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용접구조용 고기능 철강 소개와 용접기술의 개발 (1) 용접구조용 고기능 철강 소개와 용접기술의 개발 (1) 관리자 기자입력 2007-01-03 13:44:27


ENG 강좌 - 한국과학기술정보연구원 발췌


Ⅰ. 서 론

선진국들은 용접구조물의 중량을 줄이고, 용접제작과 관련된 제비용을 절감할 수 있도록 철
강재료 결정립의 미세화를 통한 고장력화 연구개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
그리고 철강재료는 용접공정중에 급속가열과 급속냉각을 거치면서 미세화 처리된  결정립에
변화가 일어나서 필연적으로 용접열영향부를 포함한 용접이음부의 강도와 인성이 저하된다.
따라서 고급강재인 초미세립강의 활용범위를 넓힐 수 있도록 초미세립강에 대한 용접기술자
료와 용접성 자료를 구축하고 최적의 용접시공 조건을 도출하는 것이 중요하다.
또한 선진기술국들은 철골구조물 용접부의 성능과 안전성을 확보하기 위하여 고인성 용접모
재와 용접재료의 개발 및 용접시공기술의 고급화에 주력하고 있다. 초고층 건축물을 포함한
건축철골 구조물에서 용접이 차지하는 비중은 매우 크며 중동을  비롯한 동남아, 남미 등의
건설시장에서 국제경쟁력을 확보하기 위해서는 초고층 건축물의 용접기술 확보가  필수적이
다.
따라서 현재 우리나라에서 생산 또는 개발되고 있는 건축구조용 강재의 용접에 필요한 용접
재료의 개발과 생산, 그리고 이를 사용하기 위한 용접시공기술의 개발을 위해서는 용접결함
이 발생하지 않는 최적의 용접모재, 용접재료, 용접시공기술을 도출하는 것이 필요하다.



Ⅱ. 청정강에 존재하는 개재물


1. 기술의 개요강 속에 들어있는 개재물은 강의 성질에  현저한 영향을 미치는데 특히 단단
하고 취약한 산화물이 가장 해롭다.  청정강의 품질을 확보하기 위해서는  개재물의 크기와
분포 및 최대 크기의 상태를 정밀하게 파악하는 것이 중요하다. 일반적으로 강 속에 들어있
는 개재물의 최대 크기에 대한 평가에 기초를 둔 이론적인 모델을 사용하여 강의 성질을 예
측할 수 있다. 그러나 고품질 강재의 청정기술이 많이 발전함에 따라 광학 현미경이나 초음
파 검사와 같은 기존의 검사방법으로는 낮은 양의 개재물을  검사하는 것이 매우 어려우며,
이러한 개재물을 검사하기 위하여 통계 역학을 포함하는 새로운 측정분석법이 사용되고  있
다.
영국의 University of Sheffield는 청정강에 들어있는  개재물이 강의 피로와 파괴성질에 미
치는 영향, 개재물의 측정 및 분석에 대한 비파괴 검사법, 개재물 농도법, 화학적 추출법, 파
괴 검사법, 스파크 방출 분광기법 등에 관한 내용들을 설명하였으며, 통계학적으로 개재물의
최대 크기를 예측하는 방법으로 고르 분포의 외삽법, SEV(Statistics of Extreme Values)법,
GPD(Generalized Pareto Distribution)법 등에 관하여 정리하였다.



2. 청정강 중의 개재물의 특성


가. 청정강 중의 개재물

청정강에는 극소수의 큰 개재물과 다수의 작은 개재물들이 존재하며 이들이 차지하는  부피
비율은 산소와 황의 양에 달려있다. 큰 개재물에서 강구조물의 손상이 시작되므로 개재물의
최대 크기를 평가하는 것이 매우 중요하다.


나. 개재물의 임계 크기

큰 산화 개재물은 강재에 매우 위험하며 개재물의 임계 크기는 재료의 성질에 따라 다르다.
베어링 강의 회전굽힘에서 피로 손상을 일으키는  개재물의 임계 크기를 보면 표면  직하의
경우는 10마이크로미터이며, 표면에서  100마이크로미터 안쪽으로 들어가면  개재물의 임계
크기는 30마이크로미터로 증가한다.
다량의 시료에서 최대 크기의 개재물을 평가하는 것이 필요하며,  최대 크기가 임계 크기보
다 큰 개재물이 발견되는 확률이 높아야 한다. 개재물의 임계 크기는 평가뿐만 아니라 분석
법도 중요하다. 적은 양의 시료에서  얻은 개재물의 자료를 외삽법으로  통계적으로 분석을
하는 것이 유효한 방법이다.


3. 개재물이 강의 기계적 성질에 미치는 영향


가. 피로성질

베어링, 크랭크 샤프트, 기어 등과 같이 동적하중 하에서 높은 피로강도가 요구되는  재료의
생산에서는 개재물의 특성을 조절하는 것이 매우 중요하다. 비금속 개재물은 피로강도와 피
로 한계를 저하시킨다.
경도가 높고 취약한 산화개재물이 가장 해로우며, MnS 개재물은 덜 해롭다. 개재물과 기지
조직사이의 계면에 응력이 국부적으로 지중되면 그곳에서  피로 손상균열이 발생하게 된다.
표면 또는 표면에 가까운 곳의 개재물이 내부에 있는 개재물보다 피로에 더욱 위험하다. 크
기가 작은 개재물은 피로 균열의 발생에는 크게 영향을  미치지는 않으나, 피로균열의 전파
에는 많은 영향을 미친다. 큰 개재물에서 파괴가 시작되며, 보이드가 형성되고 크기가  작은
개재물의 주위로 성장을 하게 된다.
강의 피로 강도를 향상시키기 위해서는 큰 개재물의 수효를 줄여야 한다.


나. 파괴거동

강의 연성파괴는 개재물, 펄라이트 덩어리탄화물 등과 같이 딱딱한 입자에서 생성된 보이드
의 발생과 성장 및 결합에 의해 발생한다. 만일 개재물의 입자가 단단하고 기지와의 정합도
가 낮거나 또는 내부의 파괴강도가 낮으면, 보이드의 생성은 더욱 쉽다.
연신된 유화물은 강의 파괴 성질에 많은 영향을 미친다. 파괴과정에서 보이드는  MnS 개재
물에서 제일 먼저 발생하고, 그 다음에는 작은 크기의 산화개재물에서 발생하며, 마지막으로
작은 크기의 탄화물에서 발생하게 된다.
개재물의 부피비율을 감소시키고 개재물의 형태를 조절하면 단면 수축률, 샬피 연성흡수 에
너지, 파괴강도와 같은 기계적 성질을 향상시킬 수 있다.
개재물의 양을 줄이면 보이드 생성에 대한 저항성이 증가하며,  이것은 강의 기계적 성질을
향상시키는데 효과적이다. 열간 가공용  공구강에서 개재물이 인성에  미치영향은 개재물의
분포상태와 밀접한 연관이 있다.


다. 종합정리

피로손상은 유화물보다는 크기가 큰 산화물에서 시작한다.
황화물 상태의 개재물은 파괴인성과 같은 축 방향에 따라 성질이 달라지는 강의 이방성거동
에 더 중요하다.



4. 강의 개재물의 평가방법


가. 평가 요소 및 방법의 종류

개재물을 평가하기 위한 기본 요소들은 양적인 특성(수량, 크기 등), 형태, 분포상태, 화학적
조성, 기타 특성(물리적 성질, 부식성, 전기적 성질 등), 강에 미치는 영향이 있다. 또한 개재
물을 조사하고 분석하는 방법은 다음과 같다.
- 광학현미경을 이용한 표면분석기술
- 비파괴 검사 ; 초음파 탐상법, 자분 탐상법, X-선 투과탐상법
- 개재물 농축 검사법(Inclustion Concerntration Methods)
- 화학적 분석(Chemical Extraction of Inclustions)
- 파괴검사법(Fracture Methods)
- 산소농도 측정법
- 스파크 방출
- 통계학적 예측


나. 광학현미경을 이용한 표면 분석


1) 표준도표 비교법
J-K(Jemkontoret) 도표를 사용하여 개재물을  조사하는 도표비교법이 많이 사용되고  있다.
이 방법은 간단하며 신속하게  분석을 진행할 수  있다. 표준도표 비교법은  이미지 분석법
(Image Analysis)에 비해 개재물의 크기와 형상에 관한 정량적인 정보가 적은 단점이 있다.


2) 이미지 분석법(Image Analysis)
컴퓨터에 의한 자동 이미지 분석 시스템을 활용하여 비금속 개재물에 대한 정량적인 특성을
얻을 수 있다. 개재물의 양과  크기뿐만 아니라 분포상태와 집단적  모임상태를 정량적으로
파악할 수 있다. 이미지 분석법에는 숫자밀도의 분포, 면적비율의 측정, 최근접 공간의 분포,
Dirichlet 바둑판 무늬법 등이 있다.

3) 숫자밀도의 분포(Number Density Distrubution)
폴리싱 연마 처리한 시료의 표면에 나타난 개재물의 단위면적당 숫자를 연속적으로  측정하
여 분석한다.


4) 면적비율의 측정(Area Fraction Measurement)
시험면적 내에 존재하는 입자들의 면적비율을 측정하여 분석한다.


5) 최근접 공간분포(Nearest Neighbour Spacing Distrbution)
입자들의 최근접 공간분포를 결정하고 측정된 평균값/편차를  무작위 Poission 분포로 예측
한 평균값/편차와 비교하여 분석한다. 측정된 평균값과  예측한 평균값과의 비율인 Q값, 측
정된 편차와 예측한 편차와의 비율인 R에 따라 다음과 같이 비교가 된다.
- 임의 분산(Random Dispersion) : Q=1, R=1
- 규정분산(Ordered Dispersion) : 1- 집단분산(Clustered Dispersion) : 0이 방법은 측정된 개재물의 분포상태가 임의, 규정, 집단분산 등으로 혼합되어 있는  경우의
해석에 유용하다.


6) 디리슈례 모자이크 무늬화법(Dirichlet Tessellation)

2차상이 분산되어 있는 지역을 세부지역으로 재분할하여 개재물의 공간적인 분포상태  또는
뭉쳐진 상태 등을 분석하는 방법이다. 이 방법을 사용하면  냉간가공과 열간가공 중에 개재
물 크기의 분포가 변화되는 상태를 매우 효과적으로 식별할 수 있으며, 개재물의 뭉쳐진 상
태를 잘 설명할 수 있다.
광학현미경을 사용하여 시료의 표면을 분석한 결과가 시료의 표면상태와 배율의 영향을  받
는 정도를 <표 1>에 정리하였다.








나. 비파괴 검사법


1) 초음파 탐상법(Ultrasonic Tests)
강에 내재하는 개재물로부터 반사 또는 산란되는 파를 수신하여 개재물의 크기와 위치를 검
출하는 초음파 탐상법 시험체의  두께가 두꺼워도 쉽게 검사가  가능하고, 개재물의 위치를
정확히 알 수 있으며, 특히 면상의 개재물에 대한 검출능력이 우수하다.
크기가 200마이크로미터 이상이 되는 결함의 검사에 많이 사용된다. 부피가 큰 결함의 분석
에 효과적이며, 크고 해로운 외인성 개재물(Exogenous Inclustion)이 누락될  확률이 적다는
것이다. 많은 양을 단시간에 검사할 수 있으며 생산공정  도중에 실시간으로 개재물의 존재
여부를 분석하는(On-lining Testing) 것이 가능하다.


2) 자분 탐상법(Magnetism-related Methods)
코일, 슬라브 샘플, 열간 압연된 스트립의 내부를 검사하는데 사용된다.
강자성체인 강재의 표면 및 표면 바로 밑에 존재하는 불연속(개재물, 결함) 결함을 검출하기
위하여 강재에  자장을 걸어  자화시킨 후   자분을 적용하고 누설자장(Magnetic  Leakage
Flux)으로 형성된 자분지시를 관찰하여 개재물의 크기와 위치 및 형상을 검사한다. 자분 탐
상법은 면상으로 연신된 개재물의 검출에만 유효하다. 개재물의 길이가 너무 짧으면 잡음으
로 인하여 검출이 어렵다.


3) X-선 투과 탐상법(X-ray Transmission Methods)
X-선을 사용하는 마이크로 방사선 조사술을 이용하여 금속 내에 존재하는 개재물을 검출하
는 비파괴 검사법이다. 형광 투시법을  사용하면 방사선 필름을 사용하지  않고 실시간으로
검출되는 상을 볼 수 있다. 이 방법은 구멍과 개재물을 분리하여 구별하는 것이 어렵다.


다. 개재물 농축 검사법

부피가 큰 시료 내에 존재하는 비금속  개재물을 작은 표면위에 농축시켜서 개재물을  쉽게
검사하는 방법으로 전자빔으로 재용해하거나 도가니에서 재용해하여 개재물을 농축시킨다.


1) 전자빔 용해법(EBBM; Electron Beam Button Melting)
이 방법은 최근에 많은 관심을 받고 있으며, 개재물의 수집 효율을 높이기 위한 조건은다음
과 같다. 개재물이 용융 상태에서  젖음성(Wettability)이 좋아야 한다. 젖음성은  개재 물의
조성과 구조에 의해 결정된다. 용융 금속의 유동성이 좋아야 한다. 유동성은 유화물의  영향
을 많이 받는다.
EBBM을 이용하여 강의 청정성 분석시 주요 관점은 다음과 같다.
- 진공유도용해(VIM), 진공아크재용해(VAR) 등의 제조과정을  거쳐 생산되는 강재의 청정
도의 비교
- 내화벽돌이 VIM 제품(Bar Stock)에 미치는 영향의 분석
- 개재물의 여과에 사용되는 여과지의 효용성에 대한 비교
- 합금원료의 청정성에 대한 등급 부여
- 주조제품에서 이질적인 개재물 분포의 식별
- 연속주조 과정에서 개재물의 거동
- 인베스트먼트 주주과정에서 개재물의 추출
- 초청정강(Super Clean Steel)의 청정도 평가
- 개재물의 크기 분포의 결정
- 박판의 표면결함의 예측



2) 도가니 재용해법(CCR; Cold Crucible Remelting)
도가니를 둘러싸고 있는 코일에 고주파 전류를 흘려보내 시료를 재용해하여 개재물을  농축
시킨다. 개재물 입자들이 집합하는 지역의 크기와  수효는 강재마다 다르며, EBBM의 주요
장점은 다음과 같다.
- 약 100g 정도의 시료를 처리하여 통계적으로 많은 결과를 얻게 된다. 그리고 빠른 속도로
용해작업이 진행된다.- Ar을 1bar의 기압에서 작업을  할 수 있기 때문에 탄소가  비등하는
문제점이 발생하지 않는다.
- 수집효율은 EBBM의 경우와 비슷하다.
- 시험용 장치가 비교적 저렴하다.

다. 개재물의 화학적 추출법

100~200g 정도의 금속을 특수  유기추출용액에서 화학적 또는  전기화학적으로 용해시킨다.
여기에서 용융하지 않은 비금속 개재물을 회수한  뒤 SEM, 레이저 입자분석, X-선 회절법
등을 사용하여 개재물의 형태와 크기분포,  구조 등을 분석한다. 이 방법은  강의제조공정을
식별하기 위한 분석에 적절하다.
이 방법의 장점은 많은 양의 시료를 분석할 수 있고, 많은 정보를 얻을 수 있다.
또 이  방법의  결점은 시간이  많이  걸리는 것이다.  즉,  시료의 용해에서  EDS(Energy
Dispersive Spectrometer) 분석과 해석을 마칠 때까지 2주 정도가 소요된다.  그리고 시료를
화학처리할 때 오염이 되지 않도록 매우 조심을 해야 한다.


라. 파괴검사법
박판형태의 강의 찢어짐에 대한 내성을 시험하는데 STRA(Short  Transverse Reduction of
Area)를 사용한다. STRA 시험법은 연성이 높은 강의 개재물을 조사하는데 적합하다.  파다
면의 검사를 통하여 비금속 개재물의 본질을 파악할 수 있다.
강판의 두께방향에 대한 인장시험을 하여 열간 압연 슬라브의 개재물 상태를, 횡 방향에 대
한 인장시험을 하여 열간 빌렛의 개재물 상태를 분석할 수 있다. 이 방법의 장점은 가장 나
쁜 상태의 개재물에 대한 크기, 형태, 분포상태를 분석할  수 있는 것이다. 초청정강의 파단
면에는 산화물 형태의 개재물 입자가 거의 없기 때문에 파괴검사법은 VAr, ESR 강재와 같
은 초청정강의 개재물을 분석하는데 비효율적이다.


마. 스파크 방출 분광기(Spark-induced Optical Emission Spec-troscopy)법

물리적인 분석법으로서 광학방출 분광기를 사용하여 개재물을  분석한다(OES-PDA Optical
Emission Spectroscopy-Pulse Discrimination Analysis). 이 방법에서는 시료의 표면을 연삭
기를 사용하여 연마하면 충분하므로 시험이 매우 빠른 속도로 진행된다. 강에존재하는 개재
물의 정성분석과 정량분석을 할 수 있다.OES-PDA 방법을 사용하려면 개재물의 크기가 최
소 1.5마이크로 이상이 되어야 한다. 이 방법은 강제 개재물의 탈산, 재산화, 응고에 대한 모
집단을 설명하는데   매우 적합하다.   이 방법으로는   해로운 외인성   개재물(Exogenous
Inclusion)을 탐지하는 것이 어렵다.


바. 기타 검사법


1) 개재물의 여과법(Inclusion Filtration)
액체금속이 세라믹 필터를 통과하는 중에 개재물의  크기와 수효가 충분하게 감소될 수  있
다. Al2O3, ZrO2, SiC 세라믹으로 만든  벌집모양이나 거품형태의 필터를 사용한다. 필터는
용융금속에 의한 열응력과 기계적 응력 및 침식(Erosion) 등을 견딜 수 있어야 한다.


2) 와전류 탐상법(Eddy Current Methods)
교류코일에서 발생한 자속이 강재를 통과하면서 나타나는 강재에 생성된 와전류를 검출하여
강재에 존재하는 개재물을 평가한다. 이 방법은 표면과 그  근방의 개재물의 검출능력이 우
수하다.


3) 전기 탐지법(Electric Sensing Zone Methods)
액체금속 중에 존재하는 개재물 숫자의 밀도와 크기의 분포를  직접 측정하는 방법이다. 저
항력이 있는 전압펄스에 의해 개재물의 정량적인 정보를 얻을 수 있다. 이 방법으로는 개재
물의 형태에 관한 정보를 얻을 수 없다.


사. 검사법의 종합비교

지금까지 설명한 개재물을 조사하고 분석하는 방법들의 장점과 단점들을 비교하여
<표 3>에 정리하였다.
여기서 볼 수 있듯이 특정한 한 가지 검사방법만으로는 강에 존재하는 개재물 전체의 분포
등에 대한 정보를 얻을 수가 없으며,  검사목적에 따라 몇 종류의 검사법을 조합해야  한다.
검사시간이 불과 수분에서 100시간까지 소요되며, 분석할 수  있는 시료의 무게도 1mg에서
수백g에 걸쳐 있다.
이상과 같은 분석을 통해서 얻은 결과들을 평가하기 위해서는 통계적인 분석이 필요하다.






5. 개재물의 최대 크기의 통계학적 예측


가. 로그-표준함수 외삽법(Extrapolation of the Log-normal Function)

강에 존재하는 개재물의 크기는 로그-표준 형태를 취한다. 여러 강재들의 청정도는 로그-표
준 분포도의 평균과 표준편차를 비교함으로써 식별할 수 있다.  로그-표준 분포도를 외삽하
면 부피가 큰 강재 내에 존재하는 개재물중 최대 크기를 예측할 수 있다. 로그-표준 분포도
에 맞추는 표준방법의 신뢰성을 높이기 위해서는 작은 개재물들의 크기를 실험실에서  많이
측정하여 정량적인 자료를 확보하는 것이 필요하다.


나. 극단 통계법(Statistics of Extremes)

극단값 이론은 본질적으로 외삽법에 관한 것으로 극단 통계는 강에 존재하는 개재물을 측정
하고 분석하는데 매우 효과적인  방법이다. 이 방법을  사용하면 기준값(Threshold)보다 큰
개재물만 측정하면 되므로 작은 크기의 개재물을 측정할 필요가 없어진다.
극단 통계에는 무작위로 선정된 부분에서 개재물의 최대 크기를 측정하여 표준화시키는  극
단값 통계법(SEV)과 기준값의 크기보다 큰 개재물을 측정하는 일반화 파레토 분포법(GPD)
등 2종류의 방법이 강에 존재하는 개재물을 측정하고 분석하는데 사용된다.


다. SEV(Statistics of Extreme Value)법

개재물 크기의 분포에 대한 기본자료가 수집되면 여기에서 최대값과 최소값의 분포를  구할
수 있게 된다. SEV법으로 개재물의 크기를 예측하면 주어진 부피에서  최대 개재물의 특성
화 크기에 해당하는 CISM(Characteristiv Size of  the Maximum Inclusion)은 강재 무게의
증가(로그 스케일)에 비례하여 직선적으로 증가한다.
SEV법은 초청정강의 청정도를 명확하게 판별할 수 있고, 검사한 범위보다  더 넓은 범위에
포함되어 있는 큰 개재물의 크기를 예측할 수 있다는 장점이 있다.


라. GPD(Generalized Pareto Distribution)법

개재물의 크기를 결정하고 측정한다. 광학현미경을 이용한  표면분석의 경우에는 3마이크로
미터, 도가니에서 재용해한 후에 SEM  분석을 하는 경우에는 3마이크로미터  이하로 한다.
개재물의 측정이 끝나면 기준값(Threshold)의 변화에 따른 과잉평균값(Mean  Excess)을 좌
표로 표시하여 연결한다.



6. 결론

철강재료의 청정도를 높이려는 노력이  계속 진행되고 있으며, 이에  따라 개재물의 검사는
매우 중요하다. 이 내용에서는 개재물의 검사를 위한 광학현미경을 이용한 표면분석, 초음파
탐상/자분탐상/X-선 투과탐상 등과 같은 비파괴검사, 화학적 분석, 파괴검사, 산소농도측정,
스파크 방출 등과 같은 측정기술에 관해 살펴보았다.
최근에는 극단 통계법(Statistics of Extremes)을 사용하여 부피가 큰 강재에 존재하는 최대
크기의 개재물을 예측하려는 동향이 있다. 여기에는 무작위로 선정된 부분에서 개재물의 최
대 크기를 측정하여 표준화시키는 극단값 통계(SEV)법과 기준값보다 큰 개재물을 측정하는
일반화 파레토 분포법(GPD) 등 2종류의 방법이 있다. 만일 Shape Parameter가 0이 아닌 경
우에는 수집된 자료를 최대한으로 활용할 수 있도록 일반화 GPD를 추천한다.

 

관리자 기자
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