KR101443480B1 - Ni기 합금 용접 금속 및 Ni기 합금 피복 아크 용접봉 - Google Patents

Ni기 합금 용접 금속 및 Ni기 합금 피복 아크 용접봉 Download PDF

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Abstract

Ni기 합금 용접 금속 중의 Cr, Fe, Mn, Ti, Si, Cu, N, Al, C, Mg, Mo, B, Zr, Nb+Ta의 함유량을 적정히 규정하고, 불가피적 불순물 중의 Co, P 및 S량을 규제한다. 특히, Mn의 함유량을 적정한 범위로 규정하는 것에 의해 내균열성이 높은 용접 금속이 얻어지고, B 및 Zr을 규제 성분으로서 적정히 규제하는 것에 의해 피트 및 블로우홀 등의 용접 결함의 발생도 억제된다. Ni기 합금 피복 아크 용접봉에 대해서는, 플럭스 성분으로서의 슬래그 형성제, 금속 불화물 및 탄산염의 함유량을 적정한 범위로 규정하고, 플럭스 중의 Mn, Nb+Ta 및 Fe량을 규제하는 것에 의해, 용접 작업성이 양호하고, 양호한 비드 외관을 갖는 용접 금속이 얻어진다.

Description

Ni기 합금 용접 금속 및 Ni기 합금 피복 아크 용접봉{NI-BASED ALLOY WELDING METAL, NI-BASED ALLOY-COATED ARC WELDING ROD}
본 발명은 원자로 및 압력 용기 등의 용접에 적합한 Ni기(基) 합금 용접 금속 및 이를 얻기 위해 사용되는 Ni기 합금 피복 아크 용접봉에 관한 것이며, 특히, 양호한 내균열성 및 비드 외관을 갖는 Ni기 합금 용접 금속, 및 이를 얻기 위해 사용되고 용접 작업성이 양호한 Ni기 합금 피복 아크 용접봉에 관한 것이다.
종래, 가압수형 원자력 발전 플랜트 등으로 대표되는 고온 고압용 용기의 재료로서는, 고온 고압수 중의 환경 하에서 내응력부식균열성이 우수한 Ni-15Cr계 합금이 사용되어 왔다. 그러나 최근, 한층 더한 내응력부식균열성 향상을 목적으로 하여 Ni-30Cr계 합금 등의 Ni기 고Cr 합금이 채용되고 있다. 이 고압용 용기의 용접에는 모재와 동등한 내식성이 요구되기 때문에, 모재와 동일한 성분계의 용가재(溶加材)가 필요하게 된다.
그러나, Ni-30Cr계 용가재를 사용하여 육성(肉盛) 용접 또는 이음매 용접을 한 경우, 다(多)패스 용접에 의한 용착 금속이 적층되는 용접부의 내부에서 미소한 균열이 발생하기 쉽다는 문제점이 있다. 이 입계 균열은, 용접 금속이 응고하는 과정에서 발생하는 응고 균열과 구별하여 「연성 저하 재열(再熱) 균열 」이라 불리고, 응고가 완료된 온도 영역에서 발생한다는 특질이 있다. 이 연성 저하 재열 균열은, 약 30% 이상의 Cr을 포함하는 고Cr계 Ni기 합금의 용접 금속에 있어서, 용접 시에 반복 재열을 받으면 결정립계에 조대한 Cr 탄화물이 석출되어 입계 강도, 즉 이웃하는 결정립끼리의 결합력이 약해진 결과, 용접 시에 인장 열 응력 또는 전단 열 응력이 입계에 작용하면 입계가 개구된다는 것이다.
이 연성 저하 재열 균열을 방지하는 종래 기술로서, 특허문헌 1에서는 Mn 및 Nb를 첨가하고 있다. 이 특허문헌 1에는, Cr: 27 내지 31질량%, Fe: 6 내지 11질량%, C: 0.01 내지 0.04질량%, Mn: 1.5 내지 4.0질량%, Nb: 1 내지 3질량%, Ta: 3질량% 이하, Nb+Ta: 1 내지 3질량%, Ti: 0.01 내지 0.50질량%, Zr: 0.0003 내지 0.02질량%, B: 0.0005 내지 0.004질량%, Si: 0.50질량% 미만, Al: 최대 0.50질량%, Cu: 0.50질량% 미만, W: 1.0질량% 미만, Mo: 1.0질량% 미만, Co: 0.12질량% 미만, S: 0.015질량% 미만, P: 0.015질량% 이하, Mg: 0.004 내지 0.01질량%를 함유하고, 잔부가 Ni 및 불가피적 불순물로 이루어지는 Ni-Cr-Fe 합금 용접 금속이 개시되어 있다.
특허문헌 2에는, 보일러 등의 고온 장치에 사용되는 오스테나이트계 용접 이음매 및 용접 재료가 개시되어 있고, 1 내지 5질량%의 Cu를 첨가하는 것에 의해 내식성을 확보하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 2의 기술에서는, 탈산제로서 첨가하는 Mn의 함유량을 용접 이음매 또는 용접 재료의 전체 질량당 3.0질량% 이하로 하는 것에 의해, 고온 장시간 사용에 있어서 금속간 화합물의 생성을 억제하여 취화를 방지하는 것이 개시되어 있다.
특허문헌 3에서는, 내용접균열성이 우수한 용접 금속을 얻기 위해, 피복 아크 용접봉에 첨가하는 Si, Mn, Cu, Nb, W, V 등의 성분 범위를 규정하고 있다. 또한, 불가피적 불순물로서 N을 적극적으로(0.03 내지 0.3질량%) 첨가하는 것에 의해, Ti 등과의 사이에 TiN 등의 질화물을 생성시켜 용접 금속의 인장강도를 향상시키는 것이 개시되어 있다.
일본 특허공표 2008-528806호 공보 일본 특허공개 2001-107196호 공보 일본 특허공개 평8-174270호 공보
그러나, 전술한 특허문헌 1의 용접 금속은 탈산제로서 첨가되는 Mg량이 많아, 용접 작업 시에 슬래그의 피포성(被包性) 및 박리성 등의 용접 작업성이 열화된다. 또한, 특허문헌 1의 용접 금속은 Mn의 함유량이 적어, 내재열균열성을 충분히 확보할 수 있는 것은 아니다. 또한, 특허문헌 1의 용접 금속은, B 및 Zr을 다량으로 함유시킨 경우에는, 용접 금속의 내응고균열성이 저하되어 버리는 경우가 있다.
일반적으로, 모재와 마찬가지의 화학 조성을 갖는 용접 재료를 사용하여 용접하는 경우에 있어서는, 용접 금속의 내식성 및 강도가 모재에 비해 열화되거나, 황산 환경 하에서 용접 이음매의 내식성이 충분히 얻어지지 않는다는 문제점이 있다. 특허문헌 2에서는, 1 내지 5질량%의 Cu를 첨가하는 것에 의해 내식성을 확보하고 있지만, Cu를 함유하는 오스테나이트강은 용접 균열 감수성이 높아, 응고 균열 이외에, 다층 쌓기 용접했을 때 용접 금속 내에 매우 미소한 균열이 발생하여, 건전한 용접 이음매가 얻어지지 않는다는 문제점이 있다. 또한, 특허문헌 2의 용접 이음매 및 용접 재료도 특허문헌 1과 마찬가지로 Mn의 함유량이 적어, 내재열균열성을 충분히 확보할 수 있는 것은 아니다.
그리고, 상기 특허문헌 1, 2의 기술은 용접 재료로서 피복 아크 용접봉도 포함하는 기술이라고 생각되지만, 피복 아크 용접봉에 적용한 경우에 있어서의 슬래그제 등에 대한 기재가 충분하지는 않다. 따라서, 슬래그제의 구성에 의해서는 양호한 용접 작업성을 확보하는 것이 곤란하다.
특허문헌 3의 피복 아크 용접봉은 용접 금속의 인장강도를 높이기 위해 N을 첨가하고 있지만, 그의 첨가량이 많아 고온 환경 하에서 질화물의 석출량이 다량이 되어, 용접 금속의 취화의 원인이 된다. 또한, N의 다량 첨가에 의해 블로우홀 등의 용접 결함이 발생하기 쉬워진다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 양호한 내균열성 및 비드 외관을 갖는 Ni기 합금 용접 금속, 및 이를 얻기 위해 사용되고 용접 용접 작업성이 양호한 Ni기 합금 피복 아크 용접봉을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 Ni기 합금 용접 금속은, Ni기 합금 용접 금속 전체 질량당, Cr: 28.0 내지 31.5질량%, Fe: 7.0 내지 11.0질량%, Nb 및 Ta: 총량으로 1.0 내지 2.0질량%, C: 0.05질량% 이하, Mn: 4.0 내지 5.5질량%, N: 0.005 내지 0.08질량%, Si: 0.70질량% 이하, Mg: 0.0010질량% 이하, Al: 0.50질량% 이하, Ti: 0.50질량% 이하, Mo: 0.50질량% 이하 및 Cu: 0.50질량% 이하를 함유하고, B의 함유량을 B: 0.0010질량% 이하, Zr의 함유량을 Zr: 0.0010질량% 이하로 규제한 조성을 갖고, 잔부가 Ni 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 상기 불가피적 불순물 중의 Co의 함유량을 Co: 0.10질량% 이하, P의 함유량을 P: 0.015질량% 이하, S의 함유량을 S: 0.015질량% 이하로 규제한 조성을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 Ni기 합금 피복 아크 용접봉은, 플럭스 성분을 함유하는 피복제를 Ni기 합금으로 이루어지는 심선의 외주에 피복하여 이루어지는 Ni기 합금 피복 아크 용접봉에 있어서, 상기 심선은, 심선의 전체 질량당 Cr: 28.0 내지 31.5질량%, Fe: 7.0 내지 11.0질량%, Nb 및 Ta: 총량으로 1.0 내지 2.0질량%, C: 0.05질량% 이하, Mn: 4.0 내지 5.5질량%, N: 0.001 내지 0.02질량%, Si: 0.70질량% 이하, Mg: 0.0010질량% 이하, Al: 0.50질량% 이하, Ti: 0.50질량% 이하, Mo: 0.50질량% 이하, Cu: 0.50질량% 이하를 함유하고, B의 함유량을 B: 0.0010질량% 이하, Zr의 함유량을 Zr: 0.0010질량% 이하로 규제한 조성을 갖고, 잔부가 Ni 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 상기 불가피적 불순물 중의 Co의 함유량을 Co: 0.10질량% 이하, P의 함유량을 P: 0.015질량% 이하, S의 함유량을 S: 0.015질량% 이하로 규제한 조성을 갖고, 상기 피복제는, 상기 플럭스 성분으로서, 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 슬래그 형성제: 3.5 내지 6.5질량%, 금속 불화물(F량 환산치): 2내지 5질량%, 탄산염(CO2량 환산치): 2.5 내지 6.5질량%를 함유하고, 상기 플럭스 중의 Mn의 함유량을 Mn: 2.0질량% 이하, Nb 및 Ta의 함유량을 총량으로 Nb+Ta: 1.5질량% 이하, Fe의 함유량을 Fe: 2.5질량% 이하로 규제한 조성을 갖는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서는, 상기 피복제는, 상기 플럭스 성분으로서, 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 알칼리 금속의 산화물: 0.7 내지 1.8질량%를 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 Ni기 합금 용접 금속은 Cr, Fe, Mn, Ti, Si, Cu, N, Al, C, Mg, Mo, B, Zr, Nb+Ta의 함유량이 적정히 규정되어 있고, 불가피적 불순물 중의 Co, P 및 S의 함유량도 적정한 범위로 규제되어 있다. 그리고, 이들 성분 중, Mn의 함유량을 적정한 범위로 규정하고, 또한 B 및 Zr을 규제 성분으로 하여 적정히 규제하고 있다. 이에 의해, 용접 금속의 내균열성은 양호하고, 용접 결함도 억제되며, 또한 비드 외관도 양호하다.
본 발명에 따른 Ni기 합금 피복 아크 용접봉은 B 및 Zr의 양이 적정한 범위로 규제되어 있고, N량도 적기 때문에, 피트 및 블로우홀 등의 용접 결함의 발생이 억제되고, 내균열성이 양호한 용접 금속을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 Ni기 합금 피복 아크 용접봉은, 피복제가 플럭스 성분으로서 함유하는 슬래그 형성제, 금속 불화물, 탄산염 및 알칼리 금속의 산화물의 함유량이 적정한 범위로 규정되어 있고, 플럭스 중의 Mn, Fe, Nb 및 Ta를 규제 성분으로 하여 적정히 규제하고 있다. 이에 의해, 용접 작업성도 양호하고, 양호한 비드 외관을 갖는 용접 금속이 얻어진다.
도 1은 다층 육성 용접을 설명하는 도면이다.
도 2는 고온 균열 시험에서의 T자 이음매를 나타내는 도면이다.
도 3은 Mn 함유량과 다층 육성 용접에서 발생한 균열 개수의 관계를 나타내는 그래프도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 본원 발명자들은, 종래의 용접 재료를 사용한 경우에 양호한 내균열성이 확보될 수 없다는 문제점을 해결하기 위해 여러 가지 실험 검토를 행했다. 그리고, 용접 금속의 내균열성을 향상시키는 성분으로서 Mn, B 및 Zr의 함유량에 주목하여, Mn을 종래보다도 많이 함유시키는 것에 의해 내재열균열성이 향상되고, B 및 Zr을 규제 성분으로 하여 그의 함유량을 적정한 범위로 규제하면 내응고균열성의 저하도 방지될 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
또한, 본원 발명자들은, 피복 아크 용접봉에서는, 피복제가 함유하는 슬래그 형성제, 금속 불화물, 탄산염 및 알칼리 금속의 산화물을 적정한 범위로 규정하는 것에 의해, 상기와 같은 내균열성이 우수한 용접 금속을 얻을 때에 용접 작업성의 저하도 방지될 수 있다는 것을 발견했다.
이하, 본 발명의 Ni기 합금 용접 금속 및 Ni기 합금 피복 아크 용접봉의 조성 한정 이유에 대하여 설명한다. 용접 금속 및 피복 아크 용접봉의 심선의 조성은, N을 제외하고 다른 원소는 동일하다. 우선, 이 용접 금속 및 와이어 심선의 조성 한정 이유에 대하여 설명한다. 한편, 조성 한정 이유에 대하여 기술하는 이하의 단락에서, 피복 아크 용접봉의 심선의 조성에 대해서는 심선의 전체 질량당 함유량으로서, 용접 금속의 조성에 대해서는 용접 금속의 전체 질량당 함유량으로서 기재한다.
「Cr: 전체 질량당 28.0 내지 31.5질량%」
Cr은 고온 고압수 중에서의 내응력부식균열성을 향상시키는 주요 원소이며, 또한 내산화성 및 내식성의 확보를 위해 유효하고, 그의 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는 전체 질량당 28.0질량% 이상이 필요하다. 한편, 피복 아크 용접봉에 Cr을 심선의 전체 질량당 31.5%를 초과하여 첨가하면, 피복 아크 용접봉 제조 시의 심선 가공성이 열화된다. 따라서, 본 발명에서는, Cr의 함유량을 심선의 전체 질량당 28.0 내지 31.5질량%로 규정한다. 이 Cr의 함유량은 AWS A5.11 ENiCrFe-7에 규정되는 범위를 만족한다.
「Fe: 전체 질량당 7.0 내지 11.0질량%」
Ni 합금에 고용된 Fe는 인장강도를 향상시키기 때문에 7.0질량% 이상을 첨가한다. 그러나, Fe는 저융점의 라베스상(Laves phase) Fe2Nb로서 입계에 석출되고, 다패스 용접 시의 재열에 의해 재용융되어 입계의 재열 액화 균열의 원인이 된다. 이 때문에, Fe는 11.0질량% 이하로 한다.
「C: 전체 질량당 0.05질량% 이하」
Ni 합금 중의 C는 고용 강화 원소이며, 인장강도 및 크리프 파단강도의 향상에 유효하다. 그러나, C는 Cr 및 Mo와 탄화물을 생성하여 용착 금속의 내입계부식성 및 내고온균열성을 열화시키기 때문에, C는 0.05질량%를 초과하여 첨가하지 않는다. C의 첨가에 의한 고용 강화의 효과를 얻기 위해서는, C의 함유량은 0.03 내지 0.05질량%인 것이 바람직하다.
「Mn: 전체 질량당 4.0 내지 5.5질량%」
용접 시의 조직이 완전한 오스테나이트계인 Ni기 합금에서는, 그의 응고 시에 입계에 불순물이 편석되어서 입계의 융점을 저하시켜, 재열 균열 발생의 원인이 된다. 본 발명에서는, 피복 아크 용접봉의 심선 중 Mn의 함유량이 4.0질량% 이상인 경우에, 용접 응고부에 있어서 저융점 화합물의 생성이 억제되어, 마찬가지의 조성을 갖는 용접 금속에 있어서 내재열균열성이 현저히 향상된다. 한편, 피복 아크 용접봉이 Mn을 심선의 전체 질량당 5.5질량%를 초과하여 다량으로 함유하면, 피복 아크 용접봉 제조 시의 심선 가공이 곤란해지고, 또한 용접 후의 슬래그 박리성이 열화된다. 따라서, Mn의 함유량은 4.0 내지 5.5질량%로 규정한다. 본 발명에서는, Mn의 함유량은 심선 또는 용접 금속의 전체 질량당 4.5 내지 5.5질량% 이하인 것이 바람직하다. 이 이유에 대해서는 실시예 2에서 후술하지만, Mn의 함유량을 4.5질량% 이상으로 하는 것에 의해 용접 금속의 내균열성이 비약적으로 향상된다.
「N: 전체 질량당 0.001 내지 0.02질량%(심선), 0.005 내지 0.08질량%(용접 금속)」
Ni 합금 중의 N은 고용 강화 원소이며, 0.001질량% 함유시키는 것에 의해 용접 금속의 인장강도 향상에 기여하지만, 0.02질량%를 초과하여 다량으로 첨가하면 블로우홀, 피트 등의 용접 결함의 발생으로 이어진다. 따라서, 본 발명에서는, N의 함유량은 0.001 내지 0.02질량%로 한다. 한편, 용접 금속의 경우에도, 0.005질량% 이상의 N을 함유시키는 것에 의해 그의 인장강도가 높아져 바람직하지만, 0.08질량%를 초과하는 다량의 N을 함유시키면 블로우홀, 피트 등의 용접 결함의 발생 원인이 되기 때문에, 용접 금속 중의 N량의 상한치를 0.08질량%로 규정한다.
「Si: 전체 질량당 0.70질량% 이하」
Si는 탈산제로서 첨가하는 것에 의해 합금 내의 청정도를 높인다. 이 효과를 얻기 위해서는, Si를 0.15질량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 다량으로 첨가하면 내고온균열성이 저하되기 때문에, Si 함유량의 상한치를 0.70질량% 이하로 규정한다.
「Mg: 전체 질량당 0.0010질량% 이하」
피복 아크 용접봉이 다량의 Mg를 함유하면, 슬래그 박리성 등의 용접 작업성이 열화된다. 따라서, 본 발명에서는, Mg량의 상한치를 0.0010질량%로 규정한다.
「Al, Ti 및 Cu: 전체 질량당 각각 0.50질량% 이하」
Al, Ti 및 Cu의 함유량은 AWS A5.11 ENiCrFe-7에 규정되는 범위를 만족하기 위해 각각 0.50질량% 이하로 규정한다.
「Mo: 전체 질량당 0.50질량% 이하」
Mo는 용접 금속의 강도를 향상시키기 위해 첨가한다. 그러나, 0.50질량%를 초과하는 다량의 Mo를 첨가하면, 용접 금속의 내고온균열 감수성이 저하된다. 한편, 이 Mo의 함유량은 AWS A5.11 ENiCrFe-7에 규정되는 범위를 만족한다.
「Nb 및 Ta: 전체 질량당 총량으로 1.0 내지 2.0질량%」
Nb 및 Ta는 모두 합금 중의 C와 우선적으로 결합하여 NbC 및 TaC 등의 안정적인 탄화물을 형성한다. 그리고, 입계에서의 조대 Cr 탄화물 생성을 억제하는 것에 의해 내재열균열 감수성이 현저히 향상된다. 따라서, 본 발명에서는, Nb 및 Ta를 총량으로 1.0질량% 이상 함유시킨다. 그러나, Nb 및 Ta를 총량으로 2.0%를 초과하여 다량으로 함유시키면, 응고 편석에 의해 입계에 농화되어 저융점의 금속간 화합물상(라베스상)을 형성하기 때문에, 용접 시의 응고 균열이나 재열 균열의 원인이 된다. 또한, Nb 탄화물의 조대화에 의한 인성 및 가공성의 열화가 발생하기 쉬워진다. 바람직하게는, Nb 및 Ta의 함유량은 심선 또는 용접 금속의 전체 질량당 총량으로 1.0 내지 1.7질량%이다.
「B 및 Zr: 전체 질량당 각각 0.0010질량% 이하로 규제」
Ni기 합금 중의 B 및 Zr은, 미량 첨가에 의해 입계의 강도를 향상시켜 열간 압연성을 양호하게 하고, 용접 금속의 내재열균열성을 향상시키는 효과가 있어, 와이어의 가공을 용이하게 할 수 있다고 일반적으로 말해지고 있다. 그러나, 본 발명에서는, B 및 Zr은 적극적으로는 첨가하지 않고, 규제 성분으로 한다. 즉, B 및 Zr을 피복 아크 용접봉 및 용접 금속에 다량으로 첨가하면 용접 금속의 응고 균열 감수성이 높아지기 때문에, 이들 성분의 함유량을 각각 0.0010질량% 이하로 규제한다.
「불가피적 불순물 중의 Co: 전체 질량당 0.10질량% 이하로 규제」
불가피적 불순물로서 포함되는 Co는, 노 내에서의 중성자 조사에 의해 반감기가 긴 동위체 Co60으로 변화되어 방사선원이 되기 때문에, 그의 함유량은 적을수록 바람직하다. 본 발명에서는, Co의 함유량을 0.10질량% 이하로 규제한다. 바람직하게는, Co의 함유량은 0.05질량% 이하로 규제한다.
「불가피적 불순물 중의 P 및 S: 전체 질량당 0.015질량% 이하로 규제」
불가피적 불순물로서 포함되는 P 및 S는, 용접 금속의 응고 시에 입계에 편석되어, 편석(고농도로 농축된) 부분에 저융점 화합물을 형성하기 쉬워지고, 용접 균열 감수성을 높여, 응고 균열의 원인이 된다. 따라서, 본 발명에서는, 불가피적 불순물 중의 P 및 S를 0.015질량% 이하로 규제한다.
다음으로, 본 발명의 Ni기 합금 피복 아크 용접봉에 있어서 피복제 중의 플럭스 성분의 조성 한정 이유를 설명한다.
「슬래그 형성제: 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 3.5 내지 6.5질량%」
플럭스 중의 슬래그 형성제는, 아크의 안정성, 스패터 발생량, 슬래그의 박리성, 비드 형상 등 양호한 용접 작업성을 확보하기 위해 3.5질량% 이상 첨가한다. 한편, 플럭스 성분으로서 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 6.5질량%를 초과하는 다량의 슬래그 형성제를 함유시키면, 스패터의 발생량이 과다해지거나 아크 안정성이 저하되는 등 용접 작업성이 저하된다. 따라서, 본 발명에서는, 슬래그 형성제의 첨가량을 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 3.5 내지 6.5질량%의 범위로 조절한다. 슬래그 형성제로서는, SiO2, TiO2, MgO, Al2O3 등을 이용할 수 있다.
「금속 불화물(F량 환산치): 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 2내지 5질량%」
금속 불화물은 아크 강도를 높임과 더불어, 슬래그의 점성 및 응고 온도를 낮춰 유동성을 향상시키고, 슬래그 박리성의 향상, 융합 불량 방지, 피트·블로우홀 방지에 효과가 있기 때문에, 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 F량 환산치로 2질량% 이상 첨가한다. 그러나, 금속 불화물의 첨가량이 과다해지면, 아크 강도가 지나치게 강해져 스패터가 증가하고, 언더컷이 생기기 쉬워지며, 비드 형상이 볼록해진다. 따라서, 본 발명에서는, 금속 불화물 함유량의 상한치를 F량 환산치로 5질량%로 규정한다. 금속 불화물은 불화소다(NaF)를 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 F량 환산치 0.7 내지 1.8질량% 함유하는 것이 바람직하고, 이에 의해 슬래그 박리성이 현저히 향상된다.
「탄산염(CO2량 환산치): 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 2.5 내지 6.5질량%」
탄산염은 고온 분해에 의해 발생한 가스에 의해 아크를 실드하고, 또한 용접 금속을 고염기성으로 유지하여, 건전한 용접 금속을 확보한다. 또한, 탄산염의 첨가는 슬래그 유동성의 적정화에 기여하여, 양호한 용접 작업성의 확보에 유효하다. 본 발명에서는, 이들 효과를 충분히 얻기 위해, 탄산염의 함유량은 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 CO2량 환산치로 2.5질량% 이상으로 한다. 한편, 탄산염의 다량 첨가는 슬래그 박리성 및 비드 외관 등을 열화시키기 때문에, 본 발명에서는 탄산염 함유량의 상한치를 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 CO2량 환산치로 6.5질량%로 한다.
「알칼리 금속의 산화물: 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 0.7 내지 1.8질량%」
Li2O, Na2O 및 K2O 등의 알칼리 금속의 산화물은 적정 범위로 첨가하는 것에 의해 아크 안정성이 향상되고, 스패터 발생량의 저감 및 슬래그 피포성의 개선에 기여한다. 본 발명에서는, 알칼리 금속의 상기 적정 범위를 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 0.7 내지 1.8질량%로 규정한다. 한편, 알칼리 금속의 산화물로서는, 피복 아크 용접봉의 피복제 중에 포함되는 물유리 유래의 알칼리 금속의 산화물도 포함된다.
「플럭스 중의 Mn: 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 2.0질량% 이하로 규제」
플럭스 중의 Mn은 첨가에 의해 슬래그 박리성 등의 용접 작업성을 열화시킨다. 따라서, 본 발명에서는, 플럭스 중의 Mn의 함유량을 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 2.0질량% 이하로 규제한다.
「플럭스 중의 Nb 및 Ta: 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 총량으로 1.5질량% 이하로 규제」
플럭스 중의 Nb는, Mn과 마찬가지로, 첨가에 의해 슬래그 박리성 등의 용접 작업성을 열화시킨다. 따라서, 본 발명에서는, 플럭스 중의 Nb의 함유량을 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 1.5질량% 이하로 규제한다.
「플럭스 중의 Fe: 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 2.5질량% 이하로 규제」
플럭스 중의 Fe는, Mn, Nb 및 Ta와 마찬가지로, 첨가에 의해 슬래그 박리성 등의 용접 작업성을 열화시킨다. 따라서, 본 발명에서는, 플럭스 중의 Fe의 함유량을 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 2.5질량% 이하로 규제한다.
이와 같이, 본 발명에서는, 슬래그 박리성 등의 용접 작업성의 열화를 방지하기 위해, 피복제 중의 Mn, Nb, Ta 및 Fe를 규제 성분으로 하고 있다. 즉, 피복제 중의 Mn, Nb, Ta 및 Fe 성분은 피복제(보호 통)가 녹는 방법에 영향을 주고, 이에 의해 슬래그 박리성이 저하된다고 추정된다. 또는, 피복제의 원료로서 첨가되는 Mn, Nb, Ta, Fe 성분 및 이들의 합금에 포함되는 불순물 성분이 슬래그 박리성의 저하에 영향을 주고 있다고 추정된다.
「피복률: 25 내지 45중량%」
용접봉 전체 중량에 대한 피복제의 중량 비율을 나타내는 피복률은, 25중량% 미만이면, 아크 안정성이 나빠짐과 더불어, 봉이 타는 현상이 발생하여 보호 통이 열화되기 때문에, 양호한 용접 작업성을 얻을 수 없다. 또한 피복제로부터의 합금성분 첨가가 제한된다. 한편, 피복률이 45중량%를 초과하면, 슬래그가 과잉이 되어 슬래그가 선행하기 때문에, 개선(開先) 내의 용접에 부적당하고, 슬래그 박리성도 저하된다. 따라서, 피복률은 25 내지 45중량%로 한다.
실시예
(실시예 1)
다음으로, 본 발명의 실시예의 효과에 대하여, 본 발명의 범위로부터 벗어나는 비교예와 비교하여 설명한다. 진공 용해로에서, Cr을 28.0 내지 31.5질량% 함유하는 Ni 합금 잉곳을 용제(溶製)한 후, 단조 및 압연을 거쳐 신선 가공을 행하여 피복 아크 용접봉용 심선을 제작했다. 용제 공정에서는, 사용하는 원료의 첨가 비율을 변경하는 것에 의해 Ni, Cr, Fe, Mn, Ti, Si, Cu, N, Al, C, Nb+Ta의 각 원소의 농도를 조정하고, P, S, Mo, Co, Zr, B, Mg의 각 규제 원소에 대해서는, 원료의 첨가 비율 변경 외에, 사용하는 주원료(Ni 및 Cr)의 순도에 의해서도 그의 농도를 조정했다. 이에 의해, 여러 가지의 조성을 갖는 9종류의 심선을 제작했다. 각 심선 A 내지 I의 조성을 표 1-1 및 표 1-2에 나타낸다.
[표 1-1]
Figure 112012091788729-pct00001
[표 1-2]
Figure 112012091788729-pct00002
제작한 심선 A 내지 I에 여러 가지의 조성을 갖는 피복제를 피복한 후, 건조시켜 실시예 및 비교예의 피복 아크 용접봉으로 했다. 제작한 피복 아크 용접봉의 직경은 4.0mm, 피복률은 34.1%이다. 각 심선 A 내지 I의 종류, 피복제 성분의 조성 및 피복 아크 용접봉 전체의 금속 성분의 조성에 대하여, 표 2-1 내지 표 2-4에 나타낸다. 한편, 피복 아크 용접봉의 심선 및 피복제의 조성이 본 발명의 바람직한 조건을 만족하는 것에 대해서는, 표 중의 「용접봉」란에 부호 「A」, 본 발명의 바람직한 조건을 만족하지 않는 것에 대해서는, 「용접봉」란에 부호 「B」를 붙여 나타낸다.
[표 2-1]
Figure 112012091788729-pct00003
[표 2-2]
Figure 112012091788729-pct00004
[표 2-3]
Figure 112012091788729-pct00005
[표 2-4]
Figure 112012091788729-pct00006
각 실시예 및 비교예의 피복 아크 용접봉을 이용하여 용접했을 때의 용접 작업성 및 비드 외관 등에 대하여 평가했다. 또한, 각 실시예 및 비교예의 피복 아크 용접봉에 의한 용접 금속에 대하여, 내재열균열성, 고온 균열의 유무 및 피트의 발생 빈도 평가를 행했다. 평가 시험의 방법은 이하와 같다.
「다층 육성 용접 시험」
도 1에 나타내는 바와 같이, ASTM A533B CL.2(대응 JIS 규격: JIS G 3120/SQV2B)에 규정되어 있는 Mn-Ni-Mo계의 압력 용기용 저합금 강판을 모재(1)로 하고, 그 위에 5층의 육성 용접을 행했다. 용접 조건은 극성이 DC+, 용접 전류가 130A, 용접 전압이 25V, 용접 속도가 150 내지 200mm/분이다. 한편, 모재의 두께는 50mm, 육성 용접의 깊이는 25mm, 저부의 폭은 50mm이다. 각 실시예 및 비교예의 피복 아크 용접봉에 의한 용접 금속의 조성에 대하여 표 3-1 및 표 3-2에 나타낸다. 그리고, 각 실시예 및 비교예에 대하여, 용접 비드 표면에 대해 수직 방향으로 6.5mm 두께의 시험편 5매를 잘라내어, 굽힘 반경이 약 50mm인 조건에서 굽힘 가공을 실시한 단면(斷面)에 대하여 침투 탐상(探傷) 시험을 실시하여 균열의 발생 빈도를 평가했다. 그리고, 굽힘 시험편의 10 단면에 대하여, 길이가 0.1mm 이상인 균열의 개수를 카운팅하고, 10 단면의 총 균열 개수가 1개 미만인 경우를 A, 1.0개 이상 5.0개 미만인 경우를 B, 5.0개 이상 15개 미만인 경우를 C, 15개 이상인 경우를 D로 하여 내재열균열성을 평가했다. 이때, 피트의 발생 개수에 대해서도 마찬가지로 카운팅하고, 상기와 마찬가지의 평가를 행했다. 한편, 각 실시예 및 비교예의 피복 아크 용접봉에 의한 용접 작업 시에는, 스패터 발생량, 용접 금속의 비드 외관 및 슬래그 박리성을 육안으로 평가했다. 스패터 발생량에 대해서는, 적었던 경우를 A, 약간 많았던 경우를 B로 평가했다. 비드 외관 및 슬래그 박리성에 대해서는, 이하의 평가 기준에 가장 가까운 것에 의해 평가했다. 평가 A는, 융합이 양호하기 때문에 비드의 가지런함이 좋고, 비드의 라인이 직선이며, 슬래그 박리성도 양호하다. 평가 B는, 융합이 약간 나빠 비드의 가지런함이 흐트러지기 때문에 비드의 라인이 약간 물결치고, 슬래그 박리성도 약간 열화되었다. 평가 C는, 융합이 매우 나빠 비드의 가지런함이 크게 흐트러지기 때문에, 비드의 라인이 물결치고, 슬래그 박리성도 나쁘다.
「고온 균열 시험」
고온 균열 시험은 JIS Z3153에 준하여 행했다. 이 고온 균열 시험에 사용한 시료의 형상을 도 2에 나타낸다. 도 2에 나타내는 2매의 시험편에 의해 T자 모양의 이음매를 형성하고, 필릿부의 2개소를 전체 길이에 걸쳐 필릿 용접했다. 공시(供試) 봉의 직경은 4.0mm, 용접 조건은 극성이 DC, 용접 전류가 150A, 용접 전압이 25V, 용접 속도가 300mm/분이다. 그리고, 필릿 용접부에서의 고온 균열 발생률을 평가했다. 한편, 균열이 발생하지 않은 경우를 A, 균열이 발생하고, 용접부의 전체 길이에 대한 균열률이 5.0% 미만이었던 경우를 B, 균열률이 5.0% 이상 10.0% 미만이었던 경우를 C, 균열률이 10.0% 이상이었던 경우를 D로 평가했다. 각 실시예 및 비교예의 시험편에 대하여, 고온 균열 시험 결과를 표 3-3에 함께 나타낸다.
그리고, 종합 판정란은, 내재열균열성, 고온 균열의 유무, 비드 외관 및 슬래그 박리성, 스패터 발생량 및 피트의 발생 빈도 중 어느 것인가에 C 또는 D의 평가가 있는 경우에 ×로 하고, C 또는 D의 평가가 없는 경우를 ○로 하며, 모든 평가가 A인 경우를 ◎로 했다.
[표 3-1]
Figure 112012091788729-pct00007
[표 3-2]
Figure 112012091788729-pct00008
[표 3-3]
Figure 112012091788729-pct00009
표 3-1 내지 표 3-3에 나타내는 바와 같이, 실시예 No. 1 내지 14는 용접 금속의 조성이 본 발명의 범위를 만족하기 때문에, 내재열균열성, 내고온균열성이 우수하고, 피트도 발생하지 않았다. 이들 실시예 중, 실시예 No. 1 내지 7은 용접에 사용한 피복 아크 용접봉의 조성이 본 발명의 바람직한 조건을 만족하는 실시예이다. 따라서, 용접 작업 시에 스패터의 발생량이 적고, 얻어진 용접 금속은 비드 외관 및 슬래그 박리성도 양호하며, 용접 작업성이 양호했다. 이와 같이, 본 발명의 필수 조건을 만족하는 양호한 내균열성 및 비드 외관을 갖는 Ni기 합금 용접 금속을 얻을 때에, 본 발명의 바람직한 조건을 만족하는 Ni기 합금 피복 아크 용접봉을 사용하면, 그의 용접 작업성도 양호하다.
이에 반하여, 비교예 No. 15 내지 25는 용접 금속의 조성이 본 발명의 범위를 만족하지 않기 때문에, 내재열균열성, 내고온균열성, 비드 외관/슬래그 박리성, 피트의 발생 및 스패터 발생량 중 1 이상의 항목에서 성능의 열화가 보였다. 즉, 비교예 No. 15는 용접에 사용한 피복 아크 용접봉의 조성 중, 플럭스 중의 Mn량이 많고, 얻어진 용접 금속 중의 Mn의 함유량도 본 발명의 범위를 초과하여, 슬래그 박리성이 저하되었다. 비교예 No. 16은 심선 중의 Mn의 함유량이 본 발명의 범위 미만인 피복 아크 용접봉을 사용했기 때문에, 얻어진 용접 금속 중의 Mn의 함유량이 본 발명의 범위 미만이 되어, 용접 금속의 내재열균열성이 저하되었다.
비교예 No. 17은 심선 중의 Nb 및 Ta의 총량이 본 발명의 범위 미만인 피복 아크 용접봉을 사용했기 때문에, 용접 금속 중의 Nb 및 Ta의 총량도 본 발명의 범위 미만이 되어, 용접 금속의 내재열균열성이 저하되었다. 비교예 No. 18은 피복 아크 용접봉의 플럭스 중의 Nb 및 Ta의 총량이 많아, 슬래그 박리성이 열화되고, 얻어진 용접 금속에 있어서 Nb 및 Ta 함유량의 총량이 본 발명의 범위를 초과하여, 내재열균열성이 저하되고, 고온균열성도 저하되었다. 비교예 No. 19는 심선 중에 다량의 C를 함유하는 피복 아크 용접봉을 사용했기 때문에, 얻어진 용접 금속 중의 C량이 과다해져, 내고온균열성이 저하되었다. 비교예 No. 20은 심선 중에 다량의 Si를 함유하는 피복 아크 용접봉을 사용했기 때문에, 얻어진 용접 금속 중의 Si량이 과다해져, 내고온균열성이 저하되었다.
비교예 No. 21은 피복 아크 용접봉의 심선 중의 B량이 많고, 얻어진 용접 금속 중의 B량이 과다해져, 내고온균열성이 저하되었다. 마찬가지로, 비교예 No. 22는 피복 아크 용접봉의 심선 중의 Zr량이 많고, 용접 금속 중의 Zr량이 과다해져, 내고온균열성이 저하되었다.
비교예 No. 23은 심선 중의 Mg의 함유량이 본 발명의 범위를 초과하는 피복 아크 용접봉을 사용했기 때문에, 용접 금속 중의 Mg량 과다에 의해 슬래그 박리성이 열화되고, 용접 작업성이 열화되었다. 비교예 No. 24는 피복 아크 용접봉의 조성 중, 플럭스 중의 Fe의 함유량이 많고, 얻어진 용접 금속 중의 Fe량이 과다해져, 내재열균열성 및 내고온균열성이 저하되고, 슬래그 박리성도 열화되었다. 비교예 No. 25는 심선 중에 다량의 N을 함유하는 피복 아크 용접봉을 사용했기 때문에, 용접 금속 중의 N량이 과다해져, 발생한 피트의 수가 많아졌다.
(실시예 2)
다음으로, 본 발명의 Ni기 합금 피복 아크 용접봉 및 용접 금속에서의 Mn의 함유량에 대하여 설명한다. 도 3은, Ni기 합금 피복 아크 용접봉 및 Ni기 합금 용접 금속에 대하여 Mn의 함유량을 여러 가지로 변화시킨 경우에, 상기 실시예 1과 마찬가지의 다층 육성 용접 시험에 의해 길이가 0.1mm 이상인 균열이 발생한 개수를 나타낸다. 이 도 3에 나타내는 Ni기 합금 피복 아크 용접봉 및 Ni기 합금 용접 금속은, Mn, Nb+Ta 이외의 함유량에 대해서는 AWS A5.11 ENiCrFe-7에 규정되는 범위를 만족하고, Nb 및 Ta의 총량은 본 발명의 범위(전체 질량당 1.0 내지 2.0질량%)를 만족한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, Mn을 전체 질량당 4.0 내지 5.0질량% 함유하는 용접 금속에 있어서 내균열성이 향상되고, 특히 Mn의 함유량이 4.5 이상인 경우에 내균열성이 현저히 향상되었음을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서는, Mn을 4.0질량% 이상(바람직하게는 4.5질량% 이상) 함유하는 용접 금속을 형성하는 것에 의해 용접 금속의 내균열성을 향상시킬 수 있다.
1: 모재
2: 육성 용접

Claims (2)

  1. Ni기 합금 용접 금속 전체 질량당, Cr: 28.0 내지 31.5질량%, Fe: 7.0 내지 11.0질량%, Nb 및 Ta: 총량으로 1.0 내지 2.0질량%, C: 0.05질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음), Mn: 4.5 내지 5.5질량%, N: 0.005 내지 0.08질량%, Si: 0.70질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음), Mg: 0.0010질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음), Al: 0.50질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음), Ti: 0.50질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음), Mo: 0.50질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음) 및 Cu: 0.50질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음)를 함유하고, B의 함유량을 B: 0.0010질량% 이하, Zr의 함유량을 Zr: 0.0010질량% 이하로 규제한 조성을 갖고, 잔부가 Ni 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 상기 불가피적 불순물 중의 Co의 함유량을 Co: 0.10질량% 이하, P의 함유량을 P: 0.015질량% 이하, S의 함유량을 S: 0.015질량% 이하로 규제한 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 Ni기 합금 용접 금속.
  2. 플럭스 성분을 함유하는 피복제를 Ni기 합금으로 이루어지는 심선의 외주에 피복하여 이루어지는 Ni기 합금 피복 아크 용접봉에 있어서,
    상기 심선은, 심선의 전체 질량당 Cr: 28.0 내지 31.5질량%, Fe: 7.0 내지 11.0질량%, Nb 및 Ta: 총량으로 1.0 내지 2.0질량%, C: 0.05질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음), Mn: 4.0 내지 5.5질량%, N: 0.001 내지 0.02질량%, Si: 0.70질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음), Mg: 0.0010질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음), Al: 0.50질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음), Ti: 0.50질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음), Mo: 0.50질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음), Cu: 0.50질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음)를 함유하고, B의 함유량을 B: 0.0010질량% 이하, Zr의 함유량을 Zr: 0.0010질량% 이하로 규제한 조성을 갖고, 잔부가 Ni 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 상기 불가피적 불순물 중의 Co의 함유량을 Co: 0.10질량% 이하, P의 함유량을 P: 0.015질량% 이하, S의 함유량을 S: 0.015질량% 이하로 규제한 조성을 갖고,
    상기 피복제는, 상기 플럭스 성분으로서, 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 슬래그 형성제: 3.5 내지 6.5질량%, 금속 불화물(F량 환산치): 2 내지 5질량%, 탄산염(CO2량 환산치): 2.5 내지 6.5질량%를 함유하고, 상기 플럭스 중의 Mn의 함유량을 Mn: 2.0질량% 이하, Nb 및 Ta의 함유량을 총량으로 Nb+Ta: 1.5질량% 이하, Fe의 함유량을 Fe: 2.5질량% 이하로 규제한 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 Ni기 합금 피복 아크 용접봉.
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