1. 서 론

오버레이(Overlay) 용접에 의한 표면 재질 기술은 내마 모, 내식성 또는 내열성을 갖는 합금의 용접재료를 모재 표면에 균일하게 용착(Overlayer)시킴으로써 재료의 표면 성질을 향상시키고자 하는 표면처리의 한 방법으로 주로 금속 설비가 적용되는 모든 산업 분야에 있어서 적용이 가능한 기술이다. 일반적인 용사코팅의 경우 코팅층의 두 께가 수십 μm~1 mm로 매우 얇은 것에 비해, 오버레이 용 접의 경우 1 mm~수 십 mm로 매우 두꺼운 표면 개질층을 얻을 수 있으므로 가혹한 사용 조건하에서 장시간 사용해 야하는 설비 부품의 경우와 극심한 표면 손상을 받아 재 보수해야하는 설비 부품의 경우 오버레이 용접에 의한 표 면 개질 및 보수가 적용되어 활용되고 있다[1-3].

오버레이 용접은 일반 기계로부터 내마모성 및 내부식 성이 크게 요구되는 각종 발전 설비와 고속철도, 해양 플 랜트 분야 등 산업 전반에 널리 이용되고 있으며, 설비의 고도화 및 장수명화가 요구되고 있어 기술의 중요성이 대 두되고 있다. 오버레이 용접의 경우 모재와 오버레이 층간 의 경계면은 모재의 일부가 용융된 후 응고하면서 형성됨 으로 인해 도금이나 용사층과는 달리 매우 우수한 계면 결합력을 가지게 된다. 또한 모재와는 전혀 상이한 재료를 선택하여 표면 유효층 일부만 오버레이 용접하게 되면, 주 조 및 단조가 불가능한 재료에도 표면부에 오버레이 층을 형성시킬 수 있다. 오버레이 용접기술의 특징은 무엇보다 도 필요한 부분에 원하는 물성을 지닌 오버레이 용접재료 를 용착시킴으로서 복합화를 가능하게 하며, 손상된 부품 의 표면부를 다시 오버레이 용접해서 사용할 수 있다는 장점이 있다[4-6].

최근에는 생산성 향상을 위한 고에너지 열원인 전자빔 및 레이저를 이용한 오버레이 용접 기술과 고품질 청정합 금의 오버레이를 위한 Electro slag 용접기술의 개발 등이 활발히 연구되고 있다.

일반적으로 오버레이 용접재료는 Fe계, Ni계 및 Co계 합금으로 분류할 수 있으며, 오버레이 용접합금의 미세조 직은 Fe계, Ni계, Co계 기지에 경도가 높은 붕화물, 탄화 물 또는 금속간 화합물의 석출물로 구성되어 있다. Fe계 와 Co계 오버레이 용접합금의 경우는 탄화물이 주된 경화 상이며, Ni계 오버레이 용접합금의 경화상은 탄화물과 붕 화물로 알려져 있다[7-9].

㈜한국코팅에서는 SUS304의 용접 와이어에 Fe, Nb 등 의 금속분말을 봉입하여 오버레이 용접용 소재로 사용하 고 있으나, 2차 오버레이 용접시 모재와의 용착이 잘 이루 어지지 않는 현상이 발생하고 있다. 1차 오버레이 용접을 하는 경우 모재와의 융착이 잘 이루어지지만, 1차 오버레 이 용접을 한 부분에 다시 2차 오버레이 용접을 하는 경 우 융착이 잘 이루어지지 않아 원하는 두께와 형태로의 오버레이 용접이 용이하지 않으며, 융착이 잘 이루어지지 않는 부분에서 크랙이 발생하여 기계적 특성의 저하 현상 을 나타나고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점들을 최소 화하기 위해서 사용되고 있는 오버레이 용접용 와이어 소 재의 성분 및 용접층의 미세조직을 분석하여 오버레이 용 접 소재 및 이에 다른 용접층의 미세조직이 기계적 특성 에 미치는 영향을 고찰하고자 하였다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 먼저 ㈜한국코팅에서 사용하고 있는 오 버레이 용접용 소재를 분석하기 위하여 용접봉으로 사용 되는 SUS304 와이어 내부의 복합 금속 분말을 분리한 후 복합 금속 분말을 유도결합플라즈마 분광분석기(Inductively Coupled Plasma Spectrometer, ICP)를 이용하여 분석하였 다. 그림 1은 오버레이 용접용 와이어 내부 분말의 주사전 자현미경 사진과 ICP에 의한 성분 분석결과를 보여주고 있다. 복합 분말의 평균 크기는 50~100 μm이고, ICP 분석 결과로부터 용접용 와이어에 봉입된 복합 분말은 주 성분 이 Fe와 Nb으로 분석되었으며, 그 외에 소량의 Si, Al, Mn, Cr, Ni 등으로 이루어져 있는 것을 알 수 있다.

Fig 1

SEM image and ICP analysis of as-received composite powders.

오버레이 용접은 ㈜한국코팅의 레이저 장비를 이용하여 진행하였으며, 봉상형태의 스테인리스강(STS304)에 1차 오버레이 용접을 한 후, 1차 오버레이 용접을 진행한 부분 에 2차 오버레이 용접을 진행하였다. 오버레이 용접층에 대한 미세조직은 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)을 이용하여 분석하였으며, 상분석은 X-선 회 절분석기(X-ray Diffractometer, XRD)을 이용하여 분석하 였다. 오버레이 용접부의 기계적 특성 분석을 위하여 마이 크로 비커스 경도계를 사용하여 경도를 측정하였고, 경도 측정은 10번을 측정하여 평균값을 구하였다. 또한 용접층 의 마모 특성을 평가하기 위하여 핀온 디스크 형태의 마 모시험기를 이용하여 비마모량을 측정하였으며, 마모시험 시 하중은 19.6 N, 마모거리는 520 m로 하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

본 연구에서는 2차 오버레이 용접시 용접층과 모재와의 용착이 잘 이루어지지 않는 현상에 대한 분석을 위하여 오버레이 용접층의 미세조직 및 형성되는 상을 분석하였 다. 그림 2는 1차 오버레이 용접층의 미세조직 및 EDS 분 석결과를 보여주고 있다. EDS 결과로부터 오버레이 용접 층의 미세조직은 γ상과 (Cr,Fe)₇C₃, 그리고 소량의 NbC로 이루어져 있는 것으로 판단된다.

Fig 2

SEM image and EDS analysis of 1^st overlay layer.

그림 3은 1차 오버레이 용접층과 2차 오버레이 용접층 의 미세조직 및 EDS line scanning 결과를 보여주고 있다. Line scanning 결과, Cr 및 Nb의 함량이 1차 오버레이 용 접층에 비하여 2차 오버레이 용접층의 경우 상대적으로 높게 나타는 것을 알 수 있으며, 그림 2의 오버레이 용접 층의 미세조직 분석으로부터 2차 오버레이 용접층의 경우 1차 오버레이 용접층에 비하여 좀 더 많은 양의 (Cr,Fe)₇C₃ 상과 NbC상이 형성되는 것으로 유추할 수 있다. 보다 명 확한 상의 분석을 위하여 SEM-BSE 모드에서의 미세조직 과 EDS mapping 분석을 시행하였다.

Fig 3

SEM image and EDS analysis of 1^st and 2^nd overlay layers.

그림 4(a)는 1차 및 2차 오버레이 용접층의 SEM-BSE 모드에서의 미세조직을 보여주고 있다. SEM의 미세조직 에서 1차 오버레이 용접층에 비해 2차 오버레이 용접층의 경우 회색의 침상형태의 상과 흰색의 작은 상이 더 많은 분율로 형성된 것을 관찰할 수 있으며, 형성된 상의 확인 을 위하여 EDS mapping 분석을 행하였다. 그림 4(b)는 EDS mapping 결과를 보여주고 있으며, 이러한 결과로부터 침 상형태의 회색상은 (Cr,Fe)₇C₃상, 그리고 작은 흰색상은 NbC상으로 판단된다.

Fig 4

SEM-BSE image and EDS mapping analysis of 1^st and 2^nd overlay layers.

그림 5은 1차 및 2차 오버레이 용접층의 XRD 분석결과 를 보여주고 있다. 1차 오버레이 용접층의 회절피크는 γ상 과 (Cr,Fe)₇C₃상으로 분석되었으며, 2차 오버레이 용접층 의 회절피크는 γ상, (Cr,Fe)₇C₃상과 NbC상으로 분석되었 다. 이러한 분석결과는 EDS 분석결과로부터 얻어진 결과 와 동일한 것을 알 수 있고, 오버레이 용접 횟수가 증가함 에 따라 (Cr,Fe)₇C₃상과 NbC상의 분율이 증가하는 것을 알 수 있다.

Fig 5

Typical XRD patterns of 1^st and 2^nd overlay layers.

그림 6과 그림 7은 로크웰 경도계로 측정된 오버레이 용접층의 경도와 마모 특성을 보여주고 있다. 1차 오버레 이 용접층의 경우는 평균 650 Hv의 값을 나타내었고, 2차 오버레이 용접층의 경우 평균 840 Hv의 값을 나타내었다. 비마모량의 경우 1차 오버레이 용접층의 경우는 평균 7.0 × 10⁻⁵mm³/Nm의 값을 나타내었고, 2차 오버레이 용접 층의 경우 평균 2.0 × 10⁻⁵mm³/Nm의 값을 나타내었다. 이 러한 경도값과 비마모량의 차이는 2차 오버레이 용접층의 경우 1차 오버레이 용접층에 비해 (Cr,Fe)₇C₃ 상과 NbC상 이 상대적으로 많은 분율로 존재하고, 이러한 탄화물에 의 해 경도값과 마모 특성이 증가하는 것으로 판단된다. 기존 의 연구에 의하면 NbC를 포함하는 철계 복합분말의 오버 레이 용접의 경우 γ상의 감소, (Cr,Fe)₇C₃상과 NbC상의 증 가와 더불어 입상 형태의 조직 미세화에 의해 내마모성과 경도를 향상시키는 것으로 보고되었다[10].

Fig 6

Micro-hardness of 1^st and 2^nd overlay layers.

Fig 7

Specific wear of 1^st and 2^nd overlay layers.

오버레이 용접층의 미세조직 분석 결과로부터 2차 오버 레이 용접 후에 (Cr,Fe)₇C₃상과 NbC상이 증가하는 것을 알 수 있었고, 특히 1차 오버레이 용접층에는 소량 존재하 였던 NbC상의 분율이 2차 오버레이 용접 후 증가하는 것 을 알 수 있었다. 이러한 NbC상의 형성 및 함량이 오버레 이 용접층의 미세조직에 미치는 영향을 고찰하기 위하여, 용접 와이어 내부 분말의 ICP 분석결과로부터 Fe-16.4Nb- 2.5Si-2.4Al-4.8Mn(wt%) 조성과 Fe-30.8Nb-2.3Si-2.2Al-4.6Mn (wt%) 조성을 설계한 후 아크용해를 이용하여 모합금을 제조하였다. 오버레이 용접과 유사한 조건을 구현하기 위 해, 제조된 두 조성의 모합금을 SUS 316L 모재 위에서 아 크 용해하여 모합금이 모재위에 도포되어 용착이 되도록 실험을 진행하였다.

그림 8은 Fe-16.4Nb-2.5Si-2.4Al-4.8Mn 조성의 모합금을 SUS316L 모재에 도포 용접한 후 용접층을 SEM-BSE 모 드에서 관찰한 미세조직과 EDS 분석 결과를 보여주고 있 다. 미세조직 상에서 밝은 흰색상은 EDS 분석결과로부터 NbC 상으로 판단되며, 일부 소량만 존재하는 것을 알 수 있다. 그림 9는 Fe-30.8Nb-2.3Si-2.2Al-4.6Mn 조성의 모합 금을 모재에 도포 용접한 경우의 미세조직과 EDS 분석 결과를 보여주고 있으며, Fe-16.4Nb-2.5Si-2.4Al-4.8Mn 조 성의 모합금을 사용한 경우와 비교하면 NbC 상으로 판단 되는 상의 분율이 현격하게 증가한 것을 알 수 있다. 이러 한 NbC 상의 분율 증가는 모합금에 포함되어 있는 Nb의 증가에 따른 것으로 판단된다.

Fig 8

SEM image and EDS analysis of welding layer in Fe-16.4Nb-2.5Si-2.4Al-4.8Mn.

Fig 9

SEM image and EDS analysis of welding layer in Fe-30.8Nb-2.3Si-2.2Al-4.6Mn.

Ni계 합금 및 스테인레스강 등의 용접시 용융부의 응고 조직은 일반적으로 오스테나이트 기지에 응고의 마지막 단계에 편석 혹은 조성적 반응에 의하여 형성되는 상들로 구성되고, 이러한 상들은 용융부 응고 균열의 직접적인 원 인이 되는 것으로 보고되고 있다[11]. Ni-Fe-Cr-Mo 합금의 용접시 용융부에서 발생하는 응고균열은 응고시 Nb, Ti 등이 결정립계에 편석하여 응고의 마지막 단계에서 MC 탄화물-오스테나이트 공정상 및 Laves-오스테나이트의 공정 상을 형성하여 균열을 유발시키는 것으로 보고되었다[11]. 또한 Nb을 함유하는 오스테나이트계 스테인리스강의 경 우 오스테나이트와 Nb 탄화물 또는 Nb 탄질화물이 저융 점 공정상을 형성하여 열영향부에서 고온 균열을 조장하 는 것으로 보고되었다[12]. 이상의 결과로부터 2차 오버레 이 용접시 모재와의 용착이 잘 이루어지지 않고 균열이 발생하는 현상은 1차 오버레이 용접 후 용접층에 존재하 는 높은 분율의 Nb 탄화물로 인해 형성될 수 있는 공정상 과 관련이 있는 것으로 판단된다. 그러므로 향후에는 용접 부에서 균열을 일으키는 Nb 탄화물-오스테나이트 공정상 의 형성을 억제하면서도 Nb 탄화물 자체에 의한 기계적 특 성을 유지할 수 있도록 오버레이 용접 소재에 함유되어 있 는 Nb의 함량을 최적화하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

4. 결 론

오버레이 용접층의 미세조직 분석 결과, 2차 오버레이 용접 후에 (Cr,Fe)₇C₃상과 NbC상의 분율이 증가하였고, 특 히 1차 오버레이 용접층에는 소량 존재하였던 NbC상의 분율이 2차 오버레이 용접 후 증가하였다. 2차 오버레이 용접층의 높은 경도값과 우수한 마모 특성은 이러한 탄화 물의 분율 증가에 의한 것으로 판단된다. 이상의 결과로부 터 1차 오버레이 용접 후 용접층에 존재하는 높은 분율의 Nb 탄화물로 인해 형성될 수 있는 공정상으로 인해 2차 오버레이 용접시 균열이 발행하는 것으로 판단된다.

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Figure & Data

References

Citations

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