KR20230104271A - Tig 용접용 용가재 및 그것을 이용한 용접 조인트부의 제조 방법 - Google Patents

Tig 용접용 용가재 및 그것을 이용한 용접 조인트부의 제조 방법 Download PDF

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카즈후미 와타나베
아츠시 다카다
아키요시 안도
타카토시 오카베
케이지 우에다
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제이에프이 스틸 가부시키가이샤
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Abstract

극저온 환경하에서 사용되는 고Mn 함유 강재용의 용접 재료로서 적합하고, 용접 시에 고온 균열의 발생이 억제되어, 내고온 균열성이 우수한 TIG 용접용 용가재를 제공한다. 질량％로, C: 0.20∼0.80％, Si: 0.15∼0.90％, Mn: 15.0∼30.0％, P: 0.030％ 이하, S: 0.030％ 이하, Cr: 6.0∼15.0％, N: 0.120％ 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 TIG 용접용 용가재로 한다. 또한, 필요에 따라서, Ni 및 Mo 중에서 선택된 1종 또는 2종을, 추가로, V, Ti 및 Nb 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을, 추가로 더하여, Cu, Al, Ca 및 REM 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유해도 좋다. 이에 따라, TIG 용접 시에 용접 균열의 발생이 억제되어, 내고온 균열성이 우수하고, 추가로, 고강도이고 또한 극저온 충격 인성이 우수한 용접 조인트부를 용이하게 제조할 수 있다.

Description

TIG 용접용 용가재 및 그것을 이용한 용접 조인트부의 제조 방법
본 발명은, TIG 용접용 용가재(filler metal)에 관한 것으로서, 특히, 극저온 환경하에서 사용되는 고Mn 함유 강재 용접용으로, 용접 시에 고온 균열의 발생이 억제되는 내(耐)고온 균열성이 우수한 TIG 용접용 용가재 및 그것을 이용한 용접 조인트부의 제조 방법에 관한 것이다.
TIG 용접은, Tungsten Inert Gas(텅스텐-불활성 가스) 용접으로, 전극봉에 소모하지 않는 재료의 텅스텐을 사용하여, 불활성 가스인 아르곤 가스나 헬륨 가스를 분사하여 공기를 차단하면서, 다른 용가재(용접봉)를 아크 중에서 용융하여 용접하는 방법이다. 이 TIG 용접에 의하면, 여러 가지 합금강이나 비철금속 등에도 적용할 수 있고, 복잡한 형상이라도 용접할 수 있어, 우수한 용접 품질이 얻어지는 점에서, 모든 금속의 용접에 적용되고 있다.
최근, 환경에 대한 규제가 엄격해지고 있다. 그리고, 액화 천연가스(이하, LNG라고도 함)는, 황을 포함하지 않기 때문에, 황 산화물 등의 대기 오염 물질을 발생시키지 않는 클린한 연료라고 하여, 그의 수요가 증가하고 있다. 또한, 그 LNG의 수송 또는 보관을 위해, LNG를 수송 또는 저장하는 용기(탱크)는, LNG의 액화 온도인 －162℃ 이하의 온도에서 우수한 극저온 충격 인성을 유지하는 것이 요구되고 있다.
종래부터, 우수한 극저온 충격 인성을 유지하는 것의 필요성으로부터, 용기(탱크) 등의 재료용으로서, 알루미늄 합금, 9％ Ni강, 오스테나이트계 스테인리스강 등이 이용되어 왔다.
그러나, 알루미늄 합금은, 인장 강도가 낮기 때문에, 구조물의 판두께를 크게 설계할 필요가 있고, 또한 용접성이 나쁘다는 문제가 있다. 9％ Ni강은, 용접 재료로서 고가의 Ni기 재료를 이용하는 것이 필요하기 때문에, 경제적으로 불리해진다. 또한, 오스테나이트계 스테인리스강은, 고가이고, 모재 강도도 낮다는 문제가 있다.
이러한 문제로부터, LNG를 수송 또는 저장하는 용기(탱크)용의 재료로서, 최근에는 Mn을 10∼35질량％ 정도 함유하는 고Mn 함유강(이하, 「고Mn강」이라고도 함)의 적용이 검토되고 있다. 고Mn강은, 극저온에 있어서도 오스테나이트상이고, 취성 파괴가 발생하지 않고, 또한 오스테나이트계 스테인리스강과 비교하여, 높은 강도를 갖는다는 특징이 있다. 또한, 이러한 고Mn 함유 강재를 안정적으로 용접할 수 있는 용접 방법 및 용접 재료의 개발도 요망되고 있다.
이러한 요망에 대하여, 예를 들면, 특허문헌 1에는, 「극저온 충격 인성이 우수한 고강도 용접 조인트부 및 이를 위한 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어(flux-cored arc welding wire)」가 제안되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어는, 중량％로, C: 0.15∼0.8％, Si: 0.2∼1.2％, Mn: 15∼34％, Cr: 6％ 이하, Mo: 1.5∼4％, S: 0.02％ 이하, P: 0.02％ 이하, B: 0.01％ 이하, Ti: 0.09∼0.5％, N: 0.001∼0.3％, TiO2: 4∼15％, SiO2, ZrO2 및 Al2O3 중에서 선택된 1종 이상의 합계: 0.01∼9％, K, Na 및 Li 중에서 선택된 1종 이상의 합계: 0.5∼1.7％, F와 Ca 중 1종 이상: 0.2∼1.5％, 잔부 Fe 및 그 외의 불가피적 불순물을 포함하는 조성을 갖는 와이어이다. 특허문헌 1에 기재된 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어를 이용하여 용접하면, 시험 온도: －196℃에 있어서의 샤르피(Charpy) 충격 시험 흡수 에너지가 28J 이상의 우수한 저온 인성 및 상온 인장 강도가 400㎫ 이상의 고강도를 갖는 용접 조인트부가 효과적으로 얻어지고, 또한, 와이어 조성을 Mo: 1.5％ 이상으로 조정하고 있어, 우수한 내고온 균열성을 갖는 용접 조인트부를 확보할 수 있다고 되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 「가스 메탈 아크 용접용 솔리드 와이어」가 제안되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 가스 메탈 아크 용접용 솔리드 와이어는, 질량％로, C: 0.2∼0.8％, Si: 0.15∼0.90％, Mn: 17.0∼28.0％, P: 0.03％ 이하, S: 0.03％ 이하, Ni: 0.01∼10.00％, Cr: 0.4∼4.0％, Mo: 0.01∼3.50％, B: 0.0010％ 미만, N: 0.12％ 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 와이어이다. 또한, 필요에 따라서, V, Ti 및 Nb 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상, Cu, Al, Ca 및 REM 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유해도 좋다고 되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 가스 메탈 아크 용접용 솔리드 와이어를 이용하여 용접하면, 흄(fume) 발생량이 적고, 게다가, 상온 항복 강도(0.2％ 내력)가 400㎫ 이상의 고강도이고, 시험 온도: －196℃에서의 샤르피 충격 시험의 흡수 에너지 vE－196이 28J 이상이 되는, 고강도이고 극저온 충격 인성이 우수한 용접 조인트부를 제조할 수 있다고 되어 있다.
일본공표특허공보 2017-502842호 국제공개 WO2020/039643호 공보
그러나, 본 발명자들의 검토에 의하면, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 용접 시에 고온 균열이 발생한다는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기한 종래 기술의 문제를 해결하고, 용접 시에 고온 균열의 발생을 억제할 수 있고, 또한 극저온 환경하에서 사용되는 고Mn 함유 강재용의 용접 재료로서 적합한, 고강도와 우수한 극저온 인성을 겸비한 용접 조인트부를 안정적으로 제조할 수 있는 TIG 용접에 이용되는 용가재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 여기에서 말하는 「고강도」란, JIS Z 3111의 규정에 준거하여 제조한 용착 금속의 상온 항복 강도(0.2％ 내력)가 400㎫ 이상인 경우를 말한다. 「우수한 극저온 인성」이란, JIS Z 3111의 규정에 준거하여 제조한 용착 금속의, 시험 온도: －196℃에서의 샤르피 충격 시험의 흡수 에너지 vE－196이 28J 이상인 경우를 말하는 것으로 한다.
본 발명자들은, 상기한 목적을 달성하기 위해, 우선, 고Mn강의 TIG 용접 시의 고온 균열에 영향을 주는 요인에 대해서, 예의 검토했다. 그 결과, 고온 균열 발생의 요인으로서, 용접 금속의 최종 응고부로의 P의 편석을 들 수 있는 것을 인식했다. 또한, 용가재의 조성 중에, Cr을 6.0질량％ 이상 함유하면, 용접 금속의 액상 중에 Cr 인화물(phosphides)을 형성함으로써, 용접 금속의 최종 응고부로의 P의 편석을 억제하고, 또한, 고온 균열의 발생도 억제하는 작용이 있는 것을 인식했다.
또한, JIS Z 3111의 규정에 준거하여 제작한 용착 금속이, 소망하는 고강도와 소망하는 우수한 극저온 인성을 겸비하는 용착 금속이 되기 위해 필요한 TIG 용접용 용가재의 조성에 대해서 검토했다. 그 결과, 용가재의 조성을, 질량％로, C: 0.20∼0.80％ 및 Si: 0.15∼0.90％의 범위로 조정하고, 추가로, Mn: 15.0∼30.0％ 및 Cr: 6.0∼15.0％를 특정 범위로 조정한 후에, P: 0.030％ 이하, S: 0.030％ 이하 및 N: 0.120％ 이하로 저감한 조성을 갖는 TIG 용접용 용가재 및 그것을 이용한 용접 조인트부로 할 필요가 있는 것을 인식했다.
본 발명은, 이러한 인식에 기초하여, 추가로 검토를 더하여 완성된 것으로서, 본 발명의 요지는, 다음과 같다.
[1] 질량％로, C: 0.20∼0.80％, Si: 0.15∼0.90％, Mn: 15.0∼30.0％, P: 0.030％ 이하, S: 0.030％ 이하, Cr: 6.0∼15.0％, N: 0.120％ 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 TIG 용접용 용가재.
[2] [1]에 있어서의 상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Ni: 10.00％ 이하 및 Mo: 3.50％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종을 함유하는 TIG 용접용 용가재.
[3] [1] 또는 [2]에 있어서의 상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, V: 1.00％ 이하, Ti: 1.00％ 이하 및 Nb: 1.00％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 TIG 용접용 용가재.
[4] [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 있어서의 상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Cu: 1.00％ 이하, Al: 0.100％ 이하, Ca: 0.010％ 이하 및 REM: 0.020％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 TIG 용접용 용가재.
[5] [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 TIG 용접용 용가재와 비소모 전극을 이용하여 고Mn 함유 강재를 TIG 용접하는 용접 조인트부의 제조 방법.
[6] [5]에 있어서, 상기 고Mn 함유 강재의 Mn 함유량이, 질량％로, 15.0∼30.0％인 용접 조인트부의 제조 방법.
[7] [5] 또는 [6]에 있어서, 상기 고Mn 함유 강재는, 질량％로, C: 0.10∼0.80％, Si: 0.05∼1.00％, Mn: 15.0∼30.0％, P: 0.030％ 이하, S: 0.030％ 이하, Cr: 2.5∼15.0％, N: 0.120％ 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 용접 조인트부의 제조 방법.
[8] [5] 내지 [7] 중 어느 하나에 있어서, 상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Ni: 10.00％ 이하 및 Mo: 3.50％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종을 함유하는 용접 조인트부의 제조 방법.
[9] [5] 내지 [8] 중 어느 하나에 있어서, 상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, V: 2.00％ 이하, Ti: 1.00％ 이하 및 Nb: 1.00％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 용접 조인트부의 제조 방법.
[10] [5] 내지 [9] 중 어느 하나에 있어서, 상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Cu: 1.00％ 이하, Al: 0.100％ 이하, Ca: 0.010％ 이하 및 REM: 0.020％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 용접 조인트부의 제조 방법.
본 발명에 따른 TIG 용접용 용가재에 의하면, 고Mn 함유 강재의 용접 재료로서, TIG 용접 시의 고온 균열을 억제할 수 있고, 추가로, 고강도이고 또한 극저온 인성이 우수한 용접 조인트부를 용이하게 제조할 수 있어, 산업상 현격한 효과를 가져오는 것이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
본 발명은, 고Mn 함유 강재의 TIG 용접용으로서 적합한 용가재이다. 본 발명의 용가재를 이용하면, 고Mn 함유 강재끼리의 TIG 용접 시에, 고온 균열을 억제할 수 있다. 시험판은, 시험편을 채취할 수 있도록, 용접 후의 각(角) 변형(angular deformation)이 5° 이상이 되지 않도록, 미리 구속을 행하거나, 또는, 역변형을 부여해두지 않으면 안 된다. 개선(groove) 형상은 V 개선으로 하고, 뒷받침 금속(backing metal)으로 구성한다. 용접은, 특별히 지정된 경우를 제외하고, 하향 용접으로 행하고, 1 및 2층째는 1 또는 2패스, 3층째 이후는 1 또는 2패스 또는 그 이상으로 행한다. 용접 후의 시험편은, 열처리를 행해서는 안 된다.
보다 바람직하게는, 본 발명의 용가재는, JIS Z 3111에 준거하여 TIG 용접에 의해 제작한 용착 금속이, 상온에 있어서의 0.2％ 내력으로 400㎫ 이상의 고강도와, 시험 온도: －196℃에서의 샤르피 충격 시험의 흡수 에너지가 28J 이상인 우수한 극저온 인성을 겸비하는 용착 금속이 되어, 고강도이고 극저온 인성이 우수한 용접 조인트부를 제조할 수 있는 용접 재료이다.
[TIG 용접]
TIG 용접은, 전술한 바와 같이, 전극봉에 소모하지 않는 재료의 텅스텐을 사용하고, 아르곤 가스나 헬륨 가스를 분사하여 공기를 차단하면서, 다른 용가재를 아크 중에서 용융하여 용접하는 방법이다. 이 TIG 용접은, 여러 가지 합금강이나 비철금속 등에도 적용할 수 있고, 복잡한 형상이라도 용접할 수 있어, 우수한 용접 품질이 얻어지는 점에서, 모든 금속의 용접에 적용되고 있다.
TIG 용접 방법의 일 예로서는, 모재가 되는 강판 또는 강재(판두께: 3∼100㎜)에, JIS Z 3111에 준거하여, 맞대고, 45° V 개선을 형성하고, 전극으로서 순(純)텅스텐봉(3.2㎜φ)과, 용가재(직경 2.0㎜φ)를 이용하고, 예열 없이, 하향 자세로, 전류: 180∼250A(DCEN), 전압: 10∼15V, 용접 속도: 5∼15㎝/min, 용접 입열량: 0.7∼4.0kJ/㎜로, 패스 간 온도: 100∼150℃, 실드 가스: Ar, 가스 유량: 10∼25L/min로 이루어지는 조건으로 실시한다.
[용가재의 기본 조성]
본 발명의 TIG 용접용 용가재는, 기본 조성으로서, 질량％로, C: 0.20∼0.80％, Si: 0.15∼0.90％, Mn: 15.0∼30.0％, P: 0.030％ 이하, S: 0.030％ 이하, Cr: 6.0∼15.0％, N: 0.120％ 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것이다. 우선은, 기본 조성의 조성 한정 이유에 대해서 설명한다. 또한, 이하, 조성에 있어서의 「％」는, 「질량％」인 것을 의미한다.
[C: 0.20∼0.80％]
C는, 고용 강화에 의해, 용접 금속의 강도를 상승시키는 작용을 갖는 원소로서, 또한, 오스테나이트상을 안정화시키고, 용접 금속의 극저온 충격 인성을 향상시킨다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.20％ 이상의 함유를 필요로 한다. 그러나, 0.80％를 초과하여 함유하면, 탄화물이 석출되고, 극저온 인성이 저하하고, 또한, 용접 시의 용접 균열(고온 균열)이 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, C는, 0.20∼0.80％의 범위로 한정했다. 또한, 바람직하게는, C는, 0.40％ 이상이다. 바람직하게는, C는 0.60％ 이하이다. 보다 바람직하게는, C는 0.45％ 이상이다. 보다 바람직하게는, C는, 0.55％ 이하이다.
[Si: 0.15∼0.90％]
Si는, 탈산제로서 작용하고, Mn의 수율을 높임과 함께, 용융 금속의 점성을 높여, 비드(bead) 형상을 안정적으로 유지하는 효과가 있다. 그러한 효과를 얻기 위해서는, 0.15％ 이상의 함유를 필요로 한다. 그러나, 0.90％를 초과하여 함유하면, 용접 금속의 극저온 인성을 저하시키고, 또한, Si는, 응고 시에 편석하여, 응고셀 계면에 액상을 생성하여, 내고온 균열성을 저하시킨다. 그 때문에, Si는, 0.15∼0.90％의 범위로 한정했다. 바람직하게는, Si는, 0.20％ 이상이다. 바람직하게는, Si는, 0.70％ 이하이다. 보다 바람직하게는, Si는, 0.30％ 이상이다. 보다 바람직하게는, Si는 0.60％ 이하이다.
[Mn: 15.0∼30.0％]
Mn은, 염가로, 오스테나이트상을 안정화하는 원소로서, 본 발명에서는 15.0％ 이상의 함유를 필요로 한다. Mn이 15.0％ 미만에서는, 용접 금속 중에 페라이트상이 생성되어, 극저온에서의 인성이 현저하게 저하한다. 한편, Mn이 30.0％를 초과하면, 응고 시에 과도한 Mn 편석이 발생하여, 용접 균열(고온 균열)을 유발한다. 그 때문에, Mn은, 15.0∼30.0％의 범위로 제한했다. 또한, 바람직하게는, Mn은 18.0％ 이상이다. 바람직하게는 Mn은, 27.0％ 이하이다. 보다 바람직하게는, Mn은, 20.0％ 이상이다. 보다 바람직하게는, Mn은 26.0％ 이하이다.
[P: 0.030％ 이하]
P는, 결정 입계에 편석하여, 고온 균열을 유발하는 원소로서, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하지만, 0.030％ 이하이면, 허용할 수 있다. 그 때문에, P는, 0.030％ 이하로 한정했다. 또한, 과도한 저감은, 정련 비용의 고등(高騰)을 초래한다. 그 때문에, P는, 0.003％ 이상으로 조정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, P는, 0.005％ 이상이다. 보다 바람직하게는, P는, 0.020％ 이하이다.
[S: 0.030％ 이하]
S는, 용접 금속 중에서는, 황화물계 개재물인 MnS로서 존재한다. MnS는, 파괴의 발생 기점이 되기 때문에, 극저온 인성을 저하시킨다. 그 때문에, S는, 0.030％ 이하로 한정했다. 또한, 과도한 저감은, 정련 비용의 고등을 초래한다. 그 때문에, S는, 0.001％ 이상으로 조정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, S는, 0.003％ 이상이다. 보다 바람직하게는, P는, 0.020％ 이하이다.
[Cr: 6.0∼15.0％]
Cr은, 극저온에서는 오스테나이트상을 안정화시키는 원소로서 작용하여, 용접 금속의 극저온 인성을 향상시킨다. 또한, 용접 금속의 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. 또한, 용융 금속의 고액 공존 영역의 온도 범위를 좁혀, 고온 균열의 발생을 억제하는 데에 유효하게 작용함과 함께, 액상 중에서 Cr 인화물을 형성함으로써, P에 의한 고온 균열을 억제하는 작용도 갖는다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 6.0％ 이상의 함유를 필요로 한다. Cr이 6.0％ 미만에서는, 상기한 효과를 확보할 수 없다. 한편, 15.0％를 초과하여 함유하면, Cr 탄화물이 생성되어, 극저온 인성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Cr은, 6.0∼15.0％의 범위로 한정했다. 또한, 바람직하게는, Cr은 7.0％ 초과이다. 바람직하게는, Cr은, 15.0％ 이하이다. 보다 바람직하게는, Cr은, 8.0％ 이상이다. 보다 바람직하게는 Cr은, 13.0％ 이하이다.
[N: 0.120％ 이하]
N은, 불가피적으로 혼입하는 원소이지만, C와 마찬가지로, 용접 금속의 강도 향상에 유효하게 기여함과 함께, 오스테나이트상을 안정화하여, 극저온 인성의 안정적 향상에 기여한다. 이러한 효과는, 0.003％ 이상의 함유로 현저해진다. 한편, 0.120％를 초과하여 함유하면, 질화물을 형성하고, 저온 인성이 저하한다. 그 때문에, N은, 0.120％ 이하로 한정했다. 바람직하게는, N은, 0.004％ 이상이다. 바람직하게는 N은, 0.080％ 이하이다. 보다 바람직하게는, N은, 0.010％ 이상이다. 보다 바람직하게는 N은, 0.060％ 이하이다.
[임의적 선택 성분]
본 발명의 용가재는, 상기한 성분이 기본의 성분이지만, 본 발명에서는, 상기한 기본의 조성에 더하여 추가로, 임의적 선택 성분으로서 필요에 따라서, Ni: 10.00％ 이하 및 Mo: 3.50％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종을 선택하여 함유할 수 있다. 또한, 그들에 더하여, V: 1.00％ 이하, Ti: 1.00％ 이하 및 Nb: 1.00％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 선택하여 함유할 수 있다. 또한, 그들에 더하여, Cu: 1.00％ 이하, Al: 0.100％ 이하, Ca: 0.010％ 이하 및 REM: 0.020％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 선택하여 함유할 수 있다.
[Ni: 10.00％ 이하 및 Mo: 3.50％ 이하]
Ni 및 Mo는, 모두 오스테나이트 입계를 강화하는 원소로서, 필요에 따라서 선택하여 어느 1종 또는 2종을 함유할 수 있다.
[Ni: 10.00％ 이하]
Ni는, 오스테나이트 입계를 강화하는 원소로서, 입계에 편석하여, 극저온 인성을 향상시킨다. 또한, Ni는, 오스테나이트상을 안정화하는 효과도 있기 때문에, 추가로 함유량을 증가하면, 오스테나이트상을 안정화시키고, 용접 금속의 극저온 인성을 향상시킨다. 그러나, Ni는, 고가의 원소로서, 10.00％를 초과하는 함유는, 경제적으로 불리해진다. 그 때문에, Ni는, 10.00％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는, 8.00％ 이하의 범위이다. 더욱 바람직하게는, 6.00％ 이하의 범위이다.
[Mo: 3.50％ 이하]
Mo는, 오스테나이트 입계를 강화하는 원소로서, 입계에 편석하여, 용접 금속의 강도를 향상시킨다. 또한, 고용 강화에 의해 용접 금속의 강도를 향상시키는 작용도 갖는다. 한편, 3.50％를 초과하여 함유하면, 탄화물로서 석출되고, 파괴의 발생 기점이 되어, 극저온 인성의 저하를 초래하는 경우가 있다. 그 때문에, Mo는 3.50％ 이하의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는, 3.00％ 이하의 범위이다. 또한, 바람직하게는, Mo는, 1.00％ 이상이다. 바람직하게는, Mo는, 3.00％ 이하이다.
[V: 1.00％ 이하, Ti: 1.00％ 이하 및 Nb: 1.00％ 이하]
V, Ti 및 Nb는, 모두, 탄화물의 형성을 촉진하고, 용접 금속의 강도 향상에 기여하는 원소로서, 필요에 따라서 선택하여 1종 또는 2종 이상을 함유할 수 있다.
[V: 1.00％ 이하]
V는, 탄화물 형성 원소로서, 미세한 탄화물을 석출시키고, 용접 금속의 강도 향상에 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.001％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, 1.00％를 초과하여 함유하면, 탄화물이 조대화하고(coarsened), 파괴의 발생 기점이 되어, 극저온 인성의 저하를 초래한다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, V는, 1.00％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, V는 0.002％ 이상이다. 바람직하게는, V는 0.60％ 이하이다. 더욱 바람직하게는, V는 0.005％ 이상이다. 더욱 바람직하게는 V는 0.20％ 이하이다.
[Ti: 1.00％ 이하]
Ti는, 탄화물 형성 원소로서, 미세한 탄화물을 석출시키고, 용접 금속의 강도 향상에 기여한다. 또한, 용접 금속의 응고셀 계면에 탄화물을 석출시키고, 고온 균열의 발생 억제에 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.001％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, 1.00％를 초과하여 함유하면, 탄화물이 조대화하고, 파괴의 발생 기점이 되어, 극저온 인성의 저하를 초래한다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, Ti는, 1.00％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, Ti는 0.002％ 이상이다. 바람직하게는 Ti는 0.60％ 이하이다. 더욱 바람직하게는, Ti는 0.005％ 이상이다. 더욱 바람직하게는 Ti는 0.20％ 이하이다.
[Nb: 1.00％ 이하]
Nb는, 탄화물 형성 원소로서, 탄화물을 석출시키고, 용접 금속의 강도 향상에 기여하는 원소이다. 또한, 용접 금속의 응고셀 계면에 탄화물을 석출시키고, 고온 균열의 발생 억제에 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.001％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, 1.00％를 초과하면, 탄화물이 조대화하고, 파괴의 발생 기점이 되어, 극저온 인성의 저하를 초래한다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, Nb는 1.00％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는, Nb는, 0.002％ 이상이다. 바람직하게는, Nb는 0.60％ 이하이다. 더욱 바람직하게는, Nb는 0.005％ 이상이다. 더욱 바람직하게는, Nb는 0.30％ 이하이다.
[Cu: 1.00％ 이하, Al: 0.100％ 이하, Ca: 0.010％ 이하 및 REM: 0.020％ 이하]
Cu는, 오스테나이트 안정화에 기여하는 원소로서, Al은, 비드 형상의 안정화, Ca 및 REM은, 가공성 향상에 기여하는 원소로서, 필요에 따라서 선택하여 1종 또는 2종 이상을 함유할 수 있다.
[Cu: 1.00％ 이하]
Cu는, 오스테나이트상을 안정화하는 원소로서, 극저온에서도 오스테나이트상을 안정화시키고, 용접 금속의 극저온 인성을 향상시킨다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.01％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, 1.00％를 초과하여 다량으로 함유하면, 응고 시에 편석하여, 고온 균열을 유발한다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, Cu는, 1.00％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, Cu는, 0.01％ 이상이다. 바람직하게는, Cu는, 0.60％ 이하이다. 보다 바람직하게는, Cu는, 0.10％ 이하이다.
[Al: 0.100％ 이하]
Al은, 탈산제로서 작용하고, 용융 금속의 점성을 높여, 비드 형상을 안정적으로 유지하는 중요한 작용을 갖는다. 또한, 용융 금속의 고액 공존 영역의 온도 범위를 좁혀, 용접 금속의 고온 균열 발생의 억제에 기여한다. 이러한 효과는, 0.005％ 이상의 함유로 현저해지기 때문에, 0.005％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, 0.100％를 초과하여 함유하면, 용융 금속의 점성이 지나치게 높아지고, 반대로, 비드가 퍼지지 않아 융합 불량 등의 결함이 증가한다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, Al은, 0.100％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Al은, 0.005％ 이상이다. 보다 바람직하게는 Al은 0.060％ 이하이다. 보다 바람직하게는 Al은, 0.020％ 이하이다.
[Ca: 0.010％ 이하]
Ca는, 용융 금속 중에서 S와 결합하고, 고융점의 황화물 CaS를 형성한다. CaS는, MnS보다도 고융점이기 때문에, 용접 금속의 고온 균열 발생의 억제에 기여한다. 이러한 효과는, 0.001％ 이상의 함유로 현저해진다. 한편, 0.010％를 초과하여 함유하면, 용접 시에 아크에 흐트러짐이 생겨, 안정적인 용접이 곤란해진다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, Ca는, 0.010％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Ca는, 0.001％ 이상이다. 보다 바람직하게는, Ca는 0.008％ 이하이다.
[REM: 0.020％ 이하]
REM은, Sc, Y, La, Ce 등의 희토류 원소를 말한다. 강력한 탈산제로서, 용접 금속 중에서 REM 산화물의 형태로 존재한다. REM 산화물은, 응고 시의 핵 생성 사이트가 됨으로써, 결정립을 미세화하여, 용접 금속의 강도의 향상에 기여한다. 이러한 효과는, 0.001％ 이상의 함유로 현저해진다. 그러나, 0.020％를 초과하여 함유하면, 아크의 안정성이 저하한다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, REM은, 0.020％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 REM은, 0.002％ 이상이다. 바람직하게는 REM은, 0.018％ 이하이다. 보다 바람직하게는 REM은 0.010％ 이하이다.
[잔부 성분]
상기한 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 불가피적 불순물로서는, 예를 들면, O, Sn, Sb, As, Pb, Bi 등을 들 수 있다. 와이어 중의 O량은, 0.15％ 이하로 하고, Sn, Sb, As량은, 각각 0.005％ 이하로 하고, Pb, Bi량은, 각각 0.0001％ 이하로 해두는 것이 바람직하다. 또한, 전술의 기본 조성 및 선택 성분을 만족하는 한, 이들 이외의 원소를 함유시켜도 좋고, 그러한 실시 태양(態樣)도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
[용가재의 제조 방법]
다음으로, 본 발명의 TIG 용접용 용가재의 제조 방법에 대해서 설명한다.
본 발명의 용가재의 제조는, 전술한 조성 성분을 갖는 용강을 사용하는 것 이외에, 그의 제조 방법을 한정할 필요는 없고, 상용의 용가재의 제조 방법을 모두 적용할 수 있다.
본 발명의 용가재는, 예를 들면, 전술의 조성 성분을 갖는 용강을, 전기로(electric furnace), 진공 용해로 등의 상용의 용제로에서 용제하고, 소정 형상의 주형 등으로 주조하는 주조 공정과, 이어서, 얻어진 강괴(ingot)를, 소정 온도로 가열하는 가열 공정과, 가열된 강괴에, 열간 압연을 실시하여, 소정 형상의 강 소재(봉 형상)로 하는 열연 공정을 순차적으로 행하고, 이어서, 얻어진 강 소재(봉 형상)를 복수회의 냉간 압연(냉간 신선(伸線) 가공(cold drawn))과, 필요에 따라서, 어닐링 온도: 900∼1200℃로 하는 어닐링 공정을 실시하고, 소망 치수의 와이어로 하는 냉연 공정을 행하는, 것이 바람직하다.
[용접 조인트부의 제조 방법]
전술의 TIG 용접용 용가재를 이용하여, TIG 용접법에 의해 모재가 되는 강재를 용접한 용접 조인트부의 제조 방법에 대해서 설명한다.
전술한 조성 성분을 갖는 TIG 용접용 용가재를 이용하여, 모재가 되는 강재를 맞대고, 불활성 가스를 분사하면서, 용가재를 연속적으로 공급하고, 텅스텐봉의 전극에서 아크를 발생시키고 용접을 행하여 용접 조인트부를 제작할 수 있다.
[강재]
모재가 되는 강재는, 고Mn 함유 강재인 것이 바람직하다. 고Mn 함유 강재란, 극저온용의 고강도 강재로서, 질량％로, Mn이 15.0∼30.0％인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 질량％로, C: 0.10∼0.80％, Si: 0.05∼1.00％, Mn: 15.0∼30.0％, P: 0.030％ 이하, S: 0.030％ 이하, Cr: 2.5∼15.0％, N: 0.120％ 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 기본 조성으로 하는 강재로서, 이 기본 조성에 더하여 추가로, 임의적 선택 성분으로서 필요에 따라서, Ni: 10.00％ 이하 및 Mo: 3.50％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종을 선택하여 함유할 수 있고, 또한, 그들에 더하여, V: 2.00％ 이하, Ti: 1.00％ 이하 및 Nb: 1.00％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 선택하여 함유할 수 있고, 추가로, 그들에 더하여, Cu: 1.00％ 이하, Al: 0.100％ 이하, Ca: 0.010％ 이하 및 REM: 0.020％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 선택하여 함유할 수 있는 것이다.
고Mn 함유 강재의 제조 방법으로서는, 일반적인 방법의 제강 공정 및 주조 공정을 거쳐 얻은 강 소재를, 가열 조건이나 압하율 등을 조정하여 열간 압연한 후, 냉각하여 강재(강판)를 얻는 방법 등이 있다. 압연 후의 강판의 판두께는, 예를 들면, 3∼100㎜이다.
실시예
이하, 실시예에 기초하여, 추가로 본 발명에 대해서 설명한다. 단, 하기의 실시예는, 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것에 지나지 않고, 본 발명의 권리 범위를 한정하는 것은 아니다.
표 1에 나타내는 조성의 용강을, 진공 용해로에서 용제하고, 주조하여 강괴 1000㎏으로 했다. 얻어진 강괴를, 1200℃로 가열한 후, 열간 압연하고, 이어서 냉간 압연하고, 필요에 따라서 어닐링(900∼1200℃)하여, 직경 2.0㎜φ, 길이 1000㎜의 TIG 용접용 용가재로 했다.
이어서, 시험판으로서, 극저온용 고Mn 함유 강판(판두께: 12㎜)을 준비하고, JIS Z 3111에 준거하여, 맞대고, 45° V 개선을 형성하여, 얻어진 용가재를 이용하여, TIG 용접을 행하고, 상기한 개선 내에 용착 금속을 얻었다. 또한, 시험판으로서 사용한 극저온용 고Mn 함유 강판은, 0.5％C-0.4％Si-25％Mn-3％Cr-잔부 Fe로 이루어지는 조성을 갖는 강판을 이용했다.
TIG 용접은, 표 1에 나타내는 조성의 각 용가재(직경 2.0㎜φ)를 이용하고, 전극은, 순텅스텐봉(3.2㎜φ)으로 하고, 예열 없이, 하향 자세로, 전류: 200A(DCEN), 전압: 12V, 용접 속도: 8㎝/min로, 패스 간 온도: 100∼150℃, 실드 가스: Ar로 이루어지는 조건으로 실시했다.
[내고온 균열성]
용접 후, 용착 금속을 광학 현미경으로 관찰하여(30배), 용접 균열의 유무를 판정했다. 용접 균열은, 고온 균열이고, 균열 발생이 확인되는 경우는 내고온 균열성이 저하되어 있다고 하여 「×」라고 평가했다. 균열 발생이 확인되지 않은 경우는, 내고온 균열성이 우수하다고 하여 「○」라고 평가했다.
[용착 금속 특성]
얻어진 용착 금속으로부터, JIS Z 3111의 규정에 준거하여, 용착 금속의 인장 시험편(평행부 지름 6㎜φ) 및 용착 금속의 샤르피 충격 시험편(V 노치(notch))을 채취하여, 인장 시험, 충격 시험을 실시했다.
[인장 시험: 0.2％ 내력(㎫)]
인장 시험은, 실온에서, 각 3개 실시하고, 얻어진 값(0.2％ 내력)의 평균값을 당해 와이어를 이용한 용착 금속의 인장 특성으로 했다. 본 발명의 목표값은, 전술한 바와 같이, 상온에 있어서의 0.2％ 내력이 400㎫ 이상으로 했다.
[충격 시험: 흡수 에너지 vE－196(J)]
또한, 샤르피 충격 시험은, 각 3개 실시하고, 시험 온도: －196℃에 있어서의 흡수 에너지 vE－196을 구하고, 그 평균값을 당해 와이어를 이용한 용착 금속의 극저온 인성으로 했다. 본 발명의 목표값은, 전술한 바와 같이, 흡수 에너지 vE－196이 28J 이상으로 했다.
얻어진 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
본 발명예는, 모두 용접 시에 고온 균열의 발생이 없고, 내고온 균열성이 우수한 용착 금속이 얻어지는 용접 재료이다.
또한, 본 발명예는, 모두 상온에 있어서의 항복 강도(0.2％ 내력)가 400㎫ 이상이고, 시험 온도: －196℃에 있어서의 샤르피 충격 시험의 흡수 에너지 vE－196이, 28J 이상으로, 상기의 목표값을 클리어하고 있어, 고강도와 우수한 극저온 인성을 겸비하는 용접 금속을 얻을 수 있는 용가재인 것이 판명되었다.
한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예에서는, 고온 균열이 발생하여, 내고온 균열성이 저하되고 있거나, 혹은, 상온에 있어서의 0.2％ 내력이 400㎫ 미만, 흡수 에너지 vE－196이 28J 미만으로 되어 있어, 목표로 하는 강도와 극저온 인성을 겸비하는 용착 금속이 얻어지고 있지 않다.
이하에, 개개의 비교예에 대해서 설명한다.
용가재 No. 19는, P 함유량이 각각 본 발명의 범위를 높게 벗어나 있기 때문에, 용접 시의 최종 응고부에 P가 편석하여, 고온 균열이 발생하고 있다.
용가재 No. 20은, S 함유량이 본 발명의 범위를 높게 벗어나 있기 때문에, 파괴의 기점이 될 수 있는 MnS가 생성되어 있어, 시험 온도: －196℃에 있어서의 흡수 에너지 vE－196이 28J 미만으로 소망하는 우수한 극저온 인성을 확보하고 있지 않다.
용가재 No. 21에서는, Cr 함유량이, 본 발명의 범위를 낮게 벗어나 있기 때문에, 용착 금속의 0.2％ 내력이 400㎫ 미만으로 소망하는 고강도를 확보하고 있지 않고, 또한, 용접 시의 최종 응고부로의 P의 편석을 억제할 수 없기 때문에, 용접 균열(고온 균열)이 발생하고 있고, 또한, 시험 온도: －196℃에 있어서의 흡수 에너지 vE－196이 28J 미만으로 소망하는 우수한 극저온 인성을 확보하고 있지 않다.
용가재 No. 22는, C 함유량 및 Mn 함유량이 본 발명의 범위를 높게 벗어나 있기 때문에, 용접 시의 최종 응고부로 탄화물 및 Mn이 편석하여, 용접 균열(고온 균열)이 발생하고 있고, 또한, 탄화물이 파괴의 기점이 되어, 시험 온도: －196℃에 있어서의 흡수 에너지 vE－196이 28J 미만으로 소망하는 우수한 극저온 인성을 확보하고 있지 않다.
용가재 No. 23은, C 함유량이 본 발명의 범위를 낮게 벗어나 있기 때문에, 용착 금속의 0.2％ 내력이 400㎫ 미만으로 소망하는 고강도를 확보하고 있지 않고, 또한, 시험 온도: －196℃에 있어서의 흡수 에너지 vE－196이 28J 미만으로 소망하는 우수한 극저온 인성을 확보하고 있지 않다.
용가재 No. 24는, Mn 함유량이 본 발명의 범위를 낮게 벗어나 있기 때문에, 오스테나이트상의 안정성이 낮고, 그 때문에, 시험 온도: －196℃에 있어서의 흡수 에너지 vE－196이 28J 미만으로 소망하는 우수한 극저온 인성을 확보하고 있지 않다.
용가재 No. 25는, Mo 함유량이 본 발명의 범위를 높게 벗어나 있고, 파괴의 기점이 될 수 있는 Mo 탄화물이 생성되어 있기 때문에, 시험 온도: －196℃에 있어서의 흡수 에너지 vE－196이 28J 미만으로 소망하는 우수한 극저온 인성을 확보하고 있지 않다.
용가재 No. 26은, Si 함유량이 본 발명의 범위를 높게 벗어나 있기 때문에, 용접 시의 최종 응고부로 Si가 편석하여, 용접 균열(고온 균열)이 발생하고 있고, 또한, 시험 온도: －196℃에 있어서의 흡수 에너지 vE－196이 28J 미만으로 소망하는 우수한 극저온 인성을 확보하고 있지 않다.

Claims (10)

  1. 질량％로, C: 0.20∼0.80％, Si: 0.15∼0.90％, Mn: 15.0∼30.0％, P: 0.030％ 이하, S: 0.030％ 이하, Cr: 6.0∼15.0％, N: 0.120％ 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 TIG 용접용 용가재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Ni: 10.00％ 이하 및 Mo: 3.50％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종을 함유하는 TIG 용접용 용가재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, V: 1.00％ 이하, Ti: 1.00％ 이하 및 Nb: 1.00％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 TIG 용접용 용가재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Cu: 1.00％ 이하, Al: 0.100％ 이하, Ca: 0.010％ 이하 및 REM: 0.020％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 TIG 용접용 용가재.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 TIG 용접용 용가재와 비소모 전극을 이용하여 고Mn 함유 강재를 TIG 용접하는 용접 조인트부의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고Mn 함유 강재의 Mn 함유량이, 질량％로, 15.0∼30.0％인 용접 조인트부의 제조 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 고Mn 함유 강재는, 질량％로, C: 0.10∼0.80％, Si: 0.05∼1.00％, Mn: 15.0∼30.0％, P: 0.030％ 이하, S: 0.030％ 이하, Cr: 2.5∼15.0％, N: 0.120％ 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 용접 조인트부의 제조 방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Ni: 10.00％ 이하 및 Mo: 3.50％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종을 함유하는 용접 조인트부의 제조 방법.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, V: 2.00％ 이하, Ti: 1.00％ 이하 및 Nb: 1.00％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 용접 조인트부의 제조 방법.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Cu: 1.00％ 이하, Al: 0.100％ 이하, Ca: 0.010％ 이하 및 REM: 0.020％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 용접 조인트부의 제조 방법.
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