KR20180123592A

KR20180123592A - 강도, 인성 및 내sr균열성이 우수한 용접 금속

Info

Publication number: KR20180123592A
Application number: KR1020187032377A
Authority: KR
Inventors: 요시토미 오카자키; 히데노리 나코; 겐 야마시타; 가즈야 이카이
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2018-11-16
Also published as: US20170029923A1; JP2015205288A; BR112016024014A2; EP3133180A1; CN109504892A; WO2015159806A1; CN106170575A; JP6235402B2; KR20160130312A; EP3133180A4

Abstract

강도 및 인성이 우수함과 더불어, 690℃ 근방의 고온하뿐만 아니라 SR 균열이 발생하기 쉬운 600℃ 근방에서의 SR 균열을 방지 가능한, 내SR균열성이 우수한 용접 금속을 제공한다. 본 발명의 용접 금속은, C: 0.06∼0.10%, Si: 0.4∼0.6%, Mn: 0.5∼1.0%, Cr: 1.8∼3.0%, Mo: 0.8∼1.2%, Ti: 0.02∼0.08%, B: 0.002% 이하(0%를 포함함), N: 0.005∼0.01%, O: 0.03∼0.07%를 함유하고, 잔부: 철 및 불가피 불순물이며, 또한 C의 함유량 [C], Cr의 함유량 [Cr] 및 B의 함유량 [B]가 아래 식(1)을 만족한다.
3.0≤13×[C]+[Cr]+160×[B]≤4.0 ···(1)

Description

강도, 인성 및 내SR균열성이 우수한 용접 금속{WELDED METAL HAVING EXCELLENT STRENGTH, TOUGHNESS AND SR CRACKING RESISTANCE}

본 발명은 강도, 인성, 및 응력 제거(Stress Releif, 이하, SR로 약기한다) 소둔 시의 입계 균열이 억제된 내SR균열성이 우수한 용접 금속에 관한 것이다.

보일러, 화학 반응 용기 등에 이용되는 Cr-Mo강 및 그의 용접 금속부는, 고온 고압 환경하에서 사용되기 때문에, 강도, 인성 등의 특성이 우수함과 더불어, 내SR균열성이 우수할 것이 요구된다.

특히 근래에는, 장치의 대형화에 수반하여 사용되는 강판도 후육화되는 가운데, 시공 효율을 저하시키지 않기 위해서 용접 시의 입열량은 증대되고 있다. 이 때문에, 피복 아크 용접봉의 대체로서, 효율적으로 용접할 수 있는 플럭스 코어드 와이어의 적용이 요망되고 있다. 그러나, 플럭스 코어드 와이어를 사용하면, 용접 금속의 산소량이 높아지는 것, 인성이 열화되기 쉬운 것, 또한 SR 균열이 다발하는 것 등, 여러 가지 문제가 생긴다.

그래서, 강도, 인성, 내SR균열성 등이 우수한 용접 금속을 제공하기 위해 여러 가지가 제안되어 있다.

예를 들면 특허문헌 1에는, 구 오스테나이트 입내에 석출되는 탄화물 중, TiC 등의 미세한 MC형 탄화물의 양을 저감하고, Ti를 포함하는 미세한 M₂C형 탄화물의 양을 높이면, 인성 및 인장 강도가 높아지고, 또한 내SR균열성도 우수한 Cr-Mo계 강의 용접 금속이 얻어진다는 것이 기재되어 있다.

또한 특허문헌 2에는, 용접 금속 중에 Cr과 Mo를 합계로 50% 이상 포함하는 석출물이 소정 개수 존재하면, SR 처리 시의 입계의 이동이 피닝되어, 페라이트 밴드의 생성이 억제되는 결과, 장시간에 고온의 SR 처리를 받아도 페라이트 밴드가 발생하기 어렵고, 또한 양호한 인성이 얻어진다는 것이 기재되어 있다.

일본 특허공개 2007-290016호 공보 일본 특허 제3842707호 공보

전술한 바와 같이 인성의 저하나 SR 균열의 방지를 목적으로 해서, 여러 가지 기술이 제안되어 있지만, 더한층의 향상이 요구되고 있다. 예를 들면 전술한 특허문헌에서는, 고온에서의 내SR균열성을 평가하고 있고, 특허문헌 1에서는 690℃에서 1시간, 특허문헌 2에서는 690℃에서 9.5시간 또는 690℃에서 15.3시간의 SR 처리를 행하고 있다. 그러나, SR 균열은 상기 온도보다도 저온인 600℃ 근방(대략 600∼650℃)에서 장시간 노출되었을 때에 생기기 쉽다. 그 때문에, 약 690℃ 정도(대략 650∼700℃)의 고온에서의 내SR균열성이 우수한 것은 물론, SR 균열이 발생하기 쉬운 600℃ 근방에서의 내SR균열성이 우수한 용접 금속의 제공이 요망되고 있다.

또, 용접 효율 등을 고려하면, 용접 방법 중에서도, 가스 실드 아크 용접법을 이용하여 형성되는 용접 금속의 상기 특성을 개선하는 기술이 간절히 요망되고 있다. 특히, 용접 작업성 등을 고려하면, 플럭스(광물의 분체) 코어드 와이어를 이용한 가스 실드 아크 용접법으로 형성된 용접 금속의 상기 특성을 개선하는 기술의 제공이 간절히 요망되고 있다. 가스 실드 아크 용접용 와이어는, 플럭스 코어드 와이어와 솔리드 와이어로 대별되는데, 플럭스 코어드 와이어는 솔리드 와이어에 비해 스패터가 적은 것, 하향 자세뿐만 아니라 입향 자세 및 상향 자세에 있어서도 용접 작업성이 양호한 것 등 여러 가지의 장점을 갖고 있기 때문이다.

본 발명은 상기 사정에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은, 강도 및 인성이 우수함과 더불어, 690℃ 근방의 고온하뿐만 아니라 SR 균열이 발생하기 쉬운 600℃ 근방에서의 SR 균열을 방지 가능한, 내SR균열성이 우수한 용접 금속을 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명의 용접 금속은, 질량%로, C: 0.06∼0.10%, Si: 0.4∼0.6%, Mn: 0.5∼1.0%, Cr: 1.8∼3.0%, Mo: 0.8∼1.2%, Ti: 0.02∼0.08%, B: 0.002% 이하(0%를 포함함), N: 0.005∼0.01%, O: 0.03∼0.07%를 함유하고, 잔부: 철 및 불가피 불순물이며, 또한 C의 함유량 [C], Cr의 함유량 [Cr] 및 B의 함유량 [B]가 아래 식(1)을 만족한다는 점에 요지를 갖는다.

3.0≤13×[C]+[Cr]+160×[B]≤4.0 ···(1)

본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 용접 금속은, 질량%로, P: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음), S: 0.010% 이하(0%를 포함하지 않음)로 더 억제된 것이다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 용접 금속은, 질량%로, Nb: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않음), 및 V: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 더 함유한다.

본 발명에는, 상기 중 어느 하나의 용접 금속을 포함하는 용접 구조체도 포함된다.

본 발명에서는, 구 오스테나이트 입계에 석출되는 탄화물의 생성에 영향을 주는 C, Cr 및 B의 양을 밸런스 좋게 제어하고 있기 때문에, 상기 탄화물의 사이즈가 적절히 제어되어, 강도, 저온 인성 및 내SR균열성이 우수한 Cr-Mo계 강의 용접 금속이 얻어진다. 특히 본 발명에 의하면, 690℃ 근방의 고온하뿐만 아니라, SR 균열이 발생하기 쉬운 600℃ 근방에서도 SR 균열의 발생을 방지할 수 있기 때문에, 매우 유용하다.

도 1은 실시예에 이용한 강판의 개선 형상을 나타내는 단면도이다.
도 2는, 실시예에 있어서, 용접 금속 중의 화학 성분의 측정 위치를 나타내는 단면도이다.
도 3은, 실시예에 있어서, 용접 금속 중의 인장 시험편의 채취 위치를 나타내는 단면도이다.
도 4는, 실시예에 있어서, 용접 금속 중의 샤르피 충격 시험편의 채취 위치를 나타내는 단면도이다.
도 5a는, 실시예에 있어서, 내SR균열성의 평가에 이용한 링 균열 시험편의 채취 위치를 나타내는 단면도이다.
도 5b는, 실시예에 있어서, 내SR균열성의 평가에 이용한 링 균열 시험편의 형상을 나타내는 단면도이다.
도 5c는, 실시예에 있어서, 내SR균열성의 평가에 이용한 링 균열 시험편의 TIG 용접부를 나타내는 단면도이다.
도 5d는, 실시예에 있어서, SR 균열의 관찰면을 나타내는 도면이다.

본 발명자들은, 상기 과제를 달성하기 위해, 전술한 특허문헌 1을 제안한 후에도, 더욱 검토를 거듭해 왔다. 특히 본 발명에서는, 상기 특허문헌 1에서는 충분히 고려하고 있지 않았던 600℃ 근방에서의 SR 균열 발생을 방지할 수 있는 기술을 제공한다는 관점에서 검토를 행했다.

상기 특허문헌 1에도 기재되어 있는 바와 같이, SR 균열은 주로 구 오스테나이트 입내의 강도와 구 오스테나이트 입계의 강도의 차에 기인하여 생긴다. 그래서 상기 특허문헌 1에서는, 특히 구 오스테나이트 입내에 석출되는 탄화물에 주목하여 실험을 행했다. 이에 비하여, 본 발명에서는, 구 오스테나이트 입계에 석출되는 탄화물에 주목하여, 내SR균열성과의 관계를 상세히 조사했다. 그 결과, SR 균열은 구 오스테나이트 입계에 석출되는 조대한 탄화물에 의해 생긴다는 것을 알 수 있었다.

이 점에 대하여 조금 더 상세하게 설명한다. Cr-Mo강의 용접 금속을 SR 처리하면, 구 오스테나이트 입내에는, 통상 Ti, Nb, V를 주성분으로 하는 탄화물(MC)이나, Mo 등을 주성분으로 하는 미세 탄화물(M₂C)이 미세하게 석출되기 때문에, 이들의 입자 분산 강화 기구에 의해 필연적으로 입내가 강화되어, 상대적으로 입계 강도는 저하된다는 것이 알려져 있다.

그래서 본 발명자들은, 구 오스테나이트 입계의 강도를 일정량으로 유지하고, 결과적으로 구 오스테나이트 입내의 강도와의 차를 작게 한다는 관점에서 검토를 거듭해 왔다. 그 결과, 구 오스테나이트 입계에 석출되는 조대 탄화물의 사이즈를 억제하면 된다는 것을 알 수 있었다.

그것을 위해서는, 상기 조대 탄화물의 생성에 영향을 주는 C, Cr, B의 각 원소에 대하여, 각각의 양을 단독으로 제어할 뿐 아니라, C, Cr, B의 양에 의해 결정되는 값을 전술한 식(1)의 범위 내로 제어하면, 690℃ 근방에서의 SR 균열뿐만 아니라 600℃ 근방에서의 SR 균열을 방지할 수 있다는 것을 밝혀냈다.

또 SR 균열은, 구 오스테나이트 입계에 편석되어 입계를 취화시키는 불순물에 의해서도 생긴다는 것을 알 수 있었다. 그래서 본 발명에서는, 바람직하게는 P, S의 양을 소정 이하로 억제하기로 했다.

즉, 본 발명의 용접 금속은 이하와 같이 구성되어 있다는 점에 특징이 있다.

(i) C: 0.06∼0.10%, Si: 0.4∼0.6%, Mn: 0.5∼1.0%, Cr: 1.8∼3.0%, Mo: 0.8∼1.2%, Ti: 0.02∼0.08%, B: 0.002% 이하(0%를 포함함), N: 0.005∼0.01%, O: 0.03∼0.07%를 함유하고, 잔부: 철 및 불가피 불순물이며, 또한 C의 함유량 [C], Cr의 함유량 [Cr] 및 B의 함유량 [B]가 아래 식(1)을 만족한다.

3.0≤13×[C]+[Cr]+160×[B]≤4.0 ···(1)

(ii) 바람직하게는, 본 발명의 용접 금속은, P: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음), S: 0.010% 이하(0%를 포함하지 않음)로 더 억제되어 있거나, Nb: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않음), 및 V: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 더 함유한다.

(본 발명의 용접 금속)

이하, 각 성분에 대하여 설명한다.

C: 0.06∼0.10%

C는 용접 금속의 강도 및 인성을 확보하기 위해서 불가결한 원소이다. 더욱이 C는 구 오스테나이트 입계의 강도를 확보하기 위해서 유용한 원소이다. 이들 작용을 유효하게 발휘시키기 위해, C량의 하한을 0.06% 이상으로 한다. 바람직하게는 0.07% 이상, 보다 바람직하게는 0.075% 이상이다. 단, C를 과잉으로 첨가하면, 마텐자이트 등의 경질 조직이 증가하여, 인성이 열화되기 때문에, C량의 상한을 0.10% 이하로 한다. 바람직하게는 0.09% 이하, 보다 바람직하게는 0.08% 이하이다.

Si: 0.4∼0.6%

Si는 탈산 작용에 의해 용접 금속을 청정하게 하고, 수율이 높은 경우에는 고용 강화시켜, 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 또한, 구 오스테나이트 입계에 석출되는 탄화물의 성장 속도를 늦추는 작용을 갖고 있어, 인성 및 내SR균열성의 향상에 유효하다. 이들 작용을 유효하게 발휘시키기 위해, Si량의 하한을 0.4% 이상으로 한다. 바람직하게는 0.41% 이상, 보다 바람직하게는 0.42% 이상이다. 단, Si를 과잉으로 첨가하면, 구 오스테나이트 입계에 국소적으로 조대한 탄화물이 생성되어, 불순물의 편석과 함께, 입계 취화를 조장하여, 내SR균열성이 열화된다. 마텐자이트 등의 경질 조직이 증가하여, 인성이 열화되기 때문에, Si량의 상한을 0.6% 이하로 한다. 바람직하게는 0.5% 이하, 보다 바람직하게는 0.48% 이하이다.

Mn: 0.5∼1.0%

Mn은 용접 금속의 강도 및 인성을 확보하는 데 유용한 원소이다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘시키기 위해, Mn량의 하한을 0.5% 이상으로 한다. 바람직하게는 0.6% 이상, 보다 바람직하게는 0.7% 이상이다. 단, Mn을 과잉으로 첨가하면, 담금질성의 증대와 함께, 불순물의 편석에 의한 입계 취화를 조장하기 때문에, Mn량의 상한을 1.0% 이하로 한다. 바람직하게는 0.95% 이하, 보다 바람직하게는 0.9% 이하이다.

Cr: 1.8∼3.0%

Cr은 Cr-Mo계 내열강의 기본 성분 중 하나이고, 고온에서의 강도 확보에 유용하다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘시키기 위해, Cr량의 하한을 1.8% 이상으로 한다. 바람직하게는 2.0% 이상, 보다 바람직하게는 2.1% 이상이다. 단, Cr을 과잉으로 첨가하면, 구 오스테나이트 입계에 석출되는 조대한 탄화물의 증가를 초래하는 것 외에, 구 오스테나이트 입계에 편석되어 입계의 강도 향상에 유용한 C량을 확보하지 못하여, 내SR균열성이 열화된다. 그 때문에, Cr량의 상한을 3.0% 이하로 한다. 바람직하게는 2.8% 이하, 보다 바람직하게는 2.5% 이하이다.

Mo: 0.8∼1.2%

Mo는 Cr과 마찬가지로, Cr-Mo계 내열강의 기본 성분 중 하나이고, 강도의 확보에 기여하는 원소이다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘시키기 위해, Mo량의 하한을 0.8% 이상으로 한다. 바람직하게는 0.85% 이상, 보다 바람직하게는 0.9% 이상이다. 단, Mo를 과잉으로 첨가하면, 담금질성의 증대와 함께, 구 오스테나이트 입계에 석출되는 미세 석출물 M₂C의 생성에 의해 인성이 열화되기 때문에, Mo량의 상한을 1.2% 이하로 한다. 바람직하게는 1.1% 이하, 보다 바람직하게는 1.0% 이하이다.

Ti: 0.02∼0.08%

Ti는 탈산 작용에 의해 용접 금속을 청정하게 하고, 수율이 높은 경우에는 구 오스테나이트 입내에 석출되는 미세 석출물(MC, M₂C)을 형성하는 원소이며, 용접 금속의 강도 확보에 기여하는 원소이다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘시키기 위해, Ti량의 하한을 0.02% 이상으로 한다. 바람직하게는 0.03% 이상, 보다 바람직하게는 0.04% 이상이다. 단, Ti를 과잉으로 첨가하면, MC량의 증가에 의해 강도의 과도한 상승을 초래하여, 인성이 저하되고, SR 균열을 조장하기 때문에, Ti량의 상한을 0.08% 이하로 한다. 바람직하게는 0.075% 이하, 보다 바람직하게는 0.07% 이하이다.

B: 0.002% 이하(0%를 포함함)

B는 용접 시에 구 오스테나이트 입계에 편석되어, 조대 탄화물의 생성이나 B 이외의 원소의 구 오스테나이트 입계에의 편석에 영향을 미치는 원소이다. B량을 과잉으로 첨가하면, 구 오스테나이트 입계에 석출되는 조대 탄화물의 생성을 조장함과 더불어, 구 오스테나이트 입계에 편석되는 C량이 확보되지 않아, C 첨가에 의한 상기 효과가 유효하게 발휘되지 않는다. 그 때문에, B량의 상한을 0.002% 이하로 한다. B는 가능한 한 적은 편이 좋고, 바람직하게는 0.0015% 이하, 보다 바람직하게는 0.0010% 이하이다.

N: 0.005∼0.01%

N은 구 오스테나이트 입내에 석출되는 미세 석출물(MC, M₂C)에 고용되어, 용접 금속의 인성 확보에 기여하는 원소이다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘시키기 위해, N량의 하한을 0.005% 이상으로 한다. 바람직하게는 0.006% 이상, 보다 바람직하게는 0.0065% 이상이다. 단, N을 과잉으로 첨가하면, 강도의 과도한 상승을 초래하여, 오히려 인성이 저하되기 때문에, N량의 상한을 0.01% 이하로 한다. 바람직하게는 0.009% 이하, 보다 바람직하게는 0.008% 이하이다.

O: 0.03∼0.07%

O는 산화물을 형성하여, 조직의 미세화에 의한 인성의 향상에 기여하는 원소이다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘시키기 위해, O량의 하한을 0.03% 이상으로 한다. 바람직하게는 0.04% 이상, 보다 바람직하게는 0.045% 이상이다. 단, O를 과잉으로 첨가하면, 합금 원소가 다량으로 산화물로서 소비되므로, 인성이 저하되기 때문에, O량의 상한을 0.07% 이하로 한다. 바람직하게는 0.06% 이하, 보다 바람직하게는 0.055% 이하이다.

본 발명의 용접 금속은 상기의 성분을 기본적으로 함유하고, 잔부: 철 및 불가피 불순물이다.

3.0≤13×[C]+[Cr]+160×[B]≤4.0 ···(1)

여기에서, [C], [Cr], [B]는 각각 C의 함유량, Cr의 함유량, B의 함유량을 의미한다.

또 본 발명에서는, 상기 「13×[C]+[Cr]+160×[B]」로 표시되는 r값이 상기 식(1)의 범위를 만족할 것이 필요하다. 상기 r값은, 690℃ 근방의 고온하에서의 SR 균열, 및 SR 균열이 발생하기 쉬운 600℃ 근방에서의 SR 균열의 양방을 방지할 수 있는 파라미터로서, 본 발명자들에 의해 설정된 것이다. 본 발명자들의 기초 실험에 의하면, 상기 r값을 구성하는 C, Cr 및 B는 모두, 구 오스테나이트 입계에 생성되는 탄화물에 영향을 주는 원소인 것을 알 수 있었다. 그래서, 이들을 밸런스 좋게 첨가하면, 구 오스테나이트 입계에 석출되는 탄화물의 사이즈를 적절히 제어할 수 있다는 관점에서, 많은 실험을 더 거듭한 결과, 상기 식(1)을 도출했다. 후기하는 실시예에서 실증한 바와 같이, 용접 금속을 구성하는 각 성분의 함유량을 각각 제어하는 것만으로는 원하는 내SR균열성은 얻어지지 않고, 각 성분의 적절한 제어에 더하여, r값을 적절히 제어하는 것에 의해 비로소, 원하는 내SR균열성이 얻어진다.

상기 r값의 하한이 3.0을 하회하면, 내SR균열성이 열화된다. 바람직하게는 3.1 이상, 보다 바람직하게는 3.2 이상이다. 한편, 상기 r값이 4.0을 초과하면, 구 오스테나이트 입계에 석출되는 탄화물의 양과 사이즈가 증대되어, 내SR균열성이 열화되는 것 외에, 인성이 열화되는 경우도 있다. 상기 r값의 상한은, 바람직하게는 3.9 이하이고, 보다 바람직하게는 3.8 이하이다.

본 발명에서는, SR 균열이나 인성의 저하를 한층 유효하게 방지하기 위해, 하기의 성분을 더 제어하는 것이 바람직하다.

P: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음)

P는 불순물로서 구 오스테나이트 입계에 편석되어, SR 균열을 조장하기 때문에, 그의 상한을 0.01% 이하로 하는 것이 바람직하다. P는 적으면 적을수록 좋고, 바람직하게는 0.009% 이하, 보다 바람직하게는 0.008% 이하이다.

S: 0.010% 이하(0%를 포함하지 않음)

S는 불순물로서 구 오스테나이트 입계에 편석되어, SR 균열을 조장하기 때문에, 그의 상한을 0.010% 이하로 하는 것이 바람직하다. S는 적으면 적을수록 좋고, 바람직하게는 0.009% 이하, 보다 바람직하게는 0.008% 이하이다.

Nb: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않음), 및 V: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소

Nb 및 V는 모두, 구 오스테나이트 입내에 석출되는 미세한 탄화물(MC)을 증대시켜, SR 균열을 조장하기 때문에, 그의 상한을 각각 0.03% 이하로 하는 것이 바람직하다. Nb량의 바람직한 상한은 0.02% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.015% 이하이다. 또한, V량의 바람직한 상한은 0.025% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.02% 이하이다.

이상, 본 발명의 용접 금속에 대하여 설명했다.

(용접 금속의 제조 방법)

다음으로, 상기의 용접 금속을 얻는 방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 용접 금속은, 예를 들면, 모재(강재)의 조성이나 개선 형상, 용접 재료(와이어)의 조성, 용접 전류, 용접 전압, 와이어 돌출 길이, 용접 방법 등의 용접 조건을 적절히 제어하는 것에 의해 얻어진다.

용접 방법에 관해서는, 용접 작업성이나 실용성 등을 고려하면, 플럭스 코어드 와이어를 이용하여, 모재(강재)를 가스 실드 아크 용접에 의해 용접하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, 특히 플럭스 코어드 와이어 중에 포함되는 Ti, N, B를 적절히 제어하는 것에 의해 원하는 용접 금속이 얻어진다.

이하에서는, 플럭스 코어드 와이어를 이용하여 가스 실드 아크 용접(Flux Cored Arc Welding, FCAW)을 행할 때의 바람직한 방법을 기재하지만, 본 발명은 이에 한정하는 취지는 아니다. 예를 들면, 피복 아크 용접법(Shieled Metal Arc Welding, SMAW), 티그(Tungsten Inert Gas, TIG) 용접, 서브머지드 아크 용접법(Submerged Arc Welding, SAW), 솔리드 와이어를 이용한 가스 실드 아크 용접법 등의 어느 용접법도 적용할 수 있다.

본 발명에 이용되는 플럭스 코어드 와이어의 바람직한 조성은 용접 조건 등에 따라서도 상위하지만, 예를 들면 이하와 같이 제어하는 것이 바람직하다.

C: 0.07∼0.12%(보다 바람직하게는 0.08% 이상 0.10% 이하), Si: 0.55∼0.8%(보다 바람직하게는 0.6% 이상 0.7% 이하), Mn: 0.5∼1.2%(보다 바람직하게는 0.7% 이상 1.1% 이하), Cr: 1.9∼3.0%(보다 바람직하게는 2.0% 이상 2.8% 이하), Mo: 0.8∼1.2%(보다 바람직하게는 0.9% 이상 1.0% 이하), Ti: 0.02∼0.15%(보다 바람직하게는 0.04% 이상 0.12% 이하), B: 0.002% 이하(보다 바람직하게는 0.001% 이하), N: 0.005∼0.01%(보다 바람직하게는 0.006% 이상 0.009% 이하), 잔부: 철 및 불가피 불순물.

또한, 상기 와이어는, SR 균열의 발생 방지를 더 높이는 것을 목적으로 해서, 13×[C]+[Cr]+160×[B]로 표시되는 r값을 3.4 초과 4.6 이하(보다 바람직하게는 3.5 이상 4.2 이하)로 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 와이어는, SR 균열의 발생 방지를 더 높이는 것을 목적으로 해서, Nb: 0.03% 이하(더 바람직하게는 0.02% 이하), 및 V: 0.03% 이하(더 바람직하게는 0.02% 이하)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소로 제어하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기와 마찬가지의 관점에서, P: 0.01% 이하(더 바람직하게는 0.008% 이하), S: 0.010% 이하(더 바람직하게는 0.008% 이하)로 제어하는 것이 보다 바람직하다.

또, 용접 금속 중의 O량을 적절히 제어하기 위해, 강탈산 원소(Mg, Al 등)를 약 0.50∼0.85%(보다 바람직하게는 0.6∼0.7%)의 범위 내로 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명에 이용되는 플럭스 코어드 와이어는, 피용접물(모재)의 요구 성능에 따라서, 상기 이외의 성분으로서, 예를 들면 Cu, Ni, Co, W 등을, 본 발명의 작용을 해치지 않는 범위에서 적절히 포함하고 있어도 된다.

플럭스의 조성은 통상 이용되는 것이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 루틸 등을 주성분으로 하는 것이 바람직하다.

플럭스 코어드 와이어의 플럭스 충전율은 특별히 규정되지 않고, 와이어의 생산성, 예를 들면 성형 및 신선 시의 단선 등을 고려하여 적절히 설정할 수 있다. 플럭스 충전율은, 대략 11.0∼18.0%의 범위 내인 것이 바람직하다.

와이어의 단면 형상은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 조인트는 있어도 없어도 된다. 한편, 와이어의 단면 형상에 조인트가 없는 경우에는, 와이어 송급성 개선을 목적으로 해서, 와이어의 표면에 Cu 도금, Ni 도금, 또는 이들의 복합 도금을 실시해도 된다.

본 발명에 이용되는 강재의 바람직한 조성은 Cr-Mo계 강으로 규정되는 범위 내이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 ASTM A387-Gr.22 Cl.2(2.25Cr-0.5Mo계) 등을 들 수 있다. 본 발명에서는, 전술한 용접 금속의 조성과 실질적으로 동일한 조성의 모재를 이용하는 것이 바람직하다.

가스 실드 아크 용접의 방법은 특별히 한정되지 않고, 통상 이용되는 방법을 채용할 수 있다.

실드 가스로서는, 100% CO₂ 가스 외, Ar 가스와 CO₂ 가스의 혼합 가스, Ar 가스와 O₂ 가스의 혼합 가스, Ar 가스와 CO₂ 가스와 O₂ 가스의 3종 혼합 가스 등이 이용된다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기 실시예에 의해 제한되지 않고, 전·후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적절히 변경을 가하여 실시하는 것도 가능하며, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 한편, 이하의 실시예에 있어서의 「%」는 특별히 예고하지 않는 한, 「질량%」를 의미한다.

·실시예 1

(플럭스 코어드 와이어 및 모재)

우선, 와이어로서, 표 1에 나타내는 플럭스 코어드 와이어 W1∼W28(와이어 지름은 모두 1.2mm)을 준비했다. 플럭스 코어드 와이어 중의 플럭스의 충전율은 약 13∼15%이다. 한편, 표 1 중의 Nb에 대하여, W25(Nb량=0.039%)를 제외한 와이어 중의 Nb량은 모두, 와이어 중에 불순물로서 혼입되는 정도의 양이다. 마찬가지로 V에 대하여, W26(V량=0.078%)을 제외한 와이어 중의 V량은 모두, 와이어 중에 불순물로서 혼입되는 정도의 양이다.

또한, 용접 모재로서, 도 1에 나타내는 바와 같이, θ=45°의 V자 개선 형상을 갖는 저합금 내열강의 강판(1)을 준비했다. 상기 강판(1)의 판두께는 19mm이고, 조성은 표 2에 나타내는 대로이다. V자 형상의 개선부의 하부에는, 용접 모재와 동일한 화학 조성을 갖는 받침쇠(2)가 배치되어 있고, 받침쇠가 배치되어 있는 부분의 갭 폭(루트 갭) L1을 13mm로 했다.

(용접 조건)

상기의 플럭스 코어드 와이어를 이용하여, 가스 실드 아크 용접에 의해 상기 강판(1)을 맞대기 용접했다. 상세한 용접 조건은 이하에 나타내는 대로이다.

용접 전류: 270A

아크 전압: 30∼32V

용접 속도: 30cm/min

용접 자세: 하향

실드 가스의 조성 및 유량: CO₂ 100%, 25L/min

예열·패스간 온도: 17.5±15℃

적층 방법: 6층 12패스

(SR 처리)

용접 후, SR 소둔 처리로서, 690℃에서 1시간의 열처리를 행했다.

상세하게는, 용접 후의 공시재를 가열하고, 공시재의 온도가 300℃를 초과하면, 평균 승온 속도가 55℃/h 이하가 되도록 가열 조건을 조정하여, 공시재의 온도가 690℃에 도달할 때까지 가열했다. 그리고 690℃에서 1시간 유지한 후, 공시재의 온도가 300℃ 이하가 될 때까지, 냉각 속도가 55℃/h 이하가 되도록 공시재를 냉각했다. 한편, 상기 SR 소둔 처리에 있어서, 공시재의 온도가 300℃ 이하인 온도역의 승온 속도 및 냉각 속도는 원하는 특성의 발현에 영향을 주지 않기 때문에, 규정하지 않는다.

(평가)

(용접 금속의 조성)

SR 처리 후의 용접 금속의 조성은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 용접 금속의 중앙 부분에 대하여 조사했다.

(인장 특성의 평가)

도 3에 나타내는 바와 같이, 용접 금속의 중앙 부분으로부터 용접선 방향으로 인장 시험편(JIS Z3111 A1호)을 채취하여, 인장 시험을 실시했다. 인장 시험편은 3본씩 채취하여, 이들의 평균값을 인장 강도(TS), 항복 응력(YS)으로 했다.

본 실시예에서는, TS가 700MPa 이상인 것을 「강도가 높다」고 평가했다.

(저온 인성의 평가)

도 4에 나타내는 바와 같이, 용접 금속의 중앙 부분으로부터 용접선에 대해서 수직 방향으로 샤르피 충격 시험편(JIS Z3111 4호)을 채취하고, 샤르피 충격 시험을 실시하여, 0℃에서의 흡수 에너지를 측정했다. 샤르피 충격 시험편은 3본씩 채취하여, 이들의 평균값을 샤르피 충격값(vE₀)으로 했다.

본 실시예에서는, vE₀가 40J 이상인 것을 「저온 인성이 우수하다」고 평가했다.

(내SR균열성의 평가)

내SR균열성의 평가는, 용접한 그대로의 강판으로부터 이하와 같이 해서 원통 시험편을 채취하고, 링 균열 시험을 실시하여 행했다.

상세하게는, 도 5a에 나타내는 바와 같이 용접 금속(3)의 최종 패스(원질부)의 위치로부터, 슬릿폭=0.5mm의 링 균열 시험편을, U 노치 저부 근방이 원질부가 되도록 채취했다.

상기 링 균열 시험편의 상세한 형상을 도 5b에 나타낸다. 도 5b에 나타내는 바와 같이 링 균열 시험편은, U 노치, 및 원통의 내부의 공동에 이르는 슬릿을 갖고 있고, U 노치는 깊이 0.5mm, 폭 0.4mm, 저부의 곡률 반경 R=0.2mm의 U자형의 홈이 되어 있다.

다음으로, 상기 링 균열 시험편을 이용하여, 이하와 같이 해서 링 균열 시험을 행했다.

링 균열 시험은, 「응력 제거 소둔 균열에 관한 연구(제2보)」(나이키 등, 용접학회지: Vol. 33, No. 9(1964) P. 718)를 참고로 해서 실시했다. 상세하게는, 도 5c에 나타내는 바와 같이, 링 균열 시험편에 대하여, 화살표로 나타내는 방향으로 굽힘 응력을 인가한 상태로, 시험편의 슬릿폭(0.5mm)이 0.05mm가 되도록 눌러 줄인 상태로, 용가재를 사용하지 않고서 TIG 용접하여, U 노치 저부에 인장 잔류 응력을 부하했다.

TIG 용접 후의 시험편에 대하여, 하기 2종류의 SR 처리를 실시했다.

·625℃에서 10시간의 가열, 그 후 노냉(통상 조건하에서의 SR 처리)

·690℃에서 1시간의 가열, 그 후 노냉(고온 조건하에서의 SR 처리)

그 후, 도 5d에 나타내는 바와 같이 상기 시험편을 3등분하고, 그 단면(U 노치의 저부 부근)을 광학 현미경으로 배율: 100배로 관찰하여, SR 균열의 발생 상황을 조사했다. 본 실시예에서는, 시험편 6개(=관찰면 3×시험수 2) 전부에 있어서, 노치 저부 근방에 균열이 발생하지 않았던 용접 금속을 내SR균열성이 우수하다(양호)고 평가하고, 어느 한쪽이라도 균열이 발생한 용접 금속은 내SR균열성이 뒤떨어진다(불량)고 평가했다.

이들의 결과를 표 4에 정리하여 나타낸다.

이들의 결과로부터, 이하와 같이 고찰할 수 있다.

표 3의 No. 1∼10은, 각각 플럭스 코어드 와이어 W1∼W10을 이용하여, 용접 금속의 조성이 본 발명의 요건을 만족하는 본 발명예로, 강도 및 저온 인성이 우수함과 더불어, 625℃에서 10시간, 690℃에서 1시간 중 어느 SR 처리를 행한 경우라도 내SR균열성이 우수하다.

이에 비하여, 표 3의 No. 11∼28은, 각각 플럭스 코어드 와이어 W11∼W28을 이용하여, 용접 금속의 조성이 본 발명의 요건 중 어느 것인가를 만족하지 않는 비교예로, 이하의 문제점을 갖고 있다.

No. 11은, C량, Si량이 적고, V량이 많고, C와 Cr과 B로 표시되는 r값이 작은 와이어 W11을 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 C량, Si량이 적고, V량, S량이 많고, 상기 r값이 작은 예이다. 그 결과, 고온하에서의 내SR균열성은 양호했지만, 통상 조건하에서의 내SR균열성이 열화되었다. 이 결과로부터, 내SR균열성에 대하여, 고온 조건하에서의 특성이 양호해도 다른 조건하에서는 불량이 되는 경우가 있고, 어느 조건하에서도 양호한 특성을 발휘시키기 위해서는, 본 발명의 요건을 만족하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다.

No. 12는, C량이 많은 와이어 W12를 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 C량이 많은 예이다. 그 결과, 저온 인성이 열화됨과 더불어, 내SR균열성에 대하여, 어느 조건하에서도 균열이 생겼다.

No. 13은, Si량이 많은 와이어 W13을 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 Si량이 많은 예이다. 그 결과, 저온 인성이 열화되고, 어느 조건하에서도 내SR균열성이 열화되었다.

No. 14는, Mn량이 적은 와이어 W14를 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 Mn량이 적은 예이다. 그 결과, 강도가 저하되고, 어느 조건하에서도 내SR균열성이 열화되었다.

No. 15는, Mn량이 많은 와이어 W15를 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 Mn량이 많은 예이다. 그 결과, 저온 인성이 열화되고, 어느 조건하에서도 내SR균열성이 열화되었다.

No. 16은, r값이 작은 와이어 W16을 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 Cr량이 적고, r값이 작은 예이다. 그 결과, 어느 조건하에서도 내SR균열성이 열화되었다.

No. 17은, Cr량이 많고, r값이 큰 와이어 W17을 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 Cr량이 많고, r값이 큰 예이다. 그 결과, 저온 인성이 열화되고, 어느 조건하에서도 내SR균열성이 열화되었다.

No. 18은, Mo량이 적은 와이어 W18을 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 Mo량이 적은 예이다. 그 결과, 강도가 저하되었다.

No. 19는, Mo량이 많은 와이어 W19를 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 Mo량이 많은 예이다. 그 결과, 저온 인성이 열화되고, 어느 조건하에서도 내SR균열성이 열화되었다.

No. 20은, Ti량이 적은 와이어 W20을 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 Ti량이 적은 예이다. 또한, 탈산이 충분하지 않기 때문에, O량도 많아졌다. 그 결과, 저온 인성이 열화되고, 어느 조건하에서도 내SR균열성이 열화되었다.

No. 21은, Ti량이 많은 와이어 W21을 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 Ti량이 많은 예이다. 그 결과, 저온 인성이 열화되고, 어느 조건하에서도 내SR균열성이 열화되었다.

No. 22는, B량이 많은 와이어 W22를 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 B가 많은 예이다. 그 결과, 어느 조건하에서도 내SR균열성이 열화되었다.

No. 23은, C량, Si량이 적고, N량이 많고, r값이 작은 와이어 W23을 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 C량, Si량이 적고, N량이 많고, r값이 작은 예이다. 그 결과, 저온 인성이 열화되고, 어느 조건하에서도 내SR균열성이 열화되었다.

No. 24는, C량, Si량이 적고, S량이 많고, r값이 작은 와이어 W24를 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 C량, Si량이 적고, S량이 많고, r값이 작은 예이다. 또한, 탈산이 충분하지 않기 때문에, O량도 많아졌다. 그 결과, 저온 인성이 열화되고, 어느 조건하에서도 내SR균열성이 열화되었다.

No. 25는, Nb량이 많은 와이어 W25를 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 Nb량이 많은 예이다. 그 결과, 저온 인성이 열화되고, 어느 조건하에서도 내SR균열성이 열화되었다.

No. 26은, V량이 많은 와이어 W26을 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 V량이 많은 예이다. 그 결과, 저온 인성이 열화되고, 어느 조건하에서도 내SR균열성이 열화되었다.

No. 27은, r값만이 작은 와이어 W27을 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 r값이 작은 예이다. 그 결과, 어느 조건하에서도 내SR균열성이 열화되었다.

No. 28은, C량이 많고, r값이 큰 와이어 W28을 이용했기 때문에, 용접 금속 중의 r값이 큰 예이다. 그 결과, 어느 조건하에서도 내SR균열성이 열화되었다.

상기 No. 27의 결과로부터, 용접 금속을 구성하는 각 성분에 대하여, 가령 단독으로 본 발명의 요건을 만족했다고 해도, 본 발명에서 규정하는 r값이 본 발명의 범위를 벗어나는 경우에는, 원하는 내SR균열성이 얻어지지 않는다는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 r값은, 본 발명에 있어서 우수한 내SR균열성을 확보하기 위한 극히 유용한 지표인 것이 확인되었다.

한편, 본 발명은 이하의 태양을 포함한다.

태양 1:

질량%로,

C: 0.06∼0.10%,

Si: 0.4∼0.6%,

Mn: 0.5∼1.0%,

Cr: 1.8∼3.0%,

Mo: 0.8∼1.2%,

Ti: 0.02∼0.08%,

B: 0.002% 이하(0%를 포함함),

N: 0.005∼0.01%,

O: 0.03∼0.07%

를 함유하고, 잔부: 철 및 불가피 불순물이며, 또한

C의 함유량 [C], Cr의 함유량 [Cr] 및 B의 함유량 [B]가 아래 식(1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 용접 금속.

3.0≤13×[C]+[Cr]+160×[B]≤4.0 ···(1)

태양 2:

질량%로, P: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음), S: 0.010% 이하(0%를 포함하지 않음)로 더 억제된 것인 태양 1에 기재된 용접 금속.

태양 3:

질량%로, Nb: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않음), 및 V: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 더 함유하는 태양 1 또는 2에 기재된 용접 금속.

태양 4:

태양 1∼3 중 어느 하나에 기재된 용접 금속을 포함하는 용접 구조체.

본 출원은, 출원일이 2014년 4월 17일인 일본 특허출원, 특원 제2014-085791호를 기초 출원으로 하는 우선권 주장을 수반하고, 특원 제2014-085791호는 참조하는 것에 의해 본 명세서에 도입된다.

1: 모재(강판)
2: 받침쇠
3: 용접 금속

Claims

질량%로,
C: 0.06∼0.10%,
Si: 0.4∼0.6%,
Mn: 0.5∼1.0%,
Cr: 1.8∼3.0%,
Mo: 0.8∼1.2%,
Ti: 0.02∼0.08%,
B: 0.002% 이하(0%를 포함함),
N: 0.005∼0.01%,
O: 0.03∼0.07%
를 함유하고, 잔부: 철 및 불가피 불순물이며, 또한
C의 함유량 [C], Cr의 함유량 [Cr] 및 B의 함유량 [B]가 아래 식(1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 용접 금속.
3.0≤13×[C]+[Cr]+160×[B]≤4.0 ···(1)
제 1 항에 있어서,
질량%로, P: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음), S: 0.010% 이하(0%를 포함하지 않음)로 더 억제된 것인 용접 금속.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
질량%로, Nb: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않음), 및 V: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 더 함유하는 용접 금속.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 용접 금속을 포함하는 용접 구조체.