KR102466688B1 - 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음 - Google Patents

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겐타 야마다
히로카즈 오카다
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닛폰세이테츠 가부시키가이샤
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Abstract

내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성이 우수하고, 또한, 크리프 연성도 우수한, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음을 제공한다. 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)은, 모재(10)와, 용접 금속(20)을 구비한다. 용접 금속(20)의 폭 중앙 위치이며 또한 두께 중앙 위치에서의 화학 조성은, 질량%로, C：0.050% 이하, Si：0.01~1.00%, Mn：0.01~3.00%, P：0.030% 이하, S：0.015% 이하, Cr：15.0~25.0%, Ni：20.0~70.0%, Mo：1.30~10.00%, Nb：0.05~3.00%, N：0.150% 이하, B：0.0050% 이하, 및, 잔부：Fe 및 불순물로 이루어진다.

Description

오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음
본 발명은, 용접 이음에 관한 것이며, 더 상세하게는, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음에 관한 것이다.
오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음은, 오스테나이트계 스테인리스강재를 용접함으로써 제조되며, 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어지는 모재와, 용접 금속을 포함한다. 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음은, 화력 보일러, 석유 정제 및 석유 화학 플랜트 등의 화학 플랜트 설비의 용접 구조물에 이용된다. 화학 플랜트 설비의 용접 구조물은 예를 들어, 증류탑의 주변 설비, 가열로관, 반응관, 열교환기, 배관 등이다. 이러한 화학 플랜트 설비의 용접 구조물에 이용되는 부재 중에는, 600~700℃의 고온에서, 또한, 황화물 및/또는 염화물을 포함하는 부식성 유체를 포함하는 환경에서 사용되는 것이 있다. 본 명세서에서는, 600~700℃의 고온의 환경이며, 황화물 및/또는 염화물을 포함하는 부식성 유체를 포함하는 환경을 「고온 부식 환경」이라고 칭한다.
고온 부식 환경에서 사용되는 용접 구조물은, 화학 플랜트의 정기 점검 시에 있어서, 가동을 정지한다. 가동 정지 시에 있어서, 용접 구조물의 온도는 상온까지 낮아진다. 이 때, 공기, 수분, 황화물 스케일이 반응하여, 용접 구조물의 부재 표면에 폴리티온산이 생성된다. 이 폴리티온산은, 입계(粒界)에 있어서의 응력 부식 균열(이하, 폴리티온산 SCC라고 한다)을 유발한다. 따라서, 상술한 고온 부식 환경에서 사용되는 부재에는, 우수한 내(耐)폴리티온산 SCC성이 요구된다.
내폴리티온산 SCC성을 높인 강이, 일본 특허공개 2003-166039호 공보(특허 문헌 1) 및 국제 공개 제2009/044802호(특허 문헌 2)에 제안되어 있다. 폴리티온산 SCC는, Cr이 M23C6형 탄화물로서 입계에 석출되고 입계 근방에 Cr결핍층이 형성됨으로써 발생한다. 그래서, 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에서는, C량을 저감하여 M23C6형 탄화물의 생성을 억제하고, 내폴리티온산 SCC성을 높이고 있다.
구체적으로는, 특허 문헌 1에 개시된 오스테나이트계 내열강은, 질량%로, C：0.005~0.03% 미만, Si：0.05~0.4%, Mn：0.5~2%, P：0.01~0.04%, S：0.0005~0.005%, Cr：18~20%, Ni：7~11%, Nb：0.2~0.5%, V：0.2~0.5%, Cu：2~4%, N：0.10~0.30%, B：0.0005~0.0080%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. Nb 및 V의 함유량의 합계가 0.6% 이상이며, 강 중의 Nb고용량이 0.15% 이상이다. 또한, N/14≥Nb/93+V/51, 및 Cr-16C-0.5Nb-V≥17.5를 만족한다. 특허 문헌 1에서는, C함유량을 저감하여, Cr과 C, Nb 및 V의 관계를 규정함으로써, 내폴리티온산 SCC성을 높이고 있다.
특허 문헌 2에 개시된 오스테나이트계 스테인리스강은, 질량%로, C：0.04% 미만, Si：1.5% 이하, Mn：2% 이하, Cr：15~25%, Ni：6~30%, N：0.02~0.35%, Sol. Al：0.03% 이하를 포함하고, 또한, Nb：0.5% 이하, Ti：0.4% 이하, V：0.4% 이하, Ta：0.2% 이하, Hf：0.2% 이하, 및 Zr：0.2% 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진다. 불순물 중에 있어서, P：0.04% 이하, S：0.03% 이하, Sn：0.1% 이하, As：0.01% 이하, Zn：0.01% 이하, Pb：0.01% 이하, 및 Sb：0.01% 이하이다. 또한, F1=S+｛(P+Sn)/2｝+｛(As+Zn+Pb+Sb)/5｝≤0.075, 및, 0.05≤Nb+Ta+Zr+Hf+2Ti+(V/10)≤1.7-9×F1을 만족한다. 특허 문헌 2에서는, C함유량을 0.05% 미만으로 함으로써 내폴리티온산 SCC성을 높인다. 또한, Nb나 Ti와 같은 C고정화 원소를 저감하여, 강 중의 P, S, Sn 등의 입계 취화 원소를 저감함으로써, 용접열영향부(HAZ)에 있어서의 내취화 균열성을 높인다.
일본 특허공개 2003-166039호 공보 국제 공개 제2009/044802호
그런데, 화학 플랜트 설비에 있어서, 질이 낮은 원유가 사용된 경우, 폴리티온산 SCC 부식뿐만이 아니라, 나프텐산 부식이 발생하는 경우가 있다. 나프텐산은, 1 또는 복수의 카르복실기를 가지는 환식 포화 탄화 수소이다. 나프텐산은, 폴리티온산과 같이 SCC를 일으키는 것이 아니라, 전면(全面) 부식을 일으킨다. 따라서, 상술한 플랜트 설비에 이용되는 용접 이음에서는, 내폴리티온산 SCC성 뿐만이 아니라, 내나프텐산 부식성도 우수한 것이 바람직하다.
또, 최근에는, 600~700℃의 고온 부식 환경에서 사용되는 부재에 있어서, 높은 크리프 연성이 요구되고 있다. 화학 플랜트 설비에서는, 상술한 대로, 설비를 정지하고 정기 점검을 실시하는 경우가 있다. 정기 점검에 있어서, 화학 플랜트 설비의 용접 구조물에서 교환이 필요한 부재가 조사된다. 이 때, 크리프 연성이 높으면, 정기 점검 시에 있어서, 부재의 변형의 정도를 확인할 수 있어, 부재의 교환의 판단 기준으로 할 수 있다.
특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에서는, 내폴리티온산 SCC성의 개선을 목적으로 하고 있지만, 내나프텐산 부식성에 관한 검토가 이루어져 있지 않고, 또, 크리프 연성의 향상에 대해서도 검토되어 있지 않다. 또한, 모재 뿐만이 아니라 용접 금속도 포함한, 용접 이음으로서의 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성에 관한 검토도 행해지지 않았다.
본 개시된 목적은, 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성이 우수하고, 또한, 모재의 크리프 연성도 우수한, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음을 제공하는 것이다.
본 개시에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음은,
모재와 용접 금속을 구비하고,
상기 모재의 화학 조성은, 질량%로,
C：0.030% 이하,
Si：0.10~1.00%,
Mn：0.20~2.00%,
P：0.040% 이하,
S：0.010% 이하,
Cr：16.0~25.0%,
Ni：10.0~30.0%,
Mo：0.10~5.00%,
Nb：0.20~1.00%,
N：0.050~0.300%,
sol. Al：0.001~0.100%,
B：0.0010~0.0080%,
Cu：0~5.00%,
W：0~5.0%,
Co：0~1.0%,
V：0~1.00%,
Ta：0~0.20%,
Hf：0~0.20%,
Ca：0~0.010%,
Mg：0~0.010%,
희토류 원소：0~0.100%, 및,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
식 (1)을 만족하며,
상기 용접 금속에 있어서,
상기 용접 금속의 폭 중앙 위치이며, 또한, 두께 중앙 위치에서의 화학 조성은, 질량%로,
C：0.050% 이하,
Si：0.01~1.00%,
Mn：0.01~3.00%,
P：0.030% 이하,
S：0.015% 이하,
Cr：15.0~25.0%,
Ni：20.0~70.0%,
Mo：1.30~10.00%,
Nb：0.05~3.00%,
N：0.150% 이하,
B：0.0050% 이하,
sol. Al：0~1.000%,
Cu：0~2.50%,
W：0~1.0%,
Co：0~15.0%,
V：0~0.10%,
Ti：0~0.50%,
Ta：0~0.20%,
Ca：0~0.010%,
Mg：0~0.010%,
희토류 원소：0~0.100%, 및,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진다.
B+0.004-0.9C+0.017Mo2≥0 (1)
여기서, 식 (1) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
본 개시에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음은, 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성이 우수하고, 또한, 모재의 크리프 연성도 우수하다.
도 1은, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 2는, 도 1의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음을 용접 금속 폭 방향으로 절단한 단면도이다.
도 3은, 도 1의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음을 용접 금속 연장 방향(L)으로 절단한 단면도이다.
도 4는, 도 3과 상이한, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음을 용접 금속 연장 방향(L)으로 절단한 단면도이다.
도 5는, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음에 있어서, 용접 금속 연장 방향(L)에 수직인 단면도이다.
도 6은, 실시예에 있어서, 모재의 개선 형상을 설명하기 위한 모식도이다.
도 7은, 도 6의 모재를 이용한 용접 이음의 모식도이다.
도 8은, 실시예에서 이용한 판형상 시험편의 채취 위치를 나타내는 모식도이다.
도 9는, 실시예에서 이용한 V노치 시험편의 채취 위치를 나타내는 모식도이다.
본 발명자들은, 내폴리티온산 SCC성 뿐만이 아니라, 내나프텐산 부식성이 우수하고, 또한, 모재의 크리프 연성도 우수한 용접 이음에 대해서 검토를 행했다.
모재의 C함유량을 0.030% 이하로 저감하면, 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, M23C6형 탄화물의 생성이 억제되어, 입계 근방에서의 Cr결핍층의 생성이 억제된다. 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 모재에서는 또한, 0.20~1.00%의 Nb를 함유함으로써, C를 Nb로 고정하여, M23C6형 탄화물의 생성 요인이 되는 고용 C량을 더 저감한다. 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 모재에서는 또한, Mo를 0.10~5.00% 함유한다. Mo는, M23C6형 탄화물의 생성을 억제한다. 그 때문에, Cr결핍층의 생성이 저감된다. 이상의 대책에 의해, 응력 부식 균열의 일종인, 내폴리티온산 SCC성을 높일 수 있다.
또한, 나프텐산 부식에 대해서는, 상술한 Mo를 함유하는 것이 유효하다. 황산 부식과 같은 전면 부식에 대해서는, 모재에 Cu를 함유하는 것이 유효하다. 그러나, 나프텐산은 상술한 대로, 카르복실기를 가지는 환식 포화 탄화 수소이며, Cu를 함유해도 내나프텐산 부식성은 높아지지 않는다. 한편, Mo는 나프텐산 부식에 매우 유효하다. Mo는, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 고온 부식 환경에서의 사용 중에 있어서, 고온 부식 환경 중의 S와 결합하여, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 표면에 황화물 피막을 형성한다. 이 황화물 피막이, 내나프텐산 부식성을 높인다. 따라서, 모재의 화학 조성에 있어서, C함유량을 0.030% 이하로 하고, Nb함유량을 0.20~1.00%로 하고, Mo함유량을 0.10~5.00%로 하면, 내폴리티온산 SCC성 뿐만이 아니라, 내나프텐산 부식성도 높아진다.
그러나, 본 발명자들이 조사한 결과, 모재의 C함유량을 0.030% 이하로 저감하면, 600~700℃의 고온 부식 환경에 있어서의 모재의 크리프 연성이 저하되는 것이 판명되었다. 그 이유로서, 다음 사항을 생각할 수 있다. 입계에 생성되는 석출물은, 입계 강도를 높인다. 입계 강도가 높아지면, 모재의 크리프 연성이 높아진다. 그러나, C함유량을 0.030% 이하로 저감하면, 입계에 생성되는 석출물(탄화물 등)도 저감한다. 그 결과, 입계 강도가 얻어지기 어려워, 모재의 크리프 연성이 저하된다고 생각할 수 있다.
그래서, 본 발명자들은, 우수한 내폴리티온산 SCC성과, 우수한 내나프텐산 부식성과, 우수한 모재의 크리프 연성을 겸비하는 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음에 대해서, 더 검토를 행했다. 본 발명자들은, 모재에 함유시키는 원소로서, B(붕소)에 주목했다. B(붕소)는 상술한 600~700℃의 고온 부식 환경 하에 있어서, 결정립계에 편석되어, 입계 강도를 높일 수 있다고 본 발명자들은 생각했다.
한층 더 검토한 결과, 본 발명자들은, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 모재의 화학 조성이, 질량%로, C：0.030% 이하, Si：0.10~1.00%, Mn：0.20~2.00%, P：0.040% 이하, S：0.010% 이하, Cr：16.0~25.0%, Ni：10.0~30.0%, Mo：0.10~5.00%, Nb：0.20~1.00%, N：0.050~0.300%, sol. Al：0.001~0.100%, B：0.0010~0.0080%, Cu：0~5.00%, W：0~5.0%, Co：0~1.0%, V：0~1.00%, Ta：0~0.20%, Hf：0~0.20%, Ca：0~0.010%, Mg：0~0.010%, 및, 희토류 원소：0~0.100%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성이면, 우수한 내폴리티온산 SCC성, 및, 우수한 내나프텐산 부식성뿐만이 아니라, 우수한 크리프 연성도 얻어진다고 생각했다.
그러나, 모재가 상기 화학 조성을 가지는 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 내폴리티온산 SCC성, 내나프텐산 부식성, 및, 모재의 크리프 연성을 조사한 결과, 우수한 내폴리티온산 SCC성 및 우수한 내나프텐산 부식성은 얻어지지만, 모재의 우수한 크리프 연성이 반드시 얻어지지 않는 경우가 있는 것을 알 수 있었다. 그래서, 본 발명자들은 한층 더 검토를 행했다. 그 결과, 모재의 크리프 연성에 대해서, 다음의 메카니즘을 생각할 수 있는 것을 알 수 있었다.
상술한 대로, 본 실시 형태에서는, 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성을 높이기 위해, C함유량을 0.030% 이하로 할 뿐만 아니라, 0.20~1.00%의 Nb를 함유시켜 C를 Nb에 고정하여, 고용 C를 저감한다. 구체적으로는, Nb는, 용체화 처리, 또는, 단시간에서의 시효에 의해, C와 결합하여 MX형 탄질화물로서 석출된다. 그러나, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음은, 고온 부식 환경(600~700℃의 부식 환경)에서 장시간(적어도 3000시간 이상) 사용된다. 이와 같은 환경에 있어서, MX형 탄질화물은 준안정상이다. 그 때문에, 상기 화학 조성을 가지는 모재를 600~700℃의 고온 부식 환경에 있어서 장시간 사용했을 경우, Nb의 MX형 탄질화물은, 안정상인 Z상(CrNbN)과 M23C6형 탄화물로 변화한다. 이 때, 입계에 편석되어 있는 B가, M23C6형 탄화물 중의 일부의 C와 치환되어, M23C6형 탄화물에 흡수된다. 그 때문에, 입계에 편석되어 있는 B량이 저감되어, 입계 강도가 저하된다. 그 결과, 충분한 크리프 연성이 얻어지지 않는다고 생각할 수 있다.
그래서, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서의 장시간에서의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 사용 중에 있어서, 입계에서의 편석 B량의 저감을 억제하는 방법에 대해서, 더 검토를 행했다. 그 결과, 다음의 메커니즘을 생각할 수 있는 것을 알 수 있었다.
Mo는 상술한 대로, M23C6형 탄화물의 생성 자체를 억제한다. Mo는 또한, M23C6형 탄화물 중의 일부의 M과 치환되어, M23C6형 탄화물에 고용되는 경우가 있다. 본 명세서에 있어서, Mo가 고용된 M23C6형 탄화물을, 「Mo고용 M23C6형 탄화물」이라고 정의한다. Mo고용 M23C6형 탄화물은 B를 고용시키기 어렵다. 따라서, 고온 부식 환경 하에서의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 사용 중에 있어서, Nb를 함유하는 MX형 탄질화물이 Z상과 M23C6형 탄화물로 변화했을 경우여도, M23C6형 탄화물이 Mo고용 M23C6형 탄화물이면, B의 M23C6형 탄화물로의 고용을 억제할 수 있어, 입계에서의 편석 B량의 저감이 억제된다. 그 결과, 우수한 내폴리티온산 SCC성, 우수한 내나프텐산 부식성, 및, 우수한 크리프 연성을 얻을 수 있다고 생각할 수 있다.
그래서, 상기 화학 조성을 가지는 모재를 구비하는 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음에 있어서, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, Nb를 함유하는 MX형 탄질화물이 Z상과 M23C6형 탄화물로 변화했을 경우여도, Mo고용 M23C6형 탄화물이 생성됨으로써, 입계에서의 편석 B량의 저감을 억제할 수 있는 모재의 화학 조성을 더 검토했다. 그 결과, Mo고용 M23C6형 탄화물의 생성에 의한 편석 B량의 저감 억제에는, 상기 화학 조성 중의 B와, C와, Mo가 밀접하게 관계하는 것을 알 수 있었다. 그리고, 상기 모재의 화학 조성에 있어서, B, C 및 Mo가 식 (1)을 만족하면, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서도, 우수한 내폴리티온산 SCC성, 우수한 내나프텐산 부식성, 및, 우수한 모재의 크리프 연성을 겸비할 수 있는 것을 알 수 있었다.
B+0.004-0.9C+0.017Mo2≥0 (1)
여기서, 식 (1)의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
본 발명자들이 더 검토한 결과, 상기 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 모재에 임의 원소인 Cu가 함유된 경우, Cu를 5.00% 이하 함유하면, 우수한 크리프 강도를 얻을 수 있으면서, 크리프 연성도 유지할 수 있지만, Cu함유량의 상한을 1.70% 이하로 하면 또한, 크리프 강도를 높이면서, 더 높은 모재의 크리프 연성을 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다. 그 이유로서, 다음 사항을 생각할 수 있다. Cu는 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, 입(粒)내에 석출되어 Cu상을 형성한다. Cu상은 크리프 강도를 높이지만, 크리프 연성을 저하시키는 경우가 있다. 따라서, 상기 화학 조성이며, 식 (1)을 만족하는 용접 이음의 모재에 있어서, 보다 바람직하게는, Cu함유량은 1.70% 이하이다. Cu함유량이 1.70% 이하이면, 우수한 크리프 연성을 보다 유효하게 유지할 수 있다.
본 발명자들이 더 검토한 결과, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 모재의 화학 조성의 Mo함유량을 0.50% 이상으로 하면, 모재의 크리프 연성이 더 높아지는 것을 알 수 있었다. 이 이유는 확실하지 않지만, 다음 사항을 생각할 수 있다. 식 (1)을 만족하는 상기 화학 조성을 가지는 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 모재에 있어서 또한, Mo함유량을 0.50% 이상으로 했을 경우, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, Mo는 또한, 입계에 편석되거나 금속간 화합물을 생성하거나 한다. 이 입계 편석이나 금속간 화합물에 의해, 입계 강도가 더 높아진다. 그 결과, 크리프 연성이 더 높아진다. 특히, 모재의 Mo함유량이 1.00% 이상이면, 모재에 있어서, 매우 우수한 크리프 연성을 얻을 수 있다.
본 발명자는 또한, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음에 있어서, 상술한 화학 조성을 가지는 모재에 대해서, 용접 금속 중, 용접 금속의 폭 중앙 위치이며 또한 두께 중앙 위치에서의 화학 조성을, 질량%로, C：0.050% 이하, Si：0.01~1.00%, Mn：0.01~3.00%, P：0.030% 이하, S：0.015% 이하, Cr：15.0~25.0%, Ni：20.0~70.0%, Mo：1.30~10.00%, Nb：0.05~3.00%, N：0.150% 이하, B：0.0050% 이하, sol. Al：0~1.000%, Cu：0~2.50%, W：0~1.0%, Co：0~15.0%, V：0~0.10%, Ti：0~0.50%, Ta：0~0.20%, Ca：0~0.010%, Mg：0~0.010%, 희토류 원소：0~0.100%, 및, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성으로 하면, 용접 이음으로서, 우수한 내폴리티온산 SCC성, 및, 우수한 내나프텐산 부식성을 가지며, 더 우수한 용접성도 얻을 수 있는 것을 지견했다.
또한, 용접 금속의 상술한 화학 조성이, 바람직하게는, 식 (2)를 만족하면, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음이 내폴리티온산 부식성 및 내나프텐산 부식성이 우수하고, 또한, 모재의 크리프 연성이 우수하며, 또한, 용접 금속의 고온 시효 후의 인성이 높아지는 것을 찾아냈다.
0.012Cr-0.005Ni+0.013Mo+0.023Nb+0.02Al-0.004Co≤0.176 (2)
여기서, 식 (2) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
이상의 지견에 의거하여 완성한 본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 요지는 다음과 같다.
［1］의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음은,
모재와 용접 금속을 구비하고,
상기 모재의 화학 조성은, 질량%로,
C：0.030% 이하,
Si：0.10~1.00%,
Mn：0.20~2.00%,
P：0.040% 이하,
S：0.010% 이하,
Cr：16.0~25.0%,
Ni：10.0~30.0%,
Mo：0.10~5.00%,
Nb：0.20~1.00%,
N：0.050~0.300%,
sol. Al：0.001~0.100%,
B：0.0010~0.0080%,
Cu：0~5.00%,
W：0~5.0%,
Co：0~1.0%,
V：0~1.00%,
Ta：0~0.20%,
Hf：0~0.20%,
Ca：0~0.010%,
Mg：0~0.010%,
희토류 원소：0~0.100%, 및,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
식 (1)을 만족하며,
상기 용접 금속에 있어서,
상기 용접 금속의 폭 중앙 위치이며, 또한, 두께 중앙 위치에서의 화학 조성은, 질량%로,
C：0.050% 이하,
Si：0.01~1.00%,
Mn：0.01~3.00%,
P：0.030% 이하,
S：0.015% 이하,
Cr：15.0~25.0%,
Ni：20.0~70.0%,
Mo：1.30~10.00%,
Nb：0.05~3.00%,
N：0.150% 이하,
B：0.0050% 이하,
sol. Al：0~1.000%,
Cu：0~2.50%,
W：0~1.0%,
Co：0~15.0%,
V：0~0.10%,
Ti：0~0.50%,
Ta：0~0.20%,
Ca：0~0.010%,
Mg：0~0.010%,
희토류 원소：0~0.100%, 및,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진다.
B+0.004-0.9C+0.017Mo2≥0 (1)
여기서, 식 (1) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
여기서, 용접 금속의 폭 중앙 위치란, 용접 금속의 연장 방향에 대해서 수직인 폭방향에 있어서의, 용접 금속의 길이(폭)의 중앙 위치를 의미한다. 용접 금속의 두께 중앙 위치란, 용접 금속의 연장 방향에 수직인 단면에 있어서, 용접 금속의 두께를 tmm라고 정의했을 때, 용접 금속의 연장 방향에 수직인 단면에 있어서, 용접 금속의 폭 중앙 위치에서의 용접 금속의 표면으로부터 t/2 깊이 위치를 의미한다.
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음은, 모재의 화학 조성의 각 원소 함유량이 상술한 범위 내이며, 또한, 식 (1)을 만족하고, 또한, 용접 금속의 폭 중앙 위치이며 또한 두께 중앙 위치에서의 화학 조성의 각 원소 함유량이 상술한 범위 내이다. 그 때문에, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음은, 내폴리티온산 SCC성이 우수하며, 내나프텐산 부식성이 우수하다. 또한, 600~700℃에서의 고온 부식 환경 하에 있어서, 모재가 우수한 크리프 연성을 가진다.
［2］의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음은,［1］에 기재된 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음으로서,
상기 모재의 상기 화학 조성은,
Cu：0.10~5.00%,
W：0.1~5.0%,
Co：0.1~1.0%,
V：0.10~1.00%,
Ta：0.01~0.20%,
Hf：0.01~0.20%,
Ca：0.001~0.010%,
Mg：0.001~0.010%, 및,
희토류 원소：0.001~0.100%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상,
을 함유한다.
［3］의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음은,［1］ 또는 ［2］에 기재된 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음으로서,
상기 용접 금속의 상기 화학 조성은,
sol. Al：0.001~1.000%,
Cu：0.01~2.50%,
W：0.1~1.0%,
Co：0.1~15.0%,
V：0.01~0.10%,
Ti：0.01~0.50%,
Ta：0.01~0.20%,
Ca：0.001~0.010%,
Mg：0.001~0.010%, 및,
희토류 원소：0.001~0.100%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상,
을 함유한다.
［4］의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음은,［1］~［3］ 중 어느 한 항에 기재된 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음으로서,
상기 용접 금속의 상기 화학 조성은, 식 (2)를 만족한다.
0.012Cr-0.005Ni+0.013Mo+0.023Nb+0.02Al-0.004Co≤0.176 (2)
여기서, 식 (2) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
이 경우, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음이 내폴리티온산 부식성 및 내나프텐산 부식성이 우수하고, 또한, 모재의 크리프 연성이 우수하며, 또한, 용접 금속의 고온 시효 후의 인성이 우수하다.
이하, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음에 대해서 상세히 서술한다. 본 명세서에 있어서, 원소에 관한 「%」는, 특별히 언급이 없는 한, 질량%를 의미한다.
［오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 구성］
도 1은, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 일례를 나타내는 평면도이다. 도 1을 참조하여, 본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)은, 모재(10)와, 용접 금속(20)을 구비한다. 용접 금속(20)은, 단부가 개선(開先) 가공된 한 쌍의 모재(10)의 단부끼리를 맞댄 후, 용접을 실시하여 형성된다. 용접은 예를 들어, 티그 용접(Gas Tungsten Arc Welding：GTAW), 피복 아크 용접(Shielded Metal Arc Welding：SMAW), 플럭스함유 와이어 아크 용접(Flux Cored Arc Welding：FCAW), 가스 메탈 아크 용접(Gas Metal Arc Welding：GMAW), 서브 머지 아크 용접(Sub merged Arc Welding：SAW)이다.
도 1에 있어서, 용접 금속(20)이 연장되는 방향을 용접 금속 연장 방향(L)이라고 정의하고, 평면에서 보았을 때의 용접 금속 연장 방향(L)과 수직인 방향을 용접 금속 폭 방향(W)이라고 정의하고, 용접 금속 연장 방향(L) 및 용접 금속 폭 방향(W)과 수직인 방향을 용접 금속 두께 방향(T)이라고 정의한다. 도 2는, 도 1의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)을 용접 금속 폭 방향(W)으로 절단한 단면도이다. 도 1 및 도 2에 나타내는 대로, 용접 금속(20)은, 한 쌍의 모재(10)의 사이에 배치되어 있다.
도 3은, 도 1의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)을 용접 금속 연장 방향(L)으로 절단한 단면도이며, 도 4는, 도 3과 상이한, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)을 용접 금속 연장 방향(L)으로 절단한 단면도이다. 도 3에 나타내는 대로, 모재(10)의 형상은 판재여도 되고, 도 4에 나타내는 대로, 모재(10)의 형상은 강관이어도 된다. 도시하지 않지만, 모재(10)의 형상은 봉강이나 형강이어도 된다. 이하, 모재(10) 및 용접 금속(20)에 대해서 설명한다.
［모재(10)에 대해서］
［화학 조성］
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 모재(10)의 화학 조성은, 다음의 원소를 함유한다.
C：0.030% 이하
탄소(C)는 불가피하게 함유된다. 즉, C함유량은 0% 초과이다. C는, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 사용 중에 있어서, 모재 중의 입계에 M23C6형 탄화물을 생성하여, 모재(10)의 내폴리티온산 SCC성을 저하시킨다. 따라서, C함유량은 0.030% 이하이다. C함유량의 바람직한 상한은 0.020%이며, 더 바람직하게는 0.018%이며, 더 바람직하게는 0.016%이며, 더 바람직하게는 0.015%이다. C함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 그러나, C함유량의 과잉한 저감은 제조 비용을 높게 한다. 따라서, 공업 생산상, C함유량의 바람직한 하한은 0.001%이며, 더 바람직하게는 0.002%이다.
Si：0.10~1.00%
실리콘(Si)은 강을 탈산시킨다. Si는 또한, 모재(10)의 내산화성 및 내수 증기 산화성을 높인다. Si함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, Si함유량이 너무 높으면, 모재(10) 중에 시그마상(σ상)이 석출되어, 강의 인성이 저하된다. 따라서, Si함유량은 0.10~1.00%이다. Si함유량의 바람직한 하한은 0.15%이며, 더 바람직하게는 0.17%이며, 더 바람직하게는 0.18%이며, 더 바람직하게는 0.20%이며, 더 바람직하게는 0.25%이다. Si함유량의 바람직한 상한은 0.75%이며, 더 바람직하게는 0.70%이며, 더 바람직하게는 0.50%이며, 더 바람직하게는 0.45%이다.
Mn：0.20~2.00%
망간(Mn)은 강을 탈산시킨다. Mn은 또한, 오스테나이트를 안정화하여, 모재(10)의 크리프 강도를 높인다. Mn함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, Mn함유량이 너무 높으면, 모재(10)의 크리프 강도가 오히려 저하된다. 따라서, Mn함유량은 0.20~2.00%이다. Mn함유량의 바람직한 하한은 0.30%이며, 더 바람직하게는 0.40%이며, 더 바람직하게는 0.50%이며, 더 바람직하게는 0.60%이며, 더 바람직하게는 0.70%이며, 더 바람직하게는 0.80%이다. Mn함유량의 바람직한 상한은 1.80%이며, 더 바람직하게는 1.70%이며, 더 바람직하게는 1.60%이며, 더 바람직하게는 1.50%이다.
P：0.040% 이하
인(P)은 불가피하게 함유되는 불순물이다. 즉, P함유량은 0% 초과이다. P는 강의 열간 가공성 및 인성을 저하시킨다. 따라서, P함유량은 0.040% 이하이다. P함유량의 바람직한 상한은 0.035%이며, 더 바람직하게는 0.032%이며, 더 바람직하게는 0.028%이며, 더 바람직하게는 0.026%이다. P함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 그러나, P함유량의 과잉한 저감은 제조 비용을 높인다. 따라서, 공업 생산상, P함유량의 바람직한 하한은 0.001%이며, 더 바람직하게는 0.002%이다.
S：0.010% 이하
황(S)은 불가피하게 함유되는 불순물이다. 즉, S함유량은 0% 초과이다. S는 강의 열간 가공성 및 크리프 연성을 저하시킨다. 따라서, S함유량은 0.010% 이하이다. S함유량의 바람직한 상한은 0.007%이며, 더 바람직하게는 0.006%이며, 더 바람직하게는 0.005%이다. S함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 그러나, S함유량의 과잉한 저감은 제조 비용을 높인다. 따라서, 공업 생산상, S함유량의 바람직한 하한은 0.001%이다.
Cr：16.0~25.0%
크롬(Cr)은 모재(10)의 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성을 높인다. Cr함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, Cr함유량이 너무 높으면, 모재(10)의 크리프 강도 및 인성이 저하된다. 따라서, Cr함유량은 16.0~25.0%이다. Cr함유량의 바람직한 하한은 16.5%이며, 더 바람직하게는 17.0%이며, 더 바람직하게는 17.2%이며, 더 바람직하게는 17.4%이다. Cr함유량의 바람직한 상한은 24.0%이며, 더 바람직하게는 23.0%이며, 더 바람직하게는 22.0%이다.
Ni：10.0~30.0%
니켈(Ni)은 오스테나이트를 안정화하여, 모재(10)의 크리프 강도를 높인다. Ni는 또한, 모재의 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성을 높인다. Ni함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, Ni함유량이 너무 높으면, 상기 효과가 포화되고, 또한, 제조 비용이 높아진다. 따라서, Ni함유량은 10.0~30.0%이다. Ni함유량의 바람직한 하한은 11.0%이며, 더 바람직하게는 12.0%이며, 더 바람직하게는 13.0%이며, 더 바람직하게는 13.5%이다. Ni함유량의 바람직한 상한은 27.0%이며, 더 바람직하게는 25.0%이며, 더 바람직하게는 22.0%이며, 더 바람직하게는 20.0%이며, 더 바람직하게는 18.0%이며, 더 바람직하게는 17.0%이다.
Mo：0.10~5.00%
몰리브덴(Mo)은, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, 입계에 M23C6형 탄화물이 생성되는 것을 억제한다. 이것에 의해, 모재(10)의 내폴리티온산 SCC성을 높인다. Mo는 또한, 고온 부식 환경 하에서의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 사용 중에 있어서, 모재(10) 중의 고용 Mo가 사용 환경 중의 S와 결합하여, 모재(10)의 표면에 황화물 피막을 형성한다. 이 황화물 피막의 형성에 의해, 내나프텐산 부식성이 높아진다. Mo는 또한, 600~700℃에서의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, Nb의 MX형 탄질화물이 M23C6형 탄화물로 변화할 때, M23C6형 탄화물에 B가 고용되는 것을 억제하여, 고온 부식 환경 하에서의 입계의 편석 B량이 저감되는 것을 억제한다. 이것에 의해, 고온 부식 환경 하에 있어서, 충분한 크리프 연성을 얻을 수 있다. Mo함유량이 너무 낮으면, 이러한 효과를 얻을 수 없다. 한편, Mo함유량이 너무 높으면, 오스테나이트의 안정성이 저하된다. 따라서, Mo함유량은 0.10~5.00%이다. Mo함유량의 바람직한 하한은 0.20%이며, 더 바람직하게는 0.30%이다.
Mo함유량이 0.50% 이상이면 또한, Mo는 입계에 편석되거나, 금속간 화합물을 생성하거나 하여, 입계 강도를 더 높인다. 이 경우, 고온 부식 환경 하에 있어서, 더 우수한 크리프 연성을 얻을 수 있다. 따라서, Mo함유량의 더 바람직한 하한은 0.50%이며, 더 바람직하게는 0.80%이며, 더 바람직하게는 1.00%이며, 더 바람직하게는 2.00%이다. Mo함유량이 1.00% 이상이면, 모재(10)에 있어서, 특히 우수한 크리프 연성을 얻을 수 있다. Mo함유량의 바람직한 상한은 4.50%이며, 더 바람직하게는 4.00%이다.
Nb：0.20~1.00%
니오브(Nb)는, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, C와 결합하여 MX형 탄질화물을 생성하여, 모재(10) 중의 고용 C량을 저감시킨다. 이것에 의해, 모재(10)의 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성이 높아진다. 생성한 Nb의 MX형 탄질화물은 또, 모재(10)의 크리프 강도를 높인다. Nb함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, Nb함유량이 너무 높으면, δ페라이트가 생성되어, 모재(10)의 크리프 강도, 인성, 및, 용접성이 저하된다. 따라서, Nb함유량은 0.20~1.00%이다. Nb함유량의 바람직한 하한은 0.25%이며, 더 바람직하게는 0.28%이며, 더 바람직하게는 0.30%이며, 더 바람직하게는 0.32%이다. Nb함유량의 바람직한 상한은 0.90%이며, 더 바람직하게는 0.80%이며, 더 바람직하게는 0.70%이며, 더 바람직하게는 0.65%이다.
N：0.050~0.300%
질소(N)는 매트릭스(모상(母相))에 고용되어 오스테나이트를 안정화하여, 모재(10)의 크리프 강도를 높인다. N은 또한, 입내에 미세한 탄질화물을 형성하여, 모재(10)의 크리프 강도를 높인다. 즉, N은, 고용 강화 및 석출 강화의 양쪽 모두에서 모재(10)의 크리프 강도에 기여한다. N함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, N함유량이 너무 높으면, 입계에서 Cr질화물이 형성되어, 모재(10)의 용접열영향부(HAZ)에서의 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성이 저하된다. N함유량이 너무 높으면 또한, 강의 가공성이 저하된다. 따라서, N함유량은 0.050~0.300%이다. N함유량의 바람직한 하한은 0.060%이며, 더 바람직하게는 0.070%이며, 더 바람직하게는 0.080%이다. N함유량의 바람직한 상한은 0.250%이며, 더 바람직하게는 0.200%이며, 더 바람직하게는 0.190%이다.
sol. Al：0.001~0.100%
알루미늄(Al)은 강을 탈산시킨다. Al함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, Al함유량이 너무 높으면, 강의 청정도가 저하되고, 강의 가공성 및 연성이 저하된다. 따라서, Al함유량은 0.001~0.100%이다. Al함유량의 바람직한 하한은 0.002%이며, 더 바람직하게는 0.003%이다. Al함유량의 바람직한 상한은 0.050%이며, 더 바람직하게는 0.030%이며, 더 바람직하게는 0.025%이다. 본 실시 형태에 있어서 Al함유량은, 산가용 Al(sol. Al)의 함유량을 의미한다.
B：0.0010~0.0080%
붕소(B)는, 600~700℃에서의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, 입계에 편석되어, 입계 강도를 높인다. 그 결과, 600~700℃에서의 고온 부식 환경 하에 있어서, 모재(10)의 크리프 연성을 높인다. B함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, B함유량이 너무 높으면, 용접성 및 고온에서의 열간 가공성이 저하된다. 또한, 용접 시에 용접 금속의 B함유량이 높아져, 용접 금속(20)에 응고 균열이 생긴다. 따라서, B함유량은 0.0010~0.0080%이다. B함유량의 바람직한 하한은, 0.0015%이며, 더 바람직하게는 0.0018%이며, 더 바람직하게는 0.0020%이며, 더 바람직하게는 0.0022%이다. B함유량의 바람직한 상한은 0.0060% 미만이며, 더 바람직하게는 0.0050%이다.
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 모재(10)의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서, 불순물이란, 상기 모재(10)를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것이며, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 모재(10)에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
［임의 원소에 대해서］
［제1군 임의 원소］
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 모재(10)의 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에, Cu, W 및 Co로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 모두, 모재(10)의 크리프 강도를 높인다.
Cu：0~5.00%
구리(Cu)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Cu는 0%여도 된다. 함유되는 경우, Cu는 600~700℃의 고온 부식 환경에서의 사용 중에 있어서, 입내에 Cu상으로서 석출되어, 석출 강화에 의해 모재(10)의 크리프 강도를 높인다. 그러나, Cu함유량이 너무 높으면, 강의 열간 가공성 및 용접성이 저하된다. 따라서, Cu함유량은 0~5.00%이다. 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 모재(10)의 크리프 강도를 더 유효하게 높이기 위한 Cu함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.10%이며, 더 바람직하게는 0.11%이며, 더 바람직하게는 0.12%이며, 더 바람직하게는 2.00%이며, 더 바람직하게는 2.50%이다. Cu함유량의 바람직한 상한은 4.50%이며, 더 바람직하게는 4.00%이며, 더 바람직하게는 3.80%이며, 더 바람직하게는 3.70%이며, 더 바람직하게는 3.60%이며, 더 바람직하게는 3.50%이며, 더 바람직하게는 1.90%이다. 특히, 600~700℃의 고온 부식 환경에 있어서, 보다 우수한 크리프 연성을 유지하기 위한 바람직한 Cu함유량은 0~1.70%이며, 더 바람직한 Cu함유량의 상한은, 1.60%이다.
W：0~5.0%
텅스텐(W)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, W는 0%여도 된다. 함유되는 경우, W는 매트릭스(모상)에 고용되어, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 모재(10)의 크리프 강도를 높인다. 그러나, W함유량이 너무 높으면, 오스테나이트의 안정성이 저하되어, 모재(10)의 크리프 강도나 인성이 저하된다. 따라서, W함유량은 0~5.0%이다. W함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.1%이며, 더 바람직하게는 0.2%이며, 더 바람직하게는 0.5%이다. W함유량의 바람직한 상한은 4.5%이며, 더 바람직하게는 4.0%이며, 더 바람직하게는 3.5%이다.
Co：0~1.0%
코발트(Co)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Co함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, Co는 오스테나이트를 안정화하여, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 모재(10)의 크리프 강도를 높인다. 그러나, Co함유량이 너무 높으면, 원료 비용이 높아진다. 따라서, Co함유량은 0~1.0%이다. Co함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.1%이며, 더 바람직하게는 0.2%이며, 더 바람직하게는 0.3%이다. Co함유량의 바람직한 상한은 0.9%이며, 더 바람직하게는 0.8%이다.
［제2군 임의 원소］
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 모재(10)의 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에, V, Ta 및 Hf로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 모두, 모재의 내폴리티온산 SCC성, 및, 크리프 강도를 높인다.
V：0~1.00%
바나듐(V)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, V함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, V는, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, C와 결합하여 탄질화물을 생성하고, 고용 C를 저감하여, 모재(10)의 내폴리티온산 SCC성을 높인다. 생성한 V탄질화물은 또, 모재(10)의 크리프 강도를 높인다. 그러나, V함유량이 너무 높으면, δ페라이트가 생성되어, 모재(10)의 크리프 강도, 인성, 및 용접성이 저하된다. 따라서, V함유량은 0~1.00%이다. 내폴리티온산 SCC성 및 크리프 강도를 더 유효하게 높이기 위한 V함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.10%이다. V함유량의 바람직한 상한은 0.90%이며, 더 바람직하게는 0.80%이다.
Ta：0~0.20%
탄탈(Ta)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Ta함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, Ta는, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, C와 결합하여 탄질화물을 생성하고, 고용 C를 저감하여, 모재(10)의 내폴리티온산 SCC성을 높인다. 생성한 Ta탄질화물은 또, 크리프 강도를 높인다. 그러나, Ta함유량이 너무 높으면, δ페라이트가 생성되어, 모재(10)의 크리프 강도, 인성, 및 용접성이 저하된다. 따라서, Ta함유량은 0~0.20%이다. 내폴리티온산 SCC성 및 크리프 강도를 더 유효하게 높이기 위한 Ta함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.02%이다. Ta함유량의 바람직한 상한은 0.18%이며, 더 바람직하게는 0.16%이다.
Hf：0~0.20%
하프늄(Hf)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Hf함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, Hf는, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, C와 결합하여 탄질화물을 생성하고, 고용 C를 저감하여, 모재(10)의 내폴리티온산 SCC성을 높인다. 생성한 Hf 탄질화물은 또, 모재(10)의 크리프 강도를 높인다. 그러나, Hf함유량이 너무 높으면, δ페라이트가 생성되어, 모재(10)의 크리프 강도, 인성, 및 용접성이 저하된다. 따라서, Hf함유량은 0~0.20%이다. Hf함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.02%이다. Hf함유량의 바람직한 상한은 0.18%이며, 더 바람직하게는 0.16%이다.
［제3군 임의 원소］
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 모재(10)의 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에, Ca, Mg 및 희토류 원소(REM)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 모두, 모재의 열간 가공성 및 크리프 연성을 높인다.
Ca：0~0.010%
칼슘(Ca)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Ca함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, Ca는, O(산소) 및 S(황)를 개재물로서 고정하여, 모재(10)의 열간 가공성 및 크리프 연성을 높인다. 그러나, Ca함유량이 너무 높으면, 모재(10)의 열간 가공성 및 크리프 연성이 저하된다. 따라서, Ca함유량은 0~0.010%이다. Ca함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.001%이며, 더 바람직하게는 0.002%이다. Ca함유량의 바람직한 상한은 0.008%이며, 더 바람직하게는 0.006%이다.
Mg：0~0.010%
마그네슘(Mg)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Mg함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, Mg는, O(산소) 및 S(황)를 개재물로서 고정하여, 모재(10)의 열간 가공성 및 크리프 연성을 높인다. 그러나, Mg함유량이 너무 높으면, 모재(10)의 열간 가공성 및 크리프 연성이 저하된다. 따라서, Mg함유량은 0~0.010%이다. Mg함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.001%이며, 더 바람직하게는 0.002%이다. Mg함유량의 바람직한 상한은 0.008%이며, 더 바람직하게는 0.006%이다.
희토류 원소：0~0.100%
희토류 원소(REM)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, REM 함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, REM은, O(산소) 및 S(황)를 개재물로서 고정하여, 모재의 열간 가공성 및 크리프 연성을 높인다. 그러나, REM 함유량이 너무 높으면, 모재의 열간 가공성 및 크리프 연성이 저하된다. 따라서, REM 함유량은 0~0.10%이다. REM 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.001%이며, 더 바람직하게는 0.002%이다. REM 함유량의 바람직한 상한은 0.080%이며, 더 바람직하게는 0.060%이다.
본 명세서에 있어서의 REM은, Sc, Y, 및, 란타노이드(원자 번호 57번의 La~71번의 Lu)의 적어도 1종 이상을 함유하고, REM 함유량은, 이들 원소의 합계 함유량을 의미한다.
［식 (1)에 대해서］
상기 모재(10)의 화학 조성은 또한, 식 (1)을 만족한다.
B+0.004-0.9C+0.017Mo2≥0 (1)
식 (1) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
상술한 대로, 본 실시 형태에서는, 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성을 높이기 위해, C함유량을 0.030% 이하로 할 뿐만 아니라, 0.20~1.00%의 Nb를 함유한다. 이것에 의해, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 Nb의 MX형 탄질화물을 생성하여, 고용 C량을 저감시킨다. 그러나, Nb의 MX형 탄질화물은 준안정상이기 때문에, 상기 고온 부식 환경 하에서의 장시간의 사용 중에 있어서, Nb의 MX형 탄질화물은 Z상 및 M23C6형 탄화물로 변화한다. 이 때, 입계에 편석되어 있는 B가 M23C6형 탄화물에 고용되어, 입계에서의 B편석량이 저감된다. 그 결과, 모재(10)의 크리프 연성이 저하되어 버린다.
그러나, Mo가 M23C6형 탄화물에 고용되어 「Mo고용 M23C6형 탄화물」을 생성하면, Mo고용 M23C6형 탄화물에 B는 고용되기 어렵다. 그 때문에, 입계에서의 B편석량은 유지되어, 우수한 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 모재(10)에 있어서 우수한 크리프 연성을 얻을 수 있다.
F1=B+0.004-0.9C+0.017 Mo2라고 정의한다. F1은, 고온 부식 환경 하에서 사용 중의 모재(10) 중에 생성되는 복수의 M23C6형 탄화물 중, Mo고용 M23C6형 탄화물의 비율을 나타내는 지표이다. F1이 0 이상이면, 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, 강 중에 복수의 M23C6형 탄화물이 생성되어도, Mo고용 M23C6형 탄화물의 비율이 높다. 그 때문에, 입계에 편석되어 있는 B가 M23C6형 탄화물에 고용되기 어려워, 입계에서의 편석 B량이 유지된다. 그 때문에, 모재(10)가, 우수한 내폴리티온산 SCC성과 우수한 내나프텐산 부식성과 우수한 크리프 연성을 겸비할 수 있다. 따라서, F1은 0(0.00000) 이상이다. 바람직하게는, F1은 0.00100 이상이며, 더 바람직하게는 0.00200 이상이며, 더 바람직하게는, 0.00400 이상이며, 더 바람직하게는, 0.00500 이상이며, 더 바람직하게는 0.00800 이상이며, 더 바람직하게는 0.01000 이상이며, 더 바람직하게는 0.02000 이상이다.
바람직하게는, 상기 모재의 화학 조성이 Cu를 함유하는 경우, 상술한 대로, Cu함유량의 상한은 1.70% 이하이다. 즉, 크리프 강도를 높이면서, 또한, 우수한 크리프 연성을 얻는 것을 고려하면, 바람직한 Cu함유량은 0% 초과~1.70%이다. Cu함유량이 1.70% 이하이면, Cu상의 석출 강화에 의해 우수한 크리프 강도를 얻으면서, 우수한 모재의 크리프 연성을 유지할 수 있다.
상기 모재의 화학 조성에 있어서, Mo함유량의 하한은 바람직하게는 0.50%이다. 이 경우, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, Mo는 또한, 입계에 편석되거나 금속간 화합물을 생성하거나 한다. 이 입계 편석이나 금속간 화합물에 의해, 입계 강도가 더 높아진다. 그 결과, 모재의 크리프 연성이 더 높아진다. 따라서, 바람직한 Mo함유량의 하한은 0.50%이다. 또한, Mo함유량의 하한이 1.00% 이상인 경우, 모재의 크리프 연성이 현저하게 높아진다. 또한, Mo함유량이 0.50% 이상인 경우의 바람직한 F1치는 0.00500 이상이며, 더 바람직하게는, 0.00800 이상이며, 더 바람직하게는, 0.01000 이상이며, 더 바람직하게는 0.02000 이상이다.
［용접 금속(20)에 대해서］
［화학 조성］
도 5는, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)에 있어서, 용접 금속 연장 방향(L)에 수직인 단면도이다. 도 5를 참조하여, 용접 금속 연장 방향(L)에 수직인 용접 금속(20)의 단면에 있어서, 용접 금속(20)의 최표면에서의 폭을 W(mm)라고 정의한다. 그리고, 폭(W)의 중앙 위치에서의 용접 금속(20)의 두께를 t(mm)라고 정의한다. 이 때, 용접 금속(20)의 폭 중앙 위치이며, 두께 중앙 위치(즉, 용접 금속(20)의 최표면으로부터 t/2 깊이 위치)의 영역(P)의 화학 조성은, 다음의 원소를 함유한다.
C：0.050% 이하
탄소(C)는 불가피하게 함유된다. 즉, C함유량은 0% 초과이다. C는, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 사용 중에 있어서, 용접 금속(20) 중의 입계에 M23C6형 탄화물을 생성하여, 용접 금속(20)의 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성을 저하시킨다. 따라서, C함유량은 0.050% 이하이다. C함유량의 바람직한 상한은 0.040%이며, 더 바람직하게는 0.030%이며, 더 바람직하게는 0.025%이며, 더 바람직하게는 0.020%이다. C함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 그러나, C함유량의 과잉한 저감은 제조 비용을 높게 한다. 따라서, 공업 생산상, C함유량의 바람직한 하한은 0.001%이며, 더 바람직하게는 0.005%이다.
Si：0.01~1.00%
실리콘(Si)은, 용접 시에 용접 금속(20)을 탈산시킨다. Si함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 한편, Si함유량이 너무 높으면, 용접 금속(20)의 인성이 저하된다. 따라서, Si함유량은 0.01~1.00%이다. Si함유량의 바람직한 하한은 0.02%이며, 더 바람직하게는 0.03%이며, 더 바람직하게는 0.10%이다. Si함유량의 바람직한 상한은 0.80%이며, 더 바람직하게는 0.65%이며, 더 바람직하게는 0.40%이며, 더 바람직하게는 0.35%이다.
Mn：0.01~3.00%
망간(Mn)은, 용접 시에 용접 금속(20)을 탈산시킨다. Mn함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 한편, Mn함유량이 너무 높으면, 용접 금속(20)의 크리프 강도가 저하된다. 따라서, Mn함유량 0.01~3.00%이다. Mn함유량의 바람직한 하한은, 0.05%이며, 더 바람직하게는 0.08%이며, 더 바람직하게는, 0.10%이며, 더 바람직하게는 0.14%이며, 더 바람직하게는 0.16%이다. Mn함유량의 바람직한 상한은, 2.70%이며, 더 바람직하게는 2.50%이며, 더 바람직하게는 2.30%이다.
P：0.030% 이하
인(P)은 불가피하게 함유되는 불순물이다. 즉, P함유량은 0% 초과이다. P는 용접 금속의 인성을 저하시킨다. P는 또한, 용접 금속(20)의 고온 균열 감수성을 높인다. 따라서, P함유량은 0.030% 이하이다. P함유량의 바람직한 상한은 0.025%이며, 더 바람직하게는 0.020%이다. P함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 그러나, P함유량의 과잉한 저감은 제조 비용을 높인다. 따라서, 공업 생산상, P함유량의 바람직한 하한은 0.001%이며, 더 바람직하게는 0.002%이다.
S：0.015% 이하
황(S)은 불가피하게 함유되는 불순물이다. 즉, S함유량은 0% 초과이다. S는 용접 금속의 연성을 저하시키고, 용접 금속(20)의 고온 균열 감수성을 높인다. 따라서, S함유량은 0.015% 이하이다. S함유량의 바람직한 상한은 0.010%이며, 더 바람직하게는 0.007%이다. S함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 그러나, S함유량의 과잉한 저감은 제조 비용을 높인다. 따라서, 공업 생산상, S함유량의 바람직한 하한은 0.001%이며, 더 바람직하게는 0.002%이다.
Cr：15.0~25.0%
크롬(Cr)은 용접 금속(20)의 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성을 높인다. Cr은 또한, 내산화성, 내수 증기 산화성, 내고온 부식성 등을 높인다. Cr함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, Cr함유량이 너무 높으면, 용접 금속(20)의 크리프 강도 및 인성이 저하된다. 따라서, Cr함유량은 15.0~25.0%이다. Cr함유량의 바람직한 하한은 16.5%이며, 더 바람직하게는 17.0%이다. Cr함유량의 바람직한 상한은 24.0%이며, 더 바람직하게는 23.0%이다.
Ni：20.0~70.0%
니켈(Ni)은 오스테나이트를 안정화하여, 용접 금속(20)의 크리프 강도를 높인다. Ni는 또한, 용접 금속(20)의 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성을 높인다. Ni함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, Ni함유량이 너무 높으면, 상기 효과가 포화되고, 또한, 제조 비용이 높아진다. 따라서, Ni함유량은 20.0~70.0%이다. Ni함유량의 바람직한 하한은 21.0%이며, 더 바람직하게는 23.0%이며, 더 바람직하게는 25.0%이며, 더 바람직하게는 27.0%이다. Ni함유량의 바람직한 상한은 60.0%이며, 더 바람직하게는 55.0%이며, 더 바람직하게는 50.0%이다.
Mo：1.30~10.00%
몰리브덴(Mo)은, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, 용접 금속(20) 중의 입계에 M23C6형 탄화물이 생성되는 것을 억제한다. 이것에 의해, 용접 금속(20)의 내폴리티온산 SCC성을 높인다. Mo는 또한, 고온 부식 환경 하에서의 용접 이음의 사용 중에 있어서, 용접 금속(20) 중의 고용 Mo가 사용 환경 중의 S와 결합하여, 용접 금속(20)의 표면에 황화물 피막을 형성한다. 이 황화물 피막의 형성에 의해, 용접 금속(20)의 내나프텐산 부식성이 높아진다. Mo는 또한, 600~700℃에서의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, Nb의 MX형 탄질화물이 M23C6형 탄화물로 변화할 때, M23C6형 탄화물에 B가 고용되는 것을 억제하여, 고온 부식 환경 하에서의 입계의 편석 B량이 저감되는 것을 억제한다. 이것에 의해, 고온 부식 환경 하에 있어서, 충분한 크리프 연성을 얻을 수 있다. Mo함유량이 너무 낮으면, 이러한 효과를 얻을 수 없다. 한편, Mo함유량이 너무 높으면, 오스테나이트의 안정성이 저하된다. 따라서, Mo함유량은 1.30~10.00%이다. Mo함유량의 바람직한 하한은 1.40%이며, 더 바람직하게는 1.50%이며, 더 바람직하게는 2.00%이며, 더 바람직하게는 3.00%이며, 더 바람직하게는 4.00%이며, 더 바람직하게는 5.00% 초과이다. Mo함유량의 바람직한 상한은 9.00%이며, 더 바람직하게는 8.50%이다.
Nb：0.05~3.00%
니오브(Nb)는, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, C와 결합하여 MX형 탄질화물을 생성하여, 용접 금속(20) 중의 고용 C량을 저감시킨다. 이것에 의해, 용접 금속(20)의 내폴리티온산 SCC성이 높아진다. 생성한 Nb의 MX형 탄질화물은 또, 크리프 강도를 높인다. 그러나, Nb함유량이 너무 높으면, δ페라이트가 생성되어, 용접 금속(20)의 장시간 크리프 강도, 인성, 및, 용접성이 저하된다. 따라서, Nb함유량은 0.05~3.00%이다. Nb함유량의 바람직한 하한은 0.06%이며, 더 바람직하게는 0.07%이며, 더 바람직하게는 0.10%이며, 더 바람직하게는 0.15%이며, 더 바람직하게는 0.18%이며, 더 바람직하게는 0.20%이다. Nb함유량의 바람직한 상한은 2.90%이며, 더 바람직하게는 2.50%이며, 더 바람직하게는 2.00%이다.
N：0.150% 이하
질소(N)는 불가피하게 함유된다. 즉, N함유량은 0% 초과이다. N은, 매트릭스(모상)에 고용되어 오스테나이트를 안정화하여, 용접 금속(20)의 크리프 강도를 높인다. N은 또한, 입내에 미세한 탄질화물을 형성하여, 용접 금속(20)의 크리프 강도를 높인다. 즉, N은, 고용 강화 및 석출 강화의 양쪽 모두에서 용접 금속의 크리프 강도에 기여한다. 그러나, N함유량이 너무 높으면, 입계에서 Cr질화물이 형성되어, 용접 금속(20)에 있어서, 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성이 저하된다. N함유량이 너무 높으면 또한, 용접 금속(20)의 연성이 저하된다. 따라서, N함유량은 0.150% 이하이다. N함유량의 바람직한 하한은 0.010%이며, 더 바람직하게는 0.050%이며, 더 바람직하게는 0.080%이며, 더 바람직하게는 0.100%이다. N함유량의 바람직한 상한은 0.140%이며, 더 바람직하게는 0.130%이다.
B：0.0050% 이하
붕소(B)는 불가피하게 함유된다. 즉, B함유량은 0% 초과이다. B는, 600~700℃에서의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, 입계에 편석되어, 입계 강도를 높인다. 그 결과, 600~700℃에서의 고온 부식 환경 하에 있어서, 용접 금속(20)의 크리프 연성을 높인다. B는 또한, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에 있어서, 용접 금속(20)의 크리프 강도도 높인다. 그러나, B함유량이 너무 높으면, 용접 시에 있어서, 용접 금속(20)에 응고 균열이 발생한다. 따라서, 용접 금속(20)의 화학 조성에 있어서, B함유량은 0.0050% 이하이다. B함유량의 바람직한 하한은, 0.0001%이며, 더 바람직하게는 0.0005%이며, 더 바람직하게는 0.0010%이며, 더 바람직하게는 0.0015%이며, 더 바람직하게는 0.0020%이며, 더 바람직하게는 0.0030%이다. 용접 금속(20) 중의 B함유량이 0.0030% 이상이면 특히, 용접 이음(1)에 있어서 우수한 크리프 강도를 얻을 수 있다. B함유량의 바람직한 상한은, 0.0045%이며, 더 바람직하게는 0.0040%이다.
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 용접 금속(20)의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서, 불순물이란, 상기 용접 금속(20)을 형성 시에 있어서, 원료인 용접 재료나 용접 시의 환경으로부터 혼입되는 것이며, 상기 용접 금속(20)에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것이다.
［임의 원소에 대해서］
［제1군 임의 원소］
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 용접 금속(20)의 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에, Al를 함유해도 된다.
sol. Al：0~1.000%
알루미늄(Al)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Al함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, Al는, 용접 시에 있어서 용접 금속(20)을 탈산시킨다. 그러나, Al함유량이 너무 높으면, 용접 금속(20)의 연성이 저하된다. 따라서, Al함유량은 0~1.000%이다. Al함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.001%이며, 더 바람직하게는 0.002%이며, 더 바람직하게는 0.010%이며, 더 바람직하게는 0.050%이다. Al함유량의 바람직한 상한은 0.850%이며, 더 바람직하게는 0.800%이다. 본 실시 형태에 있어서 Al함유량은, 산가용 Al(sol. Al)의 함유량을 의미한다.
［제2군 임의 원소］
본 실시 형태에 의한 상기 용접 금속(20)의 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에, Cu, W 및 Co로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 모두, 용접 금속(20)의 크리프 강도를 높인다.
Cu：0~2.50%
구리(Cu)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Cu함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, Cu는 600~700℃의 고온 부식 환경에서의 사용 중에 있어서, 입내에 Cu상으로서 석출되어, 석출 강화에 의해 용접 금속(20)의 크리프 강도를 높인다. 그러나, Cu함유량이 너무 높으면, 용접 금속(20)의 용접성이 저하되어, 용접 시에 균열이 발생하는 경우가 있다. 따라서, Cu함유량은 0~2.50%이다. 용접 금속(20)의 크리프 강도를 더 유효하게 높이기 위한 Cu함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.05%이며, 더 바람직하게는 0.10%이며, 더 바람직하게는 0.50%이며, 더 바람직하게는 1.00%이며, 더 바람직하게는 1.20%이다. Cu함유량의 바람직한 상한은 2.30%이며, 더 바람직하게는 2.10%이며, 더 바람직하게는, 1.90%이며, 더 바람직하게는, 1.80%이며, 더 바람직하게는 1.70%이다.
W：0~1.0%
텅스텐(W)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, W함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, W는 용접 금속(20)에 고용되어, 600~700℃의 고온 부식 환경에서의 사용에 있어서, 용접 금속(20)의 크리프 강도를 높인다. 그러나, W함유량이 너무 높으면, 오스테나이트의 안정성이 저하되어, 용접 금속(20)의 크리프 강도나 인성이 저하된다. 따라서, W함유량은 0~1.0%이다. W함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.1%이며, 더 바람직하게는 0.2%이다. W함유량의 바람직한 상한은 0.9%이며, 더 바람직하게는 0.7%이며, 더 바람직하게는 0.5%이다.
Co：0~15.0%
코발트(Co)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Co함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, Co는 오스테나이트를 안정화하여, 용접 금속(20)의 크리프 강도를 높인다. 그러나, Co함유량이 너무 높으면, 원료 비용이 높아진다. 따라서, Co함유량은 0~15.0%이다. Co함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.1%이며, 더 바람직하게는 1.0%이며, 더 바람직하게는 2.0%이며, 더 바람직하게는 2.5%이다. Co함유량의 바람직한 상한은 12.0%이며, 더 바람직하게는 11.0%이다.
［제3군 임의 원소］
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 용접 금속(20)의 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에, V, Ti 및 Ta로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 모두, 강의 내폴리티온산 SCC성, 및, 크리프 강도를 높인다.
V：0~0.10%
바나듐(V)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, V함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, V는, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, C와 결합하여 탄질화물을 생성하고, 고용 C를 저감하여, 용접 금속(20)의 내폴리티온산 SCC성을 높인다. 생성한 V탄질화물은 또, 용접 금속(20)의 크리프 강도를 높인다. 그러나, V함유량이 너무 높으면, 용접 금속(20)의 인성 및 용접성이 저하된다. 따라서, V함유량은 0~0.10%이다. V함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.02%이다. V함유량의 바람직한 상한은 0.09%이며, 더 바람직하게는 0.08%이다.
Ti：0~0.50%
티탄(Ti)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Ti함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, Ti는, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, C와 결합하여 탄화물을 생성하고, 고용 C를 저감하여, 용접 금속(20)의 내폴리티온산 SCC성을 높인다. 생성한 Ti탄화물은 또, 용접 금속(20)의 크리프 강도를 높인다. 그러나, Ti함유량이 너무 높으면, 용접 금속(20)의 인성 및 용접성이 저하된다. 따라서, Ti함유량은 0~0.50%이다. Ti함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.02%이며, 더 바람직하게는 0.10%이며, 더 바람직하게는 0.15%이다. Ti함유량의 바람직한 상한은 0.45%이며, 더 바람직하게는 0.40%이다.
Ta：0~0.20%
탄탈(Ta)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Ta함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, Ta는, 600~700℃의 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서, C와 결합하여 탄질화물을 생성하고, 고용 C를 저감하여, 용접 금속(20)의 내폴리티온산 SCC성을 높인다. 생성한 Ta탄질화물은 또, 크리프 강도를 높인다. 그러나, Ta함유량이 너무 높으면, 용접 금속(20)의 크리프 강도, 인성, 및 용접성이 저하된다. 따라서, Ta함유량은 0~0.20%이다. 내폴리티온산 SCC성 및 크리프 강도를 더 유효하게 높이기 위한 Ta함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.02%이다. Ta함유량의 바람직한 상한은 0.18%이며, 더 바람직하게는 0.16%이다.
［제4군 임의 원소］
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 용접 금속(20)의 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에, Ca, Mg 및 희토류 원소(REM)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 모두, 용접 금속(20)의 고온(열간)에서의 변형능을 높인다.
Ca：0~0.010%
칼슘(Ca)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Ca함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, Ca는, O(산소) 및 S(황)를 개재물로서 고정하여, 용접 금속(20)의 내(耐)재열 균열성을 높인다. 그러나, Ca함유량이 너무 높으면, 용접 금속(20)의 내응고 균열성이 오히려 저하된다. 따라서, Ca함유량은 0~0.010%이다. Ca함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.001%이며, 더 바람직하게는 0.002%이다. Ca함유량의 바람직한 상한은 0.008%이며, 더 바람직하게는 0.006%이다.
Mg：0~0.010%
마그네슘(Mg)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Mg함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, Mg는, O(산소) 및 S(황)를 개재물로서 고정하여, 용접 금속(20)의 내재열 균열성을 높인다. 그러나, Mg함유량이 너무 높으면, 용접 금속(20)의 열간에서의 내응고 균열성이 저하된다. 따라서, Mg함유량은 0~0.010%이다. Mg함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.001%이다. Mg함유량의 바람직한 상한은 0.008%이며, 더 바람직하게는 0.006%이다.
희토류 원소：0~0.100%
희토류 원소(REM)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, REM 함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, REM은, O(산소) 및 S(황)를 개재물로서 고정하여, 용접 금속(20)의 내재열 균열성을 높인다. 그러나, REM 함유량이 너무 높으면, 용접 금속(20)의 내응고 균열성이 저하된다. 따라서, REM 함유량은 0~0.100%이다. REM 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이며, 더 바람직하게는 0.001%이며, 더 바람직하게는 0.002%이다. REM 함유량의 바람직한 상한은 0.080%이며, 더 바람직하게는 0.060%이다.
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)은, 상술한 화학 조성을 가지는 모재(10)와, 상술한 화학 조성을 가지는 용접 금속(20)을 구비한다. 그 때문에, 내폴리티온산 SCC성이 우수하며, 내나프텐산 부식성이 우수하다. 또한, 600~700℃에서의 고온 부식 환경 하에 있어서, 모재(10)가 우수한 크리프 연성을 가진다.
［식 (2)에 대해서］
바람직하게는, 용접 금속(20)의 폭 중앙 위치이며, 두께 중앙 위치의 영역(P)의 화학 조성은 또한, 다음의 식 (2)를 만족한다.
0.012Cr-0.005Ni+0.013Mo+0.023Nb+0.02Al-0.004Co≤0.176 (2)
여기서, 식 (2) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
F2=0.012Cr-0.005Ni+0.013Mo+0.023Nb+0.02Al-0.004Co라고 정의한다. 상술한 대로, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)이, 화학 플랜트 설비의 용접 구조물의 부재로서 이용되는 경우, 상술한 대로, 가동 시에는 600~700℃의 고온 부식 환경에서 사용된다. 그 때문에, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 용접 금속(20)에서는, 고온 시효가 진행된다. 한편, 설비 정지 시에는, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 온도는, 상온까지 낮아진다. 용접 금속(20)은, 용접 시의 재열이나 응고 편석에 의해서 600~700℃에서의 고온 시효의 영향을 모재(10)보다 현저하게 받는다. 따라서, 내폴리티온산 부식성 및 내나프텐산 부식성이 요구되는 용도에 이용되는 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)에서는, 용접 금속(20)이, 고온 시효가 진행된 후여도, 우수한 인성을 가지는 것이 바람직하다.
F2는, 고온 시효가 진행된 후의 용접 금속(20)의 인성의 지표이다. F2 중의 Ni 및 Co는, 용접 금속(20)의 화학 조성 중의 원소가 본 실시 형태의 범위 내인 경우에, 용접 금속(20)의 인성을 높인다. 즉, Ni 및 Co는, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 사용 환경에 있어서는, 용접 금속 인성 향상 원소이다. 한편, Cr, Mo, Nb, Al는 모두, 600~700℃에서의 고온 시효에 의해, 석출물을 생성한다. 석출물의 생성은, 용접 금속(20)의 경도를 높이기 때문에, 인성을 저하시킨다. 즉, Cr, Mo, Nb 및 Al는, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 사용 환경에 있어서는, 용접 금속 인성 저하 원소이다.
F2에서는, 용접 금속 인성 향상 원소인 Ni 및 Co를 마이너스로 하고, 용접 금속 인성 저하 원소인 Cr, Mo, Nb 및 Al를 플러스로 하고 있다. F2가 0.176보다 크면, 용접 금속 인성 향상 원소에 대한 용접 금속 인성 저하 원소의 비율이 많아져 있다. 이 경우, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)이 내폴리티온산 부식성 및 내나프텐산 부식성이 우수하고, 또한, 모재(10)의 크리프 연성이 우수해도, 용접 금속(20)의 고온 시효 후의 인성이 낮아진다. 구체적으로는, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)을 700℃에서 3000시간 시효 처리한 후의 용접 금속(20)의 상온(25℃±15℃)에서의 샤르피 충격치가 20J/cm2 미만이 된다.
F2가 0.176 이하이면, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 모재(10)의 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, 또한, 식 (1)을 만족하고, 또한, 용접 금속(20)의 폭 중앙 위치이며 또한 두께 중앙 위치에서의 화학 조성의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내인 것을 전제로 하여, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)이 내폴리티온산 부식성 및 내나프텐산 부식성이 우수하고, 또한, 모재(10)의 크리프 연성이 우수하며, 또한, 용접 금속(20)의 고온 시효 후의 인성이 높아진다. 구체적으로는, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)을 700℃에서 3000시간 시효 처리한 후의 용접 금속(20)의 상온(25℃±15℃)에서의 샤르피 충격치가 20J/cm2 이상이 된다.
F2치의 바람직한 상한은 0.174이며, 더 바람직하게는 0.172이며, 더 바람직하게는 0.170이며, 더 바람직하게는, 0.165이다.
이상대로, 본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)에서는, 모재(10)의 화학 조성의 각 원소 함유량이 상술한 범위 내이며, 또한, 식 (1)을 만족하고, 또한, 용접 금속(20)의 폭 중앙 위치이며 또한 두께 중앙 위치에서의 화학 조성의 각 원소 함유량이 상술한 범위 내이다. 그 때문에, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)은, 모재(10) 및 용접 금속(20)이 모두 내폴리티온산 SCC성이 우수하며, 내나프텐산 부식성이 우수하다. 또한, 600~700℃에서의 고온 부식 환경 하에 있어서, 모재(10)가 우수한 크리프 연성을 가진다. 바람직하게는, 용접 금속(20)의 폭 중앙 위치이며 또한 두께 중앙 위치에서의 화학 조성은 또한, 식 (2)를 만족한다. 이 경우, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)이 내폴리티온산 부식성 및 내나프텐산 부식성이 우수하고, 또한, 모재(10)의 크리프 연성이 우수하며, 또한, 용접 금속(20)의 고온 시효 후의 인성이 우수하다.
［제조 방법］
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 제조 방법의 일례를 설명한다. 제조 방법의 일례는, 모재(10)를 준비하는 공정(모재 준비 공정)과, 모재(10)에 대해서 용접을 실시하여 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)을 형성하는 공정(용접 공정)을 구비한다. 이하, 각 공정에 대해서 상세히 서술한다.
［모재 준비 공정］
모재 준비 공정에서는, 식 (1)을 만족하는 상술한 화학 조성을 가지는 모재(10)를 준비한다. 모재(10)는, 상술한 대로, 강판이어도 되고, 강관이어도 된다. 모재(10)는, 후술하는 용접 공정을 실시하는 사람이 제품으로서 입수한 것이어도 되고, 용접 공정을 실시하는 사람이 제조한 것이어도 된다.
모재(10)를 제조하는 경우, 모재 준비 공정은, 소재를 준비하는 준비 공정과, 소재에 대해 열간 가공을 실시하여 모재(10)를 제조하는 열간 가공 공정과, 필요에 따라 열간 가공 공정 후의 모재(10)를 냉간 가공하는 냉간 가공 공정과, 필요에 따라 모재(10)에 대해서 용체화 처리를 실시하는 용체화 처리 공정을 구비한다. 이하, 모재(10)를 제조하는 경우의 모재 준비 공정에 대해서 설명한다.
［준비 공정］
상술한 화학 조성이며, 식 (1)을 만족하는 용강을 제조한다. 예를 들어, 전기로(爐)나 AOD(Argon Oxygen Decarburization)로, VOD(Vacuum Oxygen Decarburization)로를 이용하여, 상기 용강을 제조한다. 제조된 용강에 대해서, 필요에 따라 주지의 탈가스 처리를 실시한다. 탈가스 처리를 실시한 용강으로부터, 소재를 제조한다. 소재의 제조 방법은 예를 들어, 연속 주조법이다. 연속 주조법에 의해, 연속 주조재(소재)를 제조한다. 연속 주조재는 예를 들어, 슬래브, 블룸 및 빌릿 등이다. 용강을 조괴법에 의해 잉곳으로 해도 된다.
［열간 가공 공정］
준비된 소재(연속 주조재 또는 잉곳)를 열간 가공하여, 모재를 제조한다. 예를 들어, 소재에 대해 열간 압연을 실시하여, 모재(10)인 강판을 제조한다. 또, 소재에 대해 열간 압출이나 열간 천공 압연 등을 실시하여, 모재(10)인 강관을 제조한다. 열간 가공의 구체적인 방법은 특별히 한정되지 않고, 최종 제품의 형상에 따른 열간 가공을 실시하면 된다. 열간 가공의 가공 종료 온도는 예를 들어, 1000℃ 이상이며, 더 바람직하게는, 1050℃ 이상이다. 여기서 말하는 가공 종료 온도란, 최종의 열간 가공이 완료된 직후의 모재(10)의 온도를 의미한다.
［냉간 가공 공정］
열간 가공 공정 후의 모재에 대해서, 필요에 따라, 냉간 가공을 실시해도 된다. 모재(10)가 강관인 경우, 냉간 가공은 예를 들어, 냉간 인발이나 냉간 압연이다. 모재(10)가 강판인 경우, 냉간 가공은 예를 들어, 냉간 압연 등이다.
［용체화 처리 공정］
열간 가공 공정 후, 또는, 냉간 가공 공정 후, 필요에 따라, 모재(10)에 대해서 용체화 처리를 실시해도 된다. 용체화 처리 공정에서는, 조직의 균일화, 및 탄질화물의 고용을 행한다. 바람직한 용체화 처리 온도는 다음과 같다.
바람직한 용체화 처리 온도：1000~1250℃
용체화 처리 온도가 1000℃ 이상이면, Nb의 탄질화물이 충분히 고용되어, 고온 부식 환경 하에서의 사용 시에 있어서, 크리프 강도가 더 높아진다. 열처리 온도가 1250℃ 이하이면, C의 과잉한 고용을 억제할 수 있어, 내폴리티온산 SCC성이 더 높아진다.
용체화 처리 시에 있어서의 상기 용체화 처리 온도에서의 유지 시간은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 2분~60분이다.
또한, 열간 가공 공정에 의해 제조한 모재(10)에 대해서, 상술한 용체화 처리 대신에, 열간 가공 직후에 급냉을 행해도 된다. 이 경우, 열간 가공의 가공 종료 온도는, 1000℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 열간 가공 종료 온도가 1000℃ 이상이면, Nb의 탄질화물이 충분히 고용되어, 600~700℃의 고온 부식 환경에서의 사용 중에 있어서, 우수한 내폴리티온산 SCC성, 및, 우수한 크리프 연성을 얻을 수 있다. 또한, 고온 부식 환경 하에서의 사용 중에 있어서의 Nb 탄질화물의 생성에 의해, 충분한 크리프 강도도 얻을 수 있다.
［용접 공정］
준비된 모재(10)에 대해서 용접을 실시하여, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)을 제조한다. 모재(10)의 단부에 개선을 형성한다. 개선이 형성된 2개의 모재(10)를 준비한다. 준비된 모재(10)의 개선끼리를 맞댄다. 그리고, 맞대어진 한 쌍의 개선부에 대해서, 용접 재료를 이용하여 용접을 실시하여, 상술한 화학 조성을 가지는 용접 금속(20)을 형성한다. 용접에 이용하는 용접 재료의 화학 조성은, 형성된 용접 금속(20)의 화학 조성이 상술한 범위 내가 되면, 특별히 제한되지 않는다. 용접 방법은 예를 들어, 티그 용접(GTAW), 피복 아크 용접(SMAW), 플럭스함유 와이어 아크 용접(FCAW), 가스 메탈 아크 용접(GMAW), 서브 머지 아크 용접(SAW)이다.
용접 재료를, 예를 들어, 상술한 모재(10)와 동일하게 용제해도 된다. 이 경우, 용제된 용접 재료를 주조하여 잉곳으로 한다. 잉곳을 열간 가공하여 용접 재료를 제조한다. 열간 가공 후의 용접 재료에 대해서, 또한 냉간 가공을 실시해도 된다. 또, 용접 재료에 대해 주지의 열처리를 실시해도 된다. 열처리는 예를 들어, 모재(10)와 동일한 용체화 처리이다. 열처리는 실시하지 않아도 된다. 용접 재료는 봉형상이어도 되고, 작은 블록형상이어도 된다.
용접 공정에 있어서, 모재(10)가 강판인 경우, 예를 들어, 강판의 단면 또는 측면에 개선이 형성된다. 모재(10)가 강관인 경우, 강관의 축방향에 있어서의 관단부에 개선이 형성된다. 모재(10)가 강관인 경우, 예를 들어, 둘레 용접을 실시함으로써, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)을 형성한다. 또한, 용접 공정에 있어서, 용접 재료의 화학 조성과, 모재(10)의 희석량을 조정함으로써, 상술한 화학 조성을 가지며, 바람직하게는, 식 (2)를 만족하는 용접 금속(20)을 조정 가능하다.
이상의 제조 공정에 의해, 본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)을 제조할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)의 제조 방법은, 상술한 제조 방법으로 한정되지 않는다. 식 (1)을 만족하는 상기 화학 조성의 모재(10)를 이용하여, 용접을 실시함으로써, 상기 화학 조성의 용접 금속(20)을 구비한 상술한 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음(1)을 제조할 수 있으면, 다른 방법에 의해 제조해도 된다.
[실시예]
［오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 제조］
［모재의 제조］
표 1의 화학 조성을 가지는 모재용의 용강을 제조했다.
[표 1]
Figure 112020102371134-pct00001
표 1 중의 「F1」란에는, 각 강종의 F1치가 기입된다. 또, 「화학 조성」란 중의 「그 외」란의 원소 기호 및 원소 기호에 붙여진 수치는, 함유되어 있는 임의 원소와, 그 함유량(질량%)을 의미한다. 예를 들어, 강종 A에서는, 그 외의 원소로서, V가 0.10% 함유되어 있던 것을 나타낸다. 강종 K에서는, 그 외의 원소로서, V가 0.15% 함유되어 있고, 또한, Ca가 0.002% 함유되어 있던 것을 나타낸다. 각 강종의 화학 조성 중, 표 1에 기재된 원소 이외의 잔부는, Fe 및 불순물이었다. 또한, 표 1 중의 「-」은, 대응하는 원소가 함유되어 있지 않았던(검출 한계 미만이였던) 것을 의미한다.
용강을 이용하여, 외경 120mm, 30kg의 잉곳을 제조했다. 잉곳에 대해 열간 단조를 실시하여, 두께 40mm의 강판으로 했다. 또한, 열간 압연을 실시하여, 두께 15mm의 강판으로 했다. 열간 압연 시의 최종 가공 온도는 모두 1050℃ 이상이었다. 열간 압연 후의 강판에 대해, 용체화 처리를 실시했다. 어느 강판에 있어서도, 용체화 처리 온도는 1150℃이며, 용체화 처리 시간은 모두 10분이었다. 용체화 처리 후의 모재를 수냉했다. 이상의 제조 공정에 의해, 두께 15mm, 폭 50mm, 길이 100mm의 강판(모재)을 제조했다.
［용접 재료의 제조］
표 2에 나타내는 화학 조성을 가지는 강종 V~Z의 화학 조성을 가지는 용강을 제조했다. 각 강종의 화학 조성 중, 표 2에 기재된 원소 이외의 잔부는, Fe 및 불순물이었다. 또한, 표 2 중의 「-」은, 대응하는 원소가 함유되어 있지 않았던(검출 한계 미만이였던) 것을 의미한다.
[표 2]
Figure 112020102371134-pct00002
용강을 이용하여, 외경 120mm, 30kg의 잉곳을 제조했다. 잉곳에 대해, 주지의 방법으로 열간 단조 및 열간 압연, 냉간 압연, 및, 열처리를 실시하여, 외경 1.2mm의 용접 와이어(용접 재료)를 제조했다.
［오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음의 제조］
표 1의 각 강종의 모재로부터, 도 6에 나타내는 판재를 2장, 기계 가공에 의해 제작했다. 도 6에 있어서, 「mm」가 부속된 수치는, 모재인 강판의 치수(단위는 mm)를 나타낸다. 강판은, 길이 방향으로 연장되는 측면에 개선면을 가졌다. 개선면은, 개선 각도는 30°이며, 루트 두께가 1mm인 V개선면이였다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 구속판(30)을 준비했다. 구속판(30)은, 두께 25mm, 폭 200mm, 길이 200mm이며, JIS G 3106(2008)에 기재된 「SM400C」에 상당하는 화학 조성을 가졌다.
구속판(30) 상에, 2장의 모재(판재)(10)를 배치했다. 이 때 2장의 모재(10)의 개선면을 서로 맞대었다. 2장의 모재(10)를 배치한 후, 피복 아크 용접봉을 이용하여, 모재(10)의 사방을 구속 용접했다. 피복 아크 용접봉은, JIS Z 3224(2010)에 규정된 「ENiCrMo-3」에 상당하는 화학 조성을 가졌다.
모재(10)의 사방을 구속 용접한 후, 표 2에 나타내는 화학 조성을 가지는 용접 와이어를 이용하여, 다층 용접을 실시했다. 구체적으로는, 티그 용접(GTAW)을 실시했다. 각 용접에서의 입열량은 6~18kJ/cm로 조정했다. 티그 용접(GTAW) 시에는, 100% Ar가스를 실드 가스로 이용했다.
이상의 용접에 의해, 모재(10)와, 용접 금속(20)을 구비하는 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음을 제조했다. 용접 이음의 용접 금속(20)의 폭 중앙 위치이며 또한 두께 중앙 위치에서의 화학 조성을 분석했다. 용접 금속(20)의 폭 중앙 위치이며 또한 두께 중앙 위치에서의 화학 조성을 표 3에 나타낸다.
[표 3]
Figure 112020102371134-pct00003
표 3 중의 「F2」란에는, 각 시험 번호의 용접 금속의 F2치가 기입된다. 또, 「화학 조성」란 중의 「그 외」란의 원소 기호 및 원소 기호의 앞에 붙여진 수치는, 함유되어 있는 임의 원소와, 그 함유량(질량%)을 의미한다. 예를 들어, 시험 번호 1에서는, 그 외의 원소로서, V가 0.04% 함유되어 있던 것을 나타낸다. 시험 번호 15에서는, 그 외의 원소로서, W가 0.6% 함유되어 있고, 또한, Ta가 0.06% 함유되어 있던 것을 나타낸다. 각 강종의 화학 조성 중, 표 3에 기재된 원소 이외의 잔부는, Fe 및 불순물이었다. 또한, 표 3 중의 「-」은, 대응하는 원소가 함유되어 있지 않았던(검출 한계 미만이였던) 것을 의미한다.
［평가 시험］
각 시험 번호의 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음에 대해서, 다음의 평가 시험을 실시했다.
［용접성 평가 시험］
표 3에 나타내는 각 시험 번호의 용접 이음의 용접 금속의 부분으로부터, 용접선과 직교하는 단면 미크로 조직 관찰용 시험편을 10개씩 채취했다. 채취된 시험편의 표면을 경면 연마하여 에칭했다. 에칭된 시험편의 표면을, 200배의 광학 현미경을 이용하여 관찰했다. 그리고, 단면 중, 용접 금속 내에 고온 균열이 발생했는지 아닌지를 육안에 의해 판단했다. 표 4의 「용접성」란에 시험 결과를 나타낸다. 표 4의 「용접성」란에 있어서, 「○」는 10개의 시험편 중 어느 것에서도 용접 금속에 균열이 발생하지 않았던 것을 나타낸다. 「×」는 10개의 시험편의 1개 이상에서, 용접 금속에 균열이 발생한 것을 나타낸다.
[표 4]
Figure 112020102371134-pct00004
［용접 금속의 내폴리티온산 SCC성 평가 시험］
상술한 용접성 평가 시험에서 균열이 발생하지 않았던 용접 이음에 대해서, 고온 환경 하에서의 사용을 상정하고, 600℃에서 5000시간의 시효 처리를 실시했다. 시효 처리 후의 용접 이음에 있어서, 도 8에 나타내는 대로, 영역(P)을 포함하여, 두께 2mm, 폭 10mm, 길이 75mm의 판형상 시험편(40)을 제작했다. 시험편(40)의 두께 2mm는 용접 금속 두께 방향(T)의 길이에 상당하고, 시험편(40)의 길이 75mm는, 용접 금속 폭 방향(W)에 상당하고, 시험편(40)의 폭 10mm는, 용접 금속 연장 방향(L)에 대응했다. 판형상 시험편의 길이 75mm의 중앙 위치에, 용접 금속(20)의 영역(P)이 위치하도록, 판형상 시험편을 제작했다. JIS G 0576(2001) 「스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법」에 준하여, 내폴리티온산 SCC성 평가 시험을 실시했다. 구체적으로는, 시험편을, 내측 반경 5mm의 펀치 둘레로 굽혀 U벤드형으로 했다(만곡부가 용접 금속에 상당). U벤드형의 시험편을, Wackenroder 용액(증류수 중에 SO2 가스를 취입(吹入)하여 작성한 H2SO3 포화 수용액에 다량의 H2S 가스를 취입한 용액) 중에 상온에서 100시간 침지했다. 침지 후의 시험편에 대해서, 시험편의 용접 금속 부분의 균열 발생의 유무를 배율 500배로 현미경 관찰하여, 균열의 유무를 확인했다.
균열이 확인되지 않았던 경우, 용접 금속의 내폴리티온산 SCC성이 우수하다고 판단했다(표 4 중의 「용접 금속」란의 「내폴리티온산 SCC성」란에 있어서 「○」). 용접 금속에 균열이 1개라도 확인된 경우, 용접 금속의 내폴리티온산 SCC성이 낮다고 판단했다(표 4 중의 「용접 금속」란의 「내폴리티온산 SCC성」란에 있어서 「×」).
［용접 금속의 내나프텐산 부식성 평가 시험］
상술한 용접성 평가 시험에서 균열이 발생하지 않았던 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음에 대해서, 영역(P)을 포함하는 용접 금속 샘플을 채취했다. 용접 금속 샘플에는, 모재가 포함되어 있지 않았다.
오토클레이브를 이용하여, 질소 분위기 중에서 135MPa, 350℃의 질이 낮은 원유 중에 용접 금속 샘플을 48시간 침지했다. 질이 낮은 원유는, ASTM D664-11a에 규정되는 전체 산가 6에 상당했다. 48시간이 경과한 후, 용접 금속 샘플을 취출했다. 또한, 부식 시험이 진행됨과 함께 질이 낮은 원유 중의 산이 소비되어 TAN치(전체 산화치)가 저하되기 때문에, 부식 시험편을 침지한 24시간 후에, 오토클레이브의 배수구 및 입수구를 이용하여, 질이 낮은 원유를 완전히 새로운 것으로 교환하고, 합계 48시간의 침지를 실시했다.
48시간 경과 후, 오토클레이브로부터 취출한 용접 금속 샘플에는, 강고하게 그을음이 부착되어 있었다. 그래서, 용접 금속 샘플에 대해 알루미나를 이용한 블래스트 처리를 5초 실시한 후, 판형상 시험편을, 구연산 암모늄 용액으로 100℃, 60분의 조건으로 산세(酸洗)했다. 그 후, 아세톤을 이용하여, 초음파 세정을 3분 실시했다.
시험 전의 용접 금속 샘플의 질량과, 초음파 세정 후의 용접 금속 샘플의 질량의 차를 부식 감량으로서 산출했다. 또한, 판형상 시험편의 표면적, 비중, 및, 시험 시간으로부터 부식 속도(mm/y)를 구했다.
부식 속도가 1.50mm/y 이하인 경우, 용접 금속의 내나프텐산 부식성이 우수하다고 판단했다(표 4 중의 「용접 금속」란의 「내나프텐산 부식성」란에 있어서 「○」). 한편, 부식 속도가 1.50mm/y를 초과했을 경우, 용접 금속의 내나프텐산 부식성이 낮다고 판단했다(표 4 중의 「용접 금속」란의 「내나프텐산 부식성」란에서 「×」).
［용접 이음의 크리프 강도 시험］
상술한 용접성 평가 시험에서 균열이 발생하지 않았던 용접 이음에 대해서, JIS Z 2271(2010)에 준거한 크리프 파단 시험편을 제작했다. 크리프 파단 시험편의 축방향에 수직인 단면은 원형이며, 크리프 파단 시험편의 외경은 6mm이며, 평행부는 30mm였다. 크리프 파단 시험편의 평행부의 축방향은, 도 8에 있어서의 용접 금속(20)의 용접 금속 폭 방향(W)이며, 평행부의 중앙 위치에 영역(P)을 포함하는 용접 금속(20)이 위치했다.
제작된 크리프 파단 시험편을 이용하여, JIS Z 2271(2010)에 준거한 크리프 파단 시험을 실시했다. 구체적으로는, 크리프 파단 시험편을 750℃에서 가열한 후, 크리프 파단 시험을 실시했다. 시험 응력은 45MPa로 하고, 크리프 파단 시간(시간)을 구했다.
크리프 강도에 관해서, 크리프 파단 시간이 10000시간 이상인 경우, 용접 이음의 크리프 강도가 현저하게 우수하다고 판단했다(표 4 중의 「용접 이음」란의 「크리프 강도」란에서 「◎」). 크리프 파단 시간이 3000시간 이상 10000시간 미만인 경우, 용접 이음의 크리프 강도가 우수하다고 판단했다(표 4 중의 「용접 이음」란의 「크리프 강도」란에서 「○」). 크리프 파단 시간이 3000시간 미만인 경우, 용접 이음의 크리프 강도가 낮다고 판단했다(표 4 중의 「용접 이음」란의 「크리프 강도」란에서 「×」). 크리프 강도가, 「○」, 또는 「◎」인 경우, 용접 이음에 있어서, 충분한 크리프 강도를 얻을 수 있었다고 판단했다.
［모재의 내폴리티온산 SCC성 평가 시험］
각 시험 번호의 모재(강판)에 대해서, 고온 환경 하에서의 사용을 상정하고, 600℃에서 5000시간의 시효 처리를 실시했다. 이 시효 처리재로부터, 두께 2mm, 폭 10mm, 길이 75mm의 판형상 시험편을 채취했다. JIS G 0576(2001) 「스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법」에 준하여, 내폴리티온산 SCC성 평가 시험을 실시했다. 구체적으로는, 시험편을, 내측 반경 5mm의 펀치 둘레로 굽혀 U벤드형으로 했다. U벤드형의 시험편을, Wackenroder 용액(증류수 중에 SO2 가스를 취입하여 작성한 H2SO3 포화 수용액에 다량의 H2S 가스를 취입한 용액) 중에 상온에서 100시간 침지했다. 침지 후의 시험편에 대해서, 균열 발생의 유무를 배율 500배로 현미경 관찰하여, 균열의 유무를 확인했다.
균열이 확인되지 않았던 경우, 모재가 내폴리티온산 SCC성이 우수하다고 판단했다(표 4 중의 「모재」란의 「내폴리티온산 SCC성」란에 있어서 「○」). 균열이 1개라도 확인된 경우, 모재의 내폴리티온산 SCC성이 낮다고 판단했다(표 4 중의 「모재」란의 「내폴리티온산 SCC성」란에 있어서 「×」).
［모재의 내나프텐산 부식성 평가 시험］
각 시험 번호의 모재(강판)에 대해서, 3mm×25m×25mm의 모재 샘플을 채취했다. 모재 샘플에는, 용접 금속이 포함되어 있지 않았다.
오토클레이브를 이용하여, 질소 분위기 중에서 135MPa, 350℃의 질이 낮은 원유 중에 모재 샘플을 48시간 침지했다. 질이 낮은 원유는, ASTM D664-11a에 규정되는 전체 산가 6에 상당했다. 48시간이 경과한 후, 모재 샘플을 취출했다. 또한, 부식 시험이 진행됨과 함께 질이 낮은 원유 중의 산이 소비되어 TAN치(전체 산화치)가 저하되기 때문에, 부식 시험편을 침지한 24시간 후에, 오토클레이브의 배수구 및 입수구를 이용하여, 질이 낮은 원유를 완전히 새로운 것으로 교환하고, 합계 48시간의 침지를 실시했다.
48시간 경과 후, 오토클레이브로부터 취출한 모재 샘플에는, 강고하게 그을음이 부착되어 있었다. 그래서, 모재 샘플에 대해 알루미나를 이용한 블래스트 처리를 5초 실시한 후, 모재 샘플을, 구연산 암모늄 용액으로 100℃, 60분의 조건으로 산세했다. 그 후, 아세톤을 이용하여, 초음파 세정을 3분 실시했다.
시험 전의 모재 샘플의 질량과, 초음파 세정 후의 모재 샘플의 질량의 차를 부식 감량으로서 산출했다. 또한, 모재 샘플의 표면적, 비중, 및, 시험 시간으로부터 부식 속도(mm/y)를 구했다.
부식 속도가 1.50mm/y 이하인 경우, 모재의 내나프텐산 부식성이 우수하다고 판단했다(표 4 중의 「모재」란의 「내나프텐산 부식성」란에 있어서 「○」). 한편, 부식 속도가 1.50mm/y를 초과했을 경우, 모재의 내나프텐산 부식성이 낮다고 판단했다(표 4 중의 「모재」란의 「내나프텐산 부식성」란에서 「×」).
［모재의 크리프 연성 시험］
각 시험 번호의 용접 이음의 모재(표 1에 나타내는 강종 A~U5)에 대해서, JIS Z 2271(2010)에 준거한 크리프 파단 시험편을 제작했다. 크리프 파단 시험편의 축방향에 수직인 단면은 원형이며, 크리프 파단 시험편의 외경은 6mm이며, 평행부는 30mm였다.
제작된 크리프 파단 시험편을 이용하여, JIS Z 2271(2010)에 준거한 크리프 파단 시험을 실시했다. 구체적으로는, 크리프 파단 시험편을 750℃에서 가열한 후, 크리프 파단 시험을 실시했다. 시험 응력은 45MPa로 하고, 크리프 파단 수축(%)을 구했다.
크리프 파단 수축이 20.0% 이상 30.0% 이하인 경우, 모재의 크리프 연성이 양호라고 판단했다(표 4 중의 「모재」란의 「크리프 연성」란에 있어서 「P」로 표기). 크리프 파단 수축이 30.0%를 초과 50.0% 이하인 경우, 모재의 크리프 연성이 우수하다고 판단했다(표 4 중의 「모재」란의 「크리프 연성」란에 있어서 「○」으로 표기). 또한, 크리프 파단 수축이 50.0%를 초과하는 경우, 모재의 크리프 연성이 현저하게 우수하다고 판단했다(표 4 중의 「모재」란의 「크리프 연성」란에 있어서 「◎」(Excellent)로 표기). 크리프 파단 수축이 20.0% 미만인 경우, 모재의 크리프 연성이 낮다고 판단했다(표 4 중의 「모재」란의 「크리프 연성」란에 있어서 「×」). 크리프 파단 수축이, P, ○ 또는 ◎인 경우, 충분한 모재의 크리프 연성을 얻을 수 있었다고 판단했다.
［고온 시효 후의 인성 평가 시험］
도 9에 나타내는 위치로부터, 영역(P)을 포함하는 V노치 시험편(50)을 제작했다. 시험편(50)의 폭을 10mm, 두께를 10mm로 하고, 길이를 55mm로 했다. 시험편(50)의 길이 중앙 위치에 용접 금속(20)의 영역(P)이 위치하도록, 시험편(50)을 제작했다. 시험편(50)의 길이 중앙 위치에, V노치를 형성했다. V노치 각도를 45°로 하고, 노치 깊이를 2mm로 하고, 노치 바닥 반경을 0.25mm로 했다. 각 시험 번호 마다 3개의 V노치 시험편(50)을 제작했다. 시험편(50)에 대해서, 700℃에서 3000시간 유지하는 시효 처리를 실시했다. 3000시간 유지 후, 시험편을 방냉했다. 시효 처리 후의 시험편에 대해서, JIS Z 2242(2005)에 준거한 샤르피 충격 시험을 상온, 대기 중에서 실시했다. 시험에 의해 얻어진 3개의 충격치(J/cm2)의 산술 평균치를, 그 시험 번호의 고온 시효 처리 후의 충격치(J/cm2)라고 정의했다.
얻어진 충격치가 20J/cm2 이상이면, 고온 시효 후여도 용접 금속의 인성이 높다고 판단했다(표 4 중의 「용접 금속」란의 「고온 시효 후 인성」란에 있어서 「○」). 한편, 충격치가 20J/cm2 미만이면, 고온 시효 후에 있어서의 용접 금속의 인성이 낮다고 판단했다(표 4 중의 「용접 금속」란의 「고온 시효 후 인성」란에 있어서 「×」).
［시험 결과］
표 4에 시험 결과를 나타낸다. 또한, 표 4 중의 「-」에 대해서는, 시험을 실시하고 있지 않는 것을 나타낸다. 시험 번호 1~24에서는, 모재의 화학 조성이 적절하고, 식 (1)을 만족했다. 또한, 용접 금속의 화학 조성이 적절했다. 그 때문에, 용접성 평가 시험에 있어서 용접 금속에 균열이 확인되지 않고, 우수한 용접성을 나타냈다. 또한, 용접 금속에 있어서, 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성이 우수했다. 또한, 용접 이음의 크리프 강도도 높았다. 또한, 이들 시험 번호의 모재에 있어서, 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성이 우수했다. 또한, 모재의 크리프 연성은 모두 양호했다.
특히, 시험 번호 1, 6, 9~19 및 22에서는, 용접 금속 중의 B함유량이 0.0030% 이상이었다. 그 때문에, 용접 이음에 있어서, 특별히 우수한 크리프 강도를 얻을 수 있었다(표 4의 「용접 이음」란의 「크리프 강도」란에서 「◎」).
또, 시험 번호 4, 5, 11, 12, 15, 17 및 19~24에서는, 모재의 화학 조성의 Mo함유량이 1.00% 이상이고, Cu함유량이 1.7% 이하였다. 그 때문에, 모재에 있어서 특별히 우수한 크리프 연성(표 4의 「모재」란의 「크리프 연성」란에서 「◎」)을 얻을 수 있었다.
또한, 시험 번호 1~21에서는, 용접 금속의 화학 조성에 있어서, F2가 식 (2)를 만족했다. 그 때문에, 용접 금속의 화학 조성에 있어서, F2가 식 (2)를 만족하지 않았던 시험 번호 22~24와 비교해, 시험 번호 1~21에서는 또한, 고온 시효 후의 인성이 우수했다.
한편, 시험 번호 25, 28 및 30에서는, 표 2에 나타내는 용접 재료(Z)의 Ni함유량이 낮고, 또한 Nb를 함유하고 있지 않기 때문에, 용접 금속의 Ni함유량 및 Nb함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 용접 금속에 있어서, 내폴리티온산 SCC성이 낮았다.
시험 번호 26에서는, 용접 금속의 화학 조성에 있어서, B함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 용접성 평가 시험에 있어서 용접 금속에 균열이 확인되고, 용접 금속의 용접성이 낮았다.
시험 번호 27 및 29에서는, 용접 금속의 화학 조성에 있어서, Mo함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 용접 금속에 있어서, 내나프텐산 부식성이 낮았다.
시험 번호 31 및 32에서는, 모재의 화학 조성에 있어서, F1이 식 (1)을 만족하지 않았다. 그 결과, 모재의 크리프 연성이 낮았다.
시험 번호 33은, 용접 금속의 C함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 용접 금속에 있어서, 내폴리티온산 SCC성이 낮았다. 또한, 모재의 C함유량이 높았기 때문에, 모재에 있어서, 내폴리티온산 SCC성이 낮았다. 또한, 모재의 F1이 식 (1)을 만족하지 않았다. 그 때문에, 모재의 크리프 연성이 낮았다.
시험 번호 34에서는, 용접 금속의 Mo함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 용접 금속에 있어서, 내나프텐산 부식성이 낮았다. 또한 모재의 화학 조성에 있어서, F1이 식 (1)을 만족하지 않았다. 그 결과, 모재의 크리프 연성이 낮았다.
시험 번호 35에서는, 모재의 B함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 모재의 크리프 연성이 너무 낮았다.
시험 번호 36에서는, 모재의 B함유량이 너무 높아, 그 결과, 용접 금속의 B함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 용접성 평가 시험에 있어서 용접 금속에 균열이 확인되고, 용접성이 낮았다.
시험 번호 37에서는, 모재의 Nb함유량이 너무 적었다. 그 결과, 모재의 내폴리티온산 SCC성이 낮았다.
시험 번호 38에서는, 모재의 Mo함유량이 너무 적었다. 그 결과, 모재의 내나프텐산 부식성이 낮았다.
이상, 본 발명의 실시의 형태를 설명했다. 그러나, 상술한 실시의 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시의 형태로 한정되는 일 없이, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시의 형태를 적당히 변경하여 실시할 수 있다.
1: 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음 10: 모재
20: 용접 금속 30: 구속판

Claims (5)

  1. 모재와 용접 금속을 구비하고,
    상기 모재의 화학 조성은, 질량%로,
    C：0.030% 이하,
    Si：0.10~1.00%,
    Mn：0.20~2.00%,
    P：0.040% 이하,
    S：0.010% 이하,
    Cr：16.0~25.0%,
    Ni：10.0~30.0%,
    Mo：0.10~5.00%,
    Nb：0.20~1.00%,
    N：0.050~0.300%,
    sol. Al：0.001~0.100%,
    B：0.0010~0.0080%,
    Cu：0~5.00%,
    W：0~5.0%,
    Co：0~1.0%,
    V：0~1.00%,
    Ta：0~0.20%,
    Hf：0~0.20%,
    Ca：0~0.010%,
    Mg：0~0.010%,
    희토류 원소：0~0.100%, 및,
    잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
    식 (1)을 만족하며,
    상기 용접 금속에 있어서,
    상기 용접 금속의 폭 중앙 위치이며, 또한, 두께 중앙 위치에서의 화학 조성은, 질량%로,
    C：0.050% 이하,
    Si：0.01~1.00%,
    Mn：0.01~3.00%,
    P：0.030% 이하,
    S：0.015% 이하,
    Cr：15.0~25.0%,
    Ni：20.0~70.0%,
    Mo：1.30~10.00%,
    Nb：0.05~3.00%,
    N：0.150% 이하,
    B：0.0050% 이하,
    sol. Al：0~1.000%,
    Cu：0~2.50%,
    W：0~1.0%,
    Co：0~15.0%,
    V：0~0.10%,
    Ti：0~0.50%,
    Ta：0~0.20%,
    Ca：0~0.010%,
    Mg：0~0.010%,
    희토류 원소：0~0.100%, 및,
    잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는,
    오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음.
    B+0.004-0.9C+0.017Mo2≥0 (1)
    여기서, 식 (1) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모재의 상기 화학 조성은,
    Cu：0.10~5.00%,
    W：0.1~5.0%,
    Co：0.1~1.0%,
    V：0.10~1.00%,
    Ta：0.01~0.20%,
    Hf：0.01~0.20%,
    Ca：0.001~0.010%,
    Mg：0.001~0.010%, 및,
    희토류 원소：0.001~0.100%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상,
    을 함유하는, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접 금속의 상기 화학 조성은,
    sol. Al：0.001~1.000%,
    Cu：0.01~2.50%,
    W：0.1~1.0%,
    Co：0.1~15.0%,
    V：0.01~0.10%,
    Ti：0.01~0.50%,
    Ta：0.01~0.20%,
    Ca：0.001~0.010%,
    Mg：0.001~0.010%, 및,
    희토류 원소：0.001~0.100%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상,
    을 함유하는, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 용접 금속의 상기 화학 조성은,
    sol. Al：0.001~1.000%,
    Cu：0.01~2.50%,
    W：0.1~1.0%,
    Co：0.1~15.0%,
    V：0.01~0.10%,
    Ti：0.01~0.50%,
    Ta：0.01~0.20%,
    Ca：0.001~0.010%,
    Mg：0.001~0.010%, 및,
    희토류 원소：0.001~0.100%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상,
    을 함유하는, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 금속의 상기 화학 조성은, 식 (2)를 만족하는,
    오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음.
    0.012Cr-0.005Ni+0.013Mo+0.023Nb+0.02Al-0.004Co≤0.176 (2)
    여기서, 식 (2) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
KR1020207027799A 2018-02-28 2019-02-28 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음 KR102466688B1 (ko)

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