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문제 정의
- 그러나 듀플렉스 스테인리스강과 오스테나이트계 스테인리스강의 두 금속간 이종 금속 용접 연구는 다수 수행되었지만 듀플렉스 스테인리스강과 탄소강의 이종 금속 용접 연구는 미비하다. 이러한 이유로 본 연구는 듀플렉스 스테인리스강 UNS S32750과 탄소강 ASTM A516-Gr70을 FCA 다층 용접을 실시하여 조직 및 상의 변화와 기계적 특성 그리고 내 공식성을 평가하고자 한다.
제안 방법
- 기계적 특성은 경도시험, 충격시험 그리고 인장시험으로 조사하였다. 경도시험은 마이크로 비커스 경도기 하중 1kgf로 실시하였다. 충격시험은 KS B 0809의 4호 시험편을 제작하여 하중 30kg-m의 샤르피 충격 시험기로 수행하였으며 인장시험은 KS B 0801의 비례 시험편 중 14B호를 참고하여 제작한 시편을 만능 인장 시험기로 시험속도 1mm/min으로 수행하였다.
- 기계적 특성은 경도시험, 충격시험 그리고 인장시험으로 조사하였다. 경도시험은 마이크로 비커스 경도기 하중 1kgf로 실시하였다.
- 부식시험은 듀플렉스 스테인리스강의 공식시험인 ASTM G48 method E에 의거하여 6%FeCl3 + 1%HCl 용액에 50℃에서 5℃간격으로 30℃까지 24시간 유지하였으며, 탄소강의 부식 상태를 보기 위해 KDS 9502 표준 염수(NaCl) 분무 시험을 실시하였다. 용액의 농도는 50g/L이며 시간은 2h, 6h, 24h, 48h, 96h, 168h 이다.
- 70)을 FCA 이종 용접하였다. 용접은 3가지 입열량(21.12, 24.00, 26.88 kJ/cm)으로 다층 용접하고 용접부의 미세조직 변화와 상 및 성분분석, 페라이트 함유량 측정을 하였다. 인장, 충격과 경도시험으로 기계적 특성을 평가하였고 부식시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 용접은 FCA 다층 용접을 실시하였으며 전류를 달리하여 용접 입열량을 조절하였다. FCA의 용접 입열량 (kJ/cm)은 22.
- 88 kJ/cm)으로 다층 용접하고 용접부의 미세조직 변화와 상 및 성분분석, 페라이트 함유량 측정을 하였다. 인장, 충격과 경도시험으로 기계적 특성을 평가하였고 부식시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 조직관찰은 시편을 정밀연마 후 무라카미 용액을 이용하여 에칭하여 관찰하였으며, 열처리 온도별로 모재와 용접부의 페라이트(ferrite) 상분율을 Ferritescope Fmp30을 이용하여 측정하였다.
- 경도시험은 마이크로 비커스 경도기 하중 1kgf로 실시하였다. 충격시험은 KS B 0809의 4호 시험편을 제작하여 하중 30kg-m의 샤르피 충격 시험기로 수행하였으며 인장시험은 KS B 0801의 비례 시험편 중 14B호를 참고하여 제작한 시편을 만능 인장 시험기로 시험속도 1mm/min으로 수행하였다.
대상 데이터
- 용접은 FCA 다층 용접을 실시하였으며 전류를 달리하여 용접 입열량을 조절하였다. FCA의 용접 입열량 (kJ/cm)은 22.12, 24.00, 26.88을 사용하였으며, V형 그루브 홈에 3개 용접층(layer)으로 시험편을 제작하였다. 용접하기 전 상온(20℃)에서 예열을 실시하였으며 각 층에 1패스의 용접을 실시하였다.
- 본 연구에서는 듀플렉스 스테인리스강(UNS S32750) 과 압력용기용 탄소강(ASTM A-516Gr.70)을 FCA 이종 용접하였다. 용접은 3가지 입열량(21.
- 사용된 모재는 25%Cr-7%Ni 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강(UNS S32750)과 탄소강(ASTM A516-70)이며 모재와 와이어의 화학성분은 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- 1) 미세조직은 Creq/Nieq 값이 낮은 입열량 21.12kJ/cm의 초층에서는 버미큘라 페라이트, 높은 값인 26.88 kJ/cm 의 마지막 층에서는 침상 페라이트가 형성되었다. 또한 입열량과 상관없이 상층부에서 조직은 방향성을 띄고 성장하였고 재가열부에서는 내식성이 약한 이차 오스테나이트상이 생성되었다.
- 2) 모든 입열량에서 초층부의 페라이트 함유량이 가장 낮았고 상층부로 갈수록 페라이트 량이 증가하였다.
- 3) 열영향부가 용접금속보다 경도가 높고 재열부는 이차오스테나이트 생성으로 용접부에 비하여 경도가 낮았다. 그리고 상층부에서 초층부로 갈수록 경도가 낮았고 입열량이 작을수록 경도가 낮았다.
- 4) 연성-취성 천이온도는 -20℃로 기존의 듀플렉스강에 비해 20℃가량 높았다. 이종금속 용접 용접과정에서 서로 다른 두 재료의 성분이 용융되어 충격인성이 저하된 것으로 여겨진다.
- 5) 입열량이 높을수록 인장강도는 높았고 입열량이 가장 큰 26.88kJ/cm에서 용접부와 입열량이 가장 낮은 21.12kJ/cm에서 용접부의 인장강도는 약 100MPa 차이가 났다.
- 6) 부식용액 염화제이철에서 부식 시험결과 탄소강이 아주 취약하였고, 탄소강과 용접부의 계면과 초층 용접 부에서 공식이 발생하였다. 염수분무시험에서 탄소강 표면이 부식되었으나 무게 감소량은 낮았다.
- 4는 페라이트 스코프를 이용하여 측정한 페라이트 함유량을 보여주고 있다. Fig. 1의 조직사진과 비교하여 육안으로 관찰 할 수 없었던 페라이트 함유량을 알 수 있으며 조직사진과 비교하여 전체적으로 상층부로 갈수록 페라이트 함유량이 증가하였고 초층부에서 페라이트 함유량이 가장 낮았다. 이는 전형적인 다층 용접의 특징이다.
- 앞에서 고찰된 바와같이 성분함유량과 용접미세조직의 영향으로 인장강도에서 차이가 생겼다고 여겨진다. 경도시험과 인장시험 결과 입열량 21.12kJ/cm에서 용접한 경우 기존의 듀플렉스 스테인리스강보다 기계적 성질이 저하되었다.
- 침상 페라이트가 버미큘라 페라이트보다 Creq/Nieq값이 높은 것을 확인하였다. 또한 3.2절의 페라이트 함유량과 비교하여 Creq/Nieq가 높을수록 페라이트 함유량이 높은 것을 확인 하였다.
- 전체적으로 수지상 형태의 조직을 보여준다. 또한 후속패스 용착에 의한 재열과 열이력에 의하여 오스테나이트 입계에서 작은 상들이 생성됨을 확인할 수 있다. Fig.
- 이종금속용접부에 대한 두 가지의 부식시험 결과 듀플렉스 스테인리스강은 염수에는 강해 부식이 일어나지 않았고 염화제이철 용액에서도 매우 양호한 표면 상태를 보였다. 그러나 탄소강의 경우 염화제이철 용액에서는 매우 취약하였다.
- 72 정도였다. 침상 페라이트가 버미큘라 페라이트보다 Creq/Nieq값이 높은 것을 확인하였다. 또한 3.
- 표면상으로는 탄소강 부분에서 부식이 일어난 것을 관찰 할 수 있다. 하지만 무게 감소량 측정 결과, 부식 시험시간 24h 에서 입열량 별로 각각 0.0036g, 0.0043g, 0.0018g 이었으며, 240h에서 0.006g, 0.0073g, 0.004g으로 입열량 증가에 따라 무게 감소량이 적었고 차이도 크지 않았다.
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