WO2021107279A1 - 개량 9cr-1mo강용 용접 와이어 - Google Patents

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WO2021107279A1
WO2021107279A1 PCT/KR2020/003361 KR2020003361W WO2021107279A1 WO 2021107279 A1 WO2021107279 A1 WO 2021107279A1 KR 2020003361 W KR2020003361 W KR 2020003361W WO 2021107279 A1 WO2021107279 A1 WO 2021107279A1
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weight
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steel
less
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PCT/KR2020/003361
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최기용
박철규
김연수
박용환
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고려용접봉 주식회사
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    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
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    • B23K35/3053—Fe as the principal constituent
    • B23K35/308—Fe as the principal constituent with Cr as next major constituent
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    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/46—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with vanadium

Definitions

  • the present invention relates to a welding wire for improved 9Cr-1Mo steel having excellent mechanical properties.
  • the strength of the weld can be improved, and by controlling the content of nickel (Ni) and aluminum (Al) having excellent toughness, the weld part can be Crackability can be improved.
  • the present invention is to solve the problems of the prior art described above, one object of the present invention is to provide an improved welding wire for 9Cr-1Mo steel having excellent mechanical properties of yield strength and tensile strength even in a high temperature environment.
  • One aspect of the present invention is an improved welding wire for 9Cr-1Mo steel, based on the total weight, carbon (C) 0.05 to 0.1% by weight, silicon (Si) 0.1 to 0.4% by weight, nickel (Ni) 0.2 to 0.5 weight %, manganese (Mn) 0.3 to 0.6 wt%, chromium (Cr) 8.5 to 9.5 wt%, molybdenum (Mo) 0.5 to 1.5 wt%, copper (Cu) 1.0 to 1.5 wt%, vanadium (V) 0.1 to 0.4 wt% %, niobium (Nb) 0.02 to 0.06 wt %, nitrogen (N) 0.02 to 0.05 wt %, oxygen (O) 0.04 to 0.08 wt %, and the remainder of iron (Fe) and impurities, the nickel (Ni) and The content of manganese (Mn) (Ni + Mn): provides a welding wire for improved 9Cr-1Mo steel that
  • the welding wire may further include 0.005 to 0.009% by weight of phosphorus (P).
  • the welding wire may further include 0.001 to 0.003 wt% of aluminum (Al).
  • the weld metal formed of the welding wire may have a yield strength of 470 MPa or more in a temperature range of 550 to 650 °C.
  • FIG. 1 is a microstructure image of (a) a weld metal formed by a conventional improved welding wire for 9Cr-1Mo steel and (b) a weld metal formed by an improved welding wire for 9Cr-1Mo steel according to an embodiment of the present invention.
  • One aspect of the present invention is an improved welding wire for 9Cr-1Mo steel, based on the total weight, carbon (C) 0.05 to 0.1% by weight, silicon (Si) 0.1 to 0.4% by weight, nickel (Ni) 0.2 to 0.5 weight %, manganese (Mn) 0.3 to 0.6 wt%, chromium (Cr) 8.5 to 9.5 wt%, molybdenum (Mo) 0.5 to 1.5 wt%, copper (Cu) 1.0 to 1.5 wt%, vanadium (V) 0.1 to 0.4 wt% %, niobium (Nb) 0.02 to 0.06 wt %, nitrogen (N) 0.02 to 0.05 wt %, oxygen (O) 0.04 to 0.08 wt %, and the remainder of iron (Fe) and impurities, the nickel (Ni) and The content of manganese (Mn) (Ni + Mn): provides a welding wire for improved 9Cr-1Mo steel that
  • welding is a method of direct bonding by applying heat and pressure to the same or different types of metal materials, and the welding methods are Shielded Metal Arc Welding (SMAW), Gas Shielded Tungsten Arc Welding (GTAW: Gas Tungsten Arc Welding), Submerged Arc Welding (SAW), Gas Metal Arc Welding (GMAW), Flux Cored Arc Welding (FCAW), etc. are available. It can be selected according to the physical properties and environment to be used, but is not limited thereto.
  • SMAW Shielded Metal Arc Welding
  • GTAW Gas Shielded Tungsten Arc Welding
  • SAW Gas Tungsten Arc Welding
  • SAW Gas Metal Arc Welding
  • GMAW Gas Metal Arc Welding
  • FCAW Flux Cored Arc Welding
  • Improved welding wire for 9Cr-1Mo steel based on the total weight, carbon (C) 0.05 to 0.1% by weight, silicon (Si) 0.1 to 0.4% by weight, nickel (Ni) 0.2 to 0.5 weight %, manganese (Mn) 0.3 to 0.6 wt%, chromium (Cr) 8.5 to 9.5 wt%, molybdenum (Mo) 0.5 to 1.5 wt%, copper (Cu) 1.0 to 1.5 wt%, vanadium (V) 0.1 to 0.4 wt% %, niobium (Nb) 0.02 to 0.06 wt %, nitrogen (N) 0.02 to 0.05 wt %, oxygen (O) 0.04 to 0.08 wt %, and the remainder of iron (Fe) and impurities, the nickel (Ni) and The content of manganese (Mn) (Ni+Mn): 0.5 to 1.4% by weight may be satisfied, and the content and
  • Carbon (C) can improve the strength of the deposited metal due to the deoxidation action to form carbides. Since multi-layer welding is rare in thin plate welding, there is no need to consider the reduction in strength due to reheating. Equal or higher strength can be obtained.
  • the content of carbon (C) may be 0.05 wt% or more, 0.06 wt% or more, or 0.07 wt% or more, and 0.1 wt% or less or 0.09 wt% or less. If the content of the carbon (C) is less than 0.05% by weight, sufficient strength may not be secured, and if it exceeds 0.1% by weight, the carbide may be coarsened and toughness may be reduced.
  • Nickel (Ni) is an element for improving toughness, and its content is 0.2 wt% or more, 0.25 wt% or more, 0.3 wt% or more, or 0.35 wt% or more, and 0.5 wt% or less, 0.45 wt% or less, or 0.4 wt% or less can If the content of the nickel (Ni) is less than 0.2% by weight, toughness may be reduced, and if it exceeds 0.5% by weight, strength may be reduced.
  • Manganese (Mn) may prevent oxidation during welding and improve strength by solid solution strengthening.
  • the content of manganese (Mn) may be 0.3 wt% or more, 0.35 wt% or more, 0.4 wt% or more, or 0.45 wt% or more, and 0.6 wt% or less, 0.55 wt% or less, or 0.5 wt% or less. If the content of the manganese (Mn) is less than 0.3% by weight, the strength may be lowered, and if it exceeds 0.6% by weight, deoxidation is excessively performed, so that the surface tension during welding is increased and defects may occur. In addition, excessive slag may be generated, and paintability may be deteriorated.
  • Chromium (Cr) is a ferrite stabilizing element, and may improve strength by forming M 23 C 6 precipitates.
  • the content of chromium (Cr) may be 8.5 to 9.5% by weight, and if it is less than 8.5% by weight, the strength may be lowered, and if it is more than 9.5% by weight, it may cause residual ⁇ -ferrite, so that the toughness may be reduced. .
  • Molybdenum (Mo) can improve strength by solid solution strengthening, and in particular, can improve creep rupture strength.
  • the content of molybdenum (Mo) may be 0.5 wt% or more, 0.6 wt% or more, or 0.7 wt% or more, and 1.5 wt% or less, 1.4 wt% or less, 1.3 wt% or less, or 1.2 wt% or less. If the content of molybdenum (Mo) is more than 0.5% by weight, strength may be reduced, and if it exceeds 1.5% by weight, toughness may be reduced.
  • Copper (Cu) is an element that increases strength and prevents corrosion. In general, adding more than a certain amount of copper during welding may cause brittleness and decrease toughness and cause defects, but P91 steel grade (improved 9Cr-1Mo steel of the present invention) ) by adding 1.0 to 1.5% by weight of copper to the welding wire material to form a weld metal, the occurrence rate of defects in the weld is reduced and mechanical properties, in particular, mechanical properties at high temperatures can be remarkably improved.
  • the improved 9Cr-1Mo welding wire for steel can control each composition of the alloy and increase copper to form copper nanoparticles in the deposited metal, and as a result, high-temperature mechanical properties This can be improved.
  • Vanadium (V) is an element that forms precipitates to improve strength by precipitation strengthening, and in particular, can improve creep rupture strength.
  • the content of vanadium (V) may be 0.1 wt% or more, 0.125 wt% or more, or 0.15 wt% or more, and may be 0.4 wt% or less, 0.35 wt% or less, 0.3 wt% or less, or 0.25 wt% or less.
  • strength may be reduced, and if it exceeds 0.4 wt%, toughness may be reduced.
  • Nitrogen (N) is an element that precipitates nitride to improve strength by solid solution action, and in particular, can improve creep rupture strength.
  • the nitrogen (N) content may be 0.02% by weight or more, 0.025% by weight or more, or 0.03% by weight or more, and 0.06% by weight or less, 0.055% by weight or less, 0.05% by weight or less, or 0.045% by weight or less. If the nitrogen (N) content is less than 0.02% by weight, strength may be reduced, and if it exceeds 0.06% by weight, toughness may be reduced.
  • the welding wire may further include 0.005 to 0.009 wt% of phosphorus (P).
  • the phosphorus (P) is an unavoidable impurity present in steel, and may cause cracks at high temperatures when added in a large amount to the deposited metal, so it is preferable to suppress the phosphorus (P) in an amount as small as possible.
  • the welding wire may further include 0.001 to 0.003 wt% of aluminum (Al).
  • the aluminum (Al) is a deoxidizing element and promotes deoxidation of molten metal during arc welding, but may increase the amount of slag generated.
  • the welding wire may further include 0.003 to 0.006 wt% of sulfur (S).
  • S sulfur
  • the sulfur (S) is an unavoidable impurity together with phosphorus (P), and may cause solidification cracking susceptibility and stress relaxation cracking properties, and it is preferable to suppress it in as small a content as possible.
  • the improved welding wire for 9Cr-1Mo steel may include a residual amount of iron (Fe) and unavoidable impurities in addition to the above-described basic elements.
  • the content (Ni+Mn) of nickel (Ni) and manganese (Mn) It is preferable to satisfy 0.5 to 1.5% by weight.
  • the welding wire may be welded to the base material to form a weld metal, and the weld metal may have a yield strength of 470 MPa or more in a temperature range of 550 to 650 °C, and a tensile strength of 480 MPa or more.
  • the improved 9Cr-1Mo steel is an alloy material applied to a high-temperature, high-pressure atmosphere, and it is preferable that the mechanical properties of the improved 9Cr-1Mo welding wire for the improved 9Cr-1Mo steel have the same level or higher.
  • the welding wire can be welded by forming a weld metal in a welding part requiring welding by a welding means that generates an arc heat source, and the heat input of the welding means is performed in the range of 13.8 ⁇ 17.9 kJ / cm desirable. If the amount of heat input of the welding means is less than 13.8 kJ/cm, the cooling rate increases during welding, and a sufficient amount of carbide may not be generated during cooling. may be lowered.
  • the interpass temperature may be 200 ⁇ 315 °C. If the temperature between the passes is greater than 200°C, the cooling rate increases during welding, and a sufficient amount of carbide may not be generated during cooling, and if it exceeds 315°C, mechanical properties of the deposited metal may be reduced.
  • Post Weld Heat Treatment for removing residual stress of the deposited metal formed after welding may be performed.
  • the maintenance temperature of the post-welding heat treatment may be 750 ⁇ 770 °C, if it is less than 750 °C, the stress relief rate may be reduced. If it exceeds 770°C, mechanical properties such as strength and toughness of the deposited metal may be reduced.
  • the deposited metal may include a ferrite/tempered martensite microstructure and precipitates.
  • quenching and tempering heat treatment may be performed. Through the quenching, the deposited metal may form a martensite microstructure, and through subsequent tempering treatment, internal stress may be removed and the structure may be softened.
  • the deposited metal may include copper (Cu) nanoparticles having an average particle size of 10 to 150 nm, and at least a portion of the copper (Cu) nanoparticles may be located inside the tempered martensite lath, At least a portion may be located in a linear lattice defect.
  • the tempered martensite microstructure is formed through quenching and tempering treatment, and lattice defects in the microstructure, that is, by increasing the density of dislocations, may cause a problem in that brittleness increases.
  • the copper nanoparticles are positioned in the tissue when the microstructure is formed, and also by being positioned in the lattice defects of the deposited metal By binding defects, the strength of the final product can be improved.
  • the composition due to the formation of copper (Cu) and other precipitates in particular, the content of carbon (C), iron (Fe), chromium (Cr), and molybdenum (Mo) and the strength of the deposited metal due to organic bonding can improve
  • the average particle size of the copper (Cu) nanoparticles is 10 nm or more, 15 nm or more, or 20 nm or more, and may be 150 nm or less, 100 nm or less, or 50 nm or less, and if the average particle size is less than 10 nm, the strength decreases If it is more than 150 nm, the precipitate may be coarsened and the toughness may be reduced.
  • the deposited metal of Examples and Comparative Examples satisfies both yield strength and tensile strength of 600 MPa or more at room temperature (25° C.), and the maximum tensile strength is 918 MPa and 776 MPa, respectively, indicating excellent mechanical properties. did.
  • the weld metal of Examples having a copper (Cu) content of 1.2 wt % has significantly improved yield strength and tensile strength compared to the weld metal of Comparative Example.
  • the welding wire for the improved 9Cr-1Mo steel requires excellent yield strength and tensile strength under high temperature conditions.
  • the yield strength of the weld metal of the example was 473.9 MPa, indicating an increase rate of 35.8% compared to that of the conventionally improved welding wire for 9Cr-1Mo steel, and it can be confirmed that it was significantly improved.
  • the maximum tensile strength of the deposited metal of the example was 796 MPa, which was significantly improved by showing an increase rate of 32.3% compared to the comparative example.
  • copper (Cu) is added in a larger amount than before, so that copper is positioned as nanoparticles within the microstructure boundary and grain, so that precipitation and dislocation strengthening occur. Finally, it can be confirmed that the mechanical properties of the deposited metal are improved.

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Abstract

본 발명의 일 측면은 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어에 있어서, 총 중량을 기준으로, 탄소(C) 0.05~0.1중량%, 실리콘(Si) 0.1~0.4중량%, 니켈(Ni) 0.2~0.5중량%, 망간(Mn) 0.3~0.6중량%, 크롬(Cr) 8.5~9.5중량%, 몰리브덴(Mo) 0.5~1.5중량%, 구리(Cu) 1.0~1.5중량%, 바나듐(V) 0.1~0.4중량%, 니오븀(Nb) 0.02~0.06중량%, 질소(N) 0.02~0.05중량%, 산소(O) 0.04~0.08중량% 및 잔량의 철(Fe) 및 불순물을 포함하고, 상기 니켈(Ni) 및 망간(Mn)의 함량이(Ni+Mn) : 0.5~1.4중량%을 만족하는, 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어을 제공한다.

Description

개량 9CR-1MO강용 용접 와이어
본 발명은 기계적 물성이 우수한 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어에 관한 것이다.
개량 9Cr-1Mo강은 9Cr-1Mo강에 니오븀(Nb) 및 바나듐(V)을 첨가한 것으로, 내열성, 강도 등의 기계적 물성, 특히, 고온, 고압 분위기에서 기계적 물성이 우수하여 발전용 보일러와 같은 제품의 구조재료로 사용되는 재료이다. 전술한 바와 같이 상기 구조재료를 해당 산업 분야에서 사용하기 위해 재료 간의 결합이 필수적이며, 그 결합은 볼트와 너트 등의 기계적 결합과 아크 열원 등을 이용한 용접 접합으로 결합될 수 있고, 설계 및 공간 확보 등을 고려할 때 용접이 일반적으로 선호되는 추세이며, 널리 사용되고 있다.
아크 열원을 사용하여 용접하는 경우, 대부분 용접 와이어에 아크 열원을 가하여 용착금속(weld metal)을 생성시켜 구조재료를 접합/결합시킬 수 있다. 따라서, 용착금속 또한 접합한 구조재료와 동등수준 또는 그 이상의 기계적 물성이 요구되어진다. 상기 용착금속의 기계적 물성이 필요수준에 도달하지 못할 경우 용접부가 장시간 고온 환경 등에 노출됨으로써 반복적으로 가해지는 응력/완화에 의해 균열과 같은 결함이 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 용접 와이어를 구성하는 합금 원소의 함량을 조절함으로써, 용접 조작에 따라 용접부에 형성되는 용착금속의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 내열성이 우수한 탄소(C) 또는 크롬(Cr)의 함량을 조절함으로써, 용접부의 강도를 향상시킬 수 있고, 인성이 우수한 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al)의 함량을 조절함으로써 용접부의 균열성을 개선할 수 있다.
9Cr-1Mo강용 용접 와이어는 기계적 물성, 특히 고온의 조건에서의 우수한 기계적 물성이 요구되므로, 고온 환경에서도 안정적이고 강도가 우수한 용접 와이어에 대한 연구 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 목적은 고온의 환경에서도 항복강도 및 인장강도의 기계적 물성이 우수한 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어에 있어서, 총 중량을 기준으로, 탄소(C) 0.05~0.1중량%, 실리콘(Si) 0.1~0.4중량%, 니켈(Ni) 0.2~0.5중량%, 망간(Mn) 0.3~0.6중량%, 크롬(Cr) 8.5~9.5중량%, 몰리브덴(Mo) 0.5~1.5중량%, 구리(Cu) 1.0~1.5중량%, 바나듐(V) 0.1~0.4중량%, 니오븀(Nb) 0.02~0.06중량%, 질소(N) 0.02~0.05중량%, 산소(O) 0.04~0.08중량% 및 잔량의 철(Fe) 및 불순물을 포함하고, 상기 니켈(Ni) 및 망간(Mn)의 함량이(Ni+Mn) : 0.5~1.4중량%을 만족하는, 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 용접 와이어가 인(P) 0.005~0.009중량%를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 용접 와이어가 알루미늄(Al) 0.001~0.003중량%를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 용접 와이어가 황(S) 0.003~0.006중량%를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 용접 와이어로 형성된 용착금속은 550~650℃의 온도범위에서 항복강도가 470㎫ 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 용접 와이어로 형성된 용착금속은 550~650℃의 온도범위에서 인장강도가 480㎫ 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 용접 와이어로 형성된 용착금속은 평균 입도가 10~150㎚인 구리(Cu) 나노입자를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 구리(Cu) 나노입자는 적어도 일부가 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite) 래스(lath) 내부에 위치할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 구리(Cu) 나노입자는 적어도 일부가 선상 격자결함에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어는 상기 용접 와이어를 구성하는 조성 중 구리(Cu)의 함량을 종래보다 많은 범위, 상세하게는 구리(Cu)의 함량을 1.0~1.5중량%으로 조절하여 첨가함으로써, 상기 용접 와이어를 모재에 용접 작업하여 형성된 용착금속은 고온 환경에서 항복강도 및 인장강도 등의 기계적 물성이 효과적으로 향상될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 (a) 종래 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어에 의해 형성된 용착금속 및 (b) 본 발명의 일 실시예에 의한 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어에 의해 형성된 용착금속의 미세조직 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어에 의해 형성된 용착금속의 배율별 TEM 이미지이다.
도3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 형성된 용착금속의 상온(25℃) 및 고온(600℃)에서의 인장시험 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 측면은 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어에 있어서, 총 중량을 기준으로, 탄소(C) 0.05~0.1중량%, 실리콘(Si) 0.1~0.4중량%, 니켈(Ni) 0.2~0.5중량%, 망간(Mn) 0.3~0.6중량%, 크롬(Cr) 8.5~9.5중량%, 몰리브덴(Mo) 0.5~1.5중량%, 구리(Cu) 1.0~1.5중량%, 바나듐(V) 0.1~0.4중량%, 니오븀(Nb) 0.02~0.06중량%, 질소(N) 0.02~0.05중량%, 산소(O) 0.04~0.08중량% 및 잔량의 철(Fe) 및 불순물을 포함하고, 상기 니켈(Ni) 및 망간(Mn)의 함량이(Ni+Mn) : 0.5~1.4중량%을 만족하는, 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어을 제공한다.
일반적으로 용접은 같은 종류 또는 다른 종류의 금속재료에 열과 압력을 가하여 직접 결합이 되도록 하여 접합시키는 것으로, 그 용접 방법은 피복 아크 용접(SMAW: Shielded Metal Arc Welding), 가스 실드 텅스텐 아크 용접(GTAW: Gas Tungsten Arc Welding), 서브머지드 아크 용접(SAW: Submerged Arc Welding), 가스 메탈 아크 용접(GMAW: Gas Metal Arc Welding), 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW: Flux Cored Arc Welding) 등이 있으며, 요구되는 물성 및 환경에 따라 선택할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이 아크 열원에 의해 용접하는 경우, 용접 와이어에 아크 열원을 가하여 접합하고자 하는 구조재료, 즉, 모재의 접합부에 용착금속(weld metal) 형성시켜 접합 및 결합시킬 수 있다. 이와 같이, 상기 용접 와이어의 합금 조성은 용착금속의 물성에 직접적인 영향을 끼치고, 용접 와이어를 구성하는 각각의 합금 원소의 함량을 조절함으로써, 용접부에 형성된 용착금속의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어는, 총 중량을 기준으로, 탄소(C) 0.05~0.1중량%, 실리콘(Si) 0.1~0.4중량%, 니켈(Ni) 0.2~0.5중량%, 망간(Mn) 0.3~0.6중량%, 크롬(Cr) 8.5~9.5중량%, 몰리브덴(Mo) 0.5~1.5중량%, 구리(Cu) 1.0~1.5중량%, 바나듐(V) 0.1~0.4중량%, 니오븀(Nb) 0.02~0.06중량%, 질소(N) 0.02~0.05중량%, 산소(O) 0.04~0.08중량% 및 잔량의 철(Fe) 및 불순물을 포함하고, 상기 니켈(Ni) 및 망간(Mn)의 함량이(Ni+Mn) : 0.5~1.4중량%을 만족할 수 있고, 각각의 합금 원소에 대한 함량 및 그에 대한 효과는 하기와 같다.
탄소(C) : 0.05~0.1중량%
탄소(C)는 탄화물을 형성하는 탈산 작용으로 인해 용착금속의 강도를 향상시킬 수 있다. 박판 용접에서는 다층 용접을 하는 경우가 드물기 때문에 재열에 의한 강도 저하를 고려할 필요가 없고, 낮은 함량에서도 일반적으로 사용되는 300㎫ 이하의 연강으로부터 590㎫ 급 또는 780㎫ 급 이상의 고장력 강판에 이르기까지 모재와 동등 이상의 강도를 얻을 수 있다.
상기 탄소(C)의 함량은 0.05중량% 이상, 0.06중량% 이상 또는 0.07중량% 이상이고, 0.1중량% 이하 또는 0.09중량% 이하일 수 있다. 상기 탄소(C)의 함량이 0.05중량% 미만이면 충분한 강도를 확보할 수 없고, 0.1중량% 초과이면 탄화물이 조대화되어 인성이 저하될 수 있다.
실리콘(Si) : 0.1~0.4중량%
실리콘(Si)은 용접 시 산화를 방지하고, 고용 강화에 의해 강도를 개선시킬 수 있으며, 전기 저항을 상승시킬 수 있다. 상기 실리콘(Si)의 함량은 0.1중량% 이상, 0.15중량% 이상 또는 0.2중량% 이상이고, 0.4중량% 이하. 0.35중량% 이하 또는 0.3중량% 이하일 수 있다. 상기 실리콘(Si)의 함량이 0.1중량% 미만이면 충분한 강도를 확보할 수 없고, 0.4중량% 초과이면 인성이 저하될 수 있다.
니켈(Ni) : 0.2~0.5중량%
니켈(Ni)은 인성을 개선하는 원소로, 그 함량이 0.2중량% 이상, 0.25중량% 이상, 0.3중량% 이상 또는 0.35중량% 이상이고, 0.5중량% 이하, 0.45중량% 이하 또는 0.4중량% 이하일 수 있다. 상기 니켈(Ni)의 함량이 0.2중량% 미만이면 인성이 저하될 수 있고, 0.5중량% 초과이면 강도가 저하될 수 있다.
망간(Mn) : 0.3~0.6중량%
망간(Mn)은 용접 시 산화를 방지하고, 고용 강화에 의해 강도를 개선시킬 수 있다. 상기 망간(Mn)의 함량은 0.3중량% 이상, 0.35중량% 이상, 0.4중량% 이상 또는 0.45중량% 이상이고, 0.6중량% 이하, 0.55중량% 이하 또는 0.5중량% 이하일 수 있다. 상기 망간(Mn)의 함량이 0.3중량% 미만이면 강도가 저하될 수 있고, 0.6중량% 초과이면 탈산이 과도하게 이루어져 용접 시 표면장력이 상승하여 결함이 발생할 수 있다. 또한, 과량의 슬래그가 발생할 수 있어, 도장성이 저하될 수 있다.
크롬(Cr) : 8.5~9.5중량%
크롬(Cr)은 페라이트 안정화 원소로, M 23C 6 석출물을 형성하여 강도를 향상시킬 수 있다. 상기 크롬(Cr)의 함량은 8.5~9.5중량%일 수 있고, 8.5중량% 미만이면 강도가 저하될 수 있고, 9.5중량% 초과이면 δ-페라이트의 잔류를 야기할 수 있어 인성이 저하될 수 있다.
몰리브덴(Mo) : 0.5~1.5중량%
몰리브덴(Mo)은 고용 강화에 의해 강도를 향상시킬 수 있고, 특히 크리프 파단 강도를 향상시킬 수 있다. 상기 몰리브덴(Mo)의 함량은 0.5중량% 이상, 0.6중량% 이상 또는 0.7중량% 이상이고, 1.5중량% 이하, 1.4중량% 이하, 1.3중량% 이하 또는 1.2중량% 이하일 수 있다. 상기 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.5중량% 초과이면 강도가 저하될 수 있고, 1.5중량% 초과이면 인성이 저하될 수 있다.
구리(Cu) : 1.0~1.5중량%
구리(Cu)는 강도를 높이고 부식을 방지하는 원소로, 일반적으로 용접 시 구리를 일정량 이상 첨가하면 취성이 발생하여 인성 저하 및 결함이 유발될 수 있으나, P91강종(본 발명의 개량 9Cr-1Mo강)의 용접 와이어 재료에 구리를 1.0~1.5중량% 첨가하여 용착금속을 형성할 시 용접부의 결함이 발생율이 저하되고 기계적 물성, 특히, 고온에서의 기계적 물성을 현저하게 향상시킬 수 있다. 상기 구리(Cu)의 함량은 1.0중량% 이상, 1.05중량% 이상, 1.1중량% 이상 또는 1.15중량% 이상이고, 1.5중량% 이하, 1.45중량% 이하, 1.4중량% 이하, 1.35중량% 이하 또는 1.3중량% 이하일 수 있다. 상기 구리(Cu)의 함량이 1.0중량% 미만이면 강도가 저하될 수 있고, 1.5중량% 초과이면 인성이 저하될 수 있다.
종래의 P91강종과 달리, 본 발명의 일 측면에 따른 상기 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어는 합금의 각 조성을 제어하며 구리를 증량하여 용착금속에 구리 나노입자를 형성할 수 있고, 그 결과 고온 기계적 물성이 향상될 수 있다.
바나듐(V) : 0.1~0.4중량%
바나듐(V)은 석출물을 형성하여 석출 강화에 의해 강도를 개선하는 원소로, 특히, 크리프 파단 강도를 향상시킬 수 있다. 상기 바나듐(V)의 함량은 0.1중량% 이상, 0.125중량% 이상 또는 0.15중량% 이상이고, 0.4중량% 이하, 0.35중량% 이하, 0.3중량% 이하 또는 0.25중량% 이하일 수 있다. 상기 바나듐(V)의 함량이 0.1중량% 미만이면 강도가 저하될 수 있고, 0.4중량% 초과이면 인성이 저하될 수 있다.
니오븀(Nb) : 0.02~0.06중량%
니오븀(Nb)은 질화물을 석출하여 고용 작용에 의해 강도를 개선하는 원소로, 특히, 크리프 파단 강도를 향상시킬 수 있다. 상기 니오븀(Nb)의 함량은 0.02중량% 이상, 0.025중량% 이하 또는 0.03중량% 이상이고, 0.06중량% 이하, 0.055중량% 이하 또는 0.05중량% 이하일 수 있다. 상기 니오븀(Nb)의 함량이 0.02중량% 미만이면 강도가 저하될 수 있고, 0.06중량% 초과이면 인성이 저하될 수 있다.
질소(N) : 0.02~0.05중량%
질소(N)은 질화물을 석출하여 고용 작용에 의해 강도를 개선하는 원소로, 특히, 크리프 파단 강도를 향상시킬 수 있다. 상기 질소(N)의 함량은 0.02중량% 이상, 0.025중량% 이상 또는 0.03중량% 이상이고, 0.06중량% 이하, 0.055중량% 이하, 0.05중량% 이하 또는 0.045중량% 이하일 수 있다. 상기 질소(N)의 함량이 0.02중량% 미만이면 강도가 저하될 수 있고, 0.06중량% 초과이면 인성이 저하될 수 있다.
산소(O) 0.04~0.08중량%
산소(O)는 산화물을 형성하는 원소로, 산소(O)의 함량은 0.04중량% 이상, 0.045중량% 이상, 0.05중량% 이상 또는 0.055중량% 이상이고, 0.08중량% 이하, 0.075중량% 이하 또는 0.07중량% 이하일 수 있다. 상기 산소(O)의 함량이 0.04중량% 미만이면 산화물 형성에 어려움이 있고, 0.08중량% 초과이면 잔존 산화물이 증가하여 취성 파괴에 영향을 주어 인성이 저하될 수 있다.
인(P) : 0.005~0.009중량%
상기 용접 와이어가 인(P) 0.005~0.009중량%를 더 포함할 수 있다. 상기 인(P)은 강 내에 존재하는 불가피적 불순물로, 용착금속에 다량 첨가될 시 고온에서 균열을 발생시킬 수 있어, 가능한 적은 함량으로 억제하는 것이 바람직하다.
알루미늄(Al) : 0.001~0.003중량%
상기 용접 와이어가 알루미늄(Al) 0.001~0.003중량%를 더 포함할 수 있다. 상기 알루미늄(Al)은 탈산 원소이며, 아크 용접 시 용융 금속의 탈산을 촉진하지만, 슬래그의 발생량을 증가시킬 수 있다.
황(S) : 0.003~0.006중량%
상기 용접 와이어가 황(S) 0.003~0.006중량%를 더 포함할 수 있다. 상기 황(S)은 인(P)과 함께 불가피적인 불순물로, 응고 균열 감수성 및 응력 완화 균열성을 발생시킬 수 있어, 가능한 적은 함량으로 억제하는 것이 바람직하다.
한편, 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어는 전술한 기본 원소 이외에 잔량의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 또한, 니켈(Ni) 및 망간(Mn)의 함량(Ni+Mn)이 : 0.5~1.5중량%를 만족하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 용접 와이어는 모재에 용접 작업하여, 용착금속을 형성시킬 수 있고, 상기 용착금속은 550~650℃의 온도범위에서 항복강도가 470㎫ 이상일 수 있고, 인장강도가 480㎫ 이상일 수 있다. 상기 개량 9Cr-1Mo강은 고온, 고압의 분위기에 적용되는 합금재료로 상기 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어의 기계적 물성 또한 동등한 수준 또는 그 이상의 물성을 가지는 것이 바람직하다.
한편, 용접 와이어는 아크 열원을 발생시키는 용접수단에 의해 용접이 용접이 필요한 용접부에 용착금속을 형성시킴으로써 용접될 수 있고, 상기 용접수단의 입열량은 13.8~17.9kJ/㎝의 범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 용접수단의 입열량이 13.8kJ/㎝ 미만이면 용접 시 냉각 속도가 커져, 냉각 중에 충분한 양의 탄화물이 생성되지 않을 수 있고, 17.9kJ/㎝ 초과이면 시멘타이트 생성이 촉진됨으로써 용착금속의 기계적 물성이 저하될 수 있다. 또한, 용착금속을 형성함에 있어서 패스간 온도(interpass temperature)는 200~315℃일 수 있다. 상기 패스간 온도가 200℃ 초과이면 용접 시 냉각 속도가 커져, 냉각 중에 충분한 양의 탄화물이 생성되지 않을 수 있고, 315℃ 초과이면 용착금속의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
한편, 용접 후 형성된 용착금속의 잔류 응력 제거를 위한 용접 후열처리(PWHT: Post Weld Heat Treatment)가 수행될 수 있다. 상기 용접 후열처리의 유지 온도는 750~770℃일 수 있고, 750℃ 미만이면 응력 제거율이 저하될 수 있다. 770℃ 초과이면 용착금속의 강도 및 인성 등의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
한편, 상기 용착금속은 페라이트(Ferrite)/템퍼드 마르텐사이트(Tempered Martensite) 미세조직 및 석출물을 포함할 수 있다. 상기 용접 후열처리 후, 퀜칭(Quenching) 및 템퍼링(Tempering) 열처리할 수 있다. 상기 퀜칭을 통해 용착금속은 마르텐사이트 미세조직을 형성할 수 있고, 후속되는 템퍼링 처리를 통해 내부 응력을 제거하고 조직을 연질화시킬 수 있다.
상기 퀜칭 공정은 상기 열간 성형을 위해 900℃ 이상의 온도로 가열된 상태에서 5~15℃/s의 냉각속도로 냉각하는 것이 바람직하고, 상기 냉각속도로 냉각할 때 적절한 미세조직을 확보하여 강도 저하를 방지할 수 있다. 상기 템퍼링 공정은 급냉 후 생성되는 마르텐사이트에 의해 경화된 강의 취성을 줄이고, 인성을 향상시키기 위한 수행될 수 있고, 상기 템퍼링 공정을 통해 급냉 중에 발생할 수 있는 탄화물의 잔류 응력, 불순물의 편석, 마르텐사이트의 격자 변형을 제거할 수 있다. 상기 템퍼링 공정은 590~670℃의 온도범위에서 수행되는 것이 바람직하고, 590℃ 미만이면 인성이 저하될 수 있고, 670℃ 초과이면 강도가 저하될 수 있다.
전술한 공정에 따라 형성된 용착금속의 미세조직은 도 1의 촬영 이미지로 확인할 수 있다.
한편, 상기 용착금속은 평균 입도가 10~150㎚인 구리(Cu) 나노입자를 포함할 수 있고, 상기 구리(Cu) 나노입자는 적어도 일부가 상기 템퍼드 마르텐사이트 래스 내부에 위치할 수 있고, 적어도 일부가 선상 격자결함에 위치할 수 있다. 상기 템퍼드 마르텐사이트 미세조직은 퀜칭 및 템퍼링 처리를 거치며 형성되며, 미세조직에 격자결함, 즉, 전위(dislocation)의 밀도를 높여 취성이 상승하는 문제를 야기할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 용착금속은 구리(Cu)를 1.0~1.5중량%를 첨가함으로써 상기 구리 나노입자가 미세조직의 형성 시 조직 내 위치되고, 또한 격자결함에 위치됨으로써 상기 용착금속의 결함을 결착시켜 최종 제품의 강도가 향상될 수 있다. 또한, 상기 구리(Cu) 및 기타 석출물의 형성에 기인하는 조성, 특히, 탄소(C), 철(Fe), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo)의 함량과 유기적인 결합으로 상기 용착금속의 강도를 향상시킬 수 있다. 한편, 상기 구리(Cu) 나노입자의 평균 입도는 10㎚ 이상, 15㎚ 이상 또는 20㎚ 이상이고, 150㎚ 이하, 100㎚ 이하 또는 50㎚ 이하일 수 있고, 평균 입도가 10㎚ 미만이면 강도가 저하될 수 있고, 150㎚ 초과이면 석출물이 조대화하여 인성이 저하될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
실시예
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어로, 특히, 구리(Cu)의 함량을 1.2중량%를 첨가하여 제조하여, 피복 아크 용접(SMAW)에 의해 입열량 15kJ/㎝, 패스간 온도 250℃, 용접 후열처리 760℃의 조건에서 용접을 수행하여 용착금속을 형성하였고, 용착금속의 합금 조성을 하기 표 1에 나타내었다.
비교예
개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어로, 구리(Cu)의 함량이 0.028중량%를 첨가한 것을 제외하면 실시예와 동일한 조건에서 용착금속을 형성하였고, 용착금속의 합금 조성을 하기 표 1에 나타내었다.
합금조성 C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu V Al Nb N O
실시예 0.088 0.244 0.497 0.008 0.0049 0.392 8.879 0.992 1.2 0.202 0.002 0.048 0.0375 0.0667
비교예 0.087 0.249 0.499 0.0078 0.0046 0.396 8.878 0.995 0.028 0.209 0.002 0.043 0.0371 0.0662
하기 위해 인장시험을 상온(25℃) 및 고온(600℃)에서 진행하였고, 그 결과는 도 3 및 하기 표 2에 나타내었다.
- 상온(25℃) 고온(600℃)
강도 항복강도(YS) 최대인장강도(UTS) 항복강도(YS) 최대인장강도(UTS)
실시예 847.4 918 473.9 496
비교예 627 776 349 375
(단위: MPa)
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 형성된 용착금속의 상온(25℃) 및 고온(600℃)에서의 인장시험 그래프이고, 상기 표 2는 그 결과를 나타낸 것이다.
도 3 및 표 2를 참조하면 실시예 및 비교예의 용착금속은 상온(25℃)에서의 항복강도 및 인장강도가 모두 600MPa 이상을 만족하였고 최대인장강도는 각각 918 MPa 및 776MPa을 나타내어 기계적 물성이 우수하였다. 특히, 구리(Cu)의 함량이 1.2중량%인 실시예의 용착금속은 비교예의 용착금속에 비해 항복강도 및 인장강도가 현저하게 향상되었음을 확인할 수 있다.
다만, 개량 9Cr-1Mo강이 고온의 환경에서 사용되는 재료이므로 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어는 고온 조건에서 우수한 항복강도 및 인장강도이 요구된다. 도3 및 표 2를 참조하면, 실시예의 용착금속의 항복강도는 473.9MPa를 나타내어 종래 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어로 형성된 용착금속보다 35.8%의 증가율을 나타내어 현저하게 향상되었음을 확인할 수 있다. 또한, 실시예의 용착금속의 최대인장강도는 796MPa로 비교예보다 32.3%의 증가율을 나타내어 현저하게 향상되었음을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어는 종래보다 많은 양의 구리(Cu)를 첨가함으로써 구리가 미세조직 바운더리 및 입내에서 나노 입자로 위치하여 석출 및 전위강화가 발생되어 최종적으로 용착금속의 기계적 물성을 향상시키는 것을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어에 있어서,
    총 중량을 기준으로, 탄소(C) 0.05~0.1중량%, 실리콘(Si) 0.1~0.4중량%, 니켈(Ni) 0.2~0.5중량%, 망간(Mn) 0.3~0.6중량%, 크롬(Cr) 8.5~9.5중량%, 몰리브덴(Mo) 0.5~1.5중량%, 구리(Cu) 1.0~1.5중량%, 바나듐(V) 0.1~0.4중량%, 니오븀(Nb) 0.02~0.06중량%, 질소(N) 0.02~0.05중량%, 산소(O) 0.04~0.08중량% 및 잔량의 철(Fe) 및 불순물을 포함하고,
    상기 니켈(Ni) 및 망간(Mn)의 함량이(Ni+Mn) : 0.5~1.4중량%을 만족하는, 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용접 와이어가 인(P) 0.005~0.009중량%를 더 포함하는 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용접 와이어가 알루미늄(Al) 0.001~0.003중량%를 더 포함하는 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 용접 와이어가 황(S) 0.003~0.006중량%를 더 포함하는 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용접 와이어로 형성된 용착금속은 550~650℃의 온도범위에서 항복강도가 470㎫ 이상인 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용접 와이어로 형성된 용착금속은 550~650℃의 온도범위에서 인장강도가 480㎫ 이상인 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 용접 와이어로 형성된 용착금속은 평균 입도가 10~150㎚인 구리(Cu) 나노입자를 포함하는 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 구리(Cu) 나노입자는 적어도 일부가 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite) 래스(lath) 내부에 위치한 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 구리(Cu) 나노입자는 적어도 일부가 선상 격자결함에 위치한 개량 9Cr-1Mo강용 용접 와이어.
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