KR102445683B1

KR102445683B1 - 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속 및 용접 구조물

Info

Publication number: KR102445683B1
Application number: KR1020207012216A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 히라타; 가쓰키 다나카; 가나 조토쿠
Original assignee: 닛폰세이테츠 가부시키가이샤
Priority date: 2017-10-03
Filing date: 2018-10-03
Publication date: 2022-09-21
Also published as: EP3693484A4; CA3078322A1; US20200283878A1; JP6870749B2; CN111183239A; CN111183239B; EP3693484A1; KR20200058516A; WO2019070000A1; JPWO2019070000A1; US11339462B2

Abstract

화학 조성이, 질량%로, C:0.01~0.10%, Si:0.20~0.70%, Mn:0.8~2.5%, P:0.035% 이하, S:0.0030% 이하, Cu:0.01~0.60%, Co:0.01~1.00%, Ni:8.0~12.0%, Cr:14.5~17.5%, Mo:1.0~2.2%, N:0.02~0.10%, Al:0.030% 이하, O:0.020% 이하, Sn:0~0.01%, Sb:0~0.01%, As:0~0.01%, Bi:0~0.01%, V:0~0.10%, Nb:0~0.10%, Ti:0~0.10%, W:0~0.50%, B:0~0.005%, Ca:0~0.010%, Mg:0~0.010%, REM:0~0.10%, 잔부:Fe 및 불순물이며, [17.5≤Cr+Mo+1.5×Si≤19.5] 및 [11.0≤Ni+30×(C+N)+0.5×(Mn+Cu+Co)≤17.0]을 만족하는, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속.

Description

오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속 및 용접 구조물

본 발명은, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속 및 그것을 갖는 용접 구조물에 관한 것이다.

미국 기계 학회(ASME) SA213 및 SA213M에 규정되어 있는 TP316H는, Mo를 함유하고, 고온에서의 내식성이 뛰어나기 때문에, 화력발전 플랜트 및 석유화학 플랜트에 있어서의 전열관 및 열교환기의 소재로서 널리 사용되고 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, TP316H와 같이, Mo를 함유하고, 또한 Ce를 함유시켜 고온 내식성을 높인 오스테나이트계 스테인리스강이 제안되어 있다. 또, 특허문헌 2에는 Nb, Ta, Ti를 함유시켜 더 고온 강도를 높인 오스테나이트계 스테인리스강 등이 제안되어 있다.

그런데, 이들 오스테나이트계 스테인리스강은, 일반적으로는 용접 금속을 갖는 용접 구조물로서 사용된다. 시판의 Ni기 내열합금용 용접 재료(예를 들면, JIS Z 3334(2011) SNi6082)를 이용하여 얻어지는 용접 금속은, 크리프 강도 및 인성의 관점에서는, 안정되어 충분한 성능을 얻을 수 있으나, Ni를 다량으로 함유하기 때문에 고가이다. 한편, 시판의 Mo 함유 스테인리스강용 용접 재료(JIS Z 3321(2010) YS16-8-2)를 이용하여 얻어지는 용접 금속은, 저렴하나, 고온에서의 사용 중에 무르고 단단한 σ상을 생성하여, 크리프 강도가 크게 저하하는 문제가 있다.

그 때문에, 특허문헌 3에는, C 및 N의 함유량을 규정함과 더불어, Nb 및 Cu를 적극적으로 활용함으로써, 크리프 강도를 높이고, 또한 P 및 B의 함유량을 저감하여, 용접 시의 내용접균열성을 높인 Mo 함유 오스테나이트계 스테인리스강용 불활성 가스 쉴드 용접 와이어가 제안되어 있다. 또, 특허문헌 4에는, Cr 당량 및 Ni 당량의 밸런스를 조정함과 더불어, Nb 및 Cu를 활용한, 크리프 강도와 열처리 중의 내재열균열성을 양립하는 Mo 함유 오스테나이트계 스테인리스강용 용접 재료가 제안되어 있다.

일본 특허공개 소 57-2869호 공보 일본 특허공개 소 61-23749호 공보 일본 특허공개 평 9-300096호 공보 일본 특허공개 2000-102891호 공보

그러나, 특허문헌 1 또는 2에 기재된 용접 재료를 사용하여, 얻어지는 용접 금속에 있어서, 예를 들면, 실제의 대형 플랜트와 같은 두꺼운 용접 구조물로서 사용했을 경우와 같이, 구속이 강한 용접 이음매 형상에서는, 용접 금속 내에 용접 균열이 내재하는 경우가 있는 것이 명백해졌다. 그래서, 용접 균열을 억제하여 뛰어난 내용접균열성을 실현하는 것이 요구되고 있다.

또 한편으로, 용접 균열을 억제했을 경우에도, 용접 구조물이 고온 환경(예를 들면 650℃ 환경)에 노출되면 크리프 강도가 떨어지는 경우가 있어, 그 때문에 내용접균열성에 더하여 고온 환경에서의 안정된 크리프 강도를 실현하는 것이 요구되고 있다.

본 발명은, 고온에서 사용되는 기기에 이용하는 구조물을 구성하는 용접 금속으로서, 내용접균열성이 뛰어나고 또한 높은 크리프 강도를 갖는 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속, 및 그것을 갖는 용접 구조물의 제공을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 하기의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속 및 용접 구조물을 요지로 한다.

(1) 화학 조성이, 질량%로,

C:0.01~0.10%,

Si:0.20~0.70%,

Mn:0.8~2.5%,

P:0.035% 이하,

S:0.0030% 이하,

Cu:0.01~0.60%,

Co:0.01~1.00%,

Ni:8.0~12.0%,

Cr:14.5~17.5%,

Mo:1.0~2.2%,

N:0.02~0.10%,

Al:0.030% 이하,

O:0.020% 이하,

Sn:0~0.01%,

Sb:0~0.01%,

As:0~0.01%,

Bi:0~0.01%,

V:0~0.10%,

Nb:0~0.10%,

Ti:0~0.10%,

W:0~0.50%,

B:0~0.005%,

Ca:0~0.010%,

Mg:0~0.010%,

REM:0~0.10%,

잔부:Fe 및 불순물이며,

하기 (i)식 및 (ii)식을 만족하는, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속.

17.5≤Cr＋Mo＋1.5×Si≤19.5 …(i)

11.0≤Ni＋30×(C＋N)＋0.5×(Mn＋Cu＋Co)≤17.0 …(ii)

단, 상기 식 중의 원소 기호는, 강 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.

(2) 상기 화학 조성이, 질량%로, Sn, Sb, As 및 Bi로부터 선택되는 1종 이상을 합계로 0% 초과 0.01% 이하 함유하는,

상기 (1)에 기재된 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속.

(3) 상기 화학 조성이, 질량%로,

V:0.01~0.10%,

Nb:0.01~0.10%,

Ti:0.01~0.10%,

W:0.01~0.50%,

B:0.0002~0.005%,

Ca:0.0005~0.010%,

Mg:0.0005~0.010%, 및,

REM:0.0005~0.10%

로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는,

상기 (1) 또는 (2)에 기재된 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속.

(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속을 갖는, 용접 구조물.

본 발명에 의하면, 고온에서 사용되는 기기에 이용하는 구조물을 구성하는 용접 금속으로서, 내용접균열성이 뛰어나고 또한 높은 크리프 강도를 갖는 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속, 및 그것을 갖는 용접 구조물을 얻을 수 있다.

도 1은, 실시예에 있어서 개선 가공을 실시한 판재의 형상을 나타낸 개략 단면도이다.

본 발명자들은, 뛰어난 내용접균열성과 구조물로서의 안정된 크리프 강도를 양립하기 위해서 상세한 조사를 행했다. 그 결과, 이하의 지견을 얻기에 이르렀다.

Mo를 함유하는 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속에 발생한 균열에 대해 조사한 결과, (a) 균열은 용접 금속의 주상정(柱狀晶)의 회합부(會合部) 및 다층 용접의 적층 경계로부터 약간 떨어진 위치에 발생하고, (b) 전자는 오스테나이트상의 안정성이 높아지는 성분계에서 발생하기 쉽다는 것, (c) 후자는 S 함유량이 많아지면 발생하기 쉽다는 것을 발견했다.

이에 의해, 전자는 소위, 응고 균열이며, 오스테나이트상의 안정성이 높아짐으로써, 용접 금속의 응고 형태가 변화하고, P 및 S 등이 응고 편석하기 쉬워지고, 잔존 액상의 융점이 저하, 액막이 주상정의 회합부에 장시간 존재하여, 그 부분이 열응력에 의해 개구하여 발생한 균열인 것으로 생각되었다. 또, 후자는 소위, 연성 저하 균열이며, 용접 중의 후속 패스의 열 사이클에서 입계 편석된 S가 입계의 고착력을 저하시키고, 열응력이 고착력을 상회하여, 개구하여 발생한 균열로 생각되었다.

그리고, 검토를 거듭한 결과, 본 발명의 대상으로 하는 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속에 있어서, 균열을 방지하기 위해서는, Cr＋Mo＋1.5×Si를 17.5 이상으로 하고, 또한, Ni＋30×(C＋N)＋0.5×(Mn＋Cu＋Co)를 17.0 이하로 함과 더불어, S 함유량을 0.0030% 이하로 제한할 필요가 있는 것이 판명되었다. 게다가, 용접 균열 감수성을 저감하는 효과를 충분히 얻기 위해, 소정량 이상의 Cu 및 Co를 함유시킬 필요가 있는 것을 알 수 있었다.

그런데, 이러한 대책으로 용접 금속의 내용접균열성은 확보할 수 있었으나, Cr＋Mo＋1.5×Si가 19.5를 넘거나, 또는, Ni＋30×(C＋N)＋0.5×(Mn＋Cu＋Co)가 11.0 미만이 되었을 경우에는, 반대로 오스테나이트상이 불안정해지고, 고온에서의 사용 중에 σ상이 생성되어, 크리프 강도를 크게 낮추는 것이 명백해졌다.

또, S는 용접 균열에는 악영향을 미치는 한편, 용접 금속의 형성 시에 용입 깊이를 증대시키고, 특히 초층 용접 시의 용접 시공성을 높이는 효과를 갖는다. 용접 균열의 관점에서, S 함유량을 0.0030% 이하로 관리했을 경우, 용입 깊이를 충분히 얻을 수 없는 경우도 있는 것을 알 수 있었다. 이를 해결하기 위해서는, 단순하게는 용접 금속의 형성 시에 용접 입열을 증대시키면 되는데, 입열의 증대는 용접 균열의 감수성을 높인다.

그 때문에, 이 효과를 충분히 얻고 싶은 경우에는, Sn, Sb, As 및 Bi로부터 선택되는 1종 이상을 소정의 범위에서 함유시키는 것이 유효한 것을 아울러 발견했다. 이는, 이들 원소가 용접 금속의 형성 시에, 용접 중의 용융지의 대류에 영향을 미치고, 또 용융지 표면으로부터 증발하여 통전 경로의 형성에 기여함으로써, 깊이 방향의 용융을 촉진하기 때문이라고 생각되었다.

본 발명은, 상기 지견에 의거하여 이루어진 것이다. 이하, 본 발명의 각 요건에 대해 자세하게 설명한다.

(A) 화학 조성

각 원소의 한정 이유는 하기와 같다. 또한, 이하의 설명에 있어서 함유량에 대한 「%」는, 「질량%」를 의미한다.

C:0.01~0.10%

C는 오스테나이트상을 안정시킴과 더불어 Cr와 결합하여 미세한 탄화물을 형성하여, 고온 사용 중의 크리프 강도를 향상시킨다. 그러나, C가 과잉으로 함유되었을 경우, 탄화물을 다량으로 석출하여, 취화를 초래한다. 그 때문에, C 함유량은 0.01~0.10%로 한다. C 함유량은 0.02% 이상인 것이 바람직하고, 0.03% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, C 함유량은 0.09% 이하인 것이 바람직하고, 0.08% 이하인 것이 보다 바람직하다.

Si:0.20~0.70%

Si는 탈산 작용을 가짐과 더불어, 고온에서의 내식성 및 내산화성의 확보에 필요한 원소이다. 그러나, Si가 과잉으로 함유되었을 경우에는 오스테나이트상의 안정성이 저하하여, 크리프 강도의 저하를 초래한다. 그 때문에, Si 함유량은 0.20~0.70%로 한다. Si 함유량은 0.25% 이상인 것이 바람직하고, 0.30% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Si 함유량은 0.60% 이하인 것이 바람직하고, 0.50% 이하인 것이 보다 바람직하다.

Mn:0.8~2.5%

Mn은 Si와 마찬가지로, 탈산 작용을 갖는 원소이다. 또, 오스테나이트상을 안정시키고, 크리프 강도의 향상에 기여한다. 그러나, Mn 함유량이 과잉이 되면, 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Mn 함유량은 0.8~2.5%로 한다. Mn 함유량은 0.9% 이상인 것이 바람직하고, 1.0% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Mn 함유량은 2.2% 이하인 것이 바람직하고, 2.0% 이하인 것이 보다 바람직하다.

P:0.035% 이하

P는 불순물로서 포함되며, 용접 중에 응고 편석하여 잔존 액상의 융점을 낮추고, 응고 균열 감수성을 높이는 원소이다. 또한, 크리프 연성도 저하시킨다. 그 때문에, P 함유량에 상한을 설정하여 0.035% 이하로 한다. P 함유량은 0.032% 이하인 것이 바람직하고, 0.030% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, P 함유량은 가능한 한 저감하는 것이 바람직하고, 즉 함유량이 0%여도 되는데, 극도의 저감은 재료 제조 시의 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, P 함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.0008% 이상인 것이 보다 바람직하다.

S:0.0030% 이하

S는 P와 마찬가지로 불순물로서 포함되고, 용접 중에 응고 편석하여 잔존 액상의 융점을 낮추고, 응고 균열 감수성을 높인다. 또, 응고 후에도 후속 패스의 열사이클에 의해, 입계 편석하여 연성 저하 균열 감수성도 높인다. 그 때문에, S 함유량에 상한을 설정하여 0.0030% 이하로 한다. S 함유량은 0.0025% 미만인 것이 바람직하고, 0.0020% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, S 함유량은 가능한 한 저감하는 것이 바람직하고, 즉 함유량이 0%여도 되는데, 극도의 저감은 재료 제조 시의 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, S 함유량은 0.0001% 이상인 것이 바람직하고, 0.0002% 이상인 것이 보다 바람직하다.

Cu:0.01~0.60%

Cu는 오스테나이트상의 안정성을 높이고, 크리프 강도의 향상에 기여한다. 또, Ni 및 Mn에 비해, P 및 S 등의 편석 에너지에 미치는 영향이 작고, 응고 편석을 경감하여, 용접 균열 감수성을 저감하는 효과를 기대할 수 있다. 그러나, Cu가 과잉으로 함유되었을 경우, 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Cu 함유량은 0.01~0.60%로 한다. Cu 함유량은 0.02% 이상인 것이 바람직하고, 0.03% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Cu 함유량은 0.55% 이하인 것이 바람직하고, 0.50% 이하인 것이 보다 바람직하다.

Co:0.01~1.00%

Co는 Cu와 마찬가지로, 오스테나이트상의 안정성을 높이고, 크리프 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 또, Ni 및 Mn에 비해, P 및 S 등의 편석 에너지에 미치는 영향이 작고, 응고 편석을 경감하여, 용접 균열 감수성을 저감하는 효과를 기대할 수 있다. 그러나, Co는 고가의 원소이기 때문에, 과잉의 함유는 재료의 제조 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, Co 함유량은 0.01~1.00%로 한다. Co 함유량은 0.02% 이상인 것이 바람직하고, 0.03% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Co 함유량은 0.90% 이하인 것이 바람직하고, 0.80% 이하인 것이 보다 바람직하다.

Ni:8.0~12.0%

Ni는 장시간 사용 시의 오스테나이트상의 안정성을 확보하기 위해서 필수의 원소이다. 그러나, Ni는 고가의 원소이며, 다량의 함유는 재료의 제조 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, Ni 함유량은 8.0~12.0%로 한다. Ni 함유량은 8.2% 이상인 것이 바람직하고, 8.5% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Ni 함유량은 11.8% 이하인 것이 바람직하고, 11.5% 이하인 것이 보다 바람직하다.

Cr:14.5~17.5%

Cr은 고온에서의 내산화성 및 내식성의 확보를 위해서 필수의 원소이다. 또, 미세한 탄화물을 형성하여 크리프 강도의 확보에도 기여한다. 그러나, 다량의 함유는 오스테나이트상의 안정성을 저하시켜, 반대로 크리프 강도를 해친다. 그 때문에, Cr 함유량은 14.5~17.5%로 한다. Cr 함유량은 15.0% 이상인 것이 바람직하고, 15.5% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Cr 함유량은 17.2% 이하인 것이 바람직하고, 17.0% 이하인 것이 보다 바람직하다.

Mo:1.0~2.2%

Mo는 매트릭스에 고용하여 고온에서의 크리프 강도 및 인장 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 게다가, 내식성의 향상에도 유효하다. 그러나, 과잉으로 함유시키면, 오스테나이트상의 안정성을 저하시켜, 크리프 강도를 해친다. 또한, Mo는 고가의 원소이기 때문에, 과잉의 함유는 재료의 제조 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, Mo 함유량은 1.0~2.2%로 한다. Mo 함유량은 1.1% 이상인 것이 바람직하고, 1.2% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Mo 함유량은 2.1% 이하인 것이 바람직하고, 2.0% 이하인 것이 보다 바람직하다.

N:0.02~0.10%

N은 오스테나이트상을 안정시킴과 더불어, 고용하여, 또는 질화물로서 석출하여, 고온 강도의 향상에 기여한다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, N 함유량은 0.02~0.10%로 한다. N 함유량은 0.03% 이상인 것이 바람직하고, 0.04% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, N 함유량은 0.09% 이하인 것이 바람직하고, 0.08% 이하인 것이 보다 바람직하다.

Al:0.030% 이하

Al은, 다량으로 함유하면 청정성이 열화하여, 연성이 저하한다. 그 때문에, Al 함유량은 0.030% 이하로 한다. Al 함유량은 0.025% 이하인 것이 바람직하고, 0.020% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, Al 함유량에 대해 특별히 하한을 설정할 필요는 없고, 즉 함유량이 0%여도 되는데, 극도의 저감은 재료의 제조 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, Al 함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.001% 이상인 것이 보다 바람직하다.

O:0.020% 이하

O(산소)는 불순물로서 포함된다. 그 함유량이 과잉이 되면 인성 및 연성의 열화를 초래한다. 이 때문에, O 함유량은 0.020% 이하로 한다. O 함유량은 0.018% 이하인 것이 바람직하고, 0.015% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, O 함유량에 대해 특별히 하한을 설정할 필요는 없고, 즉 함유량이 0%여도 되는데, 극도의 저감은 재료의 제조 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, O 함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.0008% 이상인 것이 보다 바람직하다.

상술한 바와 같이, Cr, Mo 및 Si는, 오스테나이트상의 안정성에 영향을 미친다. 그 때문에, 각 원소의 함유량이 상기의 범위 내가 될 뿐만 아니라, 하기 (i)식을 만족할 필요가 있다. (i)식 중변값이 19.5를 초과하면, 오스테나이트상의 안정성이 저하하고, 고온에서의 사용 중에 무른 σ상을 생성하여 크리프 강도가 저하한다. 한편, 17.5 미만이 되면, 오스테나이트상의 안정성은 높아지나, 용접 시의 고온 균열이 발생하기 쉬워진다. (i)식 좌변값은, 17.8인 것이 바람직하고, 18.0인 것이 보다 바람직하다. 한편, (i)식 우변값은, 19.2인 것이 바람직하고, 19.0인 것이 보다 바람직하다.

17.5≤Cr＋Mo＋1.5×Si≤19.5 …(i)

또, Ni, C, N, Mn, Cu 및 Co는, 오스테나이트상의 안정성에 영향을 미친다. 그 때문에, 각 원소의 함유량이 상기의 범위 내가 될 뿐만 아니라, 하기 (ii)식을 만족할 필요가 있다. (ii)식 중변값이 11.0 미만이 되면, 오스테나이트상의 안정성이 충분하지 않고, 고온에서의 사용중에 무른 σ상을 생성하여 크리프 강도가 저하한다. 한편, 17.0을 초과하면, 오스테나이트상이 과잉으로 안정되어, 용접 시의 고온 균열이 발생하기 쉬워진다. (ii)식 좌변값은, 11.2인 것이 바람직하고, 11.5인 것이 보다 바람직하다. 한편, (ii) 식 우변값은, 16.8인 것이 바람직하고, 16.5인 것이 보다 바람직하다.

11.0≤Ni＋30×(C＋N)＋0.5×(Mn＋Cu＋Co)≤17.0 …(ii)

본 발명의 용접 금속의 화학 조성에 있어서, 상기의 원소에 더하여, 또한 Sn, Sb, As 및 Bi로부터 선택되는 1종 이상을, 이하에 나타내는 범위에 있어서 함유시켜도 된다. 그 이유에 대해 설명한다.

Sn:0~0.01%

Sb:0~0.01%

As:0~0.01%

Bi:0~0.01%

Sn, Sb, As 및 Bi는, 용접 금속의 형성, 즉 용접 중의 용융지의 대류에 영향을 미쳐, 용융지의 연직 방향의 열 수송을 촉진하거나, 또는, 용융지 표면으로부터 증발하여 통전 경로를 형성하고 아크의 집중도를 높임으로써, 용입 깊이를 크게 하는 효과를 갖는다. 그 때문에, 이들 원소로부터 선택되는 1종 이상을 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, 과잉의 함유는, 용접 균열 감수성을 높이기 때문에, 어느 원소의 함유량도 0.01% 이하로 한다. 각 원소의 함유량은 0.008% 이하인 것이 바람직하고, 0.006% 이하인 것이 보다 바람직하다.

상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, 상기의 원소로부터 선택되는 1종 이상의 함유량을 0% 초과로 하는 것이 바람직하고, 0.0005% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.0008% 이상으로 하는 것이 더 바람직하고, 0.001% 이상으로 하는 것이 보다 한층 바람직하다. 또, 이들 원소로부터 선택되는 2종 이상을 복합적으로 함유시키는 경우에는, 그 합계 함유량을 0.01% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.008% 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.006% 이하로 하는 것이 더 바람직하다.

본 발명의 용접 금속의 화학 조성에 있어서, 상기의 원소에 더하여, 또한 V, Nb, Ti, W, B, Ca, Mg 및 REM으로부터 선택되는 1종 이상을, 이하에 나타내는 범위에 있어서 함유시켜도 된다. 각 원소의 한정 이유에 대해 설명한다.

V:0~0.10%

V는 C 및/또는 N과 결합하여, 미세한 탄화물, 질화물 또는 탄질화물을 형성하고, 크리프 강도에 기여하기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 탄질화물이 다량으로 석출하여, 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, V 함유량은 0.10% 이하로 한다. V 함유량은 0.09% 이하인 것이 바람직하고, 0.08% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, V 함유량은 0.01% 이상인 것이 바람직하고, 0.02% 이상인 것이 보다 바람직하다.

Nb:0~0.10%

Nb는 V와 마찬가지로, C 및/또는 N과 결합하여, 미세한 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로서 입내에 석출하고, 고온에서의 크리프 강도 및 인장 강도의 향상에 기여하는 원소이기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 탄질화물이 다량으로 석출하여, 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Nb 함유량은 0.10% 이하로 한다. Nb 함유량은 0.08% 이하인 것이 바람직하고, 0.06% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, Nb 함유량은 0.01% 이상인 것이 바람직하고, 0.02% 이상인 것이 보다 바람직하다.

Ti:0~0.10%

Ti는 V 및 Nb와 마찬가지로, C 및/또는 N과 결합하여, 미세한 탄화물, 질화물 또는 탄질화물을 형성하고, 크리프 강도에 기여하기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 탄질화물이 다량으로 석출하여, 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Ti 함유량은 0.10% 이하로 한다. Ti 함유량은 0.08% 이하인 것이 바람직하고, 0.06% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, Ti 함유량은 0.01% 이상인 것이 바람직하고, 0.02% 이상인 것이 보다 바람직하다.

W:0~0.50%

W는 Mo와 마찬가지로 매트릭스에 고용하여 고온에서의 크리프 강도 및 인장 강도의 향상에 기여하는 원소이기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 오스테나이트상의 안정성을 저하시켜, 오히려 크리프 강도의 저하를 초래한다. 그 때문에, W 함유량은 0.50% 이하로 한다. W 함유량은 0.40% 이하인 것이 바람직하고, 0.30% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, W 함유량은 0.01% 이상인 것이 바람직하고, 0.02% 이상인 것이 보다 바람직하다.

B:0~0.005%

B는 입계탄화물을 미세 분산시킴으로써, 크리프 강도를 향상시킴과 더불어, 입계에 편석하여 입계를 강화하여 연성 저하 균열 감수성을 저감하는 데에도 일정한 효과를 갖기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 반대로 응고 균열 감수성을 높인다. 그 때문에, B 함유량은 0.005% 이하로 한다. B 함유량은 0.004% 이하인 것이 바람직하고, 0.003% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, B 함유량은 0.0002% 이상인 것이 바람직하고, 0.0005% 이상인 것이 보다 바람직하다.

Ca:0~0.010%

Ca는 열간 변형능을 개선하는 효과를 갖기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 산소와 결합하여, 청정성을 현저하게 저하시키고, 오히려 열간에서의 변형능을 열화시킨다. 그 때문에, Ca 함유량은 0.010% 이하로 한다. Ca 함유량은 0.008% 이하인 것이 바람직하고, 0.005% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, Ca 함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.001% 이상인 것이 보다 바람직하다.

Mg:0~0.010%

Mg는 Ca와 마찬가지로, 열간 변형능을 개선하는 효과를 갖기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 산소와 결합하여, 청정성을 현저하게 저하시켜, 오히려 열간에서의 변형능을 열화시킨다. 그 때문에, Mg 함유량은 0.010% 이하로 한다. Mg 함유량은 0.008% 이하인 것이 바람직하고, 0.005% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, Mg 함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.001% 이상인 것이 보다 바람직하다.

REM:0~0.10%

REM은 Ca 및 Mg와 마찬가지로, 열간 변형능을 개선하는 효과를 갖기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 산소와 결합하여, 청정성을 현저하게 저하시키고, 오히려 열간에서의 변형능을 열화시킨다. 그 때문에, REM 함유량은 0.10% 이하로 한다. REM 함유량은 0.08% 이하인 것이 바람직하고, 0.06% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, REM 함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.001% 이상인 것이 보다 바람직하다.

여기서, REM은, Sc, Y 및 란타노이드의 합계 17원소를 가리키고, 상기 REM의 함유량은 이들 원소의 합계 함유량을 의미한다.

본 발명의 용접 금속의 화학 조성에 있어서, 잔부는 Fe 및 불순물이다. 여기서 「불순물」이란, 강을 공업적으로 제조할 때에, 광석, 스크랩 등의 원료, 제조 공정의 여러 가지의 요인에 의해서 혼입되는 성분이며, 본 발명에 악영향을 미치지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.

(B) 제조 방법

본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속은, 오스테나이트계 스테인리스강의 모재를 용접하여 제작된다. 또한, 모재를 용접할 때에 용접 재료(용가재)를 이용하여 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속을 제작해도 된다.

본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속을 얻기 위한 용접 방법에 대해서, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 티그 용접, 미그 용접, 피복 아크 용접, 서브 머지 아크 용접, 레이저 용접 등을 들 수 있다.

오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속을 상기의 화학 조성을 충족하도록 제작하는 방법으로는, 이용하는 오스테나이트계 스테인리스강의 모재의 화학 조성을 조정함으로써 제어하는 방법, 또한 용접 재료(용가재)를 이용하는 경우에는 그 용접 재료의 화학 조성도 아울러 조정함으로써 제어하는 방법을 들 수 있다.

예를 들면, 이용하는 오스테나이트계 스테인리스강의 모재 및 용접 재료(용가재)로서, 상기의 화학 조성을 총족하는 재료만을 이용함으로써, 얻어지는 용접 금속이 상기 화학 조성을 충족하도록 제작해도 된다. 또, 오스테나이트계 스테인리스강의 모재 및 용접 재료(용가재) 중 적어도 한쪽에, 상기의 화학 조성을 충족하지 않는 재료를 이용하면서, 그 양자의 조성의 밸런스를 조정함으로써, 얻어지는 용접 금속이 상기 화학 조성을 충족하도록 제작해도 된다.

또한, 상기 오스테나이트계 스테인리스강 모재의 바람직한 조성으로서는, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 모재의 화학 조성은, 질량%로, C:0.04~0.12%, Si:0.25~0.55%, Mn:0.7~2.0%, P:0.035% 이하, S:0.0015% 이하, Cu:0.02~0.80%, Co:0.02~0.80%, Ni:10.0~14.0%, Cr:15.5~17.5%, Mo:1.5~2.5%, N:0.01~0.10%, Al:0.030% 이하, O:0.020% 이하, Sn:0~0.01%, Sb:0~0.01%, As:0~0.01%, Bi:0~0.01%, V:0~0.10%, Nb:0~0.10%, Ti:0~0.10%, W:0~0.50%, B:0~0.005%, Ca:0~0.010%, Mg:0~0.010%, REM:0~0.10%, 잔부:Fe 및 불순물인 것이 바람직하다.

상기 모재의 화학 조성은, 질량%로, Sn, Sb, As 및 Bi로부터 선택되는 1종 이상을 합계로 0% 초과 0.01% 이하 함유해도 된다. 또한, 상기 모재의 화학 조성은, 질량%로, V:0.01~0.10%, Nb:0.01~0.10%, Ti:0.01~0.10%, W:0.01~0.50%, B:0.0002~0.005%, Ca:0.0005~0.010%, Mg:0.0005~0.010%, 및, REM:0.0005~0.10%로부터 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다.

또, 상기의 오스테나이트계 스테인리스강의 모재 및 용접 재료(용가재)의 제조 방법에 대해 특별히 제한은 설정하지 않는데, 화학 조성이 조정된 강에 대해서, 상법(常法)에 의해, 열간 단조, 열간 압연, 열처리 및 기계 가공을 순서대로 행함으로써 제조할 수 있다.

(C) 용접 구조물

본 발명에 따른 용접 구조물은, 상술한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속을 갖는 구조물이다. 예를 들면, 용접 구조물은, 용접 금속과 모재로 이루어진다. 모재는, 금속으로 이루어지고, 강재인 것이 바람직하고, 스테인리스강인 것이 보다 바람직하고, 오스테나이트계 스테인리스강인 것이 더 바람직하다. 또한, 용접 구조물의 구체적 형상, 용접 구조물을 얻기 위한 용접의 구체적 양태(용접 자세)는 특별히 한정되지 않는다.

이하, 실시예에 의해서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 강을 용해하여 주조한 잉곳으로부터, 열간 단조, 열간 압연, 열처리 및 기계 가공에 의해, 판두께 15mm, 폭 50mm, 길이 100mm의 판재(모재) 및 판두께 4mm, 폭 200mm, 길이 500mm의 판재를 제작했다. 또한, 상기의 판두께 4mm의 판재를 이용하여 기계 가공에 의해, 2mm×2mm, 길이 500mm의 컷 필러를 제작했다. 이들을 이용하여, 이하에 나타내는 각종 성능 평가 시험을 행했다.

＜용접 시공성＞

상기 모재의 길이 방향의 단부(端部)에, 도 1에 나타낸 형상의 개선 가공을 실시했다. 그 후, 개선을 형성한 모재를 2개 맞대고, 용가재를 이용하지 않고, 티그 용접에 의해 맞대기 용접을 행했다. 입열 8kJ/cm로 하고, 각 모재에 대해 2개씩 용접 이음매를 제작했다. 얻어진 용접 이음매 중, 2개 모두 용접선의 전체 길이에 걸쳐, 백 비드가 형성된 것을 용접 시공성이 양호하다고 하여, 「합격」이라고 했다. 그 중에서도, 전체 길이에 걸쳐, 백 비드 폭이 2mm 이상인 것을 「양(良)」, 일부에서도 2mm를 하회하는 부분이 있던 것을 「가(可)」로 판정했다. 또, 2개의 용접 이음매 중 일부에서도 백 비드가 형성되지 않는 부분이 있었을 경우는 「불합격」으로 판정했다.

＜내용접균열성＞

그 후, 초층만 용접한 상기 용접 이음매를, 시판의 강판 상에 사주(四周)를 구속 용접했다. 또한, 상기 시판의 강판은, SM400B의 JIS G 3160(2008)에 규정된 강판이고, 두께 30mm, 폭 150mm, 길이 200mm였다. 또, 상기의 구속 용접은, JIS Z 3224(2010)에 규정된 피복 아크 용접봉 ENi6625를 이용하여 행했다.

그 후, 개선 내에 티그 용접에 의해 적층 용접을 행했다. 상기의 적층 용접은, 각 모재와 같은 판재로부터 얻어진 컷 필러를 용가재로 이용하여 행했다. 입열 9~15kJ/cm로 하고, 각 모재에 대해 2개씩 용접 이음매를 제작했다. 그리고, 각 모재로부터 제작된 용접 이음매 중 1체에 대해서, 다섯 곳으로부터 시험편을 채취했다. 채취된 시험편의 횡단면을 경면 연마 한 뒤 부식하여, 광학 현미경에 의해 관찰하고, 용접 금속에 있어서의 균열의 유무를 조사했다. 그리고, 5개의 모든 시험편에서 균열이 없는 용접 이음매를 「합격」, 균열이 관찰된 용접 이음매를 「불합격」으로 판단했다. 또한, 초층 용접 금속은 모재를 용융시킨 그대로이고, 모재와 컷 필러는 동(同)조성이기 때문에, 표 1의 화학 조성은 용접 금속의 화학 조성과 같은 뜻이다.

＜크리프 파단 강도＞

또한, 내용접균열성의 평가에서 「합격」이 된 용접 이음매의 나머지 1체로부터, 용접 금속이 평행부의 중앙이 되도록 환봉 크리프 파단 시험편을 채취하여, 모재의 목표 파단 시간이 약 1000시간이 되는 650℃, 167MPa의 조건에서 크리프 파단 시험을 행했다. 그리고, 파단 시간이 모재의 목표 파단 시간의 90% 이상이 되는 것을 「합격」이라고 했다.

그 결과들을 표 2에 정리하여 나타낸다.

표 2로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 규정을 만족하는 강 A~F를 모재 및 용가재의 쌍방에 이용한 시험 No.1~6에서는, 용접 이음매의 제작 시에 필요한 시공성 및 내용접균열성을 가짐과 더불어, 크리프 강도가 뛰어난 결과가 되었다. 또, 시험 No.4와 시험 No.5 및 6을 비교하여 알 수 있듯이, S를 저감했을 경우, Sn, S, As 및 Bi로부터 선택되는 1종 이상을 함유시킴으로써, 용접 시공성의 개선이 인정되었다.

그에 대하여, 비교예인 강 G는 S 함유량이 규정에서 벗어나 있기 때문에, 그것을 이용한 시험 No.7에서는, 용접 금속의 다층 용접의 적층 경계 근방에 연성 저하 균열로 판단되는 균열이 발생했다. 또, 강 H는 (ii)식의 하한을 하회하고, 강 I는 (i)식의 상한을 상회했기 때문에, 오스테나이트상의 안정성이 불충분했다. 그 결과, 그들을 이용한 시험 No.8 및 9에서는, 고온의 크리프 시험에 있어서 σ상을 생성하여, 필요한 크리프 강도를 얻을 수 없었다.

또, 강 J는 (ii)식의 상한을 초과하고, 강 K는 (i)식의 하한을 하회하고, 강 L은 (i)식의 하한을 하회함과 더불어, (ii)식의 상한을 초과했다. 그 때문에, 그들을 이용한 시험 No.10~12에서는, 오스테나이트상의 안정성이 과잉으로 높아지고, 용접 금속의 응고 시에 S 및 P의 응고 편석이 조장되어, 용접 금속에 응고 균열로 판단되는 균열이 발생했다.

또한, 강 M, N 및 O는 Cu 및 Co의 한쪽 또는 양쪽을 함유하지 않기 때문에, 그들을 이용한 시험 No.13~15에서는, P 및 S의 입계 편석 경감 효과를 얻지 못하고, 용접 금속에 응고 균열로 판단되는 균열이 발생했다.

실시예 2

표 3에 나타내는 화학 조성을 갖는 강을 용해하여 거푸집에 부은 잉곳으로부터, 열간 단조, 열간 압연, 열처리 및 기계 가공에 의해, 판두께 15mm, 폭 50mm, 길이 100mm의 판재(모재)를 제작했다. 이것을 이용하여, 이하에 나타내는 각종 성능 평가 시험을 행했다.

＜내용접균열성＞

상기 모재의 길이 방향의 단부(端部)에, 도 1에 나타낸 형상의 개선 가공을 실시했다. 그 후, 개선을 형성한 모재를 2개 맞대어 백 비드와 간섭하지 않도록 홈 가공을 실시한 시판의 강판 상에 사주(四周)를 구속 용접했다. 또한, 상기 시판의 강판은, SM400B의 JIS G 3160(2008)에 규정된 강판이며, 두께 30mm, 폭 150mm, 길이 200mm였다. 또, 상기의 구속 용접은, JIS Z 3224(2010)에 규정된 피복 아크 용접봉 ENi6625를 이용하여 행했다.

그 후, 개선 내에 티그 용접에 의해 적층 용접을 행했다. 상기의 적층 용접은, 강 A의 판재로부터 얻어진 컷 필러를 용가재로 이용하여 행했다. 입열 9~15 kJ/cm로 하고, 각 모재에 대해 2개씩 용접 이음매를 제작했다. 그리고, 각 모재로부터 제작된 용접 이음매 중 1체에 대해서, 용접 금속으로부터 절분(切粉)을 채취하여, 화학 분석을 행함과 더불어, 다섯 곳으로부터 시험편을 채취했다. 채취된 시험편의 횡단면을 경면 연마 한 후 부식하여, 광학 현미경에 의해 관찰하고, 용접 금속에 있어서의 균열의 유무를 조사했다. 그리고, 5개의 모든 시험편에서 균열이 없는 용접 이음매를 「합격」, 균열이 관찰된 용접 이음매를 「불합격」으로 판단했다.

＜크리프 파단 강도＞

또한, 용접 이음매의 나머지 1체로부터, 용접 금속이 평행부의 중앙이 되도록 환봉 크리프 파단 시험편을 채취하여, 모재의 목표 파단 시간이 약 1000시간이 되는 650℃, 167MPa의 조건에서 크리프 파단 시험을 행했다. 그리고, 파단 시간이 모재의 목표 파단 시간의 90% 이상이 되는 것을 「합격」이라고 했다.

그 결과들을 표 4 및 5에 정리하여 나타낸다.

표 4 및 5로부터 알 수 있듯이, 용접 금속의 화학 조성이 본 발명의 규정을 만족하는 시험 No.16~18에서는, 용접 이음매의 제작 시에 필요한 시공성 및 내용접균열성을 가짐과 더불어, 크리프 강도가 뛰어난 결과가 되었다.

이상과 같이, 본 발명의 요건을 만족하는 경우에만, 필요한 용접 시공성 및 내용접균열성 및 뛰어난 크리프 강도를 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.

Claims

화학 조성이, 질량%로,
C:0.01~0.10%,
Si:0.20~0.70%,
Mn:0.8~2.5%,
P:0.035% 이하,
S:0.0030% 이하,
Cu:0.01~0.60%,
Co:0.01~1.00%,
Ni:8.0~12.0%,
Cr:14.5~17.5%,
Mo:1.0~2.2%,
N:0.02~0.10%,
Al:0.030% 이하,
O:0.020% 이하,
Sn:0~0.01%,
Sb:0~0.01%,
As:0~0.01%,
Bi:0~0.01%,
V:0~0.10%,
Nb:0~0.10%,
Ti:0~0.10%,
W:0~0.50%,
B:0~0.005%,
Ca:0~0.010%,
Mg:0~0.010%,
REM:0~0.10%,
잔부:Fe 및 불순물이며,
하기 (i)식 및 (ii)식을 만족하는, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속.
17.5≤Cr＋Mo＋1.5×Si≤19.5 …(i)
11.0≤Ni＋30×(C＋N)＋0.5×(Mn＋Cu＋Co)≤17.0 …(ii)
단, 상기 식 중의 원소 기호는, 강 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.
청구항 1에 있어서,
상기 화학 조성이, 질량%로, Sn, Sb, As 및 Bi로부터 선택되는 1종 이상을 합계로 0% 초과 0.01% 이하 함유하는, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 화학 조성이, 질량%로,
V:0.01~0.10%,
Nb:0.01~0.10%,
Ti:0.01~0.10%,
W:0.01~0.50%,
B:0.0002~0.005%,
Ca:0.0005~0.010%,
Mg:0.0005~0.010%, 및,
REM:0.0005~0.10%
로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속.
청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 오스테나이트계 스테인리스강 용접 금속을 갖는, 용접 구조물.