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문제 정의
- 23 wt.%까지 변화시킨 시험 용해강을 제 조하여 급열, 급랭에 의해서 비평형 응고가 일어나는 용접부의 제 특성 , 응고, 조직분포 및 용접균열 감수성 에 미치는 질소의 영향을 규명하고자 하였다.
제안 방법
- Varestraint 시험에서 고려할 수 있는 균열 감수성 지수는 TCL, MCL(Maximum Crack Length), ACL (Average Crack Length) 등여러 가지가 있지 만 본 연구에서는 용접부의 응고균열 감수성을 평가하 기 위하여 TCL을 사용하였다.
- 1은 Varestraint 시험방법을 보여주고 있다. 소재의 균열 감수성은 TCL(Total Crack Length)를 이용하여 평가하였는데 균열 길이는 균열부위를 stereoscope를 이용, 배율 25배의 사진을 촬영하여 tracing paper에 옮겨 그린 후 영 상분석 기 (image analyzer) 를 이용하여 측정하였다.
- 용접부의 응고균열 감수성은 현재 가장 범용적으로 이용되고 있는 Varestraint 시험을 실시하여 평가하 였으며 GTA 용접시의 용접조건은 용접전류 120 - 150A, 용접속도 200 - 300mm/min.의 범위에서 조 절하여 용입 깊이가 판 두께의 1/2 정도가 되도록 하 였고 보호가스로는 순 Ar을 이용하였다.
- 용접부의 초정 응고양식과 상온 조직은 용접된 시편 의 단면과 윗면을 SiC paper로 연마한 후 질산 용액 을 이용해 전해에칭하거나 혼합용액 (mixed acid, 1/3 nitric acid +1/3 sulphuric acid+1/3 acetic acid)을 이용하여 에칭한 후 광학 현미경, SEM (Scanning Electron Microscope)를 이용하여 조사 하였으며 성분원소의 재배치 및 편석은 EPMA (Electron Probe Micro-Analysis) 또는 EDS (Energy Disperse Spectrum)을 이용하여 즉정하 였다.
대상 데이터
- 본 연구에 이용된 강종은 진공 용해에 의해 질소함 량을 변화시켜 제조한 시험 용해강 8강종이었으며 Table 1에 시험재의 화학조성을 나타내었다. N11- N13은 304N1 계를, N21-N25강은 304N2계를 기 본 성분계로 하고 질소함량을 0.
- 시 험재의 Creq/Nieq비는 Hammar & Svensson의 식12) 을 이용하여 계산하였다. 시험재는 진공 유도용해로 를 이용하여 무게 25kg의 잉고트를 제조한 후 두께 약 3.8mm의 판재로 열간 압연하였으며 열간 압연된 판재는 용체화 처리, 산세처리를 한 후 시험편으로 사 용하였다.
이론/모형
- %까지 변화시킨 강종으로서 304N2계는 304N1계에 비해 망간의 함량이 높은 성분계이다. 시 험재의 Creq/Nieq비는 Hammar & Svensson의 식12) 을 이용하여 계산하였다. 시험재는 진공 유도용해로 를 이용하여 무게 25kg의 잉고트를 제조한 후 두께 약 3.
성능/효과
- 048wt.%인 Nil강은 본 연구에서 가한 최 대 변형량인 4.8%에서도 TCL이 1.0mm이하이었으 며 , N함량이 0.16%로 증가하면 동일 변형량에서 TCL이 약 3.5mm까지 증가하였다. 그러나 질소함량 이 0.
- 1) 질소함량이 증가함에 따라 용접부의 초정 응고양식 은 초정 페라이트에서 초정 오스테나이트로 변하였다. 질소함량 0.
- 2) 용접부 응고mode는 모재 및 용접재료의 화학조성 즉, Creq, Nieq에 의해 결정되는데 304강 성분계의 경 우, Nieq에 미치는 질소의 영향은 최소한 Hammar & Svensson식의 질소계수 14.2 보다는 큰 것으로 판단 되었다.
- 3) 용접부 조직 측면에서는 질소함량이 증가함에 따라 잔류 페라이트의 함량이 감소하였으며 페라이트의 형 상도 괴상, 침상 (acicular), lathy, vermicular, eutectic 페라이트로 바뀌었다. 또한 고질소강 HAZ 에서는 입자 조대화 현상이 관찰되었는데 이 같은 입 자 조대화 현상은 질소함량 약 0.
- 4) 질소 함유량이 증가함에 따라 응고균열 감수성이 증가하였는데 질소함량 0.20 wt.% 이하에서는 균열 감수성이 완만히 증가하였으나 0.
- Fig. 10, 11에 나타낸 고온균열시험 결과를 용접부 응고양식 및 조직분포와 연결하여 고려해 보면 용접부 조직이 이상 조직을 나타내는 경우 즉, 초정 페라이트 로 응고한 경우에는 질소함량의 증가에 따른 균열 감 수성의 증가가 완만하였으나 초정 응고양식이 오스테 나이트로 바뀌게 되면 균열 감수성이 급격히 증가하였 는데 초정 오스테나이트로 응고하더라도 용접부에 소 량의 공정 페라이트가 존재하게 되면 즉, mode AF로 응고되는 경우에는 질소함량이 증가하더라도 균열 감 수성 증가의 정도는 작게 나타났다. 질소함량 측면에 서 재정리해 보면 초정 페라이트로 응고하는(mode F 또는 FA) 질소함량 0.
- 4에 나타내었다. Fig. 4에서 알 수 있듯이 N12, N24강의 용접부에서는 델타 페라이트가 수지상 입계에 위치하고 있어 용접부가 초정 오스테나이 트로 응고하였음을 알 수 있 으며 수지상 중심에 위치한 델타 페라이트도 일부 관 찰되었으나 전체적으로 초정 오스테나이트로 응고한 영역이 더 넓게 나타났다.
- 응 고 균열은 용접부의 조직에 관계없이 가장 늦게 응고 하는 응고결정립계 또는 아결정립계를 따라 발생, 전 파하였다. N25강 용접부에서는 서로 다른 결정 방위 를 가진 셀 또는 셀형 수지상 군들의 경계를 따라 균열 이 전파하고 있어 응고균열의 발생 및 전파가 응고결 정립계를 따르고 있음을 쉽게 확인할 수 있었으며 오 스테나이트 기지에 공정 페라이트가 혼재해 있는 N24 강 용접부에서도 균열 감수성은 훨씬 낮았지만 균열의 전파는 응고결정립계를 따르고 있음을 확인할 수 있었 다. 또한 고질소강의 Varestraint 시험편에서는 Fig.
- 본 연구에서 이용한 소재들은 NbC, TiC 등의 안정된 탄화물을 다량 함유하는 성분 계가 아니기 때문에 전술한 기구들중에서 입계 스위핑 또는 파이프라인 확산에 의해서 균열이 발생하는 것으 로 생각된다. Varestraint 시험으로도 HAZ 액화균열 감수성의 평가가 가능하나 균열 자체가 매우 작고 균열 감수성 측정시 상당한 오차를 함유할 위험이 있기 때문에 본 연구에서는 HAZ 액화균열 감수성은 평가 하지 않았으나 HAZ 액화균열은 주로 고질소강, 높은 변형량의 조건에서 발생하였다.
- 06의 범위로서 전 강종 모두 mode FA 또는 F 즉, 초정 페라이트 응고범위 에 포함됨을 알 수 있다. 그러 나 실제로 시험 용해강들의 용접부 조직을 관찰해 본 결과 저질소강은 초정 페라이트로 응고하였지만 고질 소강은 Cieq/Nieq비가 초정 페라이트 응고의 영역임에 도 불구하고 초정 오스테나이트로 응고되어 초정 오스 테나이트/초정 페라이트 응고의 경계 Cieq/Nieq비가 Suutala의 결과보다 다소 높게 나타났다.
- 결정립계는 합금성분 또는 불 순물 원소의 편석, 인접한 입자 사이의 결정방위 차이 (misorientation) 때문에 금속 조직적인 관찰이 가능 한 데 이동결정립계는 단지 결정학적인 입계 (crystallographic boundary)이기 때문에 아결정립 계, 응고결정립계처럼 분명하게 관찰하기가 쉽지 않 다. 용접부에서 관찰된 응고결정립계 및 아결정립계는 EDS 분석결과(Fig. 7), 지금까지 보고된 바와 같이 Cr, Ni의 함량이 모두 기지보다 높게 나타났다.
- 이 결과에서 알 수 있듯이 저망간계, 고 망간계 모두 질소함량이 증가함에 따라 응고균열 감수성이 증가하 고 있었으며 질소함량이 약 0.16wt.% 정도까지는 균 열 감수성의 증가가 매우 완만하나 질소함량이 0.
- 14, 15는 각각 Hammar & Svensson과 DeLong식에 의한 Ci* NLq값과 초정 응고mode와의 상관관계를 보여주는 그 래프이다(Suutala). 이 그림에 시험재의 Creq, Nieq값을 삽입하여 검토해 보면 질소의 계수가 14.2인 Hammar & Svensson식을 이용한 경우에는 모든 시 험재가 초정 페라이트 응고영역에 들어가 있어 본 실 험에서의 결과와는 잘 일치하지 않았으며 본 연구결과 얻어진 응고mode간 경계는 Suutala의 결과보다는 제쪽으로 다소 낮게 나타남을 알 수 있다(점선). 한편 질소의 계수가 30인 DeLong식의 경우에는 질소 함량이 0.
- 5에서 알 수 있듯이 이들 고질소강의 용접부 조직은 초정 오스테나이트로 응고 한 용접부에서 관찰되는 전형적인 조직인 셀형 또는 셀형 수지상 조직을 보여주고 있다. 초정 오스테나이 트로 응고한 용접부의 조직은 초정 페라이트로 응고한 용접부의 조직에 비해 전반적으로 조직이 조대하였으 며 용융선 (fusion boundary) 근처에서 관찰되는 미 혼합역 (unmixed zone)과 응고 종료후 고상 변태시 형성된 이동결정립계(migrated grain boundary)가 비교적 용이하게 관찰되었다.
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