KR100352644B1

KR100352644B1 - 내응력 부식균열, 내공식 성능 및 용접성이 우수한 2상스테인레스강용 플럭스 코어드 와이어

Info

Publication number: KR100352644B1
Application number: KR1020000043858A
Authority: KR
Inventors: 김종원; 이선일
Original assignee: 고려용접봉 주식회사
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2020-07-28
Also published as: US20020148533A1; JP2002113591A; KR20020010061A; CN1192852C; CN1335213A; US6620261B2

Abstract

본 발명은 각종 화학공업용 장치에 사용되는 오스테나이트-페라이트계 스테인레스강의 용접시 양호한 용접성을 가지면서 내균열성이 뛰어날 뿐 아니라 내응력 부식 균열성과 내공식성 등이 우수한 용접부를 형성시킬 수 있는 2상 스테인레스강의 용접에 사용되는 용접 와이어에 관한 것이다.

본 발명의 내응력 부식균열, 내공식 성능 및 용접성이 우수한 2상 스테인레스강용 플럭스 코어드 와이어는, 와이어 전체 중량에 대하여 C 0.02∼0.10%, Si 0.10∼1.0%, Mn 1.0∼3.0%, Cr 15∼35%, Ni 7.0∼12.0%, Mo 1.5∼3.5%, N 0.02∼0.2%, Nb 0.02∼0.2% 및 슬래그 형성제 0.5∼5.6%로 이루어진 플럭스가 스테인레스강 쉬드 내에 와이어 전체 중량에 대하여 15∼35% 충진됨에 기술적 특징이 있다.

그리고, 본 발명 플럭스 코어드 와이어를 구성하는 성분들은 상기 성분 범위를 만족하는 동시에, 1.5 ≤{(Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb)/(Ni+0.5Mn+30C+30N)} ≤2.3 과 25 ≤PREN(Cr+3.3Mo+16N) ≤45 의 두 관계식을 만족시켜야 함에 또 다른 특징이 있다.

본 발명의 용접용 플럭스 코어드 와이어는 단상이 아닌 2상 조직의 스테인레스강 용접시 적절한 용접 금속을 형성시킴으로써, 특히 각종 화학공업용 장치에 사용되는 내해수성 오스테나이트-페라이트계 스테인레스강 설비의 용접에 탁월한 효과가 기대된다.

Description

내응력 부식균열, 내공식 성능 및 용접성이 우수한 2상 스테인레스강용 플럭스 코어드 와이어{Flux cored welding wire having properties of anti-stress corrosion, anti-pitting and good weldibilty for dual phase stainless steel}

본 발명은 2상 스테인레스강의 용접에 사용되는 용접 와이어에 관한 것으로,더 자세하게는 해수를 냉각수로 사용하는 복수기용관(復水器用管), 석유정제, 석유화학의 열교환기, 유정관 등 각종 화학공업용 장치에 사용되는 오스테나이트-페라이트계 스테인레스강의 용접시 양호한 용접성을 가지면서 내균열성이 뛰어날 뿐 아니라 내응력 부식 균열성과 내 공식성 등이 우수한 용접부를 형성시킬 수 있는 내응력 부식균열, 내공식 성능 및 용접성이 우수한 2상 스테인레스강 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관한 것이다.

스테인레스강은 강에 Cr을 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 일종의 합금강으로서, 그 조성에 따라 Cr계와 Cr-Ni계로 대별되고 금속 조직에 따라서는 마텐사이트계, 페라이트계, 오스테나이트계, 오스테나이트-페라이트계 및 석출경화계의 5종류로 분류된다.

마텐사이트계와 페라이트계는 Cr계 스테인레스강으로서, 13 Cr 스테인레스강이 대표적인 강종인 마텐사이트계는 내산화성, 내열성이 있어 일반적인 기계구조용강으로 널리 사용되며, 18 Cr 스테인레스강이 대표적인 페라이트계는 열처리에 의한 재질 개선이 불가하여 기계적 성질은 떨어지나 소입성이 없기 때문에 용접이 용이하고 BCC 구조의 강자성 특성을 갖고 성형성이 우수하여 가정용품이나 자동차 부품 등에 주로 사용된다.

오스테나이트계는 Cr-Ni계 스테인레스강으로서, 18-8 스테인레스강이 대표적인 강종이다. 오스테나이트계 스테인레스강은 FCC 구조의 비자성 특성을 보이며 우수한 인성, 연성, 내식성을 가진 강종으로서 이로부터 다양한 개량 강종이 개발되고 있는 공업적으로 기본적인 스테인레스강이다.

석출경화계 스테인레스강은 Cr-Ni계 스테인레스강에 석출 경화 원소를 첨가하여 경화 열처리에 의한 변형을 감소시키면서 강도를 높인 것으로 성형성이 좋으면서도 고강도가 필요한 내식 스프링, 샤프트, 밸브. 임펠라 등의 기계 부품용으로 사용된다.

그리고, 오스테나이트-페라이트 계의 2상 스테인레스강은, 조성의 측면에서 볼 때 Cr 20∼25wt%, Ni 4∼8wt%를 함유하고, 이것에 Mo, Cu, N 등을 단독 또는 복합 첨가하여 기지를 50∼80%의 페라이트와 잔량의 오스테나이트 미세 조직으로 만든 것으로서 내해수성과 입계 부식 저항성이 높아 해수에 의한 부식 방지가 필요한 각종 화학공업용으로 널리 사용된다.

상기 2상 스테인레스강은, 오스테나이트계 스테인레스강의 취약점인 공식(孔蝕, pitting)과 입계 부식에 대한 저항성을 높이는 동시에 응력 부식 저항성이 강한 페라이트계 스테인레스강의 장점을 얻기 위하여 비교적 근래에 연구, 개발되고 있는 합금강이다.

상기 2상 스테인레스강이 Cl-, F- 등의 할로겐 이온을 함유하는 수용액과 접촉하게 되면 스테인레스강 표면에 형성된 부동태 피막 결함부에 상기 할로겐 이온이 흡착하여 부동태 피막이 파괴되어 금속이 용출됨으로써 공식이 발생하게 되는 단점이 있기 때문에 특히, 용접부 특성이 중요하나 종래 오스테나이트계 스테인레스강 용접용 와이어로는 2상 스테인레스강에 대한 용접성이 떨어지고 2상 스테인레스강의 특성에 필적하는 용접부를 얻기 어려운 문제가 있다.

본 발명은 종래 스테인레스강 용접용 와이어를 사용하여 2상 스테인레스강 용접시 발생하는 제반 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 고강도, 내균열성, 내응력 부식 균열 및 내공식성이 우수한 용접부를 얻을 수 있는 2상 스테인레스강 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 용접 형태를 보인 것으로,

(가)는 하향 용접된 상태의 용접부 단면도이고,

(나)는 수평 필렛 용접의 개념도이며,

(다)는 수직 상향 용접의 개념도이다.

(( 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ))

11,12,13,14. 용접 모재 14,16. 용접 부재

W. 용접금속

본 발명의 상기 목적은 C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, N, Nb 등을 함유한 플럭스를 오스테나이트계 내지는 오스테나이트-페라이트계 스테인레스강 쉬드 내에 와이어 전체 중량에 대하여 15∼35%되도록 충진함으로써 달성된다.

이때, 플럭스의 양을 용접용 와이어의 전체 중량에 대하여 15∼35%가 되도록 하는 것은, 플럭스의 양이 15%에 못미칠 경우 비드 외면을 덮어주어야 하는 슬래그의 생성량이 부족하게 되고, 35%를 초과하면 슬래그 생성량이 과다하게 되고 용접용 와이어가 용접 송급중 플럭스 자중에 의하여 쉽게 휘어져 송급성이 떨어지기 때문이다.

본 발명 내응력 부식균열, 내공식 성능 및 용접성이 우수한 2상 합금계 스테인레스강용 플럭스 코어드 와이어를 구성하는 상기 성분들의 조성은, 와이어 전체 중량에 대하여 C 0.02∼0.10%, Si 0.10∼1.0%, Mn 1.0∼3.0%, Cr 15∼35%, Ni 7.0∼12.0%, Mo 1.5∼3.5%, N 0.02∼0.2%, Nb 0.02∼0.2% 및 슬래그 형성제 0.5∼5.6%로 이루어짐에 그 기술적 특징이 있다.

그리고, 본 발명의 플럭스 코어드 와이어를 구성하는 플럭스 성분들은 상기의 함량 범위를 만족하는 동시에 다음 식 1과 2를 충족하여야 한다.

1.5 ≤{(Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb)/(Ni+0.5Mn+30C+30N)} ≤2.3

25 ≤PREN ≤45,

--- PREN(Pitting Resistance Equivalent Number)=(Cr+3.3Mo+16N)

상기 수학식 1은 모재와 같은 고강도, 고인성의 용접 금속을 얻기 위하여 쉐플러(Schaeffler) 조직도의 Cr, Ni 당량 산출식을 이용하여 얻은 것으로서, 그 값이 1.5 미만일 경우 용접 금속은 오스테나이트 상(相)에서 응고되어 고온 균열 감수성 지수가 높게 됨과 동시에 적절한 강도를 얻을 수 없으며, 2.3을 초과하게 되면 페라이트 함량이 증가하여 인성이 저하하게 된다.

그리고, 수학식 2의 PREN은 내공식성을 판단할 수 있게 하는 수치로서, 그 값이 25 미만에서는 대기 및 수용액에서의 부식 저항성이 낮고, 45를 초과하면 부식 저항성은 증가하나 인성이 감소하여 고온 균열에 민감해진다.

상기 수학식 1과 2를 만족시키는 조건 하에서, 본 발명 플럭스 코어드 와이어를 구성하는 플럭스의 각 성분 별 역할을 살펴보면 다음과 같다.

C는 용접 금속의 강도를 상승시키는 가장 기본적인 성분이며 오스테나이트 생성 원소로서, 그 함량이 0.02%에 미치지 못하면 강도 상승 및 오스테나이트 생성 효과가 미약하고 0.10%를 초과하게 되면 용접 금속의 내식성과 인성이 현저히 감소하게 된다.

Si는 슬래그 생성과 용접 금속의 강화 원소로 유효하지만 0.1% 미만에서는 적절한 강도가 얻어지지 않으며, 1.0%를 초과하면 강도 상승 효과보다 인성 저하 효과가 크게 되어 바람직하지 않다.

Mn은 용접 금속의 미세 조직을 조절하여 오스테나이트 생성을 도와준다. 그러나, 3%에서 최대 효과를 얻을 수 있으므로 3%를 상한치로 하는 것이 바람직하다.

Cr은 용접 금속의 내식성과 강도 확보를 위하여 적어도 15% 이상 함유시켜야 한다. 그리고, 35%를 초과하여 함유하게 되면 강도 확보를 위한 마텐사이트 조직의 생성이 저해되므로 Cr의 함유량은 15∼35%로 한다.

Ni은 용접 금속 중의 오스테나이트 미세 조직을 안정적으로 생성시켜 용접 금속의 내식성과 인성을 향상시켜 주는 원소로서, 7.0% 미만에서는 인성이 불충분하고 12.0% 초과시에는 오스테나이트 분율이 과다하게 되어 강도가 떨어지는 경향을 보이는 동시에 인성 향상 효과는 거의 포화치에 달하게 되기 때문에 12%를 상한치로 한다.

Mo은 용접 금속의 내식성과 고 강도 확보 및 고온에서의 연화 저항성 향상을 위하여 필요한 성분으로써, 1.5% 미만에서는 그 효과가 충분치 않으며, 3.5% 초과시에는 용접 금속의 조직 내에 금속간 화합물을 생성시켜 인성을 떨어뜨리고 취성파괴에 취약하게 된다.

Nb은 페라이트 안정화 원소로서, 0.02% 이상에서는 페라이트 조직내의 탄화물을 안정화 시켜 C의 이동을 방지함으로써 내공식 성능을 향상시켜 준다. 그러나, 0.2%를 초과하게 되면 고온 균열의 원인이 될 수가 있으므로 상한치를 0.2%로 하는 것이 바람직하다.

N는 용접 금속의 인장 강도를 증가시키는 동시에 페라이트 생성에도 유효한 원소로서, 0.02% 미만에서는 그 효과가 충분치 않으며, 0.2%를 초과하게 되면 인성이 감소하여 충격치가 떨어진다. 또한, 용접 기공 및 시효 경화의 원인이 되기때문에 0.2%를 상한치로 한다.

이상에서 살펴본 각 성분들과 기타 슬래그 형성제로 구성되는 플럭스를 오스테나이트계 내지는 오스테나이트-페라이트계 스테인레스강 쉬드 내에 와이어 전체 중량에 대하여 15∼35%되도록 충진함으로써 본 발명의 플럭스 코어드 와이어가 제조된다. 이때, 상기 슬래그 형성제는 SiO₂, TiO₂, ZrO₂, Al₂O₃, K₂O 등으로 구성되며 와이어 전체 중량에 대하여 0.5∼5.6%가 함유되도록 함으로써 적절한 슬래그 형성과 용접성을 보장할 수 있도록 하였다.

그리고, 스테인레스강 쉬드를 사용한 것은 용접금속의 화학성분과 모재의 화학성분을 가능한 한 비슷하게 되도록 하기 위한 것이다.

상기에서 살표본 플럭스의 성분을 근거로 하여 본 발명의 실시예 플럭스 코어드 와이어와 비교예 플럭스 코어드 와이어를 제조하였으며, 다음의 표 1에 쉬드 금속의 화학 성분을, 표 2에 플럭스 코어드 와이어의 화학 성분을 표시하였다.

구 분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	N
wt%	0.022	0.46	1.05	0.013	0.008	18.5	8.8	0.03	0.002

구분	와이어 전체 중량에 대한 백분율(%)	수학식1의 값	수학식2의 값
구분	C	Si	수학식2의 값	Mn	Cr	Ni	Mo	N	Nb+기타
실시예	1	0.048	0.34	1.74	22.0	9.2	2.00	0.07	0.7	1.80	29.72
	2	0.052	0.77	1.77	23.0	8.8	2.20	0.08	0.8	1.93	31.54
	3	0.055	0.22	1.60	22.5	8.5	3.03	0.08	2.2	1.94	33.78
	4	0.037	0.28	1.45	22.5	8.2	1.75	0.09	2.8	1.94	29.72
	5	0.033	0.31	1.53	21.8	10.0	2.49	0.06	3.4	1.83	30.98
	6	0.054	0.47	1.66	28.2	9.8	2.27	0.07	0.9	2.18	36.82
	7	0.063	0.36	1.84	24.5	8.5	3.05	0.08	4.8	2.05	35.88
	8	0.030	0.54	1.33	25.0	8.8	2.07	0.09	5.1	2.13	33.27
	9	0.028	0.37	1.62	25.6	9.0	2.15	0.07	3.3	2.22	33.81
비교예	10	0.060	0.35	1.70	18.0	9.2	0.50	0.08	1.1	1.33	20.93
	11	0.063	0.37	1.80	17.5	9.2	1.10	0.08	1.8	1.33	22.49
	12	0.070	0.45	2.32	16.5	9.5	1.65	0.09	1.5	1.22	23.38
	13	0.060	0.17	2.27	17.7	9.1	1.50	0.10	2.1	1.29	24.25
	14	0.055	0.25	2.88	18.2	8.9	1.80	0.15	0.8	1.24	26.50
	15	0.065	0.37	1.65	33.0	9.2	3.50	0.07	1.4	2.63	45.67
	16	0.100	0.62	1.72	17.2	9.8	1.80	0.08	2.2	1.21	24.42
	17	0.071	0.46	1.35	17.3	9.5	1.50	0.13	1.8	1.25	24.33
	18	0.054	0.27	1.20	17.6	9.0	1.70	0.11	3.3	1.44	24.97

상기 표 1의 쉬드에 표 2의 성분으로 구성되는 플럭스를 충진한 플럭스 코어드 와이어들을 이용하여 다음의 표 3에 표시한 성분의 2상 스테인레스강을 표 4의용접 조건으로 용접하였다.

종래 비교예 와이어의 경우 Mo을 제외한 다른 성분은 대부분 본 발명 기준 범위 내에 있으나 수학식 1과 2를 만족하지 못하고 있다.

성분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	N
wt%	0.04	0.53	1.22	0.018	0.007	22.32	9.02	0.4	0.002

용접 와이어 직경	1.2 mm
사 용 가 스	100vol%CO₂또는 80vol%Ar+20vol%CO₂, 20 ℓ/min.
용 접 자 세	하 향	수 평 필 렛	수 직 상 향
용 접 전 류 (A)	180∼220	190∼220	180∼190
용 접 전 압 (V)	28∼30	28∼30	28
용접속도(cm/min.)	25∼30	25∼30	10
용 접 입 열(KJ)	12.1∼13.2	12.7∼13.2	31.9

상기 표 4의 용접 자세를 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이 용접 대상 두 모재(11)(12) 사이에 루트 간격(d)을 형성시킨 후 두 용접 개선면(11A)(12A) 사이에 용접금속(W)이 형성되도록 하는 방법이 하향 용접이며, 바닥에 놓여진 평판 모재(13)의 상면에 용접 부재(14)를 수직하게 세운 후 접촉선(13A)을 따라 용접하는 방법이 하향 필렛 용접이고, 지면에 수직하게 세원진 평판 모재(15)의 일측면에 용접 부재(16)를 수직하게 접촉시킨 후 후 접촉선(15A)을 따라 상향으로 용접하는 방법이 수직 상향 용접이다.

상기와 같이 용접한 후, 각각의 플럭스 코어드 와이어에 대한 용접 작업성을평가한 결과가 다음의 표 5 이다.

구분	아 크안정성	스패터발생량	슬래그유동성	슬래그박리성	비 드외 관	수직상향용접성
실시예	1	◎	◎	0	◎	0	0
	2	◎	◎	◎	0	◎	0
	3	◎	◎	◎	◎	◎	0
	4	◎	0	◎	◎	◎	0
	5	◎	◎	◎	0	0	0
	6	◎	0	◎	0	0	0
	7	◎	0	0	0	◎	0
	8	◎	◎	◎	◎	◎	0
	9	◎	◎	◎	◎	0	0
비교예	10	◎	0	0	0	△	△
	11	◎	0	0	△	△	△
	12	0	△	0	◎	△	△
	13	0	△	△	0	△	△
	14	0	△	△	0	△	△
	15	0	0	0	△	0	△
	16	◎	0	0	△	△	△
	17	0	△	△	△	△	△
	18	0	△	△	△	△	△

상기 표 2와 5로부터 종래 비교예의 경우 특히, 수학식 1과 2를 만족하지 못하기 때문에 전체적인 용접성이 본 발명 실시예에 비하여 떨어지고 있음을 알 수 있다.

구분	용접금속인장시험결 과	샤르피충격시험	용접금속공식시험
구분	용접금속인장시험결 과	-20℃	-40℃	부식감량(g/mm²·h)	평가
실시예	1	0	양호	양호	0.06	양호
	2	0	양호	양호	0.08	양호
	3	0	양호	양호	0.08	양호
	4	0	양호	양호	0.04	양호
	5	0	양호	양호	0.03	양호
	6	0	양호	양호	0.08	양호
	7	0	양호	양호	0.04	양호
	8	0	양호	양호	0.02	양호
	9	0	양호	양호	0.02	양호
비교예	10	0	양호	불량	0.13	불량
	11	×	불량	불량	0.15	불량
	12	×	불량	불량	0.18	불량
	13	×	불량	불량	0.16	불량
	14	0	양호	불량	0.14	불량
	15	×	불량	불량	0.05	양호
	16	×	불량	불량	0.22	불량
	17	0	불량	불량	0.20	불량
	18	×	불량	불량	0.18	불량

* 인장 시험은 JIS Z 3111에 준하였으며, 시험편을 약 200℃에서 1시간

열처리한 후 인장시험을 실시하였고, '0'은 모재부 파단,

'×'는 용접부 파단됨.

* 샤르피 충격 시험은 각 온도에서 3회 이상 실시한 후, 그 평균값이 27J

이하이면 불량으로 판정하였음.

* 부식 감량은 JIS G 0578에 따라 처리한 후, 시편을 채취하고 공식시험을

실시, 평가하였으며, 부식감량이 0.1g/mm²·h 미만을 양호, 그 이상

을 불량으로 판정함.

상기 표 6으로부터 비교예 와이어에 의한 용접 금속의 강도와 내충격성 및 내공식성이 본 발명 실시예 와이어에 의한 용접 금속보다 떨어지는 것은 수학식 1과 2를 만족하지 못하면서 Mo의 함량이 부족하거나(비교예 10,11) 하한치(비교예 13,17) 또는 상한치(비교예 15)를 보이기 때문이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 용접용 와이어는 단상이 아닌 2상 조직의 스테인레스강 용접시 적절한 용접 금속을 형성시킴으로써, 특히 각종 화학공업용 장치에 사용되는 내해수성 오스테나이트-페라이트계 스테인레스강 설비의 용접에 탁월한 효과가 기대된다.

Claims

2상 스테인레스강 용접용 와이어로서, 와이어 전체 중량에 대하여 C 0.02∼0.10%, Si 0.10∼1.0%, Mn 1.0∼3.0%, Cr 15∼35%, Ni 7.0∼12.0%, Mo 1.5∼3.5%, N 0.02∼0.2%, Nb 0.02∼0.2% 및 슬래그 형성제 0.5∼5.6%로 이루어진 플럭스가 스테인레스강 쉬드 내에 충진됨을 특징으로 하는 내응력 부식균열, 내공식 성능 및 용접성이 우수한 2상 스테인레스강용 플럭스 코어드 와이어.
제 1항에 있어서, 상기 플럭스는, 스테인레스강 쉬드 내에 와이어 전체 중량에 대하여 15∼35% 충진됨을 특징으로 하는 내응력 부식균열, 내공식 성능 및 용접성이 우수한 2상 스테인레스강용 플럭스 코어드 와이어.
제 1항에 있어서, 상기 플럭스의 구성 성분들은 아래 식 1과 2를 만족시킴을 특징으로 하는 내응력 부식균열, 내공식 성능 및 용접성이 우수한 2상 스테인레스강용 플럭스 코어드 와이어.

1.5 ≤{(Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb)/(Ni+0.5Mn+30C+30N)} ≤2.3 ----- (1)

25 ≤PREN(Cr+3.3Mo+16N) ≤45 ----- (2)