72 연구논문 저항클래딩법을응용하여형성된내마모성 WC-6.5Co 미크로조직특성 클래딩층의 이진우 * 고준빈 ** 이영호 *** * 충남대학교공과대학기계공학과 ** 한밭대학교공과대학기계설계공학과 *** 충남대학교 BK21 메카트로닉스사업단 Characterization of Microstructure of WC-6.5%Co Cladding Layer by Electric Resistance Welding Jinwoo Lee*, Junbin Ko** and YoungHo Lee*** *Mechanical Engineering at Chungnam National University, Deajeon 305-764, Korea **Division of Mechanical Engineering Hanbat National University, Deajeon 305-719, Korea ***BK21 Mechatronics group at Chungnam National University, Deajeon 305-764, Korea Abstract This study deals with characterizations of microstructure and wear performance of a cladding layer, product on 1.9 mm-thick mild steel plate by the electric resistance welding, of composite metal powder of Coarse WC-6.5%Co and high carbon alloy (SHA). The cladding layer was examined and tested for microstructural features, chemical composition, hardness, and bondability. The cladding layer have two different matrix were observed by an optical microscope and EPMA. The one was the coarse WC-6.5Co structure. The other was the melted SHA with surrounding the WC-6.5Co structure. The hardness of WC-6.5Co was 1210HV. The hardness of SHA was 640HV. *Corresponding author : hani36@msn.com (Received May 21, 2007) Key Words : Cladding ; Electric resistance welding ; Wear performance 1. 서론 마모는기계부품의수명과작동상태를결정하는중요한요인으로써, 전반적인산업설비에대해발생하기때문에그유지, 보수에막대한비용이사용되고있다 1-3). 따라서마모에대하여재료의내마모성을개선시키는여러가지내마모표면개질기술이주목받고있다. 특히, 1mm 이상의두꺼운피막을형성할수있는클래딩용접이내마모표면개질기술로써권장되고있다 4,5). 그러나주로아크, 플라즈마아크및레이저를열원은이용하는클래딩용접은파워밀도가높고, 제어성이우수한반면, 모재를용융및희석시키기쉽고기공등의 용접결함의발생과설비비가고가라는문제가보고되고있다 6,7). 또한박판의모재에용접을할경우모재의열변형, 천공등의문제가발생하여재료의경량화를달성하기어려운문제점이있다 8-9). 본연구에서는내마모성이라는재료의복합화와함께경량화라는목표까지달성하기위하여, 클래딩방법으로경질재료에열적영향을거의주지않는전기저항심용접법을채택하였다. 그리고초경합금 (WC-6.5Co) 과高炭素鉄粉末 (SHA) 의혼합분말을내마모성재료로써이용하여저항클래딩법으로두께 2mm 의일반냉간압연강판 (SPCC) 위에약 1mm 의클래딩층을형성하였다. 그리고클래딩층의금속학적특성, 경도, 및내마모특성에대하여검토하였다. 294 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 3, June, 2007
저항클래딩법을응용하여형성된내마모성 WC-6.5Co 클래딩층의미크로조직특성 73 2.1 실험재료 2. 사용재료및실험방법 본연구에서는모재로써일반냉간압연강판 (SPCC) 사용하였다. SPCC 의합금조성을 Table 1에나타내었다. 경질재료로는조립초경합금 (WC-6.5Co) 를사용하였다. 조립초경합금은약 10μm의크기의 WC 입자와 Co 입자을혼합소결시킨분말체이다. 조립초경합금은입경 600~850μm사이의것을선별하여사용하였다. 초경합금의화학조성과입도분포를 Table 2, 3에각각나타내었다. 또한조립초경합금분말의 SEM 상을 Fig. 1에나타내었다. 결합재 (Binder) 로는높은경도값 (800HV) 과양호한내산화성및내식성을갖추어본래고온내마모용사재로개발되어진高炭素鉄粉末 (SHA) 를사용하였다. 또한 SHA 는양호한내산화성및내식성도갖추고있다고알려져있다. SHA 의화학조성과입도분포를 Table 4, 5에각각나타내었다. 또한 SHA 의 SEM 상을 Fig. 2에나타내었다. 2.2 실험방법경질재인조립초경합금과결합재인고탄소철분말 (SHA) 를 7:3 의중량비로혼합하여내마모성혼합분말을 Table 1 Chemical composition of SPCC used (mass%) C Si Mn P S Fe SPCC 0.025 Tr. 0.110 0.0018 0.011 Bal. Fig. 1 SEM image of coarse WC-6.5%Co Fig. 2 SEM image of SHA 제작하였다. 혼합분말을 Nicrobraze- 세멘트용액과에탄올을 1:10 의비율로묽게한혼합액을접착제로써사용하여 Fig. 3과같이 SPCC 위에 2 10 250mm 의형상으로도포하였다. 이시험편을실온에서 4시간이상건조후, Fig. 4와같이심용접기를이용하여용접전류 2.7 ka, 전극가압력 196 N 및용접속도 1.0 m/min의용접조건으로클래딩을행하였다. 클리딩을행하는동안, 분말층을충분히가열하기위하여, 또한용접기의전극을보호하기위하여분말층의윗부분에두께 50mm 의 SUS304-foil 배치하였다. 제작된클래딩층에대하여광학현미경및 SEM 을이용하여클래딩 Table 2 Chemical composition of WC-6.5Co(mass%) T.C. F.C. Co W 5.75 0.01 6.5 Bal. 2 The composite metal powder strip of WC-6.5%Co and SHA 250 10 Table 3 Particle size distribution of coarse WC- 6.5%Co μm +850 +800 +750 +650-650 % 1.0 22.3 28.9 45.8 2.0 SPCC Fig. 3 Shape and dimension of specimen before cladding 1.9 Table 4 Chemical composition of SHA used (mass%) C Si Cr Mo Ni Fe 4.99 0.99 9.84 4.92 4.83 Bal. Table 5 Particle size distribution of SHA SPCC Electrode wheel SUS304 foil The composite metal powder strip of WC-6.5%Co and SHA μm +180 +150 +106 +75-75 % 1.3 5.0 24.5 41.7 27.5 Fig. 4 Schematic diagram of electric resistance cladding 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 3 號, 2007 年 6 月 295
74 이진우 고준빈 이영호 층의미크로조직을관찰하였다. 클래딩층의서로다른조직간의면적률과기공률은 MC-scope 라는그래픽프로그램을이용하여산출하였다. 또한클래딩층내부의원소분포를 EPMA 를이용하여확인하였다. 클래딩층의경도는마이크로비커스경도시험을통하여측정하였다. 또한클래딩층에대하여 3점굽힘시험을하여클래딩층과모재와의접합성및클래딩층내부조직간의접합성을평가하였다. 3. 실험결과및고찰 3.1 클래딩층의미크로조직 Fig. 5에조립초경합금을내재하는클래딩층의미크로조직을나타내었다. Fig. 5-(a) 로부터클래딩층의단면의전체적인형상을확인할수있다. 클래딩층은모재인 SPCC 위에약 1mm 의균일한두께로형성되어있다. 클래딩층안의흰색의구형조직들이조립초경합금이다. 또한이러한조립초경합금입자를둘러싸고있는조직은 SHA조직이다. 클래딩층과 SPCC의경계부 에는검은벨트상의계면조직의존재가확인되어진다. 전체적인클래딩층의단면관찰결과, SHA 조직은초경합금입자와접합하여복합체클래딩층을형성하고, SPCC 와도접합하여결합재로서의역할을하고있는것이확인된다. Fig. 5-(b) 에클래딩층내의조립초경합금입자및 SHA 조직의계면의미크로조직을나타내었다. 조립초경합금입자와 SHA 조직의경계부에, 조립초경합금입자외측에두께약 15μm의확산층이형성되어있는것이관찰된다. Fig. 5-(c) 에는 SPCC 와클래딩층의계면의미크로조직을나타내었다. 계면조직은클래딩층으로부터원소확산에의해 SPCC 측에두꼐약 20μm의펄라이트조직이균일하게형성되어있는것이관찰되었다. 클래딩층과 SPCC 의접합계면에는기공및크랙등의결함은관찰되지않았다. 또한클래딩층을구성하고있는조직들의면적률을계산한결과, 조립초경합금조직은클래딩층의단면적의약 57% 를차지하고있는것과 SHA 조직은클래딩층의단면적의약 43% 를차지하고있는것이확인되었다. Fig. 6에클래딩층의 SEM상과 EPMA 선분석결 (a) (a) (b) (c) Fig. 5 Microstructure of the cladding layer (a) The whole shape of the cladding layer cross section (b) Interface between coarse WC- 6.5Co and SHA (c) Interface between the cladding layer and the base metal (b) Fig. 6 Microstructure of the cladding layer (a) SEM image of interface between coarse WC-6.5Co and SHA (b) Results of line EPMA 296 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 3, June, 2007
저항클래딩법을응용하여형성된내마모성 WC-6.5Co 클래딩층의미크로조직특성 75 과를나타내었다. Fig. 5의광학현미경의미크로조직관찰에의해확인되었던조립초경합금조직및 SHA 조직의계면조직의접합상태및확산현상을명확히하기위해, SEM 像관찰및초경합금의성분인 W 및 Co 원소와 SHA 의성분인 Fe, Cr 원소에대하여 EPMA 線분석을실행, 그결과를 Fig. 6-(b) 에나타내었다. SHA 의성분인 Fe 및 Cr성분이초경합금입자내부에약 15μm확산되어잇는것이확인된다. 또한소량이지만, W 성분이 SHA 조직에서도검출되었다. 이것은클래딩공정중, 미량이지만조립초경합금의 WC 입자가분해되어 W이 SHA 조직내부에확산되었다고사료된다. Fig. 7에클래딩층과 SPCC 계면의 SEM 상및 EPMA 線분석결과를나타내었다. SEM 상의윗부분부터클래딩층, 계면조직, SPCC조직이순차적으로배열되어있는것이관찰된다. EPMA 결과로부터, C는확산되기쉬운원소이기때문에클래딩층과 SPCC 접합계면으로부터 SPCC 측에약 20μm까지확산하여펄라이트조직을형성하고있는것이확인된다. 그리고, SEM 상의계면조직의폭이약 20μm인것은 C의확산 거리와밀접한관계가있다고사료된다. 또한 Fe, Cr 및 Ni 성분은 SPCC 와클래딩층의접합계면에폭약 2μm의확산층을형성하고있는것이확인된다. 3.2 클래딩층의형성메커니즘 Fig. 8에조립초경합금의 70mass%, SHA 30mass% 의혼합분말을내마모재로써사용하여저항클래딩방법에의해형성된초경합금을내재하고있는클래딩층의형성메커니즘을나타내었다. 프로세스 1에는클래딩을행하기전의조립초경합금및 SHA 입자가혼합분말내에배열고정되어있는형상을나타내었다. 프로세스 2에는배열고정되어있는조립초경합금입자및 SHA 입자의사이에전류가흐르는과정을나타내었다. 프로세스 3에는조립초경합금입자및 SHA 입자사이에전류가흐름에따라그접촉부에접촉저항에의한줄열이발생하는과정을나타내었다. 프로세스 4 에는, 줄열의발생에의해 SHA 입자가불완전용융및용융하는과정을나타내었다. 또한 SHA 입자와조립초경합금의계면에서의미량의 WC 와 Co성분이용융하는과정을나타내었다. 프로세스 5에는저항클래딩의전극가압력의영향에의해용융 SHA 가유동하여용융된 SHA 의표면과조립초경합금이합체하는과정을나타내었다. 프로세스 6은용융된 SHA 가응고되어조립초경합금입자와접합하고 SHA 조직및초경합금조직의복합조직을형성하는과정을나타내었다. 프로세스 2 부터 5까지를나누어별도의과정으로분리하여설명하였지만이런과정들은실제의클래딩 (a) SEM image (b) line EPMA Fig. 7 SEM image and line EPMA of interface between SPCC and the cladding layer Fig. 8 Schematic diagram of mechanism that cladding layer is formed by electric resistance weld 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 3 號, 2007 年 6 月 297
76 이진우 고준빈 이영호 공정중에는동시에발생되어클래딩층을형성하는메카니즘이된다. 3.3 클래딩층의경도 Table 6에저항클래딩법에의해형성된클래딩층의조립초경합금및 SHA 조직의경도및이조직들의면적률을나타내었다. 그리고, Fig. 9에비커스경도시험에의한압흔이들어간클래딩층의조립초경합금조직및 SHA 조직의미크로조직을나타내었다. 클래딩층의면적에대한조립초경합금조직과 SHA 조직의면적률은각각 57% 와 43% 를점하고있는것이확인되었다. 또한클래딩층의내부의기공률은 1% 이하인것으로확인되었다. 또한조립초경합금조직은 1210HV 경도를나타내고있다. 또한, SHA 조직은 610~640HV 경도를나타내고있다. 이러한클래딩층을구성하고있는조직들의면적률및경도분포결과로부터, 저항클래딩법에의해형성된클래딩층은전체적으로내마모재로서만족되는경질조직으로구성되어있다고사료된다. (a) Macro image of cladding layer before bending test (b) Macro image of cladding layer after bending test 3.4 클래딩층의접합성 Fig. 10에클래딩층의 3점굽힘시험전후의마크로관찰및굽힘시험후의시험편을용접선방향으로절단하여그단면의미크로조직을나타내었다. 굽힘시험전의클래딩층의표면은연삭가공을행하여매끈하게가공되어있은것이확인된다 (Fig. 10-(a)). 굽힘시험후의클래딩층의표면은용접선의수직방향으로다수의크랙이발생되어있는것이확인된다 (Fig. Table 6 Hardness and area fraction of two microstructrues in cladding layer Coarse WC-6.5Co SHA Hardness 1210HV 610~640HV Volume fraction 57% 43% (a) (b) Fig. 9 Micro-Vickers hardness test of the cladding layer Indentation shape on coarse WC- 6.5Co Indentation shape on SHA (c) Microstructure of cladding layer after bending test Fig. 10 Results of bending test for the cladding layer 10-(b)). 굽힘시험에의해, SPCC와클래딩층의동시에소성변형이발생한다. SPCC 의소성변형역이넓기때문에파괴되지않지만경질조직으로구성된클래딩층의소성변형역을초과하기때문에, 다수의크랙이클래딩층에생성되는것으로사료된다. 그러나이런다수의크랙이발생에도불구하고, SPCC 로부터클래딩층의박리는관찰되지않았다. Fig. 10-(c) 로부터클래딩층에대하여수직방향으로생성된 3개의크랙이 (1,2,3 번 ) 이관찰된다. 1번크랙은클래딩층의표면에서발생하여 SHA 조직을통과하여조립초경합금내부에전파되어조립초경합금의내부에서 2개로분할되어 SPCC 와의계면까지전파되어있는것이관찰된다. 또한, 3번크랙은클래딩층의표면의초경합금조직에서발생, 초경합금입자를관통하여 SHA 조직을곧바로관통하여 SPCC 의계면까지전파된것이관찰되었다. SPCC 와클래딩층의수직방향에다수의크랙이발생함에도불구하고클래딩층과 SPCC 의계면방향에는크랙및박리는관찰되지않았다. 이상의결과로부터클래딩층과 SPCC 의접합성은양호한것으로사료된다. 또한크랙이클래딩층의 298 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 3, June, 2007
저항클래딩법을응용하여형성된내마모성 WC-6.5Co 클래딩층의미크로조직특성 77 내부의조직에관계없이전파되는것으로부터클래딩층의내부의초경합금조직과 SHA 조직의접합성도양호한것으로사료된다. 4. 결론 1) 저항클래딩법에의해형성된내마모성 WC-6.5Co 클래딩층은줄열에의해결합재 (SHA) 의용융응고가진행되어기공및결함이적은건전한미크로조직을지니고있는것이확인되었다. 2) 클래딩층을구성하고있는조립초경합금조직과 SHA 의경도와면적률분포결과로부터클래딩층은전체적으로내마모재로서만족되는경질조직으로구성되어있음이확인되었다. 3) 저항클래딩법에의해형성된클래딩층굽힘시험결과, 클래딩층과모재와의접합성및클래딩층내부조직들간의접합성은양호한것으로확인되었다. 참고문헌 1.J.S. Selvan, K. Subramanian, A.K.Nath, J Mater. Process. Technol. 91 (1999), 29-36 2. Yang, U.H.C.Man, Surf.Coat.Technol.132, (2000) 130-136 3. Satou. Kenjin, Wear phenomenon of metals and Measures about its (in Japanese). 1965, 1-3 4. K.C. Atony, et al Hardfacing, vol.6, ASM, Handbook, 1983, 771-780 5. Ishimaru, Yasuhiko, Powder Metallurgy and application 1993. 131-146 (in Japanese) 6. S.W. Wang, Y.C. Lin, Y.Y. Tsai, The effect of various ceramic-metal on wear performance of clad layer, Materials process Technol 140 (2003), 682-687 7. ASTM:Standard test method for mearusring abrasion using the dry sand/rubber wheel apparatus, ASTM standards:g65 8. S. Ingole, H. Liang, M. Usta, C. Bindal, A.H. Ucisik, Multi-scale wear of a boride coating on tungsten, Wear 259 (2005), 849-860 9. X. Ma, R. Liu D.Y.Li, Abrasive wear behaviour of Tool steel with respect to load and sliding speed under dry sand rubber wheel abrasion condition, Wear 241( 2000), 79-85 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 3 號, 2007 年 6 月 299