KR20230028882A - 내식성이 우수한 피복 아크 용접재료 및 이를 이용한 용접이음부 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내식성이 우수한 피복 아크 용접재료 및 이를 이용한 용접이음부에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 저농도 황산 및 황산/염산 복합산의 내식성이 우수한 피복 아크 용접재료 및 이를 이용한 용접이음부에 관한 것이다.
Description
본 발명은 내식성이 우수한 피복 아크 용접재료 및 이를 이용한 용접이음부에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 저농도 황산 및 황산/염산 복합산의 내식성이 우수한 피복 아크 용접재료 및 이를 이용한 용접이음부에 관한 것이다.
최근, 화력 발전소 환경 설비의 탈황 효율을 증대시키기 위한 설비 관련 연구들이 다양하게 진행되고 있으나, 설비의 부식 현상에 대한 문제가 야기되고 있다. 이러한 부식 현상은 응축수로 인해 생기는 부식이 많으며 Cl, SOx의 함량과 수증기 함량과 상당한 관련성을 지니고 있다.
발전소 및 다양한 사용처에서 발전 효율 및 배출되는 폐열을 활용하고자 배가스 온도를 점차 낮추는 추세이다. 일반적으로 황산은 150℃ 이하에서 응축되며, 액화된 황산 가스가 강재 표면에 응축되어 부식을 일으키며, 80℃ 이하의 온도에서는 염산이 응축되어 추후 배가스 온도가 낮아질수록 복합 부식 현상이 나타나게 된다.
이러한 문제를 해결하고자 다양한 설비에 사용되는 강으로, 고내식 강을 사용하는 방법을 진행하였으나, 강재 단가가 높아 고비용이었으며 효율이 떨어진다는 것을 확인하였다. 이에, 내황산 응축 부식 강이 개발되었으며, 이는, 저농도 및 복합 내식 특성이 매우 우수하여 저온화 부식환경에 사용하기 적합하나, 이에 따른 용접재료의 개발은 미비한 상태이다.
본 발명의 일 측면에 따르면 내식성이 우수한 피복 아크 용접재료 및 이를 이용한 용접이음부를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 않는다. 통상의 기술자라면 본 명세서의 전반적인 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.01~0.07%, 실리콘(Si): 0.1~0.6%, 망간(Mn): 0.4~1.2%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.2% 이하, 코발트(Co): 0.01~0.2%, 안티몬(Sb): 0.5% 이하(0% 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
구리(Cu)와 니켈(Ni) 함량의 합이 0.01% 이하이며,
하기 관계식 1에서 정의되는 R 값이 10 이상인 피복 아크 용접재료를 제공할 수 있다.
[관계식 1]
(여기서, [Co], [Sb], [Cr] 및 [Ni]는 각 원소의 중량%이다.)
상기 피복 아크 용접재료는 상기 안티몬(Sb)을 0.01~0.5% 포함할 수 있다.
상기 피복 아크 용접재료는 용접봉과 상기 용접봉 외면에 부착되는 플럭스를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은, 피복 아크 용접재료를 사용하여 2 이상의 모재를 용접하여 형성된 용접이음부를 제공할 수 있다.
상기 모재는 중량%로, 탄소(C): 0.03~0.15%, 망간(Mn): 0.5~1.5%, 실리콘(Si): 0.001~0.003%, 황(S): 0.003~0.01%, 안티몬(Sb): 0.05~0.45%, 주석(Sn): 0.05~0.45%, 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 용접재료와 모재 용접 시, 전류 180~280A, 전압 25~30V, 용접속도 30~50cm/min의 조건으로 수행될 수 있다.
상기 용접이음부는 미세조직으로 애시큘라 페라이트 및 베이나이트를 합으로 60면적% 이상(100면적% 제외) 포함하며, 잔부 폴리고날 페라이트 및 입계 페라이트를 포함할 수 있다.
상기 용접이음부는 상온 인장강도가 400MPa 이상일 수 있다.
상기 용접이음부는 3.2wt% 황산 용액에 침지 시 부식속도가 25mg/cm2/hr 이하이고, 3.2wt% 황산 및 0.8wt% 염산의 혼합 용액에 침지 시 부식속도가 15mg/cm2/hr 이하일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 내식성이 우수한 피복 아크 용접재료 및 이를 이용한 용접이음부를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 저농도 황산 및 황산/염산 복합산의 내식성이 우수한 피복 아크 용접재료 및 이를 이용한 용접이음부를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발명예에 해당하는 피복 아크 용접재료를 이용한 용접이음부의 미세조직 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 내식성 시험 시, 사용되는 용접이음부 부식 시편의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 내식성 시험 시, 사용되는 용접이음부 부식 시편의 모식도를 나타낸 것이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 구현예들을 설명하고자 한다. 본 발명의 구현예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 구현예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 구현예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명자는 내식성이 우수한 강재의 적용이 확대됨에 따라, 이러한 강재에 필요한 피복 아크 용접재료를 개발하여 용접 후 용접이음부가 모재와 유사 수준의 물성을 가질 수 있는 방안을 도출하기 위해 깊이 연구하였다.
그 결과, 용접재료의 합금조성 및 용접이음부의 미세조직을 최적화함으로써 내식성을 확보할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
여기서, 피복 아크 용접재료는, 용접봉 외면에 플럭스를 부착하여 사용하는 용접재료로, 용접 시, 차폐가스를 사용하지 않는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
이하에서는, 본 발명의 용접재료 조성에 대해 자세히 설명한다.
본 발명에서 특별히 달리 언급하지 않는 한 각 원소의 함량을 표시하는 %는 중량을 기준으로 한다.
본 발명에서 용접재료는 용접봉과 상기 용접봉 외면에 부착되는 플럭스를 포함하는 것으로, 본 발명의 용접재료 조성은 상기 용접봉과 플럭스를 포함하는 조성을 의미한다.
본 발명의 일 측면에 따르는 용접재료는 중량%로, 탄소(C): 0.01~0.07%, 실리콘(Si): 0.1~0.6%, 망간(Mn): 0.4~1.2%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.2% 이하, 코발트(Co): 0.01~0.2%, 안티몬(Sb): 0.5% 이하(0% 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
탄소(C): 0.01~0.07%
탄소(C)는 용접재료와 용접이음부의 강도를 확보하는 데에 유리한 원소로서, 탄소(C) 함량이 0.01% 미만이면 목표 수준의 강도를 확보할 수 없게 된다. 보다 바람직하게는 탄소(C)를 0.015% 이상 포함할 수 있다. 반면, 그 함량이 0.07%를 초과하게 되면 황산에 대한 부식성이 크게 저하되며, 특히 용접 시, 형성된 용접금속부의 경화도를 증가시켜 용접이음부 균열 발생을 조장할 우려가 있다. 따라서, 보다 바람직하게는 상한을 0.068%로 제한할 수 있다.
실리콘(Si): 0.1~0.6%
실리콘(Si)은 용융금속 내에서 슬래그(slag)를 형성하여 대기로부터 용융금속을 보호하며, 용접금속의 강도를 향상시키는 데에 유리한 원소이다. 상술한 효과를 충분히 얻기 위해서는 실리콘(Si)을 0.1% 이상으로 첨가할 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.15% 이상 첨가할 수 있다. 반면, 그 함량이 0.6%를 초과하게 되면 황산에 대한 부식 특성이 열위하게 되는 문제가 있다. 보다 바람직한 상한은 0.57%일 수 있다.
망간(Mn): 0.4~1.2%
망간(Mn)은 용접이음부의 상온 강도 향상에 유리한 원소로서, 이를 위해서는 망간(Mn)을 0.4% 이상으로 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 0.45% 이상 포함할 수 있다. 다만, 그 함량이 1.2%를 초과하게 되면 슬래그 점성이 저하되어 용접 비드(bead) 형상이 나빠질 우려가 있으며, 보다 바람직하게는 1.17% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
인(P): 0.02% 이하
인(P)은 함량이 높을수록 강도 향상의 효과를 기대할 수 있으나, 그 함량이 과도하여 0.02%를 초과하는 경우 용접이음부의 고온 균열을 조장하는 문제가 있다. 따라서, 인(P)은 0.02% 이하로 포함할 수 있으며, 불가피하게 첨가되는 수준을 고려하여 0%는 제외할 수 있다.
황(S): 0.2% 이하
황(S)은 강 중 Mn과 결합하여 MnS 복합산화물을 석출시키는 원소로 그 함량이 0.2%를 초과하게 되면 용접이음부 고온 균열을 조장하는 문제가 있다. 따라서, 황(S)은 0.2% 이하로 포함할 수 있으며, 불가피하게 첨가되는 수준을 고려하여 0%는 제외할 수 있다. 용접이음부 부식성 향상 측면에서 보다 바람직하게는 0.005% 이상 포함할 수 있다.
코발트(Co): 0.01~0.2%
코발트(Co)는 내식성을 향상시키는 효과가 있는 원소로, 상기 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.01% 이상 포함하는 것이 유리하나, 그 함량이 0.2%를 초과하게 되면 내식성 향상 효과가 포화되고, 원가 상승의 원인이 될 우려가 있다. 따라서, 코발트(Co) 함량의 보다 바람직한 상한은 0.19%일 수 있으며, 보다 바람직한 하한은 0.013%일 수 있다.
안티몬(Sb): 0.5% 이하(0% 제외)
안티몬(Sb)은 황산에 대한 내식성을 향상시키는 데에 유리한 원소로서, Co와 복합 첨가 시 그 효과를 더욱 증대시킬 수 있다. 다만, 그 함량이 0.5%를 초과하게 되면 용접 비드 형상이 불량해지는 문제가 있다. 보다 바람직하게는 안티몬(Sb)을 0.01% 이상 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.015% 이상 포함할 수 있다. 또한, 보다 바람직한 상한은 0.47%일 수 있다.
본 발명의 용접재료는, 상술한 조성 이외에 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 불가피한 불순물은 통상의 제조공정에서 의도되지 않게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이러한 불순물들은 통상의 철강제조분야의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르는 용접재료는 Cu, Ni 함량의 합이 0.01% 미만일 수 있으며, 보다 바람직하게는 포함되지 않을 수 있다.
종래의 용접재료는 황산 및 염산에 대한 내부식성을 확보하기 위하여 Cu 및 Ni을 필수로 첨가하였다. 그러나, Cu 및 Ni은 저농도의 황산 및 염산에 의해 내식성이 저하되는 문제점이 있으며, 본 발명에서는 이를 최소로 제한하면서도 인성을 증대시키며 내식성을 확보하고자 한다. 따라서, 본 발명에서는 이들 함량의 합을 0.01% 미만으로 제어한다. 보다 바람직하게는 0.009% 이하로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르는 용접재료는 하기 관계식 1에서 정의되는 R 값이 10 이상일 수 있다.
관계식 1은 Co, Sb, Cr, Ni의 함량 관계를 나타내는 식으로, 관계식 1의 R 값이 10 이상일 경우 본 발명에서 목적하는 내식성을 확보할 수 있다. R 값이 10 미만일 경우 목적하는 수준의 내식성을 확보하기 어렵다. 본 발명에서 R 값의 상한을 특별히 한정하지 않지만, 비용적 측면을 고려하였을 때 바람직한 상한은 50일 수 있다.
[관계식 1]
(여기서, [Co], [Sb], [Cr] 및 [Ni]는 각 원소의 중량%이다.)
본 발명의 일 측면에 따르는 용접재료를 사용하여 2 이상의 모재를 용접하여 용접이음부를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르는 용접에 사용되는 모재는 화력발전소 배가스 배관 및 환경설비 등에 이용되는 강재일 수 있으며, 보다 바람직하게 강재는 중량%로, 탄소(C): 0.03~0.15%, 망간(Mn): 0.5~1.5%, 실리콘(Si): 0.001~0.003%, 황(S): 0.003~0.01%, 안티몬(Sb): 0.05~0.45%, 주석(Sn): 0.05~0.45%, 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재일 수 있다.
더하여, 본 발명의 일 측면에 따르는 피복 아크 용접재료와 상기 모재 용접 시, 용접조건을 특별히 한정하는 것은 아니나, 바람직하게는 전류 180~280A, 전압 25~30V, 용접속도 30~50cm/min의 조건으로 수행될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 용접재료를 이용하여 형성된 용접이음부의 미세조직에 대해 자세히 설명한다.
본 발명에서 특별히 달리 언급하지 않는 한 미세조직의 분율을 표시하는 %는 면적을 기준으로 한다.
본 발명의 용접이음부는 미세조직으로, 애시큘라 페라이트 및 베이나이트를 합으로 60면적% 이상 포함하며, 잔부 폴리고날 페라이트 및 입계 페라이트를 포함할 수 있다.
본 발명에서는 용접이음부의 강도 확보를 위하여 애시큘라 페라이트(Acicular Ferrite) 및 베이나이트(Bainite)를 주상으로 60% 이상 포함할 수 있으며, 잔부 미세조직으로는 인성 유지를 위하여 폴리고날 페라이트(Polygonal Ferrite) 및 입계 페라이트(Grain boundary Ferrite)를 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 용접재료를 이용하여 형성된 용접이음부는 상온 인장강도가 400MPa 이상이고, 3.2wt% 황산 용액에 침지 시 부식속도가 25mg/cm2/hr 이하이고, 3.2wt% 황산 및 0.8wt% 염산의 혼합 용액에 침지 시 부식속도가 15mg/cm2/hr 이하인 내부식성이 우수한 특성을 구비할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 아래의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다.
(실시예)
하기 표 1의 조성을 갖는 피복 아크 용접재료를 이용하여 모재를 용접한 후, 형성된 용접이음부의 미세조직을 관찰하고 물성을 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.
여기서, 표 1의 용접재료는 C: 0.06%, Mn: 0.04%, Si: 0.03%, P: 0.013%, S: 0.007%, Cu: 0.017%, Ni: 0.01%, Mo: 0.003%의 조성을 가지는 봉 형태의 강 외면에 플럭스가 부착되는 것으로, 상기 플럭스 조성을 변경하여 표 1의 각 용접재료를 제조하였다.
용접에 사용된 모재는 중량%로, C: 0.07%, Mn: 1.0%, Si: 0.002%, P: 0.01%, S: 0.005%, Sb: 0.30 %, Sn: 0.30%의 조성을 갖는 강재를 이용하였으며, 용접 시, Ar 가스 분위기에서, 전류 250A, 전압 29V, 용접속도 43cm/min의 조건으로 용접을 행하였다.
| 강종 | 합금조성(wt%) | ||||||||
| C | Si | Mn | P | S | Co | Sb | Cr+Ni | 관계식 1 | |
| A | 0.043 | 0.324 | 0.363 | 0.012 | 0.009 | 0 | 0.126 | 0.008 | 1.58 |
| B | 0.057 | 0.276 | 0.475 | 0.017 | 0.021 | 0.074 | 0 | 0.007 | 2.11 |
| C | 0.074 | 0.301 | 0.364 | 0.015 | 0.016 | 0.042 | 0.102 | 0.005 | 3.72 |
| D | 0.062 | 0.452 | 0.951 | 0.012 | 0.010 | 0.058 | 0.125 | 0.002 | 12.05 |
| E | 0.045 | 0.411 | 0.743 | 0.021 | 0.009 | 0.109 | 0.333 | 0.003 | 18.37 |
| F | 0.055 | 0.304 | 0.664 | 0.016 | 0.005 | 0.057 | 0.304 | 0.001 | 41.9 |
[관계식 1]
(여기서, [Co], [Sb], [Cr] 및 [Ni]는 각 원소의 중량%이다.)
하기 표 2에 나타낸 상온 인장강도는 KS 규격(KS B 0801) 4호 시험에 준하여 인장시험 시편을 제작한 후, 각 시편에 대해 상온에서 용접이음부 수직방향으로 파단이 일어날 때까지 하중을 부과하여 인장강도를 측정하는 방법을 이용하여 측정되었다.
또한, 내부식성은 도 2와 같은 형상으로 시편을 채취한 후, 아래의 부식 조건으로 실험을 한 후, 침지 시간으로부터 부식이 발생하는 시간 즉, 부식속도를 측정하는 것으로부터 평가하였다.
○ 황산 단독 부식 조건: 80℃, 3.2wt%, 황산 용액에 6hr동안 침지
○ 복합 부식 조건: 80℃, 3.2wt% 황산 + 0.8wt% 염산 용액에 6hr 동안 침지
| 시편 번호 |
강종 | 미세조직 | 물성 | 구분 | ||
| 애시큘라 페라이트 및 베이나이트 분율(면적%) |
상온 인장강도 (MPa) |
황산 부식 감량 (mg/cm2/hr) |
황산/염산 복합 부식 감량 (mg/cm2/hr) |
|||
| 1 | A | 38 | 362 | 69.2 | 58.5 | 비교예1 |
| 2 | B | 51 | 389 | 92.6 | 87.7 | 비교예2 |
| 3 | C | 56 | 401 | 43.3 | 31.2 | 비교예3 |
| 4 | D | 72 | 457 | 20.1 | 13.8 | 발명예1 |
| 5 | E | 67 | 446 | 15.5 | 10.1 | 발명예2 |
| 6 | F | 70 | 452 | 12.2 | 7.8 | 발명예3 |
표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 합금조성을 가지는 용접재료를 이용하여 형성된 용접이음부인 발명예 1 내지 3은 본 발명에서 목적하는 물성을 확보하였다.
한편, 비교예 1 내지 3은 용접 시, 용접재료가 본 발명에서 제안하는 합금조성 및 관계식 1을 만족하지 못한 것으로, 용접에 의해 형성된 용접이음부가 본 발명에서 제안하는 미세조직을 확보하지 못하였다. 또한, 이로 인해 목적하는 수준의 강도를 확보하지 못하였으며, 내식성이 열위하였다.
이상에서 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 실시예들에 한정되지 않는다.
Claims (9)
- 중량%로, 탄소(C): 0.01~0.07%, 실리콘(Si): 0.1~0.6%, 망간(Mn): 0.4~1.2%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.2% 이하, 코발트(Co): 0.01~0.2%, 안티몬(Sb): 0.5% 이하(0% 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
구리(Cu)와 니켈(Ni) 함량의 합이 0.01% 이하이며,
하기 관계식 1에서 정의되는 R 값이 10 이상인 피복 아크 용접재료.
[관계식 1]
(여기서, [Co], [Sb], [Cr] 및 [Ni]는 각 원소의 중량%이다.)
- 제 1항에 있어서,
상기 피복 아크 용접재료는 상기 안티몬(Sb)을 0.01~0.5% 포함하는 피복 아크 용접재료.
- 제 1항에 있어서,
상기 피복 아크 용접재료는 용접봉과 상기 용접봉 외면에 부착되는 플럭스를 포함하는 피복 아크 용접재료.
- 청구항 1 내지 3 중 어느 하나의 항에 기재된 피복 아크 용접재료를 사용하여 2 이상의 모재를 용접하여 형성된 용접이음부.
- 제 4항에 있어서,
상기 모재는 중량%로, 탄소(C): 0.03~0.15%, 망간(Mn): 0.5~1.5%, 실리콘(Si): 0.001~0.003%, 황(S): 0.003~0.01%, 안티몬(Sb): 0.05~0.45%, 주석(Sn): 0.05~0.45%, 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 용접이음부.
- 제 4항에 있어서,
상기 용접재료와 모재 용접 시, 전류 180~280A, 전압 25~30V, 용접속도 30~50cm/min의 조건으로 수행되는 용접이음부.
- 제 4항에 있어서,
상기 용접이음부는 미세조직으로 애시큘라 페라이트 및 베이나이트를 합으로 60면적% 이상(100면적% 제외) 포함하며, 잔부 폴리고날 페라이트 및 입계 페라이트를 포함하는 용접이음부.
- 제 4항에 있어서,
상기 용접이음부는 상온 인장강도가 400MPa 이상인 용접이음부.
- 제 4항에 있어서,
상기 용접이음부는 3.2wt% 황산 용액에 침지 시 부식속도가 25mg/cm2/hr 이하이고, 3.2wt% 황산 및 0.8wt% 염산의 혼합 용액에 침지 시 부식속도가 15mg/cm2/hr 이하인 용접이음부.
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