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문제 정의
- 그 중 자동차 차에와 섀시에 경량소재 도입 시 용접공정이 필수적으로 요구되는데, 고체 상태에서 접합할 수 있는 마찰교반접합의 도입이 적극 추천되고 있다. 따라서 이 연구는 자동차 경량화의 관점에서 Al6061(경량소재)과 HT590(고장력강) 합금을 채택하여, 겹치기 마찰교반접합을 도입하였고, 접합재의 미세조직 발달에 근거하여 기계적 특성에 미치는 영향을 평가하고자 수행되었다.
제안 방법
- 경도분포를 측정하기 위하여, 시편은 20 mm(l) × 2 mm(t)의 크기로 절단되었고, 기계적 연마를 통하여 경면을 얻은 후 접합방향의 횡단면에 대하여 500 ㎛간격으로 측정하였다.
- 접합은 툴 압입하중 19 kN, 회전속도 500 RPM과 이송속도 300 mm/min의 조건으로 수행되었고, shoulder 직경 15 mm, probe 직경 6 mm와 길이 2 mm 크기를 갖는 WC-Co 툴이 사용되었다. 또한, 접합 시 시편표면과 내부의 산화방지를 위하여, 아르곤 가스를 충분히 흘려주며 마찰교반접합을 수행하였다.
- 마찰교반접합 된 소재의 경도분포 전개양상을 평가하기 위해 Vickers 경도시험을 수행하였고, 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. Al6061의 모재부는 75 ~ 88Hv 정도의 경도분포를 나타내었으나, 교반부는 50 ~82 Hv 정도의 경도분포를 나타냄으로써, 다소 감소된 양상을 나타내었다.
- 마찰교반접합 된 소재의 접합계면을 관찰하기 위해, 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)과 에너지분산형분광계(energy dispersive spectroscopy, EDS)를 도입하였고, 두 소재의 계면에서 발현되는 접합성을 평가하였다. 또한, 모재와 접합부의 결정립 특성분포를 통한 동적재결정 양상을 평가하기 위하여, 전자후방산란회절(electron back-scattering diffraction, EBSD)법이 도입되었다.
- 마찰교반접합을 위하여 두 소재는 120 mm(w) × 150 mm(l) × 1 mm(t) 크기로 제단 되었으며, 두 판재를 40 mm 겹치게 하여 마찰교반접합이 수행되었다.
- 경도분포를 측정하기 위하여, 시편은 20 mm(l) × 2 mm(t)의 크기로 절단되었고, 기계적 연마를 통하여 경면을 얻은 후 접합방향의 횡단면에 대하여 500 ㎛간격으로 측정하였다. 이 때 사용된 장비는 Mitsutoyo HM-211이었으며, 측정은 다이아몬드 압입자를 0.1 N의 하중으로 10초간 압입하는 방식을 채택하였다. 인장시험의 경우, 표점거리 15 mm를 갖는 인장시험편이 방전가공으로 제작되었으며, INSTRON사의 기계식 만능시험기(3382 Model)을 이용하여 0.
- 또한, 모재와 접합부의 결정립 특성분포를 통한 동적재결정 양상을 평가하기 위하여, 전자후방산란회절(electron back-scattering diffraction, EBSD)법이 도입되었다. 이를 위해 시편은 기계적 연마를 통하여 경면을 획득하였고, FEG-SEM에 장착된 TSL-OIM을 활용하여 분석되었다. 접합된 소재의 금속간화합물 형성을 관찰하기 위하여, 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM)을 이용한 분석이 도입되었고, 이를 위해 3 mm disc 형태의 시험편이 제작된 후, 기계적 연마와 전해연마를 수행하여 분석 시험편이 제작되었다.
- 이를 위해 시편은 기계적 연마를 통하여 경면을 획득하였고, FEG-SEM에 장착된 TSL-OIM을 활용하여 분석되었다. 접합된 소재의 금속간화합물 형성을 관찰하기 위하여, 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM)을 이용한 분석이 도입되었고, 이를 위해 3 mm disc 형태의 시험편이 제작된 후, 기계적 연마와 전해연마를 수행하여 분석 시험편이 제작되었다.
대상 데이터
- 이 연구에 사용된 소재는 석출강화형 합금인 Al6061 합금을 상부재료, HT590 합금을 하부재료로 사용하였고, 합금의 조성을 표 1에 나타내었다. 마찰교반접합을 위하여 두 소재는 120 mm(w) × 150 mm(l) × 1 mm(t) 크기로 제단 되었으며, 두 판재를 40 mm 겹치게 하여 마찰교반접합이 수행되었다.
- 이와 같은 물성의 감소는 Al6061 합금에서 형성된 금속간화합물로 설명될 수 있다. 이 연구에서 사용된 Al6061 합금은 석출강화형 합금으로서, 열에 의해 금속간화합물이 형성되거나 조대화 되는 특성이 있다11). 이 연구의 결과(Fig.
데이터처리
- 마찰교반접합 된 소재의 동적재결정 양상을 평가하기 위하여, 입계어긋남각분포가 EBSD로 분석되었고, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Al 6061 합금의 교반부는 Fig.
성능/효과
- 특히, Al6061 합금에서 금속간화합물의 조대화와 분율감소는 초기재료 대비 인장강도의 감소를 동반하였으나, 인장 시 모재부에서 파단됨에 따라 건전하게 접합되었음을 알 수 있었다. 따라서 Al6061과 HT590 합금에 대한 겹치기 마찰교반접합의 적용은 미세조직 발달을 동반한 건전한 접합성을 얻는데 효과적임을 알 수 있었다.
- 한편, Al6061의 경우 교반부의 결정립이 모재 대비 두드러지게 미세화 되었음에도 불구하고, 경도값이 오히려 소폭 감소한 양상을 나타내었다. 또한, 마찰교반접합 된 소재의 인장강도가 263 MPa를 나타냄으로써, 모재 대비 75% 수준의 인장강도를 나타내었다. 이와 같은 물성의 감소는 Al6061 합금에서 형성된 금속간화합물로 설명될 수 있다.
- 1에 나타내었다. 실험 결과, 두 소재 간의 계면은 접합 시 발생하는 crack, void, segregation 등의 결함이 없이 건전하게 접합되었다. 그러나 600 ㎛정도 크기의 hook이 후진측에서 Al6061 소재로부터 HT590 소재로 소성유동 streamline 형태로 형성되었다.
- 이 때 금속간화합물의 평균 면밀도는 7.129 × 107cm2로 나타남으로써, 모재에 비해 현저히 감소된 것으로 확인되었다.
- 이 연구에서 사용된 Al6061 합금은 석출강화형 합금으로서, 열에 의해 금속간화합물이 형성되거나 조대화 되는 특성이 있다11). 이 연구의 결과(Fig. 8)에서도 알 수 있듯이, 초기 모재에 비해 마찰교반접합 후 모재부의 금속간화합물이 현저하게 조대한 것을 확인할 수 있고, 그 분율 또한 감소되었음을 분명하게 알 수 있었다. 따라서, 이와 같은 물성의 감소는 Al6061 합금에서 형성된 금속간화합물의 조대화와 분율감소에서 비롯된 것이라 여겨진다.
- 이와 같은 특징은 접합재의 결함발생을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 결정립 미세화에 기초한 미세조직 발달에 큰 효과가 있는 것으로 보고된 바 있다7). 이 연구의 결과에서도 알 수 있듯이, 두 소재의 접합계면에서 delamination, crack, blow hole 등의 결함발생이 없이 건전하게 접합된 양상을 나타내었다[Fig. 1]. 다만, 접합재의 후진 측에서 hook이 형성되었고, 두 소재간의 소성유동 차이에 의해 hook의 계면에서 일부 hole이 관찰되었다.
- 5(b)에 도시된 바와 같이, 전체 입계중 고경각 입계가 93% 이상을 차지함으로써, Al6061 합금과 비슷한 양상을 나타내었다. 이를 통해 두 소재 모두 접합과정 중 건전하게 동적재결정이 완결되었음을 확인하였다.
- 7(b)에 나타난 바와 같이, Al6061 모재의 항복강도와 인장강도는 각각 217 MPa와 352 MPa로 나타났고, 연신율은 32%로 확인되었다. 이에 대하여 마찰교반접합을 수행한 결과, 항복강도와 인장강도는 모재 보다 다소 감소한 195 MPa와 263 MPa로 나타났으며, 연신율은 현저히 감소한 5%로 나타났다.
- 4(a)에 나타난 바와 같이 3 ㎛에서 10 ㎛ 사이의 결정립 분포를 갖고 있었으며, 평균 결정립 크기가 6 ㎛로 확인되었다. 이에 대하여 마찰교반접합을 적용한 결과, 교반부는 0.1 ㎛에서 1 ㎛크기의 등축정들로 구성되어 있었으며, 평균 결정립 크기가 0.75 ㎛로 나타남으로써, 모재보다 현저하게 미세화 되었다. 또한 HT590 합금의 방위 분포의 경우, Fig.
- 그러나 600 ㎛정도 크기의 hook이 후진측에서 Al6061 소재로부터 HT590 소재로 소성유동 streamline 형태로 형성되었다. 이에 대해 EDS를 이용하여 분석한 결과(Fig. 2), hook은 Fe 성분으로 확인됨에 따라, HT590 소재로부터 형성된 것임을 알 수 있었다.
- 8(b)에 나타난 바와 같이, 초기 보다 비대하게 성장한 금속간 화합물[α-Al15(Fe, Mn, Cr)3Si2, Simple cubic]이 분포하고 있었다. 특히, 0.5 ㎛이상의 크기를 갖는 금속간화합물이 분포되었고, 초기 모재에 비해 비교적 불균질한 분포를 나타내었다. 이 때 금속간화합물의 평균 면밀도는 7.
- 이와 같은 결정립 미세화는 HT590 합금의 경도분포 향상에 직접적인 영향을 주었으나, Al6061 합금은 큰 변화를 동반하지 않았다. 특히, Al6061 합금에서 금속간화합물의 조대화와 분율감소는 초기재료 대비 인장강도의 감소를 동반하였으나, 인장 시 모재부에서 파단됨에 따라 건전하게 접합되었음을 알 수 있었다. 따라서 Al6061과 HT590 합금에 대한 겹치기 마찰교반접합의 적용은 미세조직 발달을 동반한 건전한 접합성을 얻는데 효과적임을 알 수 있었다.
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