Phase Transformation and Low Temperature Mechanical Properties of the Weld Joint of 9% Ni Steel Welded using Newly Developed Fe-based Filler materials : 신규 개발된 Fe계 용가재를 적용해 용접된 9% Ni강 용접 조인트의 저온 기계적 특성과 상변태

국문 초록 (Abstract)

국제 해사 기구의 해양 유해 가스 배출 규정이 강화되면서 친환경 에너지원
인 액화 천연가스에 대한 요구가 증대되고 있다. 현재 액화 천연 가스 저장 탱크의
내벽 재료로 사용되는 9% Ni강은 저온에서 안정적인 인성을 가질 수 있는 FCC 결정
구조를 기지로 하는 Ni계 초합금 용가재를 적용하여 용접 된다. 용가재로 사용되는
Ni계 초합금은 Ni, Mo, Cr, W, Nb, Ti등의 고가의 원소로 구성되어 있어, 피용접재
인 9% Ni강에 비해 가격 경쟁력이 크게 낮다. 액화천연가스를 이용하는 친환경 산업
의 지속적인 성장이 예상됨에 따라, 산업계에서는 9% Ni강 용접의 경제성을 개선하
기 위해 용접 공정 설계를 최적화하는 노력이 이어지고 있다. 그러나, 이러한 노력
과 더불어 원천적으로 가격 경쟁력이 있는 신규 용가재 합금의 설계가 필수적으로
요구된다.
본 논문은 9% Ni강의 경제적인 가스 텅스텐 아크 용접을 위해 새로운 Fe계
용가재 합금 설계와 이를 9% Ni강 용접 조인트에 적용하기 위한 연구를 수행하였다.
Fe계 용가재 합금 조성은 9% Ni강에 첨가하여 오스테나이트 안정화 원소 Ni, Mn과
마르텐사이트 형성 원소인 Co,C를 첨가하였으며, CCT 곡선상에서 마르텐사이트 형성
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온도가 Ms ≥대기 온도 (25 ℃)≥Mf으로 제어되어 용접과 같은 급속 응고 환경에서
오스테나이트와-마르텐사이트 2상 구조를 안정적으로 형성할 수 있도록 설계 되었
다. 맞대기 용접된 9% Ni강 조인트의 WM에서 오스테나이트가 둘러진 패킷 래스 마르
텐사이트 미세조직을 형성하였고, 이러한 WM의 미세조직은 급속 응고 환경에서 오스
테나의트-마르텐사이트 2상 구조를 형성하기 위해 마르텐사이트 형성 변형을 최소화
시킨 미세조직 형성 거동에 따른 것으로 고찰했다. HAZ는 용접 시 가해지는 최대 온
+도를 유한요소해석을 통해 예측하고, 상변태 거동을 예측하고 미세조직을 분석하였
다. 추가적으로, WM과 BM의 상평형도를 고찰하여 BM에는 상변태 효과 없으면서, WM
에는 템퍼링 상변태 효과를 가 할 수 있는 용접 후 열처리를 수행하였다. 열처리 효
과로 WM에 래스 형상의 시멘타이트 상을 패킷 래스 마르텐사이트 내부에 형성하였
다. 이러한 용접 후 열처리는 WM의 상변태를 통한 경도 감소와 HAZ 영역의 압축 잔
류 응력 감소 효과를 나타내고 이는 용접 조인트의 인성 개선 효과를 나타냈다.
본 연구는 9% Ni강을 용접하기 위한 새로 개발된 Fe계 용가재의 합금 설계
단계, 용접 조인트 제작, 용접 후 열처리의 효과까지 신소재 용가재 개발에 대한 전
체적인 연구 단계를 수행했다. 이러한 연구 결과들의 고찰들을 응용함으로써 경제적
인 액화 천연 가스 저장 탱크 제작 및 설계에 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된
다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Theoretical study 5
• 2.1 Mechanical properties of 9% Ni steel and Ni-based filler materials 5
• 2.2 Diffusionless martensite transformation 10
• 2.2.1 Crystallography and morphology of martensite 10
• 2.2.2 Crystallographic features of lath martensite 15
• 2.3 Phase stability and transformation behavior in alloyed steel 19
• 2.3.1 Phase stability in steel additions of Ni, Mn, Co and C 19
• 2.3.2 Martensite formation temperature in Continuous Cooling Transformation diagram 20
• 2.3.3 Transformation-induced plasticity (TRIP) phenomenon in deforming steel 23
• 2.4 Wire drawing process conditions for defect-free surface and crack prevention 25
• 2.5 Gas tungsten arc welding process and distincit characteristics of weld joint 29
• 2.6 Phase transformation of martensite tempering and post-weld heat treatment 34
• 3. Experimiental procedures 36
• 3.1 9% Ni steel plate and fabrication of Fe-based filler alloy 36
• 3.2 Optimization of welding condition of single bead welding 39
• 3.3 Butt-welding process condition of 9% Ni steel and post-weld heat treatment 40
• 3.4 Phase transformation behavior in the HAZ using finite element analysis of butt-welding and CCT curve 45
• 3.5 Mechanical properties of weld joint of 9% Ni steel 45
• 3.6 Microstructure and phase of single bead and butt welding and measurement of residual stress in HAZ 48
• 4. Results and discussion 49
• 4.1 Alloy composition design of Fe-based filler material 49
• 4.2 Single bead welding on 9% Ni steel 57
• 4.3 Phase analysis and microstrucure of WM in weld joint of 9% Ni steel 70
• 4.4 Phase transformation behavior and microstrucure of HAZ in the weld joint of 9% Ni steel 84
• 4.5 Mechanical properties between 9% Ni steel and the weld joint of 9% Ni steel 90
• 4.6 Phase transformations of the WM and BM in the weld joint through post- weld heat treatment 100
• 4.7 Mechanical properties of the weld joint through post-weld heat treatment 115
• 5. Conclusions 133
• Reference 136