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문제 정의
- 본 연구에서는 페라이트계 스테인리스강 429EM에 Cu-6.4wt%Al 삽입금속을 사용하고, 용접전류를 변화시켜 아크브레이징한 경우, 브레이징 접합부의 인장성질에 미치는 삽입금속과 계면부 미세조직과의 영향에 대하여 검토하였다.
제안 방법
- 접합부의 미세조직은 메탄올 50ml + 염산 1ml +1g Picric acid 용액에 약 30초간 부식시켜 관찰하였으며, 접합부의 상동정을 위해 접합부만을 전해추출 한후, 잔사에 대하여 주사식전자현미경과 XRD를 사용하여 분석하였다. 또한 미소비커스 경도기를 사용하여 접합부 경도측정을 실시하였다. 인장시험은 판재의 인장시험하여 인장성질을 평가하였다.
- 아크브레이징은 GMA(Gas Metal Arc) 용접기를 사용하여 직류역극성(DCEP)의 펄스전원으로 실시하였다. 브레이징 속도는 800mm/min로 고정하였고, 전류는 80~120A로 변화시켜 브레이징하였다.
- 이러한 경도 차이는 미세조직 차이에 의한 것으로 생각되어 제 2상인 정출상 γ1상과 Fe-Cr 상의 양과 경도와의 상관관계를 조사하여 보았다.
- 120A의 상은 삽입금속 성분보다 모재의 성분이 다량 함유한 꽃모양의 상이고, 모재와 용융 삽입금속의 반응으로 형성된 정출상인 것으로 판단된다. 이상을 동정하기 위하여, 삽입금속층만을 도려내고, Cu만을 용해시키는 부식액(CuSO4 + H2SO4 + 증류수)을 사용하여 정출상을 전해추출 하였다. Fig.
- 또한 미소비커스 경도기를 사용하여 접합부 경도측정을 실시하였다. 인장시험은 판재의 인장시험하여 인장성질을 평가하였다.
- 전류에 따라 인장성질이 차이가 나는 이유를 알아보기 위하여 파단면을 분석하여 보았다. Fig.
- Cu계의 γ1상은 120A에서 급격히 감소하지만, 전류가 증가할수록 Fe-Cr상은 증가하고 있다. 전류의 증가함에 따라서 액상 삽입금속에 의한 모재의 용융량이 증가하여, Fe-Cr상이 증가하는 것으로 예상되므로, Fig. 9에 표시한 바와 같이 접합부 전체의 면적(A)과 모재의 용융 면적 (B)의 비를 측정하여, 모재 용융비(B/A+B)와 Fe-Cr 상 분율과 상관관계를 검토 하였다. 이 결과로부터, 모재의 용융량이 증가할수록, Fe-Cr상은 증가함을 알 수 있다.
- 접합부의 미세조직은 메탄올 50ml + 염산 1ml +1g Picric acid 용액에 약 30초간 부식시켜 관찰하였으며, 접합부의 상동정을 위해 접합부만을 전해추출 한후, 잔사에 대하여 주사식전자현미경과 XRD를 사용하여 분석하였다. 또한 미소비커스 경도기를 사용하여 접합부 경도측정을 실시하였다.
- 페라이트계 스테인리스강 429EM을 Cu-8.6%Al 삽입금속을 사용하여, 겹치기 아크 브레이징한 경우, 브레이징 전류에 따른 접합부의 미세조직과 인장성질에 대해 검토한 결과를 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 재료로 모재는 자동차 배기매니폴드에 사용되는 페라이트계 스테인리스강 429EM (t=1.4mm)을 사용하였으며 화학조성 및 기계적 성질을 Table 1에 나타낸다. 삽입금속으로는 Cu-8.
- 삽입금속으로는 Cu-8.6wt%Al(φ=1.2)의 Cu기 삽입금속을 사용하였고, 그 화학조성과 융점을 Table 2에 나타내었다.
성능/효과
- 1) 초기 Cu-8.6%Al 삽입금속 조직은 α고용체 단상이었으나, 브레이징 접합부의 삽입금속 조직은 α상, 금속간화합금인 γ1상(Al4Cu9)과 꽃모양의 금속간화합물인 Fe-Cr상(BCC구조)으로 구성되어 있었다.
- 2) 전류가 증가할수록 삽입금속층의 경도는 증가하였으며, 이것은 경도가 높은 금속간화합물인 γ1상과 Fe-Cr상의 분율이 증가하기 때문인 것으로 생각된다.
- 3) 100A 이하의 브레이징한 시편은 모두 접합계면에서 인장응력에 의하여 파단되었고, 인장하중은 모재의 80~85%수준 이었으며, 연신율은 아주 낮았다. 한편 120A으로 브레이징한 시편은 모두 모재에서 파단하였다.
- 4) 접합부 파단 시편은 양모재와 접합층의 3중점에서 균열이 발생하여, 부가 하중의 수직방향에 놓인 접합계면에 따라 성장하고, 최종적으로 삽입금속층을 관통하여 파단하였다. 파단부인 접합계면의 두께(유효두께)는 인장하중과 양호한 상관관계를 가지며, 접합계면 두께가 모재의 1.
- 여기서 점선은 각각 모재의 인장하중, 항복하중 및 연신율을 나타낸 것이며, 시편에 따라서 파단부면적이 각각 다르기 때문에 종축을 하중으로 나타내었다. 80A와 100A 전류로 브레이징한 시편들은 모두 접합부에서 파단되었고, 항복하중이 모재의 것과 거의 같은 값을 갖지만, 인장하중이 각각 모재의 80와 85% 정도의 값을 가지며, 연신율은 모재보다 매우 낮았다. 한편 120A으로 브레이징 된 시편들은 모두 모재에서 파단되었고, 항복하중과 인장하중 모두 모재와 거의 동일한 값을 갖지만, 연신율은 모재의 60%정도로 낮았다.
- 2는 브레이징 전류에 따른 접합부 단면 거시조직을 나타낸 것으로, 접합부에 기공이나 균열 등과 같은 결함이 존재하지 않은 양호한 브레이징부를 형성하고 있음을 알 수 있다. 그리고 전류가 증가할수록, 용융 삽입금속의 면적이 증가하고 있고, 그림에 ○로 표시한 위쪽 모재의 모서리부와 아래 쪽 모재의 □로 표시한 부분에서 모재의 일부가 용융이 일어나 있으며, 용융량은 전류가 증가함에 따라 증가하는 경향이 있음을 알 수 있다.
- 242배 이하이면 접합계면에서, 이상이면 모재에서 파단함을 알 수 있다. 또한 이 결과로부터 계면반응층+삽입금속층의 강도가 모재강도보다 낮음을 알 수 있었다.
- 18에 나타내었다. 유효두께와 인장하중과의 관계는 결정지수가 약 0.92로 양호한 직선관계가 성립함을 알 수 있고, 유효두께가 모재의 1.242배 이하이면 접합계면에서, 이상이면 모재에서 파단함을 알 수 있다. 또한 이 결과로부터 계면반응층+삽입금속층의 강도가 모재강도보다 낮음을 알 수 있었다.
- 242배 이하이면 접합계면에서, 이상이면 모재에서 파단함을 알 수 있다. 또한 이 결과로부터 계면반응층+삽입금속층의 강도가 모재강도보다 낮음을 알 수 있었다.
- 이 결과로부터 삽입금속 내부의 경도 상승은 금속간화합물 정출상인 γ1상과 Fe-Cr상의 분율 증가에 의한 것임을 알 수 있다.
- 9에 표시한 바와 같이 접합부 전체의 면적(A)과 모재의 용융 면적 (B)의 비를 측정하여, 모재 용융비(B/A+B)와 Fe-Cr 상 분율과 상관관계를 검토 하였다. 이 결과로부터, 모재의 용융량이 증가할수록, Fe-Cr상은 증가함을 알 수 있다.
- 12는 브레이징 전류 변화에 따른 Fe-Cr 계면층의 두께 변화를 나타낸 것이다. 전류가 증가할수록 입열량이 증가하여 모재의 용융량이 많아지므로 반응층의 두께가 증가하며, 120A의 경우 모재의 용융이 많은 부위(Fig. 2의 ○와 □)의 두께가 두꺼워 편차도 크게 나타났다.
- 10에 나타내었다. 한편 브레이징 공정 중에 액상 삽입금속에 의해 모재가 약간 용융하여 모재 성분이 혼합되는 양을 파악하기 위하여, 삽입금속층 내의 조성을 저배율에서 EDX로 측정한 결과, Cu는 100A 의 경우 약 91%이었다. 이 상태도는 Fe(합금) base이므로, Cu가 90% 이상이 다량 함유된 조성에서는 그려지지 않았다.
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