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문제 정의
- 본 연구에서는, 저자의 연구그룹이 개발한 900MPa급 TWIP강에 대하여, 알루미늄합금, 마그네슘합금과 같은 난용접성 경량금속과 스테인레스 스틸, 타이타늄합금 등의 고융점 금속재료에의 적용 가능성이 폭넓게 검토되고 있는 마찰교반용접(FSW: Friction Stir Welding)을 실시하였으며7-9), 용접부와 모재에 대한 다양한 기계적 특성에 대한 시험을 통하여 초고강도 TWIP강의 마찰교반용접성을 평가하였다.
제안 방법
- 인장시험 후의 파단면의 관찰에는 주사전자현미경(FESEM, Carl Zeiss, SUPRA40VP)을 사용하였다. 경도는 접합부 단면에 대하여 표면으로부터 1mm 떨어진 영역에서 측정하였고, 비커스 경도측정기(Mitsutoyo, AAV-502)를 이용하였으며, 200gf의 하중을 적용하였다. 인장시험은 인스트론 타입의 인장시험기(United, SFM-600KN)를 사용하였으며, 상온에서 크로스헤드 속도 1mm/mim의 조건에서 실시하였다.
- 6에 나타내었다. 마찰교반용접부의 기계적 특성을 정확하게 평가하기 위하여 각각의 시험편은 SZ 내에서 용접방향을 따라 채취하였다. 인장시험 결과, 마찰교반용접 시편의 인장강도와 항복강도는 각각 907MPa, 620MPa로 모재보다 높은 값을 나타내었다.
- 본 연구에서는, 저자의 연구그룹이 개발한 900MPa급 TWIP강에 대하여 마찰교반용접(FSW: Friction Stir Welding)을 실시한 후, 용접부에 대한 기계적 특성의 평가를 통하여 아래와 같은 결론을 얻었다.
- 경도는 접합부 단면에 대하여 표면으로부터 1mm 떨어진 영역에서 측정하였고, 비커스 경도측정기(Mitsutoyo, AAV-502)를 이용하였으며, 200gf의 하중을 적용하였다. 인장시험은 인스트론 타입의 인장시험기(United, SFM-600KN)를 사용하였으며, 상온에서 크로스헤드 속도 1mm/mim의 조건에서 실시하였다. 충격시험은 V-notch type의 KS B 0809 규격의 시험편을 사용하였고, 샤르피 충격시험기(Zwick/Roell, RKP450)를 적용하였으며, 해머의 각도는 150°로 고정하였다.
- 접합부 단면에 대한 미세조직 관찰을 위하여 정연마 및 Nital etchant를 이용하여 부식한 후, 광학현미경 (Nikon, Epihot200)을 이용하여 관찰을 실시하였다.
- 충격시험은 V-notch type의 KS B 0809 규격의 시험편을 사용하였고, 샤르피 충격시험기(Zwick/Roell, RKP450)를 적용하였으며, 해머의 각도는 150°로 고정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 저자의 연구그룹이 개발한 900MPa급 TWIP강 판재를 사용하였으며, 그 화학적 조성을 Table 1에 나타내었다. 판재 제조를 위한 세부 공정조건을 Table 2에 나타내었으며, 모재에 대한 인장시험 결과를 Table 3에 나타내었다.
이론/모형
- 마찰교반용접은 PCBN으로 제작한 Convex-type의 툴을 사용하였으며, 시편 및 접합공정에 대한 자세한 내용은 Table 4에 정리하였다.
- 인장시험 후의 파단면의 관찰에는 주사전자현미경(FESEM, Carl Zeiss, SUPRA40VP)을 사용하였다. 경도는 접합부 단면에 대하여 표면으로부터 1mm 떨어진 영역에서 측정하였고, 비커스 경도측정기(Mitsutoyo, AAV-502)를 이용하였으며, 200gf의 하중을 적용하였다.
성능/효과
- 1) 900MPa급 초고강도강에 대한 마찰교반용접에 성공하였으며, 최적 용접공정(툴의 회전속도 350rpm, 이송속도 50~100mm/min, 유지시간 15sec)을 도출하였다.
- 2) 최적 조건에서 제작된 마찰교반용접부의 인장강도, 충격강도 및 경도 등의 기계적 특성은 모재 대비 동등한 수준을 확보할 수 있다.
- 3) 마찰교반용접부에서의 기계적 특성의 향상은 마찰교반용접 공정 중의 결정립미세화에 기인하며, 열영향부를 형성하지 않는 점도 기계적 특성의 향상에 기여하는 것을 확인 하였다.
- 마찰교반영역(SZ: stir zone)에서는 모재 대비 매우 미세화된 5μm 정도의 결정립조직이 관찰되었으며, 열기계적영향영역(TMAZ: thermo-mechanical affected zone)에서는 모재와 유사한 크기의 결정립조직이 관찰되었으며, 일반적으로 용융용접부에서 관찰되어지는 조대화된 결정립조직은 관찰되지 않았다.
- 8에 나타내었다. 마찰교반용접 시험편의 충격흡수에너지는 모재와 동등한 수준으로 확인되었고, 이는 SZ에서의 결정립미세화에 의한 상승효과와 경도증가에 의한 저하효과가 복합적으로 작용한 결과인 것으로 판단되었다.
- 인장시험 결과, 마찰교반용접 시편의 인장강도와 항복강도는 각각 907MPa, 620MPa로 모재보다 높은 값을 나타내었다. 모재의 연신율이 80% 수준의 매우 높은 값을 나타낸 것은 냉간압연 후 실시한 어닐링의 영향인 것으로 판단되었다. 인장시험에 의한 파단면에 대한 주사전자현미경 관찰결과를 Fig.
- 2에 유지시간 15sec 에서 제작된 시편의 외관사진을 나타내었다. 위의 결과로부터, 본 모재와 같은 초고강도강의 경우는 알루미늄 합금 등의 경량금속의 경우와 달리, 알루미늄합금 및 구조용 연강 대비 3~5배 정도 긴 15sec 정도의 유지시간이 요구되는 것과 이 유지시간 조건이 건전한 용접부 확보를 위한 매우 중요한 공정조건임을 확인하였다. 이러한 결과는 모재(TWIP steel)의 초기 온도가 유지시간에 따라 결정되어지기 때문이다.
- 한편, 툴 삽입 후의 유지시간을 15sec로 설정한 경우는 Tunnel 결함이 현저히 감소하였고, 350rpm, 50mm/mim의 조건에서 외관상 결함이 없는 시편을 제작할 수 있었다. 위의 실험 조건에서 툴의 외관 관찰 결과 특별한 마모 현상은 관찰되지 않았다. Fig.
- 툴의 회전속도: 350RPM, 툴의 진행속도: 50, 100mm/min의 조건에서는 결함이 없는 건전한 마찰교반접합부를 생성하는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과로부터 툴 삽입 후 적절한 시간을 유지하더라도 툴의 회전속도와 진행속도가 마찰교반접합의 접합성에 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
- 이상의 결과들로부터 초고강도 TWIP강은 마찰교반용접에 의해 모재와 동등한 수준의 기계적 성질을 갖는 용접부를 확보할 수 있는 것으로 확인되었다.
- 마찰교반용접부의 기계적 특성을 정확하게 평가하기 위하여 각각의 시험편은 SZ 내에서 용접방향을 따라 채취하였다. 인장시험 결과, 마찰교반용접 시편의 인장강도와 항복강도는 각각 907MPa, 620MPa로 모재보다 높은 값을 나타내었다. 모재의 연신율이 80% 수준의 매우 높은 값을 나타낸 것은 냉간압연 후 실시한 어닐링의 영향인 것으로 판단되었다.
- 5에 나타내었다. 전체적인 경도의 분포는 SZ의 중심부를 기점으로 좌우 대칭형 분포를 나타내었으며, SZ의 경도는 모재(250Hv)보다 높은 값(300Hv)을 나타내었고, 중심부(400Hv)에서 가장 높은 값을 나타내었다. 일반적으로 용융용접부의 주변에 형성되어 기계적 특성 저하의 원인이 되는 열영향영역(HAZ: heat affected zone)이 관찰되지 않았다.
- 전형적인 TWIP강의 어닐링쌍정이 관찰되었으며, 결정립의 크기는 약 40μm 정도로 확인되었고, 결함은 발견되지 않았다.
- 3은 툴의 삽입 후 15sec 유지하고 마찰교반접합을 실시하였을 때 결함없는 접합부를 얻을 수 있는 공정 범위이다. 툴의 회전속도: 350RPM, 툴의 진행속도: 50, 100mm/min의 조건에서는 결함이 없는 건전한 마찰교반접합부를 생성하는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과로부터 툴 삽입 후 적절한 시간을 유지하더라도 툴의 회전속도와 진행속도가 마찰교반접합의 접합성에 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
후속연구
- SZ의 경도가 전반적으로 모재보다 높은 값을 나타낸 것은 마찰교반용접 공정 중에 도입된 Strain과 마찰열에 의한 동적재결정에 기인하는 결정립의 초미세립화의 영향인 것으로 판단되었다. 또한, SZ 내에서의 경도분포의 차이는 모재에 첨가된 원소들에 의한 화합물의 형성에 기인한 것으로 사료되었으나, 보다 정밀한 분석과 관찰이 요구되었다.
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