[논문]SM20C 마찰용접부(摩擦鎔接部)의 노치 깊이에 따른 기계적(機械的) 성질(性質) 연구(硏究)

이세경; 정준모; 박천봉; 민택기

[국내논문] SM20C 마찰용접부(摩擦鎔接部)의 노치 깊이에 따른 기계적(機械的) 성질(性質) 연구(硏究)
A Study on Mechanical Properties According to the Depth of Notch in SM20C Friction Welding Zone 원문보기

한국공작기계학회논문집 = Transactions of the Korean society of machine tool engineers, v.16 no.1, 2007년, pp.1 - 8

이세경 (충남대학교 대학원 기계공학과) , 정준모 (충남대학교 대학원 기계공학과) , 박천봉 (충남대학교 교육대학원) , 민택기 (충남대학교 기계공학과)

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The present study examined the mechanical properties of the friction welding zone of solid and hollow shafts made with SM20C according to the depth of the notch. Friction welding was conducted at welding conditions of 2,000 rpm, friction pressure of 60MPa, friction time of 1.4 seconds, upset pressure of 100MPa, and upset time of 2.0 seconds. In the tensile strength test, the tensile strength decreased as the depth of the notch increased. Tensile strength was moderately high when the depth of the notch was 2mm. The tensile strength of the welding zone increased as the friction revolution radius increased, because the latter led to the generation of adequate friction heat. According to the hardness test, hardness likewise increased as e friction revolution radius increased. In the bending test, the bend strength of the solid shaft decreased when the depth of the notch was 0-2mm but increased when the latter was 3-5mm. With regard to the hollow shaft, the bend strength drastically decreased when the depth of the notch was 3-4mm. Upon examination it was found that the microstructure became finer when the friction revolution radius increased.

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문제 정의

본 연구에서 강판, 강봉, 볼트 등 기계산업 등에서 많이 사용되어온 SM20C를 마찰용접한 후, 용접부에 노치를 가공하고 노치깊이에 따른 기계적 성질을 고찰함으로써, 마찰용접부의 용접 품질을 향상시킬 수 있는 방법을 모색하고자 하였다.
본 연구에서는 기계구조용 탄소강 중에서 강관, 강봉, 강판, 볼트, 리벳 등에 사용되는 SM20C 재질로 이루어진 중실, 중공축의 마찰용접부를 노치가공하여 노치깊이에 따른 기계적 특성을 고찰하였다.

제안 방법

Table 1과 Table 2에 각각 나타내었다. 마찰용접 시험편의 형상은 Fig. 1과 같이 중실축(Solid shaft)은 직경 020mm 환봉을 길이 100mm씩 절단 가공하였고 중공축 (Hollow shaft)은 중실축의 크기에 010mm 드릴로 직경의 중심에서 축 방향으로 50mm 중공을 만들어 제작하였으며 마찰용접 직전에 용접면을 정밀하게 선삭가공하고 이물질제거를 위해 아세톤으로 세척하였다.
본 실험에 사용된 마찰용접기는 브레이크 타입(NSF-3아!) 으로, 디스크 방식의 브레이크와 압력을 얻기 위한 유압장치, 용접 사이클을 제어하기 위한 시간.유압 제어장치 등으로 구성되어 있다.
본 실험은 문헌연구 및 1, 2차 예비실험을 통하여 얻은 최적 조건에서 마찰용접을 한 후, 용접부에 노치가공 후 인장시험, 굽힘시험, 조직검사, 경도시험을 하였다. 문헌 연구(7,10)를통하여 SM20C와 물리적 특성이 유사한 금속은 회전수 2, 000rpm, 업셋압력 lOOMPa, 업셋시간 2sec에서 높은 인장강도가 나타난다는 것을 알았다.
문헌 연구(7,10)를통하여 SM20C와 물리적 특성이 유사한 금속은 회전수 2, 000rpm, 업셋압력 lOOMPa, 업셋시간 2sec에서 높은 인장강도가 나타난다는 것을 알았다. 이를 바탕으로 마찰용접에서 가장 중요한 변수인 마찰압력과 마찰시간을 보다 정확하게 구하기 위하여 회전수, 업셋압력, '업셋시간을 문헌 연구에서 얻은 값으로 각각 설정한 후, 마찰시간을 0.8sec에서 2.0sec까지 0.2sec씩 증가시키는 1차 예비실험을 하였다. 실험결과 마찰시간이 1.
2sec씩 증가시키는 1차 예비실험을 하였다. 실험결과 마찰시간이 1.4sec에서 최고의 인장강도 576MPa이나타났고, 이 결과를 이용하여, 마찰시간을 1.4sec로 고정한 후 마찰압력을 50MPa에서 90MPa까지 1이(Pa까지 증가시 키 면서 2 차 예비실험을 하였다. 실험 결과 60MPa에서 최고의 인장강도 583MPa가 나타났으며, 이 실험결과를 Table 3에 나타내었다.
부위에 나사바이트를 이용하여 60º의 각도의 노.치를 주었고, 중실축은 1 - 5mm, 중공축은 1 ~4rrun까지 1mm 씩 노치깊이를 증가시켜 Fig. 2와 같이 시험편을 제작하였다. 굽힘시험은 만능재료시험기를 이용하여 3점지지 법으로 하였다.
2와 같이 시험편을 제작하였다. 굽힘시험은 만능재료시험기를 이용하여 3점지지 법으로 하였다. 굽힘 시험편은 인장시험편과 같이 제작하였고, Fig.
조직검사는 광학현미경을 이용하였으며 시험편 준비는 축 단면을 절단하여 채취한 시험편을 폴리 코트(Polycoat)로 마운팅(Mounting)한 다음 용접단면을 샌드페이퍼(Sandpaper) 입도 #200, #600, #1200 순으로 표면을 연마한 다음 연마재 1㎛의 알루미나 파우더를 증류수와 혼합하여 그라운드 폴리셔로 폴리싱 하였다. 시험편의 부식은 질산과 물의 비율을 1:9로 혼합하여 에칭액을 만들었으며 시험편을 에칭액에 1초간 담근 후 에칭액 제거를 위해 2분간 흐르는 물에세척하고 드라이어로 다시 2분간 건조시켰으며 위 부식 과정은 과부식을 방지하기 위해 신속히 처리하였다.
폴리셔로 폴리싱 하였다. 시험편의 부식은 질산과 물의 비율을 1:9로 혼합하여 에칭액을 만들었으며 시험편을 에칭액에 1초간 담근 후 에칭액 제거를 위해 2분간 흐르는 물에세척하고 드라이어로 다시 2분간 건조시켰으며 위 부식 과정은 과부식을 방지하기 위해 신속히 처리하였다. 경도시험은 용접시험편의 축 단면을 절단하여 연마(Polishing) 한 후, 마이크로비커어스 경도시험기의 클램프에 고정시킨 후 하중을 200g으로 설정한 후 Fig.
시험편의 부식은 질산과 물의 비율을 1:9로 혼합하여 에칭액을 만들었으며 시험편을 에칭액에 1초간 담근 후 에칭액 제거를 위해 2분간 흐르는 물에세척하고 드라이어로 다시 2분간 건조시켰으며 위 부식 과정은 과부식을 방지하기 위해 신속히 처리하였다. 경도시험은 용접시험편의 축 단면을 절단하여 연마(Polishing) 한 후, 마이크로비커어스 경도시험기의 클램프에 고정시킨 후 하중을 200g으로 설정한 후 Fig. 4와 같이 용접표면에서 용접 중심부 쪽으로 거리(D) 1mm씩 증가하면서 용접계면 수직 방향으로 양쪽 4mm씩 총 8mm에 대해 0.2mm 간격으로 경도 측정하였다.
5과 같이 나타났다. 중실축과 중공축을 비교하기 위해 결과를 함께 표기했으며, 마찰용접은 문헌 연구 및 1, 2차 예비실험을 통해 얻은 최적조건 [마찰용접기 회전수(N) 2,000rpm, 마찰시간(G) 1.4sec, 마찰압력(Pi) 60MPa, 업셋 시간 (t²) 2.0sec, 업셋압력(P2) 100晚]에서 수행하였다. Fig.

대상 데이터

본 실험에 사용된 재료는 SM20C로 화학조성과 기계적 성질을 Table 1과 Table 2에 각각 나타내었다. 마찰용접 시험편의 형상은 Fig.

성능/효과

이것은 마찰용접 조건에서 마찰 회전반경이 8mm전 후인 곳에서 충분한 마찰열로 인하여 소성 유동이 원활히 이루어졌기 때문에 발생한 현상으로 보인다. 최대 인장강도는 중실축에서 노치깊이가 1mm일 때 585MPa이며, 이값은 모재의 인장강도 624NPa의 94%에 해당된다. 이것으로 마찰회전 반경이 클수록 충분한 마찰열이 발생하여 용접 강도가 높아진다는 것을 알 수 있다.
이것으로 마찰회전 반경이 클수록 충분한 마찰열이 발생하여 용접 강도가 높아진다는 것을 알 수 있다. 중실축과 중공축의 인장강도가 노치깊이 Imin에서 약 150MPa정도 차이가 나며, 노치깊이가 커질수록 그 차이는 증가하는 것으로 나타났다. 이것은 업셋 압력으로 중실축의 중심부는 플래시 배출이 억제되어 조직이 치밀해졌지만, 중공축의 중심부는 플래시 배출이 용이하여 조직이 치밀해지지 못하였기 때문으로, 마찰용접은 용접부의 형상도 용접강도에 미치는 영향이 크다는 것을 알 수 있다.
(1) 인장시험 결과 중실축과 중공축 모두 노.치깊이가 증가함에 따라 인장강도가 감소하며, 노치깊이가 2mm일 때인 장 강도가 다소 높게 나타남을 알 수 있다.
(2) 경도시험 결과 마찰회전반경이 작은 곳은 충분한 발열이 발생하지 아니하여, 용접표면에서 용접중심쪽으로 거리가 증가할수록 용접부 경도가 감소하는 현상이 나타났다.
(3) 굽힘시험결과 중실축에서는 굽힘강도가 노치깊이 0~ 2mm까지는 감소하다가 3 ~ 5mm까지 다시 상승하였으며, 반면에 중공축은 노치깊이가 3~4mm일때 급격히 감소한다. 이것은 업셋압력으로 중실축 중심부는 플래시 배출이 원활하지 못해 조직이 치밀해져서 굽힘 강도가 강해진 것이고, 중공축은 업셋 압력에 대하여 중심부 내부로 플래시가 원활히 유동함에 따라 조직이 치밀하지 못해 굽힘강도가 약해진 것으로 사료된다.
(4) 용접계면의 조직사진 결과, 중실축은 마찰 회전반경이 큰 쪽은 마찰열로 인하여 미세화되었고, 마찰 회전반경이 작은쪽은 업셋압력 증가로 조직이 미세화되었고, 중공축은 마찰 회전반경이 큰 쪽에서만 미세화되었다.
치깊이가 증가함에 따라 인장강도가 감소하며, 노치깊이가 2mm일 때인 장 강도가 다소 높게 나타남을 알 수 있다. 마찰회전반경이 클수록 용접부의 강도가 높았으며, 최대인장강도는 중실축에서 노치깊이가 1mm일때 585MPa으로 모재의 인장강도 624MPa의 94%에 해당되었다.

참고문헌 (11)

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
Lee, S. Y. and Yun, B. S., 2001, 'Heat Transfer Analysis of Friction Welding of A2024 to SM45C,' Transaction of KSMTE, Vol. 10, No. 1, pp. 65-70
Spindler, D. E., 1994, 'What Industrial Needs to Know about Friction Welding,' Welding Journal, Mar, pp. 37-42
Nicholas, E. D., 1997, 'Where Industry Uses Friction Welding,' Welding Design and Fabrication, Aug. pp. 74-76
Toms, H. H., 1962, 'Properties of Friction Welds between and Dissimilar Metals,' Welding Research Supplement, Oct. pp. 448-450
Vill, V. I., 1957, 'Friction Welding of Metals,' Svarochne Proizvodstvo, Vol. 3, No. 9, pp. 8-23
Park, K. H., Min, T. K., Yoon, Y. J. and Park, C. S., 2006, 'A Study on the Joint Properties According to the Friction Welding Area Change of Carbon Steel(SM25C),' Transaction of KSMTE, Vol. 15, No.1, pp. 102-107
Kang, S. B., 1997, Properties of Friction Welding Between Cu-W Sintering Alloy and Cu, Chung-Nam National University, Daejon, Korea, pp. 10-13
Lee, S. J., 2005, A Study on Mechanical Properties According to the Radius Change Position of Outer Circumference in A5083 Friction Welding, Chung-Nam National University, Daejon, Korea, pp. 21-38
Chung, H. O., 1999, A Study on the Friction Welding Properties of SM25C Steel Rod and STS304 Austenite Stainless Plate, Chung-Nam National University, Daejon, Korea, pp. 12-15
Yun, B. S., 2000, A Study on the Mechanical Properties of A2024 and SM45C, Chung-Nam National University, Daejon, Korea, pp. 25

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