Ferritic stainless steels, which have relatively small thermal expansion coefficient and excellent corrosion resistance, are increasingly being used in vehicle manufacturing, in order to increase the lifetime of exhaust manifold parts. But, there are limits on use because of the problem related to c...
Ferritic stainless steels, which have relatively small thermal expansion coefficient and excellent corrosion resistance, are increasingly being used in vehicle manufacturing, in order to increase the lifetime of exhaust manifold parts. But, there are limits on use because of the problem related to cosmetic resistance, corrosions of condensation and high temperature salt etc. So, Aluminum-coated stainless steel instead of ferritic stainless steel are utilized in these parts due to the improved properties. In this investigation, Al-8wt% Si alloy coated 409L ferritic stainless steel was used as the base metal during Gas Tungsten Arc(GTA) welding. The effects of coated layer on the microstructure and hardness were investigated. Full penetration was obtained, when the welding current was higher than 90A and the welding speed was lower than 0.52m/min. Grain size was the largest in fusion zone and decreased from near HAZ to base metal. As welding speed increased, grain size of fusion zone decreased, and there was no big change in HAZ. Hardness had a peak value in the fusion zone and decreased from the bond line to the base metal. The highest hardness in the fusion zone resulted from the fine re-precipitation of the coarse TiN and Ti(C, N) existed in the base metal during melting and solidification process and the presence of fine $Al_2O_3$ and $SiO_2$ formed by the migration of the elements, Al and Si, from the melted coating layer into the fusion zone.
Ferritic stainless steels, which have relatively small thermal expansion coefficient and excellent corrosion resistance, are increasingly being used in vehicle manufacturing, in order to increase the lifetime of exhaust manifold parts. But, there are limits on use because of the problem related to cosmetic resistance, corrosions of condensation and high temperature salt etc. So, Aluminum-coated stainless steel instead of ferritic stainless steel are utilized in these parts due to the improved properties. In this investigation, Al-8wt% Si alloy coated 409L ferritic stainless steel was used as the base metal during Gas Tungsten Arc(GTA) welding. The effects of coated layer on the microstructure and hardness were investigated. Full penetration was obtained, when the welding current was higher than 90A and the welding speed was lower than 0.52m/min. Grain size was the largest in fusion zone and decreased from near HAZ to base metal. As welding speed increased, grain size of fusion zone decreased, and there was no big change in HAZ. Hardness had a peak value in the fusion zone and decreased from the bond line to the base metal. The highest hardness in the fusion zone resulted from the fine re-precipitation of the coarse TiN and Ti(C, N) existed in the base metal during melting and solidification process and the presence of fine $Al_2O_3$ and $SiO_2$ formed by the migration of the elements, Al and Si, from the melted coating layer into the fusion zone.
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문제 정의
본 연구에서는 Al-8wt% Si 합금으로 용융도금 된 페라이트 스테인리스강 409L의 GTA 용접 적용 시 도금층이 용융부로 혼입됨에 따라 용접부의 조성을 변화시킴으로써 용접부의 미세조직 및 경도에 미치는 도금층의 영향을 검토하였다.
제안 방법
용접조건은 텅스텐 전극 직경 2.4mm, 전극 선단각 60°, 아크 길이 1.5mm, 보호가스 Ar (15ℓ/min)로 고정하고, 용접전류 60～100A, 용접 속도 0.32～0.64m/min 범위에서 변화시켰다.
미세조직은 연마 후 Vilella’s (Picric acid 10g+ HCl 5ml+methanol 100ml)용액으로 부식하고 광학 현미경 및 SEM으로 관찰하였고, 상의 성분은 EDX 및 EPMA를 사용하여 분석하였다.
또한 용접부 내의 미세한 석출물은 탄소레플리카(Carbon Replica)법으로 추출하고. TEM으로 분석하였다.
경도는 마이크로 비커스 경도기를 사용하여 하중 300g, 유지시간 10초로 측정하였다.
적정 용접조건을 선정하기 위하여, 용접속도를 0.32m/min 로 고정하고 용접전류를 변화시켜 용접한 후 비드단면을 통하여 용입 정도를 조사하였다. Fig.
4는 용접전류를 변화에 따른 비드 단면 조직의 변화를 나타낸 것으로, 90A 이상의 용접전류에서 완전용입이 됨을 알 수 있다. 이 결과로부터, 용접전류를 90A로 고정하고, 용접속도 변화에 따른 비드단면을 검토하여 보았다. Fig.
한편 Al-8wt%Si 도금층이 용접 후에 어떻게 분포하는지를 알아보기 위하여, EPMA로 Al과 Si의 분포를 분석하여 보았다. Fig.
Al 코팅층이 존재함으로서 용접부의 미세조직에 어떤 영향을 미치는가를 검토하기 위하여, 대표적으로 용접 전류 90A에서 용접속도 0.32m/min로 용접한 용접재를 선택하여, 광학현미경과 SEM으로 상세히 관찰하였다. Fig.
결정립 크기는 용융부가 가장 조대하고, 본드라인 근처 HAZ에서 모재 쪽으로 갈수록 크기가 감소하는 것을 볼 수 있다. 영역에 따른 결정립 크기가 변화하는 경향은 용접 속도와 관계없이 유사하였으므로, 용접속도에 따른 각 영역의 평균 결정립 크기 변화를 정량화 하였다. Fig.
이 분석 결과로부터, HAZ에 존재하는 석출물은 모재와 동일한 TiN와 Ti(N,C)이며, 용융부는 미세한 TiN와 Al 산화물이 존재하는 것을 알 수 있다. 용융부에 존재하는 미세한 생성물을 보다 상세하게 검토하기 위하여 TEM으로 관찰하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 두께 1.2mm 냉연판재인 11%Cr강에, Ti을 첨가한 페라이트계 스테인레스강 409L에 Al-8wt% Si합금을 25㎛ 두께로 양면에 용융도금된 강을 사용하였다.
GTA 용접은 최대 용접전류 350A급의 DC type 용접기를 사용하였으며, 비드언플레이트(bead on plate) 로 실시하였다. 용접조건은 텅스텐 전극 직경 2.
이론/모형
미세조직은 연마 후 Vilella’s (Picric acid 10g+ HCl 5ml+methanol 100ml)용액으로 부식하고 광학 현미경 및 SEM으로 관찰하였고, 상의 성분은 EDX 및 EPMA를 사용하여 분석하였다. 또한 용접부 내의 미세한 석출물은 탄소레플리카(Carbon Replica)법으로 추출하고. TEM으로 분석하였다.
성능/효과
7은 모재와 용접부를 EPMA로 Al, Si, O를 정량 분석하여 비교한 것이다. 이 결과로부터 용접부가 모재보다 Al, Si 및 산소의 농도가 높으며 Al은 약 1%, Si은 약 0.6%와 산소가 0.04% 정도 함유되어 있다. 이러한 결과로서 용접 시 도금층이 용융되어 용접부 내에 다량 혼입되었음을 알 수 있다.
10의 (a)와 (b)는 HAZ, (c)와 (d)는 용융부에 존재하는 대표적인 석출물의 SEM조직과 EDX 분석결과를 나타낸 것이다. 이 분석 결과로부터, HAZ에 존재하는 석출물은 모재와 동일한 TiN와 Ti(N,C)이며, 용융부는 미세한 TiN와 Al 산화물이 존재하는 것을 알 수 있다. 용융부에 존재하는 미세한 생성물을 보다 상세하게 검토하기 위하여 TEM으로 관찰하였다.
11은 용융부에 형성된 생성물들에 대하여 TEM 으로 관찰한 미세석출물의 EDX 분석결과, 회절 패턴, 그리고 해석결과를 나타낸 것이다. 이 결과로부터, Fig.10의 결과와 동일하게 TiN과 TiC가관찰되고, Al2O3이외에 SEM에서 관찰하기가 어려운 아주 미세한 SiO2도 존재함을 알 수 있다.
1) 광학현미경 배율 관찰 범위에서 결정립 크기는 응고조직인 용융부가 가장 조대하고, 본드라인 근처 HAZ 에서 모재 쪽으로 갈수록 크기가 작아졌다. 그러나 고배율 SEM관찰 결과, HAZ의 페라이트 결정립 내부에 미세한 아결정립이 형성되어 있었다.
2) 도금층에 존재하던 Al, Si, O 는 용융부에서만 혼입되므로, HAZ는 상변화가 거의 없이 모재와 거의 유사하게 조대한 TiN와 Ti(N,C)과 분석이 어려운 미세한 상으로 구성되어 있었다. 용융부는 도금층의 Al, Si 및 O에 의한 상변화와 모재 중에 존재하던 Ti계 화합물의 용융 후 재석출에 의해 미세화되는 상변화가 발생하였다.
3) 용융부의 경도가 가장 높고, 본드라인에서 모재 쪽으로 갈수록 낮았다. 용융부의 경도가 가장 높은 이유는 모재에 존재하던 조대한 TiN 및 Ti(C, N)가 용융 후 미세하게 재석출되고, 도금층의 Al과 Si이 다량 고용되고, 일부는 Al2O3 및 SiO2와 같은 미세한 산화물이 형성되기 때문인 것으로 생각되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
409L은 어떤 특성에 의하여 사용 상 한계를 가지는가?
특히 비교적 가격이 저렴한 409L이 사용되어 왔다. 409L의 경우 표면 변색, 응축수 부식 및 고온 염 부식 문제로 인해 사용 상의 한계를 가지고 있다. 이러한 제품 특성상의 문제점을 개선할 수 있는 대안으로 알루미늄 도금 409L 강판이 개발되어 자동차 배기계 부품으로 적용되고 있다1).
페라이트 스테인리스강 409L에 GTA 용접 적용 시 어떤 문제가 있는가?
한편, 일반적인 페라이트 스테인리스강 409L에 Gas Tungsten Arc(GTA) 용접 적용 시 모재의 가공성이 우수함에도 불구하고 용접부의 결정립 조대화와 경화현상에 의해 가공성이 확보가 되지 않는다고 보고되고 있다. 최근에는 모재 자체의 성분을 변화시켜 가공성을 향상 시킨 연구 사례가 있다3).
알루미늄 도금 409L 강판에서 matrix와 도금층 사이에는 무엇이 형성되어 성형성이 저하되는가?
이러한 제품 특성상의 문제점을 개선할 수 있는 대안으로 알루미늄 도금 409L 강판이 개발되어 자동차 배기계 부품으로 적용되고 있다1). 초기 도금층 조성은 순수 Al이었으나, matrix와 도금층 사이에 두꺼운 intermetallic compound (IMC) 층이 형성되어 성형성이 저하되는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 기존의 순수 Al 도금층에 5~10wt% Si를 첨가 하여 IMC 발생을 감소시켜 성형성을 향상 시킨 연구가 진행되어 왔다2).
The corrosion resistance properties of weather resistant alstar, Nisshin Steel Technical information
I.S Woo, W.B Lee, J.G Kim, S.H Uhm, J.B Lee, Improvement of Low Temperature Formability in 11Cr Ferritic Stainless Steel GTA Welds, Proceeding of Autumn Meeting of KWJS, 48 (2007), 135-137 (in Korean)
Aluminized Steel Type1 Stainless 409 and 439, Ak steel corporation product data, Alum-409-439-B-08-01-07 (2007)
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