[첨단 헬로티]

1. 서론

레이저 분체 패딩 용접은 재료 표면에 형성된 용융지에 분말을 공급함으로써 모재와 다른 특성을 가지는 개질층을 형성하는 기술이다. 수 mm2의 비교적 좁은 영역에 kW 오더의 높은 에너지를 투입할 수 있기 때문에 재료의 열적 데미지를 억제한 국부적인 표면개질이 가능하다.

용도로서는 공업용 커터의 날 끝에 대한 경화층 형성에서 항공기나 화력발전용 가스터빈의 터빈 블레이드 등의 엔진 부품 보수 등 저렴한 양산품에서 고가격 부품의 보수까지 폭넓게 적용되고 있다.

필자는 레이저 분체 패딩 용접의 기계부품에 대한 적용 분야 확대를 목적으로, 철강 재료 상에 고경도의 패딩층을 형성해 평가시험을 해왔다. 저합금 강판 상에 고속도공구강 분체에 의해 1,000HV의 경화층을 형성, 그 특성을 보고한다. 기계 부품은 인성을 요구받는 것도 많고, 600HV 정도의 경도로 소정의 인성을 가지는 경화층이 요구되는 경우가 있다.

이 글에서는 저탄소의 마르텐사이트계 스테인리스강 분말에 의해 패딩층을 형성해 템퍼링을 하고, 금속 조직 관찰, 경도 측정 및 마찰마모시험을 실시했으므로 그 결과를 보고한다.

2. 단조 금형 수명 N배 프로젝트에 대해서

일반 구조용 압연강재 SS400에 블라스트 처리를 한 후, 마르텐사이트계 스테인리스강 SUS420J 분체의 의해 패딩층을 형성했다. 사용한 레이저는 파장이 1,030mm의 디스크 레이저다. 패딩 후, 200～600℃의 온도 영역을 100℃마다 변경한 템퍼링을 유지 시간 1hr로 2회 실시했다.

그 후 와이어 방전가공에 의해 패딩층을 소정의 형상으로 잘라내서 각종 시험에 제공했다. 금속 조직 관찰에서는 비렐라 부식액을 사용했다. 또한 경도시험은 비커스 경도시험에 의해 실시, 시험력은 100gf로 하고 0.2mm 피치로 가로방향의 경도 분포를 측정했다. 마모시험은 블록 온 링 시험기에 의해 무윤활 환경 하에서 실시했다.

3. 시험 결과

(1) 패딩층의 금속 조직과 경도

그림 1에 템퍼링을 하지 않은 경우의 패딩층 단면의 광학현미경 사진 및 경도 분포를 나타냈다. 금속 조직에서 1층째는 진하게 에칭되어 있다. 특히 1패스에서는 현저하다. 이것은 기본재 용융에 동반하는 희석의 영향이다. 2층 이후에는 선행층의 표면이 용융할 뿐이고, 성분 희석은 일어나지 않기 때문에 에칭의 농화 정도는 완화되어 있다.

경도 분포에서 패딩층은 평균 650HV 정도의 경도를 가지고 있다는 것을 알 수 있다. 단, 국부적으로 500HV 정도로 경도 저하가 생기고 있는 영역이 존재한다. 기본재 표면에서 높이가 1mm인 왼쪽 끝단 500HV에 대한 경도 저하는, 그 장소에서 2층 외의 영역보다 조금 진하게 에칭되어 있기 때문에 기본재 희석에 의한 합금량 감소의 영향으로 생각된다.

한편, 2mm 높이의 가로방향 중앙부의 경도 저하는 3층 2패스를 패딩했을 때의 열영향에 의한 것으로 생각된다. 여기는 용융 응고 경계 근방의 열영향부이다. 이와 같은 융점 부근까지 승온된 열영향부는 다른 곳에도 있고, 기거에서는 경도 저하가 일어나고 있는 것으로 생각된다. 경도 측정은 피치 0.2mm로 실시했는데, 연화 영역의 폭은 그 이하이기 때문에 모든 경도 저하를 파악할 수 없었다고 생각된다.

그림 2에 3층 3패스, 즉 최종 패스의 광학현미경 사진을 나타냈다. 이것은 수속 패스에 의한 열영향을 받지 않는 응고 조직이다. 밝게 보이는 영역이 수지 상 결정이고, 네트워크 상으로 어둡게 보이는 영역은 수지 상 결정 간극이다. 전자선 마이크로애널라이저(EPMA)로 원소 분석을 하면, 수지 상 결정 간극에서 C와 Cr의 농화를 볼 수 있다. 여기에서 Cr 탄화물이 정출하고 있다고 생각된다.

그림 3에 200℃ 및 500℃에서 템퍼링을 한 최종 패스의 광학현미경 사진을 나타냈다. 200℃에서 템퍼링을 한 그림 3 (a)에서는 수지 상 결정 안이 에칭되어 있다. 500℃에서 템퍼링한 그림 3 (b)에서는 더욱 에칭이 진행되어 수지 상 결정 간극과의 농도 차이가 확인되지 않고 있다.

그림 4는 패딩층의 평균 경도를 나타낸다. 기본재측의 1mm 경도 쪽이 2mm에 비해 아주 조금 낮게 되어 있다. 이것은 후속 패스의 승온에 동반하는 열영향에 의한 경도 저하라고 생각된다. 또한 일부 영역의 모재 희석도 경도 저하의 원인으로 생각된다. 템퍼링 온도의 영향을 보면, 온도 상승에 동반해 경도는 300℃에서 최저값을 취한 후 약간 상승하고, 500℃에서 600℃에 걸쳐 크게 저하하고 있다.

(2) 마모시험

그림 5에 블록 온 링 마모시험에 의해 생긴 마모 흔적 폭을 나타냈다. 비교를 위해 용제재의 결과도 같이 나타냈다. 각 조건으로 2회 시험을 한 평균값을 나타내고 있다. 그림에는 마모면에 상당하는 기본재 표면에서 2mm 높이 위치의 경도를 꺽은선 그래프로서 나타냈다. 패딩층과 용제재의 마모 흔적 폭을 비교하면, 모두 패딩층 쪽이 마모 흔적 폭은 작고 내마모성이 우수하다는 것을 알 수 있다.

또한 템퍼링에 의한 영향을 보면, 패딩층, 용제재 어느 쪽이나 200℃의 템퍼링에서 마모 흔적 폭이 작아지고 있다.

4. 맺음말

SS400 상에 SUS420J1 분말에 의해 패딩층을 형성, 템퍼링 온도가 금속 조직, 경도 및 내마모성에 미치는 영향을 서술했다. 얻어진 결과를 이하에 나타냈다.

① 패딩층의 조직은 수지 상 결정으로, 수지 상 결정 간극에는 Cr 탄화물의 정출을 볼 수 있다.
② 패딩층은 후속의 패스에 의해 열영향을 받고, 경도는 장소에 따라 변화한다. 특히 용융 응고 경계 부근의 열영향부에서는 100HV 정도의 경도 저하가 생긴다.
③ 평균 경도는 템퍼링 온도의 상승에 동반해 300℃에 걸쳐 저하하고, 그 이상의 온도에서는 약간 상승하고 500℃ 이상에서는 크게 저하한다.
④ 패딩층은 용제재에 비해 우수한 내마모성을 나타냈다. 또한 패딩층, 용제재 어느 쪽이나 200℃의 템퍼링에서 우수한 내마모성을 나타냈다.