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J Weld Join > Volume 41(3); 2023 > Article
2.25Cr-1Mo강 용접 열영향부의 기계적 특성과 미세조직에 미치는 용접후열처리 온도의 영향

Abstract

The effect of post-weld heat treatment (PWHT) temperature on the mechanical properties of the heat-affected zone (HAZ) of 2.25Cr-1Mo steels was investigated. SA-387 Gr. 22 Cl. 2 steel was employed, and the specimens taken from the steel were thermally cycled using Gleeble to simulate the coarse-grained HAZ (CGHAZ), fine-grained HAZ (FGHAZ), and intercritical HAZ (ICHAZ). Before the PWHT, the simulated HAZs exhibited poor impact toughness as compared with the base metal. The base metal and simulated HAZ specimens were heat treated in a furnace at 610, 650, 690, and 730℃ for 8 h; their impact toughness improved significantly irrespective of the PWHT temperature. The microstructural changes owing to the PWHT were observed using scanning electron microscopy and correlated with the mechanical properties.

1. 서 론

2.25Cr-1Mo강은 우수한 강도와 내열성을 가지는 고온구조재료로, 압력용기, 증기배관 등과 같은 원전 주요기기 및 구조물에 광범위하게 활용되고 있으며, 이에 소재 및 용접부 특성에 관한 연구가 지속적으로 이루어져 왔다1,2). 한편 원전 주요설비에는 탄소강, 합금강, 스테인리스강 등의 다양한 재료가 사용되므로 이들 재료들 간 용접, 즉 이종금속 연결부위가 필수적으로 발생하게 된다. 2.25Cr-1Mo강 증기배관의 경우 저합금강 재질의 증기발생기 노즐 혹은 안전단(safe end)과의 연결부위에 형성되는 이종금속 용접부가 대표적인데, 이들 재료들의 용접후열처리(post-weld heat treatment, PWHT) 온도가 상이하여 용접부의 건전성을 확보하는데 어려움이 있다.
PWHT는 용접구조물의 잔류응력 완화 및 용접 열에 의해 저하된 열영향부(heat-affected zone, HAZ)의 인성 회복을 목적으로 실시한다3-5). PWHT 온도에 따라 HAZ의 기계적 성질이 크게 달라지기 때문에 적절한 PWHT 온도를 선정하는 것이 매우 중요하다5-8). 따라서 ASME 기술기준에서는 모재를 화학조성별로 분류하고 그룹화하여 그룹별로 적절한 PWHT 온도 범위를 제시하고 있다. 이종금속 용접부에는 두 재료 중 높은 PWHT 온도 조건을 적용하도록 규정하고 있다. 앞서 언급한 2.25Cr-1Mo강과 저합금강의 PWHT 온도 범위는 각각 675~760℃와 595~675℃이므로 이들 재료들의 이종용접부는 675~760℃에서 PWHT를 수행해야 한다. 그러나 최근 연구에서 상기 이종용접부의 PWHT 조건으로 열처리 시 저합금강 HAZ의 충격인성 개선효과가 미미하고 특정 영역에서는 오히려 충격인성이 감소하는 문제가 나타나는 것으로 확인되었다7,8).
2.25Cr-1Mo강과 저합금강 이종용접부의 건전성을 확보하기 위해서는 두 강재 HAZ의 기계적 특성을 고려하여 최적화된 PWHT 온도를 선정하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 2.25Cr-1Mo강 HAZ의 기계적 특성에 미치는 PWHT 온도의 영향을 평가하였다. HAZ의 세부영역별 평가를 위해 Gleeble을 이용하여 coarse- grained HAZ (CGHAZ), fine-grained HAZ (FGHAZ), intercritical HAZ (ICHAZ)를 재현하였으며, 재현 용접 HAZ에 대하여 610℃, 650℃, 690℃, 730℃의 온도에서 8시간 동안 열처리를 실시한 후 열처리 온도에 따른 기계적 특성 및 미세조직 변화를 관찰하였다.

2. 실험 방법

본 연구에 사용된 재료는 국내 원전에서 많이 사용되는 2.25Cr-1Mo강인 SA-387 Gr. 22 Cl. 2이다. ASME 기술기준에서 P-No. 5A 재료로 분류되며, 930℃에서 노멀라이징 후 750℃에서 템퍼링(tempering)된 상태로 제조되었다. 광학발광분석기(optical emission spec troscopy, OES)를 이용한 화학조성 분석 결과는 Table 1과 같다.
Table 1
Chemical composition of the steel used (wt%)
Element C Si Mn P S Cr Mo
Measured (OES) 0.10 0.18 0.48 0.006 0.002 2.24 1.00
Requirement (ASME SA-387 Gr. 22) 0.05~0.15 ≤0.50 0.30~0.60 ≤0.035 ≤0.035 2.00~2.50 0.90~1.10
용접 HAZ를 재현하기 위한 열사이클은 Rosenthal 방정식을 이용하여 계산하였다7-9). CGHAZ, FGHAZ, ICHAZ를 재현하기 위해 열사이클의 최고온도(peak temperature, Tp)를 각각 1,350℃, 900℃, 820℃로 선정하였으며, 200℃의 예열 온도와 30 kJ/cm의 입열 조건을 이용하여 Fig. 1의 용접 열사이클을 도출하였다. HAZ의 세부영역 중 하나인 subcritical HAZ (SCHAZ)의 경우 가속냉각형 강재에서는 연화현상이 발생하는 중요한 영역으로 인식되나7,8), 템퍼링된 강재에서는 일반적으로 모재와의 차이가 크지 않으므로 본 연구에서는 고려하지 않았다. 실험재료로부터 11mm×11mm× 55mm 치수의 시편을 채취한 후 Gleeble(Gleeble 3500, DSI)을 이용하여 용접 열사이클을 모사하였다.
Fig. 1
Thermal cycles used for the HAZ simulation
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PWHT를 위해 모재 및 재현 HAZ 시편을 열처리로에 장입한 후 610℃, 650℃, 690℃, 730℃의 온도에서 8시간 동안 유지하였다. ASME 기술기준에 따라 610℃와 650℃는 P-No. 1 재료, 690℃와 730℃는 P- No. 5A 재료에 적용하는 PWHT 온도 범위에 있다. 즉, 610℃와 650℃는 본 연구에 사용된 P-No. 5A 재료에 허용하는 PWHT 온도 범위를 벗어나지만, 기술기준에서 제시하는 PWHT 온도에 대한 적합성을 확인하고 최적의 PWHT 조건을 도출하기 위해 다양한 열처리 온도를 적용하였다.
PWHT 온도에 따른 용접 HAZ의 기계적 특성 변화를 평가하기 위해 선행연구와 동일한 방법으로 경도와 충격인성을 평가하였다7,8). 경도는 비커스경도계를 이용하여 1.96N의 하중으로 상온에서 10회 측정 후 평균값을 구하였으며, 충격인성은 ASME SA-370에 따라 Charpy 충격시험기를 이용하여 3℃에서 3회 측정 후 평균값을 구하였다. 충격시험편은 열처리 시편을 절삭가공하여 10mm×10mm×55mm 치수로 제작하였다. 또한 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM; JSM-6610LV, JEOL) 및 전자 후방산란 회절(electron back-scattered diffraction, EBSD)을 이용하여 미세조직을 분석하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

PWHT 전과 후 모재 및 재현 용접 HAZ의 기계적 특성을 Fig. 2에 제시하였다. Park 등7)에 따르면 ASME 기술기준에서 P-No. 1 재료로 분류되는 탄소강의 경우 PWHT 전에 CGHAZ가 가장 높은 경도와 낮은 충격인성을 보이는 국부취화영역(local brittle zone, LBZ)으로 확인되었다. 한편 본 연구에 사용된 P-No. 5A 재료는 CGHAZ뿐만 아니라 ICHAZ와 FGHAZ에서도 충격인성이 큰 폭으로 감소하였다. CGHAZ의 경우 충격인성의 평균치는 비교적 높지만, 최대값과 최소값의 편차가 크게 나타났다. 열처리를 실시함에 따라 경도는 감소하고 충격인성은 증가하는 경향을 보여 대체로 모재와 HAZ가 유사한 수준을 보이게 되었다. 낮은 열처리 온도에서도 템퍼링 효과는 충분한 것으로 보이며, 선행연구7,8)에서 확인한 탄소강이나 저합금강의 경우와 달리 PWHT 온도에 따른 차이는 크지 않았다.
Fig. 2
Mechanical properties of the base metal and simulated HAZ as a function of the PWHT temperature, (a) hardness and (b) impact energy
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Fig. 34에 나타낸 바와 같이 모재는 페라이트와 템퍼드 베이나이트 조직으로 구성되어 있다. 커널 평균 방위차(kernal average misorientation, KAM) 지도는 개별 측정 지점에서 이와 인접한 지점들 사이의 국부적인 방위차에 대한 평균값을 나타내어 변형이 심하지 않은 지점에서는 KAM이 0에 근접하여 지도상에 파란색으로 보이는 반면, 변형에너지가 높은 지점에서는 KAM이 증가하여 밝은색으로 나타나게 된다10). 베이나이트와 같은 저온변태 조직은 내부에 높은 전위밀도를 갖기 때문에 페라이트와 달리 높은 변형에너지를 축적하고 있는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 3
(a) Optical and (b) SEM micrographs of the base metal. F: ferrite, TB: tempered bainite
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Fig. 4
Results of EBSD analysis of the base metal, (a) image quality, (b) KAM, (c) inverse pole figure, and (d) grain boundary maps. F: ferrite, TB: tempered bainite
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Fig. 5는 열처리 전 재현 용접 HAZ의 미세조직을 나타낸 것이다. ICHAZ에서는 섬(island)모양의 마르텐사이트가 생성되어 부분적으로 KAM이 매우 높게 나타났으며, 이것이 취성파괴의 기점으로 작용하여 인성을 크게 저하시킨 것으로 사료된다11,12). ICHAZ는 열사이클의 Tp가 오스테나이트와 페라이트 이상영역에 있으므로 가열 중 기존의 미세조직 일부에서 오스테나이트로의 역변태(reverse transformation)가 발생하게 된다8,13). 이렇게 부분적으로 형성된 오스테나이트가 냉각을 통해 마르텐사이트로 변태하게 되며, 상변태가 발생하지 않은 지역에서는 기존 페라이트와 템퍼드 베이나이트 조직을 유지한다. FGHAZ와 CGHAZ는 모두 Tp가 Ac3를 초과하므로 가열 중 완전 오스테나이트화되는 것은 동일하나 Tp의 차이로 인해 미세조직이 상이하게 나타난다. FGHAZ는 저온변태에 의한 베이나이트 조직이 주를 이루나, 열사이클의 Tp가 비교적 낮고 고온 영역에서의 유지 시간도 짧기 때문에 오스테나이트 결정립 크기가 작게 되어 고온에서의 확산변태에 의해 생성된 페라이트 조직이 함께 관찰되었다. CGHAZ는 열사이클의 Tp가 매우 높기 때문에 가열 중 완전 오스테나이트화될 뿐만 아니라 결정립의 성장으로 인해 핵생성 장소로 작용하는 결정립계의 면적이 감소하게 되어 경화능이 더욱 증가하게 된다8,14). 이로 인해 CGHAZ에는 전반적으로 마르텐사이트 조직이 발달한 것을 볼 수 있다. 열처리 전 FGHAZ와 CGHAZ가 모두 낮은 충격인성을 보이는 것은 베이나이트와 마르텐사이트 같은 저온변태 조직이 발달했기 때문인 것으로 보인다.
Fig. 5
SEM micrographs and KAM maps of the simulated HAZ before the PWHT, (a, b) ICHAZ, (c, d) FGHAZ, and (e, f) CGHAZ. F: ferrite, TB: tempered bainite, M: martensite, B: bainite
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Figs. 6-8은 PWHT에 따른 재현 용접 HAZ의 미세조직 변화를 나타낸 것이다. PWHT를 실시함에 따라 과포화 상태로 존재하던 탄소가 탄화물로 석출되면서 템퍼드 베이나이트 및 마르텐사이트 조직이 발달한 것을 관찰할 수 있다. 모재에 비해 높아진 경도와 취성이 템퍼링 효과에 의해 다시 감소하게 되면서 충격인성이 회복된 것으로 판단된다.
Fig. 6
SEM micrographs of the ICHAZ with PWHT at: (a) 610℃, (b) 650℃, (c) 690℃, and (d) 730℃. F: ferrite, TB: tempered bainite, TM: tempered martensite
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Fig. 7
SEM micrographs of the FGHAZ with PWHT at: (a) 610℃, (b) 650℃, (c) 690℃, and (d) 730℃. F: ferrite, TB: tempered bainite
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Fig. 8
SEM micrographs of the CGHAZ with PWHT at: (a) 610℃, (b) 650℃, (c) 690℃, and (d) 730℃. TM: tempered martensite
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4. 결 론

본 연구에서는 P-No. 5A재료로 분류되는 2.25Cr- 1Mo강 HAZ의 기계적 특성에 미치는 PWHT 온도의 영향을 평가하였다. Gleeble을 이용하여 재현한 ICHAZ, FGHAZ, CGHAZ 모두 베이나이트와 마르텐사이트 같은 저온변태 조직이 발달함에 따라 모재에 비해 충격인성이 큰 폭으로 감소하는 것으로 관찰되었다. PWHT를 실시함에 따라 템퍼드 베이나이트 및 마르텐사이트 조직이 발달하면서 충격인성이 증가하였으며, 낮은 온도에서도 템퍼링 효과는 충분한 것으로 확인되었다. P-No. 1 재료인 탄소강이나 저합금강의 경우와 달리 PWHT 온도에 따른 차이는 크지 않았다. 반면 P-No. 1 재료는 PWHT 온도에 민감하게 반응하므로 P-No. 1 재료와의 이종용접 시 P-No. 1 재료를 기준으로 PWHT를 수행하는 것이 용접 이음부의 건전성을 확보하는데 있어 유리할 것으로 보인다.

후 기

이 논문은 2023년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 사용후핵연료관리핵심기술개발사업단 및 산업부 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구사업임(No. 2021040101002B)

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