[논문]초고강도 합금강의 이종마찰교반 접합부에서의 미세조직 특성 및 기계적 물성 연구

이지우; 조훈휘; 홍성태

doi:10.5228/kstp.2020.29.1.11

초고강도 합금강의 이종마찰교반 접합부에서의 미세조직 특성 및 기계적 물성 연구
Microstructural and Mechanical Analysis of a Friction Stir Welded Joint of Dissimilar Advanced High-Strength Steels 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.29 no.1, 2020년, pp.11 - 19

이지우 (한밭대학교 신소재공학과) , 조훈휘 (한밭대학교 신소재공학과) , (울산대학교 기계공학부) , (울산대학교 기계공학부) , 홍성태 (울산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

For microstructural analysis of a friction stir welded (FSWed) joint of advanced high-strength steels, dual phase (DP) and complex phase (CP) steels, are studied. FSWed joints are successfully fabricated in the following four cases: (i) DP/DP; (ii) CP/CP; (iii) DP/CP, where the advancing side is DP and the retreating side is CP; (iv) CP/DP, where the advancing side is CP and the retreating side is DP. The stir zone (SZ) of (i) the DP/DP joint mainly consists of lath martensite, while the stir zone of (ii) the CP/CP joint consists not only of lath martensite but also of bainite. In the case of (iii) DP/CP and (iv) CP/DP, they exhibit a similar microstructure including acicular-shaped phases in the joints; however, cross-sections of the joints show differences in material mixing in each case. In (iv) the CP/DP joint, temperature towards the CP steel is sufficient to cause softening, thus leading to better mixing than that in (iii) DP/CP. The phases of the SZ in each of the four cases are formed by phase transformation during the FSWed process; however, the transformed phase volume fraction of CP steel is lower than that of DP steel, indicating that dynamic recrystallization occurs mainly in CP steel. The hardness values of the SZ are significantly higher than those of the base materials, especially, the SZ of (iii) the DP/CP joint has the highest value due to highest fraction of lath martensite.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Schematic diagram of the FSW process. WD, TD,and ND indicate the welding, transverse andnormal directions of the FSW process,respectively
그림 Fig. 2 Cross-sectional macrograph of the welded samples of (a) DP/DP and (b) CP/CP steel alloys. (c) Transition region (red-dotted rectangle) of each weld. See text for details
표 Table 1 Chemical compositions of DP 1200 and CP 1200 steel alloys used in the present study (in wt.%)
표 Table 2 Process parameters for FSW experiments
그림 Fig. 3 Microstructural features of the base material of DP steel measured in region 1 in Fig.
그림 Fig. 4 Microstructural features of the FSWed DP steel measured in region 2 in Fig.
그림 Fig. 5 Microstructural features of the base material ofCP steel measured in region 4 in Fig.
그림 Fig. 6 Microstructural features of the FSWed CP steelmeasured in region 4 in Fig.
그림 Fig. 7 Cross-sectional macrograph of the welded samples of (a) AS CP/RS DP and (b) AS DP/RS CP steel alloys. See text for details
그림 Fig. 8 BC maps (a-b) and {110} pole figures (c-d) of the SZ of AS CP/RS DP and AS DP/RS CP steel alloys, respectively (where B : bainite and LM : lath martensite).
그림 Fig. 9 Profiles of hardness for the welded samples of (a) DP/DP, (b) CP/CP, (c) AS CP/RS DP and (d) AS DP/RS CP steel alloys. Inner sets show the cross-sectional macrographs of each welded sample, respectively.

AI 본문요약
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문제 정의

이상강과 복합상강의 이종마찰교반접합시에 나타 나는 미세조직의 특성을 분석하기 위해 각 강종의 위치에 따른 미세조직 변화를 관찰하였다. Fig.
따라서, 본 연구에서는 초고강도재의 이종마찰교반접합시 나타나는 다양한 문제점(접합강도 부족, 상당한 공구마모 등)을 보완함으로써, 우수한 접합부를 확인하고, 이상강과 복합상강을 동종 및 이종마찰교반접합시 킴으로써 나타나는 야금학적 변화들을 광학현미경과 전자현미경을 통해 분석한다. 특히, 이종마찰교 반접합시 각 강종의 위치에 따른 재료 유동의 흐름과 기계적 특성을 확인하고자 한다.

제안 방법

하지만, 마찰교반접합기술을 이용하여 물리적인 성질과 기계적인 성질이 다른 초고강도재를 접합한 경우 기존 동종합금의 마찰교반접합 방식으로는 건전한 접합 부를 쉽게 얻을 수 없다고 알려져 있다. 따라서, 본 연구에서는 초고강도재의 이종마찰교반접합시 나타나는 다양한 문제점(접합강도 부족, 상당한 공구마모 등)을 보완함으로써, 우수한 접합부를 확인하고, 이상강과 복합상강을 동종 및 이종마찰교반접합시 킴으로써 나타나는 야금학적 변화들을 광학현미경과 전자현미경을 통해 분석한다. 특히, 이종마찰교 반접합시 각 강종의 위치에 따른 재료 유동의 흐름과 기계적 특성을 확인하고자 한다.
또한, 전자후방산란회절기(SU5000, Hitachi High Technology, Japan)로 미세조직을 관찰하기 위해 위와 동일하게 기계적 연마 후, 과염소산(Perchloric acid) 10 ml와 에탄올 90 ml을 혼합한 용액을 이용하여 저 온에서 28 V 전압 하에 10 초 동안 전해연마 (Lectropol-5, Struers, Denmark) 과정을 진행하였다. 또 한, 기계적 경도를 측정하기 위해 비커스(Vickers) 경도시험(JP/MMT-7, Matsuzawa, Japan)을 수행하였다. 위와 동일하게 기계적 연마 후 횡단면에서 접합부 를 중심으로 0.
미세조직을 관찰하기 위해 SiC 페이퍼를 이용하여 #2400까지 연마 후, 나이탈(Nital)용액 (에 탄올(Ethanol) (97 ml) +질산(Nitric acid) (3 ml))으로 에 칭한 후, 광학현미경(GX41, Olympus, Japan)을 이용하 였다. 또한, 전자후방산란회절기(SU5000, Hitachi High Technology, Japan)로 미세조직을 관찰하기 위해 위와 동일하게 기계적 연마 후, 과염소산(Perchloric acid) 10 ml와 에탄올 90 ml을 혼합한 용액을 이용하여 저 온에서 28 V 전압 하에 10 초 동안 전해연마 (Lectropol-5, Struers, Denmark) 과정을 진행하였다. 또 한, 기계적 경도를 측정하기 위해 비커스(Vickers) 경도시험(JP/MMT-7, Matsuzawa, Japan)을 수행하였다.
공정 중 툴의 압입하중은 약 4800~8000 N, 토크 (torque)는 약 20~26 Nm로 측정되었고, 접합 시 시편 표면과 내부의 산화방지를 위하여, 아르곤(Ar) 가스 를 충분히 공급해 주었다. 마찰교반접합시 공구가 진행한 방향에 수직인 횡단면부의 미세조직을 광학 현미경(Optical Microscope, OM)과 전자후방산란회절 기(Electron BackScatter Diffraction, EBSD)를 이용해 분 석하였다. 미세조직을 관찰하기 위해 SiC 페이퍼를 이용하여 #2400까지 연마 후, 나이탈(Nital)용액 (에 탄올(Ethanol) (97 ml) +질산(Nitric acid) (3 ml))으로 에 칭한 후, 광학현미경(GX41, Olympus, Japan)을 이용하 였다.
마찰교반접합시 공구가 진행한 방향에 수직인 횡단면부의 미세조직을 광학 현미경(Optical Microscope, OM)과 전자후방산란회절 기(Electron BackScatter Diffraction, EBSD)를 이용해 분 석하였다. 미세조직을 관찰하기 위해 SiC 페이퍼를 이용하여 #2400까지 연마 후, 나이탈(Nital)용액 (에 탄올(Ethanol) (97 ml) +질산(Nitric acid) (3 ml))으로 에 칭한 후, 광학현미경(GX41, Olympus, Japan)을 이용하 였다. 또한, 전자후방산란회절기(SU5000, Hitachi High Technology, Japan)로 미세조직을 관찰하기 위해 위와 동일하게 기계적 연마 후, 과염소산(Perchloric acid) 10 ml와 에탄올 90 ml을 혼합한 용액을 이용하여 저 온에서 28 V 전압 하에 10 초 동안 전해연마 (Lectropol-5, Struers, Denmark) 과정을 진행하였다.
또 한, 기계적 경도를 측정하기 위해 비커스(Vickers) 경도시험(JP/MMT-7, Matsuzawa, Japan)을 수행하였다. 위와 동일하게 기계적 연마 후 횡단면에서 접합부 를 중심으로 0.5 mm 간격으로 경도를 측정하였으며, 다이아몬드 압입자를 100 gf의 하중으로 15 초 동안 유지하였다.
이상 및 복합상강을 각각 동종 및 이종 합금에서 마찰교반접합하였을 때 나타나는 미세조직 변화를 전자현미경으로 분석하였다. 이상강과 복합상강은 동종 및 이종마찰교반접합시, 결함없이 정상적으로 접합되었으며 교반부에서는 동적 재결정 및 상변태 와 같은 야금학적 변화들이 나타난 것을 확인할 수 있다.
본 연구에 사용된 이상강과 복합상강의 조성을 Table 1에 나타내었다. 이상강과 복합상강의 접합은 마찰교반용접기(RM-1, TTI, USA)를 통해 실행되었다. 본 연구에 적용한 공정변수 및 공구의 기하학적 구 조를 Table 2에서 나타내고 있다.

대상 데이터

마지막으로, 공정 중 상 대적으로 약한 금속이 받는 기계적 손상을 효과으로 억제시키는 것이 필수적이며, 이를 실현하기 위해서는 재료 계면과 공구와의 옵셋(offset) 크기를 적정화하는 것이 필요하다. 마찰교반 접합시에 사용 된 공구는 숄더(shoulder)와 돌기 직경이 각각 10, 0.9 mm이다. 접합 공정은 회전속도 1500 rpm, 이동속도 50 mm/min, 삽입깊이 1.
또한, 초고강도강 과 같이 융점 및 강도가 높은 재료는 공정 시, 공구가 고온에 견딜만한 기계적 성질을 갖추는 재료를 사용해야 한다. 이를 위해 공구의 재료로 텅스텐 카 바이드(WC)가 사용되었다. 마지막으로, 공정 중 상 대적으로 약한 금속이 받는 기계적 손상을 효과으로 억제시키는 것이 필수적이며, 이를 실현하기 위해서는 재료 계면과 공구와의 옵셋(offset) 크기를 적정화하는 것이 필요하다.

성능/효과

또한, Fig. 4(b)의 결정립계 방위차 분포에 서, 저경각입계의 분율(약 38%)은 교반부에서 공정 중 수반된 상당한 소성변형으로 인해 모재부보다 높 아진 것을 확인할 수 있다. 마지막으로 모재부 이상 강은 체심입방구조(Body Centered Cubic, BCC)의 압연 조직이 약하게 발달하였지만, 교반부에서는 마찰교 반접합 공정 중 상변태가 일어났기 때문에 Fig.
Fig. 5(b)의 결정립계 방위차 분포에서는 저 경각입계의 분율이 약 25% 차지하고 있는 것을 확인할 수 있다. 복합상강도 이상강과 동일하게 압연 과정을 거쳤기 때문에 Fig.
7은 이상강과 복합상강의 이종마찰교반접합시, 회전공구의 진행 방향에 수직인 횡단면 거시조직 사진을 광학현미경으로 분석한 결과이다. 각 합금이 전진부와 후퇴부에 놓여있는 위치에 따라서 재료 유동의 흐름과 교반부의 형태가 달라지는 것을 확인할 수 있다. 두 경우 (Fig.
이종마찰교반접합시, 각 강종의 위치에 따른 재료유동의 흐름과 교반부의 형태를 분석한 결과, 항복강도가 낮은 이상강을 후퇴부에 위치시키면 마찰 및 소성변형을 받은 이상강이 회전하는 공구를 통해 복합상강과 섞이면서 접합부에서 두 재료간의 혼합이 상대적으로 쉽게 일어나는 것을 확인할 수 있다. 경도시험기를 통해 기계적 성질을 분석한 결과, 모든 접합부에서 교반부의 경도값이 가장 높게 측정되었다. 특히, 이종마찰교반접합부 중 복합상강 이 후퇴부에 위치한 경우에서 상변태로 인한 다량의 침상형 결정립들이 발견되었으며, 이는 접합부의 기계적 성질을 동종마찰 교반접합부보다 향상시켰다.
이상 및 복합상강을 각각 동종 및 이종 합금에서 마찰교반접합하였을 때 나타나는 미세조직 변화를 전자현미경으로 분석하였다. 이상강과 복합상강은 동종 및 이종마찰교반접합시, 결함없이 정상적으로 접합되었으며 교반부에서는 동적 재결정 및 상변태 와 같은 야금학적 변화들이 나타난 것을 확인할 수 있다. 이종마찰교반접합시, 각 강종의 위치에 따른 재료유동의 흐름과 교반부의 형태를 분석한 결과, 항복강도가 낮은 이상강을 후퇴부에 위치시키면 마찰 및 소성변형을 받은 이상강이 회전하는 공구를 통해 복합상강과 섞이면서 접합부에서 두 재료간의 혼합이 상대적으로 쉽게 일어나는 것을 확인할 수 있다.
이상강과 복합상강은 동종 및 이종마찰교반접합시, 결함없이 정상적으로 접합되었으며 교반부에서는 동적 재결정 및 상변태 와 같은 야금학적 변화들이 나타난 것을 확인할 수 있다. 이종마찰교반접합시, 각 강종의 위치에 따른 재료유동의 흐름과 교반부의 형태를 분석한 결과, 항복강도가 낮은 이상강을 후퇴부에 위치시키면 마찰 및 소성변형을 받은 이상강이 회전하는 공구를 통해 복합상강과 섞이면서 접합부에서 두 재료간의 혼합이 상대적으로 쉽게 일어나는 것을 확인할 수 있다. 경도시험기를 통해 기계적 성질을 분석한 결과, 모든 접합부에서 교반부의 경도값이 가장 높게 측정되었다.

후속연구

이를 위해 공구의 재료로 텅스텐 카 바이드(WC)가 사용되었다. 마지막으로, 공정 중 상 대적으로 약한 금속이 받는 기계적 손상을 효과으로 억제시키는 것이 필수적이며, 이를 실현하기 위해서는 재료 계면과 공구와의 옵셋(offset) 크기를 적정화하는 것이 필요하다. 마찰교반 접합시에 사용 된 공구는 숄더(shoulder)와 돌기 직경이 각각 10, 0.
상변태 온도 이하에서 철강재료를 마찰교반접합에 적용할 시, 접합부에서는 동적재결정 현상으로 인해 결정립 미세화가 발생하며, 이를 통해 접합부의 기계적 성질이 향상된다고 보고된다 [29]. 이상강과 복합상강을 자동차 산업에 적용되기 위해서는 조립을 위한 용접공정이 필수적으로 요구되므로, 기존의 용융 용접 방법을 대체할 수 있는 대안 중의 하나인 마찰교반접합에 관한 연구가 필요하다. 기존에 보고 된 초고강도강재의 마찰교반접합에 대한 연구의 대부분은 동종합금을 마찰교반접합시 나타나는 미세 구조 변화에 주로 초점을 맞추고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마찰교반접합은 어떤 접합기술인가?	마찰교반접합(Friction Stir Welding, FSW)은 Fig. 1 과 같이 나사산 형태의 돌기(probe)를 가지는 비소모성 공구(tool)를 고속으로 회전시키면서 모재에 삽입함으로써 양쪽의 재료를 혼합시키는 접합기술이다 [9–12]. 실제로 공정 중에는 상호마찰에 의해 대량의 열이 발생하고, 이러한 마찰열에 의한 재료의 연화가 일어남과 동시에 공구에 의한 강제적인 소성 유동이 일어난다.
	용융용접을 할 경우 생길 수 있는 문제점은?	가장 광범위하게 사용되는 조립방법은 용접이며, 다른 방법들보다 원가측면에서 유리하다고 할 수 있다. 하지만, 일반적인 용융용접시에는 기공에 의한 결함이 나 열영향부(Heat Affected Zone, HAZ)의 조대화 (coarsening) 및 인성과 연성, 내식성이 감소할 수 있어 기계적 성질이 저하될 가능성이 크다 [7,8].
	경량화라는 시대적 요구 부응을 위해 차세대 자동차용 소재로 기대되는 초고강도강은?	특히, 경량화라는 시대적 요구에 부응하여, 강도 및 성형성이 우수한 초고강도강을 자동차용 소재에 적용하기 위해 철강 업체들의 연구 개발은 점차 가속화 되고 있다. 그 중에서도 이상(Dual Phase, DP)강과 복합상(Complex Phase, CP)강은 우수한 강도와 가공성이 뛰어난 특징을 가지고 있어, 경량화에 기여할 차세대 자동차용 소재로 기대된다 [3].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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