KR101813389B1

KR101813389B1 - Ni기 합금 용접 금속

Info

Publication number: KR101813389B1
Application number: KR1020160099857A
Authority: KR
Inventors: 다케오 미야무라; 시게노부 남바; 데쓰나오 이케다; 가즈히로 후쿠다
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2017-12-28
Also published as: JP2017042796A; KR20170026127A; CN106475705A

Abstract

용접 금속에 수소가 다량으로 함유되는 경우여도 양호한 인장 연성을 얻을 수 있는 Ni기 합금 용접 금속을 제공한다.
본 발명에 따른 Ni기 합금 용접 금속은, C: 0.01∼0.05%(%는 질량%를 의미한다. 이하, 화학 성분에 대해 동일.), Si: 0.01∼1.0%, Mn: 1.5∼3.5%, Cr: 0.5∼5.0%, Mo: 13.0∼20.0%, W: 1.0∼4.0%, Fe: 5.0∼12.0%, B: 0.0005∼0.0050%, S: 0.005% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.005% 이하(0%를 포함하지 않음), O: 0.060% 이하(0%를 포함하지 않음) 함유하고, 잔부가 Ni 및 불가피적 불순물로 이루어지는 용접 금속이며, 당해 용접 금속 중의 결정립계에 편석되어 있는 B 농도가 20∼200ppm이다.

Description

Ni기 합금 용접 금속{Ni-BASE ALLOY WELD METAL}

본 발명은 Ni기(基) 합금 용접 금속에 관한 것이다.

LNG(Liquefied Natural Gas) 저장용의 탱크에는, 일반적으로 저온 인성이 우수한 9% Ni 강의 후(厚)강판이 이용되고 있다. LNG 저장용의 탱크는 상기 후강판을 서브머지드 아크 용접 등으로 접합해서 조립되고 있다. 서브머지드 아크 용접은 피시공물을 덮은 플럭스에 전류 전압을 연속적으로 공급하여, 플럭스 중에서 아크를 발생시키는 용접 방법이다. 9% Ni 강의 용접에는, 저온 인성이 우수한 Ni기 합금이 용접 재료로서 이용되고 있다. Ni기 합금을 용접 재료로 해서 얻어진 Ni기 합금 용접 금속은, 용접 후에 열처리를 거침이 없이, 용접한 그대로의 상태에서 높은 저온 인성이 요구된다.

한편, 본 명세서에 있어서 「Ni기 합금」이란, 주성분(가장 함유량이 많은 성분)이 Ni인 합금을 말한다.

또한, 본 명세서에 있어서 「용접 금속」이란, 용접을 실시했을 때에 용접 중에 용착 금속과 용융 모재가 용융되어 응고된 금속을 말한다.

본 명세서에 있어서 「용착 금속」이란, 용접 중에 부가되는 용접 재료(예를 들면 용가재(溶加材), 와이어 등)로부터 용접부로 이행된 금속을 말한다.

또한, 「용가재」란, 용접 중에 부가되는 금속(재료)을 말한다.

일반적으로, 서브머지드 아크 용접에서 이용되는 플럭스는 흡습성이 있기 때문에, 시공 전에 건조 처리를 하고 나서 사용된다. 그러나, 실제의 시공 환경은 습도, 기온 등 다양하고, 건조 처리부터 시공까지의 시간도 상이하기 때문에, 다소 플럭스가 흡습되고 있는 것이 통상이다. 이와 같은 배경으로부터, 극단적으로 바람직하지 않은 시공 환경에 있어서는 형성된 용접 금속에 다량의 수소가 포함되어 버려, 용접 금속의 인장 파단 신도(인장 연성)가 부족하다는 문제가 있다. 용접 금속의 인장 연성이 부족한 것은 피시공물인 탱크의 기계적인 손상의 가능성이 높아지는 것으로 이어져 버린다.

이와 같은 상황하, 예를 들면 특허문헌 1에는, 높은 인장 강도와 인성이 얻어지고, 인장 연성이 우수한 용접 이음이 얻어지는 저온용 강의 서브머지드 아크 용접 방법에 관한 발명이 제안되어 있다.

이 특허문헌 1에는, 구체적으로, Ni기 합금 와이어 및 소성형 플럭스 중 어느 한쪽 또는 양쪽의, 소정의 식으로부터 구해지는 각 금속 성분의 M 함유량을, 질량%로, C: 0.03∼0.12%, Mn: 0.5∼2%, 단, 10×C/Mn: 1.5 이하, Ni: 60% 이상, Mo 및 W 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 합계: 19∼27%, Al 및 Ti 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 합계: 0.3∼3%로 하고, Si, Cr 및 Cu의 합계: 1% 이하이고, 상기 Ni기 합금 와이어의 잔부를 불가피 불순물로 하고, 상기 소성형 플럭스의 잔부를 불가피 불순물 등으로 한 것을 특징으로 하는 저온용 강의 서브머지드 아크 용접 방법이 제안되어 있다.

즉, 특허문헌 1에는, 서브머지드 아크 용접용의 용접 재료 및 플럭스의 조성에 주목하여, 용접 금속 중에 형성되는 탄화물을 제어함으로써, 용접 금속의 인성을 개선하는 발명이 제안되어 있다.

일본 특허공개 2011-56562호 공보

그러나, 특허문헌 1에서 제안되어 있는 발명은 용접 금속에 수소(H)가 다량으로 함유되는 것에 의해 생기는 인장 연성의 부족을 개선하는 것은 아니다.

본 발명은 상기 상황에 비추어 이루어진 것으로, 용접 금속에 수소가 다량으로 함유되는 경우여도 양호한 인장 연성을 얻을 수 있는 Ni기 합금 용접 금속을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 Ni기 합금 용접 금속은, C: 0.01∼0.05%(%는 질량%를 의미한다. 이하, 화학 성분에 대해 동일.), Si: 0.01∼1.0%, Mn: 1.5∼3.5%, Cr: 0.5∼5.0%, Mo: 13.0∼20.0%, W: 1.0∼4.0%, Fe: 5.0∼12.0%, B: 0.0005∼0.0050%, S: 0.005% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.005% 이하(0%를 포함하지 않음), O: 0.060% 이하(0%를 포함하지 않음) 함유하고, 잔부가 Ni 및 불가피적 불순물로 이루어지는 용접 금속이며, 당해 용접 금속 중의 결정립계에 편석되어 있는 B 농도가 20∼200ppm인 것으로 했다. 여기에서, 「편석」이란, 합금의 응고 고체의 내부에서 용질 농도가 불균질해져 있는 것을 말한다.

이와 같이, 본 발명에 따른 Ni기 합금 용접 금속은, C, Si, Mn, Cr, Mo, W, Fe, B, O를 각각 소정량 함유하고 있으므로, 용접 금속의 강도나 내식성을 확보할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 Ni기 합금 용접 금속은, S, P를 소정량 이하로 하고 있으므로, 고온 균열성을 확보할 수 있다. 그리고, 본 발명에 따른 Ni기 합금 용접 금속은, 용접 금속 중의 결정립계에 편석되어 있는 B 농도를 소정의 범위로 하고 있으므로, 당해 결정립계 근방의 H 농도를 저감할 수 있다. 그 결과, 결정립계가 용접 금속에 함유되는 H와 O의 영향을 받아 입계 강도가 저하되는 것을 막을 수 있어, 양호한 인장 연성을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 Ni기 합금 용접 금속은 용접 금속에 H가 다량으로 함유되는 경우여도 양호한 인장 연성을 얻을 수 있다.

도 1은 용착 금속의 실온 인장 시험에서 이용한 인장 시험편의 채취 위치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 입계 B 농도와 인장 파단 신도의 관계를 나타내는 그래프이다. 가로축은 입계 B 농도(ppm)이고, 세로축은 인장 파단 신도(%)이다.

(Ni기 합금 용접 금속)

이하, 본 발명에 따른 Ni기 합금 용접 금속(이하, 간단히 「용접 금속」이라고 하는 경우도 있다)을 실시하기 위한 형태에 대해 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 용접 금속은, 하스텔로이계 Ni기 합금 용접 금속에서 생기는 파단 신도 저하의 원인이, 용접 금속에 함유되는 H와 O의 영향에 의한 입계 강도의 저하인 것, 및 B를 결정립계에 일정 농도 이상으로 편석시키는 것에 의해 결정립계 근방의 H 농도가 저감되어, 입계 강도의 저하를 회피할 수 있다는 새로운 기술 지견에 기초하고 있다.

즉, Ni기 합금 용접 금속 중의 고용 B와 H는 격자 중의 동일 위치에서 함께 고용되지 못하고, 먼저 B가 분포한 영역에는 H가 용이하게 침입할 수 없다. 이 때문에, B가 H에 비해서 우선적으로 결정립계에 편석된 상태로 함으로써, 결정립계의 H 농도를 저하시킬 수 있어, 인장 파단 신도를 저하시키는 입계 파괴를 억제할 수 있다.

본 발명에 따른 용접 금속의 효과는, 용접 금속의 화학 조성을 소정의 범위로 한 다음, 추가로, 결정립계에 편석되어 있는 B 농도(이하, 「입계 B 농도」라고 기재하는 경우도 있다)를 일정 이상으로 제어하는 것에 의해 얻을 수 있다.

용접 금속의 화학 조성은 목적 성분에 상당하는 용접 재료를 이용함으로써 소정의 범위 내로 할 수 있다. 서브머지드 아크 용접에 있어서는, 플럭스의 화학 조성을 변경하는 것에 의해 용접 금속의 화학 조성을 조정하는 것도 가능하다. 한편, 용접 금속의 화학 조성의 제어는, 피시공물의 화학 조성을 파악한 다음, 용접 후의 용접 금속의 화학 조성이 후기하는 범위가 되는 용접 재료(와이어, 용가재, 용접봉)를 선택하여 용접하는 것이 보다 바람직하다. 어떤 피시공물의 화학 조성의 경우에 어떤 용접 재료를 선택하면 좋을지는 미리 실험 등을 해서 확인해 두는 것이 바람직하다.

본 발명에서 규정하는 입계 B 농도를 얻기 위해서는, H에 비해서 결정립계로의 B의 편석을 우선적으로 촉진시킬 필요가 있다. 이와 같이 하기 위해서는, 용접 금속 중의 평균적인(전체적인) B의 함유량(평균 B 농도)을 소정의 범위로 한 다음, 용접 시공 시의 용접 금속의 냉각 속도를 늦게 해서, 소정의 냉각 속도로 할 필요가 있다. 즉, B는, 용접 금속 중에 있어서 고온의 환경에서만 H보다도 확산될 수 있기 때문에, B가 결정립계에 편석되는 데 충분한 시간이 필요하다. 따라서, 이 관점에서 용접 시공 후의 냉각 속도를 늦게 할 것이 필요하다. 냉각 속도를 늦게 할 필요가 있는 주된 온도역은 800∼500℃이다. 냉각 속도는 피시공물의 두께 등의 치수나 열전도성에 따라서도 여러 가지로 변화하므로, 소정의 냉각 속도를 얻기 위해서는, 적절히 입열량을 증가시키거나, 패스간 온도나 예열 온도를 고온화시키거나 하면 된다. 이들 조건이나 조작과 소정의 냉각 속도의 관계는 미리 실험 등을 해서 확인해 두는 것이 바람직하다.

한편, 용접 금속 중의 평균 B 농도를 증가시키면 입계 B 농도를 증가시킬 수 있지만, 최종 응고부에 있어서의 용접 금속의 고온 균열을 유발해 버린다. 그 때문에, 용접 금속 전체의 B 농도를 소정의 범위에 머물게 하고, 소정의 냉각 속도로 하는 것에 의해 결정립계에 B를 편석시키는 것이 바람직하다.

상기 지견에 기초하여 이루어진 본 발명에 따른 용접 금속은, C: 0.01∼0.05%(%는 질량%를 의미한다. 이하, 화학 성분에 대해 동일.), Si: 0.01∼1.0%, Mn: 1.5∼3.5%, Cr: 0.5∼5.0%, Mo: 13.0∼20.0%, W: 1.0∼4.0%, Fe: 5.0∼12.0%, B: 0.0005∼0.0050%, S: 0.005% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.005% 이하(0%를 포함하지 않음), O: 0.060% 이하(0%를 포함하지 않음) 함유하고, 잔부가 Ni 및 불가피적 불순물로 이루어지는 용접 금속이며, 당해 용접 금속 중의 결정립계에 편석되어 있는 B 농도가 20∼200ppm(질량ppm)이다.

본 발명에 따른 용접 금속의 화학 조성을 이와 같이 한정한 이유는 이하와 같다.

(C: 0.01∼0.05%)

C는 용접 금속의 강도를 확보하기 위해서 필요한 원소이다. 이 효과를 발휘시키기 위해서는 C를 0.01% 이상 함유시킬 필요가 있고, 바람직하게는 0.02% 이상이다. 한편, C의 함유량이 과잉이 되면 조대한 탄화물이 형성되어 인성이 저하되기 때문에, 그의 함유량은 0.05% 이하로 하고, 바람직하게는 0.03% 이하로 한다.

(Si: 0.01∼1.0%)

Si에는 용강 중에서 탈산 작용을 가져, 블로 홀의 형성을 억제하는 기능이 있다. 이 효과를 발휘시키기 위해서는 Si를 0.01% 이상 함유시킬 필요가 있고, 바람직하게는 0.1% 이상이다. 한편, Si의 함유량이 과잉이 되면 인성이 저하되기 때문에, 그의 함유량은 1.0% 이하로 하고, 바람직하게는 0.5% 이하로 한다.

(Mn: 1.5∼3.5%)

Mn에는 용강 중에서 탈산 작용을 가져, 블로 홀의 형성을 억제하는 기능이 있음과 더불어, 강도를 향상시키는 기능이 있다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는 Mn을 1.5% 이상 함유시킬 필요가 있고, 바람직하게는 2.0% 이상이다. 한편, Mn의 함유량이 과잉이 되면 인성이 열화되기 때문에, 그의 함유량은 3.5% 이하로 하고, 바람직하게는 3.0% 이하로 한다.

(Cr: 0.5∼5.0%)

Cr에는 용접 금속의 내식성을 향상시키는 기능이 있다. 이 효과를 발휘시키기 위해서는 Cr을 0.5% 이상 함유시킬 필요가 있고, 바람직하게는 1.5% 이상이다. 한편, Cr의 함유량이 과잉이 되면 그의 효과가 포화되고, 비용의 관점에서 바람직하지 않기 때문에, 그의 함유량은 5.0% 이하로 하고, 바람직하게는 3.0% 이하로 한다.

(Mo: 13.0∼20.0%)

Mo는 용접 금속의 내식성이나 강도를 확보하기 위해서 필요한 원소이다. 이 효과를 발휘시키기 위해서는 Mo를 13.0% 이상 함유시킬 필요가 있고, 바람직하게는 15.0% 이상이다. 한편, Mo의 함유량이 과잉이 되면 석출물이 과잉이 되어 인성이 저하되기 때문에, 그의 함유량은 20.0% 이하로 하고, 바람직하게는 18.0% 이하로 한다.

(W: 1.0∼4.0%)

W에는 용접 금속의 강도를 향상시키는 기능이 있다. 이 효과를 얻기 위해서는 W를 1.0% 이상 함유시킬 필요가 있고, 바람직하게는 2.0% 이상이다. 한편, W의 함유량이 과잉이 되면 인성이 저하되기 때문에, 그의 함유량은 4.0% 이하로 하고, 바람직하게는 3.0% 이하로 한다.

(Fe: 5.0∼12.0%)

Fe를 함유시키는 것에 의해, 용접 금속의 합금 비용을 저하시키는 것이 가능하다. 비용의 관점에서 Fe를 5.0% 이상 함유하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 7.0% 이상이다. 한편, Fe의 함유량이 과잉이 되면 μ상이라고 하는 석출물이 증가하여 인성이 저하되기 때문에, 그의 함유량은 12.0% 이하로 하고, 바람직하게는 10.0% 이하로 한다.

(B: 0.0005∼0.0050%)

B는 본 발명에 있어서 가장 중요한 원소이며, 입계 B 농도를 20∼200ppm으로 하기 위해서는 용접 금속에 B를 일정 농도 함유하고 있을 필요가 있다. 구체적으로, B는 적어도 0.0005% 이상 함유하고 있을 필요가 있고, 바람직하게는 0.0010% 이상이다. 한편, B의 함유량이 과잉이 되면 고온 균열을 야기하기 때문에, 그의 함유량은 0.0050% 이하로 하고, 보다 바람직하게는 0.0040% 이하로 한다. 또한, 첨가한 B의 일부는 입계에서의 탄화물의 석출을 촉진해서 고온 환경 중에서의 입계 미끄럼 변형을 억제하여, 예를 들면 900℃를 초과하는 고온 환경에 있어서 용접 금속의 강도를 개선하는 작용을 갖고 있다. 이와 같은 효과를 얻는 경우에는, B를 0.003% 이상으로 하고, 보다 바람직하게는 0.0035% 이상으로 한다.

(S: 0.005% 이하(0%를 포함하지 않음))

S는 불가피적 불순물이며, 그의 함유량이 증가하면 용접 시공 후에 고온 균열을 야기하여, 본 발명의 작용이 얻어지지 않을 뿐 아니라 건전한 용접 금속이 얻어지지 않는다. 그 때문에, S의 함유량은 0.005% 이하로 할 필요가 있고, 바람직하게는 0.003% 이하, 보다 바람직하게는 0.002% 이하로 한다.

(P: 0.005% 이하(0%를 포함하지 않음))

P는 불가피적 불순물이며, 그의 함유량이 증가하면 용접 시공 후의 고온 균열이 발생하기 쉬워져, 본 발명의 작용이 얻어지지 않을 뿐 아니라 건전한 용접 금속이 얻어지지 않는다. 그 때문에, P의 함유량은 0.005% 이하로 할 필요가 있고, 바람직하게는 0.004% 이하, 보다 바람직하게는 0.003% 이하로 한다.

(O: 0.060% 이하(0%를 포함하지 않음))

O는 산화 개재물의 형태로 포함되는 불가피적 불순물이며, O가 과잉이 되면 수소의 영향과는 관계 없이 인장 연성이 저하되기 때문에, 본 발명의 작용이 충분히 얻어지지 않는다. 그 때문에, O의 함유량은 0.060% 이하로 할 필요가 있고, 바람직하게는 0.055% 이하, 보다 바람직하게는 0.050% 이하로 한다.

(결정립계에 편석되어 있는 B 농도가 20∼200ppm)

B는 본 발명에 있어서 가장 중요한 원소이며, 입계에 B가 편석되는 것에 의해 입계의 수소 농도를 저하시킬 수 있어, 용접 금속의 수소의 함유에 의한 연성 저하를 억제할 수 있다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 입계에 편석되어 있는 B 농도를 20ppm 이상으로 할 필요가 있고, 바람직하게는 40ppm 이상, 보다 바람직하게는 60ppm 이상으로 한다. 그러나, 농도가 과잉이 되면 용접 균열이 생기기 때문에, 결정립계에 편석되어 있는 B 농도는 200ppm 이하로 하고, 바람직하게는 170ppm 이하, 보다 바람직하게는 140ppm 이하로 한다.

본 발명에서 규정하는 입계 B 농도는 미량이며, 그의 정량 평가에는 높은 정밀도가 요구되지만, 본 발명의 소기의 작용·효과를 얻는다는 목적을 달성하는 경우, 이하의 방법으로 산출된 값을 입계 B 농도로서 취급할 수 있다.

우선, 2차 이온 질량 분석법(Secondary Ion Mass Spectrometry; SIMS)을 이용하여 용접 금속 비드 중앙부(후기하는 실시예의 도 1의 부호 3 참조)의 결정립계를 포함하는 100μm 사방을 분석해서, B의 분포에 관해 매핑 데이터를 입수한다. 매핑 데이터의 한점 한점의 강도(수치)를 100μm 사방에서 합계하여 누적 강도를 측정해 두고, 별도로, 화학 분석으로 측정한 용접 금속의 B 농도를 누적 강도로 나누어 단위 강도당 B 농도를 산출한다.

그리고, 결정립계를 건너뛰도록 발출한 B의 데이터군으로부터 가우스 함수로 피크를 근사하고, 피크 톱의 강도와 단위 강도당 B 농도를 곱하여 입계 B 농도를 산출한다.

한편, SIMS에 의한 분석 시에 Ar 이온에 의해 시료로부터 방출된 B가 장치 내의 O와 결부되어 화합물을 형성하기 때문에, 입계 B 농도의 측정에 있어서는 감도가 높게 검출되는 화합물을 검출 대상으로 해서 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 본 발명에 있어서의 SIMS에 의한 분석에서는, B를 ⁴³BO₂ ^- 등의 화합물로 해서 검출하면 강도가 높게 얻어져, 검출 감도가 개선되는 경우가 있으므로 바람직하다.

(잔부)

본 발명에 따른 용접 금속을 구성하는 화학 조성의 기본 성분은 상기와 같고, 잔부 성분은 Ni 및 그 밖의 불가피적 불순물, 즉 S, P, O 이외의 불가피적 불순물이다. 당해 그 밖의 불가피적 불순물로서는, 예를 들면 Al, Ti, V, N, Nb, Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Sb, Mg, Ca 등을 들 수 있다. 본 발명에서는, 본 발명의 효과를 나타내는 한 상기한 그 밖의 불가피적 불순물이나, 본 명세서에서 설명한 원소 이외의 원소를 적극적으로 함유시킬 수 있다(그와 같은 태양도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다).

(용접 금속의 형성 방법)

다음으로, 본 발명에 따른 용접 금속의 형성 방법에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 용접 금속은, 예를 들면 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding; SAW)이나, 피복 아크 용접(Shielded Metal Arc Welding; SMAW), 플럭스 코어드 아크 용접(Flux Cored Arc Welding; FCAW)에 의해 형성할 수 있지만, 이것들로 한정되는 것은 아니다. 후술의 용접 시공 조건을 조정하는 것에 의해 전술한 화학 조성의 용접 금속을 얻을 수 있으면 어떤 용접 방법도 적용할 수 있다.

용접 재료에 대해서는, 용접 금속의 화학 조성에 상당하는 조성으로 할 수 있지만, Cr 등의 용접 중에 산화되어 소비되기 쉬운 성분(증발 등으로 용접 금속 중으로부터 줄어들기 쉬운 성분)은, 용접 재료에 있어서의 농도를 미리 높게 해두면, 상기한 화학 조성으로 하는 것이 용이해진다.

한편, 본 발명에 따른 용접 금속은 B를 소정량 함유시키는 것이지만, 용접 금속에의 B의 첨가는 용접 재료의 제조 단계에서 B를 함유시킨 금속 와이어를 이용하면 된다. 또한, 시공 시에 사용하는 플럭스 중에 보론 산화물(B₂O₃) 등의 B를 포함하는 화합물(B 화합물)을 함유시켜 두고, 시공 단계에서 용접 금속에 첨가시킬 수도 있다. 예를 들면, SAW에서 B₂O₃을 함유하는 플럭스로부터 용접 금속에 B를 첨가하는 경우에는, B 환산 농도로 0.1% 전후 플럭스에 함유시켜 두면, 본 발명에 규정된 B 농도(평균 B 농도)로 할 수 있다. 한편, 상기한 용접 금속의 화학 조성을 얻을 수 있으면 B 화합물의 종류는 특별히 제한되는 것은 아니고, 또한 B 화합물의 종류에 따라 플럭스 중의 B 함유량을 적절히 조정하는 것도 가능하다.

한편, 본 발명의 효과를 충분히 얻기 위해서는, B를 용접 금속에 첨가한 것만으로는 충분하지 않고, 본 발명에서 규정하는 입계 B 농도를 가질 필요가 있다. 그 때문에, 본 발명에 따른 용접 금속을 형성하기 위해서는, 상기한 바와 같이 B 화합물을 함유하는 금속 와이어나 플럭스 등의 용접 재료를 사용함과 더불어, 결정립계에 B가 편석(농화)되는 조건에서 용접 시공을 행할 필요가 있다.

그와 같은 용접 시공 조건으로서는, 입열량과 패스간 온도를 관리하는 것을 들 수 있다. 한편, 「입열량」이란, 용접 시에 외부로부터 용접부에 부여되는 열량을 말한다. 「패스간 온도」란, 다패스 용접에 있어서, 다음의 패스를 시작하기 전의 패스의 최저 온도를 말한다.

본 발명에서 규정하는 입계 B 농도로 하기 위해서는, SAW에 의한 육성 용접의 경우, 예를 들면 입열량은 16.0kJ/cm 이상으로 하고, 패스간 온도는 100℃ 이상으로 하는 것을 들 수 있다. 이와 같이 하면, 용접 금속의 냉각 과정에서 B를 효율적으로 결정립계에 편석시킬 수 있다. 한편, 최적인 용접 시공 조건은 피시행물의 육후나 외기온, 개선 형상 등에 따라 변동되기 때문에, 적절히 조절하는 것이 바람직하다.

실시예

이하, 본 발명의 요건을 만족시키는 실시예와 그렇지 않은 비교예를 비교해서, 본 발명에 따른 용접 금속에 대해 구체적으로 설명한다.

우선, SAW에 의해 탄소 강판 상에 비드를 복수회 형성하고, 외형이 대략 폭 20mm×길이 400mm×높이 25mm가 되는 용접 금속(표 1의 No. 1∼13)을 형성시켰다. 이들 용접 금속 중에 B를 함유시키기 위해, 플럭스에 B₂O₃ 산화물을 첨가했다. 한편, 플럭스 중의 B₂O₃ 산화물의 환산 B 농도는 0.005∼0.2%의 범위로 했다. 또한, No. 1∼12에 대해서는, 용접 시공 환경에서 유래한 수소의 함유를 모의하기 위해, 시공 직전에 2.5질량%의 비율로 플럭스에 물을 흡수시키고, No. 13에 대해서는 플럭스에 물을 흡수시키지 않았다. 이 흡습에 의해 대략 10ppm 전후의 수소 농도를 모의적으로 시작(試作)할 수 있다. 한편, 입계 B 농도의 편석 상태를 변경하기 위해, 표 1에 나타내는 바와 같이, 일부의 용접 금속에서 입열량과 패스간 온도의 관리 조건을 변경했다. 이와 같이 해서 얻어진 용접 금속의 화학 조성(질량%)을 표 1에 나타낸다.

표 1에 나타내는 용접 금속 중 No. 1∼9가 본 발명의 규정에 해당하는 실시예이며, No. 10∼12가 본 발명의 규정을 벗어나는 비교예이다. No. 12는 용접 금속의 B 농도 및 입계 B 농도가 본 발명의 규정을 벗어나 부족했던 비교예를 나타내고 있다. No. 13은 용접 금속 중의 H 농도가 낮아, 종래, 양호한 특성이 얻어지고 있다고 여겨지는 종래예(비교예)이다. 한편, 표 1에는, 인장 연성의 지표가 되는 인장 파단 신도(%)를 나타냄과 더불어, H 농도(ppm), 입계 B 농도(ppm), 입열량(kJ/cm), 패스간 온도(℃)를 나타낸다. 인장 파단 신도, 입계 B 농도 및 H 농도는 이하와 같이 해서 측정했다.

(인장 파단 신도)

얻어진 용접 금속으로부터 도 1에 나타내는 요령으로 인장 시험편(JIS Z 3111: 2005의 게이지부 직경이 φ6mm인 A0호 시험편에 상당)을 채취하고, JIS Z 3111: 2005 「용착 금속의 인장 및 충격 시험 방법」에 준해서 인장 시험을 실시했다. 인장 파단 신도가 35% 이상인 것을 합격으로 하고, 35% 미만인 것을 불합격으로 했다. 한편, 도 1에 있어서 부호 1은 탄소 강판(모재)을 나타내고, 부호 2는 용접 금속을 나타내고, 부호 3은 인장 시험편의 채취 위치를 나타낸다.

(입계 B 농도)

입계 B 농도의 측정은 SIMS를 이용하여 다음과 같이 해서 행했다. 한편, B의 검출은 ⁴³BO₂ ^-의 시그널로 행했다.

우선, SIMS를 이용하여 용접 금속 비드 중앙부(도 1의 부호 3 참조)의 결정립계를 포함하는 100μm 사방을 분석해서, B의 분포에 관해 매핑 데이터를 입수했다.

이어서, 매핑 데이터의 한점 한점의 강도(수치)를 100μm 사방에서 합계하여 누적 강도를 측정하고, 별도로, 화학 분석(ICP(Inductively Coupled Plasma) 발광 분광 분석)으로 측정한 용접 금속의 B 농도를 누적 강도로 나누어 단위 강도당 B 농도를 산출했다.

그리고, 결정립계를 건너뛰도록 발출한 B의 데이터군으로부터 가우스 함수로 피크를 근사하고, 피크 톱의 강도와 단위 강도당 B 농도를 곱하여 입계 B 농도를 산출했다.

(H 농도)

H 농도는 승온 탈리 분석으로 평가했다.

표 1에 나타내는 바와 같이, No. 1∼9에 따른 용접 금속은 본 발명의 요건을 만족시키고 있었으므로, 인장 파단 신도가 35% 이상(합격)이 되었다.

이에 비해, No. 10∼12에 따른 용접 금속은 입계 B 농도가 지나치게 낮았으므로, 인장 파단 신도가 35% 미만(불합격)이 되었다.

한편, No. 13에 따른 용접 금속의 결과로부터, H 농도가 낮으면, 입계 B 농도가 낮아도 양호한 인장 파단 신도가 얻어진다는 것을 알 수 있다.

즉, 이 결과로부터, H 농도가 5∼13ppm인 용접 금속에서는, 입계 B 농도가 20ppm에 미치지 않은 경우에는 35% 미만밖에 인장 파단 신도가 얻어지지 않는 것(No. 10∼12)에 비해, 입계 B 농도가 20ppm 이상인 경우에는 35% 이상의 양호한 인장 파단 신도가 얻어진다는 것(No. 1∼9)이 확인되었다.

도 2에 입계 B 농도와 인장 파단 신도의 관계를 나타낸다. 표 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, No. 2와 No. 3에 따른 용접 금속, 및 No. 7과 No. 8에 따른 용접 금속을 비교하면, 용접 금속 중의 B 농도의 대소 관계가 반드시 입계 B 농도와 상관하는 것은 아니고, 용접 시공 시의 외기 온도, 판 두께 등에 따라 입열량 및 패스간 온도를 조절하여, 용접 금속의 냉각 속도를 저하시킴으로써 본 발명에 규정되는 입계 B 농도가 얻어진다는 것을 알 수 있다.

이상의 결과로부터, 본 발명이 규정하는 입계 B 농도가 높은 용접 금속으로 함으로써, 용접 시공 환경에서 유래하여 고농도로 수소를 함유했다고 해도, 인장 파단 신도(즉, 인장 연성)가 저하되지 않는다는 것이 확인되었다. 따라서, 본 발명의 요건을 만족시키는 것은 피시공물이 받는 응력에 의한 손상을 미연에 막을 수 있다.

이상, 발명을 실시하는 형태 및 실시예에 의해 본 발명에 따른 Ni기 합금 용접 금속을 상세하게 설명했지만, 본 발명의 취지는 이들 내용으로 한정됨이 없이, 그 권리 범위(기술적 범위)는 특허청구범위의 기재에 기초하여 넓게 해석해야 한다. 한편, 본 발명의 내용은 상기한 기재에 기초하여 넓게 개변·변경 등을 하는 것이 가능하다는 것은 말할 것도 없다.

1: 탄소 강판(모재)
2: 용접 금속
3: 인장 시험편의 채취 위치

Claims

C: 0.01∼0.05%(%는 질량%를 의미한다. 이하, 화학 성분에 대해 동일.),
Si: 0.01∼1.0%,
Mn: 1.5∼3.5%,
Cr: 0.5∼5.0%,
Mo: 13.0∼20.0%,
W: 1.0∼4.0%,
Fe: 5.0∼12.0%,
B: 0.0005∼0.0050%,
S: 0.005% 이하(0%를 포함하지 않음),
P: 0.005% 이하(0%를 포함하지 않음),
O: 0.060% 이하(0%를 포함하지 않음) 함유하고,
잔부가 Ni 및 불가피적 불순물로 이루어지는 용접 금속이며,
당해 용접 금속 중의 결정립계에 편석되어 있는 B 농도가 20∼200ppm인 것을 특징으로 하는 Ni기 합금 용접 금속.