KR100241033B1 - 열피로 특성이 우수한 육성용접재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 육성용접 재료에 관한 것이며, 그 목적은 우수한 열피로 균열 저항성을 갖는 스테인레스 강으로 이루어진 육성용접 재료를 제공함에 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 중량%로, C:0.09-0.25%, Si:0.2-1.0%, Mn:0.3-1.5%, Ni:1.0-2.5%, Cr:10.5-13.5%, (2Mo+W):1.5-3.0%, Nb:0.1-0.6%, V:0.1-0.6%, Cu:0.3-1.5%, N:0.02-0.15%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되는 열피로 특성이 우수한 육성용접용 재료에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

열피로 특성이 우수한 육성용접재료

본 발명은 육성용접 재료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 열피로 균열 저항성을 갖는 스테인레스 강으로 이루어진 육성용접 재료에 관한 것이다.

통상, 육성용접은 특별한 기계적특성을 갖는 합금의 용접재료를 모재표면에 균일하게 융착시킴으로서 재료의 표면성질을 향상시키는 표면처리의 한 방법으로서, 가격이 저렴한 일반강의 성질을 개선시킴과 동시에 경제적인 잇점으로 산업일반에 널리 이용되고 있다. 육성용접재료의 대표적인 종류로는 내산화성과 내부식성 및 고온강도 특성이 우수한 스테인레스계 재료를 들 수 있으며 상기 재료를 가지고 육성용접하여 여러분야에 적용하여 사용하고 있다. 상기 스테인레스계 재료를 육성용접하여 사용되는 예로 열간압연공정 및 주조공정에 사용되는 롤 등이 있는데, 이중 대표적인 예로 고온의 극한 환경에서 적용되는 연속주조용 롤을 들어 육성용접 재료에 필요한 특성을 설명하겠다.

최근의 연속주조 공정은 생산속도와 노출온도가 증가하는 경향과 더불어 롤에 대한 부하가 점점 가혹하게 됨에 따라, 연속주조용 롤은 주조되는 주편의 재질, 치수, 온도, 인발속도, 냉각조건, 사용장소 및 사용조건에 따라 여러 가지 우수한 기계적 특성이 요구되고 있다. 즉, 연속주조장치의 롤은 냉각수의 설치제약과 냉각능의 한계 때문에 300-600℃의 고온하에 노출되어 있으므로 연속주조용 롤이 회전할 때, 주편과 접촉하는 고온부와 냉각수에 노출되는 저온영역이 반복되는 열사이클에 의해 열충격 및 열피로를 받게 되고 이로 인하여 롤의 표면에는 균열이 발생하게 된다. 또한 롤은 주편과 접촉할 때, 주편의 자체 하중에 의한 부하를 받기 때문에 롤 소재는 이러한 하중에 견디기 위한 고온강도가 필요하다.

보다 구체적으로 육성용접되어 사용되는 연속주조용 롤에 필요한 기계적 성질을 알아보면, 연속주조시 롤의 표면은 고온의 주편으로부터 많은 열을 공급받아 산화되는 동시에 냉각수에 의한 수증기가 산화를 촉진하므로 내산화성 특성이 요구된다. 또한, 냉각수에 함유된 산성 및 알카리 성분과 유기물에 의한 부식도 롤 표면의 손상을 촉진하므로 내부식 특성도 함께 요구된다.

이와 같이 손상된 롤의 표면은 주편과의 접촉에 의해 주편 표면으로부터 박리된 산화스케일이 고착되며 산화 스케일의 고착은 롤 표면 균열의 모양에 따라 촉진되는데, 이 결과는 롤 표면을 거칠게 하는 원인이 되는 동시에 주편에 결함을 발생시키는 원인이 된다. 따라서 연속주조용 롤 재료는 무엇보다도 고온에서의 열피로 균열 저항성이 요구되어 진다.

한편, 스텐인레스계 재료를 육성용접 방법으로 소재에 표면처리 하는 경우 보다더 우수한 기계적 특성이 요구되어지는 경우 상기 재료 그 자체를 주조ㆍ단조나 열간가공 또는 원심주조 등에 의해서 연속주조 롤 소재로 제조하여 사용되고 있다. 따라서, 현재까지 제안된 육성용접재료 및 그 재료를 이용하여 소재를 직접 제조한 경우 등의 다양한 종래 방법을 살펴보겠다.

종래, 연속주조용 롤 재료는 13Cr-(4-8)Ni계 마르텐사이트 스테인레스강이 많이 사용되고 있는데(일본특공소 42-16870호), 상기 강은 롤에 대한 부하가 가혹한 경우에 롤의 표면온도가 상승하게 되면 내산화성이 열악하여 수증기에 의한 산화가 극심하다는 결점이 있다. 그리고 다량의 Ni 함유량은 Ac₁변태점을 낮추게 되어 사용중에 열피로에 의한 자기변태응력이 발생하여 열피로 균열이 현저하게 증가하는 문제도 있다. 특히, 상온 항복강도가 60kg/mm²이고 600℃에서 고온강도가 20kg/mm²으로 기계적특성이 열악하다.

또 다른 연속주조용 롤 재료의 개량기술로 일본특개소 57-131351호를 들 수 있는데, 상기 제안은 Ni을 0.2-1.0중량%(이하, ‘%’라 한다)로 억제하고 새로운 합금원소인 Mo:0.2-1.2%, Nb:0.1-0.5%, V:0.1-0.5%, Cu:0.5-4.0%와 Al:0.01-0.06%를 첨가함으로써 내산화성과 고온강도를 향상시키는 방법이다. 그러나, 상기 제안은 내산화성 및 고온강도를 개선하기 위한 합금원소로서 Cu를 1.5%이상 첨가하게 되면, 육성용접시에 Cu 편석이 발생하기 때문에 균일하고 안정한 산화피막의 형성이 어렵다. 또한 Ni과 마찬가지로 Cu는 Ac₁변태점을 저하시키므로 자기변태응력에 의한 열피로 균열이 표면층의 방식피막을 파괴하기 때문에 Cu 첨가에 의한 롤 수명향상은 어렵게 된다. 또한 상온 항복강도가 80kg/mm²이고, 600℃에서 고온강도가 40kg/mm²인데, 이와같은 물성치는 주단조재를 조질하여 제조한 가공재이므로 육성용접에 의해 제조할 경우 소재의 인장강도는 더욱 저하하게 된다.

또한, 최근에 일본특개평 평 7-173578호에 제시된 방법은 Co를 첨가하여 육성용접재료의 사용 특성이 향상되었으나, 고가의 Ni에 비해서도 7-10배 이상의 가격이 소요되는 Co가 다량 함유하기 때문에 비 경제적인 단점이 있다. 한편 일본특개평 7-166297에서는 SUS630 가공재를 이용하는 방법을 제안하였으나 상온 항복강도가 72kg/mm²이고 600℃의 항복강도 37kg/mm²이므로 육성용접재의 강도는 이 보다도 낮다.

이와같이 상기 종래기술의 공통적인 문제점이 낮은 인장 특성을 갖는다는 것인데, 이 문제는 주편의 자체 하중에 의해 롤의 표면이 쉽게 변형되어 열피로 균열의 발생지로 작용하여 실제 조업상 여러 가지 문제를 야기 시키고 있다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위하여 연구와 실험을 행하고 그 결과에 입각하여 제안된 것으로서, 본 발명은 강 성분을 적절하게 첨가하고 제어함으로써 열피로특성과 고온강도가 우수한 육성용접 재료를 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

제1도는 종래재와 발명재의 열피로 균열 저항성의 차이를 보여주는 저배율 광학 현미경 사진.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 중량%로, C:0.09-0.25%, Si:0.2-1.0%, Mn:0.3-1.5%, Ni:1.0-2.5%, Cr:10.5-13.5%, (2Mo+W):1.5-3.0%, Nb:0.1-0.6%, V:0.1-0.6%, Cu:0.3-1.5%, N:0.02-0.15%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되는 열피로 특성이 우수한 육성용접용 재료에 관한 것이다.

이하, 발명강 성분의 첨가이유와 한정 이유를 상세히 설명한다.

상기 C은 Mo, W, Nb 및 V 등과 같은 탄화물 형성원소와 결합하여 고경도의 탄화물을 형성하여 재료 강도 상승에 유효하며 마르텐사이트 개시(Ms)온도를 낮추지만 경화능을 향상시키는 잇점이 있다. 따라서, 그 첨가량이 0.09% 이하인 경우 페라이트의 발생 등에 의해 경도 및 강도증가에 유효하지 않으며 0.25% 이상 첨가할 경우 잔류 오스테나이트를 증가시킬 뿐만 아니라 내열피로 특성을 저하시키는 단점이 있으므로 0.09-0.25%의 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 Si은 탈산원소로서 적어도 0.2%의 첨가량이 필요하지만 1.0%이상이 되면 파괴인성을 저하시키고 페라이트를 형성시키는 단점이 있으므로 0.2-1.0%로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 Mn은 오스테나이트 안정화 원소로 소입성을 높이므로 0.5% 이상을 첨가해야 하지만 1.5%를 초과하면 인성의 열화를 초래하므로 0.5-1.5%로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 Ni은 Mn과 마찬가지로 오스테나이트를 형성시키는 원소로서 소입성을 증가시켜 균일한 마르텐사이트 조직을 형성시키고 강도 증가를 도모하기 위하여 1.0% 이상이 필요하며 2.5% 이상이 되면 Ac₁온도를 상당히 낮출 뿐만 아니라 과시효를 촉진시켜 템퍼링 저항성을 낮추는 단점이 있으므로 1.0-2.5%로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 Cr은 고온산화 및 부식을 효과적으로 방지하기 위하여 롤의 내식성을 유지하는데 불가피한 원소인데, 10.5% 이상첨가하면 내고온 산화성의 유지가 어려워지고 13.5%를 초과하게 되면 델타-페라이트를 안정화시켜 강도 및 열피로 특성이 저하되므로 10.5-13.5%로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 Mo와 W은 C과 결합하여 (Mo,W)₂C와 같은 탄화물을 형성시켜 고온강도 및 템퍼링 저항성을 향상시킨다. 또한 Mo와 W은 M₂₃C₆(여기서, M은 탄화물 형성원소로서 Cr, Mo, W, Nb 및 V 등이다)와 같은 조대한 탄화물로의 천이를 억제하여 템퍼링 저항성을 증가시키는 유용한 원소이다. 이때 Mo와 W의 첨가량은 (2Mo+W)로 1.5%이하가 되면 그 효과가 작고 3.0% 이상이 되면 효과가 포화될 뿐만 아니라 페라이트의 형성을 유발하여 문제가 있으므로 1.5-3.0%의 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 Nb과 V은 각각 NbC과 V₄C₃등의 탄화물을 형성하여 고온강도를 높이는데 필요한 원소이다. 0.1% 이하의 Nb 또는 V의 함유량에서는 첨가 효과가 미미하다. 그러나 0.6% 이상이 되면 인성의 열화를 초래하므로 Nb, V 각각 0.1-0.6%의 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 Cu는 고온 수증기에 대한 내식성과 소입성을 향상시켜 조직의 미세화에 기여하는 원소이며, Cu 복합물을 석출시켜 강도를 증가시킬 수 있다. 0.3% 이하에서는 그 효과가 미미하며 1.5% 이상에서는 용접조직에서 응고편석을 억제하기가 어려우므로 0.3-1.5%의 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 종래의 합금과는 달리 용접층간의 델타-페라이트를 감소시키고 M₂(CN)(여기서, M은 탄화물 형성원소로서 Cr, Mo, W, Nb 및 V 등이다)을 안정화시키는 N을 첨가하는 것을 특징으로 하는데, N은 상기한 M₂₃C₆와 같은 조대한 탄화물로의 천이를 지연시키고 M₂(CN)을 안정화하여 고온강도 및 템퍼링 저항성을 보다 더 향상시킬 수 있다. N은 일반 육성용접재에는 불순물로 0.01-0.02%를 함유하고 있다. 그러므로 이상에서 서술한 효과를 얻기 위해서는 0.02% 보다도 높아야 하고 0.15% 이상에서는 마르텐사이트 변태개시온도를 낮추게 되고 인성이 열악해지므로 0.02-0.15%의 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명강은 열피로특성, 고온강도 및 우수한 경도가 요구되는 소재에 육성용접 방법으로 소재표면에 증착되어 적용될 수 있는 특성이 있으며, 특히 연속주조롤이나 열간압연 롤 등에 적용될 경우 우수한 특성을 나타낸다.

한편, 본 발명강이 육성용접방법으로 소재의 표면에 융착되어 사용되어 지는 것 보다 그 이상의 기계적 특성이 요구되는 경우 본 발명강을 주ㆍ단조방법 및 다른 열간가공, 원심주조방법 등에 의해서도 용이하게 소재 그 자체를 제조할 수 있다.

본 발명강을 육성용접방법으로 소재 표면에 융착한 경우에는 이후에 통상의 열처리 방법인 500-700℃의 온도범위에서 열처리를 하는 것이 바람직하다. 또한 제조방법에 상관없이 900℃이상에서 소입한 후에 500-700℃에서 템퍼링하는 열처리 공정을 사용하면 기계적 특성을 한층 증가시킬 수 있다.

[실시예 1]

직경 450mm, 두께 70mm의 SCM440강 표면위에 표 1에 표시한 여러 가지 롤 재료를 주로 서버머지드 아크용접법을 이용하여 육성용접하였다. 용접조건은 스트립(Strip)을 용접봉으로 사용하는 경우, 720-800A, 24-28V이고 MCW(metal cored wire)를 사용하는 경우에는 350-450A, 26-34V로 작업하였다. 육성용접은 3층으로 용접하여 10mm 이상의 육성층을 얻었으며 주로 3층부를 채취하여 인장시험을 수행하였다. 또한 열피로 특성은 육성용접재의 3층부 표면을 상온에서 700℃까지 유도가열 장치에 의해 승온시키고 동시에 냉각수에 의해 다시 상온으로 냉각시키는 열사이클 과정을 1000회 반복하여 평가하였다. 본 발명에 사용된 육성용접재의 경도, 인장특성과 열피로 특성은 하기 표 2에 요약하여 나타내었다.

※ SAW : Submerged Arc 용접, MAG : Metal Active Gas 용접, SW : Solid Wire, STP : Strip, MCW : Metal Cored Wire

상기 표 1,2에 나타난 바와 같이 SMP3 용접재(세아금속)는 MAG 용접에 의해 제조되었으며 상온 항복강도가 67.5kg/mm²으로 매우 낮을 뿐만 아니라 MAG 용접에 의한 개재물의 영향으로 연신률이 매우 낮았다. 또한 NHB와 CIT 용접재는 Mittes Hard사 제품이고 C계 용접재인 CIT-1, CIT-4, C4351, C356up는 Corodur사 제품, RT계 용접재인 RT159, RT157는 Soudo Metal사 제품이며, L계 용접재인 L423Cr, L410는 Lincoln Electric사의 제품이다. 상용합금에서, 탄화물 형성원소인 Mo, Nb, V이 거의 첨가되지 않거나 낮은 NHB-1, NHB-4, CIT-1, CIT-4, RT159와 L410 합금은 고경도 탄화물에 의한 강도 증가가 거의 없어서 상온 및 400℃에서의 항복강도가 매우 낮았다. 또한 CIT-1, CIT-4 합금은 시험온도에 무관하게 연신률도 매우 낮은 단점이 있었다. 그리고 열피로 균열의 크기는 NHB-4(1.6mm)를 제외하고는 3.4-6.4mm로 열피로 저항성이 매우 낮다. 그러나 Ni 함량이 4%로 높거나 Mo, Nb, V 함량이 다소 높은 합금(C4351, C356up, RT157과 L423Cr)의 상온 항복강도는 88.2-100.8kg/mm²로 다소 높지만 여전히 열피로 특성은 크게 개선되지 않는다. 그러나 본 발명합금은 Mo, Nb, V외에도 Cu가 공통적으로 첨가되고 W 또는 N가 추가로 첨가되어 상온 항복강도 120kg/mm²로 높고 400℃의 시험 온도에서도 항복강도의 감소가 매우 적다. 이와 더불어 본 발명재에서 열피로 균열의 크기는 0.1-0.8mm로 다른 합금에 비해 월등히 향상되었다. 한편, 종래재인 RT157 용접재료를 이용하여 육성용접한 시편(제1(a)도)와 발명재(1)를 이용하여 육성용접한 시편(제1(b)도)를 열피로 시험을 한 후 미세조직사진 제1도에 나타내었다. 제1도에 나타난 바와같이 종래재는 균열이 생긴 반면 발명재는 균열 저항성이 우수함을 알 수 있었다.

상술한 바와같이, 본 발명은 강 성분을 적절하게 첨가하고 제어함으로써 열피로특성과 고온강도가 우수하고 경도가 높아서 내마모 특성도 우수한 육성용접재료를 제공할 수 있으며, 상기 제공된 재료는 육성용접 방법으로 고온에서 높은 하중을 받는 모든 소재에 적용될 수 있는 잇점이 있다. 특히, 열간압연 가이드 롤, 연속주조 롤 등의 소재에 적용될 경우 소재의 수명을 향상시키고 작업능률을 높일 수 있는 유용한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 중량%로, C:0.09-0.25%, Si:0.2-1.0%, Mn:0.3-1.5%, Ni:1.0-2.5%, Cr:10.5-13.5%, (2Mo+W):1.5-3.0%, Nb:0.1-0.6%, V:0.1-0.6%, Cu:0.3-1.5%, N:0.02-0.15%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 조성됨을 특징으로 하는 열피로 특성이 우수한 육성용접 재료.