Recently, the fuel oil of diesel engines of marine ships has been increasingly changed to heavy oil of low quality as the oil price is getting higher and higher. Therefore, the spiral gear attached at the motor of the oil purifier which plays an important role to purify the heavy oil is also easy to...
Recently, the fuel oil of diesel engines of marine ships has been increasingly changed to heavy oil of low quality as the oil price is getting higher and higher. Therefore, the spiral gear attached at the motor of the oil purifier which plays an important role to purify the heavy oil is also easy to expose at severe environmental condition due to the purification of the heavy oil in higher temperature. Thus, the material of the spiral gear requires a better mechanical strength, wear and corrosion resistance. In this study, the heat treatment(tempering) with various holding time at temperature of $500^{\circ}C$ was carried out to the alloy of Cu-7Al-2.5Si as centrifugal casting, and the properties of both hardness and corrosion resistance with and without heat treatment were investigated with observation of the microstructure and with electrochemical methods, such as measurement of corrosion potential, cathodic and anodic polarization curves, cyclic voltammogram, and a.c. impedance. in natural seawater solution. The ${\alpha}$, ${\beta}^{\prime}$ and ${\gamma}_2$ phases were observed in the material in spite of no heat treatment due to quenching effect of a spin mold. However, their phases, that is, ${\beta}^{\prime}$ and ${\gamma}_2$ phases decreased gradually with increasing the holding time at a constant temperature of $500^{\circ}C$. The hardness more or less decreased with heat treatment, however its corrosion resistance was improved with the heat treatment. Furthermore, the longer holding time, the better corrosion resistance. In addition, when the holding time was 48hrs, its corrosion current density showed the lowest value. The pattern of corroded surface was nearly similar to that of the pitting corrosion, and this morphology was greatly observed in the case of no heat treatment. It is considered that ${\gamma}_2$ phase at the grain boundary was corroded preferentially as an anode. However, the pattern of general corrosion exhibited increasingly due to decreasing the ${\gamma}_2$ phase with heat treatment. Consequently, it is suggested that the corrosion resistance of Cu-7Al-2.5Si alloy can be improved with the heat treatment as a holding time for 48 hrs at $500^{\circ}C$.
Recently, the fuel oil of diesel engines of marine ships has been increasingly changed to heavy oil of low quality as the oil price is getting higher and higher. Therefore, the spiral gear attached at the motor of the oil purifier which plays an important role to purify the heavy oil is also easy to expose at severe environmental condition due to the purification of the heavy oil in higher temperature. Thus, the material of the spiral gear requires a better mechanical strength, wear and corrosion resistance. In this study, the heat treatment(tempering) with various holding time at temperature of $500^{\circ}C$ was carried out to the alloy of Cu-7Al-2.5Si as centrifugal casting, and the properties of both hardness and corrosion resistance with and without heat treatment were investigated with observation of the microstructure and with electrochemical methods, such as measurement of corrosion potential, cathodic and anodic polarization curves, cyclic voltammogram, and a.c. impedance. in natural seawater solution. The ${\alpha}$, ${\beta}^{\prime}$ and ${\gamma}_2$ phases were observed in the material in spite of no heat treatment due to quenching effect of a spin mold. However, their phases, that is, ${\beta}^{\prime}$ and ${\gamma}_2$ phases decreased gradually with increasing the holding time at a constant temperature of $500^{\circ}C$. The hardness more or less decreased with heat treatment, however its corrosion resistance was improved with the heat treatment. Furthermore, the longer holding time, the better corrosion resistance. In addition, when the holding time was 48hrs, its corrosion current density showed the lowest value. The pattern of corroded surface was nearly similar to that of the pitting corrosion, and this morphology was greatly observed in the case of no heat treatment. It is considered that ${\gamma}_2$ phase at the grain boundary was corroded preferentially as an anode. However, the pattern of general corrosion exhibited increasingly due to decreasing the ${\gamma}_2$ phase with heat treatment. Consequently, it is suggested that the corrosion resistance of Cu-7Al-2.5Si alloy can be improved with the heat treatment as a holding time for 48 hrs at $500^{\circ}C$.
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문제 정의
본 연구에서는 알루미늄-규소 청동을 원심주조하여 도너츠 형태의 중공 환봉을 제작하고, 스파이렐 기어의 성능에 요구되는 기계적 강도 및 내식성에 미치는 열처리 온도 및 열처리 시간에 대하여 비교 고찰하여 보았다. 따라서 본 연구의 결과는 스파이렐기어 소재의 국산화를 위한 기초 데이터를 제공하는데 중요한 참고자료가 되리라 기대된다.
제안 방법
측정방법은 부식전위 변화와 양극 및 음극분극곡선의 측정과 Stern-geary 식에 근거한 컴퓨터 프로그램에 의해 부식전류밀도를 측정하였다. 그리고 사이클릭 볼타모그램 변화와 임피던스(교류: 0.1Hz에서 104 Hz)를 측정하고 분극곡선 측정 후의 부식된 표면을 관찰하였다.
그리고 이들 소형시편을 설정온도±2 ℃로 제어되는 전기로에 장입하고 500 ℃의 열처리온도에서 3, 6, 12, 24, 48 및 72시간동안 각각 유지한 후에 시편을 유냉하였다.
그리고 전기화학적 내식성 실험을 위해 시험편을 샌드페이퍼 100번에서 2000번까지 연마한 후 노출면적 1㎠만을 남기고 나머지는 실리콘 수지로 절연 시켰으며 가장자리에 구멍을 뚫고 동선을 연결하여 시험편을 제작하였다. 시험용액은 천연해수용액을 사용하였으며 용존산소의 농도 차에 의한 농도분극 및 부식생성물에 의한 실험결과의 오차를 최소화하기 위해 3 ㎝/s (PIV: Particle Image Velocimetery 로 측정)의 속도로 용액을 유동시키면서 측정하였다.
Tech사가 수입 판매하는 CMS-100 프로그램이며 기준전극은 SCE전극, 대극은 백금을 사용하였고 주사속도는 1㎷/s, 그리고 delay time 은 1800초로 하였다. 단 사이클릭 볼타모그램의 측정은 +2.0V ~ -0.65V 영역에서 30㎷/s의 주사속도로 하였으며 부식된 표면사진은 멀티미디어 영상현미경(Sometech사, Model: SV35)으로 200배 배율로 관찰하였다.
그리고 전기화학적 내식성 실험을 위해 시험편을 샌드페이퍼 100번에서 2000번까지 연마한 후 노출면적 1㎠만을 남기고 나머지는 실리콘 수지로 절연 시켰으며 가장자리에 구멍을 뚫고 동선을 연결하여 시험편을 제작하였다. 시험용액은 천연해수용액을 사용하였으며 용존산소의 농도 차에 의한 농도분극 및 부식생성물에 의한 실험결과의 오차를 최소화하기 위해 3 ㎝/s (PIV: Particle Image Velocimetery 로 측정)의 속도로 용액을 유동시키면서 측정하였다. 측정방법은 부식전위 변화와 양극 및 음극분극곡선의 측정과 Stern-geary 식에 근거한 컴퓨터 프로그램에 의해 부식전류밀도를 측정하였다.
열처리가 완료된 시편은 두께 방향으로 약 절반 되는 위치를 두께 방향과 수직이 되는 방향으로 고속의 수냉 회전커트기로 절단하였다. 절단된 면은 연마 및 정마하여 경도 측정, 미세조직을 관찰하고 내식성에 대한 전기화학적 실험을 실시하였다. 경도측정은 대경사제 모델의 브리넬 경도기를 사용하였고, 사용압자는 직경 10 ㎜의 강구이며, 적용 하중은 3,000 kg, 하중시간은 15 초 이다.
지금까지 원심 주조한 알루미늄-규소청동을 500℃의 일정온도에서 유지시간을 변수로 열처리했을 때 기계적 성질과 내식성에 미치는 효과에 대해서 비교 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
시험용액은 천연해수용액을 사용하였으며 용존산소의 농도 차에 의한 농도분극 및 부식생성물에 의한 실험결과의 오차를 최소화하기 위해 3 ㎝/s (PIV: Particle Image Velocimetery 로 측정)의 속도로 용액을 유동시키면서 측정하였다. 측정방법은 부식전위 변화와 양극 및 음극분극곡선의 측정과 Stern-geary 식에 근거한 컴퓨터 프로그램에 의해 부식전류밀도를 측정하였다. 그리고 사이클릭 볼타모그램 변화와 임피던스(교류: 0.
경도측정은 대경사제 모델의 브리넬 경도기를 사용하였고, 사용압자는 직경 10 ㎜의 강구이며, 적용 하중은 3,000 kg, 하중시간은 15 초 이다. 평면으로 연마된 한 개의 시편에 대하여 4 점의 측정위치에서 브리넬 경도를 측정하였다. 한편, 조직사진을 측정하기 위하여 직경 3 ㎛의 다이아몬드로 연마하여 평탄한 거울면을 얻은 후 (FeCl3⋅ 6H2O 10g +HCl 20 ㎖ +메틸알콜20 ㎖)의 에칭액에 25 초간 침지하고 에칭이 완료된 후에는 물로 세정하고, 다시 알콜을 분무하여 블로어로 건조시켰다.
대상 데이터
실험에 사용된 측정장치는 Won. A. Tech사가 수입 판매하는 CMS-100 프로그램이며 기준전극은 SCE전극, 대극은 백금을 사용하였고 주사속도는 1㎷/s, 그리고 delay time 은 1800초로 하였다. 단 사이클릭 볼타모그램의 측정은 +2.
그리고 상기한 시험편을 가로 40×세로 30×두께 25 ㎜의 소형 시편을 제작하였다.
그리고 원통형의 원심주조재를 길이 방향과 원주 방향으로 절단하여 가로 30×세로 30×길이 260 ㎜의 사각봉을 제작하였다.
실험에 사용된 측정장치는 Won. A.
원심주조재의 형태는 외경 370×내경 310×길이 540 ㎜의 원통관이며 원심주조재의 화학적 조성은 Table 1과 같다.
따라서 음극부동태 한계전류밀도가 클수록 내식성이 좋은 경향을 나타내는 것으로 판단된다. 한편 본 실험에 사용한 알루미늄-규소청동의 주요 금속성분은 구리, 알루미늄 및 규소이다. 전위-pH도15)에 의하면 이들 성분의 평형전위식은 다음과 같다.
이론/모형
절단된 면은 연마 및 정마하여 경도 측정, 미세조직을 관찰하고 내식성에 대한 전기화학적 실험을 실시하였다. 경도측정은 대경사제 모델의 브리넬 경도기를 사용하였고, 사용압자는 직경 10 ㎜의 강구이며, 적용 하중은 3,000 kg, 하중시간은 15 초 이다. 평면으로 연마된 한 개의 시편에 대하여 4 점의 측정위치에서 브리넬 경도를 측정하였다.
성능/효과
1. 열처리를 한 경우 열처리온도의 유지시간에 관계없이 열처리를 하지 않은 경우에 비하여 약간의 경도저하가 있었으며 특히 48시간동안 열처리 했을 때 경도의 저하가 가장 컸었다.
11) 그리고 열처리에 의해서 결정립은 조대화 되고 점진적으로 β′ 상과 γ2상은 감소하며 특히 결정입계의 γ2 상이 많이 감소하여 부식형태는 균일부식으로 변하면서 부식전류밀도는 감소하는 것으로 판단된다.
2. 원심주조에 사용되는 회전 금형이 수냉되기 때문에 급냉에 의한 열처리효과로 인하여 원심주조재의 조직에서 α 상 뿐만 아니라 β′ 상과 γ2상도 관찰되었다.
3. 열처리에 의해서 결정립의 조직이 조대화 되는 경향을 나타내었으며 그리고 열처리에 의해서 β′ 상과 γ2 상이 감소하는 경향을 나타내었다.
4. 열처리를 하지 않은 경우 γ2 상이 양극으로 작용하여 공식현상이 관찰되었으나, 열처리에 의해서 γ2상의 감소로 인하여 균일부식으로 변화하면서 내식성이 향상되었다.
5. 본 실험의 결과 열처리에 의해서 약간의 경도저하는 있었으나 내식성의 개선효과를 얻었다.
FIg. 3의 조직사진에서 알 수 있듯이 열처리를 하지 않은 경우 결정립이 미세하고 β′ 상과 γ2상이 많이 존재하며 특히 결정입계에 γ2상이 많이 존재하고 있음을 알 수 있었다.
전술한 바와 같이 열처리를 함으로써 결정립이 조대화되고 점진적으로 β′ 상과 γ2 상은 감소하며 특히 결정입계의 γ2 상이 많이 감소하여 공식이 억제되는 것으로 생각된다. 결과적으로 열처리에 의해서 공식의 억제에 의한 내식성의 개선효과를 얻을 수 있다고 판단되었다.
6에서 알 수 있듯이 열처리를 한 경우가 열처리를 하지 않은 경우에 비해서 부식전류밀도가 확실히 감소하는 경향을 알 수 있다. 그리고 500 ℃에서 유지시간이 길수록 부식전류밀도는 점진적으로 감소하는 경향이 있었으며 48시간에서 가장 적은 전류밀도 값을 나타내고 72시간에서는 다시 부식전류밀도가 증가하는 경향이 있음을 알 수 있다.
48시간 유지한 시험편의 경우 가장 높은 전위를 나타내고 있으며 12시간 유지한 시험편이 가장 낮은 부식전위를 나타내고 있음을 알 수 있다. 그리고 열처리 유지시간이 길수록 부식전위는 높은 값을 나타내는 경향이 있음을 알 수 있었다. 일반적으로 부식전위가 해수용액에서 높은 값을 나타내면 염소이온에 의한 피막의 파괴가 억제되어 부식전위를 형성하는 양극분극이 큰 값을 가지므로 정성적으로 내식성이 좋은 것으로 평가된다.
그리고 이 알루미늄청동의 특징은 고체 Cu 중에 Al이 용해되더라도 Cu의 면심입방격자가 그대로 유지되며 Cu-Al 합금의 미세조직이 α 상만으로 구성되는 고용체이다. 따라서 Cu-Al계 합금의 특징은 Fig. 1에서 알 수 있듯이 Cu-Zn 합금 및 Cu-Sn 합금보다도 고용강화 효과가 크며, Al 농도가 증가할수록 직선적인 비례관계로 증가한다.9) 예를 들면 Al 함유량이 8% 및 10%에서 경도 및 강도가 각각 최고치를 나타내는 것으로 알려져 있다.
1 Hz에서 12시간의 경우 가장 높은 임피던스값을 나타내고 있으며 24시간에서 가장 적은 값을 나타내었다. 본 실험의 임피던스값과 내식성의 상관관계는 잘 일치하지 않음을 알 수 있다. 시험편의 표면에 형성된 부식생성물이 저항분극으로 작용하여 임피던스에 영향을 미치기 때문에 임피던스값의 변화만으로 내식성의 정도를 정성적으로 평가하는 것은 어려움이 있는 것으로 판단된다.
전술한 바와 같이 열처리를 함으로써 결정립이 조대화되고 점진적으로 β′ 상과 γ2 상은 감소하며 특히 결정입계의 γ2 상이 많이 감소하여 공식이 억제되는 것으로 생각된다.
열처리를 하지 않은 경우 γ2 상이 양극으로 작용하여 공식현상이 관찰되었으나, 열처리에 의해서 γ2상의 감소로 인하여 균일부식으로 변화하면서 내식성이 향상되었다. 특히 48시간 열처리 했을 때 가장 내식성이 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
후속연구
본 연구에서는 알루미늄-규소 청동을 원심주조하여 도너츠 형태의 중공 환봉을 제작하고, 스파이렐 기어의 성능에 요구되는 기계적 강도 및 내식성에 미치는 열처리 온도 및 열처리 시간에 대하여 비교 고찰하여 보았다. 따라서 본 연구의 결과는 스파이렐기어 소재의 국산화를 위한 기초 데이터를 제공하는데 중요한 참고자료가 되리라 기대된다.
일반적으로 부식전위가 해수용액에서 높은 값을 나타내면 염소이온에 의한 피막의 파괴가 억제되어 부식전위를 형성하는 양극분극이 큰 값을 가지므로 정성적으로 내식성이 좋은 것으로 평가된다. 따라서 부식 전위가 높은 48시간의 시험편이 정성적으로 내식성이 좋은 것으로 생각되나 다른 실험결과와 종합해서 판단할 수 있으리라 생각된다.
이와 같은 스파이렐 기어의 소재는 주로 일본으로 부터 수입하여 가공 제작하고 있으며 수입소재를 사용하여야 하기 때문에 소재비용에 대한 부담이 크고, 또한 열간 단조 및 복잡한 열처리과정이 수반되어 제작경비가 많이 소요되므로, 다양한 형태의 스파이렐 기아 개발을 위해서 원가비용이 증대하는 문제점이 있다. 따라서 스파이렐 기아 소재를 국산화하여 소재의 원가를 절감할 수 있는 새로운 제품개발 능력을 확보할 필요가 있다고 생각된다. 그동안 황동 및 주석청동 등의 동합금은 오래전부터 사용되어왔으나 알류미늄청동의 사용은 그 역사가 오래되지 않았으며 특히 알루미늄-규소청동의 재료개발은 더욱 최근이라 할 수 있을 것이다.
또한 72시간에서 다시 내식성이 저하하는 경향은 지나친 열처리 시간에 의한 인공시효의 영향으로 결정입계사이의 경계면에 γ2 상이 다시 나타나는 것에 기인하는 것으로 생각되나, 향후 좀더 구체적인 연구고찰이 필요할 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Cu-Al계 합금은 어떤 특성을 가진 구리합금인가?
3-8) 그러나 최근 환경오염의 증대와 더불어 각종 산업구조물에 사용되는 구리합금의 경우 더욱 더 우수한 기계적 및 내식특성을 요구하고 있다. 그 중에서 Cu-Al계 합금은 우수한 내해수성과 강도를 가지고 있는 구리합금이다. 그리고 이 알루미늄청동의 특징은 고체 Cu 중에 Al이 용해되더라도 Cu의 면심입방격자가 그대로 유지 되며 Cu-Al 합금의 미세조직이 α 상만으로 구성되는 고용 체이다.
현재 사용화되는 스파이렐 기어의 소재의 단점은?
오일청정기의 모터에 부착되어 있는 스파이렐 기어는 고온의 오일에 대한 내식성, 기계적강도 및 내마모성이 요구되므로 알루미늄 및 규소가 함유된 동합금으로 제작되고 있다. 이와 같은 스파이렐 기어의 소재는 주로 일본으로 부터 수입 하여 가공 제작하고 있으며 수입소재를 사용하여야 하기 때문에 소재비용에 대한 부담이 크고, 또한 열간 단조 및 복잡한 열처리과정이 수반되어 제작경비가 많이 소요되므로, 다양한 형태의 스파이렐 기아 개발을 위해서 원가비용이 증대 하는 문제점이 있다. 따라서 스파이렐 기아 소재를 국산화하여 소재의 원가를 절감할 수 있는 새로운 제품개발 능력을 확보할 필요가 있다고 생각된다.
Cu-Al계 합금의 경우 Al 농도가 어느정도 이상으로 증가할 때 발생하는 문제와 원인은?
1에서 알 수있듯이 Cu-Zn 합금 및 Cu-Sn 합금보다도 고용강화 효과가 크며, Al 농도가 증가할수록 직선적인 비례관계로 증가한다.9) 예를 들면 Al 함유량이 8% 및 10%에서 경도 및 강도가 각각 최고치를 나타내는 것으로 알려져 있다.10) 그러나 Al농도가 그 이상 증가하게 되면 여러 종류의 금속간화합물이 존재하여 기계적 성질과 내식성이 취약하게 된다. 이의 원인은 열처리과정에서 석출하는 취약한 γ2 상 때문인 것으로 알려져 있다.11) 따라서 일반적으로 사용하는 Cu-Al 합금은 Al의 최대 고용도를 초과하지 않는 농도범위의 합금이라 할 수 있다.
참고문헌 (15)
Y. S. Yhou, Material Science of Nonferrous Metals, korona publication. Co. Ltd., Japan, p. 68 (1963).
D . P. Cox, Copper Resources in Ency Clopedia of Materials Science and Engineering, 2, M. B Beven. Ed, Dergamon Press and the MIT Press, p. 855 (1986).
T. Cunningham, Marine Coating Inspection Program, Version 97-1, NACE International Houston, Texas (1997).
T. Cunningham, The Marine Enviroment, Version 97-1, NACE International Houston, Texas (1997).
Cathelco, ANTIFOULING SYSTEM OPERATION MANUAL, Marine house Hipper Street South, HULL SB-395 (1976).
Marine Fouling and Its Prevention, U. S. Naval Institute, Annapolis, Md (1952).
C. Hans. C. Flemming, G. Gill, K. Geesey, Biofouling and Biocorrosion in Industrial Water System, International Workshop on Industrial Biofouling and Biocorrosion, Stuttgant, p. 13 (1990).
Standard Method for Testing Antifouling Panels in Shallow Submergence, ASTM, D 3623-78a (1993).
J. R. Davis, Copper and Copper Alloy, ASM SPECIALTY HANDBOOK, ASM International, p. 47 (2001),
N. J. Bak, Material Science of Metals, Kwang Lim Publication. Co. Ltd., Korea, p. 313 (1983).
Y. S. Yhou, Material Science of Nonferrous Metals, korona publication. Co. Ltd., Japan, p. 85 (1963).
A. Bard and L. R. Faulkner: Electrochemical Methods Fundamental and Applications, Department of Chemistry University of Texas and Illinois, p. 103 (1980).
K. M. Moon, Practical Electrochemistry, Hyosung publication. Co. Ltd., p. 136 (2000).
I. Dou, Corrosion Science and Protection Technology, edited by korona Co. Ltd., p. 144 (1979).
M. Pourbaix and N. DE Zoubov, Atlas of Electrochemical Equilibrium in Aqueous Solution, ed. pergamon press and cebelcor, p. 169 (1966).
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