[논문]고(<24%)Mn 플럭스코어드와이어를 사용한 다층 용접 시 초층 응고조직의 결정면방위에 따른 미세조직과 경도

한일욱; 엄정복; 윤중길; 이봉근; 강정윤

doi:10.5781/jwj.2016.34.5.77

고(<24%)Mn 플럭스코어드와이어를 사용한 다층 용접 시 초층 응고조직의 결정면방위에 따른 미세조직과 경도
Microstructure and Hardness of 1st layer with Crystallographic Orientation of Solidification Structure in Multipass Weld using High Mn-Ni Flux Cored Wire 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.34 no.5, 2016년, pp.77 - 82

한일욱 (포스코 고Mn강 특화 솔루션 프로젝트 팀) , 엄정복 (부산대학교 수송기기하이테크 소재부품전공학과) , 윤중길 (부산대학교 재료공학부) , 이봉근 (포스코 고Mn강 특화 솔루션 프로젝트 팀) , 강정윤 (부산대학교 재료공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, Microstructure and hardness of 1st layer with crystallographic orientation were investigated about solidification structure in multipass weld using high Mn-Ni flux cored wire. Microstructure of solidification consisted of austenite matrix and a little ${\varepsilon}-phase$ in grain boundaries. Orientation of grains was usually (001), (101), (111). According to crystallographic orientation, morphology of primary dendrite was different. The depletion of Fe and the segregation of Mn, C, Ni, Si, Cu, Cr, O were found along the grain boundaries. The area of segregation was wide with an order of (001), (101), (111) grains. And hardness of grains with crystallographic orientation increased with an order of (001), (101), (111) grains because of the segregation along dendrite boundary.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 EBSD를 이용하여 용접부 초층 비드의 회합부 근방을 50배로 촬영하고, 오스테나이트계 고Mn강의 (001), (101), (111) 결정면 방위에 따른 미세 조직적 특성을 체계적으로 검토하고자 한다. 또한 (001), (101), (111) 결정면 방위에 따라 경도값을 측정하여 미세조직과 경도분포와의 상관관계를 검토하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 EBSD를 이용하여 용접부 초층 비드의 회합부 근방을 50배로 촬영하고, 오스테나이트계 고Mn강의 (001), (101), (111) 결정면 방위에 따른 미세 조직적 특성을 체계적으로 검토하고자 한다. 또한 (001), (101), (111) 결정면 방위에 따라 경도값을 측정하여 미세조직과 경도분포와의 상관관계를 검토하고자 한다.
1은 용접부의 거시조직을 나타낸 것으로, 결정성장 방향이 뚜렷하게 보이고, 특히 초층 용접부의 결정 성장방향은 나머지 패스의 결정 성장방향과 다른 것이 특징이다. 본 논문에서는 초층 용접부의 응고조직만을 대상으로 분석 고찰한 결과를 서술하였다.

제안 방법

용융부 미세조직의 조성분포를 분석하기 위하여 FE-EPMA 면분석을 사용하였고, 상동정, 결정방위, 응력분포를 관찰하기 위하여 EBSD(Electron backscatter diffraction)를이용하여 분석하였다. 결정면 방위에 따른 미세조직의 경도는 마이크로 비커스 경도를 사용하여 하중 1kgf, 유지시간을 10초로하여 측정하였다.
결정면 방위에 따른 편석된 영역의 면적 차이를 검토하였다. 면적 비는 측정 면적에 대한 편석면적의 비로 구하였다.
고Mn강 플럭스코어드와이어로 고Mn강을 다층용접한 경우, 초층 비드에 형성된 응고조직의 덴드라이트 형상, 합금원소 편석 및 경도에 미치는 결정방위의 영향을 EBSD와 EPMA로 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
이러한 편석 현상은 중심부와 경계부에서 결정학적으로 방위차(misorientation)가 생겨 응력장이 형성될 가능성이 많다. 그래서 EBSD를 사용하여 덴드라이트 중심부와 경계부의 방위차를 측정하였다. Fig.
0kJ/mm, 용접속도 30cm/min, 전류 180A, 전압 28V 이다. 그리고 보호 가스는 80% CO₂, 20% Ar 혼합가스를 20L/min 유량으로 공급하여 용접을 실시하였다.
결정면 방위에 따른 편석된 영역의 면적 차이를 검토하였다. 면적 비는 측정 면적에 대한 편석면적의 비로 구하였다. Fig.
용융부의 미세조직은 시편을 연마 후, Nital 용액 (HNO₃(6ml) + CH₃OH(100mL))을 이용하여 조직을 현출하여 광학현미경과 SEM으로 관찰하였다. 용융부 미세조직의 조성분포를 분석하기 위하여 FE-EPMA 면분석을 사용하였고, 상동정, 결정방위, 응력분포를 관찰하기 위하여 EBSD(Electron backscatter diffraction)를이용하여 분석하였다.
Table 1은 본 연구에 사용한 두께 12mm인 고Mn강 모재의 화학조성과 고Mn강 용접재료의 화학조성을 나타낸 것이다. 용접은 플럭스코어드와이어를 사용하여 V-groove, 개선각 50^o로 다층 용접을 하였다. 초층은 수동으로 하고, 나머지 패스는 자동으로 총 7패스 용접하였다.
응고조직에서 ε상의 분포를 알아보기 위해, EBSD를 사용하여 상분석을 하였다.
경계부와 중심부의 조직 차이는 편석인 것으로 판단된다. 편석 상태를 확인하기 위해 EPMA를 이용하여 원소들(Fe, Mn, C, Ni, Si, Cu, Cr, O)에 대하여 면분석 하였다. Fig.

대상 데이터

Table 1은 본 연구에 사용한 두께 12mm인 고Mn강 모재의 화학조성과 고Mn강 용접재료의 화학조성을 나타낸 것이다. 용접은 플럭스코어드와이어를 사용하여 V-groove, 개선각 50^o로 다층 용접을 하였다.

이론/모형

OH(100mL))을 이용하여 조직을 현출하여 광학현미경과 SEM으로 관찰하였다. 용융부 미세조직의 조성분포를 분석하기 위하여 FE-EPMA 면분석을 사용하였고, 상동정, 결정방위, 응력분포를 관찰하기 위하여 EBSD(Electron backscatter diffraction)를이용하여 분석하였다. 결정면 방위에 따른 미세조직의 경도는 마이크로 비커스 경도를 사용하여 하중 1kgf, 유지시간을 10초로하여 측정하였다.

성능/효과

2) 결정면방위는 주로 (001), (101), (111) 면과 면지수가 1보다 높은 결정면도 분포하였다. 결정면방위에 따라 1차 덴드라이트 가지 성장 형태가 상이하였다.
3) 덴드라이트 경계에 Fe를 제외한 Mn, C, Ni, Si, Cu, Cr, O 원소가 농화되어 있었고, 편석 정도는 (001), (101), (111) 순으로 넓었다. 이는 (100), (101), (111) 순서로 1차 덴드라이트 가지의 교차하는 수가 증가하여 덴드라이트 경계부 면적이 증가하므로 편석 정도가 증가하는 것으로 생각되었다.
4) 결정면방위에 따라 경도값이 차이가 났고, (001), (101), (111) 순으로 높았다. 이 면방위 순으로 덴드라이트 경계에서 편석량의 증가로 인한 격자변형의 증가와 더불어 원자밀도가 증가하므로 경도가 상승하는 것으로 생각되었다.
11은 각각 A - C 타입의 면분석한 결과이다. 이 결과로부터, 덴드라이트 경계는 Fe를 제외한 Mn, C, Ni, Si, Cu, Cr, O가 농화되어 있음을 알 수 있다.
이것으로부터 A, B, C 타입 순으로 덴드라이트 경계부에 응력장이 더 넓게 형성되어 있음을 알 수 있다. 이상의 결과로부터, A, B, C 타입 순으로 편석비가 커지고, 따라서 덴드라이트 경계부에 응력장이 넓게 형성되어, 경도가 증가하는 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액화된 가스의 수송 및 저장용 탱크 제조에 사용되는 소재는 어떤 특성이 요구되는가?	액화된 가스의 수송 및 저장용 탱크 제조에 사용되는 소재는 극저온 인성이 높고, 열팽창 계수가 작아야 한다. 따라서 탱크에 현재 사용되는 소재는 9%Ni강, 오스테나이트 스테인리스강, 알루미늄, Invar합금 등이 사용되고 있다4).
	액화된 가스의 수송 및 저장용 탱크의 소재는?	액화된 가스의 수송 및 저장용 탱크 제조에 사용되는 소재는 극저온 인성이 높고, 열팽창 계수가 작아야 한다. 따라서 탱크에 현재 사용되는 소재는 9%Ni강, 오스테나이트 스테인리스강, 알루미늄, Invar합금 등이 사용되고 있다4). 하지만 이들 소재는 가격이 비싼 단점이 있다.
	2040년에는 석유에 이어 두 번째로 사용량이 많은 에너지 자원으로 예상되는 에너지는?	최근 중국, 인도, 브라질 등의 인구 증가와 경제 성장으로 인하여 에너지 수요가 증가하고, 그에 따라 환경 문제가 대두될 것으로 예상된다. 따라서 청정에너지인 천연가스(LNG)와 셰일 가스가 주목을 받고 있으며 천연가스와 셰일가스의 꾸준한 수요 증가로 2040년에는 석유에 이어 두 번째로 사용량이 많은 에너지 자원이 될 전망이다1,2).

참고문헌 (16)

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International Energy Agency, Golden Rules for a Golden Age of Gas - World Energy Outlook, (2012)
KOTZOT, Heinz J. Overview of the LNG Industry Seminar: Gas Treatment, Liquefaction, and Storage, (2003)
ASM Handbook (6) (1993), 1016-1019
Hye-Jeong Shim, Trade Focus, IIT, 13 (62) (2014)
J.K. Choi, High Manganese Austenitic Steel for Cryogenic Applications, ISOPE, 4 (2012) 29-35
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DB Santos, Effect of annealing on the microstructure and mechanical properties of cold rolled Fe-24Mn-3Al-2Si-1Ni-0.06 C TWIP steel, MAT SCI ENG A, 528 (2011) 3545-3555

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Singon Kang, Orientation-dependent indentation modulus and yielding in a high Mn twinning-induced plasticity steel, MAT SCI ENG A, 532 (2012) 500-504

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