KR101597481B1

KR101597481B1 - 내이종 금속 접촉 부식성이 우수한 강재 및 용접 조인트

Info

Publication number: KR101597481B1
Application number: KR1020147023639A
Authority: KR
Inventors: 신지 사카시타; 사토시 요시다
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2016-02-24
Also published as: JP2013177656A; CN104136646B; CN104136646A; KR20140117617A; WO2013129263A1; JP5833950B2

Abstract

본 발명의 강재는, 질량％로 C: 0.01 내지 0.30％, Si: 0.1 내지 1.0％, Mn: 0.1 내지 2.0％, P: 0.04％ 이하, S: 0.03％ 이하, Al: 0.010 내지 0.10％, Cu: 0.3 내지 3.0％, Ni: 0.3 내지 5.0％, Ti: 0.010 내지 0.10％, Ca: 0.0005 내지 0.0050％, N: 0.0020 내지 0.0080％, O: 0.0010％ 이하를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하며, 하기 수학식 1로 정의되는 N*가 0.0001％ 이하이고, 내이종 금속 접촉 부식성에 우수하다.
수학식 1: N*=[N]-0.29×[Ti]
(단, []는 각 화학 성분의 함유량(질량％)임)

Description

내이종 금속 접촉 부식성이 우수한 강재 및 용접 조인트{WELDING JOINT AND STEEL HAVING EXCEPTIONAL GALVANIC CORROSION RESISTANCE}

본 발명은, 교량, 해양 구조물, 토목ㆍ건축 구조물, 선박 등으로 대표되는 부식성 환경에 있어서의 강 구조물에 사용되는 강재 및 용접 조인트에 관한 것이며, 특히 이종 강재를 용접 접합할 때에 사용되는 강재 및 용접 조인트에 관한 것이며, 특히 무도장(無塗裝)으로 사용되는 강재 및 용접 조인트에 관한 것이다.

교량, 해양 구조물, 토목ㆍ건축 구조물, 선박 등의 강 구조물에 있어서는, 사용되는 환경의 부식성에 따라 다양한 강재가 사용되고 있다.

예를 들어, 부식성이 매우 낮은 산간부 등의 사용 환경에서는, JIS의 SM 규격으로 대표되는 통상의 용접 구조용 강이 선정된다.

또한, 비래 염분량이 NaCl 환산으로 0.05mg/dm²/day(이하 「mdd」로도 약기함) 이하인 것을 하나의 목표로 하는 부식성이 비교적 낮은 사용 환경에서는, 교량 분야에 있어서는 JIS G 3114에 규정되어 있는 내후성 강(이하 「JIS 내후성 강」이라고 약기함)이 무도장(무사양)으로 사용되고 있다. 그리고, 더욱 부식성이 엄격한 사용 환경에서는 Ni계 내후성 강 등과 같이 Cu나 Ni 등의 내식성을 향상시키는 합금 원소의 첨가량을 증가시킨 내식성 강재가 사용 환경의 부식성에 따라 사용되고 있다. 이 내후성 강이나 내식 강재는, 구조물의 건설 비용의 관점에서 사용 환경의 부식성에 따라 최적의 강재가 선정되지만, 경우에 따라서는 녹 안정화 처리나 중방식 도장 등의 표면 처리를 실시하여 사용되고 있다.

그런데, 화학 성분이 상이한 재료가 용접 등에 의해 접촉한 경우에는, 이종 금속 접촉 부식에 의해 비한 쪽의 강재 또는 용접 금속의 부식이 촉진될 가능성이 있다. 용접 구조물에 있어서는, 사용하는 용접 재료와 모재의 강재 화학 성분은 반드시 동일한 것은 아니기 때문에, 용접 금속과 모재의 성분이 상이한 것이 통상적이다. 따라서, 용접 조인트부에 있어서 이종 금속 접촉 부식이 발생할 가능성이 있으며, 용접부의 내식성 확보는 부식 수명 확보의 면에서도 중요한 과제이다. 이러한 것으로부터, 용접부의 내식성 향상을 목적으로 한 용접 재료나 용접 방법이 제안되어 있다(특허문헌 1, 2 참조).

강재의 부식성은 사용 환경의 온도, 습도, 염분량 등의 조건에 의해 따라 결정되지만, 부식성은 구조물의 부위에 따라서도 상이하다. 예를 들어, 교량의 거더 내 등의 강우가 직접 튀지 않는 수평 방향으로 설치된 강재의 상면에서는, 강우가 직접 튀는 외면의 수직 설치 부재에 비교하면 비래 염분의 축적이 현저하며, 비교적 부식 쇠모가 현저하다. 이러한 강 구조물의 부위마다의 부식성이 상이한 것을 고려하여, 예를 들어 부식이 엄격한 교량 거더 내 수평 부재에는 내식성이 우수한Ni계 내후성 강을 적용하고, 수직 부재에는 JIS 내후성을 적용하는 부위마다 강재를 구분지어 사용하는 요구가 건설 비용 저감의 관점에서 높아지고 있다.

이와 같이, 구조물의 부위마다 강재를 구분지어 사용하는 경우에는, 상술한 바와 같이 용접부 근방에서의 이종 금속 접촉 부식의 문제가 발생하는 경향이 더욱 강해져, 이종 금속 접촉 부식의 대책이 필요하지만, 종래 기술에서는 충분한 것이라고는 할 수 없으며, 더욱 효과적인 대책이 요망되고 있다.

일본 특허 공개 2000-107886호 공보 일본 특허 공개 2002-336989호 공보

본 발명은 상술한 바와 같은 사정에 착안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 이종 강재를 용접으로 접합할 때에 사용한 경우에도 양호한 내식성을 갖는 강재 및 용접 조인트를 제공하는 것에 있다.

청구항 1에 기재된 발명은,
화학 성분 조성이 상이한 2종류의 강재 A 및 강재 B를 용접하여 형성되는 용접 조인트이며, 상기 강재 A 및 강재 B 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 강재가 하기 (1) 또는 (2)에 기재된 강재이며,
상기 강재 A, 상기 강재 B 및 용접 금속의 Cu+Ni 합계 함유량을 각각 XA, XB 및 XW로 한 경우에, 하기 수학식 2 및 수학식 3의 양쪽을 만족하는, 용접 조인트.
(1) 질량％로(이하, 화학 성분에 대하여 동일함)
C: 0.01 내지 0.30％,
Si: 0.1 내지 1.0％,
Mn: 0.1 내지 2.0％,
P: 0.04％ 이하,
S: 0.03％ 이하,
Al: 0.010 내지 0.10％,
Cu: 0.3 내지 3.0％,
Ni: 0.3 내지 5.0％,
Ti: 0.010 내지 0.10％,
Ca: 0.0005 내지 0.0050％,
N: 0.0020 내지 0.0080％,
O: 0.0010％ 이하
를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하는 강재이며,
하기 수학식 1로 정의되는 N*가 0.0001％ 이하인 것을 특징으로 하는, 내이종 금속 접촉 부식성이 우수한 강재.
수학식 1: N*=[N]-0.29×[Ti]
(단, []는 각 화학 성분의 함유량(질량％)임)
(2) Cr: 0.01 내지 1.0％,
Mo: 0.01 내지 1.0％,
W: 0.01 내지 1.0％,
Nb: 0.005 내지 0.05％,
V: 0.01 내지 0.10％,
B: 0.0001 내지 0.005％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 상기 (1) 기재의 강재.
수학식 2: |XA-XW|≤1.0％
수학식 3: |XB-XW|≤1.0％

삭제

청구항 6에 기재된 발명은,

대기 부식 환경에서 사용되는 구조물에 사용되는 청구항 1에 기재된 용접 조인트이다.

삭제

청구항 8에 기재된 발명은,

상기 대기 부식 환경은 비래 염분량이 0.05mg-NaCl/dm²/day 이하의 대기 환경인 청구항 6에 기재된 용접 조인트이다.

본 발명의 강재는, 그 화학 성분으로서 특히 TiN량이 적절하게 조정되어 있음과 함께, N 및 O 함유량이 저감되어 있기 때문에, 이들의 상승 작용으로서 이종 금속 접촉시의 캐소드 반응을 억제할 수 있으며, 접촉하는 상대재와의 전위차가 비교적 큰 경우에도 이종 금속 접촉에 의한 부식 촉진을 억제할 수 있기 때문에, 내부식성이 우수하고, 이종 강재를 접합할 때에 적절하게 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 용접 조인트는, 이종 강재를 접합할 때에 그 적어도 한쪽의 강재에 상기 본 발명의 강재를 사용하고 있기 때문에, 상기 작용의 결과로서 내부식성이 우수하여, 대기 부식 환경에서 사용되는 구조물에 적절하게 사용할 수 있다.

도 1은 실시예에서 사용한 테스트 피스의 개략 평면도이다.
도 2는 부식 시험 후의 테스트 피스의 개략 부분 단면도이다.

이하, 본 발명을 실시 형태에 기초하여 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명자들은 교량 등의 강 구조물에 적용할 수 있는 저합금 내식 강재에 대하여, 화학 성분 조성(이하, 간단히 「성분 조성」이라고도 함)이 상이한 강재를 접합한 경우에 있어서의 내식성 확보에 대하여 예의 연구를 행한 결과, 이하의 지식을 얻었다.

즉, 이종 금속 접촉 부식은, 접촉하는 강재끼리의 사이 또는 모재와 용접 금속 사이의 부식 전위의 차이에 기인하여 발생하며, 이종 금속간에서 전기 화학 셀이 형성되고, 비한 쪽의 금속에서는 용해 반응을 주체로 하는 애노드 반응이 촉진된다. 한편, 이종 금속 접촉시의 귀한 쪽의 금속에서는 용존 산소나 수소 이온의 환원 반응을 주체로 하는 캐소드 반응이 촉진되며, 이 캐소드 반응이 비한 쪽의 금속의 애노드를 보다 한층 촉진한다. 이러한 이종 금속 접촉 부식이 발생하면 비한 쪽의 금속에서는 부식이 촉진될 뿐만 아니라, 귀한 쪽의 금속에서는 용존 산소의 환원 반응에서 발생하는 국소적인 알칼리화나 수소 이온의 환원 반응에서 발생하는 수소 가스 등에 의해, 안정된 보호성 녹이 형성되기 어려워지기 때문에 전체의 내식성은 극도로 열화된다.

발명자들은 다양한 검토의 결과, 이종 금속 접촉시키는 강재의 성분 조성으로서 특히 TiN량을 적절하게 조정하는 것과, N 및 O 함유량을 저감하는 것의 상승 작용으로서 이종 금속 접촉시의 캐소드 반응을 억제할 수 있으며, 접촉하는 상대재와의 전위차가 비교적 큰 경우에도 이종 금속 접촉에 의한 부식 촉진을 억제할 수 있다는 것을 발견하였다. 또한, 부식 전위는, 강재 및 용접 금속의 화학 성분 조성, 그 중에서도 강재 및 용접 금속의 Cu 및 Ni의 함유량이 지배적이며, 이종 금속간(각 강재와 용접 금속 사이)의 Cu+Ni 합계 함유량의 차이를 1.0％ 이내로 함으로써 이종 금속 접촉 부식의 작용을 크게 억제할 수 있다는 것을 발견하였다. 이러한 지식을, Cu나 Ni 첨가 등의 종래의 대기 부식 환경에 있어서의 내식성(내후성)의 향상 기술과 조합함으로써, 대기 부식 환경에 있어서 무사양에서의 이종 금속 접촉 상태에서 적용할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

구조용 재료로서의 강재에는, 이종 금속 접촉 부식에 대한 내식성 이외에도 강재 자체의 내식성이나 기계 특성이나 용접성 등의 여러 특성을 만족시킬 필요가 있으며, 상기한 Cu, Ni 이외에 C, Si, Mn, Al, P, S 등의 함유량 등, 강재의 성분 조성을 적정화할 필요가 있다.

〔강재의 성분 조성〕

이하에 본 발명의 강재에 있어서의 이들 기본 함유 원소의 성분 범위의 한정 이유에 대하여 설명한다.

ㆍC: 0.01 내지 0.30％

C는 재료의 기계 특성을 향상시키는 효과가 있으며, 강도 확보를 위해 필요한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.01％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, C를 과잉으로 함유시키면, 캐소드 사이트로서 작용하는 시멘타이트의 생성량이 많아져, 내식성이 열화된다. 이러한 C의 악영향을 피하기 위해서는, C 함유량은 0.30％ 이하로 할 필요가 있다. 이러한 것으로부터, C 함유량의 범위는 0.01 내지 0.30％로 하였다. 또한, C 함유량의 바람직한 하한은 0.02％이고, 보다 바람직하게는 0.03％ 이상으로 하는 것이 좋다. 또한, C 함유량의 바람직한 상한은 0.29％이고, 보다 바람직하게는 0.28％ 이하로 하는 것이 좋다.

ㆍSi: 0.1 내지 1.0％

Si는 탈산과 강도 확보를 위해 필요한 원소이며, 0.1％에 못 미치면 양산시에 필요한 O 함유량을 달성할 수 없는 경우가 많아져, 구조 부재로서의 최저 강도도 확보할 수 없다. 그러나, 1.0％를 초과하여 과잉으로 함유시키면 용접성이 열화된다. 또한, Si 함유량의 보다 바람직한 하한은 0.12％이고, 더욱 바람직한 하한은 0.15％이다. 또한, Si 함유량의 보다 바람직한 상한은 0.95％이고, 더욱 바람직한 상한은 0.90％이다.

ㆍMn: 0.1 내지 2.0％

Mn도 Si와 마찬가지로 탈산 및 강도 확보를 위해 필요한 원소이며, 0.1％에 못 미치면 양산시에 필요한 O 함유량을 달성할 수 없는 경우가 많아져, 구조 부재로서의 최저 강도도 확보할 수 없다. 그러나, 2.0％를 초과하여 과잉으로 함유시키면 인성이 열화된다. 또한, Mn 함유량의 보다 바람직한 하한은 0.15％이고, 더욱 바람직한 하한은 0.20％이다. 또한, Mn 함유량의 보다 바람직한 상한은 1.9％이고, 더욱 바람직한 상한은 1.8％이다.

ㆍP: 0.04％ 이하

P는 인성이나 용접성을 열화시키는 원소이며, 가능한 한 저감하는 것이 권장되지만, 허용되는 P 함유량의 상한은 0.04％이다. P 함유량은 보다 바람직하게는 0.038％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.035％ 이하로 하는 것이 권장된다.

ㆍS: 0.03％ 이하

S도 P와 마찬가지로 인성이나 용접성을 열화시키는 원소이며, 가능한 한 저감하는 것이 권장되지만, 허용되는 S 함유량의 상한은 0.03％이다. S 함유량은 보다 바람직하게는 0.029％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.028％ 이하로 하는 것이 권장된다.

ㆍAl: 0.010 내지 0.10％

Al도 Si, Mn과 마찬가지로 탈산 및 강도 확보를 위해 필요한 원소이다. 0.010％에 못 미치면 양산시에 필요한 O 함유량을 달성할 수 없는 경우가 많아져, 구조 부재로서의 최저 강도도 확보할 수 없다. 그러나, 0.10％를 초과하여 첨가하면 용접성을 손상시키기 때문에, Al 함유량의 범위는 0.010 내지 0.10％로 하였다. 또한, Al 함유량의 보다 바람직한 하한은 0.011％이고, 더욱 바람직한 하한은 0.012％이다. 또한, Al 함유량의 보다 바람직한 상한은 0.09％이고, 더욱 바람직한 상한은 0.08％이다.

ㆍCu: 0.3 내지 3.0％

Cu는 강재 표면에 치밀한 녹 피막을 형성하여 부식의 진전을 억제하는 작용을 갖고 있으며, 모재 자체의 내식성 향상에 필요한 원소이다. 또한, 방식 도장을 병용하는 경우에는, 도막 흠집부에 있어서 치밀한 녹 피막을 형성하여 부식을 억제하고, 흠집부 열화 진전을 억제하는 작용도 갖는다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는 0.3％ 이상 함유시키는 것이 필요하지만, 과잉으로 함유시키면 용접성이나 열간 가공성이 열화된다는 점에서 3.0％ 이하로 할 필요가 있다. Cu 함유량의 바람직한 하한은 0.32％이고, 보다 바람직한 하한은 0.35％이다. 또한, Cu 함유량의 바람직한 상한은 2.8％이고, 보다 바람직한 상한은 2.6％이다.

ㆍNi: 0.3 내지 5.0％

Ni는 Cu와 마찬가지로 강재 표면에 치밀한 녹 피막을 형성하여 부식의 진전을 억제하는 작용을 갖고 있으며, 모재 자체의 내식성 향상에 필요한 원소이다. 또한, Ni는 모재 인성을 향상시키는 것에도 유효하며, 또한, Cu에 의한 적열 취성을 방지하는 것에도 필요한 원소이다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는 Ni는 0.3％ 이상 함유시키는 것이 필요하다. 그러나, 첨가량이 과잉이 되면 용접성이나 열간 가공성이 열화된다는 점에서, Ni는 5.0％ 이하로 하는 것이 필요하다. Ni 함유량의 바람직한 하한은 0.32％이고, 보다 바람직한 하한은 0.35％이다. Ni 함유량의 바람직한 상한은 4.8％이고, 보다 바람직한 상한은 4.6％이다.

ㆍTi: 0.010 내지 0.10％

Ti는 N과의 공존에 의해 TiN을 형성하여 캐소드 반응을 억제하고, 자체 및 접촉하는 강재의 이종 금속 접촉에 의한 부식 촉진을 방지하는 작용을 갖는다. 또한, 미세하며 치밀한 녹 피막을 형성하는 작용도 갖고 있으며, 내식성 향상에 필요한 원소이다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는 Ti는 0.010％ 이상 함유시키는 것이 필요하다. 그러나, 첨가량이 과잉이 되면 용접성이나 열간 가공성이 열화된다는 점에서, Ti는 0.10％ 이하로 하는 것이 필요하다. Ti 함유량의 바람직한 하한은 0.011％이고, 보다 바람직한 하한은 0.012％이다. Ti 함유량이 바람직한 상한은 0.09％이고, 보다 바람직한 상한은 0.08％이다.

ㆍCa: 0.0005 내지 0.0050％

Ca는 부식 용해시에 pH를 상승시키고, 국소적인 산성화에 의한 부식 촉진을 억제하는 작용을 갖고 있으며, 내식성을 향상하는데 유효한 원소이다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는 Ca는 0.0005％ 이상 함유시키는 것이 필요하다. 그러나, 첨가량이 과잉이 되면 용접성이나 가공성이 열화된다는 점에서 Ca는 0.0050％ 이하로 하는 것이 필요하다. Ca 함유량의 바람직한 하한은 0.0006％이고, 보다 바람직한 하한은 0.0007％이다. Ca 함유량의 바람직한 상한은 0.0045％이고, 보다 바람직한 상한은 0.0040％이다.

ㆍN: 0.0020 내지 0.0080％

N은 Ti와의 공존에 의해 TiN을 형성하여 캐소드 반응을 억제하고, 자체 및 접촉하는 강재의 이종 금속 접촉에 의한 부식 촉진을 방지하는 작용을 갖는다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는 N은 0.0020％ 이상 함유시키는 것이 필요하다. 그러나, TiN을 형성하지 않는 N은 캐소드 반응을 촉진하여, 이종 금속 접촉 부식을 촉진하기 때문에 유해하며, Ti 함유량과 함께 적정화가 필요하다. 또한, TiN으로서 고정했다고 해도 N 첨가량이 과잉이 되면 용접성이나 가공성이 열화된다는 점에서, N은 0.0080％ 이하로 하는 것이 필요하다. N 함유량의 바람직한 하한은 0.0022％이고, 보다 바람직한 하한은 0.0025％이다. N 함유량의 바람직한 상한은 0.0075％이고, 보다 바람직한 상한은 0.0070％이다.

ㆍO: 0.0010％ 이하

강 중의 O는 캐소드 반응을 촉진하여, 접촉하는 강재의 이종 금속 접촉 부식을 증대시키는 작용이 있기 때문에, 내식성에 유해한 원소이며, 가능한 한 저감하는 것이 권장된다. 허용되는 O 함유량의 상한은 0.0010％이지만, O 함유량은 보다 바람직하게는 0.0009％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.0008％ 이하로 하는 것이 권장된다.

ㆍN*=[N]-0.29×[Ti]: 0.0001％ 이하

N*는 Ti에 의해 TiN으로서 고정되어 있지 않은 고용 N 등의 N이 어느 정도 존재하는지를 나타내는 지표이다. 여기서, 상기 식 중의 「0.29」는 N 원자량/Ti 원자량의 비를 유효 숫자 2자리로 표시한 것이다. 고용 N 등의 TiN으로서 고정되어 있지 않은 N은 내식성을 열화시키는 작용이 있기 때문에, 가능한 한 저감하는 것이 권장된다. N*를 0.0001％ 이하로 함으로써, 강 중의 N은 대부분 TiN으로서 고정할 수 있으며, 필요한 내식성을 만족시킬 수 있다. 또한, N*는 보다 바람직하게는 0.00008％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.00005％ 이하, 특히 바람직하게는 N*가 마이너스(즉, 강 중의 N은 전량 고정되고 있다고 생각되는 상태)로 하는 것이 권장된다.

이상이 본 발명의 강재에 있어서의 기본 함유 원소의 성분 범위의 한정 이유이며, 잔량부는 Fe 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물은 강재의 여러 특성을 손상시키지 않을 정도로 함유되어 있어도 상관없지만, 합계로 0.1％ 이하, 바람직하게는 0.09％ 이하로 억제함으로써, 본 발명의 내식성 발현 효과를 극대화할 수 있다.

또한, 본 발명의 강재에 이하에 나타내는 원소를 함유시키면 더욱 유효하다. 이 원소를 함유시키는 경우의 성분 범위의 한정 이유에 대하여 다음에 설명한다.

ㆍCr: 0.01 내지 1.0％,

Mo: 0.01 내지 1.0％,

W: 0.01 내지 1.0％의 1종 또는 2종 이상

Cr, Mo 및 W는 녹의 보호성을 높이는 작용이나 부식 용해시에 인히비터가 되는 화합물을 생성하는 작용을 갖고 있으며, 내식성 향상에 유효한 원소이다. 이 원소를 함유시키는 경우의 하한은 각각 0.01％이다. 그러나, 과잉으로 함유시키면 용접성이나 열간 가공성을 열화시키기 때문에, 함유량은 각각 1.0％ 이하로 할 필요가 있다. Cr, Mo, W를 함유시키는 경우의 보다 바람직한 하한은 각각 0.015％이고, 각각 0.02％를 하한으로 하는 것이 더욱 바람직하다. Cr, Mo, W를 함유시키는 경우의 보다 바람직한 상한은 각각 0.95％이고, 각각 0.90％를 상한으로 하는 것이 더욱 바람직하다.

ㆍNb: 0.005 내지 0.05％,

V: 0.01 내지 0.10％,

B: 0.0001 내지 0.005％의 1종 또는 2종 이상

Nb, V 및 B는 강도 향상에 유효한 원소이며, 필요에 따라 첨가할 수 있다. 그러나, 과잉으로 함유시키면 모재 인성을 열화시킨다. Nb를 함유시키는 경우의 하한은 0.005％이고, 더욱 바람직한 하한은 0.006％이고, 0.007％를 하한으로 하는 것이 가장 바람직하다. Nb를 함유시키는 경우의 상한은 0.05％이고, 더욱 바람직한 상한은 0.045％이고, 0.040％를 상한으로 하는 것이 가장 바람직하다. V를 함유시키는 경우의 하한은 0.01％이고, 더욱 바람직한 하한은 0.012％이고, 0.014％를 하한으로 하는 것이 가장 바람직하다. V를 함유시키는 경우의 상한은 0.10％이고, 더욱 바람직한 상한은 0.095％이고, 0.090％를 상한으로 하는 것이 가장 바람직하다. B를 함유시키는 경우의 하한은 0.0001％, 더욱 바람직한 하한은 0.0002％이고, 0.0003％를 하한으로 하는 것이 가장 바람직하다. B를 함유시키는 경우의 상한은 0.005％, 더욱 바람직한 상한은 0.0045％이고, 0.004％를 상한으로 하는 것이 가장 바람직하다.

〔강재의 제조 방법〕

본 발명의 내이종 금속 접촉 부식성이 우수한 강재를 확실하게 제조하기 위해서는, 예를 들어 이하에 설명하는 방법에 의해 제조하면 된다.

우선, 전로 또는 전기로로부터 레이들에 출강한 용강에 대하여, RH 진공 탈가스 장치를 사용하여 본 발명에서 규정하는 화학 성분 조성으로 성분 조정함과 함께, 온도 조정함으로써 2차 정련을 행한다. 그 후, 연속 주조법, 조괴법 등의 통상의 주조 방법으로 강괴로 하면 된다. 또한, 강재의 O 함유량을 저감함과 함께, 구조용 재료로서의 강재에 필요한 기본 특성(기계적 특성이나 용접성)을 확보하는 관점에서, 탈산 형식으로서는 킬드강을 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 Al 킬드강을 사용하는 것이 권장된다.

이어서, 얻어진 강괴를 1000 내지 1300℃의 온도 영역으로 가열한 후에 열간 압연을 행하여 원하는 치수 형상으로 하는 것이 바람직하다. 이때 열간 압연 종료 온도를 650 내지 850℃로 제어하고, 열간 압연 종료 후로부터 500℃까지의 냉각 속도를 0.1 내지 15℃/초 이하의 범위로 제어함으로써, 소정의 강도 특성을 얻을 수 있다.

또한, 최근의 성분 조정 기술의 진전에 따라 강 중의 O 함유량은 0.0010％(10질량ppm) 이하로 저감할 수 있게 되었지만, O량 조정을 특별히 의식하지 않는 경우에는, 통상의 성분 조정 방법에서는 강재의 O 함유량은 본 발명에서 규정하는 0.0010％를 초과하여 버리는 경우도 있기 때문에, 본 발명에서 규정하는 탈산 작용을 갖는 원소(Si, Mn, Al)의 첨가량을 조정하는 것 이외에, 탈산 반응이 진행되는 제강 프로세스에 있어서의 처리 시간을 통상보다도 적절히 장시간으로 하거나, 용강의 재산화를 방지하는 등의 O 저감 대책을 실시하는 것이 권장된다.

〔용접 조인트〕

또한, 본 발명의 용접 조인트(이하 「이재 용접 조인트」라고도 함)는, 화학 성분 조성이 상이한 2종류의 강재 A 및 강재 B를 용접하여 형성되는 용접 조인트이며, 강재 A 및 강재 B 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 강재가 상기 본 발명의 강재인 것을 특징으로 하는 것이다. 이와 같이 이종 강재 중 적어도 한쪽에 상기 본 발명의 강재를 사용함으로써, 이종 금속 접촉 부식의 작용을 억제할 수 있으며, 대기 부식 환경(예를 들어, 비래 염분량이 0.05mg-NaCl/dm²/day 이하인 대기 환경)에서 사용되는 구조물에도 적절하게 사용할 수 있는, 내부식성이 우수한 이재 용접 조인트를 제공할 수 있게 되었다.

본 발명의 이재 용접 조인트를 얻기 위한 용접 방법으로서는, 피복 아크 용접, 머그 용접, 서브머지드 아크 용접, 티그 용접, 셀프 실드 아크 용접, 일렉트로 가스 아크 용접 등, 통상의 강 구조물에 적용되는 각종 용접 방법이 적용 가능하다. 또한, 용접시의 전류, 전압, 용접 속도 등의 용접 조건에 대해서는, 강재의 두께나 사용하는 용접 와이어 직경 등에 따라 각종 용접 방법에서 사용되는 통상의 조건을 선정하는 것이 가능하다.

단, 용접부의 강도나 인성 등의 구조물로서 필요한 기본 특성을 만족시키기 위해서 용접 금속의 C, Si, Mn 등의 성분 조성도 조정하는 것이 바람직하다. 용접 금속의 성분 조성은 용접시에 사용하는 용접 재료의 성분 조성에 따라 조정할 수 있다.

보다 구체적으로는, 용접부의 강도를 확보하는 관점에서 C는 0.01 내지 0.30％, Si는 0.01 내지 1.0％, Mn은 0.1 내지 2.0％의 범위에서 용접 금속 중에 함유되도록 용접 재료를 선정하는 것이 바람직하다. 또한, P 및 S는 용접성 및 용접부의 인성을 열화시키는 원소이며, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하고, 용접 금속 중에 각각 0.03％ 이하의 함유량이 되도록 용접 재료의 성분 조성을 조정하는 것이 바람직하다.

또한, Cu 및 Ni는 용접부의 내식성 향상에 유효한 원소이며, 용접 금속의 Cu 및 Ni의 합계 함유량이 0.4％ 이상이 되도록 용접 재료에 첨가하는 것이 바람직하다. Cu에 의한 적열 취성을 방지하는 관점에서, 용접 금속 중의 Ni의 함유량이 Cu의 함유량의 1/2 이상이 되도록 용접 재료의 Cu 및 Ni의 함유량을 조정하는 것이 바람직하다. 또한, 사용하는 용접 재료의 Cu 및 Ni 함유량은, 용접하는 강재 A 및 강재 B의 Cu+Ni 합계 함유량의 중간으로 하거나 또는 양쪽보다 많게 하는 것이 내식성이 관점에서 바람직하다.

특히, 강재 A, 강재 B 및 용접 금속의 Cu+Ni 합계 함유량을 각각 XA, XB 및 XW로 한 경우에, 하기 수학식 2 및 수학식 3의 양쪽을 만족시키는 것이 보다 바람직하다.

수학식 2: |XA-XW|≤1.0％

수학식 3: |XB-XW|≤1.0％

이와 같이, 각 강재와 용접 금속 사이의 Cu+Ni 합계 함유량의 차이를 1.0％이내로 함으로써, 이종 금속 접촉 부식의 작용을 더욱 억제할 수 있게 되어, 대기 부식 환경(예를 들어, 비래 염분량이 0.05mg-NaCl/dm²/day 이하인 대기 환경)에서 사용되는 구조물에도 적절하게 사용할 수 있는, 보다 내부식성이 우수한 이재 용접 조인트를 제공할 수 있게 되었다.

또한, 부식성이 엄격한 환경에서 사용하는 경우에는, 용접 금속에 본 발명의 강재에 대하여 규정한 Ti나 Ca가 함유되도록 용접 재료의 성분 조성을 조정하는 것이 가능하고, 또한 Cr, Mo, W 등을 함유시켜도 좋다.

〔변형예: 도장 및 표면 처리〕

본 발명의 이재 용접 조인트는, 대기 부식 환경에서 사용되는 구조물에 있어서도 무도장(무사양)으로 사용하는 것을 기본으로 하는 것이지만, 예를 들어 부식성이 엄격한 환경에서 사용하는 경우에는, 통상의 방식 도장과 병용하는 것도 가능하다. 방식 도막으로서는, 에폭시 수지계 도료, 프탈산 수지계 도료, 페놀 수지계 도료, 염화 고무계 도료, 우레탄 수지 도료, 실리콘 수지계 도료, 불소 수지계 도료, 아크릴 수지 도료, 부티랄 수지계 도료 등을 사용한 도장을 적용할 수 있다. 또한, 종류가 상이한 복수의 도장을 중첩 도포하는 것도 가능하다.

상기 에폭시 수지계 도막의 형성용 도료로서는, 방식 도료로서 사용되는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 비히클로서 에폭시 수지를 포함하는 것이면 된다. 예를 들어, 에폭시 수지 도료, 변성 에폭시 수지 도료, 타르에폭시 수지 도료 등을 들 수 있다. 염화 고무계 도막도, 염화 고무나 염소화 폴리올레핀 등의 염소화 수지를 주원료로 하여 이루어지는 도료를 사용하여 형성한 도막이면 좋고, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 아크릴 수지 도막으로서는, 통상의 아크릴 수지 도료, 아크릴 에멀션 수지 도료, 아크릴 우레탄계 에멀션 도료, 아크릴 실리콘계 에멀션 도료, 아크릴 래커 등의 도료를 사용하여 형성한 도막을 사용할 수 있다. 우레탄 수지 도막으로서는, 예를 들어 폴리우레탄 수지 도료, 폴리에스테르우레탄 수지 도료, 습기 경화 폴리우레탄 수지 도료, 에폭시우레탄 도료, 변성 에폭시우레탄 수지 도료 등을 사용하여 형성한 도막을 사용할 수 있다.

방식 수지 도막의 막 두께는 도료의 종류와 사용 환경에 따라 상이하지만, 건조 막 두께로 예를 들어 20 내지 400㎛ 정도의 두께로 하는 것이 권장된다. 부식성이 매우 엄격한 환경에서 사용하는 경우에는, 1000㎛를 초과하는 막 두께로 도장하는 도료에도 적용이 가능하다.

또한, 본 발명의 이재 용접 조인트에 사용하는 강재에는, 에칭 프라이머, 무기 징크 리치 프라이머나 유기 징크 리치 프라이머 등을 강재의 1차 방청 처리 혹은 도장 하지 처리로서 도포하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명의 이재 용접 조인트에 사용하는 강재에는, 통상의 무사양의 내후성 강에 적용되는 녹 안정화 처리 등을 조합하여 적용하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명의 이재 용접 조인트에는, Zn, Al, Mg 등의 용사 피막을 표면에 형성하여 방식성을 높이는 방청ㆍ방식 용사 기술을 적용하는 것도 가능하다. 용사하는 금속으로서는, Zn, Al, Mg 또는, Zn-Al 합금이나 Al-Mg 합금 등의 강재보다도 비한 금속 재료나 합금 재료를 예시할 수 있으며, 용사 피막의 막 두께는 100 내지 200㎛ 정도가 권장되지만, 융설염 산포 등에 의해 부식성이 엄격해지는 환경에서는 300 내지 400㎛ 정도까지 후막화하는 것이 권장된다. 용사 방법으로서는, 프레임 용사나 아크 용사 등의 방법이 적용 가능하며, 용사 후의 후처리로서 에폭시 수지계, 실리콘 수지계, 우레탄 수지계, 부티랄 수지계 도료 또는 불소 수지계 등의 봉공 처리제 도포에 의한 봉공 처리를 적용하는 것이 가능하다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니고, 상술ㆍ후술하는 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하며, 이들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이다.

〔공시재의 제작〕

표 1에 나타내는 다양한 성분 조성의 강재를 진공 용해로에 의해 용제하여, 50kg의 강괴로 하였다. 얻어진 강괴를 1150℃로 가열한 후, 열간 압연을 행하고, 치수가 600mm×80mm×12mm인 용접 조인트 제작용 소재를 절단하였다. 표 1 중으로부터 2종의 용접 조인트 제작용 소재를 선정하여 서브머지드 아크 용접법에 의해 맞댐 용접하고, 이종 강재의 용접 조인트(이종 용접 조인트)를 제작하였다. 강재의 조합은 표 2에 나타내는 바와 같다. 또한, 사용한 용접 와이어는, 0.05C-0.3Si-1.0Mn-0.012P-0.005S 강을 기초로 Cu 및 Ni를 적절히 첨가한 와이어이며, 용접 와이어 중의 Cu 및 Ni의 함유량은 표 2에 나타내는 바와 같다. 이와 같이 용접 와이어 중의 Cu 및 Ni의 함유량을 변화시켜, 표 2에 나타내는 용접 금속의 Cu+Ni 합계 함유량(XW)을 얻었다. 이와 같이 하여 얻어진 이종 용접 조인트로부터, 용접 금속부가 중심이 되도록 치수가 70mm×30mm×5mm인 부식 시험용 테스트 피스(도 1 참조)를 절단하였다. 테스트 피스의 용접 금속의 폭은 10mm이다. 모든 테스트 피스는, 전체면을 에머리지(emery paper)로 #600까지 습식 연마하고, 아세톤 세정한 후, 이하의 부식 시험에 사용하였다.

〔부식 시험 방법〕

부식 시험으로서, 염수 분무 과정(30℃의 5질량％ NaCl 수용액을 0.5시간 분무), 습윤 과정(30℃, 습도 95％RH, 1.5시간), 건조 과정(온도 50℃, 습도 50％RH, 4시간)을 반복하는 복합 사이클 시험을 실시하였다. 시험 기간은 90일간이다. 공시한 테스트 피스의 수량은 표 2에 나타내는 No.1 내지 31의 이종 용접 조인트에 대하여 각각 3매씩이다.

이종 용접 조인트의 내식성 평가 방법은 이하와 같다. 우선, 각각의 테스트 피스의 시험 전후의 질량 변화를 측정하여, 공시한 3매의 평균값을 구하고, 이것을 이종 용접 조인트의 평균 부식량으로서 평가하였다. 또한, 부식 시험 후의 질량 측정은, 10질량％ 시트르산수소 2암모늄 수용액 중에서의 음극 전해법(JIS K8284)에 의해 부식 생성물을 제거한 후 행하였다.

이어서, 부식 시험 후의 질량 측정 후, 테스트 피스 중앙 단면에 있어서의 용접 금속과 모재(강재 A 또는 강재 B)의 계면 부근을 현미경 관찰하여, 용접 금속과 모재의 부식량의 차이에 의해 발생하는 단차의 높이 DA 및 DB를 측정하였다. DA는 용접 금속과 강재 A의 단차의 높이, DB는 용접 금속과 강재 B의 단차의 높이이며, 이 단차의 높이 DA와 DB를 이종 금속 접촉 부식의 정도를 나타내는 지표로 하였다(도 2 참조).

〔시험 결과〕

표 2에 부식 시험에 의한 평균 부식량 및 모재와 용접 금속의 부식량의 차이(단차의 높이) DA 및 DB를 병기한다. 또한, 평균 부식량은 No.1의 평균 부식량을 100으로 했을 때의 상대값으로 나타내었다. DA 및 DB에 대해서는, 부식량이 모재<용접 금속인 경우를 +, 모재>용접 금속인 경우를 -로서 나타내었다.

종합 평가는 다음의 평가 기준에 의한 것이다.

○: 평균 부식량이 70 이하이고, 또한 DA와 DB의 양쪽이 ±10㎛ 이내인 것

○ 내지 ◎: 평균 부식량이 50 이하이고, 또한 DA와 DB의 양쪽이 ±10㎛ 이내인 것

◎: 평균 부식량이 50 이하이고, 또한 DA와 DB의 양쪽이 ±5㎛ 이내인 것

통상의 내후성 강 M1의 강재끼리를 용접한 동종 용접 조인트(No.1)의 DA 및 DB는 모두 9㎛였지만, 본 발명의 성분 조성의 규정을 만족하지 않는 M2 내지 M7의 강재와 M1의 강재의 용접 조인트인 No.2 내지 No.7의 이종 용접 조인트는 모두 평균 부식량이 100을 초과하고 있어, 이종 금속 접촉 부식에 의한 부식량의 증대가 인정된다. 또한, 이들 DA와 DB는 어느 한쪽 또는 양쪽이 ±10㎛의 범위를 초과하고 있어, 내식성에 문제가 있는 것을 알 수 있었다.

이들에 비해, 강재 성분이 본 발명의 규정을 만족하는 No.8 내지 No.31의 이재 용접 조인트는 모두 평균 부식량이 70 이하로 되어 있어, 동종 용접 조인트인 No.1에 비해 대폭적인 개선이 인정된다. 또한, 이들 DA 및 DB는 양쪽 모두 ±10㎛ 이내이며, 이종 금속 접촉 부식이 억제된 결과인 것을 알 수 있었다.

특히, 강재 A와 강재 B의 양쪽 모두가 본 발명의 규정을 만족하는 이종 용접 조인트, 예를 들어 No.12, No.15 등은 평균 부식량이 50 이하로 되어 있어, 이종 금속 접촉 부식에 대한 내식성은 보다 개선되는 것을 알 수 있었다.

또한, 각 모재와 용접 금속의 Cu+Ni 함유량의 차이를 모두 1.0％ 이내로 한 No.16 등은, DA와 DB의 양쪽이 ±5㎛ 이내이며, 이종 금속 접촉 부식에 대한 내식성이 대폭으로 향상되는 결과를 나타내고 있다.

본 발명을 상세하게 특정한 실시 형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하지 않고 여러 변형이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에게 있어서 명확하다.

본 출원은, 2012년 2월 28일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2012-042179)에 기초한 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.

본 발명의 강재 및 용접 조인트는, 교량, 해양 구조물, 토목ㆍ건축 구조물, 선박 등의 부식성 환경에 있어서의 강 구조물용으로서 적합하며, 특히 이종 강재를 용접 접합할 때에 사용된다.

Claims

화학 성분 조성이 상이한 2종류의 강재 A 및 강재 B를 용접하여 형성되는 용접 조인트이며, 상기 강재 A 및 강재 B 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 강재가 하기 (1) 또는 (2)에 기재된 강재이며,
상기 강재 A, 상기 강재 B 및 용접 금속의 Cu+Ni 합계 함유량을 각각 XA, XB 및 XW로 한 경우에, 하기 수학식 2 및 수학식 3의 양쪽을 만족하는, 용접 조인트.
(1) 질량％로(이하, 화학 성분에 대하여 동일함)
C: 0.01 내지 0.30％,
Si: 0.1 내지 1.0％,
Mn: 0.1 내지 2.0％,
P: 0.04％ 이하,
S: 0.03％ 이하,
Al: 0.010 내지 0.10％,
Cu: 0.3 내지 3.0％,
Ni: 0.3 내지 5.0％,
Ti: 0.010 내지 0.10％,
Ca: 0.0005 내지 0.0050％,
N: 0.0020 내지 0.0080％,
O: 0.0010％ 이하
를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하는 강재이며,
하기 수학식 1로 정의되는 N*가 0.0001％ 이하인 것을 특징으로 하는, 내이종 금속 접촉 부식성이 우수한 강재.
수학식 1: N*=[N]-0.29×[Ti]
(단, []는 각 화학 성분의 함유량(질량％)임)
(2) Cr: 0.01 내지 1.0％,
Mo: 0.01 내지 1.0％,
W: 0.01 내지 1.0％,
Nb: 0.005 내지 0.05％,
V: 0.01 내지 0.10％,
B: 0.0001 내지 0.005％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 상기 (1) 기재의 강재.
수학식 2: |XA-XW|≤1.0％
수학식 3: |XB-XW|≤1.0％
삭제
삭제
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제1항에 있어서, 대기 부식 환경에서 사용되는 구조물에 사용되는, 용접 조인트.
삭제
제6항에 있어서, 상기 대기 부식 환경은 비래 염분량이 0.05mg-NaCl/dm²/day 이하의 대기 환경인, 용접 조인트.