[논문]페라이트계 스테인리스강의 재현 용접열영향부 열피로 특성

홍승갑; 조민현; 강기봉

doi:10.5781/kwjs.2009.27.1.079

[국내논문] 페라이트계 스테인리스강의 재현 용접열영향부 열피로 특성
Thermal Fatigue Properties of Synthetic Beat Affected Zone in Ferritic Stainless Steel 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.27 no.1, 2009년, pp.79 - 84

홍승갑 (POSCO 기술연구소 강재솔루션연구그룹) , 조민현 (POSCO 기술연구소 강재솔루션연구그룹) , 강기봉 (POSCO 기술연구소 강재솔루션연구그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

Ferritic stainless steel, which has been used as material for decoration parts in automobile, is recently used as material for the exhaust system due to its good performance at high temperature. To improve the fuel efficiency and purify automotive exhaust gas, it is needed to increase the temperature of exhaust gas. However, it is frequently reported that the rising of the temperature of exhaust gas increases thermal stress at exhaust manifold, which results in thermal fatigue failure in welded joints. Therefore, in this study, effects of chemical composition of steel and welding parameters on thermal fatigue properties of synthetic heat affected zone in ferritic stainless steel have been investigated. It has been found that thermal fatigue life in heat affected zone is affected by bead shape of welded joint and amount of soluble Nb in steel. Especially, Nb-Ti added steel has higher thermal fatigue life in comparison to Nb added steel, which is attributed to difference of precipitation behavior in both steels.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 배기계 부품의 용접부 열 피로 특성에 미치는 모재성분 및 용접조건의 영향을 고찰하고자, 페라이트계 스테인리스강의 용접열영향부를 대상으로 검토한 결과를 소개하고자 한다.
이와 같은 실제품의 내구평가의 경우, 평가 시간 및 비용이 많이 소요되고, 소재의 용접 열영향부의 미세조직 및 용접부 비드 형상의 영향도를 정성 적으로 구분하여 평가하기가 힘든 단점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 판상 시험편을 이용하여, 배기계 부품 소재로 사용되는 강재의 용접열영향부 열피로 특성을 정확하게 평가하기 위한 방법을 고안하였다. 우선 Table 1의 steel A를 대상으로 GMA용접 (175A, 23V, 77cm/min) 을 실시하여, 열피로 시험편의 중앙 노치가 용접 이음부의 용접열영향부에 정확하게 위치하도록(Fig.

제안 방법

3(c)와 같이 시험편 구속율은 100%, 시험온도 구간은 200℃~900℃, 900℃에서 유지시간은 30초, 가열 및 냉각속도는 14℃/sec로 설정하였다(1 사이클=130초). 또한, 각 사이클 마다 최대 인장 하중을 측정하여, 초기 5번 사이클내의 최대 하중 값의 70%에 해당되는 사이클 수를 열피로 수명으로 정의하였다.
따라서, 본 연구에서는 판상 시험편을 이용하여, 배기계 부품 소재로 사용되는 강재의 용접열영향부 열피로 특성을 정확하게 평가하기 위한 방법을 고안하였다. 우선 Table 1의 steel A를 대상으로 GMA용접 (175A, 23V, 77cm/min) 을 실시하여, 열피로 시험편의 중앙 노치가 용접 이음부의 용접열영향부에 정확하게 위치하도록(Fig. 4) 시험편을 가공하여 열피로 특성을 측정하고자 하였다.
따라서, 용접열영향부의 열피로 특성만을 모사하기 위해, MTCS (Metal Thermal Cycle Simulator) 를 사용하여, Fig. 5와 같은 열 사이클 조건으로 용접열영향부 조직을 재현하였다.
형상 등을 선택하였다. 이중에서 용접입열량은 GMA 실 용접부 CGHAZ 조직 (G.S.: ~103㎛)과 유사한 미세조직을 얻을 수 있는 재현 열 사이클 조건 (Fig. 5에서 1350℃/10초)을 기준으로 유지시간을 5 초(G.S.: ~58㎛) 및 20초(G.S.: ~157㎛)로 변화 시켜 입열량에 따른 결정립 크기의 영향을 고찰하였다. Fig.
또한, 용접비드 형상의 영향은 판상 열피로 시험편의 중앙 노치 형상을 변화시켜 살펴보았다. 즉, Fig.
또한, 용접비드 형상의 영향은 판상 열피로 시험편의 중앙 노치 형상을 변화시켜 살펴보았다. 즉, Fig. 7의용접비드와 모재가 이루는 각도(0)와 용접비드 토우부곡률반경(θ)의 영향은 각각 판상 시험편 중앙노치 각도 및 곡률반경을 변화시킴으로써, 그 영향도를 고찰하였다.
재현 용접열영향부 및 모재의 미세조직은 Viller 용액(피크린산 3g+염산 3ml +에탄올 100ml)을 사용하여 약 3분간 부식시켜 관찰하였다. 또한, TEM replica 시험편을 이용하여, 모재 및 재현 용접열영향부의 석출물 분포 및 종류를 확인하였으며, 잔사추출법을 이용하여 Nb 및 Ti 석출물의 석출량(고용량)을 측정하였다.
약 3분간 부식시켜 관찰하였다. 또한, TEM replica 시험편을 이용하여, 모재 및 재현 용접열영향부의 석출물 분포 및 종류를 확인하였으며, 잔사추출법을 이용하여 Nb 및 Ti 석출물의 석출량(고용량)을 측정하였다.
실시하였다. 용접 입열량 변화는 1350℃에서의 유지시간 변화(5초 & 20초)로 제어하였으며, 이때 결정립 크기는 각각 58㎛ 및 157㎛이었다. (Fig.
10은 steel A, B, C의 열피로 수명을 나타낸다. 용접열영향부 재현 조건은 1350℃/10초로 하였으며, 시험편 노치각도(0) 및 곡률반경(0)은 각각 120°, 1mm로 하였다. Fig.
본 연구를 통해 정립한 판상 시험편의 용접 열영향부 열 피로 시험방법을 이용하여, 용접열영향부 열피로 수명에 미치는 강재 및 용접조건의 영향을 검토한 결과, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

대상 데이터

본 연구에서는 GMA 실 용접부의 열피로 수명에 영향을 줄 수 있는 인자로, 강재 조성, 용접입열량, 용접비드 형상 등을 선택하였다. 이중에서 용접입열량은 GMA 실 용접부 CGHAZ 조직 (G.

이론/모형

페라이트계 스테인리스강의 용접열영향부 열피로 특성에 미치는 강재 및 용접조건의 영향을 규명하기 위해, Table 2와 같은 4가지의 영향인자를 2수준으로 변화시키고, 반복을 2번 실시하는 Full factorial design 의 실험계획법 (DOE)에 의한 통계실험을 실시하였다. 용접 입열량 변화는 1350℃에서의 유지시간 변화(5초 & 20초)로 제어하였으며, 이때 결정립 크기는 각각 58㎛ 및 157㎛이었다.

성능/효과

앞서 언급한 4가지 인자 중 강재, 용접비드 각도(0), 용접비드 노치부 곡률 반경(R)값은 통계적으로 유의한 인자로 검증되었으나, 용접 입 열량은 유의하지 않은 것으로 나타났다. 즉, 용접 열영향부 열 피로 수명은 강재 조성과 용접비드 형상에만 영향을 받을 뿐, 용접 입열량과는 무관한 것으로 확인되었다. Fig.
05wt.%의 Nb만이 (Ti, Nb) (C, N) 형태로 석출됨을 확인할 수 있었다.
낮은 것을 알 수 있다. 두 강재의 미세조직을 조사한 결과, Fig. 12에서 보듯이, steel B와 steel C의 합금 성분이 유사하더라도, steel C의 경우, steel B에 비해 미세한 NbC 탄화물이 매우 많이 석출되어 있음을 확인할 수 있다.
1) 용접열영향부 열피로 수명에 강재 합금성분, 용접부 비드 각도 및 토우부 곡률반경 등이 영향을 미치는 것으로 확인되었으며, 용접 입열량 차이에 따른 미세조직 변화는 열피로 수명에 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.
2) 용접부 비드 각도 및 토우부 곡률반경 변화는 비드 토우부의 작용하는 응력집중계수의 차이를 유발하여, 열피로 수명에 영향을 주는 것으로 사료된다.
3) 용접열영향부 열피로 수명은 모재 Nb 첨가량보다는 고용 Nb량 증가에 의해 향상되는 것으로 확인되었다.
4) Nb 단독첨가보다, Nb-Ti 복합첨가의 경우, 고용 Nb량이 증가하는 것으로 확인되었으며, 이는 Ti 첨가에 의해 고온 영역에서 (Ti, Nb)(C, N)이 우선적으로석출되면서 고용 C, N을 낮춰줘서 낮은 온도에서의 NbC 석출을 억제시켰기 때문으로 판단된다.

참고문헌 (5)

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Lawrence F.V., Mattos R.J., Higashida Y., Burk J.D.: "Estimating the fatigue crack initiation life of welds", Fatigue testing of weldments, ASTM STP 648, (1978), 134-158
Yung J.Y., Lawrence F.V.: "Analytical and graphical aids or the fatigue design of weldments", Fatigue fracture engineering Material Structure, 8-3, (1985), 223-241

상세보기
N. Fujita, K.Ohmura, M.Kikuchi, T.Suzuki, S.Funaki and I. Hiroshige: "Effect of Nb on high-temperature properties for ferritic stainless steel", Scripta Materialia, 35-6, (1996), 705-710

상세보기
N. Fujita, K. Ohmura and A. Yamamoto: "Changes of microstructures and high temperature properties during high temperature service of Niobium added ferritic stainless steels", Materials Science and Engineering A351, (2003), 272-281

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