이광진 김상혁 권의표 손규승 大韓熔接 接合學會誌第 32 卷 2 號別冊 2014. 4
9 특집논문 ISSN 1225-6153 Online ISSN 2287-8955 이광진 *, 김상혁 ** 권의표 * 손규송 ** * 한국생산기술연구원 ** 전북대학교금속공학과 Friction Stir Welding of 900MPa Grade TWIP Steel Kwang-Jin Lee*,, Sang-Hyuk Kim**, Eui-Pyo Kwon* and Kyu-Song Son** *Korea Institute of Industrial Technology, Jeonju 561-202, Korea **School of Materials Science of Engineering, Chon-buk National University, Jeonju 561-756, Korea Corresponding author : kjlee@kitech.re.kr (Received April 26, 2014 ; Revised April 30, Accepted April 30, 2014) Abstract Friction stir welding (FSW) was successfully performed about 900MPa grade Twinning Induced Plastisity (TWIP) steel. A PCBN tool with convex-type shoulder was applied. Optimal process conditions were deduced. Microstructure and mechanical properties such as hardness, tensile strength and impact absorbed energy were observed and evaluated, respectively. An optical microscope (OM) and a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) was selected for observing the grain structure. Key Words : TWIP steel, FSW, Tensile strength, Hardness, Impact 1. 서론 자동차산업에서는충돌안전성및환경규제강화에대응하고자차체의경량화를위한기술개발에몰두하고있으며, 경량화소재로서알루미늄합금, 마그네슘합금과같은低비중경량소재와더불어, 강도특성이월등히우수할뿐아니라상대적으로경제적으로유리한고강도강 (HSS: High Strength Steel) 의개발과적용이적극적으로검토되어왔다 1-3). 최근에는 590MPa 급및 780MPa 급의복합조직 (DP: Dual Phase) 강과변태유기소성 (TRIP: Transformation Induced Plastisity) 강이일부 Pillar 류및 Member 류부품에적용되어차체경량화에기여하고있으나, 한층더강화된 1GPa 급초고강도강 (UHSS: Ultra High Strength Steel) 에대한요구가확대되고있다 4-5). 한편, 1GPa 급초고강도강은기존의고강도강대비연성, 성형성및용접성이현저히떨어지는문제점을가지고있다. 최근에는이러한문제점들을개선하여강도 연성지수 (MPa %) 가획기적으로향상된쌍정유기소성 (TWIP: Twinning Induced Plastisity) 강이주목을받고있다 6). 그러나, Mn 등의합금원소를다량포함하는고합금계인 TWIP 강또한용접성의확보가차체부품으로의적용확대를위해우선적으로해결되어야하는과제로남아있다. 본연구에서는, 저자의연구그룹이개발한 900MPa 급 TWIP 강에대하여, 알루미늄합금, 마그네슘합금과같은난용접성경량금속과스테인레스스틸, 타이타늄합금등의고융점금속재료에의적용가능성이폭넓게검토되고있는마찰교반용접 (FSW: Friction Stir Welding) 을실시하였으며 7-9), 용접부와모재에대한다양한기계적특성에대한시험을통하여초고강도 TWIP 강의마찰교반용접성을평가하였다. 2. 실험방법및절차 본연구에서는저자의연구그룹이개발한 900MPa 급 TWIP 강판재를사용하였으며, 그화학적조성을 Table 1에나타내었다. 판재제조를위한세부공정조 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Journal of Welding and Joining, Vol.32 No.2(2014) pp9-13 http://dx.doi.org/10.5781/jwj.2014.32.2.9
10 이광진 김상혁 권의표 손규송 Table 1 Chemical composition of base metal Table 4 Friction stir welding condition Mn C Al Nb Fe Specimen size 2t 70w 140L 15.9 0.61 2.02 0.05 bal. Table 2 Manufacturing process of base metal sheet Tool Probe dia. Probe length Travel speed 4.5mm 1.6mm 50~300mm/min Process Condition Casting Ingot 50t x 150w x 180L Homogenization 13733K, 3hr Hot Rolling 1223K, 4.6t FSW condition rotational speed 50~1100rpm Tilting 0 Dwell time 10, 15sec. Cold Rolling RT, 2.0t Annealing 1173K, 10min. Table 3 Mechanical properties of base metal Tensile specimen Yield strength (MPa) Tensile strength (MPa) Elongation (%) JIS Z 2201 563 872 84 건을 Table 2에나타내었으며, 모재에대한인장시험결과를 Table 3에나타내었다. 모재에대한광학현미경관찰결과를 Fig. 1에나타내었다. 전형적인 TWIP강의어닐링쌍정이관찰되었으며, 결정립의크기는약 40μm 정도로확인되었고, 결함은발견되지않았다. 마찰교반용접은 PCBN 으로제작한 Convex-type 의툴을사용하였으며, 시편및접합공정에대한자세한내용은 Table 4에정리하였다. 접합부단면에대한미세조직관찰을위하여정연마및 Nital etchant 를이용하여부식한후, 광학현미경 (Nikon, Epihot200) 을이용하여관찰을실시하였다. 100μm Fig. 1 Optical microstructure of base metal 인장시험후의파단면의관찰에는주사전자현미경 (FE- SEM, Carl Zeiss, SUPRA40VP) 을사용하였다. 경도는접합부단면에대하여표면으로부터 1mm 떨어진영역에서측정하였고, 비커스경도측정기 (Mitsutoyo, AAV-502) 를이용하였으며, 200gf 의하중을적용하였다. 인장시험은인스트론타입의인장시험기 (United, SFM-600KN) 를사용하였으며, 상온에서크로스헤드속도 1mm/mim 의조건에서실시하였다. 충격시험은 V-notch type 의 KS B 0809 규격의시험편을사용하였고, 샤르피충격시험기 (Zwick/Roell, RKP450) 를적용하였으며, 해머의각도는 150 로고정하였다. 3. 실험결과및고찰 3.1 접합부외관 툴삽입후의유지시간 (Dwell time) 을 10sec로설정한경우, 접합의초기부터 Tunnel 결함이생성되었으며, 툴의회전속도및이송속도를조절하여고입열공정조건에서시공한시편의경우는결함의폭이다소감소하는경향을보였으나, 결함은여전히존재하였다. 한편, 툴삽입후의유지시간을 15sec 로설정한경우는 Tunnel 결함이현저히감소하였고, 350rpm, 50mm/mim 의조건에서외관상결함이없는시편을제작할수있었다. 위의실험조건에서툴의외관관찰결과특별한마모현상은관찰되지않았다. Fig. 2에유지시간 15sec 에서제작된시편의외관사진을나타내었다. 위의결과로부터, 본모재와같은초고강도강의경우는알루미늄합금등의경량금속의경우와달리, 알루미늄합금및구조용연강대비 3~5배정도긴 15sec 정도의유지시간이요구되는것과이유지시간조건이건전한용접부확보를위한매우중요한공정조건임을확인하였다. 이러한결과는모재 (TWIP steel) 의초기온도가유지시 136 Journal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 2, 2014
11 Defect free (a) 50 μm Fig. 2 Appearance of FSWed specimen (b) Tool rotational speed (rmp) 600 450 Optimal condition 300 150 0 50 100 150 200 Tool traveling speed (mm/min) Fig. 3 FSW process window 간에따라결정되어지기때문이다. 유지시간이짧은경우에는모재 (TWIP steel) 의연화가충분히일어나지못하여툴의진행과교반력에의한유동이활발하지못하여초기에결함이생성되는반면유지시간이길어지면생성되는입열량이증가함으로써모재 (TWIP steel) 가충분히연화가일어나게되고툴이진행을실시하여도연화된모재가툴의진행과교반력에의하여충분한유동이일어나는결과를보이기때문이다. Fig. 3은툴의삽입후 15sec 유지하고마찰교반접합을실시하였을때결함없는접합부를얻을수있는공정범위이다. 툴의회전속도 : 350RPM, 툴의진행속도 : 50, 100mm/min의조건에서는결함이없는건전한마찰교반접합부를생성하는것을확인할수있었다. 이결과로부터툴삽입후적절한시간을유지하더라도툴의회전속도와진행속도가마찰교반접합의접합성에영향을미치는것으로확인되었다. Fig. 2의용접시편에서채취한시험편의용접부단면에대한결정립조직관찰결과를 Fig. 4에나타내었다. 전용접영역에서공공과같은미접합결함또는부분용융과같은용융결함은발견되지않았다. 마찰교반영역 (SZ: stir zone) 에서는모재대비매우미세화된 100 μm Fig. 4 Microstructure of FSWed area. (a) SZ, (b) TMAZ 5μm 정도의결정립조직이관찰되었으며, 열기계적영향영역 (TMAZ: thermo-mechanical affected zone) 에서는모재와유사한크기의결정립조직이관찰되었으며, 일반적으로용융용접부에서관찰되어지는조대화된결정립조직은관찰되지않았다. 3.2 기계적특성 마찰교반접합부단면에대한경도분포를 Fig. 5에나타내었다. 전체적인경도의분포는 SZ의중심부를기점으로좌우대칭형분포를나타내었으며, SZ의경도는모재 (250Hv) 보다높은값 (300Hv) 을나타내었고, 중심부 (400Hv) 에서가장높은값을나타내었다. 일반적으로용융용접부의주변에형성되어기계적특성저하의원인이되는열영향영역 (HAZ: heat affected zone) 이관찰되지않았다. SZ의경도가전반적으로모재보다높은값을나타낸것은마찰교반용접공정중에도입된 Strain 과마찰열에의한동적재결정에기인하는결정립의초미세립화의영향인것으로판단되었다. 또한, SZ 내에서의경도분포의차이는모재에첨가된원소들에의한화합물의형성에기인한것으로사료되었으나, 보다정밀한분석과관찰이요구되었다. 모재와마찰교반용접시편의인장시험결과를 Fig. 6 에나타내었다. 마찰교반용접부의기계적특성을정확 大韓熔接 接合學會誌第 32 卷第 2 號, 2014 年 4 月 137
12 이광진 김상혁 권의표 손규송 400 Hardness,Hv 300 200 100 TMAZ Stir zone TMAZ 0 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 1000 Distance, mm Fig. 5 Hardness profile of FSWed area FSW Base metal 10μm Fig. 7 SEM image of tensile fracture surface Table 5 Charpy impact test result of base metal and FSW specimen base metal FSW specimen Strength, MPa 800 600 400 Absorbed energy [J/mm 2 ] 1.20 1.14 200 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Strain Fig. 6 Stress-Strain curve of base metal and FSW specimen 하게평가하기위하여각각의시험편은 SZ 내에서용접방향을따라채취하였다. 인장시험결과, 마찰교반용접시편의인장강도와항복강도는각각 907MPa, 620MPa 로모재보다높은값을나타내었다. 모재의연신율이 80% 수준의매우높은값을나타낸것은냉간압연후실시한어닐링의영향인것으로판단되었다. 인장시험에의한파단면에대한주사전자현미경관찰결과를 Fig. 7 에나타내었다. 전반적으로매우미세한 dimple 이관찰된반면, 일부에서는상대적으로조대한 dimple 도관찰되었다. 이는인장시험에의한시험편의파단이매우미세한결정립으로구성된 SZ와결정립미세화가일어나지않은 TMAZ 의경계영역에서일어났음을시사하는결과로판단되었다. 샤르피충격시험의결과와충격시험후의시험편의사진을각각 Table 5와 Fig. 8에나타내었다. 마찰교반용접시험편의충격흡수에너지는모재와동등한수준으로확인되었고, 이는 SZ에서의결정립미세화에의한 Fig. 8 Appearance of failed impact test specimen 상승효과와경도증가에의한저하효과가복합적으로작용한결과인것으로판단되었다. 이상의결과들로부터초고강도 TWIP 강은마찰교반용접에의해모재와동등한수준의기계적성질을갖는용접부를확보할수있는것으로확인되었다. 4. 결론 본연구에서는, 저자의연구그룹이개발한 900MPa 급 TWIP 강에대하여마찰교반용접 (FSW: Friction Stir Welding) 을실시한후, 용접부에대한기계적특성의평가를통하여아래와같은결론을얻었다. 1) 900MPa급초고강도강에대한마찰교반용접에성공하였으며, 최적용접공정 ( 툴의회전속도 350rpm, 이송속도 50~100mm/min, 유지시간 15sec) 을도출하였다. 138 JJournal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 2, 2014
13 2) 최적조건에서제작된마찰교반용접부의인장강도, 충격강도및경도등의기계적특성은모재대비동등한수준을확보할수있다. 3) 마찰교반용접부에서의기계적특성의향상은마찰교반용접공정중의결정립미세화에기인하며, 열영향부를형성하지않는점도기계적특성의향상에기여하는것을확인하였다. 후 기 본특집호논문의일부는한국생산기술연구원산업계연계형사업의지원으로수행되었으며, 이에감사드립니다. Reference 1. Hashimoto shunichim : 5th International Conferenceon Processing and Manufacturing of Advanced Materials. 539-543 (2006), 4411-4416 2. Kazuhiro Abotani, Kazuhiro Hirohata, Tetsuya Kiyasu : Kawasaki steel Technical Report No. 48 (2003), 17-22 3. W. Bleck : Journal Of Metals, 48 (1996), 26-30 4.J. Adamczyk, A. Grajcar : Journal of Materials Processing Technology, 162-163 (2005), 267-274 5.B.C. De cooman : Current Opinion in Solid State and Materials Science. 8 (2004), 285-303 6. O. Bouaziz, S. Allain, C. P. Scott, P. Cugy and D. Barbier : Current Opinion in Solid State and Materials Science, 15 (2011) 141-168 7. Rajiv S. Mishra and Murrar W. Mahoney : Friction Stir Welding & Processing. Materials Park, OH. ASM International, 2007 8. Kwang-jin Lee and Sang-hyuk Kim : Effects of Tool Plung Position on Mechanical Properties of Friction-stir -welded Region in A6061-T6/AZ31 Dissimilar Metals, Journal of KWJS, 30 (2012), 22-26 (in Korean) 9. Rajiv S. Mishra, Murray W. Mahoney, Yutaka Sato, Yuri Hobanski and Ravi Verma : Friction Stir Welding & Processing, Hoboken, New Jersey. Jhon Wiley & Sons (2013) 이광진 1973년생 FSW & FSP, 이종금속접합및분석 e-mail : kjlee@kitech.re.kr 권의표 1981년생 초고강도강제조및미세조직분석 e-mail : ackep@kitech.re.kr 김상혁 1981년생 마찰교반접합, 용접야금 e-mail : qldus@kitech.re.kr 손규송 1988년생 초고강도강특성및미세조직분석 e-mail : sonks87@kitech.re.kr 大韓熔接 接合學會誌第 32 卷第 2 號, 2014 年 4 月 139