28 특집 : 마찰교반용접의최근기술동향 고탄소강의마찰교반접합에관한최근연구 연윤모 최돈현 안병욱 이창용 이종봉 정승부 Recent Studies on Friction Stir Welding of High Carbon Steels Yun-Mo Yeon, Don-Hyun Choi, Byung-Wook Ahn, Chang-Yong Lee, Jong-Bong Lee and Seung-Boo Jung 1. 서론 고탄소강은고강도및내마모특성이있어중장비, 철도및공구등의산업분야에서사용되고있고더많은산업분야에서적용확대가요구되고있지만현재로는인성과용접성이미흡하여사용분야가상당히제한되고있는실정이다. 특히용접이필수적인구조물에고탄소강을적용하기위해서는용접부경화에의해쉽게발생되는저온균열을방지해야한다. 그러나저온균열은탄소함량이증가하면예열및후열처리도근본적인방지대책이될수없기때문에최근에는이를극복하기위한방법으로고상접합방법인마찰교반접합 (FSW) 의적용성에관한연구 1-5) 가다수이루어지고있다. 일반적으로저탄소강을마찰교반접합하는경우 6-9) 에는알루미늄 (Al) 합금및오스테나이트계스테인리스강등에서와같이접합부에서조직변태가일어나지않지만중탄소강에서는조직의변태가수반된다고보고되고있다 1). 따라서고탄소강및초고탄소강의마찰교반접합에관한연구에서도이와같은조직의변화를고려한접합특성개선이집중검토되고있다. 이러한연구들이훌륭한성과를거두어고탄소강의용접이쉽게이루어질수있다면각종산업분야에서고탄소강의적용이획기적으로확대될수있으므로최근의관련연구는항상중요한관심의대상이되고있다. 따라서본보고에서는고탄소강의마찰교반접합에대하여지금까지발표된연구결과를중심으로접합조건에따른접합부의미세조직, 기계적특성그리고템퍼링처리에따른조직의변화등을종합하여소개하고자한다. 2. 접합부조직 고탄소강을용융용접하면용접부전면에마르텐사이트가생성되어용접부가매우경화되는관계로용접이곤란하지만마찰교반접합법으로접합하면접합부각영 Fig. 1 Surface appearance of SK5 steel FSW joint(a) and cross section perpendicular to the welding direction(b) 역의미세조직이접합조건에따라변화한다. Fig. 1 5) 은고탄소강 (.84wt% C) 을초경합금 (WC- Co alloy) 툴을사용하여툴회전속도 rpm, 접합속도 8mm/min 의접합조건에서비드온플레이트방식으로마찰교반접합된접합부표면및단면마크로조직을나타낸다. (a) 에나타내듯이접합부표면의경우, 툴숄더와고탄소강과의마찰에의해형성된비드주변에는마찰열에의하여숄더직경보다더넓게산화된영역이나타나는것이관찰되며교반부의후진측 (RS) 이전진측 (AS) 에비해열영향부 (HAZ) 가넓게관찰된다. 또한, (b) 에나타내듯이접합교반부 (SZ) 는접합결함없이양호하게접합되어있음을알수있다. 마찰교반접합된고탄소강의접합부단면조직을 Fig. 2 5) 에나타낸다. 교반부는 (a)(b)(c) 에나타내듯이마찰교반접합시고온으로가열된후, 공냉에의해주로마르텐사이트조직이형성되나일부영역에서는페라이트와시멘타이트의이상혼합조직이관찰된다. 교반부의 AS(c) 영역이 RS(a) 영역에비해마르텐사이트가비교적많이형성되었으며교반부에서의마르텐사이트는냉각속도가빠른 SZ의상부에서비교적많이관찰된다. 498 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 5, October, 9
고탄소강의마찰교반접합에관한최근연구 29 rpm rpm Top 1 μm 1 μm Middle 1 μm 1 μm Bottom Fig. 2 Microstructures of cross section in SK5 steel friction stir weld (a)sz(rs) (b)sz (center) (c)sz(as) (d)haz (e)bm 11 Temperature, 1 Advancing side Tool pin Retreating side -2-1 1 2 Fig. 3 Peak temperature distribution for FSW of SK5 steel using a tool rotational speed of rpm and welding speed of 1.2mm/min 알루미늄합금과같이열전도율이높은재료의경우, 접합시 AS와 RS에서의온도는거의차이가나지않지만스테인리스강등과같이열전도율이낮은재료의경우에는 Fig. 3 11) 에나타내듯이 AS의온도가 RS 보다높게나타내는것을알수있다. 열전도율이낮은고탄소강 (.8wt% C) 의경우, 근방에서 34 스테인리스강의열전도율과거의유사하며 12) Fig. 3의 34L 스테인리스강에서와같이 AS의최고온도가 RS 온도에비해약 1 이상높을것으로예상되므로접합시, 변태된오스테나이트의양또한증가하게될것이므로이러한결과를고려할때접합후변태되는마르텐사이트또한증가하는것으로생각된다. 열영향부의경우, (d) 에나타내듯이모재 (e) 와는다른형태페라이트및 Fe 3 C의 2상조직으로관찰된다. 접합부는교반부, 열영향부, 모재의 3개영역으로구성되며 Al합금과같은비철합금의마찰교반접합부 13-17) 에서관찰되는열및기계적영향부 (TMAZ) 는관찰되지않는데이는냉각사이클중의상변태때문에관찰되지않는것 18) 으로추정된 3 1 μm 1 μm Fig. 4 SEM images of central zones in SK5 steel joints FSW 다. 또한, 초고탄소강의경우 1,3) 에서도 TMAZ는관찰되지않는다. 툴회전속도변화에따른교반부의미세조직특성을 Fig. 4 5) 에나타낸다. 툴회전속도 rpm의교반부는단면의위치에관계없이주로마르텐사이트조직을나타내는데비해 rpm 의경우는냉각속도가가장빠른상부 (TOP) 에서도페라이트와시멘타이트의혼합조직을나타낸다. 이는툴회전속도감소에따른최고가열온도의저하와밀접한관련이있음을시사한다. 강을초경또는 PCBN 툴을사용하여마찰교반접합하는경우, 최고온도는강의종류에따라 19-1 정도된다고보고 19-21) 되고있어마찰교반접합중의초기조직은접합시열사이클중, 완전오스테나이트화된후고탄소강의경화성때문에냉각사이클중에마르텐사이트로변태하게된다 3). 3. 접합부의마르텐사이트량, 경도분포및잔류오스테나이트량 고탄소강 (.72% C) 을여러가지접합조건에서 WC툴을사용하여마찰교반접합한접합부의조직사진을 Fig. 5 4) 에나타낸다. 냉각속도가느린툴회전속도 rpm, 접합속도 25mm/min의접합조건에서는펄라이트와약 16vol% 의마르텐사이트조직으로구성되어마르텐사이트양이적지만냉각속도가빠른툴회전속도 rpm, 접합속도 mm/min 의접합조건에서는마르텐사이트가약 97% 생성된다. 접합속도 25mm/min 의경우, 툴회전속도를 rpm 으로부터 rpm으로저하시킴에의해접합시최고온도를감소시켜전면펄라이트조직도 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 5 號, 9 年 1 月 499
3 연윤모 최돈현 안병욱 이창용 이종봉 정승부 rpm, mm/min 1vol% rpm, 25mm/min rpm, 1mm/min rpm, mm/min 16vol% 85vol% 97vol% 1 μm 1 μm 1 μm 1 μm rpm, 25mm/min rpm, mm/min 1 μm 2 μm Fig. 5 SEM images of the stir zone of S7C steel FSW joints at different welding conditions Temperature, 1 rpm, mm/min rpm, mm/min A 1 =723 1 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Time, sec Fig. 6 Temperature cycles for thermocouples located on the bottom surface at the centerline for S7C steel 얻을수있다. 한편, 툴회전속도변화에따라접합후조직도변화한다. mm/min 의동일한접합속도에서도툴회전속도가빠른 rpm 의경우에는 1% 마르텐사이트가형성되나 rpm의조건에서는변태가수반되지않아극히미세한구상시멘타이트와페라이트혼합의이상조직이얻어진다 4). 그러나고탄소강의경우, 마르텐사이트변태종료온도 (M f ) 온도가상온이하임을고려할때접합부내에는잔류오스테나이트가일부존재 3) 하리라생각된다. 이러한조직의변화는마찰교반부의최고도달온도와밀접한관련이있다. rpm 및 rpm 의툴회전속도에서접합을행하면 Fig. 6 2) 에나타내듯이최고도달온도가 A 1(723 ) 점을넘지만 rpm에서마찰교반접합을행하면최고온도가 A 1 점이하로억제된다. Fig. 7 2) 은마찰교반접합된 1 1mm/min mm/min 25mm/min 1-2 -15-1 -5 5 1 15 2 (a) 1 rpm rpm rpm 1-2 -15-1 -5 5 1 15 2 (b) Fig. 7 Microhardness profile of friction stir welded S7C steel along horizotal direction (a) rpm (b) mm/min Journal of KWJS, Vol. 27, No. 5, October, 9
고탄소강의마찰교반접합에관한최근연구 31 고탄소강의경도분포를나타낸다. 접합속도의영향은 (a) 에나타내듯이 1mm/min 및 mm/min 의경우, 접합부중심부근방에서높은경도값을나타내지만접합속도가느린 25mm/min 의경우는비교적낮은경도값을나타낸다. 이는 Fig. 5 4) 에나타냈듯이접합부가펄라이트와마르텐사이트 (16%) 의혼합조직으로구성되어있기때문이다. 툴회전속도의영향은 (b) 에나타내듯이 rpm 및 rpm의경우, 접합부중심부근방에서높은경도값을나타내지만 rpm 의경우는접합교반부의경도가모재보다약간증가된정도의값을나타내는것을볼수있다. 즉, 접합속도 mm/min 에서툴회전속도를 rpm으로저하시켜접합이 A 1 점이하에서이루어지도록접합조건을제어하면접합부내마르텐사이트의양을제어할수있는것으로생각된다. 이경우의형성조직은 Fig. 5 4) 에나타냈듯이접합부조직이마르텐사이트조직이아니라미세한페라이트와구상화한시멘타이트의혼합조직으로인성이풍부한미세조직이다. 이상에서와같이접합조건의제어에의해오스테나이트로변태되지않는 A 1 점이하의비교적저온의접합온도조건에서도고탄소강의마찰교반접합이가능함을알수있다. Fig. 8 1) 은초고탄소강 (1.2wt% C) 을 PCBN 툴을사용하여접합속도 76.2mm/min에서마찰교반접합한경우로서툴회전속도변화에따른접합부의경도분포를나타낸다. 모재경도는약 HV 이지만마찰교반접합후교반부의경도가급격히증가되어평균경도가약 85HV를나타내는것을볼수있다. 툴회전속도가바뀌어도접합부의경도분포에는큰변화가없다. 열영향부에서는모재경도 -32HV 로부터접합부중앙영역의경도 85HV 로급격히변화하지만열영향부에서의경도는접합교반부의경우에비해약간감소한다. 이상에서와같이고탄소강이상의탄소강에서마찰교반접합부의경도를저감시키기위해서는 A 1 점이하에서 마찰교반접합이이루어질수있도록툴회전속도를 -rpm 정도로제어할필요가있다. 마찰교반접합된초고탄소강의열영향부경도에미치는마르텐사이트의면적비율의영향을 Fig. 9 3) 에나타낸다. 모재조직의종류에관계없이경도는마르텐사이트면적비율에비례하여거의직선적으로증가하게되며이러한결과는경도가주로접합부의마르텐사이트조직의면적률로설명될수있음을의미한다. 마르텐사이트변태종료온도 (M f ) 는.6wt%C 이상의고탄소강의경우, 실온이하로알려져있어초고탄소강에있어서접합시변태된오스테나이트조직은접합후냉각시에완전히마르텐사이트로변태할수없어일부변태되지않은오스테나이트가마르텐사이트조직내에잔류하게된다 3). Fig. 1 3) 은 microduplex 조직의초고탄소강 (1.2wt% C) 을마찰교반접합후, 접합부내에존재하는잔류오스테나이트양에미치는툴회전속도의영향을나타낸다. 잔류오스테나이트는모든접합재에서관찰되며툴회전속도가증가함에따라잔류오스테나이트량이증가됨을보여준다. Fig. 9 2 4 6 8 1 Area fraction of martensite(%) Relationship between Vickers hardness and area fraction of martensite in the HAZ 1 Retreating side HAZ -25-2 -15-1 -5 5 1 15 2 25 Advancing side HAZ rpm rpm rpm Fig. 8 Vickers hardness profiles of the welds produced at rotational speeds of, and rpm Retained austenite content(mass%) Fig. 1 25 2 15 1 5 Weld center Rotational speed (rpm) Effect of rotational speed on retained γ content at the weld center in the microduplex structure 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 5 號, 9 年 1 月 51
32 연윤모 최돈현 안병욱 이창용 이종봉 정승부 4. 접합부의템퍼링 마찰교반접합법으로초고탄소강을결함없이접합할수있지만초고탄소강접합부에형성된마르텐사이트조직때문에접합부는취성을띠므로접합부의기계적성질을향상시키기위하여접합부에는템퍼링처리가요구된다 3). Fig. 11 3) 은툴회전속도 rpm, 접합속도 76.2mm/min 의접합조건에서마찰교반접합한초고탄소강을템퍼링처리 (923K, 1.8ks) 후에측정된경도분포를나타낸다. 경도는접합부의경우, 85HV에서 39HV 로급격히감소한다. 또한, 열영향부에서약간의경도감소가생기는데이는템퍼링중발생되는 Fe 3C의성장에기인된다. 템퍼링처리한접합재에서의 Fe 3C석출은 Fig. 12 3) 에나타내듯이중앙부의마르텐사이트조직중, 초기오스테나이트결정입계, 마르텐사이트블록및패킷계면에서발생된다. 따라서초고탄소강의경우, 우수한기계적성질을얻기위해서는마찰교반접합후, 템퍼링처리를하는것이바람직하다. 5. 접합부의인장특성 마찰교반접합된고탄소강을인장시험하면주로모재에서파단될정도로접합강도가우수하다. 고탄소강 (.84wt% C) 을 WC툴을사용하여 8mm/min 의접합속 도에서툴회전속도를변화시킨경우의마찰교반접합재의인장시험결과를 Fig. 13 5) 에나타낸다. 마찰교반접합재의항복강도및인장강도는모재의경우와거의비슷하지만연신률은저하하는경향을나타낸다. 그러나툴회전속도가비교적낮은 rpm의접합재는 rpm의경우에비해연신률의감소가상대적으로적다. 이는 Fig. 4 5) 에나타냈듯이툴회전속도저하에따른미세조직의변화 ( 펄라이트생성 ) 에기인된다고판단된다. 또한이들마찰교반접합재는 Fig. 14 5) 에나타내듯이툴회전속도에관계없이모재에서파단될정도로접합강도가우수하다. 6. 맺는말 이상에서기술한바와같이탄소함량이.7% 이상되는고탄소강의접합방법으로마찰교반접합법을적용하는경우, 결함이없는비교적양호한접합부를얻을수있음을알수있다. 그러나어느정도의접합속도를유지하면서기계적특성이우수한마찰교반접합부를얻기위해서는접합이 A 1 점 (723 ) 이하에서이루어질수있도록 rpm 정도의낮은툴회전속도를적용해야한다. 또한, 초고탄소강의경우에는조직을안정화시켜기계적특성을향상시키기위해서는툴회전속도의저감뿐만아니라접합후템퍼링처리가필요하다. 1 Rotational speed : rpm Tempered at 923 K for 1.8 ks As-welded Tempered Tensile strength (MPa) 1 Y.S U.T.S Elon. 3 25 2 15 1 5 Elongation(%) -25-2 -15-1 -5 5 1 15 2 25 Fig. 11 Effect of tempering on hardness profiles of the welds rpm rpm BM Tool rotation speed Fig. 13 Transverse tensile properties of friction stir welded SK5 steel Fig. 12 SEM images of the tempered central zone Fig. 14 Fractured transverse tensile specimen of the friction stir welded SK5 steel. 52 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 5, October, 9
고탄소강의마찰교반접합에관한최근연구 33 이와같이종래아크용접이곤란했던고탄소강도마찰교반접합에의해접합이가능하고접합부조직을개선하여기계적특성의향상도도모할수있게되었지만실용화를위해서는툴의마모에의한생산성저하및강종및판재두께별접합조건의최적화등해결해야할문제들이아직많이남아있다. 그러나접합가능성이확인되었기때문에향후에는그동안용접이곤란했던주철및주강에도마찰교반접합의적용가능성을적극검토할필요가있다고생각된다. 참고문헌 1. Y.S.Sato, H.Yamanoi, H.Kokawa, T.Furuhara: Scripta Materialia, 57(7), 557-56 2. L.Cui, H.Fujii, N.Tsuji and Nogi: Scripta Materialia, 56(7), 637-64 3. Y.S.Sato, H.Yamanoi, H.Kokawa, T.Furuhara : ISIJ International, 48-1(8), 71-76 4. H.Fujii: J. of Japan Institute of Light Metals, 57-11(7), 499-55 5. D.H.Choi, C.Y.Lee, B.W.Ahn, J.H.Choi, Y.M.Yeon, K.Song, S.G.Hong, W.B.Lee, K.B.Kang, S.B.Jung: Proceedings of the Autumn Annual Meeting of Korea Welding and Joining Socity, 5(8), 2 6. A.P.Reynolds, W.Tang, M.Posada, J.DeLoach: Science and Technology of Welding and Joining, 8-6(3), 455-46 7. A.Ozekcin, H.W.Jin, J.Y.Koo, N.V.Bangaru, R.Ayer, G.Vaughn, R.Steel, S.Packer: International Journal of Offshore and Polar Engineering, 14-4(4), 284-288 8. R.Ueji, H.Fujii, L.Cui, A,Nishioka, K.Kunishige, K.Nogi: Materials Science and Engineering A(6), 연윤모 ( 延倫模 ) 1953년생 수원과학대학신소재응용과 마찰교반접합, 마찰용접 e-mail : ymyeon@ssc.ac.kr 최돈현 ( 崔敦鉉 ) 1982년생 성균관대학교신소재공학부 마찰교반접합, 마이크로접합 e-mail : cdh326@skku.edu 안병욱 ( 安秉旭 ) 1986년생 성균관대학교신소재공학부 마찰교반접합, 마이크로접합 e-mail : wordup1@skku.edu K.Nogi: Materials Science and Engineering A 423 (6), 324-33 9. H.Fujii, R.Ueji, Y.Takada, H,Kitahara, N.Tsuji, K.Nakata, K.Nogi: Materials Transactions: 47-1 (6), 239-242 1. L.Cui, H.Fujii, N.Tsuji, K.Nakata, K.Nogi, R.Ikeda, M.Matsushita: ISIJ International, 47-2(7), 299-36 11. J.H.Cho, D.E.Boyce, P.R.Dawson: Materials Science and Engineering A 398(5), 146-163 12. W.F.Gale, T.C.Totemeier: Smithells Metals Reference Book, Eight edition, Volume 2(4) 13. C.J.Dawes: Proceeding of the 6th International Symposium, JWS. (1996), Nagoya, 711-717 14. Y.Sato, H.Kokawa, M.Enomoto, S.Jogan: Metallurgy Materials Transaction A, 3-9(1999), 2429-2437 15. W.B.Lee, C.Y.Lee, W.S.Chang, Y.M.Yeon, S.B.Jung: Materials Letters, 59(5), 3315-3318 16. W.B.Lee, Y.M.Yeon, S.B.Jung: Materials Science and Technology, 19-6(3), 785-79 17. W.B.Lee, S.B.Jung: Materials Letters, 58(4), 141-146 18. Y.Zhang, Y.S.Sato, H.Kokawa, S.H.C.Park, S.Hirano: Materials Science and Engineering A 485(8), 448-455 19. W.M.Thomas, P.L.Threadgill, E.D.Nicholas: Science and Technology of Welding and Joining, 4-6(1999), 365-372 2. T.J.Lienert, W.L.Stellwag, JR., B.B.Grimmett, R.W. Warke: Welding Journal (3), 1s-9s 21. K.Okamoto, S.Hirano, M.Inagaki, S.H.C.Park, Y.S. Sato, H.Kokawa, T.W.Nelson, C.D.Sorensen : Proc. 4th Int. Sympo. Friction Stir Welding, TWI, Park City, Utah, USA, (3), CD-ROM 이창용 ( 李暢鎔 ) 1974년생 한국과학기술원기계기술연구소 마찰교반접합, 마이크로접합 e-mail : lcy11@skku.edu 이종봉 ( 李種鳳 ) 1953년생 POSTECH 철강대학원 철강용접 e-mail : jongblee@postech.ac.kr 정승부 ( 鄭承富 ) 1959년생 성균관대학교신소재공학부 마이크로조이닝, 마찰교반접합 e-mail : sbjung@skku.ac.kr 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 5 號, 9 年 1 月 53