[논문]교반주조 및 압연공정으로 제조된 B4C/Al6061 금속복합재료의 마모 및 기계적 특성 연구

이동현; 오강훈; 김정환; 김양도; 이상복; 조승찬

doi:10.7234/composres.2020.33.5.241

교반주조 및 압연공정으로 제조된 B4C/Al6061 금속복합재료의 마모 및 기계적 특성 연구
Wear and Mechanical Properties of B4C/Al6061 Composites Fabricated by Stir Casting and Rolling Process 원문보기

Composites research = 복합재료, v.33 no.5, 2020년, pp.241 - 246

이동현 (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science) , 오강훈 (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science) , 김정환 (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science) , 김양도 (School of Materials Science and Engineering, Pusan National University) , 이상복 (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science) , 조승찬 (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science)

초록
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본 연구에서는 교반주조 공정을 통해 B₄C 입자가 균일하게 분산된 알루미늄 금속복합재료를 제조하고 후 공정으로 열간압연을 수행하였다. 제조된 복합재료의 미세조직, 기계적 특성 및 내마모 특성에 대해 분석하였다. 40 ㎛ 크기의 B₄C 입자가 균일하게 분산된 복합재료는 강화재의 체적율이 증가함에 따라 인장강도는 증가하였으며, 마모 성능도 개선되었다. 20 vol.% 복합재료의 경우 인장강도 값은 292 MPa로 기지재인 Al6061 대비 155% 증가하였다. 내마모시험 결과 20 vol.% 복합재료의 경우 마모 너비와 깊이가 각각 856 ㎛, 36 ㎛이며, 마찰계수는 0.382로 Al6061 대비 상당히 우수한 내마모 특성을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, aluminum (Al) alloy matrix composites in which B4C particles were uniformly dispersed was manufactured through stir casting followed by hot rolling process. The microstructure, mechanical properties, and wear resistance properties of the prepared composites were analyzed. The composite in which the 40 ㎛ sized B4C particles were uniformly dispersed increased the tensile strength and improved wear performance as the volume ratio of the reinforcement increased. In the case of the 20 vol.% composite, the tensile strength was 292 MPa, which was 155% higher than that of the Al6061. As a result of the wear resistance test, the wear width and depth of the 20 vol.% B4C/Al6061 composites were 856 ㎛, and 36 ㎛, and the friction coefficient was 0.382, which were considerably superior to Al6061.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Schematic of the stir casting process
그림 Fig. 2. The manufactured B₄C/Al6061 AMCs by stir casting followed by hot rolling process
그림 Fig. 3. Microstructures of B₄C/Al6061 stir-casting AMCs with (a) 5 vol.%, (b) 10 vol.%, (c) 20 vol.% B₄C, and hot-rolled AMCs with (d) 5 vol.%, (e) 10 vol.%, (f) 20 vol.% B₄C
그림 Fig. 4. Summary of (a) tensile strengths and (b) relative densities of the B₄C/Al6061 composites
그림 Fig. 5. Wear depth, width, and hardness of Al6061 and B₄C/Al6061 composites tested at 20 N
표 Table 1. Summary of wear depth, width, COF, and hardness of Al6061 and B₄C/Al6061 composites
그림 Fig. 6. SEM micrographs of worn surface of; (a) Al6061 alloy, (b) 20 vol.% B₄C/ Al6061 composite

AI 본문요약
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문제 정의

교반 주조공정의 경우 분말야금 공정에 비하여 복합재료 제조 공정이 간단하며, 대형복합 재료의 제조에 용이하다. 따라서 본 연구에서는 교반주조 공정을 이용하여 체적율별 B₄C/Al6061 중간재를 제조한 후, 열간 압연하여 B₄C/Al6061 복합재료를 제조하고 체적율에 따른 미세조직, 기계적 특성 및 마모 특성에 대해 고찰하였다.

제안 방법

교반주조 공정으로 제조된 B₄C/Al6061 복합재료의 미세 조직을 주사전자현미경(JSM-6610LV, JEOL)을 이용하여 분석하였다. 제조된 복합재료의 인장시험은 5 × 10^-4/s의 strain rate 조건에서 만능재료시험기(5882 model, Instron)로 진행하였다.
시험 후, 마모너비는 주사전자현미경 분석으로부터 얻은 이미지의 마모 폭을 이미지 분석프로그램을 통하여 5번을 측정하여 평균값을 계산하였다. 마모 깊이는 접촉식 3차원 표면분석기(Dektak XT, Bruker)를 사용하여 측정하였다.
압연하기 전에 가열로에서 500°C에서 복합재료를 예열 한 후 압연을 실시하였으며, 한 패스 당 5분동안 다시 복합재료를 예열하여 진행하였다.
강화재는 오븐을 이용하여 200°C에서 예열하였으며, 그라파이트 도가니에 Al6061 기지재를 장입하여 780°C에서 용융 시켰다. 이후 아르곤 가스를 이용하여 degassing을 실시하여 용탕내 불순물을 제거하였다. 임펠러는 Ti-6Al-4V 합금을 사용하였고, 용융된 Al6061에 B₄C 입자를 투입하여 10분간 700 RPM으로 교반하여 복합재료를 제조하였다.
제조된 복합재료의 인장시험은 5 × 10-4/s의 strain rate 조건에서 만능재료시험기(5882 model, Instron)로 진행하였다.
% B₄C/Al6061 복합재료이다. 직경이 5 mm인 Si₃N₄ 볼을 사용하여 하중 5 N, 20 N에서 마모시간 900 sec, 속도 105 mm/s의 조건에서 마모시험을 수행하여 마찰계수를 측정하였다. 시험 후, 마모너비는 주사전자현미경 분석으로부터 얻은 이미지의 마모 폭을 이미지 분석프로그램을 통하여 5번을 측정하여 평균값을 계산하였다.

대상 데이터

마모시험에 사용된 시편은 기지재인 Al6061, 5, 10, 20 vol.% B₄C/Al6061 복합재료이다. 직경이 5 mm인 Si₃N₄ 볼을 사용하여 하중 5 N, 20 N에서 마모시간 900 sec, 속도 105 mm/s의 조건에서 마모시험을 수행하여 마찰계수를 측정하였다.
본 연구에서는 교반주조 공정(Fig. 1)을 이용하여 B₄C/Al6061 복합재료를 제조하였다. 강화재는 오븐을 이용하여 200°C에서 예열하였으며, 그라파이트 도가니에 Al6061 기지재를 장입하여 780°C에서 용융 시켰다.
본 연구에서는 교반주조 공정과 열간압연을 이용하여 B₄C/Al6061 복합재료를 제조하였다. 제조된 복합재료의 미세조직을 분석한 결과 B₄C 강화재가 균일하게 분산되어 있었으며, 크랙이나 기공 등의 결함이 없는 것을 확인할 수 있었다.
35 g/cm³)이 들어있는 강화재에 비하여 가벼우며, 중성자 흡수 단면적이 높기 때문이다(B¹⁰ 기준 유효 중성자흡수 단면적: 767 barn). 본 연구의 경우 우수한 중성자 흡수 복합재료를 제조하기 위하여, 강화재를 B₄C로 선정하였으며, 경량성 및 후가공을 고려하여 기지재는 Al6061을 사용하였다. 최근 중성자 흡수/차폐용 복합재료는 원자력 발전뿐만 아니라, 우주 방사선의 위험에 대비하기 위해 우주 구조물(발사체, 위성체, 탐사체)등에 요구가 증가하고 경량 방사능 흡수소재의 연구가 진행되고 있다.
알루미늄 복합재료의 강화재로는 40 μm 크기의 B4C 분말(F320, Dunhua Zhengxing Abrasive Co., Ltd.)을 사용하였으며, 복합재료의 기지재로는 Al6061(ThyssenKrupp materials kore Co., Ltd.)을 사용하였다.
이후 아르곤 가스를 이용하여 degassing을 실시하여 용탕내 불순물을 제거하였다. 임펠러는 Ti-6Al-4V 합금을 사용하였고, 용융된 Al6061에 B₄C 입자를 투입하여 10분간 700 RPM으로 교반하여 복합재료를 제조하였다. 이후 제조된 복합재료를 100 mm × 100 mm × 10 mm로 가공하여 열간 압연을 진행하였다.

데이터처리

직경이 5 mm인 Si₃N₄ 볼을 사용하여 하중 5 N, 20 N에서 마모시간 900 sec, 속도 105 mm/s의 조건에서 마모시험을 수행하여 마찰계수를 측정하였다. 시험 후, 마모너비는 주사전자현미경 분석으로부터 얻은 이미지의 마모 폭을 이미지 분석프로그램을 통하여 5번을 측정하여 평균값을 계산하였다. 마모 깊이는 접촉식 3차원 표면분석기(Dektak XT, Bruker)를 사용하여 측정하였다.

이론/모형

복합재료의 마모 거동을 평가하기 위하여 ball-on-disk 타입의 마모시험기인 Tribometer(JLTB060, J&L Tech) 장비를 이용하였다.

성능/효과

인장시험 결과 20 vol.% B₄C/6061 복합재료의 인장강도가 292 MPa로 가장 높았으며, 체적율이 증가함에 따라 인장강도가 증가하는 것을 확인하였다. 내마모 시험결과 마모 너비 및 깊이는 경도 체적율 및 경도가 가장 높았던 20vol.
35)보다 5 vol.% B₄C/Al6061 복합재료(0.37)가 더 높게 측정되었으나, 대부분의 결과는 Al6061 대비 복합소재의 마찰계수는 감소하는 결과를 나타내었다.
6(b)는 20 vol.% B₄C/Al6061 복합재료의 마모시험 후 이미지이며, 기지재에 비하여 상대적으로 마모 폭이 좁으며, 자세한 마모 거동을 살펴보기 위하여 고배율의 이미지 (Fig. 6c)를 관찰한 결과 강화재인 B₄C의 입자 탈락으로 인한 마모파편은 보이지 않았으며, 대부분 모재의 박리로 인한 마모파편들을 확인할 수 있었다.
% 복합재료의 경우 5 vol.% 복합재료보다 인장강도가 21% 가량 증가하였다. 후공정인 열간압연을 진행하지 않은 복합재료의 경우 체적율과 관계없이 모재인 Al6061보다 인장강도가 낮게 측정되었다.
% B4C/Al6061 복합재료는 23 μm까지 감소하는 추세를 나타냈다. 20 N 하중에서도 마모 너비 및 깊이가 5 N 하중에서의 마모시험과 마찬가지로 유사한 경향성을 나타냈으며, 이를 통하여 강화재인 B₄C의 체적율에 따라 복합재료의 마모 폭 및 깊이가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 20 vol.
Ball-on-disk 마모시험을 통하여 기지재인 Al6061보다 복합재료가 마모 너비 및 깊이에서 더 좋은 성능을 나타내는 것을 확인하였으며, 마찰계수의 경우는 강화재 체적율 및 마모성능과는 관계가 적으며, 강화재 체적율 증가에 따른 복합재료의 경도 및 마모성능의 상관관계를 알게 되었다.
따라서 복합재료의 체적율이 증가할수록 인장강도 및 경도가 증가하였고 마모량이 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 교반주조 및 압연공정으로 제조한 B₄C/Al 복합소재의 경우의 분산성 및 계면 특성이 우수하여 체적율이 증가할수록 기계적 특성 및 내마모 특성이 향상됨을 확인할 수 있었다.
% B₄C/6061 복합재료가 720 μm, 23 μm로 가장 낮았다. 따라서 복합재료의 체적율이 증가할수록 인장강도 및 경도가 증가하였고 마모량이 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 교반주조 및 압연공정으로 제조한 B₄C/Al 복합소재의 경우의 분산성 및 계면 특성이 우수하여 체적율이 증가할수록 기계적 특성 및 내마모 특성이 향상됨을 확인할 수 있었다.
또한 복합재료 기지재 내에 B₄C 강화재가 대체로 균일하게 분산된 것을 확인할 수 있다. Fig.
4(b)의 결과를 살펴보면 교반주조 공정으로 제조된 복합재료의 상대밀도가 94% 이상으로 시편의 건전성이 양호한 편이다. 열간압연 이후 모든 복합재료의 상대밀도가 증가하였으며 압연 전 시편 내부의 기공들이 열간압연에 의해 거의 제거된 것으로 확인된다. 열갑압연 후 상대밀도는 거의 99%에 근접하며, 복합재료 내부에 기공이 거의 없는 건전하게 제조된 것으로 판단된다.
열간압연 이후 모든 복합재료의 상대밀도가 증가하였으며 압연 전 시편 내부의 기공들이 열간압연에 의해 거의 제거된 것으로 확인된다. 열갑압연 후 상대밀도는 거의 99%에 근접하며, 복합재료 내부에 기공이 거의 없는 건전하게 제조된 것으로 판단된다. 교반주조 공정으로만 제조된 복합재료의 경우, 열간압연을 거치지 않기 때문에 주조로 인한 결함 및 입자간 뭉침때문에 생기는 기공으로 인해 모재인 Al6061보다 낮은 인장강도가 측정된 것으로 확인된다.
3은 교반주조 공정으로 제조된 B₄C/Al6061 복합재료와 후 공정인 열간압연까지 진행한 복합재료 시편의 미세 조직을 주사전자현미경을 이용하여 분석한 결과이다.이미지 분석 프로그램을 이용하여 복합재료의 B₄C 강화재 체적율을 분석한 결과, Fig. 3의 복합재는 각각 4, 11, 23%로 확인되었으며, 목표로 하였던 5, 10, 20% 체적율과 유사하게 제조되었다.
C/Al6061 복합재료를 제조하였다. 제조된 복합재료의 미세조직을 분석한 결과 B₄C 강화재가 균일하게 분산되어 있었으며, 크랙이나 기공 등의 결함이 없는 것을 확인할 수 있었다. 인장시험 결과 20 vol.
최종 복합재료(Fig. 2)의 크기는 200 mm × 200 mm × 1.7 mm이며 두께는 약 89.3% 감소하였다.

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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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