Investigation on the Microstructure Evolution and Mechanical Properties of High Carbon Steel Friction Welded Joint

경환 김; 봉준 김; 준오 문; 정원 이; 용현 김

doi:10.5781/JWJ.2023.41.6.16

Abstract

In this study, we aim to investigate the microstructure evolution and mechanical properties in friction welded joints of high carbon S45C steel. Thus far, S45C steel was welded with structural steel containing 0.3 wt.%C using friction welding. The microstructures in a friction welded joint were characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy, and electron back-scattered diffraction analyses, and then compared to the microstructures of CO₂ arc welded S45C welds. The mechanical properties of joints welded using friction and CO2 arc welding were evaluated through impact tests and Vickers hardness tests. The microstructural changes, based on the welding process, were analyzed carefully in terms of chemical composition and strain condition in welds. Finally, the relationship between microstructures and mechanical properties in welds was discussed.

Key words: S45C steel, Friction welding, CO₂ arc welding, Heat-Affected Zone (HAZ), Bond line, Weld metal

1. 서 론

0.3wt% 이상의 탄소함량을 가지는 고탄소강은 높은 탄소함량으로 인해 우수한 경화능을 가진다¹^,²⁾. 이로 인해 고탄소강은 열처리 등을 통해 고강도-고경도 특성 확보가 가능하며, 따라서 고강도, 내마모 특성 등이 주로 요구되는 변속기 등의 자동차용 부품, 유압실린더와 같은 기계 부품 등에 주로 사용된다³^-⁵⁾.

마찰용접(friction welding)은 접합하고자 하는 소재의 표면을 서로 마찰하여 생기는 열로 접합을 시키는 용접방법으로서, 접합하고자 하는 대상물 중에 한쪽을 고정한 상태에서 다른 쪽을 빠른 속도로 회전하여 마찰열을 발생시킨 후 회전을 멈추고 압력을 가하는 업 세팅(upsetting) 공정을 통해 압접하는 방법이다. 이러한 마찰용접은 접합부 표면만을 국부적으로 가열하여 접합하기 때문에 아크 용접에 비해 에너지 효율이 우수하며, 접합강도가 우수하고, 공정변수 또한 대상물의 회전속도, 업셋량 등으로 간단하여 공정관리가 용이하다는 장점이 있다⁶^,⁷⁾.

마찰용접 시, 마찰열에 의해 국부적으로 용융된 표면의 액상은 업 세팅 시에 외부로 빠져나가며, 이에 따라 실제 접합은 고상 간에 이루어지는 고상접합이 발생한다⁷⁾. 이때, 용접 대상물 간의 고상 접합면을 bond-line이라고 한다. 또한, 업 세팅 공정 시 발생하는 소성변형에 의해 bond-line을 중심으로 양쪽 열영향부 (Heat- Affected Zone, HAZ)에 metal flow가 발생하며, 이러한 HAZ 에서는 소성변형에 따라 동적재결정 (dynamic recrystallization)이 발생한다⁸^,⁹⁾.

본 연구에서는 기계부품 제작에 널리 사용되는 S45C 고탄소강의 마찰용접부 미세조직 분석 및 기계적 특성 평가를 실시하였으며, 이를 CO₂ 아크 용접부와 비교하였다. 용접부 미세조직은 광학현미경(Optical Microscopy, OM), 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM), 전자 후방산란 회절 (Electron Backscattered Diffraction, EBSD) 분석기를 이용하여 분석하였으며, 용접부 기계적 성질은 경도시험과 충격시험을 이용하여 평가하였다. 마지막으로 용접부 미세조직과 기계적 성질과의 관계에 대해 용접부 화학조성, 결정립 크기 등과 관련 지어 고찰하였다.

2. 실험 방법

Table 1은 본 연구에서 사용한 S45C 모재의 화학조성을 보여주고 있다. 본 연구에서는 S45C 고탄소강에 대해 0.3wt%의 탄소함량을 가지는 구조용 강재와 마찰용접 및 CO₂ 아크 용접을 실시하였으며, 각 용접공정에 사용된 S45C 모재의 화학조성은 Table 1에서 보듯이 S45C 규격을 만족하였다.

마찰용접은 420 r/min의 회전속도와 62,882 kgf의 upsetting force 조건 하에서 실시되었다. 본 연구에서는 S45C와 0.3wt%C 함량을 가지는 구조용 강재 간의 CO₂ 용접을 위해 SM-80G 용접 와이어를 사용하였으며, Table 2는 용접 전 filler metal과 용접 후 weld metal의 화학조성을 각각 보여주고 있다.

Table 1

Chemical composition (in wt%) of S45C steels examined in this study

		C	Si	Mn	P	S
S45C (JIS G 4051)		0.42-0.48	0.15-0.35	0.60-0.90	< 0.030	< 0.035
Results of analyses	Friction welded sample	0.43	0.26	0.76	0.001	0.005
Results of analyses	CO₂ arc welded sample	0.44	0.26	0.78	0.017	0.146

Table 2

Chemical composition (in wt%) in weld metal formed by CO₂ arc welding

	C	Si	Mn	P	S	Mo	Ti
Weld metal	0.11	0.74	1.65	0.013	0.007	0.27	0.06

모재 및 용접부의 미세조직은 OM, SEM, EBSD를 이용하여 관찰하였다. OM과 SEM 관찰을 위해서 Nital 용액을 이용하여 시편을 에칭 하였으며, EBSD 분석을 위해서 Colloidal silica suspension을 이용하여 시편을 연마하였다.

용접부 기계적 성질을 평가하기 위해서 비커스 경도시험과 충격시험을 실시하였다. 용접부 비커스 경도는 200g의 하중을 가하며 마찰용접부 bond line (CO₂ 아크 용접부의 경우 weld centerline)에서부터 모재까지 측정되었으며, 용접부 충격특성은 ASTM E23 규격에 따라 Charpy U-notch impact test를 통해 상온에서 흡수에너지 값 측정을 통해 평가되었다. 한편, 용접부 충격시험을 위한 시험편 제작 시, CO₂ 아크 용접부와 마찰용접부 단면 weld centerline과 bond line에 각각 노치를 가공하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 모재 및 용접부 미세조직 분석 결과

다음의 Fig. 1(a)와 (b)는 각각 S45C 모재에 대해 OM과 SEM을 이용하여 관찰한 미세조직을 보여주고 있다. 그림에서 보듯이 모재는 전형적인 ferrite+pearlite 조직으로 구성되어 있으며, pearlite의 경우에는 압연방향을 따라서 band structure가 발달하고 있는 것으로 확인된다.

Fig. 1

Base metal microstructure of S45C steel, (a) OM micrograph and (b) SEM micrograph

다음의 Fig. 2(a)와 (b)는 각각 CO₂ 용접과 마찰용접 공정을 통해 접합한 샘플의 사진을 보여주고 있다. 사진에서 보듯이 CO₂ 용접의 경우, 두께 방향 상하에 대해 각각 용접을 실시하였으며, 마찰용접 샘플의 경우에는 접합면을 따라 bond-line이 선명하게 관찰된다.

Fig. 2

Photos of samples welded by, (a) CO₂ arc welding and (b) friction welding

다음의 Fig. 3은 CO₂ 용접부 weld metal과 HAZ에서의 미세조직을 관찰한 결과이다. Fig. 3(a), (b)에서 확인할 수 있듯이 CO₂ 용접부 weld metal에서는 주로 acicular ferrite, bainite, martensite 조직이 발달하였다. 이와 같은 저온 변태상의 발달은 CO₂ 용접부 weld metal 화학조성에 기인하는 것으로 판단된다. 즉, Table 2에서 보듯이 weld metal은 S45C 모재 대비 낮은 탄소함량에도 불구하고 높은 Mo, Mn 함량으로 인해 우수한 경화능을 가지는 것으로 판단된다. 다음으로 Fig. 3(c), (d)는 CO₂ 용접부 HAZ 미세조직을 보여주고 있다. 그림에서 볼 수 있듯이 HAZ에서는 ferrite, pearlite, bainite 조직이 발달하는 것으로 확인되었다. 다음의 Fig. 4는 마찰용접부 bond-line과 HAZ에서의 미세조직을 관찰한 결과이다. Fig. 4에서 확인할 수 있듯이 마찰용접부 bond-line과 HAZ에서는 주로 pearlite, bainite, martensite 조직이 관찰되었다.

Fig. 3

Microstructures in weld metal and HAZ of CO₂ arc welds: (a-b) weld metal and (c-d) CGHAZ

Fig. 4

Microstructures in bond-line and HAZ of friction welded joint: (a-b) bond-line and (c-d) CGHAZ

Fig. 3과 4의 CO₂ 용접부 weld metal과 마찰용접부 bond-line 미세조직을 비교하면 CO₂ 용접부에 비해서 마찰용접부에서는 상대적으로 고온상인 pearlite가 많이 관찰된다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 CO₂ 용접부 weld metal 내에 높은 Mo, Mn 함량에 따라 CO₂ 용접부는 마찰용접부에 비해 높은 경화능을 가지기 때문으로 판단된다. 다음의 Fig. 5(a), (b)는 각각 CO₂ 용접부 weld metal과 마찰용접부 bond-line에서의 CCT 곡선을 JMatPro software를 이용하여 예측한 결과이다. 그림에서 확인할 수 있듯이 CO₂ 용접부 weld metal에 비해, 마찰용접부 CCT 곡선에서 ferrite와 pearlite 변태영역이 넓게 나타난다. 즉, 마찰용접부에서는 CO₂ 용접부에 비해 Fig. 3, 4에서 보듯이 pearlite 생성이 증가할 수 있다.

Fig. 5

CCT diagrams calculated by JMatPro sofrware, (a) CCT diagram in bond-line of friction welded joint and (b) CCT diagram in weld metal of CO₂ arc welds

다음의 Fig. 6(a)와 (b)는 각각 CO₂ 용접부 HAZ와 마찰용접부 HAZ를 EBSD를 이용하여 분석한결과이다. 그림의 Inverse pole figure (IPF) map을 통해 확인할 수 있듯이 마찰용접부 HAZ는 CO₂ 용접부 HAZ에 비해 훨씬 미세한 결정립 크기를 가지는 것으로 확인되었으며, 이는 마찰용접 공정 중 업 세팅 시에 발생하는 소성변형에 따른 동적재결정 거동에 기인하는 것으로 판단된다.

Fig. 6

EBSD inverse pole figure maps in the HAZ of, (a) CO₂ arc weld and (b) friction welded joint

3.2 용접부 기계적 성질 평가 결과

다음의 Fig. 7은 CO₂ 용접부와 마찰용접부에 대한 Charpy U-notch impact test 결과를 보여주고 있다. 그림에서 확인할 수 있듯이 CO₂ 용접부는 마찰용접부에 비해 2배 이상 높은 충격 흡수에너지 값을 가진다. Fig. 7에서 보이는 각 용접부 충격시험 후 파면 사진에서 CO₂ 용접부 파면은 ductile한 dimple 파면이 관찰되는 반면에 마찰용접부 파면은 brittle한 cleavage 파면이 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 마찰용접부에서의 낮은 충격 흡수에너지 값은 마찰용접부의 pearlite 분포와 연관된다. 다음의 Fig. 8(a), (b)는 각각 충격시험 샘플의 파단면 미세조직 관찰 결과를 보여주고 있다. Fig. 8(a)에서 보듯이 CO₂ 용접부에서는 micro voids가 주로 발견되는 반면에 마찰용접부에서는 pearlite 조직을 관통하여 균열이 전파되는 bittle transgranular fracture 거동이 주로 관찰되었다.

Fig. 7

Results of charpy U-notch impact tests and SEM micrographs of the fractured surface after impact tests

Fig. 8

Cross-sectional microstructures of the samples fractured after impact tests

마지막으로 다음의 Fig. 9는 CO₂ 용접부 centerline과 마찰용접부 bond-line에서 모재까지의 경도 profile을 보여주고 있다. 그림에서 보듯이 CO₂ 용접부와 마찰용접부는 유사한 경도값을 보이는 것으로 확인되었다. 즉, 유사한 강도에도 불구하고 충격에 취약한 pearlite의 분포로 인해 마찰용접부는 CO₂ 용접부 대비 Fig. 8과 같이 열위한 충격특성을 가지는 것으로 판단된다. 한편, Fig. 9에서 TMAZ (thermo-mechanically affected zone)은 마찰용접 시에 고온의 열이력과 업 세팅에 의한 소성변형을 동시에 받은 영역을 나타낸다.

Fig. 9

Vickers hardness profile in welds

4. 결 론

본 연구에서는 S45C 고탄소강의 마찰용접부 미세조직 분석 및 기계적 특성 평가를 실시하였으며, 이를 CO₂ 아크 용접부와 비교하였다. 본 연구를 통해 확인한 주요 결과는 아래와 같다.

1) S45C 모재는 전형적인 polygonal ferrite와 pearlite 조직으로 이루어져 있었으며, 이때 pearlite는 압연방형을 따라 발달한 band structure를 나타내었다.
2) S45C의 CO₂ 아크 용접부 weld metal에서는 acicular ferrite, bainite, martensite 조직이 발달하였으며, HAZ에서는 ferrite, pearlite, bainite 조직이 발달하였다. 이로 인해 미세조직 분포에 따라 CO₂ 용접부에서 Weld metal은 모재 및 HAZ 대비 높은 경도값을 나타내었다.
3) S45C의 마찰용접부 bond-line과 HAZ에서는 주로 pearlite, bainite, martensite 조직이 관찰되었다. EBSD 분석결과, 마찰용접부 HAZ는 CO₂ 용접부 HAZ에 비해 훨씬 미세한 결정립 크기를 가지는 것으로 확인되었으며, 이는 마찰용접 공정 중 업 세팅 시에 발생한 소성변형에 따른 동적재결정 거동에 기인하는 것으로 판단된다. 한편, 마찰용접부에서는 압접 시 발생한 metal flow가 뚜렷하게 관찰되었다.
4) S45C 마찰용접부는 CO₂ 용접부에 비해 열위한 충격특성을 가지는 것으로 확인되었으며, 이는 충격특성이 열위한 pearlite 조직의 발달에 따른 결과로 판단된다. 충격시험 후 파면과 파단면 관찰 결과, CO₂ 용접부에서는 dimple 파면 및 micro voids가 주로 발견되는 반면에 마찰용접부에서는 cleavage 파면 및 pearlite 조직을 관통하여 균열이 전파되는 transgranular fracture 거동이 주로 관찰되었다.