[논문]알루미늄합금 재료의 부식피로거동에 미치는 쇼트피닝 효과에 대한 미시적 분석

김종천; 정성균

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.11.1381

알루미늄합금 재료의 부식피로거동에 미치는 쇼트피닝 효과에 대한 미시적 분석
Microscopic Analysis of Effect of Shot Peening on Corrosion Fatigue Behavior of Aluminum Alloy 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.11, 2012년, pp.1381 - 1389

김종천 (서울과학기술대학교 NID 대학원) , 정성균 (서울과학기술대학교 기계공학과)

초록
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본 논문에서는 쇼트피닝 가공한 알루미늄 7075-T6 재료의 부식피로향상에 대한 연구를 하였다. 사용된 알루미늄 금속은 상대적으로 가볍고 강한 재료의 특성으로 항공기 주요부품의 재료로 사용되고 있으며, 많은 연구를 통해 알루미늄을 사용하면 약 50%의 무게 감소효과를 낼 수 있다고 한다. 재료의 부식은 인장환경에서 재료의 파단시점을 앞당기고 구조물의 수명을 심각하게 감소시킨다. 따라서 알루미늄 금속의 부식 환경에서의 재료의 부식저항을 향상 시킬 수 있는 연구가 요구된다. 쇼트피닝 가공은 재료 표면에 압축잔류응력을 인가하여 재료의 피로수명을 늘리고 나아가 재료의 신뢰성을 확보하는 기술로 반복하중을 받는 많은 부품들에 이미 적용되어 사용되고 있다. 부식 환경에서는 가공 후 거칠어진 표면으로 인해 공식부식을 야기하지만, 피닝가공에 의한 표면 직하에 압축잔류응력이 부식을 억제하여 부식저항을 증가시킨다. 본 연구에서의 쇼트피닝가공된 시험편에 대한 실험결과와 선행연구에서의 쇼트피닝 가공하지 않은 알루미늄 합금 재료의 부식피로특성을 비교하였다. 실험 결과 쇼트피닝 가공은 알루미늄합금의 피로수명향상에 영향을 미치고, 압축잔류응력은 부식피로수명을 증가시킴을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The object of this study considers corrosion fatigue improvement of 7075-T6 aluminum by using shot peening treatment on 3.5% NaCl solution at room temperature. Aluminum alloy is generally used in aerospace structural components because of the light weight and high strength characteristics. Many studies have shown that an aluminum alloy can be approximately 50% lighter than other materials. Mostly, corrosion leads to earlier fatigue crack propagation under tensile conditions and severely reduces the life of structures. Therefore, the technique to improve material resistance to corrosion fatigue is required. Shot peening technology is widely used to improve fatigue life and other mechanical properties by induced compressive residual stress. Even the roughness of treated surface causes pitting corrosion, the compressive residual stress, which is induced under the surface layer of material by shot peening, suppresses the corrosion and increases the corrosion resistance. The experimental results for shot peened specimens were compared with previous work for non treated aluminum alloy. The results show that the shot peening treatment affects the corrosion fatigue improvement of aluminum alloys and the induced compressive residual stress by shot peening treatment improves the resistance to corrosion fatigue.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

일반적으로 회전 굽힘 피로실험에서 모든 피로균열은 외부 표면에서부터 발생하여 내부로 진전하게 된다.⁽¹⁶⁾ 때문에 초기크랙(initial crack)의 발생 지점을 통해 균열파단 특성을 나타내게 되는데, 본 실험에서는 쇼트피닝 가공한 시험편과 가공하지 않은 시험편의 피로파단면 분석을 통해 피닝 가공으로 인가된 압축잔류응력이 부식 환경에서의 알루미늄 재료의 피로거동 특성에 어떻게 영향을 미치는지 분석 하였다.
본 논문에서는 선행연구를 기반으로 사용된 알루미늄 재료의 부식에 대한 부동태화(passivation) 특성 및 부식 환경에서의 쇼트피닝 가공의 효과를 미시적 관점에서 분석하였으며, 실험적(fractograpty)으로 부식특성을 규명하여 이를 통해 피닝 가공된 알루미늄 합금 재료의 부식거동 특성 및 모델을 제안하고자 한다.
본 연구에서는 쇼트피닝가공을 이용하여 사용된 알루미늄 7075-T6 재료의 부식 환경에서의 부동태화 특성 및 피로 거동특성에 미치는 영향에 대한 연구를 진행하였으며, 결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

7의 일반적인 알루미늄 재료의 부식 경향과 상응하는 것을 알 수 있다.⁽⁴⁾ 쇼트피닝가공으로 인해 알루미늄 7075-T6 재료 표면에 인가된 압축잔류응력⁽¹⁸⁾이부식피로거동에 미치는 영향을 미시적으로 평가하기 위하여 파단면 분석을 실시하였다.
5% NaCl(35g salt/ℓ)부식용액을 만들어 사용하였다.^(14,15) Fig. 3과 같이 밀폐용기를 사용하여 부식액이 담긴 용기 내부의 용존 산소를 제거하였고, 부식기간 동안 NaCl의 침전을 방지하기 위해 일정시간마다 밀폐용기를 교반하였다. 계획된 부식 시간에 도달한 시험편을 부식용기에서 꺼내어 흐르는 물에 염분을 제거하기 위해서 세척을 실시하였으며, 세척 후 상온에서 자연 건조하여 표면 조도계(Mitutoyo, SJ-400)를 상용하여 부식기간별 재료 표면의 중심선 평균값(R_a) 과 최대 거칠기 (R_max)를 측정하여 부식정도를 평가하였다.
3과 같이 밀폐용기를 사용하여 부식액이 담긴 용기 내부의 용존 산소를 제거하였고, 부식기간 동안 NaCl의 침전을 방지하기 위해 일정시간마다 밀폐용기를 교반하였다. 계획된 부식 시간에 도달한 시험편을 부식용기에서 꺼내어 흐르는 물에 염분을 제거하기 위해서 세척을 실시하였으며, 세척 후 상온에서 자연 건조하여 표면 조도계(Mitutoyo, SJ-400)를 상용하여 부식기간별 재료 표면의 중심선 평균값(R_a) 과 최대 거칠기 (R_max)를 측정하여 부식정도를 평가하였다.
1 은 시험편의 형상을 나타낸 것이며, 최소 직경이 8mm 가 되도록 가공하였다. 또한, 재료 표면을 sand paper 와 metal polish 용액을 사용하여 재료 표면을 연마하여 가공 과정에서 발생 가능한 표면요철을 제거하였다.
선행연구에서 사용한 방법과 동일한 방법으로 Fig. 2와 같이 시험편에 쇼트피닝가공을 실시하였다. 알루미늄 시험편 중앙 부분에 쇼트볼이 집중되도록 양단에 보호캡슐을 장착하여 쇼트피닝 가공을 수행하였다.
쇼트피닝 가공 처리한 시험편과 그렇지 않은 시험편의 일정 부식기간에 따른 피로거동을 평가하기위해 4절점 회전굽힘 피로시험기(SHIMADZU, H7)를 사용하여 피로실험을 실시하였다. 피로시험기의 회전수를 2,000±10 rpm으로 일정하게 설정하고 순수 굽힘 응력 상태의 응력 발생을 아래와 같은 식 (1)으로 정의된다.
쇼트피닝 가공 후 피닝 영향 범위를 평가하기 위해 재료표면으로부터 경도 분포를 측정하였다. 이를 위해 시험편 중앙부를 채취한 후 절단면을 #2000 sand paper로 표면 평균 거칠기 값(Ra)이 0.
시험편의 부식기간별 부식특성과 피로거동 평가를 위해 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 이용하여 피로실험에 사용된 환봉 시험편의 파단면분석(fractography)을 실시하였다. 일반적으로 회전 굽힘 피로실험에서 모든 피로균열은 외부 표면에서부터 발생하여 내부로 진전하게 된다.
2와 같이 시험편에 쇼트피닝가공을 실시하였다. 알루미늄 시험편 중앙 부분에 쇼트볼이 집중되도록 양단에 보호캡슐을 장착하여 쇼트피닝 가공을 수행하였다. 쇼트피닝가공은 선행연구에서 선정된 최적피닝강도(optimum peening intensity)인 0.
쇼트피닝 가공 후 피닝 영향 범위를 평가하기 위해 재료표면으로부터 경도 분포를 측정하였다. 이를 위해 시험편 중앙부를 채취한 후 절단면을 #2000 sand paper로 표면 평균 거칠기 값(Ra)이 0.03㎛ 까지 되도록 연마 하였으며, 마이크로 비커스 경도계(Micro Vickers Hardness tester, JP/FM-7)를 사용하여 표면으로부터 20㎛간격으로 경도 분포를 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 알루미늄 7075-T6 재료는 고강도 합금으로 항공기 주요부품, 기계부품 및 스포츠용품에 사용되고 있다. 시효성(aging)이 있는 알루미늄 재료의 T6 온도의 열처리를 통한 최대의 강도를 얻을 수 있지만, SCC(stress corrosion cracking)에 민감하게 반응하는 단점이 있다.
341mmA⁽⁹⁾으로 실시하였으며 피닝 조건은 Table 4와 같다. 부식실험을 위해서 실제 바다의 평균 염분 농도를 기준으로 부식실험에 적합한 3.5% NaCl(35g salt/ℓ)부식용액을 만들어 사용하였다.^(14,15) Fig.

성능/효과

(2) 이 같은 초기부식으로 8주 동안 약 33%의 피로수명 감소가 발생하였지만, 선행연구의 피닝 가공하지 않은 시험편의 초기 4주 동안의 약 63%의 감소량보다 낮은 피로수명 감소 결과를 얻었다. 피닝 가공으로 인가된 압축잔류응력의 효과로 인한 내부피로파괴 특성 때문에 상대적으로 표면 부식으로부터 균열 진전을 억제하기 때문으로 판단된다.
(3) 깊이별 경도분포 평가결과 표면으로부터 약 250㎛까지 피닝 영향범위가 형성되었음을 확인하였으며, 이 같은 결과는 파단면 분석을 통해 재료 내부에서 발생한 초기 크랙의 위치와 상응하는 것을 확인하였다.
(4) 표면 거칠기 평가결과에서 피닝 가공으로 중심선 평균값은 4주 동안의 부식으로 6.4㎛에서 7.53㎛으로 증가하였으며, 최대 거칠기 값은 31.5㎛에서 39.4㎛로 증가하였다. 하지만, 4주 이후부터 표면 거칠기 값의 증가량이 둔화되는 경향을 보였다.
이 결과는 피닝 가공으로 재료 표면에 요철부위가 많아 부식이 쉽게 발생하였음을 알 수 있다. Fig. 13은 연구결과를 바탕으로 피닝 가공된 알루미늄 재료의 부식거동 특성을 나타낸 것으로 피닝 가공으로 형성된 표면 요철로 초기 부식이 상대적으로 활발히 진행되지만, 재료의 부식에 대한 부동태화 특성 및 피닝 가공의 효과로 부식에 대한 저항 능력이 증가하였음을 확인하였다. 하지만, Fig.
6의 부식 기간별 데이터 분석을 통해 초기 부식 진전은 활발히 진행 되었지만 4주가 지나면서부터 그 속도가 상대적으로 감소하는 결과를 얻을 수 있었다. 이 결과는 사용된 알루미늄 재료의 활발한 초기부식 특성과 산화막부동태화 특성으로 판단되며, Fig. 7의 일반적인 알루미늄 재료의 부식 경향과 상응하는 것을 알 수 있다.⁽⁴⁾ 쇼트피닝가공으로 인해 알루미늄 7075-T6 재료 표면에 인가된 압축잔류응력⁽¹⁸⁾이부식피로거동에 미치는 영향을 미시적으로 평가하기 위하여 파단면 분석을 실시하였다.
특히 피로수명이 일정하게 수렴하는 8주를 기준으로 그 감소량은 약 33% 로 확인되었다. 이와 달리 피닝가공 하지 않은 시험편의 경우 부식기간이 4주일 때부터 피로수명이 수렴하는 경향을 보였으며, 그 감소량은 약 63%로 확인된다. Fig.
피닝 가공한 시험편의 경우 부식기간이 증가하면 피로수명 감소량이 다소 완만하게 진행된다. 특히 피로수명이 일정하게 수렴하는 8주를 기준으로 그 감소량은 약 33% 로 확인되었다. 이와 달리 피닝가공 하지 않은 시험편의 경우 부식기간이 4주일 때부터 피로수명이 수렴하는 경향을 보였으며, 그 감소량은 약 63%로 확인된다.

후속연구

반면에 알루미늄 재료는 강한 부식저항 능력과 재활용에 용이하여 매년 그 사용량이 증가하고 있다.⁽⁴⁾ 앞으로 자동차 시장을 대표할 전기자동차의 주행성능 향상을 위해 배터리 성능 및 구동장치에 대한 연구가 활발히 진행되겠지만, 알루미늄과 같은 경량 재료를 사용함으로써 차량의 무게를 줄이고 효율을 향상시키는 연구도 활발히 진행될 것으로 판단된다. 항공 산업분야에서는 알루미늄 재료를 사용함으로써 비행기 운항자중(operating empty weight)의 약 75%를 감소시키는 효과를 보았고, 자동차 산업에서는 알루미늄 부품의 사용을 통해 100∼300㎏의 무게를 줄임으로서 약 30∼50%가량의 무게 감소를 통한 연비개선 및 배기가스 저감을 연구 중이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	피닝 가공으로 피로수명 감소를 얻은 이유는 무엇인가?	(2) 이 같은 초기부식으로 8주 동안 약 33%의 피로수명 감소가 발생하였지만, 선행연구의 피닝 가공하지 않은 시험편의 초기 4주 동안의 약 63%의 감소량보다 낮은 피로수명 감소 결과를 얻었다. 피닝 가공으로 인가된 압축잔류응력의 효과로 인한 내부피로파괴 특성 때문에 상대적으로 표면 부식으로부터 균열 진전을 억제하기 때문으로 판단된다.
	알루미늄 재료의 특징은?	(3) 하지만, 마그네슘은 부식에 대한 저항성능이 낮아 그 활용도에 있어서 많은 제약이 있다. 반면에 알루미늄 재료는 강한 부식저항 능력과 재활용에 용이하여 매년 그 사용량이 증가하고 있다. (4) 앞으로 자동차 시장을 대표할 전기자동차의 주행성능 향상을 위해 배터리 성능 및 구동장치에 대한 연구가 활발히 진행되겠지만, 알루미늄과 같은 경량 재료를 사용함으로써 차량의 무게를 줄이고 효율을 향상시키는 연구도 활발히 진행될 것으로 판단된다.
	친환경 녹색성장을 위해 노력하고 있는 것은?	환경문제의 대두로 세계는 친환경 녹색성장이라는 목표아래 새로운 기술개발에 임하고 있다. 특히 대기환경문제의 원인으로 거론 되고 있는 항공기, 자동차의 배기가스를 줄이기 위한 노력으로 장치기기의 최적화로 연료소모량을 줄이고 있으며, 이미 다양한 산업분야 에서는 재료의 경량화를 통한 에너지 소비량을 줄이기 위해 복합재료 및 경량금속을 사용하고 있다. (1,2) 알루미늄과 마그네슘은 이를 대표하는 경량재료로서 그 적용분야가 확대되고 있다.

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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].

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