[논문]알루미늄 합금의 미끄럼마모 특성에 미치는 상대재 경도의 영향

이한영; 조용재; 김태준; 박원규

doi:10.9725/kstle.2010.26.2.105

[국내논문] 알루미늄 합금의 미끄럼마모 특성에 미치는 상대재 경도의 영향
Analysis of Sliding Wear Properties for Aluminum Alloy According to the Hardness Values of the Mating Tool Steel 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.26 no.2, 2010년, pp.105 - 110

이한영 (계명대학교 신소재공학과) , 조용재 (계명대학교 대학원 재료공학과(현 한국생산기술연구원)) , 김태준 (계명대학교 대학원 재료공학과(현 경북하이브리드부품연구원)) , 박원규 (계명대학교 대학원 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to investigate the wear behavior of aluminum alloy depended on different hardness of the mating tool steel, sliding wear tests were conducted. It was found that the wear characteristics pattern of aluminum alloy for sliding speed was not affected by the hardness of the mating tool steel. However, the effects of the hardness of the mating tool steel exhibited only in relatively low sliding speed ranges. At these ranges, the wear rate of aluminum alloy decreased when increasing the hardness of the mating tool steel. This was attributed by the fact that $Al_2O_3$ particles released from the aluminum worn surface were crushed and embedded on the mating worn surface with high hardness level. At the high sliding speed ranges, wear of aluminum alloy was hardly occurred by the formation of thick $Al_2O_3$ film on the worn surface, regardless of the hardness of the mating tool steel.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 측면에서 본 연구에서는 열처리를 통해 경도(HRC)를 3수준으로 한 합금 공구강을 상대재로 알루미늄 합금의 미끄럼 마모특성을 각각 조사하고 시편과 상대재의 마모면을 관찰하여 알루미늄 합금의 미끄럼 마모특성에 미치는 상대재의 경도의 영향을 해석하였다.

제안 방법

소실모형은 EPS(Expandable polystyrene: 밀도 20.0~25.0 kg/m3)을 이용하여 각봉의 형태(시편부 15×15×135 mm)로 제작한 후 AFS(American Foundry Society) 입도지수가 66인 주물사 속에 장착하고 용탕을 주입하였다.
이후 이들을 기계가공하여 소정의 Pin 형상(Φ7.5×15 mm)으로 제작하였다.
시편제작은 모합금(Al-12%Si 합금)을 용해하여 소실모형주조방식으로 제작하였다. 주조를 위해 A1-12%Si 모합금 5 kg을 흑연 도가니 속에서 720℃까지 가열하여 용융시킨 뒤, 탈가스 처리 및 미세화처리를 위해 시판되는 Flux (AlCl₃ +3%Ti-1%B-Al)을 투입하였다. 소실모형은 EPS(Expandable polystyrene: 밀도 20.
열처리는 650℃에서 30분간 유지한 뒤 소입온도인 1020℃에서 20분간 유지하는 2단계가열방법을 취한 뒤 유냉하였다. 이후 tempering처리를 490℃, 630℃, 750℃의 3온도에서 각각 2시간동안 행하여 열처리 후 상대재의 경도를 HRC 56(환산 Hv 613), 42(환산 Hv 412), 30(환산 Hv 302)의 3수준으로 하였다. 편의상 본 연구에서는 상대재 경도에 따른 시편과 상대재의 조합에 따른 시편과 상대재를 구분하기 위하여 각각 시편의 경우는 ON56, ON42, ON30으로 하고 상대재의 경우는 56DISC, 42DISC, 30DISC로 하였다.
이후 tempering처리를 490℃, 630℃, 750℃의 3온도에서 각각 2시간동안 행하여 열처리 후 상대재의 경도를 HRC 56(환산 Hv 613), 42(환산 Hv 412), 30(환산 Hv 302)의 3수준으로 하였다. 편의상 본 연구에서는 상대재 경도에 따른 시편과 상대재의 조합에 따른 시편과 상대재를 구분하기 위하여 각각 시편의 경우는 ON56, ON42, ON30으로 하고 상대재의 경우는 56DISC, 42DISC, 30DISC로 하였다.
미끄럼 마모시험은 Pin-on-Disc형 미끄럼마찰마모시험기[17]를 사용하였으며 시험전 시편과 상대재의 접촉면은 600# Abrasive paper로 연마하여 표면거칠기를 조절하였다. 이때 시험하중은 2.
알루미늄과 접촉하여 상대운동을 하는 철강재료 상대재를 열처리에 의해 여러 경도수준으로 변화시킨 후 상대재의 경도수준에 따른 알루미늄의 미끄럼 마모특성을 조사하고 해석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

상대재는 시판되는 냉간금형용 합금공구강 STD11(1.45%C, 12.4%Cr, 0.89%Mo, 0.23% V)을 사용하였으며, 환봉에서 Φ80×8 mm의 Disc형태로 가공한 후 열처리를 행하였다.
본 연구에서는 Al-Si계 비열처리성 알루미늄 주조합금을 마모시편으로 하였다. 이것의 화학조성을 Table 1에 나타내었다.
이것의 화학조성을 Table 1에 나타내었다. 시편제작은 모합금(Al-12%Si 합금)을 용해하여 소실모형주조방식으로 제작하였다. 주조를 위해 A1-12%Si 모합금 5 kg을 흑연 도가니 속에서 720℃까지 가열하여 용융시킨 뒤, 탈가스 처리 및 미세화처리를 위해 시판되는 Flux (AlCl₃ +3%Ti-1%B-Al)을 투입하였다.

데이터처리

5 km로 하였다. 마모시편의 마모량 측정은 소정의 마찰거리마다 시편의 중량감소로 마모량을 산출하였으며 동일 조건에서 복수의 시편(2~4개)을 시험을 하여 이들의 평균값을 사용하였다.

성능/효과

1) 알루미늄의 마모에 대한 속도특성 곡선 형태는 상대재 경도와 무관한 것으로 밝혀졌다. 그러나 미끄럼 속도구간(고속도 시험구간과 저속도 시험구간)에 따라 마모율에 미치는 상대재의 경도의 영향이 상이하였다.
2) 고속도 구간에서는 상대재 경도와 무관하게 알루미늄 시편표면에 현저한 Al₂O₃ 막층이 생성되어 마모 발생이 적고 마모율도 유사하였다.
3) 그러나 저속도 구간에서는 상대재의 경도에 따라 마모형태가 변하였다. 저경도 상대재의 경우는 Al₂O₃ 및 철산화물에 의해 abrasive적으로 마모가 진행되어 시편과 상대재의 마모율이 공히 크게 증대시킨다.
이상의 결과, 고속도 시험구간에서는 상대재 마찰면에 그들의 경도와 무관하게 산화물 생성이 없으나 온도상승이 현저한 알루미늄 시편의 마찰면에는 상대재의 경도와 무관하게 두꺼운 Al₂O₃ 막층이 형성되어 낮은 마모율을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 그러나 저속도 시험구간에서는 마찰초기에는 알루미늄 표면의 Al₂O₃ 막층으로 인해 마모율이 적으나 이들이 탈락되어 Abrasive입자로써 작용하므로써 마모율이 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄의 특징은 무엇인가?	대표적인 경량소재로 알려진 알루미늄은 높은 전기 및 열전도도를 가지고 있을 뿐만 아니라 가공성 및 내식성 등이 우수한 것으로 알려져 있다. 그러나 구조용 재료로써의 알루미늄의 적용은 아주 제한적인 것이 사실이다.
	구조용 재료로써 알루미늄의 적용이 아주 제한적인 이유는 무엇인가?	그러나 구조용 재료로써의 알루미늄의 적용은 아주 제한적인 것이 사실이다. 이는 알루미늄의 강도가 낮아 내마모성이 열악할 뿐만 아니고 이를 보완하기 위한 표면처리기술 등도 확립되어 있지 않기 때문이다[1]. 그래서 최근은 알루미늄의 조직을 미세화[2]하거나 합금성분을 조정[3]하기도 하고 graphite[4], carbon fiber[5], TiB2[6] 등을 첨가하여 복합재료화 하는 방법을 통해 고강도화하는 방안이 검토되고 있다.
	알루미늄의 마모에 대한 속도특성 곡선 형태는 무엇에 영향을 받았는가?	1) 알루미늄의 마모에 대한 속도특성 곡선 형태는 상대재 경도와 무관한 것으로 밝혀졌다. 그러나 미끄럼 속도구간(고속도 시험구간과 저속도 시험구간)에 따라 마모율에 미치는 상대재의 경도의 영향이 상이하였다.

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상세보기
이한영, 김근영, "미끄럼접촉을 하는 탄소강의 경도차조합에 따른 마모특성 변화연구," 한국윤활학회 제37회 추계 학술대회발표 논문집, pp. 85-90, 2003
H.Y.Lee, "Analysis of Sliding Wear Mode on Annealed Steel by X-ray Diffraction Technique," Wear, Vol. 256, pp. 657-663, 2003.

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