플라즈마 분체 용접(PTA) 공정 최적화: D2 강철 부품의 내마모성 극대화 방안

이 기술 요약은 F. García-Vázquez 외 저자가 Materials Science Forum (2013)에 발표한 논문 “[Analysis of weld bead parameters of overlay deposited on D2 steel components by plasma transferred arc (PTA) process.]”를 기반으로 하며, STI C&D에서 기술 전문가가 분석 및 요약했습니다.

키워드

• Primary Keyword: 플라즈마 분체 용접 (PTA)
• Secondary Keywords: D2 강철, 오버레이 용접, 용접 비드, 내마모성, 희석률

Executive Summary

• The Challenge: D2 공구강 부품은 심한 마모에 노출되어 수명이 단축되므로, 효과적인 표면 강화 기술이 필요합니다.
• The Method: 플라즈마 분체 용접(PTA) 공정을 사용하여 D2 강철 기판에 니켈 기반 초경합금 오버레이를 증착하고, 용접 전류 및 이동 속도와 같은 공정 변수가 미치는 영향을 분석했습니다.
• The Key Breakthrough: 용접 이동 속도를 높이고 용접 전류를 낮추면 기판과의 희석률이 감소하며, 균일한 탄화물 석출 영역이 형성되어 내마모성이 크게 향상됨을 확인했습니다.
• The Bottom Line: PTA 공정 변수의 정밀한 제어를 통해 D2 강철 부품의 표면 경도와 내마모성을 극대화하여 부품 수명을 연장하고 보수 비용을 절감할 수 있습니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

금속-기계 산업에서는 심한 마모에 노출된 공구강 부품의 복구 및 수명 연장이 지속적인 과제로 남아있습니다. 특히 D2 강철과 같은 고탄소, 고크롬 냉간 공구강은 다이, 펀치 등 고부하 작업에 사용되지만 마모로 인한 손상이 잦습니다. 기존의 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)이나 산소 연료 용접(OFW) 방식은 오버레이 품질이나 희석률 제어에 한계가 있었습니다.

이러한 배경에서 플라즈마 분체 용접(PTA)은 고품질의 야금학적 결합을 이루면서도 희석률이 낮은 오버레이 층을 형성할 수 있는 첨단 표면 처리 기술로 주목받고 있습니다. PTA 공정은 산화물이나 불순물 개재가 적고 균일성이 높은 코팅을 생성하여 부품의 내마모성과 내식성을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다. 이 연구는 PTA 공정 변수가 D2 강철의 오버레이 품질에 미치는 영향을 정량적으로 분석하여, 마모된 부품의 재생 및 성능 향상을 위한 최적의 공정 조건을 찾는 것을 목표로 합니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구에서는 자동화된 플라즈마 분체 용접(PTA) 하드페이싱 공정을 사용하여 D2 공구강 평판(140mm x 60mm x 20mm) 위에 니켈 기반 합금과 텅스텐 카바이드 혼합 분말을 증착했습니다. D2 강철의 화학적 조성은 표 1에 명시되어 있습니다.

핵심 공정 변수인 용접 전류, 이동 속도, 예열 온도, 오실레이션 폭을 표 2와 같이 5가지 수준으로 설정하여 실험을 설계했습니다. 가스 유량과 토치 이격 거리는 일정하게 유지했습니다. 연구진은 이러한 독립적으로 제어 가능한 변수들이 용접 비드의 형상과 품질에 미치는 중요한 영향을 규명하고자 했습니다.

증착된 오버레이 층의 미세구조적 특성은 주사전자현미경(SEM)과 에너지 분산형 X선 분광법(EDXS)을 통해 분석했으며, 기계적 특성을 평가하기 위해 경도 시험과 마모 시험을 수행했습니다. 이 체계적인 접근법을 통해 각 공정 변수가 최종 오버레이 층의 야금학적 특성과 기계적 성능에 미치는 영향을 정밀하게 평가할 수 있었습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

Finding 1: 공정 변수가 희석률에 미치는 영향

희석률(Dilution)은 모재가 녹아 오버레이 층과 섞이는 정도로, 오버레이의 성능을 저하시키는 주요 요인입니다. 연구 결과, 용접 이동 속도와 용접 전류가 희석률에 상반된 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

• 그림 5에서 볼 수 있듯이, 용접 이동 속도가 0.3 m/min에서 1.5 m/min으로 증가함에 따라 희석률은 약 42%에서 25%로 지속적으로 감소했습니다. 이는 이동 속도가 빨라질수록 단위 길이당 용접부에 가해지는 열 입력이 줄어들어 모재의 용융이 억제되기 때문입니다.
• 반면, 그림 6은 용접 전류가 65A에서 105A로 증가할 때 희석률이 약 25%에서 40%로 비례하여 증가하는 경향을 보여줍니다. 전류 증가는 아크 에너지를 높여 모재를 더 많이 녹이기 때문입니다. 따라서 낮은 희석률과 고품질의 오버레이를 위해서는 높은 이동 속도와 낮은 용접 전류를 적용하는 것이 유리합니다.

Finding 2: 오버레이 층의 경도 및 내마모성 향상

PTA 공정을 통해 형성된 니켈 기반 오버레이 층은 D2 강철 모재보다 월등한 기계적 특성을 보였습니다.

• 그림 7a의 경도 프로파일은 용접 비드 상단에서 약 58 HRC, 텅스텐 카바이드가 집중된 영역에서는 최대 약 72 HRC의 매우 높은 경도를 나타냈습니다. 이는 단단한 탄화물 입자가 효과적으로 분포되어 있음을 의미합니다.
• 그림 8의 마모 시험 결과는 이러한 특성의 실용적 이점을 명확히 보여줍니다. 니켈 기반 필러 금속(Ni Filler Metal)으로 오버레이된 D2 강철은 D2 모재(D2 Base Metal)나 D2 필러 금속(D2 Filler Metal)에 비해 현저히 낮은 마모 계수(wear coefficient)를 기록했습니다. 이는 균일한 탄화물 석출 영역 덕분에 표면의 내마모성이 크게 향상되었음을 입증합니다.

Practical Implications for R&D and Operations

• For Process Engineers: 이 연구는 PTA 공정에서 용접 이동 속도를 높이고 전류를 낮추는 것이 희석률을 최소화하고 고품질 오버레이를 얻는 데 기여할 수 있음을 시사합니다. 예열 공정은 균열을 줄이는 데 매우 중요하므로 반드시 고려해야 합니다.
• For Quality Control Teams: 논문의 그림 7에 나타난 경도 프로파일은 오버레이 층의 품질을 평가하는 중요한 지표가 될 수 있습니다. 특히 탄화물 영역에서 경도가 급격히 증가하는지 확인하여 오버레이의 내마모 성능을 예측하고, 이를 새로운 품질 검사 기준으로 설정할 수 있습니다.
• For Design Engineers: 이 연구 결과는 마모된 부품을 보수하거나 신규 부품의 내구성을 향상시키는 데 PTA 오버레이가 효과적인 솔루션임을 보여줍니다. 특히 판금 다이와 같이 높은 내마모성이 요구되는 부품의 수명을 연장하는 데 직접적으로 적용할 수 있습니다.

Paper Details

Analysis of weld bead parameters of overlay deposited on D2 steel components by plasma transferred arc (PTA) process.

1. Overview:

• Title: Analysis of weld bead parameters of overlay deposited on D2 steel components by plasma transferred arc (PTA) process.
• Author: F. García-Vázquez, A. Aguirre, A. Arizmendi, H. M. Hernández-García, L. Santiago-Bautista, J. Acevedo and B. Vargas-Arista
• Year of publication: 2013
• Journal/academic society of publication: Materials Science Forum Vol. 755
• Keywords: PTA process, weld bead, overlay, D2 steel, wear.

2. Abstract:

Plasma Transferred Arc (PTA) process is increasingly used in applications where enhancement of wear, corrosion and heat resistance of metals surface is required. The shape of weld bead geometry affected by the PTA welding process parameters is an indication of the quality of the weld. PTA is a versatile method of depositing high-quality metallurgically fused deposits on relatively low cost surfaces. The overlay deposited is an alloy that is hard and more corrosion resistant than counterparts laid down by Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) or Oxy Fuel Welding (OFW) processes. Weld deposits are characterized by very low levels of inclusions, oxides, and discontinuities. This process produces smooth deposits that significantly reduce the amount of post weld machining required. Metal-Mechanic industry continuously requires recovering tool steel components subjected to severe wear. The steel known as D2 is considered to be a high carbon, high chromium cold work tool steel. In this research, weld beads were deposited on D2 steel by using PTA process with different parameters as welding current and travel speed using base nickel filler metal. In order to evaluate the metallurgical features on the weld beads/substrate interface a microstructural characterization was performed by using Scanning Electron Microscopy (SEM) and to evaluate the mechanical properties was conducted the wear test.

3. Introduction:

In the recent years, PTA surfacing has an extensive use in applications such as valve industries, hydraulic machineries, mining industries, chemical and thermal power plants etc. PTA process can be considered as an advanced Gas Tungsten Arc welding process more widely used for overlay applications. Weld deposition of hardfacing alloys is commonly employed to enhance the tribological life of engineering components subjected to hostile environments. The reclamation of worn out metal parts is demanded worldwide and for this demand PTA hardfacing of hard, wear resistant thin surface layer of metals and alloys on suitable substrates is one of the proven surfacing techniques [1]. This Process stands out for its high quality, metalurgically bonded with substrate and low diluted overlays. These overlays also exhibit high homogeneity, low oxide content, and low concentrations of other unwanted inclusions [2]. In this process the metal and alloy powder is carried from the powder feeder to the central electrode holder in the arc-gas stream. From the electrode holder the powder is directed to the constricted arc zone, where it is melted and fusion bonded to the base metal. Thus, smooth, thin deposits of overlays can be made through this way of precise control of feedstock by PTA welding process [3,4].

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

PTA 표면 처리 공정은 금속 표면의 내마모성, 내식성, 내열성을 향상시키기 위해 널리 사용됩니다. 특히 심한 마모 환경에 노출되는 D2 공구강과 같은 부품의 수명을 연장하고 복구하는 데 효과적인 기술로 주목받고 있습니다.

Status of previous research:

기존 연구들은 PTA 공정이 GTAW(가스 텅스텐 아크 용접)보다 진보된 오버레이 기술이며, 기판과의 희석률이 낮고 균일하며 불순물이 적은 고품질의 오버레이 층을 형성한다고 보고했습니다 [1, 2]. 또한 분말 형태의 재료를 정밀하게 제어하여 얇고 부드러운 증착층을 만들 수 있는 장점이 있습니다 [3, 4].

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 PTA 공정을 사용하여 D2 강철 위에 니켈 기반 합금 오버레이를 증착할 때, 용접 전류 및 이동 속도와 같은 핵심 공정 변수가 용접 비드의 형상, 미세구조 및 기계적 특성(경도, 내마모성)에 미치는 영향을 분석하는 것입니다. 이를 통해 D2 강철 부품의 성능을 최적화할 수 있는 공정 조건을 규명하고자 합니다.

Core study:

연구의 핵심은 다양한 용접 전류와 이동 속도 조건에서 D2 강철 기판에 PTA 오버레이 용접을 수행하고, 생성된 용접 비드의 단면을 분석하는 것입니다. SEM을 이용한 미세구조 관찰, 희석률 계산, 경도 프로파일 측정, 마모 시험을 통해 공정 변수와 오버레이 층의 품질 간의 상관관계를 정량적으로 평가했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

본 연구는 D2 강철 평판에 니켈 기반 합금 분말을 PTA 공정으로 증착하는 실험적 설계를 따릅니다. 용접 전류, 이동 속도, 예열 온도, 오실레이션 폭을 주요 변수로 설정하고, 표 2에 제시된 바와 같이 각 변수를 5개 수준으로 변경하며 실험을 수행했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

• 미세구조 및 성분 분석: 주사전자현미경(SEM)과 에너지 분산형 X선 분광법(EDXS)을 사용하여 용접 비드 단면, 계면, 열영향부(HAZ)의 미세구조와 화학 조성을 분석했습니다.
• 용접 비드 형상 및 희석률 분석: 입체 현미경으로 용접 비드 단면 이미지를 촬영하고, 기하학적 형상(그림 3)을 기반으로 희석률을 계산했습니다.
• 기계적 특성 평가: 마이크로 경도 시험기를 사용하여 오버레이 층의 깊이에 따른 경도 프로파일을 측정했으며, 마모 시험을 통해 내마모성을 정량적으로 평가했습니다.

Research Topics and Scope:

연구의 범위는 D2 공구강에 대한 PTA 하드페이싱 공정에 국한됩니다. 주요 연구 주제는 PTA 공정 변수(특히 용접 전류와 이동 속도)가 오버레이 층의 희석률, 경도, 내마모성에 미치는 영향을 분석하는 것입니다. 이를 통해 고성능 내마모 코팅을 위한 최적의 공정 조건을 도출하는 것을 목표로 합니다.

6. Key Results:

Key Results:

• 희석률은 이동 속도가 증가함에 따라 지속적으로 감소하고, 용접 전류가 증가함에 따라 증가합니다.
• 예열은 용접 비드의 균열을 줄이는 데 매우 중요한 역할을 합니다.
• PTA 공정 적용 중 금속 합금 자체의 미세구조적 변화는 관찰되지 않았습니다.
• 경도 값은 탄화물 영역에서 크게 증가하므로, 가공 후 내마모성이 우수한 오버레이 층을 얻을 수 있습니다.
• 니켈 기반 필러 금속을 사용함으로써 표면의 내마모성이 크게 향상됩니다.
• PTA 공정으로 증착된 오버레이의 우수한 경도 덕분에 판금 다이와 같이 내마모성이 요구되는 부품의 보수 방법으로 활용될 수 있습니다.

Figure List:

• Fig. 1. (a) Cross section microstructure of the weld bead. (b) EDXS spectrum of the metal alloy.
• Fig. 2. (a) Microstructure of the interface zone between weld bead and base metal. (b) EDXS spectrum of the interface zone.
• Fig. 3. Weld bead geometry.
• Fig. 4. Stereoscope images of the weld bead geometry.
• Fig. 5. Effect of travel speed on dilution percentage.
• Fig. 6. Effect of welding current on dilution percentage.
• Fig. 7. (a) Hardness profile in the overlay. (b) Microstructure showing the indentation zones carried out in the overlay.
• Fig. 8. Wear coefficient of the filler metals.

7. Conclusion:

• Dilution percentage decreases constantly with increase in travel speed. This is attributed to the reduced heat input per unit length of weld bead when travel speed is increased.
• Preheat is very important because it reduces the cracking in the weld bead.
• There are not microstructural changes in the metal alloy during the PTA process application.
• The hardness values increase in the carbide zone, therefore after machining there will be an overlay with wear resistance properties.
• Wear resistance on the surface is improved using nickel based filler metal.
• Due to hardness of the deposited overlay by PTA is improved it can be used as refurbishment method in components where wear resistance is required as sheet metal dies.

8. References:

• [1] B. Howard, Surfacing for wear resistance, Stephen Helba et al. (eds.), Modern Welding Technology, Prentice Hall Inc., New Jersey 2002, 721-726.
• [2] E. Gruzdys and S. Meskinis, Influence of Plasma Transferred Arc Process Parameters on Structure and Mechanical Properties of Wear Resistive NiCrBSi-WC/Co Coatings, Materials Science 17 (2011) 140-144.
• [3] H. Eschnauer, Hard material powders and hard alloy powders for plasma surface coating, Thin Solid Films 73 (1980) 1-17.
• [4] C.R. Das, S.K. Albert, A.K., Bhaduri and G. Kempulraj, A novel procedure for fabrication of wear-resistant bushes for high-temperature application, Journal of Materials Processing Technology 141 (2003) 60-66.
• [5] A.I. Khuri and J.A. Cornell: Response surfaces, Designs and analyses, Marcel Dekker Inc., New York (1996).
• [6] C. Katsich and E. Badisch, Effect of carbide degradation in a Ni-based hardfacing under abrasive and combined impact/abrasive conditions, Surface Coating Technology 206 (2011) 1062-1068.
• [7] C. Katsich, A. Zikin and E. Badisch: 8th International DAAAM Baltic Conference, Industrial Engineering (2012).
• [8] Properties and Selection: Irons, Steels, and High Performance Alloys ASM Handbook, Vol. 1 (1993).
• [9] A. Scotti and L. Alves Albuquerque Rosa, Influence of oscillation parameters on crack formation in automatic Fe-B hardfacing, Journal of Materials Processing Technology 65 (1997) 272-280.
• [10] V. Gunaraj and N. Murugan, Prediction and comparison of the area of the heat-affected zone for the bead-on-plate and bead-on-joint in submerged arc welding of pipes, Journal of Materials Processing Technology 95 (1999) 246-261.
• [11] I.S. Kim, J.S. Son, Y.J. Jeung, Control and Optimisation of bead width for multi-pass welding in robotic arc welding processes, Australian Welding Journal 46 (2001) 43-46.
• [12] K. Marimuthu, N. Murugan, Prediction and optimization of weld bead geometry of plasma transferred arc hardfaced valve seat rings, Surface Engineering 19 (2003) 143-149.
• [13] J.C. Mc. Glone, Weld bead geometry prediction – a review, Metal Construction 14 (1982) 378-384.
• [14] P.K. Palani, N. Murugan, Optimization of weld bead geometry of stainless steel cladding by flux cored arc welding using Excel Solver, IWS Journal 2 (2005) 15-19.

Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 희석률 분석에서 용접 전류와 이동 속도를 핵심 변수로 선택한 이유는 무엇입니까?

A1: 용접 전류와 이동 속도는 용접부의 단위 길이당 가해지는 열 입력(heat input)을 직접적으로 결정하는 가장 중요한 변수이기 때문입니다. 열 입력은 모재의 용융 깊이와 양에 직접적인 영향을 미치며, 이는 곧 희석률로 이어집니다. 따라서 이 두 변수를 제어하고 분석함으로써 오버레이 층의 품질에 가장 큰 영향을 미치는 요인을 규명하고 최적의 공정 조건을 찾을 수 있습니다.

Q2: 그림 7a에서 계면 영역(interface zone)의 경도가 약 50 HRC로 감소하는 이유는 무엇입니까?

A2: 논문에서 명시적으로 설명하지는 않았지만, 이는 야금학적 혼합에 기인한 것으로 보입니다. 계면 영역은 필러 금속의 상대적으로 무른 니켈 기반 기지(matrix)와 D2 강철 모재가 섞이는 전이 구간입니다. 이 영역은 단단한 텅스텐 카바이드 입자의 밀도가 낮고, 원래 D2 강철의 템퍼링된 구조와도 달라 경도가 일시적으로 낮아지는 현상을 보일 수 있습니다.

Q3: 논문에서는 예열이 균열 감소에 중요하다고 언급했는데, 그 메커니즘은 무엇입니까?

A3: 예열은 용접부와 모재 사이의 온도 구배를 줄여 냉각 속도를 늦추는 역할을 합니다. 특히 D2와 같은 고탄소강은 급격히 냉각될 경우 마르텐사이트와 같은 취성(brittle) 조직이 형성되기 쉬워 균열에 취약합니다. 예열을 통해 냉각 속도를 제어하면 잔류 응력을 최소화하고 연성이 있는 미세조직이 형성될 시간을 확보하여 용접 균열의 위험을 크게 줄일 수 있습니다.

Q4: 그림 8을 보면, 니켈 기반 필러(NiCrBSi)가 D2 필러 금속을 사용하는 것보다 어떤 구체적인 장점이 있습니까?

A4: 그림 8은 니켈 기반 필러 금속의 마모 계수가 D2 필러 금속보다 현저히 낮다는 것을 보여줍니다. 이는 니켈 기반 합금이 D2 강철 자체의 탄화물 구조보다 우수한 내마모성을 제공하기 때문입니다. NiCrBSi 합금은 인성이 좋은 니켈 기지에 매우 단단한 크롬 및 규소의 붕화물/탄화물과 첨가된 텅스텐 카바이드가 분산된 복합 재료 구조를 형성합니다. 이 구조는 마모에 대한 저항성이 훨씬 뛰어납니다.

Q5: “균일한 탄화물 석출 영역”이 내마모성 향상에 어떻게 기여합니까?

A5: 텅스텐 카바이드와 같은 매우 단단한 입자가 인성이 있는 니켈 합금 기지에 균일하게 분포되어 있으면 표면 전체가 일관된 높은 내마모성을 갖게 됩니다. 만약 탄화물이 불균일하게 분포하면, 상대적으로 무른 영역이 마모의 시작점으로 작용할 수 있습니다. 균일한 분포는 마모력에 대한 일관된 방어막을 형성하여 국부적인 마모를 방지하고 전체적인 부품 수명을 연장시킵니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

본 연구는 플라즈마 분체 용접(PTA) 공정 변수의 정밀한 제어가 D2 강철 부품의 표면 품질을 결정하는 핵심 요소임을 명확히 보여주었습니다. 특히 용접 이동 속도를 높이고 전류를 낮춤으로써 희석률을 최소화하고, 니켈 기반 합금 필러를 통해 경도와 내마모성이 월등한 오버레이 층을 형성할 수 있었습니다. 이는 마모된 고가 부품의 수명을 연장하고 교체 비용을 절감할 수 있는 실질적인 해결책을 제시합니다.

STI C&D에서는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 지원하는 데 전념하고 있습니다. 이 백서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.

(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.

• 연락처 : 02-2026-0450
• 이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

Copyright Information

• This content is a summary and analysis based on the paper “Analysis of weld bead parameters of overlay deposited on D2 steel components by plasma transferred arc (PTA) process.” by “F. García-Vázquez, et al.”.
• Source: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.755.39

This material is for informational purposes only. Unauthorized commercial use is prohibited. Copyright © 2025 STI C&D. All rights reserved.