KR20160086465A - Metalic bonding using servo motor friction welding and the bonding method thereof - Google Patents

Metalic bonding using servo motor friction welding and the bonding method thereof Download PDF

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오명훈
박종문
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Abstract

본 발명은 서보모터 마찰용접을 이용한 이종 금속의 접합체 및 이의 접합 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이종 금속으로 이루어진 2종의 접합부재를 접합할 때 서보모터 마찰용접을 이용하여 회전수, 이송거리 및 이송속도(마찰시간), 가압거리 및 가압속도(업셋압력) 등을 제어함으로써, 접합 강도가 향상된 이종 금속의 접합체 및 이의 접합 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a bonded body of dissimilar metals using servo motor friction welding, and more particularly to a method of joining two kinds of bonding members made of dissimilar metals using servo motor friction welding, And a feeding speed (a friction time), a pressing distance, and a pressing speed (upsetting pressure), thereby improving bonding strength.

Description

서보모터 마찰용접을 이용한 이종 금속의 접합체 및 이의 접합 방법{Metalic bonding using servo motor friction welding and the bonding method thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a bonded body of a dissimilar metal by friction welding of a servo motor,

본 발명은 서보모터 마찰용접을 이용한 이종 금속의 접합체 및 이의 접합 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이종 금속으로 이루어진 2종의 접합부재를 접합할 때 서보모터 마찰용접을 이용하여 이송거리 및 이속속도(마찰시간), 가압거리 및 가압속도(업셋압력) 등을 제어함으로써, 접합 강도가 향상된 이종 금속의 접합체 및 이의 접합 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a bonded body of dissimilar metals using servo motor friction welding and a bonding method thereof, and more particularly, to a bonding body of two kinds of bonding members made of dissimilar metals using servo motor friction welding, (Friction time), a pressing distance and a pressing speed (upsetting pressure), and the like, thereby improving the bonding strength.

마찰용접이란 접합하고자 하는 재료를 고속으로 회전시킨 후, 두 재료를 마찰하여 두 재료의 접촉면이 마찰열에 충분한 온도에 도달하였을 때 순간적인 기계압을 가하여 접합시키는 고상압접법이다. 마찰용접은 동종금속은 물론 이종 금속간에도 쉽게 접합이 가능하다. Friction welding is a solid state welding method in which a material to be bonded is rotated at a high speed, and then the two materials are rubbed together and the contact surfaces of the two materials reach a sufficient temperature for frictional heat. Friction welds can be easily joined between dissimilar metals as well as like metals.

마찰용접은 접촉단면에서만 마찰열이 발생하게 되므로 모재부의 열영향부(Heat Affect Zone, HAZ)가 좁고, 용융하기 전에 압력을 가하여 접촉면에서 소성변형이 일어나면서 접합하게 된다. 마찰하는 동안 접촉면은 불꽃을 튀면서 표면의 산화물이 제거되고 접합면이 청결하게 된다. 또한 접합온도가 낮아 고상접합이 되어 금속결정의 조대화나 금속간 화합물이 적어 접합부의 기계적 성질이 우수하다. 특히 마찰용접은 동종재료 뿐만 아니라, 성질이 전혀 다른 이종재료의 접합에도 가능하며 용접 중에 아크, 흄, 가스 등이 발생하지 않기 때문에 환경 유해원이 없는 장점이 있다
Friction welding generates frictional heat only at the contact surface. Therefore, the Heat Affect Zone (HAZ) of the base material is narrow, and the plastic is deformed at the contact surface by applying pressure before melting. During the rubbing, the contact surfaces are sputtered to remove the oxides of the surface and to clean the bonding surfaces. In addition, since the bonding temperature is low, solid phase bonding is obtained, and the bonding property is excellent because of the coarsening of the metal crystal and the intermetallic compound. Especially, friction welding is possible not only for the same kind of material but also for the bonding of dissimilar materials having different properties, and there is no environment harmful circle since arc, fume and gas are not generated during welding

기존의 유압방식의 마찰 용접기는 일본에서 생산된 설비로써 마찰 용접시 가장 중요한 압력에 대한 조건의 구동이 설비마다 다소 상이하여 설비 모델별 공정조건의 차이가 발생한다. Conventional hydraulic friction welding machine is a facility produced in Japan. The driving conditions for the most important pressure in friction welding differs from equipment to equipment, so that there are differences in process conditions by equipment model.

이러한 마찰 용접 방법은 회전 운동을 하는 대상이나 압력을 가하는 방법에 따라 다양한 형태로 이루어지고 있다. 예를 들어, 공개특허 10-2011-78518호에는 이종 재료로 이루어진 제1접합부재와 제2접합부재를 서로 맞닿게하고, 회전하는 회전돌이 그 접합경계면을 따라 이동하면서 마찰력과 압력을 가하여 제1접합부재와 제2접합부재가 서로 접합되도록 하되, 제1접합부재와 제2접합부재의 배면에 열전도율이 서로 다른 배킹 플레이트를 배치하여, 접합 품질을 균일하게 한 '이종재료의 마찰 용접 방법 및 장치'가 개시되어 있다.Such friction welding methods are made in various forms depending on the object to be rotated or the method of applying pressure. For example, in the patent document 10-2011-78518, a first joining member made of different materials and a second joining member are brought into contact with each other, and a rotating rotary stone moves along a joining interface thereof to apply frictional force and pressure, A friction welding method and apparatus for dissimilar materials in which a bonding material and a second bonding material are bonded to each other so that bonding quality is uniform by disposing a backing plate having a different thermal conductivity on the back surfaces of the first bonding material and the second bonding material, .

그러나, 상기한 종래의 마찰 용접 방법은 2종의 접합부재 외에도 회전돌과 같은 회전 및 가압부재가 더 필요하고, 터빈 블레이드와 터빈 축 등 특정 형상을 갖는 대상에 대하여는 적용할 수 없는 문제점이 있다.However, the above-mentioned conventional friction welding method requires a rotating and pressing member such as a rotating stone in addition to the two kinds of joining members, and is not applicable to a target having a specific shape such as a turbine blade and a turbine shaft.

또한, 현재 경량내열 재료로 각광받고 있는 TiAl 합금은 구조용 공구강인 SCM440과의 유압방식을 이용하여 삽입재를 사용하지 않고 마찰용접 시 120MPa이하의 접합강도를 나타남에 따라 구동축에 이용되는 샤프트에는 부족하여 접합강도를 높이는 연구가 필요한 실정이다.
In addition, TiAl alloy, which is currently attracting attention as a light-weight heat-resistant material, has a bonding strength of 120 MPa or less in friction welding without using an insert material by using a hydraulic method with a structural tool steel SCM440, Research is needed to increase the bonding strength.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이종 재료로 이루어진 2종의 접합부재를 접합할 때 서보모터 마찰용접을 이용하여 이송거리 및 속도를 제어함으로써, 접합 강도가 향상된 이종 금속의 접합체 및 이의 접합 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived in order to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a method of joining two kinds of joining members made of different materials by controlling the feed distance and speed using servo motor friction welding, And a bonding method of the same.

이를 위하여, 본 발명은 제1접합부재 및 제2접합부재를 서보모터 마찰용접기의 주축 및 클램프측의 척에 각각 삽입 후 고정하는 1단계; 상기 제1 접합부재를 회전시키고, 상기 제2 접합부재를 상기 제1 접합부재 방향으로 전진이송시켜서, 제1 접합부재 및 제2 접합부재의 접촉면을 마찰시키는 2단계; 및 상기 제1 접합부재를 정지시킨 후, 상기 제2 접합부재에 압력을 가하여 상기 제1접합부재와 제2 접합부재를 접합시키는 3단계;를 포함하고, 상기 제1 접합부재는 TiAl (여기서, Ti 및 Al 의 원소함량 비율은 Ti : Al = 51 ~ 52 :48 ~ 49 임) 합금이고, 제2 접합부재는 SCM440 합금강인 것을 특징으로 하는 서보모터 마찰용접을 이용한 이종 금속의 접합 방법을 제공한다.To this end, the present invention comprises a first step of inserting and fixing the first joining member and the second joining member to the chuck of the main shaft and the clamp side of the servo motor friction welding machine, respectively; Two steps of rotating the first joining member and forwarding the second joining member toward the first joining member to rub the contact surfaces of the first joining member and the second joining member; And a third step of bonding the first bonding member and the second bonding member by applying pressure to the second bonding member after stopping the first bonding member, wherein the first bonding member comprises TiAl (wherein Ti And Al is an alloy of Ti: Al = 51 to 52: 48 to 49), and the second joint material is an SCM440 alloy steel. The present invention also provides a method of joining dissimilar metals using friction welding.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 회전은 회전용 서보모터를 이용하여 수행할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the rotation may be performed using a rotary servo motor.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 압력은 가압용 서보모터를 이용하여 가해질 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the pressure may be applied using a servo motor for pressurization.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 2단계에서 상기 제1 접합부재를 1000 ~ 5000 rpm으로 회전시키고, 상기 제2 접합부재가 5 ~ 15 mm의 이송거리에서 10 ~ 150 mm/min의 이송속도로 상기 제1 접합부재를 향하여 전진이송시킬 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, in the second step, the first joining member is rotated at 1000 to 5000 rpm and the second joining member is conveyed at a conveying distance of 5 to 15 mm at a conveying speed of 10 to 150 mm / min To the first joining member.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 3단계의 가압속도는 1000 ~ 5000 mm/min일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the pressing speed in the third step may be 1000 to 5000 mm / min.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 제3단계의 접합은 제2접합부재가 5 ~ 15 mm 단축되도록 압력을 가하여 수행할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the bonding of the third step may be performed by applying pressure so that the second bonding material is shortened by 5 to 15 mm.

본 발명의 다른 태양은 제1 접합부재 및 제2 접합부재가 접합된 접합체에 있어서,Another aspect of the present invention is a bonded body in which a first bonding member and a second bonding member are bonded,

상기 제1 접합부재는 TiAl (여기서, Ti 및 Al 의 원소함량 비율은 Ti : Al = 51 ~ 52 :48 ~ 49 임) 합금이고, 상기 제2 접합부재는 SCM440 합금강이고, 상기 제2 접합부재의 계면에 열변형층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 금속의 접합체를 제공한다.Wherein the first bonding material is an alloy of TiAl (wherein the content ratio of Ti and Al is Ti: Al = 51 to 52: 48 to 49), the second bonding material is an SCM440 alloy steel, And a thermally deformable layer. The present invention also provides a bonded body of dissimilar metals.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 열변형층은 TiAl합금부분에서는 γ결정립과 γ/α2가 혼재되어 있는 듀플렉스(Duplex) 미세조직을 갖고, SCM440부분에서는 마르텐사이트 조직을 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the thermally-deformable layer has a duplex microstructure in which the? -Granular grain and? /? 2 are mixed in the TiAl alloy portion, and the martensite structure in the SCM440 portion.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 열변형층의 두께는 0.5 mm ~ 1.0 mm이고, 금속간 화합물층은 0.1 mm 이하일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the thickness of the thermally-deformable layer is 0.5 mm to 1.0 mm, and the intermetallic compound layer may be 0.1 mm or less.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 열변형층 단면의 중심축에서 상기 제2 접합부재 방향으로 0.1 mm ~ 0.5 mm 범위에서의 접합 강도가 250 MPa ~ 400 MPa일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the bonding strength in the range of 0.1 mm to 0.5 mm from the central axis of the cross section of the thermally deformable layer toward the second bonding member may be 250 MPa to 400 MPa.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 이종 금속의 접합체의 인장강도는 250 MPa ~ 350 MPa일 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the tensile strength of the bonded body of the dissimilar metal may be 250 MPa to 350 MPa.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 접합체는 상기의 방법으로 접합될 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the joined body can be bonded in the above-described manner.

본 발명의 또 다른 태양은 상기의 접합체를 포함하는 자동차용 터빈 샤프트를 제공한다.
Another aspect of the present invention provides an automotive turbine shaft including the above joined body.

본 발명의 서브모터 마찰 용접을 이용한 이종금속의 접합방법에 따르면, 제1 접합부재를 회전시키면서 제2 접합부재를 가압할 시에 서보 모터식 마찰용접를 사용함으로써 회전수, 이송거리 및 이속속도(마찰시간), 가압거리 및 가압속도(업셋압력) 등을 세세하게 조절이 가능하여 접합면에서의 기계적 강도가 향상된 이종금속 접합체를 제조할 수 있다. According to the joining method of dissimilar metals using the sub-motor friction welding of the present invention, when the second joining member is pressed while rotating the first joining member, the servo motor type friction welding is used to adjust the rotation speed, the feed distance, Time, pressurizing distance, and pressing speed (upsetting pressure) can be finely adjusted, so that a dissimilar metal bonded body improved in mechanical strength at the joint surface can be manufactured.

또한, 상기의 방법으로 제조되는 이종 금속의 접합체를 포함하는 자동차용 터빈 샤프트를 제공함으로써 터보 차저 내부에서 본 발명에 따른 터빈 샤프트를 이용하여 전동모터로 구동시킬 수 있어 저속 토크에서 전동모터에 의해 컴프레서를 구동시키고, 고속에서는 배기가스에 의해 회전하는 터빈의 회전력을 이용하여 컴프레서를 구동시킬 수 있다
In addition, by providing a turbine shaft for an automobile including a bonded body of dissimilar metals manufactured by the above method, the turbine shaft according to the present invention can be driven by an electric motor inside the turbocharger, And at the high speed, the compressor can be driven using the rotational force of the turbine rotating by the exhaust gas

도 1은 본 발명의 일실시예에서 사용되는 서보 모터식 마찰용접기의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에서 사용되는 인장시편의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에서 사용되는 동종 및 이종금속 마찰용접 인장시편의 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에서 사용되는 동종 및 이종금속 마찰용접 절단시편의 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 시편 및 원소재의 인장강도 시험 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 5 및 실시예 6의 인장강도 시험 그래프이다.
도 7은 비교예 1의 미세조직 분석 결과 FE-SEM 이미지이다.
도 8은 비교예 3의 미세조직 분석 결과 FE-SEM 이미지이다.
도 9는 본 발명의 실시예 5의 미세조직 분석 결과 FE-SEM 이미지이다.
도 10은 본 발명의 실시예 5의 접합면의 미세조직 이미지이다.
도 11은 본 발명의 실시예 5의 미세조직 및 EDS 분석결과 이미지이다.
도 12는 본 발명의 실시예 5의 XRD 분석결과 이미지이다.
도 13은 실시예 5의 경도 분석 그래프이다.
1 is a schematic view of a servo motor type friction welding machine used in an embodiment of the present invention.
2 is a schematic view of a tensile specimen used in an embodiment of the present invention.
Figure 3 is an image of a homogeneous and dissimilar metal friction welding tensile specimen used in an embodiment of the present invention.
4 is an image of a homogeneous and dissimilar metal friction welding cut specimen used in an embodiment of the present invention.
5 is a tensile strength test graph of a specimen and a raw material according to an embodiment of the present invention.
6 is a tensile strength test graph of Example 5 and Example 6 of the present invention.
7 is an FE-SEM image of the microstructure analysis result of Comparative Example 1. Fig.
8 is an FE-SEM image of a microstructure analysis result of Comparative Example 3. Fig.
9 is an FE-SEM image of a microstructure analysis result of Example 5 of the present invention.
10 is a microstructure image of the bonding surface of Example 5 of the present invention.
11 is an image of a microstructure and an EDS analysis result of Example 5 of the present invention.
12 is an XRD analysis result image of Example 5 of the present invention.
13 is a hardness analysis graph of Example 5. Fig.

상술한 바와 같이 종래의 마찰용접 방식에는 마찰운동과 구동 에너지에 따라 분류하며 크게 브레이크식(Direct Drive Type)과 플라이휠식(Inertia Drive Type)으로 나뉘며 일반적으로 많이 사용되었다. 그러나 본 발명에서는 2010년 A.F.W(주)사에서 개발한 서보 모터식 마찰용접기(도 1 참조)를 사용함으로써 회전수, 이송거리, 마찰시간, 업셋압력 등을 세세하게 조절이 가능하여 접합면에서의 기계적 강도가 향상된 이종금속 접합체를 제조할 수 있다. As described above, the conventional friction welding method is divided into a friction type and a driving energy, and is generally divided into a direct drive type and a flywheel type. However, in the present invention, by using the servo motor type friction welding machine (see Fig. 1) developed by AFW Co., Ltd. in 2010, it is possible to finely control the rotation speed, the feed distance, the friction time and the upset pressure, A dissimilar metal bonded body having improved strength can be produced.

보다 상세하게는, 상기 서보 모터식 마찰용접기는 브레이크식 마찰용접기와 유사하지만, 회전을 하는 전동기와 가압을 하는 유압실린더 대신 서보 모터를 사용한 방식으로서, 유압을 사용한 브레이크식 마찰용접기는 회전수가 고정된 rpm으로 회전되지만, 서보 모터식 마찰용접기는 회전수, 이송거리 및 이송속도(마찰시간), 가압거리 및 가압속도(업셋압력) 등을 세세하게 조절이 가능하고, 회전척, 고정척, 가압력이 작용하기 이전에 회전을 급정지시키기 위한 디스크 방식의 브레이크 장치, 가압력 및 회전력을 얻기 위한 서보모터장치, 주축의 척과 클램프측의 척을 작동하기 위한 유압장치 등으로 구성되어 있다.
More specifically, the servo motor type friction welding machine is similar to a brake type friction welding machine, but uses a servomotor instead of a rotating electric motor and a hydraulic cylinder to pressurize. In a brake type friction welding machine using hydraulic pressure, However, the servomotor type friction welding machine is capable of finely controlling the rotation speed, the feed distance and the feed speed (friction time), the pressing distance and the pressing speed (upsetting pressure), and the rotary chuck, the fixing chuck, A disk-type brake device for suddenly stopping the rotation, a servo motor device for obtaining pressing force and rotational force, and a hydraulic device for operating the chuck of the main shaft and the chuck of the clamp side.

본 발명에 따른 이종 금속 접합체는 상기 서보모터식 마찰용접기를 사용하여 제조될 수 있으며, 본 발명에 따른 서보모터 마찰용접을 이용한 이종 금속의 접합 방법은 제1접합부재 및 제2접합부재를 서보모터 마찰용접기의 주축 및 클램프측의 척에 각각 삽입 후 고정하는 1단계; 상기 제1 접합부재를 회전시키고, 상기 제2 접합부재를 상기 제1 접합부재 방향으로 전진이송시켜서, 제1 접합부재 및 제2 접합부재의 접촉면을 마찰시키는 2단계; 및 상기 제1 접합부재를 정지시킨 후, 상기 제2 접합부재에 압력을 가하여 상기 제1접합부재와 제2 접합부재를 접합시키는 3단계;를 포함한다. 이하, 본 발명을 단계별로 보다 상세하게 설명한다.
The dissimilar metal bonded body according to the present invention can be manufactured using the servo motor type friction welding machine. In the method of joining dissimilar metals using the servo motor friction welding according to the present invention, the first bonding member and the second bonding member are connected to the servo motor A first step of inserting and fixing the main shaft of the friction welding machine and the chuck of the clamp side, respectively; Two steps of rotating the first joining member and forwarding the second joining member toward the first joining member to rub the contact surfaces of the first joining member and the second joining member; And stopping the first joining member and applying pressure to the second joining member to join the first joining member and the second joining member. Hereinafter, the present invention will be described in more detail by step.

본 발명에 따른 서보모터 마찰용접을 이용한 이종 금속의 접합 방법에 있어서, 상기 1단계는 제1접합부재 및 제2접합부재를 주축 및 클램프측의 척에 각각 삽입 후 고정하는 단계로서, 이를 통해 이후의 단계에서 상기 주축의 척에서는 삽입 및 고정된 제1접합부재를 회전운동시키고, 클램프측의 척에서는 삽입 및 고정된 제2 접합부재를 상기 주축의 척에 고정된 제1 접합부재 쪽으로 전진이송시킴으로써 제1 접합부재 및 제2 접합부재를 접촉시킨 후 마찰을 발생시킬 수 있다.
In the method of joining dissimilar metals using servo motor friction welding according to the present invention, the first step is a step of inserting and fixing the first bonding member and the second bonding member to the chuck of the main shaft and the clamp side, The first joining member inserted and fixed in the chuck of the main shaft is rotated and the second joining member inserted and fixed in the chuck on the clamp side is advanced and conveyed toward the first joining member fixed to the chuck of the main shaft Friction may be caused after the first bonding member and the second bonding member are brought into contact with each other.

이때, 상기 제1 접합부재 및 제2 접합부재는 이종의 금속을 사용하여 접합체를 제조할 수 있고, 상기 제1 접합부재는 TiAl 합금이고, 제2 접합부재는 SCM440 합금강인 것이 바람직하다. 이때, Ti 및 Al 의 원소함량 비율은 Ti : Al = 51 ~ 52 :48 ~ 49 인 것이 바람직하고, 상기 범위를 벗어나는 경우 TiAl 합금강의 미세구조 및 기계적 물성이 달라지므로 상기 범위 내의 합금을 사용하는 것이 좋다. 상기 접합부재들의 접합체는 인장강도 및 접합 강도가 향상되어 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있다.
At this time, it is preferable that the first bonding member and the second bonding member can be manufactured using a different kind of metal, the first bonding material is a TiAl alloy, and the second bonding material is an SCM440 alloy steel. At this time, it is preferable that the content ratio of Ti and Al is in the range of Ti: Al = 51 to 52: 48 to 49. If the Ti-Al alloy steel is out of the above range, the microstructure and mechanical properties of the TiAl alloy steel vary, good. The joined body of the joining members can exhibit excellent mechanical characteristics because of improved tensile strength and bonding strength.

본 발명에 따른 서보모터 마찰용접을 이용한 이종 금속의 접합 방법에 있어서, 상기 2단계는 상기 제1 접합부재를 회전시키고, 상기 제2 접합부재를 상기 제1 접합부재 방향으로 전진이송시켜서, 제1 접합부재 및 제2 접합부재의 접촉면을 마찰시키는 단계이다. 본 발명에 따르면 서보 모터식 마찰용접기를 이용하여 이종 금속의 회전수, 이송거리, 마찰시간, 업셋압력 등을 조절할 수 있고, 상기 조건들을 조절함으로써 기계적 물성 등이 향상된 이종금속 접합체를 제조할 수 있다. In the method of joining dissimilar metals using servo motor friction welding according to the present invention, in the second step, the first joining member is rotated and the second joining member is advanced and conveyed toward the first joining member, And rubbing the contact surfaces of the joining member and the second joining member. According to the present invention, it is possible to control the number of revolutions, transfer distance, friction time, upset pressure, etc. of dissimilar metals by using a servo motor type friction welding machine, and by adjusting the conditions, a dissimilar metal bonded body improved in mechanical properties can be manufactured .

이때, 상기 회전은 회전용 서보모터를 이용하여 수행할 수 있고, 이를 이용함으로써 회전수를 변화시킬 수 있다. 상기 2단계에서는 상기 제1 접합부재를 1000 ~ 5000 rpm으로 회전시키고, 상기 제2 접합부재가 5 ~ 20 mm의 이송거리에서 10 ~ 150 mm/min의 이송속도로 상기 제1 접합부재를 향하여 전진이송시켜, 상기 제1 접합부재와 제2접합부재 사이에 마찰이 이루어지도록 하여 마찰열에 의해 제1 접합부재 및 제2 접합부재를 접합시킬 수 있고, 바람직하게는 상기 제1 접합부재를 4000 ~ 5000 rpm으로 회전시키고, 상기 제2 접합부재가 10 ~ 15 mm의 이송거리에서 100 ~ 150 mm/min의 이송속도로 상기 제1 접합부재를 향하여 전진이송시키는 것이 좋다. 이때, 이송거리 및 이송속도를 상기 범위 내에서 제어함으로써 마찰 시간을 조절할 수 있다. 상기 조건범위 내에서 2단계가 수행되는 경우 기계적 물성이 향상된 이종금속 접합체를 제조할 수 있다. At this time, the rotation can be performed using a servo motor for rotation, and the number of rotations can be changed by using the servo motor. In the second step, the first joining member is rotated at 1000 to 5000 rpm, and the second joining member is advanced and conveyed toward the first joining member at a conveying speed of 5 to 20 mm at a conveying speed of 10 to 150 mm / The first joining member and the second joining member can be joined by the frictional heat so that friction is generated between the first joining member and the second joining member, and preferably, the first joining member is bonded to the first joining member at 4000 to 5000 rpm And the second joint member is advanced and conveyed toward the first joining member at a conveying speed of 10 to 15 mm at a conveying speed of 100 to 150 mm / min. At this time, it is possible to control the friction time by controlling the feed distance and the feed speed within the above range. When the two steps are performed within the above-mentioned range, a dissimilar metal bonded body having improved mechanical properties can be produced.

상기 제1 접합부재를 1000 rpm 미만으로 회전시키는 경우 접합된 제1 및 제2 접합부재가 접합되기에 충분한 마찰열을 발생시키기 어려운 문제점이 있고, 5000 rpm을 초과하여 회전시키는 것은 마찰용접기를 통해 구현하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 상기 제2 접합부재가 상기 범위를 벗어나는 조건으로 제1 접합부재를 향하여 전진이송하는 경우, 원자들간의 확산이 이루어지지 않아 접합이 되지 않고, 접합되더라도 강도가 낮은 문제점이 있다.
When the first joining member is rotated at less than 1000 rpm, there is a problem that it is difficult to generate sufficient frictional heat to bond the first and second joining members to each other, and rotation exceeding 5000 rpm is difficult to realize through a friction welding machine There is a problem. Further, when the second bonding material is forwardly transported toward the first bonding member under the condition that the second bonding material is out of the above range, there is a problem in that the bonding is not performed because the diffusion between the atoms is not performed and the bonding strength is low.

본 발명에 따른 서보모터 마찰용접을 이용한 이종 금속의 접합 방법에 있어서, 상기 3단계는 상기 제1 접합부재를 정지시킨 후, 상기 제2 접합부재에 압력을 가하여 상기 제1접합부재와 제2 접합부재를 접합시키는 단계이다. 이때, 상기 압력은 가압용 서보모터를 이용하여 가해질 수 있고, 이를 통해 가압거리 및 가압속도를 변화시키면서 압력을 조절할 수 있어, 상기 제1 접합부재 및 제2 접합부재를 접합시킬 수 있다.In the method of joining dissimilar metals using servo motor friction welding according to the present invention, in the step 3, after the first joining member is stopped, pressure is applied to the second joining member so that the first joining member and the second joining member Member. At this time, the pressure can be applied by using a pressing servomotor, and the pressure can be adjusted by changing the pressing distance and the pressing speed, so that the first joining member and the second joining member can be joined.

상기 3단계에서는 상기 제1접합부재를 정지시킨 후, 상기 제2 접합부재에 3000 ~ 5000 mm/min의 가압속도로 압력을 가하여 5 ~ 15 mm를 단축시킴으로써 상기 제1접합부재와 제2접합부재를 접합시킬 수 있고, 바람직하게는 상기 제1접합부재를 정지시킨 후, 상기 제2 접합부재에 4000 ~ 5000 mm/min의 가압속도로 압력을 가하여 5 ~ 10 mm를 단축시키고 접합면의 가용융물을 굳혀 상기 제1접합부재와 제2접합부재를 접합시키는 것이 좋다. 상기 범위를 벗어나는 경우 접합면에서 생성된 열변형 및 금속간 화합물, 불순물 등이 비드로 제거되지 않아 접합강도가 낮은 문제점이 있다.In the third step, after the first joining member is stopped, the second joining member is shortened by 5 to 15 mm by applying pressure to the second joining member at a pressing speed of 3000 to 5000 mm / min, Preferably, after the first bonding member is stopped, pressure is applied to the second bonding member at a pressing speed of 4000 to 5000 mm / min to shorten the length of 5 to 10 mm, and the molten glass of the bonding surface The first joining member and the second joining member may be joined together. If the thickness is out of the above range, thermal deformation and intermetallic compounds, impurities and the like generated on the bonding surface are not removed by beads, which results in low bonding strength.

보다 상세하게는 상기 3단계에서는 제1 접합부재 및 제2 접합부재의 계면에서 마찰열로 인하여 형성된 가용융물이 굳어지면서 이들을 접합시킬 수 있고, 상기 가용융물이 굳어지는 과정에서 제2 접합부재에서 사용된 합금강이 재결정되고, 열변형됨으로써 마르텐사이트 조직이 형성되어 이들을 포함하는 열변형층이 형성될 수 있다. 상기 이종 금속의 접합체는 상기의 접합 방법을 통해 제조됨으로써 접합 계면에서 TiAl합금 부분에서는 γ결정립과 γ/α2가 혼재되어 있는 듀플렉스(Duplex) 미세조직을 갖고, SCM440 부분에서는 마르텐사이트 조직을 포함하는 열변형층이 형성되고, 원자의 확산에 의한 금속간 화합물 층이 형성될 수 있다. 이때, 상기 열변형층으로 인하여 경도가 향상될 수 있으나 인장강도는 저하될 수 있으므로, 마찰용접시 가압속도를 높여 접합면에서 발생하는 열변형층을 최소화함으로써 우수한 인장강도를 갖는 접합체를 제조하는 것이 바람직하다.
More specifically, in the third step, the molten material formed by the frictional heat at the interface between the first bonding member and the second bonding member is hardened and can be bonded, and in the process of hardening the molten material, The alloy steel is recrystallized and thermally deformed to form a martensite structure and a heat-deformable layer containing them can be formed. The bonded body of the dissimilar metals has a duplex microstructure in which the? -Granular grains and? /? 2 are mixed in the TiAl alloy portion at the bonding interface and the martensite structure in the SCM440 portion A thermally strained layer is formed, and an intermetallic compound layer due to diffusion of atoms can be formed. At this time, hardness can be improved due to the heat-deformable layer, but tensile strength can be lowered. Therefore, it is possible to manufacture a joined body having excellent tensile strength by minimizing the heat- desirable.

또한, 본 발명은 제1 접합부재 및 제2 접합부재가 접합된 접합체에 있어서, 상기 제1 접합부재는 TiAl (여기서, Ti 및 Al 의 원소함량 비율은 Ti : Al = 51 ~ 52 :48 ~ 49 임) 합금이고, 상기 제2 접합부재는 SCM440 합금강이고, 상기 제2 접합부재의 계면에 열변형층 및 금속간 화합물 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 금속의 접합체를 제공한다. The present invention also provides a bonded body in which a first bonding member and a second bonding member are bonded to each other, wherein the first bonding member is made of TiAl (wherein the content ratio of Ti and Al is Ti: Al = 51 to 52: 48 to 49) Wherein the second bonding material is an SCM440 alloy steel, and the second bonding material comprises a heat-strainable layer and an intermetallic compound layer at an interface of the second bonding material.

상기 이종 금속의 접합체는 상기의 접합 방법을 통해 제조됨으로써 접합 계면에서 TiAl 합금 부분에서는 γ결정립과 γ/α2가 혼재되어 있는 듀플렉스(Duplex) 미세조직을 갖고, SCM440 합금강 부분에서는 마르텐사이트 조직을 포함하는 열변형층이 형성되고, 원자의 확산에 의한 금속간 화합물 층이 형성될 수 있다. 이때, 상기 열변형층으로 인하여 경도는 향상될 수 있으나 인장강도는 저하될 수 있으므로, 마찰용접시 가압속도를 높여 접합면에서 발생하는 열변형층을 최소화함으로써 우수한 인장강도를 갖는 접합체를 제조하는 것이 바람직하다. The bonded body of the dissimilar metals has a duplex microstructure in which the? -Granular grains and? /? 2 are mixed in the TiAl alloy portion at the bonding interface, and the martensite structure is included in the SCM440 alloy steel portion And an intermetallic compound layer due to diffusion of atoms can be formed. At this time, although the hardness can be improved due to the heat-deformable layer, the tensile strength can be lowered. Therefore, it is possible to manufacture a joined body having excellent tensile strength by minimizing the heat- desirable.

따라서, 상기 열변형층의 두께는 0.1 mm ~ 1.0 mm 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.1 mm ~ 0.5 mm 일 수 있다. 또한, 상기 금속간 화합물층은 0.1 mm 이하일 수 있고, 바람직하게는 0.001 ~ 0.1 mm 인 것이 좋다. Therefore, the thickness of the heat-strained layer is preferably 0.1 mm to 1.0 mm, more preferably 0.1 mm to 0.5 mm. The intermetallic compound layer may be 0.1 mm or less, preferably 0.001 to 0.1 mm.

이때, 상기 이종금속의 접합체는 열변형층 단면의 중심축에서 제2 접합부재 방향으로 0.1 mm ~ 0.5 mm 범위에서의 접합 강도가 250 MPa ~ 400 MPa일 수 있고, 상기 이종 금속의 접합체의 인장강도는 250 MPa ~ 350 MPa로 우수한 물리적 특성을 가진다.
At this time, the bonding material of the dissimilar metals may have a bonding strength of 250 MPa to 400 MPa in the range of 0.1 mm to 0.5 mm in the direction of the second bonding member from the central axis of the cross section of the thermally deformable layer, and the tensile strength Has excellent physical properties from 250 MPa to 350 MPa.

본 발명의 또 다른 태양은 상기의 접합체를 포함하는 자동차용 터빈 샤프트를 제공한다. 자동차용 터보 차저는 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 터빈을 돌린 후, 이 회전력을 이용하여 연소실로 고압의 공기를 공급하여 엔진의 출력을 높이는 장치이다. 이때, 상기 자동차용 터빈 샤프트는 자동차용 터보 차저 내부에서 터빈 휠과 터빈 컴프레셔 사이를 연결하는 역할을 수행할 수 있고, 본 발명에 따라 제조된 접합체는 서보 마찰용접기에서 접합되기 위하여 환봉형으로 제조되고, 접합계면에 열변형층을 포함함으로써 기계적 물성이 향상되어, 터보 차저 내부에서 우수한 내구성 및 기계적 강도를 가지는 터빈 샤프트를 이용하여 전동모터로 구동시킬 수 있어 저속 토크에서 전동모터에 의해 컴프레서를 구동시키고, 고속에서는 배기가스에 의해 회전하는 터빈의 회전력을 이용하여 컴프레서를 구동시킬 수 있다
Another aspect of the present invention provides an automotive turbine shaft including the above joined body. An automotive turbocharger is a device for turning the turbine by using the pressure of the exhaust gas discharged from the engine and then supplying high-pressure air to the combustion chamber using the rotational force to increase the output of the engine. At this time, the automotive turbine shaft can serve to connect between the turbine wheel and the turbine compressor in the automotive turbocharger, and the automobile joint body manufactured in the form of a round bar to be joined in the servo friction welder , The mechanical properties are improved by including the thermally deformable layer at the joint interface, and the turbine shaft having excellent durability and mechanical strength inside the turbocharger can be driven by the electric motor to drive the compressor by the electric motor at low speed torque , And the compressor can be driven using the rotational force of the turbine rotating by the exhaust gas at high speed

이하 본 발명을 하기 실시예들을 통해서 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예들은 본 발명을 예시하기 위하여 제시되는 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. The following examples are provided to illustrate the present invention, but the scope of the present invention is not limited by the following examples.

[[ 실시예Example ]]

실시예Example 1. 이종금속 접합체의 제조 1 1. Preparation of dissimilar metal bonded body 1

환봉형의 Φ12 TiAl 합금(51.5 at%Ti-48.5 at%Al) 및 Φ12 SCM440 합금강을 마찰용접기(FW-05, A.F.W 주식회사)의 주축 및 클램프측의 척에 각각 고정시켰다. 이후, 상기 TiAl 합금을 4000 rpm으로 회전시키고, 상기 SCM440 합금강이 5 mm의 이송거리에서 40 mm/min의 이송속도로 상기 TiAl 합금을 향하여 전진이송시켜, 접합면 사이에서 마찰이 이루어지도록 하여 마찰열에 의해 상기 Φ12 TiAl 합금(Ti-48.5 at%Al) 및 Φ12 SCM440 합금강의 접합면이 마찰되었다.A round rod type Φ12 TiAl alloy (51.5 at% Ti-48.5 at% Al) and Φ12 SCM440 alloy steel were respectively fixed to chucks on the main shaft and clamp side of a friction welding machine (FW-05, A.F. Thereafter, the TiAl alloy was rotated at 4000 rpm, and the SCM440 alloy steel was advanced and conveyed toward the TiAl alloy at a conveyance distance of 5 mm at a conveying speed of 40 mm / min, thereby causing friction between the joint surfaces, The joint surfaces of the Φ12 TiAl alloy (Ti-48.5 at% Al) and Φ12 SCM440 alloy steel were rubbed.

이후, 상기 주축 척을 정지시키고 상기 클램프측 척에 4000 mm/min의 가압속도로 압력을 가하여 10 mm를 단축시킴으로써 접합면에서 가용융물이 굳어지면서 상기 Φ12 TiAl 합금(51.5 at%Ti-48.5 at%Al) 및 Φ12 SCM440 합금강을 접합시켰다.
Thereafter, the main shaft chuck was stopped and the clamp side chuck was pressed at a pressing speed of 4000 mm / min to shorten the length of 10 mm. As a result, the Φ12 TiAl alloy (51.5 at% Ti-48.5 at% Al) and < 12 > SCM440 alloy steel.

실시예Example 2 ~ 6. 이종금속 접합체의 제조 2 2 ~ 6. Preparation of dissimilar metal junctions 2

하기 표 1의 마찰 용접 조건으로 접합되는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 이종금속을 접합하였다.The dissimilar metals were bonded in the same manner as in Example 1 except that they were bonded under the friction welding conditions shown in Table 1 below.

구분division 회전수
(rpm)
Revolutions
(rpm)
이송거리
(mm)
Feeding distance
(mm)
이송속도
(mm/min)
Feeding speed
(mm / min)
가압거리
(mm)
Pressure distance
(mm)
가압속도
(mm/min)
Pressing speed
(mm / min)
실시예 2Example 2

4000


4000
88 4040

10


10


4000


4000
실시예 3Example 3 55 4040 실시예 4Example 4 88 1010 실시예 5Example 5 1212 120120 실시예 6Example 6 1515 120120

비교예Comparative Example 1 ~ 2. 이종금속 접합체의 제조 1 ~ 2. Preparation of dissimilar metal junction

마찰용접기의 주축 및 클램프측의 척에 Φ12 SCM440 합금강을 각각 도입한 후, 하기 표 2의 조건으로 접합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 금속을 접합하였다.The metal was bonded in the same manner as in Example 1 except that? 12 SCM440 alloy steel was introduced into the main shaft of the friction welding machine and the chuck on the clamp side, and then bonded under the conditions shown in Table 2 below.

구분division 회전수
(rpm)
Revolutions
(rpm)
이송거리
(mm)
Feeding distance
(mm)
이송속도
(mm/min)
Feeding speed
(mm / min)
가압거리
(mm)
Pressure distance
(mm)
가압속도
(mm/min)
Pressing speed
(mm / min)
비교예 1Comparative Example 1 2000
2000
5
5
1010 3
3
4000
4000
비교예 2Comparative Example 2 2020

비교예Comparative Example 3.이종금속 접합체의 제조 3. Preparation of dissimilar metal junctions

마찰용접기의 주축 및 클램프측의 척에 Φ12 TiAl 합금(51.5 at%Ti-48.5 at%Al)을 각각 도입한 후, 하기 표 3의 조건으로 접합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 금속을 접합하였다.(51.5 at% Ti-48.5 at% Al) was introduced into the main shaft of the friction welding machine and the chuck on the clamp side, and then joined according to the conditions shown in Table 3 below. Metal was bonded.

구분division 회전수
(rpm)
Revolutions
(rpm)
이송거리
(mm)
Feeding distance
(mm)
이송속도
(mm/min)
Feeding speed
(mm / min)
가압거리
(mm)
Pressure distance
(mm)
가압속도
(mm/min)
Pressing speed
(mm / min)
비교예 3Comparative Example 3 20002000 88 2020 44 50005000

실험예Experimental Example 1. 이종금속 접합체의  1. Dissimilar metal junction 인장강도The tensile strength 측정 Measure

상기 실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 3의 TiAl 합금, SCM440 합금강의 동종 및 이종금속간의 마찰용접 시험편의 기계적 강도시험을 위하여 C.N.C 선반을 이용하여 인장시편을 가공하였다. 마찰용접 인장시편은 시편의 외경(Φ12)과 마찰용접 후 전장이 짧은 관계로 인장시험편 규격(KS B 0801)에 따라 비례시험편 14A호로 도 2와 같이 설계하여 도 3과 같이 가공하였다. 가공한 인장시편은 최대 용량이 10톤인 인스트론社의 인장 시험기(8801)를 사용하여 0.01mm/sec의 시험 속도로 인장시험을 실시하였다. 그 결과는 하기 표 5 에 나타내었다.Tensile specimens were fabricated using C.N.C lathe for the mechanical strength test of friction welding specimens between the same and different metals of TiAl alloys and SCM440 alloy steels of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3. The friction welding tensile specimen was fabricated as shown in Fig. 3 with the proportional test piece No. 14A according to the tensile test specimen specification (KS B 0801) as shown in Fig. 2 because the outer diameter of the specimen (Φ12) The tensile test specimens were subjected to a tensile test at a test speed of 0.01 mm / sec using an Instron tensile tester (8801) having a maximum capacity of 10 tons. The results are shown in Table 5 below.

이때, 상기 가공과정을 보다 상세하게 설명하자면, 모재부와 접합계면, 열영향부(Heat Affected Zone, HAZ)의 미세조직 분석을 위해 시험편은 용접 시편의 축 단면을 정밀 절단기를 이용하여 4,000 rpm, Φ03의 휠(Wheel)로 절개하였다. 자동 성형기(MECAPRESS-3, PRESI)를 이용하여 180℃에서 마운팅 한 후, 자동 연마기(Fig. 3.18)를 이용하여 폴리싱(Polyshing)하였다. 폴리싱은 platen speed 110rpm, rotation speed 110 rpm, Sample force : 10N에서 시행하였다. SCM440 합금강과 TiAl 합금의 애칭 조건이 다르기 때문에 각각 시행하였으며, 하기 표 4의 조건으로 애칭하였으며, 하기 도 4에 절단시편을 나타내었다. In order to analyze the microstructure of the heat-affected zone (HAZ) and the interface between the base material and the heat affected zone (HAZ), the test specimen was cut at 4,000 rpm using a precision cutter, And then incised with a wheel of? 03. Mounted at 180 ° C using an automatic molding machine (MECAPRESS-3, PRESI), and then polished using an automatic polishing machine (Fig. 3.18). Polishing was performed at a platen speed of 110 rpm, a rotation speed of 110 rpm, and a sample force of 10 N. The nicking conditions of the SCM440 alloy steel and the TiAl alloy were different from each other and were nicknamed under the conditions shown in Table 4 below.

구분division 부식액Caustic solution 농도density 부식조건Corrosion condition SCM400 합금강

SCM400 alloy steel

3% Nital3% Nital --
5 ~ 10 초

5 to 10 seconds
Ethanol(C2H5OH)Ethanol (C 2 H 5 OH) 97 ml97 ml Nitric acid(HNO3)Nitric acid (HNO 3) 3 ml3 ml TiAl 부식액

TiAl caustic solution

Hydrofluoric acid(HF)Hydrofluoric acid (HF) 10 ml10 ml
5 ~ 10 초

5 to 10 seconds
Nitric acid(HNO3)Nitric acid (HNO 3) 40 ml40 ml H2O(DI-water)H 2 O (DI-water) 50 ml50 ml

구분division 최대하중에서의 인장강도(MPa)Tensile strength at maximum load (MPa) 연신율(%)Elongation (%) 영스 모듈러스 (MPa)Young's Modulus (MPa) 항복응력
(MPa)
Yield stress
(MPa)
실시예1Example 1 110.487110.487 0.3140.314 12541.3312541.33 91.21591.215 실시예2Example 2 132.845132.845 0.8110.811 22514.31522514.315 105.184105.184 실시예3Example 3 144.771144.771 1.2411.241 17521.61417521.614 133.48133.48 실시예4Example 4 223.548223.548 2.3172.317 25415.22125415.221 197.24197.24 실시예5Example 5 296.689296.689 1.271.27 34396.12834396.128 230.499230.499 실시예6Example 6 312.773312.773 4.6954.695 12884.212884.2 57.557.5

상기 표 5에 따르면, 시험 조건중 회전수 이송거리 12 mm, 이송속도 120 mm/min인 실시예 5 및 실시예 6에서 가장 우수한 마찰용접 결과를 확인할 수 있었다. 상기 실시예 5 및 실시예 6의 TiAl과 SCM440 이종금속 마찰용접 인장시험 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에 따르면, 마찰용접 시편의 용접부가 단락된 것을 확인할 수 있고, 이때 최대 인장강도는 296 ~ 312 Mpa이고, 항복응력은 230 Mpa인 것을 확인할 수 있었다.
According to Table 5, the best friction welding results were confirmed in Examples 5 and 6, in which the rotation speed was 12 mm and the feed rate was 120 mm / min. The tensile test results of TiAl and SCM440 dissimilar metal friction welding of Examples 5 and 6 are shown in Fig. According to FIG. 6, it can be seen that the weld portion of the friction welding specimen was short-circuited, and that the maximum tensile strength was 296 to 312 MPa and the yield stress was 230 MPa.

실험예Experimental Example 2. 이종금속 접합체의 미세조직 분석 2. Microstructure analysis of dissimilar metal conjugates

본 발명에 따른 실시예의 미세조직 분석을 위하여 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM, JSM-6500F, JEOL)과 디지털 현미경(Digital Microscope, KH-8700, HIROX)을 사용하였다. 이때, 상기 전계방사형 주사전자현미경의 사양은 분해능 1.5nm ~ 0.5nm(at 30 kV ~ 20 kV), 배율(magnification) ×10 ~ ×500,000이다. 그 결과를 하기 도 7 ~ 도 10에 나타내었다. 또한, 본 발명에 따른 실시예의 미세조직 분석을 위하여 에너지 분산형 X선 형광 분광기(EDX, XFlash 5010, Bruker)를 이용하여 EDX 분석을 수행하였고, 그 결과를 도 11에 나타내었으며, X선 회절기(SWXD(X-MAX/2000-PC), Rigaku)를 이용하여 XRD 분석을 수행하였고, 그 결과를 하기 도 12에 나타내었다. Field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM, JSM-6500F, JEOL) and digital microscope (KH-8700, HIROX) were used for the microstructure analysis of the examples according to the present invention. The field emission scanning electron microscope has a resolution of 1.5 nm to 0.5 nm (at 30 kV to 20 kV) and a magnification of 10 to 500,000. The results are shown in Figs. 7 to 10. The EDX analysis was performed using an energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer (EDX, XFlash 5010, Bruker) for the microstructure analysis of the example according to the present invention. The results are shown in FIG. 11, (SWXD (X-MAX / 2000-PC), Rigaku), and the results are shown in FIG.

도 7은 비교예 1의 미세조직을 관찰한 결과로서, 도 7에 따르면 SCM440를 마찰용접한 시료의 미세조직 사진을 보면 접합부재는 펄라이트(pearlite) 조직과 페라이트(ferrite) 조직을 이루고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 접합면 계면에서의 열변형층은 마찰열과 가압력에 의해 재결정이 일어난 것을 확인할 수 있으며, 조직의 입자가 작아진 것을 확인할 수 있다. Fig. 7 is a result of observing the microstructure of Comparative Example 1. As shown in Fig. 7, when microstructures of the SCM440 were observed by friction welding It can be seen that the joint material has a pearlite structure and a ferrite structure. Further, it can be confirmed that recrystallization occurred in the thermally deformable layer at the interface surface due to the frictional heat and the pressing force, and it can be confirmed that the grain size of the structure is reduced.

하기 도 8은 비교예 3의 미세조직을 관찰한 결과로서, 도 8에 따르면, 접합부재는 완전미세라멜라(Fully lamellar)의 층상조직을 나타내고 있으며, 열변형층은 재결정이 이루어져, 입도가 작아진 것을 확인할 수 있었다. 8 is a result of observing the microstructure of Comparative Example 3. As shown in Fig. 8, the bonding material shows a layered structure of fully lamellar, and the heat-strained layer is subjected to recrystallization to decrease the grain size I could confirm.

하기 도 8은 실시예 5의 미세조직을 관찰한 결과로서, 상기 비교예 1과 마찬가지로 SCM440의 접합부재는 도 7과 같은 페라이트 조직과 펄라이트 조직을 가지는 것을 관찰할 수 있었고, TiAl의 접합부재에서도 완전미세라멜라(Fully lamellar)의 층상조직을 이루는 것을 확인할 수 있었다. 보다 상세하게는, TiAl에서는 열변형이 일어나지 않고, SCM440의 접합부에서만 열변형이 이루어져, 재결정과 마르텐 사이트 조직을 이루고 있음을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 본 발명에 따르면 TiAl 합금이 열의 영향을 받지 않는 것을 알 수 있으며, 앞에서 제시한 이송 거리와 이송속도를 올려 마찰열을 급속히 높이면 TiAl 합금의 접합모재에 충분한 열전달이 이루질 것으로 예상된다.8 is a result of observing the microstructure of Example 5. As in Comparative Example 1, it was observed that the bonding material of SCM440 had a ferrite structure and a pearlite structure as shown in Fig. 7, It was confirmed that the lamellar structure of the lamellar was formed. More specifically, it was confirmed that thermal deformation does not occur in TiAl and thermal deformation occurs only at the joint portion of SCM440, thereby forming recrystallization and martensite structure. As a result, according to the present invention, it can be seen that the TiAl alloy is not affected by heat, and it is expected that sufficient heat transfer will be achieved in the bonding base material of the TiAl alloy when the frictional heat is rapidly increased by increasing the transfer distance and the transfer speed.

도 10은 본 발명에 따른 실시예 5의 접합부분의 미세조직을 관찰한 결과로써, 이에 따르면 TiAl합금과 SCM440 합금강 사이의 마찰용접으로 인하여 원자확산에 의한 금속간 화합물층이 생성된 것을 확인할 수 있다. FIG. 10 is a result of observing the microstructure of the joint portion of Example 5 according to the present invention. As a result, it can be confirmed that an intermetallic compound layer is formed by atomic diffusion due to friction welding between the TiAl alloy and the SCM440 alloy steel.

또한, 도 11의 EDS 성분분석 이미지를 통하여 접합면을 경계로 Ti, Al, Fe 원자가 혼재되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 12의 접합면의 XRD 분석을 통하여 Fe3Al, Fe2Ti, FeTi, TiN 등과 같은 금속간 화합물이 생성되었음을 확인할 수 있으며, 이러한 금속간 화합물 층의 생성으로 인하여 이종금속간의 접합강도가 변하는 것으로 판단된다.
In addition, it can be confirmed through the EDS component analysis image of FIG. 11 that Ti, Al, and Fe atoms are mixed in the boundary surface as a boundary. 12 shows that the intermetallic compounds such as Fe 3 Al, Fe 2 Ti, FeTi, and TiN are formed through the XRD analysis of the bonding interface of FIG. 12, .

실험예Experimental Example 3. 이종금속 접합체의 경도변화 분석 3. Analysis of Hardness Change of Dissimilar Metal Conjugate

본 발명에 따른 실시예 5, 비교예 1 및 비교예 3의 접합 경계면을 중심으로 제1 접합부재와 제2 접합부재에 대한 경도 변화를 관찰하기 위하여 용접 시편의 축 단면을 정밀 절단기를 이용하여 절개하고, 클램프로 고정시킨 후, 비커스 경도기(Vickers Hardness Tesing Machine, VMT-X1, Matsuzuwa)를 사용하여 1.0f의 하중으로 설정한 후 접합 경계면을 중심으로 제1 접합부재와 열변형층을 포함하는 제2 접합부재의 경도 변화를 관찰하였다. 그 결과를 도 13에 나타내었다. In order to observe the change in hardness of the first bonding member and the second bonding member centered on the bonding interface of Example 5, Comparative Example 1 and Comparative Example 3 according to the present invention, the axial end face of the welding specimen was cut using a precision cutter And then fixed with a clamp, and then set to a load of 1.0 f using a Vickers hardness testing machine (VMT-X1, Matsuzuwa). Then, the first bonding member and the heat- The change in hardness of the second bonding member was observed. The results are shown in Fig.

도 13은 실시예 5의 경도변화를 관찰한 그래프로서, 도 13에 따르면 접합면 부근에서 경도가 향상된 것을 확인할 수 있다. 이는 접합면에서 조직의 크기가 작아지고, 재결정과 급냉으로 인한 마르텐 사이트(martensite) 조직이 생겼으며 열변형이 나타남에 따라 경도가 향상된 것으로 판단할 수 있다.
13 is a graph showing changes in hardness of Example 5, and it can be seen from FIG. 13 that the hardness is improved near the bonding surface. It can be judged that the hardness is improved as the size of the structure is reduced at the joint surface, martensite structure is formed due to recrystallization and quenching, and thermal deformation is observed.

1:주축 척 2:클램프측 척
3:제1 접합부재 4:제2 접합부재
5:브레이크 6:회전용 서보모터
7:가압용 서보모터
1: Main shaft Chuck 2: Clamp side Chuck
3: first joining member 4: second joining member
5: Brake 6: Servo motor for rotation
7: Servo motor for pressurization

Claims (13)

제1접합부재 및 제2접합부재를 서보모터 마찰용접기의 주축 및 클램프측의 척에 각각 삽입 후, 고정하는 1단계;
상기 제1 접합부재를 회전시키고, 상기 제2 접합부재를 상기 제1 접합부재 방향으로 전진이송시켜서, 제1 접합부재 및 제2 접합부재의 접촉면을 마찰시키는 2단계; 및
상기 제1 접합부재를 정지시킨 후, 상기 제2 접합부재에 압력을 가하여 상기 제1접합부재와 제2 접합부재를 접합시키는 3단계;를 포함하고,
상기 제1 접합부재는 TiAl 합금(여기서, Ti 및 Al 의 원소함량 비율은 Ti : Al = 51 ~ 52 :48 ~ 49 임)이고, 제2 접합부재는 SCM440 합금강인 것을 특징으로 하는 서보모터 마찰용접을 이용한 이종 금속의 접합 방법.
A first step of inserting and fixing the first joining member and the second joining member to the main shaft of the servo motor friction welding machine and the chuck of the clamp side, respectively;
Two steps of rotating the first joining member and forwarding the second joining member toward the first joining member to rub the contact surfaces of the first joining member and the second joining member; And
And a third step of bonding the first bonding member and the second bonding member by applying pressure to the second bonding member after the first bonding member is stopped,
Wherein the first bonding material is a TiAl alloy wherein the content ratio of Ti and Al is Ti: Al = 51 to 52: 48 to 49, and the second bonding material is an SCM440 alloy steel. Bonding method of dissimilar metals.
제1항에 있어서,
상기 회전은 회전용 서보모터를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 서보모터 마찰용접을 이용한 이종 금속의 접합 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the rotation is performed using a rotary servo motor. ≪ RTI ID = 0.0 > 18. < / RTI >
제1항에 있어서,
상기 압력은 가압용 서보모터를 이용하여 가해지는 것을 특징으로 하는 서보모터 마찰용접을 이용한 이종 금속의 접합 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the pressure is applied using a servo motor for pressurization.
제1항에 있어서,
상기 2단계에서 상기 제1 접합부재를 1000 ~ 5000 rpm으로 회전시키고, 상기 제2 접합부재가 5 ~ 15 mm의 이송거리에서 10 ~ 150 mm/min의 이송속도로 상기 제1 접합부재를 향하여 전진이송시키는 것을 특징으로 하는 서보모터 마찰용접을 이용한 이종 금속의 접합 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first joining member is rotated at 1000 to 5000 rpm in the second step and the second joining member is forwardly conveyed toward the first joining member at a conveying distance of 5 to 15 mm at a conveying speed of 10 to 150 mm / Wherein said method comprises the steps of:
제1항에 있어서,
상기 3단계의 가압속도는 1000 ~ 5000 mm/min인 것을 특징으로 하는 서보모터 마찰용접을 이용한 이종 금속의 접합 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the pressing speed in the third step is 1000 to 5000 mm / min.
제1항에 있어서,
상기 제3단계의 접합은 제2접합부재가 5 ~ 15mm 단축되도록 압력을 가하여 수행하는 것을 특징으로 하는 서보모터 마찰용접을 이용한 이종 금속의 접합 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the joining of the third step is performed by applying pressure so that the second joining member is shortened by 5 to 15 mm.
제1 접합부재 및 제2 접합부재가 접합된 접합체에 있어서,
상기 제1 접합부재는 TiAl (여기서,Ti 및 Al 의 원소함량 비율은 Ti : Al = 51 ~ 52 :48 ~ 49 임) 합금이고, 상기 제2 접합부재는 SCM440 합금강이고, 상기 제2 접합부재의 계면에 열변형층 및 금속간 화합물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 금속의 접합체.
In the bonded body in which the first bonding member and the second bonding member are joined,
Wherein the first bonding material is an alloy of TiAl (wherein the content ratio of Ti and Al is Ti: Al = 51 to 52: 48 to 49), the second bonding material is an SCM440 alloy steel, A thermally deformable layer and an intermetallic compound layer.
제7항에 있어서,
상기 열변형층은 TiAl 합금 부분에서는 γ결정립과 γ/α2가 혼재되어 있는 듀플렉스(Duplex) 미세조직을 갖고, SCM440 합금강 부분에서는 마르텐사이트 조직을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 금속의 접합체.
8. The method of claim 7,
Wherein the thermally-deformable layer has a duplex microstructure in which a? -Granular grain and? /? 2 are mixed in a TiAl alloy part, and a martensite structure in an SCM440 alloy steel part.
제7항에 있어서,
상기 열변형층의 두께는 0.5 mm ~ 1.0 mm이고, 금속간 화합물층은 0.1 mm 이하인 것을 특징으로 하는 이종 금속의 접합체.
8. The method of claim 7,
Wherein the thickness of the thermally shrinkable layer is 0.5 mm to 1.0 mm and the intermetallic compound layer is 0.1 mm or less.
제7항에 있어서,
상기 열변형층 단면의 중심축에서 상기 제2 접합부재 방향으로 0.1 mm ~ 0.5 mm 범위에서의 접합 강도가 250 MPa ~ 400 MPa인 것을 특징으로 하는 이종 금속의 접합체.
8. The method of claim 7,
And a bonding strength in a range of 0.1 mm to 0.5 mm in the direction of the second bonding member from the center axis of the cross section of the thermally deformable layer is 250 MPa to 400 MPa.
제7항에 있어서,
상기 이종 금속의 접합체는 인장강도가 250 MPa ~ 350 MPa인 것을 특징으로 하는 이종 금속의 접합체.
8. The method of claim 7,
Wherein the bonded body of the dissimilar metals has a tensile strength of 250 MPa to 350 MPa.
제7항에 있어서,
상기 접합체는 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 방법으로 접합되는 것을 특징으로 하는 서보모터 마찰용접을 이용한 이종 금속의 접합체.
8. The method of claim 7,
Wherein the bonded body is bonded by the method of any one of claims 1 to 6. A bonded body of dissimilar metals using friction welding of a servo motor.
제7항의 접합체를 포함하는 자동차용 터빈 샤프트.
An automotive turbine shaft comprising the assembly of claim 7.
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