[논문]과공정 Al-15wt.%Si 압출재와 회주철의 미세조직 및 엔진 오일 환경에서의 마모 특성

강연지; 김종호; 황종일; 이기안

doi:10.5228/kstp.2018.27.6.339

과공정 Al-15wt.%Si 압출재와 회주철의 미세조직 및 엔진 오일 환경에서의 마모 특성
Microstructure and Wear Properties in an Engine Oil Environment of Extruded Hyper-eutectic Al-15wt.%Si Alloy and Gray Cast Iron 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.27 no.6, 2018년, pp.339 - 346

강연지 (인하대학교 신소재공학과) , 김종호 (포항산업과학연구원) , 황종일 ((주)LMS) , 이기안 (인하대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the microstructure and wear properties of extruded hyper-eutectic Al-Si (15wt.%) alloy in an engine oil environment. The wear mechanism of the material was also analyzed and compared to conventional gray cast iron. In microstructural observation results of Al-15wt.%Si alloy, primary Si phase ($45.3{\mu}m$) and eutectic Si phase ($3.1{\mu}m$) were found in the matrix, and the precipitations of $Mg_2Si({\beta}^{\prime})$, $Al_2Cu({\theta}^{\prime})$ and $Al_6(Mn,Fe)$ were also detected. In the case of gray cast iron, ferrite and pearlite were observed. It was also observed that flake graphite ($20-130{\mu}m$) were randomly distributed. Wear rates were lower in the Al-Si alloy as compared to those of gray cast iron in all load conditions, confirming the outstanding wear resistance of Al-15wt.%Si alloy in engine oil environment. In the $4kg_f$ condition, the wear rate of gray cast iron was $6.0{\times}10^{-5}$ and that of Al-Si measured $0.8{\times}10^{-5}$. The microstructures after wear of the two materials were analyzed using scanning electron microscope (SEM) and electron backscatter diffraction (EBSD). The primary Si and eutectic Si of Al-Si alloy effectively mitigated the abrasive wear, and the Al matrix effectively endured to accept a significant amount of plastic deformation caused by wear.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1 Chemical compositions of hyper-eutectic Al-Si alloy and gray cast iron used in this study
그림 Fig. 1 Microstructures of (a) hyper-eutectic Al-15wt.%Si alloy and (b) gray cast iron
그림 Fig. 2 XRD phase analysis results of Al-15wt.%Si alloy and gray cast iron
그림 Fig. 3 Low magnification SEM images of (a) Al-15wt.%Si alloy, (b) gray cast iron and high magnification SEM-EDS results of (c) Al-15wt.%Si, and (d) gray cast iron
그림 Fig. 4 Vickers hardness results for Al-15wt.%Si alloy, primary Si and gray cast iron
그림 Fig. 5 Wear properties of Al-15wt.%Si and grey cast iron in engine oil environment with (a) wear loss, (b) wear volume and (c) wear rate
표 Table 2 Archimedes density measurement results of Al- 15wt.%Si alloy and gray cast iron
그림 Fig. 6 SEM images showing worn out surface of (a) Al-15wt.%Si alloy (c) grey cast iron tested at 3kg_f wear load, (b) Al-15wt.%Si alloy, (d) gray cast iron tested at 4kg_f wear load
그림 Fig. 7 SEM images showing etched worn out crosssectional areas of Al-15wt.%Si alloy ((a), (b)), and grey cast iron ((c), (d)) tested at 4kg_f wear load
그림 Fig. 8 EBSD analysis results of Al-15wt.%Si alloy ((a), (b)) and cast iron using ((c), (d)) tested at 4kg_f wear load; (a),(c) inverse pole figures and (b),(d) image quality maps

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 과공정 Al-Si 합금과 상용 회주철의 미세조직 관찰 및 마모 특성을 조사하였다. 두 합금의 마모 거동을 분석함으로써 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
또한 현재 자동차 엔진 부품으로 주로 사용되고 있는 회주철의 마모 특성도 함께 평가하여 비교하였다. 이와 함께 각 소재들에서의 미세 마모기구를 미세조직과 연계하여 규명하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 과공정 Al-15wt.%Si 합금의 미세조직 및 엔진 오일 윤활 조건에서의 마모 특성을 조사하였다. 합금 내 초정 Si 상 제어와 내마모 특성 향상을 위해 Cu-P 를 첨가 후 압출 공정을 수행하였다.
조성 분석을 위하여 X-ray fluorescence (XRF) 분석을 수행하였으며, 그 결과를 표 1 에 나타내었다. Xray diffraction (XRD)을 이용하여 소재의 상분석을 수행하였다. 두 소재의 미세조직 관찰을 위해서 silicon carbide 연마지 (#400~#4000) 및 1 ㎛ alumina slurry로 폴리싱(polishing)을 수행한 후 에칭하였다.
경도 특성은 비커스 경도 측정 장치(Vicker’s hardness tester, HM-124)를 사용하여 조사하였으며, 0.5Hv 하중으로 10초간 압입하였다.
기계적 특성 평가를 위해 경도 및 마모 시험을 수행하였다. 경도 특성은 비커스 경도 측정 장치(Vicker’s hardness tester, HM-124)를 사용하여 조사하였으며, 0.
Xray diffraction (XRD)을 이용하여 소재의 상분석을 수행하였다. 두 소재의 미세조직 관찰을 위해서 silicon carbide 연마지 (#400~#4000) 및 1 ㎛ alumina slurry로 폴리싱(polishing)을 수행한 후 에칭하였다. 본 연구에서 에칭 용액으로 과공정 Al-Si 합금의 경우는 modified Keller’s 용액(2ml HF, 3ml HCl, 20ml HNO₃, 증류수 175ml)을, 회주철의 경우는 Nital(5ml HNO₃,95ml ethanol) 용액을 사용하였다.
합금 내 초정 Si 상 제어와 내마모 특성 향상을 위해 Cu-P 를 첨가 후 압출 공정을 수행하였다. 또한 현재 자동차 엔진 부품으로 주로 사용되고 있는 회주철의 마모 특성도 함께 평가하여 비교하였다. 이와 함께 각 소재들에서의 미세 마모기구를 미세조직과 연계하여 규명하고자 하였다.
마모 변형 조직 관찰을 위해 각 합금의 4kg_f 시험 된 마모흔 단면을 분석하였다 (그림 7). 마모흔 직하에서 관찰되는 초정 Si 상은 그림 7(a)와 같이 파단된 형태로 나타났다.
마모 실험은 pin-on disk 시험 장비(RB 102-PD)를 사용하였으며, STD11 steel을 pin 소재로 이용하였다. 마모 시험은 각 합금에 대해 2kg_f, 3kg_f, 4kg_f 하중에서 0.5m/s 속도로 1 시간 동안 윤활제 환경의 wet 조건으로 수행하였다.
이 때 윤활제는 자동차 엔진 가동 환경과 유사한 조건을 부여하기 위하여 엔진 오일(Kixx D1 RV)을선택, 사용하였다. 마모 질량 측정을 위해 판독률(readability) : 0.0001g 의 정밀 계량기(PAG214C)를 사용하여 시험 전∙후 무게를 각 5 회 측정하였다. 마모시험 후 마모 표면 및 단면 변형 조직의 관찰을 위해 FE-SEM 및 electron backscatter diffraction (EBSD) 분석을 수행하였다.
0001g 의 정밀 계량기(PAG214C)를 사용하여 시험 전∙후 무게를 각 5 회 측정하였다. 마모시험 후 마모 표면 및 단면 변형 조직의 관찰을 위해 FE-SEM 및 electron backscatter diffraction (EBSD) 분석을 수행하였다.
두 소재, 과공정 Al-Si 합금과 회주철의 비커스(Vickers) 경도 측정 결과를 그림 4 에 도시하였다. 여기에서 과공정 Al-Si 합금의 경우 경도가 큰 초정Si 상들의 존재로 인해 경도의 편차가 크게 측정되었으며, 이에 초정 Si 상과 Al 기지+공정 Si 상 두 영역을 구분하여 측정하였다. 그 결과 Al 기지+공정 Si 상 영역은 130Hv, 초정 Si 상은 343Hv 로 얻어졌으며 회주철의 경우는 236.
조성 분석을 위하여 X-ray fluorescence (XRF) 분석을 수행하였으며, 그 결과를 표 1 에 나타내었다. Xray diffraction (XRD)을 이용하여 소재의 상분석을 수행하였다.
%Si 합금은 DC 주조 (direct chilled casting) 공정을 통해 빌렛으로 제조되고 이 후 균질화 처리, 열간 압출을 수행한 소재이다. 주조 과정에서 초정 Si 상의 미세화를 위해 Cu-P 미세화제를 첨가하였으며, 압출 후 T6 열처리(515℃/90min. + 175℃/600min.)를 수행하였다. 또한 비교재로 쓰인 회주철(gray cast iron)의 경우 자동차의 엔진 실린더 부품에서 직접 소재를 채취하고 시편으로 가공하여 사용하였다.
본 연구에서 에칭 용액으로 과공정 Al-Si 합금의 경우는 modified Keller’s 용액(2ml HF, 3ml HCl, 20ml HNO₃, 증류수 175ml)을, 회주철의 경우는 Nital(5ml HNO₃,95ml ethanol) 용액을 사용하였다. 초기 시편의 미세조직 관찰을 위하여 광학 현미경 (optical microscope,BX53M) 및 field emission scanning electron microscope(FE-SEM, TESCAN, CZ/MIRA I LMA) 분석을 수행하였다.
%Si 합금의 미세조직 및 엔진 오일 윤활 조건에서의 마모 특성을 조사하였다. 합금 내 초정 Si 상 제어와 내마모 특성 향상을 위해 Cu-P 를 첨가 후 압출 공정을 수행하였다. 또한 현재 자동차 엔진 부품으로 주로 사용되고 있는 회주철의 마모 특성도 함께 평가하여 비교하였다.

대상 데이터

)를 수행하였다. 또한 비교재로 쓰인 회주철(gray cast iron)의 경우 자동차의 엔진 실린더 부품에서 직접 소재를 채취하고 시편으로 가공하여 사용하였다.
본 연구에서 에칭 용액으로 과공정 Al-Si 합금의 경우는 modified Keller’s 용액(2ml HF, 3ml HCl, 20ml HNO3, 증류수 175ml)을, 회주철의 경우는 Nital(5ml HNO3,95ml ethanol) 용액을 사용하였다.
이 때 윤활제는 자동차 엔진 가동 환경과 유사한 조건을 부여하기 위하여 엔진 오일(Kixx D1 RV)을선택, 사용하였다. 마모 질량 측정을 위해 판독률(readability) : 0.

데이터처리

5Hv 하중으로 10초간 압입하였다. 경도값은 각 시편당 12번씩(과공정 Al-Si 합금 내초정 Si상의 경우 20회 측정) 시험 후 최대, 최소값을 제외한 평균값으로 산정하였다. 마모 실험은 pin-on disk 시험 장비(RB 102-PD)를 사용하였으며, STD11 steel을 pin 소재로 이용하였다.
과공정 Al-Si 합금과 회주철의 마모흔 표면 및 단면 관찰 결과로부터 두 합금 간 마모에 의한 소성변형 영역에 차이가 있음을 확인하였다. 소성 변형영역에서 나타나는 각 합금 내 미세조직적 차이를 분석하기 위해 EBSD 분석을 수행하였으며, 그림 8에 그 결과를 나타내었다. 그림 8 (a), (c)의 inverse pole figure 결과에서 마모면 아래의 변형된 영역을 관찰하기 위해 low angle boundary (white line) 분포를 나타내었다.

성능/효과

그 결과 Al-15wt.%Al 합금 마모 시편에서 회주철의 마모 시편보다 low angle boundary 의 분율이 높으며 그 분포도 잘 분산되어 있음을 알 수 있었다. 한편 Image quality map 결과(그림 8(b), (d))로도 각 소재의 마모 시편에서 기지의 변형 정도를 예측할 수 있었다 [18].
(1) 과공정 Al-Si 합금의 경우 공정 Si 상 및 초정Si 상이 정출되어 있었으며, 특히 초정 Si 상은 Al 기지 + 공정 Si 상 분포 영역보다 우수한 경도 특성을 나타내었다. 상용 실린더 라이너에서 채취한 회주철 소재의 경우 다양한 크기의 편상 흑연들이 무작위적인 분포를 갖는 type A 회주철로 나타났다.
(2) 엔진 오일 윤활 조건에서의 pin-on disk 시험 결과, 마모 질량이 과공정 Al-Si 합금에서 현저히 작게 나타났으며, 마모율(wear rate)의 경우도 회주철에 비해 과공정 Al-Si 합금이 약 87% 더 작게 나타났다. 즉 과공정 Al-Si 합금이 낮은 밀도에도 불구하고 엔진 오일 분위기 하에서 현저히 우수한 내 마모 특성을 나타냈다.
(3) 마모 변형 조직 관찰결과, 회주철의 경우 소성변형 영역이 매우 좁은 범위로 나타났으며, 표면에서의 연삭 작용과 기지의 탈락에 의해 마모가 발생함을 알 수 있었다. 또한 엔진 오일 환경에서 흑연 윤활막 생성되지 않고, 일부 영역에 집중적으로 분포된 흑연들에 의한 기지의 박리가 주요 마모 기구로 판단된다.
과공정 Al-Si 합금과 회주철의 마모흔 표면 및 단면 관찰 결과로부터 두 합금 간 마모에 의한 소성변형 영역에 차이가 있음을 확인하였다. 소성 변형영역에서 나타나는 각 합금 내 미세조직적 차이를 분석하기 위해 EBSD 분석을 수행하였으며, 그림 8에 그 결과를 나타내었다.
여기에서 과공정 Al-Si 합금의 경우 경도가 큰 초정Si 상들의 존재로 인해 경도의 편차가 크게 측정되었으며, 이에 초정 Si 상과 Al 기지+공정 Si 상 두 영역을 구분하여 측정하였다. 그 결과 Al 기지+공정 Si 상 영역은 130Hv, 초정 Si 상은 343Hv 로 얻어졌으며 회주철의 경우는 236.8Hv 로 나타났다. 즉 과공정 Al-Si 합금의 기지는 회주철의 경도보다 낮았으나 초정 Si 상의 경우 회주철 보다 더 높은 것을 확인할 수 있었다.
그림 5 에 오일 환경 하에서의 pin-on disk 마모 시험 결과를 소재 및 하중별로 나타내었다. 마모 질량감소(wear loss) 결과에서는 두 소재 모두 하중이 증가함에 따라 마모량이 증가하는 일반적인 경향을 나타내었다. 경 마모(mild wear) 조건인 2kg_f 하중에서는 두 소재 모두 마모가 거의 발생하지 않았다.
또한 엔진 오일 환경에서 흑연 윤활막 생성되지 않고, 일부 영역에 집중적으로 분포된 흑연들에 의한 기지의 박리가 주요 마모 기구로 판단된다. 반면, 과공정 Al-Si 합금은 경도가 높은 초정 Si 상이 표면의 연삭 마모를 완화시켰으며, 동시에 기지 내부에서는 Si상의 하중지지 효과로 마모가 억제되는 것을 알 수 있었다.
앞서 설명한 그림 6 의 마모흔 표면 관찰 결과에서도 마찬가지로 초정 Si 상이 파단 된 형태로 나타났지만 기지와의 분리나 탈락되는 형태는 나타나지 않았다. 상기 마모흔 표면 및 단면 관찰 결과로 종합하여 볼 때 초정 Si 상은 마모 환경에서소재에 부여되는 응력의 일부를 수용함으로써 소재 전체의 마모 저항성을 향상시키는 것으로 판단된다. 회주철의 경우에도 소성변형 영역에서 펄라이트상의 휘어짐(그림 7(b), arrows)이 관찰되었는데, 이 때 소성변형 영역은 과공정 Al-Si 합금보다 작은 약 3.
이상에서 회주철의 경우 표면의 연삭 마모와 일부 영역에 집중된 편상 흑연들 사이에서 발생하는 기지의 탈락이 주된 마모 기구로 작용하고, 과공정 Al-Si 합금의 경우 초정 Si상이 표면에서의 연삭 마모 저항성을 향상시킬 뿐만 아니라 연한 Al 기지에 고루 분포함으로써 하중을 분산시키는 역할을 하여 엔진 오일 환경에서 우수한 내마모 특성을 나타내는 것으로 판단된다.
8Hv 로 나타났다. 즉 과공정 Al-Si 합금의 기지는 회주철의 경도보다 낮았으나 초정 Si 상의 경우 회주철 보다 더 높은 것을 확인할 수 있었다.
(2) 엔진 오일 윤활 조건에서의 pin-on disk 시험 결과, 마모 질량이 과공정 Al-Si 합금에서 현저히 작게 나타났으며, 마모율(wear rate)의 경우도 회주철에 비해 과공정 Al-Si 합금이 약 87% 더 작게 나타났다. 즉 과공정 Al-Si 합금이 낮은 밀도에도 불구하고 엔진 오일 분위기 하에서 현저히 우수한 내 마모 특성을 나타냈다.
8ⅹ10^-5으로 얻어졌다. 즉 밀도 차를 고려하였음에도 회주철에 비해 과공정 Al-Si 합금의 내마모 특성이 현저히 우수함을 확인할 수 있었다.

후속연구

그러나 디젤 차량의 실린더 라이너와 같이 피스톤과의 직접적인 마찰이 지속적으로 일어나는 대부분의 엔진 부품에서는 여전히 값싼 원가에 비해 마모 특성 제어가 용이한 회주철(gray cast iron)이 주로 사용되고 있다 [6,7]. 따라서 내 마모 특성을 향상시킨 과공정 Al-Si 합금의 개발이 조속히 이루어져야 할 과제이며, 차체 부피의 약 30%를 차지하는 엔진/구동 기관의 과공정 Al-Si 소재 적용이 확대됨에 따라 연료 소비량을 크게 절감할 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	과공정 Al-Si 합금의 문제점은?	그러나 과공정 Al-Si 합금은 주조 시 고용 한계(solubility limit) 이상에서 정출된 초정 Si상이 제어되지 않고 조대한 크기로 생성될 경우 기계적 특성 및 가공성이 저하되는 문제점도 동시에 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 주로 미세화 원소 P를 첨가하는 방법이 사용되고 있다 [8,9].
	엔진 오일 환경에서 상용 회주철의 마모 발생 이유는?	(3) 마모 변형 조직 관찰결과, 회주철의 경우 소성변형 영역이 매우 좁은 범위로 나타났으며, 표면에서의 연삭 작용과 기지의 탈락에 의해 마모가 발생함을 알 수 있었다. 또한 엔진 오일 환경에서 흑연 윤활막 생성되지 않고, 일부 영역에 집중적으로 분포된 흑연들에 의한 기지의 박리가 주요 마모 기구로 판단된다. 반면, 과공정 Al-Si 합금은 경도가 높은 초정 Si 상이 표면의 연삭 마모를 완화시켰으며, 동시에 기지 내부에서는 Si상의 하중지지 효과로 마모가 억제되는 것을 알 수 있었다.
	12.6% 이상의 Si 함량을 갖는 과공정(hyper-eutectic) Al-Si 합금의 특성은?	Al-Si 합금은 경도가 높은 Si 상의 생성으로 낮은 밀도와 열팽창 계수, 우수한 내마모 특성과 내식성 및 높은 고온 강도를 나타낼 수 있다. 특히 12.6% 이상의 Si 함량을 갖는 과공정(hyper-eutectic) Al-Si 합금의 경우 초정 Si 상이 Al 기지에 정출되도록 설계한 합금으로 매우 뛰어난 내 마모 특성을 갖는다 [4]. 이에 과공정 Al-Si 합금은 자동차용 엔진 경량화 합금으로의 적용이 시도되고 있다 [1-3].

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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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