Microstructural and Mechanical Analysis of a Friction Stir Welded Joint of Dissimilar Advanced High-Strength Steels

초고강도 합금강의 이종마찰교반 접합부에서의 미세조직 특성 및 기계적 물성 연구

Abstract

For microstructural analysis of a friction stir welded (FSWed) joint of advanced high-strength steels, dual phase (DP) and complex phase (CP) steels, are studied. FSWed joints are successfully fabricated in the following four cases: (i) DP/DP; (ii) CP/CP; (iii) DP/CP, where the advancing side is DP and the retreating side is CP; (iv) CP/DP, where the advancing side is CP and the retreating side is DP. The stir zone (SZ) of (i) the DP/DP joint mainly consists of lath martensite, while the stir zone of (ii) the CP/CP joint consists not only of lath martensite but also of bainite. In the case of (iii) DP/CP and (iv) CP/DP, they exhibit a similar microstructure including acicular-shaped phases in the joints; however, cross-sections of the joints show differences in material mixing in each case. In (iv) the CP/DP joint, temperature towards the CP steel is sufficient to cause softening, thus leading to better mixing than that in (iii) DP/CP. The phases of the SZ in each of the four cases are formed by phase transformation during the FSWed process; however, the transformed phase volume fraction of CP steel is lower than that of DP steel, indicating that dynamic recrystallization occurs mainly in CP steel. The hardness values of the SZ are significantly higher than those of the base materials, especially, the SZ of (iii) the DP/CP joint has the highest value due to highest fraction of lath martensite.

1. 서론

초고강도강(Advanced High Strength Steel, AHSS)은 고강도강(High Strength Steel, HSS)보다 강도가 높아 소재의 두께를 감소시킬 수 있어 자동차 산업에서 주목받고 있는 철강재료이다 [1,2]. 특히, 경량화라는 시대적 요구에 부응하여, 강도 및 성형성이 우수한 초고강도강을 자동차용 소재에 적용하기 위해 철강업체들의 연구 개발은 점차 가속화 되고 있다. 그 중에서도 이상(Dual Phase, DP)강과 복합상(Complex Phase, CP)강은 우수한 강도와 가공성이 뛰어난 특징을 가지고 있어, 경량화에 기여할 차세대 자동차용 소재로 기대된다 [3].

한편, 자체 혹은 샤시 부분에 강판을 적용하기 위해서는 각 부품의 조립이 필수적이며, 조립방법으로는 크게 접합(joining), 접착(adhesive bonding), 기계적 결합(mechanical fastening) 등이 있다 [4–6]. 가장 광범위하게 사용되는 조립방법은 용접이며, 다른 방법들보다 원가측면에서 유리하다고 할 수 있다. 하지만, 일반적인 용융용접시에는 기공에 의한 결함이나 열영향부(Heat Affected Zone, HAZ)의 조대화(coarsening) 및 인성과 연성, 내식성이 감소할 수 있어 기계적 성질이 저하될 가능성이 크다 [7,8].

마찰교반접합(Friction Stir Welding, FSW)은 Fig. 1과 같이 나사산 형태의 돌기(probe)를 가지는 비소모성 공구(tool)를 고속으로 회전시키면서 모재에 삽입함으로써 양쪽의 재료를 혼합시키는 접합기술이다[9–12]. 실제로 공정 중에는 상호마찰에 의해 대량의 열이 발생하고, 이러 한 마찰열에 의한 재료의 연화가 일어남과 동시에 공구에 의한 강제적인 소성 유동이 일어난다. 이 접합방법은 기존 용융용접에 비해 적은 입열(input heat)로도 접합이 이루어지기 때문에, 잔류 응력의 최소화 및 기공에 의한 결함제거 등의 장점을 가지고 있으며 [13,14], 공정 도중 재결정 현상으로 인한 결정립 미세화를 통해 우수한 접합부를 형성할 수 있어 여러 분야에서 실용화 단계에 있다 [15–17].

Fig. 1 Schematic diagram of the FSW process. WD, TD, and ND indicate the welding, transverse and normal directions of the FSW process, respectively

마찰교반접합기술의 적용은 대부분 알루미늄 및 마그네슘 합금과 같은 가볍고 융점이 낮은 금속재료에 한정되어왔으나 [18–23], 최근에는 철강재료와 같이 융점이 높은 재료에도 적용되고 있다 [24–28]. 상변태 온도 이하에서 철강재료를 마찰교반접합에 적용할 시, 접합부에서는 동적재결정 현상으로 인해 결정립 미세화가 발생하며, 이를 통해 접합부의 기계적 성질이 향상된다고 보고된다 [29]. 이상강과 복합상강을 자동차 산업에 적용되기 위해서는 조립을 위한 용접공정이 필수적으로 요구되므로, 기존의 용융 용접 방법을 대체할 수 있는 대안 중의 하나인 마찰교반접합에 관한 연구가 필요하다. 기존에 보고된 초고강도강재의 마찰교반접합에 대한 연구의 대부분은 동종합금을 마찰교반접합시 나타나는 미세구조 변화에 주로 초점을 맞추고 있다. 하지만, 마찰교반접합기술을 이용하여 물리적인 성질과 기계적인 성질이 다른 초고강도재를 접합한 경우 기존 동종합금의 마찰교반접합 방식으로는 건전한 접합부를 쉽게 얻을 수 없다고 알려져 있다. 따라서, 본 연구에서는 초고강도재의 이종마찰교반접합시 나타나는 다양한 문제점(접합강도 부족, 상당한 공구 마모 등)을 보완함으로써, 우수한 접합부를 확인하고, 이상강과 복합상강을 동종 및 이종마찰교반접합시킴으로써 나타나는 야금학적 변화들을 광학현미경과 전자현미경을 통해 분석한다. 특히, 이종마찰교반접합시 각 강종의 위치에 따른 재료 유동의 흐름과 기계적 특성을 확인하고자 한다.

2. 실험방법

본 연구에 사용된 이상강과 복합상강의 조성을 Table 1에 나타내었다. 이상강과 복합상강의 접합은 마찰교반용접기(RM-1, TTI, USA)를 통해 실행되었다. 본 연구에 적용한 공정변수 및 공구의 기하학적 구조를 Table 2에서 나타내고 있다. 마찰교반접합공정 중에는 공구의 치수, 형상 및 공정변수에 따라 접합부의 소성유동이 다르게 나타날 수 있고, 이는 곧 접합 특성에 많은 영향을 끼친다. 또한, 초고강도강과 같이 융점 및 강도가 높은 재료는 공정 시, 공구가 고온에 견딜만한 기계적 성질을 갖추는 재료를 사용해야 한다. 이를 위해 공구의 재료로 텅스텐 카바이드(WC)가 사용되었다. 마지막으로, 공정 중 상대적으로 약한 금속이 받는 기계적 손상을 효과적으로 억제시키는 것이 필수적이며, 이를 실현하기 위해서는 재료 계면과 공구와의 옵셋(offset) 크기를 적정화하는 것이 필요하다. 마찰교반접합시에 사용된 공구는 숄더(shoulder)와 돌기 직경이 각각 10, 0.9 mm이다. 접합 공정은 회전속도 1500 rpm, 이동속도 50 mm/min, 삽입깊이 1.1 mm 조건하에서 수행되었다. 공정 중 툴의 압입하중은 약 4800~8000 N, 토크(torque)는 약 20~26 Nm로 측정되었고, 접합 시 시편 표면과 내부의 산화방지를 위하여, 아르곤(Ar) 가스를 충분히 공급해 주었다. 마찰교반접합시 공구가 진행한 방향에 수직인 횡단면부의 미세조직을 광학현미경(Optical Microscope, OM)과 전자후방산란회절기(Electron BackScatter Diffraction, EBSD)를 이용해 분석하였다. 미세조직을 관찰하기 위해 SiC 페이퍼를 이용하여 #2400까지 연마 후, 나이탈(Nital)용액 (에탄올(Ethanol) (97 ml) +질산(Nitric acid) (3 ml))으로 에칭한 후, 광학현미경(GX41, Olympus, Japan)을 이용하였다. 또한, 전자후방산란회절기(SU5000, Hitachi High Technology, Japan)로 미세조직을 관찰하기 위해 위와 동일하게 기계적 연마 후, 과염소산(Perchloric acid) 10 ml와 에탄올 90 ml을 혼합한 용액을 이용하여 저온에서 28 V 전압 하에 10 초 동안 전해연마(Lectropol-5, Struers, Denmark) 과정을 진행하였다. 또한, 기계적 경도를 측정하기 위해 비커스(Vickers) 경도시험(JP/MMT-7, Matsuzawa, Japan)을 수행하였다. 위와 동일하게 기계적 연마 후 횡단면에서 접합부를 중심으로 0.5 mm 간격으로 경도를 측정하였으며, 다이아몬드 압입자를 100 gf의 하중으로 15 초 동안 유지하였다.

Table 1 Chemical compositions of DP 1200 and CP 1200 steel alloys used in the present study (in wt.%)

Table 2 Process parameters for FSW experiment

3. 결과 및 고찰 

Fig. 2는 마찰교반접합된 이상강과 복합상강의 회전 공구의 진행 방향에 수직인 횡단면 거시조직 사진을 광학현미경으로 분석한 결과이다. 두 강 모두 접합부에서 균열이나 기공이 관찰되지 않았고, 이를 통해 정상적으로 접합이 이루어진 것을 알 수 있다. 횡단면의 접합부 중심에서 좌측과 우측은 각각 회전 공구의 후퇴부(Retreating Side, RS)와 전진부(Advancing Side, AS)에 해당된다. 마찰교반접합된 이상강과 복합상강의 교반부(Stir Zone, SZ)의 형태는 상부 표면을 향해 넓어지는 형상을 보여주고 있다. Fig. 2(c)에서는 모재부와 구분되는 경계선인 열-기계적 영향부(Thermo-Mechanically Affected Zone, TMAZ)가 이상강에서 더 넓게 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 이는 이상강과 복합상강의 각 모재부가 서로 다른 미세구조 및 고온/소성유동 특성을 가지고 있기 때문이다 [30].

Fig. 2 Cross-sectional macrograph of the welded samples of (a) DP/DP and (b) CP/CP steel alloys. (c) Transition region (red-dotted rectangle) of each weld. See text for details

Fig. 3은 모재 중 하나인 이상강의 미세조직 특성을 EBSD를 통해 분석한 결과이다. Fig. 3(a)의 band contrast (BC)는 모재부의 미세조직 분포를 보여주며, 이를 통해 페라이트 기지 내에 마르텐사이트가 island 모양으로 분포되어 있는 전형적인 이상강의 미세조직 형태와 일치하다는 것을 알 수 있다[31,32]. 평균 결정립 크기는 대략 4.2 μm로 측정되며, 이는 이후의 이상강의 교반부와 비교된다. Fig. 3(b)는 모재부 이상강의 결정립계 방위차 분포(misorientation angle distribution)를 보여주며, 전체 입계 중 2도에서 15도 사이인 저경각입계(Low-Angle Grain Boundary, LAGB)의 분율이 약 26% 차지하고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 모재부 이상강은 압연과정을 거쳤기 때문에 Fig. 3(c)와 같이 {110} pole figure에서 압연집합조직(rolling texture)이 약하게 발달되어 있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3 Microstructural features of the base material of DP steel measured in region 1 in Fig. 2(a): (a) band contrast (BC) map (where M: martensite and F: ferrite), (b) misorientation angle distribution (the dotted line represents Mackenzie random distribution) and (c) {110} pole figure

Fig. 4는 마찰교반접합된 이상강의 교반부의 미세조직 특성을 EBSD를 통해 분석한 결과이다. 전체적으로, 교반부의 미세조직 특성은 모재부와 다르게 관찰된다. 특히, 마찰교반접합이 일어나는 동안, 숄더에서 측정된 교반부의 온도가 공정 중 발생한 상당한 열로 인해 A3 이상으로 측정되었으며 [33], 이는 공정 중 페라이트-오스테나이트 간의 상변태를 유발한다. 따라서, Fig. 4(a)와 같이 기존 모재부 이상강과는 다른 미세조직이 발달한다. 페라이트가 마찰교반접합에 의한 열에 의해 오스테나이트로 상변태가 발생한 후, 다시 그 오스테나이트 상은 급랭을 거쳐 마르텐사이트로의 변태를 경험한다. 실제로 마찰교반에 의한 소성변형이 수반되면서 높은 전위 밀도를 가지는 가지상(lath) 마르텐사이트가 주로 발달되며, 베이나이트(Bainite), 침상형 페라이트(Acicular ferrite)등의 미세조직들이 분포하는 것을 확인할 수 있다 (Fig. 4(a)). 이는 기존의 연구결과와 잘 일치한다 [34–37]. 또한, Fig. 4(b)의 결정립계 방위차 분포에서, 저경각입계의 분율(약 38%)은 교반부에서 공정 중 수반된 상당한 소성변형으로 인해 모재부보다 높아진 것을 확인할 수 있다. 마지막으로 모재부 이상강은 체심입방구조(Body Centered Cubic, BCC)의 압연조직이 약하게 발달하였지만, 교반부에서는 마찰교반접합 공정 중 상변태가 일어났기 때문에 Fig. 4(c)와 같이 집합조직이 거의 나타나지 않는 것을 확인할 수 있고, 이는 기존의 연구결과와 일치한다 [38].

Fig. 4 Microstructural features of the FSWed DP steel measured in region 2 in Fig. 2(a): (a) BC map (where LM: lath martensite, B: bainite and AF: acicular ferrite), (b) misorientation angle distribution (the dotted line represents Mackenzie random distribution) and (c) {110} pole figure

Fig. 5는 복합상강의 미세조직 특성을 EBSD로 분석한 결과이다. Fig. 5(a)는 복합상강의 미세조직에서 페라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 조직으로 이루어져 있으며 쌍정경계면(twin boundary)이 나타난다[33], [39]. Fig. 5(b)의 결정립계 방위차 분포에서는 저경각입계의 분율이 약 25% 차지하고 있는 것을 확인할 수 있다. 복합상강도 이상강과 동일하게 압연과정을 거쳤기 때문에 Fig. 5(c)와 같이 {110} pole figure에서 압연집합조직이 약하게 발달되어 있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5 Microstructural features of the base material of CP steel measured in region 4 in Fig. 2(b): (a) BC map (where B: bainite, M: martensite and F: ferrite, twin boundaries are depicted as red lines), (b) misorientation angle distribution (the dotted line represents Mackenzie random distribution) and (c) {110} pole figure

Fig. 6은 마찰교반접합된 복합상강의 교반부의 미세조직 특성을 EBSD를 통해 분석한 결과이다. 복합상강의 교반부(Fig. 6(a))에서는 모재부 조직(Fig. 5(a))과는 다르게 가지상 모양의 조직들이 많이 발견되었다. 복합상강의 교반부에서도 이상강과 마찬가지로 마찰교반접합 공정 중 상변태가 일어났기 때문에 가지상 마르텐사이트와 베이나이트가 주로 발견된다. Fig. 6(b)에서 저경각입계의 분율이 약 28% 정도 측정되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 모재부와 거의 비슷한 값을 나타낸다. Fig. 6(c)는 복합상강의 교반부에서 약한 전단집합조직이 발달하는 것을 보여주고 있다. 이는 이상강과는 다르게, 복합상강에서는 공정 도중 교반부의 집합조직을 결정하는 주요 메커니즘은 상변태가 아닌 동적재결정(dynamic recrystallization)임을 예측할 수 있다. 실제로, 복합상강의 상변태 온도(902.7 °C)는 이상강(817 °C)보다 높기 때문에 [40,41], 공정 도중 상변태되는 상분율이 동일한 공정 조건 하에서 이상강보다는 낮을 것으로 예상된다. 결국, 복합상강의 교반부에서는 상변태보다는 동적재결정이 교반부의 집합조직을 결정하는 주요 변수로 작용했음을 알 수 있다 [42].

Fig. 6 Microstructural features of the FSWed CP steel measured in region 4 in Fig. 2(b): (a) BC map (where LM: lath martensite and B: bainite, twin boundaries are depicted as red lines), (b) misorientation angle distribution (the dotted line represents Mackenzie random distribution) and (c) {110} pole figure

이상강과 복합상강의 이종마찰교반접합시에 나타나는 미세조직의 특성을 분석하기 위해 각 강종의 위치에 따른 미세조직 변화를 관찰하였다. Fig. 7은 이상강과 복합상강의 이종마찰교반접합시, 회전 공구의 진행 방향에 수직인 횡단면 거시조직 사진을 광학현미경으로 분석한 결과이다. 각 합금이 전진부와 후퇴부에 놓여있는 위치에 따라서 재료 유동의 흐름과 교반부의 형태가 달라지는 것을 확인할 수 있다. 두 경우 (Fig. 7(a) 와 (b)) 모두 균열이나 기공이 관찰되지 않은 우수한 접합부를 보여주고 있으나, 소성유동이 충분히 이루어졌을 때 나타나는 vortex-like lamellar structure [43,44]의 형태가 발생하지는 않았다. 복합상강이 후퇴부에 위치할 시(Fig. 7(b)), 교반부에서 복합상과 이상강의 상이 충분히 섞이지 않아 계면이 뚜렷한 파도형상(wave like)이 나타난다. 또한, 복합상강이 전진부에 위치할 경우에도(Fig. 7(a)) 파도형상이 나타나지만, 상부 표면에서 후퇴부에 있는 이상강이 전진부에 위치한 복합상강 방향으로 미세하게 섞인 형태가 관찰되었다. 두 강 중 상대적으로 강도가 낮은 이상강을 후퇴부에 위치시키면 마찰 및 소성변형에 의해 유동성을 가지는 이상강이 회전하는 공구를 통해 복합상강과 섞임으로써, 접합부에서 두 재료간의 혼합이 상대적으로 쉽게 일어나는 것을 알 수 있다 [45,46].

Fig. 7 Cross-sectional macrograph of the welded samples of (a) AS CP/RS DP and (b) AS DP/RS CP steel alloys. See text for details

Fig. 8은 이종마찰교반접합시, 각 합금의 위치에 따른 교반부의 미세조직을 비교한 결과이다. Fig. 8(a)와 (b)에서 두 교반부의 미세조직에서는 가지상 마르텐사이트와 베이나이트가 발견된다. 복합상강이 전진부에 위치할 시, aspect ratio 가 3 이상[38]인 침상형 결정립의 분율이 11%로 나타난다. 또한, 복합상강이 후퇴부에 위치할 시에는 17%로 위의 경우보다 높게 나타난다. 교반부의 결정립계 방위차 분포는 저경각입계의 분포가 두 경우 모두 47%로 동일 합금에서 마찰교반접합을 실시했을 때의 경우(DP/DP: 38%, CP/CP: 28%)보다 높게 측정된다. Fig. 8(c)는 전진부에 복합상강을 위치했을 시, 상변태가 일어났음에도 불구하고 전단집합조직이 나타나지만, 반대로 후퇴부에 복합상강을 위치시킬 경우에는 Fig. 8(d)와 같이 특별한 집합조직이 발견되지 않는다. 실제로, 복합상강이 전진부에 위치할 경우, 두 재료 간의 섞임은 복합상강이 후퇴부에 위치할 때보다 상대적으로 쉬워진다. 이는 교반부 쪽으로 복합상강이 충분하게 섞일 수 있는 가능성을 제공하고, 복합상강의 교반부와 동일하게 전단집합조직이 발달한 것을 확인할 수 있다 (Fig. 8(c)).

Fig. 8 BC maps (a-b) and {110} pole figures (c-d) of the SZ of AS CP/RS DP and AS DP/RS CP steel alloys, respectively (where B : bainite and LM : lath martensite).

Fig. 9는 동종 및 이종 마찰교반접합부의 횡단면에서 비커스 경도기를 이용하여 접합부를 중심으로 0.5 mm 간격으로 경도를 측정한 결과이다. 교반부는 재료유동이 직접적으로 일어나는 지역으로서, 이 영역에서는 상당한 소성변형이 발생하여 저경각입계분율이 증가되고, 또한 동시에 공정 중의 상당한 열로 인해 상변태 등이 발생하게 된다. 실제로, 교반부 영역의 경도가 모재 대비 크게 증가한 것을 Fig. 9에서 확인할 수 있다. 반면, 모재와 교반부의 천이영역(열영향부)에서는 공정 중에 발생하는 열로 인해 모재 대비 결정립 조대화가 발생하고, 이는 이 영역의 경도를 국소적으로 감소시킨다. 이러한 현상은 철강의 마찰교반접합부에서 일반적으로 일어나는 현상으로서, 기존의 연구결과들과 잘 일치한다[25],[34],[35],[38]. 이 중 가장 높은 경도값은 복합상강이 후퇴부에 위치한 경우 (AS DP/RS CP: 509 HV)이다. 실제로, 복합상강이 후퇴부에 위치한 경우의 교반부는 상변태로 인해 발생된 다량의 침상형 결정립들이 존재하고 (Fig. 8(b)), 이는 동종마찰교반접합부(DP/DP: 442 HV, CP/CP: 477 HV)보다 더 높은 경도값을 가지게 하는 주요 요인으로 작용한다. 복합상강이 전진부에 위치한 경우, 공정 도중 두 재료 간의 섞임이 상대적으로 잘 일어나기 때문에, 동종마찰교반접합부의 평균 경도값과 거의 유사한 경도값이 교반부(AS CP/RS DP: 457 HV)에서 측정된다.

Fig. 9 Profiles of hardness for the welded samples of (a) DP/DP, (b) CP/CP, (c) AS CP/RS DP and (d) AS DP/RS CP steel alloys. Inner sets show the cross-sectional macrographs of each welded sample, respectively.

4. 결론

이상 및 복합상강을 각각 동종 및 이종 합금에서 마찰교반접합하였을 때 나타나는 미세조직 변화를 전자현미경으로 분석하였다. 이상강과 복합상강은 동종 및 이종마찰교반접합시, 결함없이 정상적으로 접합되었으며 교반부에서는 동적 재결정 및 상변태와 같은 야금학적 변화들이 나타난 것을 확인할 수 있다. 이종마찰교반접합시, 각 강종의 위치에 따른 재료유동의 흐름과 교반부의 형태를 분석한 결과, 항복강도가 낮은 이상강을 후퇴부에 위치시키면 마찰 및 소성변형을 받은 이상강이 회전하는 공구를 통해 복합상강과 섞이면서 접합부에서 두 재료간의 혼합이 상대적으로 쉽게 일어나는 것을 확인할 수 있다. 경도시험기를 통해 기계적 성질을 분석한 결과, 모든 접합부에서 교반부의 경도값이 가장 높게 측정되었다. 특히, 이종마찰교반접합부 중 복합상강이 후퇴부에 위치한 경우에서 상변태로 인한 다량의 침상형 결정립들이 발견되었으며, 이는 접합부의 기계적 성질을 동종마찰교반접합부보다 향상시켰다.

후기

이 논문은 2017년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지역대학우수과학자지원사업(No. NRF-2017R1D1A3B03028386), 2018년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 선도연구센터지원사업(No. NRF-2018R1A5A1025224)의 지원을 받아 수행된 연구임. 이에 관계자 여러분께 감사드립니다.