극저온용 연료 및 저장탱크 제작 소재로 널리 사용되는 9% Ni강, 304 및 316계 스테인리스강 및 Al 5083 합금 등을 대체 할 수 있는 극저온용 오스테나이트계 고망간강이 최근에 개발되었다. 개발된 고망간강을 활용하여 LNG 연료 및 저장탱크를 제작하기 위해서는 고망간강에 적합한 용접재료 개발이 필요하게 되며 이에 대한 개발 요구와 관심이 집중되고 있다. 기존에 상용화 되어진 고망간계 용접재료로는 수동 SMAW (Shield Metal ...
극저온용 연료 및 저장탱크 제작 소재로 널리 사용되는 9% Ni강, 304 및 316계 스테인리스강 및 Al 5083 합금 등을 대체 할 수 있는 극저온용 오스테나이트계 고망간강이 최근에 개발되었다. 개발된 고망간강을 활용하여 LNG 연료 및 저장탱크를 제작하기 위해서는 고망간강에 적합한 용접재료 개발이 필요하게 되며 이에 대한 개발 요구와 관심이 집중되고 있다. 기존에 상용화 되어진 고망간계 용접재료로는 수동 SMAW (Shield Metal ArcWelding)용 용접재료가 있으나, 사용 용도가 Hadfield 강 등 내마모 육성용에 국한되어 사용되고 있고 특히 극저온 인성을 만족하지 못하므로 극저온용 고망간강 용접재료는 전무한 실정이다. 9% Ni강 등 기존 극저온용으로 사용되는 용접재료로 Inconel 및 Hastelloy 계열의 Ni기 용접재료가 상용화되어 있다. 이러한 Ni기 용접재료의 경우 Ni에 기인한 높은 점성 (viscosity)으로 인해 고망간강 용접 중 발생된 기체가 응고과정에서 용탕 밖으로 빠져나오지 못하고 기공 등 결함으로 존재하게 됨과 동시에, 모재가 함유한 탄소가 용접재료에 다량 함유되어 있는 Cr, Mo 등 탄화물 형성원소와 반응하여 입계를 따라 다량으로 탄화물을 석출하기 때문에 균열 등 용접성에 문제점이 나타나 극저온 용접재료로 사용하는 것에는 한계를 가지게 된다. 이러한 현실적인 한계를 바탕으로 극저온용 고망간강 용접은 기존 용접재료를 사용하는 것이 불가능하므로, 새로운 개념의 극저온 고망간강용 용접재료의 개발이 필요하게 되었고, 특히 국내 극저온용 LNG 탱크 제작시 주로 적용되는 용접기법인 플럭스 코어드 아크 용접 (Flux cored Arc Welding, 이하 FCAW)용 용접재료의 개발이 우선적으로 필요하게 되었다. 따라서 본 연구에서는 극저온용 고망간강용 FCAW 용접재료의 개발에 필요한 연구로서, 고망간강용 성분계로 활용되는 C의 첨가량 변화 및 오스테나이트 안정화 원소인 Ni 첨가 시 Scheaffler diagram에서 오스테나이트 안정화에 필요한 기초 성분계 도출을 진행하였으며, 모재 성분을 기본으로 최종 성분계를 도출함과 동시에 전자세 용접이 가능하도록 루타일 (TiO2)을 기본으로 하는 용접재료를 개발하여 평가를 진행하였다. 이를 통해 오스테나이트 안정화 원소인 C, Mn과 Ni의 첨가 시 용접이음부의 상온강도 및 극저온 인성의 변화를 연구하였다. 일반적으로 용접이음부의 성분에 따른 조직의 변화는 Schaeffler diagram을 통해서 미세조직을 예상할 수 있지만, 실제 Mn이 다량 첨가되는 경우에는 기존의 Ni당량에 따른 생성 미세조직과는 차이가 있음을 확인할 수 있었다. R.L. Klueh 등은 Mn첨가 시 변형된 Schaeffler diagram을 발표하였으나, 본 연구에서는 이 역시 일치하지 않음을 확인하였으며, 최종적으로는 Ni당량이 20이상을 갖는 성분계로 Ni을 적정량 첨가한 용접재료가 우수한 성질을 나타내어 모재성분과 유사한 성분계를 갖는 용접재료 설계를 진행하였다. 상기 용접재료로 용접부를 평가한 결과 Cu가 소량 첨가된 용접재료를 사용한 용접 시 최종 응고단계에서 Cu가 산화 및 정편석에 기인하여, 최종적으로 Cu2O에 의한 액화 균열을 조장해 용접부 인장강도와 항복강도, 연신율과 같은 기계적성질에 영향을 주었다. 따라서 기존 성분계 중 Cu를 제거한 용접재료를 제조하여 평가를 진행하였으며, 그 결과는 목표하는 인장강도 및 극저온 인성 모두를 만족함을 확인 할 수 있었다. C-Mn-Ni계 FCAW용 용접재료를 이용한 다층 용접에서의 응고 조직과 결정학적 방향을 갖는 초층 용접부의 미세조직과 경도변화를 연구하였다. 초층 용접부에서 결정립의 결정방위는 (001), (101), (111) 순으로 편석이 증가하였고 결정립에서의 편석이 증가함에 따라 덴드라이트 코어 부분의 오스테나이트 안정도는 반대로 감소하게 되므로 경도치는(001), (101), (111) 결정방위 순으로 증가하였다.
극저온용 연료 및 저장탱크 제작 소재로 널리 사용되는 9% Ni강, 304 및 316계 스테인리스강 및 Al 5083 합금 등을 대체 할 수 있는 극저온용 오스테나이트계 고망간강이 최근에 개발되었다. 개발된 고망간강을 활용하여 LNG 연료 및 저장탱크를 제작하기 위해서는 고망간강에 적합한 용접재료 개발이 필요하게 되며 이에 대한 개발 요구와 관심이 집중되고 있다. 기존에 상용화 되어진 고망간계 용접재료로는 수동 SMAW (Shield Metal Arc Welding)용 용접재료가 있으나, 사용 용도가 Hadfield 강 등 내마모 육성용에 국한되어 사용되고 있고 특히 극저온 인성을 만족하지 못하므로 극저온용 고망간강 용접재료는 전무한 실정이다. 9% Ni강 등 기존 극저온용으로 사용되는 용접재료로 Inconel 및 Hastelloy 계열의 Ni기 용접재료가 상용화되어 있다. 이러한 Ni기 용접재료의 경우 Ni에 기인한 높은 점성 (viscosity)으로 인해 고망간강 용접 중 발생된 기체가 응고과정에서 용탕 밖으로 빠져나오지 못하고 기공 등 결함으로 존재하게 됨과 동시에, 모재가 함유한 탄소가 용접재료에 다량 함유되어 있는 Cr, Mo 등 탄화물 형성원소와 반응하여 입계를 따라 다량으로 탄화물을 석출하기 때문에 균열 등 용접성에 문제점이 나타나 극저온 용접재료로 사용하는 것에는 한계를 가지게 된다. 이러한 현실적인 한계를 바탕으로 극저온용 고망간강 용접은 기존 용접재료를 사용하는 것이 불가능하므로, 새로운 개념의 극저온 고망간강용 용접재료의 개발이 필요하게 되었고, 특히 국내 극저온용 LNG 탱크 제작시 주로 적용되는 용접기법인 플럭스 코어드 아크 용접 (Flux cored Arc Welding, 이하 FCAW)용 용접재료의 개발이 우선적으로 필요하게 되었다. 따라서 본 연구에서는 극저온용 고망간강용 FCAW 용접재료의 개발에 필요한 연구로서, 고망간강용 성분계로 활용되는 C의 첨가량 변화 및 오스테나이트 안정화 원소인 Ni 첨가 시 Scheaffler diagram에서 오스테나이트 안정화에 필요한 기초 성분계 도출을 진행하였으며, 모재 성분을 기본으로 최종 성분계를 도출함과 동시에 전자세 용접이 가능하도록 루타일 (TiO2)을 기본으로 하는 용접재료를 개발하여 평가를 진행하였다. 이를 통해 오스테나이트 안정화 원소인 C, Mn과 Ni의 첨가 시 용접이음부의 상온강도 및 극저온 인성의 변화를 연구하였다. 일반적으로 용접이음부의 성분에 따른 조직의 변화는 Schaeffler diagram을 통해서 미세조직을 예상할 수 있지만, 실제 Mn이 다량 첨가되는 경우에는 기존의 Ni당량에 따른 생성 미세조직과는 차이가 있음을 확인할 수 있었다. R.L. Klueh 등은 Mn첨가 시 변형된 Schaeffler diagram을 발표하였으나, 본 연구에서는 이 역시 일치하지 않음을 확인하였으며, 최종적으로는 Ni당량이 20이상을 갖는 성분계로 Ni을 적정량 첨가한 용접재료가 우수한 성질을 나타내어 모재성분과 유사한 성분계를 갖는 용접재료 설계를 진행하였다. 상기 용접재료로 용접부를 평가한 결과 Cu가 소량 첨가된 용접재료를 사용한 용접 시 최종 응고단계에서 Cu가 산화 및 정편석에 기인하여, 최종적으로 Cu2O에 의한 액화 균열을 조장해 용접부 인장강도와 항복강도, 연신율과 같은 기계적성질에 영향을 주었다. 따라서 기존 성분계 중 Cu를 제거한 용접재료를 제조하여 평가를 진행하였으며, 그 결과는 목표하는 인장강도 및 극저온 인성 모두를 만족함을 확인 할 수 있었다. C-Mn-Ni계 FCAW용 용접재료를 이용한 다층 용접에서의 응고 조직과 결정학적 방향을 갖는 초층 용접부의 미세조직과 경도변화를 연구하였다. 초층 용접부에서 결정립의 결정방위는 (001), (101), (111) 순으로 편석이 증가하였고 결정립에서의 편석이 증가함에 따라 덴드라이트 코어 부분의 오스테나이트 안정도는 반대로 감소하게 되므로 경도치는(001), (101), (111) 결정방위 순으로 증가하였다.
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