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문제 정의
- 본 연구에서는 Cu–Ni 내열합금(NiCrBSi계) 이종 레이저 클래딩의 적용성을 미세조직과 기계적 성질 관점에서 기초적으로 검토하였다.
- 본 연구에서는 제철제강 부품의 내구성 향상을 위한 표면 코팅공정 개발을 목적으로, Cu–NiCrBSi계 내열합금(Metco-12C)의 이종 레이저 클래딩 적용성을 기초적으로 검토하였고, 해당 결과는 선행 용사코팅 연구결과와 비교 고찰하였다.
- 특히 용사코팅에 대한 선행연구결과와 비교함으로써 Cu–Ni 이종 코팅 공정 최적화에 대한 야금학적 가이드라인을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 클래드부의 기계적 성질은 비커스 경도 시험과 마찰마모 시험을 통해 평가하였다. 경도 시험(Mitutoyo, HM-100) 하중은 0.01 및 0.5 kgf를 각각 이용하였고, 하중 유지시간은 10초로 설정하였다. 마찰마모 시험에는 pin-on-disk 시험기(Bruker, CETR UMT-2)를 사용하였다.
- 다이오드 레이저를 이용하여 총 10 패스의 이종 클래드부를 제작하였고, 최초 및 최종패스 열영향부에서 일부 고온균열이 발생하였다. 또한 클래딩 패스수 증가에 따라 클래드층 경도값이 저하되는 경향을 보였고, 이는 패스 진행에 따른 Cu 희석량 증가에 기인하는 것으로 판단되었다.
- 더불어 실 사용중의 클래드층 성능 변화에 초점을 맞춰, 후열처리에 따른 Cu–NiCrBSi 클래드부 미세조직 및 경도, 내마모성 변화에 대해서도 체계적으로 평가하였다.
- 특히 용사코팅에 대한 선행연구결과와 비교함으로써 Cu–Ni 이종 코팅 공정 최적화에 대한 야금학적 가이드라인을 제시하고자 한다. 더불어 클래드부에 대해서는 후열처리를 실시하여 연속주조 몰드 사용과정 상의 미세조직 및 기계적 성질(경도 및 내마모성) 변화 거동을 평가함으로써, 장시간 고온 노출에 따른 클래드층 성능 변화에 대해서도 체계적으로 고찰하였다.
- 8 mm/s의 슬라이딩 속도를 적용하였다. 마모시험은 클래드부의 후열처리 조건별로 총 3회씩 실시하였다.
- 모재 Cu 표면에 총 10 패스(pass)의 레이저 클래딩을 실시하였고, 패스간 중첩률은 약 30 %로 설정하였다. 레이저는 파장 970 nm급의 다이오드 레이저를 이용하였고, 출력은 6.
- 미세조직 및 경도값 차이가 가장 큰 미열처리 및 950 ℃-500분 열처리 클래드부를 대상으로 내마모성 비교 평가를 실시하였다. Fig.
- 14)은 후열처리에 따른 NiCrBSi 및 NiWCrSiB계 내열합금 용사층의 미세조직 및 기계적 성질 변화에 대해 보고한 바 있다. 용사층만을 선택적으로 열처리(fusing)하기 위해 온도제어형 레이저 열처리를 적용하였고, 나노 크기의 Cr계 탄화물, 붕화물이 형성되어 기계적 성질(경도, 내마모성)을 상당히 향상시켰다. 하지만 해당 연구들은 Cu 모재에 Ni 전기 도금층을 형성시킨 뒤 NiCrBSi, NiWCrSiB계 합금 코팅을 적용한 3중 구조를 가지고 있기 때문에, 직접적인 Cu–Ni 내열합금 간의 이종 코팅성을 파악하는 데에 한계가 있다.
- 시험편(10 × 10 × 8 mm)은 클래드부 표면에서 깊이 방향으로 채취하였다. 주철의 디스크에 부착시킨 SiC 연마지(PC221, #600 mesh size Deerfos Co.)를 슬라이딩하여 마찰계수(coefficient of friction) 변화와 마모율(wear rate)을 평가하였고, 총 슬라이딩 거리는 200 m, 30 N의 정격 하중 및 28.8 mm/s의 슬라이딩 속도를 적용하였다. 마모시험은 클래드부의 후열처리 조건별로 총 3회씩 실시하였다.
- 클래드부 표면에서 깊이 방향으로 15 × 15 × 15 mm 크기의 시험편을 채취하여 후열처리 하였고, 열처리 온도는 Cu의 융점(약 1,084 ℃)을 고려하여 500 ~ 1,000 ℃범위에서 선정하였다. 클래드부 성능에 미치는 열처리 온도 영향은 100 ℃ 간격의 20분 등온 열처리, 시간에 따른 변화는 950 ℃에서 최대 500분 등온 열처리를 통해 각각 평가하였다. 후열처리 조건은 Table 2에 나타내었다.
- 후열처리에 따른 클래드부 미세조직 및 성분분포 변화는 광학현미경(optical microscope, OM)과 전계 방사형 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM), 전자현미분석기(electron probe micro analyzer, EPMA, JXA-8530F)로 각각 분석하였다. 클래드부의 기계적 성질은 비커스 경도 시험과 마찰마모 시험을 통해 평가하였다. 경도 시험(Mitutoyo, HM-100) 하중은 0.
- 후열처리에 따른 클래드부 미세조직 및 성분분포 변화는 광학현미경(optical microscope, OM)과 전계 방사형 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM), 전자현미분석기(electron probe micro analyzer, EPMA, JXA-8530F)로 각각 분석하였다. 클래드부의 기계적 성질은 비커스 경도 시험과 마찰마모 시험을 통해 평가하였다.
대상 데이터
- 모재 Cu 표면에 총 10 패스(pass)의 레이저 클래딩을 실시하였고, 패스간 중첩률은 약 30 %로 설정하였다. 레이저는 파장 970 nm급의 다이오드 레이저를 이용하였고, 출력은 6.5 kW, 클래딩 속도는 15 mm/s를 사용하였다. 클래딩 시 모재 표면까지의 빔 초점거리는 15 mm, 초점 위치에서의 빔 직경은 5.
- 본 연구에서는 순동(pure Cu)을 모재(substrate)로, NiCrBSi계 Metco-12C(Oerlikon®) 상용 분말을 클래딩 소재로 사용하였다.
- 시험편(10 × 10 × 8 mm)은 클래드부 표면에서 깊이 방향으로 채취하였다.
- 클래드부 표면에서 깊이 방향으로 15 × 15 × 15 mm 크기의 시험편을 채취하여 후열처리 하였고, 열처리 온도는 Cu의 융점(약 1,084 ℃)을 고려하여 500 ~ 1,000 ℃범위에서 선정하였다.
성능/효과
- 21) 즉 Cu–NiCrBSi 이종 클래드부의 응고편석 거동은 Ni–X 2원계로 설명가능한 것을 알 수 있다.
- 500 ℃ ~ 1,000 ℃ 범위에서 20분, 950 ℃에서 최대 500분 조건으로 등온 후열처리를 실시하였고, 최종적으로(950 ℃-500분 조건) 클래드층 미세조직은 응고편석에 의한 농도구배 해소, 2차상(Cr계 붕화물 및 탄화물)의 고용현상을 나타내며 균질화 됨을 확인하였다. 이러한 미세조직 변화와 함께, 후열처리에 따른 클래드층의 경도는 저하되고, 내마모성은 소폭 향상되는 상반된 결과를 보였다.
- 다이오드 레이저를 이용하여 총 10 패스의 이종 클래드부를 제작하였고, 최초 및 최종패스 열영향부에서 일부 고온균열이 발생하였다. 또한 클래딩 패스수 증가에 따라 클래드층 경도값이 저하되는 경향을 보였고, 이는 패스 진행에 따른 Cu 희석량 증가에 기인하는 것으로 판단되었다.
- 8에서 설명한 후열처리에 따른 경도값 변화 결과와는 상반되는 경향이라고 할 수 있다. 미세조직 분석 및 경도, 내마모성 평가 결과를 종합해보면, 미열처리 클래드층에서는 덴드라이트 조직 및 응고편석 등 조직학적 불균질성으로 인해 낮은 내마모성을 나타내며, 후열처리에 의해서는 원소들의 농도구배가 해소되고 석출물 등의 2차상들이 대부분 고용된 균질한 미세조직이 얻어져 낮은 경도값을 나타내더라도 비교적 향상된 내마모성을 가지는 것으로 사료된다.
- 미열처리 클래드층(as-clad)에서는 덴드라이트 응고조직 및 응고편석 등의 미세조직적 불균질성으로 인해 낮은 내마모성(마찰계수: 0.451, 마모율: 4.1 × 10−2 mm3/Nm)을 나타내고, 950 ℃-500분 후열처리에 의해 미세조직이 균질화됨에 따라 경도값은 낮아지지만(453 HV → 142 HV), 내마모성(마찰계수: 0.439, 마모율: 1.4 × 10−2 mm3/Nm)은 향상되는 것으로 판단되었다.
- 본 결과는 Cu–NiCrBSi 합금의 실제 멀티패스 이종 클래딩 시, 모재 열영향부의 균열 발생과 패스수 증가에 따른 클래드층 경도 저하를 유의해야 함을 시사한다.
- 이러한 결과는 후열처리에 따른 용사코팅층 기계적 성질 변화와는 상반되는 경향으로 확인되었고, 이는 레이저 클래딩과 용사코팅에 있어 Cu 희석 현상의 존재유무의 차이점에 기인하는 것으로 판단되었다. 따라서 실제 몰드의 코팅 공정 시에는 모재인 Cu의 희석을 염두에 둔 클래딩 소재 선정 및 공정 조건의 확립이 필요할 것으로 판단된다.
- 500 ℃ ~ 1,000 ℃ 범위에서 20분, 950 ℃에서 최대 500분 조건으로 등온 후열처리를 실시하였고, 최종적으로(950 ℃-500분 조건) 클래드층 미세조직은 응고편석에 의한 농도구배 해소, 2차상(Cr계 붕화물 및 탄화물)의 고용현상을 나타내며 균질화 됨을 확인하였다. 이러한 미세조직 변화와 함께, 후열처리에 따른 클래드층의 경도는 저하되고, 내마모성은 소폭 향상되는 상반된 결과를 보였다.
- 클래드층 표면에서는 레이저 조사 시의 급속응고에 기인한 미세한 덴드라이트 조직이 명확히 관찰되었으며, 1차 덴드라이트 직경은 약 1 µm 수준으로 확인되었다.
- 각 원소 성분분포도에서 응고편석으로 인한 미세조직 상의 원소 농도차가 존재하고 있지만, 확산의 영향으로 미열처리 클래드부의 분포와는 상당한 차이가 있음을 알 수 있다. 특히 미열처리 클래드부 대비 결정립계에는 석출물이 형성되었음을 관찰할 수 있었고, 해당 석출물은 Cr 및 B 분포도로부터 Cr계 붕화물(boride)인 것으로 판단되었다.
- 분석 위치는 클래드부 모식도에 표시하였다. 후방산란전자 영상 사진(BSE image)과 같이 전형적인 덴드라이트 응고조직이 관찰되었으며, 덴트라이트 형상을 따라 각 합금원소의 미세편석(micro-segregation) 현상을 확인할 수 있었다. 하지만 각 원소의 성분 분포도를 보면 원소 종류에 따라 응고편석 거동에는 차이가 있음을 알 수 있다.
- 6) 대비 장시간 열처리에 의해 Cr계 탄화물의 분율은 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 후열처리에 따른 상기 미세조직 분석결과는, NiCrBSi계 내열합금 클래드층이 실제 연속주조 몰드 사용환경에 장시간 노출될 경우, 응고과정상의 미세 편석이 균질화 될 뿐 아니라, 비교적 단시간 고온 노출시(예: 800 ℃-20분) 형성되었던 석출상들 대부분이 기지 조직에 고용될 수 있음을 시사한다.
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