본 연구는 수송기계 축 등에 이용되는 캠 형상 부분만을 기존의 단조품인 SF45와 축 부분은 일반기계구조용 탄소강재인 SM45C를 직경 20 mm를 이용하여 이종 마찰용접을 수행하였다. 최적조건을 규명하기 위해 인장시험 등 용접품질과의 상관관계를 고찰하였고, 또한 최적조건에서 마찰용접 후 열처리를 시행하여 용접재(As-welded)와 후열처리재(PWHT)에 대한 회전굽힘 피로시험을 시행하였다. 결과적으로 두 이종재가 강한 혼합으로 계면에서도 개재물 및 산화막이 플래시로 토출되어 양호한 접합상태임을 확인하였다. 더욱이 모재(SF45)와 후열처리재의 피로한도 각각 180 MPa, 250 MPa로 나타났다. 이는 후열처리재가 SF45 모재에 비해 약 40 %의 피로수명이 향상되었음을 확인하였다.
본 연구는 수송기계 축 등에 이용되는 캠 형상 부분만을 기존의 단조품인 SF45와 축 부분은 일반기계구조용 탄소강재인 SM45C를 직경 20 mm를 이용하여 이종 마찰용접을 수행하였다. 최적조건을 규명하기 위해 인장시험 등 용접품질과의 상관관계를 고찰하였고, 또한 최적조건에서 마찰용접 후 열처리를 시행하여 용접재(As-welded)와 후열처리재(PWHT)에 대한 회전굽힘 피로시험을 시행하였다. 결과적으로 두 이종재가 강한 혼합으로 계면에서도 개재물 및 산화막이 플래시로 토출되어 양호한 접합상태임을 확인하였다. 더욱이 모재(SF45)와 후열처리재의 피로한도 각각 180 MPa, 250 MPa로 나타났다. 이는 후열처리재가 SF45 모재에 비해 약 40 %의 피로수명이 향상되었음을 확인하였다.
A study on dissimilar friction-welded joints was performed for cam shaft applications using solid bar samples, 20mm in diameter, of forging steel(SF45) and carbon steel(SM45C). The main parameters of friction welding such as tensile tests, Vickers hardness surveys of the bond of area, the heat affec...
A study on dissimilar friction-welded joints was performed for cam shaft applications using solid bar samples, 20mm in diameter, of forging steel(SF45) and carbon steel(SM45C). The main parameters of friction welding such as tensile tests, Vickers hardness surveys of the bond of area, the heat affected zone (HAZ), and the observation of microstructure were investigated to ensure a good quality of friction welding through visual observations. The specimens were tested as-welded and post weld heat treatment(PWHT). This paper deals with optimizing the welding conditions and analyzing various rotary bending fatigue test(RBFT) properties about heat-treated base metal(BM), as-welded and PWHT. Consequently, two materials for friction welding are strongly mixed with a well-combined structure of micro-particles without any molten material, particle growth, or any defect. Moreover, the fatigue limit of BM(SF45) and PWHT for the RBFT were observed as 180MPa and 250MPa, respectively. It was confirmed that the PWHT causes approximately 40％ improvement in the fatigue limit when compared to the BM(SF45).
A study on dissimilar friction-welded joints was performed for cam shaft applications using solid bar samples, 20mm in diameter, of forging steel(SF45) and carbon steel(SM45C). The main parameters of friction welding such as tensile tests, Vickers hardness surveys of the bond of area, the heat affected zone (HAZ), and the observation of microstructure were investigated to ensure a good quality of friction welding through visual observations. The specimens were tested as-welded and post weld heat treatment(PWHT). This paper deals with optimizing the welding conditions and analyzing various rotary bending fatigue test(RBFT) properties about heat-treated base metal(BM), as-welded and PWHT. Consequently, two materials for friction welding are strongly mixed with a well-combined structure of micro-particles without any molten material, particle growth, or any defect. Moreover, the fatigue limit of BM(SF45) and PWHT for the RBFT were observed as 180MPa and 250MPa, respectively. It was confirmed that the PWHT causes approximately 40％ improvement in the fatigue limit when compared to the BM(SF45).
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구에서는 수송기계 후진기어용 축재 등에 이용되는 캠 형상 부분만을 기존의 단조품인 SF45와 축 부분은 일반 기계구조용 탄소강재인 SM45C의 이종 금속간의 마찰용접(Fig. 1의 점선부가 마찰용접면임)에 의한 제품을 양산하고자 하며 이를 위해 용접품질과의 상관관계를 고찰하여 최적조건을 규명하고, 또한 최적조건에서 마찰용접 후 열처리를 시행하여 용접재(As-welded)와 용접후열처리(Post-weld heat treatment, PWHT)에 대한 회전굽힘 피로시험을 수행하여 피로강도 특성을 고찰하고자 한다.
제안 방법
Fig. 5의 결과에 따른 회전굽힘 피로시험 후 시험편의 파단면을 4가지 조건별로 관찰하였다. 즉 SF45 모재, SM45C 모재, 마찰용접재 및 용접후열처리재의 대표적인 피로파단면 각 부분의 SEM 사진을 250배로 관찰한 결과이다.
그리고 이음부의 인장강도 시험에 사용된 시험기는 만능시험기(Model : KDU-50)로서 인장속도는 2mm/min으로 각 모재와 용접재를 인장시험 하였다. 경도시험은 마이크로 비이커스 경도시험기(Model : MVK-H1, Akashi)을 사용하였으며, 시험 조건은 하중 1000 g/10초의 0.5 mm 등간격으로 하여, 용접재와 후열처리재에 대한 경도분포를 비교 조사하였다.
두 이종재료를 각각 직경 20 mm, 길이 80 mm로 가공하였으며, 마찰용접 후 강도를 알기 위한 인장 시험편의 형상과 치수는 KS규격(KS B0801 14A)에 따라 CNC선반 가공 후 연삭 가공하였다. 그리고 경도 및 조직을 조사하기 위해 마찰용접한 후 용접계면에서 좌우 15 mm로 절단하였고, 중심부를 따라서 와이어 절단하였다. 절단시 열영향을 최소화하기 위하여 절삭유를 적용하였고, 마운팅 후 폴리싱하여 미시조직과 미소 비커스경도를 조사 측정하였다.
참고문헌(3,4)에 의해 여러 가지 조건으로 실험 후 가열압력과 업셋압력의 최적조건을 결정하였다. 그리고 이 조건을 기준으로 가열시간 변화에 따른 최적조건과 재료손실량의 변화를 실험적으로 구하였다. 따라서 2차 실험에서는 최적압력조건에서 가열시간을 변화시켜 마찰용접 후 용접재의 강도 특성을 비교 검토하였고, 이를 기준으로 모재와 마찰용접재의 회전굽힘 피로시험을 수행하였다.
마찰용접시험에 사용된 마찰용접기(Model : TOHO TH-25)는 연속구동브레이크형(Continuous drive brake type)이며, 용량은 최대 재료치수로서 회전척은 ø25 mm이고 고정척은 ø40 mm이다. 그리고 이음부의 인장강도 시험에 사용된 시험기는 만능시험기(Model : KDU-50)로서 인장속도는 2mm/min으로 각 모재와 용접재를 인장시험 하였다. 경도시험은 마이크로 비이커스 경도시험기(Model : MVK-H1, Akashi)을 사용하였으며, 시험 조건은 하중 1000 g/10초의 0.
두 이종재료를 각각 직경 20 mm, 길이 80 mm로 가공하였으며, 마찰용접 후 강도를 알기 위한 인장 시험편의 형상과 치수는 KS규격(KS B0801 14A)에 따라 CNC선반 가공 후 연삭 가공하였다. 그리고 경도 및 조직을 조사하기 위해 마찰용접한 후 용접계면에서 좌우 15 mm로 절단하였고, 중심부를 따라서 와이어 절단하였다.
그리고 이 조건을 기준으로 가열시간 변화에 따른 최적조건과 재료손실량의 변화를 실험적으로 구하였다. 따라서 2차 실험에서는 최적압력조건에서 가열시간을 변화시켜 마찰용접 후 용접재의 강도 특성을 비교 검토하였고, 이를 기준으로 모재와 마찰용접재의 회전굽힘 피로시험을 수행하였다.
절단시 열영향을 최소화하기 위하여 절삭유를 적용하였고, 마운팅 후 폴리싱하여 미시조직과 미소 비커스경도를 조사 측정하였다. 또한 마찰용접 후 용접부의 강도를 향상시키기 위해 용접후열처리를 하였고, 이는 표면 고주파 열처리(high-frequency quenching hardening)를 시행하였다.
5 mm로 나타났다. 또한 용접 후열처리재의 경도측정은 중심부와 원주부의 경도를 비교하기 위하여 2가지로 구분하여 측정하였다. 후열처리재의 경도는 약 HV 700으로 열영향부, 모재측 모두 거의 동일하게 나타났다.
본 연구에 사용된 마찰용접의 변수로는 회전수, 가열압력, 업셋압력, 가열시간, 업셋시간 등이다. 참고문헌(3,4)에 의해 여러 가지 조건으로 실험 후 가열압력과 업셋압력의 최적조건을 결정하였다.
그리고 경도 및 조직을 조사하기 위해 마찰용접한 후 용접계면에서 좌우 15 mm로 절단하였고, 중심부를 따라서 와이어 절단하였다. 절단시 열영향을 최소화하기 위하여 절삭유를 적용하였고, 마운팅 후 폴리싱하여 미시조직과 미소 비커스경도를 조사 측정하였다. 또한 마찰용접 후 용접부의 강도를 향상시키기 위해 용접후열처리를 하였고, 이는 표면 고주파 열처리(high-frequency quenching hardening)를 시행하였다.
본 연구에 사용된 마찰용접의 변수로는 회전수, 가열압력, 업셋압력, 가열시간, 업셋시간 등이다. 참고문헌(3,4)에 의해 여러 가지 조건으로 실험 후 가열압력과 업셋압력의 최적조건을 결정하였다. 그리고 이 조건을 기준으로 가열시간 변화에 따른 최적조건과 재료손실량의 변화를 실험적으로 구하였다.
대상 데이터
마찰용접시험에 사용된 마찰용접기(Model : TOHO TH-25)는 연속구동브레이크형(Continuous drive brake type)이며, 용량은 최대 재료치수로서 회전척은 ø25 mm이고 고정척은 ø40 mm이다.
본 연구에 사용된 마찰용접을 위한 실험 재료는 SM45C와 SF45 강재이다. 기계구조용 탄소강재(SM45C)는 각종 기계부품에 다양하게 사용되는 재료이며, 열간 단조재(SF45)는 내열성, 내마모성 그리고 고온강도 등이 우수하며, 주로 일반 기계, 자동차, 항공기 등의 축류, 기어류, 냉간 단조품, 볼트류 등에 많이 사용된다.
이론/모형
Oh(2,5) 등의 문헌에 의해 모재에 대한 회전굽힘피로시험 결과를 참조하여 피로한도는 2×106 cycle까지 파단되지 않았을 때의 응력을 적용하였다.
성능/효과
이는 경도분포에서 알 수 있듯이 용접계면에서 SF45측 5 mm 지점(HV 150)에서 파단되었다. #4번측은 최종 피로파괴부분으로서 일부가 움푹 패인 부분으로 파단면이 흰색으로 나타남을 알 수 있고, 전체적으로 용접시 열영향에 따른 부식이 진행되었음을 확인할 수 있었다.
SM45C-SF45의 이종 마찰용접재와 후열처리재의 강도와 연성 및 경도분포 등을 고려한 최적조건에서 마찰용접부의 미세조직을 관찰한 결과 이종 재료가 강렬히 혼합하여 계면에서도 개재물 및 산화막이 플래시로 토출되어 양호한 접합상태를 확인할 수 있었다. 또한 회전굽힘 피로한도는 열처리된 모재와 용접후열처리재가 각각 180, 250 MPa로 나타났으며, 이는 용접후열처리재가 기존 단조품인 SF45 모재에 비해 약 40 %의 피로수명 향상을 확인할 수 있었다.
따라서 최적 조건에서 마찰용접한 용접부의 미세조직을 관찰한 결과 개재물이나 기공, 균열이 발견되지 않았으며, 마찰용접시 다양한 개재물 및 산화막이 플래시(flash)로 토출되어 적합한 용접면의 접합이 가능하였다. 결과적으로 마찰용접재와 후열처리재의 마찰용접 계면에서도 두 이종 재료가 미세입자의 혼합조직을 이룬 조직상으로 아주 양호한 상태임을 알 수 있었다.
또한 모재(SF45)와 마찰용접재 그리고 용접 후열처리재의 인장시험 결과는 용접후열처리에 의하여 인장강도와 항복강도는 증가함을 알 수 있었고, 연신율과 단면수축률은 급격히 감소함을 알 수 있다. 고주파열처리에 의한 후열처리재의 인장강도는 약 1000 MPa로 마찰용접재에 비해 약 300 MPa정도 높은 인장강도를 얻을 수 있었으며, 파단면은 고주파열처리의 효과로 인한 취성적인 양상을 보였다. (3)
따라서 최적 조건에서 마찰용접한 용접부의 미세조직을 관찰한 결과 개재물이나 기공, 균열이 발견되지 않았으며, 마찰용접시 다양한 개재물 및 산화막이 플래시(flash)로 토출되어 적합한 용접면의 접합이 가능하였다. 결과적으로 마찰용접재와 후열처리재의 마찰용접 계면에서도 두 이종 재료가 미세입자의 혼합조직을 이룬 조직상으로 아주 양호한 상태임을 알 수 있었다.
에서 나타내었다. 또한 모재(SF45)와 마찰용접재 그리고 용접 후열처리재의 인장시험 결과는 용접후열처리에 의하여 인장강도와 항복강도는 증가함을 알 수 있었고, 연신율과 단면수축률은 급격히 감소함을 알 수 있다. 고주파열처리에 의한 후열처리재의 인장강도는 약 1000 MPa로 마찰용접재에 비해 약 300 MPa정도 높은 인장강도를 얻을 수 있었으며, 파단면은 고주파열처리의 효과로 인한 취성적인 양상을 보였다.
SM45C-SF45의 이종 마찰용접재와 후열처리재의 강도와 연성 및 경도분포 등을 고려한 최적조건에서 마찰용접부의 미세조직을 관찰한 결과 이종 재료가 강렬히 혼합하여 계면에서도 개재물 및 산화막이 플래시로 토출되어 양호한 접합상태를 확인할 수 있었다. 또한 회전굽힘 피로한도는 열처리된 모재와 용접후열처리재가 각각 180, 250 MPa로 나타났으며, 이는 용접후열처리재가 기존 단조품인 SF45 모재에 비해 약 40 %의 피로수명 향상을 확인할 수 있었다. 따라서 종전의 일체형 단조품에 비해 후진기어 캠 형상 부분은 SF45로 사용하고 나머지 축 부분은 SM45C로 이종 마찰용접하여 양산하게 되면, 단조비용 절감,피로수명향상, 기계가공에 따른 공정수 및 재료 절감 등의 경제적 파급효과가 클 것으로 기대된다.
모재의 경도는 SM45C측이 HV 220으로 SF45모재의 HV 160에 비해 높게 나타났으며, 용접계면에서 약 HV 265정도로 가장 높게 나타났다. 이는 용접경계면에서 국부가열과 급냉 및 가공경화 효과 등에 의해 경도가 증가한 것으로 사료된다.
또한 마찰용접재와 용접후열처리재의 피로한도는 각각 220, 250 MPa로 나타났다. 여기서 용접후열처리재가 SF45 모재에 비해 약 40 %, SM45C의 모재 및 마찰용접재에 비해 약 15 %의 피로수명이 향상되었음을 확인할 수 있었다. 이는 마찰용접시 압축잔료 응력에 따른 기존의 단조품(SF45)에 비해 마찰용접후열처리에 의해 피로수명이 크게 향상되었다.
5의 결과에 따른 회전굽힘 피로시험 후 시험편의 파단면을 4가지 조건별로 관찰하였다. 즉 SF45 모재, SM45C 모재, 마찰용접재 및 용접후열처리재의 대표적인 피로파단면 각 부분의 SEM 사진을 250배로 관찰한 결과이다.
후속연구
또한 회전굽힘 피로한도는 열처리된 모재와 용접후열처리재가 각각 180, 250 MPa로 나타났으며, 이는 용접후열처리재가 기존 단조품인 SF45 모재에 비해 약 40 %의 피로수명 향상을 확인할 수 있었다. 따라서 종전의 일체형 단조품에 비해 후진기어 캠 형상 부분은 SF45로 사용하고 나머지 축 부분은 SM45C로 이종 마찰용접하여 양산하게 되면, 단조비용 절감,피로수명향상, 기계가공에 따른 공정수 및 재료 절감 등의 경제적 파급효과가 클 것으로 기대된다. 아울러 단조공정에 의한 제품과의 비교 평가에 관한 추가 연구가 필요하다.
따라서 종전의 일체형 단조품에 비해 후진기어 캠 형상 부분은 SF45로 사용하고 나머지 축 부분은 SM45C로 이종 마찰용접하여 양산하게 되면, 단조비용 절감,피로수명향상, 기계가공에 따른 공정수 및 재료 절감 등의 경제적 파급효과가 클 것으로 기대된다. 아울러 단조공정에 의한 제품과의 비교 평가에 관한 추가 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
마찰용접의 특성과 장점은 무엇인가?
그러나 마찰용접조건과 인장강도 간의 상관관계에 관한 연구 결과는 있지만, 실용상 중요한 피로수명에 대한 결과는 부족한 실정이다. 마찰용접(Friction welding, FRW)은 동종재는 물론 가스용접, 저항용접, 전자빔용접 등 기존의 용접법에는 곤란한 이종금속, 비철금속까지 자유롭게 접합시키는 특성을 가지고 있으며, 또한 경제적인 면과 기술적인 면에서도 많은 장점을 지니고 있어 그 이용 범위는 넓고, 그 도입목적도 광범위하다. 마찰용접은 고체상태의 두 재료를 가압하에서 접촉면에 기계적 상대운동을 일으킬 때 발생하는 마찰열에 의해 두 재료를 압접시키는 고상용접의 일종으로서 특히 이종금속의 용접에 많이 응용되고 있다.
마찰용접은 무엇인가?
마찰용접(Friction welding, FRW)은 동종재는 물론 가스용접, 저항용접, 전자빔용접 등 기존의 용접법에는 곤란한 이종금속, 비철금속까지 자유롭게 접합시키는 특성을 가지고 있으며, 또한 경제적인 면과 기술적인 면에서도 많은 장점을 지니고 있어 그 이용 범위는 넓고, 그 도입목적도 광범위하다. 마찰용접은 고체상태의 두 재료를 가압하에서 접촉면에 기계적 상대운동을 일으킬 때 발생하는 마찰열에 의해 두 재료를 압접시키는 고상용접의 일종으로서 특히 이종금속의 용접에 많이 응용되고 있다. (3,4)
수송기계 등 후진기어용 캠축의 형상이 복잡하여 생기는 문제점과 해결하는 방법은 무엇인가?
1과 같이 단조품으로서 년 평균 약 수백만 개를 생산하고 있는 실정이다. 하지만 형상이 복잡하여 열처리 및 가공공정, 피로수명 저하 등의 문제점으로 인한 경제적 손실이 크게 나타나고 있기 때문에 이러한 문제점을 해결하기 위해 종전의 일체형 단조품을 캠 형상 부분은 기존의 단조품(SF45)으로 사용하고, 나머지 축 부분은 일반 기계구조용 탄소강재(SM45C)로 대체하여 마찰용접재로 양산한다면 가공공정 절감 및 압축잔류 응력에 따른 피로수명 향상을 기대할 수 있다. (4~6)
참고문헌 (13)
Cho, H. S. and Suh, S. J., 1997, "Friction Welding of Inconel 713C and SCM440," Journal of KWS, Vol. 15, No. 6, pp. 78-84.
Oh, S. K., Kim, B. A., Kim, S. J. and Nam, S. H., 1988, "A Study on Friction Welding of SM45C to SCM4 Steel Bars and the Fatigue Properties," Journal of KSOE, Vol. 2, No. 2, pp. 312-321.
Kong, Y. S., Yoon, S. P. and Kim, S. J., 2010, "Mechanical Properties of Friction Welded SM45CSF45 Joints for Automobile Reverse Idle Gear Shaft Applications," Journal of KSME-A, Vol. 34, No. 1, pp. 85-90.
Kong, Y. S. and Kim, S. J., 2006, "Mechanical Properties of Dissimilar Friction Welded Steel Bars in Relation to Post Weld Heat Treatment," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 30, No. 4, pp. 402-408.
Suh, M. S., Fean, Y. S. and Suh, C. M., 2012, "Variation of Fatigue Properties in Nanoskinned Ti-6Al-4V-Rotating Bending and Axial Loading Tension-Compression Cycle," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 36, No. 4, pp. 443-449.
Oh, K. K., Kim, J. H. and Choi, H. S., 2015, "Effect of Nitriding on Fatigue Characteristics of Cr-Mo Alloy Steel," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 39, No. 6, pp. 597-602.
ASTM, 1981, "Statistical Analysis of Fatigue Data," ASTM-STP, p. 744.
Jung, H.S., Cho, J.R., Oh, J.S. Kim, E.N. Choi, S.G. and Ha, M.Y., 2010, "Inertia Friction Welding Process Analysis and Mechanical Properties Evaluation of Large Rotor Shaft in Marine Turbo Charger," International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 11 No. 1, pp. 83-88.
Sohn, H. J. and Kim, S. J., 2012, "Marco and Microscopic Observations of Fatigue Crack Growth Behavior in API2WGr.50 Steel Joints," Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 26, No. 5, pp. 73-80.
Castillo, E., Fermansez, Canteli, A. and Hadi, A. S., 1999, "On Fitting a Fatigue Model to Data," International Journal of Fatigue, No. 21, pp. 97-106.
Hanaki, S., Yamashita M. and Uchida, H., 2010, "On Stochastic Evaluation of S-N Data Based on Fatigue Strength Distribution," International Journal of Fatigue, Vol. 32, No. 3, pp. 605-609.
Fouchereau, R., Celeus, G. and Pamphile, P., 2014, "Probabilistic Modeling of S-N Curves," International Journal of Fatigue, No. 68, pp. 217-223.
Zhai., J. M. and Li, X. Y., 2012, "A Methodology to Determine a Conditional Probability Density Distribution Surface from S-N Data," International Journal of Fatigue, No. 44, pp. 107-115.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.