DOI http://dx.doi.org/10.9725/kstle.2013.29.5.298
용사법에 의해 제조된 Al/SiC 복합재료의 마모거동 (2)
− 작용하중의 영향 −
이광진·김균택*·김영식*†
한국폴리텍 VII 대학 컴퓨터응용기계과, *부경대학교 기계자동차공학과
Wear Behavior of Al/SiC Composites Fabricated by Thermal Spray Process (2)
− Effect of Applied Load on Wear Behavior −
Kwang Jin Lee, Kyun Tak Kim* and Yeong Sik Kim*† Dept. of Computer-aided Machine, Korea Polytechnic VII
*Dept. of Mechanical and Automotive Engineering, Pukyong National University (Received October 2, 2012 ; Revised April 30, 2013 ; Accepted May 10, 2013)
Abstract − In this work, the effect of applied load on the wear behavior of Al/SiC composites was studied. Al/
SiC composites were fabricated following the thermal spray process. Dry sliding wear tests were performed on these composites under four different applied loads, i.e., 5, 10, 15, and 20 N. The wear behaviors of the com- posites under these applied loads were investigated using scanning electron microscopy (SEM) and energy dis- persive X-ray spectroscopy (EDS). Under applied loads of up to 15 N, the wear rates of Al/SiC composites decreased with an increase in the applied load because of the formation of an adhesion layer on the worn surface.
However in the case of an applied load of 20 N, the wear rate was significantly high because the formation and fracture of the adhesion layer were repeated continuously. These results show that the wear behaviors of the tested composites are significantly influenced owing to the applied loads.
Keywords − metal matrix composites(금속기 복합재료), thermal spray process(용사법), wear behavior (마모거동), applied load(작용하중), friction coefficient(마찰계수), wear rate(마모율)
1. 서 론
금속기 복합재료(metal matrix composites:MMC)중 Al기 복합재료는 비강도가 높고 내마모성이 우수하여 기존의 알루미늄 합금 및 철강재료를 대체하고 있다[1-3].
산업분야에서 사용되는 금속기 복합재료 부품들은 표면 접촉을 하며 상대운동을 하게 된다. 이러한 상대운동을 하는 많은 복합재료 부품들은 속도, 하중, 재료의 종류, 환경 및 윤활상태 등의 다양한 조건하에서 작동하게 된 다. 따라서 금속기 복합재료의 마모거동을 규명하기 위
해서는 전술한 다양한 조건들의 영향에 대한 연구가 필 요하다.
저자들은 이전 연구에서 용사법으로 Al/SiC 복합재 료를 제조하고, 미끄럼속도가 복합재료의 마모거동에 미 치는 영향에 대해 분석하였다. 이에 의하면 Al/SiC 복 합재료의 마모거동은 응착마모와 연삭마모가 함께 일어 나며 마모면의 표면에 응착층을 형성하고, 미끄럼속도 의 변화에 따라 다른 메커니즘을 가지는 것으로 나타 났다[4].
본 연구는 그 후속연구로서 용사법에 의해 제조된 Al/SiC 복합재료의 마모거동에 미치는 작용하중의 영향 에 대해 분석하였다.
†Corresponding author : [email protected]
2. 실험방법
본 연구의 기지재로는 Praxair사의 Al 분말(Al-104) 을, 강화재로는 Aldrich사에서 제조된 30-75 µm 크기 의 SiC 분말(37809-7)을 사용하고, SiC 분말이 40 vol.%가 되도록 기지재와 강화재를 섞어 120분간 볼밀 로 혼합하였다. 혼합된 분말을 Sulzer Metco사의 Flame spray system(6P II)을 사용하여 40 × 40 × 6 mm 의 SS400 모재 위에 두께가 900 ± 50 µm인 복합재
료 코팅을 제작하였다. Table 1에 본 실험에 사용한 용사조건을 나타내었다. 제조된 복합재료 코팅을 두께 가 700 µm가 되도록 연마하고, 표면조도를 일정하게 하기 위해 #2000 사포로 정밀연마하였다.
전처리된 시험편에 대해 ball-on-disk 타입의 마모시 험기를 이용하여 미끄럼 속도, 회전반경 및 싸이클수 는 각각 30 RPM, 15 mm, 1000으로 일정하게 하고, 작용하중을 5, 10, 15, 20 N의 네 가지로 변화시키면 서 건식 미끄럼 마모시험을 실시하였다. 상대마모재로 는 8 mm 지름의 고탄소크롬강(AISI 52100) 볼을 사용 하였다. 마모시험후 SEM(scanning electron microscope) 및 EDS(energy dispersive spectrometer)를 사용하여 마모거동을 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
Fig. 1은 작용하중에 따른 Al/SiC 복합재료의 마모 면 사진이다. 사진 상단의 화살표는 마모방향을 나타 Table 1. Thermal spray conditions
Parameters Conditions Oxygen gas flow [m3/h] 0.68 Acetylene gas flow [m3/h] 0.68 Powder feed rate [kg/h] 5.4 Spray distance [mm] 0.96
SiC Vol. % 0.40
Fig. 1. SEM images of worn surface of Al/SiC composites : (a) 5 N, (b) 10 N, (c) 15 N, (d) 20 N.
낸다. Fig. 1(a)는 작용하중 5 N인 경우의 마모면 사 진으로서 전체적으로 거친 연삭마모거동을 보여주고 있으며, 부분적으로 (1)로 나타낸 바와 같이 응착층이 형성되었음을 관찰할 수 있다. 이러한 응착층은 초기 의 연삭마모에 의해 발생한 마모분이 반복적으로 접촉 됨으로써 생성된 것으로 판단된다. 작용하중이 10 N인 경우(Fig. 1(b))에는 대부분의 마모면에서 응착층을 형 성하여 5 N인 경우보다 부드러운 연삭마모와 평활한 마모면이 관찰된다. 하지만 (2)로 표시한 평활하지 못 한 마모면이 일부 관찰되는데, 코팅층의 단면사진에서 이 부분은 주위의 마모면보다 낮은 것으로 보아 응착 층이 형성되지 않은 것으로 생각된다. Fig. 1(c)는 작 용하중 이 15 N인 경우의 마모면 사진이다. 작용하중 이 10 N인 경우처럼 마모면 전체에서 연삭마모를 관 찰할 수 있고, 전체적으로 마모면이 평탄하지만 마모 면 위로 일부 돌출된 부분들(3)을 볼 수 있다. 이것은 작용하중이 작을 때에 비해서 응착층의 형성이 빨라지 며, 그 응착층 위에 다른 마모분에 의해 새로운 응착
층이 형성된 흔적으로 판단된다. Fig. 1(d)는 작용하중 20 N인 경우의 마모면 사진이다. 응착층 위에서 매우 고르게 연삭마모된 흔적과 마모면이 크게 손상된 부분 (4)이 함께 관찰된다. 이 손상된 부분은 비교적 높은 작용하중 하에서 응착마모에 의해 마모면에 형성된 응 착층이 반복된 접촉으로 인해 큰 소성변형이 발생하고 그 결과 일부의 마모면이 탈락된 흔적인 것으로 생각 된다. Fig. 2는 상대마모재의 마모면 사진이다. 사진 상단의 화살표는 마모방향을 나타낸다. 작용하중이 5 N인 경우(Fig. 2(a)) 접촉면 전체에서 연삭마모가 주로 관찰되며(1), 마모방향의 끝 부분에 응착층이 형성되어 있는 것(2)을 볼 수 있다. 작용하중이 10 N인 경우 (Fig. 2(b))에는 접촉면 전체에 걸쳐서 응착층이 형성되 어 있다(3). 작용하중 15 N인 경우(Fig. 2(c)) 응착층 이 반복적으로 적층된 것(4)을 볼 수 있고, 작용하중 20 N(Fig. 2(d)) 인 경우에는 이러한 응착층의 적층이 더욱 증가 한 것(5)을 확인할 수 있다. 이상의 결과들 로부터 작용하중이 증가함에 따라 마모면에 응착층이
Fig. 2. SEM images of worn surface of counterpart materials : (a) 5 N, (b) 10 N, (c) 15 N, (d) 20 N.
증가하는 것을 확인할 수 있는데, 작용하중 15 N 이상인 경우에는 마모면 전체에 응착층이 형성된 이 후 응착층 위에서 연삭마모가 진행되어 마모면이 평 활해진다. 또한 작용하중이 20 N인 경우에는 높은 하중 하에서의 반복된 접촉에 의해 응착층의 파손이 발생한다. 한편 상대마모재 접촉면에서는 작용하중이 증가함에 따라 마모면에서의 응착층의 적층이 증가 하게 된다.
전술한 복합재료의 마모면과 상대마모재의 접촉면에 형성된 응착층은 EDS 분석결과(Fig. 3) Al이 성분인 것으로 확인되었는데, 이로부터 상대마모재의 접촉면 에 형성된 응착층은 복합재료의 표면에서 탈락된 Al이 천이된 것임을 알 수 있다. 다른 연구 결과에 의하면, 이러한 응착층은 복합재료와 상대마모재의 성분 및 산 화물로 이루어져 있는 것으로 알려져 있는데[5], 본 연 구의 결과 이 응착층은 복합재료의 기지재인 Al로 이 루어졌으며 기타의 성분이나 산화물 등은 검출되지 않 았다. 작용하중이 증가할수록 Al/SiC 복합재료의 마모 면에는 응착층이 증가하게 되고, 그 응착층 위에서의 연삭마모가 진행되며, 또한 상대마모재의 표면에는 마 모면으로부터 천이된 Al에 의해 생성된 응착층이 반복 적으로 형성됨으로써 결과적으로 응착층간의 마모가 진행되었음을 알 수 있다.
Fig. 4은 작용하중에 따른 마모율을 나타낸 것이다.
작용하중이 5, 10, 15 N으로 증가함에 따라 마모율이 감소하는데, 이는 전술한 바와 같이 하중이 증가할수 록 복합재료와 상대마모재의 마모면에 응착층이 증가 하고, 이 응착층간의 마모가 진행되기 때문이다. 특히 마모면 전체에 응착층을 형성하고 있는 15 N의 경우
에는 부분적으로 응착층을 형성하고 있는 5 N의 경우 보다 상당히 낮은 마모율을 나타내었다. 그러나 작용 하중이 20 N이 되면 마모면 전체에 걸쳐서 응착층을 형성하지만, 이 응착층이 소성변형에 의해 파손됨으로 써 응착층을 형성하지 않은 5 N의 경우보다 오히려 높은 마모율을 나타내게 된다. 이러한 결과는 H. Arik 등의 Al/Al4C3 복합재료의 마모에 관한 연구에서도 보 고된 바 있다[9]. 그들의 연구에 의하면 Al/Al4C3복합 재료는 낮은 하중에서 마모시험을 실시하게 되면 기계 적 혼합층(mechanical mixed layer:MML)을 형성하여 마모율이 낮아지게 되지만, 하중을 높여 실험하게 되 면 이 층이 파손되어 상당히 높은 마모율을 나타내었 다. 본 연구에서는 기계적 혼합층은 형성되지 않았지 만 응착층의 형성에 의해 유사한 결과가 얻어진 것으 로 생각된다.
Fig. 5는 작용하중에 따른 Al/SiC 복합재료의 마찰 계수의 변화를 나타낸 그래프이다. 작용하중이 5, 10, 15N인 경우(Fig. 5(a), (b), (c)) 마모 초기에 마찰계수 의 변화가 크고 사이클이 증가할수록 변화가 적은 반 면, 작용하중이 20 N인 경우에는 전체적으로 마찰계수 의 변화의 폭이 크다. 일반적인 재료의 마모 프로세스 는 크게 비정상상태(running-in) 구간, 정상상태(steady- state) 구간, 파손(failure) 구간으로 구분되는데, 이중 비정상상태 구간은 재료의 종류나 표면상태에 따라 다 양한 형태를 나타낸다[7-9]. 작용하중이 5 N인 경우 마찰계수 변화폭이 다소 감소하고 있지만, 응착층의 형 성이 부분적으로 이루어지기 때문에 마모 프로세스가 명확하게 구분되지 않는다. 하지만 작용하중이 10 N 및 15 N인 경우에는 대략 400, 200 cycle 이후 마찰 Fig. 3. EDS results of adhered layer on the surface of
composites.
Fig. 4. Wear rate of Al/SiC composites according to applied load.
계수가 거의 일정하게 유지되는데, 이로부터 이 구간 은 응착층이 형성된 후의 연삭마모가 일어나는 정상 상태 구간인 것으로 판단된다. 마모 초기의 비정상상 태 구간에서는 마모면에서 마멸입자가 탈락되고, 마 모가 진행됨에 따라 이 마멸입자들이 반복된 접촉에 의해 마모트랙의 표면에 응착층을 형성하게 된다. 이 후의 정상상태 구간에서는 복합재료와 상대마모재의 표면에 형성된 응착층간의 마모가 진행되게 된다. 15 N의 하중이 작용하는 경우는 비정상상태 구간이 10 N의 경우에 비해 훨씬 짧으므로 마모율 또한 작게 나타나는 것으로 생각된다. 작용하중이 20 N인 경우 (Fig. 5(d))에는 다른 경우와 달리 싸이클수와 무관하 게 마찰계수변화의 폭이 크게 나타난다. 이는 마모면 에서 마모가 진행됨에 따라 응착층 형성과 파손이 반 복되기 때문이며, 이러한 비정상상태 마모가 지속적 으로 진행됨으로써 다른 경우보다 마모율이 크게 나 타나게 된다. 이러한 마모 프로세스를 보면 비정상상 태에서의 마모가 Al/SiC 복합재료의 마모율을 크게 증가시키며, 15 N의 하중이 작용할 때 응착층의 파 손이 생기지 않으면서 가장 빠른 시간에 정상상태 구간에 들어서게 됨으로써 가장 낮은 마모율을 나타 낸다.
4. 결 론
본 연구에서는 용사법에 의해 Al/SiC 복합재료를 제 조하고, 작용하중을 달리하여 건식 미끄럼 마모시험을 실시함으로써 복합재료의 마모거동에 미치는 작용하중 의 영향에 대해 분석하였다.
작용하중에 관계없이 마모면의 표면과 상대마모재의 접촉면에 복합재료의 기재인 Al 응착층이 형성되고, 작 용하중이 증가할수록 복합재료 마모면에서는 이 응착 층 위에서의 연삭마모가 진행된다.
작용하중이 5, 10, 15 N으로 증가함에 따라 복합재 료의 마모면에서 응착층의 형성시기가 빨라지고, 그 결 과 정상상태의 마모가 진행됨으로써 마모율이 감소한 다. 작용하중이 20 N인 경우에는 복합재료의 마모면에 응착층의 형성과 파손이 반복하고 비정상상태의 마모 가 지속적으로 진행됨으로써 높은 마모율을 나타낸다.
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