며,
상기 2상 스테인리스강 모재 및 상기 용접 금속은, 하기 식 (2)로 정의하는 NI값이 170 이상이고, 하기 식 (3)을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 용접 조인트.
PREN＝Cr＋3.3Mo＋16N ···(1)
NI＝(Cr＋Mo＋2×Ni)/N ···(2)
N≥(0.08Cr＋0.08Mo－0.06Ni－1.21)/0.4×0.08 ···(3)
단, 상기 식 (1), (2), (3) 중에 있어서의 원소 기호는, 각각의 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다. - 제1항에 있어서,
상기 용접부를 50℃에서 측정한 JIS G0577 A법에 의한 공식 전위가 0.27V vs SSE 이상인 것을 특징으로 하는, 용접 조인트. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 2상 스테인리스강 모재를 50℃에서 측정한 JIS G0577 A법에 의한 공식 전위가 0.27V vs SSE 이상인 것을 특징으로 하는, 용접 조인트. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2상 스테인리스강 모재 및 상기 용접 금속은, 또한, 질량％로
Nb: 0.150％ 이하,
Ti: 0.020％ 이하,
Ta: 0.200％ 이하,
Zr: 0.050％ 이하,
Hf: 0.080％ 이하,
Sn: 0.100％ 이하,
W: 1.00％ 이하,
Co: 1.00％ 이하,
Cu: 3.00％ 이하,
V: 0.300％ 이하,
B: 0.0050％ 이하,
Ca: 0.0050％ 이하,
Mg: 0.0050％ 이하, 및
REM: 0.050％ 이하로
이루어지는 군 중 1종 또는 2종 이상을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는, 용접 조인트. - 하기 식 (5)에 의해 규정되는 Nweld의 값이 0.100 내지 0.250이 되도록, 실드 가스 중의 질소량 Ngas 및 용접 입열량 Q를 제어함으로써, 용가재를 사용하는 일 없이 상기 2상 스테인리스강 모재를 용접하는 것을 특징으로 하는, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 용접 조인트의 제조 방법.
Q＝[용접 전류(A)]×[용접 전압(V)]÷[용접 속도(㎝/s)] ···(4)
Nweld＝Nbase×{0.978－0.0029×√(Q)＋0.28×√(Ngas)＋0.00074×√(Q)×√(Ngas)} ···(5)
단, 상기 식 (5)에 있어서의 Nbase는 모재의 질소량(질량％), Ngas는 실드 가스 중의 질소량(vol％), Q는 용접 입열량 Q(J/㎝)를 나타낸다.
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