[논문]가공경화와 산화층 형성에 의한 이상조직 저탄소강의 건식 미끄럼 마멸 거동

유현석; 김용석

가공경화와 산화층 형성에 의한 이상조직 저탄소강의 건식 미끄럼 마멸 거동
Dry sliding wear behavior of plain low carbon dual phase steel by strain hardening and oxidation 원문보기

유현석 (국민대학교 신소재공학부) , 김용석 (국민대학교 신소재공학부)

Dry sliding wear behavior of low carbon dual phase steel, of which microstructure consists of hard martensite in a ductile ferrite matrix, has been investigated. The wear characteristics of the dual phase steel was compared with that of a plain carbon steel which was normalized at $950^{\circ}C$ for 30min and then air-cooled. Dry sliding wear tests were carried out using a pin-on-disk type tester at various loads of 1N to 10N under a constant sliding speed condition of 0.2m/sec against an AISI 52100 bearing steel ball at room temperature. The sliding distance was fixed as 1000m for all wear tests. The wear rate was calculated by dividing the weight loss measured to the accuracy of $10^{-5}g$ by the specific gravity and sliding distance. The worn surfaces and wear debris were analyzed by SEM, EDS and a profilomter. Micro vickers hardness values of the cross section of worn surface were measured to analyze strain hardening behavior underneath the wearing surfaces. The were rate of the dual phase steel was lower than the plain carbon steel. Oxidation on the sliding surface and strain hardening were attributed for the higher wear resistance of the dual phase steel.

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문제 정의

본 연구는 이상조직 탄소강의 마멸거동을 분석하기 위한 목적으로 수행되었다. 일반적으로 내마멸 특성은 경도가 높은 소재일수록 우수하나, 그 경향이늘 일정한 것은 아니고, 연성 기지에 경한 입자가 존재하는 복합조직의 마멸 특성이 오히려 더 우수한 것으로 알려져 있다.
일반적으로 내마멸 특성은 경도가 높은 소재일수록 우수하나, 그 경향이늘 일정한 것은 아니고, 연성 기지에 경한 입자가 존재하는 복합조직의 마멸 특성이 오히려 더 우수한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 이상조직 탄소강의미세조직이 마멸 특성에 미치는 영향의 분석에 연구의 중점이 두어졌다. 동일 조성의 일반 탄소강의 건식 미끄럼 마멸시험을 또한 함께 실시하여, 이상조직탄소강의 건식 미끄럼 마멸거동과 비교 분석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 이상조직 탄소강의미세조직이 마멸 특성에 미치는 영향의 분석에 연구의 중점이 두어졌다. 동일 조성의 일반 탄소강의 건식 미끄럼 마멸시험을 또한 함께 실시하여, 이상조직탄소강의 건식 미끄럼 마멸거동과 비교 분석하였다.
마멸시험 후 마멸면과 마멸단면, 그리고 마멸입자를 SEM, EDS, profilometer 를 이용하여 관찰하였다. 또한, 마멸단면의 미세경도를 측정하여 마멸시험 후의 가공경화 효과를 관찰하였다,
마멸시험 후 마멸면과 마멸단면, 그리고 마멸입자를 SEM, EDS, profilometer 를 이용하여 관찰하였다. 또한, 마멸단면의 미세경도를 측정하여 마멸시험 후의 가공경화 효과를 관찰하였다,
% C 조성의 일반 저탄소강이었고, 그 화학적 조성을 표 1 에 나타내었다. 시험 소재는 초기에 이상조직을 지닌 상태이었고, 불림 열처리를 통해 조직을 변화시켰다. 본 논문에서는 이하 초기 이상조직 탄소걍은DP-steel 로, 불림처리 한 시편은 Nor-steel 로 표기하였다.
2m/s, 미끄럼 마멸트랙의 반경은 9mm 로일정하게 유지하였으며, 상대재로는 AISI 52100 베어링강(Hv: 845kg/mm²)올 사용하였다. 적용 하중을 1, 5, 10N 으로 변화시켰으며, 마멸시험 전 후시편의 무게변화를 정밀도 10-5g 의 전자저울로 측정하고, 측정된 시편의 무게 변화량을 시편의 밀도로 나누어 부피 변화량(마멸량)을 산줄하였다, 이와 같이 산출한 마멸량을 마멸거리로 나누어 마멸속도를 계산하였다. 마멸시험 결과는 재현성과 정확도를 위하여, 동일한 마멸시험 조건 하에서 3 번 이상 행하고, 시험 결과의 평균값을 그 시편의 마멸속도로 취하였다.

대상 데이터

마멸시험 중 미끄럼 방향의 힘을 측정하여 마찰계수를 연속적으로 산출하였으며, 일정한 마멸조건을 유지하기 위해 시험온도는 23土2°C, 습도는 35士5%로 일정하게 유지하였다. 마멸거리는 iOOOm, 미끄럼 속도는 0.2m/s, 미끄럼 마멸트랙의 반경은 9mm 로일정하게 유지하였으며, 상대재로는 AISI 52100 베어링강(Hv: 845kg/mm²)올 사용하였다. 적용 하중을 1, 5, 10N 으로 변화시켰으며, 마멸시험 전 후시편의 무게변화를 정밀도 10-5g 의 전자저울로 측정하고, 측정된 시편의 무게 변화량을 시편의 밀도로 나누어 부피 변화량(마멸량)을 산줄하였다, 이와 같이 산출한 마멸량을 마멸거리로 나누어 마멸속도를 계산하였다.
이상조직 저탄소강의 불림열처리는 950°C에서 30 분간 실시하였고, 이후 공냉 하였다. 모든 시편은 마멸시험 전 #100 - #2000 까지 SiC 연마지를 사용하여 grinding 된 후 A12O₃ 1㎛의 단계까지 미세 연마(polishing)되었다.
본 논문에서는 이하 초기 이상조직 탄소걍은DP-steel 로, 불림처리 한 시편은 Nor-steel 로 표기하였다. 초기 이상조직 저탄소강은 판상이었는데, 판재로부터 30 X 30 X 2.5mm 크기 의 마멸시 험 올 위한 시편을 채취하였다. 이상조직 저탄소강의 불림열처리는 950°C에서 30 분간 실시하였고, 이후 공냉 하였다.

데이터처리

적용 하중을 1, 5, 10N 으로 변화시켰으며, 마멸시험 전 후시편의 무게변화를 정밀도 10-5g 의 전자저울로 측정하고, 측정된 시편의 무게 변화량을 시편의 밀도로 나누어 부피 변화량(마멸량)을 산줄하였다, 이와 같이 산출한 마멸량을 마멸거리로 나누어 마멸속도를 계산하였다. 마멸시험 결과는 재현성과 정확도를 위하여, 동일한 마멸시험 조건 하에서 3 번 이상 행하고, 시험 결과의 평균값을 그 시편의 마멸속도로 취하였다.

성능/효과

(1) 페라이트 기지 내 마르텐사이트로 강화 된이상조직 저탄소강의 내마멸특성은 같은 조성의다른 조직을 갖는 탄소강 보다 우수하였다.
(2) 이상조직강의 마멸은 좁은 마멸트랙, 얇은 마멸 입자, 그리고 전 하중에 걸쳐 관찰되는 산화 층으로 특징 지어졌다.
(3) 시험된 전 하중에 걸쳐 마멸입자와 마멸트랙에서 많은 산화층이 관찰되어, 이상조직 저탄소강의 마멸거동이 tribochemical 반응과 함께 진행되었음을 알 수 있다.
(4) 마멸 하중이 증가함에 따라 판상형태의 마멸 입자의 수가 증가하여 가공경화 효과가 두드러짐 올 나타내었다.
DP-Steel 의 건식 미끄럼 마멸시험 중 발생하는 가공경화 현상은, 적용하중 10N 에서 시험된 시편의 마멸트랙의 깊이 방향으로 단면 경도를 측정한 그림 4 의 결과로도 확인할 수 있었다. 그림 4 에 뚜렷이 보여진 것과 같은 가공경화에 의해 소성변형에 충분한 저항력을 갖게 되어 DP-steel 의마멸속도는 낮아진 것으로 생각된다.
대기 중에서 실시되었다. 마멸시험 중 미끄럼 방향의 힘을 측정하여 마찰계수를 연속적으로 산출하였으며, 일정한 마멸조건을 유지하기 위해 시험온도는 23土2°C, 습도는 35士5%로 일정하게 유지하였다. 마멸거리는 iOOOm, 미끄럼 속도는 0.
보인다. 시험된 모든 하중에서 DP-steel 은 Nor-steel 에 비하여 더 우수한 마멸특성을 나타내었다. DP-steel 이 나타내는 우수한 내마멸성을 그림 3 에 나타낸 마멸 입자의 SEM 과 EDS 분석 결과를 통해 설명할 수 있었다.

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