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진건 매
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1 스프링강 (SUP9A)-SM25C 의이종재마찰용접피로특성에관한연구 정석주 이기중 * 서울산업대학교기계설계학과 대전기능대학컴퓨터응용기계과 ( 접수 / 채택 ) A Study on Fatigue Characteristics of Dissimilar Spring Steel(SUP9A)-SM25C by Friction Welding Suk-Choo Chung Ki-Jung Lee * Department of Mechanical Design, Seoul National University of Technolocy * Department of Computer Aided Machine, Taejon Polytechnic College (Received May 8, 2001 / Accepted September 13, 2001) Abstract : The friction-welding SM25C is a substitute for the spring steel that is utilized in the machinery, airplane, and automobile, etc. This substitution would provide reduction of material and weight of welding parts. From the result we found that the strength of the friction welded joint was 529~617MPa and the toughness was 1.2 times higher than that of the base metal. The optimal condition of friction welding was found as follows : n=2000rpm, P 1=68MPa, P 2= 137MPa, t 2=2sec, t 1=2~4sec, Considering the strength, the hardness, and the reduction of area in the friction welding, the friction welding using SUP9A and SM25C was found to cause no problem in on-the-job application. Key Word : friction welding, heat affected zone, heating pressure, heating time weld interface, micro structure, upsetting time, upsetting pressure 1. 서론 1) 최근내식성, 내산화성환경이나고하중, 반복하중의조건하에서사용하는특수강재질의용접구조물에있어서는생산원가절감또는경량화를목적으로특수강과일반탄소강과의이종재료를마찰용접 (friction welding) 하여사용하는경우가늘어나고있다. 마찰용접은소재를맞대어가압한상태하에서상대운동에따르는두소재사이의마찰열과가압력을이용하여소성접합유동을일으키게하는금속접합과정이기때문에다른용접법에비해비교적양호한모재의기계적특성을유지하면서구조물의무게와제작비용을절감시킬수있는장점 1) 을가지고있다. 이종재료의마찰용접에관한연구는 1958 년경소 To whom correspondence should be addressed. ks8386@tjpc.ac.kr 련의 VNIIESO 2) 에서금속용접에대한것을실용화한후각종탄소강의마찰용접을중심으로하여많은연구가진행되었다. 그후마찰용접에대한변수 3) 뿐만아니라밸브재료 4) SM25C의마찰용접 5) 는 Inconel 713C와 SCM 440 6) 등마찰용접에대한연구가행해져왔다. 그러나철도차량또는자동차의현가장치로사용되고있는스프링강과탄소강이종재간의마찰용접에관한연구는용도상동적인조건하에서실험을실시하여야됨에도불구하고, 지금까지의연구들은주로정적기계적특성또는용접후의열처리에따르는재료조직의변화등을실험하는수준에그치고있기때문에, 실제응용제품의품질과용접조건과의기술적인상관관계를예측하는데에상당한불일치를나타내고있으며, 특수마찰용접에대한연구가계속진행되고있는실정이다. 7) 따라서자동차용현가장치에사용되는스프링강 SUP9A와 SM25C 이종재의최적마찰용접조건을설정하여, 마찰용접된시험편들을현장에서와같은 19

정석주, 이기중 조건하에서열처리한후, 인장시험, 경도시험, 피로시험등의실험결과를통하여이종재접합부의동적인기계적특성과용접조건과의상관관계를도출하여그결과를이용용접부의강도와인성을동시에높일수있는최적마찰용접조건과탄소량이마찰용접조건에미치는영향을파악하여자동차의현가장치에스프링강을대신하여마찰용접한 SUP9A 와탄소구조강 SM25C

2 정석주, 이기중 조건하에서열처리한후, 인장시험, 경도시험, 피로시험등의실험결과를통하여이종재접합부의동적인기계적특성과용접조건과의상관관계를도출하여그결과를이용용접부의강도와인성을동시에높일수있는최적마찰용접조건과탄소량이마찰용접조건에미치는영향을파악하여자동차의현가장치에스프링강을대신하여마찰용접한 SUP9A 와탄소구조강 SM25C 을후열처리하여사용하여도용접부의신뢰성을향상시키는데큰문제없다는것을분석하고자하였다. (a) Friction welding specimen II. 실험방법 2.1. 시험편본실험에사용한용접소재는자동차용스프링강 SUP9A 와탄소구조강 SM25C 와의이종재료이며이들재료의화학적성분및기계적성질은각각 Table 1 및 Table 2 와같다. 본연구에서는마찰용접의조건을설정하고그에따른기계적특성을규명하기위하여봉대봉이종재마찰용접을하였고시험편의형상및치수를 Fig. 1 에나타냈다. 이그림의 (a) 는마찰용접시험편, (b) 는인장시험편, (c) 는피로시험편이다. 또한 Photo 1 은마찰용접한후의시험재의형상으로서가공하기전의형태를나타낸것이다. 시험편은 CNC 선반에서 1 차가공하고열처리한후, 2 차가공은원통연삭기로연삭한후시험편크기의오차를줄이기위해샌드페이퍼로연마하였다. (b) Tensile test specimen (c) Fatigue test specimen Fig. 1. Shape and dimension of specimen for friction welding tensile test and fatigue test Table 1. Chemical composition of SUP9A and SM25C (wt%) Material C Si Mn P S Cr Cu SUP9A SM25C Table 2. Mechanical properties of SUP9A and SM25C Item Value Material SUP9A SM25C Tensile strength(mpa) Yield strength(mpa) Elongation(%) 9 36 Reduction of area(%) Hardness(HB) Phot o 1. Specimens of friction welding 2.2. 열처리마찰용접한시험편을열처리한후용접부의인장시험, 경도측정을하였다. 열처리시험편은스프링 20 Journal of the KIIS, Vol. 16, No. 3, 2001

3 스프링강 (SUP9A)-SM25C 의이종재마찰용접피로특성에관한연구 Table 3. Friction welding condition Material Rotation n(rpm) Heating pressure P 1(MPa) Forging pressure P 2(MPa) Friction time t 1(sec) Forging time t 2(sec) Fi g. 2. Heat treatment cycle(quenching and tempering) 강 (SUP9A) 과 SM25C 이종재를기계가공한후산화및탈탄을방지하기위하여진공중에서현장에서와같은조건으로 Fig. 2 와같이열처리하였다. 전기로내의온도를 1183 K 까지상승시킨후시험편을 10 분동안노내에서유지하고기름담금질한후 693 K 에서 60 분간가열한후출구부에서냉각수로상온까지냉각시켰다. SUP9A& SM25C 2, 마찰용접조건마찰용접에사용된시험편은스프링강 (SUP9A) 과 SM25C 이종재로서마찰용접최적조건을조사하기위하여 Table 3 과같이회전수 (n) 를고정한후마찰압력 (P 1), 업셑압력 (P 2) 을결정하고, 예비실험을통하여업셑시간 (t 2) 을선택한후마찰시간 (t 1) 을변화시켰다 실험방법이음부의강도는인장강도, 연신율, 단면수축률등을구하여모재보다우수한범위를선정하여최적마찰시간 (t 1) 을결정하였으며인장시험은만능재료시험기 (UTM-30T) 에서인장속도 1mm/min 으로수행하였다. 열처리된마찰용접재를 Mounting press 와연마기에의해경도시험편과현미경미세조직검사용시험편을가공하였고, 경도시험은마이크로비커스경도시험기를이용하여 Load 200g, Running time 20 sec 의조건에서시험편깊이 3mm 의용접경계면 (Weld interface) 과 W. I. 좌우각각 5mm 씩을 1mm 간격으로측정하였다. 현미경조직검사용의시험편은연마한후부식액으로는알코올 95%, Nitric acid 5% 용액에 15 초동안부식시키고, 물로세척한후드라 이어로신속하게건조시켜시험편을완성시켰다. 피로시험에사용한피로시험기로는오노식회전굽힘피로시험기 (Ono type rotary bending fatigue testing machine) 로서, 회전수는 3,450rpm 으로하였으며, 피로시험은상온에서실시하였다. III. 실험결과및고찰 3.1. 이종재마찰용접의최적화이실험에서사용된마찰용접의변수로는회전수 (N), 마찰압력 (P 1), 업셑압력 (P 2), 마찰시간 (t 1), 업셑시간 (t 2) 등이며, 여기서마찰용접최적마찰압력 P 1 과최적업셑압력 P 2 를결정하기위하여여러가지문헌 8~9) 과실험데이터를참고로 t 1 과 t 2 를각각 3sec, 2sec 로하여 Table 3 과같은조건으로마찰용접을하였다. Fig. 3 은 P 1, P 2 를결정하기위하여 t 1, t 2 를 3sec, 2sec 로고정하고마찰용접한용접재의인장강도를구한그래프이다. 그림에서알수있듯이 P 1, P 2 가각각 68MPa, 137MPa 일때인장강도가장높았으며이때의인장강도는 598MPa 이었다. Fig. 4 는마찰용접조건을 n=2000rpm, P 1=68MPa, P 2=137MPa, t 2=2sec 로일정하게하고변수 t 1 을변화 한국산업안전학회지, 제 16 권제 3 호, 2001 년 21

4 정석주, 이기중 Fi g. 3. Tensile strength vs. P 1, P 2 for the friction welded joint of SUP9A to SM25C Fig. 5. Tensile strength vs. Heating time in friction welded joint of SUP9A to SM25C 적옵셑량범위는 t 1=2~4sec 가매우적합함을알수있다. Fig. 6 과 Fig. 7 은마찰시간 t 1 이전 후열처리마찰용접재의연신율 ε(%), 단면수축률 ø(%) 에미치는영향을나타낸것이다. 이그림에서알수있듯이연신율 ε(%) 과단면수축률 ø(%) 은 t 1=2~4sec 일경우에모재보다약 1.3 배이상으로증가해연성면에서큰문제가없는양호한결과가얻어진다. 또한후열처리한마찰용접재가전열처리한경우보다연성이더높음을알수있다. Fi g. 4. Total upset vs. Friction time in friction welded joint of SUP9A to SM25C 시켜서 t 1 과업셑량과의관계를조사한결과이다. 이그림으로부터 t 1 이증가함에따라총업셑량이선형적으로증가함을알수있다. 이러한결과는다른실험과동일한경향을나타내는것으로 10~11) 이때의총업셑량은 5~26mm 이었다 마찰용접부의경도분포 Fig. 8 은이종재마찰용접후의전열처리재와후열처리재의경도를나타낸것으로전열처리재의경도값에는 Peak 부가존재하지만, 후열처리재의경우 3.2. 마찰용접부의강도와연성마찰용접재의인장강도 σ t 와마찰시간 t 1 과의관계를 Fig. 5에나타내었다. 이그림에서알수있듯이 t 1 의최적범위는 t 1=2~4sec이다. 이때전열처리의인장강도 ( σ t ) 는 529~617MPa이며, 후열처리의인장강도 ( σ t ) 는 549~627MPa로서열처리실시조건에따른인장강도는큰차이가없었다. 이때마찰용접부의인장강도, 즉이음효율이 Table2의 SM25C보다높은범위가존재함으로써최 Fig. 6. Reduction of area vs. Heating time in friction welding of SUP9A to SM25C 22 Journal of the KIIS, Vol. 16, No. 3, 2001

5 스프링강(SUP9A)-SM25C의 이종재 마찰용접 피로특성에 관한 연구 Fig. 7. Elongation vs. Heating time in friction welding of SUP9A to SM25C Fig. 8. Hardness distribution near the weld interface of frictionwelded-joint of SUP9A to SM25C(welding condition : n= 2000rpm, P1=68MPa, P2=137MPa, t1=3sec t2=2sec) 에는 Peak 부가 나타나지 않았다. 그 이유는 Fig. 2 의 용접 후열처리에 의해 경도가 완화작용이 충분 히 작용하였고 내부 응력이 제거되었기 때문이라 판단된다12). 전열처리재의 경도값은 모재부에 비해 W. I. 부 는 매우 높았으나, SM25C의 경우 전열처리 및 후열 처리에 따른 경도값에는 거의 차이가 없었지만 SUP9A 의 경우 후열처리인 경우에는 대체로 250Hv정도지 만 전열처리의 경우에는 500Hv 이상으로서 열처리 조건에 따라 경도차이가 매우 큰 것을 알 수 있다. 이는 마찰압력과 업셑압력에 의해 조직이 미세화 되었기 때문이다. Photo 2. Microstructures of friction welded joint of SUP9A to SM25C(welding condition : n=2000rpm, P1=68MPa, P2=137MPa, t1=3sec, t2=2sec ; Pre heat treatment) 하기 위하여 W. I. 그 좌우 3mm 위치의 조직사진을 Photo 2와 Photo 3에 나타내었다. Photo 2는 전열처 리재의 조직으로서 퍼얼라이트와 페라이트조직이었 고, Photo 3은 후열처리한 마찰 용접부의 조직으로 서 담금질후의 조직은 마르텐사이트조직이었다 마찰 용접부의 현미경조직 마찰용접 조건에 따른 용접재의 전열처리재와 후 열처리재에 대하여 용접부와 열영향부 조직을 검사 한국산업안전학회지, 제16권 제3호, 2001년 3.5. 마찰 용접부의 피로특성 Fig. 9는 마찰용접조건을 n=2000rpm, P1=68MPa, 23

정석주, 이기중 Fig. 9. S-N curve of unheat treated specimen 하였다.

회전 굽힘 응력으로 피로 한도까지 측정하였다.14) 본 실험에서의 피로 한도 곡선의 기울기(응력(σ)/ 회전수(N))는 Fig. 9에 나타낸 바와 같이 전열처리재 의 스프링강(SUP9A)은 피로강도가 240MPa일 때 반 복수가 2.45E+07cycles이다.

6 정석주, 이기중 Fig. 9. S-N curve of unheat treated specimen 하였다. 데이터의 정리 방법은 시험기를 회전시켜 파괴되었을 때의 회전수(N)를 구하고 피로 한도( σ L ) 는 시험편 8~10개를 사용하여Stair-Case법13)에 의해 결정하였고, 이것을 토대로 해서 피로 한도 곡선(S-N curve)을 작성하였으며, 응력을 증가 또는 감소시켜 회전 굽힘 응력으로 피로 한도까지 측정하였다.14) 본 실험에서의 피로 한도 곡선의 기울기(응력(σ)/ 회전수(N))는 Fig. 9에 나타낸 바와 같이 전열처리재 의 스프링강(SUP9A)은 피로강도가 240MPa일 때 반 복수가 2.45E+07cycles이다. 마찰 용접한 스프링강 (SUP9A)과 SM25C는 열처리전에 피로강도를 구하 는 것은 큰 의미가 없었기 때문에 2.17E+04cycles까 지 실험하였다. Fig. 10에 도시된 후열처리재의 스프링강(SUP9A) 은 피로강도가 412MPa일 때 반복수가 4.12E+06cycles Photo 3. Microstructures of friction-welded joint of SUP9A to SM25C(welding condition : n=2000rpm, P1=68MPa, P2=137MPa, t2=2sec, t1=3sec ; Post heat treatment) P2=137MPa, t1=3sec, t2=2sec로 하여 스프링강 SUP9A 와 SM25C를 마찰 용접한 경우의 최적조건하에서 피로시험 결과를 나타낸 것이다. 응력상태는 진폭과 주기가 수시로 변화하는 응력 상태를 평활선이나 작은 응력 단계의 집합으로 취 급해도 실용상 오차는 없는 것으로 가정하고 실험 24 Fig. 10. S-N curve of heat treated specimen Journal of the KIIS, Vol. 16, No. 3, 2001

7 스프링강 (SUP9A)-SM25C 의이종재마찰용접피로특성에관한연구 이며, 마찰용접한 SUP9A 와 SM25C 는피로강도가 438 MPa 일때반복수가 6.16E+05cycles 로나타났다. 또한후열처리재의스프링강 (SUP9A) 내구한도는 412MPa 이고, SUP9A 와 SM25C 의용접재는 438MPa 로마찰용접재의내구한도가 6% 높게나타났으며, 이에마찰용접한스프링강 (SUP9A) 과 SM25C 는고응력부가아닌저응력부에사용한다면스프링강 (SUP9A) 의대체가능한소재로원재료비의절감을충분히할수있다고판단되었다. IV. 결 론 스프링강 (SUP9A) 과 SM25C의이종재를여러가지용접조건하에서마찰용접하여현장적용열처리조건과동일하게한후기계적성질을실험적으로분석한결과마찰용접의최적화에따른연구결과는다음과같다. 1) 스프링강 (SUP9A) 과 SM25C와의마찰용접부후열처리의인장강도, 연신율, 연성이모재보다 1.3 배이상으로서이음효율을고려한이종재마찰용접의최적조건은다음과같다. n=2000rpm, P 1=68MPa, P 2=137MPa, t 2=2sec, t 1=2~ 4sec 2) 마찰용접부의경도분포는후열처리에의해균일한경도분포를얻을수있었다. 3) 후열처리재의스프링강 (SUP9A) 내구한도는 412 MPa이고, SUP9A와 SM25C의용접재는 438MPa로마찰용접재의내구한도가 6% 높게나타났다. 4) 마찰용접한 SUP9A와 SM25C는고응력부가아닌저응력부에대체가능한소재로원재료비의절감을충분히할수있다고판단되었다. 감사의글 : 본논문은서울산업대학교교내학술연구비에의하여연구되었으며, 관계자여러분께감사드립니다. 참고문헌 1) D. E. Spindler, What Industry Needs to Know about Friction Welding, Welding Journal March, pp. 37~42, ) V. I. Vill, Friction Welding of Metals AWS, pp. 2~21, ) M. B. Hollander, Friction Welding Parametor analysis, W.R.S, pp. 495~501, ) S. K. Oh, Study on Friction welding of valve Materials, K.S.M.E, pp. 221~231, ) T. K. Min, SM25C 의마찰용접에서용접면에가공된홀의영향에관한연구, Research Institute of Industrial Technology, Vol. 14, No 1. pp. 35~ 41, ) H. Cho, Inconel 713C 와 SCM 440 의마찰용접 대한용접학회지, Vol. 15, No. 6, pp. 78~ ) C. R. G. Ellis, Friction Welding, where industry uses it, Welding Design and Fabrication, pp. 78 ~81, Aug, ) I. F. Squie, Thermal and Mechanical Characteristics of Friction Welding Mild Steel, British Welding Journal, Nov, pp. 625~657, ) D. Schober, and S. Buchholz, Reibschweissen des Werkstoffes 37 Mnsi, Schweisstechnik(Berlin), pp. 455~456, ) 오세규, 어쿠스틱에미션법에의한摩擦熔接강도해석 (1), 大韓機械學會誌, Vol. 22, No. 3, pp. 184~190, 202, ) S. K. Oh and K. K. Wang, Effect of Welding Parameters on Weld Strength and Acoustic in Friction Weld, J. of Korea Soc. of Marine Engineers. 7(1), pp. 22~33, ) はね技術學會, はね丸善, 第 3 版, pp. 432~434, pp. 540, ) 日本金屬表面技術學會, 金屬表面技術便覽, 丸善, pp. 1396~1405, ) C. S. Choo, 대한기계학회논문집, SS41 재의피로크랙傳達速度에미치는용접잔류응력의영향에관한연구, Vol. 12, No. 3, pp. 472~480, 한국산업안전학회지, 제 16 권제 3 호, 2001 년 25

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DBPIA-NURIMEDIA 53 기술논문 / 의마찰용접특성에관한연구 이세경 * 민병훈 ** 최수현 ** 심도기 ** 민택기 *** * 충남대학교대학원 ** 충남대학교교육대학원 *** 충남대학교기계공학과 A Study on Mechanical Properties and Friction Weldability of and Se-Gyoung Lee*, Byung-Hoon Min*, Su-Hyun