KR20180074909A - 고강도 내마모강의 용접부 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20180074909A
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Abstract

본 발명은 마찰 교반 용접을 이용하여 접합함으로써, 응고과정에서 발생되는 결함 등을 회피할 수 있으며, 용접부의 잔류응력이 기존의 용융용접 대비 현저히 낮은 고강도 내마모강의 용접부 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 용접 입열에 따른 열 영향부가 용융용접에 비하여 상대적으로 좁고, 사용 중 용접 열 영향부에서 발생할 수 있는 결함 발생 가능성을 낮출 수 있는 고강도 내마모강의 용접부 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부는, 고강도 내마모강의 용접부 전체 중량 대비 0.09 내지 1.5 중량%의 탄소(C); 0.1 내지 1.4 중량%의 규소(Si); 2.5 내지 27 중량%의 망간(Mn); 및 1.0 내지 4.2 중량%의 크롬(Cr);을 포함한다.

Description

고강도 내마모강의 용접부 및 이의 제조방법{WELDS OF HIGH STRENGTH WEAR RESISTANCE STEEL AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 고강도 내마모강의 용접부 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마찰 교반 용접에 의해 접합되는 고강도 내마모강의 용접부 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
다양한 산업 분야에 있어서 마모환경에 노출되어 있는 구조물의 수명 향상을 위한 노력이 꾸준히 계속되고 있다. 이러한 일련의 노력들은 사용환경의 최적화 및 설비 유지/보수 능력의 향상으로 진행되어 왔으며, 최근에는 소재 및 가공기술의 개발을 통한 획기적인 개선을 도모하고자 하는 노력을 하고 있다.
파이프 또는 구조물 등의 제작 시 일반적으로 적용되는 용융용접은 용접 시 기공, 슬래그 혼입, 균열 등 각종 용접결함이 발생할 수 있고, 전용착부의 인근에는 용접 입열에 따른 열 영향부를 생성하게 된다.
이러한 이유로, 용융 용접에 의해 용접된 제품은 생산 또는 사용 중에 기대에 못 미치는 성능을 발휘하는 경우가 발생하게 되며, 이는 곧 생산성 하락 및 비용 증가의 직접적인 원인으로 작용한다.
한국공개특허문헌 2016-7009120 (2014.09.29 공개)
본 발명은 마찰 교반 용접을 이용하여 접합함으로써, 응고과정에서 발생되는 결함 등을 회피할 수 있으며, 용접부의 잔류응력이 기존의 용융용접 대비 현저히 낮은 고강도 내마모강의 용접부 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 용접 입열에 따른 열 영향부가 용융용접에 비하여 상대적으로 좁고, 사용 중 용접 열 영향부에서 발생할 수 있는 결함 발생 가능성을 낮출 수 있는 고강도 내마모강의 용접부 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부는, 고강도 내마모강의 용접부 전체 중량 대비 0.09 내지 1.5 중량%의 탄소(C); 0.1 내지 1.4 중량%의 규소(Si); 2.5 내지 27 중량%의 망간(Mn); 및 1.0 내지 4.2 중량%의 크롬(Cr);을 포함한다.
고강도 내마모강의 용접부는, 10 중량% 이하의 니켈(Ni);을 더 포함할 수 있다.
고강도 내마모강의 용접부는, 7 중량% 이하의 몰리브덴(Mo);을 더 포함할 수 있다.
고강도 내마모강의 용접부는, 6 중량% 이하의 텅스텐(W);을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부 제조방법은, 마찰 교반 접합에 사용되는 용접 툴을 회전시키는 단계; 및 고강도 내마모강의 전체 중량 대비 0.09 내지 1.5 중량%의 탄소(C); 0.1 내지 1.4 중량%의 규소(Si); 2.5 내지 27 중량%의 망간(Mn); 및 1.0 내지 4.2 중량%의 크롬(Cr)을 포함하는 고강도 내마모강에 상기 회전하는 용접 툴을 삽입하는 단계;를 포함한다.
상기 용접 툴의 삽입 각도는, 0도 이상 3도 이하일 수 있다.
상기 용접 툴의 회전 속도는, 20rpm이상 1000rpm 이하일 수 있다.
상기 용접 툴의 진행 속도는, 0.1mm/s이상 20mm/s 이하일 수 있다.
상기 고강도 내마모강의 용접부 제조방법은 상기 용접 툴은 상기 고강도 내마모강에 삽입하기 전에 열원을 이용하여 상기 고강도 내마모강의 용접 부위를 가열하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 고강도 내마모강의 용접부는, 10 중량% 이하의 니켈(Ni);을 더 포함할 수 있다.
상기 고강도 내마모강의 용접부는, 7 중량% 이하의 몰리브덴(Mo);을 더 포함할 수 있다.
상기 고강도 내마모강의 용접부는, 6 중량% 이하의 텅스텐(W);을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 고강도 내마모강의 용접부 및 그 제조방법에 의하면, 용융 용접시 발생할 수 있는 결함을 저감할 수 있을 뿐만 아니라, 모재와 동등 또는 그 이상의 기계적 물성을 가지는 용접부를 얻을 수 있다.
또한 용융 용접을 위하여 필요한 용접부 개선면의 선가공이 필요치 않기 때문에 생산성 향상을 도모할 수 있다.
도 1A 내지 도 1C는 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부 제조에 사용되는 마찰 교반 용접 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부 제조 방법에 대한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부 제조방법의 수행 시에 사용되는 용접 툴의 삽입 각도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부의 매크로 단면 사진이다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부의 단면에 대한 결정립 조직 관찰 결과를 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다.
본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
고강도 내마모강의 경우 용융 용접시 발생하는 결함으로 인하여 구조물 제작시에 어려움을 야기할 수 있고, 기존의 비파괴 검사로 검출되지 않은 Micro-Fisher 성의 고온 균열 등은 용접부의 건정성을 저하시키게 된다.
또한, 용접 입열에 의한 열 영향부의 형성에 따라, 구조물의 제작 또는 사용 시에 용접 열 영향부에서의 결함 발생 가능성을 가지고 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 고강도 내마모강의 용접부를 고상 접합의 하나인 마찰 교반 용접 또는 마찰 교반 접합을 이용하여 생성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부는, 탄소(C) 0.09 내지 1.5 중량%, 규소(Si) 0.1 내지 1.4 중량%, 망간(Mn) 2.5 내지 27 중량%, 크롬(Cr) 1.0 내지 4.2 중량%, 니켈(Ni) 0 초과 10 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) 0 초과 7 중량% 이하 및 텅스텐(W) 0 초과 6 중량% 이하의 조성을 갖는다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부는, 불순물인 인(P)과 황(S)의 함량을 0.025 중량% 미만으로 제한할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부의 성분들과 각각의 조성비에 대하여 구체적으로 설명한다.
탄소(C)
탄소는 고강도 내마모강의 용접부의 강도와 접합 경화능을 확보함과 동시에 오스테나이트(Austenite) 상을 안정적으로 형성시킬 수 있다. 특히, 고강도 내마모강의 용접부의 강도는 탄소의 함량에 비례하여 증가하게 된다. 또한, 내마모 특성 역시 탄소와 비례하여 증가한다.
탄소는 고강도 내마모강의 용접부의 총 중량 100% 에 대해 0.09 내지 1.5 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 탄소를 0.09 중량% 이상 함유함으로써, 우수한 경도와 강도를 얻을 수 있고, 탄소의 함유량을 1.5 중량% 이하로 제한함으로써 접합부의 인성저하를 방지할 수 있다..
규소( Si )
규소는 탈산제로서의 역할을 하며, 고용강화에 따른 강도와 내식성을 향상시키고 페라이트상을 안정화시킬 수 있다.
규소는 고강도 내마모강의 용접부의 총 중량 100%에 대해 0.1 내지 1.4 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 규소가 고강도 내마모강의 용접부 내에 상기 비율로 포함되면, 규소로 인한 고온 및 저온 성형성의 악화를 방지할 수 있다. 또한, 강도 및 내식성은 향상시키면서 인성 저하나 소성 가공성의 저하를 최소화할 수 있다.
망간(Mn)
망간은 고강도 내마모강의 용접부에 포함되어 가공 경화도를 높임과 동시에 강도, 충격인성 및 내마모성을 향상 시킬 수 있다. 또한, 망간은 황(S)과 반응하여 황화망간(MnS)을 형성함으로써, 탈황 효과를 얻을 수 있고 피삭성 및 연신율을 향상시킬 수 있다.
망간은 고강도 내마모강의 용접부의 총 중량 100% 에 대해 2.5 내지 27 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 망간이 2.5 중량% 이상 포함되면 가공 후에도 비자성을 유지할 수 있고, 강도 향상 및 오스테나이트 상을 안정화시킬 수 있다. 이와 더불어 오스테나이트상 형성에 따른 내마모성 향상을 얻을 수 있다. 하지만 망간이 27%을 초과하여 포함될 경우, 강재 생산원가의 상승에 따른 경제성 악화의 문제점이 있다.
크롬( Cr )
크롬은 페라이트 안정화 원소이다. 따라서, 고강도 내마모강의 용접부에 크롬을 첨가함으로써 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 낮출 수 있다.
또한, 크롬은 MC, M23C6과 같은 탄화물 생성에 핵심적인 성분으로 작용한다. 즉, 일정량의 크롬이 첨가되면 보다 높은 수준의 석출 경화도를 얻을 수 있다.
아울러, 크롬은 강력한 내산화방지 원소로서, 외부의 산화분위기에 대응하는 내산화도를 높일 수 있고, 내식성을 향상시킬 수 있다.
크롬은 고강도 내마모강의 용접부의 총 중량 100% 에 대해 1.0 내지 4.2 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 크롬을 1.0 중량% 이상 함유함으로써, 우수한 내식성 및 내산화상을 얻을 수 있다. 또한, 크롬의 함유량을 4.2 중량% 이하로 제한함으로써, 크롬이 용접부 결함을 유발하거나 취성을 야기시키는 문제를 방지할 수 있다.
인(P)
인은 강의 제조에서 불가피하게 발생되는 불순물에 해당한다. 인의 함량이 고강도 내마모강의 용접부의 총 중량 100%에 대해 0.025 중량%를 초과하면 연속 주조 시 중심 편석을 형성시켜 충격 인성을 저하시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부는 인의 함량을 0.025 중량% 이하로 제한한다.
황(S)
황은 강의 제조에서 불가피하게 발생되는 불순물에 해당한다. 고강도 내마모강의 용접부 내의 황의 함량이 0.025 중량%를 초과하면 망간과 반응하여 MnS를 생성시켜 고강도 내마모강의 용접부의 인성을 저하시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부는 황의 함량을 0.025 중량% 이하로 제한한다.
니켈( Ni )
니켈은 고용강화에 의해 오스테나이트를 형성하여 저온에서의 인성 향상에 유리한 성분이다. 따라서, 고강도 내마모강의 용접부에 니켈을 첨가하면 오스테나이트의 생성을 촉진하여 용접부의 인성을 증가시키고, 경화도가 높은 용접부의 취성 파괴를 억제할 수 있다.
니켈은 고강도 내마모강의 용접부의 총 중량 100%에 대해 10 중량% 이하의 비율로 포함될 수 있다. 니켈을 포함함으로써 전술한 효과를 얻을 수 있으므로, 0 중량%는 제외한다. 또한, 니켈의 함유량을 10 중량% 이하로 제한함으로써, 적층 결함 에너지(Stack Fault Energy)를 증가시켜 내마모 특성이 급격히 낮아지는 것을 방지할 수 있고, 제조 비용을 절감할 수 있다.
몰리브덴( Mo )
몰리브덴은 기지의 고용강화를 통해 용접부의 강도를 향상시킬 수 있다. 아울러, 니오븀(Nb), 바나듐(V)과 같이 석출경화를 일으키는 주요원소로서 기능할 수 있다.
몰리브덴은 고강도 내마모강의 용접부의 총 중량 100%에 대해 7.0 중량% 이하의 비율로 포함될 수 있다. 몰리브덴을 포함함으로써 전술한 강도 향상의 효과를 얻을 수 있으므로, 0 중량%는 제외한다. 또한, 몰리브덴의 함유량을 7.0 중량% 이하로 제한함으로써, 인성 열화의 야기 및 제조 원가의 증가를 방지할 수 있다.
텅스텐(W)
텅스텐은 기지의 고용강화를 통해 이음부의 강도를 향상시킬 수 있고, 니오븀(Nb), 바나듐(V)과 같이 석출경화를 일으키는 주요원소로서 기능할 수 있다.
텅스텐은 고강도 내마모강의 용접부의 총 중량 100%에 대해 6.0 중량% 이하의 비율로 포함될 수 있다. 텅스텐을 포함함으로써 전술한 강도 향상의 효과를 얻을 수 있으므로, 0 중량%는 제외한다. 또한, 텅스텐의 함유량을 6.0 중량% 이하로 제한함으로써, 인성 열화의 야기 및 제조 원가의 증가를 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부의 나머지 성분은 철(Fe) 및 통상의 철강 제조과정에서 원료 또는 주위 환경으로부터 의도치 않게 혼입되는 기타 불가피한 불순물이다. 이들 불순물들에 관한 내용은 통상의 기술자라면 용이하게 알 수 있는 것이므로, 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
전술한 조성비를 갖는 고강도 내마모강의 용접부는 마찰 교반 용접(FSW: Friction Stir Welding)을 이용하여 제조될 수 있다. 이하, 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부 제조방법에 관하여 설명하도록 한다.
마찰 교반 용접은 툴과 소재의 물리적 마찰에 의하여 발생하는 열을 이용하여 피용접재를 가열하고, 툴의 단부에 형성된 핀을 이용하여 가열된 소재에 소성 유동을 형성하여 접합하는 일종의 고상 접합법이다.
마찰 교반 용접은 고상 상태에서 접합이 이루어지기 때문에 응고 과정에서 발생되는 결함 등을 회피할 수 있으며, 용접부의 잔류 응력이 기존의 용융 용접 대비 현저히 낮은 장점이 있다.
또한, 열 영향부가 용융 용접에 비하여 상대적으로 좁기 때문에, 사용 중 용접 열 영향부에서 발생할 수 있는 결함의 가능성도 줄일 수 있다.
또한, 마찰 교반 용접은 충진재료(Filler material)가 필요 없기 때문에, 충진재료가 필요한 미그용접(Metal electrode Inert Gas Welding, MIG)에 비해 우수하고 양호한 용접 형상을 보여준다.
또한, 기존의 용융 용접과 달리 별도의 용접봉, 용가제 등이 불필요하여 접합과정에서 유해광선이나 유해물질이 배출되지 않기 때문에 경제적이면서 친환경적인 용접 방법이다.
본 발명의 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부 제조방법에 따르면, 이러한 마찰 교반 용접을 이용하여 고강도 내마모강의 용접부를 제조한다.
도 1A 내지 도 1C는 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부 제조에 사용되는 마찰 교반 용접 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1A를 참조하면, 마찰 교반 용접 장치(100)는 제1피용접재(10) 및 제2피용접재(20)의 접합부에 삽입 및 회전하면서 마찰 및 교반 작용에 의하여 제1피용접재(10)와 제2피용접재(20)를 접합시키기 위한 용접 툴(120)을 포함한다. 또한, 용접 툴(120)의 위치, 회전 속도 및 진행 속도 등을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 당해 실시예에서는 피용접재가 다른 피용접재와 접합되는 부분을 접합부라 하기로 한다.
용접 툴(120)은 회전축(RA)을 중심으로 회전하는 숄더부(121)와, 숄더부(121)의 단부에 결합되어 피용접재에 홀을 형성하는 핀부(122)를 포함할 수 있다.
또한, 제1피용접재(10)와 제2피용접재를 지지 또는 고정하기 위한 지지 플레이트나 클램프(Clamp)를 더 포함하는 것도 가능하다.
도 1B를 참조하면, 용접 툴(120)이 회전축(RA)을 중심으로 고속으로 회전하면서 핀부(122)가 제1피용접재(10)와 제2피용접재(20)의 접합부에 삽입되면, 핀부(122)와 접합부의 상호 마찰에 의해 열이 발생한다. 일 예로, 핀부(122)는 제1피용접재(10)와 제2피용접재(20)의 접합면이 맞닿아 형성되는 접합 라인에 삽입될 수 있다.
이 마찰열에 의해 핀부(122) 주변의 재료는 연화되고, 회전하는 핀부(122)의 교반에 의해 재료의 소성유동으로 접합면 양쪽의 재료들이 혼합되면서 제1피용접재(10)의 접합부와 제2피용접재(20)의 접합부 간의 용접이 이루어진다.
도 1C에 도시된 바와 같이, 핀부(120)가 접합부에 일정 깊이만큼 삽입되면 접합면을 따라 진행한다.
제1피용접재(10)의 접합부와 제2피용접재(20)의 접합부를 상호 접합 하기 위한 용접이 완료되면, 고강도 내마모강의 용접부가 생성된다.
제1피용접재(10) 및 제2피용접재(20)는 전술한 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부의 성분 및 조성비를 가질 수 있다. 제1피용접재(10)나 제2피용접재(20)의 조성 전체가 본 발명의 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부의 조성을 갖는 것도 가능하고, 접합부에 해당하는 부분만 해당 조성을 갖는 것도 가능하다.
한편, 일반적인 마찰 교반 용접의 경우, 용접 툴과 피용접재 사이의 상호 마찰에 의해 발생하는 열만을 이용하여 피용접재를 연화시키지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부 제조방법에서는 가스 토치와 같은 추가 열원을 이용하여 피용접재(10, 20)의 접합부를 미리 가열할 수 있다.
접합부를 미리 가열하면, 생산성을 향상시킬 수 있고 접합부의 높은 강도에 의해 용접 툴이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부 제조 방법에 대한 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부 제조 방법 수행 시에 사용되는 용접 툴의 삽입 각도를 나타낸 도면이다. 전술한 도 1A 내지 도 1C의 마찰 교반 용접 장치와 도 2의 순서도를 함께 참조하여 고강도 내마모강의 용접부 제조 방법의 실시예를 설명한다.
먼저, 제1피용접재(10)와 제2피용접재(20)의 접합부를 서로 맞대어 배치한다(310).
제1피용접재(10) 및 제2피용접재(20)는 전술한 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부의 성분 및 조성비를 전체적 또는 부분적으로 갖는 고강도 내마모강일 수 있다. 또한, 제1피용접재(10)와 제2피용접재(20)가 모두 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부의 성분 및 조성비를 갖는 경우에도, 제1피용접재(10)의 조성비와 제2피용접재(20)의 조성비는 서로 다를 수 있다.
가스 토치와 같은 추가 열원을 이용하여 접합부를 미리 가열한다(311).
이 때, 가열 온도는 섭씨 300 이하로 하며, 목표 온도 도달시 접합을 진행한다. 접합부를 미리 가열하면, 접합부가 어느 정도 연화되어 용접 툴(120)이 수월하게 삽입될 수 있다.
용접 툴(120)의 위치를 제1피용접재(10)와 제2피용접재(20)의 접합부 상부로 조정하고(312), 용접 툴(120)을 회전시키면서 접합부에 삽입한다(313).
일 예로, 제1피용접재(10)의 접합면과 제2피용접재(20)의 접합면이 맞닿으면서 형성되는 접합 라인에 용접 툴(120)의 핀부(122)가 삽입될 수 있다. 이 때, 용접 툴(120)의 삽입 각도는 도 3에 도시된 바와 같이, 3도를 넘어가지 않도록 하여 용접 툴(120)의 수명 단축을 방지할 수 있다. 용접 툴(120)의 삽입 각도는 피용접재(10, 20)의 표면에 수직인 수직선(VL)과 용접 툴(120)의 회전축(RA) 사이의 각도로 정의될 수 있다. 즉, 용접 툴(120)은 수직선(VL)으로부터 0도 내지 3도의 범위에서 기울어져 삽입되는 것으로 한다.
또한, 용접 툴(120)의 회전 속도는 20rpm 이상 1000rpm 이하의 범위에서 조절할 수 있다. 용접 툴(120)의 회전 속도는 접합 시의 입열량에 영향을 미치는바, 용접 툴(120)의 회전 속도를 상승시킬수록 입열량이 증가한다.
따라서, 용접 툴(120)의 회전 속도를 20rpm 이상으로 조절함으로써 입열량을 증가시키고 이를 통해 재료의 연성을 확보하여 접합을 용이하게 할 수 있다.
그러나, 용접 툴(120)의 회전 속도를 과도하게 상승시키면 용접 툴(120)의 급격한 마모를 야기할 수 있다. 따라서, 용접 툴(120)의 회전 속도를 1000rpm 이하로 조절함으로써 용접 툴(120)의 급격한 마모를 방지할 수 있다.
삽입된 용접 툴을 일 방향으로 진행시킨다(314).
용접 툴(120)의 회전 속도뿐만 아니라 진행 속도 역시 입열량에 영향을 준다. 또한, 용접 툴(120)의 진행 속도는 냉각속도에도 영향을 미치는바, 용접 툴(120)의 진행 속도를 상승시킬수록 작업 능률을 향상시킬 수 있다.
따라서, 용접 툴(120)의 진행 속도를 0.1mm/s 이상으로 조절할 수 있다.
그러나, 용접 툴(120)의 진행 속도를 과도하게 상승시키면, 용접부 내의 미교반에 따른 결함 발생 및 용접 툴(120)의 파손 가능성이 높아진다. 따라서, 용접 툴(120)의 진행 속도를 10mm/s 이하로 제한할 수 있다.
전술한 방법에 따라, 마찰 교반 용접을 이용하여 고강도 내마모강을 용접하면, 용융 용접 시에 발생할 수 있는 고온 균열, 슬래그 혼입 및 기공과 같은 결함을 회피하고, 고강도 내마모강의 건전한 용접부를 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부의 매크로 단면 사진이고, 도 5 내지 도 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 내마모강의 용접부의 단면에 대한 결정립 조직 관찰 결과를 나타낸 도면이다.
도 4의 매크로 단면 사진에서는 용접 툴(120)의 회전 방향과 진행 방향이 일치하는 AS(Advancing Side)가 우측에, 회전 방향과 진행 방향이 반대가 되는 RS(Retreating Side)가 좌측에 위치한다.
도 4를 참조하면, 고강도 내마모강의 용접부 중심에는 마찰열과 소성 유동에 의해 재경절이 일어난 교반부(Stir Zone)가 형성되고, 교반부의 주위에 소성 변형에 의해 부분적인 재결정이 일어난 열 기계적 영향부(TMAZ: Termo-Mechanically Affected Zone)가 형성된다. 열 기계적 영향부(TMAZ)가 용융 용접에 비하여 상대적으로 좁게 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 5는 모재의 단면에 대한 결정립 조직을 광학 현미경으로 관찰한 것이고, 도 6은 열 기계적 영향부(TMAZ)의 단면에 대한 결정립 조직을 광학 현미경으로 관찰한 것이고, 도 7은 RS 영역의 단면에 대한 결정립 조직을 광학 현미경으로 관찰한 것이고, 도 8은 중심 영역의 단면에 대한 결정립 조직을 광학 현미경으로 관찰한 것이고, 도 9는 AS 영역의 단면에 대한 결정립 조직을 광학 현미경으로 관찰한 것이다.
도 5 내지 도 9를 참조하면, 전 용접 영역에서 공공과 같은 미접합 결함 또는 부분 용융과 같은 용융 결함은 발견되지 않았다.
또한, 마찰 교반 영역에 해당하는 중심 영역에서는 모재 대비 매우 미세화된 결정립 조직이 관찰되었으며, 열 기계적 영향부(TMAZ)에서는 모재와 유사한 크기의 결정립 조직이 관찰되었다.
일반적으로 용융 용접 시에 관찰되는 조대화된 결정립 조직은 관찰되지 않았다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
120: 용접 툴
121: 숄더부
122: 핀부

Claims (12)

  1. 고강도 내마모강의 용접부 전체 중량 대비 0.09 내지 1.5 중량%의 탄소(C);
    0.1 내지 1.4 중량%의 규소(Si);
    2.5 내지 27 중량%의 망간(Mn); 및
    1.0 내지 4.2 중량%의 크롬(Cr);을 포함하는 고강도 내마모강의 용접부.
  2. 제1항에 있어서,
    10 중량% 이하의 니켈(Ni);을 더 포함하는 고강도 내마모강의 용접부.
  3. 제1항에 있어서,
    7 중량% 이하의 몰리브덴(Mo);을 더 포함하는 고강도 내마모강의 용접부.
  4. 제1항에 있어서,
    6 중량% 이하의 텅스텐(W);을 더 포함하는 고강도 내마모강의 용접부.
  5. 마찰 교반 접합에 사용되는 용접 툴을 회전시키는 단계; 및
    고강도 내마모강의 전체 중량 대비 0.09 내지 1.5 중량%의 탄소(C); 0.1 내지 1.4 중량%의 규소(Si); 2.5 내지 27 중량%의 망간(Mn); 및 1.0 내지 4.2 중량%의 크롬(Cr)을 포함하는 고강도 내마모강에 상기 회전하는 용접 툴을 삽입하는 단계;를 포함하는 고강도 내마모강의 용접부 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 용접 툴의 삽입 각도는,
    0도 이상 3도 이하인 고강도 내마모강의 용접부 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 용접 툴의 회전 속도는,
    20rpm 이상 1000rpm 이하인 고강도 내마모강의 용접부 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 용접 툴의 진행 속도는,
    0.1mm/s 이상 10mm/s 이하인 고강도 내마모강의 용접부 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 용접 툴을 상기 고강도 내마모강에 삽입하기 전에 열원을 이용하여 상기 고강도 내마모강의 용접 부위를 가열하는 단계;를 더 포함하는 고강도 내마모강의 용접부 제조방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 고강도 내마모강의 용접부는,
    10 중량% 이하의 니켈(Ni);을 더 포함하는 고강도 내마모강의 용접부 제조방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 고강도 내마모강의 용접부는,
    7 중량% 이하의 몰리브덴(Mo);을 더 포함하는 고강도 내마모강의 용접부 제조방법.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 고강도 내마모강의 용접부는,
    6 중량% 이하의 텅스텐(W);을 더 포함하는 고강도 내마모강의 용접부 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20220162723A1 (en) * 2019-03-27 2022-05-26 Osaka University Surface-modifying method for steel material and steel structure

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