* 볼보 자동차(스웨덴)
+ 교신저자, 서울과학기술대학교 NID 융합기술 대학원 나노IT융합 프로그램 ([email protected]) 주소: 서울시 노원구 공릉동 17-2
공정 디자인에 따른 클래드강 맞대기 용접부의 기계적 특성에 관한 연구
이정현*, 박재원+
(Manuscript received: Mar, 23, 2012 / Revised: Apr, 20, 2012 / Accepted: Apr, 20, 2012)
A Study on the Mechanical Properties of Butt Welding Zone of Clad Steel According to the Process Design
Jung-Hyun Lee*, Jae-Won Park
+Abstract
In this study, some considerations have been suggested in developing on-site techniques to evaluate the sensitization of stainless steels. Electrochemical potentiokinetic reactivation (EPR) technique is known to be a candidate tool for field applications since it enables quantitative assessment in reasonable test time, compared to oxalic etching (ditch) technique.
The on-site application of the test method imposes additional restrictions on the selection of the test method (for example, minimum surface preparation requirement, insensitivity to testing temperature, etc.). The EPR and etching techniques have been compared in order to sensitization of stainless steel structures. It has been widely reported that the maximum sensitivity in the welded structure of stainless steel is shown at heat-affected zone (HAZ) than weldments with cast structure. In this work, sectioned weldments and external surfaces were investigated to reveal the degree of sensitization by the etching and the results were compared with those of EPR test. The EPR test showed little sensitivity to surface roughness and test temperature.
Key Words : Clad steel(클래드 강), Sensitization(예민화), Intergranular stress corrosion crack(입계응력부식균열), Degree of sensitization
(재활성화율), Oxalic etching(옥살산 에칭시험)
1. 서 론
최근 석유정제 및 석유화학 플랜트, 압력용기, 화학용기 및 장치, 수문, 해수 담수화 장치, 탱크, 파이프 등에 내식성 및 강 도 요구가 증대함과 더불어 강판 선정의 경제성 및 원자재 수급 의 용이성과 제작상의 편의를 위해 클래드 강재의 사용이 점차
증대되고 있다
(1). 클래드 강재를 이용하여 압력용기를 제작할
경우에는 비록 내부의 부식성 유체가 직접 모재(Base Metal)에
접촉하지는 않지만, 응력부식 균열(Stress Corrosion Crack,
SCC) 발생을 최소화하고 강재의 기계적 특성의 향상과 안정화
를 위해 응력제거 처리(Stress Relief, SR)가 요구된다. 응력부
식균열 등의 문제점을 해소하기 위해 제작 단계에서 응력제거
Fig. 1 Sensitization of stainless steel 열처리를 요구하고 있으며, 각종 설계 기준에서도 이에 대한
세부 기준은 ASME Code Sec. VIII Div.1 UCL-34를 제시하
고 있다
(2~5). 그런데, 이들 클래드 강재의 제작 시에 용접조건
및 응력제거 열처리 조건에 따른 기계적 화학적 특성의 변화에 대한 연구가 활발히 이루어지지 않아 현장에서 설계 기준의 요 구 사항을 맞추지 못하는 상황이 발생할 경우에 기술적인 평가 의 어려움이 발생하고 있다
(6~8). 이에 본 연구에서는 기존 연구 에서 미흡하였던 클래드 강의 예민화(Sensitization)를 평가 하 고자 반복된 보수 용접이 이어지거나 다층 용접부인 경우 등에 있어서 열처리 및 용접 조건에 따라서 클래드 강판의 내식성 및 기계적 성질이 유지 될 것인지에 대한 연구를 체계적인 방법 과 실험을 통해 검증하였다. 본 연구에서는 클래드 강판을 플럭 스 코어드 아크용접 + 피복 아크(Flux Cored Arc Welding, FCAW + Shield Metal Arc Welding, SMAW)용접으로 맞대 기 용접 후 625℃ 열처리 조건에서 유지시간을 80, 160, 320, 640, 1,280min으로 하여 이에 따른 내식성 및 기계적 성질의 변화를 평가하고자 하였다. 예민화 현상에 따른 분석 및 평가 방법은 DL-EPR 공정 방법이 제안되어 있다. 본 연구는 산업 현장과의 연계성 및 실용성을 가지기 위하여 현재 산업현장에 서 널리 쓰이고 있는 옥살산 에칭 시험법(Oxalic etching)과 전기 화학적 재활성화법(Electrochemical Potentiokinetic Reactivation, EPR)을 사용하여 진행하였다. 또한 클래드강판을 맞대기 용접 후 열처리하여 예민화도를 측정하는 방법들을 상호 비교하였 으며, 특히 현장에서 용접 후 보수용접을 했을 때 기계적 성질 및 예민화도를 비교 평가 분석하였다.
2. 이론적 배경
2.1 클래드 강(Clad steel)
KSD 0234에 의하면 클래드는 ‘어떤 금속을 다른 금속의 전 체 면에 걸쳐 피복하고, 또한 그 경계면이 금속 조직적으로 접 합되어 있는 것’으로 정의하고 있다. 클래드 강이란, ‘강재를 모재로 한 클래드’로 정의할 수 있으며 참고로 일본의 경우 클 래드재란, ‘두 개 이상의 금속재료 표면을 금속학적으로 접합 시켜 일체화시킨 적층형 복합 재료를 말한다.’라고 정의하고 있다. 클래딩은 소재 성능을 극대화하기 위해서 이종 소재를 조합해서 사용하는 소재 이용 기술의 일종으로서 기존 소재에 새로운 기능, 보다 향상된 성능을 부여할 수 있다
(9).
2.2 제조법에 의한 클래드강의 분류
현재 클래드 소재 중 절반 이상을 차지하고 있는 것은 스테인 리스 클래드 강판으로 내식성과 강도를 목적으로, 강의 한 면 또는 양면에 다른 금속을 접합하여 붙인 강재를 클래드(Clad Steel)이라하며 접착된 금속을 클래드 재라 한다. 스테인리스
클래드강은 그 제조법은 KSD 0234에 의해 압연법, 폭발압착 법, 오버레이 용접법, 확산 접합법 등으로 구분된다.
(1) 압연 클래드강의 제조법(KSD 0234)
압연 스테인리스 강판과 탄소강 또는 저합금강을 겹쳐서 그 접촉 모서리를 용접하여 고착시킨 후 이것을 재압연하여 양 부 재를 접합한다.
(2) 오버레이 용접(Overlay welding)
오버레이 용접법은 주로 저 합금강에 클래드재를 용접하여 클래드강을 제조하는 방법으로 적용 가능한 용접 법으로는 GMAW(Gas Metal Arc Welding), 고온와이어를 사용한 GTAW (Hot wire Has Tungsten Arc Welding), PAW(Plasma Arc Welding), ESW(Electro Slag Welding)등 다양한 방법이 이용 되고 있으며 이들 중 가능하면 모재의 희석이 적으며 오버레이 한 표면이 깨끗하고 용착능률이 높은 용접방법이 선정되어야 한다.
(3) 확산 접합법(Solid Diffusion Bonding Method)
이 접합법은 원자간 확산을 이용하여 접합하는 방법으로 모 재와 클래드재를 밀착시켜 융점 이하의 적정한 온도에서 소성 변형이 일어나지 않을 정도의 압력을 가하여 비 접합재를 접합 시키는 방법으로 통상 접합은 피 접합재의 산화를 방지하기 위 하여 진공 또는 불활성 분위기에서 실시한다. 이 방법은 형상이 매우 복잡하거나 용접에 의한 변형이 문제시되는 경우에 유리 하지만, 진공 또는 불활성 분위기에서 접합해야 하기 때문에 접합재의 크기에 제한을 받는다
(10~12).
2.3 입계 예민화(Intergranular Sensitization)
Fig. 1은 300계열의 오스테나이트계 스테인리스강을 500-
(a) (b)
Fig. 2 Specimen: a) Tack welding, (b) FCAW weld shape
(a) (b)
Fig. 3 (a) Heat specimen shape, (b) Macro test of clad steel
(a) A-516 of welding
(b) Gouging +
grinding (c) Clad of welding
Fig. 4 Welding sequence of clad steel Fig. 5 Experiment setup of EPR test (PARSTAT 4000) 800℃ 정도의 범위에서 가공하거나 이 온도 범위에서장시간
유지할 경우에 발생한다. 이 온도 범위에서 스테인리스강의 내 식 특성을 좌우 하게 되는 Cr이 탄화물 형태로 입계에 석출하 게 된다. 이와 같이 500∼800℃의 온도 범위에 서 Cr의 확산 속도가 커서 입계에 안정화된 탄화물 형태로 석출하는 현상을 오 스테나이트계 스테인리스강의 예민화(Sensitization)라고 한다.
3. 실험장치 및 실험방법
3.1 용접순서(Welding Pass Sequence)
Fig. 2(a)는 본 용접하기 전 가접 형상이며, (b)는 용접 완료 후 시험이다. Fig. 3의(a)는 열처리 하기위한 100mm × 300mm
× 32t 로 기계 절단한 시험편형상이다. Fig. 3의(b)는 용접 후 열 처리 전 마크로 한 용접부 단면이다. 클래드강 판의 용접 시에는 통상 A516 측부터 먼저 용접을 시작하며 모재 측 용접 이 용접 열에 의하여 클래드재 측이 잘못 용접되거나 클래드 계면이 손상될 우려가 있는 경우에는 groove 가공면 보다 4
~5mm 넓게 클래드 더 제거하는 groove를 이용한다.
Fig. 4는 클래드 강의 용접순서를 나타낸 것으로 먼저 모재
측을 용접한 후 클래드 측을 용접한다. 모재를 용접한 후 클래 드재 측을 용접할 때에는 모재 측의 용접된 부분을 가우징 또는 grinding 하여 제거한 다음 연마하여 클래드재의 용접 재료로 용접을 실시한다. 이때 첫 번째 층은 모재에 의한 희석(dilution) 을 고려하여 클래드재 보다 합금성분의 함량이 높은 재료를 이 용하며, 두 번째 층부터는 클래드재에 상응하는 용접재료를 사 용한다. 스테인리스 클 래드 강판의 경우, 용접부의 화학 성분 이 Schaeffler Diagram에서 고온 및 저온 균열이 발생하지 않 는 영역에 위치할 수 있도록 용접 재료를 선정하는 것이 매우 중요하다.
3.2 실험장치
용접 후 열처리 한 시편을 클래드 강판을 클래드 재와 탄소강 부분을 구분하여 가공하였으며, 클래드 재를 용접부와 HAZ 부 분을 절단 가공하였다. 시편은 3mm 두께로 가로 × 세로(10
× 10mm)로 가공하여 마운팅(Mounting) 후 폴리싱(Polishing) 하였다. EPR시험은 0.5M H
2SO
4+ 0.01M KSCN(싸이오사이 안산칼륨, Potassium Thiocyanate)의 수용액을 전해질로 하여, 백금전극을 대극으로, 포화 감홍 전극을 기준전극으로 한 3극 셀 내에서 실시하였다. Double Loop EPR시험에서는 용액에 침지된 시료의 분극전위를 측정한 후 300mv(Vs. SCE)까지 6V/hr의 속도로 양분극(Anodic Scan)시킨 후 Ecorr까지 동일 한 속도로 역분극(Reverse Scan) 하였다. EPR 시험을 시험실 시편이 아닌 용접시편에 적용할 경우에는 Fig. 5와 같은 형태 의 이 동형 셀(Portable Cell)을 사용하였다. 이 동형 셀은 STS 316 스테인리스 파이프를 상대전극으로 이용하고 위쪽 포트에 포화감홍전극을 설치하여 사용하였다. 시험 면적은 표면 처리 된 표면에 유기 코팅을 칠하여 원하는 위치에서의 면적만으로 평가될 수 있도록 하였으며 유기 코팅 위에 에폭시 접착제를 사용하여 이 동형 셀을 접착시켰다. 옥살산 에칭 시험은 10wt%
옥살산 수용액을 사용하였으며, 1A/cm
2의 전류밀도로 90sec
Table 1 Chemical composition of alloys (wt.%)
C Si Mn P S Cu MO Al Ni Cr
CLAD 0.01 0.56 0.81
(0.03) 0.021 0.001 0.218 0 0 12.1 17.5 Base 0.20 0.25 1.14 0.013 0.004 0(1) 1 0.025 - -
Table 2 Mechanical properties of specimen T.S
(MP) Y.P (MPa)
ε (%)
Shear
strength Hardness test (HB) Base
Metal 520 321 32 370 1 2 3 AVE
147 146 150 148
Table 3 Chemical composition of deposited metal (%)
C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo V
E71T-
1C 0.34 0.56 1.34 0.018 0.013 0.016 0.017 0.025 0.012 0.021
Table 4 Mechanical properties of deposited metal T.S
(N/mm
2) Y.P (N/mm
2)
ε
(%) N.D.E I.V(J) at -20℃
E71T-1C 588.9 534.1 28.3 Good 35.6
Table 5 Chemical composition of deposited metal (%)
C Si Mn Ni Cr Mo
E309LMo-16 0.03 0.76 1.78 13.1 23.2 2.4 E316L-16 0.03 0.72 1.08 12.5 18.4 2.3
Table 6 Mechanical properties of deposited metal T.S (N/mm
2) Y.P (N/mm
2) ε (%)
E309LMo-16 590 - 41
E316L-16 540 - 43
산화전류를 흘려주었다. Double Loop EPR시험에 의한 예민 화도는 양분극시의 전류 최대치(Ia)에 대한 역 분극시의 전류 최대치(Ir)로 표시하였다. Ditch 시험에서는 에칭 후 광학현미 경으로 조사된 입계부식의 정도를 ASTM A262-(93a)에 규정 된 분류기준에 따라 Step, Dual, Ditch의 3단계로 나누어 표시 하였다. 에칭된 구조는 관찰된 입간 에칭의 양에 의존하여 Step, Dual, Ditch로 구분된다. 이 구분들은 다음의 ASTM A262 practice에 의해 시행된다.
a) Step 구조 : Steps는 오직 결정립사이만 해당된다. 결정립 계는 Ditches가 없다.
b) Dual 구조: 결정립계에서 몇 개의 Ditches이다. 그러나 Ditches에 의해 완전히 둘러싸인 단결정립은 아니다.
c) Ditch 구조: Ditch에 의해 완전히 둘러싸인 하나 또는 그 이상의 결정립을 말한다
(13~15).
Fig. 5는 EPR 실험 장치에 대한 사진이다. 사용된 장비는 Princeton Applied Research사의 PARSTAT 4000을 사용하 였다. 실험방법은 30℃의 0.5M H
2SO
4+ 0.01M KSCN 용액 에서 시편을 부동태영역(Passive region)에서 활성영역(Active Region)으로 역분극 시키면 예민화된 재료는 재활성화 되지만 예민화 되지 않은 재료는 거의 재활성화 되지 않는다. KSCN 대신에 CH
3CSNH
2를 사용하는 것이 시도되고 있다. EPR 방법 에는 Single Loop EPR법, Double Loop EPR 방법과 Reacti- vation Ratio EPR 방법 등이 있다. 본 연구에서는 Double Loop EPR 방법을 사용 하였다.
① 클래드강을 용접 후 시편을 625℃에서 80, 160, 320, 640, 1280min간 유지한 후 공랭하여 예민화 시편을 만든다.
② 각 시편을 1㎛까지 연마한다.
③ 0.5M H
2SO
4+ 0.01M KSCN 용액 제조한 후 탈지한다.
④ 시편을 용액 속에 침지하여 안정된 부식전위를 얻은 후 1.67mV/sec로 전위를 증가시켜 300mV/sce에 이르면 반 대로 전위를 1.67mV/sec 속도로 부식전위까지 낮춘다.
⑤ 활성화와 재활성화 영역에서 최대 전류 값을 측정한다.
⑥ DOS(Ir/Ia×100)값을 측정하고 실험(Oxalic Etch Test)과 비교해 본다.
→ 재활성화율(Degree of Sensitizaion. DOS)
×
: 최대전류값(Reactivaion Loop)
: 최대전류값(Anodic polarization Loop)
(16)3.3 실험재료
본 실험에서 사용한 재료는 Hot Rolled CLAD Steel Plate이 며, 규격은 ASME SEC. Ⅱ PART-A SA-516 GR.70 SA-240 TP.316 2010 이다. Table 1은 사용한 모재의 화학적 성질이다.
Table 2는 Base Metal에 대한 기계적 성질을 나타낸 것이다.
Table 3, 4는 FCW에 대한 화학조성 및 기계적 성질대한 결과 이고, Table 5와 6은 클래드재를 SMAW에 사용된 E309L 및 E316L 용접봉의 화학조성 및 기계적 성질을 나타낸 것이다.
3.4 용접 후 열처리 조건
ASME Code Sec. VIII Div.1 UCL-34에 용접 후 열처리는
내 부식성 일체 형의 혹 용접된 금속 오버레이 클래딩 혹은 내
Fig. 6 Heating treatment cover
Table 7 Heating treatment process Segment Temperature (℃) Process
A ~ B 300 Heating input
B ~ C 300~625 Heating rate
C ~ D, D1, D2, D3, D4 625 Holding time D, D1, D2, D3, D4 ~
E, E1, E2 ,E3, E4 625~400 Cooling rate E, E1, E2 ,E3, E4 ~
F, F1, F2, F3, F4 400~0 Cooling time 부식성 용융 라이닝 재료를 가진 모재로 제작된 용기 혹은 용기
부품은 모재가 용접 후 열처리되도록 요구 되는 경우에는 용접 후 열처리 되어야한다. 이 규격에 따라 두께는 모재의 총 두께 가 되어야 한다. 모재의 두께가 용접 후 열처리를 요하는 경우 에는 UCS-56 의거한다. 용접 후 열처리 공정은 다음의 요구 조건과 같다(UW-40).
1) 노의 온도는 용기 혹은 부품이 그것 안에 놓여질 때 426℃를 초과하지 않아야한다.
2) 426℃를 초과하면, 가열의 비율은 204℃/ 시간을 25mm 로 표시된 셀 혹은 헤드 플레이트의 최대 금속 두께로 나 눈 값 이하가 되어야 하지만, 어느 경우에도 204℃/시간 을 초과해서는 안 된다. 가열 중에는 4570mm의 길이 간 격 이내에서 가열 되는 용기의 부위 전체를 통해 121℃
초과의 온도 편차가 있지 않아야 한다.
3) 용기 혹은 용기 부품은 용기의 가열되는 부위를 통해 최고 와 최저온도 사이에 65℃ 초과의 온도 편차가 있지 않아 야 한다.
4) 가열과 유지 시간 중 노의 환경은 용기 표면의 과도한 산 화를 방지하도록 관리 되어야 한다. 노는 화염이 용기에 직접 부딪히는 것을 방지하는 그러한 설계가 되어야한다.
5) 300℃이상으로 노 안을 가열 또는 냉각할 경우의 속도는 1시간당 다음 식에 따라 계산한 온도차(가열의 경우에 220℃를 초과할 경우에는 220℃, 냉각의 경우 275℃를 초과하는 경우에는 275℃이하일 것(계산에 관계없이 1 시간당 온도차 55℃로 할 수 있다). 이 경우 페라이트계 스테인리스강으로 만들어진 것을 온도 650℃ 이상에서 냉각할 경우에는 1시간당 온도차 55℃ 이하 이어야 한다
(17).
① 가열시간(장입온도): R = 220 × 25 / t(℃/h)
② 냉각시간: R = 275 × 25 / t(℃/h)
③ 유지시간: H = 25 / t × 60분
(R : 온도차, H(시간), t: 용접부두께(mm))
본 실험에서는 이러한 현상을 모사하여 용접 방법 및 열처리 에 따른 기계적 및 내식성 변화 거동을 살펴보고자 하였다.
Fig. 7은 clad 강판 두께 32mm를 V Groove 가공 한쪽 시편 길이는 150(너비) × 500mm(길이) × 32mm 로 2장을 맞대기 용접 후 100 × 300mm으로 기계절단 하여 ASME Code Sec.
VIII Div.1 UCL-34 의거 열처리로는 Fig. 7의 전기로(Model 대성전기, DS-SIF-BO-700)를 사용하여 온도 625℃에서 유지 시간을 80, 160, 320, 640, 1280min으로 달리하여 열처리하였 다. 열처리 온도 및 열처리 유지 시간 및 열처리 과정 Fig. 7과 같다.
Table 7은 열처리공정을 구간별 열처리 온도 및 냉각과정이 며, Fig. 6은 시편별 열처리 과정을 나타낸 것이다.
3.5 입계부식 시험방법
용접으로 생긴 예민화는 오스테나이트 스테인리스 강의 입계 부식의 가장 흔한 원인 중 하나이다. 이 예민화는 ASTM Practice A262에 따라서 연구 되었다. 그러나 최근에 예민화를 검사하는 새로운 방법으로서, EPR Test(Electrochemical Potentiokinetic Reactivation) 가 발전되어 왔다. 이 방법은 ASTM 방법보다 예민화의 낮은 정도를 감지할 수 있다. 예민화를 검사하는 데 사용되는 ASTM A262 Practice 는 주요한 3가지 제한점이 있 다
(18).
a) 예민화의 정도를 즉시 그 양을 측정하지 못함 b) A262A를 제외하고는 빠르지 않음
c) A262A를 제외하고 파괴적임
예민화된 강에서 몇 개의 일반적 입계 부식을 일으키는 매우
부식성 심한 환경에 영향을 받는 재료들을 선별하기 위해 발전
되어 왔다. 그러나 최근 실험에서 적당히 예민화된 재료들은
응력이 없는 곳에 주목할 만한 입계 부식이 일어나지 않는 환경
(a) 80min (b) 160min
(c) 320min (d) 640min
(e) 1280min
Fig. 7 Micrographs after oxalic acid etching test of weld specimen under various heating time (min)
Table 8 Reactivation current ratio (Ir/Ia) Heat treatment
(min) 80 160 320 640
Ir/Ia×100 2.71E-4/
0.00519
7.38E-5/
0.00211
1.24E-6/
1.69E-4
2.99E-6/
4.98E-4
DOS (%) 5.221 3.497 0.734 0.600
에서 IGSCC(Intergranular Stress Corrosion Crack)를 겪을 수 있는 것을 보여 준다. EPR 방법은 고용체에서 크롬 함량에 의존하는 부동태 상태의 안정화를 기초로 한다. EPR은 스테인 리스 스틸의 입계 부식과 복잡한 많은 양의 크롬 탄화물의 석출 로 인해 발생하는 크롬 고갈의 주요 원인을 정확히 찾아 낼 수 있다. 실행 가능한 적용을 관점으로 이 방법은 비파괴적이다.
입계부식 시험의 종류는 다음과 같다. 본 연구에서는 Double Loop EPR 방법을 사용하였다.
① ASTM A262 A(10% H2C2O4): 실온의 10% H
2C
2O
4용액 중에서 1A/cm
2의 전류밀도로 90초간 양극에 에칭 후 조직사진으로 판정하며 탄화물을 주로 검출하는 시험 방법이며, 스크린(Screen)한 후에 합격한 재료는 끓는 65% HNO
3용액 중에서 시험하는 경우도 있다.
② ASTM A262 B(Streicher Test): 시편을 끓는 황산 - 황산 재2철 용액에 120시간 침지 후 중량 감소를 측정하며, Cr 결핍증, 시그마상도 부식된다.
③ ASTM A262 C(Huey Test): 시편을 끓는 65% HNO
3용액에 침지한 후 중량 변화를 측정하는 방법으로 48시간 씩 5회 반복하여 Cr 고갈 층뿐만 아니라 시그마상, TiC, Cr
23C
6등 모든 탄화물을 용해하는 것이 문제이며, 특히 시험용기의 밀폐성에 문제가 있어 ASTM G35-73으로 엄격히 규정하고 있다.
④ ASTM A262 E(Strausss Test): 시험편을 황산- 황산 용 액에 24(또는 72)시간 침지 후에 180° 굽혀 입계부식성을 평가하는 방법이다.
⑤ 전기화학적 시험 (EPR Test): 30℃의 0.5M H
2SO
4+ 0.01M KSCN 용액에서 시편을 부동태영역(Passive Region) 에서 활성영역(Active Region)으로 역 분극 시키면 예민 화 된 재료는 재활성화 되지만 예민화 되지 않은 재료는 거의 재활성화 되지 않는다. KSCN 대신에 CH
3CSNH
2를 사용하는 것이 시도되고 있다. EPR 방법에는 Single Loop EPR법, Double Loop EPR 방법과 Reactivation Ratio EPR 방법 등이 있다
(19~20).
4. 실험 결과 및 고찰
4.1 STS 316 클래드재 옥살산 조직
Fig. 7은 옥살산 에칭 시험으로 얻은 HAZ 조직으로 용접 후 열처리 전, 열처리 유지시간 80, 160, 320, 640, 1280분 모두 크롬 탄화물이 석출되지 않은 STEP 조직임이 평가되었으며, HAZ의 조직은 용접 입열에 의한 조직이 조대화 되었다는 것을 알 수 있었다.
4.2 EPR TEST
Fig. 10, 11, 12, 13은 HAZ부근의 표면 조직에 대한 DL-EPR 시험결과로서, Table 8에 DOS 값을 구할 수 있었다.
열처리 조건에 따른 DOS 값은 Table 8에 나타난 것과 같이 열처리 시간이 증가함에 따라 오히려 약간 감소하는 형태로 나 타났다. 본 연구에서의 결과는 앞의 옥살산 시험 이후의 HAZ 조직으로 볼 때, 입계 예민화가 발생하지 않은 STEP 조직이 나타나고 있으며, Fig. 8에서 볼 수 있듯이 열처리 시간에 따라 DOS 값이 감소하는 것으로 볼 때 이 온도에서는 예민화가 발 생하지 않는 것으로 판단할 수 있다.
4.3 미소 경도 시험(Micro Vickers Hardness Test)
탄소강(A516)의 용접부 경도측정에 사용된 장비는 미소비커
Fig. 8 Experiment of heat treatment time DL-EPR
Fig. 9 Effect of test position on double loop EPR test of weld specimen (80min)
Fig. 10 Effect of test position on double loop EPR test of weld specimen (160min)
Fig. 11 Effect of test position on double loop EPR test of weld specimen (320min)
Fig. 12 Effect of test position on double loop EPR test of weld specimen (640min)
Fig. 13 Position of the hardness testing
스경도기인 MVK-HVL Akashi(Hardness Testing Machine) 으로 표준 시험편 ASAHI 76619(JBI97 306 8 HV 0.2)으로 보정하였다. Fig. 13는 미소 경도 측정 위치를 표시한 것이며 용접금속 중심부를 기준점으로부터 0.5mm 간격으로 측정하였 다. Fig. 14는 경도 값을 나타낸 것으로, 열처리 유지시간이 길
어짐에 따라 점진적으로 경도 값이 증가하다가 640min 이후에 는 다시 감소하는 경향으로 나타났다. 이는 어닐링효과로 기계 적 물성 저하에 영향을 미친 것으로 사료된다.
4.4 인장시험(Tensile test)
Fig. 15은 클래드재와 탄소강(A516) 절단 분리하여 탄소강 에 대한 인장 시험결과로 열처리 유지시간이 길어짐에 따라 어 닐닝 효과로 인장강도는 점진적으로 감소됨을 알 수 있었다.
Fig. 16은 인장시험 후 파단면에 대한 SEM 촬영 결과로서,
천이온도(Transition Temperature) 근처에서 파괴된 단면의 미
Fig. 14 Hardness value of welding zone
Fig. 15 Tensile strength with number of times
Fig. 16 SEM image after tensile testing
세조직(Micro Structure)은 전형적으로 벽개면(Cleavage Plane) 과 딤플(Dimple)을 동시에 나타내며 높은 온도에서는 재료는 연성파괴(Ductile Fracture)가 발생하고 딤플을 포함하고 있으 므로 딤플은 외부응력에 의해 재료가 파괴 될 때 탄화물, 석출 물 또는 기지금속(Matrix Metal)과 입자들의 계면에서 형성되 어 인성(Toughness)에 따라서 딤플 형상이나 깊이는 석출물의
크기, 시료의 파괴 인성 및 외부의 응력의 상태 등에 의하여 결정되며 전형적인 연성파괴로 관찰되었다.
5. 결 론
본 연구에서는 기존 관련 연구에서는 잘 다루어 지지 않았 던 열간 압연한 클래드 강판의 클래드 재인 STS 316 강판과 탄소강(A516)의 예민화 및 기계적 성질을 평가 하고자 반복된 보수 용접이 이어지거나 두꺼운 다층 용접부인 경우 등에 있어 서 후열처리 및 용접 조건에 따라서 Clad 강재의 기계적 성질 및 내식성이 그대로 유지 될 것인지에 대한 검증을 체계적으로 진행하였다. 그래서 클래드 강판을 FCAW + SMAW로 맞대 기용접 후, 열처리 시간을 변수로 하여 625℃에서 80, 160, 320, 640, 1280min 정도로 열처리를 하고, 이 시편들의 내식성 의 변화를 평가하였다. 요약된 결론은 다음과 같다.
(1) 탄소강(A516)은 열처리유지 시간이 길어짐에 따라서 어닐링 효과로 인장강도는 점진적으로 감소하였고, 미소경도는 증 가하다가 640min 이후에 다시 감소하는 것을 알 수 있었다.
(2) 클래드 재인 STS 316을 Oxalic Acid Etch Test 와 EPR Test결과는 STEP 조직으로 예민화 현상이 발생되지 않았 음을 확인할 수 있었다.
(3) 다층 및 보수 용접으로 본 실험결과에 의거하여 클래드 재 에 내식성에 미치는 영향이 없는 것으로 평가할 수 있다.
(4) EPR 기술의 가장 중요한 이점은 HAZ에 대한 예민화도를 Profiling을 할 수 있어 용융선으로부터의 거리와 HAZ 조 직을 연구하는 것에 좋은 방법이라고 할 수 있다.
References
