27 연구논문 페라이트계스테인리스강 MAG 용접의기계적물성에관한연구 이경철 * 김재성 * 김현재 * 임경호 ** 이보영 **, * 한국항공대학교항공우주및기계공학과 ** 한국항공대학교항공우주및기계공학부 A Study on the Mechanical Properties of MAG Weld on Ferritic Stainless Steel Sheets Gyeong-cheol Lee*, Jae-seong Kim*, Hyun-jae Kim*, Kyoung-ho Lim** and Bo-Young Lee*, *Dept. of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University, Koyang 412-791, Korea **Dept. of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University, Koyang 412-791, Korea Corresponding author : bylee@kau.ac.kr (Received April 21, 2008 ; Revised May 16, 2008 ; Accepted March 27, 2009) Abstract Ferritic stainless steels have a good heat resistance and economic advantage. They are used for applications such as automotive exhaust systems where resistance to general corrosion is superior to carbon steels. However, there are not enough research for ferritic stainless steels on weldability mainly used as automotive exhaust manifolds. In this study, mechanical and microstructure properties of as-welded STS 429L and STS 444 ferrite stainless steels were confirmed by tensile, bending, hardness test, optical microscopy and scanning electron microscopy. Tensile strength of the STS 444 is higher than the STS 429L when it is a raw material. In contrast to this fact, STS 429L indicated higher tensile strength after butt welded. In addition, the hardness have a increasing tendency as getting down on the bead. Key Words : GMAW, MAG, Weldability, Ferritic stainless steel, STS 429L, STS 444, Solid wire STS430LNb 1. 서론 부품의경량화와더불어내구성의향상은차세대동력원개발과더불어자동차업계에서활발하게연구되고있는과제이다. 이와함께세계적으로환경문제에대한관심이점점높아짐에따라, 배기시스템의경량화와더불어점점더높아지는배기온도에대한내열성을만족시키는소재의개발이활발히진행되고있다. 일부자동차제조회사에서는고온내식성및내열성이우수하다고알려진페라이트계스테인리스강소재 STS429L 및 STS444 를배기매니폴드 ( 이하 hot end부 ) 에서부터머플러팁 ( 이하 cold end부 ) 까지전체배기계통에적용하고있다 1). 이중 hot end 부는고온강도및고온내식성내산화성이특히더높게요구되는부위로소재의특성에관 한연구와성능및수명과관련된연구가활발히진행중이다. 페라이트계스테인리스강에첨가되는페라이트안정화합금원소나오븀 (Nb) 과타이타늄 (Ti) 이화학적안정성외에도기계적강도에도긍정적인영향을미치는것으로보고되고있으며한단계더나아가최근개발된페라이트계스테인리스강은탄소와질소의함량을최소화하여용접후응고과정에서오스테나이트및마르텐사이트조직의생성을최대한억제시켜결함발생을최소화시키는것으로보고되고있다 2,5). 또한기계적측면에서도엔진각피스톤에서배출된배기가스가지나가는통로와이들이합쳐지는부위의형상최적화설계를통해배기가스가정체되어역류하게되는 Back flow 를최소화하여배기가스의유동성능및엔진출력을높여주는연구와열피로해석을통해배기시스템의수명을예측하는연구가활발하게진행되고있다 3-4). 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 2009 年 4 月 145
28 이경철 김재성 김현재 임경호 이보영 승용차에쓰이는 hot end 부는제작방법에있어, 제조사마다약간의차이가있으나최근의흐름은, 박판및배관을성형하고용접하는방식으로제작하는추세이다. 형상이복잡하기때문에성형과정에서생기는갭 (gap) 의영향을최소화하기위해소모성전극아크용접을적용하고있으며, 또한언더컷 (undercut) 과같은용접결함을최소화하고, 미려한비드외관을얻기위해 Ar에 O 2 를소량첨가한혼합가스공정으로생산하고있다. 현재국내에서는 Hot end 부를생산하고있는많은기업들이저탄소페라이트계스테인리스강중에서도고온강도및고온내식성이우수한 STS 444 소재나크롬 (Cr) 과몰리브덴 (Mo) 의함량을낮춰, 생산가격면에서경쟁력을확보한 STS 429L 소재를사용하고있다. 또한전극으로동종의페라이트계 STS 430LNb 용가재를사용하고있다. 그러나사용되는용접와이어와두모재의용접성과관련한연구는미비한실정이다. 문헌에의하면페라이트계스테인리스강은모재와화학적조성이같거나유사한페라이트계스테인리스강용가재를선택하여용접하는것이바람직하다고알려져있으나구조적으로어떠한영향을미치는지에대한연구는미미한실정이다. 이에본연구에서는페라이트계스테인리스강용접에주로사용되는 STS 430LNb 용가재를이용하여 hot end 부에주로사용되는두가지페라이트계스테인리스강소재 (STS 429L, STS 444) 의기계적물성차이를비교하고, 이들의용접특성을일부도출하였다. 2. 사용재료 본실험에사용한모재는국내에서생산된 2mm 두께의 STS 429L 및 STS 444 압연강판을사용하였으며, 용가재는 STS 430LNb(1.2 ) 를사용하였다. Table 1은모재와용가재의화학적조성을보여주고있다. STS 444 의경우 STS 429L 보다탄소의함량이다소높고실리콘및망간의함유량이낮다. 두가지모재와전극모두완전페라이트 (fully ferritic) 조직을갖고있으며, 용접후에도입계와입내에서완전페라이트조직을형성함을확인하였다. 용접부의기계 Table 1 Chemical compositions of ferritic stainless steels for this study C Si Mn Cr P Mo Cu Nb STS429L 0.03 1.0 1.0 15 0.04 1.7-0.5 STS444 0.06 0.19 0.28 18.6 0.021 2.0 - - STS430LNb 0.015 0.5 0.5 18.5 0.013-0.1 0.45 Table 2 Mechanical properties of Base Metals Yield Tensile Max. Bending Fracture Elongation [%] STS429L 360 480 640 19 STS444 385 520 665 20 적물성을비교하기위해모재의인장물성을구하였고, Table 2와같다. 모재에대한인장물성은모두압연된방향으로시험하여측정된값이며, 탄소함량이높은 STS 444 의모재물성이 STS 429L 보다높음을볼수있다. 파단연신율은각시험편마다 18~22% 범위내에서편차를보였으며 Table 2에기재된값은그평균값으로실제두모재의연신율은거의비슷한수준일것이라판단된다. 모든용접과정은 Ar 98% 와 O 2 2% 혼합가스를사용하였고, 채취한시험편의크기및형태는 Fig. 1과같이 KS 표준규격 6) 에맞추어제작하였다. R 7.5 30 15 38 120 3. 실험방법 본실험에서는소모성전극아크용접에서두종류의페라이트계스테인리스강에화학적조성이다른페라이트계전극으로용접시기계적물성의변화를비교하기위해강종을제외한모든용접조건을한가지조건으로진행하였으며, 아래보기맞대기용접을실시하였다. 동종의재질끼리맞대기용접한두가지시편 (STS 429L, STS 444) 과두모재를용접한한가지시편 (dissimilar) 을사용하였다. 용접조건의선정은비드끝단 (toe) 에서언더컷 (undercut) 이발생하지않고, 모재의두께이상으로용입이되는한조건을선정하여세가지시험편에동일하게적용하였으며공통적으로적용된용접조건은 Table 3에나타내었다. 모든맞대기용접시험편은용접후밀링가공및표면처리를통해비드를완전히제거하였고, 이과정에서용접부의시편두께가모재보다 0.3mm 더얇아지는결과를초래하였으나, 결과적으로용접부에서파단을유도하는긍정적결과를얻었다. Fig. 2는용접한시험편각각의조건에서의비드와그레인형태를보여주고있다. 120 Fig. 1 Schematic illustrations of specimens 146 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 2009
페라이트계스테인리스강 MAG 용접의기계적물성에관한연구 29 Table 3 Welding parameters for this study Welding Current 150A Welding Voltage 18V Welding Speed 10mm/sec 여기서 P : 시험기에서측정된최대하중 l : 굽힘서포터사이의거리 t : 시험편의두께 I : 시험편의폭방향관성모멘트 Heat Input Contact tip to workpiece distance Base Metal Dilution Rate (a) (b) 1.5kJ/cm 12mm 38~41% 4. 실험결과및고찰 4.1 인장물성 세가지모재조건에대한인장시험결과는 Table 5 와같다. 1,2,3 번시편모두용접부에서뚜렷한단면수축이발생하면서연성파단되었다. 파단면에대해전자주사현미경 (SEM) 을사용하여관찰한결과 Fig. 3 과같이 ductile rupture 에 equiaxed dimple 이형성된연성파괴가일어났음을확인하였다. 인장시험결과는 Table 4와같다. Table 2에나타낸모재강도와비교해볼때, STS 444 용접시험편의인장물성이낮게나타나는경향을가지고있는것으로판단된다. 4.2 굽힘물성 (c) 채취한굽힘시편에대해횡방향굽힘시험을실시한결과세시편모두최대굽힘각까지표면터짐이나 Fig. 2 Bead shpe and their enlarged grain boundaries of (a) STS 429L (b) STS 444 (c) dissimilar 인장시험은 50mm/min 의시험속도로실험하였고, 연신율측정은표점거리 50mm를기준으로시험전후에늘어난길이를측정하였다. 항복및인장응력모두공칭응력을사용하였으며, 항복응력은 0,2% offset (a) (b) method 를사용하여도출하였다. 굽힘시험은서포터간격 60mm, 최대굽힘각을 150 로한정짓고, 30mm/min 의시험속도로시험중표면에서 3mm이상균열이발생시시험을중지하는것으로설정하였다. 150 이내에서파단이발생하지않을경우연성은충분히확보된것으로판단할수있으나, 각시험편의굽힘강도를비교할수없기때문에시험기로부터얻어진하중값중에서최대하중에대해 flexural bending strength 를구하여굽힘강도를비교하였다. Flexural bending strength 를구하는식은다음과같다. (c) Fig. 3 Ductile rupture surfaces. The results from SEM analysis indicate equiaxed dimples. (a) STS 429L, (b) STS444, (c) dissimilar Table 4 Tensile strength of welded specimens Specimen types Yield Tensile Fracture Elongation [%] STS429L 385 510 16 S = Plt 4I (1) STS444 340 470 14 Dissimilar 380 495 15 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 2009 年 4 月 147
30 이경철 김재성 김현재 임경호 이보영 Table 5 Max. Bending of welded specimens Specimen types Max. Bending strength 210 STS429L 630 STS444 590 Dissimilar 615 균열이발생하지않았다. 이에따라최대굽힘하중이걸리는지점에서의강도를계산하여실험조건에대한최대굽힘강도를비교하여 Table 5에나타내었다. 인장시험결과와유사하게 STS 429L 만을용접했을시가장우수한물성을얻을수있었다. STS 444 시편의경우, 인장시험결과와비슷한경향을보여주는데, STS 430LNb solid wire 를사용하여용접후기계적물성이크게낮아지는것을볼수있다. Li. C 및 H.S Jeong의연구 9) 에따르면 STS 444 모재를 TIG 용접후응고과정에서저융점황화합물이석출되면서발생하는 micro crack 으로인해연성이떨어지는것으로보고된바있는데, 본실험에서도 STS 444 의경우연신율이가장낮은것으로확인되었다. 그러나모재및용가재에황성분이포함되어있지않은점과굽힘시험에서용접부터짐이나균열이발생하지않은결과로미루어볼때, 본실험에서 STS 444 의물성이낮아진원인은다를것으로판단된다. 세가지시험편에대해추가적으로광학현미경분석및 EDS 화학성분분석을실시하였으나용접금속및모재에걸쳐화학적조성의불균일이나경화상 (phase) 은발생하지않았다. 4.3 경도시험강도시험에서나타난파단강도차이와경도사이의상관관계를알아보기위해 Micro vickers 경도기를사용하여경도를측정하였으며, 수평및수직방향측정값을 Fig. 4와 Fig. 5에나타내었다. STS 444의용접부경도가용착금속및열영향부에서다른두시험편및모재경도보다낮게나타나는경향을보였다. 이는각시험조건별로강도차이가나타나는경향과유사하다. 또한페라이트계스테인리스강은일반적으로용접전후에경도변화폭이작은것으로알려져있는데 8), 측정방향을이면비드로부터비드상단까지수직방향으로측정한결과경도가점차적으로감소하는것으로나타났다. 완전페라이트조직이갖는빠른확산은용접후용접금속내화학적조성을균일하게하는특징이있다 5). Hardness, HV0.2 200 190 180 170 160 150 STS429L STS444 Dissimilar -4-2 0 2 4 Distance from center of weld metal(mm) Fig. 4 Micro Vickers hardness variations of horizontal direction Hardness, HV0.2 195 190 185 180 175 170 165 STS429L STS444 Dissimilar 160 Test location : 155 0.0 Center of weld metal 0.5 1.0 1.5 2.0 Distance from bottom Fig. 5 Micro Vickers hardness variations of vertical direction 따라서 Fig. 2와같은단면형상에서용접금속이차지하는면적이가장작은용접부하단이냉각속도가가장빠르며, 경도변화에가장큰영향을미쳤을것으로판단할수있다. 세가지모재조합조건에서모두덧살부에서이면비드로내려갈수록경도는점차적으로증가하는경향을보였다. 이로인해실제사용환경에서균열이발생할경우, 내부에서외부로의균열이진전될것으로예상되며, 또한모재와이면비드로의두께차이로인해이면비드가노치로작용하여응력집중으로균열발생의가능성도있을것으로판단된다. 5. 결론 페라이트계스테인리스강의 MAG 용접특성을요약하면다음과같다. 1) 모재의기계적물성은 STS 444 가 STS 429L 보 148 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 2009
페라이트계스테인리스강 MAG 용접의기계적물성에관한연구 31 다우수하나, STS 430LNb 로용접후기계적물성은 STS 444 가더낮은것으로나타났다. 2) STS 444의용접부경도는용착금속및열영향부에서다른두시험편에비해낮다. 이는용접후강도변화와유사한경향을보여준다. 3) 완전페라이트조직의특성상, 화학적조성의차이보다는냉각속도가강도및경도에가장큰영향을준인자일것으로판단된다. 4) 세가지모재조합조건에서모두덧살부에서이면비드로내려갈수록경도는점차적으로증가하는경향을보였다. 이로인해실제사용환경에서균열이발생할경우, 내부에서외부로의균열이진전될것으로예상되며, 또한모재와이면비드로의두께차이로인해이면비드가노치로작용하여응력집중으로균열발생의가능성도있을것으로판단된다. 후기 본연구는국가지정연구실 (No.M20604005402-06B0400-40210) 사업의일환으로수행되었기에이에감사드립니다. 참고문헌 1. JFE 21st. Century Foundation: Stabilized Rust and Corrosion Resistance Materials for Automobile Exhaust Systems, Chapter 1-E(2), An Introductions to Iron and Steel Processing, JFE. 2003 2. N.Fujita, K. Ohmura, A. Yamamoto: Changes of microstructures and high temperature properties during high temperature service of Niobium added ferritic stainless steels, Volume 351, Materials Science and Engineering A. 2003. 3. J.S. Kim, H.C. Kim, C.S. Jeon: Development of High Performance Gasoline Engine for Small & Middle Car, KSAE 2006 spring, 112~117 4. S.S. Kim, J.H. Lee, D.W. Kim: Development of Heat Resisting Austenitic Cast Alloy for Gasoline Engine Exhaust Manifold, KSAE 2006 spring, 1879-1885 5. John C. Lippold and Damian J. Kotecki : Welding Metallurgy and Weldability of stainless steels, John Wiley & Sons, Inc. 2005, 88-92 6. KSJC : KS B 0833 Fusion - welded butt joints in steel - Tranverse tensile test. 2001. 7. Robert D. Cook & Warren C. Young : Advanced Mechanics of Materials, Macmillan Publishing Company, 1985, 8. H. Ktafft : Alloy 430 Ferritic stainless steel Welds Fail Due to Stress-Corrosion Cracking in Heat- Recovery Steam Generator, Springer Boston, 2007. 9. Li C and H.S. Jeong : Weldability of type 444 ferritic stainless steel GTA welds, International KWS Journal 3-1 (2003), 29~33 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 2009 年 4 月 149