8 연구논문 초내열합금분말에의한 PTA 오버레이부의연삭마모특성연구 김영식 *, 최영국 ** 임창훈 *** 김종도 **** * 한국해양대학교기계소재공학부 ** ( 주 ) 종합폴스타 *** 한국해양대학교대학원 **** 한국해양대학교기관시스템공학부 A Study on the Abrasive Wear Properties of the PTA Overlay Layers using the Super Alloy Powder Young-Sik Kim*,, Young-Gook Choi**, Chang-Hoon Lim*** and Jong-Do Kim**** *Dept. of Mechanic & Material Eng. Korea Maritime Univ., Busan 66-791, Korea **Jonghap Polstar, Busan 66-8, Korea ***Graduate student of Korea Maritime Univ., Busan 66-791, Korea ****Division of Marine Engineering System, Korea Maritime Uni., Busan 66-791, Korea Corresponding author : yskim@hhu.ac.kr (Received December 26, 28 ; Revised March 23, 29 ; Accepted May 6, 29) Abstract The Plasma Transferred Arc (PTA) overlay welding method is lately introduced as one of the most useful surface overlay method of the engine component. In this paper, the overlay welding on the SNCrW heat resisting alloy was conducted by the PTA overlay welding process using the super alloy powder. The characteristics of the overlay layers were investigated through the metallurgical and abrasive test. Experimental results showed that the overlay on the SNCrW heat resisting alloy surface was successfully made without hot cracking. The friction wear characteristics of the Co-base Stellite 6 overlayer were most superior. However the abrasive wear characteristics were most inferior in the Co-base Stellite 6 overlayer. Key Words : PTAW, SNCrW, Abrasive wear, Super alloy, Overlay 1. 서론 내연기관밸브와같은매우가혹한분위기에사용되는부품소재로는내열강또는니켈기및코발트기초내열합금재료가사용되고있다. 이들초내열합금재는매우고가인소재이기때문에이의사용수명연장을위한대책이매우중요하다. 수명연장방법으로는일정한계이상마모되어수명이끝난상태에서오버레이용접에의한재생처리를하는방법과새로이제작된밸브에대해그작동표면에더욱성능이우수한표면을창생하는표면개질처리를실시하는방법이현장에서이용되고 있다. 내연기관의밸브표면은연소실내에서발생하는미세한고형물질과충돌 마찰이일어나반복해서연삭마모가발생하기때문에연삭마모 (Abrasive Wear) 특성이매우중요하다. 이러한가혹한분위기에서사용되는엔진부품의표면개질방법으로는 PTA(Plasma Transferred Arc Welding) 법이널리이용되고있다. PTA법에의한표면개질층의마찰특성에대해서는최근들어그연구성과가발표되고있다 1-3). 그러나연삭입자에의한연삭마멸특성은아직까지연구되지않았다. 이연구에서는현장에서이용되고있는 PTA법에의해
초내열합금분말에의한 PTA 오버레이부의연삭마모특성연구 81 Table 1 Compositions of experimental materials (a) Experimental substrate Compositions (wt%) Fe Ni Si Mn C Cr W Co Ti Al other SNCrW 65.75 1. 1. 1..25 2. 2. - - - - Nimonic 8A 1.5 73. - -.5 19.5-1. 2.25 1.4.1 (b) Experimental overlay powder Compositions (wt%) Cr Ni Co Mo W Nb Ti Al Fe C other Inconel 625 21.5 61. - 9. - 3.6.2.2.5 Inconel 718 19. 5-3. - 5.1.9.5 18.5.8.15 Stellite 6 3. 1. 61.5-4.5 - - - 1. 1. - SNCrW 내열강소재표면에여러가지초내열합금재분말을이용하여표면개질처리를실시하고, 이표면에대해연삭마모특성을정량적으로조사하고자한다. 그결과현장에서실시되고있는 PTA 오버레이공정의적합성여부를판정하고여러가지분말을이용한개질표면의내연삭마멸특성을비교고찰하고자한다. 2. 시험편준비및실험방법 기를이용하여용접부, 계면, HAZ, 모재를각각측정하였다. 연삭마모특성은 Fig. 1과같은기구에의해알루미나 (Al 2O 3) 연삭입자를시험편표면과바퀴표면사이의마찰면에주입하면서일정회전수 (15,회 ) 만큼바퀴를회전하여마찰시험을실시하여시험전과시험후의무게감량을측정하여평가하였다. Photo 1은연삭마찰시험장치를보인것이다. 오버레이용모재는선박용주기관밸브재료로사용되고있는 SNCrW 내열강을사용하였으며, 비교재로서니모닉 (Nimonic) 초내열합금재도사용하였다. 오버레이 (Overlay) 재료로사용한초내열합금재는국내에서그응용법위가넓은인코넬 (Inconel) 625, 인코넬 718 및스텔라이트 (Stellite) 6의 3종류분말로하였다. Table 1은실험에사용한모재와오버레이재료의성분을나타낸것이다. Table 2는 PTA 오버레이공정의조건을보인것으로현장에서적용하고있는조건이다. 오버레이부의조직관찰은단면을절단후연마하여 CuSO 4+HCl+ 메타놀의부식액으로엣칭후광학현미경으로관찰하였다. 또한경도시험은마이크로비커스시험 Abrasive powder Load Test specimen Fig. 1 Schematic of abrasive wear teat Table 2 PTA conditions used Speed Current(A) Pilot gas(ar) Powder gas(ar) Shield gas(ar) Powder feed rate.555 r.p.m 115A /min 1/min 2/min 45g/min Photo 1 Abrasive wear test 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 3 號, 29 年 6 月
82 김영식 최영국 임창훈 김종도 Inconel 625 Inconel 718 Stellite 6 SNCrW Nimonic 8A Photo 2 Microstructure of the overlay layer on the SNCrW and Nimonic substrate 3. 실험결과 3.1 오버레이부의조직과경도특성 Photo 2는 SNCrW 내열강재표면과니모닉 (Nimonic) 초내열합금재모재표면에 PTA공정으로각각스텔라이트 (Stellite) 6, 인코넬 (Inconel) 625 및인코넬 718 분말을오버레이재료로하여오버레이를실시한단면의미세조직을보인것이다. Photo 2에의하면기지재가 SNCrW 내열강재의경우에는미세균열이관찰되지않고건실한용접부를얻을수있음을보인다. 그러나니모닉초내열합금이기지재인경우에는 3종류의시험편모두에서경계층아래의모재부에서미세한균열이발생되어있음을알수있다. 이러한균열은입계균열로나타나있어서오버레이시공중의액화균열로판단된다 4). 이러한액화균열은모재의결정립계에저융점원소의편석에기인한현상으로판단되며, 이의방지를위해서는오버레이시공에앞서모재에대한사전확산열처리를실시함이필요하다고판단된다. Fig. 2는 SNCrW 내열강모재와니모닉초내열합금모재에대해용가재료를달리하였을때각오버레이층에대한경도시험결과를나타낸것이다. 이결과에의하면 SNCrW 내열강기지재에서는오버레이부의경도값이기지재와거의비슷하거나스텔라이트오버레이부는상승하는양상을보이고있다. 이에비해니모닉기지재에서는스텔라이트에서만기지재와비슷한경도값을보이며, 인코넬재의오버레이부에서는기지재보다경도값이낮아지는현상을보이고있다. 45 4 35 3 Hv 25 2 15 1 5 Weld Bond Base SNCrW 1.8.6 Hv Fig. 2 4 35 3 25 2 15 1 5 Diatance(mm) (a) SNCrW Substrate Weld Bond Base Nimonic 8A 1.8.6 Diatance(mm) (b) Nimonic 8A Substrate Inconel 625 Inconel 718 Stellite6 Inconel 625 Inconel 718 Stellite6 Results of hardness tests with various overlay materials 3.2 오버레이부의연삭마멸특성 Fig. 3은이전의연구에서밝힌핀온디스크 (Pin on disk) 방법에의해마찰시험한결과이다 3). 이결과에의하면기지재의경우에는 SNCrW 가가장작은마모량을보이고있으며, 니모닉기지의경우가가장많은마모량을보이고있다. 그리고 SNCrW내열강모재의오버
초내열합금분말에의한 PTA 오버레이부의연삭마모특성연구 83.45.4.35.4.35.37 3.5 3 2.86.3.25.2.15.18.27 2 1.5 1.69 2.34 2.1 2.37 2.3.1 1.5.5 Nimonic 8A SNCrW Stellite6 Inconel718 Inconel625 Fig. 3 The result of friction wear test Stellite6 Inconel718 Inconel625 non heat treatment post heat treatment post-weld heat treatment condition 3 2.86 2.34 2.37 2.15 2 1.5 1.5 Nimonic 8A SNCrW Stellite6 Inconel718 Inconel625 Fig. 4 The result of abrasive wear test 레이부에서는스텔라이트에서가장작은마모량이나타나는현상을보이고있다. 또한 Fig. 4는본실험에서밝힌연삭마모시험결과를보인것이다. 이결과에의하면스텔라이트가가장많은마모량을보이고있다 Fig. 3과 4의결과에의하면마찰마모와연삭마모양상이다른결과를보인다. 즉마찰시험에서는경도가가장높은스텔라이트에서내마모성이가장우수하게나타나나, 연삭마모에서는스텔라이트에서가장열악한마모특성을보인다는것이다. 이상과같은결과는이전의연구 3) 에서밝힌캐비테이션특성과같은현상을보인것이다. 즉케비테이션시 Stellite 6 62 1hr. Inconel 718 62 5hr. Inconel 625 62 5hr. Fig. 5 The result of abrasive wear test 험의경우에도표면경도가가장높은스텔라이트의경우에가장많은케비테이션에로젼감량을보이고있다. Photo 3은연삭마모시험을실시하고난후에각시험편의표면을저배율로촬영한사진이다. 이사진에의하면스텔라이트시험편의경우에가장거칠게나타나있어연삭마모시험시에큰입자들이탈락되었음을보여준다. 따라서 PTA공정중에충분히용융되지못한상태로적층된피막층입자들이연삭마모시험중큰입자상태로탈락되기때문에가장큰마모상태를보이는것으로고찰된다. 이들의결과는 3종류의분말에대해오버레이공정조건을동일하게한것으로최적의공정조건에대한검토가이루어져야할것으로사료된다. 후열처리조건은예비실험을통해오버레이부의경도값이최대로되는조건으로하였다 5). 이결과에의하면후열처리에의해전체적으로연삭마모특성이개선된결과를보이며, 특히스텔라이트6 재의경우에가장현저히개선된결과로보인다. 이처럼 Stellite 6 Nimonic 8A SNCrW Photo 3 Appearance of the surface of post abrasive test 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 3 號, 29 年 6 月
84 김영식 최영국 임창훈 김종도 후열처리에의해연삭마모특성이개선되는것은 3종류의오버레이재료에서각기다른기구에의해설명될수있으나 M 23 C 6 형탄화물의형성, γ 또는 γ 상의석출거동과관련이있는것으로사료되나이들초내열합급의고온에서의시효상변화거동에대해서는더많은연구가필요하다 6). 4. 결론 SNCrW 내열강표면에스텔라이트 (Stellite) 6, 인코넬 (Inconel) 625 및인코넬 718의초내열합금분말을이용하여 PTA오버레이공정에의해오버레이용접을실시하고오버레이부에대한조직검사, 경도변화및연삭마모 (Abrasive Wear) 시험을실시하였다. 또한오버레이부에대한열처리를실시하여, 열처리효과를조사하였다. 그결과를정리하면다음과같다. 1) SNCrW 내열강모재에 PTA에의한초내열합금오버레이실시시니모닉 (Nimonic) 재를모재로했을경우에비해액화균열의발생없이건실한용접부를얻을수있다. 2) 내열강표면에형성된오버레이층의경도는스텔라이트오버레이층이가장높고연삭마모특성은스텔라이트오버레이층이가장많은마모감량을보인다. 3) SNCrW 내열강모재표면에형성된초내열합금 오버레이층은모재에비해, 연삭에의한마모량이더증가한다. 4) 열처리에의해오버레이부의마모특성이개선되며그효과는스텔라이트 6경우에가장현저하게나타난다. 참고문헌 1. B. S. Lim, S. H. Hwang, C. J. Shur : A Study on the Formation of Functionally Composite Layer on Al Alloy Surface by Plasma Transferred Arc Overlaying Process. KWS, 17-5 (1999), 17-112 (in Korean) 2. B. H Yoon, C. H. Lee, H. J. Kim : Wear Behavior of Plasma Transferred Arc Deposited Layers for Ni-and Co-base Alloy, Journal of KWS, 19-5 (21), 92-99 (in Korean) 3. Y. S. Kim, Y. G. Choi, K. R. Lee : A Study on the Characteristics of the Ni base Super Alloy Overlay Layer by Plasma Transferred Arc (PTA) Method, Journal of KWS, 24-3 (26), 255-26 (in Korean) 4. Korea Welding Society : Handbook of Welding & Joining, (1998), 27 (in Korean) 5. M. S. Kang : A Study on the Friction & Wear Properties of the Nimonic 8A Superalloys Overlay Layers by PTA Processing with Heat Treatment, (25), Thesis of Master degree of Graduate School of Korea Maritime Univ 6. KWJS : Hand Book of Welding and Joining (28), 369-374 (in Korean)