KR102365671B1

KR102365671B1 - 용접성이 향상된 극저온용 용접이음부

Info

Publication number: KR102365671B1
Application number: KR1020200179223A
Authority: KR
Inventors: 한규태; 정홍철; 박영환
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-02-23

Abstract

용접성이 향상된 극저온용 용접이음부가 개시된다.
본 발명에 따른 용접성이 향상된 극저온용 용접이음부는 중량%로, C: 0.01 내지 0.03%, Si: 0.3 내지 0.5%, Mn: 1.0 내지 1.5%, Ni: 13 내지 17%, P: 0.02%이하, S: 0.005%이하, Cr: 17 내지 21%, Mo: 2 내지 3%, 잔여 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

용접성이 향상된 극저온용 용접이음부{CRYOGENIC APPLICATION WELDED JOINT WITH IMPROVED WELDABILITY}

본 발명은 용접성이 향상된 극저온용 용접이음부에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용접부 내균열성이 우수하고, 충격인성이 우수한 인장강도 600MPa급 저온용강 용접이음부에 관한 것이다.

석유자원 고갈과 환경 규제가 강화됨에 따라 액화천연가스 추진선 또는 액화가스 수송선의 수요가 증가하고 있다. 이에 따라 액화 가스 저장탱크용 강재 개발이 활발히 이루어지고 있다. 액화 가스 저장탱크용 강재는 용접 공정이 필수적으로 요구되는데 이러한 용접 과정에서 생성되는 용접이음부는 다양한 미세조직과 함께 예상치 못한 용접결함을 포함할 수 있고, 이는 용접구조물의 안정성에 치명적인 영향을 줄 수 있다.

특히, 용접이음부의 내균열성 및 저온인성 확보가 경제성이 우수한 용접재료 개발에 있어 가장 중요한 이슈가 되고 있다. 액화 가스 저장탱크용 용접이음부는 극저온 환경에서 용접이음부의 충격인성 저하를 방지하는 것이 중요하고, 극저온 영역인 -135℃에서 최소 평균 흡수에너지 값이 27J 이상을 만족하여야한다. 또한, 안정성의 확보를 위해서는 저온인성뿐 만 아니라 용접 중 발생할 수 있는 용접이음부의 균열, 즉 고온균열을 억제해야한다.

따라서, 용접재료 개발에 있어서, 경제성이 우수하면서도 용접이음부의 내균열성 및 저온인성을 모두 확보할 수 있는 극저온용 용접이음부에 대한 기술개발이 요구되고 있다.

본 발명의 일 측면은 용접부의 합금성분 제어를 통하여 -135℃에서 저온충격인성을 확보하면서, 고온균열이 발생하지 않는 용접성이 향상된 극저온용 용접이음부을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 용접성이 향상된 극저온용 용접이음부는 중량%로, C: 0.01 내지 0.03%, Si: 0.3 내지 0.5%, Mn: 1.0 내지 1.5%, Ni: 13 내지 17%, P: 0.02%이하, S: 0.005%이하, Cr: 17 내지 21%, Mo: 2 내지 3%, 잔여 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 미세조직은 잔류 페라이트를 0% 초과 5% 미만으로 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, -135℃에서 샤르피 충격흡수에너지는 71J/cm² 이상일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 인장강도는 600MPa 이상일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 용접 후 응고 시, 초정 δ-페라이트 응고모드로 마련될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 용접성이 향상된 극저온용 용접이음부는 초정응고상을 δ페라이트로 하고, 용접이음부 내 잔류 페라이트를 포함함으로써, 용접열영향부 내 용융선(Fusion Line, FL)을 포함한 용접부 전 영역에서 저온충격인성을 만족하고, 내균열성이 향상된 용접이음부를 확보할 수 있다.

도1은 비교재 및 발명재 용접금속부의 총 균열 길이 및 최대 균열 길이를 나타낸 그래프이다.

본 명세서가 실시 예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시 예들 간에 중복되는 내용은 생략한다.

또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

본 발명의 발명자들은 용접이음부의 잔류 페라이트를 5% 미만으로 제한하여 강도 및 저온인성을 확보할 수 있고, 초정 응고모드를 오스테나이트(austenite) 모드가 아닌 초정 δ페라이트 응고모드로 진행할 경우, 응고 온도 구간을 좁힐 수 있고, 이에 따라 고온균열 저항성이 확보될 수 있음을 발견하고, 본 발명을 제안하기 이르렀다.

이하, 본 발명의 실시예에서의 합금성분 원소 함량의 수치한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.

C의 함량은 0.01 내지 0.03%이다.

C는 강의 강도 확보에 매우 유용한 원소이나, 오스테나이트 안정화 원소로 고온균열을 촉진하는 원소이다. C의 함량이 0.01% 미만일 경우, 전술한 효과를 나타낼 수 없고, C의 함량이 0.03%를 초과할 경우, 초정응고상을 δ페라이트에서 오스테나이트로 천이시키고, 응고온도 구간(고상, 액상 공존구간)을 넓힘으로써 고온균열 감수성을 넓히며, 잔류 페라이트를 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 C의 함량을 0.01 내지 0.03%로 제한한다.

Si의 함량은 0.3 내지 0.5%이다.

Si는 강의 경화능 확보에 기여하고, 제강 중 탈산제로서 첨가되는 원소이다. Si의 함량이 0.3% 미만일 경우, 본 발명에서 목표로 하는 경화능을 확보하기 어렵고, Si의 함량이 0.5%를 초과할 경우, Fe-S-Si-O의 화합물을 형성하여 고온균열을 조장할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Si의 함량을 0.3% 내지 0.5%로 제한한다.

Mn의 함량은 1.0 내지 1.5%이다.

Mn은 모재의 강도를 높이면서도 열영향부 인성의 열화에 비교적 영향을 덜 미치는 원소이다. 또한, Mn은 S와 반응하여 MnS를 형성하기 때문에 응고입계에 S의 편석에 의한 저융점화합물의 형성을 방지하여 고온균열 저항성을 향상시키는 원소이다. Mn의 함량이 1.0% 미만일 경우, 본 발명에서 목표로 하는 강도 및 고온균열 저항성을 확보하기 어렵고, Mn의 함량이 1.5%를 초과할 경우, 조대한 MnS가 과도하게 형성되어 인성이 열위해질 수 있고, 합금 원가를 상승시킨다. 따라서, 본 발명에서는 Mn의 함량을 1.0 내지 1.5%로 제한한다.

Ni의 함량은 13 내지 17%이다.

Ni은 C 및 Mn과 함께 오스테나이트 안정화 원소이고, Mn과 함께 강도를 높이면서도 저온에서의 인성을 향상시키는 원소이다. Ni의 함량이 13% 미만일 경우, 강도 및 인성을 확보하기 어렵고, Ni의 함량이 17%를 초과할 경우, 초정응고상을 δ페라이트에서 오스테나이트로 천이시키고, 응고온도 구간(고상, 액상 공존구간)을 넓힘으로써 고온균열 감수성을 넓힐 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Ni의 함량을 13 내지 17%로 제한한다.

P의 함량은 0.02%이하이다.

P는 불가피하게 강 및 용접금속부 중에 혼입되는 불순물로서 응고입계에 편석하여 응고온도를 낮춤으로써 고온균열 민감도를 상승시킨다. P은 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없으므로, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 P의 함량의 상한을 0.02%이하로 제한한다.

S의 함량은 0.005%이하이다.

S는 P와 마찬가지로 불가피하게 강 및 용접금속부 중에 혼입되는 불순물으로서 응고입계에 편석하여 응고온도를 낮춤으로써 고온균열 민감도를 상승시킨다. 따라서, S의 함량의 상한을 0.005%이하로 제한한다.

Cr의 함량은 17 내지 21%이다.

Cr은 Mo 및 Si 등과 함께 페라이트 안정화 원소로 강도를 높이면서도 제품 표면에 크롬산화층을 형성함으로써 부식을 방지할 수 있는 원소이다. 또한, Cr은 17% 이상 첨가시 초정응고상이 오스테나이트에서 δ페라이트로 천이하여, 고온균열 저항성을 향상시키지만, 21%를 초과하여 첨가할 경우 과도한 잔류 페라이트가 형성되고, 크롬탄화물이 형성으로 인해 저온인성이 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Cr의 함량을 17 내지 21%로 제한한다.

Mo의 함량은 2 내지 3%이다.

Mo는 Cr 및 Si 등과 함께 페라이트 안정화 원소로 강도를 높이면서도 공식 부식을 방지하는 원소이다. Mo는 2% 이상 첨가시 초정응고상이 오스테나이트에서 δ페라이트로 천이하여, 고온균열 저항성을 향상시키지만, 3%를 초과하여 첨가할 경우 과도한 잔류 페라이트의 형성을 통해 저온인성이 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Mo의 함량을 2 내지 3%로 제한한다.

합금조성 외 잔부는 Fe이다. 본 발명의 용접성이 향상된 극저온용 용접이음부는 통상 강의 공업적 생산 과정에서 포함될 수 있는 기타의 불순물을 포함할 수 있다. 이러한 불순물들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 알 수 있는 내용이므로 본 발명에서 특별히 그 종류와 함량을 제한하지는 않는다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 용접성이 향상된 극저온용 용접이음부는 전술한 합금 성분계의 제어를 통해 용접 후 응고 시, 초정 응고모드를 δ페라이트 응고모드로 할 수 있다.

구체적으로, C, Ni, Cr 및 Mo의 합금 성분의 제어를 통하여 초정 응고 모드를 종래의 오스테나이트(austenite) 모드가 아닌 δ페라이트 응고모드로 함으로써 응고 온도 구간을 좁힐 수 있고, 이에 따라 고온 균열 저항성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 용접성이 향상된 극저온용 용접이음부는 미세조직으로서 잔류 페라이트를 0% 초과 5% 미만으로 포함한다. 용접 이음부가 잔류 페라이트를 포함하지 않을 경우, 본 발명에서 목표로하는 고온균열 저항성을 확보할 수 없고, 잔류 페라이트의 분율이 5%를 초과할 경우에는 본 발명에서 목표로 하는 강도 및 저온인성을 확보할 수 없다. 이에, 본 발명에서는 용접이음부의 미세조직을 잔류 페라이트를 0% 초과 5% 미만으로 포함하여, 고온균열 저항성을 확보하는 동시에 강도 및 저온인성을 확보할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.

실시 예

하기 표 1의 합금 조성을 가지는 재료를 잉곳(ingot)으로 주조 후 발명재 및 비교재 주강 시편을 얻었다.

구분	합금 성분(wt%)
구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	Fe
비교재	0.08	0.5	0.7	0.005	0.003	3	Bal.	15	25
발명재	0.02	0.4	1.3	<0.02	<0.005	19	15	2.8	Bal.

이후, 발명재 및 비교재 주강 시편에 대하여 고온균열감수성 시험(Varestraint test)를 수행하여 용접금속부의 총 균열길이, 최대 균열길이를 측정하고, 그 결과를 도1에 나타내었다. 도1을 참조하면, 본 발명에 따른 합금 조성을 만족하는 발명재는 균열이 발생하지 않아, 총 균열길이 및 최대 균열길이가 측정되지 않았다.

반면, 본 발명에 따른 합금 조성을 만족하지 않는 비교재는 균열이 발생하여, 총 균열길이가 2,200μm 이상이고, 최대 균열길이가 500μm을 초과하여 고온 균열 저항성을 확보하지 못하였음을 확인할 수 있었다.

이어서, 발명재 및 비교재 주강에 대하여 최대 20kJ/cm의 대입열 용접을 적용하고, 용접부(WM), 용접열영향부 내 용융선(FL), FL으로부터 1mm, 3mm, 5mm 떨어진 위치에서 용접금속부 시편을 채취하여 -135℃에서 개별 충격인성 및 평균 충격인성을 측정하고, 그 결과를 하기 표2에 나타내었다.

충격인성은 -135℃에서 U노치를 갖는 용접금속부 시편을 샤르피 충격 시험을 수행하여 얻은 샤르피 충격 에너지 값으로 나타내었다.

구분	용접부 영역	개별 충격인성(J)			평균 충격인성(J)
발명재	WM	92	82	90	88
	FL	71	94	127	97
	FL+1	118	77	110	102
	FL+3	99	104	74	93
	FL+5	234	207	213	218
비교재	WM	74	100	102	92
	FL	108	112	104	108
	FL+1	90	111	90	97
	FL+3	94	97	79	90
	FL+5	234	242	290	246

본 발명의 합금 조성을 만족하는 발명재 및 비교재는 용접 재료(WM)뿐 만 아니라 용융선(FL), FL+1, FL+3, FL+5 부위에서 모두 71J 이상의 충격흡수에너지를 나타내어 극저온 영역인 -135℃ 이하에서 용접구조물의 안정성을 확보하기 위해 요구되는 충격흡수에너지 값인 27J 이상을 초과하여 저온충격인성을 우수함을 확인할 수 있었다. 종합적으로, 발명재는 -135℃에서 27J 이상의 충격흡수에너지를 나타내었고, 고온균열감수성 시험에서 고온균열이 발생하지 않아 저온충격인성과 고온균열 저항성을 모두 확보하였음을 확인할 수 있었다.

그러나, 비교재는 저온충격인성은 만족하였으나, 고온 균열 저항성을 확보하지 못하여, 용접구조체의 용접이음부로써 적용하기에 적합하지 않음을 확인할 수 있었다.

본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

중량%로, C: 0.01 내지 0.03%, Si: 0.3 내지 0.5%, Mn: 1.0 내지 1.5%, Ni: 13 내지 17%, P: 0.02%이하, S: 0.005%이하, Cr: 17 내지 21%, Mo: 2 내지 3%, 잔여 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용접성이 향상된 극저온용 용접이음부.
제1항에 있어서,
미세조직은,
잔류 페라이트를 0% 초과 5% 미만으로 포함하는 용접성이 향상된 극저온용 용접이음부.
제1항에 있어서,
-135℃에서 샤르피 충격흡수에너지는,
71 J/cm² 이상인 용접성이 향상된 극저온용 용접이음부.
제1항에 있어서,
인장강도는 600MPa 이상인 용접성이 향상된 극저온용 용접이음부.
제1항에 있어서,
용접 후 응고 시,
초정 δ-페라이트 응고모드로 마련되는 용접성이 향상된 극저온용 용접이음부.