1. 서 론
자동차의 경량화는 실질적인 연비향상을 통하여 배출 가스 저감에 직접적인 영향을 미치고 있기 때문에, 최 근 강화되고 있는 탄소배출 글로벌 규제의 대응방안으 로 가장 큰 관심을 받고 있다. 이를 위해 자동차용 소 재로 적용이 가능한 Al, Mg 등의 경량 비철금속에 대 한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 경량부품의 상용화 또한 점차 가속화 되고 있는 상황이다.1-3) 일반적으로 이 들 경량소재는 기존에 사용해오던 철강재료 대비 비중 이 1/3 수준보다 낮기 때문에, 이들로 부품을 대체할 경 우 차체의 중량 또한 그에 상응하여 경량화 할 수 있다. 현재까지 body, chassis, wheel 등의 부품이 경량소재로 상용화 되었으나, 아직까지 yoke, shaft, rack bar 등의 steering system 부품은 상용화뿐만 아니라 연구도 미미 한 실정이다.4) 따라서 steering system 분야에서 경량소 재를 적용하기 위한 뿌리기술(금형, 주조, 소성가공, 용 접, 열처리, 표면처리)의 반드시 연구가 필요하며, 이 연 구는 그 중 상용화 가능한 용접기술을 개발하고자 수행 하였다.
마찰접합은 고체상태에서 접합할 수 있는 신개념의 접 합기술로서, 기존의 arc welding, laser welding, electron beam welding 등과 같은 fusion welding에 비해 입열량 (heat-input)이 현저히 낮기 때문에, crack, void, blow hole 등의 결함 억제가 가능한 장점이 있다.5-7) 또한 접합부 의 결정립 크기가 회전속도와 마찰압력의 공정변수를 통 해 제어될 수 있으며, 접합 시 마찰열과 소성유동이 동 반되기 때문에, 접합부가 접합과정 중 완전히 동적재결 정 될 수 있는 특징이 있다.8,9) 이와 같은 결정립 크기 의 제어는 접합부의 기계적 물성의 향상에 직접적인 영 향을 줄 수 있으며, 건전한 접합재를 확보하는데 큰 영 향을 미치는 것으로 보고된 바 있다.10,11) 그러나 아직까 지 steering system 부품의 마찰접합에 대한 연구는 부 족한 실정이며, 더욱이 Al과 Mg와 같은 경량 비철금속 을 이용한 연구는 전무한 상황이다. 따라서 이 연구는 steering system에 적용 가능한 Al 합금에 대하여 마찰 접합을 수행하였고, 이 과정에서 나타나는 미세조직과 기 계적 물성의 발달양상을 평가하고자 수행되었다.
2. 실험 방법
이 연구에 사용된 소재는 가공성과 용접성이 우수한 A6063(T6) 합금이었으며, 합금조성을 Table 1에 나타내 었고, 이에 대하여 Fig. 1에 도시된 바와 같이, 봉상의 금속소재를 가압과 회전력으로 접합할 수 있는 마찰용 접이 도입되었다. 마찰용접을 위하여 A6063 합금이 12 mm Ø × 80 mm의 크기로 제작되었고, 실제 접합되는 면의 이 물질을 제거하기 위하여 아세톤으로 세척하였다. 이 후 시편은 Nitto-Seike사의 브레이크 타입 마찰용접기(FF- 30II-C Model)를 사용하여, 회전속도 2,000 RPM, 마찰 압력 12 kgf/cm2, 업셋압력 25 kgf/cm2와 업셋길이 2.3 mm 의 조건으로 마찰접합 되었다. 마찰접합 된 소재의 접 합면을 관찰하기 위해 디지털 광학현미경을 도입하였고, 접합부에서 전개되는 미세조직과 집합조직의 발달양상을 평가하기 위하여, 전자후방산란회절(electron back-scattering diffraction, EBSD)법이 도입되었다. 이를 위해 시편은 축 단면을 절단한 후 기계적 연마를 통하여 경면을 획득하 였고, FEG-SEM에 장착된 TSL-OIM을 활용하여 집합조 직, 결정립 크기와 입계어긋남각의 정보를 확보하였다. 또 한, 접합된 소재의 금속간화합물(intermetallic compound, IMC) 분포를 관찰하기 위하여, 투과전자현미경(Transmission electron microscopy, TEM)을 도입하였고, 이를 위 해 disc type(≤ 10 μm)의 시험편이 제작되었다.
Table 1
Details of chemical composition on material used in this study.
| Component | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Cr | Zn | Ti | Al |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| wt.% | 0.5 | 0.17 | 0.012 | 0.036 | 0.45 | 0.007 | 0.003 | 0.01 | Bal. |
접합재의 기계적 물성을 평가하기 위하여 Vickers 미 소경도시험과 인장시험이 도입되었다. 경도분포를 확인하 기 위하여 시편은 축 단면으로 절단되었고, 기계적 연 마를 통하여 경면을 얻은 후 접합계면을 중심으로 횡단 면에 대하여 50 μm 간격으로 측정하였다. 이 때 사용된 장비는 Mitutoyo HM-200 이었으며, 측정을 위하여 다 이아몬드 압입자를 0.1 kgf의 하중으로 10 초간 압입하 는 방식을 채택하였다. 인장시험의 경우, ASTM E8M 규 격으로 표점거리 25 mm를 갖는 시험편이 방전가공에 의 해 제작되었으며, SHIMDZU사의 만능인장시험기(AGSX Model)를 이용하여 1.0 mm/min의 변형속도로 인장하 였다. 또한 모든 기계적 물성의 신뢰성을 확보하기 위 하여, 경도시험과 인장시험은 모든 시험편에 대하여 각 각 3회씩 측정하여 평균값을 취하였다.
3. 결과 및 고찰
이 연구에 사용된 A6063 초기재료의 미세조직과 결정 립계 특성분포를 Fig. 2에 나타내었다. 초기 A6063 합 금은 Fig. 2(a-b)에 나타난 바와 같이 5-95 μm 정도 크 기의 결정립들로 구성되어 있었고, 평균결정립 크기는 55 μm로 확인되었다. 또한 결정립들이 ND//<001> 방향 으로 밀집되어 있으며, 비교적 등축의 결정립들로 구성 된 것으로 나타났다(Fig. 2(a)). 이에 대하여 결정립계 특 성분포를 확인한 결과, Fig. 2(c)에 나타난 바와 같이, 고 경각입계(high angle grain boundary)의 분포가 전체 중 83 % 이상을 차지하는 것으로 확인되었다.
Fig. 2
(a) Orientation image map, (b) grain size distribution and (c) grain misorientation angle distribution of initial material. At orientation image map, the gray and black lines indicate the high-angle grain boundaries and low angle grain boundaries, respectively.
마찰접합 된 A6063 합금의 외관과 거시조직을 Fig. 3 에 나타내었다. 마찰접합은 고속으로 회전하는 소재의 양 방향에서 압력을 가해 접합하는 프로세스이기 때문에, Fig. 3(a)에 나타난 바와 같이, 접합 비드(bead)가 두 봉 재의 접합면에서 형성된 것을 알 수 있다. 이와 같은 비 드의 형성을 제외한 외관상으로 나타난 접합결함(열변형, crack, fracture 등)은 관찰되지 않았다. 또한 접합재에 대 하여 거시조직을 관찰한 결과, Fig. 3(b)에 나타난 바와 같이, 접합부에 crack, void, blow hole 등의 결함이 없 이 건전하게 접합된 것을 확인하였다.
접합부 단면의 미세조직과 결정립계 특성을 Fig. 4에 나타내었다. 마찰접합 된 A6063 합금의 접합부는 Fig. 4(a)에 나타난 바와 같이, 초기 모재 대비 현저하게 미 세한 결정립들로 구성되어 있었다. 특히, 소재가 고속 회 전하는 과정 중 접합되는 특성 때문에, 접합면에서 가 까운 양쪽면은 연화된 금속의 소성유동현상으로 인해 길 게 연신된 입자들이 분포한 것을 확인할 수 있었다. 두 소재가 맞닿아 접합된 면(Fig. 4(a)에서 zone A)에 대하 여 미세조직 관찰을 수행한 결과, Fig. 4(b-c)에 나타난 바와 같이, 0.5-2.5 μm 정도의 결정립들로 구성되어 있 었고, 평균결정립 크기는 1.4 μm로 확인되었다. 또한 접 합단면의 결정립계 특성분포를 관찰한 결과, Fig. 4(d)에 나타난 바와 같이, 고경각입계가 전체 입계 중 90 % 이 상을 차지하는 것으로 확인되었다.
Fig. 4
(a-b) Orientation image maps, (c) grain size distribution and (d) grain misorientation angle distribution of friction welded A6063 alloy. At orientation image maps, the gray and black lines indicate the high-angle grain boundaries and low angle grain boundaries, respectively.
마찰접합 된 A6063 합금의 Vickers 경도분포와 인장 특성을 Fig. 5와 6에 각각 도시하였다. 초기 모재의 경 도분포는 Fig. 5에 도시된 바와 같이 78-90 Hv 정도의 값을 나타낸 반면, 접합부는 모재 대비 다소 낮은 68- 78 Hv 정도의 분포를 나타내었다. 인장특성의 경우, Fig. 6(a)에 나타난 바와 같이, 접합부가 아닌 모재부에서 우 선적인 변형이 일어나면서 파단되는 양상을 나타냄으로 서, 건전한 접합특성을 나타내었다. 또한 모재와 접합재 의 항복강도와 인장강도를 평가한 결과, Fig. 6(b)에 나 타난 바와 같이, 모재는 182 MPa와 213 MPa를 나타내 었고, 접합재는 174 MPa와 203 MPa를 각각 나타냄으 로서, 모재와 접합재간 큰 차이가 없는 것으로 확인되 었다. 그러나 연신율의 경우, 모재와 접합재가 각각 14 % 와 8 %를 나타냄으로써, 접합재가 비교적 낮은 연신율 을 갖는 것으로 확인되었다.
모재와 접합부에서 형성된 금속간화합물을 TEM으로 관 찰하였고 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 초기 모재는 Fig. 7(a-b)에 나타낸 바와 같이 대략 100 nm 정도 크기 의 Mg2Si와 150 nm 크기의 AlMnSi 금속간화합물이 분 포하고 있었다. 그러나 접합부는 모재에서 관찰되던 금 속간화합물 중 Mg2Si가 소멸되어 관찰되지 않았고, 모 재에서 관찰된 것 보다 미세한 80 nm 정도 크기의 AlMnSi가 관찰되었다. 또한, 모재에서 관찰되지 않았던 Al2Cu 금속간화합물이 50 nm 정도의 크기로 미세하게 분 포되어 있는 것으로 확인되었다.
Fig. 7
Bright field images of (a-b) base material and (c-d) friction welded material acquired by TEM analysis.
이 연구에서 적용된 마찰접합은 소재의 고속회전에 따 른 소재간의 마찰열과 소성유동이 동반되는 접합기술로 서, 기존의 Arc, Laser, Electron beam welding 등과 같 은 fusion welding과 달리 고체상태에서 접합이 가능한 프로세스이다.7-9) 따라서 기존의 fusion welding에 비해 입열량이 현저히 낮기 때문에 열에 의한 변형, crack, blow hole, fracture 등의 결함을 억제할 수 있는데, 이 연구에서도 Fig. 3에 도시된 바와 같이, 접합재의 외관 과 거시조직 상 결함이 없이 건전한 접합성을 나타낸 바 있다. 특히, 접합과정 중 동반되는 마찰열(통상적으로 0.5- 0.7 Tm)과 소성유동은 접합재가 동적재결정 되기에 충분 하기 때문에, 접합부의 결정립 미세화를 초래할 수 있 으며, 이들은 접합 시 적용되는 회전속도와 압력의 공 정조건에 의해 더욱 효과적으로 제어될 수 있다.12,13) 이 연구 또한 Fig. 4에 나타난 바와 같이, 접합부가 모재 대비 현저히 미세한 결정립 분포를 나타내었고(Fig. 4(ab)], 고경각입계가 전체 입계 중 90 % 이상을 차지함으 로써(Fig. 4(d)), 동적재결정이 완전하게 일어났음을 알 수 있다.
금속간화합물의 소멸과 형성은 접합재의 기계적 물성 에 직접적인 영향을 미쳤다. Fig. 7의 TEM 분석결과로 알 수 있듯이, 초기 모재는 Mg2Si와 AlMnSi 금속간화 합물들이 분포하고 있었으나, 접합부는 Mg2Si는 소멸되 고 더욱 미세한 AlMnSi와 Al2Cu가 형성된 것으로 확 인되었다. 이중 접합부에서 Mg2Si의 소멸은 Fig. 5에 도 시된 바와 같이 경도분포에 직접적인 영향을 주었고, 그 결과 접합부가 모재 대비 낮은 경도분포를 나타내었다. 그 러나 접합부에서 Mg2Si의 소멸이 인장강도의 감소를 동 반하지는 않았다. 이와 같은 접합부의 경도분포 감소에 도 불구하고 Fig. 6(b)에 나타난 바와 같이 인장강도의 분포에 거의 차이가 나지 않은 것은, AlMnSi의 금속간 화합물이 접합부에서 더욱 미세하게 많이 분포되어 있 기 때문이다. 특히 인장시험 시 Fig. 6(a)에 나타난 바 와 같이 접합부의 파단이 아닌 모재파단이 일어난 것은, 접합부에 더욱 미세하게 분포된 금속간화합물 뿐만 아 니라, 새로운 Al2Cu 금속간화합물의 형성에 기인한다고 판단된다. 따라서 이와 같은 금속간화합물의 형성은 건 전한 접합재를 확보하는데 효과적임을 알 수 있다.
