배기 매니폴드(주철, 스테인리스 내열주강) 용접 열영향부에서의 액화거동에 대한 연구

Abstract

자동차의 경량화 추세와 환경규제 강화에 있어 배기계 부품의 재료로서 각 부품 별 사용 환경 및 경제성에 따라 종래의 구상 흑연 주철과 오스테나이트계 내열 주강, 페라이트계 스테인리스강이 혼재되어 사용되고 있다. 따라서 이들 재료간의 이종용접부 품질 관리가 중요하며 여러 연구자들에 의하여 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 실제 자동차 배기매니폴드에 쓰이는 4%의 규소를 함유한 구상 흑연 주철, 오스테나이트계 내열 주강의 두가지 재료에 대하여 용접시 발생할 수 있는 고온균열의 원인 규명을 위해 용접열영향부에서 발생할 수 있는 여러 가지 상변태 및 액화거동을 분석하였다. 4% 규소를 함유한 구상흑연주철의 경우, DTA를 이용한 모재의 열분석 결과 DTA를 이용한 열분석 실험결과, 1110℃ 이후에서 Laves phase+ ϒ 의 공정 용융이 일어나고, ϒ + Fe3C의 공정 용융은 약 1140℃ 에서 일어난다. Gleeble simulator를 사용하여 가열속 1000℃/sec로 HAZ재현을 한 결과 1000℃ 이상에서 탄소의 확산으로 인해 구상 흑연 주위에 C rich ϒ 가 생성되어 ??칭후 Martensite Shell이 생성된다. 1130℃ 에서 Laves phase + ϒ 의 공정 용융이 관찰되기 시작한다. 1140℃ 이상에서 Graphite Nodule 주위에 탄소농도의 국부적 상승에 의한 graphite + ϒ 의 공정 용융 (constitutional liquation)이 일어난다. 상온에서 이 용융영역은 잔류 오스테나이트 또는 마르텐사이트와 Fe3C의 transformed ledeburite로 변태된다. 1160℃이상으로 가열시 graphite + ϒ 공정 용융이 심화되어 Laves phase + ϒ eutectic melting 과 함께 총체적인 액화가 일어나 기지에 수많은 기공을 발생시키며 용융에 이른다. 오스테나이트계 내열 스테인리스 주강의 경우, DTA를 이용한 열분석 실험결과 1315℃ 이후에서 Laves phase(Fe2Nb)+ ϒ + NbC의 공정 용융은 약 1360℃ 에서 일어난다. Gleeble simulator를 사용하여 가열속1000℃/sec로 HAZ재현을 한 결과 1000℃ 이상이 되면 응고 입계(solidification boundary)와 δ-ferrite에 석출되어 있는 M23C6 feathery, lamellar constituent가 dissolve되기 시작한다. 1200℃이상으로 온도가 상승하면 ferrite안정화 영역에 도달하게 됨에 따라 δ-ferrite가 성장하게 된다. 1320℃에 다다르면 응고 바운더리에 있던 Laves phase(Fe2Nb)와 ϒ 간의 공정조직이 용융되게 되며, 1360℃ 이상으로 가열시 laves phase(Fe2Nb)/ϒ , NbC/ϒ 공정 용융, NbC particle/ϒ 기지간의 국부적 액화현상(constitutional liquation)이 심화되면서 응고 입계 및 dendrite 입계를 생성된 액상이 penetrate하며 액상 필름을 형성, 더욱 고온으로 가열시(1380℃이상), solidus 온도에 다다르게 되어 전상 용융이 일어난다. 용접 공정 상 급격한 가열속도와 냉각속도의 영향으로 생성된 입계 액상 필름의 형성과 합금원소의 편석(segregation), 넓게 확산된 δ-ferrite가 함께 공존함으로써 용접부의 기계적 성질을 크게 떨어뜨릴 수 있다. 고온 인장 실험 결과 고온 연성은 온도에 따른 재료의 상변화에 따라 증가 및 감소하였고, 액화 거동을 보이는 온도에서 급격히 감소하였다. 취성이 높은 주조 재료의 특성 상 on-cooling 시험 시 모든 상이 응고한 후에도 연성 회복에는 한계를 보였다.