[논문]열처리에 따른 메탈베어링용 Al-Sn 합금의 미세조직 제어

김진수; 박태은; 한춘봉; 손광석; 김동규

열처리에 따른 메탈베어링용 Al-Sn 합금의 미세조직 제어
Microstructural Control of Al-Sn Metal Bearing Alloy with Heat Treatment 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.29 no.1, 2009년, pp.45 - 51

김진수 (동아대학교 신소재공학과) , 박태은 (동아대학교 신소재공학과) , 한춘봉 (동아대학교 신소재공학과) , 손광석 (동아대학교 신소재공학과) , 김동규 (동아대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Conventionally, Al-Sn bearing manufacturing involves casting the Al-Sn alloy and roll-bonding to a steel backing strip. This article will describe the microstructural control of Al-Sn metal bearing alloy following heat treatment. When the pure aluminum rod dipped in the melt of tin maintained below the melting point of aluminum, the melting of aluminum was accelerated with penetration of tin along the grain boundary of aluminum. The length of plate-shaped eutectic tin was decreased with heat treatment time. With even longer heat treatment time over 1 hour the length of eutectic tin didn't decrease any more, while resulting in coarsening of aluminum matrix. Exuded liquid of eutectic tin was formed at the surface of Al-Sn alloy after heat treatment even at below eutectic temperature.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 상기 현상의 체계적인 규명을 위하여 다양한 조건에서의 열처리에 따른 주석 방울의 분석을 행하였다. 모든 시험편은 열처리 전에 1 µm의 diamond suspension 을 이용하여 표면을 연마 한 후 각 시험 온도로 유지된 열처리 로에 장입 후 각 시간별로 꺼내어 공냉시켰다.
Al-Sn 합금은 고액 공존범위가 매우 넓고 비중차가 매우 크기 때문에 Al 중에 Sn 이 거의 고용되지 않고 용해/주조 시 심한 편석 현상이 발생한다. 본 연구에서는 용해 시 Al 과 Sn 의 용해 특성을 알아보기 위해 주석 용탕이 고상 알루미늄 내로 침투하는 실험을 행하였다. 직경 20 mm의 순수한 알루미늄 봉을 제작하여 2000번 SiC 연마 용지로 연마하였다.
본 연구에서는 주조용 Al-Sn 베어링 합금의 응고조직과 열처리에 따른 주석상의 분포 거동을 조사하고자 하였으며, 가열 온도에 따른 주석 방울의 형성거동을 조사함으로서 Al-Sn 베어링 합금의 베어링 사용온도 조건에서의 윤활기구를 검토하였다.

가설 설정

2) 주석 함량의 증가는 입계에 편석된 공정 주석 상에 의해 Al-Sn 합금의 경도 및 강도를 저하시킨다. 20% Sn 이상의 경우, 입계에 판상으로 편석된 주석 상이 서로 연결되어 망상의 네트워크 구조를 이루고 알루미늄 입자간의 결합력을 약화 시켜 기계적 특성이 저하된다.

제안 방법

그리고, 다양한 조건에서의 열처리에 따른 주석 방울의 발생 원인을 확인하기 위해 열처리 온도를 주석의 융점 직상의 250 ℃에서 다양한 시간동안 열처리를 행하였고 온도를 20 ℃씩 감소시켜 190 ℃까지 실험하였다.
미세조직 관찰용 시험편은 주조된 시험편의 중간부위에서 채취하였으며, 조직 분석을 위한 통상의 시편 준비 과정을 통하여 전처리를 행하고, 최종적으로는 1 µm의 diamonds 입자를 이용하여 연마하였다.
본 연구에서는 응고된 Al-Sn 합금의 중간 부위를 취하여 250 ℃, 300 ℃, 400 ℃ 의 온도에서 각 시간별로 열처리를 행하여 미세조직 분석과 기계적 시험을 행하였다.
Al-Sn 베어링 합금의 주방 상태의 미세조직 제어를 위해서는 본 합금계의 용융 및 응고 특성을 이해하는 것이 필요하다. 본 합금계의 응고 특성을 알아보기 위해 알루미늄 용융점 이하의 온도로 유지된 주석 용탕 내에서 고상 알루미늄의 용융 침투 실험을 수행하였다.
표면의 입체적인 형상을 관찰하기 위하여 모든 시편을 전계방사주사전자현미경으로 분석하였다. 주석방울 발생의 원인을 확인하기 위해 열처리 온도를 주석의 융점 직상의 250 ℃에서 다양한 시간동안 열처리를 행하였고 온도를 20 ℃씩 감소시켜 190 ℃까지 실험하였다.
미세조직 관찰용 시험편은 주조된 시험편의 중간부위에서 채취하였으며, 조직 분석을 위한 통상의 시편 준비 과정을 통하여 전처리를 행하고, 최종적으로는 1 µm의 diamonds 입자를 이용하여 연마하였다. 표면 전처리가 끝난 시료는 2% 불산 용액을 사용하여 약 5 초간 에칭한 후 광학현미경과 주사전자현미경으로 미세조직을 관찰하였다.
모든 시험편은 열처리 전에 1 µm의 diamond suspension 을 이용하여 표면을 연마 한 후 각 시험 온도로 유지된 열처리 로에 장입 후 각 시간별로 꺼내어 공냉시켰다. 표면의 입체적인 형상을 관찰하기 위하여 모든 시편을 전계방사주사전자현미경으로 분석하였다. 주석방울 발생의 원인을 확인하기 위해 열처리 온도를 주석의 융점 직상의 250 ℃에서 다양한 시간동안 열처리를 행하였고 온도를 20 ℃씩 감소시켜 190 ℃까지 실험하였다.
직경 20 mm의 순수한 알루미늄 봉을 제작하여 2000번 SiC 연마 용지로 연마하였다. 흑연 도가니에 순도 99.7%의 Sn 을 장입하여 우선 용해 시켜 500 ℃로 유지 시킨 후, 앞서 제작한 알루미늄 봉을 주석 용탕 속에 침지하여 유지 시키고, 시간 별로 알루미늄 봉의 용융 상태를 조사 하였다.

대상 데이터

도가니는 두께가 15 mm, 직경이 100 mm인 흑연 도가니를 사용하였으며, Al과 Sn 의 비중 차에 의한 중력 편석을 피하기 위하여 200 × 40 × 30 mm 크기의 금형에 용탕을 수평 방향인 주입하여 시험편을 제조하였다.
용해는 발열체로 칸탈선을 사용한 전기로를 이용하였다. 도가니는 두께가 15 mm, 직경이 100 mm인 흑연 도가니를 사용하였으며, Al과 Sn 의 비중 차에 의한 중력 편석을 피하기 위하여 200 × 40 × 30 mm 크기의 금형에 용탕을 수평 방향인 주입하여 시험편을 제조하였다.
본 연구에서는 용해 시 Al 과 Sn 의 용해 특성을 알아보기 위해 주석 용탕이 고상 알루미늄 내로 침투하는 실험을 행하였다. 직경 20 mm의 순수한 알루미늄 봉을 제작하여 2000번 SiC 연마 용지로 연마하였다. 흑연 도가니에 순도 99.

성능/효과

(b) 영역을 알루미늄과 주석에 대해 면 분석한 결과로서, 주석이 알루미늄 기지의 결정립계를 따라 침투하고 있으며, 고/액 계면 근처에서 알루미늄 결정입계의 완전 용융에 의해 50 µm 크기의 알루미늄 입자의 분리가 막 종료되는 현상도 확인 할 수 있다.
1) 알루미늄 융점이하의 온도에서도 주석은 알루미늄 결정입계를 따라 침투하여 알루미늄의 용융현상을 촉진시킨다.
3) 열처리를 통해 판상의 공정 주석 상의 길이가 감소하지만, 열처리 시간 1 시간 이후에는 주석 상의 길이 감소는 일어나지 않고 기지 알루미늄의 조대화가 일어난다.
4) 공정 주석의 용융점 이하의 온도에서도 장시간 유지 시 표면에 주석방울이 형성되었다.
한편, 이들 합금의 경도를 측정한 결과 Sn 함량이 10%에서 40%로 증가함에 따라 경도 값은 Hv 25에서 Hv 17로 감소하였다. 또한 같은 시험편의 기계적 성질을 측정한 결과 항복강도, 인장강도 및 연신율은 주석 함량이 증가함에 따라 5 kg/mm²에서 4.6 kg/mm²로, 6.5 kg/mm²에서 4.9 kg/mm²로, 25%에서 13%로 각각 감소하였다. 이는 주석 함량이 증가함에 따라 공정 주석 상이 박막형태에서 초정 알루미늄 입자를 둘러싸는 망상 형태로 정출하게 되어, 초정 알루미늄 결정립간의 결합력이 감소되기 때문이다.
즉, 공정 주석의 용융점 (228 ℃) 온도 이상 인 300 ℃에서 열처리 하는 경우에는, 최종응고부에 정출한 공정 주석은 액상을 형성하게 되고 주석 액상간의 응집에 의해 결정입계 주석의 길이가 감소하게 된다[9,11]. 본 실험 결과에 따르면, 열처리 시간이 1 시간 경과 시 까지는 액상 공정 주석의 응집이 일어나게 되어 판상 주석의 길이가 감소하고, 그 이상 열처리 시간이 길어지면 주석의 응집 현상은 더 이상 진행되지 않고 기지인 알루미늄의 조대화가 발생하게 되는 것으로 판단된다.
그러나 이 경우에는 열처리 온도와 시간에 따른 표면 주석 방울의 수와 크기에는 큰 변화가 관찰되지 않는다. 이러한 실험 결과는, 주석 방울의 생성기구로서 이전에 제안되었던 주석 액상의 이동 뿐만이 아니라, 이보다 40 ℃ 이상 낮은 온도에서도 주석 방울을 생성 가능하게 하는 다른 기구가 존재함을 보여준다고 하겠다.
4에 주방 상태와 250 ℃, 300 ℃, 400 ℃에서 각각 1시간 열처리한 Al-40% Sn 합금의 미세조직 사진을 나타내었다. 주석 함량이 증가됨으로서 공정 주석 상이 초정 알루미늄 결정립을 둘러싸는 망상형으로 정출된 것을 확인 할 수 있다. 사진 내의 검은 점들은 시험편의 연마 시 주석이 빠져나간 곳이다.
한편, 이들 합금의 경도를 측정한 결과 Sn 함량이 10%에서 40%로 증가함에 따라 경도 값은 Hv 25에서 Hv 17로 감소하였다. 또한 같은 시험편의 기계적 성질을 측정한 결과 항복강도, 인장강도 및 연신율은 주석 함량이 증가함에 따라 5 kg/mm²에서 4.

후속연구

Al 기지의 입계에 길게 편석된 판상의 주석 상은 계면 면적이 크기 때문에 열처리 하면 구상 또는 짧은 판상으로 그 형상이 변화한다. 그러나 체적에 대한 계면 면적의 비는 판상의 주석의 형상에 따라 변화하고 공정 주석의 융점이 228 ℃로 매우 낮으므로, 최적화된 열처리 온도와 시간을 결정하기 위하여 Al-Sn 합금의 열처리 조건에 따른 미세조직의 변화에 대한 체계적인 연구가 필요하다.
실제 저속·고하중의 선박 기관의 베어링 사용 온도는 약 150 ℃ 이상 상승하는 것으로 알려져 있고[1-3], 본 연구의 결과로 유추할 때, 이 온도에서도 충분한 시간이 유지된다면 주석 방울이 생성될 가능성이 크다고 판단되며, 보다 체계적인 연구가 필요한 주제이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄계 합금의 장점은 무엇인가?	이에 따라 주석계 화이트메탈과 Cu계 합금의 중간적 성질을 가지며 경량화에 큰 장점이 있는 알루미늄계 합금이 개발되고 있는데, 이 합금은 열전도율이 화이트메탈보다 우수하여 엔진이 운전되면서 발생되는 베어링의 마찰열을 즉시 외부로 전달시키는 장점도 가지고 있다. 또한 유럽에서는 최근에 연속적인 bimetal형 베어링 제조공정을 이용하여 양질의 메탈 베어링을 생산하고 있지만 이러한 제조 방법은 공정이 복잡하고 제조 경비가 많이 소요된다[1].
	Al계 베어링 합금의 특징은 무엇인가?	Al계 베어링 합금은 내식성, 내피로성, 내마모성에 있어서 Sn계, Pb계 화이트메탈 및 동연합금계 베어링보다 우수한 특성을 가지고 있기 때문에, 최근 선박용 엔진이 고성능화, 고출력화 되면서 고온, 고속의 분위기 하에서도 우수한 내피로성을 갖는 베어링 소재로서 주목을 받고 있다[1-3].
	이종의 재료를 접합하는 공정 중 원심주조 기술은 어떤 장점을 갖고 있는가?	지금까지 이종의 재료를 접합하는 공정으로는 주조, 소결, 압접 등의 다양한 공정이 개발되어 있으나 메탈베어링용 Al-Sn계 합금은 주로 압접 방식에 의한 공정으로 생산되고 있다. 하지만 원심주조 기술은 제조 공정이 간단하여 많은 인력과 제조 경비를 절약할 수 있고 있다는 장점이 있다.

참고문헌 (12)

A. Krzymien, P. Krzymien: J. of Kones Combustion Engines, "Development of bimetal bearing for engine crank mechanism", 8, 1-2 (2001) 116-121
S.J. Harris, D.G. McCartney, A.J. Horlock, C. Perrin: Materials Science Forum, "Production of ultrafine microstructures in Al-Sn, Al-Sn-Cu and Al-Sn-Cu-Si alloys for use in tribological applications", 331-337 (2000) 519-525

상세보기
M. Tagami, A. Sugafuji, K. Ohguchi, Y. Sasaki, A. Muto: J. of Japan Institute of Light Metals, "Wear resistance of aluminium bearing alloys containing high concentration of tin under boundary lubrication", 55, 2 (2005) 57-62

상세보기
T.B. Massalski: "Binary Alloy Phase Diagrams", ASM, (1986) 167
M.R.E. Desvaux: Tribology, "Development of high-tin aluminium plain bearing material", 4 (1972) 61
X. Liu, M.Q. Zeng, Y. Ma, M. Zhu: Wear, "Wear behavior of Al-Sn alloys with different distribution of Sn dispersoids manipulated by mechanical alloying", 265 (2008) 1857-1863

상세보기
D. Sriram, V. Rao: Metalworld, "Recent developments in cast non ferrous bearing materials, 2 (2006) 6-11
H.R. Kotadia, J.B. Patal, Z. Fan, E. Doernberg, R.S. Fetzer: Solid State Phenomena, "Processing of Al-45Sn, 10Cu based immiscible alloy by a rheomixing process, 141-143 (2008) 529-534.

상세보기
T. Marrocco, L.C. Driver, S.J. Harris, D.G. McCartney: J. of Thermal Spray Technology, "Microstructure and properties of thermally sprayed Al-Sn-based alloys for plain bearing applications", 15 (2006) 634-639

상세보기
M.S. Ali, P.A.S. Reed, S. Syngellakis, A. Moffat, C. Perrin: Materials Science Forum, "Microstructural factors affecting fatigue initiation in various Al- based bearing alloys", 519-521 (2006) 1071-1076

상세보기
G.B. Schaffer, T.B. Sercombe, R.N. Lumley: Materials Chemistry and Physics, Liquid phase sinterinf of aluminium alloys", 67 (2001) 85-91

상세보기
T. Sercombe: Ph. D Thesis, University of Queensland, Australia, "Non-conventional sintered aluminium powder alloys", (1998) 85-96

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증