30 연구논문 공정변수에따른 Al 모재와 Fe 계합금분말의레이저오버레이층거동 유연곤 * 강남현 ** 김철희 * 김정한 * 김목순 *** * 한국생산기술연구원정밀접합팀 ** 부산대학교재료공학부 *** 인하대학교금속공학과 Effect of Process Parameters on Laser Overlay Behavior of Fe-based Alloy Powder on Aluminum Substrate Yeon-Gon Yoo*, Namhyun Kang**, Cheol-Hee Kim*, Jeong-Han Kim* and Mok-Soon Kim*** *Advanced Joining Technology Team, KITECH, Incheon 406-880, Korea **School of Materials Science and Engineering, Pusan National University, Pusan 609-735, Korea ***School of Materials Science and Engineering, Inha University, Incheon 402-751, Korea Abstract A joining of dissimilar metal combination faces significant problems such as poor strength and cracking associated with brittle intermetallic compounds (IMC) formed. An application of laser allows low heat input; leading to less dilution and smaller heat affected zone. The CO 2 laser overlay was conducted on an AC2B alloy with feeding Fe-based powders. The overlay area was significantly influenced from the travel velocity rather than the powder feeding rate. The interface between the overlay and substrate consisted of the hard and brittle IMC (FeAl 3, Fe 3Al, Fe 2Al 5), which initiating and propagating the crack. The reciprocating test for the slide wear was conducted on a multi-pass overlay experiment. Comparing with the multi-pass overlay with no overlap, the overlay with 50% overlap showed better wear resistance. * Corresponding author : nhkang@pusan.ac.kr (Received October 25, 2006) Key Words : CO 2 laser, Cladding, Fe-based powder, Al substrate, Crack, Overlay, Wear resistance 1. 서론 에너지부족과환경문제에직면하여연료전지, 배터리-가솔린엔진의하이브리드카, 그리고초경량자동차등차세대자동차를연구ㆍ개발하고있다. 경량화자동차를위한연구결과차체나엔진부분에서알루미늄의적용이증가하고있다 1). 엔진부분에서도내열성을가진고강도내마모알루미늄소재기술에대해서관심이증가하고있다. 알루미늄은높은열전도율과가볍다는장점이있지만마모특성의개선이필요하다. 알루미늄 에내마모성을부여하기위한방법중엔진밸브시트제작을위해서는레이저클래딩기술이적합하다 2,3). 일반적으로레이저클래딩공정은내마모성, 내식성, 내열성등의특성을모재표면에부여하는기술이다. 레이저클래딩은낮은입열로인한모재의변형을최소화하고미세한부분에국부적으로클래딩할수있기때문에협소한부위의 3차원형상에대한육성용접에적합한기술이다 4). 하드페이싱용내마모재료로는텅스텐탄화물 (WC) 5) 과 Co계스텔라이트합금분말이주로사용되고있으나, 텅스텐탄화물 (WC) 은고가이고 Co계스텔라이트 30 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 1, February, 2007
공정변수에따른 Al 모재와 Fe 계합금분말의레이저오버레이층거동 31 합금은환경문제로인하여사용을꺼리고있기때문에, Fe계 (Fe-Cr-C) 분말을선정하였다. Fe계분말은기계적성질이우수하고가격이저렴하다는장점이있다 6). 이와같이필요에의해알루미늄경량화소재와내마모 Fe계재료를접합하기위해서는클래드층과모재사이의계면부근에서발생하는취약한금속간화합물 (Intermetallic Compounds) 로인한균열을조심하여야한다 7). 본연구에서는레이저클래딩의공정변수에따른클래드층의형상, 계면영역에서의균열과금속간화합물 (IMC) 거동및기계적특성평가를수행하였다. 2. 실험재료및실험방법 2.1 실험재료 모재는자동차실린더헤드에사용되고있는 AC2B로하였으며, 빔의흡수율을증가시키기위하여센드블라스팅후초음파세척을하였다. Fe계분말은 4종류 (Fe, Fe-Cr-C, Fe-Cr, Fe-Si) 의분말을혼합기를이용하여 Fe-20Cr-1.7C-1.1Si 의비율로혼합하여사용하였다. Fe 계오버레이분말은대기상에존재하는수분제거를위하여 40~45 로가열하면서실험하였다. 모재와분말의합금조성은 Table 1에나타내었다. 2.2 실험방법본실험에서는 12kW CO 2 레이저와분말송급장치를사용하여레이저오버레이실험을실시하였다. 레이저오버레이공정은 Fig. 1과같이모재를고정하고레 이저헤드가이동하면서분말을공급하였으며, 레이저가분말공급노즐을후행하는방식으로실시하였다. 레이저오버레이의주요공정변수는 Table 2에나타내었다. CO 2 레이저의초점직경은 400μm로넓은면적을오버레이하고자할때는부적합하다. 따라서원하는초점직경을얻기위해 CO 2 레이저의특성상 defocusing하여실험하였고, 아노다이징알루미늄시편을이용하여초점직경을측정하였다. 보호가스의경우유량이작을때에는보호가스로서의역할과파우더이송에어려움이있었고, 유량이많은경우는안정된비드형성에악영향을끼치므로적절한유량을선택하였다. 최적의초점직경과보호가스유량을결정한후다른공정변수인출력, 레이저열원이송속도및분말공급량에따른오버레이층의형상거동을관찰하였다. 그리고최적의레이저오버레이조건을사용하여다층오버레이시편을제작하였으며, 금속간화합물의거동및내마모성에대한기초연구를수행하였다. One-pass 공정으로마친시편의경우단순히 오버레이, multi-pass 공정을수행한시편의경우에는 다층오버레이 로용어를통일하였다. 모재희석을최소한으로하고안정된오버레이를얻기위하여최적의조건에서다층오버레이를 Fig. 2와같은방법으로실행하였다. 다층오버레이의내마모성을시험하기위하여 50% overlap 시편과 no overlap 시편을준비하였다. 오버레이층은박리되는경향이있으므로두층으로두께를제한하였다 8). Table 2 Parameter of laser overlay process Table 1 Composition of the powder and the substrate (Wt%) Al Fe Cr Cu C Si AC2B Bal. - - 3-6 Powder - Bal. 20-1.7 1.1 Parameter Power(kW) Travel Speed( mm /min) Powder Feeding(g/min) Spot Size( mm ) Shielding Gas(l/min) Values 3, 2.5, 2, 1.5 180, 150, 120, 90 3.6, 4.2, 4.8, 5.4 3.5 4(Ar 99.9% 이상 ) (a) 50% overlap Fig. 1 Diagram of the laser overlay process (b) No overlap Fig. 2 Multi-pass overlay procedures 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 1 號, 2007 年 2 月 31
32 유연곤 강남현 김철희 김정한 김목순 3. 실험결과및고찰 오버레이층의단면은클래드층, post-molten 층그리고모재로크게 3부분으로나누어진다. 레이저오버레이공정변수에따른오버레이층의형상거동에대한연구를위하여단면을 Fig. 3과같이정의하였다. Post- molten 영역은레이저빔의영향에의해서녹은영역이아닌용융된 Fe-Al 합금층의열에의해서녹은후응고된영역으로모재와같은조성을가지지만더욱미세한조직을가지는응고부이다. Post-molten 영역의미세조직은모재보다미세하였으며클래드층과같이 columnar-dendritic 미세조직을보였다. 3.1 공정변수에따른오버레이층의거동 Fig. 4에서는출력이증가하고속도가느려짐에따라 post-molten영역의폭 (W p ) 이증가하는현상을보여주고있다. 이는출력과함께모재에대한열영향이증가한다는것을나타낸다. 1.5kW의낮은출력과 180mm/min의빠른속도에서는모재의용융이전혀이루어지지않고오버레이층도형성되지않았다. 속도가 150, 120, 90mm/min 으로낮추었을때공정시작부분에서부터모재가녹지않고각각의속도에따라모재의용융위치가다르게나타났다. 반면, 3kW의출력에서는비드외관의형성은잘이루어졌으나단면관찰시많은양의균열이발견되었다. 그러므로적정출력은 2kW로정하였다. Fig. 5에서는출력을 2kW로고정하고분말공급량과속도에따른클래드층의단면적 (A c ) 에대한거동을설 Clad area A c (mm 2 ) 2kW 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 90mm/min 120mm/min 150 mm/min 180 mm/min 3.6 4.2 4.8 5.4 Powder feeding rate(g/min) Fig. 5 A c as a function of powder feeding rate 명하고있다. 분말공급량이증가하고속도가감소하면서 A c 는증가하는것을알수있다. 레이저이송속도를 90mm/min 으로고정하고분말공급량을 5.4g/min 에서 3.6g/min 으로감소하였을경우, 분말공급량을 33% 감소하였더라도 A c 는 2.9mm 2 에서 2.4mm 2 로 17% 감소하는데그쳤다. 그러나분말공급량을 5.4g/min 으로고정하고레이저이송속도를 90mm/min에서 120mm/min으로증가하였을경우, 레이저이송속도를 33% 증가하면 A c 는 2.9mm 2 에서 1.9mm 2 으로 34% 감소하는것을볼수있다. 즉, 분말공급량의감소보다레이저이송속도가감소함에따라 A c 의감소에미치는영향이더우세하였다. 그리고분말공급량이급격히증가하는경우 (9g/min 이상 ) 에는서로다른열팽창계수로인하여오버레이층이박리되는현상을나타내었다. 3.2 One-pass 오버레이층에서의 Interface Crack Ratio (ICR) Fig. 3 Classification of laser overlay cross-section Fig. 6에서 Interface Crack Ratio(ICR) 를정의하였고, 이를 Eq. 1과같이수식으로나타내었다. Fig. 7은각각클래드층의계면영역에서발생하는균열, 계면영역과 post-molten영역의사이에서발생하는균열, postmolten 영역에서발생하는균열의유형에대해서보여주며이모든균열을주사전자현미경 (SEM, 1,000) 으로관찰하였을때, 확인된균열을 ICR 계산 6.5 6.0 5.5 5.4g, 90mm/min 5.4g, 120mm/min W p (mm) 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Power(KW) Fig. 4 W p as a function of laser power Fig. 6 Diagram of the quantitative analysis for ICR 32 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 1, February, 2007
공정변수에따른 Al 모재와 Fe 계합금분말의레이저오버레이층거동 33 (a) (c) (b) (d) Fig. 7 Laser overlay cross-sections showing various crack patterns (a) crack above interface, (b) crack at the interface, and (c) (d) cracks below the interface 에적용하였다. Fig. 7에서볼수있듯이오버레이층끝단에서반대쪽끝단까지균열또는 IMC가연속적으로발생하지는않았다. 이러한이유로정량적으로균열현상을분석하고자 ICR 개념을활용하였다. (1) 클래드층과 post-molten영역사이의계면에서발생하는균열을정량적으로평가하기위하여시편을일관성있게모든공정조건에서시작지점의 2/3지점을절단하여채취하였다. ICR은공정조건에따라대표시편 1개를측정하였고, 분말공급량및이송속도에따라 Fig. 8 에나타내었다. 이송속도에따른뚜렷한경향을찾을수는없었지만분말공급량이가장작은 3.6g/min 일때 ICR 이가장작게나타났다. 특히 2kW, 3.6g/min, 180mm/min 일때 ICR 0% 인건전한오버레이층을형성하였다. 균열의양이가장낮은분말공급량을사용한조건에서최저값을보인것은 Fe계합금분말이 Al 모재와희석되는정도에따라계면에서 Fe-Al 계 IMC가형성되며, 계면부근에서의희석정도는오버레이층의전체희석율로는추정이어려우므로보다자세한연구가필요할것으로생각한다. ICR 실험의경우각공정조건마다대표시편에대한결과를해석하였고반복성검사를수행하지는못하였으나, 다음과같은이유로데이터의타당성을인정하게되었다. 첫째 Figs. 4, 5에서오버레이층형상의경우분명한경향성및반복성을확인하였다. 둘째 Fig. 8에서분말공급량이 3.6g/min인경우 4.2~5.8g/min 조건에비하여모두낮은 ICR 값을보였다. 그러나보다높은신뢰성의 ICR 분석을위해서는반복성검사를통한통계학적인 ICR 분석을수행하는것이바람직하며, 이를통하여균열발생의정확한메커니즘을연구할수있을것으로판단한다. 3.3 One-pass 오버레이층에서의경도오버레이층의단면에서계면영역을기준으로클래드층과모재사이의경도를마이크로비커스경도계를이용하여측정하였다. 하중은 2.9427N(300g), 시간은 10초의조건으로측정한결과, Fig. 9에서나타나듯이모재보다는 post-molten영역에서 H v 20~30 이상의값을나타내었다. 또한계면영역에서 H v 700~800의높은경도값을보였다가오버레이층내부로갈수록 H v 450 정도로감소하였다. 계면영역에서높은경도값을보이는것은 Fe-Al 계금속간화합물 (IMC) 의형성이계면영역에집중되어있음을보여주는단적인증거이다. 거의모든공정조건에서 IMC에의한경도증가현상을확인하였으나, Fig. 8에서알수있듯이오버레 100 2kW 800 ICR(%) 90 80 70 60 50 40 30 5.4g/min 4.8g/min 4.2g/min 3.6g/min Hardness[HV 0.3 ] 700 600 500 400 300 20 200 10 100 0 90 120 150 180 Velocity(mm/mi) Fig. 8 ICR as a function of travel velocity and powder feeding rate 0-2.0-1.5-1.0-0.5 0.0 0.5 1.0 Distance from the interface[mm] Fig. 9 Micro hardness along the depth of laser overlay 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 1 號, 2007 年 2 月 33
34 유연곤 강남현 김철희 김정한 김목순 이층계면전구간에서모두균열이발생하지않았으며 IMC 역시계면전구간에서균일하게발생하지않았다. 계면을사이로 IMC가형성된부분과형성되지않은부분에대한결정학적인실험이보충되고있으며, 이를통해서균열의발생원인을금속재료학적으로규명할수있을것으로생각한다. 3.4 One-pass 및다층오버레이층에서의금속간화합물 (IMC) Fig. 10은오버레이층의단면이미지와 EDS 분석결과이다. 오버레이층의비드상부에서부터모재까지 100μm간격으로 EDS분석을하였으며, 분석된지점을 SEM 이미지상에 A~J로나타내었다. D, E, F 구간에서 Fe에고용된 Al의 Wt% 는 9.13, 53.93, 69.04로각각나타났다. 이는상태도로확인하였을때 Fe 3 Al, Fe 2 Al 5, FeAl 3 가형성된것으로예측된다. 이로부터 Al-Fe 이종재료의접합시오버레이층과모재사이의계면영역에서금속간화합물이형성됨을확인할수있었다. SEM과 EDS 분석으로오버레이층과모재사이의계면영역에서형성된금속간화합물의상분석을위해다층오버레이시편을사용하여 XRD 분석을하였다. 다층오버레이시편은 ICR이 0% 인 2kW, 3.6g/min, 180mm/min 의조건에서수행하였다. 50% overlap시편과 no overlap 시편은계면영역의두께에따른상분석을위해 Fig. 11과같이 200μm간격으로연마하여각각 4 개씩준비하였다. Figs. 12, 13에서 overlap 유무에따라다층오버레이계면영역에서발생하는 Fe 3Al, FeAl 3, Fe 2Al 5 와같은취약한 Al-Fe 금속간화합물층이형성되었음을알수있다. 50% overlap 시편의경우 no overlap 시편과는다르게계면영역의하단부분에서 Fe 2Al 5 상이나타났다. 통상적으로 Fe-rich 금속간화합물보다는 Al-rich 금속간화합물의경우매우취약한기계적특성을가진 (a) 50% overlap (b) No overlap multi-layer Fig. 11 Schematic cross-section of XRD specimen numb er 50% overlap Fe 3 Al FeAl 3 Al Fe 2 Al 5 Intensity 20 30 40 50 60 70 80 90 2θ Fig. 12 Phase analysis for 50% overlap multi-pass overla y 100 80 A B C D E F G H I J No overlap multi-layer Fe 3 Al FeAl 3 Composition[wt.%] 60 40 20 Intensity Al 0-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Distance from top surface[mm] Fig. 10 SEM image of laser overlay cross-section for E DS analysis 20 30 40 50 60 70 80 90 2θ Fig. 13 Phase analysis for no overlap multi-pass overlay 34 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 1, February, 2007
공정변수에따른 Al 모재와 Fe 계합금분말의레이저오버레이층거동 35 다. Fe 2Al 5 상과 FeAl 3 상을동시에가지고있는 50% overlap 시편과 FeAl 3 상을단독으로가지고있는 no overlap 시편에대한비교분석은매우중요한연구가될것으로판단되나, 이번연구의범위에는포함되지않았다. 금속간화합물의유형과양이계면균열및마모성과도관련이있을것으로판단된다. 3.5 다층오버레이층에서의내마모실험 다층오버레이공정을마친시편은표면이불규칙하므로표면을연마한후면접촉왕복미끄럼마모시험을수행하였다. 내마모실험은 Table 3의조건으로실험한후시편의무게손실과내마모재료로사용되고있는 Ni-based Deloro50 과비교하였다. Fig. 14는 50% overlap 시편과 no overlap 시편의단면이미지이다. Table 4의결과에서나타나듯이 no overlap 다층오버레이조건보다 50% overlap 의조건에서내마모성이좋다는것을알수있었다. 이는 Fig. 14에서볼수있듯이오버레이층의건전성과도연관성이있을것으로판단되며, Figs. 12-13의 XRD 결과에서 Al-rich 금속간화합물의유형과연관시켜보면 FeAl 3 및 Fe 2Al 5 를동시에가지고있는 50% overlap 조건이 FeAl 3 를단독으로가지고있는 no overlap 다층오버레이조건보다내마모성이좋게나타난것으로판단된다. No overlap의경우패스간의불균일한오버레이층성분으로인하여내마모특성이저하된것으로판단된다. 금속간화합물과내마모성에대한연구는마모표면분석에서마모기구해석을체계적으로수행할계획이다. 결론적으로 50% overlap 시편과 no overlap multi-layer 시편모두 Ni-base Deloro 50보다우수한내마모성을나타내었다. (a) (b) Table 3 Reciprocating wear test conditions Load Friction velocity Friction stroke Reciprocating frequency Test Temperature 15ksi 3 mm/sec 9mm 100 cycles 25, 100 Fig. 14 SEM images of the multi-pass overlay crosssection (a) 50% overlap and (b) no overlap Table 4 Reciprocating slide wear test Specimen Temp( ) Weight loss(mg) 50% overlap 0.8 No overlap 25 2.1 Ni-base Deloro 50 116.1 50% overlap 0.4 No overlap 100 5.6 Ni-base Deloro 50 164.5 Ni-based Deloro 50 (Wt%) Ni-12.31Cr-12.31Fe-3.62Si-2.04B-0.6C 4. 결론 본연구를통하여 Al 모재위에 Fe계합금분말을사용한레이저오버레이의가능성을보여주며, 다음과같은결론을얻을수있었다. 1) 분말공급량이증가하고, 이송속도가낮아짐에따라클래드층의영역 (A c) 도증가하였다. 2) 분말공급량보다는이송속도가클래드층의영역 (A c) 에미치는영향이더우세하였다. 3) 분말공급량이 4.2~5.6g/min 일때보다 3.6g/min 일때계면에발생한균열 (ICR) 은감소하였다. 4) 계면영역에서의 Fe 3Al, FeAl 3, Fe 2Al 5 와같은취약한 Al-Fe 금속간화합물 (IMC) 의형성으로인하여높은경도값을나타내었으며, 이는균열이발생하고전파된원인으로보인다. 5) Fe계 (Fe-20Cr-1.7C-1.1Si) 합금분말은 50% overlap 시편의내마모성이 no overlap 다층오버레이보다뛰어난것을알수있었다. 참고문헌 1. W.S. Miller, L. Zhuang, J. Bottema, A.J. Wittebrood, P. De Smet, A. Haszler, A. Vieregge. : Recent develpment in aluminium alloys for the automotive industry, Materials Science and Engineering A280 (2000) 37-49 2. Kawasaki, M. ; Takase, K. ; Kato, S. ; Nakagawa, M. : Development of Engine Valve Seats Directly Deposited Onto Aluminum Cylinder Head by Laser Cladding Process, SAE transactions, 101-3 (in Japanese) 3. J. Arnold and R. Volz, : Laser Powder Technology for Cladding and Welding, Journal of Thermal Spray Technology Vol. 8(2) June 1999 243~248 4. Jea-Do Kim, Byung-Cheol Jeon, Young-Gon Lee and Dong-Soo Oh, : Characteristics of CO 2 Laser Cladding with High Viscosity Mixed Powder, : Journal of KWS, 19-5 (2001) (in Korean) 5. Nam-Hyun Kang, Hyun-Byung Chae, Jun-Ki Kim, Jeong-Ha Choi and Jeong-Han Kim, : Abrasion Wear 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 1 號, 2007 年 2 月 35
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