[논문]양극산화 알루미늄 합금6061의 초순수 물 윤활에서의 트라이볼로지적 특성

정준호; 조민행

doi:10.9725/kstle.2017.33.2.59

양극산화 알루미늄 합금6061의 초순수 물 윤활에서의 트라이볼로지적 특성
Tribological Characteristics of Anodized Al 6061 Under Deinoized Water Lubricated Reciprocating Condition 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.33 no.2, 2017년, pp.59 - 64

정준호 (중앙대학교 대학원 기계시스템엔지니어링학과) , 조민행 (중앙대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates friction and wear characteristics of anodized aluminum (Al) alloy 6061 by using a reciprocating tribotester. The diameter and height of the specimen are 30 mm and 10 mm, respectively. The surface roughness of the mirrored-surface is approximately $0.01{\sim}0.02{\mu}m$, and it is used throughout the current study. As a result of anodizing, the depth and diameter of the nanopore are approximately $25{\mu}m$ and 30-40 nm, respectively. The testing conditions are as follows: loads of 1, 3, and 5 N; a frequency of 1 Hz; a stoke of 3 mm; and a duration of 1800 s. We use deionized water with a volume of approximately $25{\mu}l$, as the lubricant. Micro Vickers hardness measurements show that mirrored-surface specimens had lower hardness values than anodized specimens. Further, their coefficients of friction are lower than those of the anodized samples, and the width of their wear track increases with load, as expected. The anodized specimens' coefficients of friction increase with stable frictional behavior and exhibit insignificant load dependence. Further, we observe that the width of the wear track is less than that of the mirrored-surface specimens, and micro cracks are present near it. Moreover, the anodizing process increases the hardness of the samples, improving their wear resistance. These results indicate that nanoporous structures are not effective in lowering friction under the water-lubricated condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 아노다이징을 적용한 Al6061의 마찰 및 마모 특성을 물을 이용한 윤활조건 하에서 알아보았다. 본 연구에서 적용한 아노다이징 조건을 통해 알루미늄 표면에 등방 구조의 나노 홀 구조들이 생성됨을 확인하였다.
본 연구에서는 알루미늄 합금에 아노다이징(anodizing) 처리를 적용한 표면 개질 연구를 수행하였다. 알루미늄 합금에 아노다이징 공정을 적용하면, 표면에는 무수히 많은 나노 홀을 포함한 다공성 피막이 생성되며 이를 AAO(anodic aluminum oxide)라 한다[1-6].
알루미늄 아노다이징 공정을 통한 표면 특성 개질은 향후 적용 분야의 폭이 넓을 것으로 예상되며 본 연구에서는 아노다이징 공정 결과인 나노 기공 구조의 마찰 및 마모 거동을 초순수(deionized water) 윤활조건에서 왕복동 마찰 실험을 통해 알아보았다.

제안 방법

경면 처리된 시편을 대상으로 옥살산(C₂H₂O₄)을 이용하여 아노다이징 공정을 진행하였다. 방법 및 조건은 Choi[2]등이 제시한 방법을 참고하였으며 구체적인 가공 조건은 다음과 같다.
밀도는 2.70×103 kg/m3, 항복강도는 55 MPa, 탄성계수는 69 GPa이며, 길이 1 m 정도의 Al 6061바(bar)를 선삭 가공을 통해 직경 30 mm, 높이 10 mm의 디스크 형태로 가공하였다.
본 실험에 앞서 실험 중 초순수 물이 증발되는지를 확인하기 위하여 25 μl 물을 윤활유로 사용하였으며 30분 왕복 실험 후에도 물이 남아있음을 확인한 후 실험을 진행하였다.
아노다이징 반응 종료 후 초순수를 이용한 1차 세척과 초음파를 이용한 2차 세척을 진행하여 표면에 남아있는 옥살산 용액 및 불순물을 제거 하는 과정을 수행하였으며, 압축공기를 이용해 표면 건조를 실시하였다.
아노다이징 시편의 마찰 및 마모 특성은 Fig. 3과 같은 왕복동 시험기를 이용하여 알아보았다. 구체적인 왕복동 조건은 Table 2와 같다.
이후 연마된 표면을 알루미나 서스펜션(alumina suspension, diameter~0.5 μm) 연마액과 울(wool) 소재를 이용하여 경면(mirror surface)처리를 진행하였다.

대상 데이터

디스크 형태의 시편은 No.400과 No.2000 grit의 sand paper를 차례로 이용하여 연마 공정을 진행하였다. 이후 연마된 표면을 알루미나 서스펜션(alumina suspension, diameter~0.
본 연구에서 사용된 소재는 알루미늄 합금 6061(Al 6061)로 소재의 주요 기계적 물성은 ASTM B 209[8]에 명시되어 있으며, 구성 성분은 Table 1과 같다. 밀도는 2.

데이터처리

본 실험에 앞서 실험 중 초순수 물이 증발되는지를 확인하기 위하여 25 μl 물을 윤활유로 사용하였으며 30분 왕복 실험 후에도 물이 남아있음을 확인한 후 실험을 진행하였다. 실험은 하중 조건 별로 각각 3 회의 실험을 진행 하였으며 측정된 마찰계수의 평균값을 사용하였다.

이론/모형

)을 이용하여 아노다이징 공정을 진행하였다. 방법 및 조건은 Choi[2]등이 제시한 방법을 참고하였으며 구체적인 가공 조건은 다음과 같다. 우선 15 ^oC의 온도로 유지된 0.

성능/효과

8는 아노다이징 알루미늄 시편의 하중에 따른 마찰계수의 변화를 나타낸 것이다. 경면 처리한 알루미늄 시편의 결과에 비해 초기 마찰의 안정성이 향상된 것을 알 수 있다. 또한 정상상태로의 천이가 비교적 빠르며 마찰 운동 동안의 전반적인 거동이 안정적으로 나타났다.
일반 경면처리 표면과 아노다이징 표면의 경도 비교 결과 아노다이징은 표면의 경도를 높이는 것으로 나타났다. 그 결과 아노다이징 적용 표면의 마모 트랙이 경면 처리 표면에 비해 작게 나타나 내마모성에 우수한 것으로 보이나 마찰 저감에는 효과가 없는 것으로 나타났다. 아노다이징에 의해 생성된 나노 구조의 마찰 특성을 이해하기 위해서는 물 이외 윤활유와 같은 점도성 유체를 이용하여 알아볼 필요가 있을 것으로 보이며 후속 연구로 수행할 계획이다.
경면 처리한 알루미늄 시편의 결과에 비해 초기 마찰의 안정성이 향상된 것을 알 수 있다. 또한 정상상태로의 천이가 비교적 빠르며 마찰 운동 동안의 전반적인 거동이 안정적으로 나타났다.
아노다이징의 경우 하중에 의한 마찰계수 변화가 크지 않았으며 경면의 경우 1N을 제외하고 3N, 5N에서는 거의 유사한 마찰계수를 보였다. 본 연구에서 사용된 소재의 항복강도는 헤르츠 접촉 압력에 비해 낮아 1N의 낮은 하중에서도 소성변형과 마모가 발생하는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 아노다이징을 적용한 Al6061의 마찰 및 마모 특성을 물을 이용한 윤활조건 하에서 알아보았다. 본 연구에서 적용한 아노다이징 조건을 통해 알루미늄 표면에 등방 구조의 나노 홀 구조들이 생성됨을 확인하였다. 일반 경면처리 표면과 아노다이징 표면의 경도 비교 결과 아노다이징은 표면의 경도를 높이는 것으로 나타났다.
표면 조도는 빛간섭을 이용한 비접촉 방식으로 측정되었다(Nanosystem, NV-1800). 시편의 서로 다른 위치 3곳을 측정하여 일정한 조도를 얻을 때까지 래핑을 수행하였으며, 그 결과 경면 표면의 조도는 약 10~20 nm R_a로 전체적으로 조도가 일정하게 형성되었음을 확인하였다.
본 연구에서 적용한 아노다이징 조건을 통해 알루미늄 표면에 등방 구조의 나노 홀 구조들이 생성됨을 확인하였다. 일반 경면처리 표면과 아노다이징 표면의 경도 비교 결과 아노다이징은 표면의 경도를 높이는 것으로 나타났다. 그 결과 아노다이징 적용 표면의 마모 트랙이 경면 처리 표면에 비해 작게 나타나 내마모성에 우수한 것으로 보이나 마찰 저감에는 효과가 없는 것으로 나타났다.
9와 같이 나타내었다. 전반적으로 아노다이징 시편이 높은 마찰계수를 나타냈으며 상승폭은 1N에서 가장 크게 나타났다.

후속연구

아노다이징에 의해 생성된 나노 구조의 마찰 특성을 이해하기 위해서는 물 이외 윤활유와 같은 점도성 유체를 이용하여 알아볼 필요가 있을 것으로 보이며 후속 연구로 수행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마모에 취약한 알루미늄의 사용 방법은?	우수한 내식성과 경량화 소재로 알려진 알루미늄은 다양한 분야에서 사용이 증가하고 있다. 하지만 알루미늄은 마모에 취약하여 합금형태로 사용하거나 목적에 맞는 표면처리를 적용하여 사용하고 있다[1-4].
	AAO란 무엇인가?	본 연구에서는 알루미늄 합금에 아노다이징(anodizing) 처리를 적용한 표면 개질 연구를 수행하였다. 알루미늄 합금에 아노다이징 공정을 적용하면, 표면에는 무수히 많은 나노 홀을 포함한 다공성 피막이 생성되며 이를AAO(anodic aluminum oxide)라 한다[1-6]. 알루미늄 아노다이징 조건 및 활용에 대한 대표적인 연구 결과는 다음과 같다.
	알루미늄 아노다이징 조건 및 활용에 대한 연구결과는 어떠한가?	알루미늄 아노다이징 조건 및 활용에 대한 대표적인 연구 결과는 다음과 같다. 예를 들어, 아노다이징 초기에는 불규칙적인 반응으로 인해 정렬도가 매우 낮은 다공이 형성되지만, 특정한 전기 화학적 조건 하에서 아노다이징이 진행될 경우 기계적인 힘에 의하여 정렬되는 현상이 발생하는 것으로 알려졌다[2]. Lee[4]는 AAO 층의 윤활특성에 대한 연구를 통해 AAO층 고유의 윤활성과 나노 구조가 윤활유를 공급하는 딤플의 역할을 하여 알루미늄에 적용 시, 윤활 특성을 개선할 수 있다는 연구결과를 보고하였다. 또한 아노다이징에 의한 표면 경도의 변화 연구결과[6]에 따르면 전해액의 종류와 아노다이징 환경에 의해 표면의 경도가 달라질 수 있으며, 윤활 특성에도 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있다.

참고문헌 (8)

Lee., W., Park., S. J., "Porous anodic aluminum oxide: anodization and templated synthesis of functional nanostructures", Chemical Reviews., Vol. 114, pp. 7487-7556, 2014.

상세보기
Jinsub Choi, Jae Kwang Lee, Jae Hoon Lim, Sung Joong Kim, "Technology Trends in Fabrication of Nanostructures of Metal Oxides by Anodization and Their Applications", J. Korean Ind. Eng. Chem., Vol. 19, No. 3, pp. 249-258, 2008.
Roohollah Jamaati, Mohammad Reza Toroghinejad, Majid Hoseini, Jerzy A. Szpunar, "Texture development in $Al/Al_2O_3$ MMCs produced by anodizing and ARB processes", Materials Science and Engineering A., Vol. 528, pp. 3573-3580, 2011.

상세보기
Ying Wang., Li Xia., Jianning Ding, Ningyi Yuan, Yuanyuan Zhu, "Tribological Behaviors of Lubricants Modified Nanoporous Anodic Alumina Film", Tribology Letters., vol.49, pp. 431-437, 2013.

상세보기
Gyu-Sun Lee, Joo hoon Choi, Yong Chan Choi, Sang Don Bu, Young-Ze Lee, "Tribological effects of pores on an anodized Al alloy surface as lubricant reservoir", Current Applied Physics., Vol. 11, pp. S182- S186, 2011.

상세보기
M. Guezmil, W. Bensalag, A. Khalladi, K. Elleuch, M. Depetris-Wery, H.F. Ayedi, "Friction coefficient and microhardness of anodized aluminum alloys under different elaboration conditions", Transactions of Nonferrous Metals Society of China., Vol. 25, pp. 1950-1960, 2015.

상세보기
Te-Hua Fang, Tong Hong Wang, Chien-Hung Liu, Liang-Wen Ji, Shao-Hui Kang, "Physical Behavior of Nanoporous Anodic Alumina Using Nanoindentation and Microhardness Tests", Nanoscale Research Letters., Vol. 2, pp. 410-415, 2007.

상세보기
B 209, "Standard Specification for Aluminum and Aluminum-Alloy Sheet and Plate" ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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