57 연구논문 대입열 EH36-TM 강의 Tandem EGW 용접부미세조직및기계적성질 정홍철 * 박영환 * 안영호 * 이종봉 * * POSCO 기술연구소접합연구그룹 Mechanical Properties and Microstructures of High Heat Input Welded Tandem EGW Joint in EH36-TM Steel Hong-Chul Jeong*, Young-Hwan Park*, Young-Ho An* and Jong-Bong Lee* *POSCO Technical Research Labs., Pohang 790-785, Korea Abstract In the coarse grained HAZ of conventional TiN steel, most TiN particles are dissolved and austenite grain growth easily occurrs during high heat input welding. To avoid this difficulty, thermal stability of TiN particles is improved by increasing nitrogen content in EH36-TM steel. Increased thermal stability of TiN particle is helpful for preventing austenite grain growth by the pinning effect. In this study, the mechanical properties and microstructures of high heat input welded Tandem EGW joint in EH36-TM steel with high nitrogen content were investigated. The austenite grain size in simulated HAZ of the steel at 1400 was much smaller than that of conventional TiN steel. Even for high heat input welding, the microstructure of coarse grained HAZ consisted of fine ferrite and pearlite and the mechanical properties of the joint were sufficient to meet all the requirements specified in classification rule. * Corresponding author : jeonghc@posco.co.kr (Received December 30, 2006) Key Words : EH36-TM steel, Tandem EGW joint, HAZ touhness, Austenite grain size, TiN articles, High nitrogen contnet 1. 서론 최근건조되는선박은점차로대형화추세에있으며특히컨테이너선은 10,000TEU 급이상의초대형컨테이너선이건조되고있다. 이러한대형컨테이너선의상부구조및 Hatch coming 부위에는 70mm 두께이상의고강도후물재가사용되고있으며, 또한용접생산성의향상을위하여대입열용접이많이적용되고있는추세이다. 그러나대입열용접을적용하면강재의용접열영향부중특히용융선근처의용접열영향부는결정립조대화및취약한미세조직형성으로대입열용접부인성이크게저하하고모재에가까운용접열영향부에서는연화가 발생하여용접부의강도가저하되는문제점이있다. 이러한대입열용접부의문제점을해결하기위하여철강사들은대입열용접열영향부미세조직제어에관한연구가활발히진행되고있다. 종래부터 AlN 및 TiN 등의미세한석출물을이용한용접열영향부의고인성화기술이실용화되고있지만대입열용접시용융선근처의용접열영향부는 1400 이상으로가열되어석출된기존석출물이분해되거나성장하여오스테나이트결정립은조대화되고냉각과정에서취약한미세조직이형성되어대입열용접열영향부의인성이저하하는요인이되고있다 1). 이러한문제점을해결하기위하여 Yamamoto 등 2) 은질화물보다고온에서안정한 Ti-산화물을이용하여조대화된오스테나이트결정립내에인성이우수한 IFP(Intragranular 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 1 號, 2007 年 2 月 57
58 정홍철 박영환 안영호 이종봉 Ferrite Plate, 입내침상페라이트 ) 를형성시키는 Ti-산화물강을개발하였다. 최근에는강재내에산화물및탄질화물을미세하게분산시켜대입열용접시용접열영향부내에서입내침상페라이트변태를촉진시켜대입열용접열영향부인성을확보할수있는 HTUFF (Super High HAZ Toughness Technology with Fine Microstructure imparted by Fine Particles) 강도개발되었다 3). HTUFF강의경우대입열용접열영향부의오스테나이트결정립크기는약 100μm수준이라고보고하고있다. 한편 TiN석출물은열역학적으로안정하고낮은 solubility 로인하여결정립미세화에효과적인석출물이라고알려져있다 4-6). 그러나일반 TiN강의대입열용접열영향부에서용접열에의하여미세 TiN석출물이분해되거나성장하여본래의기능을상실하여오스테나이트결정립조대화를초래하고있다. TiN석출물의고온안정성을증가시키기위한한가지방법은질소량을증가시켜 Ti/N비를 hypostoichiometric composition으로유지하는것이다. 즉 Fig. 1과같이오스테나이트온도영역에서온도에따른평형상태의 TiN의 solubility product를비교하여보면동일 Ti함량의조건에서질소량을증가시키는것이통상수준의질소함량에서보다고온에서기지에고용되는 Ti양이감소하여 TiN석출물이분해되거나성장되는양이감소하여 TiN석출물의고온안정성을대폭증가시킬수있다 7). 따라서본연구에서는이러한고온에서안정한 TiN 석출물을미세분산시킨대입열선급재 (EH36-TM) 의현장생산재에대하여대입열 Tandem EGW 용접부기계적성질과미세조직에대하여조사하였다. wt. % Ti 0.020 0.015 0.010 0.005 Stoichiometric line for TiN low N Decrease[Ti] 1300 1200 0.000 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 wt. % N 1400 high N Fig. 1 Solubility product of TiN in austenite temperature range 2.1 시험재 2. 시험재및실험방법 본연구에사용한시험재는현장생산재인두께 80mm 의선급재인대입열 EH36-TM 강을사용하였다. 시험재의화학성분은 Table 1에나타내었다. 시험재는탄소함량이 0.06% 이고, 미세 TiN 석출물의고온안정성향상을위하여고질소가첨가된것이특징이다. 시험재의기계적성질은 Table 2에나타내었다. 시험재의항복강도및인장강도는각각 444MPa 및 562MPa를나타내었다. 또한시험재의 -40 에서의충격인성은 311J로선급규격에서요구하는수준을모두만족하였다. 2.2 실험방법 본연구에서는 TiN석출물의고온안정성을조사하기위하여용접열 cycle재현시험기를이용하여시험재의재현용접열영향부의오스테나이트결정립크기를조사 Table 1 Chemical composition of material used (wt%) C Si Mn P S S-Al Others Ceq* EH36-TM steel 0.06 0.12 1.54 0.004 0.002 0.023 Cu Ni, Ti, N 0.36 * C eq(%) = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 Table 2 Mechanical properties of material used Tensile Properties Charpy properties Thick. (mm) Position- Direction YS TS El (%) Position- Direction ve -40 (J) 1 2 3 Ave. 80 1/4 thick. -T 444 562 23 1/4thick. -L 330 301 303 300 Spec. 355 490~630 21 35 50 58 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 1, February, 2007
대입열 EH36-TM 강의 Tandem EGW 용접부미세조직및기계적성질 59 Table 3 Tandem EG welding condition and welding consumables used Groove detail Shielding Gas Welding consumables Current (A) Voltage (V) Speed (cm/min) Heat Input (kj/cm) 80 14º 15 100%CO 2 45 /min CS-71ETF (1.6mm) CS-71ETR (1.6mm) 400 44 32 360 44 32 627 Face 20 (mm) 80t Center 20 Root 20 t R a L0 Lt b B - t = 20 mm - b = 40 mm - L0 = Weld width(a) + 80 mm - B = 52 mm - Lt = ~ 250 mm - R = 50 mm Fig. 2 The position of tension test specimen and configuration of tension test specimen in Tandem EG welded joint 하였다. 최고가열온도는 1200에서 1400 로변화시켜급가열시키고 1초간유지시킨후급냉시켜 Image analzer를통하여평균오스테나이트결정립크기를조사하였다. 재현용접열영향부내의석출물은 TEM replica 를이용하여관찰하였다. 또한대입열용접부특성을평가하기위하여대입열 Tandem EGW용접을실시하고용접부에대하여용접부기계적성질과미세조직을조사하였다. Table 3에서는 Tandem EGW용접조건을나타내었다. 용접입열량은 627kJ/cm를적용하였으며, 본실험에사용한용접재료는국산 Tanem EGW 용접재료인 CS-71ETF/71ETR(1.6mm dia.) 을사용하였다. Fig. 2에는용접부인장시험편의형상을나타내었고, 각두께별평가부위를나타내었다. 3. 실험결과및고찰 Fig. 3은시험재의최고가열온도에따른재현용접열영향부의오스테나이트결정립크기변화를나타낸것이다. 일반적으로최고가열온도가증가함에따라오스테나이트결정립의크기는증가하고, 통상의 TiN강의경우에서도최고가열온도가 1400 에서의오스테나이트결정립크기는약 200μm이상으로증가한다 8). 그러나본시험재의경우최고가열온도가 1400 에서측정된오스테나이트결정립크기는 55μm수준으로일반강의약 1/4수준으로오스테나이트결정립크기가미세함을 Austenite grain size( μm ) 250 200 150 100 50 0 Simulated HAZ EH36-TM steel Conventional TiN steel 1200 1250 1300 1350 1400 Peak temperature( ) Fig. 3 Variation of austenite grain size in simulated HAZ with peak temperature 알수있고, 이것은고온에서안정한 TiN석출물에기인한것으로모재상태에서존재하는 TiN석출물이고온의용접열영향부에서도안정하게존재하여오스테나이트결정립성장에 pinning역할을하는것으로사료된다. Fig. 4는시험재를최고가열온도로가열한후급냉하여오스테나이트결정입계를부식시켜오스테나이트결정립크기를나타낸조직사진이다. 최고가열온도가증가함에따라오스테나이트결정립크기는증가하는경향을보이고있지만최고가열온도가 1400 인경우에서도시험재는약 55μm크기의오스테나이트결정립크기를보이고있는반면에동일조건에서의일반 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 1 號, 2007 年 2 月 59
60 정홍철 박영환 안영호 이종봉 (a) 1300 (b) 1350 Fig. 6 Macrostructure of Tandem EG welded joint (627kJ/cm) (c) 1400 (d) 1400 100 μm Weld Metal Fusion Line FL+1mm Fig. 4 The microstructure showing austenite grain boundary after heating to peak temperature and quenching a) 1300 b) 1350 c) 1400 in EH36-TM steel d) 1400 in conventional TiN steel FL+3mm FL+5mm Base Metal Fig. 7 Microstructure of Tandem EG welded joint Fig. 5 The TEM micrographs of TiN particles in simulated HAZ TiN 강의재현용접열영향부오스테나이트결정립은약 200 μm크기이상의크기를보이고있다. Fig. 5 는최고 가열온도를 1400 로하고 t 800-500 를 60 초인재현 용접열영향부의석출물을 TEM replica 를이용하여관 찰한사진이다. 대입열 EH36-TM 강의재현용접열영 향부내는 20~30 nm크기의미세한 TiN 석출물이다수 존재하고있으며, 이러한 TiN 석출물은고온으로가열 되어도분해되거나거의성장하지않고존재하여오스테나이트결정립성장억제에기인하는것으로사료된다. Fig. 6은 627kJ/cm 의입열량으로 80mm 두께의 시험재에대하여 Tandem EGW 용접부의 Macro 조직사진을나타낸것이다. 용접금속은과도한입열량으로인하여조대한주상정조직을보이고있다. Fig. 7은 Tandem EGW 용접부의부위별미세조직을관찰한사진이다. 용접금속은대입열용접에서도미세한침상페라이트로구성되어있으며, 융융선 (Fusion line) 부위는통상적인조대한결정립에조대한입계페라이트및 Widmanstatten 페라이트와는달리입계페라이트가크게연결되어있지않고나누어져있으며, 입내에는침상페라이트조직을보이고있다. 이것은전술한고온에서안정한 TiN석출물이대입열용접열영향부에서오스테나이트결정립성장을억제하고입내침상페라이트변태를촉진하기때문인것으로사료된다. F.L+1mm 에서도약간조대한둥근형태의 polygonal 페라이트가주로형성되어있으며, F.L+3mm 및 F.L+5mm 위치로갈수록미세한 polygonal 페라이트조직및펄라이트조직으로구성되어있다. 이것은용접금속부에서멀어질수록가열되는온도가낮아져오스테나이트결정립성장은억제되고분해되지않고존재하는미세한 TiN석출물이냉각과정에서페라이트변태 60 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 1, February, 2007
대입열 EH36-TM 강의 Tandem EGW 용접부미세조직및기계적성질 61 Charpy impact energy at -20 (J) 350 300 250 200 150 100 50 0 Tandem EGW Face Center Root 627kJ/cm W.M F.L F.L+1 F.L+3 F.L+5 Notch location (mm) Fig. 8 Charpy impact energy of Tandem EG welded joint of EH36-TM steel Table 4 Mechanical properties of Tandem EG welded joints Direction Position YS TS El (%) Fractured position 390 503 25 HAZ Face 389 503 24 HAZ 395 507 24 HAZ 381 499 24 HAZ L Center 382 499 23 HAZ 384 488 21 HAZ 393 488 25 HAZ Root 395 506 24 HAZ 395 506 25 HAZ EH36 spec. 355 490~630 21 - Hardness (Hv, 10kg) 240 220 200 180 160 140 120 100 Welded Joint (Tandem EGW) W.M F.L HAZ Face Center Root -15-10 -5 0 5 10 15 20 25 Distance from fusion line(mm) Fig. 9 Hardness distribution of Tandem EG welded joint of EH36-TM steel 를촉진하는것으로판단된다. Fig. 8은 627kJ/cm의입열조건에서의 Tandem EGW 용접부의부위별 -20 충격인성을나타낸것이다. 용접부부위 ( 용접금속, F.L, F.L+1mm, F.L+3mm, F.L+5mm) 별및위치 (Face, Center, Root) 별전범위에서모두약 100J이상의 -20 충격인성을보이고있으며, 선급규격에서요구하는 34J이상의충격인성을충분히만족하고있다. 이것은전술한용접부의미세조직과연관시켜보면고온에서안정한고질소 TiN석출물이대입열용접열영향부에서오스테나이트결정립성장을크게억제하여용접열영향부의경화능력을감소시키고또한페라이트변태를촉진시켜대입열용접열영향부의충격인성을확보할수있는것으로사료된다. Table 4는대입열 Tandem EGW 용접부의인장특성을나타낸것이다. 대입열용접부의다른한가지어려움은대입열용접열영향부의연화이다. 즉대입열용접시용접열영향부중모재에가까운용접열영향부에서는페라이트의조대화로인하여용접부의연화가발생하여규격에서요 구하는강도보다인장강도가저하하는문제가있다. 그러나본시험재의경우 627kJ/cm의용접입열범위에서도 Face, Center 및 Root부의인장시험결과모두용접열영향부에서파단이되었지만인장강도는 499~ 507MPa 범위로선급규격에서요구하는 490~630MPa 범위를모두만족하고있다. Fig. 9는대입열 Tandem EGW 용접부의경도분포를나타낸것이다. 용접금속부는약 210Hv의경도범위를보이고있으며, F.L근처의용접열영향부에서의경도는약 160Hv 를보이고있으나 Root부의경도분포는약 140Hv로감소하고 10mm 위치에서 Center 부의경도가가장낮은분포를보이고있다. 이것은용접열영향부중용접열에의하여모재의페라이트가성장하여경도가낮아지는것으로사료된다. 4. 결론 두께 80mm 의대입열 EH36-TM 강에대하여 627kJ/cm 의입열량을적용한 Tandem EGW 용접부의미세조직과기계적성질을평가한결과다음과같은결론을얻었다. 1) 대입열 EH36-TM 강의재현용접열영향부 1400 에서의오스테나이트결정립크기는약 55μm수준으로일반 TiN강의오스테나이트결정립크기보다매우작은수준이며, 이것은고질소 TiN석출물의고온안정성에기인한다. 2) 대입열 EH36-TM 강의 Tandem EGW 용접부의충격인성평가결과용접부전범위에서선급규격에서요구하는충격인성수준을충분히만족하였고, 특히국산용접재료를사용한 Tandem EGW 용접금속부의 -20 충격인성도 100J이상의충격인성을확보할수있었다. 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 1 號, 2007 年 2 月 61
62 정홍철 박영환 안영호 이종봉 3) 대입열 EH36-TM 강의 Tandem EGW 용접부의 인장시험결과파단은용접열영향부에서파단이일어났으나용접부인장강도값은약 499MPa 급이상으로선급에서요구하는인장강도범위를모두확보하였다. 참고문헌 1. I. Watanabe et al : Metal Construction, May(1984), 311-315 2. K.Yamamoto, S.Masuda, T.Haze, R.Chijiiwa and H. Mimura, Residual and Unspecified Elements in Steel, ASTM STP 1042(1989), 266-284 3. 新日鐵技報第 380 号, 2p, 2004 4. Kanazawa,S., Nakashima,Y., Uchino.K., Yano. S and Matsuda.S: Transactions ISIJ, 16(1976), 486 5. Kasamatsu K et al : Tetsu-to-Hagane, 65(1979), 8, 1232-1241 6. Threadgill P. L. : Welding Institute Research Bulletin, 22(1981), 7, 189-196 7. H.C.Jeong et al.:international Journal of Korean welding Society, 2-1, 2002, 25p 8. H.C. Jeong et al. : Second International conference on advanced structural steels, April 14~16, 2004, Shanghai, China, 965 62 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 1, February, 2007