KR20180092872A - 응집형 용접 플럭스 및 이 플럭스를 사용하는 오스테나이트계 스테인리스강의 침수 아크 용접 방법 - Google Patents

응집형 용접 플럭스 및 이 플럭스를 사용하는 오스테나이트계 스테인리스강의 침수 아크 용접 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하기(플럭스 중량 기준 %로 표시)를 포함하는 응집형 용접 플럭스에 관한 것이다: MgO 25% 내지 35%, CaF2 20% 내지 28%, Al2O3 15% 내지 22%, SiO2 12% 내지 17%, 및 탄소 0.2% 내지 0.4% (단위 : 중량%) [단, 상기 탄소는 플럭스 중에 함유된 금속 화합물 적어도 1종을 사용하여 도입됨]. 본 발명은 또한 상기 플럭스를 사용하여 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어진 적어도 1종의 피용접재를 침수 아크 용접하기 위한 방법과, 상기 방법을 사용하여 얻을 수 있는, Cr 17% 내지 20%, Mn 5% 내지 8.5%, 및 Ni 14% 내지 18%를 포함하는 용접 이음에 관한 것이다.

Description

응집형 용접 플럭스 및 이 플럭스를 사용하는 오스테나이트계 스테인리스강의 침수 아크 용접 방법{AGGLOMERATED WELDING FLUX AND SUBMERGED ARC WELDING PROCESS OF AUSTENITIC STAINLESS STEELS USING SAID FLUX}
본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강의 침수 아크 용접용 용접 플럭스, 이 플럭스를 사용하는 침수 아크 용접 방법, 및 상기 플럭스와 소모성 용접 와이어를 용융하고, 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어진 하나 이상의 피용접재를 용접함으로써 얻어진 용접 금속 조성물(즉, 용접 이음)에 관한 것이다.
오스테나이트계 스테인리스강은, 이를 다양한 산업적 응용에 유용하게 만드는 매우 바람직한 특성들의 조합을 나타낸다. 이 강(steel)은 철 중에 원소들을 촉진하고 안정화시키는 크롬 및 오스테나이트의 균형 잡힌 분석을 지니고, 실온에서 오스테나이트 구조를 가진다. 오스테나이트 구조와 높은 크롬 함량은 둘 다 내식성을 부여하고, 비교적 균일한 오스테나이트 구조는 또한 주로 크롬(Cr), 니켈(Ni) 및 망간(Mn)의 높은 함량으로 인해 우수한 강성 및 인성 특성을 지닌 강을 제공하는데, 이는 오스테나이트계 스테인리스강을 건축재로서 특히 매력적으로 만들어준다.
구체적으로, Ni 함량이 통상 최대 9%이고, 크롬 함량은 약 19%인 오스테나이트계 스테인리스강은 액화 탄화수소 가스(LNG), 또는 산소나 질소와 같은 액화 공기 성분들을 보관하기 위해, 극저온, 통상적으로 -170℃(-270℉) 미만에서 사용될 수 있는 용기에 특히 적합하다.
니켈은 고가의 성분이므로, 오스테나이트계 스테인리스강 중 니켈 함량을 줄임과 동시에, 니켈의 극저온 용도로서의 사용 가능성을 유지하는데 관심이 높다. 이러한 저 니켈 오스테나이트계 스테인리스강의 일례는 201LN 등급(ASTM A240 국제 표준)이다.
이와 같은 저 니켈 오스테나이트계 스테인리스강의 야금 조성물 성분들의 통상적인 함량 범위, 즉 이 강을 구성하는 모재 금속의 조성은 하기 표 1에 제시하였다.
Figure pat00001
이러한 저 니켈 오스테나이트계 스테인리스강은, 통상적으로 전기 아크에 의해 용융되는 용접 플럭스 및 와이어를 사용하는 침수 아크 용접(Submerged Arc Welding; 이하 "SA 용접"이라 칭함) 방법을 수행한 다음, 용가재를 공급하여 원하는 용접 이음을 형성함으로써 용접된다.
용접될 피용접재들은 시트, 평판, 단조품 또는 파이프일 수 있다.
당면한 문제점은, 일반적으로, 오스테나이트계 강이 SA 용접될 경우, 이 방법에서 사용되는 매우 많은 양의 열 때문에 용접 금속의 결정 구조가 성기게 될 것이라는 점과, 용접 금속의 인장 강도가 다른 용접 방법으로 얻어진 것에 비하여 상대적으로 낮아질 것이라는 점이다.
그러나, 건축 산업에서 용접 금속의 인장 강도(최대 인장 강도(ultimate tensile strength)라고도 칭함)는 모재 금속의 인장 강도보다 더 클 것, 구체적으로 용접 금속의 인장 강도는 20℃에서 655 내지 740 MPa에 포함될 것이 요구된다. ASTM 201LN의 최소 인장 강도는 655 MPa(95 ksi)로 규정되어 있다. 인장 강도는 가압 용기의 설계에 중요하다. 주어진 설계에서, 벽 두께는 최소 인장 강도에 의해 정해진다. 경제적 이유들을 위해 벽 두께는 가능한한 얇게 선택된다; 따라서 평판 재료와 용접 금속은 표준 최소 인장 강도를 충족하여야 한다. 또한, 용접 금속의 최소 인성 측면에서 요구되는 조건도 있다(통상적으로 -196℃에서 적어도 47 J). 이들 수준 요건이 충족되지 않을 경우, 이것은 그에 따라 용접된 구조의 일체성에 불리하다.
지금까지는, 이러한 물리적 특성들을 갖는 용접 금속을 얻기 위한 적당한 해결책이 제안되지 않았다.
따라서, 해결되어야 할 하나의 과제는 SA 용접 방법에 의해 저 니켈 오스테나이트계 스테인리스강이 용접될 때, 요구 수준의 인장 강도 및 인성을 갖는 용접 이음을 얻을 수 있게 하는 응집형 용접 플럭스를 제공하는 것이다.
제1 양태에 의하면, 본 발명은 하기(플럭스 중량 기준 %로 표시)를 포함하는 응집형 용접 플럭스에 관한 것이다:
- 산화마그네슘(MgO) 25% 내지 35%,
- 플루오르화칼슘(CaF2) 22% 내지 35%,
- 산화알루미늄(Al2O3) 15% 내지 22%,
- 이산화규소(SiO2) 11% 내지 17%,
- 탄소 함유 금속 화합물 적어도 1종, 및
- 탄소 0.2% 내지 0.4%:
[단, 상기 탄소는 상기 금속 화합물 적어도 1종을 사용하여 도입됨].
경우에 따라서, 본 발명의 플럭스는 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
- 상기 금속 화합물은 탄소를 2% 내지 12% 포함함.
- 플럭스는 상기 금속 화합물을 1.6% 내지 10% 포함함.
- 상기 금속 화합물은 철합금임.
- 플럭스는 철크롬, 철망간, 주철, 및 탄화규소 분말 중에서 선택되는 금속 화합물 적어도 1종을 포함함.
제2 양태에 의하면, 본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어진 적어도 1종의 피용접재 침수 아크 용접용 방법에 관한 것으로, 이는 소모성 와이어 및 플럭스를 전기 아크에 의해 용융시켜, 상기 적어도 1종의 피용접재 상에 용접 이음을 형성하도록 하는 것으로서, 플럭스가 본 발명에 의한 응집형 용접 플럭스인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 소모성 와이어는 하기(와이어 총 중량 기준 %로 표시)를 포함한다:
- 탄소(C) 0.01% 내지 0.05%,
- 규소(Si) 0.1% 내지 1%,
- 망간(Mn) 5% 내지 9%,
- 크롬(Cr) 19% 내지 22%,
- 니켈(Ni) 15% 내지 18%,
- 몰리브덴(Mo) 2.5% 내지 4.5%,
- 질소(N) 0.1% 내지 0.2%, 및
- 철(Fe) 나머지.
피용접재는 하기(피용접재 중량 기준 %로 표시)를 포함할 수 있다:
- Cr 16% 내지 18%,
- Mn 6.4% 내지 7.5%, 및
- Ni 4.0% 내지 5.0%.
피용접재는 하기(피용접재 중량 기준 %로 표시)를 추가로 포함할 수 있다:
- C 0.01% 내지 0.03%,
- Si 0.1% 내지 0.75%,
- N 0.01% 내지 0.025%, 및
- 철(Fe) 나머지.
제3 양태에 의하면, 본 발명은, 본 발명에 의한 용접 방법에 의해 얻어질 수 있으며, 하기(이음 중량 기준으로 표시)를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 이음에 관한 것이다:
- Cr 17% 내지 20%,
- Mn 5% 내지 8.5%, 및
- Ni 14% 내지 18%.
바람직하게는, 본 발명에 의한 용접 이음은 하기(피용접재 중량 기준 %로 표시)를 추가로 포함한다:
- C 0.09% 내지 0.13%,
- Si 0.3% 내지 0.7%,
- Mo 2% 내지 4%,
- N 0.1% 내지 0.25%, 및
- 철(Fe) 나머지.
용접 이음은 20℃에서의 인장 강도가 650 내지 700 MPa이고/이거나, -196℃에서의 최소 인성이 27 J일 수 있다.
제4 양태에 의하면, 본 발명은 Cr 16% 내지 18%, Ni 4.0% 내지 5.0%, Mn 6.4% 내지 7.5%, 및 철을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어지고, 본 발명에 의한 용접 이음을 적어도 1종 포함하는 것을 특징으로 하는 피용접재에 관한 것이다.
"응집형 플럭스"란 용어는, 대부분이 광물성 성분, 예를 들어 산화알루미늄 또는 산화규소로 구성된 입자 또는 소형 그래뉼로부터, 또한 가능하게는 수성 무기 규산염, 예를 들어 규산나트륨을 기반으로 하는 결합제(또는 결합제들)가 첨가된 분말 형태의 금속 화합물로부터 형성된 플럭스를 의미하는 것으로 이해된다. 금속 화합물과 같은 사용 가능한 분말을 포함한 모든 성분들이 플럭스 조성물을 형성한다. 존재하는 화합물들과 성분들 모두는 서로 응집되어 플럭스 그레인을 형성한다. 최종 플럭스 그레인은 주로 둥근 형태이고, 이 그레인의 크기는 주로 0.2 내지 2.0 mm에 포함된다.
플럭스 중에 존재하는 탄소는 적외선 흡수에 의해 분석될 수 있는 반면에, 원소 Mg, Al, Si, F는 XRF(X선 형광)에 의해 분석될 수 있음에 주목하여야 할 것이다. 원소 Mg, Al은 또한 ICP-AES에 의해 분석될 수 있고, F는 증기 추출 후 이온 감응 전극에 의해 분석될 수 있다. 원소들, 예컨대 Mg, Al 및 Si는 산화물로서 존재한다고 공지되어 있는 바와 같이, 이들은 보통 산화물, 예컨대 MgO, Al2O3 및 SiO2로서 표시된다. F는 주로 CaF로 존재한다고 공지되어 있는 바와 같이, 이는 CaF로 표시된다. Ca는 또한 XRF 또는 ICP-AES(유도 결합 플라스마 원자 발광 분광분석법; inductively-coupled plasma atomic emission spectrophotometry) 및/또는 ICP-MS(유도 결합 플라스마 질량분석법; inductively-coupled plasma mass spectroscopy)에 의해 분석될 수 있다. F에 대해 화학양론적으로 기여할 수 있는 모든 Ca는 CaF2로 표시된다. 나머지 Ca는 CaO로 표시된다. Si는 또한 중량 측정에 의해 분석될 수 있다.
제2 양태에 의하면, 본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어진 적어도 1종의 피용접재의 침수 아크(SA) 용접용 방법에 관한 것으로, 소모성 와이어 및 플럭스가 전기 아크에 의해 용융되어 상기 적어도 1종의 피용접재 상에 용접 이음을 형성하고, 플럭스는 본 발명에 의한 것임을 특징으로 한다.
경우에 따라서, 본 발명의 용접 방법은 제시된 특성들 중 하나 이상을 포함할 수 있다(청구항 제7항 내지 제9항 참조).
구체적으로, 본 발명에 의한 방법은 하기(와이어 총 중량 기준 %)를 포함하는 소모성 와이어를 사용할 수 있다:
- 탄소(C) 최대(즉 많아도) 0.03%, 바람직하게는 C 0.01% 내지 0.03%,
- 규소(Si) 최대 1.0%, 바람직하게는 Si 0.1% 내지 1.0%,
- 망간(Mn) 5% 내지 9%,
- 크롬(Cr) 19% 내지 22%,
- 니켈(Ni) 15% 내지 18%,
- 몰리브덴(Mo) 2.5% 내지 4.5%,
- 질소(N) 0.1% 내지 0.2%,
- 구리(Cu) 최대 0.5%, 바람직하게는 Cu 0.03% 내지 0.5%,
- 인(P) 최대 0.03%, 바람직하게는 P 0.005% 내지 0.03%,
- 황(S) 최대 0.02%, 바람직하게는 S 5 ppm 내지 0.02%, 및
- 철(Fe) 나머지.
모든 원소는 OES(광학 발광 분광분석법)에 의해 분석될 수 있고; C 및 S는 적외선 흡수에 의해 분석될 수 있다. N은 카터로미터법(열 전도도 측정법)에 의해 분석될 수 있다. Si는 또한 중량 측정에 의하여 분석될 수 있고; Mn, Cr, Ni, Mo는 또한 ICP-AES(유도 결합 플라스마 원자 발광 분광분석법)에 의해 분석될 수 있다.
제3 양태에 의하면, 본 발명은 용접 이음, 즉 용착된 용접 금속에 관한 것으로, 구체적으로는 본 발명에 의해 상기 SA 용접 방법을 수행함으로써 얻어지며, 이음 중량 기준으로 표시된 조성(청구항 제10항 참조)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
경우에 따라서, 본 발명의 용접 이음은 제시된 특성들 중 하나 이상을 포함할 수 있다(청구항 제11항 내지 제13항 참조).
용착된 금속의 화학 분석은 이음의 축 상에 수행된다.
탄소는 적외선 흡수에 의해, 질소는 카터로미터법에 의해, 망간, 크롬, 몰리브덴 및 니켈은 OES(광학 발광 분광분석법)에 의해, 그리고 다른 원소들은 ICP-AES 및/또는 ICP-MS에 의해 분석될 수 있다. 규소는 중량 측정에 의해 분석될 수 있다.
제4 양태에 의하면, 본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어진 피용접재에 관한 것으로, 상기 피용접재는 Cr 16% 내지 18%, Ni 4.0% 내지 5.0%, Mn 6.4% 내지 7.5% 및 철을 포함하며, 본 발명에 의한 용접 이음을 적어도 1종 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 피용접재는 파이프, 평판 또는 단조품이다.
본 발명은 플럭스 중에 존재하는 다양한 원소들(모두 중량%로 포함)의 효과에 대한 하기 설명들 덕분에 더욱 잘 이해될 것이다.
산화마그네슘(MgO)
MgO는 슬래그의 점도를 상승시키고, 균일한 비드를 얻을 수 있도록 해준다. 또한, MgO는 용접 금속 중 산소 함량을 제어한다. 플럭스 중 MgO 함량이 25%보다 낮으면 산소 함량과 용접 금속의 인성이 증가한다. 한편, MgO 함량이 35%보다 높으면 불안정한 아크, 불균일한 비드, 및 슬래그 제거의 불량함을 초래한다.
플루오르화칼슘(CaF 2 )
CaF2는 균일한 비드를 얻을 수 있게 하고, 용접 금속 중에 확산될 수 있는 수소 및 산소의 양을 제어한다. CaF2 함량이 20%보다 낮으면, 용접 금속 중 더 높은 산소 함량으로 인해 인성이 감소한다. 한편, CaF2 함량이 28%보다 높으면, 아크는 불안정해지고, 비드의 형태는 나빠지며, 슬래그 제거는 불량해진다.
산화알루미늄(Al 2 O 3 )
Al2O3는 슬래그의 유동성 및 비드의 균일성을 개선한다. Al2O3 함량이 15%보다 낮으면 이러한 개선에 그다지 영향을 미치지 않으며, 반면에 Al2O3 함량이 22%보다 높으면 용접 금속 중 더 높은 산소 함량으로 인해 인성이 감소한다.
이산화규소(SiO 2 )
SiO2는 슬래그의 유동성 및 비드의 균일성을 개선한다. SiO2 함량이 12%보다 낮으면 이러한 개선에 그다지 영향을 미치지 않는다. 그러나 SiO2 함량이 17%보다 높으면, 인성 특성은 용접 금속 중 더 높은 산소 함량으로 인해 저하된다.
탄소(C)
탄소는 용접 금속의 높은 인장 특성을 보장하기 위해 플럭스에 첨가된다. 본 발명에 의하면, 탄소는 플럭스 중 적어도 1종의 탄소 함유 금속 화합물을 사용하여 도입된다. 따라서, SA 용접 과정 동안 탄소는 용접 금속에 옮겨지고, 그 결과 용접 금속의 인장 강도가 증가한다.
탄소가 금속 형태로 도입되면 플럭스 소성 과정 동안 탄소가 분해되지 않으므로 유리하다. 적어도 1종의 금속 화합물은 탄소를 필요량만큼 예측 가능한 방식으로 용접 풀에 옮긴다. 반면에, 금속 형태가 아닌 화합물들, 예를 들어 흑연(C)은 소성 과정 동안 분해될 것이므로, 따라서 탄소를 예측 가능한 방식으로 필요량만큼 옮기지 않을 것이다.
이음, 즉 용착된 금속에서 과도하게 높은 C 함량은 마르텐사이트형의 경질 구조 및/또는 구조를 경화시키는 과량의 탄화물 침전물을 초래하여, 불량한 인성을 야기한다. 반대로, 지나치게 낮은 C 함량은 불충분한 인장 물리적 특성을 야기한다. 따라서, 플럭스 중 C의 양은 0.2% 내지 0.4%로 준수될 필요가 있다.
바람직하게는, 적어도 1종의 금속 화합물은 철합금이고, 유리하게는 철망간, 철크롬, 주철 분말, 탄화규소 분말로 이루어진 군으로부터 선택된다. 철합금은 플럭스 소성 과정 동안 분해되지 않으므로 철합금을 사용하는 것이 특히 유리하다. 탄소 함유 철합금은 탄소를 용접 풀에 예측 가능한 방식으로 옮긴다. 반면에, 흑연(C)은 소성 과정 동안 분해될 것이므로, 탄소를 예측 가능한 방식으로 옮기지 않을 것이다. 탄산칼슘(CaCO3)과 같은 탄산염 역시 탄소를 함유하지만, 용접 과정 동안 이들은 CaO와 같은 금속 산화물, 그리고 CO 및 CO2의 혼합물로 분해될 수 있다. 두 성분 모두 기체 형태로 존재하고, 탄소를 용접 풀에 필요량만큼 옮기지 않을 것이다.
본 발명의 분야에 있어서, 철합금이란 1% 초과의 탄소와, 철, 망간, 크롬 또는 규소와 같은 원소 1종 이상의 합금을 지칭한다. 탄소가 2% 미만인 철합금은 플럭스 중에 10%를 초과하는 양의 철합금을 필요로 할 것이다. 그러나 20%를 초과하는 양의 철합금이 플럭스에 첨가될 경우, 이 플럭스 자체의 용접 특성들은 매우 불량해질 것이다.
유리하게는, 철합금은 탄소 화합 철합금으로서(프랑스 "ferroalliage carbure"), 높은 탄소 함량을 갖는데, 다시 말해서 탄소 4% 내지 12%, 바람직하게는 탄소 적어도 5%, 바람직하게는 탄소 10% 미만이다(상기 %는 중량%임). 합금 중 탄소 함량이 더 높으면, 더 적은 양의 성분들이 첨가되어야 한다. 합금이 더 적게 첨가되면, 용접 특성이 더 좋아진다. 다른 한편, 합금의 탄소 함량이 12%를 초과하면, 흑연은 합금 내에 침전될 것이다. 그리고 본 발명자들은 오로지 초 미분말로 분쇄된 합금만을 사용하므로, 혼합물 내의 흑연을 관찰할 수 있었다. 그러나 흑연은 소성 과정 동안 산화될 수 있으므로 피해야 한다. 따라서 용접 방법은 예측 불가능하게 될 것이다.
철합금은 탄소 화합 철망간(프랑스 "ferromanganese carbure")일 수 있으며, 이는 고 탄소 함량 철망간이라고도 칭하여진다. 바람직하게는, 철망간은 Mn을 75% 내지 80%, C를 5% 내지 9%, 보다 바람직하게는 C를 6% 내지 8% 포함한다(상기 %는 중량%임).
철합금은 또한 탄소 화합 철크롬(프랑스 "ferrochrome carbure")일 수 있으며, 이는 Cr 64% 내지 90% 및 C 4% 내지 12%, 보다 바람직하게 C 6% 내지 9%를 함유하한다(상기 %는 중량%임).
본 발명의 또 다른 구현예에 의하면, 적어도 1종의 탄소 함유 금속 화합물은 주철 분말일 수 있다. 바람직하게는, 주철 분말은 탄소를 2% 내지 4% 포함한다(상기 %는 중량%임). 주철은 크롬 또는 망간의 첨가를 갖지 않는 이점을 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의하면, 적어도 1종의 금속 화합물은 탄화규소일 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 의한 AS 용접 방법은, 전술된 바와 같은 플럭스 및 하기 조성을 갖는 용접 와이어를 용융함으로써 수행된다(단위: 중량%):
- 탄소(C) 0.01% 내지 0.05%,
- 규소(Si) 0.1% 내지 1%,
- 망간(Mn) 5% 내지 9%,
- 크롬(Cr) 19% 내지 22%,
- 니켈(Ni) 15% 내지 18%,
- 몰리브덴(Mo) 2.5% 내지 4.5%,
- 질소(N) 0.1% 내지 0.2%, 및
- 철(Fe) 나머지.
와이어 중에 존재하는 다양한 원소들의 효과는 하기에 설명된다(모든 함량은 와이어 총 중량을 기준으로 한 %로 표시됨).
탄소(C)
탄소는 용접 금속의 강도를 개선하기 위해 도입된다.
크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)
원소 Cr 및 Mn은 고강도 오스테나이트계 스테인리스강의 주요 합금 원소이다. 원소 Cr 및 Mn은 상기 강의 탄소와 결합되어, 강의 강도를 제공하고, 그럼으로써 또한 용접 금속에 강도를 제공하는 탄화물을 형성한다. 용접 금속 중 과량의 Cr 또는 Mo는 용접 금속의 인성 특성의 악화를 유발한다. 따라서 이음 중에 Cr의 양 16% 내지 22%, 그리고 Mo의 양이 최대 4.5% 보장되도록 측정이 이루어져야 한다.
규소(Si)
규소는 용접 금속 중 환원제로서 작용한다. 그러므로 규소는 산소(O) 함량을 제어하기에 충분한 양만큼 존재하여야 한다. Si 함량이 지나치게 높을 경우, 인성 특성은 저하된다. 그러므로, 이음 중 Si의 양은 0.3% 내지 1%의 범위 내로 제한될 필요가 있다.
니켈(Ni)
니켈을 첨가하는 것은 오스테나이트 구조를 촉진하는 효과를 갖는다. 이러한 이유로, Ni 수준은 15% 내지 18%에 포함되어야 한다.
몰리브덴(Mo)
Mo는 용접 금속의 강도에 지대한 영향을 미치며, 그 결과로서, 올바른 강도 수준을 보장하는데 매우 중요한 원소이다. 다른 한편, Mo의 양이 지나치게 많으면 높은 취성을 초래할 수 있다. 그러므로, Mo의 양은 2% 내지 4%이어야 한다.
질소(N)
질소는 오스테나이트 구조를 촉진하고 동시에 강도를 부여하는 효과를 가진다. 과량의 질소는 용접 금속에 공극을 형성하고, 이는 대부분의 건축 법규에 의해 받아들여지지 않을 것이다. N 함량은, 바람직하게는 0.25% 미만이고, 통상적으로는 0.14% 내지 0.2%에 포함된다.
예시적 실시 예
하기에 제시된 시험들의 목표는, SA 용접 방법이 본 발명에 의한 플럭스를 사용하여 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어진 피용접재 상에 수행될 때, 본 발명에 의한 야금 조성물을 갖는 용접 이음, 구체적으로 건축 산업의 인장 강도 요구 조건들뿐만 아니라 우수한 인성 특성이 달성되는 이음을 얻는 것이 가능하다는 것을 보여주기 위한 것이다.
이음 표본들의 인장 강도는 23℃의 온도에서 수행되는 인장 시험과 최대 인장 강도 측정에 의해 평가되었다. 최대 인장 강도는 재료가 연신되거나 견인될 때, 파괴될 때까지 견딜 수 있는 최대 응력에 의해 측정된다. 표본들의 인성은 또한 파열 동안 재료에 의해 흡수된 에너지의 양을 측정하는 표준화 고 변형 속도 시험인 Charpy V-노치 시험을 사용하여 측정되었다. 이 시험은 -196℃의 온도에서 수행되었다.
인장 및 인성 시험은 용접 이음 중앙에 용착된 금속으로부터 기계 가공된 표본 상에 수행되었다.
용접 금속이 용착된 저 니켈 오스테나이트계 강 피용접재는 201LN 등급(ASTM A240)으로 이루어졌으며, 하기 표 2에 제시된 조성을 가졌다.
Figure pat00002
SA 용접에 사용된 플럭스들(플럭스 1, 플럭스 2, 플럭스 3)은 하기 표 3에 제시된 조성을 가졌다. 탄소는 탄소 함유 금속 화합물로서 탄소 화합 철크롬 및 탄소 화합 철망간을 사용하여 플럭스에 도입되었다. 플럭스 1은 2% 양의 철크롬과, 2% 양의 탄소 화합 철망간을 함유하였다. 플럭스 2는 2.5% 양의 철크롬과, 2%의 탄소 화합 철망간을 함유하였다. 이 탄소 화합 철크롬 화합물은 Cr 64% 내지 70%와, C 9% 내지 10%를 포함하였다. 상기 탄소 화합 철망간 화합물은 망간 75% 내지 80%와, 탄소 6% 내지 7.7%를 포함하였다.
Figure pat00003
Figure pat00004
임의의 희석물로부터 얻은 용착 금속 표본들은 하기 SA 용접 매개변수들을 적용하여 얻어졌다:
- 표 3의 플럭스 1, 2, 3과 관련된, 표 4의 조성을 갖는, 직경 3.2 mm인 와이어로 SA 용접,
- 25℃ 내지 100℃에서 예열,
- 8회 내지 12회의 용접 패스(welding pass),
- 용접 패스들 간 모재 금속의 온도 약 100℃,
- 용접 속도 55 cm/분에 대하여 용접 에너지 약 1.5 kJ/mm,
- 30 V에서 DC+ 전류 460 A,
- 용접 금속 냉각(800℃ → 500℃) 시간 7 초 내지 17 초.
원통형 인장 표본을 용착된 금속, 즉 생성된 용접 이음에서 길이 방향으로 기계 가공하였다. 표본의 총 길이는 97 mm였으며, 게이지 부의 직경은 10 mm였고, 게이지 부의 길이는 50 mm였다.
각각의 인장 시험은 23℃에서 수행되었다. 견인 속도는 15 MPa/초였다.
시험 표본의 조성(각각의 원소는%로 함유)과 인장 강도 측정 결과(Rm, MPa로 표시) 및 인성 측정 결과(Kv, Joule로 표시, -196℃)는 하기 표 5에 제시되어 있다.
Figure pat00005
보이는 바와 같이, 용접 1 및 2에 대응하는 시험들만이 인장 강도 및 인성 특성 면에서 만족스러운 결과를 보였다. 이는, 강도를 증가시키기 위해 적합한 함량의 탄소가 용접 금속에 첨가되었기 때문이다. C 함량이 지나치게 높으면 인성 결과를 악화시킬 수 있다. 이들 용접은 강도와 인성 간 최선의 절충안을 제공하였다.
플럭스 2는 플럭스 1보다 강도 면에서 더 우수한 결과들을 제공하였으나, 인성은 최대 값에 가까웠음을 또한 주목할 수 있다. 용접 3에 있어서, C 함량이 0.09% 미만이었다는 사실로 인해 인장 강도는 지나치게 낮았다; 용접 1 및 2에 비하여 더 높은 크롬 및 니켈 함량은 올바른 강도 수준을 찾는데 도움이 되지 않았다.
용접 4는 용접 3과 유사하였다: 즉 C 수준들은 유사하였으나, Cr은 더 적었으며, Ni은 11.5%였고, 결과적으로 Fe는 더 많았다. 그러나, 강도 수준은 훨씬 더 낮았는데, 이는 특정 크롬과 니켈이 바람직하다는 것을 명백히 보여준다.
용접 5는 와이어에 의해 니오븀(Nb) 0.4%를 첨가하였으나, 강도의 수준은 여전히 낮게 유지되었는데, 이는 C가 권장 범위를 벗어났기 때문이다.
용접 6은 크롬과 니켈의 균형을 변화시켰다: 크롬은 높은 수준이었고, 니켈은 상대적으로 낮은 수준이었다; 높은 강도를 얻었으나 불충분한 인성을 얻었다.
용접 7은 크롬, 니켈 및 탄소와 관련하여 용접 5와 조성이 유사하였으나, Mn 함량은 와이어에 의해 5.6%로 증가하였다. 이 와이어는 니오븀(Nb)이 첨가되지 않은 것이었다. 금속의 인성은 지나치게 낮게 유지되었고, 또한 인성은 불충분하였다.

Claims (14)

  1. 하기(플럭스 중량 기준 %로 표시)를 포함하는 응집형 용접 플럭스:
    - 산화마그네슘(MgO) 25% 내지 35%,
    - 플루오르화칼슘(CaF2) 22% 내지 35%,
    - 산화알루미늄(Al2O3) 15% 내지 22%,
    - 이산화규소(SiO2) 11% 내지 17%,
    - 탄소 함유 금속 화합물 적어도 1종, 및
    - 탄소 0.2% 내지 0.4%
    [단, 상기 탄소는 상기 금속 화합물 적어도 1종을 사용하여 도입됨].
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 화합물은 탄소를 2% 내지 12% 포함하는 것을 특징으로 하는, 플럭스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 플럭스는 상기 금속 화합물을 1.6% 내지 10% 포함하는 것을 특징으로 하는, 플럭스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 화합물은 철합금인 것을 특징으로 하는, 플럭스.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 플럭스는 철크롬, 철망간, 주철, 및 탄화규소 분말로부터 선택되는 금속 화합물을 적어도 1종 포함하는 것을 특징으로 하는, 플럭스.
  6. 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어진 적어도 1종의 피용접재의 침수 아크 용접용 방법으로서, 소모성 와이어 및 플럭스를 전기 아크에 의해 용융시켜, 적어도 1종의 피용접재에 용접 이음을 형성하며, 플럭스는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 의한 응집형 용접 플럭스인 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 소모성 와이어는 하기(와이어 총 중량 기준 %로 표시)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법:
    - 탄소(C) 0.01% 내지 0.05%,
    - 규소(Si) 0.1% 내지 1%,
    - 망간(Mn) 5% 내지 9%,
    - 크롬(Cr) 19% 내지 22%,
    - 니켈(Ni) 15% 내지 18%,
    - 몰리브덴(Mo) 2.5% 내지 4.5%,
    - 질소(N) 0.1% 내지 0.2%, 및
    - 철(Fe) 나머지.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 피용접재는 하기(피용접재 중량 기준 %로 표시)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 용접 방법:
    - Cr 16% 내지 18%,
    - Mn 6.4% 내지 7.5%, 및
    - Ni 4.0% 내지 5.0%.
  9. 제8항에 있어서, 피용접재는 하기(피용접재 중량 기준 %로 표시)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 용접 방법:
    - C 0.01% 내지 0.03%,
    - Si 0.1% 내지 0.75%,
    - N 0.01% 내지 0.025%, 및
    - 철(Fe) 나머지.
  10. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 용접 방법에 의해 얻을 수 있는 용접 이음으로서, 하기(이음 중량 기준 %로 표시)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 용접 이음:
    - Cr 17% 내지 20%,
    - Mn 5% 내지 8.5%, 및
    - Ni 14% 내지 18%.
  11. 제10항에 있어서, 용접 이음은 하기(피용접재 중량 기준 %로 표시)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 용접 이음:
    - C 0.09% 내지 0.13%,
    - Si 0.3% 내지 0.7%,
    - Mo 2% 내지 4%,
    - N 0.1% 내지 0.25%, 및
    - 철(Fe) 나머지.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 용접 이음은 20℃에서 650 내지 700 MPa의 인장 강도를 갖는 것을 특징으로 하는, 용접 이음.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 용접 이음은 -196℃에서 27 J의 최소 인성을 갖는 것을 특징으로 하는, 용접 이음.
  14. Cr 16% 내지 18%, Ni 4.0% 내지 5.0%, Mn 6.4% 내지 7.5% 및 철을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어지는 피용접재로서, 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 의한 용접 이음을 적어도 1종 포함하는 것을 특징으로 하는, 피용접재.
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