Cu, B 첨가 고강도 저합금강 용접 열영향부의 용접성에 관한 연구

Abstract

Cu, B 첨가 고강도 저합금강 용접 열영향부의 용접성에 관한 연구를 위해 다양한 미세조직 분석 및 기계적 특성 평가를 수행하였다. 실험을 위하여 Cu, B 및 다양한 합금원소와 압연조건을 변화시킨 20종의 강재를 제조 이용하였으며, 용접 열영향부의 재현을 위해서는 Gleeble이 사용되었다. 먼저 Cu, B 첨가량과 압연조건 변화에 따른 용접 열영향부의 미세조직 및 기계적 특성에 대해 연구하기 위해 8종의 베이나이트기반 고강도 강을 제조하였다. 단일 및 다층 용접에 의한 용접 열영향부는 Gleeble을 이용하여 재현되었다. 그 결과 Cu, B 첨가량 증가에 따라 용접 열영향부의 경도는 증가하였으며, 충격인성은 저하되었다. 그러나 FGHAZ의 경우에는 Cu 첨가량의 증가에 따라 충격인성이 개선되었는데, 이는 유효결정립의 현저한 감소에 따른 것으로 판단된다. 또한 ICCGHAZ는 합금원소 첨가량의 증가에 따라 두번째 열사이클에 의해 새롭게 형성된 마르텐사이트의 분율 및 결정립 크기가 증가하였으며, 이에 따라 충격인성이 저하되었다. 그러나 모재의 압연조건 변화에 따른 미세조직 및 기계적 특성 변화는 거의 관찰되지 않았으며, 이는 용접 열사이클에 의한 용접 열영향부의 상변태에 의해 모재의 특성 차이가 사라지기 때문으로 판단된다. 한편 CGHAZ와 후열처리 된 CGHAZ의 미세조직 및 기계적 특성 변화와 이에 미치는 Cu, B의 첨가 영향을 분석하였다. 이를 위해 Cu와 B의 첨가량을 변화시킨 6종의 강재를 제조하였다. CGHAZ의 충격인성은 모재에 비해 감소하였으며 합금원소 첨가량이 증가함에 따라 저하되었다. 그러나 경도는 합금원소 첨가량 증가에 따른 마르텐사이트 분율 증가에 의해 충격인성과 반대되는 경향을 보였다. 다양한 온도 구간에서 30분간 후열처리 후 CGHAZ의 경도는 후열처리 온도 증가에 따라 처음에는 감소하다가 증가하는 경향을 보였으며, 550℃ 근처에서 충격인성의 저하가 나타났다. 이는 Cu 석출물 및 (Ti,Nb)C, (Mo,Mn)2C와 같은 탄화물의 석출에 따른 것으로 판단된다. CGHAZ에서 다양한 용접 조건 변화에 따른 B의 편석 거동과 그에 따른 기계적 특성 변화를 분석하기 위해 B 미첨가강 및 10ppm B 첨가강을 이용하여 연구를 수행하였다. B 편석 거동 분석은 SIMS 및 PTA통해 이루어졌다. B의 편석은 입열량이 증가함에 따라 증가하다가 다시 감소하였다. 이는 비평형 편석이 결정립계에 발생한 후 입열량 증가에 따라 고온에서의 유지시간이 길어지게 되어 back diffusion 발생에 따른 영향으로 판단된다. 그리고 CGHAZ 재현 시 가해진 응력 사이클에 의해 결정립계 편석이 감소하였는데 이는 응력 사이클에 의한 오스테나이트 결정립 크기 감소에 따른 결정립계 증가의 영향으로 판단된다. 그리고 B 첨가에 따른 경화능 증가 효과가 확인되었으며, B 편석에 따른 마르텐사이트 및 베이나이트 상의 결정립계의 강화 효과도 확인되었다. 또한 CGHAZ의 충격인성에 미치는 B 첨가의 영향을 연구하기 위해 10ppm 및 30ppm B 첨가강을 이용하여 B 편석 거동 및 그에 따른 충격인성 변화를 분석하였다. B 첨가량이 30ppm인 강재의 경우 B의 편석이 낮은 입열량에도 상대적으로 높게 일어났으며, 높은 B 편석량이 중간 입열량에서 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 B 첨가량 증가에 따라 B의 편석 속도가 증가되었기 때문으로 판단된다. 한편 B 첨가량이 증가함에 따라 동일한 입열량 조건에서 충격인성이 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 이에 미치는 B의 편석 및 석출의 직접적인 영향은 없는 것으로 판단된다. 대신 B 첨가량 증가에 따른 기지 조직의 강화 및 M-A 상과 같은 이차상의 분율이 증가함에 따라 충격인성의 저하가 발생하는 것으로 판단된다. 한편 CGHAZ의 용접 후열처리에 따른 Cu 석출 거동 및 그에 따른 기계적 특성 변화를 분석하기 위해 Cu 미첨가강과 1.5wt% Cu 첨가강을 이용하여 연구를 수행하였다. 그 결과 Cu 미첨가강과는 대조적으로 1.5 wt% Cu 첨가강은 후열처리 후 경도의 변화가 Cu 미첨가강에 비해 크지 않았다. 반면에 후열처리 시간이 증가함에 따라 충격인성의 저하가 두드러지게 나타났으며, 후열처리 후에 입계파단이 일어남을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 Cu 석출물에 의한 결정립 내부 강화와 결정립계의 soft denuded zone의 형성에 따른 것으로 판단된다. 또한 Cu 첨가강의 경우 후열처리 시간이 증가함에 따라 경도값이 감소하다가 60분 근처에서 최대값을 가진다. 그런데 CGHAZ 재현 시 열-응력 사이클에 의해 재현된 경우 열 사이클로 재현된 경우에 비해 경도의 최대값이 더 이른 시간에 나타난다. 또한 Cu 석출물의 관찰이 일찍 시작되고, 동일한 후열처리 조건에서 Cu 석출물의 크기 또한 더 크다. 이를 통해 CGHAZ 재현 시 가해진 응력 사이클에 의해 Cu 석출물의 석출속도가 증가했음을 확인할 수 있었다. 모재 용접 열영향부의 저온균열 감수성 평가를 위해 합금원소 및 압연조건이 다른 4종의 고강도 강을 사용하여 implant test를 수행하였다. 그 결과 확산성 수소량이 낮은 경우 모재의 높은 강도에도 불구하고 합금원소 및 압연조건의 차이와 관계없이 저온균열 감수성이 매우 낮았다. 그러나 확산성 수소량이 증가함에 따라 저온균열 감수성이 증가하였으며, 합금원소의 첨가량이 많은 모재의 저온균열 감수성 저하가 크게 나타났다. 이는 CGHAZ에서의 높은 강도에 기인한다. 그러나 저온균열 감수성에 대한 압연조건의 영향은 합금원소의 영향에 비해 무시할 수 있을 정도로 작은 것으로 판단된다.