[논문]고강도 저합금강 용접금속의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 니켈 함량의 영향

강용준; 장지훈; 박상민; 이창희

doi:10.5781/kwjs.2012.30.4.339

고강도 저합금강 용접금속의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 니켈 함량의 영향
Influence of Ni on the Microstructure and Mechanical Properties of HSLA Steel Welds 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.30 no.4, 2012년, pp.49 - 54

강용준 (한양대학교 신소재공학부) , 장지훈 (한양대학교 신소재공학부) , 박상민 (현대종합금속) , 이창희 (한양대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The microstructure and mechanical properties of the high-strength low-alloy steel weld metals with a variation of nickel content were investigated. The weld metals with a variation of nickel content from 2.3 to 3.3 wt% were prepared using Gas Metal Arc Welding process. The amount of acicular ferrite decreased with increasing nickel content; this is accompanied with an increase in the region of bainite and martensite, hence the hardness and tensile strengths were increased with the increase in nickel content, whereas the impact energy was deteriorated.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그러나 고강도강 용접 금속에서 이러한 기계적 특성 변화를 유발하는 야금학적인 요인에 대한 연구가 아직 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 인장강도가 900 MPa급인 고강도 저합금강 용접금속에 대하여 니켈 함량이 미세조직 변화와 기계적 특성 변화에 미치는 영향을 분석하였고, 이들의 상관관계를 고찰하였다.
후)비금속 개재물">비금속개재물 특성에 따라 경쟁적으로 생성되게 된다. 본 연구에서 상변태 거동이 달라지는 이유를 규명하기 위하여 오스테나이트 결정립 크기 및 비금속개재물에 대한 분석을 실시하였다.
본 연구에서는 고강도 저합금강 용접금속의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 니켈 함량의 영향을 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

후)시편 준비는">시편준비는 레플리카 방법으로 하였다. 결정립간의 방위차는 EBSD를 사용하여 분석하였으며, EBSD 관찰 시편은 5% perchloric acid + 95% methanol 전해액을 사용하여 전해연마 하였다. 또한 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, 이하 SEM)을 사용하여 샤르피 충격시험 기계적 특성 평가를 위해 비커스 경도기, 인장시험기, 샤르피 충격시험기를 사용하였다. 샤르피 충격시험은 -40~-20°C, -196°C에서 실시하였다.
후)전해 연마">전해연마 하였다. 또한 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, 이하 SEM)을 사용하여 샤르피 충격시험 시편의 파단면을 관찰하였다.
미세조직 분석을 위해 광학현미경(Optical Microscopy, 이하 OM), 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, 이하 TEM), 전자 후방산란 회절 분석(Electron Backscattered Diffraction, 이하 EBSD)를 사용하였다. OM 관찰을 위해 1과 같이 두께 20 mm의 ASTM AH36 강재를 개선각을 45°로 하여 사용하였고, 용접은 가스 메탈 아크 용접 (Gas Metal Arc Welding)으로 실시하였다. 용접금속의 니켈 함량을 다르게 하기 위하여 3종류의 메탈 코어드 와이어 (Metal Cored Wire)를 제작했으며, 와이어가 함유하고 있는 니켈 분말의 양만 다르게 제어하였다. 약 20 kJ/cm의 입열량으로 7층 15패스를 후)150°C로">150°C로 하였다. 용접금속의 화학 조성은 OES(Optical Emission Spectroscopy)로 분석하였다.
후)저온 충격인성은">저온충격인성은 샤르피 충격시험을 3회 실시하여 평균값으로 나타내었다(Fig. 4). 용접금속의 니켈 함량이 증가함에 따라 경도 및
대상 데이터
- 보호 가스는 CO2를 사용하였으며, 층간 온도는 150°C 로 하였다.
- 본 연구에서 모재는 Fig. 1과 같이 두께 20 mm의 ASTM AH36 강재를 개선각을 45°로 하여 사용하였고, 용접은 가스 메탈 아크 용접 (Gas Metal Arc Welding)으로 실시하였다.
- 후)인장 시험">인장시험 시편과 샤르피 충격시험 시편은 각각 ASTM E8과 ASTM E23을 따라 가공하였다.

이론/모형

후)에칭하였으며,">에칭 하였으며, IIW DOC. IX-1533-88에 제시된 방법을 이용하여 상분율을 측정하였다. 개재물
IX-1533-88에 제시된 방법을 이용하여 상분율을 측정하였다. 개재물 크기분포 및 화학조성 분석을 위해 TEM을 사용하였으며, 시편준비는 레플리카 방법으로 하였다. 결정립간의 방위차는 EBSD를 사용하여 분석하였으며, EBSD 관찰
성능/효과
- 3 wt.%로 변화하였고, 다른 원소들의 함량은 거의 일정하게 유지되었다. 니켈의 1) 용접금속의 니켈 함량이 증가함에 따라 경도 및 인장강도는 증가하지만, 연신율 및 저온충격인성은 감소하였다.
- 2) 용접금속의 니켈 함량이 증가함에 따라 침상페라이트 분율은 감소하였고, 베이나이트 및 마르텐사이트 분율이 증가하였다. 3) 용접금속의 니켈 함량이 증가함에 따라 니켈의 solute drag effect에 의해 초기 오스테나이트 결정립 폭이 감소하였고, 상대적으로 초기 오스테나이트 결정립계의 면적이 넓어지게 되어 베이나이트와 마르텐사이트의 분율이 증가하였다.
- 4) 용접금속의 니켈 함량이 비금속개재물 크기분포와 화학조성에는 영향을 미치지 않았다.
- 용접금속의">4). 용접금속의 니켈 함량이 증가함에 따라 경도 및 인장강도는 증가하였으나, 연신율 및 저온충격인성은 감소하였다.
- 주상정의 초기 오스테나이트 결정립 크기는 그 폭을 측정하였으며, 니켈 함량이 증가함에 따라 감소하는 것을 알 수 있었다(Table 2). 초기 오스테나이트 후)관계없이">관계 없이 티타늄과 망간이 주요 성분인 산화물로 이루어져 있었다. 즉, 용접금속의 니켈 함량이 변화하더라도 비금속개재물의 특성에는 변화가 없음을 알 수 있었다.
- 후)침상 페라이트의">침상페라이트의 분율은 감소하였다. 즉, 용접금속의 니켈 함량이 증가함에 따라 취성이 큰 베이나이트와 마르텐사이트 상의 분율이 증가하면서 침상페라이트 분율이 감소하였기 때문에 경도 및 인장강도가 증가함과 동시에 연신율 및 저온충격인성이 감소하는 것을 알 수 있었다(Figs. 2-4).
- 7에 나타내었다. 평균 개재물의 크기는 MN23 용접금속과 MN33 용접금속이 각각 532 nm와 587 nm로 거의 변화가 없었으며, 화학 조성은 용접금속의 니켈함량에 관계 없이 티타늄과 망간이 주요 성분인 산화물로 이루어져 있었다. 즉, 용접금속의 니켈 함량이 변화하더라도 평균 방위각의 경우 MN23 용접금속보다 MN33 용접금속이 크게 나타났으나, MN23 용접금속의 경우 20~47° 사이의 방위각은 거의 존재하지 않으며, 47° 이상의 고경각 결정립의 분율이 매우 높은 것을 확인할 수 있었다.
- 평균 유효결정립도는 대략 4.7 μm 에서 3.9 μm 로 약간 감소하였으며, 래스 폭과 길이의 비(ratio)가 증가하는 것을 관찰하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	높은 강도와 우수한 저온인성을 가지는 방향으로 구조용 강재가 연구되는 이유는?	최근 한랭지에서의 에너지 수송 및 심해에서의 에너지 자원 채굴을 위한 라인파이프와 대형 해양구조물의 수요가 급증함에 따라 높은 강도를 가지면서 동시에 우수한 저온인성을 갖는 구조용 강재들이 개발되고 있다1-2). 한편 이러한 강재들의 용접금속에 대한 기계적 성능을 확보하기 위하여 용접와이어에 대한 개발도 지속적으로 이루어지고 있으며, 용접금속의 미세조직에 대한 많은 연구가 활발히 진행되고 있다.
	오스테나이트-페라이트 변태란?	저합금강은 용접 후 냉각되면서 약 800~500℃ 범위에서 오스테나이트-페라이트 변태를 하게 되는데, 이때 열역학적으로 에너지가 가장 높은 오스테나이트 입계에서 입계페라이트(Grain boundary Ferrite)가 가장 먼저 생성되고, 위드만슈테텐 페라이트 (Widmanstatten Ferrite)가 입계페라이트로부터 생성되어 성장하게 되며, 냉각이 더 진행되면서 오스테나이트는 침상 페라이트, 베이나이트, 마르텐사이트와 같은 저온상으로 변태하게 된다. 베이나이트 및 마르텐사이트와 같이 취성이 큰 조직은 강도를 높게 하는데 효과적이지만 저온인성을 크게 저하시키며, 침상 페라이트 조직은 오스테나이트 결정립 내부에 있는 비금속 개재물로부터 핵생성되어 사방으로 성장해 나가기 때문에 래스(lath)들이 서로 결속되어 있는 구조를 가지고 균열전파에 대한 저항성이 높아서 용접금속의 강도와 저온인성을 동시에 향상시킨다3-9).
	고강도 저합금강 용접금속의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 니켈의 영향에 대한 연구 결론은?	1) 용접금속의 니켈 함량이 증가함에 따라 경도 및 인장강도는 증가하지만, 연신율 및 저온충격인성은 감소하였다. 2) 용접금속의 니켈 함량이 증가함에 따라 침상페라이트 분율은 감소하였고, 베이나이트 및 마르텐사이트 분율이 증가하였다. 침상페라이트 분율이 감소함에 따라 47o 이상의 고경각 결정립의 분율이 낮아졌으며, 이에 따라 균열전파에 대한 저항이 낮아져서 벽개파괴 시 파면의 크기가 상대적으로 크게 형성되었다. 3) 용접금속의 니켈 함량이 증가함에 따라 니켈의 solute drag effect에 의해 초기 오스테나이트 결정립 폭이 감소하였고, 상대적으로 초기 오스테나이트 결정립계의 면적이 넓어지게 되어 베이나이트와 마르텐사이트의 분율이 증가하였다. 4) 용접금속의 니켈 함량이 비금속개재물 크기분포와 화학조성에는 영향을 미치지 않았다.

참고문헌 (20)

S. Y. Shin, S. Y. Han, B. Hwang, C. G. Lee, S. Lee : Materials Science and Engineering A, 517 (2009), 212

상세보기
J. Y. Koo, M. J. Luton, N. V. Bangaru, R. A. Petkovic : Proc. of ISOPE-2003, (2003), 10
E. Levine, D. C. Hill : Metallurgical Transactions A, 8A (1977), 1453
R. A. Farrar, P. L. Harrison : Journal of Materials Science, 22 (1987), 3812

상세보기
S. Ohkita, Y. Horii : ISIJ International, 16 (1995), 1170
J. S. Byun, J. H. Shim, J. Y. Suh, Y. J. Oh, Y. W. Cho, J. D. Shim, D. N. Lee : Materials Science and Engineering A, 319 (2001), 326

상세보기
J. S. Lee, S. H. Jeong, D. Y. Lim, J. O. Yun, M. H. Kim : Metals and Materials International, 16 (2010), 827

상세보기
J. Lee, S. Kim, B. Yoon, H. Kim, S. Kil, C. Lee : Journal of KWJS, 29-1 (2011), 65 (in Korean)
D. H. Kang, H. W. Lee : Metals and Materials International, 17 (2011), 963

상세보기
W. W. Bose-Filho, A. L. M. Carvalho, M. Strangwood : Materials Characterization, 58 (2007) 29

상세보기
J. C. F. Jorge, L. F. G. Souza, J. M. A. Rebello : Materials Characterization, 47 (2001) 195

상세보기
R. A. Farrar, Z. Zhang, S. R. Bannister, G. S. Barritte : Journal of Materials Science, 28 (1993), 1385
S. Liu, D. L. Olson : Journal of Materials Engineering, 9 (1987), 237

상세보기
S. H. Kim, C. Y. Bang. K. S. Bang : Journal of Materials Science, 36 (2001), 1197

상세보기
W. Wang, S. Liu : Welding Journal, 81 (2002), 132

상세보기
D. S. Taylor, G. M. Evans : Metal Construction, 15 (1983), 438

상세보기
H. J. T. Ellingham : Journal of the Society of Chemical Industry, 63 (1944), 125

상세보기
A. A. B. Sugden, H. K. D. H. Bhadeshia : Metallurgical Transactions A, 20A (1989), 1811
J. W. Martin, R. W. Doherty : Cambridge University Press
A. F. Gourgues, H. M. Flower, T. C. Lindley : Materials Science and Technology, 16 (2000), 26

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증