9% Ni 강 열영향부의 미세조직과 극저온 충격인성에 미치는 용접 열사이클의 영향 연구

Abstract

국제해사기구(International maritime organization, IMO)의 강화된 환경규제로 인해 액화천연가스(Liquefied natural gas, LNG)를 연료로 사용하는 LNG 연료추진선의 비중이 증가하고 있다. -162 ℃의 매우 낮은 액화점을 가지는 LNG 특성 상, LNG 저장탱크는 극저온에 노출되며, 이에 따라 LNG 저장탱크에 사용되는 소재는 극저온 환경에서 우수한 기계적 특성이 요구된다. 9% Ni 강은 극저온 환경에서 우수한 기계적 특성을 보이는 소재로서 LNG 저장탱크에 널리 활용되고 있다. 하지만 용접 중 형성되는 열영향부(Heat-affected zone)에서 충격인성이 매우 낮아질 수 있으며, 이에 따라 LNG 저장탱크의 안전성이 확보되지 않을 수 있다. 열영향부는 최고 가열온도(Peak temperature)에 따라 분류되며, 그 종류에 따라 미세조직과 충격인성이 달라진다. 그 중 CGHAZ(Coarse grain HAZ)와 IC CGHAZ(Intercritically reheated CGHAZ)는 조대한 결정립이 형성되고 다량의 경질상이 분포함에 따라 충격인성이 매우 낮다고 알려져 있다. 입열량은 열영향부의 특성에 지대한 영향을 미친다. 즉, 입열량에 따라 열영향부에 구현되는 냉각속도가 달라지고, 열영향부의 미세조직과 충격인성은 냉각속도에 따라 달라진다. 하지만 입열량에 따른 열영향부의 특성에 관한 연구는 주로 베이나이트계 조직(Bainitic structure)을 갖는 저탄소강(Low-carbon steel)에서 이루어졌으며, 마르텐사이트(martensite)를 주 조직으로 갖는 9% Ni 강에서는 연구가 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 9% Ni 강의 CGHAZ와 IC CGHAZ를 다양한 냉각속도로 모사하여 미세조직과 충격인성을 확인하였으며, 각 HAZ에서 냉각속도와 미세조직 그리고 충격인성 간의 상관관계를 분석하였다. 실험 결과, 9% Ni 강의 CGHAZ와 IC CGHAZ의 주 조직은 마르텐사이트(Martensite)였으며, 비교적 연성이 우수한 오토-템퍼드 마르텐사이트(Auto-tempered martensite)와 템퍼드 마르텐사이트(Tempered martensite) 조직이 다소 존재하였다. 또한, 냉각속도가 감소할수록 연성 조직의 분율은 증가하였다. CGHAZ의 충격인성은 냉각속도에 따라 큰 차이를 보이지 않았다. 하지만 IC CGHAZ의 충격인성은 가장 느린 냉각속도 조건에서 가장 우수하였는데, 이는 템퍼드 마르텐사이트 조직의 분율이 가장 높았기 때문이다.