[ 호주취업연계용접학원 ] 저합금 내열강(Cr-Mo강 : P5 Mat’l)의 용접 (2)
3. 저합금 내열강의 특성
저합금 내열강의 주요 성분은 대부분 Cr, Mo의 성분치로 분류하고 있으며, 0.5 Mo강부터
9Cr-1Mo강까지의 내열강으로 분류된 여러가지 강종으로 구분된다.
3.1 화학성분
모재 : NOZZLE (A335 Gr.P22) ▶ 2¼Cr-1Mo강
<표1>
3.2 주요 합금원소의 효과
1) Cr
Cr은 Mo과 유사하게 Ferrite의 Creep 강도를 높게하는 원소이나 원래는 고온에서 내산화성, 내식성을 높게할
목적으로 내산화 용도에 사용된다.Mo과 유사하게 Cr의 첨가에 위해서 CCT도에서 Pearlite 변태, Bainite 변태를 지연시켜 강의 소입성을 증가한다. Jominy 시험결과 Cr량이 많을수록 소입성은 증가한다.
Cr의 열처리에 의한 연화 저항은 Mo 만큼은 안되지만 350℃ 이상의 열처리에서 연화저항은 보인다.
이것도 Cr의 강한 탄화물 생성에 의한 것이다.그리고, Cr은 탄소강의 Cementite의 흑연화를 저하하는 성질이
있다. 0.5 Mo강은 연간보다 Creep강도가 좋으므로 이전에 고온에서 사용되었지만 고온사용에 따라서 흑연화
현상(Graphitation)을 일으키고 그 고온강도를 저하하는 문제가 있다.
이러한 형상은 탄소강 중의 Cementite가 고온에서 장시간 노출됨에 따라 구상화 되어Graphite를 분리 석출하는
현상으로 그결과 Metrix 중의 탄소가 감소되어 강도가 감소되는 것인다.
이에 Cr은 강한 탄화물 생성 원소임으로 그 Graphite의 석출을 억제하여 흑연화 현상을 방지한다
그외 Cr 대용으로 내식성 향상 및 고온 내산화성 증가 목적으로 사용되는 Al, Si 등의원소도 유효하지만 다량으로 사용하면 가공성, 용접성이 미흡함으로 그다지 사용되지않고 있다.
2) Mo
Mo는 Ferrite지를 고용강화 작용하는 것으로 타합금 원소에 비하여 소량 참가로서Creep 강도를 현저하게 높인다. 더욱이 Mo는 강중의 Cementite 중에 고용되어 강도를 높이고, 또한 탄소와 산화물 반응으로서도 고온강도를 향상함으로 저합금 내열강에서는 중요한 원소임에 틀림없다.
Mo의 첨가에 의해 강의 Ac₁,Ac₂,Ac₃점은 높게 되지만 Ar₁점은 저하된다. 또한연속 냉각 상태도에 있어서 Pearlite 변태, Bainite 변태를 지연시키고 강의 소입성을증가시킨다. 특히 0.5% 까지의 Mo은 Pearlite 변태를
현저하게 지연시킨다.
한편, 열처리에 의한 연화저항을 보면 450℃ 근처에서 연화가 지연되기 시작하여 550~ 600℃ 부근에서 최대 2차 경화가 확인된다. 이러한 현상은 Cr-Mo강에서의 소입조직의 연화는 주로 탄화물의 응집에 따른 탄화물간의 평균거리 증대에 의한 것이지만 Mo는 그 응집을 지연시키고 Cementite중의Mo가 Mo₂C형의 탄화물로 재석출,
재 분포함에 따라 연화저항을 나타낸다.
그리고 저합금 내열강에서의 Tempering 취화성을 촉진시키는 C, P, Mn 원소를 Mo 의첨가로 억제 가능함으로
그 예방효과가 크다, 특히 Mo 약0.5%의 첨가가 가장 효과적으로 나타나 있다.
3) Mn
Mn은 대부분의 강중에 함유되는 원소로 강의 물리 야금적 성능에 미치는 효과는 크다.Mn은 Austenite 생성원소로서 소입성에 미치는 영향은 Cr, Mo보다 우수하고 고장력강,공구강 등 상온에서 강도, 경도를 필요로 하는 강에 거의 예외없이 사용된다.
그러나, 탄소와 진화력이 없고 열처리에 의한 2차 경화하는 현상이 없다, 따라서 상온근처에서 고강도를 유지하더라도 고온강도를 개선하기 위한 원소로 사용되지는 않는다.오히려 Tempering 취화성에 미치는 악영향이 크고
P 와 공존하면 극히 유해하고 Mn이높은 강종은 Tempering 취하온도 범위에서의 사용은 피해야 한다.
한편 Mn은 1.5%까지는 충격시험의 천이온도를 저온측에 유지되며, 특히 탄소가 적게되면 그 효과는 매우 크다.
4. 저합금 내열강의 용접성의 문제
저합금 내열강은 모재의 특성에서 언급한 것과 같이 연강에 비하여 여러종류의 합금원소를 함유하기 때문에
자경성(고온 공기중에서 방냉함에 따라 소입되는 성질)이 증대한다.
이러한 결과 저합금 내열강 용접에서는 용접부, HAZ부의 연성, 인성등이 미흡하여 각종 용접결함을 초래할
가능성이 높다.
주요 결함으로는 균열발생을 들 수 있으며 이를 배제하기 위하여 용접 시공에서는 주로 용접전, 후 열관리 즉
예열, 후열 등을 필히 실시하고 또한 응력제거열처리를 실시토록 하고 있다.
결함의 균열로는 저온균열, 고온균열, 응력제거열처리(PWHT) 균열 등이 나타나고 있다.
저합금강은 합금원소가 많으므로 탄소강과 비교해서 금속조직중 경화조직의 발생이 저온균열에 큰 영향을 미친다. 경화조직의 발생은 금속의 화학조성과 냉각속도의 상호관계에서 이루어 진다.
특히, 2¼Cr-1Mo강계의 용접부는 대부분 Martensite + Bainite 조직으로 되어 현저하게 경화되는 것을 알 수 있다.
본 안은 저합금 내열강의 용접성에서 대부분 저온균열 및 저온에서의 지연균열이 발생함에 따라 이 부분에 대해 설명하고자 한다.
저온균열
저온균열에 미치는 요소는 수소의 영향으로 일반적으로 응고된 용접금속의 수소량은 급냉으로 인하여 용해도 보다 높게 유지된다. 따라서, 격자내의 수소는 과포화 상태가 되어수소가 Cavity, 미소공간에 모이게 되어 수소의
농도가 증가되어 균열을 일으킨다.
강의 수소균열에 대한 이론을 대별해 보면 강중의 미소공간에 집적한 비확상성 수소에 의한 분자상의 수소균열
이론과 강중에 고용된 확상성 수소에 의한 원자상의 수소균열 이론으로 나누어져 있다.
전자의 이론은 미소공간에 집적한 비확상성 수소의 존재에 의한 표면에너지 감소와 고압으로 되어 Gas 팽창에
의한 에너지로부터 균열이 전파된다는 것이다
후자의 이론은 강중의 미소공간 선단이 놋치가 되어 그곳의 국부적인 소성변형을 가지는 3축 응력장이 형성되어지고 그 응력장에 확산성 수소가 집적해서 수소농도가 상승하여 수소균열을 일으킨다는 것이다.
이중 저합금 내열강 용접부의 저온균열 용접시 흡수된 확상성 수소에 의하여 용접 열향부에서 발생되기 쉽다고
하는 것이 지배적이다. 한편, 저온균열에 미치는 구속도는 응력의 세기, 분포를 나타내는 것으로 구속도가 클수록 용접에 의한 응력이 많이 작용함으로 균열에 미치는 영향은 크다.
종합적으로, 저온균열을 방지하기 위해서는 용접부 조직의 연화, 확산성 수소량의 감소,구속의 완화로 귀결된다.
이를 위하여 용접시공에서는 용접전,후의 열관리 즉 예열, 후열 및 응력제거열처리에 의한방법과 용접이음부의
홈현상 변화, 이음부를 완화시키는 방법을 들 수 있다.
우선 예열은 용접시 냉각속도를 지연시켜 용접금속 및 열영향부의 경화정도를 감소시킴과 동시에 용접부로부터 수소를 확산시켜 저온균열을 방지하는 목적으로 행한다.
아래 도표는 Cr-Mo 강의 예열온도에 따른 경도의 변화를 나타낸 것으로 결과는 예열온도의 변화에 따라
용접금속, 열영향부의 경도는 약간 저하되며 그 정도는 현저한 차를 나타내지는 않다.
예열에 의한 확산성 수소량의 변화를 살펴보면, 2.25Cr-1Mo 강의 SAW 용접부의 용접직후 수소농도 분포를 진공 유출법을 사용하여 정밀 측정한 결과이다
이 분포도는 최종층 표면아래 10mm 정도의 내부위치에서 수소의 최대치를 나타내며 그 아래에서는 거의 직선적으로 저하한다.
그리고, 예열온도가 높을수록 확산성 수소량의 최고치는 감소한다. Cr-Mo 강 용접에서의 예열은 용접후 열영향부의 경도저하 즉 연화는 크게 기대할 수는 없으며, 저온균열을 조장하는 확산성 수소의 방출에 크게 영향을 미친다.
관련서적을 참고로 저합금 내열강의 예열온도의 범위는 다음과 같다.
한편, 예열조건만으로 균열을 방지하는 것은 난점이 많고 너무 높은 온도에서는 고온균열과 같은 문제점이 초래될 수 있으므로 적정 예열온도 유지 및 용접후 실온까지 냉각되기전 직후열 처리를 행하는 것이 좋다.직후열은 용접직후 용접부를 가열하여 수소의 확산을 촉진시켜 용접부의 수소를 방출시키는 것으로 저온균열 및 지연균열을 방지할 수 있다.
이와 같이, 예열, 직후열은 저온균열 예방에 유효하지만 구속이 큰 구조물에는 급열, 급냉 이 되지 않도록 세심한 주의가 요구된다.
지연균열
지연균열은 저온균열의 일종이며 역시 Hydrogen에 의한 것이다.
다만 용접부에 축적된 Hydrogen 이 용접후 응력완화, 변형하에서 약간의 시간이 경과후 균열이 발생되는 것으로 이를 지연균열이라 한다. 이를 방지하기 위해서는 용접후 지연균열이 발생되기 이전에 Hydrogen 의 방출이 필요하므로 용접시공에서는 직후열을 실시해야 한다.
Hydrogen 의 방출은 온도와 시간에 따른 것으로 수식적으로 다음과 같이 표시할 수 있다.
다음의 도표는 2,25Cr-1Mo 강의 직후열 온도와 시간에 따른 균열유무를 나타낸 것이다.
2,25Cr-1Mo 강의 예열 150℃로 용접후 직후열 온도 300℃로 30분 정도 유지하면 균열 발생이 없는 것으로
나타났다. 결과적으로 저온, 지연균열을 예방하는 것은 예열만으로 조절할시에는 예열, 직후열 병용시 보다 높은 온도가 필요하다는 것을 알 수 있다.
