방전플라즈마 소결공법에 의한 고융점 소재용 툴 개발 및 마찰교반접합 기술을 이용한 SS400 접합부 접합성 평가

Abstract

지구환경보호와 에너지 절감에 대한 요구가 높아짐에 따라 이산화탄소 배출 및 중량을 최소화 하기 위해 경량화의 요구가 급증하고 있으며, 이러한 경량 소재 접합에 있어 비용융 고상접합인 마찰교반접합이 이용되고 있다. 마찰교반접합(Friction Stir welding, FSW)는 1991년 영국TWI에서 개발한 고상접합법으로, probe와 shoulder로 구성되는 Tool고속으로 회전시키면서 접합하고자 하는 재료에 삽입하여 재료의 표면과 내부에서 발생하는 마찰열을 이용하여 재료를 연화함과 동시에 고온 소성유동을 일으켜 툴의 좌우에 배치된 재료의 일부를 상호간에 맞은편 영역에 교반 혼입시켜 접합을 실현하는 고상 접합 방법이다. 마찰교반접합은 용접에 의한 변형이 적고 비소모성 접합방법일 뿐만 아니라 용접결함, 흄, 유해광선의 발생 없이 우수한 품질의 접합부를 얻을 수 있으며, 기계적 특성 또한 우수하기 때문에 환경친화형 접합방법으로 많이 각광을 받고 있다. 최근 선박, 자동차, 철도차량 및 우주항공 분야에 적용되어 지고 있으며, 타이타늄과 고장력강 등 적용 확대를 위한 연구가 진행되고 있다. 하지만 기존 상용되고 있는 툴은 이러한 고장력강에 마찰교반접합을 적용시킬 경우 툴의 마모 및 파손의 문제에 부딪치게 될 뿐만아니라 건전한 접합체를 얻을 수 없다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 고장력강 접합툴인 초경합금 제조를 연구하였다. 초경합금이라 함은 경도가 높은 재료를 포괄적으로 뜻한다고 할 수 있지만 일반적으로 탄화텅스텐(WC)계 재료를 의미한다. 탄화텅스텐은 고융점 재료이므로 소결이 어려워서 일반적으로 Co 등의 금속결합제나 다른 카바이드를 첨가하여 소결하고 있다. 탄화텅스텐에 Co, Fe, Ni과 같은 금속 바인더를 혼합한 초경합금은 높은 경도와 내마모성으로 인하여 공구 및 내마모용 소재로 널리 사용되고 있다. 처음에는 금속결합제로 니켈(Ni)을 사용하였으나, 후에 코발트(Co)쪽이 더 우수하다는 것이 밝혀졌다. 이는 니켈이 코발트보다 값이 싸기 때문에 제조원가를 낮출 수 있다는 장점을 가지고 있지만 WC-Ni 재료는 WC와 Ni의 젖음성이 좋지 못하기 때문에 소결체 제조시 상대밀도가 낮은 단점이 있다. 본 연구에서는 방전플라즈마 소결공법(Spark Plasma Sintering, SPS)을 이용하여 고인성, 고내마모성, 고강도를 가지는 WC-Mo2C-Co 소재를 제조하고자 하였으며, 금속결합제로 사용된 몰리브덴 카바이드(Mo2C)와 코발트 함량 변화에 따른 마찰교반접합 툴에 접합한 소재를 연구 및 분석 하였고, 최적의 적합한 소재를 이용하여 툴을 제조하였다. 제조된 툴을 가지고FSW를 이용하여 연강인 SS400 판재에 실험을 진행하였으며, 기계적 특성(인장시험, 경도시험) 및 금속학적 특성(광학현미경, SEM, EDAX)을 파악하여 접합성을 평가하고 산업분야에 적용가능성을 고찰하고자 하였다.