고강도저합금강용접금속의미세조직과기계적특성에미치는니켈함량의영향 大韓熔接 接合學會誌第 卷 4 號別冊 12. 8
49 연구논문 고강도저합금강용접금속의미세조직과기계적특성에미치는니켈함량의영향 강용준 * 장지훈 * 박상민 ** 이창희 *, * 한양대학교신소재공학부 ** 현대종합금속 Influence of Ni on the Microstructure and Mechanical Properties of HSLA Steel Welds Yongjoon Kang*, Jihun Jang*, Sangmin Park** and Changhee Lee*, *Division of Materials Science and Engineering, Hanyang University, Seoul 133-791, Korea **Reseach & Development Dept., Pohang Plant, Hyundai Welding, Pohang 790-2, Korea Corresponding author : chlee@hanyang.ac.kr (Received August 8, 12 ; Revised August 28, 12 ; Accepted August 29, 12) Abstract The microstructure and mechanical properties of the high-strength low-alloy steel weld metals with a variation of nickel content were investigated. The weld metals with a variation of nickel content from 2.3 to 3.3 wt% were prepared using Gas Metal Arc Welding process. The amount of acicular ferrite decreased with increasing nickel content; this is accompanied with an increase in the region of bainite and martensite, hence the hardness and tensile strengths were increased with the increase in nickel content, whereas the impact energy was deteriorated. Key Words : Weld metal; Acicular ferrite; Nickel; Impact toughness 1. 서론 최근한랭지에서의에너지수송및심해에서의에너지자원채굴을위한라인파이프와대형해양구조물의수요가급증함에따라높은강도를가지면서동시에우수한저온인성을갖는구조용강재들이개발되고있다 1-2). 한편이러한강재들의용접금속에대한기계적성능을확보하기위하여용접와이어에대한개발도지속적으로이루어지고있으며, 용접금속의미세조직에대한많은연구가활발히진행되고있다. 저합금강은용접후냉각되면서약 800~500 범위에서오스테나이트-페라이트변태를하게되는데, 이때열역학적으로에너지가가장높은오스테나이트입계에서입계페라이트 (Grain boundary Ferrite) 가가장먼저생성되고, 위드만슈테텐페라이트 (Widmanstatten Ferrite) 가입계페라이트로부터생성되어성장하게되며, 냉각이더진행되면서오스테나이트는침상페라이트, 베이나이트, 마르텐사이트와같은저온상으로변태하게된다. 베이나이트및마르텐사이트와같이취성이큰조직은강도를높게하는데효과적이지만저온인성을크게저하시키며, 침상페라이트조직은오스테나이트결정립내부에있는비금속개재물로부터핵생성되어사방으로성장해나가기때문에래스 (lath) 들이서로결속되어있는구조를가지고균열전파에대한저항성이높아서용접금속의강도와저온인성을동시에향상시킨다 3-9). 따라서용접금속이높은강도와함께우수한저온인성을확보하기위해서는각미세조직을적절하게제어하는것이중요하며, 이는용접금속의화학조성, 냉각속도, 산소함량, 오스테나이트결정립크기등에의해서결정된다 -13). 특히망간, 니켈, 몰리브덴, 크롬등의합금원소의함량이용접금속의미세조직 Journal of KWJS Vol. No.4(12) pp339-344 http://dx.doi.org/.5781/kwjs.12..4.339
50 형성및기계적특성을결정하는데중요한영향을미친다고알려져있다. 일반적으로니켈은용접금속의충격인성향상에탁월한효과를보인다 14). 하지만최근에는고강도강용접금속에서니켈함량이증가할수록임계점까지는저온충격인성이향상되다가임계점을지나면서감소된다는연구결과들이보고되고있다 15-16). 그러나고강도강용접금속에서이러한기계적특성변화를유발하는야금학적인요인에대한연구가아직부족한실정이다. 따라서본연구에서는인장강도가 900 MPa급인고강도저합금강용접금속에대하여니켈함량이미세조직변화와기계적특성변화에미치는영향을분석하였고, 이들의상관관계를고찰하였다. 2. 실험방법 2.1 실험재료 본연구에서모재는 Fig. 1과같이두께 mm의 ASTM AH36 강재를개선각을 45 로하여사용하였고, 용접은가스메탈아크용접 (Gas Metal Arc Welding) 으로실시하였다. 용접금속의니켈함량을다르게하기위하여 3종류의메탈코어드와이어 (Metal Cored Wire) 를제작했으며, 와이어가함유하고있는니켈분말의양만다르게제어하였다. 약 kj/cm 의입열량으로 7층 15패스를아래보기용접하였다. 보호가스는 CO 2 를사용하였으며, 층간온도는 150 로하 였다. 용접금속의화학조성은 OES(Optical Emission Spectroscopy) 로분석하였다. 2.2 기계적특성평가기계적특성평가를위해비커스경도기, 인장시험기, 샤르피충격시험기를사용하였다. 샤르피충격시험은 -~-, -196 에서실시하였다. 인장시험시편과샤르피충격시험시편은각각 ASTM E8과 ASTM E23 을따라가공하였다. 2.3 미세조직분석미세조직분석을위해광학현미경 (Optical Microscopy, 이하 OM), 투과전자현미경 (Transmission Electron Microscopy, 이하 TEM), 전자후방산란회절분석 (Electron Backscattered Diffraction, 이하 EBSD) 를사용하였다. OM 관찰을위해미세연마후, FeCl 3 용액 (FeCl 3 5 g + 0 ml distilled water) 으로에칭하였으며, IIW DOC. IX-1533-88 에제시된방법을이용하여상분율을측정하였다. 개재물크기분포및화학조성분석을위해 TEM 을사용하였으며, 시편준비는레플리카방법으로하였다. 결정립간의방위차는 EBSD 를사용하여분석하였으며, EBSD 관찰시편은 5% perchloric acid + 95% methanol 전해액을사용하여전해연마하였다. 또한주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy, 이하 SEM) 을사용하여샤르피충격시험시편의파단면을관찰하였다. 45 3. 결과및고찰 3.1 화학조성및기계적특성평가 t 13 25 unit : mm Fig. 1 Joint geometry for the welds 본연구에서제작한용접금속의화학조성을 Table 1 에나타내었다. 용접금속의니켈함량만 2.3~3.3 wt.% 로변화하였고, 다른원소들의함량은거의일정하게유지되었다. 니켈의산소친화력은실리콘, 망간과같은원소들에비해훨씬낮으므로용접금속의산소함량도거의변화가없었다 17). 따라서용접금속개재물의 Table 1 Chemical composition of the weld metals (wt.%) C Si Mn Ni Cr Mo Al Ti B N O MN23 0.06 0.26 1.6 2.3 0. 0.43 0.0 0.07 0.0005 0.0044 0.0359 MN 0.06 0.31 1.8 3.0 0.34 0.50 0.023 0. 0.0006 0.0062 0.0376 MN33 0.06 0.31 1.8 3.3 0.34 0.48 0.023 0. 0.0006 0.0092 0.0372 P<0.016, S<0.008 3 Journal of KWJS, Vol., No. 4, August, 12
고강도저합금강용접금속의미세조직과기계적특성에미치는니켈함량의영향 51 350 70 Hardness(Hv) 3 3 3 3 0 290 Absorbed energy(j) 60 50 280 Fig. 2 Vickers hardness of the weld metals as a function of nickel content 70 60 Strength(MPa) 950 900 850 800 750 700 Strength Elongation Elongation(%) Absorbed energy(j) 50 650 (c) 70 600 Fig. 3 Tensile strength and elongation of the weld metals as a function of nickel content 부피분율도거의변화가없을것으로사료된다. 용접금속의기계적특성평가결과를 Figs. 2-4 에나타내었다. 저온충격인성은샤르피충격시험을 3회실시하여평균값으로나타내었다 (Fig. 4). 용접금속의니켈함량이증가함에따라경도및인장강도는증가하였으나, 연신율및저온충격인성은감소하였다. Absorbed energy(j) 60 50 Fig. 4 Absorbed energy of the weld metals at different temperatures as a function of nickel content: - ; - ; (c) - 3.2 미세조직분석 OM을통해관찰한용접금속의대표적인조직사진을 Fig. 5에나타내었으며, 각상들의정량적인분석결과를 Table 2에나타내었다. 용접금속에니켈, 망간, 몰리브덴, 크롬과같이경화능을향상시키는원소가상당량첨가되었기때문에대부분저온변태상으로구성되어있었다. 니켈함량이증가함에따라베이나이트와마르텐사이트가초기오스테나이트결정립을따라형성되면서침상페라이트의분율은감소하였다. 즉, 용접금속의니켈함량이증가함에따라취성이큰베이나이트와마르텐사이트상의분율이증가하면서침상페라이트분율이 Fig. 5 Optical micrographs of the weld metals: MN23; MN33 감소하였기때문에경도및인장강도가증가함과동시에연신율및저온충격인성이감소하는것을알수있었다 (Figs. 2-4). 大韓熔接 接合學會誌第 卷第 4 號, 12 年 8 月 341
52 침상페라이트는베이나이트와동일한베이나이트변태의산물이지만핵생성장소의차이로인해다른형상을갖는다 18). 즉, 베이나이트조직이초기오스테나이트결정립계로부터핵생성되어결정립내부로성장하는데반하여, 침상페라이트는초기오스테나이트결정립내부에있는비금속개재물로부터핵생성되어사방으로성장해나가게된다. 따라서베이나이트와침상페라이트는동일한상변태온도에서핵생성장소밀도및비금속개재물특성에따라경쟁적으로생성되게된다. 본연구에서상변태거동이달라지는이유를규명하기위하여오스테나이트결정립크기및비금속개재물에대한분석을실시하였다. 우선 TEM 을통해비금속개재물크기분포와화학조성을분석하여 Fig. 6와 Fig. 7에나타내었다. 평균개재물의크기는 MN23 용접금속과 MN33 용접금속이각각 532 nm와 587 nm로거의변화가없었으며, 화학조성은용접금속의니켈함량에관계없이티타늄과망간이주요성분인산화물로이루어져있었다. 즉, 용접금속의니켈함량이변화하더라도비금속개재물의특성에는변화가없음을알수있었다. 주상정의초기오스테나이트결정립크기는그폭을측정하였으며, 니켈함량이증가함에따라감소하는것 Probability(%) Probability(%) 35 25 15 5 35 25 15 0 0 0 0 600 800 00 5 Mean diameter(nm) 0 0 0 0 600 800 00 Mean diameter(nm) Fig. 6 Size distribution of inclusions contained in the weld metals: MN23; MN33 Intensity(arbitary unit) 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 Energy(keV) Fig. 7 TEM analysis of inclusions contained in the weld metal MN23: BF image; EDS obtained from area 1 을알수있었다 (Table 2). 초기오스테나이트결정립크기는합금원소에의한 solute drag effect 와개재물의 pinning effect에의해영향을받는다 19). 하지만본연구에서개재물의크기분포에는차이가없으므로 (Fig. 6), 초기오스테나이트결정립폭의감소는니켈의 solute drag effect에의한것으로판단된다. 이러한효과에의해상대적으로초기오스테나이트결정립계의면적이넓어지게되어베이나이트와마르텐사이트의분율이증가한것으로사료된다. 일반적으로초기오스테나이트결정립계의면적이증가하게되면입계페라이트및위드만슈테텐페라이트의생성이촉진되지만, 본연구에서는합금원소가상당량첨가되어경화능 Table 2 Percentages of microstructural constituents and columnar width of the weld metals MN23 MN MN33 Acicular ferrite (%) 77 75.5 56.5 Bainite (%) 12 14.5 22 Martensite (%) 11 21.5 Columnar width ( μm ) 61 53 47 342 Journal of KWJS, Vol., No. 4, August, 12
고강도저합금강용접금속의미세조직과기계적특성에미치는니켈함량의영향 53 이충분히크기때문에관찰되지않았다. EBSD 분석을통해 15 이상의고경각으로구분된유효결정립을 Fig. 8에나타내었으며, 결정립의방위차에따른분율을측정하여 Fig. 9에나타내었다. 평균유효결정립도는대략 4.7 μm에서 3.9 μm로약간감소하였으며, 래스폭과길이의비 (ratio) 가증가하는 Fig. SEM fractographs of the weld metals: MN23; MN33 Fig. 8 Inverse pole figure [001] color maps of the weld metals: MN23; MN33 Number fraction Number fraction 0. 0.25 0. 0.15 0. 0.05 0.00 0. 0.25 0. 0.15 0. 0.05 0.00 Average angle : 32.1 0.493 50 60 Misorientation angle(degrees) Average angle : 36.6 0.375 50 60 Misorientation angle(degrees) Fig. 9 Distribution of the misorientation of the weld metals: MN23; MN33 것을관찰하였다. 즉, 침상페라이트는니켈함량이증가할수록더욱미세하게형성되었는데, 이는오스테나이트안정화원소인니켈이첨가됨에따라페라이트상변태가지연되었기때문인것으로판단된다. 평균방위각의경우 MN23 용접금속보다 MN33 용접금속이크게나타났으나, MN23 용접금속의경우 ~47 사이의방위각은거의존재하지않으며, 47 이상의고경각결정립의분율이매우높은것을확인할수있었다. 한개의오스테나이트결정립안에서페라이트상변태를하게되면 ~47 사이의방위각이형성되지않으므로 ), 침상페라이트분율이높은 MN23 용접금속에서 Fig. 9a와같은방위각분포가나타나는것으로사료된다. 따라서평균방위각의크기보다는 47 이상의고경각결정립의분율이저온충격인성확보를위해더중요한것으로판단된다. 벽개파괴양상비교를위해 -196 에서실시한샤르피충격시험시편의파단면을 SEM 으로관찰하여 Fig. 에나타내었다. 침상페라이트분율이높은 MN23 용접금속의경우벽개파면의크기가미세하게형성되었고, MN33 용접금속의경우벽개파면이상대적으로크게형성되었으며 2차균열도발견되었다. 47 이상의고경각결정립의분율이높은 MN23 용접금속이균열전파를효과적으로방해하여벽개파괴시균열전파경로가자주바뀌게되면서벽개파면의크기가미세하게형성되었으며, 상대적으로베이나이트분율이높은 MN33 용접금속의경우균열전파에대한저항이낮아져서벽개파면크기가상대적으로크게형성되었고, 균열이취성이큰조직의내부로전파되기도하였다. 4. 결론 본연구에서는고강도저합금강용접금속의미세조직과기계적특성에미치는니켈함량의영향을연구하여다음과같은결론을얻었다. 1) 용접금속의니켈함량이증가함에따라경도및인장강도는증가하지만, 연신율및저온충격인성은감 大韓熔接 接合學會誌第 卷第 4 號, 12 年 8 月 343
54 소하였다. 2) 용접금속의니켈함량이증가함에따라침상페라이트분율은감소하였고, 베이나이트및마르텐사이트분율이증가하였다. 침상페라이트분율이감소함에따라 47 o 이상의고경각결정립의분율이낮아졌으며, 이에따라균열전파에대한저항이낮아져서벽개파괴시파면의크기가상대적으로크게형성되었다. 3) 용접금속의니켈함량이증가함에따라니켈의 solute drag effect 에의해초기오스테나이트결정립폭이감소하였고, 상대적으로초기오스테나이트결정립계의면적이넓어지게되어베이나이트와마르텐사이트의분율이증가하였다. 4) 용접금속의니켈함량이비금속개재물크기분포와화학조성에는영향을미치지않았다. 후 기 본연구는지식경제부소재원천기술개발사업의연구비지원으로수행되었습니다. 참고문헌 1. S. Y. Shin, S. Y. Han, B. Hwang, C. G. Lee, S. Lee : Materials Science and Engineering A, 517 (09), 212 2.J. Y. Koo, M. J. Luton, N. V. Bangaru, R. A. Petkovic : Proc. of ISOPE-03, (03), 3. E. Levine, D. C. Hill : Metallurgical Transactions A, 8A (1977), 1453 4. R. A. Farrar, P. L. Harrison : Journal of Materials Science, 22 (1987), 3812 5. S. Ohkita, Y. Horii : ISIJ International, 16 (1995), 1170 6. J. S. Byun, J. H. Shim, J. Y. Suh, Y. J. Oh, Y. W. Cho, J. D. Shim, D. N. Lee : Materials Science and Engineering A, 319 (01), 326 7. J. S. Lee, S. H. Jeong, D. Y. Lim, J. O. Yun, M. H. Kim : Metals and Materials International, 16 (), 827 8. J. Lee, S. Kim, B. Yoon, H. Kim, S. Kil, C. Lee : Journal of KWJS, 29-1 (11), 65 (in Korean) 9. D. H. Kang, H. W. Lee : Metals and Materials International, 17 (11), 963. W. W. Bose-Filho, A. L. M. Carvalho, M. Strangwood : Materials Characterization, 58 (07) 29 11. J. C. F. Jorge, L. F. G. Souza, J. M. A. Rebello : Materials Characterization, 47 (01) 195 12. R. A. Farrar, Z. Zhang, S. R. Bannister, G. S. Barritte : Journal of Materials Science, 28 (1993), 1385 13. S. Liu, D. L. Olson : Journal of Materials Engineering, 9 (1987), 237 14. S. H. Kim, C. Y. Bang. K. S. Bang : Journal of Materials Science, 36 (01), 1197 15. W. Wang, S. Liu : Welding Journal, 81 (02), 132 16. D. S. Taylor, G. M. Evans : Metal Construction, 15 (1983), 438 17.H. J. T. Ellingham : Journal of the Society of Chemical Industry, 63 (1944), 125 18. A. A. B. Sugden, H. K. D. H. Bhadeshia : Metallurgical Transactions A, A (1989), 1811 19. J. W. Martin, R. W. Doherty : Cambridge University Press.A. F. Gourgues, H. M. Flower, T. C. Lindley : Materials Science and Technology, 16 (00), 26 344 Journal of KWJS, Vol., No. 4, August, 12