Fe-C 분말소결체와 SCM440 합금강의 마찰용접 조건에 따른 접합부 미세조직 및 물성 변화

Abstract

최근 에너지 및 환경적인 이슈가 자동차 산업에서 대두되고 있고, 여러 산업에서 내식성, 내산화성 환경이나 고하중, 반복하중 및 회전에 따른 윤활성질 및 경량화가 요구되고 있다. 이러한 요구들을 충족하기 위해, 현재 널리 사용되고 있는 특수강 재질의 용접구조물에 대한 생산원가 절감 또는 경량화를 목적으로 특수강과 일반 탄소강과의 이종재료를 마찰용접(friction welding)하여 생산하는 경우가 늘어나고 있다. 마찰용접은 두 소재를 맞대어 가압한 상태에서 상대운동에 따라 접합부에서 발생하는 마찰열과 업셋 압력을 이용하여 재료를 용해시키지 않고, 고상 상태에서 압접시키는 용접법이기 때문에, 용융접합에서는 불가능한 고용융점 금속 및 이종금속의 접합에 이용되고 있다. 또한, 다른 일반적인 용접법에 비해 상대적으로 양호한 모재의 기계적 특성을 유지하면서 구조물의 무게와 제작비용을 절감시킬 수 있다는 장점이 있다. 이종재료를 이용한 마찰용접에 대한 연구는 1958년경 소련의 VNIIESO에서 금속용접 방법을 실용화한 후 각종 탄소강의 마찰용접을 중심으로 하여 활발하게 진행되었다. 하지만 스테인레스와 스테인레스, 구리와 스테인레스, 주철과 스테인레스, 탄소강과 합금강 등 다양한 이종재료의 마찰용접에 대한 연구는 지속적으로 진행되어 왔으나, 대부분 파이프 형태 또는 단순하게 가공된 형태의 샘플 연구에 국한되었으며, 합금강과 소결품에 대한 마찰용접 연구는 미진한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 기계 구조물에 주로 이용되는 SCM440 합금강과 Fe-C 분말소결체인 F-05-140 이종재를 마찰용접을 통해 접합하였으며, 마찰용접 조건에 따른 접합부의 조직 및 기계적 물성 변화를 확인하였다. 기계적 물성 변화를 경도 측정을 통해 확인한 결과, 회전속도가 1000rpm일 경우에는 발생되는 마찰열이 적어, 마찰압력이 증가하더라도 소성변형이 크게 일어나지 않기 때문에, 플레시 형태로 배출되는 양이 적어 점차적으로 분말소결체의 열영향부 면적이 증가하였다. 1500rpm과 2000rpm에서는 1000rpm의 조건보다 마찰열의 발생이 크기 때문에, 마찰압력이 증가함에 따라, 플레시로 배출되는 양이 많아져 분말소결체의 열영향부 면적이 감소하였다. 면적의 감소 비율은 2000rpm이 1500rpm보다 컸으며, 이는 회전속도가 빠를수록 마찰열이 증가하고, 그에 따라 소성변형도 크다는 것을 의미한다. 이것으로 소성변형의 정도가 마찰압력보다 회전속도에 의존됨이 확인되었다. 미세조직 관찰 결과, 모재부와 열영향부의 결정립 크기는 모든 시험편이 편차없이 동일하였는데, 이는 회전속도의 증가에 따라 마찰열의 영향을 크게 받은 부분이 플레시로 배출되었기 때문인 것으로 판단된다. 그리고 마찰용접시 발생되는 마찰열과 가압으로 인해, 열영향부의 조직이 재결정 후 미세화 되었음이 확인되었으며, 이 조직의 미세화로 마찰용접 후 열영향부의 경도가 상승되었음이 확인되었다. EDS 분석 결과, 모든 시험편의 접합부에서 Transferred Material이 관찰되었으며, 이를 통해, 마찰용접시 발생되는 마찰열과 가해진 압력에 의해 F-05-140 분말소결체와 SCM440 합금강 사이에서 물질의 전이가 발생되었음을 확인하였다. 모든 시험편의 접합부에서 미세 크랙 및 미접합부는 관찰되지 않았으며, 이를 통해 물질의 전이가 정상적인 접합 과정에서 발생된 것임을 알 수 있었다.