이번 글에서는 중간망간 스테인리스강(MMn-SS)과 고강도 탄소강(HS-CS)의 이종 레이저 용접 맞대기 이음부의 기계적 성능을 크게 향상시키기 위해 700°C에서 10분간의 용접 후 열처리(PWHT)를 제안하였습니다. 전자후방산란회절(EBSD)과 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 PWHT 및 인장 변형 중 이종 이음부의 미세구조를 특성화하고 변형 메커니즘을 연구했습니다.
스테인리스강 재료 및 용접 조건
실험에 사용된 모재는 2mm 두께의 AISI 201 타입 MMn-SS와 Docol S355 HS-CS였습니다. 레이저 용접은 다양한 비점 에너지(SPE) 입력으로 수행되었으며, 용접 후 700°C에서 10분간 PWHT를 실시했습니다.
기계적 특성 평가
인장 시험과 마이크로 압입 경도 시험을 통해 용접부의 기계적 특성을 평가했습니다.
스테인리스강 미세구조 분석
EBSD와 TEM을 사용하여 용융부(FZ)와 열영향부(HAZ)의 미세구조를 상세히 분석했습니다.
모재의 특성 변화
PWHT 후 HS-CS의 인장강도는 500MPa에서 630MPa로 증가했으며, MMn-SS는 변태유기소성(TRIP)과 쌍정유기소성(TWIP) 메커니즘의 활성화로 연성-강도 균형이 향상되었습니다.
스테인리스강 용접부 미세구조 특성
PWHT 후 FZ에는 재결정된 결정립 영역을 포함한 완전 템퍼드 마르텐사이트 구조가 형성되었습니다. SPE 입력이 증가함에 따라 초기 오스테나이트 결정립(PAG) 크기가 증가했습니다.
강화 메커니즘 분석
TEM 분석 결과, HS-CS에서는 바나듐 탄화물 석출물이 형성되어 강도가 향상되었고, FZ에서는 크롬 탄화물 석출물이 관찰되었습니다.
인장 특성 변화
PWHT 후 이종 용접 이음부의 인장 특성은 HS-CS 모재와 유사한 거동을 보였습니다. FZ의 인장강도는 1100MPa에서 800MPa로 감소했지만, 연성은 크게 향상되었습니다.
스테인리스강의 자동차 산업 적용 동향
전통적 적용 분야의 확대
스테인리스강은 오랫동안 자동차 배기 시스템과 같은 특정 부품에서 널리 사용되어 왔습니다. 내구성과 내열성이 뛰어나 배기 시스템에 이상적인 소재로 자리 잡았습니다. 최근에는 기존 적용 분야에서의 사용이 더욱 확대되고 있습니다
전기차 및 수소차에서의 새로운 적용
자동차 산업이 전기차(EV)와 수소 연료전지차로 전환됨에 따라 스테인리스강의 역할이 크게 확대될 전망입니다. 전기차의 배터리 트레이나 수소차의 연료전지 등 새로운 부품에 스테인리스강이 적용되고 있습니다. 특히 알루미늄의 2배에 달하는 녹는점 덕분에 화재 안전성 측면에서 우수한 성능을 보입니다
경량화 및 지속가능성 요구 대응
자동차 산업의 CO2 배출 감소 압박이 커지면서, 스테인리스강은 경량화와 지속가능성 측면에서 주목받고 있습니다. 알루미늄 대비 밀도는 높지만, 부품 두께를 줄이면서도 강도를 유지할 수 있어 재료 사용량과 배출량을 줄일 수 있습니다. 또한 생산 과정의 지속가능성과 재활용성이 뛰어나 전체 수명주기에서 환경 영향을 낮출 수 있습니다
안전성 및 성능 향상
스테인리스강은 높은 강도와 내구성, 내마모성을 바탕으로 자동차의 안전성과 성능 향상에 기여하고 있습니다. 특히 충돌 관련 구조 부품에서 스테인리스강 사용이 늘어나고 있으며, 차체 외판에도 적용 가능성이 검토되고 있습니다
새로운 제조 기술 적용
접이식 기술을 활용한 ‘종이접기’ 방식의 스테인리스강 성형 기술이 개발되고 있습니다. 이를 통해 열간 성형 공정을 없애고 CO2 배출을 줄일 수 있을 것으로 기대됩니다. 또한 휠 림과 같은 부품에서도 스테인리스강의 재도입 가능성이 검토되고 있습니다
시장 전망
자동차용 스테인리스강 시장은 지속적인 성장이 예상됩니다. 2024년 1265억 달러 규모에서 2028년 1537억 달러로 연평균 5% 성장할 것으로 전망됩니다. 차량 경량화, 전기차 시장 확대, 지속가능성 강조, 도시화 증가 등이 성장 동력으로 작용할 것으로 보입니다
스테인리스강은 자동차 산업의 미래 요구사항을 충족시킬 수 있는 잠재력을 가진 소재로 주목받고 있습니다. 안전성, 지속가능성, 성능 향상 등 다양한 측면에서 스테인리스강의 적용이 확대될 것으로 전망됩니다.
결론
- PWHT를 통해 FZ에 완전 템퍼드 마르텐사이트 구조가 형성되었으며, 재결정된 결정립 영역이 관찰되었습니다.
- PWHT는 HS-CS의 인장강도를 향상시키고 MMn-SS의 연성-강도 균형을 개선했습니다. 이에 따라 이종 이음부의 전체적인 인장 특성이 향상되었습니다.
- SPE 입력은 템퍼드 마르텐사이트의 미세구조적 특징에 영향을 미쳤습니다. 19J에서 25J로 에너지 입력이 증가함에 따라 유효 결정립 크기(D90%)가 4.83μm에서 10.80μm로 증가했지만, 30J의 높은 에너지 입력에서는 6.32μm로 감소했습니다.
- 700°C에서의 PWHT는 용접 그대로의 상태와 비교하여 템퍼드 마르텐사이트의 연성을 크게 증가시켰지만 인장강도는 감소시켰습니다. 이는 마르텐사이트의 부분적 회복으로 인한 전위 밀도 감소 때문입니다.
- TEM 분석을 통해 HS-CS 모재에서 바나듐 탄화물 석출물의 형성이 확인되었고, FZ에서는 템퍼링 후 등축 재결정 결정립과 크롬 탄화물이 관찰되었습니다.
이 연구 결과는 MMn-SS와 HS-CS 간의 이종 레이저 용접 이음부의 기계적 특성을 향상시키는 데 있어 PWHT의 효과를 보여줍니다. 이를 통해 자동차 산업 등에서 이종 소재 접합의 성능 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.
이번 글을 통해 스테인리스강의 용접 특징에 대해 알아보았습니다. 요즘 테슬라 싸이버트럭의 스테인리스강 적용을 통해 스테인리스강에 대한 영향도가 높아졌습니다. 이번 글 외에도 좀 더 자세한 특징이 궁금하신 분은 아래 글을 함께 알아보세요.
또한 용접부에 미치는 잔류응력에 대한 영향이 궁금하시면 아래 글을 보세요.