KR20210143296A - Tig 용접용 용가재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 고 Mn 강재용의 용접 재료로서 적합한, TIG 용접용 용가재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기 용가재는, 질량％로, C: 0.2∼0.8％, Si: 0.15∼0.9％, Mn: 17.0∼28.0％, P: 0.03％ 이하, S: 0.03％ 이하, Ni: 0.01∼10.0％, Cr: 0.4∼4.0％, Mo: 0.01∼3.5％, B: 0.0010％ 미만, N: 0.12％ 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는다. 상기 용가재는, 제조성이 우수하고, 또한 용접 시에, 용접 균열의 발생이 억제되어 내고온 균열성이 우수하고, 또한 고강도이고 극저온 충격 인성이 우수한 용착 금속을 얻을 수 있고, 고강도이고 또한 극저온 충격 인성이 우수한 TIG 용접 조인트부를 용이하게 제조할 수 있다.
Description
본 발명은, TIG(Tungsten Inert Gas) 용접용 용가재(filler material)에 관한 것으로, 특히, 극저온 환경하에서 사용되는 고 Mn강재 용접용 용가재에 관한 것이다.
최근, 환경에 대한 규제가 엄격해지고 있다. 액화 천연가스(이하, LNG라고도 함)는, 황을 포함하지 않기 때문에, 황화 산화물 등의 대기 오염 물질을 발생시키지 않는 깨끗한 연료라고 하여, 그 수요가 증가하고 있다. LNG의 수송 또는 보관을 위해, LNG를 수송 또는 저장하는 용기(탱크)는, LNG의 액화 온도인 －162℃ 이하의 온도에서, 우수한 극저온 충격 인성을 유지하는 것이 요구되고 있다.
그리고, 우수한 극저온 충격 인성을 유지하는 것의 필요성으로부터, 용기(탱크) 등의 재료용으로서, 종래부터, 알루미늄 합금, 9％Ni강, 오스테나이트계 스테인리스강 등이, 이용되어 왔다.
그러나, 알루미늄 합금은, 인장 강도가 낮기 때문에, 구조물의 판두께를 크게 설계할 필요가 있고, 또한, 용접성이 나쁘다는 문제가 있다. 또한, 9％Ni강은, 용접 재료로서 고가인 Ni기 재료를 이용하는 것이 필요하기 때문에, 경제적으로 불리해진다. 또한, 오스테나이트계 스테인리스강은, 고가이고, 모재 강도도 낮다는 문제가 있다.
이러한 문제로부터, LNG를 수송 또는 저장하는 용기(탱크)용의 재료로서, 최근에는, 질량％로, Mn을 10∼35％ 정도 함유하는 고 Mn 함유강(여기에서, 고 Mn강이라고도 함)의 적용이 검토되어 있다. 고 Mn강은, 극저온에 있어서도, 오스테나이트상이고, 취성 파괴가 발생하지 않고, 또한 오스테나이트계 스테인리스강과 비교하여, 높은 강도를 갖는다는 특징이 있다. 그래서, 이러한 고 Mn 함유 강재를 안정적으로 용접할 수 있는 용접 재료의 개발이 요망되어 왔다.
이러한 요망에 대하여, 예를 들면 특허문헌 1에는, 「극저온 충격 인성이 우수한 고강도 용접 조인트부 및 이를 위한 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어」가 제안되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어는, 중량％로, C: 0.15∼0.8％, Si: 0.2∼1.2％, Mn: 15∼34％, Cr: 6％ 이하, Mo: 1.5∼4％, S: 0.02％ 이하, P: 0.02％ 이하, B: 0.01％ 이하, Ti: 0.09∼0.5％, N: 0.001∼0.3％, TiO2: 4∼15％, SiO2, ZrO2 및 Al2O3 중으로부터 선택된 1종 이상의 합계: 0.01∼9％, K, Na 및 Li 중으로부터 선택된 1종 이상의 합계: 0.5∼1.7％, F와 Ca 중 1종 이상: 0.2∼1.5％, 잔부 Fe 및 그 외의 불가피적 불순물을 포함하는 조성을 갖는 와이어이다. 특허문헌 1에 기재된 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어를 이용하여 용접하면, 시험 온도: －196℃에 있어서의 샤르피 충격 시험 흡수 에너지가 28J 이상의 우수한 저온 인성 및 상온(常溫) 인장 강도가 400㎫ 이상의 고강도를 갖는 용접 조인트부가 효과적으로 얻어지고, 또한, 와이어 조성을 Mo: 1.5％ 이상으로 조정하고 있어, 우수한 내고온 균열성을 갖는 용접 조인트부를 확보할 수 있다고 되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 「극저온용 강용 용접 재료」가 제안되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 「극저온용 강용 용접 재료」는, 「질량％로, C: 0.08％ 이하, Si: 2.0％ 이하, Mn: 8.0∼18.0％, Ni: 12.5∼20.0％, Cr: 10.0∼14.0％, Mo: 2.0∼7.0％, N: 0.20％ 이하, S: 0.005％ 이하를 함유하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 용접 재료이고, REM을 0.001∼0.1％의 범위에서 함유하는 것을 특징으로 하고 있다. 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 불순물인 S의 양을 최대한 저감화할 뿐만 아니라, REM을 적극적으로 소정량 첨가하고 있어, 용접 효율이 높은 가혹한 용접 조건으로 용접해도, 응고 균열이 억제되어, 재열부(再熱部)에 있어서의 연성 저하 균열을 방지할 수 있다고 되어 있다. 이에 따라, 특허문헌 2에 기재된 「극저온용 강용 용접 재료」는, 용접부에 있어서의 양호한 극저온 특성이 얻어짐과 함께, 재열부에 있어서의 내연성 저하 균열성이 우수한 용접 재료라고 되어 있다.
그러나, 본 발명자들의 검토에 의하면, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 플럭스 코어드 와이어이기 때문에, 용접 시에 흄(fume)의 발생량이 많아진다. 그 때문에, 용접자가 흄량이 많은 환경하에 노출된다는 문제가 있고, 또한, 블로우 홀이나 융합 불량 등의 용접 결함이 발생하기 쉽고, 게다가 보수가 어렵다는 문제도 있었다. 또한, 본 발명자들의 검토에 의하면, 솔리드 와이어(혹은 봉)로 하면, 이들 흄의 문제는 회피할 수 있는 것을 인식했다.
또한, 특허문헌 2에는, 양호한 극저온 특성이 얻어진다는 기재는 있지만, 용접부 강도에 대한 구체적인 기재는 없다. 본 발명자들의 검토에 의하면, 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 얻어지는 용접부(용착 금속)의 강도가 낮아, 최근, 극저온 환경하에서 사용되는 재료에 요구되는 소망하는 고강도를 만족할 수 없다는, 문제가 있었다.
본 발명은, 상기한 종래 기술의 문제를 해결하여, 극저온 환경하에서 사용되는 고 Mn강재용의 용접 재료로서 적합한, 고강도와 우수한 극저온 충격 인성을 겸비한 용접 조인트부를 제작할 수 있는, TIG 용접용 용가재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 여기에서 말하는 「용가재」는, 와이어 형상, 봉 형상의 용접 재료를 말한다.
또한, 여기에서 말하는 「고강도」란, JIS Z 3111의 규정에 준거하여 제작한 용착 금속의 상온 항복 강도(0.2％ 내력)가 400㎫ 이상, 상온 인장 강도가 660㎫ 이상인 것을 말하는 것으로 한다. 또한, 「우수한 극저온 충격 인성」이란, JIS Z 3111의 규정에 준거하여 제작한 용착 금속의, 시험 온도: －196℃에서의 샤르피 충격 시험의 흡수 에너지 vE－196이 28J 이상인 것을 말하는 것으로 한다.
본 발명자들은, 상기한 목적을 달성하기 위해, 우선, 극저온용으로서, 용접 금속(용착 금속)이 유지해야 할 소망하는 고강도를 확보할 수 있는 조성에 대해서 예의 검토했다. 그 결과, 용접 금속(용착 금속)의 고강도화를 위해서는, C, Mn, Cr, Mo를 일정량 이상 함유시킬 필요가 있는 것을 인식했다. 그러나, 신선(伸線) 가공 시의 가공량이 큰 TIG 용접용 용가재에서는 특히, 용접 금속(용착 금속)의 고강도화를 위해, C, Mn, Cr, Mo를 다량으로 지나치게 함유시키면, 신선 가공 시에 균열이나 단선이 발생하기 쉽다는 문제가 있었다. 이러한 문제에 대하여, 본 발명자들은, 강 중에서 형성되는 질화 붕소 및 탄화물을 억제함으로써 신선 가공이 가능해지는 것을 인식했다.
이러한 검토 결과로부터, TIG 용접용 용가재의 조성으로서, C를 0.2∼0.8％로, Si를 0.15∼0.9％로 조정하고, 추가로 Mn을 17.0∼28.0％, Ni를 0.01∼10.0％, Cr을 0.4∼4.0％, Mo를 0.01∼3.5％의 특정 범위로 조정하고, 추가로 불순물인 B를 0.0010％ 미만, 탄화물 형성 원소인 Ti, Nb, V를 각각 0.04％ 이하로 저감함으로써, 신선 가공 시의 균열 등의 결함 발생이 없이 용가재의 제조성이 우수하고, 추가로, 상온 항복 강도(0.2％ 내력)가 400㎫ 이상, 상온 인장 강도가 660㎫ 이상이고, 시험 온도: －196℃에서의 샤르피 충격 시험의 흡수 에너지 vE－196이 28J 이상이 되는, 고강도이고 극저온 충격 인성이 우수한 용접 조인트부를 제조할 수 있는 것을, 신규로 인식했다.
본 발명은, 이러한 인식에 기초하여, 추가로 검토를 더하여 완성된 것으로서, 본 발명의 요지는, 다음과 같다.
(1) 질량％로,
C: 0.2∼0.8％,
Si: 0.15∼0.9％,
Mn: 17.0∼28.0％,
P: 0.03％ 이하,
S: 0.03％ 이하,
Ni: 0.01∼10.0％,
Cr: 0.4∼4.0％,
Mo: 0.01∼3.5％,
B: 0.0010％ 미만 및
N: 0.12％ 이하
를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 TIG 용접용 용가재.
(2) 상기 (1)에 있어서, 상기 조성이, 추가로, 질량％로, V: 0.04％ 이하, Ti: 0.04％ 이하 및, Nb: 0.04％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 TIG 용접용 용가재.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 조성이, 추가로 질량％로, Cu: 1.0％ 이하, Al: 0.1％ 이하, Ca: 0.01％ 이하 및 REM: 0.02％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 TIG 용접용 용가재.
본 발명에 의하면, 제조성이 우수하고, 또한, 고 Mn 함유 강재의 용접 재료로서, 고강도이고 또한 극저온 충격 인성이 우수한 용접 조인트부를 용이하게 제조할 수 있는, TIG 용접용 용가재를 제공할 수 있어, 산업상 현격한 효과를 가져온다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
본 발명 TIG 용접용 용가재(이하, 본 발명 용가재라고도 함)는, 고 Mn 함유 강재의 TIG 용접용으로서 적합한, 용가재이다. 본 발명 용가재는, 고 Mn 함유 강재끼리를 TIG 용접할 수 있고, 또한, JIS Z 3111에 준거하여 제작한 용착 금속이, 상온에 있어서의 0.2％ 내력에서 400㎫ 이상, 상온에 있어서의 인장 강도가 660㎫ 이상의 고강도와, 시험 온도: －196℃에서의 샤르피 충격 시험의 흡수 에너지가 28J 이상의 우수한 극저온 충격 인성을 가질 수 있어, 고강도이고 극저온 충격 인성이 우수한 TIG 용접 조인트부를 제작할 수 있는 용접 재료이다.
본 발명 용가재는, 기본 조성으로서, 질량％로, C: 0.2∼0.8％, Si: 0.15∼0.9％, Mn: 17.0∼28.0％, P: 0.03％ 이하, S: 0.03％ 이하, Ni: 0.01∼10.0％, Cr: 0.4∼4.0％, Mo: 0.01∼3.5％, B: 0.0010％ 미만, N: 0.12％ 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는다.
우선, 조성의 한정 이유에 대해서 설명한다. 또한, 이하, 조성에 있어서의 「질량％」는, 간단히 「％」로 기재한다.
C: 0.2∼0.8％
C는, 고용 강화에 의해, 용접 금속의 강도를 상승시키는 작용을 갖는 원소이다. 또한, C는, 오스테나이트상을 안정화시켜, 용접 금속의 극저온 충격 인성을 향상시킨다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 0.2％ 이상의 함유를 필요로 한다. 그러나, 0.8％를 초과하여 함유하면, 탄화물이 석출되고, 극저온 충격 인성이 저하하고, 또한, 용접 시의 고온 균열이 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, C는 0.2∼0.8％의 범위로 한정했다. 바람직하게는 0.3∼0.7％이고, 보다 바람직하게는 0.4∼0.6％이다.
Si: 0.15∼0.9％
Si는, 탈산제로서 작용하고, Mn의 수율을 높임과 함께, 용융 금속의 점성을 높여, 비드 형상을 안정적으로 유지하는 효과가 있다. 그러한 효과를 얻기 위해서는, 0.15％ 이상의 함유를 필요로 한다. 그러나, 0.9％를 초과하여 Si를 함유하면, 용접 금속의 극저온 인성을 저하시킨다. 또한, 응고 시에 편석되어, 응고 셀(solidified shell) 계면에 액상을 생성하고, 내고온 균열성을 저하시킨다. 그 때문에, Si는 0.15∼0.9％의 범위로 한정했다. 바람직하게는 0.2∼0.7％이다.
Mn: 17.0∼28.0％
Mn은, 염가로, 오스테나이트상을 안정화하는 원소로서, 본 발명에서는 17.0％ 이상의 함유를 필요로 한다. Mn이 17.0％ 미만에서는, 용접 금속 중에 페라이트상이 생성되고, 극저온에서의 인성이 현저하게 저하한다. 한편, Mn이 28.0％를 초과하면, 응고 시에 과도의 Mn 편석이 발생되어, 고온 균열을 유발한다. 그 때문에, Mn은 17.0∼28.0％의 범위로 제한했다. 바람직하게는 18.0∼26.0％이다.
P: 0.03％ 이하
P는, 결정 입계에 편석되어, 고온 균열을 유발하는 원소로서, 본 발명에서는, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하지만, 0.03％ 이하이면, 허용할 수 있다. 그 때문에, P는 0.03％ 이하로 한정했다. 바람직하게는 0.02％ 이하이다. 한편, 과도의 P 저감은, 정련 비용의 급등을 초래한다. 그 때문에, P는 0.003％ 이상으로 조정하는 것이 바람직하다.
S: 0.03％ 이하
S는, 용접 금속 중에서는, 황화물계 개재물 MnS로서 존재한다. MnS는, 파괴의 발생 기점이 되기 때문에, 극저온 충격 인성을 저하시킨다. 그 때문에, S는 0.03％ 이하로 한정했다. 바람직하게는 0.02％ 이하이다. 한편, 과도의 저감은, 정련 비용의 급등을 초래한다. 그 때문에, S는 0.001％ 이상으로 조정하는 것이 바람직하다.
Ni: 0.01∼10.0％
Ni는, 오스테나이트 입계를 강화하는 원소로서, 입계에 편석되어, 극저온 충격 인성을 향상시킨다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 0.01％ 이상의 함유를 필요로 한다. 또한, Ni는, 오스테나이트상을 안정화하는 효과도 있기 때문에, 추가로 함유량을 증가하면, 오스테나이트상을 안정화시켜, 용접 금속의 극저온 충격 인성을 향상시킨다. 그러나, Ni는 고가인 원소로서, 10.0％를 초과하는 함유는, 경제적으로 불리해진다. 그 때문에, Ni는 0.01∼10.0％로 한정했다. 바람직하게는 0.05∼9.0％이고, 보다 바람직하게는 1.0∼8.0％이다.
Cr: 0.4∼4.0％
Cr은, 극저온에서는 오스테나이트상을 안정화시키는 원소로서 작용하고, 용접 금속의 극저온 충격 인성을 향상시킨다. 또한, Cr은, 용접 금속의 강도를 향상시키는 작용도 갖는다. 또한, Cr은, 용융 금속의 액상선을 높여, 고온 균열의 발생을 억제하는 데에 유효하게 작용한다. 추가로, Cr은, 용접 금속의 내식성을 높이는 데에도 유효하게 작용한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.4％ 이상의 함유를 필요로 한다. Cr이 0.4％ 미만에서는, 상기한 효과를 확보할 수 없다. 한편, 4.0％를 초과하여 함유하면, Cr 탄화물이 생성되어, 극저온 충격 인성의 저하를 초래한다. 또한, Cr 탄화물의 생성에 의해, 용가재 신선 시의 가공성이 저하한다. 그 때문에, Cr은 0.4∼4.0％의 범위로 한정했다. 바람직하게는, 0.8∼3.0％이다.
Mo: 0.01∼3.5％
Mo는, 오스테나이트 입계를 강화하는 원소로서, 입계에 편석되어, 용접 금속의 극저온 충격 인성을 향상시킨다. 이와 같은 효과는 0.01％ 이상의 함유에서 현저해진다. 또한, 0.01％를 초과하는 함유에서는, 고용 강화에 의해 용접 금속의 강도를 향상시키는 작용도 갖는다. 한편, 3.5％를 초과하여 함유하면, 탄화물로서 석출되어, 열간 가공성을 저하시키고, 또한, 용가재 신선 시에 균열을 유발시키는 등, 제조성이 저하한다. 그 때문에, Mo는 0.01∼3.5％의 범위로 한정했다. 바람직하게는 0.1∼3.2％이고, 보다 바람직하게는 1.0∼3.0％이다.
B: 0.0010％ 미만
불순물로서 강 중에 혼입된 B는, 오스테나이트 입계에 편석된다. B가 0.0010％ 이상 혼입된 경우는, 오스테나이트 입계에서 질화 붕소를 형성하여, 입계 강도를 저하시킨다. 이 입계 강도의 저하에 의해, 용가재 신선 가공 시에, 오스테나이트 입계가 파괴 발생 기점이 되어 단선을 일으키게 하고, 신선 가공성을 저하시켜, 용가재 제조성을 저하시킨다. 이 질화 붕소의 형성은, B를 0.0010％ 미만으로 제한함으로써 억제할 수 있기 때문에, B는 0.0010％ 미만으로 제한했다. 바람직하게는 0.0009％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.0008％ 이하이다.
N: 0.12％ 이하
N은, 불가피적으로 혼입되는 원소이지만, C와 마찬가지로, 용접 금속의 강도 향상에 유효하게 기여함과 함께, 오스테나이트상을 안정화하고, 극저온 충격 인성을 안정적으로 향상시킬 수도 있다. 이와 같은 효과는, 0.003％ 이상의 함유에서 현저해지기 때문에, 0.003％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, 0.12％를 초과하여 함유하면, 질화물을 형성하여, 극저온 충격 인성이 저하한다. 그 때문에, N은 0.12％ 이하로 한정했다. 바람직하게는 0.10％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.08％ 이하이다.
본 발명 용가재는, 상기한 성분이 기본의 성분으로, 본 발명에서는, 상기한 기본 조성에, 필요에 따라서, 추가로, 임의 성분으로서, V: 0.04％ 이하, Ti: 0.04％ 이하 및, Nb: 0.04％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상 및/또는, Cu: 1.0％ 이하, Al: 0.1％ 이하, Ca: 0.01％ 이하 및 REM: 0.02％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 선택하여 함유할 수 있다. 이하, 이들 임의 성분에 대해서 설명한다.
V: 0.04％ 이하, Ti: 0.04％ 이하 및, Nb: 0.04％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상
V, Ti, Nb는 모두, 탄화물의 형성을 촉진하여, 용접 금속의 강도 향상에 기여하는 원소로서, 필요에 따라서 선택하여 1종 또는 2종 이상을 함유할 수 있다.
V: 0.04％ 이하
V는, 탄화물 형성 원소로서, 미세한 탄화물을 석출시켜, 용접 금속의 강도 향상에 기여한다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 0.001％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 0.04％를 초과하여 함유하면, 탄화물이 조대화하여, 용가재의 신선 가공 시에 균열의 발생 기점이 되고, 신선 가공성을 저하시켜, 용가재의 제조성을 저하시킨다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, V는 0.04％ 이하로 한정했다.
Ti: 0.04％ 이하
Ti는, 탄화물 형성 원소로서, 미세한 탄화물을 석출시켜, 용접 금속의 강도 향상에 기여한다. 또한, Ti는, 용접 금속의 응고 셀 계면에 탄화물을 석출시켜, 고온 균열의 발생 억제에 기여한다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 0.001％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, Ti: 0.04％를 초과하여 함유하면, 탄화물이 조대화하여, 용가재의 신선 가공 시에 균열의 발생 기점이 되고, 신선 가공성을 저하시켜, 용가재의 제조성을 저하시킨다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, Ti는 0.04％ 이하로 한정했다.
Nb: 0.04％ 이하
Nb는, 탄화물 형성 원소로서, 탄화물을 석출시켜, 용접 금속의 강도 향상에 기여하는 원소이다. 또한, Nb는, 용접 금속의 응고 셀 계면에 탄화물을 석출시켜, 고온 균열의 발생 억제에 기여한다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 0.001％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, Nb가 0.04％를 초과하면, 탄화물이 조대화하여, 용가재의 신선 가공 시에 균열의 발생 기점이 되고, 신선 가공성을 저하시켜, 용가재의 제조성을 저하시킨다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, Nb는 0.04％ 이하로 한정했다.
Cu: 1.0％ 이하, Al: 0.1％ 이하, Ca: 0.01％ 이하 및 REM: 0.02％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상
Cu는 오스테나이트 안정화에 기여하는 원소이고, Al은 용접 작업성을 향상시키는 원소이고, Ca, REM은 가공성 향상에 기여하는 원소로서, 필요에 따라서 선택하여 1종 또는 2종 이상을 함유할 수 있다.
Cu: 1.0％ 이하
Cu는, 오스테나이트상을 안정화하는 원소로서, 극저온에서도 오스테나이트상을 안정화시켜, 용접 금속의 극저온 충격 인성을 향상시킨다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 0.01％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, 1.0％를 초과하여 다량으로 함유하면, 열간 연성이 저하하여, 용가재의 제조성이 저하한다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, Cu는 1.0％ 이하로 한정했다.
Al: 0.1％ 이하
Al은, 탈산제로서 작용하여, 용융 금속의 점성을 높이고, 비드 형상을 안정적으로 유지하는 중요한 작용을 갖는다. 또한, Al은, 용융 금속의 액상선 온도를 높여, 용접 금속의 고온 균열 발생의 억제에 기여한다. 이와 같은 효과는, 0.005％ 이상의 함유에서 현저해지기 때문에, 0.005％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, 0.1％를 초과하여 함유하면, 용융 금속의 점성이 지나치게 높아져, 반대로, 비드가 확대되지 않고 융합 불량 등의 결함이 증가한다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, Al은 0.1％ 이하의 범위로 한정했다. 바람직하게는 0.005∼0.06％이다.
Ca: 0.01％ 이하
Ca는, 용융 금속 중에서 S와 결합하여, 고융점의 황화물 CaS를 형성한다. CaS는, MnS보다도 고융점이기 때문에, 용가재의 열간 가공 시에 압연 방향으로 진전하지 않고 구형(球形)을 유지하여, 용가재의 가공성 향상에 유리하게 작용한다. 이와 같은 효과는 0.001％ 이상의 함유에서 현저해진다. 한편, 0.01％를 초과하여 함유하면, 용접 시에 슬러그의 발생량이 증가하여 슬러그 권입을 일으킨다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, Ca는 0.01％ 이하로 한정했다.
REM: 0.02％ 이하
REM은, 강력한 탈산제이며, 용접 금속 중에서 REM 산화물의 형태로 존재한다. REM 산화물은 응고 시의 핵 생성 사이트가 됨으로써, 결정립을 미세화하여, 용접 금속의 강도의 향상에 기여한다. 이와 같은 효과는 0.001％ 이상의 함유에서 현저해진다. 한편, 0.02％를 초과하여 함유하면, 슬러그의 발생량이 증가하여 슬러그 권입을 일으킨다. 그 때문에, 함유하는 경우에는, REM은 0.02％ 이하로 한정했다.
상기한 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다.
다음으로, 본 발명 용가재의 제조 방법에 대해서 설명한다.
본 발명 용가재의 제조는, 상기한 조성을 갖는 용강을 이용하는 것 및, 어닐링 온도를 900∼1200℃로 하는 이외에는, 특별히 그 제조 방법을 한정할 필요는 없고, 상용의 용가재의 제조 방법을 모두 적용할 수 있다. 예를 들면, 상기한 조성을 갖는 용강을, 전기로, 진공 용해로 등의 상용의 용제로에서 용제하고, 소정 형상의 주형 등으로 주조하여 강괴를 얻는 주조 공정과, 얻어진 강괴를, 소정 온도로 가열하는 가열 공정과, 가열된 강괴에, 열간 압연을 실시하여, 소정 형상의 강 소재(봉 형상)를 얻는 열연 공정을 순차 행하고, 이어서, 얻어진 강 소재(봉 형상)를 복수회의 냉간 압연(냉간 신선 가공)과 필요에 따라서 어닐링을 실시하고, 소망 치수의 용가재로 하는 냉연 공정을 행함으로써, 본 발명 용가재를 제조할 수 있다.
이하, 실시예에 기초하여, 추가로 본 발명에 대해서 설명한다.
실시예
표 1에 나타내는 조성의 용강을, 진공 용해로에서 용제하고, 주조하여 강괴 1000㎏을 얻었다. 얻어진 강괴를, 1200℃로 가열한 후, 열간 압연하고, 이어서 냉간 압연하고, 필요에 따라서 어닐링(900∼1200℃)하여, 2.0㎜φ, 길이 1000㎜의 TIG 용접용 용가재(용접봉)를 얻었다.
용가재의 제조에 있어서는, 압연 하중(신선 하중)의 측정, 균열의 관찰, 용가재 단면의 관찰 등을 행하여, 각 용가재의 제조성을 평가했다. 압연 하중(신선 하중)이 높아, 압연(신선) 가공이 불가능하다고 판단된 경우나, 균열의 발생이 확인된 경우나, 발생한 균열에 기인하여, 그 이상 공정을 진행시킬 수 없게 된 경우 등을 「불량」이라고 평가했다. 그 이외에는, 「양호」라고 평가했다.
이어서, 시험판으로서, 극저온용 고 Mn 강판(판두께: 12㎜)을 준비하고, JIS Z 3111에 준거하여, 맞대고 45° V형 개선(開先)을 형성하여, TIG 용접을 행하고, 당해 개선 내에 용착 금속을 얻었다. 시험판으로서 사용한 강판은, 질량％로, 0.5％C-0.4％Si-25％Mn-3％Cr-잔부 Fe로 이루어지는 조성을 갖는 극저온용 고 Mn 강판이었다.
상기 TIG 용접은, 표 1에 나타내는 조성의 용강으로부터 제조한 각 용가재(직경 2.0㎜)를 용접 재료로서 이용하여, 예열 없이, 하향 자세로, 전류: 200A(DCEN), 전압: 12V, 용접 속도: 8㎝/min으로, 용가재 송급 속도: 10g/min, 패스 간: 100∼150℃, 실드 가스: Ar로 이루어지는 조건으로, 실시했다. 전극은 순(純)텅스텐봉(3.2㎜φ)으로 했다.
얻어진 용착 금속을 광학 현미경으로 관찰하여, 용접 균열의 유무를 판정했다. 용접 균열은, 고온 균열이고, 균열 발생이 확인된 경우는 내고온 균열성이 저하되고 있다고 하여 「불량」이라고 평가했다. 균열 발생이 확인되지 않은 경우는, 내고온 균열성이 우수하다고 하여 「양호」라고 평가했다.
얻어진 용착 금속으로부터, JIS Z 3111의 규정에 준거하여, 용착 금속의 인장 시험편(평행부 지름 6㎜φ) 및, 용착 금속의 샤르피 충격 시험편(V 노치)을 채취하여, 인장 시험, 충격 시험을 실시했다.
인장 시험은, 실온에서, 각 3개의 시험편으로 실시하고, 얻어진 값(0.2％ 내력 및 인장 강도)의 평균값을, 당해 용가재를 이용한 용착 금속의 인장 특성으로 했다. 또한, 샤르피 충격 시험은, 각 3개의 시험편으로 실시하고, 시험 온도: －196℃에 있어서의 흡수 에너지 vE－196을 구하여, 그의 평균값을, 당해 용가재를 이용한 용착 금속의 극저온 충격 인성으로 했다.
얻어진 결과를 표 2에 나타낸다.
본 발명예는 모두, 신선 가공 시의 압연 하중도 높지 않고, 또한 균열의 발생도 없어 용가재 제조성이 우수했다. 또한, 용접 시에 용접 균열(고온 균열)의 발생도 없어 내고온 균열성도 우수했다. 게다가, 상온에 있어서의 항복 강도(0.2％ 내력)가 400㎫ 이상, 상온에 있어서의 인장 강도가 660㎫ 이상이고, 시험 온도: －196℃에 있어서의 샤르피 충격 시험의 흡수 에너지 vE－196이 28J 이상으로, 고강도와 우수한 극저온 인성을 겸비하는 용착 금속을 얻을 수 있는 TIG 용접용 용접 재료(용가재)였다.
한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예에서는, 용가재의 제조성이 저하되어 있거나, 용접 균열(고온 균열)이 발생하여 내고온 균열성이 저하되고 있거나, 혹은 상온에 있어서의 0.2％ 내력이 400㎫ 미만이거나, 상온에 있어서의 인장 강도가 660㎫ 미만이거나, 시험 온도: －196℃에 있어서의 샤르피 충격 시험의 흡수 에너지 vE－196이 28J 미만이거나 하여, 고강도와 우수한 극저온 충격 인성을 겸비하는 용착 금속이 얻어지고 있지 않았다.
추가로 부언하면, 용가재 No.15, No.16(비교예)은, B 함유량이 본 발명의 범위를 상회하고 있기 때문에, 또한 용가재 No.17(비교예)은 Cr 함유량이 본 발명의 범위를 상회하고 있기 때문에, 또한 용가재 No.18(비교예)은 N 함유량이 본 발명의 범위를 상회하고 있기 때문에, 신선 가공성이 저하하여, 소망하는 지름까지 신선할 수 없었다.
또한, 용가재 No.19(비교예)는 P 함유량이, 용가재 No.20(비교예)은 C 함유량이, 용가재 No.21(비교예)은 Mn 함유량이, 용가재 No.22(비교예)는 Si 함유량이, 각각 본 발명의 범위를 상회하고 있기 때문에, 용접 균열이 발생하여, 내고온 균열성이 저하되어 있었다.
또한, 용가재 No.23(비교예)은 S 함유량이, 본 발명의 범위를 상회하고 있기 때문에, 극저온 충격 인성이 저하되어 있었다.
또한, 용가재 No.24(비교예)는 Ni 함유량이, 용가재 No.25(비교예)는 Mo 함유량이, 각각 본 발명의 범위를 하회하고 있기 때문에, 오스테나이트 입계가 약하고, 극저온 충격 인성이 저하되어 있었다.
또한, 용가재 No.26(비교예)은 C 함유량이, 용가재 No.27(비교예)은 Cr 함유량이, 각각 본 발명의 범위를 하회하고 있기 때문에, 강도가 저하하여, 소망하는 고강도를 확보할 수 없었다.
Claims (3)
- 질량％로,
C: 0.2∼0.8％,
Si: 0.15∼0.9％,
Mn: 17.0∼28.0％,
P: 0.03％ 이하,
S: 0.03％ 이하,
Ni: 0.01∼10.0％,
Cr: 0.4∼4.0％,
Mo: 0.01∼3.5％,
B: 0.0010％ 미만 및
N: 0.12％ 이하
를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 TIG 용접용 용가재. - 제1항에 있어서,
상기 조성이, 추가로, 질량％로, V: 0.04％ 이하, Ti: 0.04％ 이하 및, Nb: 0.04％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 TIG 용접용 용가재. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 조성이, 추가로, 질량％로, Cu: 1.0％ 이하, Al: 0.1％ 이하, Ca: 0.01％ 이하 및 REM: 0.02％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 TIG 용접용 용가재.
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