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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.29 No.1 pp.30-36
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2019.29.1.30

Evaluation of the Microstructures and Mechanical Properties on Friction Welded STK400 Tube

Gyeong-Woo Kim, Kuk-Hyun Song
Dept. of Welding and Joining Science Engineering, Chosun University, 309 Pilmun-daero, Dong-gu, Gwangju 61452, Republic of Korea
Corresponding author
E-Mail : skhyun7@chosun.ac.kr (K.-H. Song, Chosun Univ.)
November 7, 2018 December 5, 2018 December 5, 2018

Abstract


We evaluate the properties of friction welded STK400 steel tube in terms of the relationship between microstructures and mechanical properties. Friction welding is conducted at a rotation speed of 1,600 rpm and upset time of 3-7 sec for different thicknesses of STK 400 tubes. To analyse the grain boundary characteristic distributions(GBCDs) in the welded zone, electron backscattering diffraction(EBSD) method is introduced. The results show that a decrease in welding time (3 sec.) creates a notable increase grain refinement so that the average grain size decreases from 15.1 μm in the base material to 4.5 μm in the welded zone. These refined grains achieve significantly enhanced microhardness and a slightly higher yield and higher tensile strengths than those of the base material. In particular, all the tensile tested specimens experience a fracture aspect at the base material zone but not at the welded zone, which means a soundly welded state for all conditions.



마찰접합 된 STK400 Tube의 미세조직과 기계적 특성 평가

김경우, 송국현
조선대학교 용접·접합과학공학과

초록


    Ministry of Education
    2018R1D1A1B07040315

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    철강재료는 강도, 인성, 용접성, 성형성 등이 우수하여 자동차, 건설, 해양, 화학플랜트 등 다양한 산업분야에 광 범위하게 사용되고 있다.1-4) 최근 수송기나 구조용 소재 부품의 경량화 추진으로 인하여, 알루미늄, 마그네슘, 탄 소복합소재 등의 경량소재가 도입되고 있으나, 아직까지 비용적인 측면에서 철강재료 대비 열악하기 때문에, 철 강재료의 소비가 꾸준히 이어지고 있다. 일반적으로 철 강재료를 이용하여 다양한 소재부품을 제조할 경우, arc, laser, electron beam welding 등과 같은 용융용접(fusion welding)을 채택하고 있다.5-7) 그러나 용융용접은 별도의 열원(heat source)을 사용하기 때문에, 용접 시 높은 입 열량(heat-input)이 동반되며, 이로 인해 응고균열(solidification crack), 열변형(heat distortion), 상변태(phase transformation), 열영향부(heat-affected-zone) 확산 등의 문제 점이 발생하고 있다.8-10) 특히, 열영향부에서 발달하는 결 정립성장(grain growth)은 용접재의 기계적 특성에 직접 적인 영향을 미치는데, 이를 통해 강도, 연성, 인성 등 의 물성이 저하되는 문제를 초래하기도 한다.11-13) 이와 같 은 문제들의 근간은 특유의 높은 입열량에 기인하며, 이 를 해결하기 위하여 입열량을 현저히 낮추어 접합할 수 있는 고상접합(solid-state-welding)의 도입이 요구되고 있 다.14) 그러나 아직까지 철강재료에 대한 고상접합연구는 현저히 부족한 실정이며, 서로 다른 크기의 튜브를 이 용한 고상접합연구는 보고된 바 없다.

    고상접합은 금속을 녹이지 않고 고체상태(solid state) 에서 접합할 수 있는 신개념의 접합기술로서, 마찰교반접 합(friction stir welding, FSW), 마찰접합(friction welding, FW), 반복겹침압연(accumulative roll bonding, ARB) 등 이 고상접합공정에 속하며, 그 중 마찰접합이 tube와 rod 소재의 접합에 적합한 것으로 알려져 있다.15,16) 이 연구 에서 도입된 마찰접합은 한 소재를 고속으로 회전시킨 상태에서 다른 한 소재를 가압함으로써, 두 소재 사이 에서 발생하는 마찰열과 압력으로 접합하는 공정이기 때 문에, 마찰압력(friction pressure), 회전속도(rotation speed) 와 업셋압력(upset pressure)의 제어를 통해, 접합부의 물 성을 제어할 수 있는 특징이 있다.17,18) 특히, 접합과정 중 유발되는 금속의 소성유동과 마찰열은 접합부의 동 적재결정을 동반시키는데, 이를 통해 접합부의 결정립이 현저히 미세화되며, 결과적으로 우수한 기계적 특성을 확 보하는데 직접적으로 기여한다.19,20) 현재까지, 다양한 비 철금속에 대하여 마찰접합연구가 수행되었고, 이 과정에 서 나타나는 미세조직과 기계적 특성의 발달양상이 보 고된 바 있으나,21-24) 아직까지 철강재료에 대한 연구는 현저히 부족한 실정이다. 따라서, 이 연구는 구조용 철 강재료로 주로 사용되고 있는 STK400 tube 소재에 대 하여 마찰접합을 수행하였고, 접합 시 업셋시간의 변화 에 따른 미세조직과 기계적 특성의 전개양상을 평가하 고자 수행되었다.

    2. 실험 방법

    이 연구에서 사용된 소재는 구조물에 주로 사용되는 철 강재료(STK400) tube 였으며, 이에 대한 화학조성을 Table 1에 나타내었다. 마찰접합을 위하여 Fig. 1(a)에 나타낸 바와 같이, 외경이 60.5 mm로 동일하지만, 두께가 2.2 mm(T1)와 3.3 mm(T2)로 서로 다른 tube를 각각 70 mm 와 170 mm 크기로 제단 하였고, 이를 초기재료로 사용 하였다. 또한, 시험편 표면에 형성된 산화피막을 제거하 기 위하여, 표면으로부터 0.2 mm 정도 선반가공으로 제 거한 후 접합이 진행되었다. 마찰접합장비는 Nitto-Seike 사의 브레이크 구동방식의 마찰접합기(FF-45II-C)를 도입 하였고, 준비된 초기재료 T1과 T2 tube를 각각 회전축과 전진축에 고정시킨 후, 회전속도 1,600 RPM, 마찰압력 10 kgf/cm2와 업셋압력 20 kgf/cm2으로 유지한 채, 업셋 시간 3-7 sec 조건에서 마찰접합하였다.

    업셋시간의 변화에 따른 접합재의 미세조직 전개양상 을 관찰하기 위하여, 광학현미경(optical microscope, OM) 을 사용하였고, 이를 통해 접합부의 결함유무, 결정립 형 상, 상변태 등의 건전성을 평가하였다. 이를 위해 시험 편을 20 × 3.3 mm2 크기로 절단하였고, 샌드페이퍼와 연 마포를 사용하여 표면을 경면으로 연마한 후 Nital 5 % 용액(5 %HNO3 + 95 %CH3CH2OH)으로 시험편 표면을 3-5초 동안 에칭하였고, 선택적으로 부식된 표면에 대하 여 미세조직을 관찰하였다. 또한, 전자후방산란회절(electron backscattering diffraction, EBSD)법을 사용하여 접합부의 결정립 크기, 결정립계어긋남각(grain boundary misorientation angle), 결정방위(crystal orientation) 등과 같은 결정립계특성분포(grain boundary characteristic distribution, GBCD)를 평가하였다. EBSD 분석은 FE-SEM에 부착된 TSL-OIMTM의 장비를 사용하여 수행되었고, 경면으로 연 마된 접합부의 cross-section면에 대하여 분석되었다.

    접합시간의 증가에 따른 접합재의 기계적 물성을 평가 하기 위하여, 비커스경도시험과 인장시험이 도입되었다. 비커스경도시험은 접합재의 cross-section면에 대하여 접 합부 상단에서 1 mm 아랫부분을 0.5 mm 간격으로 3회 씩 측정하여 평균값을 취하였다. 이 때 사용된 장비는 Shimadzu HMV-G21 이었으며, 측정을 위하여 다이아몬 드 압입자를 4.9 N으로 10초간 압입하는 방식을 채택 하였다. 접합재의 인장특성을 평가하기 위하여, 시험편은 Fig. 1(b)에 나타낸 바와 같이, 두께 2.2 mm, 표점거리 50 mm인 호(Arc) 형상으로 제작되었으며, ASTM-E8 규 격에 따라 인장시험 하였다. 이 과정에서 접합시간에 따 른 전개양상을 정량적으로 평가하기 위하여, 각각의 조 건에 대하여 3회씩 인장시험을 수행하였고, 이에 대하여 평균값을 취하였다.

    3. 결과 및 고찰

    마찰접합 된 STK400 tube의 외관을 Fig. 2에 나타내 었다. 업셋시간 3, 5와 7 sec로 접합된 시험편 모두, Fig. 2(a-c)에 나타난 바와 같이, 외관상 결함이 없이 건전한 접합성을 나타내었다. 또한, 접합 중 가해진 압력과 마 찰열에 의해 flash가 형성되었는데, 상대적으로 두께가 얇 은 T1 tube측에서 더욱 크게 형성되었으며, 업셋시간이 증 가함에 따라 그 크기도 점차 증가하는 양상을 나타내었 다. 업셋시간을 달리한 각각의 시험편에 대하여 거시조 직을 관찰한 결과, Fig. 2(d-f)에 나타낸 바와 같이, 접 합부 내에 crack, void, blow hole등과 같은 결함이 없 이 건전하게 접합되었다.

    접합시간의 증가에 따른 접합부의 미세조직 전개양상 을 Fig. 3에 나타내었다. 초기모재는 Fig. 3(a)에 나타난 바와 같이, 9-30 μm 정도 크기의 ferrite와 pearlite 결정 립들로 구성되어 있었고, 평균입도는 약 15.1 μm로 확인 되었다. 이에 대하여 마찰접합을 수행한 결과, 업셋시간 이 3 sec인 접합재는 Fig. 3(b)에 나타난 바와 같이, 초 기모재에 비하여 현저히 미세화 된 결정립으로 구성되어 있었다. 그 결과, 2-5 μm 정도 크기의 ferrite와 pearlite 결정립들로 분포되었고, 평균입도는 4.5 μm로 크게 감소 되었다. 업셋시간이 5 sec인 접합재의 경우, Fig. 3(c)에 나타난 바와 같이, 전반적으로 5-30 μm 정도의 크기를 갖는 lath와 acicular 형태의 ferrite와 pearlite 결정립들 로 구성되어 있었으며, 평균입도는 약 14.5 μm로 모재와 유사하였으나, 업셋시간 3 sec로 접합된 소재에 비해 조 대한 것으로 확인되었다. 업셋시간이 더욱 증가되어 7 sec로 접합된 소재는, Fig. 3(d)에 나타낸 바와 같이, 5 sec 조건과 유사한 결정립 형태와 크기분포를 보였으며, 평 균입도가 약 16.5 μm로 모재와 5 sec접합재에 비해 조대 화 되었다.

    초기모재와 다양한 업셋시간으로 접합된 소재의 입계 어긋남각분포를 Fig. 4에 나타내었다. 초기모재는 Fig. 4(a)에 나타낸 바와 같이, 15° 이상의 고경각입계(high angle grain boundary)가 전체 입계 중 86 %를 차지하고 있었다. 업셋시간이 3 sec인 접합재의 경우, Fig. 4(b)에 나타난 바와 같이, 고경각입계가 전체입계 중 87 %를 차 지하고 있었으며, 업셋시간이 증가된 5 sec와 7 sec의 접 합재 또한, Fig. 4(c)4(d)에 나타낸 바와 같이, 고경 각입계의 분포가 3 sec조건과 유사한 84 %와 85 %를 나 타내었다. 특히, 모재와 모든 접합재에서 27-30° 분포가 비교적 높게 관찰되었는데, 이들은 pearlite 내에 형성된 lath 혹은 acicular 형태의 결정립계로 확인되었다. 뿐만 아니라, 모든 조건의 시험편에서 고경각입계의 분포가 전 체입계 중 84 % 이상을 차지 함으로써, 접합과정을 통 하여 동적재결정이 건전하게 일어났음을 확인하였다.

    마찰접합재의 경도분포 전개양상을 Fig. 5에 나타내었 다. 초기모재는 130-145 Hv 정도의 값을 나타낸 반면, 업 셋시간이 3 sec인 소재의 접합부는 155-180 Hv정도로 분 포함으로써, 모재 대비 약 30 % 정도 증가하는 결과를 초래하였다. 그러나 업셋시간의 증가는 경도값의 감소를 촉진하였고, 그 결과, 업셋시간이 5 sec로 증가된 경우, 접합부 경도분포가 130-145 Hv정도로 3 sec에 비하여 현 저히 감소하였다. 업셋시간이 7 sec로 증가된 소재 또한 128-150 Hv로 감소함으로써, 모재와 유사한 경도분포를 나타내었다.

    마찰접합재의 인장시험결과 중 외관형상을 Fig. 6에 나 타내었다. 초기모재는 Fig. 6(a)와 같이, 시험편 전체적 으로 변형이 일어나면서 연신되었고, 시편의 중앙부에서 파단되었다. 그러나 마찰접합 된 소재의 경우, Fig. 6(cd) 에 나타낸 바와 같이, 모든 조건에서 접합부가 아닌 모 재부의 변형이 우선적으로 일어났으며, 그 결과 모재부 에서 파단이 발생하였다. 모재와 마찰접합 된 소재들의 인장특성을 Fig. 7에 나타내었다. STK400 tube 모재의 항 복강도와 인장강도는 각각 408 MPa와 455 MPa였으며, 연 신율은 21 %를 나타내었다. 다양한 조건에서 마찰접합 된 소재 중 업셋시간이 3 sec인 시험편은 항복강도와 인장 강도가 각각 403 MPa와 458 MPa로 나타났으며, 연신율 은 25 %를 나타냄으로써, 모재와 유사한 값을 나타내었 다. 업셋시간이 점차 증가된 5 sec와 7 sec의 시험편은 항 복강도와 인장강도가 각각 432 MPa와 476 MPa (5 sec), 410 MPa와 476 MPa (7 sec)를 나타냄으로써, 모재 대비 향상된 결과를 나타내었다. 반면, 연신율의 경우, 각각 18 % (5 sec)와 21 % (7 sec)를 나타냄으로써, 초기모재와 큰 차이를 보이지 않았다.

    STK400 tube에 대한 마찰접합의 적용은 접합부의 결 정립 미세화를 초래하였고, 업셋시간이 감소함에 따라 그 효과가 더욱 증가하였다. 그 결과, 초기모재에서 15.1 μm 였던 평균입도가 Fig. 3에 나타난 바와 같이, 업셋시간 이 가장 짧았던 3 sec조건에서 4.5 μm로 현저히 미세화 되었다. 이와 같은 접합부의 결정립 미세화는 마찰접합 시 동반되는 동적재결정 현상으로 설명될 수 있다. 마 찰접합은 두 소재를 접촉시킨 상태에서 고속회전과 마 찰압력으로 접합하는 공정으로서, 접합과정 중 금속의 소 성유동과 마찰열이 유발되기 때문에, 동적재결정 되기에 충분한 축적에너지와 열이 수반된다. 즉, 큰 변형량에 의 해 전위가 결정립계를 따라 지속적으로 축적되고, 충분 한 열에너지로 인하여 그 위치에서 재결정 핵생성이 유 발되면서, 접합부의 결정립 미세화가 촉진된다.25-28) 특히, 업셋시간이 감소함에 따라 결정립의 크기가 더욱 감소 한 것은, 접합부에서 발생한 열에너지의 흡수시간이 짧 기 때문에, 재결정 이후 결정립이 성장하는 시간을 감 소시킨 결과라 판단된다.

    이 연구에서 도입된 마찰접합은 입열량이 현저히 낮은 고상접합공정으로서, 통상 0.5-0.6 Tm의 온도에서 건전한 접합이 이루어지는 것으로 보고된 바 있다.29,30) 이와 같 은 관점에서, 철강재료는 대략 632-813 ° C의 온도에서 건 전한 접합이 가능한 것을 짐작할 수 있다. 그러나 이 연 구에서 도입된 철강재료[0.25 C (wt%)]는 Fig. 8(a)에 도시된 바와 같이 880 ° C 정도에서 ferrite (α, bcc)와 austenite (γ, fcc)의 복합조직으로 변화되며, 이 상태에서 냉각속도의 크기에 따라 ferrite/martensite, ferrite/bainite 혹은 ferrite/pearlite의 복합조직으로 변화될 수 있다. 즉, A1변태점(723 ° C) 이상에서 마찰접합이 이루어 질 경우, 접 합재의 미세조직은 Fig. 8(b)8(c)에 나타낸 바와 같 이, ferrite/austenite 조직에서 ferrite/martensite 혹은 ferrite/ bainite 복합조직으로 변화될 가능성이 높다. 그러나 A1 변태점(723 ° C) 이하에서 마찰접합이 이루어 질 경우, Fig. 8(d)8(e)에 나타낸 바와 같이, ferrite/pearlite 조 직이 동적재결정에 의해 더욱 미세한 ferrite/pearlite 조 직을 얻을 수 있다. 이 연구 결과에서도 알 수 있듯이, 모든 조건의 접합부에서 martensite나 bainite와 같이 취 성이 강한 상변태 조직을 형성하지 않은 것으로 확인되 었으며[Fig. 2(d-f)], 이를 통해 상변태를 강력히 억제할 수 있음을 확인하였다. 즉, 접합이 A1 변태점 이하에서 이루어졌기 때문에, 열영향부의 형성 또한 충분히 억제 된 것으로 판단된다. 따라서, 접합 시 동반되는 입열량 이 현저히 낮은 마찰접합의 도입은 철강재료의 상변태 뿐만 아니라, 열영향부의 형성을 억제할 수 있기 때문 에, 건전한 접합부를 얻는데 기존 용접 대비 더욱 효과 가 있는 것으로 판단된다.

    STK400 tube접합부의 결정립 미세화는 기계적 특성의 향상에 직접적인 영향을 주었다. 그 중 경도분포의 경 우 모재 대비 28 % 가량 향상된 결과를 나타내었는데 (Fig. 5), 이와 같은 현상은 모재(15.1 μm)와 접합부(4.5 μm)의 결정립 크기 차에 의한 것으로 확인되었다(Fig. 3). 일반적으로, 금속재료에서 경도, 강도, 연성 등의 기 계적 특성은 분포된 결정립 크기에 가장 크게 영향을 받 으며,31,32) 이 연구에서 관찰된 경도분포의 변화양상이 이 와 일맥상통한다. 이와 같은 현상은 인장시험에서도 재 차 확인되었다. 모든 접합재가, Fig. 6에 나타난 바와 같 이, 접합부가 아닌 모재부분에서 우선적으로 변형이 일 어나면서 파단되는 양상을 나타내었다. 이 또한 접합부 의 결정립 미세화로 설명 될 수 있는데, 상대적으로 미 세한 입도분포를 갖고 있던 접합부가 변형에 대한 저항 성이 크기 때문에, 모재에서 우선적으로 변형이 유발된 것이며, 그 결과, 모재파단양상과 모재 대비 향상된 인 장강도값을 나타내었다(Fig. 7). 뿐만 아니라, 초기 모재 의 경우 평균입도 15.1 μm의 등축정들로 구성된 반면, 접 합시간이 증가된 소재는 평균입도 14.5 μm(접합시간 5 초)와 16.5 μm(접합시간 7초)로 모재와 유사한 크기의 acicular와 lath type 결정립들이 분포하였는데(Fig. 3), 이 와 같은 결정립 형상의 변화를 통해 항복강도와 인장강 도가 모재 대비 5 % 가량 증가하는 양상을 나타내었다. 따라서 마찰접합의 도입에 따른 접합부의 결정립 미세 화와 형상변화가 접합재의 기계적 특성의 향상에도 긍 정적인 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

    4. 결 론

    STK400 tube에 대한 마찰접합이 결함 없이 건전하게 수행되었다. 마찰접합 시 동반되는 금속의 소성유동과 마 찰열은 접합부를 동적재결정 시키기에 충분하였고, 이를 통해 접합부의 결정립이 모재 대비 현저히 미세화되는 효과를 나타내었다. 특히, 짧은 접합시간은 동적재결정 이 후 결정립의 성장을 억제함으로써, 긴 접합시간에 비해 상대적으로 결정립 크기가 미세하였고, 이는 경도와 강 도의 기계적 특성을 향상시키는 결과를 초래하였다. 또 한, A1변태점 이하에서 마찰접합 되었기 때문에, 접합재 내 열영향부와 상변태를 억제할 수 있었으며, 접합부가 아닌 모재에서 파단되도록 파단양상을 제어 할 수 있었 다. 따라서 STK400 tube접합재에 대하여 미세조직 발달 에 기초한 우수한 물성을 확보하기 위해서는 마찰접합 의 도입이 효과적임을 알 수 있었다.

    Acknowledgement

    This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Education(No. 2018R1D1A1B07040315).

    Figure

    MRSK-29-30_F1.gif

    Configuration of (a) the initial material for the friction welding and (b) the tensile test specimen.

    MRSK-29-30_F2.gif

    (a-c) Top views and (b-f) cross-sectional macrostructures of the welds; the materials welded at upset time for 3 sec (a, d), 5 sec (b, e) and 7 sec (c, f), respectively.

    MRSK-29-30_F3.gif

    Inverse pole figure maps of (a) the base material and (bd) the welds; the materials welded at upset time for (b) 3 sec, (c) 5 sec and (d) 7 sec, respectively.

    MRSK-29-30_F4.gif

    Misorientation angle distributions of (a) the base material and (b-d) the welds; the materials welded at upset time for (b) 3 sec, (c) 5 sec and (d) 7 sec, respectively.

    MRSK-29-30_F5.gif

    Vickers microhardness distributions of the friction welded STK400 tube at various upset time.

    MRSK-29-30_F6.gif

    Top views of (a) the base material and (b-d) the welds subjected to the tensile test; the materials welded at upset time for (b) 3 sec, (c) 5 sec and (d) 7 sec, respectively.

    MRSK-29-30_F7.gif

    Tensile properties of the base material and the friction welded STK400 tube.

    MRSK-29-30_F8.gif

    (a) Phase diagram of Fe-C binary system and (b-e) microstructure change of the welds according to the welding temperature.

    Table

    Chemical composition of STK400 tube used in this study (wt%).

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