Evaluation of the Friction Welding Properties on SUS304 Alloy

SUS304합금의 마찰접합특성 평가

Abstract

The friction welding characteristics of stainless steels, mainly used in energy and chemical plant industries due to its excellent corrosion resistance and high strength, was evaluated in this study. Friction welding was introduced and conducted at a rotation speed of 2,000 RPM, friction pressure of 30 MPa, burn-off length of 5 mm and upset pressure of 110 ~ 200 MPa on rod typed specimens. The grain boundary characteristics distributions such a grain size, shape, misorientation angle and kernel average misorientation of the welds were clarified by electron backscattering diffraction method. The application of friction welding on SUS304 alloy resulted in a significant refinement of the grain size in the weld zone (5.11 mm) compared to that of the base material (48.09 mm). The mechanical properties of the welds, on the other hand, appeared to be relatively low or similar to those of the base material, which were mainly caused by dislocation density in the initial material and grain refinement in the welds.

1. 서론

스테인리스강은 일반 철강재 대비 가혹한 환경에서 내식성이 월등하게 우수하여 전력발전과 해양플랜트 산업분야에서 핵심부품소재로 사용될 뿐 아니라, 가단성, 절삭성, 용접성 등도 우수하기 때문에 기계구조부품, 주방기기, 전자기기 등의 분야에서도 다양한 부품소재로 사용되고 있다[1, 2]. 이와 같은 스테인리스강은 그 성분과 특성에 따라, 오스테나이트계, 마르텐사이트계와 페라이트계로 분류되고 있으며, 그 중 오스테나이트계 스테인리스강이 다른 강종에 비해 탁월한 강도와 내식성을 갖고 있기 때문에, 화력발전, 선박해양플랜트, 화학플랜트 등의 가혹한 환경에서 주로 사용되고 있다. 일반적으로 스테인리스강을 활용한 부품의 제조 시, tungsten insert gas (TIG) welding, laser beam welding (LBW), Electron beam welding (EBW) 등의 용융용접(fusion welding)을 적용하고 있으나, 이들은 금속을 녹여서 붙이는 기술이기 때문에, 금속재료의 잔류응력, 변형, 미세조직발달제한 등에 문제점을 야기하고 있다[3]. 즉, 제조 시 특유의 높은 입열량(heat input)이 인가되기 때문에, 전술한 바와 같이 열에 의한 각종 문제점들이 발생할 수 밖에 없으며, 이를 해소하기 위하여 별도의 후속공정을 채택하여 사용하고 있다[4]. 그러나 이와 같은 방법은 공정의 추가와 생산원가의 부담이 가중되기 때문에, 이를 원천적으로 해결할 수 있는 입열량의 제어가 필요하며, 이의 대안으로 고체상태에서 접합할 수 있는 기술의 도입이 대두되고 있다[5, 6].

고상접합은 금속을 녹이지 않고 고체상태(solid state)에서 접합하는 기술로서, 마찰교반접합(friction stir welding, FSW), 마찰접합(friction welding, FW), 확산접합(diffusion welding, DFW), 초음파접합(ultrasonic welding, USW) 등이 있으며, 그 중 마찰접합은 봉재(rod)와 관재(tube)의 소재부품에 적합한 것으로 알려져 있다[7, 8]. 이 기술은 마찰열(friction heat)과 압력(pressure)에 의해 접합이 완결되는 것으로서, 회전속도(rotation speed), 마찰압력(friction pressure)과 업셋압력(upset pressure)의 다양성에 의해 접합부의 미세조직과 이에 기초한 물성이 변화되는 특징이 있다[9]. 또한, 기존 용융용접 대비 피접합재에 인가되는 입열량이 현저히 낮기 때문에, 열-영향부(heat-affected zone, HAZ)의 형성을 억제할 수 있으며, 접합표면의 불순물이 회전력과 가압력에 의해 flash 형태로 배출됨으로써 건전한 접합부를 형성시킬 수 있다[9, 10]. 특히, 접합과정 중 발생하는 마찰열과 소성유동(plastic flow)은 접합부의 동적재결정(dynamic recrystallization, DRX)을 유발시킴으로써, 접합부의 결정립을 모재 대비 현저히 미세화시키며, 이를 통해 우수한 물성을 갖는 접합재를 확보할 수 있다[9-11]. 그러나 아직까지 스테인리스강에 대한 고상접합과 접합 과정에서 동반되는 결정립계특성분포의 전개양상에 대한 체계적인 연구는 부족한 상태이다. 따라서, 이 연구는 오스테나이트계 스테인리스강인 SUS304합금에 대하여 마찰접합을 적용하고, 업셋압력의 변화에 따라 나타나는 결정립계특성분포 전개 양상과 이에 기초한 기계적 특성의 발달양상을 평가하고자 수행되었다.

2. 실험방법

이 연구에서 사용된 소재는 열간변형 된 환봉 형태의 SUS304 합금이었으며, 이에 대한 화학조성과 기계적 특성을 Table 1과 2에 나타내었다. 마찰접합을 위하여 초기 시편은 지름 12 mm와 길이 110 mm 크기로 제작되었으며, NITTO-SEIKE 사의 브레이크 구동식 마찰접합기(FF-45Ⅱ-C)를 사용하여 시편이 접합되었다. SUS304 합금에 대하여 업셋압력의 변화에 따른 결정립계특성분포와 기계적 특성의 전개양상을 평가하기 위해, 회전속도 2,000 RPM, 마찰압력 30 MPa과 업셋길이 5 mm의 조건하에 업셋압력을 110 MPa, 155 MPa과 200 MPa로 변화시켜 마찰접합을 수행하였다.

Table 1 Chemical composition of SUS304 alloy used in this study

Table 2 Mechanical properties of SUS304 alloy used in this study

업셋압력의 변화에 따른 접합재의 결정립계특성 분포 전개양상을 분석하기 위하여, 전계방출형 주사전자현미경(field-emission scanning electron microscope, FE-SEM)에 부착된 TSL-OIM^TM 장비를 사용하였다. 이를 위해, 시편을 20 mm × 10 mm 크기로 절단하였고, 샌드페이퍼와 연마포를 사용하여 경면을 만들어 분석이 진행되었다. 이후, 경면으로 연마된 접합부의 cross-section 면에 대하여 전자후방산란회절(electron back-scattering diffraction, EBSD)법을 사용하여 접합부의 결정립 크기(grain size), 결정립계어긋남각(grain boundary misorientation angle), 커널 평균 방위차(kernel average misorientation), 결정방위(crystal orientation) 등과 같은 결정립계특성분포(grain boundary characteristic distribution, GBCD)를 평가하였다.

업셋압력의 증가에 따른 접합재의 기계적 특성을 평가하기 위해, 비커스경도시험과 인장시험이 도입되었다. 비커스경도시험은 STRUERS 사의 Durmain-40 경도시험기를 사용하였으며, 접합재의 경도변화 양상을 분석하기 위해, 소재의 길이 방향을 따라 경도를 측정하였다. 접합재의 cross-section 면에 대하여 상단에서 1/3지점을 좌우대칭하여, 간격 0.3 mm, 하중 500 gf와 유지시간 10초로 측정하였으며, 신뢰성을 확보하기 위해 3회 측정치의 평균값을 산출하였다. 접합재의 인장특성을 평가하기 위해, ASTM-E8 규격에 따라 인장시험편을 제작하였으며, 시험은 SHIMADZU 사의 AGX-50kNV 만능시험기를 사용하여 상온에서 0.5 mm/min의 속도로 각 조건당 3회씩 수행하였다.

3. 결과와 고찰

3.1 초기 재료의 미세조직 평가

초기 재료의 inverse pole figure (IPF) map, 결정립크기분포, kernel average misorientation (KAM) map과 입계어긋남각분포를 Fig. 1에 나타내었다. 초기 재료는 Fig. 1(a)에 도시된 바와 같이, 약 50 μm 크기의 결정립들로 구성되어 있었으며, 결정립 내에 어닐링 쌍정(annealing twin)이 형성되어 있었다. 결정립크기분포는 Fig. 1(b)에 나타낸 바와 같이, 약 5~90 μm의 분포를 보이고 있었으며, 평균결정립크기는 48.09 μm로 확인되었다. 또한, 변형에 따른 전위밀도분포를 확인하기 위해 KAM map을 분석하였으며, Fig. 1(c)에 도시된 바와 같이, KAMavg 값이 1.01로 측정되었다. 입계어긋남각분포의 경우, Fig. 1(d)에 나타난 바와 같이 저경각입계와 고경각입계가 각각 41%와 59%를 차지하고 있었다.

Fig. 1 (a) Inverse pole figure map; (b) grain size distribution; (c) kernel average misorientation map; (d) misorientation angle distribution of the base material

3.2 마찰접합재의 외관 평가

다양한 업셋압력에서 마찰접합 된 SUS304합금의 외관형상을 Fig. 2에 나타내었다. SUS304합금에 대하여 마찰접합을 적용한 결과, Fig. 2에 나타난 바와 같이, 모든 접합재에서 spatter, crack, hole 등과 같은 결함이 없이 건전하게 접합되었다. 또한, 마찰접합은 열에 의해 연화 된 소재가 축-하중을 받아 외부로 배출되기 때문에 flash가 형성되는데, Fig. 2에 나타난 바와 같이, 업셋압력이 증가함에 따라 flash 크기도 증가하는 경향을 나타내었다.

Fig. 2 Top views (a-c) of the friction welded SUS304 alloy at various upset force of 110, 155 and 200 MPa, respectively

3.3 마찰접합재의 미세조직 평가

업셋압력의 변화에 따라 마찰접합 된 SUS304합금의 미세조직 전개양상을 Fig. 3에 나타내었다. 업셋 압력 110 MPa로 접합된 소재는 약 15 μm 크기의 등축결정립들이 균일하게 분포하고 있었으며, 업셋압력 155 MPa과 200 MPa로 접합된 소재는 각각 8 μm와 5 μm 크기의 등축결정립들로 구성되어 있었다. 모든 조건에서 결정립들은 등축의 형태를 나타내었으며, 모재 대비 현저히 미세화 되었다. 또한, 업셋 압력이 증가할수록 결정립이 더욱 미세화 되는 경향을 확인할 수 있었다.

Fig. 3 Inverse pole figure maps (a-c) of the joints welded at upset force of 110, 155 and 200 MPa, respectively

업셋압력의 증가에 따른 접합부의 입도분포변화를 Fig. 4에 나타내었다. 업셋압력이 110 MPa인 접합재는 Fig. 4(a)에 나타난 바와 같이, 약 1 ~ 35 μm의 분포를 보이고 있었고, 7 ~ 25 μm의 결정립들이 전체 입도분포 중 70% 이상을 차지하고 있었으며, 그 결과, 평균결정립크기는 모재 대비 현저히 감소한 16.57 μm로 확인되었다. 업셋압력이 155 MPa로 증가된 소재는 Fig. 4(b)에 나타난 바와 같이, 약 1 ~ 18 μm의 크기를 갖는 결정립들로 구성되어 있었으며, 5 ~ 12 μm 크기의 결정립들이 전체 입도분포 중 71% 이상을 차지함으로써, 결정립 평균 크기가 8.15 μm로 감소한 것을 확인할 수 있었다. 업셋압력이 더욱증가되어 200 MPa로 접합된 소재는 Fig. 4(c)에 나타난 바와 같이, 약 1 ~ 12 μm의 입도분포를 보이고 있었으며, 2.5 ~ 8.5 μm의 결정립들이 전체 입도분포 중 79% 이상을 차지함으로써, 평균 결정립 크기가 더욱 감소된 5.11 μm로 나타났다.

Fig. 4 Grain size distribution (a-c) of the friction welded SUS304 alloy at various upset force of 110, 155 and 200 MPa, respectively

업셋압력의 변화에 따른 접합재의 입계어긋남각 분포를 Fig. 5에 나타내었다. 업셋압력 110 MPa로 접합된 소재는 Fig. 5(a)에 나타난 바와 같이, 전체 입계 중 고경각입계가 68%를 차지하고 있으며, 3.5°와 60° 분포가 각각 16%를 나타냄으로써 가장 높은 분율을 차지하였다. 업셋압력이 155 MPa과 200 MPa인 접합재는 Fig. 5(b)와 (c)에 나타난 바와 같이, 전체 입계 중 고경각입계가 각각 87%와 84%를 차지하였으며, 그 중, 60° 부근의 분포가 각각 24%와 20%를 차지함으로써 가장 높은 분율을 나타내었는데, 이는 어닐링쌍정립계(annealing twin boundary)로 확인되었다. 또한, 업셋압력 155 MPa과 200 MPa로 접합된 소재는 고경각입계가 80% 이상을 차지함으로써 마찰접합과정 중 동적재결정이 건전하게 일어났음을 확인하였다.

Fig. 5 Misorientation angle distribution (a-c) of the friction welds jointed at upset force of 110, 155 and 200 MPa, respectively

3.4 마찰접합재의 기계적 특성 평가

마찰접합재의 경도분포 전개양상과 KAM map을 Fig. 6에 나타내었다. 초기 재료의 경도분포는 Fig. 6(a)에 나타난 바와 같이, 290 ~ 310 Hv정도의 값을 나타내고 있었다. 업셋압력이 110 MPa인 소재의 접합부는 200 ~ 210 Hv 정도로 분포함으로써, 모재 대비 약 30% 가량 감소하는 결과를 초래하였다. 그러나, 업셋압력의 증가는 경도값의 증가를 촉진하였으며, 그 결과, 업셋압력이 155 MPa로 증가된 소재의 접합부는 220 ~ 230 Hv 정도의 분포를 보였으며, 업셋압력이 더욱 증가한 200 MPa 조건의 소재는 235 ~ 245 Hv 정도의 분포를 나타내었다. 결정립이 미세화되었음에도 불구하고 경도분포가 감소하였는데, 이를 분석하기 위해, KAM map을 확인하였다. KAM map은 평균값이 클수록 소재의 변형정도가 높음을 의미하는데, Fig. 6(b)~(e)에 나타난 바와 같이, 초기 모재(1.01)의 KAM_avg 값이 접합재보다 높은 것을 확인할 수 있었으며, 업셋압력이 증가할수록 KAM_avg 값이 증가하는 경향을 보였다.

Fig. 6 (a) Vickers microhardness distribution and (b-e) kernel average misorientation maps of the base material and friction welded SUS304 alloys, respectively. At kernel average misorientation maps, (b) and (c-e) are showing the base material and the friction welds jointed at various upset force of 110, 150 and 200 MPa, respectively

초기 모재와 마찰접합 된 SUS304합금의 인장시험 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 모재는 Fig. 7에 나타난 바와 같이, 항복강도와 인장강도는 각각 508 MPa과 746 MPa였으며, 연신율은 45%를 나타내었다. 업셋압력 110 MPa로 접합된 소재는 항복강도와 인장강도가 각각 436 MPa과 509 MPa로 나타났으며, 연신율은 19%로 확인되었다. 업셋압력이 증가된 155 MPa과 200 MPa의 접합재는 항복강도와 인장강도가 각각 468 MPa과 718 MPa, 509 MPa과 734 MPa로 나타났으며, 연신율은 각각 21%와 24%로 확인되었다. 항복강도는 200 MPa 조건을 제외한 모든 조건에서 모재 대비 감소하였으며, 인장강도와 연신율은 모든 조건에서 모재 대비 감소하였다. 그럼에도 불구하고, 업셋압력이 증가함에 따라 항복강도, 인장강도와 연신율이 증가하는 경향을 보였으며, 200 MPa 조건으로 접합된 소재는 항복강도와 인장강도의 값이 모재와 유사한 값을 나타내었다.

Fig. 7 Tensile properties of the base material and the friction welds

3.5 미세조직과 기계적 특성 발달

마찰접합의 도입은 건전한 접합부를 얻는데 긍정적이었다. 접합재의 외관형상(Fig. 2)을 보면, 모든 접합재에서 접합 시 발생하는 void, crack, deformation 등의 결함이 없이 건전하게 접합되었음을 알 수 있다. 이와 같은 결함은 모두 접합 시 인가되는 높은 입열량에 의하여 발생되는 것들로서, 이 연구에서 도입된 마찰접합은 기존 용융용접과 달리 금속을 녹이지 않고 접합하는 기술이기 때문에, 현저히 낮은 입열량을 수반하기 때문에 나타난 결과라 할 수 있다. 뿐만 아니라, 업셋압력이 증가함에도 불구하고 외관상 flash의 크기만 증가할 뿐, 결함이 형성되지 않음을 통하여, 매우 건전하게 접합이 완료되었음을 재차 확인할 수 있다.

SUS304합금에 대하여 마찰접합의 적용은 결정립 미세화를 초래하였고, 이는 업셋압력이 증가함에 따라 더욱 가속화 되었다. 그 결과, 초기 재료의 평균 결정립크기는 48.09 μm였으나, 접합재는 각각 16.57 μm (업셋압력 110 MPa), 8.15 μm (업셋압력 155 MPa)와 5.11 μm (업셋압력 200 MPa)로 미세화 되었다. 이러한 결정립 미세화는 마찰접합 시 발생되는 동적 재결정 현상으로 설명이 가능하다. 마찰접합은 공정 특성 상 고속회전과 가압력에 의해 소재의 접합면에서 마찰열과 소성유동이 발생하는데, 이 때 발생하는 마찰열은 재결정이 일어나기 충분한 온도(0.5 ~ 0.6 T_m)이며, 변형량에 의해 전위가 결정립계에 축적되고 재결정 핵생성이 유발되면서 결정립 미세화가 촉진된다[12, 13]. 특히, 업셋압력이 증가함에 따라 결정립 크기가 더욱 감소한 것은 변형량이 증가되어 나타난 결과라고 할 수 있다.

그러나, 마찰접합의 도입을 통해 결정립이 미세화되었음에도 불구하고, 접합부의 경도값이 모재 대비 감소하는 결과를 보였다. 이는 초기 재료가 열간변형을 통해 제작되었는데, 그 과정에서 부분 재결정이 발생함에 따라 내부에 변형조직이 남아 있었기 때문이며, 그 결과, 모재의 KAM_avg 값이 접합재에 비해 높게 측정되었다. 초기 모재의 잔류변형조직에도 불구하고, 업셋압력이 증가함에 따라 마찰접합시 동반되는 변형량이 증가되어 결정립 미세화가 가속화되었으며, 그 결과 경도분포와 인장특성이 점차 증가되는 경향이 나타났다. 즉, 가압력의 증가에 의해 금속의 소성유동이 증가하게 되면서 접합재에 수반되는 축적에너지도 더욱 증가하게 되는데, 이를 통해 동적재결정 또한 활발하게 일어남으로써, 더욱 미세한 결정립을 얻을 수 있게 되었다[14, 15]. 따라서, SUS304합금에 대한 마찰접합의 도입은 접합부의 결정립미세화와 이에 근간한 기계적 특성의 향상에 효과적임을 알 수 있다.

4. 결론

SUS304합금에 마찰접합을 도입한 결과, 외관상 void, crack, hole 등과 같은 용접결함의 발생이 없이 건전하게 수행되었다. 뿐만 아니라, 마찰접합 특유의 낮은 입열량으로 인해, 접합재의 열-변형과 열-영향부의 형성이 억제되었고, 접합 시 동반된 동적재결정으로 인하여, 접합부의 결정립 크기가 모재 대비 현저히 미세화 되었다. 이와 같은 결정립 미세화는 기계적 특성에도 영향을 주었는데, 이 또한 업셋 압력의 증가를 통해 점차 증가되는 양상을 나타내었다. 따라서, SUS304합금에 대한 마찰접합의 적용은 결정립계발달에 기초하여 기계적 특성 향상에 효과적임을 알 수 있었다.

후기

본 연구는 2023년도 강릉원주대학교산학협력단의 중점연구회 활성화사업으로 일부 지원되었습니다.