KR20150101469A

KR20150101469A - 피복 아크 용접봉

Info

Publication number: KR20150101469A
Application number: KR1020157020955A
Authority: KR
Inventors: 겐이치 다니구치; 겐 야마시타; 미노루 오쓰; 미키히로 사카타; 히데노리 나코
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2015-09-03
Anticipated expiration: 2033-12-25
Also published as: CN104955609A; JP2014147970A; JP5928726B2; KR101764040B1; EP2952287A1; WO2014119189A1; CN104955609B; EP2952287B1; EP2952287A4

Abstract

본 발명은, 우수한 크리프 성능과, 그것에 추종하는 여러 성능인 인성, 템퍼링 취화 특성, 내SR균열성 및 용접 작업성을 양립시키는 피복 아크 용접봉을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 피복 아크 용접봉은, 피복 아크 용접봉 전체 질량당, 피복제 중에, 금속 탄산염을 CO₂ 환산값으로 5∼10질량%, 알칼리 금속 산화물을 알칼리 금속 환산값으로 0.4∼2.0질량%, 불소 화합물을 F 환산값으로 1.0∼5.0질량% 포함하고, 피복 아크 용접봉의 심선 및 피복제 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 합계로, 피복 아크 용접봉 전체 질량당, C, Si, Mn, Cr, Mo, V, Nb, B, Mg, Fe를 소정량 포함하고, 불가피 불순물로서, Cu, Ni, Ti, Al, Ta, Co 및 W의 총합이 0.10질량% 이하, S, Sn, As, Sb, Pb 및 Bi의 총합이 0.10질량% 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

피복 아크 용접봉{COATED ELECTRODE}

본 발명은, 석유 정제 리액터 등, 에너지 플랜트 중의 압력 용기에 이용되는 2.25Cr-1Mo-V강의 용접에 제공되는 피복 아크 용접봉에 관한 것이다.

종래, 석유 정제 리액터 등의 압력 용기 용도로서 2.25Cr-1Mo강이 이용되어 왔다. 그러나, 그 운전 효율 향상의 관점에서, 설계 온도·압력의 고온·고압화에 견딜 수 있는 강재로서, 보다 고강도인 2.25Cr-1Mo-V강제 리액터의 적용이 진행되고 있다. 이와 같은 석유 정제 리액터 용도의 2.25Cr-1Mo-V강의 용접에 제공되는 피복 아크 용접봉 또는 용접 금속으로서, 크리프(creep) 파단 성능이나 인성 등이 우수한 피복 아크 용접봉 또는 용접 금속의 개발이 진행되고 있다.

예컨대 특허문헌 1에서는, 피복 아크 용접에 의해서 형성되는 용접 금속에 있어서, Cr: 2.00∼3.25질량%에 대하여 V: 0.20∼0.70질량%로 하고, Nb, Co, W의 첨가에 의해서 크리프 강도를 확보하고 있다. 또한, 특허문헌 2에서는, 용접봉 전체 질량당, Cr: 1.00∼3.50질량%에 대하여 V: 0.1∼1.0질량%, Nb: 0.02∼0.50질량%로 하고, Co, W, Ni의 첨가에 의해서 크리프 강도와 인성을 확보하고 있다. 또한, 특허문헌 3에서는, 용접봉 전체 질량당, Cr: 1.00∼3.50질량%에 대하여 V: 0.01∼0.60질량%, W: 0.6∼2.5질량%로 하고, Nb, Ta의 첨가에 의해서 크리프 강도를 확보하고 있다.

일본 특허공개 평10-137975호 공보 일본 특허공개 2002-263883호 공보 일본 특허공개 2001-300768호 공보

그러나, 종래의 기술에 있어서는 이하의 문제가 있다.

석유 정제 리액터 용도의 강재의 용접에 제공되는 용접 재료로서는, 우수한 크리프 성능과, 그것에 추종하는 여러 성능인 인성, 템퍼링 취화 특성, 내SR균열성(응력 제거 소둔 시에 입계 균열을 일으키지 않는 것), 및 용접 작업성을 양립시킬 것이 요구되고 있다.

그리고, 상기한 대로, 2.25Cr-1Mo강보다도 고강도인 2.25Cr-1Mo-V강제 리액터의 적용이 진행되고 있다. 그러나, 2.25Cr-1Mo-V강제 리액터에 있어서도, 그 조업 조건이 고온·고압화되는 경향이 있어, 종래의 용접 재료에서는 작금의 고온 강도, 특히 크리프 파단 성능의 요구를 만족시키지 않는다는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 1에서는, 용접 후 열처리(PWHT) 조건이 700℃×26h로 저온·단시간이고, 또한 크리프 시험 조건이 538℃/207MPa로 저온·저응력이기 때문에, 작금의 시장 요구에 따르고 있지 않다. 특허문헌 2에서는, PWHT 조건이 740℃×1h로, 유지 온도가 고온인 한편, 유지 시간이 짧고, 또한 크리프 시험 조건이 600℃/140MPa로, 어느 시험 조건도 작금의 시장 요구에 따르고 있지 않다. 특허문헌 3에서는, PWHT 조건이 690℃×1h로, 유지 온도가 저온이며 유지 시간도 짧고, 또한 크리프 시험 조건이 600℃/140MPa로, 어느 시험 조건도 작금의 시장 요구에 따르고 있지 않다.

그리고, 이와 같이 Cr-Mo강 용접 금속의 크리프 파단 강도를 상승시키기 위한 선행기술로서는, V, Nb, Ta, W와 같은 강(强) 탄화물 형성 원소나 Co 등의 고용 강화 원소를, 주요 성분인 Cr-Mo계에 가산적으로 첨가하는 방법이 채용되어 왔다. 그러나 이러면, 충격 인성의 열화, 경도의 상승에 의한 내균열성의 열화를 초래한다.

본 발명은 이러한 문제점에 비추어 이루어진 것으로서, 우수한 크리프 성능과, 그것에 추종하는 여러 성능인 인성, 템퍼링 취화 특성, 내SR균열성 및 용접 작업성을 양립시키는 피복 아크 용접봉을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은 예의 검토한 결과, 이하의 사항을 발견했다.

본 발명자들은, 우수한 크리프 강도를 갖고, 또한 인성, 템퍼링 취화 특성, 내SR균열성이 우수한 2.25Cr-1Mo-V강 용착 금속의 형성에 있어서, 그 크리프 성능의 개선 수단으로서 (1) 탄화물의 석출 형태 제어, 및 (2) 마이크로 조직 제어라고 하는 착상을 얻었다.

2.25Cr-1Mo-V강 및 그 용착 금속의 마이크로 조직은 베이나이트 주체이며, 그 크리프 변형 거동은 주로, 전위(轉位)의 크리프 확산과, 구 γ 입계 및 결정립 내의 베이나이트 블록·패킷·라스 경계의 미끄럼이 지배적이라고 여겨지고 있다. 전자의 억제에는 전위의 크리프 확산을 저해하는 미세한 탄화물의 결정립 내로의 분산 석출이 유효하다. 한편으로, 후자의 억제에는 구 γ 입계에서의 미끄럼을 저해하는 탄화물의 분산 석출, 및 미끄럼 사이트의 저감, 즉 마이크로 조직의 조대화가 유효하다.

상기 (1)의 실현에는, 결정립 내에 우선적으로 미세한 탄화물을 형성하는 합금 원소의 첨가가 유효하며, 본원에서는 C 및 V에 주목했다. 이들 합금 원소는 피복 아크 용접봉을 구성하는 심선(心線) 및 피복제 중 어느 한쪽으로부터 첨가되어도 되고, 그 양쪽으로부터 첨가되어도 된다.

상기 (2)의 실현에는, 구 γ 입계에 우선적으로 탄화물을 형성하여 미끄럼을 저해하는 합금 원소의 첨가, 및 담금질성을 저하시키는 합금 원소의 첨가, 또는 담금질성을 증가시키는 합금 원소의 저감이 유효하며, 본원에서는 Cr 및 Mn에 주목했다. 특히, Cr을 적절히 저감함으로써, 열처리 시의 미세한 탄화물의 결정립 내로의 석출을 촉진시켜, 이 미세한 탄화물의 핀 정지 효과에 의해서 크리프 전위의 확산을 억제한다는 효과가 얻어지는 것을 발견했다. 이들 합금 원소의 첨가 방법은 위의 항과 마찬가지이다.

종래기술에 있어서는, 본원과 같이, 고강도 2.25Cr-1Mo-V강용의 용착 금속으로서, Cr이 낮은 범위에서 크리프 파단 강도가 비약적으로 개선되는, 즉, 합금 원소를 낮게 억제함으로써 크리프 파단 강도를 개선했다는 것과 같은 지견은 일절 시사되어 있지 않다.

또, 종래기술에 있어서 구성되는 어떠한 용접 재료도, 크리프 특성에 대하여 「PWHT 조건: 705℃×32h, 크리프 파단 시험 조건: 540℃/210MPa」이라는, 지금까지 유래를 볼 수 없는 엄격한 최근의 시장 요구를 만족시킬 수는 없다.

본 발명에 따른 피복 아크 용접봉은, 피복 아크 용접봉 전체 질량당, 피복제 중에, 금속 탄산염을 CO₂ 환산값으로 5∼10질량%, 알칼리 금속 산화물을 알칼리 금속 환산값으로 0.4∼2.0질량%, 불소 화합물을 F 환산값으로 1.0∼5.0질량% 포함하고, 피복 아크 용접봉의 심선 및 피복제 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 합계로, 피복 아크 용접봉 전체 질량당, C: 0.04∼0.15질량%, Si: 1.0∼1.5질량%, Mn: 0.7∼1.2질량%, Cr: 1.3∼1.9질량%, Mo: 0.5∼1.0질량%, V: 0.3∼0.5질량%, Nb: 0.02∼0.06질량%, B: 0.005∼0.015질량%, Mg: 0.05∼0.15질량%, Fe: 60∼75질량% 포함하고, 불가피 불순물로서, Cu, Ni, Ti, Al, Ta, Co 및 W의 총합이 0.10질량% 이하, S, Sn, As, Sb, Pb 및 Bi의 총합이 0.10질량% 이하인 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하면, 피복 아크 용접봉은, 피복제 중에 금속 탄산염을 소정량 함유함으로써, 용접 비드가 보호됨과 더불어, 아크 분위기 중의 수소 분압이 내려가서, 용착 금속 중의 확산성 수소량이 저감된다. 또한, 피복제 중에 알칼리 금속 산화물을 소정량 함유함으로써, 피복 아크 용접봉에 양호한 용접 작업성을 부여한다. 또한, 피복제 중에 불소 화합물을 소정량 함유함으로써, 비드 형상을 악화시킴이 없이 불소 화합물이 슬래그 형성제로서 작용한다.

또, 피복 아크 용접봉은, 피복 아크 용접봉의 심선 및 피복제 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 소정의 성분을 소정량 함유함으로써, 용접 금속의 크리프 파단 성능, 인성, 템퍼링 취화 특성, 내SR균열성이나, 용접 작업성이 향상된다. 한편, 용접 작업성이란, 아크 안정성, 스패터 발생량, 슬래그 박리성, 비드 친화성, 비드 외관 등의 관점에 기초하는 것이다.

본 발명에 따른 피복 아크 용접봉은, 피복 아크 용접봉의 심선 및 피복제 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 합계로, 피복 아크 용접봉 전체 질량당, C: 0.05∼0.10질량%, Si: 1.0∼1.3질량%, Mn: 0.8∼1.2질량%, Cr: 1.3∼1.9질량%, Mo: 0.5∼1.0질량%, V: 0.3∼0.5질량%, Nb: 0.02∼0.06질량%, B: 0.005∼0.015질량%, Mg: 0.05∼0.10질량%, Fe: 60∼75질량% 포함하고, 불가피 불순물로서, Cu, Ni, Ti, Al, Ta, Co 및 W의 총합이 0.10질량% 이하, S, Sn, As, Sb, Pb 및 Bi의 총합이 0.10질량% 이하인 것이 바람직하다.

이러한 구성에 의하면, 피복 아크 용접봉의 심선 및 피복제 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 함유되는 성분 범위를 더욱 한정함으로써, 용접 금속의 크리프 파단 성능, 인성, 템퍼링 취화 특성, 내SR균열성이나, 용접 작업성이 보다 향상되기 쉬워진다.

본 발명에 따른 피복 아크 용접봉에 의하면, 크리프 파단 성능, 인성, 템퍼링 취화 특성, 내SR균열성이 우수한 용접 금속을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 피복 아크 용접봉에 의하면, 용접 작업성이 우수하다.

도 1a는 본 발명의 실시예에 이용한 용접 시험체의 개선(開先) 형상을 나타내는 모식도이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 이용한 용접 시험체의 개선 형상을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 있어서의 PWHT 조건을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 있어서의 스텝 쿨링 처리 조건을 설명하는 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 있어서의 내SR균열성의 평가에서 사용하는 시험편에 대하여 설명하기 위한 모식도이다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 있어서의 내SR균열성의 평가에서 사용하는 시험편에 대하여 설명하기 위한 모식도이다.
도 4c는 본 발명의 실시예에 있어서의 내SR균열성의 평가에서 사용하는 시험편에 대하여 설명하기 위한 모식도이다.
도 4d는 본 발명의 실시예에 있어서의 내SR균열성의 평가에서 사용하는 시험편에 대하여 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 있어서의 내SR균열성의 평가의 SR 조건을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 피복 아크 용접봉은, 피복 아크 용접봉 전체 질량당, 피복제 중에, 금속 탄산염을 CO₂ 환산값으로 5∼10질량%, 알칼리 금속 산화물을 알칼리 금속 환산값으로 0.4∼2.0질량%, 불소 화합물을 F 환산값으로 1.0∼5.0질량% 포함하는 것이다.

또, 피복 아크 용접봉은, 피복 아크 용접봉의 심선 및 피복제 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 합계로, 피복 아크 용접봉 전체 질량당, C, Si, Mn, Cr, Mo, V, Nb, B, Mg, Fe를 소정량 포함하고, 불가피 불순물로서, Cu, Ni, Ti, Al, Ta, Co 및 W의 총합을 소정량 이하, S, Sn, As, Sb, Pb 및 Bi의 총합을 소정량 이하로 한 것이다.

이하, 각 구성에 대하여 설명한다.

[피복 아크 용접봉 전체 질량당, 피복제 중에, 금속 탄산염, 알칼리 금속 산화물, 불소 화합물 포함한다]

<금속 탄산염: CO₂ 환산값으로 5∼10질량%>

금속 탄산염은 아크열에 의해서 금속 산화물과 CO₂로 분해된다. 그리고 전자는 슬래그를 형성하여 용접 비드를 보호하고, 후자는 아크 분위기 중의 수소 분압을 내려 용착 금속 중의 확산성 수소량을 저감시키기 위해, 피복제 중에 첨가한다. 이 금속 탄산염은 MgCO₃이나, CaCO₃, BaCO₃, Na₂CO₃ 등, 특별히 한정되는 것은 아니다. 그러나, 그 함유량이 지나치게 적으면 슬래그 생성량이 부족하여 비드 외관이 열화될 뿐만 아니라, 용착 금속 중의 확산성 수소량이 증가하여 저온 균열 감수성이 증가한다. 특히, 본원이 대상으로 하는 고강도 2.25Cr-1Mo-V강과 같은 강도가 높은 강종에 대하여, 용착 금속 중의 확산성 수소량의 증가는 시공상 극히 큰 문제가 된다. 한편, 이들 금속 탄산염을 과잉으로 첨가하면, 용융 슬래그의 점도가 증가하여 용융 슬래그가 선행하기 쉬워지기 때문에, 용접 비드의 친화성이 악화되어, 슬래그 혼입 등의 용접 결함을 유발한다. 따라서, 피복 아크 용접봉 전체 질량당의 금속 탄산염의 함유량은, CO₂ 환산값으로 환산하여 5∼10질량%로 한다.

<알칼리 금속 산화물: 알칼리 금속 환산값으로 0.4∼2.0질량%>

알칼리 금속 산화물은 피복을 형성하는 바인더의 역할을 하고, 또한 심선으로 고착시키기 위해서 피복제 중에 첨가되는 물유리 중에 함유된다. 그 화학적 조성으로서 Na₂O나 K₂O, Li₂O 등을 들 수 있지만, 이들 알칼리 금속 산화물은 피복 아크 용접봉의 용접 작업성에도 영향을 준다. 이들 알칼리 금속 산화물이 지나치게 적어도 지나치게 많아도, 즉, 물유리 첨가량이 지나치게 적어도 지나치게 많아도 용접 작업성, 특히 아크 안정성에 악영향을 준다. 따라서, 피복 아크 용접봉 전체 질량당의 함유량은, 알칼리 금속 환산값으로 0.4∼2.0질량%로 한다.

<불소 화합물: F 환산값으로 1.0∼5.0질량%>

불소 화합물은 슬래그 형성제로서 피복제에 첨가한다. 이 불소 화합물은 BaF₂나, CaF₂, KF, NaF, AlF₃ 등으로 대표되는 금속 불화물뿐만 아니라, K₂SiF₆이나 PTFE로 대표되는 복합 금속 불화물이나 고분자 중합체 등, 특별히 한정되는 것은 아니다. 그러나, 그 함유량이 지나치게 적거나 또는 지나치게 많아도 비드 형상을 악화시킨다. 따라서, 피복 아크 용접봉 전체 질량당의 함유량은, F 환산값으로 1.0∼5.0질량%로 한다.

[피복 아크 용접봉의 심선 및 피복제 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 합계로, 피복 아크 용접봉 전체 질량당, 소정 원소를 소정량 포함한다]

<C: 0.04∼0.15질량%>

C는 용착 금속의 담금질성, 및 탄화물의 석출 형태에 큰 영향을 미친다. 용착 금속 중의 C량이 낮으면 베이나이트 변태 온도가 높아지기 때문에, 베이나이트 조직이 조대화되어, 인성 및 템퍼링 취화 특성을 저하시킨다. 또한, 탄화물의 석출량이 불충분해져, 크리프 파단 강도도 저하된다. 한편으로, C량이 과잉으로 높아지면, 탄화물의 석출량이 증가하여 크리프 강도가 상승하는 한편, 석출되는 탄화물의 조대화가 촉진되어, 인성 및 템퍼링 취화 특성이 저하될 뿐만 아니라, 고온 균열이나 저온 균열, SR 균열 등의 각종 균열 감수성을 높인다. 또한, 아크 안정성이 열화된다. 따라서, 피복 아크 용접봉 전체 질량당의 C량은 0.04∼0.15질량%로 한다. 바람직하게는, 하한은 0.05질량%이고, 상한은 0.10질량%이다.

<Si: 1.0∼1.5질량%>

Si는 용착 금속의 실온 강도를 확보함과 동시에, 용착 금속을 탈산·청정화하여 인성을 향상시키는 효과가 있다. 용착 금속 중의 Si량이 지나치게 낮으면 그 크리프 강도가 저하되고, 게다가 용착 금속 중의 산소량이 증가하여 조대한 산화물을 형성하기 때문에, 인성을 저하시킨다. 또한, 비드 친화성, 비드 외관이 열화된다. 한편으로, 과잉한 Si의 첨가는 템퍼링 취화 특성을 열화시킨다. 따라서, 피복 아크 용접봉 전체 질량당의 Si량은 1.0∼1.5질량%로 한다. 바람직하게는, 하한은 1.0질량%이고, 상한은 1.3질량%이다.

<Mn: 0.7∼1.2질량%>

Mn은 C에 이어서 용착 금속의 베이나이트 변태 온도를 내리는 원소이기 때문에, Mn의 첨가에 의해서 베이나이트 변태점을 저하시켜 미세 조직을 형성하여, 인성의 향상을 도모할 수 있다. 한편, 마이크로 조직의 미세화에 수반하는 미끄럼 사이트의 증가에 의해, 그 크리프 강도의 저하를 초래한다는 상반되는 효과가 있다. 또한, Mn은 Si와 마찬가지로, 용착 금속을 탈산·청정화하여 그 인성을 향상시키는 한편, 과잉한 첨가는 템퍼링 취화 특성을 저하시킨다. 따라서, 용착 금속의 인성·템퍼링 취화 특성과 크리프 파단 강도의 양립의 관점에서, 피복 아크 용접봉 전체 질량당의 Mn량은 0.7∼1.2질량%로 한다. 바람직하게는, 하한은 0.8질량%이고, 상한은 1.2질량%이다.

<Cr: 1.3∼1.9질량%>

Cr은, Mo, V와 함께 고강도 2.25Cr-1Mo-V강의 기본 성분이다. Cr은 구 γ 입계에 우선적으로 탄화물을 형성하여 실온 강도, 및 크리프 강도를 향상시키고, 또한 내식성을 향상시키기 위해서 필요 불가결한 성분이다. 본 발명자들의 연구에 의해, Cr의 저하는 미세한 탄화물의 석출을 촉진시키고, Cr의 증가는 조대한 탄화물의 석출을 촉진시키는 것이 분명해져 있다. 용착 금속 중의 Cr량이 지나치게 적으면, 미세한 탄화물이 과잉으로 석출되어 인성을 저하시킬 뿐만 아니라, 내SR균열성도 열화시킨다. 한편, Cr량이 많아지면, 석출되는 탄화물이 조대화되어 인성 및 크리프 강도를 저하시킬 뿐만 아니라, 불순물의 입계 편석을 촉진시켜 템퍼링 취화 특성 및 내SR균열성을 열화시킨다. 따라서, 피복 아크 용접봉 전체 질량당의 Cr량은 1.3∼1.9질량%로 한다.

<Mo: 0.5∼1.0질량%>

Mo는, Cr, V와 함께 고강도 2.25Cr-1Mo-V강의 기본 성분이다. Mo는 탄화물을 형성함과 더불어 모상 중에 고용되어, 그 실온 강도·크리프 파단 강도를 향상시킨다. 용착 금속 중의 Mo량이 지나치게 적으면, 탄화물 석출량, 및 모상 중으로의 고용량이 부족하여 크리프 파단 강도를 저하시킨다. 한편, Mo량이 많아지면, 탄화물량, 및 모상 중으로의 고용량이 과잉으로 증가해서 강도가 현저히 증가하여, 인성을 열화시킨다. 따라서, 피복 아크 용접봉 전체 질량당의 Mo량은 0.5∼1.0질량%로 한다.

<V: 0.3∼0.5질량%>

V는, Cr, Mo와 함께 고강도 2.25Cr-1Mo-V강의 기본 성분이다. V는 미세한 탄화물을 형성함으로써 전위의 크리프 확산을 저해하여, 실온 강도·크리프 파단 강도를 향상시킨다. 용착 금속 중의 V량이 지나치게 적으면 탄화물의 석출량이 부족하여 크리프 파단 강도를 저하시킨다. 한편, V량이 많아지면, 탄화물의 석출량이 과잉으로 증가하여, 인성, 템퍼링 취화 특성 및 내SR균열성을 저하시킨다. 또한, 아크 안정성, 스패터 발생량 및 비드 외관이 열화된다. 따라서, 피복 아크 용접봉 전체 질량당의 V량은 0.3∼0.5질량%로 한다.

<Nb: 0.02∼0.06질량%>

Nb는, V와 마찬가지로 미세 탄화물의 형성 경향이 강하여, 크리프 강도를 향상시킨다. 용착 금속 중의 Nb량이 지나치게 적으면, 탄화물의 석출량이 부족하여 크리프 강도를 저하시킨다. 한편, Nb량이 많아지면, 탄화물의 석출량이 과잉으로 증가하여, 인성, 템퍼링 취화 특성 및 내SR균열성을 저하시킨다. 또한, 스패터 발생량이 증가한다. 따라서, 피복 아크 용접봉 전체 질량당의 Nb량은 0.02∼0.06질량%로 한다.

<B: 0.005∼0.015질량%>

B는 미량의 첨가로 용착 금속의 담금질성을 높여, 그 조직을 미세화하여 인성을 향상시킴과 더불어, 크리프 강도도 향상시키는 효과가 있다. 용착 금속 중의 B량이 지나치게 적으면, 조직이 조대화되어 인성이 저하되고, 또한 크리프 파단 강도도 저하된다. 한편, B량이 많아지면, 내SR균열성을 현저히 저하시킨다. 따라서, 피복 아크 용접봉 전체 질량당의 B량은 0.005∼0.015질량%로 한다.

<Mg: 0.05∼0.15질량%>

Mg는 용착 금속을 탈산·청정화하여 인성을 향상시킴과 더불어, 용접 시의 아크 안정성·재아크성을 향상시킨다. 용착 금속 중의 Mg량이 지나치게 적으면, 용착 금속 중의 산소량이 증가해서 조대한 산화물을 형성하여, 그 인성이 저하됨과 더불어, 아크 안정성 및 스패터 발생량이 불량해진다. 한편, Mg량이 많아져도 아크 안정성, 스패터 발생량 및 비드 외관이 불량해진다. 따라서, 피복 아크 용접봉 전체 질량당의 Mg량은 0.05∼0.15질량%로 한다. 바람직하게는, 하한은 0.05질량%이고, 상한은 0.10질량%이다.

<Fe: 60∼75질량%>

Fe는 용착 금속을 구성하는 주성분이며, 주로 피복 아크 용접봉의 심선으로부터 첨가되지만, 피복제로부터 첨가되어도 된다. 특히, 피복제로부터 철 분말 또는 합금 철의 형태로 첨가됨으로써, 용착 효율을 높일 수 있다. 그 첨가량이 지나치게 적어도 지나치게 많아도, 다른 합금 성분의 첨가 효과가 충분히 얻어지지 않기 때문에, 피복 아크 용접봉 전체 질량당의 Fe량은 60∼75질량%로 한다. 또한 Fe는 그 첨가량이 60질량% 미만이면, 슬래그 박리성 및 비드 외관이 열화된다.

<불가피 불순물>

본 발명에 있어서는, 불가피 불순물로서, Cu, Ni, Ti, Al, Ta, Co 및 W의 총합이 0.10질량% 이하, S, Sn, As, Sb, Pb 및 Bi의 총합이 0.10질량% 이하이다.

Cu, Ni, Ti, Al, Ta, Co 및 W는 고용 강화 원소, 또는 탄질화물 형성 원소로서 용착 금속의 고강도화에 기여한다. 그러나, 본원에 있어서의 용접 재료의 설계상, 이들 원소는 불가피 불순물로서 용착 금속 중에 존재하여, 주요 합금 성분의 첨가 효과를 저해한다. 따라서, 이들의 총합은 0.10질량% 이하로 한다. 한편, 하한값으로서는 특별히 규정되는 것은 아니지만, 측정 한계로서 예컨대 0.03질량%이다.

Cu, Ni, Ti, Al, Ta, Co 및 W의 총합이 0.10질량%를 초과하면 스패터 발생량이 증가한다. 나아가, 1.00질량%를 초과하면 아크 안정성도 열화된다.

S, Sn, As, Sb, Pb 및 Bi는 불가피 불순물로서 용착 금속 중에 존재하여, 결정립계 강도를 저하시켜, 템퍼링 취화 특성이나 내SR균열성을 열화시킨다. 따라서, 이들의 총합은 0.10질량% 이하로 한다. 한편, 하한값으로서는 특별히 규정되는 것은 아니지만, 측정 한계로서 예컨대 0.01질량%이다.

실시예

이하, 본 발명의 효과를 설명하기 위해서, 본 발명의 범위에 들어가는 실시예와 본 발명의 범위로부터 벗어나는 비교예를 비교하여 설명한다.

[피복 아크 용접봉의 화학 성분]

피복 아크 용접봉은 솔리드 심선 및 피복제로 구성하고, 피복제의 질량(=피복률)은 피복 아크 용접봉 전체 질량에 대하여 25∼40질량%로 했다. 피복 아크 용접봉의 화학 조성을 표 1, 2에 나타낸다. 한편, 본 발명의 범위를 만족시키지 않는 것에 대해서는, 수치에 밑줄을 그어서 나타낸다.

[용접 조건]

본원의 실시예에 이용한 용접 시험체의 개선 형상을 도 1a에 나타낸다. 시험판으로는 ASTM A387. Gr.22강 등의 2.25Cr-1Mo강이나, 도 1b에 나타내는 바와 같이, 개선면을 공시재로 2∼3층 정도 버터링(buttering) 용접을 실시한 JIS G3106 SM490A강 등의 탄소강을 이용해도 된다. 어느 시험판을 이용해도 시험 결과는 동일하기 때문에, 본원의 실시예에 있어서는 공금(共金)계인 ASTM A387 Gr.22 Cl.2강을 이용했다. 시험판·백킹판의 판 두께는 20mm, 개선 형상은 20° V 개선, 루트 갭은 19mm로 했다. 용접 길이는 300mm∼600mm로 해서 1층 2패스의 진분(振分) 용접을 실시하고, 그 적층수는 8층 마무리로 했다.

다음으로, 용접 시험 시의 용접 조건을 표 3에 나타낸다. 피복 아크 용접봉을 이용한 용접 시의 전원 극성은 AC 또는 DCEP가 일반적이다. 그러나, 본원에 있어서의 용접 시험에서는 어느 전원 극성을 이용해도 용착 금속의 성능은 동등했으므로, 실시예 중에는 모두 AC 전원에 의한 시험 결과를 기재했다. 또한, Cr-Mo강용 피복 아크 용접봉의 심선 직경은 2.6, 3.2, 4.0, 5.0 및 6.0mmφ가 일반적이다. 그러나, 본원에 있어서의 용접 시험에서는 어느 심선 직경의 피복 아크 용접봉을 이용해도 용착 금속의 성능은 동등했으므로, 실시예 중에는 모두 5.0mmφ의 심선 직경의 피복 아크 용접봉에 의한 시험 결과를 기재했다. 또, 용접 자세는 하향으로 해서 용접 시험을 행했다.

[PWHT]

용접 시험재에 시공한 각종 PWHT 조건을 도 2에 나타낸다. PWHT의 강약은 Larson-Miller(라슨·밀러)의 열처리 파라미터(이하 [P]로 약기)의 개념을 도입함으로써, 정량화할 수 있다. [P]는 아래 식 1로 표시되고, 식 중의 T는 PWHT 온도(℃), t는 PWHT 시간(h)을 나타낸다.

즉, PWHT 온도가 높을수록, 또한 PWHT 시간이 길수록 [P]가 커져, 용착 금속은 보다 소둔된다. 특히, Cr-Mo강으로 대표되는 저합금 내열강의 강도를 확보하는 데 큰 역할을 하는 탄질화물의 응집·조대화가 진행되기 때문에, 그 강도는 저하된다. 한편으로, [P]가 커져, 용착 금속의 강도가 저하됨으로써 그 인성은 반비례적으로 향상된다. 그러나, 탄질화물의 응집·조대화가 과잉으로 진행되면, 이들 조대 탄질화물이 취성 파괴의 기점으로서 작용하여, 반대로 인성이 열화되는 경우도 있다. 또한, 강도 및 인성의 증감 경향은 [P]에 대하여 거의 선형적이고, 크리프 파단 강도로 대표되는 고온 강도도 마찬가지의 경향을 나타낸다.

본원에서 대상으로 하는 PWHT 조건은 (1) 705(±15)℃×8(±1)h, 및 (2) 705(±15)℃×32(±1)h이고, 그 [P]의 범위는 각각 (1) 20.07∼20.81, 및 (2) 20.70∼21.37이 된다.

또한, 용착 금속의 템퍼링 취화 특성를 평가함에 있어서는, 후술하는 Step cooling(스텝 쿨링(S.C.), 도 3)으로 불리는, 특수한 취화 촉진 열처리를 실시한 시험재를 이용했다.

여기에서,

Min.PWHT(703℃×8h): 샤르피 충격 시험(도 2의 (a) 조건)

Min.PWHT(703℃×8h)+S.C.: 샤르피 충격 시험(템퍼링 취화 특성 평가용)

Max.PWHT(708℃×32h): 크리프 파단 시험(도 2의 (b) 조건)

이다.

<스텝 쿨링>

다음으로, 스텝 쿨링에 대하여 설명한다. 도 3에, 스텝 쿨링의 처리 조건을 설명하기 위한, 세로축을 온도, 가로축을 시간으로 하는 그래프를 나타낸다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 스텝 쿨링은 공시재를 가열하고, 공시재의 온도가 300℃를 초과하면, 승온 속도가 50℃/h 이하가 되도록 가열 조건을 조정하여, 공시재의 온도가 593℃에 도달할 때까지 가열했다. 그리고, 593℃에서 1시간 유지한 후, 냉각 속도 6℃/h로 538℃까지 공시재를 냉각하여 15시간 유지하고, 동일 냉각 속도로 523℃까지 냉각하여 24시간 유지하고, 추가로 동일 냉각 속도로 495℃까지 냉각하여 60시간 유지했다. 다음으로, 냉각 속도 3℃/h로 468℃까지 공시재를 냉각하여 100시간 유지했다. 그리고, 공시재의 온도가 300℃ 이하가 될 때까지, 냉각 속도가 28℃/h 이하가 되도록 공시재를 냉각했다. 한편, 이 처리에 있어서, 공시재의 온도가 300℃ 이하인 온도역에서는, 승온 속도 및 냉각 속도는 규정하지 않는다.

[인성·템퍼링 취화 특성(샤르피 충격 시험)]

용착 금속의 인성·템퍼링 취화 특성을 평가함에 있어서, PWHT 조건을 703℃×8h, 및 703℃×8h+스텝 쿨링으로 한 양 시험재로부터 ISO 148-1 준거의 2mm-V 노치의 샤르피 충격 시험편을 채취하여, 20, 0, -18, -30, -50, -70, -90℃의 각 온도에서 3개씩 샤르피 충격 시험을 실시했다. 다음으로, 각 온도에서의 시험값을 윤활하게 통과하는 상호의 천이 곡선으로부터, 54J을 나타내는 샤르피 천이 온도(이하 vTr54 및 vTr'54로 표기)를 결정하여, 스텝 쿨링에 의한 vTr54의 변동량(=vTr'54-vTr54, 이하 ΔvTr54로 표기)을 취화량으로서 산출했다.

용접 금속의 템퍼링 취화 감수성은 vTr54 및 ΔvTr54의 양자로부터 종합적으로 판단된다. 여기에서, vTr54에 ΔvTr54를 3배한 값을 더한 값(=vTr54+3ΔvTr54)을 템퍼링 취화 특성값으로 정의했다. 이는, 스텝 쿨링이 가속 시험이며, 실기 가동 연수가 수십 년인 것을 고려해, 실기 용착 금속에 있어서는 스텝 쿨링에 의한 취화량의 3배의 취화를 일으키는 것으로 간주하여, 장기간의 가동을 거친 용착 금속이 54J을 나타내는 샤르피 천이 온도를 개산(槪算)하기 위한 것으로, ΔvTr54의 계수(본원의 경우, 3)도, 크리프 성능과 동일하게, 1.5→2.0→2.5→3.0으로 해마다 엄격화되는 경향이 있고, 계수 3은 실질 지근(至近)의 요구에 있어서 가장 엄격한 것이다. 취화량(=ΔvTr54)이 작더라도, vTr54가 큰 경우는 vTr54+3ΔvTr54도 커지기 때문에, 고위로 안정된 용접 품질이 요구되는 당해 용착 금속의 적용 개소로서 바람직하지 않다. 한편, PWHT 후의 인성(=vTr54)이 우수하더라도, 취화량(=ΔvTR54)이 큰 경우는 역시 vTr54+3ΔvTr54가 커져, 마찬가지의 이유로 바람직하지 않다.

본 실시예에 있어서, 인성은 -30℃에서의 충격값의 3점 평균(이하 vE-30℃로 표기)이 100J 이상인 것을 ◎, 80J 이상 100J 미만인 것을 ○, 80J 미만인 것을 ×로 평가했다.

취화량에 관해서는, ΔvTr54가 5℃ 이하인 것을 ◎, 5℃를 초과하고 11℃ 미만인 것을 ○, 11℃ 이상인 것을 ×로 평가했다.

템퍼링 취화 특성값에 관해서는, vTr54+3ΔvTr54가 -30℃ 이하인 것을 ◎, -30℃를 초과하고 0℃ 이하인 것을 ○, 0℃를 초과하는 것을 ×로 평가했다.

여기에서,

vTr54: PWHT 후에 54J을 나타내는 샤르피 천이 온도(℃)

vTr' 54: PWHT+스텝 쿨링 후에 54J을 나타내는 샤르피 천이 온도(℃)

ΔvTr54(=vTr'54-vTr54): 스텝 쿨링에 의한 취화량(℃)

vTr54+3ΔvTr54: 템퍼링 취화 특성(℃)

이다.

[크리프 파단 시험]

PWHT 조건을 708℃×32h로 한 용접 시험재로부터 ISO 204 준거의 크리프 파단 시험편을 채취하고, 시험 온도를 540℃, 부하 응력을 210MPa로 해서 크리프 파단 시험을 실시하여, 그 파단 시간을 조사했다. 본 실시예에 있어서, 파단 시간(이하 Tr로 표기)이 1500h 이상인 것을 ◎, 1500h 미만 1000h 이상인 것을 ○, 1000h 미만인 것을 ×로 평가했다.

[내SR균열성 평가 시험(링 균열 시험)]

Cr-Mo강을 비롯한 저합금 내열강제 압력 용기의 제작 시에는, PWHT의 시공 이전에, 제작 중의 구조물의 잔류 응력 저감을 주된 목적으로 해서, 종종 SR(Stress relief: 응력 제거 소둔)이 시공된다. 이 SR 시에 구 γ 입계에서 발생하는 것이 SR 균열이다. SR 균열은, SR에 의한 결정립 내에서의 탄화물의 석출, 및 구 γ 입계에서의 불순물의 편석의 양자가 중첩되는 것에 의해 결정립 내와 구 γ 입계 계면에 과잉한 강도차가 생겨, 상대적으로 약화된 구 γ 입계가 잔류 응력에 저항할 수 없게 됨으로써 발생한다.

본원에 있어서의 용착 금속의 내SR균열성 평가에는, 링 균열 시험으로 불리는 시험 방법을 적용했다. U 홈(U 노치) 및 슬릿(슬릿 폭: 0.3mm)을 가진 링 형상 시험편을 용접한 채로의 용접 시험재의 도 4a에 나타내는 위치(=U 노치 직하가 최종 패스 원질부가 되는 위치)로부터 채취했다. 시험수는 2개이다. 시험편의 형상을 도 4b에 나타낸다.

도 4c에 나타내는 바와 같이, 슬릿을 약 0.05mm까지 죈 상태로 슬릿을 TIG 용접하여, U 홈 직하에 잔류 응력을 부하했다. 다음으로, TIG 용접 후의 시험편에 도 5에 나타내는 조건의 SR(625℃×10h)을 실시한 후, 도 4d에 나타내는 바와 같이, 시험편을 길이 방향으로 3분할하고, 각 단면의 노치 직하를 관찰하여, 구 γ 입계에서의 SR 발생의 유무를 관찰했다. 관찰을 행한 6단면(=관찰면 3×시험수 2) 중, SR 균열의 발생이 보이지 않는 것을 ◎, SR 균열 발생 개수가 1∼2단면인 것을 ○, 3단면 이상인 것을 ×로 평가했다.

[용접 작업성]

표 2에 나타내는 용접 조건 하에서 용접 시험을 실시했을 때의 용접 작업성을 관능적으로 평가했다. 첫째로, 「아크 안정성」에 대하여, 아크의 플러터링 경향이 약한 것을 ◎, 약간 약한 것을 ○, 강한 것을 ×로 평가했다. 둘째로, 「스패터 발생량」에 대하여, 스패터 발생 경향이 약한 것을 ◎, 약간 약한 것을 ○, 강한 것을 ×로 평가했다. 셋째로, 「슬래그 박리성」에 대하여, 슬래그 박리가 용이한 것을 ◎, 비교적 용이한 것을 ○, 곤란한 것을 ×로 평가했다. 넷째로, 「비드 친화성」에 대하여, 비드 지단(止端)으로의 슬래그 혼입 경향이 극히 약한 것을 ◎, 약한 것을 ○, 강한 것을 ×로 평가했다. 다섯째로, 「비드 외관」에 대하여, 비드의 물결이 극히 미려하고 평활한 것을 ◎, 미려하고 평활한 것을 ○, 물결이 거칠고 요철이 심한 것을 ×로 평가했다.

이들의 결과를 표 4에 나타낸다.

표 4에 나타내는 바와 같이, No. 1∼10은 본 발명의 범위를 만족시키기 때문에, 모든 평가 항목에서 양호한 결과가 얻어졌다.

한편, No. 11∼40은, 본 발명의 범위를 만족시키지 않기 때문에, 이하의 결과가 되었다.

No. 11∼16은, 금속 탄산염을 CO₂ 환산값, 알칼리 금속 산화물을 알칼리 금속 환산값, 불소 화합물을 F 환산값 중 어느 것이 본 발명의 범위를 벗어나기 때문에, 용접 작업성이 뒤떨어졌다. No. 17은 C 함유량이 하한값 미만이기 때문에, 인성, 취화량, 템퍼링 취화 특성, 크리프 파단 성능의 평가가 나빴다. No. 18은 C 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 인성, 취화량, 템퍼링 취화 특성, 내SR균열성, 용접 작업성의 평가가 나빴다.

No. 19는 Si 함유량이 하한값 미만이기 때문에, 인성, 취화량, 크리프 파단 성능, 용접 작업성의 평가가 나빴다. No. 20은 Si 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 취화량, 템퍼링 취화 특성의 평가가 나빴다. No. 21은 Mn 함유량이 하한값 미만이기 때문에, 인성의 평가가 나빴다. No. 22는 Mn 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 취화량, 템퍼링 취화 특성, 크리프 파단 성능의 평가가 나빴다. No. 23은 Cr 함유량이 하한값 미만이기 때문에, 인성, 내SR균열성의 평가가 나빴다. No. 24는 Cr 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 인성, 취화량, 템퍼링 취화 특성, 크리프 파단 성능, 내SR균열성의 평가가 나빴다.

No. 25는 Mo 함유량이 하한값 미만이기 때문에, 크리프 파단 성능의 평가가 나빴다. No. 26은 Mo 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 인성의 평가가 나빴다. No. 27은 V 함유량이 하한값 미만이기 때문에, 크리프 파단 성능의 평가가 나빴다. No. 28은 V 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 인성, 템퍼링 취화 특성, 내SR균열성, 용접 작업성의 평가가 나빴다. No. 29는 Nb 함유량이 하한값 미만이기 때문에, 크리프 파단 성능의 평가가 나빴다. No. 30은 Nb 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 인성, 취화량, 템퍼링 취화 특성, 내SR균열성, 용접 작업성의 평가가 나빴다.

No. 31은 B 함유량이 하한값 미만이기 때문에, 인성, 크리프 파단 성능의 평가가 나빴다. No. 32는 B 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 내SR균열성의 평가가 나빴다. No. 33은 Mg 함유량이 하한값 미만이기 때문에, 인성, 용접 작업성의 평가가 나빴다. No. 34는 Mg 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 용접 작업성의 평가가 나빴다. No. 35는 Fe 함유량이 하한값 미만이기 때문에, 인성, 템퍼링 취화 특성, 크리프 파단 성능, 용접 작업성의 평가가 나빴다. No. 36은 Fe 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 인성, 취화량, 템퍼링 취화 특성, 크리프 파단 성능의 평가가 나빴다.

No. 37은 Cu, Ni, Ti, Al, Ta, Co 및 W의 총합이 상한값을 초과하기 때문에, 인성, 크리프 파단 성능, 용접 작업성의 평가가 나빴다. No. 38은 Cu, Ni, Ti, Al, Ta, Co 및 W의 총합이 상한값을 초과하기 때문에, 인성, 취화량, 템퍼링 취화 특성, 크리프 파단 성능, 내SR균열성, 용접 작업성의 평가가 나빴다. No. 39는 S, Sn, As, Sb, Pb 및 Bi의 총합이 상한값을 초과하기 때문에, 취화량, 템퍼링 취화 특성, 내SR균열성의 평가가 나빴다. No. 40은 S, Sn, As, Sb, Pb 및 Bi의 총합이 상한값을 초과하기 때문에, 취화량, 템퍼링 취화 특성, 내SR균열성의 평가가 나빴다.

이상, 본 발명에 대하여 실시형태 및 실시예를 나타내어 상세히 설명했지만, 본 발명의 취지는 상기한 내용에 한정됨이 없고, 그 권리범위는 특허청구범위의 기재에 기초하여 넓게 해석해야 한다. 한편, 본 발명의 내용은, 상기한 기재에 기초하여 폭넓게 개변·변경 등을 하는 것이 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.

Claims

피복 아크 용접봉 전체 질량당, 피복제 중에, 금속 탄산염을 CO₂ 환산값으로 5∼10질량%, 알칼리 금속 산화물을 알칼리 금속 환산값으로 0.4∼2.0질량%, 불소 화합물을 F 환산값으로 1.0∼5.0질량% 포함하고,
피복 아크 용접봉의 심선 및 피복제 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 합계로, 피복 아크 용접봉 전체 질량당, C: 0.04∼0.15질량%, Si: 1.0∼1.5질량%, Mn: 0.7∼1.2질량%, Cr: 1.3∼1.9질량%, Mo: 0.5∼1.0질량%, V: 0.3∼0.5질량%, Nb: 0.02∼0.06질량%, B: 0.005∼0.015질량%, Mg: 0.05∼0.15질량%, Fe: 60∼75질량% 포함하고, 불가피 불순물로서, Cu, Ni, Ti, Al, Ta, Co 및 W의 총합이 0.10질량% 이하, S, Sn, As, Sb, Pb 및 Bi의 총합이 0.10질량% 이하인 것을 특징으로 하는 피복 아크 용접봉.
제 1 항에 있어서,
상기 피복 아크 용접봉의 심선 및 피복제 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 합계로, 피복 아크 용접봉 전체 질량당, C: 0.05∼0.10질량%, Si: 1.0∼1.3질량%, Mn: 0.8∼1.2질량%, Cr: 1.3∼1.9질량%, Mo: 0.5∼1.0질량%, V: 0.3∼0.5질량%, Nb: 0.02∼0.06질량%, B: 0.005∼0.015질량%, Mg: 0.05∼0.10질량%, Fe: 60∼75질량% 포함하고, 불가피 불순물로서, Cu, Ni, Ti, Al, Ta, Co 및 W의 총합이 0.10질량% 이하, S, Sn, As, Sb, Pb 및 Bi의 총합이 0.10질량% 이하인 것을 특징으로 하는 피복 아크 용접봉.