[논문]고온 환경에서 합금의 마모 및 마찰 특성에 관한 연구

최승윤; 김대은

doi:10.9725/kts.2019.35.1.24

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In this work we investigated the friction and wear characteristics of a magnesium alloy, which has been receiving much attention as a light metal in industrial applications such as automobiles and aerospace. Magnesium is one of the lightest structural material that has high specific strength, lightw...

In this work we investigated the friction and wear characteristics of a magnesium alloy, which has been receiving much attention as a light metal in industrial applications such as automobiles and aerospace. Magnesium is one of the lightest structural material that has high specific strength, lightweight, low density and good formability. However, current issue of using magnesium alloy is that magnesium has weakness against temperature. As the temperature increases, magnesium undergoes poor creep resistance and ease of softening, and therefore, its mechanical strength decreases sharply. To solve this issue, a new type of magnesium alloy that retains high strength at high temperature has been proposed. The tribological behavior of this alloy was investigated using a tribotester with reciprocating motion and heating plate. A stainless steel ball was used as a counter surface. Results showed that extrusion process has similar wear behavior to the commonly used casting process but retains good mechanical strength and durability. The presence of an alloying element enhanced the wear properties especially in high temperature. This study is expected to be utilized as fundamental data for the replacement of high density materials currently used in mechanical industries to a much lighter and durable heat-resistant materials.

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표/그림 (12)

표 Table 1. Extruded and casted sample preparation
표 Table 2. Gadolinium added sample preparation
그림 Fig.1. Picture of actual specimen.
그림 Fig. 2. Reciprocating-type high temperature tribotester.
표 Table 3. Friction test condition
그림 Fig. 3. Friction coefficient graph for ext, cast and SUS samples in (a) room temperature, (b) 100°C, (c) 150°C and (d) 200°C.
표 Table 4. Friction coefficients of ext. and cast alloys
표 Table 5. Friction coefficients of 0~4.8 Gd samples
그림 Fig. 4. Friction coefficient graph for 0~4.8 fully extruded specimen and SUS samples in (a) room temperature, (b) 100°C, (c) 150°C, (d) 200°C and (e) 250°C.
그림 Fig. 5. Example of surface of one of the samples and its wear area measurement.
표 Table 6. Wear rate table of cast and fully extruded specimen
표 Table 7. Wear rates 0~4.8 Gd samples

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문제 정의

이에 반해 마그네슘은 열에 의해 쉽게 변형되기 때문에 고온 환경에서 쓰이는 기계 부품에 이용되지 않는다[4, 5]. 마그네슘의 이러한 단점을 해결하기 위해 본 연구에서는 새로운 조합의 마그네슘 합금을 제작하여 가볍지만 우수한 내열성을 지닌 합금을 제시하고자 한다. 또한 고온에서 트라이볼로 지적 특성 평가를 통해 고온 환경에서 작동하는 기계 부품에 적용 가능성을 파악하였다.
마그네슘의 이러한 단점을 해결하기 위해 본 연구에서는 새로운 조합의 마그네슘 합금을 제작하여 가볍지만 우수한 내열성을 지닌 합금을 제시하고자 한다. 또한 고온에서 트라이볼로 지적 특성 평가를 통해 고온 환경에서 작동하는 기계 부품에 적용 가능성을 파악하였다.
또한 본 연구에서 사용한 extrusion 공정은 합금 용액이 최저 온도에서 융해하는 eutectic network를 끊어 기존 cast 공정에 비해 인장강도와 내구성을 향상시킨다 [6-8]. 따라서 본 연구에서는 extrusion 공정을 통해 합금을 제작하고 기존에 널리 쓰이는 cast 방법으로 가공된 합금과 내마모성을 비교하여 기존 합금을 대체할 수 있는 가능성을 파악하였다.
[9-11]. 가돌리늄이 첨가된 합금의 우수한 강도과 내화학성 등에 대한 연구 결과가 보고되었으며 본 연구에서는 가돌리늄이 첨가된 마그네슘 합금을 가공하여 고온 환경에서 트라이볼로지적 특성을 파악하였다.
본 연구에서는 마그네슘 합금의 공정에 따른 마찰, 마모 특성을 파악하였으며 가돌리늄 혼합 비율을 달리하며 제작된 합금의 고온에서의 트라이볼로지적 특성을 파악하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

Extrusion 공정의 합금의 강도 및 트라이볼로지적 특성 향상을 파악하기 위해 extrusion과 as-cast 방식으로 시편을 제작하였다. 그리고 마그네슘 합금에 가돌리늄을 첨가하여 고온 환경에서 내마모 특성을 파악하기 위해 가돌리늄이 첨가된 마그네슘 합금을 제작하였다.
제작하였다. 그리고 마그네슘 합금에 가돌리늄을 첨가하여 고온 환경에서 내마모 특성을 파악하기 위해 가돌리늄이 첨가된 마그네슘 합금을 제작하였다. 이 합금들은 University of Tehran에서 가공되었다.
가돌리늄 혼합 비율 0~4.8%로 제작된 마그네슘 합금 시편들로 윤활 실험을 진행하고, SUS 304 시편을 동일 조건에서 실험하여 상대 비교하였다. 상온에서부터 150 까지의 마찰 계수는 온도에 따라 큰 변화가 없다가, 200부터 시편에 따라 다른 경향을 나타내었다.
고온환경에서 트라이볼로지적 특성을 파악하기 위해 heating plate가 달려있는 ball-on plate 형식의 왕복운동형 고온 마찰시험기를 사용하였다. 본 실험 장치의 구성은 Fig.
Heating plate 위에 시편 크기에 맞춰 지그를 제작하였고 상대면으로는 5 mm의 SUS304 볼을 사용하여 20N의 수직하중을 인가하였다. Pretest 를 진행하여 마찰 계수가 steady-state 인 구간을 파악하였으며 600회의 반복횟수로 마찰 실험을 진행하였다. 또한 모든 실험은 각 시편 종류마다 세 번씩 반복 실험하였다.
Pretest 를 진행하여 마찰 계수가 steady-state 인 구간을 파악하였으며 600회의 반복횟수로 마찰 실험을 진행하였다. 또한 모든 실험은 각 시편 종류마다 세 번씩 반복 실험하였다. 자세한 실험 조건은 Table 3에 명시되어 있다.
실험 후에 아세톤과 에탄올로 세척된 시편 표면을 3D 공초점 레이저 현미경으로 분석하였다. 해당 장비는 Fig.

대상 데이터

Table 1에 나타낸 시편은 커버 가스 (5%SFCO)로 보호된 유도 용광로를 사용하여 마그네슘을 흑연 도가니에서 용해하여 제작하였다. 합금시편을 제작하기 위해 Mg-50wt%Al 소재를 770에서 액체상태의 마그네슘(99.
용해하여 제작하였다. 합금시편을 제작하기 위해 Mg-50wt%Al 소재를 770에서 액체상태의 마그네슘(99.92%)에 첨가하였다. 흑연 막대로 섞은 후, Mg-20wt%Ca 소재를 750에서 첨가하였다.
마지막으로, 100로 예열된 실린더 모양의 주조틀로 용해 합금을 부었다. 그 후 상온까지 식힌 주조틀을 직경 8 mm, 길이 5 mm로 절단하여 14A-CAST 시편을 제작하였다. Cast 시편을 제작하고 남은 합금은 extrusion 컨테이너에 들어갈 수 있도록 직경 30 mm, 길이 30 mm의 막대 모양으로 가공하였다.
이후, 합금을 extrusion 컴테이너에서 450의 온도, extrusion 비율 12:1, 10 mm/s의 속도로 수압식으로 밀어내어 시편을 제작하였다. 이렇게 만들어진 14A-EXT 시편의 최종 크기는 직경 8 mm, 두께 5 mm로 가공되었다.
모든 시편의 후처리 공정으로 연마, 광택 작업이 이루어졌으며 Fig. 1은 실제 시편의 사진으로, 직경 8 mm, 두께 5 mm이다.
14A-EXT 시편과 14A-CAST 시편으로 윤활 실험을 진행하고, 비교를 위해 SUS 304 시편을 동일 조건에서 실험하여 비교하였다. 먼저 상온에서는 Fig.
마그네슘 합금은 자동차, 항공우주산업 등에서 핵심적으로 사용되는 기계부품인 엔진에 주로 이용되기 때문에 윤활유는 엔진오일을 사용하였다. 윤활유는 매 실험 전 시편 위에 주사기를 이용하여 직접 도포하였다.

성능/효과

가돌리늄이 첨가된 마그네슘 합금의 우수한 내 마모 특성은 200 이상의 환경에서 명확히 나타났다.
300 이상의 온도 조건에서는 엔진 오일이 빠르게 증발하기 때문에 의미 있는 실험결과를 얻을 수 없었다. 최대 250에서 진행된 마찰 실험을 통해 가돌리늄 합금에 의한 고온에서의 트라이볼로지적 특성을 파악할 수 있었다. 평균 마찰 계수 값은 Table 5에 명시되어 있다.
8%로 제작된 합금 시편들의 마모율을 계산하여 Table 7에 나타내었다. 마찬가지로 온도가 올라갈수록 마모율이 증가하였고, 마찰 계수가 낮게 측정되었던 가돌리늄 비율 4.8% 합금 시편도 마모율은 다른 시편들과 큰 차이가 나지 않는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

이를 통하여 기존의 기계적 산업의 고온환경에서 쓰이는 고밀도의 물질들을 훨씬 가볍고 내마모성 있는 내열성 물질로 대체할 수 있는 연구 결과로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (11)

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