[논문](TiB+TiC) 입자강화 Ti기 복합재료의 접촉하중에 따른 내마모 특성

최봉재

doi:10.7777/jkfs.2017.37.4.115

(TiB+TiC) 입자강화 Ti기 복합재료의 접촉하중에 따른 내마모 특성
Effect of Contact Load on Wear Property of (TiB+TiC) Particulates Reinforced Titanium Matrix Composites 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.37 no.4, 2017년, pp.115 - 122

최봉재 (인하공업전문대학 금속재료과)

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this research is to evaluate the wear properties of (TiB+TiC) paticulate reinforced titanium matrix composites (TMCs) by in-situ synthesis. Different particle sizes (1500, $150{\mu}m$) and contents (0.94, 1.88 and 3.76 mass% for Ti, 1.98 and 3.96 mass% for the Ti6Al4V alloy) of boron carbide were added to pure titanium and to a Ti6Al4V alloy matrix during vacuum induction melting to provide 5, 10 and 20 vol.% (TiB+TiC) particulate reinforcement amounts. The wear behavior of the (TiB+TiC) particulate reinforced TMCs is described in detail with regard to the coefficient of friction, the hardness, and the degree of reinforcement fragmentation during sliding wear. The worn surfaces of each sliding wear condition are shown for the three types of wear studied here: transfer layer wear, particle cohesion wear and the development of abrasive areas. The fine reinforcements of TMCs were easily fragmented from the Ti matrix as compared to coarse reinforcements, and fragmented debris accelerated the decrease in the wear resistance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, Fig. 2(a)에 나타나 있듯이, 건마찰 상태에서 Pin-on-disk type 미끄럼 마모시험을 통하여 마찰계수, 마모흔 및 마멸량을 측정함으로써 마찰/마모 특성을 비교하고자 하였다. 순 Ti, Ti6Al4V 합금 및 Ti기 복합재료는 Φ30*4 mm의 크기로 가공한 후 마모시험 시편의 동일한 표면조도를 유지하기 위하여 #2000 연마지로 연마하였다.
따라서, 본 연구에서는 경제적인 주조공정을 기반으로 반응생성 합성을 통한 Ti기 복합재료 제조를 위하여 Ti 기지에 B4C (Boron carbide)를 첨가한 후 Ti+B4C → TiB+ TiC의 반응생성 합성을 유도하였다.
하지만, 접촉하중 1 N에서는 Ti과 Ti기 복합재료 간에 마멸량의 차이가 없었다. 이와 같은 결과는 두 개의 탄성소재 간의 접촉 시 가해지는 응력에 대해 탄성 및 소성변형의 기준이 될 수 있는 임계 접촉하중에 대해 설명하는 Hertzian 접촉하중의 관점에서 고찰하였다. Hertzian 접촉에 의한 탄성과 소성영역의 하중 구분은 아래의 식과 같이 계산하였다[18].

가설 설정

8. (a) Locally plastic deformed adhesive wear of welded asperities, and abrasive wear involving ceramic particles to debris trapped between the sliding surface, (b) two-body wear and (c) three-body wear.

제안 방법

(b)와 같이 마모트랙에 수직한 방향 (A-A')으로 마멸표면의 형상을 측정하여 단면적을 구한 후, 측정한 단면적에 마모트랙의 길이 (2πr)를 곱하여 마멸량을 측정하였다.
따라서, 본 연구에서는 경제적인 주조공정을 기반으로 반응생성 합성을 통한 Ti기 복합재료 제조를 위하여 Ti 기지에 B₄C (Boron carbide)를 첨가한 후 Ti+B₄C → TiB+ TiC의 반응생성 합성을 유도하였다. 또한, 반응생성을 위하여 첨가되는 B₄C의 크기 및 반응생성된 강화상의 함량에 따른 미세조직 변화와 함께 건마찰 상태에서의 Pin-on-disk type 미끄럼 마모시험을 통하여 접촉하중에 따른 마찰계수 (Coefficient of Friction, COF), 마멸량 및 마모표면의 전이층 형성거동을 분석하여 Ti기 복합재료의 내마모 특성을 평가하였다.
순 Ti, Ti6Al4V 합금 및 Ti기 복합재료의 경도값은 브리넬 경도기 (Mitutoyo ABK-1)를 사용하여 하중 1000 g, 유지시간 20초의 조건으로 10회 측정한 후, 최대 및 최소값을 제외한 평균값으로 비교하였다. 또한, Fig.
진공유도용해로는 진공펌프를 이용하여 1.33 × 10−3 Pa로 배기한 후 아르곤 가스를 1.5 × 105 Pa로 주입하여 불활성 분위기를 유지하였고, 진공유도용해에 사용된 고순도 흑연 도가니는 반응 생성 합성에 앞서 불순물의 영향을 최소한으로 줄이기 위해 1.33 × 10−3 Pa의 진공을 유지하면서 백열상태로 연소하였다.

대상 데이터

순 Ti, Ti6Al4V 합금 및 Ti기 복합재료는 Φ30*4 mm의 크기로 가공한 후 마모시험 시편의 동일한 표면조도를 유지하기 위하여 #2000 연마지로 연마하였다. 미끄럼 마모시험을 위한 상대재는 52100 베어링강을 사용하였고, 1, 3.5 및 10 N의 접촉하중 하에서 125mm/s의 속도로 1800초 동안 시험을 행하였다. 또한, 미끄럼 마모시험편 표면은 아세톤을 이용하여 초음파 세척을 하고 표면조도계 (Kosaka Laboratory SL1700α)를 이용하여 Fig.
본 연구에서는 순 Ti (ASTM Grade 2, 99%) 및 Ti6Al4V 합금 (ASTM Grade 5)를 진공유도용해로 내에서 용해한 후, 0.94, 1.88 및 3.76 mass% (순 Ti의 경우), 1.98, 3.96 mass% (Ti6Al4V 합금의 경우)의 B4C (크기: 1500 μm pass, 150 μm pass, 순도: 99%, Kojundo chemical laboratory Co.)를 첨가하여 Φ30*80 mm 크기의 (TiB+TiC) 강화 Ti기 복합재료를 Fig. 1의 수평형 원심주조방식으로 제조하였다.
순 Ti, Ti6Al4V 합금 및 Ti기 복합재료는 Φ30*4 mm의 크기로 가공한 후 마모시험 시편의 동일한 표면조도를 유지하기 위하여 #2000 연마지로 연마하였다.

성능/효과

1) Ti과 B4C 간의 반응생성 합성공정에 의한 입자강화 Ti기 복합재료를 정밀주조 공정으로 제조하였고, 반응생성에 의해 침상의 TiB_w 및 구상의 TiC_p 강화상이 형성된 것을 상분석 결과로부터 확인할 수 있었다.
2) Ti 및 Ti기 복합재료는 미끄럼 마찰/마모 시 상대재에 의한 탄성변형 영역에 해당하는 1 N의 접촉하중 하에서의 마멸량 차이는 발생하지 않았고, 소성변형 영역에 해당하는 3.5 및 10 N의 접촉하중 하에서는 접촉하중의 증가에 따라서 Ti의 마멸량이 급격히 증가하였으며, Ti기 복합재료는 강화상의 분율과 크기가 증가할수록 Ti에 비하여 마멸량이 감소하였다.
3) Ti 및 Ti기 복합재료의 마모표면은 전이층 및 연삭마모의 두 영역으로 구분되고, 초기 미끄럼마모 시, 마멸입자가 두 물체 (Two body) 연삭마모에 의하여 모재로부터 이탈한 후, 마찰/마모가 계속 진행되면서 Ti 및 Ti기 복합재료 표면에 상대재가 반복적으로 접촉하기 때문에 세 물체 (Three body) 연삭마모의 거동을 보이면서 전이층이 형성된다.
4) Ti-5C, Ti-10C, Ti-20C 및 Ti64-10C 복합재료는 Ti5F, Ti-10F, Ti-20F, Ti64-10F 복합재료에 비하여 내마모성이 향상된 결과를 보였다. Ti-5C, Ti-10C, Ti-20C 및 Ti64- 10C 복합재료의 경우, 상대재에 의한 접촉하중이 기지에서 강화상으로 전이되어 강화상에서 파괴가 발생하였고, 기지와 강화상 간에 형성된 크랙 주변에 void가 관찰되었다.
Sung[10] 및 Choi[11-14] 등의 반응생성 (TiB_w+TiC_p) 입자강화 Ti기 복합재료 미세조직에 관한 선행연구에 따르면, Ti 용탕과 B₄C의 열역학적으로 자발적인 반응생성 과정을 통해 침상의 TiB 강화상과 구형의 TiC 강화상이 형성되고, B4C의 첨가량이 증가함에 따라 Ti 기지 내에 반응생성된 강화상의 크기 및 분율이 증가하는 경향을 보였다. Fig. 4 및 5의 Ti기 복합재료의 XRD 및 EPMA 상분석 결과를 살펴보면, Ti 기지 내에 침상의 TiB_w 및 구형의 TiC_p 강화상이 생성된 것을 확인할 수 있고, B4C의 첨가량이 증가함에 따라 생성되는 (TiB_w+TiC_p) 강화상의 분율이 증가하였으며, TiB 강화상의 경우 침상의 형태에서 조대한 괴상으로 형태 및 크기가 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 특히, Fig.
따라서, Ti과 Ti기 복합재료의 내마모성은 마모기구에 따른 영향을 고려해야 하지만, 경도값 변화로부터 대략적으로 예측할 수 있다. Table 1에 정리한 Ti 및 Ti기 복합재료의 브리넬 경도 측정 결과로부터 기지재료 및 강화상의 상관관계를 살펴보면, Ti기 복합재료 강화상의 함량에 따라 브리넬 경도값이 증가하였고, 강화상의 크기에 따른 차이는 없었으며, Ti-20C의 경우 Ti에 비하여 약 2배 이상 높은 값을 가지는 것으로 측정되었다. 또한, Ti6Al4V 합금을 기지로 하는 Ti64-10C, Ti64-10F의 경우 Ti를 기지로 하는 동일 강화상 함량의 Ti-10C, Ti-10F보다 마멸량이 적었고, Ti64-20C는 마모시험을 수행한 Ti기 복합재료 중 가장 낮은 마멸량을 나타내었다.
다음으로 마모시험의 접촉하중에 대한 영향을 살펴보면, Ti기 복합재료의 마멸량은 3.5 및 10 N의 접촉하중 조건에서 강화상 함량이 증가함에 따라 감소하였고, 강화상 크기가 큰 경우에 작은 경우보다 적은 경향을 나타내었다. 하지만, 접촉하중 1 N에서는 Ti과 Ti기 복합재료 간에 마멸량의 차이가 없었다.
특히, Ti기 복합재료의 마멸입자는 추가적으로 C 성분이 검출되는 것으로 보아 강화상의 성분이 마멸입자에 혼입된 것으로 보인다. 따라서, Ti기 복합재료의 마찰계수, 마모표면 미세조직 및 마멸량을 비교해보면, 강화상 함량이 증가할수록 저마찰계수 구간이 증가하게 되고, 복합재료의 Ti 기지가 산화되어 마멸량이 증가하는 것으로 판단된다.
반면에 Ti기 복합재료의 경우 마모표면 전역에 걸쳐 연삭마멸에 의한 스크래치가 관찰되었고, Ti의 마멸흔에서 관찰되는 크랙 전파에 의한 크레이터 (Crater)는 관찰할 수 없었다. 또한, Fig. 7 및 Table 3에 나타나 있듯이, 마모표면의 마멸입자는 상대재와 모재로부터 이탈한 Ti 및 Fe 성분과 함께 O성분도 함께 관찰되는 것으로 보아, 모재와 상대재의 접촉으로 표면온도가 상승하여 복합재료의 Ti 기지 및 상대재가 산화되어 형성된 것으로 보이고, EDS 성분분석 결과를 고려해보면, Ti 기지가 대부분 산화된 것으로 판단된다. 특히, Ti기 복합재료의 마멸입자는 추가적으로 C 성분이 검출되는 것으로 보아 강화상의 성분이 마멸입자에 혼입된 것으로 보인다.
Table 1에 정리한 Ti 및 Ti기 복합재료의 브리넬 경도 측정 결과로부터 기지재료 및 강화상의 상관관계를 살펴보면, Ti기 복합재료 강화상의 함량에 따라 브리넬 경도값이 증가하였고, 강화상의 크기에 따른 차이는 없었으며, Ti-20C의 경우 Ti에 비하여 약 2배 이상 높은 값을 가지는 것으로 측정되었다. 또한, Ti6Al4V 합금을 기지로 하는 Ti64-10C, Ti64-10F의 경우 Ti를 기지로 하는 동일 강화상 함량의 Ti-10C, Ti-10F보다 마멸량이 적었고, Ti64-20C는 마모시험을 수행한 Ti기 복합재료 중 가장 낮은 마멸량을 나타내었다.
또한, Ti기 복합재료의 접촉하중에 따른 영향을 살펴보면, 1 N의 접촉하중 하에서의 COF 값이 10 N에 비하여 약 50% 수준으로 감소되었다. 이 같은 결과를 보이는 이유는 접촉하중이 증가하면 마모표면의 실 접촉부에서 온도 (Flash temperature)가 순간적으로 상승하여 접촉돌기 (Contact asperity) 끝부분이 국부적으로 용융되어 상대재에 의한 소재의 전단력이 감소하게 되고, 마모표면의 산화층 생성을 가속화시켜 마찰계수가 낮아지는 것으로 판단된다[16].
5 및 10 N에서 Ti 및 Ti기지 복합재료의 미끄럼 마모시간에 따른 마찰계수 변화를 나타내고 있다. 미끄럼 마모 후반부 고마찰계수 영역 (COF 약 0.4 이상)에서의 Ti 및 Ti기 복합재료의 마찰계수 값은 각 강화상 함량에 따라 유사하지만, 초기 마찰이 시작되는 저마찰계수 영역 (COF 약 0.3 이하)의 경우, 강화상 함량이 증가함에 따라서 저마찰계수 영역의 유지시간이 점차 증가하였고, 고마찰계수 구간으로 이동하면서 마찰계수 신호가 급격히 증가하는 경향이 관찰되었다. Lee의 선행연구에 따르면, TiN이 코팅된 52100 베어링강과 steel간의 미끄럼 마모실험을 한 결과, 마찰계수는 유지시간에 따라 저마찰계수 구간을 가지고, 상대재와의 접촉에 따른 마찰열의 발생으로 인한 표면산화 때문에 천이영역 및 고마찰계수 구간으로 변하는 과정 거치게 된다.

후속연구

미국 에너지성 (Department of Energy)에 의하면, 현재 사용되고 있는 알루미늄 다이캐스팅 슬리브 재료인 STD61 공구강을 Ti기 복합재료로 대체할 경우, 슬리브의 수명 향상과 함께 복합재료의 윤활특성으로 인하여 공정 시에 사용되는 이형제의 사용량을 저감 혹은 생략할 수 있기 때문에 이형제의 용탕혼입에 의한 부품특성 저하를 방지할 수 있고, 이형제에 의한 환경부하를 저감할 수 있는 이점이 있는 것으로 알려져 있다[8]. 하지만, 원재료로 사용하고 있는 Ti 분말 가격의 저감뿐만 아니라, 복합재료 제조공정에 대한 경제성 확보 및 분말야금 공정에 의한 복합재료 내에 잔존하는 기공으로 인해 유발되는 특성저하 문제가 해결되어야만 Ti기 복합재료의 적용이 점차적으로 확대될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표면처리 시 발생하는 문제점은?	이와 같은 배경으로 타이타늄 소재는 이 같은 열악한 내마모성을 극복하기 위하여 표면처리 혹은 복합재료화를 통하여 특성을 향상시키는 연구가 진행되고 있다. 표면처리의 경우, 질화, 침탄, 침붕 처리와 같은 화학적인 표면처리 방법이 있지만, 표면처리에 소요되는 공정시간이 길고, 표면에 형성된 층이 얇기 때문에 동적하중에 노출된 환경에서 제품이 쉽게 손상되는 문제점이 발생한다. 또한, 타이타늄 소재의 용사코팅 공정에 관한 연구도 진행되고 있지만, 낮은 코팅밀도와 더불어 코팅층과 모재간의 낮은 접착강도를 나타내는 한계가 있다[4,5].
	Ti기 복합재료란?	Ti기 복합재료 (Titanium Matrix Composites, TMCs)는, 기지인 Ti 및 Ti 합금이 가지고 있는 고비강도, 내식성 및 내산화성의 특성과 함께 강화상을 기지에 첨가함으로써 내마모성, 강도, 탄성계수 및 고온안정성의 특성 향상을 동시에 얻을 수 있는 재료이다[6]. 일례로, 일본의 도요타 자동차社는 2000년에 BE (Blended elemental) 분말야금 공정을 활용하여 IS200 자동차 엔진 배기밸브 소재로 TiB 강화 Ti기 복합재료를 적용하였고, 기존 자동차 배기밸브 소재로 적용되고 있는 STR-35 내열강에 비하여 고온에서의 인장강도 및 크립강도 뿐만 아니라 내마모 특성이 향상되는 것으로 보고하고 있다[7].
	타이타늄 소재 공정의 경제성 확보가 필수적인 이유는?	타이타늄은 경량소재이면서 높은 비강도, 내식성 및 생체적 합성의 특성을 가지고 있음에도 불구하고 우주항공, 군수사업, 생체재료 및 고성능 스포츠카와 같은 비용보다는 특성을 우선 시 하는 한정된 분야에만 적용되는 한계를 지니고 있다. 왜냐하면, 타이타늄은 소재 측면에서 철계 소재나 알루미늄, 마그네슘과 같은 비철 소재에 비하여 원소재가 고가이고, 공정 측면에서는 용탕 상태에서 대기 중 산소와의 격렬한 반응으로 인하여 반드시 진공장비를 사용하여 진공분위기 혹은 불활성 분위기에서만 용해할 수 있기 때문에 용해 및 주조공정에 소요되는 비용이 상승하게 된다. 따라서, 타이타늄 소재의 저변확대를 위해서는 특성과 더불어 공정의 경제성 확보가 필수적이다[1,2].

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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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