[논문]분말 야금에 의해 소결된 강철의 트라이볼로지 특성 향상

최세이미; 카림바예프 루슬란; 편영식; 아마노프 아웨즈한

doi:10.9725/kts.2020.36.4.244

[국내논문] 분말 야금에 의해 소결된 강철의 트라이볼로지 특성 향상
Improvement in Tribological Properties of Carbon Steel Sintered by Powder Metallurgy 원문보기

한국트라이볼로지학회지 = Tribology and lubricants, v.36 no.4, 2020년, pp.244 - 252

최세이미 (선문대학교 대학원 융합과학기술학과) , 카림바예프 루슬란 (선문대학교 대학원 융합과학기술학과) , 편영식 (선문대학교 융합과학기술학과) , 아마노프 아웨즈한 (선문대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Materials manufactured by powder metallurgy (PM) are widely used in various applications such as water pump, shock absorber, and airplane components due to the reduction in the cost and weight. In this study, tribological properties of carbon steel subjected by surface treatment were investigated. The main purpose is to increase the strength and improve the tribological properties by reducing pores that formed by PM. Moreover, the surface treatment was carried out at room and high temperatures (RT and HT). The surface roughness of the untreated (NON) and treated (AFTER) samples was measured. It was found that the surface roughness was reduced after both the RT AFTER and HT AFTER compared to RT NON sample. The tribological properties of the samples were performed against bearing steel ball under dry conditions. The friction coefficient of the RT NON samples was reduced by 22% and 56% RT AFTER and HT AFTER, respectively. The wear volume of the RT NON sample was also reduced by 43% and 87% RT AFTER and HT AFTER, respectively. Tribocorrosion tests were also performed and it was found that the surface of the RT AFTER, HT AFTER samples was less corroded compared to RT NON sample. The HT AFTER sample demonstrated a relatively higher corrosion potential in comparison with the RT AFTER samples. Hence, it was confirmed that after surface modification the surface roughness and hardness of the samples were significantly improved resulting in improvement in tribological and tribocorrosion behaviors of PM carbon steel.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. A picture of the sample manufactured by PM.
그림 Fig. 2. Surface treatment method.
표 Table 2. Surface treatment parameters
표 Table 1. Chemical composition in wt. %
그림 Fig. 3. Surface treatment process at HT by means of halogen heater.
그림 Fig. 4. Schematic view of a tribo tester.
그림 Fig. 5. Tribo-corrosion test schematic.
표 Table 3. Tribo test conditions
표 Table 4. Tribocorrosion test conditions
그림 Fig. 7. 3D images of the samples.
그림 Fig. 6. SEM images of the samples.
그림 Fig. 8. Surface roughness of the samples.
그림 Fig. 9. 3D images with 2D profiles of the before and after Surface treatment.
그림 Fig. 10. Surface hardness of the samples.
그림 Fig. 11. Friction coefficient of the samples.
그림 Fig. 12. 3D images of the samples showing wear track on the surface.
그림 Fig. 13. SEM images together with EDS (O) mappings of the wear tracks.
그림 Fig. 14. Tribocorrosion test results of the samples.
그림 Fig. 15. OM and SEM images of the samples after tribocorrosion test.
그림 Fig. 16. EDS mappings of the wear tracks after tribocorrosion test.

AI 본문요약
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문제 정의

3은 이의 개략도를 보여준다. 300℃에서 수행되었으며, 이는 탄소강의 청열취성 (blue shortness) 구간에서 인장강도와 경도가 높아지는 구간으로서 상온-처리와 비교하기 위하여 시행되었다.
이를 해결하기 위하여 황(S)을 넣어 가공성에 향상을 얻을 수 있으나, 이 또한 취성을 증가 시켜 기계적인 특성을 저하시킨다. 따라서 본 연구에서는 분말 야금법으로 제작된 부품에 물리적/기계적 힘으로 표면 개질 하여 표면 개질 전-후 트라이볼로지 특성인 마찰 및 마모 특성을 분석하며, 경도 및 내마모성의 변화, 표면의 미세 구조 변화, 내 부식성의 변화를 관찰, 연구하여 표면 개질 된 부품의 수명을 향상 가능성을 알아본다.

제안 방법

부식 시험은 정 전류 시험으로, 200 ml의 3.5% NaCl 수용액에서 10 µA의 전류로 총 1시간 부식 시험을 진행하였으며, 시편 처리 조건 별 마찰부식 시험 전압의 시작점과 종료 점을 찾기 위하여 15분 일반부식 시험(C = Corrosion) 후, 30분간 마찰부식 (TC = Tribocorrosion) 시험 진행, 마찰부식 시험 종료 후 15분간 부식 시험(C)을 진행하였다.
CSM Instruments (스위스)의 마모 시험기를 사용 하였다. 처리된 시편의 경우 Interval 방향으로 마찰 및 마모 시험을 진행하였다. Fig.

대상 데이터

마찰 및 마모 시험은 Ball-on-Flat (ASTM G133) 환경에 왕복 미끄럼 운동으로 수행되었으며, 이의 조건은 Table 3과 같다. CSM Instruments (스위스)의 마모 시험기를 사용 하였다. 처리된 시편의 경우 Interval 방향으로 마찰 및 마모 시험을 진행하였다.
5% NaCl 수용액에서 10 µA의 전류로 총 1시간 부식 시험을 진행하였으며, 시편 처리 조건 별 마찰부식 시험 전압의 시작점과 종료 점을 찾기 위하여 15분 일반부식 시험(C = Corrosion) 후, 30분간 마찰부식 (TC = Tribocorrosion) 시험 진행, 마찰부식 시험 종료 후 15분간 부식 시험(C)을 진행하였다. 마찰 시험에 사용된 SUJ2 볼 직경은 12.7 mm이며, 하중은 10 N, 1 Hz로 30분 (1800 cycles) 진행되었다.
본 연구에 사용된 소결체는 양산용 800 ton급 자동 프레스를 사용하여 직경 30 mm, 내경 15 mm, 두께 10 mm의 시편을 밀도가 약 6.62 g/cm³되도록 제작하였다. 소결은 양산용 메쉬벨트 소결로를 사용하여 흡열형 가스 환경에서 1120℃의 온도로 20분 동안 실시하였다.
표면 거칠기 및 마모율 확인을 위한 데이터는 표면조도측정기 (SJ-210, Mitutoyo, 일본), (DektakXT, BRUKER, 독일)로 측정하였으며, 경도 측정은 비커스 경도 시험기 (MVK-E3, Mitutoyo, 일본)로 측정하였다. 시편 촬영은 SLT-A65(Sony, 일본) 광학 카메라가 사용되었으며, 표면 분석을 위한 SEM (scanning electron microscope), EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy)는 (X-MAXn 51-XMX1018, Oxford, 잉글랜드)를, XRD는 (EMPYREAN, Panalytical B.V, 네덜란드)가 사용되었다.
표면 거칠기 및 마모율 확인을 위한 데이터는 표면조도측정기 (SJ-210, Mitutoyo, 일본), (DektakXT, BRUKER, 독일)로 측정하였으며, 경도 측정은 비커스 경도 시험기 (MVK-E3, Mitutoyo, 일본)로 측정하였다. 시편 촬영은 SLT-A65(Sony, 일본) 광학 카메라가 사용되었으며, 표면 분석을 위한 SEM (scanning electron microscope), EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy)는 (X-MAXn 51-XMX1018, Oxford, 잉글랜드)를, XRD는 (EMPYREAN, Panalytical B.

데이터처리

12와 같이 측정되었다. 일부 영역에 대하여 3D Scanning하여 얻은 데이터 평균 값으로 2D트랙을 생성 후, 마모율은 아래와 같은 계산식을 이용하여 계산되었다.

이론/모형

마찰 및 마모 시험은 Ball-on-Flat (ASTM G133) 환경에 왕복 미끄럼 운동으로 수행되었으며, 이의 조건은 Table 3과 같다. CSM Instruments (스위스)의 마모 시험기를 사용 하였다.

성능/효과

- RT-NON 시편 대비 RT-AFTER, HT-NON, HTAFTER 시편의 내마모성은 크게 증가함을 확인할 수 있었다.
- 마찰 및 마모 시험결과는 표면처리 후 running-in 구간이 상대적으로 안정화되었으며, 전체적으로 마찰계수가 감소하였다. HT-NON 시편은 산화물 층 구간이 관찰되었다.
- 시편의 표면 거칠기는 RT-NON, RT-AFTER에서는 34% 감소하였다. HT-AFTER의 경우 거칠기(Ra)는 RTNON와 비슷하나, SEM으로 관찰 시 상대적으로 매끄러운 표면을 보인다.
RT-NON(상온 미처리)는 Ra 1.132 µm, RT-AFTER(상온 처리)는 Ra 0.743 µm로서 34% 감소하였으며, HT-NON(가열 미처리)의 경우 Ra 1.138 µm, HT-AFTER(가열 처리)는 Ra 1.125 µm로서 RT-NON 시편과 비슷한 표면 조도의 결과가 나왔다.
10과 같다. 각 조건에 따라 4회 측정 후 평균 값을 구하였으며 이의 결과는, RT-NON시편 97 HV, RT-AFTER시편 165 HV로서 RT-NON대비 69% 증가, HT-NON시편 113 HV, HT-AFTER 시편 237 HV로서 RT-NON대비16%, 144 % 증가하였다. Hall-Petch 이론에 따르면 결정의 크기가 작을수록 경도가 증가한다.
13 같다. 마찰 및 마모 시험 후 연삭마모(abrasive wear), 응착 마모(adhesive wear)가 관찰되었다. HT-AFTER의 경우 표면처리 후 마모 용량이 HT-NON시편 대비 크게 관찰되었다.
16은 마모 트랙을 EDS로 분석하였으며, O(산소)는 주황색으로 Fe(철)은 파란색으로 설정하였다. 분석 결과, O의 분포율은 RT-NON이 30%, RT-AFTER가 15%, HT-AFTER가 8.5%로 측정되었다. 시편을 전체적으로 관찰할 경우 RTAFTER는 HT-AFTER 대비 부식이 적게 진행되었으나, 마찰 및 마모 시험이 진행된 부위 주변에서는 이와 반대 되는 결과가 관찰되었다.
소결소재(1.61 × 10−7Ωm)의 전기 저항 값 대비 마찰재로 사용된 SUJ2(2.19 × 10−7Ωm)의 전기 저항 값이 크기에 RT 시편 대비 높은 전기저항 수치를 얻었다.
5%로 측정되었다. 시편을 전체적으로 관찰할 경우 RTAFTER는 HT-AFTER 대비 부식이 적게 진행되었으나, 마찰 및 마모 시험이 진행된 부위 주변에서는 이와 반대 되는 결과가 관찰되었다.
19 × 10⁻⁷Ωm)의 전기 저항 값이 크기에 RT 시편 대비 높은 전기저항 수치를 얻었다. 시험 진행 중 시행된 3.5% NaCl 수용액에서의 마찰 계수는 RT-NON 0.19, RT-AFTER 0.10, HT-AFTER 0.17의 결과를 얻었으며, 처리 시편이 미처리 시편 대비 마찰계수가 감소함이 확인되었다. Dry 환경 마찰 시험 비교 시, HT-AFTER는 RT-AFTER 상태 대비 마찰계수가 감소하였으나, 3.
위 식으로 계산한 결과, RT-NON의 마모율은 8.98 ×10−6 mm3/Nm, RT-AFTER 마모율은 5.11 × 10−6 mm3/Nm로서 표면처리 후 마모율이 RT-NON 대비 43% 감소하였다.
전체적으로RT-NON 시편의 부식이 가장 크게 발생되었으며, HT-AFTER, RT-AFTER 순으로 부식이 적게 발생되었다. 이는 기공에 의한 공식(pitting)이라고 사료 된다.
1열은 표면처리 전이며, 2열은 표면처리 후이다. 표면처리 전 표면에는 소결 중 생성된 기공이 많은 양으로 존재하고 있었으나, 표면처리 후 표면 부는 소성변형으로 인하여 대부분의 기공이 닫히게 됨을 관찰하였다. HT 시편은 RT 시편과 비교 시 SEM 이미지상 흰색의 산화물이 관찰되었는데, 이는 가열 중 산소와 반응하여 발생된 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소결소재에 강도를 높이기 위해 첨가하는 합금 원소는 어떤 것이 있는가?	하지만 기공이 존재 하기에 이로 인한 내구성 저하가 발생될 수 있다[3,4]. 소결소재에서 강도를 높이기 위하여 일반적으로 저 합금 원소 크롬(Cr), 망가니즈(Mn), 바나듐(V)등을 첨가하여 미세 합금으로 강도의 향상을 이루려 하지만, 후 가공이 힘들어진다. 피삭성 – 가공 성능 확보 또한 주요 평가요소가 되기에 첨가물로서 강도를 올리기에는 한계가 존재한다.
	미세 합금으로 강도를 향상시키기 위해 황(S)을 첨가할 경우 문제점은?	피삭성 – 가공 성능 확보 또한 주요 평가요소가 되기에 첨가물로서 강도를 올리기에는 한계가 존재한다. 이를 해결하기 위하여 황(S)을 넣어 가공성에 향상을 얻을 수 있으나, 이 또한 취성을 증가 시켜 기계적인 특성을 저하시킨다. 따라서 본 연구에서는 분말 야금법으로 제작된 부품에 물리적/기계적 힘으로 표면 개질 하여 표면 개질 전-후 트라이볼로지 특성인 마찰 및 마모 특성을 분석하며, 경도 및 내마모성의 변화, 표면의 미세 구조 변화, 내 부식성의 변화를 관찰, 연구하여 표면 개질 된 부품의 수명을 향상 가능성을 알아본다.
	초음파 나노 표면 개질 기술은 어떤 기술인가?	초음파 나노 표면 개질(UNSM - Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification) 기술은 초음파 진동 에너지를 응용하여 정적 및 동적 하중이 부가된 볼로 초당 20,000회 이상의 타격을 금속표면에 주어 S2PD (Surface Severe Plastic Deformation)을 금속에 발생시켜 이로 인하여 표면 층 조직을 나노 결정 조직으로 개질함과 동시에 압축 잔류응력을 부가하는 기술이다. Fig.

참고문헌 (11)

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Amanov, A., "Effect of Local Treatment Temperature of Ultrasonic Nanocrystalline Surface Modification on Tribological Behavior and Corrosion Resistance of Stainless Steel 316L Produced by Selective Laser Melting." Surf. Coat. Technol., Vol.398, 126080, 2020.

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저자의 다른 논문 :

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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