Analysis of Sliding Wear Properties for Aluminum Alloy According to the Hardness Values of the Mating Tool Steel

알루미늄 합금의 미끄럼마모 특성에 미치는 상대재 경도의 영향

이한영

·조용재 * ·김태준 ** ·박원규 ***

계명대학교 신소재공학과

*계명대학교 대학원 재료공학과(현 한국생산기술연구원)

**계명대학교 대학원 재료공학과(현 경북하이브리드부품연구원)

***계명대학교 대학원 재료공학과

Analysis of Sliding Wear Properties for Aluminum Alloy According to the Hardness Values of the Mating Tool Steel

Han-Young Lee

, Yong-Jae Cho ^* , Tae-Jun Kim ^** and Won-Kyu Park ^***

Dept. of Advanced Materials Engineering, Keimyung University

*Dept. of Materials Engineering, Graduated School, Keimyung University(at present, GHI)

**Dept. of Materials Engineering, Graduated School, Keimyung University(at present, KITECH)

***Dept. of Materials Engineering, Graduated School, Keimyung University (Received January 27, 2010; Revised March 25, 2010; Accepted March 26, 2010)

Abstract − In order to investigate the wear behavior of aluminum alloy depended on different hardness of the mating tool steel, sliding wear tests were conducted. It was found that the wear characteristics pattern of alu- minum alloy for sliding speed was not affected by the hardness of the mating tool steel. However, the effects of the hardness of the mating tool steel exhibited only in relatively low sliding speed ranges. At these ranges, the wear rate of aluminum alloy decreased when increasing the hardness of the mating tool steel. This was attrib- uted by the fact that Al

O

particles released from the aluminum worn surface were crushed and embedded on the mating worn surface with high hardness level. At the high sliding speed ranges, wear of aluminum alloy was hardly occurred by the formation of thick Al

O

film on the worn surface, regardless of the hardness of the mating tool steel.

Keywords − aluminum( 알루미늄 ), wear property( 마모특성 ), mating tool steel( 공구강상대재 ), hardness( 경도 )

1. 서 론

대표적인 경량소재로 알려진 알루미늄은 높은 전기 및 열전도도를 가지고 있을 뿐만 아니라 가공성 및 내 식성 등이 우수한 것으로 알려져 있다 . 그러나 구조용 재료로써의 알루미늄의 적용은 아주 제한적인 것이 사 실이다 . ^{이는 알루미늄의 강도가 낮아 내마모성이 열악}

할 뿐만 아니고 이를 보완하기 위한 표면처리기술 등

도 확립되어 있지 않기 때문이다 [1]. 그래서 최근은 알

루미늄의 조직을 미세화 [2] 하거나 합금성분을 조정 [3] 하 기도 하고 graphite[4], carbon fiber[5], TiB

[6] 등을 첨가하여 복합재료화 하는 방법을 통해 고강도화하는 방안이 검토되고 있다 .

일반적으로 재료의 마모특성은 사용조건이나 재질 등 에 많은 영향을 받는 것으로 알려져 있으나 그 중 응

착마모에 대한 경도의 영향은 Holm-Archard 식으로 규

정된다 [7,8]. ^{그러나 재료가 마모될 때는 접촉하는 상대}

재가 필히 존재하므로 자신의 경도 외에 상대재의 경

†주저자·책임저자

: [email protected]

106 이한영·조용재·김태준·박원규

도에 의해서도 영향을 받을 것이 분명하다 . Egawa[9-

13] ^{는 철강재료의 마모특성을 결정하는 인자는 상대재}

의 경도가 아니라 마모형태임을 밝혔다 . 그리고

Welsh[14,15] 는 유사한 실험을 통해 상대재의 경도가

증대할수록 mild wear ^{의 마모형태를 촉진하는 것으로}

밝혔다 . 그러나 Lee 등 [16] 은 상대재의 경도변화에 따 른 연강의 마모는 상대재 표면에 생성되는 산화물 생 성속도 및 생성되는 산화물의 종류에 따라 마모거동에 영향을 받는다는 것을 밝혔다 . 알루미늄의 경우는 표 면에 철강재료와 달리 일반적으로 얇은 산화물 (Al

O

)

막으로 덮혀져 있고 이 막층은 아주 치밀하여 내식성 에 크게 기여하는 것으로 알려져 있다 . ^{이러한 측면에}

서 알루미늄의 상대재 경도에 따른 마모거동은 마모시 험 도중에 산화물이 생성되는 철강재료의 경우와 상이 할 것이 예상된다 . ^{그럼에도 불구하고 현재 알루미늄}

의 고강도화와 관련된 대부분의 연구 [2-6] 에서는

50HRC ^{이상의 고경도의 철강재료를 상대재로 사용하}

면서 상대재의 역할에 대해서는 언급이 없는 것으로 밝혀졌다 .

이러한 측면에서 본 연구에서는 열처리를 통해 경도

(HRC) 를 3 수준으로 한 합금 공구강을 상대재로 알루미

늄 합금의 미끄럼 마모특성을 각각 조사하고 시편과 상 대재의 마모면을 관찰하여 알루미늄 합금의 미끄럼 마 모특성에 미치는 상대재의 경도의 영향을 해석하였다 .

2. 실험방법

본 연구에서는 Al-Si 계 비열처리성 알루미늄 주조합 금을 마모시편으로 하였다 . 이것의 화학조성을 Table 1

에 나타내었다 . ^{시편제작은 모합금} (Al-12%Si ^합금 ) ^을

용해하여 소실모형주조방식으로 제작하였다 . 주조를 위 해 A1-12%Si 모합금 5 kg 을 흑연 도가니 속에서 720

C

까지 가열하여 용융시킨 뒤 , 탈가스 처리 및 미세화처리 를 위해 시판되는 Flux (AlCl

+3%Ti-1%B-Al) 을 투입 하였다 . ^{소실모형은} EPS(Expandable polystyrene: ^밀

도 20.0~25.0 kg/m

) 을 이용하여 각봉의 형태 ( 시편부

15 × 15 × 135 mm) 로 제작한 후 AFS(American Foundry

Society) 입도지수가 66 인 주물사 속에 장착하고 용탕

을 주입하였다 . 이후 이들을 기계가공하여 소정의 Pin

형상 ( ^Φ 7.5 ^× 15 mm) ^{으로 제작하였다} . ^{이들의 경도는 평}

균 Hv 70 정도인 것으로 밝혀졌다 .

상대재는 시판되는 냉간금형용 합금공구강 STD11 (1.45%C, 12.4%Cr, 0.89%Mo, 0.23% V) ^{을 사용하였}

으며 , 환봉에서 Φ 80 × 8 mm 의 Disc 형태로 가공한 후 열처리를 행하였다 . ^열처리는 650

C ^에서 30 ^{분간 유지}

한 뒤 소입온도인 1020

C 에서 20 분간 유지하는 2 단계 가열방법을 취한 뒤 유냉하였다 . 이후 tempering 처리를

490

C, 630

C, 750

C ^의 3 ^{온도에서 각각} 2 ^{시간동안 행}

하여 열처리 후 상대재의 경도를 HRC 56( 환산 Hv

613), 42( ^환산 Hv 412), 30( ^환산 Hv 302) ^의 3 ^수준으로

하였다 . 편의상 본 연구에서는 상대재 경도에 따른 시 편과 상대재의 조합에 따른 시편과 상대재를 구분하기

위하여 각각 시편의 경우는 ON56, ON42, ON30 ^으로

하고 상대재의 경우는 56DISC, 42DISC, 30DISC 로

하였다 .

미끄럼 마모시험은 Pin-on-Disc 형 미끄럼마찰마모시 험기 [17] 를 사용하였으며 시험전 시편과 상대재의 접 촉면은 600# Abrasive paper ^{로 연마하여 표면거칠기를}

조절하였다 . 이때 시험하중은 2.94 N 으로 하고 미끄럼 속도를 5 ^조건 (0.5, 1, 2, 3.5, 5 m/sec) ^{으로 변화시켰다} .

모든 시험은 실온의 대기 중 무윤활 상태에서 행하였 으며 , 총 마찰거리는 5.5 km 로 하였다 . 마모시편의 마 모량 측정은 소정의 마찰거리마다 시편의 중량감소로 마모량을 산출하였으며 동일 조건에서 복수의 시편 (2~4

개 ) 을 시험을 하여 이들의 평균값을 사용하였다 .

3. 실험결과 및 고찰

3-1. 미끄럼마모 특성 변화

Fig. 1 은 여러 속도에서 미끄럼거리 증대에 따른 알

루미늄의 마모량의 변화를 상대재 경도에 따라 각각 나타낸 것이다 . 그림에서 알 수 있듯이 어느 것도 속 도에 따라 정도가 상이하나 모두 거리증대에 따라 마 모량이 증가하는 일반적인 경향을 보이고 있다 . 그러 나 연강의 마모 [16] 와 달리 대부분 마찰초기에 마모량 이 적은 것이 관찰된다 . 이는 알루미늄의 표면의

Table 1. Chemical composition of cast aluminum alloy(AC3A)

Cu Si Mg Zn Fe Mn Ni Ti Pb Sn Cr

0.011 13.6 0.148 0.006 0.071 0.008 0.011 0.11 0.012 0.011 0.01

Al

O

막층 때문으로 생각된다 . 더욱이 이 구간은 미 끄럼 속도나 상대재의 경도가 증가함에 따라 길어지는 것을 확인할 수 있다 . ^{이후의 마모량의 증가속도는 미}

끄럼속도나 상대재의 경도에 따라 상이하다 . Fig. 2 는 각 상대재 경도별로 각 속도에서 거리에 대한 마모율 의 변화를 초기마모영역 및 정상마모영역으로 구분하

여 각각 도시한 것이다 . 그림에서 보듯이 2 m/s 를 기

준으로 이하의 저속도 시험구간에서는 상대재 경도의

영향이 관찰되나 고속도 시험구간에서는 상대재 경도 와 무관하게 동일한 마모율을 나타내고 있다 . 저속도 시험구간의 경우 초기마모영역에서 ON30 ^은 1 m/s ^부근

에서 마모율의 극대치를 나타내고 있으나 상대재 경도 가 증대할수록 극대치가 낮아지고 있으며 정상마모영 역에서는 속도증가에 따라 지속적으로 감소하는 경향 을 보이고 있다 . 그러나 마모영역과 관계없이 상대재 의 경도가 증대할수록 마모율이 현저히 감소하고 있음 을 알 수 있다 . 이러한 결과는 연강의 상대재 경도에 따른 마모거동 [16] 과 유사하나 초기마모영역의 저속도

구간에서 ON42 과 ON30 의 마모율사이에 역전이 이루

어지지 않은 것을 확인할 수 있다 . 이것은 알루미늄 표면에 존재하는 Al

O

^{막층으로 인해 마찰도중 상대}

재 철강재료의 마모면에 tribochemical 반응에 의한 철 산화물 생성이 억제되었기 때문으로 추정된다 .

3-2. 마모면 해석

Fig. 3 ^{은 알루미늄 시편 마모면의 광학현미경 조직}

Fig. 1. Wear characteristics of Al alloy as a function of the sliding distance according to the hardness of the mating discs at several sliding speeds.

Fig. 2. Wear characteristics of Al alloy as a function of

the sliding speed according to the hardness of the

mating discs under constant load.

108 이한영·조용재·김태준·박원규

관찰 결과를 나타낸 것이다 . 1 m/s ^에서의 ON30 ^과

ON42 의 마모면 ((a),(c)) 에는 현저한 scratch 가 관찰되나

ON56 의 경우 (e) 는 검은 반점들이 다수 관찰된다 . 이에

반해 3.5 m/s ^{의 마모면은 상대재의 경도와 무관하게}

scratch 가 관찰되고 거의 유사한 양상을 보이고 있다 .

Fig. 4 ^는 ON42 ^와 ON56 ^마모면의 SEM ^{조직 사진을}

비교한 것이다 . 이들 마모면에 대한 EDS 분석 결과를

Fig. 5 에 나타내었으나 모든 마모면은 Al

O

막층으로 덮혀져 있는 것으로 밝혀졌다 . ^그러나 1 m/s ^의 ON42

의 경우는 산소함유량이 적은 부분 (B) 이 확인되어 일 부 모재가 노출된 것으로 생각되었다 . ^{이러한 측면에}

서 상대재의 경도가 낮은 경우는 산화물 막층의 두께 가 얇은 것으로 생각되었다 . 특히 ON56 의 1 m/s 의 마

모면상에 관찰되는 검은 반점 (Fig. 3(e)) ^{은 막층이 탈}

락된 부분으로 확인되었으나 높은 산소함유량을 나타

내어 이들 마모면은 tribochemical ^{반응에 의해 두꺼운}

막층이 형성되었음을 시사하고 있다 . 이러한 측면에서 저경도 상대재의 경우는 산화물 막층이 용이하게 탈락

하여 이들이 abrasive ^{입자의 역할을 함으로써 마모를}

증대시키나 고경도의 상대재의 경우는 두꺼운 막층이 형성되어 내마모성을 향상시키는 것으로 생각되었다 .

반면 3.5 m/s 에서는 상대재의 경도와 상관없이 대부분

두꺼운 Al

O

^{막층이 형성된 것으로 확인되어 공히 낮} Fig. 3. Optical micrographs on worn surface of Al pins

according to the hardness of the mating discs at the sliding speeds of 1 m/s and 3.5 m/s.

Fig. 4. SEM images on worn surface of Al pins according to the hardness of the mating discs at the sliding speeds of 1 m/s and 3.5 m/s.

Fig. 5 ^. Results of EDS analysis on worn surface of Al

pin ^.

은 마모율을 나타내는 것으로 밝혀졌다 .

Fig. 6 ^{은 상대재 마모면의 광학현미경 사진을 나타}

낸 것이다 . 그림에서도 알 수 있듯이 30DISC 및

42DISC 의 마모면 ((a),(c)) 에는 검은 띠가 관찰되고

56DISC 에는 미세한 검은 점들이 관찰되고 있다 . Fig. 7

은 42DISC 및 56DISC 마모면의 SEM 사진과 EDS 분

석 결과를 함께 도시한 것이다 . 3.5 m/s ^{의 마모면의 양}

상은 그들의 경도와 상관없이 평탄하고 시편에서 이착 된 Al

O

가 확인된다 . 그러나 1 m/s 에서는 42DISC 의 경우 마모면상에 요철이 확인되고 그 위에 Al

O

, Fe

산화물 등이 부착되어 있다 . 이에 반해 56DISC 의 경

우는 마모면이 평탄하고 그 위에 일부 철산화물들이 산재해 있으나 현저하지 않고 미세한 Al

O

입자가 분

산 몰입되어 있음을 알 수 있다 . Fig. 8 은 표면의 요

철이 가장 현저하였던 1 m/s 에서 시험한 42DISC 및

56DISC 의 미끄럼방향에 수직방향으로 측정한 표면

Profile ^{을 나타낸 것이다} . ^{그림에서도 보듯이} 42DISC ^의

경우는 깊은 홈이 관찰되어 시편의 마모면과 마찬가지

로 abrasive 마모가 일어났음을 알 수 있다 . 이에 반

해 56DISC ^{의 경우는 거의 표면에 변화가 없는 것을}

알 수 있다 .

이상의 결과 , ^{고속도 시험구간에서는 상대재 마찰면}

에 그들의 경도와 무관하게 산화물 생성이 없으나 온 도상승이 현저한 알루미늄 시편의 마찰면에는 상대재 의 경도와 무관하게 두꺼운 Al

O

^{막층이 형성되어 낮} Fig. 6 ^. Optical micrographs on worn surface of discs

with three different hardness values after testing at the sliding speeds of 1 m/s and 3.5 m/s ^.

Fig. 7 ^. SEM images on worn surface of discs after testing at the sliding speeds of 1 m/s and 3.5 m/s ^.

Fig. 8 ^. Surface profiles measured normal to siding

direction on worn surface of 42DISC and 56DISC

tested at sliding speed of 1 m/s ^.

110 이한영·조용재·김태준·박원규 은 마모율을 나타내는 것으로 밝혀졌다 . 그러나 저속

도 시험구간에서는 마찰초기에는 알루미늄 표면의

Al

O

막층으로 인해 마모율이 적으나 이들이 탈락되

어 Abrasive 입자로써 작용하므로써 마모율이 증가하였

다 . ^{이때 저경도 상대재의 경우는} Al

O

^{의 입자들에}

의해 상대재 마모면도 마모되어 반복된 마찰작용에 의

해 Tribochemical ^{반응이 일어나 생성되는 철 산화물}

도 Abrasive 입자로써 작용하게 되어 마모율이 큰 것으

로 생각된다 . 그러나 고경도 상대재의 경우는 Al

O

가 미세하게 파쇄되어 상대재 마모면에 몰입되므로서 시 편 및 상대재의 마모를 동시에 현저히 감소시키는 것 으로 생각되었다 .

4. 결 론

알루미늄과 접촉하여 상대운동을 하는 철강재료 상 대재를 열처리에 의해 여러 경도수준으로 변화시킨 후 상대재의 경도수준에 따른 알루미늄의 미끄럼 마모특성 을 조사하고 해석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다 .

1) ^{알루미늄의 마모에 대한 속도특성 곡선 형태는 상}

대재 경도와 무관한 것으로 밝혀졌다 . 그러나 미끄럼 속도구간 ( ^{고속도 시험구간과 저속도 시험구간} ) ^{에 따라}

마모율에 미치는 상대재의 경도의 영향이 상이하였다 . 2) 고속도 구간에서는 상대재 경도와 무관하게 알루 미늄 시편표면에 현저한 Al

O

^{막층이 생성되어 마모}

발생이 적고 마모율도 유사하였다 .

3) ^{그러나 저속도 구간에서는 상대재의 경도에 따라}

마모형태가 변하였다 . 저경도 상대재의 경우는 Al

O

및 철산화물에 의해 abrasive 적으로 마모가 진행되어 시편과 상대재의 마모율이 공히 크게 증대시킨다 . ^그

러나 고경도 상대재의 경우는 마찰초기에 시편에서 탈 락된 Al

O

가 분쇄되어 상대재에 미세 분산 몰입되어 시편과 상대재의 마모를 현저히 감소시키는 것으로 밝 혀졌다 .

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