[ 호주취업이민용접학원 ] 용접상 질소의 영향

[마스터]

[ 호주취업이민용접학원 ] 용접상 질소의 영향

2. 질소의 영향

용접 금속 중에 가스가 침입하거나 기타 가공 또는 열처리에 의해서 용접 금속의 기계적 성질 특히 연성이나 인성이 저하하는 현상을 취화라고 한다. 용접 금속 내에 산소는 고용하지 않고 산화물로써 존재 하지만 질소는 질화물로써 존재하는 동시에 고용되어 있어서 이로 인해 다음과 같은 문제점들이 예상될 수 있다..

Fig. 2  강중의 질소 용해도

(1) 석출 경화

강(Steel)을 저온에서 Tempering하면 시간의 경과와 더불어 경도가 증가한다. 이것은 소입할 때 과포화 고용된 질소 및 탄소가 각각 질화물 및 탄화물로 석출되어 경화를 일으키기 때문이다. 산소는 고체 상태의 철에 고용되지 않기 때문에 응고부 석출현상을 일으키지 않지만, 질소의 확산을 조장하여 질화물의 생성을 용이하게 하여 석출 경화를 조장 한다고 보고 되어져 있다.

(2) Quench Aging
강중의 산소, 질소 탄소의 용해도는 저온에서 급격히 감소하기 때문에 약 600℃이상에서 급냉하면 이들의 원소가 과포화 상태에서 서서히 석출하는 현상을 일으킨다. 이것이 담금질 시효 (Quench Aging)이다.

(3) Strain Aging
냉간 가공된 강을 실온에서 장시간 방치하거나 저온에서 가열(Tempering)하면 시간의 증가와 함께 경도가 증가하고 신율 및 충격치가 저하하는 현상이다. 
냉간 가공의 Slip으로 전위가 증가한 곳에 산소나 질소가 집적되어 전위 이동을 방해한다. 냉간 가공 후 일어나는 시효 현상을 변형 시효 (Strain Aging)라고 한다. 질소의 증가와 더불어 충격값의 저하율은 증가하고 동일한 질소량에서 탄소량의 증가에 따라 충격값의 저하율은 감소한다. 산소도 Strain Aging을 조장하지만 그 영향은 질소 보다 적다. 용접 금속이 급냉 되면 내부 응력 (변형)이 남게 되고 또한 질소, 산소량이 많으면 용접 금속은 냉간 가공이 없어도 Strain Aging 을 일으키는 경우가 많다.  이 현상은 냉간 가공에 의해 격자 결함이 증가되고 질소가 많이 고용되면 이것이 전위 주변에 차차 모여 들어 전위의 이동을 방해하기 때문에 시간의 경과와 더불어 강의 경도는 증가한다.

(4) 청열 취성 (Blue Shortness)
200 ~ 300℃범위에서 저 탄소강을 인장 시험하면 인장 강도는 증가한다.  연성이 저하하는 경우를 청열 취성 이라고 한다.  이 현상은 변형 시효와 같은 이유에 의해서 일어난다고 생각된다. 청열 취성의 주요 요인은 질소이며 산소는 이것을 조장하는 작용을 한다. 또 탄소도 다소 영향이 있다.  Al, Ti등 질화물을 형성하는 원소를 첨가하면

청열 취성은 나타나지 않는다. 

Mn, Si등도 효과가 있다. 취화가 일어나기 시작하는 온도도 질소량이 많으면 저하한다.

(5) 저온 취성
실온 이하의 저온에서 취약한 성질을 나타내는 현상을 말한다.
저온 취성은 산소 및 질소가 현저한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
용접 금속은 통상 산소나 질소가 강재 보다 많고 또 주조 조직이 있는 등의 원인으로 일반적으로 Notch 취성이 높다. 이러한 이유로 탈산이 불충분한 Rimmed강에서 천이 온도가 일반적으로 높고 Killed강은 비교적 낮다. 
Al, Ti등 강력한 탈산 및 탈 질소 성분을 포함한 강에서 천이 온도는 매우 낮다. 
천이 온도는 결정 입도에도 영향을 받아 강력 탈산 및 탈 질소 처리에 의해 결정핵이 증가하며, 미세 화합물이 결정 내부와 입계에 존재하여 조립화를 방지하기 때문에 천이 온도는 일반적으로 낮다.
저온 취성을 예방하기 위한 방법으로는 저 수소계 용접봉을 사용하여 수소의 발생원인을 최소화 하고, 용접 금속의 성분이나 용착 방법 조정으로 개선할 수 있다. 

(6) 뜨임 취성 (Temper Embrittlement)
용접 구조물은 용접후 응력을 제거하기 위하여 변태점 이하에서 Annealing을 하고 있다.
그러나, 어떤 합금 원소를 함유한 용접 금속은 응력 제거를 위한 Annealing 열처리로 경도가 증가하고 신율 및 Notch 인성이 현저히 저하되는 현상이 있다. 이렇게 강을 Annealing 하거나 900℃전후에서 Tempering하는 과정에서 충격 값이 저하되는 현상을 뜨임 취성이라고 한다.
뜨임 취성은 Mn, Cr, Ni V등을 품고 있는 합금계의 용접 금속에서 많이 발생한다. 이 취성의 원인은 결정입의 성장과 결정입계에 석출한 합금 성분 때문이다. 산소, 질소가 많으면 결정입이 성장하기 쉽고, 탄소가 많으면 합금 성분의 석출이 현저하게 되기 때문에 뜨임 취성을 방지하기 위해 이들 원소의 함량을 가능한 저하시키는 것이 좋다. 고강도 합금계의 다층 육성 용접 금속에서 앞의 용접층이 뒷층의 용접으로 뜨임 취화를 받는 경우도 있다.

(7) 적열 취성 (Hot shortness)
불순물이 많은 강은 열간 가공 중 900 ~ 1200℃온도 범위에서 적열 취성을 나타낸다. 이 취성의 주요 원인으로는 저 융점의 FeS의 형성에 기인된다고 볼 수 있지만 산소가 존재하면 강에 대한 FeS의 용해도가 감소하기 때문에 산소도 이 취화의 한 원인으로 볼 수 있다. Mn을 첨가 하면 MnS 및 MnC를 형성하여 이 취성을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.