18 특집 : 마찰교반접합 Surface Modification of Metallic Materials via Friction Stir Process Yong-Jai Kwon 1. 서언 마찰교반접합법 (Friction Stir Welding; FSW) 은 1991 년에영국의 TWI(The Welding Institute) 에의해개발된이래 1), 알루미늄합금을중심으로한금속재료의새로운고상접합법으로주목을받아, 이에관한연구및개발이활발히진행되고있다 2-8). Sanderson 등 4) 은, 이접합법을대부분의알루미늄합금에적용할수있는것으로보고하고있다. 또한, 마찰교반접합부의미세조직에관한연구에서는, 마찰교반접합중에고속으로회전하는공구에의해재료가강소성가공됨으로써접합부에서동적재결정이일어나고, 그결과미세한재결정립이접합부에형성된다고보고되고있다 5,6,9). 이러한마찰교반접합법의특성을이용하여, 이기술을재료의미세조직제어에응용한기술이마찰교반프로세스 (Friction Stir Process; FSP) 이다. 본고에서는, 이러한마찰교반프로세스를치밀한금속재료및다공질금속재료의표면개질에응용한결과에대하여소개한다. 2. 치밀한금속재료의표면개질 2.1 원리 Fig. 1에마찰교반프로세스를이용한표면개질법의원리를나타내었다. 마찰교반프로세스는마찰교반접합법을응용한기술이기때문에, 그원리는마찰교반접합법과유사하다. 즉마찰교반프로세스를이용한판재의표면개질을일례로들면, Fig. 1에나타낸것과같이, 먼저피가공재를고정시켜놓고, 고속으로회전하고있는마찰교반용공구의 Pin 부분을피가공재의개질하고자하는부분의내부에삽입시킨후, 공구를피가공재의표면을따라임의의방향으로이동시킨다. 이때, 공구의 Pin 부분과 Shoulder 부분이피가공재와마찰하여발생하는마찰열에의해피가공재의온도가상승함으로써가공부가연화된다. 이와동시에, 피가공재의내부에삽입되어고속으로회전하고있는 Pin에의해연화된피가공재가기계적으로교반되어강소성변형을일으키게된다. 그 Fig. 1 Schematic illustration of surface modification via friction stir process(fsp). 562 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 2008
19 결과, 피가공재의내부에서동적재결정이야기됨으로써, 결정립이미세화된다 5,6,9). 이때, 표면개질층의깊이는핀의길이등을조절함으로써제어가가능하다. 마찰교반프로세스와마찬가지로재료를강소성가공함으로써, 미세조직을제어할수있는방법으로는 ECAP (Equal-Channel Angular Pressing) 10), HPT (High- Pressure Torsion) 11), ARB (Accumulative Roll Bonding) 12) 등이주목을받아연구및개발이활발히진행되고있다. 그러나, 이러한방법들의대부분은재료의표면또는일부만을강소성가공하는방법이아니라, 재료전체를강소성가공함으로써미세조직을제어하는기술이기때문에, 재료의표면부근만을국부적으로가공하여표면부의특성을향상시키는표면개질기술로서적용하기는어려운실정이다. 이에반하여, 마찰교반프로세스는, 전술한바와같이, 금속재료의표면부근만을국부적으로강소성가공함으로써개질할수있다는특성을가지고있다. 2.2 알루미늄합금의표면개질 본장에서는, 공업용순알루미늄 1050의냉간압연재 ( 두께 5mm) 에마찰교반프로세스를적용하여표면을개질한결과에대하여소개한다. 2.2.1 미세조직 Fig. 2 13) 에표면부를마찰교반프로세스를이용하여가공한후의마찰교반부 (SZ) 부근의광학조직을나타내었다. 미가공부 () 에서는, 압연방향 (RD) 으로결정립이조대하게연신된전형적인압연조직을관찰할수있다. 그러나, 표면부근의마찰교반부에서는고속으로회전하는 Pin에의해재료가강소성가공됨으로써, 압연조직은사라지고새로운미세조직이형성되어있다는것을알 수있다. Kwon 등 13) 은, 공구의이동속도가 155 mm/min으로일정할경우에있어서, 공구의회전속도가감소함에따라마찰교반부의결정립경또한감소하여공구의회전속도가 560 rpm인경우에있어서는 1회의가공만으로도결정립경을서브미크론까지도미세화할수있었다고보고하였다. 일반적으로, ECAP나 ARB 프로세스를이용하여결정립을서브미크론까지미세화시키기위해서는수회이상의반복적인가공을필요로한다는것을고려하면, 마찰교반프로세스는금속재료의표면개질에대단히효과적이라고할수있다. 2.2.2 경도분포 Fig. 3 13) 에마찰교반프로세스를이용하여표면부를가공한후마찰교반부부근의경도분포를조사한결과를나타내었다. 이때, 공구의이동속도및회전속도는각각 155 mm/min 및 560 rpm으로하였다. 마찰교반부는미가공부보다약 40% 나높은경도값을나타내었다. 이러한결과는, 전술한바와같이, 마찰교반프로세스에의해마찰교반부의결정립경이미세화되었기때문인것으로사료된다. 마찰교반부내에서는, AS (Advancing Side; 공구의회전방향과공구의이동방향이동일한쪽 ) 가 RS(Retreating Side; 공구의회전방향과공구의이동방향이반대로되는쪽 ) 보다높은경도값을나타내었다. 또한, 마찰교반부와미가공부사이의경도변화에있어서도 RS에서보다 AS에서경도값이급격하게변화하는것을알수있다. 이러한결과로부터, 마찰교반부에있어서의경도분포는공구의회전축을중심으로좌우에서비대칭성을나타냄을알수있다. Kwon 등 13) 은, 마찰교반부내에서의이러한경도값의불균일성은공구의회 57.5-60.0 55.0-57.5 52.5-55.0 50.0-52.5 47.5-50.0 45.0-47.5 42.5-45.0 40.0-42.5 37.5-40.0 35.0-37.5 32.5-35.0 30.0-32.5 0.5 1.0 RD RS SZ AS 1 mm Distance from Top Surface of SZ (mm) 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 RS SZ AS Fig. 2 Typical optical macrostructure of a cross- section perpendicular to a tool traverse direction of cold-rolled and friction-stir- processed 1050 aluminum alloy. Unprocessed zone, friction stir processed zone, retreating side and advancing side are labeled, SZ, RS and AS, respectively 13) Fig. 3 4.0-10 -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 Distance from SZ Center (mm) Typical Vickers microhardness distribution on a cross-section perpendicular to a tool traverse direction of cold-rolled and frictionstir-processed 1050 aluminum alloy 13) 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 6 號, 2008 年 12 月 563
20 전속도가증가함에따라감소하는경향을나타내는것으로보고하고있다. 3. 다공질금속재료의표면개질 발포알루미늄합금을대표로하는다공질금속재료는, 다량의기공을포함하고있는셀구조를형성하고있다. 이러한독특한구조로인하여, 치밀한금속재료와비교하여경량성, 충격흡수성, 흡음성, 단열성등이매우우수하기때문에, 자동차, 의료, 건축, 토목등과같은다양한산업분야에서주목을받아연구가활발히진행되고있다 14-20). 최근, 이러한다공질금속재료의표면개질방법으로마찰교반프로세스를응용한기술이개발되었다 21). 본장에서는마찰교반프로세스를응용한다공질금속재료의표면개질기술에대하여소개한다. 3.1 원리 Fig. 4 21) 에마찰교반프로세스를응용한다공질금속재료의표면개질법의원리를나타내었다. 이표면개질법역시마찰교반프로세스와마찬가지로마찰교반접합법을응용한기술이기때문에, 그원리는마찰교반접합법과유사하다. 먼저, 피가공재인다공질금속재료를고정시켜놓고, 원주형의비소모성공구를고속으로회전시키면서, 다공질금속재료의표면으로부터임의의깊이까지삽입한후, 공구를다공질금속재료의표면을따라이동시킨다. 이때, 고속으로회전하고있는공구와다공질금속재료사이의마찰현상에의해마찰열이발생하고, 이마찰열에의해다공질금속재료의온도가상승하여연화된다. 이와동시에, 연화된다공질금속재료의표면층에서는고속으로회전하는공구에의해소성변형이유기된다. 이러한결과로서, 다공질금속재료의표면부근의셀구조가국부적으로파괴되고표면부근에서치밀 Fig. 4 Schematic illustration of surface modification of porous metals. The surface-modified zone and the unprocessed zone are labeled SMZ and, respectively. And then, X, Z, and Y represent the tool traverse direction, the tool rotation axis direction, and the width direction of the porous metals, respectively 21) 화가이루어짐으로써, 다공질금속재료의표면에다공질이아닌새로운치밀한표면층이형성된다. 3.2 발포알루미늄합금의표면개질 본장에서는, 마찰교반프로세스를응용하여발포알루미늄합금의표면부를개질한결과를일례로서소개한다. 3.2.1 표면형상 Fig. 5 21) 에공구의이동속도를 150 mm/min으로일정하게유지하고, 공구의회전속도를 (a) 820, (b) 1390 및 (c) 2400 rpm으로변화시켜, 발포알루미늄합금의표면 (a) (b) (c) Fig. 5 Surface appearances of the porous metals friction-surface-modified at the tool rotation speeds of (a) 820, (b) 1390, and (c) 2400 rpm under the constant tool traverse speed of 150 mm/min 21) 564 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 2008
21 을가공한후표면의형상을관찰한결과를나타내었다. 미가공부 () 에서는다량의기공을포함하고있는발포알루미늄합금의셀구조가관찰된다. 그러나, 표면개질부 (SMZ) 에서는기공이일부잔존하고있지만미가공부와는달리, 공구의모든회전속도에서명확한셀구조는관찰되지않고, 미가공부보다평탄한새로운구조의표면층이형성되었다는것을알수있다. 특히, 1390 rpm에서는가장기공이적고평탄한표면개질부가얻어졌다. 이러한결과로부터, 본프로세스에있어서공구의회전속도는표면개질부의형상에영향을미치는중요한인자임을알수있다. 3.2.2 기계적특성 Fig. 6 21) 에공구의이동속도를 150 mm/min으로일정하게유지하고, 공구의회전속도를 820, 1390 및 2400 rpm으로변화시켜표면을개질한발포알루미늄합금에있어서표면개질부의기계적특성을조사하기위하여, 강구를이용하여최대압입강도를측정한결과를나타내었다. 공구의모든회전속도에있어서, 표면개질부의최대압입강도가미가공부보다증가하였다는것을알수있다. 특히, Fig. 5에나타낸것과같이, 가장기공이적고평탄한표면개질부가얻어진 1390 rpm에서미가공부보다약 2배정도높은최대압입강도를나타내었다. 이러한결과로부터, 본프로세스에있어서공구의회전속도는다공질금속재료의표면개질부의형상뿐만아니라, 기계적특성에도영향을미치는중요한인자임을알수있다. Load, F / kn 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 820 1390 2400 Tool Rotation Speed, r / rpm Fig. 6 Influence of the tool rotation speed on the maximum indentation load in the surfacemodified zone of the porous metals. The broken line shows the maximum indentation load in the unprocessed zone 21) 4. 결론 본고에서는, 금속재료의새로운표면개질기술로서주목을받아연구및개발이활발하게진행되고있는마찰교반프로세스를치밀한알루미늄합금압연재및다공질알루미늄합금의표면개질에적용한예를중심으로, 그원리와특성등에대하여소개하였다. 마찰교반프로세스를이용하면, 수회이상의반복적인가공을필요로하는 ECAP나 ARB와는달리 1회의가공만으로도금속재료의결정립경을서브미크론까지미세화할수있을뿐만아니라, 다공질금속재료의표면을치밀화함으로써, 금속재료의기계적특성을향상시킬수있다. ECAP 나 ARB는재료전체를가공함으로써미세조직을제어하는기술인반면에, 마찰교반프로세스를이용하면재료의국부적인부분, 특히표면부에대한미세조직의제어가가능하다는등의다양한특성을보유하고있기때문에, 향후다양한산업분야에서그응용이확대될중요한표면개질기술중의하나로서발전해나아갈것으로기대된다. 참고문헌 1. W. M. Thomas, E. D. Nicholas, J. C. Needham,M. G. Murch, P. Templesmith and C. J.Dawes: GB Patent Application No. 9125978.8, Dec. 1991, US Patent No. 5460317, Oct. 1995 2. W. M. Thomas and E. D. Nicholas: Materials & Design 18(1997), 269-273 3. C. J. Dawes and W. M. Thomas: Weld. J. 75 (1996), 41-45 4. A. Sanderson, C. S. Punshon and J. D. Russell: Fusion Engineering and Design 49-50(2000), 77-87 5. C. G. Rhodes, M. W. Mahoney, W. H. Bingel, R. A. Spurling and C. C. Bampton: Scr. Mater. 36 (1997), 69-75 6. G. Liu, L. E. Murr, C. S. Niou, J. C. McClure and F. R. Vega: Scr. Mater. 37(1997), 355-361 7. Y. Li, L. E. Murr and J. C. McClure: Mater. Sci. Eng. A 271(1999), 213-223 8. O. V. Flores, C. Kennedy, L. E. Murr, D. Brown, S. Pappu, B.M. Nowak and J. C. McClure: Scr. Mater. 38(1998), 703-708 9. L. E. Murr, G. Liu and J. C. McClure: J. Mater. Sci. Lett. 16(1997), 1801-1803 10. P. B. Berbon, S. Komura, A. Utsunomiya, Z. Horita, M. Furukawa, M. Nemoto and T. G. Langdon: Mater. Trans. JIM 40(1999), 772 778 11. N. Tsuji, K. Shiotsuki and Y. Saito: Mater. Trans. JIM 40(1999), 765 771 12. I. V. Alexandrov, Y. T. Zhu, T. C. Lowe, R. K. Islamgaliev and R. Z. Valiev: Nanostruct. Mater. 10(1998), 45 54 13. Y. J. Kwon, I. Shigematsu and N. Saito: J. JAPAN Inst. METALS 66(2002), 1325-1332 (in Japanese) 14. L. J. Gibson and M. F. Ashby: Cellular Solids: Structures and Properties(2nd Edition), Cambridge University Press, 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 6 號, 2008 年 12 月 565
22 1997 15. M. Ashby, N. Fleck, H. Wadley, J. Hutchinson and L. Gibson: Metal Foams: A Design Guide, Butterworh- Heinemann, 2000 16. J. Banhart: Prog. Mater. Sci. 46(2001), 559 632 17. F. Yi, Z. Zhu, F. Zu, S. Hu and P. Yi: Mater. Charact. 47(2001), 417 422 18. C. M. Moran, J. A. Ross, C. Cunningham, M. Butler, T. Anderson, D. Newby, K. A. A. Fox and W. N. McDicken: Ultrasound Med. Biol. 32(2006), 421 428 19. Z. Xie, T. Ikeda, Y. Okuda and H. Nakajima: Mater. Sci. Eng. A 386(2004), 390 395 20. W. Jiejun, L. Chenggong, W. Dianbin and G. Manchang: Comp. Sci. Technol. 63(2003), 569 574 21. Y. J. Kwon, I. Shigematsu and N. Saito: Mater. Lett. 62(2008), 4458-4460 1968년생 울산대학교첨단소재공학부 비철경량금속재료, 마찰교반접합 e-mail : yongjaikwon@mail.ulsan.ac.kr 566 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 2008