Evaluation of Mechanical Characteristic and Investigation

13

한국표면공학회지J. Kor. Inst. Surf. Eng.Vol. 42, No. 1, 2009.

<연구논문>

알루미늄 5456-H116 합금에 대하여 최적 마찰교반

프로세싱 조건 규명 및 기계적 특성 평가

박재철, 김성종*

목포해양대학교 기관시스템 공학부

Evaluation of Mechanical Characteristic and Investigation on Optimum Condition

in Friction Stir Processing for 5456-H116 Al Alloy

Jae-Cheul Park, Seong-Jong Kim*

Division of Marine System Engineering, Mokpo Maritime University, Jeonnam 530-729, Korea

(Received December 10, 2008 ; revised January 17, 2009 ; accepted February 27, 2009)

Abstract

Friction stir welding(FSW) was developed as a new solid state welding technique by The Welding Institute(TWI). On the basis of FSW, a new processing technique, friction stir processing (FSP), has recently beendeveloped. FSP has been applied to cast aluminum alloy to modify the microstructure to enhance mechanicalcharacteristic. FSP is a new solid state processing technique for microstructural modification in metallic mate-rials. FSP has been applied to aluminum alloy to modify the microstructure to enhance mechanical char-acteristic. In this study, we investigated optimum condition friction stir processing with the evaluation ofmechanical characteristic for 5456-H116 Al alloy. The mechanical characteristics of base metal similar within 15 mm/min, 250 RPM with full screw probe. This condition is concluded that optimum friction stir pro-cessing condition. The result of this investigation will be able to application for repair of welding part foraluminum ship.

Keywords: 5456-H116 Al alloy, Friction stir processing (FSP), Mechanical characteristic

1. 서 언

최근 국가적 차원에서 환경규제가 강화되면서 지

난 2006년부터 노후어선 대책사업으로 신조 어선

건조 시 환경오염의 우려가 있는 섬유강화플라스틱

(Fiber-Rein forced Plastic, 이하 FRP) 어선에 대한

지원을 중단하고 환경 친화적인 선박 재료를 사용

한 건조를 권장하고 있다. FRP 재료로 건조된 어

선 및 중소형 레저선박 등은 운항 중의 충돌ㆍ화재

사고 발생 시 인명피해 및 환경오염 등 인적, 경제

적 손실과 함께 대형재난의 위험이 크고 폐선 시

발생되는 환경유해 물질에 대한 대책이 미흡한 실

정이다. 이에 대한 대안으로 알루미늄 선박 건조에

대한 많은 관심이 고조되고 있다. 알루미늄 선박은

강선에 비하여 비강도가 높아 경량화에 의해 고속

화가 가능하며, 연료 절감에 따른 고부가 가치, 높

은 내식성에 의한 유지 보수가 용이하고 폐선 시

70~80% 이상의 재활용이 가능하여 환경 친화적이

므로 해양환경 오염규제에 따른 대체선박으로 채택

됨으로써 이에 대한 연구와 개발이 필요한 실정이

다1). 국내의 중소형 조선소는 알루미늄 선박건조와

관련재료의 특성 파악, 도료 선택 그리고 용접기술

력 부족 등의 이유로 알루미늄 선박건조에 어려움

이 많으며, 특히 알루미늄 선박 건조 시 선박의 품

질에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 용접부의 변형

과 결함이며, 다양한 용접방법과 작업방법에 따라

안전성의 문제 및 외관 등 선박의 품질이 결정된

다2). 기존의 알루미늄 합금의 접합방법으로 불활성

가스를 이용한 MIG(Metal Inert Gas)와 TIG(Tungsten

Inert Gas) 용접이 주로 사용되어 왔으나 상기 기술*Corresponding author. E-mail : ksj@mmu.ac.kr

14 박재철 외 /한국표면공학회 42 (2009) 13-20

들은 알루미늄의 특성 상 높은 열에 의한 변형 및

고온 균열과 같은 결함현상이 수반되고 용접 후 냉

각상태에서 용해되지 못한 수소가스가 기공을 형성

하게 되어 수소균열을 유발할 수 있다3,4). 따라서 이

러한 문제점의 근원적인 해결책으로 1991년 영국

의 TWI(The Welding Institute)에서 개발된 금속의

고상접합방식인 마찰교반용접(Friction stir welding,

이하 FSW) 기술을 개발하여5) 다양한 산업분야에서

광범위하게 적용되고 있으며, 관련 연구가 활발히

진행되고 있다6-11). 이러한 마찰교반용접 기술은 마

찰교반 접합 과정에서 비소모성 공구와 모재간의

상대적인 운동을 통해서 발생하는 마찰열과 기계적

힘에 의해서 재료 내부에 재결정이 형성되고 결정

립이 미세화 된다. 이는 재료의 미세조직의 제어로

인한 기계적 특성을 향상시키는 연구에도 적용되고

있다12).

본 연구에서는 마찰교반용접 기술의 특성을 응용

하여 재료 미세조직의 변화와 결정립 미세화에 의

한 기계적 특성을 향상시키기 위한 기술로 마찰교

반 프로세싱(Friction stir processing 이하 FSP) 기

술에 대하여 연구하였으며, 알루미늄 선박용 재료

로 사용되는 5456- H116 합금에 대하여 다양한 공

정변수를 적용함으로써 최적의 마찰교반 프로세싱

조건을 규명하고자 한다.

2. 실험방법

본 실험에 사용된 모재는 Al-Mg합금(5000계열)

중에서 5456-H116을 사용하였다. 모재의 크기는

150 mm×150 mm×5 t의 판재로 가공하였으며, 모

재의 롤링방향으로 프로세싱을 실시하였으며, 전진

각 3o, 회전방향은 반시계방향으로 고정하여 실시

하였다.

공정변수에 따라 모재의 특성개선에 영향을 미치

는 인자를 평가하기 위해 공구의 형상, 이송속도 및

회전속도 변수 등 다양한 변수를 적용하였다.

표 1은 마찰교반 프로세싱 적용 시 공정변수에

대하여 나타낸 것이다. 공구의 형상은 프루브에 나

사산 유무에 따른 전나사형 프루브(Full screw

probe)와 무나사형 프루브(Non-screw probe) 그리고

표면개질을 위한 원통형 평면공구(Surfacing)를 사

용하였다.

프루브가 있는 공구의 경우는 압입깊이 4.5 mm,

피치 1 mm, 직경이 6Φ인 공구로 프루브를 고속으

로 회전하면서 모재의 내부에 삽입한 후 롤링방향

으로 이송시키는 반면, 원통형 평면의 경우는 모재

Table 1. Parameter of friction stir processing

Parameter

Full screw probe Non-screw probe Surfacing

Tool type Shoulder dia. Pressure depth Probe dia. Tilt angle Rotate dir.

Full screw probe20Φ 4.5 mm 6Φ

3oCounter

clockwise

Non screw probe

Surfacing 25Φ 1 mm ·

Traveling speed (mm/min) 15, 22,32, 61, 124, 267, 507, 720

Rotating speed (RPM) 75, 150, 250, 500, 1100, 1800, 3600

Fig. 1. Schematic diagram of FSPed direction and

tensile test specimen.

박재철 외/한국표면공학회 42 (2009) 13-20 15

에 회전하는 공구를 1 mm 압입하여 프로세싱을 실

시하였고, 프로세싱을 단면(Single)과 양면(Double)

으로 나누어 실시함으로써 세부적인 공정변수를 적

용하였다. 마찰교반 프로세싱 완료 후 시편의 기계

적 특성을 평가하기 위하여 유압식 인장시험기

(Instron 8516)로 0.2 mm/min의 인장속도로 인장시

험을 실시하였다.

그림 1에서 보는바와 같이 인장시편은 프로세싱

방향에 수직으로 가공하였으며, 표점거리 50 mm,

단면적은 30 mm2로 하였다. 또한 인장시험 후 시편

의 파단면을 주사전자현미경(Scanning Electron

Microscope)을 사용하여 관찰하였으며, 마찰교반 프

로세싱에 의한 영향을 평가하기 위하여 시편의 횡

단면을 Keller 용액에 침적시켜 에칭한 후 광학현

미경을 사용하여 미세조직의 변화와 소성유동 거동

을 관찰하였으며, 마이크로 비커스 경도기를 사용

하여 9.807 N의 인가하중으로 유지시간은 10초로

하여 1 mm 간격으로 경도를 측정하였다.

3. 실험결과 및 고찰

그림 2는 5456-H116 시편에 대하여 800 RPM에

서 공구형상과 이송속도의 변화로 다양한 조건에서

마찰교반 프로세싱을 실시하였을 경우, 공구의 형

상에 따른 대표적인 시편의 외관을 나타낸 것이다.

나사형 프루브에서는 전체적으로 비드가 깨끗한 형

상을 나타내고 있으나, 무나사형 프루브에서는 이

송 초기부터 종료 시까지 결함이 관찰되었다. 이는

상대적으로 전나사형 프루브에 비해 무나사형 프루

브의 경우가 프루브와 모재의 접촉면적이 적기 때

문에 마찰열이 부족하였으며, 회전하는 프루브의 오

른나사에 의한 충분한 용입이 발생하지 않았기 때

Fig. 2. Appearance in friction stir processing for 5456-

H116 specimen surface with tool type in 15 mm/

min and 800 RPM.

Fig. 3. Comparison of mechanical characteristics with tool type and traveling speeds.

16 박재철 외 /한국표면공학회 42 (2009) 13-20

문으로 사료된다. 또한 표면개질은 단면인 경우, 비

드면이 깨끗하고 칩 발생량이 적었으나, 양면인 경

우에는 큰 칩이 발생하였고 비드면이 박리되는 등

단면적이 감소하는 결과를 나타내었다. 이는 양면

표면개질 시 접촉면이 열적 영향으로 금속이 연화

되었기 때문으로 사료된다.

그림 3은 공구형상 및 이송속도 공정변수에 따라

마찰교반 프로세싱을 실시하여 각 조건에서 3회 이

상 인장시험 후 최대인장강도, 항복강도, 연신율 및

흡수에너지의 평균을 상호 비교한 그래프이다. 공

구형상은 전나사형 공구를 사용한 경우가 가장 양

호한 기계적 특성을 나타내었다. 이는 공구와 재료

간의 마찰면적이 가장 넓기 때문에 교반 시 마찰열

의 발생량이 가장 많고 그로 인해 재료의 충분한

연화로 소성유동이 발생하여 교반작용이 원활하였

기 때문으로 사료된다. 반면, 무나사형 공구인 경우

는 전나사형 공구보다 마찰면적이 상대적으로 작고

재료를 연화시키기 위한 마찰열이 충분히 발생하지

못했기 때문으로 사료된다. 결과적으로 교반작용이

원활하지 못하여 비드면에 발생된 결함에 의해서

기계적 특성이 현저히 감소하였다. 표면개질의 경

우는 단면 표면개질 보다 양면 표면개질을 실시하

였을 때, 다량의 칩 발생에 의한 비드면의 탈리 현

상과 과도한 교반에 의해 발생된 마찰열에 의한 영

향으로 금속내부가 연화됨으로써 기계적 특성이 감

소된 것으로 사료된다. 공구의 형상에 따른 실험 결

과 전나사형 공구가 가장 양호한 기계적 특성을 나

타냈다. 또한, 이송속도가 낮을수록 입열량이 크고

소성유동이 원활하게 이루어져서 15 mm/min의 경

우가 가장 양호한 결과를 나타낸 것으로 사료된다.

결과적으로 공구의 형상 및 이송속도 변수에 따른

마찰교반 프로세싱 결과, 전나사형 공구에서 이송

속도는 15 mm/min인 경우가 최적의 조건으로 판단

된다.

그림 4는 전나사형 공구를 사용하여 이송속도

15 mm/min에서 회전속도 변수에 따른 마찰교반 프

로세싱을 적용하였을 경우 조건별 시편외관을 나타

낸 것이다. 75 RPM과 3600 RPM의 경우는 비드면

이 거칠거나 결함이 발생하였으며 그 외 대부분의

조건에서 비드면이 깨끗하고 칩은 적게 발생하였다.

75 RPM의 경우는 낮은 회전속도로 인하여 마찰열

발생량이 부족하여 원활한 소성유동이 일어나지 못

하였기 때문이며, 3600 RPM의 경우는 충분한 마찰

열의 발생으로 입열량이 증가하고 소성유동은 원활

하였으나, 오히려 교반효과는 감소된 것으로 사료

된다. 한편, 모든 회전속도 조건에서 프로세싱 종료

시 exit hole이 정원으로 형성되지 않았다. 이는 외

관상으로 확인할 수 없는 재료의 내부에 결함이 발

생하였을 가능성이 있으며, 이러한 내부 결함은 인

장시험 시 재현성에 영향을 미칠 것으로 사료된다.

그림 5는 회전속도 변수에 따른 마찰교반 프로세

싱 된 시편의 인장시험 후 각각의 최대인장강도, 항

복강도 및 흡수에너지를 상호 비교한 그래프이다.

75 RPM과 3600 RPM을 제외한 대부분의 이송속도

조건에서 거의 유사한 기계적 특성치를 나타내었으

며, 그 중 250 RPM의 경우, 최대인장강도는 340 MPa,

연신율은 22.7%이고, 흡수에너지는 10140 Kgf-mm

로 모재와 거의 유사한 값을 나타내었다. 반면에 항

복강도는 150 RPM의 경우가 185 MPa이고, 250 RPM

의 경우는 174 MPa이므로 150 RPM에서 가장 양호

한 특성을 나타내었다. 한편, 비드면에 결함이 발생

된 75 RPM과 3600 RPM은 최대인장강도, 연신율,

항복강도 및 흡수에너지 등 모든 기계적 특성에서

현저히 저하된 값을 나타냈다. 결과적으로 회전속

도 변화에 따른 기계적 특성의 큰 차이는 관찰되지

않았으며, 표 2에 인장시험을 통해서 얻어진 값의

평균을 나타내었다.

지금까지의 5456-H116 합금에 대하여 공구의 형

상, 이송속도 및 회전속도에 대한 다양한 변수를 적

용한 마찰교반 프로세싱 실험 결과, 15 mm/min의

이송속도와 250 RPM의 회전속도에서 전나사형 공

구를 사용한 경우가 가장 양호한 특성을 나타내었

다. 비록 마찰교반 프로세싱 된 시편이 모재보다 기

계적 특성이 향상되지 않았으나 거의 유사한 값을

나타내었으며, 이는 프로세싱 시 발생되는 마찰열

에 의한 결정립성장에 기인하여 열영향부의 강도저

Fig. 4. Appearance in friction stir processing for 5456-

H116 specimen surface with rotating speeds.

박재철 외/한국표면공학회 42 (2009) 13-20 17

하 현상 때문인 것으로 사료된다.

인장시편의 파단은 대부분 교반부와 열적-기계적

영향부의 경계면 또는 열에 의한 영향을 받은 열영

향부에서 관찰되었다. 75 RPM과 3600 RPM인 경우

의 인장시편은 연성의 특성을 보이지 않고 비드면

에 생성된 결함부위에 응력이 집중되면서 파단이

급속히 이루어진 것으로 판단된다. 또한, 파단부위

는 교반부와 열적-기계적 영향부와의 경계면에서

파단 되었음을 관찰할 수 있었다. 이는 열악한 교

반효과에 기인하여 원자간의 전위밀도차 또는 발생

된 결함에 의한 영향으로 판단된다. 최적 조건인

250 RPM의 경우 1개의 시편이 평행부에서 파단이

관찰되었으며, 나머지는 열영향부에서 파단되었다.

또한 그 외 다른 회전속도 변수 조건에서는 유사한

연신율을 나타내었고 파단은 모두 열의 영향을 받

은 열영향부에서 관찰되었다. 이는 프로세싱 된 시

편의 열영향부가 교반부보다 기계적 성질이 더욱

취약한 것으로 판단된다.

그림 6은 5456-H116합금의 모재와 최적의 조건

으로 마찰교반 프로세싱 된 시편의 파단면을 주사

전자현미경을 사용하여 관찰한 것이다. 모재의 경

우는 ×200배율의 사진을 보면, 전체적으로 연성파

Fig. 5. Comparison of mechanical characteristics with various rotating speeds.

Table 2. Comparison of mechanical characteristics with rotating speeds at 15 mm/min in full screw probe

5456-H116 Al alloyMax. tensile strength

(MPa)Yield strength

(MPa)Elongation

(%)Absorption energy

(Kgf-mm)Time-to-fracture

(min)

Base metal vertical dir. 350 206 23.11 11076.83 58.11

75 RPM 111 49 0.64 62.26 1.64

150 RPM 337 185 20.04 8828.71 50.52

250 RPM 340 174 22.74 10140.26 57.20

507 RPM 331 147 21.33 9096.98 53.68

1100 RPM 324 143 19.32 7911.95 48.59

1800 RPM 324 151 17.98 7373.25 45.53

3600 RPM 190 133 3.60 822.47 9.55

18 박재철 외 /한국표면공학회 42 (2009) 13-20

면의 대표적인 형상인 딤플(Dimple)과 쉬어립(Shear

lip)을 관찰할 수 있으며, ×500배율과 ×1000배율

에서 부분적으로 준벽개(quasi-cleavage) 취성파면의

형상을 관찰할 수 있다. 최적조건의 마찰교반 프로

세싱 된 시편의 파단면 분석결과, 전체적으로 딤플

파면과 쉬어립이 형성되었으며, 부분적인 준벽개형

파면의 형성을 관찰할 수 있었다. 결과적으로 모재

와 매우 유사한 파단면을 나타내었으나, 모재의 경

우가 프로세싱 된 시편에 비하여 쉬어립이 보다 많

이 관찰되었으므로 높은 연신율을 나타낸 것으로

판단된다.

그림 7은 이송속도 15 mm/min, 회전속도 250 RPM

에서 전나사형 공구를 사용한 최적의 조건으로 프

로세싱 된 시편의 횡단면에 대한 경도분포와 프로

세싱에 의한 소성 유동 거동을 나타내고 있다. 모

재의 경우, 평균 91 Hv를 나타내었다. 한편, 프로세

싱 된 시편의 경우는 교반부에서 모재 대비 95%인

86.8 Hv를 나타내었으며 가공에 의해서 약 5~6 Hv

정도의 경도저하가 있음을 알 수 있었다. 열영향부

는 76~83 Hv 정도로 현저한 경도저하를 나타내었

는데 이는 교반에 의해 발생되는 마찰열에 의한 결

정립 성장에 기인한 것으로 사료된다. 또한 시편의

Advancing side에 비해 Retreating side의 경우가 열

영향부가 더욱 넓게 형성되었는데 이는 회전방향과

이송방향이 상반된 운동으로 인해 교반효과가 저하

하고 발생되는 열이 집적됨으로써 열에 의한 영향

이 증가한 것으로 사료된다. 반면에 Advancing side

의 경우는 회전방향과 이송방향이 동일하기 때문에

교반이 원활하였을 것으로 예측된다7). 인장시험을

통하여 기계적 특성의 감소를 확인한 바 있지만, 경

도를 측정함으로써 인장강도의 변화를 대략적으로

유추할 수 있기 때문에 프로세싱 된 시편의 경도

측정결과, 마찰교반 프로세싱에 의해서 전체적으로

경도가 감소하였음을 알 수 있었다.

그림 8은 동일 이송속도 15 mm/min에서 회전속

도 변수에 대한 마찰교반 프로세싱 시 상대적으로

가장 양호한 특성을 나타낸 두 조건의 경우에 대하

Fig. 6. Analysis of fractography after tensile test for BM

and FSPed specimen at optimum condition.

Fig. 7. Hardness of FSPed specimen at optimum

condition.

Fig. 8. Comparison of microstructure of cross-section in

150 and 250 RPM.

박재철 외/한국표면공학회 42 (2009) 13-20 19

여 소성유동의 거동을 비교하였다. 회전속도 150 RPM

과 250 RPM에 대해서 시편의 횡단면을 1분 30초

동안 Keller 용액으로 에칭 한 후 교반부의 미세조

직을 광학현미경을 사용하여 ×100배율로 관찰한

것이다. 각 RPM조건에서 B와 E부분은 프루브에

의해 직접적으로 교반되어진 SZ(교반부)이며, A, D,

C, F 및 H는 너깃(nugget)부와 TMAZ(열적-기계적

영향부)의 경계면을 나타내고 있다. 또한 G는 열에

의한 영향을 받은 HAZ(열영향부)이며, I는 BM을

관찰한 것이다. 150 RPM의 경우 A와 D 및 F부분

(너깃부와 TMAZ의 경계면)이 매끄럽게 형성되지

못하였다. 반면에, 250 RPM의 경우는 A, C, D 그

리고 F부분이 비교적 뚜렷하게 형성되었음을 관찰

할 수 있다. 또한 두 조건에서 공통적으로 Advancing

side가 Retreating side보다 계면이 매끄럽게 형성되

었다. 이는 공구의 회전방향과 이송방향의 상반되

는 운동으로 교반효과가 감소되어 계면의 형성이

원활하게 이루어지지 못하였기 때문으로 사료된다13).

마찰교반 프로세싱에 의한 기계적 특성 향상은

금속의화학조성, 결정립의 미세화 정도 및 열에 의

한 영향, 뿐만 아니라 프로세싱 후 표면가공처리에

따라 다소 차이가 있으며, 압연재 5456-H116 합금

에 대한 마찰교반 프로세싱 적용 결과 기계적 특성

은 모재와 유사하나 보다 향상되지는 않았다. 마찰

교반 프로세싱 기술은 금속 자체의 결함 제거와 결

정립 미세화 및 연질재료의 표면 경화 등의 목적으

로 사용되며14), 특히 주조합금에 적용 시 상기 요

인들로 인한 기계적 특성의 향상도가 높다7-9).

본 연구에서 알루미늄 선박용 합금인 5456-H116

에 대한 마찰교반 프로세싱 기술 적용 시 얻어진

결과는 알루미늄 선박의 부분적인 파손이나 기존

용접부 손상부위에 대한 수리목적으로 응용 가능하

며 결과적으로 선박의 운용에 도움이 될 것으로 사

료된다.

4. 결 론

알루미늄 합금 선박용 재료인 Al-Mg계 5456-H116

합금에 대하여 마찰교반 프로세싱 기술 적용 시 공

구의 형상, 이송속도 및 회전속도 등 다양한 공정

변수를 적용하여 최적의 마찰교반 프로세싱 조건을

규명과 동시에 모재와의 기계적 특성을 비교ㆍ분석

한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 공구의 형상에 따른 마찰교반 프로세싱 적용

시 프루브에 나사산이 있는 전나사형 공구의 경우

가 모재와의 교반작용에 의한 충분한 마찰열이 발

생하여 소성유동이 원활하고, 연화된 재료를 오른

나사 효과로 인하여 탈리현상을 최대한 방지함으로

써 양호한 기계적 특성을 나타내었다.

2. 이송속도 변수에 대한 마찰교반 프로세싱 시

적용되어진 조건 중에서 15 mm/min의 경우가 가장

양호한 기계적 특성을 나타냈다. 이송속도가 증가

할수록 입열량이 감소하고 모재의 충분한 연화가

이루어지지 못하였으며, 기계적 특성이 현저히 저

하하는 경향을 나타냈다.

3. 회전속도 변수에 따른 마찰교반 프로세싱 시

적용되어진 조건에 따라 기계적 특성 변화는 일정

한 경향이 나타나지 않았으며, 회전속도가 250 RPM

인 경우, 충분한 마찰열의 발생과 원활한 소성유동

이 이루어져서 양호한 기계적 특성을 나타냈다.

4. 이송속도 15 mm/min, 회전속도 250 RPM에서

전나사형 공구를 사용하여 마찰교반 프로세싱 된

시편의 횡단면 경도 측정 결과, 교반부에서 모재 대

비 95%인 86.8 Hv를 나타내었다. 한편, 열영향부는

교반에 의해 발생되는 마찰열에 의한 결정립 성장

에 기인하여 경도값이 현저히 감소하였다. 또한,

Retreating side의 경우가 Advancing side보다 열영

향부의 범위가 넓게 형성되었는데 이는 공구의 회

전방향과 이송방향이 상반됨으로써 교반효과가 저

하되고 열이 집적됨으로써 열에 의한 영향이 증가

한 것으로 사료된다.

5. 5456-H16합금에 대한 최적의 마찰교반 프로세

싱 조건은 이송속도 15 mm/min, 회전속도 250 RPM

에서 전나사형 공구를 사용한 경우로 판단된다.

후 기

본 연구는 교육과학기술부와 한국산업기술재단의

지역혁신인력양성사업으로 수행된 연구 결과임.

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