상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 와이어에 대한 중량%로, C: 0.01~0.05%, Si: 0.6~1.2%, Mn: 1.6~3.2%, Al, Ti, Mg 및 Zr으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상: 0.1~0.5%, S의 함량이 0.08~0.12%로 제어된 철분: 10~20%와, 여기에 F환산량으로 0.02~0.2%인 불화물, CO2+CO3환산량으로 0.01~0.1%인 탄산기 함유 화합물을 포함하고, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 저온인성이 우수한 메탈계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 S가 제어된 철분을 플럭스 충전 와이어의 제조에 적용함으로써 플 럭스내 "S"의 편석을 방지하고, 그 결과 용착금속내 "S"의 편석을 방지함으로써 고온균열이 우수한 용착금속을 확보하는데 특징이 있다. 또한, S가 제어된 철분을 사용함으로써 용접시 생성되는 유리질산화물 슬라그의 제거가 용이해져 미려한 비드를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 다층 용접시 발생될 수 있는 슬라그 혼입을 막을 수 있으므로 건전한 용착금속을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 탄산기(CO2, CO3)의 사용을 적정량 제어함으로써, -40 ~ -50℃에서의 저온충격인성이 양호한 용착금속을 얻는데 특징이 있다.
와이어에 대한 중량%로, C: 0.01~0.05%(이하, 단지 '%'로 기재함)
상기 C는 용착금속의 기계적 성능 및 작업성에 영향을 미치는 성분으로서 강재외피, 플럭스에 포함되어 첨가되며, 일정범위로 그 함량을 제어하는 것이 바람직하다. 상기 C의 함량이 0.01% 미만이면 용착금속의 조직이 연화되어 충격인성이 나빠질 뿐만 아니라 인장강도가 현저히 낮아지고, 0.05%를 초과하면 용접금속의 조직에 취성적 현상이 나타나 인장강도가 높아지는 반면에 충격인성이 급격히 낮아질 뿐만 아니라 스패터가 많아지고 용접흄이 과도하게 증가하는 문제점이 있다. 따라서, 상기 C의 함량은 0.01~0.05%로 제한하는 것이 바람직하다.
Si: 0.6~1.2%
상기 Si는 강력한 탈산제로 작용할 뿐만 아니라 용착금속의 기계적 성질 및 용융금속의 거동에도 영향을 미치는 성분으로, 그 함량이 0.6% 미만이면 탈산제 부족으로 인하여 용착금속내에 기공이 발생되고 용융금속의 거동이 나빠져서 비드 외관이 나빠지며, 1.2%를 초과하면 잉여의 Si가 조직내에 완전히 고용되지 않고 취화를 유발시킬 뿐만 아니라 용착금속의 유동성을 증가시켜 수평필렛 용접시 비드 쳐짐현상을 유발하고 비드표면에 유리질 슬라그의 형성이 과도해지면서 비드의 외관을 나쁘게 하는 문제점이 있으므로, 상기 Si의 함량은 0.6~1.2%로 제한하는 것이 바람직하다.
Mn: 1.6~3.2%
상기 Mn은 탈산제 및 용착금속의 인장강도에 많은 영향을 미칠 뿐만 아니라 MnS 화합물을 안정적으로 형성시키면서 고온균열을 야기시키는 FeS 화합물의 형성을 억제시키는데 유효한 성분이다. 상기 Mn의 함량이 1.6% 미만이면 Mn과 안정화되지 못한 잉여의 "S"가 FeS를 형성하여 고온균열의 민감도가 증가하고 용착금속의 인장강도를 현저히 감소시키며, 3.2%를 초과하면 과도한 인장강도의 증가로 인하여 인성의 저하를 초래한다. 따라서, 상기 Mn의 함량은 1.6~3.2%로 제한하는 것이 바람직하다.
Al, Ti, Mg 및 Zr으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상: 0.1~0.5%
상기 성분들은 용착금속내의 산소 및 질소량을 저감시키고 아크를 안정시키는데 유효한 성분으로, 용착금속의 산소 및 질소를 안정하게 함으로써 용착금속의 미세조직 형성 및 충격인성에 많은 영향을 미친다. 상기 성분들의 함량이 0.1% 미만이면 용착금속 조직의 조대화로 인하여 저온 충격인성의 열화를 초래하고, 0.5%를 초과하면 용착금속에 과도하게 미세조직이 형성되어 고온균열을 유발하는 문제점이 있다. 따라서, 상기 성분들의 함량은 0.1~0.5%로 제한하는 것이 바람직하다.
철분 : 10~20%
상기 철분은 메탈계 플럭스 충전 와이어의 특징인 고능율 및 고용착량의 효과를 발휘하는데 유효한 성분으로, 그 함량이 10% 미만이면 첨가에 따른 상기 효과를 얻을 수 없고, 20%를 초과하면 아크파워의 과도한 증가로 인하여 작업성 저하 및 비드외관 불량을 초래하는 문제점이 있으므로, 상기 철분의 함량은 10~20%로 제한하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 철분중 "S"는 메탈계 플럭스 충전 와이어의 작업성 및 물성에 커다란 영향을 미친다. 작업성적인 측면에서 볼 때, S가 일정량 함유됨으로써 용접시 필수적으로 생성되는 소량의 산화물(여기서 산화물이란, 산화물 원자재를 첨가해서 얻어지는 산화물이 아니라, 용탕내에서 용융금속내에 존재하는 산소[금속 내부의 잔존산소+용탕외부에서 유입되는 산소]와 의도하는 물성을 갖는 금속을 얻기 위하여 투입되는 Si, Mn, Al, Mg, Ti, Na, Mg, Ca, Zr 등의 원소와 결합하여 생성되는 산화물을 의미함)의 거동을 제어함으로써 미려한 비드를 얻을 수 있다. 즉, 적당량의 "S"는 용접시 생성되는 산화물의 점성을 높여서 서로 뭉쳐지는 결과를 가져오게 한다. 이렇게 뭉쳐서 형성된 슬라그는 용접후 제거가 용이하고, 비드외관을 양호하 게 한다. 하지만, S의 함량이 과도하거나 혹은 그 함량이 적정하더라도 와이어중 일부분에 치우쳐(편석되어) 있을 경우, 용접금속 고온균열 발생, 인장강도 저하, 연신율 저하 등의 문제가 발생할 소지가 있다.
이러한 S의 장점을 취하고 단점을 억제하고자, 본 발명은 메탈계 플럭스 충전 와이어에서 플럭스중 대부분을 차지하는 철분이 일정량의 S를 함유하도록 제어함으로써, S의 편석을 방지하고 원하는 작업성과 물성을 얻도록 하는 것이다.
상기 철분내 S의 함량이 0.08% 미만이면 S함유에 따른 작업성 향상 효과를 기대할 수 없으며, 0.12%를 초과하면 철분내 S가 과도하여 용접금속 고온균열 발생, 인장강도 저하, 연신율 저하 등이 나타날 수 있다. 따라서, 상기 철분내 S의 함량은 0.08~0.12%로 제한하는 것이 바람직하다.
불화물: F환산량으로 0.02~0.2%
상기 불화물은 아크의 안정 및 스패터 발생 억제에 유효한 성분으로, 그 함량이 F환산량으로 0.02% 미만이면 아크가 불안정해지고, 굵은 스패터의 발생이 많아지며, 0.2%를 초과하면 아크의 집중력이 약해질 뿐만 아니라 산화물의 형성이 많아지면서 미려하지 못한 용접비드를 형성한다. 따라서 상기 불화물은 F환산량으로 0.02~0.2%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 불화물은 특별하게 제한되는 것은 아니며, NaF, K2SiF6, LiF, BaF2, CaF2, MgF2, Na3AlF6, SrF2, KAlF4 등의 형태로 첨가될 수 있다.
탄산기 함유 화합물: CO2+CO3 환산량으로 0.01~0.1%
상기 탄산기를 함유한 화합물은 아크발생시 금속의 용융점 이하의 낮은 온도에서 쉽게 탄산기를 방출하고, 이렇게 방출된 탄산기는 아크분위기를 산화성 분위기로 전환시키며, 또한 탄산기에 의한 아크분압이 증가하여 쉴딩가스와 더불어 외부대기와의 차단효과를 극대화시킨다.
즉, 외부대기중에서 유입될 수 있는 산소 및 질소를 효과적으로 차단함으로써, 용융풀에 유입될 수 있는 질소와 산소의 양을 제한할 뿐만 아니라 앞서 언급했듯이 산화성 분위기가 용탕의 탈산 및 탈질적인 분위기를 형성함으로 인해 용착금속내에 질소와 산소가 낮게 제어된 아주 건전한 용착금속을 얻을 수 있다. 용착금속내의 질소와 산소를 제어하기 위한 종래의 기술은 강한 탈산제 및 탈질제 원자재를 사용하는 것이었는데, 이러한 탈산제 및 탈질제의 사용은 아크파워를 과도하게 증가시키거나 비드외관을 나쁘게 하는 문제점이 있었다. 따라서 본 발명에서는 탄산기를 포함한 원자재를 적정량 사용함으로써 탈산제, 탈질제 사용을 최소화시키면서 탈산제, 탈질제를 사용한 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있고, -40 ~ -50℃에서 우수한 충격인성을 나타내는 건전한 용착금속을 얻을 수 있으며, 또한 미려한 비드외관을 얻을 수 있다.
상기 탄산기 함유 화합물이 CO2+CO3 환산량으로 0.01% 미만이면 상기와 같은 효과를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 저온(-40 ~ -50℃)에서 충격인성이 나빠지고, 미 려한 비드외관을 얻을 수 없으며, 0.1%를 초과하면 아크기둥내 CO 및 CO2의 분압이 증가하면서 조대한 스패터가 발생하는 등 아크 불안이 나타나고 급격하게 작업성이 나빠지는 문제점이 있다. 따라서, 상기 탄산기 함유 화합물은 CO2+CO3 환산량으로 0.01~0.1%로 제한하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 탄산기 함유 화합물은 특별하게 제한되는 것은 아니며, CaCO3, Na2CO3, BaCO3 등의 형태로 첨가되는 것이 가능하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하나, 이는 본 발명의 바람직한 일실시예일뿐 본 발명의 범위가 이러한 실시예의 기재범위에 의하여 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
하기 표 1~4와 같은 조성을 갖는 선경 1.2mm의 플럭스 충전 와이어를 마련하였다. 상기와 같이 마련된 플럭스 충전 와이어들을 이용하여 하기 표 5와 같은 용접조건으로 두께 12mm의 SM490A 용접모재를 용접하였다. 상기 용접부위의 비드외관, 스패터 발생, 내고온균열성, 인장강도 및 충격인성을 평가하였으며, 그 결과는 하기 표 6에 나타내었다.
상기 내고온균열성은 시편에 초층 용접을 실시하여, 용접비드 표면의 균열발생 유무에 따라 양호 또는 불량으로 평가하였다.
구 분 |
플럭스 충전 와이어 조성(와이어에 대한 중량%) |
C |
Si |
Mn |
Al,Ti,Mg,Zr중 1종이상 |
철분 |
불화물 F환산량 |
탄산기함유 화합물 CO2+CO3 환산량 |
함량 |
철분내 S함량 |
발명예1 |
0.022 |
0.8 |
3.0 |
0.30 |
12 |
0.08 |
0.021 |
0.07 |
발명예2 |
0.022 |
0.9 |
2.9 |
0.23 |
18 |
0.08 |
0.151 |
0.05 |
발명예3 |
0.043 |
1.1 |
2.4 |
0.28 |
17 |
0.09 |
0.175 |
0.07 |
발명예4 |
0.037 |
1.2 |
2.5 |
0.19 |
11 |
0.09 |
0.192 |
0.08 |
발명예5 |
0.031 |
1.0 |
1.9 |
0.29 |
20 |
0.10 |
0.148 |
0.05 |
발명예6 |
0.041 |
1.2 |
1.7 |
0.15 |
19 |
0.10 |
0.200 |
0.01 |
발명예7 |
0.035 |
0.6 |
2.9 |
0.34 |
19 |
0.11 |
0.117 |
0.03 |
발명예8 |
0.043 |
0.6 |
2.5 |
0.50 |
14 |
0.12 |
0.185 |
0.04 |
발명예9 |
0.011 |
0.7 |
1.9 |
0.42 |
13 |
0.12 |
0.034 |
0.06 |
비교예1 |
0.052 |
1.4 |
1.5 |
0.18 |
14 |
0.07 |
0.035 |
0.01 |
비교예2 |
0.008 |
0.5 |
3.3 |
0.20 |
13 |
0.13 |
0.020 |
0.09 |
비교예3 |
0.035 |
1.2 |
1.8 |
0.09 |
9 |
0.08 |
0.300 |
0.10 |
비교예4 |
0.041 |
1.1 |
1.1 |
0.52 |
8 |
0.10 |
0.019 |
0.01 |
비교예5 |
0.042 |
0.6 |
2.8 |
0.31 |
9 |
0.12 |
0.175 |
0.12 |
비교예6 |
0.038 |
0.6 |
2.0 |
0.50 |
24 |
0.08 |
0.182 |
0.01 |
비교예7 |
0.024 |
1.0 |
1.6 |
0.51 |
22 |
0.07 |
0.158 |
0.07 |
비교예8 |
0.045 |
1.0 |
1.9 |
0.35 |
23 |
0.13 |
0.212 |
0.08 |
비교예9 |
0.011 |
0.55 |
1.1 |
0.27 |
23 |
0.07 |
0.022 |
0.06 |
상기 표 1의 Al, Ti, Mg, Zr중 선택된 1종 이상의 성분은 하기 표 2와 같이 조성되었다.
구분 |
Al |
Ti |
Mg |
Zr |
합계 |
발명예1 |
0.2 |
0.1 |
- |
- |
0.30 |
발명예2 |
0.15 |
- |
0.08 |
- |
0.23 |
발명예3 |
0.15 |
- |
- |
0.13 |
0.28 |
발명예4 |
- |
0.1 |
0.09 |
- |
0.19 |
발명예5 |
- |
- |
0.14 |
0.15 |
0.29 |
발명예6 |
0.15 |
- |
- |
- |
0.15 |
발명예7 |
- |
0.1 |
- |
0.24 |
0.34 |
발명예8 |
0.25 |
- |
0.25 |
- |
0.50 |
발명예9 |
0.1 |
0.22 |
0.1 |
- |
0.42 |
비교예1 |
0.09 |
- |
0.09 |
- |
0.18 |
비교예2 |
- |
0.1 |
- |
0.1 |
0.20 |
비교예3 |
- |
- |
- |
0.09 |
0.09 |
비교예4 |
0.1 |
0.2 |
0.1 |
0.12 |
0.52 |
비교예5 |
0.1 |
- |
0.1 |
0.11 |
0.31 |
비교예6 |
0.2 |
0.2 |
- |
0.1 |
0.50 |
비교예7 |
0.3 |
0.01 |
0.2 |
- |
0.51 |
비교예8 |
- |
0.15 |
0.2 |
- |
0.35 |
비교예9 |
0.2 |
- |
- |
0.07 |
0.27 |
상기 표 1의 불화물은 하기 표 3과 같이 조성되었다.
구분 |
NaF |
K2SiF6 |
LiF |
BaF2 |
CaF2 |
MgF2 |
Na3AlF6 |
SrF2 |
KAlF4 |
불화물 F환산량 |
발명예1 |
0.022 |
0.021 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0.021 |
발명예2 |
- |
0.193 |
0.070 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0.151 |
발명예3 |
0.066 |
- |
0.061 |
- |
- |
0.164 |
- |
- |
- |
0.175 |
발명예4 |
0.199 |
0.174 |
0.016 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0.192 |
발명예5 |
- |
- |
- |
0.461 |
- |
- |
- |
- |
0.090 |
0.148 |
발명예6 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0.354 |
- |
0.200 |
발명예7 |
- |
- |
0.068 |
- |
- |
0.110 |
- |
- |
- |
0.117 |
발명예8 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0.341 |
- |
- |
0.185 |
발명예9 |
- |
- |
- |
- |
0.070 |
- |
- |
- |
- |
0.034 |
비교예1 |
0.044 |
0.029 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0.035 |
비교예2 |
- |
- |
0.027 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0.020 |
비교예3 |
0.044 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0.523 |
0.300 |
비교예4 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0.035 |
- |
- |
0.019 |
비교예5 |
- |
- |
- |
0.807 |
- |
- |
- |
- |
- |
0.175 |
비교예6 |
- |
- |
- |
- |
0.185 |
0.151 |
- |
- |
- |
0.182 |
비교예7 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0.177 |
0.108 |
0.158 |
비교예8 |
- |
0.120 |
0.205 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0.212 |
비교예9 |
0.049 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0.022 |
상기 표 1의 탄산기 함유 화합물은 하기 표 4와 같이 조성되었다.
구분 |
CaCO3 |
Na2CO3 |
BaCO3 |
탄산기함유화합물 CO2+CO3환산량 |
발명예1 |
0.050 |
0.071 |
- |
0.07 |
발명예2 |
0.083 |
- |
- |
0.05 |
발명예3 |
- |
0.053 |
0.165 |
0.07 |
발명예4 |
0.033 |
0.035 |
0.165 |
0.08 |
발명예5 |
- |
0.088 |
- |
0.05 |
발명예6 |
- |
- |
0.041 |
0.01 |
발명예7 |
- |
- |
0.124 |
0.03 |
발명예8 |
0.033 |
0.035 |
- |
0.04 |
발명예9 |
0.033 |
- |
0.165 |
0.06 |
비교예1 |
0.017 |
- |
- |
0.01 |
비교예2 |
- |
0.071 |
0.206 |
0.09 |
비교예3 |
0.083 |
0.088 |
- |
0.10 |
비교예4 |
- |
0.016 |
- |
0.01 |
비교예5 |
0.100 |
- |
0.247 |
0.12 |
비교예6 |
- |
0.016 |
- |
0.01 |
비교예7 |
0.050 |
0.071 |
- |
0.07 |
비교예8 |
0.033 |
0.035 |
0.165 |
0.08 |
비교예9 |
0.100 |
- |
- |
0.06 |
용접기법 |
보호가스 |
가스유량 |
용접전류 |
용접전압 |
용접속도 |
용접장 |
오토 캐리지 전진 |
Ar+20%CO2 |
20ℓ/분 |
280~290A |
29~30V |
30~32CPM |
50cm |
구분 |
비드외관 |
스패터발생 |
내고온 균열성 |
인장강도 (MPa) |
-40℃충격인성(J) |
-50℃충격인성(J) |
종합평가 |
발명예1 |
양호 |
양호 |
양호 |
601 |
145 |
109 |
양호 |
발명예2 |
양호 |
양호 |
양호 |
611 |
141 |
101 |
양호 |
발명예3 |
양호 |
양호 |
양호 |
592 |
157 |
111 |
양호 |
발명예4 |
양호 |
양호 |
양호 |
600 |
156 |
105 |
양호 |
발명예5 |
양호 |
양호 |
양호 |
575 |
164 |
124 |
양호 |
발명예6 |
양호 |
양호 |
양호 |
584 |
139 |
99 |
양호 |
발명예7 |
양호 |
양호 |
양호 |
622 |
127 |
98 |
양호 |
발명예8 |
양호 |
양호 |
양호 |
601 |
132 |
91 |
양호 |
발명예9 |
양호 |
양호 |
양호 |
588 |
156 |
115 |
양호 |
비교예1 |
불량 |
불량 |
불량 |
459 |
49 |
32 |
불량 |
비교예2 |
불량 |
양호 |
불량 |
713 |
81 |
61 |
불량 |
비교예3 |
불량 |
불량 |
양호 |
550 |
70 |
29 |
불량 |
비교예4 |
불량 |
양호 |
불량 |
649 |
72 |
42 |
불량 |
비교예5 |
불량 |
불량 |
양호 |
572 |
68 |
28 |
불량 |
비교예6 |
불량 |
양호 |
양호 |
533 |
44 |
19 |
불량 |
비교예7 |
불량 |
양호 |
불량 |
711 |
62 |
22 |
불량 |
비교예8 |
불량 |
양호 |
불량 |
578 |
78 |
43 |
불량 |
비교예9 |
불량 |
양호 |
불량 |
448 |
81 |
40 |
불량 |
상기 표 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명예(1~9)는 -40 ~ -50℃의 저온에서 우수한 충격인성을 가질 뿐만 아니라 비드외관, 스패터발생, 내고온균열성도 양호하게 나타났다.
그러나, 본 발명의 범위를 만족하지 않는 비교예(1~9)는 저온에서의 충격인성이 낮았으며, 작업성 및 내고온균열성 등도 양호하지 못했다.