The present study examined the mechanical properties of the friction welding of Ni-Cr-Mo to SM45C. Friction welding was conducted at welding conditions of 2,000 rpm, friction pressure of 100MPa, friction time of 0.8, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2.0 seconds, upset pressure of 150MPa, and upset time of 3...
The present study examined the mechanical properties of the friction welding of Ni-Cr-Mo to SM45C. Friction welding was conducted at welding conditions of 2,000 rpm, friction pressure of 100MPa, friction time of 0.8, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2.0 seconds, upset pressure of 150MPa, and upset time of 3.0 seconds. When the friction time was 1.6 seconds, the maximum tensile strength of the friction weld happened to be 1,020MPa, which is 120% of the base material's tensile strength(850MPa). At the same condition, the maximum shear strength was 438MPa, which is equivalent to 103% of the base material's shear strength(425MPa). At the same condition, the maximum vickers hardness was Hv490 at Ni-Cr-Mo nearby weld interface, which is higher Hv40 than condition of the friction time 0.8 seconds, and the maximum vickers hardness was Hv305 from weld interface of SM45C, which is higher Hv12 than condition of the friction time 0.8 seconds. The results of microstructure analysis show that the structures of two base materials have fined and rearranged along a column due to heating and axial force during friction, which has affected in raising hardness and tensile strength.
The present study examined the mechanical properties of the friction welding of Ni-Cr-Mo to SM45C. Friction welding was conducted at welding conditions of 2,000 rpm, friction pressure of 100MPa, friction time of 0.8, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2.0 seconds, upset pressure of 150MPa, and upset time of 3.0 seconds. When the friction time was 1.6 seconds, the maximum tensile strength of the friction weld happened to be 1,020MPa, which is 120% of the base material's tensile strength(850MPa). At the same condition, the maximum shear strength was 438MPa, which is equivalent to 103% of the base material's shear strength(425MPa). At the same condition, the maximum vickers hardness was Hv490 at Ni-Cr-Mo nearby weld interface, which is higher Hv40 than condition of the friction time 0.8 seconds, and the maximum vickers hardness was Hv305 from weld interface of SM45C, which is higher Hv12 than condition of the friction time 0.8 seconds. The results of microstructure analysis show that the structures of two base materials have fined and rearranged along a column due to heating and axial force during friction, which has affected in raising hardness and tensile strength.
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문제 정의
본 연구에서는 기계적 성질이 우수하고 값이 저렴한 SM45C와 보통탄소강보다 경화능이 크며 내충격성 및 내피로 성이 높은 Ni-Cr-Mo 강을 마찰용접하여 용접부에 대한 접합 특성 및 신뢰성을 고찰하고자 하였고, 이를 위하여 마찰 시간을 주요 변수로 하여 용접부에 대한 인장강도 시험, 전단 강도 시험, 접합부의 파단형상, 현미경 조직분석, 경도시험 등을 실시하여 기계적성질의 향상과 용접결함을 극소화시킬 수 있는 최적의 마찰용접 조건을 찾아내고자 하는데 연구의 목적을 두었다.
제안 방법
그 후,연마제로 1㎛의 알루미나 파우더를 증류수와 혼합하여 사용하였고, 폴리셔 (Polisher)로 폴리싱 (Polishing) 하였다. 경도시험은 시험편의 원주부에서 중심방향으로 R/2 떨어진 위치에서 용접계면에 수직방향으로 실시하였다. 측정 범위는 접 합계 면의미 세 경 도분포를 고려하여 용접 계 면으로부터 0.
경도시험과 현미경 조직검사를 위한 시험편은 폴리코트(Polycoat)로 시험편을 마운팅하고, 용접단면을 입도 #200, #800, #1,500의 샌드페이퍼로 1차 연마하였다. 그 후,연마제로 1㎛의 알루미나 파우더를 증류수와 혼합하여 사용하였고, 폴리셔 (Polisher)로 폴리싱 (Polishing) 하였다. 경도시험은 시험편의 원주부에서 중심방향으로 R/2 떨어진 위치에서 용접계면에 수직방향으로 실시하였다.
2에서 보여주는 것과 같은 전단 고정구를 설계 제작하였으며, 여유틈새(Clearance)는예비실험에서 비교적 안정된 데이터를 나타냈던 1mm로 하였다. 그리고 용접계면이 정중앙에 오도록 하여 전단시험을 하였다. 경도시험과 현미경 조직검사를 위한 시험편은 폴리코트(Polycoat)로 시험편을 마운팅하고, 용접단면을 입도 #200, #800, #1,500의 샌드페이퍼로 1차 연마하였다.
유압 제어장치, 고정척 테이블의 운동을 제어하기 위한 리미트 스위치 등으로 구성되어 있다. 마찰용접부의 기계적 시험을 위해 최대 용량 50ton의 만능재료시험기(Model: DYHU-50-AD, Dae Yeong)를 사용하였으며, 경도시험은 마이크로 비커어즈 경도시험기(Model: MVK-H1, Mitutoyo Co. JP)를 사용하였다. 본 실험은 마찰용접, 인장시험, 인장 파단면 검사, 전단시험, 전단파단면검사, 조직검사, 경도시험 순으로 진행하였다.
본 실험에 사용된 마찰용접기는 브레이크 타입(Model : NSF-30H, 남선기공)으로, 회전척, 고정척, 회전을 급정지 시키기 위한 디스크 방식의 브레이크와 가압력을 얻기 위한 유압펌프, 유압실린더, 피스톤 등의 유압장치, 플래시 제거장치, 용접 사이클을 제어하기 위한 시간. 유압 제어장치, 고정척 테이블의 운동을 제어하기 위한 리미트 스위치 등으로 구성되어 있다.
JP)를 사용하였다. 본 실험은 마찰용접, 인장시험, 인장 파단면 검사, 전단시험, 전단파단면검사, 조직검사, 경도시험 순으로 진행하였다. 본실험에서 사용된 재료와 기계적 성질이 가장 유사한 재료의 마찰용접특성에 관한 문헌연구를 통하여 개략적인 최적조건을 선정한 후 회전수는 척에 고정된 용접시험편이 스핀(spin)을 일으키지 않고 충분한 발열이 일어나는 2000 rpm 으로 고정하고, 마찰압력은 70MPa에서 130MPa로, 마찰 시간은 0.
본 연구에서는 Ni-Cr-Mo과 SM45C를 브레이크형 마찰용접기로 마찰용접을 하였다. 최적의 용접조건을 찾기 위한 예비실험 결과, 「회전수 2000 rpm, 마찰압력(Pi) lOOMPa, 업셋압력(P2) 150MPa, 마찰시간(t1) 1.
본 실험은 마찰용접, 인장시험, 인장 파단면 검사, 전단시험, 전단파단면검사, 조직검사, 경도시험 순으로 진행하였다. 본실험에서 사용된 재료와 기계적 성질이 가장 유사한 재료의 마찰용접특성에 관한 문헌연구를 통하여 개략적인 최적조건을 선정한 후 회전수는 척에 고정된 용접시험편이 스핀(spin)을 일으키지 않고 충분한 발열이 일어나는 2000 rpm 으로 고정하고, 마찰압력은 70MPa에서 130MPa로, 마찰 시간은 0.8sec 에서 2.0sec 로, 업셋압력은 120MPa 에서 150MPa로, 업셋시간은 2.0sec에서 4.0sec로 각각 변화시켜가면서 예비실험을 하였다. 예비실험 결과 최적조건은 마찰압력 lOOMPa, 업셋압력 150MPa, 마찰시간 1.
용접부의 경도시험은 인장시험에서 최대 인장강도를 얻은 조건(t1=16sec)과 가장 낮은 인장강도를 나타내었던 조건(ti=0.8sec)에서의 시험편을 가지고, 용접계면에서 축방향으로 측정하였다. 이 경우, 용접부의 경도분포를 관찰하기 위하여 용접계면에서 축방향으로 0.
5mm 간격으로 측정하였으며, 하중은 200 g으로 하였다. 용접부의 미세조직을 관찰하기 위하여 시험편을 피크린산(Picric acid)을 10% 희석한 부식액(HOC6Hi2(NC>2)3 10㎖+ H2O 90㎖에 30sec 동안 부식시킨 후 애칭액 제거를 위하여 2분간 흐르는 물에 세척하고 드라이어로 다시 2분간 건조시켰다.
Table 3과 같은 용접조건으로 본 실험을 실시하였다. 용접의 재현성을 증가시키고, 기계 각부의 원활한 작동을 위하여 용접기를 1시간 정도 워밍업 시킨 후 실험을 실시하였으며, 마찰용접부의 인장 및 전단강도를 시험하기 위하여 Fig. 1과 같은 시편 용접계면에 R2의 노치 가공을 하였고, Fig. 2에서 보여주는 것과 같은 전단 고정구를 설계 제작하였으며, 여유틈새(Clearance)는예비실험에서 비교적 안정된 데이터를 나타냈던 1mm로 하였다. 그리고 용접계면이 정중앙에 오도록 하여 전단시험을 하였다.
이러한 조직의 재배열은 축에 대한 수직방향의 부하(Loading)시 취약한 성질을 띠는 것으로 여겨지고 있다. 이러한 수직방향의 기계적 성질을 고찰하기 위해 전단시험을 수행하였다. 도표에서 보여 주듯이 마찰시간의 증가에 따라 전단강도가 증가하다가 마찰시간 1.
0sec」에서 우수한 용접특성이 나타났다. 이조건에서 마찰시간(tl)의 영향을 보다 상세하게 분석하기 위하여 마찰시간(h)을 0.8sec에서 2.0sec까지 0.2sec씩 변화시키면서, 마찰시간(t1)이 강도에 미치는 영향과 인장 파단면 및 용접부의 조직 변화를 비교. 고찰하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
경도시험은 시험편의 원주부에서 중심방향으로 R/2 떨어진 위치에서 용접계면에 수직방향으로 실시하였다. 측정 범위는 접 합계 면의미 세 경 도분포를 고려하여 용접 계 면으로부터 0.5mm 간격으로 측정하였으며, 하중은 200 g으로 하였다. 용접부의 미세조직을 관찰하기 위하여 시험편을 피크린산(Picric acid)을 10% 희석한 부식액(HOC6Hi2(NC>2)3 10㎖+ H2O 90㎖에 30sec 동안 부식시킨 후 애칭액 제거를 위하여 2분간 흐르는 물에 세척하고 드라이어로 다시 2분간 건조시켰다.
대상 데이터
그리고 용접계면이 정중앙에 오도록 하여 전단시험을 하였다. 경도시험과 현미경 조직검사를 위한 시험편은 폴리코트(Polycoat)로 시험편을 마운팅하고, 용접단면을 입도 #200, #800, #1,500의 샌드페이퍼로 1차 연마하였다. 그 후,연마제로 1㎛의 알루미나 파우더를 증류수와 혼합하여 사용하였고, 폴리셔 (Polisher)로 폴리싱 (Polishing) 하였다.
본 실험에 사용된 재료는 SM45C와 Ni-Cr-Mo이며, 이재료의 화학 성분과 기계적 성질을 Tablel 과 Table 2에 각각 나타냈다. 마찰용접 시험편은 직경 020mm 환봉을 길이 100mm씩 절단 가공하였고, 마찰용접 직전에 용접면을 정밀하게 선삭가공하고 이물질 제거를 위해 아세톤으로 세척하였다.
성능/효과
(1) 마찰시간 1.6sec에서 용접부의 최대 인장깅도는 l, 020MPa 로 SM45C의 모재 인장강도(850MPa)의 120%에 해당되었고, 동일조건에서 용접부의 최대 전단강도는 438MPa 로 SM45C모재 전단강도(425MPa)의 103%를 얻었다.
(2) 마찰시간 1.6sec에서 Ni-Cr-Mo 강 용접부의 최대경도는 Hv490으로 마찰시간 0.8sec조건의 경우에 비해 Hv40 정도 높았으며, SM45C의 최대경도는 마찰시간 1.6sec 에서 Hv3O5, 마찰시간 0.8sec에서 Hv293으로 나타나 Hvl2정도의 차를 보였다.
(3) 현미경 조직 관찰 결과, 용접계면 부근의 두 모재 조직은 마찰 과정상의 마찰열과 가압력 등에 의해 미세화 되었고, 원주방향으로 재배열되었다. 이는 접합부의 경도 상승과 인장강도에 영향을 끼친 것으로 생각된다.
이러한 수직방향의 기계적 성질을 고찰하기 위해 전단시험을 수행하였다. 도표에서 보여 주듯이 마찰시간의 증가에 따라 전단강도가 증가하다가 마찰시간 1.6sec를 기준으로 다시 감소하는 양상을 나타내었다. 최대 전단강도는 마찰시간 L6sec에서 438MI&로 SM45C의 모재강도 425MPa에 약 103%에 해당되는 강도를 나타내었다.
6sec) 에서의최대 인장강도 값은 업셋 압력이 두 재료의 접합부에 높은 효율로서 전달될 수 있는 이상적인 조건이었을 것으로 여겨진다. 따라서 본 실험의 범위 내에서는 마찰시간 1.6sec 이상을 적용함에 따른 발열량의 증가는 오히려 접합강도를 저해하는 요소로 작용할 수 있음을 알 수 있다. 최대 인장 강도를 나타내었던 마찰시간 L6sec에서는 딤플의 형상이 불규칙하며 Ni-Cr-Mo 강의 모재 일부가 SM45C쪽으로 달라붙어 있는 형상을 보였다.
Osec에서 L6sec로 증가할 때 가장 많은 업셋길이 증가를 나타내었다. 또한 마찰시간 1.6sec에서 그 이상으로 증가할 때는 업셋 기울기가 비교적 완만한 형태로 바뀌는 양상을 보였다. 이는 마찰시간과 비례적 관계로 증가한 발열량에 의해서 활발해진 소성유동의 영향 때문으로 사료된다.
직의 영역이 육안으로도 확인되었다. 또한 중심부에 나타난 미세한 경계층이 마찰시간이 적은 쪽에서, 충분히 밖으로 방출되지 못하여, 다른 조건보다 두텁게 나타남을 보였다.
0sec로 각각 변화시켜가면서 예비실험을 하였다. 예비실험 결과 최적조건은 마찰압력 lOOMPa, 업셋압력 150MPa, 마찰시간 1.4sec, 업셋시간 3sec에서 나타나는 것으로 파악되었고, 보다 상세한 조건을 찾기 위하여 마찰시간을 0.8sec에서 0.2sec씩 2.0sec까지 증가시키면서 본 실험을 하였다. Table 3과 같은 용접조건으로 본 실험을 실시하였다.
이 강도는 Ni-Cr-Mo의 모재(575MPa)에 비하여는 낮은 수치이나, SM45C 모재에 비해 높은 수치로, 일반적으로 마찰 용접물이 가지는 용접계면에 대한 수평 하중의 취약성을 고려해 볼 때, 양호한 용접결과로 사료된다. 전체적인 전단강도의 경향은 인장시험과 유사한 경향을 보였는데, 이와 같이 마찰시간 1.6sec를 정점으로 포물선 형태이고, 인장시험 때와 같이 마찰시간 1.6sec 이상의 과다한 마찰열의 발생은 오히려 업셋압력의 효율을 떨어뜨려 용접성을 저해하는 요소로 작용하였다. Photo 2는 전단 시험에서 최대 강도와 최소 강도를 나타내었던 조건의 전단 파단면으로, 파단면의 형태는 탄소강에서 흔히 볼 수 있는 전단파단의 형태를 띠고 있다.
8sec에서 Hv293으로 나타나 Hvl2정도의 차를 보였다. 최대 인장강도를 얻은 조건(ti=1.6sec)에서의 경도분포의 특징은 Ni-Cr-Mo 강과 SM45C 모두 용접계면 근처에서 열영향부로 인하여 경도값이 상승하는 현상이 나타났는데, Ni-Cr-Mo 강측의 경우 상승하는 구간이 용접면으로부터 3.5mm까지 나타나, 2mm나타난 SM45C측 보다 넓게 형성되었다. 경도 상승량은 Ni-Cr-Mo 강쪽에서 현저했는데, Ni-Cr-Mo강 쪽 최대경도는 모재경도(Hv251)보다 Hv239 높은 Hv490까지 나타났는데 비하여 SM45C쪽에서의 최대경도는 Hv305로써 모재경도(Hv273)보다 Hv32정도 상승하는데 그쳤다.
6sec를 기준으로 다시 감소하는 양상을 나타내었다. 최대 전단강도는 마찰시간 L6sec에서 438MI&로 SM45C의 모재강도 425MPa에 약 103%에 해당되는 강도를 나타내었다. 이 강도는 Ni-Cr-Mo의 모재(575MPa)에 비하여는 낮은 수치이나, SM45C 모재에 비해 높은 수치로, 일반적으로 마찰 용접물이 가지는 용접계면에 대한 수평 하중의 취약성을 고려해 볼 때, 양호한 용접결과로 사료된다.
마찰용접을 하였다. 최적의 용접조건을 찾기 위한 예비실험 결과, 「회전수 2000 rpm, 마찰압력(Pi) lOOMPa, 업셋압력(P2) 150MPa, 마찰시간(t1) 1.4sec, 업셋시간(t2) 3.0sec」에서 우수한 용접특성이 나타났다. 이조건에서 마찰시간(tl)의 영향을 보다 상세하게 분석하기 위하여 마찰시간(h)을 0.
참고문헌 (7)
Min, T. K., 1992, Properties of Friction Welding Between the Back Metal of Bushing Part and Flange Part in A-Sn Alloy Metal Bearing, Dong-A University, Busan, Korea, pp. 4-5
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Spindler, D. E., 1994, 'What Industrial Needs to Know about Friction Welding,' Welding Journal, Mar, pp. 37-42
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Park, K. H., Min, T. K., Yoon, Y. J. and Park, C. S., 2006, ' A Study on the Joint Properties accoding to the Friction Welding Area Change of Carbon Steel(SM45C),' Transaction of KSMTE, Vol. 15, No.1, pp. 102-107
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