KR101803050B1 - 용접부의 내식성 및 강도가 우수한 페라이트계 스테인리스강 및 tig 용접 구조물 - Google Patents

Abstract

TIG 용접시의 Ar 가스 실드를 생략하더라도 용접부의 내식성, 특히 틈 부식에 대한 내식성이 양호하고, 또한 용접부 강도가 우수한 페라이트계 스테인리스강 및 그 구조체를 제공한다.
질량%로, 소정의 성분 함유량을 가진 페라이트계 스테인리스강에 있어서, 통상의 부식 환경하에서는 아래와 같이 1식을 만족하는 성분계로 함으로써 내부식성을 높일 수 있다. 또한, 심한 부식 환경 하에서는 1식에 규정하는 성분의 관계뿐만이 아니라, 용접 비드의 이면 노출 폭과 강판 판 두께와의 관계가 2식을 만족함으로써, 틈 부식에 강한 용접 구조체로 할 수 있다. 또한, 용접 강도를 향상시키기 위하여 Nb와 V의 함유량이 3식도 만족함으로써, 용접 강도가 높은 용접 구조체를 얻을 수 있다.
Si+2.5Al+3Ti≤1.50 … (1식)
0＜Wb/2t≤1.50 … (2식)
(t：피용접재의 판 두께, Wb：이면에 노출된 비드 폭의 길이)
Nb×V≥0.01 … (3식)

Description

용접부의 내식성 및 강도가 우수한 페라이트계 스테인리스강 및 TIG 용접 구조물{FERRITE STAINLESS STEEL EXHIBITING EXCELLENT CORROSION RESISTANCE AND STRENGTH IN WELD ZONES, AND TIG-WELDED STRUCTURE}

본 발명은 용접부의 내식성 및 강도가 우수한 페라이트계 스테인리스강과 그 TIG 용접 구조물에 관한 것이다.

페라이트계 스테인리스강은 일반적으로 내식성이 우수할 뿐만 아니라, 오스테나이트계 스테인리스강과 비교하여 열팽창 계수가 작고, 내응력 부식 균열성이 우수하다.

이와 같은 스테인리스강을 구조체로서 사용하는 경우, 용접 시공은 불가결한 것이다. SUS430과 같은 범용 페라이트계 스테인리스강은 C, N 고용(固溶) 한도가 작기 때문에, 용접부에서 예민화(sensitization: Cr이 탄화물 생성에 사용되어 국부적으로 매트릭스의 Cr이 극단적으로 저하하기 때문에 부식 감수성이 높아지는 것)를 일으켜, 내식성이 저하하는 문제가 있었다. 이 문제를 해결하기 위하여 C, N량의 저감이나 Ti나 Nb 등의 안정화 원소의 첨가에 의한 C, N의 고정화에 의하여, 용접 금속부의 예민화를 억제할 수 있는 고순도 페라이트강이 개발되어 있다.

한편, 고순도 페라이트강은 용접의 입열로 생긴 스케일부(표면 산화 부분)는 내식성이 열화(劣化)하는 것이 알려져 있다. 이에 대한 대책으로서 용접시에 Ar 등의 비활성 가스를 사용한 실드(shield)를 충분히 실시함으로써 용접 스케일의 생성을 억제할 수 있는 것이 알려져 있다.

고순도 페라이트계 스테인리스강의 용접 구조체의 예로서, 전기 온수기나 가정용 자연 냉매(CO₂) 히트 펌프 급탕기에 있어서는, 스테인리스강으로 만든 급탕 저장 관체가 일반적으로 사용되고 있다. 급탕 저장 관체는 수압에 견딜 수 있도록, 경판(鏡板)과 동판(胴板)을 용접한 캡슐 형태의 구조가 채용되고 있다. 최근, 급탕 압력의 고압화에 대한 요망이 높아지고 있어서, 급탕 저장 관체도 더 고강도화가 요구되고 있다. 이 관체 재료로서는, 재료 자체의 고강도화도 필요하지만, 관체의 응력이 집중되기 쉬운 용접 금속부의 강도를 향상시키는 것이 더 중요하게 된다. 또한, 수질의 문제로부터 잔류 염소 농도나 염화물 이온 농도가 높아지면, 부식하기 쉬운 환경이 된다. 또한, 염소 첨가 등의 산화제에 의한 살균이 필요한 경우가 있는 등, 심한 부식 환경이 되는 경우가 늘어나고 있는데, 그러한 환경에서는 용접부가 부식하는 문제가 발생하는 경우가 있다.

페라이트계 스테인리스강의 TIG 용접부의 내식성 향상과 관련하여 Nb, Ti를 첨가하여 C, N을 안정화하는 것은 이미 알려져 있는 기술이다. 또한, TIG 용접에서는 용접 금속부 및 열 영향부(HAZ부)에 있어서의 용접시의 산화물 생성을 억제하고, 그 내식성 열화를 억제하기 위하여, Ar 등의 비활성 가스에 의한 가스 실드가 실시되고 있다. TIG 용접의 토치측이 되는 표면에의 가스 실드의 실시는 토치에 Ar 가스를 내뿜는 지그를 설치하기만 하면 되기 때문에 용이하다. 그러나, 그 반대면이 되는 토치 반대측에의 가스 실드의 실시는 전용 지그가 필요하다. 이 때문에 최근 공정 생략이나 Ar 가스 비용 삭감 등의 관점에서, 용접 이면(裏面)의 Ar 가스 실드를 생략하는 TIG 용접 시공이 요망되고 있다. 단지 단순하게 종래의 재료 및 용접 조건은 그대로 하고, Ar(비활성 가스) 가스 실드를 생략하게 되면, 용접부 내식성의 저하를 일으킬 뿐이다.

즉, 이와 같은 배경에서 Ar(비활성 가스) 가스 실드를 생략하더라도 TIG 용접부의 내식성이 우수한 페라이트계 스테인리스강의 개발 요망이 있다. 또한, 용접부의 강도도 우수한 고순도 페라이트계 스테인리스강의 개발에 대한 요망이 있다.

특허 문헌 1에는, Cr을 22 내지 26% 함유한 페라이트계 스테인리스강이고, 「4 mm 이상의 틈 깊이와 최대 틈 깊이 30㎛ 이하이고 아르곤 백 실드 없음」으로 하며, 또한 용접 계면의 가장자리로부터 2 mm 이내의 용접 틈부의 산화 스케일의 평균 Cr 비율이 전체 금속 원소의 20 질량% 이상이 되는 것을 특징으로 하는 용접 틈산화 피막의 내식성이 우수한 페라이트계 스테인리스강이 개시되어 있다.

특허 문헌 2에는, 페라이트계 스테인리스강의 성분 범위를, 일례로서 a값: Cr%+Mo%+1.5Si%+0.5Nb%+0.9Mn%+1.5Ni%≥23이 되도록 규정함으로써, 가스 실드를 생략하더라도 용접부의 내식성을 향상할 수 있는 기술이 개시되어 있다.

특허 문헌 3에는, Ar 가스 실드를 생략하는 경우에, 재료 표면에 CaS가 존재하면, 충분히 용접 스케일이 형성되지 않는다고 하여, Ca를 0.0010% 이하로 제어하는 것이 규정되어 있다.

그러나, 특허 문헌 1은 실드를 생략하더라도 Cr 산화 피막이 생성됨으로써 내식성을 담보하고 있지만, 급탕 저장 관체 내와 같이 틈이 매우 좁은 장소 등의 심한 부식 환경 하에서는 Cr 피막이 두꺼워도 틈 부식이 발생할 가능성이 매우 높다. 또한, 특허 문헌 1에서는 용가재를 사용하지 않기 때문에, Cr 함유량이 22%를 초과하는 강에서는 Cr이 산소나 질소를 흡수하기 쉽기 때문에, 입계부에 Cr 결핍부를 형성하기 쉬워져, 예민화를 일으킬 가능성이 매우 크다.

또한, 특허 문헌 2에서는, 페라이트계 스테인리스강의 성분을 규정함으로써, 오스테나이트계 스테인리스강과의 이재 용접 금속의 성분 조성을 결정할 수 있다고 하였으나, 실제의 용접 금속부의 성분 조성은 용접되는 상호의 재료의 체적비나, 용접 금속부의 응고시에 있어서의 상호 재료의 혼합비에 따라 크게 변화한다. 이 때문에, 단순하게 한쪽의 재료 성분만으로 그 조직을 제어하는 것은 곤란하다. 또한, 특허 문헌 2에서는 고순도 페라이트계에 고가의 Ni를 다량으로 첨가하는 것이 개시되어 있다. Ni에 추가하여 Si나 Nb, Cu는 고용 강화를 촉진하는 원소이기 때문에, 당해 재료의 강도나 경도가 너무 올라서 가공성이 악화된다.

특허 문헌 3에서는, 규정되어 있는 Ca 농도 레벨은 통상의 고순도 페라이트계 스테인리스강이면 일반적인 범위이다. 또한, 본 문헌에서 내식성 상의 문제로 되어 있는 CaS의 생성은 강판의 제조 조건이나 다른 첨가 성분의 영향을 크게 받기 때문에, Ca 농도만으로는 결정되지 않는다.

특허 문헌 1: 일본 공개 특허 공보 2009－185382호 특허 문헌 2: 일본 공개 특허 공보 2010－202916호 특허 문헌 3: 일본 공개 특허 공보 2011－202254호

본 발명은 TIG 용접에 있어서 Ar 가스 실드를 생략하더라도, 용접부의 내식성의 저하를 억제하는 것이 가능한 페라이트계 스테인리스강을 제공하는 것을 과제로 한다. 또한, 틈 부식 등의 더 심한 부식 환경 하에서도, 우수한 내부식성을 가지고, 또한 용접부의 강도도 우수한 페라이트계 스테인리스강의 용접 구조물을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위하여 예의 연구를 거듭한 결과, 이하의 지견을 얻었다.

(1) TIG 용접시에 이면(裏面)의 Ar 가스 실드를 생략하였을 경우, TIG 용접 이면부(용접되는 강판에 있어서, 용접 토치가 면하는 측과 반대측)에 있어서의 부식 감수성이 강한 부분은 용접 금속부로부터 1 mm 이내에 생기는 것을 밝혀내었다. 종래의 Ar 가스 실드를 실시한 TIG 용접에서는 부식 감수성이 강한 부분은 용접 금속부로부터 수 mm 정도 떨어진 HAZ 부분에 생성되었다.

또한, 이 용접 금속부로부터 1 mm 이내의 부위의 내식성 향상에는, 생성된 용접 스케일 조성을 Cr, Fe 주체의 산화물을 주체로 하고, Ti, Al, Si의 산화물을 혼입시키지 않는 것이 중요하다는 것을 밝혀내었다. 그 때문에, 재료 조성을 아래 (1식)과 같이 제어할 필요가 있는 것을 알 수 있었다.

(Si+2.5Al+3Ti)≤1.50　 … (1식)

다만, 상기 식 중의 원소 기호는 당해 원소의 함유 질량%를 의미한다.

(2) 심한 부식 환경 하에서는 Ar 가스 실드를 생략한 TIG 용접부에서는 (1식)을 만족하는 것만으로는 틈 부식을 일으켜버리는 경우가 있다. 이 조건 하에서 틈 부식을 억제하려면, 용접 금속부를 이면에 노출된 부분, 이른바 이면에 노출된 비드(이면 비드)의 폭(Wb)의 1/2과 판 두께(t)와의 비가 1.5 이하(즉, 이면에 노출된 비드 폭이 판 두께(t)의 3배 이하)가 되도록 좁게 하는 것이 중요하다는 것을 밝혀내었다. 그 이유는 다음과 같이 생각할 수 있다. 즉, 이면 비드를 좁게 함으로써 용접의 입열량을 저감할 수 있다. 이에 의하여, 틈 내의 산화를 억제할 수 있어서, 실드 가스를 생략하더라도 부식 감수성이 높은 부분을 없앨 수 있거나, 또는 부식 감수성이 높은 부분을 틈내의 부식하기 어려운 부분의 내측으로 할 수 있기 때문이다.

0＜Wb/2t≤1.50　　 … (2식)

(t: 피용접재의 판 두께, Wb: 이면에 노출된 비드 폭의 길이)

(3) 또한, 당해 구조에 있어서, 내구성이 더 높은 용접 구조부가 요구되는 경우에는, 용접부 강도 향상을 위하여, 아래 (3식)에 따른 Nb, V의 첨가가 유효한 것을 밝혀내었다.

(Nb×V)≥0.01　　 … (3식)

다만, 식 중의 원소 기호는 당해 원소의 함유 질량%를 의미한다.

본 발명은 이러한 지견에 기초하여 이루어진 것이다. 본 발명의 요지는 이하와 같다.

(1) 성분이 질량%로,

C：0.002 내지 0.020%,

Si：0.05 내지 0.30%,

Mn：0.01 내지 0.50%,

Cr：20.3 내지 25.0%,

Mo：0.90 내지 3.00%,

Al：0.005 내지 0.150%,

Ti：0.05 내지 0.30%,

Nb：0.10 내지 0.50%,

N：0.002 내지 0.025%,

P：0.035% 이하,

S：0.0100% 이하,

V：0.05 내지 1.00%

를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 또한 Si, Al, Ti의 함유량이 1식을 만족하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강.

Si+2.5Al+3Ti≤0.85　 … (1식)

다만, 식 중의 원소 기호는 당해 원소의 함유 질량%를 의미한다.

(2) 또한, 성분이 질량%로,

Cu：0.10 내지 0.20%,

Ni：0.05 내지 2.00%,

Sn：0.05 내지 1.00%,

Sb：0.05 내지 1.00%,

Zr：0.03 내지 0.20%,

B：0.0001 내지 0.0050%

의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 페라이트계 스테인리스강.

(3) 상기 페라이트계 스테인리스강의 성분에 있어서의 Nb와 V가 3식을 만족하는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 페라이트계 스테인리스강.

Nb×V≥0.01　　 … (3식)

다만, 3식의 원소 기호는 당해 원소의 함유 질량%를 의미한다.

(4) 페라이트계 스테인리스 강판끼리를, 토치 반대측의 가스 실드를 생략하고 TIG 용접한 용접 구조물에 있어서, 상기 페라이트계 스테인리스 강판의 성분이, 질량%로,

C：0.002 내지 0.020%,

Si：0.05 내지 0.30%,

Mn：0.01 내지 0.50%,

Cr：16.0 내지 25.0%,

Mo：0.30 내지 3.00%,

Al：0.005 내지 0.150%,

Ti：0.05 내지 0.30%,

Nb：0.10 내지 0.50%,

N：0.002 내지 0.025%,

P：0.035% 이하,

S：0.0100% 이하,

V : 0.05 내지 1.00%

를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며,

또한, Si, Al, Ti의 함유량이 1식을 만족하고,

상기 TIG 용접한 부분의 상기 페라이트계 스테인리스 강판의 이면에 노출된 용접 금속의 비드 폭(Wb)과 상기 페라이트계 스테인리스 강판의 판 두께(t)가, 2식을 만족하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강의 용접 구조물.

Si+2.5Al+3Ti≤1.50　 … (1식)

0＜Wb/2t≤1.50　　 … (2식)

다만, 1식 중의 원소 기호는 당해 원소의 함유 질량%를 의미한다.

(5) 상기 페라이트계 스테인리스 강판의 성분이 추가로 질량%로,

Cu：0.10 내지 0.50%,

Ni：0.05 내지 2.00%,

Sn：0.05 내지 1.00%,

Sb：0.05 내지 1.00%,

Zr：0.03 내지 0.20%,

B：0.0001 내지 0.0050%

의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 (4)에 기재된 페라이트계 스테인리스강의 용접 구조물.

(6) 상기 페라이트계 스테인리스 강판의 성분에 있어서의 Nb와 V가 3식을 만족하는 것을 특징으로 하는 (4) 또는 (5)에 기재된 페라이트계 스테인리스강의 용접 구조물.

Nb×V≥0.01　　　… (3식)

다만, 3식의 원소 기호는 당해 원소의 함유 질량%를 의미한다.

본 발명에 의하면, Ar 가스 실드를 생략하더라도 용접부의 내식성이 우수한 페라이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다. 또한, 용접부의 틈 내식성(틈 부식에 대한 내식성)과 강도가 우수한 용접 구조물을 제공할 수 있다.

도 1은 일반적인 부식 환경에 있어서의 (1식) 좌변과 Ar 가스 실드를 생략 한 경우의 틈 부식 깊이와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2(a)는 본 발명에서 사용한 TIG 용접 틈 구조의 개략도이다. 도 2(b)는 도 2(a)의 용접 부분의 확대도이다. 본원에 있어서 단지 도 2라고 하는 경우에는 도 2(a)와 도 2(b)의 양쪽을 모두 나타내는 것으로 한다.
도 3은 심한 부식 환경에 있어서의 (2식)과 Ar 가스 실드를 생략한 경우의 틈 부식 깊이와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 (3식)과 용접부 경도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태의 일례를 나타내는 도면이다. 도 5(a)는 겹치기 필릿 TIG 용접을, 도 5(b)는 필릿 TIG 용접의 예를 나타낸다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다. 특별히 지정하지 않는 한, 성분 함유량의 %는 질량%를 의미한다.

본 발명자들은 페라이트계 스테인리스강의 TIG 용접부의 내식성에 있어서, Ar 가스 실드를 생략하더라도 내식성이 우수한 페라이트계 스테인리스강을 제공할 수 있는 가능성에 대하여 예의 검토한 결과, 이하의 지견을 얻었다.

(1) TIG 용접시의 실드를 생략하였을 경우, TIG 용접 이면부(裏面部)에 있어서의 부식 감수성이 강한 부분은 종래의 Ar 가스 실드 실시시에 알려진 용접 금속부로부터 수 mm 정도 떨어진 곳에 생기는 HAZ부가 아니라, 용접 금속부로부터 1 mm 이내의 부위로 변화하는 것을 밝혀내었다. 이 용접 금속부로부터 1 mm 이내의 부위의 내식성 향상에는, 생성된 용접 스케일 조성을 Cr, Fe 주체의 산화물을 주체로 하고, Ti, Al, Si의 산화물을 혼입시키지 않는 것이 중요한 것을 밝혀내었다. 이를 위하여, 재료 조성을 아래의 (1) 식과 같이 제어할 필요가 있다. 또한, 틈을 가진 구조의 경우, 후술하는 통상의 부식 환경(예를 들면, 후술하는 부식 시험에서의 Cu²⁺=2 ppm에 상당하는 환경)이면, Ar 가스 실드를 생략하더라도 (1) 식을 만족하는 경우에는 틈 부식을 억제할 수 있다.

　　 (Si+2.5Al+3Ti)≤1.50　　… (1)

다만, 식 중의 원소 기호는 당해 원소의 함유 질량%를 의미한다.

(2) 더 심한 부식 환경(예를 들면, 후술하는 부식 시험에서의 Cu^{2 +}=20 ppm에 상당하는 환경)에 노출되었을 경우에는, Ar 가스 실드를 생략한 TIG 용접부에서는 (1) 식을 만족하는 것만으로는 틈 부식을 일으켜 버리는 경우가 있다. 이 조건 하에서 틈 부식을 억제하려면, 용접 금속부를 이면에 노출된 부분, 이른바 이면 비드의 폭을 일정값 이하로 좁게 하는 것이 중요한 것을 밝혀내었다.

0＜Wb/2t≤1.50　　　… (2)

(t：피용접재의 판 두께, Wb：이면에 노출된 비드 폭의 길이)

(3) 또한, 당해 구조에 있어서, 내구성이 더 높은 용접 구조부가 요구되는 경우에는, 용접부 강도 향상을 위하여, 아래와 같이 (3) 식에 따르는 Nb, V의 첨가가 유효하다.

(Nb×V)≥0.01　　　… (3)

다만, 식 중의 원소 기호는 당해 원소의 함유 질량%를 의미한다. 　

본 지견을 얻기 위하여, 도 2(a)에 도시하는 바와 같이, 2장의 강판 중 한쪽 강판(2)을 다른 한쪽의 강판(1)의 표면에 비스듬하게(수직도 수평도 아님) 접촉시키고, 접촉 부분을 필릿 TIG 용접하여 공시재를 제조하였다. 또한, 비스듬하게 접촉한 강판의 TIG 용접을, 본원에서는「비스듬한 필릿 TIG 용접」이라고 한다.

또한, 도 2(a)에 도시하는 TIG 용접 구조에 있어서, 강판(1)의 위쪽으로부터 TIG 용접의 토치를 대고, 다른 한쪽 강판(2)과 용접하였다. 이 때, 각각의 강판의 용접 토치측을 「표면측」, 용접 토치와의 반대측을 「이면측」이라고 한다. 즉, 이면측(토치 반대측)은 도 2에서 강판(1)의 아래쪽 및 강판(1)의 윗면과 강판(2) 아래면에 둘러싸인 공간에 해당한다. 이 토치 반대측의 부위 중에서, 내식성이 문제가 되는 것은, 도 2(b)에 있어서의 이면 비드부(8) 근방 및 용접 틈부(5)이다. 그 때문에, 본 발명에 있어서 내식성 평가는 전술한 이면 비드부(8) 근방 및 용접 틈부(5)에 대하여 실시하고 있다. 이 중, 이면 비드부(8) 근방을 이면 용접부(4)라고 기재한다.

또한, 본원에서는 도 2(a)에 도시하는 비스듬한 필릿 TIG 용접으로 설명하지만, 특별히 이 상태에 한정될 필요는 없다. 예를 들면 도 5(a)에 도시하는 겹치기 필릿 TIG 용접이나 도 5(b)에 도시하는 필릿 TIG 용접으로도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 물론, 이 상태들 이외에도 본 발명의 기술적 특징을 가지고 있으면, 본 발명의 효과를 얻을 수 있다. 본원에 있어서는, 도 2에 도시하는 비스듬한 필릿 용접 이음부를 예로 들어 설명한다.

［공시재의 제조］

공시재가 되는 페라이트계 스테인리스 강판은 이하와 같이 제조하였다.

실험실 진공 용해로에 의하여 용해한 Cr：16.0 내지 25.0%, Mo：0.30 내지 3.00%를 기준으로 한 페라이트계 스테인리스강에서, Al, Ti, Si, Nb, V를 다양하게 변화시킨 재료를 압연·열처리하여 냉연판을 제조하였다. 공시재의 성분을 표 1(표 1은 6개로 분할하여 표시하였다. 이하, 표 1-1 내지 표 1-6을 합하여 표 1이라 한다.)에 나타낸다.

이 공시재의 판 두께는 0.8 mm이다. 공시재의 표면을 #600 에머리 페이퍼로 습식 연마한 후, 40 mm 폭×200 L mm와 55 mm 폭×200 L mm로 절단하여, 각각 시험편 1과 시험편 2를 준비하였다. 틈의 개구각을 만들기 위하고, 시험편 2의 짧은 변(폭 55 mm) 중 일단으로부터 15 mm에서 수평으로부터 15°로 굽힘 가공하였다. 도 2와 같이 강판 1(시험편 1)에 강판 2(굽힘 가공한 시험편 2)를 접촉시키고, 굽힘 가공재 단부를 TIG 용접하였다.

［용접 조건］

용접 조건은 이송 속도 50 cm/min, 전류값은 70 A 일정하게 하고, 이면의 비드가 노출되는 조건으로 하였다. 이면 비드 폭은 약 1.2 mm이었다. 용접부의 가스 실드에는 Ar 가스를 사용하였다. 토치측(7)의 가스 실드는 유량 15 L(리터, 이하 동일)/min, 애프터 가스는 20 L/min로 고정하였다. 토치 반대측(6)에 대하여는 가스 실드 있음과 없음의 두 가지 조건으로 실시하였다. 가스 실드 실시시에는 용접 틈부(5)와 이면 비드부(8) 근방의 이면 용접부(4)의 양쪽 모두에 대하여 유량 5 L/min로 가스 실드를 실시하고, 가스 실드 정지시에는 유량 제로로 하였다.

［내식성 평가 시험 (그의 1)］

내식성 평가 시험편은 본 재료로부터 용접 금속 길이를 20 mm, 길이 40 mm의 크기로 절단하였다. 절단 단면은 ＃600의 에머리 페이퍼 습식 연마 처리를 하였다. 토치 반대측(6)만을 시험 환경에 노출하기 위하여, 토치측(7)의 용접 금속부(3)는 내열 실리콘 수지로 코팅하였다. 시험액으로서는, NaCl 외에 산화제로서 CuCl₂ 시약을 사용하고, Cl^-는 600 ppm이 되고, Cu^{2 +}는 2 ppm Cu^{2 +}가 되도록 조정한 시험액을 사용하였다. 또한, Cu^{2 +}는 환경의 산화성을 조정하기 위하여 첨가하였는데, 2 ppm의 농도는 일반의 온수 환경을 모의한 농도이다. 침지 조건은 80℃, 산소를 불어 넣고, 2주간 연속 침지하였다. 또한, 시험액은 1주간마다 교환하였다.

시험 후의 이면 용접부(4)의 공식 및 용접 틈부(5)의 틈 부식 깊이는 초점 심도법을 사용하여 측정하였다. 틈내의 부식 측정은 용접 금속부(3)을 깎아 강판(1)과 강판(2)를 분리하여 실시하였다. 틈 깊이는 부식에 의한 공식 깊이의 최대 값을 나타낸다.

용접부의 표면 피막은 닛폰덴시(주) 제품인 AES를 사용하여, 5000배의 관찰 배율로 표면 원소의 면분석을 실시하였다.

［평가 결과］

(틈부)

Ar 가스 실드를 실시하였을 경우에는, Si+2.5Al+3Ti가 높은 경우에는 일부 부식을 볼 수 있었지만, 그 깊이는 임계 깊이(그 이상 부식이 깊어지면, 구멍이 관통할 때까지 부식이 성장해버리는 부식 깊이)인 50㎛를 초과하는 경우는 없었다.

한편 Ar 가스 실드를 생략한 용접 틈부에 있어서의 부식 시험 후의 틈 부식 깊이와, Si+2.5Al+3Ti의 관계를 도 1에 나타낸다. 도 1에 나타내는 바와 같이, Ar 가스 실드를 생략하였을 경우에는, 부식 깊이는 Si+2.5Al+3Ti의 값이 1.50 이하이면, 틈 부식 깊이가 50㎛ 이하가 되는 것을 확인하였다. 　　　

또한, Ar 가스 실드를 실시하였을 경우의 부식 위치는 용접 금속과 피용접재(이 경우 강판)와의 경계(용융 라인이라고도 한다. 이하, 간단히「용접 금속의 경계」라고 한다.)로부터 5 내지 10 mm 떨어진 모재 HAZ부에서 나타났다. 그러나, 그와 달리, 실드 생략시의 부식 위치는 용접 금속의 경계로부터 1 mm 이내에서 발생하였다.

(이면 용접부)

Ar 가스 실드를 실시하였을 경우에는 Si+2.5Al+3Ti가 높은 경우에는, 일부 부식을 볼 수 있었지만, 그 깊이는 임계 깊이가 되는 20㎛를 넘는 경우는 없었다. 또한, 이면 용접부의 공식 발생 위치는 이면 용접 금속 경계로부터 2 내지 3 mm 떨어진 부분, 이른바 HAZ부에서 관찰되었다.

한편 Ar 가스 실드를 생략하였을 경우에는, Si+2.5Al+3Ti의 값이 1.50을 넘으면, 부식 깊이 20㎛를 초과하는 부식을 일으켰다. Ar 가스 실드 생략시의 부식 위치는 Ar 가스 실드를 실시하였을 경우와 달리, 용접 금속 경계부 및 그 경계로부터 1 mm 이내에 발생하였다.

일반적으로 알려져 있는 바와 같이, 이와 같은 부식 환경에 있어서의 페라이트계 스테인리스강의 내식성은 Cr 및 Mo 첨가량이 많을수록 우수하다. 그러나, Ar 가스 실드를 생략한 경우에는 용접 비드부 및 HAZ부의 표면이 자기 보수 기능을 가진 부동태 피막이 아니라, 생성된 Cr, Fe의 산화물 피막으로 변질되어 버리는 경우 및 그 산화물 피막의 생성에 의하여 피막 바로 아래에 Cr 결핍부가 생성되는 경우, 또한 이 산화물 피막 자체가 부식되어 소지가 부식되는 경우 등이 발생한다. 이 때문에, 첨가한 Cr, Mo량으로부터 예측되는 정도보다도 내식성이 저하된다고 생각할 수 있다.

Ar 가스 실드를 생략하였을 경우, 용접 금속 경계 근방의 HAZ부가 부식하기 쉬워지는 원인에 대하여 예의 조사하였다. 부식을 일으킨 이면 비드로부터 1 mm 이내의 피막을 AES 면분석으로 분석한 결과, 실드를 생략하였을 경우의 피막 표면에, Fe, Cr 및 O 외에 Ti, Al, Si가 점 형태로 석출하고, 그 부분에서도 O가 높은 것이 확인되었다. 이것은 특히 소재 중의 Ti, Al, Si 농도가 높을수록 현저하다는 것을 알 수 있었다.

이것으로부터 Ti, Al, Si 농도가 높은 재료는 Ar 가스 실드를 생략한 용접을 실시하고 부식 환경에 노출되었을 경우, 표면 피막 중의 Ti, Al, Si의 산화물의 존재가 표면 보호성 산화 피막 중의 Cr 산화물 분포의 균일성을 방해하는 것은 아닐까 추측한다. 즉, 표면 보호성 산화 피막 중의 Cr 산화물 분포의 균일성이 방해받고 Al이나 Ti 등의 산화물이 점으로 존재하는 부분에서 국소적으로 Cr 산화물의 비율이 저하하기 때문에, 첨가한 Cr 농도로 예상되는 내식성보다 저하하는 것은 아닐까하는 추정을 하였다.

종래 내식성이 떨어진다고 여겨지던 틈부에서, Ar 가스 실드를 생략하더라도 Si+2.5Al+3Ti가 1.50 이하이면 부식이 억제된 것은, 표면 피막의 균일성이 향상되었던 것에 추가하여, 앞서 설명한 바와 같이 Ar 가스 실드 생략에 의하여 부식의 감수성이 높은 부분이 틈보다 안쪽으로 옮겨졌기 때문에, 그 부분이 부식 환경에 노출되기 어려워졌다고도 추정된다.

이로부터, Ar 가스 실드 생략시에 있어서의 페라이트계 스테인리스강 TIG 용접부의 내식성을 향상시키려면, Cr, Mo 뿐만이 아니라, Si, Al, Ti를 아래 (1식)와 같이 제어할 필요가 있다는 것을 밝혀내었다.

(Si+2.5Al+3Ti)≤1.50　　… (1)

식 중의 기호는 강 중의 각 성분의 함유량[질량%]을 나타낸다.

부식의 관점에서는 Si+2.5Al+3Ti의 값은 작은 것이 좋고, 좋기로는, 1.0 이하, 더 좋기로는, 0.8 이하로 하면 좋다. 또한, 각 원소의 효과의 항에서 상세히 설명하겠지만, Si, Al 및 Ti는 정련시의 탈산 원소로서 중요하다. 그 때문에, 어느 쪽도 과도하게 감소시키면, 고순도 페라이트계 스테인리스강으로서 제조가 곤란해져서, 제조 비용이 현저하게 높아진다. 그 때문에 이 원소들은 각각 하한값을 가진다. 상기 Si+2.5Al+3Ti 식에 있어서는, 각 원소의 함유량의 하한값으로부터 도출되는 값을 하한으로 한다. 또한, 이 원소들 단독이 아니라, 종합적인 제조성의 관점에서, Si+2.5Al+3Ti의 하한은 0.30인 것이 좋고, 제조상의 여유를 고려하여 하한값을 0.45로 하는 것이 더 좋다.

또한, 전술한 바와 같이, 일반적인 부식 환경의 경우에는, 상기 (1식)을 만족하면, 이면 용접부(4)뿐만이 아니라 틈 구조의 용접 틈부(5)에 있어서도 용접부의 내식성이 향상된다.

［내식성 평가 시험 (그의 2)］

이어서, ［내식성 평가 시험 (그의 1)］에서 사용한 조건보다도 심한 부식 환경 하에서 내식성을 평가하였다. 공시재는 표 1의 No. 5의 강판을 사용하였다. 이것은 (1식)을 만족하는 성분계이다. 이 공시재를 전술한［공시재의 제조］［용접 조건］에 기재한 바와 같이, TIG 용접으로 틈 용접 샘플을 제작하였다.

용접은 토치 반대측(용접 틈부(5)과 이면 용접부(4))만 Ar 가스 실드를 실시하지 않았다. 용접 전류 값은 용접부의 이면 비드 폭을 제어할 목적으로, 50A에서 120A의 사이에서 변화시켰다. 이 때의 이면 비드의 상태는 도 2에 도시한 이면 비드 폭(Wb)과 판 두께(t)로 나타나는 지표：Wb/2t로 나타내면, 0.13 내지 1.88(이면 비드 폭 0.2 내지 3.0 mm)이었다. 또한, 이면 비드 폭은 전장에서 균일하지 않기 때문에, 비드를 따라서 길이 방향으로 5점 이상 측정하고, 그 평균값을 Wb의 값으로 하였다. 또한, 특히 용접 전류 값이 작은 경우에는 이면 비드가 전장에 걸쳐 나오지 않는 경우가 있다. 이 경우의 Wb는 제로로 하였다.

내식성 평가 시험편은 전술한［공시재의 제조］［용접 조건］과 동일한 조건으로 제조하였다. 부식 시험액은 전술한 600 ppm Cl^-+20 ppm Cu^{2 +}로, Cu^{2 +}만을 높여 부식성이 심한 환경을 모의한 조성으로 하였다. 다른 시험 조건 및 평가 방법은 전술한 ［내식성 평가 시험 (그의 1)］그대로 하였다.

이 틈 부식 깊이의 결과를 도 3에 나타낸다. 이면 용접부의 공식 깊이도 틈 부식 깊이와 동일한 경향을 취하기 때문에, 더 부식이 심한 틈에서의 결과를 도시하였다.

이 때, 이면 비드의 폭(Wb)과 판 두께(t)로부터 결정되는 Wb/2t의 값이 1.50을 넘으면 틈 부식 깊이는 임계 깊이인 50㎛를 넘어, 명료한 틈 부식이 발생하였다. Wb/2t의 값이 1.50 이하인 경우에는 틈 부식 깊이는 50㎛보다 얕아지는 결과가 나왔다.

또한, 이 용접 틈 형상에 대하여는 상기 시험에서는 틈 각도를 15°로 하였지만, 이 각도는 중요하지 않으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.

Wb/2t의 값이 커지면, 가스 실드를 생략한 경우의 틈 부식 깊이가 깊어진 이유는 Ar 가스 실드를 생략함으로써 부식 감수성이 높아지는 부위가 틈으로부터 떨어진 HAZ로부터, 용접 금속부로부터의 거리가 가까운 위치로 변화한 것, 및 Wb/2t가 크다는 것은 용접시의 입열량이 많다는 것이기 때문에, 틈 내에서의 용접에 의한 산화 피막 형성이 진행되어, Cr의 표면 보호성 산화 피막의 불균일성을 조장하는 작용이 있기 때문으로 추정된다.

또한, Ar 가스 실드를 생략하는 경우, Ar 가스 실드를 사용한 경우에 비하여, 이면 비드 폭은 커지는 경향이 있다. 이것은 가스에 의한 냉각 효과가 없어지기 때문에, 동일한 입열량이라도 금속의 용융량이 증가하기 때문이다. 또한, 본 발명에서는 용접의 용입성을 저하시키는 Al, Ti, Si를 저감시키기 때문에, 그 경향이 더 크다. 그 때문에, 본 발명 재료로 TIG 용접에 있어서의 이면 비드 폭을 제어하려면, 가스 실드가 있는 경우보다 용접 입열량을 더 저감시킬 필요가 있다.

이에 의하여, TIG 용접부의 내식성을 향상시키려면, 용접부의 이면 비드의 폭을 좁게 제어하는 것이 중요하다는 것을 밝혀내었다.

또한, 상기한 2 ppm Cu^{2 +} 조건 결과에서 나타낸 바와 같이, 일반적인 온수 상당의 환경 하에서는, 본 발명에 관한 페라이트계 스테인리스강이면 Ar 가스 실드를 생략하더라도, 이면 비드의 폭에 상관없이, 틈 부식을 억제시키는 것은 가능하다. 해외에서는 20 ppm Cu^{2 +} 조건의 더 심한 부식 환경도 상정된다. 그러한 심한 부식 환경에의 적용을 상정하였을 경우에 Ar 가스 실드를 생략하는 용접이 필요하게 되는 경우에 있어서는, (2) 식 좌변：Wb/2t를 0초과, 1.50 이하로 제어할 필요가 있다.

Wb/2t의 값은 더 좋기로는 1.40 이하가 좋다. 더 좋기로는 1.25 이하가 좋다. 또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, Wb/2t의 값이 1.00 이하가 되면 틈 부식 깊이는 거의 20㎛로 일정하게 되므로, 가장 좋기로는 1.00 이하로 하면 좋다.

상기 지견으로부터, TIG 용접시의 Ar 가스 실드를 생략하더라도 TIG 용접부의 내식성을 향상시키려면, 페라이트계 스테인리스강의 Si+2.5Al+3Ti의 값을 제어할 필요가 있다는 것을 밝혀내었다. 또한, 상기에 추가하여 용접 이면 비드 폭(Wb)을 제어함으로써, 더 심한 부식 환경에서도 우수한 내식성을 나타내는 것을 밝혀내었다.

［용접 금속부의 강도 향상］

최근의 급탕기의 고압 급탕의 요망에 대하여, 급탕 저장 관체의 강도를 높이려면 용접부의 강도를 향상시킬 필요가 있다. 본 발명에 있어서 내식성을 우선시하여 용접 이면 비드 폭을 좁게 하는 것은 용접부의 강도를 저하시키는 경향이 있다. 이를 개선하기 위하여, 용접 금속부의 강도 향상에 대하여 검토하였다.

공시재는 후술하는 표 1의 각 강을 사용하였다. 용접 조건은 전술한 ［내식성 평가 시험 (그의 2)］에서 나타내는 것과 동일한 것으로 하였다. 용접부의 관찰을 위하여, 도 2(a)에 도시하는 단면 형상으로 잘라내어, 이것을 수지에 매립한 후에 경면 연마 마무리를 실시하고, 단면 관찰용 샘플을 제작하였다. 용접부의 강도는 이 단면 관찰용 샘플을 사용하여, 용접 금속부 중앙부의 경도를 비커스 경도계에 의하여 0.5 ㎏f의 조건으로 5점 측정하고, 비커스 경도(Hv)의 평균값을 구하였다. 후술하는 본 발명에 있어서 가장 약한 용접 구조(Wb/2t≒0, 즉, 이면에 용접 비드가 나오지 않는 상태)에 있어서도 충분한 강도를 얻으려면, Hv가 180 이상인 것이 좋다. 또한, 용접 금속부의 면적으로부터 5점을 측정할 수 없을 때에는 측정 가능한 수의 평균값으로 하였다.

용접 금속부의 강도를 향상시키려면, 일반적으로 알려진 Ti 첨가뿐만이 아니라, Nb와 V의 공존이 유효한 것을 밝혀내었다. 용접 금속부의 경도와 Nb와 V의 곱과의 관계를 도 4에 나타낸다. 이것에서 Nb×V가 0.01 이상인 경우에는 용접 금속부의 경도가 향상하였다. 이와 같은 관점에서, Nb×V를 0.01 이상으로 함으로써 강도와 예민화 억제를 담보할 수 있는 것을 알아내었다. 또한, 후술하겠지만 TIG 용접의 실드를 생략하였을 경우에는, V는 용접부에서의 산소 혼입시에 일부는 V의 산화물이 되기 때문에, 예민화를 억제하는 효과도 가진다. 상기와 같은 이유에서, Nb와 V의 상승 효과에 의하여 용접부의 강도를 향상하는 것이 가능하게 되는 것을 밝혀내었다.

재료의 강도 향상 메커니즘은 조직의 미세화나, 미량 원소에 의한 고용 강화 및 석출물에 의한 석출 강화 등을 들 수 있다. 고순도 페라이트계 스테인리스강의 경우에는 용접 금속부의 결정립 조대화가 발생하기 쉽지만, Nb를 첨가하면 그 탄질화물에 의하여, 결정립 미세화 및 석출 강화를 도모할 수 있다. 또한, Nb는 고용 강화 원소로서도 그 효과가 크다. 본 발명에서는 Nb와 V를 함께 첨가함으로써, 강도가 비약적으로 향상한다. 그 원인은 V의 석출물이 Nb의 석출물과의 크기의 차이에 의하여, 상승적으로 강도를 향상시킨 것으로 추정하고 있다. 이에, Nb와 V의 첨가의 효과를 현저하게 나타내기 위하여, Nb와 V의 함유량의 곱을 지표로 하였다.

(3식)：Nb×V의 값은 0.01 이상이 좋다. 더 좋기로는 0.02 이상의 첨가로 한다. 더 좋기로는 0.03 이상이며, 가장 좋기로는 0.04 이상이다. 다만 과잉의 첨가는 가공성 저하를 일으키기 때문에, 0.5 이하로 한다.

이상과 같이, 페라이트계 스테인리스강의 TIG 용접시에 있어서의 Ar 가스 실드를 생략하더라도, Si, Al, Ti를 제어함으로써 용접부의 내식성의 저하를 억제하는 것이 가능한 것, TIG 용접 이면 비드 폭을 본 발명에 제시한 구조로 함으로써 더 심한 부식 환경에 있어서도 우수한 내식성을 가지는 것, 또한 Nb, V를 제어함으로써, 상기 구조시의 TIG 용접시의 강도 저하를 억제 가능한 것을 밝혀내었다.

다음으로, 본 발명의 페라이트계 스테인리스강의 성분 조성에 대하여, 상세하게 설명한다.

Al은 전술한 바와 같이, 탈산 원소로서 중요하고, 또한 비금속 개재물의 조성을 제어하여 조직을 미세화하는 효과도 있다. 그러나, Al의 함유량이 0.005% 미만이면 용접부의 산화 피막의 균일화를 저해한다. 또한, Al의 0.150%를 초과하는 과잉의 첨가는 금속 정련시의 비금속 개재물의 조대화를 초래하여, 제품의 결함 발생의 기점이 될 우려도 있다. 그 때문에, Al 함유량의 하한값을 0.005% 이상, 상한값을 0.150% 이하로 하였다. 더 좋기로는, 하한 0.007%, 상한 0.100%이다. 더욱 좋기로는 하한 0.010%, 상한 0.050%로 하면 좋다.

Ti는 C, N을 고정하고, 용접부의 입계 부식을 억제하여 가공성을 향상시키는데 있어서 매우 중요한 원소이다. 이 효과는 Ti의 함유량을 0.05% 미만으로 하면 얻을 수 없다. 한편, Ti를 0.30%를 초과하여 함유하면, Al과 마찬가지로 용접부의 산화 피막의 균일화를 저해하여, 제조시의 표면 결함의 원인이 된다. 이 때문에, Ti 함유량의 하한을 0.05%, 상한을 0.30%로 하였다. 더 좋기로는 하한 0.06%, 상한 0.25%이다. 더욱 좋기로는 하한 0.07%, 상한 0.20%로 하면 좋다.

Si도, 탈산 원소로서 중요한 원소이며, 내식성, 내산화성의 향상에도 유효하다. 이 효과는 Si의 함유량을 0.05% 미만으로 하면 얻을 수 없다. 한편, Si를 0.30%를 초과하여 함유하면 Ti나 Al과 마찬가지로 용접부의 산화 피막의 균일화를 저해하고, 과잉의 첨가는 가공성, 제조성을 저하시킨다. 그 때문에, Si의 함유량의 상한값을 0.30%로 하였다. 또한, Si는 상기한 바와 같이 탈산을 위한 필수 원소이기 때문에, 하한값을 0.05%로 하였다. Si 함유량은 더 좋기로는 하한을 0.06%, 상한을 0.25%로 한다. 더욱 좋기로는 하한 0.07%, 상한 0.20%로 하면 좋다.

Nb는 C, N의 안정화 원소로서, Ti와 복합하여 첨가함으로써 용접부의 입계 부식을 억제하고 가공성을 향상시킨다. (Ti+Nb)/(C+N)≥6 (식 중의 Ti, Nb, C, N는 강 중의 각 성분의 함유량［질량%］이다.) 를 만족하는 것이 좋다. 또한, Nb는 V와의 복합 첨가에 의하여, 용접부의 강도를 향상시키는 것이 가능하다. 이 효과는 Nb 함유량이 0.10% 미만이면 얻을 수 없다.

한편, Nb를 0.50%를 초과하여 함유하면, 과잉의 첨가가 되어 과도하게 강도를 향상시켜서 가공성을 저하시키는 문제가 생기는 경우도 있고, 또 비용도 상승하는 문제가 있다. 가공성을 저하시키기 때문에, Nb의 함유량은 하한을 0.10, 상한을 0.50%로 한다. 좋기로는, 하한이 0.12%, 상한이 0.45%이다. 더욱 좋기로는 하한 0.15%, 상한 0.36%로 하면 좋다.

다음으로, 본 발명의 페라이트계 스테인리스강을 구성하는 기타 원소에 대하여 설명한다.

C는 내입계 부식성 및 가공성을 저하시키기 때문에, 그 함유량을 저감시킬 필요가 있다. 이 때문에, C의 함유량의 상한값을 0.020% 이하로 하였다. 그러나, C의 함유량을 과도하게 저감시키면, 정련 비용이 악화되기 때문에, 하한을 0.002%로 하였다. 좋기로는, 하한 0.005%, 상한 0.015%으로 하면 좋다. 더욱 좋기로는 하한 0.008%, 상한 0.013%로 하면 좋다.

N는 C와 마찬가지로 내입계 부식성, 가공성을 저하시키기 때문에, 그 함유량을 가능한 한 저감시킬 필요가 있다. 이 때문에, N의 함유량을 0.025% 이하로 제한하였다. 그러나, N의 함유량을 과도하게 저감시키면, 정련 비용이 악화되기 때문에, 현실적으로는 0.002% 이상으로 하는 것이 좋다. N의 상한 값은 좋기로는, 0.015%로 하는 것이 좋고, 더 좋기로는 0.010%로 하면 좋다. N의 하한 값은 정련 비용의 관점에서 좋기로는, 0.003%로 하면 되고, 더욱 좋기로는 0.005%로 하는 것이 좋다.

Mn은 탈산 원소로서 중요한 원소이다. 이 효과는 0.01% 이상 첨가하지 않으면 얻을 수 없다. 한편, 0.50%를 넘어 과잉으로 첨가하면 부식의 기점이 되는 MnS를 생성하기 쉬워지고, 또한 페라이트 조직을 불안정화시킨다. 이 때문에, Mn의 함유량을 0.01% 내지 0.50% 이하로 하였다. 더 좋기로는 하한이 0.05%, 상한은 0.40% 미만이 되게 하면 좋다. 더욱 좋기로는 하한 0.08%, 상한 0.33% 미만으로 하면 좋다. MnS 생성 억제의 관점에서 상한은 0.30% 이하로 하면 더 확실하다.

P는 불가피한 불순물인데, 용접성, 가공성을 저하시킬 뿐만 아니라, 입계 부식을 일으키기 쉽게 하기 때문에, 낮게 억제할 필요가 있다. 그 때문에 P의 함유량을 0.035% 이하로 제한하였다. 더 좋기로는, 0.001% 내지 0.020%이다.

S도 불가피한 불순물인데, CaS나 MnS 등의 부식의 기점이 되는 수용성 개재물을 생성시키기 때문에, 저감시킬 필요가 있다. 그 때문에, S의 함유량은 0.0100% 이하로 제한하였다. 0.0050% 이하이면 더 좋다. 다만, 과도한 저감은 비용 악화를 초래한다. 이 때문에, S의 함유량은 0.0001% 이상인 것이 좋다.

Cr은 스테인리스강의 내식성을 확보하는 데 있어서 가장 중요한 원소이며, 또한 페라이트 조직을 안정화시키는 효과를 가진다. 또한, 본 발명에서는 Al, Si, Ti를 제어함으로써, 용접시의 Ar 가스 실드를 생략하였을 경우에, 과잉의 Cr을 첨가하지 않아도, 필요한 내식성을 가지는 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같은 효과들을 얻으려면 Cr의 함유량은 16.0% 이상이 필요하다. 그 때문에, 본 발명에 있어서의 Cr함유량은 16.0% 이상으로 한다. 그러나, 과잉의 첨가는 가공성, 제조성을 저하시키고, 또한 원료 비용도 증가시키기 때문에, 상한을 25.0% 이하로 하였다. Cr의 함유량은 좋기로는, 하한을 17.0%, 상한을 24.0%로 하면 되고, 더 좋기로는, 하한을 18. 0%, 상한을 23.0%로 하면 좋다.

Mo는 부동태 피막의 보수에 효과가 있고, 내식성을 향상시키는 데 매우 유효한 원소이다. 또한, Mo는 Cr과 함께 함유됨으로써 내공식성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, Mo는 Ni와 함께 함유됨으로써 재부동태화 특성이나 부식 발생시의 용해 속도 억제 효과를 가진다. 그러나, Mo를 증가시키면, 가공성이 현저하게 저하하여, 비용이 비싸진다. 이 때문에, Mo의 함유량의 상한을 3.00% 이하로 하는 것이 좋다. 또한, Mo를 함유시킴으로써, 상기 특성을 향상시키려면 Mo를 0.30% 이상 함유시키는 것이 좋다. Mo의 함유량은 좋기로는, 하한을 0.50%, 상한을 2.50%로 하면 좋고, 더 좋기로는 하한을 0.90%, 상한을 2.00%로 하면 좋다.

Cu는 일반적으로 활성 용해 속도를 저하시킬 뿐만 아니라, 재부동태화를 촉진하는 효과를 가지기 때문에, 필요에 따라서 0.10% 이상 첨가하면 좋다. 그러나, 온수 환경에 있어서는 Cu는 유효한 부식 억제 효과를 갖지 않는 것으로 생각될 뿐만 아니라, 그 부식 환경에 따라서는 Cu가 부식을 촉진하는 경우도 있다. 그 때문에, Cu의 상한을 0.50% 이하로 하였다. 좋기로는, 하한을 0.12%, 상한을 0.20%로 하면 좋다. 더욱 좋기로는 하한 0.13%, 상한 0.18%로 하면 좋다.

Ni는 활성 용해 속도를 억제시키는 효과를 가지며, 또한 수소 과전압이 작기 때문에, 재부동태화 특성이 우수하여, 필요에 따라서 첨가하는 것이 가능하다. 상기한 특성을 향상시키려면 Ni를 0.05% 이상 함유시키는 것이 좋다. 다만, Ni의 과잉 첨가는 가공성을 저하시키고, 페라이트 조직을 불안정하게 한다. 또한 Ni는 원료 가격이 심하게 변동하는 경우가 자주 있으므로, 극도로 적은 것이 좋다. 그 때문에 Ni의 함유량은 0.05% 내지 2.00%로 하면 좋다. 더 좋기로는 하한을 0.10%, 상한을 1.50%로 하면 좋다. 더욱 좋기로는 하한 0.20%, 상한 1.20%로 하면 좋다.

V는 전술한 Nb와의 복합 첨가에 의한 효과뿐만이 아니라, 내후성이나 틈 내식성을 개선하는 작용도 가진다. 다만, V의 과도한 첨가는 가공성을 저하시키기 때문에, 내식성 향상 효과도 포화된다. 이 효과들을 얻으려면, 그 첨가량은 0.05 내지 1.00%로 하는 것이 좋다. 더 좋기로는 하한을 0.10%, 상한을 0.70%로 하면 좋다. 더욱 좋기로는 하한을 0.20%, 상한 0.60%로 하면 좋다.

Sn 및 Sb는 틈 내식성을 개선할 뿐만 아니라, 부식 발생시의 용해 속도 억제 효과를 가지기 때문에, 이것의 1종 또는 2종을 필요에 따라서 첨가할 수 있다. 다만, 과도한 첨가는 가공성을 저하시키고, 내식성 향상 효과도 포화된다. 이 효과들을 얻으려면, 그 함유량은 각각 0.05 내지 1.00%로 하는 것이 좋다. 더 좋기로는 하한을 0.08%, 상한을 0.70%로 하면 좋다. 더욱 좋기로는 하한을 0.10%, 상한 0.50%로 하면 좋다.

Zr은 V와 마찬가지로 틈 내식성을 개선할 뿐만 아니라, C, N의 안정화 원소로서의 효과도 가지기 때문에, 필요에 따라서 첨가된다. 다만, Zr의 과도한 첨가는 가공성을 저하시키고, 내식성 향상 효과도 포화하므로, Zr을 함유하는 경우의 함유량의 상한을 0.20% 이하로 하는 것이 좋다. 또한, Zr를 함유시킴으로써, 상기의 특성을 향상시키려면 Zr는 0.03% 이상 함유시키는 것이 좋다. 더 좋기로는 하한을 0.05%, 상한을 0.10%로 하면 좋다. 더욱 좋기로는 하한을 0.06%, 상한 0.09%로 하면 좋다.

B는 2차 가공 취성 개선에 유효한 입계 강화 원소이기 때문에, 필요에 따라서 첨가된다. 다만 과도한 첨가는 페라이트를 고용 강화하여 연성 저하의 원인이 된다. 이 효과들을 얻기 위하여, B를 첨가하는 경우에는 하한을 0.0001% 이상, 상한을 0.0050% 이하로 하는 것이 좋다. 더욱 좋기로는 하한을 0.0002%, 상한을 0.0020%로 하면 좋다. 더욱 더 좋기로는 하한을 0.0003%, 상한 0.0010%로 하면 좋다.

또한, 본 발명의 기술적 특징은 사용하는 페라이트계 스테인리스강의 성분 조성 및 용접부의 구조에 있다. 그 때문에, 본 명세서에서는 급탕 저장 관체를 예로 들었지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, TIG 용접이 실시되는 페라이트계 스테인리스강 전반에 적용되는 것이다. 또한, 피용접재의 판 두께(t)도 특별히 한정되는 것은 아니며, 실용적인 범위인 0.1 내지 10 mm 이면 문제는 없다. 일반적으로 사용되고 있는 박판 재료 0.4 내지 3 mm의 범위 내에서 적절하게 결정할 수도 있다.

실시예

TIG 용접 틈부의 내식성을 평가하기 위하여, 도 2에 도시하는 틈 구조를 가진 TIG 용접 시험 재료를 사용하여 그 내식성을 평가하였다.

공시재는 표 1에 도시하는 화학 성분(조성)을 가진 페라이트계 스테인리스강으로 이루어지는 시험편을 사용하여 전술한 ［공시재의 제조］에 나타내는 방법으로 판 두께 0.8 mm의 판을 제조하고, 이것을 2 장 접촉시켜, 틈 각도가 15˚가 되는 TIG 용접 시험편을 제작하였다. 용접 조건은 Ar 가스 실드는 토치 반대측(용접 틈부와 이면 용접부)만 실시하지 않는 조건으로 하였다. 용접 전류 값은 용접부의 이면 비드 폭을 제어할 목적으로 50 A 내지 120 A의 사이에서 변화시켰다.

내식성 평가 방법은 전술한 ［내식성 평가 시험 (그의 2)］에 나타내는 방법으로 평가하였다. 즉, 시험액은 600 ppm Cl^-, 2 ppm Cu^{2 +}와 600 ppm Cl^-, 20 ppm Cu^{2 +}의 2개의 조성으로 하고, 80℃, 산소 불어넣기를 하여 2주간 연속 침지하였다. 전술한 바와 같이, 2 ppm Cu^{2 +}는 일반적인 온수 환경을 모의하였고, 20 ppm Cu^{2 +}는 심한 환경을 모의한 것이다. 틈 부식 깊이는 초점 심도법을 사용하여 측정 하였다. 또한, 틈 구조재는 용접 금속부를 깎아, 틈부를 개방함으로써 틈 내의 부식을 측정하였다.

용접 금속부의 노출 정도는 용접 금속부 단면을 수지 매립하여, 그 조직을 관찰함으로써 평가하였다. 구체적으로는, 도 2에 나타내는 단면 조직을 관찰하고, 피용접재의 판 두께(t)와 이면 비드 폭(Wb)을 측정하고, (2식)：Wb/2t로 평가하였다.

[표 1-1]

[표 1-2]

[표 1-3]

[표 1-4]

[표 1-5]

[표 1-6]

이 시험 후의 평가 결과를 표 1에 나타낸다. 이것으로부터 Si+2.5Al+3Ti의 값이 1.50 이하인 조건에서는, 2 ppm Cu^{2 +}의 조건에서는 이면 용접부의 부식 깊이가 기준으로 한 20㎛ 이하, 용접 틈부의 틈 부식 깊이가 50㎛ 이하가 되었다. 또한, 상기에 추가하여 Wb/2t가 1.50 이하인 조건에서는, 심한 부식 조건으로 한 20 ppm의 Cu^{2 +} 조건에 있어서도, 이면 용접부의 부식 깊이가 20㎛ 이하, 용접 틈부의 틈 부식 깊이가 50㎛ 이하가 되었다.

또한, 전술한 (1), (2)를 만족하고, Nb×V가 0.01 이상인 조건에서는 용접부의 강도도 규정값 이상을 나타내었다. 또한, No. 28은 Nb×V가 0.01 이상인 조건을 만족하지 않지만, C, N가 높기 때문에, 용접 금속부에 마르텐사이트 조직이 석출하였기 때문에 경도가 높아졌다. 다만 이 조직은 당해 환경에 있어서 충분한 내식성을 나타내지 않았기 때문에, Si+2.5Al+3Ti의 값이 1.50 이하인 조건을 만족하더라도 부식량은 많은 결과가 나왔다.

한편, Si+2.5Al+3Ti의 값이 1.50을 넘었거나, 또는 1.50 이하인 조건을 만족하여도 Cr이나 Mo 등의 성분이 본 발명 범위 외인 조건에서는 용접 틈부의 틈 부식 깊이가 50㎛를 초과하는 결과가 나왔다. 더 심한 부식 환경인 20 ppm Cu^{2 +} 조건에서의 틈 부식에서는, Wb/2t가 1.50 이하의 조건을 만족하지 않는 조건에서는 틈 부식 깊이는 50㎛를 초과하는 결과가 나왔다.

이상의 결과로부터, 본 발명의 성분 범위를 만족하고, 또한 Si+2.5Al+3Ti가 규정값 내인 조건에서는 Ar 가스 실드를 생략하더라도 용접부 내식성의 향상이 가능해졌다. 또한, 용접 이면의 비드 폭 비 Wb/2t의 값을 규정값 이내로 함으로써, 심한 부식 환경에 있어서의 용접부 내식성의 향상도 가능해진다. 아울러 Nb×V를 미리 정한 값 이상으로 함으로써, 용접 금속부의 강도 향상을 얻을 수 있었다.

산업상 이용 가능성

본 발명의 페라이트계 스테인리스강은 전술한 급탕 저장 관체에 추가하여 물이나 뜨거운 물을 모아두는 각종 저수·급탕 저장 탱크와 같이, TIG 용접부를 가진 구조체에 있어서, 우수한 용접부 내식성을 필요로 하는 부재에 매우 적합하게 사용할 수 있다. 또한, 용접 이음부 구조에서 틈이 있는 경우 등의, 더 심한 부식 환경이 상정되는 경우에도, 최적의 재료를 제공하는 것이 가능하게 된다.

이와 같이, 틈 구조를 가지고, 용접부 강도가 필요한 TIG 용접 구조체이면, 동일한 특성을 나타내는 것이 가능하고, 예를 들면 가전 제품, 욕조, 주방 기기, 잠열 회수형 가스 급탕기의 드레인 물 회수기와 그의 열교환기, 각종 용접 파이프 등의 일반적인 용도 부재에도 매우 적합하다.

　1　　강판
　2　　강판
　3　　용접 금속부
　4　　이면 용접부
　5　　용접 틈부
　6　　토치 반대측
　7　　토치측
　8　　이면 비드부

Claims (3)

1. 페라이트계 스테인리스 강판끼리를, 토치 반대측의 가스 실드를 생략하고 TIG 용접한 용접 구조물에 있어서, 상기 페라이트계 스테인리스 강판의 성분이, 질량%로,
   C：0.002 내지 0.020%,
   Si：0.05 내지 0.30%,
   Mn：0.01 내지 0.50%,
   Cr：16.0 내지 25.0%,
   Mo：0.30 내지 3.00%,
   Al：0.005 내지 0.150%,
   Ti：0.05 내지 0.30%,
   Nb：0.10 내지 0.50%,
   N：0.002 내지 0.025%,
   P：0.035% 이하,
   S：0.0100% 이하,
   V：0.05 내지 1.00%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며,
   또한 Si, Al, Ti의 함유량이 1식을 만족하고,
   상기 TIG 용접한 부분의 상기 페라이트계 스테인리스 강판의 이면에 노출된 용접 금속의 비드 폭(Wb)과 상기 페라이트계 스테인리스 강판의 판 두께(t)가 2식을 만족하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강의 용접 구조물.
   Si+2.5Al+3Ti≤1.50　　… (1식)
   0＜Wb/2t≤1.50　　　… (2식)
   다만, 1식 중의 원소 기호는 당해 원소의 함유 질량%를 의미한다.
2. 제1항에 있어서, 상기 페라이트계 스테인리스 강판의 성분이, 추가로 질량%로,
   Cu：0.10 내지 0.50%,
   Ni：0.05 내지 2.00%,
   Sn：0.05 내지 1.00%,
   Sb：0.05 내지 1.00%,
   Zr：0.03 내지 0.20%,
   B：0.0001 내지 0.0050%
   의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강의 용접 구조물.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 페라이트계 스테인리스 강판의 성분에 있어서의 Nb와 V가 3식을 만족하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강의 용접 구조물.
   Nb×V≥0.01　　　… (3식)
   다만, 3식의 원소 기호는 당해 원소의 함유 질량%를 의미한다.

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