본 연구에서는 로켓엔진에 사용되고 있는 2상 스테인리스강의 브레이징 접합성에 관하여 접합 현상과 기계적 강도의 두가지 측면의 고찰을 통하여 검증하였다. UNS32550을 모재로, MBF-50을 인서트금속으로 사용하여 브레이징 접합온도를 1473K, 1498K로 변화시키고, 접합 시간은 0~1.8ks로 변화시키면서 각 조건에서의 접합현상을 고찰한 결과, 접합부에서는 모재와 인서트금속간의 반응으로 인해 다양한 상이 생성되었다. 접합 초기에는 접합계면 및 접합부 근방의 모재에서 BN가 생성되고, 접합계면에서는 Cr질화물이 생성되어 접합 시간이 증가함에 따라 BN과 Cr질화물의 양이 감소하였다. 전단시험 결과 500MPa의 우수한 전단강도를 얻었다.
본 연구에서는 로켓엔진에 사용되고 있는 2상 스테인리스강의 브레이징 접합성에 관하여 접합 현상과 기계적 강도의 두가지 측면의 고찰을 통하여 검증하였다. UNS32550을 모재로, MBF-50을 인서트금속으로 사용하여 브레이징 접합온도를 1473K, 1498K로 변화시키고, 접합 시간은 0~1.8ks로 변화시키면서 각 조건에서의 접합현상을 고찰한 결과, 접합부에서는 모재와 인서트금속간의 반응으로 인해 다양한 상이 생성되었다. 접합 초기에는 접합계면 및 접합부 근방의 모재에서 BN가 생성되고, 접합계면에서는 Cr질화물이 생성되어 접합 시간이 증가함에 따라 BN과 Cr질화물의 양이 감소하였다. 전단시험 결과 500MPa의 우수한 전단강도를 얻었다.
The brazing of duplex stainless steels which is an essential process for rocket engine manufacturing has been investigated on bonding phenomena and shear strength. The UNS32550 was used for base metal, and the MBF-50 was used for insert metal. Brazing was carried out under the various conditions (br...
The brazing of duplex stainless steels which is an essential process for rocket engine manufacturing has been investigated on bonding phenomena and shear strength. The UNS32550 was used for base metal, and the MBF-50 was used for insert metal. Brazing was carried out under the various conditions (brazing temperature : 1473K, 1498K, holding time : 0, 0.3, 0.9, 1.8 ks). There were various phases in the joint because of reaction between liquid insert metal and base metal, In the early stage, BN is formed in the bonded interlayer and base metal near the bonded layer. Cr nitride is formed in the bonded interlayer. The amount of BN and Cr nitride decrease with the increase of holding time. Superior shear strength of 550MPa is obtained by restraining the formation of nitride.
The brazing of duplex stainless steels which is an essential process for rocket engine manufacturing has been investigated on bonding phenomena and shear strength. The UNS32550 was used for base metal, and the MBF-50 was used for insert metal. Brazing was carried out under the various conditions (brazing temperature : 1473K, 1498K, holding time : 0, 0.3, 0.9, 1.8 ks). There were various phases in the joint because of reaction between liquid insert metal and base metal, In the early stage, BN is formed in the bonded interlayer and base metal near the bonded layer. Cr nitride is formed in the bonded interlayer. The amount of BN and Cr nitride decrease with the increase of holding time. Superior shear strength of 550MPa is obtained by restraining the formation of nitride.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 2상 스테인리스강의 브레이징에 대한 접합성을 검증하기 위하여, 접합 조건 변화에 따른 접합부의 미세조직 및 생성 상의 변화를 조사하고, 이들 결과를 바탕으로 접합부 근방에 생성되는 생성상의 생성기구에 대해서 고찰하였다. 또한, 전단시험을 통하여 접합부의기계적 특성을 평가하였다.
본 연구에서도 접합부 부근에서는 질화물로 판단되는 다양한 생성상들이 생성되었다. 따라서, 접합부 부근에 생성되는 생성상들의 분석 결과에 기초하여 생성상의 생성기구에 대해서 고찰하였다.
제안 방법
2상 스테인리스강의 브레이징시 접합부 부근에 생성되는 질화물들은 접합부의 기계적 특성을 저하시키기 때문에 이들 질화물을 억제시키기 위하여 접합전에 모재를 열처리하여 접합부 조직을 관찰하였다.
미세조직의 변화는 광학현미경과 Scanning Electron Microscope (SEM) 로 관찰하였고, 생성 상은 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) Electron Probe Micro Analyzer (EPMA)를 사용하여 점분석 및 선분석을 실시하였다. 또한 생성 상의 양적 변화를 알아보기 위해 Image Analyzer를 이용하여 분율을 측정하였다.
또한, 전단시험을 통하여 접합부의기계적 특성을 평가하였다.
모재 표면의 산화층과 불순물을 제거하고 균일한 조도상태를 유지하기 위하여 2상 스테인리스강을 연마 후 바로 수세하고 아세톤 초음파세척을 실시하여 건조한 후, 접합시료 사이에 인서트 금속을 삽입하여 진공로에서 접합하였다. 접합은 lx"!"의 진공분위기에서 Fig.
미세조직의 변화는 광학현미경과 Scanning Electron Microscope (SEM) 로 관찰하였고, 생성 상은 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) Electron Probe Micro Analyzer (EPMA)를 사용하여 점분석 및 선분석을 실시하였다. 또한 생성 상의 양적 변화를 알아보기 위해 Image Analyzer를 이용하여 분율을 측정하였다.
브레이징 조건변화에 따른 접합부의 조직관찰 결과로부터, 접합부 부근에 존재하는 생성 상들을 분류하였다. Fig.
브레이징 조건별로 접합부에 생성하는 생성 상의 변화를 조사하기 위하여 생성상의 분율을 측정하였다. Fig.
우주로켓용 엔진부품에 적용되는 2상 스테인리스강에 대한 브레이징을 실시하여, 접합부의 미세조직, 생성상의 변화 및 접합부의 강도평가를 행하여 얻은 결론은 다음과 같다.
접합부의 기계적 성질은 전단시험을 행하여 평가하였다. 본 실험에서 사용한 전단시험 편의 형상 및 치수를 Fig.
접합부의 기계적 성질을 평가하기 위하여 전단 강도시험을 실시하였다. Fig.
대상 데이터
UNS32550은 페라이트와 오스테나이트의 혼합조직을 가지고 있으며, 두 조직의 상비를 조정하기 위하여 다른 스테인리스강에 비해 Cr과 N의 함량이 많은 것이 특징이다. 또한, 브레이징시 인서트금속으로는 Ni기 비정 질 합금 박막인 MBF-50(두께 : 40)를 사용하였다. 이들의 조성을 Table 1에 나타낸다.
5는 이들 생성상들의 성분을 분석하기 위하여 EPMA를 사용하여 선분석한 결과를 나타낸 것이다. 선분석한 원소는 모재와 인서트 금속의 주요원소들을 대상으로 하였다. a상과 b상에서는 Cr과 N이 증가하고 있어 모두 Cr질화물임을 알 수 있다.
2에 나타낸다. 전단시험은 Instron사 model 8516의 고온 만능시험기를 사용하였다. 전단시험시 시험속도는 2mm/min으로 하였으며, 시험온도는 상온, 573K, 773K로 변화 시켜 실시하였다.
성능/효과
(1) 접합초기, 인서트금속의 융점 강하원소인 B과모재의 질소가 반응하여 BN가 접합계면 및 접합부 근방의 모재에 생성되었고, 그 양은유지 시간이 증가하면서 감소하였다.
(2) Cr질화물로 존재하는 상이 생성되었고, 그 양은 접합온도 및 유지시간이 증가함에 따라 감소하였다.
(3) 2상 스테인리스강 모재의 열처리 후 브레이징을 실시하면 접합부내 질화물로 판단되는 생성 상의 발생을 감소시킬 수 있었다.
(4) 1498KxO.9ks 동안 모재를 열처리한 후, 1498Kxl.8ks의 조건에서 브레이징한 시험편을 상온, 573, 773K에서 전단시험을 실시한 결과, 접합부의 전단강도는 시험온도의 증가에 따라 감소하였으며, 모든 조건에서 모재에서 파단되는 양호한 접합부를 얻을 수 있었다.
접합 초기 조건인 1473K X Oks 및 1498KX 이 에서는 접합 계면 부근에서만 작고 가는 침상생성 상들이 관찰되고, 접합부 중앙에서는 인서트금속 성분의 공정조직만이 관찰되었다. 0.9ks의 유지시간에서는 접합계면 부근의 침상생성상들은 보이지 않고, 생성상들이 조대화되면서 접합부 중앙으로 이동하고 그 양은 감소하는 경향이 나타났다. 유지 시간이 증가하여 1.
이는 온도에 따른 생성상의 자유에너지 변화로 설명될 수 있다. Cr질화물과 BN 의 자유도를 비교한 엘링감 도표를 보면, Cr 질화물인 CrN 및 C*N 에 비해 BN의 자유도가 낮기 때문에 안정한 상을 형성한다는 것을 알 수 있다 [3], 따라서, 접합초기에 접합계면에 생성된 많은 양의 Cr질화물이 유지시간이 증가하면서 Cr 질화물에 비해 자유도가 낮고 안정한 상인 BN로 변화하면서 0.9ks까지는 증가하였다가, 그 이후에는 B 및 N의 확산으로 인해 생성상의 양이 다시 감소하는 것으로 생각된다.
얻어진 것으로 판단된다. 또한, 모재를열처리한 후 브레이징함으로서 접합부에 생성되는 질화물의 양을 억제시키는 것이 접합부의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 유효한 방법인 것으로 판단된다.
모든 전단시험편은 시험온도에 관계없이 모재인 UNS32550에서 파단되었고, 접합부의 전단 강도는 모재와 동일하게 시험온도의 증가에 따라 감소하였다. 브레이징을 수행하지 않은 모재 강도에 비해 약간 낮은 강도를 나타내는 것은 열처리 및 접합시 열이력에 따른 재료의 연화에 기인한 것으로 생각된다.
9ks의 유지시간에서는 접합계면 부근의 침상생성상들은 보이지 않고, 생성상들이 조대화되면서 접합부 중앙으로 이동하고 그 양은 감소하는 경향이 나타났다. 유지 시간이 증가하여 1.8ks의 조건에서는 0.9ks에비해 생성상들이 접합부 중앙으로 띠모양을 하며 더욱 집적하였으며, 생성상들의 수는 감소하였다. 한편, 동일한 유지시간에서 접합온도 변화에 따른 영향을 보면, 접합온도가 높은 1498K의 경우가 1473K의 경우보다 생성상의 양이 감소함을 알 수 있다.
재료를 브레이징할 경우, 접합부내의 생성 상으로 인해 접합부에서 파단이 일어나는 일반적인경우에 반해, 본 연구에서는 모재에서 파단한 것으로 보아 접합강도상에는 문제가 없는 건전한 접합부가 얻어진 것으로 판단된다. 또한, 모재를열처리한 후 브레이징함으로서 접합부에 생성되는 질화물의 양을 억제시키는 것이 접합부의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 유효한 방법인 것으로 판단된다.
참고문헌 (12)
Dae-Up Kim et al., "Materials and joining technology for liquid propellant rocket", J. Kor. Welding Soc., 18, 2000, pp.675
In-Sun Kim et al., "Aerodynamic characteristics of KSR-III and jet impingement on a deflector during launch", 한국항공우주학회지, 제30권 제2호, 2002, pp.98
ASM, Specia lty Handbook, Stainless, 13
Halada GP, Clayton CR, Frits JD, Kim D, Corrosion 95, Orlando, NACE, paper 95531
Lrvine KJ, Llewellyn DT, Pickering FB, J. Iron Steel Inst., 1961, pp.153
J. S. Ku et al., J. Materials Processing Technology, 63, 1997, pp.770
W. C. Lee, C. S. Kang, J. P. Jung and B. Y. Lee, "Brazability between cemented titanium carbide and stainless steel", J. Kor. Ins t. Met. & Mater., 30, 1992, pp.1136
Dae-Up Kim, "A study on the formation mechanism of microconstituents in brazed joint of duplex stainless steel and Cr-Cu alloy", J. Kor. Welding Soc., 19, 2001, pp.534
J.E.Ramirez and S.Liu, "Diffusion Brazing in the Nickel-Boron System", Weld. Res. Sup., 10, 1992, pp.365
D.Kim, K.Nishimoto, K.Saida , S.Asai, and Y.Furukawa, "Bond ing mechanisms of Ni-base single crystal superalloy during transient liquid phase bonding", ASM International, 1, 1998, pp.72
T.Nishida, "Brazing Phenomena o f Iron and Copper", J. Jpn. Weld. Soc., 39, 1970, pp.259
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