Ti/STS409L/Ti 냉연 클래드재의 접합계면특성에 미치는 후열처리의 영향
배동수# · 김원중1 · 엄성찬1 · 박준형1 · 이상필2 · 김민중3 ·강창룡4
Effect of Post Heat Treatment on Bonding Interfaces in Ti/STS409L/Ti Cold Rolled Clad Materials
D. S. Bae, W. J. Kim, S. C. Eom, J. H. Park, S. P. Lee, M. J. Kim, C. Y. Kang (Received December 10, 2010 / Revised January 17, 2011 / Accepted January 18, 2011)
Abstract
The aim of the present study is to derive optimized post heat treatment temperatures to get a proper formability for Ti/STS409L/Ti clad materials. These clad materials were fabricated by cold rolling followed by a post heat treatment process for 10 minutes at temperatures ranging from 500℃ to 850℃. The microstructure of the interface was observed using a Scanning Electron Microscope(SEM) and an Energy Dispersive X-ray Analyser(EDX) in order to investigate the effects of post heat treatment on the bonding properties of the Ti/STS409L/Ti clad materials. Diffusion bonding was observed at the interfaces with a diffusion layer thickness increasing with the post heat treatment temperature. The diffusion layer was composed of a type of(ε + ζ) intermetallic compound containing additional elements, namely, Fe, Ti and Ni. The micro Knoop hardness of the Ti/STS409L interfaces was found to increase with heat treatment up to 800℃
and then decrease for temperatures rising up to 850℃. The tensile strength was shown to decrease for heat treatment temperature increasing to 750℃ and then increase rapidly for temperature rising up to 850℃. A post heat treatment temperature range of 700~750℃ was found to optimize the formability of Ti/STS409L/Ti clad materials.
Key Words : Ti/STS409L/Ti Cold Rolled Clad Material, Post Heat Treatment Temperature, Bonding Interface Property, Intermetallic Compound, Diffusion Layer
1. 서 론
클래드재는 금속소재의 표면 위에 성질이 다 른 금속을 압연, 압출 등의 가공방법으로 가압하 여 접합함으로써 단일의 금속에서는 얻어지지 않는 새로운 기능을 갖게 한 금속복합소재이다.
현재 국내·외에서는 압연, 폭발압접, 압출 등에 의한 클래드재의 제조방법이 연구 개발되어[1~8],
알루미늄을 중간 삽입재로 사용한 STS/Al/STS 및 STS/Al/Cu 클래드재 등이 주로 주방기기 및 청 동기와의 용도로 상용화되고 있는데, 높은 열전 도율, 경량화, 화려한 외관 및 우수한 내식성을 겸비함은 물론 가공성 또한 우수한 양질의 신소 재로서 주목을 받고 있다[2, 3, 7].
최근, 해양구조물의 유지 및 보수 그리고 조선 기자재 산업제품의 발달과 고급화로 염분에도 강
1. 동의대 신소재공학과 2. 동의대 기계공학과 3. ㈜한국클래드텍 기술연구소 4. 부경대 금속공학과
# 교신저자: 동의대 신소재공학과, E-mail: [email protected]
한 내식성을 나타내는 Ti과 접합시킨 Ti 클래드재 의 필요성이 대두되고 있다. 예를 들면, LNG운반 선의 극저온 배관용 연결재뿐만 아니라 열교환기 의 냉각관에도 고가의 Ti 1종을 사용하고 있으므 로, 이를 상대적으로 저가인 Ti 클래드재로 대체 하려는 시도가 이뤄지고 있다. 타이타늄은 황동이 나 스테인리스강에 비하여 내식성이 우수하며, 비 강도가 뛰어날 뿐만 아니라 비중 또한 황동이나 스테인리스강에 비하여 상당히 작아 제품의 경 량화를 꾀할 수 있으므로, Ti클래드재에 대한 수 요는 점차 더 증가할 것으로 예상되어[4, 9, 10], Ti/STS409L/Ti 클래드재의 적정 제조조건에 대한 연구가 요구된다.
본 연구에서는 냉간압연공정으로 Ti 클래드재를 제조시 형성된 잔류응력을 제거함으로써 후속공정 에서의 가공성 향상 및 계면접합부의 확산을 통한 접합특성을 향상시키기 위한 후열처리가 클래드재 의 접합계면의 특성에 미치는 영향을 조사하여, 적 정 후열처리온도를 설정하는데 목적을 두었다.
2. 실험 방법
Ti/STS409L/Ti 클래드재(이하 Ti 클래드재라 함) 를 제조하기 위하여 시판의 Ti 1종(두께; 0.4mm), STS409L(두께; 3.0mm) 및 Ti 1종의 판재를 사용하 였으며, 최종 클래딩의 크기를 고려하여 가로 및 세로의 크기가 각각 400mm 크기의 사각판재를 이용하였다. 본 실험에서 클래딩처리는 각 3종의 판재를 3층 적층한 후 약 압하율 40%의 냉간압연 에 의해 하나의 Ti 클래드재를 제조한 다음, 이들 의 잔류응력제거 및 계면접합성을 향상시키기 위 하여 질소가스 분위기하의 500~850℃에서 10분간 유지하는 후열처리를 행한 후 ASTM E8크기의 인 장시편을 압연방향으로 채취하였다.
채취된 시편은 Instron-type의 인장시험기를 이용 하여 상온에서 10mm/min의 인장속도로 Ti 클래드 재의 기계적 특성을 평가하였다. 그리고, 클래드 재의 단면을 금속광학현미경과 전계방사형 주사 전자현미경(FEG-SEM, 모델명 ; Quanta 200 FEG)을 이용하여 Ti/STS409L 계면을 관찰하였으며, FEG- SEM의 EDX장비(모델명 ; Genesis XM2, 분해능 129eV 이하)를 이용하여, Ti/STS409L의 접합계면을 각각 선분석 및 면분석으로 접합계면주위에서의 원 자 농도분포와 정성 및 정량성분을 행하였다.
후열처리온도에 따른 접합계면에서의 확산층의
두께는 SEM사진의 화상분석처리를 통하여 측정 하였으며, Ti과 STS409L의 접합계면부의 미소경도 는 누프경도기를 이용(25g에서 10초간 유지)하여 각 부위별 7회씩 측정하여 평균값을 구하였다.
3. 실험결과
3.1 접합계면에서의 농도분포
고상 접합부의 계면에서의 금속학적 특성을 관 찰하기 위하여, 후열처리가 완료된 Ti 클래드재를 이용하여 FEG-SEM 및 EDX의 선분석을 통하여 Fig. 1의 결과를 얻었다. Fig. 1의 (a)는 500℃, (b)는 700℃ 그리고, (c)는 850℃에서 각각 후열처리한 STS판재와 Ti판재의 접합계면에서의 Fe원자와 Ti 원자의 농도분포를 나타낸다.
Fig. 1 Line scanning analysis results of Ti/STS409L /Ti clad materials at (a) 500℃, (b) 700℃ and (c) 850℃ for post heat treatment
500℃에서는 Ti/STS의 계면을 중심으로 Fe성분 이 Ti측으로 갈수록 약간 감소하는 경향을 보이고 있으며, Ti성분은 STS측으로 갈수록 그 감소경향 이 아주 적은 것을 알 수 있다. Fig. 1(c)와 같이 후 열처리의 온도가 증가할수록 Ti성분이 STS측으로 갈수록 감소하고 있으며, Fe성분은 Ti측으로 갈수 록 감소하고 있으므로, 계면을 중심으로 각 성분 이 상호 확산된 양상을 보이고 있어, 계면접합부 에서 확산접합도 일어난 것을 알 수 있다.
Fig. 2의 (a)는 500℃, (b)는 700℃ 그리고, (c)는 850℃에서 각각 후열처리한 STS409L판재와 Ti판 재의 접합계면에서의 확산된 층(Fig.내의 흰 실선 으로 표시)의 형상 및 두께변화를 나타낸다.
후열처리의 온도가 증가할수록 각 원소들의 상 호확산 이동거리의 증가로 인하여 확산층의 두께 는 증가하는 것을 알 수 있다. 확산층의 형상도 Fig. 2(a)의 500℃에서는 편평한 계면상태의 형상을 가 지나, 온도가 증가하면 Fig. 2(b)와 (c)에서 보이 는 것처럼 STS409L재와 Ti재의 접합계면부의 요 철이 심한 형상을 가지고 있다.
Fig. 2 SEM Photoghraphs of Ti / STS409L / Ti clad materials at (a) 500℃, (b) 700℃ and (c) 850℃
for post heat treatment
이는 Ti/STS409L/Ti 클래딩처리시 압연에 의해 많은 변형을 일으키는 STS409L의 표면 산화피막의 파쇄에 의해 형성된 신생면들과 접한 Ti표면 즉, Ti/STS 접합계면에서의 각 원소들의 확산이동이 파쇄된 산화피막들로 인하여 방해를 받은 결과 그 이동거리가 균일하지 못한 것에 기인하는 것으로 판단된다.
3.2 접합계면에서의 확산층
Fig. 3은 후열처리온도의 증가에 따른 Ti/STS409L 계면에서의 확산층의 두께변화 데이터(Fig. 2)를 화상분석기기를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 다. Fig. 3에서 후열처리의 온도 구간인 500℃에서 850℃사이에서는 온도의 증가에 따라서 거의 직 선적으로 확산층의 두께가 증가하는 것을 보이며, 500℃에서는 약 0.25㎛의 확산층 두께를 가지나 850℃에서는 약 1.25㎛의 두께를 가져 이 구간에 서 약 5배나 증가한 것을 알 수 있다.
Fig. 4는 Ti/STS409L의 접합계면에 형성된 확산층 의 성분을 EDX로 분석한 결과를 나타낸다. EDX분 석결과 확산층은 42.55wt%Ti, 40.93wt%Fe 그리고 16.51wt%Ni로 구성되어 있어 Fe-Ti 이원계상태도 [11]상에서 이 조성의 화합물은 Fe에 32~46%Ti의 농도로 구성된 ε+ζ상의 혼합 금속간화합물인 것 을 알 수 있다.
3.3 Ti클래드재의 기계적 특성
Fig. 5는 후열처리온도에 따른 접합계면에 형성된 금속간화합물의 미소경도를 측정한 결과를 나타낸 다. 금속간화합물의 미소경도는 후열처리의 온도가 증가함에 따라 800℃까지는 증가하다가 800℃이상 의 온도에서는 급격한 감소를 나타내었다. 접합계 면부의 경도가 증가하면 성형가공시 접합면에서 미소균열을 발생할 수 있으므로 후열처리온도는 750℃이하의 구간이 적합하다고 판단된다.
Fig. 3 Thickness changes of diffusion layer in Ti/
STS409L/Ti clad material with post heat treatment temperature
Fig. 4 Result of EDX analysis in Ti/STS409L interface at 500℃ for post heat treatment
Fig. 5 Hardness changes of Ti/STS409L interface with post heat treatment temperature
Fig. 6 Changes of (a) tensile strength and (b) elongation properties in Ti/STS409L/Ti clad material with post heat treatment temperature
Fig. 6은 후열처리온도에 따른 Ti 클래드재의 인 장강도 및 연신율의 변화를 나타낸다. Ti 클래드재 의 인장강도는 Fig. 6(a)에 나타낸 바와 같이 후열처 리의 온도가 증가함에 따라서 500℃에서 750℃까 지는 급격하게 감소하나, 750℃에서 850℃의 구간 에서는 인장강도의 급격한 증가를 나타내었다. 연 신율은 Fig. 6(b)에서 처럼 500℃에서 750℃까지의 구간에서는 서서히 증가한 후, 750℃에서 850℃의 구간에서는 급격히 감소하였다. 따라서, 강도와 연신율을 고려할 때 적합한 후열처리온도 구간은 700℃에서 750℃범위로 판단된다.
4. 고 찰
냉간압연공정으로 제조되어 가공경화된 Ti클래 드재는 잔류응력제거 및 계면접합부의 확산을 통 한 접합특성을 향상시키기 위하여 압연클래딩처 리 후의 열처리 즉, 후열처리의 실시가 요구된다.
이러한 후열처리의 온도를 적정하게 설정하기 위 하여 유지온도를 달리하여 실시함으로써 얻은 결 과들을 살펴보면 다음과 같다. Fig. 1에 나타낸 바 와 같이, 후열처리 온도의 증가에 따라 각 원자들 의 확산이동거리가 증가하므로, Ti/STS409L의 계 면에서 발생한 상호확산으로 인하여 접합계면에 서 확산층이 형성된 것을 알 수 있었다. 이 확산 층은 후열처리의 온도증가에 따라서 특히 Ti의 농 도분포의 폭은 증가하였고, 그 농도변화는 완만하 게 발생하였으며, 확산층의 두께는 증가하였다(Fig.
2, 3).
한편, 접합계면에서의 그 형상은 500℃에서는 비교적 매끈한 접합계면의 형상을 가지고 있으나, 온도가 증가한 700℃에서는 그 형상이 거친 상태 를 나타내기 시작하였으며, 850℃에서는 그 형상 이 아주 거친 상태임을 알 수 있었다. 이러한 접 합계면의 접합양상은 STS/Al 계면의 톱니바퀴 모 양의 변형 형상[10]이나 일반적인 폭발접합한 클 래드재의 계면에 형성되는 파도형의 변형 형상[6]
과도 접합양상이 다른 것을 보여 준다. 그리고, 거친 상태의 계면형상은 모두 STS409L측으로 형 성되어 있었으며, Ti측은 접합계면부가 매끈한 형 상을 유지하고 있었다. 즉, 온도가 증가할수록 Ti 에서 STS409L 측으로 확산이 더욱 활발하게 일어 난 것으로 판단된다. Fig. 1의 Ti와 Fe의 화학성분 분포의 결과에서도 알 수 있듯이 500℃ 및 700℃
에서는 Ti의 접합계면에서의 농도분포는 온도에 무관하게 모두 급격하게 변하지만, 850℃에서는 농도분포의 변화가 완만하게 발생하고 있는 것을 알 수 있어, Ti에서 STS409L으로의 Ti 확산이 활 발하게 진행된 것을 알 수 있다. 반면에, Fe의 경 우 500℃에서는 접합계면에서의 급격한 농도변화 를 보이나, 700℃ 및 850℃에서는 농도분포의 변 화가 완만하게 발생하였으며, 각각의 온도에서 거 의 같은 기울기를 형성하고 있는 것을 알 수 있 어 Fe의 확산거동은 700℃이상에서 Ti측으로 확산 이 활발하게 일어난 것을 알 수 있다.
따라서, Fe와 Ti의 상호확산이 850℃에 비하여 상대적으로 활발하지 않은 500℃에서는 매끈한
접합계면을 형성하고 있으므로, 850℃에서의 접합 계면의 거친 형상(Fig. 1, 2)은 Ti의 확산거동과 밀 접한 관련이 있으며, Fe와 Ti의 상호확산이 활발하 게 발생한 결과 형성된 것으로 판단된다. 그 결과 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 확산층의 두께는 온도 의 증가에 따라 급격히 증가하는 것을 알 수 있 었다.
이 확산층을 구성하고 있는 화학성분을 EDX로 분석한 결과(Fig. 4), ε+ζ상의 혼합 금속간화합물이 Ti/STS409L 접합계면에 형성된 것을 알 수 있었 다. 이러한 금속간 화합물의 경도는 기지금속에 비하여 높은 값을 가지는 것을 알 수 있어, 외부 에서 소성변형 및 가공 등의 응력을 부가하게 되 면 상대적으로 연성특성을 가지는 기지금속에서 보다는 취성특성을 가지는 금속간화합물에서 미 소균열이 우선적으로 발생하기 쉬우므로, 이는 클 래드재의 접합계면에서 미소균열 전파 및 파단에 이르게 하는 응력집중인자의 역할을 하게 된다.
그리고, 후열처리온도의 증가에 따라서 접합계 면에 형성된 금속간화합물의 미소경도를 측정한 결과(Fig. 5) 800℃에서 최고의 경도값을 가지는 것 을 알 수 있으므로, 적절한 후열처리의 온도범위 는 750℃이하의 온도구간이라는 것을 설정할 수 있다.
후열처리온도에 따른 Ti 클래드재의 인장강도 및 연신율의 변화를 측정한 결과(Fig. 6), Ti 클래드 재의 인장강도는 후열처리의 온도가 증가함에 따 라서 500℃에서는 410MPa의 값을 가지나 750℃까 지는 급격하게 감소하여 256Mpa의 최저값을 나타 내었으며, 그 보다 높은 온도에서는 인장강도의 급격한 증가를 보여 850℃에서는 430MPa의 인장 강도를 나타내었다. 연신율은 후열처리의 온도의 증가에 따라서 500℃에서 750℃까지의 구간에서 는 인장강도의 급격한 변화의 경우와는 달리 28%
에서 36%로 서서히 증가한 후, 그 보다 높은 온 도에서는 급감하여 850℃에서는 약 3%의 아주 낮 은 연신율을 나타내었다. 후열처리온도가 500℃인 경우와 850℃인 경우의 인장강도는 각각 410MPa 및 430MPa로 그 차이는 작으나, 연신율은 각각 28% 및 약 3%로 큰 차이를 보이는데, 이는 후열 처리온도의 증가에 따라서 Ti재가 BCC ß-Ti으로의 변태에 의한 취화에 기인하는 것으로 생각된다.
그러므로, 적정 후열처리온도 구간은 Ti 클래드재 의 강도와 연성특성 및 접합계면부의 경도값을 고려하여 700℃에서 750℃범위로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 Ti/STS409L/Ti 클래드재의 접합 특성에 미치는 후열처리의 영향을 연구하기 위하 여, 본 클래드재의 기계적 특성과 접합계면에서의 확산층의 화학성분 분석과 두께 및 미소경도 등 을 측정하여, 다음과 같은 결과를 얻었다.
(1) Ti 클래드재에서 후열처리에 의해 Fe와 Ti성 분이 Ti/STS409L 계면을 중심으로 상호 확산되어, 계면접합부에서 확산접합이 일어난 것을 알 수 있었다.
(2) 확산층의 두께는 후열처리온도가 증가할수 록 증가하였으며, 확산층은 Fe, Ti, Ni의 금속간화 합물(ε + ζ상)로 구성되어 있었다.
(3) 후열처리의 온도가 증가할수록 Ti/STS409L 접합계면부의 미소 누프경도는 증가하였으며, 800℃에서 정점에 달한 후 850℃에서는 감소하였 다.
(4) 인장강도는 후열처리 온도가 증가할수록 감 소하다가 750℃에서 최저값을 나타낸 후 850℃까 지 급증하였다.
(5) 재료의 후속가공공정을 위한 후열처리의 온 도 영역은 700℃에서 750℃구간이 적합한 것으로 판단된다.
후 기
본 연구는 2010년도 동의대학교 교내연구비 (2010AA194)의 지원에 의하여 수행됨.
참 고 문 헌
[1] T. Fukuda, T, Fukami, Y. Baba, K. Honma, 1994, Clad steel for seawater service, Desalination, Vol.
97, pp. 121~129.
[2] S. H. Choi, K. H. Kim, K. H. Oh, D. N. Lee,1997, Tensile deformation behavior of stainless steel clad aluminum bilayer sheet, Mater. Sci. and Eng. A, Vol. 222, pp. 158~165.
[3] T. Mori, S. Kurimoto, 1998, Deformation characteristics of aluminum-clad stainless steel sheet under uniaxial tension, Trans. ASME, Vol.
120, pp. 179~184.
[4] N. Kahraman, B. Gülenç, F. Findik, 2005, Joining of titanium/stainless steel by explosive welding and
effect on interface, J. Mater. Process. Tech., Vol.
169, pp. 127~133.
[5] K. Y. Rhee, W. Y. Han, H. J. Park, S. S. Kim, 2004, Fablication of aluminium/ copper clad composite using hot hydrostatic extrusion process and its material characteristics, Mater. Sci. Eng., A, Vol.
384, pp. 70~76.
[6] K. Raghukandan, 2003, Analysis of the explosive cladding of cu-low carbon steel plates, J. Mater.
Proc. Tech., Vol. 139, pp. 573~577.
[7] D. S. Bae, S. K. Kim, S. P. Lee, T. Shibayama, D.
H. Bae, 2007, Interface Properties of Copper/
Aluminum/Stainless Steel Clad Materials, Key Eng.
Mater., Vol. 345-346, pp. 1497~1500.
[8] S. S. Park, D. S. Bae, J. H. Lee, D. H. Bae, 2007, Development of new bimetal material for home appliances by using the rolling process, Trans.
Mater. Proces., Vol. 16, pp. 375~380.
[9] H. S. Lee, J. H. Yoon, Y. M. Yi, 2007, Oxidation behavior of titanium alloy under diffusion bonding, Thermochimica Acta, Vol. 455, pp. 105~108.
[10] D. H. Bae, S. J. Jung, Y. R. Cho, W. S. Jung, H. S.
Jung, C. Y. Kang, D. S. Bae, 2009, Effect of Pre- Heat Treatment on Bonding Properties in Ti/Al/STS Clad Materials, J. Kor. Ins. Met. &
Mater., Vol. 47, pp. 573~579.
[11] H. Okamoto, 2000, Desk Handbook, Phase Diagrams for Binary Alloys, ASM International, Ohio, USA, p. 29.
