[논문]페라이트계 스테인리스강 재현 용접 열 영향부의 석출거동 및 열피로 특성에 미치는 구속응력의 영향

한규태; 강용준; 이상철; 홍승갑; 정홍철; 이창희

doi:10.5781/jwj.2015.33.6.6

[국내논문] 페라이트계 스테인리스강 재현 용접 열 영향부의 석출거동 및 열피로 특성에 미치는 구속응력의 영향
Effect of Restraint Stress on the Precipitation Behavior and Thermal Fatigue Properties of Simulated Weld Heat Affected Zone in Ferritic Stainless Steel 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.33 no.6, 2015년, pp.6 - 12

한규태 (POSCO 철강솔루션마케팅실 PAC 접합연구그룹) , 강용준 (한양대학교 신소재공학부) , 이상철 (POSCO 철강솔루션마케팅실 PAC 접합연구그룹) , 홍승갑 (POSCO 철강솔루션마케팅실 PAC 접합연구그룹) , 정홍철 (POSCO 철강솔루션마케팅실 PAC 접합연구그룹) , 이창희 (한양대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Thermal fatigue life of the automobile exhaust manifold is directly affected by the restraint force according to the structure of exhaust system and bead shape of the welded joints. In the present study, the microstructural changes and precipitation behavior during thermal fatigue cycle of the 18wt% Cr ferritic stainless steel weld heat affected zone (HAZ) considering restraint stress were investigated. The simulation of weld HAZ and thermal fatigue test were carried out using a metal thermal cycle simulator under complete constraint force in the static jig. The change of the restraint stress on the weld HAZ was simulated by changing the shape of notch in the specimen considering the stress concentration factor. Thermal fatigue properties of the weld HAZ were deteriorated during cyclic heating and cooling in the temperature range of $200^{\circ}C$ to $900^{\circ}C$ due to the decrease of Nb content in solid solution and coarsening of MX type precipitates, laves phase, $M_6C$ with coarsening of grain and softening of the matrix. As the restraint stress on the specimen increased, the thermal fatigue life was decreased by dynamic precipitation and rapid coarsening of the precipitates.

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문제 정의

. 본 연구에서는 열피로 중 Nb, Ti, Mo 첨가 페라이트계 스테인리스강 용접 열영향부의 석출거동을 포함한 조직의 변화를 분석하였고, 특히 용접부에 작용하는 구속응력의 변화가 석출거동 및 조직 열화, 열피로 수명에 미치는 영향에 대한 검토 결과를 소개하고자 한다.

제안 방법

5℃/sec, 900℃, 유지온도는 30초로 설정하였으며, 각 사이클 내의 최대 인장 하중을 측정하여 그 변화를 기록하였다. 각 열피로 사이클 별 미세조직 변화와 석출거동 분석을 위하여 5, 25, 50, 200, 파단시의 사이클로 반복 시험되었다.
열피로 거동에 대한 용접비드 형상 및 구속도의 영향 분석 관련, 시험편에 가해지는 구속률의 변화를 위하여, MTCS 장비 내 100% 구속 유지 상태에서 시험편 중앙 노치 형상을 변수로 두었다. 즉 용접 비드와 모재가 이루는 각도와 토우부 곡률반경의 영향 등은 각각 시험편의 노치 각도 / 깊이, 곡률반경 변화로 응력집중계수 (stress concentration factor)를 제어하였다¹⁴⁾.
5mm, d = 1 mm, r = 3mm, α = 150° 으로 변형하여 약 70% 구속응력에서의 열피로 시험을 실시하였다. 또한 노치가 없는 시험편에 대한 시험도 실시, 구속응력 변화 (100%, 70%, 0%)에 대한 열피로 거동 및 수명 변화를 분석하였다.

대상 데이터

본 시험에 사용된 강종은 Nb, Ti, Mo 복합 첨가강으로, 상세 합금성분은 Table 1과 같다. 시험편은 1.

성능/효과

1) 용접 열영향부의 열피로 수명은 응력집중계수를 고려한 노치의 형태 변화에 좌우되었으며, 이는 실 구조물의 구속도, 용접부의 비드각도, 토우 곡률 반경 등의 열피로 수명에 대한 영향을 시사한다.
2) 구속응력 증가에 따라 동적석출에 의해 라베스상 및 M₆C의 석출량, 조대화가 증대되고, M₆C의 석출 시기가 빨라진다.
3) 열피로 중 재료의 열화 및 균열은 고용 Nb의 저하와 함께 석출물의 조대화, 그에 따른 응력집중에 의한 석출물과 기지간의 분리, 기공의 형성과 성장에 인해 야기된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	페라이트계 스테인리스강의 열피로 저항성 향상을 위한 연구에는 무엇이 있었는가?	우수한 내식성 및 열피로 저항성을 갖는 페라이트계 스테인리스강은 자동차 배기계의 소재로 널리 사용되고 있으며, 특히 배기 매니폴드의 경우 사용조건에 따라 최고 900℃에서 상온까지의 연속적인 온도 변화가 발생하게 된다1-3). 따라서 고온강도, 고온 내산화성, 열피로 저항성이 요구되며, 특히 열피로 저항성 향상을 위하여 Nb, Ti, Mo, W 등을 첨가, Nb 고용강화, MX-, Laves-, M6C 타입 석출물로 인한 석출강화 및 열피로 중 결정립 성장 억제, 석출물 조대화에 대한 연구가 활발히 진행되었다4-9).
	페라이트계 스테인리스강은 어떤 사양을 갖추어야 하는가?	우수한 내식성 및 열피로 저항성을 갖는 페라이트계 스테인리스강은 자동차 배기계의 소재로 널리 사용되고 있으며, 특히 배기 매니폴드의 경우 사용조건에 따라 최고 900℃에서 상온까지의 연속적인 온도 변화가 발생하게 된다1-3). 따라서 고온강도, 고온 내산화성, 열피로 저항성이 요구되며, 특히 열피로 저항성 향상을 위하여 Nb, Ti, Mo, W 등을 첨가, Nb 고용강화, MX-, Laves-, M6C 타입 석출물로 인한 석출강화 및 열피로 중 결정립 성장 억제, 석출물 조대화에 대한 연구가 활발히 진행되었다4-9).
	배기계의 열피로 수명에 영향을 미치는 인자는?	운행 중 복합적인 열 사이클로 연속적인 인장 및 압축응력이 수반되는 배기계의 열피로 수명은 특히 조직적, 형상적으로 모재 대비 취약한 용접부에의 응력집중, 열 영향부 물성 열화에 좌우된다10-13). 본 연구에서는 열피로 중 Nb, Ti, Mo 첨가 페라이트계 스테인리스강 용접 열영향부의 석출거동을 포함한 조직의 변화를 분석하였고, 특히 용접부에 작용하는 구속응력의 변화가 석출거동 및 조직 열화, 열피로 수명에 미치는 영향에 대한 검토 결과를 소개하고자 한다.

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