1. 서 론
금속재료의 부식은 해수환경에 노출된 현장 구 조물의 큰 위험 요소로서 재료의 건전성(integrity) 을 확보하는데 큰 요소로 주목받고 있으며,(1,2) 사
용량이 증가하고 있는 알루미늄 재료에 부식 특 성 연구는 더욱 활발히 진행되고 있다.(3~5)
일반적으로 알루미늄은 부식저항 특성이 높은 금속으로 알려져 있는데 그 이유는 재료의 부식 에 대한 부동태화(passivation) 특성 때문에 일정기 간이 지나면 부식으로 생성된 산화막(oxide film) 이 재료 표면에 형성되어 더 이상의 부식진전이 학술논문
< > DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-A.2012.36.4.421 ISSN 1226-4873
알루미늄합금 재료의 산화막 형성이 피로거동에 미치는 영향
김 종 천* · 정 성 균**
서울과학기술대학교 융합기술대학원 서울과학기술대학교 기계공학과
* NID , **
Effect of Oxide Film Formation on the Fatigue Behavior of Aluminum Alloy
Jong Cheon Kim* and Seong Kyun Cheong**
* Graduate School of NID Fusion Technology, Seoul Nat’l Univ. of Science & Technology,
** Dept. of Mechanical Engineering, Seoul Nat’l Univ. of Science & Technology (Received September 29, 2011 ; Revised January 18, 2012 ; Accepted January 18, 2012)
Key Words: Aluminum Alloy(알루미늄 합금), Corrosion(부식), Oxide Film(산화막), Passivation(부동태화), Fatigue Behavior(피로거동)
초록: 본 논문에서는 알루미늄 7075-T6 재료의 부식 기간별 표면 산화막 형성이 피로거동에 미치는 영향에 대 해 연구하였다 사용된 알루미늄 재료는 부식에 대한 부동태화 현상으로 부식저항 특성이 높은 금속으로 알려. 져 있다 알루미늄 합금은 다른 재료에 비해 가볍고 강한 재료 특성 때문에 항공기 부품 산업과 같은 다양한. 산업분야에서 널리 사용되고 있다 때문에 부식에 대한 재료의 피로거동 특성과 부식에 대한 부동태화 특성에. 대한 연구가 요구된다. 4절점 회전 굽힘 시험기를 사용하여 부식 기간별 재료의 피로거동 특성을 확인하였고, 표면 거칠기를 측정하여 부식 기간별 알루미늄 재료의 표면 부식 정도를 평가하였다 또한 전자주사현미경을. 통해 파단면 분석 및 재료 표면에 형성된 산화막을 측정하였다 실험결과 초기 부식 주 동안은 부식이 활발히. 4 진행되어 피로수명은 크게 감소하고 표면 거칠기는 증가하였다 하지만 주 이후부터 재료의 부동태화 현상으. 4 로 부식 반응이 둔화되는 경향을 보였다 전자주사현미경을 통한 분석에서도 표면 산화막의 성장이 주 이후부. 4 터 둔화되어 재료 표면의 산화막이 보호층 역할을 하여 더 이상의 부식진행을 방지한다는 결론은 얻었다.
Abstract: In this study, the effects of surface oxide film formation on the fatigue behavior of 7075-T6 aluminum alloy were analyzed in terms of the corrosion time of the alloy. The aluminum material used is known to have high corrosion resistance due to the passivation phenomenon that prevents corrosion. Aluminum alloys have been widely used in various industrial applications such as aircraft component manufacturing because of their lighter weight and higher strength than other materials. Therefore, studies on the fatigue behavior of materials and passivation properties that prevent corrosion are required. The fatigue behavior in terms of the corrosion time was analyzed by using a four-pointing bending machine, and the surface corrosion level of the aluminum material in terms of the corrosion time was estimated by measuring the surface roughness. In addition, fractographic analysis was performed and the oxide films formed on the material surface were studied by scanning electron microscopy (SEM). The results indicated that corrosion actively progressed for four weeks during the initial corrosion phase, the fatigue life significantly decreased, and the surface roughness increased. However, after four weeks, the corrosion reaction tended to slow down due to the passivation phenomenon of the material. Therefore, on the basis of SEM analysis results, it was concluded that the growth of the surface oxide film was reduced after four weeks and then the oxide film on the material surface served as a protection layer and prevented further corrosion.
Corresponding Author, [email protected]
2012 The Korean Society of Mechanical Engineers
Ⓒ
안되도록 보호층 역할을 하기 때문이다.(6,7) 항공 기 날개의 주요 부품 소재로 사용되고 있는 7000 계열의 7075-T6 알루미늄 합금은 Zn-Mg 성분을 포함하여 부식에 대한 저항성능을 향상시킨다.(8)
알루미늄 재료는 경량성과 용이한 재활용성 때문 에 그 사용량과 적용분야가 증가될 것이다 특히 알. 루미늄 재료의 많은 장점 중 하나인 재활용에 따르 는 높은 에너지 효율성능은 환경문제와 생산단가를 줄이려는 산업현장에서 주목 받고 있다 알루미늄을. 재활용하기 위해 들어가는 에너지는 처음 광석(ore) 으로 얻어지는 알루미늄 생산 에너지의 5% 밖에 요 구되지 않는다.(1) 사용범위가 확대되고 있는 알루미 늄 재료의 부식 환경에서의 반복하중을 받는 부품의 피로거동 특성에 대한 연구는 매우 중요하다.
본 논문에서는 국내의 항공우주 기술발전과 자동 차 산업의 발전으로 알루미늄 금속에 대한 수요가 증가될 것으로 예상하여 알루미늄 7075-T6 시험편을 일정기간동안 염수환경 부식조건에서 부식시킨 후 부식기간에 따른 재료 표면의 산화막 특성과 피로수 명 변화에 대한 원인 규명을 통해 알루미늄 재료의 부동태화 특성과 피로거동 관계를 분석하고자 한다.
2. 실 험
본 실험에 사용된 알루미늄 7075-T6 재료는 고강 도 합금으로 항공기주요부품 기계부품에 사용되고, 있다 재료의. T6 온도의 열처리를 통하여 최대의 강 도를 유도하였으며 부식저항 능력도 높은 금속으로, 알려져 있다.(1,9) Table 1과 Table 2는 각각 재료의 화 학적 성분 구성과 기계적 성질을 나타내고 있다. Fig.
은 규격에 의거 제작된 피로시험편의
1 ASTM E466
형상을 나타낸 것으로 최소 직경이, 8mm가 되도록 가공하였다 또한 재료 표면을. , sand paper와 metal Table 1 Chemical composition of Al7075-T6 (wt%) Al Mn Si Fe Cu Mg Ti Cr Zn
Bal. 0.14 0.15 0.29 1.60 1.65
2.4
2.5 0.03 0.19 0.20
5.75 5.8
Table 2 Mechanical properties of Al7075-T6
용액을 사용하여 재료 표면을 연마하였다
polish .
2.1 부식실험
본 연구에 사용된 부식조건은 현장 구조물에 적용 가 능한 부식 환경을 만들기 위하여 Table 3과 같은 실제 바다의 평균 염분 농도를 기준으로 3.5% NaCl(35g of 부식용액을 만들어 사용하였 dissolved salts per liter)
다.(10,11) 부식용액은 밀폐용기를 사용하여 부식액이 담긴
용기 내부의 용존 산소를 제거하였으며 상온조건에서, 일정기간의 부식기간 동안 NaCl의 침전을 방지하기 위 해 일정시간마다 Fig. 2와 같은 밀폐용기를 교반하였다. 계획된 부식 시간에 도달한 시험편을 밀폐용기에서 꺼 내어 흐르는 물에 세척하여 염분을 제거 하였으며 세척, 후 상온에서 자연 건조하여 시험편의 최소 단면적 부분 을 탐촉자의 평가길이가 4mm인 표면조도계를 사용하여
의 부식기간별 재료 표면의 중심선 평균값
Fig. 3 (Ra)과
최대 거칠기(Rmax)를 측정하여 부식정도를 평가하였다. Table 3 Salinity of isolated seas
Fig. 1 Geometry of specimen: rotary banding fatigue test specimen
Fig. 2 Schematic view of the experimental set-up for corrosion test
Fig. 3 Graphical description of Ra and Rmax
Element
Ultimate Strength (MPa)
Yield Strength
(MPa)
Elongation (%)
Values 635 578 9
Sea Atlantic Indian Pacific
Salinity
(%) 3.2 ~ 3.75 (ave. 3.5%)
여기서 σ : 굽힘 응력 M : 굽힘 모멘트
I : 관성모멘트 P : 적용하중
L : 모멘트 거리 d : 시험편 직경
2.2 피로실험
부식기간별 재료의 피로거동 특성을 확인하기 위하여 Fig. 4와 같은 4절점 회전 굽힘 피로시험 기(SHIMADZU, H7)를 사용하여 피로실험을 실시 하였다 피로시험기의 회전수를. 2,000±10 rpm으로 일정하게 설정하였으며 순수 굽힘 응력 상태의, 응력 발생은 식 (1)으로 정의된다 피로실험에 적. 용된 응력은 Fig. 5의 S-N 선도를 바탕으로 수명 결과에 소성성분을 배재하기 위해 수명분포가 1×105 cycles 이상의 장수명(high cycles) 영역에서 응력성분을 결정하여 피로실험을 진행하였다.
σ π (1)
Fig. 4 Rotary bending fatigue testing machine
Fig. 5 S-N curve for 7075-T6 aluminum alloy
파단면분석 및 성분분석 2.3
사용된 알루미늄 시험편의 부식기간별 표면 산화 막 형성 특성과 피로거동 평가를 위해 주사전자현 미경(scanning electron microscopy, SEM) 과 에너지 분산형 분석장치(energy dispersive spectroscopy, EDS) 로 피로실험에 사용된 환봉 시험편의 표면에 형성 된 산화막의 성분을 측정하였다 또한 부식 기간에. , 따른 파단면분석(fractography)을 실시하여 알루미늄 재료의 부식 환경에서의 피로거동 특성과 표면 산 화막의 부동태화(passivation) 현상이 재료의 피로거 동에 미치는 영향에 대한 모델을 제시하고자 한다.
일반적으로 회전 굽힘 피로실험에서 모든 피로균열 은 외부 표면에서부터 발생하여 내부로 진전하게 된다.(12) Fig. 6과 같은 부식에 의한 초기크랙(initial 의 발생은 재료 표면의 부식지점에서 피로균 crack)
열파단 특성을 나타내게 된다 본 실험에서는 부식. 기간별 피로파단면 분석을 통해 부식 환경의 표면 산화막 형성이 피로거동 특성에 어떻게 작용하는지 연구하였다.
Fig. 6 Schematic illustration of corroded specimen for the fatigue crack growth
Fig. 7 Effect of corrosion exposure duration on fatigue life
0 4 8 12 16 20 24
5.0x104 1.0x105 1.5x105 2.0x105
7075-T6 Aluminum, σ = 301MPa
Number of cycles to failure, (Nf)
Exposure time, (Weeks)
결과 및 고찰 3.
은 부식 기간별 알루미늄 재료의
Fig. 7 7075-T6
피로거동 특성을 확인하기 위하여 피로실험을 실 시한 결과로 초기 4주의 부식기간 동안에 피로수 명 감소가 부식전의 약 37% 수준으로 크게 감소 하였으며, 이후에는 피로수명 감소가 둔화되는 경향을 보여주고 있다. 부식기간별 재료표면의 부식 정도를 평가하기 위해 평가길이(evaluation
가 표면 거칠기 데이터 중에 중심선
length) 4mm
평균값(Ra) 과 최대 거칠기(Rmax)를 측정하여 Fig.
에 도시 하였다 그 결과 중심선 평균값은
8 . 0.13
에서 0.38 로 약 3배 증가하였으며 최대 거칠,
㎛ ㎛
기 값도 1.2㎛에서 3.7㎛로 약 3.1배 증가하였다. 피로수명 실험과 표면 거칠기 실험 결과에서 초기부식 4주 동안은 부식이 활발히 진행되어 피 로수명 감소와 표면 거칠기 값의 증가를 보였지 만, 4주 이후로 부식경향이 둔화되는 경향을 확 인하였다 이 같은 결과는 알루미늄 금속의 초기. 부식특성 경향으로 재료의 활발한 초기 부식이후 에 부식으로 인해 재료 표면에 형성된 산화막이 부동태화(passivation) 되어 더 이상의 부식 발생을 방지하는 보호층(protection layer) 역할을 하기 때 문으로 판단된다.
0 4 8 12 16 20 24
0.1 1
7075-T6 Aluminum
Ra, (µm)
Exposure time, (Weeks)
0 4 8 12 16 20 24
5 10
7075-T6 Aluminum
Rmax, (µm)
Exposure time, (Weeks)
Fig. 8 Effect of corrosion exposure duration on surface roughness: Ra(top) and Rmax(bottom)
Fig. 9 Schematic illustration for the modeling of oxide film formation under corrosion environment
(a) Measuring the fracture surface (b) Measuring the surface Fig. 10 EDS analyses test specimen compositions: (a) fracture surface; and (b) surface
(a) Uncorroded (b) Corroded for 1 week
Fig. 11 SEM fractography of Al7075-T6 fatigue facture surface, an arrow indicates the initial crack point:
(a) uncorroded; and (b) corroded for 1 week
(a) Corroded for 4 weeks (b) Corroded for 12 weeks
Fig. 12 SEM fractography of Al7075-T6 fatigue facture surface, an arrow indicates the initial crack point:
(a) corroded for 4 weeks; and (b) corroded for 12 weeks
는 부식 기간별 알루미늄 재료의 부식 특 Fig. 9
성을 예측한 모델로 초기 부식 형태는 불규칙 적 이고 짧은 기간 동안 활발히 진행되지만 시간이 지날수록 부식 반응 시간이 길어지고 산화막의 부동태화 현상으로 더 이상의 부식발생을 억제하 는 역할을 한다는 것을 예측할 수 있다. Fig. 11 과 Fig. 12는 부식 기간별 피로파단면을 분석한 것으로 초기크랙(initial crack) 발생지점은 재료 표 면으로부터 발생하여 진전되었으며 부식 환경에, 노출된 시험편의 경우에는 초기크랙이 발생한 위 치에서 공식 부식(pitting corrosion)이 발생하였다 는 것을 확인하였다 이와 같은 결과는 부식으로.
인해 알루미늄 재료 표면에 국부적인 응력집중 부위가 생성되어 결과적으로는 재료의 피로수명 감소 원인으로 작용한 것으로 판단된다.
과 는 부식기간별 산화막 형성특
Fig. 13 Fig. 14
성을 분석하기 위해 재료 표면을 확인 것으로 부 식이 진행될수록 재료 표면에 형성되는 산화막을 확인할 수 있다 초기. 4주 동안은 불규칙적으로 산화막이 재료 표면에 형성되다가 4주 이후로 안 정화되는 경향을 보이고 있다. Fig. 9의 알루미늄 재료의 부식에 대한 부동태화 특성으로 예측된 산화막 형성 모델과 일치하는 것을 확인할 수 있 다. Fig. 10은 에너지 분산형 분석장치(energy (a) Uncorroded (b) Corroded for 1 week
Fig. 13 SEM images of test specimen surface, an arrow indicates the oxide film: (a) uncorroded surface;
and (b) corroded surface for 1 week
(a) Corroded for 4 weeks (b) Corroded for 12 weeks
Fig. 14 SEM images of test specimen surface, an arrow indicates the oxide film: (a) corroded surface for 4 weeks; and (b) corroded surface for 12 weeks
로 재료표면에 생성 dispersive spectroscopy, EDS)
된 산화막의 성분을 측정한 결과이다 파단면과. 재료표면을 분석한 결과 파단면에서는 검출되지 않은 산소(oxygen) 성분이 부식 환경에 노출되었 던 재료 표면에서 검출됨으로서 부식으로 인해 생성된 산화막 층임을 확인하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 사용량과 산업범위가 증가하고 있는 알루미늄 7075-T6 재료의 3.5% NaCl 부식 환경에서의 산화막 형성이 피로 거동에 미치는 영향에 대해 알아보았으며 연구결과를 요약하면, 다음과 같다.
부식저항이 높은 재료로 알려져 있지만 초 (1)
기부식 기간부터 피로수명 감소가 발생하였다.
이 같은 결과는 알루미늄 금속의 활발한 초기부 식특성 때문으로 판단된다.
동일한 하중조건에서 부식전의 피로수명은 (2)
이었으나 주 부식후
1.4x10⁵ cycles , 4 5.3x10⁴
로 약 수준으로 피로수명 감소가 발
cycles 37%
생하였으나, 4주 이후로 수명감소가 둔화되었다. 표면 거칠기 측정데이터 결과에서도 부식기 (3)
간에 따라 표면 거칠기 값이 증가 하였지만 피, 로수명 데이터와 같은 경향으로 부식기간이 증가 할수록 그 증가량이 둔화되었다.
파단면분석 을 통해 부식피로
(4) (fractography)
파단면의 초기크랙 위치에서 공식 부식이 발생하 였음을 확인하였고 부식이 발생한 위치에 국부, 적인 응력집중 현상이 발생되어 재료의 피로수명 이 감소하였다.
하지만 재료 표면에 형성된 산화막의 부동
(5) ,
태화가 표면 보호층 역할을 하게 되어 더 이상의 부식 발생을 방지하였다 때문에. 8주 이후 부식 기간 동안은 일정한 피로수명을 얻었다.
본 연구에서는 알루미늄 의 부식 기
(6) 7075-T6
간에 따른 피로거동 특성을 연구하였으며 실제, 부식환경의 현장에서 알루미늄 재료를 사용하기 위해서는 부식을 방지하기 위한 후처리 공정이 요구된다.
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