1. 서 론
비조질강(Non-quenched and tempered steel)은 QT (Quenching and tempering) 열처리 없이도 QT 열처리강과 동등한 수준의 기계적 성질을 가지는 강재를 일컫는다1). 이와 같이 비조질강은 우수한 기계적 성질을 가질 뿐 만 아니라 열처리 생략에 따른 부품 제조 비용을 절감시킬 수 있으므로 유압실린더와 같은 각종 기계부품 및 크랭크샤프트, 커넥팅 로드와 같은 자동차용 부품 등의 제작에 널리 사용되고 있다1-4).
마찰용접(friction welding)은 접합하려는 재료를 서로 가압하며 맞댄 상태에서 상대 회전운동을 통해 발생하는 마찰열을 통해 재료를 접합시키는 용접방법이다 5,6). 즉, 접합하려는 두 재료 중 하나는 고정한 상태에서 다른 재료를 빠른 속도로 회전시킬 때 발생하는 마찰열을 이용하여 두 재료의 표면을 국부적으로 용융 시킨 후, 회전을 멈춘 상태에서 압력을 가하는 업 세팅(upsetting) 공정을 통해 두 재료를 접합 시킬 수 있다. 이와 같은 마찰용접 공정은 모재의 극히 일부분(표면)만을 용융시킨다는 점, 생산 효율이 우수한 점, 공정조건에 대한 관리가 쉽다는 점 등의 여러 장점을 가지고 있다6,7).
일반적으로 아크 용접 시 발생하는 용접부 조직과 달리 마찰용접 시에는 마찰열에 의해 용융된 액상의 표면 용융부가 업 세팅 공정 시에 외부로 빠져나가고, 이에 따라 고상 간의 접합면인 bond-line이 발생한다. 또한, bond line을 중심으로 양쪽 열영향부(Heat-Affected Zone, HAZ)에 업 세팅 시에 가해지는 힘(upsetting force)에 의해 metal flow가 발생한다6). 한편, 접합공정 중 HAZ에 발생하는 내부 응력을 해소하는 과정에서 bond-line 부근에서는 동적 재결정 거동이 발생한다8,9).
본 연구에서는 유압실린더 부품 제작을 위해 개발된 비조질강의 마찰용접부 특성에 대해 평가하였다. 이를 위해 비조질강과 S45C 고탄소강의 마찰용접을 실시하였다. 마찰용접부 위치별 미세조직은 광학현미경(Optical Microscopy, OM), 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM), 전자 후방산란 회절 (Electron Backscattered Diffraction, EBSD) 분석기를 이용하여 분석하였으며, 용접부 기계적 성질은 경도시험, 상온인장시험, Charpy U-notch 충격시험을 이용하여 평가하였다. 마지막으로 용접부 미세조직 변화에 따른 기계적 성질 변화에 대해 상분율 및 결정립 크기 등과 관련 지어 고찰하였다. 본 연구는 최근 새로 개발된 Si 첨가형 비조질강의 마찰용접 특성을 확인하고, 마찰용접부 위치별 미세조직과 물성 간의 관계를 평가한 결과로서 그 의의가 있다고 판단된다.
2. 실험 방법
Table 1과 2는 각각 본 연구에 사용된 비조질강과 S45C 고탄소강의 화학조성을 보여주고 있다. 표 1에서 보듯이 본 연구에서는 0.3 wt..%의 C 함량을 기본으로 가지며 여기에 Si, V 등을 첨가하여 제작한 비조질강에 대해 S45C 고탄소강과 마찰용접을 진행하였다. 이때, 상세한 마찰용접 조건은 Table 3에 기재하였다.
Table 1
Chemical composition of NQT steel investigated in this work (wt.%)
| C | Si | Mn | P | S | Cu | Ni | Al | V | Fe |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.28 | 0.97 | 1.61 | 0.0053 | 0.0033 | 0.16 | 0.07 | 0.05 | 0.14 | Bal. |
Table 2
Chemical composition of commercial S45C high-carbon steel (wt.%)
| C | Si | Mn | P | S | Fe |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.48 | 0.27 | 0.76 | 0.0155 | 0.0183 | Bal. |
Table 3
Friction welding conditions performed in this work
| Initial friction process | Friction process | Upsetting process | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Force, kgf | RPM | Time, s | Force, kgf | RPM | Force, kgf | Time, s |
| 13,100 | 420 | 20 | 46,288 | 420 | 62,882 | 16 |
모재 및 마찰용접부의 위치별 미세조직은 OM, SEM, EBSD 관찰을 통해 분석하였다. OM과 SEM 관찰을 위해서 시험편을 폴리싱 후에 3%의 Nital 용액을 이용하여 에칭을 실시하였다. 한편, EBSD 분석을 위한 시험편은 Colloidal silica suspension을 이용하여 연마하였다. 용접부 기계적 특성을 평가하기 위해서 비커스 경도시험, 충격시험 및 인장시험을 실시하였다. 경도시험은 마찰용접부 Bond line에서부터 모재까지 0.2kg의 하중을 가하며 실시하였다. 충격시편은 접합부 bond line을 중심으로 bond line에 수직방향으로 채취하였으며, ASTM E23 규격을 참고하여 Charpy U-notch impact test를 통해 상온에서 충격 흡수에너지 값을 측정하였다. 인장시편은 ASTM E8/ E8M 규격에 의거하여 접합부 bond line을 중심으로 bond line에 수직방향으로 채취하였으며, 상온에서 인장시험을 진행하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 모재 및 용접부 미세조직 분석 결과
Fig. 1(a-b)는 본 연구에 사용된 비조질강 모재, Fig. 1(c-d)는 S45C 고탄소강 모재의 미세조직을 각각 보여주고 있다. 그림에서 보듯이 비조질강 모재는 전형적인 Polygonal ferrite (PF) + pearlite (P) 조직으로 구성되어 있으며, S45C 모재는 grain boundary ferrite (GBF)와 pearlite로 구성된 조직을 가지고 있다.
Fig. 1
Microstructure in the base steels: (a-b) OM and SEM micrographs of NQT steel and (c-d) OM and SEM micrographs of S45C high carbon steel. PF: Polygonal ferrite, P: Pearlite
다음의 Fig. 2는 마찰용접 공정을 통해 접합된 샘플의 사진을 보여주고 있다. 사진에서 보듯이 접합면에서 bond line을 확인할 수 있다. 다음의 Fig. 3과 4는 각각 마찰용접 샘플의 중심부와 표면부에서 시험편을 채취한 후, Bond line을 중심으로 두 접합 소재의 미세조직을 관찰한 결과이다. Fig. 3에서 확인할 수 있듯이 Bond line에 인접한 열영향부의 경우, upsetting 시에 받은 변형에 의해 TMAZ (Thermomechanically affected zone)가 발생하였고, TMAZ 옆으로 HAZ가 발달하였다. S45C의 경우, TMAZ와 HAZ 모두 Grain boundary ferrite (GBF)와 Pearlite (P)가 발달한 미세조직을 보이며, HAZ에 비해 TMAZ는 상대적으로 조대한 결정립 크기와 높은 분율의 Pearlite를 가진다. 이는 HAZ 에 비해 TMAZ의 열영향부 Peak 온도가 높으며, TMAZ에서는 upsetting 시에 받은 변형에 의한 동적재결정 및 결정립 성장이 발생한 결과이다. 비조질강 (NQT)의 경우, TMAZ와 HAZ 모두에서 GBF, acicular ferrite (AF), bainite (B)가 혼재된 미세조직을 보이며, S45C와 마찬가지로 HAZ에 비해 TMAZ는 상대적으로 조대한 결정립 크기를 가진다. 한편, Fig. 4에서 확인할 수 있듯이 마찰용접 샘플 표면부는 전반적으로 중심부와 유사한 미세조직을 가지나, 비조질강 TMAZ와 HAZ의 GBF 상분율이 중심부에 비해 표면부에서 크게 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 3
Optical and SEM micrographs at the center region of the welded joint: (a-c) HAZ of NQT, (d-f) TMAZ of NQT, (g-i) bond line, (j-l) TMAZ of S45C, and (m-o) HAZ of S45C. GBF: Grain boundary ferrite (GBF), P: Pearlite, B: Bainite
Fig. 4
Optical and SEM micrographs at the surface region of the welded joint: (a-c) HAZ of NQT, (d-f) TMAZ of NQT, (g-i) bond line, (j-l) TMAZ of S45C, and (m-o) HAZ of S45C. GBF: Grain boundary ferrite (GBF), P: Pearlite, B: Bainite, AF: Acicular ferrite
다음의 Fig. 5, 6은 각각 마찰용접 샘플의 중심부와 표면부의 Bond line과 비조질강 TMAZ, HAZ에서의 미세조직을 EBSD을 이용하여 분석한 결과이다. 그림에서 확인할 수 있듯이 비조질강 TMAZ와 HAZ는 침상형의 acicular ferrite, bainite 조직으로 주로 구성되어 있다. 본 연구에서는 Fig. 5, 6의 EBSD 분석을 통해 마찰용접 샘플 중심부와 표면부의 비조질강 TMAZ, HAZ에서의 유효결정립크기를 측정하였으며, 그 결과를 다음의 Table 4에 정리하였다. 결정립 크기는 HAZ에 비해 TMAZ에서 조대하며, 표면부에 비해 중심에서 조대한 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 중심부에 비해 표면부의 냉각속도가 빠르며, HAZ에 비해 TMAZ에서는 열영향부 Peak온도가 높고 동적 재결정 이후 결정립 성장이 발생한 결과로 판단된다.
3.2 용접부 기계적 성질 평가 결과
다음의 Fig. 7은 마찰용접 샘플 중심부와 표면부에서 Bond line을 중심으로 경도 분포를 측정한 결과이다. 그림에서 보듯이 S45C와 비조질강 모두 TMAZ에서 HAZ로 갈수록 경도가 낮아지는 경향을 보인다. 이는 Fig. 5, 6에서 보듯이 HAZ는 TMAZ에 비해 미세한 결정립 크기를 가짐에도 불구하고 높은 분율의 ferrite가 분포하기 때문으로 판단된다.
다음의 Fig. 8(a), (b)는 각각 Bond line을 중심으로 수직방향으로 채취한 샘플의 상온 충격 및 인장시험 결과이다. 이때, 충격시험의 경우, 실험 방법에서 언급한 바와 같이 Charpy U-notch 충격시험을 실시하였다. 먼저, Fig. 8(a)에서 중심부는 표면부에 비해 높은 충격특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이는 중심부가 표면부에 비해 다소 조대한 결정립 크기를 가지는 반면에 높은 ferrite 분율을 가지기 때문으로 판단된다. 다음으로 Fig. 8(b)에서 중심부와 표면부는 유사한 인장강도와 항복강도를 가지는 것을 확인할 수 있다. 인장시험 후 샘플 확인 결과, 중심부와 표면부 모두에서 파단은 모재 인근의 HAZ 에서 발생하였으며, 이는 Fig. 7에서 확인할 수 있듯이 모재 인근의 HAZ가 S45C와 비조질강 모두 경도가 가장 낮은 지역이기 때문이다. 이와 같이 모재 인근의 HAZ에서 경도가 가장 낮은 지역이 발생하는 이유는 모재 인근의 HAZ 지역은 A3 온도 이하의 낮은 Peak 온도로 인해 다른 상변태 거동이 발생하지 않고 단순히 모재가 템퍼링 (tempering) 열처리를 받는 지역이기 때문이다. 즉, 중심부와 표면부 모두에서 인장시험 시에 강도가 가장 낮은 모재 인근의 HAZ에서 파단이 발생하였으며, 따라서 Fig. 8(b)와 같이 중심부와 표면부의 인장시험 결과는 유사한 강도 값을 보인다. 마지막으로 Fig. 9(a-b)와 (c-d)는 각각 마찰용접 샘플 중심부와 표면부에서 상온 충격시험 후 파단면 미세조직을 관찰한 것이다. 그림에서 확인할 수 있듯이 균열은 pearlite 상을 관통하며 전파되었으며, 이를 통해 앞서 언급한 바와 같이 ferrite 분율이 줄어들고 pearlite 분율이 늘어날수록 충격특성이 낮아지는 것을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 0.3 wt.%의 탄소함량을 가지는 비조질강을 제작하여 S45C 고탄소강과 마찰용접을 실시하였으며, 마찰용접부 미세조직 분석 및 기계적 특성 평가를 실시하였다. 본 연구를 통해 확인한 주요 결과는 아래와 같다.
1) 비조질강 모재는 전형적인 Polygonal ferrite + pearlite 조직으로 이루어져 있으며, S45C 모재는 Grain boundary ferrite + pearlite 조직을 가지는 것으로 확인되었다.
2) Bond line에 인접한 열영향부의 경우, upsetting 시에 받은 변형에 의해 TMAZ가 발생하였고, TMAZ 옆으로 HAZ가 발달하였다. 마찰용접부 중심부에서 S45C의 경우, TMAZ와 HAZ 모두 GBF + Pearlite가 발달한 미세조직을 보이며, HAZ에 비해 TMAZ는 상대적으로 조대한 결정립 크기와 높은 분율의 Pearlite를 가진다. 비조질강의 경우, TMAZ와 HAZ 모두에서 GBF, acicular ferrite, bainite가 혼재된 미세조직을 보이며, S45C와 마찬가지로 HAZ에 비해 TMAZ는 상대적으로 조대한 결정립 크기를 가진다. 마찰용접 샘플 표면부는 중심부와 유사한 미세조직을 가지나, 비조질강 TMAZ와 HAZ의 GBF 상분율이 중심부에 비해 표면부에서 크게 낮아지는 것으로 확인되었다.
3) 경도 분포 측정결과, S45C와 비조질강 모두 TMAZ에서 HAZ로 갈수록 경도가 낮아지는 경향을 보이며, 이는 HAZ는 TMAZ에 비해 높은 분율의 ferrite가 분포하기 때문이다. 한편, 모재 인근의 HAZ에서 가장 낮은 경도 값을 보였으며, 이는 모재 인근의 HAZ 지역은 A3 온도 이하의 낮은 Peak 온도로 인해 모재가 템퍼링 열처리를 받은 지역이기 때문이다.
4) 마찰용접부 중심부는 표면부에 비해 높은 충격특성을 가지는 것으로 확인되며, 이는 중심부가 표면부에 비해 높은 ferrite 분율을 가지기 때문으로 판단된다. 한편, 중심부와 표면부는 유사한 인장강도와 항복강도를 가지는 것으로 확인되었으며, 이는 중심부와 표면부 모두에서 인장시험 시에 강도가 가장 낮은 모재 인근의 HAZ에서 파단이 발생하기 때문으로 확인되었다.
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