PWHT의 유형

용접 규격 및 사양에서는 탄소강과 같은 특정 재료의 경우 용접 후 열처리(PWHT)가 종종 요구됩니다. PWHT는 잔류 응력을 줄이는 동시에 용접된 금속 부품의 인성과 연성을 향상시킵니다.

고온에서 실시하는 PWHT는 잔류 응력을 완화하고 재분배할 뿐만 아니라, 템퍼링, 석출 또는 노화 효과를 유발하는 템퍼링, 석출 또는 노화 과정을 유도할 수도 있습니다. 다만 이러한 야금학적 변화는 기계적 특성을 저하시킬 가능성이 있으므로, 기계적 특성의 저하를 방지하기 위해서는 PWHT 처리를 수행할 때 적용해야 할 최적의 시간과 온도에 대해 전문가의 조언을 구하는 것이 바람직합니다.

템퍼링

템퍼링은 경화 과정에서 발생한 내부 응력을 해소하여 연성을 향상시키고, 치명적인 파손의 위험을 줄여줍니다. 또한 템퍼링은 인성을 강화하여 재료가 충격, 응력 및 주기적 하중을 더 효과적으로 견딜 수 있게 합니다.

템퍼링이란 재료에 균열이 생기는 것을 방지하기 위해 서서히 가열한 후, 특정 온도에서 장시간(일반적으로 두께 1인치당 1시간) 동안 유지하는 공정입니다. 온도와 시간에 따라 기계적 특성이 달라지므로, 이 공정에서 적용할 최적의 조건에 대해서는 자격을 갖춘 야금 전문가와 상담하는 것이 가장 좋습니다.

최적의 결과를 얻기 위해서는 정밀한 온도 관리가 필수적입니다. 시간이 지나치게 길거나 과열되면 변형이나 강도 저하가 발생할 수 있으며, 이로 인해 설계 한계를 초과하는 잔류 응력이 남아 용접 불량이 발생할 수 있습니다. 안전핀을 제작하든 8만 석 규모의 경기장을 건설하든, 템퍼링 처리된 강철은 내구성, 신뢰성 및 품질을 보장하는 데 필수적입니다. 이 강철의 놀라운 시각적 특징을 통해 그 변형 과정을 한눈에 파악할 수 있습니다. 연한 노란색은 연성을 나타내는 반면, 짙은 파란색은 뛰어난 강도와 강성을 의미합니다.

정규화

용접 부품에 대한 용접 후 열처리는 결정 조직을 미세하게 하고, 내부 응력 수준을 낮추며, 인성을 향상시켜 마무리 가공 시 변형을 줄여주며, 생산 과정에서 시간과 비용을 모두 절약해 줍니다.

정규화(Normalizing)는 재료를 상임계점(페라이트-베이나이트강에서는 Ac3 온도) 이상의 온도로 가열한 후, 단면 두께에 비례하는 시간 동안 해당 온도를 유지한 다음, 정지된 공기 중에서 서서히 냉각시키는 공정입니다. 이를 통해 마르텐사이트, 베이나이트 및 펄라이트 미세구조가 형성되어, 완전 어닐링에 비해 강도는 높으면서도 연성이 뛰어난 결과를 얻을 수 있습니다.

정상화 처리는 성형, 주조 또는 용접과 같은 후속 공정을 위해 재료를 준비하는 데 사용되는 핵심 공정입니다. 또한 정상화 처리는 침탄 공정 중 치수 변화를 최소화하고 더 균일한 미세 구조를 확보하는 데 도움이 되므로 침탄 공정에서도 매우 중요합니다. 아울러, 담금질 및 템퍼링 처리된 침탄강은 일반적으로 정상화 처리를 거친 후 인성이 향상되는 특성을 보입니다.

노화/침전

석출 경화는 특정 합금 계열의 강도를 높이는 효율적인 방법입니다. 이 방법은 재료를 결합하고 격자 구조 내부의 이동을 막는 특정 화합물을 분리함으로써, 강도를 높이는 동시에 균열 발생을 방지하는 데 도움을 줍니다.

템퍼링과 마찬가지로, 석출 강화 역시 핵생성을 주도하는 열역학적 힘과 확산의 한계 사이에서 미묘한 균형을 이루어야 합니다. 온도가 더 상승하면 용질 입자들은 석출 자유 영역(PFZ)을 형성하기 시작합니다. 이러한 영역은 석출물 형성의 이종 핵생성 부위로 작용하며, 이로 인해 인장 강도나 연성과 같은 기계적 특성이 극적으로 변화할 수 있습니다.

침전물의 크기와 모양이 재료의 경도를 결정합니다. 입계 전체에 거친 b’ 침전물이 분포된 PFZ는 강도 향상과 연성 개선에 이상적이지만, 응력 노화 과정에서는 노화 단계의 정점에 가까워질수록 더 미세한 바늘 모양의 침전물이 더 균일하게 분포되는 경향이 있습니다.

수소 방출

본 연구에서는 용접 후 상태(AW) 및 재정규화 및 템퍼링 처리된 PWHT-2 재료 상태의 용접부 단면에서 원통형 인장 시편을 가공하여, 실온에서 수소가 없는 조건 및 전해 방식으로 수소가 주입된 조건 하에서 실온 주기적 시험을 수행하였다. 그 후, 도출된 기계적 데이터를 미세구조 관찰 결과 및 파단 조직학적 분석 결과와 상호 연관 지어 분석하였다.

PWHT 처리는 용접부에 미치는 연화 효과로 인해, 무열처리(AW) 조건에 비해 용접부의 수소 취성 발생 가능성을 현저히 감소시켰으며, 이로 인해 주기적 하중이 가해질 때 HAGB를 따라 GBF에서 더 강한 변형량 축적이 발생하게 되었다.

이는 수소 농도가 증가함에 따라 하중 변위 곡선 “Rm” 및 “Rp0.2”의 감소와 파단 시 최대 연신율(“ELmax”)의 감소로 측정된 바와 같이 분명하게 드러났다. 또한, 높은 수소 농도에서는 연성이 현저히 감소했는데, 특히 재정규화 및 템퍼링 처리된 PWHT-WM 시편의 경우 4 ml/100g Fe에서 예상치 못한 감소가 발생했다.