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1 오버레이용접에있어서용접재료에따른최신연구동향 大韓熔接 接合學會誌第 31 卷 6 號別冊

2 17 리뷰논문 오버레이용접에있어서용접재료에따른최신연구동향 *, * 한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램전문연구위원 Recent Study in Variation of Welding Materials for Overlay Welding Ho-Cheon Yoo*, *KISTI ReSEAT Program, Daejeon , Korea Corresponding author : yooho278@reseat.re.kr (Received August 16, 2013 ; Accepted December 5, 2013) Abstract Recent developing tendency of overlay welding on welding materials are studied by searching of NDSL, Science Direct, KIPRIS and so on. Fe, Co, Ni and WC are selected as welding materials. Development and improvement of various new overlay welding technology, especially improvement of quality and formation of crack are introduced. Also the prospective technologies of overlay welding are anticipated. Key Words : Overlay welding, PTA, Laser cladding, Welding crack, Welding material 1. 서론 최근국내오버레이용접재료의연구개발분야에서는생산성향상을위한용접시공상의공법개선, 고에너지열원을이용한첨단기술및새로운합금개발에대한기술확립이절실한시점에있다. 특히국내기업체의오버레이용접재료의기술확립은국제경쟁력확보를위해서필수적으로거쳐야하는과제이다. 향후각종산업분야에의오버레이용접기술의정착을위해서는산학연이합심하여공동목적으로적극적인지원을해야할것이다. 또한국내용접관련산업및용접재료업체의기술개발의지가필요한이시점에서, 오버레이용접기술에대한제조기술의확립과향후방향제시를목표로하고있는정보자료의출현이국내산업발전을더욱활성화할수있는촉진제가될것이다. 이를위해본고에서는 NDSL, ScienceDirect, KIPRIS 등의검색을통하여, 국내외오버레이용접관련학술지와특허자료를입수하여체계적으로분석하였다. 특히용접재료에따른오버레이용접기술개발동향을파악하기위하여철계, Co계, Ni계, WC 계재료에관한해외및국내오 버레이용접의기술개발동향을파악하고정성분석하였으며향후기술을전망하였다. 2. 용접재료에따른기술개발동향 2.1 철계 저합금고장력강에오스테나이트계스테인리스강의오버레이클래딩용접시에는최적의용접공정인자를선정함으로써블로우홀, 핀홀및포착된 (entrapped) 슬래그와같은결함이없는클래드접합부를형성시키는제조기술이필요하다 1). Izutani 등 2) 은 Fe기지에 Cr 15.0~50.0 wt.%, C 0.20wt.% 이하, Si 15.0wt.% 이하, Mn 20.0wt.% 이하를함유시킨플럭스코어드용접와이어를이용하여순아르곤을실드가스로서하드페이싱용접하여양호한용접작업성및저희석률을실현하여내식성이우수한용접부를얻었다. 이방법은특히용착속도, 용착효율이크다는장점이있다. 저합금고장력강에대한스테인리스강의오버레이용접은내부식성과저온인성을향상시키기위한연구에활기를띠고있는데, 최근 Pan 등 3) 은 16Mn강과 9Cr Journal of KWJS Vol.31 No.6(2013) pp

3 18 강표면에고경도마르에이징강을용접하여경도, 내마모성및균열저항성을향상시켰다. Lu 등 4) 에의해 AISI 1045강표면에 SAW에의해 Fe-Mn-Cr-Mo-V 합금을클래딩한실적이있다. S. Zhou 등 5) 에의하면레이저유도하이브리드급속클래딩 (LIHRC, laser induction hybrid rapid cladding) 에의해스캔속도를 3500mm/min, 최대분말공급속도를 120g/ min. 로하여 AISI 1045강표면에 80wt.%Fe계 +20wt. %WC합금을대면적으로코팅하여내마모성 (dry sliding wear) 을크게향상시켰다. 이때 Fe계합금의평균입도는 80μm로하였으며, 세라믹상으로 WC입자의평균입도 30μm로하고과립상 (granulating) 으로 WC+ W 2C공정의층상혼합물로제조하였다. Xiaowen Qi 등 6) 에의하면 Fe-23Cr-3.5C 성분의플럭스코어드와이어에 V첨가의영향을조사하였다. V함량이증가할수록내마모성이증가하였는데, 벌크형 1차탄화물의양은감소하고미세한공정탄화물의양은상승하였다. 기지조직 ( 마르텐사이트 + 잔류오스테나이트 ) 내에 M 7C 3 와 VC형의탄화물이석출되었으며, VC는하드페이싱금속의응고후에 2차탄화물로서석출이되었다. Hao Feifei 등 7) 은하드페이싱시에예열이나후열이필요없고, 높은가소성 (plasticity) 과인성및내마모성과동시에용접균열이발생시키지않는재료를개발하기위하여희토류산화물 (LaAlO 3, Ce 2O 3, Ce 2O 2S) 의첨가영향을조사하였다. 이방법은특히중탄소강으로된샤프트, 기어등을하드페이싱오버레이보수용접하는데유용하게활용할수있다. 희토류산화물이 5.94wt.% 첨가시 5~10μm크기의가장미세한입도를얻을수있었으며이이상첨가시에는희토류산화물과 δ-fe 와의부정합 (misfit) 과, 핵생성의효율성이상실되어페라이트입도가증가하였다. Hao Feifei 등 8) 은희토류산화물이함유된플럭스코어드와이어로제조한 Fe-Cr-C 계합금으로된고크롬주철의하드페이싱후에탄화물의형태를관찰한결과, 1 희토류산화물의양이증가할수록탄화물의부피율은증가하고면적과원둘레가감소되어, 탄화물은더욱미세하고더욱원형으로되려는경향과, 2 희토류산화물이탄화물의비균질핵생성원으로작용하고미세한 M 7C 3 탄화물의생성을촉진하는경향을확인하였다. 일본 Nidetz Hard Co., Maruyama Takamiz는내열균열성, 내마모성및내식성이우수한하드페이싱용접된연속주조용롤을국내에특허출원 9) 하였다. 하드페이싱재료에대해서 Cr 13~20wt.% 을함유시킨 강기지에 C 0.07wt.% 이하로낮게제한하고다량의티타늄 (0.5~4wt.%) 을 1 Ti/N 20 의범위로첨가하여친화력이강한질소와반응시켜기지의크롬농도를억제시키지않고질화물을입내에골고루석출시켜내열균열성및내식성을유지하면서내마모성을겸비할수있도록하였으며동시에 Co, Mo, Ni 등의값비싼첨가원소를줄일수있는방안이다. Fe-Cr-C 합금계는고경도분산상인크롬탄화물을이용하는대표적인철계하드페이싱의합금중하나이다. 원전밸브용으로종래에사용해오던 Co계 Stellite 합금을초정오스테나이트가먼저생성시켜용접균열이발생되지않는아공정계 Fe-Cr-C 합금계로대체하기위한연구가김준기등 9) 에의해시도되었다. 오버레이용접용메탈코어드와이어는, 외피및외피내에충진되는충진재를포함하는오버레이용접용와이어에있어서, 충진재는합금분말및플럭스분말을포함하며, 합금분말은 Fe-Cr-C 합금을기본조성으로하고, 비드의희석률에따라 Cr 및 C의질량비율을조절함으로써, 용접완료후용착부의최종합금조성이오스테나이트로부터마르텐사이트로변태되는순간인변형유기상변태경계선에근접하도록형성되며, 플럭스분말은 Mn, Al, Si, Ti, ZrO 2, NaF 및 MgF 2 가각각소정질량비율로첨가되어조성되고, 각조성성분의질량비율에따라비드의희석률조절이가능하다 10). Co계 Stellite 합금을대체하기위해국내에서자체개발된 Co-free Fe-20Cr-1.7C-1.1Si 계메탈코어드와이어 (1.6mmΦ) 에대하여한규호등 11) 은 GMA 육성용접시용접조건이모재와의희석률및비드형상에미치는영향을조사하였다. 용적이행모드는 240A 에서 27V, 270A 이상에서는 30V가단락이행모드에서스프레이이행모드로천이되는구간으로나타났다. 용접비드의희석률에영향을미치는주요인자는용접전류이며주로용접시용입깊이가일정한반면용착량이증가하는데기인하고, 용접비드의퍼짐성에미치는주요인자는용접전압이며주로용입깊이대비용입폭의증가가큰데에기인하는것으로추정하였다. 고크롬탄화물 (Fe-18.3Cr-3.3C, Carbide 35.7%) 의아크육성용접부에대하여김민호등 12) 은연삭가공을대체하여 CBN 이나 PCD 공구를사용하는효율이좋은선삭가공기술을확보하였다. 고크롬계철계합금에일반적으로첨가되는합금원소로는 Mo, Ni, Mn, Cu 등이있다. Mo은냉각시펄라이트변태를억제하며이차탄화물석출을효과적으로억제함으로써경화능을향상시킨다. Ni, Mn 및 Cu 역시경화능을향상시키며펄라이트변태를억제하는역할 500 Journal of KWJS, Vol. 31, No. 6, December, 2013

4 오버레이용접에있어서용접재료에따른최신연구동향 19 을한다. 이외에도 Nb, V을첨가하여고경도탄화물을형성함으로써고크롬철계의내마모성을향상시킨다 13). 김종철등 13) 은 MAG 용접에서 YGW11 와이어를용접봉으로하고, 고크롬계복합분말 (Cr 3C 2-Mo- Mn-NbC) 로고크롬철계오버레이층을형성시킨결과, 일정와이어송급속도에대한상대적분말공급량의증가및일정복합분말공급량에대한상대적와이어송급속도의감소가경질의초정탄화물 (M 7C 3) 및 NbC 량을증가시킴으로써, 경도를증가시키고비마모량을감소시켰다. Nb/C 8~13 정도의 Nb을함유한페라이트계스테인리스용접재료는용착금속이응고하면서조대한페라이트결정립이생성되고입계에석출된화합물로인해굽힘연성이저하된다. 이를개선하기위하여김영일등 14) 은용접부에 Al이 0.04~0.09%, Ti 0.2~0.5% 첨가하여조직미세화의효과에의해굽힘연성을확보하였다. 2.2 Co 계 원자력발전소에들어가는밸브는표면실링을위하여우수한재료를사용하여야수명을크게연장시킬수있다. 최근 Co계 Stellite 계합금으로 Stellite 6과 21을주로비드용접하여사용한다. 고온스팀밸브는내마모성과내부식성이요구되지만 Co금속은활성방사선에대한염려와가격이너무비싸기때문에값싼재료에대한연구가활발히추진되고있다 15). 여러나라에서 Co무첨가신합금으로서 Fe계와 Ni계가선정되어적용이시도되고있다. 1 Fe계합금은오스테나이트기지에 C, Cr, Si, W, Mo 및 B을첨가하여재료를강화시켜양호한내열피로성능을향상시키고있다. Fe계합금 ( 예, Norem02) 은상온에서 Co계합금과비슷한경도와내마모성을나타내지만 200 에서는다량의 Fe함량으로인하여고온경도와스크래치저항성이급격히떨어진다 16). 2 Ni계합금은 Ni- 미쉬결정에 C, Cr, Si, W, Mo 및 B을첨가하여제조되어양호한내마모성과내부식성을얻을수있었지만아직완전하지못하여연구가진행되고있다 17). Stellite 6는고온에서의마모특성및내부식성이우수하나가격이비싸제작및주기적인보수에따른비용이상당히크다. 따라서현재에는전세계적으로 Stellite 6와등등한내마모성및내부식성을보유하고상대적으로저렴한합금, 예를들면 PTA 용접시 Inconel 625 합금또는 Inconel 718 합금으로대체하려는노력이윤병현등 18) 에의해시도되었으나, 적용분야에알맞은연삭마모및미끄럼마모에대한특성보증에대한파악이무엇보다중요하다. Co계 Stellite 합금은슬라이딩조건하에서의내마모성이우수하여핵발전소밸브의하드페이싱재료로흔히사용되어왔다. 그러나코발트는방사선피폭의공급원이라는염려로인하여동등한성질을지닌다른하드페이싱합금으로대체하는노력이진행되어왔다. 이에대한일환으로이권영등 19) 은개발된 Fe 계 Co-free 하드페이싱합금 (Fe-20Cr-1.7C-1.0Si) 과 Fe 계 NOREM 02 를 Stellite 6을 AISI 304강위에 GTA 하드페이싱용접하여비교한결과, 27~302 에서 100사이클의슬라이딩마모성시험에서동등한내마모성을나타내었다. 또한 NOREM 02는 202 이하에서 Stellite 6와거의동등한내마모성을나타내었다. 2.3 Ni 계 인코넬오버레이용접은원전기기의튜브시트, 주기기노즐등에적용된다. 주로적용하는용접프로세스는서브머지드아크스트립오버레이, 일렉트로슬래그스트립오버레이, 가스텅스텐아크용접및수동용접 (SMAW) 등이있다 20). Ni계합금분말은내마모성과내부식코팅이적용되는광석채굴, 석유탐사, 발전및시멘트산업에널리이용되고있다. Ni계합금으로서기계적성질 ( 예, 경도, 인성 ) 이우수하고자용성 (self-fluxing) 성질을갖춘 NiCrBSi 합금이 D. Kesavan 등 21),22),23) 에의해널리공개되어있으며, 이러한재료의내마모성은경화입자에의해서향상되는것으로알려져있다. C. Katsich 등 24) 은 Ni 계합금 (Ni-4.0Cr-2.7Si-1.5Fe- 1.1B-0.2C) 에구상의탄화텅스텐를이용하여내마모성을향상시켰다. 여기에서탄화텅스텐은 60mass% 의분율로구성되었으며직경 63~150μm범위의구상 WC/W 2C 로이루어진공정반응에의한용융혼합물이다. 또한 W 2C 결정은층상형태의구조로삽입되어특별한용융과정으로제조하였다. NiCrBSi 합금계는 3종류의오버레이공정에의한차이점을나타내고있다. 첫째 HVOF(high velocity oxyfuel) 용사에의한 NiCrBSi 합금의코팅기술이 N. Y. Sari 등 25) 에의해개발되었으며, E. Gruzdys 등 26) 의연구결과, 소량의 Ni 3B와 CrB 상을지닌 γ-ni고용체로구성되어내마모성의향상을가져왔다. 둘째, 레이저클래딩방법은 T. Gómez-del Río 등 27) 에의해 1 준안정 Ni 3B 공정상을지닌수지상의 Ni-rich 상과 2 Ni-Si 층상의공정상을지닌수지상간상과 3 CrB, Cr 3C 2 혹은 (Cr,Fe) 7C 3 로이루어진석출물이관찰되었다. 셋째, PTW 용접의출현으로 C. Sudha 등 23) 에의해서 15kg/h 까지의높은코팅속도와약 85% 의양 大韓熔接 接合學會誌第 31 卷第 6 號, 2013 年 12 月 501

5 20 호한용착효율과낮은희석률을나타내었다. PTA용접에서는 γ-ni 수지상과수지상간석출물로이루어지는데, 이수지상간석출물에는 Cr탄화물과 Cr붕화물을함유시켜내에로젼성이향상시켰다. C. Sudha 등 23) 에의해 Cr 2B, Cr 3C 2 와 Cr 7C 3 입자를함유한 γ-ni상을발견하였다. J. F. Flores 등 28) 에의해 γ-ni 수지상과수지상간석출물 (Cr 탄화물과 Cr붕화물 ) 을관찰하였다. Ch. Just 등 29) 은 Ni기지에 60wt.%WC/W 2C 로구성시킨금속기지복합재료 (MMC, Metal matrix composites) 하드페이싱합금에대하여 PTA 용접에의한용접전류에대한변화를조사하였다. 높은용접전류에서는 WC상의함량이 3배나증가하였으며용접전류를약 25% 상승시킴에따라계면의두께가 5배증가하였다. Kaiser Samuel 30) 은저녹스 (NOx) 화력보일러내의보일러튜브용용접오버레이로서사용하는경도및열전도도를증가시킨합금을제시하였다. Ikeda dezunao 등 31) 은용접금속에있어서의연성저하재열균열에대한우수한내균열성을갖고, 용접금속의인장강도를모재와동등이상으로높일수있고, 용접작업성이우수한용접용 Ni기합금솔리드와이어를개발하였다. H. Kashani 등 32) 에의해 TIG 용접을이용하여 Inconel 625, Stellite 6 및 Stellite 21을공구강에오버레이용접한결과, Inconel 625 이고온 (550 ) 에서가장우수한내마모성을가지며, Ni계코팅층이 Co계코팅층보다치밀한산화물층으로인하여고온에서더양호한내마모성을나타내었다. Co 혹은 Ni로된용접재료를하드페이싱함으로써종래부터마모에대한문제점 33) 을해결해왔으나원자로부품 (Indian Proto-type Fast Breeder Reactor) 은격심한작업조건으로기인되는마모손상에견디어내야한다. 그러나 Co계합금 ( 예, Stellite 6) 은방사선활동으로사용상바람직하지못하여대체합금으로 Ni계합금을검토한결과, 장기간시효연구에서오스테나이트계스테인리스강의표면에 Ni계 Colnomoy 5의하드페이싱증착은 550 에서 40년의사용수명을보증할수있을정도의적절한경도를유지하고있음을보여주었다. 니켈합금용접재료인 Alloy 82/182 용접부의일차수응력부식균열은해외원자력발전소내주요기기의건전성을저해시킬수있는요인으로용접시발생하는인장잔류응력에의해발생되고있다. 이승건등 34) 은균열을예방하기위한방법으로인장잔류응력을줄일수있는오버레이용접기술을확립하였는데, 축방향및원주방 향에비해서노즐에서배관방향으로설계하여용접하는것이잔류응력을효과적으로감소하였다. 이종금속용접부재료로쓰이는 Alloy 82/182 는일차수응력부식균열에민감하며이종금속내면에인장용접잔류응력이발생하기쉽다. 이에송태광등 35) 은고리 3호기 6안전ㆍ방출노즐을대상으로이종금속용접부에발생하는잔류응력을예측하고오버레이용접의영향을파악하였다. 또한 H-Y Bae 등 36) 은고리원전가압기예방용접오버레이용접연구에서배관에서노즐방향으로용접하는것에비하여노즐에서배관방향으로용접할때이종용접부내부의잔류응력을더낮추는효과가있다는것을확인하였다. 고리원전밀림관노즐의강한인장잔류응력이발생되는보수용접부에대해 Alloy82/182 로버터링 /D.M.W (dissimilar metal weld) 하는경우, 보수용접깊이에따라동종용접과예방용접오버레이로인하여인장잔류응력의크기가변화하는것을오창영등 37) 은정량적으로분석하였는데, 용접부응력집중이되는현상을방지할수있도록형상을만드는것을권장하였다. 원전노즐이종금속용접부에사용되는 Inconel 600 계열용접재료는응력부식균열에민감하며, 특히용접유기잔류응력및사용중하중에의한균열발생위험이크다. 응력부식균열을완화시키는방법으로기계적응력완화, 오버레이용접및내응력부식균열성이우수한재료의사용등이있다. 이중에서오버레이용접은배관내면이인장잔류응력을압축잔류응력으로낮추어주는효과가있는것으로알려져있어현재적용되고있다 38). 정인철등 20) 에의하면원전기기 ( 노즐및배관부 ) 표면에오버레이목적으로사용되는인코넬용접시인장응력을압축응력으로개선시키기위하여응력부식균열을예방하기위한템퍼비드오버레이기법을적용하였으며다층용접을통해템퍼링효과를줌으로써후열처리효과를갖도록하였다. 안용수등 39) 은 Inconel 625 및 718의 PTA 에의한육성층의열영향부액화균열은응고시 Nb, Mo, Ti 등이결정립계및수지상입계에편석하여저융점 γ/nbc, γ/laves 공정상을형성하여결정립계에균열을유발시키는현상을관찰하였으며, 응고균열의정도는저융점공정상의형태와양, 그리고합금의응고온도범위에따라결정되고, 희석률이증가할수록 C/Nb ratio 가증가하고합금의균열감수성이낮아진다는것을확인하였다. 2.4 WC계 C. P. Paul 등 40) 에 WC-12wt.%Co을레이저클래딩한결과, 산업분야에적용할수있는 Co함유량의범 502 Journal of KWJS, Vol. 31, No. 6, December, 2013

6 오버레이용접에있어서용접재료에따른최신연구동향 21 위가 10~15wt.% 임을확인하였다. WC 입자는부분적혹은완전한용해가없어야하며, 평균입도크기가약 10μm의크기가바람직하며 WC의날카로운끝부분이분명히보이도록하드페이싱용접되어야한다. WC 는지나친가열혹은부분용융으로인하여 WC-Co 합금내에탄소의석출이흑연으로변이 (2WC W 2C+C) 함으로써탄소의결핍을가져오고, 동시에이흑연은대기중의산소와반응하여 CO와 CO 2 를형성시켜가스기공 (porosity) 의결함으로나타날수있고, 이로인해 W, Co, C를함유한매우취약한 3원계공정합금을형성시키므로주의해야한다. 특히 WC-Co 의제조시, 제어하기어려운국부가열이나상호작용시간이길어지기때문에알맞은탄화물량으로제조하기어려운단점이있다. 임희식등 38) 은 SCM440 모재위에 WC-12%Co 계초경합금그릿 (grit) 과저탄소강와이어와함께 GMAW 를이용한오버레이용접하여 WC- 12%Co/ 저탄소강 MMC(Metal matrix composites) 오버레이용접을하여그릿과기지부에 Fe 6W 6C를생성시켜내마모성을향상시켰다. 3. 오버레이용접기술동향 3.1 용접시공기술현황 고크롬철계오버레이용접시에일정와이어송급속도에대한상대적분말공급량을증가시킴으로써오버레이층에경질의탄화물량이증대되어, 경도는증가하게되고비마모량은감소되는효과가있다 13). 연성층확보를위해탄소고용도가작은 Ni-Fe 계와이어를사용하여초층에버터링함으로써용접부의균열을방지할수있었다 41). 니켈합금의용접부는연강이나스테인리스강에비해용입깊이가얕다. 용접개선면각도는일반 V이음부에서는 10~20 더크게하고루트면은 1.6mm 정도로적게한다. 필렛형태에서용접비드는일반용접과달리약간볼록한형태가결함방지에유리하며, 잔류응력에의한응력집중을완화시켜균열에대한민감성을낮추게한다 20). 3.2 오버레이용접재료현황지금까지상품화되어있는오버레이용접재료는강또는 Fe계저합금, Cr백철또는 Fe계고합금, 탄화물, Ni계합금과 Co계합금으로분류되어있다. 오버레이용접합금의미세조직은연성인 Fe계, Ni계, Co계의기 지조직에붕화물, 탄화물또는금속간화합물과같이경도가높은석출물로구성되어있다. Fe계와 Co계오버레이용접합금은탄소가일반적으로최대 4% 정도포함되어있으므로탄화물이주된경화상이다. Ni계오버레이용접합금의경화상은탄화물과붕화물로서탄소와 B은약 5% 까지혼합되어있다. 모합금의첨가원소함량에따라특정한탄화물과붕화물이형성되며대부분의 Ni계, Co계그리고고합금 Fe계오버레이용접합금의기지조직에는 Cr이최대 35%, Mo 또는 W이최대 20% 에미량의 Si과 Mn이포함되어있다. 3.3 합금원소절감기술현황오일샌드이송라인을비롯하여해저자원의양광파이프라인등과같이극심한마식환경에사용하기위한소재로는 WC, B 4C 등의고경도탄화물을들수있다. 이들은분말소재로용사공정에의해내벽에코팅되며내마식성이우수한것으로알려져있지만소재가격및공정비용이매우고가이고코팅층의조성편차가심하여취성이크다는단점이있어극한지에너지라인에적용하기는어려운상황이다 42). Co계재료는고온단조산업에서하드페이싱용접증착에광범위하게사용될수있을것이다. 그러나값비싼 Co계 Stellite 합금을대체하기위하여국내에서 Co-free Fe-Cr-C 계메탈코어드와이어연구가추진되었다. 하드페이싱내마모재료로는텅스텐탄화물 (WC) 과 Co계 Stellite 합금분말이주로사용되고있으나, WC 는고가이고 Co계 Stellite 합금은환경문제로인하여사용을꺼려하고있기때문에 Fe계 (Fe-Cr-C) 하드페이싱분말을선정되고있다. Fe계분말은기계적성질이우수하고가격이저렴하다는장점이있다 43). 3.4 희석률최적화기술현황오버레이용접재료의합금조성은대부분모재보다합금원소함량이높기때문에희석률이증가할수록오버레이용접부의합금원소함량이낮아져성능이저하된다 9,42). 오버레이용접시희석률의정교한제어를통해원하는합금조성의용접부를형성하는용접플럭스조성설계기술에대한연구를통해우수한내마식성능을갖는오버레이접합금속소재가개발될수있을것으로기대된다. 변형유기마르텐사이트상변태를이용하는신개념내마식합금조성설계기술과또한오일샌드, 해저자원등의에너지라인이외에도임계변형에너지를이용한변형 大韓熔接 接合學會誌第 31 卷第 6 號, 2013 年 12 月 503

7 22 유기마르텐사이트제어합금설계기술은건설중장비적재함, 버켓등에서사용되기위한고인성내마모강판의연구개발에도활용될수있을것으로기대된다. PTA 용접시희석률이증가할수록전체저융점상의양이감소하고액화균열감수성은희석률이증가할수록감소하는경향을보이므로최적의희석률결정이용접시공상주의해야할하나의항목이다. GMA 오버레이용접에서희석률을최적화하는방법으로는먼저용접공정을통한비드형상제어를고려해볼수있다. 하드페이싱용합금조성은대부분모재보다합금원소함량이높기때문에희석률이증가할수록오버레이용접부의내마모성은저하한다. 접합부신뢰성을위해 10% 정도의희석률은필요하지만희석률이과도한경우에는원하는내마모성능을위해다층용접을적용해야하므로높은희석률은용접비용을증가시키는원인이된다. 용융금속의모재에대한희석은용접파형과관련이있으며, 일반적으로용접전압및전류의증가는입열량을높여희석률을증가시킨다. 3.5 용접균열방지기술현황 하드페이싱용접부의균열감수성은응고되는과정에취약한상을바로합성될수있는새로운상으로대체함으로써감소시킬수있다. NiCrBSiC 계하드페이싱코팅층에는크롬붕화물과탄화물과같은조대하고취약한상의형성은균열의원인이되고있다. 여기에 CrB 2(2200 ) 과 CrB(2100 ) 과같은크롬붕화물을바나듐의첨가로바나듐붕화물, 즉 VB(2551 C), VB 2 (2750 C), V 2B 3 (2640 C) 및 V 3B 4(2640 C) 로대신에형성시킬수있기때문에균열발생을크게방지할수있다 44). 원자력발전용가압수형경수로를구성하는압력용기및증기발생기등의고압용용기에있어서는, 종래의 Ni-15Cr 계합금에서문제가되는 SCC( 응력부식균열 ) 에의대책으로서, 그구성재료로서 Ni-30Cr 계합금이채용된다. Ni-30Cr 계용가재를사용하여오버레이용접한경우, 다패스용접에의한용착금속이적층되는용접부의내부에서, 미소한균열이발생하기쉽다고하는문제점이있다. 이입계균열은용접금속이응고하는과정에서발생하는응고균열과구별하여, 연성저하재열균열이라고불리는데 Ikeda deznao 등 31) 은이러한균열을방지하는방법을확립하였다. Inconel 690 오버레이용접부에균열이잘발생한다는것은 Nb과같은특정성분뿐만아니라, 용접재료, 모재또는인접용접부의화학조성에따라서고온균열감 수성이크게변화된다 45). Ni 계합금분말에적당한양의 V 2O 44) 5, TiO 46) 2, La 2O 3 47) and CeO 2 첨가로기공이나균열이없는 Ni계하드페이싱코팅층을확보할수있다. 3.6 품질향상연구현황용접구조물의제조에있어서스테인리스용접은결정립조대화와 Cr 탄화물의석출에의한용접부연성저하및입계예민화가문제시되고있다. 특히탄소강에초층하드페이싱용접할경우, 모재와의희석에의한탄소량의증가와크롬량의감소로인해용접부에마르텐사이트조직이생성될가능성이있어 Nb 및 Ti를첨가한고Cr 계 Type 430(17%Cr) 용접재료를사용하여초층용접을함으로써페라이트기지를안정화시키고 Cr탄화물석출에의한예민화를방지한다 14). 하드페이싱용접부연성회복을위해 700 이상으로후열처리하게되면탄소강의강도가저하되므로용접그대로상태상태또는탄소강의후열처리온도인 610 정도에서용접부연성을확보해야한다 14). 격심한마모와부식환경에서수명을연장하기위하여사용되는 WC/W 2 C를함유한 Ni계기지로구성된 MMC의기계적성질에영향을미치는중요한인자로서탄화물이결합되어있는계면이될수있다. 이외에도탄화물의양, 크기및분포에도크게영향을미치게된다. 특히 2차적인 W, Ni, Cr 등과같은원소를함유한 (rich) 탄화물, 질화물, 붕화물등에의해서도미세조직및품질특성을좌우시킨다 35). 4. 향후기술전망 4.1 용접시공기술 제조업의경쟁력강화를위한설비의고도화유지의필요성은증대될것이며, 이를위한한방편으로오버레이용접기술의적극적인적용및개발은우수한품질의저가오버레이용접재료개발, 생산성향상을가질수있는용접시공기술의개발, 오버레이용접기술적용을위한새로운수요개발측면에서이루어져야한다. 연구개발을통한신기술의개발로새로운수요창출의노력이요구되고있다. 오버레이용접재료의경우에는첫째내마모성, 내열성, 내소부성, 내충격성, 내산화성등과같이복합물성을가지는합금개발, 둘째용접균열을발생하지않는고경도내마모성합금개발, 셋째고기능오버레이용접재제조를위한원료분말제조기술, 용접봉및와이어 504 Journal of KWJS, Vol. 31, No. 6, December, 2013

8 오버레이용접에있어서용접재료에따른최신연구동향 23 제조기술그리고플럭스제조기술개발이요구된다. 오버레이용접공정의경우에는첫째저희석및박육 ( 육성층 1~2mm) 오버레이용접기술, 둘째고합금화및복합탄화물화유도공정기술, 셋째고융착용접기술, 넷째열영향부물성제어공정기술, 다섯째신용접법 (PTA, 레이저빔, 전자빔용접등 ) 의적용기술개발이요구되고있다. 4.2 잔류응력완화기술용접과정중발생되는인장잔류응력은원전배관이종용접부의일차수응력부식균열 (PWSCC) 이발생되는원인중하나라고알려져있다. 보수용접은강한인장잔류응력을유도하기때문에이종용접부의일차수응력부식균열을유도하기쉽다. 향후용접부응력집중이되는현상을방지할수있도록형상을만드는것이중요하다. Inconel 625 및 718 합금육성층의열영향부는급격한가열및냉각사이클뿐만아니라입열의불균일과전체용접부경직성으로인하여구속응력을받아, 응력및열사이클이열영향부에서액화균열을일으키는원인으로작용한다. 용접부가까이에서작용하는응력이가장크며, 조성적액화및초기용융에의해형성된액막이결정립계를취화시키고이러한구속응력이취화된결정립계에작용하면균열을쉽게발생시킬수있다. 회주철금형의매우낮은연신율과경화육성용접시의큰구속응력으로인해용접부에다량의종크랙및횡크랙이발생하므로유광선등 41) 은연성층확보를위해탄소고용도가낮은 Ni-Fe 계와이어를사용하여초층에버터링을함으로써용접부의균열을방지할수있었다. 4.3 합금원소제어기술산업적수요가증대되고있는극한지용내마식소재를개발하기위해서는내마식성과함께저온인성을부여하는방안이요구된다. 다량의고경도탄화물은재료의경도와내마식싱을높이지만재료의인성을저하시킨다. 따라서연성-취성천이현상이없어저온인성이우수한오스테나이트기지상에고경도석출상이없어도재료의표면을급격히가공경화시키는변형유기마르텐사이트상변태효과를극대화할수있는신개념합금설계기술의도입이필요하다 42). Inconel 625 및 718 합금의 PTA 육성용접시가장큰문제는용융금속의응고도중에발생하는응고균열과열영향부에서의액화균열이며, 이들은대부분결정 립계에편석된특정원소들 (Nb, Mo, Ti, C 등 ) 에의한저융점상 (γ/nbc, γ/laves) 형성이주요원인으로알려져있다. 이러한저융점상의양은화학성분에의해결정되므로화학성분량의최적성분설계가대단히중요한과제가될수있을것이다. 4.4 희석률향상기술지금까지희석률은예측하기가힘들고, 용접시마다균일한품질의용접표면조직을얻지못하고마모저항성이떨어져표면균열등다양한마모현상이자주발생하였다. 향후희석률을일정하게유지하고최소화시키기위해서는플럭스분말구성원소의질량비율에따른최적의조성을설정하는연구가추진되어야할것이다. 기존의용접재료제조기술은용접부의구조적건전성을확보하기위해용입을증가시키는방향으로연구가이루어져왔으나오버레이접합금속의경우에는모재와의조성차이가크기때문에용착부의합금조성을최적으로제어하기위해서용착부희석률을작으면서일정하게유지하는것이중요하다 49). 변형유기마르텐사이트상변태를강화기구로활용하는내마식합금의경우에는오스테나이트상과마르텐사이트상의경계지점합금조성이가장우수한내마식성을나타낼것으로기대되고있는데, 오버레이용접부가최적의내마식성을유지하기위해서는합금조성이상경계에가까우면서마르텐사이트상영역으로넘어가지않도록오버레이용접부에서희석률의편차를정교하게제어하는것이필요하다 42,49). 4.5 용접결함 ( 균열 ) 방지기술용접작업성개선의측면에서 0.06%C 함량의도입에의해용접결함 ( 균열발생등 ) 이발생되지않는양호한용접작업성을얻을수있다. 원자력발전소에적용되는 Inconel 600은이보다훨씬우수한내식성 ( 즉, 응력부식균열성 ) 을가지고있는 Inconel 690 으로의교체가진행되면서, 이에대한용접및클래딩이주목을받고있다. 그러나 Inconel 690 용접금속은일반스테인리스강의용접금속과는달리완전오스테나이트이므로고온균열에민감하고, 기공, 용입불량등의결함이발생하기쉽다는단점을가지고있으며, 용접재료등과관련한용접법이정확히정착되지않은관계로여전히많은불건전용접부가발생하고있는실정이다. 이에대비하여 Inconel 690 용접부의고온균열을방지또한저감화를위해서는용접조건에대한검토와함께, 용접재료의화학조성, 모재또는인접 大韓熔接 接合學會誌第 31 卷第 6 號, 2013 年 12 月 505

9 24 용접부의종류와이에따른희석, 용접순서등을종합적으로고려하여연구개발되어야할것으로생각된다 45). 인코넬 690 합금용접금속은고온균열에민감한기공, 용입불량등의결함이발생하기쉽다. 특히연성저하응고구간에서발생하는연성저하균열 (DDC, Ductility Dip Cracking) 결함을방지하기위해서는적절한시공조건의설정과용접재료의선택이중요하다. 용접부는균열에민감하므로용가재는불순물이적고연성저하균열저항성이높은재료를선택해야한다. 산화된불순물로이루어진용융부의부유물은오염된비드표면을형성하므로매층간클리닝에유의해야한다 20). 알루미늄경량화소재와내마모 Fe계재료를접합하기위해서는클래드층과모재사이의계면부근에서발생하는 Fe 3Al, FeAl 3, Fe 2Al 5 와같은취약한금속간화합물에의한균열의발생에주의하여야한다. 클래드층의균열의형성은기판의예열에의해서감소시킬수있으므로향후이에대한연구도중요한과제가될수있다 50). 5. 결론 1) 오버레이용접을위한용접재료로서철계, Co계, Ni계, WC 계가있으며, 품질특성이우수하고값싼철계와 Ni계용접재료에대한연구가활성화되고있다. 2) 최근품질향상과경제성을갖춘오버레이용접기술을확립하기위해서는용접시공기술, 잔류응력완화기술, 용접재료에대한값비싼합금원소절감기술, 희석률최적화기술, 용접균열방지기술에대한연구가매우중요한과제로대두되고있다. 3) 향후오버레이용접기술은용접시공, 잔류응력완화, 합금원소제어, 희석률향상및용접결함방지기술의개발이더욱활성화될것으로전망된다. 후 기 본기술해설은한국과학기술정보연구원이미래창조과학부과학기술진흥기금과복권기금을지원받아수행하는 ReSEAT 프로그램의성과물입니다. Reference 1. N. Venkateswara Rao et al. : Weld overlay cladding of high strength low alloy steel with austenitic stainless steel, Materials and Design 32 (2011) 2496~ Kobe Seikosyo Co. Iztani et al. : flux-cored welding wire and arc welding method for overlay welding using the same, Korean unexamined patent (in Korean) 3. Pan Yong-ming et al. : Research on overlaying welding rod of high hardness maraging steel. China Surf Eng 19(3) (2006) 465~ Lu Shan Ping et al. : Microstructure and wear property of Fe-Mn-Cr-Mo-V alloy cladding by submerged arc welding, J Mater Proc Technol. 147 (2004) 191~ S. Zhou et al. : Microstructure and wear resistance of Fe-based WC coating by multi-track overlapping laser induction hybrid rapid cladding, Optics & Laser Technology 44 (2012) 190~ Xiaowen Qi et al. : Effects of vanadium additive on structure property and tribological performance of high chromium cast iron hardfacing metal, Surface & Coatings Technology 205 (2011) 5510~ Hao Feifei : Effects of rare earth oxide on hardfacing metal microstructure of medium carbon steel and its refinement mechanism, JOURNAL OF RARE EARTHS, 29-6 (2011) 609~613 8.Hao Feifei : Effect of rare earth oxides on the morphology of carbides in hardfacing metal of high chromium cast iron, JOURNAL OF RARE EARTHS, 29-2 (2011) 168~ Nidetz Hard Co., Maruyama Takamiz : Roll for use in continuous casting, Korean unexamined patent (in Korean) 10. KITECH : Metal Cored Wire for Overlay Welding, Korean unexamined patent, (in Korean) 11. Kyu-Ho Han et al. : GMA hardfacing weld-ability of Fe-Cr-C metal cored wire, Journal of the Korean Welding and Joining Society, Autumn (2004) 177~ Min-Ho Kim, Tae-Young Kim : Machining Characteristics and Cutting Force Analysis of Hardfacing Overlay Welding in High Chromium Carbide, Journal of the Korean Society of Machine Tool Engineers, 18-5 (2009) 469~476 (in Korean) 13. Jong-Chul Kim and Kyeung-Chae Park : Wear Resistance Characteristics of Iron System MAG Weld Overlays with Chromium and Niobium Carbide Composite, Journal of the KWS, 20-3 (2002) 310~315 (in Korean) 14. Youngil Kim et al. : Evaluation of ferritic stainless steel FCA overlay weld metal ductility, Journal of the KWJS, Spring (2006) 140~142 (in Korean) 15. Shihong Shi et al. : Study of cobalt-free, Fe-based alloy powder used for sealing surfaces of nuclear valves by laser cladding, Nuclear Engineering and Design 245 (2012) 8~ Lee, K. Y. et al. : Sliding wear behavior of hardfacing alloys in a pressurized water environment. Wear 262 (2007) 845~ Bahn, C. B. et al. : Wear performance and activity reduction effect of Co-free valves in PWR environ- 506 Journal of KWJS, Vol. 31, No. 6, December, 2013

10 오버레이용접에있어서용접재료에따른최신연구동향 25 ment, Nuclear Engineering and Design 231, (2004) 51~ Yoon Byoung Hyun et al. : Wear Behavior of Plasma Transferred Arc Deposited Layers for Ni- and Co-base alloy, 19-2 (2001) 540~547 (in Korean) 19. Kwon-Yeong Lee et al. : Sliding wear behavior of hardfacing alloys in a pressurized water environment, Wear 262 (2007) 845~ In Chul Jung et al. : Overlay Welding of Inconel Material for Nuclear Power Components, Journal of KWJS, 27(2) (2009) 122~124 (in Korean) 21. D. Kesavan, M. Kamaraj : The microstructure and high temperature wear performance of a nickel base hardfaced coating, Surface and Coating Technology 204 (2010) 4034~ T. Liyanage et al. : Influence of alloy chemistry on microstructure and properties in NiCrBSi overlay coatings deposited by plasma transferred arc welding, Surface & Coatings Technology 205 (2010) 759~ C. Sudha et al. : Microchemical and micro-structural studies in a PTA weld overlay of Ni-Cr-Si-B alloy on AISI 304L stainless steel, Surface & Coatings Technology, 202 (2008) 2103~ C. Katsich, E. Badisch : Effect of carbide degradation in a Ni-based hardfacing under abrasive and combined impact/abrasive conditions, Surface & Coatings Technology 206 (2011) 1062~ N. Y. Sari, M. Yilmaz : Improvement of wear resistance of wire drawing rolls with Cr-Ni-B-Si + WC thermal spraying powders, Surface and Coating Technology 202 (2008) 3136~ E. Gruzdys, S. Meskinis, S. Tamulevicius, T. Grinys : Mater. Sci. 14 (2008) pp T. Gómez-del Río et al. : Influence of the deposition techniques on the mechanical properties and microstructure of NiCrBSi coatings, Journal of Materials Processing Technology 204 (2008) 304~ J. F. Flores, A. Neville, N. Kapur, A. Gnanavelu : An experimental study of the erosion-corrosion behavior of plasma transferred arc MMCs, Wear 267 (2009) 213~ Ch. Just et al. : Influence of welding current on carbide/ matrix interface properties in MMCs, Journal of Materials Processing Technology 210 (2010) 408~ Huntington Eloise Corp. Kaiser Samuel : filler metal composition and method for overlaying low NOx power boiler tubes, Korean unexamined patent (in Korean) 31. Kobe Seikosyo, Ikeda deznao : Ni base alloy solid wire for welding, Korean unexamined patent (in Korean) 32. H. Kashani et al. : Room and high temperature wear behaviors of nickel and cobalt base weld overlay coatings on hot forging dies, Wear 262 (2007) 800~ A. K. Bhaduri et al. : Selection of hardfacing material for components of the indian prototype fast breeder reactor, Journal of Nuclear Materials 334 (2004) 109~ Seung-Gun Lee et al. : Analysis of Overlay Weld Effect on Preventing PWSCC in Dissimilar Metal Weld, The Korean Society of Mechanical Engineers, 34-1 (2010) 97~101 (in Korean) 35. Tae-Kwang Song et al. : Effect of Preemptive Weld Overlay on Residual Stress Mitigation for Dissimilar Metal Weld of Nuclear Power Plant Pressurizer, KSME-A (2008) 873~881 (in Korean) 36. H-Y Bae et al. : Effect of preemptive weld overlay sequence on residual stress distribution for dissimilar metal weld of Kori nuclear power plant pressurizer KSME autumn (2008) 88~93 (in Korean) 37. Oh, Chang-Young et al. : Effect of Similar Metal Weld & Preemptive Weld Overlay On Residual Stress of Repair Weldment In Surge Nozzle, Computational Design in Engineering, 22-6 (2009) 557~564 (in Korean) 38. Hee-Sik Lim et al. : Wear Behavior of WC-12%Co/ Low Carbon Steel Metal Matrix Composites(MMC) Welding Overlay, KWS 21-2 (2003) 172~179 (in Korean) 39.Yong Soo Ahn et al. : Behavior of solidification cracking with dilution in PTAW Ni-base superalloys overlay, April 01, (2000) 60~ C. P. Paul et al. : Cladding of WC-12 Co on low carbon steel using a pulsed Nd:YAG laser, Materials Science and Engineering A 464 (2007) 170~ K. S. YOO et al. : The development of prevention technique for crack and porosity occurred during hardening overlay auto MIG welding for press die of gray cast iron, KWJS Autumn November (2005) 114~116 (in Korean) 42. Jun Ki Kim et al. : Design of Erosion Resistant Overlay Welding Material, 28-3 (2010) 31~35 (in Korean) 43. Kown-yeong Lee et al. : The effects of additive elements on the sliding wear behavior of Fe-base hardfacing alloy, Wear, 255 (2003) 481~ Dong-sheng Wang et al. : Investigation on the microstructure and cracking susceptibility of laserclad V 2O 5/NiCrBSiC alloy coatings, Surface & Coatings Technology 202 (2008) 1371~ Byung-Il Yang et al. : Hot Cracking Behavior in Inconel 690 Overlay Welds on Mn-Ni-Cr-Mo Steel for Pressure Vessels, 20-2 (2002) 82~ M. J. Chao, E. J. Liang : Surface & Coatings Technology 179 (2004) pp K. L. wang et al. : Journal Materials Proccessing Technology 139 (2003) Ch. Just et al. : Influence of processing conditions on the carbide/matrix interface in sintered composite layers, Surface & Coatings Technology 205 (2010) 35~42 大韓熔接 接合學會誌第 31 卷第 6 號, 2013 年 12 月 507

11 Kyu-Ho Han et al. : Effects of GMA Welding Conditions on the Bead Shape of Hardfacing Overlay welding, Journal of KWJS, 25-5 (2007) 514~519 (in Korean) 50. Girish R. Desale et al. : Erosion wear behavior of laser clad surfaces of low carbon austenitic steel, Wear 266 (2009) 975~ 년생, 공학박사 한국과학기술정보연구원전문연구위원 용접야금및공정, 금속공학, 정보분석 yooho278@reseat.re.kr 508 Journal of KWJS, Vol. 31, No. 6, December, 2013